JP2013148342A - 燃料ノズル組立体を製造するプロセス、燃料ノズルリングを製造するプロセス、及び燃料ノズルリング - Google Patents

Abstract

【課題】燃料ノズル組立体を製造するプロセス、燃料ノズルリングを製造するプロセス、及び燃料ノズルリングを提供する。
【解決手段】燃料ノズル組立体１００を製造するプロセスは、燃料ノズルエンドカバー１０４を用意するステップと、燃料ノズルエンドカバーの空洞部内に燃料ノズルリングを配置するステップと、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体１０２の１つ又は複数に対応する特徴部を形成するために燃料ノズルリングを燃料ノズルエンドカバーに固定するステップとを含む。燃料ノズルリングを製造するプロセスは、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する少なくとも１つの表面を含む燃料ノズルリングを形成するステップを含む。燃料ノズルリングは、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する少なくとも１つの表面を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ノズル組立体、及び燃料ノズル組立体の構成要素を製造するプロセスに関する。より具体的には、本発明は、燃料ノズルエンドカバー、及び燃料ノズルエンドカバーを製造するプロセスに関する。

一般に、ガスタービンは、より要求が厳しい運転に曝される。より高い温度、より過酷な環境、より広範な環境での使用、及び使用期間の延長により、ガスタービン及びその構成要素に関する課題がもたらされる。そうした構成要素の耐用寿命の延長、及びそうした構成要素の修復機能の改善により、ガスタービンに関するコストが低減し、ガスタービンの運転態様が増加する可能性がある。

ガスタービンの燃料ノズル組立体の既知のエンドカバーは、エンドカバー内にろう付けされた挿入体を有する。一般に、そうした挿入体は、エンドカバー内に挿入体を固定する４つのろう付継手を有する。これらのろう付継手は、ろう付継手の近傍で漏れを起こすなどの不具合に曝される。そうしたろう付継手は、頻繁に修理が必要になるという欠点を抱える可能性もある。そうした修理は、複雑で高価である可能性がある。それに加えて、そうした修理を行う能力は、限定される可能性がある。

既知のエンドカバーの修理により、修理することができない漏れがさらにもたらされる可能性がある。例えば、挿入体が修理のために取り外される際、ろう付継手は切断される。ろう付継手を繰り返し切断することにより、十分に修理することができない、漏れなどの望ましくない運転上の懸案事項がもたらされる可能性がある。既知のエンドカバーは、そうした繰り返される修理の反復回数が３回に限定されるという欠点を抱える。

米国特許第７１３４２８７号明細書

以上の欠点の１つ又は複数を抱えていない、燃料ノズル組立体、燃料ノズルエンドカバー、及び燃料ノズルエンドカバーを製造するプロセスが、当技術分野において望まれるであろう。

例示的な実施形態では、燃料ノズル組立体を製造するプロセスは、燃料ノズルエンドカバーを用意するステップと、燃料ノズルエンドカバーの空洞部内に燃料ノズルリングを配置するステップと、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する特徴部を形成するために燃料ノズルリングを燃料ノズルエンドカバーに固定するステップとを含む。

別の例示的な実施形態では、燃料ノズルリングを製造するプロセスは、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する少なくとも１つの表面を含む燃料ノズルリングを形成するステップを含む。

別の例示的な実施形態では、燃料ノズルリングは、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する少なくとも１つの表面を含む。

本発明の他の特徴及び利点は、例を用いて本発明の原理を示す添付の図と併せて、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明を読めば明らかになるであろう。

燃料ノズル挿入体が挿入位置にあることを示す、本開示の一実施形態による、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体を有する、例示的な燃料ノズル組立体の断面図である。 燃料ノズル挿入体が取外し位置にあることを示す、本開示の一実施形態による、燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体を有する、例示的な燃料ノズル組立体の概略断面図である。 本開示の一実施形態による、燃料ノズルエンドカバーの空洞部内に延びる１つ又は複数の特徴部を有する、例示的な燃料ノズルエンドカバーの概略図である。 本開示の一実施形態による燃料ノズルリングの斜視図である。

同じ部品を表すために、図面を通して可能な限り同じ参照番号を使用する。

以上の欠点の１つ又は複数を抱えていない、例示的な燃料ノズル組立体、燃料ノズルエンドカバー、及び燃料ノズルエンドカバーを製造するプロセスを提供する。本開示の実施形態は、燃料ノズル組立体をより長期間使用できるようにし、燃料ノズル組立体をより簡単な方法で修理できるようにし、燃料ノズル組立体をより多い回数（例えば４回以上）修理できるようにし、修理の作業コストを低減し、燃料ノズル組立体の漏れを防ぎ、又は以上の組合せを可能にする。

図１〜２は、例示的な燃料ノズル組立体１００を示す。燃料ノズル組立体１００は、燃料ノズル挿入体１０２及び燃料ノズルエンドカバー１０４を含む。燃料ノズル挿入体１０２は、燃料ノズルエンドカバー１０４内に着脱可能に固定することができる。図１は、燃料ノズルエンドカバー１０４に挿入された燃料ノズル挿入体１０２を示す。図２は、燃料ノズルエンドカバー１０４に挿入される前、又はそれから取り外された後の燃料ノズル挿入体１０２を示す。燃料ノズル組立体１００は、適当な任意のシステム（図示せず）の一部分とすることができる。一実施形態では、燃料ノズル組立体１００は、ガスタービンシステムの一部分である。

図２を参照すれば、燃料ノズルエンドカバー１０４は、基礎材料１０６と、基礎材料１０６から燃料ノズルエンドカバー１０４により形成された空洞部１１０内に延びる１つ又は複数の特徴部１０８とを含む。基礎材料１０６は、適当な任意の金属又は金属組成物である。一実施形態では、基礎材料１０６は、ステンレス鋼又はステンレス鋼組成物であり、又はそれらを含む。

一実施形態では、空洞部１１０は、基礎材料１０６を（例えば穿孔することにより）形成する、ほぼ円筒形の部分を含む。例えば、一実施形態では、第１の円筒形部分１１２は、特徴部１０８の１つ又は複数により第２の円筒形部分１１４から分離される。この実施形態では、第１の円筒形部分１１２は、第２の円筒形部分１１４の第２の直径１１１（例えば約２．３インチ）よりも大きい第１の直径１０９（例えば約４インチ）を有し、第１の直径１０９は第２の直径１１１と異なる。一実施形態では、第１の円筒形部分１１２は、第１の深さ１１３（例えば約１．４インチ）を有し、第２の円筒形部分１１４は、第２の深さ１１５（例えば約２．３インチ）を有し、第１の深さは第２の深さと異なる。別の実施形態では、特徴部１０８により第１の円筒形部分１１２及び第２の円筒形部分１１４から分離された切頭円錐部分１１６を含む。

特徴部１０８は、燃料ノズル挿入体１０２を燃料ノズルエンドカバー１０４の空洞部１１０内に着脱可能に固定することが容易にできるように構成及び配置される。例えば、特徴部１０８は、空洞部１１０内に延び、燃料ノズル挿入体１０２上の突起部１１８に対応する同心リングを形成する。突起部１１８はそれぞれ、特徴部１０８の幾何形状に対応する幾何形状を有し、それにより、燃料ノズル挿入体１０２を燃料ノズルエンドカバー１０４内の所定の位置に受け入れる（例えば、一実施形態では、所定の位置は、燃料ノズル挿入体１０２、燃料ノズルエンドカバー１０４、及び／又は特徴部１０８の幾何形状により決定される）。いくつかの実施形態では、特徴部１０８は、燃料ノズルエンドカバー１０４内に形成される。他の実施形態では、特徴部１０８の１つ又は複数は、燃料ノズルエンドカバー１０４の外部に形成された燃料ノズルリング３００（図４参照）から形成される。本明細書に使用する用語「リング」は、適当な任意の環状構造体を表すのに広く使用する。一実施形態では、突起部１１８及び特徴部１０８は、燃料ノズル挿入体１０２を燃料ノズルエンドカバー１０４内に機械的に固定する。別の実施形態では、突起部１１８及び特徴部１０８は、ビーム溶接（レーザ及び／又は電子ビーム）、摩擦溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガス金属アーク溶接、又はそれらの組合せなどの溶接により互いに固定される。

一実施形態では、複数の特徴部１０８は、第１の円筒形部分１１２及び第２の円筒形部分１１４のそれぞれの内部に配置される。他の実施形態では、特徴部１０８の１つだけが、第１の円筒形部分１１２及び第２の円筒形部分１１４のそれぞれの内部に配置される。それに加えて又はそれに代わって、一実施形態では、特徴部１０８の１つ又は複数は、第１の円筒形部分１１２及び／又は第２の円筒形部分１１４を通る空洞部１１０の円周に延びる。別の実施形態では、特徴部１０８の１つ又は複数は、空洞部１１０内の円周に不連続的に存在する。

図３を参照すれば、一実施形態では、特徴部１０８は、単純な幾何形状２０２（例えば、ほぼ直方体の幾何形状）から適当な任意の所定の幾何形状に機械加工される。一実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、階段状の幾何形状を有する。別の実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、固定される際に基礎材料１０６に当接して延びる第１の表面２０３と、第１の表面２０３にほぼ垂直な方向に（例えば、燃料ノズルエンドカバー１０４から離れて）延びる第２の表面２０４と、第２の表面２０４にほぼ垂直な方向に（例えば、第１の表面２０３に平行に）延びる第３の表面２０６と、第３の表面２０６にほぼ垂直な方向に（例えば、空洞部１１０の方に）延びる第４の表面２０８と、第４の表面２０８にほぼ垂直な方向に（例えば、第１の表面２０３に平行に）延びる第５の表面２１０と、固定される際に第５の表面２１０にほぼ垂直な方向に（例えば、基礎材料１０６に向かう方向に）延びる第６の表面２１２と、固定される際に第６の表面２１２から基礎材料１０６まで（例えば、９０度以外の角度で）延びる第７の表面２１３とを含む。一実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、階段状でない幾何形状を含む。例えば、別の実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、基礎材料１０６から延びる第１のほぼ平坦な表面２１４と、第１のほぼ平坦な表面２１４から延びる第２のほぼ平坦な表面２１６と、第２のほぼ平坦な表面２１６から延びる第３のほぼ平坦な表面２１８とを含む。第１のほぼ平坦な表面２１４、第２のほぼ平坦な表面２１６、及び第３のほぼ平坦な表面２１８は、第３のほぼ平坦な表面２１８から基礎材料１０６まで延びる傾斜部分２２０と共にほぼ直方体の幾何形状を形成する。

特徴部１０８は、適当な任意のプロセスにより基礎材料１０６に固定される。特徴部１０８を基礎材料１０６に固定することにより、使用する溶接プロセスに基づいて所定の微細構造体（図示せず）がもたらされる。この固定は、ビーム溶接（レーザ及び／又は電子ビームなど）、摩擦溶接、ガスタングステンアーク溶接（タングステン不活性ガス溶接など）、及びガス金属アーク溶接（金属不活性ガス溶接など）の１つ又は複数により行われる。一実施形態では、例えば、ビーム溶接又は摩擦溶接により物を固定する実施形態では、所定の微細構造体は、所定の微細構造を有する、基礎材料１０６の近傍の第１の熱影響領域と、第１の熱影響領域と溶融領域との間の第２の熱影響領域と、第２の熱影響領域と第３の熱影響領域との間の溶融領域と、溶融領域と第４の熱影響領域との間の第３の熱影響領域と、第３の熱影響領域と特徴部１０８の無影響部分との間の第４の熱影響領域とを含む。一実施形態では、これらの領域のそれぞれは、異なる微細構造を有する。当業者にはわかるように、他の実施形態には、ろう付けを使用する技法とは異なる特性が含まれる。

一実施形態では、特徴部１０８を基礎材料１０６に固定することにより、挿入体１０２の燃料ノズルエンドカバー１０４への挿入及びそれからの取外しを繰り返すことが可能になる。例えば、一実施形態では、挿入体１０２は、４回以上、５回以上、６回以上、又は１１回以上など、少なくとも所定の回数、燃料ノズル組立体１００にほとんど損傷を与えないか又は全く損傷を与えることなく、燃料ノズルエンドカバー１０４から取り外すことができる。

特徴部１０８は、適当な任意の材料である。一実施形態では、特徴部１０８の１つ又は複数は、基礎材料１０６とは異なる組成を有する。一実施形態では、特徴部１０８の材料は、ろう付けに使用する材料の延性、及び／又は、ビーム溶接（レーザ及び／又は電子ビームなど）、摩擦溶接、（タングステン不活性ガス溶接など）、及び／又はガス金属アーク溶接（金属不活性ガス溶接など）などの溶接により固定される際に基礎材料１０６が有する延性と等しいか、又はより大きい延性を含む。

一実施形態では、特徴部１０８及び／又は基礎材料１０６は、ステンレス鋼組成物を含む。例えば、一実施形態では、特徴部１０８及び／又は基礎材料１０６は、オーステナイト系ステンレス鋼を含む。別の実施形態では、特徴部１０８及び／又は基礎材料１０６は、フェライト系ステンレス鋼を含む。別の実施形態では、特徴部１０８及び／又は基礎材料１０６は、マルテンサイト系ステンレス鋼を含む。別の実施形態では、特徴部１０８は、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、又はマルテンサイト系ステンレス鋼を含み、基礎材料１０６は、オーステナイト系ステンレス鋼、フェライト系ステンレス鋼、及びマルテンサイト系ステンレス鋼の群から選択される異なるステンレス鋼を含む。

一実施形態では、燃料ノズルエンドカバー１０４を製造するプロセスは、燃料ノズルエンドカバー１０４の空洞部１１０内、又は別途燃料ノズル組立体１００内に燃料ノズルリング３００（図４に示す）を配置するステップを含む。次に、燃料ノズルリング３００は、燃料ノズルエンドカバー１０４に直接又は間接的に固定される。一実施形態では、燃料ノズルリング３００は、例えば燃料ノズルエンドカバー１０４及び燃料ノズル挿入体１０２の１つ又は複数に応じて、所定の幾何形状に機械加工される。機械加工は、燃料ノズルリング３００を燃料ノズルエンドカバー１０４に固定する前、又は燃料ノズルリング３００を燃料ノズルエンドカバー１０４に固定した後にある。一実施形態では、この固定は、ろう付け、及び／又は特徴部１０８全体の固定に関して以上に説明した他の固定技法によるものである。一実施形態では、この固定は、燃料ノズルリング３００を通して行われる。一実施形態では、第２の燃料ノズルリング３００は、燃料ノズルエンドカバー１０４に、又は別途燃料ノズル組立体１００内に固定される。別の実施形態では、複数の燃料ノズルリング３００は、燃料ノズルエンドカバー１０４、燃料ノズル挿入体１０２、又は別途燃料ノズル組立体１００に固定される。例えば、一実施形態では、燃料ノズルリング３００は、燃料ノズル組立体１００内に２つ、３つ、４つ、又はそれより多くの位置で固定される。それに加えて又はそれに代わって、他の実施形態では、燃料ノズル挿入体１０２及び／又は燃料ノズルエンドカバー１０４は、互いに及び／又は（１つ又は複数の）燃料ノズルリング３００に対応する幾何形状に機械加工される。例えば、一実施形態では、燃料ノズルリング３００は、燃料ノズル挿入体１０２に対応する幾何形状を含み、燃料ノズルエンドカバー１０４に合わせて機械加工されるか、又は燃料ノズルエンドカバー１０４に対応する幾何形状を含み、燃料ノズル挿入体１０２に合わせて機械加工される。

本発明は、好ましい実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができ、その要素を均等なもので置き換えることができることが当業者には理解されよう。それに加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に合わせるために、多くの変更を行うことができる。したがって、本発明は、本発明を実施するために企図した最良の形態として開示した特定の実施形態に限定せず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内にあるすべての実施形態を含むものとする。

１００ 燃料ノズル組立体
１０２ 燃料ノズル挿入体
１０４ 燃料ノズルエンドカバー
１０６ 基礎材料
１０８ 特徴部
１０９ 第１の直径
１１０ 空洞部
１１１ 第２の直径
１１２ 第１の円筒形部分
１１３ 第１の深さ
１１４ 第２の円筒形部分
１１５ 第２の深さ
１１６ 切頭円錐部分
１１８ 突起部
２０２ 単純な幾何形状
２０３ 第１の表面
２０４ 第２の表面
２０６ 第３の表面
２０８ 第４の表面
２１０ 第５の表面
２１２ 第６の表面
２１３ 第７の表面
２１４ 第１のほぼ平坦な表面
２１６ 第２のほぼ平坦な表面
２１８ 第３のほぼ平坦な表面
２２０ 傾斜部分
３００ 燃料ノズルリング

Claims (20)

1. 燃料ノズル組立体を製造するプロセスであって、
   燃料ノズルエンドカバーを用意するステップと、
   前記燃料ノズルエンドカバーの空洞部内に燃料ノズルリングを配置するステップと、
   前記燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する特徴部を形成するために前記燃料ノズルリングを前記燃料ノズルエンドカバーに固定するステップと
   を含む、プロセス。
2. 前記固定は、ビーム溶接、摩擦溶接、ガスタングステンアーク溶接、ガス金属アーク溶接からなる群から選択される溶接プロセス及びそれらの組合せによるものである、請求項１記載のプロセス。
3. 前記燃料ノズルリングを機械加工するステップをさらに含む、請求項１記載のプロセス。
4. 前記燃料ノズルリングの前記機械加工は、前記燃料ノズルリングを前記燃料ノズルエンドカバーに固定する前のものである、請求項３記載のプロセス。
5. 前記燃料ノズルリングの前記機械加工は、前記燃料ノズルリングを前記燃料ノズルエンドカバーに固定したことに続いて行われる、請求項３記載のプロセス。
6. 前記固定は、タングステン不活性ガス溶接によるものである、請求項１記載のプロセス。
7. 前記固定は、電子ビーム溶接によるものである、請求項１記載のプロセス。
8. 前記固定は、ろう付けによるものである、請求項１記載のプロセス。
9. 前記燃料ノズルリングを通して燃料ノズル挿入体を前記燃料ノズルエンドカバーに固定するステップをさらに含む、請求項１記載のプロセス。
10. 前記燃料ノズルリングは、前記燃料ノズルエンドカバーとは異なる組成を有する、請求項１記載のプロセス。
11. 前記燃料ノズルリングは、前記燃料ノズルエンドカバーとは異なる延性を有する、請求項１記載のプロセス。
12. 前記燃料ノズルリングは、階段状の幾何形状を有する、請求項１記載のプロセス。
13. 前記燃料ノズルリングは、前記燃料ノズルエンドカバーから延びる第１の表面と、前記第１の表面にほぼ垂直な方向に延びる第２の表面と、前記第２の表面にほぼ垂直な方向に延びる第３の表面と、前記第３の表面にほぼ垂直な方向に延びる第４の表面と、前記第４の表面にほぼ垂直な方向に延びる第５の表面とを含む、請求項１記載のプロセス。
14. 前記燃料ノズルリングは、階段状でない幾何形状を有する、請求項１記載のプロセス。
15. 前記プロセスは、修理プロセスである、請求項１記載のプロセス。
16. 製造された前記燃料ノズル組立体は、以前に運転で使用されていない、請求項１記載のプロセス。
17. 前記燃料ノズルリングは、ステンレス鋼を含む、請求項１記載のプロセス。
18. 第２のリングを前記燃料ノズルエンドカバーに固定するステップをさらに含む、請求項１記載のプロセス。
19. 燃料ノズルリングを製造するプロセスであって、
    燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する少なくとも１つの表面を含む前記燃料ノズルリングを形成するステップを含む、プロセス。
20. 燃料ノズルエンドカバー及び燃料ノズル挿入体の１つ又は複数に対応する少なくとも１つの表面を含む、燃料ノズルリング。