JP2013164254A

JP2013164254A - 燃料ノズル端部カバー、燃料ノズル、及び燃料ノズル端部カバーの製造方法

Info

Publication number: JP2013164254A
Application number: JP2013020010A
Authority: JP
Inventors: Bill Damon Johnston; ビル・デイモン・ジョンストン; Daniel Anthony Nowak; ダニエル・アンソニー・ノワク; Srikanth Chandrudu Kottilingam; スリカンス・チャンドルドゥ・コッティリンガム; Amit Monga; アミット・モンガ; Brian Lee Tollison; ブライアン・リー・トリソン; John Gregory Obeirne; ジョン・グレゴリー・オベーンヌ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-02-09
Filing date: 2013-02-05
Publication date: 2013-08-22
Also published as: EP2626636A2; EP2626636A3; US20130205789A1

Abstract

【課題】燃料ノズル、燃料ノズル端部カバー、及び燃料ノズル端部カバーを製造する方法を提供すること。
【解決手段】燃料ノズル端部カバーは、基材と、該基材から燃料ノズル端部カバーのキャビティ内に延在する１以上の特徴部とを含む。１以上の特徴部は、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択されるプロセスによって基材に固定される。燃料ノズルは、燃料ノズルインサートと、燃料ノズル端部カバーとを含む。燃料ノズル端部カバーを製造する方法は、基材を提供するステップと、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接プロセスにより１以上の特徴部を基材に固定するステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料ノズル及び燃料ノズル部品の製造方法に関する。最も具体的には、本発明は、燃料ノズル端部カバー及び燃料ノズル端部カバーの製造方法に関する。

一般に、ガスタービンは厳しい運転にさらされる。高温、厳しい環境、広範な環境での使用、及び長い使用時間により、ガスタービン及びその構成部品に対する課題がもたらされる。このような構成部品の有効寿命を延ばすこと、及びこのような構成部品の補修能力を改善することで、ガスタービンに関するコスト低減が可能になり、ガスタービンの運転状態を改善することができる。

公知のガスタービンの燃料ノズル上の端部カバーは、該端部カバーにろう付けされたインサートを備える。一般に、このようなインサートは、インサートを端部カバー内に固定する４つのろう付け継手を有する。これらのろう付け継手は、故障の影響を受け易く、例えば、ろう付け継手の近くで漏洩を生じることにつながる。また、このようなろう付け継手は、頻繁な補修を必要とする欠点が生じる場合がある。このような補修は、複雑で高価なものとなる場合がある。さらに、このような補修を行う能力が制限される場合がある。

公知の端部カバーの補修により、補修不能な更なる漏洩につながる場合がある。例えば、補修のためにインサートを取り外すときに、ろう付け継手は切り離される。ろう付け継手を繰り返して切り離すと、漏洩のような、適切に補修できない望ましくない運転上の問題につながる可能性がある。公知の端部カバーは、このような繰り返される補修が３回に制限されるという欠点がある。

米国特許第６１１２９７１号明細書

当該技術分野において、前述の１以上の欠点を生じない燃料ノズル、燃料ノズル端部カバー、及び燃料ノズル端部カバーを製造する方法が望まれる。

１つの例示的な実施形態では、燃料ノズル端部カバーは、基材と、該基材から燃料ノズル端部カバーのキャビティ内に延在する１以上の特徴部とを含む。１以上の特徴部は、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択されるプロセスによって基材に固定される。

別の例示的な実施形態では、燃料ノズルは、燃料ノズルインサートと、燃料ノズル端部カバーとを含む。燃料ノズル端部カバーは、燃料ノズルインサートに対応し、基材と、該基材から燃料ノズル端部カバーのキャビティ内に延在する１以上の特徴部とを含む。１以上の特徴部は、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択されるプロセスによって基材に固定される。

別の例示的な実施形態では、燃料ノズル端部カバーを製造する方法は、基材を提供するステップと、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接プロセスにより１以上の特徴部を基材に固定するステップとを含む。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例証として示す添付図面と併せて以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明白になるであろう。

本開示の一実施形態による、燃料ノズルインサートが取り外した位置で示された、燃料ノズル端部カバー及び燃料ノズルインサートを有する例示的な燃料ノズルの概略図。本開示の一実施形態による、燃料ノズル端部カバーのキャビティ内に延在する１以上の特徴部を有する例示的な燃料ノズル端部カバーの概略図。

可能な限り、図面を通して同じ参照番号を用いて同じ要素を示す。

上述の欠点の１以上を生じない、例示的な燃料ノズル、燃料ノズル端部カバー、及び燃料ノズル端部カバーの製造方法が提供される。本開示の実施形態により、燃料ノズルを長期間にわたって使用でき、燃料ノズルを簡単な方法で補修することができ、より多くの回数（例えば、３回以上）で燃料ノズルを補修して補修の運用コストを低減することができ、燃料ノズルの漏洩を防止し、及びこれらの組合せが可能となる。

図１は、例示的な燃料ノズル１００の断面図を示す。燃料ノズル１００は、と、取り外した位置で示した燃料ノズル端部カバー１０４とを含む。燃料ノズルインサート１０２は、燃料ノズル端部カバー１０４内に取り外し可能に固定することができる。燃料ノズル１００は、任意の好適なシステム（図示せず）の一部とすることができる。一実施形態では、燃料ノズル１００は、ガスタービンシステムの一部である。

燃料ノズル端部カバー１０４は、基材１０６と、基材１０６から燃料ノズル端部カバー１０４により形成されたキャビティ１１０内に延在する１以上の特徴部１０８とを含む。基材１０６は、任意の好適な金属又は金属組成物である。一実施形態では、基材１０６は、ステンレス鋼であるか又はこれを含有する。

一実施形態では、キャビティ１１０は、基材１０６に形成（例えば、穴あけによって）した実質的に円筒形部分を含む。例えば、一実施形態では、第１の円筒部１１２は、特徴部１０８の１以上により第２の円筒部１１４から分離されている。この実施形態では、第１の円筒部１１２は、第２の円筒部１１４の第２の直径１１１（例えば、約２．３インチ）よりも大きな第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とは異なる。一実施形態では、第１の円筒部１１２は第１の深さ１１３（例えば、約１．４インチ）を有し、第２の円筒部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の深さとは異なる。別の実施形態では、特徴部１０８により第１の円筒部１１２及び第２の円筒部１１４から分離された切頭円錐部１１６が含まれている。

特徴部１０８は、キャビティ１１０における燃料ノズル端部カバー１０４への燃料ノズルインサート部１０２の取り外し可能な固定を容易にするように構成及び配置される。例えば、特徴部１０８は、キャビティ１１０内に延在して、燃料ノズルインサート部１０２上の突出部１１８に対応する同心リングを形成する。突出部１１８は各々、特徴部１０８の幾何形状に対応する幾何形状を有し、これにより燃料ノズル端部カバー１０４内での燃料ノズルインサート部１０２の締まり嵌めを可能にする。一実施形態では、突出部１１８及び特徴部１０８は、燃料ノズル端部カバー１０４内に燃料ノズルインサート部１０２を固定する。別の実施形態では、突出部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、又はこれらの組合せなどの溶接により互いに固定される。

特徴部１０８は、任意の好適な構成で位置付けられる。例えば、一実施形態では、複数の特徴部１０８が第１の円筒部１１２及び第２の円筒部１１４の各々の中に位置付けられる。他の実施形態では、特徴部１０８のうちの１つだけが第１の円筒部１１２及び第２の円筒部１１４の各々に位置付けられる。これに加えて、又は代替として、一実施形態では、特徴部１０８の１以上は、第１の円筒部１１２及び／又は第２の円筒部１１４を通ってキャビティ１１０の周りを円周方向に延在する。別の実施形態では、特徴部１０８の１以上は、キャビティ１１０内で円周方向に不連続である。

図２を参照すると、一実施形態では、特徴部１０８は、簡単な幾何形状２０２（例えば、実質的に立方形の幾何形状）からあらゆる好適な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、段付き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、固定時に基材１０６と当接するように延在する第１の表面２０３と、該第１の表面２０３に実質的に垂直な方向に延在する第２の表面２０４（例えば、燃料ノズル端部カバー１０４から離れて）と、該第２の表面２０４に実質的に垂直な方向に延在する第３の表面２０６（例えば、第１の表面２０３に平行）と、該第３の表面２０６に実質的に垂直な方向に延在する第４の表面２０８（例えば、キャビティ１１０に向かって）と、該第４の表面２０８に実質的に垂直な方向に延在する第５の表面２１０（例えば、第１の表面２０３に平行）と、固定時に第１の表面２０３に実質的に垂直な方向に延在する第６の表面２１２（例えば、基材１０６に向かう方向）と、固定時に第４の表面２０８から基材１０６に延在する第７の表面２１３（例えば、９０度以外の角度で）とを含む。一実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、段付き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、基材１０６から延在する第１の実質的に平坦な表面２１４と、該第１の実質的に平坦な表面２１４から延在する第２の実質的に平坦な表面２１６と、該第２の実質的に平坦な表面２１６から延在する第３の実質的に平坦な表面２１８とを含む。第１の実質的に平坦な表面２１４、第２の実質的に平坦な表面２１６、及び第３の実質的に平坦な表面２１８は、第３の実質的に平坦な表面２１８から基材１０６に延在する傾斜部２２０を備える実質的に立方形の幾何形状を形成する。

特徴部１０８は、任意の好適な方法で基材１０６に固定される。特徴部１０８を基材１０６へ固定することにより、利用する溶接方法に基づく所定の微細構造（図示せず）がもたらされる。固定は、ビーム溶接（レーザ及び／又は電子ビーム等の）、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等の）、及びガスメタルアーク溶接（金属不活性ガス溶接等の）の１以上によって行われる。ビーム溶接又は摩擦溶接による固定に関する実施形態等の一実施形態では、所定の微細構造は、所定の微細構造を有する基材１０６に隣接した第１の熱影響域と、第１の熱影響域と融合域との間の第２の熱影響域と、第２の熱影響域と第３の熱影響域との間の融合域と、融合域と第４の熱影響域との間の第３の熱影響域と、第３の熱影響域と特徴部１０８の影響を受けない部分との間の第４の熱影響域とを含む。一実施形態では、各区域は異なる微細構造を有する。当業者であれば理解されるように、他の実施形態は、ろう付けを用いた技術と区別される特徴を含む。

一実施形態では、特徴部１０８を基材１０６に固定することで、繰り返してインサート１０２を燃料ノズル端部カバー１０４に挿入すること、及びそこから取り外すことが可能になる。例えば、一実施形態では、インサート１０２は、例えば、３回以上、４回以上、５回以上、１０回以上、又は他の何れかの好適な回数以上といった少なくとも所定回数だけ、燃料ノズル１００に殆ど又は全く損傷を与えることなく燃料ノズル端部カバー１０４から取り外すことができる。

特徴部１０８は、あらゆる好適な材料である。一実施形態では、特徴部１０８の１以上は、基材１０６と異なる組成を有する。一実施形態では、特徴部１０８の材料は、ろう付けに使用される材料と比べて等しいかそれよりも大きな延性、及び／又はビーム溶接（レーザ及び／又は電子ビーム等の）、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等の）、及び／又はガスメタルアーク溶接（金属不活性ガス溶接等の）のような溶接によって固定されたときの基材１０６が有するであろう延性よりも大きい延性を含む。

一実施形態では、特徴部１０８の１以上は、約１０重量％のＮｉ、約２０重量％のＣｒ、約１５重量％のＷ、最大約３重量％のＦｅ、約１．５重量％のＭｎ、最大約０．４重量％のＳｉ、約０．１０重量％のＣ、及び残部のＣｏと不可避不純物の組成を含有する。一実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、約０．００５重量％のＣ、０．１５０重量％のＭｎ、約０．００５重量％のＰ、約０．００２重量％のＳ、約０．０３重量％のＳｉ、約１５．５０重量％のＣｒ、約１６．０重量％のＭｏ、約３．５０重量％のＷ、約０．１５重量％のＶ、約０．１０重量％のＣｏ、約６．００％のＦｅ、及び残部のＮｉと不可避不純物の組成を含有する。一実施形態では、特徴部１０８の少なくとも１つは、約０．０１５重量％のＣ、約０．４８重量％のＳｉ、約２０重量％のＣｒ、約１．８５重量％のＭｎ、約０．１５重量％のＰ、最大約０．２０重量％のＣｕ、約０．１０重量％のＳ、最大約０．６０重量％のＮ、最大約０．５０重量％のＭｏ、約１０．１重量％のＮｉ、及び残部のＦｅと不可避不純物の組成を含有する。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく種々の変更を行うことができ且つ本発明の要素を均等物で置き換えることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。加えて、本発明の本質的な範囲から逸脱することなく、特定の状況又は物的事項を本発明の教示に適合するように多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、また本発明は、提出した請求項の技術的範囲内に属する全ての実施形態を包含するものとする。

１００燃料ノズル
１０２燃料ノズルインサート
１０４燃料ノズル端部カバー
１０６基材
１０８特徴部
１１０キャビティ

Claims

燃料ノズル端部カバーであって、
基材と、
基材から燃料ノズル端部カバーのキャビティ内に延在する１以上の特徴部と
を備え、
１以上の特徴部が、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択されるプロセスによって基材に固定される、燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部が、所定の幾何形状に機械加工される、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部が、基材にタングステン不活性ガス溶接される、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部が、基材に電子ビーム溶接される、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部が、基材とは異なる組成を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部が、基材とは異なる延性を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部の少なくとも１つが、段付きの幾何形状を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部の少なくとも１つが、基材から延在する第１の面と、第１の面に実質的に垂直な方向に延在する第２の面と、第２の面に実質的に垂直な方向に延在する第３の面と、第３の面に実質的に垂直な方向に延在する第４の面と、第４の面に実質的に垂直な方向に延在する第５の面とを含む、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部の少なくとも１つが、段付きでない幾何形状を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部の少なくとも１つが、約１０重量％のＮｉ、約２０重量％のＣｒ、約１５重量％のＷ、最大約３重量％のＦｅ、約１．５重量％のＭｎ、最大約０．４重量％のＳｉ、約０．１０重量％のＣ、及び残部のＣｏと不可避不純物の組成を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部の少なくとも１つが、約０．００５重量％のＣ、０．１５０重量％のＭｎ、約０．００５重量％のＰ、約０．００２重量％のＳ、約０．０３重量％のＳｉ、約１５．５０重量％のＣｒ、約１６．０重量％のＭｏ、約３．５０重量％のＷ、約０．１５重量％のＶ、約０．１０重量％のＣｏ、約６．００％のＦｅ、及び残部のＮｉと不可避不純物の組成を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部の少なくとも１つが、約０．０１５重量％のＣ、約０．４８重量％のＳｉ、約２０重量％のＣｒ、約１．８５重量％のＭｎ、約０．１５重量％のＰ、最大約０．２０重量％のＣｕ、約０．１０重量％のＳ、最大約０．６０重量％のＮ、最大約０．５０重量％のＭｏ、約１０．１重量％のＮｉ、及び残部のＦｅと不可避不純物の組成を有する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
１以上の特徴部が、端部カバーにインサートを取り外し可能に固定する、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
基材がステンレス鋼である、請求項１記載の燃料ノズル端部カバー。
燃料ノズルであって、
燃料ノズルインサートと、
燃料ノズルインサートに対応する燃料ノズル端部カバーと
を備え、燃料ノズル端部カバーが、
基材と、
基材から燃料ノズル端部カバーのキャビティ内に延在する１以上の特徴部と
を含み、１以上の特徴部が、ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択されるプロセスによって基材に固定される、燃料ノズル。
燃料ノズル端部カバーを製造する方法であって、
燃料ノズル端部カバーの基材を提供するステップと、
ビーム溶接、摩擦溶接、ガス金属アーク溶接、及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接プロセスによって１以上の特徴部を基材に固定するステップと
を含む、方法。
１以上の特徴部の少なくとも１つを所定の幾何形状に機械加工するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。
固定ステップがタングステン不活性ガス溶接に基づく、請求項１６記載の方法。
固定ステップが電子ビーム溶接に基づく、請求項１６記載の方法。
燃料ノズルインサートを燃料ノズル端部カバーに取り外し可能に固定するステップをさらに含む、請求項１６記載の方法。