JP2013245936A - モノリシックノズル部品を含むターボ機械燃焼器ノズル及びその形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】モノリシックノズル部品を有するターボ機械燃焼器ノズルおよびターボ機械燃焼器ノズルを形成する方法を提供する。
【解決手段】ターボ機械燃焼器ノズル６０は、プレートエレメント１００と複数のノズルエレメント１０４とを有するモノリシックノズル部品８０を含む。複数のノズルエレメントの各々は、プレートエレメントから第２の端部１０７へと延在する第１の端部１０６を含む。プレートエレメント及び複数のノズルエレメントは一体部品として形成される。プレート部材８３がノズル部品と結合される。プレート部材は、第１及び第２の表面を画成する外縁と、第１の表面と第２の表面の間に延在する複数の開口１０９とを含む。複数の開口は、複数のノズルエレメントのうちの対応するノズルエレメントの第２の端部と位置合わせして第２の端部を受けるように構成及び配置される。
【選択図】図３

Description

本明細書中に開示される主題は、ターボ機械の技術に関し、特に、モノリシックノズル部品を有するターボ機械燃焼器ノズルに関する。

一般に、ガスターボ機械は、熱エネルギーを解放して高温ガス流を形成する燃料／空気混合物を燃焼させる。高温ガス流は、高温ガス経路を介してタービン部へと導かれる。タービン部は、高温ガス流からの熱エネルギーを、タービンシャフトを回転させる機械的エネルギーへと変換する。タービン部は、例えばポンプ、発電機、車両等へ動力を与えるために様々な用途で使用し得る。

ガスターボ機械では、燃焼ガス流温度が高まるにつれて、エンジン効率が高まる。残念ながら、ガス流温度が高いほど、高レベルの窒素酸化物（ＮＯｘ）、すなわち、連邦規制及び州規制の両方の対象となる排ガスを生じる。したがって、効率的な範囲で動作するガスタービン間で注意深い均衡が存在すると同時に、ＮＯｘの出力が指定レベル未満にとどまるようにする。低いＮＯｘレベルを達成する１つの方法は、燃焼前に燃料と空気との良好な混合を確保することである。低いＮＯｘレベルを達成する他の方法は、より低い火炎温度で燃焼されるときにより少ない排ガスをもたらす反応性が高い燃料を使用することである。

米国特許出願公開第２０１０／０１９２５７９号

典型的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械燃焼器ノズルは、プレートエレメントと複数のノズルエレメントとを有するモノリシックノズル部品を含む。複数のノズルエレメントの各々は、プレートエレメントから第２の端部へと延在する第１の端部を含む。プレートエレメント及び複数のノズルエレメントは一体部品として形成される。プレート部材がモノリシックノズル部品と結合される。プレート部材は、第１及び第２の表面を画成する外縁と、第１の表面と第２の表面の間に延在する複数の開口とを含む。複数の開口は、複数のノズルエレメントのうちの対応するノズルエレメントの第２の端部と位置合わせして第２の端部を受けるように構成及び配置される。

典型的な実施形態の他の態様によれば、ターボ機械ノズルを形成する方法は、プレート部材と、プレート部材から軸方向外側に突出する複数のノズルエレメントとを有するモノリシックノズル部品を形成するステップと、複数の開口を有するプレートエレメントをノズル部品に隣接して位置させるステップと、複数のノズルエレメントを複数の開口のうちの各々の開口と位置合わせするステップと、複数のノズルエレメントをプレートエレメントに結合するステップとを含む。

これらの及び他の利点及び特徴は、図面と併せて解釈される以下の説明から更に明らかになる。

本発明と見なされる主題は、特に明細書の終わりの特許請求の範囲で指摘されて明確に要求される。本発明の前述した及び他の特徴及び利点は、添付図面と併せて解釈される以下の詳細な説明から明らかである。

典型的な実施形態に係るモノリシックノズル部品を有する燃焼器アセンブリを含むターボ機械の部分側断面図である。 典型的な実施形態に係るモノリシックノズル部品を有するノズルアセンブリを示す図１の燃焼器アセンブリの断面図である。 典型的な実施形態に係るターボ機械ノズルの断面図である。 半径方向通路及び管路を形成する前の図３のターボ機械ノズルの出口部の部分断面図である。 半径方向通路を形成した後の図４のターボ機械ノズルの一部の断面図である。 管路を形成した後の図４のターボ機械ノズルの一部の断面図である。 典型的な実施形態の他の態様に係るターボ機械ノズルの斜視図である。 図７のターボ機械ノズルの分解図である。 図７のターボ機械ノズルのキャップ部材部分の内面の部分斜視図である。

詳細な説明は、図面に関連する一例として、本発明の実施形態を利点及び特徴と共に明らかにする。

最初に図１及び図２を参照すると、典型的な実施形態にしたがって構成されるターボ機械が全体的に２で示す。ターボ機械２は、燃焼器アセンブリ８を介してタービン部６に接続される圧縮機部４を含む。また、圧縮機部４は、共通の圧縮機／タービンシャフト１０によってもタービン部６に接続される。圧縮機部４は、互いに流体連通状態で結合されるとともに燃焼器アセンブリ８と流体連通状態で結合されるディフューザ２２及び圧縮機排出プレナム２４を含む。この構成により、圧縮空気がディフューザ２２及び圧縮機排出プレナム２４に通されて燃焼器アセンブリ８内へと至る。圧縮空気は、高温ガスを形成するために燃料と混合されて燃焼される。高温ガスはタービン部６へと導かれる。タービン部６は、高温ガスからの熱エネルギーを機械的な回転エネルギーへと変換する。

燃焼器アセンブリ８は燃焼器本体３０と燃焼器ライナ３６とを含む。図示のように、燃焼器ライナ３６は、燃焼室３８を画成するために燃焼器本体３０の半径方向内側に位置される。燃焼器ライナ３６及び燃焼器本体３０は共同して環状の燃焼室冷却通路３９を画成する。トランジションピース４５が燃焼器アセンブリ８をタービン部６に接続する。トランジションピース４５は、燃焼室３８内で発生される燃焼ガスをタービン部６の第１のステージ（別個に符号が付されない）へ向けて下流へ導く。トランジションピース４５は、環状の通路５４を画成する内壁４８と外壁４９とを含む。内壁４８は、燃焼室３８とタービン部６との間で延在する案内キャビティ５６も画成する。前述した構造は、完全性のため、及び燃焼器アセンブリ８内に配置されるノズルアセンブリ６０を対象とする典型的な実施形態をより良く理解できるように与えられている。

図３及び図４を参照すると、ノズルアセンブリ６０は、複数の開口７３が設けられる流体入口プレート７２を有するノズル本体６９を含む。また、ノズル本体６９は、可燃流体を燃焼室３８内へ供給する出口７４も含むように示してある。流体供給通路７７が、ノズル本体６９を貫通して延在するとともに、燃焼室３８に流体接続される出口部分７８を含む。

典型的な実施形態によれば、ノズル本体６９は、外側ノズル壁８７によって結合される、モノリシックノズル部品８０、プレート部材８３、及び流体流れ調整プレート部材８６を含む。ここで、「一体型」という用語が、鋳造、直接金属レーザ焼結法（ＤＭＬＳ）、付加製造、及び／又は金属射出成形などによって結合部又は継ぎ目を伴わずに形成されるノズル部品を表わすことは言うまでもない。より具体的には、モノリシックノズル部品８０は、以下で更に十分に論じるように接続部や結合部などを欠く一体部品の生成をもたらすプロセスを使用して形成されるものと理解されるべきである。勿論、同様に以下で更に十分に論じるようにモノリシックノズル部品８０が他の部品と結合されてもよいことは言うまでもない。図示のように、流体入口プレート７２は、第１の流体プレナム８８を画成するためにプレート部材８３から離間され、プレート部材８３は、第２の流体プレナム８９を画成するために流体流れ調整プレート部材８６から離間され、及び流体流れ調整プレート部材８６は、第３の流体プレナム９２を画成するためにモノリシックノズル部品８０から離間される。

更に、典型的な実施形態によれば、モノリシックノズル部品８０は、第１の表面部分１０１と、反対側の第２の表面部分１０２とを有するプレートエレメント１００を含む。モノリシックノズル部品８０は複数のノズルエレメントも含むように示されており、そのようなノズルエレメントのうちの１つが１０４で示され、これらのノズルエレメントは第１の表面部分１０１から軸方向外側に延在する。複数のノズルエレメント１０４の各々は第１の端部１０６を含み、この第１の端部１０６は、第１の表面部分１０１から中間部１０８を介して第２の端部１０７へと延在する。第１の端部１０６は排出開口１０９を画成する。また、第１の端部１０６は、流体供給通路７７の出口部分７８を受けるように構成される中心開口１１０も含むように示される。ここで、プレートエレメント１００及び複数のノズルエレメント１０４は、ノズルエレメント１０４がプレートエレメント１００と一体形成されるように単一の一体部品として鋳造されることは言うまでもない。複数のノズルエレメント１０４をプレートエレメント１００と共に形成すると、応力集中領域想定し得る漏出ポイント等をもたらす可能性がある多数の結合部が排除され、有益である。また、言うまでもなく、ノズルエレメント１０４は、以下で更に十分に論じるように、ドリル加工又は機械加工される中実コア１１２を有して形成される。

更にまた、典型的な実施形態によれば、プレート部材８３は、向かい合う第１及び第２の表面１１７，１１８を画成する外縁１１４を含む。プレート部材８３は、流体供給通路７７の出口部分７８及び複数の出口開口１２０と位置合わせする中心開口１１９を含むように示される。出口開口１２０は、中心開口１１９の周囲に配列されており、以下で更に十分に論じるように複数のノズルエレメント１０４の各々のための通路を与える。流体流れ調整プレート部材８６は、向かい合う第１及び第２の表面部１３３，１３４を画成する外縁１３０を含む。流体流れ調整プレート部材８６は、複数のノズルエレメント１０４に対応する複数のノズル通路１３７、及び複数の流体流れ開口１３９を含む。流体流れ開口１３９は、第３のプレナム９２から流体流れ調整プレート部材８６を貫通して第２の流体プレナム８９へと至る燃料等の流体の定量の流れをもたらす。燃料は、その後、ノズルエレメント１０４に入り、出口７４から排出される予混合燃料を形成するために空気と混合する。図示のように、流体流れ調整プレート部材８６は複数の溶接ビードによってノズルエレメント１０４に結合され、溶接ビードのうちの１つが１４２で示す。同様に、ノズルエレメント１０４は、例えば１４４で示す複数の溶接ビードによってプレート部材８３に結合される。勿論、様々なプロセスを使用してノズルエレメント１０４を流体流れ調整プレート部材８６及びプレート部材８３に結合することができる。

ここで、図５及び図６を参照して、ノズルエレメント１０４について詳しく説明する。図示のように、成形後、各ノズルエレメント１０４ごとに半径方向通路１５０が形成される。半径方向通路１５０は、中間部１０８を貫通して延在し、又は中間部１０８と交差する。図示の典型的な態様では、半径方向通路１５０は、第２の流体プレナム８９と流体接続されるように形成される。各ノズルエレメント１０４の中実コア１１０を軸方向に貫通して管路１５５も形成される。管路は、半径方向通路１５０の前又は後のいずれかに形成されてもよい。管路１５５が前に形成される場合には、管路１５５内から放電機械加工プロセスすなわちＥＤＭプロセスを使用して半径方向通路１５０が形成されてもよい。いずれにしても、管路１５５は半径方向通路１５０と交差する。このように、半径方向通路１５０は管路１５５への流体入口１５８を構成する。管路１５５は、排出開口１０９を画成するために第２の端部１０７（図３）と第１の端部１０６との間で延在する流路を画成する。この構成により、空気を第１の流体プレナム８８から第２の端部１０７へと送り込むことができる。燃料は、第２の流体プレナム８７内へ導入され、流体流れ開口１３９を介して第３の流体プレナム９２へ通される。燃料は、燃焼室３８内へ導入される可燃混合物を形成するために半径方向通路１５０を通じて管路１５５に入る。

図示の典型的な実施形態の１つの態様によれば、ノズルアセンブリ６０には、第２の表面部分１０２から軸方向外側に突出する複数のノズル延出部が設けられ、そのようなノズル延出部のうちの１つが１６３で示す。各ノズル延出部１６３は、第２の端部又は出口端部１６８まで延在する第１の端部又はフランジ状端部１６６を含む。この構成により、例えば１７２で示す凹部が各排出開口１０９の周囲で第２の表面部分１０２に形成される。フランジ状端部１６６は、凹部１７２内に配置されるとともに、クランププレート１７５により所定位置に保持される。クランププレート１７５は、各ノズル延出部１６３と位置合わせしてこのノズル延出部を受けるように構成される多数の開口（別個に符号が付されない）を含む。勿論、様々なプロセスを使用してノズル延出部１６３をモノリシックノズル部品８０に結合できることは言うまでもない。

ここで、図７〜図９を参照して、典型的な実施形態の他の態様にしたがって形成されるノズル本体１９０について説明する。ノズル本体１９０は、キャップ部材１９９に結合されるモノリシックノズル部品１９５を含む。モノリシックノズル部品１９５は、向かい合う第１及び第２の表面部分２０２，２０３を有するプレートエレメント２０１を含む。モノリシックノズル部品１９５は、プレートエレメント２０１の周囲で延在して第１のプレナム部２１０を画成する環状壁部材２０８も含むように更に示される。また、モノリシックノズル部品１９５は、第１の表面部分２０２から軸方向外側に突出する複数のノズルエレメント２１３も含むように示す。前述した態様と同様の様式で、プレートエレメント２０１、壁部材２０８、及びノズルエレメント２１３は、単一の一体部品として形成される。しかしながら、前述した実施形態とは異なり、各ノズルエレメント２１３は、第２の表面部分２０３で露出される第１の端部（図示せず）から中間部２１８を介して第２の端部２１７へと延在する中心通路２１４と共に鋳造される。第２の端部２１７は、以下で更に十分に論じるようにキャップ部材１９９の構造と協働するテーパ領域２２０を含む。また、各ノズルエレメント２１３には、第２の端部２１７で中間部２１８を貫通して延在する流体入口が設けられ、そのような流体入口のうちの１つが２２３で示す。

また、図示の典型的な実施形態によれば、キャップ部材１９９は、向かい合う第１及び第２の表面２３３，２３４を有するプレート部材２３０を含む。キャップ部材１９９は、第２の表面２３４の周囲で延在して第２の表面２３４から軸方向外側に突出する壁部２３５も含むように示される。壁部２３５は第２のプレナム部２３６を画成する。プレート部材２３０は、流体供給通路７７の出口部分７８と流体接続する中心開口２３７、及び複数の排出開口２３８を含む。各排出開口２３８は、第１の表面２３３に形成されるテーパ部分２４０と、第２の表面２３４に形成されるテーパ域２４４とを含む。テーパ域２４４は、各ノズルエレメント２１３のテーパ領域２２０を受けるように構成される。テーパ部分２４０は、例えば、各ノズルエレメント２１３の第２の端部２１７をキャップ部材１９９に溶接するために使用されるレーザへアクセスできるようにする。

ここで、典型的な実施形態が、プレートエレメントと複数のノズルエレメントとを単一の統合された一体形成ユニットとして含む一体型部品を有するターボ機械ノズルについて説明していることは言うまでもない。ノズルエレメントをプレートエレメントと共に形成すると、ノズルアセンブリを形成するために必要な結合部の数が減少する。結合部の減少により、多くの応力集中領域及び想定し得る漏出ポイントが排除される。また、言うまでもなく、ノズルエレメントの特定のサイズ、形状、及び数が異なってもよい。更に、ノズル本体の形状、及び各ノズルエレメントへの流体入口の位置が異なってもよいことは言うまでもない。

限られた数の実施形態のみに関連して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がそのような開示された実施形態に限定されないことは言うに及ばない。むしろ、本発明は、前述しないが本発明の思想及び範囲に相応の任意の数の変形、修正、置換、又は等価構成を組み入れるように変更できる。また、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様が前述した実施形態の一部のみを含んでもよいことは言うまでもない。したがって、本発明は、前述の説明により限定されると見なされるべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機部
６ タービン部
８ 燃焼器アセンブリ
１０ 共通の圧縮機／タービンシャフト
２２ ディフューザ
２４ 圧縮機排出プレナム
３０ 燃焼器本体
３６ 燃焼器ライナ
３８ 燃焼室
３９ 環状の燃焼室冷却通路
４５ トランジションピース
４８ 内壁
４９ 外壁
５４ 環状の通路
５６ 案内キャビティ
６０ ノズルアセンブリ
６９ ノズル本体
７２ 流体入口プレート
７３ 複数の開口
７４ 出口
７７ 流体供給通路
７８ 出口部分
８０ モノリシックノズル部品
８３ プレート部材
８６ 流体流れ調整プレート部材
８７ 外側ノズル壁
８８ 第１の流体プレナム
８９ 第２の流体プレナム
９２ 第３の流体プレナム
１００ プレートエレメント
１０１ 第１の表面部分
１０２ 反対側の第２の表面部分
１０４ 複数のノズルエレメント
１０６ 第１の端部
１０７ 第２の端部
１０８ 中間部
１０９ 開口
１１０ 中心開口
１１２ 中実コア
１１４ 外縁
１１７ 第１の反対側の表面
１１８ 第２の反対側の表面
１１９ 中心開口
１２０ 複数の出口開口
１３０ 外縁
１３３ 第１の反対側の表面部
１３４ 第２の反対側の表面部
１３７ 複数のノズル通路
１３９ 複数の流体流れ開口
１４２ 複数の溶接ビード
１４４ 複数の溶接ビード
１５０ 半径方向通路
１５５ 管路
１５８ 流体入口
１６３ 複数のノズル延出部
１６６ 第１の端部又はフランジ状端部
１６８ 第２の端部又は出口端部
１７２ 凹部
１７５ クランププレート
１９０ ノズル本体
１９５ モノリシックノズル部品
１９９ キャップ部材
２０１ プレート部材
２０２ 第１の反対側の表面部分
２０３ 第２の反対側の表面部分
２０８ 環状壁部材
２１０ 第１のプレナム部
２１３ 複数のノズルエレメント
２１４ 中心通路
２１７ 第２の端部
２１８ 中間部
２２０ テーパ領域
２２３ 流体入口
２３０ プレート部材
２３３ 第１の反対側の表面
２３４ 第２の反対側の表面
２３５ 壁部
２３６ 第２のプレナム部
２３７ 中心開口
２３８ 排出開口
２４０ テーパ部分
２４４ テーパ域

Claims (20)

1. プレートエレメントと複数のノズルエレメントとを有するモノリシックノズル部品であって、複数のノズルエレメントの各々がプレートエレメントから第２の端部へと延在する第１の端部を含んでおり、プレートエレメントと複数のノズルエレメントが一体部品として形成されているモノリシックノズル部品と、
   モノリシックノズル部品に結合されるプレート部材であって、プレート部材が、第１及び第２の表面を画成する外縁と、第１の表面と第２の表面の間に延在する複数の開口とを含み、複数の開口が、複数のノズルエレメントのうちの対応するノズルエレメントの第２の端部と位置合わせして第２の端部を受けるように構成及び配置される、プレート部材と
   を備えるターボ機械燃焼器ノズル。
2. プレートエレメントとプレート部材との間に配置される流体流れ調整プレート部材を更に備え、流体流れ調整プレート部材は、第１の表面部、第２の表面部、及び第１の表面部と第２の表面部との間で延在する複数のノズル通路を有し、複数のノズル通路は、複数のノズルエレメントのうちの対応するノズルエレメントと位置合わせしてノズルエレメントを受けるように構成及び配置される、請求項１記載のターボ機械燃焼器ノズル。
3. 複数のノズルエレメントの各々は、プレートエレメントと流体流れ調整プレート部材との間に配置される半径方向通路を含む、請求項２記載のターボ機械燃焼器ノズル。
4. 流体流れ調整プレート部材は、第１の表面部と第２の表面部との間で延在する複数の流体流れ開口を含む、請求項２記載のターボ機械燃焼器ノズル。
5. プレートエレメントがターボ機械ノズルの出口を備える、請求項１記載のターボ機械燃焼器ノズル。
6. プレートエレメントが壁部材を含み、壁部材がプレートエレメントから軸方向外側に突出する、請求項１記載のターボ機械燃焼器ノズル。
7. プレート部材は、第２の表面から軸方向外側に突出する壁部を含むキャップ部材を備え、壁部は、流体プレナムを画成するために壁部材と係合するように構成及び配置される、請求項６記載のターボ機械。
8. 複数のノズルエレメントの各々の第２の端部がテーパ領域を含む、請求項６記載のターボ機械ノズル。
9. 複数の開口の各々が第２の表面に形成されるテーパ域を含み、テーパ域が複数のノズルエレメントの各々のテーパ領域を受けるように構成及び配置される、請求項８記載のターボ機械ノズル。
10. 複数の開口の各々が第１の表面に形成されるテーパ部分を含む、請求項９記載のターボ機械ノズル。
11. ターボ機械ノズルを形成する方法であって、
    プレートエレメントと、プレートエレメントから軸方向外側に突出する複数のノズルエレメントとを有するモノリシックノズル部品を形成するステップと、
    複数の開口を有するプレート部材をモノリシックノズル部品に隣接して位置させるステップと、
    複数のノズルエレメントを複数の開口のうちの各々の開口と位置合わせするステップと、
    複数のノズルエレメントをプレート部材に結合するステップと
    を含む方法。
12. モノリシックノズル部品を形成するステップは、複数のノズルエレメントを中実コアと共に鋳造することを含む、請求項１１記載の方法。
13. 複数のノズルエレメントの各々を貫通する管路を形成するステップを更に含む、請求項１２記載の方法。
14. 複数のノズル通路を有する流体流れ調整プレート部材をプレートエレメントとプレート部材との間に位置させるステップを更に備え、複数のノズルエレメントが複数のノズル通路のうちの各々のノズル通路を貫通して延在する、請求項１３記載の方法。
15. プレートエレメントと流体流れ調整プレート部材との間で複数のノズルエレメントの各々に半径方向通路を形成するステップを更に含む、請求項１４記載の方法。
16. 半径方向通路を形成するステップは、管路内から半径方向通路を形成することを含む、請求項１５記載の方法。
17. 複数のノズルエレメントの各々の端部にテーパ領域を形成するステップと、
    複数の開口の各々でプレート部材の表面にテーパ域を形成するステップと、
    複数のノズルエレメントの各々のテーパ領域をプレート部材のテーパ域のうちの対応するテーパ域に嵌め込むステップと
    を更に含む、請求項１１記載の方法。
18. 複数の開口の各々でプレート部材の反対側の表面にテーパ部分を形成するステップと、
    複数のノズルエレメントの各々の端部をテーパ部分を介してプレート部材に結合するステップと
    を更に含む、請求項１７記載の方法。
19. 複数のノズルエレメントの各々をプレート部材に結合するステップは、複数のノズルエレメントの各々を複数の開口の各々でプレート部材に溶接することを含む、請求項１１記載の方法。
20. 複数のノズルエレメントの各々を取り囲む壁部材をプレート部材から突出する壁部と結合するステップを更に含む、請求項１１記載の方法。