JP2015206584A

JP2015206584A - 燃料ノズルシュラウドおよび該シュラウドを製造する方法

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Publication number: JP2015206584A
Application number: JP2015074759A
Authority: JP
Inventors: リチャード・マーティン・ディシンティオ; Martin Dicintio Richard; パトリック・ベネディクト・メルトン; Patrick Benedict Melton
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2014-04-08
Filing date: 2015-04-01
Publication date: 2015-11-19
Also published as: CH709500A8; DE102015104636A1; CH709500A2; US20150285502A1; CN204943566U

Abstract

【課題】燃料ノズルシュラウドおよび該シュラウドを製造する方法を提供する。
【解決手段】燃料ノズルは、外側シュラウドによって少なくとも部分的に囲まれる中心体を含む。外側シュラウドは、中心体との間に予混合流路を形成するように中心体から半径方向に離間される。外側シュラウドは、本体を含み、該本体には、内側部分、外側部分、および後端部から軸方向に離れた前端部が形成される。本体には、完全に内側部分と外側部分との間に画設され、かつ前端部と後端部との間に少なくとも部分的に延在する冷却通路がさらに形成される。また、本体には、冷却通路と流体連通する冷却空気入口および冷却空気入口の下流で冷却通路と流体連通する冷却空気出口が形成される。
【選択図】図４

Description

本発明は、一般に、燃料ノズルの冷却スキームに関する。より具体的には、本発明は、燃料ノズルであって、該燃料ノズルの外側シュラウドまたはバーナ管部に形成される冷却通路を有する燃料ノズルおよび該燃料ノズルの少なくとも一部を作製するための方法に関する。

ガスタービンは、産業、船舶、航空機、および発電の運営において広く使用されている。ガスタービンは、一般に、圧縮機部、圧縮機部の下流に配置される燃焼部、および燃焼部の下流に配置されるタービン部を含む。

ガスタービンの運転中に排出物を低減し、および／または低排出を維持するために、特定の燃焼器は、エンドカバーに連結される中央燃料ノズルまたは一次燃料ノズルおよび同様にエンドカバーに連結され、かつ中央燃料ノズルの周囲に環状配列で配置される多数の二次燃料ノズルを含む。各燃料ノズルは、エンドカバー燃料部および／または燃料カートリッジを介して燃料供給部と流体連通する。ガスタービンにおける負荷または必要性が変化するときに、様々な燃料ノズルに対する燃料の流量が、ガスタービンの出力を増減させるために調整され、および／またはオンオフされてもよい。この構成は、一般的に、ガスタービンが所定の排出物の生成範囲内に収めながら最高速度条件未満で動作することができるターンダウン範囲（ｔｕｒｎｄｏｗｎｒａｎｇｅ）の改善または拡大を可能にする。

従来の構成において、各燃料ノズルの下流端または出口は、キャップまたはエフュージョンプレートの高温面の位置でまたはこれに隣接して終端する。キャッププレートは、燃焼器内に形成される燃焼室に実質的に隣接して、燃焼器内で半径方向および円周方向に延在する。一般的に、キャッププレートは、特に中央燃料ノズルおよび二次燃料ノズルの下流端において、燃料ノズルのための熱シールドとして機能し、この結果、下流端が燃焼室内の燃焼炎に近接することによって発生する熱応力を低減する。

特定の燃焼器の設計において、中央燃料ノズルは、燃焼室への導入の前に燃料および空気を混合するための予混合流路を少なくとも部分的に形成する外側シュラウドまたはバーナ管を含む。ターンダウン範囲は、キャッププレートの高温面から燃焼室に向かって軸方向下流に外側シュラウドまたはバーナ管を伸張させることによって改善または拡大され得ることが示されている。外側シュラウドの下流端を十分に冷却することが、１つの課題となってきた。したがって、改善された燃料ノズルは有用である。

米国特許出願公開第２０１３／０３１８９７５号明細書

本発明の態様および利点は、以下の説明に下記されており、この説明から明らかになり得るし、または本発明の実施を通して学ばれ得る。

本発明の一実施形態は、燃料ノズルである。燃料ノズルは、中心体および該中心体から半径方向に離間されることによって中心体との間に予混合流路を形成する外側シュラウドを含む。外側シュラウドは、本体を含み、該本体には、内側部分、外側部分、および後端部から軸方向に離れた前端部が形成される。本体には、完全に内側部分と外側部分との間に画設され、かつ前端部と後端部との間に少なくとも部分的に延在する冷却通路が形成される。本体には、冷却通路と流体連通する少なくとも１つの冷却空気入口および該冷却空気入口の下流で冷却通路と流体連通する少なくとも１つの冷却空気出口がさらに形成される。

本開示の別の実施形態は、燃焼器である。燃焼器は、外側ケーシングおよび該外側ケーシング内でエンドカバーから軸方向下流に延在する中心体を有する一次燃料ノズルを含む。一次燃料ノズルは、外側シュラウドをさらに含み、該外側シュラウドは、中心体と同軸に配置され、中心体との間に予混合流路を形成するように中心体から半径方向に離間される。少なくとも１つの二次燃料ノズルは、ケーシング内で一次燃料ノズルと略平行に延在する。二次燃料ノズルは、出口端で終端する。外側シュラウドは、環状本体を含み、該環状本体には、内側部分、外側部分、および後端部から軸方向に離れた前端部が形成され、後端部は、二次燃料ノズルの出口端を軸方向に越えて延在する。本体には、完全に本体内に画設される冷却通路、該冷却通路と流体連通する冷却空気入口、および該冷却空気入口の下流で冷却通路と流体連通する冷却空気出口がさらに形成される。

また、本発明は、ガスタービンを含む。ガスタービンは、圧縮機と、圧縮機の下流に配置される燃焼器と、燃焼器の下流に配置されるタービンとを含む。燃焼器は、外側ケーシングに結合されるエンドカバーおよび燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、外側ケーシング内でエンドカバーから軸方向下流に延在する中心体および該中心体と同軸に配置される外側シュラウドを含む。外側シュラウドは、中心体との間に予混合流路を形成するように中心体から半径方向に離間される。外側シュラウドは、環状本体を含み、該環状本体には、内側部分、外側部分、および後端部から軸方向に離れた前端部が形成される。後端部は、燃焼器内に形成される燃焼領域の近傍に配置される。本体には、完全に本体内に画設される冷却通路、該冷却通路と流体連通する冷却空気入口、および該冷却空気入口の下流で冷却通路と流体連通する冷却空気出口がさらに形成される。

本発明の別の実施形態は、燃料ノズルの外側シュラウド部の本体であって、完全に本体内に画設される冷却通路が形成される本体を作製するための方法を含む。本方法は、冷却通路を含む本体の三次元情報を決定するステップと、三次元情報を、本体の断面層を規定する複数のスライスに変換するステップであって、空隙が、層の少なくとも一部の範囲に形成されることにより、冷却通路が規定されるステップとを含む。本方法は、レーザエネルギーまたは電子ビームエネルギーの少なくとも一方を用いて金属粉末を溶解することによって本体の各層を連続的に形成するステップをさらに含む。

本発明の一実施形態は、燃料ノズルを含む。燃料ノズルは、外側シュラウドを含み、該外側シュラウドは、環状に形作られる本体および完全に本体内に画設される冷却通路を有し、この場合、本体は、付加製造工程を用いて作られる。

当業者は、本明細書を検討することによって上記の実施形態の特徴および態様などをより良く理解するであろう。

本発明の完全かつ有効な開示（当業者にとってのその最良の態様を含む）は、本明細書の残りの部分（添付図面への言及を含む）に、より詳細に記載されている。

本発明の様々な実施形態を組み込み得る例示的なガスタービンの機能ブロック図である。本発明に組み込まれ得るような例示的なカン型（ｃａｎｔｙｐｅ）燃焼器の一部の側断面図である。本発明の１つ以上の実施形態に係る例示的な一次燃料ノズルおよび複数の例示的な二次燃料ノズルを含む、図２に示されているような燃焼器の一部の上流図（ｕｐｓｔｒｅａｍｖｉｅｗ）である。本発明の少なくとも一実施形態に係る例示的な一次燃料ノズルの拡大側断面図である。本発明の一実施形態に係る、図４に示されているような一次燃料ノズルの上流図である。本発明の１つ以上の実施形態に係る様々な流れ特徴を含む例示的な冷却通路の断面図である。本発明の様々な実施形態に係る多数の冷却通路を含む一次燃料ノズルの外側シュラウド部の部分斜視図である。本発明の様々な実施形態に係る多数の冷却通路を含む一次燃料ノズルの外側シュラウド部の部分斜視図である。本発明の１つ以上の実施形態に係る、図４に示されているような一次燃料ノズルを含む燃焼器の一部の側断面図である。本発明の１つ以上の実施形態に係る、一次燃料ノズルの例示的な実施形態を含む燃焼器の一部の側断面図である。図４〜図１０の様々な実施形態に示されているような燃料ノズルの外側シュラウドの本体部を作製するための方法の例示的な実施形態を示すフローチャートである。

次に、本発明の現在の実施形態を詳細に参照するが、その１つ以上の例が、添付図面に示されている。詳細な説明では、図面中の特徴を参照するために、数字および文字による指示が使用されている。図面および説明における同じまたは同様の指示は、本発明の同じまたは同様の部分を参照するために使用されている。本明細書で使用される場合、「第１の」、「第２の」、および「第３の」という用語は、構成要素を互いに区別するために交換可能に使用され得るものであり、個々の構成要素の位置または重要性を意味するためのものではない。「上流」および「下流」という用語は、流体経路における流体の流れに関する相対方向を意味する。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を意味し、「下流」は、流体が流れていく方向を意味する。

各例は、本発明の説明のために提供されるものであり、本発明を限定するものではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱することなく本発明に関して修正および変形がなされ得ることは、当業者には明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として示されているか、または説明されている特徴は、さらなる実施形態を得るために別の実施形態に使用されてもよい。したがって、本発明は、このような修正および変形を、添付の特許請求の範囲およびその均等物の範囲内に入るものとして包含することが意図されている。本発明の例示的な実施形態は、概ね、例説のために、陸上発電用のガスタービンの燃焼器のための燃料ノズルとの関連で説明されるが、当業者であれば、本発明の実施形態が、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、船舶または航空機のガスタービンなどの任意の種類のガスタービン用の任意の燃焼器に適用することができ、陸上発電用のガスタービンのための燃焼器または燃焼システムに限定されないことを容易に理解するであろう。

次に、複数の図を通して同一の数字が同じ要素を示している図面を参照すると、図１は、本発明の様々な実施形態を組み込み得る例示的なガスタービン１０の機能ブロック図を提供している。図示のように、ガスタービン１０は、一般に、入口部１２を含み、入口部１２は、ガスタービン１０に流入する作動流体（例えば、空気）１４を浄化し、その他の方法で調整するために一連のフィルタ、冷却コイル、湿分分離器、および／または他の装置を含み得る。作動流体１４は、圧縮機部に流れ、そこでは、圧縮機１６が、圧縮された作動流体１８を生成するために作動流体１４に運動エネルギーを徐々に与える。

圧縮された作動流体１８は、１つ以上の燃焼器２４内で可燃混合気を生成するために燃料供給システム２２からの燃料２０と混合される。可燃混合気は、高い温度、圧力、および速度を有する燃焼ガス２６を生成するために燃焼される。燃焼ガス２６は、仕事を発生させるためにタービン部のタービン２８を通って流れる。例えば、タービン２８は、タービン２８の回転が、圧縮された作動流体１８を生成するために圧縮機１６を駆動するようにシャフト３０に連結されてもよい。あるいはまたはさらに、シャフト３０は、電気を発生させるためにタービン２８と発電機３２とを連結してもよい。タービン２８からの排気ガス３４は、タービン２８とタービン２８の下流にある排気スタック３８とを接続する排気部３６を通って流れる。排気部３６は、例えば、環境への放出の前に排気ガス３４を浄化し、排気ガス３４からさらなる熱を取り出すための熱回収蒸気発生器（図示せず）を含んでもよい。

燃焼器２４は、当該技術分野で知られている任意の種類の燃焼器であってもよく、本発明は、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、特定の燃焼器の設計に限定されない。例えば、燃焼器２４は、カン型またはカニュラ型（ｃａｎ−ａｎｎｕｌａｒｔｙｐｅ）の燃焼器であってもよい。図２は、例示的なカン型燃焼器２４の一部の側断面図を提供している。図２に示されているように、外側ケーシング４０は、燃焼器２４の少なくとも一部を囲んでいる。エンドカバー４２は、燃焼器２４の一端で外側ケーシング４０に結合されている。エンドカバー４２および外側ケーシング４０は、全体として高圧プレナム４４を形成しており、高圧プレナム４４は、少なくとも部分的に燃焼器２４を囲んでいる。動作中、高圧プレナム４４は、圧縮機１６から、圧縮された作動流体１８を受け入れる。

特定の実施形態において、燃焼器２４は、１つ以上の燃料ノズル４６を含む。一実施形態において、燃焼器は、軸方向の中心線５０を基準にして燃焼器２４内で実質的に軸方向に延在する一次燃料ノズル４８を含む。例えば、一構成において、一次燃料ノズル４８は、エンドカバー４２の内面から下流に延在する。図３は、本発明の１つ以上の実施形態に係る一次燃料ノズル４８および複数の例示的な二次燃料ノズル５２を含む燃焼器２４の一部の上流図である。様々な実施形態において、図２および図３に示されているように、複数の二次燃料ノズル５２は、一次燃料ノズル４８の周囲に環状に配置されている。一実施形態において、図２に示されているように、二次燃料ノズル５２は、燃焼器２４内で一次燃料ノズル４８と略平行に延在している。

図２および図３に示されているように、二次燃料ノズル５２は、燃焼器２４内に形成された燃焼領域５６（図２）に燃料および空気の混合気を供給するための複数の管５４を有する管束型（ｂｕｎｄｌｅｄｔｕｂｅｔｙｐｅ）の燃料ノズルを含んでもよい。他の実施形態において、二次燃料ノズル５２は、部分的に一次燃料ノズル４８と同様に構成され得る従来の予混合型の燃料ノズル（図示せず）を含んでもよい。しかしながら、二次燃料ノズル５２は、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、管束型または従来の予混合型の燃料ノズルのどちらにも限定されない。二次燃料ノズル５２および／または管５４のそれぞれは、二次燃料ノズル５２と燃焼領域５６との間の流体連通を可能にする出口端５８で終端している。

図２に示されているように、燃焼領域５６はタービン２８への入口に向かって一次燃料ノズル４８および二次燃料ノズル５２から下流に延在する環状に形作られたライナ６０内に少なくとも部分的に形成されてもよい。ライナ６０は、燃焼器２４を通して燃焼ガス２６を送るための高温ガス通路６２を少なくとも部分的に形成している。

図２および図３に示されているように、キャップまたはエフュージョンプレート６４は、燃焼器２４内の、エンドカバー４２（図２）の下流で半径方向および円周方向に延在している。キャッププレート６４は、単一の連続的なプレートを備えてもよいし、あるいは、複数の扇形のまたは他の形状の部分（図３）に分割されてもよい。キャッププレート６４は、少なくとも部分的に、一次燃料ノズル通路６６を形成してもよい。また、キャッププレート６４は、複数の二次燃料ノズル通路６８を形成してもよい。例えば、図３に示されているように、キャッププレート６４は、管束型の燃料ノズルの管５４のそれぞれに対応する二次燃料ノズル通路６８を形成してもよい。

二次燃料ノズル５２および／または管５４のそれぞれの出口端５８は、一般に、燃焼領域５６への、キャッププレート６４を通る流体連通を可能にするようにキャッププレート６４の近傍でまたはこれに隣接して終端している。キャッププレート６４は、外側スリーブ７０の端部に連結されている。キャッププレート６４および外側スリーブ７０は、キャップアセンブリの構成要素であってもよい。特定の実施形態において、キャッププレート６４および／または外側スリーブ７０は、燃焼器２４内の冷却空気プレナム７２（図２）を少なくとも部分的に形成してもよい。冷却空気プレナム７２は、高圧プレナム４４（図２）および／または別の冷却空気または冷却媒体源（図示せず）と流体連通してもよい。

図４は、本発明の少なくとも一実施形態に係る例示的な一次燃料ノズル４８の拡大側断面図を提供している。一実施形態において、図４に示されているように、一次燃料ノズル４８は、中心体７４と、中心体７４から半径方向に離間された外側シュラウド７６と、少なくとも部分的に中心体７４と外側シュラウド７６との間に形成された予混合流路７８とを含む。中心体７４は、フランジおよびボルトまたは他の連結具を用いてエンドカバー４２に取り付けられるように構成されてもよい。中心体７４は、エンドカバー４２（図２）および／または燃料供給部と流体接続されてもよい。特定の実施形態において、図４に示されているように、中心体７４は、燃料および／または希釈剤カートリッジを受け入れるように構成されてもよい。

一実施形態において、図４に示されているように、一次燃料ノズル４８は、予混合流路７８内の、中心体７４と外側シュラウド７６との間に延在する複数の案内または旋回羽根（ｔｕｒｎｉｎｇｏｒｓｗｉｒｌｅｒｖａｎｅ）８０を含む。図４に示されているように、案内羽根８０は、一般に、前縁部８２および後縁部８４を含む。前縁部８２は、一般に、圧縮された作動流体１８の流れに対向する。

図４に示されているように、外側シュラウド７６は、環状に形作られた本体８６を備え、本体８６は、内側部分８８と、外側部分９０と、後端部９４から軸方向に離れた前端部９２とを有する。少なくとも１つの実施形態において、本体８６には、少なくとも１つの冷却通路９６が形成される。冷却通路９６は、完全に内側部分８８と外側部分９０との間に画設される。冷却通路９６は、少なくとも部分的に本体８６の前端部９２と後端部９４との間に延在する。特定の実施形態において、本体８６には、複数の冷却通路９６が形成される。環状に形作られる本体８６は、製造時に一体部品として作られる。したがって、本体８６は、一体構造を有し、単一の構成要素を形成するためにろう付けまたは他の接合工程によって互いに接合された複数の構成部品から作られた構成要素とは異なる。

特定の実施形態において、冷却通路９６または複数の冷却通路９６を含む本体８６は、付加製造方法または工程によって形成されてもよい。本明細書で使用される場合、「付加的に製造される」または「付加製造技術もしくは工程」という用語は、様々な知られている３Ｄ印刷製造方法（押出堆積（ＥｘｔｒｕｓｉｏｎＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）方式、ワイヤ（Ｗｉｒｅ）方式、粒状材料結合（ＧｒａｎｕｌａｒＭａｔｅｒｉａｌｓＢｉｎｄｉｎｇ）方式、粉末床（ＰｏｗｄｅｒＢｅｄ）方式、およびインクジェットヘッド（ＩｎｋｊｅｔＨｅａｄ）方式の３Ｄ印刷など）、積層（Ｌａｍｉｎａｔｉｏｎ）、および光重合を含むが、これらに限定されない。

本体８６には、冷却通路９６と流体連通する少なくとも１つの冷却空気入口９８および冷却空気入口９８の下流で冷却通路９６と流体連通する冷却空気出口１００がさらに形成される。冷却空気入口９８は、本体８６の任意の壁、側面、または部分に沿って形成または配置されてもよい。例えば、様々な実施形態において、図４に示されているように、冷却空気入口９８は、本体８６の前端部９２の近傍に形成される。一実施形態において、冷却空気入口９８は、本体８６の前壁１０２内に配置または形成され、これにより、冷却通路９６への、前壁１０２を通る流体連通を可能にする。一実施形態において、冷却空気入口９８は、冷却通路９６への、本体８６の外側部分９０を通る流体連通を可能にする。

一実施形態において、冷却空気入口９８は、旋回羽根８０の上流で外側部分９０に沿って形成される。一実施形態において、冷却空気入口９８は、旋回羽根８０の下流の、案内羽根８０の後縁部８４と本体８６の後端部９４との間で外側部分９０に沿って形成される。一実施形態において、冷却空気入口９８は、旋回羽根８０の前縁部８２と後縁部８４との間に形成または配置される。特定の実施の形態において、複数の冷却空気入口９８は、本体８６の前壁１０２および外側部分９０の一方または両方に沿って形成または配置される。

図５は、本発明の一実施形態に係る、図４に示されているような一次燃料ノズル４８の上流図である。冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００は、本体８６の任意の場所に沿って形成または配置されてもよい。例えば、一実施形態において、図４および図５に示されているように、本体８６の後端部９４は、内側部分８８と外側部分９０との間に延在する後壁１０４で終端し、冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００の少なくとも一部は、後壁１０４に形成または配置され、これにより、冷却通路９６から後壁１０４を通る流体連通を可能にする。様々な実施形態において、図４に示されているように、冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００の少なくとも一部は、本体８６の外側部分９０に形成または配置されてもよい。さらにまたはあるいは、冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００の少なくとも一部は、本体８６の内側部分８８に形成または配置され、これにより、後壁１０４の上流で、内側部分８８を通る、冷却通路９６から予混合流路７８への流体連通を可能にしてもよい。

図６は、本発明の１つ以上の実施形態に係る例示的な冷却通路９６の断面図を提供している。図６に示されているように、１つ以上の流れ特徴１０６が、冷却通路９６内に形成されてもよい。流れ特徴または複数の流れ特徴１０６は、圧縮された作動流体１８が対応する冷却通路９６を通って流れるときに圧縮された作動流体１８の冷却効果を高めるために凹状または凸状のディンプル１０８、リブ１１０、スロット１１２、溝１１４、または他の特徴を含んでもよい。様々な実施形態において、流れ特徴または複数の流れ特徴１０６は、先に述べた１つ以上の付加製造方法、技術、または工程によって形成され、これにより、従来の製造工程によって以前に製造可能であったものに比べて冷却通路９６内のより高い精度および／またはより入り組んだ詳細が実現される。

図７および図８は、本発明の様々な実施形態に係る外側シュラウド７６の部分斜視図である。図４に示されているように、冷却通路９６または複数の冷却通路９６の少なくとも一部は、本体８６内で実質的に軸方向に延在する。一実施形態において、図７に示されているように、冷却通路９６または複数の冷却通路９６の少なくとも一部は、実質的に螺旋パターンまたは円周パターンで本体８６内に延在し、これにより、本体８６を通る冷却通路９６の長さが増加する。一実施形態において、冷却通路９６または複数の冷却通路９６は、少なくとも部分的に後端部９４の周囲に延在する。

一実施形態において、図８に示されているように、冷却通路９６または複数の冷却通路９６の少なくとも一部は、実質的に蛇行パターンまたは曲がりくねったパターンで本体８６内に延在し、これにより、本体８６を通る冷却通路９６の長さが増加する。蛇行パターンもしくは曲がりくねったパターンおよび／または螺旋パターンもしくは円周パターンは、圧縮された作動流体１８が本体８６に形成された冷却通路９６または複数の冷却通路９６を通って流れるときの、圧縮された作動流体１８の滞留時間または流れ時間を増加させ、この結果、圧縮された作動流体１８の冷却効率を向上させ、外側シュラウド７６における熱応力を低減する。冷却通路９６または複数の冷却通路は、多様なパターンで外側シュラウド７６の本体８６内に延在してもよく、特許請求の範囲に具体的に記載されない限り、何らかの単一または特定のパターンに限定されない。

図９は、本発明の１つ以上の実施形態に係る一次燃料ノズル４８を含む燃焼器２４の一部の側断面図である。図９に示されているように、外側シュラウド７６は、キャッププレート６４内に形成された一次燃料ノズル通路６６を貫通している。図示のように、後端部９４は、燃焼領域５６に向かって軸方向に二次燃料ノズル５２の出口端５８を越えて延在しており、これにより、後端部９４は、二次燃料ノズル５２の出口端５８に比べて燃焼領域５６のより近くに配置されている。図示のように、冷却空気入口９８または複数の冷却空気入口９８の少なくとも一部は、冷却空気プレナム７２と流体連通してもよい。

動作中、図２〜図９に示されている様々な実施形態に示されているように、圧縮された作動流体１８の一部は、冷却空気入口９８の１つ以上を介して冷却通路９６内に送り込まれる。一実施形態において、圧縮された作動流体１８は、高圧プレナム４４から冷却空気プレナム７２内に送り込まれ、その後、冷却空気入口９８または複数の冷却空気入口９８に送り込まれてもよい。その後、圧縮された作動流体１８は、冷却通路９６または複数の冷却通路９６を通って流れ、これにより、特に外側シュラウド７６の後端部９４の位置または近傍で、本体８６の内側部分８８および／または外側部分９０に対する対流冷却および衝突冷却の少なくとも一方を行う。

先に説明したように、冷却通路９６または複数の冷却通路９６の蛇行パターン、円周パターン、軸方向パターン、および／または螺旋パターンは、冷却通路９６または複数の冷却通路９６内における圧縮された作動流体１８の滞留時間または流れ時間を増加させ、この結果、圧縮された作動流体１８の全体的な冷却効果を高める。特定の実施形態において、流れ特徴１０６または複数の流れ特徴１０６により、圧縮された作動流体１８の冷却効果がさらに高められ、これにより、一次燃料ノズル４８の全体的な機械的性能が改善されてもよい。

圧縮された作動流体１８は、冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００を介して冷却通路９６または複数の冷却通路９６から流出する。後壁１０４を通って流出したら、圧縮された作動流体１８は、燃焼領域５６に流入してもよい。圧縮された作動流体１８は、内側部分８８に配置された冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００を通って流出したら、圧縮された作動流体１８は、内側部分８８のフィルム冷却を行ってもよい。圧縮された作動流体１８は、外側部分９０に配置された冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００を通って流出したら、圧縮された作動流体１８は、外側部分９０のフィルム冷却を行ってもよい。

図１０は、本発明の１つ以上の実施形態に係る一次燃料ノズル４８の例示的な実施形態を含む燃焼器２４の一部の側断面図である。図１０に示されているように、外側シュラウド７６は、前方スリーブ部１１６および前方スリーブ部１１６から軸方向下流に延在する同軸に配置されたバーナ管部または延長管部１１８を備えてもよい。前方スリーブ部１１６およびバーナ管部１１８は、予混合流路７８を形成している。バーナ管部１１８は、本体１２０を含む。バーナ管部１１８の本体１２０には、先に説明し、図示したような冷却通路９６が形成されている。

冷却通路９６または複数の冷却通路９６は、完全に本体１２０内に内設される。バーナ管部１１８の本体１２０には、バーナ管部１１８の上流端１２２の位置または近傍に、冷却空気入口９８または複数の冷却空気入口９８がさらに形成されている。さらに、本体１２０には、本体１２０の内側部分１２４、外側部分１２６、または後壁１２８の少なくとも１つに沿って、冷却空気出口１００または複数の冷却空気出口１００がさらに形成されている。図１０に示されているように、バーナ管部１１８は、一次燃料ノズル通路６６を通って延在している。冷却空気入口９８は、冷却空気プレナム７２と流体連通してもよい。

前述したように、外側シュラウド７６の環状に形作られる本体８６は、付加製造工程を用いて作られてもよい。一実施形態において、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔａｌＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）の付加製造工程が、本明細書で説明した環状に形作られる本体８６を製造するのに好ましい方法である。

図１１は、本明細書で説明され、図４〜図１０に示されているような環状に形作られる本体８６を作製するための方法２００の例示的な実施形態を示すフローチャートである。方法２００は、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）工程を用いて、環状に形作られる本体８６を少なくとも作製することを含む。

ＤＭＬＳは、三次元情報（例えば、構成要素の三次元コンピュータモデル）を用いて金属の構成要素を作製する周知の製造工程である。三次元情報は、各スライスが当該のスライスの所定の高さに関する構成要素の断面を規定する複数のスライスに変換される。次に、構成要素は、完成されるまでスライスごとまたは層ごとに「積み重ねられる」。構成要素の各層は、レーザを用いて金属粉末を溶解することによって形成される。

したがって、方法２００は、環状に形作られる本体８６の三次元情報を決定するステップ２０２および三次元情報を、各スライスが環状に形作られる本体８６の断面層を規定する複数のスライスに変換するステップ２０４を含む。次に、環状に形作られる本体８６は、ＤＭＬＳを用いて作製される。あるいは、より具体的には、各層は、レーザエネルギーを用いて金属粉末を溶解することによって連続的に形成される（ステップ２０６）。各層のサイズは、約０．０００５インチ〜約０．００１インチである。結果として、冷却通路９６または複数の冷却通路９６は、完全に本体８６内に画設されるように形成されてもよい。さらに、以前は製造不可能であった入り組んだパターンおよび／または形状で、冷却通路９６または複数の冷却通路９６が形成されてもよく、および／または流れ特徴１０６が形成されてもよい。

環状に形作られる本体８６は、任意の適切なレーザ焼結機を用いて作製されてもよい。適切なレーザ焼結機の例は、ＥＯＳｏｆＮｏｒｔｈＡｍｅｒｉｃａ，Ｉｎｃ．（ミシガン州ノバイ）から市販されているＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２７０ＤＭＬＳマシン、ＰＨＥＮＩＸＰＭ２５０マシン、および／またはＥＯＳＩＮＴ．ＲＴＭ．Ｍ２５０ＸｔｅｎｄｅｄＤＭＬＳマシンを含むが、これらに限定されない。環状に形作られる本体８６を作製するために使用される金属粉末は、コバルトクロムを含む粉末であることが好ましいが、他の任意の適切な金属粉末（ＨＳ１８８８およびＩＮＣＯ６２５などであるが、これらに限定されない）であってもよい。金属粉末の粒径は、約１０ミクロン〜７４ミクロン、好ましくは、約１５ミクロン〜約３０ミクロンであってもよい。

冷却通路９６または複数の冷却通路９６および流れ特徴を含む環状に形作られる本体８６を製造する方法は、本明細書では、好ましい方法としてＤＭＬＳを用いるものとして説明されているが、製造業者であれば、積層造形（ｌａｙｅｒ−ｂｙ−ｌａｙｅｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ）または付加作製を用いる任意の他の適切な迅速な製造方法がさらに使用されてもよいことを認めるであろう。これらの代替的で迅速な製造方法は、選択レーザ焼結（ＳＬＳ：ＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）、３Ｄ印刷（インクジェットおよびレーザジェットなどによる）、ステレオリソグラフィー（ＳＬＳ：Ｓｔｅｒｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）、直接選択レーザ焼結（ＤＳＬＳ：ＤｉｒｅｃｔＳｅｌｅｃｔｉｖｅＬａｓｅｒＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）、電子ビーム焼結（ＥＢＳ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＳｉｎｔｅｒｉｎｇ）、電子ビーム溶解（ＥＢＭ：ＥｌｅｃｔｒｏｎＢｅａｍＭｅｌｔｉｎｇ）、レーザ工学ネット成形（ＬＥＮＳ：ＬａｓｅｒＥｎｇｉｎｅｅｒｅｄＮｅｔＳｈａｐｉｎｇ）、レーザネット形状製造（ＬＮＳＭ：ＬａｓｅｒＮｅｔＳｈａｐｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）、および直接金属堆積（ＤＭＤ：ＤｉｒｅｃｔＭｅｔａｌＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を含むが、これらに限定されない。

本明細書で提示されている様々な実施形態は、既存の燃料ノズルおよび／または燃焼器に勝る様々な技術的利点を提供する。例えば、完全に本体８６内に内設され、かつ本体８６によって形成された冷却通路９６または複数の冷却通路９６は、燃焼器の様々な動作モード中に予混合された燃料および空気の混合気の、燃焼領域５６内へのより深い進入を可能にし、これにより、一次燃料ノズル４８の機械的寿命を向上させながら動作の柔軟性を高める。さらにまたはあるいは、付加製造工程によって本体８６を製造することにより、既存の製造方法によって製造可能であったものに比べてより入り組んだおよび／またはより複雑な冷却通路のパターンが可能となる。さらに、付加的に製造された本体８６は、冷却通路９６を形成するために互いにろう付けまたは接合された多数の構成要素を有することによる潜在的な漏れおよび他の潜在的な望ましくない効果を低減する。

この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、任意の当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者によって想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を含む場合または特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない均等な構造的要素を含む場合に、特許請求の範囲内にあることが意図されている。

１０ガスタービン
１２入口部
１４作動流体
１６圧縮機
１８圧縮された作動流体
２０燃料
２２燃料源
２４燃焼器
２６燃焼ガス
２８タービン
３０シャフト
３２発電機／モータ
３４排気ガス
３６排気部
３８排気スタック
４０外側ケーシング
４２エンドカバー
４４高圧プレナム
４６燃料ノズル
４８一次燃料ノズル
５０中心線
５２二次燃料ノズル
５４管
５６燃焼領域
５８出口端
６０ライナ
６２高温ガス通路
６４キャップ／エフュージョンプレート
６６一次燃料ノズル通路
６８二次燃料ノズル通路
７０外側スリーブ
７２冷却空気プレナム
７４中心体
７６外側シュラウド
７８予混合流路
８０案内／旋回羽根
８２前縁部
８４後縁部
８６本体
８８内側部分
９０外側部分
９２前端部
９４後端部
９６冷却通路
９８冷却空気入口
１００冷却空気出口
１０２前壁
１０４後壁
１０６流れ特徴
１０８ディンプル
１１０リブ
１１２スロット
１１４溝
１１６前方スリーブ
１１８バーナ管
１２０本体
１２２上流端
１２４内側部分
１２６外側部分
１２８後壁
２００方法
２０２ステップ
２０４ステップ
２０６ステップ

Claims

燃料ノズル（４８）であって、
中心体（７４）と、
前記中心体（７４）との間に予混合流路（７８）を形成するように前記中心体（７４）から半径方向に離間されている外側シュラウド（７６）であって、環状本体（８６）を備え、該環状本体（８６）が、内側部分（８８）、外側部分（９０）、および後端部（９４）から軸方向に離れた前端部（９２）を有する外側シュラウド（７６）と
を備え、
前記本体（８６）に、完全に前記内側部分（８８）と前記外側部分（９０）との間に画設された冷却通路（９６）であって、前記前端部（９２）と前記後端部（９４）との間に少なくとも部分的に延在する冷却通路（９６）が形成されており、前記本体（８６）に、前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気入口（９８）および該冷却空気入口（９８）の下流で前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気出口（１００）がさらに形成されている燃料ノズル（４８）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、蛇行パターンおよび螺旋パターンの少なくとも一方で前記本体（８６）内に延在している、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、前記本体（８６）内で実質的に軸方向に延在している、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記本体（８６）に、前記冷却通路（９６）に沿って配置された１つ以上の流れ特徴（１０６）が形成されている、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、少なくとも部分的に、前記本体（８６）内の、前記後端部（９４）の周囲に延在している、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却空気入口（９８）が、前記本体（８６）の前記外側部分（９０）および前記本体（８６）の前記前端部（９２）の少なくとも一方を通る、前記冷却通路（９６）への流体連通を可能にしている、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記本体（８６）の前記後端部（９４）の上流で前記中心体（７４）から半径方向外側に延在する複数の案内羽根（８０）であって、該複数の案内羽根（８０）のそれぞれが、前縁（８２）および後縁（８４）を有する複数の案内羽根（８０）をさらに備え、前記冷却空気入口（９８）が、前記案内羽根（８０）の前記後縁（８４）と前記本体（８６）の前記後端部（９４）との間の位置で前記外側部分（９０）に沿って配置されている、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却空気出口（１００）が、前記内側部分（８８）を通る、前記冷却通路（９６）から前記予混合流路（７８）への流体連通を可能にしている、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
前記本体（８６）の前記後端部（９４）が、後壁（１０４）で終端しており、前記冷却空気出口（１００）が、前記冷却通路（９６）から前記後壁（１０４）を通る流体連通を可能にしている、請求項１に記載の燃料ノズル（４８）。
燃焼器（２４）であって、
外側ケーシング（４０）と、
前記外側ケーシング（４０）内で軸方向に延在する中心体（７４）および該中心体（７４）と同軸に配置された外側シュラウド（７６）を有する一次燃料ノズル（４８）であって、前記外側シュラウド（７６）が、前記中心体（７４）との間に予混合流路（７８）を形成するように前記中心体（７４）から半径方向に離間されている一次燃料ノズル（４８）と、
前記一次燃料ノズル（４８）と略平行に延在する、出口端（５８）で終端している少なくとも１つの二次燃料ノズル（５２）と
を備え、前記外側シュラウド（７６）が、環状本体（８６）を含み、該環状本体（８６）に、内側部分（８８）、外側部分（９０）、および後端部（９４）から軸方向に離れた前端部（９２）が形成されており、前記後端部（９４）が、前記二次燃料ノズル（５２）の前記出口端（５８）を軸方向に越えて延在しており、
前記本体（８６）に、完全に前記本体（８６）内に画設された冷却通路（９６）、該冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気入口（９８）、および該冷却空気入口（９８）の下流で前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気出口（１００）がさらに形成されている燃焼器（２４）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、蛇行パターンおよび螺旋パターンの少なくとも一方で前記本体（８６）内に延在している、請求項１０に記載の燃焼器（２４）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、少なくとも部分的に、前記本体（８６）内の、前記後端部（９４）の周囲に延在している、請求項１０に記載の燃焼器（２４）。
前記冷却空気入口（９８）が、前記本体（８６）の前記外側部分（９０）および前記本体（８６）の前記前端部（９２）の少なくとも一方を通る、前記冷却通路（９６）への流体連通を可能にしている、請求項１０に記載の燃焼器（２４）。
前記本体（８６）の前記後端部（９４）の上流で前記中心体（７４）から半径方向外側に延在する複数の案内羽根（８０）であって、該複数の案内羽根（８０）のそれぞれが、前縁（８２）および後縁（８４）を有する複数の案内羽根（８０）をさらに備え、前記冷却空気入口（９８）が、前記案内羽根（８０）の前記後縁（８４）と前記本体（８６）の前記後端部（９４）との間の位置で前記外側部分（９０）に沿って配置されている、請求項１０に記載の燃焼器（２４）。
前記本体（８６）の前記後端部（９４）が、前記内側部分（８８）と前記外側部分（９０）との間に延在する後壁（１０４）で終端しており、前記冷却空気出口（１００）が、前記予混合流路（７８）より半径方向外側にある前記後壁（１０４）および前記内側部分（８８）の少なくとも一方を通る、前記冷却通路（９６）から前記予混合流路（７８）への流体連通を可能にしている、
請求項１０に記載の燃焼器（２４）。
前記外側ケーシング（４０）内で半径方向および円周方向に延在するキャッププレート（６４）であって、該キャッププレート（６４）に、第２の面から軸方向に離れた第１の面および少なくとも１つの燃料ノズル通路（６６）が形成されており、前記外側シュラウド（７６）が、前記燃料ノズル通路（６６）を通って延在しており、前記後端部（９４）が、前記第２の面を軸方向に越えるように配置されているキャッププレート（６４）をさらに備える、請求項１０に記載の燃焼器（２４）。
ガスタービン（１０）であって、
圧縮機（１６）と、
前記圧縮機（１６）の下流に配置された燃焼器（２４）と、
前記燃焼器（２４）の下流に配置されたタービン（２８）と
を備え、
前記燃焼器（２４）が、
外側ケーシング（４０）に結合されたエンドカバー（４２）と、
前記外側ケーシング（４０）内で前記エンドカバー（４２）から軸方向下流に延在する中心体（７４）および該中心体（７４）と同軸に配置された外側シュラウド（７６）を有する燃料ノズル（４８）と
を備え、前記外側シュラウド（７６）が、前記中心体（７４）との間に予混合流路（７８）を形成するように前記中心体（７４）から半径方向に離間されており、
前記外側シュラウド（７６）が、環状本体（８６）を含み、該環状本体（８６）に、内側部分（８８）、外側部分（９０）、および後端部（９４）から軸方向に離れた前端部（９２）が形成されており、前記後端部（９４）が、前記燃焼器（２４）内に形成された燃焼領域（５６）の近傍に配置されており、
前記本体（８６）に、完全に前記本体（８６）内に画設された冷却通路（９６）、該冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気入口（９８）、および該冷却空気入口（９８）の下流で前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気出口（１００）がさらに形成されている、ガスタービン（１０）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、蛇行パターンおよび螺旋パターンの少なくとも一方で前記本体（８６）内に延在している、請求項１７に記載のガスタービン（１０）。
前記冷却通路（９６）の少なくとも一部が、少なくとも部分的に、前記本体（８６）内の、前記後端部（９４）の周囲に延在している、請求項１７に記載のガスタービン（１０）。
前記冷却空気入口（９８）が、前記本体（８６）の前記外側部分（９０）および前記本体（８６）の前記前端部（９２）の少なくとも一方を通る、前記冷却通路（９６）への流体連通を可能にしており、
前記本体（８６）の前記後端部（９４）が、後壁（１０４）で終端しており、前記冷却空気出口（１００）が、前記冷却通路（９６）から前記後壁（１０４）および前記内側部分（８８）および前記外側部分（９０）の少なくとも１つを通る流体連通を可能にしている、請求項１７に記載のガスタービン（１０）。
燃料ノズル（４８）の外側シュラウド部（７６）の本体（８６）であって、完全に前記本体（８６）内に画設される冷却通路（９６）が形成される本体（８６）を作製するための方法であって、
前記冷却通路（９６）を含む前記本体（８６）の三次元情報を決定するステップと、
前記三次元情報を、前記本体（８６）の断面層を規定する複数のスライスに変換するステップであって、空隙が、前記冷却通路（９６）を規定する、前記層の少なくとも一部の範囲に形成されるステップと、
レーザエネルギーまたは電子ビームエネルギーを用いて金属粉末を溶解することによって前記本体（８６）の前記層のそれぞれを連続的に形成するステップと
を含む方法。
前記本体（８６）の前記三次元情報を決定する前記ステップが、前記本体（８６）の三次元モデルを生成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
前記本体（８６）の前記三次元情報を決定する前記ステップが、前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気入口（９８）および該冷却空気入口（９８）の下流で前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気出口（１００）を含む前記本体（８６）の三次元モデルを生成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
前記本体（８６）の前記三次元情報を決定する前記ステップが、前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気入口（９８）および該冷却空気入口（９８）の下流で前記冷却通路（９６）と流体連通する冷却空気出口（１００）を含む前記本体（８６）の三次元モデルを生成することをさらに含み、前記冷却空気入口（９８）が、前記本体（８６）の前端部（９２）の近傍に形成され、前記冷却空気出口（１００）が、前記本体（８６）の内側部分（８８）、外側部分（９０）、または後壁（１０４）の１つに沿って形成される、請求項２１に記載の方法。
前記本体（８６）の前記三次元情報を決定する前記ステップが、前記冷却通路（９６）に沿って前記本体（８６）内に形成される少なくとも１つの流れ特徴（１０６）を含む前記本体（８６）の三次元モデルを生成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
前記レーザエネルギーを用いて前記金属粉末を溶解することによって前記本体（８６）の前記層のそれぞれを連続的に形成する前記ステップが、コバルトクロム、ＨＳ１８８、およびＩＮＣＯ６２５の少なくとも１種類を含む金属粉末を溶解することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
前記レーザエネルギーを用いて前記金属粉末を溶解することによって前記本体（８６）の前記層のそれぞれを連続的に形成する前記ステップが、約１０ミクロン〜約７５ミクロンの粒径を有する金属粉末を溶解することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
前記レーザエネルギーを用いて前記金属粉末を溶解することによって前記本体（８６）の前記層のそれぞれを連続的に形成する前記ステップが、約１５ミクロン〜約３０ミクロンの粒径を有する金属粉末を溶解することをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
燃料ノズル（４８）であって、
環状に形作られた本体（８６）および完全に前記本体（８６）内に画設された冷却通路（９６）を有する外側シュラウド（７６）を備え、
前記本体（８６）が、付加製造工程であって、
前記冷却通路（９６）を含む前記本体（８６）の三次元情報を決定するステップと、
前記三次元情報を、前記本体（８６）の断面層を規定する複数のスライスに変換するステップであって、空隙が、前記冷却通路（９６）を規定する、前記層の少なくとも一部の範囲に形成されるステップと、
レーザエネルギーまたは電子ビームエネルギーを用いて金属粉末を溶解することによって前記本体（８６）の前記層のそれぞれを連続的に形成するステップと
を含む付加製造工程によって形成されている燃料ノズル（４８）。
前記付加製造工程が、レーザ焼結工程である、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。
前記付加製造工程が、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ）工程である、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。
前記本体（８６）に、前記本体（８６）の前端部（９２）の近傍に形成された冷却空気入口（９８）および前記本体（８６）の内側部分（８８）、外側部分（９０）、または後壁（１０４）の１つに沿って形成された冷却空気出口（１００）が形成されている、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却空気入口（９８）が、前記本体（８６）の前記外側部分（９０）または前記本体（８６）の前壁（１０２）の一方を通る、前記冷却通路（９６）への流体連通を可能にしている、請求項３２記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却通路（９６）が、実質的に螺旋パターンで前記本体（８６）内に延在している、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却通路（９６）が、実質的に蛇行パターンで前記本体（８６）内に延在している、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。
前記冷却通路（９６）が、前記本体（８６）の前部から前記本体（８６）の後部に向かって前記本体（８６）内に延在している、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。
前記本体（８６）に、前記冷却通路（９６）に沿って配置された１つ以上の流れ特徴（１０６）が形成されている、請求項２９に記載の燃料ノズル（４８）。