JP5399178B2 - 燃料ノズルチップ組立体 - Google Patents

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Description

本発明は広義にはガスタービンエンジンの燃料ノズルのためのシステム及び構成に関し、具体的には、燃料ノズルチップ及びその部品のための構成に関する。
ガスタービンエンジンは、それを通って流れる圧縮ガスを発生させることによってタービンを回転させる。圧縮ガスは、プロパン、天然ガス、ケロシン又はジェット燃料のような燃料を燃焼させることによって発生され、それら燃料は、燃料ノズルの組によって燃焼器又は燃焼室内に噴射された後に燃焼される。燃料ノズルチップは、該チップを通って下流方向に燃焼器に向かって流れる圧縮ガスによる荷重を受ける可能性がある。ノズルチップの部品は、ノズルに対する摩耗及び断裂のために分離状態になる可能性がある。例えば、ロウ付け継手は場合によっては、ノズルチップを分断しかつ該ノズルチップが下流方向に流れるのを許すおそれがある。継手分断はありそうもないといえるが、そのような継手分断による損傷の可能性は、ノズルチップがタービン内に流れた場合には重大なものとなるおそれがある。
一実施形態では、本システムは、燃料ノズルチップリテーナを含み、燃料ノズルチップリテーは、チップインサートが燃料ノズルの軸方向下流方向に移動するのを阻止するジオメトリを有する構造部材を含む。
本技術の実施形態による、燃焼器に結合された燃料ノズルを有するタービンシステムのブロック図。 本技術の実施形態による、エンドカバーに結合された複数の燃料ノズルを備えた図1に示すような燃焼器の切欠き側面図。 本技術の実施形態による、軸方向保持機構を有する燃料ノズルチップを備えた図2に示すような燃料ノズルの組立断面側面図。 本技術の実施形態による、チップインサート、ノズルチップ管及び該チップインサートの軸方向保持を行なうためのショルダ部を備えた図3に示すような燃料ノズルチップの分解断面側面図。 本技術の実施形態による、部分的に組立てられた図4に示すような燃料ノズルチップの分解断面側面図。 本技術の実施形態による、完全に組立てられた図4及び図5に示すような燃料ノズルチップの断面側面図。 本技術の実施形態による、図3〜図6に示すような燃料ノズルチップの端面図。 本技術の別の実施形態による、軸方向保持のためのショルダ部接合部を有するチップインサート及びチップ管を備えた燃料ノズルチップの断面側面図。
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。
以下、本発明の1以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態に関する説明の便宜上、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施の開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標(システム及び業務に関連した制約に従うことなど)を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。
本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が1以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。作動パラメータ及び/又は環境条件の例は、開示された実施形態以外のパラメータ/条件を除外するものではない。
以下で詳しく説明する通り、燃料ノズルシステムの様々な実施形態を用いて、タービンエンジンシステムの性能を向上させることができる。具体的には、実施形態は、管状チップ及びインサートを備えた燃料ノズルチップを含む。一部の実施形態では、燃料ノズルチップは、チップインサートの下流方向への軸方向移動を阻止するために、軸方向当接構造体のような軸方向保持機構を含む。例えば、管状チップ及びチップインサートは、ショルダ部を介して該インサートを保持するように接合部し、それによって該インサートが軸方向に移動するのを阻止することができる。具体的には、ノズルの近くでの燃料の燃焼によりノズルチップ部品が受ける極めて高い温度は、ノズルチップにおける保持ロウ付け部の破損を引き起こす可能性がある。チップインサートにおけるショルダ部のような二次的保持機構がない場合には、ノズルチップ部品は場合によっては、遊離状態になりかつ下流方向に流れて、タービンブレードに損傷を引き起こす可能性がある。タービンブレード損傷による運転休止時間及び補修又は交換は、タービンオペレータにとって費用のかかるものになるおそれがある。
次に、図面に移りかつ先ず図1を参照すると、タービンシステム10の実施形態のブロック図を示している。この図は、燃料ノズル12、燃料供給源14及び燃焼器16を含む。図示するように、燃料供給源14は、タービンシステム10に対して、燃料ノズル12を介して液体燃料又は天然ガスのような気体燃料を燃焼器16内に送る。矢印18で示すように圧縮空気と混合した後に、燃焼器16内で燃焼を生じさせかつ発生した排気ガスによりタービン20内のブレードを回転させる。タービン20内のブレードとシャフト22との間の結合は、シャフト22の回転を引き起こすことになり、シャフト22はまた、図示するようにタービンシステム10全体にわたって幾つかの部品にも結合されている。例えば、図示したシャフト22は、圧縮機24及び負荷26に駆動結合されている。明らかなように、負荷26は、例えば発電プラント又は乗物など、タービンシステム10の回転出力により動力を発生させることができる好適な装置とすることができる。
空気供給源28は、導管を介して空気を空気取入れ口30に送り、空気取入れ口30は次に、該空気を圧縮機24に送ることができる。圧縮機24は、シャフト22に駆動結合された複数のブレードを含み、それによって矢印32で示すように空気取入れ口30からの空気を圧縮しかつ該圧縮空気を燃料ノズル12及び燃焼器16に送る。燃料ノズル12は次に、符号18で示すように圧縮空気及び燃料を混合して、燃焼に最適な混合比を発生させる、例えば燃料をより完全に燃焼させて燃料を無駄にしないようにするか又は過剰なエミッションを生じさせないようにする燃焼を発生させることができる。タービン20を通って流れた後に、排気ガスは、排気ガス出口34においてシステムから流出する。以下で詳しく説明する通り、タービンシステム10の実施形態は、軸方向保持を改善し、それによって安全性を向上させかつ分離したノズル部品による運転停止時間の発生可能性を減少させる特定の構造体及び部品を燃料ノズル12内に含む。
図2は、複数の燃料ノズル12を有する燃焼器16の実施形態の切欠き側面図を示している。図示するように、各燃料ノズル12は、チップ部品の下流方向への軸方向移動の可能性を阻止するための独特の軸方向保持機構(例えば、軸方向当接又はブロック機構)を備えた燃料ノズルチップ36を含む。実施形態では、燃焼器16は、該燃焼器16の基部に設置されたエンドカバー38に取付けることができる5以上の燃料ノズル12を特徴とすることができる。エンドカバー38は、燃料及び圧縮ガスを各燃料ノズル12に送る導管又はチャネルを含むことができる。各燃料ノズル12は、圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼器16内において方向40に送るのを可能にする。空気燃料混合気は次に、燃焼器16内で燃焼して高温加圧排気ガスを形成し、この高温加圧排気ガスが、タービン20内でのブレードの回転を促進する。燃焼器16は、流れスリーブ42と、燃焼ゾーンを囲むライナ44とを含む。一部の実施形態では、流れスリーブ42及びライナ44は、互いに同軸であって中空の環状空間45を形成し、この環状空間45は、冷却用空気の通過及び燃焼ゾーンへの進入(例えば、ライナ44内の多孔を介して)を可能にすることができる。ライナ44はまた、方向40として下流方向にトランジションピース46に向かう空気燃料混合気及び高温排気ガスの流れ及び速度を制御するように設計することができる。例えば、空気燃料混合気は、各燃料ノズルチップ36から方向40に向かって流出することができ、混合気は、燃焼器ライナ44に流入すると燃焼して、圧縮排気ガスが下流方向40にトランジションピース46を通ってタービン20内に送られるようになる。明らかなように、燃料ノズルチップ36の近くでの空気燃料混合気の燃焼は、ノズル12部品上への熱放射のために摩耗及び断裂を引き起こす可能性がある。例えば、燃料ノズルチップ36の部品が、摩耗のために遊離状態になると、チップ部品は下流方向40に流れてタービン20のブレード及びその他の部品に対して費用のかかる損傷を発生させる。従って、下記に説明するように、各燃料ノズルチップ36は、独特の軸方向保持機構により積極固定される。
図3には、燃料ノズル12の実施形態の断面側面図を示している。下記にさらに図示しかつ説明するように、燃料ノズル12は、燃料ノズルチップ36の部品の下流方向40への望ましくない軸方向移動を防止するための積極停止又は阻止を行うように構成された独特の軸方向保持機構47を含む。燃料ノズル12は、ナット及びボルト、或いはその他の好適な結合機構によりエンドカバー38に結合することができるフランジ50を含む。圧縮空気は、エンドカバー38及びフランジ50を貫通して圧縮機30から圧縮空気通路48に送ることができる。外側チューブ51は、圧縮空気が通路52内で下流方向に流れる時に該圧縮空気を調整する流れ調整器として記述することができる。図示するように、燃料ノズル12はまた、圧縮空気通路52及び燃料通路54を含む。通路48、52及び54は、互いに同軸に配置され、従ってその形状が環状である。図示するように、通路48、52及び54は、内側チューブ49、外側チューブ51及び中間チューブ53によって形成される。燃料通路54からの燃料は、ベーン孔57を介してスウォズル56に供給される。圧縮空気は、該圧縮空気を燃料ノズルチップ36内に引き込むベローズ管59を通って方向58に流れる。空気は、空気通路52から該空気が燃料と混合されるスウォズル56を通して送ることができる。スウォズル56は、空気が下流方向61に流れる時に燃料ノズル12の周りに旋回作用を発生させて該空気を流すのを可能にするベーンを含む。さらに、ノズル管チップ部品62は、燃料ノズル12内の基部表面に対して溶接又はロウ付け60して、それによって構造体を取付けることができる。空気が管チップから流出すると、スウォズル56によって生じた旋回空気燃料混合気は、空気と共に流れかつ該空気と混合する。具体的には、スウォズル56の設計は、燃焼器16に向かう燃料空気混合気の流れ及び混合を高め、それによってノズル12の内側壁63への空気燃料混合気の付着を減少させるか又は防止する。
実施形態では、燃料ノズルチップ36は、管チップ62、拡散チップインサート64及び管チップ端部部材66を含む。以下で詳しく説明する通り、圧縮空気の方向58への流れは、拡散チップインサート64上に応力を発生させる可能性があり、拡散チップインサート64は、管チップ62及びチップ端部部材66の軸方向保持機構47によって保持することができる。空気が燃料ノズルチップ36から流出すると、空気燃料混合気は符号65で示すノズル12の出口の近くで燃焼させることができる。明らかなように、管チップ62、チップ端部部材66及び拡散チップインサート64は、ガス及び液体燃料タービンシステムの両方におけるノズル12組立体の一部とすることができる。図示するように、管チップ62は、符号60で示すような接合部によってスウォズル56に結合される。
図4は、軸方向保持機構47を備えた燃料ノズルチップ36の実施形態を示す分解断面側面図である。図示するように、管チップ端部部材66は、端部部材ショルダ部68を含む。端部部材ショルダ部68の内側環状表面67は、管チップ端部部材66の残りの部分の内側環状表面の直径よりも大きい直径69を有し、それによってショルダ部68を形成する。従って、ショルダ部68は、積極軸方向ストッパとして機能するための軸方向当接表面を形成するように構成された環状形状を有する。例えば、端部部材ショルダ部68は、インサート接合ショルダ部70を受けるように構成され、それによって拡散チップインサート64の積極軸方向保持を行なって、方向58への軸方向移動を防止する。ショルダ部68及び70は、それぞれ外側及び内側環状ショルダ部として説明することができる。さらに、ショルダ部68及び70を含むこれらの燃料ノズルチップ36の部分は、燃料ノズルチップリテーナと呼ぶことができる。明らかなように、ノズル軸線72に沿って燃焼室16に向かう方向58の空気流れの圧力は、拡散チップインサート64に対して方向58の軸方向力を発生させる。ロウ付け部位74もまた、管チップ端部部材66内に設置されたチップインサートを維持する保持機構を構成することができる。明らかなように、適切なロウ付け部74は、組立体内にチップ64を結合することができる。しかしながら、ロウ付け部74は、ショルダ部68及び70間の軸方向接合部/当接部のような積極ストッパを構成しない。例えば、管チップ端部部材66と拡散チップインサート64との間にロウ付け部74のみが存在している場合(例えば、ショルダ部68及び70がない場合)には、ロウ付け部74が分離状態になると、拡散チップインサート64は下流方向58に流れるおそれがある。
実施形態では、端部部材ショルダ部68及びインサート接合ショルダ部70は、二次的保持機構と呼ばれ、これにより、ロウ付け部74の破損が発生した場合に拡散チップインサート64が下流方向58に移動するのを阻止することができる。さらに、管チップ端部部材66の内部に拡散チップインサート64を配置した後に、管チップ62は、燃料ノズルチップ組立体36の部位76と78との間で電子ビーム溶接或いはその他の好適な結合又は組立法により管チップ端部部材66に結合することができる。ノズルチップ36の実施形態はまた、テーパ状環状表面79を含み、このテーパ状環状表面79は、溶接を可能にしかつ拡散チップインサート64の上流に軸方向ストッパを構成することができる。同時に、テーパ状環状表面79並びにショルダ部68及び70は、反対方向への軸方向移動を阻止し、それによってインサート64を軸方向に捕捉する。他の実施形態では、ショルダ部68及び70が、拡散管チップインサート64のための一次的保持部材となる場合には、ノズルチップ36は、ロウ付け部74を含まない。さらに、溶接部又はロウ付け部74は、ショルダ部68及び70における接合部から分離又は独立したものとすることができる。しかしながら、幾つかの実施形態では、ショルダ部68及び70の接合部そのものに溶接部又はロウ付け部74を含むことができる。
図5は、部分的に組立てられた、図4に示すような燃料ノズル36の実施形態の分解断面側面図を示す図である。この図において、拡散チップインサート64は、管チップ端部部材66の内部に配置されており、ロウ付け部74により、拡散チップインサート64を内側環状表面67に取付けている。さらに、ロウ付け部74の破損が発生した場合には、端部部材ショルダ部68とインサート接合ショルダ部70との間の積極接合部によって軸方向チップ保持が得られる。この場合も同様に、ショルダ部68及び70は、時間の経過につれて熱応力及び割れ発生の結果として場合によっては分離する可能性があるロウ付け部74とは異なり、軸方向に互いに当接して積極停止を行なう。図示するように、内側環状表面67及びショルダ部68は、拡散チップインサート64の環状突出部(例えば、ショルダ部70)を受けかつ保持する環状グルーブとして説明することができる。この軸方向接合部は、たとえロウ付け部74が破損した場合であっても拡散チップインサート64の軸方向移動(すなわち、二次的捕捉部として)を阻止する。拡散チップインサート64は、燃料ノズルチップ36の端部を通しての方向58の空気分配又は流出を可能にする孔80を含む。実施形態では、拡散チップインサート64及び管チップ端部部材66は、燃料ノズル36の下流での燃焼と関連した高温に耐えることができるニッケル合金で構成されている。さらに、管チップ62は、該管チップ62が高い燃焼温度に曝されないという事実により、ニッケル合金よりも安価なステンレス合金で構成することができる。従って、燃料ノズル36に関する実施形態は、適切な部品のための材料を使用することにより製作コストを節減することができる。
図6は、図4及び図5に示す実施形態の完全組立断面側面図を示している。この図は、管チップ62と管チップ端部部材66との間での部位76及び78における電子ビーム溶接による電子ビーム溶接部を示している。具体的には、軸線72に沿った拡散チップインサート64の保持は、端部部材ショルダ部68とインサート接合ショルダ部70との間の軸方向接合部によって並びにロウ付け部74によって行うことができる。特別のショルダ部68及び70におけるこの図示した保持方法は、ロウ付け部74があっても又はなくても拡散チップインサート64の下流方向への離脱を阻止する。言い換えれば、この構成は、ロウ付け部74の破損が発生した場合にでも拡散チップインサート64が下流方向に移動するのを阻止し、それによってタービン20内のブレードに対する費用のかかる損傷が防止されかつタービンシステム10における費用のかかる運転休止時間が回避される。さらに、別の実施形態では、端部部材ショルダ部68及びインサート接合ショルダ部70の形状は、図示した直角接合部とは異なったものとすることができる。例えば、内側環状表面67は、拡散チップインサート64の対応する合せ面と共に、軸線72に対して30〜90度の角度でテーパ状とし、それによって軸方向58における積極保持としてロウ付け部74のためのテーパ状接合部(例えば、部分円錐接合面)を形成することができる。従って、軸方向保持機構47は、90度接合部、0〜90度の傾斜接合部、又は複数の異なる接合部の組合せにより積極停止を行うことができる。テーパ状接合部は、軸線72に対して30度、45度、60度、又はその他のある角度とすることができる。他の実施形態では、環状表面67及びそれに対応するチップインサート64の表面の角度は、10度〜最大60度の範囲とすることができる。
図7は、燃料ノズルチップ36の実施形態の端面図を示している。図示するように、燃料ノズルチップ36は、拡散チップインサート64の中心部近くに及び該拡散チップインサート64の周辺部分に設置することができる空気孔80を含む。他の実施形態では、空気孔80の位置、寸法及びジオメトリは、ガス又は液体燃料及び様々なその他の要因に応じて変更することができる。空気孔80は、空気が燃焼器16内での燃焼のために方向58に燃料ノズルチップ36から流出するのを可能にすることができる。上述のように、拡散チップインサート64の実施形態は、ロウ付け部74の破損が発生した場合に端部部材ショルダ部68及びインサート接合ショルダ部70によって保持され、それによって拡散チップインサート64が下流方向に流れるのが防止されると共にタービン部品を損傷させるのが回避される。
図8は、管チップ84の一体構造を有する燃料ノズルチップ82の別の実施形態を示す図である。具体的には、燃料ノズルチップ82は、図3〜図7の実施形態の管チップ62と管チップ端部部材66とを組合せたものであり、左側から右側への拡散チップインサート64の取付けを可能にする。管チップ84は、放射かつ高温に耐えるニッケル合金で構成することができる。拡散チップインサート64もまた、ニッケル合金で構成することができる。具体的には、管チップ84は、上流端部87から管ショルダ部88まで一定の直径を有する環状内表面を含む。内側表面86は、左側から右側にショルダ部88まで如何なる傾斜表面又はテーパ状表面も含まない。この構成により、拡散チップインサート64が管ショルダ部88によって保持されるまで、管チップ84の上流端部上の開口部を通して該拡散チップインサート64を配置することが可能になる。例えば、燃料ノズルチップ82の組立時に、拡散チップインサート64は、方向58に沿って管チップ84内に挿入して、該拡散チップインサート64がロウ付け部74で並びに管ショルダ部88及びインサート接合ショルダ部70で保持されるようにしてもよい。図示した実施形態により、ロウ付け部74の破損が発生した場合にも、拡散チップインサート64の積極保持が得られる。明らかなように、管ショルダ部88及びインサート接合ショルダ部70によって得られた軸方向保持は、方向58における燃料流の力により拡散チップインサート64が遊離するのを阻止し、それによって拡散チップインサート64が下流方向に流れるのが阻止されると共に費用のかかるタービンブレードの損傷が防止される。
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを例示しかつ説明してきたが、当業者は多くの改良及び変更に想到するであろう。従って、特許請求の範囲は、全てのそのような改良及び変更を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護しようとするものであることを理解されたい。
10 タービンシステム
12 燃料ノズル
14 燃料供給源
16 燃焼器
18 圧縮空気及び燃料
20 タービン
22 シャフト
24 圧縮機
26 負荷
28 空気供給源
30 空気取入れ口
32 圧縮空気
34 排気ガス出口
36 燃料ノズルチップ
38 エンドカバー
40 下流方向
42 流れスリーブ
44 ライナ
45 環状空間
46 トランジションピース
47 軸方向保持機構
48 圧縮空気通路
49 内側チューブ
50 フランジ
51 外側チューブ
52 圧縮空気通路
53 中間チューブ
54 燃料通路
56 スウォズル
57 ベーン孔
58 圧縮空気の流れ方向
59 ベローズ管
60 接合部(溶接部又はロウ付け部)
61 下流方向
62 ノズル管チップ部品
63 内側壁
64 拡散チップインサート
65 ノズルの出口
66 管チップ端部部材
67 内側環状表面
68 端部部材ショルダ部
69 直径
70 インサート接合ショルダ部
72 ノズル軸線
74 ロウ付け部
76 燃料ノズルチップ組立体の部位
78 燃料ノズルチップ組立体の部位
79 テーパ状環状表面
80 空気孔
82 燃料ノズルチップ
84 管チップ
86 内側表面
87 上流端部
88 管ショルダ部

Claims (10)

  1. タービン(20)と、
    燃焼器(16)と、
    圧縮機(24)と、
    燃料ノズル(12)と
    を備えるタービンシステム(10)であって、前記燃料ノズル(12)が、
    互いに結合される第1の管状部材(62)と第2の管状部材(66)とを備える管状チップ(62,66)であって、第1の管状部材(62)が第1の軸方向ブロック機構(79)を備えており、第2の管状部材(66)が第2の軸方向ブロック機構(68)を備えている、管状チップ(62,66)と、
    前記管状チップ(62,66)の内部に配置される拡散チップインサート(64)であって、前記管状チップの下流端から軸方向にオフセットした複数の空気孔(80)を備える拡散チップインサート(64)と
    を含んでおり、前記第1の軸方向ブロック機構(79)が、前記燃料ノズル(12)の上流方向への前記拡散チップインサート(64)の軸方向移動を阻止し、前記第2の軸方向ブロック機構(68)が、前記燃料ノズル(12)の下流方向への前記拡散チップインサート(64)の軸方向移動を阻止する、タービンシステム(10)。
  2. 前記第1の管状部材(62)と第2の管状部材(66)とが直接結合される、請求項1記載のタービンシステム(10)。
  3. 前記第1の管状部材(62)と第2の管状部材(66)とが異なる材料で製作される、請求項1又は請求項2記載のタービンシステム(10)。
  4. 前記第2の軸方向ブロック機構(68)が、第1の直径の第1の環状表面と、第2の直径の第2の環状表面と、前記第1の環状表面と第2の環状表面の間の第3の表面とを有する内側環状ショルダ部(67)であって、前記第3の表面が、前記第1及び第2の直径の軸線に対して90度の角度をもつ、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のタービンシステム(10)。
  5. 前記第1の軸方向ブロック機構(79)がテーパ状環状表面(79)である、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のタービンシステム(10)。
  6. 該タービンシステム(10)が乗物又は発電プラントと結合している、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のタービンシステム(10)。
  7. 前記燃料ノズル(12)が、圧縮空気通路(48)、スウォズル(56)、ベローズ管(59)、燃料通路(52)及び流れ調整器(51)を含む、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載のタービンシステム(10)。
  8. 前記燃料ノズル(12)が、前記管状チップ(62,66)と前記拡散チップインサート(64)との間にロウ付け部(74)を含む、請求項1乃至請求項7のいずれか1項記載のタービンシステム(10)。
  9. 前記拡散チップインサート(64)が、前記複数の空気孔(80)が設けられた下流側端面と、その軸方向上流側に位置するインサート接合ショルダ部(70)とを備える、請求項1乃至請求項8のいずれか1項記載のタービンシステム(10)。
  10. 前記拡散チップインサート(64)が、第1の軸方向端部とその反対側の第2の軸方向端部とを有していて、前記第1の軸方向端部が、前記第1の軸方向ブロック機構(79)と軸方向にオフセットしていて、前記第2の軸方向端部が、前記第2の軸方向ブロック機構(68)と当接している、請求項9記載のタービンシステム(10)。
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