JP5400632B2 - 予混合燃料ノズル用の挿入可能な予め穿孔された旋回羽根 - Google Patents

Description

本発明は、燃料／空気予混合器を備えるガス・タービンにおける燃料ノズルに関し、より詳細には、独立に挿入可能な予め穿孔された旋回羽根を備える燃料ノズルに関する。

典型的な工業用ガス・タービン予混合燃料ノズルでは、成形された中空の羽根の円形配列を用いて流入空気を旋回させる鋳造物旋回羽根アセンブリを用いる場合がある。中空の羽根は、燃料供給通路としても機能する。各羽根には、側辺に穿孔された複数のガス・ポート孔が設けられており、ガス・ポート孔を通して、通過する気流内に燃料が噴射される。

ガス・タービン製造業者はこれまで、望ましくない大気汚染排出物を生成することなく高効率で動作する新しいガス・タービンを作る研究および設計プログラムに関わっている。ガス・タービンが従来の炭化水素燃料を燃やすことによって通常生成される主な大気汚染排出物は、窒素酸化物、一酸化炭素、および未燃炭化水素である。空気吸い込み式エンジンにおける窒素分子の酸化は、燃焼システム反応ゾーンにおける最大の高温ガス温度に大きく依存することが良く知られている。窒素酸化物（ＮＯｘ）を形成する化学反応の速度は、温度の指数関数である。燃焼室の高温ガスの温度が十分に低いレベルに制御されていれば、サーマルＮＯｘは生成されない。熱エンジン燃焼器の反応ゾーンの温度をサーマルＮＯｘが形成されるレベル未満に制御する既存の方法は、燃焼前に燃料および空気を予混合して希薄混合気にすることである。希薄予混合燃焼器の反応ゾーン内に存在する過剰空気の熱容量によって、反応ゾーンにおけるピーク温度が下がり、サーマルＮＯｘの形成が最小限になる。

図１に、スウォズル型旋回羽根アセンブリを例示する。これは、米国特許第１，４３８，９６１号明細書に記載されているものである。予混合燃料ノズルが、機能によって４つの領域に分割されている。たとえば、吸気流調節器、天然ガス燃料噴射を伴う空気旋回翼アセンブリ、環状の燃料空気混合通路、および中央の拡散火炎天然ガス燃料ノズル・アセンブリである。吸気流調節器の機能は、予混合器内に入る空気流速度分布を調製することである。燃焼空気は、吸気流調節器を出た後で、スウォズル・アセンブリ２に入る。スウォズル・アセンブリは、ハブ２０１と側板２０２とを備え、それらは一連の翼形状の案内羽根（ｔｕｒｎｉｎｇ ｖａｎｅ）２３によって接続されている。案内羽根２３によって、予混合器を通る燃焼空気に旋回が与えられる。各案内羽根２３は、主の天然ガス燃料供給通路２１を備えており、翼の中心部を通る副の天然ガス燃料供給通路２２を備えていても良い。これらの燃料通路によって、天然ガス燃料が、主のガス燃料噴射孔および任意的に副のガス燃料噴射孔（翼の壁を貫通する）に分配される。燃料噴射孔は、案内羽根２３の圧力側、吸引側、または両側に配置される場合がある。天然ガス燃料は、スウォズル・アセンブリ２に、入口ポートおよび環状通路（主および任意的に副の案内羽根通路にそれぞれ供給する）を通って入る。天然ガス燃料は、スウォズル・アセンブリ２において燃焼空気との混合を開始し、燃料／空気混合は環状通路において完了する。環状通路は、スウォズル・ハブ延長部分とスウォズル側板延長部分とによって形成されている。環状通路を出た後で、燃料／空気混合気は、燃焼が起こる燃焼器反応ゾーンに入る。

既存のデザインに付随する多くの問題がある。現在の構成におけるガス・ポート・オリフィスの有効開口面積を測定するために流れ試験が用いられ、流れ試験は、これらのオリフィスを穿孔した後で行なわれる。ガス・ポート開口面積が大きすぎたとしても、その部品を修復または変更してこの面積を補正するプロセスはなく、そのため、高価な部品を廃棄しなければならない。さらに加えて、現在の流れ試験は、燃料ノズル全体に対する燃料回路面積を評価することはできるが、燃料流れの羽根間の変動を評価することはできない。ＮＯｘ排出は、高燃空比の局所領域によって強く影響されるため、できるだけ均一な燃料空気混合気を供給することが望ましい。

燃料ノズル・ガス・ポート直径のサイズは、特定の範囲の燃料組成および温度に対応するように取られている。動作燃料温度または燃料比重が変わると、ガス・タービンの適切な動作を維持するために、ガス・ポート・オリフィス・サイズを変える必要がある可能性がある。しかし前述したように、このように変えることは容易にも安価にも行なわれない。現在の燃料ノズル・デザインでは、すべての旋回羽根において一定のガス・ポート直径および箇所を用いている。燃焼システム解析方法およびシステム性能が進展し続けるにつれ、種々のガス・ポート箇所および／または直径を単一の燃料ノズル内で用いることによって利益が得られる場合がある。従来のデザインの場合、実質的なノズル再構成を伴うことなくガス・ポート箇所および／または直径を変えることはできない。

流れ場解析が示すところによれば、隣接する燃料ノズルにおいて二重反転旋回を用いることによって、燃焼システムにおいて動作上および／または性能上の利益を得ることができる。しかし、従来の燃料ノズル旋回翼鋳造は複雑であるために、高価な工具が必要であり、その結果、二重反転羽根構成を用いることは非常に困難である。

さらにまた、従来デザインでのプロトタイプの燃料ノズルは、作製に費用および時間がかかる。従来のデザインでは、旋回羽根は、旋回羽根鋳造に対して一体になっているため、最適な燃料供給および混合を得るためにプロトタイプ・ハードウェアを変更できることが非常に制限されている。

米国特許第６４３８９６１号

従来の構造におけるこれらの欠点に対処するデザインを提供することは望ましいであろう。

代表的な実施形態においては、旋回羽根が、ガス・タービンの中央のハブ・アセンブリに独立に接続可能である。旋回羽根は、構造ボディと、構造ボディ内に画定された対応する少なくとも１つの燃料ポートを備える少なくとも１つの燃料供給通路と、構造ボディと協働可能であり、中央のハブ・アセンブリに接続可能である少なくとも１つの接続タブとを備える。

別の代表的な実施形態においては、ガス・タービン用の予混合燃料ノズルは、中央のハブ・アセンブリと中央のハブ・アセンブリに円形配列で接続された複数の独立に接続可能な旋回羽根とを備える。

さらに別の代表的な実施形態においては、ガス・タービン用の予混合燃料ノズルを組み立てる方法が、（ａ）複数の旋回羽根を、それぞれ、構造ボディと、構造ボディ内に画定された対応する少なくとも１つの燃料ポートを備える少なくとも１つの燃料供給通路と、構造ボディと協働可能である少なくとも１つの接続タブとを備えるように用意するステップと、（ｂ）複数の旋回羽根を、予混合燃料ノズルの中央のハブ・アセンブリに独立に固定するステップと、を含む。

従来技術のスウォズル型旋回羽根アセンブリを示す図である。 独立に挿入可能な予め穿孔された旋回羽根の斜視図である。 独立に挿入可能な予め穿孔された旋回羽根およびはめ合い旋回ハブ・アセンブリの側面および平面図、ならびに旋回翼ハブ・アセンブリの断面図である。

図２および３に、ガス・タービンの中央のハブ・アセンブリ３２と、独立に接続可能な旋回羽根３４とを示す部分組立図を示す。単一の典型的な羽根のみが示されているが、複数の羽根を代表している。典型的な旋回羽根３４は一般的に、中空の構造ボディ３６を備える。中空の構造ボディ３６は、少なくとも１つの燃料供給通路３８と、構造ボディ３６内に画定された対応する少なくとも１つの燃料ポート４０とを備える。ガス・ポート４０は、円形または非円形とすることができ、穿孔、放電加工（ＥＤＭ）、または他の任意の知られたプロセスを用いて形成することができる。ガス・ポートは、羽根の吸引側もしくは圧力側または両側に形成することができ、羽根の表面に対して垂直であっても良いし傾けられていても良い。

好ましくは、構造ボディ３６は、複数の燃料供給通路３８と、対応する燃料ポート４０とを備える。少なくとも１つの接続タブ４２が、構造ボディ３６と協働可能であるとともに、中央のハブ・アセンブリ３２における対応するスロット４４と接続可能である。

独立に接続可能な旋回羽根３４は、その燃料通路およびポート３８、４０が、中央のハブ・アセンブリ３２内に取り付ける前に穿孔または機械加工される。燃料通路およびポート３８、４０を取り付け前に予備形成することによって、各旋回羽根３４を別個に流れ試験して燃料回路有効流れ面積がデザイン意図を満足していることを確実にすることができる。すなわち、流れ試験を用いて個々の羽根３４を調整して、適切な流れ特性の保証が得られるようにすることができる。独立に接続可能な旋回羽根３４を次に、中央のハブ・アセンブリ３２内に挿入して、接続タブ４２および対応するスロット４４を介して、他の任意の知られたプロセスを用いて所定の位置に、蝋付け、スウェージング加工、溶接、または接続する。別個に流れ試験された羽根３４を用いて、完成した羽根アセンブリはデザイン意図を必然的に自動的に満足するであろう。

アセンブリ全体を単位として試験するのではなく、羽根３４を別個に流れ試験しているため、羽根間の変動を直接測定することができ、制御が簡単になる。また、挿入可能な旋回羽根３４を用いているため、燃料組成の変化に備えて燃料ノズルのサイズを変更する比較的容易な方法が得られる。典型的な応用例では、燃料ノズル全体を取り替えるのではなくて、羽根３４を中央のハブ・アセンブリ３２から機械的に分離して、サイズ変更した旋回羽根と取り替えることができる。

羽根３４を、時計回りおよび反時計回りの両方の回転方向に鋳造または機械加工して、二重反転旋回を容易に利用できるようにすることができる。個々の羽根に対する鋳造用具の方が、はるかに安価であるとともに、必要とする製造時間が短い。さらにまた、挿入可能な旋回羽根３４を用いれば、羽根がより迅速かつより低コストで作製できるために、代替案の試験が容易になる。

クロッキング特徴部を、燃料ノズル・ベース内に取り入れて、燃料ノズルを燃焼器ライナに対して１つの方向にのみ取り付けられるようにすることができる。この特徴部によって、各旋回羽根の位置がライナ内部の燃焼流れ場に対して固定されたことが保証されるであろう。クロッキング特徴部を燃料ノズルのベース上に取り入れる（ことで燃焼ライナに対するその方向が分かるようにする）ことによって、種々のオリフィス直径および／または箇所の旋回羽根を用いて、改善された燃料空気配分を燃焼器内に供給することができる。個々の羽根上のガス・ポート箇所に対するアクセスが改善されたことにより、羽根間でガス・ポートの方向を変えることがより簡単かつ安価になっている。

例示した実施形態においては、旋回翼アセンブリ側板は、旋回翼アセンブリの一体部分ではなく、別個の存在であっても良い。

燃料ノズルを燃焼器に対して一意の方向に位置付ける特徴部を燃料ノズル・デザインに取り入れることによって、挿入可能な旋回羽根３４は、非対称の、優先的に配向された方法で燃料を供給する働きをすることができる。燃焼器内部の流れ場を解析すれば、予混合アセンブリの一部において旋回羽根により大きいポートまたはより小さいポートを取り付けることでより均一にすることができる燃料過多または燃料希薄領域が示される場合がある。各旋回羽根の流れ面積は、組み立てる前に分かっているため、予混合アセンブリ内部の燃料空気配分を調整して、より過多またはより希薄な混合気を燃焼器の異なる領域に供給することができる。

独立に接続可能な旋回羽根を用いれば、燃料ノズルの製造時間とプロトタイプ・ハードウェアの調達時間とを短くすることができる。また羽根が独立であることによって、より大きなデザイン適応性が得られる。ガス・ポート孔を個々の羽根内に穿孔することは、単一羽根の鋳造における場合よりもはるかに容易に行なうことができる。なぜならば、羽根の側辺に対するアクセスが妨げられていないからである。また孔を穿孔するための工具は複雑さがはるかに低いため、アセンブリにおける異なる羽根間で種々のガス・ポート構成を用いるさらに大きい適応性が得られる。このような変形によって、燃焼システムの操作性および排出において潜在的な優位性が得られるため、ガス・タービン性能の向上を実現することができる。

本発明を、現時点で最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものと関連して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されず、それどころか、添付の請求項の趣旨および範囲に含まれる種々の変更および等価な配置に及ぶことが意図されていることを理解されたい。

Claims (10)

1. ガス・タービンの中央のハブ・アセンブリ（３２）に独立に接続可能な旋回羽根であって、
   構造ボディ（３６）と、
   構造ボディ内に画定された対応する少なくとも１つの燃料ポート（４０）を備える少なくとも１つの燃料供給通路（３８）と、
   構造ボディと協働可能であり、中央のハブ・アセンブリに接続可能である少なくとも１つの接続タブ（４２）と、を備える旋回羽根。
2. 複数の燃料供給通路（３８）および対応する複数の燃料ポート（４０）を備える請求項１に記載の旋回羽根。
3. 旋回羽根が、中央のハブ・アセンブリ（３２）に接続する前に流れ試験される請求項１に記載の旋回羽根。
4. ガス・タービン用の予混合燃料ノズルを組み立てる方法であって、（ａ）複数の旋回羽根を、それぞれ、構造ボディ（３６）と、構造ボディ内に画定された対応する少なくとも１つの燃料ポート（４０）を備える少なくとも１つの燃料供給通路（３８）と、構造ボディと協働可能である少なくとも１つの接続タブ（４２）とを備えるように用意することと、
   （ｂ）複数の旋回羽根を、予混合燃料ノズルの中央のハブ・アセンブリ（３２）に独立に固定することと、を含む方法。
5. ステップ（ａ）を、ステップ（ｂ）の前に構造ボディ（３６）内に少なくとも１つの燃料ポート（４０）を穿孔または加工することによって実施する請求項４に記載の方法。
6. ステップ（ａ）を、ステップ（ｂ）の前に複数の旋回羽根をそれぞれ別個に流れ試験して燃料回路有効流れ面積が予め規定された基準を満足することを確実にすることによって実施する請求項４に記載の方法。
7. 複数の旋回羽根を複数の別のサイズの旋回羽根と取り替えることによって予混合燃料ノズルをサイズ変更することをさらに含む請求項４に記載の方法。
8. ステップ（ａ）を、複数の旋回羽根を時計回り方向と反時計回り方向の両方において別個に鋳造または加工することによって実施する請求項４に記載の方法。
9. ステップ（ａ）を、予め規定された流れ特性に従って複数の旋回羽根をそれぞれ別個に調整することによって実施する請求項４に記載の方法。
10. ステップ（ｂ）を、複数の旋回羽根のそれぞれが有する接続タブ（４２）を中央のハブ・アセンブリ（３２）に蝋付け、スウェージング加工、または溶接することによって実施する請求項４に記載の方法。

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