JP5543862B2 - モノリス型燃料噴射器及び関連製造方法 - Google Patents

モノリス型燃料噴射器及び関連製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、ガスタービン燃料噴射ノズル用のモノリス型ガスタービン燃料噴射ヘッド、及びその燃料噴射ヘッドを生産する方法に関する。
現在のある種のガスタービン燃料噴射ノズルは、上流プレートと下流プレートとの間に閉じ込められ、周壁によって取り囲まれ、圧力ベシクル(pressure vesicle)を形成する、多くの小さな燃焼空気管を含む。それらの管は、通常、管壁内に、ベシクルから管内部に燃料を噴射する、複数の非常に小さな低角度の穴を含んでおり、燃料及び空気は、その管内部で混合されてから、管を出て、燃焼室に入る。このタイプの燃料噴射ノズルが、2006年3月7日に発行された同一出願人所有の米国特許第7007478号に開示されている。
米国特許出願公開第2007/0141375号公報
前述の燃料噴射ノズルが、必然的に、水素燃料の封止を必要とする管/プレート及びプレート/壁接触面のところに多くのろう付継手を含んでおり、又、多くの小さな低角度の燃料噴射穴を形成するために、高価なEDM手順が必要となることが理解されよう。さらに、規定の性能基準を満たすために、入り組んだ組立て方法が必要となる。したがって、漏れるおそれのある継手を、完全に排除するとは言わないまでも削減し、又、事後の機械加工及び/又はEDM操作の必要を大きく低減する、複雑な燃料ノズルジオメトリを製造するプロセスが必要とされている。
例示的な、ただし非限定的な、一実施形態によれば、本発明は、ガスタービン燃料噴射ヘッドを生産する、迅速構築方法の使用に関する。具体的には、本発明は、直接金属レーザ焼結法(DMLS:direct metal laser sintering)として知られる迅速製造技術を用いて、継手、ろう付、及び従来のノズル構成の他の態様を排除する、モノリス型ノズル噴射ヘッドを製造する。DMLSは、レーザ及び微細な金属粉末(例えば、コバルト及び/又はクロム合金粉末、並びにニッケル基合金粉末が、本明細書に開示のタービンノズル用途に特に適しているが、本発明はこれだけに限定されない)を使用して、CADモデルから金属構成要素を直接生産する、付加層プロセスである。CADモデルは、薄い層(0.02mm程度)にスライスされ、次いで、それらの層は、レーザが各粉末層のプログラムされた領域を融合させながら、下の層に続けて1層ずつ再構成される。層の厚さは、一般に、製造の速度に対する精度という考慮すべき点に基づいて選択される。初めに、支持体及びヒートシンクの両方の役割を果たすように、スチールプレートが、通常、機械の内側に固定される。ディスペンサが粉末を支持プレートに供給し、コータアーム又はブレードが粉末をプレート上に広げる。機械ソフトウェアは、レーザビームがどこで粉末に当たっても粉末が融解して固体になるように、レーザビームの焦点及び動きを制御する。プロセスは、構築が完了するまで1層ずつ継続する。燃料噴射ノズルの噴射ヘッドにDMLSを適用することで、前述の問題が解決された。さらに、DMLSプロセスの使用によって、ノズルの燃料噴射ヘッドに新しい設計特徴を組み込むことができるようになった。
したがって、例示的な、ただし非限定的な、一実施形態によれば、本発明は、燃料ノズル用のモノリス型燃料噴射ヘッドであって、上流端面、下流端面及びそれらの間に延在する周壁を備えて形成された、実質的に中空のベシクルボディ(vesicle body)と、ベシクルボディを部分的に貫いて延びるボアによって画成される、上流端面内の中心開口部であって、ボアが燃料供給管を受けるように適合された中心開口部と、ボアの下流端部から径方向外側に向かって延び、周壁の手前で終端し、それによって、ベシクルボディ内に、バッフルプレートと周壁との間の径方向の隙間を通じて流体連通する上流燃料プレナム及び下流燃料プレナムを画成し、その結果、使用に際して、燃料が、燃料供給管から下流燃料プレナムに流れ、径方向の隙間を通って上流プレナムに流れ込むことになる、内部バッフルプレートと、ベシクルボディ内の上流燃料プレナム及び下流燃料プレナムを貫き、バッフルプレートを貫いて軸方向に延びる複数の一体型予混合管であって、上流端面に入口、下流端面に出口を備え、1つ以上の燃料噴射穴が各予混合管と上流燃料プレナムとの間を延び、それによって上流プレナム内の燃料を複数の予混合管内に噴射できるようにしている、複数の一体型予混合管と、を含んでなる、モノリス型燃料噴射ヘッドに関する。
他の態様では、本発明は、燃料ノズル用のモノリス型燃料噴射ヘッドであって、上流端面、下流端面及びそれらの間に延在する周壁を備えて形成された、実質的に中空のベシクルボディと、ベシクルボディを部分的に貫いて延びるボアによって画成される、上流端面内の中心開口部であって、ボアが燃料供給管を受けるように適合された中心開口部と、ボアの下流端部から径方向外側に向かって延び、周壁の手前で終端し、それによって、ベシクルボディ内に、バッフルプレートと周壁との間の径方向の隙間を通じて流体連通する上流燃料プレナム及び下流燃料プレナムを画成し、その結果、使用に際して、燃料が、燃料供給管から下流燃料プレナムに流れ、径方向の隙間を通って上流プレナムに流れ込むことになる、内部バッフルプレートであって、バッフルプレートの上流側に細いスコアライン(thinned score line)を備えて形成されており、細いスコアラインが、グリッドパターンに配置されて、細いスコアラインによって境界された複数のスペースを画成する、内部バッフルプレートと、上流燃料プレナムを貫き、バッフルプレート内のそれぞれのスペースを貫き、ベシクルボディ内の下流燃料プレナムを貫いて軸方向に延びる複数の一体型予混合管であって、上流端面に入口、下流端面に出口を備え、1つ以上の燃料噴射穴が各空気供給管と上流燃料プレナムとの間を延び、それによって上流プレナム内の燃料を複数の予混合管内に噴射できるようにしている、複数の一体型予混合管であって、各予混合管が下流燃料プレナム内に冷却フィンを備えて形成される、複数の一体型予混合管と、を含んでなる、モノリス型燃料噴射ヘッドに関する。
他の態様では、本発明は、燃料噴射ヘッドを生産する方法であって、(a)上流端面、下流端面及びそれらの間に延在する周壁を備えた、実質的に中空のベシクルボディを形成し、(b)ベシクルボディを部分的に貫いて延びるボアによって画成される、上流端面内の中心開口部であって、ボアが燃料供給管を受けるように適合された、中心開口部を形成し、(c)中空のベシクルボディを貫いて軸方向に延び、上流端面に入口、下流端面に出口を備えた、複数の一体型予混合管を形成し、(d)各予混合管と中空のベシクルボディとの間を延びる1つ以上の燃料噴射穴を形成することを含んでなり、段階(a)〜段階(d)が直接レーザ金属焼結法によって実施される、方法に関する。
ここで、本発明について、以下で特定する諸図面に関してさらに詳細に説明する。
本発明の例示的な第1の実施形態によって製造された燃料噴射ヘッドの斜視図である。 図1から得られる燃料噴射ヘッドの、部分断面を示す、拡大された上流斜視図である。 図2に示した燃料噴射ヘッドの、やはり断面を示す、部分的な下流斜視図である。 図3の切断線4−4に沿った、噴射ヘッド内の内部バッフルの上流側から見た燃料噴射ヘッドの内部の部分断面図である。 燃料噴射ヘッドの出口又は後端部の概略部分断面図である。 図1〜図5に示した燃料噴射ヘッドの後端部を形成するDMLS支持構造の部分断面図である。
図1は、例示的な、ただし非限定的な、本発明の一実施形態によって構成された、噴射ヘッドを組み込んだガスタービン燃料噴射ノズル10を示す。具体的には、ノズル10は、中心に配置された燃料供給管16によって連結された、燃料ノズル基部12及び燃料噴射ヘッド14を含む。燃料噴射ヘッド14は、燃料供給管16の下流端部18に取り付けられ、燃料供給管の前端部が、燃料噴射ヘッド14の中心部内の、内部の環状ショルダ20(図2参照)に当接する。本明細書で使用する「上流」や「下流」などの用語が、燃料噴射器ノズル10を通って燃焼室(図示せず)に到達する空気及び燃料の流れの方向に対して言及されることに留意されたい。
通常、燃料と空気の混合物をガスタービン燃焼器の燃焼室に供給するために、複数のノズル10が配置されることが理解されよう。既知のタービン構成では、そのような燃焼器の環状アレイが、同様の数のトランジション部品ダクトを用いてタービンの第1のステージに燃焼ガスを供給する(しばしば、「カンニュラ」アレイと呼ばれる)。通常、各燃焼器内のノズル基部12は、燃焼器末端カバーに固定され、燃料噴射ヘッド14は、燃焼室内の前方キャップアセンブリ(やはり図示せず)に固定される。本明細書の発明は、特に、燃料噴射ヘッド14と、燃料噴射ヘッドを形成するプロセスとに関係する。
図2は、燃料噴射ヘッド14をさらに詳細に示す。燃料噴射ヘッド14は、互いにほぼ平行な上流端面22及び下流端面24を有し、それらの間を環状の周壁25が軸方向に延びる、部分的に中空の丸いモノリス型ブロック又はベシクルボディ15として形成される。内部の空気供給通路又は管26(本明細書では予混合管とも呼ぶ)が、上流端面22と下流端面24との間を延びており、混合管26の上流端又は入口28が、予混合管に流入して予混合管内を通り抜ける空気の流れを促進するために(又さらに、加速するために)、外側に向かってラッパ状に広がっている(すなわち、ベルマウス形に形成されている)。予混合管の残りの長さは、下流端部又は出口29を通じてほぼ一様な直径を有する。予混合管26は、同心環状の列で配置することができ(図1及び図3参照)、図4から最も良くわかるように、どの所与の列の予混合管も、隣接した列の予混合管26から周方向にオフセットされる。ただし、本発明が、ベシクルボディ内の予混合管26のいずれか特定の配置だけに限定されないことが理解されよう。さらに、用語「管」の使用が、便宜上のものであり、これらが、両端部で端面に固定された個々の管ではなく、適切に言えば、内部スペースが様々な通路を取り囲む、モノリス型ベシクルボディ15に組み込まれた内部通路であることに留意されたい。
燃料噴射ヘッド14(又はベシクルボディ15)の中心は、上流端面22のところで開口し、したがって、燃料供給管16を受ける環状壁32によって画成された入口ボア30(図2)を提供しており、カウンタボア加工された部分34が、燃料供給管16の前縁部によって係合されるように適合された環状ショルダ20を画成する。
DMLSを使用すると、迅速製造プロセスによって、本明細書に開示の燃料噴射ヘッドへの様々な設計特徴の組込みが容易になった。例えば、内部バッフルプレート36(図2〜図5参照)は、ベシクルボディ15内に一体的に形成される。バッフルプレート36は、上流端面22と下流端面24との間のほぼ中間の場所で、カウンタボア34の下流端部から径方向外側に向かって延びており、すべてではないがほとんどの予混合管がバッフルプレート36を「通り抜ける」。バッフルプレート36は、下流端面24に向かって径方向外側に角度をなし、径方向内側のハブ又は壁32から外側の周壁25に向かって延び、外側の周壁25の手前で終端している。
1つ以上の燃料噴射穴40、好ましくは燃料噴射穴40のアレイが、各予混合管26内に、例えば、各管に4つずつ、それぞれの管の周囲の等間隔の場所に設けられる。燃料噴射穴40は、実質的に、バッフルプレート36の上流の、ベシクルボディ15の上流端面22及び下流端面24に平行な共通の平面内にある。燃料噴射穴40は、流れの方向に傾斜しており、すなわち、それらの穴は、噴射穴40を通る燃料の流れが予混合管26内を流れる空気の方向の速度成分を有するように、下流方向に、径方向内側に向かって(それぞれの予混合管26の中心線に対して低い鋭角で)角度をなしている。バッフルプレート36が、バッフルプレートの径方向外側縁部と外周壁25との間の環状の径方向の隙間46によって流体的に連結された下流燃料プレナム42及び上流燃料プレナム44を効果的に形成することに留意されたい。
燃料噴射ヘッド14の下流端面24は、燃料供給管16から出ていく高圧水素燃料が、予混合管26間の領域に流れ込み、下流燃料プレナム領域42に流れ込み、次いで、径方向の隙間46を通って上流プレナム44に流れ込むように、その中心領域が密閉される。この燃料経路は、燃料噴射穴40の入口端部のところの燃料圧力を均一にする傾向にあり、したがって、燃料を予混合管26にほぼ一様に分配する。
水素燃料は、次いで、燃料噴射穴40を通って予混合管26に流れ込み、燃料及び空気は、その予混合管26で混合されてから、燃料噴射ヘッド14を出て、燃焼室に入る。
DMLSプロセスは、又、燃料噴射穴40の正確な位置付け及び配向を容易にする。これは、穴40の設置が噴射ヘッド内の燃料供給圧力の均一性に影響を与える可能性があるので、重要である。例えば、燃料が噴射穴40を高速で流れすぎる場合、その燃料は、低い供給圧力をもつことになる。他方、燃料の速度が低い場合、その燃料は、高い供給圧力をもつことになる。同様に、噴射穴40が隣接した予混合管内の別の噴射穴の真正面にある場合、穴を通過する燃料は、高い速度を有し、したがって低い供給圧力をもつことになる(図4参照)。ある予混合管内の噴射穴40の場所を隣接した予混合管内の穴の場所に対して45度回転させると、最良の結果が得られることがわかっており、DMLSプロセスは、このようにして、自動的に高い精度で穴を位置付けるようにプログラムすることができる。
さらに、この点に関して、水素燃料の反応性が非常に高いので、確実に燃焼炎が予混合管出口29の下流にとどまるように注意を払わなければならない。そうしなければ、炎が予混合管26のうちの1つ以上の内側に噴出した場合、特に、本明細書に記載のモノリス型構造では、(1つ以上の)局所領域での熱膨張が噴射ヘッドを破壊するおそれがある。したがって、燃料噴射穴40を予混合管出口から約0.500インチ〜0.850インチの場所に配置することが望ましい。噴射穴40を出口29の近くに配置すると、滞留混合時間が短縮されるが、予混合管26内の炎の噴出の回避が最優先である。
例示的な実施形態の他の特徴は、バッフルプレート36が、図4から最も良くわかる、規則正しい一続きの組込み「クラック」48を備えて形成され、やはりDMLSプロセスによって促進されるということである。クラック48は、本質的に、各混合管26を取り囲む直線的なグリッド状パターンに配置された、バッフルプレートの上流側の細いスコアラインである(従来の意味の「引掻き傷(scoring)」によって形成されるわけではない)。より具体的には、グリッド状パターンは、それぞれが細いスコアライン48によって境界され、又それぞれのスペースをそれぞれ1つの予混合管26が通り抜ける、閉じた複数のスペース又は領域50を構築する。いわゆるクラックは、バッフルプレートを完全に貫いて延びるわけではなく、したがって、プレートを通じた燃料の迂回又は漏れが起こらない。他方で、炎が予混合管26のうちの1つ以上で保持される場合、(1つ以上の)管は、高温になり、熱膨張する。バッフルプレート36は、予混合管26を補剛するだけではなく、熱膨張を吸収することができる長さを効果的に短縮する。さらに、バッフルプレート36内の細いクラック又はスコアライン48によって、予混合管26に害を及ぼすことなく、実際にこれらの細いスコアラインに沿ってバッフルプレートにクラックを入れることができるようになる。
組込みクラック48は、DMLS構築の向きがあるので、バッフルプレート36の最上面又は上流側に形成される。前述のように、構成要素がDMLSを使用して構築されるときには、その下の支持構造が必要とされる。クラック又は細いスコアライン48をバッフルプレート36の上側又は最上面側に配置することによって、追加の支持が不要となり、存在する支持構造は、DMLS積層プロセスを妨げない。DMLSを使用する他の利点は、通常、燃料供給管16上にバッフルプレート36を組み立てるために、クリアランスが必要となることである。これは、通常、プレートを越えるいくらかの漏れをまねくことになり、DMLSは、バッフルプレート36と燃料供給管16との間の通常の継手、並びに予混合管26とベシクルボディ15の端面22、24との間の継手すべてをなくすことによって、この問題を解決する。
図2及び図5を参照し、ここでさらに図6も参照すると、バッフルプレート36の下流の場所で各予混合管26上に冷却フィン52を形成することができる。各管26上のフィンは、ベシクルボディ15の下流端面24に隣接した個々の平行なリング(例えば、各管上に3つずつ)である。図6は、隣接した予混合管上にフィン52を形成する、DMLS支持構造を示す。フィンの最上面側のフィレット半径54は、最小限に抑えられており、一方、フィン52の下側のフィレット半径56は、所望の構築品質を提供するために大きく拡大され、又一方で、本来ならば高負荷となるこれらの領域における重大な関心事である、応力集中係数の低下をもたらす。
したがって、DMLS方法を使用すると、これまでは信頼性の高い又は経済的に生産可能ではなかった、燃料噴射ノズルの設計及び構成が可能となることが理解されよう。DMLSによって、確実に、予混合管と端壁又はプレートとの間の接触面が強固なものとなり、非常に厳密なろう付公差の機械加工を必要としなくなる。水素分子が、非常に小さく、構造が従来の継手を含む場合に存在する可能性のある非常に小さな隙間を通って漏れるおそれがあるので、無接合製造は、重要である。DMLSは、事実上、管と、噴射ヘッド又はベシクルボディの上流端面及び下流端面との間の多くの接触面における、漏れの可能性を排除する。DMLSは、又、本明細書に記載の複雑な内部バッフリング及び冷却機構を可能にしながら、各予混合管への入口ベルマウスの機械加工の必要をなくす。
本発明について、現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態と考えられている実施形態に関して説明したが、本発明がここに開示の実施形態だけに限定されず、むしろ、特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び等価の配置に及ぶことが意図されていることを理解すべきである。
14 噴射ヘッド
15 ベシクルボディ
16 燃料供給管
18 下流端部
20 環状ショルダ
22 上流端面
24 下流端面
25 周壁
26 予混合管
28 入口
29 出口
30 入口ボア
32 環状壁
34 カウンタボア
36 内部バッフルプレート
40 噴射穴
42 下流燃料プレナム
44 上流燃料プレナム
46 径方向の隙間
48 クラック又はスコアライン
50 閉じたスペース又は領域
52 冷却フィン
54 小さいフィレット半径
56 大きいフィレット半径

Claims (15)

  1. 燃料ノズル用のモノリス型燃料噴射ヘッド14であって、
    上流端面22、下流端面24及びそれらの間に延在する周壁25を備えて形成された、実質的に中空のベシクルボディ15と、
    前記ベシクルボディを部分的に貫いて延びるボア30によって画成される、前記上流端面22内の中心開口部であって、前記ボアが燃料供給管16を受けるように適合された中心開口部と、
    前記ボアの下流端部から径方向外側に向かって延び、前記周壁の手前で終端し、それによって、前記ベシクルボディ内に、バッフルプレートと前記周壁との間の径方向の隙間46を通じて流体連通する上流燃料プレナム44及び下流燃料プレナム42を画成し、その結果、使用に際して、燃料が、前記燃料供給管16から前記下流燃料プレナム42に流れ、前記径方向の隙間46を通って前記上流プレナム44に流れ込むことになる、内部バッフルプレート36と、
    前記ベシクルボディ内の前記上流燃料プレナム及び下流燃料プレナムを貫き、前記バッフルプレートを貫いて軸方向に延びる複数の一体型予混合管26であって、前記上流端面に入口28、前記下流端面に出口29を備え、1つ以上の燃料噴射穴40が前記予混合管26それぞれと前記上流燃料プレナム44との間を延び、それによって前記上流プレナム内の燃料を前記複数の予混合管内に噴射できるようにしている、複数の一体型予混合管26と
    を含んでなる、モノリス型燃料噴射ヘッド。
  2. 前記内部バッフルプレート36が、前記下流端面24に向かって径方向外側に角度をなす、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  3. 前記複数の予混合管26が、同心環状の列で配置され、ある列の予混合管が、隣接した列の予混合管から周方向にオフセットされる、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  4. 前記予混合管26それぞれが、前記入口28のところで外側に向かってラッパ状に広がる、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  5. 環状の前記ボア30が、カウンタボア34を備えて形成され、それによって、前記燃料供給管の前縁部によって係合されるように適合された環状ショルダ20を画成する、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  6. 前記1つ以上の燃料噴射穴40が、前記予混合管それぞれの周りにほぼ等間隔に配置された4つの燃料噴射穴を含む、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  7. 各燃料噴射穴40が、下流方向に角度をなし、それぞれの前記出口29から0.500インチ〜0.850インチの場所に配置される、請求項6記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  8. 前記予混合管26それぞれが、前記下流燃料プレナム内に冷却フィン52を備えて形成される、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  9. 前記内部バッフルプレート36が、前記バッフルプレートの上流側に細いスコアライン48を備えて形成されており、前記細いスコアラインが、前記バッフルプレート36を通り抜ける各予混合管26がそれぞれの前記細いスコアライン48によって境界されるように、グリッド状に配置される、請求項1記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  10. 前記燃料噴射穴40がほぼ共通の平面内にあり、予混合管内のいずれの燃料噴射穴も、隣接した予混合管内の燃料噴射穴の真正面にこない、請求項6記載のモノリス型燃料噴射ヘッド。
  11. 燃料噴射ヘッドを生産する方法であって、
    (a)上流端面22、下流端面24及びそれらの間に延在する周壁25を備えた、実質的に中空のベシクルボディ15を形成し、
    (b)前記ベシクルボディを部分的に貫いて延びるボア30によって画成される、前記上流端面内の中心開口部であって、前記ボアが前記中空のベシクルボディ15に燃料を供給する燃料供給管16を受けるように適合された、中心開口部を形成し、
    (c)前記中空のベシクルボディを貫いて軸方向に延び、前記上流端面に入口28、前記下流端面に出口29を備えた、複数の一体型予混合管26を形成し、
    (d)前記予混合管それぞれと前記中空のベシクルボディとの間を延びる1つ以上の燃料噴射穴40を形成することを含んでなり、段階(a)〜段階(d)が直接レーザ金属焼結法によって実施される、方法。
  12. 前記複数の予混合管26それぞれの上に、やはり直接金属レーザ焼結法によって、冷却フィン52を形成することをさらに含む、請求項11記載の方法。
  13. 前記ボアの下流端部から径方向外側に向かって延び、前記周壁の手前で終端し、それによって、前記中空のベシクルボディ内に、バッフルプレート36と前記周壁25との間の径方向の隙間46によって流体連通する上流燃料プレナム44及び下流燃料プレナム42を画成する内部バッフルプレート36を形成することをさらに含んでおり、前記1つ以上の燃料噴射穴40が前記予混合管26それぞれと前記上流燃料プレナム44との間を延びる、請求項11記載の方法。
  14. 前記1つ以上の燃料噴射穴40が、前記予混合管26それぞれの周りにほぼ等間隔に配置された最大4つまでの燃料噴射穴を含んでおり、各燃料噴射穴が下流方向に角度をなす、請求項13記載の方法。
  15. 各冷却フィン52を、前記冷却フィンが前記冷却フィンの上流側でそのそれぞれの予混合管と相互作用する場所では比較的小さなフィレット半径54で、前記冷却フィンが前記冷却フィンの下流側で前記それぞれの予混合管と相互作用する場所では比較的大きなフィレット半径56で形成することを含む、請求項12記載の方法。
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