JP6043190B2 - 燃料ノズル及び燃料ノズルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料ノズル及び燃料ノズルの製造方法に関する。詳細には、本発明は、溶接された燃料ノズル及び溶接による燃料ノズルの製造方法に関する。

一般に、ガスタービンは厳しい運転にさらされる。高温、厳しい環境、広範な環境での使用、及び長い使用時間により、ガスタービン及びその構成部品における課題がもたらされる。このような構成部品の耐用年数を延ばすこと及びこのような構成部品の補修可能性を改善することで、ガスタービンに関するコスト低減が可能になり、ガスタービンの運転状態を延ばすことができる。

公知のガスタービンの燃料ノズル上の端部カバーは、該端部カバーにろう付けされたインサートを備える。一般に、このようなインサートは、インサートを端部カバー内に固定する４つのろう付け継手を有する。これらのろう付け継手は、故障の影響を受け、例えば、ろう付け継手の近くでの漏れにつながる。また、このようなろう付け継手は、頻繁な補修を必要という欠点に悩まされ場合がある。このような補修は、複雑で費用がかかる場合がある。さらに、このような補修を行う能力が制限される場合がある。

公知の端部カバーの補修により、補修不能な更なる漏れにつながる場合がある。例えば、補修のためにインサートを取り外す場合、ろう付け継手は切り離される。ろう付け継手を繰り返して切り離すと、適切に補修できない漏れ等の望ましくない運転上の問題につながる可能性がある。公知の端部カバーは繰り返される補修が３回に制限されるという欠点に悩まされる。

燃料ノズルインサートを燃料ノズル端部カバー内に固定するための他の手法は利用できない。特に、インサートの複雑な幾何学的形状、及びインサートが端部カバー内に配置される場合の燃料ノズル内の特定の部位へ手を伸ばす困難性は、ろう付け以外の手法の使用を妨げている。

米国特許第６１１２９７１号明細書

本技術分野では、前述の１以上の欠点に悩まされない燃料ノズル及び燃料ノズルを製造する方法が望まれる。

例示的な実施形態では、燃料ノズルは、燃料ノズル端部カバー及び燃料ノズルインサートを含む。燃料ノズルインサートは、ビーム溶接、固相溶接及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接法で、燃料ノズル端部カバーに溶接される。

他の例示的な実施形態では、燃料ノズルは、燃料ノズル端部カバー及び燃料ノズルインサートを含む。燃料ノズルインサートは、第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部を含み、第１の燃料ノズルインサート部は、燃料ノズル端部カバーに別個に溶接される。

他の例示的な実施形態では、燃料ノズルを製造する段階は、燃料ノズル端部カバーを準備する段階と、燃料ノズルインサートを準備する段階と、燃料ノズルインサートを燃料ノズル端部カバーに溶接する段階とを含む。燃料ノズルインサートの燃料ノズル端部カバーへの溶接は、ビーム溶接、固相溶接及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接法による。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例示する図面と併せて以下の好ましい実施形態の詳細な説明から明白になるはずである。

本発明のガスタービンの燃料ノズルの燃料ノズルインサート及び燃料ノズル端部カバーの一部を取り除いた断面斜視図。 本発明の例示的な燃料ノズル端部カバー及び燃料ノズル端部カバー内に挿入されるように配置される第１の燃料ノズルインサート部の概略断面図。 本発明の第１の燃料ノズルインサート部が燃料ノズル端部カバーに溶接される、例示的な燃料ノズル端部カバーの概略断面図。 本発明の第１の燃料ノズルインサート部が燃料ノズル端部カバーに溶接され、第２の燃料ノズルインサート部が燃料ノズル端部カバー内に挿入されるように配置される、例示的な燃料ノズル端部カバーの概略断面図。 第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部が燃料ノズル端部カバー内に溶接される、例示的な燃料ノズル端部カバーの概略断面図。 第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部が燃料ノズル端部カバー内に溶接され、燃料ノズルインサートの第３の部分が燃料ノズル端部カバー内に挿入されるように配置される、例示的な燃料ノズル端部カバーの概略断面図。 第１の燃料ノズルインサート部、第２の燃料ノズルインサート部、及び第３の燃料ノズルインサート部が燃料ノズル端部カバー内に溶接される、例示的な燃料ノズル端部カバーの概略断面図。

可能な限り、図面を通して同じ参照番号は同じ部品を示す。

例示的な燃料ノズル及び燃料ノズルの製造方法を提供する。本開示の実施形態により、燃料ノズルを長期間にわたって使用でき、燃料ノズルを簡単な方法で補修することができ、より多くの回数で燃料ノズルを補修し（例えば、３回以上）、補修の運用コストを低減し、燃料ノズルの漏れを防止することを単独で又は組み合わせて行うことができる。

図１を参照すると、一実施形態では、燃料ノズル１００は、燃料ノズル端部カバー１０４及び燃料ノズルインサート１０２を含む。燃料ノズルインサート１０２は、例えば以下に図２−７を参照して示して説明する溶接方法によって、燃料ノズル端部カバー１０４に溶接される。燃料ノズルインサート１０２の燃料ノズル端部カバー１０４への溶接は、ビーム溶接（レーザビーム溶接及び／又は電子ビーム溶接等）及び／又は固相溶接 （摩擦溶接、摩擦かくはん溶接、爆発溶接、電磁パルス溶接、共押出溶接、冷間圧接拡散溶接、発熱性溶接、高周波溶接、高温圧接、誘導溶接、及びロール溶接等）による。

燃料ノズルインサート１０２は、燃料ノズル端部カバー１０４内に取り外し可能に固定できる。燃料ノズル１００は、任意の適切なシステムの一部とすることができる。一実施形態では、燃料ノズル１００は、１以上の追加の燃料ノズル１０３と一緒に配置され、及び／又はガスタービンシステム１０１の一部である。

図２を参照すると、燃料ノズル端部カバー１０４は、キャビティ１１０を規定する基材１０６を含む。基材１０６は、任意の適切な材料又は金属組成である。一実施形態では、基材１０６は、ステンレス鋼であるか又はこれを含有する。

キャビティ１１０は任意の適切な幾何学的形状である。一実施形態では、キャビティ１１０は、基材１０６に穴あけされた実質的に円筒形の部分を含む。別の実施形態では、第１の円筒部１１２は、第２の円筒部１１４の第２の直径１１１（例えば、約２．３インチ）よりも大きな第１の直径１０９（例えば、約４インチ）を有し、第１の直径１０９は第２の直径１１１とは異なる。一実施形態では、第１の円筒部１１２は第１の深さ１１３（例えば、約１．４インチ）であり、第２の円筒部１１４は第２の深さ１１５（例えば、約２．３インチ）であり、第１の深さ１１３は第２の深さ１１５とは異なる。別の実施形態では、切頭円錐部１１６は、第１の円筒部１１２及び第２の円筒部１１４を分ける。

一実施形態では、第１の燃料ノズルインサート部２０２は、第１の所定の挿入方向２０３に沿って、燃料ノズル端部カバー１０４の第２の円筒部１１４に隣接するが第１の円筒部１１２から離れた部位から燃料ノズル端部カバー１０４内に挿入するように構成される。一実施形態では、第１の燃料ノズルインサート部２０２は、ステンレス鋼であるか又はそれを含有する。一実施形態では、第１の燃料ノズルインサート部２０２は、実質的に第１の円筒部１１２の深さ１１３と同じ長さの第１の領域２０４を含む。一実施形態では、第１の領域２０４は実質的に第１の所定の挿入方向２０３に延在する第１の円筒形突起部２０５を備える円筒形である。また、第１の燃料ノズルインサート部２０２は、切頭円錐部１１６に対応する第２の領域２０６を含む。一実施形態では、第２の領域２０６は、燃料ノズル端部カバー１０４に溶接されるように構成及び配置される凹部２０７及び／又は突起部２０９を含む。また、第１の燃料ノズルインサート部２０２は、実質的に第２の円筒部１１４の深さ１１５と同じ長さの第３の領域２０８を含む。第３の領域２０８において、第１の燃料ノズルインサート部２０２は、クラッド肉盛り部２１０（例えば、ニッケル基クラッド）等の溶接領域を含む。一実施形態では、クラッド肉盛り部２１０は、第１の燃料ノズルインサート部２０２の第３の領域２０８の周りを円周方向に延在する。一実施形態では、クラッド肉盛り部２１０は円周方向に不連続である。

図３を参照すると、一実施形態では、第１の燃料ノズルインサート部２０２の燃料ノズル端部カバー１０４への挿入は、第１の燃料ノズルインサート部２０２の第３の領域２０８のクラッド肉盛り部２１０の溶接、及び例えば切頭円錐部１１６と第２の円筒部１１４との間の燃料ノズル端部カバー１０４への突起部２０９の溶接を含む。

図４を参照すると、一実施形態では、第２の燃料ノズルインサート部４０２は、第１の所定の挿入方向２０３（図２参照）とは逆方向の第２の所定の挿入方向４０３に、及び／又は燃料ノズル端部カバー１０４の第１の円筒部１１２に隣接するが第２の円筒部１１４から離れた部位から挿入するように構成される。一実施形態では、第２の燃料ノズルインサート部４０２はステンレス鋼であるか又はそれを含有する。一実施形態では、第２の燃料ノズルインサート部４０２は、実質的に第１の円筒部１１２の深さ１１３と同じ長さである。一実施形態では、第２の燃料ノズルインサート部４０２は、端部カバー１０４に挿入した状態で第１の円筒形突起部２０５と同心の第２の円筒形突起部４０５を含む。第２の燃料ノズルインサート部４０２は、例えば、外径（図示せず）を実質的に第１の直径１０９と等しくさせて端部カバー１０４に溶接されるように構成及び配置される広い領域４０６、及び端部カバー１０４及び／又は端部カバー１０４のキャビティ１１０内の何らかの他の特徴部上のクラッド肉盛り部２１０を含む。また、第２の燃料ノズルインサート部４０２は、例えば、クラッド肉盛り部２１０を有する領域を含むことで、第３の燃料ノズルインサート部６０２（図６参照）を受け入れるように構成及び配置される狭い領域４０８を含む。

一実施形態では、図５は、燃料ノズル端部カバー１０４に挿入され、第１の燃料ノズルインサート部２０２の周りにある第２の燃料ノズルインサート部４０２を示す。第２の燃料ノズルインサート部４０２は、広い領域４０６が例えば第１の円筒部１１２内で及び／又は切頭円錐部１１６に当接して燃料ノズル端部カバー１０４に溶接される。

図６を参照すると、一実施形態では、第３の燃料ノズルインサート部６０２は、例えば、第１の所定の挿入方向２０３（図２参照）とは逆方向の第２の所定の挿入方向４０３に、及び／又は燃料ノズル端部カバー１０４の第１の円筒部１１２に隣接するが第２の円筒部１１４から離れた部位から挿入するように構成される。一実施形態では、第３の燃料ノズルインサート部６０２はステンレス鋼であるか又はそれを含有する。一実施形態では、第３の燃料ノズルインサート部６０２は、第２の燃料ノズルインサート部４０２の周りで、及び／又は燃料ノズル端部カバー１０４から外に延在して、例えば、リップ領域６０４を形成するように、燃料ノズル端部カバー１０４に挿入されるように構成及び配置される。一実施形態では、第３の燃料ノズルインサート部６０２は、第２の燃料ノズルインサート部４０２のクラッド肉盛り部２１０に溶接されるように構成される挿入領域６０６を含む。

図７を参照すると、一実施形態では、第３の燃料ノズルインサート部６０２の燃料ノズル端部カバー１０４への第２の燃料ノズルインサート部４０２の周りでの挿入は、第２の燃料ノズル挿入部４０２への及び／又は例えば切頭円錐部１１６から離れた第１の円筒部１１２内の燃料ノズル端部カバー１０４への挿入領域６０６の溶接を含む。

溶接（第１の円筒部１１２、第２の円筒部１１４、切頭円錐部１１６、燃料ノズル端部カバー１０４、第１の燃料ノズルインサート部２０２、第２の燃料ノズルインサート部４０２、及び／又は第３の燃料ノズルインサート部６０２等への）は、直接的又は間接的である。例えば、一実施形態では、溶接は、クラッド肉盛り部２１０を用いて構成部品に施されるか又は各表面の間に直接施される前述のビーム溶接及び／又は固相溶接によって行う。別の実施形態では、溶接は、スリーブ、インサート、シム、他の溶化材、燃料ノズル端部カバー１０４上の特徴部、他の適切な中間材、又はこれらの組み合わせ等の中間材（図示せず）を介してビーム溶接及び／又は固相溶接によって行う。

一実施形態では、１以上の中間材は、約１０重量％のＮｉ、約２０重量％のＣｒ、約１５重量％のＷ、最大約３重量％のＦｅ、約１．５重量％のＭｎ、最大約０．４重量％のＳｉ、約０．１０重量％のＣ、不可避的不純物、及び残部Ｃｏの組成物を含有する。一実施形態では、少なくとも１つの特徴部１０８は、約０．００５重量％のＣ、０．１５０重量％のＭｎ、約０．００５重量％のＰ、約０．００２重量％のＳ、約０．０３重量％のＳｉ、約１５．５０重量％のＣｒ、約１６．０重量％のＭｏ、約３．５０重量％のＷ、約０．１５重量％のＶ、約０．１０重量％のＣｏ、約６．００％のＦｅ、不可避的不純物、及び残部Ｎｉの組成物を含有する。一実施形態では、少なくとも１つの特徴部１０８は、約０．０１５重量％のＣ、約０．４８重量％のＳｉ、約２０重量％のＣｒ、約１．８５重量％のＭｎ、約０．１５重量％のＰ、最大約０．２０重量％のＣｕ、約０．１０重量％のＳ、最大約０．６０重量％のＮ、最大約０．５０重量％のＭｏ、約１０．１重量％のＮｉ、不可避的不純物、及び残部Ｆｅの組成物を含有する。

再度、図２を参照すると、一実施形態では、１以上の中間材は、キャビティ１１０内に配置される特徴部１０８である。特徴部１０８は、１以上の第１の燃料ノズルインサート部２０２、第２の燃料ノズルインサート部４０２（図４参照）、及び第３の燃料ノズルインサート部６０２（図６参照）の取り外し可能な固定を容易にするように構成及び配置される。例えば、特徴部１０８は、キャビティ１１０内に延在して、１以上の第１の燃料ノズルインサート部２０２、第２の燃料ノズルインサート部４０２（図４参照）、及び第３の燃料ノズルインサート部６０２（図６参照）に対応する、同心リングを形成する。

特徴部１０８は、任意の適切な構成で配置される。例えば、一実施形態では、１以上の特徴部１０８が第１の円筒部１１２及び第２の円筒部１１４の各々の中に配置される。他の実施形態では、１つの特徴部１０８だけが第１の円筒部１１２及び第２の円筒部１１４の各々の中に配置される。追加的に又は別の方法として、一実施形態では、１以上の特徴部１０８は、第１の円筒部１１２及び／又は第２の円筒部１１４を通ってキャビティ１１０の周りを円周方向に延在する。別の実施形態では、１以上の特徴部１０８は、キャビティ１１０内で円周方向に不連続である。

特徴部１０８及び／又は他の中間材は、任意の適切な方法で基材１０６に固定される。特徴部１０８を基材１０６へ固定することにより、利用する溶接方法に基づく所定の微細構造（図示せず）がもたらされる。固定は、によって行われる。１以上のビーム溶接（レーザ及び／又は電子ビーム等の）、摩擦溶接、ガスタングステンアーク溶接（タングステン不活性ガス溶接等の）、及びガスメタルアーク溶接（金属不活性ガス溶接等の）によって行われる。ビーム溶接又は摩擦溶接による固定に関する実施形態等の一実施形態では、所定の微細構造は、所定の微細構造をもつ基材１０６に隣接する第１の熱影響域と、第１の熱影響域と融合域との間の第２の熱影響域と、第２の熱影響域と第３の熱影響域との間の融合域と、融合域と第４の熱影響域との間の第３の熱影響域と、第３の熱影響域と特徴部１０８の影響を受けない部分との間の第４の熱影響域とを含む。一実施形態では、各区域は異なる微細構造である。当業者であれば理解できるように、他の実施形態は、ろう付けに使用する技術と区別される特徴を含む。

一実施形態では、特徴部１０８を基材１０６に固定することで、繰り返してインサート１０２を燃料ノズル端部カバー１０４に挿入すること及びそこから取り外すことができる。例えば、一実施形態では、インサート１０２は、例えば、３回以上、４回以上、５回以上、１０回以上、又は任意の適切な回数以上といった少なくとも所定回数だけ、燃料ノズル１００に殆ど又は全く損傷を与えることなく燃料ノズル端部カバー１０４ から取り外すことができる。

本発明は、好ましい実施形態を参照して説明されるが、当業者であれば、発明の精神から逸脱することなく種々の変更を行うこと及び等物を構成要素と置換できることを理解できるはずである。さらに、本発明の本質的な範囲を逸脱することなく本発明手法に対する特定の状况又は材料に適用するように多くの変形を行うことができる。従って、本発明は、発明を実施するための最良の形態として開示される特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は、請求の範囲に含まれる全ての実施形態を含むことが意図される。

１００ 燃料ノズル
１０１ ガスタービンシステム
１０２ 燃料ノズルインサート
１０３ 追加の燃料ノズル
１０４ 燃料ノズル端部カバー

Claims (17)

1. 燃料ノズル端部カバーと、
   燃料ノズルインサートと
   を備える燃料ノズルであって、
   前記燃料ノズルインサートが、ビーム溶接、固相溶接及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接方法によって、前記燃料ノズル端部カバーに溶接され、前記燃料ノズルインサートが、第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部を含んでいて、第１の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバーの第２の円筒部に溶接され、第２の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバーの第１の円筒部に溶接され、第１の円筒部と第２の円筒部の直径が異なり、第１の燃料ノズルインサート部が第１の所定の挿入方向に沿って挿入するように構成され、第２の燃料ノズルインサート部が第２の所定の挿入方向に沿って挿入するように構成され、第１の所定の挿入方向が第２の所定の挿入方向とは異なる、燃料ノズル。
2. 第２の燃料ノズルインサート部が、第１の円筒部と第２の円筒部との間の切頭円錐部にも溶接される、請求項１載の燃料ノズル。
3. 前記燃料ノズルインサートが第３の燃料ノズルインサート部をさらに含む、請求項１又は請求項２記載の燃料ノズル。
4. 第３の燃料ノズルインサート部が第２の燃料ノズルインサート部に溶接される、請求項３記載の燃料ノズル。
5. 第３の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバー外側のリップ領域を形成する、請求項４記載の燃料ノズル。
6. 前記燃料ノズルインサートが１以上のクラッド肉盛り部を含む、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の燃料ノズル。
7. 前記燃料ノズルインサートが第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部を含んでおり、第１の燃料ノズルインサート部が、前記燃料ノズル端部カバーに別個に溶接される、請求項１記載の燃料ノズル。
8. 前記燃料ノズルインサートが、第２の燃料ノズルインサート部に溶接される第３の燃料ノズルインサート部をさらに含む、請求項７記載の燃料ノズル。
9. 前記燃料ノズル端部カバーが、略円筒形キャビティを規定するステンレス鋼の基材を含み、前記燃料ノズル端部カバーが、第１の直径及び該第１の直径よりも小さい第２の直径、第１の深さ及び該第１の深さよりも大きい第２の深さ、及び該略円筒キャビティを分断する切頭円錐部を有する、請求項１記載の燃料ノズル。
10. 燃料ノズル端部カバーと、
    燃料ノズルインサートと、
    を備える燃料ノズルであって、
    前記燃料ノズルインサートが第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部を含んでおり、第１の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバーに別個に溶接され、第１の燃料ノズルインサート部が第１の所定の挿入方向に沿って挿入するように構成され、第２の燃料ノズルインサート部が第２の所定の挿入方向に沿って挿入するように構成され、第１の所定の挿入方向が第２の所定の挿入方向とは異なる、燃料ノズル。
11. 第１の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバーの第１の円筒部に溶接され、第２の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバーの第２の円筒部に溶接され、第１の円筒部と第２の円筒部の直径が異なる、請求項１０記載の燃料ノズル。
12. 第２の燃料ノズルインサート部が、第１の円筒部と第２の円筒部との間の切頭円錐部にも溶接される、請求項１１記載の燃料ノズル。
13. 前記燃料ノズルインサートが第３の燃料ノズルインサート部をさらに含む、請求項１０記載の燃料ノズル。
14. 第３の燃料ノズルインサート部が前記燃料ノズル端部カバー外側のリップ領域を形成する、請求項１３記載の燃料ノズル。
15. 前記燃料ノズルインサートが１以上のクラッド肉盛り部を含む、請求項１０記載の燃料ノズル。
16. 燃料ノズルを製造する方法であって、当該方法が、
    燃料ノズル端部カバーを準備する段階と、
    第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部を準備する段階と、
    第１の所定の挿入方向に沿って第１の燃料ノズルインサート部を挿入する段階と、
    第１の燃料ノズルインサート部を前記燃料ノズル端部カバーに溶接する段階と、
    第１の所定の挿入方向とは異なる第２の所定の挿入方向に沿って第２の燃料ノズルインサート部を挿入する段階と、
    第２の燃料ノズルインサート部を前記燃料ノズル端部カバーに溶接する段階と、
    を含んでおり、第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部を前記燃料ノズル端部カバーに溶接する段階が、ビーム溶接、固相溶接及びこれらの組合せからなる群から選択される溶接方法による、方法。
17. 第１の燃料ノズルインサート部及び第２の燃料ノズルインサート部が、前記燃料ノズル端部カバーに別個に溶接される、請求項１６記載の方法。