JP6206648B2 - チップホルダ、これを備える燃焼器ノズル、この燃焼器ノズルを備える燃焼器、及び燃焼器ノズルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、燃料が流れる燃料流路が形成され、燃料を噴射するノズルチップが接続されるチップホルダ、これを備える燃焼器ノズル、この燃焼器ノズルを備える燃焼器、及び燃焼器ノズルの製造方法に関する。

ガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器からの燃焼ガスで駆動するタービンと、を備えている。

ガスタービンの燃焼器は、例えば、以下の特許文献１に記載されているように、燃料を噴射する燃焼器ノズルと、この燃焼器ノズルの外周側を覆う内筒と、ノズルから噴射された燃料が燃焼し、この燃焼により生成された燃焼ガスをタービンに導く尾筒と、を備えている。

この燃焼器ノズルは、軸線を基準にして筒状を成し、燃料が流れる燃料流路が内周側に形成されている第一筒と、第一筒の先端部に取り付けられ、第一筒の燃料流路中を流れてきた燃料を噴出するノズルチップと、軸線を基準にして筒状を成し、間隔をあけて第一筒及びノズルチップの外周側を覆う第二筒と、を備えている。第一筒及びノズルチップの外周側と第二筒の内周側との間は、この間の先端側に配置されているスペーサにより保持されていている。なお、第一筒及びノズルチップの外周側と第二筒の内周側との間は、冷却ガスが流れる冷却ガス流路を成している。

特許第５０５５１４４号明細書

上記特許文献１に記載の燃焼器ノズルでは、前述したように、第一筒及びノズルチップの外周側と第二筒の内周側との間が、この間の先端側に配置されているスペーサにより保持されていている。このため、この燃焼器ノズルでは、第一筒の外周側と第二筒の内周側との間であって、第二筒の基端部側の間隔を安定保持できず、第一筒の外周側と第二筒の内周側との間に流入する冷却空気の周方向における流量バラツキが生じる。言い換えると、冷却ガス流路の上流側で、冷却空気の周方向における流量バラツキが生じる。よって、この燃焼器ノズルでは、第二筒の先端部における周方向の一部やノズルチップの一部が十分に冷却されず、これらが熱損傷するおそれがある、という課題がある。

そこで、本発明は、燃焼器ノズルの熱損傷を抑えることができるチップホルダ、これを備える燃焼器ノズル、この燃焼器ノズルを備える燃焼器、及び燃焼器ノズルの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための発明に係る一態様としての燃焼器ノズルのチップホルダは、 軸線を基準にして筒状を成し、内周側に燃料が流れる燃料流路が形成され、軸方向の一方側の先端部に該燃料を噴出するノズルチップが接続される内筒と、前記軸線を基準にして筒状を成し、内周側と前記内筒の外周側との間に冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成し、前記軸方向の前記一方側の先端部に前記軸線を基準にして筒状を成すスリーブが接続される外筒と、前記内筒の外周側と前記外筒の内周側との間であって前記冷却ガス流路における前記スリーブよりも上流側で、前記軸線を基準にした周方向に間隔をあけて複数配置され、前記内筒に対して前記外筒を支えるリブと、を備えていることを特徴とする。

当該チップホルダでは、外筒及びスリーブの内周側に冷却ガス流路が形成される。この冷却ガス流路で上流側（軸方向の他方側）を形成する外筒は、周方向に間隔をあけて配置されている複数のリブにより、内筒との間隔を保持されて支えられている。このため、当該チップホルダでは、冷却ガス流路の上流側で、冷却ガスの周方向における流量バラツキを抑えることができる。よって、当該チップホルダでは、チップホルダにおける外筒の先端部に接続されるスリーブの内周側に供給される冷却ガスの周方向における流量バラツキが抑えられ、スリーブ等の熱損傷を抑えることができる。

また、当該チップホルダは、火炎や燃焼ガスに晒されるおそれがなく、冷却ガス流路の下流側部分を形成するスリーブと別部品であるため、耐熱性の高い材料で形成する必要がなく、製造コストを抑えることができる。

上記課題を解決するための発明に係る一態様としての燃焼器ノズルは、
前記チップホルダと、前記チップホルダにおける前記内筒の前記先端部に接続されている前記ノズルチップと、前記軸線を基準にして筒状を成し、前記ノズルチップの外周側を覆うカバーリング筒部を有するカバーリングと、前記軸線を基準にして筒状を成し、前記軸方向の前記一方側における内周側と前記カバーリング筒部の外周側との間に、前記チップホルダの前記冷却ガス流路を流れてきた前記冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成し、前記軸方向の前記一方側と反対側の基端部が前記チップホルダの前記外筒に接続されている前記スリーブと、前記カバーリング筒部の外周側と前記スリーブの内周側との間に、前記周方向に間隔をあけて複数配置され、前記カバーリング筒部の外周側と前記スリーブの内周側との間隔を保持するスペーサと、を備えていることを特徴とする。

当該燃焼器ノズルでは、チップホルダの外筒及びスリーブの内周側に冷却ガス流路が形成される。この冷却ガス流路で下流側（軸方向の一方側）を形成するスリーブは、周方向に間隔をあけて配置されている複数のスペーサにより、カバーリング筒部との間隔を保持されて支えられている。このため、当該燃焼器ノズルでは、冷却ガス流路の下流側で、冷却ガスの周方向における流量バラツキを抑えることができる。よって、当該燃焼器ノズルでは、スリーブの内周側を流れる冷却ガスの周方向における流量バラツキが抑えられ、スリーブ等の熱損傷を抑えることができる。

また、燃焼器ノズルのスリーブは、火炎や燃焼ガスに晒されるおそれがあるが、冷却ガス流路の上流側部分を形成するチップホルダと別部品であるため、耐熱性の高い材料で形成することができる。よって、当該燃焼器ノズルでは、この観点からも、スリーブ等の熱損傷を抑えることができる。

ここで、前記燃焼器ノズルにおいて、複数の前記スペーサのそれぞれは、軸方向視で、前記チップホルダの複数の前記リブのうちのいずれかのリブと少なくとも一部が重なっていてもよい。

当該燃焼器ノズルでは、チップホルダの複数のリブの下流側に冷却ガス流れのウェイクが形成される。このため、リブの下流側での冷却ガスの下流側へ向かう流速が低下する。一方、周方向で隣り合っている２つのリブ間の下流側では冷却ガスの流速は低下しない。また、各スペーサの下流側にも、ウェイクが形成される。このため、条件によって火炎の一部がスペーサに向って逆流する。しかしながら、当該燃焼器ノズルでは、前述したように、複数のスペーサのそれぞれは、軸方向視で、チップホルダの複数のリブのうちのいずれかのリブと少なくとも一部が重なっている。このため、上流側のリブの存在により、上流側からスペーサに向って流れる冷却ガスの流速が遅くなり、スペーサの下流側に形成されるウェイクを小さくすることができる。この結果、当該燃焼器ノズルでは、スペーサに向う火炎の逆流を抑えることができる。よって、当該燃焼器ノズルでは、スペーサやスリーブ等の熱損傷を抑えることができる。

また、以上のいずれかの前記燃焼器ノズルにおいて、前記ノズルチップは、前記軸線を基準にして筒状を成し、前記軸方向の前記一方側と反対側の基端部が前記チップホルダの前記内筒に接続されているチップ筒部を有し、前記チップ筒部の外周側と前記カバーリング筒部の内周側との間に、前記周方向に間隔をあけて複数配置され、前記チップ筒部の外周側と前記カバーリング筒部の内周側との間隔を保持するスペーサを備えていてもよい。

当該燃焼器ノズルでは、前記チップ筒部の外周側と前記カバーリング筒部の内周側との間が、チップホルダを流れてきた冷却ガスが流れる冷却ガス流路を成す。このため、ノズルチップ及びカバーリングを冷却することができる。しかも、カバーリング筒部は、周方向に間隔をあけて配置されている複数のスペーサにより、チップ筒部との間隔を保持されて支えられている。このため、当該燃焼器ノズルでは、当該冷却ガス流路で、冷却ガスの周方向における流量バラツキを抑えることができる。

上記課題を解決するための発明に係る一態様としての燃焼器は、
以上のいずれかの前記燃焼器ノズルである第一燃焼器ノズルと、前記軸線に対して垂直な方向で、前記第一燃焼器ノズルに隣接し、燃料と空気とが混合された予混合気体を噴出する第二燃焼器ノズルと、前記第一燃焼器ノズル及び前記第二燃焼器ノズルを保持するノズル保持部と、を備えていることを特徴とする。

上記課題を解決するための発明に係る一態様としての燃焼器ノズルの製造方法は、
以上のいずれかの前記燃焼器における前記チップホルダ、前記ノズルチップ、前記カバーリング、及び前記スリーブを準備し、準備された前記カバーリングと前記スリーブとのうち、一方には複数の前記スペーサが設けられており、前記チップホルダにおける前記内筒の前記先端部に、前記ノズルチップを接続し、前記ノズルチップの外周側に前記カバーリングを配置し、前記カバーリングの外周側に前記スリーブを配置し、該スリーブの前記基端部を前記チップホルダにおける前記外筒に接続することを特徴とする。

本発明では、燃焼器ノズルの熱損傷を抑えることができる。

本発明に係る一実施形態におけるガスタービンの要部切欠側面図である。 本発明に係る一実施形態における燃焼器の要部切欠側面である。 本発明に係る一実施形態におけるパイロットノズル（第一燃焼器ノズル）の展開斜視図である。 本発明に係る一実施形態におけるパイロットノズル（第一燃焼器ノズル）の要部切欠側面図である。 本発明に係る一実施形態におけるパイロットノズル（第一燃焼器ノズル）の展開側面図である。 図４におけるIV−IV線断面図である。 本発明に係る一実施形態における空気流路（冷却ガス流路）中の空気（冷却ガス）の流れを示す説明図である。 比較例における空気流路中の空気の流れを示す説明図である。

以下、本発明に係るチップホルダ、これを備えている燃焼器ノズル、及びこの燃焼器ノズルを備える燃焼器の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態の燃焼器は、ガスタービン用の燃焼器である。そこで、まず、図１を参照して、ガスタービンについて説明する。

本実施形態のガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機１と、圧縮機からの空気中で燃料を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器１０と、燃焼ガスにより駆動するタービン３と、を備えている。

タービン３は、回転軸線Ａｒを中心として回転するタービンロータ４と、このタービンロータ４を回転可能に収納するタービンケーシング７と、を備えている。このタービンロータ４は、例えば、このタービンロータ４の回転で発電する発電機（図示されていない。）と接続されている。タービンロータ４は、回転軸線Ａｒを中心とし且つ回転軸線Ａｒと平行な回転軸方向に延びているロータ軸部５と、回転軸方向に並んでロータ軸部５の外周に固定されている複数の動翼列６と、を有している。各動翼列６は、いずれも、回転軸線Ａｒを基準とした周方向に並んでロータ軸部５に固定されている複数の動翼６ａを有している。

タービンケーシング７の内周側とロータ軸部５の外周側との間は、燃焼器１０からの燃焼ガスが流れるガス流路９を形成している。タービンケーシング７の内周側であって、複数の動翼列６のそれぞれの上流側の位置には、静翼列８が配置されている。各静翼列８は、いずれも、回転軸線Ａｒを基準として周方向に並んでタービンケーシング７の内周面に固定されている複数の静翼８ａを有している。

燃焼器１０は、図２に示すように、タービンケーシング７に固定されている外筒１９と、タービンケーシング７内に配置され、高温・高圧の燃焼ガスＧをタービン３のガス流路９に送る尾筒１１と、この尾筒１１内に燃料Ｆｍ，Ｆｐ及び空気Ａを供給する燃料供給器２０と、を備えている。

燃料供給器２０は、内筒２１と、内筒２１の軸線Ａｃ上に配置されているパイロットノズル（第一燃焼器ノズル）３０と、このパイロットノズル３０を中心として周方向に等間隔で配置されている複数のメインノズル（第二燃焼器ノズル）２２と、パイロットノズル３０及び複数のメインノズル２２を保持するノズル保持台（ノズル保持部）２５と、を有している。

ここで、内筒２１の軸線Ａｃが延びている方向を軸方向Ｄａ、この軸線Ａｃを基準とした周方向を単に周方向Ｄｃ、この軸線Ａｃを基準にした径方向を単に径方向Ｄｒとする。また、径方向Ｄｒであって軸線Ａｃから遠ざかる側を径方向外側、その反対側を径方向内側とする。さらに、軸方向Ｄａであって、燃料供給器２０に対して尾筒１１が存在する側を下流側、その反対側を上流側とする。

ノズル保持台２５は、外筒１９の最上流側の位置に固定されている。各ノズル２２,３０の上流側の部分である基端部は、このノズル保持台２５に固定されている。パイロットノズル３０の基端部には、このパイロットノズル３０にパイロット燃料Ｆｐを供給するパイロット燃料配管（図示されていない）が接続されている。また、メインノズル２２の基端部には、このメインノズル２２にメイン燃料Ｆｍを供給するメイン燃料配管２３が接続されている。パイロットノズル３０は、その下流側の部分である先端部から、下流側へパイロット燃料Ｆｐを噴射する。このパイロット燃料Ｆｐは、燃焼により拡散火炎を形成する。また、複数のメインノズル２２は、メイン燃料Ｆｍと圧縮機１で圧縮された空気Ａとを混合した予混合気体を噴射する。この予混合気体は、燃焼により予混合火炎を形成する。

内筒２１の下流側の部分である先端部は、尾筒１１の上流側の部分である基端部の内周側に挿入されている。燃料Ｆｍ，Ｆｐの燃焼により形成された燃焼ガスＧは、この尾筒１１内を下流側に流れて、タービン３のガス流路９内に流入する。

次に、図３〜図８を参照して、第一燃焼器ノズルであるパイロットノズル３０の詳細について説明する。

パイロットノズル３０は、図３〜図５に示すように、軸線Ａｃを中心として筒状を成し内周側に燃料流路７１が形成されているノズル本体３１、軸線Ａｃを中心として筒状を成しノズル本体３１の先端部３１ｆに接続されるチップホルダ３５と、チップホルダ３５の先端部３６ｆに接続されパイロット燃料（以下、単に燃料という）Ｆｐを噴出するノズルチップ４１と、ノズルチップ４１を覆うカバーリング５１と、軸線Ａｃを中心として筒状を成しカバーリング５１の外周側を覆うスリーブ６１と、を備えている。なお、以上の各部材における先端部とは、軸方向の一方側である上流側の部位である。また、以下では、各部位における下流側の部位を基端部とする。

チップホルダ３５は、軸線Ａｃを中心として筒状を成す内筒３６及び外筒３７と、内筒３６に対して外筒３７を支える複数のリブ３８と、を備えている。内筒３６の基端部３６ｂには、インローの雌部又は雄部が形成され、ノズル本体３１に先端部３１ｆには、インローの雄部又は雌部が形成されている。チップホルダ３５は、この内筒３６のインローの雌部又は雄部がノズル本体３１のインローの雄部又は雌部に嵌め込まれて、ノズル本体３１に接続されている。

この内筒３６の内周側は、ノズル本体３１の燃料流路７１を流れてきた燃料Ｆｐが流れる燃料流路７２が形成されている。外筒３７は、内筒３６の外周側における軸方向の一部を覆う。外筒３７の内径は、内筒３６の外径よりも大きく、外筒３７の内周面と内筒３６の外周面との間に間隙が存在する。複数のリブ３８は、内筒３６の外周側と外筒３７の内周側との間に、周方向Ｄｃに間隔をあけて配置されている。複数のリブ３８は、外筒３７の内周側と内筒３６の外周側との間の間隙を保持しつつ両部材３６，３７を連結する。

外筒３７の内周側と内筒３６の外周側との間の間隙は、冷却ガスである空気Ａが流れる空気流路（冷却ガス流路）８２を成す。外筒３７の内周側と内筒３６の外周側との間であって、軸方向における外筒３７の基端の位置は、環状の空気流入開口８１を成している。

以上で説明したチップホルダ３５は、例えば、ステンレスで形成されている。

ノズルチップ４１は、軸線Ａｃを中心として筒状を成し、基端部４２ｂがチップホルダ３５における内筒３６の先端部に接続されるチップ筒部４２と、チップ筒部４２の先端を塞ぐチップ先端壁部４３と、チップ筒部４２の先端部４２ｆからチップ先端壁部４３の外周側の部分にかけて形成されている複数の突起部４４と、を有している。

チップ筒部４２の内径とチップホルダ３５における内筒３６の内径は、実質的に同じである。また、チップ筒部４２の外径とチップホルダ３５における内筒３６の外径も、実質的に同じである。チップ筒部４２の基端部４２ｂには、インローの雄部又は雌部が形成され、チップホルダ３５における内筒３６の先端部３６ｆには、インローの雌部又は雄部が形成されている。ノズルチップ４１は、このチップ筒部４２のインローの雄部又は雌部がチップホルダ３５における内筒３６のインローの雌部又は雄部に嵌め込まれて、チップホルダ３５に接続される。チップ筒部４２の内周側は、チップホルダ３５における内筒３６の内周側に形成されている燃料流路７２とつながる燃料流路７３を成している。

ノズルチップ４１の複数の突起部４４は、周方向Ｄｃに等間隔で、チップ筒部４２の先端部４２ｆからチップ先端壁部４３の外周側の部分にかけて形成されている。突起部４４は、チップ筒部４２から外周側に向かって突出している外周突起部４５と、先端壁部から下流側に向かうに連れて次第に径方向外側に向う方向に突出している先端突起部４６と、を有している。先端突起部４６には、燃料噴出孔４７が形成されている。この燃料噴出孔４７は、チップ先端壁部４３の上流側の端面から先端突起部４６の先端にかけて貫通した孔で、下流側に向かうに連れて次第に径方向外側に向かう方向に延びている。

カバーリング５１は、軸線Ａｃを中心として筒状を成し、チップ筒部４２の外周側を覆うカバーリング筒部５２と、カバーリング筒部５２の先端の一部を塞ぐカバーリング先端壁部５３と、を有している。カバーリング筒部５２の内径は、チップ筒部４２の外径よりも大きく、カバーリング筒部５２の内周側とチップ筒部４２の外周側との間には間隙が存在する。カバーリング先端壁部５３は、軸線Ａｃを中心して、上流側から下流側に向かって貫通した円形の軸上空気噴出開口８７が形成されている。また、このカバーリング先端壁部５３中の外周側には、上流側から下流側に向かって貫通した複数の突起挿通孔５４が形成されている。複数の突起挿通孔５４は、軸線Ａｃを中心として周方向Ｄｃに並んでいる。

このカバーリング５１内には、ノズルチップ４１が入れられる。この際、チップ筒部４２の外周側とカバーリング筒部５２の内周側との間の間隔は、ノズルチップ４１の外周突起部４５により保持される。また、チップ先端壁部４３の下流側とカバーリング先端壁部５３の上流側との間の間隔は、ノズルチップ４１の先端突起部４６により保持される。すなわち、ノズルチップ４１の外周突起部４５は、チップ筒部４２の外周側とカバーリング筒部５２の内周側との間の間隔を保持するスペーサとして機能し、ノズルチップ４１の先端突起部４６は、チップ先端壁部４３の下流側とカバーリング先端壁部５３の上流側との間の間隔を保持するスペーサとして機能する。チップ筒部４２の外周側とカバーリング筒部５２の内周側との間、及びチップ先端壁部４３の下流側とカバーリング先端壁部５３の上流側との間の間隙は、空気Ａが流れる内側空気流路８４を成す。また、ノズルチップ４１の各先端突起部４６は、いずれも、カバーリング５１の突起挿通孔５４に挿通され、カバーリング５１の外部に臨んでいる。

軸線Ａｃを中心として筒状のスリーブ６１の内径は、カバーリング筒部５２の外径よりも大きく、スリーブ６１の内周側とカバーリング５１筒の外周側との間には間隙が存在する。この間隙は、空気Ａが流れる外側空気流路８５を成す。スリーブ６１の内周側とカバーリング筒部５２の外周側との間であって、軸方向におけるスリーブ６１の基端の位置は、環状の外側空気噴出開口８６を成している。スリーブ６１の内径は、チップホルダ３５における外筒３７の内径と実質的に同じである。また、スリーブ６１の外径は、チップホルダ３５における外筒３７の外径と実質的に同じである。スリーブ６１の基端部６１ｂとチップホルダ３５における外筒３７の先端部３７ｆとは、例えば、溶接等により接続される。スリーブ６１の基端部６１ｂとチップホルダ３５における外筒３７の先端部３７ｆとが接続されると、スリーブ６１とチップホルダ３５における外筒３７とは、ノズルチップ４１及びカバーリング５１、さらにチップホルダ３５における内筒３６の外周側を覆う一体の筒となる。

このスリーブ６１は、耐熱性の高いニッケル基合金により形成され、必要に応じて耐熱コーティングが施されている。

本実施形態のパイロットノズル３０は、さらに、スリーブ６１の内周側とカバーリング５１筒の外周側との間の間隙を保持する複数のスペーサ５９を備えている。複数のスペーサ５９は、軸線Ａｃを中心として周方向Ｄｃに並んで配置されている。複数のスペーサ５９は、いずれも、カバーリング筒部５２の外周側に形成され、カバーリング５１と一体である。なお、複数のスペーサ５９は、スリーブ６１の内周側に形成され、スリーブ６１と一体であってもよい。

次に、カバーリング筒部５２の外周側とスリーブ６１の内周側との間に形成されている複数のスペーサ５９と、チップホルダ３５の内筒３６の外周側と外筒３７の内周側との間に形成されている複数のリブ３８との位置関係について、図６を参照して説明する。なお、図６は、図４におけるIV−IV線断面図である。但し、図６では、スペーサ５９とリブ３８との位置関係を明瞭にするため、チップ筒部４２及びカバーリング筒部５２を省略している。

ここで、パイロットノズル３０の軸線Ａｃを中心とした周方向Ｄｃの位置で、タービンロータの回転軸線Ａｃとパイロットノズル３０の軸線Ａｃとを含む仮想平面上ＶＰの位置を基準位置ＢＰとする。

本実施形態の複数のリブ３８のうち、軸方向Ｄａの上流側から見て、基準位置ＢＰから時計回りに６０°の第一リブ位置Ｒ１に第一リブ３８ａが形成され、この第一リブ位置Ｒ１から時計回りに６０°の第二リブ位置Ｒ２に第二リブ３８ｂが形成され、この第二リブ位置Ｒ２から時計回りに１２０°の第三リブ位置Ｒ３に第三リブ３８ｃが形成され、この第三リブ位置Ｒ３から時計回りに６０°の第四リブ位置Ｒ４に第四リブ３８ｄが形成されている。なお、第四リブ位置Ｒ４から時計回りに１２０°の位置が第一リブ位置Ｒ１である。第一リブ３８ａは、第一リブ位置Ｒ１を中心として約２５°の幅で形成されている。同様に、第二リブ３８ｂ、第三リブ３８ｃ、第四リブ３８ｄも、対応する位置を中心として約２５°の幅で形成されている。

また、本実施形態の複数のスペーサ５９のうち、軸方向Ｄａの上流側から見て、基準位置ＢＰから時計回りに４５°の第一スペーサ位置Ｓ１に第一スペーサ５９ａが形成され、第一スペーサ位置Ｓ１から時計回りに９０°の第二スペーサ位置Ｓ２に第二スペーサ５９ｂが形成され、第二スペーサ位置Ｓ２から時計回りに９０°の第三スペーサ位置Ｓ３に第三スペーサ５９ｃが形成され、第三スペーサ位置Ｓ３から時計回りに９０°の第四スペーサ位置Ｓ４に第四スペーサ５９ｄが形成されている。なお、第四スペーサ位置Ｓ４から時計回りに９０°の位置が第一スペーサ位置Ｓ１である。第一スペーサ５９ａは、第一スペーサ位置Ｓ１を中心として約１０°の幅で形成されている。同様に、第二スペーサ５９ｂ、第三スペーサ５９ｃ、第四スペーサ５９ｄも、対応する位置を中心として約１０°の幅で形成されている。

このため、本実施形態では、軸方向視で、第一スペーサ５９ａの一部が第一リブ３８ａと重なり、第二スペーサ５９ｂの一部が第二リブ３８ｂと重なり、第三スペーサ５９ｃの一部が第三リブ３８ｃと重なり、第四リブ３８ｄの一部が第四リブ３８ｄと重なっている。

次に、以上で説明したパイロットノズル３０の製造手順について説明する。

まず、以上で説明したノズル本体３１、チップホルダ３５、ノズルチップ４１と、カバーリング５１、スリーブ６１を準備する。なお、以上の各部材は、新たに製造したものであってもよいし、過去に使用したものであってもよい。具体的に、ノズル本体３１は、高温のガスに晒されず、長期間使用してもほとんど損傷しないので、今まで使用したものを再利用してもよい。また、ここで準備するカバーリング５１におけるカバーリング筒部５２の外周には、複数のスペーサ５９が予め形成されている。

次に、チップホルダ３５における内筒３６の基端部３６ｂのインローの雌部又は雄部をノズル本体３１の先端部３１ｆのインローの雄部又は雌部に嵌め込んで、チップホルダ３５をノズル本体３１に接続する。なお、ノズル本体３１の先端部３１ｆとチップホルダ３５における内筒３６の基端部ｂとを溶接して、ノズル本体３１とチップホルダ３５を接続してもよいし、以上のインロー構造を採用した上で両部材間を溶接して、両部材を接続してもよい。

次に、ノズルチップ４１におけるチップ筒部４２の基端部４２ｂのインローの雄部又は雌部をチップホルダ３５における内筒３６の先端部３６ｆのインローの雌部又は雄部に嵌め込んで、ノズルチップ４１をチップホルダ３５に接続する。なお、チップホルダ３５における内筒３６の先端部３６ｆとチップ筒部４２の基端部４２ｂとを溶接して、チップホルダ３５とノズルチップ４１とを接続してもよいし、以上のインロー構造を採用した上で両部材間を溶接して、両部材を接続してもよい。

次に、カバーリング５１内にノズルチップ４１が入るよう、チップホルダ３５に接続されているノズルチップ４１に対してカバーリング５１をセットする。このセットにより、ノズルチップ４１の各先端突起部４６は、いずれも、前述したように、カバーリング５１の突起挿通孔５４からカバーリング５１の外部に臨むことになる。

次に、スリーブ６１内にノズルチップ４１及びカバーリング５１が入るよう、スリーブ６１をセットし、スリーブ６１の基端部６１ｂをチップホルダ３５における外筒３７の先端部３７ｆに溶接等で接続する。

以上で、パイロットノズル３０は完成する。なお、以上では、チップホルダ３５をノズル本体３１に接続してから、ノズルチップ４１をチップホルダ３５に接続しているが、ノズルチップ４１をチップホルダ３５に接続してから、チップホルダ３５をノズル本体３１に接続してもよい。

次に、本実施形態のパイロットノズル３０の作用効果について説明する。

パイロット燃料配管（図示されていない）からの燃料（パイロット燃料）Ｆｐは、図４に示すように、ノズル本体３１の燃料流路７１、この燃料流路７１とつながっているチップホルダ３５の燃料流路７２を介して、この燃料流路７２とつながっているノズルチップ４１の燃料流路７３に流れ込む。ノズルチップ４１の燃料流路７３内に流れ込んだ燃料Ｆｐは、ノズルチップ４１におけるチップ先端壁部４３及び先端突起部４６を貫通する複数の燃料噴出孔４７から、下流側に向かうに連れて次第に径方向外側に向かう方向に噴出する。

圧縮機１（図１及び図２に示す）で圧縮された空気Ａの一部は、チップホルダ３５における内筒３６と外筒３７との間であって、これらの基端に形成されている環状の空気流入開口８１から、チップホルダ３５の空気流路８２内に流入する。チップホルダ３５の空気流路８２内に流れ込んだ空気Ａの一部は、スリーブ６１の内周側とカバーリング筒部５２の外周側との間の外側空気流路８５に流入する。この外側空気流路８５に流入した空気Ａは、この外側空気流路８５を下流側に向かって流れ、環状の外側空気噴出開口８６から下流側に向かって噴出する。空気Ａは、この外側空気流路８５を下流側に向かって流れる過程で、スリーブ６１及びカバーリング筒部５２を冷却する。また、チップホルダ３５の空気流路８２内に流れ込んだ空気Ａの残りの部は、カバーリング筒部５２の内周側とチップ筒部４２の外周側との間の内側空気流路８４に流入する。この内側空気流路８４に流入した空気Ａは、この内側空気流路８４を下流側に流れ、周方向Ｄｃに並んでいるノズルチップ４１の複数の突起部４４の相互間を通過して、カバーリング５１における円形の軸上空気噴出開口８７から下流側に向かって噴出する。空気Ａは、この内側空気流路８４を流れる過程で、カバーリング５１及びノズルチップ４１を冷却する。特に、空気Ａは、周方向Ｄｃに並んでいるノズルチップ４１の複数の突起部４４の相互間を通過するので、複数の突起部４４のそれぞれを冷却する。

ノズルチップ４１の複数の燃料噴出孔４７からパイロットノズル３０の外部に噴出した燃料Ｆｐは、スリーブ６１の内周側とカバーリング筒部５２の外周側との間の環状の外側空気噴出開口８６から噴出した空気Ａ、及びカバーリング５１の軸上空気噴出開口８７から噴出した空気Ａを燃焼用空気Ａとして、燃焼し、拡散火炎を形成する。

本実施形態では、ノズルチップ４１のチップ筒部４２の外周側とカバーリング５１のカバーリング筒部５２の内周側との間の間隔を、チップ筒部４２の外周側に周方向Ｄｃに間隔をあけて配置した複数の外周突起部４５により保持しているので、環状の内側空気流路８４の周方向Ｄｃにおける各位置での空気流量のバラツキを抑えることができる。また、本実施形態では、カバーリング５１のカバーリング筒部５２の外周側とスリーブ６１の内周側との間の間隔を、カバーリング筒部５２の外周側に周方向Ｄｃに間隔をあけて配置した複数のスペーサ５９により保持しているので、環状の外側空気流路８５の周方向Ｄｃにおける各位置での空気流量のバラツキを抑えることができる。

さらに、本実施形態では、スリーブ６１及びノズルチップ４１の上流側に配置されているチップホルダ３５において、内筒３６の外周側と外筒３７の内周側との間の間隔を、この間に周方向Ｄｃに間隔をあけて配置した複数のリブ３８により保持しているので、環状の空気流路８２の周方向Ｄｃにおける各位置での空気流量のバラツキを抑えることができる。

すなわち、本実施形態では、パイロットノズル３０における先端部側の内側空気流路８４及び外側空気流路８５と、内側空気流路８４及び外側空気流路８５の連通し且つ内側空気流路８４及び外側空気流路８５の上流側の空気流路８２とのそれぞれで、周方向Ｄｃの各位置での空気流量のバラツキを抑えることができる。

本実施形態では、パイロットノズル３０の最外周部分を形成するスリーブ６１及びチップホルダ３５の外筒３７は、パイロットノズル３０の完成時に一体の最外周筒を成す。本実施形態では、この最外周筒で、高温の燃焼ガスや火炎に晒される又はその可能性のある先端側のスリーブ６１を耐熱性の高いニッケル基合金で形成し、燃焼ガスや火炎に晒されない基端側のチップホルダ３５を低コスト材料であるステンレスで形成している。このため、本実施形態では、パイロットノズル３０の耐熱性を高めつつも、製造コストを抑えることができる。

チップホルダ３５の空気流路８２中には、周方向Ｄｃに間隔をあけて複数のリブ３８が配置されている。このため、図７に示すように、各リブ３８の下流には、ウェイクＷａが形成され、リブ３８の下流側における空気Ａの下流側に向う流速Ｖａが低下する。一方、２つのリブ３８の周方向Ｄｃの間の下流側では空気Ａの流速Ｖｂは低下しない。また、各スペーサ５９の下流側にも、ウェイクＷｂが形成される。このため、条件によって火炎９１の一部がスペーサ５９に向って逆流する。しかしながら、本実施形態では、前述したように、複数のスペーサ５９のそれぞれは、軸方向視で、チップホルダ３５の複数のリブ３８のうちのいずれかのリブ３８と一部が重なっている。このため、上流側のリブ３８の存在により、上流側からスペーサ５９に向って流れる空気Ａの流速Ｖａが遅くなり、スペーサ５９の下流側に形成されるウェイクＷｂを小さくすることができる。この結果、スペーサ５９に向う火炎９１の逆流を抑えることができる。

仮に、図８に示すように、複数のスペーサ５９ｘのそれぞれが、軸方向視で、チップホルダ３５の複数のリブ３８のうちのいずれにも重なっていないとする。この場合も、前述の場合と同様に、各リブ３８の下流には、同様のウェイクＷａが形成され、リブ３８の下流側における空気Ａの流速Ｖａが低下する。さらに、この場合も、各スペーサ５９ｘの下流側に、ウェイクＷｃが形成され、条件によって火炎９２の一部がスペーサ５９ｘに向って逆流する。但し、この場合、スペーサ５９ｘの上流側にリブ３８が存在しないため、上流側からスペーサ５９ｘに向って流れる空気Ａの流速Ｖｂが遅くならず、スペーサ５９ｘの下流側に形成されるウェイクＷｃは、前述のウェイクＷｂよりも大きくなる。この結果、条件によっては、逆流した火炎９２がスペーサ５９ｘに至ることもある。

以上のように、本実施形態では、外側空気流路８５内への火炎の逆流を抑えることができ、かかる観点からも、外側空気流路８５を形成するスリーブ６１、カバーリング５１及びスペーサ５９の熱損傷を抑えることができる。

なお、本実施形態では、複数のスペーサ５９のそれぞれは、軸方向視で、チップホルダ３５の複数のリブ３８のうちのいずれかのリブ３８と一部のみが重なっている。しかしながら、複数のスペーサ５９のそれぞれは、軸方向視で、チップホルダ３５の複数のリブ３８のうちのいずれかのリブ３８と全体が完全に重なってもよい。また、本実施形態の複数のリブ３８は、周方向Ｄｃの間隔が異なっているが、この間隔は等間隔であってもよい。

また、本実施形態では、スペーサ５９及びリブ３８の個数がいずれも４個であるが、それぞれ３個であっても、５個以上であってもよい。また、スペーサ５９の個数とリブ３８の個数とは同数でなくてもよい。但し、この場合、複数のスペーサ５９のそれぞれが、軸方向視で、チップホルダ３５の複数のリブ３８のうちのいずれかのリブ３８と少なくとも一部が重なるようにするため、リブ３８の個数はスペーサ５９の個数以上である必要がある。例えば、リブ３８が５個でスペーサ５９が４個であってもよい。

１：圧縮機、３：タービン、１０：燃焼器、１１：尾筒、２０:燃料供給器、２１：内筒、２２：メインノズル（第二燃焼器ノズル）、２５:ノズル保持台（ノズル保持部）、３０:パイロットノズル（第一燃焼器ノズル）、３１:ノズル本体、３５:チップホルダ、３６:内筒、３７:外筒、３８:リブ、４１:ノズルチップ、４２:リップ筒部、４３:チップ先端壁部、４４:突起部、４５:外周突起部（スペーサ）、４６:先端突起部、４７:燃料噴出孔、５１:カバーリング、５２:カバーリング筒部、５３:カバーリング先端壁部、５４:突起挿通孔、５９:スペーサ、６１:スリーブ、７１,７２,７３：燃料流路、８１:空気流入開口、８２:空気流路（冷却ガス流路）、８４:内側空気流路（冷却ガス流路）、８５:外側空気流路（冷却ガス流路）、８６：外側空気噴出開口、８７:軸上空気噴出開口

Claims (6)

1. 軸線を基準にして筒状を成し、内周側に燃料が流れる燃料流路が形成され、軸方向の一方側の先端部に該燃料を噴出するノズルチップが接続される内筒と、
   前記軸線を基準にして筒状を成し、内周側と前記内筒の外周側との間に冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成し、前記軸方向の前記一方側の先端部に前記軸線を基準にして筒状を成すスリーブが接続される外筒と、
   前記内筒の外周側と前記外筒の内周側との間であって前記冷却ガス流路における前記スリーブよりも上流側で、前記軸線を基準にした周方向に間隔をあけて複数配置され、前記内筒に対して前記外筒を支えるリブと、
   を備えていることを特徴とするチップホルダ。
2. 請求項１に記載のチップホルダと、
   前記チップホルダにおける前記内筒の前記先端部に接続されている前記ノズルチップと、
   前記軸線を基準にして筒状を成し、前記ノズルチップの外周側を覆うカバーリング筒部を有するカバーリングと、
   前記軸線を基準にして筒状を成し、前記軸方向の前記一方側における内周側と前記カバーリング筒部の外周側との間に、前記チップホルダの前記冷却ガス流路を流れてきた前記冷却ガスが流れる冷却ガス流路を形成し、前記軸方向の前記一方側と反対側の基端部が前記チップホルダの前記外筒に接続されている前記スリーブと、
   前記カバーリング筒部の外周側と前記スリーブの内周側との間に、前記周方向に間隔をあけて複数配置され、前記カバーリング筒部の外周側と前記スリーブの内周側との間隔を保持するスペーサと、
   を備えていることを特徴とする燃焼器ノズル。
3. 請求項２に記載の燃焼器ノズルにおいて、
   複数の前記スペーサのそれぞれは、軸方向視で、前記チップホルダの複数の前記リブのうちのいずれかのリブと少なくとも一部が重なっている、
   ことを特徴とする燃焼器ノズル。
4. 請求項２又は３に記載の燃焼器ノズルにおいて、
   前記ノズルチップは、前記軸線を基準にして筒状を成し、前記軸方向の前記一方側と反対側の基端部が前記チップホルダの前記内筒に接続されているチップ筒部を有し、
   前記チップ筒部の外周側と前記カバーリング筒部の内周側との間に、前記周方向に間隔をあけて複数配置され、前記チップ筒部の外周側と前記カバーリング筒部の内周側との間隔を保持するスペーサを備えている、
   ことを特徴とする燃焼器ノズル。
5. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃焼器ノズルである第一燃焼器ノズルと、
   前記軸線に対して垂直な方向で、前記第一燃焼器ノズルに隣接し、燃料と空気とが混合された予混合気体を噴出する第二燃焼器ノズルと、
   前記第一燃焼器ノズル及び前記第二燃焼器ノズルを保持するノズル保持部と、
   を備えていることを特徴とする燃焼器。
6. 請求項２から４のいずれか一項に記載の燃焼器ノズルの製造方法において、
   前記チップホルダ、前記ノズルチップ、前記カバーリング、及び前記スリーブを準備し、
   準備された前記カバーリングと前記スリーブとのうち、一方には複数の前記スペーサが設けられており、
   前記チップホルダにおける前記内筒の前記先端部に、前記ノズルチップを接続し、 前記ノズルチップの外周側に前記カバーリングを配置し、
   前記カバーリングの外周側に前記スリーブを配置し、該スリーブの前記基端部を前記チップホルダにおける前記外筒に接続する、
   ことを特徴とする燃焼器ノズルの製造方法。

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