JP7005173B2

JP7005173B2 - 管延長部を有する集束管燃料ノズル組立体、燃焼器、及び、これらを製造する方法

Info

Publication number: JP7005173B2
Application number: JP2017105144A
Authority: JP
Inventors: エリザベス・リー・ドアーリング; ルーカス・ジョン・ストイア
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-06-02
Filing date: 2017-05-29
Publication date: 2022-01-21
Anticipated expiration: 2037-05-29
Also published as: JP2017219303A; CN107461763A; DE102017111104A1; US20170350321A1

Description

本開示は、ガスタービン燃焼器用の集束管燃料ノズル組立体を対象とする。より詳細には、本開示は管延長部を有する集束管燃料ノズル組立体を対象とする。

ガスタービンエンジン用の特定の燃焼システムは、燃焼領域の上流で気体燃料を圧縮空気と予混合するための集束管型燃料ノズル組立体を有する燃焼器を使用する。集束管燃料ノズル組立体は一般に、前方プレートと、軸方向に離間した後方プレートと、外側スリーブとの間に少なくとも部分的に画定された燃料プレナムを通って延在する多数の管を含む。各管は、前方プレートに画定されたそれぞれの管穴、および後方プレートに画定された対応する管穴を通って延在する。作動中、圧縮空気は各管の入口部分に流入する。燃料プレナムからの燃料は、それぞれの燃料ポートを経て各管内に噴射され、そこで、燃料は圧縮空気と予混合してから燃焼領域内に送られる。

燃料プレナムをシールするために、各管と前方プレートに画定されたそれぞれの管穴との間に第１のロウ付けまたは溶接接合部が形成され、管と中間プレートに画定された対応する管穴との間に第２のロウ付けまたは溶接接合部が形成される。様々な構成において、集束管燃料ノズル組立体は多数の密集した管を含むことができる。したがって、数百のロウ付け接合部が、燃料プレナムを効果的にシールするために必要な場合がある。各ロウ付け接合部は潜在的に燃料が漏れる箇所となり、管が接近しているためロウ付け接合部を形成することは一般に困難な場合がある。したがって、集束管燃料ノズル組立体を改善することは有用となろう。

米国出願公開第２０１１／００８９２６６号公報

態様および利点は、下記で以下の説明の中に記載され、またはその説明から明らかになることができ、または実施を通じて学ぶことができる。

本開示の１つの実施形態は集束管燃料ノズル組立体である。集束管燃料ノズル組立体は燃料プレナム本体を含み、燃料プレナム本体は、前方壁と、後方壁と、外側バンドと、燃料プレナム本体内に画定された燃料プレナムと、前方壁から燃料プレナムを通って後方壁に延在する複数の管状通路とを画定し、単一体として形成される。集束管燃料ノズル組立体はさらに、複数の管状通路から下流に延在する複数の管延長部を含む。複数の管延長部の少なくとも１つの管延長部は、複数の管状通路のそれぞれの管状通路のそれぞれの出口内に軸方向に延在する上流端を含む。

本開示の１つの実施形態は、集束管燃料ノズル組立体を対象とする。集束管燃料ノズル組立体は燃料プレナム本体を含み、燃料プレナム本体は、前方壁と、後方壁と、外側バンドと、燃料プレナム本体内に画定された燃料プレナムと、前方壁から燃料プレナムを通って後方壁に延在する複数の管状通路とを画定する。燃料プレナム本体は単一体として形成される。複数の管延長部は、複数の管状通路から下流に延在する。複数の管延長部の各管延長部は、複数の管状通路のそれぞれの管状通路のそれぞれの出口と同軸に配置される。各管延長部は、燃料プレナム本体に固定的に接続されたそれぞれの上流端を含む。

本開示の別の実施形態は燃焼器である。燃焼器は、外側ケーシングに結合したエンドカバーと、外側ケーシング内に配置され、１つまたは複数の流体導管を介してエンドカバーに流体結合された集束管燃料ノズル組立体とを含む。集束管燃料ノズル組立体は燃料プレナム本体を含み、燃料プレナム本体は、前方壁と、後方壁と、外側バンドと、燃料プレナム本体内に画定された燃料プレナムと、前方壁から燃料プレナムを通って後方壁に延在する複数の管状通路とを画定する。燃料プレナム本体は単一体として形成される。複数の管延長部は、複数の管状通路から下流に延在する。複数の管延長部の少なくとも１つの管延長部は、複数の管状通路のそれぞれの管状通路のそれぞれの出口内に軸方向に延在する上流端を含む。

当業者は本明細書を精査すれば、このような実施形態の特徴および態様、その他をよりよく理解するであろう。

添付図面の参照を含む本明細書の残りの部分では、当業者に対して、最良の態様を含む本発明の様々な実施形態の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。

本開示の様々な実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービンの機能ブロック図である。本開示の様々な実施形態を組み込むことができる例示的な燃焼器の簡略側面断面図である。本開示の様々な実施形態による例示的な集束管燃料ノズル組立体の側面断面図である。本開示の少なくとも１つの実施形態による、図３に示した例示的な集束管燃料ノズル組立体の一部分の拡大側面断面図である。

次に、１つまたは複数の例が添付図面に示されている本開示の実施形態を詳細に参照する。詳細な説明では、図面内の要素を指すために数字表示および文字表示を使用する。図面および記述における類似または同様の表示は、本開示の類似または同様の部品を指すために使用されている。

用語「第１の」、「第２の」、および「第３の」は、本明細書で使用するとき、１つの構成部品を別の構成部品と区別するために交換可能に使用される場合があり、個々の構成部品の位置または重要性を意味することを意図していない。用語「上流」および「下流」は、流体経路での流体の流れに関する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は流体が流れて来る元の方向を指し、「下流」は流体が流れて行く先の方向を指す。用語「半径方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して実質的に直交する相対方向を指し、用語「軸方向」は、特定の構成要素の軸方向中心線に対して実質的に平行および／または同軸に並べられた相対方向を指す。

本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明する目的のためだけであり、限定することを意図したものではない。単数形「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」、および「その（ｔｈｅ）」は、本明細書で使用するとき、文脈においてそうでないこと明示しない限り、複数形も含むことを意図される。用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、本明細書で使用するとき、述べられた特徴、完全体、ステップ、動作、要素、および／または構成部品が存在することを特定するが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品、および／またはそれらのグループが存在すること、あるいはそれらが付加されることを排除しないことはさらに理解されよう。

各例は説明のために提示されており、限定するためではない。実際、本発明の範囲または精神から逸脱せずに、本発明で修正および変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部分として例示または記述された特徴を、さらなる実施形態を得るために別の実施形態に使用することができる。したがって、このような修正および変更を添付の特許請求の範囲およびその等価物の範囲内にあるものとして本開示が包含することが意図されている。本開示の例示的な実施形態は、例示のために、全体としては、陸上発電用ガスタービン燃焼器用の集束管燃料ノズル組立体の文脈で説明されているが、本開示の実施形態がターボ機械の任意の型またはタイプの燃焼器に適用でき、特許請求の範囲で特記しない限り、陸上発電用ガスタービン用の燃焼器または燃焼システムに限定されるものではないことは当業者であれば容易に認識するであろう。

次に図面を参照すると、図１は例示的なガスタービン１０の概略図を示している。ガスタービン１０は一般に、入口セクション１２、入口セクション１２の下流に配置された圧縮機１４、圧縮機１４の下流に配置された少なくとも１つの燃焼器１６、燃焼器１６の下流に配置されたタービン１８、およびタービン１８の下流に配置された排気セクション２０を含む。さらに、ガスタービン１０は、圧縮機１４をタービン１８に結合する１つまたは複数の軸２２を含む場合がある。

作動中、空気２４は入口セクション１２を通って圧縮機１４に流入し、そこで、空気２４は漸進的に圧縮され、このようにして燃焼器１６に圧縮空気２６を供給する。圧縮空気２６の少なくとも一部分は燃焼器１６内で燃料２８と混合され、さらに燃やされて燃焼ガス３０を生成する。燃焼ガス３０は燃焼器１６からタービン１８に流入し、そこで、エネルギー（運動エネルギーおよび／または熱エネルギー）は燃焼ガス３０からロータブレード（図示せず）に伝達され、このようにして軸２２を回転させる。機械的な回転エネルギーは、次いで、圧縮機１４に動力を与える、かつ／または電力を発生させるためなどの様々な目的に用いることができる。タービン１８を出る燃焼ガス３０は、次いで、排気セクション２０を経てガスタービン１０から排出することができる。

図２に示すように、燃焼器１６は、圧縮機吐出ケーシングなどの外側ケーシング３２によって少なくとも部分的に取り囲まれる場合がある。外側ケーシング３２は、燃焼器１６の様々な構成部品を少なくとも部分的に取り囲む高圧プレナム３４を少なくとも部分的に画定することができる。高圧プレナム３４は、圧縮機１４（図１）から圧縮空気２６を受け入れるように、圧縮機１４と流体連通することができる。エンドカバー３６は外側ケーシング３２に結合することができる。特定の実施形態では、外側ケーシング３２およびエンドカバー３６は、燃焼器１６のヘッド端区域または部分３８を少なくとも部分的に画定することができる。

特定の実施形態では、ヘッド端部３８は、高圧プレナム３４および／または圧縮機１４と流体連通している。１つまたは複数のライナまたはダクト４０は、燃料－空気混合物を燃焼させるための燃焼室または燃焼領域４２を少なくとも部分的に画定することができ、かつ／または、燃焼ガス３０をタービン１８の入口に向けて導くための、矢印４４で示す燃焼器を通る高温ガス通路を少なくとも部分的に画定することができる。

様々な実施形態において、燃焼器１６は、少なくとも１つの集束管燃料ノズル組立体１００を含む。図２に示すように、集束管燃料ノズル組立体１００は、外側ケーシング３２内で、燃焼器１６の軸方向中心線４６に関してエンドカバー３６から下流に、かつ／またはエンドカバー３６から軸方向に離間して、かつ燃焼室４２から上流に配置される。特定の実施形態では、集束管燃料ノズル組立体１００は、１つまたは複数の流体導管５０を介してガス燃料供給源４８と流体連通している。特定の実施形態では、流体導管５０は一端でエンドカバー３６に流体結合および／または流体接続することができる。

図３は、本開示の様々な実施形態による例示的な集束管燃料ノズル組立体１００の部分的に分解した側面断面図を示す。様々な実施形態においては、図３に示すように、集束管燃料ノズル組立体１００は、燃料プレナム本体１０２および複数の管延長部１０４を含む。燃料プレナム本体１０２は、上流壁または前方壁１０６と、下流壁または後方壁１０８と、前方壁１０６と後方壁１０８との間を延在する外側バンドまたは外側スリーブ１１０とを画定する。燃料プレナム本体１０２は、特許請求の範囲に別途記載されていなければ、いかなる特定の形状にも限定されない。例えば、特定の実施形態では、燃料プレナム本体１０２は円盤状、または楔状とすることができる。

図３に示すように、集束管燃料ノズル組立体１００はさらに、燃料プレナム本体１０２内に画定された燃料プレナム１１２、および前方壁１０６から燃料プレナム１１２を通って後方壁１０８に延在する複数の管または管状通路１１４を画定する。少なくとも１つの実施形態では、燃料プレナム１１２は、前方壁１０６と後方壁１０８と外側バンド１１０との間に少なくとも部分的に画定される。各管状通路１１４は、燃料プレナム本体１０２を通るそれぞれの流路または予混合流路１１６を画定する。特定の実施形態では、予混合流路１１６の１つまたは複数は、管状通路１１４の１つまたは複数に画定された１つまたは複数の燃料ポート１１８を介して燃料プレナム１１２と流体連通している。各管状通路１１４は、前方壁１０６に沿って画定されたそれぞれの入口１２０を含む。各管状通路１１４はまた、後方壁１０８に沿って画定されたそれぞれの出口１２２を含む。

少なくとも１つの実施形態では、燃料プレナム本体１０２は単一体として形成される。言い換えれば、前方壁１０６、後方壁１０８、外側バンド１１０、管状通路１１６、および燃料プレナム１１２すべてを単一体として形成することができる。例えば、特定の実施形態では、燃料プレナム本体１０２は付加製造プロセスによって形成される。付加製造、または付加的に製造される、という用語は、本明細書で用いるとき、結果的に有用な三次元物体となる任意のプロセスで、一度に物体の１つの層の形状を順次形成するステップを含むプロセスを指す。付加製造プロセスは、三次元印刷（３ＤＰ：ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐｒｉｎｔｉｎｇ）プロセス、レーザネットシェイプ製造、直接金属レーザ焼結（ＤＭＬＳ：ｄｉｒｅｃｔｍｅｔａｌｌａｓｅｒｓｉｎｔｅｒｉｎｇ）、直接金属レーザ溶解（ＤＭＬＭ：ｄｉｒｅｃｔｍｅｔａｌｌａｓｅｒｍｅｌｔｉｎｇ）、粉体プラズマアーク溶接、自由形状造形などを含むことができる。

図３に示すように、複数の管延長部１０４は、後方壁１０８から軸方向外向きに、すなわち下流に、かつ複数の管状通路１１４の下流に延在する。少なくとも１つの実施形態では、各管延長部１０４は、それぞれの管状通路１１４と同軸に配置することができる。複数の管延長部１０４の各管延長部１０４は、下流端すなわち管延長部出口１２６から軸方向に離間した上流端すなわち管延長部入口１２４を含む。

図４は、本開示の少なくとも１つの実施形態による図３に示した集束管燃料ノズル組立体１００の一部分の側面断面図を示す。ここでは、１つの管延長部１０４は燃料プレナム本体１０２に組み付けられており、１つの管延長部１０４は燃料プレナム本体１０２から取り外されている。様々な実施形態では、各管延長部１０４の上流端１２４は、燃料プレナム本体１０２に固定的に接続される、かつ／または、燃料プレナム本体１０２に対して少なくとも部分的にシールされる。例えば、各管延長部１０４の上流端１２４は、燃料プレナム本体１０２にロウ付け、または溶接することができる、あるいは、その他の方法で固定的に接続することができる。少なくとも１つの実施形態では、各管延長部１０４は対応する管状通路１１４と流体連通しており、その結果、管状通路１１４とそれぞれの管延長部１０４とは、燃料プレナム本体１０２の前方壁１０６に沿って画定されたそれぞれの管状通路入口１２０（図３）から、対応する管延長部１０４の管延長部出口１２６まで延在する連続した予混合流路１１６を形成する。

少なくとも１つの実施形態では、図４に示すように、少なくとも１つのそれぞれの管状通路１１４の出口１２２および／または燃料プレナム本体１０２の後方壁は座ぐり１２８されている。座ぐり１２８は、各管延長部１０４をそれぞれの管状通路１１４のそれぞれの出口１２２内に挿入すること、および／または各管延長部１０４をそれと位置合わせすることを容易にする。特定の実施形態では、少なくとも１つのそれぞれの管状通路１１４の出口１２２の縁部１３０は、後方壁１０８から前方壁１０６（図３）に向かってテーパが付けられ、または半径方向内側に狭くされている。

特定の実施形態では、図４に示すように、複数の管延長部１０４の少なくとも１つの管延長部１０４の上流端１２４は、対応する管状通路１１４のそれぞれの出口１２２内に軸方向に延在する、かつ／またはその中に固定される。特定の実施形態では、図４に示すように、複数の管延長部１０４の少なくとも１つの管延長部１０４は、上流端１２４で、または上流端近くで、同じ管のそれぞれの下流端または出口１２６での、またはその近くでの外径と比べて外径１３２が縮小されており、対応する出口１２２内に取り付けることができて、対応する出口１２２の必要な直径を縮小することができる、または最小限にすることができる。

作動時、高圧プレナム３４からの圧縮空気２６は、入口１２０を経て管状通路１１４に流入する。燃料は、流体導管５０の１つまたは複数を経て燃料プレナム１１２に供給される。燃料は、次いで、燃料ポート１１８を経て各予混合流路１１６内に噴射される。燃料および圧縮空気は、管状通路１１４および管延長部１０４内で混合してから、管延長部出口１２６から燃焼領域４２に流入し、そこで燃やされて燃焼ガス３０を発生する。

本明細書で図示し説明した集束管燃料ノズル組立体１００は、既存の集束管燃料ノズル組立体に優る様々な技術的な利益を提供する。例えば、燃料プレナム本体１０２を単一の構成部品として形成することは、通常、燃料プレナムをシールするために必要なロウ付け接合部の数を減らすことによって、燃料プレナムから燃料が漏れる可能性を大幅に低減する。管延長部１０４をそれぞれの出口１２２内にロウ付けすることは、燃料プレナム本体１０２と管延長部との間で連続面を形成し、それによって、特定の公知の集束管燃料ノズル組立体の構成に比べて、より幅広い燃料範囲能力が可能となる。管延長部１０４をロウ付けすることによって、集束管燃料ノズル組立体１００の火炎保持能力は著しく強化される。管延長部１０４をロウ付けすることによって、燃料プレナム本体１０２は、広範囲なタイプの燃料を受け入れることができる。

本明細書では、最良の態様を含む例を用いて本発明を開示し、また、任意の装置またはシステムの作製および使用、ならびに任意の組み入れられた方法の実施を含め、当業者が本発明を実施できるようにしている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と相違ない構成要素を含む場合、または特許請求の範囲の文言と実質的に相違ない等価の構成要素を含む場合、特許請求の範囲内であることを意図されている。

１０ガスタービン
１２入口セクション
１４圧縮機
１６燃焼器
１８タービン
２０排気セクション
２２軸
２４空気
２６圧縮空気
２８燃料
３０燃焼ガス
３２外側ケーシング
３４高圧プレナム
３６エンドカバー
３８ヘッド端部
４０ダクト
４２燃焼室、燃焼領域
４４高温ガス通路
４６軸方向中心線
４８ガス燃料供給源
５０流体導管
１００集束管燃料ノズル組立体
１０２燃料プレナム本体
１０４管延長部
１０６前方壁
１０８後方壁
１１０外側バンド
１１２燃料プレナム
１１４管状通路
１１６予混合流路
１１８燃料ポート
１２０入口
１２２出口
１２４管延長部入口、上流端
１２６管延長部出口、下流端
１２８座ぐり
１３０縁部
１３２外径

Claims

燃料プレナム本体（１０２）であって、前方壁（１０６）と、後方壁（１０８）と、外側バンド（１１０）と、前記燃料プレナム本体（１０２）内に画定された燃料プレナム（１１２）と、前記前方壁（１０６）から前記燃料プレナム（１１２）を通って前記後方壁（１０８）に延在する複数の管状通路（１１４）とを画定し、単一体として形成された燃料プレナム本体（１０２）と、
前記複数の管状通路（１１４）から下流に延在する複数の管延長部（１０４）であって、前記複数の管延長部（１０４）の少なくとも１つの管延長部（１０４）が、前記複数の管状通路（１１４）のそれぞれの管状通路（１１４）のそれぞれの出口（１２２）内に軸方向に延在する上流端（１２４）を含み、前記後方壁（１０８）と前記少なくとも１つの管延長部（１０４）との間で連続面が形成されるように、前記少なくとも１つの管延長部（１０４）の前記上流端（１２４）が、前記燃料プレナム本体（１０２）にロウ付けされる、複数の管延長部（１０４）と
を備える集束管燃料ノズル組立体（１００）。
燃料プレナム本体（１０２）であって、前方壁（１０６）と、後方壁（１０８）と、外側バンド（１１０）と、前記燃料プレナム本体（１０２）内に画定された燃料プレナム（１１２）と、前記前方壁（１０６）から前記燃料プレナム（１１２）を通って前記後方壁（１０８）に延在する複数の管状通路（１１４）とを画定し、単一体として形成された燃料プレナム本体（１０２）と、
前記複数の管状通路（１１４）から下流に延在する複数の管延長部（１０４）であって、前記複数の管延長部（１０４）の各管延長部（１０４）が、前記複数の管状通路（１１４）のそれぞれの管状通路（１１４）のそれぞれの出口（１２２）と同軸に配置され、各管延長部（１０４）が、前記燃料プレナム本体（１０２）に固定的に接続されたそれぞれの上流端（１２４）を含み、前記後方壁（１０８）と前記少なくとも１つの管延長部（１０４）との間で連続面が形成されるように、前記少なくとも１つの管延長部（１０４）の前記上流端（１２４）が、前記燃料プレナム本体（１０２）にロウ付けされる、複数の管延長部（１０４）と
を備える集束管燃料ノズル組立体（１００）。
前記少なくとも１つの管延長部（１０４）および前記それぞれの管状通路（１１４）が、前記集束管燃料ノズル組立体（１００）を通る連続した予混合流路（１１６）を形成する、請求項１または２に記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）。
前記少なくとも１つの管延長部（１０４）の前記上流端（１２４）の一部分が縮小された外径（１３２）を有する、請求項１乃至３のいずれかに記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）。
前記それぞれの管状通路（１１４）の前記出口（１２２）が座ぐり（１２８）されている、請求項４に記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）。
前記複数の管状通路（１１４）の前記管状通路（１１４）の１つまたは複数が、１つまたは複数の燃料ポート（１１８）を介して前記燃料プレナム（１１２）と流体連通している、請求項１乃至５のいずれかに記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）。
前記複数の管延長部（１０４）の各管延長部（１０４）が、前記複数の管状通路（１１４）のそれぞれの管状通路（１１４）と同軸に配置された、請求項１に記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）。
請求項１乃至７のいずれかに記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）を製造する方法であって、
前記燃料プレナム本体（１０２）を付加製造プロセスによって単一体として形成するステップと、
前記少なくとも１つの管延長部（１０４）の前記上流端（１２４）を前記燃料プレナム本体（１０２）にロウ付けするステップと、
を含む、方法。
外側ケーシング（３２）に結合したエンドカバー（３６）と、
前記外側ケーシング（３２）内に配置され、１つまたは複数の流体導管（５０）を介して前記エンドカバー（３６）に結合された請求項１乃至７のいずれかに記載の集束管燃料ノズル組立体（１００）と
を備える燃焼器（１６）。
請求項９に記載の燃焼器（１６）を製造する方法であって、
前記燃料プレナム本体（１０２）を付加製造プロセスによって単一体として形成するステップと、
前記少なくとも１つの管延長部（１０４）の前記上流端（１２４）を前記燃料プレナム本体（１０２）にロウ付けするステップと、
前記１つまたは複数の流体導管（５０）を介して前記集束管燃料ノズル組立体（１００）を前記エンドカバー（３６）に結合するステップと、
を含む、方法。