JP7272989B2 - ガスタービン燃焼器、バーナ部品の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスタービン燃焼器の構造とその製造方法に係り、特に、金属三次元積層造形技術により製作されるバーナ部品の構造及び製造方法に適用して有効な技術に関する。
ガスタービンでは、排ガスが環境に与える負荷の低減を目的として、運転時に排出されるＮＯｘに対して厳しい環境基準が設定されている。ＮＯｘの排出量は火炎温度の高温化に伴い増加するため、局所的に高温な火炎の形成を抑制し均一な燃焼を実現させる必要がある。均一な燃焼を行うためには、燃料の高い分散性を実現する複雑なバーナ構造が必要となる。
複雑なバーナ構造を製造する手段として、三次元積層造形技術がある。三次元積層造形では金属粉末にレーザを照射し焼結することで、複雑な構造を製造できる。三次元積層造形をバーナ構造（部品）の製造に適用することで、燃料の分散性の向上に繋がる複雑な構造を実現できる。
本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「燃料と空気が供給される燃焼室と、該燃焼室の上流側に位置し、複数の空気孔が同心円の列状に形成されている空気孔プレートと、該空気孔プレートのそれぞれの空気孔の上流側に配置され、燃料を供給する複数の燃料ノズルと、該燃料ノズルを支持し、かつ、上流側から流入する燃料を前記燃料ノズルに配分する燃料ノズルプレートと、複数の前記燃料ノズルが１つの共通ベースに一体に支持された燃料ノズルユニットとを備え、前記燃料ノズルユニットは、前記燃料ノズルプレートに接合されているガスタービン燃焼器」が開示されている。
また、特許文献１には「燃料ノズルユニット４０は、切削加工や精密鋳造、三次元積層造形等によって製作する」ことが記載されている。（段落［００２８］）
三次元積層造形は複雑な構造を製造できる一方、積層に時間を要しコストが増大する課題がある。金属粉末を焼結させるレーザの走査速度やレーザ出力を上げることで積層時間を短縮できるが、その場合は材料の充填率の低下が課題となる。充填率の低下に伴い材料強度も低下するため、一般的には充填率を十分に高くする積層条件が採用されるため積層時間が長くなる。
バーナ構造では、高温もしくは高応力が作用し材料強度が要求される部位と、低温かつ低応力で強度が要求されない部位とが存在する。したがって、バーナ全体が高強度である必要はなく、部位毎に強度を最適化することが可能である。
上記特許文献１には、上述したような三次元積層造形での課題やその解決手段については言及されていない。
そこで、本発明の目的は、三次元積層造形により成形されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器において、部位毎に材料強度が最適化されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、三次元積層造形によるバーナ部品の製造方法において、比較的短時間で、部位毎に材料強度が最適化されたバーナ部品を製造可能なバーナ部品の製造方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明は、三次元積層造形により成形されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器であって、前記バーナ部品は、第１の温度範囲かつ第１の応力範囲で使用される第１の部位と、前記第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲かつ前記第１の応力範囲よりも低い第２の応力範囲で使用される第２の部位と、を有し、前記三次元積層造形による前記第１の部位の金属材料の積層速度は、前記第２の部位の金属材料の積層速度よりも遅く、前記バーナ部品は、燃料と空気を混合する空気孔プレートであり、前記第１の部位は、前記空気孔プレートの火炎側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側端面を含み、前記第２の部位は、前記空気孔プレートの火炎側とは反対側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側とは反対側の端面を含むことを特徴とする。
また、本発明は、（ａ）バーナの高温かつ高応力部位で使用される第１の部位を第１の積層速度で積層する工程と、（ｂ）前記第１の部位よりも低温かつ低応力部位で使用される第２の部位を前記第１の積層速度よりも速い第２の積層速度で積層する工程と、を含む金属三次元積層造形によるバーナ部品の製造方法であって、前記バーナ部品は、燃料と空気を混合する空気孔プレートであり、前記第１の部位は、前記空気孔プレートの火炎側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側端面を含み、前記第２の部位は、前記空気孔プレートの火炎側とは反対側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側とは反対側の端面を含むことを特徴とするバーナ部品の製造方法である。
本発明によれば、三次元積層造形により成形されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器において、部位毎に材料強度が最適化されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器を実現することができる。
また、三次元積層造形によるバーナ部品の製造方法において、比較的短時間で、部位毎に材料強度が最適化されたバーナ部品を製造可能なバーナ部品の製造方法を実現することができる。
これにより、環境性能及びコスト優位性の高いガスタービン燃焼器を提供することができる。
上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。
先ず、図１及び図２を参照して、本発明の対象となるガスタービン燃焼器について説明する。図１は、ガスタービン燃焼器の概略構成を示す断面図であり、圧縮機３やガスタービン８、発電機９を含むガスタービンプラント１として示している。図２は、図１のバーナ１７の拡大図である。
図１に示すように、ガスタービンプラント１は、大気から空気２を取り込み圧縮する圧縮機３と、圧縮機３において圧縮した圧縮空気４と燃料５を混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガス６を生成する燃焼器７と、燃焼器７で発生した燃焼ガス６により駆動され、燃焼ガス６のエネルギーを回転動力として取り出すガスタービン８と、ガスタービン８の回転動力を使用して発電する発電機９とから構成される。
図１では、燃焼器７の例として、エンドフランジ１０、外筒１１、空気孔プレート１２、燃料ノズルプレート１３、燃料ノズル１４、ライナ１５から構成される構造を示している。但し、本発明は図１の燃焼器に限らず、種々の構造の燃焼器にも適用可能である。
圧縮機３で圧縮された圧縮空気４は外筒１１とライナ１５の間の流路１６を通り、バーナ１７に流入する。圧縮空気４の一部はライナ１５を冷却するための冷却空気１８としてライナ１５内に流入する。
燃料５はエンドフランジ１０の燃料供給管１９を通り燃料ノズルプレート１３に流入し、各燃料ノズル１４を通過して、空気孔プレート１２に噴射される。空気孔プレート１２の空気孔２０の燃料ノズル側入り口において、燃料ノズル１４から噴射された燃料５と圧縮空気４が混合され、燃料５と圧縮空気４の混合気２１は燃焼室２２に向かって噴射され、火炎２３を形成する。
なお、本発明による燃焼器７は、天然ガスだけでなくコークス炉ガスや製油所オフガス、石炭ガス化ガス等の燃料も使用できる。
図２に図１のバーナ１７の拡大図を示す。図２では、バーナ１７の上側半分の拡大図を示している。バーナ１７は、空気孔プレート１２、燃料ノズルプレート１３、燃料ノズル１４から構成され、空気孔プレート１２と燃料ノズルプレート１３の中心軸４０は一致している。燃料ノズル１４の上流側端部３０は燃料ノズルプレート１３に対して冶金的に接合され、その接合部は燃料５が漏洩しないようシールされている。
燃料ノズル１４の先端部５２と空気孔プレート１２の空気孔２０は接触しておらず、圧縮空気４が空気孔２０に対して自由に流入することができる。燃料ノズル１４の上流側端部３０と燃料ノズルプレート１３の接合方法は、通常溶接やろう付け等が利用される。
次に、図３及び図４を参照して、本発明の実施例１に係るバーナ部品の構造及び製造方法について説明する。本実施例では、バーナ部品として空気孔プレート１２を例に説明する。
図３に、本実施例における空気孔プレート１２の充填率分布を示す。図３は、図２に示す空気孔プレート１２の一部５４の拡大図である。空気孔プレート１２の下流側端面５０は火炎２３のふく射熱等により加熱されるため、空気孔プレート１２の下流側端面５０に近い領域６１は高温となる。一方で、空気孔プレート１２の上流側端面５１および空気孔２０の内面６２は圧縮空気４により冷却されるため、下流側端面５０に比べて低温となる。
領域６１では、下流側端面５０と上流側端面５１の温度差および下流側端面５０と空気孔２０の内面６２の温度差により、熱応力が発生する。したがって、領域６１は温度が高く熱応力が発生するため、高い材料強度が要求される。一方、空気孔プレート１２の上流側端面５１に近い領域６０は、温度と応力が共に低いため、高い材料強度は要求されない。
そこで、本実施例では、図４に示すように空気孔プレート１２の領域６１では三次元積層造形による積層速度を遅くすることで金属の充填率を高め、材料強度を優先した製造とする。一方、領域６０は積層速度を速くし、製造時間およびコストを優先した製造とする。これにより、空気孔プレート１２の部位毎に材料強度および製造コストを最適化した製造方法を実現できる。
低温かつ低応力部位の積層速度の選定例を表１に示す。積層速度が遅い場合（積層速度：0.1kg/h）の許容応力が600MPaであるのに対して、積層速度が速い場合（積層速度：0.2kg/h）は充填率の低下に伴い許容応力が400MPaに低下する。しかし、発生応力は300MPaであり、積層速度が速い場合の許容応力400MPaより低い。したがって、積層速度を速くし製造時間およびコストを優先した製造が可能である。
高温かつ高応力部位の積層速度の選定例を表２に示す。積層速度が遅い場合（積層速度：0.1kg/h）の許容応力が500MPaであるのに対して、積層速度が速い場合（積層速度：0.2kg/h）は充填率の低下に伴い許容応力が300MPaに低下する。部材温度は600℃であり、低温かつ低応力部位の部材温度400℃と比べて高いため、いずれの積層速度の許容応力も表１よりも低下している。発生応力は400MPaであり、積層速度が速い場合の許容応力300MPaより高い。したがって、積層速度を遅くし材料強度を優先した製造とする必要がある。
但し、表１および表２に示す積層速度と各特性の関係は代表例であり、本発明は上記の代表例以外に対しても適用可能である。
また、三次元積層造形により積層される金属材料としては、例えばInconel 718（登録商標）のようなニッケル（Ni）-クロム（Cr）－鉄（Fe）合金等の高温材料が想定されるが、本発明は幅広い金属材料に対して適用可能である。
以上説明したように、本実施例のバーナ部品は、第１の温度範囲（高温）もしくは第１の応力範囲（高応力）で使用される第１の部位（領域６１）と、第１の温度範囲（高温）よりも低い第２の温度範囲（低温）かつ第１の応力範囲（高応力）よりも低い第２の圧力範囲（低応力）で使用される第２の部位（領域６０）を有しており、三次元積層造形による第１の部位（領域６１）の金属材料の積層速度は、第２の部位（領域６０）の金属材料の積層速度よりも遅い。
そして、第１の部位（領域６１）の金属材料の充填率は、第２の部位（領域６０）の金属材料の充填率よりも高い。
これにより、三次元積層造形により成形されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器において、部位毎に材料強度が最適化されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器を実現することができる。
また、本実施例のバーナ部品の製造方法は、金属三次元積層造形によるバーナ部品の製造方法において、（ａ）バーナの高温もしくは高応力部位で使用される第１の部位を第１の積層速度で積層する工程、（ｂ）第１の部位よりも低温かつ低応力部位で使用される第２の部位を第１の積層速度よりも速い第２の積層速度で積層する工程、を含む。
これにより、三次元積層造形によるバーナ部品の製造方法において、比較的短時間で、部位毎に材料強度が最適化されたバーナ部品を製造可能なバーナ部品の製造方法を実現することができる。
図５及び図６を参照して、本発明の実施例２に係るバーナ部品の構造及び製造方法について説明する。実施例１と同様に、本実施例では、バーナ部品として空気孔プレート１２を例に説明する。
図５に、本実施例における空気孔プレート１２の充填率分布を示す。図５は、図３に積層速度の遷移領域７０を追加した図である。図４に示す実施例１の製造方法では、領域６０と領域６１の積層速度を不連続に切り替えたが、製造装置の制御の都合で積層速度を不連続に切り替えられない場合、もしくは不連続な切り替えにより材料強度が低下する場合は、図６に示す製造方法により遷移領域７０を設けることができる。
つまり、図６に示すように、遷移領域７０を設けることで積層速度を連続的に変化させることができる。
図７を参照して、本発明の実施例３に係るバーナ部品の構造及び製造方法について説明する。実施例１及び実施例２と同様に、本実施例では、バーナ部品として空気孔プレート１２を例に説明する。
図７に、本実施例における空気孔プレート１２の空気孔近傍の充填率分布を示す。図７は、図３または図５のＡ－Ａ断面を示している。空気孔２０の内面６２は圧縮空気４によって冷却されるため、その近傍８０では熱応力が発生する。
そこで、本実施例では、内面６２の近傍８０の積層速度を熱応力が低下した領域８１の積層速度よりも遅くして、内面６２の近傍８０の材料強度を優先した製造とする。一方、熱応力が低下した領域８１では、積層速度を内面６２の近傍８０の積層速度よりも速くし、製造時間およびコストを低減した製造とする。
つまり、空気孔プレート１２に設けられた空気孔２０の内面６２の近傍の金属材料の積層速度は、その外側の領域８１の金属材料の積層速度よりも遅い。
図８及び図９を参照して、本発明の実施例４に係るバーナ部品の構造及び製造方法について説明する。本実施例では、バーナ部品として燃料ノズル１４を例に説明する。
図８に、本実施例における燃料ノズル１４の充填率分布を示す。図８は、図２に示す燃料ノズル１４の一部５５の拡大図である。燃料ノズル１４は根元部５３で支持された片持ち梁構造となっている。
燃料ノズル１４の周囲を流れる圧縮空気４や、燃料ノズルプレート１３の振動により、燃料ノズル１４において振動が発生することがある。一般的に、振動応力は根元部５３で最大となる。また、燃料ノズル１４の先端部５２では、火炎２３のふく射熱により温度が上昇することがある。
したがって、燃料ノズル１４の領域９０および領域９２は振動応力およびふく射熱を考慮して、材料強度を高くする必要がある。一方で、領域９１は振動応力と温度が低いため、材料強度が低くても問題ない。
そこで、本実施例では、図９に示すように燃料ノズル１４の領域９０及び領域９２の積層速度を遅くして、材料強度を優先した製造とする。一方、領域９１は積層速度を速くして、製造時間およびコストを優先した製造とする。これにより、燃料ノズル１４の部位毎に材料強度および製造コストを最適化した製造方法を実現できる。
つまり、燃料ノズル１４の根元側の部位（領域９０）及び先端側の部位（領域９２）の金属材料の積層速度は、根元側の部位（領域９０）及び先端側の部位（領域９２）の間の領域９１の金属材料の積層速度よりも遅い。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記の実施例は本発明に対する理解を助けるために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１：ガスタービンプラント
２：空気
３：圧縮機
４：圧縮空気
５：燃料
６：燃焼ガス
７：燃焼器
８：ガスタービン
９：発電機
１０：エンドフランジ
１１：外筒
１２：空気孔プレート
１３：燃料ノズルプレート
１４：燃料ノズル
１５：ライナ
１６：（外筒とライナの間の）流路
１７：バーナ
１８：冷却空気
１９：燃料供給管
２０：空気孔
２１：混合気
２２：燃焼室
２３：火炎
３０：（燃料ノズル１４の）上流側端部
４０：（空気孔プレート１２と燃料ノズルプレート１３の）中心軸
５０：（空気孔プレート１２の）下流側端面
５１：（空気孔プレート１２の）上流側端面
５２：（燃料ノズル１４の）先端部
５３：（燃料ノズル１４の）根元部
５４：空気孔プレート１２の一部
５５：燃料ノズル１４の一部
６０：（空気孔プレート１２の積層速度が速い）領域
６１：（空気孔プレート１２の積層速度が遅い）領域
６２：（空気孔２０の）内面
７０：（積層速度の）遷移領域
８０：（空気孔２０の）内面６２の近傍
８１：（熱応力が低下した）領域
９０：（燃料ノズル１４の積層速度が遅い）領域
９１：（燃料ノズル１４の積層速度が速い）領域
９２：（燃料ノズル１４の積層速度が遅い）領域
２：空気
３：圧縮機
４：圧縮空気
５：燃料
６：燃焼ガス
７：燃焼器
８：ガスタービン
９：発電機
１０：エンドフランジ
１１：外筒
１２：空気孔プレート
１３：燃料ノズルプレート
１４：燃料ノズル
１５：ライナ
１６：（外筒とライナの間の）流路
１７：バーナ
１８：冷却空気
１９：燃料供給管
２０：空気孔
２１：混合気
２２：燃焼室
２３：火炎
３０：（燃料ノズル１４の）上流側端部
４０：（空気孔プレート１２と燃料ノズルプレート１３の）中心軸
５０：（空気孔プレート１２の）下流側端面
５１：（空気孔プレート１２の）上流側端面
５２：（燃料ノズル１４の）先端部
５３：（燃料ノズル１４の）根元部
５４：空気孔プレート１２の一部
５５：燃料ノズル１４の一部
６０：（空気孔プレート１２の積層速度が速い）領域
６１：（空気孔プレート１２の積層速度が遅い）領域
６２：（空気孔２０の）内面
７０：（積層速度の）遷移領域
８０：（空気孔２０の）内面６２の近傍
８１：（熱応力が低下した）領域
９０：（燃料ノズル１４の積層速度が遅い）領域
９１：（燃料ノズル１４の積層速度が速い）領域
９２：（燃料ノズル１４の積層速度が遅い）領域
Claims (7)
- 三次元積層造形により成形されたバーナ部品を備えるガスタービン燃焼器であって、
前記バーナ部品は、第１の温度範囲かつ第１の応力範囲で使用される第１の部位と、
前記第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲かつ前記第１の応力範囲よりも低い第２の応力範囲で使用される第２の部位と、を有し、
前記三次元積層造形による前記第１の部位の金属材料の積層速度は、前記第２の部位の金属材料の積層速度よりも遅く、
前記バーナ部品は、燃料と空気を混合する空気孔プレートであり、
前記第１の部位は、前記空気孔プレートの火炎側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側端面を含み、
前記第２の部位は、前記空気孔プレートの火炎側とは反対側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側とは反対側の端面を含むことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記第１の部位の金属材料の積層速度と前記第２の部位の金属材料の積層速度を連続的に切り替えることを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記空気孔プレートに設けられた空気孔の内面近傍の金属材料の積層速度は、その外側の領域の金属材料の積層速度よりも遅いことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - 請求項１に記載のガスタービン燃焼器であって、
前記第１の部位の金属材料の充填率は、前記第２の部位の金属材料の充填率よりも高いことを特徴とするガスタービン燃焼器。 - （ａ）バーナの高温かつ高応力部位で使用される第１の部位を第１の積層速度で積層する工程と、
（ｂ）前記第１の部位よりも低温かつ低応力部位で使用される第２の部位を前記第１の積層速度よりも速い第２の積層速度で積層する工程と、
を含む金属三次元積層造形によるバーナ部品の製造方法であって、
前記バーナ部品は、燃料と空気を混合する空気孔プレートであり、
前記第１の部位は、前記空気孔プレートの火炎側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側端面を含み、
前記第２の部位は、前記空気孔プレートの火炎側とは反対側に位置すると共に前記空気孔プレートの火炎側とは反対側の端面を含むことを特徴とするバーナ部品の製造方法。 - 請求項５に記載のバーナ部品の製造方法であって、
前記（ａ）工程の第１の積層速度と前記（ｂ）工程の第２の積層速度を連続的に切り替えることを特徴とするバーナ部品の製造方法。 - 請求項５に記載のバーナ部品の製造方法であって、
前記空気孔プレートに設けられた空気孔の内面近傍の金属材料の積層速度は、その外側の領域の金属材料の積層速度よりも遅いことを特徴とするバーナ部品の製造方法。
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