KR20180004003A - 가스 터빈 연소기의 연료 노즐 및 그 제조 방법, 가스 터빈 연소기 - Google Patents

가스 터빈 연소기의 연료 노즐 및 그 제조 방법, 가스 터빈 연소기 Download PDF

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Abstract

내구성 및 강도 신뢰성이 우수한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐을 제공한다.
가스 터빈 연소기의 연소실에 연료를 분출하는 가스 터빈 연소기의 연료 노즐이며, 상기 연료 노즐은, 당해 연료 노즐을 지지하는 베이스 플레이트와 야금적으로 일체화 접합되어 있고, 상기 연료 노즐과 상기 베이스 플레이트의 계면은, 표면에 있어서 융접 또는 브레이징에 의해 접합되고, 내부는 압접에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

가스 터빈 연소기의 연료 노즐 및 그 제조 방법, 가스 터빈 연소기 {FUEL NOZZLE OF GAS TURBINE COMBUSTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME, GAS TURBINE COMBUSTOR}
본 발명은, 연소기 및 이것을 구비한 가스 터빈에 관한 것으로, 특히 복수의 다공 동축 분류 버너를 구비한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐 구조에 관한 것이다.
환경 보호의 관점에서 가스 터빈의 배출 가스에는 더 한층의 저NOx화가 요구되고 있다. 가스 터빈 연소기의 연소법 중 하나로서, 연료와 공기를 미리 혼합한 후에 연소시키는 예혼합 연소가 있다. 이것은 연료를 직접 연소실에 분사하여 연소시키는 확산 연소에 비해 NOx 배출량을 대폭 저감시킬 수 있다. 그러나, 예혼합 연소의 경우, 화염 온도의 상승에 수반하여 화염이 연료 공급부의 미연소측으로 들어가는 역화의 가능성이 높아진다. 따라서, NOx 배출량의 억제와 내역화성을 겸비하는 연소기가 필요하다.
그래서, 연료를 분출하는 다수개의 연료 노즐, 및 이들 연료 노즐 각각에 대해 관통 구멍을 형성한 공기 구멍 플레이트를 배치하고, 연료 노즐로부터 분출하는 연료 분류와 공기 구멍으로부터 분출하는 공기 분류를 동축 분류로 함으로써, 연료와 공기를 균일 혼합하여 연소시키는 내역화성과 저 NOx를 양립시킨 다공 동축 분류형의 연소기가 있다.
본 기술분야의 배경기술로서, 예를 들어 특허문헌 1과 같은 기술이 있다. 특허문헌 1에는, 「연료와 공기의 동축 분류를 형성하는 연료 노즐과 연료 노즐 헤더를 구비한 가스 터빈 연소기에 있어서, 연료 노즐과 연료 노즐 헤더 사이에 공기층을 마련하고, 당해 공기층에 의해 연료 노즐과 연료 노즐 헤더를 단열함으로써 연료 노즐 헤더에 발생하는 열응력을 완화하여, 연료 노즐 헤더의 수명 향상을 도모하는 가스 터빈 연소기」가 개시되어 있다.
일본 특허 공개 제2009-14297호 공보
그런데, 다공 동축 분류 버너 구조에 있어서의 연료 노즐은 다수 개이며, 또한 좁은 간격으로 설치되므로, 연료 노즐과 베이스 플레이트(연료 노즐 헤더)의 접합에 충분한 용접부를 형성하는 것이 곤란하다. 그로 인해, 연료 노즐과 베이스 플레이트의 접합부의 강도 신뢰성의 향상이 중요한 과제로 되어 있다.
상기 특허문헌 1에서는, 연료 노즐을 베이스 플레이트에 나사 고정하는 수단 등이 사용되고 있지만, 연료 노즐에 진동 응력이 작용하는 고 사이클 피로 및 연료 노즐과 베이스 플레이트 사이에 발생하는 열응력에 의해 이들 용접부 등의 접합부의 강도 신뢰성이 장기간의 운용에 대해 불충분하다.
그래서, 본 발명의 목적은, 내구성 및 강도 신뢰성이 우수한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐을 제공하는 데 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은, 내구성 및 강도 신뢰성이 우수한 가스 터빈 연소기용 연료 노즐의 제조 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은, 가스 터빈 연소기의 연소실에 연료를 분출하는 가스 터빈 연소기의 연료 노즐이며, 상기 연료 노즐은, 당해 연료 노즐을 지지하는 베이스 플레이트와 야금적으로 일체화 접합되어 있고, 상기 연료 노즐과 상기 베이스 플레이트의 계면은, 표면에 있어서 융접 또는 브레이징에 의해 접합되고, 내부는 압접에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은, (a) 내부에 관통 구멍을 갖는 연료 노즐을, 베이스 플레이트에 형성된 관통 구멍 또는 오목부에 끼워 맞추는 공정, (b) 상기 베이스 플레이트의 표면에 있어서, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 계면을 융접 또는 브레이징에 의해 접합하는 공정, (c) 상기 (b) 공정 후, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트에 압접 처리를 실시하고, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 계면을 압접하는 공정을 포함하는 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법이다.
본 발명에 따르면, 다공 동축 분류 버너 등의 연료 노즐의 기계 강도와 신뢰성이 대폭 향상되고, 이것을 사용한 가스 터빈 연소기가 장기간에 걸쳐 건전하게 운용되는 것이 가능해진다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시 형태의 설명에 의해 명백해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐을 도시하는 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 8c는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 8d는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 8e는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 8f는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 과정을 도시하는 도면이다.
도 9a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 9b는 도 9a에 있어서의 A-A' 화살표도이다.
도 10은 종래의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
도 11a는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 개략 구성을 도시하는 단면도이다.
도 11b는 도 11a에 있어서의 B-B' 화살표도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 형태에 관한 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 단면을 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 사용하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 또한, 각 도면 및 각 실시예에 있어서 동일 또는 유사한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 부분에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.
[실시예 1]
우선, 도 9a 및 도 9b를 사용하여 본 실시예에 있어서의 가스 터빈 연소기에 대해 설명한다. 도 9a는 가스 터빈 연소기의 주요부의 구조를 도시하는 단면도이고, 도 9b는 도 9a 중의 A-A' 화살표도이다. 여기서는, 본 발명을 다공 동축 분류 버너에 적용한 실시예를 나타낸다.
버너(53)는, 연료(41)를 분배하는 연료 분배기(엔드 플랜지)(57)와, 연료(41)를 분사하는 복수의 연료 노즐(56)과, 연소기 라이너(3), 및 그 상류측 단부에 배치된 원반상의 공기 구멍 플레이트(54)를 구비하고 있다. 공기 구멍 플레이트(54)에는 연료 노즐(56)의 하류측에 대향하고, 또한 연소용 공기(12)가 통과하는 복수의 공기 구멍(55)이 형성되어 있다. 연료(41)와 연소용 공기(12)의 혼합기(42)가 공기 구멍 플레이트(54)를 통과하여 연소실(1)로 공급된다.
비교를 위해, 도 10에 종래 기술에 의한 연료 노즐(56)의 접속 구조의 일례를 도시한다. 연료 노즐(56)은, 연료 분배기를 겸한 엔드 플랜지(57)에 용접되어 있다. 연료 노즐(56)은, 근원부의 용접부(60)에 의해 접합되어 있지만, 엔드 플랜지(57)에 삽입된 영역은 기계적으로 접합되어 있지 않고 미용착으로 되어 있다. 그 밖의 종래 기술로서는, 예를 들어 연료 노즐(56)이 엔드 플랜지(57)에 비틀어 박음 되어 있는 것도 있다.
다음으로, 도 1 및 도 2를 사용하여, 본 실시예의 연료 노즐 구조를 설명한다. 도 1은 본 발명에 의한 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 외관도를 도시한다. 도 2는 본 발명에 의한 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 단면도를 도시한다. 본 실시예에서 사용한 연료 노즐(56)의 외경은 φ7.0㎜, 엔드 플랜지(57)에 삽입한 부분의 외경은 φ8.5㎜이다. 노즐 내부에는 연료가 통과하는 φ2.0㎜의 관통 구멍이 형성되어 있다. 엔드 플랜지(57)에 형성되는 구멍의 구멍 직경은 φ8.5㎜이다. 또한, 재질은 연료 노즐(56), 엔드 플랜지(57) 모두 스테인리스강 SUS304이다.
본 실시예의 연료 노즐 구조는, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 엔드 플랜지(57)의 표면에 있어서, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 접합부에 전자 빔 용접선(100)이 형성되어 있다. 또한, 도 2에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)는, 그 경계에 미용착부가 없고 일체화되어 있다. 전자 빔 용접선(100)의 용융 깊이(101)는 1㎜ 이하로 되도록 형성되어 있다. 상술한 바와 같이, 다공 동축 분류 버너 구조에 있어서의 연료 노즐은 다수개이며, 또한 좁은 간격으로 설치되므로, 전자 빔 용접선(100)의 폭도 1㎜ 이하로 되도록 형성하는 것이 바람직하다.
도 7을 사용하여, 본 실시예의 연료 노즐 구조의 제조 방법을 설명한다. 도 7은 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 단면 구조도를 도시하고 있다. 또한, 도 7에서는 연료 노즐(56)의 근원 부근만을 나타내고, 선단부의 형상은 생략한다.
연료 노즐(56)을 엔드 플랜지(57)에 형성한 구멍에 삽입한 후에, 연료 노즐(56)의 근원부에 있어서의 엔드 플랜지(57)와의 경계부에 전자 빔 조사에 의한 시일 용접을 실시함으로써, 전자 빔 용접선(100)을 형성한다. 마찬가지로 엔드 플랜지의 저면측에 대해서도 전자 빔 조사에 의한 시일 용접에 의해 전자 빔 용접선(100)을 형성한다. 시일 용접할 때에는, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 접합 계면이 진공 상태로 되는 것이 바람직하기 때문에, 고진공 중에서 고에너지 빔을 조사할 수 있는 전자 빔 용접(EBW: Electron Beam Welding)을 사용한다.
접합하는 계면을 진공 시일한 후에, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 조립품을 고온 등방 가압 처리(HIP 처리: Hot Isostatic Pressing)하고, 접합 계면을 금속학적으로 접합시켰다. 접합 조건은, 온도 1100℃, 압력 120㎫에서, 유지 시간을 5h로 하였다. HIP 처리를 실시함으로써, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 경계에 미용착부가 없는 일체화된 연료 노즐과 엔드 플랜지가 얻어진다.
즉, 연료 노즐(56)은, 연료 노즐(56)을 지지하는 엔드 플랜지(베이스 플레이트)(57)와 야금적으로 일체화 접합되어 있고, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(베이스 플레이트)(57)의 계면은, 표면에 있어서 전자 빔 용접(융접)에 의해 접합되고, 내부는 고온 등방 가압 처리(압접)에 의해 접합되어 있다.
또한, 본 실시예에서는, 도 7의 우측에 도시하는 바와 같이, 일체화 처리된 연료 노즐의 저면으로부터 유량 조정용 오리피스(106)를 압입하여, 다수 개가 배치되는 연료 노즐군의 유량 특성을 균일화시켰다.
여기서, 접합 계면을 진공 시일하기 위한 전자 빔 용접은, 고온 등방 가압 처리(HIP 처리)에 있어서 시일부가 파손되지 않을 정도의 용융부가 있으면 충분하며, 통상의 전자 빔 용접에 의한 용입 깊이는 필요하지 않다. 본 실시예에 있어서의 용융부의 형상은, 폭 0.5㎜, 깊이 1.0㎜로 하였지만, 고온 가압 처리에 있어서의 기밀성에 문제는 없었다. 또한, 전자 빔에 의한 용융 깊이나 폭이 커져도 기밀 시일성에 문제는 없지만, 용융부의 표면이 요철이 되어 크레이터 형상의 오목부가 발생하므로, 용융부는 작은 편이 바람직하다.
또한, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 접합부는, 노즐 벽면으로부터 이격되어 있는 것이 바람직하지만, 다공 동축 분류 버너의 노즐 간격은 좁아, 그 벽면으로부터 적어도 1.5㎜ 이상을 이격시킬 필요가 있었다. 용융부는 엔드 플랜지(57) 표면의 평탄부에 설치하는 것, 즉 노즐 근원부에 설치한 만곡부를 회피하는 것이, 전자 빔을 노즐의 길이 방향과 평행하게 조사할 수 있기 때문에, 좁은 간격으로 다수 개 배치된 노즐 접합에는 바람직하다. 아울러, 노즐 근원부의 만곡부에 접합부를 설치하지 않음으로써, 노즐에 작용하는 진동 응력에 대해 우수한 기계 강도를 확보할 수 있다.
또한, 전자 빔에 의해 진공 시일을 실시하는 개소는 적어도 엔드 플랜지(57)의 표면측이 필요하지만, 연료 노즐이 없는 엔드 플랜지의 저면측은 접합 계면이 진공 상태에서 기밀하면, 전자 빔 용접이 아닌 브레이징 등에 의한 통상의 용접을 적용해도 문제는 없다.
또한, 본 실시예에서는, 연료 노즐(56) 및 엔드 플랜지(57)의 표면의 시일 용접 방법으로서 주로 전자 빔 조사에 의한 융접의 예를 나타냈지만, 이것에 한정되는 것은 아니며, 접합 계면이 진공 상태에서 기밀하면 되고, 다른 용접 방법을 사용해도 된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예의 가스 터빈 연소기의 연료 노즐 구조에 의해, 연료 노즐과 엔드 플랜지(베이스 플레이트)의 접합 강도를 향상시킬 수 있다. 이에 의해, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 내구성 및 강도 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
[실시예 2]
도 4를 사용하여, 실시예 2의 연료 노즐 구조를 설명한다. 도 4는 본 실시예의 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 단면 구조를 도시하고 있다. 본 실시예에서는, 전자 빔 용접하는 부위의 노즐 근원부 및 엔드 플랜지에 미리 돌기부(103)를 설치하고, 고온 등방 가압 처리(HIP 처리) 후에 돌기부(103)를 평탄화 가공한 것이다.
전자 빔에 의한 용융부(EBW: Electron Beam Welding)를 절삭 제거함으로써 엔드 플랜지(57)가 평탄해져, 접합 단부에 발생하기 쉬운 미용착부의 유무를 확인하기 쉬워짐과 함께, 연료 노즐(56)을 포함한 버너를 장기 운용한 경우의 검사성이 향상된다.
아울러, 연소 진동에 의해 발생하는 진동 응력이나 엔드 플랜지(57)에 작용하는 열변형에 대해, 기계 강도가 향상되어 신뢰성이 대폭 개선된다. 또한, 전자 빔 용접을 하는 부위에 돌기부(103)를 설치하지 않고, 평탄부에 형성된 용융부(EBW) 표면을 매끄럽게 절삭 가공함으로써도, 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 평탄부에 형성된 용융부(EBW) 표면을 만곡 절삭에 의해 제거하여, 만곡 절삭부(104)를 형성해도 된다.
[실시예 3]
도 8a 내지 도 8f를 사용하여, 실시예 3의 연료 노즐 구조와 그 제조 방법을 설명한다. 도 8a는 본 실시예의 제조 과정의 개요를 도시하고, 도 8b 내지 도 8f는 더 상세한 제조 과정을 도시하고 있다. 도 8a의 좌측은 도 8d에 상당하는 상태를 도시하고, 도 8a의 우측은 도 8f에 상당하는 상태를 도시하고 있다. 또한, 도 8a 내지 도 8f의 어느 도면에 있어서도 연료 노즐(56)의 근원 부근만을 나타내고, 선단부의 형상은 생략한다.
본 실시예에 있어서의 연료 노즐의 제조 방법에서는, 도 8a의 좌측에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(56)을 엔드 플랜지(57)에 형성한 구멍에 삽입하고, 엔드 플랜지(57)의 이면측에 저판(107)을 배치한다. 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 접합부, 엔드 플랜지(57)와 저판(107)의 접합부 각각에 전자 빔 용접을 실시하여, 전자 빔 용접선(100)을 형성한다.
그 후, 고온 등방 가압 처리(HIP 처리)를 실시함으로써, 도 8a의 우측에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(56), 엔드 플랜지(57), 저판(107)을 일체화하고, 저판(107)에 연료 노즐(56)의 내부 구멍과 연결되는 구멍을 형성한다. 저판(107)의 구멍 내에는, 오리피스(106)를 배치한다.
도 8b 내지 도 8f를 사용하여, 상기한 제조 방법을 더 자세하게 설명한다. 우선, 도 8b 및 도 8c에 도시하는 바와 같이, 연료 노즐(56)의 내부 구멍을 밀봉재(59)로 밀봉한다. 다음으로, 도 8d에 도시하는 바와 같이, 복수의 연료 노즐(56)을 엔드 플랜지(57)에 복수 형성한 구멍에 각각 삽입하고, 또한 엔드 플랜지(57)의 이면에 저판(107)을 배치한다. 그 후, 실시예 1과 마찬가지로 연료 노즐(56)의 근원부와 엔드 플랜지(57)의 경계부를 전자 빔 용접에 의해 진공 시일한다. 아울러, 엔드 플랜지(57)와 그 이면에 배치한 저판(107)의 주위를 용접한다. 이때, 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 접합부, 엔드 플랜지(57)와 저판(107)의 접합부에는 전자 빔 용접선(100)이 형성된다.
여기서, 저판(107)에는 진공 배기하기 위한 진공 배기 구멍(108)이 형성되어 있다. 이 진공 배기 구멍(108)으로부터 연료 노즐(56), 엔드 플랜지(57), 저판(107)의 각 접합 계면부를 진공 배기함으로써, 전자 빔 용접 등에 의해 진공된 연료 노즐(56)의 근원부의 시일부에 누설 등의 결함 등이 없는 것을 검사할 수 있다. 이 저판(107)에 형성된 진공 배기 구멍(108)을 진공 배기한 상태에서 밀봉함으로써, 상술한 접합 계면을 진공으로 유지할 수 있다. 이것을 고온 등방 가압 처리(HIP 처리)함으로써, 도 8e에 도시하는 바와 같이, 이들 계면을 금속학적으로 접합하여 일체화한다. 이 처리 조건은 실시예 1과 마찬가지이다.
연료 노즐(56), 엔드 플랜지(57) 및 저판(107)이 일체화된 후에, 도 8f에 도시하는 바와 같이, 일체화하기 전의 저판(107)에 상당하는 개소에 구멍 가공을 실시하여 연료 노즐 내부의 구멍과 연결시킴으로써, 관통 구멍을 얻을 수 있다. 여기서, 저판(107)측으로부터 가공하는 구멍의 직경을 노즐 내부의 구멍 직경보다 크게 함으로써, 양자의 축심에 다소의 어긋남이 발생해도 큰 문제가 되지 않는다. 이 저판(107)에 형성한 구멍부에 유량 조정용 오리피스(106)를 배치함으로써, 다수 개 배치된 연료 노즐(56)의 유량 특성을 균등화할 수 있다.
또한, 밀봉재(59)는, 예를 들어 관통 가공된 연료 노즐(56)의 저면을 용접 등에 의해 밀봉 처리해도 된다. 또한, 상기에서는 연료 노즐(56)의 내부 구멍을 밀봉재(59)로 밀봉하는 예를 나타냈지만, 연료 노즐(56)을 구멍 가공할 때에 저면부를 관통시키지 않음으로써 얻을 수도 있다.
본 실시예의 연료 노즐 구조 및 제조 방법은, 내부 구멍이 관통된 연료 노즐의 유체 특성을 평가한 후에 가스 터빈 연소기의 연료 노즐 구조에 적용하는 경우에 적합하다.
[실시예 4]
도 3을 사용하여, 실시예 4의 연료 노즐 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 연료 노즐(56)을 삽입 배치하는 엔드 플랜지(57)의 구멍부에 위치 결정용 단차(102)가 설치되어 있다. 이 단차는 연료 노즐(56)의 높이 방향의 위치와 엔드 플랜지(57)의 각도를 위치 결정하는 것으로, 엔드 플랜지(57)의 표면으로부터 필요한 깊이의 단차를 가공한 것이다. 이 위치 결정용 단차(102)를 설치함으로써, 큰 엔드 플랜지(57)의 면 내에 다수 배치되는 연료 노즐(56)의 삽입 깊이를 필요에 따라서 선택할 수 있게 된다. 또한, 연료 노즐(56)의 높이도 엔드 플랜지(57)의 표면 평활도에 상관없이 고정밀도로 위치 결정할 수 있게 된다. 이 방법을 채용하는 경우는, 연료 노즐(56)의 구멍이 비관통인 것을 사용하는 실시예 3의 제조 방법을 사용하는 것이 바람직하다.
[실시예 5]
도 5를 사용하여, 실시예 5의 연료 노즐 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 연료 노즐(56)의 근원부와 엔드 플랜지(57)의 기밀 시일에 브레이징(브레이징부(105))을 적용하였다. 브레이징재는, JIS 규격의 BNi-5 등의 고융점인 것을 사용하였다. 이것은 연료 노즐(56)이나 엔드 플랜지(57)의 접합에 1100℃의 고온 등방 가압 처리(HIP 처리)를 적용한 경우라도 브레이징재가 용융되지 않기 때문이다. 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 기밀 시일에 브레이징을 적용한 경우에 있어서도, 전자 빔 용접을 사용한 경우와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있었다.
[실시예 6]
도 6을 사용하여, 실시예 6의 연료 노즐 구조를 설명한다. 본 실시예에서는, 연료 노즐(56)의 저면측에 연료가 통과하는 관통 구멍에 연결되는 오목부가 형성되어 있고, 그 오목부에 유량 조정용 오리피스(106)가 압입되어 있다. 도 6과 같이, 연료 노즐(56)의 관통 구멍의 일부에 유량 조정용 오리피스(106)를 설치함으로써, 다수 개가 배치되는 연료 노즐군의 유량 특성을 균일화시킬 수 있다.
또한, 도 6에서는 연료 노즐(56)과 엔드 플랜지(57)의 접합부를 전자 빔 용접(EBW)에 의해 접합하는 예를 도시하고 있지만, 실시예 5에서 설명한 브레이징에 의한 접합이라도, 유량 조정용 오리피스(106)의 효과는 마찬가지이다.
[실시예 7]
본 발명을 다른 타입의 연소기에 적용한 경우의 실시예를 도 11a 및 도 11b에 도시한다. 도 11a는 가스 터빈 연소기의 주요부의 구조를 도시하는 단면도이고, 도 11b는 도 11a 중의 B-B' 화살표도이다. 부호 200이 가스 터빈 연소기, 208이 연소실, 203이 확산 연료 노즐(파일럿 버너), 205가 예혼합기, 201이 예혼합용 연료 노즐이다.
가스 터빈 연소기(200)는, 확산 연소용 연료(210)를 연소실(208)에 분사하는 확산 연료 노즐(203)을 갖는 확산 버너(212)와, 예혼합용 연료(206)를 예혼합기(205)에 분사하는 예혼합용 연료 노즐(201)을 갖는 예혼합 버너(211)를 구비하고 있다.
즉, 연소실(208)의 상류측 중앙부에는 확산 연료 노즐(203)이 배치되고, 그 주위에 복수개의 예혼합기(205) 및 예혼합 연소용 연료 노즐(201)이 배치되는 구조로 되어 있다. 이들 예혼합용 연료 노즐(201) 및 확산 연료 노즐(203)은, 엔드 플랜지(207)와 기계적으로 접합되어 있다.
도 12는 예혼합용 연료 노즐(201)의 단면도이다. 예혼합용 연료 노즐(201)은, 그 근원부가 엔드 플랜지(207)와 전자 빔 용접(전자 빔 용접선(100))에 의해 진공 시일되고, 상술한 고온 등방 가압법(HIP 처리)에 의해 금속적으로 접합되어 있다. 접합 방법이나 순서는 상술한 실시예 중 어느 하나를 사용하고 있다. 즉, 상술한 실시예 전부를, 다공 동축 분류 버너뿐만 아니라, 예혼합용 연료 노즐과 엔드 플랜지의 접합에도 적용할 수 있다. 본 발명을 적용함으로써, 연료 노즐과 엔드 플랜지가 일체화되어, 그 부재 사이에 미용착부가 없으므로, 우수한 구조 강도와 신뢰성을 실현할 수 있었다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니며, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성의 일부를 다른 실시예의 구성으로 치환하는 것이 가능하고, 또한 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 추가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 구성의 일부에 대해, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
1 : 연소실
3 : 연소기 라이너
12 : 연소용 공기
41 : 연료
42 : 혼합기
53 : 버너
54 : 공기 구멍 플레이트
55 : 공기 구멍
56 : 연료 노즐
57 : 연료 분배기(엔드 플랜지)
59 : 밀봉재
60 : 용접부
100 : 전자 빔 용접선
101 : 용융 깊이
102 : 위치 결정용 단차
103 : 돌기부
104 : 만곡 절삭부
105 : 브레이징부
106 : 오리피스
107 : 저판
108 : 진공 배기 구멍
200 : 가스 터빈 연소기
201 : 예혼합용 연료 노즐
202 : 연소용 공기
203 : 확산 연료 노즐(파일럿 버너)
204 : 보염기
205 : 예혼합기
206, 210 : 연료
207 : 엔드 플랜지
208 : 연소실
209 : 외통 벽
211 : 예혼합 버너
212 : 확산 버너
213 : 내통 벽

Claims (15)

  1. 가스 터빈 연소기의 연소실에 연료를 분출하는 가스 터빈 연소기의 연료 노즐이며,
    상기 연료 노즐은, 당해 연료 노즐을 지지하는 베이스 플레이트와 야금적으로 일체화 접합되어 있고,
    상기 연료 노즐과 상기 베이스 플레이트의 계면은, 표면에 있어서 융접 또는 브레이징에 의해 접합되고,
    내부는 압접에 의해 접합되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 플레이트의 표면에 있어서, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 계면은 전자 빔 용접을 사용하여 융접되고,
    그 용융부는, 상기 연료 노즐이 상기 베이스 플레이트에 고정된 근원부에 주회한 원환상으로 형성되어 있고,
    상기 용융부는, 폭 및 깊이가 모두 1㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 압접은, 고온 등방 가압 처리에 의해 실시되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 용융부는, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 표면에 대해 평탄, 혹은 매끄러운 곡선상으로 절삭 가공되어 있는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 연료 노즐과 상기 베이스 플레이트의 내부의 접합 계면은, 미용착부가 없고 직선상인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 가스 터빈 연소기의 연료 노즐을 사용하는 가스 터빈 연소기이며,
    상기 연료 노즐은 상기 베이스 플레이트에 복수 설치되고,
    상기 베이스 플레이트는 상기 복수의 연료 노즐에 연료를 분배하는 연료 분배 기능을 갖고,
    상기 복수의 연료 노즐의 하류측에 배치되고, 또한 연소 공기를 상기 연소실에 도입하는 복수의 공기 구멍이 형성된 공기 구멍 플레이트를 구비하고,
    상기 복수의 연료 노즐 각각과 상기 복수의 공기 구멍 각각은, 연료의 분출 위치에 있어서 동축에 배치되는 다공 동축 분류형인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 가스 터빈 연소기의 연료 노즐을 사용하는 가스 터빈 연소기이며,
    상기 연료 노즐은 상기 베이스 플레이트에 복수 설치되고,
    상기 복수의 연료 노즐은, 상기 베이스 플레이트의 중앙부에 설치된 확산 연소 버너를 둘러싸도록 배치되는 예혼합 연소 버너의 연료 노즐인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기.
  8. 이하의 공정을 포함하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법;
    (a) 내부에 관통 구멍을 갖는 연료 노즐을, 베이스 플레이트에 형성된 관통 구멍 또는 오목부에 끼워 맞추는 공정과,
    (b) 상기 베이스 플레이트의 표면에 있어서, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 계면을 융접 또는 브레이징에 의해 접합하는 공정과,
    (c) 상기 (b) 공정 후, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트에 압접 처리를 실시하고, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 계면을 압접하는 공정.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 (a) 공정과 상기 (b) 공정 사이에,
    (d) 상기 베이스 플레이트의 상기 연료 노즐을 끼워 맞추는 면과는 반대측의 면을 저판으로 덮는 공정을 더 갖고,
    상기 (b) 공정에 있어서, 상기 베이스 플레이트와 상기 저판의 계면을 융접 또는 브레이징에 의해 접합하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 (c) 공정 후,
    (f) 상기 저판에 구멍 가공을 실시함으로써, 상기 연료 노즐의 관통 구멍을 상기 저판까지 관통시키는 공정을 더 갖는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 (a) 공정 전에,
    (e) 상기 연료 노즐의 관통 구멍의 저면부를 폐지하는 공정을 더 갖고,
    상기 (b) 공정 후, 상기 저판에 형성된 진공 배기 구멍을 사용하여, 상기 연료 노즐, 상기 베이스 플레이트, 상기 저판의 각각의 계면을 진공 배기하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 진공 배기 구멍을 사용하여, 상기 연료 노즐, 상기 베이스 플레이트, 상기 저판의 각각의 계면의 진공 누설 검사를 행하는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 (b) 공정에 있어서의 융접은, 전자 빔 용접을 사용하여 실시되고,
    그 용융부는, 상기 연료 노즐이 상기 베이스 플레이트에 끼워 맞추어진 근원부에 주회한 원환상으로 형성되고,
    상기 용융부는, 폭 및 깊이가 모두 1㎜ 이하인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 공정에 있어서의 압접 처리는, 고온 등방 가압 처리인 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 (c) 공정 후,
    (g) 상기 베이스 플레이트의 표면에 있어서, 상기 연료 노즐 및 상기 베이스 플레이트의 계면에 평탄화 처리 또는 만곡 절삭 처리를 실시하는 공정을 더 갖는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈 연소기의 연료 노즐의 제조 방법.
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