JP2011145060A - 予混合燃料ノズル内部流路の強化 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用のノズルを提供する。
【解決手段】本ガスタービン用のノズル（２８）は、管状ノズル本体（３０）と、管状ノズル本体の前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体から半径方向に延びる複数の中空燃料噴射ペグ（４２）とを含み、複数の中空燃料噴射ペグの各々は、外部涙滴形断面形状を有し、中空噴射ペグの各々内における燃料通路（６８）は、ほぼ一致した内部涙滴形断面形状を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービン燃焼器技術に関し、より具体的には、内部流路設計を強化したガスタービン燃料ノズル構造に関する。

典型的な「缶−アニュラ」型ガスタービン燃焼器装置では、幾つかの燃焼器が、タービンロータ軸線の周りに環状アレイとして配置されかつタービンの第一段に燃焼ガスを供給する。圧縮機が吸入空気を加圧し、この加圧空気は次に、燃焼器に向けて方向転換され（逆方向に流れ）、燃焼器において、加圧空気は高温ガス通路構成要素を冷却しかつ燃焼過程に空気を供給するために使用される。各燃焼器アセンブリは、ほぼ円筒形の燃焼器（燃焼器チャンバを組入れた）と、燃料噴射システムと、燃焼器からの高温燃焼ガスの流れをタービンセクションの入口に案内する移行部品又はダクトとを含む。この形式のガスタービンは一般的に、タービンロータ軸線の周りに配置された６個、１０個、１４個又は１８個の燃焼器を含むことができる。

１つの特定の乾式低ＮＯｘエミッション燃焼システムでは、各燃焼器において燃料噴射システムを含み、燃料噴射システムは、燃焼器の上流端部を閉鎖した端部カバーに支持された複数の燃料ノズルを含む。各燃料ノズルは、スワーラと該スワーラの下流に配置された半径方向配向ペグアセンブリとを含む。スワーラ及びペグアセンブリは、単体部品鋳造品或いは複数部品鋳造又は製作アセンブリとすることができ、一般的に燃料ノズル本体から離れるように半径方向に延びる８〜１０個のペグが設けられる。各中空ペグは、涙滴形外部形状とそれによって燃焼チャンバ内に燃料を噴射する複数孔又はオリフィスに燃料を供給する内部円形ボアとを有する。ペグの半径方向外側端部は、それらオリフィスの１つ又はそれ以上を覆うプラグによって閉鎖され、該プラグを貫通して付加的にドリル加工してオリフィスを開口し直すことが必要である。加えて、プラグは、流路内に望ましくない内部「段差」を生じさせる。同時に、一部の他の低ＮＯｘ燃焼システムでは、所定の燃料供給圧力並びに同一の外部形状及び寸法を維持しながら、より高い燃料流量を供給しなければならない。従って、内部通路は、実質的に無変更の外部ジオメトリを維持しながら一層高流量を供給するように強化しなければならない。

米国特許第５６８５１３９号明細書

ある例示的で非限定的な実施形態では、ガスタービン用のノズルを提供し、本ノズルは、管状ノズル本体と、管状ノズル本体の前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体から半径方向に延びる複数の中空燃料噴射ペグとを含み、複数の中空燃料噴射ペグの各々は、外部涙滴形断面形状を有し、中空噴射ペグの各々内における燃料通路は、ほぼ一致した内部涙滴形断面形状を有する。

別の例示的で非限定的な実施形態では、ガスタービン用のノズルを提供し、本ノズルは、管状ノズル本体と、管状ノズル本体の前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体から半径方向に延びる複数の中空燃料噴射ペグとを含み、複数の中空燃料噴射ペグは、前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体からほぼ垂直に半径方向に延びており、管状ノズル本体は、該管状ノズル本体の前方端部に取付けられた基部フランジを有し、基部フランジには、複数の燃料噴射ペグに連結された管状ノズル本体内の通路に燃料を供給する細長いアーチ形燃料入口スロットの環状アレイが形成される。

さらに別の例示的で非限定的な実施形態では、ガスタービン用のノズルを提供し、本ノズルは、管状ノズル本体と、管状ノズル本体の前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体から半径方向に延びる複数の中空燃料噴射ペグとを含み、複数の中空燃料噴射ペグの各々は、半径方向外側端部壁を有し、中空燃料ペグの各々内の燃料通路は、管状ノズル本体及び半径方向外側端部壁間で連続して延びている。

次に、以下に特定する図面に関して、本発明を一層詳細に説明する。

缶−アニュラ型ガスタービン燃焼器の断面図。 図１の燃焼器内で使用することができるノズル構造の斜視図。 本発明の例示的で非限定的な実施形態による修正したノズルの断面図。 図３のノズルから取外した「基部フランジ」とも呼ばれるノズル端部カバー取付けフランジの斜視図。 別の基部フランジ構成の斜視図。 別の基部フランジ構成の斜視図。 本発明の例示的で非限定的な実施形態によるその半径方向内側端縁部における丸味付きコーナ部及び無孔外側先端部分をより明瞭に示すように断面にした、図３におけるのと同様な燃料噴射ペグの拡大部分斜視図。 図７とほぼ同様であるが、燃料噴射ペグの遠隔端部を閉鎖する従来のプラグを示す斜視図。 本発明の例示的で非限定的な実施形態による、図７の中空ペグへの入口を示す拡大詳細図。 図３から取出したノズルのスワーラ部分の特にその一部を切欠いた斜視図。

図１を参照すると、ガスタービン１０は、圧縮機ケーシング１２（その一部を図示している）と、複数の燃焼器１４（その１つを図示している）と、ここでは単一のタービンノズルブレード１６で表しているタービン入口セクションとを含む。具体的には図示していないが、タービン翼配列は、共通軸線に沿って圧縮機ロータに駆動連結される。圧縮機は、吸入空気を加圧し、加圧空気は次に、燃焼器１４に向けて方向転換しかつ逆方向に流れ、燃焼器１４において、加圧空気は燃焼器を冷却しかつ燃焼過程に空気を供給するために使用される。

より具体的には、各燃焼器１４は、例えばボルト２２によってタービンケーシング２０に固定されたほぼ円筒形の燃焼器ケーシング１８を含む。燃焼器ケーシングの前方端部は、端部カバーアセンブリ２４によって閉鎖され、端部カバーアセンブリ２４は、燃焼チャンバに対して気体又は液体燃料、並び空気（及び必要に応じて水）を供給する従来通りの供給チューブ、マニホルド及び関連するバルブ（その全体を参照符号２６で示す）等を含むことができる。端部カバーアセンブリ２４は、燃焼器の長手方向軸線の周りに円形アレイとして配置された複数（例えば、５つ）の拡散／予混合燃料ノズルアセンブリ２８（便宜上及び明瞭化のためにその１つのみを示している）を受ける。

図２に移ると、図１に示す拡散／予混合燃料ノズルアセンブリ２８は、後方供給セクションつまり基部フランジ３２と前方燃料／空気送給セクション３４に連結されたノズル本体３０とを含む。ノズルアセンブリは、ノズル本体３０との間に環状通路３８を形成したカラー３６を含む。この環状通路内には、複数の半径方向燃料噴射チューブつまりペグ４２の上流に空気スワーラベーン４０が設けられ、空気スワーラベーン４０の各々には、環状通路３８内にかつ該環状通路の下流に予混合ガスを吐出する複数の吐出オリフィス４４が形成される。構成要素３６、４０及び４２は共に、単体部品として鋳造するか又は別個の構成要素から製作することができるスワーラを含む。ノズル構造に関するさらなる細部については、本出願人所有の米国特許第５６８５１３９号に記載されている。

次に図３を参照すると、図示したノズル本体は、図２に示すノズル本体と同様であるが、以下に説明するようにその内部を修正している。従って、ノズル本体は、中間チューブ４８を囲んで、以下でさらに説明するように予混合ゾーンに予混合燃料ガスを運ぶ半径方向最外側通路５０を形成した半径方向外側チューブ４６を含む。通路５０は、ノズルの前方アパーチャ付き先端において閉鎖されて、強制的に予混合ガスを半径方向燃料噴射ペグ４２内の吐出オリフィス４４から予混合ゾーン内に流出させる。

さらに図４を参照すると、例示的で非限定的な態様では、本発明により、その他は前述の基部フランジ３２と同様であるノズル基部フランジ５２（図３）における第１の流れ強化設計特徴形状が得られる。ここでは、以前の丸味付き供給孔は、アーチ形スロット供給孔５６に再構成して、半径方向配向燃料噴射ペグ４２に燃料を供給する通路５０内への流路の有効面積を増大させかつ局所的圧力損失を低下させるようにしている。再構成供給孔５６のアーチ形の程度及び円周方向間隔は、必要に応じて特定の必要量を満たすように変化させることができる。

図５及び図６は、通路５０への燃料流路の有効面積を増大させるように設計した別の基部フランジ構造を示している。例えば、図５では、従来の単一の供給孔構成は、その全体を参照符号６０で示した密接間隔配置供給孔の個々の群で置換えられている。図６では、供給孔は、その全体を参照符号６４で示した細長いスロットを事実上形成した重なり直径を有するようにさらに一層密接間隔配置されている。

図７、図９及び図１０は、半径方向燃料噴射チューブつまりペグ４２及びノズル本体３０の半径方向外側チューブ４６とのその接合部の内部設計態様に関連する付加的流れ強化特徴形状を一層詳細に示している。再構成設計では、各半径方向燃料噴射器ペグ４２は、丸味付き入口６６において半径方向外側チューブ４６と接合する。丸味付き入口は、約０．０６〜約０．１９インチの範囲内の直径で形成されるのが好ましい。以前のほぼ９０°の中空ペグ内への方向転換は、付加的圧力損失を引き起こしていたが、丸味付き流入により、方向転換の円滑化及び圧力損失の低下が得られる。

加えて、従来の外部涙滴形形状燃料噴射ペグ４２内における半径方向ボアは、円形でありかつ涙滴形形状ペグのより幅広い部分又は前縁部内に設置されていた。この再構成ペグでは、内部半径方向通路６８は、外部涙滴形形状に一致しており、それによってペグの内部ボリュームを増大させかつ実際にはペグ内の複数噴射器孔７０のより正確な最適供給を生じさせる。

同時に、スワーラ（３６、４０、４２）を製作するため使用するブラインド鋳造法又はその他の製作法の間に通路６８の内部ボリュームを拡大させることはまた、一体形先端又は端部壁７２を形成し、それによって燃料噴射ペグ７８の遠隔端部を閉鎖するのに利用するプラグ（一体形又は付加形）内に普通見られる段差又はショルダ部（図８参照）を排除するのを可能にする。これはまた、プラグを貫通してドリル加工して他の封鎖噴射孔を開口させる必要性も排除する。ところで、涙滴形形状内部半径方向通路６８は、チューブ４６から端部壁７２まで延びる滑らかな、連続したかつ一様な断面形状を有する。端部壁７２はまたペグに溶接するか又はロウ付けするかのいずれかとした別個のキャップとすることができるが、いずれにしても通路６８の内部断面形状は乱されることはないことが分かるであろう。

上記の流れ強化構造は、最少の修正でノズルにより一層高流量を取扱うのを可能にし、望ましくない圧力損失を最小にしかつ燃料噴射プロフィールの最適化を可能にする。

現時点で最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるべきものではなく、逆に、特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。

２８ ノズル
３０ ノズル本体
３２ 基部フランジ
３４ 送給セクション
３６ カラー
４２ 燃料噴射ペグ
４６ 外側チューブ
４８ 中間チューブ
５０ 通路
５２ 基部フランジ
５６ 入口スロット
６６ 内部接合部
６８ 燃料通路
７２ 端部壁

Claims (10)

1. 管状ノズル本体（３０）と、
   前記管状ノズル本体の前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体から半径方向に延びる複数の中空燃料噴射ペグ（４２）と
   を備えるガスタービン用ノズル（２８）であって、前記複数の中空燃料噴射ペグ（４２）の各々が外部涙滴形断面形状を有しており、前記中空噴射ペグの各々内における燃料通路（６８）が、ほぼ一致した内部涙滴形断面形状を有する、ノズル。
2. 前記管状ノズル本体（３０）が該管状ノズル本体の前方端部に取付けられた基部フランジ（５２）を有し、前記基部フランジには、前記複数の燃料噴射ペグ（４２）に連結された前記管状ノズル本体内の通路（５０）に燃料を供給する細長いアーチ形燃料入口スロット（５６）の環状アレイが形成される、請求項１記載のノズル。
3. 前記複数の燃料噴射ペグ（４２）の半径方向外側端部が各々、端部壁（７２）を有するコアキャップによって閉鎖され、前記内部涙滴形断面形状が、前記管状ノズル本体及び端部壁間で連続して延びており、前記複数の中空燃料噴射ペグの各々及び管状ノズル本体間の内部接合部表面（６６）が丸味付けされている、請求項１記載のノズル。
4. 前記内部接合部表面（６６）が、約０．０６〜０．１９インチの半径で丸味付けされている、請求項３記載のノズル。
5. 前記複数の燃料噴射ペグ（４２）の半径方向外側端部が各々、端部壁（７２）を有するキャップによって閉鎖され、前記内部涙滴形断面形状が、前記管状ノズル本体（３０）及び端部壁（７２）間で連続して延びており、前記複数の中空燃料噴射ペグの各々及び管状ノズル本体間の内部接合部表面（６６）が丸味付けされている、請求項２記載のノズル。
6. 前記内部接合部表面（６６）が、約０．０６〜０．１９インチの半径で丸味付けされている、請求項５記載のノズル。
7. 前記通路（５０）が、前記管状ノズル本体の第１の半径方向外側チューブ（４６）と該管状ノズル本体内に同心に設置された第２の中間チューブ（４８）との間の半径方向空間によって形成される、請求項２記載のノズル。
8. 前記コアキャップ（７２）が前記中空燃料噴射ペグ（４２）と一体形である、請求項３記載のノズル。
9. 管状ノズル本体（３０）と、
   前記管状ノズル本体の前方及び後方端部間の位置において該管状ノズル本体から半径方向に延びる複数の中空燃料噴射ペグ（４２）と
   を備えるガスタービン用ノズル（２８）であって、前記管状ノズル本体が、該管状ノズル本体の前方端部に取付けられた基部フランジ（５２）を有しており、前記基部フランジには、前記複数の燃料噴射ペグに連結された前記管状ノズル本体内の通路に燃料を供給する細長いアーチ形燃料入口スロット（５６）の環状アレイが形成される、ノズル。
10. 前記中空燃料噴射ペグの各々が、内部涙滴形断面形状を有し、前記複数の燃料噴射ペグの半径方向外側端部が各々、端部壁（７２）によって閉鎖され、前記内部涙滴形断面形状が、前記管状ノズル本体及び端部壁間で連続して延びている、請求項９記載のノズル。

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