JP2011085383A - 高強度クロスオーバマニホルド及び接合方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高強度クロスオーバマニホルド及びガスタービン燃料ノズルで使用する接合方法を提供する。
【解決手段】２次燃料ノズル（３８）内で下流側に軸方向に延びた複数の管体（４８、５０、５２、６２）は、流体の流れが各々貫流できるよう動作する通路（５４、５６、６０、６４）を定め、該通路（５４、５６、６０、６４）最外３次通路（５４）及び半径方向内向きの２次燃料通路（５６）を含む。軸方向に延びた管体（４８、５０、５２、６２）から半径方向外向きに延びる燃料ペグ（４０）は、そこから半径方向外向きに流体を放出する。燃料ペグ（４０）に取り付けられ、半径方向内向きの２次燃料通路（５６）及び燃料ペグ（４０）と流体連通しているクロスオーバマニホルド（５８）が、突き合わせ溶接（６６）により、３次通路（５４）及び半径方向内向きの２次燃料通路（５６）を定める対応する管体（４８、５０、５２）に取り付けられる。
【選択図】 図３

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービン用２次燃料ノズルに関し、より詳細には、高強度クロスオーバマニホルド及びガスタービン燃料ノズルで使用するための接合方法に関する。

ガスタービン燃焼器は、燃料及び空気を混合して、結果として得られる混合器を燃焼させるのに用いる装置である。ガスタービン圧縮機が入口空気を加圧し、次いで、該入口空気を通常は燃焼器に向けて方向転回又は逆流させ、ここで空気は、燃焼器を冷却し、更に燃焼プロセスに空気を提供するのに使用される。信頼性があり効率的なタービン運転を達成するために、複数の燃焼室組立体を利用することができる。各燃焼室組立体は、通常、筒型燃焼器ライナと、燃料噴射システムと、燃焼器ライナからタービンセクションの入口までの高温ガスの流れを誘導する移行部品とを備える。ガスタービンは、１つの燃焼器、或いは、タービンロータ軸の周りに円形アレイで配列される複数の燃焼器を含むことができる。

ガスタービンは通常、燃料を上流側燃焼ゾーンに提供する複数の１次燃料ノズルを含む。１次燃料ノズルは通常、中央２次燃料ノズルの周りに環状アレイで配列される。点火は、クロスファイア管と連動してスパークプラグを用いることにより種々の燃焼器で達成することができる。２次燃料ノズルは通常、下流側燃焼ゾーンへの燃料供給を行う。

２次燃料ノズルは通常、複数の２次ノズルペグ、２次ノズルパイロット先端、及び３次先端を含む、３つの燃料導入場所を有する。２次ノズルパイロット先端及び３次先端は通常、２次燃料ノズルの軸方向下流側端部に同一場所に配置され、複数の２次ノズルペグは、２次燃料ノズルの軸方向下流側端部に向かう距離の一部に配置される。各２次ノズルペグは、燃料を燃焼器の予混合反応ゾーンに提供し、２次ノズルパイロット先端／３次先端は、燃料を下流側燃焼室に提供し、ここで燃料が燃焼する（拡散燃焼）。２次ノズルは、独立して個々に制御される燃料回路を有することができる燃焼システム供給装置であり、３つの燃料導入場所に供給される燃料流量を個々に変える機能を可能にする。例えば、２次ノズルパイロット先端／３次先端を通る燃料流量は、２次ノズルペグを通る燃料流量とは独立して変えることができ、逆もまた同様である。更に、典型的には、２次ノズルペグ、２次ノズルパイロット先端、及び３次先端は各々、固有の独立した燃料配管回路を有し、各回路が独立した排他的な燃料源を有する。

２次ノズルペグの場所において、２次燃料ノズルは通常、クロスオーバマニホルドを含む。マニホルドは、燃料をペグに向けて半径方向外向きに、更に最も外側の３次燃料回路にわたって運ぶことができ、更に３次先端に軸方向に送給する。従って、クロスオーバマニホルドは、外側３次又は「移行」通路にわたってペグに燃料を送給する。サブパイロット燃料通路は、ペグに送給する２次燃料通路の半径方向内部に位置付けられる。従って、クロスオーバマニホルドは通常、サブパイロット通路を乗り越えない。

通常は、２次燃料ノズルの中心線の周りに離間して配置される複数の燃料回路又は通路が存在する。これらの燃料回路又は通路は、一般に、例えばステンレス鋼製の同心管体によって形成又は境界付けられる。クロスオーバマニホルドは、環状形状のスロットのアレイを生成し、外側３次回路が、２次ノズルペグにあるクロスオーバマニホルドの場所の上流側から下流側に燃料又は空気を流すことができるようになる。

燃料回路管体に対するペグ管体部分の溶接又は他の接合プロセス（例えば、電子ビーム溶接、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、又はろう付け）を利用することにより、適切な燃料回路管体に（従って、適切な燃料回路に）クロスオーバマニホルドを取り付けることは公知である。具体的には、複数の最外管体をクロスオーバマニホルドに接合又は取り付けるために断続ソケット／突き合わせ溶接を用いることが知られている。突き合わせ溶接は通常、２つの要素又は構成部品（例えば、燃料回路の端部表面、及びクロスオーバマニホルドの対応する組み合わせ部分の端部表面）が共に接合されて、完全な溶け込み溶接が生成されるようにする溶接である。ソケット溶接は通常、１つの要素又は構成部品が別の要素又は構成部品を覆って差し込まれ、次いで共に接合される（例えば、ペグ管体部分の別の部分と対応する燃料回路管体）溶接である。ソケット溶接は、一般に、突き合わせ溶接よりも通常は強度が劣る部分溶け込み溶接とみなされる。

公知のクロスオーバマニホルドの断続組み合わせソケット及び突き合わせ溶接は、耐久性又は製品寿命の問題を引き起こす可能性がある。これは、クロスオーバマニホルドが燃料回路管体を接合する２次燃料ノズルのこの領域における典型的な動作サーマルによって、溶接部の内側側部に比較的大きな応力が加わるようになり、場合によっては低サイクル疲労亀裂を生じる可能性があることに起因する。このことは、主として、このタイプの部分溶け込み又は断続組み合わせソケット及び突き合わせ溶接に本来備わっている比較的鋭利なコーナにおける相対的に最大又はピークの歪み又は応力に起因する。２次燃料ノズルのこの場所における流体（空気及び燃料）は、様々な温度を有し、結果として、温度勾配ひいては熱歪み又は応力をこの場所において引き起こす可能性がある。

米国特許公開第２００７／０１３０９５５号公報

本発明の１つの態様によれば、２次燃料ノズルは、２次燃料ノズル内で下流側に軸方向に延びた複数の管体を含み、管体は、流体の流れが各々貫流できるよう動作する通路を定め、該通路は、最外３次通路及び半径方向内向きの２次燃料通路を含む。２次燃料ノズルはまた、軸方向に延びた管体から半径方向外向きに延びた燃料ペグを含み、該燃料ペグが、そこから半径方向外向きに流体を放出するよう動作可能である。２次燃料ノズルは更に、燃料ペグに取り付けられ、半径方向内向きの２次燃料通路及び燃料ペグと流体連通しているクロスオーバマニホルドを含み、クロスオーバマニホルドが、突き合わせ溶接により、３次通路及び半径方向内向きの２次燃料通路を定める対応する管体に取り付けられる。

本発明の別の態様によれば、２次燃料ノズルは、各々が流体の流れが各々貫流できるよう動作する複数の通路を含み、該通路が最外３次通路及び半径方向内向きの２次燃料通路を含む。２次燃料ノズルはまた、管体から半径方向外向きに延びる燃料ペグを含み、該燃料ペグが、そこから半径方向外向きに流体を放出するよう動作可能である。２次燃料ノズルが更に、燃料ペグに取り付けられ、内向きの２次燃料通路及び燃料ペグと流体連通しているクロスオーバマニホルドを含み、該クロスオーバマニホルドが、突き合わせ溶接により、３次通路及び半径方向内向きの２次燃料通路を定める対応する管体に取り付けられる。

本発明の更に別の態様によれば、２次燃料ノズル内で下流側に軸方向に延びた複数の管体を設ける段階を含み、該管体は、流体の流れが各々貫流できるよう動作する通路を定め、該通路が最外３次通路及び半径方向内向きの２次燃料通路を含む。本方法更に、軸方向に延びた管体から半径方向外向きに延び、そこから半径方向外向きに流体を放出するよう動作可能な燃料ペグを設ける段階を含む。本方法は更に、クロスオーバマニホルドを燃料ペグに取り付け、半径方向内向きの２次燃料通路及び燃料ペグと流体連通させるステップと、３次通路及び半径方向内向きの２次燃料通路を定める対応する管体にクロスオーバマニホルドを突き合わせ溶接するステップとを含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の実施形態に従って使用するためのガスタービンの部分断面図。 本発明の実施形態に従って使用するための例示的な２次燃料ノズルの断面図。 図２の２次燃料ノズルの２次ノズルペグ区域の一部の詳細な断面図。 図２の２次燃料ノズルの２次ノズルペグ区域を通る断面図。 ２次燃料ノズルのペグ区域に向かって下流側を見た２次ノズルペグ区域の上流側の図２の２次燃料ノズルを通る断面図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照し、利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。

図１は、ガスタービン１０（部分的に図示される）であり、圧縮機１２（同様に部分的に図示される）、複数の燃焼器１４（１つが図示される）、及び単一のブレード１６により表わされるタービンセクションを含む。具体的には図示していないが、タービンは、共通軸線に沿って圧縮機１２に駆動可能に接続される。圧縮機１２は、入口空気を加圧し、次いで、該空気が燃焼器１４に逆流されて、ここで該空気を用いて燃焼器を冷却し、燃焼プロセスに空気を提供する。複数の燃焼器１４は、ガスタービン１０の軸線に沿って環状アレイで位置付けることができる。移行ダクト１８は、各燃焼器１４の出口端部をタービンの入口端部と接続し、燃焼高温生成物を適切な温度プロファイルの形態でタービンに供給する。

各燃焼器１４は、１次又は上流側燃焼室２４と、２次又は下流側燃焼室２６とを備えることができ、これらはベンチェリスロート領域２８により隔てられる。燃焼器１４は、圧縮機吐出空気流を燃焼器１４に送る燃焼器流れスリーブ３０により囲まれる。燃焼器１４は更に、タービンケーシング３４にボルト締めされる外側ケーシング３２により囲まれる。複数の１次燃料ノズル３６は、上流側燃焼室２４への燃料供給を行い、中央２次燃料ノズル３８の周りを環状アレイで配列される。点火は、クロスファイア管２２（１つが図示される）と連動して、例えばスパークプラグ２０を用いることにより種々の燃焼器１４で達成される。２次燃料ノズル３８は、下流側燃焼室２６に燃料供給を行う。

図２は、本発明の実施形態を位置付けることができる、図１の２次燃料ノズル３８である。２次燃料ノズル３８は、複数の２次ノズルペグ４０、２次燃料ノズル３８の軸方向下流側端部４４に配置される２次ノズルパイロット先端４２、及び２次燃料ノズル３８の軸方向下流側端部４４にて２次ノズルパイロット先端４４と同一場所に配置される３次先端４６を含む、３つの燃料導入場所を有することができる。複数の２次ノズルペグは、２次燃料ノズル３８の下流側端部４４に向かう距離の一部に配置される。各２次ノズルペグ４０は、燃料を燃焼器１４の予混合反応ゾーンに提供し、２次ノズルパイロット先端４２／３次先端４６は、燃料を下流側燃焼室２６に提供し、ここで燃料が燃焼する（拡散燃焼）。２次ノズル３８は、独立して個々に制御される燃料回路（図３）を通常有する燃焼システム供給装置であり、３つの燃料導入場所に供給される燃料流量を個々に変える機能を可能にする。例えば、２次ノズルパイロット先端４２／３次先端４６を通る燃料流量は、２次ノズルペグ４０を通る燃料流量とは独立して変えることができ、逆もまた同様である。更に、図３に関してより詳細に説明するように、２次ノズルペグ４０、２次ノズルパイロット先端４２、及び３次先端４６は各々、固有の独立した燃料配管回路を有し、各回路が独立した排他的な燃料源を有する。

図３では、２次ノズルペグ４０及び複数の独立した燃料回路並びに通路がより詳細に示されている。具体的には、図３の断面は、図３に示す上側ペグ４０でのペグ間の２次燃料ノズル３８を通り、図３に示す下側ペグ４０の中央を通る２次燃料ノズル３８を通って得られる。２次燃料ノズル３８は、一連の同心管体を備えることができる。ペグ４０の上流側の２つの半径方向最外同心管体４８及び５０と、ペグ４０の下流側の管体４８及び５２とは、３次ガス通路５４の境界部を定め、又は形成する。３次ガス通路５４は、２次燃料ノズル３８の下流側の３次ガスを３次先端４６（図２）に提供する。

３次ガス通路５４に隣接する２次ガス燃料通路５６は、ペグ４０の上流側の同心管体５０及び５２間に形成され、管体５２によりペグ４０の下流側に境界付けられる（すなわち、２次燃料ノズル３８内の下流側の何らかの追加の流れが阻止される）。２次ガス燃料通路５６は、２次燃料ノズル３８の円周周りに配列された半径方向に延びる２次ノズルペグ４０と連通し、２次ガス燃料をクロスオーバマニホルド５８に通して２次ノズルペグ４０に供給する。種々の管体４８、５０、５２と同様の方法でステンレス鋼を含むことができるクロスオーバマニホルド５８は、本発明の実施形態に関して以下でより詳細に説明するように、対応する管体と接続されてこれらに取り付けられる。図３で分かるように、クロスオーバマニホルド５８を使用することにより、２次ガス燃料は、ペグ４０の場所で最外３次ガス通路５４を越えてペグ４０を通って半径方向に延びる。

液体燃料通路６０、すなわち２次燃料ノズル３８を形成する一連の同心通路の最内通路は、管体６２により定められる。液体燃料通路６０は、２次ノズルパイロット先端４２に液体燃料を提供する。２次燃料ノズル３８内の１つ又はそれ以上の他の燃料、ガス、及び／又は水通路は、適切な回路及び管路により定めることができる。例えば、サブパイロット燃料通路６４は、管体５２、６２により定めることができる。サブパイロット燃料通路６４は、２次燃料ノズル３８の下流側の燃料を２次ノズルパイロット先端４２に提供することができる。燃料回路の数は、２次燃料ノズル３８の動作及び設計上の考慮事項に応じて変えることができる。

各ペグ４０は、例えば、クロスオーバマニホルド５８への溶接により取り付けることができる。本発明の実施形態によれば、クロスオーバマニホルド５８の軸方向端部表面は、対応する管体４８、５０、５２の各々の対応する端部軸方向表面に突き合わせ溶接６６により取り付けることができる。突き合わせ溶接６６は、例えば、電子ビーム溶接、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接、ろう付け、或いは他のタイプの取り付け方法によって、達成することができる。上記で説明したように、突き合わせ溶接は通常、２つの要素又は構成部品が端部表面間を共に接合される溶接である。対照的に、ソケット溶接は通常、１つの要素又は構成部品が別の要素又は構成部品を覆って差し込まれ、次いで、突き合わせ溶接のような端部間方式ではなく共に接合される溶接である。本発明の実施形態は、クロスオーバマニホルド５８を対応する管体４８，５０、５２に接続するのにあらゆるタイプのソケット溶接を用いる必要性を排除する。これは、管体４８，５０、５２が重なり合い接続を必要としないことに起因する。加えて、このタイプの突き合わせ溶接６６は一般に、「完全溶け込み」突き合わせ溶接と呼ばれ、比較的高強度のクロスオーバマニホルド５８をもたらす。

図４及び５は、ペグ４０の２次燃料ノズル３８上の場所をより詳細に示している。図４は、図２の２次燃料ノズル３８の２次ノズルペグ区域を通る断面であり、図５は、２次ノズルペグ区域に向かって下流側を見た２次ノズルペグ区域の上流側にある図２の２次燃料ノズル３８を通る断面である。

本発明の実施形態は、「完全溶け込み」突き合わせ溶接を提供し、クロスオーバマニホルド５８を対応する燃料回路管体４８、５０、５２に接続するのに使用される場合に、溶接される構成部品及び溶接部自体に加わる応力又は歪み量が低減される。従来技術と比較して、突き合わせ溶接は、ソケット溶接よりもより融通性がある。これは、母材の円滑な半径で反応する熱誘起応力をもたらし、溶接継手と比べてより低いサイクル疲労荷重を有する。これは、溶接継手が通常、鋳造材料と類似の特性を有することに起因する。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービン
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ ブレード
１８ 移行ダクト
２０ スパークプラグ
２２ クロスファイア管
２４，２６ 燃焼室
２８ スロート領域
３０ 流れスリーブ
３２ 外側ケーシング
３４ タービンケーシング
３６ １次燃料ノズル
３８ ２次燃料ノズル
４０ ノズルペグ
４２ パイロット先端
４４ 下流側端部
４６ ３次先端
４８，５０，５２，６２ 同心管体
５４ ３次通路
５６ ２次燃料通路
５８ クロスオーバマニホルド
６０ 液体燃料通路
６４ サブパイロット燃料通路
６６ 突き合わせ溶接

Claims (6)

1. ２次燃料ノズル（３８）であって、
   流体の流れが各々貫流できるよう動作する通路（５４、５６、６０、６４）を定め、該通路が最外３次通路（５４）及び半径方向内向きの２次燃料通路（５６）を含む、前記２次燃料ノズル（３８）内で下流側に軸方向に延びた複数の管体（４８、５０、５２、６２）と、
   前記軸方向に延びた管体（４８、５０、５２、６２）から半径方向外向きに延び、そこから半径方向外向きに流体を放出するよう動作可能な燃料ペグ（４０）と、
   前記燃料ペグ（４０）に取り付けられ、前記半径方向内向きの２次燃料通路（５６）及び前記燃料ペグ（４０）と流体連通しているクロスオーバマニホルド（５８）と、
   を備え、
   前記クロスオーバマニホルド（５８）が、突き合わせ溶接（６６）により、前記３次通路（５４）及び半径方向内向きの２次燃料通路（５６）を定める対応する管体（４８、５０、５２）に取り付けられる、
   ２次燃料ノズル（３８）。
2. 前記突き合わせ溶接（６６）が、タングステン不活性ガス溶接を含む、
   請求項１に記載の２次燃料ノズル（３８）。
3. 前記突き合わせ溶接（６６）が、電子ビーム溶接を含む、
   請求項１に記載の２次燃料ノズル（３８）。
4. 前記突き合わせ溶接（６６）が、ろう付けを含む、
   請求項１に記載の２次燃料ノズル（３８）。
5. 前記クロスオーバマニホルド（５８）の表面が、前記クロスオーバマニホルド（５８）が、突き合わせ溶接（６６）により、前記３次通路（５４）及び半径方向内向きの２次燃料通路（５６）を定める対応する管体（４８、５０、５２）に取り付けられる、
   請求項１に記載の２次燃料ノズル（３８）。
6. 前記軸方向に延びた管体（４８、５０、５２、６２）から半径方向外向きに延び、各々がそこから半径方向外向きに流体を放出するよう動作可能な複数の燃料ペグ（４０）と、
   各々が前記燃料ペグ（４０）の対応するものに取り付けられ、前記半径方向内向きの２次燃料通路（５６）及び前記燃料ペグ（４０）の対応する１つと流体連通している複数のクロスオーバマニホルド（５８）と、
   を更に備え、
   前記クロスオーバマニホルド（５８）の各々が、突き合わせ溶接（６６）により、前記３次通路（５４）及び半径方向内向きの２次燃料通路（５６）を定める対応する管体（４８、５０、５２）に取り付けられる、
   請求項１に記載の２次燃料ノズル（３８）。

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