(57)【要約】工業用ガスタービン燃焼器１０の燃料ノズル界面のための摩耗軽減手段が開示されている。摩耗軽減手段は、燃料ノズルチップ４４の係合部４５の内部に溶接された交換可能なインサート４７を含む。燃料ノズルチップが、交換可能なインサートよりも硬質の材料による被覆４８を有するため、組み合い関係にある部品の機械的接触に起因する全ての摩耗が、交換可能なインサートに割り当てられる。
2004531686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン燃焼器燃料ノズルチップと、これに対応する係合面のための摩耗軽減手段において、
両端を有する伸張形状の燃料ノズルと、
被覆を有する前記伸張形状の燃料ノズルの一端と、
前記被覆に近接する、燃焼室ライナ内の係合面と、
前記係合面の内側に配置され、硬化材料で形成されたインサートとを含み、
前記インサートの材料が、前記燃料ノズルの前記被覆材料よりも小さい硬度を有する、ガスタービン燃焼器燃料ノズルチップと、これに対応する係合面のための摩耗軽減手段。
【請求項２】
前記燃料ノズルチップと前記対応する係合面とが、類似材料で形成されている請求項１に記載されたガスタービン燃焼器。
【請求項３】
前記被覆が、ステライト３１（登録商標）等の硬化金属をスプレイ被着させたものである請求項１に記載された摩耗軽減手段。
【請求項４】
前記被覆が、前記燃料ノズルチップに最大０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）の厚さになるように付与されている請求項３に記載された摩耗軽減手段。
【請求項５】
前記インサートが、Ｌ−６０５等の耐摩耗性硬化材料で形成されている請求項１に記載された摩耗軽減手段。
【請求項６】
前記インサートが、少なくとも０．３８ｍｍ（０．０１５インチ）の厚さを有する材料で形成されている請求項６に記載された摩耗軽減手段。
【請求項７】
前記燃料ノズルチップと前記対応する係合面との間に、既定の半径方向間隙を有するガスタービン燃焼器燃料ノズルチップと、これに対応する係合面のための摩耗軽減手段。
【請求項８】
前記半径方向間隙が０．１３〜０．６４ｍｍ（０．００５〜０．０２５インチ）である請求項７に記載された摩耗軽減手段。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン燃焼器に係わり、とりわけ予混合スワーラー組立体（a premix swirler assembly）内に配置された中央燃料ノズルを含む複数の燃料ノズルを具備し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の排出量が少ない燃焼器に関するものである。この燃料ノズル構成は、典型的には、発電のための工業用ガスタービンで用いられる二段・複合式燃焼器に見られる。作動中の動きは勿論のこと、互いに組合せる部品に関する製造と組立公差の故に、中央燃料ノズル、および、これと組み合うスワーラーに摩耗を生じることが知られている。両部品は、一般に、類似材料で作られるため、同様の速さで摩耗する。この摩耗は、相互作用を及ぼし合う組み合い面に起因するものであり、ひいては、それらの面の機械的相対運動と、それらの面の異なる熱膨張に起因する。過度な摩耗は、エンジン運転者にとって、高額出費を伴う早期部品取換えに繋がる。中央燃料ノズルと予混合スワーラー組立体の新品部品との交換費用は、燃焼器当たり優に１万ドルを超える。一般的な工業用ガスタービンの場合、この摩耗状況は、エンジン当たり１０万ドルを超える早期取換え費用を要するほどである。本発明を採用すると、各部品の摩耗量を軽減させ、また、摩耗の発生を予混合スワーラー内の交換可能なインサートに割り当てることによって、中央燃料ノズル、および、これと組み合う予混合スワーラー両者の寿命を延ばすことができる。本発明を適用すると、燃焼器のオーバーホール間隔期間長が増大し、部品寿命が延び、これによって、エンジンの維持費が低減化される。本発明を燃焼器に適用するためのオーバーホールに要する費用は、燃焼器当たり約１６００ドル、つまり典型的なガスタービン当たり僅か１万６千ドルである。
【背景技術】
【０００２】
典型的ガスタービンは、その各々がガスまたは液体燃料を燃焼器内に噴射するための、少なくとも一つの燃料ノズルを含む複数の燃焼器を有する。この燃料は、空気と混合されて反応し、タービンを駆動する高温ガス混合体になる。タービンは、発電機に連結されている駆動軸に機械的に結合されている。燃焼器の構成部品は、過酷な作動環境に耐える高温性能を有する高級材料で形成されている。高品質材料が選択されているにもかかわらず、燃焼器には相互作用を及ぼす多数の部品があり、これらの部品が、相互の摩擦接触を通じてエンジンの運転中に劣化し、ついには取換えが必要になる。
【０００３】
米国特許第５７４９２１８号は、燃料ノズルが燃焼器キャップ組立体の「浮動」装着リングと係合する領域に同様の関心を示している。この装着リングは、燃料ノズルよりも高硬度の材料で形成されており、ノズルの周囲で浮動できる。エンジンが運転状態のとき、装着リングは、一般にはステンレススチールのような軟質材料で形成された燃料ノズルに対して振動する。この振動と運動により、燃料ノズルに過度の摩耗が発生する。
【０００４】
引用した特許は、相対する装着リングによって摩耗が引き起されるときに犠牲になる材料を用いて、燃料ノズルに肉盛溶接を施す思想を開示している。この発明を適用することによって、予定オーバーホールの間隔時間が４０００運転時間も延長され、これによって、オーバーホール作業量が低減化され、結果的に、修理のためにエンジンが系統離脱する時間が短縮されることが知られている。この適用のための肉盛溶接法は、説明した燃料ノズルが比較的小さい寸法であり、オーバーホールと修理が容易であり、さらに肉盛溶接の位置が重要な燃料計量オリフィスに近接していないために有利である。そのようなオリフィスの位置において肉盛溶接材料の適用を誤ると、燃料ノズルに対する多大な再加工が必要となり、また、燃料ノズルの性能も低下する。
【０００５】
したがって、米国特許第５７４９２１８号に開示された摩耗軽減手段は開示された実施例に対しては十分であるが、固定スワーラー組立体と係合する中央燃料ノズルのような特定の他の界面に対しては有効ではない。
【０００６】
先行技術の費用効果を有しながらも、オリフィスにおける肉盛溶接材料に関する欠点を有しない摩耗軽減装置が求められている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、本発明の目的は、二段・複合式燃焼器内の中央燃料ノズルに見られる摩耗の量を軽減することである。
【０００８】
本発明の別の目的は、引起される全ての摩耗を交換可能なインサートに割り当てることによって、燃料ノズルに生じる摩耗の量を軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
かくして、本発明は、窒素酸化物の排出量が低いガスタービン燃焼器内で機能するものであり、また、本発明は、燃料ノズルと燃焼室ライナとの界面に見られる摩耗の量を軽減する手段に関するものである。具体的には、製造・組立公差および機械的相互作用に関連する摩耗を燃焼室ライナ内の交換可能なインサートに割り当てるための関係と構造が開示される。
【００１０】
これらの目的と、以下で明確になるであろうその他の目的に従って、添付図面を見ながら本発明の説明を行う。
【００１１】
図１を見ると、通常型の二段・複合式燃焼器１０が示されている。燃焼器は、燃焼室ライナ１１、外側流路スリーブ（または遮熱体）１２、および格納ケース（図示せず）を含む。燃焼室ライナは、燃焼器ベンチュリ管によって分割された二室である上流室１３と下流室１４を含む。燃焼室ライナ１１は、一群の一次燃料ノズル１７と単一の中央二次燃料ノズル１８を含むカバー１６によって燃焼装置内に格納されている。燃料ノズル１７，１８は、ライナキャップ組立体１９によって燃焼室ライナ１１内に配置される。これらの燃料ノズルは協働して、求められる運転状態に応じて、上流燃焼室１３と下流燃焼室１４のいずれか一方、または、両燃焼室内において燃焼を起こす。
【００１２】
図２を見ると、背景技術で説明した一次燃料ノズル１７の拡大断面図が示されている。図２には、また、燃焼室ライナキャップ組立体１９の浮動カラー２０が示されている。浮動カラー２０は、燃焼室ライナ１１内の一次燃料ノズル１７と係合して位置決めし、また、燃焼室ライナキャップ（図示せず）内に遊嵌できるように一次燃料ノズルよりも僅かに大きい。浮動カラーが大きいサイズを有し、また、自由に動けるか又は浮動できるために、エンジン運転中に浮動カラーが燃料ノズルと接触して、摩擦しがちである。背景技術で説明したように、燃料ノズル１７は肉盛溶接部２１を含み、浮動支持カラー２０は、二部品間の摩擦接触を繰り返して、肉盛溶接部を摩耗させる。
【実施例】
【００１３】
好適実施例が、図３、図４に示されている。図３は、二段・複合式燃焼装置３０の別の形態を示す。この装置は、燃焼室ライナ３１、流路スリーブ（または遮熱体）３２、および格納ケース（図示せず）を含む。燃焼室ライナは、ベンチュリ管３５によって分割された二室である上流室３３と下流室３４を含む。燃焼装置は、一群の一次燃料ノズル３７と単一の中央二次燃料ノズル３８を含む端部カバー３６によって格納される。他の二段・複合式燃焼器と同様に、これらの燃料ノズルは協働して、求められる運転状態に応じて、上流燃焼室３３と下流燃焼室３４のいずれか一方、または、両燃焼室内で燃焼を起こす。
【００１４】
また、図３に示された燃焼室ライナ３１は、軸線Ｂ−Ｂに対して順序よく配置された二つの同心中央筒状体４０，４１を含む。空気スワーラー（旋回器）４２が、筒状体４０，４１の出口部で、かつ、両者の間に配置され、予混合スワーラー４３の全体が、筒状体４１の内側に配置される。中央二次燃料ノズル３８は、二次燃料ノズルが端部カバー３６を貫通して燃焼器３０に装着されたときに予混合スワーラー４３と係合するチップ４４を有する。本発明は、ノズルチップ４４が予混合スワーラー４３と係合する領域に焦点を当てている。この係合領域と本発明の好適実施例の詳細が、図４に示されている。
【００１５】
図４は、ノズルチップ４４を有する二次燃料ノズル３８と予混合スワーラー４３との係合を示している。これは、内側リング４５を予混合スワーラー４３の翼４６の内側に配置することにより達成される。本発明は、予混合スワーラーと二次燃料ノズルチップとの係合面の各々を、構成要素４７，４８として示している。予混合スワーラー４３の内側リング４５は、Ｌ−６０５のような硬化材料で形成された円筒形インサート４７を含む。Ｌ−６０５は、組み合い関係にある部品間の摩耗抵抗用の高温コバルト基超合金である。インサート４７は、燃焼器のオーバーホール時に取外して、新しいインサートと交換できるように、内側リング４５に定位置にて溶接されている。燃料ノズルチップ４４にインサート４７より高い硬度のステライト３１のような金属の吹付け塗装が施されて、部品間の接触により発生する全ての摩耗が交換可能なインサート４７に起こるようにされると、界面領域が完成する。燃料ノズルチップの被覆は、図４では領域４８として示されている。
【００１６】
この組立体を注意深く検討すると、中央燃料ノズルが燃焼器に装着される手段のために、この領域に摩耗防止策が必要であることが明白になる。中央燃料ノズル組立体３８は端部カバー３６に装着され、ノズルチップが、片持ち梁姿勢で約３５．６ｃｍ（約１４インチ）だけ燃焼器内に張り出している。組立公差、製造公差、およびエンジン振動が合成されて、燃料ノズルチップ４４が、予混合スワーラー内側リング４５と接触して摩耗することが起こり得る。一般に、ノズルチップ４４と予混合スワーラー４３の内側リング４５との間には僅かな間隙が存在する。この間隙は、半径方向で０．６４ｍｍ（０．０２５インチ）の大きさまで、エンジンによって変化する。この間隙は、部品間の接触量を極小化するためのものである。ノズルチップ４４と内側リング４５との間に過大な間隙が存在すると、作動方式によって決められるオリフィス４９から噴出される燃料または空気が、予混合スワーラーを通る代わりにこの間隙を通るようになり、これによって、燃焼前の燃料と空気との混合量が減少する。実運転エンジン設備では、この界面に過度な摩耗が見られ、各部品の修理に長期間と多額の費用とを要した。
【００１７】
先行技術と違って、摩耗が生じる部位を燃料ノズルチップ４４ではなく、予混合スワーラーインサート４７に限定することが、種々の理由のために好ましい。第一に、燃料ノズルは、入念なフローテストが行われており、また、燃料オリフィス４９は、仕上加工または被覆の後に再加工が施され、公称設計の＋／−０．０２５ｍｍ（０．００１インチ）以内に調整されている。予混合スワーラーとの相互作用の結果発生する、ノズルのチップ領域における摩耗は、すべて、燃焼器の燃料の流れに好ましくない影響を与える。したがって、燃料ノズルチップ４４と関係上より高い硬度の面である被覆４８とを有するこの領域は、最小の修理または被覆の取換えのみを必要とする。第二に、インサート４７は、燃焼器の通常の保守時に容易に取外すことができるように予混合スワーラー４３の内側リング４５に溶接されており、この間に、キャップ組立体３９を燃焼室ライナ３１から取外して、オーバーホールと断熱被覆の再塗布が行われる。したがって、予混合スワーラー４３の領域にアクセスするための特別の工程は必要ではない。溶接部を切離してインサートが一旦取外されると、新しいインサートを定位置に溶接する前の特別な加工や作業は必要ではない。本発明が先行技術より有利である第三の理由は、ガスタービンに既に用いられている機器に関するものである。先行技術を実行して、予混合スワーラーを耐摩耗性にし、かつ、摩耗を燃料ノズルチップに向かわせるようにする最も好適な方法は、予混合スワーラーを硬化材料で形成することである。このことは、旧キャップ組立体３９の部分、とりわけ同軸の筒状体４０，４１とスワーラー４３，４４、を廃棄するための長期間のオーバーホール作業を必要とする。先行技術をこの部位に施すときに使用者にかかる費用は、本発明よりも極めて大きいものとなる。したがって、本発明は、予混合スワーラー４３と二次燃料ノズルチップ４４の両方の部品寿命を、使用者にとって最小の費用で延ばすことができる手段を提供する。
【００１８】
以上、現時点で好適例であることが判っている実施例に従って本発明の説明を行なったが、本発明は、開示例に限定されるわけではなく、特許請求の範囲で規定した範囲内での、各種変形および等価な構成を包含する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】ガスタービンの通常型燃焼器の断面図。
【図２】図１の拡大詳細図で、燃料ノズルと燃焼器キャップとの係合を示す断面図。
【図３】本発明が適用された燃焼器部の断面図。
【図４】本発明の詳細が示された図３の拡大詳細図。
【符号の説明】
【００２０】
１０  二段・複合式燃焼器
１１  燃焼室ライナ
１２  外側流路スリーブ（断熱部材）
１３  上流燃焼室
１４  下流燃焼室
１５  燃焼器ベンチュリ管
１６  カバー
１７  一次燃料ノズル
１８  中央二次燃料ノズル
１９  ライナキャップ組立体
２０  浮動支持カラー
２１  肉盛溶接部
３０  二段・複合式燃焼装置
３１  燃焼室ライナ
３２  流路スリーブ（断熱部材）
３３  上流燃焼室
３４  下流燃焼室
３５  ベンチュリ管
３６  端部カバー
３７  一次燃料ノズル
３８  中央二次燃料ノズル
３９  キャップ組立体
４０  中央筒状体
４１  中央筒状体
４２  空気スワーラー（旋回器）
４３  予混合スワーラー
４４  ノズルチップ
４５  内側リング
４６  翼
４７  円筒形インサート
４８  被覆
４９  オリフィス
【国際公開パンフレット】
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2004531686.tif 000011
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【国際調査報告】
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