JP6118024B2 - 燃焼器ノズル及び燃焼器ノズルの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、全体的に、燃焼器ノズル及び燃焼器ノズルの製造方法に関する。

当該技術分野においては、空気と共に燃料を点火して高温高圧の燃焼ガスを生成させる燃焼器が知られている。例えば、ガスタービンシステム、航空機エンジン、及びその他の多くの燃焼ベースのシステムは、空気のような作動流体を燃料と混合して該混合気を点火し、高温高圧の燃焼ガスを生成させる１以上の燃焼器を含む。各燃焼器は一般に、燃焼前に燃料と作動流体を混合する１以上のノズルを含む。燃料及び空気が燃焼前に均一に混合されない場合、燃焼器内に局所的ホットスポットが形成される可能性がある。局所的ホットスポットは、望ましくないＮＯｘエミッションの生成を増大させ、燃焼器内の火炎がノズル内にフラッシュバックし及び／又はノズル内部に付着した状態になる可能性が高くなり、これによりノズルに損傷を及ぼす可能性がある。フラッシュバック及び保炎はあらゆる燃料で発生する可能性があるが、燃焼速度が高く可燃範囲が広い水素のような高反応性燃料の場合により発生し易い。

一般に、作動温度すなわち燃焼ガス温度が高くなると、燃焼式システムの熱力学的効率が高くなることは広く知られている。ＮＯｘエミッション、フラッシュバック、及び保炎を最小にしながら、より高い作動温度を可能にする様々な技術的方法が存在する。これらの技術的方法の多くは、局所的ホットスポットを減少させてＮＯｘの生成を低減し、及び／又は低流量ゾーンを減少させ、及び／又はフラッシュバック及び保炎の発生を防止又は減少させることに取り組んでいる。例えば、ノズル設計における継続的な改良により、燃焼前の燃料と空気のより均一な混合が得られ、燃焼器内の局所的ホットスポットの形成が低減又は防止される。代替として、又はこれに加えて、ノズルは、該ノズルを通る燃料及び／又は空気の最低流量を保証して、燃焼器火炎がノズル内にフラッシュバックするのを防止するように設計されてきた。

しかしながら、ノズル設計の改良により、製造、保守管理、及び補修コストが増大する結果となる場合がある。例えば、複数の燃料チャネル、スワーラ、及び燃料噴射器を組み込む改良ノズル設計は、通常、ノズル内のろう付け及び／又は溶接継手の数が増大する。これらの継手は、製造が比較的高価であり、検査及び補修箇所を増やす必要がある。従って、ノズル内のろう付け継手を低減又は排除した改善されたノズル設計が有用となる。

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の一実施形態は、一体成形スワーラを含む燃焼器ノズルである。一体成形スワーラは、一体成形スワーラに沿って軸方向に延在する中央本体と、中央本体内部の第１の燃料通路と、中央本体から半径方向に延在する複数のベーンとを含む。

別の実施形態は、一体成形スワーラを含む燃焼器ノズルである。一体成形スワーラは、燃料の流れを受けるよう構成された中央本体と、中央本体から半径方向に延在する複数のベーンと、複数のベーンの少なくとも一部を円周方向に囲むシュラウドとを含む。

本発明の実施形態はまた、燃焼器ノズルを製造する方法を含むことができる。本方法は、中央本体と、該中央本体から半径方向に延在する複数のベーンとを有する一体成形スワーラを鋳造する段階を含む。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者にとって最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の一実施形態による簡略断面図。 本発明の一実施形態によるノズルの切り欠き斜視図。 図２に示すノズルの平面図。 図２及び３に示す一体成形スワーラの切り欠き斜視図。 本発明の代替の実施形態によるノズルの平面図。 図５に示す一体成形スワーラの切り欠き斜視図。

以下、本発明の実施形態について詳しく説明するが、その１以上の実施例を図面に示す。発明の詳細な説明では、図面に記載した特徴的構成を示すために数字又は文字を符号として用いる。図面及び発明の詳細な説明では、本発明の同一又は同様の部品を示すために、同一又は同様の符号を用いる。

各実施例は例示にすぎず、本発明を限定するものではない。実際、本発明の技術的範囲又は技術的思想から逸脱せずに、本発明に様々な修正及び変形をなすことができることは当業者には明らかであろう。例えば、ある実施形態の一部として例示又は説明した特徴を、別の実施形態に用いてさらに別の実施形態としてもよい。従って、本発明は、かかる修正及び変形を特許請求の範囲で規定される技術的範囲及びその均等の範囲に属するものとして包含する。

図１は、本発明の一実施形態による燃焼器１０の簡略断面図を示している。図示のように、燃焼器１０は、上部キャップ１４内に半径方向に配列された１以上のノズル１２を含むことができる。ケーシング１６は、燃焼器１０を囲んで、圧縮機（図示せず）から流出する空気又は加圧作動流体を内包することができる。端部キャップ１８及びライナ２０は、一般に、ノズル１２の下流側で燃焼チャンバ２２を囲む。流れ孔２６を備えた流れスリーブ２４が、ライナ２０を囲んで、該スリーブ２４及びライナ２０間に環状通路２８を形成することができる。本明細書で使用される用語「孔」、「アパーチャ」、「ポート」、及び「通路」は、実質的に同じ意味であることを意図しており、互いに同義語として用いることができる。加圧作動流体は、流れスリーブ２４内の流れ孔２６を通過してライナ２０の外部に沿って流れ、ライナ２０にフィルム冷却又は対流冷却を提供することができる。次いで、加圧作動流体が反転して１以上のノズル１２を通って流れ、ここで燃料と混合された後、燃焼室２２内で点火され、高温高圧の燃焼ガスを生成する。

図２は、本発明の一実施形態によるノズル１２の斜視図を示す、図３はその側断面図を示す。図２及び３に示すように、ノズル１２は、フランジ３０、吸気流れ調整器３２、一体成形スワーラ３４、バーナ管３６、及び拡散ノズル３８を備えることができる。フランジ３０は、一端で端部キャップ１８にボルト締め又は他の方法で取り付けられ、他端で一体成形スワーラ３４の上流側に溶接、ボルト締めなどの方法で接続することができる。フランジ３０内の内部通路４０は、端部キャップ１８と一体成形スワーラ３４との間を流体連通することができる。フランジ３０は、予想される温度に耐えることができる鋼材又は合金鋼から構成することができ、加圧作動流体がフランジ３０の周りを流れて吸気流れ調整器３２に流入するときの流れ抵抗を軽減するよう環状又は円錐状の形状にすることができる。

吸気流れ調整器３２は、フランジ３０及び／又は一体成形スワーラ３４の少なくとも一部を円周方向に囲み、加圧作動流体が一体成形スワーラ３４を通って又は超えて流れるときに加圧作動流体の速度分布を改善することができる。吸気流れ調整器３２は、有孔スクリーン及び／又は１以上の流れガイドを含むことができる。或いは、又はこれに加えて、図２及び３に示すように、吸気流れ調整器３２は、受け口開口４２を備えた環状スリーブ３２を含むことができ、該環状スリーブ３２は、フランジ３０及び／又は一体成形スワーラ３４と環状スリーブ３２との間に流れ通路４４を画成することができる。

図４は、図２及び３に示す一体成形スワーラ３４の切り欠き斜視図を示す。図示のように、一体成形スワーラ３４は、単体構造又は一体成形部品であり、予想される温度に耐えることができる鋼材又は合金鋼から鍛造又は鋳造することができる。一体成形スワーラ３４は、一般に、中央本体４６、複数のベーン４８、及び／又はシュラウド５０を備える。中央本体４６は一般に、ノズル１２の軸方向中心線５２と整列し且つこれに沿って延在して一体成形スワーラ３４を通じて流体連通することができるプレナム又は環状管体４６を備える。図２から４に示すように、一体成形スワーラ３４は更に、中央本体４６の少なくとも一部の内部に管体５４と、該管体５４と中央本体４６との間に半径方向に延在する少なくとも１つの支持体５６（図４には図示せず）とを含むことができる。このようにして、管体５４は、管体５４と中央本体４６との間に環状スペース５８を画成し、燃料、希釈材、又は加圧作動流体のような流体を一体成形スワーラ３４を通じて容易に流すことを可能にする。

複数のベーン４８が中央本体４６から半径方向に延在することができ、ベーン４８を越えて流れる燃料及び／又は加圧作動流体に接線速度を加える湾曲又は角度付きブレードを含むことができる。図２から４に更に示すように、中央本体４６及びベーン４８を通る燃料通路６０が流体連通し、燃料をベーン４８内で調量ポート６２を通して分配することができる。調量ポート６２は、ベーン４８の一方又は両方の側部上、及び／又はベーン４８の先端に位置することができる。従って、燃料は、フランジ３０内の内部通路４０、中央本体４６内の環状スペース５８、及び燃料通路６０を通ってベーン４８内の調量ポート６２から外に供給することができる。このようにして、加圧作動流体は、流れ通路４４を通って流れ、ベーン４８内の調量ポート６２から流れ通路４４内に噴射される燃料と混合することができる。

シュラウド５０は、中央本体４６及び／又はベーン４８の少なくとも一部を円周方向に囲み、流れ通路４４が一体成形スワーラ３４を通って軸方向に延在することができるようにする。結果として、シュラウド５０は、流れ通路４４を通り且つベーン４８を越えて流れる燃料及び加圧作動流体の混合物を収容及び誘導することができる。

図２及び３に示すように、バーナ管３６は、拡散ノズル３８及び／又は一体成形スワーラ３４の少なくとも一部を円周方向に囲み、ノズル１２を通って流れる燃料及び加圧作動流体の混合物を収容及び誘導することができる。バーナ管３６は、一体成形スワーラ３４に溶接、ボルト締めなどの方法で接続することができ、一体成形スワーラ３４の軸方向下流側に延在することができる。

拡散ノズル３８は、燃料及び／又は加圧作動流体が一体成形スワーラ３４からノズル１２を通って流れるように流体連通を提供する。図２及び３に示すように、拡散ノズル３８は、下流側端部にて燃料ポート６４を備えたプレナム又は環状管体３８を含むことができる。拡散ノズル３８は、バーナ管３６内に中心に配置することができ、一体成形スワーラ３４に接続され、該一体成形スワーラ３４から下流側に延在することができる。具体的には、拡散ノズル３８は、図２及び３に示すように、管体５４及び／又は中央本体４６に溶接、ボルト締めなどの方法で接続することができる。従って、燃料は、フランジ３０、中央本体４６内部の管体５４、及び拡散ノズル３８内の燃料ポート６４を通って流れることができる。加えて、シュラウド５０、ベーン４８、及び中央本体４６を通る連続した通路６６は、加圧作動流体を一体成形スワーラ３４に流し、拡散ノズル３８から流出する前に中央本体４６において管体５４を通って流れる燃料を希薄化可能にすることができる。

図５は、本発明の代替の実施形態によるノズル７０の側断面図を示している。この特定の実施形態では、ノズル７０は、一般に、フランジ７２、一体成形スワーラ７４、シュラウド７６、及び拡散ノズル７８を含む。フランジ７２は、一端で端部キャップ１８にボルト締め又は他の方法で取り付けられ、他端で一体成形スワーラ７４の上流側に溶接、ボルト締めなどの方法で接続することができる。フランジ７２内の内部通路８０は、端部キャップ１８と一体成形スワーラ７４との間を流体連通することができる。フランジ７２は、予想される温度に耐えることができる鋼材又は合金鋼から構成することができ、加圧作動流体がフランジ７２の周りを流れてシュラウド７６に流入するときの流れ抵抗を軽減するよう環状又は円錐状の形状にすることができる。

図６は、図５に示す一体成形スワーラ７４の切り欠き斜視図を示す。図示のように、一体成形スワーラ７４は、この場合も同様に、予想される温度に耐えることができる鋼材又は合金鋼から鍛造又は鋳造することができる。この特定の実施形態では、一体成形スワーラ７４は、一般に、図４に示す実施形態に関して上記で説明したように、中央本体８２及び複数のベーン８４を含む。具体的には、中央本体８２は、一般に、ノズル７０の軸方向中心線８６と整列し且つこれに沿って延在して一体成形スワーラ７４を通じて流体連通することができるプレナム又は環状管体８２を備える。図５及び６に示すように、一体成形スワーラ７４は更に、中央本体８２の少なくとも一部の内部に管体８８と、該管体８８と中央本体８２との間に半径方向に延在する少なくとも１つの支持体９０（図６には図示せず）とを含むことができる。このようにして、管体８８は、該管体８８と中央本体８２との間に環状スペース９２を画成し、燃料、希釈材、又は加圧作動流体のような流体を一体成形スワーラ７４を通じて容易に流すことを可能にする。

複数のベーン８４が中央本体８２から半径方向に延在することができ、ベーン８４を越えて流れる燃料及び／又は加圧作動流体に接線速度を加える湾曲又は角度付きブレードを含むことができる。図５及び６に更に示すように、中央本体８２及びベーン８４を通る燃料通路９４が流体連通し、燃料をベーン８４内で調量ポート９６を通して分配することができる。調量ポート９６は、ベーン８４の一方又は両方の側部上、及び／又はベーン８４の先端に位置することができる。従って、燃料は、フランジ７２内の内部通路８０、中央本体８２内の環状スペース９２、及び燃料通路９４を通ってベーン８４内の調量ポート９６から外に供給することができる。

図５及び６に示す実施形態では、シュラウド７６は、一体成形スワーラ７４とは別個の部品であり、シュラウド７６は、図２〜４に示す実施形態に関して上記で説明された吸気流れ調整器３２、シュラウド５０、及びバーナ管３６により提供される機能を果たす。具体的には、シュラウド７６は、一体成形スワーラ７４に溶接、ボルト締めなどの方法で接続することができ、一体成形スワーラ７４の上流側及び／又は下流側に延在することができる。一体成形スワーラ７４の上流側では、シュラウド７６は、受け口開口９８を備えた環状スリーブ７６を含むことができ、該環状スリーブ７６は、フランジ７２及び／又は一体成形スワーラ７４の少なくとも一部を円周方向に囲み、加圧作動流体が一体成形スワーラ７４を通って流れ又はこれを越えて流れるときに加圧作動流体の速度分布を改善する。環状スリーブ７６は、フランジ７２及び／又は一体成形スワーラ７４と環状スリーブ７６との間に流れ通路１００を画成することができ、加圧作動流体は、流れ通路１００を通って流れ、ベーン８４において調量ポート９６から流れ通路１００内に噴射される燃料と混合することができる。

一体成形スワーラ７４の軸方向長さに沿って、シュラウド７６は、中央本体８２及び／又はベーン８４の一部を円周方向に囲み、流れ通路１００が一体成形スワーラ７４を通って軸方向に延在するようにすることができる。結果として、シュラウド７６は、流れ通路１００を通り且つベーン８４を越えて流れる燃料及び加圧作動流体の混合物を収容及び誘導することができる。一体成形スワーラ７４の下流側では、シュラウド７６は、拡散ノズル７８及び／又は一体成形スワーラ７４の少なくとも一部を円周方向に囲み、ノズル７０を通って流れる燃料及び加圧作動流体の混合物を収容及び誘導することができる。

拡散ノズル７８は、燃料及び／又は加圧作動流体が一体成形スワーラ７４からノズル７０を通って流れるよう流体連通することができる。図５に示すように、拡散ノズル７８は、下流側端部にて燃料ポート１０２を備えたプレナム又は環状管体７８を含むことができる。拡散ノズル７８は、シュラウド７６内に中心に配置することができ、一体成形スワーラ７４に接続されて該一体成形スワーラ７４から下流側に延在することができる。具体的には、拡散ノズル７８は、図５に示すように、管体８８及び／又は中央本体８２に溶接、ボルト締めなどの方法で接続することができる。従って、燃料は、フランジ７２、中央本体８２内部の管体８８、及び拡散ノズル７８内の燃料ポート１０２を通って流れることができる。加えて、シュラウド７６、ベーン８４、及び中央本体８２を通る連続した通路１０４は、加圧作動流体を一体成形スワーラ７４に流し、燃料ポート１０２を通って拡散ノズル７８から流出する前に、ノズル７０を通じて燃料流を希薄化可能にすることができる。

上記で説明され且つ図２から６で図示された実施形態は、燃焼器ノズル１２、７０を製造する方法を提供することができる。具体的には、本方法は、中央本体４６、８２と、該中央本体４６、８２から半径方向に延在する複数のベーン４８、８４とを有する一体成形スワーラ３４、７４を鋳造する段階を含むことができる。詳細な実施形態では、一体成形スワーラ３４はまた、図４に示すようにシュラウド５０を含むことができる。本方法は更に、中央本体４６、８２の上流側の一体成形スワーラ３４、７４に環状フランジ３０、７２を接続する段階、及び／又は複数のベーン４８、８４の少なくとも一部の周りで円周方向にシュラウド７６及び／又はバーナ管３６を接続する段階を含むことができる。このようにして、本方法は、一体成形スワーラ３４からろう付け継手を排除して耐久性を改善し、燃焼器ノズル１２、７０の設計の複雑さを低減する。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０ 燃焼器
１２ ノズル
１４ 部キャップ
１６ ケーシング
１８ 端部キャップ
２０ ライナ
２２ 燃焼室
２４ 流れスリーブ
２６ 流れ孔
２８ 環状通路
３０ フランジ
３２ 吸気流れ調整器、環状スリーブ
３４ 一体成形スワーラ
３６ バーナ管
３８ 拡散ノズル
４０ フランジ内の内部通路
４２ 受け口開口
４４ 流れ通路
４６ 中央本体
４８ ベーン
５０ シュラウド
５２ ノズルの軸方向中心線
５４ 管体
５６ 支持体
５８ 環状スペース
６０ 燃料通路
６２ 調量ポート
６４ 燃料ポート
６６ 連続通路
７０ ノズル
７２ フランジ
７４ 一体成形スワーラ
７６ シュラウド
７８ 拡散ノズル
８０ フランジ内の内部通路
８２ 中央本体
８４ ベーン
８６ ノズルの軸方向中心線
８８ 管体
９０ 支持体
９２ 環状スペース
９４ 燃料通路
９６ 調量ポート
９８ 受け口開口
１００ 流れ通路
１０２ 燃料ポート
１０４ 連続通路

Claims (5)

1. （ａ）一体成形スワーラ（３４）であって、
   （ｉ）前記一体成形スワーラ（３４）に沿って軸方向に延在する中央本体（４６）と、
   （ｉｉ）前記中央本体（４６）内部の第１の燃料通路（３８）と、
   （ｉｉｉ）前記中央本体（４６）から半径方向に延在する複数のベーン（４８）と、
   （ｉｖ）前記中央本体（４６）の少なくとも一部の内部に設けられた管体（５４）であって、前記中央本体（４６）との間に第２の燃料通路（６０）を画成する管体（５４）と、
   （ｖ）前記管体（５４）と前記中央本体（４６）との間に半径方向に延在する少なくとも１つの支持体（５６）と
   を備える一体成形スワーラ（３４）と、
   （ｂ）前記一体成形スワーラ（３４）の少なくとも一部を円周方向に囲むシュラウド（５０）と、
   （ｃ）前記シュラウド（５０）及び前記複数のベーン（４８）を通って前記中央本体（４６）に至る連続通路（６６）であって、加圧作動流体を前記シュラウド（５０）の外から前記中央本体（４６）内部に流して、第１の燃料通路（３８）を流れる燃料を希薄化するための連続通路（６６）と
   を備える、燃焼器ノズル（１２）。
2. 前記第２の燃料通路（６０）が、前記中央本体（４６）及び前記複数のベーン（４８）を通って延在する、請求項１記載の燃焼器ノズル（１２）。
3. 前記シュラウド（５０）が、前記一体成形スワーラ（３４）の軸方向上流側及び前記一体成形スワーラ（３４）の軸方向下流側に延在する、請求項１又は請求項２記載の燃焼器ノズル（１２）。
4. 前記シュラウド（５０）が、一方の端部にて受け口開口（４２）を含む、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃焼器ノズル（１２）。
5. 前記一体成形スワーラ（３４）の上流側に接続された環状フランジ（３０）を更に備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃焼器ノズル（１２）。