燃气轮机燃烧器、燃料喷嘴的制造方法与流程

1.本发明涉及燃气轮机燃烧器的结构及其制造方法，尤其涉及应用于通过金属三维层叠造型技术制作的燃料喷嘴的结构以及制造方法并有效的技术。


背景技术：

2.在燃气轮机中，以降低废气对环境造成的负荷为目的，对运转时排出的nox设定严格的环境基准。nox的排出量随着火焰温度的高温化而增加，因此需要抑制局部高温的火焰的形成，实现均匀的燃烧。为了进行均匀的燃烧，需要实现燃料的高分散性的复杂的燃烧器结构。
3.作为制造复杂的燃烧器结构的方法，存在三维层叠造型技术。在三维层叠造型中，通过对金属粉末照射激光进行烧结，能够制造复杂的结构。通过将三维层叠造型应用于燃烧器结构(部件)的制造，能够实现与燃料的分散性的提高相关的复杂的结构。
4.燃料的分散性的提高有助于nox排出量的降低，另一方面，根据燃烧器的运转状况，有可能暂时发生不稳定的燃烧。因不稳定的燃烧而产生燃烧空间中的压力变动，存在部件损伤的可能性。为了防止这样的部件的损伤，需要采用能够耐受暂时的压力变动的增大的结构。
5.作为本技术领域的背景技术，例如有专利文献1那样的技术。在专利文献1中公开了：“一种燃气涡轮发动机用的翼型，在燃气涡轮发动机用的翼型中，具备配置于型腔内以便能够划分型腔且能够加强翼型，并且遍及型腔的整体而分配的网眼状材料；以及以能够使翼型的振动衰减的方式配置于型腔内，并且在型腔内遍及单元状材料的整体而被分配的振动衰减介质”。
6.现有技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本特开2007
‑
205351号公报


技术实现要素：

9.发明所要解决的课题
10.如上所述，通过三维层叠能够实现与燃料的分散性的提高相关的复杂的结构，另一方面，需要采用能够耐受不稳定燃烧引起的暂时性的压力变动的增大的结构。
11.随着压力变动而产生的振动应力一般在燃料喷嘴的根部成为最大。作为降低振动应力的方法之一，是扩大根部直径。通过根部直径的扩大，截面系数增加，从而具有降低振动应力的效果，但仅限于具有使根部直径扩大的空间上的富余的情况。
12.作为其他方法，有提高燃料喷嘴的衰减性能来降低振动应力的方法。通过将有效利用三维层叠造型来提高衰减性能的结构组装到燃料喷嘴的内部，不改变燃料喷嘴的形状便能够降低振动应力。
13.在上述专利文献1中，通过在整个型腔内配置振动衰减介质来使翼型的振动衰减，
但并未提及上述那样的燃料喷嘴的根部处的振动应力的问题、三维层叠造型引起的衰减性能的提高。
14.因此，本发明的目的在于提供燃气轮机燃烧器，其具备通过三维层叠造型而成形的燃料喷嘴，该燃气轮机燃烧器具备针对由不稳定燃烧引起的振动应力的衰减性能较高的燃料喷嘴。
15.另外，本发明的另一目的在于，提供在基于三维层叠造型的燃料喷嘴的制造方法中，能够制造针对由不稳定燃烧引起的振动应力的衰减性能较高的燃料喷嘴的燃料喷嘴的制造方法。
16.用于解决课题的方案
17.为了解决上述课题，本发明提供燃气轮机燃烧器，具备通过三维层叠造型而成形的燃料喷嘴，所述燃气轮机燃烧器的特征在于，所述燃料喷嘴具有：金属粉末烧结后的第一区域；以及被所述第一区域包围且所述金属粉末未烧结的第二区域。
18.另外，本发明是基于金属三维层叠造型的燃料喷嘴的制造方法，其包含：(a)对基于金属三维层叠造型的造型面的第一区域照射激光而使金属粉末烧结的工序；(b)在所述造型面中不对被所述第一区域包围的第二区域照射激光而保留未烧结的金属粉末的工序。
19.发明效果
20.根据本发明，在具备通过三维层叠造型而成形的燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器中，能够实现具备针对由不稳定燃烧引起的振动应力的衰减性能较高的燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器。
21.另外，在基于三维层叠造型的燃料喷嘴的制造方法中，能够实现能够制造针对由不稳定燃烧引起的振动应力的衰减性能较高的燃料喷嘴的燃料喷嘴的制造方法。
22.由此，能够提供具有针对由不稳定燃烧引起的压力变动的增大而充分的结构可靠性的燃气轮机燃烧器。
附图说明
23.上述以外的课题、结构及效果可通过以下的实施方式的说明而变得明确。
24.图1是表示本发明的一实施方式涉及的燃气轮机燃烧器的概略结构的剖视图。
25.图2是图1的燃烧器17的放大图。
26.图3是表示在内部具有未烧结的金属粉末的部件结构的衰减效果的图。
27.图4是本发明的实施例1涉及的燃料喷嘴的剖视图。
28.图5是图4的燃料喷嘴14的前端部的放大图。
29.图6是本发明的实施例2涉及的燃料喷嘴的剖视图。
30.图7是本发明的实施例3涉及的燃料喷嘴的剖视图。
31.图8是本发明的实施例4涉及的燃料喷嘴的剖视图。
32.图9是本发明的实施例5涉及的燃料喷嘴的剖视图。
33.图10是表示本发明的实施例6涉及的燃料喷嘴的制造方法的剖视图。
34.图中：
35.1—燃气轮机装置，2—空气，3—压缩机，4—压缩空气，5—燃料，6—燃烧气体，7—燃烧器，8—燃气轮机，9—发电机，10—末端凸缘，11—外筒，12—空气孔板，13—燃料喷嘴
板，14—燃料喷嘴，15—内衬，16—(外筒11与内衬15之间的)流路，17—燃烧器，18—冷却空气，19—燃料供给管，20—空气孔，21—混合气体，22—燃烧室，23—火焰，30—(燃料喷嘴14的)上游侧端部，40—(空气孔板12和燃料喷嘴板13的)中心轴，45—(在燃料喷嘴14中流动)燃料，50—燃烧器17的一部分，52—(燃料喷嘴14的)前端部，60—(燃料喷嘴14的)燃料流路，61—(燃料喷嘴14的)前端，62—(存在未烧结的金属粉末的)区域，63—(燃料喷嘴14的前端部的)区域，64—未烧结的金属粉末，65—(封入金属粉末的空间(区域62)的)壁面，70—(存在未烧结的金属粉末的)区域，80—(存在未烧结的金属粉末的)区域，90—(存在未烧结的金属粉末的)区域，100—燃料喷射孔，101—(从燃料喷嘴14的侧面的燃料喷射孔100喷射的)燃料，102—(存在未烧结的金属粉末的)区域，110—造型的朝向(层叠方向)，111—(存在未烧结的金属粉末的)区域，112—(造型中的)面，113—(造型面中的未烧结的)部分，114—(造型面中的烧结的)部分。
具体实施方式
36.以下，使用附图对本发明的实施例进行说明。另外，在各附图中对相同的结构标注相同的附图标记，对于重复的部分省略其详细说明。
37.首先，参照图1及图2，对成为本发明的对象的燃气轮机燃烧器进行说明。图1是表示燃气轮机燃烧器的概略结构的剖视图，表示为包含压缩机3、燃气轮机8、发电机9的燃气轮机装置1。图2是图1的燃烧器17的放大图。
38.如图1所示，燃气轮机装置1构成为，包含：从大气取入空气2并进行压缩的压缩机3；将在压缩机3中压缩后的压缩空气4与燃料5混合并使其燃烧，生成高温高压的燃烧气体6的燃烧器7；由燃烧器7产生的燃烧气体6驱动，将燃烧气体6的能量作为旋转动力而取出的燃气轮机8；以及使用燃气轮机8的旋转动力进行发电的发电机9。
39.在图1中，作为燃烧器7的例子，示出由末端凸缘10、外筒11、空气孔板12、燃料喷嘴板13、燃料喷嘴14、内衬15构成的结构。但是，本发明不限于图1的燃烧器，也能够应用于各种结构的燃烧器。
40.被压缩机3压缩后的压缩空气4通过外筒11与内衬15之间的流路16，流入燃烧器17。压缩空气4的一部分作为用于冷却内衬15的冷却空气18而流入内衬15内。
41.燃料5通过端部凸缘10的燃料供给管19流入燃料喷嘴板13，通过各燃料喷嘴14而向空气孔板12喷射。在空气孔板12的空气孔20的燃料喷嘴侧入口，从燃料喷嘴14喷射的燃料5和压缩空气4混合，燃料5和压缩空气4的混合气体21朝向燃烧室22喷射，形成火焰23。
42.另外，本发明的燃烧器7不仅能够使用天然气，还能够使用焦炉气、炼油厂废气、煤气化气等燃料。
43.图2表示图1的燃烧器17的放大图。在图2中，示出了燃烧器17的上侧半部分的放大图。燃烧器17由空气孔板12、燃料喷嘴板13、燃料喷嘴14构成，空气孔板12与燃料喷嘴板13的中心轴40一致。燃料喷嘴14的上游侧端部30与燃料喷嘴板13冶金结合，其接合部被密封以免燃料5(45)泄漏。
44.燃料喷嘴14的前端部52与空气孔板12的空气孔20不接触，压缩空气4能够相对于空气孔20自由地流入。燃料喷嘴14的上游侧端部30与燃料喷嘴板13的接合方法通常利用焊接、钎焊等。
45.接着，参照图3，对针对具有未烧结的金属粉末的部件的振动应力的衰减性能的提高效果进行说明。
46.图3表示通过三维层叠造型而制作的圆柱形状的悬臂梁的衰减比。左侧的图表所示的通常结构是在内部没有未烧结的金属粉末的实心结构，右侧的图表所示的高衰减结构在内部具有未烧结的金属粉末。通过在部件内部保留未烧结的金属粉末，衰减比提高约9倍，具有使振动衰减的效果。
47.【实施例1】
48.参照图4及图5，对本发明的实施例1涉及的燃料喷嘴的结构及制造方法进行说明。图4是本实施例的燃料喷嘴14的剖视图，是图2所示的燃烧器17的一部分50的放大图。
49.在燃料喷嘴14的中央具有供燃料45流动的燃料流路60。由燃料喷嘴板13分配的燃料45通过各自的燃料喷嘴14，从前端61喷射。
50.本实施例的燃料喷嘴14具有在燃料流路60与燃料喷嘴14的外表面之间存在未烧结的金属粉末的区域62。在通过三维层叠造型来制作燃料喷嘴14的工序中，通过不对区域62的部分照射激光而以未烧结的状态残留，从而能够制作本结构。在三维层叠造型中，通常使用单一的材料，因此在造型过程中残留于部件内部的未烧结的金属粉末的材质与燃料喷嘴14的材质相同。
51.图5表示图4的区域63的放大图。在区域62中存在许多未烧结的金属粉末64，在燃料喷嘴14振动时，这些金属粉末64运动(振动)。在该过程中，未烧结的金属粉末64彼此接触而产生摩擦力，从而产生燃料喷嘴14的振动能量散失而使振动衰减的效果。另外，在未烧结的金属粉末64和封入金属粉末64的区域62的壁面65之间也产生摩擦力，产生使振动衰减的效果。
52.如以上说明的那样，本实施例的燃气轮机燃烧器的燃料喷嘴14具有烧结了金属粉末的第一区域和被第一区域包围且金属粉末未烧结的第二区域(区域62)。
53.另外，在从燃料喷嘴14的根部到前端部设置的燃料流路60与燃料喷嘴14的外周面之间具有第二区域(区域62)。
54.由此，在具备通过三维层叠造型而成形的燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器中，能够实现具备针对由不稳定燃烧引起的振动应力的衰减性能较高的燃料喷嘴的燃气轮机燃烧器。
55.【实施例2】
56.参照图6，对本发明的实施例2涉及的燃料喷嘴的结构及制造方法进行说明。图6是本实施例的燃料喷嘴14的剖视图，是图2所示的燃烧器17的一部分50的放大图。
57.包含未烧结的金属粉末的截面有时因截面系数的降低或应力集中而使材料强度降低。在燃料喷嘴14的根部的应力较高的情况下，需要使未烧结的区域从根部离开。
58.于是，如图6所示，在本实施例中，通过在燃料喷嘴14的根部以外的部位(区域)设置未烧结的区域70，不使根部的强度降低便能够使振动衰减。
59.也就是说，本实施例的燃料喷嘴14在除了根部以外的燃料流路60与外周面之间具有第二区域(金属粉末未烧结的区域70)。
60.【实施例3】
61.参照图7，对本发明的实施例3涉及的燃料喷嘴的结构及制造方法进行说明。图7是本实施例的燃料喷嘴14的剖视图，是图2所示的燃烧器17的一部分50的放大图。
62.在图7所示的尖细形状的燃料喷嘴14中，有时在前端侧没有设置金属粉末未烧结的区域的空间。
63.于是，如图7所示，在本实施例中，通过在燃料喷嘴14的根部侧设置金属粉末未烧结的区域80，即使是尖细形状的燃料喷嘴14，也能够保留未烧结的金属粉末，能够使振动衰减。
64.也就是说，本实施例的燃料喷嘴14在根部的燃料流路60与外周面之间具有第二区域(金属粉末未烧结的区域80)，在除了根部以外的燃料流路60与外周面之间不具有第二区域(金属粉末未烧结的区域80)。
65.【实施例4】
66.参照图8，对本发明的实施例4涉及的燃料喷嘴的结构及制造方法进行说明。图8是本实施例的燃料喷嘴14的剖视图，是图2所示的燃烧器17的一部分50的放大图。
67.在如实施例1(图4)那样设置从燃料喷嘴14的根部到前端连续的未烧结的区域62的情况下，有时燃料喷嘴14的刚性降低。在想要出于强度设计或失调设计的方便而提高刚性的情况下，如图8所示，通过将如图4那样的连续的未烧结的区域62分割为多个未烧结的区域90，能够提高刚性。
68.另外，图8是在燃料喷嘴14的轴向上分割未烧结的区域而设置的例子，但对于燃料喷嘴14的周向也同样地进行分割，由此能够提高刚性。
69.也就是说，本实施例的燃料喷嘴14的第二区域(金属粉末未烧结的区域90)在燃料喷嘴14的轴向或周向上分割为多个。
70.【实施例5】
71.参照图9，对本发明的实施例5涉及的燃料喷嘴的结构及制造方法进行说明。图9是本实施例的燃料喷嘴14的剖视图，是图2所示的燃烧器17的一部分50的放大图。
72.如图9所示，本实施例的燃料喷嘴14是从侧面的燃料喷射孔100喷射燃料101的结构。在该类型的燃料喷嘴14中，能够在比侧面的燃料喷射孔100靠前端侧设置金属粉末未烧结的区域102，能够使振动衰减。
73.也就是说，本实施例的燃料喷嘴14在侧面具有燃料喷射孔100，在比燃料喷射孔100靠前端侧具有第二区域(金属粉末未烧结的区域102)。
74.【实施例6】
75.参照图10，对本发明的实施例6的燃料喷嘴的制造方法进行说明。图10表示通过三维层叠造型来制作燃料喷嘴14的中途的过程。
76.从燃料喷嘴板13侧向朝向110的方向进行造型，在图10中表示对面112进行造型的瞬间。
77.在对金属粉末未烧结的区域113进行造型的过程中，不对造型面中的未烧结的部分113照射激光，而仅对烧结的部分114照射激光，由此能够保留金属粉末未烧结的区域111。
78.如以上说明的那样，本实施例的燃料喷嘴的制造方法为基于金属三维层叠造型的燃料喷嘴的制造方法，该方法包含以下工序：(a)对基于金属三维层叠造型的造型面(造型中的面112)的第一区域(造型面中的烧结的部分114)照射激光而使金属粉末烧结的工序；(b)在造型面(造型中的面112)中不对被第一区域(造型面中的烧结的部分114)包围的第二
区域(造型面中的未烧结的部分113)照射激光而保留未烧结的金属粉末的工序。
79.此外，本发明并不限定于上述实施例，包含各种变形例。例如，上述实施例是为了有助于对本发明的理解而详细地进行了说明的实施例，并不限定于必须具备所说明的全部结构。另外，能够将某实施例的结构的一部分置换为其他实施例的结构，另外，也能够在某实施例的结构中添加其他实施例的结构。另外，对于各实施例的结构的一部分，能够进行其他结构的追加、删除、置换。