JP2004176718A - 燃焼器ライナを清浄化する方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 少なくとも１つ開口（８８）から断熱皮膜材料（９６）を除去する方法を提供する。
【解決手段】 該方法は、水と多数のビーズ（１２２）との混合物（１２０）を準備する段階と、開口を閉塞する断熱皮膜材料を除去するのを促進するために混合物を少なくとも１つの開口内に向ける段階とを含む。そして、開口の内部から材料を除去するのを促進するように前記混合物をガスタービン燃焼器ライナ（５８）内の少なくとも1つの開口内に向ける段階を含む。
【選択図】 図４

Description

本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンに用いられる燃焼器ライナを清浄化する方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは、一般的に空気を加圧するための圧縮機を含む。加圧された空気は、燃料と混合されて燃焼器に流れ、該燃焼器において、燃料／空気の混合気は、燃焼室内で点火されて高温の燃焼ガスを発生する。少なくとも一部の公知の燃焼器は、ドーム組立体と、カウリングと、ライナとを含み、燃焼ガスをタービンに流し、該タービンが、燃焼ガスからエネルギーを取り出して、圧縮機に動力を供給すると共に、飛行中の航空機を推進し或いは発電機のような負荷に動力を供給するような有用な仕事を行う。ライナは、一般的にドーム組立体に結合され、該ドーム組立体から下流方向に延びて燃焼室を形成する。

一般に、燃焼器の作動温度を上昇させることにより、ガスタービンエンジンの効率を向上させることができる。しかしながら、燃焼器の作動温度は、燃焼器ライナの温度限界により制限されることになる。従って、少なくとも一部の公知の燃焼器ライナは、該燃焼器ライナを貫通しかつ該ライナの内側表面と斜めに位置合わせされることができる複数の円周方向に間隔を置いて配置され開口を含む。ライナ内の開口は、該ライナを対流冷却し、また該ライナに対してフィルム対流冷却をもたらすことができ、冷却空気の薄い保護フィルム境界層がライナの内側表面に沿って流れる。燃焼器ライナ内側表面に沿って流れる冷却空気は、ライナと高温燃焼ガスとの間に保護境界層を形成して、ライナを高温燃焼ガスから断熱する。

しかしながら、たとえ薄いフィルム対流冷却をしたとしても、燃焼器ライナ材料は熱を吸収する。時の経過と共に、熱クリープ及び低サイクル疲労が、ライナ内に増大する。従って、燃焼器ライナの内側表面に対して、更に断熱皮膜を施こして、高温燃焼ガスに対する断熱を行うことができる。

断熱皮膜は、所定の燃焼ガス温度に対して必要とされる冷却空気量を減少させるか、又はそれに代えて燃焼ガス温度を高めてエンジン性能を向上させることを可能にする。

断熱皮膜の施工の間及びガスタービンエンジンの運転の間に、皮膜微粒子が、ライナ内の開口の内部に及び／又は該開口を覆って堆積し、それによって開口を部分的に又は完全に閉塞する場合がある。ガスタービンエンジン燃焼器のより効率的な作動を促進するためには、開口を閉塞しているあらゆる微粒子物質は、開口から除去される必要がある。しかしながら、断熱皮膜を除去することは、時間の掛かる作業になるおそれがある。更に、ライナとライナ支持部材との間の空間は限られているので、ライナ支持部材に隣接するライナ開口から微粒子を除去するのが困難な場合がある。

少なくとも1つの開口から断熱皮膜材料を除去する方法が、提供される。該方法は、水と多数のビーズとの混合物を準備する段階と、開口を閉塞している断熱皮膜材料を除去するのを促進するように混合物を少なくとも1つの開口内に向ける段階とを含む。

ノズルが提供され、該ノズルは、第1の端部と第2の端部とを有する本体を含む。本体は、第1の端部と第2の端部との間で測定して９インチより大きい長さを有する。ノズルは更に、ノズル本体を貫通して第1の端部から第2の端部まで延びる通路を含む。通路は、該通路を通って延びる中心軸線を含み、かつ該通路の中心軸線が少なくとも1つの開口の中心軸線と斜めに位置合わせされた時に、流体混合物を該少なくとも1つの開口内に向けるように構成にされて、該少なくとも1つの開口を閉塞している断熱皮膜材料を除去するのを促進する。

ガスタービンエンジン燃焼器ライナ内の少なくとも１つの開口から断熱皮膜材料を除去するためのノズル組立体が、提供される。該組立体は、第１の端部と、第２の端部と、それを貫通して該第１の端部から該第２の端部まで延びる通路と有するノズルを含む。ノズルは、第１の端部と第2の端部との間で測定して約９インチより大きい長さを有する。ノズル組立体は更に、水と多数のビーズとを含む流体混合物を含む。ノズルは、通路の中心軸線が少なくとも1つの開口の中心軸線と斜めに位置合わせされた時に、流体混合物を該少なくとも1つの開口内に向けるように構成にされて、該少なくとも1つの開口を閉塞している断熱皮膜材料を除去するのを促進する。

本明細書で用いる場合、「ビーズ」という用語は、あらゆる固体粒子を意味する。例えば、固体粒子は、ガラス、金属、及び／又はプラスチックの固体粒子を含むことができる。固体粒子の上記の例は、単に例示しただけであって、「ビーズ」という用語の意味を限定しようとするものではない。また、本明細書においては、本発明は、ガスタービンエンジンと関連して、より具体的にはガスタービンエンジン燃焼器ライナ内の開口での使用について説明しているが、本発明は、任意の開口に適用できることを理解されたい。従って、本発明の実施は、ガスタービン燃焼器ライナに限定されない。

図１は、低圧圧縮機１２と、高圧圧縮機１４と、燃焼器組立体１６とを含むガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８と、低圧タービン２０とを含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２４により結合され、また圧縮機１４とタービン１８とは、第２のシャフト２６により結合される。１つの実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅｓから入手可能なＧＥ９０型エンジンである。

運転中、空気は、エンジン１０の入口側２８から低圧圧縮機１２を通って流れ、加圧された空気は、低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。次ぎに加圧空気は、燃焼器組立体１６に送られて、該燃焼器組立体１６において燃料と混合され点火される。燃焼ガスは、燃焼器１６から流れてタービン１８及び２０を駆動する。

図２は、図１に示すエンジン１０のようなガスタービンエンジンに用いられる燃焼器組立体１６の断面図である。図３は、区域３に沿った燃焼器組立体１６の１部の拡大図である。燃焼器組立体１６は、燃料供給システム５０と、燃焼器ドーム組立体５２と、環状の内側ケーシング５４と、環状の外側ケーシング５６と、それぞれ環状の半径方向外側及び内側燃焼ライナ５８及び６０とを含む。ライナ５８及び６０は、燃焼器組立体１６の中心軸線６２の周りに同軸にかつ半径方向に間隔を置いて配置されて、その間に環状の燃焼ゾーン６４を形成する。各ライナ５８及び６０は、それぞれの上流端６６及び６８とそれぞれの下流端７０及び７２とを含む。ライナ上流端６６及び６８は、燃焼器ドーム組立体５２に固定結合される。外側ライナ５８は、該ライナ５８の下流端７０から延びる外側フランジ支持体７４を含む。フランジ支持体７４は、燃焼器外側ケーシング５６に固定結合される。内側ライナ６０は、該ライナ６０の下流端７２から延びる内側フランジ支持体７６を含む。内側フランジ支持体７６は、燃焼器内側ケーシング５４に固定結合される。

燃焼ドーム組立体５２は、燃焼ゾーン６４の上流端を形成し、かつ燃焼器ドーム組立体５２の周りで円周方向に間隔を置いて配置された複数のミキサ組立体７８を含み、該ミキサ組立体が、燃料と空気との混合物を燃焼ゾーン６４に供給する。例示的な実施形態では、燃焼器ドーム組立体５２は、２つの環状の燃焼器ドームを含む二重アニュラ型燃焼器（ＤＡＣ）である。しかしながら、別の実施形態では、燃焼器ドーム組立体５２は、あらゆる数の燃焼器ドームを含むことができることを理解されたい。例えば、１つの実施形態では、燃焼器ドーム組立体５２は、単一アニュラ型燃焼器（ＳＡＣ）であり、また別の実施形態では、燃焼器ドーム組立体５２は、三重アニュラ型燃焼器である。

環状のディフューザ８４が、圧縮機１４から吐出された空気を燃焼器ドームに、より具体的にはミキサ組立体７８内に導き、該ミキサ組立体において、加圧空気は、燃料供給システム５０により供給された燃料と混合される。燃料／空気の混合気は次ぎに、燃焼ゾーン６４内で点火されて燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスが燃焼ゾーン６４からタービンノズル８６を通して吐出される。

圧縮機１４から吐出された加圧空気の１部分は、ライナ５８と燃焼器ケーシング５６との間に形成された流路８５、及びライナ６０と燃焼器ケーシング５４との間に形成された流路８７に導かれて燃焼器組立体１６を冷却する。より具体的には、流路８５及び８７を通って流れる加圧空気は更に、ライナ５８及び６０内に形成された複数の開口８８を通って燃焼ゾーン６４内に流れる。開口８８を通って流れる加圧空気は、該開口８８に隣接する領域内のライナ５８及び６０を対流冷却するのを促進し、同時に燃焼ゾーン６４内の燃焼ガスを希釈するのを促進する。更に、開口８８を通って流れる空気はまた、冷却空気の薄いフィルムを形成してライナ５８の内側表面９０及びライナ６０の内側表面９２の各々を冷却する。薄い保護フィルムの冷却空気は、内側表面９０及び９２に沿って流れるので、保護境界層が、ライナ５８及び６０と燃焼ゾーン６４内の高温燃焼ガスとの間に形成されて、該ライナ５８及び６０を高温燃焼ガスから断熱するのを促進する。

各開口８８は、ライナ５８の外側表面９１及びライナ６０の外側表面９３の各々に対して斜めに位置合わせされている。開口８８を斜めに配向することによって、所望の境界層厚さが維持されるため、内側表面９０及び９２のフィルム冷却が促進される。より具体的には、開口８８の各々は、各それぞれの外側表面９１及び９３に対して同様に斜めに位置合わせされた中心軸線９４を含む。１つの実施形態では、開口８８及び軸線９４は、各それぞれの外側表面９１及び９３に対して約２０度の角度で配向されている。例示的な実施形態では、開口８８は、ほぼ円形である。しかしながら、開口８８は、任意の所望の形状及び／又は構成にすることができることを理解されたい。

ライナ５８及び６０を断熱するのを促進するために、内側表面９０及び９２に断熱皮膜９６が施される。断熱皮膜９６もまた、所望の燃焼ガス温度に適した開口８８を通して流されなければならない冷却空気量を減少させるのを促進し、又はそれに代えて燃焼ガス温度を高めるのを促進するようにすることもできる。断熱皮膜９６の施工の間及びガスタービンエンジン１０（図１に示す）の運転の間に、断熱皮膜９６からの材料が、ライナ開口８８の内部に及び／又は該ライナ開口８８を覆って堆積し、それによって開口８８を部分的に又は完全に閉塞する場合がある。ガスタービンエンジン１０の、より具体的には燃焼器組立体１６の効率的な作動を促進するためには、開口８８を閉塞しているあらゆる断熱皮膜材料が、ライナ５８及び６０と開口８８の内部とから除去されることになる。しかしながら、公知の方法及び水ノズルを用いた場合、ライナ支持体７４及び７６に隣接するライナ開口８８から断熱皮膜材料９６を除去するのが困難な場合がある。より具体的には、ライナ５８及び６０とそれぞれのライナ支持体７４及び７６との間の空間が限られているために、断熱皮膜材料を除去するために開口８８を通して公知の水ノズルを配置することが不可能な場合がある。

図４は、ライナ５８及び６０（図２及び図３に示す）と開口８８（図３に示す）とから材料を除去するために用いることができる例示的なノズル組立体１００の正面図である。ノズル組立体１００は、ノズル１０２と、導管１０４と、流体供給源１０６とを含む。ノズル１０２は、第1の端部１１０と、第2の端部１１２と、それを通して延びる中心軸線１１４とを有する本体１０８とを含む。ノズル本体１０８は、第1の端部１１０と第２の端部１１２との間で測定した長さ１１６だけ延びている。この例示的な実施形態では、ノズル長さ１１６は、約９インチより大きい。１つの実施形態では、ノズル長さ１１６は、約１０インチである。別の実施形態では、ノズル長さ１１６は、約１９インチである。しかしながら、ノズル長さ１１６は、ライナ支持体７４及び／又は７６に隣接するライナ開口８８から断熱皮膜材料を除去するのに適した任意の長さとすることができ、またこのような長さ１１６は、ライナ支持体７４及び７６の寸法及び構成によって決まることになる。通路１１８が、ノズル本体１０８を完全に貫通して第１の端部１１０から第２の端部１１２まで延びる。

例示的な実施形態では、ノズル本体１０８は、ほぼ円筒形の形状である。しかしながら、ノズル本体１０８は、任意の適当な形状にすることができることを理解されたい。１つの実施形態では、ノズル本体１０８は、約０．２インチから０．３インチまでの範囲の外径と、通路１１８により形成された、約０．０７インチから０．０９インチまでの範囲の内径とを有する。更に、この例示的な実施形態では、ノズル本体１０８は、熱処理されたＭ２工具鋼から形成される。しかしながら、ノズル本体１０８は、任意の材料から、かつ少なくとも５５ＲＣの硬度を有するノズル本体１０８を作り出す任意の処理法を用いて形成することができることを理解されたい。

ノズル１０２は、導管１０４により流体供給源１０６に結合され、通路１１８が、流体供給源１０６の内部に含まれる流体１２０と流体連通するようになる。例示的な実施形態では、流体１２０は、水と多数のビーズとの混合物を含む。１つの実施形態では、ビーズは、ガラスビーズである。別の実施形態では、ビーズは、それに限定するのではないが、ウオルナット、ベーキングソーダ、及び／又はコーンハスクから製作することができる。流体供給源１０６は、ポンプ（図示せず）、又は他の適当な手段を含み、流体１２０を流体供給源１０６から導管１０４及びノズル通路１１８を通して圧送する。ビーズ１２２は、ノズル本体１０８の耐食性より低い耐食性を有するので、流体１２０がノズル通路１１８を通って流れるとき、ビーズ１２２は、ノズル本体１０８の材料を侵食することはない。ビーズ１２２はまた、ライナ５８及び６０の耐食性より低い耐食性を有する。

支持体７４又は支持体７６のいずれかに隣接するライナ開口８８を閉塞している断熱皮膜材料を除去するために、ノズル１０２は、それぞれの流路８５又は８７の内部に挿入される。ノズル１０２は、ノズル本体１０８及びノズル中心軸線１１４がそれぞれの外側表面９１又は９３及び開口中心軸線９４に対して斜めに位置合わせされ、かつノズル通路１１８がそれぞれの開口８８の方向に向けられるように、それぞれの流路８５又は８７の内部に位置決めされる。１つの実施形態では、ノズル本体１０８及びノズル中心軸線１１４は、それぞれの外側表面９１又は９３に対して約１３度の角度で斜めに位置合わせされる。次ぎに、流体１２０が、流体供給源１０６から導管１０４及び通路１１８を通して圧送され、流体１２０を開口１１８内に向ける。

開口８８を通る流体１２０の通過により、開口８８から断熱皮膜材料が除去される。より具体的には、ノズル１０２は、燃焼器ライナ開口から断熱皮膜を除去するのに用いられる他の公知のノズルと比較してより細長いので、ノズル本体中心軸線１１４、従って通路１１８が、それぞれのライナ支持体７４又は７６に隣接する開口８８内の開口軸線９４とより正確に位置合わせされるようになる。流体１２０内部にビーズを含有させることにより、燃焼器ライナ開口から断熱皮膜材料を除去する公知の方法と比較して、流体１２０の壊食作用（ｅｒｒｏｓｉｖｅｎｅｓｓ）を増大させることになり、それによって開口８８から断熱皮膜材料を除去するのを促進する。

上述のノズル組立体は、燃焼器ライナ開口から材料を除去するのに費用効果が良く、高い信頼性があり、かつ高い正確度がある。本明細書で述べたノズルは、該ノズルを開口の中心軸線と位置合わせすることなく、燃焼器ライナ開口から材料を除去することを可能にする。より具体的には、本明細書で述べたノズル組立体は、細長いノズルと、水とビーズとの混合物とを用いて燃焼器ライナ開口から材料を除去することを可能にする。その結果、このノズル組立体は、費用効果が良くかつ信頼がある方法で材料除去費用を節減することを可能にする。

ノズル組立体の例示的な実施形態を、上記に詳細に説明している。このシステムは、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ各組立体の構成部品は、本明細書で説明した他の構成部品とは独立してかつ別個に用いることができる。各ノズル組立体構成部品はまた、他のノズル組立体構成部品と組み合わせて用いることもできる。

本発明を、様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは、当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

ガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンに用いることができる例示的な燃焼器組立体の断面図。 区域３に沿った、図２に示す燃焼器組立体の１部の拡大図。 図２及び図３に示す燃焼器の１部から材料を除去するために用いることができる例示的なノズルの正面図。

符号の説明

１００ ノズル組立体
１０２ ノズル
１０４ 導管
１０６ 流体供給源
１０８ ノズル本体
１１４ ノズル中心軸線
１１６ ノズル長さ
１１８ ノズル通路
１２０ 流体

Claims (20)

1. 少なくとも1つの開口（８８）から断熱皮膜材料（９６）を除去する方法であって、
   水と多数のビーズ（１２２）との混合物（１２０）を準備する段階と、
   前記開口を閉塞している断熱皮膜材料を除去するのを促進するように前記混合物を前記少なくとも1つの開口内に向ける段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記混合物（１２０）を前記少なくとも1つの開口（８８）内に向ける前記段階が、前記開口の内部から材料を除去するのを促進するように前記混合物をガスタービン燃焼器ライナ（５８）内の少なくとも1つの開口内に向ける段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 水と多数のビーズ（１２２）との混合物（１２０）を準備する前記段階が、水と複数のガラスビーズとの混合物を準備する段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記混合物（１２０）を前記少なくとも1つの開口（８８）内に向ける前記段階が、ノズル（１０２）を用いて前記混合物を少なくとも1つの開口内に向ける段階を含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 水と多数のビーズ（１２２）との混合物（１２０）を準備する前記段階が、前記ノズル（１０２）より低い耐食性を有する多数のビーズを含む混合物を準備する段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. ノズル（１０２）を用いて前記混合物（１２０）を少なくとも1つの開口（８８）内に向ける前記段階が、約９インチより大きい長さ（１１６）を有するノズルを用いて前記混合物を少なくとも1つの開口内に向ける段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
7. ノズル（１０２）を用いて前記混合物（１２０）を少なくとも1つの開口（８８）内に向ける前記段階が、前記ノズルを熱処理する段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
8. 第1の端部（１１０）と第2の端部（１１２）とを有し、該第1の端部と該第2の端部との間で測定して９インチより大きい長さ（１１６）を有する本体（１０８）と、
   前記ノズル本体を貫通して前記第1の端部から前記第2の端部まで延びる通路（１１８）と、を含み、
   前記通路が、該通路を通って延びる中心軸線（１１４）を含み、かつ該通路の中心軸線が少なくとも1つの開口（８８）の中心軸線と斜めに位置合わせされた時に、流体混合物（１２０）を該少なくとも1つの開口内に向けるように構成にされて、該少なくとも1つの開口を閉塞している断熱皮膜材料（９６）を除去するのを促進する、
   ことを特徴とするノズル（１０２）。
9. 前記ノズル本体（１０８）が、ほぼ円筒形の形状をしており、前記通路（１１８）が、前記ノズル本体の内径を形成していることを特徴とする、請求項８に記載のノズル（１０２）。
10. 前記ノズル本体（１０８）が、鋼を含むことを特徴とする、請求項８に記載のノズル（１０２）。
11. 前記ノズル本体（１０８）が、Ｍ２工具鋼を含むことを特徴とする、請求項１０に記載のノズル（１０２）。
12. 前記ノズル本体（１０８）が、前記本体の第1の端部（１１０）と前記本体の第2の端部（１１２）との間で測定して約９インチから１１インチまでの範囲の長さ（１１６）を有することを特徴とする、請求項８に記載のノズル（１０２）。
13. 前記ノズル本体（１０８）が、前記本体の第１の端部（１１０）と前記本体の第２の端部（１１２）との間で測定して約１８インチから２０インチまでの範囲の長さ（１１６）を有することを特徴とする、請求項８に記載のノズル（１０２）。
14. 前記ノズル本体（１０８）が、約０．２インチから０．３インチまでの範囲の外径と、約０．０７０インチから０．０９０インチまでの範囲の内径とを含むことを特徴とする、請求項９に記載のノズル（１０２）。
15. ガスタービンエンジン燃焼器ライナ（５６）内の少なくとも１つの開口（８８）から断熱皮膜材料（９６）を除去するためのノズル組立体（１００）であって、
    第１の端部（１１０）と、第２の端部（１１２）と、それを貫通して該第１の端部から該第２の端部まで延びかつそれを通って延びる中心軸線（１１４）を含む通路（１１８）とを含み、前記第１の端部と前記第2の端部との間で測定して約９インチより大きい長さを有するノズル（１０２）と、
    水と多数のビーズ（１１２）とを含む流体混合物（１２０）と、を含み、
    前記ノズルは、前記通路の中心軸線が少なくとも1つの開口の中心軸線と斜めに位置合わせされた時に、前記流体混合物を該少なくとも1つの開口内に向けるように構成にされて、該少なくとも1つの開口を閉塞している断熱皮膜材料を除去するのを促進する、
    ことを特徴とするノズル組立体（１００）。
16. 前記流体混合物（１２０）が、各々が前記ノズル（１０２）より低い耐食性を有する水と複数のガラスビーズ（１２２）との混合物を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のノズル組立体（１００）。
17. 前記ノズル（１０２）が、熱処理されたＭ２工具鋼を含むことを特徴とする、請求項１５に記載のノズル組立体（１００）。
18. 前記ノズル（１０２）が、前記本体の第1の端部（１１０）と前記本体の第2の端部（１１２）との間で測定して約９インチから２０インチまでの範囲の長さ（１１６）を有することを特徴とする、請求項１５に記載のノズル組立体（１００）。
19. 前記ノズル（１０２）が、ほぼ円筒形の形状をしており、前記通路（１１８）が、前記ノズルの内径を形成していることを特徴とする、請求項１５に記載のノズル組立体（１００）。
20. 前記ノズル（１０２）が、約０．２インチから０．３インチまでの範囲の外径と、約０．０７０インチから０．０９０インチまでの範囲の内径とを含むことを特徴とする、請求項１９に記載のノズル組立体（１００）。

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