JP2004183660A - 燃焼器ライナを取り換える方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の方法は、ガスタービンエンジンの燃焼器ライナ（４０）の取り換えを可能にする。
【解決手段】 燃焼器（３０）は、内側及び外側ライナ（４２及び４４）により形成された燃焼ゾーン（３６）を有する。複数の冷却形状部（８８）が、内側及び外側ライナのオーバハング部分（８４）により形成される。この方法は、切断線（１２２）から上流の燃焼器ライナの部分（１２４）が燃焼器内に結合された状態で残存するように、燃焼器内側及び外側ライナの少なくとも１つを、オーバハング部分の後方で切断する段階と、切断線から後方の燃焼器ライナの部分を除去する段階と、交換用ライナが切断線から上流の燃焼器ライナの部分から後方へ延びるように、該交換用ライナを燃焼器内に取り付ける段階とを含む。
【選択図】 図２

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燃焼器に使用される単体構造の鍛造燃焼器ライナを取り換える方法に関する。

タービンエンジンは、空気を加圧するための圧縮機を含み、加圧された空気は、燃料と混合されて燃焼器へ流され、該燃焼器において、混合気は、燃焼室内で点火されて高温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、ボルトバンドと、燃焼ガスをタービンへ流すためのライナとを含む。タービンは、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する或いは発電機のような負荷に動力を供給するような有効な仕事を行う。ライナは、その上流側端部においてボルトバンドによりドーム組立体に結合され、ボルトバンドから下流方向に延びて燃焼室を形成する。

少なくとも一部の公知のライナは、鍛造され機械加工された単体構造体から形成されており、該単体構造体は、一体的に形成されたオーバハング部分により形成された複数の冷却スロットを含む。従って、このような冷却スロットに隣接するライナ領域は、燃焼室に隣接するライナのその他の部分と同程度の熱に曝されることはないが、ライナ内には作動時に熱応力が生じることになる。熱応力が生じた状態で長時間連続作動させることにより、ライナは熱疲労を起こし、該ライナは脆弱化され、及び／又は該ライナ内に亀裂を生じるおそれがある。

現行の修理方法は、熱疲労による亀裂を溶接する作業を含む。更に、熱応力により脆弱化されたライナ区域にパッチを取り付ける場合もある。しかしながら、ライナの複雑な形状に起因して、熱応力によりライナの大きな区域内に熱疲労又は熱劣化が生じた場合には、燃焼器は、パッチの取付けを可能にするのに十分な構造的健全性を持たなくなる。更に、劣化の激しさ次第では、ライナ内にパッチを溶接することにより、該ライナの寸法安定性が失われる場合がある。そのような場合には、これらライナの修理は実施不能であって、代わりに燃焼器ライナ全体が取り換えられる。ライナはボルトバンドとドーム組立体とに結合されているので、多くの場合、ライナを取り換えるために燃焼器全体を分解しなくてはならない。更に、ボルトバンド及びドーム組立体から締結具が取り外されたとき、構成部品間の正確な寸法関係が変わり、その結果、再組立てする時に特殊な工具を必要とすることになる。従って、冷却スロットを含む鍛造燃焼器ライナを取り換えることは、時間がかかりかつ費用がかかる作業となる。

１つの態様においては、内側及び外側ライナにより形成された燃焼ゾーンを有し、内側及び外側ライナの各々が、該内側及び外側ライナのオーバハング部分により形成された複数の冷却形状部を含むガスタービンエンジン燃焼器のライナを取り換える方法が提供される。この方法は、燃焼器内側及び外側ライナの少なくとも１つをオーバハング部分の後方で切断して、切断線から上流の燃焼器ライナの部分が該燃焼器内に結合された状態で残存するようにする段階と、切断線から後方の燃焼器ライナの部分を除去する段階と、交換用ライナが切断線から上流の燃焼器ライナの部分から後方へ延びるように、該交換用ライナを該燃焼器内に取り付ける段階とを含む。

本発明の別の態様においては、内側及び外側ライナにより形成された燃焼ゾーンを有し、内側及び外側ライナの各々が、各ライナの下流側端部に形成された支持フランジを含むガスタービンエンジン燃焼器内で、燃焼器ライナの一部分を取り換える方法が、提供される。この方法は、内側及び外側ライナの少なくとも１つにおける外表面と内表面との間を切断する段階と、外側及び内側ライナの少なくとも１つにおける、切断線から後方の部分を除去する段階と、燃焼器から除去されたライナの部分と取り換えるために、交換用ライナを該燃焼器内に取り付ける段階とを含む。

更に別の態様においては、ガスタービンエンジン燃焼器内で少なくとも１つの劣化した燃焼器ライナの一部分を取り換える方法が提供される。少なくとも１つの劣化したライナは、内表面と外表面とを含む。この方法は、劣化したライナを外表面と内表面との間で半径方向に切断する段階と、切断線から後方の劣化した燃焼器ライナ部分を燃焼器から除去する段階と、燃焼器から除去されたライナ部分を取り換えるために、交換用ライナを該燃焼器内に取り付ける段階とを含む。

図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６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及び低圧タービン２０を含む。圧縮機１２とタービン２０とは、第１のシャフト２２により結合され、圧縮機１４とタービン１８とは第２のシャフト２１により結合される。１つの実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅから購入可能なＧＥ９０型エンジンである。別の実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｅｎｇｉｎｅから購入可能なＣＦＭ型エンジンである。

作動時には、空気が低圧圧縮機１２を通って流れ、該低圧圧縮機１２は、加圧した空気を該低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給する。高度に加圧された空気は、燃焼器１６へ送られる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、ノズル２４を介してガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に使用することができる燃焼器３０の部分断面図である。図３は、区域３に沿った、燃焼器３０の一部分の拡大図である。図４は、区域４に沿った、燃焼器３０の一部分の拡大図である。燃焼器３０は、図１に示すガスタービンエンジン１０に使用することができ、ドーム組立体３２を含む。燃料噴射器（図示せず）がドーム組立体３２内に延び、該ドーム組立体３２を介して燃焼器３０の燃焼ゾーン３６内に霧化燃料を噴射して、該燃料噴射器の下流で点火される空気・燃料混合気を形成する。

半径方向外側及び内側の支持部材（図示せず）と燃焼器ライナ４０とが、環状の燃焼ゾーン３６を形成する。燃焼器ライナ４０は、燃焼ゾーン３６内で発生した熱から外側及び内側支持部材を遮蔽する。より具体的には、ライナ４０は、内側ライナ４２と外側ライナ４４とを含む。各々のライナ４２、４４は環状であって、それぞれドーム組立体３２に結合された上流側端部４６、４８と、それぞれタービンノズル（図示せず）に結合された下流側端部５０、５２とを含む。

ライナ４２は、上流側端部４６と下流側端部５０との間で単体構造であり、ライナ４４は、上流側端部４８と下流側端部５２との間で単体構造である。例示的な実施形態においては、ライナ４２、４４は、所定の寸法に機械加工された高度の耐酸化性材料から鍛造される。各々のライナ４２、４４は、一体的に形成された一連の段５４を含み、各々の段５４は、各ライナ４２、４４の個別の部分を形成する。外側ライナ４４及び内側ライナ４２の各々はまた、ドーム組立体３２に隣接して配置されたボルトバンド６０、６２を含む。ライナ４２、４４は、それぞれボルトバンド６２、６０の下流側に接合される。ボルトバンド６０、６２の各々は、複数の孔（図示せず）を含み、これらの孔は、ライナ４２、４４とボルトバンド６０、６２とカウル組立体６８とをドーム組立体３２に固定することにより燃焼器組立体３０を連結するために、締結具６６をその中に受けるような寸法にされる。

各々の燃焼器ライナ４０は、燃焼器ライナ表面（内表面）８０と、外部表面（外表面）８２と、一連のオーバハング部分８４とを含む。燃焼器ライナ表面８０は、ドーム組立体３２からタービンノズルまで延びる。燃焼器ライナ表面８０と外部表面８２とは、オーバハング部分８４において互いに接合されて、後方に向いたエッジ部８６を形成する。

複数の空気冷却形状部８８が、ライナ４２、４４を貫通して延びる。より具体的には、各々のオーバハング部分８４は、それぞれの段５４から半径方向内側にあり、各々の空気冷却形状部８８が、それぞれの隣り合うオーバハング部分８４と段５４との間でライナ４２、４４を貫通して延びる。空気冷却形状部８８は、ライナ４２、４４を貫通した通路を含み、これらの通路は、空気プレナム（図示せず）から空気を受けて、燃焼器３０を通って流れる高温燃焼ガスと燃焼器ライナ表面８０との間に空気の薄い保護境界層を形成する。

各々のライナ４２、４４は、各それぞれのライナ下流側端部４８、５２に形成されたそれぞれの環状の支持フランジ１００、１０２を含む。より具体的には、例示的な実施形態においては、各々の支持フランジ１００、１０２は、各それぞれのライナ４２、４４と一体的に形成される。支持フランジ１００、１０２は、各々の燃焼器ライナの下流側端部５０、５２をタービンノズル組立体に固定結合するために使用される。１つの実施形態においては、少なくとも１つの支持フランジ１００又は１０２は、対応するライナ４２、４４のもう一方を作るのに使用されるのと同一の材料で作られる。別の実施形態においては、少なくとも１つの支持フランジ１００又は１０２は、対応するライナ４２、４４のもう一方を作るのに使用されるのとは異なる材料で作られる。

例示的な実施形態においては、断熱材料の層１１０が各々の燃焼器ライナ表面８０上に施される。この断熱材料により、燃焼器ライナ表面８０を高温燃焼ガスから更に断熱する。例示的な実施形態においては、断熱皮膜材料は、マサチュセッツ州ウイルミントン所在のＥｎｇｌｅｈａｒｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓから購入可能である。別の実施形態においては、ライナ表面８０には断熱材料が施されない。

作動中に、霧化燃料が燃焼ゾーン３６内に噴射され点火された時、燃焼ゾーン３６内で熱が発生する。空気が冷却形状部８８を通って燃焼ゾーン３６内に入り、燃焼器ライナ表面８０に沿って空気の薄い保護境界層を形成するが、燃焼器ライナ表面が高温度に曝される度合いの変化により、ライナ４０内に熱応力が生じる。長時間連続的に熱応力に曝される結果、ライナ４０は劣化することになる。

燃焼器ライナ４０の劣化した領域は、本明細書に記載した方法を使用して、除去し取り換えることができる。より具体的には、内側ライナ４２、４４の何れかの劣化した領域は、本明細書に記載した方法を使用して、除去し取り換えることができる。エンジン１０のような、使用現場から戻されたエンジンが、少なくとも１つの劣化したライナ４０を含んでいる場合には、燃焼器ライナ４０は円周方向に切断される。より具体的には、図３に示すように、ライナ４０は、線１２２において（又は、それに代えて図４に示すような線１２０において）、切断線がライナ外部表面８２から内部表面８０まで延びるように、かつ該ライナ４０の一部分１２４が燃焼器３０内に固定された状態で残存するように半径方向に切断される。より具体的には、ライナ４０の劣化領域の上流にあるそれぞれのオーバハング部分８４の端部１２４から僅かに後方において、半径方向内向きに切断が行われ、次に支持フランジ１００又は１０２が、ライナ４０の劣化領域を燃焼器３０から除去できるように切り離される。

ライナ４０の劣化部分が燃焼器３０から除去された後に、交換用ライナ部分（図示せず）を燃焼器ライナ４２及び／又は４４に結合することができる。取り換えられるライナ４０の劣化領域と交換用ライナが実質的に同一寸法になるような、かつあらゆる実用目的に合わせてライナ４０が実質的に元の規定寸法要件と比較して同一寸法に戻るような冷却形状部８８とそれぞれの支持フランジ１００又は１０２とを含むように、該交換用ライナは形成される。

次に、交換用ライナは、該交換用ライナが燃焼器ライナ４２及び／又は４４内に固定されて残存しているライナ４０の残存部分に溶接されるように、該燃焼器ライナ４２及び／又は４４内に溶接される。より具体的には、交換用ライナの上流側（図示せず）がライナ４２の残存部分の下流側に溶接される。１つの実施形態においては、燃焼器３０内に交換用ライナを固定するために、電子ビーム（ＥＢ）溶接法が使用される。別の実施形態においては、タングステン不活性ガス（ＴＩＧ）溶接法を使用して、燃焼器３０内に交換用ライナを固定する。支持フランジ１００及び／又は１０２は、タービンノズル組立体に再結合され、次いで該取換用ライナの表面８０上に断熱皮膜材料が施されることができる。１つの実施形態においては、交換用ライナは、燃焼器３０の有効寿命を延ばすのを可能にするような高グレード化した材料を含む。別の実施形態においては、交換用ライナは、それに限定するのではないが、冷却形状部８８の再配置、寸法見直し、及び数の変更を含む高グレード化した冷却能力を含む。

劣化したライナは、本明細書に記載した方法を使用して取り換えられるので、燃焼器３０は、燃焼器ライナ４０全体を除去し取り換えることと比べてより簡便に行うことが可能な取換作業を使用して現場へ戻される。更に、交換用ライナは、元々取り付けられていたライナ４０と実質的に同一となるように形成されるので、空気力学的性能及び燃焼器性能が交換用ライナにより悪影響を受けることはない。

燃焼器ライナを取り換える上記の方法は、単体構造の鍛造ライナを含む燃焼器にとって、費用効果がありかつ信頼性がある。この方法は、劣化領域を取り換えることができるように、燃焼器ライナから劣化したライナ領域を除去する段階を含む。１つの実施形態においては、劣化したライナ領域は、このライナを切断することにより除去され、次いで交換用ライナが燃焼器内に固定された状態で残存しているライナの部分に溶接される。その結果、劣化した燃焼器ライナ領域を費用効果がありかつ信頼性がある方式で除去し取り換えることを可能にする方法が提供される。

燃焼器ライナ取り換えの実施形態を、上に詳しく説明した。これらの方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各々の方法の態様は、本明細書に記載した他の方法とは独立してかつ別個に利用することができる。各燃焼器構成部品は、他の燃焼器構成部品と組み合わせて使用することもできる。

様々な特定の実施形態について本発明を説明してきたが、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可能であることは、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使用することができる例示的な燃焼器組立体の部分断面図。 区域３に沿った、図２に示す燃焼器に使用される例示的な燃焼器ライナの拡大図。 区域４に沿った、図２に示すガスタービンエンジンに使用される例示的な燃焼器ライナの拡大断面図。

符号の説明

３０ 燃焼器
３２ ドーム組立体
３６ 燃焼ゾーン
４０ 燃焼器ライナ
４２ 内側ライナ
４４ 外側ライナ
４６ 内側ライナの上流側端部
４８ 外側ライナの上流側端部
５０ 内側ライナの下流側端部
５２ 外側ライナの下流側端部
５４ 段
６８ カウル組立体
８０ 燃焼器ライナ表面
８２ 外部表面
８４ オーバハング部分
８６ 後方に向いたエッジ部
８８ 空気冷却形状部
１００ 内側ライナの支持フランジ
１０２ 外側ライナの支持フランジ
１１０ 断熱材料の層
１２０、１２２ 切断線

Claims (10)

1. 内側及び外側ライナ（４２及び４４）により形成された燃焼ゾーン（３６）を有し、前記内側及び外側ライナの各々が、該内側及び外側ライナのオーバハング部分（８４）により形成された複数の冷却形状部（８８）を含むガスタービンエンジン燃焼器（３０）のライナ（４０）を取り換える方法であって、
   前記燃焼器内側及び外側ライナの少なくとも１つを前記オーバハング部分の後方で切断して、切断線（１２２）から上流の前記燃焼器ライナの部分（１２４）が該燃焼器内に結合された状態で残存するようにする段階と、
   前記切断線から後方の前記燃焼器ライナの部分を除去する段階と、
   交換用ライナが前記切断線から上流の前記燃焼器ライナの部分から後方へ延びるように、該交換用ライナを前記燃焼器内に取り付ける段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
2. 前記ライナ（４０）の各々が、上流側端部（４６及び４８）と、下流側端部（５０及び５２）と、該端部間で延びる本体とを含んでおり、前記燃焼器内側及び外側ライナの少なくとも１つを切断する前記段階が、前記少なくとも１つのライナを該ライナの下流側端部から或る距離にて半径方向に切断する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 交換用ライナ（４０）を取り付ける前記段階が、前記燃焼器（１６）内に固定された前記ライナの残存部分に対して、該交換用ライナを溶接する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
4. 前記ライナ（４０）の各々が、上流側端部（４６及び４８）と、下流側端部（５０及び５２）と、該端部間で延びる本体とを含み、前記ライナ下流側端部の各々が、前記ライナを前記燃焼器（１６）内に結合するために使用される支持フランジ（１００及び１０２）を含んでおり、前記燃焼器内側及び外側ライナの少なくとも１つを切断する前記段階が、前記支持フランジを含む前記ライナの部分が前記燃焼器から切り離されるように、前記少なくとも１つの燃焼器ライナを切断する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
5. 少なくとも１つの交換用ライナ（４０）を取り付ける前記段階が、支持フランジ（１００又は１０２）を含む下流側端部（５０又は５２）を含む交換用ライナを前記燃焼器（１６）内に結合する段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
6. 前記ライナ（４０）の各々が、内表面（８０）と外表面（８２）とを含んでおり、該方法が、前記燃焼器（１６）内に取り付けられた各交換用ライナの前記内表面に断熱材料を施す段階を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
7. 内側及び外側ライナ（４２及び４４）により形成された燃焼ゾーン（３６）を有し、前記内側及び外側ライナの各々が、各ライナの下流側端部（５０及び５２）に形成された支持フランジ（１００及び１０２）を含むガスタービンエンジン燃焼器（１６）内で、燃焼器ライナ（４０）の一部分を取り換える方法であって、
   前記内側及び外側ライナの少なくとも１つにおける外表面（８２）と内表面（８０）との間を切断する段階と、
   前記外側及び内側ライナの少なくとも１つにおける、切断線から後方の部分（１２４）を除去する段階と、
   前記燃焼器から除去された前記ライナの部分と取り換えるために、交換用ライナを該燃焼器内に取り付ける段階と、
   を含むことを特徴とする方法。
8. 前記燃焼器（１６）が、上流側端部と下流側端部とを更に含み、前記内側及び外側ライナ（４２及び４４）の各々の下流側端部が、前記支持フランジ（１００及び１０２）を含んでおり、外表面（８２）と内表面（８０）との間を切断する前記段階が、前記支持フランジを含む前記ライナの部分が前記燃焼器から切り離されるように、前記内側及び外側ライナの少なくとも１つを切断する段階を更に含むことを特徴とする、請求項７に記載の方法。
9. 交換用ライナ（４０）を取り付ける前記段階が、前記燃焼器（１６）内に固定された残存ライナ部分（１２４）に対して、該交換用ライナを溶接する段階を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。
10. 交換用ライナ（４０）を取り付ける前記段階が、前記燃焼器（１６）内に固定された残存ライナ部分（１２４）に対して、支持フランジ（１００又は１０２）を含む該交換用ライナを溶接する段階を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載の方法。

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