JP2004183661A - 燃焼器ライナの一部分を取り換える方法 - Google Patents

燃焼器ライナの一部分を取り換える方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 この方法は、ガスタービンエンジンの燃焼器ライナ(40)の一部分を取り換えるのを容易にする。
【解決手段】 燃焼器は、内側ライナ(42)と外側ライナ(44)とにより形成された燃焼ゾーン(36)を含む。内側ライナ及び外側ライナの各々は、一連のパネル(50)を含み、また内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つは、該ライナの後端部に結合された後部支持体(120)を含む。この方法は、ライナ後部支持体から上流の燃焼器内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つを切断する段階と、燃焼器ライナ後部支持体を燃焼器から除去する段階と、交換用ライナ後部支持体が切断線から上流の燃焼器ライナの部分(144)から後方へ延びるように、該交換用後部支持体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に使用されている燃焼器の後部円錐状基準区域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、カウリングと、燃焼ガスをタービンへ流すためのライナとを含み、該タービンは、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、カウリングによりドーム組立体に結合され、該カウリング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、リベット、ボルト、又は溶接などの継手を用いて互いに接合された複数のパネルを含む。少なくとも一部の公知のライナの後端部は、円錐状基準区域によりエンジン内に結合される。パネルの部分は、隣り合うパネル間に形成された冷却ナゲットを含み、該冷却ナゲットは、燃焼室から離れる方向へパネルから半径方向外向きに延びる。従って、このような冷却ナゲットは、燃焼室に隣接するパネルの部分と同程度の熱に曝されることはないが、パネル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、パネルは熱疲労を起こし、該パネルは脆弱化され、及び/又は該パネル内に亀裂を生じるおそれがある。ライナの後部円錐状基準区域もまた、作動中に疲労を生じ、及び/又はエンジンの組立/分解時に損傷されるおそれがある。
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パネル区域にパッチを取り付ける場合もある。しかしながら、熱応力によりパネルの大きな区域又は複数のパネル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そのようなパネル内に持たなくなる。また、疲労及び/又は損傷した円錐状基準区域が十分に小さい場合には、円錐状基準区域は低温サイジングされることができる。しかしながら、損傷及び/又は疲労した区域の大きさ次第では、公知の低温サイジング法は、円錐状基準区域を修理する上で有効ではない場合がある。その場合には、これらパネル及び/又は円錐状基準区域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。ライナはカウル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、カウル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、冷却ナゲット及び円錐状基準区域を含む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、ガスタービンエンジン燃焼器ライナの後部円錐状基準フランジの一部分を取り換える方法が提供される。燃焼器は、内側ライナと外側ライナとにより形成された燃焼ゾーンを含む。内側ライナ及び外側ライナの各々は、一連のパネルを含み、また内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つは、該ライナの後端部に結合された後部支持体を含む。この方法は、ライナ後部支持体から上流の燃焼器内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つを切断する段階と、燃焼器ライナ後部支持体を燃焼器から除去する段階と、交換用ライナ後部支持体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、該交換用後部支持体を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、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。燃焼器は、内側ライナと外側ライナとにより形成された燃焼ゾーンを含む。内側ライナ及び外側ライナの各々は、一連のパネルを含む。内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つは、該ライナの下流側端部に形成された支持フランジを含む。この方法は、内側ライナ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、切断線から後方の内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つにおける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を取り換えるために、交換用ライナを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の少なくとも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つの劣化した燃焼器ライナは、隣り合うライナパネルにより形成された複数の冷却形状部を含む。ライナは更に、支持フランジにより燃焼器に結合された後端部を含む。この方法は、ライナの外表面から該ライナの内表面までの間で劣化したライナを切断する段階と、切断線から後方の劣化した燃焼器ライナの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の部分を取り換えるために、交換用ライナを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CF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、加圧された空気が、低圧圧縮機12から高圧圧縮機14に供給される。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、燃焼器30の部分断面図である。図3は、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。
燃焼ゾーン36は、環状の半径方向外側及び半径方向内側支持部材(図示せず)と燃焼器ライナ40とで形成される。燃焼器ライナ40は、燃焼ゾーン36内で発生された熱から外側及び内側支持部材を遮蔽しており、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は環状である。
ライナ42及び44は、燃焼ゾーン36を形成する。燃焼ゾーン36は、ドーム組立体32から下流方向にタービンノズル(図示せず)まで延びる。外側及び内側ライナ44及び42の各々は、一連の段52を含む複数の個別のパネル50を含み、この一連の段52の各々が、燃焼器ライナ40の別個の部分を形成する。
外側ライナ44及び内側ライナ42の各々は、それぞれボルトバンド60、62とそれぞれ第1パネル64、66とを含む。外側ボルトバンド60と内側ボルトバンド62とは、ドーム組立体32に隣接して配置され、それぞれドーム組立体32から第1パネル64、66まで下流方向へ延びる。第1パネル64、66は、それぞれボルトバンド60、62の下流側に接合される。各隣接する下流パネル50には連続番号が付されており、第2パネル68、70がそれぞれの第1パネル64、66の下流側に接合されるというようになる。ボルトバンド60、62は、それを貫通して締結具74を受けるような寸法にされた複数の孔72を含む。締結具74は、ライナ42、44とボルトバンド60、62とカウル組立体78とをドーム組立体32に固定する。
各燃焼器パネル50は、燃焼器ライナ表面(内表面)80と、外部表面(外表面)82と、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、隣り合う燃焼器パネル50を分離する。
空気冷却形状部88は、それを通して空気プレナム(図示せず)から空気を受ける開口90を含み、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が形成されるようにする。更に開口90は、燃焼器ライナ40の対流冷却を可能にする。具体的には、開口90は、隣り合うパネル50間に形成された空気冷却形状部88を貫通し、隣り合うパネル50により形成されたナゲット92から半径方向内向きに延びる。パネル50は、各パネルの下流側端部100が隣接する下流パネル50の上流側端部102に接合されるように、直列に接合される。ナゲット92が、接合された隣り合うパネルのそれぞれ下流側端部100と上流側端部102との間に形成される。
ライナのマルチナゲット領域46は、複数のナゲット92を含む。例示的な実施形態においては、領域46は、3つのナゲット92を含む。ライナのマルチホール領域48は、複数の開口(図示せず)を含む。
燃焼器ライナ表面80上には、断熱材料の層110が施される。この断熱材料が、高温燃焼ガスから燃焼器ライナ表面80を更に断熱する。例示的な実施形態においては、断熱皮膜材料は、マサチュー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。
各ライナ42、44は更に、それぞれ環状の支持フランジ又は後部フランジ120、122を含む。具体的に言うと、各々の支持フランジ120、122は、各それぞれのライナ42、44の後端部124、126をタービンノズル組立体に結合する。より具体的には、各支持フランジ120は、半径方向部分130と円錐状基準区域132とを含む。各半径方向部分130は、内側ライナ後端部124において燃焼器後方内側ライナパネル50から半径方向内向きに延びる。円錐状基準区域132は、ガスタービンエンジン10の回転軸線に対して斜め上流方向へ後部フランジ120から延びる。円錐状基準区域132は、ライナ42をタービンノズル組立体に固定するために使用される取付面130を形成する。
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、内側ライナ42の劣化した後部部分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。具体的には、図3の線140で示すように、つまり、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、かつライナ40の一部分144が燃焼器30内に固定されたまま残るように、内側ライナの支持フランジ120が切断される。より具体的には、支持フランジ120を燃焼器30又はライナ40から除去できるように、支持フランジの半径方向部分130が切断される。
ライナ40の劣化領域が燃焼器30から除去された後、交換用ライナ(図示せず)を燃焼器ライナ42に結合することができる。交換用ライナは、支持フランジ120を含み、ライナ42が実質的に元の規定寸法に戻るように、取り換えられるライナ42の劣化領域と実質的に同一の寸法にされる。
次に、交換用ライナは、該交換用ライナがライナ42の残存部分に溶接されるように、燃焼器ライナ42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40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。交換用支持フランジは、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42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42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。
図4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内側ライナ200の別の実施形態の拡大断面図である。ライナ200は、ライナ42(図2及び図3に示す)と実質的に同様であって、図2及び図3に示す燃焼器30のような燃焼器(図示せず)内に取り付けられる。内側ライナ200は、一連の段204を含む複数のパネル202を含み、この一連の段204の各々が燃焼器ライナ200の個別の部分を形成する。
パネル202は、直列に接合され、各パネル202は、燃焼器ライナ表面210と、外部表面212と、オーバハング部分214とを含む。燃焼器ライナ表面210は、ドーム組立体(図示せず)からタービンノズル組立体(図示せず)まで延びる。燃焼器ライナ表面210と外部表面212とは、オーバハング部分214において互いに接合されて、後方に向いたエッジ部216を形成する。複数の空気冷却形状部218が、隣り合う燃焼器パネル202を分離する。
空気冷却形状部218は、それを通して空気源(図示せず)から空気を受ける複数の開口220を含み、高温燃焼ガスと燃焼器ライナ表面210との間に空気の薄い保護境界層が形成されるようにする。開口220は、希釈孔として知られており、ライナ表面210と外部表面212との間で延びて燃焼器内で燃焼ガスを混合するのを促進する。例示的な実施形態においては、開口220はほぼ円形である。具体的には、各パネル202は、上流側端部230と、下流側端部232と、これらの間で延びる本体234とを含む。パネル202は、各パネルの下流側端部232が隣接する下流パネル202の上流側端部230に接合されるように、接合される。接合された隣り合うパネルのそれぞれの下流側端部232と上流側端部230との間に、ナゲット236が形成される。ナゲット236は、スーパスロットナゲットとして知られている。例示的な実施形態においては、ライナ200は、6つのナゲット236を含む。
別形実施形態においては、燃焼器ライナ表面210上に断熱材料の層(図示せず)が施されて、高温燃焼ガスから燃焼器ライナ表面210を熱的に保護するのを高める。
ライナ200はまた、環状の支持フランジ又は後部フランジ240を含む。具体的には、支持フランジ240は、ライナ200の後端部244をタービンノズル組立体に結合する。より具体的には、各支持フランジ240は、半径方向部分246と円錐状基準区域248とを含む。各半径方向部分246は、内側ライナ後端部244において燃焼器後方内側ライナパネル202から半径方向内向きに延びる。円錐状基準区域248は、ガスタービンエンジン10の回転軸線に対して斜め上流方向へ後部フランジ240から延びる。円錐状基準区域248は、それを貫通する複数の孔250を含む。孔250は、ライナ200をタービンノズル組立体に固定するために、該孔250を貫通して複数の締結具252を受けるような寸法にされる。
燃焼器ライナ200の劣化領域は、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の燃焼器ライナ表面200が少なくとも1つの劣化したパネル202を含んでいる場合には、劣化したパネル202と支持フランジ240とを除去するために、燃焼器ライナ200は円周方向に切断される。より具体的には、締結具252を取外した後に、支持フランジ240を燃焼器30から除去できるように、支持フランジ240が切断(線260で示すように)される。
燃焼器ライナを取り換える上記の方法は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。この方法は、劣化した支持フランジを取り換えることができるように、燃焼器ライナからその劣化部分を除去する段階を含む。1つの実施形態においては、劣化したフランジは、ライナに含まれたいずれかの冷却形状部又はナゲットの後方で支持フランジの部分を軸方向に切断することにより除去される。その結果、燃焼器ライナの劣化部分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燃焼器組立体の部分断面図。 図2に示す燃焼器に使用される燃焼器ライナの拡大図。 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燃焼器ライナの別の実施形態の拡大断面図。
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
50 燃焼器パネル50
52 段
60 外側ボルトバンド
62 内側ボルトバンド
80 燃焼器ライナ表面
82 外部表面
84 オーバハング部分
86 後方に向いた縁部
88 空気冷却形状部
90 開口
92 ナゲット
110 断熱材料層
120 内側ライナの支持フランジ
122 外側ライナの支持フランジ

Claims (10)

  1. 内側ライナ(42)と外側ライナ(44)とにより形成された燃焼ゾーン(36)を有し、前記内側ライナ及び外側ライナの各々が一連のパネル(50)を含み、前記内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つが、該ライナの後端部(100)に結合された後部支持体(120)を含むガスタービンエンジン燃焼器(16)のライナ(40)の一部分を取り換える方法であって、
    前記ライナ後部支持体から上流の前記燃焼器内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つを切断する段階と、
    前記燃焼器ライナ後部支持体を前記燃焼器から除去する段階と、
    交換用ライナ後部支持体が切断線(140)から上流の前記燃焼器ライナの部分(144)から後方へ延びるように、該交換用後部支持体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. 前記燃焼器内側ライナ(42)及び外側ライナ(44)の少なくとも1つを切断する前記段階が、該燃焼器内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つを、ガスタービンエンジン(10)の回転軸線とほぼ平行な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. 交換用後部支持体(120)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(40)の残存部分(144)に対して、該交換用ライナ後部支持体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. 前記後部支持体(120)が円錐状基準フランジ(132)に結合されており、交換用後部支持体を前記燃焼器(16)内に取り付ける前記段階が、該円錐状基準フランジを含む交換用後部支持体を該燃焼器内に取り付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. 前記後部支持体(120)が円錐状基準フランジ(132)に結合されており、該方法が、前記基準フランジを前記燃焼器(16)から切り離す段階を含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  6. 前記内側ライナ(42)及び外側ライナ(44)の少なくとも1つが、隣り合うパネル(50)により形成された複数の冷却ナゲット(92)を含んでおり、前記燃焼器内側ライナ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、前記冷却ナゲットから下流の該燃焼器内側ライナパネル及び外側ライナパネルの少なくとも1つを切断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。
  7. 内側ライナ(42)と外側ライナ(44)とにより形成された燃焼ゾーン(36)を有し、前記内側ライナ及び外側ライナの各々が、一連のパネル(50)を含み、前記内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つが、該ライナの下流側端部(100)に形成された支持フランジ(120)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、
    前記内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つにおける外表面(212)と内表面(210)との間を切断する段階と、
    切断線(140)から後方の前記内側ライナ及び外側ライナの少なくとも1つにおける部分を除去する段階と、
    前記燃焼器から除去された前記ライナの部分を取り換えるために、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。
  8. 前記燃焼器(16)が、上流側端部と下流側端部とを更に含んでおり、外表面(212)と内表面(210)との間を切断する前記段階が、前記支持フランジ(120)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、前記内側ライナ(42)及び外側ライナ(44)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(144)に対して、該交換用ライナ(40)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(144)に対して、前記支持フランジ(120)を含む該交換用ライナ(40)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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