JP2014009691A - タービン用の燃焼器キャップアセンブリを整備するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン用の燃焼器キャップアセンブリを整備するための方法を提供する。
【解決手段】タービンの燃焼器キャップアセンブリを整備するための方法が、複数のベーン内に配置された、キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定するステップと、キャップアセンブリから中央リングを除去するステップとを含む。この方法は、除去された中央リングと寸法が実質的に同じである交換用中央リングをキャップアセンブリ内に配置するステップと、交換用中央リングを複数のベーンにろう付けするステップとを含む。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示されている主題は、タービンエンジンに関する。より詳細には、本主題は、タービンエンジンのキャップアセンブリを整備することに関する。

ガスタービンエンジンでは、燃焼器が燃料または混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。この熱エネルギーは、流体、しばしば空気によって圧縮機からタービンに運ばれ、タービンで熱エネルギーは機械エネルギーに変換される。これらの流体は、下流に流れて１つまたは複数のタービンに至り、これらのタービンは、流体からエネルギーを抽出し、機械エネルギー出力ならびに圧縮機を駆動する力を作り出す。時間の経過につれて、タービン部品は、タービンエンジン内の加熱された流体の流れによって引き起こされる極端な条件による摩耗および劣化を受けるおそれがある。

たとえば、燃焼器やタービンノズルアセンブリなど選択された場所での燃焼動態および燃焼温度が、アセンブリ内の部品の熱応力および摩耗に通じることがある。場合によっては、アセンブリの単一の部品を修理または交換することが、アセンブリ全体を交換することになり得る。アセンブリ内の単一の部品の欠陥によりアセンブリ全体を交換することは、コストと時間がかかる整備プロセスである。

米国特許第７９１８４３３号明細書

本発明の一態様によれば、タービンの燃焼器キャップアセンブリを整備するための方法が、複数のベーン内に配置された、キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定するステップと、キャップアセンブリから中央リングを除去するステップとを含む。また、この方法は、除去された中央リングと寸法が実質的に同じである交換用中央リングをキャップアセンブリ内に配置するステップと、交換用中央リングを複数のベーンにろう付けするステップとを含む。

本発明の他の態様によれば、キャップアセンブリを含む、タービンの燃焼器を整備するための方法が提供される。この方法は、複数のベーン内に配置された、キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定するステップと、複数のベーンに実質的に負荷をかけないプロセスによってキャップアセンブリから中央リングを除去するステップであって、それにより、除去中に複数のベーンが構造的に元のままであることを可能にする、ステップと、除去された中央リングと寸法が実質的に同じである交換用中央リングをキャップアセンブリ内に配置するステップと、交換用中央リングを複数のベーンに結合するステップとを含む。

これらの、および他の利点および特徴は、図面と併せ読めば以下の説明からより明らかになろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書の末尾にある特許請求の範囲において特に指摘され、明確に特許請求されている。本発明の前述および他の特徴および利点は、添付の図面と併せ読めば以下の詳細な説明から明らかである。

燃焼器、燃料ノズル、圧縮機、およびタービンを含むガスタービンエンジンの一実施形態の概略図である。 例示的な燃焼器キャップアセンブリの一部の側断面図である。 図２に示されている例示的な燃焼器キャップアセンブリの一部の上面図である。 固定具を使用し、整備プロセスのためにキャップアセンブリを配置する、固定具、ならびに図２および図３に示されている例示的な燃焼器キャップアセンブリの一部の底面図である。 固定具を使用し、整備プロセスのために交換用中央リングを配置する、固定具、ならびに図２〜４に示されている例示的な燃焼器キャップアセンブリの一部の側断面図である。 燃焼器キャップアセンブリの中央リングを整備するための例示的なプロセスの流れ図である。

詳細な説明は、例として、図面を参照して、利点および特徴と共に本発明の実施形態について述べる。

図１は、ガスタービンシステム１００の一実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、システム１００は、複数の圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８、燃料ノズル１１０を含むことができる。図では、圧縮機１０２とタービン１０６がシャフト１０８によって結合されている。シャフト１０８は、単一のシャフトでも、シャフト１０８を形成するように共に結合された複数のシャフト区間でもよい。さらに、システム１００は、タービン軸（図示せず）周りで配置された複数の圧縮機１０２およびタービン１０６を含むこともできる。

一態様では、燃焼器１０４は、天然ガスおよび／または水素の豊富な合成ガスなど、液体および／またはガス燃料を使用し、タービンエンジンを駆動する。たとえば、燃料ノズル１１０は、燃料供給源１１２、および圧縮機１０２からの加圧空気と流体連通する。燃料ノズル１１０は、混合気を生成し、その混合気を燃焼器１０４内に放出し、それにより高温の加圧排気ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器１０４は、高温の加圧排気ガスをトランジションピースを介してタービンノズル（または「ステージノズル」）内に向けて送り、ガスがノズルまたはベーンを脱出し、タービンバケットまたはブレードに向けて送られるときタービン１０６の回転を引き起こす。タービン１０６の回転は、シャフト１０８を回転させ、それにより空気が圧縮機１０２に流入するとき空気を圧縮する。一実施形態では、燃焼動態および関連の温度が、燃料および空気の分配に使用される燃焼器１０４内の構成部品など構成部品の熱疲労に通じる可能性がある。場合によっては、燃焼器１０４の摩耗および熱劣化により、構成部品を整備および／または交換することになる。以下、図２〜６を参照して、タービン構成部品を整備するために使用することができる方法およびシステムについて詳細に論ずる。

本明細書では、「下流」および「上流」は、タービンを通る作動流体の流れに対してある方向を示す用語である。したがって、「下流」という用語は、作動流体の流れの方向に概して対応する方向を指し、「上流」という用語は、概して、作動流体の流れの方向の反対である方向を指す。「半径方向」という用語は、軸または中心線に垂直な移動または位置を指す。軸に対して様々な半径方向位置にある部分について述べることは有用となることがある。この場合、第１の構成部品が第２の構成部品より軸に近い場合、本明細書では、第１の構成部品が第２の構成部品の「半径方向内側」にあると述べることができる。一方、第１の構成部品が第２の構成部品より軸から遠くにある場合、本明細書では、第１の構成部品が第２の構成部品の「半径方向外側」または「外側寄り」にあると述べることができる。「軸」という用語は、軸に平行な移動または位置を指す。最後に、「周方向」という用語は、軸周りの移動または位置を指す。以下の考察は、主にガスタービンに焦点を当てるが、論じられている概念は、ガスタービンに限定されず、蒸気タービンを含めて、任意の好適な回転機械に適用することができる。したがって、本明細書の考察は、ガスタービン実施形態を対象とするが、他のターボ機械にも適用することができる。

図２は、例示的な燃焼器キャップアセンブリ２０２の側断面図であり、この断面は、軸２０８を通る平面によって形成されている。燃焼器キャップアセンブリ２０２は、燃焼器１０４などタービン燃焼器内に配置されている。キャップアセンブリ２０２は中央スタック２１０を含み、中央リング２１２およびベーン２１４が中央スタック２１０の環状部２２２内に配置されている。また、キャップアセンブリ２０２は、中央スタック２１０周りに配置された燃料ノズル２１６、２１８を含む。一実施形態では、中央スタック２１０は、ベースから端部２２０にかけて、継手２２４を含めて継手で、ろう付け、溶接、またはクラッディングなど好適なプロセスによって結合される複数の構成部品を備える。中央リング２１２は、中央燃料ノズル（図示せず）を受け取るように構成されている。燃料ノズルは、ベーン２１４を流通するとき渦を巻く空気と混合させるように燃料を供給し、ベーン２１４および中央リング２１２の下流でその混合物が燃焼することになる。時間の経過につれて、中央リング２１２は、燃焼動態および熱応力にさらされる。場合によっては、摩耗により中央リング２１２内に欠陥が形成され、中央リング２１２は、燃焼器２００の適正な性能を確保するために整備を必要とする。下記で詳細に述べる一実施形態では、キャップアセンブリ２０２が整備用固定具上に配置され、中央リング２１２全体がキャップアセンブリ２０２から除去され、一方、キャップアセンブリの残りの部分は組み上げられたままである。

図３は、図２に示されているキャップアセンブリ２０２の中央スタック２１０部分の上面図である。図では、ベーン２１４が、結合部３００、３０２を介してそれぞれ内炎管（ｉｎｎｅｒ ｂｕｒｎｅｒ ｔｕｂｅ）３０１および中央リング２１２に結合され、結合部は、ろう付け、溶接、またはクラッディングなど好適な耐久性のある方法によって形成される。例示的な整備プロセスでは、中央リング２１２内に欠陥が発生した後で、中央リング２１２全体が、ベーン２１４に実質的に負荷をかけることなしに除去される。したがって、ベーン２１４は、除去プロセス中、構造的に元のままである。一実施形態では、欠陥のある中央リング２１２は、放電加工（ＥＤＭ）、高速フライス加工、レーザ除去、またはウォータージェット法など好適なプロセスによって除去される。一実施形態では、中央リング２１２は、低い送り速度で高速フライス加工によって、またはＥＤＭによって除去され、ベーン２１４は実質的に負荷がかからず、除去プロセス中、それらの幾何形状を保持する。他の実施形態では、除去プロセス中のベーン２１４の負荷がベーンの幾何形状を変え、燃料−空気の混合およびタービン効率に悪影響を及ぼすおそれがある。

図４は、図２および図３に示され、整備のために固定具４００に取り付けられているキャップアセンブリ２０２の中央スタック２１０部分の上面図である。固定具４００は、選択されたプロセスによって中央リング２１２を除去するためにキャップアセンブリ２０２を正確に配置する。固定具４００は、ベース４０２と、支持体４０４とを含む。支持体４０４は、整備中、アセンブリを正確に配置するためにキャップアセンブリ２０２内の配向用穴４０６内に配置されるように構成された位置合わせ特徴または配向用特徴をそれぞれが含む。一実施形態では、配向用特徴および配向用穴４０６は、キャップアセンブリ２０２および中央リング２１２の真の中心を除去工具が見出すことを可能にし、それにより、ベーン２１４に構造的に影響を及ぼすことなしにリングを正確に除去することを可能にする。一実施形態では、固定具４００は、キャップアセンブリ２０２が固定具４００内に配置された後で、ＥＤＭ機械など、中央リング２１２を正確に除去するように構成された好適な装置（図示せず）に結合される。

図５は、固定具５０２上の交換用中央リング５００がキャップアセンブリ２０２内に配置された状態のキャップアセンブリ２０２の側断面図である。固定具５０２は、ベース５０４、細長い支持体５０６、リングプラットフォーム５０８を含み、リングプラットフォーム５０８は、ベーン２１４に結合するために交換用中央リング５００を配置する。一実施形態では、固定具５０２は、交換用中央リング５００をベーン２１４およびキャップアセンブリ２０２に対して正確に配置し、それにより交換用中央リング５００をベーン２１４に結合することを可能にする。諸実施形態では、交換用中央リング５００は、元の装備の中央リングと寸法および幾何形状が実質的に同一であり、したがって据付け後、実質的な修正なしにアセンブリと共に動作するように構成された交換用中央リングを提供する。たとえば、交換用中央リング５００は、キャップアセンブリ２０２内に配置され、ベーン２１４にろう付けプロセスによって結合され、交換用中央リング５００は、ベーン２１４に結合された後、手動の機械加工または修正を受けない。したがって、この整備プロセスは、他のプロセスに比べて手動ステップを削減し、したがって修理時間を短縮し、修理後の欠陥の発生を低減する。さらに、この整備プロセスは、ろう付けなどある結合方法を使用し、中央リング５００をベーン２１４に結合し、これは、継手２２４などキャップアセンブリ２０２の他の部分にある継手および結合部に影響を及ぼさない。

図６は、キャップアセンブリ２０２など、キャップアセンブリのための整備プロセスに含むことができる例示的なステップの流れ図６００である。図のブロックは、別のプロセスの一部であっても別のプロセスに追加してもよく、かつ／または整備済みの動作可能なキャップアセンブリを提供するための任意の好適な順序で実施することができる。ブロック６０２では、キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定する。一実施形態では、この欠陥は、中央リングの内側スリーブ表面の割れまたは摩耗部分である。ブロック６０４では、ＥＤＭなど、中央リングに結合されたベーンの負荷を低減した好適な方法によって、中央リングがキャップアセンブリから除去される。固定具４００などある固定具を使用し、中央リングの正確な除去を可能にし、一方、ベーンが構造的に元のままであることを可能にするようにキャップアセンブリを配置することができる。さらに、諸実施形態では、中央リングを除去することがキャップアセンブリの分解を必要とせず、したがって整備プロセスが単純になる。一実施形態では、除去された中央リングの残りが、バリ除去などのプロセスによって除去される。ブロック６０６では、交換用中央リングがキャップアセンブリ内に配置され、交換用中央リングは、タービンエンジンの生産中に使用された元の装備の中央リングと実質的に同じ寸法および幾何形状を有する。一実施形態では、交換用中央リングは、固定具５０２などの固定具によってキャップアセンブリ内に配置される。ブロック６０８では、交換用中央リングは、ろう付けなど、耐久性のある接着をもたらすための好適な方法によってベーンに結合される。一実施形態では、ろう付けプロセスは、ニッケル合金ろう付けペーストなど、好適なろう付け材料を使用する。たとえば、ろう付けペーストは、それだけには限らないがＡＭＤＲＹ１０３、ＡＭＤＲＹ９１５、またはＡＭＤＲＹ７７３を含めて、ニッケル合金化合物を含むことができる。一実施形態では、ろう付けペースト材料は、ベーンと中央リングの間の各継手に付着され、次いでその結合部を硬化させるために様々な加熱段階を通って循環される。たとえば、アセンブリを第１の期間の間、約１１００〜１３００°Ｆに加熱し、次いで第２の期間の間、約１８５０〜２０００°Ｆに加熱し、次いで第３の期間の間、約２０６０〜約２１６０°Ｆに加熱し、最後に冷却してろう付けプロセスを終えることができる。諸実施形態では、第１、第２、第３の期間がすべて同じである。他の実施形態では、第１、第２、第３の期間が異なる。

本発明について限られた数の実施形態だけに関連して詳細に述べたが、本発明は、そのような開示された実施形態に限定されないことは容易に理解されるはずである。反対に、本発明は、ここまでに述べられていない任意の数の変型形態、代替物、代用物、または均等構成を組み込むように修正することができ、しかしこれらは本発明の精神および範囲に対応する。さらに、本発明の様々な実施形態について述べたが、本発明の態様は、述べた実施形態のいくつかだけを含むことができることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきでなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１００ タービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ シャフト
１１０ ノズル
１１２ 燃料供給源
２００ 燃焼器
２０２ キャップアセンブリ
２０８ 軸
２１０ 中央スタック
２１２ 中央リング
２１４ ベーン
２１６ 燃料ノズル
２１８ 燃料ノズル
２２０ 端部
２２２ 環状部
２２４ スタック内の継手
３００ 結合部
３０１ 内炎管
３０２ 結合部
４００ 固定具
４０２ ベース
４０４ 支持体
４０６ 配向用穴
５００ 交換用中央リング
５０２ 固定具
５０４ ベース
５０６ 細長い支持体
５０８ リングプラットフォーム
６０２ 中央リング内に欠陥があると決定する
６０４ 中央リングをキャップアセンブリから除去する
６０６ 交換用中央リングをキャップアセンブリ内に配置する
６０８ ベーンの構造に影響を及ぼすことなしに交換用中央リングをベーンにろう付けする

Claims (20)

1. タービンの燃焼器キャップアセンブリを整備するための方法であって、
   複数のベーン内に配置された、前記キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定するステップと、
   前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップと、
   除去された前記中央リングと寸法が実質的に同じである交換用中央リングを前記キャップアセンブリ内に配置するステップと、
   前記交換用中央リングを前記複数のベーンにろう付けするステップと
   を含む方法。
2. 前記交換用中央リングを前記複数のベーンにろう付けするステップが、ろう付け材料を選択された温度に加熱するステップを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記ろう付け材料が、ニッケル合金化合物を含む、請求項２記載の方法。
4. 前記ろう付け材料を選択された温度に加熱するステップが、前記ろう付け材料を、選択された期間の間、約２０６０〜約２１６０°Ｆの範囲の温度に加熱するステップを含む、請求項２記載の方法。
5. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、放電加工、高速フライス加工、レーザ除去、およびウォータージェット法からなる群から選択されるプロセスによって前記中央リングを除去するステップを含む、請求項１記載の方法。
6. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、前記複数のベーンに実質的に負荷をかけないプロセスによって前記中央リングを除去するステップであって、それにより、前記複数のベーンが構造的に元のままであることを可能にする、ステップを含む、請求項１記載の方法。
7. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、前記キャップアセンブリの他の部分を除去または分解することなしに前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップを含む、請求項１記載の方法。
8. タービンの燃焼器キャップアセンブリを整備するための方法であって、
   複数のベーン内に配置された、前記キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定するステップと、
   前記キャップアセンブリの他の部分を除去または分解することなしに前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップと、
   交換用中央リングを前記キャップアセンブリ内に配置するステップと、
   前記交換用中央リングを前記複数のベーンにろう付けするステップと
   を含む方法。
9. 前記交換用中央リングの寸法が、除去された前記中央リングと実質的に同じである、請求項８記載の方法。
10. 前記交換用中央リングを前記複数のベーンにろう付けするステップが、ろう付け材料を選択された温度に加熱するステップを含む、請求項８記載の方法。
11. 前記ろう付け材料が、ニッケル合金化合物を含む、請求項１０記載の方法。
12. 前記ろう付け材料を選択された温度に加熱するステップが、前記ろう付け材料を、選択された期間の間、約２０６０〜約２１６０°Ｆの範囲の温度に加熱するステップを含む、請求項１０記載の方法。
13. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、放電加工、高速フライス加工、レーザ除去、およびウォータージェット法からなる群から選択されるプロセスによって前記中央リングを除去するステップを含む、請求項８記載の方法。
14. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、前記複数のベーンに実質的に負荷をかけないプロセスによって前記中央リングを除去するステップであって、それにより、前記複数のベーンが構造的に元のままであることを可能にする、ステップを含む、請求項８記載の方法。
15. キャップアセンブリを含む、タービンの燃焼器を整備するための方法であって、
    複数のベーン内に配置された、前記キャップアセンブリの中央リング内に欠陥があると決定するステップと、
    前記複数のベーンに実質的に負荷をかけないプロセスによって前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップであって、それにより、除去中に前記複数のベーンが構造的に元のままであることを可能にする、ステップと、
    除去された前記中央リングと寸法が実質的に同じである交換用中央リングを前記キャップアセンブリ内に配置するステップと、
    前記交換用中央リングを前記複数のベーンに結合するステップと
    を含む方法。
16. 前記交換用中央リングを前記複数のベーンに結合するステップが、前記交換用中央リングを前記複数のベーンに接着するために材料を選択された温度に加熱するステップを含む、請求項１５記載の方法。
17. 前記材料が、ニッケル合金化合物を含む、請求項１６記載の方法。
18. 前記材料を選択された温度に加熱するステップが、ろう付け材料を、約２０６０〜約２１６０°Ｆの範囲の温度に加熱するステップを含む、請求項１６記載の方法。
19. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、放電加工、高速フライス加工、レーザ除去、およびウォータージェット法からなる群から選択されるプロセスによって前記中央リングを除去するステップを含む、請求項１５記載の方法。
20. 前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップが、前記キャップアセンブリの他の部分を除去または分解することなしに前記キャップアセンブリから前記中央リングを除去するステップを含む、請求項１５記載の方法。