JP5253744B2

JP5253744B2 - 熱遮蔽アセンブリ及びガスタービンエンジン燃焼器

Info

Publication number: JP5253744B2
Application number: JP2007043298A
Authority: JP
Inventors: ショーン・マイケル・デヴェイン; エリカ・スザンヌ・ショー; グレン・エドワード・ウィーヘ; ティモシー・グレン・ウンバウ; ジェイムズ・ニール・クーパー; マテウス・パウエル・ウェンクリック; マレク・クライツトフ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-02-23
Filing date: 2007-02-23
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2027-02-23
Also published as: US20070193273A1; US7596949B2; EP1826490A2; CA2578565A1; JP2007225276A; EP1826490B1; EP1826490A3; CA2578565C

Description

この発明は一般にガスタービンエンジン、特にガスタービンエンジン中で使用される熱遮蔽アセンブリに関する。

少なくとも既知のガスタービンエンジンは比較的高速の空気をディーゼル燃料のような液体燃料または天然ガスのようなガス燃料と混合することを容易にするために１０から３０個のミキサーを含む燃焼器を含んでいる。これらのミキサーは通常、火炎安定化と混合を強化するために吹き込んでくる空気を旋回するための旋回翼の中心に配置された単一の燃料噴射装置を含んでいる。燃料噴射装置およびミキサーの両方は燃焼器のドームの上に配置されている。

燃焼器はまたドームアセンブリを保護することを容易にする熱遮蔽を含んでいる。熱遮蔽は熱遮蔽の動作温度が所定の制限値内に留まるようにドームに近い側から入射する空気によって冷却される。しかしながら、既知の熱遮蔽は耐用年数が制限されているが、使用済みの熱遮蔽を取外して新しい熱遮蔽を取付けることがしばしば比較的困難なので、保守作業を妨害することがある。
米国特許第６８７１５０１号明細書

１つの側面において、１つのドームプレートおよびドームプレートの中で開口部に通じて広がっている少なくとも１つの燃料噴射装置を含むガスタービンエンジン燃焼器を製造する方法が提供されている。その方法は熱遮蔽から上流に拡がり、ねじ付き環管がドームプレートの開口部の中で受入れられるように熱遮蔽をドームプレートの下流に配置し、そしてドームプレートが熱遮蔽と保持具との間で確実に連結されるようにドームプレートの上流で保持具を環管に連結するねじ付き環管を含む熱遮蔽の製造を含んでいる。

もう１つの他の側面においては、ガスタービンエンジン燃焼器用の１つの熱遮蔽アセンブリが提供されている。熱遮蔽アセンブリはドームプレートの下流側に連結された熱遮蔽、熱遮蔽から上流に拡がり、ドームプレート開口部の中に受け入れられているねじ付き環管、およびドームプレートが確実に熱遮蔽と保持具との間で連結されるように環管に連結された保持具を含んでいる。

もう１つの側面では１つのガスタービンエンジン燃焼器が提供されている。ガスタービンエンジン燃焼器はインナーライナーおよびアウターライナーを含み、ドームプレートが少なくとも１つのインナーおよびアウターライナーに連結されており、ドームプレートが下流側と上流側を含み、少なくとも１つの開口部が上流側と下流側との間に広がっており、冷却流体をそこから放出して熱遮蔽アセンブリの少なくとも一部に衝突させて冷却する。熱遮蔽アセンブリはドームプレートの下流側に連結された熱遮蔽、熱遮蔽から上流に拡がり、ドームプレート開口部の中に受け入れられているねじ付き環管、およびドームプレートが確実に熱遮蔽と保持具との間で連結されるように環管に連結された保持具を含んでいる。
図１は低圧コンプレッサ１２、高圧コンプレッサ１４、および燃焼器１６を含むガスタービンエンジン１０を示す図である。エンジン１０はまた高圧タービン１８および低圧タービン２０も含んでいる。

動作中は空気が低圧コンプレッサ１２の中を流れ、圧縮された空気が低圧コンプレッサ１２から高圧コンプレッサ１４へ供給される。高度に圧縮された空気が燃焼器１６へ供給される。燃焼器１６からの（図１には示されていない）空気の流れはタービン１８および２０を駆動する。１つの実施形態ではガスタービンエンジン１０はCFMインターナショナルから入手できるCFMエンジンである。他の１つの実施形態ではガスタービンエンジン１０はオハイオ州シンシナチのジェネラルエレクトリック社から入手できるＬＭ６０００ＤＬＥエンジンである。

図２は図１に示されている典型的な燃焼器１６の断面図であり、図３は領域３に沿った燃焼器１６の部分的拡大図である。燃焼器１６は、環状で、放射状にアウターライナー３２および放射状にインナーライナー３４で、画定された燃焼ゾーンまたはチャンバー３０を含んでいる。特にアウターライナー３２は燃焼チャンバー３０のアウター境界を画定し、インナーライナー３４は燃焼チャンバー３０のインナー境界を画定している。ライナー３２および３４は環状の燃焼ケーシング３６から内側へ放射状に配置されており、燃焼ケーシング３６はライナー３２および３４の周囲に環状に広がっている。

燃焼器１６はまたそれぞれアウターライナー３２およびインナーライナー３４の上流へ搭載された複数の環状ドーム４０を含んでいる。ドーム４０は燃焼チャンバー３０の上流端を画定している。少なくとも２つのミキサーアセンブリ４１がドーム４０の周囲環状方向に間隔をあけて配置されて、燃料と空気の混合物を燃焼チャンバー３０に供給している。燃焼器１６は２つの環状ドーム４０を含んでいるので、燃焼器１６はデュアル環状燃焼器（ＤＡＣ）として知られている。代わりに、燃焼器１６はシングル環状燃焼器（ＳＡＣ）またはトリプル環状燃焼器であってよい。

各ミキサーアセンブリ４１は１つのパイロットミキサー４２、１つのメインミキサー４４、およびそれらの間に伸びている環状のセンターボディー４３を含んでいる。センターボディー４３は下流でパイロットミキサー４２に流れが通じているチャンバー５０を画定している。チャンバー５０は対称軸５２を有し、一般的に円筒形である。パイロットセンターボディー５４はチャンバー５０の中へと伸びており、対称軸５２に対して対称に搭載されている。１つの実施形態では、センターボディー５４はパイロットチャンバー５０の中へ燃料の液体粒子を小出しする１つの燃料噴射装置５８を含んでいる。

パイロットミキサー４２はまた一対の、同心円状に搭載された旋回翼６０を含んでいる。特に、典型的な実施形態では、旋回翼６０は軸旋回翼で、組み込まれたパイロット内部旋回翼６２およびパイロット外部旋回翼６４を含んでいる。代わりに、インナー旋回翼６２およびアウター旋回翼６４は分離された部品であってよい。パイロット内部旋回翼６２は環状で、センターボディー５４の周囲に環状に配置されている。パイロット外部旋回翼６４はパイロット内部旋回翼６２とセンターボディー４３の放射状内部表面６６との間に環状に配置されている。各旋回翼６２および６４は複数の羽根（図示されていない）を含んでいる。ガス状燃料の噴射口（図示されていない）はパイロット外部旋回翼の羽根６４の後縁近傍でかつパイロット外部旋回翼の羽根６４に隣接して伸びている表面６６に配置されている。旋回翼６２と６４および噴射口の位置は低エンジンパワー動作で希望する点火特性、希薄度の安定性が得られ、一酸化炭素および炭化水素の排出を低くするように選択される。１つの実施形態では、１つのパイロットスプリッター（図示されていない）がパイロット内部旋回翼６２とパイロット外部旋回翼６４との間に放射状に配置され、パイロット内部旋回翼６２およびパイロット外部旋回翼６４から下流方向に伸びている。

１つの実施形態では、パイロット旋回翼６２はその中を流れる空気をパイロット旋回翼６４を流れる空気と同じ方向に旋回する。他の（１つの）実施形態では、パイロット内部旋回翼６２がその中を流れる空気を旋回する第一の方向はパイロット外部旋回翼６４がその中を流れる空気を旋回する第二の方向とは反対方向である。

メインミキサー４４は、センターボディー４３の放射状外部表面７６と組み合わされて環状予混合空洞７４を画定する、外部スロート表面８１を含んでいる。メインミキサー４４はパイロットミキサー４２と同心円状に整列され、パイロットミキサー４２の周囲に環状に広がっている。

燃焼器１６はまたドームプレート７０およびドームプレート７０と連結された熱遮蔽アセンブリ１００を含んでいる。特に、ドームプレート７０はその中で広がって、少なくとも熱遮蔽アセンブリ１００の一部を受けるような大きさにされた少なくとも１つの開口部８０を含んでいる。１つの典型的な実施形態では、ドームプレート７０は複数の締め具１０２を使用して、アウターライナー３２および燃焼器ケーシング３６に連結されている。熱遮蔽アセンブリ１００は予混合空洞７４から放出された流体が下流へ、かつ放射状に内方向に向けられるように、保持具１１２およびスペーサ１１４を介して取外し可能にドームプレート７０に連結された少なくとも１つの熱遮蔽１１０を含んでいる。

図４は図３に示されている熱遮蔽アセンブリ１００の分解図で、図５は図３および図４で示されている熱遮蔽アセンブリ１００の一部の部分的透視図である。典型的な実施形態では、熱遮蔽１１０はその中に広がっている第一開口部１２２および本質的に円筒形でその中に広がっている第二開口部１２６を有するねじ付き環管１２４を有する熱遮蔽部１２０を含んでいる。典型的な実施形態では第一開口部１２２は第二開口部１２６の直径と本質的に同様の直径を有している。製造途中で、熱遮蔽部１２０はそれぞれ第一および第二開口部１２２および１２６が本質的に軸方向に整列されるようにねじ付き環管１２４に連結される。１つの実施形態では、熱遮蔽部１２０およびねじ付き環管１２４は一体の熱遮蔽１１０として形成される。オプションで、熱遮蔽部１２０は例えば溶接またはろう付け製法によってねじ付き環管１２４に取付けられる。ねじ付き環管１２４は保持具１１２がねじ付き環管１２４に連結されるように、ねじ付き環管１２４の外部表面に機械加工された複数のねじ１２８を含んでいる。

典型的な実施形態では、スペーサ１１４は本質的に円筒形状でその中に広がる開口部１３０を有している。開口部１３０はスペーサ１１４が熱遮蔽ねじ付き環管１２４の周囲に配置されるような大きさに作られている。特に、スペーサ１１４は熱遮蔽ねじ付き環管１２４に外接するような大きさに作られている。スペーサ１１４は第一端１３２、反対側の第二端１３４、および第二端１３４から伸びる複数のタブ１３６を含んでいる。特に、スペーサ１１４はここで回転防止タブとも呼ばれ、第二端１３４に連結され、そこから軸方向に伸びる第一複数タブ１４０および第二端１３４に連結され、放射状内方向に伸びる第二複数タブ１４２を含んでいる。典型的な実施形態では、タブ１４０および１４２はスペーサ１１４の保持を容易にし、そして後ほど議論されるように、熱遮蔽１１０が本質的にドームプレート７０に関して固定位置に存在する。

１つの実施形態では、保持具１１２は保持具１１２と熱遮蔽１１０を連結するために使用される複数の内部ねじを含む保持ナットである。典型的な実施形態では、保持具１１２は菊ナット（溝付きナット）である。即ち保持具１１２を熱遮蔽１１０へ連結したり、取外したりすることを容易にするために保持具１１２の外部表面の周囲に本質的に環状に広がる一連の緩み止めの溝１５０を含んでいる。

アセンブリの際に熱遮蔽１１０は保持具１１２およびスペーサ１１４の両方を使用してドームプレート７０に連結される。特に、熱遮蔽ねじ付き環管１２４は少なくとも部分的に熱遮蔽１１０に形成された肩１６０が少なくとも部分的に熱遮蔽１１０に形成された隙間１６２の中に配置されるようにドームプレート開口部１２２へ挿入される。典型的な実施形態では、肩１６０および隙間１６２は共同して熱遮蔽１１０を本質的に固定された放射状位置に保持する。図３、４、５に示されているように、熱遮蔽部の肩１６０がドームプレートの隙間１６２の中に配置されたとき、少なくとも熱遮蔽１１０の一部がドームプレート７０の中に形成された開口部１１２の中で広がっている。特に、少なくとも熱遮蔽のねじ部分の一部、即ち、ねじ付き環管１２４がドームプレート７０の中で広がり、保持具１１４の熱遮蔽１１０への連結を容易にし、このようにして以下に記述するように熱遮蔽１１０のドームプレート７０への連結を容易にしている。

熱遮蔽ねじ付き環管１２４が少なくとも部分的にドームプレート開口部１２２の中に挿入された後、第一複数タブ１４０が各々ドームプレート７０に形成されたそれぞれの隙間１７０の中に伸び、熱遮蔽１１０の中に形成されたそれぞれの隙間１７２の中に配置されるように、スペーサ１１４がねじ部１２４の周囲に配置される。そのようにして、タブ１４０はスペーサ１１４をドームプレート７０および熱遮蔽１１０に対して相対的に固定された放射状位置に保持することを容易にし、さらに熱遮蔽１１０をドームプレート７０に対して相対的に固定された放射状位置に保持することを容易にする。さらに、第一複数タブ１４０に対して本質的に法線方向または垂直に形成された第二複数のタブ１４２がスペーサ１１４を比較的固定された軸位置に保持することを容易にするように、スペーサ１１４がねじ部１２４の周囲に配置される。特に、第二複数タブ１４２がドームプレート１７０の中に形勢された溝１７４の中に設置されるように、スペーサ１１４はねじ部１２４の周囲に配置される。

熱遮蔽１１０およびスペーサ１１４をドームプレート７０に固定するために、保持具１１２が熱遮蔽ねじ付き環管１２４にねじ込まれる。スペーサ１１４は溝１７４の直径より大きな直径を持っているので、保持具１１２が締め付けられたとき、スペーサタブ１４２は溝１７４の中に設置され、このようにして熱遮蔽１１０がドームプレート７０に固定されることを可能にする。このようにして、保持具１１２が設置されているときでも取外されているときでも、スペーサデバイス１１４は熱遮蔽１１０を本質的にドームプレート７０に関して固定された位置に保持することを容易にする。

典型的な実施形態では、熱遮蔽アセンブリ１００はまた保持具１１２および熱遮蔽ねじ付き環管１２４の中に形成された開口部１９２を通して挿入される１つのピン１９０を含んでいる。特に、熱遮蔽１１０と保持具１１２との間に、少なくとも１つの開口部１９２が少なくとも部分的にねじ付きインタフェース１９４を通して形成されている。保持具１１２を熱遮蔽１１０に対して本質的に固定された放射状位置に固定することを容易にするためにピン１９０が少なくとも部分的に開口部１９２の中に挿入される。特に、ピン１９０は保持具１１２がエンジンの動作中に緩んで熱遮蔽１１０が燃焼器１６の中で移動しないように固定することを容易する。オプションとして、保持具１１２の取外し、取付けを容易にするために、固着防止化合物またはテープが熱遮蔽１１０のねじ部に適用される。

ここに記述された熱遮蔽アセンブリはジェネラルエレクトリック社によって製造されたＬＭ６０００およびＬＭ２５００ＤＬＥなどの多くの種類のガスタービンエンジンで使用可能である。燃焼器は耐用年数の限られた熱遮蔽を有している。熱遮蔽アセンブリは熱遮蔽に連結された１つの外部ねじ付き環管を有する熱遮蔽を含んでいる。ねじ付き環管はドームプレートの中で形成された開口部の中に挿入される大きさに作られている。

１つのスペーサがねじ付き環管に配置され、１つのねじ付きナットが熱遮蔽環管にねじ込まれている。特に、スペーサはここでは回転防止タブと呼ばれ、ドームプレートの中で伸び、熱遮蔽にかみ合わせられている少なくとも２つの脚を含んでいる。脚は熱遮蔽の位置を決め、そしてまたトルクがねじに印加されたときに熱遮蔽の回転を防止することを容易にしている。そのようにして、回転防止タブを含むスペーサは組立、分解トルクに対抗する強力な反応表面を提供すると同時に、ドームプレートを反応から生じる損傷から保護する。

ねじ付きナットはドームプレートを熱遮蔽とナット間に固定し、熱遮蔽を所定の位置に保持することを容易にする。エンジンが動作中にねじ付きナットがねじ付き保持具から外れることを防止するために、熱遮蔽ねじと保持具のねじとの間に１つのロックピンが挿入されている。特に、熱遮蔽ねじ付き環管はドームプレートに挿入され、ねじ付き保持具が環管に連結され、そして最終組立トルク値まで締め付け、トルクが印加されている。ガスタービンエンジン内で使用されている本質的にすべての燃焼器の熱遮蔽を含むアセンブリは、次に例えば工作機械にかけられ、環管と保持具との間にねじ付きインタフェースを通して１つの開口部が形成される。次に１つのピンが少なくとも部分的に開口部の中に挿入され、そしてエンジン動作中にピンが開口部の中に保持されるように溶接ビードが適用される。そのようにして、ピンはエンジン動作中に緩みを生じる外部ブラケットの仮付け溶接に依存しない、ねじのための機械的ロッキング特性を提供する。

従って、ここに記述された熱遮蔽アセンブリは分解の際に増加したブレーキトルクを有するねじピンを提供し、そしてまた少なくとも４５フットポンドの動作トルクを提供して熱遮蔽のエンジン動作中の移動の防止を容易にする。さらに、回転防止タブが位置コントロールを提供し、そしてまた適切な熱遮蔽回転防止トルクレベルを提供して熱遮蔽を損傷することなく、熱遮蔽を組立、分解することを容易にするので、スペーサは熱遮蔽をドームプレートに対して位置決めすることを容易にするそのようにして、熱遮蔽アセンブリは動作中に保持損失を防止することを容易にし、そしてなおオーバーホールの際に熱遮蔽を壊さずに取外すことを可能にする。

熱遮蔽アセンブリの典型的な実施形態が以上で詳細に記述された。システムはここに記述された特定の実施形態に限られるものではなく、むしろ、各アセンブリの部品はここに記述された他の部品とは独立して別々に使用できる。特に、上記の熱遮蔽保持システムは対費用効果が高く、非常に信頼性が高く、各種のガスタービンエンジンアプリケーションの中に設置された各種幅広い範囲の燃焼器に使用できる。

本発明は各種特定の実施形態に関して記述されたが、当業者は本発明がその請求項の精神と範囲内で修正して実施できることを認めるであろう。

燃焼器を含むガスタービンエンジンを示す図である。図１で示されたガスタービンエンジンと共に使用される可能性のある燃焼器の典型的な断面図である。図２の面３に沿った燃焼器の１部の拡大図である。図３に示されている熱遮蔽アセンブリの分解図である。図３に示されている熱遮蔽アセンブリの１部の透視図である。

符号の説明

3 領域
10 ガスタービンエンジン
12 低圧コンプレッサ
14 高圧コンプレッサ
16 燃焼器
18 高圧タービン
20 低圧タービン
30 燃焼チャンバー
32 アウターライナー
34 インナーライナー
36 燃焼ケーシング
40 環状ドーム
41 ミキサーアセンブリ
42 パイロットミキサー
43 センターボディー
44 メインミキサー
50 チャンバー
52 対称軸
54 センターボディー
58 燃料噴射装置
60 旋回翼
62 インナー旋回翼
64 アウター旋回翼
66 表面
70 ドームプレート
74 予混合空洞
76 放射状外部表面
80 開口部
81 外部スロート表面
100 熱遮蔽アセンブリ
102 締め具
110 熱遮蔽
112 保持具
114 スペーサ
120 熱遮蔽部
122 第１開口部
124 環管
126 第２開口部
128 複数のねじ
130 開口部
132 第１端
134 第２端
136 タブ
140 タブ
142 タブ
142 タブ
150 溝
160 肩
162 隙間
170 隙間
172 隙間
174 溝
190 ピン
192 開口部
194 インタフェース

Claims

ガスタービンエンジン燃焼器用の熱遮蔽アセンブリ（１００）において、
前記燃焼器（１６）はドームプレート（７０）およびドームプレートの開口部（８０）を通って伸びる少なくとも１つの燃料噴射装置（５８）を含み、
前記熱遮蔽アセンブリは、前記ドームプレートの下流側に向かって連結された１つの熱遮蔽（１１０）と、前記熱遮蔽から上流に伸びるねじ付き環管（１２４）と、保持具（１１２）と
前記保持具（１１２）とドームプレート上流側との間で連結された１つのスペーサ（１１４）と
を含み、
前記ねじ付き環管は、前記ドームプレートの開口部に中に受入れられており、
前記ドームプレートは、前記熱遮蔽と前記保持具との間に確実に連結されるように前記環管に連結されており、
前記スペーサ（１１４）が放射状内向きに延びる複数の第２回転防止タブ（１４２）を含み、該第２回転防止タブが前記ドームプレート（７０）の前記開口部（８０）の周囲に形成された溝（１７４）中に配置され、該スペーサの軸方向位置を固定する
ことを特徴とする、熱遮蔽アセンブリ。
前記スペーサ（１１４）が前記燃焼器（１６）内での動作温度を基にして伸張または収縮するように構成された金属材料で製造されている請求項１に記載の熱遮蔽アセンブリ（１００）。
前記スペーサ（１１４）が軸方向に延びる複数の第１の回転防止タブ（１４０）を含み、該第１の回転防止タブが前記ドームプレート（７０）の中に伸び、そして前記熱遮蔽（１１０）にかみ合って前記熱遮蔽を前記ドームプレートに確実に連結することを容易にする、請求項１に記載の熱遮蔽アセンブリ（１００）。
前記ドームプレート（７０）がドームプレートの上流側に形成された溝（１７４）を含み、前記スペーサ（１１４）が前記熱遮蔽（１１０）を前記ドームプレートの中に確実に連結することを容易にするための前記溝の中に受入れられた複数の放射状に整列されたタブを含んでいる、請求項１に記載の熱遮蔽アセンブリ（１００）。
請求項１に記載の熱遮蔽アセンブリ（１００）であってさらに、
前記環管（１２４）と前記保持具（１１２）との間のねじ付きインタフェース（１９４）の中に伸張する１つの開口部（８０）と、
前記保持具を前記環管に確実に固定することを容易にするために少なくとも部分的に前記開口部（８０）の中に挿入された１つのロッキングピン（９０）と
を備えている、熱遮蔽アセンブリ。
前記保持具（１２４）が菊ナットを備えている、請求項１に記載の熱遮蔽アセンブリ。
ガスタービンエンジン燃焼器において、
インナーライナー（３４）およびアウターライナー（３２）を含む燃焼チャンバー（３０）と少なくとも１つのインナーおよびアウターライナーに連結されたドームプレート（７０）とを含み、
前記ドームプレートが下流側と上流側を含み、少なくとも１つの開口部（８０）が上流側と下流側との間を貫いており、冷却流体をそこから放出して熱遮蔽アセンブリ（１００）の少なくとも一部に衝突させて冷却し、熱遮蔽アセンブリが、
前記ドームプレートの下流側に向かって連結された１つの熱遮蔽（１１０）と、
前記熱遮蔽から上流に伸びるねじ付き環管（１２４）であって、そのねじ付き環管が前記ドームプレートの開口部に中に受入れられているねじ付き環管（１２４）と、
前記ドームプレートが前記熱遮蔽と前記保持具との間に確実に連結されるように前記環管に連結されている、１つの保持具（１１２）と、
前記保持具（１１２）とドームプレート上流側との間で連結された１つのスペーサ（１１４）と
を備え、
前記スペーサ（１１４）が放射状内向きに延びる複数の第２回転防止タブ（１４２）を含み、該第２回転防止タブが前記ドームプレート（７０）の前記開口部（８０）の周囲に形成された溝（１７４）中に配置され、該スペーサの軸方向位置を固定する
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン燃焼器。
前記スペーサ（１１４）が前記燃焼器（１６）内での動作温度を基にして伸張または収縮するように構成された金属材料で製造されている、請求項７に記載のガスタービンエンジン燃焼器。
前記スペーサ（１１４）が軸方向に延びる複数の第１の回転防止タブ（１４０）を含み、該第１の回転防止タブが前記ドームプレート（７０）の中に伸び、そして前記熱遮蔽（１１０）にかみ合って前記熱遮蔽を前記ドームプレートに確実に連結することを容易にする、請求項７に記載のガスタービンエンジン燃焼器。