JP6634013B2 - ガスタービンエンジン用の一体化された洗浄システム - Google Patents

Description

本明細書に開示される主題の実施形態は、洗浄システム、ガスタービンエンジン、および軸流圧縮機を洗浄する方法に関する。

ガスタービンは、発電機、ガス圧縮、および一般的に、回転機械式駆動装置が必要なすべての応用例で広く使用される。ガスタービンエンジンの核心要素は、動作中、その中に膨大な量の空気を吸い込んで圧縮する圧縮機である。バーナが圧縮空気に熱を加え、膨張する燃焼ガスがタービンを動かし、タービンから有用な動力を取り出すことができる。圧縮機に入る空気の品質は、ガスタービンの寿命および効率にとって非常に重要な要因である。そのような空気は、埃および腐食性粒子のようなエアロゾルの形態にあるさまざま種類の材料を含む。粒子の大半が排出ガスと共にガスタービンから出ていく場合であってもなお、それらの一部は、最終的にそれらが蓄積する前端部上では特に、圧縮機のブレードおよびベーン上に堆積して、空気力学を低下させ、したがって、機械の効率および性能を下げ、結果的にユーザにとって大きな経済的損失を招く可能性がある。さらに、有害な粒子のフラックスは、ＦＯＤ（異物損傷）および腐食のような他の問題を引き起こす。すべてのこのような理由から、ガスタービンに入る空気の品質を管理するために、対策を講じる必要がある。通常、ガスタービン吸入口は、少なくとも、特定の最小値より大きい寸法を有する粒子を遮断する空気フィルタを備える。それでも、かなりの量のより微小な大きさの粒子が、フィルタシステムを通過して、圧縮機のブレードおよびベーン上に付着および蓄積することがある。「ファウリング」と呼ばれるこの現象は、ブレードおよびベーン上のこれらの粒子の堆積をなくすために、ガスタービン圧縮機の規則的な定期的洗浄を行い、このような方法で圧縮機本来の性能の大部分を回復しようとすることに頼らざるを得なくする。通常、圧縮機のガス流路の洗浄は、洗浄流体を、そのような流体を霧化する一連のノズルを通して圧縮機取入口の中に噴霧し、ロータを回転させて、洗浄流体を圧縮機の中に押し進め、洗浄流体を機械の後方に出すことによって達成される。通常、洗浄作業は、２つの条件下で実行される。一方は、機械が作動している間に清掃が行われることから、「オンライン」と呼ばれ、他方の洗浄方法は、機械を生産オフ状態にする必要があり、そのため、「オフライン」と呼ばれる。機械が全負荷で作動しており、ノズルを置く位置に制限があるという理由から、「オンライン」洗浄は、「オフライン」洗浄より有効性が低いと考えられる。実際に、空気が非常に高速度であるため、気流の速度が低く洗浄液体が気流の中心に貫通することができる位置にノズルを位置付けるのが一般的であり、さもなければ、気流の乱れと遠心力に因り、洗浄液体は、ブレードから離れて辺縁部に近づいてしまう。この上部では、高温で洗浄液体を蒸発させる傾向がある。「オンライン」方法の利点は、機械が作動し続けることが可能であるということである。「オフライン」方法では、この場合の機械は、スタータを用いて通常の全負荷速度のほんの数パーセントの速度で作動しているにすぎないので、生産を一時的に停止する必要がある。「オフライン」洗浄では、通常、洗浄流体を噴霧するノズルは、圧縮機低圧第一段ブレードの前に取り付けられる。「オフライン」洗浄の場合には、洗浄作業の間、エンジンは、乱流を引き起こすことなく、かつ流体を、洗浄されるべきブレードから離して圧縮機ケーシングに向かって押し進めることができる強い遠心力を流体に与えることなく、汚れをこすり落すのに十分な力を洗浄流体に与えるためにだけ回転する。洗浄システムの特有の位置決めおよび組立てを選択することは、洗浄効率にとって、さらにガスタービンの完全性にとって重要である。

従来技術の解決策によれば、噴霧ノズルは、ガスタービンのベルマウスの内側に、噴霧が、圧縮機吸入口で、気流とほぼ平行な方向に真っすぐに向けられるような位置に取り付けられる。この解決策の短所は、失敗した場合に、ノズルがガスタービンに損傷を与える可能性があることである。

半径方向空気吸入口を備えた機械の場合の、別の従来技術の解決策は、内部半径方向渦巻き部上にノズルを固定することにある。

両方の解決策の欠点は、ノズルが、機械の性能に影響を及ぼす流れの歪を引き起こす可能性のある、機械の中の流路内部にあることである。

したがって、前述の欠点を克服し得る改良型の洗浄システムが必要であると思われる。

米国特許第７，４５４，９１３号明細書

洗浄液体を噴霧するためのノズルおよびマニホルドの配列を、軸流圧縮機の気流吸入口にある吸入口スクリーンの支持構造体に一体化させることによって、非常に有効な解決策が得られる。

本発明の第１の態様は、洗浄システムである。

洗浄システムは、軸流圧縮機を備えるガスタービンエンジン用であり、異物損傷から圧縮機を保護するために、軸流圧縮機の気流吸入口に配置される吸入口スクリーンであって、支持構造体と、支持構造体に固定されるフィルタネットとを備える吸入口スクリーンと、ノズルおよびマニホルドの配列と、前述の配列に連結される洗浄液体供給システムとを備え、前述の配列は、前述の支持構造体に一体化される。

本発明の第２の態様は、ガスタービンエンジンである。

ガスタービンエンジンは、軸流圧縮機と、軸流圧縮機の気流吸入口に位置するプレナムチャンバと、異物損傷から圧縮機を保護するためにプレナムチャンバの中に位置する吸入口スクリーンであって、支持構造体および支持構造体に固定されるフィルタネットを備える吸入口スクリーンと、ノズルおよびマニホルドの配列と、前述の配列に連結され、前述の支持構造体に一体化される洗浄液体供給システムとを備える。

本発明の第３の態様は、ガスタービンエンジンの軸流圧縮機を洗浄する方法である。

方法によれば、吸入口スクリーンは、軸流圧縮機の気流吸入口に位置し、洗浄液体供給システムは、前述の吸入口スクリーンに一体化される。

本明細書に包含され、本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の例示的実施形態を示し、詳細説明と併せてこれらの実施形態を説明する。

ガスタービンエンジンの長手方向断面図である。 従来技術によるガスタービンエンジンのベルマウスの長手方向断面図である。 従来技術によるガスタービンエンジンの吸入口領域の長手方向断面図である。 ガスタービンの一実施形態の吸入口領域の斜視図である（特に、プレナムチャンバ内のＦＯＤスクリーンを示す）。 図４に示すガスタービンエンジンの構成要素のいくつかの分解図である。 図４および図５に示すものと一致するＦＯＤスクリーンの一実施形態の斜視図である。 図６のＦＯＤスクリーンの支持構造体を形成するリブの詳細図である。 図７のリブの断面図である。

例示的な実施形態についての以下の説明では、添付図面を参照する。

以下の説明は、本発明を制限するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の請求の範囲によって画定される。

本明細書の全体を通して、「１つの実施形態」または「一実施形態」という言及は、一実施形態に関連して記述される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態の中に含まれることを意味する。したがって、本明細書の全体を通してさまざまなところに出てくる「１つの実施形態では」、または「一実施形態では」という語句は、必ずしも同じ実施形態を指しているわけではない。さらに、特有の特徴、構造、または特性を、１つまたは複数の実施形態の中で任意の適切なやり方で組み合わせてもよい。

図１を参照すると、全体として参照番号１００と表される航空機転用ガスタービンエンジンが示してある。矢印１は、ガスタービンエンジン１００のベルマウスに入る気流を表す。ガスタービンエンジンの基本要素は、圧縮機３、燃焼器４、およびタービン５である。ガスタービンエンジン１００は、圧縮機３のブレードを動かすシャフト２を含む。圧縮空気は、燃焼器４によって加熱され、その結果、高温気体が膨張して、タービン５のブレードを動かし、ひいては、シャフト２を回転させる。ガスタービンエンジン１００の中には、起動時および前述のようなオフライン洗浄手順の間にガスタービンエンジンを作動させる目的を果たすスタータモータ（図示せず）が、さらに含まれている。

ガスタービンエンジンは、圧縮機のブレードおよびベーンを汚す可能性のある粒子を含む、膨大な量の空気を吸い込む。ガスタービンエンジンに入る前に、ファウリングの一因となり得る空気粒子の多くの部分を除去するため、空気を濾過しなければならない。主に圧縮機３のブレードおよびベーンに損傷を与える可能性のあるそうした粒子を遮断するために、ＦＯＤスクリーンは、プレナムチャンバ８の中でガスタービンエンジンの入口に位置付けられる。

フィルタを使用しても、圧縮機のブレードおよびベーンの上に粒子が堆積および蓄積するのを完全に回避することは困難であり、したがって、当初の水準の効率を復元するために、定期的な洗浄作業を行う必要がある。

洗浄作業は、霧状の洗浄流体、通常水をガスタービンエンジンの内部で噴霧する一連のノズルを通して達成される。

図２および図３は、従来技術による洗浄システムの詳細を示す。

図２では、ノズル７は、特に参照数字で特定される領域において、ガスタービンエンジンのベルマウス６の中に取り付けられる。

図３は、空気が（上部開口から）半径方向に入り、ノズル７が、内部半径方向渦巻き部の上に（ベルマウス６と半径方向に向かい合って）取り付けられているガスタービンエンジンの吸入口部分を示す。洗浄作業の間、ロータが、１）オフラインの洗浄の場合には、スタータエンジンによって駆動される低速度で回転する、または２）オンライン洗浄の場合には全負荷で回転するという事実の結果、洗浄流体が圧縮機に入って、それを通り抜けて機械の出口に向かって移動してファウリングを洗浄しながら貫通することができるように、ノズルは、配置される。

これらの従来技術の解決策の欠点は、吸入口側面上に取り付けられるノズルが、それらが据え付け面から取り外される場合に、吸入口気流に大きな歪みを発生させる可能性があるだけでなく、圧縮機のブレードおよびベーンに重大な損傷を与える可能性があるという事実に起因する。

代替解決策は、ノズルを吸入口プレナム壁に固定することにある。この場合、洗浄流体は、吸入口スクリーンを通過しながら、軸流圧縮機に噴射される。このような解決策では、圧縮機の中へ直接入る洗浄流体がないので、洗浄効率が低下する短所がある。

図４および図５は、ガスタービンエンジン１００の吸入口に配置される吸入口ＦＯＤスクリーン３０を示し、スクリーン３０は、プレナムチャンバ８の内側に位置する。

図５は、ガスタービンエンジンの圧縮機３の前方に配置されるためのスクリーン３０ならびにベルマウス６および弾丸状突出部を示す。

図６は、さらに詳細なスクリーン３０の斜視図である。

スクリーン３０は、軸流圧縮機３の気流吸入口に配置される基部を有する。スクリーン３０は、基部から離れるように発展する側面をさらに有する。

スクリーン３０は、軸方向に対称な形状を有する。本開示の中で、「軸方向に対称な形状」という用語は、任意の数の軸平面に対して平面的対称性を有する何らかの形状を含む。圧縮機の中心軸を含む何らかの平面は、本開示による「軸平面」と定義される。

好ましいことに、スクリーン３０は、基部区域に対するフィルタ能力を上げるための、基部および側面を有する三次元形状を有する。側面および基部は共に、支持構造体に連結されるフィルタネット１９を備える。

第１の実施形態によれば、フィルタネット１９は、軸流圧縮機３の気流吸入口から離れた吸入口スクリーン３０の基部上にだけ固定されている。第２の実施形態によれば、フィルタネット１９は、吸入口スクリーン３０の側面にも固定することができる。

スクリーン３０は、図６で分かるように、円筒形カップの形状を有していて、フィルタネットおよびその支持構造体によって形成されればより望ましい。支持構造体は、軸流圧縮機３の気流吸入口に近い円筒形カップ基部の周縁部に配置される第１の支持リング１０と、軸流圧縮機３の気流吸入口から離れた別の円筒形カップ基部の周縁部に配置される第２の支持リング１１とを備える。支持構造体は、一連のＬ字型リブ１２によって完成される。Ｌ字型リブ１２は、２つのリング１０および１１を結合しており、これらのリングに垂直である、平行な第１のリブセグメント１４のセットと、円筒形カップ基部１１によって画定される平面上に配置される第２のリブセグメント１５のセットとによって形成される。このタイプの構造体の利点は、構造体が、歪められることなくそれを通過し得る気流には非常に限定的な影響しか及ぼさないということである。

この構造体は、樹脂を用いて前述の構造体に固定されるフィルタネット（図８の１９）を支持する。フィルタネットは、気流と共に圧縮機を入る可能性がある危険物を遮断する。

本発明の実施形態によれば、洗浄流体用ノズルおよびマニホルドは、吸入口ＦＯＤスクリーン３０の支持構造体を形成するリングおよびリブ上に載置される。

図６によれば、リング１０は、洗浄流体マニホルド１３を載せている。洗浄流体マニホルド１３は、フィルタネット１９を固定する役目も果たす樹脂に埋め込まれたリング１０に沿って延在しており、洗浄流体導管１７のセットは、前述のマニホルド１３から逸れて、リブ構造体に沿って、洗浄流体をノズルに導いており、導管１７は、一点に集まる第２のリブセグメント１５の中点に達するにとどまり、そこで、導管は、（図７に示すように）洗浄流体ノズル１８または一対のノズル１８で終わる。

図８は、洗浄流体導管１７を載せている第１のリブセグメント１４の細部（断面図で）を示す。第１のリブセグメント１４（ならびに第２のリブセグメント１５）は、Ｕ字型の輪郭を有し、樹脂２０が充填されている。フィルタネット１９は、図で分かるように、メッシュの延長部を貫通して樹脂２０に入って固定されており、洗浄流体導管１７は、樹脂２０に完全に埋め込まれている。

洗浄システム（すなわちノズルおよびマニホルド）を吸入口スクリーンの支持構造体に一体化させることには、従来技術と比較して、洗浄システムが、吸入口流体流れの妨害物をさらに追加せず、流れを歪めないという利点がある。洗浄システムは、圧縮機３の前方、特に吸入口の前方に配置される。

ノズルは、洗浄流体を、所望によって気流と同じ軸方向に、かつ軸流圧縮機の軸と平行に、直接圧縮機の中に噴射してもよい。

さらに、いくつかのノズルは、噴霧ノズルとして構成することができる。噴霧ノズルは、それらが霧状形態の洗浄液体を噴霧することができるように構成される。他のノズルは、ジェットノズルであり、これは洗浄液体の連続した流れを放出するように構成される。記載する実施形態によれば、噴霧ノズルが、オンライン洗浄で使用され、一方、ジェットノズルが、オフライン洗浄で使用される。

樹脂の中にノズルおよびマニホルドを埋め込むことで、ノズルまたはマニホルドの離脱が非常に起こりにくくなる。

マニホルドは通常、最終的には蒸溜され、処理されて、洗浄薬品と混合された濾過水を含むことができる給水システムに接続される。

ガスタービンエンジンを出た洗浄水の一部は、収集され、再生処理されて、収集したファウリングから浄化し、処理した後、きれいな洗浄水として真水と一緒に再使用され得る。

吸入口スクリーンおよび一体化された洗浄システムは、洗浄工程の効率を上げ、気流に影響を及ぼさず、軸流圧縮機に入って、損傷を与える可能性のある異物の危険性を排除する。

このようなシステムは、ガスタービンエンジンの休止時間を減らして、明確な経済的利益と共に（洗浄後の）効率回復の比率を上げる。

１ 矢印
２ シャフト
３ 圧縮機
４ 燃焼器
５ タービン
６ ベルマウス
７ ノズル
８ プレナムチャンバ
１０ 第１の支持リング
１１ 第２の支持リング
１２ Ｌ字型リブ
１３ 洗浄流体マニホルド
１４ 第１のリブセグメント
１５ 第２のリブセグメント
１６ 洗浄液体供給システム
１７ 洗浄流体導管
１８ 洗浄流体ノズルまたはノズル
１９ フィルタネット
２０ 樹脂
３０ ＦＯＤスクリーン
１００ ガスタービンエンジン

Claims (16)

1. 軸流圧縮機（３）を備えるガスタービンエンジン（１００）用の洗浄システムであって、
   異物損傷から前記圧縮機（３）を保護するために、前記軸流圧縮機（３）の気流吸入口に配置される吸入口スクリーン（３０）であって、支持構造体（１０、１１、１２）と、前記支持構造体（１０、１１、１２）に固定され当該支持構造体自体によって直接に支持されるフィルタネット（１９）と、を備える吸入口スクリーン（３０）と、
   ノズル（１８）およびマニホルド（１３、１７）の配列であって、前記支持構造体（１０、１１、１２）に一体化されている配列（１３、１７、１８）と、
   前記配列（１３、１７、１８）に連結される洗浄液体供給システム（１６）と、
   を備え、
   前記吸入口スクリーン（３０）が、前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口に配置される基部と、前記基部から離れるように発展し、軸方向に対称な形状を有する側面とを備え、
   ここに、前記ノズル（１８）および前記マニホルド（１３、１７）は、前記支持構造体（１０、１１、１２）に埋め込まれて前記支持構造体（１０、１１、１２）に一体化されており、かつ、前記ノズル（１８）は、前記ガスタービンエンジン（１００）用の洗浄液体を、前記フィルタネット（１９）を経由することなく直接に、前記気流吸入口に向かうように噴射するべく設けられている、
   洗浄システム。
2. 前記側面が、前記圧縮機の中心軸に対して軸方向に対称な形状を有する、請求項１に記載の洗浄システム。
3. 前記フィルタネット（１９）が、前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口から離れた前記吸入口スクリーン（３０）の基部上にだけ固定される、請求項１または２に記載の洗浄システム。
4. 前記フィルタネット（１９）が、前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口から離れた前記吸入口スクリーン（３０）の基部上に固定され、
   前記フィルタネット（１９）が、前記吸入口スクリーン（３０）の前記側面にも固定される、
   請求項１または２に記載の洗浄システム。
5. 前記フィルタネット（１９）が、樹脂（２０）によって前記支持構造体（１０、１１、１２）に固定される、請求項１から３のいずれか１項に記載の洗浄システム。
6. 前記吸入口スクリーン（３０）の基部が円筒形カップの形状を有しており、前記支持構造体（１０、１１、１２）が、
   前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口に近い前記基部の周縁部に配置される第１の支持リング（１０）と、
   前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口から離れた別の円筒形カップ基部の周縁部に配置される第２の支持リング（１１）と、
   Ｌ字型リブ（１２）のセットであって、前記リブ（１２）の短いセグメント（１４）が、平行に、間隔を置いて配置されて前記リング（１０、１１）を結合し、前記リブ（１２）の長いセグメント（１５）が、前記第２の支持リング（１１）の中に放射状に配置され、その中心で結合される、Ｌ字型リブ（１２）のセットと、
   を備える、
   請求項１から５のいずれか１項に記載の洗浄システム。
7. 前記ノズル（１８）が、前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口に向かう前記気流および前記軸流圧縮機（３）の前記軸と実質的に平行な方向に洗浄液体を噴射するように配置される、請求項１から６のいずれか１項に記載の洗浄システム。
8. いくつかのノズルが、霧状形態の洗浄液体を噴霧するように構成される噴霧ノズルであり、
   いくつかのノズルが、洗浄液体の連続した流れを放出するように構成されるジェットノズルである、
   請求項１から７のいずれか１項に記載の洗浄システム。
9. 前記噴霧ノズルが、オンライン洗浄のためだけに配置および配列され、前記ジェットノズルが、オフライン洗浄のためだけに配置および配列される、請求項８に記載の洗浄システム。
10. 前記洗浄液体供給システム（１６）が、水を濾過および／または処理するための装置、および／または水を洗浄物質と混合するための装置を備える、請求項１から９のいずれか１項に記載の洗浄システム。
11. 前記洗浄液体供給システム（１６）が、前記ガスタービンエンジンを出る前記水の少なくとも一部を再利用するために再生処理システムを備える、請求項１から１０のいずれか１項に記載の洗浄システム。
12. 前記洗浄液体システム（１６）が、前記回収水を浄化するための装置を備える、請求項１１に記載の洗浄システム。
13. ガスタービンエンジンであって、
    軸流圧縮機（３）と、
    前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口に位置するプレナムチャンバ（８）と、
    異物損傷から前記圧縮機（３）を保護するために前記プレナムチャンバ（８）の中に位置する吸入口スクリーン（３０）であって、支持構造体（１０、１１、１２）および前記支持構造体（１０、１１、１２）に固定され当該支持構造体自体によって直接に支持されるフィルタネット（１９）を備える吸入口スクリーン（３０）と、
    ノズル（１８）およびマニホルド（１３、１７）の配列と、
    前記配列（１３、１７、１８）に連結され、前記支持構造体（１０、１１、１２）に一体化される洗浄液体供給システム（１６）と、
    を備え、
    ここに、前記ノズル（１８）および前記マニホルド（１３、１７）は、前記支持構造体（１０、１１、１２）に埋め込まれて前記支持構造体（１０、１１、１２）に一体化されており、かつ、前記ノズル（１８）は、前記ガスタービンエンジン（１００）用の洗浄液体を、前記フィルタネット（１９）を経由することなく直接に、前記気流吸入口に向かうように噴射するべく設けられている、
    ガスタービンエンジン。
14. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の洗浄システムを備える、請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
15. 請求項１４に記載のガスタービンエンジン（１００）の軸流圧縮機（３）を洗浄する方法であって、
    前記吸入口スクリーン（３０）が、前記軸流圧縮機（３）の前記気流吸入口に位置し、
    前記洗浄液体供給システム（１６）が、前記吸入口スクリーン（３０）に一体化される、
    洗浄する方法。
16. 前記洗浄液体供給システム（１６）が、オンライン洗浄、および／またはオフライン洗浄で使用される、請求項１５に記載の洗浄方法。