JP4005030B2

JP4005030B2 - ガスタービンエンジン燃焼器を洗浄するための方法及び装置

Info

Publication number: JP4005030B2
Application number: JP2004045554A
Authority: JP
Inventors: ポール・ジェームズ・オグデン; クレイグ・ダグラス・ヤング; スティーブン・クレイトン・バイス
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-02-24
Filing date: 2004-02-23
Publication date: 2007-11-07
Anticipated expiration: 2024-02-23
Also published as: US20040163678A1; CA2457970A1; SG117475A1; US6932093B2; JP2004257384A; EP1452802A1; BRPI0400652A

Description

本出願は、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から微粒子物質を除去するための方法及び装置に関する。

燃焼器を用いて、燃料と空気の混合物がガスタービンエンジン内で燃焼される。公知の燃焼器は、燃焼域を形成する燃焼器ライナに取付けられた少なくとも1つのドームを含む。燃料噴射器が、ドームと流れ連通した状態で燃焼器に取付けられ、燃焼域に燃料を供給する。燃料は、メガネプレートなわちドームプレートに取付けられたドーム組立体を通して燃焼器に流入する。

ドーム組立体は、ドームプレートに固定されかつフレアコーンから半径方向内方に位置する空気スワーラを含む。フレアコーンは、発散形になっており、空気スワーラから半径方向外向きに延びて、空気と燃料を混合しかつその混合物を半径方向外向きに燃焼域内に広げるのを助長する。発散形のデフレクタが、フレアコーンの周りで円周方向にかつ該フレアコーンから半径方向外向きに延びる。デフレクタは、燃焼域内で発生した高温の燃焼ガスがドームプレートに当たるのを防止する。少なくとも一部の公知のデフレクタは、一体に形成された冷却通路を含み、該冷却通路が、空気をフレアコーンに向けて導いて該フレアコーンの背面をインピンジメント冷却することを可能にする。
米国特許第 3623668号明細書米国特許第 4059123号明細書米国特許第 4196020号明細書米国特許第 4327547号明細書米国特許第 4713120号明細書米国特許第 4834912号明細書米国特許第 5011540号明細書米国特許第 5102054号明細書米国特許第 5117637号明細書米国特許第 5197638号明細書米国特許第 5239816号明細書米国特許第 5273395号明細書米国特許第 5291732号明細書米国特許第 5307637号明細書米国特許第 5630319号明細書米国特許第 5657633号明細書米国特許第 5725611号明細書米国特許第 5868860号明細書米国特許第 6047539号明細書米国特許第 6073637号明細書米国特許第 6310022号明細書米国特許第 6553768号明細書欧州特許第 0955457号明細書

運転中、エンジン内に吸い込まれた微粒子物質は、望ましくないことにインピンジメント通路内に蓄積して通路を通る冷却空気の流れを閉塞する。時が経つにつれて、冷却空気通路が閉塞された状態で連続運転すると、フレアコーンの早期破壊を引き起こす可能性がある。フレアコーンの過熱を防止するのを促進するために、公知の燃焼器は、定期的に点検されかつ洗浄されて、堆積した可能性のあるあらゆる微粒子物質が除去される。公知の洗浄システムは、水又は水と洗浄剤の混合物をスプレーノズルから下流方向に燃焼器内に噴射して、蓄積した微粒子物質を燃焼器から除去する。このような水洗浄システムは、損失のうちの幾分かを回復させるが、インピンジメント冷却通路は目視で点検するためにアクセス可能でなく、従って、水洗浄により、インピンジメント冷却通路から微粒子物質を適切に除去することはできない。その上、デフレクタフレアコーン組立体の配向のために、清浄液が燃焼器を通って下流に流れると、通路の上流で取り除かれた微粒子物質が、否応なく通路内に引っ掛かるようになる可能性がある。

１つの態様では、ガスタービンエンジン燃焼器を洗浄するための方法が提供される。該方法は、入口端部と、吐出端部と、該入口及び吐出端部間で延びる中空のノズル本体と、該ノズル本体内に配置された中心体とを含むノズル組立体を燃焼器に当接させて結合する段階と、ノズル組立体を流体源に結合する段階と、ノズル組立体からアニュラス状の流体を燃焼器内に吐出して、該燃焼器から微粒子物質を除去することを可能にする段階とを含む。

本発明の別の態様では、ガスタービンエンジン燃焼器内に流体を導入して微粒子物質を除去するためのノズル組立体が提供される。該ノズル組立体は、ノズル本体と中心体とを含む。ノズル本体は、入口端部と吐出端部との間で延び、かつその中に空洞を形成する。中心体は、該中心体とノズル本体との間に環状の間隙が形成されるように、該ノズル本体内に配置される。間隙はセグメント化されている。中心体は、ノズル組立体を燃焼器に結合するように構成されている。ノズル組立体は、間隙を通してアニュラス状の流体を燃焼器内に吐出するようになっている。

更に別の態様では、空気スワーラと、該スワーラの周りで円周方向に延びるデフレクタフレアコーン組立体とを含むガスタービンエンジン燃焼器を洗浄するための方法が提供される。該方法は、入口端部と、吐出端部と、該入口及び吐出端部間で延びる中空のノズル本体と、該ノズル本体内に配置された中心体とを含むノズル組立体をデフレクタフレアコーン組立体に結合する段階と、ノズル組立体の入口端部を流体源に結合する段階と、ノズル組立体から上流方向に向けて流体を燃焼器内に吐出して、該燃焼器から微粒子物質を除去することを可能にする段階とを含む。

図１は、ガスタービンエンジン１０の概略図であり、該ガスタービンエンジン１０は、ファン組立体１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を含む。エンジン１０は更に、高圧タービン１８、低圧タービン２０、及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の配列を含む。エンジン１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。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所在のGeneral Electric Companyから購入できるＧＥ９０型エンジンである。

運転時、空気がファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気は高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気は、燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの空気流は、タービン１８及び２０を駆動し、またタービン２０はファン組立体１２を駆動する。

図２は、燃焼器１６に用いることができる例示的な燃焼器ドーム組立体７０の断面図である。燃焼器ドーム組立体７０は、ドームプレートすなわちメガネプレート７４と、デフレクタ部分７６及びフレアコーン部分７８を有する一体形のデフレクタフレアコーン組立体７５とを含む。デフレクタフレアコーン組立体７５は、環状でありかつ燃焼器の長手方向中心対称軸線８２に対してほぼ同心である。

燃焼器１６はまた、長手方向中心対称軸線８２の周りで対称に配置された環状出口コーン９２を有する環状空気スワーラ９０を含む。出口コーン９２は、半径方向外側面９４と半径方向内向きに面する流面９６とを含む。環状空気スワーラ９０は、半径方向外側面１００と半径方向内向きに面する流面１０２とを含む。出口コーン流面９６及び空気スワーラ半径方向外側面１００は、それを通して下流方向に空気の一部分を流すために用いられる後部ベンチュリチャネル１０４を形成する。

より具体的には、出口コーン９２は、一体に形成された外向きに延びる半径方向フランジ部分１１０を含む。出口コーンフランジ部分１１０は、出口コーン流面９６から延びる上流面１１２と出口コーン流面９６に対してほぼ垂直であるほぼ平行な下流面１１４とを含む。空気スワーラ９０は、一体に形成された外向きに延びる半径方向フランジ部分１１６を含み、該フランジ部分１１６は、上流面１１８と空気スワーラ流面１０２から延びるほぼ平行な下流面１２０とを含む。空気スワーラフランジ面１１８及び１２０は、出口コーンフランジ面１１２及び１１４にほぼ平行であり、かつ空気スワーラ流面１０２に対してほぼ垂直である。

空気スワーラ９０はまた、複数の円周方向に間隔を置いて配置された旋回羽根１３０を含む。より具体的には、複数の旋回羽根１３２は、後部ベンチュリチャネル１０４内で出口コーンフランジ部分１１０に摺動可能に結合される。複数の前部旋回羽根１３４は、前部ベンチュリチャネル１３６内で空気スワーラフランジ部分１１６に摺動可能に結合される。前部ベンチュリチャネル１３６は、空気スワーラフランジ部分１１６と環状支持プレート１４０の下流側１３８との間に形成される。支持プレート１４０は、燃焼器の長手方向中心対称軸線８２に対して同心に整合され、かつ管状フェルール１５４に結合された上流側１５２を含む。

ウイッシュボーン継手１６０が、出口コーン９２の後方端部１６２において該出口コーン９２内に一体に形成される。より具体的には、ウイッシュボーン継手１６０は、半径方向内側アーム１６４と、半径方向外側アーム１６６と、その間に形成された取付けスロット１６８とを含む。

デフレクタフレアコーン組立体７５が、空気スワーラ９０に結合される。より具体的には、フレアコーン部分７８が、出口コーン９２に結合され、かつ該出口コーン９２から下流方向に延びる。フレアコーン部分７８は、半径方向内側流面１８２と半径方向外側面１８４とを含む。フレアコーン内側流面１８２は、発散形になっており、かつ出口コーン９２から後端部１８８まで延びる。フレアコーン外側面１８４は、発散形になっており、かつ出口コーン９２から半径方向外向きに延びる。

燃焼器ドームプレート７４が、外側支持プレート２２０及び内側支持プレート２２２を用いて、ドーム組立体７０を燃焼器１６内で所定の位置に固定する。プレート２２０及び２２２は、燃焼器ドーム組立体７０を燃焼器１６内に固定する。より具体的には、プレート２２０及び２２２は、該プレート２２０及び２２２とフレアコーン部分７８との間に結合された環状デフレクタ部分７６に取付けられる。

デフレクタ部分７６は、燃焼器１６内に発生した高温燃焼ガスが燃焼器ドームプレート７４に当たるのを防止し、かつフランジ部分２３０と、円弧形部分２３２と、その間で延びる本体２３４とを含む。フランジ部分２３０は、デフレクタ本体２３４からデフレクタ前端縁２３６まで軸方向上流に延びる。デフレクタ円弧形部分２３２は、本体２３４からデフレクタ後端縁２４２まで半径方向外向きにかつ下流方向に延びる。

デフレクタ本体２３４は、該デフレクタ本体２３４の前面２４８から該デフレクタ本体２３４の後面２５０まで延びるほぼ平坦な内側面２４６を有する。デフレクタ部分７６はまた、半径方向外側面２７０と半径方向内側面２７２とを含む。半径方向外側面２７０及び半径方向内側面２７２は、デフレクタ前端縁２３６からデフレクタ本体２３４を越えてデフレクタ後端縁２４２まで延びる。

インピンジメンド通路２９０が、デフレクタ本体２３４を貫通して軸方向に延びる。より具体的には、通路２９０は、デフレクタ本体内側面２４６における入口２９２からデフレクタ後面２５０における出口２９４まで延びて、通路２９０が、デフレクタ部分７６とフレアコーン部分７８との間に形成されたフレア空気通路２９８と流れ連通するようになる。通路２９０は、該通路を通して冷却流体を流してフレアコーン部分７８をインピンジメント冷却する。１つの実施形態では、冷却流体は、圧縮機１４（図１に示す）から抽気された加圧空気である。通路２９０は、デフレクタ本体２３４内で燃焼器の長手方向中心対称軸線８２の周りでほぼ円周方向に延びる。

図３は、ドーム組立体７０を清浄にするために用いることができるノズル組立体３００の斜視図である。図４は、エンジン１０に用いることができる例示的な燃焼器３０２の内部で所定の位置に結合された１対のノズル組立体３００の断面図である。燃焼器３０２は、環状外側ライナ３０４と、環状内側ライナ３０６と、該外側ライナ３０４及び内側ライナ３０６間で延びるドーム状端部３０８とを含む。外側ライナ３０４及び内側ライナ３０６は、燃焼室３１０を形成する。

燃焼室３１０は、形状がほぼ環状であり、ライナ３０４及び３０６間に配置される。外側ライナ３０４及び内側ライナ３０６は、燃焼器ドーム状端部３０８の下流に配置されたタービンノズル（図示せず）まで延びる。この例示的な実施形態では、外側ライナ３０４及び内側ライナ３０６は各々、それぞれカウル３２０及び３２２を含み、これらカウル３２０及び３２２は、直径Ｄ_１を有するその間の開口３２４を形成する。

この例示的な実施形態では、燃焼器ドーム状端部３０８は、二重環状構成（ＤＡＣ）で配列された２つのドーム組立体７０を含む。別の実施形態では、燃焼器ドーム状端部３０８は、単一環状構成（ＳＡＣ）で配列された１つのみのドーム組立体７０を含む。更に別の実施形態では、燃焼器ドーム状端部３０８は、三重環状構成（ＴＡＣ）で配列された３つのドーム組立体７０を含む。

ノズル組立体３００は、入口端部３３０と、吐出端部３３２と、該入口及び吐出端部間で延びる中空の本体３３４とを含む。この例示的な実施形態では、本体３３４は、ほぼ円筒形部分３３６と結合部分３３８とを含む多部品組立体から形成される。円筒形部分３３６は、吐出端部３３２と結合部分３３８との間で延び、また結合部分３３８は、部分３３６と入口端部３３０との間で延びる。この例示的な実施形態では、入口端部３３０には、加圧流体源と流れ連通した状態でノズル組立体３００を結合するためにねじが切られている。１つの実施形態では、水がおよそ２５０ｐｓｉの圧力でノズル組立体３００に供給される。別の実施形態では、清浄液が、およそ２５０ｐｓｉの圧力でノズル組立体３００に供給される。

ノズル組立体３００は更に、本体３３４内に配置された中心体３４０を含む。この例示的な実施形態では、中心体３４０は、ほぼ円形の断面輪郭を有する。より具体的には、中心体３４０は、円筒形部分３３６内に配置され、かつ部分３３６に対してほぼ同心に整合されて、ほぼ環状の間隙３４６が、中心体３４０と部分３３６との間に形成されるようになっている。より具体的には、間隙３４６は、複数の円周方向に間隔を置いて配置された流路３４８が該間隙３４６内に形成されるようにセグメント化される。

この例示的な実施形態では、固締具組立体３５０が、中心体３４０に結合されかつ該中心体３４０から外向きに延びる。別の実施形態では、固締具組立体３５０は、中心体３４０と一体に形成される。より具体的には、固締具組立体３５０は、固締具３５２と、突出ロッド３５４と、環状フランジ３５６とを含む。ロッド３５４は、中心体３４０に対して同心に整合され、かつ該中心体３４０から距離３５９だけ外方に延びる。この例示的な実施形態では、ロッド３５４は、ねじが切られている（ねじ付きである）。この例示的な実施形態では、環状フランジ３５６は、カウル開口直径Ｄ_１よりも広い幅Ｗ_１を有する。

吐出端部３３２において、ノズル組立体３００はまた、半径方向外側シール部材３６０と半径方向内側シール部材３６２とを含む。具体的は、外側シール部材３６０は、円筒形部分３３６内に形成された溝３６４の内部に配置され、また内側シール部材３６２は、中心体３４０の外周部に隣接する該中心体３４０内に形成された溝３６６の内部に配置される。より具体的には、シール部材３６０及び３６２は、該シール部材３６０が間隙３４６から半径方向外側に位置しかつ該間隙３４６に隣接し、またシール部材３６２が間隙３４６から半径方向内側に位置しかつ該間隙３４６に隣接するように、該間隙３４６に隣接している。

洗浄処理時、最初にノズル組立体３００が、燃焼器３０２内に結合される。具体的には、ノズル組立体３００は、ドーム組立体７０に結合されて、該ドーム組立体７０から微粒子物質を除去することを可能にするようにされる。より具体的には、ノズル組立体３００は、ノズル組立体吐出端部３３２がドーム組立体７０の下流側３７０に隣接し位置し、かつ固締具組立体３５０がドーム組立体７０を貫通して上流方向に延びるように、燃焼器３０２内に配置される。ロッドの距離３５９により、ロッド３５４がフェルール１５４を貫通しかつカウル開口３２４を通り抜けて延びることが可能になり、ロッド３５４の端部３７２がカウル３２０及び３２２の上流に位置するようになる。環状フランジ３５６が、ロッド３５４が該環状フランジ３５６を貫通して延びるように、ロッド３５４に結合され、次ぎに固締具３５２が、環状フランジ３５６が該固締具３５２とカウル３２０及び３２２との間に配置されるように、ロッド３５４に結合される。

固締具３５２が締め付けられると、環状フランジ３５６は、カウル３２０及び３２２に当接して固定され、ノズル組立体３００が、燃焼器３０２内に固定される。具体的には、ノズル組立体３００は、シール部材３６０がデフレクタ部分内側面２７２とノズル組立体円筒形部分３３６との間でシール接触した状態で延び、かつシール部材３６２がフレアコーン内側流面１８２と中心体３４０との間でシール接触した状態で延びるように、固定される。従って、ノズル組立体３００が所定の位置に固定されると、ノズル組立体間隙３４６及び流路３４８は、フレア空気通路２９８及びインピンジメント通路２９０と流れ連通した状態で結合される。

洗浄時、ノズル組立体３００に供給された加圧流体が、該ノズル組立体からドーム組立体７０内に吐出される。より具体的には、アニュラス状の流体が、フレア空気通路２９８内のみに吐出され、該流体は上流に流れ、インピンジメント通路２９０内に流れる。流体の流れは、正常時のエンジン空気流とは反対側の方向に向けてドーム組立体７０内に導入されるので、通路２９０内に蓄積された可能性がある微粒子物質は、正常時のエンジン空気流と同じ方向に通路２９０内に流体を噴射することにより可能となる以上に容易に該通路２９０から洗い流される。

上述のノズル組立体は、ガスタービン燃焼器ドーム組立体が費用効果がありかつ信頼性がある方法で洗浄され／洗い流されることを可能にする。ノズル組立体は、ノズルから吐出されるアニュラス状の流体が、上流方向に向けてにドーム組立体内に吐出されるように、ドーム組立体の上流側及び下流側に結合される。従って、フレア空気通路又はインピンジメント通路内に蓄積された可能性がある微粒子物質が、費用効果がありかつ信頼性がある方法で洗い流される。

燃焼器ドーム組立体及びノズル組立体の例示的な実施形態を、上に詳細に説明している。これらのシステム及び組立体は、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、各組立体及びシステムの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立して別個に利用することができる。各ノズル組立体構成部品はまた、他の燃焼器及びエンジン構成部品と組み合わせて用いることもできる。

様々な特定の実施形態に関し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できることは、当業者には明らかであろう。なお、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に示すエンジンに用いることができる例示的な燃焼器ドーム組立体の断面図。図１に示す燃焼器ドーム組立体を清浄にするのに用いることができるノズル組立体の斜視図。図１に示すエンジンに用いることができる例示的な燃焼器内に結合された、図３に示すノズル組立体の断面図。

符号の説明

３００ノズル組立体
３３０入口端部
３３２吐出端部
３３４ノズル本体
３４０中心体
３４８流路
３５０固締具組立体
３５２固締具
３５４ねじ付きロッド
３５６環状フランジ

Claims

デフレクタ部分（７６）及びフレアコーン部分（７８）を備え、該デフレクタ部分（７６）と該フレアコーン部分（７８）との間にインピンジメント通路（２９０）と流れ連通するフレア空気通路（２９８）が形成された環状のデフレクタフレアコーン組立体（７５）を含むガスタービンエンジン燃焼器（１６）を洗浄するための方法であって、
入口端部（３３０）と、吐出端部（３３２）と、前記入口及び吐出端部間で延びる中空のノズル本体（３３４）と、前記ノズル本体内に配置され該ノズル本体との間にほぼ環状の間隙（３４６）を形成する中心体（３４０）とを含むノズル組立体（３００）を、該環状の間隙（３４６）と前記フレア空気通路（２９８）とが流れ連通するように前記燃焼器に当接させて結合する段階と、
前記ノズル組立体を流体源に結合する段階と、
円周方向に間隔を置いた流路（３４８）が形成されるようセグメント化された前記環状の間隙（３４６）から流体を前記燃焼器内に吐出して、該燃焼器から微粒子物質を除去することを可能にする段階と、
を含み、
ノズル組立体（３００）を前記燃焼器（１６）に結合する前記段階が、
前記ノズル本体（３３４）から該ノズル本体の軸線方向で外方にかつ同心に延びるねじ付き固締具（３５２）に環状フランジ（３５６）を結合する段階と、
前記環状フランジが前記燃焼器の上流側（１５２）に当接して固定されると共に、前記ノズル本体（３３４）が前記燃焼器の下流側（１３８）に当接して固定されるように、該ノズル組立体を該燃焼器に結合する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
前記ノズル組立体（３００）からアニュラス状の流体を吐出する前記段階が、前記ノズル組立体から上流方向に向けて前記燃焼器（１６）の下流側（１３８）から流体を前記燃焼器内に吐出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。
ノズル組立体（３００）を前記燃焼器（１６）に結合する前記段階が、前記ノズル組立体入口端部（３３０）を加圧流体源に流れ連通するようにねじ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。
デフレクタ部分（７６）及びフレアコーン部分（７８）を備え該デフレクタ部分（７６）と該フレアコーン部分（７８）との間にインピンジメント通路（２９０）と流れ連通するフレア空気通路（２９８）が形成された環状のデフレクタフレアコーン組立体（７５）を含むガスタービンエンジン燃焼器（１６）内に流体を導入して該燃焼器から微粒子物質を除去するためのノズル組立体（３００）であって、
入口端部（３３０）と吐出端部（３３２）との間で延びかつその中に空洞を形成するノズル本体（３３４）と、
前記ノズル本体との間に環状の間隙（３４６）が形成されるように、該ノズル本体内に配置された中心体（３４０）と、
を含み、
前記環状の間隙（３４６）がセグメント化されて円周方向に間隔を置いた流路（３４８）が形成されており、
前記中心体が前記ノズル組立体を前記燃焼器に結合して前記環状の間隙（３４６）と前記フレア空気通路（２９８）とが流れ連通するように構成されており、
前記ノズル組立体が、前記円周方向に間隔を置いた流路（３４８）を通して流体を前記燃焼器内に吐出するようになっている、
ことを特徴とするノズル組立体（３００）。
前記中心体（３４０）が、該中心体から軸方向外向きに延びる固締具（３５２）を含み、前記固締具は、前記ノズル本体（３３４）が前記燃焼器（１６）に当接して結合されるように、前記ノズル組立体を該燃焼器に結合するようになっていることを特徴とする、請求項４に記載のノズル組立体（３００）。
前記固締具（３５２）は、流体が前記ノズル本体（３３４）から上流方向に向けて吐出されて前記燃焼器（１６）を通るように、前記ノズル組立体を該燃焼器の下流側（１３８）に結合するようになっていることを特徴とする、請求項５に記載のノズル組立体（３３０）。
前記中心体（３４０）が、該中心体から軸方向外向きに延びかつ前記ノズル本体（３３４）とほぼ同心に整合されたねじ付きロッド（３５４）を含むことを特徴とする、請求項４に記載のノズル組立体（３００）。