JP2004515703A - 冷却空気をガスタービンに供給するためのシステム - Google Patents

Abstract

ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムにおいて、冷却空気がガスタービン内部の高圧源から取り入れられ、ラジアル加速器（１２）に運ばれ、該加速器がロータ表面の周運動の方向に空気を接線方向に加速する。冷却空気がロータの周速度まで加速された後に、該冷却空気は、ラジアル孔（１３）に流入し、該ラジアル孔（１３）を半径方向に通過する間に、接線方向の運動量を減少させられる。その後、冷却空気は対応して縮小された出口半径（１４）で中空のロータ内に放出される。ブラシシールと組み合わされた一連のラビリンスシールが、空気をラジアル孔（１３）に供給するためのチャンバを、ガスタービンのパッド＃２（１５）の周りの低圧環境から分離する。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却空気をガスタービンに供給するためのシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
公知のように、ガスタービンは、圧縮機と１つ又は幾つかの段を備えるタービンとから成る機械であり、これらの構成部品は、回転シャフトにより互いに接続されており、また燃焼室が圧縮機とタービンとの間に設けられる。
【０００３】
外部環境から得られた空気が、該空気を加圧するために前記圧縮機に供給される。
【０００４】
燃焼室内部に燃料が導入され、該燃料は対応する点火プラグにより点火されて、ガスの温度及び圧力、従ってそのエンタルピーを増大させるように設計されている燃焼を行う。
【０００５】
その後、高温かつ高圧のガスは、対応するパイプを通ってタービンの種々の段に達し、これらタービン段により、ガスのエンタルピーをユーザに利用できる機械的エネルギーに変換する。
【０００６】
実際、ガスタービンの技術分野では、例えばガスタービンをますます高い温度で作動させることによってシステムの熱力学的効率を高めるために、多くの努力が払われてきた。
【０００７】
こういうわけで、機械の内部材料が通常許容できる温度よりも高くなる可能性があるこれらのより高いガス温度でタービンが運転できるようにするために、今まで多くの努力が払われて、ガスタービンの内部材料を冷却するための効率的な方法が開発されてきた。
【０００８】
具体的には、高温のガス流路内には、極めて高い温度に曝されて大量の冷却空気を必要とするタービンノズル及びロータブレードのようなガスタービンの構成部品があることは公知である。
【０００９】
多くの場合において、タービンの中空のロータを用いてブレードの冷却に必要な空気の流量を供給することもまた公知である。
【００１０】
圧縮機吐出口から得られた空気は、半径方向にロータ内に導入される。
【００１１】
次いで空気は遠心力によりロータ回路の周りを流れ、続いて該回路の内部で上昇した後、ブレードに達する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
これらのシステムを設計する際の難しさは、回転しているシャフトと空気を供給する静止した構造体との間のインタフェース区域と、冷却空気の向心運動を伴うロータ回路の部分とに集中している。
【００１３】
このシステムの主要な問題は、多様であり、先ず圧縮機吐出口から得られる空気の摩擦による加熱を含む。
【００１４】
公知技術の第２の問題は、特に空気をステータ系統からロータ系統に供給することによる圧力損失により引き起こされる。
【００１５】
第３の問題は、性能低下を増大させる空気の漏洩とブレードへの冷却流を希釈する空気の漏洩とに関する。
【００１６】
最後に、ロータ内部での空気の渦流運動によって引き起こされる望ましくない音響作用（渦流ホイッスルとしても知られている）が生じることである。
【００１７】
最新の技術によると、第１及び第２の問題は、圧縮機の吐出空気に含まれるエネルギーを利用して空気を加速して、導入のために予め選択されたロータ区域の周速度に該空気を適合させるラジアル式固定ディストリビュータ（加速装置）を用いることによって解決されることに注目することができる。
【００１８】
この膨張は、ロータに対する全温度を低下させ、従ってブレードを冷却するために必要となる流量を減少させることを可能にし、熱力学的サイクルの効率にとって明らかに利点をもたらす。
【００１９】
その上、空気の周速度をロータの周速度に適合させることは、ロータ内部に冷却流を供給することによって引き起こされる全圧力損失を最小にする（この問題に対する解決策は、米国特許第４，５４１，７７４号に記載されている）。
【００２０】
従って、冷却空気用の半径方向アクセス孔が設けられ、圧縮機吐出口の温度及び圧力レベルより低い温度及び圧力レベルにあるロータの区域の周りに、円周方向のチャネルが形成される。
【００２１】
圧縮機吐出口からの空気がこの円周方向の供給チャネル内に吸い込まれるのを防止するために、二重シールを備えるシステムが提供される。
【００２２】
実際は、２つのシールは、ガスジェネレータの第１段タービンロータの前面、すなわちガスジェネレータの第１段ノズルの下流に位置するロータ空間と連通する更に低圧のチャンバを形成する目的に役立つ。
【００２３】
この方法により、ロータ空間はまた、２つのシールから漏洩する空気によってパージされる。
【００２４】
第３のシールは、チャネルを、より低い圧力の区域、すなわち、パッド＃２の周りの区域又はガスジェネレータの第１段ノズルの下流に位置する区域から分離し、性能に影響を及ぼす漏洩を制限しなければならない。
【００２５】
シール装置は、ブラシシールと組み合わされたラビリンスシールの複合構成を用いて、漏洩を制御する効率を高める。
【００２６】
最後に、ロータ内に設けられたラジアル孔は、空気の向心運動に強制渦を与える機能を有し、ロータ空洞内での渦流ホイッスルの発生を防止（ラジアル孔デスワーラ）するのに適した対応する半径まで延びる。
【００２７】
従って、本発明の目的は、上述の必要条件が満たされるように作動する、ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムを提供することである。
【００２８】
本発明の別の目的は、圧縮機吐出口から得られる空気の摩擦による加熱を防止することができる、ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムを提供することである。
【００２９】
本発明の別の目的は、ステータ系統からロータ系統に空気を供給することにより引き起こされる圧力損失を防止する、タービン内に冷却空気を供給するためのシステムを提供することである。
【００３０】
本発明の更に別の目的は、性能低下を増大させる空気漏洩とブレードへの冷却流を希釈する空気漏洩とを可能な限り減少させることを可能にする、ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムを提供することである。
【００３１】
本発明の付加的な目的は、ロータ内で運動している空気が望ましくない音響作用を生じるのを防止することができる、ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムを提供することから成る。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明によるこれらの目的及び他の目的は、冷却空気がガスタービン内部の高圧源から取り入れられ、ラジアル加速器に運ばれ、該加速器がロータ表面の周運動の方向に空気を接線方向に加速するようになっている、ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムであって、冷却空気がほぼロータの周速度まで加速された後に、該冷却空気が、ラジアル孔に流入し、該ラジアル孔を半径方向に通過する間に、強制渦の法則により接線方向の運動量を減少させられ、その後、該冷却空気が対応して縮小された出口半径で中空のロータ内に放出されることを特徴とする、システムにより達成される。
【００３３】
特に、ブラシシールと組み合わされた一連のラビリンスシールが、空気をラジアル孔に供給するためのチャンバを、ガスタービンのパッド＃２の周りの低圧環境から分離する。
【００３４】
その上、冷却空気がロータの周速度まで加速された後に、該冷却空気が、最小の全圧力損失及び低い相対全温度でラジアル孔に流入する。
【００３５】
本発明の更なる特徴が、本出願に添付された他の特許請求の範囲に記載されている。
【００３６】
本発明による、冷却空気をガスタービンに供給するためのシステムの特徴及び利点は、添付する概略図を参照して非限定的な実施例によってなされる典型的な実施形態の以下の説明から一層明らかになるであろう。
【００３７】
【発明の実施の形態】
さて、具体的に図を参照して、全体を参照符号１０で示す、本発明によるシステムの構造及び機能について説明する。
【００３８】
冷却空気は、タービンエンジン内部の高圧源から得られる。
【００３９】
当該ケースにおいては、冷却空気は、ガスタービンの軸流圧縮機の吐出ディフューザ１１の内面から得られる。
【００４０】
そこから、冷却空気は、ラジアル加速器１２に運ばれ、該ラジアル加速器１２が、対向するロータ表面の周運動と同じ方向に該空気を接線方向に加速する。
【００４１】
空気がロータの周速度まで加速された後に、該空気は、最小の全圧力損失及び低い相対全温度でラジアル孔１３に流入する。
【００４２】
ラジアル孔１３を半径方向に通過する間に、冷却空気の接線方向の運動量が、強制渦の法則（別の言い方で「ラジアル孔デスワーラ」として知られている）により減少される。
【００４３】
冷却空気は、高い接線方向の出口マッハと関連する前述の渦流ホイッスル現象が生じる可能性を防止するために、対応して縮小された出口半径１４で中空のロータ内に放出される。
【００４４】
ブラシシール１６と組み合わされたラビリンスシールは、空気をラジアル孔に供給するためのチャンバを、参照符号１５により示されるパッド＃２の周りの低圧環境から分離する。
【００４５】
この漏洩は、システムの全体効率を高めるためにラビリンスシールの下流に配置されたブラシシールと組み合わされたラビリンス列シールを用いることによって最小化される。
【００４６】
ブラシシール１７と組み合わされたラビリンスシールが、空気をラジアル孔１３に供給するためのチャンバを、対応するチャネル１８及び校正開口１９によって第１のロータ空間２０と連通するチャンバから分離する。
【００４７】
漏洩流量は、システムの効率を高めるためにラビリンスシールの下流に配置されたブラシシールと組み合わされたラビリンス列シールを用いて制御される。
【００４８】
この漏洩は、第１のロータ空間２０に対するパージ流量の１部を形成する。
【００４９】
ブラシシール２１と組み合わされたラビリンスシールは、圧縮機の吐出口を、対応するチャネル１８及び校正開口１９によって第１のロータ空間と連通するチャンバ２２から分離する。
【００５０】
上記した説明により、ガスタービンに冷却空気を供給するための、本発明によるシステムの特徴及び利点がより明白になる。
【００５１】
次に、この利点をより明らかにかつ正確に表すために、以下の結論的な要点及び解説を行う。
【００５２】
第１に、本発明によるシステムは、中間チャンバを備える二重シール装置であり、この二重シール装置は、軸流圧縮機からの漏洩流量が加速器の冷却流量と混合するのを防止し（ブレードの冷却のためには利点）、圧縮機吐出口からの漏洩及び加速器装置からの漏洩がチャネル内に再導入されることを可能にし、後者は熱力学的サイクルの効率において大きな利点をもたらすのは事実である。
【００５３】
その上、このシステムは、圧縮機シャフト内のラジアル孔により得られる簡単なデスワール装置を含むので、特殊な輪郭形状のデスワーラを製作するための費用の掛かる処理作業及び複雑な設計による解決の必要性を排除する。
【００５４】
結局、本システムは、漏洩流量の高いレベルの抑制を可能にするラビリンスシール及びブラシシールを備えるシール装置であって、熱力学的サイクルにとって大きな利点をもたらすのは事実である。
【００５５】
理論上の結果及び実験による結果は、本システムを新型のガスタービン用に用いることができるほど非常に満足すべきものであった。
【００５６】
結局、ガスタービンに冷却空気を供給するための、本発明の主題であるシステムに対しては、発明思想に固有の新規性の原則から逸脱することなく多くの変更を行うことができることは明らかである。
【００５７】
また、本発明の実際の実施形態においては、必要に応じて任意の材料、寸法及び形状を用いることができ、これらはまた、技術的に等価である他のものによって置き換えられることが可能であることが明らかである。
【００５８】
本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲に特定されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による、冷却空気をガスタービンに供給するためのシステムの概略断面図。
【図２】本発明による、空気をロータ内に取り入れる区域の詳細断面図。
【符号の説明】
１０ システム
１１ 吐出ディフューザ
１２ ラジアル加速器
１３ ラジアル孔
１４ 出口半径
１５ パッド＃２
１６、１７、２１ ブラシシール
１８ チャネル
１９ 校正開口
２０ 第１のロータ空間
２２ チャンバ

Claims (9)

1. 冷却空気がガスタービン内部の高圧源から取り入れられ、ラジアル加速器（１２）に運ばれ、該加速器がロータ表面の周運動の方向に該空気を接線方向に加速するようになっている、ガスタービンに冷却空気を供給するためのシステムであって、該冷却空気が前記ロータの周速度まで加速された後に、該冷却空気が、ラジアル孔（１３）に流入し、該ラジアル孔（１３）を半径方向に通過する間に、強制渦の法則により接線方向の運動量を減少させられ、その後、該冷却空気が対応して縮小された出口半径（１４）で前記中空のロータ内に放出されることを特徴とする冷却空気を供給するためのシステム。
2. ブラシシールと組み合わされた一連のラビリンスシールが、前記空気を前記ラジアル孔（１３）に供給するためのチャンバを、前記ガスタービンのパッド＃２（１５）の周りの低圧環境から分離することを特徴とする、請求項１に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
3. 該システムが、前記空気を前記ラジアル孔（１３）に供給するためのチャンバを対応するチャネル（１８）及び校正開口（１９）によって第１のロータ空間と連通するチャンバから分離する、ブラシシール（１７）と組み合わされたラビリンスシールを含むことを特徴とする、請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
4. 該システムが、圧縮機吐出口を第１のロータ空間（２０）と連通するチャンバ（２２）から分離する、ブラシシール（２１）と組み合わされたラビリンスシールを含むことを特徴とする、請求項１及び請求項２のいずれか１項に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
5. 漏洩流量が、該システムの全体効率を高めるためにその下流のブラシシールと組み合わされたラビリンスシールを用いて制御されることを特徴とする、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
6. 前記冷却空気が前記ロータの周速度まで加速された後に、該冷却空気が、最小の全圧力損失及び低い相対全温度で前記ラジアル孔（１３）に流入することを特徴とする、請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
7. 高い接線方向出口マッハに関連する渦流ホイッスル現象を生じる可能性を防止するために、前記出口半径（１４）が、対応して縮小されていることを特徴とする、請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
8. 前記冷却空気が、軸流圧縮機の吐出ディフューザ（１１）の内面から得られることを特徴とする、請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載の冷却空気を供給するためのシステム。
9. 全て実質的に記載し及び請求したような、かつ特定した目的のための冷却空気をガスタービンに供給するためのシステム。