JP2006118502A - ガスタービンエンジンを冷却するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジン組立体（１０）を組立てる方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、吸気口（２２）及び排気口（２４）を含むガスタービンエンジンを入口区域（６２）、排出区域（６４）及びそれらの間で延びるエンジン区域（６６）を含むモジュール（６０）内部に取付けて、ガスタービンエンジンがモジュール内部に格納されるようにする段階と、第１のデフレクタ（１１０）を、該デフレクタを通過させて冷却空気を流すときに該デフレクタがガスタービンエンジンの外周部（１６４）の周りにほぼヘリカル形状の空気流れ経路（１６２）を含むように、モジュールエンジン区域内部に結合する段階と、排出ダクト（８２）をモジュール排出区域の出口に結合する段階とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的には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を冷却するための方法及び装置に関する。

ガスタービンエンジンは、様々な用途において動力源として使用される。エンジンを環境から保護するために、また周囲の構造物をガスタービンエンジンから遮蔽するために、ガスタービンエンジンは、入口区域、排出区域及び該入口区域と排出区域との間で延びるエンジン区域を含むエンクロージャ内部に取付けることができる。エンクロージャは、燃焼する可能性があるあらゆるエンジン火災を閉じ込めるための物理的構造物を構成し、またエンクロージャ内部の火災を消火するのを可能にする装置を含むことができる。例えば、この装置は、火炎を消火するためにエンクロージャ内部に薬剤を放出することができ、或いはそれに代えて、エンクロージャは、空気がエンクロージャに流入するのを制限し、従って空気流が火災に燃料供給するのを防止する装置を含むことができる。

エンジンは一般的に、作動するための連続空気流を必要とするので、少なくとも幾つかの公知のモジュールにおいては、モジュール入口区域は、モジュール外部からエンジンに周囲空気を送るためのダクトを含み、かつモジュール排出区域は、エンジンの作動中に生成された排気ガスをモジュールから流すためのダクトを含む。作動中、ガスタービンエンジン及び様々な付属装置によって熱が定常的に発生する。従って、さらにエンクロージャの内部に冷却空気を流して、ガスタービンエンジン及び他の付属装置を妥当な作動パラメータの範囲内に冷却するのを可能にする。より具体的には、少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンエンクロージャは、空気を、エンクロージャの前方端部からエンクロージャを通り、エンクロージャの後方端部に結合された排出ダクトを通して外部に流すように構成されたファンを含む。

しかしながら、エンクロージャを通して軸方向に冷却空気を流すことは、ガスタービンエンジンに対して非対称の冷却空気流を生じさせることになる。非対称の冷却空気流により、ガスタービンエンジンケーシングの上半部がガスタービンエンジンケーシングの下半部よりも多量の冷却空気を受けることになる。従って、ガスタービンエンジンケーシング内には非対称の温度勾配が生じ、ケーシングの非対称の機械的変形を引き起こし、最終的にはブレード先端及び／又はシールが、ケーシングの内面に対して摩擦するおそれがある。具体的には、ブレード先端間隙が増加するので、ガスタービンエンジン性能が低下し、また排気ガス温度（ＥＧＴ）マージンが減少する。
米国特許６，７４２，３３９号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、第１のデフレクタを、該デフレクタを通過させて冷却空気を流すときに該デフレクタがガスタービンエンジンの外周部の周りにほぼヘリカル形状の空気流れ経路を含むように、モジュールエンジン区域内部に結合する段階と、排出ダクトをモジュール排出区域の出口に結合する段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用の冷却システムを提供する。本冷却システムは、モジュール内部に結合された第１のデフレクタと、ガスタービンエンジンの周りにほぼヘリカル形状の冷却空気流れ経路が生じるように、第１のデフレクタを通して冷却空気を流すように構成された第１の供給ファンとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン組立体を提供する。本ガスタービン組立体は、モジュール内部に結合された第１のデフレクタと、ガスタービンエンジンの周りにほぼヘリカル形状の冷却空気流れ経路が生じるように、第１のデフレクタを通して冷却空気を流すように構成された第１の供給ファンとを備えた冷却システムを含む。

図１は、直列に結合された、エンジン吸気口２２、少なくとも１つの圧縮機１２、燃焼器１６、高圧タービン１８、低圧タービン２０及び排気ノズル２４を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。この例示的な実施形態では、エンジン１０は、オハイオ州シンシナチ所在のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙから購入可能なＬＭ２５００型エンジンである。圧縮機１２とタービン１８とは、第１のシャフト２６によって連結され、またタービン２０と被駆動負荷２８とは、第２のシャフト３０によって連結される。

作動中、空気は、エンジン吸気口２２に流入し、エンジン１０を通って延びる中心軸線３４にほぼ平行な方向に圧縮機１２を通って流れる。加圧された空気は次に、燃焼器１６に送給され、燃焼器１６において空気は燃料と混合されかつ燃焼される。燃焼器１６からの空気流は、回転タービン１８及び２０を駆動し、排気ノズル２４を通ってガスタービンエンジン１０から流出する。

図２は、例示的なガスタービンエンジン組立体５０の側面図である。図３は、視野３−３に沿って見た、図２に示すガスタービンエンジン組立体５０の端面図である。図４は、視野４−４に沿って見た、図２に示すガスタービンエンジン組立体５０の平面図である。

ガスタービンエンジン組立体５０は、エンジン１０（図１に示す）と同様なガスタービンエンジンで使用することができるモジュール６０を含む。モジュール６０は、モジュール入口区域６２、モジュール排出区域６４並びにそれぞれモジュール入口及び排出区域６２及び６４間で延びるモジュールエンジン区域６６を含む。

モジュールエンジン区域６６は、モジュール入口区域６２とモジュール排出区域６４との間で延びる。モジュールエンジン区域６６は、その中にエンジン１０を受けるような寸法にされた空洞７０を形成する。エンジン１０は、エンジン吸気口２２（図１に示す）がモジュール入口区域６２に隣接しかつエンジン排気ノズル２４（図１に示す）がモジュール排出区域６４に隣接するように、モジュールエンジン区域空洞７０内に取付けられる。この例示的な実施形態では、モジュール入口区域６２及びモジュール排出区域６４は、モジュールエンジン区域６６からほぼ垂直方向に延びる。

ガスタービンエンジン組立体５０は、モジュール入口区域６２と流れ連通状態で結合されたモジュール入口ダクト８０と、モジュール排出区域６４と流れ連通状態で結合されたモジュール排出ダクト８２とを含む。ガスタービンエンジン組立体５０はまた、モジュール冷却システム１００を含む。この例示的な実施形態では、モジュール冷却システム１００は、両方ともモジュール入口ダクト８０内部に結合された第１の供給ファン組立体１０２及び第２の供給ファン組立体１０４を含む。別の実施形態では、ガスタービンエンジン組立体５０は、ファン組立体１０２又はファン組立体１０４のどちらか１つのみを含む。この例示的な実施形態では、第１及び第２の供給ファン組立体１０２及び１０４の少なくとも１つを作動させて、モジュール入口ダクト８０を通してモジュールエンジン区域６６内に空気を流す。

冷却システム１００はまた、モジュールエンジン区域６６と流れ連通状態で結合された冷却システム排出ダクト１０６を含む。具体的には、この例示的な実施形態では、モジュール入口ダクト８０は、エンジン１０を外部冷却するための冷却空気をモジュールエンジン区域６６に供給するようにモジュールエンジン区域６６に結合される。エンジン１０を冷却した後に、使用済み冷却空気は次に、冷却システム排出ダクト１０６を通してモジュールエンジン区域６６から吐出される。より具体的には、モジュールエンジン区域６６は、モジュール入口ダクト８０を通して流された空気流が、エンジン１０を冷却するためにモジュールエンジン区域６６のみを通って導かれるようにモジュール入口区域６２から仕切られる。

この例示的な実施形態では、冷却システム１００はまた、第１のデフレクタ１１０と第２のデフレクタ１１２とを含む。第１及び第２のデフレクタ１１０及び１１２は各々、モジュールエンジン区域６６内部に結合され、各々は、ガスタービンエンジン１０の外部曲率半径１２２とほぼ同様な曲率半径１２０で形成される。

この例示的な実施形態では、それぞれ第１及び第２のデフレクタ１１０及び１１２間に流れチャネル１３４が形成されるように、第１のデフレクタ１１０の少なくとも一部分１３０は、第２のデフレクタ１１２の端部１３２に隣接して配置される。より具体的には、チャネル１３４は、第１のデフレクタ１１０の半径方向外側面１３６と第２のデフレクタ１１２の半径方向内側面１３８との間に形成される。

この例示的な実施形態では、冷却システム１００はまた、モジュールエンジン区域６６内部に結合された少なくとも１つのブースタファン組立体１５０を含む。より具体的には、この例示的な実施形態では、冷却システム１００は、第１のブースタファン組立体１５２、第２のブースタファン組立体１５４及び第３のブースタファン組立体１５６を含む。第１のブースタファン組立体１５２、第２のブースタファン組立体１５４及び／又は第３のブースタファン組立体１５６の少なくとも１つから吐出される冷却空気がエンジン回転軸線３４に対して接線方向成分を有する角度１５８で吐出されるように、該第１のブースタファン組立体１５２、第２のブースタファン組立体１５４及び／又は第３のブースタファン組立体１５６の少なくとも１つは、モジュールエンジン区域６６内部で、中心回転軸線３４に対して測定した接線角度１５８で配向される。

この例示的な実施形態では、３つのブースタファン組立体１５２、１５４及び１５６を含むものとして冷却システム１００を示しているが、冷却システム１００は、任意の数量のブースタファン組立体を有することができることを理解されたい。例えば、冷却システム１００は、本明細書に記載した方法及び装置の技術的範囲から逸脱することなく、単一のブースタファン組立体１５０、２つのブースタファン組立体１５０又は３つ以上のブースタファン組立体１５０を含むことができる。

作動中、モジュール入口ダクト８０を通ってモジュールエンジン区域６６に流れる空気により、ガスタービンエンジン１０を冷却することが可能になる。より具体的には、供給ファン１０２及び／又は１０４を作動させて、モジュールエンジン区域６６内に流れる冷却空気１６０の速度を増大させるのを可能にする。この例示的な実施形態では、モジュールエンジン区域６６に向けて導かれる冷却空気の少なくとも一部分は、流れチャネル１３４を通って流れる。デフレクタ１１０及び１１２の互いに対する及びモジュールエンジン区域６６内部での配向により、ガスタービンエンジン１０の外周部１６４の周りにほぼヘリカル形状の冷却空気の流れ経路１６２を生じることが可能になる。より具体的には、供給ファン組立体１０２及び／又は１０４から吐出された冷却空気は、最初はほぼ直線状の流れ経路でモジュールエンジン区域６６内に流れる。流れが流れ経路１６２に流入すると、デフレクタ１１０及び１１２の互いに対する及びモジュールエンジン区域６６内部での配向により、流れ経路の方向が方向転換され、ほぼ円形の空気流れ経路が生じるようになる。従って、冷却空気流れ経路１６２は軸方向成分とヘリカル成分とを含み、冷却空気１６０は、ガスタービンエンジン外周部１６４の周りでほぼヘリカル状又は旋回状に流れるようになる。ヘリカル状の流れ経路により、ガスタービンエンジン１０の周りの外周部１６４を円周方向に冷却するのを高めることが可能になる。

さらに、ガスタービンエンジン１０の周りにほぼヘリカル状の流れ経路１６２が生じると、このような空気１６０の速度が低下することになる。従って、ブースタファン１５２、１５４及び／又は１５６の少なくとも１つを作動させて、モジュールエンジン区域６６内部での冷却空気１６０の速度を増大させるのを可能にする。より具体的には、エンジン区域６６内部の作動温度が上昇すると、ブースタファン１５２、１５４及び／又は１５６の少なくとも１つを作動させて、ガスタービンエンジン１０の周りに冷却空気１６０のヘリカル状の流れ経路１６２を維持することを可能にする。さらに、冷却空気１６０の速度を増大させることにより、冷却空気１６０の冷却能力を高め、従ってガスタービンエンジン１０の作動温度を低下させることが可能になる。冷却空気１６０はその後、冷却システム排出ダクト１０６を通して吐出される。

上記のガスタービンエンジンモジュール組立体は、費用効果がありかつ高い信頼性がある。エンジンモジュール組立体は、ガスタービンエンジンの円周方向周りにほぼヘリカル状の空気流れ経路を生じるのを可能にする冷却システムを含む。より具体的には、１対のデフレクタは、冷却空気がガスタービンエンジンの周囲の周りを少なくとも１度は回転するように、冷却空気に旋回運動を与える。少なくとも１つのブースタファンを使用して、冷却空気の速度を増大させかつガスタービンエンジンの外周部の周りに軸方向にヘリカル状の流れ経路を維持するのを可能にする。従って、ガスタービンエンジンは、円周方向に、ほぼ同一の速度及び温度の冷却空気に曝される。本明細書に記載した冷却システムは、ガスタービンエンジンの周りにかつガスタービンエンジンに沿って均一な温度環境を維持するのを可能にし、従って熱勾配によって引き起こされるガスタービンエンジンの真円から外れた変形とバックボーン・ベンディングとを減少させるのを可能にする。従って、熱勾配が減少し、ガスタービンエンジン内の間隙が維持される。

以上、ガスタービンエンジン組立体の例示的な実施形態を詳細に説明いている。本組立体は、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、むしろ各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素から独立してかつ別個に利用することができる。特に、本明細書に記載した冷却システムは、他のガスタービンエンジン組立体と組合せて使用することもできる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、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することができることは、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。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 図１に示すガスタービンエンジンを含む例示的なガスタービンモジュール組立体の側面図。 視野３−３に沿って見た、図２に示すガスタービンエンジンモジュール組立体の端面図。 視野４−４に沿って見た、図２に示すガスタービンエンジンモジュール組立体の平面図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
２２ ガスタービンエンジンの吸気口
２４ ガスタービンエンジンの排気口
５０ ガスタービンエンジン組立体
６０ モジュール
６２ モジュール入口区域
６４ モジュール排出区域
６６ モジュールエンジン区域
８０ モジュール入口ダクト
１００ モジュール冷却システム
１０２、１０４ 供給ファン組立体
１０６ 冷却システム排出ダクト
１１０ 第１のデフレクタ
１１２ 第２のデフレクタ
１５０、１５２、１５４、１５６ ブースタファン組立体
１６０ 冷却空気
１６２ 冷却空気流れ経路

Claims (10)

1. モジュール（６０）と前記モジュール内部に格納されたガスタービンエンジンとを含むガスタービンエンジン組立体（５０）用の冷却システム（１００）であって、
   前記モジュール内部に結合された第１のデフレクタ（１１０）と、
   前記ガスタービンエンジンの周りにほぼヘリカル形状の冷却空気流れ経路（１６２）が生じるように、前記第１のデフレクタを通して冷却空気（１６０）を流すように構成された第１の供給ファン（１０２）と、
   を含む冷却システム（１００）。
2. 前記モジュール６０内部に結合された第２のデフレクタ（１１２）をさらに含み、前記ヘリカル形状の冷却空気流れ経路（１６２）の少なくとも１部分が前記第１及び第２のデフレクタ間を流れるようになっている、請求項１記載の冷却システム（１００）。
3. 前記第１のデフレクタ（１１０）の少なくとも１部分が、前記第２のデフレクタ（１１２）の少なくとも１部分に隣接して結合されている、請求項２記載の冷却システム（１００）。
4. 前記第１のデフレクタ（１１０）を通して冷却空気（１６０）を流すように構成された第２の供給ファン（１０４）をさらに含む、請求項２記載の冷却システム（１００）。
5. 前記ヘリカル形状の冷却空気流れ経路（１６２）の速度を高めるように構成された第１のブースタファン組立体（１５２）をさらに含む、請求項２記載の冷却システム（１００）。
6. 前記第１のブースタファン組立体（１５２）が、前記流れ経路がガスタービンエンジン（１０）の周りで複数回延びるのを可能にするのに十分な速度を有するヘリカル形状の冷却空気流れ経路を生じさせるように構成されている、請求項５記載の冷却システム（１００）。
7. 前記第１のブースタファン組立体（１５２）と流れ連通状態になった第２のブースタファン組立体（１５４）をさらに含み、前記第１のブースタファン組立体が、第１の速度でヘリカル形状の冷却空気流れ経路（１６２）を吐出するように構成され、前記第２のブースタファン組立体が、前記第１の速度よりも大きい第２の速度でヘリカル形状の冷却空気流れ経路を吐出するように構成されている、請求項５記載の冷却システム（１００）。
8. 前記第１及び第２のブースタファン組立体（１５２、１５４）が、前記ガスタービンエンジン（１０）の中心軸線（３４）に対して接線方向成分を有する角度（１５８）で前記モジュール（６０）内部に結合されている、請求項７記載の冷却システム（１００）。
9. モジュール（６０）と、
   前記モジュール内部に格納されたガスタービンエンジンと、
   前記ガスタービンエンジンを冷却するための冷却システム（１００）と、
   を含み、前記冷却システムが、
   前記モジュール内部に結合された第１のデフレクタ（１１０）と、
   前記ガスタービンエンジンの周りにほぼヘリカル形状の冷却空気流れ経路（１６２）が生じるように、前記第１のデフレクタを通して冷却空気（１６０）を流すように構成された第１の供給ファン（１０２）と、を含む、
   ガスタービンエンジン組立体（５０）。
10. 前記第１のデフレクタ（１１０）に隣接して結合された第２のデフレクタ（１１２）をさらに含み、前記ヘリカル形状の冷却空気流れ経路（１６２）の少なくとも１部分が前記第１及び第２のデフレクタ間を流れるようになっている、請求項９記載のガスタービンエンジン組立体（５０）。

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