JP2009275705A - タービンバケット冷却で使用するための冷却回路 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン（１０）のタービンバケット（１２）に冷却媒体を供給するシステム及び方法を提供する。
【解決手段】本システムは、主圧縮機（１）空気流から空気を抽出するように構成された抽出システム（３０）と、その少なくとも一部がガスタービン（１０）の外部に配置され、抽出システム（３０）に結合され、かつ抽出空気を該抽出システム（３０）から冷却媒体挿入領域（４６）に冷却媒体の要素として輸送するように構成された供給回路（２０）と、ガスタービン（１０）の冷却媒体挿入領域（４６）に近接して配置され、該ガスタービン（１０）のオンボード位置において供給回路（２０）に結合され、かつ抽出空気を含む冷却媒体をタービンバケット（１２）に供給するように構成された冷却システム（４０）とを含む。
【選択図】 図２

Description

本発明の態様は、冷却回路に関し、より具体的には、ガスタービンバケット冷却で使用するための冷却回路に関する。

タービンロータバケット又はブレードに対する冷却媒体の送給は、ガスタービン設計では重要な課題であり、従って冷却媒体の送給を達成する多くの異なるシステム及び方法がこれまで提案されてきた。一例として、米国特許第６２１７２８０号は、冷却媒体がタービンロータディスクを通って流れる閉ループ冷却回路の使用について記載している。同様に、米国特許第５２２６７８５号は、インデューサ及びインペラを使用してバケット冷却流を送給することについて記載しており、一方、米国特許第５３１７８７７号は、熱交換器を通して抽出空気を流すこと、またインペラを使用して空気をタービンバケット入口まで圧送する環状空間を通して空気をロータに送給することについて記載している。

米国特許第６２１７２８０号明細書 米国特許第５２２６７８５号明細書 米国特許第５３１７８７７号明細書 米国特許第３８２６０８４号明細書 米国特許第３９３６２１５号明細書 米国特許第４３０９１４７号明細書 米国特許第４４５６４２７号明細書 米国特許第４９１０９５８号明細書 米国特許第５１２０１９２号明細書 米国特許第５２６９６５３号明細書 米国特許第５３９４６８７号明細書 米国特許第５４６８１２５号明細書 米国特許第５５０７６２０号明細書 米国特許第５５９３２７４号明細書 米国特許第５６１１１９７号明細書 米国特許第５７００１３０号明細書 米国特許第６５８１９７８号明細書 欧州特許出願公開第０３１３８２６号明細書 英国特許出願公開第２０４２６４３号明細書 国際公開第９７／４４９０２号パンフレット

いずれの場合でも、現在のタービンバケット冷却システムでは、タービンバケットを冷却するために必要な冷却空気の量は、所定の機械の全寄生空気流量の約３０％■４０％である。従って、タービンバケット冷却媒体送給方法におけるいかなる進歩でも、機械の性能に大幅な改善をもたらすことができる。

本発明の態様によると、ガスタービンのタービンバケットに冷却媒体を供給するシステムを提供し、本システムは、主圧縮機空気流から空気を抽出するように構成された抽出システムと、その少なくとも一部がガスタービンの外部に配置され、抽出システムに結合され、かつ抽出空気を該抽出システムから冷却媒体挿入領域に冷却媒体の要素として輸送するように構成された供給回路と、ガスタービンの冷却媒体挿入領域に近接して配置され、該ガスタービンのオンボード位置において供給回路に結合され、かつ抽出空気を含む冷却媒体をタービンバケットに供給するように構成された冷却システムとを含む。

本発明の別の態様によると、ガスタービンのタービンバケットに冷却媒体を供給するシステムを提供し、本システムは、主圧縮機空気流から一組の給気を抽出するように構成された抽出システムと、その少なくとも一部がガスタービンの外部に配置され、抽出システムに結合され、かつ抽出給気の各々を該抽出システムから冷却媒体挿入領域に冷却媒体の要素として輸送するように構成された供給回路と、ガスタービンの冷却媒体挿入領域に近接して配置され、該タービンのオンボード位置において供給回路に結合され、かつ抽出給気の各々を含む冷却媒体をタービンバケットに供給するように構成された冷却システムとを含む。

本発明の別の態様によると、ガスタービンのタービンバケットに冷却媒体を供給する方法を提供し、本方法は、主圧縮機空気流から空気を抽出するステップと、抽出空気をガスタービンのオンボード位置において該ガスタービンの冷却媒体挿入領域に冷却媒体の要素として少なくとも部分的に外部で輸送するステップと、抽出空気を含む冷却媒体をタービンバケットに供給するステップとを含む。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の目的、特徴及び利点は、図面と関連させてなした以下の詳細な説明から明らかとなる。

本発明の実施形態による例示的なガスタービンを通りかつ例示的な供給回路を通る空気の流れを示す概略フロー図。 本発明の実施形態による例示的なタービンの断面図。 図２のタービンの後部セクションの分解組立断面図。

図１及び図２を参照すると、圧縮機１で使用するシステムは、ガスタービン１０のタービンバケット１２に冷却媒体を供給する。本システムは、圧縮機１に沿って設置された抽出ポイント３０Ａ及び３０Ｂの少なくとも１つから吸入空気を抽出するように構成された抽出システム３０を含む。抽出システム３０に結合された供給回路２０は、抽出空気を該抽出システム３０からガスタービン１０の冷却媒体挿入領域４６に冷却媒体の要素として輸送するように構成される。冷却システム４０は、冷却媒体挿入領域４６に近接して配置されかつ供給回路２０に結合されて、抽出空気を含む冷却媒体を該供給回路２０からタービンバケット１２に供給するように構成されるようになる。

タービンバケットを冷却するために必要な冷却空気の量が、先に述べたように全充填可能空気流量の約３０％■４０％であると仮定すると、このシステムは、タービン１０の性能の大幅な向上をもたらすことができる。つまり、本システムは、より低い段の空気を冷却媒体として使用するのを可能にし、そのためにより少ない量の空気しか必要としない。さらに、供給システム２０は、ガスタービン１０の作動時に抽出空気を冷却し、清浄化し、かつ／又は他の方法でモニタするために用いることができる。

ガスタービン１０は、例えば吸入空気と燃料を混合して可燃性混合気を形成する燃料混合領域１４と、該燃料混合領域１４の下流に位置する燃焼領域１６とを含む。翼形部は、ガスタービン１０の作動時に燃焼排出ガスによって回転し、かつディスク間空洞１１によって互いに分離されている支持回転ディスク１３を駆動する。必須ではないが、ガスタービン１０の冷却媒体挿入領域４６が抽出ポイント３０Ａ及び３０Ｂの後方に設置されることを理解されたい。

ここで、抽出システム３０は、プレナム又はその他の同様な空洞を備えることができる空気供給体３５及び３６の少なくとも１つを含むことに注目されたい。空気供給体３５及び３６は、供給回路２０の幾つかの個別管路２１及び２２に結合されかつ抽出ポイント３０Ａ及び３０Ｂに近接して配置される。この構成では、空気供給体３５及び３６は、供給回路２０に空気を供給する前に抽出空気を抽出ポイント３０Ａ及び３０Ｂから受けかつ貯留するように構成される。

次に図２及び図３を参照すると、冷却システム４０は、供給回路２０に結合されかつタービンバケット１２に冷却媒体を供給するように構成された強制渦流発生システム及び／又は自由渦流発生システムの少なくとも１つを含むことができる。

十分に異なる圧力を備えた複数の冷却媒体源を用いる場合には、軸方向チューブ４４、４５（例えば、ロータボアチューブなど）が、オンボード領域４６内でロータ部品１００に結合される。軸方向チューブ４４、４５は、抽出空気を含む冷却媒体をタービンバケット１２に向けて送給するように構成される。送給の一環として、軸方向チューブ４４、４５に結合した強制渦流発生メカニズム４７、４８は、冷却媒体の流速を増加させるように構成される。必須ではないが、強制渦流発生メカニズム４７又は４８は、半径方向チューブ、インペラ、又は別体ロータ構造体を含むことができ、流れが比較的小さいオンボード半径からタービンバケット１２の入口半径に対応するより大きい半径に移動するにつれて冷却媒体流速を増加させる。強制渦流発生メカニズム４７又は４８はまた、回転ディスク１３に結合することができる。それに代えて、自由渦流発生システムを用いる場合には、冷却媒体は、強制渦流発生のケースと比べて比較的低い円周方向速度でタービンバケット１２に送給される。

ここで図２を参照すると、供給回路２０は、抽出空気を加熱及び／又は冷却するように構成された熱交換器５０、抽出空気から例えば埃の粒子を清浄化するように構成されたクリーナ（清浄装置）６０、並びに温度、圧力及び／又は純度のような抽出空気の様々な特性を測定するように構成された測定装置７０のような付加的機構を含むことができることに注目されたい。その場合に、熱交換器５０、クリーナ６０及び測定装置７０は、抽出システム３０と冷却システム４０との間で供給回路に沿って配置される。付加的な実施形態では、供給回路はまた、抽出空気の圧力（加圧度）を調整する圧縮機８０を含むことができる。

図２は、熱交換器５０、クリーナ６０、測定装置７０及び圧縮機８０を含むものとして供給回路２０を示しているが、これらの機構は、それらの組合せとして供給回路２０に沿って備えることができ、また／或いは纏めて又は個別に不要とすることができることを理解されたい。

上述したように、冷却媒体として使用する抽出空気は、供給回路２０に沿って供給され、その後にガスタービン１０内に戻される。これは、様々な方法で達成することができ、図４にはそのうちの２つの方法を概略的に示している。１つの実施形態では、供給回路２０の１以上の外部パイプは、空気グランド１１１に結合され、空気グランド１１１を通して抽出空気が、ロータ部品４４、４５に向かって収束通路内を円周方向に流れる。通路は、ロータ部品４４、４５内に抽出空気を流すのを可能にするのに十分なほどその流れの速度が増加するような寸法にされる。別の実施形態では、供給回路２０の外部パイプは、ロータ部品４４、４５に結合されたロータボアチューブ１１２と合わされる。

これらの及びその他の実施形態では、抽出空気の漏洩が、幾つかの位置で発生する可能性がある。とりわけ、空気グランド１１１のロータ部品１００との結合部及び供給回路２０の外部パイプのロータボアチューブ１１２との結合部に生じる。この漏洩の影響を軽減するための１つの任意選択的方法によると、冷却システム４０にはさらに、漏洩空気を再循環させる再循環メカニズム４９を構成することができる。図２に示すように、再循環メカニズム４９は、冷却システム４０に近接させて配置することができ、また例えば強制渦流発生プロセス又はその他の同様なプロセスに従って作動させて、冷却及び／又はパージしようとするそれぞれの構成要素内に再循環漏洩空気を強制的に流すようにすることができる。

本システムは、１以上のタービンバケット１２に冷却媒体を供給するように構成することができる。その場合に、抽出システム３０は、１組の抽出ポイント３０Ａ及び３０Ｂから１組の給気を抽出するように構成される。これ迄と同様に、供給回路２０は、抽出システム３０に結合され、かつ冷却システム４０を介して抽出給気の各々を抽出システム３０から冷却媒体挿入領域４６内のタービンバケット１２に幾つかのケースでは他とは独立して冷却媒体の要素として輸送するように構成される。

ますます後方に配置したタービンバケット１２には、ますます前方に配置した抽出ポイント３０Ａ及び３０Ｂからそれぞれ抽出した抽出給気を含む冷却媒体の一部分が供給される。例えば、図１に概略的に示すように、比較的低い段の空気は、前方抽出管路３１に沿って抽出されかつ後方冷却管路４１に沿ってタービン１０の比較的高い段の領域に送給され、比較的中間の段の空気は、中央抽出管路３２に沿って抽出されかつ中央冷却管路４２に沿ってタービン１０の比較的中間の段の領域に送給され、また比較的高い段の空気は、後方抽出管路３３に沿って抽出されかつ前方冷却管路４３に沿ってタービン１０の比較的低い段の領域に送給される。

本発明の別の態様によると、ガスタービン１０の１以上のタービンバケット１２に冷却媒体を供給する方法は、主圧縮機空気流から空気を抽出するステップと、抽出空気をガスタービン１０のオンボード位置において該ガスタービン１０の冷却媒体挿入領域４６に冷却媒体の要素として少なくとも部分的に外部で輸送するステップと、抽出空気を含む冷却媒体をタービンバケット１２に供給するステップとを含む。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきでなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。

１ 圧縮機
１０ ガスタービン
１１ ディスク間空洞
１３ 回転ディスク
１４ 燃料混合領域
１２ タービンバケット
２０ 供給回路
３０ 抽出システム
３０Ａ、３０Ｂ 抽出ポイント
３１、３２、３３ 抽出管路
３５、３６ 空気供給体
４０ 冷却システム
４１、４２、４３ 冷却管路
４４、４５ 軸方向チューブ
４６ 冷却媒体挿入領域
４７、４８ 強制渦流発生メカニズム
４９ 再循環メカニズム
５０ 熱交換器
６０ クリーナ
７０ 測定装置
８０ 圧縮機
１００ ロータ部品
１１１ 空気グランド
１１２ ロータボアチューブ

Claims (10)

1. ガスタービン（１０）のタービンバケット（１２）に冷却媒体を供給するシステムであって、
   主圧縮機（１）空気流から空気を抽出するように構成された抽出システム（３０）と、
   その少なくとも一部が前記ガスタービン（１０）の外部に配置され、前記抽出システム（３０）に結合され、かつ前記抽出空気を該抽出システム（３０）から冷却媒体挿入領域（４６）に前記冷却媒体の要素として輸送するように構成された供給回路（２０）と、
   前記ガスタービン（１０）の冷却媒体挿入領域（４６）に近接して配置され、該ガスタービン（１０）のオンボード位置において前記供給回路（２０）に結合され、かつ前記抽出空気を含む前記冷却媒体を前記タービンバケット（１２）に供給するように構成された冷却システム（４０）と、
   を含むシステム。
2. 前記冷却システム（４０）が、強制渦流発生システム（４７、４８）を含む、請求項１記載のシステム。
3. 前記供給回路（２０）が、前記抽出空気を加熱及び／又は冷却するように構成された熱交換器（５０）を含む、請求項１記載のシステム。
4. 前記供給回路（２０）が、前記抽出空気を清浄化するように構成された清浄装置（６０）を含む、請求項１記載のシステム。
5. 前記供給回路（２０）が、前記抽出空気の所定の特性を測定するように構成された測定装置（７０）を含む、請求項１記載のシステム。
6. 前記供給回路（２０）が、前記抽出空気の加圧度を調整するように構成された圧縮機（８０）を含む、請求項１記載のシステム。
7. 前記冷却システム（４０）が、収束円周方向通路を備えた空気グランド（１１１）を介して前記供給回路（２０）に結合される、請求項１記載のシステム。
8. ガスタービン（１０）のタービンバケット（１２）に冷却媒体を供給するシステムであって、
   主圧縮機空気流から一組の給気を抽出するように構成された抽出システム（３０）と、
   その少なくとも一部が前記ガスタービン（１０）の外部に配置され、前記抽出システム（３０）に結合され、かつ前記抽出給気の各々を該抽出システム（３０）から冷却媒体挿入領域（４６）に前記冷却媒体の要素として輸送するように構成された供給回路（２０）と、
   前記ガスタービン（１０）の冷却媒体挿入領域（４６）に近接して配置され、該タービン（１０）のオンボード位置において前記供給回路（２０）に結合され、かつ前記抽出給気の各々を含む前記冷却媒体を前記タービンバケット（１２）に供給するように構成された冷却システム（４０）と、
   を含むシステム。
9. 前記給気が、１組の抽出ポイント（３０Ａ、３０Ｂ）において前記空気流から抽出され、
   前記タービン（１０）の冷却媒体挿入領域（４６）が前記抽出ポイント（３０Ａ、３０Ｂ）の後方に設置される、
   請求項８記載のシステム。
10. ますます後方に配置したタービンバケット（１２）がそれぞれ、ますます前方に配置した抽出ポイント（３０Ａ、３０Ｂ）からそれぞれ抽出したそれら抽出給気を含む前記冷却媒体の一部分を供給される、請求項９記載のシステム。

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