JP2010156336A - タービンエンジンのインデューサに関連する方法、システム及び／又は装置 - Google Patents

Abstract

【課題】改善されたインデューサの構造を提供する。
【解決手段】特殊輪郭形スロート（１４４）を含むインデューサ（１４０）。いくつかの実施形態において、インデューサ（１４０）は、特殊輪郭形スロート（１４４）の上流側で円錐形状を呈し、特殊輪郭形スロート（１４４）に向かって細くなる相対的に広い円形入口（１４２）を有し且つ特殊輪郭形スロート（１４４）の下流側に特殊輪郭形スロート（１４４）から広がる下流側部分を含む。特殊輪郭形スロート（１４４）は、ほぼ収束発散形のノズル形状を含んでもよい。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般に、本明細書において使用される場合、特に指定のない限り、ガスタービンエンジン、航空機エンジン、蒸気タービンエンジン及び他のタービンエンジンを含むあらゆる種類のタービンエンジン又は回転式エンジンを含むものとするタービンエンジンの効率及び／又は作動を改善する方法、システム及び／又は装置に関する。特に、本発明は、タービンエンジンの改善されたインデューサ構造に関連する方法、システム及び／又は装置に関するが、それに限定されない。

ガスタービンエンジンは、タービン翼などのタービン回転翼構成要素に影響を及ぼす温度を制限するためにそれらの構成要素に冷却空気を供給する冷却系を通常含む。従来の冷却系は、通常、タービン構成要素を冷却するために使用される空気をエンジンの圧縮機から得る。圧縮機からの空気は方向転換され、その後、軸方向流路を通ってエンジンのタービン部分へ送り出される。一般に半径流‐軸流インデューサとして知られる装置は、そのような軸方向流路の出口端部に配置される。一般的用語では、インデューサは、ガスタービンエンジンにおいて空気の流れを加速し且つ流れの方向を指定するために使用される装置である。インデューサは、圧縮機から放出された空気の軸方向流れが回転する回転翼に対して接線方向となり且つ回転と同一の方向になるように空気の流れを方向転換するために使用され、そのため、この構成要素は半径流‐軸流インデューサと呼ばれることが多い。このように空気の流れを方向転換することにより、空気の流れは回転する回転翼の回転する穴を更に効率よく通過できるようになる。その結果、冷却空気は下流側へ移動し、例えば中空エーロフォイルに形成された冷却流路に供給される。更に、インデューサは冷却空気の圧力を低下し、それにより、流れの相対温度を低下する。この温度の低下によって、圧縮空気の流れによる下流側の構成要素の冷却の効率が更に向上することは言うまでもない。

従来のインデューサは、多くの場合、「トランペット」のような外観を呈すると説明される。これは、一般に、インデューサが上流側端部の広い円形開口から細くなる円錐形状を有するからである。当業者には理解されるように、円錐形状はスロートに至るまで細くなり、スロートは、インデューサの最も小さい横断面面積を有する場所である。スロートから先の部分では、インデューサは、後縁の出口まで延出するほぼ円筒形の輪郭形状を有する。一般に、出口は、高い空気力学的性能を得るように微調整された高度に最適化された形状を有する。

現場条件又は他の変数によって、性能を更に向上するようにスロートの機械加工、すなわちスロートの拡張が要求されるのは珍しいことではない。そのような調整は、例えば適切な供給量の冷却空気が下流側へ送り出されるようにするために要求される。しかし、スロートから後縁に至るまで延出する円筒形領域を含む従来のインデューサ構造の場合、後縁の最適化形状を歪ませるか又は損傷することなく、そのような改善を実行することは実質的に不可能である。その結果、スロートの形状を調整する費用効果の高い方法の実行を可能にする改善されたインデューサの構造が依然として必要とされている。

したがって、本発明は、特殊輪郭形スロートを含むインデューサを説明する。いくつかの実施形態において、インデューサは、特殊輪郭形スロートの上流側で円錐形状を呈し、特殊輪郭形スロートに向かって細くなる相対的に広い円形入口を有し且つ特殊輪郭形スロートの下流側に特殊輪郭形スロートから広がる下流側部分を含み；且つインデューサは、半径流‐軸流インデューサ、純軸流インデューサ及び純半径流インデューサのうち１つである。

いくつかの実施形態において、特殊輪郭形スロートは、ほぼ収束発散形のノズル形状を有し；インデューサは半径流‐軸流インデューサであり且つガスタービンエンジンにおいて冷却空気の流れを方向付けし且つ加速するように構成される。いくつかの実施形態において、特殊輪郭形スロートは上流側先細部分、細い中央部分及び下流側へ広がる部分を具備する。

いくつかの実施形態において、特殊輪郭形スロートの上流側先細部分は、下流側端部より上流側端部のほうが広い滑らかなほぼ円錐形の形状を有し；特殊輪郭形スロートの下流側へ広がる部分は、下流側端部より上流側端部のほうが狭い滑らかなほぼ円錐形の形状を有し；且つ細い中央部分は、特殊輪郭形スロートの最も細い部分を含み且つ上流側先細部分と下流側へ広がる部分との間に位置し、最も細い部分は、横断面面積が最小である部分を含む。

いくつかの実施形態において、細い中央部分は、上流側先細部分の細くなる部分と下流側へ広がる部分の広がりとの間に内側半径方向頂点部を含む。いくつかの実施形態において、特殊輪郭形スロートは、当初、所望の最小レベルの流量を通すように構成される。いくつかの実施形態において、所望の最小レベルの流量は、作動基準を満たすために必要であると考えられる最小流量レベルである。

いくつかの実施形態において、インデューサの下流側へ広がる部分は、下流側へ広がる部分を通過する所望の最大流量に適合するように構成される。いくつかの実施形態において、所望の最大流量レベルは、作動基準を満たすために必要であると考えられる最大流量レベルである。

本発明の上記の特徴及び他の特徴は、添付の図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の好適な実施形態の詳細な説明を検討することにより明らかになるだろう。

本発明の上記の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、添付の図面と関連させて以下の本発明の例示的な実施形態の更に詳細な説明を慎重に検討することにより更に完璧に理解されるだろう。
図１は本発明のある特定の実施形態が使用されてもよいタービンエンジンの一例を示した横断面図である。 図２は円筒形スロートを有する従来のインデューサ構造を示した図である。 図３は本発明の例示的な実施形態に係るインデューサのスロート構造を示した断面図である。

図面を参照すると、図１は、ガスタービンエンジン１００の一部を示した概略図である。一般に、ガスタービンエンジンは、圧縮空気の流れの中で燃料を燃焼することにより生成される高温ガスの加圧流れからエネルギーを抽出することによって作動する。通常、ガスタービンエンジンは、共通の軸又は回転翼により下流側タービン部分又はタービンに機械的に結合された軸流圧縮機と、圧縮機とタービンとの間に配置された燃焼器とを含む構成を有する。尚、以下に説明される本発明は、ガスタービンエンジン、蒸気タービンエンジン、航空機エンジン及び他のタービンエンジンを含むあらゆる種類のタービンエンジンにおいて使用されてもよい。以下、ガスタービンエンジンに関連して本発明を説明する。以下の説明は単なる例示であり、本発明を限定することを全く意図しない。

一般に、圧縮機は複数の軸方向に積み重ねられた段を含む。各段は圧縮機動翼の列と、それに続く圧縮機静翼の列とを含んでもよい。圧縮機静翼は、一般に周囲方向に互いに離間して配置され且つ回転軸に関して固定される。圧縮機動翼は周囲方向に互いに離間して配置され且つ軸に装着される。作動中、軸が回転すると、圧縮機動翼は軸に関して回転する。当業者には理解されるであろうが、圧縮機動翼は、軸に関して回転された場合に圧縮機を通って流れている空気又は作動流体に運動エネルギーを与える。

ガスタービンエンジンのタービンも複数の段を含んでよい。各段は、作動中に軸に関して回転する複数のタービンバケット又はタービン動翼と、作動中静止したままである複数のノズル又はタービン静翼とを含む。タービン静翼は、一般に周囲方向に互いに離間して配置され且つ回転軸に関して固定される。タービン動翼はタービン翼車に装着され、軸に関して回転してもよい。タービン静翼及びタービン動翼はタービンの高温ガス流路に位置していることが理解される。

使用中、軸流圧縮機内部で圧縮機動翼が回転することにより、空気の流れが圧縮される。燃焼器において、圧縮空気が燃料と混合され、点火された場合にエネルギーが放出されてもよい。その結果、燃焼器から高温ガスの流れが生成され、高温ガス流れはタービン動翼に沿って送り出される。これにより、タービン動翼の軸に関する回転が起こり、高温ガス流れのエネルギーは、回転する動翼の機械的エネルギーに変換され、軸において動翼が互いに結合されているために、回転する軸の機械的エネルギーに変換される。その後、軸の機械的エネルギーは、圧縮機動翼の回転を駆動するために使用されてもよく、この回転により、必要とされる圧縮空気が生成される。更に、軸の機械的エネルギーは、電気を発生するために発電機に供給されてもよい。

ガスタービンエンジンは、タービン翼などのタービン回転翼の構成要素に影響を及ぼす温度を制限するためにそれらの構成要素に圧縮冷却空気を供給する冷却系を通常含む。一般に、冷却系は、タービン構成要素を冷却するための空気を圧縮機から得る。以下に更に詳細に説明するように、圧縮機から送り出された冷却空気は方向転換され、続いて、軸方向流路を通ってエンジンのタービン部分へと誘導される。

当業者には明らかなように、図１は、圧縮機の下流側端部及びタービンの上流側端部のほぼ軸方向の場所の半径方向内側にあるガスタービンエンジン１００の一部分を示す。図示されるように、インデューサ１０２は、上流側開口において圧縮空気を収集し且つ徐々に狭くなる構造を通して圧縮空気の流れを加速することにより、回転翼／固定子空胴１０４に至る流路を形成するように構成される。一般的用語では、インデューサは、空気の流れを加速し且つ方向付けするために使用される。図示されるように、インデューサ１０２は半径流‐軸流インデューサである。これは単なる一例である。先に述べたように、本発明は、例えば純軸流インデューサ、純半径流インデューサ及び他の同様に機能する構成要素を含めた他の種類のインデューサにおいて使用されてもよい。

図１のインデューサ１０２は、インデューサ１０２により方向付けされる空気の流れが回転する動翼に対して接線方向となり且つ回転と同一方向となるように、圧縮機から放出された空気の軸流を方向転換するために使用される。このように空気の流れを方向転換することにより、（影をつけた矢印により示されるように）動翼１１０に形成された複数の動翼穴１０８を空気が更に効率よく通過できる。したがって、圧縮機からの冷却空気は、例えば中空エーロフォイルに形成された冷却流路を通って供給されるように下流側へ送り出される。更に、当業者には明らかなように、半径流‐軸流インデューサ１０２の構造は、冷却空気の圧力を低下することにより、冷却空気の相対温度を低下するように機能する。この温度低下は、下流側構成要素に対するインデューサ１０２から流出する圧縮空気の流れの冷却効果を向上する。

図２は、従来のインデューサ１２０の形態を示す。図示されるように、軸流‐半径流インデューサ１２０は、上流側端部の広い円形の入口１２２から細くなる円錐形状を含むほぼ「トランペット」のような外観を呈する。円錐形状は上流側部分を経て更に細くなり、スロート１２６の上流側端部に至る。スロート１２６は、最も小さい横断面面積を有するインデューサ１２０の部分を表す。従来の構造の場合、スロート１２６は、一般に、上流側端部から後縁の出口１２８まで延出するほぼ円筒形の延出部分から構成される。インデューサ１２０は、スロート１２６に沿ってほぼ一定の円形横断面形状を維持する。更に、インデューサ１２０は、スロート１２６に沿ってほぼ同一の横断面面積を維持する。

インデューサ１２０の後縁の出口１２８は、一般に、効率のよい空気力学的性能を得るように微調整された高度に最適化された構造を有する。（尚、そのような最適化構造は図２には示されない。）先に詳細に説明したように、従来のインデューサ構造におけるスロート１２６は細く且つ／又は全体がほぼ円筒形に規定されているので、スロートを拡張しようとする調整又はスロートを通る空気の流量を増加させる調整は、後縁の最適化形状を必然的に損なうことになる。

図３は、本発明の例示的な実施形態に係るインデューサのスロートの構造を概略的に示した横断面図である。先に説明したように、このスロート構造は、あらゆる種類のインデューサにおいて採用されてよい。図示されるように、インデューサ１４０は、上流側端部の広い円形の入口１４２から細くなる円錐形状を有する。円錐形状は上流側部分を通して更に細くなり、特殊輪郭形スロート部分又は特殊輪郭形スロート１４４に至る。本発明によれば、特殊輪郭形スロート１４４は、一般に、１）上流側先細部分；２）細い中央部分；及び３）下流側へ広がる部分を含む。このように、特殊輪郭形スロート１４４は、ほぼ「砂時計」又は瓶の首のような輪郭形状を有する。特殊輪郭形スロートの細くなった後に広がる形状は、徐々に又は滑らかに推移する曲線又は円錐形の形状を含む。すなわち、上流側先細部分は、下流側端部より上流側端部のほうが広い円錐形状を示し、下流側へ広がる部分は、下流側端部より上流側端部のほうが狭い円錐形状を示す。すなわち、特殊輪郭形スロート１４４は、収束発散形ノズルプロファイルを形成する。

横断面図で示されるように、細い中央部分は、上流側先細部分と下流側へ広がる部分との接合によって形成された隆起部分に半径方向内側頂上部を含んでもよく、それにより、インデューサ１４０の中で最も狭い流路、すなわち横断面面積が最小の流路を形成する。斜線で示した領域は、本発明に係る特殊輪郭形スロート１４４と、スロートが上流側へ延出する場所で出口付近の横断面面積が一定に維持された場合に円筒形部分又はスロートがとるであろうと考えられる形状とのおおよその相違を表す。図３の横断面図で示されるように、細い中央部分は両側の傾斜の頂上部であるように見え、前述のように、収束発散形ノズルプロファイルを有するように見える。いくつかの実施形態において、細い中央部分は、ほぼ一定の横断面面積及び形状を有する更に長く延出する軸方向部分であってもよい。

好適な実施形態において、細い中央部分の大きさは、所望の最小流量レベルに合わせて規定される。すなわち、細い中央部分の横断面形状及び横断面面積は、タービンエンジンの作動基準を満たすと思われる最小流量レベルの空気を供給するために必要と考えられる形状及び面積となる。この作動基準は、例えば、許容圧力及び／又は許容温度で適切な下流側冷却を実行するための必要最低限の流量レベルであってもよい。前述のように、インデューサ１４０の下流側部分（すなわち特殊輪郭形スロート１４４の下流側の部分）は、特殊輪郭形スロート１４４の狭い中央部分より大きい横断面面積へと広がっている。好適な実施形態において、下流側部分の大きさは、所望の最大流量レベルに適合するように規定される。特に、下流側部分の横断面の形状及び面積は、エンジンの作動基準を満たすと思われる最大流量レベルに適合するために必要であると考えられる形状及び面積となる。

使用中、本発明に係る特殊輪郭形スロート１４４を有するインデューサは、タービンエンジンの内部に装着された後、効率よく且つ費用効果の高い方法で調整されてもよい。特殊輪郭形スロート１４４は所定の場所に、インデューサを規定する周囲の構造と一体に鋳造されてもよく、インデューサの最小横断面面積が拡張されるように機械加工されてもよい。例えば、タービンエンジンの設置時及び作動時に、特殊輪郭形スロート１１４の大きさを先に規定する際の基礎となった所望の最小流量レベルがエンジン性能基準に十分適合しているか否かが判定されてもよい。最小流量レベルが不十分であり、更に大きな流量レベルが必要であると判定された場合、特殊輪郭形スロート１４４の横断面面積が拡張されるように特殊輪郭形スロート１４４は加工されてもよい。特殊輪郭形スロートの下流側の横断面面積を増加させたため、特殊輪郭形スロート１４４の加工作業は従来の構造と比較して容易になり、後縁出口の最適化形状に影響を及ぼすことなく又はその形状を損傷することなく、あるいはその形状を歪ませることなく機械加工を実行できる。特殊輪郭形スロート１４４が広げられた後、その時点でエンジン性能基準が満たされているか否かを判定するための試験が再度実施され、必要に応じて更なる機械加工が実行されてもよい。スロートが微調整され且つ／又は所望のエンジン性能基準が実現されるまで、この試験及び機械加工の過程が繰り返し実行されてもよいことは容易に理解できる。

インデューサの下流側部分の大きさが所望の最大流量レベルに適合するように規定されている場合、必要に応じて、特殊輪郭形スロート１４４を機械加工するか又はスロートのほぼ全体を除去することにより、この流量レベルがおおよそ実現されてもよい。その場合、スロート部分は従来の構造の円筒形部分に類似する形状になると考えられる。これにより、下流側部分は、必要に応じて予測される最大流量を確実に達成できる大きさとなり、インデューサのスロートの形状は多様なニーズに適合できるようになるので、現場で効率よく且つ費用効果の高い調整及び微調整を実行することが可能になる。特殊輪郭形スロートの下流側の横断面面積を増加することによって機械加工が容易になるので、後縁出口の最適化形状に影響を及ぼすことなく又は最適化形状を損傷することなく機械加工を実行できる。収束発散形スロート構造を有するインデューサを使用して作動させた場合、現場での調整を必要としない従来の円筒形構造と比較して、言うまでもなくインデューサの空気力学的性能に対してわずかな悪影響が及ぶことは当業者には理解される。しかし、後縁出口形状を損傷することなく多様な流量レベルに合わせて効率よく調整及び微調整できるインデューサスロート構造によって実現される効率を考慮すると、本発明のスロート構造は、そのような悪影響が起こりうるという欠点を補って余りあると判定された。すなわち、本発明に係る特殊輪郭形スロートと関連する悪影響は、従来のインデューサを現場で変形することによって出口形状が受ける損傷の結果起こると考えられる性能の低下と比較すれば、いずれもはるかに小さい。少なくとも、本発明に係るスロート構造において考えうる望ましいトレードオフとなる状況又は用途が存在する確率が非常に高いことは確実である。

以上の本発明の好適な実施形態の説明から、当業者は改善、変更及び変形を実行できる。当該技術の範囲内のそのような改善、変更及び変形は、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図される。更に、以上の説明は説明された本発明の実施形態にのみ関連し、添付の特許請求の範囲及びその同等物により定義される本発明の真の趣旨から逸脱せずに多くの変更及び変形が実施されてもよいことは明らかである。

１００ ガスタービンエンジン
１４０ インデューサ
１４２ 入口
１４４ 特殊輪郭形スロート

Claims (10)

1. 特殊輪郭形スロート（１４４）を含むインデューサ（１４０）。
2. 前記インデューサ（１４０）は、前記特殊輪郭形スロート（１４４）の上流側で円錐形状を呈し、前記特殊輪郭形スロート（１４４）に向かって細くなる相対的に広い円形開口（１４２）を有し且つ前記特殊輪郭形スロート（１４４）の下流側に前記特殊輪郭形スロート（１４４）から広がる下流側部分を含み；且つ
   前記インデューサ（１４０）は、半径流‐軸流インデューサ（１４０）、純軸流インデューサ（１４０）及び純半径流インデューサ（１４０）のうち１つである請求項１記載のインデューサ（１４０）。
3. 前記特殊輪郭形スロート（１４４）はほぼ収束発散形ノズル形状を有し；
   前記インデューサ（１４０）は半径流‐軸流インデューサ（１４０）であり且つガスタービンエンジン（１００）において冷却ガスの流れを方向付けし且つ加速するように構成される請求項１記載のインデューサ（１４０）。
4. 前記特殊輪郭形スロート（１４４）は上流側先細部分、細い中央部分及び下流側へ広がる部分を具備する請求項１記載のインデューサ（１４０）。
5. 前記特殊輪郭形スロート（１４４）の前記上流側先細部分は、下流側端部より上流側端部のほうが広い滑らかなほぼ円錐形の形状を有し；
   前記特殊輪郭形スロート（１４４）の前記下流側へ広がる部分は、下流側端部より上流側端部のほうが狭い滑らかなほぼ円錐形の形状を有し；
   前記細い中央部分は、前記特殊輪郭形スロートの最も細い部分を含み且つ前記上流側先細部分と前記下流側へ広がる部分との間に位置し、前記最も細い部分は、横断面面積が最小である部分を含む請求項４記載のインデューサ（１４０）。
6. 前記細い中央部分は、前記上流側先細部分の細くなる部分と前記下流側へ広がる部分の広がりとの間に内側半径方向頂点部を含む請求項５記載のインデューサ（１４０）。
7. 前記特殊輪郭形スロート（１４４）は、当初、所望の最小レベルの流量を流通させるように構成される請求項２記載のインデューサ（１４０）。
8. 前記所望の最小レベルの流量は、作動基準を満たすために必要であると考えられる最小流量レベルである請求項７記載のインデューサ（１４０）。
9. 前記インデューサ（１４０）の前記下流側部分は、前記下流側部分を通過する所望の最大流量に適合するように構成される請求項２記載のインデューサ（１４０）。
10. 前記所望の最大流量レベルは、作動基準を満たすために必要であると考えられる最大流量レベルである請求項９記載のインデューサ（１４０）。

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