JP2010159746A - 可変ジオメトリエジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン（１０）用のエジェクタ（１００）を提供すること。
【解決手段】エジェクタ（１００）は、可変ジオメトリ動力ノズル（２００）と、この可変ジオメトリ動力ノズル（２００）の下流に配置される可変ジオメトリ混合チューブ（２６０）とを含む。他の実施例では、可変ジオメトリノズルおよび可変ジオメトリ混合チューブを有するエジェクタを用いて、空気流を圧縮機からタービンへ供給する方法が提供される。この方法は、寒い周囲温度であるとすれば、可変ジオメトリノズルを拡張するステップと、可変ジオメトリ混合チューブを収縮するステップとを含んでよい。この方法は、暑い周囲温度であるとすれば、可変ジオメトリノズルを収縮するステップと、可変ジオメトリ混合チューブを拡張するステップとを含む。
【選択図】図３

Description

本出願は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、任意の周囲温度でエジェクタおよびガスタービンエンジンの性能を最適化するように可変ジオメトリノズルおよび混合チューブを備えるエジェクタを使用することに関する。

ガスタービンエンジンでは、圧縮機からの流入空気流の一部は、様々なタービン構成要素を冷却するために分流することができる。しかし、分流された空気は、圧縮機を通る総空気流の大きな部分、約２０％と同程度を消費し得る。したがって、これら寄生空気流の管理および制御の改良により、ガスタービンエンジンの全般的な性能および効率を増大させることができる。

例えば、空気は、様々なタービン構成要素のための冷却流として使用するために圧縮機から取り出すことができる。こうして、取り出した空気は、燃焼システムをバイパスする。エジェクタは、このためにしばしば有用である。ブリード空気を、例えば圧縮機の第１３段目から取り出して、タービンの第２段ノズルを冷却することができる。冷却用空気をタービンの第３段ノズルに供給するために、ブリード空気を別の段、例えば第９段目から、第１３段目から取り出されるものより低い圧力および温度で取り出してもよい。しかし、取出口により、冷却用空気流が高過ぎる圧力および／または温度でしばしば供給される。したがって、この流れは、所望の圧力および／または温度まで絞られ得る。しかし、この絞りにより、エネルギの正味の損失となり得る。エジェクタを用いることによって、低い圧力／温度の空気流を高い圧力／温度の空気流と混合して中間の圧力および温度で空気流を供給し、それによりタービン段を冷却するのに必要な圧力および温度を管理することができる。このようにして、エジェクタは、さもなければ廃棄エネルギとして散逸し得る低い圧力および温度の空気流を利用する。

エジェクタは一般に、何らの可動部品も有さない。むしろ、このエジェクタは、必要な空気流をＩＳＯ条件（典型的には華氏約５９度（摂氏約１５度））で最適に供給するような大きさにされる。しかし、日々の温度変化は、エジェクタの作動特性に影響を与えることになる。言い換えれば、エジェクタは、異なった日において、および各日中の異なる時間において、違った挙動をする可能性がある。暑い日には、エジェクタは、必要とされるより多くの空気を送ることができ、したがって過剰流（ｏｖｅｒｆｌｏｗ）になり得る。そのような過剰流は、エジェクタの寿命に影響しないかもしれないが、性能の利点を損なう可能性がある。エジェクタの最適作動条件は一般に、（華氏約７０度（摂氏約２１．１度）を上回る）暑い日に、（例えば、タービンにかかる負荷の約５０パーセント未満の）部分負荷で生じる。反対に、寒い日には、エジェクタが単独で供給できない追加の冷却流を供給するために、エジェクタに平行なバイパス管路が必要とされ得る。

米国特許第６，５５０，２５３号公報 米国特許第６，６１５，５７４号公報 米国特許第３，４４１，０４５号公報 米国特許第４，６３１，００４号公報 米国特許第６，４１２，２７０号公報 米国特許第６，７０１，７１５号公報 米国特許出願公開第２００７／０１２５０９２号公報 米国特許出願公開第２００７／０２５６４２０号公報 米国特許出願公開第２００８／０２０２０９２号公報

したがって、周囲条件の日変化に順応することができるエジェクタシステムが期待されている。好ましくは、そのようなシステムは、ガスタービンエンジンの出力および効率を総じて増大させることができる。

そこで、本出願は、タービンエンジン用のエジェクタを提供する。このエジェクタは、可変ジオメトリ動力ノズルと、この可変ジオメトリ動力ノズルの下流に配置される可変ジオメトリ混合チューブとを含んでよい。

本出願は、可変ジオメトリノズルおよび可変ジオメトリ混合チューブを有するエジェクタを用いて、空気流を圧縮機からタービンへ供給する方法をさらに提供する。この方法は、寒い周囲温度であるとすれば、可変ジオメトリノズルを拡張するステップと、可変ジオメトリ混合チューブを収縮するステップとを含んでよい。この方法は、暑い周囲温度であるとすれば、可変ジオメトリノズルを収縮するステップと、可変ジオメトリ混合チューブを拡張するステップとをさらに含んでよい。

本出願は、タービンエンジン用のエジェクタをさらに提供する。このエジェクタは、いくつかの歯を備える可変ジオメトリ動力ノズルと、混合チャンバ内に配置される可撓性挿入部を有する可変ジオメトリ混合チューブとを含んでよい。

本出願のこれらおよび他の特徴は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて用いると後続の詳細な説明の精査によって当業者に明らかになろう。

既知のエジェクタを備えるガスタービンエンジンの圧縮機部分およびタービン部分の概略図である。 既知のエジェクタの側面断面図である。 本明細書に記載される可変ジオメトリエジェクタの側面断面図である。 図３の可変ジオメトリエジェクタで使用するための山形ノズルの側面断面図である。 山形ノズルの概略図である。 山形ノズルの側面断面図である。 図３の可変ジオメトリエジェクタで使用できる混合チューブの側面断面図である。 エジェクタが作動する周囲温度に関連するエントレインメント比を示すグラフである。

ここで、同じ数字がいくつかの図全てを通じて同じ要素に言及している図面を参照すると、図１は、タービンエンジンシステム１０を示す。タービンエンジンシステム１０は、圧縮機１２とタービン１４とを含む。圧縮機１２は、周囲空気を受け入れる取入口１６を含む。次いで、この空気は、いくつかの異なる圧縮機の段を通じて圧縮される。各段は、空気をより高い圧力および温度へ圧縮する。圧縮空気のほとんどは、燃焼器へ送られる。この燃焼器は、圧搾空気を燃料の流れと混ぜ合わせて、熱い燃焼ガスを生成する。次いで、この熱い燃焼ガスをタービン１４の様々な段へ転送して、機械的作用をもたらす。このようにして、タービン１４は、圧縮機１２およびジェネレータなどの外部負荷を駆動する。典型的には、ブリード空気が、タービン１４内の冷却用空気流またはパージ空気流（ｐｕｒｇｅ ａｉｒｆｌｏｗ）として使用するため、および他の目的のために、圧縮機１２の様々な段から取り除かれもする。

例として、高圧空気の取出しは、圧縮機１２の第１３段目１８から行われてよく、第１の流路２２を介してタービン１４の第２段ノズル２０へ冷却用空気流として供給される。示すように、複数の流路が使用できる。同様に、ブリード空気は、より早い段階、例えば圧縮機１２の第９段目２４から取り出され、第２の流路２６を介して第３段ノズル２８へ冷却用空気として供給されてもよい。バイパス流路３０が、第１の流路２２と連通していてもよい。バイパス流路３０は、絞り弁３２を含んでよい。上記のように、バイパス流路３０は、寒い日に追加の空気流を供給することができる。

エジェクタ３４が、流路２２内に配置されてよい。上記のように、エジェクタ３４は、タービンエンジンシステム１０全体の効率を最適化するために、取り出した流れを調節するように流路２２および２６からのブリード空気を混合することを可能にする。エジェクタ３４は、流路２２と流路２６の間に配置される渡り流路３６を介して第２の空気流路２６と連通していてよい。渡り流路３６は、隔離弁３８を含んでよい。隔離弁３８は、周囲条件が好都合でないときにエジェクタ３４を隔離することができる。本明細書では、任意の個数の渡り流路３６が使用されてよい。本明細書では、他の構成が使用されてよい。

図２は、既知のエジェクタ３４を示す。エジェクタ３４は、可動部品を有さない機械装置である。エジェクタ３４は可動部品を有さないので、エジェクタ３４は、ＩＳＯ日条件に基づいて特定の設計点で作動するように設計されている。エジェクタ３４は、運動量移動に基づいて２つの流体流を混合する。エジェクタ３４は、第１の流路２２を介して高圧動力流体を受け入れるための動力空気取入口４０と、動力流の静圧を吸込圧力の全圧未満の圧力まで下げるための１次ノズル４２と、渡り流路３６を介して低い圧力の流体または吸込流体を受け入れるための吸込空気取入口４４と、２次流を加速してその静圧を低下させるための２次ノズル４６と、２つの流れを混合するための混合チューブ４８と、混合した流れを減速し、静圧を回復するためのディフューザ５０とを有する。既知のエジェクタシステムは、共有された米国特許第６，５５０，２５３号および米国特許第６，６１５，５７４号に示されている。

エジェクタ３４を流路２２内に設置することによって、圧縮機１２の第１３段目１８からの高圧の取り出した流れは、エジェクタ３４の動力取入口４４において動力流として働く。第２の流路２６からの低圧、低温の流れは、渡り流路３６を介してエジェクタ３４へ流れ、吸込取入口４４を介して吸込流として働く。このようにして、２つの流れは、共に混合され、エジェクタ３４のディフューザ５０を通って流れる。これら２つの流れは、第３の流れ５２を形成し、動力流および吸込流それぞれの圧力および温度の中間の圧力および温度で退出する。本明細書では、他の構成および他の流路が使用されてよい。

図３は、本明細書に記載される可変ジオメトリエジェクタ１００の側面断面図である。可変ジオメトリエジェクタ１００は、動力空気取入口１１０を含んでよい。動力空気取入口１１０は、圧縮機１２の第１３段目１８と関連する第１の流路２２と連通していてよい。動力空気取入口１１０は、動力ノズル１２０に通じる。以下、動力ノズル１２０をより詳細に説明することにする。可変ジオメトリエジェクタ１００は、吸込空気取入口１３０も含む。吸込空気取入口１３０は、渡り管路３６を介して圧縮機１２の第９段目２４と関連する第２の流路２６と連通していてよい。吸込空気取入口１３０は、吸込チャンバ１４０に通じる。

動力ノズル１２０および吸込チャンバ１４０は、混合チューブ１５０と連通している。以下、混合チューブ１５０をより詳細に説明することにする。混合チューブ１５０は、ディフューザ１６０と連通している。さらに、排出端１７０が、ディフューザ１６０と連通していてよい。排出端１７０は、いくつかの混合穴１８０を含んでよい。混合穴１８０は、任意の大きさまたは形状を有してよい。本明細書では、任意の個数の混合穴１８０が使用されてよい。排出端１７０は、第３の流路５２を介して第２段ノズル２０と連通していてよい。排出端１７０は、バイパス取入口１９０を含んでもよい。バイパス取入口１９０は、バイパス流路３０と連通していてよい。本明細書では、他の構成および他の流路が使用されてよい。

図４〜図６は、本明細書に記載されている動力ノズル１２０の例を示す。この例では、動力ノズル１２０は、山形ノズル２００の形態であることができる。山形ノズル２００は、いくつかの山形ノズルの歯２１０を有してよい。ノズルの歯２１０を回転することにより、山形ノズル２００を通る流路の大きさを増減することができる。山形ノズルの歯２１０は、任意の大きさまたは構成を有してよい。本明細書では、任意の個数の山形ノズルの歯２１０が使用されてよい。山形ノズルの歯２１０は、ばね２２０を介して接続されてよい。歯２１０およびばね２２０は、圧力調整チャンバ２３０内に配置されてよい。チャンバ２３０は、動力空気取入口１１０に接続された山形空気管路２４０と連通していてよい。山形空気管路２４０は、そこに配置されたノズル圧力弁２５０を有してよい。このようにして、山形ノズル２００は、山形空気管路２４０上のノズル圧力弁２５０によって決定されるノズルの歯２１０およびばね２２０の圧力に基づいて山形ノズル２００を通る流路の大きさを増減することができる。本明細書では、他のタイプのノズルの構成が使用されてよい。

図７は、混合チューブ１５０の側面断面図を示す。この例では、混合チューブ１５０は、可撓性混合チューブ２６０であってよい。可撓性混合チューブ２６０は、混合チャンバ２８０内に配置される可撓性挿入部２７０を含んでよい。可撓性挿入部２７０は、幾分可撓性の材料で作製されてよい。混合チャンバ２８０は、動力空気取入口１１０と連通している混合チューブ空気管路２９０と連通していてよい。混合チューブ圧力弁３００が、混合チューブ空気管路２９０に配置されてよい。混合チューブ圧力弁３００によって混合チャンバ２８０内の空気圧を増大させることにより、可撓性挿入部２７０の内径の大きさを収縮させ、それにより内部径およびその内部を通る流路を所望の通りに変えることができる。本明細書では、任意の直径が使用されてよい。本明細書では、他のタイプの流れの制限が使用されてもよい。

使用時、周囲温度が寒いときは、より大きい山形ノズル２００およびより小さい可撓性混合チューブ２６０を使用することが好ましいものであり得ると判断されているが、これはノズル２００がより大きいサイズになると吸込みがより大きくなり、すなわち流れを吸込む可能性がより大きくなるからである。対照的に、周囲温度が暑いときは、より小さい山形ノズル２００およびより大きい可撓性混合チューブ２６０を使用することが好ましいものであり得る。したがって、山形ノズル２００のジオメトリは、ノズル圧力弁２５０によって変更でき、一方、混合チューブ２６０のジオメトリは、混合チューブ圧力弁３００によって変更できる。本明細書では、エジェクタ１００は、他の大きさ、構成および組み合わせを用いてよい。

図８は、エジェクタが作動する周囲温度に関連するエントレインメント比を示す。示されているように、暑い日には、ノズル２００と混合チューブ２６０の比が小さくなるほど、より高いエントレインメントが与えられ、より少ない総流量によって第２段ノズル２０の過冷却を防ぎ、一方、寒い日には、比が大きくなるほど、よりロバストなエントレインメントが与えられ、総流量がより大きくなる。両モードにおいて、このエントレインメント比は、最適であり得、第２段ノズル２０への流れは、バイパス管路を用いることなく適合され得る。このようにして、可変ジオメトリエジェクタ１００により、バイパスミキサの必要性がなくなる。任意の周囲温度にわたってアンビエントパフォーマンス（ａｍｂｉｅｎｔ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ）を確かなものにすることによって、可変ジオメトリエジェクタ１００についての効率向上が、約２０〜約３０パーセント以上だけ増加すると期待される。

前述の説明は、本出願のある実施形態に関するものに過ぎず、本明細書においては多数の変更および修正が、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定められる本発明の全般的な精神および範囲から逸脱することなく当業者によってなされ得ることが明らかなはずである。

１０ タービンエンジンシステム
１２ 圧縮機
１４ タービン
１６ 取入口
１８ 第１３段目
２０ 第２段ノズル
２２ 第１の流路
２４ 第９段目
２６ 第２の流路
２８ 第３段ノズル
３０ バイパス流路
３２ 絞り弁
３４ エジェクタ
３６ 渡り流路
３８ 隔離弁
４０ 動力空気取入口
４２ １次ノズル
４４ 吸込空気取入口
４６ ２次ノズル
４８ 混合チューブ
５０ ディフューザ
５２ 第３の流れ
１００ 可変ジオメトリエジェクタ
１１０ 動力空気取入口
１２０ 動力ノズル
１３０ 吸込空気取入口
１４０ 吸込チャンバ
１５０ 混合チューブ
１６０ ディフューザ
１７０ 排出端
１８０ 混合穴
１９０ バイパス取入口
２００ 山形ノズル
２１０ 山形ノズルの歯
２２０ ばね
２３０ 圧力調整チャンバ
２４０ 山形空気管路
２５０ ノズル圧力弁
２６０ 可撓性混合チューブ
２７０ 可撓性挿入部
２８０ 混合チャンバ
２９０ 混合チューブ空気管路
３００ 混合チューブ圧力弁

Claims (10)

1. 可変ジオメトリ動力ノズル（２００）と、
   前記可変ジオメトリ動力ノズル（２００）の下流に配置される可変ジオメトリ混合チューブ（２６０）と
   を備える、タービンエンジン（１０）用のエジェクタ（１００）。
2. 前記可変ジオメトリ動力ノズル（２００）が、前記可変ジオメトリ動力ノズル（２００）に複数の歯（２１０）を備える、請求項１記載のエジェクタ（１００）。
3. 前記複数の歯（２１０）が、ばね（２２０）を介して取り付けられる、請求項２記載のエジェクタ（１００）。
4. 前記複数の歯（２１０）が、圧力チャンバ（２３０）内に配置される、請求項２記載のエジェクタ（１００）。
5. 前記圧力チャンバ（２３０）が、前記複数の歯（２１０）の位置を変えるようにノズル圧力弁（２５０）と連通している、請求項４記載のエジェクタ（１００）。
6. 前記可変ジオメトリ混合チューブ（２６０）が、混合チャンバ（２８０）内に配置される可撓性挿入部（２７０）を備える、請求項１記載のエジェクタ（１００）。
7. 前記混合チャンバ（２８０）が、前記可撓性挿入部（２７０）の直径を変えるように混合チャンバ圧力弁（３００）と連通している、請求項６記載のエジェクタ（１００）。
8. 前記可変ジオメトリ動力ノズル（２００）が、動力空気取入口（１１０）と連通している、請求項１記載のエジェクタ（１００）。
9. 吸込チャンバ（１４０）と連通している吸込取入口（１３０）をさらに備える、請求項８記載のエジェクタ（１００）。
10. 可変ジオメトリノズル（２００）および可変ジオメトリ混合チューブ（２６０）を有するエジェクタ（１００）を用いて、空気流を圧縮機（１２）からタービン（１４）へ供給する方法であって、
    寒い周囲温度であるとすれば、前記可変ジオメトリノズル（２００）を拡張するステップ、および
    前記可変ジオメトリ混合チューブ（２６０）を収縮するステップ、ならびに
    暑い周囲温度であるとすれば、前記可変ジオメトリノズル（２００）を収縮するステップ、および
    前記可変ジオメトリ混合チューブ（２６０）を拡張するステップ
    を含む方法。