JP2012041929A - Method and apparatus for air flow control - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method and apparatus for air flow control.SOLUTION: An air flow control apparatus includes a guide vane to be positioned between an air inlet and a rotor of a turbomachine. Further, the guide vane includes a geometry configured to control an air flow incidence on the rotor, the guide vane further having a substantially constant aspect ratio. In addition, a body of the guide vane includes a shape memory material configured to change a geometry of the guide vane in response to energy provided by a power source.

Description

本明細書に開示した主題は、ガスタービンに関する。より具体的には、本主題は、ガスタービンにおけるガイドベーンに関する。   The subject matter disclosed herein relates to gas turbines. More specifically, the present subject matter relates to guide vanes in gas turbines.

ガスタービンでは、圧縮機が、その接線運動量を増加させることによって空気のような流体に対して運動エネルギーを付加する。圧縮機による運動エネルギー及び燃焼器による熱エネルギーは、多くの場合は空気である流体によってタービンに運ばれ、タービンにおいて、流体のエネルギーが機械的エネルギーに変換される。幾つかの要因が、圧縮機において運動エネルギーを付加する効率に影響を与える。それらの要因には、圧縮機内部での空気配分、圧縮機にわたる圧力上昇及び圧縮機における損失減を含むことができる。1つの実施形態は、圧縮機におけるガイドベーンであり、ガイドベーンは、圧縮機内への空気流の分配及び大きさに影響を与える。ガイドベーンは、全負荷、高出力及び/又は燃料使用のようなタービンの選択条件において高効率になるように設計することができる。ガイドベーンは、圧縮機内における空気流れを制御し、この空気流れにより、ガスタービンシステムの残りの部分に供給することができる運動エネルギーにおける支給量が決定される。しかしながら、より低負荷及び低出力で運転している時に、ガイドベーンによる空気流れ分配及び空気力学的負荷は、ガスタービン性能のより低い効率を生じさせる。   In a gas turbine, a compressor adds kinetic energy to a fluid such as air by increasing its tangential momentum. The kinetic energy from the compressor and the thermal energy from the combustor are carried to the turbine by a fluid, often air, where the fluid energy is converted to mechanical energy. Several factors affect the efficiency of adding kinetic energy in the compressor. These factors can include air distribution within the compressor, pressure rise across the compressor, and loss loss in the compressor. One embodiment is a guide vane in a compressor that affects the distribution and magnitude of the air flow into the compressor. Guide vanes can be designed to be highly efficient at selected conditions of the turbine, such as full load, high power and / or fuel usage. The guide vanes control the air flow in the compressor, which determines the amount of kinetic energy that can be supplied to the rest of the gas turbine system. However, when operating at lower loads and lower power, airflow distribution and aerodynamic loading by the guide vanes results in lower efficiency of gas turbine performance.

米国特許第7549839号明細書US Pat. No. 7,498,839

本発明の1つの態様によると、空気流れ制御装置は、ターボ機械の吸気口及び圧縮機ロータ間に配置されるガイドベーンを含む。さらに、ガイドベーンは、ロータ上への空気流れ入射を制御するように構成されたジオメトリを含み、ガイドベーンはさらに、ほぼ一定のアスペクト比を有する。加えて、ガイドベーンの本体は、電源によって供給されたエネルギーに応答して該ガイドベーンのジオメトリを変化させるように構成された形状記憶材料を含む。   According to one aspect of the present invention, an air flow control device includes a guide vane disposed between a turbomachine inlet and a compressor rotor. Further, the guide vane includes a geometry configured to control air flow incidence on the rotor, and the guide vane further has a substantially constant aspect ratio. In addition, the body of the guide vane includes a shape memory material configured to change the geometry of the guide vane in response to energy supplied by the power source.

本発明の別の態様によると、圧縮機における空気流れを制御する方法は、空気を吸気口からガイドベーンに向けて流すステップと、ガイドベーン内の形状記憶材料に対してエネルギーを加えて該ガイドベーンのジオメトリを変化させて、ロータに向けての空気流れの分配を制御するステップとを含む。   According to another aspect of the present invention, a method of controlling air flow in a compressor includes flowing air from an inlet toward a guide vane and applying energy to the shape memory material in the guide vane to guide the guide. Changing the geometry of the vanes to control the distribution of air flow towards the rotor.

本発明のさらに別の態様によると、タービン圧縮機は、吸気口と、吸気口の下流に配置されたロータと、吸気口及びロータ間に配置されガイドベーンとを含み、ガイドベーンは、形状記憶材料を含む。本圧縮機はまた、形状記憶材料に結合されてガイドベーンジオメトリの変化を生じさせる電源を含む。   According to yet another aspect of the present invention, a turbine compressor includes an intake port, a rotor disposed downstream of the intake port, and a guide vane disposed between the intake port and the rotor, the guide vane having shape memory. Contains materials. The compressor also includes a power source that is coupled to the shape memory material to cause a change in the guide vane geometry.

これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。   These and other advantages and features will become more apparent from the following description taken in conjunction with the drawings.

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おいて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特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。   The subject matter regarded as the invention is particularly pointed out and distinctly claimed in the claims appended hereto. The foregoing and other features and advantages of the invention will be apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.

ガイドベーン及びロータを備えた圧縮機を含むガスタービンの実施形態の断面側面図。1 is a cross-sectional side view of an embodiment of a gas turbine including a compressor with a guide vane and a rotor. 図1のガイドベーンの断面図。Sectional drawing of the guide vane of FIG. 翼形状のガイドベーンの実施形態の断面図。Sectional drawing of embodiment of a wing | blade-shaped guide vane. 形状記憶材料がガイドベーンジオメトリを変化させるガイドベーンの実施形態の斜視図。FIG. 6 is a perspective view of an embodiment of a guide vane in which the shape memory material changes the guide vane geometry.

詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。   The detailed description explains embodiments of the invention, together with advantages and features, by way of example with reference to the drawings.

図1は、中心軸線102の周りに配置されたガスタービン100の実施形態の断面側面図である。タービン100は、圧縮機106内に配置されたガイドベーン104を含む。空気が、圧縮機106内で加圧されかつ燃料と混合され、それらは燃焼器内で燃焼されかつタービン内で膨張する。タービンは次に、膨張に応答して回転して圧縮機106を駆動しかつ回転出力を生成する。   FIG. 1 is a cross-sectional side view of an embodiment of a gas turbine 100 disposed about a central axis 102. Turbine 100 includes guide vanes 104 disposed within compressor 106. Air is pressurized in the compressor 106 and mixed with fuel, which are burned in the combustor and expanded in the turbine. The turbine then rotates in response to the expansion to drive the compressor 106 and produce a rotational output.

複数の吸気ガイドベーン104(その1つを示す)が、1以上の圧縮機106の前方で中心軸線102の周りに配置される。図示するように、圧縮機106は、内側ハブ108及び外側ハブ110を含み、1以上の燃焼器に向かう空気のための流路を形成する。吸気ガイドベーン104は、矢印114で示すように吸気口領域112からの空気を圧縮機106の第一段に向けて下流方向に導く。態様では、圧縮機106は、複数の段を含む。複数の段の第一段は、ロ−タ116及びステータ118を含む。同様に、第二段はロータ120及びステータ122を含み、また第三段はロータ124及びステータ126を含む。空気流れ114は下流方向に流れ、その場合に、ガイドベーン104が、複数の圧縮機段を通りかつ燃焼器内への流れ矢印128で示す流れ分配又は流れ場を形成する。   A plurality of intake guide vanes 104 (one of which is shown) are disposed about the central axis 102 in front of one or more compressors 106. As shown, the compressor 106 includes an inner hub 108 and an outer hub 110 that form a flow path for air toward one or more combustors. The intake guide vane 104 guides the air from the intake port region 112 toward the first stage of the compressor 106 in the downstream direction as indicated by an arrow 114. In an aspect, the compressor 106 includes a plurality of stages. The first stage of the plurality of stages includes a rotor 116 and a stator 118. Similarly, the second stage includes a rotor 120 and a stator 122, and the third stage includes a rotor 124 and a stator 126. The air flow 114 flows in the downstream direction, in which case the guide vanes 104 form a flow distribution or flow field as indicated by flow arrows 128 through the plurality of compressor stages and into the combustor.

実施形態では、ガイドベーン104(また「吸気ガイドベーン」又は「IGV」)は、該ガイドベーン104と動作可能に接続した形状記憶材料(又は「形状記憶合金」)を含んでいて、該形状記憶材料に対してエネルギーが与えられた時にガイドベーン104のジオメトリを変化させる。例えば、形状記憶材料は、ガイドベーン104内に埋め込まれ又は該ガイドベーン104の内部及び又は外部の一部分を形成する。形状記憶材料は、その中に埋め込まれた導体又はワイヤを備えた可撓性複合材料を含むことができる。ワイヤは電源130に作動可能に結合され、電源は電流の形態でワイヤにエネルギーを加えかつ該ワイヤを加熱する。1つの態様では、電源130は、制御装置132に結合されてワイヤに対して選択的に電流を加えてタービン条件に基づいてガイドベーン104のジオメトリを変化させる。ニッケルチタン(NiTi)のような導電性ワイヤ材料は、電流を伝達された時に温度の大きな変化を生じる。実施形態では、ほぼ直線形状を有する直線状NiTiワイヤが、緊密螺旋形態に巻かれかつ複合材内に埋め込まれる。ワイヤに対して選択レベルの電流が加えられた時に、ワイヤは、加熱されて、その以前のほぼ直線形状を維持する。従って、複合材形状記憶材料は、通電ワイヤが直線状になるので第1の形状から第2の形状に変化する。電源130は、バッテリのような直流(DC)電源、送電線ベースの交流(AC)電源、又はあらゆるその他の好適な電源からワイヤに対して選択レベルの電流を供給する。形状記憶材料は、該材料に加えられたエネルギーのような条件に基づいた複数の形状を該材料が記憶するような形状記憶特性を有するものとして記述することができる。例えば、形状記憶材料は、低温度における1つの形状及び高温度における第2の形状を有するように構成される。加熱及び冷却の両方の間に形状記憶特性を示す材料は、二方向形状記憶材料と呼ぶことができる。図示するように、ガイドベーン104は、翼弦134及び長さ136寸法によって形成された翼形部であり、この場合に、アスペクト比(長さ/翼弦)が寸法の関係の表している。実施形態では、ガイドベーン104のアスペクト比は、該ガイドベーンの形状又はジオメトリが形状記憶材料によって変化する時に、ほぼ一定であるか或いは固定状態である。   In an embodiment, the guide vane 104 (also “intake guide vane” or “IGV”) includes a shape memory material (or “shape memory alloy”) operatively connected to the guide vane 104, and the shape memory Changing the geometry of the guide vane 104 when energy is applied to the material. For example, the shape memory material is embedded in or forms a portion of the guide vane 104 inside and / or outside. The shape memory material can include a flexible composite material with conductors or wires embedded therein. The wire is operatively coupled to a power source 130, which energizes the wire and heats the wire in the form of an electric current. In one aspect, the power source 130 is coupled to the controller 132 to selectively apply current to the wires to change the geometry of the guide vane 104 based on turbine conditions. Conductive wire materials such as nickel titanium (NiTi) cause a large change in temperature when current is transferred. In an embodiment, a linear NiTi wire having a substantially linear shape is wound into a tight spiral configuration and embedded in the composite. When a selected level of current is applied to the wire, the wire is heated to maintain its previous approximately linear shape. Accordingly, the composite shape memory material changes from the first shape to the second shape because the conducting wire becomes linear. The power supply 130 provides a selected level of current to the wires from a direct current (DC) power source such as a battery, a transmission line based alternating current (AC) power source, or any other suitable power source. A shape memory material can be described as having shape memory properties such that the material stores a plurality of shapes based on conditions such as energy applied to the material. For example, the shape memory material is configured to have one shape at a low temperature and a second shape at a high temperature. A material that exhibits shape memory properties during both heating and cooling can be referred to as a two-way shape memory material. As illustrated, the guide vane 104 is an airfoil formed by a chord 134 and a length 136 dimension, in which case the aspect ratio (length / chord) represents a dimensional relationship. In embodiments, the aspect ratio of the guide vane 104 is substantially constant or fixed when the shape or geometry of the guide vane varies with the shape memory material.

続けて図1の実施形態を参照すると、ガイドベーン104ジオメトリは、埋め込みワイヤに対して選択レベルの電流が導かれた時に変化する。例えば、ガイドベーン104のプロフィール又はジオメトリは、全負荷及び高出力タービン条件に合せて設計された第1の形状並びに低負荷又はターンダウンタービン条件に合せて設計された第2の形状の形態にある。全負荷条件は、タービンから高出力が必要である時に発生しまた低負荷又はターンダウン条件はより低い出力が必要であるオフピーク時の間に発生する。従って、第1の形状は、全負荷条件における向上した燃焼効率及び出力生成を可能にする空気流れ分配を形成する。第2の形状は、オフピーク出力要求時のようなより低い出力条件において最も効率的である空気流れ分配を形成する。態様において、タービン燃焼効率は、空気流れの半径方向分配が圧縮機を通して向上した均一性を有する時に増大する。具体的には、全体効率は、ガイドベーン104の可変ジオメトリが複数のタービン負荷条件においてロータブレード上へのほぼ均一な空気流れ入射を生じさせた時に向上する。空気流れ入射は、ガイドベーンからロータブレードへの空気流れの関係又は整列である。ほぼ均一な空気流れは、タービン条件に合せて効率の向上を生じさせる翼形部(ガイドベーン又はロータブレード)のスパンにわたる半径方向分配と記述することができる。実施形態では、ガイドベーン104は、タービン条件に応じて吸気口からの空気流れに対する該ベーンの角度を変化させる。さらに、効率もまた、圧縮機106を通る空気流れの量によって影響を受ける。空気流れの量は、燃焼器内に噴射される燃料の量及び関連するタービン負荷条件に応じて変化する。態様において、様々な出力及び燃料使用シナリオにより、ガイドベーン104の可変ジオメトリがタービン効率を向上させるように調整される様々な運転条件が得られる。実施形態では、ガイドベーン104は、単一の部材又は部品を含む。他の実施形態では、ガイドベーン104は、複数の部材を含む。   Continuing to refer to the embodiment of FIG. 1, the guide vane 104 geometry changes when a selected level of current is introduced for the buried wire. For example, the profile or geometry of the guide vane 104 is in the form of a first shape designed for full load and high power turbine conditions and a second shape designed for low load or turndown turbine conditions. . Full load conditions occur when high power is required from the turbine, and low loads or turndown conditions occur during off-peak hours when lower power is required. Thus, the first shape forms an air flow distribution that allows improved combustion efficiency and power generation at full load conditions. The second shape forms an air flow distribution that is most efficient at lower power conditions, such as during off-peak power demands. In an aspect, turbine combustion efficiency increases when the radial distribution of air flow has improved uniformity throughout the compressor. Specifically, overall efficiency is improved when the variable geometry of the guide vanes 104 results in a substantially uniform air flow incidence on the rotor blades at multiple turbine load conditions. Air flow incidence is the relationship or alignment of air flow from the guide vanes to the rotor blades. A substantially uniform air flow can be described as a radial distribution across the span of an airfoil (guide vane or rotor blade) that results in increased efficiency in accordance with turbine conditions. In an embodiment, the guide vane 104 changes the angle of the vane with respect to the air flow from the inlet depending on turbine conditions. In addition, efficiency is also affected by the amount of air flow through the compressor 106. The amount of air flow varies depending on the amount of fuel injected into the combustor and the associated turbine load conditions. In an aspect, different power and fuel usage scenarios result in different operating conditions in which the variable geometry of the guide vanes 104 is adjusted to improve turbine efficiency. In an embodiment, the guide vane 104 includes a single member or part. In other embodiments, the guide vane 104 includes a plurality of members.

幾つかの実施形態では、ガイドベーン104の全体構造は、複合材ベースの構造体全体にわたってワイヤが埋め込まれた形状記憶材料を含む。そのような構造体は、ガイドベーン104の全体ジオメトリを電流条件に基づいて変化させるのを可能にする。他の実施形態では、ガイドベーン104構造体の選択部分又は領域は、形状記憶材料を含む。例えば、ガイドベーン104の後縁は、形状記憶材料を含みそれによって該後縁のプロフィール又はジオメトリをタービン条件に基づいて選択的に変化させるのを可能にする。別の実施形態では、前縁は、ガイドベーンの該前縁内に設置された形状記憶材料に対して選択的に加えられる電流に基づいてジオメトリを変化させる。態様では、ガイドベーン104の形状記憶材料は、合金、可撓性炭素繊維複合材、導電性ワイヤ及び/又はナノ粒子を含み、この場合に、形状記憶材料は、該材料又は該材料の選択部分に対してエネルギーが加えられた時に形状を変化させる。材料に対した加えられるエネルギーには電流、電圧、電磁波、熱、又はその他の好適なエネルギーを含むことができる。本実施形態のガイドベーン104は、特定のタイプのガスタービンエンジン100について示しているが、ガイドベーンはそれに限定されないが蒸気タービン、ガスタービン及び航空転用タービンを含むあらゆる公知のタービンエンジンタイプで使用することができる。幾つかの実施形態では、圧縮機106を通る図示した空気流れは、空気、酸素、気体燃料、液体燃料又はそれらのあらゆる組合せを含むあらゆる好適な流体を含む。さらに、可変ジオメトリガイドベーン104は、圧縮機106の様々な段間に配置することができる。本明細書で説明するように、ガイドベーン104はまた、空気流れ制御装置と呼ばれる。   In some embodiments, the overall structure of the guide vane 104 includes a shape memory material in which wires are embedded throughout the composite-based structure. Such a structure allows the overall geometry of the guide vane 104 to change based on current conditions. In other embodiments, selected portions or regions of the guide vane 104 structure include a shape memory material. For example, the trailing edge of the guide vane 104 includes a shape memory material, thereby allowing the trailing edge profile or geometry to be selectively changed based on turbine conditions. In another embodiment, the leading edge changes geometry based on a current that is selectively applied to a shape memory material placed within the leading edge of the guide vane. In an aspect, the shape memory material of the guide vane 104 includes an alloy, a flexible carbon fiber composite, a conductive wire, and / or nanoparticles, where the shape memory material is the material or a selected portion of the material. The shape changes when energy is applied to the. The energy applied to the material can include current, voltage, electromagnetic waves, heat, or other suitable energy. Although the guide vanes 104 of this embodiment are shown for a particular type of gas turbine engine 100, the guide vanes are used with any known turbine engine type including, but not limited to, steam turbines, gas turbines and aeroderivative turbines. be able to. In some embodiments, the illustrated air flow through the compressor 106 includes any suitable fluid including air, oxygen, gaseous fuel, liquid fuel, or any combination thereof. Furthermore, the variable geometry guide vanes 104 can be placed between various stages of the compressor 106. As described herein, guide vanes 104 are also referred to as air flow control devices.

図2は、図1の線2−2に沿って取った断面図であって、翼形部200の形状のガイドベーン104のプロフィールを示している。翼形部200は、前縁202及び後縁204を含む。翼形部200は、翼型部壁206の少なくとも一部分を形成した可撓性複合材のような形状記憶材料を含む。ワイヤ208のような導体が翼形部壁206内に埋め込まれる。図示するように、ワイヤ208は、後縁204の可撓性複合材壁206内に埋め込まれ、従って後縁形状記憶領域を形成する。実施形態では、翼形部200は、ほぼ中空構造体でありこの場合に、空洞210は翼形部壁206によって囲まれる。前述したように、複合材壁206及びワイヤ208を含む形状記憶材料は、該ワイヤ204に対して電流が加えられた時に後縁204のジオメトリを変化させる。幾つかの実施形態では、形状記憶材料及び翼形部200は、時刻に基づいて形状を変化させ、その場合に、時刻は条件及び予測出力に対応する。例えば、仮定タービンエンジンは、8PMから8AMまでは低負荷条件を受けまた8AMから8PMまでは全負荷条件を受ける。従って、翼形部200は、全負荷条件における向上した効率に合せて設計された第1の形状及び低負荷条件における向上した効率に合せて設計された第2の形状を有し、その場合に、形状記憶材料は第1及び第2の形状間での変化を可能にする。1つの実施形態では、プロセッサ、メモリ、ソフトウェア、ファンウェア、入力及び出力を含む制御装置が電源に結合されて、上述した低負荷及び全負荷時のような予定又は事前にプログラムした条件に対応するジオメトリ変化を制御する。別に実施形態では、フィードバックループが、検知タービンパラメータを受ける制御装置132上で作動し、その場合に、該検知タービンパラメータを使用して翼形部200のジオメトリを決定する。例えば、センサは、燃焼器内における温度及び不要燃焼副生成物の量を測定する。従って、検知した温度及び副生成物パラメータを使用して、検知条件におけるタービン出力生成に合った向上した翼形部及びガイドベーンジオメトリを決定しかつ対応する電流レベルを形状記憶材料に送る。実施形態では、形状記憶材料は、1以上の寸法又は領域及び/或いは全体ベーンプロフィールにおいて翼形部200ジオメトリを変化させる。例えば、形状記憶材料及びワイヤは、ガイドベーンのスパン方向及び/又は翼弦方向膨張並びに収縮を生じさせるように構成される。加えて、形状記憶材料は、ガイドベーンの少なくとも一部分の回動を生じさせるように構成される。例えば、ワイヤは、翼形部壁内に埋め込まれてガイドベーンのスパンにおける変化及び固定根元の周りでの翼形部先端の回動を生じさせる。   FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line 2-2 of FIG. 1 and shows the profile of the guide vane 104 in the shape of the airfoil 200. The airfoil 200 includes a leading edge 202 and a trailing edge 204. The airfoil 200 includes a shape memory material such as a flexible composite that forms at least a portion of the airfoil wall 206. A conductor such as wire 208 is embedded in the airfoil wall 206. As shown, the wire 208 is embedded within the flexible composite wall 206 of the trailing edge 204, thus forming a trailing edge shape memory region. In an embodiment, the airfoil 200 is a generally hollow structure, in which case the cavity 210 is surrounded by the airfoil wall 206. As described above, the shape memory material including the composite wall 206 and the wire 208 changes the geometry of the trailing edge 204 when a current is applied to the wire 204. In some embodiments, the shape memory material and airfoil 200 change shape based on time, where time corresponds to the condition and predicted output. For example, a hypothetical turbine engine is subjected to low load conditions from 8PM to 8AM and full load conditions from 8AM to 8PM. Accordingly, the airfoil 200 has a first shape designed for improved efficiency at full load conditions and a second shape designed for improved efficiency at low load conditions, in which case The shape memory material allows for a change between the first and second shapes. In one embodiment, a controller, including a processor, memory, software, fanware, inputs and outputs, is coupled to the power source to accommodate scheduled or pre-programmed conditions such as those described above at low and full loads. Control geometry changes. In another embodiment, a feedback loop operates on the controller 132 that receives sensed turbine parameters, in which case the sensed turbine parameters are used to determine the geometry of the airfoil 200. For example, the sensor measures the temperature in the combustor and the amount of unwanted combustion by-products. Thus, the sensed temperature and by-product parameters are used to determine an improved airfoil and guide vane geometry for turbine output production at the sensing conditions and send a corresponding current level to the shape memory material. In embodiments, the shape memory material changes the airfoil 200 geometry in one or more dimensions or regions and / or the overall vane profile. For example, the shape memory material and the wire are configured to cause span and / or chordal expansion and contraction of the guide vane. In addition, the shape memory material is configured to cause rotation of at least a portion of the guide vane. For example, the wire can be embedded in the airfoil wall to cause a change in the span of the guide vane and rotation of the airfoil tip about the fixed root.

図3は、翼形部300の形状のガイドベーンの実施形態の断面図である。翼形部300は、前縁302及び後縁304を含む。翼形部300は、翼形部壁306を含み、その場合に、該壁306の少なくとも一部分は形状記憶材料を含む。形状記憶材料は、翼形部壁306の可撓性複合材料内に埋め込まれた前縁ワイヤ308及び後縁ワイヤ309を含む。翼形部300は、空洞310を備えたほぼ中空であり、この空洞310が該翼形部に対して可撓性を与える。従って、翼形部300ジオメトリは、壁の可撓性形状記憶材料に対してエネルギーが与えられた時に変化する。図示するように、前縁ワイヤ308及び後縁ワイヤ309は、壁306内に埋め込まれて、翼形部300の前縁及び後縁部分302、304の両方内に形状記憶領域を記憶する。従って、タービン条件に基づいて、前縁ワイヤ308及び/又は後縁ワイヤ309に対して選択電流を加えて、それぞれ前縁302及び後縁304の形状変化を生じさせる。従って、幾つかの実施形態では、ガイドベーン300内の形状記憶材料は、複数のタービン負荷条件に合せてロータブレード上へのほぼ均一な空気流れ入射を可能にする。ほぼ均一な入射は、ロータブレードにわたるスパン方向の空気流れの均一な半径方向分配を生じさせ、その場合に、該ほぼ均一な入射は、選択タービン負荷条件における圧縮機及び燃焼器効率の向上を生じさせる。さらに、ガイドベーン300内の形状記憶材料は、固定ガイドベーンジオメトリが1つの条件において燃焼及び効率を向上させるように設計されるが、第2の条件においては低い効率であるのに比較して、タービン効率全体の向上をもたらす。   FIG. 3 is a cross-sectional view of an embodiment of a guide vane in the shape of an airfoil 300. The airfoil 300 includes a leading edge 302 and a trailing edge 304. The airfoil 300 includes an airfoil wall 306, where at least a portion of the wall 306 includes a shape memory material. The shape memory material includes a leading edge wire 308 and a trailing edge wire 309 embedded within the flexible composite material of the airfoil wall 306. The airfoil 300 is generally hollow with a cavity 310 that provides flexibility to the airfoil. Thus, the airfoil 300 geometry changes when energy is applied to the wall flexible shape memory material. As shown, the leading edge wire 308 and trailing edge wire 309 are embedded in the wall 306 to store shape memory regions in both the leading and trailing edge portions 302, 304 of the airfoil 300. Accordingly, a selected current is applied to the leading edge wire 308 and / or the trailing edge wire 309 based on turbine conditions to cause a change in shape of the leading edge 302 and trailing edge 304, respectively. Accordingly, in some embodiments, the shape memory material in the guide vane 300 allows a substantially uniform air flow incidence on the rotor blades for multiple turbine load conditions. Nearly uniform incidence results in a uniform radial distribution of spanwise air flow across the rotor blades, where the near uniform incidence results in improved compressor and combustor efficiency at selected turbine load conditions. Let Further, the shape memory material in the guide vane 300 is designed such that the fixed guide vane geometry improves combustion and efficiency in one condition, but is less efficient in the second condition, Increases overall turbine efficiency.

図4は、ガイドベーン400の実施形態の斜視図である。ガイドベーン400は、第1の形状402及び第2の形状404の形態として図示している。上述したように、ガイドベーン400内の形状記憶材料は、該形状記憶材料に対して電流の形態のエネルギーが加えられた時に、ジオメトリ変化が可能になる。実施形態では、形状又はジオメトリ変化は、矢印406で示すようにガイドベーン400の回動を生じさせる。回動を可能にするために、ベーン根元408又はベーン先端410が、圧縮機に取付けられる。例えば、ベーン根元408が、圧縮機の内側壁、ハブ又はケーシングに取付けられた場合には、ベーン先端410は、形状変化材料に対して電流が加えられた時に根元408に対して回動406する。図4に示すように、圧縮機に対して根元408又は先端410のいずれかを取付けることにより、該根元408及び/又は先端410の相対的回動406が可能になる。ガイドベーン400の回動は、第1の形状402の全負荷条件において並びに第2の形状404の低負荷条件においてロータ上への空気流れの入射の向上をもたらす。実施形態では、ガイドベーン400の形状は、翼形部とは異なっている。別のガイドベーン形状を備えた実施形態では、形状変化材料及びガイドベーン400は、タービン効率を向上させる条件に基づいてジオメトリ変化を生じさせるように構成される。   FIG. 4 is a perspective view of an embodiment of a guide vane 400. Guide vane 400 is illustrated as a form of first shape 402 and second shape 404. As described above, the shape memory material in the guide vane 400 is capable of changing geometry when energy in the form of current is applied to the shape memory material. In an embodiment, the shape or geometry change causes the guide vane 400 to pivot as indicated by arrow 406. A vane root 408 or vane tip 410 is attached to the compressor to allow rotation. For example, if the vane root 408 is attached to the inner wall, hub or casing of the compressor, the vane tip 410 rotates 406 relative to the root 408 when current is applied to the shape-changing material. . As shown in FIG. 4, attaching either root 408 or tip 410 to the compressor allows relative rotation 406 of the root 408 and / or tip 410. The rotation of the guide vane 400 results in improved incidence of airflow onto the rotor at full load conditions of the first shape 402 and at low load conditions of the second shape 404. In the embodiment, the shape of the guide vane 400 is different from the airfoil. In embodiments with other guide vane shapes, the shape-changing material and guide vane 400 are configured to cause a geometry change based on conditions that improve turbine efficiency.

限られた数の実施形態に関してのみ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あらゆる数の変形、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はなく、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。   Although the present invention has been described in detail only with respect to a limited number of embodiments, it should be readily understood that the invention is not limited to such disclosed embodiments. Rather, the invention can be modified to incorporate any number of variations, alterations, substitutions or equivalent arrangements not heretofore described, but which are commensurate with the spirit and scope of the invention. Moreover, while various embodiments of the invention have been described, it is to be understood that aspects of the invention can include only some of the described embodiments. Accordingly, the invention is not to be seen as limited by the foregoing description, but is limited only by the scope of the claims.

100 ガスタ−ビン
102 軸線
104 ガイドベーン
106 圧縮機
108 内側ハブ
110 外側ケーシング
112 吸気口領域
114 空気流れ
116 ロータ
118 ステータ
120 ロータ
122 ステータ
124 ロータ
126 ステータ
128 流れ
130 電源
132 制御装置
134 翼弦
136 長さ
200 翼形部
202 前縁
204 後縁
206 翼形部壁
208 ワイヤ
210 空洞
300 翼形部
302 前縁
304 後縁
306 翼形部壁
308 ワイヤ
310 空洞
400 ガイドベーン
402 第1の形状
404 第2の形状
406 回動
408 ベーン根元
410 ベーン先端
100 Gas turbine 102 Axis 104 Guide vane 106 Compressor 108 Inner hub 110 Outer casing 112 Inlet region 114 Air flow 116 Rotor 118 Stator 120 Rotor 122 Stator 124 Rotor 126 Stator 128 Flow 130 Power supply 132 Controller 134 Blade chord 136 Length 200 airfoil 202 leading edge 204 trailing edge 206 airfoil wall 208 wire 210 cavity 300 airfoil 302 leading edge 304 trailing edge 306 airfoil wall 308 wire 310 cavity 400 guide vane 402 first shape 404 second Shape 406 Rotation 408 Vane root 410 Vane tip

Claims (10)

空気流れ制御装置であって、
ターボ機械(100)の吸気口(112)とロータ(116)の間に配置可能なガイドベーン(104)を含み、
前記ガイドベーン(104)が、前記ロータ(116)上への空気流れ入射を制御するように構成されたジオメトリを有し、前記ガイドベーンがほぼ一定のアスペクト比をさらに有し、前記ガイドベーン(104)の本体が、電源(130)によって供給されたエネルギーに応答して該ガイドベーン(104)のジオメトリを変化させるように構成された形状記憶材料を少なくとも部分的に含む、装置。
An air flow control device,
A guide vane (104) positionable between the inlet (112) of the turbomachine (100) and the rotor (116);
The guide vane (104) has a geometry configured to control air flow incidence on the rotor (116), the guide vane further having a substantially constant aspect ratio, and the guide vane ( 104) the apparatus wherein the body of 104) includes at least in part a shape memory material configured to change the geometry of the guide vane (104) in response to energy supplied by the power source (130).
前記エネルギーが、前記形状記憶材料に対してタービン負荷条件に基づいて加えられる、請求項1記載の装置。   The apparatus of claim 1, wherein the energy is applied to the shape memory material based on turbine load conditions. 前記ガイドベーン(104)が一体成形構造体を含み、前記ガイドベーンジオメトリが、前縁(202)及び後縁(204)を含む、請求項1又は請求項2記載の装置。   The apparatus of claim 1 or claim 2, wherein the guide vane (104) comprises a unitary structure and the guide vane geometry comprises a leading edge (202) and a trailing edge (204). 前記形状記憶材料が前記後縁(204)の一部分を含み、かつ該後縁(204)の形状を変化させて前記ロータ(116)上への空気流れ入射を制御するように構成される、請求項3記載の装置。   The shape memory material includes a portion of the trailing edge (204) and is configured to change a shape of the trailing edge (204) to control air flow incidence on the rotor (116). Item 3. The apparatus according to Item 3. 前記形状記憶材料が、前記前縁(202)の一部分を含み、かつ該前縁(202)の形状を変化させて前記ロータ(116)上への空気流れ入射を制御するように構成される、請求項3記載の装置。   The shape memory material includes a portion of the leading edge (202) and is configured to change the shape of the leading edge (202) to control air flow incidence on the rotor (116). The apparatus according to claim 3. 圧縮機(106)における空気流れを制御する方法であって、
空気を吸気口(112)からガイドベーン(104)に向けて流すステップと、
前記ガイドベーン(104)内の形状記憶材料に対してエネルギーを加えて該ガイドベーン(104)のジオメトリを変化させて、ロータ(116)上への空気流れの入射を制御するステップと
を含む方法。
A method for controlling air flow in a compressor (106) comprising:
Flowing air from the inlet (112) toward the guide vane (104);
Applying energy to the shape memory material in the guide vane (104) to change the geometry of the guide vane (104) to control the incidence of air flow onto the rotor (116). .
前記エネルギーを加えるステップが、タービン負荷条件に基づいて前記ガイドベーン(104)のジオメトリを第1の形状から第2の形状に変化させるステップを含む、請求項6記載の方法。   The method of claim 6, wherein applying the energy comprises changing a geometry of the guide vane (104) from a first shape to a second shape based on turbine load conditions. 前記形状記憶材料に対してエネルギーを加えるステップが、可撓性複合材内に埋込まれた導電性ワイヤに対して電流を加えるステップを含む、請求項6又は請求項7記載の方法。   8. The method of claim 6 or claim 7, wherein applying energy to the shape memory material comprises applying an electric current to a conductive wire embedded in a flexible composite. 前記エネルギーを加えるステップが、条件に基づいて前記ロータ(116)上へのほぼ均一な空気流れ入射を生じさせるステップを含む、請求項6又は請求項7記載の方法。   The method of claim 6 or claim 7, wherein applying the energy includes causing a substantially uniform air flow incidence on the rotor (116) based on conditions. 前記エネルギーを加えるステップが、前記ガイドベーン(104)のジオメトリが変化する時に該ガイドベーン(104)の根元(408)又は先端(410)の移動を生じさせるステップを含む、請求項6又は請求項7記載の方法。   The step of applying energy comprises causing movement of a root (408) or tip (410) of the guide vane (104) as the geometry of the guide vane (104) changes. 7. The method according to 7.
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DE (1) DE102011052597A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10975775B2 (en) 2015-05-27 2021-04-13 Ihi Corporation Jet engine

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9188010B2 (en) * 2012-06-25 2015-11-17 General Electric Company Systems and methods to control flow in a rotor wheel
DE102012222230A1 (en) * 2012-12-04 2014-06-05 Pfeiffer Vacuum Gmbh vacuum pump
GB201509707D0 (en) * 2015-06-04 2015-07-22 Rolls Royce Plc An actuation arrangement
US10352173B2 (en) 2016-03-02 2019-07-16 United Technologies Corporation Shape memory alloy variable stiffness airfoil
US10061298B2 (en) * 2016-04-27 2018-08-28 General Electric Company Control of machinery with calibrated performance model
US10253779B2 (en) * 2016-08-11 2019-04-09 General Electric Company Inlet guide vane assembly for reducing airflow swirl distortion of an aircraft aft fan
BE1024699B1 (en) * 2016-10-26 2018-06-01 Safran Aero Boosters S.A. LOW MEMORY PRESSURE COMPRESSOR FOR AXIAL TURBOMACHINE
US10428825B2 (en) 2016-11-14 2019-10-01 United Technologies Corporation Airfoil structure having a shape memory alloy actuator
FR3070624B1 (en) * 2017-09-06 2019-09-13 Safran Aircraft Engines CARRIER IN COMPOSITE MATERIAL WITH A STRINGING GEOMETRY
CN110005640B (en) * 2018-01-04 2020-07-03 中国航发商用航空发动机有限责任公司 Fan blade, compressor and aircraft engine
CN110005641B (en) * 2018-01-04 2020-11-03 中国航发商用航空发动机有限责任公司 Compressor blade and compressor flow separation control method
US11028725B2 (en) 2018-12-13 2021-06-08 Raytheon Technologies Corporation Adaptive morphing engine geometry
US11111811B2 (en) * 2019-07-02 2021-09-07 Raytheon Technologies Corporation Gas turbine engine with morphing variable compressor vanes
CN112429196B (en) * 2020-12-06 2024-05-10 西安长峰机电研究所 Self-adaptive missile wing structure
US11821319B2 (en) 2021-07-27 2023-11-21 General Electric Company Frangible airfoil with shape memory alloy

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2526409A (en) * 1945-01-09 1950-10-17 Lockheed Aircraft Corp Turbo-propeller type power plant having radial flow exhaust turbine means
ITTO20010249A1 (en) * 2001-03-16 2002-09-16 Fiat Ricerche FAN OR PROPELLER, A MEMORY OF SHAPE.
GB0428368D0 (en) * 2004-12-24 2005-02-02 Rolls Royce Plc A composite blade
GB0519502D0 (en) * 2005-09-24 2005-11-02 Rolls Royce Plc Vane assembly
EP2083174A1 (en) * 2008-01-25 2009-07-29 Siemens Aktiengesellschaft Inlet guide vane for a gas compressor

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10975775B2 (en) 2015-05-27 2021-04-13 Ihi Corporation Jet engine

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