JP2012193741A - 可変動力ノズルエジェクタを含むタービンシステム及び圧縮機抽気を最大限に生かす方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンシステム（２００）を提供する。
【解決手段】本システム（２００）は、第１の圧縮機段（２０）及び第２の圧縮機段（２４）を含む圧縮機（１２）と、第１のタービン段（２１）及び第２のタービン段（２８）を含むタービン（１４）と、第１の圧縮機段（２０）と第１のタービン段（２１）とを結合する第１の流路（２２）と、第２の圧縮機段（２４）と第２のタービン段（２８）とを結合する第２の流路（２６）と、第１の流路（２２）と第２の流路（２６）とを結合する交差流路（３１）と、交差流路（３１）及び第１の流路（２２）の近くに配置されたエジェクタ（１００）とを含む。エジェクタ（１００）は、可変動力ノズルエジェクタ（１００）とすることができる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンにおける圧縮機抽気の組合せを最適化するための可変動力ノズルエジェクタの使用に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、圧縮機入口からの全空気流量の一部分が、様々なタービン構成要素を冷却するために分流される。しかしながら、分流空気は、圧縮機を通る全空気流量の大きな部分を消費する可能性がある。従って、これらの寄生流の管理及び制御により、タービンエンジンの全体性能を向上させることができる。

一般的に、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、圧縮機から加圧状態で抽出され、従って燃焼システムをバイパスする。多くの場合、エジェクタが、この目的のために有用である。例えば、抽気は、タービンの第２段ノズルを冷却するために、圧縮機の第１３段目から抽出することができる。抽気はまた、タービンの第３段ノズルに冷却空気を供給するために、第１３段目から抽出したものよりも低い圧力及び温度で、例えば第９段目といった別の段から抽出することができる。しかしながら、抽出孔により、高過ぎる圧力及び／又は温度で冷却空気流が供給されることも多い。従って、流れは、絞られてエネルギーの残留損失を生じることになる。エジェクタを採用することによって、低い圧力／温度の空気流は、高い圧力／温度の空気流と混合して、タービン段を冷却するのに必要な圧力及び温度と実質的に整合した中間の圧力及び温度で空気流を供給しながら、同時にそうでなければ廃棄エネルギーとして消散された筈の低い圧力及び温度の空気流を使用するようにすることができる。

公知のように、エジェクタは通常、何らの可動部品も有しない。エジェクタは、ＩＳＯ条件において必要な空気を供給するサイズにされる。しかしながら、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。言い換えると、エジェクタは、異なる日において、また各一日の異なる時間において異なる挙動を示すことになる。暑い日には、エジェクタは、必要とされるよりも多くの空気を送給することになり、過剰流になる可能性がある。そのような過剰流は、エジェクタの寿命に悪影響を与えるおそれはないが、性能の利点を損なう可能性がある。寒い日には、エジェクタは、十分な空気を送給することができず、バイパス通路が使用されることになる。

米国特許第６，５５０，２５３号公報 米国特許第６，６１５，５７４号公報

従って、周囲条件における日々の変化に適応することができるエジェクタシステムが望まれる。そのようなシステムは、タービンエンジンの全体効率を高めることになるのが好ましい。

従って、本出願は、ガスタービンエンジンシステムについて記述する。本システムは、第１の圧縮機段及び第２の圧縮機段を含む圧縮機と、第１のタービン段及び第２のタービン段を含むタービンと、第１の圧縮機段と第１のタービン段とを結合する第１の流路と、第２の圧縮機段と第２のタービン段とを結合する第２の流路と、第１の流路と第２の流路とを結合する交差流路と、交差流路及び第１の流路の近くに配置されたエジェクタとを含む。エジェクタは、可変動力ノズルエジェクタとすることができる。

第１の圧縮機段は、第１３段目を含むことができ、また第２の圧縮機段は、第９段目を含むことができる。第１のタービン段は、第２段ノズルを含むことができ、また第２のタービン段は、第３段ノズルを含むことができる。エジェクタは、主ノズル内に配置されたラムを含むことができる。アクチュエータは、ラムと連結することができる。本システムはさらに、第１のタービン段及びエジェクタと連絡した圧力センサを含むことができる。多数の圧力センサを使用することができる。

本出願はさらに、圧縮機、タービン及び可変動力ノズルエジェクタを有するタービンシステムにおける圧縮機抽気を最大限に生かす方法についても記述する。本方法は、圧縮機からタービンに第１の空気流を流す段階と、圧縮機からタービンに第２の空気流を流す段階と、第１の空気流をジェクタ内で第２の空気流の一部分と混合して第３の空気流を形成する段階と、第３の空気流の圧力を検知する段階と、検知した圧力に基づいて可変動力ノズルエジェクタを調整する段階とを含むことができる。可変動力ノズルエジェクタは、検知した低い圧力に基づいて、該ノズルエジェクタを通って流れる第３の空気流を増大させ、また検知した高い圧力に基づいて、該ノズルエジェクタを通って流れる第３の空気流を減少させる。

本出願はさらに、多数の圧縮機段を備えた圧縮機と多数のタービン段を備えたタービンとを有するガスタービンエンジンについて記述する。本システムは、圧縮機段うちの第１の段とタービン段のうちの第１の段とを結合する第１の流路と、第１の流路の近くに配置された圧力センサと、圧縮機段のうちの第２の段とタービン段のうちの第２の段とを結合する第２の流路と、第１の流路と第２の流路とを結合する交差流路と、交差流路及び第１の流路の近くに配置されかつ圧力センサと連絡した調整可能なエジェクタとを含むことができる。調整可能なエジェクタは、可変動力ノズルエジェクタを含むことができる。調整可能なエジェクタは、主ノズル内に配置されたラムと、該ラムと連結したアクチュエータとを含むことができる。

本出願のこれらの及びその他の特徴は、図面及び特許請求の範囲と関連させて以下の詳細な記述を精査することにより、当業者には明らかになるであろう。

次に、幾つかの図を通して同じ参照符号が同様な要素を指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。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、周囲空気を受けるための入口１６を有する。空気は次に、多数の異なる圧縮機段によって加圧される。各段は、空気を加圧してより高い圧力及び温度にする。加圧空気の大部分は、燃焼器に送給される。圧縮機は、燃焼のために加圧空気を燃料と混合する。次に、高温燃焼ガスが、タービン１４の様々な段に供給される。一般的に、タービン１４内で冷却又はパージ空気流として使用するために、圧縮機１２の様々な段から抽気も取り出される。

一例として、高圧空気の抽気は、圧縮機１２の第１３段目２０から取り出して、流路２２を介して冷却空気流としてタービン１４の第２段ノズル２１に供給することができる。図示するように、複数の流路を使用することができる。同様に、抽気はまた、圧縮機１２のより前方の段、例えば第９段目２４から抽出し、流路２６を介して冷却空気として第３段ノズル２８に供給することができる。バイパス流路３２は、流路２２と連通させることができる。バイパス流路３２は、絞り弁２９を含むことができる。一層詳しく後述するように、バイパス流路３２は、寒い日には追加の空気流を供給することができる。多数の交差（クロスオーバ）通路を使用することもできる。

エジェクタ３０は、流路２２内に配置することができる。上述したように、エジェクタ３０は、抽気圧力を消散させる必要性を排除する。エジェクタ３０はまた、抽出流を調整してシステム１０全体の効率を最適化するように流路２２、２６からの抽気を混合することを可能にする。交差流路３１は、流路２２、２６間に配置することができる。交差流路３１は、遮断弁３３を含むことができる。遮断弁３３は、周囲条件が好ましくない時には、エジェクタ３０を遮断することができる。

図２には、公知のエジェクタ３０を示している。エジェクタ３０は、運動量移動に基づいて２つの流体流を混合する、何らの可動部品も有しない機械装置である。エジェクタ３０は何らの可動部品も有しないので、エジェクタ３０は、ＩＳＯの日々条件に基づいた指定の設計ポイントで作動するように設計される。エジェクタ３０は、流路２２を介して高圧動力流体を受けるための空気入口４０と、動力流の静圧を吸込圧力の全圧以下の圧力に低下させるための主ノズル４２と、交差流路３１を介して低圧又は吸込流体を受けるための入口４４と、二次流を加速してその静圧を低下させるための二次ノズル４６と、２つの流れを混合するための混合管４８と、混合流を減速させて静圧を回復させるためのディフューザ５０とを有する。公知のエジェクタシステムは、参考文献として本明細書に組み入れている本出願と同一出願人の米国特許第６，５５０，２５３号及び第６，６１５，５７４号に示されている。

エジェクタ３０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２０からの高圧抽気流は、エジェクタ３０の入口４０における動力流としての働きをする。流路２６を介してのより低圧かつ低温の流れは、交差流路３１を介してエジェクタ３０に流れ、入口４４を介しての吸込流としての働きをする。従って、これら２つの流れは、互いに混合され、エジェクタ３０のディフューザ５０を通って流れる。従って、２つの流れは、それぞれの動力流及び吸込流の圧力及び温度の中間の圧力及び温度になった第３の流れ５３を形成する。

図３は、本明細書に説明しているような可変動力ノズルエジェクタ１００を示す。図示するように、エジェクタ１００は、流路２２を介して高圧動力流体を受けるための動力入口１１０と、交差流路３１を介して低圧吸込流体を受けるための吸込入口１２０と、主ノズル４２と、二次ノズル１４０と、２つの流れを混合して第３の空気流１５５を形成するための混合管１５０と、混合流を減速させて静圧を回復させるためのディフューザ１６０とを有する。

エジェクタ１００はさらに、主ノズル１３０内に配置したラム１７０を含む。アクチュエータ１８０は、ラム１７０を作動させることができる。アクチュエータ１８０は、現在の周囲条件に従って主ノズル１３０の面積を変更するように主ノズル１３０内でラム１７０を操作する。可変動力ノズルエジェクタ１００の実例は、ニューヨーク州バタビア所在のＧｒａｈａｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから購入することができる。

図４は、本明細書に説明しているようなタービンエンジンシステム２００を示す。システム２００では、エジェクタ１００を使用し、またバイパス流路３２及び絞り弁２９を排除している。バイパス流路３２を使用する代わりに、エジェクタのアクチュエータ１８０は、ラム１７０を後退させて主ノズル１３０の面積を拡大し、従って主ノズル１３０を通る空気流量を増加させるようにすることができる。

エジェクタ１００は、多数の圧力センサ２１０と連絡させることができる。圧力センサ２１０は、タービン１４の第２段ノズル２１の近くに配置して第２段ノズル２１内の圧力変化を検出するようにすることができる。エジェクタ１００及び圧力センサ２１０は、従来型のマイクロプロセッサ及び／又はその他のタイプの制御装置と連絡させることができる。制御装置は、センサ１９０から受けた信号に基づいて、アクチュエータ１８０の作動を開始させることができる。本明細書では、従来型の参照テーブル又は同様のタイプの制御手段を使用することができる。エジェクタ１００はまた、周囲温度を直接考慮することもできる。

従って、このエジェクタ１００により、単一の作動温度に対して最適化されるのではなく、周囲温度範囲全体にわたり最適な性能が得られる。従って、このエジェクタ１００により、取込み比（高圧空気の一部分としての低圧抽気）を最大にするような所望の抽出流量を得ることができる。さらに、バイパス流路３２及び絞り弁２９を排除することにより、システム２００全体の複雑さも軽減される。

以上の説明は、本出願の好ましい実施形態のみに関するものであること、また本明細書では提出した特許請求の範囲によって定まる本発明の全般的な技術思想及び技術的範囲並びにその均等物から逸脱することなく、多数の変更及び修正を加えることができることを理解されたい。

公知のエジェクタを備えたタービンエンジンの圧縮機及びタービンセクションの概略図。 公知のエジェクタの側面断面図。 本明細書に説明したような可変動力ノズルエジェクタの側面断面図。 図３の可変動力ノズルエジェクタを採用したタービンエンジンの圧縮機及びタービンセクションの概略図。

１０ タービンエンジンシステム
１２ 圧縮機
１４ タービン
１６ 入口
２０ 第１３段目
２１ 第２段ノズル
２２ 流路
２４ 第９段目
２６ 流路
２８ 第３段ノズル
２９ 絞り弁
３０ エジェクタ
３１ 交差流路
３２ バイパス流路
３３ 遮断弁
４０ 空気入口
４２ 主ノズル
４４ 入口
４６ 二次ノズル
４８ 混合管
５０ ディフューザ
１００ 可変動力ノズルエジェクタ
１１０ 動力入口
１２０ 吸込入口
１３０ 主ノズル
１４０ 二次ノズル
１５０ 混合管
１５５ 第３の空気流
１６０ ディフューザ
１７０ ラム
１８０ アクチュエータ
２００ タービンエンジンシステム
２１０ 圧力センサ

Claims (10)

1. 第１の圧縮機段（２０）及び第２の圧縮機段（２４）を含む圧縮機（１２）と、
   第１のタービン段（２１）及び第２のタービン段（２８）を含むタービン（１４）と、
   前記第１の圧縮機段（２０）と前記第１のタービン段（２１）とを結合する第１の流路（２２）と、
   前記第２の圧縮機段（２４）と前記第２のタービン段（２８）とを結合する第２の流路（２６）と、
   前記第１の流路（２２）と前記第２の流路（２６）とを結合する交差流路（３１）と、
   前記交差流路（３１）及び第１の流路（２２）の近くに配置されたエジェクタ（１００）と、を含み、
   前記エジェクタ（１００）が、可変動力ノズルエジェクタ（１００）を含む、
   ガスタービンエンジンシステム（２００）。
2. 前記第１の圧縮機段（２０）が、第１３段目を含む、請求項１記載のシステム（２００）。
3. 前記第２の圧縮機段（２４）が、第９段目を含む、請求項１記載のシステム（２００）。
4. 前記第１のタービン段（２１）が、第２段ノズルを含む、請求項１記載のシステム（２００）。
5. 前記第２のタービン段（２８）が、第３段ノズルを含む、請求項１記載のシステム（２００）。
6. 前記エジェクタ（１００）が、主ノズル（１３０）内に配置されたラム（１７０）を含む、請求項１記載のシステム（２００）。
7. 前記エジェクタ（１００）が、前記ラム（１７０）と連結したアクチュエータ（１８０）を含む、請求項６記載のシステム（２００）。
8. 前記第１のタービン段（２１）及びエジェクタ（１００）と連絡した圧力センサ（２１０）をさらに含む、請求項１記載のシステム（２００）。
9. 前記圧力センサ（２１０）が、複数の圧力センサを含む、請求項８記載のシステム（２００）。
10. 圧縮機（１２）、タービン（１４）及び可変動力ノズルエジェクタ（１００）を有するタービンシステム（２００）における圧縮機抽気を最大限に生かす方法であって、
    前記圧縮機（１２）から前記タービン（１４）に第１の空気流（２２）を流す段階と、
    前記圧縮機（１２）から前記タービン（１４）に第２の空気流（２６）を流す段階と、
    前記第１の空気流（２２）を前記ジェクタ（１００）内で前記第２の空気流（２６）の一部分と混合して第３の空気流（１５５）を形成する段階と、
    前記第３の空気流（１５５）の圧力を検知する段階と、
    前記検知した圧力に基づいて、前記可変動力ノズルエジェクタ（１００）を調整する段階と、
    を含む方法。