JP2013139801A

JP2013139801A - タービン組立体及びタービン構成部品間の流体の流れを低減するための方法

Info

Publication number: JP2013139801A
Application number: JP2012281912A
Authority: JP
Inventors: Ramesh Kempanna Babu; ラメッシュ・ケンパナ・バブ; Karthik Srinivasan; カーシック・スリニヴァサン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-01-04
Filing date: 2012-12-26
Publication date: 2013-07-18
Also published as: EP2628904A3; RU2012158328A; EP2628904A2; US20130170983A1; CN103195501A

Abstract

【課題】タービンの効率及び性能を改善するために、タービン構成部品間の流体の流れを低減する。
【解決手段】本発明の一面によれば、固定子（２０４）及び該固定子に隣接した回転子（２０２）を含むタービン組立体（１００）において、回転子と固定子との間に流体カーテン（３０８）を形成するために、回転子からの突出部（２１０）に形成された通路（２１２）を含み、該流体カーテンは高温ガス流路（２１８）への流体（２１４）の流れを低減する。
【選択図】図２

Description

本書に開示の内容は、ガスタービンに関するものである。より詳しく云えば、開示内容は、ガスタービンの構成部品間の流体の流れを低減することに関するものである。

ガスタービンにおいては、燃焼器が燃料又は空気−燃料混合物の化学的エネルギを熱エネルギへ変換する。熱エネルギは流体（多くの場合、圧縮機からの圧縮空気）によってタービンへ運ばれ、タービンで熱エネルギは機械的エネルギへ変換される。タービンの構成によっては、構成部品間の流体が圧縮高温空気の中へ漏洩することにより、タービンのパワー出力が減少し且つ効率が低下する。流体の漏洩は、ガスタービン運転中の或る構成部品の熱膨張及び構成部品間の相対的な動きによって引き起こされることがある。従って、構成部品間の流体の漏洩を低減することにより、タービンの効率及び性能を改善することが可能である。

米国特許第７５００８２４号

本発明の一面によれば、固定子及び該固定子に隣接した回転子を含むタービン組立体が提供される。タービン組立体はまた、回転子と固定子との間に流体カーテンを形成するために、回転子からの突出部に形成された通路を含み、該流体カーテンは高温ガス流路への流体の流れを低減する。

本発明の別の面によれば、構成部品間の流体の流れを低減するための方法が提供され、本方法は、固定子上のノズルを横切って高温ガスを流れさせ、次いで該高温ガスを、前記固定子に隣接した回転子上の動翼を横切って流れさせ、且つ前記固定子及び前記回転子のそれぞれの内側部分を通って冷却空気流を流れさせることを含む。本方法は更に、前記固定子と前記回転子の間に流体のカーテンを形成して、冷却空気の流れが高温ガスの流れの中へ漏洩するのを低減することを含む。

これらの及び他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明から一層明らかになろう。

発明と見なされる内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳しい説明から明らかであろう。

図１は、燃焼器、燃料ノズル、圧縮機及びタービンを含むガスタービン・エンジンの一実施形態の概略図である。図２は、模範的なタービン組立体の一部分の側断面図である。図３は、図２に示されたタービン組立体の詳しい断面図である。図４は、別の模範的なタービン組立体の一部分の側断面図である。図５は、更に別の模範的なタービン組立体の一部分の側断面図である。

以下に、本発明の実施形態について、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に詳しく説明する。

図１は、ガスタービン・システム１００の一実施形態の概略図である。システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０を含む。一実施形態では、システム１００は、燃焼器１０４、タービン１０６、シャフト１０８及び燃料ノズル１１０をそれぞれ複数含むことができる。圧縮機１０２とタービン１０６とはシャフト１０８によって結合される。シャフト１０８は、単一のシャフトであってよく、或いはシャフト１０８を形成するように複数のシャフト・セグメントを一緒に結合したものであってよい。

一面において、燃焼器１０４は、エンジンを運転するために天然ガス又は水素富化合成ガスのような液体及び／又はガス燃料を使用する。例えば、燃料ノズル１１０が空気供給部及び燃料供給部１１２と流体連通関係にある。燃料ノズル１１０は空気・燃料混合物を生成して、該空気・燃料混合物を燃焼器１０４の中へ放出し、これによって加圧ガスを加熱する燃焼を生じさせる。燃焼器１０４は、高温加圧排出ガスを、尾筒を介してタービン・ノズル（又は「第１段ノズル」）へ、次いでタービン動翼へ導いて、タービン１０６を回転させる。タービン１０６の回転はシャフト１０８を回転させ、これによって圧縮機１０２の中を流れている空気を圧縮する。タービン構成部品又は部品は、高温ガスがタービン１０６を通って流れている間に部品の熱膨張及び相対的な動きを許容するように構成されている。高温ガスよりも温度の低い流体の流れを低減することによって、タービン効率が改善される。具体的に述べると、高温ガス流路又は圧縮ガス流の中への流体の漏洩を低減すると、所望の流路に沿った高温ガス流の体積が増大して、高温ガスからより多くの仕事を抽出することができる。固定子と回転子との間のようなタービン部品の間での流体の漏洩を低減するための方法、システム及び配置構造を、図２〜図５を参照して説明する。図示の配置構造は、高温ガス流の中への流体の漏洩を低減する流体カーテン又はシールを提供し、これによって高温ガスから抽出することのできる仕事を増大させる。更に、流体カーテンは、時間につれて摩耗することのあるゴム及び／又は他の材料と比べて、保守整備が実質的に少なくて済む。

本書で用いられる用語「下流方向」及び［上流方向」とは、タービンを通る作動流体の流れに対する相対的な方向を表す用語である。このような場合、用語「下流方向」は、一般的に作動流体の流れの方向に対応する方向を表し、また用語［上流方向」は、一般的に作動流体の流れの方向とは逆の方向を表す。用語「半径方向」は、軸又は中心線に対して垂直な動き又は位置を表す。これは、軸に様々な半径方向位置に或る部品を記述するのに役立つ。この場合、第１の構成部品の方が第２の構成部品よりも軸に近い場合、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向内側」にあると記述することができる。他方、第１の構成部品の方が第２の構成部品よりも軸から遠くに位置している場合、第１の構成部品は第２の構成部品の「半径方向外側」又は「外側」にあると記述することができる。用語「軸方向」は、軸に平行な動き又は位置を表す。最後に、用語「円周方向」は、軸の周りの動き又は位置を表す。以下の説明は主にガスタービンを対象とするが、説明した概念はガスタービンに限定されない。

次に図２について説明すると、模範的なタービン組立体２００の一部分の側断面図が示されている。更に、図３は、図２に示されたタービン組立体２００の詳しい断面図である。タービン組立体２００は、軸２２６の周りに配置された回転子２０２及び固定子２０４を含む。回転子２０２は基部２０６を含み、基部２０６から翼形部２０８（「動翼」とも呼ばれる）が延在する。エンジェル・ウイングのような突出部２１０が、基部２０６（「回転子基部」とも呼ばれる）から延在し、突出部２１０の中には流体２１６を流れさせるための通路２１２が配置される。突出部２１０は、タービン構成部品間に流体カーテンを生成するように流体を流れさせるための任意の幾何学的構成の部材とすることができる。他の実施形態では、通路２１２は、突出部の代わりに、回転子又は固定子の基部に形成することができ、これによって、基部から流体カーテンを形成する流れを生じさせることができる。一実施形態では、流体２１６は、固定子２０４及び回転子２０２の内側部分を通って下流方向に流れる流体２１４から供給される。流体２１４及び２１６の一部は半径方向に流れて、空洞３１４を通って高温ガス２１８の流れの中へ漏洩することがある。図示の配置構造は、通路２１２内に流体２１４を受け入れて、固定子２０４と回転子２０２との間に流体カーテン３０８又は流体シールを形成するように構成されており、これによって、高温ガス２１８への流体２１４及び２１６の漏洩を低減する。流体２１４及び２１６は、タービン構成部品の温度制御のための冷却流体（例えば、空気、水又は他の冷却剤）のような、流体カーテンを形成する任意の適当な流体であってよい。図示のように、固定子２０４は、ダイアフラム２２０、及び基部２２２（「固定子基部」とも呼ぶ）から延在する翼形部２２４（又はノズル）を含む。

固定子２０４と回転子２０２との間に流体カーテン３０８を形成すると、高温ガス２１８への流体の漏洩が低減され、従って高温ガス２１８からより多くの仕事を抽出することが可能になる。流体カーテン３０８は、突出部２１０の中の通路２１２のような任意の適当な流体源からの流体流によって形成することができる。図３に示されているように、通路２１２は、タービン軸２２６にほぼ垂直な線３０２に対して角度３００を成す線３０４に沿って流体カーテン３０８の流れを生成するように形成することができる。角度３００は、流体カーテン３０８を形成するための任意の適当な角度とすることができ、また流体の種類、温度、空洞３１４及び／又は突出部２１０の幾何学的形状のような様々な因子に基づいて変更することができる。一実施形態では、角度３００は約５〜約８５度にすることができる。別の実施形態では、角度３００は約１５〜約７０度にすることができる。更に別の実施形態では、角度３００は、約２０〜約６０度にすることができる。別の実施形態では、角度３００は、約−１５〜約３０度にすることができる。

図３について続けて説明すると、突出部２１０及び通路２１２は流体２１６を受け取って、表面３１０に衝突するような角度で流れる流体カーテン３０８を形成する。一実施形態では、流体カーテン３０８からの流れは、流れ３１２として示されているように空洞３１４内を循環し、これによって、高温ガス２１８への流体の漏洩に対する追加の抵抗を与えることができる。例えば、循環する流体は、空洞３１４の表面に沿って流れて、回転子２０２と固定子２０４との間を漏洩する流体の流れに対して別の障害物又は障壁を構成する。図示のように、通路２１２は第１の場所３１５からの第２の場所３１６へ次第に狭くなっており、これによって流体カーテン３０８を形成するときの流体２１６の流速を増大させる。次第に狭くなっている通路２１２は、流体の流れを加速するベンチュリー効果を持ち、これによって流体カーテン３０８の形成を改善する。

図４は、別の模範的なタービン組立体４００の側断面図である。タービン組立体４００は、軸４３０の周りに配置された回転子４０２及び固定子４０４を含む。回転子４０２は基部４０６を含み、基部４０６から翼形部４０８（「動翼」とも呼ぶ）が延在する。エンジェル・ウイングのような突出部４１０が、基部４０６から延在し、この場合、第１の流体４１４の流れのための通路４１２が突出部４１０の中に配置される。一実施形態では、第１の流体４１４は流体供給部４１６から供給される。流体供給部４１６は、流体カーテン４１８を形成するための任意の適当な流体供給部又は流体源、例えば、内部通路４１７を通って翼形部４０８へ至る流れのようなタービン構成部品の中を流れる冷却流体とすることができる。また、流体供給部４１６は、翼形部４０８のような回転子４０２及び固定子４０４の一部を冷却するための（水、空気又は任意の適当な流体のような）専用の冷却流体供給部とすることができる。一実施形態では、タービンの他の部分からの低温空気のような第２の流体４２０が、固定子４０４及び回転子４０２の内側部分を冷却するために下流方向へ流れる。実施形態では、第２の流体４２０の一部は、回転子４０２と固定子４０４との間の空洞又は空間を通って高温ガス４２８の流れの中へ半径方向に漏洩することができる。図示の配置構造は、通路４１２内に第１の流体４１４を受け取って、固定子４０４と回転子４０２との間に流体カーテン４１８又は流体シールを形成するように構成されており、これによって、高温ガス４２８への第２の流体４２０の漏洩を低減する。図示のように、固定子４０４は、ダイアフラム４２２、及び基部４２４から延在する翼形部４２６（又はノズル）を含む。更に、突出部４１０は、軸４３０に垂直な線に対して角度を成すように形成することができ、これによって、流体カーテン４１８の流れの再循環４３２を生じさせて、高温ガス４２８への第２の流体４２０の漏洩を更に低減することができる。例えば、循環する流体は、回転子４０２と固定子４０４との間の空洞の表面に沿って流れて、これらの構成部品の間を漏洩する流体の流れに対して別の障害物又は障壁を構成する。

図５は、更に別の模範的なタービン組立体５００の側断面図である。タービン組立体５００は、軸５２８の周りに配置された回転子５０２及び固定子５０４を含む。回転子５０２は基部５０６を含み、基部５０６から翼形部５０８（「動翼」とも呼ぶ）が延在する。図示のように、固定子５０４は、ダイアフラム５１４、及び基部５１２から延在する翼形部５１０（又はノズル）を含む。第１の流体５１８の流れのための通路５１６が基部５１２及びダイアフラム５１４の中に配置される。第１の流体５１８は、唇状部のような突出部５５０の中の通路５１６を通るように導かれて、回転子５０２と固定子５０４の間の空洞を横切って流れる流体カーテン５２０を形成する。一実施形態では、第１の流体５１８は流体供給部５２２から供給される。流体供給部５２２は、タービンの他の部分からの低温の流体又は空気、或いはタービン構成部品を冷却するために内部で用いられる流体のような、任意の適当な流体源とすることができる。タービンの他の部分からの低温空気のような第２の流体５２４が、固定子５０４及び回転子５０２の内側部分を冷却するために下流方向へ流れる。実施形態では、第２の流体５２４の一部は、回転子５０２と固定子５０４との間を通って高温ガス５２６の流れの中へ半径方向に漏洩することができる。図示の配置構造は、突出部５５０の中の通路５１６内に第１の流体５１８を受け取って、固定子５０４と回転子５０２との間に流体カーテン５２０を形成するように構成されており、これによって、高温ガス５２６への第２の流体５２４の漏洩を低減する。図示のように回転子５０２と固定子５０４の間に流体カーテン５２０を形成することは、高温ガス５２６から抽出することのできる仕事を増大させることによって性能を改善すると共に、また時間につれて摩耗することのない保守整備の少ないシールを提供する。

以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得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制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲によって制限される。

１００ガスタービン・システム
１０２圧縮機
１０４燃焼器
１０６タービン
１０８シャフト
１１０燃料ノズル
１１２空気供給部及び燃料供給部
２００タービン組立体
２０２回転子
２０４固定子
２０６基部
２０８翼形部
２１０突出部
２１２通路
２１４流体
２１６流体
２１８高温ガス
２２０ダイアフラム
２２２基部
２２４翼形部
２２６軸
３００角度
３０２タービン軸に垂直な線
３０４線
３０８流体カーテン
３１０表面
３１２流れ
３１４空洞
３１５第１の位置
３１６第２の位置
４００タービン組立体
４０２回転子
４０４固定子
４０６基部
４０８翼形部
４１０突出部
４１２通路
４１４第１の流体
４１６流体供給部
４１７内部通路
４１８流体カーテン
４２０第２の流体
４２２ダイアフラム
４２４基部
４２６翼形部
４２８高温ガス
４３０軸
４３２流れの再循環
５００タービン組立体
５０２回転子
５０４固定子
５０６基部
５０８翼形部
５１０翼形部
５１２基部
５１４ダイアフラム
５１６通路
５１８第１の流体
５２０流体カーテン
５２２流体供給部
５２４第２の流体
５２６高温ガス
５２８軸
５５０突出部

Claims

固定子と、
前記固定子に隣接した回転子と、
前記回転子と前記固定子との間に、高温ガス流路への流体の流れを低減する流体カーテンを形成するように、前記回転子からの突出部に形成された通路と、
を有するタービン組立体。
前記回転子は、前記回転子の基部から延在する翼形部を有し、また前記突出部は前記基部上に配置されている、請求項１記載のタービン組立体。
前記突出部はエンジェル・ウイングを有している、請求項２記載のタービン組立体。
前記回転子の前記基部と前記固定子の基部との間に空洞が形成されており、該空洞は冷却空気流を受け取り、また前記通路は、前記空洞から前記冷却空気流を受け取って前記流体カーテンのための流体の流れを供給するように、前記回転子の前記基部を通って延在している、請求項２記載のタービン組立体。
前記通路に、前記翼形部を冷却するための前記回転子基部内の内部通路から流体の流れが供給される、請求項２記載のタービン組立体。
前記通路は、前記流体カーテンを形成するために前記通路内の流体の流速を増大させるように次第に狭くなっている通路を有している、請求項１記載のタービン組立体。
前記通路は、タービン軸にほぼ垂直な線に対して角度をなすように流体の流れを方向付ける、請求項１記載のタービン組立体。
タービン構成部品間の流体の流れを低減するための方法であって、
固定子上のノズルを横切って高温ガスを流れさせる段階と、
高温ガスを、前記固定子に隣接した回転子上の動翼を横切って流れさせる段階と、
前記固定子及び前記回転子のそれぞれの内側部分を通って冷却空気流を流れさせる段階と、
前記固定子と前記回転子の間に流体のカーテンを形成して、冷却空気の流れが高温ガスの流れの中へ漏洩するのを低減する段階と、
を有する方法。
前記流体のカーテンを形成する段階は、前記回転子上に配置された突出部の中の通路から流体を流れさせる段階を有している、請求項８記載の方法。
前記突出部はエンジェル・ウイングを有している、請求項９記載の方法。
前記通路は冷却空気流の一部分からの流体を受け取る、請求項９記載の方法。
前記通路は、翼形部を冷却するための前記回転子内の内部通路から流体を受け取る、請求項９記載の方法。
前記通路は、タービン軸にほぼ垂直な線に対して角度をなすように流体を方向付ける、請求項９記載の方法。
前記流体のカーテンを形成する段階は、前記固定子上に配置された突出部の中の通路から流体を流れさせる段階を有している、請求項８記載の方法。
前記通路は冷却空気流の一部分からの流体を受け取る、請求項１４記載の方法。
前記通路は、翼形部を冷却するための前記回転子内の内部通路から流体を受け取る、請求項１４記載の方法。
固定子と、
前記固定子に隣接した回転子と、
前記回転子と前記固定子との間に、高温ガス流路への流体の流れを低減する流体カーテンを形成するように、前記固定子上に配置された突出部に設けられた通路と、
を有するタービン組立体。
前記固定子は、前記固定子の基部から延在する翼形部を有し、また前記突出部は前記固定子のダイアフラムから延在している、請求項１７記載のタービン組立体。
前記固定子及び回転子の内側部分が冷却空気流を受け取り、前記流体カーテンが該冷却空気流から形成される、請求項１７記載のタービン組立体。