JP2013160232A - ガスタービンシステム - Google Patents

Abstract

【課題】空気流の旋回を低減して付随する圧力降下を減少させる。
【解決手段】ガスタービンシステムは圧縮機セクションと燃焼器セクションとタービンセクションとを備えており、圧縮機セクションは第１のホイールと、軸方向に貫通する中心ボアを有する第２のホイールとを含んでいて、第１のホイールと第２のホイールとは互いに比較的近接している。第１のホイールと第２のホイールの間に設けられた間隙も含まれており、その間隙内を空気流が通過して第２のホイールの中心ボアに向かって半径方向内向きに送られる。圧縮機セクションは、間隙内に配置され、半径方向から中心ボアに少なくとも部分的に延在する１以上のベーンを備える気流マニピュレーション装置をさらに含んでいる。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、特に、ガスタービンシステムの圧縮機セクションに関する。

通例、ガスタービンシステムでは、バケット供給二次冷却空気流は圧縮機の後段から抽出され、フルート、インペラ、又は圧縮機ホイール間の間隙を通して半径方向内向きに送られる。空気流はホイールの中心ボアに向かって進む。フルートから中心ボアに進む際に、旋回渦が生じ、中心ボアの内部及び近傍で望ましくないほど高い圧力降下が起こる。空気流の旋回を低減して、付随する圧力降下を低減することができれば、有利であろう。

英国特許第２０７５１２３号

本発明の一態様では、圧縮機セクションと燃焼器セクションとタービンセクションとを備えるガスタービンシステムを提供する。本ガスタービンシステムは、第１のホイールと、軸方向に貫通する中心ボアを有する第２のホイールであって、第１のホイールと第２のホイールとが互いに比較的近接している第２のホイールとを備える。また、第１のホイールと第２のホイールの間に設けられた間隙であって、該間隙内を空気流が通過して第２のホイールの中心ボアに向かって半径方向内向きに送られる間隙も備えている。圧縮機セクションはさらに、間隙内に配置され、中心ボア内に少なくとも部分的に延在する気流マニピュレーション装置であって、軸方向に中心ボア内に延在する１以上のスロットを含む気流マニピュレーション装置も備えている。

本発明の別の態様では、ガスタービンシステムの圧縮機セクションは、前方ホイールを備える。また、軸方向に貫通する中心ボアと、１以上のインペラスロットを画成する複数のインペラとを有する後方ホイールも備えている。さらに、前方ホイールと後方ホイールの間に設けられたキャビティも含んでいる。さらに、キャビティの近傍から後方ホイールの中心ボアの内部領域まで延在する１以上のベーンを有する空気デフレクタも備えている。

本発明のさらに別の態様では、ガスタービンシステムの圧縮機セクションは、前方ホイールと後方ホイールとを備える。また、前方ホイールと後方ホイールの間に設けられた気流マニピュレーション装置も備えているが、気流マニピュレーション装置は、後方ホイールの軸方向中心ボア内に延在する複数のベーンを備えており、前方ホイール又は後方ホイールと動作可能に連結されている。

上記その他の利点及び特徴については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

本発明とみなされる対象については、本明細書に続く特許請求の範囲に具体的かつ明瞭に記載されている。本発明の上記その他の特徴及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって明らかとなろう。

ガスタービンシステムの圧縮機セクションの領域の斜視図。 圧縮機セクションの後方ホイール内に配置された気流マニピュレーション装置の斜視図。 気流マニピュレーション装置の背面斜視図。 気流マニピュレーション装置の側方斜視図。 前方ホイールと後方ホイールの間に設けられた気流マニピュレーション装置の立断面図。 後方ホイールの中心ボアへの円滑な空気流の移動を示す模式図。 後方ホイールの中心ボアへの旋回空気流の移動を示す模式図。 前方ホイールに取り付けられる気流マニピュレーション装置の実施形態の斜視図。 前方ホイールに取り付けられる気流マニピュレーション装置の別の実施形態の斜視図。

以下の詳細な説明では、具体例として、図面を参照して、本発明の実施形態について特徴及び利点と共に説明する。

図１及び図２を参照すると、ガスタービンシステム１０は圧縮機セクション１２を備えており、圧縮機セクション１２は、ガスタービンシステムを通る空気流を加速して燃焼器セクション（図示せず）に送るための複数のホイールを備える。空気流が通過する最後の２つのホイールはそれぞれ前方ホイール１８及び後方ホイール２０と呼ばれる。一般的なガスタービンシステムでは、圧縮機セクション１２は、２つの後方ホイールを含めて複数のホイールを含んでいることがあり、前方ホイール１８は最後から２番目のホイールに相当し、後方ホイール２０は最も後方のホイールに相当する。圧縮機セクション１２内に配設されるホイールの正確な数とは無関係に、本明細書で言及するホイールは、圧縮機セクション１２の最後の２つのホイールに関するものである。

前方ホイール１８及び後方ホイール２０は、その２つのホイール間に軸方向間隙２２が形成されるように圧縮機セクション１２内に配置され、間隙２２は、ホイール１８，２０の少なくとも一方の外径２６に実質的に相当する半径方向外側位置２４から半径方向内側に延在する。間隙２２は、空気流が半径方向外側位置２４から、後方ホイール２０の中心ボア３０を通って軸方向に延在する中心軸線２８に向かって流れるように構成される。空気流は中心ボア３０を通って、複数のタービンホイールを含むタービンセクションへと向かう。以上の説明は、圧縮機セクション１２に配設される前方ホイール１８及び後方ホイール２０に関するものであるが、本明細書で言及するホイールは、特に限定されないがタービンセクション１６を始めとするガスタービンシステム１の任意の位置に配設し得る。

後方ホイールは、１以上のインペラスロット３４を画成する複数のインペラ３２を含む。インペラスロット３４の数は、存在するインペラ３２の数の関数であり、各インペラスロット３４は隣接するインペラ３２の対によって画成される。インペラスロット３４は、半径方向外側位置２４の近傍から中心ボア３０に向かって半径方向内向きに延在し、インペラ３２の幾何形状で画成されるような曲面状の構成を取り得る。一般に、インペラスロット３４は中心ボア３０の入口３５の近傍まで延在する。各インペラ３２は、軸方向前方つまり上流側に延在し、前方ホイール１８と直接接触又は近接する。インペラ３２が前方ホイール１８と直接接触又は当接している場合、空気流は専らインペラスロット３４を通して半径方向内向きに移動する。

図３及び図４を参照すると、基部３８と翼部４０とを有する気流マニピュレーション装置３６が、前方ホイール１８と後方ホイール２０の間に配置される。基部３８は実質的に円形であって基部外径４２を有しているが、他の幾何形状を用いてもよい。基部３８は、前方ホイール１８と直接当接するか又は近接するように配置される。翼部４０は１枚以上（典型的には複数）のベーン４４を含んでおり、ベーン４４は基部３８から軸方向後方に向かって中心ボア３０内まで延在している。ベーン４４は軸方向後方に向かって中心ボア３０内まで延在しているだけでなく、半径方向内向きに延在していてもよい。ベーン４４は、その一部がインペラスロット３４内に配置されるように整列し、インペラスロット３４の延長部が中心ボア３０内に直接入り込む。具体的には、ベーン４４は複数のベーンスロット４６を形成し、ベーンスロット４６はインペラスロット３４の延長部として作用し、インペラスロット３４を通して半径方向内向きに流れ込む空気流がベーンスロット４６を経由して中心ボア３０へと滑らかに移動する。或いは、ベーン４４は、インペラスロット３４との境界又はその内部までを始めとする様々な領域に延在するように調整可能であってもよい。

図５〜図７を参照すると、気流マニピュレーション装置３６、特にベーンスロット４６の効果を示す。中心ボア３０に向かって内側に流れ込む空気流の滑らかな方向転換及び移動は、ベーン４４とインペラスロット３４との相互作用によって確立される。これは、ベーン４４が中心ボア３０内に延在しないシステムで旋回渦４８へと変換される空気流とは対照的である（図７）。かかる空気流の旋回の低減によって、空気流が中心ボア３０を通過する際の圧力降下が減少する。

次に図８及び図９を参照すると、圧縮機セクション１２への気流マニピュレーション装置３６の取付けは、様々な方法で容易にすることができる。前述の通り、気流マニピュレーション装置３６及び本明細書で言及する関連するホイール１８，２０は、圧縮機セクション１２ではなくタービンセクション１６にも配置できる。第１の実施形態として、気流マニピュレーション装置３６の基部３８から背面方向に延在するねじ部品５０が挙げられる。前方ホイール１８は、ねじ部品５０と螺合して気流マニピュレーション装置３６と結合するねじ部５２を含んでいる。別の実施形態では、気流マニピュレーション装置３６を軸方向に貫通する中心開口５４であって、スタッドのような機械式締結具５６を通すことのできる寸法の中心開口５４を含む。機械式締結具５６は後方フランジ５８を含んでおり、後方フランジ５８は、中心開口５４の後側の近傍で気流マニピュレーション装置３６と係合する。さらに、機械式締結具５６の前方部には、前方ホイール１８のねじ部５２と螺合するねじ部が設けられる。以上の実施形態は、気流マニピュレーション装置３６の取付けを容易にする構造の例示にすぎず、その他の締結具を用いることもできる。例えば、前方ホイール１８への基部３８の圧入（プレス嵌め）又は締まり嵌めなどを用いて、気流マニピュレーション装置３６を所定の位置に固定することもできる。

限られた数の実施形態に関して本発明を詳しく説明してきたが、本発明がこれらの開示された実施形態に限定されないことは明らかであろう。本発明には、本明細書に記載されていない数多くの変更、修正、置換又は均等な構成を組み込むことができ、これらは本発明の技術的思想及び技術的範囲に属する。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、本発明の態様によっては、その一部しか含んでいないこともある。したがって、本発明は、以上の記載によって限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲にしか限定されない。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１６ タービンセクション
１８ 前方ホイール
２０ 後方ホイール
２２ 間隙
３０ 中心ボア
３２ インペラ
３４ インペラスロット
３６ 気流マニピュレーション装置
３８ 基部
４０ 翼部
４４ ベーン
５６ 機械式締結具

Claims (20)

1. 圧縮機セクションと燃焼器セクションとタービンセクションとを備えるガスタービンシステムであって、
   第１のホイールと、
   軸方向に貫通する中心ボアを有する第２のホイールであって、第１のホイールと第２のホイールとが互いに比較的近接している第２のホイールと、
   第１のホイールと第２のホイールの間に設けられた間隙であって、該間隙内を空気流が通過して第２のホイールの中心ボアに向かって半径方向内向きに送られる間隙と、
   前記間隙内に配置され、中心ボア内に少なくとも部分的に延在する気流マニピュレーション装置であって、軸方向に中心ボア内に延在する１以上のベーンを含む気流マニピュレーション装置と
   を備えるガスタービンシステム。
2. 第２のホイールが第１のホイールの軸方向後方に配置される、請求項１記載のガスタービンシステム。
3. 第１のホイール及び第２のホイールの少なくとも一方が、複数のインペラスロットを画成する複数のインペラを含む、請求項２記載のガスタービンシステム。
4. 前記気流マニピュレーション装置が、
   外径を有する基部と、
   複数のベーンを含む翼部と
   を備える、請求項３記載のガスタービンシステム。
5. 前記複数のベーンが、基部の外径近傍から半径方向内向き及び軸方向後方に中心ボア内に延在する、請求項４記載のガスタービンシステム。
6. 前記複数のベーンの１以上が、複数のインペラスロットの１つとの境界又はその内部まで調整可能に延在する、請求項４記載のガスタービンシステム。
7. 前記気流マニピュレーション装置が第１のホイールと動作可能に連結される、請求項１記載のガスタービンシステム。
8. 前記気流マニピュレーション装置が第１のホイールに直接固定される、請求項７記載のガスタービンシステム。
9. 前記気流マニピュレーション装置が、機械式締結具によって、第１のホイールに間接的に連結される、請求項７記載のガスタービンシステム。
10. 第１のホイール及び第２のホイールが圧縮機セクションに配置される、請求項１記載のガスタービンシステム。
11. 第１のホイール及び第２のホイールがタービンセクションに配置される、請求項１記載のガスタービンシステム。
12. 前方ホイールと、
    軸方向に貫通する中心ボアを備える後方ホイールであって、前方ホイール及び後方ホイールの少なくとも一方が、１以上のインペラスロットを画成する複数のインペラを含んでいる、後方ホイールと、
    前方ホイールと後方ホイールの間に設けられたキャビティと、
    キャビティの近傍から後方ホイールの中心ボアの内部領域に延在する１以上のベーンを有する空気デフレクタと
    を備えるガスタービンシステムの圧縮機セクション。
13. 前記空気デフレクタが、
    外径を有する基部と、
    複数のベーンを含む翼部と
    を備える、請求項１２記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。
14. 前記複数のベーンが、基部の外径近傍から半径方向内向き及び軸方向後方に中心ボア内に延在する、請求項１３記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。
15. １以上のベーンが、１以上のインペラスロットとの境界又はその内部まで調整可能に延在する、請求項１２記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。
16. 前記空気デフレクタが前方ホイールに直接固定される、請求項１２記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。
17. 前記空気デフレクタが、機械式締結具によって、前方ホイールに間接的に連結される、請求項１２記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。
18. 前方ホイールと、
    後方ホイールと、
    前方ホイールと後方ホイールの間に設けられた気流マニピュレーション装置であって、後方ホイールの軸方向中心ボア内に延在する複数のベーンを備え、前方ホイール及び後方ホイールのうちの少なくとも一方に動作可能に連結される気流マニピュレーション装置と
    を備えるガスタービンシステムの圧縮機セクション。
19. 前方ホイール及び後方ホイールの少なくとも一方が、複数のインペラスロットを画成する複数のインペラを含む、請求項１８記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。
20. 前記気流マニピュレーション装置が、
    外径を有する基部と、
    翼部と
    を備える、請求項１９記載のガスタービンシステムの圧縮機セクション。