JP2013164065A - ターボ機械の流れ改善システム - Google Patents

Abstract

【課題】流れ改善システムを含むターボ機械を提供すること。
【解決手段】ターボ機械は、流路を画成するハウジングと、ハウジング内に配列される段とを含む。段は、複数の回転翼形部材と、第１の複数の静止翼形部材とを含む。第２の静止翼形部材は、第１の複数の静止翼形部材に直近して配列される。流れ改善システムは、第１及び第２の複数の静止翼形部材の各々と関連付けられる。流れ改善システムが、第２の複数の静止翼形部材の各々に対する第１の複数の静止翼形部材の各々の所定のクロッキングを確立して、流路に沿った流れ特性を改善する。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、流れ改善システムを含むターボ機械に関する。

多くのターボ機械は、共通の圧縮機／タービンシャフト又はロータを通じてタービン部分にリンクされた圧縮機部分及び燃焼器アセンブリを含む。圧縮機部分は、加圧空気流を複数の連続する段を通って燃焼器アセンブリに向けて誘導する。燃焼機アセンブリにおいて、加圧空気流は、燃料と混合されて可燃混合気を形成する。可燃混合気は、燃焼機アセンブリにおいて燃焼されて高温ガスを形成する。高温ガスは、トランジションピースを通ってタービン部分に誘導される。高温ガスは、タービンを通って膨張して仕事を生成し、これが出力されて、例えば発電機又はポンプに動力を供給し、或いは、航空機の動力を供給する。燃焼用の加圧空気を提供することに加えて、加圧空気流の一部は、冷却の目的でタービン部分を通って流される。

多くの場合、圧縮機部分及び／又はタービン部分は、一連の静止又は回転列に位置する同数のブレードを含む。このような場合、ブレード間の円周方向角度間隔は、連続列の各々で同じである。一般に、円周方向間隔により、静止列のブレードの位置合わせと回転列のブレードの位置合わせがもたらされる。この位置合わせにより、圧縮機部分及び／又はタービン部分の流路に沿って通過する流れの様々な空力性能上の問題及び／又は熱環境上の問題が生じる。製造者らは、クロック又は円周方向にオフセットされた回転列の隣接するブレード列又は静止列の隣接するブレード列を有し、流れの制御及び空力性能及び／又は熱環境に影響を与えるようにしている。

圧縮機部分では、吸気口を通じて空気が吸い込まれ、複数の連続段を通って流れる。連続段の各々は、複数のステータ又はノズルを含み、該ノズルが、複数の回転バケット又はブレードに向けて空気を誘導する。回転ブレードは、空気流を圧縮機に沿って送り込み、所望の圧力増加を達成する。静止及び回転部品にわたって通過する空気に起因する相互作用パターン及び音響スピニング波モードが各段において生じる。カットオン周波数又はそれ以上では、スピニング波モードは通常、圧縮機を通って下流側に伝播し、燃焼器アセンブリに入る可能性がある。スピニング波モードの発生及び伝播は、望ましくない非定常圧力パターンを生成するだけでなく、圧縮機部分から不必要なノイズの発生につながる可能性がある。

米国特許第７９３４３０２号明細書

例示的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械は、流路を画成するハウジングと、ハウジング内に配列される段とを含む。段は、複数の回転翼形部材と、第１の複数の静止翼形部材とを含む。第２の静止翼形部材は、第１の複数の静止翼形部材に直近して配列される。流れ改善システムは、第１及び第２の複数の静止翼形部材の各々と関連付けられる。流れ改善システムが、第２の複数の静止翼形部材の各々に対して第１の複数の静止翼形部材の各々の所定のクロッキングを確立して、流路に沿った流れ特性を改善する。

例示的な実施形態の別の態様によれば、ターボ機械システムは、圧縮機部分と、圧縮機部分に機械的にリンクされたタービン部分と、圧縮機部分及びタービン部分の各々に流体接続された燃焼器アセンブリとを含む。圧縮機部分は、流路を画成するハウジングと、ハウジング内に配列された段とを含む。段は、複数の回転翼形部材及び第１の複数の静止翼形部材を含む。第２の静止翼形部材は、第１の複数の静止翼形部材に直近して配列される。流れ改善システムは、第１及び第２の複数の静止翼形部材の各々と関連付けられる。流れ改善システムが、第２の複数の静止翼形部材の各々に対して第１の複数の静止翼形部材の各々の所定のクロッキングを確立して、流路に沿った流れ特性を改善する。

例示的な実施形態のさらに別の態様によれば、ターボ機械において流れ特性を改善する方法は、第１の複数のピーク及び第１の複数のトラフを有し、ターボ機械の流路に沿って流れる第１のスピニング波を形成するステップと、第２の複数のピーク及び第２の複数のトラフを有し、ターボ機械の流路に沿って流れる第２のスピニング波を形成するステップと、第１のスピニング波を第２のスピニング波に配向し、第１の複数のピークが第２の複数のトラフと位置合わせされて非定常圧力の低い空間分布を有する吐出流を形成するステップとを含む。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

例示的な一実施形態による、流れ改善システムを含むターボ機械の概略図。 例示的な一実施形態による、流れ改善システムを例示する、図１のターボ機械の圧縮機部分の概略図。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、例示的な実施形態に従って構成されたターボ機械が全体的に符号２で示されている。ターボ機械２は、タービン部分６に流体接続された圧縮機部分４を含む。燃焼器アセンブリ８もまた、圧縮機部分４及びタービン部分６に接続される。燃焼器アセンブリ８は、複数の燃焼器を含み、その１つが参照符号１０で示され、ターボ機械２の周りに缶型環状アレイで配列されている。燃焼器の数及び配列は変えることができる。

図示のように、圧縮機部分４は、共通の圧縮機／タービンシャフト１２を通じてタービン部分６に機械的にリンクされる。圧縮機部分４は、流体経路１６に沿って延在する複数の圧縮機段１４を入れたハウジング１３を含む。例示的な実施形態では、圧縮機部分４は、図示の例示的な実施形態では、圧縮機部分４は、第１の圧縮機段２０、第２の圧縮機段２１、及び第３の圧縮機段２２を含む。タービン部分６はまた、複数の段（図示せず）を含む。勿論、圧縮機部分４及びタービン部分６における段数は変えることができる点に留意されたい。この配置に関して、圧縮機吸気口（別個に表記していない）内に入る空気は、流路１６に沿って流れ、圧縮機段２０〜２２を通って加圧されて加圧空気を形成する。加圧空気の第１の部分は、燃焼器アセンブリ８に流入し、可燃性燃料と混合して燃焼されて燃焼ガスを形成する。燃焼ガスは、タービン部分６を通って膨張し、ターボ機械２から出力される仕事を産出する。加圧空気の第２の部分は、冷却流体としてタービン部分６を通過する。

第１の圧縮機段２０は、複数の回転翼形部材２９を含む。回転翼形部材２９は、第１段ロータ（図示せず）を通じて共通の圧縮機／タービンシャフト１２に結合されるブレード又はバケット３０の形態をとる。第１の圧縮機段２０はまた、複数の回転翼形部材３２を含む。回転翼形部材３２は、圧縮機ハウジング１３に対して固定して取り付けられたベーン又はノズル３３の形態をとる。ノズル３３は、第２の圧縮機段２１に向けて空気流を誘導する。従って、第２の圧縮機段２１は、複数の回転翼形部材３６を含む。回転翼形部材３６は、第２段ロータ（図示せず）を通じて共通の圧縮機／タービンシャフト１２に結合されるブレード又はバケット３７の形態をとる。第２の圧縮機段２１はまた、複数の回転翼形部材３９を含む。回転翼形部材３９は、圧縮機ハウジング１３に対して固定して取り付けられたベーン又はノズル４０の形態をとる。ノズル４０は、第３の圧縮機段２２に向けて空気流を配向する。第３の圧縮機段２２は、複数の回転翼形部材４３を含む。回転翼形部材４３は、第３段ロータ（図示せず）を通って共通の圧縮機／タービンシャフト１２に結合されるブレード又はバケット４４の形態をとる。第３の圧縮機段２２はまた、複数の回転翼形部材４６を含む。回転翼形部材４６は、圧縮機ハウジング１３に対して固定して取り付けられたベーン又はノズル４７の形態をとる。ノズル４７は、複数の出口案内翼（ＥＧＶ）５０に向けて空気流を誘導し、該出口案内翼（ＥＧＶ）５０は、加圧空気を燃焼器アセンブリ８内に、及びタービン部分６の第１の段（別個に表記されていない）に向けて配向する。ＥＧＶ５０は、ノズル４７に直近して配置される。より具体的には、圧縮機部分４は、ノズル４７とＥＧＶ５０との間にどのような回転翼形部材も存在しない。

次に、第２及び第３の圧縮機段２１，２２並びにＥＧＶ５０の説明で図２を参照する。図示のように、第２の複数の回転翼形部材３６の各々は、負圧側面５５及び正圧側面５６によって接合される前縁５２と後縁５３を含む。同様に、第２の複数の静止翼形部材３９の各々は、負圧側面６３及び正圧側面６４によって接合される前縁６０と後縁６２を含む。第２の複数の静止翼形部材３９は、互いに離間して配置され、複数の第２段ノズル通路を形成し、その１つが符号６６で示されている。同様に、第３の複数の回転翼形部材４３は、負圧側面７３及び正圧側面７４によって接合される前縁７０と後縁７２を含む。第３の複数の回転翼形部材４６は、負圧側面８２及び正圧側面８３によって接合される前縁７９と後縁８０を含む。第３の複数の回転翼形部材４６は、互いに離間して配置され、複数の第３段ノズル通路を確立し、その１つが符号８５で示されている。

例示的な実施形態の１つの態様に従って、ターボ機械２は、以下でより詳細に説明されるように、流路１６に沿ったスピニング波モード伝播を低減するスピニング波低減システム１００の形態をとる流れ改善システムを含む。作動時には、符号１０４で示すような空気流は、第１の段２０から第２の段２１に向かって流れる。空気流１０４は、第２の複数の回転部材３６にわたって通り、ノズル４０を越えてノズル通路６６を通って流れ、伴流ゾーン（図示せず）を生成する。第１の圧力パターン又はスピニング波モード１０９を有する第１のスピニング波１０７は、バケット４４とノズル４７との間の空気流１０４における相互作用の結果として流路１０６に沿って生じる。用語「スピニング波」は、静止部材と回転部材との間の相互作用の結果として生じる不均質な圧力パターンを有する圧力波を記述するものであることを理解すべきである。第１のスピニング波１０７は、圧縮機部分４の下流側で伝播し始める。スピニング波モード１１５を有する別のスピニング波１１３は、バケット４４及びＥＧＶ５０から流れる空気流における相互作用の結果として生じる。より具体的には、バケット４４を通る空気流は、ＥＧＶ５０と相互作用し、ノズル通路９６を通ってタービン６の第１段（図示せず）に向けて流れる伴流（図示せず）を生成する。バケット４４は、下流側のノズル４７及びＥＧＶ５０との相互作用の結果として第１及び第２のスピニング波を生成する。以下でより詳細に説明するように、スピニング波低減システム１００により、第１のスピニング波１０７が第２のスピニング波１１３を相殺する。

スピニング波低減システム１００は、ノズル４７及びＥＧＶ５０の所望のクロッキング又は円周方向オフセットを確立し、ノズル通路８５とノズル通路９６との間の位置ずれをもたらす結果となる。図示のように、スピニング波低減システム１００は、ノズル４７とＥＧＶ５０との所望の相対的位置付けを確立し、第１のスピニング波１０７と第２のスピニング波１１３との間の相互作用を調整する。より具体的には、スピニング波低減システム１００が確立する特定のクロッキング位置ずれによって、第１のスピニング波１０７のピーク（別個に表記されていない）が、第２のスピニング波１１３のトラフ（別個に表記されていない）と位置合わせされる。第１のスピニング波１０７のピークと第２のスピニング波１１３のトラフの特定の位置合わせは、改善された圧縮機動力学をもたらすＥＧＶ５０の下流側の不安定な圧力の空間分布を均質化する。スピニング波低減システム１００によって提供される特定のクロッキングは、同数のノズル４７及びＥＧＶ５０間の特定のオフセットを通じて達成することができる。

この時点で、例示的な実施形態は、ターボ機械内の流れを改善するシステムを提供する点を理解されたい。例示的な実施形態は、流路に沿って移動するスピニング波間の特定の相互作用を調整することによりターボ機械の圧縮機部分の流体流特性を強化する。特定の相互作用は、第２のスピニング波のトラフと実質的に位置合わせした第１のスピニング波のピークをもたらし、ターボ機械の圧縮機及びタービン部分へのスピニング波伝播を低減する。圧縮機部分におけるスピニング波モードの伝播の低減は、燃焼器動作の改善、システムダイナミックスの低減、及びターボ機械の耐用期間の延長をもたらす。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

２ ターボ機械
４ 圧縮機部分
６ タービン部分
８ 燃焼器アセンブリ
１０ 複数の燃焼器
１２ 共通の圧縮機／タービンシャフト
１３ ハウジング
１４ 複数の圧縮機段
１６ 流路
２０ 第１の圧縮機段
２１ 第２の圧縮機段
２２ 第３の圧縮機段
２９ 複数の回転翼形部材
３０ ブレード又はバケット
３２ 複数の静止翼形部材
３３ ベーン又はノズル
３６ 複数の回転翼形部材
３７ ブレード又はバケット
３９ 複数の静止翼形部材
４０ ベーン又はノズル
４３ 複数の回転翼形部材
４４ ブレード又はバケット
４６ 静止翼形部材
４７ ベーンノズル
５０ 複数の出口案内翼（ＥＧＶ）
５２ 前縁
５３ 後縁
５５ 負圧側面
５６ 正圧側面
６０ 前縁
６１ 後縁
６３ 負圧側面
６４ 正圧側面
６６ 複数の第２段ノズル通路
７０ 前縁
７１ 後縁
７３ 負圧側面
７４ 正圧側面
７９ 前縁
８０ 後縁
８２ 負圧側面
８３ 正圧側面
８５ 複数の第３段ノズル通路
１００ スピニング波低減システム
１０４ 空気流
１０７ 第１のスピニング波
１０９ 第１の圧力パターン又はスピニング波モード
１１３ スピニング波
１１５ スピニング波モード

Claims (14)

1. 流路を画成するハウジングと、
   ハウジング内に配列され、複数の回転翼形部材及び第１の複数の静止翼形部材を含む段と、
   第１の複数の静止翼形部材に直近して配列される第２の複数の静止翼形部材と、
   第１及び第２の複数の静止翼形部材の各々と関連する流れ改善システムと
   を備え、流れ改善システムが、第２の複数の静止翼形部材の各々に対する第１の複数の静止翼形部材の各々の所定のクロッキングを確立して流路に沿った流れ特性を改善する、ターボ機械。
2. 第２の複数の静止翼形部材が、ターボ機械燃焼器に向けて流体流を誘導するように構成された出口案内翼（ＥＧＶ）の性質を有する、請求項１記載のターボ機械。
3. 所定のクロッキングが、流路に沿って移動する第１のスピニング波のピークを流路に沿って移動する第２のスピニング波のトラフと位置合わせするように構成されている、請求項１記載のターボ機械。
4. 段が、ターボ機械の圧縮機部分において段を備える、請求項１記載のターボ機械。
5. ターボ機械システムであって、
   圧縮機部分と、
   圧縮機部分に機械的にリンクされたタービン部分と、
   圧縮機部分及びタービン部分の各々に流体接続された燃焼器アセンブリと
   を備え、圧縮機部分が、
   流路を画成するハウジングと、
   ハウジング内に配列され、複数の回転翼形部材及び第１の複数の静止翼形部材を含む段と、
   第１の複数の静止翼形部材に直近して配列される第２の複数の静止翼形部材と、
   第１及び第２の複数の静止翼形部材の各々と関連する流れ改善システムと、
   を備え、流れ改善システムが、第２の複数の静止翼形部材の各々に対する第１の複数の静止翼形部材の各々の所定のクロッキングを確立して流路に沿った流れ特性を改善する、ターボ機械システム。
6. 第２の複数の静止翼形部材が、ターボ機械燃焼器に向けて流体流を誘導するように構成された出口案内翼（ＥＧＶ）の性質を有する、請求項５記載のターボ機械。
7. 圧縮機部分が、第１の複数の静止翼形部材と第２の複数の静止翼形部材との間に配列される回転翼形部材が存在しない、請求項６記載のターボ機械。
8. 所定のクロッキングが、流路に沿って移動する第１のスピニング波のピークを流路に沿って移動する第２のスピニング波のトラフと位置合わせするように構成されている、請求項４記載のターボ機械。
9. ターボ機械において流れ特性を改善する方法であって、
   第１の複数のピーク及び第１の複数のトラフを有し、ターボ機械の流路に沿って流れる第１のスピニング波を形成するステップと、
   第２の複数のピーク及び第２の複数のトラフを有し、ターボ機械の流路に沿って流れる第２のスピニング波を形成するステップと、
   第１のスピニング波を第２のスピニング波に配向し、第１の複数のピークが第２の複数のトラフと位置合わせされて非定常圧力の低い空間分布を有する吐出流を形成するステップと
   を含む、方法。
10. 第１のスピニング波を第２のスピニング波に配向するステップが、第１の複数の翼形部材の下流側で且つ直近して配置されるを含む、請求項９記載の方法。
11. 第２の複数の翼形部材に対して第１の複数の翼形部材をクロッキングするステップが、第２の複数の静止案内翼に対して第１の複数の静止案内翼をオフセットするステップを含む、請求項１０記載の方法。
12. 第２のスピニング波を第１のスピニング波に配向するステップが、第２の複数の静止案内翼を越えて第２のスピニング波を通過させるステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 第２の複数の静止案内翼に対して第１の複数の静止案内翼をオフセットするステップが、複数の圧縮機出口案内翼に対して第１の複数の静止案内翼をオフセットするステップを含む、請求項１１記載の方法。
14. 吐出流をターボ機械燃焼器内に通過させるステップをさらに含む、請求項１１記載の方法。