JP2013227974A

JP2013227974A - タービン冷却システム

Info

Publication number: JP2013227974A
Application number: JP2013088971A
Authority: JP
Inventors: David Richard Johns; デイビッド・リチャード・ジョンズ; Don Conrad Johnson; ドン・コンラッド・ジョンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-04-25
Filing date: 2013-04-22
Publication date: 2013-11-07
Also published as: RU2013118661A; CN103375204A; EP2657462A1; US20130283814A1

Abstract

【課題】タービン冷却システムを提供すること。
【解決手段】システムはタービンを含む。タービンは、ロータ、ステータ、及び冷却インサートを含む。ロータは、複数のタービンブレードを含む。ステータは、ロータを囲み、複数のタービンブレードを囲む内側壁部と、内側壁部を囲む外側壁部と、内側壁部と外側壁部との間に位置する冷却チャンバとを含む。冷却インサートは、外側壁部の開口を貫通して冷却チャンバに延びる。冷却インサートは、軸線の回りに延びる側壁と、軸線に対して横方向に延びる端壁と、側壁を貫通して延びる横方向ポートのセットと、端壁を貫通して延びる端部ポートとを含む。冷却インサートは、冷却流体を横方向ポートのセット及び端部ポートを通して冷却チャンバに配向するように構成される。
【選択図】図１

Description

本明細書に開示した主題は、ガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービンエンジンの構成要素に対する冷却流体の流れを調節するための流れ制御組立体に関する。

ガスタービンエンジンは、中心のロータに取り付けられた複数のブレードを有するタービンを含む。燃焼器からの高温燃焼ガスは、これらのブレードを通って流れて、ロータを回転させる。ブレードを迂回するガスの量を最少にすることにより、ガス流からタービンロータへのエネルギー伝達が高められる。高温の作動温度下では、ガスタービンエンジン構成要素、具体的にはガス通路内の回転構成要素は、熱膨張、応力、及び摩耗を受ける可能性がある。これらの構成要素は、該構成要素内及びその周りの冷却流体の流れによって冷却することができる。残念ながら、これらの冷却流体の非均一な分布、ひいては非均一な冷却もまた、タービン構成要素における温度のバラツキに起因して熱応力をもたらす可能性がある。

米国特許第６，７６７，１８２号明細書

最初に請求項に記載された本発明の範囲内にある特定の実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求した本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではなく、むしろそれらの実施形態は、本発明の実施可能な形態の簡潔な概要を示すことのみを意図している。当然のことながら、本発明は、下記に説明した実施形態と同様のもの又は該実施形態と異なるものとすることができる様々な形態を含むことができる。

１つの実施形態では、本システムはタービンを含む。タービンは、ロータ、ステータ、及びタービン冷却インサートを含む。ロータは、複数のタービンブレードを含む。ステータは、ロータを囲み、複数のタービンブレードを囲む内側壁部と、該内側壁部を囲む外側壁部と、内側壁部と外側壁部との間に位置する冷却チャンバとを含む。タービン冷却インサートは、外側壁部の開口を貫通して冷却チャンバに延びる。タービン冷却インサートは、軸線の回りに延びる側壁と、軸線に対して横方向に延びる端壁と、側壁を貫通して延びる横方向ポートのセットと、端壁を貫通して延びる端部ポートとを含む。タービン冷却インサートは、横方向ポートのセット及び端部ポートを通る冷却流体を冷却チャンバに配向するように構成される。

別の実施形態では、本システムはタービン冷却インサートを含む。タービン冷却インサートは、該タービン冷却インサートの軸線の回りに延びる側壁を含む。側壁は、該側壁を貫通して延びる横方向ポートのセットを含む。タービン冷却インサートはまた、該タービン冷却インサートの軸線に対して横方向に延びる端壁を含む。端壁は、該端壁を貫通して延びる端部ポートのセットを含む。タービン冷却インサートは、横方向ポートのセット及び端部ポートのセットを通る冷却流体を中空タービンケーシングの冷却チャンバに配向するように構成される。

別の実施形態では、方法は、タービンの中空タービンケーシング内に延びるタービン冷却インサート内に冷却流体を受けるステップを含む。本方法は、冷却流体をタービン冷却インサートの複数のポートを通って中空のタービンケーシングの冷却チャンバに分配するステップを含む。ポートは、タービン冷却インサートの側壁に配置された横方向ポートのセットと、タービン冷却インサートの端壁内に配置された端部ポートのセットとを含む。

本発明のこれら並びに他の特徴、態様、及び利点は、図面全体を通じて同じ参照符号が同じ要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより、一層よく理解されるであろう。

クーラント（例えば、冷却空気）の分散を改善するために１つ又はそれ以上の冷却インサートを備えたタービンシステムの実施形態のブロック図。冷却インサートを示した、図１に示すタービンセクションの実施形態の部分側断面図。冷却インサートを示す、図２の線３−３で囲まれたタービンセクションの実施形態の部分断面図。冷却インサートの１つの実施形態の斜視図。角度付き端部ポートを備えた冷却インサートの１つの実施形態の部分側断面図。湾曲端壁を備えた冷却インサートの１つの実施形態の部分側断面図。

本発明の１つ又はそれ以上の特定の実施形態について、以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。

開示した実施形態は、ガスタービンエンジンの構成要素に対するクーラント（例えば、冷却流体）の内部流を調量し拡散させる冷却インサートを含む。運転時には、タービンエンジンは、エンジンの部品全体に配向される高温燃焼ガスを発生させる。エンジン効率を高めるために、これらの燃焼ガスの漏洩を阻止し、この燃焼ガスを１つ又はそれ以上のタービン段に送って動力を発生させるのが望ましい。従って、エンジンのステータ構成要素は、より高温に耐えるように設計することができる。しかしながら、耐熱性ケーシング及び他のステータ構成要素の場合でも、所望の作動温度を維持するために、エンジンの特定の構成要素に対して冷却流体を十分に考慮して配向するのが有利とすることができる。開示した冷却インサートは、クーラント（例えば、加圧空気流）を複数の方向（例えば、軸方向、半径方向、及び円周方向）に分配して、タービン構成要素の冷却の均一性を向上させるように構成される。開示した冷却インサートは、複数のポート、例えば約２〜１０００、１０〜５００、又は２０〜１００のポートを有し、タービンセクションにおいてより均一な温度分布を維持するようにクーラントを調量し、拡散し、及び配向することができる。

エンジンのステータ構成要素は、軸方向のセグメント（例えば、エンジンの回転シャフトの軸線に沿って順次に組み立てられるセグメント）として、及び／又は円周方向のセグメント（例えば、シャフト又は他の機械構成要素を実質的に囲むように組み立てられたセグメント）として組み立てることができる。何れの実施例においても、セグメントは、回転及び／又は可動構成部品を内包すること目的として組み立てることができる。更に、セグメントは、所望の最少のクリアランスを維持して効率を向上させるために、ステータ構成要素に対して整列させた回転構成部品を囲むことができる。開示した冷却インサートは、ステータ構成要素の冷却の均一性を高めるのに役立ち、これによって回転及び／又は可動構成要素の周りのステータ構成要素の熱膨張（及びクリアランス）をより均一に制御するのに役立つ。

次に図面に移り、最初に図１を参照すると、クーラント（例えば、冷却空気）の分配を改善するために１つ又はそれ以上の冷却インサート３８を備えたタービンシステム１０（例えば、ガスタービンエンジン）の実施形態のブロック図が示されている。上述のように、冷却インサート３８は、クーラントを複数の方向に分配して、タービン構成要素の冷却の均一性を向上させるように構成されている。以下の説明では、長手方向軸線３に対して軸方向又は軸線２、軸線３から離れる半径方向又は軸線４、及び軸線３の周りの円周方向６について参照する場合がある。図示のように、タービンシステムは、燃料ノズル１２、燃料供給源１４、及び燃焼器１６を含む。燃料供給源１４は、液体燃料又は天然ガスのようなガス燃料をタービンシステム１０に送り、燃料ノズル１２を通って燃焼器１６に入る。矢印１７で示した加圧空気と混合した後、燃焼器１６内で点火が生じ、結果として得られた排気ガスが、タービン２０（例えば、１つ又はそれ以上のタービン段２１）内のブレード１８を回転させる。タービン２０におけるブレード１８とシャフト２２との間の結合は、タービンシステム１０全体にわたって複数の構成要素にも結合されるシャフト２２の回転を生じさせる。例えば、図示のシャフト２２は、圧縮機２４及び負荷２６に駆動可能に結合される。理解されるように、負荷２６は、タービンシステム１０の回転出力により動力を発生させることができる、発電機又は車両のようなあらゆる好適な装置とすることができる。

空気供給源２８は、導管を介して吸気口３０に空気を送ることができ、該吸気口３０は、空気を圧縮機２４に送る。圧縮機２４は、シャフト２２に駆動可能に結合された複数のブレード３２を含み、これにより矢印３３で示すように吸気口３０からの空気を加圧して、この加圧空気を燃料ノズル１２及び燃焼器１６に送る。燃料ノズル１２は次に、燃焼に最適な比率で（例えば、燃料を浪費しないよう、又は過剰なエミッションを発生させないように燃料をより完全に燃焼させる燃焼）加圧空気と燃料を混合（符号１７で示す）することができる。タービン２０を通過した後、高温排気ガスは、排気出口３４にてシステムから流出する。タービンシステム１０は、該システム１０の作動中に固定状態の他の構成要素に対して、シャフト２２のように移動及び／又は回転する様々な構成要素を含む。

タービンシステム１０は、タービン２０の内部を冷却するためのシステムを含むことができる。図示のように、圧縮機２４（又は他の別個の供給源）からの空気の一部は、流体導管３５（例えば、抽出管）を介して冷却空気供給源３６に送られる。図示のように、空気は、圧縮機２４の様々な段に配置された３つの流体導管３５を介して送られる。他の実施形態では、空気は、１、２、３、４、５、又はそれ以上の導管３５を介して送ることができる。圧縮機２４の各段における空気は、様々な温度及び／又は圧力を有することができ、タービン２０を冷却するために様々な熱力学特性を有する空気を使用するのが望ましいとすることができる。特定の実施形態では、冷却空気供給源３６は、タービン２０を冷却する際に使用する空気を冷却する熱交換器（例えば、冷却器）を含むことができる。冷却空気供給源３６の空気は、１つ又はそれ以上のタービン冷却インサート３８を通って１つ又はそれ以上のタービンキャビティ（例えば、冷却チャンバ４０）に送られる。各冷却インサート３８は、複数の冷却ポート３９を備えた有孔部３７（例えば、有孔端部）を含む。空気は、タービン内部を冷却し、１つ又はそれ以上の出口を介して冷却チャンバ４０から流出する。例えば、冷却空気は、排気出口３４を通って流出する排気ガスと共に流出させて、排気ガスと合流させることができる。

特定の実施形態では、冷却チャンバ４０は、タービン段２１に配置され、これらのタービン段２１は、４つの冷却チャンバ４０を有することができる。一部のタービン段２１は、冷却チャンバ４０を持たない場合があり、他のタービン段２１は、１、２、３、４、５、又は６つ、もしくはそれ以上の冷却チャンバ４０を有することができる。すなわち、タービン段２１当たりの冷却チャンバ４０の数は変えることができる。各冷却チャンバ４０は、少なくとも１つのタービン冷却インサート３８を有する。以下で説明するように、冷却インサート３８は、冷却チャンバ４０内に冷却空気を調量、拡散、及び／又は分配して、タービン２０の冷却の均一性を向上させるように構成される。例えば、各インサート３８は、様々な方向に向けられた複数の冷却ポート３９を含み、タービン２０により均一な温度分布をもたらすように冷却空気流を制御することができる。従って、冷却空気供給源３６からの空気は、タービン２０の様々な段２１を冷却する複数のインサート３８に送給することができる。更に、この空気は、タービン２０の共通段２１を冷却する複数のインサート３８に送給することができる。更に、この空気は、タービン２０の段２１の共通冷却チャンバ４０を冷却する複数のインサート３８に送給することができる。特定の実施形態によれば、冷却流体は、タービン２０を連続的に冷却するために冷却空気供給源３６から連続的に流すことができる。

タービン２０の冷却は、インサート３８及び／又は他の流れ制御装置によって全体的に調節することができる。理解できるように、インサート３８は、これらを通って流れることができる最大流量を有し、タービンシステム１０の特定の実施形態は、タービンシステム１０が作動している間に最大流量が冷却チャンバ４０に連続的に流入することが望ましいとすることができる。しかしながら、タービンシステム１０はまた、冷却チャンバ４０に送られる冷却空気の量を調節するコントローラ４２を含むことができる。コントローラ４２は、１つ又はそれ以上のセンサ４７からのフィードバック信号４６に基づいてバルブ４４をスロットル制御し、タービン２０の冷却用の冷却空気の流れを増加又は減少させることができる。例えば、第１の冷却チャンバ４８が過冷却され、第２の冷却チャンバ４９が冷却空気不足になった場合には、コントローラ４２は、過冷却した冷却チャンバ４８がより少ない冷却空気を受け取り、不足した冷却チャンバ４９がより多くの冷却空気を受け取るように、バルブ４４を調節することができる。従って、タービン２０にわたる温度勾配は、開示した冷却インサート３８を使用して減少させることができる。センサ４７は、冷却チャンバ４０の温度、又はバルブ４４を調節することによって決まる他の何らかの変数を測定することができる。

図２は、冷却インサート３８を示したタービン２０のセクションの１つの実施形態の部分側断面図である。上述のように、冷却インサート３８は、様々な方向で冷却チャンバ４０内に冷却空気を調量、拡散、及び／又は分配して、タービン２０の冷却の均一性を高めるように構成される。図２に示すように、燃焼器１６からの高温ガスは、軸方向６でタービン２０に流入する。この実施形態において示したタービン２０は、３つのタービン段２１を含む。タービン２０の他の実施形態は、より多く又はより少ないタービン段２１を含むことができる。例えば、タービンは、１、２、３、４、５、６、又はそれ以上のタービン段２１を含むことができる。各タービン段２１は、複数のノズル（例えば、固定ブレード）と複数の回転バケット又はブレード１８とを含む。第１のタービン段２１は、タービン２０の軸線３の周りで円周方向６に約等間隔に配置されたノズル５２及びブレード５４を含む。第１段ノズル５２は、タービン２０に堅固に取り付けられ、ブレード５４に向けて燃焼ガスを配向するように構成される。第１段ブレード５４は、燃焼ガスがブレード５４を通って流れると回転するロータ５６に取り付けられる。ロータ５６は、圧縮機２４及び負荷２６（図１参照）を駆動するシャフト２２に結合される。燃焼ガスは、第２段ノズル５８及び第２段ブレード６０を通って流れる。第２段ブレード６０もまた、ロータ５６に結合される。最後に、燃焼ガスは、第３段ノズル６２及びブレード６４を通って流れる。他の実施形態では、タービン２０のタービン段２１の数は変えることができる（例えば、約１〜２０、２〜１０、又は３〜５のタービン段２１）。燃焼ガスが各段を通って流れると、燃焼ガスからのエネルギーは、ロータ５６の回転エネルギーに転換される。各タービン段２１を通って流れた後、燃焼ガスは、軸方向２及び／又は半径方向４でタービン２０から流出する。

ブレード５４、６０、及び６４を含むロータ５６は、中空タービンケーシング６６を含むステータ構成要素によって囲まれる。ケーシング６６は、ブレード５４、６０、及び６４を囲む内側壁部６８と、該内側壁部６８を囲む外側壁部７０とを含む。冷却チャンバ４０は、外側壁部７０と内側壁部６８との間でケーシング６６内に収容される。ケーシング６６は、高温度に耐えることができる材料で製造することができる。冷却流体導管７２は、冷却空気供給源３６（図１）からの冷却流体を外側壁部７０の開口７４を通って冷却チャンバ４０に送給する。インサート３８は、導管７２及び外側壁部７０に結合され、該インサート３８は、開口７４を通ってチャンバ４０に延びる。インサート３８は、ファスナー７６を用いて導管７２及び外面７０に結合することができる。例えば、インサート３８は、ボルト、溶接、ロウ付け、又は他の好適な取付け機構を用いて導管７２に結合することができる。冷却流体は、導管７２からインサート３８に流れ、インサート３８は、冷却チャンバ４０全体に冷却流体を分配する。流れの矢印７８は、冷却チャンバ４０を満たす冷却流体の可能な経路を示している。冷却流体は、出口を通って冷却チャンバ４０から流出することができ、該出口は、加熱冷却流体をタービン排気出口３４に送ることができる。図示のように、インサート３８は、外側壁部７０を貫通して半径方向４に延び、冷却チャンバ４０内に部分的に突出する。この場合も同様に、各冷却チャンバ４０は、約１〜１００個のインサート３８を有して、冷却チャンバ４０全体に冷却流体流れ７８を調量、拡散、及び分配することができる。各インサート３８は、様々な方向（例えば、軸方向２、半径方向４、及び／又は円周方向６）に向けられた複数の冷却ポート３９を有する有孔端部３７を含み、冷却チャンバ４０の様々な高温スポット及び／又は臨界領域への冷却流体の流れを確実にする。冷却ポート３９はまた、様々なサイズを有し、冷却チャンバ４０への冷却流体流れの分配及び速度を制御することができる。更に詳細に示すように、インサート３８は、冷却チャンバ４０内に外側壁部７０から離れた半径方向深さ７７まで延び、これにより好適な位置に冷却ポート３９を配向して冷却を向上させることができる。特定の実施形態では、半径方向深さ７７は、内側壁部６８と外側壁部７０との間の半径方向距離７９の約０〜９５、１〜７５、２〜５０、３〜２５、又は４〜１５％とすることができる。インサート３８に関する特定の詳細事項を以下で更に詳細に説明する。

図３は、冷却インサート３８を示す、図２の線３−３で囲まれたタービン２０の実施形態の部分断面図である。インサート３８は、外側壁部７０の開口７４を貫通して冷却チャンバ４０に延びる。インサート３８は、外側壁部７０に対して横方向の軸線８０を中心として配向される。インサート３８は、軸線８０の回りに延びる側壁８２（例えば、中空環状壁）と、軸線８０に対して横方向に延びる端壁８４と、取付け端部又はフランジ８６とを含む。取付け端部８６は、タービンケーシング６６の外側壁部７０と共に溶接継手、ロウ付け継手、ボルト、又は他のファスナーにより取り付けるように構成される。上述のように、インサート３８は、複数の冷却ポート３９を備えた有孔部３７を含む。例示の実施形態では、有孔部３７は、側壁８２及び端壁８４の両方にポート３９を含む。横方向ポート３９、８８のセットは、側壁８２を貫通して延びる。各横方向ポート８８は、軸線８７と、幅又は直径８９とを有する。端部ポート９０のセットは、端壁８４を貫通して延びる。各端部ポート９０は、幅又は直径９１と、軸線９３とを有する。

特定の実施形態では、各ポート３９（例えば、８８、９０）の直径８９、９１及び軸線８７、９３は、冷却チャンバ４０における冷却流体の制御された及び／又は均一な分配を達成するように変えることができる。例えば、横方向ポート８８の直径と端部ポート９０の直径９１との比は、約２０：１、１５：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、２：１、又は１：１以上とすることができる。或いは、端部ポート９０の直径９１と横方向ポート８８の直径８９との比は、約２０：１、１５：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、２：１、又は１：１以上とすることができる。換言すると、直径８９は、何らかの要因により直径９１よりも大きくすることができ、又はその逆であってもよい。更に、直径８９、９１のサイズは、インサート３８の内径９５を基準にすることができる。例えば、横方向ポート８８の直径８９とインサート３８の内径９５との比は、約１：２０、１：１５、１：１０、１：５、又は１：２以下とすることができる。同様に、端部ポート９０の直径９１とインサート３８の内径９５との比は、約１：２０、１：１５、１：１０、１：５、又は１：２以下とすることができる。換言すると、ポート８８、９０の直径８９、９１は、何らかの要因によってインサート３８の直径９５よりも小さくすることができる。

図３に示したように、横方向ポート８８の軸線８７は、冷却インサート３８の軸線８０に対し垂直である。更に、端部ポート９０の軸線９３は、冷却インサート３８の軸線８０に平行である。他の実施形態では、図５及び図６に詳細に示すように、ポート８８、９０の軸線８７、９３は、冷却インサート３８の軸線８０に対して異なる角度を形成することができる。例えば、軸線８７、９３が軸線８０に対して形成する角度は、約０〜９０、１０〜８０、２０〜７０、３０〜６０、又は４０〜５０度とすることができる。理解できるように、軸線８７、９３が軸線８０に対して形成する様々な角度は、冷却チャンバ４０における冷却流体の分配に影響を及ぼす可能性がある。更に、各ポート３９（例えば、８８、９０）の形状は変えることができる。例えば、ポート３９は、円形、正方形、円錐形、又は他の好適な形状を有することができる。従って、各ポート３９（例えば、８８、９０）の所望の直径、軸線の向き、及び形状は、変えることができる。タービン２０内の各冷却チャンバ４０が異なる形状を有することができるので、各インサート３８は、冷却チャンバ４０に対応した異なる設計を有することができる。インサート３８は、タービンケーシング６６内への半径方向４の挿入深さ９２を有し、上述の半径方向深さ７７を制御する。特定の実施形態では、挿入深さ９２（及び半径方向深さ７７）は、冷却チャンバ４０への冷却流体の様々な進入度を可能にするように変えることができる。同様に、横方向ポート８８は、側壁８２上で軸線８０に沿った様々な軸方向位置に配置され、冷却チャンバ４０への冷却流体の様々な分配を達成することができる。

冷却流路７８によって示すように、加圧空気のような冷却流体は、開口７４に流入し、軸線８０に沿ってインサート３８を通って流れる。冷却流体流れ７８が有孔部３７に到達すると、インサート３８は、端部ポート３９、９０を通る冷却流体流れ７８の一部を流路７８、９４に沿って冷却チャンバ４０内に配向する。端部ポート９０を通る流体流れに対する、横方向ポート８８を通る冷却流体流れ７８のＬＦ：ＥＦ比（すなわち、横方向流れ（ＬＦ）対端部流れ（ＥＦ）の比）は、冷却チャンバ４０の流体の分配に影響を及ぼす。上述のように、特定の実施形態では、インサート３８は、約１：１よりも大きいＬＦ：ＥＦ比を有する（例えば、横方向ポート８８を通って流れる流体の一部は、端部ポート９０を通って流れる流体の一部よりも大きい）。幾つかの実施形態では、冷却インサート３８のＬＦ：ＥＦ比は、約３：１、４：１、５：１、６：１、７：１、８：１、９：１、又は１０：１、よりも大きく、又は約２：１〜２０：１、５：１〜１５：１、又は８：１〜１２：１の間である。しかしながら、ＬＦ：ＥＦ比は、特定のチャンバ４０の様々な冷却目標に基づいて調節することができる。

横方向ポート８８及び端部ポート９０により、インサート３８が、冷却流体流れ７８を制御された方法で冷却チャンバ４０に調量、拡散、及び分散できるようになる。更に、外側壁部７０にインサート３８がない状態で、冷却流体が複数の離散的開口７４を通って送給されると、冷却流体は、インサート３８がない状態で異なる速度で各冷却チャンバ４０に流入することができる。他の冷却チャンバ４０は過冷却である場合、特定の冷却チャンバ４０は冷却流体が不足している場合がある。インサート３８の有孔部３７（例えば、複数の冷却ポート３９）は、冷却チャンバ４０間の冷却流体流れ７８の変動を低減するのに役立つ。特定の実施形態は、様々な直径、軸線の向き及び／又は形状のポート３９（例えば、８８、９０）を備えた複数のインサート３８を使用して、他の方法で冷却流れ７８（例えば、必要に応じてより多くの流れ又はより少ない流れ）を制御することができる。

加えて、インサート３８は、冷却流体流れ７８を複数の方向に（例えば、一部は横方向ポート８８を通り、一部が端部ポート９０を通って）分配させることにより、冷却チャンバ４０内での冷却流体流れ７８の分配を向上させる。横方向ポート８８のない場合、領域９８は、端部ポート９０を通って流出する冷却流体が、内側壁部６８に向かって優先的に流れ続けるので、僅かな冷却しか受けることができない。従って、インサート３８は、冷却チャンバ４０内での冷却流体の拡散及び分配の改善をもたらし、これによりタービンケーシング６６のより均一で制御された冷却を提供する。インサート３８は、既存のタービンシステム１０で利用され、外側壁部７０の各開口７４内にインサート３８を後付けすることによって前述の特徴機構を示すことができる。

図４は、冷却インサート３８の１つの実施形態の斜視図である。図示のように、インサート３８は、側壁８２（例えば、環状側壁）、端壁８４（例えば、平端な端壁）、及び取付け端部８６によって定められた環状形状を有する。インサート３８の軸線８０を参照すると、インサート３８の形状及び構成は、軸方向１００、半径方向１０２、及び円周方向１０４に関して説明することができる。側壁８２は、軸線８０の周りで円周方向１０４に配置され、端壁８４は、軸線８０に対して横方向又は半径方向１０２（例えば、垂直方向）に延びる。他の実施形態では、インサート３８は、円錐形管状形状、多面体管状形状、正方形又は矩形管状形状、或いは、冷却流体を冷却チャンバ４０に送給するのに好適な他のあらゆる形状を有することができる。図示のように、冷却ポート３９は、円形形状を有するが、ポート３９は、長円形、直角三角形、シェブロン、Ｘ、Ｔ、Ｖ、Ｉ、又はこれらのあらゆる組合せの形にすることができる。横方向ポート８８は、軸線８０を基準として半径方向１０２に向けられ、端部ポート９０は、軸線８０を基準として軸方向１００に向けられる。従って、横方向ポート８８及び端部ポート９０は、軸線８０を基準として異なる角度に向けることができる。上述のように、軸線８０を基準として横方向ポート８８によって形成される角度は、約０〜９０、１０〜８０、２０〜７０、３０〜６０、又は４０〜５０度とすることができる。同様に、軸線８０を基準として端部ポート９０によって形成される角度は、約０〜９０、１０〜８０、２０〜７０、３０〜６０、又は４０〜５０度とすることができる。軸線８０を基準として横方向ポート８８によって形成される角度は、軸線８０を基準として端部ポート９０によって形成される角度と同じ又は異なるものとすることができる。

例示したように、横方向ポート８８の直径８９は、端部ポート９０の直径９１よりも大きい。上述のように、横方向ポート８８の直径８９と端部ポート９０の直径９１との比は、約２０：１、１５：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、２：１、又は１：１以上とすることができる。更に、ポート３９は、あらゆる数の横方向ポート８８（例えば、１〜５０）及び端部ポート（例えば、１〜１００）を含むことができる。例えば、インサート３８は、約５〜５０、１０〜４０、又は２０〜３０の横方向ポート８８、並びに約１〜２００、２５〜１００、又は５０〜７５の端部ポート９０を含むことができる。図示のように、横方向ポート８８は、軸線８０に沿って側壁８２上の共通軸方向１００位置を共用する。しかしながら、横方向ポート８８は、該横方向ポート８８が軸線８０に沿って側壁８２上の１つ又はそれ以上の異なる軸方向１００位置（例えば、２、３、４、５、又はそれ以上）を占有するように、側壁８２上の異なる構成で配置することができる。端部ポート９０は、端壁８４の中心領域１０５の周りに配置される。しかしながら、端部ポート９０はまた、端壁８４の円周部周りに配置され、該端壁８４の周りに不規則に散在され、或いは、軸線８０を基準として軸方向１００に冷却流体を配向するのに好適な他の構成を示すことができる。図示のように、取付け端部８６は、インサート３８を外側壁部７０に取り付けるためのファスナー７６を受ける、円周方向に間隔を置いて配置された孔１０６を含む。上述のように、幾つかの実施形態では、導管６２、インサート３８、及び外側壁部７０は、１つ又はそれ以上の溶接継手、ロウ付け継手、又は他の締結機構を用いて結合することができる。

図５は、角度付き端部ポート９０を備えた冷却インサート３８の実施形態の部分側断面図である。インサート３８は、軸線８０の周りに円周方向に延びた側壁８２と、軸線８０に対して横方向に又は半径方向１０２（例えば、垂直方向に）に延びる端壁８４とを有する。横方向ポート８８は、側壁８２を貫通して半径方向１０２に延び、端部ポート９０は、軸線８０を基準として異なる角度で端壁８４を貫通して延びる。角度付き端部ポート９０により、冷却流体流れ７８が、冷却チャンバ４０をより均一に充填できるようにすることができる。冷却流体は、インサート３８に流入し、通路７８に沿って流れる。冷却流体流れ７８の一部は、経路９６を進み、横方向ポート８８を通ってインサート３８から流出する。冷却流体流れ７８の他の部分は、経路９４を進み、角度付きポート９０を通ってインサート３８から流出する。

この例示した実施形態では、横方向ポート８８の軸線８７は、インサート３８の軸線８０に対して横方向（例えば、垂直）であるが、端部ポート９０の軸線９３は、軸線８０を基準として平行及び／又は角度が付けられる。上述のように、横方向ポート８８の軸線８７は、軸線８０を基準として約３０〜９０度の間、或いは、約３０、４５、６０、又は９０度の角度を付けることができる。更に別の実施例として、端部ポート９０の軸線９３は、軸線８０を基準として約０〜７５、１０〜６０、２０〜５０、３０〜４０の間、又は約４５度の角度を付けることができる。幾つかの実施形態では、各ポート９０の軸線９３は、軸線８０を基準として共通の角度（例えば、１５、３０、４５、６０、７５、又は９０度）を有することができる。他の実施形態では、例示したように、各ポート９０の軸線９３は、角度が軸線８０からの半径方向１０２の距離に伴って漸次的に変化する（例えば、増加又は減少する）ように、軸線８０を基準として可変の角度を付けることができる。例示したように、中心端部ポート９０（例えば、１０８）は、軸線８０に対して平行とすることができ、周囲端部ポート９０（例えば、１１２）の第１のセットは、軸線８０を基準として第１の角度に角度を付けることができ、周囲端部ポート９０（例えば、１１２）の第２のセットは、軸線８０を基準として第２の角度で角度を付けることができる。例えば、第１の角度は、約１０〜３０度とすることができ、第２の角度は、約４０〜６０度とすることができる。理解されるように、あらゆる数の端部ポート９０は、端壁８４に沿って漸次的に角度を変える（例えば、１〜２０度）ことができる。横方向ポート８０及び端部ポート９０の角度は、冷却チャンバ４０内における冷却流体流れ７８の拡散又は分配を向上させるように選択することができる。幾つかの実施形態では、ポート３９は、旋回流れを与えるように軸線８０の周りで角度を付けることができる。例えば、角度付き端部ポート９０は、冷却流体流れ７８に対して旋回運動を与えるような角度を付けることができる。更に、横方向ポート８８及び端部ポート９０は、同じ方向又は異なる方向に旋回運動を与えることができる。例えば、横方向ポート８８は、時計方向の旋回運動を与えることができ、端部ポート９０は、反時計方向の旋回運動を与えることができ、又はその逆も可能である。

図６は、湾曲した端壁１２０を有する冷却インサート３８の１つの実施形態の部分側断面図である。インサート３８は、軸線８０の周りで円周方向１０４に延びる側壁８２と、軸線８０に対して横方向に延びる端壁８４とを有する。図示のように、湾曲した端壁１２０は凸面形である。しかしながら、湾曲した端壁１２０は、凹面形、半球形、二次曲面表面、又はあらゆる好適な湾曲した形状にし、冷却チャンバ４０に対して冷却流体を送給することができる。横方向ポート８８は、側壁８２を貫通して半径方向１０２に延び、端部ポート９０は、軸線８０を基準として様々な角度で湾曲した端壁１２０を貫通して延びる。端部ポート９０は、湾曲した端壁１２０に対して直角で、軸線８０に対して平行で、軸線８０を基準として角度を付け、又は他の好適な配向で配置することができる。上述のように、横方向ポート８８の軸線８７は、軸線８０を基準として約３０〜９０度の間、又は約３０、４５、６０、９０度の角度を付けることができる。図示のように、横方向ポート８８、１２４の軸線８７、１２２は、軸線８０を基準として約９０度の角度が付けられる。更に、横方向ポート８８、１２８の軸線８７、１２６は、軸線８０を基準として約４５、６０、又は７５度の角度が付けられる。従って、横方向ポート８８（１２４及び１２８）は、互いに異なるような角度が付けられ、冷却チャンバ４０への冷却空気の分配を制御することができる。更に別の実施例として、端部ポート９０の軸線９３は、軸線８０を基準として約０〜７５、１０〜６０、２０〜５０、３０〜４０の間、又は約４５度の角度を付けることができる。幾つかの実施形態では、各ポート９０の軸線９３は、軸線８０を基準として共通の角度（例えば、１５、３０、４５、６０、７５、又は９０度）を有することができる。他の実施形態では、例示したように、各ポート９０の軸線９３は、角度が軸線８０から半径方向１０２の距離に伴って漸次的に変わる（例えば、増加又は減少する）ように、軸線８０を基準として可変の角度を付けることができる。例えば、各ポート９０は、端壁１２０の曲率が軸線８０を基準としたポート９０の角度を調整するように、端壁１２０に対して垂直とすることができる。端壁１２０の非平坦な形状もまた、より多くの端部ポート９０を付加するのに使用することができるより大きな表面積をもたらす。

理解できるように、湾曲した端壁１２０により、冷却流体が冷却チャンバ４０をより均一に充填するのを可能にすることができる。冷却流体は、インサート３８に流入し、通路７８に沿って流れる。冷却流体流れ７８の一部は、通路９６に進み、横方向ポート８８を通ってインサート３８から流出する。冷却流体流れ７８の他の部分は、経路９４に進み、端部ポート９０を通ってインサート３８から流出する。端部ポート９０は、軸線８０の周りで冷却流体に対して旋回運動を与えるような角度を付けることができる。例えば、角度付き端部ポート９０は、冷却流体流れ７８に対して旋回運動を与えるような角度を付けることができる。更に、横方向ポート８８及び端部ポート９０は、同じ方向又は異なる方向に旋回運動を与えることができる。例えば、横方向ポート８８は、時計方向の旋回運動を与えることができ、端部ポート９０は、反時計方向の旋回運動を与えることができ、又はその逆も可能である。

開示した実施形態の技術的効果は、タービンケーシング内に配置された冷却チャンバ内での冷却流体の分配を向上させるようなタービン冷却インサートを含む。タービン冷却インサートは、冷却チャンバに冷却流体を配向する横方向ポート及び端部ポートを含む。タービン冷却インサートは、流れの変動がタービンケーシングにおける様々な冷却チャンバ間で少なくなるように、冷却流体の流量調整及び拡散を提供する。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

２軸方向
３長手方向軸線
４半径方向
６円周方向
１０タービンシステム
１２燃料ノズル
１４燃料供給
１６燃焼器
１７矢印
１８ブレード
２０タービン
２１タービン段
２２シャフト
２４圧縮機
２６負荷
２８供給空気
３０吸気口
３２ブレード
３３矢印
３４排気出口
３５流体導管
３６冷却供給空気
３７有孔部
３８冷却インサート
３９冷却ポート
４０冷却チャンバ
４２コントローラ
４４スロットルバルブ
４６フィードバック信号
４７センサ
４８第１の冷却チャンバ
４９第２の冷却チャンバ
５２第１段ノズル
５４第１段ブレード
５６ロータ
５８第２段ノズル
６０第２段ブレード
６２第３段ノズル
６４第３段ブレード
６６ケーシング
６８内側壁部
７０外側壁部
７２冷却流体導管
７４開口
７６ファスナー
７７半径方向深さ
７８冷却流体流れ
７９半径方向距離
８０軸線
８２側壁
８４端壁
８６取り付け端部
８７軸線
８８横方向ポート
８９直径
９０端部ポート
９１直径
９２挿入深さ
９３軸線
９４流路
９５内径
９６流路
９８領域
１００軸方向
１０２半径方向
１０４円周方向
１０５中心領域
１０６孔
１０８中央端部ポート
１１０第１のセット
１１２第２のセット
１２０湾曲端壁
１２２軸線
１２４横方向ポート
１２６軸線
１２８横方向ポート

Claims

タービンを備えるシステムであって、該タービンが、
複数のタービンブレードを含むロータと、
ロータを囲み、前記複数のタービンブレードを囲む内側壁部と、該内側壁部を囲む外側壁部と、前記内側壁部と前記外側壁部との間に位置する第１の冷却チャンバとを含むステータと、
前記外側壁部の第１の開口を貫通して前記第１の冷却チャンバに延びた第１のタービン冷却インサートと、
を含み、
前記第１のタービン冷却インサートが、第１の軸線の回りに延びる第１の側壁と、前記第１の軸線に対して横方向に延びる第１の端壁と、前記第１の側壁を貫通して延びる横方向ポートの第１のセットと、前記第１の端壁を貫通して延びる端部ポートの第１のセットと、を含み、前記第１のタービン冷却インサートが、第１の冷却流体を前記横方向ポートの第１のセット及び前記端部ポートの第１のセットを通って前記第１の冷却チャンバに配向するように構成されている、システム。
前記第１のタービン冷却インサートが、前記横方向ポートの第１のセットを通る前記第１の冷却流体の第１の部分と、前記端部ポートの第１のセットを通る前記第１の冷却流体の第２の部分とを前記第１の冷却チャンバに配向するように構成されており、前記第１の部分が前記第２の部分よりも大きい、請求項１記載のシステム。
前記第１の冷却流体の前記第１の部分と前記第２の部分との比が、約２：１以上である、請求項２記載のシステム。
前記第１の冷却流体の前記第１の部分と前記第２の部分との比が、約５：１と約１５：１との間である、請求項２記載のシステム。
前記横方向ポートの第１のセットの各横方向ポートが第１の幅を有し、前記端部ポートの第１のセットの各端部ポートが第２の幅を有し、前記第１の幅が前記第２の幅よりも大きい、請求項１記載のシステム。
前記第１の側壁が環状側壁を含み、前記第１の端壁が平坦な端壁を含み、前記横方向ポートの第１のセットの各横方向ポートが、前記第１の軸線を基準として半径方向に向けられ、前記端部ポートの第１のセットの各端部ポートが、前記第１の軸線を基準として軸方向に向けられる、請求項１記載のシステム。
前記第１の端壁が湾曲端壁を含む、請求項１記載のシステム。
前記端部ポートの第１のセットが、前記第１の軸線を基準として異なる角度を有する複数の異なる角度が付けられた端部ポートを含む、請求項１記載のシステム。
前記第１のタービン冷却インサートに結合された冷却空気供給口を備える、請求項１記載のシステム。
前記外側壁部の第２の開口を貫通して第２の冷却チャンバに延びる第２のタービン冷却インサートを備え、該第２のタービン冷却インサートが、第２の軸線の回りに延びる第２の側壁と、前記第２の軸線に対して横方向に延びる第２の端壁と、前記第２の側壁を貫通して延びる横方向ポートの第２のセットと、前記第２の端壁を貫通して延びる端部ポートの第２のセットとを含み、前記第２のタービン冷却インサートが、第２の冷却流体を前記横方向ポートの第２のセット及び前記端部ポートの第２のセットを通って前記第２の冷却チャンバに配向するように構成される、請求項１記載のシステム。
前記第１及び第２のタービン冷却インサートが、前記タービンの異なる段に配置される、請求項１０記載のシステム。
前記第１及び第２のタービン冷却インサートが、前記タービンの共通の段内に配置される、請求項１０記載のシステム。
前記第１のタービン冷却インサートに前記第１の冷却流体を供給するように構成された第１の流体導管と、前記第２のタービン冷却インサートに前記第２の冷却流体を供給するように構成された第２の流体導管と、を備える、請求項１０記載のシステム。
圧縮機、燃焼器、発電機、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つに結合されたタービンを有するタービンシステムを備える、請求項１記載のシステム。
タービン冷却インサートを備えたシステムであって、該タービン冷却インサートが、
前記タービン冷却インサートの軸線の回りに延び、貫通して延びる横方向ポートのセットを含む側壁と、
前記軸線に対して横方向に延び、貫通して延びる端部ポートのセットを含む端壁と、
を含み、前記タービン冷却インサートが、冷却流体を前記横方向ポートのセット及び前記端部ポートのセットを通って中空タービンケーシングの冷却チャンバに配向するように構成される、システム。
前記タービン冷却インサートを有するガスタービンエンジンを備える、請求項１５記載のシステム。
前記タービン冷却インサートが、前記横方向ポートのセットを通る前記冷却流体の第１の部分と、前記端部ポートのセットを通る前記冷却流体の第２の部分とを前記冷却チャンバに配向するように構成されており、前記第１の部分が前記第２の部分よりも大きい、請求項１５記載のシステム。
前記第１の冷却流体の前記第１の部分と前記第２の部分との比が、約２：１と約２０：１との間である、請求項１７記載のシステム。
タービンの中空タービンケーシングに延びるタービン冷却インサート内に冷却流体を受けるステップと、
前記冷却流体を前記タービン冷却インサートの複数のポートを通って前記中空タービンケーシングの冷却チャンバに分配するステップと、
を含む方法であって、
前記複数のポートが、前記タービン冷却インサートの側壁内に配置された横方向ポートのセットを含み、前記複数のポートが、前記タービン冷却インサートの端壁内に配置された端部ポートのセットを含む、方法。
前記冷却流体を分配するステップが、
前記横方向ポートのセットを通して前記冷却流体の第１の部分を配向するステップと、
前記端部ポートのセットを通して前記冷却流体の第２の部分を配向するステップと、
を含み、前記第１の部分が前記第２の部分よりも大きい、請求項１９記載の方法。