JP2013253604A - タービンエンジン圧縮機の温度を制御する方法およびタービンエンジンの圧縮機 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン圧縮機の温度を制御する方法およびタービンエンジンの圧縮機を提供すること。
【解決手段】本発明の一態様によれば、タービンエンジン圧縮機の温度制御の方法は、圧縮機における構造体の下流部にある主流路に隣接する第１の領域から、構造体の上流部へと流体を向かわせるステップであって、流体は、構造体の上流部を通過して流れるときに冷却されるステップを含む。方法はさらに、構造体の上流部から下流に圧縮機の第２の領域へと、前記第２の領域を冷却するように流体を向かわせるステップであって、流体が構造体の上流部および下流部にある通路を通過するように向かわされることで、構造体内にある流体のエネルギーを実質的に保存し、第２の領域の圧力は、第１の領域の圧力未満であるステップを含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題はタービンエンジンに関する。より詳細には、主題は、ロータ構成部品の温度を制御することに関する。

ガスタービンエンジンでは、燃焼器が、燃料または空気燃料混合物の化学的エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、多くの場合は圧縮機からの空気である流体によって、尾筒を介し、熱エネルギーが機械的エネルギーに変換されるタービンへと送られる。これらの流体は、下流に向かい、エネルギーが抽出される１つまたは複数のタービンへと流れ、機械的エネルギーの出力を生み出すとともに、圧縮機を駆動する動力を生み出す。

タービンエンジンの設計によって、圧力比を大きくして性能を上げるにつれて、構成部品はより高い温度に曝される。温度の上昇は、圧縮機ロータの構成部品などの特定の部品について、熱疲労および摩耗を発生させる可能性がある。構成部品の製作に用いられる材料は、より耐久性のある材料に変更することができる。しかしながら、圧縮機ロータの構成部品に用いられる材料を変更することで、より高価になる可能性がある。

米国特許第７５５５８９２号公報

本発明の一態様によれば、タービンエンジン圧縮機の温度制御の方法は、圧縮機における構造体の下流部にある主流路に隣接する第１の領域から、構造体の上流部へと流体を向かわせるステップであって、流体は、構造体の上流部を通過して流れるときに冷却されるステップを含む。方法はさらに、構造体の上流部から下流に圧縮機の第２の領域へと、前記第２の領域を冷却するように流体を向かわせるステップであって、流体が構造体の上流部および下流部にある通路を通過するように向かわされることで、構造体内にある流体のエネルギーを実質的に保存し、第２の領域の圧力は、第１の領域の圧力未満であるステップを含む。

本発明の別の態様によれば、タービンエンジンの圧縮機は、下流部および上流部を含む圧縮機における構造体と、構造体の下流部および構造体の上流部に配置された流体通路であって、下流部にある主流路に隣接する第１の領域から上流部へと流体を向かわせ、流体が上流部を通過して流れるときに流体を冷却するように構成された流体通路とを備える。圧縮機はまた、流体が冷却されて上流部を通過した後に流体通路からの流体を受け入れるときに冷却されるように構成された、圧縮機における第２の領域を備える。流体通路は、構造体内に収められ、構造体内にある流体のエネルギーを実質的に保存し、第２の領域の圧力は第１の領域の圧力よりも低く、構造体の下流部の温度は上流部の温度よりも高い。

これらおよび他の利点および特徴は、図面と共に以下の説明からより明らかになる。

本発明と見なされる主題は、明細書の最後にある特許請求の範囲において、具体的に指摘され、かつ、明確に請求される。前述のおよび他の特徴、ならびに本発明の利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明から明らかである。

実施形態によるタービンエンジンのブロック図である。 実施形態によるタービンエンジンの圧縮機の一部の側方断面図である。 実施形態による圧縮機の温度を制御する処理のフローチャートである。

詳細な記載によって、利点および特徴と共に、図面を参照しつつ例を用いて本発明の実施形態を説明する。

図１は、ガスタービンシステム１００の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、軸１０８、および燃料ノズル１１０を備える。実施形態において、システム１００は、圧縮機１０２、燃焼器１０４、タービン１０６、軸１０８、および燃料ノズル１１０をそれぞれ複数備えていてもよい。図示されるように、圧縮機１０２とタービン１０６とは、軸１０８によって連結されている。軸１０８は、単一の軸材であってもよいし、連結されて軸１０８を形成する複数の軸部であってもよい。さらに、システム１００は、タービン軸線（図示せず）の周りに配置された複数の圧縮機１０２および複数のタービン１０６を備えていてもよい。

態様において、燃焼器１０４は、天然ガス、または水素を多く含む合成ガスなどの、液体および／または気体の燃料を用いてタービンエンジンを運転する。例えば、燃料ノズル１１０は、燃料供給部１１２および圧縮機１０２からの圧縮された空気と流体連通している。燃料ノズル１１０は、空気燃料混合物を生成し、その空気燃料混合物を燃焼器１０４に吐出することで、高温の加圧された排ガスを生成する燃焼を引き起こす。燃焼器１０４は、高温の加圧されたガスを、尾筒を通過させてタービンノズル（または「第１段ノズル」）へと向かわせ、それにより、ガスはノズルまたは静翼を出てタービン動翼または羽根に向かわされるときにタービン１０６を回転させる。タービン１０６が回転すると、軸１０８を回転させ、それによって圧縮機１０２内を流れるときに空気を圧縮する。実施形態において、燃焼力学および関連する温度は、圧縮機１０２の構成部品などの構成部品に熱疲労を引き起こす可能性がある。圧縮機に外付けされた構成部品を用いる実施形態は、複雑かつ高価で、エネルギー効率が悪くなる可能性がある。圧縮機１０２内でエネルギーを実質的に保存しつつ、圧縮機において温度を制御するのに用いることができる構成が、図２および図３を参照しつつ、以下に詳細に説明される。

本明細書で用いられるように、「下流」および「上流」とは、タービンを通過する作動流体の流れに関連する方向を指し示す用語である。したがって、用語「下流」は、作動流体の流れの方向に概して対応する方向を言っており、用語「上流」は、作動流体の流れの方向の反対の方向を概して言う。「径方向」という用語は、軸線または中心線に直角な動きまたは位置のことを言う。軸線に対して径方向で異なる位置にある部品を説明することは、有益な場合がある。この場合、第１の構成部品が第２の構成部品よりも軸線のより近くにあるとすると、本明細書では、第１の構成部品は第２の構成部品の「径方向内側」であると述べられることがある。一方、第１の構成部品が第２の構成部品よりも軸線から離れているとすると、本明細書では、第１の構成部品は第２の構成部品の「径方向外側」または「外部」であると述べられることがある。「軸線方向」という用語は、軸線に平行な動きまたは位置のことを言う。最後に、「周方向」という用語は、軸線の周りの動きまたは位置のことを言う。以下の詳解は、主にガスタービンに的を絞っているが、説明される概念はガスタービンに限定されることはなく、また、蒸気タービンを含む任意適切な回転機械に適用することができる。したがって、本明細書での詳解は、ガスタービンの実施形態を対象とするが、他のターボ機械に適用することができる。

図２は、タービン軸線２５２の周りに配置された例示の圧縮機２００の一部の側方断面図である。圧縮機２００は、ロータ組立体またはロータ構造体２０２と、ステータ組立体またはステータ構造体２０４とを備える。ステータ構造体２０４における筺体２０６は、複数の翼型または羽根２０８に連結されている。エーロフォイルまたは羽根２１０は、ロータ構造体２０２においてロータホイール２１２から延びており、ロータ構造体２０２では、羽根２０８、２１０を通り過ぎる流体によって圧縮機２００が駆動される。圧縮機２００は、圧縮機２００内の主流路２１８に沿った流体の流れに関して、下流部２１４および上流部２１６を有している。実施形態において、ロータ構造体２０２およびステータ構造体２０４の両方の上流部２１６は、下流部２１４と比較すると、タービンの運転中に、比較的低い圧力でより高い温度に曝される。実施形態において、主流路２１８からの流体は、高圧領域２２０の近くで迂回させられ、通路２２１を通り、流体流路２２２に沿って上流方向へと流れる。流体が流体流路２２２から通路２２１を通過して流体流路２２４へと上流に流れるときに、流体は、圧縮機２００の上流部２１６にあるより低い温度でより低い圧力の構成部品のため、冷却される。上流の構成部品は、流体から熱を吸収することで、流体が上流部２１６を通過して流れるときに流体を冷却する。流体は、流体の圧力および温度が比較的高い主流路２１８の近くで、下流領域に隣接する通路２２１へと流れ込む。圧縮機の上流部では圧力がより低いため、流体は通路２２１内を流れることになる。図示するように、流体は、圧縮機の中央部に隣接する流体流路２２４に沿って流れ、圧縮機内で下流へと戻るように向かわされる。別の実施形態では、流体は、圧縮機の第１段の羽根および第２段の羽根の径方向外側にある流体流路に沿って流れる。これら実施形態において、流体は、空気、燃料、空気燃料混合物、または排気の混合物などの、部品を冷却するのに適切な任意の流体である。実施形態では、流体は、流体混合物の大部分が空気を含む場合には、空気と呼ばれる。

流体がステータ構造体２０４の低圧低温領域２２６の近くで冷却された後、その流体は、羽根内の流路２２８を通過してロータ構造体２０２へと下流に向けられる。流体は、ロータ構造体２０２の高圧高温領域２３１に隣接する流路２３０に沿って流れる。実施形態において、流体は、ロータ構造体２０２を通過して上流へと流れる。流体は、上流のロータホイール２４０、２４２に隣接する経路２３２に沿って流れ、上流領域２１６およびロータホイール２４０、２４２の近くにおけるより低い温度が流体をさらに冷却する。さらに、経路２３０におけるより高い圧力が、流体を経路２３４へと移動させ、通路を通過させる。ロータ構造体２０２の例示の実施形態を全体として見ると、上流領域２１６におけるより低い圧力は、下流領域２１４にあるより高い圧力に対して、冷却流体の流れを引き込む。そして、流体は、ロータ構造体２０２の上流領域２１６から下流経路２３４を通過して流れ、下流ロータホイール２３６、２３８を冷却する。一実施形態では、流体は、圧縮機２００の最後の段のホイール２３８および最後から２段目のホイール２３６の周りを流れる。これら実施形態において、ロータホイールは、鍛造、鋳造、切削、または、ホイールを金属合金（例えば、鉄系合金）などの適切な耐久性のある材料から形成する他の適切な方法によって製作される。

冷却流体（例えば、空気）をステータおよびロータ構成部品の上流部を通過させて流して流体を冷却することで、流体が冷却されるときに熱が流体から構造体に移動されるため、エネルギーはステータ構造体およびロータ構造体内に実質的に保存される。具体的には、圧縮機２００の上流領域２１６は、比較的低い圧力および低い温度であるため、流れていく流体から熱を吸収し、そのため、流体用の冷却機構を提供している。したがって、流体は、ロータ構造体およびステータ構造体の上流領域２１６が加熱される間に冷却され、そのため、圧縮機２００内で実質的にエネルギーを保存している。次いで、加熱された構成部品は、熱を主流路２１８にある作動流体に移動させることができ、主流路２１８では、仕事がタービン内において流体から抽出される。また、ロータ部品を冷却するために外部構成部品（つまり、圧縮機２００の外部の構成部品）を用いる冷却システムの実施形態と比較して、圧縮機２００の実施形態は、外部または追加の部品が一切なく、それによって、組立体を簡素化し、コストを低減する。さらに、外部部品を使用する実施形態と比較したとき、図示された実施形態は、圧縮機内に内蔵されており、タービンの周囲へと熱を失う外部構成部品を備えた実施形態よりも、冷却のためにより少ないエネルギーしか使用しない。また、外部の冷却構成部品は、タービンエンジンからのエネルギーを使用するため、タービンの効率を低下させる可能性がある。

図３は、圧縮機の温度を制御する例示の処理のフローチャート３００である。図示されたブロックは、別の処理の一部、もしくは、別の処理への追加であってもよく、ならびに／または、任意の適切な順番で実行されてもよい。ブロック３０２では、ステータの下流部の近くにおいてタービンエンジンの主流路（「ＭＦＰ」）からステータの上流部へと流体を向かわせる。ブロック３０４では、ステータの上流部で、熱を上流のステータ部品へと移動させることで流体を冷却する。ブロック３０６では、ステータの上流部からステータの下流部へと流体を向かわせる。次いで、流体はロータの下流部へと向かわされる。ブロック３０８では、ロータの下流部から上流部へと流体を向かわせる。流体は、ロータの上流部で、熱を上流のロータ部品へと移動させることで冷却される。ブロック３１０では、ロータの上流部から下流部へと流体を向かわせて、ロータホイールを冷却する。下流部でロータホイールを冷却することで、ロータ構成部品に悪影響を与えることなく圧力比を大きくすることができ、その結果、タービンエンジンの性能を上げることになり、ロータ組立品についての耐久性を向上させることになる。圧力比は、上流での主流路の圧力に対する下流での主流路の圧力の比である。

発明は、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明されたが、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容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、ここまで説明しなかったが、本発明の精神および範囲に見合う変形物、代用物、代替物、または同等の構成物をいくつでも組み入れるように改良することができる。また、本発明の様々な実施形態が説明されたが、本発明の態様は、説明した実施形態の一部だけを含むことができることは理解されるものである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると理解されるのではなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるだけである。

１００ タービンシステム
１０２ 圧縮機
１０４ 燃焼器
１０６ タービン
１０８ 軸
１１０ ノズル
１１２ 燃料供給部
２００ 圧縮機
２０２ ロータ
２０４ ステータ
２０６ 筺体
２０８ 羽根
２１０ 羽根
２１２ ロータホイール
２１４ 下流部、下流領域
２１６ 上流部、上流領域
２１８ 熱ガス経路、主流路
２２０ 高圧領域
２２１ 通路
２２２ 流体流路
２２４ 流体流路
２２６ 高圧領域、低圧低温領域
２２８ 羽根内の流路
２３０ 経路、流路（ロータの下流部を通過）
２３１ 高圧高温領域
２３２ 経路（ロータの上流部を通過）
２３４ 経路（ロータホイールを冷却するための上流部）
２３６ ロータホイール
２３８ ロータホイール
２４０ ロータホイール
２４２ ロータホイール
２５０ ボルト
３００ フローチャート
３０２ ブロック
３０４ ブロック
３０６ ブロック
３０８ ブロック
３１０ ブロック

Claims (20)

1. タービンエンジン圧縮機の温度制御の方法であって、
   圧縮機における構造体の下流部にある主流路に隣接する第１の領域から、前記構造体の上流部へと流体を向かわせるステップであって、前記流体は、前記構造体の前記上流部を通過して流れるときに冷却されるステップと、
   前記構造体の前記上流部から下流に前記圧縮機の第２の領域へと、前記第２の領域を冷却するように前記流体を向かわせるステップであって、前記流体が前記構造体の前記上流部および前記下流部にある通路を通過するように向かわされることで、前記構造体内にある前記流体のエネルギーを実質的に保存し、前記第２の領域の圧力は、前記第１の領域の圧力未満であるステップと
   を含む方法。
2. 前記構造体の前記下流部にある前記主流路に隣接する前記第１の領域から前記流体を向かわせる前記ステップは、ステータの下流部から前記ステータの上流部へと前記流体を向かわせることを含む、請求項１記載の方法。
3. 前記主流路に隣接する前記第１の領域から前記流体を向かわせる前記ステップは、前記圧縮機の最後の段の下流にある前記ステータの前記主流路の近くの前記流体を向かわせることを含む、請求項２記載の方法。
4. 前記ステータの前記上流部は、前記圧縮機の最初の段に隣接して径方向外側にある、請求項２記載の方法。
5. 前記構造体の前記上流部から下流に前記圧縮機の前記第２領域へと、前記第２の領域を冷却するように前記流体を向かわせる前記ステップは、前記ステータの径方向内側に位置させられたロータの最後の段にあるロータホイールを含む前記第２の領域へと前記流体を向かわせることを含む、請求項２記載の方法。
6. 前記構造体の前記下流部の温度は、前記構造体の前記上流部の温度よりも高い、請求項１記載の方法。
7. 前記構造体の前記下流部にある前記第１の領域から前記流体を向かわせる前記ステップは、ロータの下流部から前記ロータの上流部へと前記流体を向かわせることを含む、請求項１記載の方法。
8. 前記構造体の前記下流部にある前記主流路に隣接する前記第１の領域から前記流体を向かわせる前記ステップは、前記ロータの下流部から前記ロータの上流部にあるロータホイールの周りに前記流体を向かわせることを含む、請求項７記載の方法。
9. 前記構造体の前記上流部から下流に前記圧縮機の前記第２の領域へと、前記第２の領域を冷却するように前記流体を向かわせる前記ステップは、前記ロータの第１の段の下流にあるロータホイールの近くの前記流体を、前記ロータホイールを冷却するように向かわせることを含む、請求項８記載の方法。
10. 前記構造体の前記上流部から下流に前記圧縮機の前記第２の領域へと、前記第２の領域を冷却するように前記流体を向かわせる前記ステップは、前記ロータの最後の段の一部である第２のロータホイールの近くの前記流体を向かわせることを含む、請求項８記載の方法。
11. タービンエンジンの圧縮機であって、
    下流部および上流部を備えた前記圧縮機における構造体と、
    前記構造体の前記下流部および前記構造体の前記上流部に配置された流体通路であって、前記下流部にある主流路に隣接する第１の領域から前記上流部へと流体を向かわせ、前記流体が前記上流部を通過して流れるときに前記流体を冷却するように構成された流体通路と、
    前記流体が冷却されて前記上流部を通過した後に前記流体通路からの前記流体を受け入れるときに冷却されるように構成された、前記圧縮機における第２の領域と
    を備え、
    前記流体通路は、前記構造体内に収められ、前記構造体内にある前記流体のエネルギーを実質的に保存し、
    前記第２の領域の圧力は前記第１の領域の圧力よりも低く、
    前記構造体の前記下流部の温度は前記上流部の温度よりも高い圧縮機。
12. 前記構造体はステータを備え、
    前記ステータの上流部は前記流体用の冷却機構を提供する、請求項１１記載の圧縮機。
13. 前記第１の領域は、最後の圧縮機段の下流にある前記ステータに主流路を備え、
    前記ステータの前記上流部にある前記流体通路は、前記圧縮機の第１の段の径方向外側にある、請求項１２記載の圧縮機。
14. 前記第２の領域は、前記ステータの径方向内側に位置させられたロータの最後の段にあるロータホイールを含む領域を備える、請求項１２記載の圧縮機。
15. 前記構造体はロータを備え、
    前記ロータの上流部は前記流体用の冷却機構を提供する、請求項１１記載の圧縮機。
16. 前記第２の領域は、前記ロータの下流にあるロータホイールに隣接する領域を備え、前記流体は前記ロータホイールを冷却するように構成されている、請求項１５記載の圧縮機。
17. 前記圧縮機の前記第２の領域は、前記ロータの最後の段の一部である第２のロータホイールに隣接する領域を備え、前記流体は前記第２のロータホイールを冷却するように構成されている、請求項１５記載の圧縮機。
18. タービンエンジン圧縮機の温度を制御する方法であって、
    前記タービンにあるステータの下流部にある主流路から前記ステータの上流部へと流体を向かわせるステップであって、前記ステータの前記上流部は、前記流体が前記主流路から前記ステータの前記上流部を通過して流れるときに前記流体を冷却するステップと、
    前記ステータの前記上流部から前記ステータ内で径方向に配置されたロータの上流部を通過させるように前記流体を向かわせるステップであって、前記ロータの前記上流部は、前記流体が前記ロータの前記上流部を通過して流れるときに前記流体を冷却するステップと、
    前記ロータの前記上流部から前記ロータの下流部へと、前記ロータの前記下流部を冷却するように前記流体を向かわせるステップであって、前記流体は、前記ステータ内の通路および前記ロータ内の通路を通過するように向けられることで、前記タービンエンジン圧縮機の構造体内にある前記流体のエネルギーを実質的に保存するステップと
    を含む方法。
19. 前記ステータの前記上流部から前記ロータの前記上流部を通過させるように前記流体を向かわせるステップは、前記ステータの前記下流部を通過させて前記ロータの下流部へと前記流体を向かわせ、そして前記ロータの前記上流部へと前記流体を向かわせることを含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記ステータの前記下流部および前記ロータの前記下流部の温度は、前記ステータの前記上流部および前記ロータの前記上流部の温度よりも高い、請求項１８記載の方法。