JP2013256948A - ガスタービンシステム用の熱応答作動組立体および冷却空気流路を制御する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却空気流路を制御するための熱応答作動組立体を提供する。
【解決手段】ガスタービンシステム用のガスタービン組立体のための熱応答作動組立体１０は、第１の部分２２および第２の部分２４を備える熱伝達部品であって、第１の部分２２は第１の温度を有する第１の空洞１４内に配置され、第２の部分２４は第２の温度を有する第２の空洞１６内に配置され、熱伝達部品は空洞壁１２を貫通して延び、第１の温度は第２の温度よりも高い熱伝達部品を備える。また、第２の空洞１６内に配置されており、熱伝達部品と作動可能に連通する温度感受性要素２６も備えられる。さらに、第２の空洞１６内に配置されており、第１の空洞１４における温度変化に応答して変位するように構成された流れ操作装置も備えられる。
【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、より詳細には、冷却空気流路を制御するための熱応答作動組立体に関する。

ガスタービンシステムは、構成部品の材料および効率改善の計画に基づいて温度感受性のある多くの領域を含む。このような領域は、隔離されていることが多く、また、製品寿命を維持し、かつ、ガスタービンシステム全体の効率を高めるために、適切な温度調整を確実に行うように冷却源が設けられていてもよい。ガスタービンシステムの圧縮機はしばしば冷却源とされ、圧縮機から抽出されて冷却の働きをする任意の流れは、エネルギーに変換される仕事のために圧縮機からタービンに運ばれる流れの総量を減少させてしまう。このような減少は、投入可能な流れ損失と見なされ、これらの損失を緩和することが望ましい。

ガスタービンシステムの温度感受性領域の例は、その領域に作動可能に連結されるロータディスクおよびタービン翼ディスクのすぐ近くにある。このような領域のすぐ近くには、リム空洞がしばしば備えられており、リム空洞は、静翼およびタービン翼において径方向の比較的外側の位置で延びる高温ガス経路から高温ガスをパージするための冷却流れを必要とする。ブラシシールなどのシールが、一般的に、ロータのすぐ近くでリム空洞に繋がる経路内に備えられているが、シールは、ガスタービンシステムの製品寿命に渡って徐々に摩耗し、その摩耗過程の間に、冷却源からより多くの体積流量の冷却空気がリム空洞に連続的に入る。シールの製品寿命におけるより初期において経路を通過する比較的少ない体積流量を調整するために、冷却流れ通路が設けられ、冷却流れをリム空洞へと到達させることができる。シールが摩耗するにつれて、不必要に多くの量の冷却流れがリム空洞へと到達し、ガスタービン全体の効率が低下する。

米国特許第７４４５４２４号明細書

本発明の一態様によれば、ガスタービンシステム用のガスタービン組立体のための熱応答作動組立体は、第１の部分および第２の部分を備える熱伝達部品であって、第１の部分は第１の温度を有する第１の空洞内に配置され、第２の部分は第２の温度を有する第２の空洞内に配置され、熱伝達部品は空洞壁を貫通して延び、第１の温度は第２の温度よりも高い熱伝達部品を備える。また、第２の空洞内に配置されており、熱伝達部品と作動可能に連通する温度感受性要素も備えられる。さらに、第２の空洞内に配置されており、第１の空洞における温度変化に応答して変位するように構成された流れ操作装置も備えられる。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンシステム用の熱応答作動組立体は、第１の温度を有する第１の空洞を備える。また、第２の温度を有し、第１の温度は第２の温度よりも高く、第１の空洞と空洞壁によって仕切られている第２の空洞も備えられる。さらに、空洞壁を貫通して延びており、第１の空洞に配置された第１の端部および第２の空洞に配置された第２の端部を備える熱伝達部品も備えられる。またさらに、第２の空洞内に配置されており、熱伝達部品と作動可能に連通することで第１の温度の変化を遠隔から検出するように構成された温度感受性要素も備えられる。また、第２の空洞内に配置されており、冷却流れ通路を拡大および縮小するように構成された流れ操作装置であって、温度感受性要素による第１の空洞における温度変化の検出に応答して作動する流れ操作装置も備えられる。

本発明のさらにまた別の態様によれば、ガスタービンシステム用の冷却空気流路を制御する方法が提供される。その方法は、第１の空洞における温度変化を、熱伝達部品を用いて監視するステップを含む。また、第２の空洞に配置されており、熱伝達部品と作動可能に連通する温度感受性要素を用いて、温度変化を遠隔から検出するステップも含まれる。さらに、温度変化の検出に応答して、第２の空洞に配置されている流れ操作装置を作動するステップも含まれる。

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。

空洞壁に取り付けられた、第１実施形態のガスタービンシステム用熱応答作動組立体の立側面図であり、熱応答作動組立体は第１の温度作動条件とされている。 第２の温度作動条件とされている、図１の熱応答作動組立体の立側面図である。 空洞壁に取り付けられた、第２実施形態の熱応答作動組立体の立側面図であり、熱応答作動組立体は第１の温度作動条件とされている。 第２の温度作動条件とされている、図３の熱応答作動組立体の立側面図である。 遠隔の位置に取り付けられた、第３実施形態の熱応答作動組立体の立側面図である。 ガスタービンシステムの冷却空気流路を制御する方法を示すフロー図である。

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を参照すると、ガスタービンシステム（図示せず）は、参照符号１０によって概して言及される熱応答作動組立体を備える。熱応答作動組立体１０は、例えば、温度や圧力などの個別の作動条件を必要とする隣接した容積部を有する、ガスタービンシステムの任意の領域と併せて使用される。具体的には、空洞壁１２は、第１の空洞１４と第２の空洞１６とを仕切っている。第１の空洞１４は第１の温度および第１の圧力を有しており、第２の空洞１６は第２の温度および第２の圧力を有している。示した例では、第１の温度は第２の温度より高く、また、第２の圧力は第１の圧力高くなっており、それにより、第１の空洞１４を比較的高温の空洞とし、第２の空洞を比較的低温の空洞としている。熱応答作動組立体１０が設けられ得るガスタービンシステムの領域の例は、タービンロータホイールの空間のすぐ近くである。タービンロータホイールの空間は、静翼およびタービン翼を通過する高温のガス流の主流に曝される領域の温度よりも低い温度で作動するように設計されている。後で詳細に説明するように、第１の空洞１４または高温空洞と言及されるリム空洞などの領域に高温のガス流が入ると、温度上昇に応答して冷却流れ１８が供給される。タービンロータホイールの空間の前述の例は、上記のように、熱応答作動組立体１０を使用するための例示の場所であり、熱応答作動組立体１０は、ガスタービンシステムの他の多くの検討される領域で採用されてもよい。

熱応答作動組立体１０の第１の例示の実施形態では、熱伝達部品２０は、空洞壁１２を貫通して延びるヒートパイプを具備し、第１の空洞１４に配置された第１の部分２２および第２の空洞１６に配置された第２の部分２４を備える。熱伝達部品２０は、それを介して間接的に第１の空洞１４の温度を遠隔から感知する温度感受性要素２６の非常に近くにあり、ならびに／または、温度感受性要素２６に作動可能に連結される。温度感受性要素２６は、温度変化に応答して変位する任意の要素を備えており、例えば、熱流体、バイメタルの構成部品、またはバネを備えていてもよい。熱流体の場合、アクチュエーター筺体２８には熱流体が入っている。採用された具体的な温度感受性要素２６に関係なく、温度感受性要素２６は、第２の空洞１６内に配置されており、温度感受性要素２６と弁体３２などの流れ操作装置との間に延びる弁棒３０に連通している。弁体３２は、第２の空洞に配置されており、空洞壁１２を貫通して延びる冷却路３６に沿う、第２の空洞１６から第１の空洞１４への冷却流れ１８の体積流量を増加または減少する冷却流れ通路３４の非常に近くに設置されている。

冷却流れ１８は、圧縮機（図示せず）から、もしくは、ガスタービンの内部または外部のいずれかにある他の任意の供給源から、直接または間接的に提供される。冷却流れ１８は、冷却路３６を通るように送られ、第１の空洞１４と第２の空洞１６との間の圧力差に基づいて、第２の空洞１６へと自然に向かう。不必要に過剰な流れが冷却路３６を通って送られないように、投入可能な冷却流れ１８の損失を効果的に緩和または防止する第１の温度作動条件（図１）に温度感受性要素がなったときに、弁体３２は閉じられる。この条件において、冷却流れ１８は第１の体積流量で流れ、第１の体積流量は、弁体３２が完全に閉じているときには０であってもよい。第１の温度作動条件は、温度感受性要素２６が組立体作動温度を下回る温度を感知したときに成立する。

図２を参照すると、弁体３２は、第１の空洞１４における第１の温度の上昇に応答して、第２の温度作動条件に変位し、第２の体積流量の冷却流れ１８となる。第２の温度作動条件は、温度感受性要素２６が組立体作動温度を上回る温度を感知したときに成立する。第１の温度が低下するにつれて、弁体３２は、冷却流れ１８の体積流量を減少するように変位する。弁体３２の変位は、熱伝達部品２０を介して第１の空洞１４における温度変化を遠隔から検出したときに、温度感受性要素２６によって行われる。図１および図２に示すように、第１の空洞１４における温度上昇は、温度感受性要素２６に遠隔から伝えられ、温度感受性要素２６は膨張し、それによって弁棒３０に力が加えられて弁体３２を軸線方向に変位させる。第１の空洞１４における温度上昇に応答して弁体３２が軸線方向において変位することで、より多くの冷却流れ１８が、冷却流れ通路３４に入ることができ、冷却空気流路３６を通って第１の空洞１４へと進むことができる。

第２の空洞１６（つまり、より低温の空洞）に温度感受性要素２６、弁棒３０、および弁体３２を配置することで、それら構成部品は第１の空洞１４（つまり、高温の空洞）にある構成部品よりも比較的低温の環境で作動することができ、それによって、第１の空洞１４における温度変化の遠隔からの受動的な検出が可能になる。遠隔から検出する構成は、華氏１０００度（５３８℃）を超える可能性のある第１の空洞１４における第１の温度に曝される場合に、適切に機能しない可能性のある材料または物質を含む温度感受性要素２６の実施形態において、特に有益である。第２の空洞１６に温度感受性要素２６を配置することで、温度感受性要素２６が受ける熱応力を減らせる。熱伝達部品２０は、温度感受性要素２６が作動しなければならない温度条件を低くするための仲介物として機能する。さらに、弁棒３０および弁体３２は、熱伝達部品２０および温度感受性要素２６が上昇した温度に曝されるときだけ、温度感受性要素２６よりもさらに低い作動温度に曝される。

ここで図３および図４を参照すると、熱応答作動組立体１０の第２の実施形態が示されている。第２の実施形態は、構造および機能性において、上記で詳細に説明した第１の実施形態と同様である。示した実施形態では、熱伝達部品２０は、アクチュエーター筺体２８の延び入る熱棒であり、温度感受性要素２６と直接または間接的に接触している。

ここで図５を参照すると、熱応答作動組立体１０の第３の実施形態が示されている。上記でそれぞれ説明され、空洞壁１２にそれぞれ直接的に取り付けられた第１の実施形態（図１および図２）および第２の実施形態（図３および図４）と対照的に、第３の実施形態は、例えば、ガスタービンステータ組立体などの離れた場所５０に取り付けられている。また、熱応答作動組立体１０のすべての実施形態と同様に、バネ５２が、弁体３２のずれ動く力の特性をさらに制御するために、弁体３２のすぐ近くに備えられていてもよい。

また、ラチェット組立体６０は、前述の実施形態のいずれかに備えられていてもよく（図５のみに示されている）、弁体３２の引き込みを可能にし、それによって冷却流れ１８の体積流量を減少するが、冷却流れ通路３４を拡大して冷却流れ１８の体積流量を増加することになる弁体３２の延び出しを禁止する。ラチェット組立体６０は、少なくとも１つであるが可能であれば複数の第１の係合部材６２を備えており、第１の係合部材６２は、少なくとも１つであるが可能であれば複数の第２の係合部材６４と係合するように構成されている。ラチェット組立体６０は、ブラシシールなどのシールが摩耗するにつれて第１の空洞１４への冷却流れ１８をより少量しか必要とせず、シールによってシールされる第２の空洞を介して第１の空洞１４への冷却流れを増加させることができる、段の間のシールバイパス機能に対して特に有益である。

また、ここで図６を参照すると、熱応答作動組立体１０とともに冷却空気流路を制御する方法７０が提供される。熱応答作動組立体１０は上記で説明されており、具体的な構造上の構成部品をさらに詳細に説明する必要はない。冷却空気流路を制御する方法７０は、第１の空洞における温度変化を、熱伝達部品２０を用いて監視７２することを含む。第１の空洞１４における温度変化を、第２の空洞１６に配置されている温度感受性要素２６によって遠隔から検出７４する。ここで、遠隔からの検出は、温度感受性要素２６と熱伝達部品２０との間の作動可能な連結によって実現する。第１の空洞１４における温度変化を遠隔から検出すると、温度感受性要素２６は、弁体３２などの流れ操作装置を作動する。ここで、その作動は、温度変化が温度上昇もしくは温度低下７６のいずれであるかに依存する。遠隔から検出された温度変化が第１の空洞１４における温度上昇である場合、熱を温度感受性要素２６へと伝達７８し、冷却流れ通路３４を拡大して冷却流れ１８の体積流量を増加８０する。反対に、遠隔から検出された温度変化が第１の空洞１４における温度低下である場合、熱を温度感受性要素２６から奪うように伝達８２し、冷却流れ通路３４を縮小して冷却流れ１８の体積流量を減少８４する。

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、説明された実施形態の一部だけを含んでいてもよいことは理解されることである。したがって、本発明は前述の説明によって限定されるとして解釈されることはなく、添付の特許請求の範囲によって限定されるのみである。

１０ 熱応答作動組立体
１２ 空洞壁
１４ 第１の空洞
１６ 第２の空洞
１８ 冷却流れ
２０ 熱伝達部品
２２ 第１の部分
２４ 第２の部分
２６ 温度感受性要素
２８ アクチュエーター筺体
３０ 弁棒
３２ 弁体
３４ 冷却流れ通路
３６ 冷却路
３６ 冷却空気流路
５０ 離れた場所
５２ バネ
６０ ラチェット組立体
６２ 第１の係合部材
６４ 第２の係合部材
７０ 冷却空気流路を制御する方法
７２ 第１の空洞における温度変化を、熱伝達部品を用いて監視
７４ 第１の空洞における温度変化を温度感受性要素によって遠隔から検出
７６ 温度上昇もしくは温度低下
７８ 熱を温度感受性要素へと伝達
８０ 冷却流れの体積流量を増加
８２ 熱を温度感受性要素から奪うように伝達
８４ 冷却流れの体積流量を減少

Claims (20)

1. ガスタービンシステム用の熱応答作動組立体であって、
   第１の部分および第２の部分を備える熱伝達部品であって、前記第１の部分は第１の温度を有する第１の空洞内に配置され、前記第２の部分は第２の温度を有する第２の空洞内に配置され、前記熱伝達部品は空洞壁を貫通して延び、前記第１の温度は前記第２の温度よりも高い熱伝達部品と、
   前記第２の空洞内に配置されており、前記熱伝達部品と作動可能に連通する温度感受性要素と、
   前記第２の空洞内に配置されており、前記第１の空洞における温度変化に応答して変位するように構成された流れ操作装置と
   を備える熱応答作動組立体。
2. 前記第１の空洞は第１の圧力を有し、前記第２の空洞は第２の圧力を有し、前記第２の圧力は前記第１の圧力も高い、請求項１記載の熱応答作動組立体。
3. 前記流れ操作装置は、弁体と、前記弁体から前記温度感受性要素へと延びる弁棒とを備える、請求項２記載の熱応答作動組立体。
4. 前記温度感受性要素は熱流体を備える、請求項１記載の熱応答作動組立体。
5. 前記熱流体を収容するアクチュエーター筺体をさらに備え、
   前記熱伝達部品は、前記第１の空洞における温度上昇に応答して熱を前記熱流体へと伝達し、それによって、前記第２の空洞から前記第１の空洞への冷却空気流れの体積流量を増加するように前記流れ操作装置を作動する、請求項４記載の熱応答作動組立体。
6. 前記熱伝達部品は、前記第１の空洞における温度低下に応答して熱を前記熱流体から奪うように伝達し、それによって、前記第２の空洞から前記第１の空洞への前記冷却空気流れの前記体積流量を減少するように前記流れ操作装置を作動する、請求項５記載の熱応答作動組立体。
7. 第２の係合部材に係合するように構成された第１の係合部材を具備するラチェット組立体をさらに備え、前記ラチェット組立体は前記弁棒のすぐ近くに配置される、請求項３記載の熱応答作動組立体。
8. 前記熱伝達部品は、ヒートパイプおよび熱棒のうちの少なくとも一つを具備する、請求項１記載の熱応答作動組立体。
9. 前記ヒートパイプは前記温度感受性要素の周囲を取り囲む、請求項８記載の熱応答作動組立体。
10. 複数の熱応答作動組立体をさらに備え、前記複数の熱応答作動組立体の各々は個別の作動温度を有し、冷却流れを個別の体積流量で提供するように構成された、請求項１記載の熱応答作動組立体。
11. ガスタービンシステム用の熱応答作動組立体であって、
    第１の温度を有する第１の空洞と、
    第２の温度を有し、前記第１の温度は前記第２の温度よりも高く、前記第１の空洞と空洞壁によって仕切られている第２の空洞と、
    前記空洞壁を貫通して延びており、前記第１の空洞に配置された第１の端部および前記第２の空洞に配置された第２の端部を備える熱伝達部品と、
    前記第２の空洞内に配置されており、前記熱伝達部品と作動可能に連通することで前記第１の温度の変化を遠隔から検出するように構成された温度感受性要素と、
    前記第２の空洞内に配置されており、冷却流れ通路を拡大および縮小するように構成された流れ操作装置であって、前記温度感受性要素による前記第１の空洞における温度変化の検出に応答して作動する流れ操作装置と
    を備える熱応答作動組立体。
12. 前記温度感受性要素は熱流体を備える、請求項１１記載の熱応答作動組立体。
13. 前記熱流体を収容するアクチュエーター筺体をさらに備え、
    前記熱伝達部品は、前記第１の空洞における温度上昇に応答して熱を前記熱流体へと伝達し、それによって、前記第２の空洞から前記第１の空洞への冷却空気流れの体積流量を増加するように、前記冷却流れ通路を拡大するように前記流れ操作装置を作動する、請求項１２記載の熱応答作動組立体。
14. 前記熱伝達部品は、前記第１の空洞における温度低下に応答して熱を前記熱流体から奪うように伝達し、それによって、前記第２の空洞から前記第１の空洞への前記冷却空気流れの前記体積流量を減少するように、前記冷却流れ通路を縮小するように前記流れ操作装置を作動する、請求項１３記載の熱応答作動組立体。
15. 第２の係合部材に係合するように構成された第１の係合部材を具備するラチェット組立体をさらに備え、前記ラチェット組立体は前記流れ操作装置の弁棒のすぐ近くに配置されている、請求項１１記載の熱応答作動組立体。
16. 前記熱伝達部品は、前記温度感受性要素の周囲を取り囲むヒートパイプを具備する、請求項１１記載の熱応答作動組立体。
17. 前記熱伝達部品は熱棒を具備する、請求項１１記載の熱応答作動組立体。
18. ガスタービンシステム用の冷却空気流路を制御する方法であって、
    第１の空洞における温度変化を、熱伝達部品を用いて監視するステップと、
    第２の空洞に配置されており、前記熱伝達部品と作動可能に連通する温度感受性要素を用いて、前記温度変化を遠隔から検出するステップと、
    前記温度変化の検出に応答して、前記第２の空洞に配置されている流れ操作装置を作動するステップと
    を含む方法。
19. 前記第１の空洞における温度上昇に応答して、前記熱伝達部品を通じて前記温度感受性要素へと熱を伝達するステップと、
    前記温度感受性要素による前記流れ操作装置の作動に応答して冷却流れ通路を拡大することで、前記第２の空洞から前記第１の空洞への冷却空気流れの体積流量を増加するステップと
    をさらに含む、請求項１８記載の方法。
20. 前記第１の空洞における温度低下に応答して、前記熱伝達部品を通じて前記温度感受性要素から奪うように熱を伝達するステップと、
    前記温度感受性要素による前記流れ操作装置の作動に応答して冷却流れ通路を縮小することで、前記第２の空洞から前記第１の空洞への冷却空気流れの体積流量を減少するステップと
    をさらに含む、請求項１８記載の方法。