JP2014001725A - ターボ機械の動翼組立体およびターボ機械の動翼組立体を冷却する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却液制御要素により、流れを変更されて冷却される動翼組立体を提供する。
【解決手段】ターボ機械の動翼組立体４４は、中心部分を有する本体と、ウェブ９５により接合された外側縁部分９３とを含むロータ部材８６を含む。ロータ部材８６は、ある寸法を有する１つまたは複数の冷却液導管９８と、外側縁部９３に配置された入口１０２とを含む。複数のブレード４６が、ロータ部材８６上に設けられ、かつ外側縁部９３に機械的に連結される。複数のブレード４６のそれぞれは、１つまたは複数の冷却液導管９８に流体的に接続された内部冷却通路１００を含む。冷却液制御要素１２４が、１つまたは複数の冷却液導管９８のそれぞれに設けられる。冷却液制御要素１０２は、複数のブレード４６への液の流れを変更するために、１つまたは複数の冷却液導管９８の寸法を調整するように構成され、かつ配置される。
【選択図】図２

Description

本明細書で開示される主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、ターボ機械のための動翼組立体に関する。

ターボ機械では、空気が圧縮機の入口に送られる。空気は、圧縮機の様々な段を通過して圧縮された空気流を形成する。圧縮された空気流の一部は、燃焼組立体に送られ、また圧縮された空気流の他の部分は、タービン部に送られて冷却に使用される。燃焼組立体では、圧縮された空気流は、燃料と混合され、燃焼して高温のガス流および排気ガスを形成する。高温のガス流は、尾筒（ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｐｉｅｃｅ）を介してタービン部にチャネルで送られる。尾筒は、高温のガス流をタービン部の高温ガス通路に向けて案内する。高温のガス流は、タービン部の様々な段を通って膨張し、熱エネルギーを、タービン軸を回転させる機械エネルギーに変換する。タービン部は、動力をポンプと、発電機、車両、または同様のものに提供することを含む様々な用途で使用することができる。

米国特許第６２４７６７８号明細書

例示的な実施形態の一態様によれば、ターボ機械の動翼組立体は、ウェブにより接合された中心部分と外側縁部分とを有する本体を含むロータ部材を含む。ロータ部材は、ある寸法を有する１つまたは複数の冷却液導管と、外側縁部に配置された入口とを含む。複数のタービンブレードが、ロータ部材上に設けられ、かつ外側縁部に機械的に連結されている。複数のブレードのそれぞれは、１つまたは複数の冷却液導管に流体的に接続された内部冷却通路を含む。冷却液制御要素が、１つまたは複数の冷却液導管のそれぞれに設けられる。冷却液制御要素は、複数のブレードへの液の流れを変更するために、１つまたは複数の冷却液導管の寸法を調整するように構成され、かつ配置される。

例示的な実施形態の他の態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部と、圧縮機部に機械的に連結されたタービン部と、圧縮機部およびタービン部に流体的に接続された燃焼器組立体と、タービン部に配置されたターボ機械の動翼組立体とを含む。ターボ機械の動翼組立体は、ウェブにより接合された中心部分と外側縁部分とを有する本体を含むロータ部材を含む。ロータ部材は、ある寸法を有する１つまたは複数の冷却液導管と、外側縁部に配置された入口とを含む。複数のブレードは、ロータ部材上に設けられ、外側縁部に機械的に連結される。複数のブレードのそれぞれは、１つまたは複数の冷却液導管に流体的に接続された内部冷却通路を含む。冷却制御要素が、１つまたは複数の冷却液導管のそれぞれに設けられる。冷却液制御要素は、複数のブレードへの液の流れを変更するために、１つまたは複数の冷却液導管の寸法を調整するように構成され、かつ配置される。

例示的な実施形態のさらに他の態様によれば、ターボ機械内に構成されたターボ機械の動翼組立体を冷却する方法は、ターボ機械の動翼組立体における望ましい温度プロファイルを決定するステップと、ターボ機械の動翼組立体における実際の温度プロファイルを検出するステップと、望ましい温度プロファイルを冷却液の実際の温度と比較するステップと、実際の温度プロファイルが、望ましい温度プロファイルに対して望ましい量を超えて異なる場合、冷却液の流量を調整するように、動翼組立体に設けられた冷却液制御要素に信号を送るステップとを含む。

これらの、および他の利点ならびに特徴は、図面と併せて以下の記述を読めばさらに明らかになろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の終りにある特許請求の範囲で具体的に示され、かつ明確に特許請求される。本発明の前述の、および他の特徴ならびに利点は、添付の図面と共に以下の詳細な記述から明らかである。

例示的な実施形態による動翼組立体を有するタービン部を含むターボ機械の概略図である。 図１のタービン部の部分的な横断面図である。 例示的な実施形態の態様による冷却液制御要素を有する動翼組立体の部分的な斜視横断面図である。 例示的な実施形態の他の態様による冷却液制御要素を有する動翼組立体の部分的な斜視横断面図である。 例示的な実施形態の態様による冷却液制御要素およびセンサに結合された制御装置を示すブロック図である。 例示的な実施形態に従って動翼組立体を冷却する方法を示すブロック図である。

詳細な説明は、例として図面を参照して、利点および特徴と共に本発明の諸実施形態を説明する。

図１および２を参照すると、例示的な実施形態によるターボ機械が、全体的に２で示されている。ターボ機械２は、共通の圧縮機／タービン軸８を介してタービン部６に機械的に連結された圧縮機部４を含む。圧縮機部４はまた、燃焼器組立体１２を介してタービン部６に流体的に接続される。燃焼器組立体１２は、複数の燃焼器を含み、その１つが１４で示されている。燃焼器１４は、概して、ターボ機械２の周りで環状多筒形配列に配置される。しかし、燃焼器の他の構成も使用することができる。

タービン部６は、複数のタービン段２０を含む。図示された例示的な実施形態では、タービン段２０は、第１段２４、第２段２５、および第３段２６を含む。３つの段を含むものとして示されているが、段数は変わりうることを理解されたい。第１段２４は、第１の複数のノズルまたは静翼３２を有する第１のノズル組立体３０と、第１の複数の動翼またはブレード３６を有する第１の動翼組立体３４とを含む。第２段２５は、第２の複数のノズルまたは静翼４２を有する第２のノズル組立体４０と、第２の複数の動翼またはブレード４６を有する第２の動翼組立体４４とを含む。第３段２６は、第３の複数のノズルまたは静翼５２を有する第３のノズル組立体５０と、第３の複数の動翼またはブレード５６を有する第３の動翼組立体５４とを含む。

第１の動翼組立体３４はまた、第１の複数のブレード３６を支持するロータ部材６６を含む。ロータ部材６６は、ウェブ７５により接合された中心部分７０と外側縁部分７３とを有するロータ本体６８を含む。ロータ部材６６は、外側縁部分７３に配置され、かつブレード３６に設けられた内部冷却通路８０に流体的に接続された冷却液導管７８を含む。ロータ部材６６は、第１の複数のブレード３６のそれぞれに関連する単一の冷却液導管７８を含むことができるが、あるいは第１の複数のブレード３６のそれぞれに関連する複数の冷却液導管７８を含みうることを理解されたい。いずれの場合であっても、冷却液導管７８は、タービン部６のホイールスペース８４に露出される入口８２を含む。

第２の動翼組立体４４は、第２の複数のブレード４６を支持するロータ部材８６を含む。ロータ部材８６は、ウェブ９５により接合された中心部分９０と外側縁部分９３とを有するロータ本体８８を含む。ロータ部材８６は、外側縁部分９３に配置され、かつブレード４６に設けられた内部冷却通路１００に流体的に接続された冷却液導管９８を含む。冷却液導管９８は、タービン部６のホイールスペース８４に露出される入口１０２を含む。タービン部６はまた、ロータ部材６６とロータ部材８６の間に配置されたホイール部材１０４を含む。ホイール部材１０４は、高温ガス通路（単独にはラベル付けしていない）に沿って流れる高温ガスがホイールスペース８４に入るのを制限するように構成され、かつ配置された密封構造１０７を含む。密封構造１０７は、第２の複数の静翼４２のそれぞれに関連する複数のシュラウド部材１１０から離間されている。各シュラウド部材１１０は、高温ガスをホイールスペース８４に吸い込むことを制限するように、密封構造１０７と協動する密封要素１１２を含む。

図３で示された例示的な実施形態の一態様によれば、ロータ部材６６は、冷却液導管７８の入口８２に配置された冷却液制御要素１２４を含む。冷却液制御要素１２４は、例えば、感知された温度変化に基づいて特性を変化させる受動制御要素１２６の形を取る。受動制御要素１２６は、ＳＭＡ（ｓｈａｐｅｄ ｍｅｔａｌ ａｌｌｏｙ：形成された金属合金）要素、バイメタル要素、または同様のものとすることができる。冷却液制御要素１２４は、第１の複数のブレード３６の１つまたは複数のものへの冷却液流れを変更するために、冷却液導管７８の寸法を調整する。より具体的には、入口８２における温度が増加すると、受動制御要素１２６は、内部通路８０への冷却液流れを増加させるように、冷却液導管７８の寸法を開く、または拡大することにより応ずる。入口８２における温度が低下すると、必要とする冷却液は少なくなり、冷却液制御要素１２６は、内部冷却通路８０に送られる冷却流の量を低下させるように、冷却液導管７８の寸法を収縮させることにより応ずる。この点において、冷却液導管９８もまた、冷却液制御要素１２６を備えうることを理解されたい。

図４は、例示的な実施形態の他の態様による冷却液制御要素１３３を示す。冷却液制御要素１３３は、受け取った制御入力に基づき、特性を変化させる能動制御要素１３５の形を取る。能動制御要素１３５は、ＳＭＡ（形成された金属合金）作動子、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）作動子、ＭＯＭ（ｍｉｃｒｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ：微小光機械）作動子、ＭＯＥＭ（ｍｉｃｒｏ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ：微小光電子機械）作動子、圧電性作動子、および同様のものの形をとることができる。能動制御要素１３５は、図５で示すように、ＣＰＵ（中央処理装置）１４４を有する制御装置１４０に動作可能に結合される。

制御装置１４０は、第１の複数のブレード３６の１つまたは複数のものへの冷却液流れを調整するために、冷却液導管７８の寸法を変更するための信号を能動制御要素１３５に送る。制御装置１４０はまた、ターボ機械２内に配置された１つまたは複数のセンサ１５０に結合される。センサ１５０は、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）センサ、圧電性センサ、変換器、および同様のもののうち１つまたは複数のものを含むことができる。センサ１５０は、ターボ機械２の１つまたは複数の動作パラメータの入力を制御装置１４０に提供する。１つまたは複数の動作パラメータは、ロータ部材６６へと送られる冷却液の温度プロファイル、ホイールスペース温度、高温ガス通路温度、および同様のものを含むことができる。制御装置１４０は、第１の複数のブレード３６に対する望ましい温度プロファイルを決定し、条件付けが保証される場合、以下でさらに詳しく説明するように、能動制御要素１３５に信号を送り、冷却流れ導管７８への冷却液の望ましい流量を確立する。

ターボ機械２を動作させる方法、またより具体的には、第１の複数のブレード３６の温度プロファイルを制御する方法が、図６の１６０で示されている。制御装置１４０は、ブロック１６２で示すように、第１の複数のブレード３６のＤＴＰ（ｄｅｓｉｒｅｄ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅ：望ましい温度プロファイル）を決定する。制御装置１４０は、センサ１５０からの入力と記憶されたアルゴリズムとを用いてＤＴＰを選択する。制御装置１４０はまた、熱電対ベースの計器（図示せず）を用いた直接測定などにより、ブロック１６４で示すように、第１の複数のブレード３６のＡＴＰ（ａｃｔｕａｌ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｐｒｏｆｉｌｅ：実際の温度プロファイル）を測定する。熱電対（図示せず）は、対象とするガス流の中に直接挿入して、直接測定したデータを提供することができる。代替的には、ＡＴＰは、離れた場所で関連する温度値を測定し、かつＡＴＰを求めるための伝達関数を用いることにより決定することができる。ＡＴＰは、単一の入力、または２つ以上の測定値の組合せであるガイド入力（複数可）を有するより複雑な伝達関数により求めることもできる。測定された値は、局所的または遠隔的な熱電対ベースの温度、１つまたは複数のガス圧力値（複数可）、または軸回転速度値を含むことができる。

ブロック１６６で、制御装置１４０は、ＤＴＰをＡＴＰと比較する。ＤＴＰが、ＡＴＰの望ましい範囲と同じである、または例えば、５％内など、望ましい範囲内にある場合、ブロック１６８で分かるようにアクションは何も行われない。しかし、ブロック１６８で、ＤＴＰが、ＡＴＰの望ましい範囲に等しくない、または範囲に含まれないと判定された場合、ブロック１７０で分かるように、制御装置１４０は、ＤＴＰを達成するために、第１の複数のブレード３６へと流れる冷却液の量を制御するように、冷却液導管７８の寸法を調整するための信号を能動制御要素１３５に送る。冷却液導管７８の寸法を調整することは、ＡＴＰとＤＴＰの間の差の大きさ（正または負）に応じて、第１の複数のブレード３６への冷却液流れを増加させるために冷却液導管７８の寸法を増加させること、および第１の複数のブレード３６へと送られる冷却液流れの量を低減するように冷却液導管７８の寸法を減少させることを共に含む。

ここで、例示的な実施形態は、ターボ機械の構成要素を保護するために、複数のブレードの望ましい温度プロファイルを維持するように動翼組立体への液の流れを制御するシステムおよび方法を提供することを理解されたい。１つの動翼組立体に対するロータ部材の一部として形成されるように示され、かつ述べられているが、タービン部の各動翼組立体は、同様の冷却システムを備えうることを理解されたい。制御要素は、１つまたは複数の冷却液導管の中に直接取り付けることができるが、あるいはロータホイールに取り付けられた１つまたは複数の液注入器の一部として設けることができることも理解されたい。さらに、受動制御要素、能動制御要素、およびセンサの様々な例が、例示的な実施形態と共に述べられ、かつ特許請求されているが、他のタイプの受動制御要素、能動制御要素、およびセンサを使用できることも理解されたい。

本発明は、限られた数の実施形態だけと共に詳細に述べられてきたが、本発明は、このように開示された実施形態に限定されないことが容易に理解されよう。そうではなくて、本発明は、本発明の趣旨および範囲と同等の、本明細書でこれまで述べていない任意の数の変形、改変、置換え、または均等な構成を組み込むように変更することができる。さらに、本発明の様々な実施形態が述べられているが、本発明の態様は、述べられた諸実施形態のうちのいくつかを含むに過ぎないことを理解されたい。したがって、本発明は、前の記述により限定されるものと見なすべきではなく、添付の特許請求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
６ タービン部
８ 共通の圧縮機／タービン軸
１２ 燃焼器組立体
１４ 燃焼器
２０ タービン段
２４ 第１段
２５ 第２段
２６ 第３段
３０ 第１のノズル組立体
３２ 第１の複数のノズルまたは静翼
３４ 第１の動翼組立体
３６ 第１の複数の動翼またはブレード
４０ 第２のノズル組立体
４２ 第２の複数のノズルまたは静翼
４４ 第２の動翼組立体
４６ 第２の複数の動翼またはブレード
５０ 第３のノズル組立体
５２ 第３の複数のノズルまたは静翼
５４ 第３の動翼組立体
５６ 第３の複数の動翼またはブレード
６６ ロータ部材
６８ ロータ本体
７０ 中心部分
７３ 外側縁部分
７５ ウェブ
７８ 冷却液導管
８０ 内部冷却通路
８２ 入口
８４ ホイールスペース
８６ ロータ部材
８８ ロータ本体
９０ 中心部分
９３ 外側縁部分
９５ ウェブ
９８ 冷却液導管
１００ 内部冷却通路
１０２ 入口
１０４ ホイール部材
１０７ 密封構造
１１０ 複数のシュラウド部材
１１２ 密封要素
１２４ 冷却液制御要素
１２６ 受動制御要素
１３３ 冷却液制御要素
１３５ 能動制御要素
１４０ 制御装置
１４４ ＣＰＵ（中央処理装置）
１５０ センサ
１６０ 第１の複数のブレードの温度プロファイル

Claims (15)

1. ウェブ（７５、９５）により接合された中心部分（７０、９０）と外側縁部分（７３、９３）とを有する本体（６８、８８）を含むロータ部材（６６、８６）であり、ある寸法を有する１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）、および前記外側縁部分（７３、９３）に配置された入口（８２、１０２）を有するロータ部材（６６、８６）と、
   前記ロータ部材（６６、８６）上に設けられ、かつ前記外側縁部分（７３、９３）に機械的に連結された複数のブレード（３６、４６、５６）であり、それぞれが、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）に流体的に接続された内部冷却通路（８０、１００）を含む複数のブレード（３６、４６、５６）と、
   前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）のそれぞれに設けられた冷却液制御要素（１２４）であり、前記複数のブレード（３６、４６、５６）への液の流れを変更するために、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を調整するように構成され、かつ配置される冷却液制御要素（１２４）と
   を備えるターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
2. 前記冷却液制御要素（１２４）が、前記ロータ部材（６６、８６）における温度に基づいて、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を調整するように構成され、かつ配置された受動制御要素（１２６）を含む、請求項１記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
3. 前記受動冷却液制御要素（１２６）が、ＳＭＡ（形成された金属合金）要素を含む、請求項２記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
4. 前記冷却液制御要素（１２４）が、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を選択的に調整するように構成され、かつ配置された能動制御要素（１３５）を備える、請求項１記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
5. 前記能動制御要素（１３５）が、ＳＭＡ（形成された金属合金）作動子を含む、請求項４記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
6. 前記能動制御要素（１３５）が、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）作動子を含む、請求項４記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
7. 前記能動制御要素（１３５）が、ＭＯＭ（微小光機械）作動子およびＭＯＥＭ（微小光電子機械）作動子の一方を含む、請求項４記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
8. 前記能動制御要素（１３５）が、圧電性作動子を含む、請求項４記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
9. 前記能動制御要素（１３５）に動作可能に接続された制御装置（１４０）であって、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を調整するための信号を前記能動制御要素（１３５）に送るように構成され、かつ配置された制御装置（１４０）をさらに備える、請求項４記載のターボ機械（２）の動翼組立体（３４、４４）。
10. 圧縮機部（４）と、
    前記圧縮機部（４）に機械的に連結されたタービン部（６）と、
    前記圧縮機部（４）および前記タービン部（６）に流体的に接続された燃焼器組立体（１２）と、
    前記タービン部（６）に配置された動翼組立体（３４、４４）であって、
    ウェブ（７５、９５）により接合された中心部分（７０、９０）と外側縁部分（７３、９３）とを有する本体（６８、８８）を含むロータ部材（６６、８６）であり、ある寸法を有する１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）、および前記外側縁部分（７３、９３）に配置された入口（８２、１０２）を含むロータ部材（６６、８６）と、
    前記ロータ部材（６６、８６）上に設けられ、かつ前記外側縁部分（７３、９３）に機械的に連結された複数のブレード（３６、４６、５６）であり、それぞれが、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）に流体的に接続された内部冷却通路（８０、１００）を含む複数のブレード（３６、４６、５６）と、
    前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）のそれぞれに設けられた冷却液制御要素（１２４）であり、前記複数のブレード（３６、４６、５６）への液の流れを変更するために、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を調整するように構成され、かつ配置される冷却液制御要素（１２４）と
    を備える動翼組立体（３４、４４）と
    を備えるターボ機械（２）。
11. 前記冷却液制御要素（１２４）が、前記ロータ部材（６６、８６）における温度に基づいて、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を調整するように構成され、かつ配置された受動制御要素（１２６）である、請求項１０記載のターボ機械（２）。
12. 前記受動制御要素（１２６）が、ＳＭＡ（形成された金属合金）要素を含む、請求項１１記載のターボ機械（２）。
13. 前記冷却液制御要素（１２４）が、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を選択的に調整するように構成され、かつ配置された能動制御要素（１３５）を備える、請求項１０記載のターボ機械（２）。
14. 前記能動制御要素（１２５）が、ＳＭＡ（形成された金属合金）作動子、ＭＥＭＳ（微小電子機械システム）作動子、ＭＯＭ（微小光機械）作動子、ＭＯＥＭ（微小光電子機械）作動子、および圧電性作動子のうちの１つを含む、請求項１３記載のターボ機械（２）。
15. 前記能動制御要素（１３５）に動作可能に接続された制御装置（１４０）であって、前記１つまたは複数の冷却液導管（７８、９８）の前記寸法を調整するための信号を前記能動制御要素（１３５）に送るように構成され、かつ配置された制御装置（１４０）をさらに備える、請求項１３記載のターボ機械（２）。