JP2015031282A

JP2015031282A - 熱伝達アセンブリおよびその組み付け方法

Info

Publication number: JP2015031282A
Application number: JP2014150312A
Authority: JP
Inventors: コーリー・ボウラッサ; Bourassa Corey; ウィリアム・ドュワイト・ジャーストラー; Dwight Gerstler William
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-07-31
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2015-02-16
Also published as: CH708437A2; US20150033761A1; DE102014110165A1; US9512780B2

Abstract

【課題】熱伝達アセンブリおよびその組み付け方法を提供する。
【解決手段】タービンエンジンの熱伝達を制御するための熱伝達アセンブリが提供される。タービンエンジンは、ハウジングを含み、該ハウジング内に配置された圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。熱伝達アセンブリは、タービンと接続された側壁を有する流れ制御装置を含み、側壁は、圧縮機羽根と流れ連通している。側壁は、圧縮機羽根からタービン羽根までの第１の流路および圧縮機羽根からタービン翼までの第２の流路を形成するように構成されている。熱交換器は、ハウジングと接続されて、圧縮機とタービンとの間に配置されており、また、熱交換器は、第１の流路および第２の流路の少なくとも一方と流れ連通している。流体供給装置は、ハウジングと接続されており、熱交換器と流れ連通している。
【選択図】図１

Description

本明細書に記載した実施形態は、一般に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効率および／または動作を改善する目的でタービン部品を冷却するための方法およびシステムに関する。

一般的に、ガスタービンエンジンは、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。圧縮機およびタービンは、段として軸方向に並置された翼列を含み得る。各段は、周方向に離間され、かつ固定された静翼の列およびシャフトの中心軸を中心に回転する動翼の列を含む。動作時、圧縮機動翼は、シャフトの周囲を回転し、静翼と協働して空気流を圧縮する。次に、圧縮された空気の供給は、供給燃料を燃焼させるために燃焼器において利用され得る。さらに、燃焼によって結果として生じた高温ガスの流れ、すなわち、作動流体は、エンジンのタービン部内で膨張される。通常、タービンを通過する作動流体の流れは、動翼を回転させる。動翼は、動翼の回転によって作業出力のためにシャフトが回転されるように中心シャフトと連結されている。

より具体的には、燃料に含まれているエネルギーは、回転するシャフトの機械的エネルギーに変換することができ、この機械的エネルギーは、例えば、燃焼に必要とされる圧縮された空気の供給が行われるように、および、発電機のコイルに関して電力が生成されるように、圧縮機の動翼を回転させるために使用されてもよい。動作時に、２４００°Ｆ（１３１６℃）を超える場合がある高温ガス経路の極端な温度および高回転速度に起因して、極端な機械的および熱的な負荷により、タービン翼に大きな応力が加えられる場合がある。一部のタービンエンジンでは、動作時に高温ガス経路の部品を冷却するために圧縮機から空気が抽出される場合がある。しかしながら、この抽気は効率を犠牲にする。なぜなら、この方法で圧縮機の空気を利用することは、タービンエンジンの効率を低下させ得るからである。

ガスタービンの効率を改善し、および／または燃料消費量を低減するために、圧縮機から抽出または抽気される空気の量は低減されるべきである。ブリード空気を最少化する従来の方法は、ブリード空気の温度を低下させることを含み得る。なぜなら、同じ量を冷却するために必要とされる空気が少なくなり得るからである。一部のガスタービンでは、ガスタービン構造の外部に配置される熱交換器が使用される場合がある。しかしながら、外部の熱交換器は、数百フィートの配管ならびに関連する弁および支持体を使用する場合があり、製造費用、運転費用、および／または保守費用を増加させる。さらに、一部のガスタービンでは、フィルム孔（ｆｉｌｍ−ｈｏｌｅｓ）、衝突バッフル、および蛇行構造などの翼冷却技術が使用される場合がある。しかしながら、これらの技術は、製造費用、運転費用、および／または保守費用を増加させ得る。

米国特許出願公開第２０１２０３０４６６２号明細書

一態様において、タービンエンジンの熱伝達を制御するための熱伝達アセンブリが提供される。タービンエンジンは、ハウジングを含み、該ハウジング内に配置された圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。圧縮機は、圧縮機羽根を含み、タービンは、タービン羽根およびタービン翼を含む。熱伝達アセンブリは、タービンと接続され、かつ圧縮機羽根と流れ連通（ｆｌｏｗｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）している側壁を有する流れ制御装置を含む。側壁は、圧縮機羽根からタービン羽根までの第１の流路および圧縮機羽根からタービン翼までの第２の流路を形成するように構成されている。熱交換器は、ハウジングと接続されて、圧縮機とタービンとの間に配置されており、また、熱交換器は、第１の流路および第２の流路の少なくとも一方と流れ連通している。流体供給装置は、ハウジングと接続されており、入口および出口を含み、入口および出口は、熱交換器と流れ連通するように接続されており、熱交換器を経由して冷却流体を誘導するように構成されている。

別の態様において、タービンエンジンが提供される。タービンエンジンは、出口案内羽根を有する圧縮機を含む。出口案内羽根は、入口端と、出口端と、これらの間に配置されたミッドスパン部とを含む。タービンは、圧縮機と接続されており、タービン羽根およびタービン翼を含む。燃焼器は、圧縮機およびタービンと接続されている。熱伝達アセンブリは、圧縮機およびタービンと接続されている。熱伝達アセンブリは、タービンと接続され、かつ圧縮機羽根と流れ連通（ｆｌｏｗｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）している側壁を有する流れ制御装置を含む。側壁は、圧縮機羽根からタービン羽根までの第１の流路および圧縮機羽根からタービン翼までの第２の流路を形成するように構成されている。熱交換器は、ハウジングと接続されて、圧縮機とタービンとの間に配置されており、また、熱交換器は、出口案内羽根ならびに第１の流路および第２の流路の少なくとも一方と流れ連通している。

さらなる態様において、圧縮機およびタービンを有するタービンエンジンに熱伝達アセンブリを組み付ける方法が提供される。本方法は、タービンに流れ制御装置を接続することを含む。流れ制御装置の側壁は、圧縮機の圧縮機羽根およびタービンのタービン羽根と流れ連通するように接続される。本方法は、燃焼器と側壁との間に第１の流路を形成することおよび側壁とハウジングとの間に第２の流路を形成することをさらに含む。本方法は、圧縮機とタービンとの間に配置されるようにハウジングに熱交換器を接続することを含む。

これらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の詳細な説明が添付図面を参照しながら読まれるとき、より良く理解されるようになる。なお、添付図面では、図面の全体にわたって同じ符号が、同じ部分を表している。

例示的なガスタービンエンジンの側面図である。図１に示されているガスタービンエンジンおよび該ガスタービンエンジンと接続された例示的な熱伝達アセンブリの概略図である。図１に示されているガスタービンエンジンと接続された例示的な熱伝達アセンブリの側面図である。熱伝達アセンブリを組み付ける方法を示す例示的なフローチャートである。

別様に示されない限り、本明細書に添付されている図面は、本開示の実施形態の特徴を示すことを意図されている。これらの特徴は、本開示の１つ以上の実施形態を備える幅広い種類のシステムにおいて適用可能であると考えられる。したがって、図面は、本明細書で開示した実施形態の実施に必要とされる、当業者にとって周知の従来の特徴のすべてを含むことを意図されていない。

本明細書に記載した実施形態は、ガスタービンエンジンおよびガスタービンエンジンに熱伝達アセンブリを組み付ける方法に関する。より具体的には、実施形態は、ガスタービンエンジン内に配置され、かつガスタービンエンジンの圧縮機およびタービンと接続された熱伝達アセンブリに関する。実施形態は、エンジン性能の改善を容易にする目的で動作中にタービン部品を冷却するための方法、システム、および／または機器に関する。本明細書に記載した実施形態は、航空機エンジンおよび発電エンジンを含む様々な種類のガスおよび／または燃焼および／または回転エンジンを含むことが理解されるべきであり、空気流を利用する説明および図面は例示に過ぎないことがさらに理解されるべきである。

図１は、ガスタービンエンジン１００の側面図である。図２は、ガスタービンエンジン１００およびガスタービンエンジン１００と接続された熱伝達アセンブリ１０２の概略図である。図３は、ガスタービンエンジン１００と接続された例示的な熱伝達アセンブリ１０２の側面図である。エンジン１００は、ハウジング１０３および共通のシャフト１０８によってタービン１０６と接続された圧縮機１０４を含む。圧縮機１０４およびタービン１０６は、ハウジング１０３内に配置されている。エンジン１００は、圧縮機１０４およびタービン１０６と接続された燃焼器１１０をさらに含む。例示的な実施形態において、圧縮機１０４は、複数の段１１２を含む。各段１１２は、シャフト１０８の周囲を回転する圧縮機動翼１１４の列と、これに続く、動作時に静止したままである圧縮機静翼１１６の列とを含む。圧縮機動翼１１４は、シャフト１０８の周囲を回転されるときに圧縮機動翼１１４が圧縮機１０４を流れる空気に運動エネルギーを与えるように構成されている。圧縮機１０４は、エンジン１００が本明細書に記載したように機能することを可能にする任意の数の段１１２を含んでもよい。

圧縮機１０４は、圧縮機ハウジング１１８および圧縮機ハウジング１１８と接続された圧縮機羽根１２０（出口案内羽根などであるが、これに限定されない）をさらに含む。出口案内羽根１２０は、入口端１２２と、出口端１２４と、これらの間に配置されたミッドスパン部１２６とを含む。さらに、出口案内羽根１２０は、一対の対向する端壁１２８および１３０を含む。一対の対向する端壁１２８および１３０は、入口端１２２および出口端１２４と接続されていて、入口端１２２と出口端１２４との間に延在している。例示的な実施形態において、ミッドスパン部１２６は、端壁１２８と端壁１３０との間に配置されている。出口案内羽根１２０は、圧縮機翼１１４、１１６と流れ連通するように構成されており、圧縮機翼１１４、１１６からの圧縮された空気流１３２を受け入れるように構成されている。

タービン１０６は、翼１３８および羽根１４０を有する第１の段１３６を含むタービンハウジング１３４を含む。翼１３８は、動作時にシャフト１０８の周囲を回転するように構成されており、一方、羽根１４０は、動作時に静止したままである。翼１３８は、互いに周方向に離間されており、シャフト１０８の回転軸の周囲に固定されている。翼１３８は、シャフト１０８の周囲を回転するようにタービンホイール（図示せず）と接続されている。例示的な実施形態において、翼１３８および羽根１４０は、エンジン１００の高温ガス経路１４２に位置している。タービン１０６は、第２の段１４４をさらに含む。同様に第２の段１４４は、周方向に離間された複数の羽根１４０と、これに続く、周方向に離間された複数の翼１３８とを含む。翼１３８は、回転するようにタービンホイール（図示せず）に取り付けられている。タービン１０６は、エンジン１００が本明細書に記載したように機能することを可能にする任意の数の段、羽根、および／または翼を含んでもよい。

燃焼器１１０は、圧縮機ハウジング１１８およびタービンハウジング１３４と接続された燃焼器ハウジング１４６を含む。燃焼器ハウジング１４６は、圧縮機１０４およびタービン１０６と流れ連通している燃焼室１４８を形成している。燃料源１５０は、供給ライン１５４を経由して燃料１５２を点火装置１５６に供給する。供給ライン１５４は、燃料１５２が圧縮された空気流１３２と混合されるように燃料１５２を燃焼室１４８内へ放出するよう構成されている。点火装置１５６は、空気流１３２と燃料１５２との混合物を燃焼させるように構成されている。燃焼室１４８内で、圧縮された空気流１３２が、燃料１５２と混合されて、点火されると、エネルギーが放出される。次に、作動流体（図示せず）と呼ぶことができる、燃焼器１１０からの結果として生じた高温ガスの流れは、タービン翼１３８に誘導され、作動流体の流れは、タービン翼１３８を回転させる。これにより、作動流体の流れのエネルギーは、翼１３８を回転させる機械的エネルギーに変換され、翼１３８とシャフト１０８とが連結されていることから、シャフトが回転する。次に、シャフト１０８の機械的エネルギーは、圧縮された空気の必要な供給１３２が行われるように圧縮機動翼１１４の回転を駆動するために、さらには、例えば発電機（図示せず）によって電気を生成するために使用されてもよい。

例示的な実施形態において、熱伝達アセンブリ１０２は、流れ制御装置１６０および熱交換器１６２を含む。流れ制御装置１６０は、タービン１０６と接続され、かつ出口案内羽根１２０と流れ連通している側壁１６４を含む。側壁１６４は、第１の端部１６６と、第２の端部１６８と、本体１７０とを含む。なお、本体１７０は、第１の端部１６６および第２の端部１６８と接続されており、また、第１の端部１６６と第２の端部１６８との間に配置されている。第１の端部１６６は、タービンハウジング１３４と接続されており、第２の端部１６８は、出口案内羽根１２０の出口端１２４から離間されている。例示的な実施形態において、本体１７０は、一定の領域が圧縮機ハウジング１１８、タービンハウジング１３４、および燃焼器ハウジング１４６によって形成されるように配置されている。側壁１６４は、圧縮機１０４からタービン１０６までの第１の流路１７２が形成されるように構成されている。より具体的には、第１の流路１７２は、第１の流路１７２が出口案内羽根１２０およびタービン羽根１４０と流れ連通するように出口案内羽根１２０からタービン羽根１４０まで形成されている。例示的な実施形態において、本体１７０は、出口端１２４から第１の流路１７２に沿って空気流１３２を誘導することが容易になるように構成されており、タービン羽根１４０と流れ連通している。

側壁１６４は、圧縮機１０４からタービン１０６までの第２の流路１７４が形成されるように構成されている。より具体的には、第２の流路１７４は、出口案内羽根１２０からタービン翼１３８まで形成されている。第２の流路１７４は、出口案内羽根１２０およびタービン翼１３８と流れ連通している。例示的な実施形態において、本体１７０は、出口端１２４から第２の流路１７４に沿って空気流１３２を誘導することが容易になるように構成されており、タービン翼１３８と流れ連通している。例示的な実施形態において、側壁１６４は、第１の流路１７２と第２の流路１７４とを分離するように構成されている。あるいは、側壁１６４は、第１の流路１７２と第２の流路１７４とを流れ連通させるために構成される。

例示的な実施形態において、熱交換器１６２は、ハウジング１０３と接続されており、圧縮機１０４とタービン１０６との間に配置されている。より具体的には、熱交換器１６２は、ハウジング１０３と接続されており、燃焼器１１０より内側にあり、側壁１６４は、燃焼器１１０と熱交換器１６２との間に配置されている。熱交換器１６２は、ハウジングと接続されており、出口案内羽根１２０ならびに第１の流路１７２および第２の流路１７４の少なくとも一方と流れ連通している。例示的な実施形態において、熱交換器１６２は、第２の流路１７４内に配置されている。あるいは、熱交換器１６２は、第１の流路１７２内に配置される。熱交換器１６２は、ガスタービンエンジン１００内の、燃焼器１１０より内側への組み込みの容易なサイズおよび形状に形成された小型の表面冷却器構造を含む。さらに、熱交換器１６２は、圧縮機１１０から熱交換器１６２まで空気流を誘導する付加的な配管および関連部品を削減および／または除去するサイズおよび形状に形成されている。あるいは、熱交換器１６２は、ガスタービンエンジン１００内の、燃焼器１１０より外側に配置される。熱交換器１６２は、熱伝達アセンブリ１０２が本明細書に記載したように機能することを可能にする、ガスタービンエンジン１００内の任意の位置に配置されてもよい。

熱交換器１６２は、第１の板１７６と、第２の板１７８と、少なくとも１つの流れ通路１８０とを含む。なお、少なくとも１つの流れ通路１８０は、第１の板１７６および第２の板１７８と接続されており、第１の板１７６と第２の板１７８との間にある。流れ通路１８０は、入口端部１８４および出口端部１８６を含む。例示的な実施形態において、流れ通路１８０は、第１の板１７６と第２の板１７８との間に蛇行構造として配置された複数の壁１８２を含む。あるいは、流れ通路１８０は、非蛇行構造を含んでもよい。代替的な実施形態において、流れ通路１８０は、第１の板１７６および第２の板１７８と接続された複数の管（図示せず）を含む。流れ通路１８０は、熱交換器１６２が本明細書に記載したように機能することを可能にする任意の構造を含んでもよい。

熱交換器１６２は、複数の放熱フィン１９０をさらに含み、複数の放熱フィン１９０は、第１の板１７６と接続されており、第２の流れ通路１８０内に延在している。放熱フィン１９０は、第２の流れ通路１８０内に露出する第１の板１７６の表面積を増加させるサイズおよび形状に形成されている。あるいは、複数の放熱フィン１９０は、第２の板１７８と接続されてもよい。熱交換器１６２は、例えば約１０００°Ｆの温度などの高温に耐える材料組成を含む。例示的な実施形態において、熱交換器１６２は、ニッケル合金を含む。あるいは、熱交換器１６２は、熱交換器１６２がガスタービンエンジン１００のあらゆる動作温度に耐えることを可能にする任意の材料組成を含んでもよい。

熱伝達アセンブリ１０２は、ハウジング１０３と接続された流体供給装置２００をさらに含む。流体供給装置２００は、入口２０２および出口２０４を含む。入口２０２は、入口端部１８４と流れ連通するように接続されており、出口２０４は、出口端部１８６と流れ連通するように接続されている。さらに、出口２０４は、燃焼器１１０と流れ連通するように接続されている。流体供給装置２００は、入口２０２から流れ通路１８０を経由して出口２０４を通過するように冷却流体２０６を誘導するよう構成されている。出口端部１８６は、本明細書に記載したように冷却流体２１６を燃焼器１１０内に誘導するように構成されている。

熱交換器１６２は、熱伝達アセンブリ１０２と接続されたコントローラ２０８をさらに含む。コントローラ２０８は、熱伝達アセンブリ１０２の設定を制御するように構成されており、これらの設定は、タービンエンジン１００の所望の性能のためにシステムオペレータによって行われ得るようになっている。コントローラ２０８は、例えば、燃料、空気、および排出の制御、タービン燃料のシーケンシング、始動、停止、および冷却のための補助、エンジン１００の同期および電圧整合、すべてのタービンの監視、制御・補助機能、すべてのタービン動作パラメータ２１０の監視、危険かつ不都合な動作条件からの保護、および／または他の同様の機能を含む複数の機能を実行するように構成されている。

コントローラ２０８は、汎用の中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、および／または本明細書に記載した機能を実行することのできる任意の他の回路もしくはプロセッサなどのプロセッサを含む。本明細書に記載した方法は、限定的ではないがストレージ装置および／またはメモリ装置を含むコンピュータ可読媒体に組み込まれる実行可能な命令としてエンコードされてもよい。このような命令は、プロセッサによって実行された場合、本明細書に記載した方法の少なくとも一部をプロセッサに実行させる。上記の例は、例示に過ぎず、したがって、プロセッサという用語の定義および／または意味を何らかの方法で限定することを意図されていない。

本明細書で使用される場合、プロセッサという用語は、当該技術分野でコンピュータと呼ばれる集積回路だけに限定されず、マイクロコントローラ、マイクロコンピュータ、プログラマブル論理制御装置（ＰＬＣ）、特定用途向け集積回路、および他のプログラマブル回路を幅広く意味する。なお、これらの用語は、本明細書では置換可能に使用される。本明細書に記載した実施形態において、メモリは、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）などのコンピュータ可読媒体およびフラッシュメモリなどのコンピュータ可読の不揮発性媒体を含んでもよいが、これらに限定されない。あるいは、フロッピー(登録商標）ディスク、コンパクトディスク−読み取り専用メモリ（ＣＤ−ＲＯＭ）、光磁気ディスク（ＭＯＤ）、および／またはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）が同様に使用されてもよい。また、本明細書に記載した実施形態において、付加的な入力チャネルは、マウスおよびキーボードなどのオペレータインターフェースと関連付けられたコンピュータ周辺機器であってもよいが、これに限定されない。あるいは、限定的ではないが例えばスキャナを含み得る他のコンピュータ周辺機器が同様に使用されてもよい。さらに、例示的な実施形態において、付加的な出力チャネルは、オペレータインターフェースモニタを含んでもよいが、これに限定されない。

プロセッサは、本明細書に記載されているように、複数の電気装置および電子装置から送信される情報を処理する。メモリ装置（図示せず）およびストレージ装置（図示せず）は、プロセッサによって実行される命令および情報の記憶および伝送を行う。また、メモリ装置およびストレージ装置は、一時的な変数、静的な（すなわち、不揮発性および不変の）情報および命令、または他の中間情報を記憶するために、ならびに、プロセッサによる命令の実行中に、これをプロセッサに供給するために使用されてもよい。命令のシーケンスの実行は、ハードウェア回路およびソフトウェア命令の特定の組み合わせに限定されない。

例示的な実施形態において、コントローラ２０８は、限定的ではないがガスタービンデジタルエンジン制御（ＧＴＤＥＣ：ｇａｓｔｕｒｂｉｎｅｄｉｇｉｔａｌｅｎｇｉｎｅｃｏｎｔｒｏｌ）システムおよび／または予測・健康監視（ＰＨＭ：ｐｒｏｇｎｏｓｉｓａｎｄｈｅａｌｔｈｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ）システムなどの標準パッケージを含む。コントローラ２０８は、本明細書に記載したようなガスタービンエンジン１００の動作を可能にするのに十分なメモリおよび処理のリソースを含む。このようなメモリおよび処理のリソースは上述されている。処理リソースおよびメモリリソースは、すべてのアルゴリズムおよび制御論理を実行し、すべてのデータ出力を生成してコントローラ２０８に送信する統合単一アーキテクチャを形成する。したがって、例示的な実施形態において、プロセッサおよびプロセッサから送信されるデータに適合するようにコントローラ２０８のアーキテクチャおよびプログラミングをわずかに修正することのみが必要とされる。あるいは、コントローラ２０８は、プロセッサの機能の実行に必要なアーキテクチャおよびプログラミングを含んでもよい。これにより、プロセッサが不要となる。

コントローラ２０８は、熱伝達アセンブリ１０２を制御することによって動作中にブリード空気および／または冷却流体の抽出の積極的な調整を行うようにさらに構成されている。より具体的には、コントローラ２０８は、タービンエンジン１００の様々な部品に関係する、測定または計算された１つ以上のエンジン動作パラメータ２１０に応答して熱伝達アセンブリ１０２を制御するように構成されている。例示的な実施形態において、タービンエンジン１００に関係する１つ以上の動作パラメータ２１０は、タービンエンジン１００の１つ以上の位置に配置されたセンサ（図示せず）を用いてコントローラ２０８によって測定されてもよい。センサは、圧縮機、燃焼器、タービン、および熱伝達アセンブリ１０２を含むタービンエンジン１００の様々な部品および／または段の全体にわたって配置されてもよく、必要に応じてコントローラ２０８に情報を送信してもよい。センサは、弁位置、温度、圧力、および他のこのような測定に関係する測定を行ってもよく、センサは、閉ループ制御システムにおいて使用されてもよい。コントローラ２０８は、センサからの測定情報の監視および記録を行い、センサによって測定されなかった動作パラメータ２１０（例えば、火炎温度）に関係する計算を行うために、センサから取得したデータを使用するように構成されている。これらの計算は、従来のモデルベース制御システムまたは他の同様の方法に基づいてもよい。

例示的な実施形態において、コントローラ２０８によって測定、監視、および記録される動作パラメータ２１０は、タービンの排気温度および／または圧力、圧縮機の空気流量、圧縮機の入口温度、圧縮機の出口温度、圧縮機の入口圧力、圧縮機の出口圧力、燃料流量、燃焼力学、配分（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ）、ならびに吸気流量を含むが、これらに限定されない。コントローラ２０８は、測定されたエンジン動作パラメータ２１０に基づいて１つ以上の動作パラメータ２１０（例えば、燃焼器の出口温度、タービンの基準温度、タービンの火炎温度など）を計算、監視、および記録するように構成されている。コントローラ２０８は、測定、監視、記録、および／または計算されたこれらのエンジン動作パラメータ２１０（すなわち、エンジン１００が動作する方法およびエンジン１００が動作する条件に関するデータ）に応じて熱伝達アセンブリ１０２を調整することを容易にする。

例示的な動作中、圧縮機１０４に吸い込まれた大気は、圧縮されて、燃焼器１１０に向かって下流へ誘導される。空気は、燃料１５２と混合され、混合物は、高温燃焼ガスを生成するために燃焼器１１０によって点火される。燃焼ガスは、燃焼器１１０から駆動タービン１０６まで誘導される。出口案内羽根１２０は、圧縮機翼１１４（図１に示されている）から圧縮された空気流１３２を抽出および／または抽気するように構成されている。より具体的には、圧縮機１０４内での圧縮機翼１１４（図１に示されている）の回転は、空気流１３２を圧縮し、空気流１３２を出口案内羽根１２０へ放出する。入口端１２２は、圧縮された空気流１３２を受け入れて、ミッドスパン部１２６へ誘導するように構成されている。空気流１３２は、ミッドスパン部１２６を流れ、出口端１２４から放出される。熱伝達アセンブリ１０２は、タービン翼１３８およびタービン羽根１４０の少なくとも一方の冷却を容易にする目的で空気流１３２を受け入れるように構成されている。より具体的には、側壁１６４は、空気流１３２の第１の空気流２１２を第１の流路１７２へ誘導するように構成されている。さらに、側壁１６４は、空気流１３２の第２の空気流２１４を第２の流路１７４へ誘導するように構成されている。第１の流路１７２は、燃焼器ハウジング１４６と側壁１６４との間に第１の空気流２１２を誘導するように構成されており、タービン羽根１４０と流れ連通している。第１の空気流２１２は、タービン羽根１４０の冷却を容易にするために形成される。例示的な実施形態において、第１の流路１７２は、タービン羽根１４０を冷却するのに十分な、第１の流路１７２内の圧力を実現する目的で出口案内羽根１２０以降の局所的な静圧を高めることを容易にするために、第１の空気流２１２を局所的に拡散するサイズおよび形状に形成されている。より具体的には、第１の空気流２１２は、高温ガス経路１４２の圧力よりも高い圧力を含む。

第２の流路１７４は、第２の空気流２１４を誘導するように構成されており、熱交換器１６２と流れ連通している。より具体的には、第２の空気流２１４は、複数の放熱フィン１９０と流れ連通するように誘導される。流体供給装置２００は、入口２０２から流れ通路１８０へ冷却流体２０６を放出するように構成されている。冷却流体２０６は、第２の空気流経路１７４から抽出されるエネルギーを除去するために流れ通路１８０を流れる。より詳細には、例示的な実施形態において、冷却流体２０６は、流れ通路１８０の蛇行パターンを循環される。一実施形態において、冷却流体２０６は空気であり、熱交換器１６２は、空気対空気熱交換器１６２である。別の実施形態において、冷却流体２０６は水であり、熱交換器１６２は、空気対水熱交換器１６２である。熱交換器１６２は、圧縮された第２の空気流２１４から熱エネルギーを抽出し、熱エネルギーを冷却流体２０６へ伝達する。熱は、壁１８２を介して第２の空気流２１４から冷却流体２０６に伝達される。放熱フィン１９０は、第２の空気流２１４から冷却流体２０６への熱伝達を高めることを容易にするために第２の流路１７４内での第２の空気流２１４の接触面積を増加させるように構成されている。したがって、熱交換器１６２は、圧縮機１０４とタービン１０６との間での熱の除去を容易にする一方で、第２の流路１７４内を流れて熱交換器１６２を通過する第２の空気流２１４を冷却する。

第２の流路１７４は、熱交換器１６２を通過するように第２の空気流２１４を誘導するよう構成されており、タービン翼１３８と流れ連通している。第２の空気流２１４は、タービン翼１３８の冷却を容易にするために形成される。例示的な実施形態において、第２の流路１７４は、タービン翼１３８を冷却するのに十分な、第２の流路１７４内の圧力を実現する目的で出口案内羽根１２０以降の局所的な静圧を高めることを容易にするために、第２の空気流２１４を局所的に拡散するサイズおよび形状に形成されている。より具体的には、第２の空気流２１４は、高温ガス経路１４２の圧力よりも高い圧力を含む。

例示的な実施形態において、出口２０４は、加熱された冷却流体２０６を燃焼器１１０へ誘導する。例示的な一実施形態において、冷却流体２０６は、燃焼器１１０内に噴射されたときにガスタービンエンジン１００によって排出される酸化窒素（ＮＯｘ）排出物の低減を容易にする水を含む。別の例示的な実施形態において、冷却流体２０６は、第２の流路１７４から抽出されるエネルギーを除去するための熱交換器１６２を流れる燃料を含む。大気温度の燃料２０６は、入口２０２から熱交換器１６２に誘導される。高温の第２の空気流２１４は、熱交換器１６２を通過し、これにより、第２の空気流２１４は冷却され、燃料２０６は大気温度よりも高い温度まで加熱される。次に、加熱された燃料２０６は、出口２０２から誘導されて、燃焼器１１０内へ噴射される。第２の流路１７４と燃料２０６との間の熱伝達によって吸収されたエネルギーは、燃料２０６を環状の燃焼器１１０内へ噴射する前に燃料２０６の効率を高めることによって、ガスタービンの燃料消費量の低減を容易にする。この結果、ガスタービンエンジン１００の基本的な動作効率が高くなる。

図４は、タービンエンジン（例えば、タービンエンジン１００（図１に示されている））に熱伝達器（熱伝達アセンブリ１０２（図２に示されている）など）を組み付ける方法４００を示す例示的なフローチャートである。タービンエンジンは、ハウジング（例えば、ハウジング１０３（図１に示されている））ならびにハウジング内に配置された圧縮機（例えば、圧縮機１０４（図１に示されている））、タービン（例えば、タービン１０６（図１に示されている））、および燃焼器（例えば、燃焼器１１０（図１に示されている））を含む。方法４００は、タービンに流れ制御装置（流れ制御装置１６０（図１に示されている）など）を接続すること４０２を含む。より具体的には、方法４００は、圧縮機羽根（例えば、圧縮機羽根１２０（図２に示されている））およびタービンのタービン羽根（タービン羽根１４０（図２に示されている）など）に流れ制御装置の側壁（例えば、側壁１６４（図１に示されている））を接続すること４０４を含む。

方法４００は、燃焼器と側壁との間に第１の流路（例えば、第１の流路１７２（図３に示されている））を形成すること４０６をさらに含む。第２の流路（第２の流路１７４（図３に示されている）など）は、側壁とハウジングとの間に形成される４０８。方法４００は、圧縮機とタービンとの間に配置されるようにハウジングに熱交換器（熱交換器１６２（図３に示されている）など）を接続すること４１０をさらに含む。例示的な方法４００において、ハウジングに熱交換器を接続することは、第２の流路内に熱交換器を配置することを含む。方法４００は、熱交換器および燃焼器に流体供給装置（例えば、流体供給装置２００（図３に示されている））を接続することをさらに含む。

本明細書に記載したシステムおよび方法の技術的効果は、（ａ）ガスタービンエンジンの圧縮機羽根から空気流を抽出すること、（ｂ）ガスタービンエンジンのハウジング内に熱交換器を配置することによってガスタービンエンジンの必要な空間ならびに設備費用、導入費用、保守費用、および／または運転費用を低減すること、（ｃ）抽出された空気を熱交換器を経由して誘導すること、（ｄ）抽出された空気によってタービン翼を冷却すること、（ｅ）タービン翼の所望の温度を維持すること、ならびに（ｆ）ガスタービンエンジンの効率を高め、ガスタービンエンジンの燃料消費量を低減することのうちの少なくとも１つを含む。

本明細書に記載した例示的な実施形態は、ガスタービンエンジンに関する効率の増加および燃料消費量の低減を容易にする。より具体的には、例示的な実施形態は、圧縮機から抽出されて、タービン部品を冷却するために誘導されるブリード空気を使用するように構成されている。さらに、本明細書に記載した実施形態は、燃焼器の火炎温度を増加させるタービン部品を冷却するためにより少ない量のブリード空気を使用する。さらに、例示的な実施形態は、タービンエンジンに関連する効率を高め、タービンエンジンに関連する運転費用および保守費用を低減する。

圧縮機の抽出は、タービンシステムの任意の圧縮機段において行われてもよい。抽出された流れは、動作時に適切な温度に、部品を冷却し、および／または部品を維持するためにエンジンのタービン部に供給されてもよい。本明細書に記載した実施形態に関して、抽出される流れは、流体媒質（例えば、圧縮機から抽出または抽気され、部品の冷却、キャビティーの浄化、または他の同様の使用のためにエンジンのタービン部に供給される空気など）を含む。熱交換器は、必要な空間ならびに設備費用、導入費用、保守費用、および／または運転費用を低減するためにガスタービンエンジンのハウジング内に配置される。本明細書に記載した実施形態において、コントローラは、抽出流れの既存のマルチパラメータタービンエンジン制御システム（例えば、既存のモデルベース制御システムまたは補正パラメータ制御システム）の制御および操作を行うように、ならびに／または、新しいタービンエンジン制御システムのために構成される。

本明細書に記載した実施形態は、燃焼タービンエンジンまたはガスタービンエンジンの動作を改善するために可変圧縮機抽出制御およびモデルベース制御を利用する。可変圧縮機抽出は、ガスタービンの圧縮機部から抽出される空気流の量を制御する能力を含む。モデルベース制御は、エンジン動作のモデルに基づいてタービンエンジンを制御する方法を含む。このように、タービンエンジンは、測定された動作パラメータだけではなく、タービンエンジンモデルおよび測定された動作パラメータに基づいて計算され得る動作パラメータにも基づいて制御され得る。本明細書に記載した実施形態は、とりわけ可変圧縮機抽出制御およびモデルベース制御の統合によって動作性能を向上させる。

熱伝達アセンブリおよびタービンエンジンならびに流れ制御装置を組み付けるための方法の例示的な実施形態が、詳細に上述されている。方法およびシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されず、それどころか、システムの部品および／または方法のステップは、本明細書に記載した他の部品および／またはステップとは独立に単独で使用されてもよい。例えば、さらに方法は、他の製造システムおよび方法と組み合わせて使用されてもよく、本明細書に記載したようなシステムおよび方法のみに関する実施に限定されない。それどころか、例示的な実施形態は、多くの他のエンジン用途に関連して実施および使用されてもよい。

本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、一部の図面には示されているが、他の図面には示されていない場合もあるが、これは、便宜上のものに過ぎない。本発明の原理にしたがって、図面のある特徴は、任意の他の図面の任意の特徴との組み合わせにおいて参照され、および／または特許請求される場合がある。

一部の実施形態は、１つ以上の電子装置または計算装置の使用を含む。このような装置は、一般的に、汎用の中央処理装置（ＣＰＵ）、グラフィック処理装置（ＧＰＵ）、マイクロコントローラ、縮小命令セットコンピュータ（ＲＩＳＣ）プロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル論理回路（ＰＬＣ）、および／または本明細書に記載した機能を実行することができる任意の他の回路もしくはプロセッサなどのプロセッサまたはコントローラを含む。本明細書に記載した方法は、限定的ではないがストレージ装置および／またはメモリ装置を含むコンピュータ可読媒体に組み込まれる実行可能な命令としてエンコードされてもよい。このような命令は、プロセッサによって実行された場合、本明細書に記載した方法の少なくとも一部をプロセッサに実行させる。上記の例は、例示に過ぎず、したがって、プロセッサという用語の定義および／または意味を何らかの方法で限定することを意図されていない。

この記載された説明では、最良の態様を含めて本発明を開示するために、さらには、当業者が任意の装置またはシステムの作製および使用ならびに任意の組み込み方法の実行を含めて本発明を実施することを可能にするために、例が使用されている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定されており、また、当業者に想到される他の例を含み得る。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構造的要素を有する場合、または、特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１００ガスタービンエンジン
１０２熱伝達アセンブリ
１０３ハウジング
１０４圧縮機
１０６駆動タービン
１０８シャフト
１１０燃焼器
１１２段
１１４圧縮機動翼
１１６圧縮機静翼
１１８圧縮機ハウジング
１２０圧縮機羽根または出口案内羽根
１２２入口端
１２４出口端
１２６ミッドスパン部
１２８端壁
１３０端壁
１３２空気流
１３４タービンハウジング
１３６第１の段
１３８タービン翼
１４０タービン羽根
１４２高温ガス経路
１４４第２の段
１４６燃焼器ハウジング
１４８燃焼室
１５０燃料源
１５２燃料
１５４供給ライン
１５６点火装置
１６０流れ制御装置
１６２熱交換器
１６４側壁
１６６第１の端部
１６８第２の端部
１７０本体
１７２第１の流路
１７４第２の流路
１７６第１の板
１７８第２の板
１８０流れ通路
１８２壁
１８４入口端部
１８６出口端部
１９０放熱フィン
２００流体供給装置
２０２入口
２０４出口
２０６冷却流体または燃料
２１０エンジン動作パラメータ
２１２第１の空気流
２１４第２の空気流
４００方法
４０２圧縮機に流れ制御装置を接続する
４０４圧縮機の圧縮機羽根およびタービンのタービン羽根と流れ連通するように流れ制御装置の側壁を接続する
４０６燃焼器と側壁との間に第１の流路を形成する
４０８側壁とハウジングとの間に第２の流路を形成する
４１０圧縮機とタービンとの間に配置されるようにハウジングに熱交換器を接続する

Claims

ハウジング（１０３）ならびに該ハウジング（１０３）内に配置された圧縮機（１０４）、燃焼器（１１０）、およびタービン（１０６）を有するタービンエンジン（１００）の熱伝達を制御するための熱伝達アセンブリ（１０２）であって、
前記圧縮機（１０４）が、圧縮機羽根（１２０）を有し、前記タービン（１０６）が、タービン羽根（１４０）およびタービン翼（１３８）を有し、前記熱伝達アセンブリ（１０２）が、前記タービン（１０６）と接続され、かつ前記圧縮機羽根（１２０）と流れ連通する側壁（１６４）を備える流れ制御装置（１６０）であって、前記側壁（１６４）が、前記圧縮機羽根（１２０）から前記タービン羽根（１４０）までの第１の流路（１７２）および前記圧縮機羽根（１２０）から前記タービン翼（１３８）までの第２の流路（１７４）を形成するように構成されている流れ制御装置（１６０）と、
前記ハウジング（１０３）と接続され、かつ前記圧縮機（１０４）と前記タービン（１０６）との間に配置された熱交換器（１６２）であって、前記第１の流路（１７２）および前記第２の流路（１７４）の少なくとも一方と流れ連通する熱交換器（１６２）と、
前記ハウジング（１０３）と接続され、かつ入口（２０２）および出口（２０４）を備える流体供給装置（２００）であって、前記入口（２０２）および前記出口（２０４）が、前記熱交換器（１６２）と流れ連通するように接続されており、前記熱交換器（１６２）を経由して冷却流体（２０６）を誘導するように構成されている流体供給装置（２００）と
を備える熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記第１の流路（１７２）が、前記圧縮機羽根（１２０）と流れ連通している、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記第１の流路（１７２）が、前記タービン羽根（１４０）と流れ連通している、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記第２の流路（１７４）が、前記圧縮機羽根（１２０）と流れ連通している、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記第２の流路（１７４）が、前記タービン翼（１３８）と流れ連通している、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記熱交換器（１６２）が、前記第２の流路（１７４）内に配置されている、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記熱交換器（１６２）が、前記第２の流路（１７４）内に配置された複数の放熱フィン（１９０）を備える、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記熱交換器（１６２）が、前記ハウジング（１０３）と接続されており、前記燃焼器（１１０）より内側にある、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記熱交換器（１６２）が、前記圧縮機羽根（１２０）と流れ連通するように接続されている、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
前記側壁（１６４）が、前記燃焼器（１１０）と前記熱交換器（１６２）との間に配置されている、請求項１に記載の熱伝達アセンブリ（１０２）。
入口端（１２２）、出口端（１２４）、および前記入口端（１２２）と前記出口端（１２４）との間に配置されたミッドスパン部（１２６）を備える出口案内羽根（１２０）を備える圧縮機（１０４）と、
前記圧縮機（１０４）と接続され、かつタービン羽根（１４０）およびタービン翼（１３８）を備えるタービン（１０６）と、
前記圧縮機（１０４）および前記タービン（１０６）と接続された燃焼器（１１０）と、
前記圧縮機（１０４）および前記タービン（１０６）と接続された熱伝達アセンブリ（１０２）であって、前記タービン（１０６）と接続され、かつ前記出口案内羽根（１２０）と流れ連通する側壁（１６４）を備える流れ制御装置（１６０）であって、前記側壁（１６４）が、前記出口案内羽根（１２０）から前記タービン羽根（１４０）までの第１の流路（１７２）および前記圧縮機羽根（１２０）から前記タービン翼（１３８）までの第２の流路（１７４）を形成するように構成されている流れ制御装置（１６０）、ならびに、前記圧縮機（１０４）および前記タービン（１０６）と接続され、かつ前記圧縮機（１０４）と前記タービン（１０６）との間に配置された熱交換器（１６２）であって、前記出口案内羽根（１２０）ならびに前記第１の流路（１７２）および前記第２の流路（１７４）の少なくとも一方と流れ連通する熱交換器（１６２）を備える熱伝達アセンブリ（１０２）と
を備えるタービンエンジン（１００）。
前記側壁（１６４）が、前記燃焼器（１１０）と前記熱交換器（１６２）との間に配置されている、請求項１１に記載のタービンエンジン（１００）。
前記熱交換器（１６２）が、前記圧縮機（１０４）および前記タービン（１０６）と接続されており、前記燃焼器（１１０）に隣接している、請求項１１に記載のタービンエンジン（１００）。
前記第１の流路（１７２）が、前記圧縮機（１０４）からの圧縮機ブリード空気を誘導するように構成されており、前記タービン羽根（１４０）と流れ連通している、請求項１１に記載のタービンエンジン（１００）。
前記第２の流路（１７４）が、前記熱交換器（１６２）からの圧縮機ブリード空気を誘導するように構成されており、前記タービン翼（１３８）と流れ連通している、請求項１１に記載のタービンエンジン（１００）。
前記熱交換器（１６２）と接続され、かつ入口（２０２）および出口（２０４）を備える流体供給装置（２００）をさらに備え、前記入口（２０２）および前記出口（２０４）が、前記熱交換器（１６２）と流れ連通するように接続されており、前記熱交換器（１６２）を経由して冷却流体（２０６）を誘導するように構成されている、請求項１１に記載のタービンエンジン（１００）。
前記出口（２０４）が、前記燃焼器（１１０）と流れ連通するように接続されている、請求項１６に記載のタービンエンジン（１００）。
圧縮機（１０４）およびタービン（１０６）を備えるタービンエンジン（１００）に熱伝達アセンブリ（１０２）を組み付ける方法であって、
前記タービン（１０６）に流れ制御装置（１６０）を接続するステップと、
前記圧縮機（１０４）の圧縮機羽根（１２０）および前記タービン（１０６）のタービン羽根（１４０）と流れ連通するように前記流れ制御装置（１６０）の側壁（１６４）を接続するステップと、
燃焼器（１１０）と前記側壁（１６４）との間に第１の流路（１７２）を形成するステップと、
前記側壁（１６４）とハウジング（１０３）との間に第２の流路（１７４）を形成するステップと、
前記圧縮機（１０４）と前記タービン（１０６）との間に配置されるように前記ハウジング（１０３）に熱交換器（１６２）を接続するステップと
を含む方法。
前記ハウジング（１０３）に前記熱交換器（１６２）を接続する前記ステップが、前記第２の流路（１７４）内に前記熱交換器（１６２）を配置することを含む、請求項１８に記載の方法。
前記熱交換器（１６２）および前記燃焼器（１１０）に流体供給装置（２００）を接続するステップをさらに含む、請求項１８に記載の方法。