JP2015230005A - ストラット冷却通路による排出フレーム冷却システム - Google Patents

Abstract

【課題】ストラット冷却通路による排出フレーム冷却システムを提供すること。
【解決手段】タービン排出セクションは、排出流路を含む。タービン排出セクションはまた、外側ケーシングと、排出流路に沿って配置された外側排出壁と、該外側排出壁と外側ケーシングの間に配置された外側キャビティとを有する外側構造体を含む。タービン排出セクションは更に、排出流路に沿って配置された内側排出壁と、内側ケーシングと軸受ハウジングの間に配置された軸受キャビティとを有する内側構造体を含む。加えて、タービン排出セクションは、外側構造体と内側構造体との間に延びるストラットを含む。ストラットは、流体を軸受キャビティから外側キャビティに流すよう構成された第１の流れ通路を含む。流体の流れは、ストラットから熱的に遮断される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、全体的に、ガスタービンの冷却に関し、より詳細には、排出セクションの冷却に関する。

ガスタービンエンジンは、燃料と加圧空気の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生し、この燃焼ガスがタービンブレードを駆動することによりエネルギーを生成する。タービンブレードの回転により、軸受によって支持されたシャフトの回転が生じる。シャフトが回転すると、軸受において有意な量の熱が発生する。加えて、タービン排出セクションを通って流出する高温の燃焼ガスは、タービン排出セクションの構成要素に熱を伝達する。残念ながら、タービン排出セクションにおいて十分な冷却を行わない場合には、この熱はタービン構成要素に対して損傷を与える可能性がある。更に、タービン排出セクションのストラットに作用する引張応力が高いことに起因して、冷却システムにおいて問題が起こる可能性がある。このような応力は、タービン排出システムの内側構造体からストラットを分離させる可能性がある。

米国特許第７，４９３，７６９号明細書

開示される本発明の１つの態様は、冷却空気流を軸受キャビティからタービン排出セクションの外側キャビティに送るよう構成された第１の流れ通路を含むストラットに関する。

開示される本発明の別の態様は、空気流をストラットから熱的に遮断するために冷却空気流とストラットとの間に提供される熱障壁に関する。

開示される本発明の限定ではない１つの例示的な態様は、タービン排出セクションを備えたガスタービン用のシステムに関し、タービン排出セクションが、排出流路と、外側ケーシング、排出流路に沿って配置された外側排出壁、及び外側排出壁と外側ケーシングの間に配置された外側キャビティを含む外側構造体と、排出流路に沿って配置された内側排出壁、及び内側ケーシングと軸受ハウジングの間に配置された軸受キャビティを含む内側構造体と、外側構造体と内側構造体との間に延び、耐荷重性である内側本体及び外側本体を含み、更に流体の第１の流れを軸受キャビティから外側キャビティに送るよう構成された第１の流れ通路を含むストラットと、ストラットの内側本体と第１の流れとの間で内側本体から第１の流れへの熱伝達を遮断する熱障壁と、を備える。

開示される本発明の限定ではない別の例示的な態様は、タービン排出セクションを備えたガスタービン用のシステムに関し、タービン排出セクションが、排出流路と、外側ケーシング、排出流路に沿って配置された外側排出壁、及び外側排出壁と外側ケーシングの間に配置された外側キャビティを含む外側構造体と、排出流路に沿って配置された内側排出壁、及び内側ケーシングと軸受ハウジングの間に配置された軸受キャビティを含む内側構造体と、外側構造体と内側構造体との間に延び、耐荷重性である内側本体及び外側本体を含み、該内側本体が、流体の第１の流れを軸受キャビティから外側キャビティに送るよう構成された第１の流れ通路を形成する複数のストラット孔を貫通して含むストラットと、を備える。

本発明の他の態様、特徴、及び利点は、本開示の一部であり且つ本発明の原理を例証として例示する添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

添付図面により本発明の種々の実施例の理解が促される。

開示された本発明の１つの実施例による、排出セクション冷却を利用できるガスタービンエンジンを有する例示的なタービンシステムの概略流れ図。 タービンシステムの例示的な排出セクションの斜視図。 開示された本発明の１つの実施例による、排出セクション冷却を例示した図２の排出セクションの側断面図。 図３の線４−４に沿った断面図。 管状部材が内部に挿入された、開示された本発明の例示的なストラットの拡大詳細断面図。 例示的なストラットの内側本体の断面図。 排出セクションの外側構造体近傍の内側本体の一部を示す、図６の内側本体の拡大詳細図。 排出セクションの内側構造体近傍の内側本体の一部を示す、図６の内側本体の拡大詳細図。 開示された本発明の例示的な管状部材の斜視図。 管状部材のフランジ部を示す、図９の管状部材の拡大詳細図。 管状部材の外壁上の円周方向突出部を示す、図９の管状部材の拡大詳細図。 管状部材の外壁上の突出セグメントを示す、図９の管状部材の拡大詳細図。

図１を参照すると、例示的なタービンシステム１０の概略流れ図が示される。タービンシステム１０は、排出セクション冷却を利用できるガスタービンエンジン１２を有する。例えば、システム１０は、排出セクションストラットを貫通する１又はそれ以上の冷却流路を有する排出セクション冷却システム１１を含むことができる。特定の実施例において、タービンシステム１０は、航空機、機関車、発電システム、又はこれらの組み合わせを含むことができる。

例示のガスタービンエンジン１２は、図１に示すように、吸気セクション１６、圧縮機１８、燃焼器セクション２０、タービン２２、及び排出セクション２４を含む。タービン２２は、シャフト２６を介して圧縮機１８に結合される。矢印で示されるように、空気は、吸気セクション１６を通ってガスタービンエンジン１２に流入して圧縮機１８内に流れ、該圧縮機１８が空気を加圧した後、この空気は燃焼器セクション２０に流入する。

例示の燃焼器セクション２０は、圧縮機１８とタービン２２との間でシャフト２６の周りに同心状又は環状に配置された燃焼器ハウジング２８を含む。圧縮機１８からの加圧空気は、燃焼器３０に流入し、ここで加圧空気は、燃焼器３０内で燃料と混合されて燃焼し、タービン２２を駆動する。高温燃焼ガスは、燃焼器セクション２０からタービン２２を通って流れ、シャフト２６を介して圧縮機１８を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービン２２内のタービンロータブレードに駆動力を加えて、シャフト２６を回転させる。タービン２２を通って流れた後、高温燃焼ガスは、排出セクション２４を通じてガスタービンエンジン１２から流出することができる。以下で説明するように、排出セクション２４は、複数のストラットを含むことができ、各ストラットは、排出セクション冷却システム１１の１又はそれ以上の冷却流路を有する。

排出セクション２４は、図２に示すように、内側構造体（すなわち、内側バレル）３８、少なくとも１つのストラット４０、及び外側構造体（すなわち、外側バレル）４２を含むことができる。ストラット４０は、外側構造体４２と内側構造体３８との間の支持を提供する。高温の燃焼ガスがタービン２２から流出してシャフト２６が回転すると、排出セクション２４の構成要素は、高温状態となる場合がある。より具体的には、高温状態によりストラット４０、内側構造体３８、及び外側構造体４２に対して熱応力、摩耗、及び／又は損傷を生じる可能性がある。従って、排出セクション冷却システム１１は、図３に示すように、コントローラ４６に結合されたブロア４４を含むことができ、該コントローラは、内側構造体３８、ストラット４０、及び外側構造体４２を通る冷却空気流を制御して、これらの構成要素及び内部に配置される部品の熱応力及び摩耗を低減することができる。

図２〜４を参照すると、ストラット４０は、外側本体４８及び内側本体５０を含む。内側本体５０は、第１の流れ９２を送るための第１の流れ通路５２（例えば、内側流れ通路）を定め、外側本体４８は、排出セクション冷却システム１１の第２の流れ９３を送るための第２の流れ通路５３（例えば、外側流れ通路）を定めることができる。第１の流れ通路５２は、図４に示すように、内側本体５０を通って内側構造体３８から外側構造体４２に延びる複数のストラット孔５１により形成される。一例において、各ストラット４０は、６つのストラット孔５１（例えば、各々が１．５インチの直径を有する）を含むことができる。第２の流れ通路５３は、内側本体と外側本体４８との間のスペースによって形成される。

例示の実施例において、ストラット４０の内側本体５０は、排出セクション２４の内側構造体３８と外側構造体４２との間の大きな機械的荷重を担うよう構成された耐荷重構造支持体であり、他方、ストラット４０の外側本体４８は、耐荷重構造支持体ではない。例えば、外側本体４８は、内側本体５０からの熱を遮断することによって内側本体５０を保護するために含めることができる。詳細には、図３に示すように、外側本体４８は、冷却空気が内側本体５０に沿って外部を流れて、内側本体５０と排出セクション２４における高温燃焼ガス３１との間に熱障壁を提供するよう設計することができる。一例において、内側本体５０は炭素鋼から作ることができ、他方、外側本体４８はステンレス鋼とすることができる。外側本体４８はまた、内側本体５０と比べて、高温燃焼ガス３１に対してより高い耐熱性を有することができる。例えば、内側本体５０は、外側本体４８よりも低い温度限界を有することができる。一部の実施形態において、内側本体５０は、高温燃焼ガス３１の温度よりも低い温度限界を有することができ、外側本体４８は、高温燃焼ガス３１の温度を実質的に上回る温度限界を有することができる。従って、外側本体４８は、内側本体５０を熱的に保護し、その結果、内側本体５０は、排出セクション２４の内側構造体３８と外側構造体４２との間の機械的荷重を効果的に担うことができる。

図３を参照すると、内側構造体３８は、内側排出壁８０、軸受キャビティ８２、軸受ハウジング８５内に収容された（図示せず）軸受組立体、及び内側ケーシング８３を定める。第１の流れ９２は、内側ケーシング８３に形成された第１の開口６５を通って第１の流れ通路５２に流入する。第２の流れ９３は、内側ケーシング８３に形成された第２の開口６６を通って第２の流れ通路５３に流入する。

図３に示すように、第１及び第２の流れ９２，９３がストラット４０から流出すると、外側構造体４２の温度を制御するために外側キャビティ１１０に流入し、その後、排出流路３３に放出される。第１の流れ９２は、図６に示されるように内側本体５０内に形成されるクロス孔５９を介して内側本体５０から離れて配向される。クロス孔５９は、例えば、直径１．７５インチを有することができる。第１及び第２の流れ９２，９３は、最終的に、外側構造体４２（例えば、外側排出壁１０６）のアパーチャ（図示せず）を通って排出流路３３に放出される。

図４に示すように、外側本体４８は、長円形状（例えば、翼形部形状）を有することができ、他方、内側本体５０は、テーパー付き端部を有する略矩形である。他の実施例において、内側及び外側本体５０，４８は、例えば、矩形中の矩形、翼形部中の翼形部、長円中の長円、その他など、他の形状を有することができる。特定の形状に関係なく、内側及び外側本体５０，４８は、入れ子式に配置され、第１及び第２の流れ通路５２，５３が一方の内部に（例えば、同心状に）隔離される。

図４に示すように、ストラット孔５１は内壁５４を有する。起こり得る問題は、内側本体５０に作用する高い引張応力に起因する。このような応力により、内側構造体３８における内側本体５０のフランジが開く（又は内側構造体３８から引き離される）可能性がある。この応力は、内側本体５０から第１の流れ９２への熱伝達を低減するために内壁５４と第１の流れ９２との間に熱障壁を設けることにより低減することができる。すなわち、内側本体５０が高温に保持されているときには、内側本体５０は、圧縮状態になりやすく、これにより引張応力が低下する。一例において、内壁５４は、図４に示すように内壁５４と第１の流れとの間に熱障壁を設けるために断熱コーティング６７でコーティングすることができる。図４に示すように、断熱コーティング６７は、あらゆる数のストラット孔５１に設けることができ、例えば、断熱コーティング６７は、２つのストラット孔に設けることができ、他のストラット孔には熱障壁を備えていない。勿論、断熱コーティング６７は、各ストラット孔５１に設けてもよい。

別の実施例において、図５〜８に示すように、ストラット孔５１は、挿入管状部材６０と共に設けることもできる。管状部材６０は、ストラット孔５１の内壁５４に対して間にギャップ７７を形成するように位置決めされる。各管状部材６０は、ストラット孔５１の内壁５４から外壁６４を離間して配置するために外壁６４上に複数の突出セグメント７５を含むことができる。ギャップ７７にはガス（例えば、空気）が充填され、このガスは、内側本体５０の内壁５４から第１の流れ９２（管状部材６０を通過する）を隔離して、これにより第１の流れ９２と内壁５４との間に熱障壁を形成する機能を果たす。

管状部材６０は、あらゆる数のストラット孔５１に設けることができ、例えば、管状部材６０は、図６及び７に示すように、全てのストラット孔に設けることができる。勿論、管状部材６０は、ストラット孔５１の一部だけに設けてもよい。

図６及び７に示すように、管状部材６０は、クロス孔５９の前で終端する。図８及び９を参照すると、管状部材６０の内壁６３は、第１の流れが通過する中空部分を形成する。内側構造体３８において、各管状部材６０は、管状部材６０の端部から突出して内側構造体３８の端部に当接するフランジによって内側本体５０に取り付けられる。フランジ６２は、ダウエルピン及び溶接継手を介して内側構造体３８に取り付けることができる。この接続部は、内側構造体３８と共に管状部材６０をシールする。

図１０に示すように、フランジ６２は、継手７０（例えば、溶接継手）により管状部材６０の外壁６４に取り付けることができる。突出セグメント７５はまた、管状部材６０に対して支持を提供し、図９に示すように、管状部材６０の外壁６４上に離間配置で配列することができる。外壁６４上の突出セグメント７５の位置、突出セグメントの数、及び突出セグメントのサイズは、ストラット４０のサイズ、並びに当業者には理解されるような他の要因に応じて変えることができる。

図９及び１１に示すように、円周方向突出部７３は、外側構造体４２に配列された管状部材６０の端部付近で外壁６４の周りに配置することができる。円周方向突出部７３は、管状部材６０に対する支持を提供し、また、ストラット孔の内壁５４と管状部材６０の外壁６４との間のギャップ７７をシールする。円周方向突出部７３は、管状部材６０の外壁６４に溶接することができる。

図３に示すように、冷却空気は、ブロア４４により排出セクション２４の下流側区域又はその近傍に導入することができる。換言すると、冷却空気の一部は、排出セクション２４の他の構成要素のなかでも特に、ストラット４０及び軸受組立体の下流側の内側構造体３８に導入することができる。内側構造体３８に送風される冷却空気の一部は、内側構造体３８を通って（例えば、軸受ハウジング８５にわたって）循環し、次いで、ストラット４０の第１及び第２の流れ通路５２，５３を通って外側構造体４２内に流出して、排出経路３３内に放出される。

冷却空気５８の供給源は、ガスタービンエンジン１２の圧縮機１８又は他の何れかの外部空気供給源とすることができる。

コントローラ４６は、排出セクション冷却システム１１のブロア４４及び他の構成要素の動作を能動的に制御するよう構成することができる。コントローラ４６は、アクティブ制御動作を実施するよう構成されたコンピュータ命令をエンコードした非一時的コンピュータ可読媒体（例えば、ハードドライブ、フラッシュドライブ、ランダムアクセスメモリ（ＲＯＭ）、コンパクトディスク（ＣＤ）、及びその他）のようなメモリから読み出し及びメモリに書き込みすることができるプロセッサを含むことができる。より具体的には、コントローラ４６は、排出セクション冷却システム１１の動作パラメータに関する信号（例えば、ストラット４０、流れ通路５２、５３、軸受ハウジング８５、軸受キャビティ８２、及びその他における又はその近傍の温度に関する信号）を受け取り、ブロア４４に対する制御信号を生成及び送信するよう構成することができる。

現時点で最も実用的且つ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に添付の請求項の技術的思想及び範囲内に含まれる様々な修正形態及び均等な構成を保護するものであることを理解されたい。

１０ タービンシステム
１２ ガスタービンエンジン
１６ 吸気セクション
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器セクション
２２ タービン
２４ 排出セクション
２６ シャフト
２８ 燃焼器ハウジング
３０ 燃焼器
３１ 高温燃焼ガス
３３ 排出流路
３８ 内側構造体
４０ ストラット
４２ 外側構造体
４４ ブロア
４６ コントローラ
４８ 外側本体
５０ 内側本体
５１ ストラット孔
５２ 第１の流れ通路
５３ 第２の流れ通路
５４ 内壁
５９ クロス孔
６０ 管状部材
６２ フランジ
６３ 内壁
６４ 外壁
６５ 第１の開口
６６ 第２の開口
６７ 断熱コーティング
７０ 継手（例えば、溶接部）
７３ 円周方向突出部
７５ 突出セグメント
７７ ギャップ
８０ 内側排出壁
８２ 軸受キャビティ
８３ 内側ケーシング
８５ 軸受ハウジング
９２ 第１の流れ
９３ 第２の流れ
１０６ 外側排出壁
１０８ 外側ケーシング
１１０ 外側キャビティ

Claims (20)

1. タービン排出セクション（２４）を備えたガスタービン用のシステム（１０）であって、前記タービン排出セクション（２４）が、
   排出流路（３３）と、
   外側ケーシング（１０８）、前記排出流路に沿って配置された外側排出壁（１０６）、及び前記外側排出壁と前記外側ケーシングの間に配置された外側キャビティ（１１０）を含む外側構造体（４２）と、
   前記排出流路に沿って配置された内側排出壁（８０）、及び内側ケーシング（８３）と軸受ハウジング（８５）の間に配置された軸受キャビティ（８２）を含む内側構造体（３８）と、
   前記外側構造体と前記内側構造体との間に延び、耐荷重性である内側本体（５０）及び外側本体（４８）を含み、更に流体の第１の流れ（９２）を前記軸受キャビティから前記外側キャビティに送るよう構成された第１の流れ通路（５２）を含むストラット（４０）と、
   前記ストラットの内側本体と前記第１の流れとの間で前記内側本体から前記第１の流れを熱的に遮断する熱障壁と、
   を備える、システム（１０）。
2. 前記ストラットの内側本体が、貫通する複数のストラット孔（５１）を含み、該複数のストラット孔が前記第１の流れ通路（５２）を形成する、請求項１に記載のシステム（１０）。
3. 前記熱障壁が、前記ストラット孔のうちの少なくとも２つの孔の内壁上に断熱コーティング（６７）を含む、請求項２に記載のシステム（１０）。
4. 前記断熱コーティングが、前記ストラット孔の各々の内壁上に設けられる、請求項３に記載のシステム（１０）。
5. 前記ストラット孔のうちの少なくとも２つにそれぞれ設置された管状部材（６０）を更に備え、該管状部材（６０）の中空部分に前記第１の流れを通過させるようにする、請求項２に記載のシステム（１０）。
6. 前記各管状部材の外壁（６４）が、それぞれのストラット孔のそれぞれの内壁から離間して配置されて間にギャップを形成するようにする、請求項５に記載のシステム（１０）。
7. 前記ギャップにガスが充填されて前記熱障壁を形成する、請求項６に記載のシステム（１０）。
8. 前記管状部材の各外壁が、前記それぞれのストラット孔のそれぞれの内壁に係合してギャップを形成するよう構成された複数の突出セグメント（７５）を含む、請求項６に記載のシステム（１０）。
9. 前記外側本体が耐荷重ではない、請求項１に記載のシステム（１０）。
10. 前記軸受キャビティに流体の流れを供給するブロア（４４）を更に備える、請求項１に記載のシステム（１０）。
11. 前記外側排出壁が、流体の第１の流れを前記外側キャビティから前記排出流路内に流すように構成された複数の開口を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
12. タービン排出セクション（２４）を備えたガスタービン用のシステム（１０）であって、前記タービン排出セクション（２４）が、
    排出流路（３３）と、
    外側ケーシング（１０８）、前記排出流路に沿って配置された外側排出壁（１０６）、及び前記外側排出壁と前記外側ケーシングの間に配置された外側キャビティ（１１０）を含む外側構造体（４２）と、
    前記排出流路に沿って配置された内側排出壁（８０）、及び内側ケーシング（８３）と軸受ハウジング（８５）の間に配置された軸受キャビティ（８２）を含む内側構造体（３８）と、
    前記外側構造体と前記内側構造体との間に延び、耐荷重性である内側本体（５０）及び外側本体（４８）を含み、該内側本体が、流体の第１の流れ（９２）を前記軸受キャビティから前記外側キャビティに送るよう構成された第１の流れ通路（５２）を形成する複数のストラット孔を貫通して含むストラット（４０）と、
    を備える、システム（１０）。
13. 前記第１の流れと前記ストラット孔の内壁との間にエアギャップが配置されて熱障壁を形成する、請求項１２に記載のシステム（１０）。
14. 前記外側本体が耐荷重性ではない、請求項１２に記載のシステム（１０）。
15. 前記軸受キャビティに流体の流れを供給するブロアを更に備える、請求項１２に記載のシステム（１０）。
16. 前記外側排出壁が、流体の第１の流れを前記外側キャビティから前記排出流路内に流すように構成された複数の開口を含む、請求項１２に記載のシステム（１０）。
17. 前記内側本体から前記第１の流れへの熱伝達を防ぐために、前記ストラットの内側本体と前記第１の流れとの間に熱障壁が配置される、請求項１２に記載のシステム（１０）。
18. 前記熱障壁が、前記ストラット孔のうちの少なくとも２つの孔の内壁上に断熱コーティング（６７）を含む、請求項１７に記載のシステム（１０）。
19. 前記ストラット孔のうちの少なくとも２つにそれぞれ設置された管状部材（６０）を更に備え、該管状部材（６０）の中空部分に前記第１の流れを通過させるようにし、前記各管状部材の外壁（６４）が、それぞれのストラット孔のそれぞれの内壁から離間して配置されて間にギャップを形成し、前記ギャップにガスが充填されて前記熱障壁を形成する、請求項１７に記載のシステム（１０）。
20. 圧縮機と、
    燃焼器セクションと、
    タービンセクションと、
    請求項１２に記載のシステムと、
    を備える、ガスタービン。