JP5221002B2 - タービン固定子リングを回転する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの固定子に関する。

ガスタービンエンジンにおいては、空気は圧縮機で加圧され、燃焼器の内部で燃料と混合され、点火されて、高温の燃焼ガスを生成する。タービンの複数の段において、燃焼ガスからエネルギーが取り出される。タービンは圧縮機に動力を供給し、例えば、電力を発生するために発電機を駆動するなどの有用な仕事を実行させる。

動作中、タービンは燃焼ガスに絶えずさらされているので、タービン構成要素を冷却することが必要である。圧縮機からの加圧空気の一部を抜き取り、タービン構成要素を通過するように誘導することにより、タービン構成要素の冷却を実現するための冷却空気が供給される場合が多い。しかし、圧縮機において冷却空気に対して有用な仕事が既になされているため、タービン全体の性能を考える上で、冷却空気は非常に重要である。従って、タービンの性能を考慮すると、ノズル冷却のために抜き取られる空気の量を最小限に保持することが望ましい。

典型的なガスタービンは、燃焼器から燃焼ガスを直接に受け取る。ガスタービンは、初期段固定子及び対応する初期段回転子を含む。初期段回転子は、支持円板から半径方向外側へ延出する複数の回転子ブレード又はエーロフォイルを有する。各固定子段の周囲に沿って配置されたノズルは、燃焼ガスの流れを対応する回転子ブレードの列に向かって誘導する。燃焼ガスが初期段固定子及び初期段回転子を通過した後、後続する段の固定子は、対応する後続段回転子から延出する対応する回転子ブレードの列を通るように燃焼ガスを誘導する。後続する段の固定子は、初期段固定子より低い温度の燃焼ガスを受け取るので、後続段固定子に課される冷却条件は、初期段固定子ほど厳しくはない。更に、初期段固定子及び後続段固定子の各々の内部にある個々のノズルは、多くの場合、それぞれ異なる温度の燃焼ガスを受け取る。

タービンのノズルは、時間及び／又は動作サイクル数で測定される寿命が長く伸びる耐久性を有するように設計される。動作中、ノズルは様々な温度差にさらされ、それにより、ノズルに熱応力が加わるため、長い耐用年数を実現することは困難である。更に、ノズルは温度によって引き起こされる酸化又は浸食を受け、また、温度及び熱応力の双方により被覆膜（適用可能な場合）の剥離も起こる。有用な寿命を確保するように熱応力及びピーク金属温度を制限するために、適切なノズル冷却が必要となる。しかし、各ノズルを通って誘導される燃焼ガスの温度分布及び熱伝達係数には非常に大きなばらつきがあり、適切なノズル冷却の実行がいっそう困難になる。

各ノズルに適切なノズル冷却が実行されるように保証することは難しい問題である。多くの場合、タービンはある特定の段の中に複数の局所的な高温領域を含む。そのような局所的高温領域を発生させるのは、燃焼出口温度の周方向及び半径方向の変動である。周囲の領域に対して最高温度を有する領域を、ホットストリーク（hot-streak）と呼ぶ。ホットストリークの場所及びそのダイナミクスを予測することは容易ではなく、従って、多くの場合に複雑な冷却システムが必要になるため、ホットストリークにある領域に十分な冷却を適用するのは難しく、冷却にかかる費用も高くなるであろう。回転子ブレードがホットストリークと関連する温度にさらされる機会は、回転子ブレードの回転によって限定されるので、通常、回転子ブレードが周方向ホットストリーク（以下、周囲ホットストリークともいう。）の存在により重大な影響を受けることはない。これに対し、特定の固定子段のノズルはホットストリーク状態に長時間さらされ、高温及び熱応力に耐えることになるため、ノズルの寿命は短くなる。

ホットストリーク状態を考慮に入れなければならないので、ノズルの設計に際しては、通常、全てのノズルがホットストリーク状態への暴露と関連する最悪のケースの温度に耐えられるような構造で設計される。更に、所定の運転時間を超えた後にノズルを点検し且つ交換するため、あるいはノズル間で累積部品寿命消費を均等化する目的でノズルを取り出し且つそれぞれの場所を交換するため、保守作業が開発された。ホットストリーク状態への長期間の暴露に耐えることが可能な最悪のケースのノズルを設計するためには、更に多くの費用及び／又は追加の冷却流れ条件が必要とされる。また、定期的なノズルの交換又は入れ替えを要求する保守作業によって、経費は更に増加し、システムの停止時間も長くなる。更に、補足的な冷却流れはタービンの性能を低下する。
米国特許第５，６５４，５００号公報 米国特許第６，１８３，１９２Ｂ１号公報

従って、タービンに要求される冷却条件を軽減し、その結果、ノズルの製造コストを低減し、ノズルの点検又は交換によるタービンの停止時間を短縮し、タービンの性能を向上するために、タービン構造に対するホットストリーク状態の影響を減少する方法及びシステムを開発することが望まれる。

本発明の実施形態は、タービンにおいて周囲ホットストリーク状態の影響を配分する方法を含む。方法は、回転装置へ制御信号を通信する工程と、制御信号に応答して回転装置によって固定子リングを動かす工程とを含む。

本発明の別の実施形態は、制御信号に応答して回転自在のタービン固定子段を有するタービンを含む。

本発明の別の実施形態は、固定子ノズルを運動させるためのシステムを含む。システムは、タービン及び回転装置を含む。タービンは、制御信号に応答して回転自在のタービン固定子段を含む。回転装置は、固定子段と動作自在の伝達関係にあり、制御信号に応答して固定子段を回転するように構成される。

本発明の上記の目的、特徴及び利点並びにその他の目的、特徴及び利点は、添付の図面と関連させて以下の説明を読むことにより明らかになるであろう。図中、いくつかの図において、同一の図中符号は同一の要素を示す。

図１は、一実施形態によるタービンの長手方向軸に沿ったタービンの断面図である。図２は、一実施形態によるタービン固定子段の斜視図を示す半径方向軸に沿ったタービンの断面の一部である。図１及び図２を参照すると、タービン１００は、タービンケーシング１０、第１段固定子１２、第１段回転子１４、第２段固定子１６、第２段回転子１８、第３段固定子２０及び第３段回転子２２を含む。第１段固定子１２が対応する第１段回転子１４に近接して配置され、第２段固定子１６が対応する第２段回転子１８に近接して配置され、第３段固定子２０が対応する第３段回転子２２に近接して配置されるように、固定子段及び回転子段１２〜２２はタービンケーシング１０の内側に交互に配列される。尚、この実施形態のタービン１００は固定子と回転子の双方を３段ずつ含むが、以下に説明される原理を採用する際、どのような数の段が使用されてもよい。

第１段回転子１４、第２段回転子１８及び第３段回転子２２の各々は、軸（図示せず）に装着された支持円板３０と複数の回転子エーロフォイル３４とを含む。回転子エーロフォイル３４を通過する燃焼ガス又は別の作動流体からの力に応答して、支持円板３０が軸と共に回転するように、回転子エーロフォイル３４は軸に機械的に結合される。軸の回転は、圧縮機（図示せず）に動力を供給し、例えば、エンジン又は発電機における有用な仕事を実行するための出力として変換されてもよい。

一実施形態においては、第１段固定子１２、第２段固定子１６及び第３段固定子２０の各々は、複数の固定子エーロフォイル又はノズル３８と固定子リング４０とを含む。第１段固定子１２、第２段固定子１６及び第３段固定子２０の各々のノズル３８は、対応する固定子リング４０に機械的に結合される。第１段固定子１２のノズル３８は第１段回転子１４の対応する回転子エーロフォイル３４に近接して配置され、第２段固定子１６のノズル３８は第２段回転子１８の回転子エーロフォイル３４に近接して配置され、第３段固定子２０のノズル３８は第３段回転子２２の回転子エーロフォイル３４に近接して配置される。従って、第１段回転子１４、第２段回転子１８及び第３段回転子２２の各々から見れば実質的に静止しているノズル３８は、燃焼ガスの流れを対応する回転子エーロフォイル３４を通過するように誘導する。一実施形態においては、第１段固定子１２、第２段固定子１６及び第３段固定子２０の各々は、燃焼ガス又は別の作動流体の力に応答しない。

図３は、一実施形態による固定子リング４０を回転するシステムを示すブロック図である。そこで図１〜図３を参照すると、この実施形態においては、固定子リング４０はタービンケーシング１０の内側に回転自在に装着される。回転装置４４は、固定子リング４０と動作自在の伝達関係にある。回転装置４４は、２つ以上の固定子リング４０と動作自在の伝達関係にあってもよい。回転装置４４は、制御装置４８からの制御信号に応答して、固定子リング４０の回転を発生させるように構成された装置である。一実施形態においては、固定子リング４０は回転自在ではあるが、第１段回転子１４、第２段回転子１８及び第３段回転子２２の各々の側から見るとノズル３８が実質的に静止状態に見えるように保証するために、タービン１００の長手方向軸に関して低速で回転するように構成される。空気力学的に実現できれば、固定子リング４０のどのような回転速度も可能であるが、別の実施形態においては、固定子リング４０は毎分約１回転（１ＲＰＭ）未満の速度で回転する。例えば、固定子リング４０は矢印５０により示される方向に回転するが、どのような回転方向でも可能である。

一実施形態においては、回転装置４４は回転子リング４０を回転するための力を供給するいくつかの適切な手段のうちのいずれかを含む。適切な回転装置４４の例には、電動機、ラチェットアセンブリ及び内燃機関があるが、それらには限定されない。回転装置４４は、タービン１００に配置されてもよく、あるいはタービン１００から遠く離れた場所に配置され、例えば、一連の軸及び歯車、ベルトなどを介してタービン１００と動作自在の伝達関係にあってもよい。更に、回転装置４４は、例えば、一連の軸及び減速歯車などを有する駆動アセンブリを介してタービン１００の出力端から動力を取り出してもよい。回転装置４４は、制御装置４８からの制御信号４６に応答して、固定子リング４０を回転するための力を供給する。別の実施形態においては、固定子リング４０は、例えば、燃焼ガスなどの作動流体からの力により回転されてもよく、回転装置４４は、能動制御信号４６又は受動制御信号４６のいずれかに応答して、固定子リング４０の低速回転に抵抗する力を供給する。尚、図１は、第１段固定子１２のみが固定子リング４０を有するものとして示しているが、回転が望まれる全ての固定子段に固定シング４０が配置される。

制御装置４８は、回転装置４４を作動し、それにより、固定子リング４０を回転するための制御信号４６を供給する。制御装置４８は、回転装置４４に制御信号４６を供給するための数多くの適切な手段のうちのいずれかを含む。適切な制御装置４８の例には、タイマー、遅延装置、論理回路、速度調整装置、操作担当者により制御可能なスイッチのような外部作動装置などがあるが、それらに限定されない。一実施形態においては、電動機を介して、選択された時間間隔で固定子リング４０を割り出す又は回転するために、タイマーが採用される。別の実施形態では、ラチェット動作の間の遅延による制御の下で、ラチェットアセンブリが固定子リング４０を割り出す。別の実施形態においては、論理回路が選択された基準に応答して固定子リング４０を割り出すように電動機に指示する。更に別の実施形態では、固定子リング４０は、速度調整装置により制御される電動機を介して、回転子段の速度に関して一定の差動速度で回転される。更に別の実施形態においては、一連の軸及び歯車を係合し、固定子リング４０を回転するために、操作担当者がスイッチを作動する。ここでは挙げないが、他の例も考えられる。

制御信号４６は、例えば、電気的通信手段、機械的伝達手段、光通信手段又は流体連通手段により回転装置４４に伝達されてもよい。制御信号４６は、例えば、遅延を伴いつつラチェットを連続回転させることを可能にするような連続的に印加される信号、又は回転位置及び非回転位置を有するばね付きスイッチなどの不連続に印加される信号のいずれかである。制御信号４６は、能動信号又は受動信号のいずれであってもよい。

図４は、一実施形態によるタービンにおいて周囲ホットストリーク状態の影響を配分する方法を示すブロック図である。方法は、ブロック６０で回転装置へ制御信号を通信することと、ブロック６２で制御信号に応答して回転装置によって固定子リングを運動させることとを含む。

固定子リング４０を回転することにより、周囲ホットストリークの影響はノズル３８に均等に配分される。従って、ノズル３８の設計を考慮するときに、設計担当者は、周囲ホットストリーク状態に耐えられる高価なノズルを設計する必要がない。更に、冷却条件も軽減又は単純化されるため、コスト節減及び／又はタービン性能の向上が実現される。更に、周囲ホットストリークの影響をノズル３８に均等に配分することを目的とする複雑で、時間のかかる保守作業も回避できる。

回転装置４４は、１つ以上の固定子リング４０と動作自在の伝達関係にあると考えられる。あるいは、回転装置４４の数は、固定子リング４０の数以下であってもよい。燃焼器の出力端に最も近接して配置されたタービン構成要素は周囲ホットストリーク状態の影響を大きく受けることになり、一般に、燃焼器からの距離が長くなるほど冷却条件は緩和されるため、図１に示されるように、燃焼器の出力端に最も近接して配置された固定子段の固定子リング４０のみを回転することが望まれる場合も考えられる。更に、一実施形態においては、制御装置４８は、タービン１００がオフライン状態にある期間にのみ、制御信号４６を回転装置４４に印加するように構成される。別の実施形態では、制御装置４８は、タービン１００がオンライン状態にある期間中に制御信号４６を回転装置４４に印加するように構成される。

更に、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、様々な変更を実施でき、実施形態の要素を等価の要素と置き換えてもよいことは、当業者により理解されるであろう。加えて、本発明の本質的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために、様々な変形が実施されてもよい。従って、本発明は、本発明を実施するための最良の態様として考えられる開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入る全ての実施形態を含むことが意図される。更に、第１、第２等々の用語が使用される場合、それらは順序又は重要度を示すのではなく、第１、第２等々の用語は１つの要素を別の要素と区別するために使用される。また、１つの（a, an）等々の用語が使用される場合、それらは量の制限を示すのではなく、参照される品目が少なくとも１つ存在することを示す。

一実施形態によるタービンの長手方向軸に沿ったタービンの断面図である。 一実施形態によるタービン固定子段の斜視図を示す半径方向軸に沿ったタービンの断面の一部である。 一実施形態によるタービン固定子リングを回転するシステムを示したブロック図である。 一実施形態によるタービン固定子リングを回転する方法を示したブロック図である。

符号の説明

１２…第１段固定子、１４…第１段回転子、１６…第２段固定子、１８…第２段回転子、２０…第３段固定子、２２…第３段回転子、３４…回転子エーロフォイル、３８…ノズル、４０…固定子リング、４４…回転装置、４６…制御信号、４８…制御装置、１００…タービン

Claims (10)

1. ガスタービン（１００）内で周方向ホットストリーク状態の影響を配分する方法において、
   回転装置（４４）へ制御信号（４６）を通信する工程（６０）と、
   前記制御信号（４６）に応答して前記回転装置（４４）によって固定子ノズル（３８）を含む固定子リング（４０）を前記ガスタービン（１００）の長手方向軸の周りの全周で回転させ、もってガスタービン動作中に固定子リング（４０）の複数の固定子ノズル（３８）に周方向ホットストリークを配分する工程（６２）とを含む方法。
2. 前記固定子リング（４０）を回転させる工程が、前記回転装置（４４）を介して前記固定子リング（４０）へ回転力を伝達する工程を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記固定子リング（４０）を回転させる工程が、作動流体の反力によって前記固定子リング（４０）が回転しようとする力に対する抵抗力を前記回転装置（４４）から前記固定子リング（４０）に供給する工程を含む、請求項１記載の方法。
4. 制御装置（４８）側で前記制御信号（４６）を発生する、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の方法。
5. 前記制御装置（４８）側で前記制御信号（４６）を発生する工程が、制御信号（４６）を連続的に発生する工程と制御信号（４６）を不連続に発生する工程のうちの少なくとも一方を含む、請求項４記載の方法。
6. 固定子ノズル（３８）を含む固定子段（１２，１６，２０）を備えるガスタービン（１００）であって、固定子段（１２，１６，２０）が制御信号（４６）に応答して前記ガスタービン（１００）の長手方向軸の周りの全周で回転し、もってガスタービン動作中に複数の固定子ノズル（３８）に周方向ホットストリークを配分することを特徴とするガスタービン（１００）。
7. 前記固定子段（１２、１６、２０）に近接して配置され、作動流体の流れに応答して回転可能な回転子段（１４、１８、２２）を更に具備し、前記固定子段（１２、１６、２０）は、前記回転子段（１４、１８、２２）の回転速度に関して選択された差動速度で回転できる、請求項６記載のガスタービン（１００）。
8. 前記固定子段（１２、１６、２０）が連続回転するように構成される、請求項６又は請求項７記載のガスタービン（１００）。
9. 前記固定子段（１２、１６、２０）は、毎分１回転より遅い速度で連続回転する、請求項８記載のガスタービン（１００）。
10. 前記固定子段（１２、１６、２０）は、不連続に間隔をおいて回転可能である、請求項６又は請求項７記載のガスタービン（１００）。

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