JP5557496B2 - ガスタービンエンジン温度管理のための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、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における温度管理に関する。

ガスタービンエンジンでは、空気が、圧縮機内で加圧されかつ燃焼器内で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生し、高温燃焼ガスは、複数タービン段を通って下流方向に流れる。タービン段は、ステータベーンを有する固定タービンノズルを含み、ステータベーンは、支持ディスクから半径方向外向きに延びる下流のタービンロータブレードの列を通して燃焼ガスを導き、支持ディスクは、高温燃焼ガスからエネルギーを取出すことによって駆動される。

第１段タービンノズルは、燃焼器から高温燃焼ガスを受け、続いて、この高温燃焼ガスを第１段タービンロータブレードに直接導いて該高温燃焼ガスからエネルギーを取出す。第２段タービンノズルは、第１段タービンロータブレードの下流に配置することができ、次に第２段タービンロータブレードの列が後続して燃焼ガスから付加的なエネルギーを取出す。同様に、第２段タービンロータブレードの下流に、第３段タービンノズルを配置することができ、次に第３段タービンロータブレードの列が後続する。

高温燃焼ガスからエネルギーが取出されるにつれて、ガスの温度が、対応して低下する。しかしながら、ガス温度は比較的高いので、タービン段は一般的に、圧縮機から分流させることができる加圧空気のような冷却媒体を送給することによって冷却される。分流させた冷却空気は、燃焼器では利用できないので、エンジンの全体効率が、対応して低下する。従って、そのような冷却空気の使用を改善してエンジンの全体効率を高めることが望ましい。

必要な冷却空気の量は、燃焼ガスの温度、材料選択及びタービンエンジン設計により決まる。その温度は、タービンエンジンのアイドリング運転から高出力運転まで、また圧縮機入口における低温から高温まで変化する。例えば、発電機に動力供給する地上設置式ガスタービンエンジンでは、高温運転状態は一般的に、真夏日のピーク電力条件時に発生する。従って、燃焼ガス温度は、一時的にエンジンの作動つまり運転条件を越えて変化する可能性がある。燃焼ガス温度は、ベーン及びバケットの耐久性に直接影響を与えるので、そのような運転条件がエンジン運転時における比較的短い時間の間のみ発生する場合であっても、タービン段における冷却空気要件は、該エンジンの高温燃焼ガス温度運転に耐えるのに有効なものでなくてはならない。

第１段ノズル組立体と圧縮機出口ディフューザとの間には、ホイールスペースが形成される。燃焼器の出口に対するその近接位置のために、ホイールスペースは、タービンが受ける高温の幾らかに曝される。ホイールスペースをその領域における部品の長期耐久性に適した温度範囲内に維持するために、ホイールスペースには冷却空気が送給される。圧縮機の入口に高温を生じさせる高い外気温度のような一部の運転条件下では、ホイールスペースを所望の温度範囲内に維持するには冷却空気ボリュームが不十分となる可能性がある。そのような状況においては、タービンエンジンを分解しかつ燃焼器入口ハウジングからプラグを取外すことが知られている。それにより、圧縮機から流出する高圧空気の一部分が以前はプラグによって閉鎖されていた開口部を通してホイールスペースに分流する。その結果としてタービンのホイールスペース領域の冷却が増補されることになるが、このような変更は、恒久的なものとなる。従って、冷却空気は、それが必要でない場合にもホイールスペースに送給され、それによってタービンエンジンの全体性能を低下させる。

従って、冷却を改善したガスタービンエンジンを提供することが、望ましい。

本発明の例示的な実施形態には、タービンエンジン用の冷却システム並びにその冷却システムを制御する方法が含まれる。バルブ部材は、タービンエンジンの冷却流体通路とホイールスペースとの間に配置される。バルブ組立体は、ホイールスペース内の状態に応答しておりかつその状態に基づいて該ホイールスペースへの冷却流体の流量を変化させる。

好ましくかつ例示的な実施形態により、添付図面に関連させてなした以下の詳細な記載において、本発明をその更なる目的及び利点と共に一層具体的に説明する。

本発明の例示的な実施形態によるガスタービンエンジンの一部分の軸方向断面図。 本発明の例示的な実施形態の特徴を示す、図１のタービンセクションの拡大図。 本発明の別の実施形態の特徴を示す、図１のタービンセクションの拡大図。

図１に示すのは、ガスタービンエンジン１０の一部分である。ガスタービンエンジン１０は、長手方向つまり軸方向中心軸線の周りで軸対称であり、かつ直列流体連通し、多段軸流圧縮機１２、燃焼器１４、及び多段タービン１６を含む。運転時に、空気は、燃焼器１２内で加圧されかつ燃焼器１４内で燃料と混合されて、高温燃焼ガス２０を発生する。燃焼ガスは、多段タービン１６を通って下流方向に流れ、多段タービン１６は、燃焼ガスからエネルギーを取出す。

図１に示すように、多段タービン１６の１つの実施形態は、直列シーケンスの形態で軸方向に配置された６つの翼形部２２、２４、２６、２８、３０、３２の列を有する３つの段として構成し、それら翼形部が互いにそれらを通して高温燃焼ガス２０を流しかつ該高温燃焼ガス２０からエネルギーを取出すことができる。翼形部２２は、円周方向に互いに間隔を置いて配置されかつ内側及び外側バンド間で半径方向に延びてノズル組立体３８を形成した第１段ステータベーンとして構成される。ノズル組立体は、燃焼器１４から高温燃焼ガス２０を受ける。翼形部２４は、第１段支持ディスク４０の外周部から半径方向外向きに延びかつ運転時にノズル組立体３８から高温燃焼ガスを受けてエネルギーを取出してディスク４０を回転させる第１段タービンロータブレードとして構成される。

ホイールスペース４２が、燃焼器出口に近接してノズル組立体３８と圧縮機出口ディフューザ４４との間に形成される。燃焼器１４の出口に対するその近接位置のために、ホイールスペースは、ガスタービンエンジン１０が受ける最も高温の幾らかに曝される。ホイールスペース４２をその領域における部品の長期耐久性に適した温度範囲内に維持するために、図２における圧縮機空気４３のような冷却媒体を圧縮機１２から供給することができ、かつこの冷却媒体は、圧縮機出口ディフューザ４４とハブ４８との間に形成された冷却チャネル４６を通してホイールスペース４２に送給される。

圧縮機の入口に高温を生じさせる高い外気温度のような一部の運転条件下では、ホイールスペース状態センサ４７で測定される所望の温度範囲内にホイールスペースを維持するには、冷却チャネル４６を通してホイールスペース４２に送給される圧縮機空気４３が不十分となる可能性がある。状態センサ４７は、ホイールスペース４２内の温度を直接測定するように作動することができるが、さらに該ホイールスペース４２内の温度上昇により生じるような部品の膨張のような状態を検知することもできる。圧縮機出口ディフューザ４４には、バルブ組立体５０が配置され、バルブ組立体５０は、圧縮機出口ディフューザ壁の通路５４内に移動可能に設置されたバルブ部材５２を含む。バルブ組立体５０は、バルブ部材５２を作動させるようになったバルブアクチュエータ、ソレノイド又はその他の適当な装置を有する。バルブアクチュエータ５６は、バルブ部材５２と連動して作動して、圧縮機出口ディフューザ４４から冷却チャネル４６に流れる圧縮機空気の量を変化させ、それによってホイールスペース４２への冷却媒体の送給を変化させる。バルブ組立体５０は、コントローラ５８によって動作させ、コントローラ５８は、ホイールスペース状態センサ４７から入力信号を受ける。ホイールスペースが規定の温度のような所定の状態に達すると、コントローラ５８は、バルブアクチュエータ５６に信号を与えて空気通路５４内でバルブ部材５２を移動させて、通路５４を通して付加的な圧縮機空気を流入させる。そのような状態が所望の仕様に制御されると、コントローラ５８は、バルブアクチュエータ５６に信号を与えて冷却空気通路４６内でバルブ部材５２を移動させ、それによってホイールスペース４２に送給される加圧空気の流量を減少させかつタービンエンジン１０の全体効率を増大させる。選択したバルブ組立体５０のタイプに応じて、通路５４を通る冷却流量は、バルブ部材が開放している時には一定となる（すなわち、オン／オフ−全開／全閉）ことができ、或いは可変となる（すなわち、部分オン／部分オフ−部分的開放／部分的閉鎖、つまり調整状態）ことができる。

次に図３を参照すると、本発明の別の例示的な実施形態を示しており、この図では、同じ参照符号は、既に説明したのと同様の部品を表している。この実施形態では、バルブ組立体１５０は、図２におけるコントローラ５８のようなあらゆる外部誘導装置とは独立して作動する独立形ユニットである。バルブ組立体１５０は、所定の限界値に達した時にバルブ部材１５２を作動させるように選択した材料特性を有するバイメタル又は膨張要素タイプのものとすることができる。要素１５６の膨張は、通路４６内の温度のような状態が上昇して、上昇温度と共に増大する可変流量を生じると、制御範囲を超えた状態に至ることになる。冷却空気通路４６内の状態が許容可能範囲内になると、膨張要素はバルブ部材１５２を後退させ、それによってホイールスペース４２に送給される冷却空気の流量を減少させる。タービンエンジン１０の全体効率は、それによって高められる。

本明細書は最良の形態を含む幾つかの実施例を使用して、本発明を開示し、さらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の当業者による実施を可能にする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有するか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 多段圧縮機
１４ 燃焼器
１６ 多段タービン
１８ 空気
２０ 高温燃焼ガス
２２ 翼形部
２４ 翼形部
２６ 翼形部
２８ 翼形部
３０ 翼形部
３２ 翼形部
３８ ノズル組立体
４０ 第１段支持ディスク
４２ ホイールスペース
４３ 圧縮機空気
４４ 圧縮機出口ディフューザ
４６ 冷却チャネル
４７ ホイールスペース状態センサ
４８ ハブ
５０ バルブ組立体
５２ バルブ部材
５４ 空気通路
５６ バルブアクチュエータ
５８ コントローラ
１５０ バルブ組立体
１５２ バルブ部材
１５６ 要素

Claims (10)

1. タービンエンジン（１０）であって、
   タービン（１６）と、
   空気を加圧するための圧縮機（１２）と、
   入口通路を通して加圧空気（４３）を受けかつ該加圧空気と共に燃料を燃焼させて前記タービンに高温排気ガス（２０）を送給するように作動できる燃焼器（１４）と、
   前記燃焼器（１４）に近接して形成されたホイールスペース（４２）と、
   前記圧縮機（１２）とホイールスペース（４２）の間に延びる冷却空気通路（４６）であって、圧縮機出口ディフューザ（４４）によって部分的に画成される冷却空気通路（４６）と、
   圧縮機出口ディフューザ（４４）の壁内に配置されたバルブ部材（５２）を有しかつ前記ホイールスペース（４２）内の状態に応答して該ホイールスペース（４２）に冷却空気を流入させるように作動できるバルブ組立体（５０）と
   を備えるタービンエンジン。
2. 前記バルブ組立体（５０）が、前記バルブ部材（５２）を移動させるように作動できるバルブアクチュエータ（５６）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン。
3. 前記バルブアクチュエータ（５６）と通信しておりかつ該バルブアクチュエータ（５６）を起動させて前記バルブ部材（５２）を移動させるように作動できるコントローラ（５８）をさらに含む、請求項２記載のタービンエンジン。
4. 前記ホイールスペース（４２）内に配置されかつ該ホイールスペース（４２）内の状態を示す信号を前記コントローラ（５８）に送信するように作動できるセンサ（４７）をさらに含み、前記コントローラ（５８）が、前記信号に応答して前記バルブアクチュエータ（５６）を起動させて前記バルブ部材（５２）を移動させるように作動できる、請求項３記載のタービンエンジン。
5. 前記状態が温度である、請求項４記載のタービンエンジン。
6. 前記コントローラ（５８）が、前記バルブ部材（５２）の開放及び閉鎖を調整して前記冷却空気通路（４６）を通る冷却空気の流量を変化させるように作動できる、請求項３記載のタービンエンジン。
7. 前記バルブ組立体（５０）が、前記ホイールスペース（４２）内の状態に応答して前記バルブ部材（１５２）を作動させるように選択した材料特性を有する膨張要素（１５６）をさらに含む、請求項１記載のタービンエンジン。
8. 前記状態が、温度である、請求項７記載のタービンエンジン。
9. タービンエンジン用の冷却システムであって、
   タービンエンジン（１０）の圧縮機出口ディフューザ（４４）からホイールスペース（４２）へと延びる冷却空気通路（４６）であって、圧縮機出口ディフューザ（４４）によって部分的に画成される冷却空気通路（４６）と、
   圧縮機出口ディフューザ（４４）の壁内に配置されたバルブ部材（５２）を有しかつ前記ホイールスペース（４２）内の状態に応答して該ホイールスペース（４２）に冷却空気を流入させるように作動できるバルブ組立体（５０）と
   を備える冷却システム。
10. 前記バルブ組立体（５０）が、前記ホイールスペース（４２）内の状態に応答して前記バルブ部材（１５２）を作動させるように選択した材料特性を有する膨張要素（１５６）をさらに含む、請求項９記載の冷却システム。