JP5663144B2

JP5663144B2 - ターボ機械用の低騒音エゼクタ

Info

Publication number: JP5663144B2
Application number: JP2009124883A
Authority: JP
Inventors: ガール・ジェラルド・ショット; ケヴィン・ウェイン・キンジー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2009-05-25
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2029-05-25
Also published as: US20090297339A1; FR2931884A1; DE102009025813A1; CN101592084A; JP2009287557A

Description

本発明は、エゼクタの技術に関し、より具体的には、ターボ機械用の低騒音エゼクタに関する。

少なくとも幾つかの公知のエゼクタは、２つの流れストリーム、すなわち高圧の一次つまり駆動ストリーム及び低圧の二次つまり吸込ストリームを混合して、これら２つの入力流れの中間の又は該２つの入力流れよりも低い圧力を有する吐出流れを生成する。エゼクタノズルは、高圧駆動流れを加速して高速ジェットを形成することによって、この混合プロセスを可能にする。高速ジェットは、混合チューブ又はチャンバを通して送られて低圧吸込流れを連行する。２つの混合流れは次に、一般的にはディフューザを通して吐出される。

駆動流れは、設計外負荷及び／又は周囲条件で作動しているタービンにエゼクタ出力を整合させるために絞られる。現存のスロットル装置は、出力を低下させる時に一定の高速ジェット直径を維持する。かかる装置では、駆動流れの有効速度を低下させることによって、流量を減少させる。絞り状態で駆動流れの速度を低下させることは、エゼクタの連行を阻害し、従って全スロットル範囲を制限しかつ連行性能を低下させる。

米国特許第４５９５３４４号明細書米国特許第４８３８９５３号明細書米国特許第５６２８６２３号明細書米国特許第５６６７３６６号明細書米国特許出願公開第２００７／０２５６４２０号明細書

本発明の１つの例示的な実施形態によると、ターボ機械は、圧縮機とエゼクタとを含む。エゼクタは、第２の端部部分まで延びる第１の端部部分を有しかつ流れ領域を形成した少なくとも１つのノズルを含む。第２の端部部分は、圧縮機からの空気流を制御するための可変出口を含む。

本発明の別の例示的な実施形態によると、ターボ機械用のエゼクタは、第２の端部部分まで延びる第１の端部部分を有しかつ流れ領域を形成した少なくとも１つのノズルを含む。第２の端部部分は、圧縮機からの空気流を制御するように構成された可変出口を含む。

本発明のさらに別の例示的な実施形態によると、ターボ機械用のエゼクタを通る空気流を制御する方法は、ターボ機械の圧縮機部分内で空気流を発生させるステップと、その空気流をエゼクタに導くステップと、その空気流をエゼクタのノズルに流すステップと、その空気流をノズルの可変出口を通して流すステップとを含む。

更なる特徴及び利点は、本発明の例示的な実施形態の技術によって実現される。本発明のその他の実施形態及び態様は、本明細書に詳しく説明しており、また本特許請求した発明の一部と見なされる。本発明をその利点及び特徴と共に一層よく理解するためには、以下の説明及び図面を参照されたい。

本発明の例示的な実施形態による、選択的可変オリフィスを有するノズルを備えた低騒音エゼクタを有するガスタービンエンジンの概略図。第１の構成になっている選択的可変オリフィスを示す、本発明の例示的な実施形態による選択的可変オリフィスを有するノズルの部分概略図。第２の構成になっている選択的可変オリフィスを示す、図２のノズルの部分概略図。第１の構成になっている選択的可変オリフィスを示す、本発明の別の例示的な実施形態による選択的可変オリフィスを有するノズルの部分概略図。第２の構成になっている選択的可変オリフィスを示す、図４のノズルの部分概略図。

最初に図１を参照すると、ここには、本発明の例示的な実施形態により製作したガスタービンエンジンの形態で示したターボ機械をその全体を参照符号２で示している。タービンエンジン２は、複数の圧縮機段を有する圧縮機４を含み、それら圧縮機段のうちの４つを参照符号６〜９で示している。圧縮機４は、シャフト１４を介してタービン１２に対して作動連結される。タービン１２は、複数のタービン段を含み、それらタービン段のうちの３つを参照符号１７〜１９で示している。タービンエンジン２はまた、冷却空気流を圧縮機４からタービン１２に導く冷却システム３０を含む。つまり、冷却空気は、圧縮機段６〜９の様々な段から抽出され、かつタービン１２の段１７〜１９の対応する段に流される。

その目的のために、冷却システム３０は、圧縮機段７をタービン段１９と相互連結する第１の冷却回路４０を含む。この図示した実施形態では、圧縮機段７は、タービン１２の対応する中圧段１９に連結された中圧段である。冷却システム３０はまた、圧縮機段８をタービン段１８と相互連結する第２の冷却回路４４を含む。圧縮機段８は、段７よりも高い圧力になっており、従って同様に段１７よりも高い圧力になっている段１８に連結される。加えて、冷却システム３０は、バイパス弁４８を有するバイパス回路４７を含むものとして示しており、バイパス弁４８は、選択的に作動してタービンエンジン２内の内部圧力を維持する。

圧縮機４からの高圧空気を可能な限り少量利用するために、第２の冷却回路４４には、コネクタ回路５８を介して第１の冷却回路４０に対して作動連結されたエゼクタ５５が設けられる。この構成では、エゼクタ５５を通って流れる高圧の一次つまり駆動空気流は、第１の冷却回路５８からの低圧の二次つまり吸込空気流の一部分内に引き入れられる。高圧空気流及び低圧空気流は、混合して複合空気流を形成し、この複合空気流は、エゼクタ５５内に設置された一次つまり駆動ノズル６０を通して導かれる。駆動ノズル６０は、例えばタービン段１８内の流体の圧力及び速度と実質的に整合するように、高圧流体をより高い速度に加速する。しかしながら、タービン段１８内の圧力は、タービン１２の全作動範囲にわたって変化するので、エゼクタ５５は、より詳細に後述するように、第２の冷却回路４４内の圧力を制御してタービン１２の広範な作動範囲にわたりタービン段１８内の圧力と整合させるように選択的に調整可能である。

次に、本発明の第１の例示的な実施形態により製作した駆動ノズル６０を説明するのに、図２及び図３を参照する。図示するように、駆動ノズル６０は、中間部分７２を介して第２の端部部分７１まで延びる第１の端部部分７０を含み、流れ領域７５を形成する。より詳細に後述するように、第２の端部部分７１は、可変出口７８を含む。この例示的な実施形態によると、可変出口７８は、第２の端部部分７１に配置されたシェブロン７９によってその一部が形成される。シェブロン７９は、エゼクタ５５からの全騒音発生を低下させるように設計される。シェブロン７９は、エゼクタ５５の中心線（別個には参照符号を付さず）に向かって延びて、空気流を制御するように構成される。シェブロン７９は、可変出口７８のための第１の寸法８５を定める。

さらに、この図示した例示的な実施形態によると、エゼクタ５５は、駆動ノズル６０内に配置された二次（第２の）駆動ノズル８８を含む。二次駆動ノズル８８は、その１つを参照符号９３で示す複数のストラットによってアクチュエータシャフト９１に対して作動連結される。より詳細に後述するように、アクチュエータシャフト９１は、流れ領域７５内で二次駆動ノズル８８を移動させて、エゼクタ５５からの全出力を制御するように選択的に作動する。その目的のために、二次ノズル８８は、第１の端部部分９７を含み、この第１の端部部分９７は、中間部分９９を介して第２の端部部分９８まで延びる。中間部分９９は、二次（第２の）シェブロン１０４を形成し、この二次シェブロン１０４は、対応して可変出口７８の第２の寸法を定める。

この構成では、タービンエンジン２のベース負荷運転の間に、二次駆動ノズル８８は、流れ領域７５を通る空気が第１の寸法８５で構成された可変出口７８を通って流れる、図２に示すような第１の構成に移動する。しかしながら、ベース外負荷運転の間又は周囲空気温度が設計パラメータ外である時には、二次駆動ノズル８８は、流れ領域７５を通る空気流が第２の寸法１０７で構成された可変出口７８を通して導かれる、図３に示すような第２の構成に向かって移動する。より具体的には、図３に示す第２の構成では、二次シェブロン１０４は、シェブロン７９に当接して、可変出口７８を閉じるか又は狭める。言うまでもなく、特定の運転速度及び／又は周囲空気状態に応じて、二次駆動ノズル８８は、複数の中間位置（図示せず）のいずれか１つの位置に移動して可変出口７８のあらゆる数の中間寸法を確立し、タービン段１８に冷却空気を供給する所望の空気流圧力／速度を生成するようにすることができる。この構成では、エゼクタ５５は、タービンエンジン２の広範な運転範囲にわたってタービン段内の作動圧力と整合するような広範囲の圧力／速度を生成するように選択的に構成可能である。

次に、本発明の別の例示的な実施形態により製作した駆動ノズル１２０を説明するのに、図４及び図５を参照する。図示するように、駆動ノズル１２０は、中間部分１３０を介して第２の端部部分１２４まで延びる第１の端部部分１２８を有する駆動パイプ１２４を含み、流れ領域７５を形成する。上記と同様に、第２の端部部分１２９は、可変出口１３３を含む。ノズル１２０はさらに、その１つを参照符号１３６で示す複数のシェブロンを含み、これらのシェブロン１３６は、より詳細に後述するように、可変出口１３３の出口ジオメトリ又は寸法を定める。これもまた上記と同様に、シェブロン１３６は、タービン運転の間の騒音発生を最小にするようにエゼクタ５５の中心線（別個には参照符号を付さず）に向かって延びる。この図示した実施形態では、各シェブロン１３６は、第１の端部セクション１３８を含み、この第１の端部セクション１３８は、中間セクション１４０を介して第２の端部セクション１３９まで延びる。この図示した例示的な実施形態によると、各シェブロン１３６は、駆動パイプ１２４に対して枢動取付けされ、従ってヒンジ１４２を含む。より詳細に後述するように、シェブロン１３６は、図４に示す第１の位置と図５に示す第２の位置との間で選択的に枢動可能である。

シェブロン１３６の選択的移動を制御するために、ノズル１２０には、駆動パイプ１２４に対して摺動可能に取付けられたシェブロンカラー１５４が設けられる。シェブロンカラー１５４は、第１の端部１５７を含み、第１の端部１５７は、第２の端部１５８まで延びる。第２の端部１５８は、複数のシェブロン１３６の第１の端部セクション１３８に対して作動連結される。第１の端部１５７は、アクチュエータロッド１６１に対して作動連結され、このアクチュエータロッド１６１は、図４に示す第１の位置と図５に示す第２の位置との間でシェブロン１３６を移動させ又は位置決めするために選択的に移動可能である。

タービンエンジン２の通常又はベース負荷運転時には、シェブロンカラー１５４がシェブロン１３６を図４に示す第１の構成に移動させて第１の寸法１６６を有する出口部分つまりオリフィス１６５を確立するように、アクチュエータロッド１６１が移動される。このようにして、十分な空気流が、流れ領域１３２を通って圧縮機段１８内に流れる。ベース外負荷運転の間又は周囲空気温度が設計パラメータ外である時には、アクチュエータロッド１６１は、シェブロンカラー１５４に抗してシェブロン１３６を閉じるように作用して、オリフィス１６５を第１の寸法１６６よりも小さい第２の寸法１６９に移動させる。このようにして、十分なボリューム及び十分な温度の冷却空気がタービン段１８に流れて、ベース外負荷運転に適応する。

ここにおいて、本発明の実施形態によるエゼクタ５５は、選択的に変更可能な空気流出力を可能にし、従って冷却回路流を広い運転範囲にわたってタービンエンジンのタービンセクション内の圧力状態に合わせて調整するのを可能にすることを理解されたい。すなわち、本発明の例示的な実施形態によるエゼクタは、より高い温度における一層大きな制御及び更なる調整を可能にしてより広い運転範囲にわたり冷却空気を供給するように、より広範な範囲又は運転状態にわたって一層大きく調整可能である。可変出口は、多様な異なる構造を使用して形成することができることも理解されたい。

全体として、本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、またさらにあらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用すること及びあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を当業者が行うのを可能にする。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、かつ当業者が想起するその他の実施例を含むことができる。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、本発明の例示的な実施形態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。

２ガスタービンエンジン
４圧縮機
６圧縮機段
７圧縮機段
８圧縮機段
９圧縮機段
１２タービン
１４シャフト
１７タービン段
１８タービン段
１９タービン段
３０冷却システム
４０第１の冷却回路
４４第２の冷却回路
４７バイパス回路
４８バイパス弁
５５エゼクタ
５８コネクタ回路
６０ノズル
７０第１の端部部分（ノズル６０の）
７１第２の端部部分（ノズル６０の）
７２中間部分（ノズル６０の）
７５流れ領域
７８可変出口
７９シェブロン
８２出口オリフィス
８５第１の寸法
８８二次ノズル
９１アクチュエータシャフト
９３ストラット
９７第１の端部（二次ノズル８８の）
９８第２の端部（二次ノズル８８の）
９９中間部分（二次ノズル８８の）
１０４二次シェブロン
１０７二次出口／オリフィス
１２０ノズル
１２４駆動パイプ
１２８第１の端部部分（駆動パイプ１２４の）
１２９第２の端部部分（駆動パイプ１２４の）
１３０中間部分（駆動パイプ１２４の）
１３２流れ領域
１３３可変出口
１３６シェブロン
１３８第１の端部セクション（シェブロン１３６の）
１３９第２の端部セクション（シェブロン１３６の）
１４０中間セクション（シェブロン１３６の）
１４２ヒンジ
１５４シェブロンカラー
１５７第１の端部（シェブロンカラー１５４の）
１５８第２の端部（シェブロンカラー１５４の）
１６１アクチュエータロッド
１６５オリフィス
１６６第１の寸法
１６９第２の寸法

Claims

圧縮機（４）と、
前記圧縮機（４）に流体連結されたエゼクタ（５５）と
を備えるターボ機械（２）であって、前記エゼクタ（５５）が、第２の端部部分（７１，９８）まで延びる第１の端部部分（７０，９７）を各々有していて流れ領域（７５）を形成する第１のノズル（６０）と第２のノズル（８８）とを含んでおり、前記第２のノズルが前記第１のノズル（６０）に対して移動するように配置されていて、前記第２の端部部分（７１，９８）が前記圧縮機（４）からの空気流を制御するための可変出口（７８）を形成し、前記第１のノズル（６０）が前記可変出口（７８）の第１の寸法を定める第１のシェブロン部分（７９）を含み、前記第２のノズル（８８）が前記可変出口（７８）の第２の寸法を定める第２のシェブロン部分（１０４）を含み、前記第２の寸法が前記第１の寸法とは異なっており、前記第２のノズル（８８）が、前記圧縮機（４）からの空気流が前記第１の寸法で構成された前記可変出口（７８）を通って流れる第１の位置と前記圧縮機からの空気流が前記第２の寸法で構成された前記可変出口を通って流れる第２の位置との間で移動可能である、ターボ機械（２）。
前記第１のノズル（６０）の第１のシェブロン部分（７９）が前記エゼクタ（５５）の中心軸に向かって第１の角度で傾斜する内側表面を有し、前記第２のノズル（８８）の第２のシェブロン部分（１０４）が前記エゼクタ（５５）の中心軸に向かって第２の角度で傾斜する外側表面を有しており、第１の角度と第２の角度が同じである、請求項１記載のターボ機械（２）。
前記第２のノズル（８８）がアクチュエータシャフト（９１）を含んでいて、前記第２のシェブロン部分（１０４）が、第１の端部部分（９７）に結合したストラット（９３）を介して前記アクチュエータシャフト（９１）に作動連結している、請求項１又は請求項２記載のターボ機械（２）。
ターボ機械用のエゼクタ（５５）であって、前記エゼクタ（５５）が、第２の端部部分（７１，９８）まで延びる第１の端部部分（７０，９７）を各々有していて流れ領域（７５）を形成する第１のノズル（６０）と第２のノズル（８８）とを含んでおり、前記第２のノズルが前記第１のノズル（６０）に対して移動するように配置されていて、前記第２の端部部分（７１，９８）が前記ターボ機械の圧縮機（４）からの空気流を制御するための可変出口（７８）を形成し、前記第１のノズル（６０）が前記可変出口（７８）の第１の寸法を定める第１のシェブロン部分（７９）を含み、前記第２のノズル（８８）が前記可変出口（７８）の第２の寸法を定める第２のシェブロン部分（１０４）を含み、前記第２の寸法が前記第１の寸法とは異なっており、前記第２のノズル（８８）が、前記圧縮機（４）からの空気流が前記第１の寸法で構成された前記可変出口（７８）を通って流れる第１の位置と前記圧縮機からの空気流が前記第２の寸法で構成された前記可変出口を通って流れる第２の位置との間で移動可能である、エゼクタ（５５）。
前記第１のノズル（６０）の第１のシェブロン部分（７９）が前記エゼクタ（５５）の中心軸に向かって第１の角度で傾斜する内側表面を有し、前記第２のノズル（８８）の第２のシェブロン部分（１０４）が前記エゼクタ（５５）の中心軸に向かって第２の角度で傾斜する外側表面を有しており、第１の角度と第２の角度が同じである、請求項４記載のエゼクタ（５５）。
前記第２のノズル（８８）がアクチュエータシャフト（９１）を含んでいて、前記第２のシェブロン部分（１０４）が、第１の端部部分（９７）に結合したストラット（９３）を介して前記アクチュエータシャフト（９１）に作動連結している、請求項４又は請求項５記載のエゼクタ（５５）。