JP6283173B2 - ガスタービンシステム用の冷却組立体 - Google Patents

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンシステムに関し、より詳細には、このようなガスタービンシステム内の構成要素用の冷却組立体に関する。

ガスタービンシステムにおいて、燃焼器は、燃料又は空気燃料混合気の化学エネルギーを熱エネルギーに変換する。熱エネルギーは、圧縮機からの流体（多くの場合、加圧空気）によってタービンに運ばれ、ここで熱エネルギーが機械エネルギーに変換される。変換プロセスの一部として、高温ガスは、高温ガス経路としてタービンの一部にわたって通過して流される。高温ガス経路に沿った高い温度は、タービン構成要素を加熱し、構成要素の劣化を引き起こす。

タービンシュラウド組立体などのタービンセクションの半径方向外側構成要素並びにタービンセクションの半径方向内側構成要素は、高温のガス経路に曝される構成要素の実施例である。このようなタービン構成要素を効果的且つ効率的に冷却することを試みて様々な冷却方式が利用されてきたが、このようなタービン構成要素に供給される冷却空気は、廃棄されることが多く、タービンエンジンの全体効率を低下させる。

米国特許第６，５２８，１１８号明細書

本発明の１つの態様によれば、ガスタービンシステム用の冷却組立体は、冷却源から冷却流を受け取るよう構成されたチャンネル入口を含む少なくとも１つのチャンネルを有するタービンノズルを備え、少なくとも１つのチャンネルが、タービンノズルを通って半径方向に第１の圧力で冷却流をチャンネル出口に配向する。冷却組立体は更に、チャンネル出口をタービン構成要素の領域に流体接続する出口キャビティを備え、タービン構成要素の領域が、第１の圧力よりも低い第２の圧力にある。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンシステム用の冷却組立体は、半径方向内側セグメントと半径方向外側セグメントとの間に配置され、冷却源から冷却流を受け取るよう構成されたチャンネル入口を各々が含む複数のチャンネルを有するタービンノズルを備え、複数のチャンネルが、タービンノズルを通って半径方向で前記冷却流をチャンネル出口に配向する。冷却組立体は更に、ロータシャフトと、タービンケーシングによって支持される固定タービンシュラウド組立体との間に回転可能に配置され、固定タービンシュラウド組立体がタービンノズルの下流側に位置付けられる複数のロータブレードを備える。冷却組立体は更に、フードセグメントによって完全に内包されて、チャンネル出口を固定タービンシュラウド組立体に流体接続して、冷却流が固定タービンシュラウド組立体に移送される、出口キャビティを備える。

本発明の更に別の態様によれば、ガスタービンシステムは、高圧の冷却流を分配する圧縮機を備える。ガスタービンシステムは更に、冷却流を受け入れるための複数のチャンネルを有する第１段タービンノズルを動作可能に支持し且つ収容して、第１段タービンノズルを冷却し且つ第１段タービンノズルを通って半径方向に前記冷却流を配向するようにする、タービンケーシングを備える。ガスタービンシステムは更に、第１段タービンノズルの下流側に配置された第１段タービンシュラウド組立体の半径方向内向きに回転可能に配置される第１のタービンロータ段を備える。ガスタービンシステムは更に、記複数のチャンネルの少なくとも１つを第１段タービンシュラウド組立体に流体接続し、冷却流を第１段タービンシュラウド組立体に送給する内包出口キャビティを備える。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

ガスタービンシステムの概略図を示す図。 ガスタービンシステムの第１の実施形態の冷却組立体の側断面図。 ガスタービンシステムの第２の実施形態の冷却組立体の側断面図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１を参照すると、ガスタービンシステムが参照数字１０で概略的に示されている。ガスタービンシステム１０は、圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８、及び燃料ノズル２０を含む。ガスタービンシステム１０の１つの実施形態は、複数の圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８、及び燃料ノズル２０を含むことができる点は理解されたい。圧縮機１２及びタービン１６は、シャフト１８によって結合される。シャフト１８は、単一のシャフトか、又は共に結合されてシャフト１８を形成する複数のシャフトセグメントとすることができる。

燃焼器１４は、天然ガス又は水素リッチ合成ガスなどの可燃性液体及び／又はガス燃料を使用してガスタービンシステム１０を稼働する。例えば、燃料ノズル２０は、空気供給及び燃料供給部２２と流体連通している。燃料ノズル２０は、空気燃料混合気を生成し、該空気燃料混合気を燃焼器１４に吐出して、これにより燃焼を引き起こして高温の加圧排気ガスを生成する。燃焼器１４は、移行部品を通じて高温加圧排出ガスをタービンノズル（すなわち、「第一段ノズル」）に、次いで、バケット及びノズルの他の段に配向し、タービンケーシング２４内のタービンブレードを回転させるようにする。タービンブレードの回転によりシャフト１８が回転するようになり、これにより空気が圧縮機１２内に流れるときに該空気を加圧する。１つの実施形態において、高温ガス経路構成要素は、タービン１６に配置され、ここで構成要素にわたる高温のガス流により、タービン構成要素のクリープ、酸化、摩耗、及び熱疲労を生じるようになる。高温ガス構成要素の実施例は、バケット組立体（ブレード又はブレード組立体としても知られる）、ノズル組立体（ベーン又はベーン組立体としても知られる）、シュラウド組立体、移行部品、保持リング、及び圧縮機排気構成要素を含む。上記で挙げた構成要素は単なる例証に過ぎず、高温ガスに曝される例示的な構成要素の網羅的リストを意図するものではない。高温ガス構成要素の温度を制御することにより、構成要素の損傷モードを軽減することができる。

図２を参照すると、タービン１６の入口領域２６が図示され、第１段タービンノズルのようなタービンノズル２８と、第１のロータ段組立体のようなロータ段組立体３０とを含む。第１段の関連で説明しているが、タービンノズル２８及びロータ段組立体３０は下流側段であってもよい点は理解されたい。主高温ガス経路３１は、タービンノズル２８及びロータ段組立体３０にわたって通過している。ロータ段組立体３０は、シャフト１８（図１）に動作可能に接続され、タービンシュラウド組立体３２の半径方向内向きに回転可能に取り付けられている。タービンシュラウド組立体３２は、通常は相対的に固定されており、タービンケーシング２４によって動作可能に支持される。加えて、タービンシュラウド組立体３２は、回転するロータ段組立体３０に対するシール構成要素として機能し、ロータ段組立体３０の円周回りの漏洩としての高温ガス損失の量を低減し、これにより機械エネルギーに変換される高温ガスの量を増大させることにより、ガスタービンシステム１０の全体効率を向上させるようにする。主高温ガス経路３１に近接していることに基づいて、タービンシュラウド組立体３２は、冷却源からの冷却流を必要とする。冷却源は通常、圧縮機１２であり、上述のように、可燃性燃料と燃焼させるために加圧空気を供給することに加えて、本明細書で冷却流３４と呼ばれる２次空気流を提供する。冷却流３４は、高圧空気ストリームであり、燃焼器１４を迂回して、主高温ガス経路３１からの熱伝達を相殺するのに冷却流３４を必要とする選択領域に送給される。

第１の実施形態（図２）において、タービンノズル２８は、ロータ段組立体３０の上流側に配置され、シャフト１８に近接した内側セグメント３６とタービンケーシング２４に相当することができる外側セグメントとの間を半径方向に延びて、これらに回転可能に取り付けられ且つ支持される。タービンノズル２８はまた、冷却流３４を必要とし、１つ又はそれ以上の主チャンネル３８を介して内側セグメント３６に近接した冷却流３４を受け入れるよう構成され、タービンノズル２８内の少なくとも１つのインピンジメント領域に冷却流３４を衝突させる。或いは、冷却流３４は、複数の流路を備えた蛇行流れ回路を介してタービンノズル２８を通って配向することができる。タービンノズル２８の内部領域に配置された少なくとも１つ、通常は複数のマイクロチャンネル４０は各々、少なくとも１つのチャンネル入口４２と、少なくとも１つのチャンネル出口４４とを含む。少なくとも１つのチャンネル入口４２は、インピンジメント領域か、又は蛇行流れ回路の複数の流路のうちの少なくとも１つに近接して配置される。少なくとも１つのチャンネル出口４４は、半径方向外側セグメント又はタービンケーシング２４に近接して位置付けられ、冷却流３４を出口キャビティ４６に放出し、該出口キャビティ４６は、冷却流３４をタービンシュラウド組立体３２に向けて軸方向下流側に配向する。出口キャビティ４６は、冷却流３４が移送される上流側位置に配置されたタービンノズルの内部領域よりも低圧である。冷却流３４を主高温ガス経路３１に排出するのではなく、出口キャビティ４６は、部分的に又は完全にカバー又はフード４７で内包され、上述のように冷却を必要とし且つ通常は圧縮機１２などの冷却源からの追加の冷却流を利用している下流側のタービンシュラウド組立体３２に冷却流３４を確実に送ることによって冷却流３４を「再利用」する。具体的には、出口キャビティ４６は、冷却流３４をタービンシュラウド組立体３２の前方面４８に配向し、より詳細にはタービンシュラウド組立体３２の内部領域５０に配向し、ここで冷却流３４は、前方面４８のアパーチャを通過する。内部領域５０は、上流側領域と呼ばれるマイクロチャンネル４０及び出口キャビティ４６の圧力よりも低い圧力を有する容積を内包する。上流側領域は、第１の圧力を有し、内部領域５０は、第２の圧力を有し、該第２の圧力は、上述のように第１の圧力よりも低い。第１の圧力と第２の圧力との間の圧力差により、より高圧の上流側領域からの冷却流３４をより低い第２の圧力に引き込むようにする。冷却流３４の送給は、タービンシュラウド組立体３２に対する冷却作用をもたらす。圧縮機１２から必要とされる冷却流の量を低減することによって、ガスタービンシステム１０のより効率的な運転が達成される。

ここで図３を参照すると、参照数字１２８で示されたタービンノズルの第２の実施形態が図示されている。タービンノズル１２８は、構造及び機能性の両方で１つの顕著な差違を除いて幾つかの点で第１の実施形態であるタービンノズル２８と同様である。タービンノズル１２８は、タービンケーシング２４のような外側セグメントに片持ちで取り付けられる。図示の実施形態において、冷却流３４は、タービンケーシング２４に隣接してタービンノズル１２８に供給され、マイクロチャンネル４０内部を通ってシャフト１８に向けて半径方向内向き方向に配向される。ここで、少なくとも１つのチャンネル出口４４は、内側セグメント３６に近接して、より詳細にはノズルダイアフラム６０に近接して配置され、該ノズルダイアフラム６０は、冷却流３４を受け入れるよう構成され、上述の出口キャビティ４６と同義とみなすことができる。第１の実施形態におけるタービンシュラウド組立体３２の内部領域５０と同様に、ノズルダイアフラム６０は、冷却用に冷却流３４を少なくとも１つのチャンネル出口４４からノズルダイアフラム６０に引き込む相対的に低圧の容積６２を含む。この構成において、衝突後空気は、マイクロチャンネル４０を介してノズルダイアフラム６０に移送され、これにより衝突後空気がインピンジメントを低下させるのを防ぐようにする。或いは、冷却流３４は、複数の流路を備えた蛇行流れ回路を介してタービンノズル２８を通って配向することができる。

冷却流３４は更に、ノズルダイアフラム６０を過ぎて内側支持リングを通り、シャフト１８に近接して配置されたホイールスペースに移送することができる。これは、上記で詳細に説明したカバー又はフード４７により内側支持リングを通る経路を部分的に又は完全に内包することにより可能になる。

従って、タービンノズル２８、１２８は、冷却が必要な追加のタービン構成要素に冷却流３４を送り、圧縮機１２などの冷却源に必要とされる冷却流の量を低減して、タービン構成要素を効率的に冷却するようにする。冷却流３４は、冷却組立体を介した再循環によって効率的に「再利用」され、該冷却組立体は、タービンノズル２８、１２８の内部領域内に配置されたマイクロチャンネル４０からタービン１６の低圧領域に冷却流３４を移送する出口キャビティ４６を含む。従って、ガスタービンシステム１０の全体効率の向上が達成される。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機
１４ 燃焼器
１６ タービン
１８ シャフト
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給源
２４ タービンケーシング
２６ 入口領域
２８ タービンノズル
３０ ロータ段組立体
３１ 高温ガス経路
３２ シュラウド組立体
３４ 冷却流れ
３６ 内側セグメント
３８ 主チャンネル
４０ マイクロチャンネル
４２ チャンネル入口
４４ チャンネル出口
４６ 出口キャビティ
４７ フード
４８ 前方面
５０ 内部領域
６０ ノズルダイアフラム
６２ 低圧容積
１２８ タービンノズル

Claims (16)

1. ガスタービンシステム用の冷却組立体であって、
   タービンケーシングに対する内部構造に接続された第１の端部と、前記タービンケーシングに接続された第２の端部との間に延び、高温ガス経路に配置され、前記第１の端部から前記第２の端部へのみ前記冷却流を流すように構成されるタービンノズルであって、冷却源から冷却流を受け取るよう構成されたチャンネル入口を含む少なくとも１つのチャンネルを有し、前記少なくとも１つのチャンネルが、前記タービンノズルを通って半径方向に第１の圧力で前記冷却流をチャンネル出口に配向する、タービンノズルを備え、
   前記冷却組立体が更に、
   前記チャンネル出口をタービン構成要素の領域に流体接続する出口キャビティと、
   を備え、前記タービン構成要素の領域が、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力にあり、
   前記出口キャビティが、前記チャンネル出口をタービン構成要素に流体的に接続するように構成されたフードセグメントによって内包され、前記フードセグメントが、前記タービンケーシングの内側ケーシング壁と外側ケーシング壁との間の空間に配置され、前記チャンネル出口から前記タービン構成要素への間で、半径方向外側方向から前記高温ガス経路に沿った方向に曲がる、
   冷却組立体
2. 前記冷却源が、前記タービンノズルの上流側に配置された圧縮機であり、前記冷却流が、少なくとも１つのチャンネル上に衝突する、請求項１に記載の冷却組立体。
3. 前記タービンノズルが、半径方向内側セグメントと半径方向外側セグメントとの間に配置され且つ前記半径方向内側セグメント及び半径方向外側セグメントに動作可能に接続される、請求項２に記載の冷却組立体。
4. 前記チャンネル入口が、前記半径方向内側セグメントに近接して配置され、前記冷却流が、前記チャンネル出口に半径方向外向きに配向される、請求項３に記載の冷却組立体。
5. 前記タービン構成要素が、前記タービンノズルのチャンネル出口の下流側に配置されたタービンシュラウド組立体を含み、前記タービンシュラウド組立体の前方面に近接した内部領域に前記冷却流を配向する、請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却組立体。
6. 前記タービンノズルが、第１段タービンノズルであり、前記タービンシュラウド組立体が、第１のタービンロータ段の半径方向外向きに配置された第１段タービンシュラウド組立体である、請求項５に記載の冷却組立体。
7. 前記タービンノズルが、蛇行冷却回路を有する複数の経路を含み、前記チャンネル入口が、前記複数の経路のうちの少なくとも１つに近接して配置され、前記冷却流が、前記チャンネル出口に半径方向外向きに配向され、前記タービン構成要素が、前記タービンノズルのチャンネル出口の下流側に配置されたタービンシュラウド組立体を含み、前記タービンシュラウド組立体の前方面に近接した内部領域に前記冷却流を配向する、請求項１乃至６のいずれかに記載の冷却組立体。
8. 前記タービンノズルが、半径方向外側セグメントに片持ちに取り付けられ、前記チャンネル出口が衝突後領域に近接して配置され、前記冷却流が、前記チャンネル出口に半径方向内向きに配向される、請求項１乃至７のいずれかに記載の冷却組立体。
9. 前記出口キャビティが、前記タービンノズルのチャンネル出口に近接し且つ半径方向内側セグメントに近接して配置されたノズルダイアフラムを含む、請求項８に記載の冷却組立体。
10. 前記タービンノズルが、蛇行冷却回路を有する複数の経路を含み、前記チャンネル入口が、前記複数の経路のうちの少なくとも１つに近接して配置され、前記冷却流が、前記チャンネル出口に半径方向内向きに配向され、前記出口キャビティが、前記タービンノズルのチャンネル出口に近接し且つ半径方向内側セグメントに近接して配置されたノズルダイアフラムを含む、請求項９に記載の冷却組立体。
11. ガスタービンシステム用の冷却組立体であって、
    タービンケーシングに対する内部構造に接続された第１の端部と、前記タービンケーシングに接続された第２の端部との間に延び、高温ガス経路に配置され、前記第１の端部から前記第２の端部へのみ前記冷却流を流すように構成されるタービンノズルであって、前記タービンケーシングが、前記高温ガス経路の周りに配置された内側タービンケーシングと、前記内側タービンケーシングの周りに配置された外側タービンケーシングとを備え、前記タービンノズルが、半径方向内側セグメントと半径方向外側セグメントとの間に配置され、冷却源から冷却流を受け取るよう構成されたチャンネル入口を各々が含む複数のチャンネルを有するタービンノズルを備え、前記複数のチャンネルが、前記タービンノズルを通って半径方向のみで前記冷却流を前記第２の端部のチャンネル出口に配向し、
    前記冷却組立体が更に、
    ロータシャフトと、タービンケーシングによって支持される固定タービンシュラウド組立体との間で前記高温ガス経路に回転可能に配置され、前記固定タービンシュラウド組立体が前記タービンノズルの下流側に位置付けられる、複数のロータブレードと、
    フードセグメントによって完全に内包されて、前記チャンネル出口を前記固定タービンシュラウド組立体に流体接続して、前記冷却流が前記固定タービンシュラウド組立体に移送される、出口キャビティと、
    を備え、
    前記出口キャビティが、前記チャンネル出口をタービン構成要素に流体的に接続するように構成されたフードセグメントによって内包され、前記フードセグメントが、前記タービンケーシングの内側ケーシング壁と外側ケーシング壁との間の空間に配置され、前記チャンネル出口から前記タービン構成要素への間で、半径方向外側方向から前記高温ガス経路に沿った方向に曲がる、冷却組立体。
12. 前記冷却源が、前記タービンノズルの上流側に配置された圧縮機を含み、前記冷却流が、第１の圧力で前記複数のチャンネル上に衝突する、請求項１１に記載の冷却組立体。
13. 前記タービンノズルが、前記半径方向内側セグメント及び前記半径方向外側セグメントに動作可能に接続される、請求項１１または１２に記載の冷却組立体。
14. 前記チャンネル入口が、前記半径方向内側セグメントに近接して配置され、前記冷却流が、前記チャンネル出口に半径方向外向きに配向される、請求項１１乃至１３のいずれかに記載の冷却組立体。
15. 前記出口キャビティが、前記冷却流を前記固定タービンシュラウド組立体の前方面に近接した内部領域に配向し、前記内部領域が、前記第１の圧力よりも低い第２の圧力を含む、請求項１２に記載の冷却組立体。
16. 前記タービンノズルが、第１段タービンノズルであり、前記固定タービンシュラウド組立体が、第１段タービンシュラウド組立体である、請求項１１乃至１５のいずれかに記載の冷却組立体。