JP6305441B2

JP6305441B2 - タービンエンジン

Info

Publication number: JP6305441B2
Application number: JP2015558032A
Authority: JP
Inventors: エイ．マイアークリントン; イングジェシー; エイ．ショップチェリル
Original assignee: Siemens Westinghouse Power Corp
Current assignee: Siemens Energy Inc
Priority date: 2013-02-15
Filing date: 2014-02-05
Publication date: 2018-04-04
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: EP2956635A1; US9714611B2; CN105209723A; CN105209723B; US20140230441A1; RU2015134385A; JP2016508568A; EP2956635B1; WO2014185999A1; RU2666828C2

Description

連邦政府支援の調査または開発に関する陳述
本発明の開発の一部は、米国エネルギー省の先進タービン開発プログラム（advanced turbine development program、契約番号：DE-FC26-05NT42644-Sub011）の支援を受けたものである。よって、米国政府は本発明において所定の権利を享受することがある。

発明の技術分野
本発明は、一般的にはタービンエンジンに関し、具体的には、タービンエンジンの冷却流体供給システムに関する。

典型的にはガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮した当該空気と燃料とを混合して当該混合物に点火する燃焼器と、出力を生成するためのタービンブレードアセンブリとを含む。燃焼器はしばしば、華氏２，５００°を超える高温で動作することが多い。典型的なタービン燃焼器構成は、このような高温にタービンブレードアセンブリをさらすものとなっている。その結果、このような高温に耐えることができる材料から、タービンブレードやタービン羽根を作製しなければならなくなる。タービンブレード、タービン羽根または他の部品は、これらの物の寿命を長くし、温度の過熱に起因する不具合の確率を減少させるために、冷却系を有することが多い。

典型的には、圧縮機と排気ケースとの間、一部の構成では圧縮機ケースおよび排気ケースとの間に、中間フレームケースが延在している。この中間フレームケースは、圧縮機のブリード空気をタービンロータアセンブリへ流す流路となることが多い。中間フレーム外筒部空気温度は４５０℃を超え、通常使用される鋼合金の大部分がクリープ制限を受ける。約４５０℃を超える温度では、時間が経過すると、材料は脆化して永久クリープ変形が生じる。よって、設計上の要求が厳しくなり、圧縮機ピーク排出温度が５５０℃に近づくにつれて、標準的な合金と従前の技術とを用いると、１６０，０００時間かつ５，０００の始動構成要素のライフサイクル閾値を満たせる確率が非常に低くなってしまう。

発明の概要
本発明は、圧縮機とタービンアセンブリとの間の内部ケーシング用のヒートシールドマニホールドシステムに関する。このヒートシールドマニホールドシステムにより、高温の圧縮機排気から外部ケースが保護され、このことにより、圧縮機とタービンアセンブリとの間に延在する外部ケースを、当該保護を行わないと必要となる材料より低コストの材料から作製することが可能になる。さらに、従来のフランジを通って、漏れを生じさせやすいフランジ継手まで流すことなく、圧縮機から当該圧縮機のブリード空気をヒートシールドマニホールドシステム内に流すように、当該ヒートシールドマニホールドシステムを構成することも可能である。

ヒートシールドマニホールドシステムはタービンエンジンに包含させることができ、またヒートシールドマニホールドシステムは、ロータアセンブリより上流に設けられた１つまたは複数の燃焼器を含むことができる。このロータアセンブリは、少なくとも、ロータから径方向外側に延在する第１列および第２列のタービンブレードを含むことができる。タービンエンジンはまた、前記燃焼器より上流に配置された圧縮機を含むこともでき、また、径方向内側に延在してロータアセンブリ付近にて終了する１列または複数列のタービン羽根を含むことも可能である。前記タービンエンジンはさらに、タービン翼形部と連通しているタービン翼形部冷却チャンバと、前記圧縮機の下流方向端部領域からロータアセンブリの上流方向端部領域へ延在する内部ケースとを含むことも可能である。前記タービンエンジンは、前記内部ケースの径方向外側に配置されたヒートシールド壁を含むことができ、当該ヒートシールド壁は当該内部ケースを周方向に包囲することにより、当該内部ケースの外表面上にヒートシールドマニホールドを成す。圧縮機ブリード排出部がヒートシールドマニホールドへ冷却流体を供給するように、前記ヒートシールド壁は当該圧縮機ブリード排出部と連通することが可能であり、また、ヒートシールドマニホールドが前記タービン翼形部冷却チャンバへ冷却流体を供給するように、前記ヒートシールド壁は当該タービン翼形部冷却チャンバに連通している。１つの実施形態では、前記タービン翼形部冷却チャンバは、第２列タービン羽根へ冷却流体を供給するタービン羽根第２列冷却空気チャンバとすることができる。

タービンエンジンはまた、圧縮機の下流方向端部領域からロータアセンブリの上流方向端部領域まで延在する外部ケースであって、ヒートシールド壁を周方向に包囲する外部ケースを含むことも可能である。１つの実施形態では、ヒートシールドマニホールドは、外部ケースの径方向内側に支持フランジ内にて少なくとも１つのオリフィスを介して前記圧縮機に連通することが可能であり、このような構成により、フランジがフランジ漏れを引き起こす可能性を無くすことができる。他の１つの実施形態では、圧縮機とヒートシールドマニホールドとの間にジャンパ導管が延在することが可能である。また、前記ジャンパ導管の少なくとも一部は、圧縮機の下流方向端部領域からロータアセンブリの上流方向端部領域まで延在する外部ケースであって、ヒートシールド壁を周方向に包囲する外部ケースの外部に延在することも可能である。ヒートシールドマニホールドシステムはまた、圧縮機からの冷却流体をヒートシールドマニホールドへ送る前に当該冷却流体を冷却するように構成された熱交換器も含むことができる。さらに他の１つの実施形態では、前記ヒートシールドマニホールドシステムは、圧縮機とタービン翼形部冷却チャンバとの間に延在するブリード排出導管を含むことができる。このブリード排出導管の少なくとも一部は、圧縮機の下流方向端部領域からロータアセンブリの上流方向端部領域まで延在する外部ケースであって、ヒートシールド壁を周方向に包囲する外部ケースの外部に延在することも可能である。

前記ヒートシールドマニホールドシステムは、前記ジャンパ導管内へ流入する圧縮機ブリード流体の動的な絞りを行うように構成された１つまたは複数のジャンパ絞りシステムを含むか、または、前記タービン翼形部冷却チャンバ内に流入する圧縮機ブリード流体の動的な絞りを行うように構成された１つまたは複数の翼形部冷却チャンバ絞りシステムを含むか、またはこれら両システムを含むことができる。１つの実施形態では、ジャンパ導管を通る冷却流体の流れを制御する少なくとも１つのバルブから前記ジャンパ絞りシステムを構成することができる。ブリード排出導管を通って前記タービン翼形部冷却チャンバ内へ冷却流体の流れを制御する少なくとも１つのバルブから前記翼形部冷却チャンバ絞りシステムを構成することができる。

本発明の利点は、圧縮機の下流方向端部領域からロータアセンブリの上流方向端部領域まで延在する、内部シールドを周方向に包囲する外部ケースを、高温の圧縮機排気から保護できることである。

また、本発明は、外部ケースを高温の圧縮機排気から遮蔽できることにより、当該外部ケースをより低コストの材料から形成できるという利点も奏する。前記より低コストの材料は、たとえば低コストの鋼合金等であるが、これに限定されることはない。

さらに本発明は、圧縮機排気の温度が鋼のクリープ領域または脆化温度のいずれかの高温側端部に近くなるかまたはいずれかの高温側端部を超えるタービンエンジンにおいて有用であるという利点も奏される。

本発明はさらに、過渡的状態のときに、ロータとケーシングとの間の熱遅延を短縮してブレードチップクリアランスを能動的に制御するため、ケーシング温度を調整するために冷却器もしくは加熱器もしくは双方を用いて、または、冷却器もしくは加熱器もしくは双方を用いることなく、本発明を使用できるという利点も奏する。

以下、上記実施形態および他の実施形態について詳細に説明する。

本願明細書の一部を構成する添付図面に本発明の複数の実施形態を示しており、当該図面は、発明の詳細な説明と共に、本発明の基本的思想を開示するものである。

タービンアセンブリより上流に配置されている、中間フレーム内部ケースを介して結合された圧縮機と、ヒートシールドマニホールドシステムとを備えたタービンエンジンの一部の断面側面図である。他の１つの実施形態のヒートシールドマニホールドシステムの断面側面図である。他の１つの実施形態のヒートシールドマニホールドシステムの断面側面図である。

本発明の詳細な説明
図１〜３に示しているように、本発明は、圧縮機１４とタービンアセンブリ１６との間に設けられる内部ケーシング１２用のヒートシールドマニホールドシステム１０に関する。このヒートシールドマニホールドシステム１０は、高温の圧縮機排気から外部ケース１８を保護するものである。このように保護することにより、圧縮機１４とタービンアセンブリ１６との間に延在する外部ケース１８を、当該保護を行わないと必要となる材料より低コストの材料から作製することが可能になる。さらに、従来のフランジを通って、漏れを生じさせやすいフランジ継手まで流すことなく、圧縮機１４から当該圧縮機のブリード空気をヒートシールドマニホールドシステム１０内に流すように、当該ヒートシールドマニホールドシステム１０を構成することも可能である。

ヒートシールドマニホールドシステム１０はタービンエンジン２０内に配置することができ、タービンエンジン２０は、ロータアセンブリ２４より上流に設けられた１つまたは複数の燃焼器２２から構成することができる。このロータアセンブリ２４は、少なくとも、ロータ３２から径方向外側に延在する第１列２６および第２列２８のタービンブレード３０を含むことができる。圧縮機１４は、燃焼器２２より上流に配置することができる。１つまたは複数の列のタービン羽根３４が径方向内側に向かって延在し、ロータアセンブリ２４の近傍にて終了することができる。タービン翼形部冷却チャンバ３６をタービン翼形部３８に連通させることができ、具体的には、タービン翼形部３８内部の冷却系統４０に連通させることができる。これはタービン羽根３４とすることができるが、これに限定されることはない。

燃焼器２２の下流方向端部領域４２からロータアセンブリ２４の上流方向端部領域４４まで、内部ケース１２が延在することができる。内部ケース１２から径方向外側に、ヒートシールド壁４６を配置することができる。少なくとも１つの実施形態では、ヒートシールド壁４６は内部ケース１２を周方向に包囲することにより、当該内部ケース１２の外表面５０上にヒートシールドマニホールド４８を成すことも可能である。圧縮機ブリード排出管５２がヒートシールドマニホールド４８へ冷却流体を供給するように、ヒートシールド壁４６を当該圧縮機ブリード排出部５２に連通させることができる。また、ヒートシールドマニホールド４８がタービン翼形部冷却チャンバ３６へ冷却流体を供給するように、ヒートシールド壁４６を当該タービン翼形部冷却チャンバ３６に連通させることも可能である。少なくとも１つの実施形態では、前記タービン翼形部冷却チャンバ３６は、第２列タービン羽根３４へ冷却流体を供給するタービン羽根第２列冷却空気チャンバとすることができる。

ヒートシールド壁４６は、１つまたは複数のスタンドオフ支持体７２により支持することができる。このスタンドオフ支持体７２は、圧力負荷に対抗してヒートシールド壁４６を支持するために、内部ケース１２から径方向外側に向かって延在して、周方向および軸方向に離隔することができる。ヒートシールド壁４６の所要の冷却流および支持構造を適切に実現できるように、スタンドオフ支持体７２の間隔および高さを調整することができる。ヒートシールド壁４６の先頭端部７４および後尾端部７６は溶接によって、外部ケース１８に固定することができる。前記溶接はたとえばすみ肉溶接等であるが、これに限定されることはない。さらに、燃焼器内筒がヒートシールド壁４６と内部ケース１２とを貫通して延在できるように、当該ヒートシールド４６は燃焼入口部を有することもできる。外部ケーシング１８とのフルフープ形すみ肉溶接によって、ヒートシールド壁４６を前記燃焼入口部に溶接することができる。このような溶接により、ヒートシールドマニホールド４８からの高温の圧縮機排気が流れこむのを防止することができる。

ヒートシールド壁４６は、外部ケース１８とヒートシールド壁４６との熱成長差に耐えることができる適切な延性材料であれば、いかなる材料からも形成することができる。たとえば、低強度の延性鋼合金等から形成することができるが、これに限定されることはない。外部ケース１８とヒートシールド壁４６との間の熱応力を補償するために、ヒートシールド壁４６の後尾端部７６にドッグレッグ部７８を組み付けることによって、軸方向に可撓性を持たせた。このドッグレッグ部７８は、内部ケース１２の周面に延在することができる。外部ケース１８と同様、ヒートシールド壁４６を水平方向接合部にて分割して、２つの区画を形成することができる。これら２つの区画は、この水平方向接合部にて、水平方向締付負荷を用いて封止することができる。

タービンエンジン２０はまた、燃焼器２２の下流方向端部領域４２からロータアセンブリ２４の上流方向端部領域４４まで延在する外部ケース１８であって、ヒートシールド壁４６を周方向に包囲する外部ケース１８を含むことも可能である。少なくとも１つの実施形態では、図１および図３に示しているように、ヒートシールドマニホールドシステム１０は、圧縮機１４とヒートシールドマニホールド４８との間に延在するジャンパ導管５４を含むことができる。このジャンパ導管５４は、当該ジャンパ導管５４における圧力分布を所要の分布にするため、任意の断面形状および任意のサイズを有することができる。少なくとも１つの実施形態では、圧縮機１４からの冷却流体をヒートシールドマニホールド４８に流す前に当該冷却流体を冷却するように、１つまたは複数の熱交換器５６を構成することができる。この熱交換器５６は冷却器として使用されるように構成することができ、または、加熱器として使用されるように構成することもできる。さらに他の１つの実施形態では、１つまたは複数の熱交換器５６は冷却器として機能し、かつ、１つまたは複数の熱交換器５６は加熱器として機能するように構成することもできる。

他の１つの実施形態では、図３に示しているように、ヒートシールドマニホールドシステム１０は冷却流体をタービン翼形部冷却チャンバ３６に直接供給するため、圧縮機１４と当該タービン翼形部冷却チャンバ３６との間に延在する１つまたは複数のブリード排出導管５８を含むことができる。ヒートシールドマニホールドシステム１０はまた、ジャンパ導管５４内への圧縮機のブリード流体の絞りを動的に行うように構成された１つまたは複数のジャンパ絞りシステム６０を含むことができる。少なくとも１つの実施形態では、ジャンパ導管５４を通る冷却流体の流れを制御する１つまたは複数のバルブ６２から前記ジャンパ絞りシステム６０を構成することができる。ヒートシールドマニホールドシステム１０はまた、前記タービン翼形部冷却チャンバ３６内への圧縮機ブリード流体の絞りを動的に行うように構成された１つまたは複数の翼形部冷却チャンバ絞りシステム６４を含むことも可能である。少なくとも１つの実施形態では、ブリード排出導管５８を通って前記タービン翼形部冷却チャンバ３６内へ入る冷却流体の流れを制御する１つまたは複数のバルブ６６から前記翼形部冷却チャンバ絞りシステム６４を構成することができる。また、前記ジャンパ導管５４の少なくとも一部は、燃焼器２２の下流方向端部領域４２からロータアセンブリ２４の上流方向端部領域４４まで延在する外部ケース１８であって、ヒートシールド壁４６を周方向に包囲する外部ケース１８の外部に延在することも可能である。

さらに他の１つの実施形態では、図２に示しているように、ブリード排出導管５８は圧縮機１４とタービン翼形部冷却チャンバ３６との間に延在することができる。また、前記ブリード排出導管５８の少なくとも一部は、燃焼器２２の下流方向端部領域４２からロータアセンブリ２４の上流方向端部領域４４まで延在する外部ケース１８であって、ヒートシールド壁４６を周方向に包囲する外部ケース１８の外部に延在することも可能である。外部ケース１８の径方向内側に向かって配置された支持フランジ７０内にて、１つまたは複数のオリフィス６８を介して、ヒートシールドマニホールド４８を圧縮機１４に連通させることができる。このようにすると、フランジがフランジ漏れを起こす可能性を無くすことができる。

使用時には、圧縮機のブリード流体は、圧縮機１４からヒートシールドマニホールドシステム１０を介してタービン翼形部冷却チャンバ３６へ流れることが可能である。これにより、圧縮機のブリード空気が外部ケース１８に接触するのを防止することができる。前記ブリード流体はたとえば空気等であるが、これに限定されることはない。図２に示しているように、圧縮機のブリード流体は、圧縮機１４から支持フランジ７０内のオリフィス６８を通ってヒートシールドマニホールド４８内へ流れることが可能である。その後、このブリード流体はヒートシールドマニホールド４８を通って、タービン翼形部冷却チャンバ３６内に流入することができる。他の１つの実施形態では、図１に示しているように、圧縮機ブリード流体は圧縮機１４からジャンパ導管５４を通ってヒートシールドマニホールド４８内へ流れることが可能である。その後、このブリード流体はヒートシールドマニホールド４８を通って、タービン翼形部冷却チャンバ３６内に流入することができる。

さらに他の１つの実施形態では、図３に示しているように、圧縮機ブリード流体は圧縮機１４からジャンパ導管５４を通ってヒートシールドマニホールド４８内へ流れることが可能である。その後、このブリード流体はヒートシールドマニホールド４８を通って、タービン翼形部冷却チャンバ３６内に流入することができる。また、圧縮機ブリード流は圧縮機１４からブリード排出導管５８を通ってタービン翼形部冷却チャンバ３６内へ流れることも可能である。ジャンパ導管５４とブリード排出導管５８とを流れる圧縮機ブリード流体の流れは、ジャンパ絞りシステム６０と翼形部冷却チャンバ絞りシステム６４とを用いて調整することができる。ジャンパ絞りシステム６０および翼形部冷却チャンバ絞りシステム６４は、手動または自動で制御することができる。

上記記載は、本発明の実施形態を図示および説明するためのものであり、当業者であれば、これらの実施形態の変更および調整は可能であり、また、その変更および調整は、本発明の範囲または思想を逸脱することなく行うことができる。

Claims

ロータ（３２）から径方向外側に延在する第１列（２６）および第２列（２８）のタービンブレード（３０）を少なくとも含むロータアセンブリ（２４）より上流に配置された少なくとも１つの燃焼器（２２）と、
前記少なくとも１つの燃焼器（２２）より上流に配置された圧縮機（１４）と、
径方向内側に向かって延在して前記ロータアセンブリ（２４）付近で終了する少なくとも１列以上のタービン羽根（３４）と、
タービン翼形部（３８）と連通しているタービン翼形部冷却チャンバ（３６）と、
前記圧縮機（１４）の下流方向端部領域から前記ロータアセンブリ（２４）の上流方向端部領域（４４）まで延在する内部ケース（１２）と、
前記内部ケース（１２）の径方向外側に配置されており、かつ、当該内部ケース（１２）を周方向に包囲することにより、当該内部ケース（１２）の外表面（５０）上にヒートシールドマニホールド（４８）を形成するヒートシールド壁（４６）と
を有するタービンエンジン（２０）であって、
圧縮機ブリード排出部（５２）が前記ヒートシールドマニホールド（４８）へ冷却流体を供給するように、前記ヒートシールド壁（４６）は当該圧縮機ブリード排出部（５２）と連通しており、
前記ヒートシールドマニホールド（４８）がタービン翼形部冷却チャンバ（３６）へ冷却流体を供給するように、前記ヒートシールド壁（４６）は当該タービン翼形部冷却チャンバ（３６）に連通している
ことを特徴とするタービンエンジン（２０）。
前記タービン翼形部冷却チャンバ（３６）は、第２列タービン羽根（３４）へ冷却流体を供給するタービン羽根第２列冷却空気チャンバである、
請求項１記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記圧縮機（１４）の下流方向端部領域から前記ロータアセンブリ（２４）の上流方向端部領域（４４）まで延在する、前記ヒートシールド壁（４６）を周方向に包囲する外部ケース（１８）
を含む、
請求項１記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記圧縮機（１４）と前記ヒートシールドマニホールド（４８）との間に延在するジャンパ導管（５４）
を有する、
請求項１記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記圧縮機（１４）からの冷却流体を前記ヒートシールドマニホールド（４８）へ送る前に当該冷却流体を冷却するように構成された熱交換器（５６）
を含む、
請求項４記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記圧縮機（１４）と前記タービン翼形部冷却チャンバ（３６）との間に延在するブリード排出導管（５８）
を含む、
請求項４記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記ジャンパ導管（５４）内に流れる圧縮機ブリード流体を動的に絞るように構成された少なくとも１つのジャンパ絞りシステム（６０）
を含む、
請求項６記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記タービン翼形部冷却チャンバ（３６）内に流れる圧縮機ブリード流体を動的に絞るように構成された少なくとも１つの翼形部冷却チャンバ絞りシステム（６４）
を含む、
請求項７記載のタービンエンジン（２０）。
前記少なくとも１つのジャンパ絞りシステム（６０）は、前記ジャンパ導管（５４）内の冷却流体の流れを制御する少なくとも１つのバルブ（６２）である、
請求項７記載のタービンエンジン（２０）。
前記タービンエンジン（２０）はさらに、
前記タービン翼形部冷却チャンバ（３６）内に流れる圧縮機ブリード流体を動的に絞るように構成された少なくとも１つの翼形部冷却チャンバ絞りシステム（６４）
を含む、
請求項６記載のタービンエンジン（２０）。
前記翼形部冷却チャンバ絞りシステム（６４）は、前記ブリード排出導管（５８）を通って前記タービン翼形部冷却チャンバ（３６）内へ流入する冷却流体の流れを制御する１つまたは複数のバルブ（６６）である、
請求項１０記載のタービンエンジン（２０）。
前記ジャンパ導管（５４）の少なくとも一部は、前記圧縮機（１４）の下流方向端部領域（４２）から前記ロータアセンブリ（２４）の上流方向端部領域（４４）まで延在する外部ケース（１８）の外部に延在し、
前記外部ケース（１８）は、前記ヒートシールド壁（４６）を周方向に包囲する、
請求項４記載のタービンエンジン（２０）。
前記圧縮機（１４）と前記タービン翼形部冷却チャンバ（３６）との間にブリード排出導管（５８）が延在しており、
前記ブリード排出導管（５８）の少なくとも一部は、外部ケース（１８）の外部に延在し、
前記外部ケース（１８）は、前記圧縮機（１４）の下流方向端部領域（４２）から前記ロータアセンブリ（２４）の上流方向端部領域（４４）まで延在し、
前記外部ケース（１８）は、前記ヒートシールド壁（４６）を周方向に包囲する、
請求項１記載のタービンエンジン（２０）。
外部ケース（１８）の径方向内側の支持フランジ（７０）内の少なくとも１つのオリフィス（６８）を介して、前記ヒートシールドマニホールド（４８）が前記圧縮機（１４）に連通していることにより、フランジがフランジ漏れを起こす可能性が無くなる、
請求項１記載のタービンエンジン（２０）。