JP7184474B2 - ホイールスペースの温度管理システム及び方法 - Google Patents

Description

本出願及び特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、詳細には、全体的なシステム性能及び効率を低下させることなく高温周囲環境時に冷却用の蒸気流又は水流を用いてホイールスペースの温度を管理するシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、一般に、高温燃焼ガスは、高温ガス通路に沿って燃焼器から移行部品を通ってタービンに流入し、有効仕事を生じる。より高温の燃焼流は、ガスタービンエンジンの高い性能、効率、及び大きな全体的出力をもたらすので、高温燃焼流に晒される構成要素は、ガスタービンエンジンが損傷することなく又は耐用年数が短くなることなく、このような高温で作動できるように冷却する必要がある。

ホイールスペースは、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規定される。ホイールスペースの位置は燃焼器の出口に隣接するので、ホイールスペースは極度の高温に晒される可能性がある。内部の構成要素の長期耐久性に適する温度範囲にホイールスペースを維持するために、冷却用空気流をホイールスペースに送給することができる。圧縮機の入口での高い温度につながる、高い環境温度といった特定の運転条件の下で、冷却用空気量は、ホイールスペースを所望の温度範囲に維持するには不十分である。このような状况において、複数のボアプラグは、圧縮機吐出ケースのボアホールから取り外すことができる。これらのボアホールによって、圧縮機から流出する高圧空気の一部は、追加の冷却を行うためにホイールスペースに流入することができる。ボアホールは、ホイールスペースの補助的な冷却を可能にするが、改修が永久的である可能性がある。換言すると、一般に、ボアプラグは、ボアホールの中に再挿入されない。このような場合、冷却用空気は、低温周囲環境時などの必要ない場合であってもホイールスペースに送給される場合がある。これは圧縮機空気を失うので、ガスタービンエンジンの全体的な性能及び効率が低下する可能性がある。

米国特許第８５４９８６５号明細書

本発明及び特許は、部分的に高温周囲環境で使用することが意図されたガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、複数のロータホイールの近くにホイールスペースを有するタービンと、ホイールスペースに連通して水流を供給するホイールスペース水冷却システムと、を備える。

さらに、本発明及び特許は、必要に応じてタービンホイールスペースを冷却する方法が提供される。本方法は、水吐出ノズルをタービンホイールスペースの周りに提供する段階と、周囲温度を監視する段階と、周囲温度が所定の温度を超えた場合に水吐出ノズルを作動させて、タービンホイールスペースに対して水流を供給する段階と、圧縮機空気流がホイールスペースに到達するのを阻止するために圧縮機吐出ケースを密封状態維持する段階と、を含む。

さらに、本発明及び特許は、部分的に高温周囲環境で使用することが意図されたガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、圧縮機と、圧縮機吐出ケースを含む圧縮機と、複数のロータホイールの近くにホイールスペースを有するタービンと、ホイールスペースに連通して圧縮機吐出ケースを通って水流を供給するホイールスペース水冷却システムと、を備える。水流は液体及び／又は蒸気とすることができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善は、当業者には、幾つかの図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、及びタービンを有するガスタービンエンジンの部分断面図。 本明細書に記載のホイールスペースの水冷却システムを備えたガスタービンエンジンの部分断面図。

次に、幾つかの図全体を通して同様の参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本明細書で用いることができるガスタービンエンジン１０の概略図である。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気流２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮空気流２０を加圧された燃料流３０と混合し、混合気に点火して燃焼ガス流３５を生成する。単一の燃焼器２５だけが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、任意数の燃焼器２５を含むことができる。次に、燃焼ガス流３５は、タービン４０に送給される。燃焼ガス流３５はタービン４０を駆動して機械仕事を発生する。タービン４０で発生した機械仕事は、シャフトを介して圧縮機１５を及び発電機等の外部負荷を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々の合成液体燃料、及び／又は他の種類の燃料及びその混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、米国ニューヨーク州スケネクタディ所在のゼネラル・エレクトリック・カンパニイから提供される、限定されるものではないが、７又は８シリーズ高出力ガスタービンエンジン等を含む、複数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、多くの異なる構成を有すること、及び他のタイプの構成要素を使用することができる。本明細書では、他のタイプのガスタービンエンジンを使用することができる。また、本明細書では、複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器を一緒に使用することができる。

圧縮機１５は、少なくとも部分的に圧縮機吐出ケース５０で規定された圧縮機吐出プレナム４５を含むことができる。圧縮機１５から吐出する圧縮空気流２０は、圧縮機吐出プレナム４５を通って燃焼器２５に送られる、結果として得られた燃焼器２５からの高温燃焼ガス３５は、タービン４０に流入する。タービン４０は、タービンホイールスペース６０の周りに配置された複数のロータホイール５５を含むことができる。ロータホイール５５は、複数の環状アレイでシャフトに取り付けることができる。また、タービン４０は、タービンホイールスペース６０の周りに複数の環状に配置されたステータ構成要素６５を含むことができる。タービンホイールスペース６０は、燃焼器２５及び高温燃焼ガス流３５の近くに位置付けられる。本明細書では他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

複数のボアホール７０は、圧縮機吐出ケース５０を貫通して延びることができる。ボアホール７０は、ボアプラグ等で充填することができる。前述のように、局所的な周囲環境又は他の種類の運転パラメータに応じて、ホイールスペース６０への空気流を増やすために、プラグは、１又は２以上のボアホール７０から取り外すことができ、圧縮機１５からの空気流２０の一部が、ボアホール７０を通ってホイールスペース６０に送給されてここを冷却することができる。空気流２０の一部は冷却を可能にするが、この空気流は有効仕事を生成しない。

図２は、本明細書で記載のガスタービンエンジン１００の一部を示す。ガスタービンエンジン１００は、前記のものと同じとすることができ、圧縮機１５、燃焼器２５、タービン４０、及び他の構成要素を含むことができる。圧縮機１５は、前記と同様の圧縮機吐出プレナム４５及び圧縮機吐出ケース５０を定めることができる。同様に、タービン４０は、ロータホイール５５及びタービンホイールスペース６０を定めることができる。本明細書では、他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

圧縮機吐出ケース５０は、貫通する少なくとも１つのボアホール７０を含むことができる。ここを通して冷却用空気流２０を供給する代わりに、ボアホール７０の少なくとも１つは、ホイールスペース水冷却システム１１０と共に使用することができる。ホイールスペース水冷却システム１１０は、冷却が可能になるように水流１２０をホイールスペース６０の中に送給することができる。水流１２０は、液相状態及び／又は水蒸気としての気相状態で使用することができる。

ホイールスペース水冷却システム１１０は、水供給源１３０を含むことができる。好ましくは、水供給源１３０は、蒸留水などを含むことができる。もしくは、蒸気流は、熱回収蒸気発生器、蒸気タービン、又は他の種類の蒸気供給源から抽出することができる。ホイールスペース水冷却システム１１０は、水供給源１３０及び圧縮機吐出ケース５０を通ってボアホール７０に連通する１又は２以上の送水管を含むことができる。従来型の送水ポンプ１５０は、送水管１４０に設けることができる。本明細書では何らかの適切なサイズ及び／又は容量の任意のタイプのポンプ装置を使用することができる。送水管１４０は、圧縮機吐出ケース５０のボアホール７０を全体的に又は部分的に貫通して延びる。

送水管１４０は、吐出ノズル１６０で終端する。吐出ノズル１６０は、任意のサイズ、形状、又は構成とすることができる。吐出ノズル１６０は、ホイールスペース６０の中に適切な角度で配置することができる。例えば、吐出ノズル１６０は、向流構成、直交流構成、及び／又は適切な角度で配置することができる。吐出ノズル１６０を配置することができる高温環境を仮定すると、吐出ノズル１６０、及び／又は送水管１４０の一部もしくは全ては、その上に熱障壁コーティング及び類似のものを含むことができる。水流１２０が、液相状態及び水蒸気としての気相状態の両方で使用できる場合、送水管１４０は同軸管１７０及び類似のものとすることができる。同軸管１７０は、液体又は蒸気としての水流のための内側管と、停留空気／真空のための外側管とを有することができる。熱障壁コーティング及び／又は同軸管１７０は、圧縮機吐出ケースの空気から、ホイールスペース６０に流入する水流１２０及び周辺領域への熱伝達を制限するのを助ける。特に、水流１２０は、圧縮機吐出ケースの空気によって加熱され、水流が吐出ノズル１６０に到達すると蒸気の形態になることができる。もしくは、水流１２０は、タービン排気ガス、補助ボイラー、又は他のタイプの従来式の加熱源によって加熱されることができる。本明細書では他の構成要素及び他の構成を利用することができる。

使用時、ホイールスペース水冷却システム１１０は、局所的な周囲環境及び／又は他の種類の運転パラメータが追加のホイールスペース冷却を必要とする場合にのみ作動する。特に、ホイールスペース水冷却システム１１０は、周囲温度が所定の温度を超えた場合に作動することができる。従って、ポンプ１５０と通信する又は水流１２０を開始及び終了させるコントローラは、多くのセンサ類を使用する。従って、液相状態又は気相状態の水流１２０は、必要に応じて、送水管１４０を通過して、吐出ノズル１６０からホイールスペース６０に吐出する。同様に、水流は、全体的な温度が低下した場合に終了することができる。

従って、ホイールスペース水冷却システム１１０は、全体的な適切な冷却をもたらすが、燃焼プロセスを迂回して圧縮機吐出空気の一部を送給する従来の冷却システムに見られるような効率及び出力の低下がない。従って、ホイールスペース水冷却システム１１０は、全体的な性能損失を伴うことなく高温での適切なホイールスペース冷却を可能にする。実際には、ホイールスペース水冷却システム１１０を使用すると、公知の方法に比較して全体システム性能が高くなる。

上記のことは、本出願及びその結果として得られる特許の特定の実施形態にのみに関連している点を理解されたい。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な技術的思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
圧縮機と、
複数のロータホイールの近くにホイールスペースを有するタービンと、
上記ホイールスペースに連通して水流を供給するホイールスペース水冷却システムと、
を備えるガスタービンエンジン。
［実施態様２］
上記圧縮機は、圧縮機吐出ケースを備え、１又は２以上のボアホールが上記圧縮機吐出ケースを貫通する、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様３］
上記ホイールスペース水冷却システムは、上記１又は２以上のボアホールの１つを全体的に又は部分的に貫通して延びる送水管を備える、実施態様２に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様４］
上記送水管は、同軸管を備える、実施態様３に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様５］
上記圧縮機吐出ケースの上記１又は２以上のボアホールは、空気流が上記ホイールスペースに流入するのを阻止するために塞がれる、実施態様２に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様６］
上記送水管は、熱障壁コーティングを備える、実施態様３に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様７］
上記ホイールスペース水冷却システムは、水供給源を備える、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様８］
上記ホイールスペース水冷却システムは、ポンプを備える、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様９］
上記ホイールスペース水冷却システムは、吐出ノズルを備える、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１０］
上記吐出ノズルは、向流位置、直交流位置、又は角度付き位置を有する、実施態様９に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１１］
上記水流は、液相状態の水流及び／又は気相状態の水流を含む、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１２］
上記水流は、定常状態のタービン運転時に気相状態である、実施態様１１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１３］
上記タービンは、上記ホイールスペースの周りに位置決めされた複数のステータ構成要素を備える、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１４］
上記ホイールスペース水冷却システムは、所定の周囲温度以上で作動する、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１５］
必要に応じてタービンホイールスペースを冷却する方法であって、
水吐出ノズルを上記タービンホイールスペースの周りに提供する段階と、
周囲温度を監視する段階と、
上記周囲温度が所定の温度を超えた場合に上記水吐出ノズルを作動させて、上記タービンホイールスペースに対して水流を供給する段階と、
圧縮機空気流が上記ホイールスペースに到達するのを阻止するために、圧縮機吐出ケースを密封状態維持する段階と、
を含む方法。
［実施態様１６］
部分的に高温周囲環境で使用することが意図されたガスタービンエンジンであって、
圧縮機と、
圧縮機吐出ケースを含む圧縮機と、
複数のロータホイールの近くにホイールスペースを有するタービンと、
上記ホイールスペースに連通して上記圧縮機吐出ケースを通って水流を供給するホイールスペース水冷却システムと、
を備えるガスタービンエンジン。
［実施態様１７］
上記ホイールスペース水冷却システムは、上記圧縮機吐出ケースを全体的に又は部分的に貫通して延びる送水管を備える、実施態様１６に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１８］
上記圧縮機吐出ケースは、空気流が上記ホイールスペースに流入するのを阻止するために塞がれる、実施態様１６に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１９］
上記ホイールスペース水冷却システムは、水供給源及びポンプを備える、実施態様１６に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様２０］
上記ホイールスペース水冷却システムは、向流位置、直交流位置、又は角度付き位置に配置された吐出ノズルを備える、実施態様１６に記載のガスタービンエンジン。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気
２５ 燃焼器
３０ 燃料
３５ 燃焼ガス
４０ タービン
４５ 圧縮機吐出プレナム
５０ 圧縮機吐出ケース
５５ ロータホイール
６０ ホイールスペース
６５ ステータ
７０ ボアホール
１００ ガスタービンエンジン
１１０ ホイールスペース水冷却システム
１２０ 水流
１３０ 水供給源
１４０ 送水管
１５０ ポンプ
１６０ 吐出ノズル
１７０ 同軸管

Claims (6)

1. 圧縮機吐出ケース（５０）を備える圧縮機（１５）と、
   ロータホイール（５５）の近くにホイールスペース（６０）を有するタービン（４０）
   と、
   前記ホイールスペース（６０）に連通して水流（１２０）を供給するホイールスペース
   水冷却システム（１１０）と、
   を備え、
   前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）は、前記圧縮機吐出ケース（５０）の１又は２以上のボアホール（７０）を貫通して延びる送水管（１４０）を備え、
   前記送水管（１４０）は、水流のための内側管と、停留空気または真空のための外側管とを有する同軸管（１７０）を備え、
   前記１又は２以上のボアホール（７０）は、前記圧縮機吐出ケース（５０）からボアプラグが取り外されることにより形成され得る、ガスタービンエンジン（１００）。
2. 前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）は、水供給源（１３０）、ポンプ（１５０）及び、吐出ノズル（１６０）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１００）。
3. 前記吐出ノズル（１６０）は、熱障壁コーティングを備える、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１００）。
4. 前記タービン（４０）は、前記ホイールスペース（６０）の周りに位置決めされた複数のステータ構成要素（６５）を備える、請求項１乃至３のいずれかに記載のガスタービンエンジン（１００）。
5. センサ及び、前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）と通信するコントローラを備え、
   前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）は、前記コントローラの制御により、所定の周囲温度以上で作動する、請求項１乃至４のいずれかに記載のガスタービンエンジン（１００）。
6. 必要に応じてガスタービンエンジン（１００）のタービンホイールスペース（６０）を冷却する方法であって、
   ホイールスペース水冷却システム（１１０）を提供する段階と、
   前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）を動作させる段階と
   を含み、
   前記ガスタービンエンジン（１００）が、
   複数のボアプラグが取り外し可能に配置された圧縮機吐出ケース（５０）を備える圧縮機（１５）と、
   前記タービンホイールスペース（６０）の近くにロータホイール（５５）を有するタービン（４０）と、
   を備え、
   前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）を提供する前記段階が、
   前記圧縮機吐出ケース（５０）からボアプラグを取り外すことにより前記圧縮機吐出ケース（５０）に１又は２以上のボアホール（７０）を形成する段階と、
   前記タービンホイールスペース（６０）の周りに配置された水吐出ノズル（１６０）と、前記１又は２以上のボアホール（７０）を貫通して延びる送水管（１４０）とを提供する段階と、
   を含み、
   前記ホイールスペース水冷却システム（１１０）を動作させる前記段階が、
   周囲温度を監視する段階と、
   前記周囲温度が所定の温度を超えた場合に前記水吐出ノズル（１６０）を作動させて、前記タービンホイールスペース（６０）に対して水流（１２０）を供給する段階と、
   を含む方法。

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