JP7249096B2 - turbo cooling vane of gas turbine engine - Google Patents

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    • Y02E20/16Combined cycle power plant [CCPP], or combined cycle gas turbine [CCGT]

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Description

[0001]
関連出願の相互参照
本出願は、2015年2月5日出願の米国特許仮出願第62/112,263号の優先権を主張する、2015年12月17日出願の米国特許出願第14/972,403号の一部継続出願である。本出願はまた、2015年8月4日提出の米国特許仮出願第62/201,031号の優先権を主張する。これらの出願はそれぞれ、その全体を参照により本明細書に援用する。
[0001]
CROSS-REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS This application claims priority from U.S. Provisional Application No. 62/112,263, filed February 5, 2015. , 403. This application also claims priority to US Provisional Patent Application No. 62/201,031, filed Aug. 4, 2015. Each of these applications is incorporated herein by reference in its entirety.

[0002]
本発明は一般に、ガスタービンエンジンの発電能力を含む電力システムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンの構成要素のための冷却空気の代替供給源の供給に関する。
[0002]
This invention relates generally to power systems including the power generation capabilities of gas turbine engines, and more particularly to providing an alternative source of cooling air for components of gas turbine engines.

[0003]
ガスタービンエンジンは、機械軸動力を電力に変換する発電機に関連して利用されることが広く理解されている。最初に図1Aを参照すると、電力発生発電プラントにおいて一般的に利用されるシンプルサイクルガスタービンエンジン100の概略図が示される。ガスタービンエンジン100は、軸106によってタービン104に接続されたコンプレッサ102を備える。コンプレッサ102からの空気は、燃料110が空気に添加される1つまたは複数の燃焼器108に向かう。燃料と空気の混合物は点火されて、タービン104を駆動し、次にコンプレッサ102を駆動する高温燃焼ガスを形成する。軸106はまた、電力114を発生させる発電機112に接続される。図1Bは、様々なガスタービン圧力比及び燃焼温度のシンプルサイクル効率及び電力出力の両方に関する熱効率に対応するガスタービン性能を特定の出力の関数として示す。当業者には理解されるように、ガスタービンエンジンの燃焼温度は、エンジン全体の動作を調整し、かつ制限し、圧力比はガスタービンの効率に正比例する。コンバインドサイクルガスタービンについて、図2Bに示すように、プラントの効率は燃焼温度に正比例する。すなわち、複合サイクルにおける動作時に質量流量が一定に保たれ、同じガスタービンの効率を向上させることを前提とすると、燃焼温度が上昇するにつれて、シンプルサイクルガスタービンの出力が増大する。
[0003]
Gas turbine engines are widely understood to be utilized in conjunction with electrical generators that convert mechanical shaft power into electrical power. Referring initially to FIG. 1A, a schematic diagram of a simple cycle gas turbine engine 100 commonly utilized in power generation power plants is shown. Gas turbine engine 100 includes a compressor 102 connected to turbine 104 by shaft 106 . Air from compressor 102 is directed to one or more combustors 108 where fuel 110 is added to the air. The fuel and air mixture is ignited to form hot combustion gases that drive the turbine 104 which in turn drives the compressor 102 . Shaft 106 is also connected to a generator 112 that produces electrical power 114 . FIG. 1B shows gas turbine performance as a function of specific power output, corresponding to thermal efficiency for both simple cycle efficiency and power output for various gas turbine pressure ratios and firing temperatures. As will be appreciated by those skilled in the art, the combustion temperature of a gas turbine engine regulates and limits the operation of the overall engine, and the pressure ratio is directly proportional to the efficiency of the gas turbine. For a combined cycle gas turbine, plant efficiency is directly proportional to combustion temperature, as shown in FIG. 2B. That is, as the combustion temperature increases, the power output of the simple cycle gas turbine increases, assuming that the mass flow rate remains constant while operating in the combined cycle, increasing the efficiency of the same gas turbine.

[0004]
一般的にガスタービンの相手方ブランド製造業者は、タービン部品の能力を維持しながらより高温のガスがタービンを通過することができるように、タービンセクションの材料及びコーティングの技術を向上させることによって、燃焼温度を上昇させている。
[0004]
Gas turbine counterparty brand manufacturers generally improve combustion by improving materials and coating techniques in the turbine section to allow higher temperature gases to pass through the turbine while maintaining the capabilities of the turbine components. raising the temperature.

[0005]
次に図2Aを参照すると、コンバインドサイクル発電プラント200の概略図が示され、軸206によってタービン204に接続されたコンプレッサ202を備える。コンプレッサ202からの空気は、1つまたは複数の燃焼器208に向かい、そこで燃料210がコンプレッサ202からの空気に添加される。燃料と空気の混合物は点火され、タービン204に電力を供給し、コンプレッサ202を駆動する高温燃焼ガスを形成する。軸206はまた、電力214を発生させる発電機212に接続される。コンバインドサイクル発電プラント200はまた、タービン204からの高温排気を受け、水源を加熱して蒸気218を発生させる、熱回収蒸気発電機、すなわちHRSG、216を含む。蒸気タービン220はHRSG216からの蒸気によって電力供給され、蒸気タービン220が第2の発電機222を駆動して追加電力224を発生させる。図2Bは、コンバインドサイクル効率及び電力出力の両方に関する効率に対応するガスタービン性能を燃焼温度の関数として示す。図1B及び2Bは、GEガスタービン性能特性(GER3567)において開示され、本明細書に参照の目的で含まれるものに類似する。
[0005]
Referring now to FIG. 2A, a schematic diagram of a combined cycle power plant 200 is shown comprising a compressor 202 connected by a shaft 206 to a turbine 204 . Air from compressor 202 is directed to one or more combustors 208 where fuel 210 is added to the air from compressor 202 . The fuel and air mixture is ignited to form hot combustion gases that power turbine 204 and drive compressor 202 . Shaft 206 is also connected to a generator 212 that produces electrical power 214 . Combined cycle power plant 200 also includes a heat recovery steam generator or HRSG, 216 , which receives hot exhaust from turbine 204 and heats a water source to generate steam 218 . Steam turbine 220 is powered by steam from HRSG 216 and steam turbine 220 drives a second generator 222 to generate additional electrical power 224 . FIG. 2B shows gas turbine performance as a function of combustion temperature, corresponding to efficiency in terms of both combined cycle efficiency and power output. Figures 1B and 2B are similar to those disclosed in GE Gas Turbine Performance Characteristics (GER3567) and are included herein for reference purposes.

[0006]
当業者には理解されるように、燃焼温度は、第1段タービンノズルの直下流の燃焼ガスの温度として定義される。ガスタービンエンジンの分野で使用される用語が異なるため、第1段タービンノズルはまた、第1段タービンベーンと称されてもよい。図3を参照すると、ガスタービンエンジンの一部の断面が示され、ガスタービン業界において利用される標準温度パラメータを示す。図3はまた、上記で参照したGEガスタービン性能特性(GER3567)に開示される図と類似している。図3に示すように、タービン入口温度(T)は、平面A-Aによって示される、第1段タービンノズル300の上流で測定される。エンジン(T)の燃焼温度は、平面B-Bによって示される、第1段タービンノズルの直後で測定される。
[0006]
As will be appreciated by those skilled in the art, combustion temperature is defined as the temperature of the combustion gases immediately downstream of the first stage turbine nozzle. Due to the different terminology used in the field of gas turbine engines, the first stage turbine nozzle may also be referred to as the first stage turbine vane. Referring to FIG. 3, a cross-section of a portion of a gas turbine engine is shown showing standard temperature parameters utilized in the gas turbine industry. FIG. 3 is also similar to the diagram disclosed in the GE Gas Turbine Performance Characteristics (GER3567) referenced above. As shown in FIG. 3, turbine inlet temperature (T A ) is measured upstream of first stage turbine nozzle 300, indicated by plane AA. The combustion temperature of the engine (T B ) is measured just after the first stage turbine nozzle, indicated by plane BB.

[0007]
上述のように、タービン入口温度及びタービン燃焼温度は、ガスタービンエンジンの動作による重要な対策である。これらの温度の読み取り値は、第1段タービンノズルの上流及び下流のそれぞれで得られる。このように、ガスタービンエンジンの制御はこれらの温度に基づいているため、受容可能な材料動作限界内でタービンノズル金属温度を維持することが重要である。
[0007]
As noted above, turbine inlet temperature and turbine firing temperature are important considerations due to the operation of gas turbine engines. These temperature readings are obtained upstream and downstream of the first stage turbine nozzle, respectively. As such, because gas turbine engine control is based on these temperatures, it is important to maintain turbine nozzle metal temperatures within acceptable material operating limits.

[0008]
タービンノズルの高い動作温度により、金属温度を受容可能なレベルで維持するために、タービンノズルを積極的に冷却する必要がある。圧縮空気等の冷却流体が、タービン冷却・漏洩空気(TCLA)、または燃焼プロセスをバイパスし、冷却のために利用される圧縮空気全体の一環としてタービンノズルに提供される。TCLAは通常、構成要素によって、またエンジンの種類によって異なるタービン構成要素を冷却するために必要な量で、ガスタービンエンジンの吐出プレナムを含む、コンプレッサ内の複数の位置から得られる。しかし、General Electricフレーム7FAエンジンについて、エンジンコンプレッサによって発生する圧縮空気の約20%は、TCLAとして利用される。すなわち、冷却のために圧縮空気の20%を利用することは、この空気が燃焼システムを通過できないか、またはタービンを通って焼成されず、それによってエンジンの損失エネルギーに変換されて、ガスタービンエンジンの熱効率の悪さの一因となることを意味する。例えば上述のガスタービンエンジンは、約37パーセントの熱効率を有する。
[0008]
The high operating temperatures of turbine nozzles require active cooling of the turbine nozzles to maintain metal temperatures at acceptable levels. A cooling fluid, such as compressed air, bypasses the turbine cooling and leakage air (TCLA), or combustion process, and is provided to the turbine nozzle as part of the overall compressed air utilized for cooling. TCLA is typically obtained from multiple locations within the compressor, including the discharge plenum of the gas turbine engine, in amounts required to cool the turbine components which vary by component and engine type. However, for the General Electric Frame 7FA engine, approximately 20% of the compressed air produced by the engine compressor is utilized as TCLA. That is, utilizing 20% of the compressed air for cooling means that this air cannot pass through the combustion system or be fired through the turbine, thereby being converted into engine lost energy and means that it contributes to the poor thermal efficiency of For example, the gas turbine engine mentioned above has a thermal efficiency of approximately 37 percent.

[0009]
GEガスタービン性能特性(GER3567)において開示されるものと類似する図4は、第1段タービンノズル400の典型的な冷却方式を示す。このような冷却機構において、圧縮空気はタービンベーンの内部通路に供給され、しばしば、一部が蛇行形状であり得るノズル内の複数の通路に向かう。第1段タービンノズルを冷却するための空気は通常、コンプレッサによって発生し、コンプレッサ吐出プレナムから得られ、そのために、エンジンコンプレッサの出口圧力及び温度である。燃焼器からの最高温度のガスが見られる、この第1段ノズルはまた、コンプレッサ吐出プレナム(CDP)からの最大圧力の冷却空気の供給源によって供給される。すなわち、ガス流路の圧力は、燃焼器のそれより小さい、平方インチ当たり数ポンド(psi)のみである。したがって、当業者には理解できるように、第1段ノズル400の前縁402に供給される冷却空気の圧力は、エアフォイル内の一連の孔から空気を流出させるためにちょうど十分な高さである。冷却孔の間隔及び配向は変化し得るが、このような共通する形式の1つには、ノズル400の前縁402に、シャワーヘッドパターンとも称される孔がある。さらに、エンジンコンプレッサから空気を得てタービン構成要素を冷却することで、エンジンからの電力出力を低減し、これによってタービンが発生させることができる機械作業の量が低減する。
[0009]
FIG. 4, which is similar to that disclosed in GE Gas Turbine Performance Characteristics (GER3567), shows a typical cooling scheme for a first stage turbine nozzle 400. As shown in FIG. In such cooling schemes, compressed air is supplied to the internal passages of the turbine vanes and is often directed to multiple passages within the nozzle, some of which may be serpentine. Air for cooling the first stage turbine nozzle is typically generated by the compressor and is obtained from the compressor discharge plenum and is therefore at the outlet pressure and temperature of the engine compressor. This first stage nozzle, where the hottest gases from the combustor are seen, is also fed by a source of maximum pressure cooling air from the compressor discharge plenum (CDP). That is, the gas path pressure is only a few pounds per square inch (psi) less than that of the combustor. Therefore, as will be appreciated by those skilled in the art, the pressure of the cooling air supplied to the leading edge 402 of the first stage nozzle 400 is just high enough to force the air out of the series of holes in the airfoil. be. Although the spacing and orientation of the cooling holes can vary, one such common type has holes in the leading edge 402 of the nozzle 400, also referred to as a showerhead pattern. Additionally, obtaining air from the engine compressor to cool the turbine components reduces power output from the engine, thereby reducing the amount of machine work that the turbine can produce.

[0010]
次に図5を参照すると、従来技術の冷却方式によるガスタービンエンジンの一部の断面図が示される。ガスタービンエンジン500は、吐出プレナム504へと圧縮空気を流れさせるコンプレッサ502を備える。コンプレッサ502からの空気のほとんどは、燃焼器ケース508、エンドキャップ510、燃焼ライナ512、スワラアセンブリ514、トランジションピース516、及び、トランジションピース516をタービンフレームの一部、ここでは第1段ベーン外輪520に保持するブラケット518を有する1つまたは複数の燃焼器506を通過する。空気は燃焼器506内で受容され、1つまたは複数の燃料ノズル522からの燃料と混合されて、トランジションピース516を通過してタービンに至る高温燃焼ガスを発生させる。本実施形態において、第1段ベーン外輪520はコンプレッサ吐出プレナム(CDP)ケース524に固定される。
[0010]
Referring now to FIG. 5, a cross-sectional view of a portion of a gas turbine engine with a prior art cooling scheme is shown. Gas turbine engine 500 includes a compressor 502 that channels compressed air to a discharge plenum 504 . Most of the air from compressor 502 passes through combustor case 508, end cap 510, combustion liner 512, swirler assembly 514, transition piece 516, and transition piece 516 to a portion of the turbine frame, here first stage vane outer ring 520. It passes through one or more combustors 506 that have brackets 518 that hold them in place. Air is received within combustor 506 and mixed with fuel from one or more fuel nozzles 522 to generate hot combustion gases that pass through transition piece 516 to the turbine. In this embodiment, the first stage vane outer ring 520 is secured to a compressor discharge plenum (CDP) case 524 .

[0011]
空気のほとんどが燃焼器506に至るか、またはTCLAに向かうように、空気はロータ528と内部ケーシング530との間のシール526によってコンプレッサ吐出プレナム内に維持される。内部ケーシング530は、必要な構造的軸及びねじり支持をもたらす第1段タービンノズル531を有する機械的インターフェース532を有する。内部ケーシング530は、隣接する燃焼器506間に位置するID支柱534によってコンプレッサ吐出プレナムケース524内に概ね支持されている。ロータ528は、支柱534を通じてロータ528をケーシングにつなぐベアリング536を有する。
[0011]
Air is maintained in the compressor discharge plenum by a seal 526 between the rotor 528 and the inner casing 530 so that most of the air is directed to the combustor 506 or TCLA. The inner casing 530 has a mechanical interface 532 with a first stage turbine nozzle 531 that provides the necessary structural axial and torsional support. Inner casing 530 is generally supported within compressor discharge plenum case 524 by ID struts 534 located between adjacent combustors 506 . Rotor 528 has bearings 536 that connect rotor 528 to the casing through struts 534 .

[0012]
第1のベーン外輪がベーン531にコンプレッサ吐出プレナム504からの圧縮空気を供給する際に、冷却空気541は第1のタービンノズル531の外径に供給され、第1の外側ベーンリング520とコンプレッサ吐出プレナムケース524との間を通過し、第1のベーン外輪543上の孔に流入する。本発明の本実施形態において、コンプレッサ吐出プレナム504からの圧縮空気は、ISO条件及びベース負荷において約750°F(約399°C)である。同様に、第1段ノズル542の内径には、コンプレッサ吐出プレナム504からのタービン冷却・漏洩空気(TCLA)552が供給される。第1段ノズルの冷却空気541及び552の両方が、図4に開示されるように、ベーンの内部通路531を流れ、第1段ノズル542に必要な冷却をもたらす。このTCLAは最終的に、第1段ノズル542間を通過している高温燃焼ガスと合流し、第1段ブレード511が露出するまで高温ガスの温度を低減するための冷媒として作用する。後続のノズル及びロータ段において、第2段ノズルは第2段内部支持リング554によって、同様に第3段では第3段内部支持リング553によって、ロータに封止される。
[0012]
Cooling air 541 is supplied to the outer diameter of the first turbine nozzle 531 as the first vane outer ring feeds the vanes 531 with compressed air from the compressor discharge plenum 504 , the first outer vane ring 520 and the compressor discharge. It passes between the plenum case 524 and flows into the holes on the first vane outer ring 543 . In this embodiment of the invention, the compressed air from compressor discharge plenum 504 is approximately 750°F (approximately 399°C) at ISO conditions and base load. Similarly, the inner diameter of the first stage nozzle 542 is fed with turbine cooling and leakage air (TCLA) 552 from the compressor discharge plenum 504 . Both first stage nozzle cooling air 541 and 552 flow through the internal passages 531 of the vanes to provide the necessary cooling to the first stage nozzle 542 as disclosed in FIG. This TCLA eventually joins the hot combustion gases passing between the first stage nozzles 542 and acts as a coolant to reduce the temperature of the hot gases until the first stage blades 511 are exposed. In subsequent nozzle and rotor stages, the second stage nozzles are sealed to the rotor by a second stage inner support ring 554 and similarly in the third stage by a third stage inner support ring 553 .

[0013]
以下の説明は、ISO条件及びベース負荷におけるGeneral Electricフレーム7FAガスタービンエンジンに関し、本発明を利用することができる許容可能なエンジンとして単に説明の目的のために提示され、以下に記す本発明の範囲を制限することを意図しない。コンプレッサからの圧縮空気の大部分(約80%)が燃焼システムを通過し、そこで燃料が添加されて混合物が点火され、高温燃焼ガスの温度が約2700°F(約1482°C)に上昇する。圧縮空気が燃焼器を通過する際に、通常は平方インチ当たり2から3ポンド(907gから1361g)(psi)の圧力下降が発生する。したがって、この機構のために、ノズル、特にその前縁を冷却するための圧力限界がごくわずかしか存在しない。F級ガスタービンエンジンに関しては通常、冷却空気の約10%が燃焼プロセスから分岐し、ベーンを冷却するために利用される。例えば7FAエンジンについては、約750°F(約399°C)及び220psiのコンプレッサ吐出空気が、第1段ノズルを冷却するために利用される。冷却プロセスの間、この空気は約250°F(約121°C)まで温度を上昇させ、その後、ガス流路に排出されて、それによって燃焼プロセスから来るより高温(~2700°F(1482°C))のガスを希釈して、燃焼温度を発生させる。7FAエンジンのための典型的な燃焼温度は(図3の平面B-Bで得られるように)約2450°F(約1343°C)であり、燃焼プロセスからの約2700°F(約1482°C)の温度で900lb/secの高温燃焼ガス、及び、ノズルのための冷却空気からの約1000°F(約538°C)で100lb/secの空気を含む。したがって、これにより、平面B-Bにおいて2540°F(1393°C)の燃焼温度が発生する[(2700*900+100*1000)/1000=2540°F(1393°C)]。計算(2540°F(1393°C)>2450°F(1343°C))におけるより高い温度の根拠は、同様に、燃焼希釈物及び、燃焼器から流入する実際の温度を混合して低減させ、それによって温度を低減する平面B-Bの冷却空気が存在することである。コンプレッサ出口温度(約750°F(約399°C))である有効な燃焼希釈物及び漏洩空気を推定するには、(2700*900+100*1000+Flow*750)/(1000+Flow)=2450となり、流量に関して解くと、Flow=5となる。したがって、コンプレッサ入口流量が約1005lb/secである場合、900lb/secが燃焼プロセスに至り、約5lb/secが漏洩して燃焼プロセスを希釈し、100lb/secが第1段ノズルに至って冷却する。これらの数字は、ガスタービンのコンプレッサにおいて、タービン入口に向かっている1005lb/secの約10%が、タービンの回転部を、またその後静止部を冷却するために燃焼器から流出する前に除去されるという事実を反映しない。したがって、上述の実施例に関しては、流量の数字がすべて、10%低減されるか、または燃焼器の流量は約810lb/sec、第1段ノズルの流量は約90lb/secであり、燃焼器の希釈及び漏洩量は4.3lb/secである。当業者には理解できるように、これらの数字は概算であるが、平面B-Bにおいて漏洩及び冷却空気が混合される場合、2450°F(1343°C)の混合温度(焼成温度)になる。
[0013]
The following description relates to a General Electric Frame 7FA gas turbine engine at ISO conditions and base load and is presented for illustrative purposes only as an acceptable engine in which the present invention may be utilized and the scope of the invention as set forth below. is not intended to limit Most of the compressed air (approximately 80%) from the compressor passes through the combustion system where fuel is added and the mixture is ignited, raising the temperature of the hot combustion gases to approximately 2700°F (approximately 1482°C). . A pressure drop of typically 2 to 3 pounds per square inch (907 to 1361 g) (psi) occurs as the compressed air passes through the combustor. Therefore, due to this mechanism, there is very little pressure limit for cooling the nozzle, especially its leading edge. For Class F gas turbine engines, typically about 10% of the cooling air is diverted from the combustion process and utilized to cool the vanes. For example, for a 7FA engine, compressor discharge air at about 750°F (about 399°C) and 220 psi is utilized to cool the first stage nozzle. During the cooling process, this air increases in temperature to about 250°F (about 121°C) and is then discharged into the gas flow path thereby increasing the temperature coming from the combustion process (~2700°F (1482°C)). Dilute the gas in C)) to generate combustion temperatures. A typical combustion temperature for a 7FA engine is approximately 2450°F (approximately 1343°C) (as obtained at plane BB in FIG. 3) and approximately 2700°F (approximately 1482°C) from the combustion process. C) 900 lb/sec of hot combustion gases at temperature and 100 lb/sec of air at about 1000°F (about 538°C) from the cooling air for the nozzle. This therefore produces a combustion temperature of 2540°F (1393°C) at plane BB [(2700*900+100*1000)/1000 = 2540°F (1393°C)]. The basis for the higher temperature in the calculation (2540°F (1393°C) > 2450°F (1343°C)) is also to mix and reduce the combustion dilution and the actual temperature entering from the combustor. , the presence of cooling air in the plane BB thereby reducing the temperature. To estimate the effective combustion diluent and leakage air at compressor exit temperature (approximately 750°F (approximately 399°C)), (2700*900+100*1000+Flow*750)/(1000+Flow) = 2450, which gives Solving gives Flow=5. Thus, if the compressor inlet flow rate is about 1005 lb/sec, 900 lb/sec goes to the combustion process, about 5 lb/sec leaks to dilute the combustion process, and 100 lb/sec goes to the first stage nozzle to cool. These figures show that in a gas turbine compressor about 10% of the 1005 lb/sec going to the turbine inlet is removed before it exits the combustor to cool the rotating and then stationary parts of the turbine. does not reflect the fact that Therefore, for the example above, all of the flow figures are reduced by 10% or the combustor flow is about 810 lb/sec, the first stage nozzle flow is about 90 lb/sec, and the combustor flow is about 90 lb/sec. The dilution and leak rate is 4.3 lb/sec. As those skilled in the art will appreciate, these numbers are approximations, but if leak and cooling air are mixed at plane BB, it will result in a mixing temperature (firing temperature) of 2450°F (1343°C). .

[0014]
冷却空気を通じて達成される冷却利点を判定するための業界基準は、その冷却効果である。冷却効果は、タービンノズルの高温燃焼ガス温度と平均金属温度との間の差異を、高温燃焼ガスと冷却空気の温度との間の差異で割った比であると理解される。例として、上述の7FAエンジンの第1段タービンベーンの冷却効果は、約0.59(高温燃焼ガス(~2700(1482°C))と平均金属温度(~1550(843°C))との間の温度差を高温燃焼ガスと冷却空気温度(~750°F(399°C))との間の差異で割った比)である。
[0014]
The industry standard for judging the cooling benefits achieved through cooling air is its cooling effectiveness. Cooling effectiveness is understood to be the ratio of the difference between the hot combustion gas temperature of the turbine nozzle and the mean metal temperature divided by the difference between the hot combustion gas and cooling air temperature. As an example, the cooling effect of the first stage turbine vanes of the 7FA engine described above is about 0.59 (hot combustion gases (~2700 (1482°C)) and average metal temperature (~1550 (843°C)) is the ratio of the temperature difference between the hot combustion gases divided by the difference between the hot combustion gas and cooling air temperatures (~750°F (399°C)).

[0015]
最高温度の構成要素、通常は第1段ノズル及び第1段ブレードの冷却は、ガスタービンエンジンのすべての相手方ブランド製造業者(OEM)が多くの費用を費やす技術である。例えば、過去2年間で、ラージフレームのガスタービンエンジンが改良されているが、熱効率の改善は、約33%から37%までしか上昇していない。
[0015]
Cooling the hottest components, typically the first stage nozzle and first stage blades, is a costly technology for all original equipment manufacturers (OEMs) of gas turbine engines. For example, over the past two years, large frame gas turbine engines have been improved, but thermal efficiency improvements have only increased from about 33% to 37%.

[0016]
発明の概要
本発明は、第1段タービンノズルを含むガスタービン構成要素の冷却効率を向上させるためのいくつかの実施形態を提示する。
[0016]
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention presents several embodiments for improving the cooling efficiency of gas turbine components, including first stage turbine nozzles.

[0017]
本発明の実施形態において、加熱されたエンジンを有する圧縮空気の補助供給源、補助コンプレッサ、及び、加熱された補助圧縮空気を供給するためのレキュペレータを備える、タービンベーンに冷却空気を導くためのシステム及び方法が提示される。圧縮空気の補助供給源がタービンベーンの冷却のために冷却空気の専用供給源を提供するように、加熱された補助圧縮空気が導管を通じて複数のタービンベーンに供給される。
[0017]
In an embodiment of the invention, a system for directing cooling air to turbine vanes comprising an auxiliary source of compressed air having a heated engine, an auxiliary compressor, and a recuperator for supplying the heated auxiliary compressed air. and methods are presented. Heated auxiliary compressed air is supplied to the plurality of turbine vanes through conduits such that the auxiliary supply of compressed air provides a dedicated supply of cooling air for cooling the turbine vanes.

[0018]
本発明の代替的な実施形態において、冷却空気をタービンベーンに選択的に供給するためのシステム及び方法が提示される。複数の空冷タービンベーン、加熱されたエンジンを有する圧縮空気の補助供給源、補助コンプレッサ、及びレキュペレータが設けられる。補助圧縮空気は、タービンベーンを冷却するために空気が選択的に導かれる導管を通じて、複数のタービンベーンに供給される。圧縮空気の補助供給源が利用されない場合、タービンベーンのための冷却空気がガスタービンエンジンコンプレッサから供給される。
[0018]
In an alternative embodiment of the invention, a system and method are presented for selectively supplying cooling air to turbine vanes. A plurality of air-cooled turbine vanes, an auxiliary source of compressed air with a heated engine, an auxiliary compressor, and a recuperator are provided. Auxiliary compressed air is supplied to the plurality of turbine vanes through conduits through which the air is selectively directed to cool the turbine vanes. If a supplemental source of compressed air is not utilized, cooling air for the turbine vanes is supplied from the gas turbine engine compressor.

[0019]
本発明の一実施形態において、必要なタービン冷却・漏洩空気(TCLA)の少なくとも一部が従来技術の冷却設計よりも低い温度を有する圧縮空気の補助供給源によって供給され、それによって必要なTCLAの量を低減させ、全体の効率を向上させる。
[0019]
In one embodiment of the present invention, at least a portion of the required turbine cooling and leakage air (TCLA) is supplied by an auxiliary source of compressed air having a lower temperature than prior art cooling designs, thereby reducing the required TCLA. Reduce volume and improve overall efficiency.

[0020]
本発明のさらに別の実施形態において、冷却空気を供給して、タービンベーンの通路を選択するためのシステム及び方法が開示される。補助コンプレッサによって冷却空気が発生し、タービンベーンの前縁領域を通過して、空気の一部が前縁に供給され、その後、タービンノズルの別の部分を冷却するために導かれる。
[0020]
In yet another embodiment of the present invention, a system and method for supplying cooling air and selecting paths for turbine vanes is disclosed. Cooling air is generated by an auxiliary compressor and passed through the leading edge region of the turbine vanes, with a portion of the air being supplied to the leading edge and then directed to cool another portion of the turbine nozzle.

[0021]
本発明の別の実施形態において、冷却空気を供給して、タービンベーンの通路を選択するためのシステム及び方法が開示される。補助コンプレッサによって冷却空気が発生し、冷却空気の分配は、所定の制御パラメータにより、タービンノズルに変化する。
[0021]
In another embodiment of the present invention, a system and method for supplying cooling air and selecting paths for turbine vanes is disclosed. Cooling air is generated by an auxiliary compressor and the distribution of the cooling air is varied to the turbine nozzles according to predetermined control parameters.

[0022]
本発明のさらなる利点及び特徴について、以下の説明において部分的に記載し、以下を考察することによって当業者には部分的に明らかになるか、または、本発明の実施から学習することができる。本発明について次に、特に添付の図面を参照しながら説明する。本実施形態の例として第1段ノズルが利用されるが、本発明に概要を記した本手法をタービンセクション内の他の構成要素に応用できることが意図される。
[0022]
Additional advantages and features of the invention will be set forth in part in the description that follows, and in part will be apparent to those skilled in the art from consideration of the following, or may be learned from practice of the invention. The invention will now be described with particular reference to the accompanying drawings. Although a first stage nozzle is utilized as an example of this embodiment, it is contemplated that the techniques outlined in this invention can be applied to other components within the turbine section.

[0023]
本発明について、添付の図面を参照して、以下に詳細に説明する。
[0023]
The present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.

[0024]
シンプルサイクルガスタービンエンジンの概略図を示す。 図1Aのエンジンの燃焼温度の熱効率及び出力との関係を示す。 コンバインドサイクルガスタービンエンジンの概略図を示す。 図2Aのエンジンの燃焼温度の熱効率及び出力との関係を示す。 標準温度が測定される軸方向位置を示すガスタービンエンジンの部分断面図を示す。 その冷却パターンを示す典型的なガスタービンノズルの斜視図である。 従来技術による、冷却空気を第1段タービンベーンに導く方法を提供するガスタービンエンジンの部分断面図である。 本発明の一実施形態による、冷却空気を第1段タービンベーンに導く方法を提供するガスタービンエンジンの部分断面図である。 本発明の一実施形態による、圧縮空気補助供給源の概略図である。 本発明の代替的な実施形態による、冷却空気を第1段タービンベーンに選択的に導く方法を提供するガスタービンエンジンの部分断面図である。 本発明の代替的な実施形態による、第1段タービンベーンを冷却するための専用の冷却空気を導く代替的な方法を提供するガスタービンエンジンの部分断面図である。
[0024]
1 shows a schematic diagram of a simple cycle gas turbine engine; FIG. 1B shows the relationship between combustion temperature and thermal efficiency and power output for the engine of FIG. 1A; 1 shows a schematic diagram of a combined cycle gas turbine engine; FIG. 2B shows the relationship between combustion temperature and thermal efficiency and power output for the engine of FIG. 2A; 1 illustrates a partial cross-sectional view of a gas turbine engine showing axial locations at which standard temperatures are measured; FIG. 1 is a perspective view of a typical gas turbine nozzle showing its cooling pattern; FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a gas turbine engine providing a method of directing cooling air to first stage turbine vanes according to the prior art; FIG. 1 is a partial cross-sectional view of a gas turbine engine providing a method of directing cooling air to first stage turbine vanes in accordance with one embodiment of the present invention; FIG. 1 is a schematic diagram of an auxiliary compressed air source, according to one embodiment of the present invention; FIG. 4 is a partial cross-sectional view of a gas turbine engine providing a method of selectively directing cooling air to first stage turbine vanes in accordance with an alternative embodiment of the present invention; FIG. 4 is a partial cross-sectional view of a gas turbine engine providing an alternative method of directing dedicated cooling air for cooling first stage turbine vanes, in accordance with an alternative embodiment of the present invention; FIG.

[0025]
本発明はタービンベーン等の複数のガスタービンエンジン構成要素に冷却空気を供給するための方法及びシステムに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン全体の効率を向上させるための第1段タービンベーンに関する。本発明の出願人であるPowerPHASE,LLCは、Turbophase(登録商標)として知られる、ガスタービンエンジンへの注入に先立って圧縮された空気を加熱するためにエンジンからの廃熱が利用される、別途燃料供給されるエンジンによって駆動される圧縮及び加熱プロセスを通じてコンプレッサ吐出領域へと空気を送出する特許出願中の補足圧縮システムを有する。従来技術の空気圧縮及び供給装置は、十分な冷却を行い、ガスタービンエンジンの熱効率を向上させるために必要な温度及び圧力で圧縮空気を供給することができない。
[0025]
The present invention relates to methods and systems for supplying cooling air to multiple gas turbine engine components such as turbine vanes and, more particularly, to first stage turbine vanes for improving overall gas turbine engine efficiency. PowerPHASE, LLC, the assignee of the present invention, has developed a separate technology, known as Turbophase®, in which waste heat from the engine is utilized to heat the compressed air prior to injection into the gas turbine engine. It has a patent pending supplemental compression system that delivers air to the compressor discharge area through a compression and heating process driven by the fueled engine. Prior art air compression and delivery systems are unable to provide compressed air at the temperatures and pressures required to provide adequate cooling and improve the thermal efficiency of gas turbine engines.

[0026]
次に図6を参照すると、第1段タービンベーン631に代替的な冷却源を供給するシステム600が示される。システム600は、圧縮空気を吐出プレナム604に流入させるコンプレッサ602を備える。コンプレッサ602からの空気のほとんどは、燃焼器ケース608、エンドキャップ610、燃焼ライナ612、スワラアセンブリ614、トランジションピース616、及び、トランジションピース616をタービンフレームの一部、ここでは第1段ベーン外輪620に保持するブラケット618を有する1つまたは複数の燃焼器606を通過する。空気は燃焼器606は燃焼器606内で受容され、1つまたは複数の燃料ノズル622からの燃料と混合される。本実施形態において、第1段ベーン外輪620はコンプレッサ吐出プレナム(CDP)ケース624に固定される。
[0026]
Referring now to FIG. 6, a system 600 for providing an alternative cooling source to first stage turbine vanes 631 is shown. System 600 includes a compressor 602 that directs compressed air into a discharge plenum 604 . Most of the air from compressor 602 passes through combustor case 608, end cap 610, combustion liner 612, swirler assembly 614, transition piece 616, and transition piece 616 to a portion of the turbine frame, here first stage vane outer ring 620. It passes through one or more combustors 606 that have brackets 618 that hold them in place. Air is received within combustor 606 and mixed with fuel from one or more fuel nozzles 622 . In this embodiment, the first stage vane outer ring 620 is secured to a compressor discharge plenum (CDP) case 624 .

[0027]
コンプレッサ吐出プレナム内の空気は、空気のほとんどが燃焼器606に至るか、またはTCLA(タービン冷却・漏洩空気)に向かうように、シール626によってロータ628と内部ケーシング630との間で封止される。内部ケーシング630は、必要な構造的軸及びねじり支持をもたらす第1段ノズル631を有する機械的インターフェース632を有する。内部ケーシング630は、隣接する燃焼器606間に位置するID支柱634によって、コンプレッサ吐出プレナムケース624内で概ね支持されている。ロータ628は、支柱634によってロータ628をケーシングにつなぐベアリング636を有する。
[0027]
Air in the compressor discharge plenum is sealed between rotor 628 and inner casing 630 by seal 626 so that most of the air either goes to combustor 606 or TCLA (turbine cooling and leakage air). . The inner casing 630 has a mechanical interface 632 with a first stage nozzle 631 that provides the necessary structural axial and torsional support. Inner casing 630 is generally supported within compressor discharge plenum case 624 by ID struts 634 located between adjacent combustors 606 . Rotor 628 has bearings 636 that connect rotor 628 to the casing by struts 634 .

[0028]
図6をさらに参照すると、システム600はまた、TCLAの代替供給源をガスタービンエンジンの第1段ノズル631に提供する。空気供給源がケース624のために、Aにおいてフランジ650に設けられる。この空気供給源Aは図7に示すように、補助供給源から発生する。より詳細には、図7を参照すると、圧縮空気の補助供給源700は、空気704及びエンジン燃料706を受容し、機械軸動力708及び高温排気710を発生させる燃料エンジン702を備える。エンジン燃料706は、天然ガスまたは液体燃料とすることができる。コンプレッサ712の各段において周囲空気714が取り込まれ、圧縮されて冷却される多段中間冷却コンプレッサ712を駆動するために、機械軸動力708が利用される。コンプレッサ712は、レキュペレータ718に導かれる暖かい圧縮空気716を供給し、さらに圧縮空気716を燃料エンジン702からの高温排気710によって加熱し、それによって、加熱された圧縮空気720及び暖かい排気722を発生させる。この加熱された圧縮空気は、華氏約400度の温度及び暖かい排気722を有する。圧縮空気700の補助供給源はまた、加熱された圧縮空気720の流量を調整するための弁724を含むことができる。
[0028]
Still referring to FIG. 6, the system 600 also provides an alternative source of TCLA to the first stage nozzle 631 of the gas turbine engine. An air supply is provided at A to flange 650 for case 624 . This air source A originates from an auxiliary source, as shown in FIG. More particularly, referring to FIG. 7, a supplemental source of compressed air 700 comprises a fuel engine 702 that receives air 704 and engine fuel 706 and produces mechanical shaft power 708 and hot exhaust 710 . Engine fuel 706 may be natural gas or liquid fuel. Machine shaft power 708 is utilized to drive a multi-stage intercooling compressor 712 in which ambient air 714 is taken in, compressed and cooled at each stage of the compressor 712 . Compressor 712 provides warm compressed air 716 that is directed to recuperator 718 and heats compressed air 716 with hot exhaust 710 from fuel engine 702 , thereby generating heated compressed air 720 and warm exhaust 722 . . This heated compressed air has a temperature of approximately 400 degrees Fahrenheit and warm exhaust 722 . The auxiliary source of compressed air 700 may also include a valve 724 for regulating the flow of heated compressed air 720 .

[0029]
図7を表し、本発明に利用することが可能な圧縮空気のこのような1つの補助供給源は、フロリダ州ジュピターのPowerPHASE LLCが製造する、特許出願中のTurbophase(登録商標)システムである。このシステムでは、空気が圧縮され、約400Fの中間温度に加熱されて、コンプレッサ602のコンプレッサ吐出圧力よりもかすかに高い圧力で供給される。加熱された圧縮空気720は、システムの特許出願中の発生プロセスにより、コンプレッサ602からの圧縮空気よりもさらに約25%効率的に発生する。
[0029]
One such auxiliary source of compressed air, depicted in FIG. 7, that can be utilized with the present invention is the patent-pending Turbophase® system manufactured by PowerPHASE LLC of Jupiter, Florida. In this system, air is compressed, heated to an intermediate temperature of approximately 400 F, and supplied at a pressure slightly above the compressor discharge pressure of compressor 602 . Heated compressed air 720 is generated approximately 25% more efficiently than compressed air from compressor 602 due to the system's patent-pending generation process.

[0030]
図6を再度参照すると、図6においてAと示される圧縮空気の補助供給源700は、シール654によってコンプレッサ吐出プレナム624と第1段タービンベーン支持リング620との間に形成される外径プレナム652に注入される。シール654はさらに、TCLA空気を供給するための空気供給孔656を備える。このプレナム652はまた、複数の機能を提供するように設計されるスワラ658を備える。すなわち、加熱された圧縮空気がAにおいて送出されている際に、空気の接線方向の渦が、第1段ノズル631に流入し得る空気の実際の流量を低減し、コンプレッサ602からの空気の一部が供給孔656を通って流出することを空気力学的に阻む。加熱された圧縮空気がAにおいて供給されていない際に、供給孔656は冷却空気の必要なレベルタービンノズル631を供給するために十分な大きさである。空気はその後、入口643を通じてベーン631に供給される。Aにおける圧縮空気の供給は最も確実である場合、供給孔656は除去することができる。
[0030]
Referring again to FIG. 6, a supplemental source of compressed air 700, designated A in FIG. injected into Seal 654 further includes an air supply hole 656 for supplying TCLA air. This plenum 652 also includes a swirler 658 designed to serve multiple functions. That is, when the heated compressed air is being delivered at A, the tangential vortices of the air reduce the actual flow rate of air that can enter the first stage nozzle 631, causing a fraction of the air from the compressor 602 to flow. aerodynamically prevents fluid from exiting through feed hole 656 . The feed holes 656 are large enough to supply the required level turbine nozzles 631 of cooling air when no heated compressed air is being supplied at A. Air is then supplied to vanes 631 through inlets 643 . If the supply of compressed air at A is most reliable, the supply hole 656 can be eliminated.

[0031]
冷却のための圧縮空気はまた、第1段ノズル631の内径領域に供給することができる。より詳細には、図6を参照すると、圧縮空気はプレナム652から取り入れられ、複数のパイプ660を通って内径プレナム662に導かれて、第1段ノズル631の内径領域に至る。また、第1段ノズル内径プラットフォームと内側ケース641との間に配置されるシール664は、内径プレナム662に位置する。このシール664の中には、TCLA供給孔666が配置される。このプレナム662はまた、2つの機能を提供するよう設計されるスワラ668を含む。まず、圧縮空気の補助供給源700からの圧縮空気がAにおいて送出されている際に、接線方向の渦が付与され、第1段ノズル631に提供することができる空気の実際の流量が低減され、コンプレッサ吐出空気の一部がTCLA供給孔666を通って流出することを空気力学的に阻む。圧縮空気の補助供給源700が空気を送出していない際に、TCLA供給孔666は、第1段ノズル631に現在のレベルのTCLAを供給するために十分な大きさである。Turbophase(登録商標)TCLAが最も確実である場合、TCLA供給孔666は除去することができる。
[0031]
Compressed air for cooling may also be supplied to the inner diameter region of the first stage nozzle 631 . More specifically, referring to FIG. 6, compressed air is taken from plenum 652 and directed through a plurality of pipes 660 to inner diameter plenum 662 to the inner diameter region of first stage nozzle 631 . Also located in the inner diameter plenum 662 is a seal 664 located between the first stage nozzle inner diameter platform and the inner case 641 . A TCLA feed hole 666 is positioned within this seal 664 . This plenum 662 also includes a swirler 668 designed to serve two functions. First, when the compressed air from the auxiliary source of compressed air 700 is being delivered at A, a tangential swirl is imparted, reducing the actual flow rate of air that can be provided to the first stage nozzles 631 . , aerodynamically prevents a portion of the compressor discharge air from exiting through the TCLA feed hole 666 . The TCLA supply holes 666 are large enough to supply the current level of TCLA to the first stage nozzles 631 when the auxiliary source of compressed air 700 is not delivering air. If Turbophase® TCLA is most likely, the TCLA feed hole 666 can be eliminated.

[0032]
次に図8を参照すると、本発明の代替的な実施形態が示される。本発明の本実施形態において、Aとして示される圧縮空気の補助供給源からの圧縮空気が、入口フランジ802内に供給される。制御弁804は入口フランジ802に隣接して位置する。制御弁804が閉じている場合、空気を第1段ノズル631に供給するためのパイプ660により、空気の全てが強制的に第1段ノズル外径領域652及び第1段ノズル内径領域662に流入する。
[0032]
Referring now to Figure 8, an alternative embodiment of the present invention is shown. In this embodiment of the invention, compressed air from an auxiliary source of compressed air, indicated as A, is fed into inlet flange 802 . Control valve 804 is located adjacent inlet flange 802 . When control valve 804 is closed, pipe 660 feeding air to stage one nozzle 631 forces all of the air into stage one nozzle outer diameter region 652 and stage one nozzle inner diameter region 662 . do.

[0033]
当業者には理解できるように、弁804は制御弁または逆止弁とすることができる。圧縮空気の補助供給源が動作しておらず空気を供給している場合に、その後制御弁804が開き、空気はガスタービンコンプレッサ吐出プレナム604からコンプレッサ吐出フランジ806を通って外径プレナム652及び内径プレナム662へとパイプ660を介して流入し、空気を第1段ノズル631に供給することができる。弁804が開いており、Aにおいて供給されている空気が存在する場合、添加される空気の圧力及び流量によって、ガスタービンのコンプレッサ吐出ケースからの空気は、フランジ806へと流入するか、またはそこから流出してもよい。流れがフランジ806から流出する場合、その後、補助コンプレッサ供給源Aからのガスタービンコンプレッサ吐出ケースからの空気と空気との混合物である混合空気流の結果として生じる温度は、混合温度となる。ガスタービンコンプレッサ出口温度は通常、750°F(399°C)であるため、補助コンプレッサから供給されている空気は750°F(399°C)より低く、混合温度はコンプレッサ吐出温度より低くなる。補助コンプレッサ供給源Aから空気が供給されない場合、その後、コンプレッサ吐出空気はフランジ806から流出し、ノズルに冷却空気を供給する。
[0033]
As will be appreciated by those skilled in the art, valve 804 may be a control valve or a check valve. If the auxiliary source of compressed air is not operating and is supplying air, then control valve 804 opens and air flows from gas turbine compressor discharge plenum 604 through compressor discharge flange 806 to outer diameter plenum 652 and inner diameter plenum 652 . Entering plenum 662 via pipe 660 , air may be supplied to first stage nozzle 631 . When valve 804 is open and there is air being supplied at A, depending on the pressure and flow rate of the added air, air from the compressor discharge case of the gas turbine will flow into or out of flange 806. may flow out from If the flow exits flange 806, then the resulting temperature of the mixed air flow, which is a mixture of air and air from the gas turbine compressor discharge case from auxiliary compressor source A, is the mixing temperature. Since the gas turbine compressor outlet temperature is typically 750°F (399°C), the air being supplied from the auxiliary compressor is below 750°F (399°C) and the mixture temperature is below the compressor discharge temperature. If no air is supplied from auxiliary compressor source A, then compressor discharge air exits flange 806 to supply cooling air to the nozzles.

[0034]
Aにおいて外部コンプレッサからの利用可能な高圧な空気を有することで、他の機能を実現することができる。ガスタービンにおいては通常、リムキャビティとしても知られる回転ブレードの内径プラットフォームと、隣接する上流及び下流のノズルとの間の間隙は、非常に繊細であり、冷却し続けるのが困難な領域である場合がある。TCLAが流路内の加圧ガスよりも高い圧力を有するリムキャビティにTCLAを供給することによって、流路内の加圧ガスがリムキャビティに流入しないようにする。現在のいくつかのガスタービンは、リムキャビティ内に極めて低い圧力限界を有し、その結果、それらの動作が制限されるか、または強制的にTCLAが大幅に増大して、適切なリムキャビティ温度を維持する。圧縮空気の補助供給源によって、エンジンコンプレッサ602よりも高圧、またはTCLA圧力で空気を供給することができるため、現在のTCLAの利用を低減することができ、結果的にエンジン効率が向上する。
[0034]
Having high pressure air available at A from an external compressor can accomplish other functions. In gas turbines, the clearance between the rotating blade inner diameter platform, also known as the rim cavity, and the adjacent upstream and downstream nozzles is typically a very delicate and difficult area to keep cool. There is By supplying the TCLA to the rim cavity where the TCLA has a higher pressure than the pressurized gas in the channel, the pressurized gas in the channel is prevented from flowing into the rim cavity. Some current gas turbines have very low pressure limits in the rim cavity that either limit their operation or force the TCLA to increase significantly to prevent adequate rim cavity temperatures. to maintain An auxiliary source of compressed air can provide air at a higher pressure than the engine compressor 602, or at a TCLA pressure, thereby reducing current TCLA utilization, resulting in increased engine efficiency.

[0035]
典型的なガスタービンエンジンの特性は、冷媒温度が低減するにつれて、タービン内で冷却された構成要素の最低金属温度を維持するための同じレベルの冷却の実行に必要な空気が少なくなることである。これにより、効率が向上し得る。例えば、Siemens Westinghouse及び三菱重工を含む代替相手方ブランド製造業者は、タービンの一部でも利用されるTCLAの冷却システムを利用する。このシステムはロータ式空気冷却器(RAC)システムと称され、ガスタービンエンジンの外側のTCLAの一部を、空気温度が約750°F(約399°C)から約450°F(約232°C)に低減する冷却器に導く。この温度低下は必要な冷却空気の量を低減するためには十分であるが、依然として、冷却された空気を受容する部品への熱衝撃の危険性を排除するには十分高温である。RAC空気は上述の圧力感度により、冷却器の後にパイプを通じてガスタービンエンジンの回転部に戻される。
[0035]
A characteristic of a typical gas turbine engine is that as the coolant temperature decreases, less air is required to provide the same level of cooling to maintain the lowest metal temperatures of cooled components within the turbine. . This may improve efficiency. For example, alternative counterparty brand manufacturers, including Siemens Westinghouse and Mitsubishi Heavy Industries, utilize TCLA's cooling systems, which are also utilized in some of their turbines. This system is referred to as a Rotor Air Cooler (RAC) system and cools a portion of the TCLA outside the gas turbine engine at air temperatures between approximately 750°F (approximately 399°C) and approximately 450°F (approximately 232°C). C) leads to a cooler that reduces to C). This temperature reduction is sufficient to reduce the amount of cooling air required, but still hot enough to eliminate the risk of thermal shock to the components receiving the cooled air. RAC air is returned to the rotating parts of the gas turbine engine through a pipe after the cooler due to the pressure sensitivity described above.

[0036]
これらの性能向上は、同じ第1段ノズル温度を適切に維持するようにガスタービンの制御システムを調節することができるように圧縮空気の補助供給源からの空気が第1段タービンノズルの冷却システムの入口に導かれる受動冷却システムを用いて実現することができる。この受動システムを利用すると、圧縮空気の補助供給源が動作していない際に、燃焼温度は影響を受けないが、より低温の冷却空気流が第1段タービンノズルに導かれるにつれて、その後、ガスタービンシステムの電力及び効率を向上させるために燃焼器への燃料流を比例して増大させることができる。
[0036]
These performance improvements are based on the fact that air from an auxiliary source of compressed air is used in the cooling system of the first stage turbine nozzle so that the control system of the gas turbine can be adjusted to properly maintain the same first stage nozzle temperature. can be achieved using a passive cooling system directed to the inlet of the Utilizing this passive system, when the auxiliary supply of compressed air is not operating, the combustion temperature is unaffected, but as the cooler cooling airflow is directed to the first stage turbine nozzle, gas Fuel flow to the combustors can be proportionally increased to improve the power and efficiency of the turbine system.

[0037]
第1段ノズルに供給される冷却空気の全てが圧縮空気の補助供給源から来ており、その結果として、実行しなければならない、最も確実なシステムとなる、非受動的、または専用システムも利用することができる。この構成により、より高圧の異なる冷却方式を利用して、第1段ノズルの冷却効果を向上させることができる。例えば、0.59から0.65の冷却効果を約10%向上させることが可能であった場合、冷却空気の量を約10lb/sec低減することができ、それによって、170MWのガスタービンに約4MWの追加電力が加えられるか、または、電力及び効率が約2.4%向上するこの漸増電力及び効率はより低温の冷却空気及び上述の一定の冷却効果に相加的である。
[0037]
All of the cooling air supplied to the first stage nozzles comes from a supplemental source of compressed air, and as a result also utilizes non-passive or dedicated systems which are the most reliable systems to implement. can do. With this configuration, a higher pressure, different cooling scheme can be used to improve the cooling effect of the first stage nozzle. For example, if it were possible to improve the cooling effectiveness of 0.59 to 0.65 by about 10%, then the amount of cooling air could be reduced by about 10 lb/sec, thereby giving a 170 MW gas turbine about An additional 4 MW of power is added, or an increase in power and efficiency of approximately 2.4%. This incremental power and efficiency is additive to the cooler cooling air and the constant cooling effect described above.

[0038]
次に図9を参照すると、専用冷却システム900の代替的な実施形態は、空気がコンプレッサ吐出プレナム902から抽出され、冷却器904によって冷却され、その後、コンプレッサ906によって圧力が増大する閉ループシステムを含む。加圧空気908はその後、パイプによって入口910を通って、第1段ノズル931を冷却するための専用冷却システムに至る。従来は空気冷却ノズルにおいて行われていたように、冷却空気を高温ガス流路に排出する代わりに、冷却空気の一部または全部が燃焼プロセスを通過するコンプレッサ吐出プレナム902に戻され、冷却空気を効率的に循環させる。このプロセスの1つの大きな利点は、新しい空気がガスタービンサイクルに添加されず、したがってガスタービン排気の質量流量が比較的変化しないことで、通過がはるかに容易になるためガスタービンの排気の質量流量を比較的一定に保つことができることである。例えば、現在のコンバインドサイクル発電プラントは、漸増する電力のために、ガスタービン自体よりもはるかに多く排出を行うダクトバーナーを利用してもよい。圧縮空気の補助供給源はガスタービン上で作用し、ガスタービンの排出特性を有するため、漸増するメガワットの発生電力に対して、漸増する排出量ははるかに低い。
[0038]
Referring now to FIG. 9, an alternative embodiment of dedicated cooling system 900 includes a closed loop system in which air is extracted from compressor discharge plenum 902, cooled by cooler 904, and then increased in pressure by compressor 906. . Pressurized air 908 is then piped through inlet 910 to a dedicated cooling system for cooling first stage nozzle 931 . Instead of discharging the cooling air into the hot gas path, as is conventionally done in air-cooled nozzles, some or all of the cooling air is returned to the compressor discharge plenum 902 where it passes through the combustion process and releases the cooling air. Circulate efficiently. One major advantage of this process is that no new air is added to the gas turbine cycle and thus the mass flow rate of the gas turbine exhaust remains relatively unchanged, making it much easier to pass through the gas turbine exhaust mass flow rate. can be kept relatively constant. For example, current combined cycle power plants may utilize duct burners that produce much higher emissions than the gas turbine itself for incremental power. Since the auxiliary source of compressed air operates on top of the gas turbine and has the emissions characteristics of a gas turbine, incremental emissions are much lower for incremental megawatts of power generated.

[0039]
図9の閉ループ冷却第1のベーンによって実現される他の利点は、タービンを通過する質量流量が一定である場合、ガスタービンコンプレッサへの背圧が影響を受けず、全てのガスタービン負荷条件においてシステムを利用することができることである。現在、圧縮空気の補助供給源は主に電力増強システムであり、負荷に関する利点を、一部提供することができるが、ガスタービンコンプレッササージの制限により、極めて低い負荷に多少制限される。図9に示す閉ループ冷却システムは、空気に応用される冷却をコンプレッサ吐出プレナムから離脱する際に増大させるかまたは低下させることによって、冷却された第1のベーン931から戻されている空気の温度上昇を効果的に制御することができ、それによってガスタービンが動作制限をより一層低くすることが可能になる。
[0039]
Another advantage realized by the closed-loop cooled first vane of FIG. Being able to use the system. Currently, auxiliary sources of compressed air are primarily power augmentation systems and can provide some load benefits, but are somewhat limited to very low loads due to gas turbine compressor surge limitations. The closed-loop cooling system shown in FIG. 9 increases or decreases the cooling applied to the air as it leaves the compressor discharge plenum, thereby increasing the temperature of the air being returned from the cooled first vane 931. can be effectively controlled, thereby allowing the gas turbine to operate with lower operating limits.

[0040]
しかし、ノズルを冷却するためにより低温の空気(約400°F(約204°C))を利用することで、ノズルを流出する空気がはるかに低温になり(1000°F(538°C)ではなく約700°F(約371°C))、したがって、より低温のノズル冷却空気が高温ガス流路のガスと混合されることにより、燃焼温度が効果的に低減する。同じ冷却効果を維持し、冷媒温度を低減させることで、燃焼温度を効果的に上昇させることができる。例えば本発明の一実施形態に関して、冷却効果は約0.59[(2700-1550)/(2700-750)=0.59]である。これをより高い燃焼器温度及びより低い冷媒温度で保つことにより、燃焼温度が以下のように上昇する。0.59=(2700+x-1550)/(2700+x-400)、x=504F。したがって、第1段ノズルを冷却するための空気がより低温である場合、ノズルの金属温度及び寿命を維持し、ガスタービンシステムの電力及び効率を向上させながら、効果的な燃焼温度を約500°F(約260°C)上昇させることができる。
[0040]
However, by utilizing cooler air (approximately 400°F (approximately 204°C)) to cool the nozzle, the air exiting the nozzle is much cooler (1000°F (538°C) (approximately 700° F. (approximately 371° C.)), and therefore the cooler nozzle cooling air is mixed with the gases in the hot gas path to effectively reduce the combustion temperature. By maintaining the same cooling effect and reducing the coolant temperature, the combustion temperature can be effectively increased. For example, for one embodiment of the present invention, the cooling effect is approximately 0.59 [(2700-1550)/(2700-750)=0.59]. Keeping this at a higher combustor temperature and lower coolant temperature increases the combustion temperature as follows. 0.59=(2700+x-1550)/(2700+x-400), x=504F. Therefore, if the air for cooling the first stage nozzle is cooler, the effective combustion temperature will be reduced to about 500° C. while maintaining nozzle metal temperature and life and increasing power and efficiency of the gas turbine system. F (approximately 260°C) can be raised.

[0041]
従来技術のガスタービンにおいて、(タービンベーンとの称される)第1段ノズル等の静的構成要素は、ノズルの空気圧の差異を通じて空気冷却される。ノズルはコンプレッサ吐出空気によって冷却され、ノズル外部の同様の圧力により、ノズルの前縁には圧力限界がほぼ存在しない。例えば、燃焼器の圧力下降が2.5%である場合、コンプレッサ吐出圧力は220psigであり、その後、ノズルの前縁に見られる圧力は約214.5psiとなり、約5.5psiのみの圧力によって空気に強制的にベーンの冷却システムを通過させ、その前縁を通って排出する。このため、ベーン前縁への空気供給は通常、可能な限り圧力下降がないように行われる。例えば空気は、コンプレッサディフューザから来る流速に関連する全圧力の一部を得ようと試みるために、トランジションピースの内径領域から得ることができる。同様にノズル内で、大量の冷却空気を通常消費する前縁は、ノズルを低温に保つために利用される熱移動の大部分が空気が一連の前縁のシャワーヘッド孔を通過する際に空気を冷却するための熱の伝導の組み合わせである、蒸散及びフィルム冷却式である。高度のガスタービンは通常、この機能を提供するためのノズルの前縁に密集した数百の冷却孔を有する。空気はノズル前縁のこれらの孔を通過した後、ノズルに直接当たる高温ガスを希釈するためにフィルム冷却層としてノズルエアフォイルの表面に広がるように導かれる。
[0041]
In prior art gas turbines, static components such as first stage nozzles (referred to as turbine vanes) are air cooled through differential air pressure in the nozzles. The nozzle is cooled by compressor discharge air, and with similar pressure outside the nozzle, there is almost no pressure limit at the leading edge of the nozzle. For example, if the combustor pressure drop is 2.5%, the compressor discharge pressure is 220 psig and then the pressure seen at the leading edge of the nozzle is about 214.5 psi, with only about 5.5 psi of pressure for air flow. forced through the vane's cooling system and out through its leading edge. For this reason, the air supply to the leading edge of the vane is normally done with as little pressure drop as possible. For example, air can be obtained from the inner diameter region of the transition piece to attempt to obtain a portion of the total pressure associated with the flow rate coming from the compressor diffuser. Similarly, within the nozzle, the leading edge, which typically consumes a large amount of cooling air, is responsible for most of the heat transfer utilized to keep the nozzle cool as the air passes through a series of leading edge showerhead holes. Transpiration and film cooling, which is a combination of heat conduction to cool the Advanced gas turbines typically have hundreds of cooling holes densely packed in the leading edge of the nozzle to provide this function. After passing through these holes in the nozzle leading edge, the air is directed to spread over the surface of the nozzle airfoil as a film cooling layer to dilute the hot gases that strike the nozzle directly.

[0042]
本発明は、コンプレッサ吐出圧力を上回るように調節することができる圧力で冷却空気を供給し、異なる、より効率的な冷却方式をノズルの前縁に提供する。電動の、または補助エンジンによって給電された、別途駆動されるコンプレッサの利用により、配管及び多岐管ネットワークを通じてこの空気をノズルに導き、空気をノズルに専用供給する手段を備える圧縮空気の供給源が提供される。従来技術の伝導及びフィルム冷却方式を利用する代わりに、まず前縁上で直接内側衝突し、熱移動を向上させることによって、ノズル前縁を冷却するために必要な伝導及びフィルムの量を削減するために、大幅な圧力下降を利用することができる。粗悪な燃料が引き起こす異物損傷(FOD)等の予期せぬ出来事によってノズル前縁に焼けた孔が空く場合に、エアフォイルの完全な溶け落ち等の惨事がノズルに発生することを防ぐために十分な冷却をもたらすために、前縁に衝撃を与える圧力をリアルタイムで設計または調節することができるように、インピンジメント孔への空気の供給を設計することが可能な、他のいくつかの独特の特徴を追加することもできる。
[0042]
The present invention provides cooling air at a pressure that can be adjusted above the compressor discharge pressure to provide a different and more efficient cooling scheme to the leading edge of the nozzle. The use of a separately driven compressor, either electrically powered or powered by an auxiliary engine, directs this air through a piping and manifold network to the nozzles to provide a source of compressed air with means dedicated to supplying air to the nozzles. be done. Reduces the amount of conduction and film required to cool the nozzle leading edge by first inward impinging directly on the leading edge to improve heat transfer instead of utilizing prior art conduction and film cooling schemes. A large pressure drop can be used for this purpose. Sufficient to prevent nozzle catastrophic events such as complete airfoil burn-through in the event that an unforeseen event such as an inferior fuel induced foreign object damage (FOD) leaves a burnt hole in the leading edge of the nozzle. Several other unique features that allow the air supply to the impingement holes to be engineered so that the pressure that impacts the leading edge can be engineered or adjusted in real time to provide cooling. can also be added.

[0043]
加えて、当業者には理解できるように、タービンノズルは通常、複数の冷却回路を含む。このような1つの回路は、ノズルに関連して圧力下降が発生した後に、ノズルの出口平面においてその冷却空気を排出しているため、冷却流を駆動するために必要な圧力がはるかに小さい後縁回路である。その結果、ノズル前縁のインピンジメント冷却のために利用される空気の一部は内部からノズルに導かれ、その通路に沿ってノズルの後縁領域の冷却を行うことができ、そこでノズルの後縁を冷却するためにその空気を利用することができる。これは、ノズルの前縁を冷却するために利用される空気が前縁領域専用である従来技術のノズルとは異なる。ここで、圧力がコンプレッサ吐出圧力を超えて増大する際に、ノズルの前縁及び中間部ならびに/またはノズルの後縁を冷却するために空気を利用することができる。この冷却空気の多目的な利用により、ノズルを冷却するために必要な冷却空気が大幅に低減することになり、それによって、ガスタービンシステムの効率が向上する。
[0043]
Additionally, as will be appreciated by those skilled in the art, turbine nozzles typically include multiple cooling circuits. One such circuit discharges the cooling air at the exit plane of the nozzle after the pressure drop associated with the nozzle has occurred, so that much less pressure is required to drive the cooling flow. edge circuit. As a result, a portion of the air utilized for impingement cooling of the nozzle leading edge can be channeled from the interior into the nozzle along its path to effect cooling of the nozzle trailing edge region, where it is located behind the nozzle. The air can be used to cool the edges. This differs from prior art nozzles where the air utilized to cool the leading edge of the nozzle is dedicated to the leading edge region. Here, air can be utilized to cool the leading and midsection of the nozzle and/or the trailing edge of the nozzle as the pressure builds above the compressor discharge pressure. This versatile use of cooling air results in significantly less cooling air required to cool the nozzles, thereby increasing the efficiency of the gas turbine system.

[0044]
加えて、当業者には理解できるように、ノズル冷却システムは、通常は検査の間が24,000時間である検査間隔に合うように設計される。設計点は最も温度が高い状態、通常はベース負荷動作であり、燃焼温度が低下する部分負荷では、ノズルの金属温度もまた、設計条件未満に低下する。別途冷却されるノズルシステムの場合、圧力、温度及び/または流量は変化して、部分負荷条件において金属温度を上昇させ、それによりさらにノズルへの冷却空気を低減させて、部分負荷効率を向上させることができる。
[0044]
Additionally, as will be appreciated by those skilled in the art, nozzle cooling systems are designed for inspection intervals that are typically 24,000 hours between inspections. The design point is the hottest condition, usually base load operation, and at part load where the combustion temperature drops, the nozzle metal temperature also drops below the design condition. For separately cooled nozzle systems, pressure, temperature and/or flow are varied to increase metal temperature at part load conditions, thereby further reducing cooling air to the nozzle and improving part load efficiency. be able to.

[0045]
同様にノズル内には通常、ホットスポット、すなわち、より高い金属温度で動作するノズルの領域が存在する。これらの領域は場合によっては、トランジションピースに対するノズル接線方向の位置に関連する。例えば、Siemens Westinghouse501Fガスタービン等のあるエンジンには、16個のトランジションピース及び32個の第1段ノズルが存在する。ノズルの16個はトランジションピースの側壁に位置し、残りの16個のノズルはトランジションピースの吐出フレームの中央に位置する。その結果、トランジションピースの側壁に位置するノズルは、トランジションピースの側壁の冷却及び漏洩流により、高温ガス流路温度が低くなる。このように、これらのノズルは通常、ノズルよりもはるかに低い温度で走行し、トランジションピースから流出する高温燃焼ガスに直接さらされる。本明細書に開示するように、専用ノズル冷却システムを用いると、冷却空気の供給は2つの領域に分岐し、ノズルの金属温度、及びそれによって寿命がトランジションピースの側壁付近に位置するノズルとトランジションピース吐出通路内のノズルに関して同じになるように、別途制御され得る。
[0045]
Similarly, there are typically hot spots within the nozzle, ie, areas of the nozzle operating at higher metal temperatures. These regions sometimes relate to the nozzle tangential position relative to the transition piece. For example, in one engine, such as the Siemens Westinghouse 501F gas turbine, there are 16 transition pieces and 32 first stage nozzles. Sixteen of the nozzles are located on the sidewalls of the transition piece and the remaining sixteen nozzles are located in the center of the discharge frame of the transition piece. As a result, nozzles located on the sidewalls of the transition piece experience lower hot gas path temperatures due to the cooling and leakage flow of the transition piece sidewalls. As such, these nozzles typically run at a much lower temperature than the nozzles and are directly exposed to the hot combustion gases exiting the transition piece. As disclosed herein, with a dedicated nozzle cooling system, the cooling air supply is bifurcated into two regions and the metal temperature of the nozzle, and thus life, is controlled by the nozzle and transition located near the sidewalls of the transition piece. It can be separately controlled to be the same for the nozzles in the piece discharge passage.

[0046]
当業者には理解されるように、様々な手段で冷却空気の流量の調整を行うことができる。例えば、ノズルへの冷却空気の流量を調整するための例示的な手段は、様々なエンジン制御アルゴリズムならびに、流量制御弁及び調量プレートを含むがそれに限定されない機械的手段を含むことができる。
[0046]
As will be appreciated by those skilled in the art, adjustment of the cooling air flow rate can be accomplished by a variety of means. For example, exemplary means for regulating the flow of cooling air to the nozzles may include various engine control algorithms and mechanical means including, but not limited to, flow control valves and metering plates.

[0047]
この独特の冷却構成及びプロセスはまた、タービンノズルのセクタに応用することができる。多くの場合、燃焼器からの高温ガス温度はガスタービンノズル入口領域周囲で変化する。セクタに分割される専用ノズル冷却システムでは、ガス温度が変化しても一定の冷却温度及び寿命をもたらすよう各セクタを調節することができる。この機構を用いると、FOD等の予期せぬ出来事により、構成要素の早期損傷が発生する場合、効率的な方法で構成要素の寿命を延長するように補償するよう冷却空気温度、流量、及び/または圧力を調節することができる。当業者には理解できるように、所望の冷却効果を実現するために、同様の結果を実現するように、冷却空気の圧力、温度及び流量の複数の組み合わせを個別に調節することができる。その結果特に、場合によっては、ノズル構成要素を冷却するために圧力が上昇しない場合があることも想定される。本明細書では第1段タービンノズルが利用されたが、本発明の第1段ノズルへの応用は、本発明の潜在的な利用の一表現に過ぎない。本発明はまた、他のタービンノズル及びシュラウドブロックを含む他の静的構成要素に応用可能である。
[0047]
This unique cooling configuration and process can also be applied to the turbine nozzle sector. In many cases, the hot gas temperature from the combustor varies around the gas turbine nozzle inlet region. With a dedicated nozzle cooling system that is divided into sectors, each sector can be adjusted to provide constant cooling temperature and life as the gas temperature changes. With this mechanism, if an unforeseen event such as FOD causes premature failure of a component, the cooling air temperature, flow rate, and/or Or you can adjust the pressure. As will be appreciated by those skilled in the art, multiple combinations of cooling air pressure, temperature and flow rate can be individually adjusted to achieve similar results in order to achieve the desired cooling effect. As a result, in particular, it is also envisaged that in some cases the pressure may not rise to cool the nozzle components. Although first stage turbine nozzles have been utilized herein, application of the present invention to first stage nozzles is only one expression of the potential uses of the present invention. The invention is also applicable to other static components including other turbine nozzles and shroud blocks.

[0048]
当業者には理解できるように、第1のタービンベーンへの冷却空気の低減のために説明される原理は、効率の向上に直接つながり、また他のタービン構成要素にも応用することができる。例えば、第1段ブレード外側空気シールは、第1段タービンブレードの半径方向外側に位置するシールである。これはまた、作動圧力及び温度により、冷却が困難な部品である。したがって、ガスタービン内で利用可能な圧力より高く空気圧を制御することができる冷却空気の個別の供給源を用いる場合、冷却空気がまずいくつかのインピンジメント機構を用いて内側を冷却すると、その後フィルムとして広がる代替的な冷却技術を利用することが可能になる。
[0048]
As will be appreciated by those skilled in the art, the principles described for reducing cooling air to the first turbine vane lead directly to increased efficiency and can be applied to other turbine components. For example, a first stage blade outer air seal is a seal located radially outward of the first stage turbine blades. It is also a difficult part to cool due to the operating pressures and temperatures. Therefore, when using a separate source of cooling air whose air pressure can be controlled above the pressure available in the gas turbine, the cooling air first cools the inside using some impingement mechanism and then the film It becomes possible to take advantage of alternative cooling technologies spread as

[0049]
上述のように本発明は、図7に示すように圧縮空気の補助供給源700を通じる等して、ガスタービンエンジン外部の個別のプロセスを通じて冷却空気が供給されるタービンノズルの冷却方法を提供する。このように圧縮された冷却空気は、コンプレッサ吐出プレナム内の空気を超える圧力を有し、タービンノズルの前縁に導かれる。本発明の一実施形態において、前縁からの空気の一部はその後、タービンノズルの後縁または中央部等の前縁の後方でタービンノズルの一部を冷却するよう導かれる。冷却空気のこの循環または再利用は、圧縮空気の補助供給源によって発生する、空気のより低い温度及びより高い圧力によって可能である。
[0049]
As described above, the present invention provides a method for cooling turbine nozzles in which cooling air is supplied through a separate process external to the gas turbine engine, such as through a supplemental source of compressed air 700 as shown in FIG. . The cooling air so compressed has a pressure in excess of the air in the compressor discharge plenum and is directed to the leading edge of the turbine nozzle. In one embodiment of the invention, a portion of the air from the leading edge is then directed to cool a portion of the turbine nozzle behind the leading edge, such as the trailing edge or midsection of the turbine nozzle. This circulation or reuse of cooling air is made possible by the lower temperature and higher pressure of the air generated by the auxiliary source of compressed air.

[0050]
本発明の一実施形態において、所定の制御パラメータによってタービンノズルへの流量を変化させるように、圧縮空気の補助供給源からの圧縮空気の分配が制御される。空気圧、温度、空気の流量、またはこれらの制御パラメータの組み合わせを含む様々な制御パラメータを利用することができる。すなわち、個別の外部プロセスによって発生しているタービンノズルに供給される冷却流の量が、それぞれの空気圧、温度、または冷却空気の空気流量によって調整される。このプロセスは、圧縮空気の補助供給源によって発生する空気の制御パラメータ、ならびに温度及び圧力を、タービンノズルにおいて測定し、結果的にタービンノズルへの冷却空気の流量を調節するシステムによって調整される。
[0050]
In one embodiment of the invention, the distribution of compressed air from the auxiliary source of compressed air is controlled to vary the flow rate to the turbine nozzles according to predetermined control parameters. Various control parameters may be utilized including air pressure, temperature, air flow rate, or a combination of these control parameters. That is, the amount of cooling flow supplied to the turbine nozzles generated by the individual external processes is regulated by the respective air pressure, temperature, or cooling air flow rate. This process is regulated by a system that measures the control parameters of the air generated by the auxiliary source of compressed air, as well as the temperature and pressure at the turbine nozzle and consequently adjusts the flow of cooling air to the turbine nozzle.

[0051]
本発明は現在好ましい実施形態として知られるものにおいて説明されているが、本発明は開示される実施形態を制限するものではなく、反対に、以下の特許請求の範囲内の様々な修正及び同等の機構を包含するよう意図されていることを理解すべきである。本発明は、あらゆる点で制限的ではなく例示的であることが意図される特定の実施形態に関連して説明されている。具体的には、本出願における例として第1段ノズルが利用される。しかし原理は、高温ガス流路構成要素と通常称される他の回転及び静止タービン構成要素に応用される。
[0051]
While the invention has been described in what are presently known as the preferred embodiments, the invention is not intended to be limited to the disclosed embodiments, but rather various modifications and equivalents within the scope of the following claims. It should be understood that it is intended to cover mechanisms. The present invention has been described in relation to particular embodiments which are intended in all respects to be illustrative rather than restrictive. Specifically, a first stage nozzle is utilized as an example in this application. However, the principles apply to other rotating and stationary turbine components commonly referred to as hot gas path components.

[0052]
以上の説明から、本発明は、先に明記した全ての目的を、本システム及び方法にとって自明であり固有である他の利点と共に、達成するのに非常に適していることが分かるであろう。ある種の特徴及びサブコンビネーションは有益であり、他の特徴及びサブコンビネーションを参照しなくても採用できることが理解される。これは、請求項の範囲によって想定されていることであり、その範囲に含まれる。
[0052]
From the foregoing description, it will be seen that the present invention is well suited to attain all of the objectives set forth above, along with other advantages which are obvious and inherent to the present system and method. It is understood that certain features and subcombinations are useful and can be employed without reference to other features and subcombinations. This is contemplated by and is within the scope of the claims.

Claims (10)

互いに流体連結される、コンプレッサ部、コンプレッサ吐出プレナム、燃焼器部、及びタービンセクションを有するガスタービンエンジン内のタービンノズルの冷却方法であって、
前記コンプレッサ吐出プレナム内の空気を超える圧力を有する圧縮空気の供給を形成するために、前記ガスタービンエンジンの前記コンプレッサ部の圧縮プロセスの外部にある個別のプロセスを通して前記タービンノズルのための冷却空気の一部を圧縮することと、
前記圧縮空気の供給を前記タービンノズルの前縁に導くことと、
前記圧縮空気の供給の一部を、前記前縁から前記前縁の後方の前記タービンノズルの一部に導くことと、
を含み、
前記圧縮空気の供給が所定の制御パラメータに基づいており、該所定の制御パラメータは、空気圧と、流量と、空気圧、温度、及び流量の任意の組み合わせとのうちいずれか1つである、方法。
A method of cooling a turbine nozzle in a gas turbine engine having a compressor section, a compressor discharge plenum, a combustor section, and a turbine section fluidly coupled together, comprising:
cooling air for the turbine nozzle through a separate process external to the compression process of the compressor section of the gas turbine engine to form a supply of compressed air having a pressure exceeding the air in the compressor discharge plenum; compressing a portion; and
directing the supply of compressed air to a leading edge of the turbine nozzle;
directing a portion of the compressed air supply from the leading edge to a portion of the turbine nozzle aft of the leading edge;
including
The method, wherein the supply of compressed air is based on a predetermined control parameter, the predetermined control parameter being any one of air pressure, flow rate, and any combination of air pressure, temperature and flow rate.
前記タービンノズルの前縁を内側で冷却した後に前記タービンノズルの後縁を冷却するために、前記圧縮空気の供給が利用される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the supply of compressed air is utilized to cool the trailing edge of the turbine nozzle after internally cooling the leading edge of the turbine nozzle. 前記タービンノズルの前縁の冷却の後に前記タービンノズル中央部を冷却するために、前記圧縮空気の供給が利用される、請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein the compressed air supply is utilized to cool the turbine nozzle center after cooling the turbine nozzle leading edge. 全てが互いに流体連結される、コンプレッサ部、コンプレッサ吐出プレナム、燃焼器部、及びタービンセクションを有するガスタービンエンジンにおける複数のタービンノズルの冷却方法であって、
前記ガスタービンエンジンのプロセスの外部にある個別のプロセスにおいて前記冷却空気が圧縮される、前記タービンノズルのための圧縮空気を形成するために、冷却空気の一部を圧縮することと、
段内の各タービンノズルに供給される前記圧縮空気を変化させるように、前記タービンノズルの段の周囲への前記圧縮空気の分配を制御することと、
を含む方法であって、
前記圧縮空気の分配が所定の制御パラメータに基づいており、該所定の制御パラメータは、空気圧と、流量と、空気圧、温度、及び流量の任意の組み合わせとのうちいずれか1つである、方法。
A method of cooling a plurality of turbine nozzles in a gas turbine engine having a compressor section, a compressor discharge plenum, a combustor section, and a turbine section all fluidly connected to each other, comprising:
compressing a portion of the cooling air to form compressed air for the turbine nozzle, wherein the cooling air is compressed in a separate process external to the gas turbine engine process;
controlling the distribution of the compressed air around a stage of turbine nozzles to vary the compressed air supplied to each turbine nozzle in the stage;
a method comprising
The method, wherein the distribution of the compressed air is based on a predetermined control parameter, the predetermined control parameter being any one of air pressure, flow rate, and any combination of air pressure, temperature and flow rate.
互いに流体連結されるコンプレッサ部、コンプレッサ吐出プレナム、燃焼器部、及びタービンセクションを有するガスタービンエンジン内の静的構成要素の冷却方法であって、
前記ガスタービンエンジンのプロセスの外部にある個別のプロセスにおいて、前記タービンセクションの前記静的構成要素のために冷却空気の一部を圧縮することと、
制御パラメータに基づき、前記静的構成要素の周囲への前記圧縮された冷却空気の分配を制御することと、
を含み、
前記制御パラメータは、空気圧と、流量と、空気圧、温度、及び流量の任意の組み合わせとのうちいずれか1つである、方法。
A method for cooling static components in a gas turbine engine having a compressor section, a compressor discharge plenum, a combustor section, and a turbine section fluidly coupled together, comprising:
compressing a portion of cooling air for the static components of the turbine section in a separate process external to the gas turbine engine process;
controlling distribution of the compressed cooling air around the static component based on control parameters;
including
The method, wherein the control parameter is any one of air pressure, flow rate, or any combination of air pressure, temperature, and flow rate.
互いに流体連結される、コンプレッサ部、コンプレッサ吐出プレナム、燃焼器部、及びタービンセクションを有するガスタービンエンジンの構成要素の冷却方法であって、前記コンプレッサ吐出プレナム内の空気より高い圧力を有する圧縮空気の供給を形成するために、前記ガスタービンエンジンのプロセスの外部にあるプロセスにおける前記構成要素のための冷却空気の少なくとも一部を発生させること、を含み、
前記圧縮空気の供給が所定の制御パラメータに基づいており、該所定の制御パラメータは、空気圧と、流量と、空気圧、温度、及び流量の任意の組み合わせとのうちいずれか1つである、方法。
A method of cooling components of a gas turbine engine having a compressor section, a compressor discharge plenum, a combustor section, and a turbine section fluidly connected together, the method comprising: compressing air having a higher pressure than air in the compressor discharge plenum. generating at least a portion of cooling air for the components in a process external to the gas turbine engine process to form a supply;
The method, wherein the supply of compressed air is based on a predetermined control parameter, the predetermined control parameter being any one of air pressure, flow rate, and any combination of air pressure, temperature and flow rate.
前記構成要素がタービンノズルである、請求項6に記載の方法。 7. The method of claim 6, wherein said component is a turbine nozzle. 前記ガスタービンエンジンのプロセスの外部にある前記プロセスから供給される前記空気の少なくとも一部が前記タービンノズルの前縁に導かれる、請求項7に記載の方法。 8. The method of claim 7, wherein at least a portion of said air supplied from said process external to said gas turbine engine process is directed to a leading edge of said turbine nozzle. 前記ガスタービンエンジンのプロセスの外部にある前記プロセスから供給される前記空気の少なくとも一部がまず前記タービンノズルの前縁に導かれ、その後、前記タービンノズルの前記前縁に導かれた前記空気の少なくとも一部がその後、前記タービンノズルの前縁の冷却の後に前記タービンノズルの中央または後縁領域に導かれる、請求項8に記載の方法。 at least a portion of the air supplied from the process external to the gas turbine engine process is first directed to the leading edge of the turbine nozzle; 9. The method of claim 8, wherein at least a portion is then directed to a central or trailing edge region of the turbine nozzle after cooling of the leading edge of the turbine nozzle. 前記構成要素が、ブレード外側空気シールであり、前記ブレード外側空気シールは、前記ガスタービンエンジンのプロセスの外部にある前記プロセスから供給される前記空気の少なくとも一部がまず、前記ブレード外側空気シールの内側に衝突するよう導かれ、その後、前記ブレード外側空気シールのフィルム冷却のための冷却孔に導かれるような構成を有する、請求項6に記載の方法。 The component is a blade outer air seal, wherein at least a portion of the air supplied from the process external to the process of the gas turbine engine first enters the blade outer air seal. 7. The method of claim 6, having a configuration to direct it to impinge inwardly and then to cooling holes for film cooling of said blade outer air seal.
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