JPH08326556A - ガスタービンエンジンの空気流分配システム - Google Patents

ガスタービンエンジンの空気流分配システム

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JPH08326556A
JPH08326556A JP8119270A JP11927096A JPH08326556A JP H08326556 A JPH08326556 A JP H08326556A JP 8119270 A JP8119270 A JP 8119270A JP 11927096 A JP11927096 A JP 11927096A JP H08326556 A JPH08326556 A JP H08326556A
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JP
Japan
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fluid flow
distribution system
flow path
turbine engine
gas turbine
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JP8119270A
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Boris Glezer
ボリス・グレザー
Eli H Razinsky
エリー・エイチ・ラジンスキー
Gerald D Stringham
ジェラルド・ディ・ストリンガム
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Solar Turbines Inc
Original Assignee
Solar Turbines Inc
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    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C7/00—Features, components parts, details or accessories, not provided for in, or of interest apart form groups F02C1/00 - F02C6/00; Air intakes for jet-propulsion plants
    • F02C7/12—Cooling of plants
    • F02C7/16—Cooling of plants characterised by cooling medium
    • F02C7/18—Cooling of plants characterised by cooling medium the medium being gaseous, e.g. air
    • F02C7/185—Cooling means for reducing the temperature of the cooling air or gas
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/02—Blade-carrying members, e.g. rotors
    • F01D5/022—Blade-carrying members, e.g. rotors with concentric rows of axial blades

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
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  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンプレッサから抽気される冷却空気の量を
減少させ、エンジンの効率を向上するガスタービンエン
ジンの空気流分配システムを提供することである。 【解決手段】 本発明の空気流分配システムは、ガスタ
ービンエンジンのコンプレッサ部分により形成され、第
１流体流路中にある圧縮空気を熱交換器が配置されてい
る第２流体流路中に差し向けることにより、エンジンの
構成要素の寿命を増加させエンジンの効率を増加させ
る。第２流体流路中の冷却された冷却空気の流れがガス
タービンエンジンの冷却されるべき構成要素に差し向け
られる。よって、本発明によるとコンプレッサにより発
生された空気がガスタービンエンジンの構成要素を冷却
するために使用される従来例に比較して、コンプレッサ
部分により発生された空気から抽出された少量の空気に
よりガスタービンエンジンの構成要素がより効率的に冷
却される。更に、より多くのコンプレッサにより発生さ
れた空気がガスタービンエンジンの燃焼室内の燃焼に使
用可能である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は一般的にガスタービ
ンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンに使用
する改良された冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】高性能ガスタービンエンジンは高い燃焼
温度と高いコンプレッサ圧力を要求する。コンプレッサ
部分からの冷媒は冷却通路を介して差し向けられ、冷却
はエンジン内部の個々の構成要素の信頼性及びサイクル
寿命を保証するために使用される。
【０００３】例えば、燃料の経済特性を改良するために
は、エンジンの構成部品物質の物理的特性の限界以上の
温度でエンジンが運転される。このような高温は、何ら
かの方法で補償されないと、エンジンの構成部品を酸化
し構成部品の寿命を減少させる。
【０００４】冷却通路は、構成部品の物質特性に適合し
たレベルに温度を抑えることにより構成部品が高温にな
るのを抑制し構成部品の寿命を長引かせるために、エン
ジンの構成部品に空気の流れを差し向けるために使用さ
れる。
【０００５】従来は、エンジンのコンプレッサ部分から
の圧縮空気の一部が抽気され、これらの構成部品を冷却
していた。よって、空気のメインの部分を、エンジンの
燃焼のために使用しなければならないため、エンジンの
コンプレッサ部分から抽気される空気の量は通常限定さ
れたものとなる。
【０００６】エンジンの効率及びパワーを増加するため
には、エンジンの運転温度及びコンプレッサの圧力比が
増加される。高圧力比エンジンのコンプレッサから抽気
される冷却空気は圧縮のためにその温度が上昇されてい
る。
【０００７】例えば、あるエンジンにおいては冷却空気
の温度が１０００°Ｆ（５９３°Ｃ）を超えることがあ
る。冷却空気が高温になると冷却効率が減少され、金属
部品の温度を設計限界以下に抑えるために大量の冷却空
気を必要とする。
【０００８】臨界温度の部品を冷却するためにより多く
の冷却空気が必要とされ、その結果燃焼に回される圧縮
空気の量が少なくなり、エンジンの効率が落ちることに
なる。
【０００９】よって、コンプレッサから抽気される冷却
空気の量を減少させ、エンジンの効率を改良するシステ
ムが必要となる。或いは、冷却空気のよりよい利用方法
が要求される。
【００１０】本発明は上述した問題の一つ或いは複数を
解決せんとするものである。
【００１１】
【発明の開示】本発明の一つの側面によると、ガスター
ビンエンジンの構成要素を冷却するために、燃焼流体及
び冷却流体用の空気流分配システムが提供される。エン
ジンはコンプレッサ部分を有しており、空気流分配シス
テムはコンプレッサ部分と燃焼部分を相互連結する第１
流体流路を含んでいる。
【００１２】コンプレッサ部分は、コンプレッサ部分が
作動中に第１流体流路中に流体の流れを発生させる第１
ブレード部分を有する複数のブレードを含んでいる。そ
して、第２流体流路は第１流体流路とガスタービンエン
ジンの冷却されるべき構成要素とを相互連結する。
【００１３】第２流体流路は第１流体流路と冷却される
べき構成要素との間に配置された熱交換器を含んでい
る。第２流体流路は、複数のブレード上に形成された第
２ブレード部分の作動により形成される冷却空気の流れ
を有している。
【００１４】本発明の他の側面によると、空気分配シス
テムはガスタービンエンジンに使用される。ガスタービ
ンエンジンは、各段が複数のブレードが取り付けられた
ディスクを有する複数の段を有するコンプレッサ部分
と、燃焼部分と、燃焼部分と作動的な関係で配置された
タービン部分とを含んでいる。
【００１５】空気流分配システムは二段階構造を画成す
る複数のブレード部分を含んでいる。二段階構造はリン
グセグメントにより第２ブレード部分から離間された第
１ブレード部分を含んでいる。
【００１６】第１流体流路は第１ブレード部分が配置さ
れる通路を含んでおり、第１流体流路はタービン部分と
流体的に連通している。第２流体流路は第２ブレード部
分が配置されるギャラリー（坑道）を含んでおり、ギャ
ラリーは第１流体流路と流体的に連通している。
【００１７】コンプレッサ部分の作動中に第１ブレード
部分により、第１流体流路中に流体の流れが形成され
る。この流れは一般的に燃焼部分に流体を供給するため
に使用される。
【００１８】コンプレッサ部分の作動中に第２ブレード
部分により、第２流体流路中に冷却流体の流れが形成さ
れる。この流体の流れはガスタービンエンジンの構成要
素を冷却するために、一般的に冷却流体の流れを提供す
る。
【００１９】
【発明の実施の形態】図１及び図２を参照すると、ガス
タービンエンジン１０の一部分が示されている。ガスタ
ービンエンジン１０は燃焼空気を提供するとともにエン
ジン１０の構成部品（構成要素）を冷却するための冷却
空気を提供する空気流分配システム１２を含んでいる。
【００２０】エンジン１０はタービン部分１４と、燃焼
部分１６と、コンプレッサ部分１８と、熱交換器２０と
を含んでいる。燃焼部分１６とコンプレッサ部分１８は
タービン部分１４と作動的に連結されている。
【００２１】本実施形態においては、燃焼部分１６はガ
スタービンエンジン１０の中心軸線２６周りに配置され
た環状燃焼室２４を含んでいる。環状燃焼室２４はコン
プレッサ部分１８とタービン部分１４との間に配置され
ている。
【００２２】複数の燃料ノズル３４（そのうちの一つが
示されている）が環状燃焼室２４の入口端部３６に配置
されている。タービン部分１４は中心軸線２６とその中
心が一致した第１段タービン３８を含んでいる。
【００２３】図３及び図６に最も良く示されるように、
本実施形態のコンプレッサ部分１８は、部分的にのみ示
されているが複数の段４０を有する多段軸流コンプレッ
サである。
【００２４】コンプレッサ部分１８中の複数の段４０の
各々はそれぞれ中心軸線２６周りを回転し、複数のブレ
ード４４が取り付けられた中心ディスク４２を含んでい
る。複数のブレード４４はハウジング４６中に回転可能
に位置している。
【００２５】回転ブレード４４の両側にはステーターア
センブリ４８が配置されている。回転ブレード４４とス
テーターアセンブリ４８との関係が概略密封されたイン
ターフェースを形成する。
【００２６】ステーターアセンブリ４８は、複数のブレ
ード５４により外側リングセグメント５２から離間され
た内側リングセグメント５１を有する複数のブレードセ
グメント５０を含むことができる。
【００２７】各ブレード４４はディスク４２中に配置さ
れた根元部分５６と、根元部分から半径方向に突出した
プラットフォーム部分５７と、プラットフォーム部分５
７から半径方向に伸長した第１ブレード部分５８とを含
んでいる。
【００２８】第１ブレード部分５８上に外側先端部５９
が画成されている。通路６０がハウジング４６とブレー
ド４４のプラットフォーム部分５７との間に形成されて
いる。
【００２９】第１ブレード部分５８は通路６０中に配置
され、外側先端部５９はハウジング４６と密接した回転
関係にある。図１に最も良く示されているように、複数
のブレード４４が矢印６２で示されている圧縮空気の流
れを形成する。
【００３０】空気流分配システム１２はコンプレッサ部
分１８の通路６０とタービン部分１４とを相互連結する
第１流体流路６４を有している。作動中に、矢印６２で
示されている流体の流れが第１流体流路６４中に発生す
る。
【００３１】第１流体流路６４は更に、ガスタービンエ
ンジン１０の内部に配置された内部通路７０を含んでい
る。圧縮流体６２の流れはコンプレッサ部分１８から燃
焼部分１６に差し向けられ、そこで圧縮流体すなわち圧
縮空気の一部は燃焼された燃料（図示せず）と混合さ
れ、発生される混合気がタービン部分１４のタービン３
８を駆動するために使用される。
【００３２】空気流分配システム１２は更に第２流体流
路７６を含んでいる。図３及び図６に最も良く示される
ように、空気流分配システム１２は二段階コンプレッサ
ブレード７８を含んだ複数のブレード４４の部分を含ん
でいる。
【００３３】二段階コンプレッサブレード７８の各々は
外側先端部５９に取り付けられたリングセグメント８０
と、リングセグメント８０から半径方向外側に伸長する
第２ブレード部分８２とを含んでいる。
【００３４】本実施形態においては、各段４０のディス
ク４２に取り付けられた複数のブレード４４のうちのた
だ一つのみが二段階コンプレッサブレード構造７８を有
している。
【００３５】組み立てられた位置においては、各二段階
コンプレッサブレード７８の各リングセグメント８０
は、ステーターアセンブリ４８の外側リングセグメント
５２と概略密封関係のリング８３を一般的に形成する。
【００３６】第２ブレード部分８２が、リング８３とハ
ウジング４６との間に形成されたギャラリー或いは通路
８４中に伸長している。ギャラリー８４は入口端部８６
と出口端部８８を含んでいる。
【００３７】複数のステーターブレード又は拡散ブレー
ド９０が二段階コンプレッサブレード７８の下流側のギ
ャラリー８４中に位置している。本実施形態において
は、複数のステーターブレード９０は通常のステーター
アセンブリ４８の一部分として形成されている。
【００３８】例えば、各ステーターブレード９０は根元
部分９４により外側リングセグメント５２に取り付けら
れており、ギャラリー８４中に位置する第１反応部分９
６を有している。外側リングセグメント９８は第１反応
部分９６に取り付けられており、従来の方法でハウジン
グ４６に概略密封関係で取り付けられている。
【００３９】二段階コンプレッサブレード７８は軸線２
６周りを回転し、第２ブレード部分８２はハウジング４
６と近接している。矢印１００で示された冷却空気の流
れが、第２ブレード部分８２の作動により形成される。
【００４０】冷却空気の流れ１００はギャラリー８４の
外側端部部分８８から排出され、一つ又は複数の内部通
路或いは一つ又は複数のチューブ及び／又はホースのよ
うな従来構造の冷却ギャラリー１０２を介してタービン
１４に連通している。
【００４１】圧縮空気６２の流れの一部分が、ダクトシ
ステム１１０を介して熱交換器２０に連通している。本
実施形態においては、ダクトシステム１１０は第１端部
がハウジング４６に取り付けられ第２端部が熱交換器２
０に取り付けられたチューブ１１２を含んでいる。
【００４２】チューブ１１２は圧縮空気６２をその中に
有する第１流体流路６４に連通する通路１１４を有して
いる。チューブ１１２中の通路１１４は更に熱交換器２
０と連通している。
【００４３】例えば、本実施形態においては、熱交換器
２０は第１端部又は入口端部１２２と第２端部又は出口
端部１２４を有するハウジング１２０を含んでいる。ハ
ウジング１２０中には複数の冷却チューブ１２６が配置
されている。
【００４４】複数の冷却チューブ１２６は第１端部１２
２を介して外側方向に伸長する共通の入口１２８と、第
２端部１２４を介して外側方向に伸長する共通の出口１
３０を有している。
【００４５】複数の冷却チューブ１２６は、圧縮流体６
２から熱を取り除き従来は熱交換器２０を通過させてい
た熱を外部冷却材により吸収させる複数のフィン１３２
を有している。
【００４６】圧縮流体６２はチューブ１１２を介して入
口端部１２２に入り、フィン１３２に接触している冷却
チューブ１２６に熱を与えて熱を消散し、冷却された圧
縮流体６２として出口端部１２４から排出される。
【００４７】冷却された圧縮流体６２はギャラリー８４
の入口端部８６に連通され、二段階ブレード７８の第２
ブレード部分８２と接触し、加速されて冷却空気流１０
０の形をとることになる。かくして、第２流体流路７６
が完成する。
【００４８】本発明の本質を逸脱せずしていくつかの変
更が可能である。例えば、熱交換器２０は空気対空気、
空気対液体、プレートフィン型、チューブ対フィン型等
のいずれの従来型構造も採用可能である。
【００４９】更に、図５に示されるように熱交換器２０
はエンジンの内部に取り付けられてもよく、図３に示す
ように外部に取り付けられてもよい。冷媒は水、燃料又
は冷却剤等の液体か又は空気等のガス流体であってもよ
い。
【００５０】もし燃料又は水が冷媒として使用されたな
ら、これらの冷媒は熱交換器を通過したあとエンジンへ
の燃料として使用されるか、又は図２に示されているよ
うに放出物を減少させるために水噴射又は水蒸気噴射と
して使用される。
【００５１】更に、図１又は図４に示されているよう
に、冷媒は閉鎖システム１４０を画成する不活性流体又
は非燃焼流体を含むことができる。更に他の実施形態と
して、第２流体流路７６は複数の二段階コンプレッサブ
レード７８と、第２流体流路７６内に流体の流れ１００
を提供するように配置されたステーターブレード９０を
含むことができる。
【００５２】本発明の構造によると、冷却空気の温度が
下げられ、少量の冷却空気により有効な冷却が達成され
るので、エンジン１０の構成要素を冷却するために要求
される冷却空気の量が少なくて済む。
【００５３】更に、本発明の構造は外部的な又は補助的
な又は内部的に駆動されるコンプレッサモジュールを必
要としない。よって、本発明の構造によると、冷却空気
の量が減少され、エンジン効率が改良される。
【００５４】
【産業上の利用可能性】本発明の作用においては、空気
流分配システム１２の第２流体流路７６中で使用される
エンジン１０の構成要素を冷却するためのコンプレッサ
部分１８からの冷却流体又は冷却空気の量が減少され
る。
【００５５】その結果、ガスタービンエンジン１０の効
率及びパワーが改善され、ガスタービンエンジン１０の
内部に使用される構成要素の寿命が長くなる。以下の作
用の説明は第１段タービン３８に関するものであるが、
エンジンの残りの構成要素、例えば翼型（ブレード及び
ノズル）の冷却作用も非常に似たものとなる。
【００５６】ガスタービンエンジン１０は複数の段４０
の各々において第１ブレード部分により濾過された空気
を圧縮し、第１流体流路６４中に圧縮空気６２の流れを
形成する。
【００５７】圧縮空気６２の流れの一部は第１流体流路
６４から引き込まれて、ダクトシステム１１０を介して
熱交換器２０に連通される。熱交換器２０の内部で、熱
が圧縮空気６２から抽出されてフィン１３２及びチュー
ブ１２６を介して冷媒に転移される。
【００５８】冷却された圧縮空気６２は熱交換器２０か
ら排出されて、ギャラリー８４の入口端部部分８６に連
通される。冷却された圧縮空気６２は第２ブレード部分
８２に接触し、そこで速度が増加されて第２流体流路７
６中に冷却空気の流れ１００を形成する。この冷却空気
の流れ１００は例えばタービン部分１４等のガスタービ
ンエンジン１０の構成要素を冷却するために使用され
る。
【００５９】ゆえに、流体分配システム１２を含む本発
明の改良されたタービン冷却システムの主な利益は、ガ
スタービンエンジン１０の構成要素を冷却するためによ
り効率的に使用される燃焼空気及び低温度の冷却空気を
提供して、構成要素の寿命を増加し、コンプレッサ部分
から抽出される冷却目的のための空気を減少させ、エン
ジンの効率を増加させることである。
【００６０】流体分配システム１２は第１流体流路６４
と、第２流体流路７６とを含んでいる。第２流体流路７
６は第１流体流路６４から冷却空気６２を抽出し、より
有効な冷却のために空気を冷却し、冷却された空気１０
０をエンジン１０の冷却されるべき構成要素に差し向け
る。
【００６１】更に、二段コンプレッサブレード７８の第
１ブレード部分５８は第１流体流路６４中に流体の流れ
６２を発生させるために使用され、第２ブレード部分８
２は第２流体流路７８中に流体の流れ１００を発生させ
るために使用される。
【００６２】本発明の他の側面、目的及び利益は添付図
面、発明の詳細な説明及び特許請求の範囲を研究するこ
とにより得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具備したガスタービンエンジンの一部
断面図である。
【図２】本発明を具備したガスタービンエンジンの一部
分の概略側面図である。
【図３】本発明を具備したガスタービンエンジンの一部
分の拡大断面図である。
【図４】本発明の代替実施態様を含むガスタービンエン
ジンの一部分の概略側面図である。
【図５】本発明の代替実施態様を含むガスタービンエン
ジンの一部分の拡大断面図である。
【図６】図１の円６で囲まれたガスタービンエンジンの
一部分の拡大断面図である。
【符号の説明】
１２ 流体分配システム １４ タービン部分 １６ 燃焼部分 １８ コンプレッサ部分 ２０ 熱交換器 ２４ 環状燃焼室 ４４ ブレード ４６ ハウジング ４８ ステーターアセンブリ ６４ 第１流体流路 ７６ 第２流体流路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 エリー・エイチ・ラジンスキー アメリカ合衆国、92127カリフォルニア、 サン・ディエゴ、サン・ウォーク・コート 17811 (72)発明者 ジェラルド・ディ・ストリンガム アメリカ合衆国、92129カリフォルニア、 サン・ディエゴ、ラスムセン・ウェイ 14117

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃焼流体と冷却流体とを提供してガスタ
    ービンエンジンの構成要素を冷却する空気流分配システ
    ムであって、 ガスタービンエンジンのコンプレッサ部分と燃焼部分と
    を相互連結する第１流体流路と；第１流体流路とガスタ
    ービンエンジンの冷却される構成要素とを相互連結する
    第２流体流路とを具備し；前記コンプレッサ部分はコン
    プレッサ部分が作動中に前記第１流体流路中に流体の流
    れを起こす第１ブレード部分を有する複数のブレードを
    含んでおり；前記第２流体流路は前記第１流体流路と冷
    却されるべき前記構成要素との間に配置された熱交換器
    を含んでおり、前記第２流体流路は前記複数のブレード
    上に形成された第２ブレード部分の作動により形成され
    る冷却空気の流れを有していることを特徴とする空気流
    分配システム。
  2. 【請求項２】 前記複数のブレードのうちの少なくとも
    一つは二段階ブレード構造を有していることを特徴とす
    る請求項１記載の空気流分配システム。
  3. 【請求項３】 前記二段階ブレード構造は根元部分と、
    該根元部分から半径方向に突出したプラットフォーム部
    分と、該プラットフォーム部分から半径方向に伸長した
    第１ブレード部分と、該第１ブレード部分上に画成され
    た外側先端部と、該外側先端部に取り付けられたリング
    セグメントと、該リングセグメントから半径方向に伸長
    した第２ブレード部分とを含んでいることを特徴とする
    請求項２記載の空気流分配システム。
  4. 【請求項４】 前記第１流体流路は前記第１ブレード部
    分が配置される通路を含んでいることを特徴とする請求
    項１記載の空気流分配システム。
  5. 【請求項５】 前記第２流体流路は、前記第２ブレード
    部分が配置されるギャラリーを含んでいることを特徴と
    する請求項４記載の空気流分配システム。
  6. 【請求項６】 前記通路は前記ギャラリーから分離され
    ていることを特徴とする請求項５記載の空気流分配シス
    テム。
  7. 【請求項７】 前記熱交換器は前記ガスタービンエンジ
    ンに外部から取り付けられていることを特徴とする請求
    項１記載の空気流分配システム。
  8. 【請求項８】 前記熱交換器はチューブフィン構造をし
    ていることを特徴とする請求項７記載の空気流分配シス
    テム。
  9. 【請求項９】 前記熱交換器はガスタービンエンジンの
    内部に取り付けられていることを特徴とする請求項１記
    載の空気流分配システム。
  10. 【請求項１０】 前記熱交換器は不活性流体又は非可燃
    性流体を含んだ閉鎖システムを有していることを特徴と
    する請求項１記載の空気流分配システム。
JP8119270A 1995-06-02 1996-05-14 ガスタービンエンジンの空気流分配システム Withdrawn JPH08326556A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/460293 1995-06-02
US08/460,293 US5697208A (en) 1995-06-02 1995-06-02 Turbine cooling cycle

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JPH08326556A true JPH08326556A (ja) 1996-12-10

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ID=23828115

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP8119270A Withdrawn JPH08326556A (ja) 1995-06-02 1996-05-14 ガスタービンエンジンの空気流分配システム

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US (1) US5697208A (ja)
JP (1) JPH08326556A (ja)
CA (1) CA2174367A1 (ja)
FR (1) FR2734865A1 (ja)
GB (1) GB2301631A (ja)

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