KR20160132774A - 터빈 내 유동 제어를 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

터빈 내 유동 제어를 위한 시스템 및 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20160132774A
KR20160132774A KR1020160057059A KR20160057059A KR20160132774A KR 20160132774 A KR20160132774 A KR 20160132774A KR 1020160057059 A KR1020160057059 A KR 1020160057059A KR 20160057059 A KR20160057059 A KR 20160057059A KR 20160132774 A KR20160132774 A KR 20160132774A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fluid
turbine
supply
flow path
main flow
Prior art date
Application number
KR1020160057059A
Other languages
English (en)
Other versions
KR101956427B1 (ko
Inventor
메디 밀라니 발라디
주니어 에드워드 마이클 야노식
주니어 리처드 브래드포드 훅
스코트 에드워드 팔리
고든 제프리 폴린
Original Assignee
제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 제네럴 일렉트릭 컴퍼니 filed Critical 제네럴 일렉트릭 컴퍼니
Publication of KR20160132774A publication Critical patent/KR20160132774A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101956427B1 publication Critical patent/KR101956427B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/141—Shape, i.e. outer, aerodynamic form
    • F01D5/145—Means for influencing boundary layers or secondary circulations
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/18—Control of working fluid flow by bleeding, bypassing or acting on variable working fluid interconnections between turbines or compressors or their stages
    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • 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
    • F01D17/00—Regulating or controlling by varying flow
    • F01D17/10—Final actuators
    • F01D17/12—Final actuators arranged in stator parts
    • F01D17/14—Final actuators arranged in stator parts varying effective cross-sectional area of nozzles or guide conduits
    • 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
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/148—Blades with variable camber, e.g. by ejection of fluid
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/04—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid having a turbine driving a compressor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • 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
    • F02C7/04—Air intakes for gas-turbine plants or jet-propulsion plants
    • F02C7/057—Control or regulation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/16—Control of working fluid flow
    • F02C9/20—Control of working fluid flow by throttling; by adjusting vanes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C9/00—Controlling gas-turbine plants; Controlling fuel supply in air- breathing jet-propulsion plants
    • F02C9/26—Control of fuel supply
    • F02C9/28—Regulating systems responsive to plant or ambient parameters, e.g. temperature, pressure, rotor speed
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02K—JET-PROPULSION PLANTS
    • F02K1/00—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto
    • F02K1/28—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto using fluid jets to influence the jet flow
    • F02K1/30—Plants characterised by the form or arrangement of the jet pipe or nozzle; Jet pipes or nozzles peculiar thereto using fluid jets to influence the jet flow for varying effective area of jet pipe or nozzle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/002—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer
    • F15D1/0065—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using active means, e.g. supplying external energy or injecting fluid
    • F15D1/008—Influencing flow of fluids by influencing the boundary layer using active means, e.g. supplying external energy or injecting fluid comprising fluid injection or suction means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2220/00—Application
    • F05D2220/30—Application in turbines
    • F05D2220/32—Application in turbines in gas turbines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/16—Fluid modulation at a certain frequency
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/202—Heat transfer, e.g. cooling by film cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15D—FLUID DYNAMICS, i.e. METHODS OR MEANS FOR INFLUENCING THE FLOW OF GASES OR LIQUIDS
    • F15D1/00—Influencing flow of fluids
    • F15D1/02—Influencing flow of fluids in pipes or conduits
    • F15D1/025—Influencing flow of fluids in pipes or conduits by means of orifice or throttle elements
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T50/00—Aeronautics or air transport
    • Y02T50/60—Efficient propulsion technologies, e.g. for aircraft

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Control Of Turbines (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)

Abstract

본 발명의 하나의 실시예는 시스템을 포함한다. 시스템은 터빈과 유체 공급 시스템을 포함한다. 터빈은 주요 유동 경로, 이 주요 유동 경로를 따라 배치된 복수의 터빈 블레이드, 주요 유동 경로를 따라 배치된 적어도 하나의 유동 제어 영역, 및 주요 유동 경로에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트를 포함한다. 유체 공급 시스템은 적어도 하나의 유체 분사 포트에 유체 연통되게 결합되며, 유체 공급 시스템은 적어도 하나의 유동 제어 영역의 유효 영역을 조절하도록 적어도 하나의 유체 분사 포트에 유체를 공급하도록 구성된다.

Description

터빈 내 유동 제어를 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR FLOW CONTROL IN TURBINE}
여기 개시된 주제는 터빈 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 가스 터빈 시스템 내 유동 제어에 관한 것이다.
터빈 시스템은 통상, 작동 유체에 의해 구동되는 하나 이상의 스테이지의 터빈 블레이드를 갖는 터빈을 포함한다. 예를 들면, 가스 터빈 시스템은 하나 이상의 연소기로부터 나오는 연소 가스에 의해 구동된다. 또한, 가스 터빈 시스템은 연소기 내에서 연료의 연소를 용이하게 하는 압축 공기를 생성하는 압축기를 포함할 수 있다. 소정의 용례에서, 가스 터빈 시스템을 통한 유동 경로(예컨대, 터빈을 통한 배기류 경로)의 기하학적 구조를 물리적으로 변경시킴으로써 가스 터빈 시스템을 통한 압력 및/또는 유동을 제어하는 것을 돕는 데 하나 이상의 가동 구조체가 사용될 수 있다. 불행히도, 가동 구조체는 열 응력, 마모, 및/또는 시간에 걸친 열화에 민감할 수 있다. 또한, 가동 구조체는 가스 터빈 시스템의 설계를 복잡하게 할 수 있다.
본 발명의 과제는, 전술한 단점을 완화 또는 해소하기 위한 터빈 시스템, 보다 상세하게는 가스 터빈 시스템 내 유동 제어를 제공하는 것이다.
최초 청구된 발명의 범위에 상응하는 특정 실시예들을 아래에 요약한다. 이들 실시예들은 청구된 발명의 범위를 한정하고자 의도된 것이 아니며, 오히려 이들 실시예는 단지 발명의 가능한 형태를 간단히 요약하고자 의도된 것이다. 실제로, 본 발명은 아래 설명되는 실시예와 유사하거나 상이할 수 있는 다양한 형태를 포괄할 수 있다.
제1 실시예에서, 시스템은 터빈과 유체 공급 시스템을 포함한다. 터빈은, 주요 유동 경로, 이 주요 유동 경로를 따라 배치된 복수의 터빈 블레이드, 주요 유동 경로를 따라 배치되는 적어도 하나의 유동 제어 영역, 및 주요 유동 경로에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트를 포함한다. 유체 공급 시스템은 적어도 하나의 유체 분사 포트에 유체 연통되게 결합되며, 유체 공급 시스템은 적어도 하나의 유동 제어 영역의 유효 영역을 조절하도록 적어도 하나의 유체 분사 포트에 유체를 공급하도록 구성된다.
제2 실시예에서, 시스템은 제어부를 포함한다. 제어부는 유체 공급 시스템으로부터, 터빈의 주요 유동 경로를 따른 적어도 하나의 유동 제어 영역에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트로의 유체의 공급을 제어하는 명령을 저장하는 메모리를 포함한다. 추가로, 제어부는 주요 유동 경로의 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 변화시키도록 유효 영역의 조절을 통해 유체의 공급을 조절하는 명령을 갖는다.
제3 실시예에서, 일 방법은 주요 유동 경로를 따라 배치된 복수의 터빈 블레이드를 구동시키도록 터빈을 통해 주요 유동 경로를 따라 작동 유체를 유동시키는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 유체 공급 시스템으로부터, 주요 유동 경로에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트로 유체를 공급하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 적어도 하나의 유동 제어 영역의 유효 영역을 조정하도록 적어도 하나의 유체 분사 포트로의 유체 공급을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명의 이러한 특징들, 양태들 및 장점들, 그리고 다른 특징들, 양태들 및 장점들은 도면 전체에 걸쳐 동일한 부분들을 동일한 부호로 나타내고 있는 첨부 도면을 참조로 다음의 상세한 설명을 파악할 때 더 잘 이해될 것이다.
도 1은 하나 이상의 블레이드, 하나 이상의 고정자 날개(stator vane) 및 외부 유체 공급부를 갖춘 터빈을 포함하는 일 실시 형태의 가스 터빈 시스템의 개략도이고;
도 2는 외부 유체 공급부로부터 터빈 내의 유동 제어 경로로 보내지는 압축 유체를 보여주는, 도 1의 일 실시 형태의 가스 터빈 시스템의 개략적인 측단면도이고;
도 3은 외부 공동 및 내부 공동을 통해 터빈의 유동 제어 경로로 보내지는 압축 유체를 더 보여주는, 도 1의 일 실시 형태의 외부 유체 공급 시스템의 3-3 라인 내에서 취한 개략적인 측단면도이고;
도 4는 고정 스트럿(stationary strut)과 내부 공동을 통해 압축 유체를 분사하는 것을 더 보여주는, 도 3의 일 실시 형태의 터빈의 4-4 라인을 따라 취한 개략적인 단면도이고;
도 5는 하나 이상의 고정자 날개 각각에 배치된 하나 이상의 유체 포트를 통해 압축 유체를 분사하는 것을 보여주는, 도 3의 일 실시 형태의 외부 유체 공급부의 개략적인 측단면도이고;
도 6은 하나 이상의 고정자 날개 각각에 배치된 하나 이상의 유체 포트를 통해 압축 유체를 분사하는 것을 보여주는, 도 4의 일 실시 형태의 터빈의 6-6 라인을 따라 취한 개략적인 측단면도이다.
본 발명의 하나 이상의 특정 실시예를 아래에 설명한다. 이들 실시예를 간결하게 설명하고자 하는 노력으로 실제 구현예의 모든 특징부들을 본 명세서에 기술하지는 않을 것이다. 임의의 엔지니어링 프로젝트 또는 설계 프로젝트에서와 같은 임의의 이러한 실제 구현예의 개발에 있어서 구현예마다 다를 수 있는 시스템 관련 제한 및 영업 관련 제한을 준수하는 것과 같이 개발자의 특정 목적을 달성하기 위해 다수의 구현예 맞춤형 결정을 행하여야 함을 알아야 한다. 더욱이, 이러한 개발 노력은 복잡하고 시간 소모적일 수 있지만 그럼에도 본 개시 내용의 이익을 향유하는 통상의 기술자에게는 설계, 제작 및 제조의 일상적인 루틴(routine)일 수 있음을 알아야 한다.
본 발명의 다양한 실시예의 요소들을 도입할 때, 단수형 표현은 하나 이상의 상기 요소가 존재함을 의미하도록 의도된다. 표현 "포함하는", "비롯한", 및 "갖는"은 포괄적임을 의도한 것으로, 열거된 요소가 아닌 추가의 요소가 존재할 수 있음을 의미한다.
아래 상세히 논의되는 바와 같이, 개시된 실시예들은 가스 터빈 엔진과 같은 터빈 엔진의 터빈 섹션 내에서의 유동 제어에 관한 것이다. 구체적으로, 개시된 실시예들은 터빈 섹션을 통한 주요 유동 경로 내의 가동 구조체(예컨대, 가동 날개)에 의해 달성되는 가변적 기하학적 구조 대신에, 유체 분사를 이용한 유동 제어에 관한 것이다. 유체 분사는 실제로 주요 유동 경로의 기하학적 구조를 변경시키지 않고 주요 유동 경로의 실제 기하학적 구조의 변경을 시뮬레이션한다. 예를 들면, 개시된 실시예들은, 터빈을 통한 고온 연소 가스의 통과를 위한 유효 영역을 조절(예컨대, 증가 또는 감소)하기 위해 외부 유체(예컨대, 공기, 증기, 이산화탄소, 또는 불활성 가스)의 분사를 수용하는 하나 이상의 유체-작동식 가변 유동 제어 영역(예컨대, 유체-작동식 가변 영역 터빈 노즐)을 갖는 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템을 포함한다. 유체 분사는 터빈 섹션, 하나 이상의 터빈 노즐 및/또는 고정자 날개, 하나 이상의 스트럿, 연소 가스의 주요 유동 경로 주변에 배치된 벽, 터빈 블레이드 위에 배치된 보호 덮개(shroud), 연소 가스의 주요 유동 경로를 따른 임의의 고정(예컨대, 비회전) 표면, 또는 이들의 임의의 조합을 통한 연소 가스의 주요 유동 경로의 경계를 형성하는 하나 이상의 벽을 통해 제공될 수 있다. 유체 분사는, 주요 유동 경로를 통한 연소 가스의 흐름을 감소시키거나 또는 제한하도록 증가될 수 있는 반면, 주요 유동 경로를 통한 연소 가스의 흐름을 증가시키도록 감소될 수 있다.
이제 도면을 참조하면, 도 1은 하나 이상의 유체-작동식 가변 유동 제어 영역 또는 유동 제어 경로(12)(예컨대, 유체-작동식 가변 영역 터빈 노즐)를 갖는 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)을 포함하는 일 실시 형태의 가스 터빈 시스템(10)을 나타낸 블록도이다. 아래에 상세히 설명되는 바와 같이, 개시된 가스 터빈 시스템(10)(예컨대, 가스 터빈 엔진)은 하나 이상의 연소기(13)를 갖는 연소 섹션을 포함할 수 있는데, 각각의 연소기(13)는 연료(15)와 압축 공기(16)를 혼합하는 하나 이상의 연료 노즐(14)을 포함한다. 이하의 논의에서는 압축 공기(16)를 언급하고 있지만, 가스 터빈 시스템(10)은 공기, 산소, 산소 농후 공기, 또는 산소 저감 공기와 같은 임의의 적절한 산화제(16)로 작동될 수 있다. 가스 터빈 시스템(10)은 가스 터빈 시스템(10)의 구동을 위해 액체 또는 천연 가스 및/또는 수소 농후 합성 가스와 같은 가스 연료(15)를 사용할 수 있다. 표현된 바와 같이, 하나 이상의 연료 노즐(14)은 연료(15)를 흡입하고, 연료(15)와 압축 공기(16)를 혼합하고, 공기-연료 혼합물을 연소에 적합한 비율로 연소기(13) 내로 분배한다. 공기-연료 혼합물은 연소기(13) 내에서 연소됨으로써 고온의 압축 연소 가스(18)[예컨대, 배기 가스(18)]를 생성한다. 연소기(13)는 연소 가스(18)를 터빈 섹션 또는 터빈(20)을 통해 유도하고, 배기 섹션(22)(예컨대, 배기 도관)을 통해 연소 가스(18)를 배기 가스(21)로서 배출한다. 연소 가스(18)가 터빈(20)을 통과할 때, 연소 가스(18)는, 터빈 블레이드(34)가 가스 터빈 시스템(10)의 축을 따라 샤프트(24)를 회전시키도록 강제한다. 예시된 바와 같이, 샤프트(24)는 하중체(26)를 포함하는 가스 터빈 시스템(10)의 다양한 구성요소에 연결될 수 있다. 하중체(26)는 예컨대, 차량 또는 항공기의 프로펠러 또는 발전소 내 발전기와 같은 고정 하중체의 일부일 수 있다. 하중체(26)는 가스 터빈 시스템(10)의 회전 출력으로 동력을 얻을 수 있는 임의의 적절한 장치를 포함할 수 있다. 또한, 샤프트(24)는 압축기(28)에 연결될 수 있다. 또한, 압축기(28)는 샤프트(24)에 결합된 블레이드를 포함한다. 샤프트(24)가 회전됨에 따라, 압축기(28) 내의 블레이드도 회전하게 되어 압축기(28)를 통해 공기 흡입구(32)로부터의 공기(30)를 압축하고 압축 공기(16)를 연료 노즐(14) 및/또는 연소기(13) 내로 보낼 수 있다.
특정 실시예에서, 터빈(20)은 하나 이상의(예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의) 터빈 스테이지(38)를 포함할 수 있고, 각각의 스테이지(38)는 복수의 터빈 블레이드(34), 및 복수의 고정자 날개(36)를 갖는 터빈 노즐(35)(예컨대, 가스 터빈 노즐)을 포함한다. 터빈 스테이지(38)는 축방향(40)을 따라 차례로 이격되어 있다. 다음의 논의에서는 가스 터빈 시스템(10)의 축방향 또는 축방향 축선(40)(예컨대, 종축), 가스 터빈 시스템(10)의 반경 방향 또는 반경방향 축선(42) 및 가스 터빈 시스템(10)의 외주 방향 또는 외주방향 축선(44)을 참고할 것이다. 추가로, 각각의 터빈 블레이드(34)는 구동 샤프트(24)에 분리 가능하게 결합될 수 있고, 터빈(20)의 작동 중에 종축(40)을 중심으로 외주 방향(44)으로 회전될 수 있다. 각각의 고정자 날개(36)는 터빈 케이싱(46)과 같은 터빈(20)의 고정자(예컨대, 고정식) 구성요소에 대해 분리 가능하게 결합되거나 및/또는 지지될 수 있으며, 통상적으로는 종축(26)을 중심으로 회전되지 않는다. 특정 실시예에서, 하나 이상(예컨대, 1, 2, 3, 4, 5 또는 그 이상)의 고정 스트럿(48)이 터빈(20)과 배기 섹션(22) 사이에 배치될 수 있다. 고정 스트럿(48)은 터빈(20)과 배기 섹션(22) 간의 전이부를 따라 구조적 지지를 제공함으로써 고온 연소 가스(18)가 터빈(20)으로부터 배기 섹션(22)으로 원활하게 전이될 수 있게 할 수 있다.
개시된 실시예에서, 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)은 외부 압축 유체 공급부(52)로부터, 터빈(20)을 통한 연소 가스(18)의 주요 유동 경로(55)를 따라 유체-작동식 가변 유동 제어 영역(12) 내로 압축 유체(50)를 선택적으로 공급하도록 구성되는데, 여기서 터빈 블레이드(34)가 주요 유동 경로(55) 내의 연소 가스(18)에 의해 구동된다. 터빈(20)의 유동 제어 영역(12)(또는 유동 제어 통로)은 터빈 블레이드(34)와 고정자 날개(36)에 대한 상류 및/또는 하류에서 연소 가스(18)의 주요 유동 경로(55)를 따라 실제의 또는 물리적인 개방 유동 영역(53)(이하 "실제 영역")을 가진다. 실제 영역(53)은 주요 유동 경로(55)를 따른 실제 단면 면적, 통로, 공간 또는 공동으로서 정의될 수 있다. 또한, 유동 제어 영역(12)은 압축 유체(50)의 분사에 응답하여 연소 가스(18)의 통로에 대한 기하학적 구조 또는 실제 개방 유동 영역의 물리적 변화를 시뮬레이션하는 것으로서 설명될 수 있는 시뮬레이션된 또는 유효한 개방 유동 영역(이하, "유효 영역")을 가진다. 다시 말하면, 압축 유체(50)의 분사는 실제로는 주요 유동 경로(55)의 실제 기하학적 구조를 변경하지 않으면서 주요 유동 경로(55)를 따라 가동 구조체(예컨대, 날개)의 사용과 관련된 실제 기하학적 구조의 변동을 시뮬레이션할 수 있다. 예를 들면, 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)이 압축 유체(50)를 유동 제어 영역(12)으로 공급하는 것을 선택적으로 증가시키면, 압축 유체(50)와 관련된 압력 및 유동의 증가는 실제 영역(53)에 대해 유효 영역(54)을 감소시켜 유동 제어 영역(12)을 통한 연소 가스(18)의 유동을 제한하거나 또는 감소시키게 될 것이다. 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)이 압축 유체(50)를 유동 제어 영역(12)으로 공급하는 것을 선택적으로 감소시키면, 압축 유체(50)와 관련된 압력 및 유동의 감소는 유효 영역(54)의 증가를 가져와 유동 제어 영역(12)을 통한 연소 가스(18)의 유동을 증가시키게 될 것이다.
아래 더 상세히 논의되는 바와 같이, 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)은 주요 유동 경로(55)와 해당 주요 유동 경로(55)를 따른 내벽 또는 허브(hub)를 둘러싸는 외벽(예컨대, 터빈 케이싱 및/또는 보호 덮개 세그먼트)을 따라 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트를 통해 또는 각각의 터빈 노즐(35) 내의 하나 이상의 반경 방향 구조체[예컨대, 고정자 날개(36) 및/또는 스트럿(48)]를 따라 압축 유체(50)를 유동 제어 영역(12) 내로 선택적으로 공급하도록 구성된다. 예를 들면, 유체 분사 포트는 각각의 터빈 노즐(35) 전체에 걸쳐 터빈(20) 내의 터빈 블레이드(34)의 인접하는 스테이지(38)들 사이에 배치될 수 있다. 유체 분사 포트는 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)이 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 조절 및 조정할 수 있게 한다.
외부 압축 유체 공급부(52)는 터빈(20)의 외부에 배치될 수 있다. 특정 실시예에서, 외부 압축 유체 공급부(52)의 압축 유체(50)는 가스 터빈 시스템(10)의 다른 구성요소로부터 제공되거나 외부 시스템 또는 외부 공정으로부터 제공될 수 있는 임의의 고압 유체일 수 있다. 일부 실시예에서, 압축 유체(50)는 외부 시스템 또는 외부 공정으로부터 유도되는 한 가지 유형의 고압 유체 또는 한 가지 이상의 다른 종류의 고압 유체로 이루어질 수 있다. 압축 유체(50)는 증기, 공기(예컨대, 압축 공기), 불활성 가스(예컨대, 질소, 아르곤, 헬륨, 네온, 크립톤 또는 제논), 이산화탄소 또는 다른 고압 외부 유체 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 따라서, 외부 압축 유체 공급부(52)는 공기 공급부, 증기 공급부, 불활성 가스 공급부, 이산화탄소 공급부, 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 압축 유체(50)(예컨대, 증기, 불활성 가스 또는 이산화탄소)는 반응기, 기화기, 합성 가스 냉각기, 가스 처리 시스템(예컨대, 산성 가스 제거 유닛), 열 회수 시스템[예컨대, 열 회수 증기 발생기(HRSG)], 보일러, 공기 분리 유닛(ASU), 액화 시스템 또는 임의의 다른 외부 시스템 또는 외부 공정에 의해 발생되거나 및/또는 그로부터 전달될 수 있다. 이들 시스템 중 임의의 시스템의 경우, 증기는 예컨대 화학 반응, 기화, 연소 또는 공장 설비에 의한 다른 열 전달을 이용하는 것과 같이 물을 증발시키기 위해 열(예컨대, 폐열)을 이용하여 압력 유체(50)로서 생성될 수 있다. 불활성 가스(예컨대, 질소 또는 아르곤)는 공기를 산소, 질소 및 아르곤으로 분리하는 극저온 증류 장비를 포함하는 ASU에 의해 생성될 수 있다. 또한, 압축 유체(50)(예컨대, 헬륨 등의 불활성 가스)는 헬륨을 제거하기 위해 액화 장비를 사용하는 액화 천연 가스(LNG) 시스템과 같은 액화 시스템에 의해 생성될 수 있다.
특정 실시예에서, 외부 압축 유체 공급부(52)는 임의의 유체를 수용할 수 있고, 가스 터빈 시스템(10)의 다른 구성요소 또는 외부 시스템 또는 외부 공정으로부터 나오는 에너지 또는 폐열로 해당 유체를 압축하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 배기 가스(21) 또는 시스템(10) 내의 다른 폐열원으로부터 나오는 폐열을 활용하여 유체(예컨대, 증기, 공기, 압축 공기, 불활성 가스)의 공급 온도 및/또는 공급 압력을 증가시켜 압축 유체(50)를 발생시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 외부 압축 유체 공급부(52)는 가스 터빈 시스템(10)의 작동 파라미터 또는 가스 터빈시스템(10)의 소망하는 작동 파라미터를 기초로 압축 유체(50)의 압력 및/또는 온도를 조절하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 외부 압축 유체 공급부(52)는 터빈(20) 내의 분사 위치를 기초로 압축 유체(50)의 압력[예컨대, 특정 터빈 노즐(35) 또는 터빈 스테이지(38)에서의 예상 압력 또는 실제 압력]을 목표 압력으로 또는 상한 압력 임계치 및 하한 압력 임계치 내로 조정하도록 구성될 수 있다. 추가의 예로서, 외부 압축 유체 공급부(52)는 터빈(20) 내의 분사 위치를 기초로 압축 유체(50)의 온도[예컨대, 특정 터빈 노즐(35) 또는 터빈 스테이지(38)에서의 예상 온도 또는 실제 온도]를 목표 온도로 또는 상한 온도 임계치 및 하한 온도 임계치 내로 조정하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예에서, 하나 이상의 터빈 섹션의 주요 유동 경로(55)를 따라 하나 이상의 독립 샤프트(24)가 배치될 수 있음을 주목해야 한다. 구체적으로, 하나 이상의 샤프트(24) 각각은 공기 역학적으로 그리고 임의의 기계적 커플링(coupling) 없이 결합될 수 있어서 각각의 샤프트(24)가 독립적인 샤프트 속도로 회전될 수 있게 한다. 또한, 하나 이상의 독립 샤프트(24) 각각의 사이에서 주요 유동 경로(55)를 따라 하나 이상의 유동 제어 영역(12)이 배치될 수 있다. 이러한 실시예에서, 외부 압축 유체 공급부(52)는 각각의 터빈 노즐(35) 내의 하나 이상의 반경 방향 구조체[예컨대, 고정자 날개(36) 및/또는 스트럿(48)] 또는 연소 가스의 주요 유동 경로를 따른 임의의 고정(예컨대, 비회전) 표면을 따라 주요 유동 경로(55)와 해당 주요 유동 경로(55)를 따른 내벽 또는 허브를 둘러싸는 외벽(예컨대, 터빈 케이싱 및/또는 보호 커버 세그먼트)을 따라 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트를 통해 하나 이상의 유동 제어 영역(12) 각각으로 압축 유체(50)를 공급하도록 구성될 수 있다. 유체 분사 포트는, 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)이 하나 이상의 독립 샤프트(24) 사이에 배치된 하나 이상의 유동 제어 영역(12) 각각의 유효 영역(54)을 조절 및 조정할 수 있게 한다.
특정 실시예에서, 제어부(56)(예컨대, 전자 제어기)는 터빈(20)을 통해 주요 유동 경로(55)를 따라 각각의 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 양을 동적 제어하도록(예컨대, 증가 및/또는 감소시키도록) 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어부(56)는 유체 공급 도관(51)을 따라 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 각각의 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 유량, 샤프트 속도, 유체량 또는 임의의 다른 작동 파라미터를 조절하기 위해 하나 이상의 제어 신호를 통해 밸브(58)(예컨대, 유동 제어 밸브)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성될 수 있다. 추가의 예로서, 제어부(56)는 가스 터빈 시스템(10)의 작동 파라미터를 기초로 압축 유체(50)의 다른 작동 파라미터(예컨대, 압력, 온도 및/또는 유체 조성)를 변화시키도록 구성될 수 있다. 추가로, 제어부(56)는 터빈(20) 내에 배치되거나 가스 터빈 시스템(10) 도처에 배치된 하나 이상의 센서로서, 한정되는 것은 아니지만, 압력 센서, 온도 센서, 유량 센서, 샤프트 속도 센서, 유체 조성 센서, 배기 배출물(예컨대, 이산화탄소, 산화질소, 산화황, 미연소 연료, 및/또는 입자 물질) 센서 및 진동 센서와 같은 하나 이상의 센서(60)로부터 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 센서(60)는 압축 유체(50), 고온 연소 가스(18), 유동 제어 영역(12), 터빈(20)을 통한 변화(예컨대, 유입구로부터 유출구까지, 스테이지 사이, 또는 양자 모두에서의 변화)의 작동 파라미터 및/또는 가스 터빈 시스템(10)의 다른 다양한 작동 파라미터에 관한 정보를 수집하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 연소 가스(18)의 온도, 압력, 유량, 샤프트 속도, 가스량 또는 유체 조성에 관한 정보가 센서(60)에 의해 수집될 수 있다. 특정 실시예에서, 하나 이상의 센서(60)가 연소기(13) 내에 배치될 수 있고, 연소기(13) 내의 연소 역학과 관련된 정보, 예컨대, 생성되는 연소 가스의 양 또는 흐름, 배기 조성, 연료 조성, 연료 온도, 압력 또는 연소 역학에 관련된 임의의 다른 파라미터에 관련된 정보를 수집하도록 구성될 수 있다.
특정 실시예에서, 제어부(56)는 센서(60)로부터 수신된 신호를 기초로 각각의 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 파라미터(예컨대, 압력, 온도, 유량, 샤프트 속도, 양, 조성 등)를 조절할 수 있다. 예를 들면, 제어부(56)는 압축 유체(50)의 압력이 압력 임계치에 대해 크거나, 동일하거나, 작게 되도록, 또는 압력 상한과 압력 하한 사이에 있도록, 센서(60)로부터의 압력 피드백을 기초로 각각의 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 압력을 조절할 수 있다. 압력 임계치는, 압축 유체(50)의 분사 압력이 유동 제어 영역(12)을 통해 유동되는 고온 연소 가스(18)의 압력과 실질적으로 매칭(matching)되도록 유동 제어 영역(12) 근처에서의 센서(60)의 피드백을 기초로 정해질 수 있다.
특정 실시예에서, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로 유입되는 압축 유체(50)를 증가시켜 연소 가스(18)가 터빈(20)을 통해 유동될 수 있는 유효 영역(54)을 감소시키고 연소 가스(18)의 유동을 감소시키도록 밸브(58)를 개방시킬(또는 개방도를 증가시킬) 수 있다. 유사하게, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로 유입되는 압축 유체(50)의 분사를 감소시켜 연소 가스(18)가 터빈(20)을 통해 유동될 수 있는 유효 영역(54)을 증가시키고 연소 가스(18)의 유동을 증가시키도록 밸브(58)를 폐쇄시킬(또는 개방도를 감소시킬) 수 있다. 이러한 방식으로, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로 유입되는 압축 유체(50)의 분사를 제어하여(예컨대, 증가 또는 감소시켜) [예컨대, 실제 영역(53)의 물리적 기하학적 변동을 시뮬레이션하여] 터빈(20)의 유동 제어 영역(12)을 통과하는 연소 가스(18)의 흐름을 제어함으로써(예컨대, 증가 또는 감소시킴으로써) 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 선택적으로 조절한다. 또한, 연소 가스(18)의 흐름을 제어하기 위해 유동 제어 영역(12) 내로 들어가는 유체 분사를 제어하는 것은, 주요 유동 경로(55)를 따른 기하학적 구조를 조정하기 위해 임의의 가동 구조체(예컨대, 날개)를 사용하는 것을 줄이거나 배제하는 데 도움이 된다.
특정 실시예에서, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)를 제어하는 다양한 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제어부(56)는 프로세서(62)와 메모리(64)를 포함할 수 있다. 또한, 특정 실시예에서, 제어부(56)는 센서(60), 밸브(58) 및/또는 시스템(10)의 다른 다양한 구성요소와의 인터페이스(interface) 연결을 위한 하드웨어 인터페이스를 포함할 수 있다. 표현된 바와 같이, 프로세서(62) 및/또는 다른 데이터 처리 회로는 메모리(64)에 작동 가능하게 결합되어 시스템(10)의 모니터링 및 제어를 위한 명령을 수신 및 실행할 수 있다. 예를 들면, 이들 명령은 유형(有形)의 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체의 예일 수 있는 메모리(64) 내에 저장된 프로그램 또는 소프트웨어 내에 인코딩될 수 있고, 현재 알려진 기술을 수행할 수 있도록 프로세서(62)에 의해 접근 및 실행될 수 있다. 메모리(64)는 대용량 기억 장치, FLASH 메모리 장치, 외장형 메모리, 또는 임의의 다른 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체일 수 있다. 추가로 및/또는 대안으로, 상기 명령은, 해당 명령 또는 루틴을 전술한 메모리(64)와 유사한 방식으로 적어도 집합적으로 저장하는 적어도 하나의 유형의 비일시적인 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 추가적인 적절한 제조 물품에 저장될 수 있다.
도 2는 종축(40)을 따른 일 실시 형태의 가스 터빈 시스템(10)의 측단면도로서, 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)을 추가로 예시하는 도면이다. 가스 터빈 시스템(10)은 종축(40)을 중심으로 환형 배열로 배치될 수 있는 하나 이상의 연소기(13)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 공기는 공기 흡입 섹션(32)을 통해 유입되어 압축기(28)에 의해 압축된다. 이후, 압축기(28)로부터의 압축 공기(16)는 연소기(13) 내로 유도되고, 거기에서 압축 공기(16)가 연료(15)와 혼합된다. 압축 공기(16)와 연료(15)의 혼합물은 전체적으로 연소기(13) 내에서 연소되어 고온 고압의 연소 가스(18)를 발생시키는데, 해당 연소 가스는 터빈(20) 내에서의 토크를 발생시키는 데 사용된다. 구체적으로, 각각의 연소기(13)는, 고온 연소 가스를 연소기(13)로부터 터빈(20) 내로 유도하는 전이부(66)를 포함할 수 있다. 특히, 각각의 전이부(66)는 통상 연소기(13)로부터 터빈(20)의 하나 이상의 터빈 스테이지(38)까지 고온 연소 가스(18)를 위한 주요 유동 경로(55)를 형성할 수 있다.
예를 들면, 예시된 실시예에서, 터빈(20)은 3개의 개별 스테이지(68, 70, 72)를 포함한다. 다른 실시예에서, 터빈(20)은 예컨대, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상의 임의의 수의 터빈 스테이지(38)를 포함할 수 있다. 각각의 스테이지(68, 70, 72)는 샤프트(24)에 회전 가능하게 결합된 복수의 터빈 블레이드(34)를 포함할 수 있다. 또한, 각각의 스테이지(68, 70, 72)는 각 세트의 터빈 블레이드(34)의 상류에 배치된 하나 이상의 고정자 날개(36)를 갖는 터빈 노즐(35)를 포함한다. 고정자 날개(36)는 고온 연소 가스(18)를 터빈 블레이드(34)를 향해 유도하고, 거기에서 고온 연소 가스(18)는 터빈 블레이드(34)에 원동력을 인가하여 터빈 블레이드(34)를 회전시킴으로써 샤프트(24)를 회전시킨다. 고온 연소 가스(18)는 주요 유동 경로(55)를 따라 각각의 스테이지(68, 70, 72)를 통해 유동함으로써 각각의 스테이지(68, 70, 72) 내의 블레이드(34)에 원동력을 인가한다. 이후, 고온 연소 가스(18)는 하류 방향(57)으로 유동하여 터빈(20)을 빠져나가 배기 섹션(22)으로 들어갈 수 있다. 배기 섹션(22)은 정압(static pressure)을 증가시켜 가스 터빈 시스템(10)의 일(work)을 감소시키면서도 배기 섹션(22)을 통한 유체 흐름의 속도를 감소시킬 수 있다. 특정 실시예에서, 배기 섹션(22)은 배기 섹션(22)(예컨대, 배기 도관)의 벽들 사이에 배치된 고정 스트럿(74)을 포함한다. 고정 스트럿(74)은 배기 섹션(22)의 벽을 다른 부분에 고정된 방식으로 유지하거나 및/또는 배기 섹션(22)에 구조적 지지를 제공할 수 있다. 배기 섹션(22) 내에는 임의의 수(예컨대, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 또는 그 이상)의 스트럿(74)이 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 압축 유체 공급부(52)로부터 공급되는 압축 유체(50)는 유동 제어 영역(12)의 유효 영역을 조절 및/또는 조정하기 위해 터빈(20)의 유동 제어 영역(12) 내로 보내질 수 있다. 구체적으로, 터빈(20)의 하나 이상의 구조적 구성요소 내의 하나 이상의 유체 분사 포트(예컨대, 개구 또는 유출구)로 압축 유체(50)의 하나 이상의 유동 경로가 마련될 수 있는데, 여기서 구조적 구성요소는 주요 유동 경로(55)와 직접 접촉되는 임의의 구조체(예컨대, 벽, 날개, 스트럿, 허브, 보호 덮개 등)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 특정 실시예에서, 압축 유체(50)의 흐름은 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 하나 이상의 터빈 노즐(35) 각각으로 및/또는 고정자 날개(36)로 보내질 수 있으며, 터빈 노즐(35) 및/또는 고정자 날개(36)에 배치된 하나 이상의 개구를 통해 터빈(20)의 유동 제어 영역(12) 내로 분사될 수 있다. 구체적으로, 특정 실시예에서, 압축 유체(50)는 도 3을 참조로 추가로 설명되는 바와 같이 터빈(20)의 외부 공동(76), 내부 공동(78) 및/또는 고정 스트럿(74)을 통해 각각의 터빈 노즐(35) 및/또는 고정자 날개(36)로 보내질 수 있다. 예를 들면, 압축 유체(50)는 외부 공동(76)을 통해 또는 고정 스트럿(74) 및 내부 공동(78)을 통해 또는 이들의 조합을 통해 각각의 터빈 노즐(35) 및/또는 고정자 날개(36)로 보내질 수 있다.
도 3은 도 1의 외부 압축 유체 공급부(52)를 갖는 일 실시 형태의 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)의 개략도로서, 터빈(20)의 외부 공동(76) 및 내부 공동(78)을 통해 터빈(20)의 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 하나 이상의 흐름을 더 예시하고 있다. 구체적으로, 특정 실시예에서, 터빈 스테이지(68, 70, 72, 73)와 같은 각각의 터빈 스테이지(38)는 터빈 노즐(35)과 고정자 날개(36) 세트(예컨대, 1~100개 이상의 날개) 및 터빈 블레이드(34) 세트(예컨대, 1~100개 이상의 블레이드)의 조합을 포함할 수 있다. 각 스테이지(38)에서, 고정자 날개(36)를 갖는 터빈 노즐(35)은 터빈 블레이드(34)의 상류에 배치될 수 있고, 터빈 노즐(35)의 하나 이상의 고정자 날개(36) 각각은 연소 가스(18)를 주요 유동 경로(55)를 따라 터빈 블레이드(34)를 향해 유도하도록 구성될 수 있다. 또한, 전술한 바와 같이, 고온 연소 가스(18)는 블레이드(34)에 원동력을 인가하여 블레이드(34)를 회전시킴으로써 샤프트(24)를 회전시킨다. 고온 연소 가스(18)는 각각의 터빈 스테이지(38)를 통해 유동함으로써 각각의 스테이지(68, 70, 72) 내의 터빈 블레이드(34)에 원동력을 인가하게 된다. 따라서, 고온 연소 가스(18)는 하나 이상의 터빈 스테이지(38)를 통해 주요 유동 경로(55)를 따라 하류 방향(57)으로 유동되어, 하나 이상의 터빈 스테이지(38) 각각에 있는 각각의 유동 제어 영역(12), 고정자 날개(36)를 갖는 터빈 노즐(35) 및 터빈 블레이드(34)를 통과한다.
특정 실시예에서, 압축 유체(50)의 하나 이상의 흐름이 터빈(20)의 터빈 케이싱(46)과 외부 공동(76)(예컨대, 외부 환형 공동)을 통해 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84)으로 보내질 수 있다. 외부 공동(76)은 제2 벽(84)(예컨대, 고온 벽, 내벽, 내부면 또는 보호 덮개) 주변에 배치된 제1 벽(80)(예컨대, 외벽, 외부면 또는 케이싱 벽)에 의해 형성될 수 있는데, 여기서 제2 벽(84)은 연소 가스(18)의 주요 유동 경로(55) 주변에 배치된다. 구체적으로, 압축 유체(50)는 터빈 케이싱(46)의 벽(80)으로부터 유동 제어 영역(12)을 향해 반경 방향(42)으로 제공된다. 특정 실시예에서, 터빈 케이싱(46)의 벽(80)에 배치된 하나 이상의 외부 유입구(82)(또는 도관)는, 하나 이상의 유체 분사 포트(100)(예컨대, 구멍, 개구 또는 유출구)를 포함하는 고정자 날개(36)와 유체 연통 가능하게 결합될 수 있다. 또한, 외부 유입구(82)는 수용된 압축 유체(50)를 터빈(20)의 외부 공동(76) 내로 보낼 수 있다. 특정 실시예에서, 외부 공동(76)의 벽(84)에 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트(83)(예컨대, 구멍, 개구 또는 유출구)는 도 5를 참조로 추가로 설명되는 바와 같이 압축 유체(50)를 고정자 날개(36) 내로 및/또는 직접 유동 제어 영역(12) 내로 보낼 수 있다.
특정 실시예에서, 압축 유체(50)의 하나 이상의 흐름은 고정 스트럿(74)을 통해 그리고 터빈(20)의 내부 공동(78)을 통해 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(85)으로 보내질 수 있다. 구체적으로, 압축 유체(50)는 터빈 케이싱(46)의 벽(80)으로부터 반경 방향(42)으로 내부 공동(78)을 향해 제공될 수 있다. 예를 들면, 터빈 케이싱(46)의 벽(80)에 배치된 하나 이상의 외부 유입구(82)가 하나 이상의 고정 스트럿(74)과 유체 연통되게 결합될 수 있다. 또한, 외부 유입구(82)는 수용된 압축 유체(50)를 고정 스트럿(74) 내로 보낼 수 있고, 터빈(20)의 내부 공동(78)을 향해 압축 유체(50)를 보낼 수 있다. 도 5를 참조로 추가로 설명되는 바와 같이, 내부 공동(76)의 벽(85)(예컨대, 고온 벽, 허브 또는 내부면) 상에 배치되고 고정자 날개(36)와 정렬된 하나 이상의 유체 포트(83)는 압축 유체(50)를 고정자 날개(36) 내로 보낼 수 있다. 추가로, 특정 실시예에서, 하나 이상의 유체 포트(83)는 도 5를 참조로 추가로 설명되는 바와 같이 압축 유체(50)를 내부 공동(78)으로부터 직접 유동 제어 영역(12) 내로 보낼 수 있다. 실제로, 고정 스트럿(74)은, 압축 유체(50)가 내부 공동(78)으로부터 반경 방향으로 유동 제어 영역(12)을 향해 보내지도록, 압축 유체의 하나 이상의 개별 흐름을 내부 공동(78)으로 보내는 통로로서 활용될 수 있다. 도 5를 참조로 추가로 설명되는 바와 같이, 각각의 고정자 날개(36) 상의 하나 이상의 유체 분사 포트(100)는 압축 유체(50)를 고정자 날개(36)로부터 유동 제어 영역(12) 내로 보낼 수 있다.
전술한 바와 같이, 소정의 실시에에서, 제어부(56)는 주요 유동 경로(55)를 따라 예컨대 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)으로부터 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 분사를 제어하는 것에 의해 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 조절 또는 제어할 수 있다. 제어부(56)는, 예컨대 연소 가스(18)의 주요 유동 경로(55)를 따라, 가스 터빈 시스템(10) 도처에 배치된 하나 이상의 센서(60)로부터 수신된 피드백을 기초로 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)을 통해 압축 유체(50)를 각각의 터빈 스테이지(38)로 보낼 수 있다. 특정 실시예에서, 제어부(56)는 센서(60)로부터 수신된 신호를 기초로 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 파라미터(예컨대, 압력, 온도, 유량, 샤프트 속도, 양, 조성 등)를 조절하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로 보내지는 압축 유체(50)의 다양한 파라미터를 동적으로 제한하도록 또는 제어하도록 구성될 수 있다. 일부의 상황에서, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 유동 또는 공급을 증가시켜 유효 영역(54)을 감소시킴으로써 주요 유동 경로(55)를 따른 연소 가스(18)의 흐름을 감소시키거나 또는 제한할 수 있다. 마찬가지로, 일부의 상황에서, 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 유동 또는 공급을 감소시켜 유효 영역(54)을 증가시킴으로써 주요 유동 경로(55)를 따른 연소 가스(18)의 흐름을 증가시킬 수 있다. 특히, 제어부(56)는 가스 터빈 시스템(10)의 효율을 향상시키도록 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 동적으로 제어하도록 구성될 수 있음을 주목해야 한다. 구체적으로, 제어부(56)는 터빈(20)의 유입구와 유출구 사이에서 연소 가스(18)의 압력 비율 및/또는 유량 비율을 제어하기 위해 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 조정 또는 조절할 수 있다. 또한, 이러한 방식으로 압력 비율 및/또는 유량 비율을 제어하는 것은, 터빈(20)의 속도를 제어함으로써 가스 터빈 시스템(10)의 효율을 향상시킬 수 있다.
특정 실시예에서, 제어부(56)는 각각의 터빈 스테이지(38)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85) 내로의 압축 유체(50)의 분사를 제어하는 것에 의해 각각의 터빈 스테이지(38)에 인접한 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 조절 또는 제어할 수 있다. 예를 들면, 각각의 터빈 스테이지(38)에 있는 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)은 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 압축 유체(50)의 개별 흐름을 수용할 수 있다. 구체적으로, 예시된 실시예에서, 제1 터빈 스테이지(68)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)은 압축 유체(50)의 제1 흐름(88)을 수용할 수 있고; 제2 터빈 스테이지(70)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)은 압축 유체(50)의 제2 흐름(90)을 수용할 수 있고; 제3 터빈 스테이지(72)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)은 압축 유체(50)의 제3 흐름(92)을 수용할 수 있고; 제4 터빈 스테이지(73)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)은 압축 유체(50)의 제4 흐름(94)을 수용할 수 있다. 특정 실시예에서, 제어부(56)는 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)이 내부 공동(78)과 외부 공동(80)을 통해 유사한 파라미터의 압축 유체(50)를 수용하도록 내부 공동(78)과 외부 공동(76)을 통해 특정 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)에 제공되는 압축 유체(50)의 파라미터를 조절하도록 구성될 수 있음을 주목해야 한다. 따라서, 예시된 실시예에서, 제4 터빈 스테이지(73)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36), 및/또는 고온 벽(84, 85)은 압축 유체(50)의 제4 흐름(94)과 실질적으로 유사한, 압축 유체(50)의 제5 흐름(95)을 수용할 수 있다.
특정 실시예에서, 제어부(56)는 각각의 터빈 스테이지(38)로의 압축 유체(50)의 각각의 흐름[예컨대, 제1 흐름(88), 제2 흐름(90), 제3 흐름(92) 또는 제4 흐름(94) 등]의 파라미터를 동적으로 제어하도록 또는 제한하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 제어부(56)는 터빈(20)의 각각의 스테이지(38)에 있는 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)으로 보내지는 압축 유체(50)의 각각의 흐름의 압력, 유량, 샤프트 속도, 흐름, 흐름량, 조성, 온도 또는 이들의 조합을 조절하도록 또는 제어하도록 구성될 수 있다. 따라서, 일부의 상황에서, 제어부(56)는, 제1 터빈 스테이지(68) 및 제2 터빈 스테이지(70)의 유동 제어 영역(12)을 독립적으로 제어하기 위해, 압축 유체(50)의 제1 흐름(80)의 압력이 압축 유체(50)의 제2 흐름(82)과 다르게 되도록 조절할 수 있다. 추가의 예로서, 제어부(56)는, 각각의 터빈 스테이지(38)의 유동 제어 영역(12)을 독립적으로 제어하기 위해, 각각의 터빈 스테이지(38)의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)으로 보내지는 압축 유체(50)의 유량을 조절하도록 하나 이상의 제어 신호를 통해 하나 이상의 밸브(58)를 개방 또는 폐쇄하도록 구성될 수 있다.
도 4는 도 3의 터빈(20)의 일 실시 형태의 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)의 개략적 단면도로서, 고정 스트럿(74) 세트(예컨대, 4개의 스트럿)와 내부 공동(78)을 통한 압축 유체(50)의 분사를 추가로 예시하는 도면이다. 전술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 압축 유체(50)는 하나 이상의 고정 스트럿(74)을 통해 하나 이상의 스테이지(38)에 있는 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)으로 보내질 수 있다. 구체적으로, 외부 유입구(82)는 고정 스트럿(74)과 정렬되고 고정 스트럿에 유체 연통되게 결합될 수 있고, 압축 유체(50)를 터빈 케이싱(46)을 통해 내부 스트럿 채널(96)로 보낼 수 있다. 고정 스트럿(74)은 내부 스트럿 채널(96)을 통해 내부 공동(78)으로 압축 유체(50)의 하나 이상의 흐름을 보내도록 구성될 수 있다. 또한, 도 3을 참조로 전술한 바와 같이, 압축 유체(50)의 하나 이상의 흐름은 내부 공동(78)으로부터 터빈(20)의 하나 이상의 스테이지(38)에 있는 각각의 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(85) 내로 보내질 수 있다. 이러한 방식으로, 압축 유체(50)는, 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)이 압축 유체(50)를 터빈(20)의 외부 케이싱 벽(80)과 내부 벽(84) 모두로부터 수용하도록, 내부 공동(78)을 통해 반경 방향(42)으로 유동 제어 영역(12)을 향해 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(85)으로 보내질 수 있다.
도 5는 도 3의 외부 압축 유체 공급부(52)를 갖는 일 실시 형태의 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)의 세부 개략도로서, 하나 이상의 고정자 날개(36) 각각에 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트(100)로부터 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 분사를 예시하고 있다. 유체 분사 포트(100)는 각각의 고정자 날개(36)의 선도 엣지(102), 후미 엣지(104) 또는 선도 엣지(102)와 후미 엣지(104) 사이의 중앙부(106)를 따라 배치될 수 있다. 또한, 유체 분사 포트(100)는 각각의 고정자 날개(36)의 양측에 배치될 수 있다. 결국, 포트(100)로부터의 유체 분사는 상류 축방향, 하류 축방향 및 대향하는 외주 방향들로 배향될 수 있다. 각각의 고정자 날개(36)는 예컨대 1~1000개, 5~500개, 10~100개, 또는 20~50개의 포트(100)와 같이 임의의 적절한 개수, 크기, 형태 및 분포의 포트(100)를 가질 수 있다. 포트(100)는 균일한 크기 또는 불균일한 크기, 균일한 분포 또는 간격 혹은 불균일한 분포 또는 간격, 균일한 형상 또는 불균일한 형상(예컨대, 원형, 타원형, 직사각형 등) 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다. 전술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 압축 유체(50)는 터빈(20)의 외부 공동(76)과 내부 공동(78)을 통해 각각의 고정자 날개(36)로 보내질 수 있다. 예를 들면, 압축 유체(50)는 터빈 케이싱(46) 상에 배치된 외부 유입구(82)를 통해 터빈(20)의 외부 공동(76) 내로 보내질 수 있다. 또한, 압축 유체(50)는 고정 스트럿(74)을 통해 터빈(20)의 내부 공동(78) 내로 보내질 수 있다.
전술한 바와 같이, 특정 실시예에서, 외부 공동(76)의 벽(84)과 내부 공동(78)의 벽(85) 상에 배치된 하나 이상의 유체 포트(83)는 압축 유체(50)를 고정자 날개(36)로 보낼 수 있다. 특히, 압축 유체(50)는 고정자 날개(36) 상에 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트(100)를 통해 터빈(20)의 유동 제어 영역(12) 내로 분사된다. 이러한 방식으로, 유동 제어 영역(12) 내로 분사된 압축 유체(50)는 고정자 날개(36)의 표면 상에 막을 형성할 수 있고, 추가로 유동 제어 영역(12) 내로 팽창될 수 있다. 특정 실시예에서, 고온 벽(84, 85) 내의 하나 이상의 유체 포트(83)는 압축 유체(50)를 내부 공동(78) 및/또는 외부 공동(76)으로부터 직접 유동 제어 영역(12) 내로 보낼 수 있다. 유체 포트(83)는 각각의 고정자 날개(36)의 선도 엣지(102)에 또는 그 상류에, 각각의 고정자 날개(36)의 후미 엣지(104)에 또는 그 하류에, 및/또는 각각의 고정자 날개(36)의 중앙부(106)를 따라 위치될 수 있다[예컨대, 고정자 날개(36) 내로 및/또는 직접 유동 제어 영역(12) 내로의 분사를 위함]. 포트(100)와 유사하게, 벽(84, 85)은 예컨대, 각각의 유동 제어 영역(12)과 관련된 1~1000개, 5~500개, 10~100개, 또는 20~50개의 유체 포트(83)와 같이 임의의 적절한 개수, 크기 및 분포의 유체 포트(83)를 가질 수 있다. 유체 포트(83)는 균일한 크기 또는 불균일한 크기, 균일한 분포 또는 간격 혹은 불균일한 분포 또는 간격, 균일한 형상 또는 불균일한 형상(예컨대, 원형, 타원형, 직사각형 등) 또는 이들의 임의의 조합을 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 유동 제어 영역(12) 내로 압축 유체(50)를 분사하는 것은 유효 영역(54)을 감소시켜, 주요 유동 경로(55)를 따른 연소 가스(18)의 흐름을 감소시키거나 또는 제한할 수 있다. 마찬가지로, 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 분사를 감소시키는 것은, 유효 영역(54)을 증가시켜 주요 유동 경로(55)를 따른 연소 가스(18)의 흐름을 완화 또는 증가시킬 수 있다.
도 6은 도 3의 외부 유체 공급부(52)를 갖는 일 실시 형태의 유체-작동식 가변 유동 제어 시스템(11)의 세부 개략도로서, 하나 이상의 고정자 날개(36) 각각에 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트(100)를 통한 압축 유체(50)의 분사를 예시하고 있다. 예시된 바와 같이, 유체 분사 포트(100)는 각각의 고정자 날개(36)의 선도 엣지(102) 그리고 각각의 고정자 날개(36)의 후미 엣지(104)를 따라 각각의 고정자 날개(36)의 양측(108)에[예컨대, 중앙부(106)를 따라] 배치된다. 결국, 포트(100)로부터의 유체 분사는 상류 축방향, 하류 축방향 및 대향하는 외주 방향들로 배향될 수 있다. 특정 실시예에서, 포트(100)는 터빈(20)의 회전축으로부터 오프셋(offset)되게 각도를 이루어, 주요 유동 경로(55) 내로 분사되는 유체에 소용돌이 운동 또는 회전 운동을 부여할 수 있다. 압축 유체(50)는 터빈(20)의 외부 공동(76)과 내부 공동(78)을 통해 각각의 고정자 날개(36)로 보내질 수 있다. 구체적으로, 특정 실시예에서, 압축 유체(50)는 터빈(20)의 각각의 유동 제어 영역(12) 내로 분사되기 전에 유체 포트(83)를 통해 고정자 날개(36) 내로 보내질 수 있다. 특정 실시예에서, 압축 유체(50)는 유동 포트(83)를 통해 직접 내부 공동(78) 또는 외부 공동(76)으로부터 유동 제어 영역(12) 내로 보내질 수 있다. 유동 포트(83)로부터의 유체 분사는 고온 벽(84)으로부터 내향 반경 방향으로 그리고 고온 벽(85)으로부터는 외향 반경 방향으로 배향될 수 있다. 특정 실시예에서, 유체 포트(83)는 터빈(20)의 회전축으로부터 오프셋되게 각도를 이루어, 주요 유동 경로(55) 내로 분사되는 유체에 소용돌기 운동 또는 회전 운동을 부여할 수 있다. 이들 유체 분사 위치 각각을 이용하는 것을 통해, 압축 유체(50)는 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 터빈(20)의 유동 제어 영역(12)으로 제공될 수 있다.
개시된 실시예의 기술적 효과는, 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 그리고 터빈(20)의 유동 제어 영역(12)으로 압축 유체(50)를 보내는 것을 포함한다. 구체적으로, 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 공급되는 압축 유체(50)는 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 조절 및 조정하기 위해 하나 이상의 유체 분사 포트[예컨대, 포트(100) 및/또는 유체 포트(83)]를 통해 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 유동 제어 영역(12) 내로 보내진다. 예를 들면, 압축 유체(50)는 외부 공동(76) 및/또는 내부 공동(78)을 통해 외부 압축 유체 공급부(52)로부터 터빈 노즐(35), 고정자 날개(36) 및/또는 고온 벽(84, 85)으로 보내질 수 있으며, 고정자 날개(36) 상에 배치된 하나 이상의 유체 분사 포트(100) 및/또는 벽(84, 85) 내의 유체 포트(83)를 통해 유동 제어 영역(12) 내로 분사될 수 있다. 추가의 예로서, 압축 유체(50)는 외부 압력 유체 공급부(52)로부터, 예컨대 고온 벽(84, 85) 내의 유체 포트(83)를 통해, 직접 외부 공동(76) 및/또는 내부 공동(78)으로부터 유동 제어 영역(12)으로 보내질 수 있다. 제어부(56)는 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 분사를 동적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 분사는 유효 영역(54)을 감소시켜 연소 가스(18)의 흐름을 감소시키거나 또는 제한할 수 있다. 마찬가지로, 유동 제어 영역(12) 내로의 압축 유체(50)의 분사를 감소시키는 것은 유효 영역(54)을 증가시켜 연소 가스(18)의 흐름을 증가시킬 수 있다. 유동 제어 영역(12)으로 보내지는 압축 유체(50)의 다양한 파라미터를 조절하는 것에 의해, 제어부(56)는 시스템(10)의 효율을 조절하도록 구성될 수 있다. 특히, 유동 제어 영역(12)의 유효 영역(54)을 제어하도록 그리고 연소 가스(18)의 흐름을 제어하도록 유체 분사를 이용하는 것은 실질적으로, 주요 유동 경로(55)의 기하학적 배치를 조절하기 위한 임의의 가동 구조체(예컨대, 조정 가능한 날개)의 사용을 감소 또는 배제할 수 있다.
이상 기술된 설명은 최상의 모드를 포함하는 본 발명을 개시하고, 당업자가 임의의 장치 또는 시스템을 구성 및 사용하는 것과 임의의 통합된 방법들을 실행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있게 하기 위해 여러 가지 예를 사용한다. 본 발명의 특허 가능한 범위는 특허청구범위에 의해 정해지며, 당업자가 착안할 수 있는 다른 예들을 포함할 수 있다. 이러한 다른 예들은, 해당 예들이 특허청구범위의 문자 그대로의 언어와 상이하지 않은 구조적 요소들을 구비하는 경우, 또는 그러한 예들이 특허청구범위의 문자 그대로의 언어와 미미한 차이를 갖는 균등한 구조적 요소들을 포함하는 경우, 특허청구범위의 범주 내에 있도록 의도된다.

Claims (20)

  1. 터빈 및 유체 공급 시스템을 포함하는 시스템으로서,
    상기 터빈은 주요 유동 경로, 이 주요 유동 경로를 따라 배치된 복수의 터빈 블레이드 및 적어도 하나의 샤프트, 상기 주요 유동 경로를 따라 배치되는 적어도 하나의 유동 제어 영역, 및 상기 주요 유동 경로에 유체 연통되게 결합되는 적어도 하나의 유체 분사 포트를 포함하고,
    상기 유체 공급 시스템은 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트에 유체 연통되게 결합되며, 상기 유체 공급 시스템은 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역의 유효 영역을 조절하기 위해 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트로 유체를 공급하도록 구성되는 것인 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 유동 제어 영역의 상기 유효 영역을 조절하기 위해 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트로의 유체의 공급을 제어하는 명령을 저장하는 메모리를 갖는 제어부
    를 포함하는 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 변화시키도록 상기 유효 영역을 조절하기 위해 상기 유체의 공급을 조정하는 명령을 갖는 것인 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 감소시키도록 상기 유효 영역을 감소시키기 위해 상기 유체의 공급을 증가시키는 명령을 가지며, 상기 제어부는 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 증가시키도록 상기 유효 영역을 증가시키기 위해 상기 유체의 공급을 감소시키는 명령을 가지는 것인 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는 상기 유체 공급 시스템에 의해 공급되는 유체의 파라미터를 조정하는 명령을 가지며, 상기 파라미터는 압력, 온도, 유량, 샤프트 속도, 조성 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 적어도 하나의 센서로부터의 센서 피드백, 파라미터와 관련된 적어도 하나의 임계치 또는 이들의 조합을 기초로 상기 유체 공급 시스템에 의해 공급되는 유체의 파라미터를 조정하는 명령을 갖는 것인 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 유체 공급 시스템은 공기 공급부, 증기 공급부, 불활성 가스 공급부, 이산화탄소 공급부 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트는 터빈 노즐, 고정자 날개(stator vane), 상기 주요 유동 경로 주변에 배치된 벽, 터빈 블레이드 위의 보호 덮개(shroud), 상기 주요 유동 경로를 따라 배치된 고정 표면 또는 이들의 임의의 조합에 배치된 것인 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트는, 상기 주요 유동 경로 주변에 배치된 제1 벽과 제2 벽 사이에 배치된 외부 공동, 상기 터빈의 회전축을 중심으로 배치된 제3 벽 내에 배치된 내부 공동, 상기 주요 유동 경로를 가로질러 연장되는 스트럿(strut) 또는 이들의 조합에 유체 연통되게 결합된 것인 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역은 상기 터빈의 복수의 스테이지 중 상이한 스테이지에 배치된 복수의 유동 제어 영역을 포함하고, 상기 복수의 유동 제어 영역의 각각의 유동 제어 영역은 상기 주요 유동 경로에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트를 포함하는 것인 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 터빈은 가스 터빈을 포함하고, 상기 가스 터빈은 상기 주요 유동 경로를 따라 유체 연통되게 결합된 하나 이상의 독립 샤프트를 포함하며, 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역은 상기 주요 유동 경로를 따라 상기 하나 이상의 독립 샤프트들 사이에 배치된 것인 시스템.
  12. 제어부를 포함하는 시스템으로서,
    상기 제어부는 유체 공급 시스템으로부터 터빈의 주요 유동 경로를 따르는 적어도 하나의 유동 제어 영역에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트로의 유체의 공급을 제어하는 명령을 저장하는 메모리를 포함하며, 상기 제어부는 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 변화시키도록 유효 영역을 조절하기 위해 유체의 공급을 조절하는 명령을 가지는 것인 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    유체 공급 시스템
    을 포함하며, 상기 유체 공급 시스템은 공기 공급부, 증기 공급부, 불활성 가스 공급부, 이산화탄소 공급부 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    터빈
    을 포함하며, 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트는 터빈 노즐, 고정자 날개, 상기 주요 유동 경로 주변에 배치된 벽, 터빈 블레이드 위의 보호 덮개, 상기 주요 유동 경로를 따라 배치된 고정 표면 또는 이들의 임의의 조합에 배치된 것인 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 상기 터빈은 가스 터빈을 포함하는 것인 시스템.
  16. 제12항에 있어서, 상기 제어부는 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 감소시키도록 상기 유효 영역을 감소시키기 위해 상기 유체의 공급을 증가시키는 명령을 가지며, 상기 제어부는 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 증가시키도록 상기 유효 영역을 증가시키기 위해 상기 유체의 공급을 감소시키는 명령을 가지는 것인 시스템.
  17. 제12항에 있어서, 상기 제어부는, 적어도 하나의 센서로부터의 센서 피드백, 파라미터와 관련된 적어도 하나의 임계치 또는 이들의 조합을 기초로 상기 유체 공급 시스템에 의해 공급되는 유체의 파라미터를 조정하는 명령을 가지며, 상기 파라미터는 압력, 온도, 유량, 조성 또는 이들의 조합을 포함하는 것인 시스템.
  18. 주요 유동 경로를 따라 배치된 복수의 터빈 블레이드를 구동시키도록 터빈을 통해 상기 주요 유동 경로를 따라 작동 유체를 유동시키는 단계;
    유체 공급 시스템으로부터 상기 주요 유동 경로에 유체 연통되게 결합된 적어도 하나의 유체 분사 포트로 유체를 공급하는 단계;
    상기 적어도 하나의 유동 제어 영역의 유효 영역을 조정하도록 상기 적어도 하나의 유체 분사 포트로의 상기 유체 공급을 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
  19. 제18항에 있어서, 상기 유체 공급을 제어하는 단계는, 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 작동 유체의 흐름을 감소시키도록 상기 유효 영역을 감소시키기 위해 상기 유체의 공급을 증가시키고, 상기 주요 유동 경로의 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역을 통한 상기 작동 유체의 흐름을 증가시키도록 상기 유효 영역을 증가시키기 위해 상기 유체의 공급을 감소시키는 것을 포함하는 것인 방법.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 주요 유동 경로를 따른 상기 적어도 하나의 유동 제어 영역과 관련된, 적어도 하나의 압력 임계치, 압력을 나타내는 센서 피드백 또는 이들의 조합을 기초로, 상기 유체 공급 시스템에 의해 공급되는 유체의 압력을 제어하는 단계
    를 포함하는 방법.
KR1020160057059A 2015-05-11 2016-05-10 터빈 내 유동 제어를 위한 시스템 및 방법 KR101956427B1 (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US14/709,343 US9957900B2 (en) 2015-05-11 2015-05-11 System and method for flow control in turbine
US14/709,343 2015-05-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160132774A true KR20160132774A (ko) 2016-11-21
KR101956427B1 KR101956427B1 (ko) 2019-03-08

Family

ID=55968920

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160057059A KR101956427B1 (ko) 2015-05-11 2016-05-10 터빈 내 유동 제어를 위한 시스템 및 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US9957900B2 (ko)
EP (1) EP3098393B1 (ko)
JP (1) JP6835480B2 (ko)
KR (1) KR101956427B1 (ko)
CN (1) CN106150703B (ko)
BR (1) BR102016009446A2 (ko)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130305738A1 (en) * 2012-05-17 2013-11-21 General Electric Company System and method for producing hydrogen rich fuel
US10030544B2 (en) * 2015-10-06 2018-07-24 Nuovo Pignone S.R.L. Extracting steam from a turbine
GB2566047B (en) * 2017-08-31 2019-12-11 Rolls Royce Plc Gas turbine engine
US11193854B2 (en) * 2018-06-20 2021-12-07 Rolls-Royce Plc Estimating fluid parameter
FR3092622B1 (fr) * 2019-02-12 2022-01-21 Safran Aircraft Engines Turbomachine comportant un echangeur de chaleur dans la veine secondaire
CN114364494B (zh) * 2019-09-13 2023-09-19 株式会社富士 工件搬运机器人
WO2022066471A1 (en) * 2020-09-22 2022-03-31 General Electric Company Turbomachine and system for compressor operation
CN112594065B (zh) * 2020-12-07 2022-09-06 中国航发沈阳发动机研究所 用于燃气涡轮发动机的气体燃料调节系统及其设计方法
US11858615B2 (en) 2022-01-10 2024-01-02 General Electric Company Rotating airfoil assembly with opening formed therein to eject or to draw air

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4660376A (en) * 1984-04-27 1987-04-28 General Electric Company Method for operating a fluid injection gas turbine engine
JP2011508139A (ja) * 2007-12-21 2011-03-10 グリーン パートナーズ テクノロジー ホールディングス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 気化性液体供給装置を採用するガスタービン・システム及び方法

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH357923A (fr) 1952-06-05 1961-10-31 Snecma Propulseur à réaction pourvu d'un dispositif de réglage de la section du jet propulsif
US2885856A (en) * 1956-03-23 1959-05-12 Curtiss Wright Corp Apparatus for increasing compressor pressure ratios in a gas turbine engine
US3403890A (en) 1965-07-15 1968-10-01 Sundstrand Corp Turbine
FR2487913A1 (fr) 1980-08-01 1982-02-05 Alsacienne Constr Meca Procede pour ameliorer le fonctionnement d'un turbo-compresseur de suralimentation d'un moteur thermique et turbo-compresseur pour la mise en oeuvre de ce procede
US4569195A (en) * 1984-04-27 1986-02-11 General Electric Company Fluid injection gas turbine engine and method for operating
US4631914A (en) * 1985-02-25 1986-12-30 General Electric Company Gas turbine engine of improved thermal efficiency
JP2003056406A (ja) * 2001-08-09 2003-02-26 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd 可変サイクルエンジン及びそのエンジンサイクル可変方法
US6602047B1 (en) * 2002-02-28 2003-08-05 General Electric Company Methods and apparatus for cooling gas turbine nozzles
GB0211350D0 (en) * 2002-05-16 2002-06-26 Rolls Royce Plc A gas turbine engine
US7251925B2 (en) 2004-10-14 2007-08-07 Hamilton Sundstrand Corporation Pressure-based fuel metering unit
GB0603285D0 (en) 2006-02-18 2006-03-29 Rolls Royce Plc A gas turbine engine
GB0607773D0 (en) 2006-04-20 2006-05-31 Rolls Royce Plc A gas turbine engine
EP2395222B1 (en) 2006-10-12 2019-06-26 United Technologies Corporation Gas turbine engine system and corresponding controlling method
US8418471B2 (en) 2006-10-12 2013-04-16 United Technologies Corporation Gas turbine engine having variable flow through a bifurcation having an intake with multiple louvers
US8276364B2 (en) 2006-10-12 2012-10-02 United Technologies Corporation Bladder type variable area fan nozzle
GB0700238D0 (en) 2007-01-06 2007-02-14 Rolls Royce Plc Nozzle arrangement
JP4930151B2 (ja) 2007-03-29 2012-05-16 株式会社Ｉｈｉ 可変ノズル機構付き膨張タービン
US20090016871A1 (en) * 2007-07-10 2009-01-15 United Technologies Corp. Systems and Methods Involving Variable Vanes
US8197209B2 (en) * 2007-12-19 2012-06-12 United Technologies Corp. Systems and methods involving variable throat area vanes
CH700796A1 (de) 2009-04-01 2010-10-15 Alstom Technology Ltd Verfahren zum CO-emissionsarmen Betrieb einer Gasturbine mit sequentieller Verbrennung und Gasturbine mit verbessertem Teillast- Emissionsverhalten.
EP2612009B1 (en) 2010-09-03 2020-04-22 ICR Turbine Engine Corporatin Gas turbine engine
JP5595232B2 (ja) * 2010-11-09 2014-09-24 三菱重工業株式会社 ガスタービンおよび冷却方法
EP2481885A1 (de) 2011-02-01 2012-08-01 Siemens Aktiengesellschaft Leitschaufelreihe sowie Verfahren zur Feinjustage der Schluckfähigkeit einer solchen Leitschaufelreihe
US8726629B2 (en) 2012-10-04 2014-05-20 Lightsail Energy, Inc. Compressed air energy system integrated with gas turbine

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4660376A (en) * 1984-04-27 1987-04-28 General Electric Company Method for operating a fluid injection gas turbine engine
JP2011508139A (ja) * 2007-12-21 2011-03-10 グリーン パートナーズ テクノロジー ホールディングス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング 気化性液体供給装置を採用するガスタービン・システム及び方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20160333794A1 (en) 2016-11-17
EP3098393B1 (en) 2020-12-23
BR102016009446A2 (pt) 2016-11-16
US9957900B2 (en) 2018-05-01
CN106150703A (zh) 2016-11-23
JP6835480B2 (ja) 2021-02-24
EP3098393A1 (en) 2016-11-30
JP2016211569A (ja) 2016-12-15
CN106150703B (zh) 2020-09-11
KR101956427B1 (ko) 2019-03-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101956427B1 (ko) 터빈 내 유동 제어를 위한 시스템 및 방법
EP3181829B1 (en) Gas turbine engine turbine cooling system
EP2615275B1 (en) Coolant Supply System
US10113486B2 (en) Method and system for modulated turbine cooling
JP2017015075A (ja) 発電システム排気冷却
CN103703218B (zh) 针对单轴燃气轮机的扩大范围的低排放燃烧减少空气质量流量的装置和方法
EP2669581A2 (en) Combustor with multiple combustion zones with injector placement for component durability
JP2008163945A (ja) コンバーチブルガスタービンエンジン
JPH0122459B2 (ko)
US9828887B2 (en) Power generation system having compressor creating excess air flow and turbo-expander to increase turbine exhaust gas mass flow
CN106121741A (zh) 用于废热供能的主动空隙控制的系统和方法
US10267160B2 (en) Methods of creating fluidic barriers in turbine engines
JP2016176466A (ja) 余剰空気を作り出す圧縮機および補助圧縮機を備える発電システム
JP2017015083A (ja) 発電システム排気冷却
EP3070300B1 (en) Power generation system having compressor creating excess air flow and cooling fluid injection therefor
EP3070293A1 (en) Power generation system having compressor creating excess air flow and turbo-expander for cooling inlet air
JP2017110650A (ja) タービン抽出による蒸気発生システム
US9915149B2 (en) System and method for a fluidic barrier on the low pressure side of a fan blade
US10233869B2 (en) System and method for creating a fluidic barrier from the leading edge of a fan blade
JP2004028098A (ja) １軸形ガスタービンの火炎温度の制御及び調節システム
US20140157788A1 (en) Fuel nozzle for gas turbine
EP3910175B1 (en) System and method for combining compressor bleed flow and ventilation flow of gas turbine engine
JP2004316506A (ja) 燃焼器、ガスタービン及びジェットエンジン
US10280872B2 (en) System and method for a fluidic barrier from the upstream splitter
US10309320B2 (en) Method for regulating a gas turbine

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
A302 Request for accelerated examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant