(57)【要約】【課題】タービンエンジンのタービン部を冷却するシステムおよび方法を提供すること。【解決手段】タービンエンジンのタービン部（４０）には、タービンエンジンのコンプレッサ部（２０）から得られる冷却空気のフローが供給される。コンプレッサ部から受け入れた空気自体が、タービンへと送達する前に冷却される。空気のフローから熱を逃がす複数のヒートパイプ（６２ａ〜ｅ）によって、空気のフローから熱が除去されて、空気がタービンに供給される前に空気の温度を低下させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンプレッサとタービンエンジンの少なくとも１つのタービン段との間に接続された冷却空気ダクトと、
前記冷却空気ダクト内に取り付けられた第１の端部を有する複数のヒートパイプとを備え、前記ヒートパイプが前記冷却空気ダクトを貫流する空気のフローから熱を逃がす、タービンエンジン用の伝熱システム。
【請求項２】
前記冷却空気ダクトが、前記コンプレッサから空気のフローを受け入れ、前記空気のフローを前記タービンエンジンの前記少なくとも１つのタービン段へと送達して、前記少なくとも１つのタービン段を冷却する、請求項１記載の伝熱システム。
【請求項３】
前記ヒートパイプの第２の端部が、前記ヒートパイプの前記第２の端部から熱を除去することを可能にする位置に設置される、請求項１記載の伝熱システム。
【請求項４】
前記ヒートパイプの第２の端部に連結された伝熱ユニットをさらに備え、前記冷却空気ダクトを貫流する前記空気のフローから前記ヒートパイプの前記第１の端部内へと伝達される熱が、前記伝熱ユニットによって前記ヒートパイプの前記第２の端部から除去される、請求項１記載の伝熱システム。
【請求項５】
冷却液のフローが前記伝熱ユニットを貫流し、前記伝熱ユニットを貫流する前記冷却液のフローによって、前記ヒートパイプの前記第２の端部から熱が除去される、請求項４記載の伝熱システム。
【請求項６】
前記冷却空気ダクトが、前記タービンエンジンの前記タービンの第２および第３の軸距（wheelspace）の少なくとも１つへと冷却空気を送達する、請求項１記載の伝熱システム。
【請求項７】
コンプレッサとタービンエンジンの少なくとも１つのタービン段との間に接続された冷却空気ダクトと、
前記冷却空気ダクトに連結された第１の伝熱ユニットと、
前記第１の伝熱ユニットに連結された第１の端部を有する複数のヒートパイプとを備え、前記第１の伝熱ユニットが、前記冷却空気ダクトを貫流する空気のフローから前記ヒートパイプの前記第１の端部内へと熱を伝達する、タービンエンジン用の伝熱システム。
【請求項８】
前記冷却空気ダクトが、前記コンプレッサから空気のフローを受け入れ、前記空気のフローを前記タービンエンジンの前記少なくとも１つのタービン段へと送達して、前記少なくとも１つのタービン段を冷却する、請求項７記載の伝熱システム。
【請求項９】
前記ヒートパイプの第２の端部が、前記ヒートパイプの前記第２の端部から熱を除去することを可能にする位置に設置される、請求項７記載の伝熱システム。
【請求項１０】
前記ヒートパイプの第２の端部に連結された第２の伝熱ユニットをさらに備え、前記冷却空気ダクトを貫流する空気のフローから前記ヒートパイプの前記第１の端部内へと伝達される熱が、前記第２の伝熱ユニットによって前記ヒートパイプの前記第２の端部から除去される、請求項７記載の伝熱システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンのタービン部を冷却するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンのタービン部は、１つまたは複数の燃焼器内で生成されている非常に熱い燃焼ガスを受け入れる。タービン内に設置された様々な構成要素が燃焼ガスの極高温に耐えるのを支援するため、冷却空気を使用してタービン内の様々な要素を冷却するのが一般的である。一部のタービンエンジンでは、タービンを冷却するのに使用される冷却空気は、タービンエンジンのコンプレッサ部から得られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第２００８／００５３１００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ヒートパイプを使用してタービンを冷却する。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
１つの態様では、本発明は、コンプレッサとタービンエンジンの少なくとも１つのタービン段との間に接続された冷却空気ダクトと、冷却空気ダクト内に取り付けられた第１の端部を有する複数のヒートパイプとを含み、ヒートパイプが冷却空気ダクトを貫流する空気のフローから熱を逃がす、タービンエンジン用の伝熱システムの形で具体化することができる。
【０００６】
別の態様では、本発明は、コンプレッサとタービンエンジンの少なくとも１つのタービン段との間に接続された冷却空気ダクトと、冷却空気ダクトに連結された第１の伝熱ユニットと、第１の伝熱ユニットに連結された第１の端部を有する複数のヒートパイプとを含み、第１の伝熱ユニットが、冷却空気ダクトを貫流する空気のフローからヒートパイプの第１の端部内へと熱を伝達する、タービンエンジン用の伝熱システムの形で具体化することができる。
【０００７】
さらに別の態様では、本発明は、タービンエンジンのコンプレッサから空気のフローを除去することと、冷却された空気のフローを作り出すため、複数のヒートパイプを用いて空気のフローから熱を除去することと、冷却された空気のフローを用いてタービンエンジンのタービンを冷却することとを含む方法として具体化することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】タービンエンジンの主要な要素を示す図である。
【図２】ヒートパイプを利用する冷却システムを備えたタービンエンジンを示す図である。
【図３】タービンエンジンを冷却するのに使用される冷却空気から熱を除去するのに使用されるシステムの重要な要素を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
タービンエンジンの主要な要素の図を図１に示す。タービンエンジンはコンプレッサ部２０およびタービン部４０を含む。コンプレッサ２０およびタービン４０内の回転要素は回転軸３２に接続される。
【００１０】
コンプレッサ２０から受け入れた圧縮空気は、燃焼器３０ａ、３０ｂ内で燃料と混合され、混合気は燃焼器内で点火される。次に、燃焼器３０ａ、３０ｂ内で作られた熱い燃焼ガスはタービン４０に供給される。
【００１１】
タービン部４０に供給された熱い燃焼ガスは、タービン内のノズルおよび他のホットパス構成要素（hot path components）を通って流れる。ノズルは、熱い燃焼ガスを最適な角度でタービン羽根に向かって導き、燃焼ガスによって、タービン羽根がタービンエンジンの軸３２を回転させる。熱い燃焼ガスは極高温であり、高温ガスは、タービン内のホットパス構成要素の劣化を引き起こす傾向がある。
【００１２】
タービン４０内の構成要素が熱い燃焼ガスの極高温に耐えるのを支援するため、冷却空気がタービン４０に供給される。図１に示されるように、冷却空気ダクト５０は、コンプレッサ部２０から空気を取り出し、それをタービン部４０へと渡す。コンプレッサ２０からタービン４０への冷却空気のフローを制御するため、１つまたは複数のバルブ５２が冷却空気ダクト５０内に設置されてもよい。
【００１３】
図２は、複数のヒートパイプ６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅが、冷却空気ダクトを貫流する空気のフローから熱を伝達する一実施形態を示す。図２に示されるように、ヒートパイプの第１の端部は、冷却空気ダクト５０を貫流する空気のフローを受け入れるか、またはそこから熱を除去する。次に、熱はヒートパイプの第２の端部に伝達される。次に、冷却ダクト５０を貫流する空気のフローから吸収された熱を、ヒートパイプの第２の端部から除去することができる。いくつかの実施形態では、熱は周囲空気へと排除することができる。他の実施形態では、ヒートパイプから除去した熱を別の副次目的に使用することができる。例えば、冷却空気のフローから除去した熱を、タービンエンジン内で燃焼される燃料を加熱すること、動力発生プロセス（power production process）の一部として使用される蒸気を再加熱すること、または他の有益な目的に使用することが知られている。
【００１４】
冷却空気ダクトを貫流する空気のフローから熱が除去されると、タービンに送達される冷却空気は低温であり、それによって冷却効果が向上する。これにより、同量の冷却空気でタービン内の要素をより良好に冷却することが可能になる。あるいは、空気がタービンに送達される前にヒートパイプを使用して空気が冷却される場合、コンプレッサからのより少量の空気でタービンを同程度冷却することができる。
【００１５】
当業者には知られているように、ヒートパイプは、典型的には、流体を内部に有する密閉パイプ（sealed pipe）を含む。ヒートパイプの第１の端部が加熱されると、第１の端部側の流体が気化し、蒸気がヒートパイプの第２の端部へと流れる。蒸気は、ヒートパイプの第２の端部へと流れると凝縮し、それによって初めに流体を気化させた熱が放出される。この気化および凝縮のプロセスは、ヒートパイプ内の材料の連続フローを作り出す傾向があり、それによって、パイプの第１の端部からパイプの第２の端部へと熱が効率的に伝達される。
【００１６】
無機材料コーティングヒートパイプ（inorganic material coated heat pipe）（ＩＭＣＨＰ）として知られる代替タイプのヒートパイプは、パイプの一端から他端へと熱を伝達するのに流体／蒸気材料を使用しない。無機材料コーティングヒートパイプの場合、パイプの内表面は特別な熱伝導材料でコーティングされる。パイプの内部に真空を作り出すため、蒸気はパイプ内から除去される。次に、パイプは恒久的に密閉される。ヒートパイプの内表面上に設置される特別な熱伝導性の無機材料は、パイプの一端から他端へと熱を伝達する。無機材料コーティングヒートパイプは、従来のヒートパイプよりも迅速に一端から他端へと熱を伝達することができる。
【００１７】
本発明の個々の実施形態は、流体を含有するヒートパイプ、無機材料コーティングヒートパイプ、または他のあらゆるタイプの熱管理デバイスを利用することができる。
【００１８】
図３は、エンジンのタービンに供給されるべき空気のフローから熱を除去するシステムの一実施形態を示す。図３に示されるように、コンプレッサから受け入れた冷却空気のフローは、冷却空気ダクト５０を介して伝達される。複数のヒートパイプ６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅの第１の端部は、冷却空気ダクト５０を貫流する空気のフローがヒートパイプの第１の端部を越えて流れるようにして取り付けられる。これにより、ヒートパイプの第１の端部が、冷却空気ダクト５０を貫流する空気のフローから熱を吸収することが可能になる。
【００１９】
図３に示される実施形態では、ヒートパイプの第２の端部は熱交換器７０内に設置され、周囲空気または他の何らかの冷却媒体のフローがヒートパイプの第２の端部を通過して、ヒートパイプの第２の端部から熱を除去する。熱交換器７０を貫流する冷却液のフローは、周囲空気、燃料ガス、冷却水、または他の何らかのタイプの媒体であることができる。
【００２０】
本発明の代替実施形態では、異なるタイプの熱交換器７０を使用して、ヒートパイプの第２の端部から熱を除去することができる。例えば、熱交換器７０を通る液体またはガスのフローを使用して、ヒートパイプの第２の端部から熱を除去することもできる。さらに他の実施形態では、ヒートパイプの第２の端部を固体の熱伝導材料に埋め込むことができ、固体の熱伝導材料を、ヒートパイプの第２の端部から熱を除去する役割を果たす液体またはガスのフロー中に位置させることができる。
【００２１】
また、上述したように、ヒートパイプの第２の端部から除去した熱を有益な目的に使用することができる。その例では、ヒートパイプの第２の端部から熱を除去するやり方は、熱エネルギーをどのような目的に活用するかに応じて変わり得る。例えば、建物を冷却するため、熱エネルギーを使用して吸収式冷凍機に動力を供給することができる。
【００２２】
図３に示される実施形態では、ヒートパイプの第１の端部は、単に冷却空気ダクト５０を貫流する空気のフロー中に設置されるものとして示されている。いくつかの実施形態では、熱交換器ユニット６０を使用して、冷却空気ダクト５０を貫流する空気のフローからヒートパイプの第１の端部内へと熱を伝達することができる。この熱交換器ユニット６０は、冷却ダクトを貫流する空気のフローからヒートパイプの第１の端部への伝熱を容易にする、二次流体または二次ガスを含むことができる。さらに他の実施形態では、ヒートパイプの第１の端部を固体の熱伝導材料中に取り付けることができ、その結果、固体材料を、冷却空気ダクト５０を貫流する空気のフロー中に位置させることができる。
【００２３】
さらに他の代替実施形態では、ヒートパイプのどちらかの端部または両端に冷却フィンを配置することができる。ヒートパイプの第１の端部の冷却フィンは、冷却空気ダクトを貫流する空気からヒートパイプ内への伝熱を容易にする。同様に、ヒートパイプの第２の端部のフィンは、ヒートパイプから周囲空気または他の何らかの媒体への伝熱を容易にする。
【００２４】
現在最も実用的かつ好ましいと見なされる実施形態に関連して本発明を記載してきたが、本発明は、開示の実施形態に限定されず、反対に、添付の請求項の趣旨および範囲内に含まれる様々な変形および等価の構成を包含するものであることを理解されたい。
【符号の説明】
【００２５】
２０  コンプレッサ部
３０ａ  燃焼器
３０ｂ  燃焼器
３２  回転軸
４０  タービン部
５０  冷却空気ダクト
５２  バルブ
６０  熱交換器ユニット
６２ａ  ヒートパイプ
６２ｂ  ヒートパイプ
６２ｃ  ヒートパイプ
６２ｄ  ヒートパイプ
６２ｅ  ヒートパイプ
７０  熱交換器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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