(57)【要約】      （修正有）【課題】ロータホイール内の流れを制御するシステムおよび方法を提供する。【解決手段】ガスタービンシステムを含む。システムは、ロータホイール３２と、ロータホイール３２上に半径方向に配設された１つまたは複数のインペラ翼とを含むことができる。システムはまた、隣接するインペラ翼によって画定された１つまたは複数の流体通路３６を含むことができる。１つまたは複数の流体通路３６は、ロータホイール３２を横切って半径方向に配設することができる。さらに、システムは、流体通路３６のそれぞれの流体通路３６内に配設された１つまたは複数の形状記憶合金弁を含むことができる。１つまたは複数の形状記憶合金弁は、流体通路３６を通る流体の流れを制御するため形状を変更するように構成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンシステムであって、
ロータホイールと、
前記ロータホイール上に半径方向に配設された複数のインペラ翼と、
複数の流体通路であって、複数の流体通路が前記ロータホイールを横切って半径方向に配設されるように、隣接するインペラ翼によって画定される、複数の流体通路と、
前記複数の流体通路の１つまたは複数の流体通路内に配設された１つまたは複数の形状記憶合金弁であって、前記流体通路を通る流体の流れを制御するため形状を変更するように構成された、１つまたは複数の形状記憶合金弁とを備えるシステム。
【請求項２】
前記形状記憶合金弁は、ガスタービンシステムの種々の負荷条件に応答して形状を変更する請求項１記載のシステム。
【請求項３】
ガスタービンシステムの前記種々の負荷条件は、ベース負荷または部分負荷の一方または両方を含む請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記形状記憶合金弁は、種々の周囲温度条件に応答して形状を変更する請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記形状記憶合金弁は、前記ロータホイールの温度に応答して形状を変更する請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記形状記憶合金弁は、
遷移温度を超えた第１の構成と、
前記遷移温度未満の第２の構成とを備える請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記形状記憶合金弁は、
前記流体通路に取付けられた固定端および自由端を備える第１の要素と、
第１の遷移温度に少なくとも部分的に基づく第１および第２の構成とを備える請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記形状記憶合金弁は、
前記第１の要素に対向して配設された第２の要素であって、前記流体通路に取付けられた固定端および自由端を備える、第２の要素を備え、
前記第２の要素は、第２の遷移温度に少なくとも部分的に基づく第１および第２の構成を備える請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記第１または第２の要素の前記第１または第２の構成は、全体が孤の形状を備える請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
ガスタービンシステムであって、
複数のロータホイールを備えるロータと、
前記ロータホイールのそれぞれのロータホイール上に半径方向に配設された複数のインペラ翼と、
複数の流体通路であって、複数の流体通路が前記ロータホイールを横切って半径方向に配設されるように、隣接するインペラ翼によって画定される、複数の流体通路と、
前記複数の流体通路の１つまたは複数の流体通路内に配設された１つまたは複数の形状記憶合金弁であって、前記流体通路を通る流体の流れを制御するため形状を変更するように構成された、１つまたは複数の形状記憶合金弁とを備えるシステム。
【請求項１１】
ロータホイールの１つまたは複数の流体通路内に位置決めされた１つまたは複数の形状記憶合金弁の構成を調節することであって、それにより、前記１つまたは複数の流体通路を通る流体の流れを制御する、調節すること、および、
前記ガスタービンシステムの負荷または温度条件に少なくとも部分的に基づいて第１の構成と第２の構成との間で前記形状記憶合金弁の構成を調節することを含む方法。
【請求項１２】
前記負荷条件はベース負荷または部分負荷の一方または両方を含み、前記流体通路内の前記形状記憶合金弁は、種々の動作温度を調節するために異なる温度範囲で、また、種々の負荷条件範囲で動作するように構成される請求項１１記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願の実施形態は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ロータホイール内の流れを制御するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、工業および商業運転において広く使用されている。典型的なガスタービンは、前部に圧縮機、中央に１つまたは複数の燃焼器、および後部にタービンを含む。圧縮機は、運動エネルギーを作動流体（たとえば空気）に与えて、高いエネルギーを与えられた状態の圧縮作動流体を生成する。圧縮作動流体は、圧縮機を出て、燃焼器に流れ、燃焼器において、圧縮作動流体は、燃料と混合し、点火して、高温および高圧を有する燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンに流れ、タービンにおいて、燃焼ガスは膨張して、仕事を生成する。たとえば、タービン内での燃焼ガスの膨張は、発電機に接続されたシャフトを回転させて、電気を生成することができる。
【０００３】
圧縮機およびタービンは、通常、圧縮機の前部の近くから、燃焼セクションを通って、タービンの後部の近くまで延在する共通ロータを共有する。ロータは、通常、ガスタービンの種々の構成要素を冷却するために、１つまたは複数の冷却用流れ通路を通して作動流体の一部分を流すように構成される。しかし、冷却用流れ通路は、ベース負荷条件のために構成される。
【０００４】
上記ニーズおよび／または問題のいくつかまたは全ては、本出願のいくつかの実施形態によって対処することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０２２６３２７号明細書
【発明の概要】
【０００６】
一実施形態によれば、ガスタービンシステムが開示される。システムは、ロータホイールと、ロータホイール上に半径方向に配設された１つまたは複数のインペラ翼とを含むことができる。システムはまた、隣接するインペラ翼によって画定された１つまたは複数の流体通路を含むことができる。１つまたは複数の流体通路は、ロータホイールを横切って半径方向に配設することができる。さらに、システムは、流体通路のそれぞれの流体通路内に配設された１つまたは複数の形状記憶合金弁を含むことができる。１つまたは複数の形状記憶合金弁は、流体通路を通る流体の流れを制御するため形状を変更するように構成することができる。
【０００７】
別の実施形態によれば、ガスタービンシステムが開示される。ガスタービンシステムは、複数のロータホイールを含むロータを含むことができる。システムはまた、ロータホイールのそれぞれのロータホイール上に半径方向に配設された１つまたは複数のインペラ翼を含むことができる。システムはまた、１つまたは複数の流体通路であって、１つまたは複数の流体通路がロータホイールを横切って半径方向に配設されるように、隣接するインペラ翼によって画定される、１つまたは複数の流体通路を含むことができる。さらに、システムは、流体通路のそれぞれの流体通路内に配設された１つまたは複数の形状記憶合金弁を含むことができる。１つまたは複数の形状記憶合金弁は、流体通路を通る流体の流れを制御するため形状を変更するように構成することができる。
【０００８】
さらに、別の実施形態によれば、方法が開示される。方法は、ロータホイールの１つまたは複数の流体通路内に１つまたは複数の形状記憶合金弁を位置決めすることを含むことができる。方法はまた、形状記憶合金弁の構成を調節することであって、それにより、流体通路を通る流体の流れを制御する、調節することを含むことができる。
【０００９】
本発明の他の実施形態、態様、および特徴は、以下の詳細な説明、添付図面、および添付特許請求の範囲から当業者に明らかになる。
【００１０】
必ずしも一定比例尺に従って描かれていない添付図面がここで参照される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】ある実施形態による、ガスタービンの例示的な断面図である。
【図２】ある実施形態による、ロータホイール組立体の例示的な斜視図である。
【図３】ある実施形態による、流体通路内に配設された形状記憶合金弁を含むロータホイール組立体の例示的な図である。
【図４】ある実施形態による、方法の例示的なフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
全てではないがいくつかの実施形態が示される添付図面を参照して、例証的な実施形態が、以降でより完全に述べられる。本出願は、多くの異なる形態で具現化されることができ、また、本明細書で述べる実施形態に限定されるものと解釈されるべきでない。同じ数字は、全体を通して、同じ要素を指す。
【００１３】
図１は、本明細書で種々の実施形態を示すために、例示的なガスタービン１０の断面図を提供する。図示するように、ガスタービン１０は、一般に、圧縮機１２と、圧縮機１２から下流の１つまたは複数の燃焼器１４と、燃焼器１４から下流のタービン１６を含むことができる。圧縮機１２は、一般に、軸方向に配列された静翼１８と回転ブレード２０の交互段を含むことができる。静翼１８は圧縮機ケーシング２２に円周方向に接続することができ、回転ブレード２０はロータ２４に円周方向に接続することができる。ロータ２４が回転すると、静翼１８および回転ブレード２０は、運動エネルギーを作動流体（たとえば空気）に連続的に与えて、高いエネルギーを与えられた状態の圧縮作動流体を生成することができる。圧縮作動流体は、その後、ロータ２４の周りで半径方向に配列された１つまたは複数の燃焼器１４に流れ、燃焼器１４で、圧縮作動流体は、燃料と混合し、点火して、高温および高圧を有する燃焼ガスを生成することができる。燃焼ガスは、燃焼器１４を出て、高温ガス経路に沿ってタービン１６を通って流れることができる。タービン１６は、軸方向に配列された静翼２６と回転バケット２８の交互段を含むことができる。静翼２６はタービンケーシング３０に円周方向に接続することができ、回転バケット２８はロータ２４に円周方向に接続することができる。静翼２６の各段は、燃焼ガスを回転バケット２８の下流段上に送り加速して、仕事を生成することができる。
【００１４】
図１に示すように、ロータ２４は、タービン１６と圧縮機１２との間でトルクを伝達するために、軸方向に配列され接続された複数のロータ本体またはホイール３２を含むことができる。各ロータ本体またはホイール３２は、ロータ２４を通して軸方向ボア３４を形成する１つまたは複数のキャビティを含むことができる。隣接するロータホイール３２の１つまたは複数は、圧縮機１２とボア３４との間に流体連通を提供する流体通路３６を含むことができる。こうして、圧縮機１２からの圧縮作動流体の一部分を、種々の理由で、燃焼器１４の周りを迂回するかまたはそこをバイパスし、タービン１６に直接供給することができる。迂回流体は、ロータキャビティを加圧するために使用されて、ロータキャビティとタービン１６内の高温ガス経路との間に所望の差圧を生成することができる。別法としてまたは付加的に、迂回流体は、タービン１６内の種々の構成要素に対して冷却を提供するために使用することができる。
【００１５】
図２は、一実施形態によるロータホイール３２の斜視図を示す。図示するように、ロータホイール３２の外周は、回転ブレード２０を受取るように構成された複数のダブテールスロット３８を含むことができる。さらに、ロータホイール３２の半径方向面は、ロータホイール３２上に半径方向に配設された１つまたは複数の突出部またはインペラ翼４０を含むことができる。各インペラ翼４０は、ボア３４に近接する第１の端部４２を含むことができる。ロータホイール３２の表面上の隣接する突出部またはインペラ翼４０は、ロータホイール３２を半径方向に横切って流体通路３６を画定することができる。こうして、例示的な実施形態では、ロータホイール３２が図２に示すように反時計方向に回転すると、インペラ翼４０は、圧縮作動流体の一部分を、流体通路３６を通してボア３４に迂回させることができる。
【００１６】
図３に示すように、流体通路３６は、形状記憶合金弁４４を含むことができる。すなわち、形状記憶合金弁４４は、隣接するインペラ翼４０と流体通路３６の内部との間に配設することができる。形状記憶合金弁４４は、流体通路３６を通る流体４６の流れを制御するため形状を変更するように構成することができる。たとえば、いくつかの例では、形状記憶合金弁４４は、ベース負荷条件または部分負荷条件などの、ガスタービンシステムの種々の負荷条件に応答して形状を変更することができる。他の例では、形状記憶合金弁４４は、寒い日または暑い日など、種々の周囲温度条件に応答して形状を変更することができる。さらに他の例では、形状記憶合金弁４４は、ロータホイール３２、あるいは、圧縮機、タービン、または同様なものなどのガスタービンエンジンの他の構成要素の温度に応答して形状を変更することができる。さらに、形状記憶合金弁４４は、圧力条件、湿度条件、および／または流体４６の流れの温度に応答して形状を変更することができる。こうして、形状記憶合金弁４４は、複数の条件に応答する、流体通路３６内の能動的流れ制御機構を提供することができる。
【００１７】
ある実施形態では、形状記憶合金弁４４は、遷移温度を超えた第１の構成と、遷移温度未満の第２の構成を含むことができる。こうして、形状記憶合金弁４４は、負荷条件、周囲温度、流体温度、構成要素温度、圧力条件、湿度条件、またはその組合せに関連する１つまたは複数の所定の遷移温度を含むことができ、その所定の遷移温度より高いかまたは低いと、形状記憶合金弁４４は形状を変更して、流体通路３６を通る流体４６の流れを制御することができる。形状記憶合金弁４４はまた、遷移プロファイル（たとえば、チャートまたはグラフ）を含むことができ、形状記憶合金弁４４は、負荷条件、周囲温度、流体温度、構成要素温度、圧力条件、湿度条件、またはその組合せに対して形状を変更することができる。すなわち、たとえば、負荷条件または周囲温度が変化すると、形状記憶合金弁４４はまた、同時に（または、それに近い時点で）形状を変更して、流体４６の流れを調節することができる。
【００１８】
いくつかの態様では、形状記憶合金弁４４は、第１の要素４８を含むことができる。第１の要素４８は、流体通路３６の周りに取付けられた固定端５０を含むことができる。たとえば、固定端５０は、インペラ翼４０の壁または流体通路３６の表面に取付けることができる。第１の要素４８はまた、自由端５２を含むことができる。自由端５２は、固定端５０に対して自由に移動するように構成することができる。こうして、第１の要素４８は、第１の構成（実線で示す）および第２の構成（破線で示す）を含むことができる。いくつかの例では、破線で示すように、自由端５２は、流体４６の流れを妨害するかつ／または調量するために、流体通路３６内に延在することができる。他の例では、実線で示すように、自由端５２は、流体通路３６内に延在することができない。第１の要素４８の形状および調量作用は、限定はしないが、負荷条件、温度条件、構成要素温度、または同様なものを含む任意の数の因子に依存する場合がある。たとえば、第１の要素４８は、負荷条件および／または温度条件が変化するにつれて、流体流４６を徐々に調量する（たとえば、増加させるかまたは減少させる）ために形状を変更することができる。
【００１９】
いくつかの態様では、形状記憶合金弁４４は、第２の要素５４を含むことができる。第２の要素５４は、第１の要素４８に対向して配設することができる。第１の要素４８と同様に、第２の要素５４は、流体通路３６の周りに取付けられた固定端５６を含むことができる。第２の要素５４はまた、自由端５８を含むことができる。こうして、第２の要素５４は、第１の構成（実線で示す）および第２の構成（破線で示す）を含むことができる。いくつかの例では、破線で示すように、自由端５８は、流体４６の流れを妨害するかつ／または調量するために、流体通路３６内に延在することができる。他の例では、実線で示すように、自由端５８は、流体通路３６内に延在することができない。第２の要素５４の形状および調量作用は、限定はしないが、負荷条件、周囲温度、構成要素温度、または同様なものを含む任意の数の因子に依存する場合がある。たとえば、第２の要素５４は、負荷条件および／または温度条件が変化するにつれて、流体流４６を徐々に調量する（たとえば、増加させるかまたは減少させる）ために形状を変更することができる。
【００２０】
ある実施形態では、第１の要素４８および／または第２の要素５４はそれぞれ、全体が孤の形状に似ている構成を含むことができる。別の実施形態では、第１の要素４８および第２の要素５４は、流体通路３６内で流体４６の流れを独立にまたはひとまとめに調量することができる。さらに別の実施形態では、第１の要素４８および第２の要素５４は、同様のまたは異なる遷移温度および／または遷移プロファイルを含むことができる。こうして、第１の要素４８および第２の要素５４の形状および調量作用は、種々の負荷条件および温度条件で同じまたは異なるとすることができる。
【００２１】
任意の数の形状記憶合金弁４４が、流体通路３６のそれぞれの流体通路内に配設することができる。さらに、形状記憶合金弁４４は、任意の数の要素および／または構成を含むことができる。たとえば、形状記憶合金弁４４は、流体通路３６内の流体流４６を調量するかつ／または制御するために任意の構成とすることができる。すなわち、負荷条件および／または温度条件に基づいて流体通路３６内の流体４６の流れを調量するため形状を変更するように構成される任意の機構またはデバイスが、本開示の範囲内にある。さらに、形状記憶合金弁４４の１つまたは複数は、異なる負荷条件および温度条件でロータホイール上の種々の場所の周りで同様のまたは異なる方法で形状を変更するように構成することができる。
【００２２】
形状記憶合金は、たとえば温度に応答して、形状、剛性、位置、固有周波数、および他の機械的特性を変更することができる材料である。形状記憶合金は、その微細構造、すなわちオーステナイトおよびマルテンサイトの変化によって温度に基づいて形状を変更することができるスマート材料である。形状記憶合金は、一方向または２方向用途のために製造され得る。
【００２３】
図４は、隣接するインペラ翼間の流体通路を通る流体の流れを制御するための方法４００の例示的なフロー図を示す。この特定の実施形態では、方法４００は、図４のブロック４０２で始まることができ、方法４００は、ロータホイールの１つまたは複数の流体通路内に１つまたは複数の形状記憶合金弁を位置決めすることを含むことができる。方法はまた、流体通路を通る流体の流れを制御するため形状記憶合金弁の構成を調節することを含むことができる。
【００２４】
複数の実施形態が、構造的特徴および／または方法的行為に固有の言語で述べられたが、本開示が、述べられる特定の特徴または行為に必ずしも限定されないことが理解されるべきである。むしろ、特定の特徴または行為は、実施形態を実施する例証的な形態として開示される。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービン
１２  圧縮機
１４  燃焼器
１６  タービン
１８、２６  静翼
２０  回転ブレード
２２  圧縮機ケーシング
２４  ロータ
２８  固定バケット
３０  タービンケーシング
３２  ロータホイール
３４  軸方向ボア
３６  流体通路
３８  ダブテールスロット
４０  インペラ翼
４２  第１の端部
４４  形状記憶合金弁
４６  流体
４８  第１の要素
５０、５６  固定端
５２、５８  自由端
５４  第２の要素
４０２  ロータホイールの１つまたは複数の流体通路内に１つまたは複数の形状記憶合金弁を位置決めする
４０４  流体通路を通る流体の流れを制御するため形状記憶合金弁の構成を調節する
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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