(57)【要約】【課題】圧縮機空気又は発電プラント蒸気の使用を低減又は排除しつつ、タービンブレード先端とシュラウドとの間の半径方向クリアランスの変動を低減する。【解決手段】ガスタービンエンジンは、タービンロータシュラウドをタービンロータブレードに隣接して保持するよう構成されたタービンシェルを含む。ヒートパイプは、タービンシェルと熱的に連通した第１の端部及びシェルの外向きに延びる第２の端部を有する。加熱／冷却システムは、ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換するよう構成可能な熱媒体を有する。熱媒体は、ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去して、タービンシェルから熱エネルギーを除去するように構成可能であり、更に、ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加し、タービンシェルに熱エネルギーを付加するよう構成可能である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンロータシュラウドをタービンロータブレードに隣接して保持するよう構成されたタービンシェルと、
前記タービンシェルと熱的に連通した第１の端部及び前記シェルの外向きに延びる第２の端部を有するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、前記ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換するよう構成可能な熱媒体を有する加熱／冷却システムと、
を備え、
前記加熱／冷却システムが、前記ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去して、前記タービンシェルから熱エネルギーを除去するように構成可能であり、前記熱媒体が、前記ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加し、前記タービンシェルに熱エネルギーを付加するよう構成可能である、
ガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記ヒートパイプが更に、
真空シールされた内側チャンバを定めるケーシングと、
前記ケーシングの真空シールされた内側チャンバ内に配置され、前記ヒートパイプの高温端部から前記ヒートパイプの低温端部に熱エネルギーを伝達し、熱エネルギーを放出するように構成された熱移動媒体と、
を含む、
請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記熱移動媒体が、前記ケーシングの内側壁部に施工される１つ又はそれ以上の固体層を含む、
請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
ガスタービンエンジンにおいて、
シャフトの周りを回転するよう構成されたロータを有するタービンと、
前記ロータから半径方向外向きに延びてタービンロータシュラウドに隣接して終端するタービンロータブレードと、
前記タービンロータシュラウドを前記タービンロータブレードに隣接して保持するよう構成されたタービンシェルと、
前記タービンシェルと熱的に連通した第１の端部及び前記シェルの外向きに延びる第２の端部を有するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、前記ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換するよう構成可能な熱媒体を有する加熱／冷却システムと、
を備え、
前記加熱／冷却システムが、前記ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去し、これにより前記タービンシェルから熱エネルギーを除去するように構成可能であり、前記加熱／冷却システムが、前記ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加し、これにより前記タービンシェルに熱エネルギーを付加するよう構成可能である、
ガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記ヒートパイプが更に、
真空シールされた内側チャンバを定めるケーシングと、
前記ケーシングの真空シールされた内側チャンバ内に配置され、前記ヒートパイプの高温端部から前記ヒートパイプの低温端部に熱エネルギーを伝達し、熱エネルギーを放出するように構成された熱移動媒体と、
を含む、
請求項４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記熱移動媒体が、前記ケーシングの内側壁部に施工される１つ又はそれ以上の固体層を含む、
請求項５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
ガスタービンエンジンにおいて、
シャフトの周りを回転するよう構成されたロータを有するタービンと、
前記ロータから半径方向外向きに延びてタービンロータシュラウドに隣接して終端するタービンロータブレードと、
前記タービンロータシュラウドを前記タービンロータブレードに隣接して保持するよう構成された内側シェルと、
前記内側シェルを支持するよう構成された外側シェルと、
前記内側シェルと熱的に連通した第１の端部及び前記シェルの外向きに延びる第２の端部を有するヒートパイプと、
前記ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、前記ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換するよう構成可能な熱媒体を有する加熱／冷却システムと、
を備え、
前記加熱／冷却システムが、前記ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去し、これにより前記内側シェルから熱エネルギーを除去するように構成可能であり、前記加熱／冷却システムが、前記ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加し、これにより前記内側シェルに熱エネルギーを付加するよう構成可能である、
ガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記ヒートパイプが更に、
真空シールされた内側チャンバを定めるケーシングと、
前記ケーシングの真空シールされた内側チャンバ内に配置され、前記ヒートパイプの高温端部から前記ヒートパイプの低温端部に熱エネルギーを伝達し、熱エネルギーを放出するように構成された熱移動媒体と、
を含む、
請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記熱移動媒体が、前記ケーシングの内側壁部に施工される１つ又はそれ以上の固体層を含む、
請求項８に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、タービンロータブレード先端とシュラウドとのアクティブクリアランス制御を可能にするよう構成された内側及び外側タービンシェルを有するタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、タービンノズル及びタービンブレードシュラウドなど、固定高温ガス通路のタービンエンジン構成部品は、大きな熱質量を有するタービンシェル構造体に取り付けることができる。結果として、タービンシェルが熱的に変型するので、タービンブレードシュラウドは、タービンブレードクリアランスの問題（正及び負の両方）を受けやすい。より具体的には、タービンブレードとシュラウド間のクリアランスは、定常状態及び過渡状態運転中のタービンシェルの熱的成長又は収縮により示されるタービンの熱特性の影響下にある。特に、高出力の産業用ガスタービンにおけるタービンブレード及びシュラウド間クリアランスは、典型的には、通常は温度過渡状態中に生じる、シュラウドとタービンブレード先端との間の最大閉鎖によって決まる。
【０００３】
タービンブレード及びシュラウド間クリアランスは、ガスタービンエンジンの熱力学的性能を改善する１次誘因である。熱負荷により引き起こされるタービンシェル変形は、タービンブレードシュラウドの半径方向位置の変動として発現する。このような変動は、上述のようにタービンブレード先端とシュラウドとの間の作動クリアランスを増大させることにより対処することができる。しかしながら、このような調整は、タービンエンジンの熱力学的性能に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００４】
ガスタービンエンジンにおける高温ガス経路の構成部品は、高い排気ガス温度に曝される表面を冷却するために空気対流及び空気フィルム技術を利用することができる。タービンエンジン圧縮機から高圧空気が分岐され、その結果としてガスタービンエンジンの効率が失われる。高温ガス経路の構成部品の蒸気冷却は、例えば、複合サイクル発電プラントの関連する熱回収蒸気発生器及び／又は蒸気タービンからの利用可能な蒸気を用いる。圧縮機ブリード空気を抽出しないことによって達成される増大は、蒸気タービンを駆動するエネルギーを提供する代わりに蒸気を冷却剤として使用するのに伴う損失の補填を上回る程度あるので、典型的には蒸気冷却を用いることで正味の効率向上がある。
【０００５】
従って、圧縮機空気又は発電プラント蒸気の使用を低減又は排除しながら、タービンブレード先端とシュラウドとの間の半径方向クリアランスの変動を低減し、これによりガスタービンエンジン及び関連の構成部品の効率を改善する必要性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第７，３１３，９６３号公報
【発明の概要】
【０００７】
本発明の１つの態様によれば、タービンシェルは、タービンロータシュラウドをタービンロータブレードに隣接して保持するよう構成される。ヒートパイプは、タービンシェルと熱的に連通した第１の端部及びシェルの外向きに延びる第２の端部を有する。加熱／冷却システムは、ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換するよう構成可能な熱媒体を有する。熱媒体は、ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去して、タービンシェルから熱エネルギーを除去するように構成可能であり、更に、ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加し、タービンシェルに熱エネルギーを付加するよう構成可能である。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、シャフトの周りを回転するよう構成されたロータを有するタービンと、ロータから半径方向外向きに延びてタービンロータシュラウドに隣接して終端するタービンロータブレードと、タービンロータシュラウドをタービンロータブレードに隣接して保持するよう構成されたタービンシェルと、を含む。ヒートパイプは、タービンシェルと熱的に連通した第１の端部及びシェルの外向きに延びる第２の端部を有する。加熱／冷却システムは、ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換して、ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去し、更に、ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加するよう構成可能な熱媒体を有する。
【０００９】
本発明の更に別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、シャフトの周りを回転するよう構成されたロータを有するタービンと、ロータから半径方向外向きに延びてタービンロータシュラウドに隣接して終端するタービンロータブレードと、タービンロータシュラウドをタービンロータブレードに隣接して保持するよう構成された内側シェルと、内側シェルを支持するよう構成された外側シェルと、を含む。ヒートパイプは、内側シェルと熱的に連通した第１の端部及びシェルの外向きに延びる第２の端部を有する。加熱／冷却システムは、ヒートパイプの第２の端部と熱的に連通し、ヒートパイプの第２の端部と熱エネルギーを交換して、ヒートパイプの第２の端部から熱エネルギーを除去し、更に、ヒートパイプの第２の端部に熱エネルギーを付加するよう構成可能な熱媒体を有する。
【００１０】
これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。
【００１１】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の１つの実施形態による、例示的なガスタービンエンジンの一部の軸方向断面図。
【図２】図１のガスタービンエンジンの一部の拡大断面図。
【図３】図１のガスタービンエンジンの１つの動作モードにおけるヒートパイプの１つの実施形態の概略断面図。
【図４】図３に示すヒートパイプの１つの実施形態の概略断面図。
【図５】図１のガスタービンエンジンの１つの動作モードにおけるヒートパイプの別の実施形態の概略断面図。
【図６】図５に示すヒートパイプの別の動作モードの実施形態の概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら利点及び特徴と共に本発明の例示的な実施形態を説明している。
【００１４】
図１及び２には、ガスタービンエンジン１０の一部を示している。エンジンは、長手方向軸線すなわち軸方向中心線のまわりで軸対称であり、多段軸流圧縮機１２を含む。空気が参照符号１６において圧縮機の入口に流入し、軸流圧縮機１２により加圧された後、燃焼器１８に排出され、ここで天然ガスなどの燃料が加圧空気と共に燃焼され、高温の燃焼ガスを生成してタービン２０を駆動する。タービン２０において、高温燃焼ガスのエネルギーが仕事に変換され、その一部は、圧縮機１２を駆動するのに使用される。高温燃焼ガスの利用可能なエネルギーの残りの部分は、例えば、発電機（図示せず）などの負荷を駆動して電気を生成する有用な仕事に利用可能である。
【００１５】
燃焼に続いて、高温燃焼ガスはタービンセクション２０を駆動し、該タービンセクション２０は、１つの実施形態では、タービンロータ２８を備え、タービンハウジング３０内で回転を行うよう装着される３つのロータ組立体２２、２４、及び２６で代表される３又はそれ以上の連続段を含むことができる。各ロータ組立体は、３２、３４、及び３６の列を支持し、これらは、タービンロータ２８から半径方向外向きに延びて、隣接するタービンロータブレードシュラウド３８、４０、及び４２で終端する。ロータ組立体２２、２４、及び２６のタービンロータブレード３２、３４、及び３６は、タービンノズルベーン４４、４６、及び４８それぞれにより代表される固定ノズル組立体の間で交互に配列される。従って、多段タービン２０の３つの段は、第１の段がノズルベーン４４及びタービンロータブレード３２を含み、第２の段がノズルベーン４６及びタービンロータブレード３４を含み、第３の段がノズルベーン４８及びタービンロータブレード３６を含む。タービンにおいて追加の段を用いることができ、典型的にはガスタービンエンジン１０の用途によって決まることになる。
【００１６】
図示の実施形態において、タービンは、外側構造格納シェル又はタービンハウジング３０と、内側シェル５０とを含む。内側シェル５０は、第１及び第２の段に関連するタービンロータブレードシュラウド３８、４０を支持するよう構成される。外側シェル３０は、通常、軸方向に対向する端部にてタービン排気フレーム５２（図１）に、及びその上流側端部にて圧縮機排気ケーシング５４に固定される。１つの非限定的な実施形態において、外側シェル３０及び内側シェル５０は各々、タービンロータ２８の軸線の周りに各々１８０度延びた弓形シェル半部分のようなシェルセクションを備えることができる。
【００１７】
タービン内側シェル５０の軸方向範囲は、１つから全タービン段にわたることができる。図２に示すように、内側シェル５０は、図示のタービン段のうちの最初の２つ、詳細には、取り付けられている固定タービンロータブレードシュラウドの２つの段３８及び４０を含む。内側シェル５０は、タービンロータ２８の軸線に垂直で、且つ第１及び第２の段タービンロータブレード３２、３４及びシュラウド３８、４０と通常は整列した軸方向位置にあることができる半径方向平面に沿って外側シェル３０に取り付けられ、これにより、熱変形の結果として半径方向のシェル５０の移動が可能になる。
【００１８】
例示的な実施形態において、外側シェル３０と内側シェル５０との間には、蒸気冷却組立体５８、６０が配置され、これらは、第１及び第２の段タービンノズルベーン４４、４６をそれぞれ通って冷却蒸気を循環するよう構成されている。蒸気は、ガスタービンエンジン１０の運転中にタービンノズルベーン４４、４６を冷却するよう動作する。
【００１９】
例示的な実施形態において、内側シェル５０は、シェル５０の外周周りに軸方向及び円周方向の両方で間隔を置いて配置することができる一連のヒートパイプ６２を支持する。図３及び４に示すヒートパイプ６２の例示的な実施形態において、各ヒートパイプは、ヒートパイプの外表面を定めるケーシング６４を含む。ケーシング６４の内部には、蒸気キャビティ６８を囲む吸収ウィック６６が配置される。水又はナトリウムもしくは他の好適な材料などの熱移動媒体７０が蒸気キャビティ６８内に配置される。ヒートパイプの第１の端部７２は、タービン２０の内側シェル５０内に配置され、第２の端部７４は、内側シェル５０から外向きに延びて加熱／冷却システム７６と関連付けられ、該加熱／冷却システム７６は、熱媒体７８を用いて、特定の条件下ではヒートパイプ６２の第２の端部７４から熱エネルギーを取り去り（図３）、他の条件の下ではヒートパイプ６２の第２の端部７４に熱エネルギーを付加するよう動作し、これらは以下でより詳細に説明されることになる。
【００２０】
図５及び６に示す別の例示的な実施形態において、ヒートパイプ６２は、ソリッドステート構造とすることができ、ここでは、熱エネルギーが、ヒートパイプケーシング６４（例えば、固体超伝導ヒートパイプ）の内側壁部８２上に配置された高度熱伝導性の無機固体熱移動媒体８０によって吸収される。例示的な実施形態において、熱移動媒体８０は、３つの基本層の内側壁部８２に施工される。最初の２つの層は、ケーシング６４の内側壁部８２に曝露される溶液から調製される。初期には、第１の層は、主として、ナトリウム、ベリリウム、マンガンもしくはアルミニウムのような金属、カルシウム、ホウ素、及び二クロム酸ラジカルの種々の組み合わせをイオン形態で含み、ケーシング６４の内側壁部８２に０．００８ｍｍから０．０１２ｍｍの深さまで吸収される。次に、第２の層は、主として、コバルト、マンガン、ベリリウム、ストロンチウム、ロジウム、銅、Ｂ−チタン、カリウム、ホウ素、カルシウム、アルミニウムのような金属、及び二クロム酸ラジカルの種々の組み合わせをイオン形態で含み、第１の層の上に堆積して、ケーシング６４の内側壁部８２を覆って０．００８ｍｍから０．０１２ｍｍの厚みを有するフィルムを形成する。最後に、第３の層は、酸化ロジウム、重クロム酸カリウム、酸化ラジウム、二クロム酸ナトリウム、二クロム酸銀、単結晶シリコン、酸化ベリリウム、クロム酸ストロンチウム、酸化ホウ素、Ｂ−チタン、及び重クロム酸マンガン又は重クロム酸アルミニウムなどの重クロム酸金属の種々の組み合わせを含み、内側壁部８２全体にわたり均等に分布する。３つの層は、ヒートパイプケーシング６４の内部に施工され、次いで、熱分極されて、熱エネルギーを熱損失が僅かな又は全くない状態で伝達する超伝導ヒートパイプ６２を形成する。ヒートパイプ６２を構成するのに使用されるプロセスは、例えば、２０００年１０月１７日に付与された、名称「Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  Ｈｅａｔ  ｔｒａｎｓｆｅｒ  ｍｅｄｉｕｍ（熱移動媒体）」の米国特許第６，１３２，８２３号に記載される方法のような、何らかの好適な方法とすることができる。
【００２１】
このような応用で使用される無機化合物は通常、空気中では不安定であるが、真空中では高い熱伝導性を有する。熱エネルギーは、熱移動媒体８０を介して、ヒートパイプ６２の高温端部から低温端部に移動する。
【００２２】
図３及び５は、タービン２０の内側シェル５０から熱エネルギーが除去される冷却モードにおけるヒートパイプ６２の応用を示している。冷却モードでは、ヒートパイプの第１の端部７２は、加熱／冷却システム７６と熱的に連通しているヒートパイプの第２の端部７４よりも高温である。このような状況は、例えば、ガスタービンエンジン１０の定常状態運転条件時に発生することができ、この場合、タービン段内を所望の定常状態温度に維持するのを助けるため、内側シェル５０から熱を除去するのが望ましい。内側シェル５０からの熱エネルギーは、ヒートパイプの第１の端部７２に伝達されて、加熱／冷却システム７６により低温に維持される第２の端部７４への熱伝達を誘起し、ここで熱エネルギーは加熱／冷却システム７６に向かう。
【００２３】
図４及び６は、内側シェル５０に熱エネルギーが付加される加熱モードにおけるヒートパイプ６２の応用を示している。加熱モードでは、加熱／冷却システム７６は、ヒートパイプの第２の端部７４に熱エネルギーを供給し、第２の端部７４が、内側シェル５０と熱的に連通したヒートパイプの第１の端部７２よりも高温になるようにする。このような状況は、例えば、ガスタービンエンジン１０の過渡状態運転条件時に発生することができ、この場合、ロータ組立体２８と内側シェル５０との間の熱膨張率が異なる間に、タービンロータブレード３２、３４の先端とタービンロータブレードシュラウド３８、４０との間の所望のクリアランスを維持するのを助けるため、内側シェル５０に熱を付加するのが望ましい。加熱／冷却システム７６からの熱エネルギーは、ヒートパイプ６２の第２の端部７４に伝達され、内側シェル５０に放出される。
【００２４】
上述のように、加熱モードと冷却モードとの間でヒートパイプを変更することにより、タービンロータブレード３２、３４とタービンロータシュラウド３８、４０との間のクリアランスは、タービン２０の外部にあり独立することができる加熱／冷却システム７６による熱エネルギーの供給又は除去によって、定常状態及び過渡状態タービン運転中に維持できるようになる。別の実施例では、負の温度過渡状態中、内側シェル５０は、例えばタービンロータ２８よりも迅速に接触する傾向があり、これによりタービンロータブレードシュラウド３８、４０をタービンロータブレード３２、３４それぞれの先端に向けて内向きに変位させることができる。このような場合、熱エネルギーはヒートパイプ６２により内側シェル５０に供給され、内側シェル５０の熱収縮率が、タービンロータ２８及び関連のタービンロータブレード３２、３４の熱収縮と同様又はそれ未満の割合に調節されるようになり、タービンロータブレードの先端とシュラウドとの間の接触が回避される。定常状態運転中、内側シェル５０の温度は、ヒートパイプ６２を通じた熱エネルギーの付加又は除去により、シュラウドとタービンロータブレードとの間を所定のクリアランスに維持するよう制御される。
【００２５】
本発明をタービン内側シェルに付随するヒートパイプに関して説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではない。タービンハウジング３０外側シェル又は単一のシェルを有するガスタービンエンジンへのヒートパイプの同様の適用が本発明の範囲内にあることも企図される。
【００２６】
限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができ、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態を説明してきたが、本発明の態様は、記載された実施形態の一部のみを含むことができる点は理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  多段軸流圧縮機
１６  圧縮機入口
１８  燃焼器
２０  タービン
２２、２４、２６  ロータ組立体
３０  外側構造格納シェル又はタービンハウジング
３２、３４、３６  タービンロータブレード
５２  タービン排気フレーム
５４  圧縮機排気ケーシング
６２  ヒートパイプ
７６  加熱／冷却システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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