(57)【要約】【課題】  ヘビーデューティーガスタービンでクリアランスを制御することができるインピンジメント冷却系を提供する。【解決手段】  ヘビーデューティータービン１１０用のインピンジメント冷却系２００は、ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０に取り付けられたマニフォルド１４０を備えており、このマニフォルド１４０はマニフォルド１４０の表面に複数のインピンジメント孔１４８を備える。また、ブロワー１３０が、マニフォルド１４０の複数のインピンジメント孔１４８を流れる空気流を与えて、ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０を冷却し、タービンブレード１２２の先端１２３とヘビーデューティータービン１１０のシュラウド１２６との間のクリアランス１２８を制御する。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヘビーデューティータービン１１０用のインピンジメント冷却系２００であって、
ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０に取り付けられたインピンジメント冷却マニフォルド１４０であって、当該インピンジメント冷却マニフォルド１４０の表面に複数のインピンジメント孔１４８を有するインピンジメント冷却マニフォルド１４０と、
インピンジメント冷却マニフォルド１４０の複数のインピンジメント孔１４８を流れる空気流を与え、ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０を冷却してヘビーデューティータービン１１０のタービンブレードの先端１２３とシュラウド１２６との間のクリアランス１２８を制御するブロワー１３０と
を備えるインピンジメント冷却系２００。
【請求項２】
インピンジメント冷却マニフォルド１４０が、複数の孔１４８に対して実質的に均一な圧力比を与えるように離隔して配置された上側プレート１４２と下側プレート１４６とを備える、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項３】
複数のインピンジメント孔１４８が、インピンジメント冷却マニフォルド１４０の下側プレート１４６に配置されている、請求項２記載のインピンジメント冷却系。
【請求項４】
複数の孔１４８が、インピンジメント冷却マニフォルド１４０全体に均一な配列として配置されている、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項５】
複数の孔１４８が、インピンジメント冷却マニフォルド１４０全体に不均一な配列として配置されている、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項６】
複数の孔１４８の直径が均一である、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項７】
複数の孔１４８の直径が不均一である、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項８】
複数の孔１４８が、実質的に円形、卵形、楕円形、正方形、三角形、及び長方形からなる形状から選択される、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項９】
タービンのブレード１２２が回転ブレードからなる、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【請求項１０】
インピンジメント冷却マニフォルド１４０が、ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０の外周の周囲に配置された複数のインピンジメント冷却マニフォルド１４０を含む、請求項１記載のインピンジメント冷却系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヘビーデューティーガスタービン用のタービンケースインピンジメント冷却に関する。
【背景技術】
【０００２】
小型ガスタービンのケーシング温度を管理し、回転ブレードと付随する内部ケーシング表面との間のクリアランスを減少させて維持するために空気インピンジメント冷却が使用されている。ヘビーデューティーガスタービンでの空気インピンジメント冷却系の一つの問題は、大型の不均一で特殊なケーシング表面全体で均一な熱伝達率を達成する能力である。小型ガスタービンでは、通例、小さなインピンジメント孔と短いノズル／表面間隔が用いられる。これらの要因によって、ケーシングで所要の高い熱伝達率が得られる。小さなインピンジメント冷却孔を設けることの短所の一つは、作動の際に必然的に孔での圧力降下が高まることである。そのため、冷却空気供給圧を高める必要があり、正味効率に悪影響を及ぼす。
【０００３】
インピンジメント冷却はタービンのクリアランスの制御法として航空機エンジンに応用されている。しかし、航空機エンジンで用いられるインピンジメント系はヘビーデューティータービン用途には使用できない。航空機エンジンで用いられる系は、圧縮機から抽出した空気を冷却媒体として利用する。ヘビーデューティーガスタービンでは、圧縮機抽出空気は使用するのは実現性に乏しい。設計熱伝達率にはさらに低い空気温度が必要とされるからである。ヘビーデューティーガスタービンは格段に大きくて不均一なケーシング表面を有しており、そのため航空機エンジンと比較して複雑なマニフォルド設計が必要とされる。また、ヘビーデューティーガスタービンでは、ケーシングの厚さとケーシング厚さの変動が格段に大きい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
当技術分野では、ヘビーデューティーガスタービンでクリアランスを制御できるインピンジメント冷却系が必要とされている。こうした系は、目標ケーシング表面に所要の熱伝達率を適切に与えるとともに、ケーシングに向かう空気の流れを適切に制御することが必須である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ヘビーデューティータービン１１０用のインピンジメント冷却系２００であって、（ｉ）ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０に取り付けられたインピンジメント冷却マニフォルド１４０であって、当該インピンジメント冷却マニフォルド１４０の表面に複数のインピンジメント孔１４８を有するインピンジメント冷却マニフォルド１４０と、（ii）インピンジメント冷却マニフォルド１４０の複数のインピンジメント孔１４８を流れる空気流を与え、ヘビーデューティータービン１１０のケーシング１２０を冷却してヘビーデューティータービン１１０のタービンブレードの先端１２３とシュラウド１２６との間のクリアランス１２８を制御するブロワー１３０とを備えるインピンジメント冷却系２００に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、図面を参照して、本発明についてさらに詳しく説明する。なお、図面は、本発明の代表的な実施形態を示すものである。ただし、本発明は、様々な異なる形態で具体化することができ、本明細書に記載した実施形態に限定されるものではない。これらの実施形態は、本明細書の開示が充分かつ完全になるように挙げるものであり、本発明の範囲を当業者に示すためのものである。
【０００７】
図１に、代表的な実施形態のヘビーデューティータービン１１０を示す。このヘビーデューティータービンエンジンは圧縮機セクション１１２、燃焼器セクション１１４及びタービンセクション１１６を備える。タービン１１０は、圧縮機ケーシング１１８及びタービンケーシング１２０も備えている。タービンケーシング１１８及び圧縮機ケーシング１２０はヘビーデューティータービンの主要部品を囲繞する。タービンセクション１１６はシャフト並びに回転タービンブレードと静止タービンブレードとの複数の組を備える。
【０００８】
図１を参照すると、タービンケーシング１２０はケーシング１２０の内面に取り付けられたシュラウド１２６を備えていてもよい。シュラウド１２６は、ブレード先端１２３からの空気の漏れを最小限にするため回転タービンブレード１２２の先端の近傍に配置し得る。ブレード先端１２３とシュラウド１２６との間の間隔はクリアランス１２８といわれる。なお、各タービン段のクリアランス１２８は、ブレードとケーシングの熱成長（膨張）特性が異なるため、一定していない。
【０００９】
ヘビーデューティーガスタービンの効率に寄与する重要な要因は、ブレード先端１２３からケーシングクリアランス１２８への空気／排ガスの漏れの量である。図２に、タービンブレード先端１２３とタービンケーシング１２０のシュラウド１２６との間のクリアランス１２８の代表的な実施形態を示す。タービンブレード先端１２３とタービンケーシング１２０の熱成長特性が異なるため、クリアランス１２８はタービンが点火からベースロード定常状態まで過渡的に推移するにつれて大きく変化する。あらゆる作動状態で特定のクリアランス特性に対処するため、クリアランス制御系をその作動順序も含めて実行し得る。不適切な制御系の設計及び／又は順序は、タービンブレード先端１２３とケーシングシュラウド１２６との過度の摩擦を生じて、クリアランスの増大、性能低下を招きかねない。
【００１０】
図３の代表的な実施形態に示すように、インピンジメント空気冷却系２００を用いれば、タービンシュラウド１２６と付随するブレード先端１２３との間のクリアランスを減少させて維持することができる。図３を参照すると、インピンジメント空気冷却系２００は、ブロワー１３０、流量調整弁１３２、接続配管１３４、分配ヘッダー１３６、絞り弁又はオリフィス１３８及び一連のインピンジメント冷却マニフォルド１４０からなるものとし得る。インピンジメント冷却マニフォルドはタービンケーシングに取り付けられる。図３の代表的な実施形態では、複数のインピンジメントマニフォルド１４０がタービンケーシング１２０の外周の周囲に取り付けられている。インピンジメント冷却ブロワー１３０は周囲空気を吸い込んで、空気を流量調整弁１３２、接続配管１３４、分配ヘッダー１３６、絞り弁又はオリフィス１３８を介してインピンジメント冷却マニフォルド１４０中に吹き込む。ブロワー１３０はファンやジェットを始めとするいかなる吹込み装置であってもよい。インピンジメント冷却マニフォルド１４０は、タービンケーシング１２０に均一な熱伝達率をもたらすのを確保する。なお、インピンジメント空気冷却系は本明細書に開示した部品に限定されず、インピンジメント冷却マニフォルドに空気を送り込むことができる装置であればどのようなものでもよい。
【００１１】
図４及び図５に示す代表的な実施形態を参照すると、インピンジメント冷却マニフォルド１４０はタービンケーシング１２０の目標領域の外形に合わせて設計してもよい。各インピンジメント冷却マニフォルド１４０は、供給管１４４を備える上側プレート１４２、多数のインピンジメント孔１４８を有する下側プレート１４６、側面部、支持脚１５０及び留め具１５２を含んでいてもよい。インピンジメント孔１４８によって、空気がインピンジメント冷却マニフォルドからタービンケーシングへと流れてタービンケーシングを選択的に冷却する。
【００１２】
インピンジメント孔１４８はある配列で配置される。代表的な実施形態では、インピンジメント孔１４８は１．２５〜２．５インチの間隔で配置し得る。代表的な実施形態では、個々のインピンジメント孔１４８の大きさは０．１２〜０．２インチとし得る。タービンケーシングの形状の不均一性を補償するために孔の大きさと間隔を変えることが必要とされる。下側プレート１４６のインピンジメント孔１４８の大きさと配置によって、インピンジメント空気冷却系で目標とするケーシング全体に均一な熱伝達率が生じる。ただし、インピンジメント孔はこれらの大きさや間隔に限定されない。上側プレート１４２と下側プレート１４６との間の間隔も内部圧力変化が最小限となる寸法にすればよく、均一な冷却孔圧力比が得られる。
【００１３】
インピンジメント冷却マニフォルドの下側プレート１４６とタービンケーシング１２０との間の間隔は熱伝達率に影響する。間隙が大き過ぎると最適でない熱伝達率となりかねない。間隙が小さ過ぎると最適でなくしかも不均一な熱伝達率となりかねない。代表的な実施形態では、０．５〜１．０インチの間隙で適切な熱伝達率が得られる。ただし、間隙はこの範囲に限定されず、適切な熱伝達率が得られればいかなる間隔であってもよい。
【００１４】
図６に示すように、多数のインピンジメント冷却マニフォルド１４０は目標冷却領域のすぐ上のタービンケーシング１２０に取り付けられる。インピンジメント冷却マニフォルド１４０は、それらの端部とケーシングのあらゆる突起部との間に充分な間隔が存在するように配置される。これによって、インピンジメント孔１４８を通る空気のための自由行程が与えられ、インピンジメント冷却マニフォルド１４０の下から環境へと排出される。代表的な実施形態では、２つの隣接インピンジメント冷却マニフォルド間の間隔は１〜３０インチとし得るが、ケーシング突起部とフランジ継ぎ手に依存する。この間隔は上記の寸法に限定されるものではなく、適切な間隔であればよい。インピンジメント冷却マニフォルド１４０は、水平分割継ぎ手を始めとする軸方向フランジに対してインピンジメント冷却ももたらすことができる。
【００１５】
当業者は、以上の説明及び添付の図面の教示に基づいて、本発明の多くの修正及びその他の実施形態に想到し得るであろう。従って、本発明は開示した特定の実施形態に限定されることはなく、また修正及びその他の実施形態は特許請求の範囲に入るものと了解されたい。本明細書では特定の用語を使用したが、それらは一般的に説明の意味で使用したものであって限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るヘビーデューティーガスタービンの横断面図である。
【図２】本発明の実施形態に係るタービンブレードとシュラウドのクリアランスの拡大図である。
【図３】本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却系である。
【図４】本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却マニフォルドの透視図である。
【図５】本発明の実施形態に係るインピンジメント冷却マニフォルドの断面図である。
【図６】本発明の実施形態に係るタービンケーシング上に設置されたインピンジメント冷却マニフォルドの透視図である。
【符号の説明】
【００１７】
１１０  ヘビーデューティータービン
１１２  圧縮機セクション
１１４  燃焼器セクション
１１６  タービンセクション
１１８  圧縮機ケーシング
１２０  タービンケーシング
１２２  タービンブレード
１２３  ブレード先端
１２６  シュラウド
１２８  クリアランス
１３０  ブロワー
１３２  流量調整弁
１３４  接続配管
１３６  分配ヘッダー
１３８  オリフィス
１４０  インピンジメント冷却マニフォルド
１４２  上側プレート
１４４  供給管
１４６  下側プレート
１４８  インピンジメント孔
１５０  支持脚
１５２  留め具
２００  インピンジメント空気冷却系
【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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