(57)【要約】【課題】圧縮機からの流れを混合するためのシステムを提供する。【解決手段】本システムは、圧縮機から第１の流れ（１２２）及び第２の流れ（１３２）を組合せて第３の流れ（１５８）にするエジェクタ（１５０）を含む。バイパス流れ（１４２）は、第１の流れ（１２２）と第３の流れ（１５８）と間に連結される。ミキサ（３００）は、バイパス流れ（１４２）及び第３の流れ（１５８）を組合せて第４の流れ（１６５）にする。第４の流れは、バイパス流れ及びと第３の流れのそれぞれの圧力及び温度の中間の圧力及び温度を有する。【選択図】      図２
2008255987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機からの流れを混合するためのシステムであって、
前記圧縮機から第１の流れ（１２２）及び第２の流れ（１３２）を受けるエジェクタ（１５０）と、
前記第１及び第２の流れを組合せて第３の流れ（１５８）にするエジェクタ出力と、
前記第１の流れ（１２２）と前記第３の流れ（１５８）と間に連結されたバイパス流れ（１４２）と、
前記バイパス流れ（１４２）及び第３の流れ（１５８）を組合せて第４の流れ（１６５）を形成するミキサ（３００）と、を含み、
前記バイパス流れが、ある混合角度で前記第３の流れと出会いかつ該第３の流れと混合し、
前記混合角度が、少なくとも約０°であるが約９０°よりも大きくない、
流れを混合するためのシステム。
【請求項２】
前記混合角度が、少なくとも約０°であるが約４５°よりも大きくない、請求項１記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項３】
前記混合角度が、少なくとも約０°であるが約１５°よりも大きくない、請求項１記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項４】
前記ミキサが、第１の混合入力ポート、第２の混合入力ポート及び混合出力ポートを含み、
前記第１の混合入力ポートが、前記第３の流れを受け、
前記第２の混合入力ポートが、前記バイパス流れを受け、かつ前記バイパス流れの速度を増大させるノズル（３１０）及びノズルチップ（３１５）を含み、
前記混合出力ポートが、前記バイパス流れ（１４２）及び第３の流れ（１５８）を組合せて第４の流れ（１６５）にする、
請求項１記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項５】
前記ノズルが、シェブロン形状を有するノズルチップ（３１５）を含む、請求項４記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項６】
前記混合角度が、少なくとも約０°であるが約４５°よりも大きくない、請求項４記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項７】
前記混合角度が、少なくとも約０°であるが約１５°よりも大きくない、請求項４記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項８】
前記第２の混合入力ポートが、
前記ノズル（３１０）の上方及び下方に配置された対向する部分を有するノズル取付けフランジ手段（４１０、４１５）と、
前記ノズル（３１０）及びノズル取付けフランジ手段（４１０、４１５）間に配置されかつ該ノズル（３１０）が前記第２の混合入力ポート内で複数の軸方向位置に配置されるのを可能にする１つ又はそれ以上のスペーサ（４２０、４３０）と、を含む、
請求項４記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項９】
前記ノズル取付けフランジ手段（４１０、４１５）、ノズル（３１０）及び１つ又はそれ以上のスペーサ（４２０、４３０）が、取外し可能なファスナで互いに固締され、
前記ファスナが、異なるサイズのノズルを前記第２の混合入力ポート内に取付けるのを可能にする、
請求項８記載の流れを混合するためのシステム。
【請求項１０】
前記スペーサ（４２０、４３０）の数が、前記ノズルの異なる軸方向位置にわたって一定のままであって、前記ノズル取付けフランジ手段の対向する部分間の距離を一定に保つのを可能にし、
前記１つ又はそれ以上のスペーサ（４２０、４３０）が、その厚さが約１／８インチ〜約１／２インチの範囲にある、
請求項９記載の流れを混合するためのシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはターボ機械における冷却及びシーリング空気システムに関する。具体的には、本発明は、ターボ機械における冷却及びシーリング空気システム内で使用するミキサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械（例えば、タービン）における冷却及びシーリング空気システムは、圧縮機（例えば、軸流圧縮機）からの空気を利用して、（１）ガスタービンの内部部品を冷却し、（２）タービンの外側シェル及び排気フレームを冷却し、（３）タービン軸受をシールし、（４）圧縮機の脈動を防止し、また（５）空気作動弁に空気を供給する。
【０００３】
以下の実施例は、例示的なガスタービンにおける冷却及びシーリング空気システムの機能の幾つかを説明するものであって、決して本発明の技術的範囲を限定することを意図するものではない。ガスタービンの始動シーケンスの間に、空気は、軸流圧縮機の第９及び第１３段から抽気されて、大気中に放出される。第９及び第１３段からの抽気は、閉鎖位置にある入口案内ベーンと共に、圧縮機を通る空気流を制限して圧縮機の脈動を防止する。
【０００４】
ガスタービンの正常運転時には、第９及び第１３段からの空気は、ガスタービンの第２及び第３段を冷却しかつシールするために使用される。これは、ガスタービンの最悪状態での運転要件、つまり典型的には低温及び高温日の運転条件を満たすようなサイズにされた外部配管及び流量制御オリフィスによって達成される。第２及び第３段ケーシングのマニホルドに流入する加圧空気は、第２及び第３段ホイールスペース空洞から高温のタービン空気をパージする。
【０００５】
タービンが無負荷状態又は停止状態にある間、冷却及びシーリング空気システムは、タービンホイールスペース空洞及び内部タービン構成要素を冷却及びシールし続ける。圧縮機の第９及び第１３段からの空気は、この場合には同様に排気プレナムを介して放出される。それにより、タービンの減速期間中における圧縮機の脈動が防止される。
【０００６】
軸流圧縮機から分流される空気は、圧縮機を通る全空気流量の大きな割合、例えば２０％を消費する可能性がある。これら寄生流の管理及び制御により、タービンの性能を劇的に向上させることができる。抽気ポートは、過度に高い圧力及び／又は温度の冷却空気流れを供給することが多く、その場合この流れは一般的には絞られ、エネルギーの純損失が生じる。エジェクタを採用することによって、低圧／低温流れ（例えば、第９圧縮機段からの）は高圧／高温流れ（例えば、第１３圧縮機段からの）と混合して、タービン構成要素を冷却するのに必要な圧力及び温度に実質的に一致した中間の圧力及び温度の流れを供給しながら、同時にそうでなければ廃棄エネルギーとして放散される可能性があった低圧低温の空気を使用することができる。
【０００７】
ガスタービンの冷却及びシーリング空気システム内のエジェクタは、それを比較的安価な低圧空気で置き換えることによって、高価な（つまり、費やした仕事の点から見て）高圧空気の使用量を低減するのを助ける。１ポンドの高圧空気を費消することを基準にしたエジェクタによって圧送される低圧空気の質量流量の割合は、誘引比（ｅｎｔｒａｉｎｍｅｎｔ  ｒａｔｉｏ）と呼ばれる。エジェクタシステムの最大の利点として、ガスタービンの全運転条件にわたって、高い誘引比が期待されることである。タービンの冷却流要求量に応じて、幾つかの運転条件においてバイパス流れが必要とされる。高い誘引比は、全ガスタービン性能（効率と出力の両方）を向上させる。
【０００８】
しかしながら、エジェクタは、何らの可動部品も有しておらず、ＩＳＯ日条件に基づいた指定設計点において作動するように設計されている。ＩＳＯ標準日条件とは、５９°Ｆ、１４．７ｐｓｉａ、相対湿度６０％、つまり１５℃（２８８°Ｋ）、１０１．３ｋＰａ、相対湿度６０％である。タービン用途の場合には、エジェクタに対するタービン入口条件は、ターボ機械がその中で作動する周囲日条件の関数である。ガスタービンから見た場合の周囲日条件の変動は、例えば―２０°Ｆから＋１２０°Ｆまで変化する可能性があり、これは、エジェクタに対する入口／出口において約５０％の温度変化及び約５０％の圧力変化を引き起こす。この変化は、エジェクタが多くの周囲日条件において十分な冷却及び／又はパージ流れを供給しないことになる程度ものエジェクタの作動特性に対する強い影響を有する。つまり、エジェクタは、異なる日及び一日の内の異なる時間に異なった挙動をし、またエジェクタは、日によっては十分な利点を提供しないことになる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の１つの態様では、圧縮機からの流れを混合するためのシステムを提供する。エジェクタは、圧縮機から第１の流れ及び第２の流れを受け、これら第１及び第２の流れを組合せて第３の流れにする。第１の流れは、第１の圧力及び第1の温度を有し、また第２の流れは、第２の圧力及び第２の温度を有する。第１及び第２の圧力は異なっており、また第１及び第２の温度は異なっている。バイパス流れは、第１の流れと第３の流れとの間に連結される。ミキサは、バイパス流れ及び第３の流れを組合せて第４の流れにする。第４の流れは、バイパス流れ及び第３の流れの圧力及び温度の中間の圧力及び温度を有する。バイパス流れは、少なくとも約０°であるが約９０°よりも大きくない混合角度で第３の流れと出会いかつ該第３の流れと混合する。
【００１０】
本発明の別の態様では、圧縮機からの流れを混合するためのシステムを提供する。エジェクタは、圧縮機から第１の流れ及び第２の流れを受け、これら第１及び第２の流れを組合せて第３の流れにする。バイパス流れは、第１の流れと第３の流れとの間に連結される。ミキサは、バイパス流れ及び第３の流れを組合せて第４の流れにする。バイパス流れは、少なくとも約０°であるが約９０°よりも大きくない混合角度で第３の流れと出会いかつ該第３の流れと混合する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
次に図面、特に図１を参照すると、全体を参照符号１００で表した例示的なターボ機械を示しており、このターボ機械１００は、圧縮機１０２及びタービン１０４を含む。圧縮機１０２は、周囲空気を受ける入口１０６を有し、その後空気は、その各々が該空気をより高い圧力及び温度に加圧する圧縮機１０２の幾つかの異なる段を通って加圧される。加圧された空気は、主として燃焼器１０８に送給され、燃焼器において加圧空気は、燃料と組合され（混合され）かつ燃焼されて、タービン１０４の様々な段に高温燃焼ガスを供給する。ブリード空気は一般的に、タービン１０４内で冷却／パージ空気流れとして使用するために圧縮機の様々な段から取出される。従って、圧縮機１０２の空気流の一部分は、これらその他の目的のために、燃焼器１０８を通る流れから分流される。例えば、冷却空気は、しばしばタービン１０４のノズルに供給される。図１において、また代表的な実施例として、高圧空気の抽気は、圧縮機１０２の第１３段１２０から抜き取られ、流路１２２を介してタービン１０４の第１の部位１２４、例えば第２段ノズルに冷却空気流れとして供給される。同様に、ブリード空気は、圧縮機１０２のより前の段、例えば第９段１３０から抽気され、流路１３２を介してタービンの第２の部位１３４、例えば第３段ノズルに冷却空気として供給される。以下に説明する目的のために、絞り弁１４０が、バイパス流路１４２内に設けられる。
【００１２】
流路１２２内にエジェクタ１５０を採用し、エジェクタ１５０は、流路１３２内のオリフィス又は同様な装置を通してブリード空気圧力を放散させる必要性を効果的に排除し、流路１２２及び１３２からのブリード空気を混合して機械の性能を最適化するように抽気流れを調整するのを可能にする。エジェクタ１５０は、何らの可動部品も備えていない或いは外的エネルギー入力を必要としない機械装置であり、運動量移動に基づいて２つの流体ストリームを混合する。エジェクタ１５０は、管路１２２を介して受ける高圧動力流体のための入口１５２と、流路１３２、１３６を介して受ける低圧又は吸引流体のための入口１５４とを有する。
【００１３】
流路１２２内にエジェクタ１５０を設置することによって、圧縮機１０２の第１３段１２０からの高圧抽気流れは、入口１５２における動力流れとして働く。流路１３２を介した低圧低温流れは、クロスオーバ流路１３６を介してエジェクタ１５０に流れ、入口１５４を介して吸引流れとして働く。従って、２つの流れは互いに混合されかつエジェクタ１５０の出口１５６を通って流れて、それぞれの動力及び吸引流れの圧力及び温度の中間の圧力及び温度の第３の流れ１５８を形成する。従って、エジェクタ１５０は、何らの可動部品も有しておらず、ＩＳＯ日条件に基づいた指定設計点にて作動するように設計されることが分かるであろう。入口条件、従ってまたエジェクタに供給される流れの特性は、周囲日条件の関数であるので、エジェクタの作動特性は影響を受け、エジェクタは、時間及び大気条件の関数として異なった挙動をする。
【００１４】
固定ノズルエジェクタの性能は、一定の作動条件の組（つまり、入口及び出口の圧力及び温度）において最適である。しかしながら、ガスタービン圧縮機１０２の抽気圧力（つまり、エジェクタ１５０の動力及び吸引圧力）並びにタービン１０４の要求冷却流れ供給圧力（つまり、エジェクタ１５０の吐出圧力）は、周囲温度及び運転負荷に応じて変化する。エジェクタ１５０にとっての最適作動条件は、周囲温度が７０°Ｆ以上でありかつ部分負荷（例えば、タービン１０４の５０％負荷以下）において生じる。従って、寒冷日運転条件（つまり、周囲温度が７０°Ｆよりも低い）においては、エジェクタ１５０と並列にバイパス管路１４２を設けて、タービン１０４によって要求されるがエジェクタ１５０単独では供給することができない付加的冷却流れを供給することが必要である。
【００１５】
エジェクタ出力１５８とバイパス流れ１４２とを混合する従来型の方法は、標準的なＴ合流部を使用する。Ｔ合流部は、図１及び図２に参照符号１６０で示している。図２を参照すると、Ｔ合流部１６０は、エジェクタ出力１５８とバイパス流れ１４２とを直角な角度で混合する。Ｔ合流部１６０の出力は、図１及び図２に参照符号１６５で示している。２つの流れが９０°の角度で混合された場合、組合せ（混合）出力流れ１６５の全速度が低下する。このことは、エジェクタ１５０に高い背圧を生じさせることになる。エジェクタ１５０の性能は、エジェクタ吐出圧力と強い関数関係にあり、従来型の方法は、寒冷日運転条件において低い誘引比又はゼロの誘引比をもたらす。本明細書では、本発明によって具体化されるような、エジェクタ出力１５８とバイパス流れ１４２とを混合してより低いエジェクタ吐出圧力を生じさせて寒冷日及び部分負荷運転条件時により高い性能の利点をもたらす一層良好な方法及び装置について、説明する。
【００１６】
図３は、本発明によって具体化されるような、標準的なＴ合流部１６０の代わりに使用されるエジェクタ流れとバイパス流れとを混合するための改良型の混合合流部３００を示している。エジェクタの出力は、参照符号１５８で示し、またバイパス流れは、参照符号１４２で示している。組合せ流れは、混合合流部３００から流出し、参照符号１６５で示している。１つの実施例では、混合合流部３００は、図３に示すように屈曲部上にフランジ連結部を備えたエルボで作られる。メインパイプセクション３２０は、一端部におけるエジェクタからの流れ１５８を含み、また他端部に組合せ出力流れ１６５を含む。結合パイプ３３０は、メインパイプセクション３２０に連結される。結合パイプ３３０は、バイパス流れ１４２をメインパイプセクション３２０内に導くノズル３１０のための取付け部として働く。ノズル３１０はまた、ノズルチップ３１５を含むが、これについてはさらに後述する。この設計の利点は、混合合流部３００が、エジェクタ流れ１５８及びバイパス流れ１４２をそれぞれの流れ方向（図３に矢印で示すような）に対して０°に近い角度にて混合するのを可能にすることである。バイパス流れ１４２が主エジェクタ流れ１５８を減速させないので、バイパス管路１４２内に存在する全ての圧力は、エジェクタ背圧を低下させるために有効に利用されて、そのことにより次に誘引比全体を向上させることができる。
【００１７】
加えて、バイパス流れ１４２は次に、ノズル３１０を通って流れ、このノズル３１０が流れの速度を増大させ、従ってバイパス流量が大幅に高い運転条件において主エジェクタ流れに運動量を付加する。増大したエジェクタ流れ速度の作用により、流れの静圧が低下して、エジェクタの性能を向上させることになる。概して、この構成は、２つのストリームの混合による圧力低下を最少にし、使用可能な高速度バイパス流れの利用を改善してエジェクタ吐出における圧力を低下させる。
【００１８】
ノズル３１０のノズルサイズ及び位置は、タービン要件を考慮に入れながらかつ同時に圧力低下を最少にするという要求も満たすバイパス管路からの流量要件によって決まる。ノズル３１０の位置は、該ノズルによって引き起こされるあらゆる閉塞損失を減少させるが同時にジェット膨張（縮流）後に最低の圧力をメインエルボ内に良好に誘発して、主エジェクタ流れに最大限の影響を与えるようにするという相互に矛盾した要求に基づいている。縮流部は、ノズルから始まる流れの最も高速の領域又は最も低い静圧の領域である。縮流部が混合域（つまり、２つの流れストリームが出合いかつ混合する区域／容積）の最大部分を被うようなノズルの戦略的位置は、エジェクタ１５０の誘引により生じた背圧低下を向上させ、かつミキサ３００における乱流及びそれに関連する圧力損失を最少にするのを助けることになる。
【００１９】
幾つかの用途では、ノズル３１０及びノズルチップ３１５（図３参照）がメインパイプセクション３２０内に突出している場合には、これら２つの要素によって生じる妨害作用により、縮流の利点が減少する可能性がある。特定の用途及び平均的な周囲条件に基づいて、ノズル３１０及びノズルチップ３１５の位置を調整することができる。ノズル３１０及びノズルチップ３１５がメインパイプセクション３２０内に延びる量（図３には図示せず）或いはメインパイプセクション３２０から後退して設定される量（図３に示す）は、可変的である。ノズル３１０及びノズルチップ３１５のサイズ又は直径もまた、調整することができる。ノズル３１０及びノズルチップ３１５の配置及びサイズの変化は、それらを取付けられる特定の機械／システムに基づいて、またその機械／システムが作動する平均的な周囲条件に基づいて決定される。
【００２０】
ノズル３１０及び／又はノズルチップ３１５がメインパイプセクション３２０内に突出している場合には、メインパイプセクション３２０流路内におけるノズル３１０及び／又はノズルチップ３１５の位置は、エジェクタ吐出の流入ストリームラインをノズル３１０及び／又はノズルチップ３１５の周りで反らして、速度プロフィールを乱す。これは、メインパイプセクション３２０の屈曲部において変化した流れ方向に起因したジェットの曲がりに関連する乱流を強めて、付加的な圧力低下及びそれに続くエジェクタ吐出における背圧の増加を引き起こす。メインパイプセクション３２０内の主エジェクタ流れに対する妨害量が最少になるようにノズルを戦略的に設置することによって、或いは妨害の最も少ない影響と縮流により生じた流路内の低静圧の最も大きな影響とを有するトレードオフ位置にノズルを戦略的に設置することによって、流入ストリームラインの摂動とノズル３１０及びノズルチップ３１５の周りにおける渦及び渦流形成の発生とを最少にすることができる。局所条件（つまり、特定のシステム及び／又は周囲温度）並びに縮流位置要件によりメインパイプセクション３２０内にノズルを配置することが要求される場合には、妨害しているノズルの周りに集中した損失は、妨害領域内で直径のより小さなノズルを使用することによって最小にすることができる。
【００２１】
図４を参照すると、結合パイプ３３０は、配管構成全体に変化を加えずに様々な形状、直径、サイズ及び構成を有するノズル３１０及び／又はノズルチップ３１５を交換するための手段を含む。過去においては、標準的な慣行は、フランジ４１０にノズル３１０を溶接することであった。これにより、優れた結合が得られたが、ノズル３１０を取外し又は交換することが困難かつ時間のかかる作業になった。本発明によって具体化されているような新規かつ改良型の方法では、貫通孔４４０内に配置された複数のスペーサ４２０、４３０及びファスナ（図示せず）を使用する。図４には、２つのスペーサ４２０及び４３０のみを示しているが、さらに後述するように、より多い又はより少ない数のスペーサを使用することができる。この構成は、ノズル３１０の迅速かつ容易な交換を可能にし、また結合パイプ３３０内でのノズル３１０の軸方向位置を可変的にすることを可能にする。
【００２２】
スペーサ４２０、４３０は一般的に、炭素鋼又はステンレス鋼で形成されるが、あらゆる適切な材料を使用することができる。各スペーサ４２０、４３０は、１／１６〜２と１／２（ｔｗｏ  ａｎｄ  ｏｎｅ  ｈａｌｆ）インチの厚さ、より好ましくは１／８〜１／４インチの厚さとすることができるが、異なる厚さも使用することができ、或いは異なる厚さを有するスペーサを互いに使用して、ノズル３１０の所望の軸方向位置を得ることもできる。あらゆる適当な数のスペーサ４２０、４３０を、使用することができる。例えば、スペーサ４２０及び／又は４３０の数は、１〜１００個、１〜５０個又は１〜２５個の範囲とすることができ、またそれらの間の全ての範囲とすることができる。１つの実施例では、ただ１つのスペーサを使用して、ノズル３１０に２つの位置を与えることができる。典型的なシステムでは、スペーサは、約±１／１６インチ〜最大約±２と１／２インチの軸方向調整範囲を提供することができるが、より多い又はより少ない数のスペーサ或いは異なる厚さのスペーサを使用することによって、より大きな又はより小さな範囲を得ることができる。多くの用途では、頂部フランジ４１５及び底部フランジ４１０間の距離を一定に維持することが望ましい。それは、本発明では、一様な総数のスペーサを使用することによって容易に達成される。例えば、１／４インチ厚さのスペーサを用いて２と１／２インチの軸方向調整能力を得るためには、全部で１０個のスペーサを使用することができる。この実施例は、単に例示目的のためだけのものであり、より多い又はより少ない総数のスペーサ並びに／或いは異なる厚さを有するスペーサを使用することができる。スペーサの総数を一定に（本例においては１０個のスペーサ）に維持することによって、頂部フランジ４１５及び底部フランジ４１０間の距離は、常に同一となる。ノズル３１０の１つの軸方向位置においては、ノズル３１０及び頂部フランジ４１５間には全くスペーサが存在しない状態で、ノズル３１０及び底部フランジ４１０間に１０個のスペーサを使用することができる。第２の軸方向位置においては、ノズル３１０及び頂部フランジ４１５間にも５つのスペーサが存在する状態で、ノズル３１０及び底部フランジ４１０間に５つのスペーサを使用することができる。第３の軸方向位置においては、ノズル３１０及び頂部フランジ４１５間に８つのスペーサが存在する状態で、ノズル３１０及び底部フランジ４１０間に２つのスペーサを使用することができる。本発明のこの態様は、結合パイプ３３０内におけるノズル３１０軸方向位置の優れた制御及び調整能力を可能にする。
【００２３】
スペーサ４２０、４３０はまた、地方市場で容易に入手可能な標準サイズのものから選択することができる。標準サイズのスペーサを使用することによって、ハードウエアを容易に使用することができる。スペーサは、適当なファスナ（図示せず）によってフランジ４１０及び４１５間に保持される。これらのファスナは一般的に、孔４４０を貫通するボルトとこれに対応するナットであるが、ねじ又はあらゆるその他の適当なファスナも使用することができる。孔４４０は、各フランジ４１０、４１５、スペーサ４２０、４３０、及びノズル３１０内に配置される。ファスナの長さは、２つのフランジ４１０、４１５、スペーサ４２０、４３０、及びノズル３１０を互いに確実に固締するようなサイズであるのが好ましい。一般的には、ファスナは、その長さが約１２インチであるが、あらゆる適当な長さを使用することができる。使用するファスナの数は、フランジの定格によって決定されるが、一般的には８個ほどである。しかしながら、その中でノズル３１０が使用される特定のシステムによって決まるような、より多い又はより少ない数のファスナを使用することができる。
【００２４】
ノズル３１０が容易に交換することができることは、周囲条件が高度に可変的である場合に非常に有利である。例えば、平均周囲温度が低い寒冷な季節においては、より大径のノズル３１０を使用することができるが、他方、平均周囲温度がより温かい暑い季節においては、より小径のノズル３１０を使用することができる。迅速な交換能力を有することのもう１つの利点は、タービンの運転停止時間を大いに短縮することができることである。このことは、タービンのオペレータがこのシステムをより長くオンライン状態に保つことを可能にし、運転停止時間に起因したあらゆる運転又は過渡損失を減少させることになる。パイプ３３０内におけるノズル３１０の軸方向位置を容易かつ迅速に変更することができることは、特定のシステム及び／又は平均的周囲条件に対してミキサを調整するのに役立つ。
【００２５】
図５は、混合合流部３００で使用することができる例示的な動力ノズルチップ３１５の斜視図である。図６は、ノズルチップ３１５から吐出された例示的な冷却ジェット６０２の斜視図である。ノズルチップ３１５の断面積は、流れの方向に収束し、１つの実施形態では、該ノズルチップ３１５からほぼ軸方向に延びてノズルリップ５１５を形成した複数の突出部５１０を含む。突出部５１０は、同一であり、各々がほぼ三角形形状を有する。突出部５１０は、複数の三角形凹部５２０が円周方向に隣り合う突出部５１０の各対間に形成されるように、ノズルチップ３１５の周りで円周方向に延びる。具体的には、突出部５１０は、ノズルチップ３１５の端部においてシェブロン形状のノズルリップ５１５を形成する。別の実施形態では、ノズルチップ３１５にはスロットが設けられ、スロット付きノズルチップの端縁部に形成されたノズルリップから延びる複数の突出部を含む。突出部５１０は、ノズルチップ３１５が複数の丸い端縁部の切込みを含むように丸みを付けることができる。さらに、図には７つのみの突出部５１０を示しているが、ノズルチップ３１５はより多い又は少ない数の突出部５１０を含むことができることに注目されたい。加えて、突出部５１０のサイズ、形状、数及び相対的配向は、ノズルチップ３１５の使い方に応じて、該ノズルチップ３１５から吐出されるジェット流れ５３０を最適にするのを可能にするように可変に選択される。より具体的には、突出部５１０、特にノズルリップ５１５は、それから吐出されるローブ形状渦流６１０、例えばローブ形状ジェット６０２を有するジェット流れを形成するのを可能にする。
【００２６】
運転時に、高圧空気は混合合流部３００に送られ、また入口１４２を通してノズル３１０内に吐出される。より低圧の空気は、入口１５８を通して吐出される。高圧空気は、動力ノズル３１０を通してほぼ軸方向に流れ、ノズルチップ３１５を通して吐出されるのに先立って高速度に加速される。突出部５１０の配向は、ノズルチップ３１５からの吐出空気がローブ形状ジェット６０２を形成するのを可能にする。ローブ形状ジェット６０２の形状、速度及び圧力は、ジェット６０２が低圧空気を誘引して、高圧及び低圧空気を効率良く混合させるのを可能にする。混合した空気は次に、混合合流部出力１６５を通して吐出され、高圧及び低圧空気の混合物は、タービン１０４を冷却するのを可能にするために利用されるようになる。別の実施形態では、混合空気は、それに限定されないが、軸受、バケット、ノズル、ブレード、外側ケーシング及びホイールスペースのようなタービン１０４のその他の構成要素を冷却するために使用することができる。
【００２７】
ノズルチップ３１５は、ジェットを安定させる縦方向流れ構造（ローブ形又は二重反転渦流のような）の形成を可能にするように構成される。さらに、ノズルチップは、ジェットがノイズ又はその他の流れ攪乱によって乱された時にその他の不安定化流れ構造（渦環のような）の形成に抗するように構成される。具体的には、タービン運転時に、突出部５１０によって形成されたローブ形状ジェット６０２は、混合合流部３００の寿命を延長するのを可能にする。具体的には、突出部５１０は、干渉性渦環のようなジェット曲げ振動によって生成される又は該ジェット曲げ振動に関連する乱流の強度及び対称性を減少させるのを可能にする。一般的には、混合合流部におけるジェット曲げ振動は、音響波をケーシング壁から動力ノズルに向けて反射し返す。突出部５１０によってジェット６０２内に形成されたローブ形は、ジェットの曲がりによって生成された円周方向乱流構造の可干渉性を減少させて、ケーシング壁から反射された音響波によってそのような流れ構造が強まるのを妨げる。さらに、突出部５１０によって形成されたノズル内部の後縁部は、ノズルに対して垂直な平面の外側に位置するので、反射音響波がジェット曲げ振動をさらに励振する可能性が低減される。具体的には、突出部５１０は、反射波がジェット６０２の振動と同相で振動するのを防止して、振動が乱されかつ増強されないようにするのを可能にする。従って、突出部５１０は、ジェット曲げ振動の形成及び励振の両方を妨害するのを可能にし、それによってジェット曲げ振動が混合合流部３００に与える可能性がある影響を減少させるのを可能にする。
【００２８】
突出部５１０が存在する結果、流れがノズルチップ３１５から吐出される時に、より小さな振動がジェット曲げ振動によって混合合流部に誘発される。さらに、ノズルチップ３１５また特に突出部５１０は、混合合流部３００に誘発されるあらゆる共振及び振動の励振を低減するのを可能にする。従って、混合合流部３００は、実質的により少ないノイズしか発生せず、また他の公知の混合合流部よりも実質的に減少した変動構造荷重を受けることになる。従って、混合合流部及びその他の連結装置の有効寿命の向上を強化することが可能になり、また混合合流部によって生成される環境ノイズが低減される。
【００２９】
上記の方法及び装置は、混合合流部の寿命を延ばすのを可能にし、またその作動によって生成される環境ノイズを低減するのを可能にする。具体的には、シェブロン形状のノズルチップは、ローブ形状ジェットを形成し、このローブ形状ジェットは、混合合流部の動力ノズル内で発生する可能性があるジェット曲げ振動を低減するのを可能にする。さらに、ローブ形状ジェットは、ジェット曲げ振動の励振を低減して、混合合流部の動力ノズルに誘発される振動が減少するようにするのを可能にする。その結果、混合合流部内には、より小さいノイズ及びより少ない構造荷重しか発生しない。さらに、シェブロン形状ノズルチップはまた、低圧空気の誘引を増大させて、混合合流部がより効率良く作動するのを可能にする。最終的には、上記の方法及び装置は、より効率的かつより安定した混合合流部を提供するのを可能にして、システムエンジン効率を高めることができ、混合合流部及び該混合合流部と流れ連通した装置の保守に関連するコストを低減することができ、かつシステムの寿命を増大させることができる。
【００３０】
現時点で１つの好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に、提出した特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】例示的なターボ機械の圧縮機及びタービンセクション並びに冷却及びシーリング空気システムの概略図。
【図２】図１に示す例示的なターボ機械の冷却及びシーリング空気システム内で使用するＴ合流ミキサの拡大断面図。
【図３】図１に示す例示的なターボ機械の冷却及びシーリング空気システム内で使用する改良型の混合合流部の１つの実施形態の断面図。
【図４】図１に示す例示的なターボ機械の冷却及びシーリング空気システム内で使用する改良型のノズル取付け手段の１つの実施形態の分解断面図。
【図５】図３に示す混合合流部に使用することができるノズルチップの１つの例示的な実施形態の斜視図。
【図６】図４に示すノズルチップから吐出された冷却流れストリームの斜視図。
【符号の説明】
【００３２】
１００  ターボ機械
１０２  圧縮機
１０４  タービン
１０６  圧縮機入口
１０８  燃焼器
１２０  圧縮機の第１３段
１２２  高圧／高温流路
１２４  タービンの第１の部位（例えば、第２段ノズル）
１３０  圧縮機の第９段
１３２  低圧／低温流路
１３４  タービンの第２の部位（例えば、第３段ノズル）
１３６  エジェクタへのクロスオーバ流路
１４０  絞り弁
１４２  バイパス流路
１５０  エジェクタ
１５２  高圧／高温流路のためのエジェクタ入口
１５４  低圧／低温流路のためのエジェクタ入口
１５６  エジェクタ出口
１５８  エジェクタ出力、第３の流路
１６０  Ｔ合流部
１６５  流れ１４２及び１５８の組合せ流れ（ミキサ出力）
３００  混合合流部
３１０  ノズル
３１５  ノズルチップ
３２０  メインパイプセクション
３３０  結合パイプ
４１０  底部フランジ
４１５  頂部フランジ
４２０  スペーサ
４３０  スペーサ
４４０  貫通孔
５１０  突出部
５１５  ノズルリップ
５２０  三角形凹部
５３０  ジェット流れ
６０２  ローブ形状ジェット
６１０  ローブ形状渦流
【図１】
2008255987.tif 000003
【図２】
2008255987.tif 000004
【図３】
2008255987.tif 000005
【図４】
2008255987.tif 000006
【図５】
2008255987.tif 000007
【図６】
2008255987.tif 000008