(57)【要約】【課題】遮熱冷却回路（３１０）を備えた圧縮機（１１２）を含むガスタービンエンジン（１１０）を提供する。【解決手段】圧縮機（１１２）は、圧縮チャンバ（１１９）を有する圧縮機ケーシング（１１８）並びに圧縮チャンバ（１１９）内に配置された１以上のステータ（１２８）及び１以上のロータ（１２６）を含み、１以上のステータ（１２８）は、その中の通路（３１２）を通して圧縮チャンバ（１１９）内に冷却空気（３２２）を輸送する複数の管（３２０）を有するステータ本体（２１０）を含む。複数の管（３２０）は、管をステータ本体２１０から遮熱する空気間隙（３２８）によって囲まれる。【選択図】      図３
2008190530.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮チャンバ（１１９）を有する圧縮機ケーシング（１１８）並びに圧縮チャンバ（１１９）内に配置された１以上のステータ（１２８）及び１以上のロータ（１２６）を含む圧縮機（１１２）と、
燃焼器（１１４）と、
タービン（１１６）と
を備えるガスタービンであって、１以上のステータ（１２８）が、
外側開口部（３１４）から内側開口部（３１６）まで貫通する複数の通路（３１２）を有するステータ本体（２１０）と、
ステータ本体（２１０）を通して冷却空気（３２２）を圧縮チャンバ（１１９）内に輸送する複数の管（３２０）であって、各々入口（３２４）から出口（３２６）までそれぞれの通路（３１２）を通して延在する複数の管（３２０）と
を含んでおり、各々の管（３２０）がそれぞれの通路（３１２）の壁から離隔して、管（３２０）とそれぞれの通路（３１２）の壁との間に、ステータ本体（２１０）から管（３２０）を遮熱する空気間隙（３２８）を形成する、
ガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項２】
ガスタービンエンジン（１１０）が、ガスタービンエンジン（１１０）を貫通する長手方向駆動軸（１１７）の周囲に中心領域（３１８）を有し、複数の管（３２０）が中心領域（３１８）に冷却空気（３２２）を輸送する、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項３】
複数の管（３２０）が、それぞれの外側開口部（３１４）を通るそれぞれの入口（３２４）から各管（３２０）の出口（３２６）を通して中心領域（３１８）まで延在する、請求項２記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項４】
ステータ（１２８）が、通路（３１２）の壁から管（３２０）を離隔するため通路（３１２）内に設けられた複数のスペーサ（３３０）をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項５】
管（３２０）とステータ本体（２１０）が気密管継手で嵌合している、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項６】
空気間隙（３２８）が約０．０４０インチ〜約０．０８０インチの厚さをなす、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項７】
空気間隙（３２８）が静止空気を含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項８】
、管（３２０）の入口（３２４）と出口（３２６）の間での冷却空気（３２２）の温度変化が約１００°Ｆ以下である、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項９】
冷却空気（３２２）の流量が、流路当たり約２．０ｌｂｍ／ｓｅｃ〜約３．０ｌｂｍ／ｓｅｃである、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項１０】
冷却空気（３２２）の入口温度（３２４）が、約５００°Ｆ〜約６５０°Ｆである、請求項１記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンにおける冷却回路に関する。具体的には、本発明は、周囲の高温ガスからの冷却空気による吸熱を減少させる遮熱バリヤを含む、ガスタービンエンジンに冷却空気を供給する装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、エネルギーを発生させる最も効率的な手段の１つである。ガスタービンの出力、効率及び経済性は一般に、タービンを流れるガスの温度が上昇すると向上する。しかし、高温腐食の問題を避けるめブレード金属温度を概して１４００°Ｆ未満に維持しなくてはならないので、大半のガスタービンエンジンではタービン入口温度が制限要因となる。
【０００３】
空気冷却及びブレード冶金技術の進展によって、ガスタービンの入口温度を格段に高めることが可能となった。具体的には、ブレードからの除熱手段を設けることによって、ブレード材料の金属限界よりも高い燃焼ガス温度でタービンを運転することができる。空気冷却法では、圧縮機から冷却空気を抽気して、冷却空気をステータ、ロータ、並びにロータ及びケーシングの他の部分に導く。
【０００４】
現在の冷却法では、ステータ通路を利用して、ケーシングの外表面からエンジン中心線領域まで冷却空気を移送している。この構成における吸熱はかなり大きく、サイクル効率及び出力の顕著な低下をきたしている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、ステータ通路における吸熱を低減して、冷却空気を望ましくはその入口温度に近い低温に維持する必要性が存在する。かかる改良によって、最低温度の冷却空気の必要量が最小となり、サイクル効率及び出力が最大となる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、遮熱冷却回路を有する圧縮機、燃焼器及びタービンを含むガスタービンエンジンを提供することによって上記の課題を解決する。圧縮機は、圧縮チャンバを有する圧縮機ケーシング並びに圧縮チャンバ内に配置された１以上のステータ及び１以上のロータを含む。１以上のステータは、外側に位置する開口部から内側に位置する開口部まで貫通する複数の通路を有するステータ本体と、ステータ本体を通して冷却空気を圧縮チャンバ内に輸送する複数の管とを含む。複数の管は、入口から出口までそれぞれの通路を通して延在しており、それぞれの通路の壁から離隔して、管とそれぞれの通路の壁との間に空気間隙を形成する。
【０００７】
特定の実施形態では、遮熱冷却回路はさらに、複数の管とそれぞれの通路の壁との間に１以上のスペーサを含む。別の実施形態では、静止空気間隙は、ガスタービンエンジンの高温ガスと冷却回路の冷却空気との間の熱伝達をさらに低減するための高温遮熱材を含む。
【０００８】
本発明の他の目的、特徴及び利点は、以下の詳細な説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の全ての実施形態ではないが、その幾つかを示している添付図面を参照して、以下で本発明をより十分に説明する。実際には、これらの発明は、多くの異なる形態で具体化することができ、また本明細書に記載した実施形態に限定されるものとして解釈すべきではなく、本明細書が法的要件を満たすようにするためのものである。図面を通して、同じ参照符号は同様の要素を表す。
【００１０】
本発明は、遮熱冷却回路を含むガスタービンエンジンの圧縮機を提供することによって上述の必要性に対処するものである。本遮熱冷却回路では、冷却空気の吸熱が最小限となり、必要な冷却空気が減るので、サイクル効率及び出力が最大となる。以下、本発明の実施形態について詳細に説明し、図１〜図５に例示する。
【００１１】
図１に示す典型的なガスタービンエンジン１１０は、燃焼器１１４と直列に流体連通した圧縮機１１２及びタービン１１６とを含む。圧縮機１１２及びタービン１１６は駆動軸１１７で結合でき、この駆動軸は、タービン１１６と発電機（図示せず）との結合にも用いることができる。タービンはさらに、圧縮機ケーシング１１８及びタービンケーシング１２０を備えており、それぞれ圧縮機チャンバ１１９及びタービンチャンバ１２１を囲繞する。
【００１２】
特定の実施形態では、ガスタービンエンジン１１０は、Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社から市販のあらゆるエンジンとすることができるが、本明細書に示しかつ説明したガスタービンエンジン１１０は、単なる例示にすぎない。従って、ガスタービンエンジンエンジン１１０は、図１に示しかつ本明細書に説明したガスタービンエンジンに限定されるものではなく、当業者に公知のあらゆるガスタービンでよい。例えば、別の実施形態では、ガスタービンエンジン１１０は、２つのシャフトを有して発電機（図示せず）及び圧縮機１１２を別個に駆動する多軸ガスタービンエンジンを含むことができる。
【００１３】
運転中に、空気（矢印１２２で示す）は、圧縮機チャンバ１１９からガスタービンエンジン１１０に流れ込み、圧縮機１１２で圧縮される。圧縮空気は燃焼器１１４に流れ、燃料（図示せず）と混合して点火される。燃焼器１１４からの膨脹高温ガスは回転タービン１１６を駆動し、ガスタービンエンジン１１０から排気ディフューザ（図示せず）を通して流出する（矢印１２４で示す）。さらに、幾つかの実施形態では、タービンエンジン１１０からの排気ガスは、蒸気タービン（図示せず）の駆動用の蒸気を発生する排熱回収ボイラ（図示せず）に供給してもよい。
【００１４】
図１及び図２に示す圧縮機１１２は一般に、圧縮機チャンバ１１９を有する圧縮機ケーシング１１８並びに圧縮機チャンバ内に配置された１以上のロータ１２６及び１以上のステータ１２８を備える。特定の実施形態では、１以上のステータ１２８は、図３に示す遮熱冷却回路３１０を有するステータ本体２１０を含む。ステータ本体２１０は、図２の破線で示すように、ステータ本体を貫通する複数の通路３１２を含む。特定の実施形態では、複数の通路３１２は、外側に位置する開口部３１４と内側に位置する開口部３１６とをステータ本体２１０内部に有する。外側開口部３１４は、内側開口部３１６よりもガスタービンエンジン１１０の中心領域３１８から遠くに位置する。
【００１５】
別の特定の実施形態では、ステータ本体２１０はさらに、圧縮チャンバ１１９に冷却空気（矢印で示す）３２２を輸送する複数の管３２０を含む。特定の実施形態では、複数の管３２０は、駆動軸１１７の近く及びその周りのガスタービンエンジン１１０の中心領域（点線で示す）３１８に冷却空気３２２を輸送する。複数の管３２０は、それぞれの複数の通路３１２を貫通してそれぞれの入口３２４からガスタービンエンジン１１０の望ましくは内側開口部３１６に近接した中心領域３１８におけるそれぞれの出口３２６まで延在し、冷却空気３２２が出口からガスタービンエンジンの中心領域に流れるようにする。本明細書で用いる「近接」とは、複数の管３２０の出口３２６が内側開口部３１６と隣接又は略隣接していることを意味する。
【００１６】
一実施形態では、複数の管３２０は、それぞれの複数の通路３１２の壁から離隔して、管とそれぞれの通路の壁との間に空気間隙３２８を形成する。この空気間隙３２８は静止状態であるのが望ましいが、これは、空気間隙がいかなる空気の流れもない空気のポケットを含み、それによって静止空気間隙を通しての熱伝達モードが自然対流に限定されることを意味する。従って、静止空気間隙３２８により、複数の管３２０に対して遮熱バリヤが形成され、それによって、ステータ本体２１０と冷却空気３２２を輸送する複数の管３２０との間での熱伝達が最小限になる。
【００１７】
特定の実施形態では、ステータ本体２１０はさらに、通路３１２内に配置されて管３２０を通路３１２の壁から離隔させる複数のスペーサ３３０を含む。他の特定の実施形態では、ステータ本体２１０はさらに、管３２０と通路３１２の壁との間の空気ギャップ３２８内に配置された高温遮熱材を含む。
【００１８】
一実施形態では、複数の管３２０は、ステータ本体２１０に溶接される。別の実施形態では、複数の管３２０は、気密管継手でステータ本体２１０に締結される。
【００１９】
一般に、複数の管３２０は、約０．０４０インチ〜約０．０８０インチの厚さの壁を含む。特定の実施形態では、複数の管３２０は、耐熱性及び耐食性材料からなる。特に望ましい実施形態では、複数の管３２０はニッケル合金を含む。或いは、複数の管３２０はステンレス鋼を含む。別の特定の実施形態では、ステータ１２８は、高強度で耐熱・耐食性の材料を含む。特に望ましい実施形態では、ステータ１２８はＣｒＭｏＶを含む。或いは、ステータ１２８は、鋳鉄又は炭素鋼を含む。さらに別の特定の実施形態では、スペーサ３３０は一般に、耐熱性及び耐摩耗性の材料を含む。特に望ましい実施形態では、スペーサ３３０はコバルト合金を含む。或いは、スペーサ３３０はニッケル合金又はステンレス鋼を含む。
【００２０】
空気間隙３２８は、望ましくは約０．０４０インチ〜約０．０８０インチの厚さ（ｔ）（図５Ａ〜図５Ｃに示す）を有する。一実施形態では、空気間隙３２８は、約０．０５０インチの厚さを有する。空気間隙３２８は、管３２０の入口３２４から出口３２６までの冷却空気３２２の吸熱を最小限にする。一実施形態では、入口３２４と出口３２６の間の冷却空気３２２の温度変化は、約１００°Ｆ以下、さらに望ましくは約５０°Ｆ以下、一段と望ましくは２５°Ｆ以下、さらに一段と望ましくは１０°Ｆ以下である。
【００２１】
特定の実施形態では、冷却空気３２２の流量は、流路当たり約２．０ｌｂｍ／ｓｅｃ〜約３．０ｌｂｍ／ｓｅｃの範囲内にあり、また冷却空気３２２の入口３２４温度は、約５００°Ｆ〜約６５０°Ｆの範囲内にある。
【００２２】
以下の実施例によって本発明をさらに例示するが、この実施例は、決して本発明の技術的範囲を制限するものではない。その様々な他の実施形態、改良及び均等物に対する手段を有することができ、その説明を読んだ後に、当業者は、本発明の技術思想及び／又は特許請求の範囲の技術的範囲から逸脱せずにそれら手段により示唆を受けることができることが、明確に理解される筈である。
【実施例】
【００２３】
図４に、圧縮機１１２の遮熱冷却回路３１０の実施形態を示す。圧縮機１１２は、圧縮チャンバ１１９を有する圧縮機ケーシング１１８を含み、また圧縮チャンバ１１９内に配置された１以上のステータ１２８を含む。１以上のステータは一般に、外側開口部３１４及び内側開口部３１６を有する複数の通路３１２を備えたステータ本体２１０を含む。冷却空気３２２は、それぞれの入口３２４から複数の通路３１２を通って内側開口部３１６に近接したそれぞれの出口３２６まで延在する複数の管３２０を通して輸送される。複数の管３２０は、通路３１２の壁に対して溶接されるか或いは気密管継手によって通路３１２の壁に接合される。管３２０と通路３１２の壁との間のスペーサ３３０は、所望の静止空気間隙３２８を設定する。静止空気間隙３２８により、複数の管３２０を流れる冷却空気３２２に対する遮熱バリヤが形成される。
【００２４】
第１の長さの管４１０は、水平管を含み、その断面４１２を図５Ａに示す。第１の長さの管４１０は、エルボ４１６において第２の長さの管４１４に接合し、この第２の長さの管は、傾斜管を含む。第２の長さの管４１４は、溶接プレート４２０によって密封されたＵ字形状スロット４１８内に嵌合しており、その断面４２２を図５Ｂに示す。第２の長さの管４１４の側面内の２つの穴４２４は、第３の長さの管４２６に接合し、この第３の長さの管は、２つの平行管を含む。第２の長さの管４１４の端部は、端部キャップ４２８で密封される。第３の長さの管４２６は、冷却空気をエルボ空洞４３０内に導き、エルボ空洞４３０は、冷却空気を第４の長さの管４３２内に導き、この第４の長さの管４３２は、水平管を含む。第４の長さの管４３２は、ディフューザ状方向転換ガイド４３４を含み、ディフューザ状方向転換ガイド４３４は、エネルギー損失を最小限にしかつ第５の長さの管４３６内に冷却空気を導く。第５の長さの管４３６は、平坦流路を含み、その断面４３８を図５Ｃに示しており、ガスタービンエンジン３１８の中心領域における出口３２６に至る。
【００２５】
この遮熱管通路システムの特定の実施形態により、同一の質量流量を有する先行技術と比較した場合、ステータの外部ケーシングにおける入口とエンジン中心線領域における出口との間での冷却空気の温度変化の９３％の低減が得られた。従って、同一の冷却空気の出口温度の場合に、冷却空気の入口温度をより極めて高い値に設定することができるという事実に起因して、より小さい熱交換器を使用して、圧縮機吐出温度を冷却することができる。冷却空気の同一の質量流量の場合に、遮熱管通路システムは、より少ない熱をボトミングサイクルに廃棄し、それによって複合サイクル熱効率及び出力を高めることになる。
【００２６】
以上の説明は、本発明の特定の実施形態に関するものであり、また特許請求の範囲に記載した本発明の技術的範囲から逸脱することなく様々な変更を加えることができることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】公知のガスタービンエンジンの部分断面を示す図。
【図２】本発明の特定の実施形態によるガスタービンエンジン圧縮機の部分断面を示す図。
【図３】本発明の特定の実施形態による、ガスタービンエンジン圧縮機における吸熱を最小限にする遮熱管通路システムを含むステータの実施形態の断面図。
【図４】本発明の特定の実施形態による遮熱管通路システムの平面図。
【図５Ａ】図４に示す特定の実施形態による遮熱管通路システムの異なる構成部品の断面図。
【図５Ｂ】図４に示す特定の実施形態による遮熱管通路システムの異なる構成部品の断面図。
【図５Ｃ】図４に示す特定の実施形態による遮熱管通路システムの異なる構成部品の断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１１０  ガスタービンエンジン
１１２  圧縮機
１１４  燃焼器
１１６  タービン
１１７  駆動軸
１１８  圧縮機ケーシング
１１９  圧縮機チャンバ（圧縮チャンバ）
１２０  タービンケーシング
１２１  タービンチャンバ
１２２  空気
１２４  空気
１２６  ロータ
１２８  ステータ
２１０  ステータ本体
３１０  遮熱冷却回路
３１２  複数の通路
３１４  外側開口部
３１６  内側開口部
３１８  中心領域
３２０  複数の管
３２２  冷却空気
３２４  入口
３２６  出口
３２８  空気間隙
３３０  スペーサ
４１０  第１の長さの管
４１２  第１の長さの管の断面
４１４  第２の長さの管
４１６  エルボ
４１８  Ｕ字形状スロット
４２０  溶接プレート
４２２  第２の長さの管の断面
４２４  穴
４２６  第３の長さの管
４２８  端部キャップ
４３０  エルボ空洞
４３２  第４の長さの管
４３４  方向転換ガイド
４３６  第５の長さの管
４３８  第５の長さの管の断面
【図１】
2008190530.tif 000003
【図２】
2008190530.tif 000004
【図３】
2008190530.tif 000005
【図４】
2008190530.tif 000006
【図５Ａ】
2008190530.tif 000007
【図５Ｂ】
2008190530.tif 000008
【図５Ｃ】
2008190530.tif 000009