(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼空気を圧縮するように構成された圧縮機セクション（９）と、
前記圧縮機セクション（９）および燃料（１７）からの圧縮空気（１３）の流れを受け取り、高温加圧燃焼ガス（１９）の流れを発生させる燃料空気混合物を燃焼させるように構成された燃焼器セクション（１５）と、
前記高温加圧燃焼ガス（１９）を受け取り、前記高温加圧燃焼ガス（１９）を膨張させて機械的動力を生成するように構成されたタービンセクション（２１）であって、タービン回転軸線（Ａ−Ａ）を中心に回転する少なくとも１つのブレード付きホイール（４３）を有するタービンロータ（４１）と、排気ガスディフューザ（６５）と、内面および外面を有するケーシング（５２）と、を有するタービンセクション（２１）と
を備えるガスタービンエンジン（３）であって、
前記ケーシング（５２）は前記外面に配置された複数の冷却フィン（７５）を備え、
前記ケーシング（５２）が、互いに接続されたタービンケーシング部分（５２Ａ）およびディフューザケーシング部分（５２Ｂ）を備え、前記冷却フィン（７５）が、前記タービンケーシング部分（５２Ａ）と前記ディフューザケーシング部分（５２Ｂ）との間の接続部に配置されている、
ガスタービンエンジン（３）。
【請求項２】
前記冷却フィン（７５）が、前記タービンロータ（４１）の前記タービン回転軸線（Ａ−Ａ）を取り囲む環状形状を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項３】
前記冷却フィン（７５）が、前記少なくとも１つのブレード付きホイール（４３）の周りに円形に配置されている、請求項１または２に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項４】
前記タービンセクション（２１）が、前記少なくとも１つのブレード付きホイール（４３）を取り囲んで前記ケーシング（５２）に接続された少なくとも１つのシュラウド（５９）を備え、前記シュラウド（５９）の周囲に前記冷却フィン（７５）が配置されている、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項５】
前記冷却フィン（７５）が、前記接続部で前記ディフューザケーシング部分（５２Ｂ）上に形成される、請求項４に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項６】
前記タービンケーシング部分（５２Ａ）は第１の接続フランジ（６７）を有し、前記ディフューザケーシング部分（５２Ｂ）は第２の接続フランジ（６９）を有し、前記ディフューザケーシング部分（５２Ｂ）と前記タービンケーシング部分（５２Ａ）は前記第１の接続フランジ（６７）と前記第２の接続フランジ（６９）で互いに接続される、請求項４又は５に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項７】
前記冷却フィン（７５）が、前記第２の接続フランジ（６９）の周囲に形成される、請求項６に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項８】
前記第１の接続フランジ（６７）と前記第２の接続フランジ（６９）との間に中間環状ケーシング構成要素（７３）が配置され、前記シュラウド（５９）は前記中間環状ケーシング構成要素（７３）に拘束され、前記中間環状ケーシング構成要素（７３）よって支持されている、請求項６又は７に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項９】
前記中間環状ケーシング構成要素（７３）が、前記冷却フィン（７５）と実質的に同軸に延び、前記冷却フィン（７５）は前記中間環状ケーシング構成要素（７３）の少なくとも一部（７３Ｂ）を取り囲んでいる、請求項８に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項１０】
前記排気ガスディフューザ（６５）が、燃焼ガス流（Ｆ）に対して前記冷却フィン（７５）の下流に位置する内部断熱シールド（７９）を備える、請求項１乃至９のいずれか１項または複数の項に記載のガスタービンエンジン（３）。
【請求項１１】
前記内部断熱シールド（７９）が、前記ディフューザケーシング部分（５２Ｂ）の内面に配置されている、請求項１０に記載のガスタービンエンジン（３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願およびその結果の特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関する。本明細書に開示される実施形態は、例えば、機械的駆動または発電のための、産業用途のガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、いくつかの産業および航空用途において原動機として一般に使用されている。産業用途には、特に、機械的駆動構成が含まれ、ガスタービンエンジンは、例えば圧縮機や圧縮機列、またはポンプや他の機械のような回転ターボ機械などの負荷を駆動するために使用される。他の典型的な産業用途には発電が含まれ、電力を発生させる発電機を駆動するためにガスタービンエンジンが使用される。
【０００３】
ガスタービンエンジンのいくつかの領域は、高温燃焼ガスがターボ機械内を循環するため、高い熱負荷を受ける。これは、特に、パワータービンセクションおよび排気ガスディフューザの領域における場合である。これらの領域の温度差は、機械構成要素内の温度勾配のために、厳しい機械的応力を発生させる可能性がある。
【０００４】
したがって、例えば、熱的に誘発される応力に関する限り、ターボ機械の運転状態を改良することを目的とした、ガスタービンエンジンの高温部分の設計の改善が常に要求される。
【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２０１１／２１４４３１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
したがって、本出願およびその結果の特許は、圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションを含むガスタービンエンジンを提供する。圧縮機セクションは、燃焼器セクションに供給される燃焼空気を圧縮するように構成される。燃料は圧縮空気と混合され、燃焼器セクションにおいて混合気が点火されて、高温の圧縮燃焼ガスを生成する。タービンセクションは、高温加圧燃焼ガスを受け取り、燃焼ガスを膨張させて機械的動力を生成するように構成される。タービンセクションは、タービン回転軸線を中心に回転する少なくとも１つのブレード付きホイールを有するタービンロータを備えることができる。タービンセクションは、排気ガスディフューザと、内面および外面を有するケーシングとをさらに備えることができる。本明細書で開示される実施形態では、ケーシングの外面に配置された複数の冷却フィンが設けられる。
【０００７】
いくつかの実施形態では、冷却フィンは、タービンロータの回転軸線を取り囲む環状形状を有する。環状形状は、ケーシング周囲の空気循環、特に、ケーシングの底部からケーシングの上部への空気循環を改善するのに寄与することができる。他の実施形態では、軸線方向に、すなわちタービン回転軸線に平行に延びる冷却フィンを設けることができる。環状の冷却フィンと軸線方向の冷却フィンとを組み合わせた構成を設けることもできる。
【０００８】
いくつかの実施形態によれば、冷却フィンを、タービンロータの少なくとも１つの回転ブレード付きホイールの周りに環状に配置することができる。タービンセクションは、少なくとも１つの回転ブレード付きホイールを取り囲み、ケーシングに接続された少なくとも１つのシュラウドを備えることができる。冷却フィンを、シュラウドの周りに配置することができる。
【０００９】
本明細書で開示されるガスタービンエンジンの例示的な実施形態は、タービンケーシング部分およびディフューザケーシング部分を含むケーシングを備え、このケーシング部分は、接続インタフェースまたは接続領域で互いに接続される。冷却フィンを、タービンケーシング部分とディフューザケーシング部分との間の接続部またはその近くに配置することができる。したがって、良好な温度プロファイルが得られ、熱応力および変形の低減に寄与することができる。いくつかの実施形態では、これにより、ケーシング部分の分解を容易にすることができる。
【００１０】
特徴および実施形態が、本明細書で以下に開示されており、添付の特許請求の範囲においてさらに説明されている。添付の特許請求の範囲は、本明細書の必須の部分を形成する。上記の簡単な説明は、以下に続く詳細な説明がよりよく理解され、技術に対する本発明の貢献がよりよく認識されるように、本発明のさまざまな実施形態の特徴を説明している。もちろん本発明には他にも特徴があり、他の特徴は以下に説明され、添付の特許請求の範囲に記載される。この点において、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明のさまざまな実施形態が、その応用において、以下の説明に記載されるか、または図面に示される構造の詳細、および部品の構成に限定されるものではないことを理解されたい。本発明は他の実施形態も可能であり、さまざまな方法で実践および実行され得る。また、本明細書で用いられる表現および用語は説明を目的とするものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。
【００１１】
このように当業者ならば、本開示が基づく構想が、本発明のいくつかの目的を実行するための他の構造体、方法、および／またはシステムを設計する基礎として容易に利用され得ることを理解するであろう。したがって、特許請求の範囲が、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない限り、そのような均等の構造を含むと見なされることが重要である。
【００１２】
本発明の開示された実施形態、および本発明の多くの付随する利点のより全面的な理解は、添付の図面と結び付けて検討される際、以下の詳細な説明を参照することにより、これらがよりよく理解される場合に容易に得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ガスタービンエンジンおよび負荷を含むタービンシステムのブロック図である。
【図２】図１のガスタービンエンジンの一実施形態の概略断面図である。
【図３】図２のガスタービンエンジンのタービンセクションの一部の拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
例示的な実施形態についての以下の詳細な説明では、添付の図面を参照する。別々の図面における同じ参照番号は、同じかまたは同様の要素を表す。なお、図面は、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではない。また、以下の詳細な説明は、本発明を限定するものではない。代わりに、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定められる。
【００１５】
本明細書全体を通して「一実施形態」「実施形態」または「いくつかの実施形態」への言及は、ある実施形態と結び付けて説明される特定の特徴、構造、または特性が、開示される主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。したがって、本明細書全体のさまざまな場所で「一実施形態では」「実施形態では」または「いくつかの実施形態では」という表現が現れても、必ずしも同じ実施形態（単数および複数）を指すものではない。さらに、特定の特徴、構造または特性は、１つまたは複数の実施形態において任意の適切な方法で組み合わせられてもよい。
【００１６】
図１は、ガスタービンエンジン３と、ガスタービンエンジン３によって駆動される負荷５とを含むガスタービンシステム１のブロック図である。負荷５は、回転ターボ機械、例えば遠心圧縮機、発電機、またはガスタービンエンジン３によって生成された機械的動力によって駆動される他の負荷であってもよい。
【００１７】
ガスタービンエンジン３は、圧縮機セクション９に流体的に結合された吸気セクション７を備えることができる。圧縮機セクション９は、空気１１を取り込み、空気圧を増加させ、圧縮空気１３を燃焼器セクション１５に供給する。燃料１７は、燃焼器セクション１５に供給され、圧縮空気と混合される。空気／燃料混合物は、高温加圧燃焼ガス１９の流れを生成するように燃焼される。燃焼ガス１９は、燃焼ガスが膨張して機械的動力を発生するタービンセクション２１に供給され、負荷５に駆動接続されたシャフト２３上で利用可能となる。排気ガス２５は、最終的に排気セクション２７を介して排出される。シャフト２３は、圧縮機セクション９から負荷５まで延びる連続的なシャフトまたはシャフトラインを形成するように、互いに接続された２つ以上のシャフト部分から構成されることができる。ジョイントまたはクラッチ、ならびにギヤボックス（図示せず）をシャフトラインに沿って配置することができる。
【００１８】
図１に概略的に示される実施形態では、ガスタービンエンジン３は、単一シャフトのガスタービンエンジンであり、単一シャフトが圧縮機セクション９から負荷５まで延びている。他の実施形態では、ガスタービンエンジンは、マルチシャフトのガスタービンエンジンであってもよく、第１のシャフトが高圧タービンセクションを圧縮機セクション９に駆動接続し、第２のシャフトが低圧タービンセクションを負荷５に駆動接続する。
【００１９】
図２は、引き続き図１を参照した、ガスタービンエンジン３の概略断面図を示している。圧縮機セクション９は、ガスタービン回転軸線Ａ−Ａの周りを回転する圧縮機ロータ３１を備えることができる。図２の例示的な実施形態では、圧縮機セクション９は、複数の圧縮機ホイール３３からなる圧縮機ロータ３１を含む軸流圧縮機を備える。各圧縮機ホイール３３は、周辺に配置された回転圧縮機ブレード３５を備える。固定圧縮機ブレード３７またはベーンが、回転圧縮機ブレード３５の各セットの上流に配置され、圧縮機の段を形成する固定および回転圧縮機ブレードのセットがそれぞれの対で順次配置される。
【００２０】
タービンセクション２１は、タービンロータ４１を備えることができる。タービンロータ４１は、１つまたは複数のブレード付きタービンホイール４３、例えば３つのブレード付きタービンホイールを備えることができる。他の実施形態では、異なる数のタービンホイール４３を、単一のロータ上に、または異なるタービンセクションのより機械的に独立したロータ上に取り付けることができる。各ブレード付きタービンホイール４３には、周方向に配置された回転タービンブレード４５のセットが設けられている。周方向に配置された固定タービンブレード４７またはベーンのそれぞれのセットは、回転タービンブレード４５の各セットの上流に配置される。１つまたは複数の固定タービンブレードは、ガスタービンエンジンの動作条件を調整するために、それぞれの半径方向軸線の周りで角度調整可能であり得る。固定タービンブレードセット４７の各対およびそれぞれの回転タービンブレードセット４５は、タービン段を形成する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、タービンロータ４１および圧縮機ロータ３１は、共通のガスタービンロータを形成する。タービンセクション２１における高温加圧燃焼ガスの膨張は、ガスタービンロータ上で利用可能な機械的動力を生成し、部分的に使用されて圧縮機ロータ３１を回転駆動して空気を圧縮し続け、このため、燃焼器セクション１５における燃焼プロセスを持続させる。圧縮機セクション９を駆動するために使用されない、タービンセクションのガス膨張によって生成された残りの機械的動力は、シャフト２３上の機械的結合部５１に接続することができる負荷５を駆動する有用な動力として利用可能である。
【００２２】
図１および図２の例示的な実施形態では、負荷５は、ガスタービンエンジン３のホットエンドに結合される。図示されていない他の実施形態では、負荷５を、ガスタービンエンジン３の反対側のコールドエンドに、すなわちその吸気側に接続することができる。図示されていないさらに別の実施形態では、ガスタービンエンジン３の両端にそれぞれの負荷を機械的に結合することができる。
【００２３】
これまで説明した回転ターボ機械構成要素は、通常、１つまたは複数のケーシングによって形成されたハウジング内に収容される。図２では、タービンセクションのケーシングが５２で概略的に示されている。
【００２４】
引き続き図２を参照すると、図３は、タービンセクション２１および関連するタービンケーシング５２の詳細の拡大図を示している。図３では、回転タービンブレードの最後のセットが４５Ａで示されている。それぞれの固定タービンブレードは４７Ａで示されている。固定タービンブレード４７Ａおよび回転タービンブレード４５Ａは、最後の、すなわち最も下流のタービン段４８Ａを形成している。タービン段４８Ａの上流に、さらなる回転タービンブレード４５Ｂのセットおよびそれぞれの固定タービンブレード４７Ｂが最後から２番目のタービン段４８Ｂを形成している。さらに上流のタービン段は図３には示されていない。用語「上流」および「下流」は、ここでは、矢印Ｆで概略的に表される、タービンセクション２１を横切る燃焼ガスの主流を参照している。
【００２５】
回転タービンブレード４５Ｂの周りには、取り付け装置５５によってケーシング５２に取り付けられたシュラウド５３が設けられている。取り付け装置５５に隣接して、固定タービンブレード４７Ａをケーシング５２に接続する取り付けシステム５７を設けることができる。
【００２６】
同様に、回転タービンブレード４５Ａは、回転タービンブレード４５Ａを囲むそれぞれのシュラウド５９によって取り囲まれることができ、取り付け装置６１によってケーシング５２に取り付けられことができる。
【００２７】
本明細書で開示される実施形態では、各シュラウド５３，５９を、タービンロータの回転軸線Ａ−Ａの周りに円周方向に配置されたシュラウドセグメントによって形成することができる。シュラウド５３，５９には、それぞれの回転タービンブレード４５Ｂ，４５Ａの先端と協働する半径方向内向き面を設けることができる。シュラウドおよび回転タービンブレードの構成は、ブレードがそれぞれのシュラウドに擦れないでタービン回転軸線Ａ−Ａの周りを自由に回転できるようになっている。回転タービンブレードの先端とシュラウドとの間のクリアランスは、タービンの効率を向上させるために、ガス漏れを低減するのに十分小さい。
【００２８】
最後のタービン段４８Ａの下流では、排気ガスディフューザ６５が、タービン段４８Ｂ，４８Ａでの膨張後に排気燃焼ガスを受け取る。排気ガスディフューザ６５は、排気セクション２７と流体的に結合されており、排気ガスは、図示されていない排気スタックを介してそこから排出されるか、大気中に放出される前に廃熱回収熱交換器を横切って流れることができる。
【００２９】
本明細書に開示された例示的な実施形態によれば、ケーシング５２を、少なくともタービンケーシング部分５２Ａとディフューザケーシング部分５２Ｂとで構成することができる。タービンケーシング部分およびディフューザケーシング部分は、接続領域またはインタフェースにおいて互いに接続されている。いくつかの実施形態によれば、接続領域において、タービンケーシング部分５２Ａに第１の接続フランジ６７を設け、ディフューザケーシング部分５２Ｂに第２の接続フランジ６９を設けることができる。タービンケーシング部分５２Ａおよびディフューザケーシング部分５２Ｂを、フランジ６７，６９を互いに接続するスタッドボルト７１によって互いに接続することができる。
【００３０】
図３の実施形態では、第１の接続フランジ６７は半径方向外向きに延び、第２の接続フランジ６９は半径方向内向きに延びている。スタッドボルト７１は、第２の接続フランジ６９に設けられたねじの盲穴に螺合され、第１の接続フランジ６９の貫通穴を横切って延びることができる。異なるフランジおよびボルトの配置を提供することができ、例えば、半径方向外側に延びる２つのフランジ、または半径方向内側に延びる２つのフランジを提供することができる。
【００３１】
いくつかの実施形態によれば、ケーシング５２は、第１の接続フランジ６７と第２の接続フランジ６９との間に配置することができる中間環状ケーシング構成要素７３をさらに備える。中間環状ケーシング構成要素７３に貫通穴を設けることができる。スタッドボルト７１は、中間環状ケーシング構成要素７３の貫通穴を通って延びることができる。
【００３２】
中間環状ケーシング構成要素７３は、第１の接続フランジ６７と第２の接続フランジ６９との間に介在する、環状の外向きに突出するフランジ部分７３Ａから構成されることができる。中間環状ケーシング構成要素７３は、シュラウド５９のための取り付け座を形成する実質的に円筒形の内側部分７３Ｂをさらに備えることができる。いくつかの実施形態では、実質的に円筒状の内側部分７３Ｂは、第２の接続フランジ６９と同軸であり、第２の接続フランジ６９によって取り囲まれている。
【００３３】
本明細書に開示された実施形態によれば、タービンケーシング５２には、タービンケーシング５２とタービンセクション２１を取り囲む空気との間の熱交換を改善するように構成および配置された冷却フィンまたはリブが設けられている。図３では、冷却フィンが７５で示され、ディフューザケーシング部分５２Ｂとタービンケーシング部分５２Ａとの間の接続インタフェース部またはその近くに配置されている。
【００３４】
いくつかの実施形態では、冷却フィン７５は、ディフューザケーシング部分５２Ｂの外面に形成される。本明細書で開示される実施形態では、冷却フィンを、第２の接続フランジ６９の周りに配置することができる。したがって、冷却フィン７５は、厚さが増した、最後の、すなわち最も下流のタービン段４８Ａのシュラウド５９の軸線方向位置に対応するタービンケーシング５２におよびその周りに配置される。
【００３５】
冷却フィン７５の形状を、ガスタービンエンジン３を囲む空気に向かう最適な熱伝達のために選択することができる。ガスタービンエンジン３がエンクロージャまたはパッケージ内に収容されている場合、強制対流による熱除去を改善するために、周囲の空気をエンクロージャ内でおよびエンクロージャを通じて強制的に循環させることができる。エンクロージャが存在しない場合、空気は主にタービンケーシングの周囲の自然対流によって循環することができる。
【００３６】
冷却フィン７５の形状は、タービンケーシング５２からの熱除去を高めるために、ケーシング周囲の冷却フィン７５の表面に沿う空気循環を改善するように選択されることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、冷却フィン７５は、円形形状を有し、図３に概略的に示されるように、ガスタービンエンジン３の回転軸線Ａ−Ａの周りに延びる。この図には、３つの円形の、すなわち環状の冷却フィン７５が設けられている。しかしながら、冷却フィン７５の数ならびに軸線方向および半径方向の寸法は、設計上の考慮および制約に応じて異なっていてもよい。円形の冷却フィン７５は連続していてもよい。他の実施形態では、各円形冷却フィンを、回転軸線Ａ−Ａの周りにそれぞれ３８０°未満で延びるセクションまたは部分に分割することができる。
【００３８】
図示されていない他の実施形態では、冷却フィンは軸線方向または実質的に軸線方向の延長部を有することができ、または回転軸線Ａ−Ａに対して傾斜した方向に沿って配置されることができる。異なる形状の冷却フィンの組合せも使用することができ、例えば、軸状および環状の冷却フィンを使用することができる。
【００３９】
冷却フィン７５の下流には、燃焼ガス流Ｆの方向に関して、排気ガスディフューザ６５に１つまたは複数の断熱シールド７９を設けることができ、これにより、外側ディフューザケーシング部分５２Ｂと内側排気ガス流Ｆとの間の熱交換を低減する。断熱シールド７９の少なくとも一部の上流に配置された冷却フィン７５は、ケーシング５２内の半径方向および軸線方向の温度勾配を低減し、したがって、ケーシング５２の熱応力および熱変形を低減する。これは、順に、熱変形によって生じる機械的負荷を減少させる。
【００４０】
本明細書で説明される主題の開示された実施形態が図面に示され、いくつかの例示的な実施形態と結び付けて具体的および詳細に上記で十分に説明されてきたが、多くの修正、変更、および省略が、本明細書に記載された新たな教示、原理、および概念、ならびに添付の特許請求の範囲に述べられる主題の利点から著しく逸脱することなく可能であることが当業者には明らかであろう。したがって、開示される技術革新の適切な範囲は、すべてのそのような修正、変更、および省略を含むように、添付の特許請求の範囲を最も広く解釈することによってのみ定められるべきである。また、いかなる工程または方法ステップの順序または並びは、代替的な実施形態によって変更、または再度順序付けされる可能性がある。
【符号の説明】
【００４１】
１  ガスタービンシステム
３  ガスタービンエンジン
５  負荷
７  吸気セクション
９  圧縮機セクション
１１  空気
１３  圧縮空気
１５  燃焼器セクション
１７  燃料
１９  燃焼ガス
２１  タービンセクション
２３  シャフト
２５  排気ガス
２７  排気セクション
３１  圧縮機ロータ
３３  圧縮機ホイール
３５  回転圧縮機ブレード
３７  固定圧縮機ブレード
４１  タービンロータ
４３  ブレード付きタービンホイール
４５  回転タービンブレード、ベーン
４５Ａ  回転タービンブレード
４５Ｂ  回転タービンブレード
４７  固定タービンブレード、ベーン
４７Ａ  固定タービンブレード
４７Ｂ  固定タービンブレード
４８Ａ  タービン段
４８Ｂ  タービン段
５１  機械的結合部
５２  ケーシング
５２Ａ  タービンケーシング部分
５２Ｂ  ディフューザケーシング部分
５３  シュラウド
５５  取り付け装置
５７  取り付けシステム
５９  シュラウド
６１  取り付け装置
６５  排気ガスディフューザ
６７  第１の接続フランジ
６９  第２の接続フランジ
７１  スタッドボルト
７３  中間環状ケーシング構成要素
７３Ａ  フランジ部分
７３Ｂ  内側部分
７５  冷却フィン
７９  断熱シールド
Ａ−Ａ  タービン回転軸線
Ｆ  矢印
【図１】
0006752219.tif 000002
【図２】
0006752219.tif 000003
【図３】
0006752219.tif 000004