(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械の排気フレーム（４０）であって、
外表面（５７）及び内表面（５８）を有する外側バレル部材（５０）並びに外表面（６４）及び内表面（６５）を有する内側バレル部材（５２）を含む本体（４４）と、
前記外側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる第１の流れ通路（６１）並びに前記内側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる第２の流れ通路（６８）と、
第１の入口（９７）と第１の出口（９８）とを有し且つ前記第１の流れ通路に流体接続された第１の冷却回路（９１）と、
第２の入口（１００）と第２の出口（１０２）とを有し且つ前記第２の流れ通路に流体接続された第２の冷却回路（９４）と、
前記第１の流れ通路に配列され且つ前記第１の冷却回路に流体接続された少なくとも１つのノズル（１３０）と、
を備え、前記少なくとも１つのノズルが、開口を有していない端部キャップ（１４５）と前記外表面に対して略垂直に配列された少なくとも１つの出口（１４６）とを含み、前記少なくとも１つのノズルが、軸方向及び環状方向のうちの少なくとも一方で前記第１の流れ通路内に流体流れを導入するよう構成されている、ターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項２】
前記少なくとも１つのノズルが、前記外側バレル部材の周りに環状に配置され、半径方向内側に延びる複数のノズル（１３０）を含む、請求項１に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項３】
前記複数のノズルの各々に流体接続された冷却剤供給マニホルド（１０８）を更に備える、請求項２に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項４】
前記冷却剤供給マニホルドが前記本体の外部にある、請求項３に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの出口が、前記少なくとも１つのノズルの周りに環状に配列された複数の出口を含む、請求項１に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項６】
前記複数の出口の各々が、略長円の開口によって定められる、請求項５に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項７】
前記内側バレル部材の外表面と前記外側バレル部材の内表面との間に延びるストラット（７０）を更に備え、該ストラットが、前記第２の冷却回路に流体接続された内部冷却通路を含む、請求項１乃至６のいずれかに記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項８】
流体供給システム（７４）と、前記第１の冷却回路に配列されたバルブ（１１６）と、を更に備え、前記バルブが、前記流体供給システムから前記少なくとも１つのノズルの流体接続を選択的に切断するよう構成されている、請求項７に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項９】
前記第１及び第２の冷却回路が互いに独立して形成され、
前記第１及び第２の冷却回路への冷却流体は選択的に制御可能であり、
前記流体供給システムが、空気の流れを前記第１及び第２の冷却回路に配向するよう構成されたブロア（８２）を含む、請求項８に記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項１０】
前記外側バレル部材の外表面を通って延びる少なくとも１つの開口を更に備え、該少なくとも１つの開口が前記第１の流れ通路に流体接続されており、該少なくとも１つの開口を前記外表面に形成された凹部（１５４）が囲み、前記少なくとも１つのノズルが、該凹部に入れ子にされたフランジ（１５０）を含む、請求項１乃至９のいずれかに記載のターボ機械の排気フレーム（４０）。
【請求項１１】
ターボ機械（２）であって、
圧縮機部分（６）と、
前記圧縮機部分に動作可能に接続され且つ出口（３０）を含むタービン部分（８）と、
前記圧縮機部分及び前記タービン部分に流体接続された少なくとも１つの燃焼器（１２）を含む燃焼器組立体（１０）と、
前記タービン部分の出口に動作可能に接続された排気フレーム（４０）と、
を備え、
前記排気フレームが、
外表面（５７）及び内表面（５８）を有する外側バレル部材（５０）並びに外表面（６４）及び内表面（６５）を有する内側バレル部材（５２）を含む本体（４４）と、
前記外側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる第１の流れ通路（６１）並びに前記内側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる第２の流れ通路（６８）と、
第１の入口（９７）と第１の出口（９８）とを有し且つ前記第１の流れ通路に流体接続された第１の冷却回路（９１）と、
第２の入口（１００）と第２の出口（１０２）とを有し且つ前記第２の流れ通路に流体接続された第２の冷却回路（９４）と、
前記第１の流れ通路に配列され且つ前記第１の冷却回路に流体接続された少なくとも１つのノズル（１３０）と、
を備え、前記少なくとも１つのノズルが、開口を有していない端部キャップ（１４５）と前記外表面に対して略垂直に配列された少なくとも１つの出口（１４６）を含み、前記少なくとも１つのノズルが、軸方向及び環状方向のうちの少なくとも一方で前記第１の流れ通路内に流体流れを導入するよう構成されている、ターボ機械（２）。
【請求項１２】
前記少なくとも１つのノズルが、前記外側バレル部材の周りに環状に配置され、半径方向内側に延びる複数のノズル（１３０）を含む、請求項１１に記載のターボ機械（２）。
【請求項１３】
前記複数のノズルの各々に流体接続された冷却剤供給マニホルド（１０８）を更に備える、請求項１２に記載のターボ機械（２）。
【請求項１４】
前記冷却剤供給マニホルドが前記本体の外部にある、請求項１３に記載のターボ機械（２）。
【請求項１５】
流体供給システム（７４）と、前記第１の冷却回路に配列されたバルブ（１１６）と、を更に備え、前記バルブが、前記流体供給システムから前記少なくとも１つのノズルの流体接続を選択的に切断するよう構成されている、請求項１２に記載のターボ機械（２）。
【請求項１６】
前記第１及び第２の冷却回路が互いに独立して形成され、
前記第１及び第２の冷却回路への冷却流体は選択的に制御可能であり、
前記流体供給システムが、空気の流れを前記第１及び第２の冷却回路に配向するよう構成されたブロア（８２）を含む、請求項１５に記載のターボ機械（２）。
【請求項１７】
前記外側バレル部材の外表面を通って延びる少なくとも１つの開口を更に備え、該少なくとも１つの開口が前記第１の流れ通路に流体接続されており、該少なくとも１つの開口を前記外表面に形成された凹部（１５４）が囲み、前記少なくとも１つのノズルが、該凹部に入れ子にされたフランジ（１５０）を含む、請求項１１乃至１６のいずれかに記載のターボ機械（２）。
【請求項１８】
ターボ機械システム（２）であって、
吸入セクション（１７）を含む圧縮機部分（６）と、  前記圧縮機部分に動作可能に接続され且つ出口（３０）を含むタービン部分（８）と、
前記圧縮機部分及び前記タービン部分に流体接続された少なくとも１つの燃焼器（１２）を含む燃焼器組立体（１０）と、
前記圧縮機部分の吸入セクションに流体接続された吸入システムと、
前記タービン部分及び前記圧縮機部分の一方に動作可能に接続された機械システムと、
前記タービン部分の出口に動作可能に接続された排気フレーム（４０）と、
を備え、
前記排気フレームが、
外表面（５７）及び内表面（５８）を有する外側バレル部材（５０）並びに外表面（６４）及び内表面（６５）を有する内側バレル部材（５２）を含む本体（４４）と、
前記外側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる第１の流れ通路（６１）並びに前記内側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる第２の流れ通路（６８）と、
第１の入口（９７）と第１の出口（９８）とを有し且つ前記第１の流れ通路に流体接続された第１の冷却回路（９１）と、
第２の入口（１００）と第２の出口（１０２）とを有し且つ前記第２の流れ通路に流体接続された第２の冷却回路（９４）と、
前記第１の流れ通路に配列され且つ前記第１の冷却回路に流体接続された少なくとも１つのノズル（１３０）と、
を備え、前記少なくとも１つのノズルが、開口を有していない端部キャップ（１４５）と前記外表面に対して略垂直に配列された少なくとも１つの出口（１４６）を含み、前記少なくとも１つのノズルが、軸方向及び環状方向のうちの少なくとも一方で前記第１の流れ通路内に流体流れを導入するよう構成されている、ターボ機械システム（２）。
【請求項１９】
前記少なくとも１つのノズルが、前記外側バレル部材の周りに環状に配置され、半径方向内側に延びる複数のノズルを含む、請求項１８に記載のターボ機械システム（２）。
【請求項２０】
前記複数のノズルの各々に流体接続された冷却剤供給マニホルド（１０８）を更に備え、該冷却剤供給マニホルドが前記本体の外部にある、請求項１９に記載のターボ機械システム（２）。
【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、ターボ機械の分野に関し、より詳細には、ターボ機械の排気フレームに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械は、共通の圧縮機／タービンシャフト及び燃焼器組立体を通じてタービン部分に連結された圧縮機部分を含む。吸入空気流は、吸気口を通って圧縮機部分に流れる。圧縮機部分において、吸入空気流は、複数の連続する段を通じて燃焼器組立体に向かって圧縮される。燃焼器組立体において、圧縮空気流は、燃料と混合して可燃性混合気を形成する。可燃性混合気は、燃焼器組立体において燃焼して高温ガスを形成する。高温ガスは、移行部品を通ってタービン部分の高温ガス経路に沿って誘導される。高温ガスは、複数のタービン段を通って膨張してホイール上に装着されたタービンバケットに作用し、例えば、発電機に動力を供給するために出力される仕事を生成する。
【０００３】
タービン部分を通過した後、高温ガスは排気フレームに流入する。排気フレームは、１又はそれ以上のストラットを通じて外側バレルに支持される内側バレルを含むことができる。内側バレルは、ターボ機械の後方軸受を支持することができる。排気フレームを通過する排気ガスは、周囲に排出される前に排気スタックに流れる。冷却流体（一般には圧縮機空気）は、排気フレームを通過して後方軸受を冷却する。冷却流体はまた、排気フレームの内部及び外部表面を冷却する。冷却流体は、排気フレームから排気ガス内に流れることができ、あるいは、周囲に直接排出することができる。
【発明の概要】
【０００４】
例示的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械の排気フレームは、外表面及び内表面を有する外側バレル部材と、外表面及び内表面を有する内側バレル部材と、を含む本体を備える。第１の流れ通路は、外側バレル部材の外表面及び内表面によって定められ、第２の流れ通路は、内側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる。第１の入口及び第１の出口を有する第１の冷却回路は、第１の流れ通路に流体接続され、第２の入口及び第２の出口を有する第２の冷却回路は、第２の流れ通路に流体接続される。少なくとも１つのノズルは、第１の流れ通路に配列され、第１の冷却回路に流体接続される。少なくとも１つのノズルは、外表面に対して略垂直に配列された少なくとも１つの出口を含む。少なくとも１つのノズルは、軸方向及び環状方向のうちの少なくとも一方で第１の流れ通路内に流体流れを導入するよう構成される。
【０００５】
例示的な実施形態の別の態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部分と、該圧縮機部分に動作可能に接続されたタービン部分と、を含む。タービン部分は出口を含む。燃焼器組立体は、圧縮機部分及びタービン部分に流体接続された少なくとも１つの燃焼器を含み、排気フレームは、タービン部分の出口に動作可能に接続される。排気フレームは、外表面及び内表面を有する外側バレル部材と、外表面及び内表面を有する内側バレル部材と、を含む本体を備える。第１の流れ通路は、外側バレル部材の外表面及び内表面によって定められ、第２の流れ通路は、内側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる。第１の入口及び第１の出口を有する第１の冷却回路は、第１の流れ通路に流体接続され、第２の入口及び第２の出口を有する第２の冷却回路は、第２の流れ通路に流体接続される。少なくとも１つのノズルは、第１の流れ通路に配列され、第１の冷却回路に流体接続される。少なくとも１つのノズルは、外表面に対して略垂直に配列された少なくとも１つの出口を含む。少なくとも１つのノズルは、軸方向及び環状方向のうちの少なくとも一方で第１の流れ通路内に流体流れを導入するよう構成される。
【０００６】
例示的な実施形態の別の態様によれば、ターボ機械システムは、吸入セクションを有する圧縮機部分と、該圧縮機部分に動作可能に接続されたタービン部分と、を含む。タービン部分は出口を含む。燃焼器組立体は、圧縮機部分及びタービン部分に流体接続された少なくとも１つの燃焼器を含む。吸入システムは、吸入セクションに流体接続される。機械システムは、タービン部分及び圧縮機部分の一方に動作可能に接続される。排気フレームは、タービン部分の出口に動作可能に接続される。排気フレームは、外表面及び内表面を有する外側バレル部材と、外表面及び内表面を有する内側バレル部材と、を含む本体を備える。第１の流れ通路は、外側バレル部材の外表面及び内表面によって定められ、第２の流れ通路は、内側バレル部材の外表面及び内表面によって定められる。第１の入口及び第１の出口を有する第１の冷却回路は、第１の流れ通路に流体接続され、第２の入口及び第２の出口を有する第２の冷却回路は、第２の流れ通路に流体接続される。少なくとも１つのノズルは、第１の流れ通路に配列され、第１の冷却回路に流体接続される。少なくとも１つのノズルは、外表面に対して略垂直に配列された少なくとも１つの出口を含む。少なくとも１つのノズルは、軸方向及び環状方向のうちの少なくとも一方で第１の流れ通路内に流体流れを導入するよう構成される。
【０００７】
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。
【０００８】
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】
【０００９】
【図１】例示的な実施形態による、排気フレームを含むターボ機械システムの概略部分断面図。
【図２】図１の排気フレームの斜視図。
【図３】図２の排気フレームの外側バレルに装着されるノズルの部分平面図。
【図４】図３のノズル及び排気フレームの分解図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。
【００１１】
例示的な実施形態によるターボ機械システムが、図１において全体的に符号２で示される。ターボ機械システム２は、圧縮機部分６を燃焼器組立体１０を通じてタービン部分８に流体的に連結させたターボ機械４を含む。燃焼器組立体１０は、１又はそれ以上の燃焼器１２を含む。シャフト１４は、タービン部分８と共に圧縮機部分６に動作可能に接続される。圧縮機部分６は、吸気システム２０に流体接続される吸入セクション１７を含む。吸気システム２０は、圧縮機部分６に移動する空気を予め調和することができる。例えば、吸気システム２０は、吸入セクション１７に移動する空気を除湿することができる。吸気システム２０はまた、吸入セクション１７に移動する空気の流れパラメータを調整することができる。圧縮機部分６はまた、機械システム２４に連結されるように図示される。機械システム２４は、発電機２８の形態をとることができる。勿論、機械システム２４は、ポンプ及び同様のものなどの他の形態をとることができる。更に、機械システム２４は、圧縮機部分６に接続する代わりに、タービン部分８に接続することができる。タービン部分８は、排気フレーム４０に流体接続された出口３０を含む。排気フレーム４０は、排気スタック（図示せず）、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）（同様に図示せず）、又は他の装置に移動する前に出口３０を通過する排気ガスを調和する。
【００１２】
図２に示す例示的な実施形態によれば、排気フレーム１４０は、外側バレル部材５０及び内側バレル部材５２を有する本体４４を含む。外側バレル部材５０は、ターボ機械２の外側ケーシング（別途符号は表記されていない）の一部を形成する外表面５７と、内表面５８（図１）とを含む。内表面５８は、絶縁又は非絶縁ディフューザ（別途符号は表記されていない）を含むことができる。第１の流れ通路６１は、外側バレル部材５０の外表面５７及び内表面５８によって定められる。内側バレル部材５２は、絶縁又は非絶縁ディフューザの一部を形成することができる外表面６４と、内表面６５（図１）とを含む。内側バレル部材５２は、ターボ機械２の後方軸受（別途符号は表記されていない）を支持する。内側バレル部材は、代替として、後方軸受の形態をとることができる点は理解されたい。第２の流れ通路６８は、外表面６４及び内表面６５の間を延びる。複数のストラット（その１つが符号７０で示される）は、外側バレル部材５０と内側バレル部材５２との間を延びる。各ストラット７０は、第２の流れ通路６８に流体接続される内側通路７１（図１）を含む。第１及び第２の流れ通路６１及び６８は、冷却流体を排気フレーム４０の一部に供給する。冷却流体の一部は、出口３０から移動する排気ガスと混合することができる。
【００１３】
更に例示的な実施形態によれば、排気フレーム４０は、流体供給システム７４に流体接続される。流体供給システム７４は、ブロア８２の形態をとることができる流体供給源８０を含む。流体供給源８０はまた、駆動力を有する圧縮機抽出への接続部又は他流体供給源の形態をとることができる。流体供給システム７４は、流体供給源８０と排気フレーム４０との間に延びる供給導管８６を含む。供給導管８６は、外側バレル部材５０と流体的に関連付けられる第１の冷却回路９１と、内側バレル部材５２と流体的に関連付けられる第２の別個の冷却回路９４とを含む。
【００１４】
以下で詳細に説明するように、第１の冷却回路９１は、供給導管８６に流体接続された第１の入口９７と、第１の流れ通路６１に流体接続された第１の出口９８とを含む。第２の冷却回路９４は、第２の入口１００と第２の出口１０２とを含む。第２の入口１００は供給導管８６に流体接続され、第２の出口１０２は第２の流れ通路６８に流体接続される。対照的に、第１の冷却回路９１は、外側バレル部材５０の周りに環状に延び且つ離間して配置される冷却剤供給マニホルド１０８を通じて第１の流れ通路６１に接続される。複数の流体供給導管１１３は、冷却剤供給マニホルド１０８と第２の流れ通路６８との間に延びる。バルブ１１６は、冷却剤供給マニホルド１０８の上流側で第１の冷却回路９１に配列される。バルブ１１６は、流体供給源８０から第２の流れ通路６８の流体接続を選択的に切断する。
【００１５】
図３に示すように、各流体供給導管１１３は、冷却剤供給マニホルド１０８に流体接続された第１の端部１２２から第２の端部１２３まで延びる。第２の端部１２３は、ノズル１３０に流体接続され、該ノズルは、以下でより容易に理解されるように、第１の流れ通路６１に冷却剤の流れを供給する。冷却剤は、以下でより容易に明らかになるように、外側バレル部材５０の周りで軸方向及び／又は環状に流れることができる。図２に示すように、複数のノズル１３０は、排気フレーム４０の周りに配列される。各ノズル１３０は、内部ゾーン１４１を有する本体部分１４０を含む。本体部分１４０は、入口１４３を定める第１の端部セクション１４２から、端部キャップ１４５を有する第２の端部セクション１４４まで延びる。ノズル１３０は、第１の端部セクション１４２と第２の端部セクション１４４との間で本体部分１４０上に配列される複数の出口１４６を含む。出口１４６は、所望の冷却特性に応じて、軸方向の流体流れ、環状方向の流体流れ、及び／又は軸方向と環状方向流れの組み合わせを供給するよう配列することができる。ノズル１３０はまた、第１の端部セクション１４２にて配列されるフランジ１５０を含む。フランジ１５０は、外側バレル部材５０の外表面５７に形成された凹部１５４内に入れ子にされる。フランジ１５０は、対応する機械的ファスナー１６０を受ける複数の開口（その１つが符号１５７で示される）を含む。機械的ファスナー１６０は、ノズル１３０を外側バレル部材５０に固定し、また、必要に応じて交換及び／又は補修を可能にする。
【００１６】
図示の例示的な実施形態において、複数の出口１４６の各々は、第１及び第２の湾曲端部分１７５及び１７７によって結ばれる第１及び第２の略直線の側部分１７１及び１７３を有する長円開口１６７の形態をとる。勿論、出口１４６の特定の幾何形状が変わってもよい点は理解されたい。出口１４６は、冷却流体の流れを第１の流体通路６１に供給する。流体を供給することにより、外側バレル部材５０における温度が低下すると共に、排気フレーム４０における温度勾配の発生も低減される。更に、第１及び第２の冷却回路９１及び９４は、排気フレーム４０を通る冷却流体に対する追加の制御を行うことができる。加えて、排気フレーム４０への冷却流体の選択的制御により、運用者が、外側及び内側バレル部材５０及び５２間に延びることができるストラット７０の熱負荷を下げるように流体の供給をカスタマイズすることが可能となる。
【００１７】
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るが、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について説明してきたが、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を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されるとみなすべきではなく、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】
【００１８】
４４  本体
５０  外側バレル部材
５２  内側バレル部材
５７  外表面
５８  内表面
６１  第１の流れ通路
６４  外表面
６５  内表面
６８  第２の流れ通路
７０  ストラット
９１  第１の冷却回路
９４  第２の冷却回路
９７  第１の入口
９８  第１の出口
１００  第２の入口
１０２  第２の出口
１３０  ノズル
１４０  排気フレーム
１４６  出口
【図１】
0006266772.tif 000002
【図２】
0006266772.tif 000003
【図３】
0006266772.tif 000004
【図４】
0006266772.tif 000005