(57)【要約】  ガスタービンエンジン（１０）で利用するための冷却流体空気排出システム（４０）は、外部冷却流体源（４２）と、外部冷却流体源からロータチャンバ（ＲＣ）の内部に冷却流体を射出するために利用される少なくとも１つのロータ冷却配管（４６）と、外部冷却流体源とロータ冷却配管との間を流通させる配管システム（４４）と、配管システム及びロータ冷却配管を通じてロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するためのブロワシステム（５０）と、バルブシステム（４８）とを含んでいる。バルブシステムは、全負荷運転の場合に、外部冷却流体源からの冷却流体が配管システムを通過することを防止するように閉じられ、全負荷運転でない場合に、外部冷却流体源からの冷却流体が配管システムを通過するように開かれている。
2015533998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンであって、
前記ガスタービンエンジンに引き込まれる空気が圧縮される、圧縮セクションと、
燃料が前記圧縮セクションからの圧縮空気の少なくとも一部と混合及び燃焼されることによって、高温の燃焼ガスが生成される、燃焼セクションと、
前記燃焼セクションからの高温の前記燃焼ガスを膨張させることによって、高温の前記燃焼ガスからエネルギが抽出される、タービンセクションであって、抽出されたエネルギの少なくとも一部が、全負荷運転である第１のエンジン運転モードの際にタービンロータを回転させるために利用される、前記タービンセクションと、
前記タービンセクションの内部に配置された構造体と連通しているロータチャンバと、
前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ガスタービンエンジンから抽出された冷却空気を前記ロータチャンバの内部に射出するための少なくとも１つのロータ冷却配管と、
冷却流体射出システムと、
を備えている前記ガスタービンエンジンにおいて、
前記冷却流体射出システムが、
前記全負荷運転ではない第２のエンジン運転モードの際にのみ、前記ロータチャンバの内部に射出するための外部冷却流体源と、
前記第２のエンジン運転モードの際に前記外部冷却流体源から前記ロータチャンバの内部に冷却流体を射出するために利用される少なくとも１つの前記ロータ冷却配管と、
前記外部冷却流体源と少なくとも１つの前記ロータ冷却配管との間を流通させている配管システムと、
前記配管システム及び少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記外部冷却流体源から前記ロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するためのブロワシステムと、
バルブシステムと、
を備えており、
前記バルブシステムが、
前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、前記外部冷却流体源からの冷却流体が前記配管システムを通じて輸送されることを防止するように、閉じられており、
前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、前記外部冷却流体源からの冷却流体が前記配管システムを通じて輸送されるように、開いていることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記外部冷却流体源が、少なくとも１つの周囲空気吸入ポートとされることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ロータチャンバの内部に射出された冷却流体から粒子を除去するために、前記外部冷却流体源と前記ロータチャンバとの間に配置されているフィルタを備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記フィルタが、前記ブロワシステムに固定された状態で配置されていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
エンジンケースの頂部壁セクションと前記エンジンケースの底部壁セクションとの間における温度差に基づいて、前記バルブシステムを開閉するための制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記バルブシステムが、
前記ガスタービンエンジンを運転停止状態又はターニングギア状態に移行させるために減量運転を開始する際に、制御装置によって開かれ、
前記ガスタービンエンジンを前記第１のエンジン運転モードに移行させるために始動運転を開始する際に、前記制御装置によって閉じられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記タービンロータが、前記運転停止状態又は前記ターニングギア状態の際に、前記燃焼ガスから抽出されたエネルギによって回転されないことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記第１のエンジン運転モードの際に少なくとも１つの前記ロータ冷却配管によって前記ロータチャンバの内部に射出された冷却空気が、前記燃焼セクションに関連する燃焼器シェルから抽出されたシェル空気とされることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記ロータチャンバが、前記燃焼セクションに少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムの動作が、スピン冷却運転と交互に実施され、
前記スピン冷却運転の際に、
前記ブロワシステムが、動作停止され、
前記タービンロータの回転速度が、前記燃焼セクションにおいて空気及び燃料を燃焼させることなく、所定の速度に至るまで高められることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記スピン冷却運転を実施した後に、前記ブロワシステムが、前記外部冷却流体源から前記配管システム及び少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するように動作することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記スピン冷却運転が、所定の時間に亘って実施されることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
冷却流体が少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に射出される前に、前記外部冷却流体源からの冷却流体を冷却するための冷却器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
ガスタービンエンジンを動作させるための方法において、
前記ガスタービンエンジンの圧縮セクションにおいて、空気を圧縮するステップと、
前記ガスタービンエンジンの燃焼セクションにおいて、燃料と圧縮空気の少なくとも一部とを混合し、前記燃料と前記圧縮空気の少なくとも一部とから成る混合体を燃焼させることによって、高温の燃焼ガスを生成するステップと、
前記ガスタービンエンジンのタービンセクションにおいて、高温の燃焼ガスを膨張させることによって、高温の前記燃焼ガスからエネルギを抽出するステップであって、抽出されたエネルギの少なくとも一部が、全負荷運転である第１のエンジン運転モードの際にタービンロータを回転させるために利用される、前記ステップと、
前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ガスタービンエンジンから抽出された空気を少なくとも１つのロータ冷却配管を通じてロータチャンバの内部に射出するステップであって、射出された空気が、前記タービンセクションの内部に配置された冷却すべき構造体を冷却する、前記ステップと、
前記全負荷運転でない第２のエンジン運転モードの際に、ブロワシステムが、外部冷却流体源から配管システムを通じて少なくとも１つの前記ロータ冷却配管に冷却流体を運搬するように、且つ、前記外部冷却流体源から少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に冷却流体を射出するように動作する、ステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記外部冷却流体源からの冷却流体が、前記第１のエンジン運転モードの際に前記ロータチャンバの内部に射出されず、
前記ガスタービンエンジンからの空気が、前記第２のエンジン運転モードの際に少なくとも１つのロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に射出されないことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
バルブシステムが、前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、前記外部冷却流体源からの冷却流体が前記配管システムを通じて輸送されるように開いていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バルブシステムが、前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、空気が前記配管システムを通じて輸送されることを防止するように閉じられていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記バルブシステムが、エンジンケースの頂部壁セクションと前記エンジンケースの底部壁セクションとの間における温度差に基づいて、制御装置によって開閉され、
前記エンジンケースが、前記ガスタービンエンジンの前記圧縮セクション、前記燃焼セクション、及び前記タービンセクションの周囲に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記バルブシステムが、
前記ガスタービンエンジンを運転停止状態又はターニングギア状態に移行させるために減量運転を開始する際に、制御装置によって開かれ、
前記ガスタービンエンジンを前記第１のエンジン運転モードに移行させるために始動運転を開始する際に、前記制御装置によって閉じられることを特徴とする請求項１７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２０】
前記ブロワシステムが所定期間に亘って動作した後に、前記ブロワシステムを動作停止させ、前記燃焼セクションにおいて空気及び燃料を燃焼させることなく、前記タービンロータの回転速度を高めることによって、スピン冷却運転を実施するステップと、
前記スピン冷却運転が実施された後に、前記外部冷却流体源から前記配管システム及び少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するように、前記ブロワシステムを動作するステップと、
を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【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の選択された領域内に一様の温度分布を生成するために、全負荷より小さい負荷で運転する際に動作可能とされる、ガスタービンエンジンの外部冷却流体射出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの動作の際に、空気は、圧縮セクションにおいて圧縮された後に、燃焼セクションにおいて燃料と混合及び燃焼されることによって、高温の燃焼ガスが発生する。環状筒型ガスタービンエンジンでは、燃焼セクションは、環状に配置された、例えば“筒（can）”や“燃焼器（combustor）”として呼称される場合がある燃焼装置を備えている。当該燃焼装置それぞれは、タービンセクションからエネルギを取り出すために高温の燃焼ガスが膨張することによって出力を発生させる、ガスタービンエンジンのタービンセクションに高温の燃焼ガスを供給する。当該出力は、電気を発生させるために利用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、ガスタービンエンジンに引き込まれる空気が圧縮される、圧縮セクションと、燃料が圧縮セクションからの圧縮空気の少なくとも一部と混合及び燃焼されることによって、高温の燃焼ガスが生成される、燃焼セクションと、燃焼セクションからの高温の燃焼ガスを膨張させることによって、高温の燃焼ガスからエネルギが抽出される、タービンセクションであって、抽出されたエネルギの少なくとも一部が、全負荷運転である第１のエンジン運転モードの際にタービンロータを回転させるために利用される、タービンセクションとを備えているガスタービンエンジンを提供する。ガスタービンエンジンは、タービンセクションの内部に配置された構造体と連通しているロータチャンバと、第１のエンジン運転モードの際に、ガスタービンエンジンから抽出された冷却空気をロータチャンバの内部に射出するための少なくとも１つのロータ冷却配管と、冷却流体射出システムとを備えている。冷却流体射出システムが、全負荷運転ではない第２のエンジン運転モードの際にのみ、ロータチャンバの内部に射出するための外部冷却流体源と、第２のエンジン運転モードの際に外部冷却流体源からロータチャンバの内部に冷却流体を射出するために利用される少なくとも１つのロータ冷却配管と、外部冷却流体源と少なくとも１つのロータ冷却配管との間を流通させている配管システムと、配管システム及び少なくとも１つのロータ冷却配管を通じて外部冷却流体源からロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するためのブロワシステムと、バルブシステムとを備えている。バルブシステムが、第１のエンジン運転モードの際に、ブロワシステムによって、外部冷却流体源からの冷却流体が配管システムを通じて輸送されることを防止するように、閉じられており、第２のエンジン運転モードの際に、ブロワシステムによって、外部冷却流体源からの冷却流体が配管システムを通じて輸送されるように、開いている。
【０００４】
本発明の第２の実施態様は、ガスタービンエンジンを動作させるための方法を提供する。ガスタービンエンジンの圧縮セクションにおいて、空気が圧縮される。ガスタービンエンジンの燃焼セクションにおいて、燃料と圧縮空気の少なくとも一部とが混合され、混合体を燃焼させることによって、高温の燃焼ガスが生成される。タービンガスエンジンのタービンセクションにおいて、高温の燃焼ガスを膨張させることによって、高温の燃焼ガスからエネルギが抽出され、抽出されたエネルギの少なくとも一部が、全負荷運転である第１のエンジン運転モードの際にタービンロータを回転させるために利用される。第１のエンジン運転モードの際に、ガスタービンエンジンから抽出された空気が、少なくとも１つのロータ冷却配管を通じてロータチャンバの内部に射出される。射出された空気が、タービンセクションの内部に配置された冷却すべき構造体を冷却する。全負荷運転でない第２のエンジン運転モードの際に、ブロワシステムが、外部冷却流体源から配管システムを通じて少なくとも１つのロータ冷却配管に冷却流体を運搬するように、且つ、外部冷却流体源から少なくとも１つのロータ冷却配管を通じてロータチャンバの内部に冷却流体を射出するように動作する。
【０００５】
本明細書の末尾には、本発明に特に注目すると共に本発明を明確に規定する特許請求の範囲が添付されているが、本発明については、添付図面に関連する以下の説明から理解することができる。図面では、類似する参照符号が類似する構成要素を特定している。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一の実施例における冷却流体射出システムを含むガスタービンエンジンの部分的な断面側面図である。
【図１Ａ】ガスタービンエンジンのタービンセクションの内部に配置された冷却すべき構造体に冷却流体を輸送するために利用される冷却回路を表わす、図１の拡大図である。
【図２】図１に表わす冷却流体射出システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
好ましい実施例に関する以下の詳細な説明では、本出願の一部分を形成する添付図面を参照する。添付図面は、説明を目的とするものであり、限定する意図はない。添付図面における特定の好ましい実施例によって、本発明は実施可能とされる。本発明の技術的思想及び技術的範囲から逸脱することなく、他の実施例が利用可能とされること、及び、変更可能とされることに留意すべきである。
【０００８】
図１は、本発明に従って構成されているガスタービンエンジン１０を表わす。ガスタービンエンジン１０は、圧縮セクション１２と、本明細書では“燃焼装置（combustor apparatus）”とも呼称される複数の燃焼器１６を含んでいる燃焼セクション１４と、タービンセクション１８とを含んでいる。好ましくは、本発明におけるガスタービンエンジン１０は、ガスタービンエンジン１０の内部におけるアキシアル方向を規定しているガスタービンエンジン１０の長手方向軸線ＬＡの周りに配置されている、環状に配置された燃焼器１６を備えている。一般に、このような構成は、“環状筒型燃焼システム（can-annular combustion system）”と呼称されている。
【０００９】
圧縮セクション１２は、入口空気を誘導及び加圧し、入口空気の少なくとも一部分が、燃焼器シェル２０に向かって方向づけられ、燃焼器１６に供給される。以下において、燃焼器シェル２０内の空気は、“シェル空気”とも呼称される。加圧空気の残り部分は、例えばタービンセクション１８の内部構成部品のようなガスタービンエンジン１０の様々な内部構成部品を冷却するために、圧縮セクションから抽出される。
【００１０】
圧縮セクション１２からの圧縮空気は、燃焼器１６に流入すると、燃料と混合され、燃焼器１６それぞれの内部において高速で且つ乱流状態で流れる高温の燃焼ガスを生成するために点火される。その後に、燃焼器１６それぞれの燃焼ガスは、移行ダクト２２それぞれ（図１には一の移行ダクト２２のみを表わす）を通じて、燃焼ガスを膨張させることによって当該燃焼ガスからエネルギを抽出するタービンセクション１８に流れる。燃焼ガスから抽出されたエネルギの一部分は、タービンロータ２４を回転させるために利用される。タービンロータ２４は、アキシアル方向においてガスタービンエンジン１０を通じて長手方向軸線ＬＡに沿って延在している回転シャフトに対して平行に延在している。
【００１１】
図１に表わすように、エンジンケース３０は、圧縮セクション１２と燃焼セクション１４とタービンセクション１８とを囲むように設けられている。燃焼セクション１４の周りに配置されているエンジンケース３０の部分３０Ａは、燃焼器シェル２０を形成しているケース壁３２を備えている。すなわち、燃焼器シェル２０は、ケース部分３０Ａの内部に内部空間を形成している。図２に表わすように、ケース壁３２は、頂部壁セクション３２Ａと左側壁セクション３２Ｂと右側壁セクション３２Ｃと底部壁セクション３２Ｄとを含んでいる。
【００１２】
本発明の一の実施形態における外部冷却流体射出システム４０について説明する。図２を参照すると、図示の実施例における冷却流体射出システム４０は、図示の実施例では周囲空気吸入ポートである外部冷却流体源４２を備えている。当該実施例における外部冷却流体源４２は、単一の周囲空気吸入ポートとされるが、他の冷却流体源が、例えば霧、蒸気、水のような周囲空気の代替として、又は周囲空気に加えて利用される場合がある。さらに、さらなる付加的な周囲空気吸入ポートが設けられている場合がある。
【００１３】
さらに、冷却流体射出システム４０は、外部冷却流体源４２から、図２に表わすようにケース壁３２の周囲に略等間隔で離隔配置されている複数のロータ冷却配管４６Ａ，４６Ｂ，４６Ｃ，４６Ｄに至るまで、冷却流体を輸送するように設けられている配管システム４４を備えている。当該実施例における冷却流体射出システム４０は、４つのロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄを備えているが、任意の適切な数量のロータ冷却配管を備えることができる。後述するが、図１Ａに表わすように、ロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄは、外部冷却流体源４２からロータチャンバＲＣの内部に冷却流体を射出する。ロータチャンバＲＣは、例えば回転式タービンブレード列ＴＢ、タービンブレード列ＴＢを支持すると共にタービンロータ２４の一部分を形成するブレードディスク構造体ＢＤＳ、及び／又は、ブレードディスク構造体ＢＤＳと隣り合う固定式タービン羽根列ＴＶとの間に配置されたタービンディスクキャビティＴＤＣのような、タービンセクション１８の冷却すべき内部構造体と連通している。図１Ａに最も明確に表わすように、ロータチャンバＲＣは、燃焼セクション１４に少なくとも部分的に配置されており、燃焼器シェル２０から隔離されている。すなわち、ロータチャンバＲＣは、燃焼器シェル２０に対して直接露出していない。
【００１４】
図２に表わすように、図示の実施例では、冷却流体射出システム４０は、第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８Ｂを具備するバルブシステムをさらに備えているが、利用されるバルブの数量は、多くても少なくても良い。図示の実施例では、ブロワシステム５０は、単一のブロワを備えているが、さらなるブロワや排出装置が利用可能とされ、任意には冷却器５２も利用可能とされる。以下の詳述するように、バルブシステム４８及びブロワシステム５０は、外部冷却流体源４２からの冷却流体に配管システム４４を通過させること、及び、外部冷却流体源４２からの冷却流体に配管システム４４を通過させないことを選択するように、制御装置５４によって制御される。ブロワシステム５０は、冷却流体を外部冷却流体源４２から抽出するために、且つ、抽出された冷却流体を配管システム４４を通じてロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄに、及びバルブシステム４８が開いている場合にはロータチャンバＲＣの内部に輸送するために設けられている。冷却器５２は、冷却流体を冷却するために設けられている。図２に表わすように、フィルタ５６が、冷却流体から粒子を除去するために、外部冷却流体源４２とロータチャンバＲＣとの間に設けられている。図２に表わす実施例では、フィルタ５６は、ブロワシステム５０のブロワの上流側に固定されているが、フィルタ５８は、外部冷却流体源４２の下流の別の地点に配置されている。
【００１５】
ガスタービンエンジン１０を動作させるための方法について説明する。全負荷運転又はベース負荷運転としても知られているが、本明細書では第１のエンジン運転モードと呼称するガスタービンエンジン１０の通常動作の際には、燃焼器シェル２０とロータチャンバＲＣとの間における圧力差によって、シェル空気の一部が、ケース壁３２の底部壁セクション３２Ｄに配置されている排出ポート５８（図１及び図２参照）を通じて、燃焼器シェル２０から流出し、ロータチャンバＲＣに向かう。言い換えれば、ガスタービンエンジン１０の通常動作の際に、ロータチャンバＲＣ内の圧力が燃焼器シェル２０内の圧力より低い。排出ポート５８がケース壁３２の他の位置に配置されている場合があることに留意すべきである。本明細書では、第１のエンジン運転モードの際に、排出ポート５８を通じて焼器シェル２０から流出し、ロータチャンバＲＣに向かう当該シェル空気の一部は、“主経路空気”と呼称される。図２に表わすように、主経路空気は、第１のエンジン運転モードの際にのみ開いている主バルブ６２を通じて主回路６０に沿って流れ、冷却器５２を通過し、ロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄを通じてロータチャンバＲＣの内部に輸送される。本明細書で説明する主経路空気は燃焼器シェル２０からのシェル空気であるが、主経路空気がガスタービンエンジン１０の他の部分から空気とされる場合があることに留意すべきである。例えば、主経路空気が圧縮セクション１２から直接抽気される場合がある。
【００１６】
図１Ａに表わすように、主経路空気は、ロータチャンバＲＣ内に入ると、流体回路６４を介して、タービンセクション１８の内部に配置された冷却すべき構造体に到達する。当業者にとっては明白であるが、流体回路６４は、例えばロータチャンバＲＣとタービンセクション１８の内部に配置された冷却すべき構造体との間に位置する構成部品の内部に、一連の通路を備えている。例えば、１つ以上の通路６６（図２参照）が、タービンロータ２４を貫通して形成されており、タービンセクション１８のブレードディスク構造体ＢＤＳの内部に形成されている通路（図示しない）と連通している。図１Ａに表わすように、ブレードディスク構造体ＢＤＳの通路は、タービンブレード列ＴＢ及び／又は隣り合うタービンディスクキャビティＴＤＣに通じている。図１Ａに概略的に表わす冷却回路６４は、タービンセクション１８の内部に配置された冷却すべき構造体に流体を輸送するように任意且つ適切に構成されている。
【００１７】
第１のエンジン運転モードの際には、第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８Ｂは閉じられており、ブロワシステム５０は動作停止しているか、又は動作不能とされる。従って、バルブシステム４８は、外部冷却流体源４２からの冷却流体がブロワシステム５０によって配管システム４４を通じてロータチャンバＲＣの内部に輸送されることを実質的に防止するが、上述の第１のエンジン運転モードの際にシェル空気が主回路６０を通じてロータチャンバＲＣの内部に流入することに留意すべきである。
【００１８】
ガスタービンエンジン１０を運転停止状態すなわちターニングギア状態（turning gear state）に移行させるための減量運転を開始すると、最終的には燃焼器１６に対する燃料の供給が停止するので、燃焼器１６の内部における高温の燃焼ガスの生産量が減少し、零となる。燃焼ガスが燃焼器１６において生産されなくなると、燃焼ガスはタービンロータ２４を回転させる力を失い、タービンロータ２４は惰性で回転するにすぎず、停止寸前となる。停止寸前の状態で惰性で回転した後に、本明細書ではターニングギア状態と呼称される運転状態において、例えば始動モータのような外部電源（図示しない）によってタービンロータ２４は低速で回転される。典型的なガスタービンエンジン１０では、このような減量運転が、ガスタービンエンジン１０をターニングギア状態に完全に移行させるために、少なくとも約１０分〜約１５分実施される。減量運転の間に、燃焼器１６の内部における燃焼が最終的に停止される。代替的には、本明細書では運転停止状態と呼称される運転状態において、タービンロータ２４の回転が完全に停止される。本明細書において説明される第２のエンジン運転モードの意図は、ガスタービンエンジン１０の減量運転、ターニングギア状態、又は運転停止状態を含んでいる。言い換えれば、第２のエンジン運転モードは、全負荷運転すなわち第１のエンジン運転モードを除く、すべてのエンジンの運転状態である。
【００１９】
本発明の一の実施態様では、ガスタービンエンジン１０をターニングギア状態又は運転停止状態に移行させるために減量運転を開始すると、制御装置５４は、空気が主回路６０を通過することを防止するために、第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８Ｂを開くと共に、主バルブ６２を閉じる。第２のエンジン運転モードの際に、冷却流体を外部冷却流体源４２から抽出するために、ブロワシステム５０は運転開始されるか、又は制御装置５４によって動作可能状態とされる。ブロワシステム５０は、冷却流体を配管システム４４及びロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄを通じて輸送すなわち送出し、冷却流体をロータチャンバＲＣの内部に射出する。図１Ａに表わすように、冷却流体は、ロータチャンバＲＣに入ると、タービンセクション１８の内部に位置する構造体を冷却回路６４を介して冷却するために輸送される。
【００２０】
本発明の他の実施態様では、ターニングギア状態は、所定時間の間において、又はガスタービンエンジン１０が運転停止状態に移行する所定の温度に１つ以上の選択されたエンジン部品が到達するまで持続される。このような構成では、ターニングギア状態の際に、第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８Ｂが開位置に維持され、ブロワシステム５０は冷却流体を外部冷却流体源４２から抽出するように、抽出された冷却流体を冷却配管システム４４及びロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄを通じて輸送するように、且つ、抽出された冷却流体をロータチャンバＲＣの内部に射出するように動作し続ける。しかしながら、ガスタービンエンジン１０が運転停止状態になると、すなわちターニングギア状態が終了した後に、冷却流体の送出を停止するために、ブロワシステム５０が動作停止するか、又は制御装置５４によって動作不能状態とされる。運転停止状態の際に、第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８Ｂが開いた状態を維持しているか、又は制御装置５４が第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８Ｂを閉じる。しかしながら、ガスタービンエンジン１０を全負荷運転に復帰させるためにエンジンを始動開始させると、第１のバルブ４８Ａ及び第２のバルブ４８が制御装置５４によって閉じられ、主バルブ６２は開かれる。
【００２１】
本発明のさらなる他の実施形態では、第２のエンジン運転モードの際に、制御装置５４は、エンジンケース部分３０Ａの頂部壁セクション３２Ａとエンジンケース部分３０Ａの底部壁セクション３２Ｄとの間における温度差に基づいて、バルブシステム４８を開閉させ、ブロワシステム５０の動作を可能／不能とする。例えば第２のエンジン運転モードの際に、頂部壁セクション３２Ａにおける温度が第１の所定量より大きい差で底部壁セクション３２Ｄにおける温度より高いと判断された場合には、頂部壁セクション３２Ａにおける温度が第２の所定量より小さい差で底部壁セクション３２Ｄにおける温度より大きいと判断されるまで、バルブシステム４８が開かれ、ブロワシステム５０の動作が可能とされる。例えばタービンセクションに関連するエンジンケース３０の頂部セクションと底部セクションとの間における温度差のような、ガスタービンエンジン１０の内部の他の位置における温度差も、バルブシステム４８を開閉するために、及びブロワシステム５０を動作可能／不能とするために利用される場合があることに留意すべきである。
【００２２】
本発明のさらにさらなる他の実施態様では、第２のエンジン運転モードの際に、ブロワシステム５０の動作がスピン冷却運転（spin cooling operation）と交互に実施される。典型的なスピン冷却運転の際には、配管システム４４を通じて外部冷却流体源４２からロータチャンバＲＣの内部に至る冷却流体の輸送を停止させるために、ブロワシステム５０が動作停止され、さらには、燃焼セクション１４において空気及び燃料を燃焼させないように、すなわち、燃焼ガスが燃焼器１８において生成されないように、タービンロータ２４の回転速度が所定の速度、例えば約８５０ｒｐｍに至るまで高められる。スピン冷却運転は、例えば約５分のような所定期間の間において、選択されたガスタービンエンジン部品が所望の温度に到達するまで、又は部品同士の温度差が所定の範囲に到達するまで実施される。
【００２３】
スピン冷却運転を実施した後に、再度、ブロワシステム５０は、配管システム４４及びロータ冷却配管４６Ａ〜４６Ｄを通じて外部冷却流体源４２からロータチャンバＲＣの内部に至るまで冷却流体を輸送するように動作可能とされる。上述のように、タービンセクション１８、特にタービンロータ２４の内部に配置された冷却すべき構造体を最大限に冷却するために、及び、ガスタービンエンジン１０の内部における一様な冷却を促進するために、スピン冷却運転は、第２のエンジン運転モードの際にブロワシステム５０の動作と交互に実施される。
【００２４】
外部冷却流体射出システム４０がロータキャビティＲＣに供給する冷却流体を介して、例えば回転式タービンブレード列ＴＢ、ブレードディスク構造体ＢＤＳ、タービンディスクキャビティＴＤＣ等のような、タービンセクション１８の内部に配置された冷却すべき構造体を冷却することによって、ブレードディスク構造体ＢＤＳ及びタービンブレードＴＢの熱膨張が低減される。さらに、冷却流体を介してタービンセクション１８の内部に配置された冷却すべき構造体を冷却することによって、タービンセクション１８の内部における温度分布がさらに一様になる。比較的高温の空気がタービンセクション１８のエンジンケース３０の頂部に移動するので、その結果として、タービンセクション１８のエンジンケース３０の頂部は底部より高温になる。
【００２５】
外部冷却流体射出システム４０によって、ブレードディスク構造体ＢＤＳ及びタービンブレードＴＢの熱膨張が低減され、タービンセクション１８の内部における温度分布がさらに一様とされる。このことは、タービンセクション１８の内部及び周囲に位置する構成部品が異なる比率で熱膨張することに起因して、例えばエンジンケース３０が捩じれるという問題、及び／又は、タービンセクション１８内におけるタービンブレードＴＢの先端ＴＴ（図１Ａ参照）がタービンブレードＴＢの外方に配置されているリング部分ＲＳ（図１Ａ参照）に対して擦れるという問題を緩和又は解消すると考えられる。これにより、当該構成部品の耐用寿命が伸び、タービンブレードＴＢの先端ＴＴの非常に小さい間隙が全負荷運転において維持されるので、タービンの効率が改善される。また、リング部分ＲＳに対するタービンブレード先端ＴＴの擦れを低減／防止することによって、過熱に起因するタービンブレード先端ＴＴの酸化が低減／防止される。さもなければ、当該構成部品同士の擦れによって、タービンブレード先端ＴＴに形成された冷却孔が塞がれる。
【００２６】
さらに、第２のエンジン運転モードの際に、外部冷却流体射出システム４０によって、タービンセクション１８、より具体的にはタービンロータ２４の内部に配置された冷却すべき構造体が動的に冷却されるが、このことは、ガスタービンエンジン１０の運転停止時間を短縮すると考えられている。例えば、外部冷却流体射出システム４０がタービンロータ２４を冷却するために利用される場合には、ガスタービンエンジン１０は直ちに利用可能とされる。しかしながら、外部冷却流体射出システム４０が設けられていない場合には、タービンロータ２４はタービンセクション１８を利用するには過度に高温となるので、ガスタービンエンジン１０は、少なくとも約１４時間の間、ターニングギア状態である必要があるか、又は、ガスタービンエンジン１０を利用する前に長時間に亘って、スピン冷却運転される必要がある。タービンロータ２４を冷却するために外部冷却流体射出システム４０を利用することによって、ガスタービンエンジン１０がすぐに利用可能とされる。さらに、外部冷却流体射出システム４０は、エンジンケース３０の内部における温度分布を一層一様にすることによって、タービンロータ２４を冷却すると共にエンジンケース３０の捩じれを低減／防止するための同時的且つ複合的な手法を提供する。
【００２７】
本発明の特定の実施例について図解及び説明をしたが、当業者であれば、本発明の技術的思想及び技術的範囲を逸脱することなく、様々な他の変更及び改良を想到することができることは明白である。従って、特許請求の範囲は、本発明の技術的範囲に属するすべての変更及び改良を包含することを意図する。
【符号の説明】
【００２８】
１０    ガスタービンエンジン
１２    圧縮セクション
１４    燃焼セクション
１６    燃焼器
１８    タービンセクション
２０    燃焼器シェル
２２    移行ダクト
２４    タービンロータ
３０    エンジンケース
３０Ａ  （エンジンケース３０の）部分
３２    ケース壁
３２Ａ  頂部壁セクション
３２Ｂ  左側壁セクション
３２Ｃ  右側壁セクション
３２Ｄ  底部壁セクション
４０    外部冷却流体射出システム
４２    外部冷却流体源
４４    配管システム
４６Ａ  ロータ冷却配管
４６Ｂ  ロータ冷却配管
４６Ｃ  ロータ冷却配管
４６Ｄ  ロータ冷却配管
４８    バルブシステム
４８Ａ  第１のバルブ
４８Ｂ  第２のバルブ
５０    ブロワシステム
５２    冷却器
５４    制御装置
５６    フィルタ
５８    フィルタ
【図１】
2015533998.tif 000003
【図１Ａ】
2015533998.tif 000004
【図２】
2015533998.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成27年8月14日(2015.8.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンであって、
前記ガスタービンエンジンに引き込まれる空気が圧縮される、圧縮セクションと、
燃料が前記圧縮セクションからの圧縮空気の少なくとも一部と混合及び燃焼されることによって、高温の燃焼ガスが生成される、燃焼セクションと、
前記燃焼セクションからの高温の前記燃焼ガスを膨張させることによって、高温の前記燃焼ガスからエネルギが抽出される、タービンセクションであって、抽出されたエネルギの少なくとも一部が、全負荷運転である第１のエンジン運転モードの際にタービンロータを回転させるために利用される、前記タービンセクションと、
前記タービンセクションの内部に配置された構造体と連通しているロータチャンバと、
前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ガスタービンエンジンから抽出された冷却空気を前記ロータチャンバの内部に射出するための少なくとも１つのロータ冷却配管と、
冷却流体射出システムと、
を備えている前記ガスタービンエンジンにおいて、
前記冷却流体射出システムが、
前記全負荷運転ではない第２のエンジン運転モードの際にのみ、前記ロータチャンバの内部に射出するための外部冷却流体源と、
前記第２のエンジン運転モードの際に前記外部冷却流体源から前記ロータチャンバの内部に冷却流体を射出するために利用される少なくとも１つの前記ロータ冷却配管と、
前記外部冷却流体源と少なくとも１つの前記ロータ冷却配管との間を流通させている配管システムと、
前記配管システム及び少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記外部冷却流体源から前記ロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するためのブロワシステムと、
バルブシステムと、
を備えており、
前記バルブシステムが、
前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、前記外部冷却流体源からの冷却流体が前記配管システムを通じて輸送されることを防止するように、閉じられており、
前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、前記外部冷却流体源からの冷却流体が前記配管システムを通じて輸送されるように、開いていることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記外部冷却流体源が、少なくとも１つの周囲空気吸入ポートとされることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ロータチャンバの内部に射出された冷却流体から粒子を除去するために、前記外部冷却流体源と前記ロータチャンバとの間に配置されているフィルタを備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記フィルタが、前記ブロワシステムに固定された状態で配置されていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
エンジンケースの頂部壁セクションと前記エンジンケースの底部壁セクションとの間における温度差に基づいて、前記バルブシステムを開閉するための制御装置を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記バルブシステムが、
前記ガスタービンエンジンを運転停止状態又はターニングギア状態に移行させるために減量運転を開始する際に、制御装置によって開かれ、
前記ガスタービンエンジンを前記第１のエンジン運転モードに移行させるために始動運転を開始する際に、前記制御装置によって閉じられることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記タービンロータが、前記運転停止状態又は前記ターニングギア状態の際に、前記燃焼ガスから抽出されたエネルギによって回転されないことを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記第１のエンジン運転モードの際に少なくとも１つの前記ロータ冷却配管によって前記ロータチャンバの内部に射出された冷却空気が、前記燃焼セクションに関連する燃焼器シェルから抽出されたシェル空気とされることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記ロータチャンバが、前記燃焼セクションに少なくとも部分的に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムの動作が、スピン冷却運転と交互に実施され、
前記スピン冷却運転の際に、
前記ブロワシステムが、動作停止され、
前記タービンロータの回転速度が、前記燃焼セクションにおいて空気及び燃料を燃焼させることなく、所定の速度に至るまで高められることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１１】
前記スピン冷却運転を実施した後に、前記ブロワシステムが、前記外部冷却流体源から前記配管システム及び少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するように動作することを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１２】
前記スピン冷却運転が、所定の時間に亘って実施されることを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１３】
冷却流体が少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に射出される前に、前記外部冷却流体源からの冷却流体を冷却するための冷却器を備えていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
ガスタービンエンジンを動作させるための方法において、
前記ガスタービンエンジンの圧縮セクションにおいて、空気を圧縮するステップと、
前記ガスタービンエンジンの燃焼セクションにおいて、燃料と圧縮空気の少なくとも一部とを混合し、前記燃料と前記圧縮空気の少なくとも一部とから成る混合体を燃焼させることによって、高温の燃焼ガスを生成するステップと、
前記ガスタービンエンジンのタービンセクションにおいて、高温の燃焼ガスを膨張させることによって、高温の前記燃焼ガスからエネルギを抽出するステップであって、抽出されたエネルギの少なくとも一部が、全負荷運転である第１のエンジン運転モードの際にタービンロータを回転させるために利用される、前記ステップと、
前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ガスタービンエンジンから抽出された空気を少なくとも１つのロータ冷却配管を通じてロータチャンバの内部に射出するステップであって、射出された空気が、前記タービンセクションの内部に配置された冷却すべき構造体を冷却する、前記ステップと、
前記全負荷運転でない第２のエンジン運転モードの際に、ブロワシステムが、外部冷却流体源から配管システムを通じて少なくとも１つの前記ロータ冷却配管に冷却流体を運搬するように、且つ、前記外部冷却流体源から少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に冷却流体を射出するように動作する、ステップと、
を備えていることを特徴とする方法。
【請求項１５】
前記外部冷却流体源からの冷却流体が、前記第１のエンジン運転モードの際に前記ロータチャンバの内部に射出されず、
前記ガスタービンエンジンからの空気が、前記第２のエンジン運転モードの際に少なくとも１つのロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に射出されないことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
バルブシステムが、前記第２のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、前記外部冷却流体源からの冷却流体が前記配管システムを通じて輸送されるように開いていることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記バルブシステムが、前記第１のエンジン運転モードの際に、前記ブロワシステムによって、空気が前記配管システムを通じて輸送されることを防止するように閉じられていることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記バルブシステムが、エンジンケースの頂部壁セクションと前記エンジンケースの底部壁セクションとの間における温度差に基づいて、制御装置によって開閉され、
前記エンジンケースが、前記ガスタービンエンジンの前記圧縮セクション、前記燃焼セクション、及び前記タービンセクションの周囲に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記バルブシステムが、
前記ガスタービンエンジンを運転停止状態又はターニングギア状態に移行させるために減量運転を開始する際に、制御装置によって開かれ、
前記ガスタービンエンジンを前記第１のエンジン運転モードに移行させるために始動運転を開始する際に、前記制御装置によって閉じられることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記ブロワシステムが所定期間に亘って動作した後に、前記ブロワシステムを動作停止させ、前記燃焼セクションにおいて空気及び燃料を燃焼させることなく、前記タービンロータの回転速度を高めることによって、スピン冷却運転を実施するステップと、
前記スピン冷却運転が実施された後に、前記外部冷却流体源から前記配管システム及び少なくとも１つの前記ロータ冷却配管を通じて前記ロータチャンバの内部に冷却流体を輸送するように、前記ブロワシステムを動作するステップと、
を備えていることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2015533998.tif 000006
2015533998.tif 000007