(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機セクション（１０５）と１以上のホイールスペース領域（１９５）とを備えるターボ機械（１００）内部で冷却流体を制御するためのシステムであって、
複数のバイパスチャンバ（３１０）であって、その各々が圧縮機セクション（１０５）から１以上のホイールスペース領域（１９５）まで冷却流体を流すことができるとともに上記１以上のホイールスペース領域（１９５）近傍にバイパスチャンバ開口部（３２０）を備える、複数のバイパスチャンバ（３１０）と、
複数のバイパスプラグ（３４０）であって、その各々が、上記複数のバイパスチャンバ（３１０）の各々のバイパスチャンバ開口部（３２０）内に挿入できるとともに各バイパスチャンバ開口部（３２０）内に挿入したときに冷却流体が１以上のホイールスペース領域（１９５）に流入するのを防ぐ複数のバイパスプラグ（３４０）と
を備えるシステム。
【請求項２】
前記圧縮機セクション（１０５）が内筒ケーシング（１２５）及び圧縮機吐出ケーシング（１３０）を有しており、前記複数のバイパスチャンバ（３１０）の各々が、内筒ケーシング（１２５）を通して圧縮機吐出ケーシング（１３０）にかつ１以上のホイールスペース領域（１９５）内に冷却流体流すことができる、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
複数のバイパスチャンバ（３１０）の各々が、冷却流体を予旋回させるように該冷却流体を導くバイパス傾斜セクション（３３０）をさらに含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記バイパス傾斜セクション（３３０）が３０度〜７０度の角度を有する、請求項３記載のシステム。
【請求項５】
前記バイパス傾斜セクション（３３０）が１〜１．５インチ（２．５４〜３．８１ｃｍ）の長さを有する、請求項３記載のシステム。
【請求項６】
前記複数のバイパスチャンバ（３１０）の各々が０．５〜１インチ（１．２７〜２．５４ｃｍ）の直径を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記バイパスチャンバ開口部（３２０）が０．８７５〜１．２５インチ（２．２２〜３．１８ｃｍ）の直径を有する、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
複数のバイパスプラグ（３４０）の各々が０．８７５〜１．２５インチ（２．２２〜３．１８ｃｍ）の直径及び１．７５〜２．２５インチ（４．４４〜５．７２ｃｍ）の長さを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
複数のバイパスプラグ（３４０）の各々が０．８７５〜１．２５インチ（２．２２〜３．１８ｃｍ）の直径及び０．７５〜１．２５インチ（１．９０〜３．１８ｃｍ）の長さを有する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
圧縮機セクション（１０５）と１以上のホイールスペース領域（１９５）とを備えるターボ機械（１００）内部で冷却流体を制御するためのシステムであって、
複数のバイパスチャンバ（３１０）であって、その各々が圧縮機セクション（１０５）から１以上のホイールスペース領域（１９５）まで冷却流体を流すことができるとともに１以上のホイールスペース領域（１９５）近傍にバイパスチャンバ開口部（３２０）を備えており、しかも冷却流体を予旋回させるように該冷却流体を導くバイパス傾斜セクション（３３０）をさらに備えている複数のバイパスチャンバ（３１０）と、
複数のバイパスプラグ（３４０）であって、その各々が、上記複数のバイパスチャンバ（３１０）の各々のバイパスチャンバ開口部（３２０）内に挿入できるとともに各バイパスチャンバ開口部（３２０）内に挿入したときに冷却流体が１以上のホイールスペース領域（１９５）に流入するのを防ぐ複数のバイパスプラグ（３４０）と
を備えるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、広義にはターボ機械における冷却システムに関し、具体的には、ターボ機械内部において冷却流体を制御するためのシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンのような幾つかのターボ機械では、圧縮機で加圧した空気の一部分は一般に、様々な固定及び回転構成部品の冷却又はガスタービン内部の空洞のパージのために、燃焼から分流らされる。分流した空気流（以下、「冷却流体」などという）は、圧縮機によって加圧された全空気流のかなりの量を消費する。分流した冷却流体は、燃焼されず、従って、ガスタービンの性能を低下させる。冷却流体を制御及び制御することにより、タービンの性能を劇的に増大させることができる。
【０００３】
一般に、冷却流体は、圧縮機から抽出され、燃焼システムをバイパスし、かつ冷却回路を通って流れる。冷却回路は、ロータ圧縮機−タービン継手（下記において、結合継手）を含む隣接する様々なタービン構成部品及び様々なホイールスペース領域に延在することができる。冷却回路には一般に、シールシステムが統合される。シールシステム構成部品とガスタービンロータとの間には、比較的緊密な間隙が存在するようにすることができる。
【０００４】
シールシステムは、回転及び固定構成部品間にラビリンスシールを含むことができる。ラビリンスシール間隙を通して発生する可能性がある一般的漏洩は通常、シールの下流に位置する領域を冷却するか又はパージするために使用される。例えば、高圧パッキンシールシステム（ＨＰＰＳ）は、ラビリンス及びブラシシール構成を含み、ＨＰＰＳを通過した漏洩流が、ホイールスペース領域を含む下流側構成部品を冷却するようにすることができる。冷却回路の有効性は、ＨＰＰＳの性能に大きく依存している。
【０００５】
冷却回路の構成により、適切な冷却流体が上述したタービン構成部品に流れるか否かが決まる。冷却回路は、冷却流体流を特定のホイールスペース領域に導くチャンバを含むことができる。
【０００６】
一般に公知のシールシステムでは、発生する可能性がある幾つかの問題が存在する。摩耗により、シールシステム間隙が拡大する可能性がある。シールは、「トリップ」（ターボ機械の緊急停止）により摩耗する可能性がある。シールはまた、ガスタービン運転により時間の経過と共に摩耗する可能性がある。摩耗により、過剰な冷却流体がシールの下流に流れることが許されるようになり、ガスタービンの全体効率を低下させる。シールシステム摩耗発生の予測不能な性質のために、冷却回路を通る冷却流体の確定的流量を定めることができない。さらに、一般に公知のシールシステムでは、ホイールスペース領域内に流れる冷却流体の量を制御してシールシステム摩耗を補償することが可能でない。従って、一般に公知のシールシステムは、ホイールスペース領域に流れる冷却流体の量を増加又は減少させる方法を備えていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述の理由により、ガスタービンの１以上のホイールスペース領域内に流れる冷却流体を制御するのを可能にするシステムに対する必要性が存在する。そのシステムは、適切な冷却を保証すると同時に、ガスタービンの効率を向上させるものでなければならない。そのシステムはまた、冷却回路を通して確定的流量を供給するものでなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態によると、圧縮機セクション及び１以上のホイールスペース領域を有するターボ機械内部において冷却流体を制御するためのシステムを提供し、本システムは、複数のバイパスチャンバを含み、複数のバイパスチャンバの各々は、圧縮機セクションから１以上のホイールスペース領域まで冷却流体を流すことができるとともに複数のバイパスチャンバの各々は、１以上のホイールスペース領域近傍にバイパスチャンバ開口部を備える。
【０００９】
本システムはまた、複数のバイパスプラグを含み、複数のバイパスプラグの各々は、複数のバイパスチャンバの各々においてバイパスチャンバ開口部内に挿入可能であり、また複数のバイパスプラグの各々は、各バイパスチャンバ開口部内に挿入したときに冷却流体が１以上のホイールスペース領域に流入するのを防止するようになっている。
【００１０】
本発明の別の実施形態によると、圧縮機セクション及び１以上のホイールスペース領域を有するターボ機械内部において冷却流体を制御するためのシステムを提供し、本システムは、複数のバイパスチャンバを含み、複数のバイパスチャンバの各々は、圧縮機セクションから１以上のホイールスペース領域まで冷却流体を流すことができるとともに複数のバイパスチャンバの各々は、１以上のホイールスペース領域近傍にバイパスチャンバ開口部を備え、また複数のバイパスチャンバの各々はさらに、冷却流体を予旋回させるように該冷却流体を導くバイパス傾斜セクションを備える。
【００１１】
本システムはまた、複数のバイパスプラグを含み、複数のバイパスプラグの各々は、複数のバイパスチャンバの各々においてバイパスチャンバ開口部内に挿入可能であり、また複数のバイパスプラグの各々は、各バイパスチャンバ開口部内に挿入したときに冷却流体が１以上のホイールスペース領域に流入するのを防止するようになっている。
【００１２】
本発明の別の実施形態によると、圧縮機セクション及び１以上のホイールスペース領域を有するターボ機械内部において冷却流体を制御するための、シールシステムと統合されたシステムを提供し、本システムは、複数のバイパスチャンバを含み、複数のバイパスチャンバの各々は、圧縮機セクションから１以上のホイールスペース領域まで冷却流体を流すことができるとともに複数のバイパスチャンバの各々は、１以上のホイールスペース領域近傍にバイパスチャンバ開口部を備え、また複数のバイパスチャンバの各々はさらに、冷却流体を予旋回させるように該冷却流体を導くバイパス傾斜セクションを備える。
【００１３】
本システムはまた、複数のバイパスプラグを含み、複数のバイパスプラグの各々は、複数のバイパスチャンバの各々においてバイパスチャンバ開口部内に挿入可能であり、また複数のバイパスプラグの各々は、各バイパスチャンバ開口部内に挿入したときに冷却流体が１以上のホイールスペース領域に流入するのを阻止するようになっている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書では、便宜のためだけに特定の技術用語を使用しており、それら技術用語は、本発明における限定として解釈すべきではない。例えば、「上方」、「下方」、「左方」「前方」、「右方」、「水平」、「垂直」、「上流」、「下流」、「前方」及び「後方」などの用語は、図に示す構成を単に記述しているに過ぎない。実際に、構成部品は、あらゆる方向に配向することができ、従って、専門用語は、特にそうではないことを明記しない限りそのような変形形態を包含するものと理解すべきである。
【００１５】
次に幾つかの図を通して様々な参照符号が同様の構成部品を表わしている図を参照すると、図１は、本発明の実施形態が作動する環境を示す、ガスタービンの一部分の断面概略図である。図１において、ガスタービン１００は、圧縮機セクション１０５、燃焼セクション１５０及びタービンセクション１８０を含む。
【００１６】
一般に、圧縮機セクション１０５は、流体を加圧するように構成された複数の回転ブレード１１０及び固定ベーン１１５を含む。圧縮機セクション１０５はまた、１以上の抽出口１２０、内筒１２５、圧縮機吐出ケーシング１３０、結合継手１３５及び結合継手ボルト１３７を含むことができる。
【００１７】
一般に、燃焼セクション１５０は、複数の燃焼缶（１つだけを図示している）、複数の燃料ノズル１６０及び複数の移行セクション１６５（１つだけを図示している）を含む。複数の燃焼缶１５５は、燃料源（図示せず）に結合することができる。各燃焼缶１５５内において、加圧空気は、圧縮機セクション１０５から受けられかつ燃料源から受けた燃料と混合される。空気及び燃料混合気は、点火され、作動流体を生成する。作動流体は一般に、複数の燃料ノズル１６０の後方端部から下流方向に移行セクション１６５を通ってタービンセクション１８０内に進む。
【００１８】
一般に、タービンセクション１８０は、複数の回転構成部品１８５、複数の固定構成部品１９０及び複数のホイールスペース領域１９５を含む。一般に、タービンセクション１８０は、作動流体を機械トルクに変換する。
【００１９】
一般に、ガスタービン１００の運転時に、複数の構成部品は、高温度を受け、冷却又はパージを必要とする可能性がある。これらの構成部品には、圧縮機セクション１０５、結合継手及び複数のホイールスペース領域１９５の一部分を含むことができる。
【００２０】
抽出口１２０は、圧縮機セクション１０５から冷却流体を引き出す。冷却流体は、燃焼セクション１５０をバイパスしかつ冷却回路２００（図２に示す）を通って流れて、結合継手１３５及び複数のホイールスペース領域１９５の１以上を含む様々な構成部品を冷却するか又はパージする。
【００２１】
次に、図１に示すガスタービンの拡大図である図２を参照する。図２は、それに限定されないが、冷却回路２００を備えた本発明の実施形態の実施例を示す。冷却回路２００の流路は、抽出口１２０（図１に示す）で始まり、圧縮機吐出ケーシング１３０及び内筒ケーシング１２５の一部分を通り、圧縮機セクション１０５の後方端部に位置する空洞に至ることができる。次に、冷却回路２００は、方向を逆向きにし、結合継手１３５を通り、シールシステム構成部品１４０を通って、ホイールスペース領域１９５に通じることができる。
【００２２】
次に、本発明の実施形態によるバイパスシステム３００の概略図を示す、まとまって図３を構成する図３Ａ及び図３Ｂを参照する。図３Ａは、複数のバイパスチャンバ３１０を含むことができるバイパスシステム３００を示しており、複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、１以上のバイパスチャンバ開口部３２０及び１以上のバイパス傾斜セクション３３０を含むことができる。本バイパスシステム３００はまた、複数のバイパスプラグ３４０を含むことができる。
【００２３】
複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、内筒ケーシング１２５及び圧縮機吐出ケーシング１３０の一部分を貫通して延在することができる。複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、冷却回路２００と統合し、それによってバイパスチャンバ３１０内に冷却流体を流すことができる。複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、所望の冷却流特性を可能にするあらゆる形状のものとすることができる。さらに、複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、ガスタービン１００内部でのバイパスチャンバ３１０の費用効果がある形成方法を可能にするあらゆる形状を含むことができる。
【００２４】
本発明の実施形態では、複数のバイパスチャンバ３１０の一部分は、内筒ケーシング１２５及び圧縮機吐出ケーシング１３０の上半分上に設置することができ、また複数のバイパスチャンバ３１０の一部分は、内筒ケーシング１２５及び圧縮機吐出ケーシング１３０の下半分上に設置することができる。
【００２５】
複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、１以上のバイパスチャンバ開口部３２０を含むことができる。本発明の実施形態では、バイパスチャンバ開口部３２０は、該バイパスチャンバ開口部３２０及びバイパスチャンバ３１０への容易なアクセスを可能にする領域に隣接して圧縮機吐出ケーシング１３０内に設置することができる。図３Ａに示すように、バイパスチャンバ開口部３２０は、バイパスチャンバ３１０を完全に貫通することができる。本発明の別の実施形態では、バイパスチャンバ開口部３２０は、バイパスチャンバ３１０内に部分的に延在することができる。複数のバイパスチャンバ３１０の各々は約０．５インチ〜約１インチの直径とすることができる。また、バイパスチャンバ開口部３２０は約０．８７５インチ〜約１．２５インチの直径とすることができる。
【００２６】
バイパスチャンバ開口部３２０は、該バイパスチャンバ開口部３２０がバイパスチャンバ３１０内に延在できるあらゆる形状を含むことができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態は、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、円筒形形状を有するバイパスチャンバ開口部３２０を含むことができる。バイパスチャンバ開口部３２０は、図３Ａに示すように、バイパスプラグ３４０（下記で説明する）の挿入を可能にする幅又は直径を含むことができる。バイパスチャンバ開口部３２０内部の表面（図示せず）は、バイパスプラグ３４０の対応する表面（図示せず）と係合するのを可能にすることができる。例えば、それに限定されないが、バイパスチャンバ開口部３２０内部の表面（図示せず）は、バイパスプラグ３４０の対応するネジ部分（図示せず）と係合するネジ部分を含むことができる。
【００２７】
バイパスチャンバ３１０はまた、１以上のバイパス傾斜セクション３３０を含むことができる。バイパス傾斜セクションは、バイパスチャンバ開口部３２０の比較的下流側に設置することができる。バイパス傾斜セクション３３０は、複数のホイールスペース領域１９５（図１及び図２に図示するような）の１以上に隣接したバイパスチャンバ３１０の一部分を含むことができる。
【００２８】
次に、線３Ｂ−３Ｂに沿ったバイパスシステム３００の断面図を示す図３Ｂを参照する。バイパス傾斜セクション３３０は、ガスタービンロータ（図示せず）の回転軸線に対して測定した角度θを含むことができる。バイパス傾斜セクション３３０は、冷却回路２００の流路を変更して、複数のホイールスペース領域１９５の１以上に流入する可能性がある冷却流体の予旋回を発生させることができる。角度θの大きさは、ガスタービン１００の効率を増大するように構成することができる。バイパス傾斜セクション３３０は約３０度〜約７０度の角度とすることができる。また、バイパス傾斜セクション３３０は約１インチ〜約１．５インチの長さとすることができる。
【００２９】
再び図３Ａを参照すると、バイパスシステム３００はまた、複数のバイパスプラグ３４０を含むことができ、該複数のバイパスチャンバ３１０の各々は、１つのバイパスプラグ３４０を含むことができるようになる。上述のように、複数のバイパスプラグ３４０は、各バイパスチャンバ開口部３２０内への挿入を可能にする厚さ又は直径を含むことができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態では、バイパスチャンバ開口部３２０は、円筒形形状を含み、また対応するバイパスプラグ３４０は同様に、バイパスチャンバ開口部３２０内への挿入を可能にする円筒形形状を含む。複数のバイパスプラグ３４０は、圧縮機吐出ケーシング１３０と同じ材料或いは該複数のバイパスプラグ３４０が露出する可能性がある作動環境に耐えることができるその他のあらゆる材料で形成することができる。
【００３０】
バイパスシステム３００は、高圧パッキンシステム（ＨＰＰＳ）のようなタービンシールシステムと統合することができる。図３Ａに示すように、ＨＰＰＳは、シールシステム構成部品１４０を含むことができる。シールシステム構成部品１４０は、例えばそれに限定されないが、高圧ブラシシール／ハニカムシール構成などを含むことができる。
【００３１】
使用中に、バイパスシステム３００は、冷却回路２００から冷却流体を受けることができる。バイパスプラグ３４０がバイパスチャンバ開口部３２０内に完全に挿入されると、冷却流体がバイパス傾斜セクション３３０内に流れるのを制限することができる。しかしながら、バイパスプラグ３４０がバイパスチャンバ開口部３２０内に部分的に挿入されるか又は該バイパスチャンバ開口部３２０から取外されると、冷却流体の一部分は、バイパスチャンバ３１０を通ってバイパス傾斜セクション３３０に流れ、予旋回された後にホイールスペース領域１９５に流れることができる。
【００３２】
さらに、本発明の実施形態は、複数のバイパスプラグ３４０を複数のバイパスチャンバ開口部３２０の各々に十分に挿入する、部分的に挿入する、或いは該複数のバイパスチャンバ開口部３２０から完全に取外すことができることのいずれかを決定する自由度を使用者に与える。前述の機構により、使用者はシールシステム構成部品１４０の様々に変化する可能性がある摩耗率を補償することによってガスタービン１００の性能及び効率を最大にするのを可能にすることができる。従って、バイパスシステム３００により、使用者はバイパスチャンバ開口部３２０の各々、幾つか、或いは全てを塞ぐか又は塞がないことができて、適当量の冷却流体を複数のホイールスペース領域１９５の各々に流すことが可能になる。前述の機構は、冷却回路２００を通して確定的近似流量を供給することができる。
【００３３】
次に、本発明の実施形態によるバイパスプラグ３４０を示す概略図である図４を参照する。上述のように、バイパスプラグ３４０は、圧縮機吐出ケーシング１３０と同じ材料或いは該バイパスプラグ３４０が露出する可能性がある作動環境に耐えることができるその他のあらゆる材料で形成することができる。さらに、バイパスプラグ３４０は、対応するバイパスチャンバ開口部３２０の形状とほぼ同じ形状を有し、それによって係合を可能にすることができる。このバイパスプラグ３４０の実施形態は、該バイパスプラグ３４０がバイパスチャンバ開口部３２０内に挿入したときにバイパスチャンバ３１０の実質的に完全な閉塞を可能にする長さを有することができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態では、バイパスプラグ３４０は、約０．８７５インチ〜約１．２５０インチの直径及び約１．７５０インチ〜約２．２５０インチの長さを含むことができる。
【００３４】
次に、本発明の別の実施形態によるバイパスプラグ３４０を示す概略図である図５を参照する。上述のように、バイパスプラグ３４０は、圧縮機吐出ケーシング１３０と同じ材料或いは該バイパスプラグ３４０が露出する可能性がある作動環境に耐えることができるその他のあらゆる材料で形成することができる。さらに、バイパスプラグ３４０は、対応するバイパスチャンバ開口部３２０の形状とほぼ同じ形状を有し、それによって係合を可能にすることができる。このバイパスプラグ３４０の実施形態は、該バイパスプラグ３４０がバイパスチャンバ開口部３２０内に挿入したときにバイパスチャンバ３１０の部分的な閉塞を可能にする長さを有することができる。例えば、それに限定されないが、本発明の実施形態では、バイパスプラグ３４０は、約０．８７５インチ〜約１．２５０インチの直径及び約０．７５０インチ〜約１．２５０インチの長さを含むことができる。
【００３５】
本発明をその幾つかの例示的な実施形態のみに関してかなり詳細に示しかつ説明してきたが、特に前述の教示に照らして本発明の新規な教示及び利点から実質的に逸脱せずに開示の実施形態に対して様々な変更、省略及び付加を行うことができるので、本発明をその実施形態に限定することを意図するものではないことを当業者には理解されたい。従って、特許請求の範囲によって定まる本発明の技術思想及び技術的範囲内に含むことができるものとして、全てのそのような変更、省略、付加及び均等物を保護することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態が作動する環境を示す、ガスタービンの断面概略図。
【図２】図１に示すガスタービンの一部分の拡大図。
【図３Ａ】図３Ｂと共に図３を構成して、本発明の実施形態によるバイパスシステムを示す概略図。
【図３Ｂ】図３Ａと共に図３を構成して、本発明の実施形態によるバイパスシステムを示す概略図。
【図４】本発明の実施形態によるバイパスプラグを示す概略図。
【図５】本発明の別の実施形態によるバイパスプラグを示す概略図。
【符号の説明】
【００３７】
１００  ガスタービン
１０５  圧縮機セクション
１１０  ブレード
１１５  固定ベーン
１２０  抽出口
１２５  内筒
１３０  圧縮機吐出ケーシング
１３５  結合継手
１３７  結合継手ボルト
１５０  燃焼セクション
１５５  燃焼缶
１６０  燃料ノズル
１６５  移行セクション
１８０  タービンセクション
１８５  回転構成部品
１９０  固定構成部品
１９５  ホイールスペース領域
２００  冷却回路
３００  バイパスシステム
３１０  バイパスチャンバ
３２０  バイパスチャンバ開口部
３３０  バイパス傾斜セクション
３４０  バイパスプラグ
【図１】
0005123044.tif 000002
【図２】
0005123044.tif 000003
【図３Ａ】
0005123044.tif 000004
【図３Ｂ】
0005123044.tif 000005
【図４】
0005123044.tif 000006
【図５】
0005123044.tif 000007