(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械装置用プラズマ作動システムを提供する。【解決手段】プラズマ作動システム１００は、端壁６０と、端壁６０の周りに配置される複数の端壁アクチュエータ１１０と、端壁６０に隣接して配置されるブレード５０とを含む。端壁アクチュエータ１１０は、端壁６０とブレード５０との間に旋回流２５０を生じさせるように配向される。複数の端壁アクチュエータ１１０は、複数の周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１３０を含んでもよい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械装置（１０５）用プラズマ作動システム（１００）であって、
端壁（６０）と、
前記端壁（６０）の周りに配置される複数の端壁アクチュエータ（１１０）と、
前記端壁（６０）に隣接して配置されるブレード（５０）とを含み、
前記複数の端壁アクチュエータ（１１０）が、前記端壁（６０）と前記ブレード（５０）との間に旋回流（２５０）を生じさせるように配向されている、プラズマ作動システム（１００）。
【請求項２】
前記複数の端壁アクチュエータ（１１０）が、複数の周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ（１３０）を含む、請求項１に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項３】
前記複数の周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ（１３０）のうち１つ以上が、前記ブレード（５０）の周りに配置されている、請求項２に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項４】
前記複数の端壁アクチュエータ（１１０）が、複数の中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータ（１３５）を含む、請求項１に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項５】
前記ブレード（５０）上に配置される複数のブレードアクチュエータ（１４０）を更に含む、請求項１に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項６】
前記複数のブレードアクチュエータ（１４０）が、複数の周方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ（１６０）を含む、請求項５に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項７】
前記複数のブレードアクチュエータ（１４０）が、複数の中間方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ（１６５）を含む、請求項５に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項８】
前記複数のブレードアクチュエータ（１４０）が、前記ブレード（５０）のチップ（７０）の周りに配置される、請求項５に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項９】
前記複数の端壁アクチュエータ（１１０）と前記複数のブレードアクチュエータ（１４０）とが、複数の軸方向モーメンタム用アクチュエータ（１２０、１５０）を含む、請求項５に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項１０】
前記複数の端壁アクチュエータ（１１０）と前記複数のブレードアクチュエータ（１４０）とが、複数の誘電バリア放電プラズマアクチュエータ（１７０）を含む、請求項５に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項１１】
前記複数の誘電バリア放電プラズマアクチュエータ（１７０）の各々が、一対の導電層（２００、２１０）を含み、前記導電層間においてプラズマの流れ（２４０）を生じさせる、請求項１０に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項１２】
前記ターボ機械装置（１０５）が圧縮機（１５）を含む、請求項１に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項１３】
前記ターボ機械装置（１０５）がタービン（４０）を含む、請求項１に記載のプラズマ作動システム（１００）。
【請求項１４】
ターボ機械装置（１０５）の端壁（６０）及びブレードチップ（７０）の周りにおけるブロッケージ及び損失（９０）を低減させる方法であって、
複数の端壁アクチュエータ（１１０）を作動させるステップと、
前記アクチュエータを通る流れ（７５、８０）に、周方向及び／又は中間方向モーメンタムを発生させるステップと、
前記端壁（６０）及び前記ブレードチップ（７０）付近に旋回流（２５０）を生成して、その周りの前記ブロッケージ及び損失（９０）を低減させるステップと、を含む方法。
【請求項１５】
自身を通る流れ（７５、８０）に、周方向及び／又は中間方向モーメンタムを発生させる複数のブレードアクチュエータ（１４０）を作動させるステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、一般にガスタービンエンジンに関し、特にターボ機械等の端壁において旋回流を生じさせることにより、端壁ブロッケージ及び損失を低減させる、プラズマ作動システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
旋回失速やサージ等の空力不安定現象により、圧縮機の安定性は根本的に制限される。或る一定の速度で圧縮機を通る質量流量が低下すると、旋回失速が生じ得る。失速セルが生成されると、軸流方向に移動せずに圧縮機の周のまわりで回転する。こうした失速セルは、圧縮機の効率を実質的に低下させるだけでなく、エアフォイルへの構造負荷を局在領域において増大させる。圧縮機サージにより、圧縮機を通る流れが逆流し、既に圧縮された空気を放出することがある。圧縮機サージは、瞬間的な乱流を吸収する性能を圧縮機が有さない場合に生じ得る。圧縮機サージからの回復には、一般的に、エンジンを完全に再始動させる必要がある。
【０００３】
そこで、一般的に、旋回失速等に対する安全マージン又は失速マージンを持たせて、圧縮機を設計する。しかし、現在の圧縮機の設計では、チップクリアランスとブレード高さとの比が増大することがあるため、失速マージンが大幅に低下することがある。しかし、ケーシングトリートメント、振動入口ガイドベーン、ロータチップインジェクション等の、失速マージンを改善するための周知の方法では、圧縮機の効率に影響が及ぶことがあるため、重量の点、又は下流段からの「高費用」の高圧空気の使用という点で、大きな不利益をもたらす場合がある。
【０００４】
タービンにとって、端壁とブレードとの間のクリアランスは、典型的な空力損失の要因となり得る。更に、クリアランス流れが、ブレード流路に存在するその他の二次流れと相互に強く作用する。その結果、クリアランス流れによる損失が、タービンの全損失の三分の一近くを占めることがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７０７４００６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、圧縮機設計及び／又は流れ制御システムを改良することにより、ブレード高さが低くても、着実な失速マージンを得ることが望ましい。上述のような周知の空力不安定現象を回避することにより、圧縮機の設計において、稼動を通じた安全性を高め、過渡動作時の段の不釣り合いへの許容範囲を広げるとともに、最大効率で段が釣り合い、高い効率を維持しつつ段全体の燃費を削減する機会を増やすことができる。同様に、タービンのクリアランス流れによる損失を削減し得る、流れ制御装置の開発への強い必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本願は、ターボ機械装置用プラズマ作動システムを提供する。このプラズマ作動システムは、端壁と、この端壁の周りに配置される複数の端壁アクチュエータと、この端壁に隣接して配置されるブレードとを含む。端壁アクチュエータは、端壁とブレードとの間に旋回流を生じさせるように配向される。
【０００８】
本願は更に、ターボ機械装置の端壁及びブレードチップの周りにおけるブロッケージと損失を低減する方法を提供する。この方法は、複数の端壁アクチュエータを作動させるステップと、端壁アクチュエータを通る流れに周方向及び／又は中間方向のモーメンタムを発生させるステップと、端壁及びブレードチップ付近に旋回流を生成することで、端壁及びブレードチップ付近のブロッケージ及び損失を低減させるステップとを含む。
【０００９】
本願は更に、ターボ機械装置用プラズマ作動システムを提供する。このプラズマ作動システムは、複数の周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ及び／又は複数の中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータを有する端壁と、複数の周方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ及び／又は複数の中間方向モーメンタム用ブレードアクチュエータを有するブレードとを含む。周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ、中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータ、周方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ、及び中間方向モーメンタム用ブレードアクチュエータは、端壁とブレードとの間において旋回流を生じさせるように配向される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】周知のガスタービンエンジンの概略図である。
【図２】ブレードチップ及び端壁を、これらを通る流路と共に示した、ターボ機械装置の部分断面図である。
【図３】本明細書に記載のプラズマ作動システムを備えたターボ機械装置の部分概略図である。
【図４】図３のプラズマ作動システムに使用可能な誘電バリア放電プラズマアクチュエータの概略図である。
【図５】ターボ機械装置と、図３のプラズマ作動システムの一部分の斜視図である。
【図６】プラズマの力の方向を示した、図３のプラズマ作動システムの概略図である。
【図７】ターボ機械装置と、図３のプラズマ作動システムの一部分の斜視図である。
【図８】プラズマの力の方向を示した、図３のプラズマ作動システムの概略図である。
【図９】プラズマの力の方向を示した、図３のプラズマ作動システムの概略図である。
【図１０】ターボ機械装置と、図３のプラズマ作動システムの一部分の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
幾つかの図面と添付の特許請求の範囲に関連して、下記の詳細な説明を考察すると、本願のこれら及びその他の特徴及び改善点が当業者には明らかになるであろう。
【００１２】
これより、幾つかの図面を通じて同様の符号で同様の要素を示す図面を参照する。図１は、ガスタービンエンジン１０等の回転機械の概略図である。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含む。圧縮機１５は、到来する空気流２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮後の空気流２０を燃焼器２５に送給する。燃焼器２５では、圧縮後の空気流２０が圧縮後の燃料流３０と混合され、この混合物が点火して燃焼ガス流３５が生成される。図面では単一の燃焼器２５のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０に燃焼器２５を幾つ含めてもよい。燃焼ガス流３５は次に、タービン４０に送給される。燃焼ガス流３５は、タービン４０を駆動させて力学的仕事を生成する。タービン４０で生成された力学的仕事で、圧縮機１５を駆動させるだけでなく、発電機等の外部負荷４５も駆動させることもできる。
【００１３】
ガスタービンエンジン１０は、ニューヨーク州スケネクタディのゼネラルエレクトリック社等が提供する、いかなるの台数の、様々なガスタービンエンジンの１つであってよい。ガスタービンエンジン１０は、その他の構成を有してもよく、その他の種類の部品を用いてもよい。ここでは、その他の種類のガスタービンエンジンも使用可能である。また、ここでは、複数のガスタービンエンジン１０と、その他の種類のタービンと、その他の種類の発電装置及び推進装置とを一緒に用いることもできる。その他の種類の回転機械も、本発明において使用可能である。
【００１４】
一般的に、圧縮機１５及びタービン４０は、軸５５上に配置されてこの軸と一緒に回転する、周方向に離間した複数のブレード５０を含む。ブレード５０は、端壁６０内に配置されている。端壁６０は、ケーシング又はその他の任意の種類の構造体であってよい。チップクリアランス空間６５は、端壁６０とブレード５０のブレードチップ７０との間に存在する。ブレード５０は回転可能であり、端壁６０は静止状態にある。同様に、ブレード５０は、静止状態のステータの形態であってもよく、端壁６０は、その周りの回転軸上に配置されていてもよい。
【００１５】
図２に示すように、チップクリアランス流れ７５は、ブレード５０を介した差圧（ブレード負荷）によってその全体が付勢される。クリアランス流れ７５と到来する主流８０とが相互作用して、低速流体領域が生成され、大きな損失が生じる。こうした大きなクリアランス流れ損失により、クリアランスに界面８５が形成される。界面８５を、高エントロピー勾配領域と定義できる。そのため、界面８５で囲まれた低速流体領域は、主流８０に対するブロッケージ９０として作用し、チップ７０付近のブレード負荷を増大させる。このブロッケージ９０の増大は、上述ような失速事象の引き金となり得る。
【００１６】
図３に、本明細書に記載のプラズマ作動システム１００の一例を示す。プラズマ作動システム１００は、圧縮機２５及び／又はタービン４０等のターボ機械装置１０５と一緒に使用可能である。プラズマ作動システム１００は、端壁６０の周りに配置された複数の端壁アクチュエータ１１０を含む。端壁アクチュエータ１１０は更に、複数の軸方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１２０と、複数の周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１３０と、複数の中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１３５とを含む。また、１つ以上のブレード５０も、このブレードの周りに配置された複数のブレードアクチュエータ１４０を有する。ブレードアクチュエータ１４０は、１つ以上の軸方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ１５０と、１つ以上の周方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ１６０と、１つ以上の中間方向モーメンタム用ブレードアクチュエータとを含む。ここでは、その他の種類のプラズマアクチュエータ１１０を、その他の配向で、その他の位置において使用してもよい。全てのアクチュエータ１１０を、必ずしも所定の用途に用いなくてもよい。ここでは、いかなる個数のプラズマアクチュエータ１１０を用いてもよい。
【００１７】
図４に、上述のいずれかのアクチュエータとして使用可能な、誘電バリア放電プラズマアクチュエータ１７０の一例を示す。アクチュエータ１７０は、導電性又は非導電性基板１８０を含む。誘電層１９０がこの基板上に配置されている。非導電性基板１８０上には、第１の薄い導電層２００が形成され、その上に誘電層１９０が形成される。基板１８０が導電性の場合は、基板そのものが第１の薄い導電層２００の役割を果たす。次に、第２の薄い導電層２１０が誘電層１９０の上に形成される。導電層２００、２１０は、電源２２０と波形制御装置２３０とに接続される。波形制御装置２３０は、入力電圧レベル及びパルシング、可変又はＡＣ電圧周波数、デューティサイクル及び形状等を制御するように構成される。単一誘電バリア放電アクチュエータや表面コロナ放電アクチュエータ等、その他の種類のアクチュエータ１７０も、ここでは使用可能である。その他の部品及びその他の構成をここで用いてもよい。
【００１８】
使用時、誘電層１９０の上方且つ導電層２００、２１０間の空気流が所望のようにイオン化され、放電プラズマ２４０の領域が生成される。そのため、アクチュエータ１７０は、このアクチュエータを通る流れに放電プラズマ２４０によるモーメンタムを与えるように配向される。本例では、異なる配向の複数のアクチュエータ１７０を用いて、以下に更に詳説するようにモーメンタムを注入することにより、チップクリアランス流れ７５と到来する流れ８０とから旋回流２５０が生成される。
【００１９】
図５に、軸方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１２０の例を示す。図示のように、アクチュエータ１２０は、端壁６０の周りに配置され、チップクリアランス空間６５の周りにおいてブレード５０に面している。複数の電極２６０が、各アクチュエータ１２０と連通している。各アクチュエータ１２０は、幾つかのブレード５０の長さに亘って延在している。図６に、プラズマ２４０と、ブレード回転方向２８０に対して垂直に延在して旋回流の軸方向モーメンタムを増大させる、プラズマの力の方向を示す矢印２７０とを示す。
【００２０】
図７に、周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１３０の例を示す。同様に、アクチュエータ１３０は、端壁６０の周りに配置される。本例では、各ブレード５０に関して１つ以上のアクチュエータ１３０が用いられる。図８に、プラズマ２４０と、ブレードの方向と平行に、同じ方向２８０に向かうプラズマの力の方向を示す矢印２７０とを示す。図９には、ブレードの回転方向２８０と平行であるが反対方向に向かう（逆旋回）プラズマ２４０の力を示す。いずれの方向も、流れの周方向モーメンタムを変化させるように作用する。
【００２１】
同様に、中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１３０は、軸方向と周方向との間のいずれかの、所望の方向の力を有するプラズマ２４０を発生させる。中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータ１３５は、流れの中間方向モーメンタムを変化させる。
【００２２】
図１０に、ブレードアクチュエータ１４０の一例を示す。本例では、複数の軸方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ１５０と、複数の周方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ１６０と、複数の中間方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ１６５とが、ブレードチップ７０に用いられる。矢印２７０は、流れに対する軸方向、周方向、及び／又は中間方向モーメンタムを変化させるプラズマ２４０の様々な力の方向を示す。いかなる個数のアクチュエータ１５０、１６０、１６５を、所定のブレード５０上においていかなる配向で用いてもよい。ここでは、その他の部品及び構成を用いてもよい。
【００２３】
このように、異なるアクチュエータ１７０を組み合せたものをプラズマ作動システム１００内に用いて、チップ７０及び端壁６０の周りにおいて旋回流２５０を発生させることで、ブレードチップ７０付近のブロッケージ９０及びその他の損失を低減させることができる。具体的には、アクチュエータ１７０で、流れの軸方向、周方向モーメンタム、及び／又は中間方向モーメンタムを変化させて、旋回流２５０を生成する。したがって、プラズマ作動システム１００では、軸方向、周方向、及び／又は中間方向モーメンタムを最適に組み合わせたものを、チップクリアランス流れに注入することができる。このように、モーメンタムを最適な方向及び位置で注入してクリアランス流れを付勢することによって、クリアランス流れと主流との相互作用によって生じる損失及びブロッケージを低減させることができる。
【００２４】
アクチュエータ１７０の位置を個々のターボ機械設計に基づいて選択することで、チップ／端壁領域内及びその周りにおけるブロッケージ９０と損失を低減させることができる。また、チップ／端壁領域内及びその周りにおいて生じる損失及びブロッケージが最小限に抑えられるように、アクチュエータ１７０を様々な強制周波数で励起することができる。例えば、ブレード通過周波数及びその変動数を使用可能である。アクチュエータ１７０は更に、能動フィードバック制御を可能にする、比較的高速の応答時間を有する。複数のアクチュエータ１７０を直列的に用いると、流れ２５０に与えられる力を増大させることができる。
【００２５】
アクチュエータ１７０による適切なモーメンタムの注入によって端壁境界層が付勢されることで、端壁境界層剥離が最小限に抑えられ、ブレードチップにおけるブレード負荷が低下し、ブロッケージ及び損失が最小限に抑えられる。そのため、アクチュエータ１７０が生成する旋回流２５０により、ターボ機械装置１０５全体の空力性能安定特性が向上する。こうした安定性の向上により、稼動を通じた安全性が高まり、部分速運転時及び過渡時の段の不釣り合いへの許容範囲が広がるとともに、圧縮機の最大効率点で段が釣り合い、燃費を削減する機会が増える。また、アクチュエータ１７０は、上流段の「高費用」の圧縮空気を用いない。チップクリアランス流れの減少も、燃費の削減に繋がる。
【００２６】
上記内容は、本願の一部の実施形態のみに関するもので、添付の特許請求の範囲により定義される本発明の全体的な概念及び範囲並びにその等価物から逸脱することなく、当業者には本明細書の内容に多数の変更及び修正が可能である。
【符号の説明】
【００２７】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気流
２５  燃焼器
３０  燃料流
３５  燃焼ガス流
４０  タービン
４５  負荷
５０  ブレード
５５  軸
６０  端壁
６５  チップクリアランス空間
７０  チップ
７５  チップクリアランス流れ
８０  到来する流れ
８５  界面
９０  ブロッケージ
１００  プラズマ作動システム
１０５  ターボ機械装置
１１０  端壁アクチュエータ
１２０  軸方向モーメンタム用端壁アクチュエータ
１３０  周方向モーメンタム用端壁アクチュエータ
１３５  中間方向モーメンタム用端壁アクチュエータ
１４０  ブレードアクチュエータ
１５０  軸方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ
１６０  周方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ
１６５  中間方向モーメンタム用ブレードアクチュエータ
１７０  誘電バリア放電プラズマアクチュエータ
１８０  基板
１９０  誘電層
２００  第１の薄い導電層
２１０  第２の薄い導電層
２２０  電源
２３０  制御装置
２４０  プラズマ
２５０  旋回流
２６０  電極
２７０  プラズマの力の方向
【図１】
2012159076.tif 000003
【図２】
2012159076.tif 000004
【図３】
2012159076.tif 000005
【図４】
2012159076.tif 000006
【図５】
2012159076.tif 000007
【図６】
2012159076.tif 000008
【図７】
2012159076.tif 000009
【図８】
2012159076.tif 000010
【図９】
2012159076.tif 000011
【図１０】
2012159076.tif 000012
【外国語明細書】
2012159076000001.pdf