(57)【要約】【課題】空気流れ制御のための方法及び装置を提供する。【解決手段】本発明の１つの態様によると、本空気流れ制御装置は、ターボ機械の吸気口及びロータ間に配置されるガイドベーンを含む。さらに、ガイドベーンは、ロータ上への空気流れ入射を制御するように構成されたジオメトリを含み、ガイドベーンはさらに、ほぼ一定のアスペクト比を有する。加えて、ガイドベーンの本体は、電源によって供給されたエネルギーに応答して該ガイドベーンのジオメトリを変化させるように構成された形状記憶材料を含む。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流れ制御装置であって、
ターボ機械（１００）の吸気口（１１２）とロータ（１１６）の間に配置可能なガイドベーン（１０４）を含み、
前記ガイドベーン（１０４）が、前記ロータ（１１６）上への空気流れ入射を制御するように構成されたジオメトリを有し、前記ガイドベーンがほぼ一定のアスペクト比をさらに有し、前記ガイドベーン（１０４）の本体が、電源（１３０）によって供給されたエネルギーに応答して該ガイドベーン（１０４）のジオメトリを変化させるように構成された形状記憶材料を少なくとも部分的に含む、装置。
【請求項２】
前記エネルギーが、前記形状記憶材料に対してタービン負荷条件に基づいて加えられる、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記ガイドベーン（１０４）が一体成形構造体を含み、前記ガイドベーンジオメトリが、前縁（２０２）及び後縁（２０４）を含む、請求項１又は請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記形状記憶材料が前記後縁（２０４）の一部分を含み、かつ該後縁（２０４）の形状を変化させて前記ロータ（１１６）上への空気流れ入射を制御するように構成される、請求項３記載の装置。
【請求項５】
前記形状記憶材料が、前記前縁（２０２）の一部分を含み、かつ該前縁（２０２）の形状を変化させて前記ロータ（１１６）上への空気流れ入射を制御するように構成される、請求項３記載の装置。
【請求項６】
圧縮機（１０６）における空気流れを制御する方法であって、
空気を吸気口（１１２）からガイドベーン（１０４）に向けて流すステップと、
前記ガイドベーン（１０４）内の形状記憶材料に対してエネルギーを加えて該ガイドベーン（１０４）のジオメトリを変化させて、ロータ（１１６）上への空気流れの入射を制御するステップと
を含む方法。
【請求項７】
前記エネルギーを加えるステップが、タービン負荷条件に基づいて前記ガイドベーン（１０４）のジオメトリを第１の形状から第２の形状に変化させるステップを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記形状記憶材料に対してエネルギーを加えるステップが、可撓性複合材内に埋込まれた導電性ワイヤに対して電流を加えるステップを含む、請求項６又は請求項７記載の方法。
【請求項９】
前記エネルギーを加えるステップが、条件に基づいて前記ロータ（１１６）上へのほぼ均一な空気流れ入射を生じさせるステップを含む、請求項６又は請求項７記載の方法。
【請求項１０】
前記エネルギーを加えるステップが、前記ガイドベーン（１０４）のジオメトリが変化する時に該ガイドベーン（１０４）の根元（４０８）又は先端（４１０）の移動を生じさせるステップを含む、請求項６又は請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示した主題は、ガスタービンに関する。より具体的には、本主題は、ガスタービンにおけるガイドベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンでは、圧縮機が、その接線運動量を増加させることによって空気のような流体に対して運動エネルギーを付加する。圧縮機による運動エネルギー及び燃焼器による熱エネルギーは、多くの場合は空気である流体によってタービンに運ばれ、タービンにおいて、流体のエネルギーが機械的エネルギーに変換される。幾つかの要因が、圧縮機において運動エネルギーを付加する効率に影響を与える。それらの要因には、圧縮機内部での空気配分、圧縮機にわたる圧力上昇及び圧縮機における損失減を含むことができる。１つの実施形態は、圧縮機におけるガイドベーンであり、ガイドベーンは、圧縮機内への空気流の分配及び大きさに影響を与える。ガイドベーンは、全負荷、高出力及び／又は燃料使用のようなタービンの選択条件において高効率になるように設計することができる。ガイドベーンは、圧縮機内における空気流れを制御し、この空気流れにより、ガスタービンシステムの残りの部分に供給することができる運動エネルギーにおける支給量が決定される。しかしながら、より低負荷及び低出力で運転している時に、ガイドベーンによる空気流れ分配及び空気力学的負荷は、ガスタービン性能のより低い効率を生じさせる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７５４９８３９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様によると、空気流れ制御装置は、ターボ機械の吸気口及び圧縮機ロータ間に配置されるガイドベーンを含む。さらに、ガイドベーンは、ロータ上への空気流れ入射を制御するように構成されたジオメトリを含み、ガイドベーンはさらに、ほぼ一定のアスペクト比を有する。加えて、ガイドベーンの本体は、電源によって供給されたエネルギーに応答して該ガイドベーンのジオメトリを変化させるように構成された形状記憶材料を含む。
【０００５】
本発明の別の態様によると、圧縮機における空気流れを制御する方法は、空気を吸気口からガイドベーンに向けて流すステップと、ガイドベーン内の形状記憶材料に対してエネルギーを加えて該ガイドベーンのジオメトリを変化させて、ロータに向けての空気流れの分配を制御するステップとを含む。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によると、タービン圧縮機は、吸気口と、吸気口の下流に配置されたロータと、吸気口及びロータ間に配置されガイドベーンとを含み、ガイドベーンは、形状記憶材料を含む。本圧縮機はまた、形状記憶材料に結合されてガイドベーンジオメトリの変化を生じさせる電源を含む。
【０００７】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ガイドベーン及びロータを備えた圧縮機を含むガスタービンの実施形態の断面側面図。
【図２】図１のガイドベーンの断面図。
【図３】翼形状のガイドベーンの実施形態の断面図。
【図４】形状記憶材料がガイドベーンジオメトリを変化させるガイドベーンの実施形態の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明では、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１１】
図１は、中心軸線１０２の周りに配置されたガスタービン１００の実施形態の断面側面図である。タービン１００は、圧縮機１０６内に配置されたガイドベーン１０４を含む。空気が、圧縮機１０６内で加圧されかつ燃料と混合され、それらは燃焼器内で燃焼されかつタービン内で膨張する。タービンは次に、膨張に応答して回転して圧縮機１０６を駆動しかつ回転出力を生成する。
【００１２】
複数の吸気ガイドベーン１０４（その１つを示す）が、１以上の圧縮機１０６の前方で中心軸線１０２の周りに配置される。図示するように、圧縮機１０６は、内側ハブ１０８及び外側ハブ１１０を含み、１以上の燃焼器に向かう空気のための流路を形成する。吸気ガイドベーン１０４は、矢印１１４で示すように吸気口領域１１２からの空気を圧縮機１０６の第一段に向けて下流方向に導く。態様では、圧縮機１０６は、複数の段を含む。複数の段の第一段は、ロ−タ１１６及びステータ１１８を含む。同様に、第二段はロータ１２０及びステータ１２２を含み、また第三段はロータ１２４及びステータ１２６を含む。空気流れ１１４は下流方向に流れ、その場合に、ガイドベーン１０４が、複数の圧縮機段を通りかつ燃焼器内への流れ矢印１２８で示す流れ分配又は流れ場を形成する。
【００１３】
実施形態では、ガイドベーン１０４（また「吸気ガイドベーン」又は「ＩＧＶ」）は、該ガイドベーン１０４と動作可能に接続した形状記憶材料（又は「形状記憶合金」）を含んでいて、該形状記憶材料に対してエネルギーが与えられた時にガイドベーン１０４のジオメトリを変化させる。例えば、形状記憶材料は、ガイドベーン１０４内に埋め込まれ又は該ガイドベーン１０４の内部及び又は外部の一部分を形成する。形状記憶材料は、その中に埋め込まれた導体又はワイヤを備えた可撓性複合材料を含むことができる。ワイヤは電源１３０に作動可能に結合され、電源は電流の形態でワイヤにエネルギーを加えかつ該ワイヤを加熱する。１つの態様では、電源１３０は、制御装置１３２に結合されてワイヤに対して選択的に電流を加えてタービン条件に基づいてガイドベーン１０４のジオメトリを変化させる。ニッケルチタン（ＮｉＴｉ）のような導電性ワイヤ材料は、電流を伝達された時に温度の大きな変化を生じる。実施形態では、ほぼ直線形状を有する直線状ＮｉＴｉワイヤが、緊密螺旋形態に巻かれかつ複合材内に埋め込まれる。ワイヤに対して選択レベルの電流が加えられた時に、ワイヤは、加熱されて、その以前のほぼ直線形状を維持する。従って、複合材形状記憶材料は、通電ワイヤが直線状になるので第１の形状から第２の形状に変化する。電源１３０は、バッテリのような直流（ＤＣ）電源、送電線ベースの交流（ＡＣ）電源、又はあらゆるその他の好適な電源からワイヤに対して選択レベルの電流を供給する。形状記憶材料は、該材料に加えられたエネルギーのような条件に基づいた複数の形状を該材料が記憶するような形状記憶特性を有するものとして記述することができる。例えば、形状記憶材料は、低温度における１つの形状及び高温度における第２の形状を有するように構成される。加熱及び冷却の両方の間に形状記憶特性を示す材料は、二方向形状記憶材料と呼ぶことができる。図示するように、ガイドベーン１０４は、翼弦１３４及び長さ１３６寸法によって形成された翼形部であり、この場合に、アスペクト比（長さ／翼弦）が寸法の関係の表している。実施形態では、ガイドベーン１０４のアスペクト比は、該ガイドベーンの形状又はジオメトリが形状記憶材料によって変化する時に、ほぼ一定であるか或いは固定状態である。
【００１４】
続けて図１の実施形態を参照すると、ガイドベーン１０４ジオメトリは、埋め込みワイヤに対して選択レベルの電流が導かれた時に変化する。例えば、ガイドベーン１０４のプロフィール又はジオメトリは、全負荷及び高出力タービン条件に合せて設計された第１の形状並びに低負荷又はターンダウンタービン条件に合せて設計された第２の形状の形態にある。全負荷条件は、タービンから高出力が必要である時に発生しまた低負荷又はターンダウン条件はより低い出力が必要であるオフピーク時の間に発生する。従って、第１の形状は、全負荷条件における向上した燃焼効率及び出力生成を可能にする空気流れ分配を形成する。第２の形状は、オフピーク出力要求時のようなより低い出力条件において最も効率的である空気流れ分配を形成する。態様において、タービン燃焼効率は、空気流れの半径方向分配が圧縮機を通して向上した均一性を有する時に増大する。具体的には、全体効率は、ガイドベーン１０４の可変ジオメトリが複数のタービン負荷条件においてロータブレード上へのほぼ均一な空気流れ入射を生じさせた時に向上する。空気流れ入射は、ガイドベーンからロータブレードへの空気流れの関係又は整列である。ほぼ均一な空気流れは、タービン条件に合せて効率の向上を生じさせる翼形部（ガイドベーン又はロータブレード）のスパンにわたる半径方向分配と記述することができる。実施形態では、ガイドベーン１０４は、タービン条件に応じて吸気口からの空気流れに対する該ベーンの角度を変化させる。さらに、効率もまた、圧縮機１０６を通る空気流れの量によって影響を受ける。空気流れの量は、燃焼器内に噴射される燃料の量及び関連するタービン負荷条件に応じて変化する。態様において、様々な出力及び燃料使用シナリオにより、ガイドベーン１０４の可変ジオメトリがタービン効率を向上させるように調整される様々な運転条件が得られる。実施形態では、ガイドベーン１０４は、単一の部材又は部品を含む。他の実施形態では、ガイドベーン１０４は、複数の部材を含む。
【００１５】
幾つかの実施形態では、ガイドベーン１０４の全体構造は、複合材ベースの構造体全体にわたってワイヤが埋め込まれた形状記憶材料を含む。そのような構造体は、ガイドベーン１０４の全体ジオメトリを電流条件に基づいて変化させるのを可能にする。他の実施形態では、ガイドベーン１０４構造体の選択部分又は領域は、形状記憶材料を含む。例えば、ガイドベーン１０４の後縁は、形状記憶材料を含みそれによって該後縁のプロフィール又はジオメトリをタービン条件に基づいて選択的に変化させるのを可能にする。別の実施形態では、前縁は、ガイドベーンの該前縁内に設置された形状記憶材料に対して選択的に加えられる電流に基づいてジオメトリを変化させる。態様では、ガイドベーン１０４の形状記憶材料は、合金、可撓性炭素繊維複合材、導電性ワイヤ及び／又はナノ粒子を含み、この場合に、形状記憶材料は、該材料又は該材料の選択部分に対してエネルギーが加えられた時に形状を変化させる。材料に対した加えられるエネルギーには電流、電圧、電磁波、熱、又はその他の好適なエネルギーを含むことができる。本実施形態のガイドベーン１０４は、特定のタイプのガスタービンエンジン１００について示しているが、ガイドベーンはそれに限定されないが蒸気タービン、ガスタービン及び航空転用タービンを含むあらゆる公知のタービンエンジンタイプで使用することができる。幾つかの実施形態では、圧縮機１０６を通る図示した空気流れは、空気、酸素、気体燃料、液体燃料又はそれらのあらゆる組合せを含むあらゆる好適な流体を含む。さらに、可変ジオメトリガイドベーン１０４は、圧縮機１０６の様々な段間に配置することができる。本明細書で説明するように、ガイドベーン１０４はまた、空気流れ制御装置と呼ばれる。
【００１６】
図２は、図１の線２−２に沿って取った断面図であって、翼形部２００の形状のガイドベーン１０４のプロフィールを示している。翼形部２００は、前縁２０２及び後縁２０４を含む。翼形部２００は、翼型部壁２０６の少なくとも一部分を形成した可撓性複合材のような形状記憶材料を含む。ワイヤ２０８のような導体が翼形部壁２０６内に埋め込まれる。図示するように、ワイヤ２０８は、後縁２０４の可撓性複合材壁２０６内に埋め込まれ、従って後縁形状記憶領域を形成する。実施形態では、翼形部２００は、ほぼ中空構造体でありこの場合に、空洞２１０は翼形部壁２０６によって囲まれる。前述したように、複合材壁２０６及びワイヤ２０８を含む形状記憶材料は、該ワイヤ２０４に対して電流が加えられた時に後縁２０４のジオメトリを変化させる。幾つかの実施形態では、形状記憶材料及び翼形部２００は、時刻に基づいて形状を変化させ、その場合に、時刻は条件及び予測出力に対応する。例えば、仮定タービンエンジンは、８ＰＭから８ＡＭまでは低負荷条件を受けまた８ＡＭから８ＰＭまでは全負荷条件を受ける。従って、翼形部２００は、全負荷条件における向上した効率に合せて設計された第１の形状及び低負荷条件における向上した効率に合せて設計された第２の形状を有し、その場合に、形状記憶材料は第１及び第２の形状間での変化を可能にする。１つの実施形態では、プロセッサ、メモリ、ソフトウェア、ファンウェア、入力及び出力を含む制御装置が電源に結合されて、上述した低負荷及び全負荷時のような予定又は事前にプログラムした条件に対応するジオメトリ変化を制御する。別に実施形態では、フィードバックループが、検知タービンパラメータを受ける制御装置１３２上で作動し、その場合に、該検知タービンパラメータを使用して翼形部２００のジオメトリを決定する。例えば、センサは、燃焼器内における温度及び不要燃焼副生成物の量を測定する。従って、検知した温度及び副生成物パラメータを使用して、検知条件におけるタービン出力生成に合った向上した翼形部及びガイドベーンジオメトリを決定しかつ対応する電流レベルを形状記憶材料に送る。実施形態では、形状記憶材料は、１以上の寸法又は領域及び／或いは全体ベーンプロフィールにおいて翼形部２００ジオメトリを変化させる。例えば、形状記憶材料及びワイヤは、ガイドベーンのスパン方向及び／又は翼弦方向膨張並びに収縮を生じさせるように構成される。加えて、形状記憶材料は、ガイドベーンの少なくとも一部分の回動を生じさせるように構成される。例えば、ワイヤは、翼形部壁内に埋め込まれてガイドベーンのスパンにおける変化及び固定根元の周りでの翼形部先端の回動を生じさせる。
【００１７】
図３は、翼形部３００の形状のガイドベーンの実施形態の断面図である。翼形部３００は、前縁３０２及び後縁３０４を含む。翼形部３００は、翼形部壁３０６を含み、その場合に、該壁３０６の少なくとも一部分は形状記憶材料を含む。形状記憶材料は、翼形部壁３０６の可撓性複合材料内に埋め込まれた前縁ワイヤ３０８及び後縁ワイヤ３０９を含む。翼形部３００は、空洞３１０を備えたほぼ中空であり、この空洞３１０が該翼形部に対して可撓性を与える。従って、翼形部３００ジオメトリは、壁の可撓性形状記憶材料に対してエネルギーが与えられた時に変化する。図示するように、前縁ワイヤ３０８及び後縁ワイヤ３０９は、壁３０６内に埋め込まれて、翼形部３００の前縁及び後縁部分３０２、３０４の両方内に形状記憶領域を記憶する。従って、タービン条件に基づいて、前縁ワイヤ３０８及び／又は後縁ワイヤ３０９に対して選択電流を加えて、それぞれ前縁３０２及び後縁３０４の形状変化を生じさせる。従って、幾つかの実施形態では、ガイドベーン３００内の形状記憶材料は、複数のタービン負荷条件に合せてロータブレード上へのほぼ均一な空気流れ入射を可能にする。ほぼ均一な入射は、ロータブレードにわたるスパン方向の空気流れの均一な半径方向分配を生じさせ、その場合に、該ほぼ均一な入射は、選択タービン負荷条件における圧縮機及び燃焼器効率の向上を生じさせる。さらに、ガイドベーン３００内の形状記憶材料は、固定ガイドベーンジオメトリが１つの条件において燃焼及び効率を向上させるように設計されるが、第２の条件においては低い効率であるのに比較して、タービン効率全体の向上をもたらす。
【００１８】
図４は、ガイドベーン４００の実施形態の斜視図である。ガイドベーン４００は、第１の形状４０２及び第２の形状４０４の形態として図示している。上述したように、ガイドベーン４００内の形状記憶材料は、該形状記憶材料に対して電流の形態のエネルギーが加えられた時に、ジオメトリ変化が可能になる。実施形態では、形状又はジオメトリ変化は、矢印４０６で示すようにガイドベーン４００の回動を生じさせる。回動を可能にするために、ベーン根元４０８又はベーン先端４１０が、圧縮機に取付けられる。例えば、ベーン根元４０８が、圧縮機の内側壁、ハブ又はケーシングに取付けられた場合には、ベーン先端４１０は、形状変化材料に対して電流が加えられた時に根元４０８に対して回動４０６する。図４に示すように、圧縮機に対して根元４０８又は先端４１０のいずれかを取付けることにより、該根元４０８及び／又は先端４１０の相対的回動４０６が可能になる。ガイドベーン４００の回動は、第１の形状４０２の全負荷条件において並びに第２の形状４０４の低負荷条件においてロータ上への空気流れの入射の向上をもたらす。実施形態では、ガイドベーン４００の形状は、翼形部とは異なっている。別のガイドベーン形状を備えた実施形態では、形状変化材料及びガイドベーン４００は、タービン効率を向上させる条件に基づいてジオメトリ変化を生じさせるように構成される。
【００１９】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００２０】
１００  ガスタ−ビン
１０２  軸線
１０４  ガイドベーン
１０６  圧縮機
１０８  内側ハブ
１１０  外側ケーシング
１１２  吸気口領域
１１４  空気流れ
１１６  ロータ
１１８  ステータ
１２０  ロータ
１２２  ステータ
１２４  ロータ
１２６  ステータ
１２８  流れ
１３０  電源
１３２  制御装置
１３４  翼弦
１３６  長さ
２００  翼形部
２０２  前縁
２０４  後縁
２０６  翼形部壁
２０８  ワイヤ
２１０  空洞
３００  翼形部
３０２  前縁
３０４  後縁
３０６  翼形部壁
３０８  ワイヤ
３１０  空洞
４００  ガイドベーン
４０２  第１の形状
４０４  第２の形状
４０６  回動
４０８  ベーン根元
４１０  ベーン先端
【図１】
2012041929.tif 000003
【図２】
2012041929.tif 000004
【図３】
2012041929.tif 000005
【図４】
2012041929.tif 000006