(57)【要約】【課題】ガスターボ機械のための尾筒を提供すること。【解決手段】ガスターボ機械（２）のための尾筒（２０）は、外面（４０）および送風ダクト（５０）を画定する内面（４３）を有する本体（３２）と、本体（３２）を貫通して伸びる複数の開口部（５４〜６０）と、複数の開口部（５４〜６０）の１つまたは複数に設けられる能動制御要素（９０）とを含む。能動制御要素（９０）は、複数の開口部（５４〜６０）の１つまたは複数の寸法を選択して確立するように構成され配置される。【選択図】図２
2013253768.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスターボ機械（２）のための尾筒（２０）であって、
外面（４０）および送風ダクト（５０）を画定する内面（４３）を有する本体（３２）と、
前記本体（３２）を貫通して伸びる複数の開口部（５４〜６０）と、
前記複数の開口部（５４〜６０）の１つまたは複数に設けられる能動制御要素（９０）であって、前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の寸法を選択して確立するように構成され配置される、能動制御要素（９０）とを含む、尾筒（２０）。
【請求項２】
前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数中に位置付けられる流体噴射装置（７０）をさらに含み、
前記能動制御要素（９０）は、前記流体噴射装置（７０）中に設けられる、請求項１記載の尾筒（２０）。
【請求項３】
前記能動制御要素（９０）に動作可能に接続される制御器（１００）をさらに含み、
前記制御器（１００）は、前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の所望の寸法を確立するために前記能動制御要素（９０）を調節するように構成され配置される、請求項１記載の尾筒（２０）。
【請求項４】
前記制御器（１００）に動作可能に接続される１つまたは複数のセンサ（１１０）をさらに含み、
前記制御器（１００）は、前記１つまたは複数のセンサ（１１０）によって検知される動作パラメータに基づき、前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の前記所望の寸法を確立するように構成され配置される、請求項３記載の尾筒（２０）。
【請求項５】
前記１つまたは複数のセンサ（１１０）は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサを含む、請求項４記載の尾筒（２０）。
【請求項６】
前記１つまたは複数のセンサ（１１０）は、圧電センサを含む、請求項４記載の尾筒（２０）。
【請求項７】
前記能動制御要素（９０）は、形状記憶合金アクチュエータを含む、請求項１記載の尾筒（２０）。
【請求項８】
前記能動制御要素（９０）は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータを含む、請求項１記載の尾筒（２０）。
【請求項９】
前記能動制御要素（９０）は、マイクロ光学機械システム（ＭＯＭＳ）アクチュエータおよびマイクロ光学電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）アクチュエータのうちの１つを含む、請求項１記載の尾筒（２０）。
【請求項１０】
前記能動制御要素（９０）は、圧電アクチュエータを含む、請求項１記載の尾筒（２０）。
【請求項１１】
ターボ機械（２）であって、
コンプレッサ部（４）と、
タービン部（６）と、
前記コンプレッサ部（４）および前記タービン部（６）に流体的に接続される燃焼器組立体（１２）と、
前記燃焼器組立体と前記タービン部を連結する尾筒であって、前記尾筒は、
外面（４０）および送風ダクト（５０）を画定する内面（４３）を有する本体（３２）、
前記本体（３２）を貫通して伸びる複数の開口部（５４〜６０）、および
前記複数の開口部（５４〜６０）の１つまたは複数に設けられる能動制御要素（９０）であって、前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の寸法を選択して確立するように構成され配置される、能動制御要素（９０）を含む、尾筒とを含む、ターボ機械（２）。
【請求項１２】
前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の中に位置付けられる流体噴射装置（７０）をさらに含み、
前記能動制御要素（９０）は、前記流体噴射装置（７０）中に設けられる、請求項１１記載のターボ機械（２）。
【請求項１３】
前記能動制御要素（９０）に動作可能に接続される制御器（１００）をさらに含み、
前記制御器（１００）は、前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の所望の寸法を確立するために前記能動制御要素（９０）を調節するように構成され配置される、請求項１１記載のターボ機械（２）。
【請求項１４】
前記制御器（１００）に動作可能に接続される１つまたは複数のセンサ（１１０）をさらに含み、
前記制御器（１００）は、前記１つまたは複数のセンサ（１１０）によって検知される動作パラメータに基づき、前記複数の開口部（５４〜６０）の前記１つまたは複数の前記所望の寸法を確立するように構成され配置される、請求項１３記載のターボ機械（２）。
【請求項１５】
前記能動制御要素（９０）は、形状記憶合金アクチュエータ、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、マイクロ光学機械システム（ＭＯＭＳ）アクチュエータ、マイクロ光学電気機械システム（ＭＯＥＭＳ）アクチュエータおよび圧電アクチュエータのうちの１つを含む、請求項１１記載のターボ機械（２）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ここに開示する主題は、ターボ機械の技術に関し、より詳細には、ガスターボ機械のための尾筒に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械では、空気がコンプレッサの吸気口に送られる。空気は、コンプレッサの様々なステージを通じて送られて、圧縮された空気流が形成される。圧縮空気流の一部分が、燃焼組立体に送られ、圧縮空気流の別の部分がタービン部に送られ、そして冷却するために使用される。燃焼組立体では、圧縮空気流は、燃料と混合されて燃焼し、それによって、高温ガス流および排ガスが形成される。高温ガス流は、尾筒を介してタービン部に導かれる。尾筒は、タービン部の高温ガス経路に向けて高温ガス流を案内する。高温ガス流は、タービン部の様々なステージを通って膨張し、それによって熱エネルギーが、タービンシャフトを回転させる機械的エネルギーに変換される。タービン部は、動力をポンプ、発電機、自動車などに提供することを含む、様々な用途において使用することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６２４７６７８号明細書
【発明の概要】
【０００４】
例示の実施形態の一態様によれば、ガスターボ機械のための尾筒は、外面および送風ダクトを画定する内面を有する本体を含む。複数の開口部が本体を貫通して伸び、能動制御要素が複数の開口部の１つまたは複数に設けられる。能動制御要素は、複数の開口部の１つまたは複数の寸法を選択して確立するように構成され配置される。
【０００５】
例示の実施形態の別の態様によれば、ターボ機械は、コンプレッサ部、タービン部、およびコンプレッサ部およびタービン部に流体的に接続される燃焼器組立体を含む。尾筒は、燃焼器組立体とタービン部を連結する。尾筒は、外面および送風ダクトを画定する内面を有する本体と、本体を貫通して伸びる複数の開口部と、複数の開口部の１つまたは複数に設けられる能動制御要素とを含む。能動制御要素は、複数の開口部の１つまたは複数の寸法を選択して確立するように構成され配置される。
【０００６】
例示の実施形態のまた別の態様によれば、ターボ機械を動作させる方法は、燃料および空気を燃焼チャンバ中で燃焼させて、燃焼ガスを生成するステップと、尾筒を通じて燃焼ガスをターボ機械のタービン部中に案内するステップと、尾筒の外面の上にコンプレッサ空気を導くステップと、コンプレッサ空気を、尾筒中に形成される１つまたは複数の希薄化開口部を通じて送って、燃焼ガスと混合するステップと、コンプレッサ空気の流速を制御するために、希薄化開口部の１つまたは複数の少なくとも１つに付随する能動制御要素に信号で伝えるステップとを含む。
【０００７】
これら、および他の利点ならびに特徴は、図面とともに行う次の記述からより明らかになる。
【０００８】
本発明と考えられる主題は、本明細書の結びにおいて、請求項中で具体的に指摘し明瞭に主張する。前述の事項、ならびに本発明の他の特徴および利点は、添付図面とともに行う次の詳細な記述から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示の実施形態による尾筒を有するターボ機械の概略図である。
【図２】図１のターボ機械の燃焼器組立体および尾筒の部分横断面図である。
【図３】図２の尾筒の斜視図である。
【図４】例示の実施形態による能動制御要素を有する流体噴射装置の平面図である。
【図５】図４の能動制御要素と結合される制御器を示すブロック図である。
【図６】図４の能動制御要素を制御する方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な記述によって、本発明の実施形態を利点および特徴とともに、例としてだけで図面を参照して述べる。
【００１１】
図１および２を参照すると、例示の実施形態によるターボ機械が全体的に２で示されている。ターボ機械２は、共通のコンプレッサ／タービンのシャフト８によってタービン部６に動作可能に接続されるコンプレッサ部４を含む。また、コンプレッサ部４は、燃焼器組立体１２によってタービン部６に流体的に接続される。燃焼器組立体１２は、缶の環状アレイで円周方向に隔置される、１つまたは複数の燃焼器１４を含む。もちろん、燃焼器組立体１２が、他の燃焼器構成も含むことができることを理解されるはずである。燃焼器１４は、尾筒２０を通じてタービン部６に流体的に接続される。この構成によれば、コンプレッサ部４からの空気が燃料と混合されて、可燃性混合物が生成される。可燃性混合物は、燃焼器１４の燃焼チャンバ３０内で燃焼して、高温ガスが生成される。高温ガスは、燃焼器１４からタービン部６の第１のステージ（図示せず）に流れる。
【００１２】
尾筒２０は、中間部３８を通って第２の端部３６に伸びる第１の端部３５を有する本体３２を含む。第１の端部３５は、燃焼器１４と結合され、一方第２の端部３６は、フレーム要素３９によってタービン部６に接続される。中間部３８は、外面４０および内面４３を含む。内面４３は、第１および第２の端部３５および３６の間で伸びる送風ダクト５０を画定する。尾筒２０は、中間部３８中に形成される複数の希薄化開口部５４〜６０（図２および３）を含む。希薄化開口部５４〜６０は、本体３２を貫通して伸び、それによって、送風ダクト５０と外部の流れ領域（個別に表示せず）が流体的に接続される。各希薄化開口部５４〜６０は、たとえば直径などの寸法を含み、それは、送風ダクト５０中に進む流体流を制御するように選択して調節される。より具体的には、外面４０の上を流れるコンプレッサ部４からの圧縮空気が、希薄化開口部５４〜６０を通過して送風ダクト５０中に進み、燃焼器１４からの高温ガスと混ざり合うことができる。圧縮空気を加えることによって、以下でより完全に詳述するように、高温ガスが所望の温度プロフィールを達成するように調整する。所望の温度プロフィールは、タービンブレードの総合的な運用年数を高めるように、さらにまた、同時にターボ機械の効率を維持するように選択される。
【００１３】
例示の実施形態の一態様によれば、尾筒２０は、図４に示すようなものなど、複数の流体噴射装置７０を備え、それらは、希薄化開口部５４〜６０のそれぞれの開口部の寸法を選択して制御する。流体噴射装置７０は、中央通路８０を有する本体７４を含む。中央通路８０は、吸気口８３および排気口８５を含む。吸気口８３は、外面４０の上を流れる圧縮空気に晒され、排気口８５は、送風ダクト５０内に配置される。中央通路８０は、能動制御要素９０を備え、それは、希薄化開口部５４〜６０のそれぞれの開口部を通過する圧縮空気の流速を調節するように選択して制御される。
【００１４】
例示の実施形態の一態様によれば、能動制御要素９０は、形状記憶合金（ＳＭＡ：ｓｈａｐｅｄ  ｍｅｍｏｒｙ  ａｌｌｏｙ）アクチュエータの形を取る。形状記憶合金は、熱に晒されたとき、または積極的に加熱されたとき、その形状を変え、そして熱が取り除かれるにつれて、元の形状に戻る。例示の実施形態のまた別の態様によれば、能動制御要素９０は、マイクロ電気機械アクチュエータの形を取り、それは、中央通路８０を通過する流体流を制御するためにマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ：ｍｉｃｒｏ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）要素を用いる。例示の実施形態のまた別の態様によれば、能動制御要素９０は、マイクロ光学機械（ＭＯＭ：ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）またはマイクロ光学電気機械（ＭＯＥＭ：ｍｉｃｒｏ−ｏｐｔｉｃａｌ−ｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）アクチュエータの形を取り、それは、たとえば光ファイバケーブルを伝搬する光によって制御される。例示の実施形態のさらに別の態様によれば、能動制御要素９０は、圧電アクチュエータの形を取る。
【００１５】
例示の実施形態の別の態様によれば、能動制御要素９０は、図５に示すような制御器１００と動作可能に結合される。制御器１００は、中央処理装置（ＣＰＵ）１０４を含み、また、ターボ機械２の様々な部分中に設けられる１つまたは複数のセンサ１１０と結合される。センサ１１０は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）センサ、圧電センサ、変換器などのうちの１つまたは複数を含む。センサ１１０は、ターボ機械２の１つまたは複数の動作パラメータに関して、制御器１００に入力する。１つまたは複数の動作パラメータは、送風ダクト５０を通って流れる高温ガスまたは燃焼ガスの温度プロフィールを含む。制御器１００は、高温ガスのために所望の温度プロフィールを決定し、調整が保証される場合、送風ダクト５０中へのコンプレッサガスの所望の流速を確立するように能動制御要素９０に信号で伝える。
【００１６】
ターボ機械２を動作させる方法、より具体的には、送風ダクト５０を通って流れるガスの温度プロフィールを制御するステップは、図６に１４０で示されている。制御器１００は、ブロック１４２に示すように、送風ダクト５０を通って流れる燃焼ガスの所望の温度プロフィール（ＤＴＰ：ｄｅｓｉｒｅｄ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を決定する。制御器１００は、センサ１１０からの入力および格納されたアルゴリズムを用いてＤＴＰを選択する。また、制御器１００は、ブロック１４４に示すように、送風ダクト５０を通って流れるガスの実際の温度プロフィール（ＡＴＰ：ａｃｔｕａｌ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を測定する。制御器１００は、ブロック１４６で、ＤＴＰとＡＴＰを比較する。ＤＴＰが、ＡＴＰと同じである、またはＡＴＰの所望の範囲内にある、たとえば５％の範囲内にある場合、ブロック１４８で見られるように、行為は何も取られない。しかし、ブロック１４８で、ＤＴＰが、ＡＴＰと等しくない、またはＡＴＰの所望の範囲内に含まれていないと決定された場合、制御器１００は、ブロック１５０で見られるように、混合させるために送風ダクト５０中に入れるコンプレッサ空気の量を制御し、かつ燃焼器１４からの高温ガスがＤＴＰを達成するように調整する中央通路８０の寸法を調節するように、能動制御要素９０に信号で伝える。中央通路８０の寸法を調節するステップは、送風ダクト５０中へのコンプレッサ空気を増加させるように中央通路８０の寸法を大きくするステップと、送風ダクト５０中に進むコンプレッサ空気の量を減少させるように中央通路８０の寸法を小さくするステップとを含む。
【００１７】
この点で、例示の実施形態は、燃焼器からターボ機械のタービン部に流れるガスを調整する目的で、尾筒中への流体流を制御するためのシステムおよび方法をもたらすことを理解されたい。能動制御要素は、流体噴射装置の一部分として形成されるように示し述べてきたが、希薄化開口部の１つまたは複数中に直接取り付けることができることを理解されたい。また、能動制御要素およびセンサの様々な実施例を例示の実施形態に関し述べ主張しているが、他のタイプの能動制御要素およびセンサも用いることができることを理解されたい。
【００１８】
本発明は、限られた数の実施形態だけに関して詳細に述べてきたが、本発明は、そのような開示した実施形態に限定されないことを容易に理解されるはずである。むしろ、本発明は、いずれもの数のこれまで述べていない変形形態、代替形態、置換え形態または同等の構成を組み込んで修正することができ、それらは、本発明の趣旨および範囲にふさわしいものである。さらに、本発明の様々な実施形態を述べてきたが、本発明の態様は、述べた実施形態のいくつかだけを含んでいる恐れがあることを理解されたい。したがって、本発明は、前述の記述によって限定されると考えるべきでなく、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】
【００１９】
２  ターボ機械
４  コンプレッサ部
６  タービン部
８  共通のコンプレッサ／タービンのシャフト
１２  燃焼器組立体
１４  円周方向に隔置される燃焼器
２０  尾筒
３０  燃焼チャンバ
３２  本体
３５  第１の端部
３６  第２の端部
３８  中間部
３９  フレーム要素
４０  外面
４３  内面
５０  送風ダクト
５４  複数の希薄化開口部
５５  複数の希薄化開口部
５６  複数の希薄化開口部
５７  複数の希薄化開口部
５８  複数の希薄化開口部
５９  複数の希薄化開口部
６０  複数の希薄化開口部
７０  複数の流体噴射装置
７４  本体
８０  中央通路
８３  吸気口
８５  排気口
９０  能動制御要素
１００  制御器
１０４  中央処理装置
１１０  センサ
１４０  温度プロフィールまたはガス
１４２  所望の温度プロフィール（ＤＴＰ）
１４４  測定される実際の温度プロフィール（ＡＴＰ）
１４６  （ＤＴＰ）と（ＡＴＰ）を比較する
１４８  ＡＴＰ＝ＤＴＰ？
１５０  能動制御要素を制御する
【図１】
2013253768.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2013253768.tif 000006
【図５】
2013253768.tif 000007
【図６】
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