(57)【要約】      （修正有）【課題】タービンを冷却するための装置および方法を提供する。【解決手段】タービン２が部分負荷条件において稼働する際、ガス流制御装置を内蔵するタービンの効率を改善させる冷却ガス流制御装置を提供する。タービンの圧縮機４とタービン部分８の間の内部に位置するタービンロータ３４，３６，３８のための冷却ガス流制御装置が開示されている。冷却ガス流制御装置は、形状記憶材料を有しており、これを利用して動翼４０，４２，４４を含めたタービンの内部の部品の間への冷却ガス流を能動的に調節する。【選択図】図１
2013256949.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ａ．圧縮機部分の出口と、タービン部分の内部タービン空洞の入り口の間に位置する内部冷却ガス路と、
ｂ．前記圧縮機の前記出口と、前記冷却ガス路内の前記ロータ空洞の前記入り口の間に位置する調節可能なガス流弁とを備えるタービンロータのための冷却ガス流制御装置であって、前記調節可能なガス流弁が、前記タービンの前記圧縮機部分を出て行く圧縮ガスの物理的パラメータに基づいて、前記冷却ガス路を通るガス流の割合を調節する
冷却ガス流制御装置。
【請求項２】
前記調節可能なガス流弁が、形状記憶材料を備える、請求項１に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項３】
前記形状記憶材料が、前記形状記憶材料を貫通するチャネルを備え、前記チャネルが、前記圧縮機部分からガスを受け取るように適合される、請求項２に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項４】
前記調節可能な空気流弁が、取付け台と、第１端部と第２端部を有する形状記憶材料と、流れ絞り機構とを備え、前記取付け台が、前記形状記憶材料の前記第１端部に接続され、前記流れ絞り機構が、前記形状記憶材料の前記第２端部に接続される、請求項１に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項５】
前記調節可能な空気流弁が、複数の別々の流れ絞り機構に装着された複数の形状記憶材料を備える、請求項４に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項６】
前記複数の別々の流れ絞り機構が、前記調節可能なガス流弁を通る前記ガス流を減少させるために一緒に適合するように大きさが決められ成形される、請求項５に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項７】
前記一体式の流れ制御機構が、アコーディオン状の構造を備える、請求項４に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項８】
前記一体式の流れ絞り機構が、接続ホイールの穴の中に位置決めされた弁体であり、前記接続ホイールが、前記タービンの前記圧縮機部分と、前記タービン部分の間に位置決めされ、これらをつなぐ、請求項４に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項９】
前記形状記憶材料が、前記形状記憶材料を通る流量を減少させるように形状を変える部分の中に形成される、請求項２に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項１０】
前記形状記憶材料が、円筒形の形状と切頭円錐形の形状の間で変化することで、前記調節可能なガス流弁を通る前記ガス流を調節する、請求項２に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項１１】
前記形状記憶材料が、複数の異なる形状記憶部分を備え、各々の部分が、異なる遷移温度を有する、請求項９に記載の冷却ガス流制御装置。
【請求項１２】
タービンロータのロータ空洞のための冷却ガスを制御する方法であって、
ａ．タービンの圧縮機から特定の温度を有する冷却ガスを引き出すステップと、
ｂ．前記圧縮機と、タービンロータのロータ空洞をつなぐ内部経路に前記冷却ガスを誘導するステップと、
ｃ．前記冷却ガスを調節可能なガス流弁を通るように前記内部経路内を通過させるステップであって、前記調節可能なガス流装置が、形状記憶材料を備え、前記形状記憶材料が、前記形状記憶材料に対する入力温度に基づいて形状を変化させることで、前記内部経路を通って前記タービンロータの前記空洞へと流れる前記冷却ガスの前記流れを調節するステップと、
を含む方法。
【請求項１３】
前記入力温度が、前記内部経路に誘導される前記冷却ガスの温度および前記圧縮機から排出される圧縮ガスの温度のうちの少なくとも１つである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記形状記憶材料が、前記形状記憶材料を貫通するチャネルを備え、前記圧縮ガスが、前記チャネルの中を通過し、前記形状記憶材料が、前記チャネルの中を通過する前記圧縮ガスの温度に応答する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記形状記憶材料が、前記形状記憶材料を貫通するチャネルを備え、前記冷却ガスが、前記チャネルの中を通過し、前記形状記憶材料が、前記チャネルの中を通過する前記圧縮ガスの前記温度に応答する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、タービンを冷却するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは従来より、周辺空気を圧縮して燃料と混ぜ合わせ点火することで、高温の燃焼ガスを燃焼器内に生成する圧縮機を含んでいる。タービンは、燃焼器から高温の燃焼ガスを受け取り、そこからエネルギーを抽出することで圧縮機に動力を与え、出力動力を生成し、例えば電気生成器に動力を与える。タービンは従来より、ステータノズル、すなわち静翼、動翼すなわちタービンブレード、およびタービンブレードを囲む環状シュラウドの１つまたは複数の段を含むことで、それによって適切な隙間を維持している。ガスタービンエンジンの効率を改善させるためにタービンの入り口温度が上昇するため、例えば空気などの冷却流体をタービン静翼、動翼およびシュラウドに提供することで、これらの構成要素の温度を、その材料が耐えることができるレベルに維持し、これらの構成要素の寿命が十分に有効なものになることを保証する必要がある。タービンの冷却作業は典型的には、圧縮機から圧縮機によって圧縮された空気の一部を抽出し、圧縮後の空気の一部を、タービン静翼、動翼およびシュラウドを含めたタービンの内部の部品に伝え、これらを冷却することによって実現する。圧縮機内で圧縮され、燃焼ガスを生成するのに使用されない一部の空気は、必然的にタービンの効率を下げることになる。よって燃焼器から抽気される冷却空気の量を最小限にすることが有利である。
【０００３】
タービンは典型的には、全負荷で稼働するように設計されている。しかしながらエネルギーを生成する代替の方法の場合、例えばより一般的になりつつある風車などの場合、ガスタービンが、部分負荷条件で効率的に稼働することで、エネルギー生成の代替の方法を補うのに必要な十分な動力を生成することができることが重要になっている。これに加えて、エネルギー生成の代替の方法が利用できない場合、タービンが動力を生成するのに利用可能であることにより、失われたエネルギー生成の代替の方法の埋め合わせをする必要がある。同様にタービンの設計条件から外れるような日、例えば気温の高い日には、タービンが全負荷で稼働することができない場合がある。このような日には恐らく、タービンを部分負荷条件で稼働させることで、タービンの稼働をその設計上の作動パラメータの範囲内に維持する必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４６２９７６号明細書
【発明の概要】
【０００５】
一般にタービンにおける冷却回路は、全負荷稼働するように最適化されている。結果として部分負荷稼働において、冷却回路は、必要とされるものより大きな冷却作用を与えるのが一般的である。
【０００６】
概説するならば、本発明は、タービンロータのための冷却ガス流制御装置を提供する。冷却ガス流制御装置は、圧縮機部分の出口と、タービン部分の内部タービン空洞の入り口の間に位置する内部冷却ガス路と、圧縮機の出口と、冷却ガス路内のロータ空洞の入り口の間に位置する調節可能なガス流弁とを有し、調節可能なガス流弁が、タービンの圧縮機を出て行く圧縮ガスの物理的パラメータに基づいて、冷却ガス路を通るガス流を調節する。
【０００７】
これに加えて、本発明はまた、タービン部分の内部空洞のための冷却ガスを制御することで、タービンのタービン部分の動翼および他の構成要素を冷却する方法を提供する。方法は、ａ）タービンの圧縮機部分から特定の温度を有する冷却ガスを引き出すステップと、ｂ）冷却ガスを圧縮機部分と、タービンのタービン部分の内部空洞をつなぐ内部経路に導くステップと、ｃ）冷却ガスを調節可能なガス流弁を通るように内部経路内を通過させ、調節可能なガス流装置が、形状記憶材料を有するステップとを含んでおり、形状記憶材料が、形状記憶材料に対する入力温度に基づいて形状を変化させることで、内部経路を通ってタービンロータの空洞へと流れる冷却ガスの流れを調節する。
【０００８】
冷却ガス流制御装置を提供することによって、タービンが、部分負荷条件において設計上の稼働条件から外れた状態で稼働する際、ガス流制御装置を内蔵するタービンの効率を改善させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】内部冷却ガス路を含むタービンの概略図である。
【図２】タービンの接続ホイールの部分的な内部斜視図である。
【図３】一例の調節可能な冷却ガス流弁の図である。
【図４】一例の調節可能な冷却ガス流弁の図である。
【図５】別の例示の調節可能な冷却ガス流弁の図である。
【図６】複数の形状記憶材料を有する、図５に示される調節可能な冷却ガス流弁の変形形態の図である。
【図７】部分負荷稼働条件での、図６の調節可能な冷却ガス流弁の断面図である。
【図８】通常の稼働条件での、図６の調節可能な冷却ガス流弁の断面図である。
【図９】調節可能な流れ絞り機構を備えた、別の例示の調節可能な冷却ガス流弁の図である。
【図１０】複数の形状記憶材料を有する、図９の調節可能な冷却ガス流弁の変形形態の図である。
【図１１】部分負荷稼働条件での、図１０の調節可能な冷却ガス流弁の断面図である。
【図１２】通常の稼働条件での、図１０の調節可能な冷却ガス流弁の断面図である。
【図１３】別の例示の調節可能な冷却ガス流弁の図である。
【図１４】図１３に示される調節可能な冷却ガス流弁のより詳細な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明よりよく理解するために、本明細書の図面に注意を向けられたい。
【００１１】
図１を参照すると、例示のタービン２が示されており、これは圧縮機部分４と、燃焼器部分６と、タービン部分８とを有する。圧縮機部分４は、圧縮すべきガスを取り込む入り口（図示せず）を有する。圧縮機部分４は、ガス、一般的には空気を順次圧縮するために複数の段に配列されたステータ静翼と動翼が交互になった列を有しており、それぞれが後に続く下流段を有することで、圧縮されたガスが、最大圧力で圧縮機出口１０から排出されるまで、圧力をどんどん高くなるように上昇させる。
【００１２】
燃焼器部分６は、圧縮機出口１０を介して圧縮機部分４から圧縮されたガスを受け取る。従来の燃料供給導管と噴射装置（図示せず）がさらに設けられることで、好適な燃料、例えば天然ガスを供給し、これは、燃料混合領域１２において燃焼ガスと混ぜ合わされる。合体した燃料と圧縮ガスは、燃焼器１４へと移動され、そこで燃料と圧縮ガスの混合物が点火され、高温の燃焼ガスを生成する。
【００１３】
燃焼器部分６の下流にはタービン部分８が配置されている。タービン部分８において、高温の燃焼ガスのエネルギーがタービン部分８によって仕事量に変換される。高温ガスは膨張され、熱エネルギーの一部が、タービン部分８のノズル部分において運動エネルギーに変換される。ノズル部分は、複数のステータブレード、またはノズル２８、３０、３２を含む。例えば第１の段のノズルは、ステータブレード２８を含み、第２の段のノズルは、ステータブレード３０を含み、第３の段は、ステータブレード３２を含んでいる。
【００１４】
タービン部分８はまた、動翼部分を含む。動翼部分において、運動エネルギーの一部が、動翼４０、４２、４４（これらはまた「タービンブレード」としても知られている）に移動され、これらはロータホイール３４、３６、３８にそれぞれ接続されており、運動エネルギーが仕事量に変換される。ホイール３４と動翼４０が第１段を形成し、ホイール３６と動翼４２が第２段を形成し、ホイール３８と動翼４４が第３段を形成する。スペーサ５０、５２が、ロータホイールの各々の組の間に設けられる場合もある。補助的な段がタービン部分８にあることもあり、この場合各々の補助的な段は、ステータブレードと動翼を収容する。稼働中、動翼は、燃焼ガスからエネルギーを抽出し、これがロータホイール３４、３６、３８を回転させる。各々のロータホイールは、ロータシャフト（図示せず）に接続され、ロータシャフトが圧縮機部分に接続され、これが圧縮機部分４のロータブレード５を回転させる。上記に記載したように、タービン部分は３つの動翼を有する。動翼の段の数は、３つを超える場合もあることに留意されたい。一般的に各々の補助的な動翼の段に対して、これに対応するロータホイールと、ステータブレードがある。
【００１５】
動翼に対して作用することでタービンからエネルギーや仕事量を生み出す燃焼ガスはまた、動翼を加熱させる。動翼は一般に、環状のステータシュラウド２０と各々の個々の動翼の先端の間に比較的小さな隙間を有する。結果として、動翼の温度を、作動パラメータの範囲内に調節することで、タービンの効率を維持し、動翼が稼働中に膨張し、ステータシュラウド２０に接触することによって損傷するのを避ける必要がある。これに加えて、外部のガス温度が有意に高い場合、燃焼ガスがさらに高くなるように加熱され、これにより動翼がより高温に加熱されることになることで動翼が溶解する恐れがある。したがって動翼を冷却することで、通常の稼働において動翼が膨張し溶解する可能性を阻止する必要がある。
【００１６】
動翼４０、４２、４４およびタービン部分８の他の構成要素の冷却作業を行なうために、圧縮ガスの一部が、タービンの燃焼部分４から抽気される。動翼４０、４２および４４は、冷却ガスをその中に通過させ、動翼を効果的に冷却することが可能な内部チャネルまたは通路（図示せず）を有する。同様にステータもまた、内部チャネルまたは経路（図示せず）を含むことで、その冷却作業を行なうことができる。冷却ガスが、ひとたび内部チャネルまたは通路を通過すると、冷却ガスは逃がされ、タービンの排ガスと混ぜ合わされ、圧縮機に再循環させられる、あるいは任意の他の効果的なやり方で逃がすことができる。
【００１７】
冷却ガスは、圧縮機部分４からタービン部分８の内部空洞まで、内部冷却ガス路６０を通って内部で搬送される。内部冷却路６０は、圧縮機部分８の抽気ガス出口５８と、タービン部分８の内部タービンロータ空洞２４の入り口６２の間に位置している。入り口６２は、動翼４０、４２、４４の内部チャネルおよび通路ならびにタービン部分８の他の構成要素と流体連通することになる。内部冷却ガス路６０は概ね、接続ホイール１６の中に位置している。接続ホイール１６は、タービン２の稼働中に回転する。一般に内部冷却路６０は、接続ホイール１６の中に位置する導管であってよい。内部冷却路６０が、１本の通路である場合や、あるいは図２に示されるように複数の通路の場合もある。図２は、接続ホイール１６の一部を示しており、ここでは複数の内部冷却路６０があることが分かる。
【００１８】
タービンの設計上の稼働を外れたとき、動翼およびタービン部分８の他の部品を冷却するのに必要な冷却ガスの量が変化する。例えば部分負荷稼働において、動翼を冷却するのに必要な冷却ガスの量は低下するが、これは、動翼に接触する燃焼ガスが、設計上の全負荷の燃焼ガスより少ないためである。結果として、動翼まで内部を循環する冷却ガスの容積を調節する必要がある。タービン部分の構成要素を冷却するためにタービン部分８の内部空洞２４に流れる冷却ガスの容積は、内部冷却ガス路６０内に位置決めされた調節可能なガス流弁６４を備えた内部冷却ガス路６０を含む冷却ガス流れ制御装置６３を使用することによって調節することができることが見出された。調節可能なガス流弁６４は、タービン２の圧縮機部分４を出て行く圧縮ガスの物理的パラメータに基づいて通路を通るガス流を調節する。測定される物理的パラメータは、例えば圧力または温度であってよく、圧縮機部分４から抽気される冷却ガスに基づいて測定される場合、あるいは圧縮機部分４を出て燃焼器部分６の燃料混合領域１２に進入する圧縮ガスの物理的パラメータに基づいて測定される場合がある。
【００１９】
内部空洞２４への冷却ガス流を調節するために、調節可能ガス流弁６４は、形状記憶材料を含むことができる。形状記憶材料は、所与の温度で第１の形状を有し、一般には遷移温度と呼ばれる第２の温度で第２の形状を有する材料である。一般に、第２の温度、すなわち遷移温度は、所与の温度より高い。遷移温度を下回るいずれの温度でも形状記憶材料は第１の形状を有し、これを保持することになる。遷移温度で、あるいはそれを上回る温度では、形状記憶材料は第２の形状を有し、これを保持することになる。形状記憶材料の例には、金属合金とポリマーが含まれる。一般に高温の用途の場合、タービン用途では高温のため金属合金が使用される。これに加えて、形状記憶効果を呈する材料は、遮熱コーティングによって被覆されることで、形状記憶材料に対する冷却ガスの作用を抑えることができる。
【００２０】
複数の報告される金属合金は、固体状態の微小構造相の変化に関連する温度を体験し、この変化によって、このような合金から作製された製品をある物理的な形状から少なくとも別の物理的形状に変化させることが可能であり、これらの金属合金は時には形状記憶合金（ＳＭＡ）と呼ばれる。広く知られた報告済みのＳＭＡは、チタンニッケル合金であり、ニチノール合金と呼ばれることが多い。形状記憶合金を形成するのに使用することができる他の好適な金属には、例えばこれに限定するものではないがマンガン、鉄、アルミニウム、ケイ素、銅、亜鉛、銀、カドミウム、インジウム、スズ、鉛、タリウム、白金、ルテニウム、タンタルおよびニオビウムが含まれる。
【００２１】
使用する際にある形状から少なくとも１つの他の形状に変化することが意図されるこのような合金から製品を製造する際、この製品は、遷移温度で、またはそれを上回る温度での利用に作用することが意図される第２の形状で提供される。固体状態微小構造相の変化が起こる遷移または臨界温度で、またはそれを上回る温度で、この合金の製品プリフォームを機能させ、焼きなましすることによって、このような第２の形状が現れる。しかしながら臨界温度を下回ると、このような合金には展性があり、第２の形状の製品を所望される第１の形状に変形させることで、例えばほぼ室温で組立体に包含することができる。したがって例えば製品の保守作業において、第１の形状のＳＭＡ製品がその臨界温度で、あるいはそれを上回る温度で加熱される際、それは、微小構造相の変化を受け、第２の形状に戻ることになる。同様に温度が、遷移温度を下回ったとき、ＳＭＡは、その第１の形状に戻る。
【００２２】
図３および図４を参照すると、調節可能なガス流弁６４が描かれており、これは、取付け台７０と、これは図３では第１形状を有し、図４では第２形状を有する形状記憶材料７２を有している。通常の稼働中、調節可能なガス流弁６４は、図４に示される第２の形状を有することで、調節可能なガス流弁６４を通って流れるガス流を最大限にすることができる。形状記憶材料７２は、図３にはその第１の形状で示されており、これは、タービンがより低い温度で、より遅い速度で稼働する場合の、部分負荷稼働中、または他の同様の条件における形状記憶材料の形状である。第１の形状は、圧縮された冷却ガスが通過しなければならない出口オリフィス６６のサイズを縮小することによって、調節可能なガス流弁６４を通る冷却ガスの流れを減少させる。部分負荷条件において稼働する際、タービンの圧縮機部分４を出て行く圧縮された冷却ガスは典型的には、より低い温度とより低い圧力を有する。同様に圧縮機部分４を出て、燃焼器部分６に供給される圧縮ガスもまた、より低い温度を有することになる。これに加えて、運動エネルギーを形成するのに生成される燃焼ガスが減少することでタービン内のガスの温度を下げ、これによりタービン内の動翼４０、４２、４４の内部冷却の必要性を抑える。図３および図４に示されるように、形状記憶材料７２の形状は、調節可能なガス流弁６４を通って流れる冷却ガスの温度に基づいて変化する。しかしながら形状記憶材料は、以下に記載される同様のやり方で、圧縮機部分４を出る圧縮ガスの抽出標本を受け取るように一部が変化する場合もある。一般に形状記憶材料７２は、冷却ガスが形状記憶材料７２の遷移温度に達するまで図３に示される形状を有し、その後形状記憶材料７２が図４に示される形状に変化することで、動翼４０、４２、４４により多くの冷却ガスが内部を流れることが可能になる。冷却ガスの物理的パラメータが変化する、あるいは圧縮機部分４を出る圧縮ガスが変化する際、部分負荷稼働または他の同様の条件の結果として、形状記憶材料７２はその形状を、図４に示される形状から図３に示される形状へと変化させ、動翼およびタービン部分８の他の部品を内部から冷却するためのタービン部分８の内部空洞への冷却ガス流を減少させる。同様に部分負荷稼働から、通常の作動パラメータでの稼働へと移行した結果として変化する圧縮ガスの物理的パラメータに応じて、形状記憶材料７２が図４に示される形状に変化することで、ロータ空洞の内部への冷却ガスの流れを増加させる。図３および図４に示されるように、形状記憶材料７２は、切頭円錐形（図３）から円筒形（図４）へと変化する。
【００２３】
図３および図４に示されるように、形状記憶材料は、７３、７４、７５および７６の部分に分割される。形状記憶材料の各々の部分は、同一または異なる遷移温度を有することができる。各々の部分が別々の遷移温度を有することの１つの利点は、各々の部分が、異なる温度でその形状を変化させることにより、ロータ空洞の内部への冷却ガスの流れを段階的に変化させることができる点である。これにより調節可能なガス流弁が、タービンの現行の稼働条件によって流れを変化させることで、タービン部分の内部構成要素に送達される冷却ガスをより適切に制御することが可能になる。
【００２４】
図５に示される異なる構成では、冷却ガス流制御装置１６４は、取付け台１７０と、取付け台１７０に接続された形状記憶材料１７２と、流れ絞り機構１７８とを備えた調節可能なガス流弁を有することができる。各々の形状記憶材料１７２は、取付け台１７０に接続された第１端部１７９と、流れ絞り機構１７８に接続された第２端部１８０とを有する。示されるように複数の形状記憶材料１７２と、複数の流れ絞り機構がある。流れ絞り機構１７８が、冷却ガス路内に移動することで、タービン空洞の内部構成要素を冷却するのに冷却ガスをさほど必要としないタービンの稼働においては、調節可能なガス流弁６４を通る冷却ガスの流れを抑え、タービン空洞の内部構成要素を冷却するのにより多くの内部冷却ガスが必要とされる時には、冷却ガス路から後退させられる。これについてより適切に理解するために、図７および図８に注意を向けられたい。図７には、部分負荷稼働条件における調節可能なガス流弁１６４の構成が示されている。ここに見ることができるように、冷却ガス流制御装置内にあるオリフィス１６６の直径ｄは、流れ絞り機構１７８によって形成されており、形状記憶材料１７２がその最初の形状であるとき、調節可能なガス流弁１６４の内径ｄを一緒に形成している。図６では、通常の稼働条件における調節可能なガス流弁１６４の構成が示されている。ここに見ることができるように、冷却ガス流制御装置１６４にあるオリフィスの直径Ｄは、特定の位置に保持されている流れ絞り機構１７８によって形成されるため、流れ絞り機構１７８は、互いに接触してない。流れ絞り機構１７８は、その第２の形状にある形状記憶材料１７２によってこの位置に保持される。容易に見ることができるように、直径Ｄは、直径ｄより大きいため、図８に示される構成では、図７に示される構成より、より多くの冷却ガスが調節可能なガス流弁１６４を通って流れる。
【００２５】
図６を参照すると、調節可能なガス流弁１６４は、形状記憶材料１７２が、複数の形状記憶材料１８１、１８２および１８３によって構築されていることを除けば、図５に示されるものと同様の構造を有する。３つの異なる形状記憶材料が示されているが、４つ以上の異なる形状記憶材料の場合もあり、例えば４つ、５つまたは６つあるいはそれ以上の形状記憶材料が使用される場合もある。これに加えて、形状記憶材料が２つだけ使用される場合もある。複数の形状記憶材料が使用される場合、各々の形状記憶材料は、異なる遷移温度を有するのが一般的である。異なる遷移温度を有することによって、タービンの稼働条件が変わるとき、各々の個々の形状記憶材料は、その形状を他の形状記憶材料から独立して変化させることができ、タービンの稼働条件に応じてロータ部分の内部への冷却ガスをより適切に制御することができる。
【００２６】
図９に示される別の構成では、調節可能なガス流弁２６４は、取付け台２７０と、取付け台２７０に接続された形状記憶材料２７２と、流れ絞り機構２７８とを有する。各々の形状記憶材料２７２は、取付け台２７０に接続された第１端部２７９と、一体式の流れ絞り機構２７８に接続された第２端部２８０とを有する。図９に示されるように流れ絞り機構２７８は、蛇腹状またはアコーディオン状の構造を有する。流れ絞り機構２７８は、形状記憶材料２７２の第２端部２８０に接続された第１端部２９１と、第２端部２９２とを有し、この第２端部は典型的には、接続ホイール１６（図２）の内部冷却路６０の中の所定の場所に接続される、あるいは保持される。形状記憶材料２７２が、遷移温度を下回るまで冷えたとき、形状記憶材料２７２は膨張し、流れ絞り機構２７８を圧縮させ、これにより流れ絞り機構２７８の第１端部２９１が、流れ絞り機構２７８の第２端部２９２により近づくことになる。反対に形状記憶材料２７２が、形状記憶材料２７２の遷移温度を超えるまで加熱された場合、形状記憶材料２７２が収縮することで、流れ絞り機構を拡張させる。圧縮された場合、流れ絞り機構２７８は、冷却ガスが中を流れるオリフィス２６６の直径を縮小させ、タービンが、ロータ空洞の内部構成要素を冷却するのに冷却ガスをさほど必要としない状況でのタービンの稼働において調節可能なガス流弁２６４を流れる冷却ガスの流れを減少させる。拡張する際、オリフィスの直径が増大することで、ロータ空洞の内部構成要素を冷却するのにより多くの冷却ガスを必要とするタービンの稼働において調節可能なガス流弁２６４を流れる冷却ガス流を増加させる。これについてより適切に理解するために、図１１および図１２に注意を向けられたい。図１１では、部分負荷条件での調節可能なガス流弁２６４の構成が示されている。ここに見ることができるように、調節可能なガス流弁２６４にあるオリフィスの直径ｄは、流れ絞り機構２７８のアコーディオン状の構造の波形によって縮小されており、最初の形状にある形状記憶材料２７２に応じて調節可能なガス流弁２６４の内径ｄを一緒に形成している。図１２では、通常の稼働条件での調節可能なガス流弁２６４が示されている。ここに見ることができるように、調節可能なガス流弁２６４にあるオリフィス２６６の直径Ｄは、流れ絞り機構２７８が完全に引き延ばされているため、より大きくなり、これによりアコーディオン構造の直径が増大する。容易に見ることができるように、直径Ｄは、直径ｄより大きいため、図１２に示される構成では、より多くの冷却ガスが調節可能なガス流弁２６４を通って流れる。
【００２７】
図１０を参照すると、調節可能なガス流弁２６４は、複数の形状記憶材料２８１、２８２および２８３によって構築されていることを除けば、図９に示されるものと同様の構造を有する。３つの異なる形状記憶材料が示されているが、４つ以上の異なる形状記憶材料の場合もあり、例えば４つ、５つ、６つまたはそれ以上の形状記憶材料が使用される場合もある。これに加えて、２つの異なる形状記憶材料が使用される場合もある。複数の形状記憶材料が使用される場合、各々の形状記憶材料は、異なる遷移温度を有するのが一般的である。異なる遷移温度を有することによって、タービンの稼働条件が変わるとき、各々の個々の形状記憶材料は、その形状を他の形状記憶材料から独立して変化させることができ、タービンの稼働条件に応じてタービン部分８の内部への冷却ガスをより適切に制御することができる。これに加えて、これにより広範な範囲の稼働条件にわたって制御することも可能になる。
【００２８】
図１３および図１４に戻ると、別の調節可能なガス流弁３６４が示されている。示されるように、調節可能なガス流弁３６４が、接続ホイール１６の開口１５内に位置決めされている。調節可能なガス流弁３６４は、接続ホイール１６に接続される、あるいは接続ホイールによって所定の場所に保持される取付け台３７０と、その第１端部３７９において取付け台３７０に接続された形状記憶材料３７２とを有する。流れ絞り機構３７８が、形状記憶材料３７２の第２端部３８０に接続される。流れ絞り機構３７８は、一体式の構造で、弁体の形態であり、形状記憶材料３７２によって開口１５の中と外に移動される。形状記憶材料３７２が、その遷移温度に達したとき、形状記憶材料３７２は、流れ絞り機構を開口１５内に保持するサイズと形状から、流れ絞り機構３７８を開口１５から引き出すサイズと形状に移行し、接続ホイール１６を通る冷却ガスの流れを増加させる。形状記憶材料３７２の遷移温度を下回る温度において形状記憶材料３７２はサイズと形状を変化させ、流れ絞り機構３７８を開口１５内に移動させることで、接続ホイール１６の内部経路６０を通る冷却ガスの流れを減少させる。
【００２９】
他の記載される冷却ガス流制御装置の他の形状記憶材料を使用する場合のように、図１４に示される形状記憶材料が、複数の異なる形状記憶材料によって構築される場合があり、各々の形状記憶材料は、異なる遷移温度を有する。異なる遷移温度を有する複数の形状記憶材料またはその一部を有することによって、各々の個々の形状記憶材料は、その形状を他の形状記憶材料から独立して変化させることが可能であり、タービンの稼働条件に応じてロータ部分の内部への冷却ガスをより適切に制御することができる。
【００３０】
上記に記載される形状記憶材料のサイズおよび形状は、様々な方法で調節することができる。典型的には形状記憶材料のサイズや形状は、冷却ガスの物理的パラメータまたは圧縮機を出て行く圧縮ガスの物理的パラメータに基づいて調節されるのが一般的である。冷却ガスまたは圧縮機を出て行く圧縮ガスの物理的パラメータ、例えば圧力や温度を利用して、形状記憶材料をサイズや形状を調節することができる。本発明の精神および範囲から逸脱せずに、タービンの異なる要素の他のパラメータを使用することもできるように企図されている。
【００３１】
一般に、冷却ガスの物理的パラメータを利用して、形状記憶材料のサイズおよび／または形状を調節する場合、この物理的パラメータは、冷却ガスの温度である。このような場合、冷却ガスを使用して形状記憶材料を冷却したり加熱したりすることで、形状記憶材料の形状の調節に作用することができる。例えば形状記憶材料は、タービン２の圧縮機部分４と、タービン部分８のロータの内部の間の内部冷却ガス路６０を通過する冷却空気によって加熱されたり冷却されたりする場合もある。冷却ガスの温度が上昇する際、冷却ガスが形状記憶材料に接触し、これにより形状記憶材料を加熱して、そのサイズおよび／または形状を調節することで、より多くの冷却ガスが冷却ガス流制御装置を通って流れることが可能になる。
【００３２】
図５、図６および図１４に示されるように、形状記憶材料１７２、３７２に、１つまたは複数のチャネル９５が備わることで、ガスが、形状記憶材料１７２、３７２の中を通過することで、形状記憶材料１７２、３７２の加熱と冷却の両方の作用を助けることができる。一般に形状記憶材料を通過したガスは、タービンの圧縮機部分４を出て行くガスの極めて少ない部分または抽出標本になる。このガスは、圧縮機の排出口における温度に近い温度まで加熱される。図２に戻ってこれを参照すると、圧縮機を出るガスは、接続ホイール１６の中にある導管９６を通過することができる。ガスは、これも図２に示されるように入り口９７を介して接続ホイール１６のこの導管９６に進入する。ガスが導管９６の端部に達すると、ガスは形状記憶材料のチャネル９５（図５、図６および図１４）に進入し、これによりタービン圧縮機４を出て行くガスの温度に基づいて形状記憶材料１７２、３７２を加熱または冷却する。これにより形状記憶材料１７２、３７２は、圧縮機部分４を出て行くガスの温度まで加熱され、その結果形状記憶材料は、形状および／またはサイズを変化させることで、タービンのロータ部分の内部への冷却ガスの流れを調節することになる。複数の形状記憶材料の場合、例えば図６に示されるように、形状記憶材料に搬送されたガスは、形状記憶材料１８１、１８２および１８３の各々に見られるそれぞれのチャネル９５を通って送達することができる。ここでもまたこれらの形状記憶材料はそれぞれ、異なる遷移温度を有する可能性がある、あるいはそうなることになる。
【００３３】
代替の一構成において、導管６０を通ってチャネルに通された冷却ガスもまた、形状記憶材料を加熱したり冷却したりするのに利用される場合がある。この場合、冷却ガスを形状記憶材料のチャネル９５の中に送り込むことができ、その結果形状記憶材料１７２、３７２は、冷却ガスの温度に基づいて加熱されたり冷却されたりする。
【００３４】
当業者に知られている他の方法を利用して、形状記憶材料を加熱および／または冷却することで、接続ホイールを通って流れる冷却ガスを調節する場合もある。例えば形状記憶材料は、形状記憶材料の中に挿入された高抵抗要素を有する場合がある。高抵抗要素は、高抵抗要素に電流を流す無線受信器に接続されることで、高抵抗要素を加熱させる。無線受信器は、無線送信機に無線で接続されてよく、無線送信機は、圧縮ガスパラメータ測定装置に接続されてよく、この装置が、圧縮機を出る圧縮ガスの１つまたは複数の物理的パラメータを測定する。
【００３５】
本明細書に記載される冷却ガス流装置はまた、タービンの動翼およびタービン部分の他の構成要素を冷却することを目的としたタービン部分の内部空洞のための冷却ガスを制御する方法を提供している。方法は、
ａ．タービンの圧縮機部分から特定の温度を有する冷却ガスを引き出すステップと、
ｂ．タービンの圧縮機部分と、タービン部分の内部空洞をつなぐ内部経路に冷却ガスを誘導するステップと、
ｃ．冷却ガスを調節可能なガス流弁を通るように内部経路内を通過させるステップであって、調節可能なガス流装置が、形状記憶材料を有し、形状記憶材料が、形状記憶材料に対する入力温度に基づいて形状を変化させることで、内部経路を通ってタービンロータの空洞へと流れる冷却ガスの流れを調節するステップとを含む。
入力温度は、上記に記載するように、内部経路を通って送り込まれる冷却ガスの温度である場合、あるいは入力温度は、圧縮機部分を出る圧縮ガスの温度に基づく場合がある。これに加えて、圧縮ガスまたは冷却ガスを強制的に形状記憶材料内に在るチャネルの中を通すようにすることが可能であることによって、圧縮ガスまたは冷却ガスのほんの一部が、形状記憶材料と接触することができる。これにより形状記憶材料が、形状記憶材料の中を通過するガスの温度に反応することが可能になる。形状記憶材料に接触するガスの温度に基づいて、ガスの温度が、その形状記憶材料の遷移温度を上回っても、あるいはそれを下回っても、これに基づいて形状記憶材料はそのサイズおよび／または形状を変化させる。
【００３６】
本明細書に記載される冷却流制御装置を有するタービンは、部分負荷稼働条件、およびタービンが規格外で稼働される場合などの他の条件においてタービンの効率が上がることを表している。タービンの内部構成要素への冷却ガス流を制御することによって、ブレード（動翼）が十分に冷却され、極端な高温条件や、高遠心範囲においても稼働するようになる。タービンを稼働させる際の１つの目標は、タービン部分の構成要素において一定の温度を維持することで、熱サイクルを抑えるのを助けることである。部分負荷条件または周辺条件を外れた条件において抽気される圧縮機による冷却ガス流を減少させることによって、タービンの熱効率を上げることができる。
【００３７】
本発明を種々の実施形態を参照して記載してきたが、当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、形態および詳細を変更することができることを理解するであろう。そういうものとして、上記の詳細な記載は、限定ではなく例示として見なされることが意図されており、本発明の範囲を定義することが意図されているのは、その全ての均等物を含めた添付の特許請求の範囲である。
【符号の説明】
【００３８】
２  タービン
４  圧縮機
６  燃焼器
８  タービン
１０  圧縮機出口
１２  燃料混合領域
１４  燃焼器
１５  開口
１６  接続ホイール
２０  環状ステータシュラウド
２４  内部タービンロータ空洞
２８、３０、３２  ステータブレード
３４、３６、３８  ロータホイール
４０、４２、４４  動翼（タービンブレード）
５０、５２  スペーサ
５８  抽気ガス出口
６０  内部冷却ガス路
６２  入り口
６４  調節可能なガス流弁
６６、１６６、２６６  出口オリフィス
７０  取付け台
７２、７３、７４、７５、７６、１７２、１８１、１８２、１８３、２７２、２８１、２８２、２８３、３７２  形状記憶材料
９６  導管
９７  入り口
１６４  冷却ガス流制御装置
１７０、２７０、３６４、３７０  調節可能なガス流弁
１７８、２７８、３７８  流れ絞り機構
１７９、２７９、２９１、３７９  第１端部
１８０、２８０、２９２、３８０  第２端部
２６４  調節可能なガス流弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【外国語明細書】
2013256949000001.pdf