(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械のホイールスペース領域内の冷却流体を調整するシステムを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンの圧縮機から取り出された冷却空気は、ノズルベーン１９２の冷却通路入口２０４に送られ、冷却通路２０６を通って、２又はそれ以上のベーン１９２のセットのパージ管２１０に送られる。ダイアフラムキャビティにおけるパージ管２１０の間に形成された混合チャンバ２１４は、パージ管２１０から流体を受け取り、該流体を、混合チャンバ２１４の壁を通って形成された出口通路２１６を通ってダイアフラム１９４の表面に配向する。出口通路２１６は、表面に実質的に平行及び／又はタービンホイールの回転方向の流体の速度成分を誘起するよう傾斜することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（１００）の冷却回路（２００）であって、
ターボ機械（１００）の固定構成要素（１９０）のベーンが前記ターボ機械の作動流体経路内に配置され、該それぞれのベーン（１９２）の半径方向内側端部にあり且つ前記それぞれのベーンのそれぞれの冷却通路（２０６）の出口を各々が含む少なくとも２つのパージ管（２１０）と、
前記少なくとも２つのパージ管（２１０）の各々と流体連通し、前記作動流体経路の実質的に外に配置された前記固定構成要素のダイアフラム（１９４）の半径方向外側部分に形成された混合チャンバ（２１４）と、
を備え、
前記混合チャンバが、複数の混合チャンバ壁を有し、該混合チャンバ壁が、
円周方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ端壁と、
混合チャンバ底壁から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁と、
対向する前方及び後方混合チャンバ側壁と、
を含み、
前記ターボ機械（１００）の冷却回路（２００）が、
前記混合チャンバ壁及び前記ダイアフラムの対応する部分のうちの１つを通って形成される少なくとも１つの出口通路（２１６）を備え、
前記少なくとも２つのパージ管から前記混合チャンバに入る冷却流体が、前記混合チャンバに流入して、前記少なくとも１つの出口通路を通って前記ダイアフラムの表面に流出するようになる、ターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項２】
前記ダイアフラムは、前記混合チャンバが形成される実質的に円周方向の溝を半径方向外側部分において含むことができ、前記溝が、対向する前方及び後方溝側壁と、実質的に円周方向の溝内側壁とを含み、前記ダイアフラムの対応する部分が、前記少なくとも１つの出口通路が形成される１つの混合チャンバ壁に対応する前記溝の側壁及び内側壁のうちの１つである、請求項１に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項３】
前記混合チャンバ底壁及び側壁が、前記溝内側壁及び溝側壁それぞれに実質的に共形になる、請求項２に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項４】
前記混合チャンバ底壁及び側壁が、溝内側壁及び溝側壁をそれぞれ含む、請求項２に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項５】
前記混合チャンバ上壁が、前記前方溝側壁から前記後方溝側壁まで延び、前記混合チャンバ端壁が、前記混合チャンバ上壁から前記混合チャンバ底壁まで、及び前記前方混合チャンバ側壁から前記後方混合チャンバ側壁まで延びる、請求項２に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項６】
前記少なくとも１つの出口通路の各々が、前記１つの混合チャンバ壁に対して傾斜されて、前記１つの混合チャンバ壁の表面に実質的に平行な速度成分を前記混合チャンバから流出する流体に誘起するようにする、請求項１に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項７】
前記速度成分が、前記ターボ機械のタービンホイールの実質的に回転方向である、請求項６に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項８】
前記ダイアフラムの実質的に直径平面において前記各パージ管と前記混合チャンバとの間にコネクタ（２１２）を更に備え、該コネクタ（２１２）が、前記混合チャンバの端壁（２２０，２２２）を通って前記ダイアフラムの実質的に円周方向に延びる、請求項１に記載のターボ機械（１００）の冷却回路（２００）。
【請求項９】
ターボ機械（１００）の冷却システムであって、
ターボ機械（１００）の圧縮機セクション（１０５）において、該圧縮機セクションから冷却流体が選択的に流れる冷却流体抽出ポート（１２０）と、
前記抽出ポートと、前記ターボ機械のタービンセクション（１８０）における固定構成要素（１９０）の少なくとも２つのベーン（１９２）の各々のそれぞれの冷却通路入口（２０４）と流体連通した冷却流体導管と、
を備え、
前記少なくとも２つのベーンが、前記固定構成要素のダイアフラム（１９４）の外周に実質的に隣接した半径方向内側端部で装着され、
前記ターボ機械（１００）の冷却システムが更に、
前記ダイアフラムの外周に形成され、前記ダイアフラムの実質的に円周方向に延びるキャビティ内側壁（３１２）と、前記キャビティ内側壁から実質的に半径方向に離れて延びた対向する前方及び後方キャビティ側壁（３１４，３１６）とを含むキャビティ（３１０）と、
前記各ベーンの半径方向内側端部にあり、前記それぞれの冷却通路と流体連通したそれぞれのパージ管（２１０）と、
前記キャビティ内に形成され且つ前記少なくとも２つのベーンのパージ管と流体連通した混合チャンバ（２１４）と、
を備え、
前記混合チャンバが、対向する混合チャンバ端壁と、混合チャンバ底壁（２２６）から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁（２２８，２３０）と、を含み、
前記ターボ機械（１００）の冷却システムが更に、
前記混合チャンバ壁及び前記キャビティの対応する部分のうちの１つを通って延びる少なくとも１つの出口通路（２１６）を備え、
前記パージ管（２１０）から前記混合チャンバに入る冷却流体が、前記混合チャンバに流入して、前記少なくとも１つの出口通路を通って前記ダイアフラムの表面に流出するようになる、ターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１０】
前記ダイアフラムの周りに複数のベーン（１９２）が装着されて円周方向に間隔を置いて配置され、前記ダイアフラムが複数の弓状セグメント（３００）を含み、前記弓状セグメントが各々、前記弓状セグメント上に装着されるそれぞれの前記ベーンの少なくとも２つのそれぞれのパージ管（２１０）に接続されたそれぞれの混合チャンバ（２１４）を含む、請求項９に記載のターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１１】
前記各弓状セグメントが、前記それぞれの混合チャンバの実質的にそれぞれの端部上に装着された２つのそれぞれのノズルベーン（１９２）を含む、請求項１０に記載のターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１２】
前記各弓状セグメントが、前記ダイアフラムの周りに実質的に円周方向の溝の一部であるそれぞれのキャビティ（３１０）を含む、請求項１０に記載のターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１３】
前記混合チャンバ底壁及び側壁（２２６，２２８，２３０）が、キャビティ内側壁（３１２）及びキャビティ側壁（３１４，３１６）をそれぞれ含み、上壁（２２４）が前方キャビティ側壁（３１４）から後方キャビティ側壁（３１６）まで延びる、請求項９に記載のターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１４】
前記ダイアフラムの実質的に直径平面において各コネクタ（２１２）が形成され、該コネクタ（２１２）が、前記混合チャンバの端壁（２２０，２２２）を通って前記ダイアフラムの実質的に円周方向に延びる、請求項９に記載のターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１５】
前記出口通路（２１６）の各々が、前記１つの混合チャンバ壁及び対応するキャビティ壁に対して傾斜されて、前記対応するキャビティ壁の表面に実質的に平行な速度成分を前記対応するキャビティ壁から流出する流体に誘起するようにする、請求項９に記載のターボ機械（１００）の冷却システム。
【請求項１６】
ターボ機械（１００）であって、
ここから冷却流体が選択的に流れる冷却流体抽出ポート（１２０）を含む圧縮機セクション（１０５）と、
複数の固定構成要素（１９０）及び複数の回転構成要素（１８５）を含むタービンセクション（１８０）と、
を備え、
前記固定構成要素のうちの少なくとも１つの固定構成要素が、
実質的に円周方向のキャビティ内側壁（３１２）と該キャビティ内側壁から実質的に半径方向に離れて延びる対向する前方及び後方キャビティ側壁（３１４，３１６）とを有して外側部分に形成されたキャビティ（３１０）を有するダイアフラム（１９４）と、
前記ダイアフラムから半径方向に離れて延びる複数のベーン（１９２）と、
を含み、
前記回転構成要素の各々が、タービンホイールを含み、
前記ターボ機械（１００）が更に、
前記抽出ポートと流体連通した冷却流体回路（２００）を備え、
前記冷却流体回路が、
前記抽出ポートと流体連通した冷却通路入口（２０４）から前記それぞれのベーンの半径方向内側端部にある冷却通路出口（２０８）まで延びる、前記各ベーンの冷却通路（２０６）と、
半径方向内側端部にて前記冷却通路出口と流体連通した、前記各ベーンのパージ管（２１０）と、
前記ベーンの少なくとも１つのペアと流体連通して前記キャビティ内に形成された混合チャンバ（２１４）と、
を含み、
前記混合チャンバが、円周方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ端壁（２２０，２２２）と、混合チャンバ底壁（２２６）から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁（２２４）と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁（２２８，２３０）と、を含み、
前記冷却流体回路が更に、
前記ベーンの少なくとも１つのペアの各パージ管から、前記混合チャンバの端壁まで延び、前記端壁を通じて前記それぞれのパージ管と前記混合チャンバとの間の流体連通を各々が提供するそれぞれのコネクタ（２１２）と、
前記混合チャンバ壁及び対応するキャビティ壁のうちの１つを通って形成される少なくとも１つの出口通路（２１６）と、
を含み、
前記少なくとも１つの出口通路が、前記壁に対して傾斜されて、前記パージ管から前記混合チャンバに入る冷却流体が、前記混合チャンバに流入して、前記ダイアフラムの表面に実質的に平行な速度成分を有して前記ダイアフラムの表面にて少なくとも１つの出口通路を通って流出するようになる、ターボ機械（１００）。
【請求項１７】
前記ダイアフラムが、該ダイアフラム上に装着された前記それぞれのベーンに接続された複数の混合チャンバを含む、請求項１６に記載のターボ機械（１００）。
【請求項１８】
前記ダイアフラムが、複数の弓状セグメント（３００）を含み、前記各キャビティが、前記ダイアフラムの実質的に円周方向の溝の一部であり、前記各弓状セグメントがそれぞれの混合チャンバを含み、前記混合チャンバが、該混合チャンバのそれぞれの端部上に装着されたそれぞれのベーンのそれぞれのパージ管と流体連通している、請求項１６に記載のターボ機械（１００）。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの出口通路が、前記混合チャンバ側壁及び前記キャビティ側壁を通って形成される、請求項１６に記載のターボ機械（１００）。
【請求項２０】
前記コネクタが、前記ダイアフラムの実質的に直径平面に形成され、前記混合チャンバの端壁を通って前記ダイアフラムの実質的に円周方向に延びる、請求項１６に記載のターボ機械（１００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、全体的に、ターボ機械の冷却システムに関し、より詳細には、ターボ機械のホイールスペース領域内の冷却流体を調整するシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高温ガスタービンエンジンなどの一部のターボ機械は、燃料空気混合気の燃焼により高温供給ガスを発生する１又はそれ以上の燃焼室を利用することができる。作動流体とも呼ぶことができる高温ガスは、燃焼室から作動流体経路を通って１又はそれ以上のタービンホイールに配向され、ここで高温ガスが、各タービンホイール上で周辺列をなして装着されるタービンバケット又はブレード間に流れるようにされる。これらのバケット又はブレードは、衝突する高温ガス又は作動流体に反応し、ガスの運動エネルギーなどのエネルギーをタービンホイールの回転運動に転換する。一部の事例において、タービンホイールは、空気圧縮機と共通のシャフト上で装着され、また、回転するタービンホイールが圧縮機を駆動して、これによりエンジンにおける燃料燃焼のための空気を供給することができる。エンジンは、そこを流れる大量の極めて高温の供給ガスを利用するので、高温ガスに晒される複数の構成要素及びエンジン構造は、極めて高温に到達されるようになる。一部の事例において、これらの部品及び構成要素の温度は、構造的な弊害をもたらす可能性があるレベルに到達する。このような事例では、部品を冷却することにより、損傷を軽減又は排除することができる。
【０００３】
一部のターボ機械においてこのような部品を冷却するために、圧縮機によって圧縮される空気の一部は、燃焼用から転用されて、種々の固定及び回転構成要素を冷却する、又はガスタービン内のキャビティをパージすることができる。冷却空気は、圧縮機から取り出され、上述の構成要素及び構造体を冷却するのに利用される。転用される空気流（以下、「冷却流体」）は、圧縮機によって圧縮された総空気流の相当量を消費する可能性がある。転用される冷却流体は、燃焼では使用されず、ガスタービンの性能を低下させる。冷却流体の調整及び制御により、タービン性能を飛躍的に増大させることができる。通常、冷却流体は、圧縮機から取り出され、燃焼システムをバイパスして、冷却回路を通って流れる。冷却回路は通常、ロータ圧縮機−タービン継手（以下、「マリッジ継手」）を含む種々のタービン構成要素及び種々のホイールスペース付近に配置される。冷却回路の構成は、前述のタービン構成要素への冷却流体の流量及び／又は容量の妥当性に影響を及ぼす可能性がある。冷却回路は、利用可能な有意な量の冷媒空気並びにエンジン内の最終的な廃棄を考慮して、特定のホイールスペース領域に冷却流体を配向することができるプレナムなどのチャンバを含むことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８，５６２，２８５号明細書
【発明の概要】
【０００５】
本発明の１つの実施形態において、ターボ機械冷却回路は、ターボ機械の固定構成要素のそれぞれのベーンの半径方向内側端部にて少なくとも２つのパージ管を含むことができる。ベーンは、ターボ機械の作動流体経路内に配置することができ、各パージ管は、それぞれのベーンのそれぞれの冷却通路の出口を含むことができる。少なくとも２つのパージ管の各々と流体連通した混合チャンバは、固定構成要素のダイアフラムの半径方向外側部分に形成することができ、ダイアフラムは、作動流体経路の実質的に外に配置される。混合チャンバは、複数の混合チャンバ壁を有することができ、該混合チャンバ壁は、円周方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ端壁と、混合チャンバ底壁から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁と、を含むことができる。冷却回路が更に、混合チャンバ壁及びダイアフラムの対応する部分のうちの１つを通って形成される少なくとも１つの出口通路を含むことができ、少なくとも２つのパージ管から混合チャンバに入る冷却流体が、混合チャンバに流入して、少なくとも１つの出口通路を通ってダイアフラムの表面に流出するようになる。
【０００６】
本発明の代替の実施形態において、ターボ機械の冷却システムは、ターボ機械の圧縮機セクションにおいて、該圧縮機セクションから冷却流体が選択的に流れる冷却流体抽出ポートを含むことができる。冷却流体導管が、抽出ポートと、ターボ機械のタービンセクションにおける固定構成要素の少なくとも２つのベーンの各々のそれぞれの冷却通路入口と流体連通することができ、少なくとも２つのベーンが、固定構成要素のダイアフラムの外周に実質的に隣接した半径方向内側端部で装着される。キャビティが、ダイアフラムの外周に形成することができ、また、ダイアフラムの実質的に円周方向に延びるキャビティ内側壁と、キャビティ内側壁から実質的に半径方向に離れて延びた対向する前方及び後方キャビティ側壁と、を含むことができる。各ベーンの半径方向内側端部にあるそれぞれのパージ管が、それぞれの冷却通路と流体連通することができる。混合チャンバが、キャビティ内に形成することができ、また、少なくとも２つのベーンのパージ管と流体連通することができ、更に、対向する混合チャンバ端壁と、混合チャンバ底壁から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁と、を含むことができる。少なくとも１つの出口通路が、混合チャンバ壁の１つ及びキャビティ壁の対応する１つを通って延びることができ、その結果、パージ管から混合チャンバに入る冷却流体が、混合チャンバに流入して、少なくとも１つの出口通路を通ってダイアフラムの表面に流出するようになる。
【０００７】
本発明の別の実施形態において、ターボ機械は、圧縮機セクションと、タービンセクションと、を含むことができる。圧縮機セクションは、冷却流体が該圧縮機セクションから選択的に流れる冷却流体抽出ポートを含むことができ、タービンセクションは、複数の固定構成要素及び複数の回転構成要素を含むことができる。少なくとも１つの固定構成要素は、外側部分に形成されたキャビティを有するダイアフラムを含むことができ、該キャビティは、実質的に円周方向のキャビティ内側壁と、該キャビティ内側壁から実質的に半径方向に離れて延びる対向する前方及び後方キャビティ側壁と、を有する。固定構成要素はまた、ダイアフラムから半径方向に離れて延びる複数のベーンを含むことができ、各回転構成要素は、タービンホイールを含むことができる。ターボ機械が更に、抽出ポートと流体連通した冷却流体回路を含むことができ、また、抽出ポートと流体連通した冷却通路入口からそれぞれのベーンの半径方向内側端部にある冷却通路出口まで延びる、各ベーンの冷却通路を有することができる。半径方向内側端部にて冷却通路出口と流体連通した各ベーンのパージ管は、ベーンの少なくとも１つのペアと流体連通してキャビティ内に形成された混合チャンバと共に、冷却流体回路の一部とすることができ、混合チャンバは、円周方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ端壁と、混合チャンバ底壁から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁と、を含む。加えて、冷却回路は、ベーンの少なくとも１つのペアの各パージ管から混合チャンバの端壁まで延び、端壁を通じてそれぞれのパージ管と混合チャンバとの間の流体連通を各々が提供するそれぞれのコネクタと、混合チャンバ壁及び対応するキャビティ壁のうちの１つを通って形成される少なくとも１つの出口通路と、を含み、少なくとも１つの出口通路が壁に対して傾斜されて、その結果、パージ管から混合チャンバに入る冷却流体が、混合チャンバに流入して、ダイアフラムの表面に実質的に平行な速度成分を有してダイアフラムの表面にて少なくとも１つの出口通路を通って流出するようになる。
【０００８】
追加の特徴及び利点は、本発明の手法によって実現される。本発明の他の実施形態及び態様は、本明細書において詳細に説明され、請求項に記載された本発明の一部とみなされる。本発明をその利点及び特徴と共に一層よく理解するために、本明細書及び図面を参照されたい。
【０００９】
本発明とみなされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本明細書で開示される本発明の実施形態が作動可能な環境を例示した、ターボ機械（ここではガスタービン）の概略断面図。
【図２】本明細書で開示される本発明の実施形態による冷却回路を含むタービンの一部の概略断面図。
【図３】本明細書で開示される本発明の実施形態によるダイアフラムの一部に装着された混合チャンバの概略立面図。
【図４】本明細書で開示される本発明の実施形態による、取り付けられたベーンを含む、図３に示す混合チャンバの概略上面図。
【図５】本明細書で開示される本発明の実施形態による、混合チャンバ及びその接続部をより詳細に示した、図２に示す冷却回路の下側部分の概略側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の図面は必ずしも縮尺通りではない点に留意されたい。当該図面は、本発明の典型的な態様のみを描くことを意図しており、従って、本発明の範囲を限定するものとみなすべきではない。図面間で同じ符号が付けられた要素は、互いに関して説明するのに実質的に同様とすることができる。更に、図１〜図５に示され説明される実施形態において、同じ参照符号は同じ要素を示すことができる。これらの要素の冗長的な説明は、明確にするために省略している。最後に、図１〜９の構成要素及び／又はそれらに伴う記載は、本明細書で記載される何れの実施形態にも適用することができることを理解されたい。
【００１２】
概略的には、本明細書で開示される本発明の実施形態は、従来３つの段を提供していたスペース内で４つの段を提供する、より小型のガスタービンエンジンにおける冷却流体調整を可能にする。従って、このエンジンでは軸方向スペースが制限され、圧縮機送給パージ流などの冷却流体を送給するシステムは、従来のエンジンのシステムに比べて利用可能なスペースが２５％少ない。本明細書で開示される本発明の実施形態は、ダイアフラムに形成され且つベーンからパージ管に接続された混合チャンバを設けて、エンジンの圧縮機及び混合チャンバの側壁を通る少なくとも１つの出口通路から、ダイアフラムを通ってダイアフラム表面へ及びひいてはダイアフラムに隣接するホイールスペースへのパージ流のような冷却流体を受け取り、縮小された利用可能スペースにおける熱伝達流れ特性を維持することによって、このことに対処する。詳細には、混合チャンバ及びダイアフラムの前方壁に１又はそれ以上の出口通路を形成することで、性能の改善をもたらすことができ、ダイアフラムの直径表面に実質的に平行な速度成分を誘起するよう出口通路を傾斜させることで、特に速度成分がダイアフラムの実質的に円周方向及び／又は出口通路及び／又はダイアフラムに隣接したタービンホイールの回転方向に対して接線方向にあるときに、性能を更に向上させることができる。
【００１３】
本発明の１又はそれ以上の特定の実施形態について、以下で説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実施構成の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実施構成毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実施時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。その上、このような取り組みは複雑で多大な時間を必要とする場合があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。
【００１４】
詳細な例示的実施形態が本明細書で開示される。しかしながら、本明細書に開示した特定の構造的且つ機能的詳細は、単に例示的実施形態を説明する目的で示したに過ぎない。しかしながら、本発明の実施形態は、多くの別の形態として具現化することができ、本明細書に記載した実施形態のみに限定されるものと解釈すべきではない。
【００１５】
従って、例示的な実施形態は、種々の修正及び代替形態が可能であるが、この実施形態は、図面において例証として示されており、本明細書において詳細に説明する。しかしながら、開示した特定の形態に例示的な実施形態を限定する意図はなく、逆に例示的な実施形態は、該例示的な実施形態の技術的範囲内にある全ての変形形態、均等形態、及び代替形態を保護すべきである点は理解されたい。
【００１６】
本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、本開示を限定するものではない。本明細書で使用される場合、単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り複数形態も含む。本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではない。
【００１７】
第１、第２、１次、２次、その他の用語は、本明細書で様々な要素を説明するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるべきでない。これらの用語は、単に、ある要素を別の要素と区別するのに使用される。例えば、第１の要素は、例示的な実施形態の範囲から逸脱することなく、第２の要素と呼ぶことができ、同様に第２の要素は第１の要素と呼ぶことができる。
【００１８】
本明細書では便宜上特定の専門用語を用いる場合があるが、これは、本発明の範囲を限定するものと解釈すべきではない。例えば、「上側」、「下側」、「左側」、「右側」、「前側」、「後側」、「頂部」、「底部」、「水平方向」、「垂直方向」、「上流側」、「下流側」、「前方」、「後方」、などの用語は、図示の構成を単に説明しているに過ぎない。実際に、本発明の実施形態の１つ又は複数の要素は、あらゆる方向に配向することができ、従って、特に明記しない限り、この用語は、このような変形形態を含むものとして理解されたい。
【００１９】
本発明は、様々な空気吸い込み式ターボ機械に適用することができる。これは、限定ではないが、高出力ガスタービン、航空機転用、及び同様のものを含むことができる。以下の検討は、図１に例示するガスタービンに関し、本発明の実施形態は、異なる構成を有するガスタービンに適用することができる。例えば、限定ではないが、本発明は、図１に示すものとは異なる構成要素又は追加の構成要素を有するガスタービンに適用することができる。
【００２０】
次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本発明の実施形態を作動させることができる環境を例示した、ガスタービンエンジンの一部の概略断面図。図１において、ガスタービン１００などのターボ機械は、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を含むことができる。
【００２１】
一般に、圧縮機セクション１０５は、流体を圧縮するよう構成された複数の回転ブレード１１０及び固定ベーン１１５を含むことができる。圧縮機セクション１０５はまた、抽出ポート１２０、内側バレル１２５、圧縮機吐出ケーシング１３０、マリッジ継手１３５、マリッジ継手ボルト１３７、及びシールシステム構成要素１４０を含むことができる。圧縮機吐出ケーシング１３０は、燃焼セクション１５０の一部及び／又はタービンセクション１８０の一部の周りに少なくとも延びることができ、以下で説明される圧縮機セクション１０５から取り出される冷却流体のバイパス流を支援することができる追加の部分１３２を含むことができる。
【００２２】
燃焼セクション１５０は、一般に、複数の燃焼缶１５５、複数の燃料ノズル１６０、及び複数の移行セクション１６５を含むことができる。燃料ノズル１６０は、燃料供給源に結合され、燃料を燃焼缶１５５に送給することができる。燃焼缶１５５は各々、圧縮機セクション１０５から圧縮空気を受け取り、該圧縮空気と、燃料供給源から燃料ノズル１６０を介して受け取った燃料とを混合することができる。空気及び燃料混合気は、点火されて作動流体を生成することができ、該作動流体は、一般に、燃料ノズル１６０の後端から下流側に移行セクション１６５を通り、タービンセクション１８０を貫通して延びる作動流体経路１６７に進むことができる。
【００２３】
タービンセクション１８０は、複数の回転構成要素１８５と、作動流体経路１６７に配置されるノズルベーン１９２及び作動流体経路１６７の実質的に外部に配置されるダイアフラム１９４を含むことができる複数の固定構成要素１９０と、複数のホイールスペース領域１９５を含むことができる。タービンセクション１８０は、回転構成要素１８５及び固定構成要素１９０を用いて作動流体から運動エネルギーを取り出すことにより、作動流体を機械的トルクに転換することができる。ダイアフラム１９４は、実質的に環状及び／又は実質的に円筒形とすることができ、ダイアフラムを形成するよう接続された複数の弓状セグメント３００（図３）を含むことができる点は理解されたい。実施形態において、複数のベーン１９２は、ダイアフラム１９４の周りに装着されて半径方向に間隔を置いて配置することができる。加えて、実施形態は、ダイアフラム１９４上及び／又はダイアフラム１９４内にベーン１９２を装着することができる。
【００２４】
通常、ガスタービン１００の作動中、複数の構成要素が高温になる可能性があり、冷却又はパージを必要とする可能性がある。これらの構成要素は、圧縮機セクション１０５の一部、マリッジ継手１３５、及びホイールスペース領域１９５を含むことができる。
【００２５】
抽出ポート１２０は、圧縮機セクション１０５から空気のような冷却流体を引き出すことができる。冷却流体は、燃焼セクション１５０をバイパスして冷却回路２００（図２に例示される）を通過し、回転構成要素１８５及び固定構成要素１９０の部品を含む種々の構成要素並びにホイールスペース領域１９５を冷却又はパージすることができる。実施形態において、バイパス冷却流体は、圧縮機吐出ケーシング１３０の追加の部分１３２を通って移動し、タービンセクション１８０の構成要素１８５の外側端部に冷却流体を提供することができる。
【００２６】
図２に示すように、ターボ機械冷却回路２００は、ベーン１９２の半径方向外側端部にてプレナム２０２を含むことができる。プレナム２０２は、圧縮機吐出ケーシング１３０の追加の部分１３２の一部として形成することができ、或いは、追加の構成要素を利用してもよいが、何れの場合においても、プレナム２０２は、最終的には抽出ポート１２０と流体連通して、そこから冷却流体を受け取るようにすることができる。冷却回路２００は、プレナム２０２から、ベーン１９２の半径方向外側端部に形成されたベーン１９２の入口２０４を通り、ベーン２０６内に形成された冷却通路２０６を通って出口２０８まで及び／又は固定構成要素１９０のベーン１９２の半径方向内側端部にあるパージ管２１０に、更にダイアフラム１９４の直径表面１９６にある出口２１８に延びる１又はそれ以上の出口通路２１６を通じて続き、冷却流体をホイールスペース１９５に供給することができる。実施形態において、パージ管２１０は、冷却通路２０６の出口２０８を含むことができる。コネクタ２１２は、混合チャンバ２１４と流体連通してパージ管２１０を配置することができ、該混合チャンバ２１４は、ダイアフラム１９４の半径方向外側部分に形成することができる。軸方向スペースを確保することもあって、このような２つのパージ管２１０及びコネクタ２１２は、混合チャンバ２１４に接続することができ、以下で説明し図示されるように、それぞれの端部に１つがあり、混合チャンバ２１４のそれぞれの端部に装着されたベーン１９２から延びる。
【００２７】
図３〜５は、本発明の実施形態の追加の詳細事項を示している。ダイアフラム１９４の弓状セグメント３００の１つの実施例が図３及び４に示され、混合チャンバ２１４が、該混合チャンバ２１４の端壁を通って各々が延びるそれぞれのコネクタ２１４を介してパージ管の少なくとも１つのペア又は２又はそれ以上のパージ管などのパージ管のセットから流体を受け取ることができることを例示している。従って、混合チャンバ２１４は、円周方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ端壁２２０，２２２と、混合チャンバの底壁２２６（図４）から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバの上壁２２４と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁２２８，２３０と、を含むことができる。出口通路２１６は、混合チャンバ側壁２２８，２３０及びダイアフラム１９４の対応する部分のうちの１又はそれ以上を通って形成することができ、２つのパージ管２１０から混合チャンバ２１４に入る冷却流体は、混合チャンバ２１４に流入して少なくとも１つの出口通路２１６を通り、混合チャンバの側壁２２８，２３０の表面に実質的に平行なダイアフラム１９４の表面１９６にて及び／又は表面１９６内のそれぞれの出口２１８から流出するようになる。図示のように、出口通路２１６は、有利には、混合チャンバ２１４の側壁及び／又はダイアフラム１９４の直径表面に対して傾斜され、流出する冷却流体において、ダイアフラム１９４のそれぞれの直径表面に実質的に平行な及び／又はその実質的に円周方向にある速度成分を誘起することができる。例えば、このような速度成分は、回転構成要素１８５の回転方向、又は回転構成要素１８５からの熱伝達を向上させるのに好適及び／又は望ましいとすることができる回転方向と反対の方向とすることができる。
【００２８】
図３及び４で分かるように、ダイアフラム１９４の弓状セグメント３００は、混合チャンバ２１４を形成することができるキャビティ３１０を含むことができる。キャビティ３１０は、半径方向内側壁３１２と、前方及び後方キャビティ側壁３１４，３１６を含むことができる。キャビティ側壁３１４，３１６の外側表面３１８は、ダイアフラム１９４の直径表面１９６の一部とすることができる。加えて、キャビティ３１０は、弓状セグメント３００の全体に沿って延びることができ、複数の弓状セグメント３００が組み付けられてダイアフラム１９４を形成したときに、キャビティ３１０は、ダイアフラム１９４の半径方向外側部分において実質的に円周方向の溝を形成することができる。このようにして組み立てられたときに、弓状セグメントの壁が組み合わされて、溝が対向する前方及び後方溝側壁と、実質的に円周方向溝の内壁とを含むことができるようになる。
【００２９】
実施形態において、図５で分かるように、混合チャンバの底壁２２６及び対向する側壁２２８，２３０は、対応するキャビティ内側及び対向する側壁３１２，３１４，３１６に適合することができるが、他の実施形態において、混合チャンバの底壁２２６及び対向する側壁２２８，２３０は、それぞれキャビティの内側壁３１２及び対向する側壁３１４，３１６を含むことができる。何れの場合においても、混合チャンバの上壁２２４は、実質的に前方キャビティ側壁３１４から後方キャビティ側壁３１６まで、並びに実質的に前方混合チャンバ側壁２２８から後方混合チャンバ側壁２３０まで延びることができる。加えて、混合チャンバ端壁２２０，２２２は、混合チャンバ上壁２２４から混合チャンバ底壁２２６及び／又はキャビティ／溝内側壁３１２まで、及び前方混合チャンバ側壁２２８及び／又は前方キャビティ／溝内側壁３１４から後方混合チャンバ側壁２３０及び／又は後方キャビティ／溝側壁３１６まで延びることができる。
【００３０】
また理解できるように、各出口通路２１６は、混合チャンバ側壁２２８，２３０及びキャビティ／溝側壁３１４，３１６の両方を通って表面１９６／３１８上の出口２１８まで延びることができ、混合チャンバ側壁に対して傾斜することができ、ここで各出口通路は、１つの混合チャンバ側壁の表面に実質的に平行な速度成分を混合チャンバから流出する流体に誘起するように形成される。また、各出口通路２１６は、１つの混合チャンバ側壁２２８，２３０及び対応するキャビティ側壁３１４，３１６に対して傾斜され、対応するキャビティ側壁３１４，３１６から流出する流体に対して、対応するキャビティ側壁３１４，３１６の表面に実質的に平行な速度成分を誘起するようにするといえる。スペース確保及び／又は熱伝達効率を享受するために出口通路２１６を前方混合チャンバ側壁２２８及び／又は前方キャビティ側壁３１４に形成することが有利とすることができる。
【００３１】
この場合も同様に、速度成分は、実施形態において実質的にターボ機械のタービンホイールの回転方向とすることができるが、他の実施形態では、速度成分は、ターボ機械のタービンホイールの回転方向と反対方向とすることができる。図２〜４に示すように、パージ管２１０と混合チャンバ２１４との間のコネクタ２１２は、実質的にダイアフラム１９４の直径平面に形成することができ、混合チャンバ２１４の端壁２２０，２２２を通ってダイアフラム１９４の実質的に円周方向に延びることができる。
【００３２】
従って、ターボ機械冷却システムの１つの実施例は、実施形態に従って例示され、ターボ機械１００の圧縮機セクション１０５において、冷却流体が圧縮機セクション１０５から選択的に流れる冷却流体抽出ポート１２０を含むことができる。圧縮機吐出ケーシング１３０の追加の部分１３２によって形成することができる、及び／又はプレナム２０２を含むことができるような冷却流体導管は、抽出ポート１２０並びにターボ機械１００のタービンセクション１８０における固定構成要素１９０のベーン１９２のペアの冷却通路入口２０４と流体連通することができる。ベーン１９２は、ダイアフラム１９４の外周に実質的に隣接した半径方向内側端部で装着することができ、ダイアフラム１９４の外周に形成されたキャビティ３１０は、ダイアフラム１９４の実質的に円周方向に延びるキャビティ内側壁３１２と、該キャビティ内側壁３１２から実質的に半径方向に離れて延びる対向する前方及び後方キャビティ側壁３１４，３１６と、を含むことができる。ベーン１９２の半径方向内側端部におけるパージ管２１０は、冷却通路２０６並びにキャビティ３１０に形成された混合チャンバ２１４と流体連通することができる。図示され説明されるように、混合チャンバ２１４は、対向する混合チャンバ端壁２２０，２２２と、該混合チャンバ端壁２２０，２２２から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁２２４と、対向する前方及び後方キャビティ側壁２２８，２３０と、を含むことができる。少なくとも１つの出口通路２１６は、混合チャンバ側壁２２８，２３０のうちの１つを通り、及びキャビティ側壁３１４，３１６の対応する１つを通って延びることができ、その結果、パージ管２１０から端壁２２０，２２２を通って混合チャンバ２１４に入る冷却流体が、混合チャンバ２１４に流入して少なくとも１つの出口通路２１６を通り、ダイアフラム１９４の表面１９６に流出するようになる。
【００３３】
複数のベーン１９２は、ダイアフラム１９４の周りに装着されて円周方向に間隔を置いて配置することができ、ダイアフラム１９４は、複数の弓状セグメント３００を含むことができ、該弓状セグメント３００は各々、それぞれの弓状セグメント３００上に装着されたベーン１９２のそれぞれのペアのパージ管２１０のペアに接続されたそれぞれの混合チャンバ２１４を含む。図の実施例に示されるように、各弓状セグメント３００は、該弓状セグメント３００のそれぞれのキャビティ３１０においてそれぞれの混合チャンバ２１４に接続された２つのベーン１９２を含むことができる。実施形態において、組み付けられた弓状セグメント３００のキャビティ３１０は、実質的に円周方向の溝をダイアフラム１９４の周りに形成することができ、従って、各弓状セグメント３００は、実質的に円周方向の溝の一部を含む。加えて、各弓状セグメント３００は、２つのベーン１９２を含むことができ、混合チャンバ２１４のそれぞれの端部上に１つのベーンがあり、それぞれのパージ管２１０が混合チャンバ２１４のそれぞれの端部に配置されるようになる。
【００３４】
従って、実施形態は、冷却流体抽出ポート１２０を含む圧縮機セクション１０５を備え、該冷却流体抽出ポート１２０を通って冷却流体が圧縮機セクション１０５から選択的に流れ、複数の固定構成要素１９０及び複数の回転構成要素１８５を含むタービンセクション１８０を更に備えたターボ機械１００の形態をとることができる。少なくとも１つの固定構成要素１９０は、実質的に円周方向のキャビティ内側壁３１２と該キャビティ内側壁３１２から実質的に半径方向に離れて延びる対向する前方及び後方キャビティ側壁３１４，３１６とを有して外側部分に形成されたキャビティ３１０を有するダイアフラム１９４と、ダイアフラム１９４から半径方向に離れて延びる複数のベーン１９２とを含むことができる。各回転構成要素１８５は、タービンホイールを含むことができる。冷却回路２００は、抽出ポート１２０と流体連通することができ、抽出ポート１２０と流体連通した冷却通路入口２０４からそれぞれのベーン１９２の半径方向内側端部にある冷却通路出口２０８まで延びる各ベーン１９２の冷却通路２０６と、半径方向内側端部にて冷却通路出口２０８と流体連通した各ベーン１９２のパージ管２１０と、ベーン１９２のペアと流体連通してキャビティ３１０内に形成された混合チャンバ２１４と、を含むことができる。混合チャンバ３１４は、円周方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ端壁２２０，２２２と、混合チャンバ底壁２２６から半径方向に間隔を置いて配置された混合チャンバ上壁２２４と、対向する前方及び後方混合チャンバ側壁２２８，２３０と、を含むことができる。冷却回路２００は更に、ベーン１９２のペアの各パージ管２１０から混合チャンバ２１４のそれぞれの端壁２２０，２２２まで延びるそれぞれのコネクタ２１２を含むことができ、各コネクタ２１２は、それぞれの端壁２２０，２２２を通じてそれぞれのパージ管２１０と混合チャンバ２１４との間の流体連通を提供する。冷却回路２００は更に、混合チャンバ側壁２２８，２３０及び対応するキャビティ側壁３１４，３１６のうちの１つを通って形成される少なくとも１つの出口通路２１６を含むことができ、また、該側壁に対して傾斜されて、パージ管２１０から混合チャンバ２１４に入る冷却流体が、混合チャンバ２１４に流入することができ且つダイアフラム１９４の表面１９６に実質的に平行な速度成分を有してダイアフラム１９４の表面１９６にて少なくとも１つの出口通路２１６を通じて流出できるようにする。ダイアフラム１９４は、該ダイアフラム１９４上に装着されたベーン１９２のそれぞれのペアに接続される複数の混合チャンバ２１４を含むことができる。加えて、ダイアフラム１９４は、複数の弓状セグメント３００を含むことができ、弓状セグメントの各キャビティ３１０は、ダイアフラム１９４の実質的に円周方向の溝の一部とすることができ、各弓状セグメント３００は、混合チャンバ２１４のそれぞれの端部上に装着されたベーン１９２のそれぞれのペアのそれぞれのペアのパージ管２１０と流体連通したそれぞれの混合チャンバ３１４を含むことができる。
【００３５】
上記で示唆されるように、混合チャンバ底壁及び側壁２２６，２２８，２３０は、それぞれキャビティ内側壁３１２及びキャビティ側壁３１４，３１６を含むことができ、混合チャンバ上壁２２４は、前方キャビティ側壁３１４から後方キャビティ側壁３１６まで延びることができ、対向する混合チャンバ端壁２２０，２２２は、前方キャビティ側壁３１４から後方キャビティ側壁３１６まで及びキャビティ内側壁３１２から混合チャンバ上壁２２４まで延びることができる。コネクタ２１２は、実質的にダイアフラム１９４の直径平面に形成され、混合チャンバ２１４のそれぞれの端壁２２０，２２２を通ってダイアフラム１９４の実質的に円周方向に延びることができる。
【００３６】
本明細書で開示される本発明の実施形態を利用すると、冷却流体が分配されるダイアフラムの前方に配置されたタービンホイールからの効率的な熱伝達を依然として可能としながら、より小型のガスタービンを形成することができる。出口通路をダイアフラムから傾斜させることによって、タービンホイールの回転に対してなど、熱伝達及び／又は流れ特性を高めるような速度成分を冷却流体に誘起することができる。およそ２５％の軸方向スペース節減を享受することができ、従来では３つのタービン段で占有されていたスペースに４つのタービン段を実装することが可能となる。
【００３７】
加えて、例えば、パージ管から混合チャンバに意図的に位置ずれして流入する空気ジェットを構成することに有意な利点がある。ジェットが整列されている場合には、混合に起因したより大きな圧力損失が存在し、低効率設定となる可能性がある。ジェットが位置ずれしている場合には、混合損失を低減することができる。これは、パージ管を半径方向及び／又は軸方向でオフセットすることにより、又は、パージ管をエンジンの直径又は外周に対して異なる角度で配向することにより、実現することができる。
【００３８】
更に、ジェットが特定の方式でオフセットされている場合、混合チャンバにスワール流パターンを生成することができ、これにより、孔を通じてホイールスペースに流出する空気がより容易に供給されることになる。これは、圧力損失を低下させ、より効率的な設計を可能にすることができる。例えば、図４を参照すると、左側管体２１２が上方（後方）に傾斜し、右側管体２１２が、下方（前方）に傾斜している場合、時計回りのスワール流が確立され、出口孔２１８により容易に流入できるようになる。
【００３９】
本明細書で開示される本発明の実施形態は、混合チャンバ及び／又はダイアフラムの少なくとも１つの側壁を通って延びる少なくとも１つの出口通路に関して説明してきた。側壁を通る出口通路を用いると特に有利とすることができるが、出口通路はまた、実施形態において混合チャンバの底壁及びダイアフラムの内側壁を通って延びることができる。
【００４０】
本発明の種々の実施形態の説明は、例証の目的で提示されており、開示された実施形態に限定されるものではない。本開示の技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに多くの修正及び変更を行えることは、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場において見られる技術に優る特定用途又は技術上の改善を最もよく説明し、或いは、他の当業者が本明細書で開示される実施形態を利用することを可能にするために選択されたものである。
【符号の説明】
【００４１】
１００  ターボ機械／ガスタービン
１０５  圧縮機セクション
１１０  回転ブレード
１１５  固定ベーン
１２０  抽出ポート
１２５  内側バレル
１３０  圧縮機吐出ケーシング
１３２  追加部分
１３５  マリッジ継手
１３７  マリッジ継手ボルト
１４０  シールシステム構成要素
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
１６７  作動流体経路
１８０  タービンセクション
１８５  回転構成要素
１９０  固定構成要素
１９２  ベーン
１９４  ダイアフラム
１９５  ホイールスペース領域
１９６  表面
２００  ターボ機械冷却回路
２０２  プレナム
２０４  冷却通路入口
２０６  冷却通路
２０６  ベーン
２０８  冷却通路出口
２１０  パージ管
２１２  コネクタ
２１２  管体
２１４  混合チャンバ
２１６  出口通路
２１８  出口
２２０，２２２  混合チャンバ端壁
２２４  混合チャンバ上壁
２２６  混合チャンバ底壁
２２８  混合チャンバ側壁
２３０  後方混合チャンバ側壁
３００  弓状セグメント
３１０  キャビティ
３１２  キャビティ／溝内側壁
３１４，３１６  キャビティ／溝側壁
３１８  外側表面
【図１】
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【図２】
2017089618.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2017089618.tif 000007
【外国語明細書】
2017089618000001.pdf