(57)【要約】      （修正有）【課題】圧縮機ブリード空気を調和するためのシステム及び方法を提供する。【解決手段】タービンエンジン組立体１０は、圧縮機１４、１６と、該圧縮機と流れ連通して結合された空気ダクト３２と、を含む。空気ダクトは、圧縮機からのブリード空気を送るよう構成される。本組立体はまた、空気ダクトと流れ連通して結合された流体供給システム３４を含み、該流体供給システムは、流体の流れを空気ダクトに向けて送り、タービンエンジン組立体の作動状態に基づいてブリード空気の温度を調整するように構成されている。【選択図】図１
2017078407.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン組立体（１０）であって、
圧縮機（１４，１６）と、
各々圧縮機と流れ連通して結合され、各々圧縮機からブリード空気の流れ（７０）を送るように構成された空気ダクト（３２）と、
前記空気ダクトと流れ連通して結合され、流体の流れ（７０）を前記空気ダクトに向けて送り、前記タービンエンジン組立体の作動状態に基づいて前記ブリード空気の温
度を調整するように構成された流体供給システム（３４）と、
を備える、タービンエンジン組立体（１０）。
【請求項２】
前記流体供給システムが、水供給源（３６）及び蒸気供給源（３８）を含み、前記流体供給システムは、水又は蒸気の一方を前記空気ダクトに向けて選択的に送るよう構成されている、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項３】
前記流体供給システムは、前記水供給源から排出される水を予熱するように構成された熱交換装置（５０）を含む、請求項２に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項４】
前記流体供給システムは、前記タービンエンジン組立体が定常作動状態にあるときに、予め設定された閾値よりも低温の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成され、前記タービンエンジン組立体が過度作動状態にあるときに、前記予め設定された閾値よりも高い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成されている、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項５】
前記流体供給システムは、前記タービンエンジン組立体が予め設定された負荷率閾値を上回って作動しているときに、予め設定された閾値よりも低い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成され、前記タービンエンジン組立体が予め設定された負荷率閾値を下回って作動しているときに、前記予め設定された閾値よりも高い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成されている、請求項４に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項６】
前記流体供給システムは、前記流体の流れと前記ブリード空気の流れが前記空気ダクト内で混合されるように、前記流体の流れを前記空気ダクトに注入するように構成された少なくとも１つのノズル（７２）を含む、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項７】
前記流体供給システムは、前記流体の流れを前記空気ダクトの外面（６８）上に排出するように構成された少なくとも１つのノズル（７２）を含む、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項８】
前記圧縮機から下流側に位置付けられたタービン（２０，２２，２４）を更に備え、前記タービンが、前記空気ダクトから排出されたブリード空気の流れを受け取るように構成された少なくとも１つの高温ガス経路の構成要素を備える、請求項１に記載のタービンエンジン組立体（１０）。
【請求項９】
圧縮機（１４，１６）を含むタービンエンジン組立体（１０）において圧縮機ブリード空気を冷却するのに用いるシステムであって、
前記システムが、
前記圧縮機と流れ連通して結合され、前記圧縮機からブリード空気の流れ（７０）を送るように構成された空気ダクト（３２）と、
前記空気ダクトと流れ連通して結合され、流体の流れ（７０）を前記空気ダクトに向けて送り、前記タービンエンジン組立体の作動状態に基づいて前記ブリード空気の温度を調整するように構成された流体供給システム（３４）と、
を備える、システム。
【請求項１０】
前記流体供給システムが、水供給源（３６）及び蒸気供給源（３８）を含み、前記流体供給システムは、水又は蒸気の一方を前記空気ダクトに向けて選択的に送るよう構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記流体供給システムは、前記水供給源から排出される水を予熱するように構成された熱交換装置（５０）を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記流体供給システムは、前記タービンエンジン組立体が定常作動状態にあるときに、予め設定された閾値よりも低い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成され、前記タービンエンジン組立体が過度作動状態にあるときに、前記予め設定された閾値よりも高い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成されている、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記流体供給システムは、前記タービンエンジン組立体が予め設定された負荷率閾値を上回って作動しているときに、予め設定された閾値よりも低い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成され、前記タービンエンジン組立体が予め設定された負荷率閾値を下回って作動しているときに、前記予め設定された閾値よりも高い温度の流体を前記空気ダクトに向けて送るように構成されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記流体供給システムは、前記流体の流れと前記ブリード空気の流れが前記空気ダクト内で混合されるように、前記流体の流れを前記空気ダクトに注入するように構成された少なくとも１つのノズル（７２）を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記流体供給システムは、前記流体の流れを前記空気ダクトの外面（６８）上に排出するように構成された少なくとも１つのノズル（７２）を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
タービンエンジン組立体（１０）を作動させる方法であって、
ブリード空気の流れ（７０）を送る空気ダクト（３２）に向けて流体の流れ（７０）を送るステップと、
前記タービンエンジン組立体の作動状態に基づいて、前記ブリード空気の温度が調整されるように前記流体の流れの前記空気ダクトへの注入又は前記流体の流れの前記空気ダクトの外面（６８）上への排出のうちの少なくとも一方を実施するステップと、
を含む、方法。
【請求項１７】
前記排気ダクトからのブリード空気を前記タービンエンジン組立体内の少なくとも１つの高温ガス経路の構成要素に向けて排出するステップを更に含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記流体の流れを送るステップが、水供給源からの水の流れを前記空気ダクトに向けて送るステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記水供給源から排出される水の流れを予熱するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記流体の流れを送るステップが、熱回収蒸気発生器を含む蒸気供給源からの蒸気の流れを前記空気ダクトに向けて送るステップを含む、請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、全体的に、タービンエンジンに関し、より具体的には、圧縮機ブリード空気を調和するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、直列流れ関係で共に結合された、少なくとも１つの圧縮機、燃焼器及び高圧タービンを含む。より具体的には、圧縮機及び高圧タービンは、シャフトを通じて結合されて、高圧ロータ組立体を形成する。タービンエンジンに流入する空気は、燃料と混合されて点火され、高エネルギーのガスストリームを形成する。高エネルギーのガスストリームは、高圧タービンを通過して該高圧タービンを回転駆動し、その結果、シャフトが圧縮機を回転駆動するようになる。ガスストリームは、高圧タービンから排出された後、高圧タービンの後方に位置付けられた低圧タービンを流れるときに膨張し続ける。低圧タービンは、駆動シャフト及びファンに結合されたロータ組立体を含む。低圧タービンは、駆動シャフトを介してファンを回転駆動する。一部の実施形態において、タービンから排出されたガスストリームは、熱回収蒸気発生器に流される。このようにして、蒸気が生成され、該蒸気は、蒸気タービン組立体に送られて、更に出力を生成する。
【０００３】
多くの最近の商用タービンエンジンは、エンジン性能及び効率の向上を促進させるため、益々高温で作動している。しかしながら、より高い温度で作動すると、長い作動期間の間に高温ガス経路の構成要素に損傷を与える可能性がある。そのため、少なくとも一部の既知のタービンエンジンは、高温ガス経路の構成要素の温度を低下させることができる能動的冷却システムを含む。例えば、高温ガス経路の構成要素は、通常、高圧圧縮機から排出される圧縮機ブリード空気の流れを用いて冷却される。一部の用途において、圧縮機ブリード空気は、冷却の目的で高温ガス経路の構成要素に向けて送られる前に冷却される。しかしながら、圧縮機から大量にバイパス空気をブリード（抽気）すると、全体のエンジン効率が低下する結果を招く可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６，８９２，５２３号明細書
【発明の概要】
【０００５】
タービンエンジン組立体が提供される。本組立体は、圧縮機と、該圧縮機と流れ連通して結合された空気ダクトと、を含む。空気ダクトは、圧縮機からのブリード空気を送るよう構成される。本組立体はまた、空気ダクトと流れ連通して結合された流体供給システムを含み、該流体供給システムは、流体の流れを空気ダクトに向けて送り、タービンエンジン組立体の作動状態に基づいてブリード空気の温度を調整するように構成されている。
【０００６】
別の態様において、圧縮機を含むタービンエンジン組立体において圧縮機ブリード空気を冷却するのに用いるシステムが提供される。本システムは、圧縮機と流れ連通して結合された空気ダクトを含む。空気ダクトは、圧縮機からのブリード空気の流れを送るように構成されている。本システムはまた、空気ダクトと流れ連通して結合された流体供給システムを含み、該流体供給システムは、流体の流れを空気ダクトに向けて送り、タービンエンジン組立体の作動状態に基づいてブリード空気の温度を調整するように構成されている。
【０００７】
更に別の態様において、タービンエンジン組立体を作動させる方法が提供される。本方法は、ブリード空気の流れを送る空気ダクトに向けて流体の流れを送るステップと、流体の流れの空気ダクトへの注入又は流体の流れの空気ダクトの外面上への排出のうちの少なくとも一方を実施して、タービンエンジン組立体の作動状態に基づいてブリード空気の温度が調整されるようにするステップと、を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】例示的なタービンエンジン組立体の概略図。
【図２】図１に示すタービンエンジン組立体と共に用いることができる高圧タービンの一部の断面図。
【図３】本開示の第１の実施形態による、図１に示すタービンエンジン組立体と共に用いることができる空気ダクトの断面図。
【図４】本開示の第２の実施形態による、図１に示すタービンエンジン組立体と共に用いることができる空気ダクトの断面図。
【図５】本開示の第３の実施形態による、図１に示すタービンエンジン組立体と共に用いることができる空気ダクトの断面図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本開示の実施形態は、圧縮機ブリード空気の温度を調整するのに使用するシステムを含むタービンエンジン組立体に関する。より具体的には、本明細書で記載されるタービンエンジン組立体は、圧縮機ブリード空気と、該圧縮機ブリード空気の温度よりも高温又は低温の１又はそれ以上の流体源との間で熱を伝達する熱交換器と、を含む。例えば、圧縮機ブリード空気を冷却することで、ガスタービンのタービンセクションにおける１又はそれ以上の高温ガス経路の構成要素を冷却するのに必要な量のブリード空気を低減することができる。加えて、圧縮機ブリード空気を加熱することで、加熱されたブリード空気は、ガスタービンが過渡運転状態にあるときに異なる割合で温度が上昇又は降下するガスタービンの回転構成要素と固定構成要素との間の熱勾配を低減することが可能となる。従って、本開示の実施形態は、タービンケーシング及び高温ガス経路の構成要素に熱管理上の恩恵を提供し、タービンエンジン組立体の作動状態に基づいて圧縮機ブリード流れを低減する。本明細書で記載される実施形態はまた、内側及び外側タービンケーシングの熱成長を管理する機能を提供し、これによりタービンエンジンのタービン組立体におけるブレード先端クリアランスの縮小を可能にする。
【００１０】
本明細書で使用される用語「軸方向」及び「軸方向に」とは、タービンエンジンの中心線に実質的に平行に延びる方向及び向きを意味する。更に、用語「半径方向」及び「半径方向に」とは、タービンエンジンの中心線に実質的に垂直に延びる方向及び向きを意味する。加えて、本明細書で使用される用語「円周方向」及び「円周方向に」とは、タービンエンジンの中心線の周りで弓状に延びる方向及び向きを意味する。
【００１１】
図１は、例示的なタービンエンジン組立体１０の概略図である。例示的な実施形態において、タービンエンジン組立体１０は、低圧圧縮機１４、高圧圧縮機１６、及び高圧圧縮機１６から下流側に位置付けられる燃焼器組立体１８を備えたガスタービンエンジン１２を含む。ガスタービンエンジン１２はまた、燃焼器組立体１８から下流側に位置付けられる高圧タービン２０と、高圧タービン２０から下流側に位置付けられる低圧タービン２２と、低圧タービン２２から下流側に位置付けられる出力タービン２４とを備える。
【００１２】
作動時には、吸入空気２６の流れは、低圧圧縮機１４を通って送られ、圧縮空気の流れは、低圧圧縮機１４から高圧圧縮機１６に送られる。圧縮空気は、高圧圧縮機１６から排出されて、燃焼器組立体１８に向けて送られ、ここで空気が燃料と混合されて燃焼し、高圧タービンに向けて排出される燃焼ガスの流れを形成する。燃焼器組立体１８から排出される燃焼ガスの流れは、ガスタービンエンジン１２の中心線２８の周りに高圧タービン２０を駆動し、また、燃焼ガスの流れは、タービン２０及び２２を通じて送られ、次いでガスタービンエンジン１２から排気ガス３０の流れの形態で排出される。
【００１３】
タービンエンジン組立体１０はまた、高圧圧縮機１６と流れ連通して結合され、圧縮機ブリード空気の流れをタービン２０及び２２に向けて送るよう構成された空気ダクト３２を含む。以下でより詳細に記載されるように、圧縮機ブリード空気は、タービン２０及び２２に向けて送られて、例えば、タービンケーシング及び高温ガス経路の構成要素に対して熱管理を提供する。本明細書で使用される「高温ガス経路」は、ガスタービンエンジン１２内の燃焼ガスのための流路を意味し、「高温ガス経路の構成要素」は、高温ガス経路内の燃焼ガスに接触する何らかの構成要素を意味する。代替の実施形態において、圧縮機ブリード空気はまた、他の冷却及び／又は加熱目的でも用いることができる。例えば、ブリード空気は、ロータ組立体のホイールスペース内の流体をパージするのに用いることができる。
【００１４】
例示的な実施形態において、タービンエンジン組立体１０は、空気ダクト３２と流れ連通して結合された流体供給システム３４を含む。流体供給システム３４は、流体の流れを空気ダクト３２に向けて送り、タービンエンジン組立体１０の作動状態に基づいてブリード空気の温度を調整する。より具体的には、流体のタイプ又は流体の温度のうちの少なくとも１つが、ガスタービンエンジン１２の作動状態に基づいて選択される。
【００１５】
例えば、１つの実施形態において、流体供給システム３４は、水供給源３６と、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）４０として具現化される蒸気供給源３８とを含む。ＨＲＳＧ４０は、ガスタービンエンジン１２から下流側に位置付けられて、排気ガス３０から廃熱を回収するようにする。このため、水管路４２及び蒸気管路４４は、流体の流れを制御バルブ４６に向けて送る。コントローラ４８は、制御バルブ４６と通信状態で結合され、水又は蒸気の一方を空気ダクト３２に向けて選択的に送ることができるよう動作可能である。代替の実施形態において、蒸気は、流体供給システム３４が本明細書で記載されるように機能することを可能にする何れかの供給源から供給することができる。
【００１６】
１つの実施形態において、コントローラ４８は、高圧タービン２０におけるブレード先端クリアランスを監視することができ、クリアランスデータ、エンジン出力データ、及び圧縮機ブリード空気の温度に基づいて管路４２及び４４を通って送られる流体の質量流量及び温度を調整することができる。
【００１７】
上述のように、空気ダクト３２に向けて送られる流体のタイプ又は温度のうちの少なくとも１つが、ガスタービンエンジン１２の作動状態に基づいて選択される。より具体的には、この選択は、空気ダクト３２を通って送られるブリード空気が、タービン２０及び２２に向けて送られる前に冷却又は加熱されるかどうかに基づいている。ブリード空気の流れを冷却することにより、例えば、定常作動状態でのガスタービンエンジン１２内の固定構成要素と回転構成要素との間のクリアランス制御に使用される場合のブリード空気の冷却効率が改善される。また、ブリード空気の流れを冷却することにより、上述のように圧縮機１６からブリードされることになる所要の空気量を低減することができる。更に、流体供給システム３４は、ガスタービンエンジン１２内の固定構成要素及び回転構成要素が過度作動状態の間に同様の割合で温度が上昇又は降下するように、ブリード空気の流れを加熱する選択肢を与える。
【００１８】
１つの実施形態において、流体供給システム３４は、ガスタービンエンジン１２が定常作動状態にある場合又は所定の出力を生成している場合に、予め設定された閾値よりも低い温度の流体を空気ダクト３２に向けて送り、ガスタービンエンジン１２が過渡作動状態にある場合に、予め設定された閾値よりも高い温度の流体を空気ダクト３２に向けて送る。更に具体的には、流体供給システム３４は、ガスタービンエンジン１２が予め設定された負荷率閾値を超えて作動している場合に、予め設定された閾値よりも低い温度の流体を送り、ガスタービンエンジン１２が予め設定された負荷率閾値を下回って作動している場合に、予め設定された閾値よりも高い温度の流体を送る。１つの実施形態において、予め設定された負荷率閾値は、ベース負荷運転の約８０パーセント〜約９０パーセントの範囲内に定められる。
【００１９】
ブリード空気の流れを冷却する場合、流体供給システム３４は、予め設定された閾値を下回る温度の水又は蒸気を水供給源３６又は蒸気供給源３８から空気ダクト３２に向けて送る。１つの実施形態において、熱交換装置５０は、水供給源３６と空気ダクト３２との間に位置付けられる。熱交換装置５０は、水供給源３６から排出される水を予熱する。水を予熱することにより、空気ダクト３２のような相対的に高温の構成要素に対する水接触時の熱応力を低減することができる。或いは、空気ダクト３２に送られる水を予熱するために、あらゆる好適な加熱システムを用いることができる。
【００２０】
ブリード空気の流れを加熱する場合、流体供給システム３４は、予め設定された閾値よりも高い温度の蒸気を蒸気供給源３８から空気ダクト３２に向けて送る。代替の実施形態において、予め設定された閾値を下回る温度の水又は蒸気が空気ダクト３２に向けて送られて、水又は蒸気が予め設定された閾値よりも高い温度を有するように追加の熱が与えることができる。追加の熱は、限定ではないが、排気ガス３０からの熱又は軸受潤滑油からの熱を含む、ガスタービンエンジン１２からの廃熱のような供給源によって提供することができる。
【００２１】
図２は、タービンエンジン組立体１０（図１に示す）と共に用いることができる高圧タービン２０の一部の断面図である。例示的な実施形態において、タービン２０は、外側タービンケーシング５２と、該外側タービンケーシング５２から半径方向内向きに位置付けられる内側タービンケーシング５４とを含む。第１の空気ダクト５６は、圧縮機１６からブリード空気の第１の部分を送り、第２の空気ダクト５８は、圧縮機１６からブリード空気の第２の部分を送る。第１の部分のブリード空気は、圧縮機１６の後段からブリードされる結果として、第２の部分よりも一般に高温である。そのため、ブリード空気の第１の部分は、タービン２０内の第１のノズル（図示せず）の熱管理に使用する前に、ケーシング５２及び５４間に定められる第１のプレナム６０を通じて送られる。同様に、ブリード空気の第２の部分は、ケーシング５２及び５４間に定められる第２のプレナム６２を通じて送られて、タービン２０内の内側タービンケーシング５４及び第２のノズル（図示せず）の熱管理に使用される。
【００２２】
上述のように、流体供給システム３４は、流体の流れを空気ダクト３２に向けて送り、そこを通って送られるブリード空気の温度を調整する。以下でより詳細に記載されるように、流体供給システム３４は、流体の流れを空気ダクト５６及び５８に注入して、流体の流れとブリード空気の流れが混合されるようにするか、或いは、流体の流れが空気ダクト５６及び５８の外面に排出されて、これらの間での熱伝達を促進するようにする。
【００２３】
図３〜５は、本開示の第１、第２、及び第３の実施形態による、タービンエンジン組立体１０（図１に示す）と共に用いることができる空気ダクト３２の断面図である。３を参照すると、空気ダクト３２は、側壁６６により定められる内部６４を含み、側壁６６は、外面６８を含む。ブリード空気の流れ７０は、空気ダクト３２の内部６４を通って送られる。
【００２４】
更に、例示的な実施形態において、流体供給システム３４（図１に示す）は、そこから流体の流れ７４を排出するための少なくとも１つのノズル７２を含む。より具体的には、ノズル７２の少なくとも一部は、空気ダクト３２の側壁６６を通って延び、空気ダクト３２内に流体の流れ７４を注入する。このようにして、ブリード空気の流れ７０の温度は、流体の流れ７４とブリード空気の流れ７０が空気ダクト３２内で混合されたときに調整される。
【００２５】
図４を参照すると、少なくとも１つのノズル７２が、空気ダクト３２の外面６８から所定距離に位置付けられる。ノズル７２は、流体の流れ７４を空気ダクト３２の外面６８上に排出する。熱は、流体の流れ７４と空気ダクト３２との間で伝達され、これにより側壁６６の熱伝導性を介してブリード空気の流れ７０の温度を修正することができる。
【００２６】
図５を参照すると、流体供給システム３４は、空気ダクト３２の側壁６６に沿って延びて該側壁６６から半径方向外向きに位置付けられるアウタージャケット７６を含む。上述のように、１つの実施形態において、流体の流れが予熱され、高温の構成要素と冷却の目的で使用される流体との間に比較的極端な温度差が存在する場合に、空気ダクト３２のような高温構成要素に対する熱応力を低減することができる。例示的な実施形態において、流体の流れ７４は、空気ダクト３２に注入される前にアウタージャケット７６を通じて送られる。そのため、流体の流れ７４の温度は、流体供給源からノズル７２に向かって送られるときに漸次的に上昇する。
【００２７】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて種々の実施態様を説明し、また、あらゆる当業者が、あらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる組み込み方法を実施することを含む種々の実施態様を実施することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００２８】
１０  タービンエンジン組立体
１２  ガスタービンエンジン
１４  低圧圧縮機
１６  高圧圧縮機
１８  燃焼器組立体
２０  高圧タービン）
２２  低圧タービン
２４  出力タービン
２６  吸入空気
２８  中心線
３０  排気ガス
３２  空気ダクト
３４  流体供給システム
３６  水供給源
３８  蒸気供給源
４０  発生器（ＨＲＳＧ）
４２  水管路
４４  蒸気管路
４６  制御バルブ
４８  コントローラ
５０  熱交換装置
５２  外側タービンケーシング
５４  内側タービンケーシング
５６  第１の空気ダクト
５８  第２の空気ダクト
６０  第１のプレナム
６２  第２のプレナム
６４  内部
６６  側壁
６８  外面
７０  ブリード空気の流れ
７２  ノズル
７４  流体の流れ
７６  アウタージャケット
【図１】
2017078407.tif 000003
【図２】
2017078407.tif 000004
【図３】
2017078407.tif 000005
【図４】
2017078407.tif 000006
【図５】
2017078407.tif 000007
【外国語明細書】
2017078407000001.pdf