(57)【要約】      （修正有）【課題】ターボ機械の固定子と回転子との間のホイールスペースキャビティの中への冷却流量の受動流量変調システムを提供する。【解決手段】ターボ機械の固定子と回転子との間のホイールスペースキャビティの中への冷却流量の受動流量変調装置は：第１の領域内に配置された感温素子と；感温素子に結合されたピストンであって、ピストンが第２の領域まで壁を貫通して延伸し、第１の領域が第２の領域よりも高い温度である、ピストンと；第２の領域に配置され、ピストンの先端部部分によって作動される弁装置であって、弁装置が第１の領域の温度の上昇に応じて第２の領域から第１の領域の中へと角度付きオリフィスを介して冷却空気の供給を接線方向に注入する、弁装置とを含む。【選択図】図１
2017122447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の領域（３０）内に配置された感温素子（５４）と、
前記感温素子（５４）に結合されたピストン（６０）であって、前記ピストン（６０）が第２の領域（４４）まで壁を貫通して延伸し、前記第１の領域（３０）が前記第２の領域（４４）よりも高い温度である、ピストン（６０）と、
前記第２の領域（４４）に配置され、前記ピストン（６０）の先端部部分によって作動される弁装置（４２）であって、前記弁装置（４２）が前記第１の領域（３０）の温度の上昇に応じて前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中へと角度付きオリフィス（３４）を介して冷却空気（３２）の供給を接線方向に注入する、弁装置（４２）と
を備える、受動流量変調装置（３６）。
【請求項２】
前記第１の領域（３０）および前記第２の領域（４４）が、タービン（１６）内に位置する、請求項１記載の受動流量変調装置。
【請求項３】
前記第１の領域（３０）が、前記タービン（１６）の固定子（２４）と回転子（２２）との間に配置される、請求項２記載の受動流量変調装置。
【請求項４】
前記角度付きオリフィス（３４）が、プレスワールオリフィスまたは流れインデューサをさらに備える、請求項２記載の受動流量変調装置。
【請求項５】
前記第１の領域（３０）が、前記タービン（１６）のホイールスペースキャビティを含む、請求項２記載の受動流量変調装置。
【請求項６】
前記第１の領域（３０）が、回転する空気の流れを含み、前記冷却空気（３２）の供給が、前記回転する空気の流れの回転の方向（１００）に前記角度付きオリフィス（３４）を介して前記第１の領域（３０）の中へと注入される、請求項１記載の受動流量変調装置。
【請求項７】
前記第１の領域（３０）の中へと注入される前記冷却空気（３２）の供給が、前記第１の領域（３０）の前記温度のさらなる上昇に応じて増加する、請求項１記載の受動流量変調装置。
【請求項８】
前記感温素子（５４）が、熱膨張性材料（５８）を収容するハウジング（５６）を備える、請求項１記載の受動流量変調装置。
【請求項９】
感温素子（７８）と、
前記感温素子（７８）に結合されたピストン（８６）であって、前記ピストン（８６）がヘッド部分（９０）を含み、前記感温素子（７８）および前記ピストン（８６）が第１の領域（３０）に配置される、ピストン（８６）と、
第２の領域から前記第１の領域（３０）へと冷却空気（３２）の流れを供給するために、前記第２の領域から前記第１の領域（３０）の中へと延伸するオリフィス（３４）であって、前記第１の領域（３０）が前記第２の領域よりも高い温度である、オリフィス（３４）と
を備え、
前記感温素子（７８）が、前記第２の領域から前記第１の領域（３０）の中への前記冷却空気（３２）の流れを制御するために、前記オリフィス（３４）の一部分を覆って前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）を選択的に位置決めするように伸長するまたは収縮する、
受動流量変調装置（３８）。
【請求項１０】
前記オリフィス（３４）が、角度付きオリフィスを含み、前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）の先端部が、角度付き表面を含む、請求項９記載の受動流量変調装置。
【請求項１１】
前記第１の領域（３０）が、タービン（１６）のホイールスペースキャビティを含む、請求項９記載の受動流量変調装置。
【請求項１２】
タービン（１６）用の冷却システムであって、
前記タービン（１６）の第１の領域（３０）と第２の領域（４４）との間に位置するオリフィス（３４）であり、前記タービン（１６）の前記第１の領域（３０）が前記タービン（１６）の前記第２の領域（４４）よりも高い温度である、オリフィス（３４）と、
前記タービン（１６）の前記第１の領域（３０）から前記タービン（１６）の前記第２の領域（４４）へと前記オリフィス（３４）を介して冷却空気（３２）の流れを方向付けするために前記オリフィス（３４）に隣接して配置された受動流量変調装置（３６）であり、前記受動流量変調装置（３６）が、
前記第１の領域（３０）内に配置された感温素子（５４）と、
前記感温素子（５４）に結合されたピストン（６０）であり、前記ピストン（６０）が前記第２の領域（４４）まで壁を貫通して延伸する、ピストン（６０）と、
前記第２の領域（４４）に配置され、前記ピストン（６０）の先端部部分によって作動される弁装置（４２）であり、前記弁装置（４２）が前記第１の領域（３０）の温度の変化に応じて前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中へと前記オリフィス（３４）を介して前記冷却空気（３２）の流れを選択的に方向付けする、弁装置（４２）と
を含む、または
感温素子（７８）と、
前記感温素子（７８）に結合されたピストン（８６）であり、前記ピストン（８６）がヘッド部分（９０）を含み、前記感温素子（７８）および前記ピストン（８６）が前記第１の領域（３０）に配置される、ピストン（８６）と
を含み、
前記感温素子（７８）が、前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中への前記冷却空気（３２）の流れを制御するために、前記オリフィス（３４）の一部分を覆って前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）を選択的に位置決めするように前記第１の領域（３０）の温度の変化に応じて伸長するもしくは収縮する、
受動流量変調装置（３６）と、
を備える、冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示は、一般にターボ機械に関し、より詳細には、キャビティの中への冷却流量の受動流量変調に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンは、仕事を実行するために様々な航空機用途、産業用途、および発電用途において広く使用されている。このようなタービンは、周方向に載置された固定子静翼および回転動翼の交互の段を一般に含む。固定子静翼を、タービンを囲むケーシングなどの静止部品に取り付けることができ、回転動翼を、タービンの軸方向の中心線に沿って設置された回転子に取り付けることができる。蒸気、燃焼ガス、または空気などの圧縮された作業流体は、タービンを通るガス流路に沿って流れて、仕事を生み出す。固定子静翼は、回転動翼の引き続く段へと圧縮された作業流体を加速し、方向付けして、回転動翼に動きを伝え、このように回転子を回転させ、仕事を実行する。
【０００３】
タービンの様々な構成要素（例えば、動翼、ノズル、シュラウド、等）および領域（例えば、固定子と回転子との間のホイールスペース）は、典型的にはいくつかの方法で冷却されて、高温ガス流路により伝達される熱を除去する。上流の圧縮機からの圧縮空気などのガスを、１つまたは複数の冷却通路を含む少なくとも１つの冷却回路を介して供給することができ、タービンを冷却することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第９０９７０８４号明細書
【発明の概要】
【０００５】
開示の第１の態様は：第１の領域内に配置された感温素子と；感温素子に結合されたピストンであって、ピストンが第２の領域まで壁を貫通して延伸し、第１の領域が第２の領域よりも高い温度である、ピストンと；第２の領域に配置され、ピストンの先端部部分によって作動される弁装置であって、弁装置が第１の領域の温度の上昇に応じて第２の領域から第１の領域の中へと角度付きオリフィスを介して冷却空気の供給を接線方向に注入する、弁装置とを含む、受動流量変調装置を提供する。
【０００６】
開示の第２の態様は：感温素子と；感温素子に結合されたピストンであって、ピストンがヘッド部分を含み、感温素子およびピストンが第１の領域に配置される、ピストンと；第２の領域から第１の領域へと冷却空気の流れを供給するために、第２の領域から第１の領域の中へと延伸するオリフィスであって、第１の領域が第２の領域よりも高い温度である、オリフィスとを含み；感温素子が、第２の領域から第１の領域の中への冷却空気の流れを制御するために、オリフィスの一部分を覆ってピストンのヘッドを選択的に位置決めするように伸長するまたは収縮する、受動流量変調装置を提供する。
【０００７】
開示の第３の態様は：タービンの第１の領域と第２の領域との間に位置するオリフィスであって、タービンの第１の領域がタービンの第２の領域よりも高い温度である、オリフィスと；タービンの第２の領域からタービンの第１の領域へとオリフィスを介して冷却空気の流れを方向付けするためにオリフィスに隣接して配置された受動流量変調装置であって、受動流量変調装置が：第１の領域内に配置された感温素子と；感温素子に結合されたピストンであり、ピストンが第２の領域まで壁を貫通して延伸する、ピストンと；第２の領域に配置され、ピストンの先端部部分によって作動される弁装置であり、弁装置が第１の領域の温度の変化に応じて第２の領域から第１の領域の中へとオリフィスを介して冷却空気の流れを選択的に方向付けする、弁装置とを含む；または感温素子と；感温素子に結合されたピストンであり、ピストンがヘッド部分を含み、感温素子およびピストンが第１の領域に配置される、ピストンとを含む、受動流量変調装置とを含む、タービン用の冷却システムを提供する。
【０００８】
ここでは、感温素子が、第２の領域から第１の領域の中への冷却空気の流れを制御するために、オリフィスの一部分を覆ってピストンのヘッドを選択的に位置決めするように第１の領域の温度の変化に応じて伸長するまたは収縮する。
【０００９】
本開示の例示的な態様は、本明細書において説明する問題および／または論じていない他の問題を解決するように設計されている。
【００１０】
本開示のこれらの特徴および他の特徴は、開示の様々な実施形態を描いている添付の図面とともに開示の様々な態様の下記の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態によるガスタービンシステムの模式図である。
【図２】実施形態による回転子、固定子、および複数の受動流量変調（ＰＦＭ）装置の断面図である。
【図３】実施形態による閉じた位置のＰＦＭ装置の図である。
【図４】実施形態による開いた位置の図３のＰＦＭ装置の図である。
【図５】実施形態による図３および図４のＰＦＭ装置によって実現される流量変調のグラフである。
【図６】実施形態による減少した流量位置のＰＦＭ装置の図である。
【図７】実施形態による全開流量位置の図６のＰＦＭ装置の図である。
【図８】実施形態による図６および図７のＰＦＭ装置によって実現される流量変調のグラフである。
【図９】実施形態による非流れ位置のバイナリＰＦＭ装置の図である。
【図１０】実施形態による全開流量位置のバイナリＰＦＭ装置の図である。
【図１１】実施形態による図９および図１０のバイナリＰＦＭ装置によって実現される流量変調のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
開示の図面が正確な縮尺ではないことに留意されたい。図面は、開示の典型的な態様だけを描いているものであり、したがって、開示の範囲を限定するように考えるべきではない。図面では、類似の参照番号は、図面間で類似の要素を表している。
【００１３】
開示は、全体としてターボ機械、とりわけ、キャビティの中への冷却流量を受動流量変調することに関する。
【００１４】
図では、例えば図１では、「Ａ」軸は、軸方向の向きを表している。本明細書において使用するように、「軸方向の」および／または「軸方向に」という用語は、ターボ機械（特に、回転子部分）の回転の軸に実質的に平行である軸Ａに沿った対象物の相対的な位置／方向を言う。本明細書においてさらに使用するように、「半径方向の」および／または「半径方向に」という用語は、軸Ａと実質的に垂直であり、１つの場所だけで軸Ａを横切る軸（ｒ）に沿った対象物の相対的な位置／方向を言う。加えて、「周方向の」および／または「周方向に」という用語は、軸Ａを囲むが、いずれの場所でも軸Ａを横切らない周囲（ｃ）に沿った対象物の相対的な位置／方向を言う。
【００１５】
類似の参照番号がいくつかの図の全体を通して類似の要素を参照している図面をここで参照して、図１は、本明細書において使用することができるようなガスタービンシステム２の模式図を示している。ガスタービンシステム２は、圧縮機４を含むことができる。圧縮機４は、入ってくる空気６の流れを圧縮する。圧縮機４は、燃焼器１０へと圧縮空気８の流れを配送する。燃焼器１０は、圧縮空気８の流れを燃料１２の加圧された流れと混合し、混合物に点火して、燃焼ガス１４の流れを作り出す。１つの燃焼器１０が示されているに過ぎないが、ガスタービンシステム２は、任意の数の燃焼器１０を含むことができる。燃焼ガス１４の流れを、タービン１６へと順に配送する。燃焼ガス１４の流れは、タービン１６を駆動させて、機械的な仕事を生み出す。タービン１６において生み出された機械的な仕事は、シャフト１８を介して圧縮機４を駆動させ、発電機、等などの、外部負荷２０を駆動させるために使用されてもよい。
【００１６】
ガスタービンシステム２（図１）の動作中に（例えば、軸Ａに沿って）固定子２４の内側で回転するタービン回転子２２の断面図が、図２に描かれている。回転する空気２８の流れが、回転子２２の回転中に固定子２４の内側のホイールスペースキャビティ３０において作られる。複数のオリフィス３４を、固定子２４の周りに周方向に配置する。「冷たい」領域（例えば、この例では固定子２４の外部）から「熱い」領域（例えば、ホイールスペースキャビティ３０）へと回転子２２の回転の方向にホイールスペースキャビティ３０の中へと複数のオリフィス３４を介して、冷却空気３２を接線方向に注入する。例えば、ガスタービンシステム２（図１）の圧縮機４により、冷却空気３２を生成することができる。オリフィス３４を、例えば、本技術において知られているような方式で、プレスワールオリフィスおよび／または流れインデューサとして使用することができる。実施形態によれば、複数のオリフィス３４のうちの少なくとも１つには、ホイールスペースキャビティ３０の中へとオリフィス３４を通過することが可能である冷却空気３２の量を選択的に制御するための受動流量変調（ＰＦＭ）装置３６、３８、または４０が備えられている。
【００１７】
実施形態によれば、ＰＦＭ装置３６、３８を、オリフィス３４と直列に使用することができて、ホイールスペース３０の中へと（例えば、冷たい領域から熱い領域へと）オリフィス３４を通過する冷却空気３２の流れを可変的に制御することができる。例えば、ＰＦＭ装置３６、３８は、オリフィス３４を通る冷却空気を流し始めることができ、次いで、ホイールスペースキャビティ３０の中へとオリフィス３４を出る冷却空気３２の流れを、回転子２２の回転の速度までまたはその近くの速度まで速くし、加速することができる。各オリフィス３４は、定められた有効スロート面積Ａｅおよび出口角αを含み、空気の流れの出口速度および向きがホイールスペースキャビティ３０において最適な熱伝達効率を与えるように流れ流路を形成する。ＰＦＭ装置３６、３８は、タービン１６の動作範囲の全体にわたる冷却流量の節約を実現し、タービン１６の出力および効率を向上させる。
【００１８】
他の実施形態によれば、バイナリＰＦＭ装置４０を、オリフィス３４と直列に使用することができて、ホイールスペースキャビティ３０の中へとオリフィス３４を通過する冷却空気３２の流れを２値制御することができる。閉じた位置では、冷却空気３２は、ホイールスペースキャビティ３０中へとオリフィス３４を通って流れることができない。開いた位置では、バイナリＰＦＭ装置４０は、ホイールスペースキャビティ３０へ冷却空気の特定の流れを配送する。高温がホイールスペースキャビティ３０において予測されるまたは測定されるときを除いて、バイナリＰＦＭ装置４０が大部分のタービン動作モード中には閉じられているので、タービン性能は向上する。
【００１９】
オリフィス３４のうちの１つまたは複数は、ホイールスペースキャビティ３０の中への冷却空気３２の連続した（例えば、変調されていない）流れを与えることができる。このようなオリフィス３４が、図２の下側部分に描かれている。
【００２０】
実施形態によるＰＦＭ装置３６が、図３および図４に描かれている。ＰＦＭ装置３６は、図３では閉じた位置であり、図４では開いた位置である。実施形態では、ＰＦＭ装置３６の構成要素のうちのいくつかを、冷たい領域（例えば、固定子２４の外部）に設置し、一方で他の構成要素を、熱い領域（例えば、ホイールスペースキャビティ３０）内に配置する。
【００２１】
ＰＦＭ装置３６は、冷たい領域４４に設置された弁システム４２を含む。弁システム４２は、少なくとも１つのガス吸入ポート４６（図４）およびガス排出ポート４８を含む。コンジット５０は、弁システム４２のガス排出ポート４８をオリフィス３４に流体結合する。アダプタ／コネクタ５２は、コンジット５０を固定子２４に結合する。
【００２２】
熱い領域（例えば、ホイールスペースキャビティ３０）内に配置された感温素子５４を、ＰＦＭ装置３６を作動させるために使用することができる。実施形態では、感温素子５４は、熱膨張性材料５８を収容しているハウジング５６を含むことができる。熱膨張性材料５８は、例えば、シリコン熱伝達流体または（例えば、１３００°Ｆ（７０４℃）までの）タービン１６の動作温度で安定である任意の他の適切な熱膨張性材料を含むことができる。別の実施形態では、感温素子５４は、例えば、バイメタル素子または温度の変化に応じてサイズおよび／もしくは形状を変える別のタイプの装置を含むことができる。
【００２３】
ハウジング５６内の熱膨張性材料５８は、冷たい領域４４まで固定子２４を貫通して延伸するピストン６０のヘッド５９と係合する。実施形態では、弁システム４２は、ピストン６０の先端部に取り付けられている弁体６２を含む。弁体６２の対向する外側側面６４（図４）は、弁システム４２の弁座６６の対応する表面と嵌合するように構成されている。さらなる実施形態では、例えば、ばね仕掛けの分配軸、ボールとストッパ、バタフライプレート弁、等などの別の弁機構を使用することができる。
【００２４】
ＰＦＭ装置３６が、図３では閉じた構成で示されている。すなわち、閉じた構成では、弁体６２の外側側面６４（図４）の少なくとも一部分が、弁システム４２の弁座６６と係合する。閉じた構成では、冷却空気３２は、冷たい領域４４、固定子２４の外部からコンジット５０およびオリフィス３４を通って熱い領域（例えば、ホイールスペースキャビティ３０）の中へと流れることができない。
【００２５】
図４をここで参照して、ホイールスペースキャビティ３０の温度の上昇は、ハウジング５６内の熱膨張性材料５８が膨大することを引き起こす。結果として、熱膨張性材料５８は、膨張し、ピストン６０のヘッド５９を押し下げさせる。ピストン６０の移動は、矢印７０によって示したように、ピストン６０の端部に取り付けられた弁体６２を弁座６６から離れさせる。弁体６２の外側側面６４がもはや弁座６６と接触しなくなると、冷却空気３２の流れは、ガス吸入ポート４６からガス排出ポート４８、コンジット５０、およびオリフィス３４を通ってホイールスペースキャビティ３０の中へと流れ始める。（温度がさらに上昇するにつれて）弁体６２が弁座６６からさらに遠くへ動き、より大きな流れ面積が弁体６２の外側側面６４と弁座６６との間に形成されるので、冷却空気３２の流れは増加する。
【００２６】
ＰＦＭ装置３６によって実現される流量変調のグラフが図５に図示されている。示したように、オリフィス３４内の圧力（Ｐ３）とホイールスペースキャビティ３０内の圧力（Ｐ２）との比、ならびにオリフィス３４を通る空気質量流量（ｑｍ）は、温度（Ｔ１）およびタービン負荷（ＧＴ負荷）が増加するにつれて増加する。矢印７４は、例示的なタービン（例えば、タービン１６）に関する最適化した冷却効率についての目標圧力比（Ｐ３／Ｐ２）および空気流量質量（ｑｍ）を示している。矢印７６によって示したように、ＰＦＭ装置３６は、固定流量と比較してタービンのかなりの動作範囲にわたって相当な冷却流量の節約を実現し、これがタービンの出力および効率を改善する。
【００２７】
実施形態によるＰＦＭ装置３８が、図６および図７に描かれている。ＰＦＭ装置３８は、図６では減少した流量位置であり、図７では全開流量位置である。実施形態では、ＰＦＭ装置３８を、ホイールスペースキャビティ３０（例えば、熱い領域）内に配置する。
【００２８】
ＰＦＭ装置３８は、ホイールスペースキャビティ３０内に配置された感温素子７８を含む。実施形態では、感温素子７８は、熱膨張性材料８４で部分的に満たされたハウジング８０を含む。熱膨張性材料８４は、例えば、シリコン熱伝達流体またはタービン１６の動作温度で安定である任意の他の適切な熱膨張性材料を含むことができる。別の実施形態では、感温素子７８は、例えば、バイメタル素子または温度の変化に応じてサイズおよび／もしくは形状を変える別のタイプの装置を含むことができる。
【００２９】
ピストン８６を、可動棚８８に結合する。ピストン８６のヘッド９０は、オリフィス３４の出口９２を少なくとも部分的に覆って延伸する。ピストン８６のヘッド９０の先端部表面９４は、ホイールスペースキャビティ３０の中へとオリフィス３４を通る冷却空気３２の流れ角αに対応する角度を付けた構成を有することができる。ピストン８６のヘッド９０の先端部表面９４の角度を付けた構成は、ホイールスペースキャビティ３０の中への冷却空気３２の流れを方向付けすること、および冷却空気の出口角を維持することに役立つ。（例えば、ピストン８６の移動方向に垂直な）ピストン８６のヘッド９０の端部表面９４の他の構成をやはり使用することができる。
【００３０】
バイアス印加部材９６（例えば、ばね）は、矢印９８によって示したように、オリフィス３４の出口９２に向かって可動棚８８およびピストン８６を偏らせる。図６に描いた構成では、ピストン８６のヘッド９０は、オリフィス３４の出口９２を少なくとも部分的に覆って延伸する。これが、ホイールスペースキャビティ３０の中へとオリフィス３４を通過することが可能な冷却空気３２の流量を減少させる。
【００３１】
図７をここで参照して、ホイールスペースキャビティ３０の温度の上昇は、ハウジング８０内の熱膨張性材料８４の膨張および方向１００へのピストン８６の対応する移動を引き起こす。ピストン８６によって加えられる力は、バイアス印加部材９６によって加えられるバイアス力に逆らい、そして方向１００へ可動棚８８およびピストン８６を強引に押し進める。矢印１０２によって示したように、熱膨張性材料８４の膨張は、ピストン８６のヘッド９０をオリフィス３４の出口９２から遠くへ移動させる。ピストン８６のヘッド９０がここではオリフィス３４の出口９２を少ししか塞がないので、大きな流量の冷却空気３２が、固定子２４の外部の冷たい領域からオリフィス３４を通ってホイールスペースキャビティ３０の中へと通ることが可能である。冷却空気３２の流量は、ホイールスペースキャビティ３０内の温度が増加するにつれて増加し続け、これがオリフィス３４の出口９２から遠くへピストン８６のヘッド９０のさらなる移動を引き起こす。図７では、オリフィス３４の出口９２は、完全に開いている。
【００３２】
ＰＦＭ装置３８によって実現される流量変調のグラフが図８に図示されている。示したように、オリフィス３４を通る冷却空気３２の有効流れ面積（Ａｅ）および空気質量流量（ｑｍ）は、温度（Ｔ１）およびタービン負荷（ＧＴ負荷）が増加するにつれて増加する。矢印１７４は、例示的なタービン（例えば、タービン１６）に関する最適化した冷却効率についての目標有効流れ面積（Ａｅ）および空気質量流量（ｑｍ）を示している。矢印１７６によって示したように、ＰＦＭ装置３８は、固定流量と比較してタービンのかなりの動作範囲にわたって相当な冷却流量の節約を実現し、これがタービンの出力および効率を改善する。
【００３３】
実施形態によるバイナリＰＦＭ装置４０が図９および図１０に描かれている。ＰＦＭ装置４０は、図９では非流れ位置であり、図１０では全開流量位置である。実施形態では、ＰＦＭ装置４０は、冷たい領域（例えば、固定子２４の外部）に配置されている。
【００３４】
図９および図１０に描かれているように、バイナリＰＦＭ装置４０は、感温パイロット弁１００および感圧主弁１０２を含む。感温パイロット弁１００は、所定の温度で開くように構成されており、これが感圧主弁１０２を加圧することを引き起こす。感圧主弁１０２を加圧することは、全開位置へと感圧主弁１０２を作動させる。この点で、感圧主弁１０２は、全開または全閉のいずれかである。
【００３５】
感温パイロット弁１００は、少なくとも１つのガス吸入ポート１０４およびガス排出ポート１０６を含む（図１０）。感温パイロット弁１００を作動させるための感温素子１０８を、ハウジング１１０内に設置する。実施形態では、ハウジング１１０は、熱膨張性材料１１４で部分的に満たされる。熱膨張性材料１１４は、例えば、シリコン熱伝達流体またはタービン１６の動作温度で安定である任意の他の適切な熱膨張性材料を含むことができる。別の実施形態では、感温素子１１４は、例えば、バイメタル素子または温度の変化に応じてサイズおよび／または形状を変える別のタイプの装置を含むことができる。
【００３６】
熱膨張性材料１１４は、ピストン１１６のヘッド１１２と係合する。弁体１１８を、ピストン１１６の先端部に取り付ける。非流れ状態では、弁体１１８の対向する外側側面は、弁座１２０の対応する表面と嵌合する（図１０）。さらなる実施形態では、例えば、ばね仕掛けの分配軸、ボールとストッパ、バタフライプレート弁、等などの別の弁機構を使用することができる。
【００３７】
感圧主弁１０２は、少なくとも１つのガス吸入ポート１２２およびガス排出ポート１２４を含む（図１０）。感圧主弁１０２を作動させるための感温素子１２６を、ハウジング１２８内に設置する。実施形態では、感圧素子１２６は、感温パイロット弁１００をガス排出ポート１０６に流体結合するベローズ１３０（または別の膨張可能素子（例えば、ダイアフラム））を含むことができる。
【００３８】
ベローズ１３０を、ピストン１３２に結合する。弁体１３４を、ピストン１３２の先端部に取り付ける。ピストン１３２および弁体１３４を貫通して延伸するウィープホール１３６は、ベローズ１３０とガス排出ポート１２４とを流体結合する。ウィープホール１３６は、感温パイロット弁１００が閉じると、ベローズ１３０内の圧力を解放する。非流れ状態では、弁体１３４の対向する外側側面は、弁座１３８の対応する表面と嵌合し、冷却空気３２はガス吸入ポート１２２からガス排出ポート１２４を通ってオリフィス３４およびホイールスペースキャビティ１３０の中へと流れることができない。さらなる実施形態では、例えば、ばね仕掛けの分配軸、ボールとストッパ、バタフライプレート弁、等などの別の弁機構を使用することができる。
【００３９】
図１０をここで参照して、バイナリＰＦＭ装置４０を取り囲んでいる冷たい領域の温度の上昇は、ハウジング１１０内の熱膨張性材料１１４の膨張を引き起こす。ハウジング１１０内の熱膨張性材料１１４の膨張は、ピストン１１６の端部に取り付けられた弁体１１８を弁座１２０から遠くへ移動させる。弁体１１８の外側側面がもはや弁座１２０と接触しなくなると、雰囲気空気は、ベローズ１３０の中へとガス吸入ポート１０４およびガス排出ポート１０６を通過する。これがベローズ１３０を加圧する。
【００４０】
加圧は、ベローズ１３０を膨張させ、取り付けられたピストン１３２をガス排出ポート１２４に向けて外方へ移動させる。ピストン１３２の外方への移動に応じて、弁体１３４は、弁座１３８から遠くへ移動され、冷却空気３２がガス吸入ポート１２２からガス排出ポート１２４およびオリフィス３４を通って熱い領域（例えば、ホイールスペースキャビティ３０）の中へと入ることを可能にする。
【００４１】
バイナリＰＦＭ装置４０によって実現される流量変調のグラフが図１１に図示されている。示したように、感温パイロット弁１００の作動温度よりも高い温度でオリフィス３４を通る空気質量流量（ｑｍ）は、固定流量オリフィス３４と同じである。作動温度よりも低い温度では、矢印１５０によって示したように、バイナリＰＦＭ装置４０は、タービンのかなりの動作範囲にわたって相当な冷却流量の節約を実現し、これがタービンの出力および効率を改善する。
【００４２】
様々な実施形態では、相互に「結合されている」と記述した構成要素を、１つまたは複数の界面に沿って接合することができる。いくつかの実施形態では、これらの界面は、個別の構成要素間の接合部を含むことができ、別のケースでは、これらの界面は、堅固におよび／または統合的に形成された相互接続部を含むことができる。すなわち、いくつかのケースでは、相互に「結合された」構成要素を、同時に形成することができ、１つの連続する部材を画定する。しかしながら、別の実施形態では、これらの結合された構成要素を、別々の部材として形成することが可能であり、知られているプロセス（例えば、締付け、超音波溶接、ボンディング）を介して後に接合させることが可能である。
【００４３】
要素または層が、もう１つの要素の「上に」、「係合されて」、「接続されて」または「結合されて」いると言われるときには、他の要素の直接上に、係合され、接続され、もしくは結合されてもよく、または介在する要素が存在してもよい。対照的に、ある要素が、もう１つの要素の「直接上に」、「直接係合されて」、「直接係合されて」、「直接接続されて」または「直接結合されて」いると言われるときには、介在する要素または層が存在しないことがある。要素間の関係を記述するために使用する他の言葉（例えば、「間に」に対して「直接間に」、「隣接して」に対して「直接隣接して」、等）を、同様の方法で解釈すべきである。本明細書において使用したように、「および／または」という用語は、関係する列挙した項目のうちの１つまたは複数の任意の組合せおよびすべての組合せを含む。
【００４４】
本明細書において使用した用語法は、特定の実施形態だけを説明する目的のためであり、開示を限定するものではない。本明細書において使用したように、「１つ（ａ）」、「１つ（ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」という単数形は、文脈が特に明らかに指示しない限り、同様に複数形を含むものとする。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、この明細書で使用するときに、述べた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の別の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはこれらのグループの存在または追加を排除しないことがさらに理解されるであろう。
【００４５】
この明細書は、最良の形態を含む発明を開示するため、ならびにいかなる当業者でも、任意の装置またはシステムを作成することや使用すること、および任意の組み込んだ方法を実行することを含む本発明を実行することをやはり可能にするために例を使用する。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者なら思い付く別の例を含むことができる。このような別の例が特許請求の範囲の文面から逸脱しない構造的要素を有する場合、またはこのような別の例が特許請求の範囲の文面とは実質的ではない差異しか有さない等価な構造的要素を含む場合には、このような別の例は、特許請求の範囲の範囲内であるものとする。
【００４６】
最後に代表的な実施形態を以下に示す。
［実施形態１］
第１の領域（３０）内に配置された感温素子（５４）と、
前記感温素子（５４）に結合されたピストン（６０）であって、前記ピストン（６０）が第２の領域（４４）まで壁を貫通して延伸し、前記第１の領域（３０）が前記第２の領域（４４）よりも高い温度である、ピストン（６０）と、
前記第２の領域（４４）に配置され、前記ピストン（６０）の先端部部分によって作動される弁装置（４２）であって、前記弁装置（４２）が前記第１の領域（３０）の温度の上昇に応じて前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中へと角度付きオリフィス（３４）を介して冷却空気（３２）の供給を接線方向に注入する、弁装置（４２）と
を備える、受動流量変調装置（３６）。
［実施形態２］
前記第１の領域（３０）および前記第２の領域（４４）が、タービン（１６）内に位置する、実施形態１記載の受動流量変調装置。
［実施形態３］
前記第１の領域（３０）が、前記タービン（１６）の固定子（２４）と回転子（２２）との間に配置される、実施形態２記載の受動流量変調装置。
［実施形態４］
前記角度付きオリフィス（３４）が、プレスワールオリフィスまたは流れインデューサをさらに備える、実施形態２記載の受動流量変調装置。
［実施形態５］
前記第１の領域（３０）が、前記タービン（１６）のホイールスペースキャビティを含む、実施形態２記載の受動流量変調装置。
［実施形態６］
前記第１の領域（３０）が、回転する空気の流れを含み、前記冷却空気（３２）の供給が、前記回転する空気の流れの回転の方向（１００）に前記角度付きオリフィス（３４）を介して前記第１の領域（３０）の中へと注入される、実施形態１記載の受動流量変調装置。
［実施形態７］
前記第１の領域（３０）の中へと注入される前記冷却空気（３２）の供給が、前記第１の領域（３０）の前記温度のさらなる上昇に応じて増加する、実施形態１記載の受動流量変調装置。
［実施形態８］
前記感温素子（５４）が、熱膨張性材料（５８）を収容するハウジング（５６）を備える、実施形態１記載の受動流量変調装置。
［実施形態９］
感温素子（７８）と、
前記感温素子（７８）に結合されたピストン（８６）であって、前記ピストン（８６）がヘッド部分（９０）を含み、前記感温素子（７８）および前記ピストン（８６）が第１の領域（３０）に配置される、ピストン（８６）と、
第２の領域から前記第１の領域（３０）へと冷却空気（３２）の流れを供給するために、前記第２の領域から前記第１の領域（３０）の中へと延伸するオリフィス（３４）であって、前記第１の領域（３０）が、前記第２の領域よりも高い温度である、オリフィス（３４）と
を備え、
前記感温素子（７８）が、前記第２の領域から前記第１の領域（３０）の中への前記冷却空気（３２）の流れを制御するために、前記オリフィス（３４）の一部分を覆って前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）を選択的に位置決めするように伸長するまたは収縮する、
受動流量変調装置（３８）。
［実施形態１０］
前記オリフィス（３４）が、角度付きオリフィスを含み、前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）の先端部が、角度付き表面を含む、実施形態９記載の受動流量変調装置。
［実施形態１１］
前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）の前記角度付き表面が、前記角度付きオリフィス（３４）を通る前記冷却空気（３２）の流れ角に対応する形状を有する、実施形態１０記載の受動流量変調装置。
［実施形態１２］
前記第１の領域（３０）および前記第２の領域（４４）が、タービン（１６）内に位置する、実施形態９記載の受動流量変調装置。
［実施形態１３］
前記第１の領域（３０）が、前記タービン（１６）のホイールスペースキャビティを含む、実施形態１２記載の受動流量変調装置。
［実施形態１４］
前記オリフィス（３４）が、プレスワールオリフィスまたは流れインデューサを備える、実施形態９記載の受動流量変調装置。
［実施形態１５］
前記第１の領域（３０）が、回転する空気の流れを含み、前記冷却空気（３２）の流れが、前記回転する空気の流れの回転の方向（１００）に前記角度付きオリフィス（３４）を介して前記第１の領域（３０）の中へと注入される、実施形態９記載の受動流量変調装置。
［実施形態１６］
前記感温素子（５４）が、熱膨張性材料（５８）を収容するハウジング（５６）を備える、実施形態９記載の受動流量変調装置。
［実施形態１７］
タービン（１６）用の冷却システムであって、
前記タービン（１６）の第１の領域（３０）と第２の領域（４４）との間に位置するオリフィス（３４）であり、前記タービン（１６）の前記第１の領域（３０）が前記タービン（１６）の前記第２の領域（４４）よりも高い温度である、オリフィス（３４）と、
前記タービン（１６）の前記第２の領域（４４）から前記タービン（１６）の前記第１の領域（３０）へと前記オリフィス（３４）を介して冷却空気（３２）の流れを方向付けするために前記オリフィス（３４）に隣接して配置された受動流量変調装置（３６、３８）であり、前記受動流量変調装置（３６、３８）が、
前記第１の領域（３０）内に配置された感温素子（５４）と、
前記感温素子（５４）に結合されたピストン（６０）であり、前記ピストン（６０）が前記第２の領域（４４）まで壁を貫通して延伸する、ピストン（６０）と、
前記第２の領域（４４）に配置され、前記ピストン（６０）の先端部部分によって作動される弁装置（４２）であり、前記弁装置（４２）が前記第１の領域（３０）の温度の変化に応じて前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中へと前記オリフィス（３４）を介して前記冷却空気（３２）の流れを選択的に方向付けする、弁装置（４２）と
を含む、または
感温素子（７８）と、
前記感温素子（７８）に結合されたピストン（８６）であり、前記ピストン（８６）がヘッド部分（９０）を含み、前記感温素子（７８）および前記ピストン（８６）が第１の領域（３０）に配置される、ピストン（８６）と
を含み、
前記感温素子（７８）が、前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中への前記冷却空気（３２）の流れを制御するために、前記オリフィス（３４）の一部分を覆って前記ピストン（８６）の前記ヘッド（９０）を選択的に位置決めするように前記第１の領域（３０）の温度の変化に応じて伸長するもしくは収縮する、
受動流量変調装置（３６、３８）と、
を備える、冷却システム。
［実施形態１８］
前記オリフィス（３４）が、角度付きオリフィスを含み、前記角度付きオリフィスが、プレスワールオリフィスまたは流れインデューサを備える、実施形態１７記載の冷却システム。
［実施形態１９］
前記第１の領域（３０）が、前記タービン（１６）のホイールスペースキャビティを含む、実施形態１７記載の冷却システム。
［実施形態２０］
前記第１の領域（３０）が、回転する空気の流れを含み、前記冷却空気（３２）の流れが、前記回転する空気の流れの回転の方向（１００）に前記オリフィス（３４）を介して前記第２の領域（４４）から前記第１の領域（３０）の中へと方向付けされる、実施形態１７記載の冷却システム。
【符号の説明】
【００４７】
２  ガスタービンシステム
４  圧縮機
６  空気
８  圧縮空気
１０  燃焼器
１２  燃料
１４  燃焼ガス
１６  タービン
１８  シャフト
２０  外部負荷
２２  タービン回転子
２４  固定子
２８  空気の流れ
３０  ホイールスペースキャビティ
３２  冷却空気
３４  オリフィス
３６、３８  受動流量変調（ＰＦＭ）装置
４０  バイナリＰＦＭ装置
４２  弁システム
４４  冷たい領域
４６  ガス吸入ポート
４８  ガス排出ポート
５０  コンジット
５２  アダプタ／コネクタ
５４  感温素子
５６  ハウジング
５８  熱膨張性材料
６０  ピストン
６２  弁体
６４  外側側面
６６  弁座
６８  チャンバ
７０  矢印
７２  矢印
７４  矢印
７６  矢印
８０  ハウジング
８２  ベローズ
８４  熱膨張性材料
８６  ピストン
８８  可動棚
９０  ヘッド
９２  出口
９４  先端部表面
９６  バイアス印加部材
１００  パイロット弁
１０２  主弁
１０４  ガス吸入ポート
１０６  ガス排出ポート
１１０  ハウジング
１１２  ヘッド
１１４  熱膨張性材料
１１６  ピストン
１１８  弁体
１２０  弁座
１２２  ガス吸入ポート
１２４  ガス排出ポート
１２６  感圧素子
１２８  ハウジング
１３０  ベローズ
１３２  ピストン
１３４  弁体
１３６  ウィープホール
１３８  弁座
１５０  矢印
１７４  矢印
１７６  矢印
【図１】
2017122447.tif 000003
【図２】
2017122447.tif 000004
【図３】
2017122447.tif 000005
【図４】
2017122447.tif 000006
【図５】
2017122447.tif 000007
【図６】
2017122447.tif 000008
【図７】
2017122447.tif 000009
【図８】
2017122447.tif 000010
【図９】
2017122447.tif 000011
【図１０】
2017122447.tif 000012
【図１１】
2017122447.tif 000013
【外国語明細書】
2017122447000001.pdf