(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多段圧縮器（２０）及び多段タービン（３０）を有するタービンエンジン（１０）の閉ループ空気冷却装置であって、
圧縮器の高圧の下流段である第１の段と、タービンの第１の段の間で両者と連通し、加圧空気を圧縮器からタービンの第１の段へ抽気する第１の手段と、
タービンの第１の段と、圧縮器の第１の段より上流で低圧の第２の段の間で両者と連通し、前記加圧空気の第１の部分を圧縮器の第２の段へ戻す第２の手段と、
タービンの第１の段と、タービンの第１の段より低圧のタービンの第２の段の間で両者と連通し、前記加圧空気の第２の部分をタービンの第２の段へ供給する第３の手段と、
タービンの第２の段と、圧縮器の第２の段より上流で低圧の圧縮器の第３の段の間で両者と連通し、前記加圧空気の第２の部分の少なくとも一部を圧縮器の第３の段へ戻す第４の手段とより成るタービンエンジン（１０）の閉ループ空気冷却装置。
【請求項２】
第１の手段と連通し加圧空気を所定の温度に冷却する第１の冷却手段（４４ａ）をさらに含む請求項１の冷却装置。
【請求項３】
タービンの第１の段からの加圧空気の第１及び第２の部分を冷却する第２の冷却手段（４４ｂ）をさらに含む請求項１の冷却装置。
【請求項４】
第２の冷却手段は、空気−空気型、空気−蒸気型及び空気−水型冷却器の１つよりなる請求項３の装置。
【請求項５】
第２の手段と連通し加圧空気の第１の部分と第２の部分を調整する制御弁（４２ｂ）をさらに含む請求項１の装置。
【請求項６】
多段圧縮器（２０）と多段タービン（３０）を有するガスタービンエンジン（１０）の各タービン段（３３）の静翼を閉ループ空気冷却する方法であって、
タービン冷却用として加圧空気を圧縮器の高圧の下流段である第１の段から抽気し、
抽気した加圧空気をタービンの第１の段の静翼へ送り、
タービンの第１の段の静翼から熱を除去した後の前記加圧空気を該静翼から取り出し、
タービンの第１の段の静翼から取り出した加圧空気の第１の部分を圧縮器の第１の段より上流で低圧の第２の段へ戻し、
タービンの第１の段の静翼から取り出した加圧空気の第２の部分をタービンの第１の段より低圧のタービンの第２の段の静翼へ送り、
タービンの第２の段の静翼から熱を除去した後の加圧空気の第２の部分を該静翼から取り出し、
タービンの第２の段の静翼から取り出した加圧空気の第２の部分の少なくとも一部を圧縮器の第２の段より上流で低圧の圧縮器の第３の段へ戻すステップよりなる、ガスタービンエンジンの各タービン段の静翼を閉ループ空気冷却する方法。
【請求項７】
加圧空気を前記抽気ステップの後所定の温度に冷却するステップをさらに含む請求項６の方法。
【請求項８】
タービンの第１の段の静翼から取り出した加圧空気を冷却（４４ｂ）するステップをさらに含む請求項６の方法。
【請求項９】
タービンの第２の段の静翼から取り出した加圧空気の第２の部分を冷却（４４ｃ）するステップをさらに含む請求項６の方法。
【発明の詳細な説明】
発明の分野
本発明はタービンエンジンに用いる冷却システムに関し、さらに詳細には、空気を冷媒として燃焼サイクルに使用した後ガスタービンエンジンの圧縮サイクルに戻すための閉ループ冷却システムに関する。
発明の背景
現在のガスタービンエンジンは燃焼器のピーク温度が１６４９℃（３０００°Ｆ）に近く、しかもタービンエンジンの構成材料である合金の融点は１２０４乃至１３１５℃（２２００°乃至２４００°Ｆ）の範囲にある。従って、タービンエンジン構成要素を充分に冷却する必要がある。開ループ及び閉ループ冷却システムは共にタービンエンジンの冷却需要を満たすために開発されている。
これらの両システムは共に冷媒として加圧空気を使用する。高圧空気は低圧空気と比べて良好な熱伝達特性を有するだけでなくタービン構成要素の漏気またはフィルム冷却を可能にする。開ループ冷却システムでは、使用済みの冷却空気が冷却された構成要素を通って高温ガス通路に入る。冷却用空気がかかる構成要素を通過するためには、その圧力を高温ガス通路内の圧力を克服する充分な値にしなければならない。加えて、漏洩分を補充するための加圧も必要である。このようにすると、冷却用空気は、高温ガスの構成要素への侵入を阻止しながらその構成要素から逃げることができる。周囲の圧力を克服する必要があるため、燃焼器に近い構成要素はより高い圧力及び温度に露され、高圧の冷却用空気を必要とする。一方、燃焼器から離れた構成要素は低い圧力でよい。
通常の空冷システムにおける加圧空気の必要条件は、圧縮段から空気を抽気し、その空気をタービン段へ供給することによって満足される。使用済みの冷却用空気は、タービンの主要なガス流と結合されて排気システムを介しタービンから出ていく。熱力学的損失を最小限に抑えるため、開ループ冷却システムは空気を可能な限り低い圧縮点から取り出す。かかる開ループシステムを用いるタービンの一例は、Scalzo et al., A New 150MW High Efficiency Heavy-Duty Combustion Turbine, ASME Paper No. 88-G-162（1988）に記載されている。重要なことは、開ループ空冷システムでは、使用済み冷却用空気がガス通路へ抽気され、排気ガスと共にタービンエンジンから出ていくことである。かかる設計は、使用済み冷却用空気による主要ガス流の稀釈化により燃焼プロセスで加熱された状態よりも行える有用な仕事が少ないため、効率が悪い。
外部の圧縮器を用いて、冷媒を循環させ所望の熱伝達特性を得るに必要な圧力を発生させる閉ループ冷却システムが提案されている。かかるシステムでは、空気は冷却を行った後タービンから取り出され、燃焼器に直接注入される前に再び圧縮される。しかしながら、このタイプの閉ループ冷却システムは高価な外部圧縮器を必要とする。本発明者等は、外部の圧縮器を不要にすることができればより大きな効率が得られることを発見した。
かくして、外部圧縮器を必要とせずに、加圧空気を冷却に使用した後回収するタービンエンジン用閉ループ冷却システムに対する需要が存在する。
発明の概要
本発明は、圧縮器から加圧空気を抽気してタービンへ送ることにより各タービン段を閉ループで空冷して上記需要を充足させる。加圧空気は、各タービン段から熱を除去した後取り出され、所定の温度に冷却される。次いで、加圧空気の第１の部分がタービンの次段へ送られ、第２の部分が再び圧縮器へ戻される。この方式を各タービン段について繰り返す。
【図面の簡単な説明】
本発明は、好ましい実施例の以下の詳細な説明を添付図面に関連して読めばよりよく理解できる。本発明を説明するため、添付図面は現在において好ましいと理解される実施例を示すが、本発明は開示した特定の方法及びその実施例に限定されるものではない。
図１は、本発明による閉ループシステムを用いたガスタービンエンジンの略図である。
図２は、タービンエンジンのタービン段を介する冷却回路の断面図である。
図３は、圧縮段へ使用済み冷却用空気を注入する注入通路を示す断面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
明細書全体を通して同一数字は同一構成要素を示す添付図面を参照して、図１は本発明による閉ループ冷却システムを用いるタービンエンジン１０の一例を示す。ここで重要なことは、本発明は任意の数の圧縮段及びタービン段を備えたタービンエンジン１０に利用できることである。しかしながら、図示のため、図１は１６個の圧縮段２３と４個のタービン段３３を備えたタービンエンジン１０に本発明が適用される態様を示す。簡潔を期して、各圧縮段及びタービン段を図１において１組の点線で示す。図２及び３によく示すように、各圧縮段及びタービン段３３は１組の静翼２１，３１及び動翼２２，３２を有する。
全ての従来型タービンエンジンにおけると同様に、空気は図１に示すタービンエンジン１０を軸方向に流れる。最初、空気は圧縮器２０の複数段を流れ、各段が空気を次々に圧縮する。最終圧縮段２３の後で、空気は圧縮器の排出点に到達する。そこで、加圧空気は燃焼器４０に入り、燃料と混合する。空気と燃料の混合物は点火されると、タービン３０の複数段を通して外方に膨脹する。タービン３０を介して膨脹する高温ガスは、ガス通路内の構成要素（例えば、静翼及び動翼）に強烈な熱を発生させる。
本発明の１つの特徴は、圧縮器２０から冷却用空気を燃焼器４０に到達する前に抽気し、タービン３０の構成要素を冷却した後、圧縮器２０へ戻すことにより高い効率を有する冷却システムが実現できることである。現在において好ましい実施例では、空気は圧縮器２０からその排出点、即ち燃焼器４０へ入る直前で抽気する。圧縮器から排出される空気は冷却に使用する前にタービンエンジン１０から取り出し、冷却して濾過する。その後、タービンエンジン１０へ戻してタービン３０の４つの段の各々を縦続的に通過させる。タービン３０の各段を縦続的に通過する際、空気は各段の構成要素から熱を除去し、そこから出るが、加圧空気はタービン３０の次段へ送られる前にもう１度冷却する。加圧空気の一部を各段から出た後圧縮器２０へ戻し、加圧空気の別の部分を次段へ送る。タービン３０の縦続する各段では、圧力と温度が各段内で低下するため前段よりも低い圧力を要求する。空気圧力の回復、従って効率を最大限にするため、タービン３０の次段へ流入する空気の圧力需要を実質的に必要とされる最小限の圧力が得られるように調整する。余剰の加圧空気は圧縮器２０へ戻され、そこで有用なエネルギーが回収される。
本発明のさらに詳細な点につき、タービンエンジン１０の実施例を以下に説明する。それらの詳細な点は例示の目的のためのみであり、本発明は他のタービンエンジンにも同様に利用可能である。従って、温度、圧力、段等に関する全ての言及は特定のタービンエンジンの使用に応じて変更される。
叙上のように、図１に示すタービンエンジン１０は１６個の圧縮段２３を有する。現在において好ましい実施例において、吸入空気は１６個の圧縮段通過により圧縮された後その一部が線２８で示す圧縮器の排出点において抽気される。この加圧空気は，所定の圧力（例えば、２４１３ｋＰａ（３５０ＰＳＩ）及び所定の温度（例えば，５３７℃（１０００°Ｆ）を有する。加熱空気は冷却能力を向上させるため冷却器４４ａへ送られる。冷却器４４ａを用いずにタービンの第１段を冷却することも可能である。しかしながら、後続の冷却器４４は必要である。冷却器４４ａを出る空気は、タービン構成要素を満足に冷却するように設定された所望の温度、例えば約１４９℃（３００°Ｆ）を有する。同様に、タービンを冷却する各縦続段において、空気は同じように冷却器４４を通される。冷却器４４は空気−空気、空気−蒸気または空気−水のような当該技術分野においてよく知られたタイプのものである。従って、かかる冷却器４４の詳細については、簡潔と平明さを期するためこの記載から省略する。
第１の冷却器４４ａから出た空気はライン３７を介してタービン３０の第１段へ送られ、そこで図２に示すタービン冷却回路に入る。タービン３０の図示の断面は４個のタービン段３３を備えている。冷却用空気は冷却器を通った後、導管３７ａを介してまずタービン３０の第１段に入る。冷却用空気はその後、空気入口を通ってマニフォルド３６へ入り、マニフォルド内を流れて第１段の構成要素、例えば静翼３１に入る。タービン構成要素の熱は、衝突冷却または内部対流冷却のようなよく知られた方式により除去される。ここで重要なことは、空気がそれらの構成要素に入り、そこから出た後、再びマニフォルド３６を通り、導管３８ａと連通する空気出口を介して排出されることである。空気はタービン３０の第１段から出た後、次段で利用される前に、冷却器４４ｂに流入する。
加圧空気が冷却器４４を出ると、その一部は引き続きタービン３０の次段へ流入する。しかしながら、本発明によると、後続の各段は前段からの加圧空気を必ずしも全て必要とする訳ではない。かくして、空気の一部は分岐されて圧縮器２０へ戻る。圧縮器２０への空気の分岐は制御弁４２により調整される。
現在において好ましい実施例において、制御弁４２は圧力感知型または温度感知型である。圧力感知型の場合、制御弁４２は次のタービン段３３の圧力が所定のレベルに維持されるように調整する。残りの空気は制御弁４２を経て圧縮器２０へ戻される。従って、制御弁４２は周囲温度及び圧力変化のような変動する周囲条件に正しく反応することによりタービン冷却回路に必要な圧力が維持されるようにする。
別例として、制御弁４２は温度感知型である。この場合、タービンの次段３３に埋め込まれた熱電対（図示せず）が制御弁へ温度情報を与える。その結果、制御弁４２は温度情報に応答して圧力を調整することにより予めセットした温度が維持されるようにする。
叙上のように、タービン３０の各縦続段は前段に比べてより少ない圧力を必要とする。その結果、圧縮器２０へ戻る空気の圧力は連続的に減少するため、圧縮器２０のそれぞれ異なる段へ注入する必要がある。例えば、制御弁４２ｂを介して圧縮器へ戻る空気の圧力は約２００ＰＳＩであるが、制御弁４２ｃを介して圧縮器２０へ戻る空気の圧力は約１２５ＰＳＩであり、制御弁４２ｄを介して戻る空気の圧力は約７５ＰＳＩである。従って、図１に最もよく示すように、タービン３０の第１段からの戻り空気は圧縮器２０の第１４段へ、タービン３０の第２段の空気は圧縮器２０の第１１段へ、タービン３０の第３段の空気は圧縮器２０の第８段へ流入する。
図３は、戻り空気を圧縮器２０へ注入する回路の現在において好ましいと思われる実施例を示す。図示のごとく、マニフォルド２４が圧縮器２０を取り囲む。戻り空気は、導管２６に接続された空気入口を介してマニフォルド２４に流入する。例えば、導管２６ａはタービン３０の第３段から圧縮器２０の第８段へ空気流を運ぶ。注入段の選択は、戻り空気の圧力がそれが注入される圧縮器２０の段の圧力にほぼ相当するように選択される。戻り空気はその後、圧縮器２０の空気流通路に結合されてタービンサイクルが完了する。
本発明は、その精神または本質的特徴から逸脱することなくそれ以外の特定の構成で実現することが可能である。例えば、同様な方式を用いて図に示す静翼でなくて動翼を冷却することも可能である。従って、本発明の技術的範囲については上記説明でなくて後記の請求範囲を参照されたい。
【図１】
0004034350.tif 000002
【図２】
0004034350.tif 000003
【図３】
0004034350.tif 000004