(57)【要約】  冷却流体をロータアッセンブリの１つ以上の翼（２０）に供給するために、圧縮機（１４）からタービンブレード冷却流体供給部（１６）へと、及び周囲空気源（１８）からタービンブレード冷却流体供給部（１６）へと冷却流体を方向付けるための、タービンエンジン（１２）用の冷却システム（１０）が開示されている。冷却システム（１０）は、圧縮機（１４）からタービンブレード冷却流体供給部（１６）まで延在する、冷却流体を少なくとも１つのタービンブレード（２４）へと提供する圧縮機抽気管路（２２）を有していてよい。圧縮機抽気管路（２２）は上流区分（２６）と下流区分（２８）とを有していてよく、上流区分（２６）は、圧縮抽気を出口（３０）から、周囲空気が通過する下流区分（２８）へと排出する。上流区分（２６）の出口（３０）は、下流区分（２８）で流れる周囲空気（３２）の流れとほぼ整列していてよい。この結果、圧縮空気は、タービンブレード冷却流体供給部（１６）に到達する周囲空気（３２）の流れを増大させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン（１２）用の冷却システム（１０）であって、
圧縮機（１４）からタービンブレード冷却流体供給部（１６）まで延在する、少なくとも１つのタービンブレード（２４）へと冷却流体を提供する圧縮機抽気管路（２２）であって、圧縮空気と流体連通する前記圧縮機（１４）における入口（３６）と、前記タービンブレード冷却流体供給部（１６）における出口（３８）とを有している、圧縮機抽気管路（２２）と、
前記圧縮機抽気管路（２２）の前記入口（３６）への圧縮空気流を制御するための、前記圧縮機抽気管路（２２）内にある少なくとも１つの圧縮機遮断弁（４０）と、
周囲空気（３２）を受け入れる少なくとも１つの周囲空気供給入口（４２）と、
前記少なくとも１つの周囲空気供給入口（４２）を通って前記タービンブレード冷却流体供給部（１６）へと入る前記周囲空気（３２）の流れを制御するために、前記圧縮機遮断弁（４０）の下流かつ前記圧縮機抽気管路（２２）の前記出口（３８）の上流で、前記少なくとも１つの周囲空気供給入口（４２）と前記圧縮機抽気管路（２２）との間に位置する少なくとも１つの周囲供給遮断弁（４４）と、
を備えることを特徴とする、タービンエンジン（１２）用の冷却システム（１０）。
【請求項２】
前記タービンブレード冷却流体供給部（１６）は、前記タービンエンジン（１２）の排気区分（４８）の最も近くに位置するタービンブレード（２４）の最終段（４６）を形成するタービンブレード（２４）の段（４６）へと、冷却流体を提供する、請求項１記載の冷却システム（１０）。
【請求項３】
前記圧縮機抽気管路（２２）は上流区分（２６）と下流区分（２８）とを有しており、前記少なくとも１つの周囲空気供給入口（４２）は、前記下流区分（２８）の上流端部（５０）に位置しており、前記上流区分（２６）の下流端部（５２）は、前記少なくとも１つの周囲空気供給入口（４２）の下流の前記下流区分（２８）で終端している、請求項１記載の冷却システム（１０）。
【請求項４】
前記圧縮機抽気管路（２２）の前記下流区分（２８）は、前記圧縮機抽気管路（２２）の前記上流区分（２６）よりも大きな横断面積を有している、請求項３記載の冷却システム（１０）。
【請求項５】
前記圧縮機抽気管路（２２）の前記下流区分（２８）は、前記圧縮機抽気管路（２２）の前記上流区分（２６）よりも大きな直径を有している、請求項３記載の冷却システム（１０）。
【請求項６】
前記圧縮機抽気管路（２２）の前記上流区分（２６）は、圧縮機抽気を、前記下流区分（２８）における前記周囲空気（３２）の流れとほぼ整列する下流方向（５４）に放出する出口（３０）を有している、請求項３記載の冷却システム（１０）。
【請求項７】
前記上流区分（２６）の前記出口（３０）は前記下流区分（２８）の長手方向軸線（５６）に整列している、請求項６記載の冷却システム（１０）。
【請求項８】
前記上流区分（２６）の前記出口（３０）は前記下流区分（２８）内に位置している、請求項６記載の冷却システム（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明の開発は、米国エネルギー省、先進タービン開発プログラム、契約番号ＤＥ−ＦＣ２６−０５ＮＴ４２６４４により部分的に支援されたものである。従って、米国政府は本発明において一定の権利を有することがある。
【０００２】
発明の分野
本発明は、一般にタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンにおけるタービン翼のための周囲冷却空気による冷却流体供給システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
通常、ガスタービンエンジンは、空気を圧縮するための圧縮機と、圧縮空気を燃料と混合し、混合物に点火するための燃焼器と、電力を発生するためのタービンブレードアセンブリとを有する。燃焼器は多くの場合、華氏２５００度を超過し得る高温で作動する。典型的なタービン燃焼器構成は、タービンブレードアセンブリをこのような高温に曝す。従って、タービンブレード及びタービンベーンは、このような高温に耐え得る材料から製造されなければならない。タービンブレード、ベーン、及びその他の構成要素は、これらの部材の耐用寿命を拡大し、過度に高い温度の結果として生じる故障の可能性を減じるために、冷却システムを含んでいることが多い。
【０００４】
通常、タービンベーンは、ベーン支持体から半径方向内側に向かって延在していて、ロータアッセンブリの近位で終端しており、タービンブレードは半径方向外側に向かって延在していて、ベーン支持体の近位で終端している。タービンベーンとブレードとは通常、燃焼器排ガスから発生する熱からベーンとブレードを冷却するために、これらの内面に位置する複数の冷却通路を有している。エンジンはますます高い負荷で運転されるようになっているので、従来の冷却システムの非効率性を減じる、タービン翼用の新規の冷却システムに対するニーズがある。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
冷却流体をロータアッセンブリの１つ以上の翼に供給するために、圧縮機からタービンブレード冷却流体供給部へと圧縮機抽気としての冷却流体を方向付けるための、及び周囲空気源からタービンブレード冷却流体供給部へと冷却流体を方向付けるための、タービンエンジン用の冷却システムが開示されている。冷却システムは、圧縮機からタービンブレード冷却流体供給部まで延在する圧縮機抽気管路を有していてよく、この圧縮機抽気管路は、始動過程中及び冷却過程中にタービンブレードを冷却するために圧縮空気を冷却流体として少なくとも１つのタービンブレードへと提供する。一実施形態では、このような構造は、タービンブレード用の周囲空気冷却システムと共に使用されてよい。別の実施形態では、圧縮機抽気管路は上流区分と下流区分とを有していてよく、上流区分は、圧縮抽気を出口から、周囲空気が通過する下流区分へと排出する。上流区分の出口は、下流区分で流れる周囲空気の流れとほぼ整列していてよい。この結果、圧縮空気は周囲空気の流れにエネルギーを与え、タービンブレードに到達する冷却流を増大させ、冷却効率を向上させる。このような構成は、ポンプ作用が、周囲空気を吐出するのに必要な作用よりも小さい、始動過程中及び冷却過程中に有益となり得る。
【０００６】
タービンエンジン用の冷却システムは、圧縮機からタービンブレード冷却流体供給部まで延在する、冷却流体を少なくとも１つのタービンブレードへと提供する圧縮機抽気管路を有していてよい。圧縮機抽気管路は、圧縮空気と流体連通する圧縮機における入口と、タービンブレード冷却流体供給部における出口とを有していてよい。冷却システムは、圧縮機抽気管路の入口への空気流を制御するために、圧縮機抽気管路内に圧縮機遮断弁を有していてよい。冷却システムは、周囲空気を受け入れるための１つ以上の周囲空気供給入口を有していてよく、この周囲空気供給入口を通ってタービンブレード冷却流体供給部へと入る周囲空気の流れを制御するために、圧縮機遮断弁下流かつ圧縮機抽気管路の出口上流で、周囲空気供給入口と圧縮機抽気管路との間に位置する１つ以上の周囲供給遮断弁を有していてよい。
【０００７】
少なくとも１つの実施形態では、タービンブレード冷却流体供給部は、冷却流体を、タービンエンジンの排気区分の最も近くに位置するタービンブレードの最終段を形成するタービンブレードの段へと供給してよい。圧縮機抽気管路は上流区分と下流区分とを有していてよく、周囲空気供給入口は、下流区分の上流端部に位置していて、上流区分の下流端部は、少なくとも１つの周囲空気供給入口の下流の下流区分で終端している。圧縮機抽気管路の下流区分は、圧縮機抽気管路の上流区分よりも大きな横断面積を有していてよい。少なくとも１つの実施形態では、圧縮機抽気管路の下流区分は、圧縮機抽気管路の上流区分よりも大きな直径を有していてよい。
【０００８】
タービンブレード冷却流体供給部への周囲空気の供給を容易にするために、圧縮機抽気管路の上流区分は、圧縮機抽気を、下流区分における周囲空気の流れとほぼ整列する下流方向に放出する出口を含んでいてよい。付加的に、上流区分の出口は下流区分の長手方向軸線に整列していてよい。上流区分の出口は、下流区分内に位置していてよい。
【０００９】
周囲冷却流体を周囲から冷却されるタービン翼に供給する方法は、圧縮機からタービンブレード冷却流体供給部まで延在する、冷却流体を少なくとも１つのタービンブレードへと提供する圧縮機抽気管路内へと、圧縮空気を受け入れるステップを含んでいてよく、圧縮機抽気管路は、圧縮空気と流体連通する圧縮機における入口と、タービンブレード冷却流体供給部における出口とを有している。この方法はさらに、圧縮機抽気管路の入口への空気流を制御するために、圧縮機抽気管路内の１つ以上の圧縮機遮断弁を介して圧縮空気の受け入れを制御するステップと、１つ以上の周囲空気供給入口へ周囲空気を受け入れるステップとを含んでいてよい。この方法は、周囲空気供給入口を通ってタービンブレード冷却流体供給部へと入る周囲空気の流れを制御するために、圧縮機遮断弁の下流かつ圧縮機抽気管路の出口の上流で、１つ以上の周囲空気供給入口と圧縮機抽気管路との間に位置する１つ以上の周囲供給遮断弁を介して周囲空気の受け入れを制御するステップを含んでいてよい。この方法はさらに、圧縮空気と周囲空気とをタービンブレード冷却流体供給部へと通過させるステップを含んでいてよい。
【００１０】
この方法は、圧縮空気及び周囲空気を、タービンエンジンの排気区分の最も近くに位置するタービンブレードの最終段を形成するタービンブレードの段へと通すステップを含んでいてよい。この方法はさらに、上流区分と下流区分とから成る圧縮機抽気管路へと圧縮空気を受け入れるステップを含んでいてよく、周囲空気供給入口は、下流区分の上流端部に位置していて、上流区分の下流端部は、周囲空気供給入口の下流の下流区分で終端している。この方法は、下流区分における周囲空気の流れとほぼ整列する下流方向に圧縮機抽気を放出する出口を有した圧縮機抽気管路へと圧縮空気を受け入れるステップを含んでいてよい。
【００１１】
この方法は、圧縮機抽気管路内の１つ以上の圧縮機遮断弁を介して、ガスタービンエンジンの始動中に圧縮機遮断弁を開放することにより、圧縮空気の受け入れを制御するステップを有していてよく、かつ、１つ以上の周囲供給遮断弁を介して、ガスタービンエンジンの始動中に周囲供給遮断弁を閉鎖することにより周囲空気の受け入れを制御するステップを有していてよい。この方法はさらに、圧縮機抽気管路内の１つ以上の圧縮機遮断弁を介して、ガスタービンエンジンの始動後の定常運転中に圧縮機遮断弁を閉鎖することにより、圧縮空気の受け入れを制御するステップを有していてよく、かつ、１つ以上の周囲供給遮断弁を介して、ガスタービンエンジンの始動後の定常運転中に周囲供給遮断弁を開放することにより周囲空気の受け入れを制御するステップを有していてよい。
【００１２】
この冷却システムの利点は、始動過程中及び終了過程中に周囲空気を周囲空気供給入口に引き込むポンプ力が十分でない場合に、この冷却システムが圧縮機抽気を利用して周囲冷却空気をタービンブレード冷却流体供給部へ供給する支援をする点にある。エンジン始動中、圧縮機空気はしばしば、圧縮機の安定性の問題を防止するために排気部へと抽気される。この冷却システムは、さもないと廃棄されてしまう圧縮機抽気の一部を使用し、ポンプ力が十分でない周囲冷却システム内でそれを利用する。
【００１３】
この冷却システムの別の利点は、通常運転に達し、タービンブレードの最終段内で、周囲空気を周囲空気供給入口へと引込みブレードへと排出するのに十分なポンプ作用が行われている場合には、圧縮機抽気を遮断する弁を備えている点にある。
【００１４】
これらの実施の形態及びその他の実施の形態を以下でより詳細に説明する。
【００１５】
本明細書に組み込まれ、明細書の一部を成す添付の図面は、開示された発明の実施形態を示しており、詳細な説明と共に、本発明の原理を開示している。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】エンジンの始動中及び終了中にロータアッセンブリの１つ以上の翼に冷却流体を供給するために、圧縮機からタービンブレード冷却流体供給部へと、及び周囲空気源からタービンブレード冷却流体供給部へと、冷却流体を方向付けるための冷却システムを有するタービンエンジンの概略図である。
【図２】エンジンの通常運転時に冷却流体をロータアッセンブリの１つ以上の翼に供給するために、圧縮機からタービンブレード冷却流体供給部へと、及び周囲空気源からタービンブレード冷却流体供給部へと冷却流体を方向付けるための冷却システムを有するタービンエンジンの概略図である。
【図３】圧縮機抽気管路が、上流区分と、周囲空気冷却システムから周囲空気を受け入れる下流区分とから成っている、冷却システムの選択的な実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１〜図３に示すように、圧縮空気又は周囲空気、又はその両方から成る冷却流体をロータアッセンブリの１つ以上の翼２０に供給するために、圧縮機１４からタービンブレード冷却流体供給部１６へと、及び周囲空気源１８からタービンブレード冷却流体供給部１６へと冷却流体を方向付けるための、タービンエンジン１２用の冷却システム１０が開示されている。冷却システム１０は、圧縮機１４からタービンブレード冷却流体供給部１６まで延在する圧縮機抽気管路２２を有していてよく、この圧縮機抽気管路２２は、始動過程中及び冷却過程中にタービンブレードを冷却するために圧縮空気を冷却流体として少なくとも１つのタービンブレード２４へと提供する。一実施形態では、このような構造は、タービンブレード２４用の周囲空気冷却システム２３と共に使用されてよい。別の実施形態では、圧縮機抽気管路２２は上流区分２６と下流区分２８とを有していてよく、上流区分２６は圧縮抽気を出口３０から、周囲空気が通過する下流区分２８へと排出し、周囲空気をタービンブレード冷却流体供給部１６に供給する支援をする。上流区分２６の出口３０は、下流区分２８で流れる周囲空気３２の流れとほぼ整列していてよい。従って、圧縮空気は周囲空気３２の流れにエネルギーを与え、タービンブレード２４に到達する冷却流を増大させ、冷却効率を向上させる。このような構成は、タービンブレード２４によるポンプ作用が、周囲空気を吐出するのに必要であるよりも小さい、始動過程中及び冷却過程中に有益である。
【００１８】
冷却システム１０は、ガスタービンエンジン１２の圧縮機１４からタービンブレード冷却流体供給部１６まで延在する、冷却流体を少なくとも１つのタービンブレード２４へと提供する圧縮機抽気管路２２を有していてよい。圧縮機抽気管路２２は、プレナム、パイプ、又は任意の断面形状を有する別の密封構造により形成されてよい。少なくとも１つの実施形態では、タービンブレード冷却流体供給部１６は、冷却流体を、タービンエンジン１２の排気区分４８の最も近くに位置するタービンブレードの最終段を形成するタービンブレード４６の段へと供給してよい。圧縮機抽気管路２２は、圧縮空気と流体連通する圧縮機１４における入口３６と、タービンブレード冷却流体供給部１６における出口３８とを有していてよい。
【００１９】
冷却システム１０は、圧縮機抽気管路２２の入口３６への空気流を制御するために、圧縮機抽気管路２２内に１つ以上の圧縮機遮断弁４０を有していてよい。圧縮機遮断弁４０は、任意の適切な構造からなっていてよく、例えば、ゲート弁、球形弁、ピンチ弁、ダイヤフラム弁、ニードル弁、プラグ弁、ボール弁、及びバタフライ弁であってよいが、これらに限定されるものではない。圧縮機遮断弁４０は、手動であってもよいし、あるいは例えばソレノイド制御されて、自動的に、又は別の適切な形式で構成されて電気的に制御されてもよい。
【００２０】
冷却システム１０は、周囲空気を受け入れるための１つ以上の周囲空気供給入口４２を有していてよい。周囲空気供給入口４２は任意の適切な構造を有していてよい。周囲空気供給入口４２を通ってタービンブレード冷却流体供給部１６へと入る周囲空気の流れを制御するために、１つ以上の周囲供給遮断弁４４が、圧縮機遮断弁４０の下流かつ圧縮機抽気管路２２の出口３８の上流で、少なくとも１つの周囲空気供給入口４２と圧縮機抽気管路２２との間に位置していてよい。少なくとも１つの実施形態では、周囲供給遮断弁４４は、周囲空気供給入口４２が周囲空気源１８に連通し、周囲空気供給入口４２を通る流れを、圧縮機抽気管路２２を通る流れとは独立的に制御することができるように、圧縮機抽気管路２２からずらされていてよい。周囲供給遮断弁４４は、任意の適切な構造からなっていてよく、例えば、ゲート弁、球形弁、ピンチ弁、ダイヤフラム弁、ニードル弁、プラグ弁、ボール弁、及びバタフライ弁であってよいが、これらに限定されるものではない。周囲供給遮断弁４４は、手動であってもよいし、あるいは例えばソレノイド制御されて、自動的に、又は別の適切な形式で構成されて電気的に制御されてもよい。
【００２１】
図３に示すように、別の実施形態では、圧縮機抽気管路２２は上流区分２６と下流区分２８とを有していてよい。周囲空気供給入口４２は、下流区分２８の上流端部５０に位置していてよい。上流区分２６の下流端部５２は、周囲空気供給入口４２の下流の下流区分２８で終了していてよい。圧縮機抽気管路２２の下流区分２８は、圧縮機抽気管路２２の上流区分２６よりも大きな横断面積を有していてよい。特に、圧縮機抽気管路２２の下流区分２８は、圧縮機抽気管路２２の上流区分２６よりも大きな直径を有していてよい。
【００２２】
圧縮機抽気管路２２の上流区分２６は、圧縮機抽気を、下流区分２８における周囲空気の流れとほぼ整列する下流方向５４に放出する出口３０を含んでいてよい。少なくとも１つの実施形態では、上流区分の出口３０は下流区分２８の長手方向軸線５６に整列していてよい。上流区分２６の出口３０は、下流区分２８内に位置していてよい。
【００２３】
周囲冷却流体を周囲から冷却されるタービン翼２０に供給する方法も開示されている。この方法は、ガスタービンエンジン１２の圧縮機１４からタービンブレード冷却流体供給部１６まで延在する、冷却流体を少なくとも１つのタービンブレード２４に提供する圧縮機抽気管路２２内へと圧縮空気を受け入れるステップを含んでいてよい。圧縮機抽気管路２２は、圧縮空気と流体連通する圧縮機１４における入口３６と、タービンブレード冷却流体供給部１６における出口３８とを有していてよい。この方法はさらに、圧縮機抽気管路２２の入口３６への空気流を制御するために、圧縮機抽気管路２２内の１つ以上の圧縮機遮断弁４０を介して圧縮空気の受け取りを制御するステップを含んでいてよい。この方法はさらに、１つ以上の周囲空気供給入口４２へと周囲空気を受け入れるステップを含んでいてよい。この方法は、周囲空気供給入口４２を通ってタービンブレード冷却流体供給部１６へと入る周囲空気の流れを制御するために、圧縮機遮断弁４０下流かつ圧縮機抽気管路２２の出口３８上流で、周囲空気供給入口４２と圧縮機抽気管路２２との間に位置する１つ以上の周囲供給遮断弁４４を介して周囲空気の受け取りを制御するステップを含んでいてよい。この方法はさらに、圧縮空気と周囲空気とをタービンブレード冷却流体供給部１６へと通過させるステップを含んでいてよい。
【００２４】
この方法は、圧縮空気及び周囲空気を、タービンエンジン１２の排気区分４８の最も近くに位置するタービンブレードの最終段を形成するタービンブレードの段４６へと通すステップを含んでいてよい。別の実施形態では、この方法は、上流区分２６と下流区分２８とから成る圧縮機抽気管路２２へと圧縮空気を受け入れるステップを含んでいてよく、この場合、周囲空気供給入口４２は、下流区分２８の上流端部５０に位置していて、上流区分２６の下流端部５２は、周囲空気供給入口４２の下流の下流区分２８で終端している。この方法はさらに、圧縮機抽気を、下流区分２８における周囲空気３２の流れとほぼ整列する下流方向に放出する出口３０を有した圧縮機抽気管路２２へと圧縮空気を受け入れるステップを含んでいてよい。
【００２５】
ガスタービンエンジン１２の始動中又はガスタービンエンジンの終了中、又は両方の際に、圧縮機遮断弁４０を開放することができ、周囲空気供給入口４２から圧縮空気が排出されないように周囲供給遮断弁４４を閉鎖することができる。ガスタービンエンジン１２の始動後、定常状態運転の間には、圧縮機遮断弁４０を閉鎖することができ、周囲空気を下流区分２８へと、かつタービンブレード冷却流体供給部１６へと流すことができるように、周囲供給遮断弁４４を開放することができる。この間、タービンブレード冷却流体供給部１６への圧縮空気の流れは遮断される。
【００２６】
上記説明は、本発明の実施の形態を例示、説明及び記述するという目的で提供されている。これらの実施の形態に対する変更及び適応は、当業者に明らかになるであろうし、本発明の範囲又は思想から逸脱することなく成し得るものである。
【図１】
2016537550.tif 000003
【図２】
2016537550.tif 000004
【図３】
2016537550.tif 000005
【国際調査報告】
2016537550.tif 000006
2016537550.tif 000007
2016537550.tif 000008