(57)【要約】【課題】タービン性能を向上させるための冷却回路を提供する。【解決手段】本冷却回路は、圧縮機吐出ケーシングを有するガスタービンにおいて、圧縮機吐出空気を高圧パッキン（ＨＰＰ）回路に向けて分流させる。本冷却回路は、圧縮機吐出空気を受ける入口パイプ（１４）を含む。１つ又は幾つかの低温冷却空気パイプ（１６）が、パイプマニホールド（１８）を介して入口パイプ入口パイプと流体連通した１以上の低温冷却用空気パイプであって、該パイプマニホールド（１８）が、低温冷却空気パイプに吐出空気を分配する。ＨＰＰ回路への入口の上流にはシール（１２）を配置して該ＨＰＰ回路内への流量を制限し、またタービンホイールスペースにおいてＨＰＰ回路の下流には第２のシール（１２）を配置して必要な吸込み従ってパージ流空気を制限する。本回路は、ＨＰＰ回路内での所要パージ流量を減少させて、圧縮機吐出空気の量を主流路に戻し、それによってタービン性能を向上させることができるようにする働きをする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの高圧パッキン（ＨＰＰ）回路内の流量を増強するための該ガスタービンにおける冷却回路であって、
圧縮機吐出空気を受ける入口パイプ（１４）と、
パイプマニホールド（１８）を介して入口パイプ入口パイプと流体連通した１以上の低温冷却用空気パイプであって、該パイプマニホールドによって吐出空気が分配される１以上の低温冷却空気パイプ（１６）と、
ＨＰＰ回路への入口の上流に配置された上流側シール（１２）と、
ＨＰＰ回路の下流に配置された下流側シール（１２）と
を備える冷却回路。
【請求項２】
１以上の低温冷却空気パイプと連通した冷却源（２０、２２、２４）をさらに含む、請求項１記載の冷却回路。
【請求項３】
前記冷却源が周囲空気を含む、請求項２記載の冷却回路。
【請求項４】
前記冷却源が熱交換器（２０）を含む、請求項２記載の冷却回路。
【請求項５】
前記冷却源が、分流空気及び１以上の低温冷却空気パイプ（１６）のいずれかと接触する水滴を噴霧するアトマイザ（２２）を含む、請求項２記載の冷却回路。
【請求項６】
前記冷却源が、圧縮機吐出口を含む２以上の圧縮機段からの空気を混合するエゼクタ（２４）を含む、請求項２記載の冷却回路。
【請求項７】
前記低温冷却空気パイプ（１６）が、圧縮機吐出ケーシングの垂直フランジを貫通しかつ後縁部における圧縮機吐出ケーシングストラットに沿って延びる、請求項１記載の冷却回路。
【請求項８】
入口パイプ（１４）と低温冷却空気パイプ（１６）との間に配置されたバルブ（２８）をさらに含み、該バルブが、ＨＰＰ回路の温度に基づいて分流空気の質量流量及び温度を調整する、請求項１記載の冷却回路。
【請求項９】
低温冷却空気パイプ（１６）からの低温冷却空気がタービンにおける締付けボルト及び結合フランジの少なくともいずれかに到達できるようにする内側バレル内の開口（３０）をさらに含む、請求項１記載の冷却回路。
【請求項１０】
冷却回路を使用してタービンの高圧パッキン（ＨＰＰ）回路内の流量を増強することによってタービン性能を向上させる方法であって、
入口パイプ（１４）内に圧縮機吐出空気を受ける段階と、
複数の低温冷却空気パイプ（１６）に吐出空気を分配する段階と、
ＨＰＰ回路への入口の上流に上流側シール（１２）を配置して該ＨＰＰ回路に流入する空気を調整する段階及びＨＰＰ回路の下流に下流側シール（１２）を配置してホイールスペースパージ空気の必要量を調整する段階と、を含む、
方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン性能を向上させるための構造及び方法に関し、より具体的には、圧縮機吐出空気を分流させて全所要パージ流量を補足しかつ重要タービン部品を冷却する冷却回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンの高圧パッキン（ＨＰＰ）を通り抜けて漏洩する圧縮機吐出空気は一般に、第１段ノズルと第１段バケットとの間で第１の前方ホイールスペースを通して主ガス通路に戻される。この二次流路は、ＨＰＰ回路と呼ばれる。この空気は、（１）高温ガスの吸込みを防止するための第１のホイールスペース内のパージ流として、（２）ＨＰＰ回路内の重要部品を冷却する、という２つの目的に使用される。ＨＰＰ回路内の重要部品としては、圧縮機締付けボルト、結合ジョイント、ノズル支持リング及び第１段ホイールが挙げられる。
【０００３】
幾つかの設計では、ＨＰＰ回路内での流量レベルは、部品温度要件のためにホイールスペースパージ要求量よりも高い。従って、理想的な解決法では、ホイールスペースパージ要求量を満たすレベルまで全回路流量を減少させると同時に回路内の全ての重要部品を所望の温度要件以下に保持しなければならない。さらに、好ましい解決法ではまた、変化する周囲条件及びタービン運転条件に確実に対処できるようにすることができる。最後に、解決法は、既存のハードウエア内に改造取付けすることができなければならない。
【０００４】
これ迄のＧｅｎｅｒｅｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社のタービン設計（９Ｈ型タービン）では、ＨＰＰ回路は、冷却した冷却空気（低温冷却空気）バイパスシステムを利用していた。回路は、熱交換器を使用して抽出圧縮機吐出空気を冷却し、冷却された冷却用空気（ｃｏｏｌｅｄ  ｃｏｏｌｉｎｇ  ａｉｒ）（低温冷却空気）をＨＰＰ回路の前部に持込んで、圧縮機部品の最終段を冷却するだけでなく後段の流れがＨＰＰ回路内に流入するのを防止していた。このシステムは、従来型のシールを使用しており、ＨＰＰは、従来型のエンジェルウイングシールを凌駕するのに必要なパージ流量の調整を試みていない。低温冷却空気は、調整可能ではない。
【０００５】
他のタービン設計では、パージ流量を減少させるためにブラシシールが実施されてきた。しかしながら、この場合には、より低い圧縮機吐出空気温度及び従ってより低いＨＰＰ回路温度により、適切なホイールスペース温度マージンが得られるので、低温冷却空気は必要でない。
【特許文献１】米国特許第５２５５８４９号明細書
【特許文献２】米国特許第５３５２０８７号明細書
【特許文献３】米国特許第５５９３１１２号明細書
【特許文献４】米国特許第５７２０４３４号明細書
【特許文献５】米国特許第５７７５５８９号明細書
【特許文献６】米国特許第６５０２８２３号明細書
【特許文献７】米国特許第６５２３３４６号明細書
【特許文献８】米国特許第６５５０２５３号明細書
【特許文献９】米国特許第６５７２１１５号明細書
【特許文献１０】米国特許第６６１５５７４号明細書
【特許文献１１】米国特許第６６４４０１２号明細書
【特許文献１２】米国特許第６６５５６９６号明細書
【特許文献１３】米国特許第６７８６４８７号明細書
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００２／００７４７２９号明細書
【特許文献１５】米国特許出願公開第２００４／０２２２５９６号明細書
【特許文献１６】米国特許出願公開第２００７／０１１０５６４号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
例示的な実施形態では、ガスタービンにおける冷却回路は、タービンの高圧パッキン（ＨＰＰ）回路内の流量を増強する働きをする。本冷却回路は、圧縮機吐出空気を受ける入口パイプと、パイプマニホールドを介して入口パイプと流体連通した１以上の低温冷却空気パイプとを含む。パイプマニホールドは、１以上の低温冷却空気パイプに吐出空気を分配する。上流側シールは、ＨＰＰ回路への入口の上流に配置され、また下流側シールは、ＨＰＰ回路の下流に配置される。
【０００７】
別の例示的な実施形態では、冷却回路を使用してタービンの高圧パッキン（ＨＰＰ）回路内の流量を増強することによってタービン性能を向上させる方法は、入口パイプ内に圧縮機吐出空気を受ける段階と、複数の低温冷却空気パイプに吐出空気を分配する段階と、ＨＰＰ回路への入口の上流に上流側シールを配置して該ＨＰＰ回路に流入する空気を調整する段階及びＨＰＰ回路の下流に下流側シールを配置してホイールスペースパージ空気の必要量を調整する段階とを含む。
【０００８】
さらに別の実施形態では、本冷却回路は、圧縮機吐出空気を受ける入口パイプと、パイプマニホールドを介して入口パイプ入口パイプと流体連通した１以上の低温冷却用空気パイプであって、該パイプマニホールドによって吐出空気が分配される１以上の低温冷却空気パイプと、１以上の低温冷却空気パイプ及び分流空気の１つと直接接触状態になった冷却源と、入口パイプと１以上の低温冷却空気パイプとの間に配置されかつＨＰＰ回路の温度に基づいて分流空気の質量流量及び温度を調整するバルブと、ＨＰＰ回路への入口の上流に配置された上流側シールと、ＨＰＰ回路の下流に配置された下流側シールとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１を参照すると、システムは、ブラシシール、調整可能シール又は同様のもののようなシール１２を利用して、圧縮機吐出空気及び二次（バイパス）低温冷却空気システムからの過剰流量が全所要パージ流量を補足しかつ重要部品を冷却するのを防止する。調整可能シールは、エンジン過渡運転時に後退して該シールに対する摩耗又は損傷を最小にするようなシール、或いはシール性能劣化に対応するための補修を可能にするようなシールとすることができる。
【００１０】
シール１２は、全ての重要部品及び現存のハニカムシールの前方でＨＰＰ回路入口の上流又は該ＨＰＰ回路入口に隣接して配置される。上述したように、シールは、従来型のブラシシール、作動システムを備えた調整可能シール又は同様のものとすることができる。
【００１１】
入口チューブ又はパイプ１４は、圧縮機吐出空気を受けるように配置される。回路は、直径が約３インチの２つの入口チューブ又はパイプ１４を含むのが好ましい。
【００１２】
入口パイプ１４内の分流空気は、パイプマニホールド１８を介して複数の低温冷却空気パイプ１６に流される。パイプマニホールド１８は、入口パイプ１４からの吐出空気を低温冷却空気パイプ１６に分配する。低温冷却空気パイプ１６は、圧縮機吐出空気をＨＰＰ回路に導く。
【００１３】
好ましい構成では、冷却回路は、圧縮機吐出ケース垂直フランジにおいて貫通しかつ後縁部における圧縮機吐出ケースストラットに沿って延びる１２個の低温冷却空気パイプを含む。低温冷却空気パイプは、その直径が３／４インチ又は１インチであるのが好ましい。圧縮機吐出ケースストラットを介しての位置決めは、主ガス流に対する空気力学的影響を最小にする働きをする。計算流体力学解析を行って、付加的な配管システムが主ガス流に対して無視できるほどの影響しか及ぼさないことを確認した。チューブ１６はさらに、適切な開口を通して圧縮機吐出ケース内側バレルフランジを貫通する。
【００１４】
回路は、入口パイプ１４及び低温冷却空気パイプ１６のいずれか又は両方と連通した冷却源をさらに含むのが好ましい。１つの構成では、冷却源には、空気流が低温冷却空気パイプ１６を通って移動する時に該空気流を冷却する働きをする周囲空気が含まれる。それに代えて、冷却源には、チューブ−シェル式熱交換器又は同様のもののような熱交換器２０を含むことができる。
【００１５】
冷却源のさらに別の形態は、分流空気又は低温冷却空気パイプ１６のいずれかと接触する水滴を噴霧するアトマイザ２２である。アトマイザ２２は、直接噴霧されて抽出空気を冷却するミクロレベルの水滴を生成するのが好ましい。流れを１５０°Ｆだけ冷却するのに必要な水量は、主ガス通路流の水分レベルを２％だけ高めることになる。ＨＰＰ回路内では局所的に、比湿は一般に、入口における状態と比較して４〜５倍となることになる。一般に、このより高い湿度は、回路部品に対して無害である。
【００１６】
図２は、図１に示す熱交換器２０又はアトマイザ２２に対する形態を示す。図２は、圧縮機の第１３段又はその他の適切な圧縮機抽出ポートからの空気を圧縮機吐出空気と混合するエゼクタ２４を示している。第１３段の空気は、適切な配管システム２６又は同様のものを介してエゼクタに導かれる。エゼクタ出口における混合した第１３段空気及び圧縮機吐出空気は、所望の温度と圧縮機吐出空気よりも低い圧力とを有することになる。空気を加圧しかつ加熱するのに該空気に対して少ない仕事しか行われていないという点でより割安である第１３段からの比較的安価な空気が使用されるので、付加的タービン性能を得ることができる。
【００１７】
出口温度及び質量流量は、入口パイプ１４と低温冷却空気パイプ１６との間に配置されたバルブ２８によって調整することができる。アトマイザ２２を使用する場合には、付加的なバルブを設けて、水質量を制御することができる。２つのバルブは、手動で又は制御信号によって自動的にのいずれかで作動させることができる。バルブは、ＨＰＰ回路における温度測定値に基づいて所望の低温冷却空気の質量流量及び温度に自動的に調整することができるのが好ましい。そのようなバルブは、使用する冷却メカニズムに関係なくＣＣＡ回路を制御するために使用することができる。これらのバルブは、ＨＰＰ回路内で行った温度測定値に基づいて制御されなければならず、これら温度測定は一般に、ホイールスペース内の幾つかの位置において行われるが、またＨＰＰ回路内のいずれかの重要位置においても行うことができる。温度測定値は、冷却空気が適切に低温になっているかを判定するためとホイールスペース内への高温ガスの吸込みを識別するためとの両方に使用することができる。
【００１８】
低温冷却空気パイプ１６は、様々な位置においてＨＰＰ回路に対して冷却空気を送給する。図１及び図２に示すように、内側バレル内に開口３０を設けて、タービンの締付けボルト及び結合フランジに低温冷却空気を供給するのが好ましい。ＣＣＡの残部は、第１の前方ホイールスペース内に直接供給される。
【００１９】
上記した本システム及び方法は、ＨＰＰ回路内において必要となる圧縮機吐出空気の量を節約しかつそれを主流路に再び導いて戻してタービン性能を高めようとするものである。これは、回路内に低温冷却空気を持込むための二次流システムを採用することによって確実に達成することができる。回路で必要となる全流量は、ホイールスペースパージ要求量によって決定される。ホイールスペースパージ要求量と現在の流量との間の差は、二次の低温冷却空気回路の実施を正当化するのに十分なほど重要な意味を持つ。シールは、ＨＰＰ回路に流入する空気を、可能な限り多量の所要パージ空気が低温冷却空気回路によって供給されるようにして、可能な限り最小限に制限する。アブレイダブルエンジェルウィングシールによるホイールスペースにおけるシール作用の改善により、必要なパージ空気量が減少する。混合した圧縮機吐出空気及び低温冷却空気は、ホイールスペースへの高温ガスの吸込みを防止すると同時に回路内の重要部品を温度限界値以下に保持するのに十分でなければならない。
【００２０】
現在最も実用的かつ好ましい実施形態であると考えられるものに関して本発明を説明してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものではなく、逆に特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内に含まれる様々な変更及び均等な構成を保護しようとするものであることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】例示的な実施形態の冷却回路を示す図。
【図２】別の例示的な実施形態の冷却回路を示す図。
【符号の説明】
【００２２】
１２  シール
１４  入口チューブ又はパイプ
１６  低温冷却空気パイプ
１８  パイプマニホールド
２０  熱交換器
２２  アトマイザ
２４  エゼクタ
２６  配管
２８  バルブ
３０  開口
【図１】
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【図２】
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