JP2017101675A - ガスタービンエンジン用閉ループ冷却方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】航空機用ガスタービンエンジンはエンジンスラストを最大にするため高温で運転できるように設計されているので、ギアボックスまたは静翼などの特定のエンジン構成部品の冷却が運転中に必要である。圧縮機の熱容量を増大し、エンジンシステムの熱管理を行う。
【解決手段】外側圧縮機ケーシング８２と内側圧縮機ケーシング８０との間に配置された対になった回転動翼５６、５８および固定静翼５５、６０、６２の複数の軸方向に配置された段を備えた圧縮機２４、２６を備えるガスタービンエンジンの冷却装置および方法であって、該装置および方法が、液体クーラント９８、１００を少なくともいくつかの圧縮機段の静翼およびインタークーラー８８を通過する経路を指定し、液体クーラントに熱を逃がし、被加熱液体クーラントを熱交換器７６を通過する経路を指定することによる圧縮機の閉ループ冷却を含む、装置および方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジン用閉ループ冷却方法に関する。
タービンエンジン、および特にガスまたは燃焼タービンエンジンは、燃焼器を通過し、次いで多数のタービン段上を通過して回転動翼と固定静翼の対を備える一連の圧縮機段内のエンジンを通過する燃焼ガスの気流からエネルギーを取り出すロータリーエンジンである。圧縮機段では、動翼はロータから突出しているポストにより支持されているが、静翼はステーターケーシングに取り付けられている。ガスタービンエンジンは、陸上および航海上の移動ならびに発電に用いられてきたが、例えばヘリコプターを含む航空機である航空上の利用に通常用いられている。航空機分野では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進力に用いられる。
航空機用ガスタービンエンジンはエンジンスラストを最大にするため高温で運転できるように設計されているので、ギアボックスまたは静翼などの特定のエンジン構成部品の冷却が運転中に必要である。圧縮機の熱容量を増大し利用して、エンジンシステムの所望の熱管理を行うことが望ましい。
米国特許第５７２４８０６号
１つの態様では、本発明の実施形態は、外側圧縮機ケーシングと内側圧縮機ケーシングとの間に配置された対になった回転動翼および固定静翼の複数の軸方向に配置された段を備えた圧縮機を備えるガスタービンエンジンの冷却方法に関し、該方法は、液体クーラントを少なくともいくつかの段およびインタークーラーを通過する経路を指定し、液体クーラントに熱を逃がし、被加熱液体クーラントを、熱交換器を通過する経路を指定することにより圧縮機の閉ループ冷却を含む。
別の態様では、本発明の実施形態は、対になった回転動翼および固定静翼の複数の軸方向に配置された段を備え、圧縮機セクション、燃焼器セクション、および圧縮機セクションを備えたコアケーシング内に配置および密閉された軸流のタービンセクションを備えているコアを備えるガスタービンエンジンに関する。該エンジンは、軸流配列中およびコアケーシング周辺のバイパス気流を得る該コアの上流に位置するファンセクションを備える。ポンプを備える閉ループ冷気回路、圧縮機セクションの上流に位置するインタークーラー、バイパス気流内に位置する熱交換器、およびポンプ、熱交換器、および少なくともいくつかの固定静翼を通過するクーラント管路が所定位置にある。ポンプはクーラントを、クーラント管路を通過させて送り出し、熱を固定静翼およびインタークーラーから奪いクーラントに逃がして被加熱クーラントが生成し、次いで、この被加熱クーラントは、熱交換器を通過し、ここで、熱をクーラントからバイパス気流に追い出しクーラントを冷却して冷却されたクーラントを生成し、それから、固定静翼およびインタークーラーに戻される。
図面は、以下のとおりである。
図１は、この発明の実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。 図２は、いくつかの圧縮機段の中間冷却を伴う、図１のガスタービンエンジンの圧縮機セクションの概略である。 図３は、ガスタービンセクションの冷却方法を示すフローチャートである。
記載される本発明の実施形態は、タービンエンジンに気流の経路指定に関するシステム、方法および他の装置を対象とする。図の目的として、本発明を航空機ガスタービンエンジンに関して説明する。しかしながら、この発明は、それに限定されず、他の移動体への応用および非移動体への工業、商業および住宅応用などの航空機以外の応用での一般的適用性を有し得ることは理解されるであろう。
図１は、航空機のガスタービンエンジン１０を備えることが可能なガスタービンエンジンの模式的横断面図である。エンジン１０は、概して長手方向に延びる軸線または前方１４から後方１６へ延びる中心線１２を有する。エンジン１０は、下流への直列流れ関係において、ファン２０を備えるファンセクション１８、ブースターまたは低圧（ＬＰ）圧縮機２４および高圧（ＨＰ）圧縮機２６を備える圧縮機セクション２２、燃焼器３０を備える燃焼セクション２８、ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６を備えるタービンセクション３２および排気セクション３８を備える。圧縮機セクション２２、燃焼セクション２８およびタービンセクション３２は、軸流方向に配置され、コアケーシング４６内に備えられる。
ファンセクション１８は、ファン２０を包囲するファンケーシング４０を備える。ファン２０は、中心線１２回りに放射状に配置される複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０およびＨＰタービン３４は、燃焼ガスを生成するエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、ファンケーシング４０と連結できるコアケーシング４６によって囲まれる。ファンケーシング４０の少なくとも一部分が、コアケーシング４６を取り巻き、環状バイパスチャネル４７を画定する。
エンジン１０の中心線１２回りに同軸上に配置されるＨＰシャフトまたはスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６と駆動的に連結する。大きい直径である環状のＨＰスプール４８内でエンジン１０の中心線１２回りに同軸上に配置されるＬＰ駆動シャフトまたはスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４およびファン２０と駆動的に連結する。スプール４８、５０のいずれかまたは双方に搭載されて、ともに回転するエンジン１０の部分を、個別にまたはまとめてロータ５１とも呼ぶ。
ＬＰ圧縮機２４およびＨＰ圧縮機２６は複数の圧縮機段５２、５４をそれぞれ備え、そこで１組の圧縮機動翼５６、５８は、各組が対を含み、対応する１組の静的な圧縮機静翼６０、６２（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、上記段を通り抜ける流体の流れを圧縮または加圧する。１つの圧縮機段５２、５４において、複数の圧縮機動翼５６、５８は、環内に設けられることが可能であり、動翼プラットフォームから動翼先端まで、中心線１２に対して半径方向に外側に延びることが可能である一方で、対応する静的な圧縮機静翼６０、６２が、動翼５６、５８にその下流に隣接して位置する。なお、図１に示す動翼、静翼および圧縮機段の数は、説明の目的のためだけに選択されたものであり、他の数が可能である。ある圧縮機段の動翼５６、５８は、ディスク５３に搭載可能であり、それは、その所有のディスクを有する各段を伴うＨＰおよびＬＰスプール４８、５０のうちの対応するひとつに搭載される。静翼６０、６２は、ロータ５１回りの円周方向配置のコアケーシング４６に搭載される。圧縮機は、軸方向の向きに限定されず、軸方向に、半径方向に、または組み合わせた方向に配置できる。
ＬＰ圧縮機２４およびＨＰ圧縮機２６は、圧縮機セクション２２の上流端に位置する入口案内翼５５および圧縮機セクション２２の下流端に位置する出口案内翼５７とすることが可能な少なくとも１つの案内翼をさらに備えることが可能である。該静翼は一種類に限定されず、例えば、非可変静翼または静翼とすることができる。
ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６は複数のタービン段６４、６６をそれぞれ備え、そこで１組のタービン動翼６８、７０は、対応する静的な１組のタービン静翼７２、７４（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、上記段を通り抜ける流体の流れからエネルギーを取り出す。１つのタービン段６４、６６において、複数のタービン動翼６８、７０は、環内に設けられることが可能であり、動翼プラットフォームから動翼先端まで、中心線１２に対して半径方向に外側に延びることが可能である一方で、対応する静止したタービン静翼７２、７４が、動翼６８、７０にその上流に隣接して位置する。なお、図１に示す動翼、静翼およびタービン段の数は、説明の目的のためだけに選択されたものであり、他の数が可能である。
動作中、回転ファン２０は、ＬＰ圧縮機２４へ周辺空気を供給し、その後周辺空気をさらに加圧するＨＰ圧縮機２６へ加圧された周辺空気を供給する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼器３０において燃料と混合して点火され、それによって燃焼ガスを生成する。ある仕事量が、ＨＰタービン３４によってこれらのガスから取り出され、ＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスは、ＬＰ圧縮機２４を駆動する追加の仕事量を取り出すＬＰタービン３６へ流れ出て、排気ガスは、最終的に、排気セクション３８を経由してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６の駆動がＬＰスプール５０を駆動し、ファン２０およびＬＰ圧縮機２４を回転する。
ファン２０によって供給されるいくつかの周辺空気は、バイパス気流のようにエンジンコア４４を回避することが可能であり、エンジン１０の部分、特に高温部分の冷却に用いること、および／または他の態様の航空機の冷却もしくは動力に用いることが可能である。タービンエンジンとの関連で、エンジンにおける高温部分とは、通常、燃焼器３０の下流、特に燃焼セクション２８の直下流であるために最高温部分となるＨＰタービン３４を備えるタービンセクション３２である。
エンジンの高温部分は、圧縮機セクション２２内にも存在し、従って、ファン２０によって供給される周辺空気または圧縮機からの冷却空気を、これに限定されないが、圧縮機セクション２２の部分を冷却しながら利用できる。バイパス気流はバイパスチャネル４７のバイパス気流内の圧縮機２６の上流に位置する熱交換器７６を通過できる。バイパスチャネル４７内で図示されているが、熱交換器７６の位置はバイパスチャネルに限定されず、エンジン１０内のいずれかの適切な位置に配置できる。
図２を参照して、圧縮機セクション２２の概略図が、ロータ５１を備える内側圧縮機ケーシング８０およびコアケーシング４６内に配置される外側圧縮機ケーシング８２をさらに示す。対になった回転動翼５８および静翼６２の複数の軸上に配置された段５２、５４は外側圧縮機ケーシング８２と内側圧縮機ケーシング８０との間に位置する。ポンプ８６、インタークーラー８８、熱交換器７６、およびポンプ８６、インタークーラー８８、熱交換器７６および少なくともいくつかの静翼６２を通過するクーラント管路９０を備える閉ループ冷却回路８４は圧縮機セクション２２に近接して位置する。クーラント管路９０は、クーラントをクーラント管路９０の中を通って送り出すポンプ８６の使用により、液体クーラントを閉ループ冷却回路８４内で移動させる。インタークーラー８８および熱交換器７６は、これに限定されないが、表面冷却器を含むいずれかの適切なタイプの熱交換器であり得る。さらに、インタークーラー８８は入口案内翼５５を備え、熱交換器７６は出口案内翼５７を備えるまたは隣接して位置し得る。
コアケーシング４６は、クーラント管路９０を静翼６２に接近させ、静翼６２から通すことを可能とする入口９４および出口９６を各々が備える外側圧縮機ケーシング８２の中を通る経路９２を備える。クーラント管路９０は熱交換器７６を、入口９４を通過して出口９６によりポンプ８６まで、少なくとも１つの複数の静翼６２と連結し、この後、クーラント管路９０は熱交換器７６に戻って連結される。
１つの実施形態において、エンジン１０は、ファンセクション１８のファン２０をコア４４のスプール４８、５０に連結するように、エンジン１０内のいずれかの適切な位置に位置し得るギアボックス４５をさらに備えることができる。該ギアボックスは、ファンをエンジンと異なる速度で作動させる。閉ループ冷却回路８４は、熱交換器７６からインタークーラー８８まで、そして熱交換器７６に戻るクーラント管路９０による連結を備え、インタークーラー８８はギアボックス４５上に備わる。インタークーラー８８を、ギアボックス４５およびコアケーシング４６上に配置できる。
附属のフロー制御機器、例えば、これに限定されないが、コントロールバルブを、インタークーラー８８へのクーラントの流れをオン、オフ、あるいは運転条件に依存して調節できるように、ループ内に備えることができる。
なお、冷却流体としてファンエアー７５を熱交換器７６に第一２０２導入することによりガスエンジンタービンの冷却方法２００を示すフローチャート、図３も参照。このファンエアー７５は熱交換器７６上を通過して液体クーラントを冷却して熱交換器７６内の冷却されたクーラント９８を生成する。それから、工程２０４において、冷却されたクーラント９８は、熱交換器７６から静翼６２を通過２０６して、インタークーラー８８まで２０８移動して静翼およびインタークーラーを冷却する。静翼６２およびインタークーラー８８を通過する際、液体クーラントは静翼６２およびインタークーラー８８から熱を奪い被加熱クーラント１００を生成する。次いで、工程２１０において、被加熱クーラント１００は静翼６２から、圧縮機を備え得るポンプ８６に流れ、熱がクーラントからバイパスエアーにさらに奪われる熱交換器７６に続き、該クーラントを冷却して冷却されたクーラント９８を生成する。それから、冷却されたクーラント９８は静翼６２そしてインタークーラー８８に戻り、この工程が繰り返される。冷却されたクーラント９８を使用して、インタークーラー８８を経てギアボックス４５またはコアケーシング４６などの他の部品を冷却できる。
液体、ガス、または二相混合物を移動させる従来手段を使用して液体クーラントをポンプで送ることができる。該ポンプは増圧機器、例えば、ポンプまたは圧縮機である。該ポンプまたは圧縮機を、エンジン、例えば、シャフト上の連結ギアからの仕事を用いて、またはエンジンから発電された電力を用いて駆動できる。
上記開示に記載されたインタークーラーはいずれかのタイプの熱交換器であり得る機械機器であることに留意すべきであり、圧縮機段または１組の段を冷却する熱力学サイクル、すなわち中間冷却と混同すべきでない。
この記載した説明は、実施例を用いて、最良の形態を含む本発明を開示し、かつ、いかなる当業者も、任意の装置またはシステムを作成し用いることおよび任意の組み込まれた方法を実行することを含む本発明の実施も可能にする。特許を受けることができる本発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含み得る。そのような他の実施例は、特許請求の範囲の字義どおりの用語と異なるものではない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義どおりの用語と実体のない差異をもつ均等な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内であるものとする。
１０ エンジン
１２ 中心線
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ 低圧圧縮機
２６ 高圧圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ 高圧タービン
３６ 低圧タービン
３８ 排気セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４５ ギアボックス
４６ コアケーシング
４８ 高圧シャフト／スプール
５０ 低圧シャフト／スプール
５１ ロータ
５２ 圧縮機段
５３ ディスク
５４ 圧縮機段
５５ 入口案内翼
５６ 回転動翼
５７ 出口案内静翼
５８ 回転動翼
６０ 静翼
６２ 静翼
６４ タービン段
６６ タービン段
６８ タービン動翼
７０ タービン動翼
７２ タービン静翼
７４ タービン静翼
７５ ファンエアー
７６ 熱交換器
８０ 内側圧縮機ケーシング
８２ 外側圧縮機ケーシング
８４ 閉ループ冷却回路
８６ ポンプ
８８ インタークーラー
９０ クーラント管路
９２ 経路
９４ 入口
９６ 出口
９８ 冷却されたクーラント
１００ 被加熱クーラント

Claims (8)

  1. 外側圧縮機ケーシング（８２）と内側圧縮機ケーシング（８０）との間に配置された対になった回転動翼（５６、５８）および固定静翼（６０、６２）の複数の軸方向に配置された段（５２、５４）を備えた圧縮機（２４、２６）を備えるガスタービンエンジン（１０）の冷却方法であって、前記方法が、液体クーラント（９８、１００）を少なくともいくつかの前記段（５２、５４）の静翼（６０、６２）およびインタークーラー（８８）を通過する経路を指定し、液体クーラント（９８、１００）に熱を逃がし、前記被加熱液体クーラント（９８、１００）を熱交換器（７６）を通過する経路を指定することによる前記圧縮機（２４、２６）の閉ループ冷却を含む、前記方法。
  2. 前記液体クーラント（９８、１００）を少なくともいくつかの前記静翼（６０、６２）を通過する前記経路指定が、前記液体クーラント（９８、１００）を可変静翼（６０、６２）を通過する経路指定を含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記液体クーラント（９８、１００）を少なくともいくつかの前記静翼（６０、６２）を通過する前記経路指定が、前記液体クーラント（９８、１００）を非可変静翼（６０、６２）を通過する経路指定を含む、請求項２に記載の方法。
  4. 前記液体クーラント（９８、１００）をインタークーラー（８８）を通過する前記経路指定が、前記液体クーラント（９８、１００）を熱交換器（７６）を通過する経路指定を含む、請求項１に記載の方法。
  5. 前記液体クーラント（９８、１００）を熱交換器（７６）を通過する前記経路指定が、前記液体クーラント（９８、１００）を前記圧縮機（２４、２６）の上流に位置する熱交換器（７６）を通過する経路指定を含む、請求項４に記載の方法。
  6. 前記液体クーラント（９８、１００）を熱交換器（７６）を通過する前記経路指定が、前記液体クーラント（９８、１００）を、前記圧縮機（２４、２６）の入口案内翼（５５）および出口案内翼（５７）の少なくとも１つを通過する経路指定を含む、請求項４に記載の方法。
  7. 冷却流体（７５）を前記熱交換器（７６）の中を通過することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記冷却流体（７５）が前記ガスタービンエンジン（１０）のセクション（１８）からの空気を含む、請求項６に記載の方法。
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