JP2010031860A - スロット付き圧縮機ディフューザ及び関連する方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービン用の圧縮機ディフューザを提供する。
【解決手段】本圧縮機ディフューザ（２８）は、上流端部と下流端部とを有し、下流端部は、周辺環状端縁部（３１）によって形成され、環状端縁部には、該環状端縁部における開口部から上流方向に延びる複数の略軸方向に配向されたスロット（３０）が形成される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはガスタービン燃焼技術に関し、より具体的には、幾つかの産業用ガスタービンの圧縮機吐出ケーシングに関連する空気力学的損失を低減する圧縮機ディフューザの改良に関する。

幾つかの産業用ガスタービンの圧縮機吐出ケーシングについて、空気力学的損失が確認されている。そのような損失は、圧縮機ディフューザの直ぐ下流に位置する狭窄部すなわち「ピンチポイント」内で圧縮機吐出流を加速することによって発生し、燃料消費量の増加及び幾つかの燃焼部品冷却の低下を引き起こす。一般的に、複数通路式半径方向吐出ディフューザを備えた或いは再設計流れスリーブ又はライナなどを備えた新規なタービン設計は、高価な開発及び据付け費用の故に、既存のガスタービンでは実現可能ではない。

米国特許第７１０１１５１号明細書 米国特許第６８４３０５９号明細書 米国特許第６３３４２９５号明細書 米国特許第４１００７３２号明細書 米国特許第６５１３３３０号明細書 米国特許第６１６８３７５号明細書 米国特許第４４５８４７９号明細書 米国特許第４３３８０６３号明細書 米国特許第３９６３３６９号明細書

従って、現場での改良に適した比較的安価な解決方法に対する必要性が、依然として存在している。

本発明の例示的だが非限定的な実施形態によると、ガスタービン用の圧縮機ディフューザを提供し、本圧縮機ディフューザは、上流端部と下流端部とを含み、下流端部は、周辺環状端縁部によって形成され、環状端縁部には、該環状端縁部における開口部から上流方向に延びる複数の略軸方向に配向されたスロットが形成される。

別の例示的だが非限定的な実施形態では、本発明は、ガスタービンに関し、本ガスタービンは、圧縮機と、タービンの第１段に対して燃焼ガスを第１の方向に供給するように構成された環状の燃焼器アレイとを含み、圧縮機は、圧縮機吐出空気を、燃焼で使用するために燃焼器缶の後方端部に向かう第２の対向する方向に導くような形状になったディフューザを含み、ディフューザは、上流端部と複数の略軸方向に配向されたスロットが形成された下流端部とを含む。

また別の例示的だが非限定的な実施形態では、本発明は、ガスタービンに関し、本ガスタービンは、圧縮機と、タービンの第１段に対して燃焼ガスを第１の方向に供給するように構成された環状の燃焼器アレイとを含み、圧縮機は、圧縮機吐出空気を、燃焼で使用するために燃焼器缶の後方端部に向かう第２の対向する方向に導くような形状になったディフューザを含み、ディフューザは、上流端部と下流端部とを含み、また第１の方向から第２の方向への圧縮機吐出空気の反転を強化するための手段が、下流端部に設置される。

さらに別の例示的な実施形態では、本発明は、圧縮機吐出空気を燃焼器に向かって逆流させるような、ガスタービン燃焼システム内における空気流反転を強化する方法に関し、本方法は、圧縮機ディフューザに、該ディフューザの下流端部から上流方向に延びる複数の略軸方向に配向されたスロットを形成するステップと、少なくとも１つの流れ方向付けベーンを、略軸方向に配向されたスロットの１以上と組合せるステップとを含む。

次に、以下に特定する図面に関連させて、本発明を一層詳細に説明する。

従来のガスタービン圧縮機及び燃焼器の部分断面図。 本発明の第１の例示的な実施形態による改良型の圧縮機ディフューザの部分斜視図。 図２から取った、スロットに方向転換ベーンを付加した状態の拡大詳細斜視図。 図３におけるのと同様であるがディフューザ壁の下方から見た圧縮機ディフューザの部分斜視図。 本発明の第３の例示的な実施形態の部分斜視図。 図５に示すディフューザの底面から見た部分斜視図。 本発明の第４の例示的な実施形態の部分斜視図。 圧縮機吐出ケーシングストラットに対してベーンを付加することができる方法を示す部分斜視図。

最初に図１を参照すると、缶−アニュラ形燃焼器１０を示している。燃焼器１０は、幾つかのその他の同様な燃焼器（又は燃焼器缶）と共に、タービンロータの周りに環状配列として配置され、様々なタービン段においてタービンホイールを駆動するのに必要なガスを発生させる。作動中に、圧縮機１２からの流れ矢印Ａで示す吐出空気は、ディフューザ２８を通って流れ、燃焼器１０の外側上に流れる時に方向を反転し、かつ次に燃焼器の前方端部に流入する時に再び方向を反転する。燃焼空気及び燃料は、燃焼チャンバ１４（１つを示す）内で燃焼して、高温ガスを発生し、この高温ガスは、移行ダクト１６を通って参照符号１８で示す第１タービン段に流れる。

チャンバ１０への途中で、圧縮機吐出空気は、流れスリーブ２０を貫通して流れ、流れスリーブ２０は、半径方向に該流れスリーブ２０と燃焼器ライナ２４との間に環状のギャップ又は通路２２を形成している。同様の流れスリーブ２６は、移行ダクト１６を囲み、かつライナ２４と移行ダクト１６との間の接合部において流れスリーブ２０と接合している。吐出空気が流れスリーブ内の孔配列（図示せず）を通ってギャップ内に流れることが、分かるであろう。ここまでは、このタービン燃焼器構成は、従来の設計のものである。

図２に移ると、第１の例示的だが非限定的な実施形態では、複数の略軸方向に配向されたスロット３０が、その円周方向の周りにかつ一連の圧縮機ケーシング支持ストラット３２間において圧縮機ケーシング２８（一般的には、圧縮機ディフューザと呼ばれる）の後方端部内に形成される。これらのスロットにより、圧縮機吐出空気の流れ方向の反転が強化される。

この例示的だが非限定的な実施形態では、各燃焼器「缶」毎に２つのスロット３０を設けて、半径方向に配向されたストラット３２の対間のスペースを占有させる。スロット３０は、ディフューザの下流端縁部における開口部から上流方向に延び、従って圧縮機吐出空気に対して付加的な流路面積を与えかつより早期の半径方向の方向転換を行わせて、ピンチポイントを少なくとも部分的に回避しながら燃焼器に向かって流れを反転させる。そうでなければ逆流が発生する狭窄流路となる部位における流路面積の増大を可能にすることによって、この部位における圧力低下を減少させる。例えば２つよりも１つ又はそれ以上多い缶当たりスロットを備えたその他の構成を使用することができることが分かるであろう。このスロット構成の変形形態では、ディフューザの下流端縁部は、該ディフューザの下流端縁部においてスロット３０が閉じるように連続した状態に製作することができる。

各スロット３０内に偏向ベーンを付加することによって、更なる空気流方向転換の強化を実現することができる。その構成は図３に示しており、この図３において、単一のベーン３４をスロット３０内に据付け、かつスロット内に流入した空気を方向転換させるのを助けるように、すなわちベーンの凹面形側面が流れに面した状態になるように配向する。ベーン３４は、スロットの両側面上（図４参照）に延びてディフューザを通って流れる空気が衝突すると同時に空気がディフューザ壁を貫通する時に方向転換作用を有し続ける。図３では、圧縮機配向が逆になっており、そのため空気流は図１、図２に対して逆になることに注目されたい。スロット当りのベーンの数を変化させることもまた、可能である。例えば、図５及び図６は、各スロット３０内に３つの同様に配向された方向転換ベーン３６を据付けた構成を示している。

図７は、缶当り１つのスロット４０を設けかつスロットの下流で最も近くの隣接するストラット４４上に方向転換又は偏向ベーン４２を据付けた、さらに別の構成を示している。図８は、ストラット４８の両側面に一対の方向転換又は偏向ベーン４６を取付けることができる方法の１つの実施例を示している。具体的には、各ベーン４６には、ストラットに整合した表面輪郭を有するストラット係合面５２を備えた取付け基部５０が設けられる。ベーンは、リベット又は同様のもののようなねじファスナ５４又はその他の好適な手段を用いて取付けることができる。上に示したように、缶当りのスロットの数並びに方向転換ベーンの数及び位置は、必要に応じて変化させることができる。現在のところ、好ましい構成は、缶当り２つのスロット３０を有し、またスロット内又は最も近い隣接するストラット３２上のいずれかに取付けられた該スロット当り１つの方向転換ベーンを有することである。

図７の変形形態では、偏向ベーン４６はスロット４０がない状態で単独で使用することができる。スロット及びベーンの組合せよりも効果は劣るが、それにも拘らずベーン単独のものは、空気流反転のある程度の強化を可能にする。

本明細書に記載したディフューザの改良は、現場において既存のタービンエンジンに実施することができ、或いは工場において整備顧客及び新規ユニット顧客の両方に対して性能改良を行うことができる。

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。

１０ 燃焼器
１２ 圧縮機
１４ 燃焼チャンバ
１６ 移行ダクト
１８ 第１タービン段
２０ 流れスリーブ
２２ 環状のギャップ又は通路
２４ 燃焼器ライナ
２６ 流れスリーブ
２８ ディフューザ
３０、４０ スロット
３２、４４、４８ ストラット
３４、３６ （流れ方向付け）ベーン
４２、４６ （流れ方向付け）或いは（方向転換又は偏向）ベーン
５０ 取付け基部
５２ ストラット係合面
５４ ねじファスナ
Ａ 吐出空気流れ矢印

Claims (10)

1. 上流端部と下流端部とを含むガスタービン用の圧縮機ディフューザ（２８）であって、前記下流端部が周辺環状端縁部（３１）によって形成され、前記環状端縁部に、該環状端縁部における開口部から上流方向に延びる複数の略軸方向に配向されたスロット（３０）が形成されている、圧縮機ディフューザ。
2. 前記複数の略軸方向に配向されたスロット（３０）の１以上には、空気流の反転を可能にする少なくとも１つの流れ方向付けベーン（３４）が嵌装される、請求項１記載の圧縮機ディフューザ。
3. 前記下流端部に、複数の半径方向外向きに延びる支持ストラット（３２）が設けられ、前記複数の略軸方向に配向されたスロット（３０）の各々が、前記支持ストラットの１つに隣接して位置する、請求項１記載の圧縮機ディフューザ。
4. 前記ストラット（３２）の１以上には、前記略軸方向に配向されたスロット（３０）の対応する１つと略軸方向に整列した状態の流れ方向付けベーン（４２）が設けられる、請求項３記載の圧縮機ディフューザ。
5. 前記少なくとも１つの流れ方向付けベーン（３４）が、少なくとも２つの流れ方向付けベーンを含む、請求項２記載の圧縮機ディフューザ。
6. 前記複数の支持ストラット（３２）の各対間には、前記略軸方向に配向されたスロット（３０）の２つが位置する、請求項３記載の圧縮機ディフューザ。
7. 各流れ方向付けベーン（３４）が、前記圧縮機からの空気流を略１８０°方向転換させるような該空気流に対する凹面形表面を有する、請求項２記載の圧縮機ディフューザ。
8. 各流れ方向付けベーン（３４又は３６）が、前記略軸方向に配向されたスロットの対応する１つの上方及び下方に突出する、請求項７記載の圧縮機ディフューザ。
9. 前記２つの略軸方向に配向されたスロットの各々には、単一の方向転換ベーン３４が設けられる、請求項６記載の圧縮機ディフューザ。
10. 圧縮機吐出空気を燃焼器に向かって逆流させるような、ガスタービン燃焼システム内における空気流反転を強化する方法であって、
    圧縮機ディフューザ（２８）に、該ディフューザの下流端部（３１）から上流方向に延びる複数の略軸方向に配向されたスロット（３０）を形成するステップと、
    少なくとも１つの流れ方向付けベーン（３４）を、前記略軸方向に配向されたスロットの１以上と組合せるステップと
    を含む方法。

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