JP2011052689A - High-turning diffuser strut equipped with flow crossover slot - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書に記載した主題は、タービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンのディフューザ内の方向転換ストラットに関する。 The subject matter described herein relates to turbine engines, and more particularly to turning struts in a diffuser of a turbine engine.
ガスタービンエンジンは、シャフト上に配置された複数の圧縮機ブレードを有する圧縮機を含み、圧縮機ブレード及びシャフトは、徐々に減少するボリュームを形成するように構成されている。ガスタービンに吸込まれた空気流は、該空気流が圧縮機を通って流れる時に加圧される。複数の燃焼器が、圧縮機の下流に配置され、燃焼器において、公知のように空気及び燃料が混合されかつ燃料が点火燃焼される。多段タービンが、燃焼器の下流に配置される。多段タービンの第1段は、圧縮機のシャフト上に配置された複数のタービンベーンによって形成される。多段タービンの最終段は、圧縮機のシャフトとは独立して回転する出力駆動シャフト上に配置された複数のタービンベーンによって形成される。燃焼器からの加熱加圧空気流は、多段タービンを回転させる。多段タービンの第1段の回転は、圧縮機のシャフトを回転させる。多段タービンの最終段の回転は、出力駆動シャフトを回転させ、出力駆動シャフトは次に、発電機を駆動する。ディフューザが、多段タービンの最終段の後方に配置され、また排気流を減速させかつ動的エネルギーを静圧上昇に変換するように構成される。ディフューザは、空気力学的フェアリングで囲んだ支持ストラットから成る複数の方向転換ストラットを含む。方向転換ストラットは、設計性能範囲内でガスタービンエンジンを運転している時に多段タービンからの流れを軸方向に向けて方向転換させる。方向転換ストラットは、ディフューザの環状空間内に円周方向に配置される。 A gas turbine engine includes a compressor having a plurality of compressor blades disposed on a shaft, the compressor blades and the shaft being configured to form a gradually decreasing volume. The air stream drawn into the gas turbine is pressurized as the air stream flows through the compressor. A plurality of combustors are arranged downstream of the compressor, where air and fuel are mixed and fuel is ignited and burned, as is known. A multi-stage turbine is arranged downstream of the combustor. The first stage of the multi-stage turbine is formed by a plurality of turbine vanes arranged on the compressor shaft. The final stage of the multi-stage turbine is formed by a plurality of turbine vanes arranged on an output drive shaft that rotates independently of the compressor shaft. The heated pressurized air stream from the combustor rotates the multi-stage turbine. The rotation of the first stage of the multistage turbine rotates the shaft of the compressor. The final stage rotation of the multi-stage turbine rotates the output drive shaft, which in turn drives the generator. A diffuser is disposed behind the last stage of the multi-stage turbine and is configured to decelerate the exhaust flow and convert dynamic energy into a static pressure increase. The diffuser includes a plurality of turning struts consisting of support struts surrounded by aerodynamic fairings. The diverting struts redirect the flow from the multistage turbine in the axial direction when operating the gas turbine engine within the design performance range. The turning struts are arranged circumferentially within the annular space of the diffuser.
本発明の1つの態様によると、タービンエンジンのディフューザ内で使用するための方向転換ストラットは、湾曲前縁と、その一端部において湾曲前縁から垂下した第1のテーパ表面と、その一端部において湾曲前縁から垂下した第2のテーパ表面と、第1及び第2のテーパ表面の他端部に形成された後縁とを有する。第2のテーパ表面は、第1のテーパ表面に対向して配置される。少なくとも1つのスロットが、方向転換ストラットを貫通して第1のテーパ表面から第2のテーパ表面まで延びる。少なくとも1つのスロットは、第1のテーパ表面から第2のテーパ表面までそのボリュームが減少している。少なくとも1つのスロットは、湾曲前縁に近接して配置される。 According to one aspect of the invention, a turning strut for use in a turbine engine diffuser includes a curved leading edge, a first tapered surface depending from the curved leading edge at one end thereof, and at one end thereof. It has the 2nd taper surface drooping from the curve front edge, and the rear edge formed in the other end part of the 1st and 2nd taper surface. The second tapered surface is disposed opposite the first tapered surface. At least one slot extends through the diverting strut from the first tapered surface to the second tapered surface. At least one slot has a reduced volume from the first tapered surface to the second tapered surface. At least one slot is disposed proximate to the curved leading edge.
本発明の別の態様によると、タービンエンジンのディフューザ内の流れを方向転換させる方法は、設計ポイント旋回角度から偏向した旋回角度にて流れを方向転換ストラットの前縁に衝突させるステップを含む。本方法はさらに、方向転換ストラットの第1のテーパ表面における流れにより該第1のテーパ表面において第1の層流境界層を形成するステップと、方向転換ストラットの第2のテーパ表面における流れにより該第2のテーパ表面において第2の層流境界層を形成するステップとを含む。第1のテーパ表面は、その一端部において前縁から垂下している。第2のテーパ表面は、その一端部において前縁から垂下している。第2の表面は、第1の表面に対向して配置される。偏向旋回角度は、第1及び第2の表面における流れ間に圧力差を生じさせる。第1の表面における流れは、第2の表面における流れよりも高い圧力になっている。本方法は、方向転換ストラットを貫通して第1の表面から第2の表面まで延びる少なくとも1つのスロットを通る流れを生じさせるステップを含む。少なくとも1つのスロットを通る流れは、第1の表面から第2の表面に向かうものでありかつ第1及び第2の表面における流れ間の圧力差の結果によるものである。本方法はさらに、少なくとも1つのスロットのボリュームを第1の表面から第2の表面まで減少させることによって、該少なくとも1つのスロットを通る流れを加速させるステップを含む。本方法はその上さらに、少なくとも1つのスロットからの流れを第2の表面における流れと合流させるステップを含む。第2の表面における流れの運動量が増大して、第2の表面に第2の層流境界層を維持するようになる。 In accordance with another aspect of the present invention, a method for redirecting flow in a diffuser of a turbine engine includes impinging flow against a leading edge of a diverting strut at a swivel angle that is deviated from a design point swivel angle. The method further includes forming a first laminar boundary layer at the first tapered surface by the flow at the first tapered surface of the turning strut, and the flow at the second tapered surface of the turning strut. Forming a second laminar boundary layer at the second tapered surface. The first tapered surface depends from the front edge at one end thereof. The second tapered surface depends from the front edge at one end thereof. The second surface is disposed to face the first surface. The deflection swivel angle creates a pressure difference between the flows at the first and second surfaces. The flow at the first surface is at a higher pressure than the flow at the second surface. The method includes creating a flow through at least one slot extending from the first surface to the second surface through the turning struts. The flow through the at least one slot is from the first surface to the second surface and is the result of a pressure difference between the flows at the first and second surfaces. The method further includes accelerating the flow through the at least one slot by reducing the volume of the at least one slot from the first surface to the second surface. The method further includes the step of merging the flow from the at least one slot with the flow at the second surface. The momentum of the flow at the second surface is increased to maintain a second laminar boundary layer on the second surface.
本発明のさらに別の態様によると、タービンエンジンのディフューザ内で使用するための方向転換ストラットは、前縁によって形成されかつ該前縁から垂下した第1及び第2の表面を有する全体的に細長い涙滴形状を有し、第2の表面は、第1の表面に対向して配置され、また第1及び第2の表面は、後縁にて終端している。少なくとも1つのスロットが、方向転換ストラットを貫通して第1の表面から第2の表面まで延びる。少なくとも1つのスロットは、第1の表面から第2の表面までそのボリュームが減少している。少なくとも1つのスロットは、前縁に近接して配置される。 According to yet another aspect of the present invention, a turning strut for use in a turbine engine diffuser is generally elongated having first and second surfaces formed by a leading edge and depending from the leading edge. It has a teardrop shape, the second surface is disposed opposite the first surface, and the first and second surfaces terminate at the trailing edge. At least one slot extends from the first surface to the second surface through the turning strut. At least one slot has a reduced volume from the first surface to the second surface. At least one slot is disposed proximate to the leading edge.
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。 These and other advantages and features will become more apparent from the following description taken in conjunction with the drawings.
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。 The subject matter regarded as the invention is particularly pointed out and distinctly claimed in the claims appended hereto. The foregoing and other features and advantages of the invention will be apparent from the following description taken in conjunction with the accompanying drawings.
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。 The detailed description explains embodiments of the invention, together with advantages and features, by way of example with reference to the drawings.
図1を参照すると、高出力ガスタービンエンジンを、その全体的を参照符号10で示している。ガスタービンエンジン10は、外側タービンケーシング12によって形成されたほぼ環状の形状を有する。ガスタービンエンジン10の一端部に、入口14が形成される。入口14は、ケーシング12内に配置された複数の圧縮機ブレード18によって形成された圧縮機16に通じる。圧縮機ブレード18は、ケーシング12の中心線22に沿って延びるシャフト20上に配置され、圧縮機ブレード18及びシャフト20は、徐々に減少するボリュームを形成するように構成される。入口14においてガスタービンエンジン10内に吸込まれた空気流は、該空気流が圧縮機16内を通過する時に加圧される。複数の燃焼器24が、圧縮機16の下流に配置され、かつシャフト20の周りに軸方向に配置される。燃焼器24は、予混合室及び燃焼室(その両方とも図示せず)を有する。圧縮機16からの空気流は、流入ポート26を通して予混合室内に吸込まれる。また、燃料入口28からの燃料が、予混合室内に送給される。この空気及び燃料は、公知のように、予混合室内で混合されて燃料及び空気混合気を形成し、この燃料及び空気混合気が、燃焼室に流入し、燃焼室において点火燃焼される。多段タービン30が、燃焼器24の下流でケーシング12内に配置される。多段タービン30の第1段32は、シャフト20上に配置された複数のタービンベーン34によって形成される。多段タービン30の最終段36は、出力駆動シャフト40上に配置された複数のタービンベーン38によって形成される。出力駆動シャフト40はまた、該出力駆動シャフト40がシャフト20と軸方向に整列しているのでケーシング12の中心線22に沿って延びるが、シャフト20とは独立して回転する。燃焼器24からの加熱加圧空気流は、多段タービン30を回転させる。多段タービン30の第1段32の回転は、シャフト20を回転させ、シャフト20が次に、圧縮機16を駆動する。多段タービン30の最終段36の回転は、出力駆動シャフト40を回転させ、出力駆動シャフト40が次に、発電機(図示せず)を駆動する。ディフューザ42が、多段タービン30の最終段36の後方に配置され、また排気流を減速させかつ動的エネルギーを静圧上昇に変換するように構成される。ディフューザ42は、空気力学的フェアリングで囲んだ支持ストラットから成る複数の方向転換ストラット50を含む。方向転換ストラット50は、設計性能範囲内でガスタービンエンジン10を運転している時に多段タービン30からの流れ44を軸方向に向けて方向転換させて、流れ46を発生させる。方向転換ストラット50は、ディフューザ42の環状空間内に円周方向に配置される。
Referring to FIG. 1, a high power gas turbine engine is indicated generally by the
図2を参照すると、参照符号50’で表した先行技術における方向転換ストラットを、全体的に細長い涙滴形状を有するものとして概略断面図で示している。方向転換ストラット50’は、湾曲前(縁)表面52を有し、この湾曲前表面52は、後縁58で出会うテーパ表面54及び56につながっている。方向転換ストラット50’は、その設計性能範囲内でガスタービン10を運転している時に、限られた効率低下で排気の流れ60を方向転換させるように設計されている。より具体的には、流れ60は、設計ポイント入口旋回角度にて方向転換ストラット50’の湾曲前表面52に衝突して、該方向転換ストラット50’の周りの流れ60が均一であるようになる。従って、方向転換ストラット50’の表面には、層流境界層62及び64が形成される。これは、その設計性能範囲内でガスタービンエンジン10を運転している時に、高い信頼性で達成される。
Referring to FIG. 2, a prior art turning strut represented by reference numeral 50 'is shown in schematic cross-section as having an overall elongated teardrop shape. The turning
しかしながら、時にはその設計性能範囲以下でガスタービンエンジン10を運転することが望ましい場合もある。これには、オフピークエネルギー需要又はその他の低エネルギー需要状態の間での運転が含まれることになる。しばしば「ターンダウン」運転と呼ばれているこのような運転時には、方向転換ストラット50’の周りにおける排気の流量は、最適流量よりも少ない。
However, sometimes it may be desirable to operate the
図3を参照すると、ターンダウン運転時における方向転換ストラット50’を示しており、この場合には、流れ60は、設計ポイント入口旋回角度(図2)から大きく偏向した旋回角度にて方向転換ストラット50’の湾曲前表面52に衝突する。この偏向旋回角度における流れ60は、方向転換ストラット50’の湾曲前表面52に衝突する。流れ60は、表面54に沿って流れ続けて層流境界層62を形成する。流れ60は、表面56に沿って流れ続けて層流境界層64を形成するが、この層流境界層64は、剥離ポイント66の下流で剥離する。層流境界層64内の流れの運動量が、それがゼロとなる点まで低下した時に、層流境界層64は、表面56から剥離する。層流境界層64が表面56から剥離すると、層流境界層64は、表面56上に逆流を引き起こす。層流境界層64が剥離すると、層流境界層64は、圧力抗力の増大を引き起こす伴流68を形成し、このことが、システムの効率に悪影響を与える。伴流68内には複数の渦流70が生じる。渦流70が表面56から離脱し始めると、それら渦流70は、一定の頻度で離脱することになる。渦流70の離脱は、ストラット50’内に振動を引き起こして、騒音及び背圧の増大のようなシステムの非効率がさらに付加される可能性がある。
Referring to FIG. 3, a turning strut 50 'during turndown operation is shown, in which case the
図4、図5及び図6を参照すると、参照符号50”で表した方向転換ストラットの実施形態を、全体的に細長い涙滴形状を有するものとして概略断面図(図4)で示している。方向転換ストラット50”は、湾曲前縁72を有し、この湾曲前縁72は、後縁78で出会うテーパ表面74及び76につながっている。複数のスロット80が、方向転換ストラット50”を貫通して表面74における入口82(図5)から表面76における出口84(図6)まで延びている。スロット80は、方向転換ストラット50”の前縁72に近接して配置される。スロット80は、整列しておりかつ丸み付き端部を備えたほぼ矩形の形状になっている。入口82の面積は、出口84の面積よりも大きい。その結果、スロット80のボリュームは、入口82から出口84まで徐々に減少する。スロット80の概略断面図(図4)は、ほぼ蛇行形状になったほぼ複合曲線を示している。方向転換ストラット50”は、その設計性能範囲内でガスタービンエンジン10を運転している時に、限られた効率低下で排気の流れ86を方向転換させるように設計されている。より具体的には、流れ86は、設計ポイント入口旋回角度にて方向転換ストラット50”の湾曲前(縁)表面72に衝突して、該方向転換ストラット50”の周りの流れ86が均一であるようになる。層流境界層88及び90が、方向転換ストラット50”のそれぞれ表面74及び76に形成される。設計ポイント旋回角度においては、表面74上の流れと表面76上の流れの圧力差は、無視できる程度であり、それによってスロット80を通るいかなる流れも僅かである。
Referring to FIGS. 4, 5 and 6, an embodiment of the turning strut represented by
次に図7を参照すると、ターンダウン運転時における方向転換ストラット50”を示しれており、この場合には、流れ86は、設計ポイント入口旋回角度(図4)から大きく偏向した旋回角度にて方向転換ストラット50”の湾曲前縁72に衝突する。流れ86は、表面74に沿って流れ続けて層流境界層88を形成する。流れ86は、表面76に沿って流れ続けて層流境界層92を形成する。偏向旋回角度により、表面74及び76における流れ間に圧力差が生じる。表面74には高圧流れが形成され、また表面76には低圧流れが形成される。表面74及び76間の圧力差は、スロット80において吸引作用を発生させて、スロットを通る流れを生じさせる。スロット80の徐々に減少するボリュームは、ベルヌーイの法則によりスロット80を通る流れの速度を増大させる。ベルヌーイの法則は、流体の速度及び圧力間の相関関係に関して、流体速度が増大する時には圧力が低下し、また流体速度が低下する時には圧力が上昇すると述べている。従って、入口82においてスロット80に流入した流れは、スロット80を通して出口84に向かって加速する。スロット80から流出する流れは、表面76の上流端における流れよりも速い。これらの流れは、出口84において合流し、それによって出口84の下流の表面76における流れは、加速される。上記の先行技術とは異なり、表面76におけるこの加速流は、剥離しない。この流れの運動量は、ゼロにまで低下することはなく、表面74及び76間の流れの均一性が維持される。上記したように、スロット80は、入口82内への流入及び出口84からの流出を可能にするように蛇行形状になっている。より具体的には、表面74における流れの方向は、入口82に至り、また出口84は、表面76のおける流れの方向に沿っている。従って、圧力抗力が減少し、それにより、ディフューザ42の効率が増大すると共に部品応力が低下することになる。
Referring now to FIG. 7, there is shown a turning
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。 Although the present invention has been described in detail only with respect to a limited number of embodiments, it should be readily understood that the invention is not limited to such disclosed embodiments. Rather, the invention can be modified to incorporate any number of variations, alterations, substitutions or equivalent arrangements not heretofore described, but which are commensurate with the spirit and scope of the invention. Moreover, while various embodiments of the invention have been described, it is to be understood that aspects of the invention can include only some of the described embodiments. Accordingly, the invention is not to be seen as limited by the foregoing description, but is limited only by the scope of the claims.
10 ガスタービンエンジン
12 外側タービンケーシング
14 入口
16 圧縮機
18 圧縮機ブレード
20 シャフト
22 中心線
24 燃焼器
26 流入ポート
28 燃料入口
30 多段タービン
32 第1段
34 タービンブレード
36 最終段
38 タービンブレード
40 出力シャフト
42 ディフューザ
44 流れ
46 流れ
50 方向転換ストラット
50’ 方向転換ストラット
50” 方向転換ストラット
52 湾曲前表面
54 テーパ表面
56 テーパ表面
58 後縁
60 流れ
62 層流境界層
64 層流境界層
66 剥離ポイント
68 伴流
70 渦流
72 湾曲前縁
74 テーパ表面
76 テーパ表面
78 後縁
80 スロット
82 入口
84 出口
86 流れ
88 層流境界層
90 層流境界層
92 層流境界層
10
Claims (6)
湾曲前縁(72)と、
その一端部において前記湾曲前縁(72)から垂下した第1のテーパ表面(74)と、
その一端部において前記湾曲前縁(72)から垂下しかつ前記第1のテーパ表面(74)に対向して配置された第2のテーパ表面(76)と、
前記第1及び第2のテーパ表面(74、76)の他端部に形成された後縁(78)と、
該方向転換ストラット(50”)を貫通して前記第1のテーパ表面(74)から前記第2のテーパ表面(76)まで延び、該第1のテーパ表面(74)から該第2のテーパ表面(76)までそのボリュームが減少しかつ前記湾曲前縁(72)に近接して配置された少なくとも1つのスロット(80)と、を含む、
方向転換ストラット。 A turning strut (50 ″) for use in a diffuser (42) of a turbine engine (10),
A curved leading edge (72);
A first tapered surface (74) depending from the curved leading edge (72) at one end thereof;
A second taper surface (76) depending at one end thereof from the curved leading edge (72) and facing the first taper surface (74);
A trailing edge (78) formed at the other end of the first and second tapered surfaces (74, 76);
Extends from the first taper surface (74) to the second taper surface (76) through the diverting strut (50 ") and from the first taper surface (74) to the second taper surface At least one slot (80) whose volume is reduced to (76) and disposed proximate to said curved leading edge (72);
A turning strut.
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