JP2011085134A - 排気ガスディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】排気ガスディフューザを提供する。
【解決手段】排気ガスディフューザは、ガスタービンに結合される入口（５０８）、外側壁（２０６、５０４）、内側壁（２０４）、及び該入口の下流の終端部（２１２）を有する中心ボディ（２０２、６０２）を含む。内側壁は、流入位置から終端部まで連続湾曲部を形成する。本ディフューザはまた、中心ボディの終端部に結合した第２の部分（１０４、６０４）を含む。
【選択図】 図２

Description

本発明は、タービンに関し、具体的にはガスタービン及び蒸気タービンで使用するためのディフューザに関する。

一般的なガスタービンは、ロータの最終段バケットに結合したディフューザコーン又はディフューザを含む。ディフューザは一般的に、排気ガスの運動エネルギーを減少させることによって該排気ガスの静圧を増大させる働きをする。一般的に、この働きは、排気ガス流れの方向にディフューザの断面積を増大させることによって達成することができる。

言うまでもなく、ディフューザは、完全に効率的であるとは言えない。排気ガスディフューザにおける損失及び乱流発生の１つの原因は、ストラット及び流路との流れ相互作用によるものである。ストラットは、ロータ荷重負荷を中心部から外側ケーシング（外側壁）に伝達する構造部材であり、次に外側ケーシングは、その荷重負荷を基礎に伝達する。空気力学的には、ストラットにより、ディフューザのディフューザ内側及び外側壁間に閉塞部が生じる。内側壁は一般的に、ロータシャフトの一部分及び可能性があるその他の要素を囲む。

ストラットとの流れ相互作用による損失は、高タービン流出マッハ数で増幅されるおそれがあり、この高タービン流出マッハ数は、ハブ流路近くに大きな流量が集中する大流量タービン作動条件及び高流速分布によって促進される可能性がある。ストラットは一般的に、意図的に最も大きい拡散勾配の領域にしてあるディフューザ入口の近くに設置される。従って、この領域で生じるあらゆる損失は、ディフューザシステム全体の性能及び音響挙動に大きな影響を有するおそれがある。

国際公開第２００６／００３０７１号

本発明の１つの態様によると、排気ガスディフューザ用の中心ボディを開示する。本中心ボディは、外側壁と、外側壁から離隔して配置されかつ該中心ボディの流入位置及び終端部間に連続湾曲部を形成した内側壁とを含む。

本発明の別の態様によると、排気ガスディフューザを開示する。本ディフューザは、ガスタービンに結合される入口を有する中心ボディを含み、中心ボディは、外側壁、内側壁、及び入口の下流の終端部を有し、内側壁は、流入位置から終端部まで連続湾曲部を形成する。中心ボディは、該中心ボディの終端部に結合した第２の部分を含む。

本発明のさらに別の態様は、ガスタービンに関し、本ガスタービンは、該ガスタービンの一部分を囲むタービンケーシングを含む。本ガスタービンはまた、タービンケーシングに結合した排気ガスディフューザを含み、排気ガスディフューザは、ガスタービンに結合される入口を有する中心ボディを含み、中心ボディは、外側壁、内側壁、及び入口の下流の終端部を有し、内側壁は、流入位置から終端部まで連続湾曲部を形成する。

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。

本発明は、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詳細な説明から明らかである。

従来技術のディフューザの断面側面図。 一実施形態によるディフューザの断面側面図。 図１に示すディフューザ内に存在する可能性がある乱流運動エネルギーを示す図。 図２に示すディフューザ内に存在する可能性がある乱流運動エネルギーを示す図。 中心ボディにおける半径のスパンにわたる乱流強さの変化を示すグラフ。 一実施形態による別のディフューザの断面側面図。 一実施形態によるさらに別のディフューザの断面側面図。 図２に示すようなディフューザ内における乱流運動エネルギーを示す図。 図７に示すようなディフューザ内における乱流運動エネルギーを示す図。

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。

本発明の一実施形態では、流路面積は、ストラット通路においてディフューザ内側バレル（内側壁）を成形することにより制御される。この流路の成形は、ストラットの上流及び下流における形状変更の制御により、多くの場合生じがちな壁からの流れ剥離による制約を克服して内側壁流路形状を成形しながら、最大ストラット厚さの位置であるディフューザ内の最少面積セクションにおいて最大開口を有するようにすることによって達成される。中心ボディ終端部は、中心ボディ半径及びディフューザ内側壁角度の関数である。同様に、ケーシングは、外側壁の終端部半径を保持した状態で成形されかつ半径方向スワールの関数である。具体的には、また内側壁が１以上の「平坦」セクションを含む従来技術と対照的に、一実施形態では、内側壁は、該内側壁がディフューザの中心ボディセクションの入口から終端部まで湾曲するように形成することができる。得られた結果は、ストラット閉塞部の減少であり、従ってストラットによる損失の低下である。別の実施形態では、外側壁は、ストラットの上流で成形することができ、従ってエンジン輸送限界により制約される可能性がある外側壁外径を拡大させることなく、ストラットにわたるマッハ数を低下させることができる。

図１は、従来技術のディフューザ１００の断面側面図を示している。ディフューザ１００は、中心ボディ部分１０２及び第２の部分１０４を含む。中心ボディ部分１０２及び第２の部分１０４は、別個に形成されかつ使用中には互いに接合することができる。中心ボディ部分１０２は、ロータチャンバ１０６を含む。ロータチャンバ１０６は、作動の間にガスタービンロータ（図示せず）の一部分を囲む。

中心ボディ部分１０２は、少なくとも第１の平面１１０及び第２の平面１１２で形成された内側壁１０８を有する。第１の平面１１０は、ハブ１１４から第２の平面１１２まで延びる。第２の平面１１２は、第１の平面１１０から中心ボディ終端部１１８まで延びる。第２の部分１０４は、ロータの一部分又はその他の要素を囲むように形成された円筒形チャネルを含むことができる。

中心ボディ部分１０２はまた、内側壁１０８及び外側壁１２２間に形成された１以上のストラット１２０を含むことができる。ストラット１２０は、内側壁１０８及び外側壁１２２を互いに固定関係で保持する働きをする。ストラット１２０の数は、可変であり、一般に４個、５個又は１０個のいずれかである。

ディフューザ１００は、ガスタービン（図示せず）のアウトプットに一般的に結合したディフューザ入口１２４と、サイレンサに結合することができるディフューザ出口１２６とを有する。一般的に、図１に示す設計は、その意図した目的通りに作動することができるが、そのような設計は、１以上の欠点を有する可能性がある。最初に、上記したように、排気ガスディフューザにおける損失及び乱流発生の主な原因は、ストラット１２０との流れ相互作用である。この損失は、高タービン流出マッハ数（例えば、高いディフューザ入口１２４流入速度）で増幅されるおそれがあり、この高タービン流出マッハ数は、ハブ１１４流路近くに大きな流量が集中する大流量タービン作動条件及び高流速分布によって促進される可能性がある。ストラット１２０は一般的に、意図的に最も大きい拡散勾配の領域にしてあるディフューザ入口１２４の近くに設置される。従って、この領域で生じるあらゆる損失は、ディフューザシステム全体の性能に大きな影響を有するおそれがある。

さらに、大きな乱流発生は、排気ガスディフューザの音響挙動及びサイレンサ設計に有害な影響を有し、また大きな乱流発生は、ディフューザに結合したＨＲＳＧの第１のチューブバンドルに振動を生じさせ、或いは該チューブバンドルに対する付加的振動源となる可能性があり、それにより、ＨＲＳＧ損傷が生じるおそれがある。

図２は、一実施形態によるディフューザ２００の実施例の断面側面図を示している。ディフューザ２００は、中心ボディ２０２及び第２の部分１０４を含む。作動中に、ガスタービンからの排気ガスは、矢印Ａで示す方向にディフューザを通って流れる。この説明において、ある物体が別の物体又は位置から矢印Ａの方向に移動している場合には、ある物体は、別の物体又は位置の「下流」にあり、またある物体が別の物体又は位置から矢印Ａの反対の方向に移動している場合には、ある物体は、別の物体又は位置の「上流」にある。

中心ボディ２０２は、内側壁２０４及び外側壁２０６を含む。ストラット１２０は、内側壁２０４を外側壁２０６と固定関係で保持する。内側壁２０４は、ロータの一部分がそれを通り抜ける内部チャンバ２０８を形成する。中心ボディ２０２はまた、入口２１１を含む。

一実施形態によると、内側壁２０４は、流入位置２１０から中心ボディ終端部２１２まで湾曲している。一実施形態では、湾曲部(湾曲面)は、連続湾曲部(連続湾曲面)である。一実施形態では、湾曲部は、スプラインである。一実施形態では、内側壁は、流入位置２１０の下流の僅かな距離から中心ボディ終端部２１２まで湾曲している。一実施形態では、内側壁２０４は、中心ボディ終端部２１２からストラット１２０の１以上の上流の領域まで連続湾曲部を形成している。一実施形態では、流入位置２１０は、入口２１１及びストラット１２０間のあらゆる位置とすることができる。

図２に示す実施形態の一部ではないが対比として図示しているのは、図１からの第１の平面１１０及び第２の平面１１２（破線で示す）である。図２から明らかなように、湾曲内側壁２０４を形成することにより、中心ボディ２０２の断面積が増大する。これにより、従来使用しているものより外側壁２０６の外径を拡大せずに、ストラット１２０によって生じる乱流を減少させることができる。別の実施形態では、湾曲内側壁２０４を利用することにより、より小径の外側壁２０６を可能にすることができる。

図３及び図４は、それぞれ図１及び図２に示す中心ボディ１０２及び２０２内における乱流運動エネルギー（ｋ）を示している。Ｋは、速度の関数として定義されかつ（長さ²／時間²）のディメンションを有する。図３及び図４では、最低ｋ値（０．０〜１００ｍ²／ｓ²）を有する領域は、参照符号３０２で特定している。これらから分かるように、図３は、図４よりも非常に小さい低ｋ値を有する。従って、中心ボディ２０２の乱流運動エネルギーは、中心ボディ１０１よりも低い。より低いｋ値は、より低い損失を意味する。

図５は、中心ボディ（ｙ軸）の長さのスパンにわたる乱流強さ（ｘ軸）の変化を示している。この実施例では、乱流強さは、Ｉ＝（（ｋ²／３）^1/2）／（中心ボディ入口における平均速度）として定義される。図５では、曲線４０２は、中心ボディ１０２についてのＩを表し、また曲線４０４は、中心ボディ２０２についてのＩを表している。両方の曲線１０２及び１０４の場合に、中心ボディは、１０個のストラット１２０を含む。

さらに、実験データによると、図２に示す実施形態の回復率（ＲＦ）は、図１の回復率よりも大きいことを示した。実際には、実験データによると、図２の実施形態と図１の実施形態との間で１０％のＲＦ増大の向上を示した。

図６は、ディフューザ５０２の別の実施形態を示している。この実施形態では、ディフューザ５０２は、改良した外側壁５０４を含む。この実施形態における外側壁５０４は、該外側壁が湾曲部分５０６を含むように形成される。湾曲部分５０６は、ディフューザ５０２の入口５０８から該入口５０８の下流の位置まで延びる。一実施形態では、ディフューザ５０２は半径ｒを有し、また湾曲部分５０６は、ディフューザの中心線５１０から距離ｒ以上に延びることはない。一実施形態では、内側壁５１２は、図１又は図２のいずれかに示すように形成することができる。

図７は、本発明のさらに別の実施形態の断面側面図を示している。図７に示すディフューザ６００は、中心ボディ６０２及び第２の部分６０４を含む。第２の部分６０４は、中心ボディ６０２とは別個に形成しかつ該第２の部分６０４の流入側壁６０５に沿って該中心ボディ６０２に接合することができる。言うまでもなく、中心ボディ６０２及び第２の部分６０４は、単体構造部材として形成することができる。

第２の部分６０４は、内側壁６１２を含む。一実施形態では、流入側壁６０５は、湾曲部６０６によって内側壁６１２に連結される。このことが、破線６０８及び６１０で例示するように従来技術とは異なる点である。

湾曲部６０６を利用することは、図８及び図９に示すように乱流運動エネルギーを減少させる利点がある。図８は、図２に示すようなディフューザ内における乱流運動エネルギーを示している。図８は、大きい乱流の領域である領域７０２、７０４及び７０６を含む。図９は、図７に示すような第２の部分６０４を備えたディフューザ内における乱流運動エネルギーを示している。図９に示すディフューザは、領域７０２、７０４及び７０６を含んでいない。このことは、図７に示すような第２の部分６０２を利用した構成では乱流がより少ないことを示している。

本発明の様々な実施形態は、説明を簡単にするために別々に示してきたことを理解されたい。さらに、本明細書に開示したあらゆる実施形態は、本明細書におけるあらゆるその他の実施形態と組合せることができることを理解されたい。例えば、図２の湾曲内側壁は、図６に示すような湾曲外側壁を有するディフューザで実施することができる。さらに、図２及び図６に示す実施形態のいずれか又は両方は、図７に示すような第２の部分を含むことができる。

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。

１００、２００、５０２、６００ 従来技術のディフューザ
１０２、２０２、６０２ 中心ボディ部分
１０４、６０４ 第２の部分
１０６ ロータチャンバ
１０８、２０４、５１２、６１２ 内側壁
１１０ 第１の平面
１１２ 第２の平面
１１４ ハブ
１１８、２１２ 中心ボディ終端部
１２０ ストラット
１２２、２０６、５０４ 外側壁
１２４、２１１、５０８ ディフューザ入口
１２６ ディフューザ出口
２０８ 内部チャンバ
２１０ 流入位置
３０２ 低ｋ値領域
４０２、４０４ 湾曲部
５０６、６０６ 外側壁の湾曲部分
５１０ 中心線
６０５ 流入側壁
６０８、６１０ 破線
７０２、７０４、７０６ 大きい乱流の領域

Claims (10)

1. 排気ガスディフューザ用の中心ボディ（２０２、６０２）であって、
   外側壁（２０６、５０４）と、
   外側壁から離隔して配置された内側壁（２０４）と
   を備えており、内側壁が、当該中心ボディの流入位置（２１０）と終端部（２１２）の間に連続湾曲部を形成する、中心ボディ。
2. 内側壁と外側壁の間に結合した１以上のストラット（１２０）を含む、請求項１記載の中心ボディ。
3. 前記流入位置が１以上のストラットの上流に位置し、終端部がストラットの下流に位置する、請求項２記載の中心ボディ。
4. 外側壁が、入口（５０８）から該入口の下流の位置まで延びる湾曲部分（５０６）を含む、請求項１記載の中心ボディ。
5. 湾曲部分（６０６）によって第２の部分内側壁（６１２）に連結された流入側壁（６０５）を有する第２の部分（６０４）と組合される、請求項１記載の中心ボディ。
6. ガスタービンとの組合せで用いられる、請求項１記載の中心ボディ。
7. ガスタービンに結合される入口（２１１）を有する中心ボディ（２０２、６０２）を備える排気ガスディフューザであって、
   中心ボディが、外側壁（２０６、５０４）、内側壁（２０４）及び入口の下流の終端部（２１２）を有しており、
   内側壁が流入位置から終端部まで連続湾曲部を形成し、該排気ガスディフューザがさらに、中心ボディの終端部に結合した第２の部分（１０４、６０４）を含む、排気ガスディフューザ。
8. ガスタービンとの組合せで用いられる、請求項７記載の排気ガスディフューザ。
9. 外側壁が入口から該入口の下流の位置まで湾曲部を形成する、請求項７記載の排気ガスディフューザ。
10. 中心ボディが、内側壁内にロータを受ける凹部を含む、請求項７記載の排気ガスディフューザ。