JP2011236897A - ガスタービンシステム用のディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】長手方向軸線（９０）を有するガスタービンシステム（１０）用のディフューザ（２０）を開示する。
【解決手段】本ディフューザ（２０）は、複数のディフューザダクト（３０）を含む。複数のディフューザダクト（３０）の各々は、長手方向軸線（９０）の周りに環状に配置されかつ入口（３２）と出口（３６）と該入口（３２）及び出口（３６）間で延びる通路（３４）とを有する。複数のディフューザダクト（３０）の各々の出口（３６）は、それぞれのディフューザダクト（３０）の入口（３２）から接線方向にオフセットしている。複数のディフューザダクト（３０）の各々は、それを通してガス流（８０）を流して該ガス流（８０）の速度を低下させるように構成される。
【選択図】 図３

Description

本明細書に開示した主題は、総括的にはガスタービンシステムに関し、より具体的には、ガスタービンシステムにおけるディフューザに関する。

ガスタービンシステムは、発電のような分野において広範に利用されている。従来型のガスタービンシステムは、圧縮機セクション、燃焼器セクション及び少なくとも１つのタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、空気が圧縮機セクションを通って流れる時に該空気を加圧するように構成される。この加圧空気は次に、圧縮機セクションから燃焼器セクションに流れ、この燃焼器セクションにおいて、加圧空気は燃料と混合されかつ燃焼されて高温ガス流を発生する。高温ガス流は、タービンセクションに供給され、このタービンセクションは、高温ガス流をそれからエネルギーを抽出することによって利用して、圧縮機、発電機及びその他の様々な負荷を駆動する。

従来型のガスタービンシステムでは、圧縮機セクション内で加圧された空気流は、比較的高速度で圧縮機セクションから吐出される。この空気流の速度は一般的に、燃焼器セクションに流入させるのに最適である速度まで低下させる必要がある。従って、一般的な公知の圧縮機セクションは、図２に示すようなアキシャルディフューザ１９を備えており、このアキシャルディフューザ１９は、圧縮機セクションから流出する空気流の速度を低下させるように作用する。

ガスタービンシステムにおける一般的な公知のディフューザの利用は、ガスタービンシステムを種々の問題に曝すおそれがある。例えば、公知のディフューザは一般的に、空気流がガスタービンシステムの略長手方向軸線９０に沿って移動する時に、該空気流を拡散させる。しかしながら、圧縮機セクションから流出した空気流は一般的に、略長手方向での移動に伴った接線方向及び半径方向流れ成分と共に、空気流が略回転方向に移動していることを意味する「流出スワール」成分を有する。空気流がアキシャルディフューザ１９に流入する前にこの流出スワールを減少させるために、一般的に圧縮機セクションにおけるアキシャルディフューザ１９の上流に、１つ又は複数のガイドベーン２８が配置される。ガイドベーン２８は、流出スワールを減少させるように設計される。しかしながら、大きい空気流圧力降下は、この流出スワールを減少させるガイドベーン２８の使用と関連しており、このことにより、ガスタービンシステムの性能及び効率の損失が生じる。さらに、空気流が一般的なアキシャルディフューザ１９から流出した後に、空気流は、それが燃焼器セクションに流れるにつれて、図２に示すように複数回にわたってその方向を変更しなければならない。さらに大きい空気流圧力降下は、各方向変更と関連しており、従ってガスタービンシステムの性能及び効率のさらなる損失が生じる。

米国特許第７１８１９１４号明細書

従って、当技術分野では、空気流圧力降下を減少させるディフューザが、望ましいと言える。その上、空気流と関連した流出スワールを利用して燃焼器セクションに空気流を導くディフューザが、有利であると言える。さらに、圧縮機セクションにおけるガイドベーンの必要性を排除したディフューザが、望ましいと言える。

本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。

１つの実施形態では、長手方向軸線を有するガスタービンシステム用のディフューザを開示する。本ディフューザは、複数のディフューザダクトを含む。複数のディフューザダクトの各々は、長手方向軸線の周りに環状に配置されかつ入口と出口と該入口及び出口間で延びる通路とを有する。複数のディフューザダクトの各々の出口は、それぞれのディフューザダクトの入口から接線方向にオフセットしている。複数のディフューザダクトの各々は、それを通してガス流を流して該ガス流の速度を低下させるように構成される。

本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び特許請求の範囲を参照することによってより良好に理解されるであろう。本明細書の一部として組入れられかつ本明細書の一部を構成した添付図面は、本発明の実施形態を示しており、詳細な説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。

当業者を対象に、本発明のその最良の形態を含む完全かつ有効な開示を、添付図を参照した本明細書において説明する。

本開示のガスタービンシステムの概略図。 公知のガスタービンシステムの断面図。 本開示のディフューザの１つの実施形態の拡大斜視図。 本開示のディフューザダクトの１つの実施形態の斜視図。 本開示のディフューザの１つの実施形態の正面図。 本開示のディフューザの別の実施形態の正面図。

次に、その１つ又はそれ以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに様々な修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

図１は、ガスタービンシステム１０の概略図である。システム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４及びタービンセクション１６を含むことができる。さらに、システム１０は、複数の圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４及びタービンセクション１６を含むことができる。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合することができる。シャフト１８は、単一シャフト又は互いに結合されてシャフト１８を形成した複数のシャフトセグメントとすることができる。ガスタービンシステム１０は、中心長手方向軸線９０を有することができる。例えば、シャフト１８は、軸線９０に沿って長手方向に配置することができる。

圧縮機セクション１２は、ガス流８０が圧縮機セクション１２を通って流れる時に、ガス流８０を加圧することができる。ガス流８０は、例えば空気又はあらゆるその他の好適なガスとすることができる。圧縮機セクション１２は次に、ガス流８０を燃焼器セクション１４に流すことができ、燃焼器セクション１４は、下記に説明するようにガス流８０を受けるように構成することができる。

ガス流８０が加圧された後に圧縮機セクション１２を通って流れる時に、ガス流は、長手方向軸線９０に対して略長手方向に流れることができる。しかしながら、ガス流８０は一般的にさらに、他の流れ成分を含む可能性がある。例えば、加圧された後のガス流８０は、当技術分野では「流出スワール」として一纏めにして知られている流れ成分を有する可能性がある。従って、ガス流８０は、略接線方向に流れることができ、またさらに略半径方向に流れることができる。

様々な実施形態では、圧縮機セクション１２は、少なくも１つのガイドベーン２８を含むことができる。ガイドベーン２８は、流出スワールを減少させ、従ってガス流８０の接線方向及び半径方向流れ成分を減少させることができる。しかしながら、本開示の例示的な実施形態では、圧縮機セクション１２は、ガイドベーン２８がないものとすることができる。

図３〜図６に示すように、圧縮機セクション１２は、ディフューザ２０を含むことができる。ディフューザ２０は、下記に説明するようにガス流８０の速度を低下させるように構成することができる。ディフューザ２０はさらに、ガス流８０を全体的に燃焼器セクション１４に流すことができる。例えば、圧縮機セクション１２内で加圧された後に、ガス流８０は、ディフューザ２０を通って流れかつ燃焼器セクション１４に供給されるようにすることができる。例えば、１つの実施形態では、ガス流８０は、ディフューザ２０からプレナム２２内に流出することができる。ガス流８０は次に、プレナム２２から燃焼器セクション１４に供給されるようにすることができる。それに代えて、ガス流８０は、ディフューザ２０から直接に燃焼器セクション１４内に流出させることができる。例えば、燃焼器セクション１４は、複数の燃焼器缶２４を含むことができる。さらに、下記に説明するような１つの実施形態では、ディフューザ２０は、複数のディフューザダクト３０を含むことができる。ディフューザダクト３０の各々は、燃焼器缶２４と結合することができる。燃焼器缶２４は、複数のディフューザダクト３０の１つからガス流８０を受けるように構成することができる。例えば、燃焼器缶２４の各々は、ディフューザダクト３０の１つに流体連結して、該ディフューザダクト３０から流出したガス流８０が、燃焼器缶２４に、従って燃焼器セクション１４に直接流入するようにすることができる。

上述のように、本開示のディフューザ２０は、複数のディフューザダクト３０を含む。図３〜図６に示すように、複数のディフューザダクト３０の各々は、入口３２と出口３６と該入口３２及び出口３６間で延びる通路とを有することができる。ディフューザダクト３０は、それを通してガス流８０を流して、該ガス流８０の速度を低下させるように構成することができる。例えば、複数のディフューザダクト３０の各々の入口３２は、それぞれのディフューザダクト３０の出口３６の断面積よりも全体として小さい断面積を有することができる。入口３２及び出口３６は、略円形又は長円形断面、矩形断面、三角形断面又はあらゆるその他の好適な多角形断面を有することができる。さらに、それぞれのディフューザダクト３０の入口３２及び出口３６は、同じ形状断面を有する必要性がないことを理解されたい。例えば、１つの実施形態では、入口３２は、略矩形断面を有することができるが、出口３６は、略円形断面を有することができる。

さらに、通路３４は、入口３２及び出口３６間で全体的にテーパさせることができる。例えば、例示的な実施形態では、通路３４は、略円錐形状にすることができる。しかしながら、それに代えて、通路３４は、略矩形断面、三角形断面又はあらゆるその他の好適な多角形断面を有することができる。通路３４の断面形状は、通路３４が比較的より小さい入口３２から比較的より大きい出口３６までテーパするように通路３４全体にわたって変化させることができることを理解されたい。

ディフューザダクト３０は、長手方向軸線９０の周りに環状アレイとして配置することができる。従って、ガス流８０が加圧された後に圧縮機セクション１２を通って略長手方向にディフューザ２０内に流れる時に、ガス流８０は、入口３２を通って環状アレイのディフューザダクト３０内に流れることができる。

複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６は、それぞれのディフューザダクト３０の入口３２からオフセットさせることができる。本明細書で使用する場合に、「オフセット」という用語は、特定した座標方向に沿った方向から間隔を置いた状態を意味する。例えば、複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６は、接線方向軸線９２に沿ったオフセットのように、それぞれのディフューザダクト３０の入口３２から接線方向にオフセットさせることができる。複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６がそれぞれのディフューザダクト３０の入口３２から接線方向にオフセットしているので、ディフューザダクト３０は、ガス流８０流出スワールの接線方向成分を利用してディフューザダクト３０を通してガス流８０を流すことができる利点を有する。例示的な実施形態では、この接線方向ガス流８０成分の利用により、圧縮機セクション１２内におけるガイドベーン２８の必要性を排除することができる。さらに、接線方向ガス流８０成分の利用により、ガス流８０が圧縮機セクション１２からディフューザ２０を通って燃焼器セクション１４に流れる場合における一般的な従来技術のガスタービンシステムでの流れ方向変化に起因したガス流８０圧力損失を防止することができる。

加えて、幾つかの例示的な実施形態では、複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６は、長手方向軸線９０に沿ったオフセットのように、それぞれのディフューザダクト３０の入口３２から長手方向にオフセットさせることができる。複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６がそれぞれのディフューザダクト３０の入口３２から長手方向にオフセットしているので、ディフューザダクト３０は、ガス流８０の長手方向成分を利用してディフューザダクト３０を通してガス流８０を流すことができる利点を有する。

さらに、幾つかの例示的な実施形態では、複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６は、半径方向軸線９４に沿ったオフセットのように、それぞれのディフューザダクト３０の入口３２から半径方向にオフセットさせることができる。複数のディフューザダクト３０の各々の出口３６がそれぞれのディフューザダクト３０の入口３２から半径方向にオフセットしているので、ディフューザダクト３０は、ガス流８０流出スワールの半径方向成分を利用してディフューザダクト３０を通してガス流８０を流すことができる利点を有する。

図５及び図６に示すように、接線方向軸線９２及び半径方向軸線９４は、ディフューザ２０及びディフューザダクト３０によって定まる円周部に対して各ディフューザダクト３０において個々に定まり、また軸線９２及び９４は、ディフューザダクト２０の長手方向軸線９０の周りに環状アレイとして配置されたディフューザダクト３０の数に基づいてディフューザ２０の円周部の周りで各ディフューザダクト３０において変化することを理解されたい。

通路３４の各々は、図４に示すように第１のガイド部分４０を含むことができる。例示的な実施形態では、第１のガイド部分４０は、それぞれのディフューザダクト３０の入口３２に隣接して配置することができる。しかしながら、それに代えて、第１のガイド部分４０は、ディフューザダクト３０の通路３４のあらゆる部分とすることができる。第１のガイド部分４０は、ガス流８０の全体的方向をディフューザダクト３０の内部に向け直す通路３４のそのような部分とすることができる。例えば、第１のガイド部分４０は、ガス流８０を略長手方向流れ方向から略接線方向流れ方向に導くように構成することができる。それに代えて、第１のガイド部分４０は、ガス流８０を略長手方向流れ方向から略半径方向流れ方向、略接線方向及び半径方向流れ方向、略接線方向及び長手方向流れ方向に、つまり略接線方向、半径方向及び長手方向流れ方向に導くように構成することができる。略長手方向におけるようなあらゆる全体的方向におけるガス流８０は、半径方向及び接線方向流れ成分のような他の流れ成分を有することができ、またそこで述べた方向に厳密に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。

ガス流８０がディフューザダクト３０の通路３４の第１のガイド部分４０を通って流れた後に、ガス流８０は、通路３４を通って出口３６に向けて流れ続けることができる。一部の例示的な実施形態では、通路３４は、図６に示すようにガイド部分４０の下流でガス流８０に対して略直線状に延びることができる。従って、ガス流８０は、通路３４の第１のガイド部分４０を通って流れた後に、通路３４を通って略直線状に流れ続けることができる。別の例示的な実施形態では、通路３４は、図３〜図５に示すようにガイド部分４０の下流でガス流８０に対して略曲線状に延びることができる。従って、ガス流８０は、通路３４の第１のガイド部分４０を通って流れた後に、通路３４を通って略曲線状に流れ続けることができる。

通路３４の各々はさらに、第２のガイド部分４２を含むことができる。例示的な実施形態では、第２のガイド部分４２は、それぞれのディフューザダクト３０の出口３６に隣接して配置することができる。しかしながら、それに代えて、第２のガイド部分４２は、ディフューザダクト３０の通路３４のあらゆる部分とすることができる。第２のガイド部分４２は、ガス流８０の全体的方向をディフューザダクト３０の内部にさらに向け直す通路３４の別の部分とすることができる。例えば、第２のガイド部分４２は、ガス流８０を略接線方向流れ方向から略長手方向流れ方向に導くように構成することができる。それに代えて、第２のガイド部分４２は、ガス流８０を略半径方向流れ方向、略接線方向及び半径方向流れ方向、略接線方向及び長手方向流れ方向から、つまり略接線方向、半径方向及び長手方向流れ方向から略長手方向流れ方向に導くように構成することができる。略長手方向におけるようなあらゆる全体的方向におけるガス流８０は、半径方向及び接線方向流れ成分のような他の流れ成分を有することができ、またそこで述べた方向に厳密に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。

ガス流８０がディフューザダクト３０の通路３４の第２のガイド部分４２を通って流れる前に、ガス流８０は、通路３４を通ってガイド部分４２及び出口３６に向けて流れることができることを理解されたい。一部の例示的な実施形態では、通路３４は、図６に示すように第２のガイド部分４２の上流でガス流８０に対して略直線状に延びることができる。従って、ガス流８０は、通路３４の第２のガイド部分４２を通って流れる前に、通路３４を通って略直線状に移動することができる。別の例示的な実施形態では、通路３４は、図３〜図５に示すように第２のガイド部分４２の上流でガス流８０に対して略曲線状に延びることができる。従って、ガス流８０は、通路３４の第２のガイド部分４２を通って流れる前に、通路３４を通って略曲線状に移動することができる。

ガス流８０が本開示のディフューザダクト３０の出口３６を通って流れた後に、ガス流８０は、ディフューザ２０から流出することができる。幾つかの例示的な実施形態では、ガス流８０は、ディフューザ２０から流出して略接線方向に流れることができる。しかしながら、ガス流８０は、半径方向及び長手方向流れ成分を有することができ、また厳密に接線方向に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。それに代えて、ガス流８０は、ディフューザ２０から流出して略長手方向に流れることができる。しかしながら、ガス流８０は、接線方向及び半径方向流れ成分を有することができ、また厳密に長手方向に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。さらに、ガス流８０は、ディフューザ２０から流出して略半径方向に流れることができる。しかしながら、ガス流８０は、接線方向及び長手方向流れ成分を有することができ、また厳密に半径方向に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。

上述のように、ガス流８０がディフューザ２０及び圧縮機セクション１２から流出した後に、ガス流８０は、プレナム２２に流入することができ、或いは燃焼器セクション１４に直接流入することができる。例えば、ディフューザダクト３０の各々は、燃焼器缶２４に結合することができ、かつ各ディフューザダクト３０から流出したガス流８０は、該ディフューザダクト３０に結合した燃焼器缶２４に流入することができる。従って、例示的な実施形態では、ディフューザ２０は、燃焼器１４内における燃焼器缶２４の数に等しい多数のディフューザダクト２０を含むことができる。例えば、様々な実施形態では、ディフューザ２０は、８個、１２個又は１６個のディフューザダクト３０を含むことができ、或いはあらゆるその他の好適な数のディフューザダクト３０を含むことができる。

本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ シャフト
１９ アキシャルディフューザ
２０ ディフューザ
２２ プレナム
２４ 燃焼器缶
２８ ガイドベーン
３０ ディフューザダクト
３２ 入口
３４ 通路
３６ 出口
４０ 第１のガイド部分
４２ 第２のガイド部分
８０ ガス流
９０ 長手方向軸線
９２ 接線方向軸線
９４ 半径方向軸線

Claims (14)

1. 長手方向軸線（９０）を有するガスタービンシステム（１０）用のディフューザ（２０）であって、
   その各々が前記長手方向軸線（９０）の周りに環状に配置されかつ入口（３２）と出口（３６）と該入口（３２）及び出口（３６）間で延びる通路（３４）とを有する複数のディフューザダクト（３０）を含み、
   前記複数のディフューザダクト（３０）の各々の出口（３６）が、該それぞれのディフューザダクト（３０）の入口（３２）から接線方向にオフセットしており、前記複数のディフューザダクト（３０）の各々が、それを通してガス流（８０）を流して該ガス流（８０）の速度を低下させるように構成される、ディフューザ（２０）。
2. 前記複数のディフューザダクト（３０）の各々の出口（３６）が、該それぞれのディフューザダクト（３０）の入口（３２）から長手方向にオフセットしている、請求項１記載のディフューザ（２０）。
3. 前記複数のディフューザダクト（３０）の各々の出口（３６）が、該それぞれのディフューザダクト（３０）の入口から半径方向にオフセットしている、請求項１又は請求項２記載のディフューザ（２０）。
4. 前記ガス流（８０）が、前記ディフューザ（２０）から流出して略接線方向に流れる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のディフューザ（２０）。
5. 前記ガス流（８０）が、前記ディフューザ（２０）から流出して略長手方向に流れる、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のディフューザ（２０）
6. 前記通路（３４）の各々が、前記それぞれのディフューザダクト（３０）の入口（３２）に隣接して配置されたガイド部分（４０）を含み、前記ガイド部分（４０）が、前記ガス流（８０）を略長手方向流れ方向から略接線方向流れ方向に導くように構成される、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のディフューザ（２０）。
7. 前記ガイド部分（４０）が、前記ガス流（８０）を略半径方向流れ方向に導くようにさらに構成される、請求項６記載のディフューザ（２０）。
8. 前記通路（３４）の各々が、前記ガイド部分（４０）の下流で前記ガス流（８０）に対して直線状に延びる、請求項６記載のディフューザ（２０）。
9. 前記通路（３４）の各々が、前記ガイド部分（４０）の下流で前記ガス流（８０）に対して曲線状に延びる、請求項６記載のディフューザ（２０）。
10. 前記通路（３４）の各々が、前記それぞれのディフューザダクト（３０）の出口（３６）に隣接して配置されたガイド部分（４２）を含み、
    前記ガイド部分（４２）が、前記ガス流（８０）を略接線方向流れ方向から略長手方向流れ方向に導くように構成される、請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載のディフューザ（２０）。
11. 前記ガイド部分（４２）が、前記ガス流（８０）を略半径方向流れ方向から導くようにさらに構成される、請求項１０記載のディフューザ（２０）。
12. 前記通路（３４）の各々が、前記ガイド部分（４２）の上流で前記ガス流（８０）に対して直線状に延びる、請求項１０記載のディフューザ（２０）。
13. 前記通路（３４）の各々が、前記ガイド部分（４２）の上流で前記ガス流（８０）に対して曲線状に延びる、請求項１０記載のディフューザ（２０）。
14. 前記通路（３４）の各々が略円錐形である、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項記載のディフューザ（２０）。