JP2013108498A - Diffuser to be used, in particular, for axial flow machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、軸流機械の分野に関する。本発明は、請求項1の上位概念部に記載の形式のディフューザ、すなわち第1の横断面積を有する環状通路から、該第1の横断面積よりも大きな第2の横断面積を有する流出スペースへと機械軸線に沿って移行する、特に軸流機械に用いられるディフューザに関する。 The present invention relates to the field of axial flow machines. The present invention relates to a diffuser of the type defined in the superordinate concept of claim 1, ie, an annular passage having a first cross-sectional area, to an outflow space having a second cross-sectional area larger than the first cross-sectional area. The present invention relates to a diffuser used for an axial flow machine that moves along a machine axis.
据置型のガスタービンの出口に配置され、タービンから到来するガスの流速を低下させ、かつガスタービンの効率を改善するために圧力上昇を生じさせることが望ましいディフューザは、以前から公知先行技術に基づいて知られている(たとえば、欧州特許第0491966号明細書または米国特許出願公開第2011/058939号明細書および当該明細書の図1を参照)。 A diffuser that is located at the outlet of a stationary gas turbine and that desirably produces a pressure increase to reduce the flow rate of gas coming from the turbine and improve the efficiency of the gas turbine is based on previously known prior art. (See, for example, European Patent No. 0491966 or US Patent Application Publication No. 2011/0589939 and FIG. 1 of that specification).
ガスタービンの出口に設けられたディフューザの作用、ひいては機械の総効率を改善するために、過去に種々異なる提案が成された。そこで、特に欧州特許第0265633号明細書において、ディフューザを、半径方向で、流れをガイドするガイド金属薄板を用いて複数のディフューザ部分に分割することが提案されている。 Different proposals have been made in the past to improve the operation of the diffuser installed at the outlet of the gas turbine and thus the overall efficiency of the machine. Thus, in particular in EP 0 265 633, it has been proposed to divide the diffuser into a plurality of diffuser parts in the radial direction using a thin guide metal plate that guides the flow.
既に述べた米国特許出願公開第2011/058939号明細書では、ディフューザ内の流れ状態を改善するために、ディフューザの、先細りした内側部分に制御可能なコアンダ流(コアンダ効果に起因する流れ)が形成される。このコアンダ流により、ディフューザ内の流れに有利に影響が与えられ得る。ディフューザの内側部分、つまりハブは、段部を形成することなく、下流に向かって先鋭に延びている。ガスは外部の供給源からハブ内の環状室へと案内されて、環状室から複数のスリットノズルを介して高温の排ガスの流れ方向で、ハブの表面に対して平行に吹き込まれる。公知のコアンダ効果に基づいて、この付加的なガス流は、高温の排ガスを吸い込み、この高温の排ガスをハブに向かう方向に変向させる。排ガス流は、そこで加速され、下流側に向かって先細りするハブの表面に付着する。ディフューザ内の排ガス流への所望の影響を達成するために、排ガス質量流の4%までが付加ガスに吹き込まれなければならず、このことは、著しい手間に等しい。 In US 2011/0589939 already mentioned, a controllable Coanda flow (flow due to the Coanda effect) is formed in the tapered inner part of the diffuser in order to improve the flow conditions in the diffuser. Is done. This Coanda flow can advantageously affect the flow in the diffuser. The inner portion of the diffuser, that is, the hub, extends sharply toward the downstream without forming a stepped portion. The gas is guided from an external supply source to the annular chamber in the hub, and is blown in parallel with the surface of the hub in the flow direction of the hot exhaust gas from the annular chamber through a plurality of slit nozzles. Based on the known Coanda effect, this additional gas stream sucks in hot exhaust gas and diverts the hot exhaust gas toward the hub. The exhaust gas stream is accelerated there and adheres to the surface of the hub that tapers downstream. In order to achieve the desired effect on the exhaust gas flow in the diffuser, up to 4% of the exhaust gas mass flow must be blown into the additional gas, which is a significant effort.
これに対して欧州特許第0265633号明細書では、ディフューザの出口において、横断面積の急激な移行部が設けられている。このディフューザはカルノー型ディフューザとも呼ばれる。 On the other hand, in European Patent No. 0265633, a transition portion having a sharp cross-sectional area is provided at the exit of the diffuser. This diffuser is also called a Carnot diffuser.
上述の処置により効率のある程度の改善がもたらされるが、ディフューザの領域内において影響を及ぼす可能性は未だ利用し尽くされていない。 While the above-described procedure provides some improvement in efficiency, the potential for impact within the diffuser area has not yet been exhausted.
したがって本発明の課題は、特に工業用タービンに用いられるディフューザを改善して、簡単な形式でガスタービンの総効率のさらなる改善をもたらすことである。 The object of the present invention is therefore to improve the diffuser used in particular for industrial turbines and to provide a further improvement in the overall efficiency of the gas turbine in a simple manner.
この課題を解決するための本願の請求項1に記載の構成では、第1の横断面積を有する環状通路から、該第1の横断面積よりも大きな第2の横断面積を有する流出スペースへと機械軸線に沿って移行する、特に軸流機械、有利には据置型のガスタービンに用いられるディフューザにおいて、前記移行が、複数の段部で行われるようにした。 According to a first aspect of the present invention for solving this problem, a machine from an annular passage having a first cross-sectional area to an outflow space having a second cross-sectional area larger than the first cross-sectional area. In a diffuser that moves along an axis, in particular in an axial flow machine, preferably in a stationary gas turbine, the transition takes place in a plurality of steps.
本発明の有利な態様では、ディフューザの内部の横断面積が2つの段部で拡大している。 In an advantageous embodiment of the invention, the cross-sectional area inside the diffuser is enlarged in two steps.
本発明の有利な態様では、ディフューザは、カルノー型ディフューザとして形成されている。 In an advantageous embodiment of the invention, the diffuser is formed as a Carnot diffuser.
本発明の有利な態様では、ディフューザは、外側周壁と内側周壁とを有していて、外側周壁と内側周壁との間で媒体はディフューザを貫流し、横断面積における段部(横断面積が変化している段部)は、直径段部(直径の変化による段部)により内側周壁に形成されている。 In an advantageous aspect of the invention, the diffuser has an outer peripheral wall and an inner peripheral wall, and the medium flows through the diffuser between the outer peripheral wall and the inner peripheral wall, and a step in the cross-sectional area (the cross-sectional area varies). Are formed on the inner peripheral wall by a diameter step (a step due to a change in diameter).
本発明の有利な態様では、隣接した2つの段部の間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面が配置されており、2つの段部のうち上流側に位置する段部に、環状ギャップが設けられており、該環状ギャップを通じてガス流が流出し、コアンダ流としてガイド面に沿って流れるようになっている。 In an advantageous aspect of the present invention, an annular guide surface curved in a convex shape and having a tapered diameter is disposed between two adjacent step portions, and the step located upstream of the two step portions. An annular gap is provided in the part, and a gas flow flows out through the annular gap and flows along the guide surface as a Coanda flow.
本発明の有利な態様では、ガイド面が、ディフューザの最後から2つ目の段部と、最後の段部との間に配置されている。 In an advantageous embodiment of the invention, the guide surface is arranged between the last step of the diffuser and the last step.
本発明の有利な態様では、ディフューザは、据置型のガスタービンの出口に配置されている。 In an advantageous embodiment of the invention, the diffuser is arranged at the outlet of a stationary gas turbine.
本発明は、特に軸流機械、有利には据置型のガスタービンに用いられるディフューザを起点とする。ディフューザは、第1の横断面積を有する環状通路から、第1の横断面積よりも大きな第2の横断面積を有する流出スペースへと機械軸線に沿って移行する。このディフューザは、上記移行が複数の段部で行われることにより傑出している。 The invention starts from a diffuser used in particular in axial flow machines, preferably stationary gas turbines. The diffuser transitions along the machine axis from an annular passage having a first cross-sectional area to an outflow space having a second cross-sectional area that is larger than the first cross-sectional area. This diffuser stands out because the transition is performed in a plurality of steps.
本発明の第1の態様は、ディフューザの内側の横断面積が2つの段部で拡大していることを特徴としている。このディフューザは、構造が特に単純である。 The first aspect of the present invention is characterized in that the cross-sectional area inside the diffuser is enlarged by two steps. This diffuser is particularly simple in structure.
本発明の別の態様によれば、ディフューザが、カルノー型ディフューザ(管断面積が急拡大しているディフューザ)として構成されている。 According to another aspect of the present invention, the diffuser is configured as a Carnot diffuser (a diffuser having a rapidly expanding pipe cross-sectional area).
本発明の別の態様は、ディフューザが、外側周壁と内側周壁とを有していて、該外側周壁と内側周壁との間で、媒体がディフューザを貫流し、段部が、横断面積において直径段部によって内側周壁に形成されていることにより傑出している。 In another aspect of the present invention, the diffuser has an outer peripheral wall and an inner peripheral wall, the medium flows through the diffuser between the outer peripheral wall and the inner peripheral wall, and the step portion has a diameter step in the cross-sectional area. It is outstanding by being formed on the inner peripheral wall by the part.
本発明の別の態様は、隣り合う2つの段部の間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面が配置されていて、2つの段部のうち上流側に位置する段部に環状ギャップが設けられていて、該環状ギャップを通じてガス流が流出して、コアンダ流としてガイド面に沿って流れることができることを特徴とする。これによって、ディフューザ内の流れが有利に影響を受ける。 In another aspect of the present invention, an annular guide surface curved in a convex shape and having a tapered diameter is disposed between two adjacent step portions, and the step located on the upstream side of the two step portions. An annular gap is provided in the part, and a gas flow flows out through the annular gap and can flow along the guide surface as a Coanda flow. This advantageously affects the flow in the diffuser.
有利には、ガイド面が、ディフューザの最後から2つ目の段部と最後の段部との間に配置されている。 Advantageously, the guide surface is arranged between the last and second step from the end of the diffuser.
本発明のさらに別の態様は,ディフューザが工業用ガスタービンの出口に配置されていることを特徴としている。 Yet another aspect of the invention is characterized in that the diffuser is located at the outlet of the industrial gas turbine.
以下に本発明を図面につき詳しく説明する。 The invention is explained in more detail below with reference to the drawings.
図1には、公知先行技術から知られているような排ガスディフューザを備えたガスタービンの概略的な構造が再現されている。図1に図示されたガスタービン10は、空気流入口11を介して空気を吸い込み、その空気を圧縮する圧縮機12を有している。圧縮された空気は、燃焼器13に供給され、該燃焼器13において燃料14を燃焼するために利用される。発生する高温ガスは、後続のタービン15内において作業出力を取り出しながら膨張され、次いでディフューザ16を貫流する。これによって、ディフューザ16において流速を減じられて、圧力上昇を引き起こすことができる。
FIG. 1 reproduces the schematic structure of a gas turbine with an exhaust gas diffuser as known from the prior art. A
従来のカルノー型ディフューザ(管断面積が急拡大しているディフューザ:Carnot-Diffusor)の内側の構造が、図2に著しく簡略化して再現されている。機械軸線31に対して同心的に形成されたこのようなディフューザ16は、入り口側に環状通路17を有している。この環状通路17を介して、タービンの排ガス19がディフューザ16に流入する。比較的に小さな横断面積を備えた環状通路17には、流出スペース21が接続している。流出スペース21は、流れのために著しく大きな横断面積を有している。環状通路17と流出スペース21との間の移行は、図2に示した例では、急激な1つの段部22によって行われている。この段部22が、当該ディフューザ16をカルノー型ディフューザとして特徴付けている。環状通路17内には半径方向の支柱18が配置されていてよい。これらの支柱18は、ディフューザ16の内側部分と外側部分とを接続すると同時に、流れを変向するために機能する。
The internal structure of a conventional Carnot diffuser (Carnot-Diffusor with a rapidly expanding pipe cross-sectional area) is reproduced in a greatly simplified manner in FIG. Such a
これに対して本発明は、図3に図示した実施の形態によれば、ディフューザ20において、環状通路17と流出スペース21との間の移行部を、多段式につまり複数の段部によって形成することを提案する。このためには、図示された実施の形態では2つの段部22aおよび22bが設けられている。(図3では破線で示されている)別の段部22cは任意である。しかし、段部の個数は上限を有していない。段部22a−cに関連した直径の飛躍的な変化(Durchmessersprung)は、図3に示した実施の形態では、ディフューザ20の内側部分に限定されている。しかし、同様に直径の飛躍的な変化をディフューザの外側部分において設けることも十分に考えられる。
On the other hand, according to the embodiment shown in FIG. 3, the present invention forms a transition portion between the
複数回段付けされたこのような内側輪郭により、タービン効率の0.1%である、本出願人のGT26型のガスタービンでは約50万ワットの出力利得を意味する圧力上昇利得が生じる。 Such an inner profile that is stepped multiple times results in a pressure rise gain that represents an output gain of approximately 500,000 watts in Applicant's GT26 gas turbine, which is 0.1% of turbine efficiency.
実際には、相応するディフューザはたとえば図4に再現されているような構成である。図4に示したディフューザ20aは環状の外側周壁23を有していて、該外側周壁23は、同心的に内側周壁24を取り囲んで、この内側周壁24と一緒に流路を形成している。内側周壁24と外側周壁23とは、半径方向の支柱25によって接続されている。ディフューザ20aの出口には、軸方向で相前後して、直径において段付けされた2つの環状部26および27が配置されている。これらの環状部26,27によって、ディフューザ20aの複数回段付けされた拡大部が形成される。
In practice, the corresponding diffuser has a configuration as reproduced, for example, in FIG. The
流れ横断面の多段式の拡大部に対して付加的に、基本的には冒頭で挙げた刊行物、米国特許出願公開第2011/058939号明細書において提案されているように、ディフューザ内においてコアンダ流によって流れ特性に影響が与えられ得る。このためには、図5に示されているように、ディフューザ20bにおいて、2つの段部22aおよび22bの間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面28が配置されている。両段部22aおよび22bのうち上流側に位置する段部に、環状ギャップ29が設けられており、この環状ギャップ29を通じてガス流が流出スペース21に流出し、コアンダ流30としてガイド面28に沿って流れることができる。この場合、コアンダ流30のためのガス供給は、種々異なる形式で行うことができる。しかし上述の刊行物が教示しているのとは異なり、本発明によれば、能動的に吹き込まれる付加的なガスのための外部の供給源が省略されることが望ましい。構成部材の適切な配置により、ディフューザの急激な横断面拡大部の領域に占める圧力状態が利用されることが望ましく、この場合、運転の間に自動的に、湾曲されたガイド面28に沿った壁流30が形成され、この壁流30が平行な排ガス流19を変向するようになる。環状部27の背後(下流側)の静圧p2は、横断面拡大による流れ遅延の結果として、環状ギャップにおける流入圧p1よりも高くなる。相応して、より高い圧力領域からより低い圧力領域への流れ32が形成される。ディフューザ内に2つよりも多くの段部が設けられている場合、コアンダ流が最後から2つ目の段部と最後の段部との間において使用されると有利である。
In addition to the multi-stage enlargement of the flow cross section, basically a Coanda in the diffuser, as proposed in the publication mentioned at the outset, US 2011/0589939. Flow characteristics can be affected by flow. For this purpose, as shown in FIG. 5, in the
10 ガスタービン
11 空気流入部
12 圧縮機
13 燃焼器
14 燃料
15 タービン
16,20 ディフューザ
17 環状通路
18,25 支柱
19 排ガス
20a,b ディフューザ
21 流出スペース
22a−c 段部(横断面積)
23 外側周壁
24 内側周壁
26,27 環状部
28 ガイド面(凸状に湾曲)
29 環状ギャップ
30 コアンダ流
31 機械軸線
32 戻り流
DESCRIPTION OF
23 outer
29
Claims (7)
前記移行が、複数の段部(22a−c)で行われることを特徴とするディフューザ。 Transition along the machine axis (31) from the annular passage (17) having the first cross-sectional area to the outflow space (21) having a second cross-sectional area larger than the first cross-sectional area, in particular the axis A diffuser (20, 20a, 20b) used in a flow machine, preferably a stationary gas turbine (10),
A diffuser characterized in that the transition is performed in a plurality of steps (22a-c).
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