JP2013139785A - タービンディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】スワールおよび流れの剥離を制限するように改善された、ガスタービンエンジン用ディフューザの設計を提供すること。
【解決手段】本出願は、ガスタービンと共に使用するためのディフューザを提供する。ディフューザは、ハブと、ハブから延びる複数の支柱と、ハブから延びる複数のエーロフォイルとを含むことができる。
【選択図】図１

Description

本出願および結果としての特許は、一般にガスタービンエンジンに関し、より詳細には、部分負荷動作などの間のスワールおよび流れの剥離を低減するために、エーロフォイル配列を有するタービンディフューザに関する。

ガスタービンエンジンなどは、典型的に、タービンの最終段の下流に、ディフューザを含む。概略的に述べると、ディフューザは、最終段を出る高温流のガスの運動エネルギーを、増加した静圧の形態の潜在的エネルギーに変換する。ディフューザは、高温流のガスを、流れの方向に面積が増大するケーシングを通して案内する。一般に、ディフューザは、ハブ上に搭載されてケーシングで囲まれる、複数の支柱（strut）を含む。他の構成もまた、知られている。

部分負荷動作の間、バケット出口の接線流の角度（スワール）が増加し、ディフューザの支柱およびハブの上で流れの剥離を引き起こす可能性がある。流れの剥離およびスワールの増加は、ディフューザの静圧の回収を縮小する可能性がある。そのような縮小は、ガスタービンエンジンの総合的な性能および効率に影響を与える可能性がある。

米国特許出願公開第２０１１／０２３２２９１号公報

したがって、改善されたガスタービンエンジン用ディフューザの設計が、要望されている。好ましくは、そのような改善された設計は、流れの剥離およびスワールを制限して、総合的な性能および効率を改善することができる。

したがって、本出願および結果としての特許は、ガスタービンと共に使用するためのディフューザを提供する。ディフューザは、ハブと、ハブから延びる複数の支柱と、ハブから延びる複数のエーロフォイルとを含むことができる。

本出願および結果としての特許は、ガスタービンと共に使用するためのディフューザをさらに提供する。ディフューザは、ハブと、ハブから延びる複数の支柱と、エーロフォイルのうちの１つが一対の支柱の間に位置付けられるようにハブから延びる複数のエーロフォイルと、ケーシングとを含む。

本出願および結果としての特許は、ガスタービンと共に使用するためのディフューザをさらに提供する。ディフューザは、ハブと、ハブから延びる複数の支柱と、ハブから延びる複数のエーロフォイルとを含むことができる。エーロフォイルは、複数の構成を有することができる。

本出願および結果としての特許の上記および他の特徴および改善点は、以下の詳細な説明を、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて吟味すれば、当業者には明らかとなろう。

圧縮機、燃焼器、タービンおよびディフューザを示すガスタービンエンジンの概略図である。 本明細書で説明するディフューザの一部の部分斜視図である。 図２のディフューザの部分の平面図である。 本明細書で説明するディフューザの一代替実施形態の部分の平面図である。 本明細書で説明するディフューザの一代替実施形態の部分の平面図である。 本明細書で説明するディフューザの一代替実施形態の部分の平面図である。 本明細書で説明するディフューザの一代替実施形態の部分の平面図である。 本明細書で説明するディフューザの一代替実施形態の部分の平面図である。 本明細書で説明するディフューザの一代替実施形態の部分の平面図である。

次に、数枚の図面を通して同じ数字が同じ要素を示す図面を参照すると、図１が、本明細書で使用されうるガスタービンエンジン１０の概略図を示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、流入する空気の流れ２０を圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気の流れ２０を燃焼器２５に配送する。燃焼器２５は、圧縮された空気の流れ２０と加圧された燃料の流れ３０とを混合し、混合物に点火して燃焼ガスの流れ３５を生成する。単一の燃焼器２５だけを示すが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含んでよい。燃焼ガスの流れ３５は、次いで、タービン４０に配送される。燃焼ガスの流れ３５は、タービン４０を駆動して機械仕事を生み出す。タービン４０内で生み出された機械仕事は、シャフト４５を介する圧縮機１５と発電機などの外部負荷５０とを駆動する。

また、ガスタービンエンジン１０は、ディフューザ５５を含むことができる。ディフューザ５５は、タービン４０の下流に位置付けられてよい。上で説明したように、ディフューザ５５は、ハブ６５上に搭載され、外部ケーシング７０で囲まれた複数の支柱６０を含むことができる。ディフューザ５５は、燃焼ガスの流れ３５を軸方向に回転させる。他の構成および他の構成要素が使用されてよい。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々の種類の合成ガス、および／または他の種類の燃料を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、ゼネラルエレクトリック社によって提供される複数の異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つであってよい。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有してよく、他の種類の構成要素を使用してよい。また、他の種類のガスタービンエンジンが、本明細書で使用されてよい。また、複数のガスタービンエンジン、他の種類のタービン、および他の種類の発電機器が、本明細書で共に使用されてよい。

図２および図３は、本明細書で説明するディフューザ１００の一例の部分を示す。概略的な説明として、ディフューザ１００は、ハブ１２０上に位置付けられた複数の支柱１１０を含むことができる。任意の数の支柱１１０が使用されてよい。支柱１１０およびハブ１２０は、任意の大きさまたは形状を有することができる。支柱１１０は、ケーシングを通る流路に沿って直径が大きくなるケーシング内に囲まれてよい。ケーシングは、上で説明したものに類似してよい。また、他の構成要素および他の構成が、本明細書で使用されてよい。

また、ディフューザ１００は、ハブ１２０上に位置付けられた複数のエーロフォイル１３０を有することができる。この例では、エーロフォイル１３０は、支柱１１０に隣接して位置付けられてよい。具体的には、エーロフォイル１３０は、支柱１１０のそれぞれの対の間に位置付けられてよい。任意の数のエーロフォイル１３０が、本明細書で使用されてよい。エーロフォイル１３０の角度、長さ、大きさ、形状、および構成は、変化してよい。異なる構成のエーロフォイル１３０が、本明細書で共に使用されてよい。スロット１４０が、エーロフォイル１３０の一部を通して位置付けられてよい。スロット１４０は、そこを通過する燃焼ガスの流れ３５を案内する働きをする。スロット１４０は、任意の所望の大きさ、形状、または構成を有してよい。他の構成要素および他の構成が、本明細書で使用されてよい。

したがって、エーロフォイル１３０の使用により、部分負荷動作の全体を通して、ディフューザ１００の支柱１１０およびハブ１２０の周りで、スワールの生成が修正され、流れの剥離が低減される。さらに、エーロフォイル１３０は、全負荷ＩＳＯおよび寒冷時動作の間に付加的な損失を被らないように設計されてよい。エーロフォイルのカウント／ソリディティが増加すると、エーロフォイル−支柱のピッチが縮小して、スワールおよび流れの剥離が修正される。したがって、ディフューザ１００は、改善された性能をもたらして、ガスタービンの総合的な性能および効率を改善することができる。

また、エーロフォイルは、たとえば図４〜図９に示すように、付加的な特徴または機構を含むことができる。また、これらの付加的な特徴は、エーロフォイル上の流れの剥離を回避して性能を改善する。図４は、ディフューザ１５０を示す。ディフューザ１５０は、支柱１１０と、支柱１１０に隣接して位置付けられた「猫背（hunch back）」状のエーロフォイル１６０を含むことができる。猫背エーロフォイル１６０は、燃焼ガスの流れ３５を案内するための、スポイラ状の構成１６５を有することができる。

図５は、ディフューザの他の例１７０を示す。ディフューザ１７０は、支柱１１０と、支柱１１０に隣接して位置付けられた渦発生器エーロフォイル１８０とを含むことができる。渦発生器エーロフォイル１８０は、燃焼ガスの流れ３５を案内するための、ほぼ正弦曲線の構成１８５を有することができる。

図６は、ディフューザの他の例１９０を示す。ディフューザ１９０は、支柱１１０と、支柱１１０に隣接して位置付けられた流体エーロフォイル２００とを含むことができる。流体エーロフォイル２００は、燃焼ガスの流れ３５を案内するために吸引および／または噴出をもたらすための、複数の流体ポート２１０を有することができる。

図７は、ディフューザの他の例２２０を示す。ディフューザ２２０は、支柱１１０と、支柱１１０に隣接して位置付けられた高揚力（high lift）エーロフォイル２３０とを含むことができる。高揚力エーロフォイル２３０は、燃焼ガスの流れ３５を案内するための、複数のエーロフォイル要素２４０を含むことができる。

図８は、ディフューザの他の例２５０を示す。ディフューザ２５０は、支柱１１０と、支柱１１０に隣接して位置付けられた弓形（cambered）エーロフォイル２６０とを含むことができる。弓形エーロフォイル２６０は、燃焼ガスの流れ３５を案内するための、厚みのある構成２７０をとることができる。

図９は、ディフューザの他の例２８０を示す。ディフューザ２８０は、支柱１１０と、支柱１１０に隣接して位置付けられた延長（extended）エーロフォイル２９０とを含むことができる。延長エーロフォイル２９０は、燃焼ガスの流れ３５を案内するための、前部屈曲をとることができる。

したがって、本明細書で説明するディフューザは、種々の大きさ、形状および構成のエーロフォイル１３０を含むことができる。したがって、支柱１１０を有するエーロフォイル１３０を使用することで、部分負荷動作中の流れの剥離およびスワールが制御され、総合的効率が改善される。ディフューザおよびエーロフォイルの多くの他の大きさ、形状および構成が、本明細書で使用されてよい。

上記は、本出願および結果としての特許のいくつかの実施形態に関するにすぎないことは明らかである。以下の特許請求の範囲およびその等価物で定義される、本発明の全体的な趣旨および範囲を逸脱することなく、本明細書において、多くの変更および改変が当業者によってなされうる。

１０ ガスタービンエンジン
１５ 圧縮機
２０ 空気の流れ
２５ 燃焼器
３０ 燃料の流れ
３５ 燃焼ガスの流れ
４０ タービン
４５ シャフト
５０ 負荷
５５ ディフューザ
６０ 支柱
６５ ハブ
７０ ケーシング
１００ ディフューザ
１１０ 支柱
１２０ ハブ
１３０ エーロフォイル
１４０ スロット
１５０ ディフューザ
１６０ 猫背エーロフォイル
１６５ スポイラ
１７０ ディフューザ
１８０ 渦発生器
１８５ 正弦曲線構成
１９０ ディフューザ
２００ 流体エーロフォイル
２１０ ポート
２２０ ディフューザ
２３０ 高揚力エーロフォイル
２４０ エーロフォイル要素
２５０ ディフューザ
２６０ 弓形エーロフォイル
２７０ 厚みのある構成
２８０ ディフューザ
２９０ 延長エーロフォイル

Claims (20)

1. ガスタービンと共に使用するためのディフューザであって、
   ハブと、
   前記ハブから延びる複数の支柱と、
   前記ハブから延びる複数のエーロフォイルと
   を備える、ディフューザ。
2. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つが、前記複数の支柱のうちの一対の間に位置付けられる、請求項１記載のディフューザ。
3. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、その中にスロットを備える、請求項１記載のディフューザ。
4. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、猫背エーロフォイルを備える、請求項１記載のディフューザ。
5. 前記猫背エーロフォイルが、その上にスポイラを備える、請求項４記載のディフューザ。
6. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、渦発生器エーロフォイルを備える、請求項１記載のディフューザ。
7. 前記渦発生器エーロフォイルが、正弦曲線構成を備える、請求項６記載のディフューザ。
8. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、流体エーロフォイルを備える、請求項１記載のディフューザ。
9. 前記流体エーロフォイルが、その上に１つまたは複数のポートを備える、請求項８記載のディフューザ。
10. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、高揚力エーロフォイルを備える、請求項１記載のディフューザ。
11. 前記高揚力エーロフォイルが、１つまたは複数エーロフォイル要素を備える、請求項１０記載のディフューザ。
12. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、弓形エーロフォイルを備える、請求項１記載のディフューザ。
13. 前記弓形エーロフォイルが、厚みのある構成を備える、請求項１２記載のディフューザ。
14. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、延長エーロフォイルを備える、請求項１記載のディフューザ。
15. 前記延長エーロフォイルが、前部屈曲を備える、請求項１４記載のディフューザ。
16. ガスタービンと共に使用するためのディフューザであって、
    ハブと、
    前記ハブから延びる複数の支柱と、
    前記複数のエーロフォイルのうちの１つが前記複数の支柱のうちの一対の間に位置付けられるように前記ハブから延びる複数のエーロフォイルと、
    ケーシングと
    を備える、ディフューザ。
17. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、その中にスロットを備える、請求項１６記載のディフューザ。
18. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、その上にスポイラを備える、請求項１６記載のディフューザ。
19. 前記複数のエーロフォイルのうちの１つまたは複数が、正弦曲線構成を備える、請求項１６記載のディフューザ。
20. ガスタービンと共に使用するためのディフューザであって、
    ハブと、
    前記ハブから延びる複数の支柱と、
    前記ハブから延びる複数のエーロフォイルと
    を備え、
    前記複数のエーロフォイルが、複数の構成を備える、ディフューザ。