JP2013142401A - 流体作動手段を備えたディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】流体作動手段を備えたディフューザを提供する。
【解決手段】ディフューザは、ディフューザ入口、及び該ディフューザ入口の近くから相対的に該ディフューザ入口の下流の方向に延在する内筒を含む。ディフューザはまた、前記ディフューザ入口の近くで前記内筒に設けられた作動開口を含む。ディフューザは更に、前記作動開口の下流に配置された、前記内筒に設けられた吸込み開口を含む。ディフューザはまた更に、実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置を含む。
【選択図】図１

Description

本書に開示する内容は、タービンに関し、特にガスタービン及び蒸気タービンに使用するためのディフューザに関するものである。

典型的なガスタービンは、ロータの最後の動翼段に結合されたディフューザ・コーン、すなわち、ディフューザを含む。ディフューザは、一般に、排出ガスの運動エネルギを低減することによって排出ガスの静圧を増大するように作用する。一般に、これは、排出ガスの流れの方向にディフューザの断面積を増大することによって達成することができる。

屡々、ガスタービンは全負荷で運転されないことがあるが、ガスタービンはこのような全負荷の下で効率を良くするように設計されている。従って、全負荷設計の下では、部分負荷運転は効率が損なわれる。このような効率の悪さは、少なくとも部分的には、ディフューザ内筒での流れの分離に起因しており、これは先端強力流れ分布(tip strong flow profile) を生じさせる。

米国特許第６８９６４７５号

本発明の一面によれば、流体作動手段を備えたディフューザが提供され、該ディフューザは、ディフューザ入口、及び該ディフューザ入口の近くから相対的に該ディフューザ入口の下流の方向に延在する内筒を含む。ディフューザはまた、前記ディフューザ入口の近くで前記内筒に設けられた作動開口を含む。ディフューザは更に、前記作動開口の下流に配置された、前記内筒に設けられた吸込み開口を含む。ディフューザはまた更に、実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置を含む。

本発明の別の面によれば、ガスタービン用のディフューザが提供され、該ディフューザは、ディフューザ入口、ディフューザ出口、及び前記ディフューザ入口の近くから前記ディフューザ出口の近くまで延在する外壁を含む。ディフューザはまた、少なくとも１つの作動開口及び少なくとも１つの吸込み開口を持つ内筒を含む。ディフューザは更に、実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置を含む。

本発明の更に別の面によれば、ガスタービンが提供され、該ガスタービンは、該ガスタービンの一部分を取り囲むタービン・ケーシングを含む。ガスタービンはまた、前記タービン・ケーシングに結合されたディフューザを含む。ディフューザは、ディフューザ入口と、作動開口及び吸込み開口を持つ内筒と、実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置を含む。

これらの及びその他の利点及び特徴は、図面を参照した以下の説明から一層明らかになろう。

発明と見なされる内容は「特許請求の範囲」に具体的に指摘して明瞭に記載している。本発明の前述の及び他の特徴及び利点は、添付の図面を参照した以下の詳しい説明から明らかであろう。

図１は、本発明の一面に従ったディフューザの側断面図である。 図２は、図１のディフューザの部分的側断面図である。 図３は、図１に示されたディフューザに関連したディフューザ流れ分布を例示する図である。 図４は、先端強力流れを呈するディフューザ流れ分布を例示する図である。

以下の記載では、本発明の様々な実施形態について、例として図面を参照して、利点及び特徴と共に詳しく説明する。

図１及び図２は、本発明の一実施形態に従ったディフューザ１００の一面を例示する。運転時、ガスタービンからの排出ガスが、矢印Ａによって示された方向に、ディフューザ１００を通って流れる。本明細書では、或る特定の物体が矢印Ａの方向に別の物体又は場所から変位している場合、該特定の物体は別の物体又は場所の「下流」にあり、また或る特定の物体が矢印Ａとは逆の方向に別の物体又は場所から変位している場合、該特定の物体は別の物体又は場所の「上流」にあると表す。

ディフューザ１００は、内室１０８を形成する内壁１０４を持つ内筒１０２を含む。ディフューザ１００はまた、ディフューザ入口端１１０の近くに配置された入口１１１、及びディフューザ出口端１２２の近くに配置された出口１２０を持つ。入口１１１はタービンに結合することができ、他方、出口１２０は隣接した物体（例えば、消音器）に結合することができる。ディフューザ１００はまた、内筒１０２の内壁１０４から半径方向に隔たった外壁１０６を含む。内壁１０４と外壁１０６と間の領域は、その中を通って流体又はガスをディフューザ１００の入口１１１から出口１２０へ流れさせることができる。

ディフューザ１００はまた、内壁１０４と外壁１０６との間に形成された１つ以上の支柱１１６を含む。支柱１１６は、内壁１０４及び外壁１０６を互いに対して固定した関係に保持するように作用する。支柱１１６の数は変えることができ、通常は約４本〜１０本である。

内筒１０２の内壁１０４は、ディフューザ入口１１１又はディフューザ入口端１１０から、ディフューザ出口１２０又はディフューザ出口端１２２へ向かって下流方向に延在する。内筒１０２、従って内壁１０４は、ディフューザ入口１１１の近くに配置された第１の端１２４、及びディフューザ出口１２０へ向かって下流に配置された第２の端１２６を含み、また、内筒１０２が第１の端１２４から第２の端１２６へ延在するにつれて多数の縦方向輪郭を呈する。内筒１０２は、第１の端１２４から第２の端１２６へ連続的に僅かに湾曲することができ、又は第１の端１２４と第２の端１２６との間の幾分かの部分にわたってのみ僅かに湾曲することができ、又はほぼ真っ直ぐに延在することができ、又は複数のセグメント化した部分を有することができ、この場合、内筒１０２の縦方向全体が上記の曲線流路の任意の組合せを有する。内筒１０２の形状、より詳しくは内壁１０４の形状がどうであれ、内筒１０２及び内壁１０４はディフューザ出口１２０又はディフューザ出口端１２２へ向かって延在しており、内筒１０２及び内壁１０４はディフューザ出口１２０まで完全に延在すると考えられる。

内筒１０２の内壁１０４は、１つ以上の作動器開口１３０を含む。内筒１０２の内壁１０４はまた、１つ以上の作動器開口１３０の下流に配置された１つ以上の吸込み開口１３２を含む。作動器開口１３０及び吸込み開口１３２は共に、寸法及び形状を変えることができ、また用途に応じて変更することができる。

内筒１０２の中には流れ操作装置１３４が配置され、この流れ操作装置１３４は、吸込み開口１３２を介して取り込んだ流体又はガスの流れを変位させることのできるポンプの形態を取ることができる。典型的には、ディフューザ１００を通る弱い流れが内筒１０２の近くで生じ、これは「先端強力(tip strong)」流れとして特徴付けられるものを招き、その結果としてシステム効率を悪くする。吸込み開口１３２は、内壁１０４を直接覆うように通過する通常の弱い流れが内筒１０２に入って流れ操作装置１３４の取入れ口１３６に入ることができるようにし、次いで、該流れは流れ操作装置１３４の吐出口１３８から充分な力で吐出されて、ディフューザ１００の流れ分布を操作するように作動開口１３０を出て行く。この流れの操作は流れの分離を低減し、これによって拡散面積を増大させる。内筒１０２内での、下流位置から上流位置へ向かう空気流の方向が、矢印１４０によって示されている。流れを変位させるのに１つの流れ操作装置１３４で充分であると想定されるが、上記の所望の機能を提供するために共同して動作する複数の流れ操作装置１３４を内筒１０２の中に設けることができると考えられる。

前に述べたように、複数の作動器開口１３０及び／又は吸込み開口１３２を設けることができるが、各種類の開口１３０，１３２の数がどうであっても、吸込み開口１３２は作動器開口１３０の下流に配置される。作動器開口１３０は、典型的には、ディフューザの流れの過程における早期の段階での（すなわち、実質的に上流での）流れの分離を低減するために、ディフューザ入口１１１に比較的隣接して配置される。作動器開口１３０は複数の支柱１１６の内の１つに対して上流の位置に配置されるが、吸込み開口１３２は複数の支柱１１６の内の１つに対して下流の位置に配置されると考えられる。更に、多数の作動器開口１３０及び吸込み開口１３２がある場合、それぞれの各群の間隔は変えることができるが、いずれの場合でも、作動器開口１３０の群は、典型的には、吐出口１３８の上流に配置され、また吸込み開口１３２の群は、典型的には、取入れ口１３６の下流に配置される。

図３は、図１に示されたディフューザ１００内の流路の分布を示す。図から分かるように、図１のディフューザ１００についての流れ分布は、内壁１０４に沿っていても、ディフューザ１００の半径方向領域の大部分にわたって強い流れを持つ。ディフューザ１００は流れの分離を低減し、これによって、図４に示されているように、流れの分離を呈するディフューザ流れ分布に対してディフューザ性能を改善する。図３及び図４は、「弱い流れ」として特徴付けられるものを参照符号１５０で表し、また健全な効率の良い「強い流れ」として特徴付けられるものを参照符号１６０で表している。

有利なことに、ディフューザ１００は、特にシステム全体の部分負荷動作中に、典型的には内筒１０２に沿って存在する弱い流れの境界層にエネルギを与えることによって、をディフューザ１００内の流れの分離を低減する。ポンプのような流れ操作装置１３４を設けることによって、弱い流れを下流の後部の位置から取り込んで上流の位置に注入することにより、ディフューザ１００の流れ分布を修正して改善することができる。この結果、ディフューザ性能に有意な改善が得られる。

以上、本発明を限られた数の実施形態のみに関連して詳しく説明したが、本発明がこのような開示した実施形態に制限されるものではないことを理解されたい。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、変更、置換又は等価な構成を取り入れるように修正することができる。更に、本発明の様々な実施形態を説明したが、本発明の様々な面が説明した実施形態の幾つかのみを含み得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制限されるものと考えるべきではなく、「特許請求の範囲」に記載の範囲によって制限される。

１００ ディフューザ
１０２ 内筒
１０４ 内壁
１０６ 外壁
１０８ 内室
１１０ ディフューザ入口端
１１１ 入口
１１６ 支柱
１２０ 出口
１２２ ディフューザ出口端
１２４ 第１の端
１２６ 第２の端
１３０ 作動器開口
１３２ 吸込み開口
１３４ 流れ操作装置
１３６ 取入れ口
１３８ 吐出口
１４０ 矢印
１５０ 弱い流れ
１６０ 強い流れ

Claims (20)

1. 体作動手段を備えたディフューザであって、
   ディフューザ入口と、
   前記ディフューザ入口の近くから相対的に前記ディフューザ入口の下流の方向に延在する内筒と、
   前記ディフューザ入口の近くで前記内筒に設けられた作動開口と、
   前記作動開口の下流に配置された、前記内筒に設けられた吸込み開口と、
   実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置と、
   を有するディフューザ。
2. 複数の作動開口を含んでいる請求項１に記載のディフューザ。
3. 複数の吸込み開口を含んでいる請求項１に記載のディフューザ。
4. 前記流れ操作装置は実質的に前記作動開口と前記吸込み開口との間に配置されている、請求項１に記載のディフューザ。
5. 前記流れ操作装置は、前記吸込み開口の近くに取入れ口を持ち且つ前記作動開口の近くに吐出口を持つように構成されたポンプである、請求項４に記載のディフューザ。
6. 更に、前記内筒と外壁との間に相対的に配置された支柱を有している請求項１に記載のディフューザ。
7. 前記作動開口は前記支柱よりも上流に配置されている、請求項６に記載のディフューザ。
8. ガスタービン用のディフューザであって、
   ディフューザ入口と、
   ディフューザ出口と、
   実質的に前記ディフューザ入口から実質的に前記ディフューザ出口まで延在する外壁と、
   少なくとも１つの作動開口及び少なくとも１つの吸込み開口を持つ内筒と、
   実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置と、
   を有するディフューザ。
9. 複数の作動開口を含んでいる請求項８に記載のディフューザ。
10. 複数の吸込み開口を含んでいる請求項８に記載のディフューザ。
11. 前記流れ操作装置は実質的に前記少なくとも１つの作動開口と前記少なくとも１つの吸込み開口との間に配置されている、請求項８に記載のディフューザ。
12. 前記流れ操作装置は、前記少なくとも１つの吸込み開口の近くに取入れ口を持ち且つ前記少なくとも１つの作動開口の近くに吐出口を持つように構成されたポンプである、請求項１１に記載のディフューザ。
13. 更に、前記内筒と外壁との間に相対的に配置された支柱を有している請求項８に記載のディフューザ。
14. 前記少なくとも１つの作動開口は前記支柱よりも上流に配置されている、請求項１３に記載のディフューザ。
15. ガスタービンの一部分を取り囲むタービン・ケーシングと、
    前記タービン・ケーシングに結合されたディフューザであって、ディフューザ入口と、作動開口及び吸込み開口を持つ内筒と、実質的に前記内筒の中に配置された流れ操作装置とを含むディフューザと、
    を有するガスタービン。
16. 前記ディフューザは複数の作動開口を含んでいる、請求項１５記載のガスタービン。
17. 前記ディフューザは複数の吸込み開口を含んでいる、請求項１５記載のガスタービン。
18. 前記流れ操作装置は実質的に前記作動開口と前記吸込み開口との間に配置されている、請求項１５記載のガスタービン。
19. 前記流れ操作装置は、前記吸込み開口の近くに取入れ口を持ち且つ前記作動開口の近くに吐出口を持つように構成されたポンプである、請求項１８記載のガスタービン。
20. 前記ガスタービンは更に、前記内筒と外壁との間に相対的に配置された支柱を有しており、前記作動開口が前記支柱よりも上流に配置されている、請求項１５記載のガスタービン。