JP2013142403A - プラズマアクチュエータを有するガスタービン排出ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマアクチュエータを有するガスタービン排出ディフューザを提供すること。
【解決手段】タービンと、排出ディフューザと、プラズマアクチュエータとを備えるガスタービンが提供される。タービンは排出ガスを放出する。排出ディフューザは、タービンからの排出ガスを受け入れる。排出ディフューザは、入口と、出口と、該入口及び出口間に配置される少なくとも１つの壁とを有する。プラズマアクチュエータは、ディフューザの少なくとも１つの壁に沿ってプラズマを生成する。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンに関し、より具体的には、プラズマを生成するプラズマアクチュエータを有するガスタービン排出ディフューザに関する。

ガスタービンは一般に、圧縮機、燃焼器、１以上の燃料ノズル、タービン、及び排出ディフューザを含む。吸気口を通ってガスタービンに空気が流入し、圧縮機によって加圧される。次いで、加圧空気は、燃料ノズルによって供給される燃料と混合され、空気燃料混合気が、燃焼のため指定比率で燃焼器に供給される。燃焼によって加圧排出ガスが生成され、該排出ガスがタービンのブレードを駆動する。排出ディフューザを利用してタービン出口での静圧を低下させることによって、最終段バケットとも呼ばれる最終段タービンブレードの効率を改善することができる。

排出ディフューザは一般に、多大なスペースを占有する。排出ディフューザは、該排出ディフューザの末広壁の間に位置する入口と出口とを含む。排出ディフューザの軸方向長さは、該排出ディフューザの入口と出口との間で測定される。ディフューザの軸方向長さが十分ではなく短すぎる場合には、排出ディフューザの末広壁において流れ剥離が生じる可能性があり、圧力損失をもたらす。

米国特許第７９８４６１４号明細書

タービンと、排出ディフューザと、プラズマアクチュエータとを備えるガスタービンが提供される。タービンは排出ガスを放出する。排出ディフューザは、タービンからの排出ガスを受け入れる。排出ディフューザは、入口と、出口と、該入口及び出口間に配置される少なくとも１つの壁とを有する。プラズマアクチュエータは、ディフューザの少なくとも１つの壁に沿ってプラズマを生成する。

これら及び他の利点並びに特徴は、図面を参照しながら以下の説明から明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲に具体的に指摘し且つ明確に特許請求している。本発明の上記及び他の特徴並びに利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明から明らかである。

圧縮機を有する例示的なガスタービンシステムの部分概略断面図。 図１に示す排出ディフューザの断面図。 切断線３−３に沿った、図２に示す排出ディフューザの断面図。 切断線４−４に沿った、図２に示す排出ストラットの断面図。 図２〜４に示すプラズマアクチュエータの拡大図。

この詳細な説明は、例証として図面を参照しながら、本発明の利点及び特徴と共に例示的な実施形態を説明している。

図１は、参照符号１０で示される例示的な概略の発電システムを示す。発電システム１０は、圧縮機２０、燃焼器２２、タービン２４、及び排出ディフューザ２６を有するガスタービンシステムである。空気は、圧縮機２０に接続された吸気口３０を通って発電システム１０に流入し、圧縮機２０により加圧される。次いで、加圧空気は、燃料ノズル３４により燃焼用の指定の比率で燃料と混合される。燃焼により、高温の加圧排出ガスが発生し、これがタービン２４内に位置するブレード（図示せず）を駆動する。排出ガスは、タービン２４から排出ディフューザ２６に送られる。

図２は、排出ディフューザ２６の例示的な側面図である。排出ディフューザ２６は、入口４０と、出口４２と、内側ディフューザ４４と、外側ディフューザ４６とを含む。内側ディフューザ４４は内側壁部４８を含み、外側ディフューザ４６は外側壁部５２を含む。内側壁部４８及び外側壁部５２は両方共、入口４０と出口４２との間に位置する。内側ディフューザ４４の内側壁部４８は、外側ディフューザ４６の内側壁部４８とほぼ同心である。内側ディフューザ４４及び外側ディフューザ４６の両方は、軸線Ａ−Ａを中心として配向される。図示の実施形態において、外側ディフューザ４６の外側壁部５２は、ほぼ末広構成を含む。排出ディフューザ２６の入口４０は、タービン２４（図１に示す）からの排出ガスを受ける。プラズマ発生器又はアクチュエータ６０は、内側壁部４８の外側表面５４上に位置し、プラズマアクチュエータ６２は、外側壁部５２の外側表面５８上に位置する。図２は、内側壁部４８上のプラズマアクチュエータ６０並びに外側壁部５２上のプラズマアクチュエータ６２を示しているが、内側壁部４８又は外側壁部５２のうちの一方のみがプラズマアクチュエータ６０及び６２のうちの１つを含むことができる点に留意されたい。

図３は、線３−３に沿った排出ディフューザの断面図である。図３で分かるように、内側壁部４８及び外側壁部５２の両方は、３６０°の構成を含む。具体的には、図２〜３を参照すると、内側ディフューザ４４の内側壁部４８は、ほぼ環状の構成を含み、外側ディフューザ４６の外側壁部５２は、ほぼ円錐形の構成を含む。一連のマンホール６８は、内側壁部４８と外側壁部５２との間に位置する。マンホール６８は、内側ディフューザ４４への要員のアクセスを可能にする。図３に示す実施形態において、マンホール６８は各々、互いから約１２０°離れた構成で離間して配置されているが、マンホール６８は、様々な構成で配置されてもよい点は理解されたい。マンホール６８の各々の外側表面７０は、プラズマアクチュエータ７２もまた含むことができる。マンホール６８の各々の外側表面７０は、タービン２４（図１に示す）からの排出ガス５６に曝される。

再度図２を参照すると、排出ストラット８０は、内側壁部４８と外側壁部５２との間の排出ディフューザ２６内に位置付けられる。排出ストラット８０は、切断線４−４で示される断面を含む。ここで、断面４−４における排出ストラット８０の例図である、図４を参照すると、排出フレームストラット８０は、キャンバ翼形部の形状の断面を含む。翼形部は、上側キャンバ部８２と下側キャンバ部８４とを含む。排出ストラット８０は、外側表面８６を有し、ここでプラズマアクチュエータ８８は、上側キャンバ部８２又は外側表面８６に沿った下側キャンバ部８４上に位置することができる。図４は、キャンバ翼形部を示しているが、翼形部は、ほぼ対称的な構成を含むこともできる点に留意されたい。

図５は、内側壁部４８に沿って、外側壁部５２に沿って、マンホール６８の外側表面７０に沿って又は排出ストラット８０（図２に示す）の外側表面８０上で用いることができる、例示的なプラズマアクチュエータ９０の拡大図である。プラズマアクチュエータ９０は、内側電極９２、外側電極９４、及び誘電材料９６を含む。誘電材料９６は、円錐形又はほぼ湾曲した表面に共形であるように構成される。すなわち、誘電材料９６は、非平面に共形であるように構成される。従って、プラズマアクチュエータ９０は、円錐形又はほぼ湾曲した輪郭を含む物体の外側表面に共形であるように構成される。例えば、ここで図２を参照すると、プラズマアクチュエータ６０は、ほぼ環状の外側表面５４に沿って配置され、プラズマアクチュエータ６２は、ほぼ円錐形の外側表面５８に沿って配置される。

再度図５を参照すると、ＡＣ電源１００が内側電極９２と外側電極９４の両方に接続される。ＡＣ電源１００は、内側電極９２及び外側電極９４にＡＣ電力を供給する。例示的な実施形態において、プラズマアクチュエータ９０の電力消費量は、プラズマのリニアフィート当たりで１５Ｗである。ＡＣ電圧の振幅が閾値に達すると、タービン２４（図１に示す）からの排出ガス５６は、最大電位の領域でイオン化してプラズマ１０２を形成する。プラズマ１０２は、外側電極９４の縁部１０４にて始まり、誘電材料９６に隣接する外側電極９４によって投射される面積１０６にわたって拡散する。プラズマ１０２は、排出ガス５６に作用する力を生成し、これが湾曲面１１０に沿った圧力分布の変化を生じさせる。圧力分布の変化は、一般に、プラズマアクチュエータ９０がＡＣ電源１００によって通電されたときに流れ剥離を低減又は実質的に阻止する。従って、図２〜５に示す実施形態において、プラズマアクチュエータ９０は、排出ガス５６の静圧を増大させることによって、タービン２４（図１に示す）の最終段タービンブレード（図示せず）又は最終段バケットの効率を向上させる。図２〜５に示すプラズマアクチュエータは、比較的簡単で堅牢な設計を提供し、また、リアルタイム制御で比較的低い電力消費量を提供する。

限られた数の実施形態のみに関して本発明を詳細に説明してきたが、本発明はこのような開示された実施形態に限定されないことは理解されたい。むしろ、本発明は、上記で説明されていない多くの変形、改造、置換、又は均等な構成を組み込むように修正することができるが、これらは、本発明の技術的思想及び範囲に相応する。加えて、本発明の種々の実施形態について説明してきたが、本発明の態様は記載された実施形態の一部のみを含むことができる点を理解されたい。従って、本発明は、上述の説明によって限定されると見なすべきではなく、添付の請求項の範囲によってのみ限定される。

１０ 発電システム
２０ 圧縮機
２２ 燃焼器
２４ タービン
２６ 排出ディフューザ

Claims (16)

1. ガスタービンであって、
   排出ガスを放出するタービンと、
   前記タービンからの排出ガスを受け入れ、入口と、出口と、該入口及び出口間に配置される少なくとも１つの壁とを有する排出ディフューザと、
   前記ディフューザの少なくとも１つの壁に沿ってプラズマを生成するプラズマアクチュエータと
   を備える、ガスタービン。
2. 前記排出ディフューザが、内側ディフューザ及び外側ディフューザを含み、前記内側ディフューザが前記外側ディフューザとほぼ同心である、請求項１記載のガスタービン。
3. 前記内側ディフューザが前記内側壁部を含み、前記プラズマアクチュエータが前記内側ディフューザの内側壁部に沿って配置される、請求項２記載のガスタービン。
4. 前記外側ディフューザが外側壁部を含み、前記プラズマアクチュエータが、前記内側ディフューザの外側壁部に沿って配置される、請求項２記載のガスタービン。
5. 前記内側ディフューザが、ほぼ環状の構成を含む、請求項２記載のガスタービン。
6. 前記外側ディフューザが、ほぼ楕円形の構成を含む、請求項２記載のガスタービン。
7. 前記内側ディフューザと前記外側ディフューザとの間に配置された少なくとも１つのマンホールを備え、前記少なくとも１つのマンホールが、外側マンホール表面を含み、該外側マンホール表面に沿って別のプラズマアクチュエータが配置される、請求項２記載のガスタービン。
8. 前記排出ディフューザの内側壁部と外側壁部との間に配置された排出ストラットを備え、該排出ストラットが、翼形部形状の断面を有する、請求項１記載のガスタービン。
9. 前記排出ストラットの外側表面に沿って配置された排出ストラットプラズマアクチュエータを備える、請求項８記載のガスタービン。
10. 前記プラズマアクチュエータが、内側電極、外側電極、及び誘電材料を含む、請求項１記載のガスタービン。
11. ガスタービンであって、
    排出ガスを放出するタービンと、
    前記タービンからの排出ガスを受け入れ、入口と、出口とを有する排出ディフューザであって、前記入口と出口との間に配置され且つ内側壁部を有する内側ディフューザと、前記入口と出口との間に配置され且つ外側壁部を有して前記内側ディフューザとほぼ同心である外側ディフューザとを含む排出ディフューザと、
    前記内側壁部と前記外側壁部の少なくとも１つに沿ってプラズマを生成するプラズマアクチュエータと
    を備える、ガスタービン。
12. 前記内側ディフューザが、ほぼ環状の構成を含む、請求項１１記載のガスタービン。
13. 前記外側ディフューザが、ほぼ円錐形の構成を含む、請求項１１記載のガスタービン。
14. 前記内側ディフューザと前記外側ディフューザとの間に配置された少なくとも１つのマンホールを備え、前記少なくとも１つのマンホールが、外側マンホール表面を含み、該外側マンホール表面に沿って別のプラズマアクチュエータが配置される、請求項１１記載のガスタービン。
15. 前記排出ディフューザの内側壁部と外側壁部との間に配置された排出ストラットを備え、該排出ストラットが、翼形部形状の断面を有する、請求項１１記載のガスタービン。
16. 前記排出ストラットの外側表面に沿って配置された排出ストラットプラズマアクチュエータを備える、請求項１５記載のガスタービン。