JP2013531174A - ガスタービンのための排出ガスディフューザ、及び当該排出ガスディフューザを具備するガスタービンの運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、ディフューザ流れ（３０）を案内するための環状の外壁（２８）を有している、ガスタービン１のための排出ガスディフューザ（２０）であって、排出ガスディフューザ（２０）内には、外壁（２８）に対して同心に配置されている環状の案内要素（３２）が、ディフューザ流れ（３０）に影響を及ぼすために配設されている、排出ガスディフューザ（２０）に関する。排出ガスディフューザ（２０）の空力効果を改善するために、及び、ガスタービンの複数の運転状態についての排出ガスディフューザ（２０）の空力効果を同時に最適調整するために、案内要素（３２）は、移動要素を形成するように長手方向断面が凸状に形成された境界面を有している表面であって、ラジアル方向内方に面している表面（３４）を有しており、案内要素（３２）が、第１の位置において、案内要素（３２）と外壁（２８）との間における流通を可能とするように、及び、案内要素（３２）が、第２の位置において、案内要素（３２）と外壁（２８）との流通の大部分を防止するように、案内要素（３２）は、２つの位置の間においてアキシアル方向に移動可能とされる。また、本発明は、ガスタービン（１）を動作させる方法であって、空気力学的損失を低減させると共に圧力回復を高めるために、質量流が増加する場合に、案内要素（３２）が第２の位置に向かって移動するか、若しくは第２の位置に移動し、及び／又は、質量流が低減する場合に、案内要素（３２）が第１の位置に向かって移動するか、若しくは第１の位置に移動する、方法に関する。

Description

本発明は、ディフューザ流れを案内するための環状の外壁を有しているガスタービンのための排出ガスディフューザであって、環状の外壁に対して同軸に配置されている環状案内要素が、ディフューザ流れに影響を及ぼすためにガスタービン内に設けられている、排出ガスディフューザに関する。さらに、本発明は、上述の排出ガスディフューザを有しているガスタービンを動作させるための方法に関する。

ガスタービン、及び当該ガスタービンのための利用される排出ガスディフューザは、少なくとも先行技術から知られている。例えば、１０°以上という比較的大きな開口角度を具備する排出ガスディフューザが、特許文献１から知られている。このような比較的大きな開口角度は、別体の短いガスタービンハブを延長するためにアキシアル方向に延在しているガイド本体をディフューザ流路の中心に配設することによって実現されている。ガイド本体を利用することによって、排出ガスディフューザが環状ディフューザとして形成されている。結論として、ガスタービンハブの後方に位置する逆流領域の大部分が解消されるので、このことは、排出ガスディフューザの効率に関して優位な効果を有している。しかしながら、ガイド本体が比較的長いこと、ひいてはガイド本体の長さに起因して付加的なストラットによってガイド本体を支持する必要があることは、欠点である。さらに、サポートストラットの空気力学的影響が無視されている。

既知の短いガスタービンハブは、大抵、ガスタービンロータのタービン側軸受の後方において直接終端している。しかしながら、ガスタービンハブは、特に大きな逆流領域を有している。それにも関わらず、特に、短いガスタービンハブの費用効率は良い。

また、特許文献２は、外壁に対して同心に配置されている環状案内要素をその内側に有している排出ガスディフューザを開示している。この場合には、案内要素は、壁近傍の流れを加速させることを目的とするノズル流路が外壁と案内要素との間に形成されているように構成されている。結論として、案内要素の下流において壁近傍の流れの剥離を防止することができる。しかしながら、逆流が発生し得るので、案内要素によって、排出ガスディフューザの中心における流れの影響を実現することができない。

さらに、特許文献３は、流れが貫流するディフューザの断面を調整するために変更可能なハブの形状を具備した、蒸気タービンの斜流ディフューザを開示している。

本発明の目的は、ガスタービンハブの後方に位置する逆流領域を可能な限り解消すること、又はある程度低減することによって、ガスタービンの部分負荷運転の際であっても、排出ガスディフューザの高効率を実現すると共に、高い運転信頼性を確保することである。逆流領域が非常に遠位の下流に到達した場合には、逆流領域が排出ガスタービンの下流に配置されているボイラーに達する危険性があり、このことは、動作原理を著しく軽視している。また、非常の遠位の下流に配設されているアフターバーナーの場合には、フラッシュバックを誘導する場合があり、その結果として、ガスタービンとアフターバーナーとの複合動作が厳密に制限される。

独国特許出願公開第１９８０５１１５号明細書 欧州特許出願公開第１９７０５３９号明細書 米国特許第５２０９６３４号明細書

本発明の目的は、ガスタービンの最高の効率を実現する一方、ガスタービンの運転状態それぞれについての流れの剥離及び逆流領域を回避すると共に、ガスタービンの下流に配置されているガスタービンの運転状態それぞれについてのボイラー及びアフターバーナーの運転に関する信頼性を確保する、ガスタービンのための、嵩張らない排出ガスディフューザを提供することである。本発明にさらなる目的は、排出ガスディフューザを具備するガスタービンを動作させるための方法を提供することである。

排出ガスディフューザについての目的は、請求項１の特徴部分に記載の排出ガスディフューザによって実現される。

ガスタービンを動作させるための方法についての目的は、請求項８の特徴部分に記載の方法によって実現される。

本発明におけるガスタービンのための排出ガスディフューザは、ディフューザ流れを案内するための環状の外壁を有しており、排出ガスディフューザ内には、外壁に対して同心に配置されている環状の案内要素が、ディフューザ流れに影響を及ぼすために配設されており、案内要素のラジアル方向内方に面した表面が、移動要素を形成するように長手方向断面が凸状に形成されている境界面を有しており、案内要素が、第１の位置において、案内要素と外壁との間における流通を可能となるように、及び、案内要素が、第２の位置において、案内要素と外壁との流通を防止するように、案内要素が、２つの位置の間においてアキシアル方向に移動可能とされる。

本発明における排出ガスディフューザを具備するガスタービンを動作させるための方法では、質量流が増加する場合に、案内要素が、第２の位置に向かって移動するか、若しくは第２の位置に移動し、及び／又は、質量流が減少する場合に、案内要素が、第１の方向に向かって移動するか、若しくは第１の位置に移動する。

本発明は、例えば高温の日にガスタービンを部分負荷運転させる際に発生するような、質量流が小さい場合に、ガスタービンの排出ガスディフューザ内における質量流の大部分が外界すなわち外壁に向かって移動するので、非常に卓越した長い逆流領域がハブ本体の後方に発生することに基づいている。例えば低温の日にガスタービンを全負荷運転させる際に発生するような、質量流が大きい場合に、質量流の大部分が内界すなわちハブ又は中心に向かって移動する。その結果として、外壁近傍における流れの割合が減少するので、外壁において流れが剥離する。従って、排出ガスディフューザ内における質量流の分布を均一にすることが望ましい。

しかしながら、均一にするためには、ガスタービンの運転状態に従って、質量流の多くが排出ガスディフューザの外壁又は中心に向かって移動される必要がある。このことを実現するために、本発明は、当業者には予め想到することができない態様で２つの手段を組み合わせている。質量流を外界に向かって移動させるために、案内要素はアキシアル方向に移動するように構成されており、その結果として、案内要素と外壁との間の距離が調整可能とされる。距離を大きくすることによって、一層大きな割合の流れを外面に向かって偏向させることができるので、壁面近傍において流れが剥離する可能性が低減される。さらに、案内要素は、移動要素を形成するように長手方向断面が凸状に形成されている境界面を、内方に面している表面に有している。その結果として、環状の案内要素の内部輪郭はラバル管の形態とされる。これにより、案内要素によって捕捉されるディフューザ流れの多くが、ハブ又はディフューザの中心に向かって偏向される。このことは、排出ガスディフューザ自体の位置に依存する流路断面積に対する案内要素の円状の開口面積の相対的な割合が大きくなればなる程、当て嵌まる。案内要素が第２の位置に位置している場合に、すなわち、案内要素が外壁に当接している場合に、排出ガスディフューザの断面積が案内要素の断面積に一致する。従って、その比率は１である。案内要素がアキシアル方向において排出ガス流れの下流に向かって移動することによって、案内要素の入口側断面積も配置されているアキシアル方向位置において、排出ガスディフューザの流路断面積が大きくなるが、案内要素の入口側断面積は一定を維持される。結果として、断面積の相対的な比率が低減されるので、すなわち、比率が１より小さくなるので、案内要素と外壁との間の距離を大きくすることに伴って、狭窄部分の効果が低減される。この場合には、排出ガスディフューザの外壁に向かう流れより排出ガスディフューザの中心に向かう流れの割合が大きいからである。

従って、本発明は、内方に面している狭窄部分を利用しているにも関わらず、壁面近傍の流れを強化することができるという、当業者でさえ想到することができない知識に基づいている。以上により、本発明に基づく解決手段によって、排出ガスディフューザの効率は、質量流の大きさに関係なく改善される。比較的大きな逆流領域に起因する又は壁面近傍における流れの剥離に基づく空気力学的損失の大部分を回避することができるからである。

優位な実施形態は、従属請求項に開示されている。

第１の優位な実施例では、案内要素が第２の位置に配置されている場合に、移動要素が、排出ガスディフューザのアキシアル方向断面内に配置されており、アキシアル方向断面内において、排出ガスディフューザの中心に配置されているハブ本体がアキシアル方向で終端している。ハブ本体の端部が中心に配置されているので、逆流領域が、乱流領域内に形成され、案内要素に配置されている狭窄部によって短寸化される。しかしながら、このことを達成するためには、狭窄部が、アキシアル方向においてハブ本体の端部の下流に直接配置されていることが必要とされる。狭窄部が、特に中心すなわち排出ガスディフューザの流れ中心に向かって流れの一部分を移動させるという空気力学的に望ましい効果も実現するように、ハブ本体の端部と狭窄部のアキシアル方向部分との間における過剰に大きなアキシアル方向距離を解消しなくてはならない。

好ましくは、案内要素のラジアル方向外方に面している表面が、外壁の一部分に対して均一に当接可能とされる。案内要素が外壁に対して均一に当接するので、その結果として、案内要素が外壁に対して特に緊密に当接するので、最小の壁面近傍の漏れ流れを効果的に回避することができる。

その大きさが過剰に小さく、その結果として悪影響を及ぼす壁面流れを回避することができる。

さらなる優位な実施例では、案内要素が、外壁の周囲に沿って配置されている複数のリブを介して支持されている。このような配置によって、案内要素を支持するための簡素な構成を実現することができる。上述の実施例の第１の変形例では、リブが、外壁に堅固に固定されており、案内要素をアキシアル方向において移動させるためのアクチュエータが、リブそれぞれの内側端部に配設されている。このために、便宜上、アキシアル方向においてリブひいては外壁に対して案内要素を移動可能とする、複動式ピストンが設けられている。この第１の変形例は、リブ及び案内要素の両方が寸法上高剛性に構成されているという利点を有している。言い換えれば、案内要素の直径もリブの長さも、案内要素の可動性を確保するために可変とする必要が無い。

第２の変形例では、リブそれぞれが、外壁及び案内要素に継手を介して連接した態様で接続されており、継手の回転軸線が、排出ガスディフューザの接線方向において延在している。当該実施例では、アキシアル方向において排出ガスディフューザの流路から案内要素を移動させるための、アクチュエータがガスタービンの若干低温の領域に移動可能なので、耐熱性に関連するアクチュエータの要求を下げることができることが利点である。しかしながら、一定の直径を有する案内要素を利用することが望ましいので、この場合についても、リブのラジアル方向の寸法をある程度変更しなければならない。便宜上、この場合、リブは、案内要素の移動の際に当該リブの長さを調整するためにテレスコピックに可動とされる。

好ましくは、固定式ガスタービンは、上述の実施例に基づく排出ガスディフューザを装備している。

本発明について、典型的な実施例に基づいて以下に詳述する。

固定式ガスタービンの部分的な長手方向断面図である。 案内要素が排出ガスディフューザの外壁に当接した状態における、固定式ガスタービンの排出ガスディフューザの長手方向断面図である。 案内要素が外壁から所定距離で離隔した状態における、図２に表わす排出ガスディフューザを表わす。 案内要素をアキシアル方向に移動させるための駆動装置を具備する、案内要素を表わす。

図１は、ガスタービン１の部分的な長手方向断面図である。ガスタービン１の内側には、―タービンロータ集合体とも呼称される―ロータ３が配設されており、ロータ３は、機械軸線２を中心として回転可能に取り付けられている。取込ハウジング４と、コンプレッサ５と、互いに対して対称に且つ円状に配置されている複数のバーナ７を具備する環状燃焼室６と、タービンユニット８と、排出ガスハウジング９とがロータ３に沿って直列に配置されている。環状燃焼室６は、環状の高温ガス流路１６に接続されている燃焼空間１７を囲んでいる。燃焼空間１７において、４つの直列に接続されたブレード段１０がタービンユニット８を形成している。ブレード段１０それぞれが、２つのブレードリングから形成されている。ロータブレード１５から形成されたロータブレード列１４は、環状燃焼室６内で生成された高温ガス１１が流れる方向から見ると、高温ガス流路１６内においてステータブレード列１３に後続している。ステータブレード１２はステータに固定されており、ロータブレード列１４のロータブレード１５それぞれがディスク１９を介してロータ３に取り付けられている。発電機又は駆動装置（図示しない）がロータ３に結合されている。

排出ガスハウジング９は、タービンユニット８の下流において高温ガス流路１６に隣接している。排出ガスハウジング９は、ガスタービン１の排出ガスディフューザ２０の入口側部分である。従って、高温ガス流路１６は、排出ガスディフューザ２０の流路２２に合流している。排出ガスハウジング９内に配置されているリブ２４は、ハブ本体２６によって囲まれているロータ３のタービン側端部を支持している。ハブ本体２６は、流路２２内でアキシアル方向において終端しており、排出ガスディフューザ２０の中心に配置されている。

排出ガスディフューザ２０の外側境界は、機械軸線２に対して同心に配置されている円状の外壁２８によって形成されている。外壁２８は、ディフューザ流れ３０の流れ方向において拡径するように延在している。ディフューザ流れ３０は、タービンユニット８内で膨張する前の高温ガス１１とも呼称される。

図２は、排出ガスディフューザ２０の入口側部分を通過する長手方向断面である。ハブ本体２６がアキシアル方向において終端しているアキシアル方向断面において、アキシアル方向に移動可能な案内要素３２が配置されている。この場合には、案内要素３２の外面は、案内要素３２が外壁２８に対して均一に当接するように、外壁２８と同一の円錐形状に形成されている。案内要素３２の内面３４には、移動要素を形成するための境界面であって、凹状の長手方向断面を具備する境界面が形成されている。この場合には、境界面は、環状の案内要素３２によって包囲されている流路断面がラバル管状となるように形成されている。言い換えれば、案内要素３２の入口側の流路断面は、案内要素３２の最小流路断面より大きく、案内要素３２の出口側の流路断面が、案内要素３２の入口側の流路断面より大きい。最小流路断面は、入口側の流路断面と出口側の流路断面との間において、アキシアル方向に配置されている。

流路断面は、常に機械軸線２に対して直角に配置されている。

図３は、図２に表わす排出ガスディフューザ２０の断面と同一の断面を表わすが、案内要素３２のみが、図２に表わす位置と比較して、アキシアル方向において移動している点において異なる。図３に表わす案内要素３２は、図２に表わす案内要素３２より下流に位置している。図３に表わす案内要素３２の位置は、案内要素３２の第１の位置と呼称され、図２に表わす案内要素３２の位置は、案内要素３２の第２の位置と呼称される。

案内要素３２が下流に向かって移動した結果として、外壁２８の内面と案内要素３２の外面との間に環状流路３６が形成され、ディフューザ流れ３０の一部分が環状流路３６を通じて流れることができる。

上述の排出ガスディフューザ２０を装備するガスタービン１の動作中において、以下の状態が発生する。周囲条件が変化する条件下において、部分負荷運転の際に、高温ガス１１又は排出ガス３０の比較的小さな質量流がガスタービン１を通過する。比較的小さな質量流の通過に起因して、比較的大きな割合の排出ガス流が外界に移動する。従って、従来においては、非常に卓越した長い逆流領域がハブ本体２６の後方に発生していた。一方、本発明では、案内要素３２が第２の位置に移動されるように構成されている。結果として、狭窄部が、ハブ本体２６の比較的近傍に配置されている。このことは、排出ガス３０が中心軸線２の方向において急激に偏向される（符号３０′参照）という効果を有しているので、アキシアル方向断面においてハブ本体２６の後方に位置する逆流領域を著しく小さくすることができる。このことは、空気力学的損失を低減させ、圧力回復を高め、排出ガスディフューザ２０の流速及び流れ分布を均一化することができる。

例えば寒冷な日に全負荷運転する際に発生する別の第２の状態では、比較的大きな質量流がガスタービン１を通過する。この場合には、案内要素３２はアキシアル方向に沿って第１の位置に移動される。このような案内要素３２の移動の結果として、案内要素３２によって、排出ガスディフューザ２０が流路断面を相対的に遮断することが低減される。さらに、このようにして、外壁２８と案内要素３２の外面との間に環状流路３６が形成される。その結果として、案内要素３２の下流において、環状流路３６を通過する流れが壁面噴流となるので、このような運転状態において増加する流れの剥離が外壁２８において発生する危険性を低減することができる。

また、これにより、排出ガスディフューザ２０内における空気力学的損失が防止されるので、圧力回復を高めることができる。結果として、質量流が増加する場合には、案内要素３２が第２の位置に向かって移動するか、若しくは第２の位置に（外壁２８に当接するまで）移動し、及び／又は、質量流れが低減する場合には、案内要素３２が第１の位置に向かって移動するか、若しくは第１の位置に移動する（案内要素３２が外壁２８から離隔する）。案内要素３２は、常に、機械軸線２に対して平行に移動する。

案内要素３２はアキシアル方向において移動するにすぎないので、案内要素３２は、一定の直径を具備するリングとして構成されている場合がある。

図４は、アキシアル方向に移動可能な案内要素３２のアクチュエータについての詳細図である。案内要素３２は、排出ガスディフューザ２０の周囲に沿って配置されている複数のリブ４０を介して取り付けられている。図４に表わさないが、リブ４０それぞれが外壁２８に堅固に固定されている。リブ４０は、流れダクト２２内部に向かってラジアル方向に突出している。リブ４０それぞれの内側端部４２には、液圧式シリンダ４５が調整装置として配設されており、液圧式シリンダ４５のアキシアル方向に移動可能なピストン４６は、案内要素３２に固定されている。作動油を加圧することによって、ピストン４６はアキシアル方向において移動可能するので、案内要素３２も同一方向に移動可能とされる。排出ガスの温度が比較的高いので、必要に応じて、調整装置と作動油のための供給配管とを冷却することが有効である。

本発明は、ディフューザ流れ３０を案内するための環状の外壁２８を有しているガスタービン１のための、排出ガスディフューザ２０であって、排出ガスディフューザ２０内には、外壁２８に対して同心に配置されている環状の案内要素３２が、ディフューザ流れ３０に影響を及ぼすために配設されている、排出ガスディフューザ２０に関する。本発明では、排出ガスディフューザ２０の空力効果を改善するために、及び、ガスタービンの複数の運転状態についての排出ガスディフューザ２０の空力効果を同時に最適調整するために、案内要素３２は、移動要素を形成するように長手方向断面が凸状に形成されている境界面を有している、ラジアル方向内方に面している表面３４を有しており、案内要素３２が、第１の位置において、案内要素３２と外壁２８との間における流通を可能とするように、及び、案内要素３２が、第２の位置において、案内要素３２と外壁２８との間における流通の大部分を防止するように、案内要素３２は、第１の位置と第２の位置との間においてアキシアル方向に移動可能とされる。また、本発明は、ガスタービン１を動作させる方法であって、空気力学的損失を低減すると共に圧力回復を高めるために、質量流が増加する場合に、案内要素３２が第２の位置に向かって移動するか、若しくは第２の位置に移動し、及び／又は、質量流が低減する場合に、案内要素３２が第１の位置に向かって移動するか、若しくは第１の位置に移動する、方法に関する。

１ ガスタービン
２ 機械軸線（中心軸線）
３ ロータ（タービンロータ集合体）
４ 取込ハウジング
５ コンプレッサ
６ 環状燃焼室
７ バーナ
８ タービンユニット
９ 排出ガスハウジング
１０ ブレード段
１１ 高温ガス
１２ ステータブレード
１３ ステータブレード列
１４ ロータブレード列
１５ ロータブレード
１６ 高温ガス流路
１７ 燃焼空間
１９ ディスク
２０ 排出ガスディフューザ
２２ （排出ガスディフューザ２０の）流路（流れダクト）
２４ リブ
２６ ハブ本体
２８ 外壁
３０ ディフューザ流れ（排出ガス）
３２ 案内要素
３４ （案内要素３２の）ラジアル方向内方に面している表面
３６ 環状流路
４０ リブ
４２ （リブ４０の）内側端部
４５ 液圧式シリンダ
４６ ピストン

Claims (8)

1. ディフューザ流れ（３０）を案内するための環状の外壁（２８）を具備する、ガスタービン（１）のための排出ガスディフューザ（２０）であって、前記排出ガスディフューザ（２０）内には、前記外壁（２８）に対して同心に配置されている環状の案内要素（３２）が、前記ディフューザ流れ（３０）に影響を及ぼすために配設されている、前記排出ガスディフューザ（２０）において、
   前記案内要素（３２）が、２つの位置の間においてアキシアル方向に移動可能とされ、
   前記案内要素（３２）のラジアル方向内方に面している表面（３４）が、移動要素を形成するように長手方向断面が凸状に形成されている境界面を有しており、
   前記案内要素（３２）が、第１の位置において、案内要素（３２）と外壁（２８）との間における流通を可能とし、第２の位置において、案内要素（３２）と外壁（２８）との流通を防止することを特徴とする排出ガスディフューザ（２０）。
2. 前記案内要素（３２）が前記第２の位置に配置されている場合に、前記移動要素が、前記排出ガスディフューザ（２０）のアキシアル方向断面内に配置されており、前記排出ガスディフューザ（２０）の中心に配置されているハブ本体（２６）が、前記アキシアル方向断面内で前記アキシアル方向において終端していることを特徴とする請求項１に記載の排出ガスディフューザ（２０）。
3. 前記案内要素（３２）のラジアル方向外方に面している表面が、前記外壁（２８）の一部分に当接可能とされることを特徴とする請求項２に記載の排出ガスディフューザ（２０）。
4. 前記案内要素（３２）が、前記外壁（２８）の周囲に沿って配置されている複数のリブ（４０）を介して支持されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の排出ガスディフューザ（２０）。
5. 前記リブ（４０）が、前記外壁（２８）に堅固に固定されており、前記案内要素（３２）を前記アキシアル方向に移動させるためのアクチュエータが、少なくとも１つの前記リブ（４０）の内側端部（４２）に配設されていることを特徴とする請求項４に記載の排出ガスディフューザ（２０）。
6. 前記リブ（４０）それぞれが、前記外壁（２８）及び前記案内要素（３２）に継手を介して連接した態様で接続されており、
   前記継手の回転軸線が、前記排出ガスディフューザ（２０）の接線方向において延在していることを特徴とする請求項４に記載の排出ガスディフューザ（２０）。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の排出ガスディフューザ（２０）を有していることを特徴とするガスタービン（１）。
8. 請求項７に記載のガスタービン（１）を動作させるための方法であって、様々な大きさの質量流が前記ガスタービン（７）を通じて流れる、前記方法において、
   前記質量流が増加する場合に、前記案内要素（３２）が、前記第２の位置に向かって移動するか、若しくは前記第２の位置に移動し、及び／又は、
   前記質量流が減少する場合に、前記案内要素（３２）が、前記第１の方向に向かって移動するか、若しくは前記第１の位置に移動することを特徴とする方法。

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