JP2014013037A - タービン排気ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】境界層の流れの制御に関するタービン排気ディフューザ部品を提供する。
【解決手段】タービン排気ディフューザ２６は、タービン排気ディフューザ内に配置され外面を含むディフューザ部品を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ディフューザ部品の外面と内部コンパートメントの間に延在し、流体を取り込むように構成される吸引路を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ディフューザ部品の外面と内部コンパートメントの間に延在し、流体を放出するように構成される作動路を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ディフューザ部品の内部コンパートメント内に配置される流れ操作装置を有する。
【選択図】図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンシステムに関し、より具体的には、タービン排気ディフューザ部品における境界層の流れの制御に関する。

例えばガスタービンシステムなどの典型的なタービンシステムは、タービンシステムのタービンセクションに結合される、タービンセクションの最終段バケットの効率を向上させる排気ディフューザを含む。排気ディフューザは、幾何形状的に、排気ディフューザ内の流れの運動エネルギを急激に減少させ、静圧回復を増大させるように構成される。

一般に、排気ディフューザは、全負荷運転に対して設計される。しかし、タービンシステムはしばしば部分負荷で運転される。したがって、全負荷設計に基づくので、部分負荷での性能効率は犠牲になる。そうした効率の悪さの少なくとも一部は、例えば内側バレル及び径方向に延在するストラットなどの排気ディフューザ部品上における流れ剥離に起因している。しばしば、流れ剥離の原因の一つは、タービンセクションの最終段バケットから出て排気ディフューザに入るときに流れがスワール状態になることである。スワールの大きさは、「接線方向の流れ角度」として定量化することができ、そうした角度は最大約４０度になることがあり、それによって例えば径方向に延在するストラットなどの排気ディフューザ部品の迎え角がより大きくなる。そうした流れ特性は、境界層の成長及び流れ剥離を招き、最終的に圧力回復が減少することになる。

米国特許出願公開第２００７０１５８５０３号公報

本発明の一態様によれば、タービン排気ディフューザは、タービン排気ディフューザ内に配置され外面を含むディフューザ部品を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ディフューザ部品の外面と内部コンパートメントの間に延在し、流体を取り込むように構成される吸引路を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ディフューザ部品の外面と内部コンパートメントの間に延在し、流体を放出するように構成される作動路を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ディフューザ部品の内部コンパートメント内に配置される流れ操作装置を有する。

本発明の他の態様によれば、タービン排気ディフューザは、タービン排気ディフューザの長手方向に延在する環状内側バレルと内側バレルから径方向外方に配置される外壁との間に延在しそれらに動作可能に結合され、前縁、後縁及び負圧側を含む、ストラットを有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ストラットの負圧側の第１の開口から内部コンパートメントまで延在する吸引路を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ストラットの負圧側の第２の開口から内部コンパートメントまで延在する作動路を有する。さらに、タービン排気ディフューザは、ストラットの内部コンパートメント内に配置される流れ操作装置を有する。

本発明のさらに他の態様によれば、タービンシステムは、タービンシステムのタービンセクションの一部を囲繞するタービンケーシングを有する。さらに、タービンシステムは、排気ディフューザを有する。排気ディフューザは、ディフューザ入口に近接する位置からディフューザ入口の下流の位置まで延在する内側バレルを有する。さらに、排気ディフューザは、内側バレルから径方向外方に配置される外壁を有する。さらに、排気ディフューザは、内側バレルと外壁の間に延在しそれらに動作可能に結合され、前縁、後縁及び負圧側を含むストラットを有する。さらに、排気ディフューザは、ストラットの負圧側から内部コンパートメントまで延在する吸引路、及びストラットの負圧側から内部コンパートメントまで延在する作動路を有する。さらに、排気ディフューザは、ストラットの内部コンパートメント内に配置される流れ操作装置を有する。

上記その他の利点及び特徴は、図面と併せて以下の説明を読めばより明らかになるであろう。

本発明と見なされる主題は、本明細書の結びの部分にある特許請求の範囲に具体的に示され明確に記載されている。本発明の上記その他の特徴及び利点は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を読めば明らかになる。

タービンシステムの概略図である。 タービンシステムのタービン排気ディフューザの断面図である。 タービン排気ディフューザのストラットの概略側面図である。

詳細な説明では、図面を参照して、一例として、本発明の実施形態を利点及び特徴と併せて説明する。

図１を参照すると、図には、例えばガスタービンシステムなどのタービンシステムが、参照番号１０で概略的に示されている。ガスタービンシステム１０は、圧縮機セクション１２、燃焼器セクション１４、タービンセクション１６、シャフト１８及び燃料ノズル２０を含む。ガスタービンシステム１０の一実施形態は、複数の圧縮機１２、燃焼器１４、タービン１６、シャフト１８及び燃料ノズル２０を含むこともできると理解すべきである。圧縮機セクション１２及びタービンセクション１６は、シャフト１８によって結合される。シャフト１８は、単一のシャフト、又はシャフト１８を形成するように一緒に結合される複数のシャフトセグメントであってよい。

燃焼器セクション１４は、ガスタービンシステム１０の運転に天然ガスもしくは水素リッチ合成ガスなどの可燃性の液体及び／又は気体の燃料を使用する。例えば、燃料ノズル２０は、空気供給源及び燃料供給源２２と流体連通している。燃料ノズル２０は、空気−燃料混合物を作り出し、その空気−燃料混合物を燃焼器セクション１４に吐出し、それによって燃焼が引き起こされて高温の加圧排出ガスが発生する。燃焼器セクション１４は、高温の加圧ガスをトランジションピースを通ってタービンノズル（すなわち「段１のノズル」）に向けて送り出し、他の段のバケット及びノズルによってタービンセクション１６の外側ケーシング２４内にあるタービンブレードの回転が引き起こされる。その後、高温の加圧ガスは、タービンセクション１６から、例えば外側ケーシング２４のようなタービンセクションの一部に動作可能に結合される排気ディフューザ２６に送られる。

次に、図２を参照すると、図２は、排気ディフューザ２６の垂直断面図である。排気ディフューザ２６は、タービンセクション１６からの排出流体３０を受けるように構成される入口２８を含む。出口３２は、入口２８に対して下流位置に配置される。外面３６を含む内側バレル３４は、入口２８と出口３２の間に少なくとも部分的に、排気ディフューザ２６の長手方向に沿って相対的に軸方向に延在する。内面４０を有する外壁３８は、内側バレル３４から径方向外方に、より具体的には外面３６から径方向外方に間隔を置いて配置される。外壁３８は、相対的に末広構造に構成され、したがって排出流体３０の運動エネルギは、排気ディフューザ２６の入口２８に入った後に小さくなる。より具体的には、外壁３８が末広構造であるので、排気ディフューザ２６内において動圧から静圧への変換が起きる。排出流体３０は、内側バレル３４の外面３６と外壁３８の内面４０によって画成される領域を通って流れる。

さらに、内側バレル３４の外面３６と外壁３８の内面４０の間には、ストラット４２が配置される。本明細書では単一のストラットしか説明しないが、排気ディフューザ２６は、一般的に、複数のストラットを含むと理解すべきである。例示的な実施形態では、４〜１２本の範囲で複数のストラットを含む。ストラット４２は、内側バレル３４と外壁３８を互いに固定した関係で保持し、さらには軸受支持をもたらす働きをする。ストラット４２が内側バレル３４と外壁３８の間の領域内に配置される場合、排出流体３０はストラット４２上を流れる。したがって、ストラット４２は、排出流体３０の流れ特性、したがって排気ディフューザの全体的な性能に影響を及ぼす。

次に図３を参照すると、ストラット４２は、弓形のエーロフォイルのような形状をしている。ストラット４２の正確な幾何形状及び寸法は、用途に基づいて図示のものから変えることができると理解すべきである。ストラット４２は、前縁４４、後縁４６、負圧側４８及び正圧側５０を含む。前縁４４から後縁４６まで、翼弦長５２と称する想像線が延在する。ストラットを弓形のエーロフォイル形状であると説明したが、全体的に対称的な構造を用いることができると理解すべきである。

排出流体３０がタービンセクション１６から出るとき、最終段バケットの出口における排出流体３０の接線方向の流れ角度（以下「スワール」と称する）は、排気ディフューザ２６の外壁３８の末広構造に基づいて増大し、それによって、内側バレル３４の外面３６に近接する領域並びに例えば負圧側４８及び正圧側５０などのストラット４２の様々な外面に近接する領域における流れ剥離が引き起こされる。流れ剥離及びスワール増大を減少させるように、回転インペラなどの流れ操作装置５４をストラット４２内に配置することにより、ストラット４２の負圧側４８を流れる排出流体３０の一部の吸引路５６を介した取込みすなわち吸引が促進される。その後、排出流体３０の一部は、作動路５８を通ってストラット４２の負圧側４８に近接する領域に放出されるすなわちそこに吹き出す。流れ操作装置５４は、全体的に、吸引路５６及び作動路５８を除いて、ストラット４２の周囲面によって完全に囲まれている。流れ操作装置５４は、１以上のモータなど様々な作動構造によって駆動され得る。１以上のモータは、外壁３８、内側バレル３４及び／又はストラット４２に近接して取り付けられ得る。

吸引路５６は、ストラット４２の負圧側４８に配置される第１の開口から、流れ操作装置５４が配置されるストラット４２の内部コンパートメント６２まで延在する。吸引路５６は、様々な角度に構成可能であり、図示の実施形態は単なる例示目的に過ぎない。第１の開口６０、したがって吸引路５６の少なくとも一部は、ストラット４２の前縁４４に近接して配置されるが、第１の開口６０を前縁４４の実質的に下流に配置することも企図することができる。同様に、作動路５８は、ストラット４２の負圧側４８に配置される第２の開口６４から内部コンパートメント６２まで延在する。吸引路５６と同様に、作動路５８を図示以外の様々な角度に構成することができる。第２の開口６４、したがって作動路５８の少なくとも一部は、第１の開口６０の下流の様々な位置に配置可能である。例示的な一実施形態では、第２の開口６４は、前縁４４から後縁４６まで延在する翼弦長５２に対して前縁４４から約６０％下流に配置される。しかし、正確な位置は、排気ディフューザ２６の全体的な特性に基づいて変えることができる。同様に、第１の開口６０を、図示のように前縁４４に近接させるのではなく後縁４６に近接して配置してもよい。

前述の説明では、吸引路５６が作動路５８の上流位置に配置される実施形態について言及したが、排出流体３０が作動路５８の下流で取り込まれてそこを通って上流位置で吹き出すように作動路５８を吸引路５６の上流に配置することも企図することができると理解されたい。さらに、吸引路５６及び作動路５８は、負圧側４８と内部コンパートメント６２の間の位置に配置されるとして上記で示し説明したが、他の実施形態において、吸引路５６及び作動路５８を正圧側５０と内部コンパートメント６２の間の位置に配置することも企図することができると理解すべきである。あるいは、複数の吸引路５６及び作動路５８を負圧側４８だけでなく正圧側５０に近接して用いることも可能である。

ストラット４２内の流れ操作装置５４の配置に加えて又はその代替として、内側バレル３４が流れ操作装置５４を含むことも可能であり、それによって内側バレル３４の外面３６に沿って近接する領域の流れ剥離及びスワールを減少させることができるようになる。そうした実施形態の構造及び動作は、ストラット４２内に流れ操作装置５４を備える実施形態と同様である。流れ操作装置５４がストラット４２に含まれるか内側バレル３４に含まれるか、又はその両方に含まれるかに関係なく、流れ操作装置５４を吸引路５６及び作動路５８と併せて使用することで、内側バレル３４の外面３６及びストラット４２の負圧側４８に近接する流れ剥離を減少させることができる。

本発明を、限られた数の実施形態だけに関連して詳細に説明してきたが、本発明はそうした開示の実施形態に限定されないことが容易に理解されるはずである。むしろ、前述されていないが本発明の精神及び範囲に対応する任意の数の変形形態、代替実施形態、置換形態又は均等の構成を取り入れるように本発明を変更することができる。さらに、本発明の様々な実施形態を説明してきたが、本発明の態様には、説明した実施形態の一部のみが含まれる場合があることを理解すべきである。したがって、本発明は、前述の説明によって限定されると考えるべきではなく、添付の特許請求の範囲の範囲によってのみ限定される。

１０ ガスタービンシステム
１２ 圧縮機セクション
１４ 燃焼器セクション
１６ タービンセクション
１８ シャフト
２０ 燃料ノズル
２２ 燃料供給源
２４ 外側ケーシング
２６ 排気ディフューザ
２８ 入口
３０ 排出流体
３２ 出口
３４ 内側バレル
３６ 外面
３８ 外壁
４０ 内面
４２ ストラット
４４ 前縁
４６ 後縁
４８ 負圧側
５０ 正圧側
５２ 翼弦長
５４ 流れ操作装置
５６ 吸引路
５８ 作動路
６０ 第１の開口
６２ 内部コンパートメント
６４ 第２の開口

Claims (20)

1. タービン排気ディフューザであって、
   タービン排気ディフューザ内に配置され、外面を有するディフューザ部品と、
   ディフューザ部品の外面と内部コンパートメントの間に延在し、流体を取り込むように構成される、吸引路と、
   ディフューザ部品の外面と内部コンパートメントの間に延在し、流体を放出するように構成される、作動路と、
   ディフューザ部品の内部コンパートメント内に配置される、流れ操作装置と
   を含む、タービン排気ディフューザ。
2. ディフューザ部品が、タービン排気ディフューザの長手方向に延在する環状内側バレルを含む、請求項１記載のタービン排気ディフューザ。
3. ディフューザ部品が、タービン排気ディフューザの長手方向に延在する内側バレルと内側バレルの径方向外方に配置される外壁との間に延在しそれらに動作可能に結合されるストラットを含み、ストラットが、前縁、後縁及び負圧側を含む、請求項１記載のタービン排気ディフューザ。
4. 吸引路が、ストラットの前縁に近接して配置される、請求項３記載のタービン排気ディフューザ。
5. 前縁と後縁の間に延在しそれらによって画成される翼弦長をさらに含み、作動路が、翼弦長に沿って前縁から約６０％下流の位置に配置される、請求項３記載のタービン排気ディフューザ。
6. 吸引路が、作動路の上流に配置される、請求項１記載のタービン排気ディフューザ。
7. 吸引路が、作動路の下流に配置される、請求項１記載のタービン排気ディフューザ。
8. 流れ操作装置が、回転インペラを含む、請求項１記載のタービン排気ディフューザ。
9. 流れ操作装置が、ディフューザ部品で完全に囲まれる、請求項１記載のタービン排気ディフューザ。
10. タービン排気ディフューザであって、
    タービン排気ディフューザの長手方向に延在する環状内側バレルと内側バレルから径方向外方に配置される外壁との間に延在し、それらに動作可能に結合されるストラットであり、前縁、後縁及び負圧側を含む、ストラットと、
    ストラットの負圧側の第１の開口から内部コンパートメントまで延在する吸引路と、
    ストラットの負圧側の第２の開口から内部コンパートメントまで延在する作動路と、
    ストラットの内部コンパートメント内に配置される回転インペラと
    を含む、タービン排気ディフューザ。
11. 外壁に近接して取り付けられる少なくとも１つのモータをさらに含む、請求項１０記載のタービン排気ディフューザ。
12. 前縁と後縁の間に延在しそれらによって画成される翼弦長をさらに含み、作動路が、翼弦長に沿って前縁から約６０％下流の位置に配置される、請求項１０記載のタービン排気ディフューザ。
13. 吸引路が、作動路の上流に配置される、請求項１０記載のタービン排気ディフューザ。
14. 吸引路が、作動路の下流に配置される、請求項１０記載のタービン排気ディフューザ。
15. 回転インペラが、ストラットで完全に囲まれる、請求項１０記載のタービン排気ディフューザ。
16. タービンシステムであって、
    タービンシステムのタービンセクションの一部を囲繞するタービンケーシングと、
    排気ディフューザと、
    を備えるタービンシステムであり、
    排気ディフューザが、
    ディフューザ入口に近接する位置からディフューザ入口の下流の位置まで延在する内側バレル、
    内側バレルから径方向外方に配置される外壁、
    内側バレルと外壁の間に延在しそれらに動作可能に結合され、前縁、後縁及び負圧側を有するストラット、
    ストラットの負圧側から内部コンパートメントまで延在する吸引路、
    ストラットの負圧側から内部コンパートメントまで延在する作動路、並びに
    ストラットの内部コンパートメント内に配置される流れ操作装置
    を有する、
    タービンシステム。
17. 流れ操作装置が、回転インペラを含む、請求項１６記載のタービンシステム。
18. 回転インペラが、ストラットで完全に囲まれる、請求項１７記載のタービンシステム。
19. 前縁と後縁の間に延在しそれらによって画成される翼弦長をさらに含み、作動路が、翼弦長に沿って前縁から約６０％下流の位置に配置される、請求項１６記載のタービンシステム。
20. 吸引路が、ストラットの前縁に近接して配置される、請求項１６記載のタービンシステム。