JP2014202210A - ガスタービン排気ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】より短い長さでガスタービンの効率を向上させるガスタービン排気ディフューザガスタービンを提供する。【解決手段】ガスタービン排気ディフューザ６４は、内部表面及び軸方向中心線７２を定める切頭円錐部６８を含む。特定の実施形態において、内部表面は、軸方向中心線７２に対して６度、１０度、又は２０度よりも大きな傾斜を有して、少なくとも２００平方フィート、２４０平方フィート、又は２６０平方フィートの軸方向断面積を定めることができる。他の特定の実施形態において、内部表面は、２５フィート又は１０フィートよりも小さい軸方向長さを有することができる。切頭円錐部６８の内部表面上の螺旋タービュレータ８０は、排気ガス５８と内部表面との間の流れ分離を低減し、排気ガス５８からのポテンシャルエネルギーの回収を高めることができる。【選択図】図２

Description

本発明は、全体的に、ガスタービン又は他のターボ機械用の排気ディフューザに関する。

ガスタービンは、工業及び商業運転において広く使用されている。典型的なガスタービンは、前方に軸流圧縮機と、中間付近に１つ又はそれ以上の燃焼器と、後方にタービンとを含む。圧縮機は、回転ブレードと固定ベーンの複数の段を含む。周囲空気が圧縮機に流入し、回転ブレード及び固定ベーンが、作動流体（空気）に運動エネルギーを漸次的に与えて、該作動流体を高エネルギー状態にする。作動流体は、圧縮機から流出して燃焼器に流れ、ここで燃料と混合して点火され、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは燃焼器から流出してタービンに流れ、ここで膨張して仕事を生成する。燃焼ガスは、排気ガスとしてタービンから流出し、排気セクションを通ってタービンから下流側に流れる。排気セクションは一般に、増大する断面積を有する排気ディフューザを含む。排気ディフューザの増大する断面積により速度が低下して、排気ガスの静圧が高くなり、排気ガスの運動エネルギーがポテンシャルエネルギーに変換される。

様々な要因が、排気ディフューザの長さ及び幅に影響を及ぼす。例えば、排気ディフューザの断面積は一般に、排気ガスから回収できる最大エネルギーを決定付ける。出口における所与の断面積では、軸方向に排気ディフューザを通る断面積の僅かな増大により、排気ガスからのポテンシャルエネルギーの回収が増大するが、排気ディフューザの長さがより長くなる。逆に、軸方向に排気ディフューザを通る断面積の急激な増大により、出口における同じ断面積では排気ディフューザがより短くなるが、排気ガスが排気ディフューザから分離することが可能となり、排気ガスからのポテンシャルエネルギーの回収が減少する可能性がある。従って、より短い長さでガスタービンの効率を向上させるガスタービン排気ディフューザが有用となる。

欧州特許出願公開第０３９５７６６号公報

本発明の態様及び利点は、以下の説明において部分的に記載され、又は、本説明から明らかになることができ、或いは、本発明を実施することによって理解することができる。

本発明の１つの実施形態は、内部表面及び軸方向中心線を定める切頭円錐部を含むガスタービン排気ディフューザである。螺旋タービュレータは、切頭円錐部の内部表面上にあり、内部表面は、軸方向中心線に対して６度よりも大きい傾斜を有する。

本発明の別の実施形態は、内部表面及び軸方向中心線を定める切頭円錐部を含むガスタービン排気ディフューザである。螺旋タービュレータは、切頭円錐部の内部表面上にあり、内部表面は、２５フィートよりも短い軸方向長さを有する。

本発明はまた、圧縮機と、圧縮機から下流側の複数の燃焼器と、複数の燃焼器から下流側のタービンと、を有するガスタービンを含むことができる。タービンから下流側にある切頭円錐部は、内部表面及び軸方向中心線を定める。螺旋タービュレータが、切頭円錐部の内部表面上にある。内部表面は、前記軸方向中心線に対して６度よりも大きい傾斜を有し、又は２５フィートよりも短い軸方向長さを有する。

当業者であれば、本明細書を精査するとこのような実施形態の特徴及び態様、並びにその他がより理解されるであろう。

添付図の参照を含む本明細書の残りの部分において、当業者に対してなしたその最良の形態を含む本発明の完全且つ有効な開示をより詳細に説明する。

本発明の種々の実施形態による、例示的なガスタービンの簡易側断面図。 本発明の１つの実施形態による、図１に示す排気セクションの拡大側断面図。 従来の排気セクションと比べた場合の、図２に示す排気セクションの軸方向圧力回復の例示的なグラフ。

ここで、その１つ又はそれ以上の実施例が添付図面に例示されている本発明の実施形態について詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴部を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様の又は類似した要素を示すために、図面及び説明において同様の又は類似した表示を使用している。本明細書で使用される用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、ある構成要素を別の構成要素と区別するために同義的に用いることができ、個々の構成要素の位置又は重要性を意味することを意図したものではない。用語「上流側」、「下流側」、「半径方向」、及び「軸方向」は、流体経路における流体流に対する相対方向を指す。例えば、「上流側」は、流体がそこから流れる方向を指し、「下流側」は、流体がそこへ流れ込む方向を指す。同様に、「半径方向」とは、流体流に実質的に垂直な相対方向を指し、「軸方向」とは、流体流に実質的に平行な相対方向を指す。

各実施例は、本発明の限定ではなく、例証として提供される。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。

本発明の種々の実施形態は、内部表面及び軸方向中心線を定める切頭円錐部を含むガスタービン排気ディフューザを提供する。特定の実施形態において、内部表面は、軸方向中心線に対して６度、１０度、又は２０度よりも大きな傾斜を有して、少なくとも２００平方フィート、２４０平方フィート、又は２６０平方フィートの軸方向断面積を定めることができる。他の特定の実施形態において、内部表面は、２５フィート又は１０フィートよりも小さい軸方向長さを有することができる。切頭円錐部の内部表面上の螺旋タービュレータは、排気ガスと内部表面との間の流れ分離を低減し、排気ガスからのポテンシャルエネルギーの回収を高めることができる。特定の実施形態において、排気ディフューザは、螺旋タービュレータの内部に流体通路を含むことができ、他の特定の実施形態において、螺旋タービュレータは、切頭円錐部の内部表面上に第１の方向でスパイラル状構造物を定めることができ、排気ガスは、第１の方向とは反対の第２の方向で切頭円錐部を通って流れる。

次に、幾つかの図全体を通して様々な参照符号が同様の要素を表す図面を参照すると、図１は、本発明の種々の実施形態を組み込むことができる例示的なガスタービン１０の簡易側断面図を示す。図示のように、ガスタービン１０は、一般に、入口セクション１２、圧縮機セクション１４、燃焼セクション１６、タービンセクション１８、及び排気セクション２０を含むことができる。入口セクション１２は、入口セクション１２は、ガスタービン１０に流入する作動流体（例えば、空気）２８の清浄化、加熱、冷却、加湿、脱湿、及び／又はその他の調節を行うために、一連の濾過器２２及び１つ又はそれ以上の流体調節装置２４を含むことができる。清浄化され且つ調節された作動流体２８は、圧縮機セクションの圧縮機３０に流れる。圧縮機ケーシング３２は、作動流体２８を収納し、回転ブレード３４及び固定ベーン３６の交互する段が、作動流体２８を漸次的に加速して再配向し、高温及び高圧の加圧作動流体３８の連続流を発生させるようにする。

加圧作動流体３８の大部分は、圧縮機吐出プレナム４０を通って燃焼セクション１６における１つ又はそれ以上の燃焼器４２に流れる。各燃焼器４２と流体連通している燃料供給部４４は、各燃焼器４２に燃料を供給する。利用可能な燃料は、例えば、高炉ガス、コークス炉ガス、天然ガス、メタン、蒸発した液化天然ガス（ＬＮＧ）、水素、シンガス、ブタン、プロパン、オレフィン、ディーゼル、石油蒸留物、及びこれらの組み合わせを含むことができる。加圧作動流体３８は、燃料と混合して点火し、高温高圧の燃焼ガス４６を発生する。

燃焼ガス４６は、高温ガス経路に沿ってタービンセクション１８のタービン４８を通って流れ、ここでガスが膨張して仕事を生成する。具体的には、燃焼ガス４６は、タービン４８における固定ノズル５０と回転バケット５２の交互する段にわたって流れることができる。固定ノズル５０は、燃焼ガス４６を回転バケット５２の次の段に再配向し、燃焼ガス４６は、回転バケット５２にわたって通過するときに膨張し、回転バケット５２を回転させるようにする。回転バケット５２は、シャフト５４に接続することができ、該シャフト５４は圧縮機３０に結合されて、シャフト５４の回転によって圧縮機３０が駆動され、加圧作動流体３８を生成するようにすることができる。代替として、又はこれに加えて、シャフト５４は、発電のため発電機５６に接続することができる。

タービンセクション１８からの排気ガス５８は、排出セクション２０を通って流れ、図２は、本発明の１つの実施形態による、図１に示す排気セクション２０の拡大側断面図を示す。図示のように、排気セクション２０は一般に、シャフト５４（図２では見えない）の周りにケーシング６０を含み、ストラット６２が、ケーシング６０から延びて排気ディフューザ６４を支持することができる。本発明の関連において、用語「ストラット」は、ケーシング６０と排気ディフューザ６４との間に延びるあらゆる構造体又は支持部材を含む。排気ディフューザ６４は、排気セクション２０の長さに沿って軸方向に延びて、漸次的に増大する断面積６６を定め、ここを通って排気ガス５８が流れる。排気ディフューザ６４は、内部表面７０及び軸方向中心線７２を定める切頭円錐部６８にて終端する。

切頭円錐部６８の内部表面７０は、長さ７４と軸方向中心線７２に対する傾斜７６とを有し、これらを組み合わせて排気ディフューザ６４の出口での断面積６６を決定する。特定の実施形態において、例えば、切頭円錐部６８の内部表面７０の長さ７４は、２５フィート、１５フィート、又は１０フィートよりも小さいとすることができ、傾斜７６は、軸方向中心線７２に対して６度、１０度、又は２０度よりも大きいとすることができる。長さ７４と傾斜７６の組み合わせに応じて、排気ディフューザ６４の出口での断面積６６は、排気ガス５８からのポテンシャルエネルギーの所望の回収を達成するために、２００平方フィート、２４０平方フィート、又は２６０平方フィートよりも大きいとすることができる。

図２に示すように、切頭円錐部６８の内部表面７０は、螺旋タービュレータ８０を含む。螺旋タービュレータ８０は、排気ガス５８と内部表面７０との間の流れ分離を低減するための内部表面７０に沿った螺旋経路又はスパイラル状構造物を形成するリブ、溝、フィン、又は管体のあらゆる組み合わせを含むことができる。特定の実施形態において、例えば、螺旋経路の角度は、約３度未満から２０度以上の範囲に及ぶことができる。図２に示す特定の実施形態において、切頭円錐部６８によって形成される螺旋経路は、下流側構成要素に対する排気ガス５８のスワール量を低減するため、切頭円錐部６８を通って流れる排気ガス５８と比べて反対方向で螺旋状にされる。代替として、又はこれに加えて、螺旋タービュレータ８０は、該螺旋タービュレータ８０の少なくとも一部の内部に流体通路８２を含むことができる。このようにして、燃料、空気、又は別の冷却媒体などの流体を流体通路８２を通して循環させ、排気ガス５８から追加のエネルギーを抽出することができる。

図３は、従来の排気セクション（曲線９０）と、図２に示す排気セクション２０（曲線９２）とを比較した軸方向の圧力回復の例示的なグラフを示す。従来の排気セクションは、切頭円錐部以外は図２に示す排気セクション２０と同じである。結果として、２つの曲線９０、９２は、切頭円錐部が始まるポイント９４までは同一である。

従来の排気セクションにおいて、排気ディフューザは、内部表面を定める切頭円錐部を含む。しかしながら、内部表面の傾斜は、軸方向中心線に対して６度未満であり、内部表面は、約２６０平方フィートの断面積を達成するために２５フィートよりも大きく軸方向に延びている。加えて、排気ディフューザは、螺旋タービュレータを含まない。対照的に、図２に示す排気ディフューザ６４の切頭円錐部６８の内部表面７０の傾斜７６は、軸方向中心線７２に対して約２０度であり、内部表面７０の長さ７４は約１０フィートであり、約２６０平方フィートの断面積を達成する。

図３に示すように、増大した傾斜７６と螺旋タービュレータ８０の組み合わせにより、図２に示す排気セクション２０の排気ディフューザ６４及び切頭円錐部６８が、従来の排気セクションに対して約１５フィート短いにもかかわらず、図２に示す排気セクション２０は、従来の排気セクションに匹敵する圧力回復を達成することができる。結果として、本発明の種々の実施形態の範囲内にある排気ディフューザ６４は、実質的に少ない占有スペースであると共に、排気セクション２０の効率を高めるはずである。より短い排気セクション２０はまた、排気セクション２０並びにシャフト５４及びケーシング６０を支持するのに使用される補助システムに伴う資本コストを低減することになる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービン
１２ 入口セクション
１４ 圧縮機セクション
１６ 燃焼セクション
１８ タービンセクション
２０ 排気セクション
２２ フィルタ
２４ 流体調節装置
２８ 作動流体
３０ 圧縮機
３２ 圧縮機ケーシング
３４ 回転ブレード
３６ 固定ベーン
３８ 加圧作動流体
４０ 圧縮機吐出プレナム
４２ 燃焼器
４４ 燃料供給部
４６ 燃焼ガス
４８ タービン
５０ 固定ノズル
５２ 回転バケット
５４ シャフト
５６ 発電機
５８ 排気ガス
６０ ケーシング
６２ ストラット
６４ 排気ディフューザ
６６ 断面積
６８ 切頭円錐部
７０ 内部表面
７２ 軸方向中心線
７４ 長さ
７６ 傾斜
８０ 螺旋タービュレータ
８２ 流体通路
９０ 従来の排気セクションの曲線
９２ 本発明の排気セクションの曲線
９４ ポイント

Claims (20)

1. ガスタービン排気ディフューザであって、
   内部表面及び軸方向中心線を定める切頭円錐部と、
   前記切頭円錐部の内部表面上にある螺旋タービュレータと、
   を備え、前記内部表面が、前記軸方向中心線に対して６度よりも大きい傾斜を有する、ガスタービン排気ディフューザ。
2. 前記内部表面の傾斜が、前記軸方向中心線に対して１０度よりも大きい、請求項１に記載のガスタービン排気ディフューザ。
3. 前記内部表面の傾斜が、前記軸方向中心線に対して２０度よりも大きい、請求項１に記載のガスタービン排気ディフューザ。
4. 前記内部表面が、２５フィートよりも短い軸方向長さを有する、請求項１に記載のガスタービン排気ディフューザ。
5. 前記螺旋タービュレータの内部に流体通路を更に備える、請求項１に記載のガスタービン排気ディフューザ。
6. 前記螺旋タービュレータが、第１の方向で前記切頭円錐部の内部表面上にスパイラル状構造物を定め、排気ガスが、前記第１の方向と反対の第２の方向で前記切頭円錐部を通って流れる、請求項１に記載のガスタービン排気ディフューザ。
7. 前記切頭円錐部が、少なくとも２００平方フィートの軸方向断面積を有する、請求項１に記載のガスタービン排気ディフューザ。
8. ガスタービン排気ディフューザであって、
   内部表面及び軸方向中心線を定める切頭円錐部と、
   前記切頭円錐部の内部表面上にある螺旋タービュレータと、
   を備え、前記内部表面が、２５フィート未満の軸方向長さを有する、ガスタービン排気ディフューザ。
9. 前記内部表面の軸方向長さが１０フィート未満である、請求項８に記載のガスタービン排気ディフューザ。
10. 前記内部表面が、前記軸方向中心線に対して１０度よりも大きい傾斜を有する、請求項８に記載のガスタービン排気ディフューザ。
11. 前記内部表面が、前記軸方向中心線に対して２０度よりも大きい傾斜を有する、請求項８に記載のガスタービン排気ディフューザ。
12. 前記螺旋タービュレータの内部に流体通路を更に備える、請求項８に記載のガスタービン排気ディフューザ。
13. 前記螺旋タービュレータが、第１の方向で前記切頭円錐部の内部表面上にスパイラル状構造物を定め、排気ガスが、前記第１の方向と反対の第２の方向で前記切頭円錐部を通って流れる、請求項８に記載のガスタービン排気ディフューザ。
14. 前記切頭円錐部が、少なくとも２００平方フィートの軸方向断面積を有する、請求項８に記載のガスタービン排気ディフューザ。
15. ガスタービンであって、
    圧縮機と、
    前記圧縮機から下流側の複数の燃焼器と、
    前記複数の燃焼器から下流側のタービンと、
    前記タービンから下流側にあり、内部表面及び軸方向中心線を定める切頭円錐部と、
    前記切頭円錐部の内部表面上にある螺旋タービュレータと、
    を備え、前記内部表面が、前記軸方向中心線に対して６度よりも大きい傾斜を有し、又は２５フィートよりも短い軸方向長さを有する、ガスタービン。
16. 前記内部表面の傾斜が、前記軸方向中心線に対して６度よりも大きく、前記内部表面の軸方向長さが２５フィートよりも短い、請求項１５に記載のガスタービン。
17. 前記内部表面の傾斜が、前記軸方向中心線に対して１０度よりも大きく、前記内部表面の軸方向長さが１０フィートよりも短い、請求項１５に記載のガスタービン。
18. 前記螺旋タービュレータの内部に流体通路を更に備える、請求項１５に記載のガスタービン。
19. 前記螺旋タービュレータが、第１の方向で前記切頭円錐部の内部表面上にスパイラル状構造物を定め、排気ガスが、前記第１の方向と反対の第２の方向で前記切頭円錐部を通って流れる、請求項１５に記載のガスタービン。
20. 前記切頭円錐部が、少なくとも２００平方フィートの軸方向断面積を有する、請求項１５に記載のガスタービン。