JP2015514898A - ガスタービン用の排気ディフューザ - Google Patents

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Abstract

ガスタービン用の排気ディフューザは環状ダクト(1)を有している。ストラット(6)の列がダクト内に配置されている。第1のストラット(6)の後縁(TE)の下流側の領域において、ダクトの断面積は極小値(M)まで低減し、その後はダクトの出口端部(3)に向かって再び増大する。これによって、ストラットの下流側においてガスフローが局所的に加速される。これによって、その領域におけるフローの境界層が安定化され、また広範な動作条件にわたり圧力回復を著しく改善することができる。

Description

本発明は、排気ディフューザ及びその種の排気ディフューザを備えたガスタービンに関する。
排気ディフューザは、タービン出口における排気ガスの運動エネルギを、ディフューザ出口における静圧に変換するためにガスタービンにおいて使用される。完全な圧力回復が行われる理想的な場合には、ディフューザ出口の静圧p2は、ディフューザ入口の総圧p01と等しくなる。しかしながら実際には、ディフューザ出口の静圧はそれよりも低く、またその相対的な差は排気損失と称される:
K=(p01−p02)/(p01−p1) (式1)
一般的に言えば、排気損失が低くなるほど、ディフューザの性能は高くなり、従って、ガスタービンの出力及び効率も高くなる。
排気ディフューザの性能の決定に関連する重要なパラメータは圧力回復係数cpである。この圧力回復係数cpは、ディフューザにわたる静圧の増加分p2−p1の、ディフューザ入口における動圧に対する比として定義される:
p=(p2−p1)/(p01−p1) (式2)
排気損失及び圧力回復係数は、ディフューザの幾何学形状並びに流入条件に依存する。マッハ数、総圧プロファイル、温度プロファイル、乱流レベル及び残留渦のような流入条件は、ガスタービンの設計及び動作条件に依存する。再生エネルギ源への関心が高まったことにより、複数の運転点で運転させることができる、より順応性のあるガスタービンが必要になった。従って、高い圧力回復係数を実現し、且つ、広範な動作条件に対しても低い排気損失を示す排気ディフューザを提供することが所望される。
本発明の課題は、排気損失が低く且つ圧力回復係数が高い、排気ディフューザを提供することである。特に本発明の課題は、広範な動作条件にわたり高い圧力回復係数を達成することができる、排気ディフューザを提供することである。
この課題は、請求項1の特徴部分に記載されている構成を備えているガスタービン用の排気ディフューザによって解決される。本発明の別の実施の形態は従属請求項に記載されている。
本発明によって、以下の構成を備えている、ガスタービン用の排気ディフューザが提供される:
−入口端部及び出口端部を有している環状ダクト。この環状ダクトは内壁と、その内壁を放射状に包囲している外壁とによって画定されている。
−環状ダクト内の第1の軸方向の位置に配置されている第1のストラットの列。この第1のストラットは内壁及び外壁に接続されており、且つ、環状ダクトの円周にわたり分散されている。各第1のストラットは、入口端部に向けられている前縁と、出口端部に向けられている後縁とを有している。
−但し、環状ダクトの断面積は、第1のストラットの後縁の下流側の領域において出口端部に向かって差し当たり極小値まで低減し、その後、出口端部に向かって再び増大している。
第1のストラットの後縁の下流側において、環状ダクトの断面積が局所的に収束していることによって、ガスフローが第1のストラットの下流側において局所的に加速される。これによって、その領域におけるフローの境界層を安定させることができる。そのような安定化によって、広範な動作条件にわたり圧力回復を顕著に改善することができる。
方向に関する指定は、フローが一般的にダクトの入口端部から出口端部に向かう方向において行われていることを前提としていると解するべきである。一方の位置がフローの方向において他方の位置からずらされた個所に位置する場合、その一方の位置は他方の位置の「下流側」である。一方の位置がフローの方向とは逆方向において他方の位置からずらされた個所に位置する場合、その一方の位置は他方の位置の「上流側」である。構造体の「前縁」は入口端部に向けられている構造体の端部であり、また構造体の「後縁」は出口端部に向けられている構造体の端部である。それらの端部は、「前縁/後縁」の語句の文字通りの解釈によって暗示されるような鋭角なエッジを形成している必要はない。「前縁/後縁」はむしろ、「前方端部/後方端部」と同義のものであると解されるべきである。ディフューザとして動作するために、環状ダクトは一般的に、入口端部よりも出口端部において大きい断面積を有している。
断面積の極小値の軸方向における位置は、有利には、第1のストラットの後縁に近すぎないように、且つ後縁から離れすぎないように選定されるべきであり、概して、ダクトを収束させることによって生じるフローの加速が、第1のストラットによって依然としてフローに影響の及ぼされる領域において行われるように選定されるべきである。最適な軸方向の位置は、一般的に、(ダクトの円周方向に沿って測定された)第1のストラットの最大厚さに依存する。特に、断面積の極小値は、有利には、第1のストラットの後縁から延びる下流側において、第1のストラットの最大厚さの約2〜10倍、有利には3〜7倍の値となる軸方向の距離に位置している。その範囲において、ダクトの局所的な収束は境界層に対して最大限の安定作用を有していると考えられる。
断面積は極小値において、有利には第1のストラットの後縁における断面積と比較して約3〜18%、より有利には5〜15%、最も有利には8〜12%低減されている。換言すれば、極小値における断面積は、第1のストラットの後縁における断面積の約82〜97%、より有利には85〜95%、最も有利には88〜92%の大きさである。
極小値を有している位置付近の断面積の変化は、境界層の不安定化を回避するために、有利には実質的に連続的であり、従って急激な階段状の変化は存在しない。特に有利には、断面積の低減は、第1のストラットの後縁から極小値までの領域のどの個所においても実質的に連続的である。同様に、その後に続く断面積の増大も有利には、極小値から軸方向において下流側に延びる、少なくともダクトの断面積が第1のストラットの後縁における断面積を再び上回る位置までの領域のどの個所においても実質的に連続的である。
断面積の局所的な収束は有利には、外壁と内壁との間の半径方向の距離を変化させることによって達成される。半径方向の距離は、第1のストラットの後縁の下流側において、その半径方向の距離の極小値まで短くなり、その後は出口端部に向かって再び長くなる。断面積は半径方向の距離だけで決定されるのではなく、ダクトの円周によっても決定されるので、半径方向の距離の最小値の軸方向における位置は、断面積の最小値の軸方向における位置と一致している必要はない。特に、内壁の直径が一定ではない場合には、断面積の最小値は、半径方向の距離の最小値と一致しない可能性がある。
有利には、内壁及び外壁の内の少なくとも一方、更に有利には両方が、断面積の極小値周辺の領域において、環状ダクトから離れる方向にカーブしている軸方向のプロファイルを有している。各壁の「軸方向のプロファイル」とは、ダクトに面する各壁の境界を、ダクトの長手方向軸を含む半平面と交差させ、且つ、長手方向軸から半径方向外側に向かって延ばすことによって得られる線に関するプロファイルであると解される。この曲線は、軸方向の位置に依存する各境界の半径方向の距離の絶対値を表すグラフと解することができる。外壁の軸方向のプロファイルは、特に(軸方向のプロファイルにおいて何らかのキンクが存在する場合には必要に応じて円滑化された)外壁の軸方向のプロファイルが算術的な意味において正の曲率を有している場合、即ち、軸方向の位置に関する(必要に応じて円滑化された)軸方向のプロファイルの二次導関数が正である場合には、「ダクトから離れる方向にカーブしている」と解される。内壁の軸方向のプロファイルは、特に(必要に応じて円滑化された)内壁の軸方向のプロファイルが算術的な意味において負の曲率を有している場合、即ち、軸方向の位置に関する(必要に応じて円滑化された)軸方向のプロファイルの二次導関数が負である場合には、「ダクトから離れる方向にカーブしている」と解される。有利には、内壁及び外壁の内の少なくとも一方の軸方向のプロファイルは、第1のストラットの後縁から断面積の極小値までの領域の実質的にどの個所においても、環状ダクトから離れる方向にカーブしている。同様に、内壁及び外壁の内の少なくとも一方の軸方向のプロファイルは有利には、極小値から軸方向において下流側に延びる、少なくともダクトの断面積が第1のストラットの後縁における断面積を再び上回る位置までの領域の実質的にどの個所においても、環状ダクトから離れる方向にカーブしている。
特に内壁は、第1のストラットの後縁の下流側の領域において連続的に増大する円周又は直径を有することができる。換言すれば、内壁の軸方向のプロファイルはその領域において正の傾斜を有していると考えられる。付加的又は代替的に、外壁は、第1のストラットの後縁の下流側の領域において連続的に低減する円周又は直径を有することができる。換言すれば、外壁の軸方向のプロファイルはその領域において負の傾斜を有していると考えられる。
有利な実施の形態においては、第1のストラットの後縁においてその第1のストラットによる空力学的な遮断部が減少することに起因して、利用可能な断面積が急激に増大することを回避するために、外壁と内壁との間の半径方向の距離は、第1のストラットの後縁の下流側においてのみ収束し始めるのではなく、その後縁の上流側においても既に僅かに収束し始める。第1のストラットが前縁と後縁との間において所定の翼弦長を有している場合には、外壁と内壁との間の半径方向の距離は有利には、少なくとも翼弦長の最後の1/4の長さにわたり、さらに有利には少なくとも翼弦長の最後の1/3の長さにわたり、出口端部に向かって既に短くなり始めている。
排気ディフューザは更に環状ダクト内の第2の軸方向の位置に配置されている第2のストラットの列を有することができ、それらの第2のストラットは内壁及び外壁に接続されており、且つ、環状ダクトの円周にわたり分散されている。各第2のストラットは、環状ダクトの入口端部に向けられている前縁と、出口端部に向けられている後縁とを有している。第2のストラットの前縁は第1のストラットの後縁の下流側に配置されており、且つ、断面積の極小値の下流側に配置されている。第2のストラットの個数は通常の場合、第1のストラットの個数よりも少なく、3〜5個、有利には3個であり、それに対し、第1のストラットの個数は一般的に5〜20個、有利には約10個である。第1のストラットと第2のストラットとの間での不所望な相互作用を最小限にするために、第2のストラットは第1のストラットの過度に近くに配置されるべきではない。特に、第2のストラットの前縁は有利には、断面積の極小値の下流側において、第1のストラットの後縁から極小値までの距離よりも長い、有利には少なくとも2倍長い、極小値からの距離に配置されている。
環状のダクトには、実質的にカルノー型ディフューザとして動作するセクションが続き、これは軸方向において環状ダクトの出口端部又は出口端部の下流側に配置される。ここで、「カルノー型ディフューザ」は、断面積の階段状の顕著な増大部分を有しているディフューザであると解される。特に、環状ダクトを画定する内壁を、ハブ構造又は中央ボディによって形成することができ、また外壁をケーシングによって形成することができる。その場合、カルノー型ディフューザとして動作するセクションをハブ構造の後縁に配置することができ、また半径方向においてはケーシングによって画定することができる。特に、ハブ構造はテールコーン形状ではなく鈍端(blunt end)を有することができ、また外壁の直径を、ハブ構造の後縁の軸方向の位置において、又はその付近において階段状に増大させることができる。
更に本発明は、ガスタービンにおける上述の排気ディフューザの使用及びその種の排気ディフューザを備えたガスタービンに関する。一般的に、ガスタービンは少なくとも、排気ディフューザに続く、圧縮器セクション、燃焼器セクション及びタービンセクションを有している。圧縮器セクションは周囲空気を導入し、その周囲空気を圧縮するように動作することができる。燃焼器セクションは、圧縮された空気を燃料と共に受け取り、燃料を燃焼させ、高温動作ガスを生成することができる。続いて、その高温動作ガスをタービンセクションにおいて膨張させ、タービンロータを駆動させることができる。排気ディフューザは続いて膨張した動作ガスをタービンセクションから受け取ることができる。
以下では、図面を参照しながら、本発明の有利な実施の形態を説明する。それらの図面は、本発明の有利な実施の形態を図示することを目的としているのであって、本発明を限定することは意図していない。
本発明による排気ディフューザの形状寸法を説明するための概略図を示す。 「ベースライン」、「ケース1」、「ケース2」及び「ケース3」で表された、環状ダクトの壁の輪郭の4つの異なる例を示す。 図2の壁の輪郭の4つの例に関する面積の比率を表すグラフを示す。 図2の壁の輪郭と共に用いられる、ストラットの幾何学形状の例が「ベースライン」のケースに関連させて示されており、ここで部分(a)はストラットの構造のプロファイルを示し、部分(b)はストラットの側面図を示し、また部分(c)はストラットの平面図を示す。 環状ディフューザの4つの例に関する圧力回復値の比較を示す。
図1には、長手方向軸を含み、且つ半径方向に広がっている半平面に沿った長手方向断面図において、本発明による排気ディフューザの一実施例の幾何学形状が示されている。ディフューザは、入口端部2から出口端部3まで延びている、長さL’の環状発散路又は環状ダクト1を有している。ダクト1は、中央ハブ9によって形成されている回転対称性の内壁4と、ケーシングによって形成されている回転対称性の外壁5とによって画定されている。ストラット6,7の二つの列がダクト内の異なる軸方向の位置に配置されており、中央ハブ9を支持している。第1の列は10個のストラットから構成されており、第2の列は3個のストラットから構成されており、各列のストラットは、ダクトの円周に沿って均等に分配されている。第1の列の各ストラット(以下では「第1のストラット」と記す)は、その前縁LEと後縁TEとの間で翼弦長LSを有している。
環状ダクト1の出口端部は、カルノー型ディフューザ8が取り付けられている。カルノー型ディフューザ8は、一方ではハブ9の端部によって形成されており、他方では外壁5の直径の階段状の増大部分によって形成されている、両側後向きステップ(two-sided backward-facing step)を示し、これに外壁5のみによって画定されている円筒状セクションが続く。
ディフューザを特に、以下の更なるパラメータ、即ち、全長L;入口端部におけるダクトの内半径Ri;入口端部におけるダクトの外半径Ro;入口端部の断面積A1;出口端部の断面積A2;環状ダクトの出口の断面積A2’によって特徴付けることができる。
第1のストラット6の後縁TEからの下流側において、環状ダクト1の断面積は極小値Mに低減し、その後は出口端部3に向かって再び増大する。この実施例においては、断面積の低減も増大も連続的なものであり、即ち、顕著な階段状の変化を有しておらず、且つ滑らかである、即ち鋭いキンクを有していない。極小値Mは、第1のストラット6の後縁TEからの軸方向において距離DMに位置している。この実施例においては、距離DMは、環状ダクトの円周方向に沿って測定された、第1のストラットの最大厚さのおよそ5倍に相当する。この実施例において、内壁4も外壁5も、極小値M付近における環状ダクトから離れる方向にカーブしている軸方向のプロファイルを有している。数学的に表現すると、軸方向の位置xに依存する内壁4の半径のグラフを表す内壁4の軸方向のプロファイルは、極小値M付近で負である、xに関する二次導関数を有している。同様に、外壁5の軸方向のプロファイルは、極小値M付近で正である、xに関する二次導関数を有している。更に、この実施例においては、内壁4の半径は後縁TEの下流側において極小値Mに向かって連続的に増加し、また外壁5の半径は後縁TEの下流側において極小値に向かって連続的に低下する。換言すれば、内壁も外壁も極小値Mの形成に寄与する。
第2の列のストラット7(以下では「第2のストラット」と記す)は、第1のストラットから軸方向において比較的長い距離に位置している。特に、この実施例において、第2のストラット7の前縁から極小値Mまでの距離は、極小値Mから第1のストラット6の後縁TEまでの距離よりも約3倍長い。そのようにして、第1のストラットと第2のストラットとの間のあらゆる相互作用が最小化される。
ハブボディ及びケーシングを相応に作製することによって、断面積の収束を達成することができる。また、収束を示さない既存のダクト幾何学に複数のインサートを設け、所望の収束を達成することも考えられる。
図1に示した構成に類似する一般的な構成を有している排気ディフューザの幾何学形状が、極小値Mを示さない(以下では「ベースライン」のケースと記す)基準ディフューザから出発して、数値的に最適化された。最適化の結果、種々のダクト幾何学形状及び種々に成形された第1のストラットを有する(以下では「ケース1」、「ケース2」及び「ケース3」と記す)ディフューザが得られた。それらのディフューザの性能をベースラインのディフューザの性能と比較した。図2には、ベースラインのケース及びケース1〜3のダクト幾何学形状に関する、内壁及び外壁の軸方向のプロファイルが示されている。ベースラインのケースにおいては、ハブの輪郭(即ち内壁の輪郭)がほぼ直線状であるが、翼端の輪郭(即ち外壁の輪郭)は鐘状の形状であり、これは円錐状の形状よりも性能が優れていることで知られている。ケース1,2及び3の幾何学形状については以下において更に説明する。
図3には、第1のストラットが設けられていることを考慮した、ベースラインのケース及びケース1〜3に関する、ダクト内の面積の比率AR’の変化、即ちダクトの入口の断面積A1と比較した、所定の軸方向の位置xにおける断面積の比率が示されている。ベースラインのケースにおいては、面積の比率がストラットの前縁付近での、そのストラットによって惹起されるフローの遮断に起因して顕著な低下を示し、その後は、ストラットの後縁付近において比較的急峻な増加を示す。面積の比率はその後、ストラットの後縁からダクトの出口までの間で連続的に増加する。ケース1,2及び3の面積の比率を以下において詳細に説明する。
図4においては、ベースラインのストラットの幾何学形状を部分(a)から(c)に示している。この幾何学形状は、上述の最適化によって得られたものであり、ダクトの幾何学形状とストラットの幾何学形状との間の相互作用は考慮しなかった。ベースラインのストラットの幾何学形状は翼端(外壁)においてほぼ対称的であるが、ハブ(内壁)においては僅かな湾曲を示している。
図5には、図2及び図3に示したようなケース1〜3の、ダクトの種々の幾何学形状から得られる性能が示されている。
1 環状ダクト
2 入口端部
3 出口端部
4 内壁
5 外壁
6,6’ 第1のストラット
7 第2のストラット
8 カルノー型ディフューザ
9 ハブボディ
r 半径
Ri 入口における内半径
Ro 入口における外半径
A1 入口における断面積
A2 出口における断面積
A2’ 環状ダクトの出口における断面積
AR’ 環状ダクトの面積の比率
M,M2,M3 断面積の極小値
LE 前縁
TE 後縁
LS 翼弦長
x 軸方向における位置
L’ 環状ダクトの長さ
DM,DM2,DM3 極小値から後縁までの距離
01 総圧
avg 平均圧力
α 渦角度
αref 基準渦角度
Tu 乱流強度
p 圧力回復係数
p,baseline ベースラインの圧力回復係数

Claims (14)

  1. ガスタービン用の排気ディフューザであって、
    前記排気ディフューザは、
    入口端部(2)及び出口端部(3)を有している環状ダクト(1)と、
    前記環状ダクト(1)内の第1の軸方向の位置に配置されている第1のストラット(6)の列とを備えており、
    前記環状ダクト(1)は内壁(4)と、該内壁(4)を放射状に包囲している外壁(5)とによって画定されており、
    前記第1のストラット(6)は、前記内壁(4)及び前記外壁(5)に接続されており、且つ、前記環状ダクト(1)の円周にわたり分散されており、
    前記第1のストラット(6)はそれぞれ、前記入口端部に向けられている前縁(LE)と、前記出口端部に向けられている後縁(TE)とを有している、排気ディフューザにおいて、
    前記環状ダクト(1)の断面積は、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)の下流側の領域において前記出口端部(3)に向かって極小値(M)まで低減し、その後、前記出口端部(3)に向かって再び増大することを特徴とする、排気ディフューザ。
  2. 前記第1のストラット(6)はそれぞれ、円周方向において最大厚さ(D)を有しており、
    前記断面積の前記極小値(M)は、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)から下流方向に向かって軸方向の距離(DM)に位置しており、
    前記軸方向の距離は前記第1のストラット(6)の前記最大厚さ(D)の2倍から10倍の間である、請求項1に記載の排気ディフューザ。
  3. 前記断面積はその極小値(M)において、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)における断面積の82%から97%、より有利には85%から95%、最も有利には88%から92%である、請求項1又は2に記載の排気ディフューザ。
  4. 前記内壁(4)及び前記外壁(5)は所定の半径方向の距離分だけ離隔されており、該半径方向の距離は、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)の下流側の領域において、該半径方向の距離の極小値まで短くなり、その後は前記出口端部(3)に向かって再び長くなる、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  5. 前記内壁(4)及び前記外壁(5)の内の少なくとも一方は、前記断面積の前記極小値(M)周辺の領域において、前記環状ダクト(1)から離れる方向で実質的に凸状である軸方向のプロファイルを有している、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  6. 前記内壁(4)及び前記外壁(5)はいずれも、前記断面積の前記極小値(M)周辺の領域において、前記環状ダクトから離れる方向で実質的に凸状である軸方向のプロファイルを有している、請求項5に記載の排気ディフューザ。
  7. 前記内壁(4)は、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)の下流側の領域において増大する円周を有している、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  8. 前記外壁(5)は、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)の下流側の領域において低減する円周を有している、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  9. 前記第1のストラット(6)は、前記前縁(LE)から前記後縁(TE)までのストラット長(LS)を有しており、
    前記外壁(5)及び前記内壁(4)は所定の半径方向の距離分だけ離隔されており、該半径方向の距離は、前記第1のストラット(6)の前記前縁(LE)と前記後縁(TE)との間において、少なくとも前記ストラット長(LS)の最後の1/4の長さに沿って、前記出口端部(3)に向かって短くなる、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  10. 前記排気ディフューザは更に、前記環状ダクト(1)内の第2の軸方向の位置に配置されている第2のストラット(7)の列を有しており、
    前記第2のストラット(7)は、前記内壁(4)及び前記外壁(5)に接続されており、且つ、前記環状ダクト(1)の円周にわたり分散されており、
    前記第2のストラット(7)はそれぞれ、前記環状ダクトの前記入口端部(2)に向けられている前縁と、前記出口端部(3)に向けられている後縁とを有しており、
    前記第2のストラット(7)の前記前縁は、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)の下流側に配置されており、且つ、前記断面積の前記極小値(M)の下流側に配置されている、請求項1乃至9のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  11. 前記第2のストラット(7)の前記前縁は、前記断面積の前記極小値(M)の下流側において、前記第1のストラット(6)の前記後縁(TE)から前記極小値(M)までの距離(DM)よりも長い、有利には少なくとも2倍長い、前記極小値(M)からの距離に配置されている、請求項10に記載の排気ディフューザ。
  12. 前記排気ディフューザは更に、実質的にカルノー型ディフューザとして動作するセクション(8)を有しており、該セクション(8)は、軸方向において前記環状ダクト(1)の前記出口端部(3)の下流側に配置されている、請求項1乃至11のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  13. 前記内壁(4)はハブ構造(9)によって形成されており、前記外壁(5)はケーシングによって形成されており、
    カルノー型ディフューザとして動作する前記セクション(8)は、軸方向において前記ハブ構造(9)の下流側に配置されており、且つ、前記ケーシングによって放射状に画定されている、請求項12に記載の排気ディフューザ。
  14. 請求項1乃至13のいずれか一項に記載の排気ディフューザを有していることを特徴とするガスタービン。
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