JP2016217355A

JP2016217355A - 流れ混合ローブを含むターボ機械ディフューザ及びその方法

Info

Publication number: JP2016217355A
Application number: JP2016097537A
Authority: JP
Inventors: ムーティ・スブラマニヤム; Subramaniyan Moorthi; プラディープ・パテル; Patel Pradeep
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2015-05-22
Filing date: 2016-05-16
Publication date: 2016-12-22
Also published as: CN106168165A; US20160341053A1; EP3095973A1; US10344604B2

Abstract

【課題】流れ混合ローブを含むターボ機械ディフューザを提供すること。【解決手段】ターボ機械ディフューザは、ディフューザ流路を定める内面を有する本体と、内面から延びる複数の固定ストラットと、内面上に環状アレイで配置された複数の流れ混合ローブとを備える。複数の流れ混合ローブは、実質的に高運動量の流れを本体の内面に向かって案内するように構成されかつ配置される。【選択図】図１

Description

本明細書に開示される主題は、ターボ機械の技術に関し、より具体的には、流れ混合ローブを含むターボ機械ディフューザに関する。

一般に、ガスターボ機械は、圧縮機部分、タービン部分、及び燃焼器組立体を含む。燃焼器組立体は、圧縮機部分からの流体を燃料と混合して可燃混合気を生成する。可燃混合気は燃焼して高温ガスを生成し、高温ガスはタービン部分の高温ガス経路に沿って流れる。タービン部分は、高温ガスのエネルギを機械的回転エネルギに変換する、ロータに取り付けられた翼形部を有する複数の段を含む。圧縮機からの付加的な流体は、冷却を目的として翼形部及びタービン部分の他のセクションを通過する。高温ガスは、排気ガスとして、タービン部分から排気ディフューザに流入する。排気ディフューザは、流れの運動エネルギを急激に低下させかつ排気ディフューザ内での静圧回復を増大させるように幾何学的に構成される。一般に、排気ディフューザは、機械的支持のための１又は２以上の固定ストラットを含む。排気ガスは、排気ディフューザから下流構成部品に移動することができる。

例示的な実施形態の１つの態様によれば、ターボ機械ディフューザは、ディフューザ流路を定める内面を有する本体と、内面から延びる複数の固定ストラットと、内面上に環状アレイで配置された複数の流れ混合ローブとを備える。複数の流れ混合ローブは、実質的に高運動量の流れを本体の内面に向かって案内するように構成されかつ配置される。

例示的な実施形態の他の態様によれば、ターボ機械は、圧縮機部分と、この圧縮機部分に作動可能に接続されたタービン部分とを含む。タービン部分は出口を含む。少なくとも１つの燃焼器を含む燃焼器組立体は、圧縮機部分及びタービン部分に流体接続される。ディフューザは、タービン部分の出口に流体接続される。ディフューザは、ディフューザ流路を定める内面を有する本体と、内面から延びる複数の固定ストラットと、内面上に環状アレイで配置された複数の流れ混合ローブとを備える。複数の流れ混合ローブは、実質的に高運動量の流れを本体の内面に向かって案内するように構成されかつ配置される。

例示的な実施形態の他の態様によれば、ターボ機械からの排気ガスをディフューザに流入させる方法であって、高温ガスをターボ機械のタービン部分の出口に移動させる段階と、高温ガスをディフューザの入口に供給する段階と、高温ガスの一部をディフューザの内面の周りで円周方向に配置された複数の流れ混合ローブに向かわせる段階と、高温ガスの一部を実質的に高運動量の流れに形成する段階と、実質的に高運動量の流れを、ディフューザの内面に向かって案内する段階と、実質的に高運動量の流れを、内面に沿って流れる境界層流れと混合させる段階と、を含む。

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。本開示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かつ明確に特許請求している。

本発明の前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。

例示的な実施形態による、流れ混合ローブを有する排気ディフューザを含むターボ機械システムの概略図。図１のディフューザの部分断面側面図図１のディフューザの内面に取り付けられた流れ混合ローブの図。図３の流れ混合ローブの斜視図。例示的な実施形態の他の態様による、流れ混合ローブの図。例示的な実施形態の他の態様による、流れ混合ローブの図。例示的な実施形態の他の態様による、流れ混合ローブの図。例示的な実施形態の他の態様による、流れ混合ローブの図。例示的な実施形態の態様による、翼形部分を含む流れ混合ローブの断面図。例示的な実施形態の他の態様による、翼形部分を含む流れ混合ローブの断面図。

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において、例示的な実施形態によるターボ機械システムは、全体的には２で表記される。ターボ機械システム２は、共通の圧縮機／タービンシャフト１０を介してタービン部分８に対して作動可能に接続された圧縮機部分６を有するターボ機械４を含む。燃焼器組立体１２は、圧縮機部分６とタービン部分８との間に流体接続される。燃焼器組立体１２は、燃焼生成物をタービン部分８の高温ガス経路（別途表記されていない）に沿って送る少なくとも１つの燃焼器１４を含む。吸気システム２０は、圧縮機部分６の入口（別途表記されていない）に流体接続する。負荷２２は、ターボ機械４に機械的に連結している。

作動時、空気は、吸気システム２０を通過して圧縮機部分６に入る。吸気システム２０は、湿度低減、温度変更等によって空気を調和することができる。空気は圧縮機部分６の多数の段で圧縮され、タービン部分８及び燃焼器組立体１２に移動する。空気は、燃焼器１４内で燃料、希釈剤と混合されて可燃混合気を生成する。可燃混合気は、高温ガスとして移行部品（図示せず）を経由して燃焼器１４からタービン部分８に流入する。高温ガスは、タービン部分８の高温ガス経路に沿って流れ、排気として排気ディフューザ３０に流入する。排気ディフューザ３０は、排気ガスの運動エネルギを急激に低下させるだけでなく、下流デバイス（図示せず）に供給される前に静圧回復を増大させるように幾何学的に構成される。下流デバイスは、排気ガスを大気に送ること、又は他の目的に利用できる余分なエネルギを抽出することができる。

図２に示すように、排気ディフューザ３０は、外面４１とディフューザ流路４４を定める内面４２とを有する本体４０を含む。排気ディフューザ３０は、タービン部分８の出口（別途表記されていない）に流体接続する入口４６と、出口４７とを含む。また、排気ディフューザ３０は、複数の固定ストラットを含むように示されており、固定ストラットの１つは５０で示されており、内面４２からディフューザ流路４４へ半径方向内向きに延びている。固定ストラット５０は、ディフューザ流路４４に沿って出口４７に向かって流れる排気ガスを調節する。

例示的な実施形態によれば、排気ディフューザ３０は、複数の流れ混合ローブを含み、流れ混合ローブの１つは５４で示されており、内面４２に取り付けられている。例示的な実施形態の態様によれば、流れ混合ローブ５４は、入口４６の下流に最終段ブレード高さの約０．０５倍から最終段ブレード高さの１０倍の間の距離で配置することができる。図示の例示的な態様において、流れ混合ローブ５４は、入口４６の下流かつストラット５０の上流に配置することができる。例示的な実施形態の他の態様によれば、流れ混合ローブ５４は、入口４６の約２インチ（５．０８ｃｍ）下流に配置することができる。例示的な実施形態の他の態様によれば、入口４６の約１．５インチ（３．８１ｃｍ）下流に配置することができる。勿論、流れ混合ローブ５４の位置は様々とすることができることを理解されたい。さらに、流れ混合ローブは、ストラット５０の下流に配置できることを理解されたい。

図３及び４に示すように、流れ混合ローブ５４は、第１のローブ部材６０及び第２のローブ部材６１を含む。ローブ部材６０及び６１の各々は、内面４２から実質的に垂直で外向きに延びる。第１のローブ部材６０は第１の基部セクション６４を含み、第２のローブ部材６１は第２の基部セクション６５を含む。第１の基部セクション６４は、第１のローブ部材６０から外側に第１の方向に突出し、第２の基部セクション６５は、第２のローブ部材６１から外側に第１の方向とは反対の第２の方向に突出する。第１及び第２の基部セクション６４及び６５は、第１及び第２のローブ部材６０及び６１のそれぞれと、内面４２との間の取り付け接合面をもたらす。

さらに例示的な実施形態によれば、流れ混合ローブ５４は、第１及び第２のローブ部材６０及び６１の間に広がる翼形部分７０を含む。翼形部分７０は、第１及び第２の基部セクション６４及び６５から離間しており、内面４２に取り付けた場合、チャンネル７４が形成される。チャンネル７４は、タービン部分８からの排気ガスの一部を受け入れる。例示的な実施形態の態様によれば、チャンネル７４は、タービン部分８からの高運動量流れの一部を半径方向外向きに内面４２に向かって案内する。より具体的には、翼形部分７０は、実質的に高運動量の流れの一部を半径方向外向きに内面４２に向かわせるので渦流が発生する。渦流は、流れ剥離の低下をもたらす内面４２での境界層の成長を抑制する。従って、例示的な実施形態は、全体的なシステム効率の向上につながる排気ディフューザ３０での圧力回復を改善する。この点において、用語「実質的に高運動量の流れ」は、約１０００ｆｔ／ｓｅｃ（約３０５ｍ／ｓ）以上の速度の流れを指すことを理解されたい。

図５は、例示的な実施形態の他の態様による流れ混合ローブ９０を示す。流れ混合ローブ９０は、翼形部分９４を介して連結された第１及び第２のローブ部分９２及び９３を含む。ローブ部分９２及び９３の各々は、対応する終端部分９６及び９７を含み、この終端部分９６及び９７は、排気ディフューザ３０の内面４２に対して直接接合する、図６は、翼形部分１０５で連結された第１及び第２のローブ部材１０２及び１０３を含む流れ混合ローブ１００を示す。図示の例示的な態様において、第１及び第２のローブ部材１０２及び１０３は、対応する終端部分１０７及び１０８を含み、終端部分１０７及び１０８は、互いに向かって内向きに角度付けされている。

図７は、翼形部分１１５で連結された第１及び第２のローブ部材１１２及び１１３を含む流れ混合ローブ１１０を示す。図示の例示的な態様において、第１及び第２のローブ部材１１２及び１１３は、対応する終端部分１１７及び１１８を含み、終端部分１１７及び１１８は、互いに離れる方向に外向きに角度付けされている。図８は、翼形部分１２４によって連結された第１及び第２のローブ部材１２２及び１２３を有する流れ混合ローブ１２０を示す。図示の例示的な態様において、翼形部分１２４は、第１及び第２のローブ部材１２２及び１２３の対応する１つから所定の角度で延びると共に角度付き部分１３０において連結された、第１及び第２の翼形部材１２８及び１２９を含む。図９は、略矩形断面（別途表記されていない）を有する翼形部分１４２を含む流れ混合ローブ１４０を示す。図１０は、曲線断面（別途表記されていない）を有する翼形部分１５２を含む流れ混合ローブ１５０を示す。

本出願人は、用語「約」がこの出願時点で入手可能な機器に基づく特定の物理量の測定に関連する誤差の度合いを含むことが意図されることを提示する。例えば、「約」は、所定値の±８％又は５％、又は２％の範囲を含むことができる。

本明細書で使用される用語は、単に特定の実施形態を説明するためのものに過ぎず、例示的な実施形態を限定するものではない。本明細書で使用される単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。さらに、本明細書内で使用する場合に、用語「備える」及び／又は「備えている」という用語は、そこに述べた特徴部、完全体、ステップ、動作、要素及び／又は構成部品の存在を明示しているが、１つ又はそれ以上の他の特徴部、完全体、ステップ、動作、要素、構成部品及び／又はそれらの群の存在又は付加を排除するものではないことは理解されるであろう。

本開示は、限られた数の実施形態に関連して詳細に説明されているが、本開示は、この開示された実施形態に限定されないことを直ちに理解されたい。むしろ、本開示は、前記に記載されていない任意数の変形形態、変更形態、置換形態、又は等価構成を組み込むように修正することができるが、これは本開示の精神及び範囲に見合っている。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、本開示は、前記の説明で限定されないことが明らかであるが、特許請求の範囲によってのみ限定される。

２ターボ機械システム
４ターボ機械
６圧縮機部分
８タービン部分
１０圧縮機／タービンシャフト
１２燃焼器組立体
１４燃焼器
２０吸気システム
２２負荷
３０排気ディフューザ
４０本体
５４流れ混合ローブ

Claims

ディフューザ流路（４４）を定める内面（４２）を有する本体（４０）と、
前記内面から延びる複数の固定ストラット（５０）と、
前記内面上に環状アレイで配置された複数の流れ混合ローブ（５４）と、
を備えるターボ機械ディフューザ（３０）であって、
前記複数の流れ混合ローブは、実質的に高運動量の流れを前記本体の前記内面に向かって案内するように構成されかつ配置される、ターボ機械ディフューザ。
前記複数の流れ混合ローブの各々は、第１のローブ部材（６０）及び第２のローブ部材（６１）を含み、前記第１及び第２のローブ部材の各々は、前記内面の半径方向外向きに前記ディフューザ流路に向かって延びる、請求項１に記載のターボ機械ディフューザ。
前記第１及び第２のローブ部材のうちの少なくとも一方は、前記内面から実質的に垂直に延びる、請求項２に記載のターボ機械ディフューザ。
前記第１及び第２のローブ部材のうちの少なくとも一方は、前記内面から所定の角度で延びる、請求項２に記載のターボ機械ディフューザ。
前記第１及び第２のローブ部材の間に延びる翼形部分（７０）をさらに備える、請求項２に記載のターボ機械ディフューザ。
前記翼形部分は、略矩形断面及び曲線断面のうちの一方を含む、請求項５に記載のターボ機械ディフューザ。
前記翼形部分は、前記第１及び第２のローブ部材のうちの対応する１つから延びる、第１の翼形部材（１２８）及び第２の翼形部材（１２９）を含む、請求項５に記載のターボ機械ディフューザ。
前記第１及び第２のローブ部材のうちの少なくとも１つは、前記第１及び第２のローブ部材のうちの一方から円周方向外向きに延びる基部セクション（６４、６５）を含み、前記基部セクションは、前記本体の前記内面に連結されている、請求項１に記載のターボ機械ディフューザ。
前記基部セクションは、前記第１及び第２のローブ部材のうちの一方に垂直に、前記第１及び第２のローブ部材の他方から離れる方向で外側に延びる、請求項７に記載のターボ機械ディフューザ。
圧縮機部分（６）と、
前記圧縮機部分に作動可能に接続され、出口を含むタービン部分（８）と、
前記圧縮機部分及び前記タービン部分に流体接続された少なくとも１つの燃焼器（１４）を含む燃焼器組立体（１２）と、
前記タービン部分の前記出口に流体接続されたディフューザ（３０）と、
を備えるターボ機械（４）であって、
前記ディフューザは、
ディフューザ流路（４４）を定める内面（４２）を有する本体（４０）と、
前記内面から延びる複数の固定ストラット（５０）と、
前記内面上に環状アレイで配置された複数の流れ混合ローブ（５４）と、
を備え、
前記複数の流れ混合ローブは、実質的に高運動量の流れを前記本体の前記内面に向かって案内するように構成されかつ配置される、ターボ機械。
前記複数の流れ混合ローブの各々は、第１のローブ部材（６０）及び第２のローブ部材（６１）を含み、前記第１及び第２のローブ部材の各々は、前記内面の半径方向外向きに前記ディフューザ流路に向かって延びる、請求項１０に記載のターボ機械。
前記第１及び第２のローブ部材のうちの少なくとも一方は、前記内面から実質的に垂直に延びる、請求項１１に記載のターボ機械。
前記第１及び第２のローブ部材のうちの少なくとも一方は、前記内面から所定の角度で延びる、請求項１１に記載のターボ機械。
前記第１及び第２のローブ部材の間に延びる翼形部分（７０）をさらに備える、請求項１１に記載のターボ機械。
前記翼形部分は、略矩形断面及び曲線断面のうちの一方を含む、請求項１４に記載のターボ機械。
前記翼形部分は、前記第１及び第２のローブ部材のうちの対応する１つから延びる、第１の翼形部材（１２８）及び第２の翼形部材（１２９）を含む、請求項１４に記載のターボ機械。
前記第１及び第２のローブ部材のうちの少なくとも１つは、前記第１及び第２のローブ部材のうちの一方から円周方向外向きに延びる基部セクション（６４、６５）を含み、前記基部セクションは、前記本体の前記内面に連結されている、請求項１１に記載のターボ機械。
ターボ機械（４）からの排気ガスをディフューザ（３０）に流入させる方法であって、
前記高温ガスを前記ターボ機械のタービン部分（８）の出口に移動させる段階と、
前記高温ガスを前記ディフューザの入口（４６）に供給する段階と、
前記高温ガスの一部を前記ディフューザの内面（４２）の周りで円周方向に配置された複数の流れ混合ローブ（５４）に向かわせる段階と、
前記高温ガスの一部を実質的に高運動量の流れにする段階と、
前記実質的に高運動量の流れを、前記ディフューザの前記内面に向かって案内する段階と、
前記実質的に高運動量の流れを、前記内面に沿って流れる境界層流れと混合させる段階と、
を含む方法。
前記実質的に高運動量の流れを前記ディフューザの前記内面に向かって案内する段階は、前記ターボ機械の前記タービン部分の前記出口からの流れを、前記複数の流れ混合ローブの翼形部分（７０）を横切って案内する段階を含む、請求項１８に記載の方法。
前記流れを前記複数の流れ混合ローブの前記翼形部分を横切って案内する段階は、前記流れを、前記複数の流れ混合ローブの第１及び第２のローブ部材（６０、６１）の間に延びる前記翼形部分を通過させる段階を含む、請求項１９に記載の方法。