JP2016515181A

JP2016515181A - ラジアルディフューザ排気システム

Info

Publication number: JP2016515181A
Application number: JP2016500187A
Authority: JP
Inventors: ロペス−パーラ，フェルナンド; ポンヌラージ，バラクリシュナン; ドレゼック，プジェムィスワフ; バラディ，メーディ・ミラニ; イェーラム，ラヴィンダー; レイン，ドナルド・ゴードン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2013-03-13
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2016-05-26
Anticipated expiration: 2034-01-30
Also published as: CN105026697B; CN105026697A; US20140271168A1; KR101960568B1; EP2971617B1; EP2971617A1; KR20150123950A; WO2014158338A1; JP6360876B2; US9644496B2; BR112015020829A2

Abstract

本出願は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、非対称排気コレクタ内に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。非対称排気コレクタは、閉鎖端チャンバ及び排気端チャンバを含むことができる。閉鎖端チャンバは第１のサイズを有することができ、排気端チャンバは第２のサイズを有することができ、第１のサイズは第２のサイズより小さいとすることができる。【選択図】図３

Description

本出願及び結果として得られる特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、支持ストラットの上流の拡大した膨張ゾーンと、偏向器リップを有するディフューザガイドと、非対称排気コレクタとを有するラジアルディフューザ排気システムを有するガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンの通常運転中、主要な空気力学的難題の１つは、タービンの最終段を出る高運動量の燃焼ガス流を効率的に放出することを含む。水平排気構成を使用することが空気力学的に有益である場合があるが、こうした軸流排気は、全体的な設置面積が影響して実用的でない場合がある。そのため、軸流タービンから燃焼ガス流をラジアル方向に転回させる垂直及び側部搭載式排気スタックを使用することが標準的な慣行である。特に、ラジアルディフューザは、燃焼ガス流をラジアル方向に方向付けるために使用することができる。ラジアルディフューザは、一般に、内側ディフューザガイド上に搭載され、外側ディフューザガイドによって閉囲された幾つかのストラットを含む。ラジアルディフューザは、タービンの最終段を出る燃焼ガス流の運動エネルギーを、静圧の増加という形でポテンシャルエネルギーに変換する。総合的な静圧回復の増加は、ガスタービンエンジンの総合的な性能及び効率を上げる傾向がある。

したがって、ガスタービンエンジンと共に使用するための改良型ディフューザ設計及び改良型排気システムについての欲求が存在する。こうした改良型のディフューザ及び排気システムは、ガスタービンエンジンの総合的な軸流長を全体として低減しながら、空気力学的な性能及び効率の増加を提供することができる。更に、排気システムの空気力学的性能に対する改良は、伝統的に低いノイズ放出に関連付けられており、したがって、従来の軸流構成と比較して、同様の結果を、ラジアル排気ディフューザから期待することができる。

仏国特許出願公開第２７５７２１０号明細書

したがって、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、非対称排気コレクタ内に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。非対称排気コレクタは、閉鎖端チャンバ及び排気端チャンバを含むことができる。閉鎖端チャンバは第１のサイズを有することができ、排気端チャンバは第２のサイズを有することができ、第１のサイズは第２のサイズより小さいとすることができる。

本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを更に提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、排気コレクタ内に非対称に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。ラジアルディフューザは外側ディフューザガイドを含むことができる。外側ディフューザガイドは、上流膨張角、下流膨張角、傾斜構成を有する上側偏向器リップ、及び下側偏向器リップを含むことができる。

本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを更に提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、非対称排気コレクタ内に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。ラジアルディフューザは外側ディフューザガイドを含むことができる。外側ディフューザガイドは、上流膨張角及び下流膨張角を含むことができる。上流膨張角は下流膨張角より大きいとすることができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれらのまた他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び添付特許請求の範囲と共に考えられるとき、以下の詳細な説明を検討することによって当業者に明らかになる。

圧縮機、燃焼器、タービン、及びディフューザを示すガスタービンエンジンの略図である。本明細書で述べる場合があるラジアルディフューザ排気システムの断面図である。図２のラジアルディフューザ排気システムの部分側断面図である。本明細書で述べる場合があるラジアルディフューザ排気システムの更なる実施形態の断面図である。図４のラジアルディフューザ排気システムの部分側断面図である。図４のラジアルディフューザ排気システムの正面図である。

ここで、同様の数字が、幾つかの図全体にわたって同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用する場合があるガスタービンエンジン１０の略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、入って来る空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、空気２０の圧縮された流れを燃焼器２５に送出する。燃焼器２５は、空気２０の圧縮された流れを燃料３０の加圧された流れと混合し、その混合物に点火して、燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５だけが示されるが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス３５の流れは、次に、タービン４０に送出される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０内で生成される機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を、また、発電機及び同様なもの等の外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、種々のタイプの合成ガス、及び／又は他のタイプの燃料、並びにその組合せを使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定はしないが、７又は９シリーズ・ヘビーデューティ・ガスタービンエンジン、ＧＥＡｅｒｏＤｅｒｉｖａｔｉｖｅｓエンジン、及び同様なもの等のエンジンを含む、ニューヨーク州シェネクタディ（Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ，ＮｅｗＹｏｒｋ）のＧｅｎｅｒａｌＥｌｅｃｔｒｉｃＣｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つのエンジンであるとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプのコンポーネントを使用することができる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器もまた、本明細書で共に使用することができる。

ガスタービンエンジン１０はまた、ラジアルディフューザ５５を含むことができる。ラジアルディフューザ５５は、タービン４０の下流に配置することができる。上述したように、ラジアルディフューザ５５は、内側ディフューザガイド６５上に搭載され、外側ディフューザガイド７０内に閉囲された幾つかのストラット６０を含むことができる。ラジアルディフューザ５５は、燃焼ガス３５の流れをラジアル方向に転回させる。他のタイプのディフューザを使用することができる。他のコンポーネント及び他の構成を本明細書で使用することができる。

図２及び図３は、本明細書で使用する場合があるラジアルディフューザ排気システム１００の例を示す。ラジアルディフューザ排気システム１００は、ラジアルディフューザ１１０を含むことができる。上述したラジアルディフューザと同様に、ラジアルディフューザ１１０は、内側ディフューザガイド１２０、外側ディフューザガイド１３０、及び内側ディフューザガイド１２０と外側ディフューザガイド１３０との間に配置された幾つかのディフューザ支持ストラット１４０を含むことができる。内側ディフューザガイド１２０及び外側ディフューザガイド１３０は共に、下流のラジアルガイドセクション１６０につながる円錐セクション１５０を有することができる。内側ディフューザガイド１２０及び外側ディフューザガイド１３０は、両者の間に流路１７０を画定する。流路１７０は、下流方向に面積を増加させることができる。ラジアルディフューザ１１０は、任意のサイズ、形状、又は構成を有することができる。他のコンポーネント及び他の構成を本明細書で使用することができる。

ラジアルディフューザ１１０は、任意の数のディフューザ支持ストラット１４０を有することができる。支持ストラット１４０は、空気力学的なエーロフォイルに似た形状１８０又は同様な構成を有することができる。支持ストラット１４０は、内側ディフューザガイド１２０の円錐セクション１５０と外側ディフューザガイド１３０の円錐セクション１５０との間に配置することができる。他のコンポーネント及び他の構成を本明細書で使用することができる。

外側ディフューザガイド１３０は、支持ストラット１４０の直ぐ上流にキンク１９０を含むことができる。特に、外側ディフューザガイド１３０は、支持ストラット１４０の上流に上流膨張角２００を、また、支持ストラット１４０の前縁２２０の下流に下流膨張角２１０を含むことができ、キンク１９０は中間の頂点である。上流膨張角２００は、下流膨張角２１０より約２５パーセント（２５％）を越えて大きいとすることができる。上流膨張角２００と下流膨張角２１０との比、並びにセクションの軸長は、ラジアルディフューザ１１０の下流の設計、速度、渦（ｓｗｉｒｌ）、温度、及び圧力を含む流れの空気力学的及び熱力学的特性、並びに他のタイプの運転パラメータと共に変動する場合がある。

ラジアルディフューザ排気システム１００はまた、排気コレクタ２３０を含むことができる。ラジアルディフューザ１１０は、排気コレクタ２３０内に配置することができる。この例では、排気コレクタ２３０は、非対称排気コレクタ２４０であるとすることができる。非対称排気コレクタ２４０は、その一端に閉鎖端チャンバ２５０及び他端に排気端チャンバ２６０を含むことができる。閉鎖端チャンバ２５０は排気端チャンバ２６０より小さいとすることができる。閉鎖端チャンバ２５０のサイズと排気端チャンバ２６０のサイズとの比は、流量、全圧、温度、排気スタックの断面積、及び他のタイプの運転パラメータに依存することができる。例として、閉鎖端チャンバ２５０の軸長は、排気端チャンバ２６０より約３０パーセント（３０％）を越えて短い又は小さいとすることができる。

使用時、外側ディフューザガイド１３０内のキンク１９０の周りに配置されたより大きな上流膨張角２００は、支持ストラット１４０の上流で燃焼ガス流３５のより急激な膨張を可能にし、支持ストラット１４０の下流でよりゆっくりした膨張を可能にする。そのため、異なる膨張角２００、２１０の使用は、静圧回復の改善を提供する。支持ストラット１４０の前縁２２０上への流れの衝突は、燃焼ガス流３５の運動エネルギーの一部を除去することができる。より大きな上流膨張角２００は、支持ストラット１４０内でより大きな半径が使用されることを可能にし、それにより、有効な遮断を減少させ、静圧のよりよい回復を可能にする。キンク１９０はまた、全体的なラジアルディフューザ排気システム１００のより短い軸長を可能にする。

外側ディフューザガイド１３０からの流れの分離を防止するため、支持ストラット１４０が局所的減速及び静圧増加をもたらす場合があるため、より大きな上流膨張角２００が許容される。したがって、上流膨張角２００は、支持ストラット１４０の遮断、運転中のエンジンの質量流量、及び閉鎖端チャンバ２５０の周りでの急な流れの転回によって生成される背圧と同期される場合がある。より大きな上流膨張角２００は、強い境界層がより大きな圧力回復のために分離することなくより急激な角度を可能にするため、外側ディフューザガイド１３０の上流端に設置される。

閉鎖端チャンバ２５０におけるこの背圧を減少させるため、閉鎖端チャンバ２５０及び排気端チャンバ２６０の非対称設計は、大きな渦の形成を防止して、燃焼ガス流３５内でのよりスムーズな圧力回復を達成するのを補助することができる。こうした渦の形成は、流れ分離の主要な原因である場合がある。そのため、非対称排気チャンバ２４０は、ラジアルディフューザ排気システム１００の全長を減少させながら、空気力学的性能の向上を提供する。そのため、キンク１９０及び非対称排気チャンバ２４０の使用は、ディフューザ空気力学的総合効率及び総合エンジン性能の改善を提供することができる。

図４〜６は、ラジアルディフューザ排気システム３００の更なる実施形態の例を示す。ラジアルディフューザ排気システム３００はまた、上述したように非対称排気コレクタ２４０内に配置されたラジアルディフューザ１１０を含むことができる。この例では、外側ディフューザガイド１３０は、排気端チャンバ２６０の周りに配置された上側偏向器リップ３１０及び閉鎖端チャンバ２５０の周りに配置された下側偏向器リップ３２０を含むことができる。上側偏向器リップ３１０及び下側偏向器リップ３２０は、ラジアルガイドセクション１６０に沿って約１８０度（１８０°）同様に延在するものとして示されるが、それぞれの角度は変動する場合がある。その角度は、ラジアルガイドセクション１６０、排気スタック、エンジン流量、及び他のタイプの運転パラメータに応じて変動する場合がある。他のコンポーネント及び他の構成もまた本明細書で使用することができる。

上側偏向器リップ３１０は、下流方向に排気端チャンバ２６０に向かって上方に延在する傾斜構成３３０を有することができる。傾斜構成３３０は、燃焼ガス３５が、上方に排気端チャンバ２６０に入り、排気スタックに向かって流れることを可能にする。上側偏向器リップ３１０の傾斜構成３３０は、より大きな全圧の降下の生成を回避しながら、再循環流を主ストリーム内に誘導することができる。上側偏向器リップ３１０の傾斜構成３３０は、全体的な流れ分離を減少させながら、排気端チャンバ２６０内の再循環気泡をなくすのに役立つ。上側偏向器リップ３１０はまた、燃焼ガス流３５が膨張するための更なる空間を提供する。

下側偏向器リップ３２０は、上側偏向器リップ３１０の傾斜構成３３０と比較して、著しく平坦な又は異なる構成３４０を有することができる。下側偏向器リップ３２０の異なる構成３４０は、閉鎖端チャンバ２５０の周りでの再循環渦の形成を更に抑制し、閉鎖端チャンバ２５０内で渦を分解することに寄与する。そのため、下側偏向器リップ３２０は、閉鎖端チャンバ２５０内で生成される強い再循環流と入って来る流れとの相互作用を防止する。特に、下側偏向器リップ３２０は、入って来る流れに干渉することなく、閉鎖端チャンバ２５０内の流れを排出するのに役立つ。

ガイドリップのサイズ、形状、角度、及び周囲長は、全体としてガスタービンパッケージの特定の熱力学並びに排気コレクタ及び他のコンポーネントの寸法によって左右される。ガイドリップの幅及び形状は、互いから独立している場合があり、また、周囲場所に沿って変動する場合がある。ガイドリップの側面から観察されるＶ−プロファイルトリムは、排気コレクタの閉鎖端から開口端までの燃焼ガスの動きに有利である場合がある。

上記が本出願及び結果として得られる特許の或る実施形態に関連するだけであることが認識されるべきである。添付特許請求の範囲及びその均等物によって規定される本発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなく、多数の変更及び修正を当業者によって本明細書で行うことができる。

１０ガスタービンエンジン
１５圧縮機
２０空気
２５燃焼器
３０燃料
３５燃焼ガス
４０タービン
４５シャフト
５０外部負荷
５５ラジアルディフューザ
６０ストラット
６５内側ディフューザガイド
７０外側ディフューザガイド
１００ラジアルディフューザ排気システム
１１０ラジアルディフューザ
１２０内側ディフューザガイド
１３０外側ディフューザガイド
１４０ディフューザ支持ストラット
１５０円錐セクション
１６０ラジアルガイドセクション
１７０流路
１８０形状
１９０キンク
２００上流膨張角
２１０下流膨張角
２２０前縁
２３０排気コレクタ
２４０非対称排気コレクタ
２５０閉鎖端チャンバ
２６０排気端チャンバ
３００ラジアルディフューザ排気システム
３１０上側偏向器リップ
３２０下側偏向器リップ
３３０傾斜構成
３４０異なる構成

Claims

ガスタービンエンジン（１０）と共に使用するためのラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）であって、
ラジアルディフューザ（５５）（１１０）と、
非対称排気コレクタ（２４０）とを備え、
前記非対称排気コレクタ（２４０）は、閉鎖端チャンバ（２５０）及び排気端チャンバ（２６０）を備え、
前記閉鎖端チャンバ（２５０）は第１のサイズを備え、前記排気端チャンバ（２６０）は第２のサイズを備え、前記第１のサイズは前記第２のサイズより小さい、ラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記ラジアルディフューザ（５５）（１１０）は、内側ディフューザガイド（６５）（１２０）、外側ディフューザガイド（７０）（１３０）、及び前記内側ディフューザガイド（６５）（１２０）と前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）との間の複数の支持ストラット（６０）を備える、請求項１記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記内側ディフューザガイド（６５）（１２０）及び前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）はそれぞれ、円錐セクション及びラジアルガイドセクション（１６０）を備える、請求項２記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記内側ディフューザガイド（６５）（１２０）及び前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、前記内側ディフューザガイド（６５）（１２０）と前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）との間に流路（１７０）を備え、前記流路（１７０）は、下流方向に面積が増加する、請求項２記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記複数の支持ストラット（６０）は、エーロフォイルに似た形状（１８０）を備える、請求項２記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、前記複数の支持ストラット（６０）の周りに配置されたキンク（１９０）を前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）内に備える、請求項２記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、前記複数の支持ストラット（６０）の前縁（２２０）の上流に上流膨張角（２００）を、また、前記複数の支持ストラット（６０）の前縁（２２０）の下流に下流膨張角（２１０）を備える、請求項２記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記上流膨張角（２００）は前記下流膨張角（２１０）より大きい、請求項７記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は上側偏向器リップ（３１０）を備える、請求項２記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記上側偏向器リップ（３１０）は、傾斜構成（３３０）を備える、請求項９記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記内側ディフューザガイド（６５）（１２０）は、下側偏向器リップ（３２０）を備える、請求項１０記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記下側偏向器リップ（３２０）は、前記傾斜構成（３３０）と比較して異なる構成（３４０）を備える、請求項１１記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記上側偏向器リップ（３１０）及び前記下側偏向器リップ（３２０）は異なる寸法を備える、請求項１１記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
ガスタービンエンジン（１０）と共に使用するためのラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）であって、
ラジアルディフューザ（５５）（１１０）を備え、
前記ラジアルディフューザ（５５）（１１０）は外側ディフューザガイド（７０）（１３０）を備え、
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、上流膨張角（２００）及び下流膨張角（２１０）を備え、
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、傾斜構成（３３０）を有する上側偏向器リップ（３１０）を備え、
排気コレクタ（２３０）であって、前記ラジアルディフューザ（５５）（１１０）が排気コレクタ（２３０）内に非対称に配置された状態の、排気コレクタ（２３０）を備える、ラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
ガスタービンエンジン（１０）と共に使用するためのラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）であって、
ラジアルディフューザ（５５）（１１０）を備え、
前記ラジアルディフューザ（５５）（１１０）は外側ディフューザガイド（７０）（１３０）を備え、
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、上流膨張角（２００）及び下流膨張角（２１０）を備え、前記上流膨張角（２００）は前記下流膨張角（２１０）より大きく、
非対称排気コレクタ（２４０）を備える、ラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記非対称排気コレクタ（２４０）は、閉鎖端チャンバ（２５０）及び排気端チャンバ（２６０）を備え、前記閉鎖端チャンバ（２５０）は第１のサイズを備え、前記排気端チャンバ（２６０）は第２のサイズを備え、前記第１のサイズは前記第２のサイズより小さい、請求項１５記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、前記上流膨張角（２００）と前記下流膨張角（２１０）との間に配置されたキンク（１９０）を備える、請求項１５記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記外側ディフューザガイド（７０）（１３０）は、傾斜構成（３３０）を有する上側偏向器リップ（３１０）を備える、請求項１５記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記内側ディフューザガイド（６５）（１２０）は、下側偏向器リップ（３２０）を備える、請求項１８記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。
前記下側偏向器リップ（３２０）は、前記傾斜構成（３３０）と比較して異なる構成（３４０）を備える、請求項１９記載のラジアルディフューザ排気システム（１００）（３００）。