JP2017198203A - 半径方向排出ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン用の半径方向排出ディフューザを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン用の半径方向排出ディフューザ１００を提供する。半径方向ディフューザ１００は、外側バレル１２０と、外側バレル１２０内に配置された内側バレル１１０と、内側バレル１１０を外側バレル１２０内で支持する複数の支持ポール１３０とを含むことができる。支持ポール１３０は、内側バレル下半部分のまわりにのみ配置することができる。【選択図】図５

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、より具体的には、ガスタービンエンジン等と共に使用するための、改善された空気力学的性能及び改善された構成要素寿命を有する半径方向排出ディフューザに関する。

ガスタービンエンジンは、一般に、タービンの最終段の下流に配置された排出ディフューザを含む。一般的に説明すると、排出ディフューザは、タービンの最終段から出た高温燃焼ガスの運動エネルギーを静圧の増大の形で位置エネルギーに変換する。排出ディフューザは、高温燃焼ガスを、流れ方向に断面積が増大したケーシングを通るように導く。排出ディフューザは、一般に、ハブに取り付けられた、ケーシングに囲まれた複数のストラットを含む。

半径方向排出ディフューザは、一般に、複数の方向転換ベーン（ｔｕｒｎｉｎｇ ｖａｎｅ）を含む。方向転換ベーンは、軸線方向から半径方向への流れの滑らかな移行をもたらすことができる。方向転換ベーンは、排出ディフューザのハブ又は内側バレルのまわりに円周方向に配置された複数のポールによって支持することができる。ポールは、方向転換ベーンを支持するとともに、内側バレルに構造的一体性及び剛性を与える。しかしながら、ポールの使用は、そこでの圧力損失を生じさせる可能性がある。さらに、方向転換ベーン及びポールは、過酷な動作条件が想定される分野では頻繁な故障の対象となり得る。この故障の問題は、方向転換ベーンを伴わないポールを使用する排出ディフューザ設計においてはさらに厳しいものになり得る。

したがって、本出願及びその結果として得られる特許は、ガスタービンエンジン用の半径方向排出ディフューザを提供する。

半径方向ディフューザは、外側バレルと、外側バレル内に配置された内側バレルと、内側バレルを外側バレル内で支持する複数の支持ポールとを含むことができる。支持ポールは、内側バレル下半部分のまわりにのみ配置することができる。

本出願及び結果として得られる特許は、排出ディフューザを通して排気ガスを流す方法をさらに提供する。この方法は、排出ディフューザの内側バレルを外側バレル内に配置するステップと、複数の支持ポールによって内側バレルを外側バレル内で支持するステップと、支持ポールを内側バレル下半部分及び外側バレル下半部分のまわりに配置するステップと、より大きい体積の排気ガスを、内側バレル下部分及び外側バレル部分を通すのではなく、内側バレル下部分及び外側バレル下部分の外側に流すステップと、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のための半径方向排出ディフューザをさらに提供する。半径方向排出ディフューザは、外側バレルと、外側バレル内に配置された内側バレルと、内側バレルを外側バレル内で支持する８以下の支持ポールとを含むことができる。支持ポールは、内側バレル下半部分と外側バレル下半部分との間にのみ配置することができる。

本出願及び結果として得られる特許のこれら及び他の特徴並びに改善は、当業者には、幾つかの図面及び添付の請求項を参照しながら以下の詳細な説明を精査することによって明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、排出ディフューザ、及び負荷を有するガスタービンエンジンの略図。 図１のガスタービンエンジンと共に用いることができる公知の半径方向排出ディフューザの略図 本明細書で説明することができるような半径方向排出ディフューザの斜視図 図３の半径方向排出ディフューザの側面図 図３の半径方向排出ディフューザの正面図

ここで、同様の数字が幾つかの図面を通じて同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、本明細書において用いることができ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、流入する空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、圧縮された空気２０の流れを燃焼器２５に送給する。燃焼器２５は、圧縮された空気２０の流れを加圧された燃料３０の流れと混合し、こ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のみを示しているが、ガスタービンエンジン１０は、円周方向アレイ状に構成された任意の数の燃焼器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に送給される。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発生させる。タービン４０において発生した機械的仕事は、シャフト４５を介して、圧縮機１５と、発電機等のような外部負荷５０とを駆動する。１つ又はそれ以上の空気抽出部５２が、冷却空気流用に、圧縮機１５からタービン４０まで延びることができる。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、種々のタイプの合成ガス、種々のタイプの液体燃料、及び／又は他のタイプの液体及びそれらのブレンドを使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、米国ニューヨーク州スケネクタディのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される、７又は９系列の高負荷（ｈｅａｖｙ ｄｕｔｙ）ガスタービンエンジン等を含むがそれらに限定されない複数の異なるガスタービンエンジンのいずれか１つ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、他のタイプの構成要素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を本明細書において用いることもできる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの動力発生装置もまた、共に本明細書において用いることができる。

図１及び図２に示すように、ガスタービンエンジン１０は、排出ディフューザ５５を含むこともできる。排出ディフューザ５５は、タービンの下流にこれと連通した状態で配置することができる。排出ディフューザ５５は、外側バレル６５内に配置された内側バレル６０を含むことができる。内側バレル６０は、複数の支持ポール７０によって外側バレル６５内に固定することができる。支持ポール７０は、内側バレル６０のまわりに円周方向に配置することができる。この例では１６本の支持ポール７０が示されているが、本明細書において任意の数を用いることができる。排出ディフューザ５５はまた、複数の方向転換ベーン７５を含むこともできる。方向転換ベーン７５は、支持ポール７０上に配置され、支持されることができる。方向転換ベーン７５は、燃焼ガス３５の流れを半径方向に方向転換することができる。この例では、５つの方向転換ベーン７５が示されているが、本明細書において任意の数の方向転換ベーン７５を用いることができる。支持ポール７０は、方向転換ベーン７５を支持し、内側バレル６０に剛性を与え、全体としての構造的一体性を与える。本明細書で説明する排出ディフューザ５５は、例示のみを目的としたものである。異なる構成及び異なる構成要素を有する排出ディフューザもまた公知である。

図３〜図５は、本明細書で説明することができるような半径方向排出ディフューザ１００を示す。半径方向排出ディフューザ１００は、外側バレル１２０内に配置された内側バレル１１０を含むことができる。バレル１１０、１２０は、あらゆる適切なサイズ、形状、及び構成を有することができる。内側バレル１１０は、複数の支持ポール１３０を介して外側バレル１２０内で支持されることができる。支持ポール１３０は、あらゆる適切なサイズ、形状、及び構成を有することができる。上述の内側バレル６０のまわりに円周方向に配置された一様に離間した支持ポール７０とは対照的に、限定された数の支持ポール１３０を使用することができる。この例では、６つの支持ポール１３０が本明細書に示されているが、任意の数を用いることができる。支持ポール１３０は、主として、内側バレル下半部分１４０及び外側バレル下半部分１５０のまわりに配置される。詳細には、支持ポール１３０は、内側バレル１１０の６時の位置１６０を中心にして、３時の位置１７０又は９時の位置１８０を越えて延びる支持ポール１３０が存在しないように配置される。この例では、支持ポール１３０は、実際に、４時の位置１９０と８時の位置２００との間に配置される。本明細書において他の位置を用いることもできる。支持ポール１３０は、半径方向の線２１５に対して円周方向に傾斜角２１０を有することができる（図５）。支持ポール１３０はまた、エンジン軸線２２０に対して軸線方向に傾いた位置を有することできる（図４）。傾きの角度は、様々にすることができる。内側バレル１１０の垂直方向の剛性を高めるために、ポール配列の左右の対称性は維持することができる。支持ポール１３０は、全体として円形状、楕円形状、又は任意の適切な形状を有することができる。本明細書において他の構成要素及び他の構成を用いることができる。

一般的に説明すると、一般に排出ディフューザの最も空気力学的効果が少ない領域は、６時の位置１６０のまわりである。このような位置では、プレナムフロアが、排出ディフューザからの流れを遮断する場合がある。したがって、本明細書における支持ポール１３０は、６時の位置１６０のまわりに配置され、内側バレル１１０に機械的剛性を与えるのみならず、支持ポール１３０によって生じる６時の位置１６０における流れの遮断が流れ全体に対して与える影響をより小さくすることができるので、全体としての空気力学的性能も高めることになる。支持ポール１３０の傾斜角２１０もまた、そこを通る流れの損失を制限することができる。

したがって、本明細書で説明する半径方向排出ディフューザ１００の支持ポール１３０は、方向転換ベーンの使用を回避する一方で、できる限り少ない数の支持ポール１３０で内側バレル１１０に機械的支持を与える。さらに、支持ポール１３０の配置は、６時の位置１６０の外側の流れ遮断を解消することによって、全体として空気力学的性能を高める。同様に、支持ポール１３０の位置が主たる流路の外側なので、構成要素寿命の著しい改善をもたらすことができる。さらに、限られた数の支持ポール１３０は、全体としてのディフューザ質量並びに費用を削減する。

上述のことは、本出願及びその結果生じる特許の特定の実施形態にのみ関連することは明かであろう。添付の請求項及びその均等物によって定義される本発明の全体的な思想及び範囲から逸脱することなく、当業者であれば多くの変更及び修正を本明細書において行うことができる。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
ガスタービンエンジンのための半径方向排出ディフューザであって、
外側バレルと、
上記外側バレル内に配置された内側バレルと、
上記内側バレルを上記外側バレル内で支持する複数の支持ポールと、
を備え、
上記複数の支持ポールは、内側バレル下半部分のまわりにのみ配置される、
半径方向排出ディフューザ。
［実施態様２］
上記複数の支持ポールは、外側バレル下半部分のまわりにのみ配置される、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様３］
上記複数の支持ポールは、上記内側バレルの６時の位置のまわりに配置される、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様４］
上記複数の支持ポールは、上記内側バレルの３時の位置と９時の位置との間に配置される、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様５］
上記複数の支持ポールは、上記内側バレルの４時の位置と８時の位置との間に配置される、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様６］
上記複数の支持ポールは、エンジン軸線に対して傾斜角を構成する、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様７］
上記複数の支持ポールは、１０以下の支持ポールを含む、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様８］
上記複数の支持ポールは、８以下の支持ポールを含む、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様９］
上記複数の支持ポールは、６以下の支持ポールを含む、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様１０］
上記複数の支持ポールは、円形又は楕円形状を備える、実施態様１に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様１１］
排出ディフューザを通して排気ガスを流す方法であって、
上記排出ディフューザの内側バレルを外側バレル内に配置するステップと、
複数の支持ポールによって上記内側バレルを上記外側バレル内で支持するステップと、
上記複数の支持ポールを、内側バレル下半部分及び外側バレル下半部分のまわりに配置するステップと、
より大きい体積の上記排気ガスを、上記内側バレル下部分及び上記外側バレル下部分を通すのではなく、上記内側バレル下部分及び上記外側バレル下部分の外側に流すステップと、
を含む、方法。
［実施態様１２］
上記複数の支持ポールは、上記より大きい体積の上記排気ガスを回避する、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
上記支持するステップは、６つの支持ポールによって、上記内側バレルを上記外側バレル内で支持することを含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１４］
ガスタービンエンジンのための半径方向排出ディフューザであって、
外側バレルと、
上記外側バレル内に配置された内側バレルと、
上記内側バレルを上記外側バレル内で支持する複数の支持ポールと、
を備え、
上記複数の支持ポールは、８以下の支持ポールを含み、
上記複数の支持ポールは、内側バレル下半部分と外側バレル下半部分との間にのみ配置される、
半径方向ディフューザ。
［実施態様１５］
上記複数の支持ポールは、上記内側バレルの６時の位置のまわりに配置される、実施態様１４に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様１６］
上記複数の支持ポールは、上記内側バレルの３時の位置と９時の位置との間に配置される、実施態様１４に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様１７］
上記複数の支持ポールは、上記内側バレルの４時の位置と８時の位置との間に配置される、実施態様１４に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様１８］
上記複数の支持ポールは、エンジン軸線に対して傾斜角を構成する、実施態様１４記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様１９］
上記複数の支持ポールは、６以下の支持ポールを含む、実施態様１２に記載の半径方向排出ディフューザ。
［実施態様２０］
上記複数の支持ポールは、円形又は楕円形状を備える、実施態様１２に記載の半径方向排出ディフューザ。

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：負荷
５５：排出ディフューザ
６０：内側バレル
６５：外側バレル
７０：支持ポール
７５：方向転換ベーン
１００：半径方向排出ディフューザ
１１０：内側バレル
１２０：外側バレル
１３０：支持ポール
１４０：内側バレル下半部分
１５０：外側バレル下半部分
１６０：６時の位置
１７０：３時の位置
１８０：９時の位置
１９０：４時の位置
２００：８時の位置
２１０：傾斜角
２２０：エンジン軸線

Claims (13)

1. ガスタービンエンジン（１０）のための半径方向排出ディフューザ（１００）であって、
   外側バレル（１２０）と、
   前記外側バレル（１２０）内に配置された内側バレル（１１０）と、
   前記内側バレル（１１０）を前記外側バレル（１２０）内で支持する複数の支持ポール（１３０）と、
   を備え、
   前記複数の支持ポール（１３０）は、内側バレル下半部分（１４０）のまわりにのみ配置される、半径方向排出ディフューザ（１００）。
2. 前記複数の支持ポール（１３０）は、外側バレル下半部分（１５０）のまわりにのみ配置される、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
3. 前記複数の支持ポール（１３０）は、前記内側バレル（１１０）の６時の位置（１６０）のまわりに配置される、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
4. 前記複数の支持ポール（１３０）は、前記内側バレル（１１０）の３時の位置（１７０）と９時の位置（１８０）との間に配置される、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
5. 前記複数の支持ポール（１３０）は、前記内側バレル（１１０）の４時の位置（１９０）と８時の位置（２００）との間に配置される、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
6. 前記複数の支持ポール（１３０）は、エンジン軸線（２２０）に対して傾斜角（２１０）を構成する、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
7. 前記複数の支持ポール（１３０）は、１０以下の支持ポール（１３０）を含む、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
8. 前記複数の支持ポール（１３０）は、８以下の支持ポール（１３０）を含む、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
9. 前記複数の支持ポール（１３０）は、６以下の支持ポール（１３０）を含む、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
10. 前記複数の支持ポール（１３０）は、円形又は楕円形状を備える、請求項１に記載の半径方向排出ディフューザ（１００）。
11. 排出ディフューザ（１００）を通して排気ガス（３５）を流す方法であって、
    前記排出ディフューザ（１００）の内側バレル（１１０）を外側バレル（１２０）内に配置するステップと、
    複数の支持ポール（１３０）によって前記内側バレル（１１０）を前記外側バレル（１２０）内で支持するステップと、
    前記複数の支持ポール（１３０）を、内側バレル下半部分（１４０）及び外側バレル下半部分（１５０）のまわりに配置するステップと、
    より大きい体積の前記排気ガス（３５）を、前記内側バレル下部分（１４０）及び前記外側バレル下部分（１５０）を通すのではなく、前記内側バレル下部分（１４０）及び前記外側バレル下部分（１５０）の外側に流すステップと、
    を含む、方法。
12. 前記複数の支持ポール（１３０）は、前記より大きい体積の前記排気ガス（３５）を回避する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記支持するステップは、６つの支持ポール（１３０）によって、前記内側バレル（１１０）を前記外側バレル（１２０）内で支持することを含む、請求項１１に記載の方法。