JP2017214926A - 排気ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンなどで使用するための乱流および流れ損失を低減した排気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排気ディフューザ１００を提供する。排気ディフューザ１００は、ハブ１４０と、ケーシング１５０と、ハブ１４０とケーシング１５０との間を延在するストラット１３０とを含むことができる。ハブ１４０は、ストラット１３０近くで傾斜した構造１８０と、傾斜した構造１８０の下流で実質的に平坦な構造２１０とを含むことができる。【選択図】図３

Description

本出願およびその結果の特許は一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジンなどで使用するための乱流および流れ損失を低減した排気ディフューザに関する。

ガスタービンエンジンは一般に、タービン最終段の下流に配置された排気ディフューザを含む。概して、排気ディフューザは、タービン最終段から出る高温燃焼ガスの運動エネルギーを、静圧を上昇させる形でポテンシャルエネルギーに変換する。排気ディフューザは、高温燃焼ガスを流れ方向に断面積が拡がっていくケーシングを通るように向ける。排気ディフューザは一般に、ハブに取り付けられ、ケーシングで囲まれたいくつかのストラットを含む。

排気ディフューザの第１のセクションは、すべての負荷点で圧力回復の大部分を占めることができる。しかしながら、このセクション内のストラットは、特に、ストラットまたは動翼プラットフォームが前方に拡がっている場合、乱流および流れ損失を生じさせる場合がある。ハブでの強い入口流れプロファイルはまた、このようなプロファイルが、ケーシングからの剥離を伴って、大量の高温燃焼ガスの流れをハブの流路近くに集中させ得るという点で、流れ損失の原因となる場合がある。

米国特許出願公開第２０１５／０２４０６６７号明細書

したがって、本出願およびその結果の特許は、ガスタービンエンジン用の排気ディフューザを提供する。排気ディフューザは、ハブと、ケーシングと、ハブとケーシングとの間を延在するストラットとを含むことができる。ハブは、ストラット近くで傾斜した構造と、傾斜した構造の下流で実質的に平坦な構造とを含むことができる。

本出願およびその結果の特許はさらに、ガスタービンエンジン用の排気ディフューザを提供する。排気ディフューザは、ハブと、ケーシングと、ハブとケーシングとの間を延在するストラットと、入口とを含むことができる。ハブは、ストラットの入口の下流に延在する傾斜した構造と、傾斜した構造の下流で実質的に平坦な構造とを含むことができる。

本出願およびその結果の特許はさらに、ガスタービンエンジン用の排気ディフューザを提供する。排気ディフューザは、ハブと、ケーシングと、ハブとケーシングとの間を延在するストラットと、入口とを含むことができる。ハブは、ストラット近くまで入口の下流に延在する傾斜した構造と、傾斜した構造の下流で実質的に平坦な構造を含むことができる。

本出願およびその結果の特許のこれらのおよび他の特徴および改良は、いくつかの図面および添付の特許請求の範囲と併せて以下の詳細な説明を検討すると、当業者には明らかになるであろう。

圧縮機、燃焼器、タービン、ディフューザ、および負荷を有するガスタービンエンジンの概略図である。 図１のガスタービンエンジンで使用することができる公知のディフューザの概略部分図である。 本明細書で説明することができるような排気ディフューザの概略部分図である。 本明細書で説明することができるような排気ディフューザの代替の実施形態の概略部分図である。 本明細書で説明することができるような排気ディフューザの代替の実施形態の概略部分図である。 本明細書で説明することができるような排気ディフューザの代替の実施形態の概略部分図である。

次に、いくつかの図全体にわたって類似の数字が類似の要素を指す図面を参照すると、図１は、本発明で使用することができるようなガスタービンエンジン１０の概略図を示す。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に送出する。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、その混合物を点火して燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５のみが示されているが、ガスタービンエンジン１０は、周方向の列など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、続いてタービン４０に送出される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して機械仕事を生じさせる。タービン４０で生じた機械仕事は、軸４５を介して圧縮機１５を駆動し、かつ発電機などの外部負荷５０を駆動する。

ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、様々なタイプの合成ガス、液体燃料、および／または他のタイプの燃料、ならびにこれらの混合物を使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定するものではないが、Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ州ＳｃｈｅｎｅｃｔａｄｙのＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される７または９シリーズの重構造型ガスタービンエンジンなどを含むいくつかの様々なガスタービンエンジンのうちのいずれか１つとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、様々な構成を有することができ、他のタイプの構成部品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発明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、および他のタイプの発電装置もまた本発明でともに使用することができる。

図１および２に示すように、ガスタービンエンジン１０はまた、排気ディフューザ５５を含むことができる。排気ディフューザ５５は、タービン４０の下流でタービン４０と連通して配置することができる。上記のように、排気ディフューザ５５は、ハブ６５に取り付けられ外側ケーシング７０で囲まれたいくつかのストラット６０を含むことができる。スラット６０は、ハブ６５とケーシング７０とを互いに固定した関係で保持する働きをする。排気ディフューザ５５は、燃焼ガス３５の流れを半径方向に転向させることができる。排気ディフューザ５５の上流セクション７５は、タービン４０の最終段動翼８０に隣接して配置することができる。上流セクション７５近くのケーシング７０は傾斜したケーシング構造８５を有することができ、一方、上流セクション７５近くのハブ６５は実質的に平坦なハブ構造を有することができる。実質的に平坦なハブ構造９０は軸４５の方向とほとんど平行にすることができ、かつ軸４５を通る半径方向ライン９５とほとんど垂直にすることができる。他の構造および他の構成部品を使用することができる。

図３は、本明細書で説明することができるような排気ディフューザ１００の一部分を示す。具体的には、排気ディフューザ１００の上流セクション１１０が示されている。上流セクション１１０は、タービン４０の最終段動翼８０近くに配置された入口１２０を有することができる。排気ディフューザ１００は、ハブ１４０に取り付けられ外側ケーシング１５０で囲まれたいくつかのストラット１３０を含むことができる。本発明では、任意の数のストラット１３０を使用することができる。この例では、ストラット１３０は入口１２０により近い前方配置１６０とすることができる。言い換えれば、ストラット１３０は、上記の典型的な構造よりも、第１のセクション１１０の入口１２０および最終段動翼８０の近くに配置することができるが、ストラット１３０を前方に移動することは一般には乱流および流れ損失の原因となると考えられている。

外側ケーシング１５０は、上記と同様に、傾斜したケーシング構造１７０を有することができる。この例では、上流セクション１１０近くのハブ１４０は、傾斜したハブ構造１８０を含むことができる。傾斜したハブ構造１８０は、上流セクション１１０の入口１２０近くからストラット１３０近くまで下方に傾斜させることができる。本発明では、その区間は変えることができる。傾斜したハブ構造１８０はハブ角度１９０を含むことができる。具体的には、ハブ角度１９０は、半径方向ライン９５に実質的に垂直であるハブライン２００から下方に延びることができる。ハブ角度１９０は、約６度（６°）以下で延びることができるが、本発明では、その角度は変えることができる。次いで、ハブ１４０は、傾斜したハブ構造１８０およびストラット１３０の下流でハブライン２００に沿って実質的に平坦なハブ構造２１０で続くことができる。本発明では、他の構成部品および他の構造を使用することができる。

ハブ角度１９０を付けると、ハブでの強い流れプロファイルに対して排気ディフューザ１００を最適化してディフューザの全体性能を向上させることができる。さらに、ハブ角度１９０によって、上記の乱流および流れ損失を増大させることなく、ストラット１３０を前方に移動することもできる。ハブ１４０近くでタービンの拡がり角度を大きくすることもできる。対照的に、ハブ角度１９０の代わりにケーシング１５０の角度を増大させると、シッピング限界を増大させてディフューザが過度に流れの剥離を受けやすくなる場合がある。したがって、ハブ角度１９０を付けると、部分負荷などでの性能を向上させながら全速全負荷状態での全体性能を維持することができる。

図４は、本明細書で説明することができるような排気ディフューザ２２０の代替の実施形態の例を示す。この例では、ハブ１４０は、第１の平坦な区間２３０の形の実質的に平坦なハブ構造２１０を有することができる。第１の平坦な区間２３０は、ハブライン２００に沿って上流セクション１１０の入口１２０近くから延在することができる。本発明では、その区間は変えることができる。次いで、ハブ１４０は、傾斜したハブ区間２４０の形の傾斜したハブ構造１８０を有することができる。傾斜したハブ区間２４０は、ストラット１３０上流の第１の平坦な区間２３０からストラット１３０の区間に沿った地点まで延在することができる。本発明では、その区間は変えることができる。傾斜したハブ区間２４０は、ハブ角度１９０を有することができる。ハブ角度１９０は、上記のハブ角度と同じ、または同様とすることができる。次いで、ハブ１４０は、第２の平坦な区間２５０の形の実質的に平坦なハブ構造２１０に続くことができる。第２の平坦な区間２５０は、ハブライン２００に沿って下流に続くことができる。本発明では、他の構成部品および他の構造を使用することができる。

図５は、本明細書で説明することができるような排気ディフューザ２６０のさらなる実施形態を示す。この例では、ハブ１４０は、第１の傾斜したハブ区間２７０の形の傾斜したハブ構造１８０を有することができる。第１の傾斜したハブ区間２７０は、入口１２０近くからストラット１３０の上流の地点まで延在することができる。本発明では、その区間は変えることができる。第１の傾斜したハブ区間２７０は、第１のハブ角度２８０を有することができる。第１のハブ角度２８０は、変えることができる。次いで、ハブ１４０は、第２の傾斜したハブ区間２９０を有することができる。第２の傾斜したハブ区間２９０は、ストラット１３０の上流の第１の傾斜したハブ区間２７０から、ストラット１３０の区間に沿った地点まで延在することができる。本発明では、その区間は変えることができる。第２の傾斜したハブ区間２９０は、第２のハブ角度３００を有することができる。第２のハブ角度３００は、変えることができる。次いで、ハブ１４０は、第２の傾斜したハブ区間２９０から、その下流のハブライン２００に沿って延在するハブの平坦な区間３１０の形の実質的に平坦なハブ構造２１０に続くことができる。本発明では、他の構成部品および他の構造を使用することができる。

図６は、本明細書で説明することができるような排気ディフューザ３２０の代替の実施形態の例を示す。図３のハブ１４０と同様な態様で、上流セクション１１０近くのハブ１４０は、傾斜したハブ構造１８０を含むことができる。傾斜したハブ構造１８０は、上流セクション１１０の入口１２０近くからストラットに沿う位置まで下方に傾斜させることができる。本発明では、その区間は変えることができる。傾斜したハブ構造１８０はハブ角度１９０を含むことができる。具体的には、ハブ角度１９０は、半径方向ライン９５に実質的に垂直であるハブライン２００から下方に延びることができる。ハブ角度１９０は、約６度（６°）以下で延びることができるが、本発明では、その角度は変えることができる。次いで、ハブ１４０は、ハブライン２００に沿って、傾斜したハブ構造１８０の下流の実質的に平坦なハブ構造２１０に続くことができる。本発明では、他の構成部品および他の構造を使用することができる。

半径方向ライン９５にほとんど平行で、ハブライン２００にほとんど垂直である前縁３３０を有する上記のストラット１３０の代わりに、この例のストラット３４０は、前傾角３５０を有する前縁３３０を有することができる。具体的には、前縁３３０は、実質的に直線に沿って、ケーシング１５０近くと比べてハブ１４０近くで最終段動翼８０により近くすることができる。本発明では、様々な角度を使用することができる。ストラット３４０はまた、同じ、または同様の前傾角３５０を有する後縁３６０を有することができる。この代わりに、後縁３６０は、ハブライン２００にほとんど垂直にすることができる、または任意の適切な構造とすることができる。本発明では、他の構成部品および他の構造を使用することができる。

前傾角３５０を有するストラット３４０は、本明細書で説明した排気ディフューザの例などすべてで使用することができる。前傾角３５０を用いると、前方配置１６０と同様、ストラットへの抵抗が減ることによってストラットによって引き起こされるブロッケージおよび流れ損失が低減される。

本明細書で説明した様々な傾斜したハブ構造、およびストラット構造などは例示することのみが目的である。本発明では、これらの様々な構造および組合せを使用することができる。

前述の記載は、本出願およびその結果の特許の特定の実施形態のみに関するものであることは明らかである。当業者は、以下の特許請求の範囲およびその均等物によって規定される本発明の全体的な精神および範囲から逸脱することなく本発明で多くの変更および修正を行うことができる。

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 軸
５０ 負荷
５５ 排気ディフューザ
６０ ストラット
６５ ハブ
７０ ケーシング
７５ 上流セクション
８０ 最終段動翼
８５ 傾斜したケーシング構造
９０ 平坦なハブ構造
９５ 半径方向ライン
１００ 排気ディフューザ
１１０ 上流セクション
１２０ 入口
１３０ ストラット
１４０ ハブ
１５０ ケーシング
１６０ 前方配置
１７０ 傾斜したケーシング構造
１８０ 傾斜したハブ構造
１９０ ハブ角度
２００ ハブライン
２１０ 平坦なハブ構造
２２０ 排気ディフューザ
２３０ 第１の平坦な区間
２４０ 傾斜したハブ区間
２５０ 第２の平坦な区間
２６０ 排気ディフューザ
２７０ 第１の傾斜したハブ区間
２８０ 第１のハブ角度
２９０ 第２の傾斜したハブ区間
３００ 第２のハブ角度
３１０ ハブの平坦な区間
３２０ 排気ディフューザ
３３０ 前縁
３４０ ストラット
３５０ 前傾角
３６０ 後縁

Claims (14)

1. ハブ（１４０）と、
   ケーシング（１５０）と、
   前記ハブ（１４０）と前記ケーシング（１５０）との間を延在するストラット（１３０）と
   を備えるガスタービンエンジン（１０）用の排気ディフューザ（１００）であって、
   前記ハブ（１４０）が、前記ストラット（１３０）近くで傾斜した構造（１８０）と、前記傾斜した構造（１８０）の下流で実質的に平坦な構造（２１０）とを含む、排気ディフューザ（１００）。
2. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、前記排気ディフューザ（１００）の上流セクション（１１０）近くに配置される、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
3. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、前記排気ディフューザ（１００）の入口（１２０）近くに配置される、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
4. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、前記入口（１２０）近くで始まって前記ストラット（１３０）まで延在する、請求項３記載の排気ディフューザ（１００）。
5. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、前記入口（１２０）の下流で始まって前記ストラット（１３０）内に延在する、請求項３記載の排気ディフューザ（１００）。
6. 前記ハブ（１４０）の前記実質的に平坦な構造（２１０）が、第１の平坦なハブ区間（２３０）において前記入口（１２０）の下流で始まり、第２の平坦なハブ区間（２５０）において前記ストラット（１３０）の下流に延在する、請求項３記載の排気ディフューザ（１００）。
7. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、前記第１の平坦なハブ区間（２３０）と前記第２の平坦なハブ区間（２５０）との間を延在する、請求項６記載の排気ディフューザ（１００）。
8. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、第１のハブ角度（２８０）を有する第１の傾斜したハブ区間（２７０）を含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
9. 前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）が、第２のハブ角度（３００）を有する第２の傾斜したハブ区間（２９０）を含む、請求項８記載の排気ディフューザ（１００）。
10. 前記ストラット（１３０）が、前記ハブ（１４０）の前記実質的に平坦な構造（２１０）を含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
11. 前記ストラット（１３０）が、部分的に前記ハブ（１４０）の前記傾斜した構造（１８０）と、部分的に前記ハブ（１４０）の前記実質的に平坦な構造（２１０）とを含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
12. 前記ストラット（１３０）が前方配置（１６０）を含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
13. 前記ストラット（１３０）の前縁（３３０）が前傾角度（３５０）を含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。
14. 前記ケーシング（１５０）が傾斜したケーシング構造（１７０）を含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１００）。