JP2018178986A - 可変型ガイドベーンを有する排気ディフューザー、及びこれを含むガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】可変型ガイドベーンを備え、性能が向上した排気ディフューザー、及びこれを含むガスタービンを提供する。
【解決手段】本発明の実施形態に係る排気ディフューザーは、ガスタービンの出口に装着されて排気ガスを外部へ噴射するよう、中空円筒状構造の内部ディフューザーガイドと、外部ディフューザーガイドと、を備える排気ディフューザーであって、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に装着され、内部ディフューザーガイドと外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する構造で支持ストラットに回転可能に装着されるベーン（Ｖａｎｅ）と、を備える排気ディフューザー、及びこれを含むガスタービンを提供することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、可変型ガイドベーンを有する排気ディフューザー及びこれを含むガスタービンに係り、より詳しくは、性能が向上した可変型ガイドベーンを有する排気ディフューザー、及びこれを含むガスタービンに関する。

一般に、ガスタービンは、圧縮機、燃焼器及びタービンから構成されている。
図１は、従来技術に係るガスタービンを示す構成図である。
図１に示すように、空気導入口を介して吸入された空気が、圧縮機で圧縮されることにより、高温、高圧の圧縮空気となり、この圧縮空気に対して燃焼器で燃料を供給して燃焼させることにより、高温・高圧の燃焼ガス（作動流体）を生成させ、この燃焼ガスによってタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。

ガスタービンエンジンの作動中における主要な空気力学的課題の一つは、タービンの最終ステージを抜け出す高運動量の燃焼ガスを、効率よく放出することである。
水平排気構成を利用することが空気力学的に有益であることは従来から知られているが、そのような軸流排気（ａｘｉａｌ ｅｘｈａｕｓｔ）は、全体的なフットプリント（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）に対する影響により実現不可能であるおそれがある。

そのような理由から、実務的には、軸流タービンからの燃焼ガス流れを半径方向に方向転換する垂直及び側面装着排気スタック（ｅｘｈａｕｓｔ ｓｔａｃｋ）を利用することが標準的である。
具体的には、半径流ディフューザーが、燃焼ガス流れを半径方向に案内するように利用できる。

図２は、従来技術に係る排気ディフューザーを示す模式図である。
図２に示すように、半径流ディフューザー１００は、一般に内部ディフューザーガイド１５０上に装着され且つ外部ディフューザーガイド１３０によって囲まれた多数のストラット（ｓｔｒｕｔ）１４０を含む。
半径流ディフューザー１００は、タービンの最終ステージを抜け出す燃焼ガス流れの運動エネルギーを、増加した静圧（ｓｔａｔｉｃ ｐｒｅｓｓｕｒｅ）形態のポテンシャルエネルギーに転換する。全体静圧回数の増加は、ガスタービンエンジンの全体的な性能及び効率を増加させる傾向がある。

従って、ガスタービンエンジンに利用する、改善されたディフューザー構造及び改善された排気システムに対する要求が存在する。このような要求に応えて、ディフューザー流入流動の境界層制御によって流動剥離現象を除去する技術が多数開発された。

しかしながら、従来技術では、内部ディフューザーガイドと支持ストラットとの間で発生する流動剥離を解決することができないので、流動剥離により圧力損失が発生し、結果として全体的な燃焼器の性能低下を誘発する。
従って、上述した従来技術による問題点を解決することができる排気ディフューザーに関する技術が求められている。

韓国公開特許第１０−２０１５−０１２３９５０号

本発明の目的は、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御して、ディフューザーの性能を向上させることができる排気ディフューザー、及びこれを含むガスタービンを提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の一実施態様による排気ディフューザーは、中空円筒状構造の内部ディフューザーガイド及び外部ディフューザーガイドを備え、ガスタービンの出口に装着されて排気ガスを外部へ噴射する排気ディフューザーであって、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に装着され、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する構造で前記支持ストラットに回転可能に装着されるベーン（Ｖａｎｅ）と、を含んでなることを特徴とする。

本発明の一実施形態において、前記ベーンは、内部ディフューザーガイドを囲繞する環状型の構造をなすことができる。
本発明の一実施形態において、前記支持ストラットは、内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着され、前記ベーンは、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、前記ベーンは、内部ディフューザーガイドの外周面に対応する構造であり得る。

また、前記ベーンは、隣接するベーンに連続する形で装着され、連続された複数のベーンが環状の構造をなすことができる。
本発明の一実施形態において、前記ベーンは、支持ストラットに２つ以上が所定の距離だけ離隔して装着できる。

本発明の一実施形態において、前記ベーンは、支持ストラットにヒンジ構造によって装着され、前記支持ストラットの内部には、ベーンのヒンジ構造とリンク構造によって移動する駆動部が装着できる。

本発明の一実施形態において、前記ベーンは、断面が流線型又はエアフォイル型であり得る。
また、前記支持ストラットは、断面が流線型又はエアフォイル型であり得る。

本発明の一実施形態において、前記ベーンの外周面には、少なくとも一つのガイド突起部が、排気ガスの流動方向と平行な方向に延長されて突設され得る。
また、前記ガイド突起部は、断面がベーンの外周面と連続する流線型をなすことができる。

本発明の他の態様による排気ディフューザーは、中空円筒状構造の内部ディフューザーガイド及び外部ディフューザーガイドを備え、ガスタービンの出口に装着されて排気ガスを外部へ噴射する排気ディフューザーであって、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に配置され、内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着され、内部ディフューザーガイドと外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する環状型の構造をなし、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、支持ストラットに回転可能に装着されるベーンと、を含んでなることができる。

本発明の一実施形態において、前記ベーンは、支持ストラットにヒンジ構造によって装着され、前記支持ストラットの内部には、ベーンのヒンジ構造とリンク構造によって移動される駆動部が装着される。
また、前記ベーン及び支持ストラットは、断面が流線型又はエアフォイル型であり得る。

本発明は、また、前記排気ディフューザーを含むガスタービンを提供することができるが、本発明の一態様によるガスタービンは、中空円筒状構造の内部ディフューザーガイド及び外部ディフューザーガイドとを備える排気ディフューザーを含むガスタービンであって、前記排気ディフューザーは、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に装着され、内部ディフューザーガイドと外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する構造で支持ストラットに回転可能に装着されるベーンと、を含んでなることができる。

本発明の一実施形態において、前記支持ストラットは、内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着され、前記ベーンは、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、前記ベーンは、内部ディフューザーガイドの外周面に対応する構造であり得る。
また、前記ベーンは、隣接するベーンに連続する形で装着され、連続された複数のベーンが連続された複数のベーンが環状の形状をなすことができる。

上述したように、本発明の排気ディフューザーによれば、特定の構造の支持ストラット及び回転可能なベーンを備えることにより、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御して、内部ディフューザーガイドの外周面から発生する流動剥離を効果的に除去することができるため、結果的に、ディフューザーの性能を向上させることができる排気ディフューザー、及びこれを含むガスタービンを提供することができる。

また、本発明の排気ディフューザーは、内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着される支持ストラットを含み、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、連結された複数のベーンが環状の形状をなすベーンを備えることにより、運転領域で発生する半径方向の入口流動場を容易に制御することができるため、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御してディフューザーの性能を向上させることができる。

また、本発明の排気ディフューザーは、断面が流線型又はエアフォイル型をなすベーン及び支持ストラットを備えることにより、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを容易に制御することができる。

また、本発明の排気ディフューザーは、ベーンの外周面にガイド突起部を突設することにより、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを効果的に制御することができる。

従来技術に係るガスタービンを示す構成図である。 従来技術に係る排気ディフューザーを示す模式図である。 本発明の一実施形態に係る排気ディフューザーを示す斜視図である。 本発明の一実施形態に係る排気ディフューザーを示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る支持ストラット、ベーン、及び駆動部を示す部分拡大図である。 本発明の他の実施形態に係るベーン及びガイド突起部を示す斜視図である。 図６に示されたベーン及びガイド突起部を示す断面図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。これに先立ち、本明細書及び特許請求の範囲で使用される用語や単語は通常的かつ辞典的な意味に限定して解釈されてはならず、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきである。

本明細書全体において、ある部材が他の部材「上」に位置しているとするとき、これはある部材が他の部材に接している場合だけでなく、両部材の間に別の部材が存在する場合も含む。本明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは特に反対される記載がない限り、別の構成要素を除外するのではなく、別の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図３は本発明の一実施形態に係る排気ディフューザーを示す斜視図であり、図４は本発明の一実施形態に係る排気ディフューザーを示す断面図である。
図３及び図４に示すように、本実施形態に係る排気ディフューザー１００は、中空円筒状の内部ディフューザーガイド１０１及び外部ディフューザーガイド１０２を備える排気ディフューザー１００であって、特定の構造の支持ストラット１１０及び回転可能な構造のベーン１２０を含む構成である。

本発明によれば、特定の構造の支持ストラット１１０及び回転可能なベーン１２０を備えることにより、排気ディフューザー１００に引き込まれた排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御することにより、内部ディフューザーガイド１０１の外周面で発生する流動剥離を効果的に除去することができ、その結果として、ディフューザーの性能を向上させることができる可変型ガイドベーン、及びこれを含むガスタービンを提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本実施形態に係る排気ディフューザー１００を構成する各構成について詳細に説明する。
図３及び図４に示すように、本発明の一実施形態に係る支持ストラット１１０は、内部ディフューザーガイド１０１と外部ディフューザーガイド１０２との間に装着され、内部ディフューザーガイド１０１と外部ディフューザーガイド１０２とを所定の距離だけ離隔させる構造である。

このとき、支持ストラット１１０は、排気ガスの円滑な流動を誘導することができるように、側断面が流線型構造又はエアフォイル構造であることが好ましい。
図３には特定の個数の支持ストラット１１０が装着されているが、排気ディフューザー１００の内部に流動する排気ガスの圧力降下数値を考慮して、図示とは異なる適切な個数に変更することができる。

本実施形態に係るベーン１２０は、内部ディフューザーガイド１０１の外周面を囲繞する構造であって、支持ストラット１１０に取り付け角が回転可能に装着される。図３に示すように、ベーン１２０は、所定の距離だけ離隔されて支持ストラット１１０に２つ以上装着されることが好ましい。

場合によっては、ベーン１２０は、内部ディフューザーガイド１０１を囲繞する環状型の構造をなすことができる。
また、ベーン１２０は、排気ディフューザー１００の内部に流動する排気ガスの圧力降下数値を考慮して、適切な個数及び位置に変更されることも好ましい。

本実施形態に係る支持ストラット１１０は、内部ディフューザーガイド１０１の外周面に一定の角度で離隔して３つ以上装着されることができる。このとき、ベーン１２０は、隣接する支持ストラット１１０を連結する形で装着され、内部ディフューザーガイド１０１の外周面に対応する構造であることが好ましい。
また、各ベーン１２０は、隣接するベーン１２０に連続する形で装着され、連続した複数のベーン１２０が、側面視で環状型の構造をなすことができる。

図５は本発明の一実施形態に係る支持ストラット、ベーン、及び駆動部を示す部分拡大図である。
図４、５に示すように、本実施形態に係るベーン１２０は、支持ストラット１１０にヒンジ構造１２１によって装着される。このとき、支持ストラット１１０の内部には、ベーン１２０のヒンジ構造１２１とリンク構造１１２によって連動される駆動部１１１が装着される。

図５に示したように、駆動部１１１の回転動作によってリンク構造１１２が移動され、これによりヒンジ構造１２１で装着されたベーン１２０が、回動される。即ち、ヒンジ構造１２１とリンク構造１１２とによってベーン１２０の、排気ガス流動方向に対する角度が変化される。

図６は、本発明の他の実施形態に係るベーン及びガイド突起部を示す斜視図であり、図７は、図６に示されたベーン及びガイド突起部を示す断面図である。
図３、６、７に示すように、本実施形態に係るベーン１２０の外周面には、排気ガスの流動方向と平行な方向に延長されてガイド突起部１２２が突設される。

具体的には、ガイド突起部１２２は、図７に示すように、断面視において、ベーン１２０の外周面と連続する構造の流線型構造をなす部材であることが好ましい。
ガイド突起部１２２は、ベーン１２０の表面を流れる排気ガスの流動方向と平行に配置されているので、排気ガスは、ガイド突起部１２２の左右に分岐して流れる。このように、排気ガスの流動がガイド突起部１２２によって分断されると、周辺の排気ガスの粘性による影響によって促進される流動剥離の発生を除去することが可能となる。よって、ガイド突起部１２２は、排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御する効果がある。

図６には、１つのベーン１２０に１つのガイド突起部１２２を備えた例が例が示されているが、１つのベーン１２０に複数のガイド突起部１２２を備えることも可能である。複数のガイド突起部１２２を突設する場合には、排気ガスのプロファイルを考慮して、ガイド突起部１２２相互の間隔を異ならせることもできる。

以上で説明したように、本発明によれば、排気ディフューザーが特定の構造の支持ストラット及び回転可能なベーンを備えることにより、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御して、内部ディフューザーガイドの外周面で発生する流動剥離を効果的に除去することができるため、結果的には、性能が向上した排気ディフューザー及びこれを含むガスタービンを提供することができる。

また、本発明によれば、内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔された３つ以上の支持ストラットを設け、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、側面視で環状型の構造をなすベーンを備えることにより、運転領域で発生する半径方向の入口流動場を容易に制御することができるため、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御して、ディフューザーの性能を向上させることができる。

また、本発明の排気ディフューザーは、断面視で流線型構造又はエアフォイル構造をなすベーン及び支持ストラットを備えることにより、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを容易に制御することができる。
また、本発明の排気ディフューザーは、ベーンの外周面にガイド突起部を突設することにより、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを容易に制御することができる。

また、本発明は、本発明に係る排気ディフューザー１００を含むガスタービンを提供することができるので、排気ディフューザーに引き込まれる排気ガスの入口速度場のプロファイルを制御してディフューザーの性能を向上させることができるため、結果として性能が向上したガスタービンを提供することができる。

以上、本発明の詳細な説明では、特別な実施形態についてのみ記述した。しかしながら、本発明は、詳細な説明で言及された特別な形態のみに限定されるものではないと理解されるべきであり、むしろ添付された特許請求の範囲によって定義される本発明の技術的思の範囲内にあるすべての変形物、均等物及び代替物を含むものと理解されるべきである。
即ち、本発明は、上述した特定の実施形態及び説明に限定されず、特許請求の範囲で請求する本発明の技術的思想を逸脱することなく、本発明の属する技術分野にける通常の知識を有する者であれば誰でも様々な変形実施が可能であり、それらの変形実施も本発明の権利範囲内に属する。

１００ 排気ディフューザー
１０１ 内部ディフューザーガイド
１０２ 外部ディフューザーガイド
１１０ 支持ストラット
１１１ 駆動部
１１２ リンク構造
１２０ ベーン
１２１ ヒンジ構造
１２２ ガイド突起部

Claims (18)

1. 中空円筒状構造の内部ディフューザーガイド及び外部ディフューザーガイドを備え、ガスタービンの出口に装着されて排気ガスを外部へ噴射する排気ディフューザーであって、
   前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に装着され、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、
   前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する構造で前記支持ストラットに回転可能に装着されるベーン（Ｖａｎｅ）と、
   を含んでなることを特徴とする排気ディフューザー。
2. 前記ベーンは、前記内部ディフューザーガイドを囲繞する環状の構造をなすことを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
3. 前記支持ストラットは、
   前記内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着され、
   前記ベーンは、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、
   前記ベーンは、前記内部ディフューザーガイドの外周面に対応する構造であることを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
4. 前記ベーンは、隣接するベーンに連続する形で装着され、連続された複数のベーンが環状の構造をなすことを特徴とする請求項３に記載の排気ディフューザー。
5. 前記ベーンは、前記支持ストラットに２つ以上が所定の距離だけ離隔されて装着されることを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
6. 前記ベーンは、前記支持ストラットにヒンジ構造によって装着され、
   前記支持ストラットの内部には、前記ベーンのヒンジ構造をリンク構造によって移動させる駆動部が装着されることを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
7. 前記ベーンは、断面が流線型又はエアフォイル型であることを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
8. 前記支持ストラットは、断面が流線型又はエアフォイル型であることを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
9. 前記ベーンの外周面には、少なくとも一つのガイド突起部が、排気ガスの流動方向と平行な方向に延長されて突設されていることを特徴とする請求項１に記載の排気ディフューザー。
10. 前記ガイド突起部は、断面が前記ベーンの外周面と連続する流線型であることを特徴とする請求項９に記載の排気ディフューザー。
11. 中空円筒状構造の内部ディフューザーガイド及び外部ディフューザーガイドを備え、ガスタービンの出口に装着されて排気ガスを外部へ噴射する排気ディフューザーであって、
    前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に配置され、前記内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着され、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、
    前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する環状型の構造をなし、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、前記支持ストラットに回転可能に装着されるベーンと、
    を含んでなることを特徴とする排気ディフューザー。
12. 前記ベーンは、前記支持ストラットにヒンジ構造によって装着され、
    前記支持ストラットの内部には、前記ベーンのヒンジ構造をリンク構造によって移動させる駆動部が装着されることを特徴とする請求項１１に記載の排気ディフューザー。
13. 前記ベーン及び前記支持ストラットは、断面が流線型又はエアフォイル型であることを特徴とする請求項１１に記載の排気ディフューザー。
14. 中空円筒状構造の内部ディフューザーガイド及び外部ディフューザーガイドを備える排気ディフューザーを含むガスタービンであって、
    前記排気ディフューザーは、
    前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとの間に装着され、前記内部ディフューザーガイドと前記外部ディフューザーガイドとを所定の距離だけ離隔させる支持ストラットと、
    前記内部ディフューザーガイドの外周面を囲繞する構造で前記支持ストラットに回転可能に装着されるベーンと、
    を含むことを特徴とするガスタービン。
15. 前記支持ストラットは、前記内部ディフューザーガイドの外周面に沿って一定の角度で離隔して３つ以上装着され、
    前記ベーンは、隣接する支持ストラットを連結する形で装着され、
    前記ベーンは、前記内部ディフューザーガイドの外周面に対応する構造であることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン。
16. 前記ベーンは、隣接するベーンに連続する形で装着され、連続された複数のベーンが環状の構造をなすことを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン。
17. 前記ベーンの外周面には、少なくとも一つのガイド突起部が排気ガスの流動方向と平行な方向に延長されて突設されていることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービン。
18. 前記ガイド突起部は、断面が前記ベーンの外周面に連続する構造の流線型をなすことを特徴とする請求項１７に記載のガスタービン。
    
    

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