JP2020504267A - ガスタービンエンジン用の排気システム - Google Patents

Abstract

ガスタービンエンジンは、複数の山形部（２３ａ）を用いてボリュート出口（１９）の周を形成する、排気システム（１２）を有している。山形部（２３ａ）の使用は、排気流体流(２７)が排気システムの排気筒（１８）内へ流動するときに、排気流体流（２７）の混合を支援する。排気流体流（２７）の混合は、排気流体流（２７）の温度の低下および通気流体流（２２）の利用を支援する。

Description

開示する各実施形態は全般に陸上ガスタービンエンジンに関し、より詳細には陸上ガスタービンエンジンにおいて使用される排気システムに関する。

関連技術の説明
ガスタービンエンジンは、典型的には圧縮機区間と、複数の燃焼器を有する燃焼区間と、タービン区間とを有している。周囲空気が圧縮機区間において圧縮され、燃焼区間の燃焼器に運ばれる。燃焼器は、圧縮された空気と燃料とを混合しかつ混合物を燃焼させ、混合物は、燃焼生成物を生ぜしめる。燃焼生成物は、乱流式に高速で流動する。

燃焼生成物は、遷移ダクトを介してタービン区間へ送られる。タービン区間内には複数の列の羽根アセンブリが存在している。回転する羽根アセンブリは、タービンロータに結合されている。燃焼生成物はタービン区間を通って広がるため、燃焼生成物は羽根アセンブリとタービンロータとを回転させる。タービンロータは発電機に連結されていてよく、電気を発生させるために用いられてよい。この活動の結果として、排気生成物が生ぜしめられる。

ガスタービンエンジンの運転中は、ガスタービンエンジンの排気生成物を管理することが重要である。

概要
簡潔に説明すると、本開示の態様は、陸上ガスタービンエンジン内の排気システムに関する。ただし、本明細書で説明する構想は、船舶用ガスタービンエンジンにも適用可能である。

本開示の１つの態様は、タービン区間、タービン区間に接続された排気システムを有するガスタービンエンジンであって、排気システムは、排気流体流を受け入れるボリュートを有しており、排気流体流は、ボリュート通路を通り、ボリュート遷移ダクトへ流動するようになっており、ボリュート遷移ダクトは、ボリュート出口を形成する周を有しており、周は、複数の山形部から形成されており、さらに、ボリュート遷移ダクトを包囲している排気筒を有しており、ボリュート出口から流出する排気流体流は、排気流体流が排気筒を通流するときに通気流体流と混合され、これにより混合流体流が形成されるようになっているガスタービンエンジンを含む、ガスタービンエンジンであってよい。

本開示の別の態様は、ガスタービンエンジンの排気システムであって、排気流体流を受け入れるボリュート、および排気筒を有しており、排気流体流は、ボリュート通路を通り、ボリュート遷移ダクトへ流動するようになっており、ボリュート遷移ダクトは、ボリュート出口を形成する周を有しており、周は、複数の山形部から形成されており、排気筒は、ボリュート遷移ダクトを包囲しており、ボリュート出口から流出する排気流体流は、排気流体流が排気筒を通流するときに通気流体流と混合され、これにより混合流体流が形成されるようになっている、ガスタービンエンジンの排気システムであってよい。

本開示のさらに別の態様は、ガスタービンエンジン用のボリュートであって、ガスタービンエンジンのタービン区間から排気流体流を受け入れるボリュート通路、および円形のボリュート出口を形成する周を備えた遷移ダクトを有しており、排気流体流は、ボリュート通路から遷移ダクトを通過するようになっており、周は、複数の山形部から形成されている、ガスタービンエンジン用のボリュートであってよい。

ガスタービンエンジンの一部を断面して示す横断面図である。 ガスタービンエンジンにおいて使用される排気システムを示す図である。 排気システムを概略的に示す図である。 排気システムの１つの択一的な実施形態を示す図である。 排気システムの１つの択一的な実施形態を示す図である。

詳細な説明
本開示の実施形態、原理および特徴の理解を容易にするために、これらを以下、例示的な実施形態の実施を参照して説明する。ただし本開示の実施形態は、説明するシステムまたは方法における使用に限定されるものではない。

様々な実施形態を構成するものとして以下に説明するコンポーネントおよび材料は、例示的なものであって限定的なものではないと解釈される。本明細書で説明する材料と同じまたは類似の機能を有する多くの適当なコンポーネントおよび材料は、本開示の実施形態の範囲内に含まれると解釈される。

陸上ガスタービンエンジンの排気システムに関して、発明者は、従来のボリュートを基本とした排気システムは、ボリュート出口において高速で回転する複数の渦流を有する、ということを理解している。これらの渦流は、ガスタービンエンジン内で通気流と相互に作用する。これらの流れの相互作用の結果、速度および温度にひずみが生じ、このことはさらに、下流側のシステムの効率的な運転のための調整を必要とする。また発明者は、ガスタービンエンジンが排ガス中へ連行する通気流の増大を必要としているため、混合流は通気ファン無しで放出され得るが、このことは概して十分ではない、ということも理解している。

図１には、ガスタービンエンジン１０の一部を断面した横断面図が示されている。この横断面図は、タービン区間１１が排気システム１２に接続されているところを示している。ガスタービンエンジン１０の運転中、流体流は長手方向軸線Ａに従ってタービン区間１１から下流側に向かって排気システム１２へ流動する。流体流が排気システム１２内へ流動すると直ちに、流体流はガスタービンエンジン１０の前記軸線から離れ、最終的に半径方向Ｒ１に流動する。ここで使用するような「上流側」および「下流側」は、流体流がガスタービンエンジン１０を通流するときの流体の流れを指すために用いられ、ガスタービンエンジン１０において流体流は、上流側からガスタービンエンジン１０を通って下流側に向かって流動する。「流体流」は、空気および／または燃料の流れを指す。

図２および図３を参照すると、排気システム１２が示されている。排気システム１２は、排気入口１４から排気流体流２７を受け入れるボリュート１５を有している。排気流体流２７は、タービン区間１１から流れてくる。排気流体流２７が排気入口１４に流入すると直ちに、排気流体流２７はボリュート通路２１を通り、ボリュート遷移ダクト１６に向かって流動する。ボリュート通路２１を通る排気流体流２７の流動には、排気流体流２７がボリュート遷移ダクト１６に向かって外側に流動するときの周方向成分および半径方向成分が含まれていてよい。ボリュート通路を通るこのタイプの流動は、ボリュート遷移ダクト１６を通り上昇して流動するときに渦を生ぜしめる。

排気流体流２７が半径方向外側に向かって流動すると、排気流体流２７は、山形部２３ａの周２０により形成されたボリュート出口１９に向かって流動する。次いで排気流体流２７は、ボリュート遷移ダクト１６を包囲している排気筒１８内へ流入する。

ボリュート１５は、ガスタービンエンジン１０を覆うハウジング１３により包囲されていてもよい。通気流体流２２は、ハウジング１３内でガスタービンエンジン１０に沿って流動する。ハウジング１３が排気筒１８に接続されているところでは、通気流体流２２はボリュート１５およびボリュート遷移ダクト１６の外側に沿って流動してよい。通気流体流２２は、典型的には排気流体流２７よりも低い温度である。通気流体流２２と排気流体流２７とが混合されると、混合流体流は、より低い全体温度を有することになる。

ボリュート遷移ダクト１６は、複数の山形部２３ａから形成された周２０を有している。図３に示す、周２０を形成している山形部２３ａは、平坦な頂点を備えた三角形である。各山形部２３ａは、図３に示した他の山形部２３ａと同じ方向に延在している。図３では、各山形部２３ａが延在している方向は、ガスタービンエンジン１０の長手方向軸線Ａに対して半径方向外側方向Ｒ１である。図２および図３に示した山形部２３ａが平坦な頂点を有している一方で、山形部２３ａは同様に通気流体流２２と排気流体流２７との所望の混合に応じて、丸み付けられた頂点を備えて形成されていてもよい。

ボリュート遷移ダクト１６は円錐形である。図２および図３に示したボリュート出口１９を形成する周２０は、一般に円形を有している。円形のボリュート出口１９が図示されているが、矩形、楕円形または多角形等の別の形状が用いられてもよい、ということを理解されたい。追加的に、ボリュート遷移ダクト１６は円錐形であるように図示されているが、矩形等の別の形状がボリュート遷移ダクト１６用に採用されてもよい。図２および図３では、ボリュート遷移ダクト１６の半径は、ボリュート遷移ダクト１６が長手方向軸線Ａに対して半径方向外側方向Ｒ１に延びるにつれて増大している。ボリュート遷移ダクト１６が円錐形以外である状況では、ボリュート遷移ダクト１６の幅は、ガスタービンエンジン１０の長手方向軸線Ａから離れて半径方向外側に向かって延びるにつれて増大してよい、と理解されたい。

複数の山形部２３ａは、混合流体流２９を形成するために、排気流体流２７および通気流体流２２の混合量および連行量を増大させる。混合は、標準的なシステムにおいて生じるよりも早く、排気流体流２７の温度を低下させる。さらに、排気流体流２７および通気流体流２２の混合量および連行量の増大は、排気流体流２７が混合流体流２９と共に排気筒１８を通って流動することを容易にする。

混合流体流２９が排気除去を容易にするため、通気流体流２２を伴った排気流体流２７の温度の低下および流動量の増大は、排気システム１２における通気ファンの必要性を減じるまたはなくす。

さらに、漏れ検出器の使用は変更可能であるため、燃料漏れ検出器は、排気流体流２７の温度低下に基づき、ボリュート出口１９のより近くに移動され得る。これは、漏れ検出器の故障を招く恐れがある過剰な温度を回避するように、漏れ検出器を配置することが望ましいからである。漏れ検出器をボリュート出口１９のより近くに移動させることにより、ガスタービンエンジン１０内の漏れの存在に、より迅速に反応することができる。

排気流体流２７の温度を低下させることの別の利点は、ガスタービンエンジン１０のコンポーネントに影響を及ぼし得る熱応力が減少される、という点にある。このことは、ガスタービンエンジン１０の寿命を全体的に延ばすことができる。

追加的に、山形部２３ａの使用は、典型的には排気流体流２７の排気筒１８内への流動により生ぜしめられる、ノイズ特性スペクトルを変更することができる。

図４を参照すると、湾曲した山形部２３ｂを用いた、１つの択一的な実施形態が示されている。山形部２３ｂは、これらが周２０に対して正弦波パターンを形成しているという点において異なっている。正弦波パターンは、形成される渦の形状を変化させるために使用され得、渦もまた、より多くのまたはより少ない混合およびノイズ特性の変更をもたらすように調整され得る。形成された正弦波パターンは、排気流体流２７および通気流体流２２に対して異なるタイプの混合を提供する。いくつかの例では、周２０を形成するために、山形部２３ｂは山形部２３ａと交互に配置されていてよい。

図５を参照すると、山形部２３ｃを用いたさらに別の実施形態が示されている。図示の山形部２３ｃは、周２０により形成された円に対して半径方向内側Ｒ２に向かって延在するように方向付けられた一方の山形部２３ｃと、周２０により形成された円に対して半径方向外側Ｒ３に向かって延在するように方向付けられた他方の山形部２３ｃとが交互に配置されている。このように方向付けられた山形部２３ｃが設けられていることにより、排気流体流２７と通気流体流２２との全体的な混合が増大され得る。前後に交互に配置された山形部２３ｃが図示されている一方で、山形部２３ｃの別のパターンが用いられてもよく、例えば半径方向内側Ｒ２に向かって延在する２つの山形部２３ｃに次いで、半径方向外側Ｒ３に向かって延在する２つの山形部２３ｃが存在していてもよい、ということを理解されたい。さらに、山形部２３ｃはそれぞれ異なる角度で、半径方向内側Ｒ２と半径方向外側Ｒ３とに向かって延在していてよい。

排気システム１２に様々な山形部のパターンを用いることは、排気流体流２７と、ガスタービンエンジン１０のハウジング１３内の通気流体流２２とを混合して、混合流体流２９を形成するために採用され得る。各パターンは、異なる形式で混合に影響を及ぼすことができ、排気流体流２７の速度および温度に基づいて選択され得る。生じる混合によりもたらされる温度の利点に加えて、発生する騒音の低下を生ぜしめることもでき、これにより、ガスタービンエンジン１０の運転中に生じる構造的な摩耗および裂断が減少される。

本開示の実施形態を例示的に開示したが、当業者には、本発明の思想および範囲および以下の請求項の記載と均等なものから逸脱することなく多くの変更、追加および削除が行われてよい、ということが明らかであろう。

Claims (20)

1. ガスタービンエンジンであって、
   タービン区間（１０）、該タービン区間（１０）に接続された排気システム（１２）を有しており、
   前記排気システム（１２）は、
   排気流体流（２７）を受け入れるボリュート（１５）を有しており、前記排気流体流（２７）は、ボリュート通路（２１）を通り、ボリュート遷移ダクト（１６）へ流動するようになっており、
   前記ボリュート遷移ダクト（１６）は、ボリュート出口（１９）を形成する周（２０）を有しており、
   該周（２０）は、複数の山形部（２３ａ）から形成されており、
   さらに、前記ボリュート遷移ダクト（１６）を包囲している排気筒（１８）を有しており、前記ボリュート出口（１９）から流出する前記排気流体流（２７）は、該排気流体流（２７）が前記排気筒（１８）を通流するときに通気流体流（２２）と混合され、これにより混合流体流（２９）が形成されるようになっている、ガスタービンエンジン。
2. 前記複数の山形部（２３ｃ）の、隣り合う山形部（２３ｃ）は、当該ガスタービンエンジンの長手方向軸線に対して互い違いの方向に延在している、請求項１記載のガスタービンエンジン。
3. 前記ボリュート出口（１９）は円形であり、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、半径方向内側に向かう方向に延在しており、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つは、半径方向外側に向かう方向に延在している、請求項１または２記載のガスタービンエンジン。
4. 前記山形部（２３ａ）はそれぞれ、当該ガスタービンエンジンの軸線に対して同じ方向に延在している、請求項１記載のガスタービンエンジン。
5. 前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、当該ガスタービンエンジンの軸線に対して、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つとは異なる方向に延在している、請求項１記載のガスタービンエンジン。
6. 前記ボリュート出口（１９）は円形であり、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つとは異なる半径方向に延在している、請求項１記載のガスタービンエンジン。
7. 前記複数の山形部（２３ｂ）は、正弦波パターンを有している、請求項１記載のガスタービンエンジン。
8. 前記複数の山形部（２３ｂ）はそれぞれ、丸み付けられた頂点を備えた三角形を形成している、請求項１から７までのいずれか１項記載のガスタービンエンジン。
9. ガスタービンエンジンの排気システムであって、
   排気流体流（２７）を受け入れるボリュート（１５）、および排気筒（１８）を有しており、
   前記排気流体流（２７）は、ボリュート通路（２１）を通り、ボリュート遷移ダクト（１６）へ流動するようになっており、前記ボリュート遷移ダクト（１６）は、ボリュート出口（１９）を形成する周（２０）を有しており、該周（２０）は、複数の山形部（２３ａ）から形成されており、
   前記排気筒（１８）は、前記ボリュート遷移ダクト（１６）を包囲しており、前記ボリュート出口（１９）から流出する前記排気流体流（２７）は、該排気流体流（２７）が前記排気筒（１８）を通流するときに通気流体流（２２）と混合され、これにより混合流体流（２９）が形成されるようになっている、ガスタービンエンジンの排気システム。
10. 前記複数の山形部（２３ｃ）の、隣り合う山形部（２３ｃ）は、前記ガスタービンエンジンの長手方向軸線に対して互い違いの方向に延在している、請求項９記載の排気システム。
11. 前記ボリュート出口（１９）は円形であり、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、半径方向内側に向かう方向に延在しており、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つは、半径方向外側に向かう方向に延在している、請求項９または１０記載の排気システム。
12. 前記山形部（２３ａ）はそれぞれ、前記ガスタービンエンジンの軸線に対して同じ方向に延在している、請求項９記載の排気システム。
13. 前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、前記ガスタービンエンジンの軸線に対して、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つとは異なる方向に延在している、請求項９記載の排気システム。
14. 前記ボリュート出口（１９）は円形であり、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つとは異なる半径方向に延在している、請求項９記載の排気システム。
15. 前記複数の山形部（２３ｂ）は、正弦波パターンを有している、請求項９記載の排気システム。
16. 前記複数の山形部（２３ｂ）はそれぞれ、丸み付けられた頂点を備えた三角形を形成している、請求項９から１５までのいずれか１項記載の排気システム。
17. ガスタービンエンジン用のボリュートであって、
    前記ガスタービンエンジンのタービン区間（１０）から排気流体流（２７）を受け入れるボリュート通路（２１）、および
    円形のボリュート出口（１９）を形成する周を備えた遷移ダクト（１６）を有しており、 前記排気流体流（２７）は、前記ボリュート通路（２１）から前記遷移ダクト（１６）を通過するようになっており、前記周（２０）は、複数の山形部（２３ａ）から形成されている、ガスタービンエンジン用のボリュート。
18. 前記複数の山形部の、隣り合う山形部（２３ｃ）は、前記周に対して互い違いの方向に延在している、請求項１７記載のボリュート。
19. 前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの１つは、半径方向内側に向かう方向に延在しており、前記複数の山形部（２３ｃ）のうちの別の１つは、半径方向外側に向かう方向に延在している、請求項１７記載のボリュート。
20. 前記山形部（２３ａ）はそれぞれ、前記周（２０）に対して同じ方向に延在している、請求項１７記載のボリュート。

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