JP5738355B2 - ガスタービンの排気セクション用のディフューザおよびこのようなディフューザを備えたガスタービン - Google Patents

Description

本発明はガスタービンに関する。本発明は、請求項１の前提部によるガスタービンの排気セクション用のディフューザに関する。本発明はさらに、このようなディフューザを備えたガスタービンに関する。

ガスタービン、特にコンバインドサイクル用途のためのガスタービンにおいて、排ガス温度は、排気ダクトの支持構造が排ガスと接触することをもはや許容されないほど高い。つまり、排気ダクトの支持構造は、断熱材によって保護されなければならず、この断熱材は、さらにライナセグメントによって被覆および保護されなければならない。この種の排気ダクトおよびディフューザは、たとえば米国特許第５１０４２８６号明細書、米国特許第５６６９８１２号明細書および米国特許第６８０７８０３号明細書に開示されている。

図１は、このようなガスタービンの排気セクションの基本的な構成を示す。ガスタービン１０から出てくる排ガスは、円錐形のディフューザ１１において膨張させられ、次いで、排気ダクト１２に入り、この排気ダクト１２は、排ガス流１８を、図示されていない煙突１９へ導く。ディフューザ１１は、機械軸線３４に関して同軸に配置された、内側円錐体１３および外側円錐体１４を有する。内側円錐体１３および外側円錐体１４の壁部と、排気ダクト１２とはそれぞれ、ライナ１５と、中間断熱材１６と、支持構造１７とを含む内部構造を有する。特定の構成に応じ、内側および外側の円錐体１３，１４は、円筒状であってもよい。

ライナの固定は、複数の問題により困難である：
・支持構造は低温で、ライナは高温であるため、異なる熱膨張が生じ、これは、フィクスチャもしくは固定手段によって安全に吸収されなければならない。
・フィクスチャが断熱材を横断し、これにより、熱的なブリッジ（伝達）を生じる。
・排気流に曝されるライナの側は、流れの妨害および乱流の発生を防止するためにできるだけ平坦でなければならず、ライナはどうにか取り付けられるので、これは達成するのが困難である。
・流れの中へ延びる長手方向リブは、高すぎない流速を備える幾つかの部分のためには許容できるが、ディフューザセクションにおいては許容できない。なぜならば、このセクションにおいては、依然として排ガス旋回が生じ、長手方向リブはディフューザ効率を低減するからである。したがって、１つの目的は、特にディフューザセクション内で、排気流側においてライナのなめらかな面を有することである。

図２は、典型的な従来の解決手段を示す。この解決手段では、壁部は、Ｕ字形異形材２４およびねじ山付ジョイント２５によって固定された、支持構造２１と、中間断熱材と、ライナ２３とを有する。Ｕ字形異形材２４およびねじ山付ジョイント２５は、不利なことに、排気流内へ延びている。

経験はさらに、溶接箇所によってねじ山付ボルトに固定されたナットが破損し、これにより、固定を危険性に曝すということを示している。

米国特許第５１０４２８６号明細書 米国特許第５６６９８１２号明細書 米国特許第６８０７８０３号明細書

本発明の課題は、従来技術の解決手段の欠点を回避し、かつ滑らかな内面を、特にガスタービンの移行条件中の異なる熱膨張の安全な相殺と組み合わせるディフューザを提供することである。

この課題およびその他の課題は請求項１によるディフューザにより達成される。

本発明によるディフューザは、機械軸線に沿って延びておりかつ排気流用のチャネルの境界を定めている少なくとも１つの円錐体を有し、前記少なくとも１つの円錐体は、軸方向に延びた複数の長手方向ライナセグメントを有しかつ排気流と接触する円錐形のライナを形成した内部構造を備えた壁部と、前記円錐形のライナに対して所定の距離に同軸に配置された支持構造と、前記円錐形のライナと前記支持構造との間のスペースを満たす断熱材と、を備える。

本発明によるディフューザは、前記ライナセグメントのそれぞれが１つの固定箇所において横方向（すなわち周方向および長手方向）で固定されており、各ライナセグメントは、前記固定箇所の外側の複数の分配された箇所において支持エレメントによって支持されており、前記支持エレメントは、前記円錐形のライナと前記支持構造との間のスペースに閉じ込められており、かつライナセグメントの横方向の熱膨張を許容することを特徴とする。

発明の１つの実施の形態によれば、ディフューザは、同軸に配置されておりかつそれぞれが、内側円錐体および外側円錐体であって、軸方向に延びた複数の長手方向のライナセグメントを有しかつ排気流と接触する円錐形のライナを形成する、内側円錐体および外側円錐体と、前記円錐形のライナに対して所定の距離に同軸に配置された支持構造と、前記円錐形のライナと前記支持構造との間のスペースを満たす断熱材とを有し、前記ライナセグメントのそれぞれは、１つの固定箇所において横方向で固定されており、各ライナセグメントは、前記固定箇所の外側において複数の分配された箇所において支持エレメントによって支持されており、前記支持エレメントは、前記円錐形のライナと前記支持構造との間のスペースに閉じ込められており、かつ前記ライナセグメントの横方向の熱的膨張を許容する。

発明の別の実施の形態によれば、支持エレメントはそれぞれ、ライナセグメントの背面に溶接されておりこれにより前記背面に対して平行に延びるスロット付き案内チャネルを形成した一対のＣ字形異形材と、基部においてそれぞれの支持構造に溶接されておりかつ前記スロット付き案内チャネルにおいて前記一対のＣ字形異形材と、その横棒部分において係合するＴ字形支持体と、を備える。

特に、前記Ｃ字形異形材は、周方向継目によってそれぞれのライナセグメントに溶接されている。たとえば隅肉継目であることができる溶接継目は、ライナからＣ字形異形材への良好な熱の流れにつながる。

発明の別の実施の形態によれば、それぞれのＴ字形支持体の基部は、熱がＴ字形支持体を通って支持構造へ搬送されるのを最小限にするために、楕円形の穴を有する。

発明の別の実施の形態によれば、Ｃ字形異形材の各対は、Ｃ字形異形材によって形成されたスロット付き案内チャネルが軸方向に延びるように配置されている。

発明の別の実施の形態によれば、前記ライナセグメントを前記固定箇所において横方向で固定するために、それぞれの固定箇所において、支持構造に結合された固定手段が設けられている。

特に、前記固定手段は、組立て中にライナセグメントに溶接されかつ半径方向管の一方の端部において固定されたリングと係合するガジオンピンを有し、前記菅は、他方の端部において支持構造に溶接されている。

発明の別の実施の形態によれば、円錐体の互いに隣接するライナセグメントは、重なり合いストリップを伴って互いに重なり合っており、前記重なり合いストリップは、それぞれのライナセグメント内へ曲げられている。

特に、外側円錐体の場合、重なり合いは、ライナの６時の位置において一種の樋（flume）が生じるように構成されており、これは、ディフューザを流れ落ちる場合がある液体がライナを通って断熱材内へ滴ることを防止する。

本発明のガスタービンには、本発明によるディフューザが装備されている。

ここで本発明を、複数の異なる実施の形態によって、添付された図面を参照して、より詳細に説明する。

ガスタービンの排気側およびそれぞれの壁部の内部構造の基本構成を示す図である。 公知の従来技術の壁部の内部構造を示す図である。 内側円錐体および外側円錐体を有する、本発明の実施の形態によるディフューザの縦断面図である。 図４は、図３によるディフューザの外側円錐体のライナセグメントの配列を示す斜視図であり、図４ａは、図４の外側円錐体のためのライナセグメントと支持構造との間の膨張許容式結合のエレメントを示す拡大図である。 図５は、図３によるディフューザの内側円錐体のライナセグメントの配列を示す斜視図であり、図５ａは、図５の内側円錐体のライナセグメントと支持構造との間の膨張許容式結合のエレメントを示す拡大図である。 ライナセグメントの熱膨張の方向とともに図３の外側円錐体を示す断面図である。 Ｔ字形支持体と支持構造との間の結合、および図３によるディフューザのために提供された低温時の遊びとを示す拡大図である。 図３によるディフューザのための固定手段とライナセグメントとの間の結合を示す図である。 図３によるディフューザのための内側円錐体のためのライナセグメントの図である。 幾つかのライナセグメントの特別な重なり合いを備える、図３によるディフューザの外側円錐の断面図である。

本発明の特徴は以下のように概説することができる。
・各ライナセグメントのために、ライナセグメントと、その下側に位置する支持構造とを結合する固定手段を備えた１つの固定箇所のみが設けられている。
・ライナセグメントは、固定箇所の外側において異なる（横）方向にストレスフリーに自由に熱膨張する。
・下側に位置する断熱材を高温の排気流から保護するために、互いに隣接するライナセグメントは重なり合う。
・曲げによって形成された重なり合うセクション（ストリップ）は、ライナセグメントを剛性にし、これにより、セグメントの固有振動数を減じる。
・ライナセグメントと支持構造との間の膨張許容式結合を形成するために使用されるＣ字形異形材は、周方向でライナセグメントに溶接され、異形材とセグメントとの間の熱的応力が回避されるように、常にライナセグメントと同じ温度を有するように十分に小さい。
・固定箇所／固定手段は、ライナセグメントの平面のみを固定する。全ての他の自由度はブロックされておらず、これにより、ライナセグメントは、移動、もしくは回転するための多くの可能性を有し、これは、機械の移行条件のために重要である。

この解決手段は、空気力学的理由から固定部材がディフューザセクションにおいて排気流内へ延びていないという要求を満たすために開発された。

図３〜図５に示したように、ライナセグメント２９および３０を備えた内側円錐体１３および外側円錐体１４のライナ１５ａおよび１５ｂは、それぞれ固定手段２７ａおよび２７ｂによって１つの固定箇所（図５および図８における３５）において固定されている。固定箇所の外側において、ライナ１５ａおよび１５ｂのライナセグメント２９および３０は、分配されたＴ字形支持体２６ａおよび２６ｂによってそれぞれの支持構造１７ａおよび１７ｂに結合されている。これらのＴ字形支持体２６ａ，２６ｂは、それらの基部において支持構造１７ａ，１７ｂに溶接されており、それぞれその横棒においてＣ字形異形材３１ａ，３１ｂと係合する。Ｃ字形異形材３１ａ，３１ｂは、ライナセグメント２９，３０の背面（断熱側）に溶接されており、これにより、前記背面に対して平行に延びた、スロット付き案内チャネルを形成している（図４、図４ａおよび図５、図５ａ）。

ライナセグメント２９および３０は、固定箇所３５においてそれらの位置に固定されている。Ｃ字形異形材３１ａ，３１ｂは、セグメントの長手方向もしくは流れまたは軸方向でそれぞれ整列させられている。これは、図３に示したように、断熱材１６ａ，１６ｂが存在する場合にも容易な取り付けを可能にする（矩形またはほぼ矩形の取付け矢印を参照）。さらに、ライナセグメント２９および３０は、長手方向（流れまたは軸方向）に自由に膨張することができる。

図６および図７に示したように、周方向での膨張は、Ｔ字形支持体２６ａ，２６ｂの横棒の互いに反対の側または向き合ったＣ字形異形材３１ａ，３１ｂにおいて、異なる低温時遊びを提供することによって可能にされる。

固定箇所３５において、固定手段２７ａ，２７ｂは、長手方向および周方向でのみライナセグメント２９，３０を固定している。これは、ガジオンピン３３によって達成される。ガジオンピン３３は、組立て中にライナセグメント２９，３０に溶接され、半径方向の管３８の一方の端部に固定されたリング３７と係合する。管３８は、他方の端部において支持構造１７ａ，１７ｂに溶接されている。たとえばセグメント平面に対して垂直な、その他の移動および公差は、応力を生じることなく可能である。

支持構造への熱伝達を最小限にするために、各Ｔ字形支持体２６ａ，２６ｂの基部は楕円形の穴（図４ａにおける３６）を有する。Ｃ字形異形材とＴ字形支持体との組み合わせの利点は、小さな接触面積であり、これは、ライナセグメントとＴ字形支持体の基部、ひいては支持構造との間の熱伝達を減じる。

各Ｃ字形異形材３１ａ，３１ｂは、周方向溶接継目によってライナセグメントに溶接することができる。両部分の間の比較的大きな接触面積に関連して、これは、ライナセグメントからＣ字形異形材への良好な熱伝達を生じる。その結果、ガスタービンを始動および停止させるような移行条件中に、溶接継目において実質的な熱応力は発生されない。

滑らかな全体的な面を達成するために、隣接するライナセグメントの間の接触面積は、重なり合い形式で設計されており、この場合、一方のライナセグメントは、重なり合いストリップ２９ａ，３０ａにおいて他方のライナセグメントと重なり合う。重なり合いストリップ２９ａ，３０ａは、それぞれのライナセグメントを曲げることによって形成される。これは、ライナセグメントの厚さを変化させることなく、ライナセグメントの高められた剛性につながる。

特に図１０に見られるように、２つのライナセグメントが６時と１２時の位置に設けられており、これは、重なり合いに関して他方のライナセグメントと異なる。全ての他のライナセグメントは、１つの重なり合いストリップのみを有するが、これらの２つのライナセグメントは、互いに反対の側に２つの重なり合いストリップを有する。６時の位置におけるライナセグメントの場合、この構成は、一種の樋を生じ、これは、ディフューザを流れ落ちる可能な液体がライナを通って断熱材内へ滴ることを防止する。

１０ ガスタービン
１１ ディフューザ
１２ 排気ダクト
１３ 内側円錐体（または円筒体）
１４ 外側円錐体
１５，１５ａ，１５ｂ ライナ
１６，１６ａ，１６ｂ 断熱材
１７，１７ａ，１７ｂ 支持構造
１８ 排気流
１９ 煙突
２０ 壁部
２１ 支持構造
２２ 断熱材
２３ ライナ
２４ 異形材
２５ ねじ山付ジョイント
２６ａ，２６ｂ Ｔ字形支持体
２７ａ，２７ｂ 固定手段
２９，３０ ライナセグメント
２９ａ，３０ａ 重なり合ったストリップ
３１ａ，３１ｂ Ｃ字形異形材
３２ 膨張方向
３３ ガジオンピン
３４ 軸線
３５ 固定箇所
３６ 楕円形の穴
３７ リング
３８ 管

Claims (11)

1. ガスタービン（１０）の排気セクション用のディフューザ（１１）であって、
   機械軸線（３４）に沿って延びておりかつ排気流（１８）用のチャネルの境界を定める少なくとも１つの円錐体（１３，１４）であって、該少なくとも１つの円錐体（１３，１４）は、内部構造を備える壁部（２８）を有し、前記内部構造は、軸方向に延びかつ排気流（１８）と接触する円錐形のライナ（１５ａ，１５ｂ）を形成する複数の長手方向ライナセグメント（２９，３０）と、前記円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）に対して所定の距離に同軸に配置された支持構造（１７，１７ａ，１７ｂ）と、前記円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）と前記支持構造（１７，１７ａ，１７ｂ）との間のスペースを満たす断熱材（１６，１６ａ，１６ｂ）とを含む、ガスタービン（１０）の排気セクション用のディフューザ（１１）において、
   前記ライナセグメント（２９，３０）のそれぞれは、１つの固定箇所（３５）において周方向及び長手方向で固定されており、それぞれのライナセグメント（２９，３０）は、前記固定箇所（３５）の周囲の複数の分配された箇所において支持エレメント（２６ａ，２６ｂ，３１ａ，３１ｂ）によって支持されており、該支持エレメントは、前記円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）と前記支持構造（１７，１７ａ，１７ｂ）との間のスペースに閉じ込められており、かつ前記ライナセグメント（２９，３０）の周方向の熱膨張を可能にしていることを特徴とする、ガスタービン（１０）の排気セクション用のディフューザ（１１）。
2. 内側円錐体（１３）および外側円錐体（１４）を備え、前記内側円錐体（１３）および前記外側円錐体（１４）は、同軸に配置されており、前記内側円錐体（１３）および前記外側円錐体（１４）はそれぞれ、
   軸方向に延びておりかつ排気流（１８）と接触する円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）を形成する複数の長手方向ライナセグメント（２９，３０）と、
   前記円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）に対して所定の距離に同軸に配置された支持構造（１７，１７ａ，１７ｂ）と、
   前記円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）と前記支持構造（１７，１７ａ，１７ｂ）との間のスペースを満たす断熱材（１６，１６ａ，１６ｂ）と、を有し、
   前記ライナセグメント（２９，３０）のそれぞれは、１つの固定箇所（３５）において周方向及び長手方向で固定されており、それぞれのライナセグメント（２９，３０）は、前記固定箇所（３５）の周囲の複数の分配された箇所において支持エレメント（２６ａ，２６ｂ，３１ａ，３１ｂ）によって支持されており、前記支持エレメントは、前記円錐形のライナ（１５，１５ａ，１５ｂ）と前記支持構造（１７，１７ａ，１７ｂ）との間のスペースに閉じ込められており、かつ前記ライナセグメント（２９，３０）の周方向の熱膨張を可能にする、請求項１記載のディフューザ。
3. 前記支持エレメント（２６ａ，２６ｂ，３１ａ，３１ｂ）はそれぞれ、
   一対のＣ字形異形材（３１ａ，３１ｂ）であって、ライナセグメント（２９，３０）の背面に溶接されており、これにより、前記背面に対して平行に延びるスロット付き案内チャネルを形成している、一対のＣ字形異形材と、
   Ｔ字形支持体（２６ａ，２６ｂ）であって、その基部においてそれぞれの支持構造（１７ａ，１７ｂ）に溶接されておりかつその横棒が、前記一対のＣ字形異形材（３１ａ，３１ｂ）により形成された前記スロット付き案内チャネルに係合している、Ｔ字形支持体と、を有する、請求項１または２記載のディフューザ。
4. 前記Ｃ字形異形材は、周方向溶接継目によってそれぞれのライナセグメント（２９，３０）に溶接されている、請求項３記載のディフューザ。
5. Ｔ字形支持体（２６ａ，２６ｂ）を介した支持構造（１７ａ，１７ｂ）への熱伝達を最小限にするために、それぞれのＴ字形支持体（２６ａ，２６ｂ）の基部は、楕円形の穴（３６）を有する、請求項３または４記載のディフューザ。
6. Ｃ字形異形材（３１ａ，３１ｂ）の各対は、該Ｃ字形異形材の各対によって形成されるスロット付き案内チャネルが軸方向に延びるように配置されている、請求項３から５までのいずれか１項記載のディフューザ。
7. 前記固定箇所（３５）において前記ライナセグメント（２９，３０）を横方向で固定するために、それぞれの固定箇所（３５）に、前記支持構造（１７ａ，１７ｂ）に結合された固定手段（２７ａ，２７ｂ）が設けられている、請求項１から６までのいずれか１項記載のディフューザ。
8. 前記固定手段（２７ａ，２７ｂ）は、ガジオンピン（３３）を含み、該ガジオンピンは、組立て中に前記ライナセグメントに溶接され、かつ半径方向の管（３８）の一方の端部に固定されたリング（３７）と係合し、前記管（３８）は、その他方の端部において前記支持構造（１７ａ，１７ｂ）に溶接されている、請求項７記載のディフューザ。
9. 円錐体（１３，１４）の互いに隣接するライナセグメント（２９，３０）は、重なり合いストリップ（２９ａ，３０ａ）において互いに重なり合い、該重なり合いストリップは、それぞれのライナセグメント（２９，３０）を曲げることによって形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載のディフューザ。
10. 外側円錐体（１４）の場合、重なり合いは、ライナ（１５ｂ）の６時の位置において一種の樋が生じるように構成されており、該樋は、ディフューザを流れ落ちる場合がある液体がライナを通って断熱材内へ滴ることを防止する、請求項９記載のディフューザ。
11. 請求項１から１０までのいずれか１項記載のディフューザ（１１）を備えたガスタービン（１０）。

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