JP5883594B2

JP5883594B2 - タービン排気プレナム

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Publication number: JP5883594B2
Application number: JP2011194462A
Authority: JP
Inventors: ロヒット・プルシ; ディーペッシュ・ディ・ナンダ
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2010-09-15
Filing date: 2011-09-07
Publication date: 2016-03-15
Anticipated expiration: 2031-09-07
Also published as: CN102434232A; DE102011053405A1; CH703749A2; CN102434232B; US20120063893A1; CH703749B1; US8757969B2; JP2012062885A

Description

本明細書で開示される主題は、ガスタービンに関し、より詳細には、ガスタービンエンジン用の排気システムに関する。

ガスタービンエンジンは、空気及び燃料の混合気を燃焼させて高温の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、タービンブレードの１以上の段を通って流れ、負荷及び／又は圧縮機で使用するパワーを発生させる。ガスタービンエンジンは、燃焼ガスを排気システムに供給し、これは、大気に放出される前の燃焼ガスのエネルギーを低下させる。残念ながら、既存の排気システムは、サイズ制限、タービン設計上の制限、及び他の要因による急激な転回及び膨張を含む。結果として、既存の排気システムは、かなり大きな背圧及び流れ剥離をもたらし、これによりガスタービンエンジンの性能が低下する可能性がある。

米国特許第６４１９４４８号明細書

本願出願当初の特許請求の範囲に記載された発明の幾つかの実施形態について要約する。これらの実施形態は、特許請求の範囲に記載された発明の技術的範囲を限定するものではなく、本発明の可能な形態を簡単にまとめたものである。実際、本発明は、以下に記載する実施形態と同様のものだけでなく、異なる様々な実施形態を包含する。

第１の実施形態によれば、システムは、タービンセクションから排気流路において下流側の第１の長手方向軸線の周りに配置された軸方向−半径方向ディフューザセクションを有するタービンエンジンを含む。本システムはまた、軸方向−半径方向ディフューザセクションの周りに配置された第１のプレナム部を有する排気プレナムを含み、第１のプレナム部が、軸方向−半径方向ディフューザセクションの外周部の周りから離れて発散する湾曲壁部を含む。排気プレナムはまた、第１の長手方向軸線に対して横方向の排気プレナムの第２の長手方向軸線に沿って下流側で第１のプレナム部から離れて延びる第２のプレナム部を含む。

第２の実施形態によれば、システムは、タービン排気プレナムを含む。タービン排気プレナムは、該タービン排気プレナムに沿って長手方向に延びる第２の軸線に対しほぼ横方向の第１の軸線を有する軸方向−半径方向ディフューザレセプタクルを有する第１のプレナム部を含み、該第１のプレナム部が、第１の軸線及び第２の軸線に対しほぼ横方向の第１の方向で湾曲経路に沿って第１の軸線から離れて発散する湾曲壁部を含む。第１のプレナム部は、第１の軸線に沿って互いからオフセットした第１の壁部及び第２の壁部を含み、該第１の壁部及び第２の壁部が第１の方向で互いから発散する。タービン排気プレナムが更に、該排気プレナムの第２の軸線に沿って下流側の第１のプレナム部から離れて延びた第２のプレナム部を含む。

第３の実施形態によれば、システムはタービン排気プレナムを含む。タービン排気プレナムは、タービン排気プレナムに沿って長手方向に延びる第２の軸線に対し横方向の第１の軸線を有する軸方向−半径方向ディフューザレセプタクルを含む第１のプレナム部を備える。第１のプレナム部はまた、第１の軸線及び第２の軸線に対しほぼ横方向の第１の方向で湾曲経路に沿って第１の軸線から離れて発散する湾曲壁部を含む。タービン排気プレナムはまた、排気プレナムの第２の軸線に沿って第２の方向で第１のプレナム部から離れて延びた第２のプレナム部を含み、該第２のプレナム部が、互いからオフセットした第１の壁部及び第２の壁部を含み、該第１の壁部及び第２の壁部が、第１の方向又は第２の方向でたがいから発散する。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。図面を通して、同様の部材には同様の符号を付した。

改善された排気プレナムを備えたガスタービンエンジンの１つの実施形態の概略図。改善された排気プレナムの１つの実施形態を示す、長手方向軸線に沿って見た図１のガスタービンエンジンの側断面図。発散壁部を示す、図１に示した排気プレナムの一部の１つの実施形態の切り欠き斜視図。湾曲壁部を示す、図１に示した排気プレナムの１つの実施形態の側断面図。図４における排気プレナムの部分側断面図。図４における排気プレナムの平面図。図４における排気プレナムの端面図。

以下、本発明の１以上の特定の実施形態について説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するため、現実の実施に際してのあらゆる特徴について本明細書に記載しないこともある。実施化に向けての開発に際して、あらゆるエンジニアリング又は設計プロジェクトの場合と同様に、実施毎に異なる開発者の特定の目標（システム及び業務に関連した制約に従うことなど）を達成すべく、実施に特有の多くの決定を行う必要があることは明らかであろう。さらに、かかる開発努力は複雑で時間を要することもあるが、本明細書の開示内容に接した当業者にとっては日常的な設計、組立及び製造にすぎないことも明らかである。

本発明の様々な実施形態の構成要素について紹介する際、単数形で記載したものは、その構成要素が１以上存在することを意味する。「含む」、「備える」及び「有する」という用語は内包的なものであり、記載した構成要素以外の追加の要素が存在していてもよいことを意味する。

本開示は、圧力回復の改善及び背圧低減を提供し且つタービンエンジンの効率を向上させる排気システムを含むガスタービンエンジンに関する。排出ガスは、軸方向−半径方向ディフューザを通って流出すると、シャフトの軸線から離れて外向きに（例えば、ほぼ横方向又は半径方向に）延びる排気ダクトを通って案内される。この排気流の方向転換（例えば、軸方向から半径方向へ）は、乱流（例えば、ガスの渦運動）及び大きな背圧を生じさせる流れ剥離を引き起こす傾向が高い。加えて、燃焼ガスが軸方向−半径方向ディフューザを通ってタービンから流出すると、ガスは通常、高容積排気プレナムに流入してガスの突然の膨張を引き起こし、これはまた、プレナム内部の乱流の増大を生じ、プレナム及び他の下流側構成要素の非均一なガス流をもたらす。

本発明の実施形態は、プレナム内の排出ガスの漸次的な３次元的膨張（拡大）及びより均一な流れを提供し、これによりプレナム内の背圧、流れ剥離、及び乱流を低減する排気プレナムを提供する。例えば、排気プレナムの壁は、軸方向、半径方向、及び円周方向で互いから発散する。加えて、開示される排気プレナムは、プレナム内への排出ガスの流れの流入及び排気プレナムの出口に向けた流れの転回に関連する性能の損失を低減するような曲線輪郭が形成された壁を有する。例えば、曲線輪郭が形成された壁は、軸方向−半径方向ディフューザの転回ベーンの外周部の周りで漸次的に湾曲し、該外周部から発散することができる。これらの曲線輪郭の壁は、流れ方向の突然の膨張領域を排除することによって低速度領域及び流れ剥離を低減する。開示される排気プレナムはまた、軸方向−半径方向ディフューザとプレナムの底部との間のスペース制限に関連する損失を低減する１以上のフロースプリッターを含むことができる。全体的な結果として、排気システムにおいて背圧の低減及び流れの均一性の向上、並びにガスタービン出力及び効率の改善が得られる。更に、本明細書で説明される排気プレナムは、典型的な排気プレナムよりもより小型であり、使用する材料が少なく、コスト及び施設のスペース使用量を低減する。

図１は、改善された排気システムを備えたガスタービンエンジンの１つの実施形態を示す概略図である。特定の実施形態では、システム１０は、航空機、船舶、機関車、発電システム、又はこれらの組み合わせを含むことができる。図示のガスタービンエンジン１２は、吸気セクション１６、圧縮機１８、燃焼器セクション２０、タービン２２、及び排気セクション２４を含む。タービン２２は、タービンエンジン１２の第１の長手方向軸線３２に沿って向けられたシャフト２６を介して圧縮機１８に駆動結合される。

矢印で示すように、空気は、吸気セクション１６を通ってガスタービンエンジン１２に流入し、圧縮機１８に流れることができ、該圧縮機は、燃焼器セクション２０に入る前に空気を加圧する。図示の燃焼器セクション２０は、圧縮機１８とタービン２２との間の軸方向にシャフト２６の周りで円周方向又は環状に配置された燃焼器ハウジング２８を含む。圧縮機１８からの加圧空気が燃焼器３０に流入し、ここで、加圧空気が燃焼器３０内で燃料と混合されて燃焼し、タービン２２を駆動することができる。

高温の燃焼ガスは、燃焼器セクション２０からタービン２２を通って流れ、シャフト２６を介して圧縮機１８を駆動する。例えば、燃焼ガスは、タービン２２内のタービンロータブレードに原動力を加えてシャフト２６を回転させることができる。タービン２２を通って流れた後、高温燃焼ガスは、排気セクション２４を通ってガスタービンエンジン１２から流出する。燃焼ガスが排気セクション２４から排気プレナム３３に通過すると、プレナム３３は、タービンエンジン１２の第１の長手方向軸線３２から離れる角度（例えば、ほぼ９０度）で燃焼ガスを案内する。換言すると、排気プレナム３３は、長手方向軸線３２に対してほぼ横方向又は横断方向（例えば、半径方向）に向けられる。例えば、図示のタービンエンジン１２は、長手方向軸線３２に対して９０度の転回を介して燃焼ガスを送るための半径方向ダクト又はプレナム３３を含む。方向転換（例えば、９０度転回）は、乱流を誘起し、タービンの背圧を増大させ、従って、タービン効率を低下させる傾向がある。以下で詳細に説明するように、プレナム３３は、乱流、流れ剥離、及び背圧を低減する種々の改善点を含む。例えば、プレナム３３は、乱流、流れ剥離、及び背圧を低減するために、膨張用の１以上の発散部、フロースプリッター、及び曲線輪郭又は湾曲した表面を含むことができる。

図２は、図１の改善された排気プレナム３３の１つの実施形態を示す、図１のガスタービンエンジン１２の側断面図である。図１に関して上記で説明したように、空気は吸気セクション１６を通って流入し、圧縮機１８によって加圧される。圧縮機１８によって加圧された空気は、燃焼器セクション２０に流れて燃料（例えば、液体及び/又はガス燃料）と混合される。加圧空気と燃料の混合気は、一般に、燃焼器セクション２０内で燃焼して高温高圧の燃焼ガスを生成し、該燃焼ガスがタービン２２内でトルクを発生する。具体的には、燃焼ガスは、ロータ組立体３６のバケット（例えば、タービンブレード）に原動力を加え、ホイール３８及びシャフト２６を転回させる。図２により明確に示されるように、排気セクション２４は、タービンセクション２２から排気流れの下流側で第１の長手方向軸線３２の周りに配置された軸方向−半径方向ディフューザセクション４２を含む。軸方向−半径方向ディフューザセクション４２は、第１の長手方向軸線３２に沿ってシャフト２６の周りに環状に燃焼ガスを案内する。ディフューザセクション４２のボリュームは、ディフューザ出力４４に向けて漸次的に増大し、これによりディフューザセクション４２内の圧力及び空気流速度を漸次的に低減する。

ディフューザ出力４４は、燃焼ガスがほぼ９０度の角度で転回してプレナム３３に流れる。ディフューザ出力４４は、燃焼ガスを９０度転回（例えば、軸方向から半径方向に）を介してプレナム３３に案内し、ディフューザ出力４４を通る流れの均一性を改善する複数のガイドベーン４６（例えば、転回ベーン）を含む。ディフューザセクション４２は、プレナム３３の入口４８を通って配置され、ディフューザ出力４４は、対応するプレナム入口４８に流体結合される。図２に示すように、プレナム入口４８におけるプレナム３３の初期幅５０は、ディフューザ出力４４の幅５１と同様である。従って、燃焼ガスは、プレナム３３に流入するときに突発的な膨張及び／圧力低下を生じることがない。

以下で詳細に検討するように、プレナム３３は、半径方向、軸方向、及び円周方向で３次元排気拡散を提供するよう構成される。プレナム３３は、半径方向、軸方向、及び円周方向で発散する壁と、流れ剥離を低減するための曲線輪郭表面とを含む。例えば、燃焼ガスは、プレナム３３内部の空気力学的表面（例えば、オフセット壁部分５２）に沿って流れる。壁部分５２は、流れ抵抗、乱流、流れ剥離、及び背圧を低減するような湾曲部を備えた設計に基づく空気力学的なものとして説明することができる。更に、これらの壁部分５２は発散し、燃焼ガスがプレナム３３内で漸次的に膨張することが可能になり、従って、燃焼ガスのエネルギーを漸次的に低減する。プレナム３３はまた、転回ベーン４６の周りに湾曲し、燃焼ガスの流れをガスタービンエンジン１２の軸線３２から半径方向に離れて漸次的に転回させる。

図３は、図２に示すプレナム３３の１つの実施形態の切り欠き斜視図である。以下で検討するように、プレナム３３は、軸方向、半径方向、及び円周方向で３次元膨張を提供する。例えば、プレナム３３は、互いに対してほぼ横断（例えば、垂直）した軸線３２、５８、及び６０に沿って拡大する。プレナム３３はまた、転回ベーン４６に対して円周方向３１に拡大する。図示のように、方向３２で示されるｘ軸線は、ガスタービンエンジン１２の長手方向軸線であり、方向５８で示されるｙ軸線は、プレナム３３の長手方向軸線であり、方向６０で示されるｚ軸線は、プレナム３３のほぼ横方向軸線である。軸線５８及び６０はまた、ガスタービンエンジン１２の長手方向軸線３２に対する半径方向軸線として説明することができる。更に、軸線３２はまた、軸線５８と同様であるがほぼ横方向である、プレナム３３のほぼ横方向軸線として説明することができる。これらの軸線又は方向３１、３２、５８、及び６０に照らして、プレナム３３は、軸方向３２、半径方向５８及び／又は６０、並びに円周方向３１で３次元拡大を提供する。

プレナム３３は、軸方向−半径方向ディフューザセクション４２の周りに配置された第１のプレナム部６２を含む。図２を参照して上記で説明したように、ディフューザセクション４２は、燃焼ガスを半径方向ガイドベーン４６に通してプレナム３３に案内する。図３においてより明確に示されるように、半径方向ガイドベーン４６は、円形（例えば、テーパー付き環状又は円錐構造体）であり、第１の長手方向軸線３２の周りに同心状に配置することができる。従って、燃焼ガスは、環状ディフューザ出力４４の外周部４７の周りにシャフト２６の軸線３２から離れて半径方向外向きにディフューザセクション４２から流出することができる。例えば、第１のプレナム部６２は、ディフューザセクション４２の周りで円周方向３１に外周部４７から排気流を漸次的に転回及び発散させるよう構成された湾曲壁部６４を含む。湾曲壁部６４は、以下で説明するように、第１の方向５８及び第２の方向６０の両方で互いから離れて発散する壁部５２を含む。壁部５２は、燃焼ガスが第１の長手方向軸線３２から離れて移動するにつれて、その流路の幅が漸次的に拡大している。図３に示すように、プレナム３３の底部５６は、ディフューザ出力４４により近づけることができる。従って、発散壁部５２は、プレナム３３の底部５６に向かって互いにより近接させることができる。ディフューザ出力４４のこの偏心位置及び湾曲壁部６４は、円周方向３１の燃焼ガスの流れの円周方向の膨張を提供する。湾曲壁部６４及び発散壁部５２は、プレナム３３内の乱流、背圧、及び流れ剥離を低減すると同時に、以下で説明するように、ガスがプレナム３３を通って案内されたときにより均一な流れを提供する。

図４は、曲線輪郭構造を示すプレナム３３の側断面図である。プレナム３３は、第１のプレナム部６２及び第２のプレナム部７０を含む。第１のプレナム部６２は、タービンエンジン１２の第１の長手方向軸線３２に相当し且つプレナム３３に沿って長手方向に延びる第２の軸線又は第２の長手方向軸線６０に対しほぼ横方向の第１の軸線３２を有する軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４を含む。軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４は、第１のプレナム部６２内の中心に位置付けられず、従って、第１の軸線３２及び第２の軸線６０は、オフセット距離７６だけ互いからオフセットされる。第１のプレナム部６２は、第２の軸線６０に対してプレナム３３の第１の長手方向端部７８にて配置される湾曲壁部６４を含む。第１のプレナム部６２の湾曲壁部６４は、第１の軸線３２から第２の軸線６０に向けて第１の方向５８で並びに第１の軸線３２及び第２の軸線６０の両方に対してほぼ横方向で湾曲経路８０に沿って発散する。より具体的には、湾曲壁部６４は、第１の領域５６（例えば、底部５６に隣接する領域）から第２の領域５４（例えば、頂部５４に隣接する領域）まで第１の軸線３２から離れて発散する。換言すると、湾曲壁部６４とレセプタクル７４（例えば、ディフューザセクション４２の外周部４７）の外周部８１との間の半径方向距離７９は、長手方向軸線３２の周りの円周方向３１に相当する湾曲経路８０に沿って漸次的に増大する。従って、高温の燃焼ガスは、この湾曲経路８０を辿り、円周方向３１で円周方向膨張と、半径方向５８で半径方向膨張とを受ける。幾つかの実施形態では、フロースプリッター８２は、軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４と、プレナム３３の第１のプレナム部６２の第１の領域５６との間に延びることができる。フロースプリッター８２は、燃焼ガスの流れを、（例えば、湾曲経路８０に沿って）底部又は第１の領域５６から離れて案内することができる。従って、フロースプリッター８２は、ディフューザ出力４４及び第１の領域５６間のスペース制限に起因して第１の領域５６とディフューザ出力４４との間で生じる可能性がある流れ反転を阻止することができる。

燃焼ガスの流れは、第１のプレナム部６２から第２のプレナム部７０に向けて配向される。第２のプレナム部７０は、第１の軸線３２に対してほぼ横方向の第２の軸線６０に沿って下流側の第１のプレナム部６２から離れて延びる。第１のプレナム部６２の曲線輪郭又は湾曲形状は、図５においてより詳細に説明するように、直線的幾何形状に付随する転回及び流入損失を有することなく、第１のプレナム部６２から第２のプレナム部７０への燃焼ガスの拡散を案内することができる。

図５は、軸方向−半径方向ディフューザセクション４２からのプレナム３３内の燃焼ガスの流れを示す、図４の線５−５で囲まれたプレナム３３の部分側断面図である。プレナム３３は、上述のように、第１のプレナム部６２及び第２のプレナム部７０を含む。第１のプレナム部６２は、軸方向−半径方向ディフューザセクション４２の周りに配置される。燃焼ガスは、軸方向−半径方向ディフューザセクション４２の外周部９２にわたって矢印９０で示すように半径方向に拡散する。例えば、半径方向拡散９０は、プレナム３３にわたって半径方向５８及びプレナムに沿って半径方向６０に、或いはこれらの間の何れかの角度で延びることができる。図示のように、半径方向拡散９０の一部は、ディフューザセクション４２の軸線３２を通る中央平面９１に対して上流側８９に配向され、半径方向拡散９０の一部は、中央平面９１に対して下流側９３に配向される。フロースプリッター８２は、中央平面９１においてほぼプレナム３３の底部５６に沿って配置され、これにより上流側８９の流れと下流側９３の流れとが分離される。換言すると、フロースプリッター８２は、下流側９３の流れが上流側８９流れ方向に逆流するのを阻止する。下流側９３では、燃焼ガスは下流側流路９５において軸線６０に沿って流れる。上流側８９では、燃焼ガスは、湾曲壁部６４とディフューザセクション４２の外周部９２との間の湾曲経路８０に沿って流れ、ほぼ０度から１８０度の漸次的転回を受ける。

湾曲壁部６４及び外周部９２は、湾曲経路８０の対向する湾曲境界を定める。湾曲経路８０は、フロースプリッター８２を起点とし、中央平面９１にわたって頂部５４まで延びる。従って、図示の湾曲経路８０は、ほぼ１８０度の転回に広がり、高温燃焼ガスを下流側流路９５に漸次的に再配向する。加えて、湾曲壁部６４は、ほぼ第１の方向５８及び／又は円周方向３１で外周部９２の周りに少なくとも部分的に湾曲経路８０に沿って軸方向−半径方向ディフューザセクション４２の外周部９２から離れて発散する。より具体的には、第１のプレナム部６２は、ディフューザセクション４２の外周部９２と湾曲壁部６４の第１の領域５６との間に第１の距離９４を含む。ほぼ第１の方向５８及び／又は円周方向３１の湾曲経路８０に続いて、湾曲壁部６４とディフューザセクション４２の外周部９２との間のギャップは、第１の距離９４よりも大きい第２の距離９６まで増大する。更に同じ湾曲経路８０に沿って第２の領域５４に向かって、湾曲壁部６４間のギャップは、第２の距離９６よりも大きい第３の距離９８まで増大する。従って、湾曲壁部６４は、第１の領域５６及び第２の領域５４間で軸方向−半径方向ディフューザセクション４２の外周部９２から離れて発散し、これにより、ディフューザセクション４２から半径方向に流出する燃焼ガスの流れを転回させる間に円周方向に膨張させる。更に、湾曲壁部６４の輪郭は、流れを案内する際の直線的構造に通常は付随する損失を最小限にする。換言すると、湾曲壁部６４及び外周部９２の湾曲境界は、どのような突発的な変化もなく漸次的な拡大（例えば、９４、９６、９８）を提供する。

漸次的拡大を有する湾曲経路８０に加えて、プレナム３３は、該プレナム３３全体にわたるガスの漸次的拡散を可能にするよう他の方向の拡大を提供する。図６は、軸線６０に沿った第１のプレナム部６２及び第２のプレナム部７０の拡大を示す、図４の線６−６の視点から見たプレナム３３の１つの実施形態の平面図を示す。破線は、第１のプレナム部６２内の軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４の位置を示している。プレナム３３は、長手方向軸線６０に沿って漸次的に拡大し、第１のプレナム部６２の第１の端部１１４に第１の幅１１２が位置し、第２のプレナム部７０の第２の端部１１８に第２の幅１１６が位置する。第１の幅１１２に対する第２の幅１１６の比は、ほぼ３から１、２から１、又は１．５から１の間の範囲とすることができる。別の実施例によれば、この比は、ほぼ２、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、又は１．４とすることができる。特定の実施形態では、第１の幅１１２は、第２の幅１１６よりもほぼ５０、４５、４０、３５、３０、又は２５％小さいものとすることができる。しかしながら、この比は、プレナム３３の異なる実施間で変わることができる。

第１のプレナム部６２及び第２のプレナム部７０は、方向６０で両プレナム部６２及び７０に沿って延びる第１の壁部１０８及び第２の壁部１１０を含む。第１及び第２の壁部１０８及び１１０は、軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４の長手方向軸線３２に沿った方向３２で互いからオフセットされる。図６に示すように、第１及び第２の壁部１０８、１１０は、全体的に、第１の端部１１４から第２の端部１１８まで互いから発散している。図示の実施形態では、第１及び第２の壁部１０８、１１０は、発散する平坦壁部を含み、或いは発散平坦壁部に相当する。しかしながら、壁部１０８及び１１０の一部の実施形態は、方向６０で発散湾曲壁部を含むことができる。第２の壁部１１０は、第１の壁部１０８に対して角度１２０でプレナム３３の長手方向軸線６０に沿って第１の壁部１０８から発散し、ここで第１の壁部１０８は軸線６０に対して平行である。特定の実施形態では、角度１２０は、ほぼ４から０．５度、３から１度、又は２から５度の範囲とすることができる。例えば、角度１２０は、ほぼ２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、又は１，７度、或いはこれらの間の何れかの角度とすることができる。幾つかの実施形態では、角度１２０は一定である。他の実施形態では、角度１２０は、第２の壁部１１０の長さに沿って変わることができる。角度１２０は、第１及び第２の壁部１０８、１１０が第１及び第２のプレナム部６２及び７０において方向６０でプレナム３３の長手方向軸線に沿って発散することを可能にする。幾つかの実施形態では、第１の壁部１０８は、第２の壁部１１０に対してある角度でプレナム３３の長手方向軸線６０に沿って第２の壁部１１０から発散することができ、ここで第２の壁部１１０は軸線６０に対して平行である。第１のプレナム部６２から第２のプレナム部７０への漸次的拡大は、より漸次的な系統的拡散を可能にし、且つより均一な流れを提供することによってプレナム３３の性能を向上させる。また、角度１２０にて第２の壁部１１０を有することによって、第１のプレナム部６２においてプレナム３３に必要な材料の量が低減される。

図７は、軸線５８に沿って第１及び第２のプレナム部６２及び７０の拡大を示す、図４の線７−７の視点から見たプレナム３３の１つの実施形態の端面図である。プレナム３３は、第１のプレナム部６２、第２のプレナム部７０、及び第１のプレナム部６２内に配置された軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４を含む。図７に示すように、プレナム３３は、第１の領域５６付近の下側幅１３０と、第２の領域５４付近の上側幅１３２とを有し、方向５８に漸次的に延びる。下側幅１３０は、上側幅１３２よりも小さい。下側幅１３０に対する上側幅１３２の比は、ほぼ３から１、２から１、又は１．５から１の間の範囲とすることができる。更に別の実施例によれば、この比は、ほぼ２、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、又は１．４とすることができる。特定の実施形態では、下側幅１３０は、上側幅１３２よりもほぼ５０、４５、４０、３５、３０、又は２５％小さいものとすることができる。

上記で検討したように、第１及び第２のプレナム部６２及び７０は、軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル７４の長手方向軸線に沿って方向３２で互いからオフセットした第１及び第２の壁部１０８、１１０を含む。図示の実施形態では、第１及び第２の壁部１０８、１１０は、発散する平坦壁部を含み、或いは発散平坦壁部に相当する。しかしながら、壁部１０８及び１１０の一部の実施形態は、方向５８で発散湾曲壁部を含むことができる。第２の壁部１１０は、プレナム３３の方向５８に対して角度１３４で第１の壁部１０８から発散する。特定の実施形態では、角度１３４は、ほぼ４から０．５度、３から１度、又は２から５度の範囲とすることができる。例えば、角度１３４は、ほぼ１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、又は０，７度、或いはこれらの間の何れかの角度とすることができる。特定の実施形態では、角度１３４は、角度１２０と同じとすることができる。この角度１３４はまた、第１のプレナム部６２においてプレナム３３に必要な材料の量を低減する。幾つかの実施形態では、角度１３４は一定である。他の実施形態では、角度１３４は、第２の壁部１１０の長さに沿って変わることができる。角度１３４は、プレナム３３の第１及び第２の壁部１０８、１１０が少なくとも第１のプレナム部６２において第１の方向５８で発散することを可能にする。幾つかの実施形態では、第１及び第２の壁部１０８、１１０は、第１のプレナム部６２及び第２のプレナム部７０の両方において方向５８で発散する。幾つかの実施形態では、第１及び第２の壁部１０８、１１０は、図６及び図７に示すように、方向５８、６０の両方で互いから発散することができる。例えば、壁部１０８、１１０は、プレナム部６２、７０の両方において底部５６から頂部５４へ、並びに第１の端部１１２から第２の端部１１８に発散することができる。第１の方向５８及び第２の方向６０の両方における発散は、第１のプレナム部６２から第２のプレナム部７０に向かうガス流の漸次的な系統的拡散を可能にする。

開示される実施形態の技術的効果は、軸方向、半径方向、及び円周方向での流れ境界部間の漸次的発散によるプレナム３３の３次元拡散を含む。例えば、プレナム３３は、軸方向、半径方向、及び円周方向で突発的な拡大領域を実質的に低減又は排除し、乱流、流れ剥離、及び背圧を低減する。上記で検討したように、プレナム３３は、燃焼ガスが軸方向−半径方向ディフューザセクション４２からプレナム３３に流入する場合の流入損失、並びにプレナム３３の出口に向けた流れの配向に伴う転回損失を低減するための湾曲壁部６４を含む。例えば、湾曲壁部６４は、円周方向３１で湾曲経路８０に沿って燃焼ガスの流れを案内し、同時に燃焼ガスを漸次的に拡大させるのを助ける。プレナム３３はまた、プレナム３３の軸線３２に沿って第１の方向５８（例えば、ほぼ横方向）及び第２の方向６０（例えば、長手方向）で発散し、プレナム３３全体にわたり漸次的な系統的拡散を可能にする第１及び第２の壁部１０８、１１０を含む。更に、フロースプリッター８２は、第１のプレナム部６２の第１のセクション５６の近傍で流出する流れを配向及び案内し、第１のセクション５６と軸方向−半径方向ディフューザセクション４２との間のスペース制限に起因した流れ反転を阻止するのを助ける。全体として、これらの特徴要素は、プレナム３３全体の性能を改善する。

本明細書では、本発明を最良の形態を含めて開示するとともに、装置又はシステムの製造・使用及び方法の実施を始め、本発明を当業者が実施できるようにするため、例を用いて説明してきた。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者に自明な他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求の範囲の文言上の差のない構成要素を有しているか、或いは特許請求の範囲の文言と実質的な差のない均等な構成要素を有していれば、特許請求の範囲に記載された技術的範囲に属する。

１０システム
１２ガスタービンエンジン
１６吸気セクション
１８圧縮機
２０燃焼器セクション
２２タービン
２４排気セクション
２６シャフト
２８燃焼器ハウジング
３０燃焼器
３１円周方向
３２長手方向軸線
３３プレナム
３６ロータ組立体
３８ホイール
４２軸方向−半径方向ディフューザ
４４ディフューザ出力
４６半径方向ガイドベーン
４７円周方向
４８入口
５０初期幅
５１幅
５２壁部分
５４頂部
５６底部
５８軸線
６０軸線
６２第１のプレナム部
６４湾曲壁部
７２第２のプレナム部
７４軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル
７６オフセット距離
７８長手方向端部
７９半径方向距離
８０湾曲経路
８１レセプタクルの外周部
８２フロースプリッター
８９上流側
９０矢印
９１中央平面
９２軸方向−半径方向ディフューザの外周部
９３下流側
９４第１の距離
９５下流側流路
９６第２の距離
９８第３の距離
１０８第１の壁部
１１０第２の壁部
１１２第１の幅
１１４第１の端部
１１６第２の幅
１１８第２の端部
１２０角度
１３０下側幅
１３２上側幅
１３４角度

Claims

タービン排気プレナム（３３）を備えるシステムであって、前記タービン排気プレナム（３３）が、
（ａ）該タービン排気プレナム（３３）に沿って長手方向に延びる第２の軸線（６０）に対し垂直方向の第１の軸線（３２）を有する軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル（７４）を含む第１のプレナム部（６２）であって、該第１のプレナム部（６２）が、前記第１の軸線（３２）及び第２の軸線（６０）に対し垂直方向の第１の方向（５８）に向かって湾曲経路（８０）に沿って前記第１の軸線（３２）から離れて広がる湾曲壁部（６４）を有していて、前記第１のプレナム部（６２）が、前記第１の軸線（３２）に沿って互いにオフセットし且つ前記第１の方向（５８）に互いに広がる第１の壁部（１０８）及び第２の壁部（１１０）を有しており、前記第１の軸線（３２）と前記第２の軸線（６０）とがオフセット距離（７６）で互いにオフセットしている、第１のプレナム部（６２）と、
（ｂ）該排気プレナム（３３）の第２の軸線（６０）に沿って前記第１のプレナム部（６２）から下流側に延びる第２のプレナム部（７０）と
を備えており、
前記第１の壁部（１０８）及び第２の壁部（１１０）が前記第２のプレナム部（７０）に沿って延びているとともに、前記第１のプレナム部（６２）及び第２のプレナム部（７０）の両方において前記第２のプレナム部（７０）に向かって前記第２の軸線（６０）に沿って第２の方向（６０）に互いに広がっており、前記第１の壁部（１０８）が前記第１のプレナム部（６２）及び第２のプレナム部（７０）の両方において前記第１の方向（５８）及び第２の方向（６０）のいずれにおいても前記第２の軸線（６０）と平行に延びている、システム。
前記第１の壁部（１０８）及び第２の壁部（１１０）が末広がりの平坦な壁部を有する、請求項１記載のシステム。
前記湾曲壁部（６４）が、第１の領域（５６）から第２の領域（５４）まで前記第１の軸線（３２）から離れて広がっており、フロースプリッター（８２）が、前記軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル（７４）と前記排気プレナム（３３）の第１の領域（５６）との間に延びていて、フロースプリッター（８２）が、前記第１の軸線（３２）と第２の軸線（６０）を通って延びる軸方向−半径方向ディフューザレセプタクル（７４）の中央平面（９１）と整列している、請求項１又は請求項２記載のシステム。
前記湾曲壁部（６４）が、第１の軸線（３２）から第２の軸線（６０）に向かう第１の方向（５８）に広がっている、請求項１又は請求項２記載のシステム。
前記第１の壁部（１０８）及び第２の壁部（１１０）が、前記第１のプレナム部（６２）及び第２のプレナム部（７０）の両方において前記第１の方向（５８）に約１度の角度（１３４）で互いに広がっており、前記第１のプレナム部（６２）及び第２のプレナム部（７０）の両方において第２の方向（６０）に約２度の角度（１２０）で互いに広がっている、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。