JP6409072B2 - 主要ストラットと小型ストラットを備えた排気ガスディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ガスタービン排気ガスダクト又はディフューザに関する。

ガスタービンエンジンなどは典型的に、タービンセクションの最終段の下流に排気ダクト又はディフューザを含む。一般に述べられているように、ディフューザは、最終タービン段を退出する高温流ガスの運動エネルギを増加した静圧の形式の位置エネルギに変換する。ディフューザは、増加領域のケーシングを通して高温流ガスを流れ方向に向ける。ディフューザは一般に、ハブ上に実装されて外側ケーシングに対して半径方向に延びるストラットをいくつか含むが、他の構成も知られている。多くの場合、ストラットは、エーロフォイル構成を有することになろう。

部分負荷動作の間、最終段バケット出口の接線方向流れ角度（スワール）は、増加することがあり、また、ディフューザのストラットとハブ上に流れ剥離（ｆｌｏｗ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ）をもたらすことがある。流れ剥離とスワールの増加は、その後にディフューザの静圧回復を低下させることがある。より具体的には、部分負荷での流れ剥離は、中心ハブからそれぞれの吸込み側上のエーロフォイルに形作られたストラットの先端までほぼ一様に起きる。そういった静圧回復の低下は、全体的なガスタービンエンジン性能と効率に対して影響力を有することがある。

ハブから延びる小型ストラット又はベーンをいくつか設けることも知られており、米国特許出願公開第２０１３／０１７０９６９号に示されているように、小型ストラットが主要ストラットと交互に周方向に現れる。

伝統的には、エーロフォイルに形作られることもある小型ストラットは、主要ストラットに対してある角度で位置決めされてきたが、この構成は、最適な部分負荷の動作条件を提供しない。かくして、小型ストラット／エーロフォイルを利用することをもってしても、望ましくない後流と剥離模様が存続する。

したがって、他の動作条件下で別のやり方でディフューザ及び／又はタービンの性能不利益を招くことなく、所望の部分負荷性能を提供する排気ガスディフューザを設けることが望ましいことになろう。

米国特許第２００４／２２８７２６号

第１の例示であって限定でない実施形態に従い、本発明は、排気ガスディフューザに関し、半径方向外方周辺のケーシングと、半径方向外方周辺のケーシング内にディフューザの中心軸と同軸に位置付けされたハブと、ハブの周りの周方向隔置位置に位置付けされ且つ半径方向外方に半径方向外方周辺のケーシングまで延びる第１の複数の相対的に大きいストラットと、第１の複数の相対的に大きいストラット間の周方向隔置位置に位置付けされた第２の複数の相対的に小さいストラットと、を含み、第１の複数の相対的に大きいストラットと第２の複数の相対的に小さいストラットが、実質上平行な長手方向の中心軸又は翼弦線を有する。

別の態様では、本発明は、外側ケーシングを含む排気ガスディフューザを提供し、外側ケーシング内に中心決めされたハブと、ハブから外側ケーシングに周方向隔置アレイ状に延びる複数のエーロフォイルに形作られたストラットと、複数のストラット間の周方向に位置付けされた複数のオキシフォイル（ａｕｘｉｆｏｉｌ）と、を含み、複数のオキシフォイルのそれぞれが、エーロフォイルに形作られたストラットの隣接する対のうちの一方の吸込み側のより近くに位置付けされ、複数のオキシフォイルが、複数のストラットの前縁と後縁の間に延びる対応翼弦線に平行な中心軸を有する。

さらに別の態様では、本発明は、産業用のガスタービンに関し、圧縮機、燃焼器、１つ又は複数のタービン段、及びタービン回転軸に沿って配列された排気ダクトを含み、排気ダクトが、半径方向外方周辺のケーシングを有するディフューザを組み込み、半径方向外方周辺のケーシング内に位置付けされた中心本体又はハブと、中心本体又はハブの周りの周方向隔置位置に位置付けされ且つ半径方向外方に外方周辺のケーシングまで延びる第１の複数の相対的に大きいストラットと、第１の複数の相対的に大きいストラット間の周方向隔置位置に位置付けされた第２の複数の相対的に小さいストラットと、を含み、第１の複数の相対的に大きいストラットと第２の複数の相対的に小さいストラットとが、タービンロータ軸に実質上平行な長手方向の中心軸を有し、相対的に小さいストラットのそれぞれと２つの隣接する相対的に大きいストラットのうちのより近い方との周方向間隔が、相対的に大きいストラットの翼弦線と相対的に小さいストラットの中心軸とから測って、１０インチを越えない。

圧縮機、燃焼器、タービン、及びディフューザを示しているガスタービンエンジンの概略図である。 公知のディフューザ構成の一部の部分斜視図である。 別の公知のディフューザ構成の部分斜視図である。 本発明の例示であって限定でない実施形態に従ったディフューザの一部の概略破断平面図である。 本発明の例示であって限定でない実施形態に従ったディフューザ構成の部分斜視図である。 図５に示すストラット構成を組み込んでいるディフューザの端面図である。 オキシフォイル具備と不具備のディフューザ用のディフューザの軸に沿った静圧の回復のプロット図である。

図１に概略示したものは、例示的な産業用のガスタービンエンジン１０であり、周囲空気１２を受容して、排気又は燃焼ガス１４を環状ディフューザ１６の中に従来方式で放出するために構成されている。燃焼ガスは、その後に従来の排気組立体又はスタック１８を通して大気に放出される。

典型的には、エンジン１０は、１つ又は複数の圧縮機と、圧縮空気が燃料と混合されて点火されて燃焼又は排気ガス１４が発生する燃焼器（図示せず）と、を備えたシングル又はデュアルロータエンジンにすることができる。燃焼器の下流に配置されるのは、１つ又は複数のタービン段（図示せず）であり、エンジン１０に動力供給するため並びに出力シャフト２０を介して出力動力を提供するため、排気ガス１４からエネルギを抽出する。エンジン１０とディフューザ１６は典型的に、タービンロータ／シャフト２０と一致する中心線軸２２に関して軸対称である。

図１に示すディフューザ１６は、その上流端に環状のディフューザ枠２４を含み、このディフューザ枠２４は、環状の外壁又はケーシング２８から半径方向内方に隔置した環状の中心本体又はハブ２６を有し、かくして環状の排気ガス流チャネル３０が開設される。

中心本体又はハブ２６（ハブ壁２６とも呼ぶ）と外壁２８は、実質上円筒の本体であり、外壁又はケーシング２８は、その長さに沿って、典型的には、排気ガス流の方向外方に、先細のことがあると理解されよう。

図２は、内壁又はハブ２６と外壁又はケーシング２８の間に延びるストラット／エーロフォイル組立体の単一の周方向列を示すようにディフューザ枠２４を拡大している。

典型的には、ストラット又はエーロフォイル組立体は、内側の構造的な主要ストラット３２と、内側のストラットの周りに巻かれた外側のエーロフォイル３４と、を含む２部片で構築される。外側のエーロフォイル３４は、構造的な主要ストラット３２のためのシースを形成することもある。内側のストラットは、典型的にはディフューザを貫流する燃焼ガスの高い温度を定格としていない材料で構築される。エーロフォイル３４は、そういった温度に耐えてストラット３２を防護する熱障壁を提供するために設計される。便宜上、主要ストラット／エーロフォイル組立体は、主要ストラット３２と簡潔に呼ぶことにする。

図３に示すように、小型ストラット３６のいくつかは、ハブ２６からディフューザケーシングの外壁２８まで延びることがある。この例では、各小型ストラット３６は、主要ストラット３４のうちの対応する１つに隣接して位置決めされる。小型ストラットと主要ストラット３６の配置は、ハブの周囲に関して対称に位置決めされる。小型ストラット３６の角度、長さ、寸法、形状、及び構成は、変わることがあるが、典型的には、小型ストラットは、主要ストラット中心線に対してある角度（約５度〜約１５度）で配置される。別言すると、主要ストラット３４と小型即ち補助ストラット３６の前縁と後縁間に延びる翼弦線は、平行ではない。

小型ストラット３６の使用は、正確なスワールを相殺すること、及び、部分負荷の動作条件中にディフューザの主要ストラット３４とハブ２６について流れ剥離を低下させること、を意図している。それにもかかわらず、主要ストラット３４と共同した小型ストラット３６の使用は、スワールやディフューザハブでの流れ剥離の問題を完全に是正することがないものとされてきた。

図４〜６を参照すると、排気ダクト又はディフューザ３８は、ディフューザの中心軸４０で表されるように、ロータ軸と実質上同心に整列するために配置される。排気ダクト又はディフューザ３８のハブ４２は、中心軸４０と同軸でもあり、ハブと外側ケーシング４６の間に延びる複数の周方向に隔置した主要ストラット４４を支持する。主要ストラットは、中心軸から半径方向に延びる。主要ストラット４４は、空気力学的に形作られた対称なベーンとして、又は、任意選択のトレーリングセクション４６を具備又は不具備のエーロフォイルとして、形成することがある。例示的な実施形態では、主要ストラット４４は、前縁４８と後縁５０を有し、したがって、前縁から後縁まで延びる翼弦線は、ディフューザ中心軸４０に平行である。主要ストラット４４の数は、例えば、６〜８以上と変わることがある。代替的には、後縁５１は、半径方向線に対して斜めにすることができ、したがって、ハブ４２に近い縁は、外側ケーシング４６に近い縁の上流である。

例示であって限定でない実施形態では、小型ストラット（「オキシフォイル」とも呼ぶ）５２は、主要ストラット４４間の周方向に位置付けされる。オキシフォイルは、断面において中心軸に関して対称に形作られることがあり、あるいは、オキシフォイルの前縁と後縁の間に翼弦線が延びるエーロフォイルに形作られることがある。

各オキシフォイルは、主要ストラット４４と直近で連携する。図６に最良に示すように、オキシフォイル５２は、２つの隣接する主要ストラット４４の一方の吸込み側の近くに位置付けされる（図６で見て、オキシフォイル５２それぞれの右側のストラット４４を参照のこと）。本明細書に記載したようなディフューザのために、主要ストラットの吸込み側と圧力側は、条件に伴って変わることがあり、例えば、同じ側は、その設計点で又は寒い日に圧力側として働くが、最終段バケットからのスワール角度のせいで部分負荷の条件下で吸込み側として働くことがある。

一例（図４参照）では、オキシフォイルの中心線軸又は翼弦線５４は、最も近い主要ストラットの中心線軸又は翼弦線５６から約４インチと約１０インチの範囲で隔置５３される。主要ストラットとオキシフォイルの間隔５３は、ディフューザの寸法、主要ストラットの数、及び、製造の配慮、例えば、溶接用の空間要件、に応じて変わることがある。より具体的には、オキシフォイルは、ハブからケーシングまでの隙間を実質上均一に、しかし、主要ストラットとオキシフォイルを溶接可能にするために十分な空間も有して、維持するように位置決めされることがある。オキシフォイルが主要ストラットに近すぎる場合、配置は、（製造の問題のせいで）現実的とはならないが、オキシフォイルが主要ストラットからあまりに遠くに位置付けされる場合、主要ストラットの剥離の低下／除去に対する肯定的な影響力が喪失することになろう。

図示例では、主要ストラットの前縁４８は、オキシフォイル５２の前縁５８から軸４０に沿ってずれている距離５５である。距離５５は、主要ストラットの翼弦とオキシフォイルの翼弦の半径方向距離５３の１０〜２０パーセントだけ、前方、即ち、前縁５８の流れ方向上流になることがある。他の実施形態では、距離５５は、前縁が、例えば、距離５３の約１０パーセント〜５０パーセントの範囲内で、オキシフォイルの前縁の前方又は後方であるようにされると理解することになろう。

オキシフォイル５２は、対称に且つ空気力学的に形作られ、したがって、前縁５８と後縁６０の間に延びるその中心軸又は翼弦線５４は、主要ストラット翼弦線又は軸５６とディフューザ中心軸４０の双方に平行である。オキシフォイルは、主要ストラットを越えて流れる排気ガスのスワール低下又は流れ剥離低下などの所望の流れ性能を達成することを条件に、非対称に形作られる。

主要ストラットとオキシフォイルがディフューザ軸に実質上垂直に配向されて示されたが、ハブから外側ケーシングに向かって下流方向に傾斜する主要ストラットとオキシフォイルを有することが、本発明の範囲の範囲内にあるということも理解されよう。傾斜の程度は、約１４度から約２０度に変わることがある。一例では、傾斜の程度は、約１７度にすることがある。この開示の提供する流れ剥離の解決策に影響が僅かか又は影響がないこの構成によって得られるべき剛性と空間の利益が存在する。

要約すれば、主要ストラットの翼弦線と、互いに且つディフューザ中心軸に平行なオキシフォイルと、を持つことにより、全速力且つ全負荷（ＦＳＦＬ）での不利益を回避しつつ所望の部分負荷性能の改善が得られることが見出せた。

図７は、ディフューザの軸に沿って排気が流れるときのディフューザ回復のプロット図である。ディフューザ回復は、排気流れの静圧における増加を表すことがある。ディフューザ回復の下側のトレース６２は、主要ストラット具備且つオキシフォイル即ち小型ストラット不具備のディフューザを表す。上側のトレース６４は、主要ストラットとオキシフォイルを有するディフューザを表す。トレース６２、６４は、ディフューザの最初のセクションにおいて、また、点６６で排気ガスが主要ストラットに達するまで、急激に増加する。ディフューザ回復において大幅な低下がトレース６２に見られ、それは排気ガスが主要ストラットの前縁（点６６）から後縁（点６８）に流れるからである。その一方、ディフューザ回復における低下は、実質上少なく、例えば、オキシフォイルと主要ストラットを有するディフューザのトレース６４については、約４０パーセント少ない。ディフューザ回復における差異７０は持続し、それは排気ガスがディフューザを貫流するからである。

本発明については、現在最も実用的且つ好適な実施形態であると考えられるものに関連して記載したが、本発明は、開示実施形態に限定されるべきではなく、それとは逆に、添付の特許請求の範囲の精神及び範囲の範囲内に包含される様々な修正や等価な構造を網羅することを意図していると理解すべきである。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 周囲空気
１４ 排気又は燃焼ガスを放出
１６ 環状のディフューザ
１８ 従来の排気組立体又はスタック
２０ 出力シャフト
２２ 中心線軸
２４ 環状のディフューザ枠
２６ 中心本体又はハブ
２８ 外壁
３０ 環状の排気ガス流チャネル
３２ 内側の構造的なストラット
３４ 外側のエーロフォイル
３６ 小型ストラット
３８ 排気ダスト又はディフューザ
４０ 中心軸
４２ ハブ
４４ 主要ストラット
４６ 外側ケーシング
４８ 主要ストラットの前縁
５０ 主要ストラットの後縁
５１ 主要ストラットの後縁（傾斜した縁）
５２ 小型ストラット即ち「オキシフォイル」
５３ オキシフォイルと最近接の主要ストラットの距離
５４ オキシフォイルの中心線軸又は翼弦線
５５ 前方距離
５６ 主要ストラット中心線軸又は翼弦線
５８ 前縁
６０ 後縁
６２ 主要ストラットのみ具備のディフューザのディフューザ回復のトレース
６４ 主要ストラットとオキシフォイル具備のディフューザのディフューザ回復のトレース
６６ 主要ストラットの前縁
６８ 主要ストラットの後縁

Claims (20)

1. 半径方向外方周辺のケーシング（４６）と、
   前記半径方向外方周辺のケーシング（４６）内に前記ケーシング（４６）の中心軸と同軸に位置付けされたハブ（４２）と、
   前記ハブ（４２）の周りの周方向隔置位置に位置付けされ且つ半径方向外方に前記半径方向外方周辺のケーシング（４６）まで延びる主要ストラット（４４）と、
   前記主要ストラット（４４）間の周方向隔置位置に位置付けされた小型ストラット（５２）と、を含み、前記主要ストラット（４４）と前記小型ストラット（５２）が、実質上平行な長手方向の翼弦線（５４、５６）を有し、前記小型ストラット（５２）のそれぞれが、前記主要ストラット（４４）のうちの少なくとも１つの断面積よりも小さい断面積を有し、
   前記小型ストラット（５２）はそれぞれ、前記ハブ（４２）から前記ケーシング（４６）まで延び、
   前記小型ストラット（５２）はそれぞれ、前縁と後縁を有し、前記翼弦線（５４）は、前記前縁と後縁の間に延び、また、前記主要ストラット（４４）のうちの隣接する１つの前記翼弦線（５６）と平行であり且つ前記ディフューザ（３８）の前記中心軸と平行である、排気ガスディフューザ（３８）。
2. 少なくとも前記小型ストラット（５２）は、スワールと流れ剥離を低下させるために空気力学的に形作られる、請求項１記載の排気ガスディフューザ（３８）。
3. 前記主要ストラット（４４）と前記小型ストラット（５２）は、周方向に整列した前縁を有する、請求項１または２に記載の排気ガスディフューザ（３８）。
4. 前記主要ストラット（４４）の前縁は、前記小型ストラット（５２）の前縁から周方向にずれている、請求項１または２に記載の排気ガスディフューザ（３８）。
5. 前記主要ストラット（４４）の前記前縁は、前記小型ストラット（５２）の前記前縁から軸方向にずれている、請求項４記載の排気ガスディフューザ（３８）。
6. 前記主要ストラット（４４）の左右の一方のみに隣接して前記小型ストラット（５２）が配置され、
   前記主要ストラット（４４）の左右の他方に隣接して前記小型ストラット（５２）が配置されない、請求項１乃至５のいずれかに記載の排気ガスディフューザ（３８）。
7. 前記小型ストラット（５２）はそれぞれ、一対の隣接する主要ストラット（４４）のうちの一方の吸込み側のより近くに一様に位置付けされ、前記吸込み側は、前記ガスディフューザ（３８）が部分負荷の条件下で動作する間に決定される、請求項１乃至６のいずれかに記載の排気ガスディフューザ（３８）。
8. 前記小型ストラット（５２）のそれぞれと、前記主要ストラット（４４）の２つの隣接するもののうちのより近い方と、の周方向距離は、前記小型と大型のストラット（５２、４４）のそれぞれの中心軸から測って、４インチと１０インチの間である、請求項７記載の排気ガスディフューザ（３８）。
9. 前記小型ストラット（５２）のそれぞれと、前記主要ストラット（４４）の２つの隣接するもののうちのより近い方と、の周方向間隔は、前記ストラットのそれぞれの中心軸から測って、１０インチを越えない、請求項１乃至８のいずれかに記載の排気ガスディフューザ（３８）。
10. 排気ガスディフューザ（３８）であって、
    外側ケーシング（４６）と、
    前記外側ケーシング（４６）内に中心決めされ、前記ディフューザ（３８）と同軸の中心線を有するハブ（４２）と、
    前記ハブ（４２）から前記外側ケーシング（４６）に周方向隔置アレイ状に延びるエーロフォイルに形作られた主要ストラット（４４）であって、前記主要ストラット（４４）
    がそれぞれ、前記ハブ（４２）の前記中心線からの半径方向線と同軸の軸を有する、主要ストラット（４４）と、
    前記主要ストラット（４４）の隣接する対間の周方向に位置付けされたオキシフォイル（５２）であって、前記オキシフォイル（５２）のそれぞれが、前記主要ストラット（４４）のうちの１つの断面積よりも小さい断面積を有し、前記オキシフォイル（５２）がそれぞれ、前記ハブ（４２）の前記中心線からの半径方向線と同軸の軸を有し、最近接の主要ストラット（４４）から少なくとも２インチ隔置され、前記最近接の主要ストラット（４４）の前縁と後縁の間に延びる翼弦線（５６）に平行である前記オキシフォイル（５２）の前縁と後縁の間の翼弦線（５４）を有する、オキシフォイル（５２）と、
    を含み、
    前記オキシフォイル（５２）はそれぞれ、前記ハブ（４２）から前記外側ケーシング（４６）まで延び、
    前記オキシフォイル（５２）はそれぞれ、前縁と後縁を有し、前記翼弦線（５４）は、前記前縁と後縁の間に延び、また、前記主要ストラット（４４）のうちの隣接する１つの前記翼弦線（５６）と平行であり且つ前記排気ガスディフューザ（３８）の前記中心軸と平行である、排気ガスディフューザ（３８）。
11. 前記オキシフォイル（５２）は、前記最近接の主要ストラット（４４）よりも長さと幅の寸法が小さい、請求項１０記載の排気ガスディフューザ（３８）。
12. 前記オキシフォイル（５２）のそれぞれと、前記最近接の主要ストラット（４４）と、の周方向距離は、約２〜１０インチの範囲にある、請求項１０または１１に記載の排気ガスディフューザ（３８）。
13. 前記オキシフォイル（５２）は、対称に又は非対称に形作られる、請求項１０乃至１２のいずれかに記載の排気ガスディフューザ（３８）。
14. 前記主要ストラット（４４）と前記オキシフォイル（５２）は、周方向に整列した前縁を有する、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の排気ガスディフューザ（３８）。
15. 前記主要ストラット（４４）の前記前縁は、前記オキシフォイル（５２）の前記前縁から前記ハブ（４２）の軸に沿ってずれている、請求項１０乃至１３のいずれかに記載の排気ガスディフューザ（３８）。
16. 前記主要ストラット（４４）の前記前縁は、前記排気ガスディフューザ（３８）を通る流れに対して上流方向に前記オキシフォイル（５２）の前記前縁を越えて軸方向に延びる、請求項１５記載の排気ガスディフューザ（３８）。
17. 圧縮機、燃焼器、１つ又は複数のタービン段、及びタービン回転軸に沿って配列された排気ダクトを含み、前記排気ダクトが、半径方向外方周辺のケーシング（４６）を有するディフューザ（３８）を組み込み、
    前記半径方向外方周辺のケーシング（４６）内に位置付けされた中心本体又はハブ（４２）と、
    前記中心本体又はハブ（４２）の周りの周方向隔置位置に位置付けされ且つ半径方向外方に外方周辺のケーシング（４６）まで延びる主要ストラット（４４）と、
    前記主要ストラット（４４）間の周方向隔置位置に位置付けされた第２の複数の小型ストラット（５２）と、
    を含み、
    前記小型ストラット（５２）のそれぞれが前記主要ストラット（４４）のうちの少なくとも１つの断面積よりも小さい断面積を有し、前記主要ストラット（４４）と前記小型ストラット（５２）が前記タービンロータ軸に平行な実質上長手方向の中心軸を有し、前記小型ストラット（５２）のそれぞれと、前記主要ストラット（４４）のうちの最近接の１つと、の周方向距離が１０インチを越えず、
    前記小型ストラット（５２）はそれぞれ、前記ハブ（４２）から前記半径方向外方周辺のケーシング（４６）まで延びる、産業用のガスタービン。
18. 前記主要ストラット（４４）と前記小型ストラット（５２）は、周方向に整列した前縁を有する、請求項１７記載の産業用のガスタービン。
19. 前記主要ストラット（４４）の前縁は、前記小型ストラット（５２）の前縁からずれており、前記ずれは、前記タービンロータ軸に平行に沿っている、請求項１７記載の産業用のガスタービン。
20. 前記ずれは、前記周方向距離の約１０〜２０パーセントの範囲にある、請求項１９記載の産業用のガスタービン。