(57)【要約】【課題】ガスタービン・エンジン用の排気システムを提供する。【解決手段】本排気システムは、当該排気システム内の乱流及び逆流を低減し、これによりガスタービン・エンジン（１２）の効率を増大させる。様々な実施形態では、本システムは、排出ガスを漸進的に膨張させる排気プレナム部（３２）を含む。また、排気プレナム部（３２）は、プレナム部内で乱流を更に低減して、プレナム部及び他の下流側排気構成要素におけるガス流をより一様にする１つ以上の流れ分割板（８４，１３０）を含むことができる。【選択図】図３
2010242752.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービン部分（２２）からの排気流路内の下流側で第１の軸（２７，３１）の周りに配置された半径方向ディフューザ（４２）を含むタービン・エンジン（１２）と、排気プレナム部（３２）とを有するシステムにおいて、
前記排気プレナム部（３２）は入口（４７）を含んでいて、前記半径方向ディフューザ（４２）が前記入口（４７）を通って前記排気プレナム部（３２）の中に配置されており、また前記排気プレナム部（３２）は、前記タービン・エンジン（１２）の第１の軸（２７，３１） に対して交差する第２の軸（３５）に沿って延在しており、
前記排気プレナム部（３２）はまた、前記第１の軸（２７，３１）に沿って前記排気プレナム部（３２）を完全に横切って延在する流れ分割板（８４）を含んでいて、前記流れ分割板（８４）が前記第１の軸（２７，３１）に対して前記半径方向ディフューザ（４２）から半径方向外向きの第１の方向に延在しており、また前記流れ分割板（８４）は前記第１の方向から、前記第２の軸（３５）に沿った下流の第２の方向へ湾曲しており、
更に前記排気プレナム部（３２）はまた、前記半径方向ディフューザ（４２）の周りに互いに向かい合う一組の第１及び第２の空気力学的表面（７８）を含んでいて、これらの第１及び第２の空気力学的表面（７８）が前記第１の軸（２７，３１）に沿った軸方向オフセット（４８）だけ互いから軸方向に隔たっており、また前記第１及び第２の空気力学的表面（７８）が前記第１の軸（２７，３１）からの半径方向距離が増大するにつれて漸進的に軸方向オフセット（４８）を拡大していること、
を特徴とするシステム。
【請求項２】
前記半径方向ディフューザ（４２）は前記第１の軸（２７，３１）の周りに配置された複数の円形の羽根を有しており、また前記流れ分割板（８４）が前記羽根から半径方向外向きの前記第１の方向に延在している、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記流れ分割板（８４）は前記第１の方向から前記第２の方向へ少なくとも約９０°曲がっている、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記流れ分割板（８４）は前記第２の軸（３５）に対して約９０°の角度で前記第１の方向に延在している、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記流れ分割板（８４）は、前記半径方向ディフューザ（４２）から離れた軸方向オフセットまで前記第２の軸（３５）に沿って下流方向に延在している、請求項１記載のシステム。
【請求項６】
前記流れ分割板（８４）は前記第１の方向から前記第２の方向へ延在して、少なくとも前記半径方向ディフューザ（４２）の半径（１２２）よりも大きい長さを持つ、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記システムは、前記第１の軸（２７，３１）に沿って前記排気プレナム部（３２）を完全に横切って延在する別の流れ分割板（１３０）を更に有しており、前記別の流れ分割板（１３０）は前記第１の軸（２７，３１）に対して前記半径方向ディフューザ（４２）から半径方向外向きの第３の方向に延在し、また前記別の流れ分割板（１３０）は前記第３の方向から、前記第２の軸（３５）に沿った下流方向の第４の方向へ湾曲している、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記第１及び第２の空気力学的表面（７８）は、前記第１の軸（２７，３１）から半径方向外向きの方向に互いから遠ざかるように延在する円錐形表面を有している、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記第１及び第２の空気力学的表面（７８）は、半径方向距離の変化に対する軸方向オフセットの変化の約１１５パーセント未満の割合で、前記第１の軸（２７，３１）から半径方向外向きの方向に互いから遠ざかるように延在する発散形表面を有している、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
タービン排気プレナム部（３２）を有するシステムにおいて、
前記タービン排気プレナム部（３２）は、第１の軸（２７，３１）に沿ってタービン・エンジン（１２）の半径方向ディフューザ（４２）を受け入れるように構成されているディフューザ領域に結合された入口（４７）を含んでおり、前記タービン排気プレナム部（３２）は前記第１の軸（２７，３１）に対して交差する第２の軸（３５）に沿って延在しており、
前記タービン排気プレナム部（３２）はまた、前記ディフューザ領域に隣接して前記第１の軸（２７，３１）に沿って前記タービン排気プレナム部（３２）を完全に横切って延在する流れ分割板（８４）を含んでおり、前記流れ分割板（８４）は上流端から下流端へ延在して少なくとも前記半径方向ディフューザ（４２）の半径（１２２）よりも大きい長さを持ち、また前記流れ分割板（８４）が前記上流端から前記下流端へ少なくとも約９０°の角度にわたって湾曲していること、
を特徴とするシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本書で開示する内容は、一般的に云えば、ガスタービン・エンジンに関し、より詳しくは、ガスタービン・エンジン用の排気システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、ガスタービン・エンジンは圧縮空気及び燃料の混合物を燃焼して高温燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは１段又は複数段のタービン動翼を通って流れて負荷及び／又は圧縮機用の動力を発生することができる。ガスタービン・エンジンは燃焼ガスを排気システムに排出することができ、排気システムは燃焼ガスを安全に大気に排出する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６４１９４４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
残念なことに、排気システムは一般にガスタービン・エンジンに対する背圧を生じさせ、この背圧はガスタービン・エンジンの性能を低減させる。また更に、この排気システムをコンパクトにしようとした努力の結果、得られたシステムはより複雑で高価であって、ガスタービン・エンジンに対する背圧レベルがかなり大きい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下に、「特許請求の範囲」に記載された発明の範囲に相応する特定の実施形態について概要を記載する。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範囲を限定しようとするものではなく、むしろ本発明の取り得る形態についての概要を提供しようとするに過ぎない。実際には、本発明は、以下に述べる実施形態と同様であるか又はそれらとは異なることのある様々な形態を包含することができる。
【０００６】
一実施形態におけるシステムは、タービン部分からの排気流路内の下流側で第１の軸の周りに配置された半径方向ディフューザを有するタービン・エンジンと、排気プレナム(plenum)部とを含む。排気プレナム部は入口を含むことができ、この場合、半径方向ディフューザが入口を通って排気プレナム部の中に配置され、また排気プレナム部は、タービン・エンジンの第１の軸に対して交差する第２の軸に沿って延在する。排気プレナム部はまた、第１の軸に沿って排気プレナム部を完全に横切って延在する流れ分割板を含み、この場合、流れ分割板は第１の軸に対して半径方向ディフューザから半径方向外向きの第１の方向に延在し、また流れ分割板は第１の方向から、第２の軸に沿った下流の第２の方向へ湾曲する。排気プレナム部はまた、半径方向ディフューザの周りに互いに向かい合う一組の第１及び第２の空気力学的表面を含み、これらの第１及び第２の空気力学的表面は第１の軸に沿った軸方向オフセットだけ互いから軸方向に隔たっており、また第１及び第２の空気力学的表面は第１の軸からの半径方向距離が増大するにつれて漸進的に軸方向オフセットを拡大する。
【０００７】
別の実施形態におけるシステムは、第１の軸に沿ってタービン・エンジンの半径方向ディフューザを受け入れるように構成されているディフューザ領域に結合された入口を持つタービン排気プレナム部を含み、このタービン排気プレナム部は第１の軸に対して交差する第２の軸に沿って延在する。タービン排気プレナム部はまた、ディフューザ領域に隣接して第１の軸に沿ってタービン排気プレナム部を完全に横切って延在する流れ分割板を含み、この流れ分割板は上流端から下流端へ延在して少なくとも半径方向ディフューザの半径よりも大きい長さを持ち、また流れ分割板は上流端から下流端へ少なくとも約９０°の角度にわたって湾曲している。
【０００８】
別の実施形態におけるシステムは、第１の軸に沿ってタービン・エンジンの半径方向ディフューザを受け入れるように構成されているディフューザ領域に結合された入口を持つタービン排気プレナム部を含み、このタービン排気プレナム部は第１の軸に対して交差する第２の軸に沿って延在する。タービン排気プレナム部はまた、半径方向ディフューザに対して互いから反対側に配置された一組の第１及び第２の空気力学的表面を含み、これらの第１及び第２の空気力学的表面は第１の軸から半径方向外向きの方向に互いから遠ざかるように延在する。
【０００９】
本発明のこれらの及び他の特徴、側面及び利点は、添付図面を参照した以下の詳しい説明を読むことによってより良く理解されよう。図面では、全図を通じて同様な部品を同様な参照符号で表している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、改善した排気プレナム部を持つガスタービン・エンジンの一実施形態の概略流れ図である。
【図２】図２は、図１に示されているようなガスタービン・エンジンの断面図であり、改善した排気プレナム部の一実施形態を例示する。
【図３】図３は、円錐形表面及び流れ案内部材を持つ、図１に示されているような排気プレナム部の一実施形態の一部破断斜視図である。
【図４】図４は、図３の排気プレナム部の一部破断側面図である。
【図５】図５は、図３の排気プレナム部の一部破断側面図である。
【図６】図６は、実施形態に従ったプレナム部内の空気の流れを例示する図３の排気プレナム部の一部破断側面図である。
【図７】図７は、２つの流れ分割板を持つ、図１に示されているような排気プレナム部の一実施形態の一部破断側面図である。
【図８】図８は、４つの流れ分割板及び丸くした背板を持つ、図１に示されているような排気プレナム部の一実施形態の一部破断側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つ以上の特定の実施形態を以下に説明する。これらの実施形態の説明を簡潔にするために、実際の具現化手段の全ての特徴を本明細書で説明することはできない。任意の工学的又は設計計画におけるような任意のこのような実際の具現化手段の開発において、具現化手段毎に変わることのあるシステム関連及び事業関連の制約を順守することのような開発者の特有の目標を達成するために、多数の具現化手段特有の決定を行わなければならないことを理解されたい。また更に、このような開発努力は、複雑で時間がかかるが、それにも拘わらず、この開示を利用する通常の技術者にとって設計、製作及び製造のための日常的な仕事であることを理解されたい。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を導入するとき、数を明記しない要素及び「前記」と付した要素は、１つ以上の要素があることを意味するものとする。また用語「有する」、「含む」及び「持つ」は、排他的なものではなく、列挙した要素以外の追加の要素が存在し得ることを意味するものとする。
【００１３】
本書の開示内容は、圧力回復を改善し且つ背圧を低減し、従ってタービン・エンジンの効率を増大する排気システムを含むガスタービン・エンジンを対象とする。高温端駆動装置を持つガスタービン・エンジンでは、タービンに結合された回転シャフトが排気端でタービンを通り抜けて、発電機又は他の負荷に結合される。従って、排出ガスがタービンを出るとき、排出ガスは排気ダクトに導かれ、この排気ダクトは、負荷を避けるようにシャフトの軸から外へ離れる向きに（例えば、横方向又は半径方向に）延在する。排出ガス流のこのような方向変更（例えば、軸方向から半径方向への変更）は乱流（例えば、ガスの渦巻き運動）を生じさせる傾向があり、乱流はかなり背圧を生じさせる。更に、燃焼ガスがタービンを出たとき、ガスは典型的には大容量の排気プレナム部に入り、この大容量の排気プレナム部はガスを急激に膨張させ、その結果、排気プレナム部内部で乱流が増大し且つプレナム部及び他の下流側構成要素内に非一様なガス流が生じる。
【００１４】
本発明の実施形態では、内部の排出ガスを漸進的に膨張させて、これにより内部の乱流を低減する排気プレナム部を提供する。更に、実施形態ではまた、プレナム部内で乱流を更に低減して、プレナム部及び他の下流側排気構成要素におけるガス流をより一様にする１つ以上の流れ分割板を含むことができる。別の実施形態は、プレナム部内のガス流をより一層一様にすることによって乱流をより一層低減する対称な排気プレナム部を含む。全体的な結果として排気システムにおいて背圧が低減され且つ流れの一様性が向上する。また更に、本書で述べる排気プレナム部は、典型的な排気プレナム部よりもコンパクトであって、使用材料が少なくて済み、これにより施設におけるコスト及び使用スペースを低減する。
【００１５】
図１は、排気システムを改善したガスタービン・エンジンの一実施形態を例示する概略流れ図である。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、又はそれらの組合せを含むことができる。例示のガスタービン・エンジン１２は、空気取入れ部分１６、圧縮機１８、燃焼器部分２０、タービン２２及び排気部分２４を含む。タービン２２は、タービン・エンジン１２の長手方向軸２７に沿って配置されたシャフト２６を介して圧縮機１８に駆動可能に結合されている。シャフトは負荷１４に駆動可能に結合されており、負荷はタービン・エンジン１２の排気端に位置決めすることができる。
【００１６】
矢印で示されているように、空気が取入れ部分１６を通ってガスタービン・エンジン１２に入って圧縮機１８へ流れる。圧縮機１８は空気を圧縮して、燃焼器部分２０へ送り込む。例示の燃焼器部分２０は、圧縮機１８とタービン２２との間で軸方向にシャフト２６の周りに同心に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からの圧縮空気は燃焼器３０に入り、圧縮空気は、タービン２２を駆動するために燃焼器３０内で燃料と混合されて燃焼することができる。
【００１７】
燃焼器部分２０から、高温の燃焼ガスはタービン２２を通って流れて、シャフト２６を介して圧縮機１８及び負荷１４を駆動する。例えば、燃焼ガスはタービン２２内のタービン動翼に原動力与えて、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、高温の燃焼ガスは排気部分２４を介してガスタービン・エンジン１２を出て行くことができる。燃焼ガスは排気部分２４から排気プレナム部３２へ通るとき、プレナム部３２はタービン・エンジン１２の長手方向軸２７から或る角度（例えば、約９０°）で離れるよう燃焼ガスを導く。換言すると、排気プレナム部３２は長手方向軸２７に対して交差する又は横断する方向に、例えば半径方向に、配置される。例えば、例示のタービン・エンジン１２は、長手方向軸２７に対して９０°向きを変えて燃焼ガスを導くために半径方向のダクト又はプレナム部３２を含む。方向変更（例えば、９０°の方向変更）は乱流を誘起して、タービンに対する背圧を増大させる傾向があり、従ってタービンの効率を低減させる。以下に更に説明するように、プレナム部３２は、乱流及び背圧を低減する様々な改善点を含む。例えば、プレナム部３２は、ガス流の一様性を高めるために、１つ以上の漸進的拡大表面（例えば、逆円錐形表面）と、流れ分割板と、対称な配置構成とを含むことができる。プレナム部３２を出た後、燃焼ガスは１つ以上の消音器３４を通ることができ、消音器３４はタービン・エンジン１２によって放出されるノイズを減衰する。次いで、燃焼ガスは、消音器３４から、排気筒３６を通って外部環境へ流れる。
【００１８】
図２は、図１のガスタービン・エンジン１２の垂直断面図であり、図１の改善された排気プレナム部３２の一実施形態を例示する。本説明に役立てるため、本明細書全体にわたって用いる直交軸を定義する。実施形態によっては、これらの軸の間の角度が９０°のみに限定されないように、これらの軸は互いに対して交差する又は横断する軸として記述することができる。詳しく述べると、矢印３１によって示されるＸ軸は、タービン・エンジン１２の中心軸であり、また矢印３３によって示されるＹ軸は、垂直軸であり、また本図で紙面から出てくるＺ軸は、プレナム部３２の全体的な流れの方向を指す（図３の矢印３５を参照）。図１に関して前に説明したように、空気が空気取入れ部分１６を介して流入して、圧縮機１８によって圧縮することができる。次いで圧縮機１８からの圧縮空気は燃焼器部分２０に差し向けることができ、燃焼器部分２０で圧縮空気は燃料（例えば、液体及び／又はガス燃料）と混合することができる。圧縮空気と燃料との混合物は一般に燃焼器部分２０内で燃焼させることにより、高温高圧の燃焼ガスを発生し、これらの燃焼ガスはタービン２２でトルクを生成するために使用することができる。詳しく述べると、燃焼ガスはロータ組立体３８の動翼（例えば、タービン翼）に原動力を印加して、翼車４０及びシャフト２６を回転させることができる。図２により明瞭に示されているように、排気部分２４は、Ｘ軸３１に沿ってシャフト２６の周りに環状に燃焼ガスを導く半径方向ディフューザ４２を含むことができる。ディフューザ４２の容積はディフューザ出力部４４へ向かって漸進的に増大し、これによりディフューザ４２内の圧力及び空気流速度を漸進的に減少させる。
【００１９】
ディフューザ出力部４４で、燃焼ガスは約９０°方向を変えて、プレナム部３２に流入する。ディフューザ４２内での乱流を低減するために、ディフューザ出力部４４は、燃焼ガスを９０°方向変更してプレナム部３２へ導いて、ディフューザ出力部４４を通る流れの一様性を改善する幾つかの半径方向案内羽根４６を含むことができる。ディフューザ４２はプレナム部３２の入口４７に通じるように配置されて、ディフューザ出力部４４が対応するプレナム部入口４７に流体結合される。図２に示されているように、プレナム部入口４７におけるプレナム部３２の最初の幅４８はディフューザ出力部４４の幅と一致する。従って、燃焼ガスはプレナム部３２に入るとき急激な膨張及び圧力低下を生じない。このことは、他のタービン排気システムとは対照的に異なる。
【００２０】
プレナム部３２に入った後、燃焼ガスはプレナム部３２内部の空気力学的表面、例えば、逆傾斜表面５０に沿って導かれる。例えば、これらの傾斜表面５０は、流れ抵抗、乱流及び背圧を低減するための曲率を持つ設計によって空気力学的と記述することができる。これらの傾斜表面５０は、燃焼ガスがプレナム部３２内で漸進的に膨張できるようにし、これにより乱流の流れを更に抑制する。実施形態によっては、傾斜角５６は約５°〜４０°、又は１０°〜３０°、或いは２０°とすることができる。更に、傾斜角５６は、プレナム部３２の最初の幅４８とプレナム部３２の全幅５２との比、及びプレナム部３２内部に利用可能であるスペースの量に応じて定めることができる。実施形態によっては、プレナム部３２の全幅５２は、プレナム部３２の最初の幅４８の約１．５〜５倍、又は２〜３倍とすることができ、また傾斜の長さ５４は約２０〜３０インチにすることができる。特に、プレナム部３２の最初の幅４８は約２７インチにすることができ、プレナム部３２の全幅５２は約７０インチにすることができ、また傾斜の長さ５４は約２５インチにすることができる。代替実施形態では、プレナム部の全幅５２はほぼプレナム部の最初の幅４８とほぼ同じにすることができ、また傾斜角５６はほぼゼロ度にすることができる。プレナム部３２の高さ５８は、プレナム部３２の最初の幅４８の約５〜１５倍、又は７〜９倍にすることができる。より具体的には、プレナム部の高さ５８は約２０５インチにすることができる。
【００２１】
図２に示されているように、ディフューザ出力部４４はプレナム部３２内の中央に位置決めされていない。従って、流れ特性が、プレナム部３２の頂部と比べてプレナム部３２の底部６２近くでは異なる。図８を参照して後で説明する他の実施形態では、ディフューザ出力部４４は、流れ特性がプレナム部３２の頂部と底部とで同じになるように、プレナム部３２内部の中央に配置することができ、これによりプレナム部３２及び他の下流側の排気構成要素内における流れの一様性を向上させることができる。
【００２２】
図３は、図２に示されているプレナム部３２の一実施形態の一部破断斜視図である。図２に関して前に述べたように、ディフューザ４２は半径方向案内羽根４６を介して燃焼ガスをプレナム部３２内へ導く。図３に一層明瞭に示されているように、半径方向案内羽根４６は円形（例えば、テーパの付いた環状又は円錐形構造）であって、Ｘ軸３１の周りに同心に配置することができる。これにより、燃焼ガスは、環状のディフューザ出力部４４の周囲に、シャフト２６の軸すなわちＸ軸３１から離れるように半径方向外向きにディフューザ４２を出て行くことができる。また図３に一層明瞭に示されているように、傾斜表面５０は、ディフューザ出力部４４の周りにほぼ同心に配置された１つ以上の円錐体７８によって形成されたテーパの付いた環状表面とすることができる。これらの傾斜表面５０は、燃焼ガスがＸ軸３１から離れるように進むにつれて空気の流路の幅を漸進的に拡げる。実施形態によっては、傾斜表面５０は、プレナム部３２の異なる領域内での利用可能なスペースに部分的に従って、プレナム部３２の異なる領域内で異なる形状にすることができる。例えば、図２及び図３に示されているように、プレナム部３２の底部６２をディフューザ出力部４４へより近づけることができる。従って、傾斜表面５０はプレナム部３２の底部６２へ向かってより急峻に傾斜させることができる。また更に、実施形態によっては、図４に一層明瞭に示されているように、傾斜表面５０は、プレナム部３２の対向する側面上に互いから真向かいに位置決めされた２つの円錐体７８によって形成することができる。
【００２３】
燃焼ガスがプレナム部３２に入った後、プレナム部３２はＺ軸３５に沿って同じ方向へ燃焼ガスを漸進的に導き、そこで燃焼ガスは最終的にはプレナム出力部平面８０でプレナム部３２から出て行く。プレナム部３２はまた、その下流側の排気構成要素の幅に一致するようにプレナム部３２の幅を漸進的に拡大させるテーパの付いた出力移行部８２を含むことができる。プレナム部３２はまた、ディフューザ出力部４４からプレナム出力部８０へ燃焼ガスを導く流れ分割板８４を含む。以下に説明するように、流れ分割板８４は再循環域を低減し、壁に沿った流れの集中を低減し、且つプレナム部３２を通る順方向の流れの一様性を向上させるように構成される。図３に示されているように、流れ分割板８４はプレナム部３２の幅にわたって延在し、Ｘ軸３１に沿ってプレナム部３２を完全に横切って延在する。そこで、流れ分割板８４は、傾斜表面５０及び出力移行部８２の輪郭に一致するようにテーパが付けられている。
【００２４】
流れ分割板８４は多数の利点をもたらす。例えば、流れ分割板８４はプレナム部３２内部での渦巻き流及び再循環域を抑制することができる。別の例では、流れ分割板８４はまた、プレナム部３２の頂部６０からプレナム部３２の中間部分へ向けて燃焼ガスの一部分を導いて、プレナム部３２から出て行く流れの一様性を向上させ且つプレナム部の壁に沿った高圧域を低減することができる。換言すると、流れ分割板８４は、少なくとも幾分かの流れをプレナム部３２内のより多くの中央領域へ向け直すことによってプレナム部３２の壁に沿った流れの集中又は付着を低減する。流れ分割板８４はまた、流れがプレナム部３２の中で方向を変えることができるようにすることよりもむしろ、プレナム部３２を通るＺ軸３５に沿って順方向又は下流方向に流れを方向付ける（すなわち、殆ど順方向の速度ベクトルにする）のに役立つ。これらの利点の各々は、タービン・エンジン１２に対する背圧を低減するように作用することができる。特定の実施形態では、傾斜表面５０及び流れ分割板８４は、プレナム部３２にわたる平均値に対して、プレナム部３２にわたる（例えば、Ｚ軸３５に沿った流れ方向に対して横断する断面にわたる）質量分布の変化を最小にするように構成することができる。この場合もまた、傾斜表面５０及び流れ分割板８４は、流れ抵抗を低減し、乱流を低減し、再循環域を低減し、流れの分布又は一様性を改善し、また背圧を低減することによって、空気力学特性を改善するように構成することができる。以下に説明するように、プレナム部３２は、実施形態によっては、幾つかの流れ分割板８４を含むことができる。テーパの付いた出力移行部８２及び流れ分割板８４の他の詳細については図４及び図５を参照してより良く説明することができる。
【００２５】
図４は、図３に示されているようなプレナム部の一実施形態の一部破断上面図である。更に、流れ分割板８４の一部分を切り取って、プレナム部３２の両側部の傾斜表面５０を示している。図４に一層明瞭に見ることができるように、傾斜表面５０は、プレナム部３２の最初の幅４８を形成するＸ軸３１に沿った軸方向オフセットを持つプレナム部（３２）側壁の対向する側面上に互いから真向かいに位置決めされた２つの円錐体７８によって形成することができる。例示されているように、円錐体７８はＸ軸３１からの半径方向距離が大きくなるにつれて互いから遠ざかるように延在する。傾斜表面相互間の軸方向オフセットは、図２に関して前に述べたように、Ｘ軸３１からの半径方向距離が大きくなるにつれてプレナム部３２の全幅５２まで拡大する。図２に関して前に述べたように、円錐体７８によって形成された傾斜表面５０の傾斜角５６は、約０°〜６０°、又は５°〜４５°、或いはそれらの間の任意の特定の角度にすることができる。一実施形態では、傾斜角５６は約１０°〜３０°にすることができる。従って、傾斜表面５０が互いから遠ざかる割合は、半径方向距離の変化に対する軸方向オフセットの変化の約３５〜１１５パーセントとすることができる。また、図４におけるように頂部から見たとき、円錐体７８の幾何学的形状がＸ軸３２の両側で実質的に同じになるようにすることができること、すなわち、円錐体７８がＸ−Ｙ平面を中心にして対称になるようにすることができることに留意されたい。従って、Ｘ−Ｙ平面の両側での傾斜は実質的に同じにすることができる。また、図４により明瞭に見ることができるように、流れ分割板８４はプレナム部３２の全幅にわたって延在して、円錐体７８及びテーパの付いた出力移行部８４の輪郭に従う。更に、また図に見ることができるように、ディフューザ出力部４４はＸ軸（３１）方向においてプレナム部３２内に中心合わせすることができ、また両方の円錐体７８の高さ７９はほぼ同じにすることができる。
【００２６】
図５は、図１〜図４に示されたプレナム部３２の一実施形態の一部破断側面図である。図５に示されているように、プレナム部３２の背面１１８は、ディフューザ出力部４４の円形輪郭に一層密に順応するような形状に作ることができる。これは、他の場合にはプレナム部３２の角部に形成されることのある低圧ポケットを抑制するように作用することができ、これによって乱流及び背圧を低減する。図５に示されているように、プレナム部３２の背面１１８は、丸い表面を大ざっぱに近似するように構成された複数のセグメントによって規定する（例えば、複数の平坦なプレート１２０によって形成する）ことができる。複数の平坦なプレート１２０によりプレナム部３２の背面１１８をセグメント化することにより、湾曲した表面を持つプレナム部３２を製作する経費を低減することができる。他の実施形態では、プレナム部３２の背面１１８は四角であってよく、これにより流れ分割板８４の製作をより容易にし且つより安価にすることができる。しかしながら、プレナム部３２の特定の実施形態では、背面１１８を湾曲した形状、例えば半円形の形状にすることができ、これにより乱流及び背圧を更に減少させることができる。
【００２７】
更に、図５に示されているように、ディフューザ出力部４４はＸ軸３１に対して偏心位置でタービン排気プレナム部内に配置することができる。換言すると、ディフューザ出力部４４はプレナム部３２の頂部６０よりもプレナム部３２の底部６２の方に近付けることができる。更に、流れ分割板８４を、ディフューザ出力部４４に関してプレナム部３２の頂部６０の方へ配置することができる。図５に見られるように、ディフューザ出力部４４と円錐体７８とは同心にしなくてよい。例えば、円錐体７８の中心１０２はＹ軸３３に沿ってディフューザ出力部４４の中心１０４よりも上方に約６〜１２インチだけ移動させることができる。特定の実施形態では、中心１０２及び１０４の間のオフセットは、少なくともディフューザ出力部４４の直径の約２．５５、７．５、１０、１５、２０又は２５パーセントよりも大きくすることができる。実施形態によっては、中心１０２及び１０４の間のオフセットは、プレナム部３２内でのディフューザ出力部４４のオフセットの量に依存して定めることができる。
【００２８】
また図５には、模範的な流れ分割板８４が示されており、この流れ分割板８４はディフューザ出力部４４からプレナム出力部８０まで延在する。ディフューザ出力部４４の周りの特定の角度を指定する目的で、本書ではＺ軸３５は０°の方角を指すものと定義し、またＹ軸３３は９０°の方角を指すものと定義する。更に、流れ分割板８４の上流縁又は「前縁」１０６が、ディフューザ出力部４４に最も近い縁であるとし、また流れ分割板８４の下流縁又は「後縁」１０８が、プレナム出力部平面８０に近い方の縁であるとする。
【００２９】
従って、図５に示されているように、流れ分割板８４の前縁１０６は約９０°の位置に配置することができる。更に、流れ分割板８４の前縁１０６は２つの傾斜表面５０の間の最も狭い点で、例えば円錐体７８がディフューザ出力部４４と出合う場所で、始まることができる。次いで、流れ分割板８４は約６〜１２インチの短い距離１１０にわたって半径方向外向きに延在した後、プレナム出力部８０の方へ曲げることができる。実施形態によっては、流れ分割板は、半径方向すなわちＹ軸（３３）方向から下流方向すなわちＺ軸（３５）方向へ少なくとも約９０°曲げられる。実施形態によっては、流れ分割板８４はディフューザ出力部４４からプレナム出力部８０へ漸進的に湾曲させて、乱流を更に抑制することができる。しかしながら、実施形態によっては、流れ分割板８４は図５に示されているようにセグメント化することができ、これにより、乱流をかなり低く維持しながら、流れ分割板８４の製作をより容易にし且つより安価にすることができる。換言すると、流れ分割板８４は前縁１０６から後縁１０８までの所望の方向変更を規定するために直列に複数の平坦なプレートを含むことができる。更に、実施形態によっては、流れ分割板８４は円錐体７８の境界内で方向変更（例えば、約９０°）を達成又は実質的に達成することができる。他の実施形態では、流れ分割板８４は円錐体７８の境界内で方向変更の一部分（例えば、５０パーセント）を達成し、円錐体７８を越えてから方向変更を完了することができる。
【００３０】
流れ分割板８４は一般に、半径方向ディフューザから離れた軸方向オフセット位置へＺ軸（３５）方向の下流方向に延在する。流れ分割板８４の全体の長さは一般に、ディフューザ出力部４４の半径１２２よりも大きくすることができる。更に、特定の実施形態では、半径方向長さ（例えば、距離１１０）と軸方向長さ（例えば、１１０以外の部分）との比率は、少なくとも約５、１０、１５、２０、２５、３０又は３５パーセントよりも小さくすることができる。実施形態によっては、流れ分割板８４の後縁１０８はプレナム出力部８０と実質的に同一平面にあるようにし且つプレナム出力部８０を頂部部分１１２及び底部部分１１４に二分割することができる。実施形態によっては、底部部分１１４の高さ１１６はプレナム部３２の全体の高さ５８の約５０〜６０パーセントにすることができる。更に、実施形態によっては、頂部部分１１２及び底部部分１１４の両方においてプレナム出力部８０の空気流速度が実質的に等しくなるように、頂部部分１１２及び底部部分１１４の相対的高さを選択するすることができる。流れ案内部材８４の機能については、図６を参照すればより良く理解することができる。
【００３１】
図６は、一実施形態のプレナム部３２内の空気の流れを例示する図５のプレナム部の一部破断側面図である。排出ガスがディフューザ出力部４４から出ていくとき、流れの方向は、実線１２８で示されているように、実質的に半径方向、すなわち、Ｘ軸３１から離れていく方向を取ることができる。ディフューザ出力部４４を出た直ぐ後で、燃焼ガスの幾分かは、燃焼ガスが出て行くディフューザ出力部４４の側に依存して、円周方向に流れ始めることができる。プレナム出力部８０へ向かって出て行く燃焼ガスは、ディフューザ出力部４４からプレナム出力部８０へ直接に実質的に直線的に進行する傾向がある。他方、プレナム出力部８０とは反対側のプレナム部３２の背面１１８へ出て行くガスは、ディフューザ出力部４４の周りを円周方向に進んでプレナム出力部８０へ向かう。
【００３２】
流れ分割板８４がない場合、ディフューザ出力部４４から出て行く燃焼ガスの多くが、破線１３０で示されているように、プレナム部３２の頂部６０へ差し向けられる傾向があり、その結果、プレナム部３２の頂部６０における空気圧力を増大させ、プレナム部３２の中心へ向かう空気圧力を減少させ、またより多くの乱流の空気流が他の下流側の排気構成要素の中に伸びることがある。流れ分割板８４を設けたことにより、燃焼ガスの多くがより素速くプレナム部３２の中心へ差し向けられ、その結果、プレナム部３２の頂部６０から底部６２までより一様な流れ特性を生じさせると共に乱流を減少させる。更に、流れの一様性の向上が、消音器３４（図１）のような他の下流側の排気構成要素へ拡張することもできる。その正味の結果は背圧の低下を生じさせることができ、背圧の低下はタービン・エンジン１２の効率を増大させる。 
【００３３】
図７及び図８は、背圧をより一層低減することのできるプレナム部の別の実施形態の一部破断側面図である。先ず図７について説明すると、２つの流れ分割板を持つプレナム部３２が示されている。第１の流れ分割板８４の場合と同様に、第２の流れ分割板１３０もまた燃焼ガスをプレナム出力部８０へ導き且つ乱流を低減するように作用する。しかしながら、第２の流れ分割板１３０は、プレナム部３２の背面へ向かって多く出て行く燃焼ガスについて追加の流れ案内手段を提供する。従って、第２の流れ分割板１３０の前縁１３２は、約９０°〜１８０°、１１０°〜１６０°、又は約１３５°〜１５０°、或いはそれらの間の任意の特定の角度で開始することができる。例示された実施形態では、前縁１３２は約１３５°の場所に配置されている。更に、第１の流れ分割板８４の場合と同様に、第２の流れ分割板１３０の前縁１３２は２つの傾斜表面５０（例えば、円錐体７８）の間の最も狭い点に配置することができる。次いで、第２の流れ分割板１３０は約６〜１２インチの短い距離１３４にわたって半径方向外向きに延在した後、プレナム出力部８０の方へ曲げることができる。実施形態によっては、第２の流れ分割板１３０は、図７に示されているようにディフューザ出力部４４からプレナム出力部８０へ漸進的に湾曲させることができる。この方法では、プレナム部３２の背面１１８へ向かう乱流の流れを更に抑制することができる。
【００３４】
第２の流れ分割板１３０の後縁１３６は約６０°〜９０°の位置に配置することができる。図８に示されているような他の実施形態では、第２の流れ分割板１３０の後縁１３６はプレナム出力部８０と同一平面にあるようにし且つプレナム出力部８０を３つの部分に分割することができる。しかしながら、流れ分割板１３０は前縁１３２から後縁１３６まで任意の適当な円周方向長さ又は角度範囲を持つことができる。例えば、流れ分割板１３０は、約９０°、１００°、１１０°、１２０°、１３０°、１４０°、１５０°、１６０°、１７０°又は１８０°にわたる円周方向長さを持つことができる。第１の流れ分割板８４と第２の流れ分割板１３０との間のギャップ１３８は、プレナム部の最初の幅４８（図２参照）の約０．５〜１．０倍に維持することができる。実施形態によっては、ギャップ１３８は約１２〜２８インチにすることができる。更に、ギャップ１３８は、第２の流れ分割板１３０の後縁１３６で第２の流れ分割板１３０の両側の空気流の速度を等しくするように選択することができる。
【００３５】
次に図８について説明すると、対称なプレナム部３２が示されている。図８に示されているように、プレナム部３２はＺ軸３５を中心にして対称である。例えば、頂部面６０及び底部面６２は、円錐体７８及びディフューザ出力部４４の周りに等しく隔たっている（従って、対称である）。同様に、流れ分割板８４及び１３０は、頂部面６０及び底部面６２とディフューザ出力部４４との間に等しく隔たっている（従って、対称である）。更に、前に述べたように、第２の流れ分割板１３０は、前に述べたようにギャップ１３８を維持しながら、プレナム出力部平面８０まで延在することができる。このような場合、プレナム出力部８０は５つの部分に、すなわち、２つの頂部部分１４０と１つの中間部分１４２と２つの底部部分１４４とに分割することができる。実施形態によっては、流れ分割板８４及び１３０は５つの部分１４０，１４２，１４４の各々の相対高さが各部分を通る相対空気流量にほぼ比例し、従ってプレナム出力部平面８０においてこれらの部分１４０，１４２，１４４の各々を通る空気流の速度をほぼ等しくすることができるように、位置決めすることができる。特定の実施形態では、２つの頂部部分１４０の高さ１４６はプレナム部３２の全体の高さ５８の約１２．５パーセントにすることができ且つ各々がプレナム部３２を出て行く空気流量の約１２．５パーセントを供給することができる。更に、２つの底部部分１４４の高さ１４８は、プレナム部３２の全体の高さ５８の約１２．５パーセントにすることができ且つ各々がプレナム部３２を出て行く空気流量の約１２．５パーセントを供給することができる。その結果、中間部分１４２の高さ１５０はプレナム部３２の全体の高さ５８のほぼ半分にすることができ且つプレナム部３２を出て行く空気流量のほぼ半分を供給することができる。
【００３６】
また図８に示されているように、プレナム部３２の背面１１８は、ディフューザ出力部４４の円形輪郭に一層密に順応するように丸くすることができる。これは、他の場合にはプレナム部３２の角部に形成されることのある低圧ポケットを抑制するように作用することができ、これによって乱流及び背圧を低減する。その結果、乱流及び背圧を小さくした実質的により一様な層状の流れが生じる。
【００３７】
本書で開示した排気システムは、背圧を低減し、これによってガスタービン・エンジンの効率の増大を可能にする様々な技術を使用する。例えば、本書で開示した実施形態は、漸進的に傾斜する表面に沿ってプレナム部３２内の燃焼ガスを漸進的に膨張させる。別の例では、本書で開示した実施形態は、燃焼ガスをプレナム部３２の壁から離してプレナム部３２の中心の方へ導き、これによりプレナム部３２内の流れをより一様にし且つ燃焼ガスとプレナム部３２の壁との間の空気摩擦を低減させる流れ分割板８４及び１３０を提供する。特定の実施形態では、プレナム部３２は任意の数及び構成の流れ分割板、例えば、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０又はそれより多い数の流れ分割板をディフューザ出力部４４の一方及び両方の側６０及び６２に設けることができる。例えば、流れ分割板は、ディフューザ出力部４４の円周の周りに５°、１０°、１５°、２０°、２５°、３０°、３５°、４０°、４５°、５０°、５５°、６０°又は９０°の増分で配置することができる。結果として、ディフューザ出力部４４の円周に沿った前縁の位置に依存して、流れ分割板はより大きい又はより小さい方向変更角を持つことができる。更に、改善された流れ特性は、更に下流側の排気構成要素にも拡張することができる。また更に、流れ特性は、排気プレナム部を対称にすること及び／又はプレナム部３２の背面を丸くすることによって、更に改善することができる。開示した改善点の１つ以上を様々な組合せで用いることにより、排気システムのプレナム部及び他の部分において、乱流の空気流を少なくし、流れ一様性を向上させ、また背圧を減少させることができる。また更に、本書で述べた排気システムは、典型的な排気プレナム部と比較して、よりコンパクトにし且つ使用材料を少なくすることができ、これによりスペース及び経費の両方を節約することができる。
【００３８】
本明細書は、最良の実施形態を含めて、本発明を開示するために、また当業者が任意の装置又はシステムを作成し使用し、任意の採用した方法を遂行すること含めて、本発明を実施することができるようにするために、様々な例を使用した。本発明の特許可能な範囲は「特許請求の範囲」の記載に定めており、また当業者に考えられる他の例を含み得る。このような他の例は、それらが特許請求の範囲の文字通りの記載から実質的に差異のない構造的要素を持つ場合、或いはそれらが「特許請求の範囲」の文字通りの記載から実質的に差異のない等価な構造的要素を含む場合、特許請求の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００３９】
１０  システム 
１２  ガスタービン・エンジン 
２０  燃焼器部分
２７  長手方向軸
２８  燃焼器ハウジング
３０  燃焼器
３１  Ｘ軸
３２  排気プレナム部
３３  Ｙ軸
３５  Ｚ軸
３８  ロータ組立体
４０  翼車 
４２  半径方向ディフューザ
４４  ディフューザ出力部
４６  半径方向案内羽根
４７  入口
４８  最初の幅
５０  逆傾斜表面
５２  全幅
５４  長さ
５６  傾斜角
５８  高さ
６０  頂部
６２  底部
７８  円錐体
７９  高さ
８０  プレナム出力部
８２  出力移行部
８４  流れ分割板
１０２  中心
１０４  中心
１０６  前縁
１０８  後縁
１１０  距離
１１２  頂部部分
１１４  底部部分
１１６  高さ
１１８  背面
１２２  半径
１２８  流れの方向
１３０  第２の流れ分割板
１３２  前縁
１３４  距離
１３６  後縁
１３８  ギャップ
１４０  頂部部分
１４２  中間部分
１４４  底部部分
１４６  高さ
１４８  高さ
１５０  高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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