(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
据え置き型ガスタービン用の排気ディフューザーアセンブリ(１)であって、
長手方向軸線(２)と、
タービン主流ガス(５)を受け入れるためのディフューザーインレット(３)と、
ディフューザーアウトレット(４)と、
可変ジオメトリーを有し、かつ、前記ディフューザーインレット(３)から前記ディフューザーアウトレット(４)へのそれを通過する前記ガス(５)の流れのための管路を形成する開拡ディフューザー壁(７)であって、前記ディフューザー壁(７)は、前記長手方向軸線(２)に対して開き角「α」を有する開拡ディフューザー壁(７)と、
前記ディフューザー壁(７)に対して付着する前記ガス(５)の合成流れ場を発生させるために、前記ディフューザー壁(７)の前記開き角「α」を調整することによって、前記ディフューザーインレット(３)と前記ディフューザーアウトレット(４)との間で前記ガス(５)からの圧力の回復を制御するためのディフューザージオメトリー制御手段(９,１０)と、
を具備してなり、
前記ディフューザージオメトリー制御手段(９,１０)は、前記ディフューザー壁(７)の表面上に配置された一つ以上のアクチュエータ(９)を備え、前記一つ以上のアクチュエータ(９)は、前記ディフューザー壁(７)の前記開き角「α」を結果として調整するために前記ディフューザー壁(７)に調整可能な圧力を加えるよう構成されており、
前記一つ以上のアクチュエータ(９)は、前記ディフューザー壁(７)からの前記ガス(５)の流れ剥離のポイントを越えて合成流れ場を引き起こすために前記開き角「α」を増大させ、かつ、前記流れ剥離のポイントの近位でかつその前方にある前記ディフューザー壁(７)を通過する前記ガス(５)の合成流れを発生させるために前記ディフューザー壁(７)に対して前記ガス(５)の流れを再付着させるために前記開き角「α」を続いて減少させるよう構成されており、
前記ディフューザー壁(７)内で前記ガス(５)の流動経路内に配置された圧力プローブ(１１)をさらに具備してなり、前記流れ剥離のポイントは、前記開き角「α」の二つの漸進的に増大する設定値間の検出された圧力の減少に基づいて検出されることを特徴とする排気ディフューザーアセンブリ(１)。
【請求項２】
前記ディフューザー壁(７)は、螺旋形態へと巻かれた一片のシートメタル(２０)からなることを特徴とする請求項１に記載のディフューザーアセンブリ(１)。
【請求項３】
前記ディフューザー壁(７)は、円錐形状へと巻かれた一片のシートメタル(２０)からなり、前記一片のシートメタルのエッジ(２１,２２)は互いにスライド可能であることを特徴とする請求項１に記載のディフューザーアセンブリ(１)。
【請求項４】
前記ディフューザー壁(７)は長方形断面を有する可変部分(２３)を具備してなり、前記ディフューザー壁(７)は、前記可変部分(２３)において、ヒンジ(２９)によって、固定部分(２４)に対して屈曲可能に取り付けられていることを特徴とする請求項１に記載のディフューザーアセンブリ(１)。
【請求項５】
前記ディフューザー壁(７)は、長方形のコーナーを形成するＬ字形プレート(３８,３９,４０,４１)によって形成された長方形断面ジオメトリーを有し、前記Ｌ字形プレート(３８,３９,４０,４１)間にはフラットなプレート(４２,４３,４４,４５)が配置されており、このフラットなプレート(４２,４３,４４,４５)の上で、前記長方形断面形状が対角線方向(４６,４７)に沿って調整可能であるように、前記Ｌ字形プレート(３８,３９,４０,４１)がスライド可能であることを特徴とする請求項１に記載のディフューザーアセンブリ(１)。
【請求項６】
据え置き型ガスタービン用の請求項１ないし請求項５のいずれか1項に記載の排気ディフューザーアセンブリ(１)を作動させるための方法であって、
ディフューザーインレット(３)においてタービン主流ガス(５)を受け入れるステップと、
前記ガス(５)を、前記ディフューザーインレット(３)とディフューザーアウトレット(４)との間で前記ガス(５)の流れのための管路を形成する可変ジオメトリーを有する開拡ディフューザー壁(７)を通過させるステップであって、前記ディフューザー壁(７)はディフューザー長手方向軸線(２)に対して開き角「α」を有するものであるステップと、
前記ディフューザー壁(７)のジオメトリーを制御することによって、前記ディフューザーインレット(３)と前記ディフューザーアウトレット(４)との間での前記ガス(５)からの圧力の回復を制御するステップと、を備え、前記ジオメトリーの前記制御は、前記ディフューザー壁(７)に対して付着した前記ガス(５)の合成流れ場を発生させるために前記ディフューザー壁(７)の開き角「α」を調整することを含み、
前記ディフューザー壁(７)のジオメトリーを制御することは、前記ディフューザー壁(７)の表面上に一つ以上のアクチュエータ(９)を配置することと、前記ディフューザー壁(７)の前記開き角「α」を結果的に調整するために前記ディフューザー壁(７)に調整可能な圧力を加えるために前記一つ以上のアクチュエータ(９)を制御することと、を具備し、
前記方法はさらに、前記ディフューザー壁(７)からの前記ガス(５)の流れ剥離のポイントを越えて合成流れ場を発生させるために前記開き角「α」を増大させるために前記一つ以上のアクチュエータ(９)を制御し、続いて、前記流れ剥離のポイントの近位でかつその前方にある前記ディフューザー壁を通過する前記ガス(５)の合成流れを発生させるために、前記ディフューザー壁(７)に対して前記ガス(５)の流れを再付着させるために、前記開き角「α」を減少させることを備え、
前記方法はさらに、前記ディフューザー壁(７)内で前記ガス(５)の流動経路内に圧力プローブ(１１)を配置することと、前記流れ剥離のポイントを、前記開き角「α」の二つの漸進的に増大する設定値間の検出された圧力の減少に基づいて検出することを備えることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービン用の、特に、据え置きすなわち地上配備用途のガスタービン用の排気ディフューザーに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービン、たとえば発電に使用されるものにおいて、排気ディフューザーは、ガスタービン内の排気流の速度を低減し、したがってタービンの最終段から出てくる排気から圧力を回復する役割を果たす。ガス速度の低減は、排気設備への流体の流れに関連する応力を低減し、排出ガスからの圧力を回復させることによってタービンの効率レベルを高め、したがって流れのヘッド損失を制限する。
【０００３】
排気ディフューザーにおいて、排気からの圧力回復は、ディフューザーのアウトレット対インレット面積比に直接比例するが、これは、最終タービン段に続く効率的な流動拡散の程度を制御する。だが、ディフューザーの所与の軸方向長さに関する高いアウトレット対インレット面積比(すなわち、大きなディフューザー角)は、ディフューザー壁からのガスの流れの剥離につながるガスの急激な膨張を引き起こし、これが、今度は、ディフューザーによる圧力回復の低減を引き起こす。ディフューザー壁からの流れ剥離の問題を解決するための過去の試みは、たとえば吸引あるいは吹き込み、とりわけタービュレーターによる境界層制御の利用を伴うものであった。
【０００４】
実際、排気ディフューザーは、全負荷での流れ剥離を考慮して、全負荷で最大圧力回復を実現する面積比を有するように設計される。そうした例では、圧力回復は、したがってタービンによって取り出される仕事は、ガスタービンが部分負荷で作動する場合には、実質的に低下する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、過度の流れ剥離を低減するかあるいは排除することによって、さまざまな運転負荷において、より高い圧力回復を実現するための据え置き型ガスタービン用の排気ディフューザーアセンブリおよびその方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的は、請求項１に記載の排気ディフューザーアセンブリ、ならびに請求項１１に記載の方法によって達成される。
【０００７】
本発明の根底にあるアイディアは、ディフューザーのジオメトリーを制御することによって排気ディフューザーの圧力回復を制御する機構を提供することである。このために、提案される排気ディフューザーアセンブリは、可変ジオメトリーディフューザー壁を有し、これは、ディフューザー壁に対して付着するガスの合成流れ場を発生させるために、長手方向ディフューザー軸線に対するディフューザー壁の開き角を調整することを可能とする。ディフューザー壁ジオメトリーの可変性は、マスフローすなわち運転負荷における調整のための提案されるディフューザーアセンブリの適応性をもたらす。
【０００８】
ある実施形態では、上記ディフューザージオメトリー制御手段は、ディフューザー壁の表面上に配置された一つ以上のアクチュエータを備え、当該一つ以上のアクチュエータは、ディフューザー壁の開き角「α」を結果として調整するためにディフューザー壁に調整可能な圧力を加えるよう構成される。
【０００９】
好ましい実施形態では、一つ以上のアクチュエータは、ディフューザー壁からのガスの流れ剥離のポイントを越えて合成流れ場を引き起こすために開き角「α」を増大させ、そして、流れ剥離のポイントの実質的に近位でかつその前方にあるディフューザー壁を通過するガスの合成流れを発生させるためにディフューザー壁に対してガスの流れを再付着させるために開き角「α」を続いて減少させるよう制御可能である。付着流れに関する膨張のレート(すなわち開き角)の増大に伴って圧力回復が増大するので、所与のマスフローレートに関する剥離ポイントの直前で流れ場を維持することは、当該マスフローレートにおいて圧力回復を最大化するであろう。
【００１０】
ある実施形態では、提案されるディフューザーアセンブリは、さらに、ディフューザー壁を経て流動するガスの流動経路内に配置された圧力プローブを具備してなり、流れ剥離のポイントは、開き角「α」の二つの漸進的に増大する設定値間の検出された圧力の減少に基づいて検出される。上記実施形態は、流れ剥離を検出するための簡単な手段を提供する。なぜなら、ガス流動経路内の圧力は、流れ剥離が生じた後に急激に減少するからである。
【００１１】
代替実施形態では、提案されるディフューザーアセンブリは、さらに、流れ剥離のポイントを検出するために、ディフューザー壁内のガスの流動経路内に配置された音波プローブを具備する。
【００１２】
その上さらなる実施形態では、上記流れ剥離のポイントは、流れの局所的方向を検出するよう構成された流れ可視化手段によって特定される。
【００１３】
代表的実施形態では、上記ディフューザー壁は、螺旋形態へと巻かれた一片のシートメタルからなる。そうしたディフューザー壁は、開き角の調整に関する融通性を向上させる。
【００１４】
別な代表的実施形態では、上記ディフューザー壁は、円錐形状へと巻かれた一片のシートメタルからなり、ここで、当該一片のシートメタルのエッジは互いにスライド可能である。上記実施形態は製造の簡素化を実現する。
【００１５】
さらに別な代表的実施形態では、上記ディフューザー壁は、長方形断面を有する可変部分を具備し、ディフューザー壁は、可変部分において、ヒンジによって、固定部分に対して屈曲可能に取り付けられる。上記実施形態は、より高い精度および拡張されたジオメトリー制御を実現する。
【００１６】
さらに別な実施形態では、上記ディフューザー壁は、長方形のコーナーを形成するＬ字形プレートによって形成された長方形断面ジオメトリーを有し、当該Ｌ字形プレート間にはフラットなプレートが配置されており、このフラットなプレートの上で、長方形断面形状が対角線方向に沿って調整可能であるように、Ｌ字形プレートはスライド可能である。これによって、長方形のコーナーにアクチュエータを配置することによって長方形の対角線の方向に沿って、ディフューザー壁の長方形ジオメトリーを均一に変形させる(同じアスペクトを維持する)ことが可能となる。
【００１７】
以下、図示する実施形態を参照して、本発明について、さらに詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスタービン用の排気ディフューザーアセンブリの概略図である。
【図２】ディフューザージオメトリーと共にガスの圧力の変化を示す代表的なグラフであり、剥離のポイントも示している。
【図３】可変ジオメトリーディフューザー壁の第１実施形態の概略図である。
【図４】可変ジオメトリーディフューザー壁の第２実施形態の概略図である。
【図５】可変ジオメトリーディフューザー壁の第３実施形態の概略図である。
【図６】可変ジオメトリーディフューザー壁の第４実施形態の概略図である。
【図７】可変ジオメトリーディフューザー壁の第５実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１を参照すると、たとえば地上配備用途の発電機および駆動機械において使用される据え置き型ガスタービン用の排気ディフューザーアセンブリ１(「ディフューザー１」とも言う)が示されている。ディフューザー１は、タービンセクション６０の最終段からの主流ガスを受け入れるための第１の断面積Ａ１を有するインレット３を有する。ガス５は、ディフューザーインレット３から、第２の断面積Ａ２を有するディフューザーアウトレット４へと延在する開拡ディフューザー壁７によって形成される管路を経て長手方向軸線２に沿って流動する。ディフューザーアウトレット４はガス５を排気ダクト８０へと誘導する。
【００２０】
ディフューザー壁７は、インレット３とアウトレット４との間でガスを膨張させることでガスからの圧力を回復させる役割を果たす。これは、ガスの全ヘッド損失を低減し、これによってガス５から取り出される仕事を増大させる。ディフューザー壁７は、長手方向軸線２に対して、開き角「α」をなす。既存のディフューザーにおいては、この開き角は、通常、約５〜６°で固定される。本発明によれば、ガス５からの圧力回復はディフューザー壁７のジオメトリーを制御することによって、すなわち、開き角「α」を、そして結果的に、アウトレット面積Ａ２対インレット面積Ａ１の比「Ｒ」を調整することによって制御される(ここでＲ＝Ａ２/Ａ１)。固定された長さのディフューザーに関して、面積比「Ｒ」は開き角「α」の増大に伴って増加することは明らかである。概して、圧力回復は、ガス５の流れがディフューザー壁７から分離させられるまで、開き角「α」あるいは面積比「Ｒ」の増大に伴って増加する。流れの剥離はガス５からの圧力回復を低下させる。より高い圧力回復を実現するために、開き角「α」は、ディフューザー壁７に付着するガス５の合成流れを発生させるよう調整される。このために、ディフューザー壁７は調整可能なジオメトリーを有し、ここで、角度「α」は変更可能である。可変ジオメトリーディフューザー壁の代表的な実施形態について、以下、図３ないし図７を参照して説明する。再び図１を参照すると、アウトレット５の断面積Ａ２の結果的に生じる変化に対応するために、可変シール１２が、排気ダクト８０に対するディフューザー壁７の接続部に設けられている。図示する実施形態では、一つ以上のアクチュエータ９がディフューザー壁７の表面(内側あるいは外側)上に配置される。図示する実施形態では、アクチュエータ９はディフューザー壁７の外面上に配置される。アクチュエータ９は、たとえば、油圧あるいは空気圧で作動するアクチュエータからなっていてもよく、これは、ディフューザー壁７の開き角「α」を結果的に調整するために、ディフューザー壁７に調整可能な圧力を加えるために、コントローラー１０によって制御される。
【００２１】
上述したように、付着流れに関して、圧力回復は開き角「α」あるいは面積比「Ｒ」の増大に伴って増加する。好ましい実施形態では、圧力回復は、流れ剥離のポイントの直前にあるディフューザー壁７内のガス５の流れ場を維持することで最大化される。このために、アクチュエータ９は、流れ剥離のポイントを越えて合成流れ場を発生させるように開き角「α」あるいは面積比「Ｒ」を先ず増大させるように制御される。続いて、アクチュエータ９は、ディフューザー壁７に対して流れを再付着させるために、そして流れ剥離のポイント前方でかつその近位にある合成流れ場を発生させるために、開き角「α」あるいは面積比「Ｒ」を減少させるように制御される。
【００２２】
流れ剥離のポイントは、ディフューザー壁７内のガス５の流動経路内に配置されたフローセンサー１１によって検出される。フローセンサー７は、たとえば、圧力プローブを含んでいてもよい。付着流れに関して、開き角「α」の増大に伴って、圧力プローブによって検出された圧力値は増大する。これは、図２に曲線１３で示されているが、ここで、軸線１４は開き角「α」を表し、そして軸線１５は、ガス５の流動経路内に配置された圧力プローブ１１による、対応する検出圧力「Ｐ」を表す。図から明らかであるように、「α」の増大に伴って、検出された圧力は、検出圧力が最大値を得るポイント１６に達する(α＝αＳ)まで増大する。「α」がこの閾値αＳを超えて増大する場合、流れはディフューザー壁から剥離し始め、その結果、検出される圧力は低下するが、これは正から負への曲線１３のスロープの変化によって検出される。流れ剥離のポイント１６は、したがって、開き角「α」の二つの漸進的に増加する設定値間の検出された圧力「Ｐ」の減少に基づいて検出される。この実施形態において提案する技術は、閾値角αＳを特定するために、流れ剥離のポイント１６を超えて流れ場を発生させるために「α」を増大させることを、そして、ディフューザー壁に対して流れを再付着させると共に、合成流れ場を流れ剥離のポイント１６の直前にあるポイント１７に到達させるために、続いて「α」をαＳよりも小さい値αＤまで低減させることを伴う。通常、剥離ポイント１６の領域における曲線１３の一部分はフラットであり、ゼロに等しいかあるいはほとんど等しいスロープを有する。この部分に対応する流れ場は、好ましくは、回避される。なぜなら、これは、剥離および付着流れが交互に生じる不安定流れ場であることを示すからである。流れ剥離のポイント１６の「実質的に近位でかつその前方」にある所望のポイント１７は、この場合には、正のスロープを有する曲線１３上の、ポイント１６に最も近接したポイントとして特定される。
【００２３】
再び図１を参照すると、代替実施形態においては、流れ剥離のポイントを検出するための流れセンサー１１は音波プローブからなっていてもよい。これに代えて、流れ剥離のポイントは、流れの局所的方向を検出する流れ可視化あるいはイメージング技術を用いて検出できる。全ての場合において、流れ剥離ポイントのポイントを越えて流れの集束を可能とする可変ジオメトリーは、流れ剥離のポイントの識別を可能とする。いったん、流れ剥離のポイントが識別されると、ディフューザーのジオメトリーは、ディフューザー壁に対して流れを再付着させるために調整可能である。ここで提案する可変ジオメトリーは、圧力回復がガスタービンが部分負荷で動作しているときでさえ最大化され得るように、マスフロー内で上記技術の適応性を変化させることを可能とする。
【００２４】
図３を参照すると、可変ジオメトリーディフューザー壁７の第１実施形態が示されている。ここで、ディフューザー壁７は、円錐形状を形成するために螺旋状に複数回巻かれたメタルシート１８からなる。螺旋形状は、ジオメトリー調整のために必要な弾力性を提供する。アクチュエータ９は、作動時に、ディフューザー壁７の開き角を増大あるいは減少させるために必要な圧力を加えるために、これらターンの一つ以上の外面上に配置可能である。図４に示す第２実施形態では、ディフューザー壁７は、円錐形状に巻かれたメタルシート２０から形成されるが、端部２１および２２は互いに溶接されず、開き角あるいは面積比が変化するように、ディフューザー壁７の外面上に配置された一つ以上のアクチュエータ９によって圧力を加えた際に互いにスライドする。
【００２５】
図５に示す第３実施形態では、ディフューザー壁７はシートメタルからなり、かつ、長方形断面を有する可変部分２３および固定部分２４を含む(これはインレット３において円形断面を有してもよい)。長方形部分２３はフラットなプレート２５,２６,２７,２８からなり、その一つ以上はヒンジ２９によって固定部分２４に屈曲可能に連結されているが、このヒンジ２９は、それによって開き角／面積比を調整するために、その上に配置されたアクチュエータ９から圧力を加えた際に、固定部分２４に対して個々の面２５,２６,２７,２８が回動することを可能とする。図示する実施形態では、プレート２５および２７は、角運動の方向が矢印３０で示すようなものとなるようにヒンジ結合されている。面２６および２８は面２５および２７の動作の間、曲げにさらされるが、この実施形態は、角運動のより優れた精度および制御を実現する。図６に示す類似の実施形態において、ディフューザー壁７は、矢印３７で示すような対向プレート３１および３３の角運動を可能とするために、フレキシブルジョイント３６によって円形タービンマニホールド３５に直接連結されたフラットプレート３１,３２,３３,３４によって形成された長方形断面を有する。図７に示す長方形ディフューザー壁のさらに別な実施形態では、ディフューザー壁７は長方形(ここでは正方形)のコーナーを形成するＬ字形(アングル)プレート３８,３９,４０,４１からなる。Ｌ字形プレート３８,３９,４０,４１の間にはフラットプレート４２,４３,４４,４５が配置されており、これは、Ｌ字形プレート３８,３９,４０,４１と共に、長方形ディフューザー壁７の側面を形成する。図示するように、Ｌ字形プレートは、ディフューザー壁７の長方形断面ジオメトリーが、長方形ディフューザー壁７のコーナー４８,４９,５０,５１の上に配置されたアクチュエータ(図示せず)によって対角線方向４６および４７に沿って調整可能であるように、フラットプレート４２,４３,４４,４５に対してスライド可能である。
【００２６】
本発明について、ある好ましい実施形態を参照して説明してきたが、本発明はこの具体的な実施形態に限定されない。むしろ、本発明を実施するために目下最良のモードを記述する本明細書に鑑みると、本発明の範囲および趣旨から逸脱しない数多くの変更および変形は当業者にとって自明である。したがって、本発明の範囲は、本明細書によってではなく、特許請求の範囲によって規定される。特許請求の範囲の等価記載の趣旨および範囲内にある全ての変化、変更、変形は、その範囲内のものであると見なされる。
【符号の説明】
【００２７】
１  排気ディフューザーアセンブリ
２  長手方向軸線
３  インレット
４  アウトレット
５  ガス
７  ディフューザー壁
９  アクチュエータ
１０  コントローラー
１１  フローセンサー
１２  可変シール
１８  メタルシート
２０  メタルシート
２１,２２  端部
２３  可変部分
２４  固定部分
２５,２６,２７,２８  フラットプレート
２９  ヒンジ
３１,３２,３３,３４  フラットプレート
３５  円形タービンマニホールド
３６  フレキシブルジョイント
３８,３９,４０,４１  Ｌ字形(アングル)プレート
４２,４３,４４,４５  フラットプレート
４８,４９,５０,５１  コーナー
６０  タービンセクション
８０  排気ダクト
【図１】
0005551316.tif 000002
【図２】
0005551316.tif 000003
【図３】
0005551316.tif 000004
【図４】
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【図５】
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【図６】
0005551316.tif 000007
【図７】
0005551316.tif 000008