(57)【要約】【課題】空気フローを制御するためのプラズマ制御器を含んだガスタービン内のアキシャルディフューザを提供すること。【解決手段】ガスタービン用のアキシャルディフューザはコンプレッサ排出空気を受け取るディフューザチャンネルを画定しているディフューザ壁を含む。このディフューザ壁はフロー方向に末広形としている。ディフューザチャンネル内にはフロー制御デバイスが配置されており、該フロー制御デバイスはディフューザチャンネル内の空気フローを電離する役割をするプラズマ制御器を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン用のアキシャルディフューザであって、
コンプレッサ排出空気を受け取るディフューザチャンネルを画定しているディフューザ壁であって、フロー方向に末広形としているディフューザ壁と、
ディフューザチャンネル内に配置させたフロー制御デバイスであって、ディフューザチャンネル内の空気フローを電離する役割をするプラズマ制御器を含んだフロー制御デバイスと、
を備えるアキシャルディフューザ。
【請求項２】
前記プラズマ制御器はディフューザ壁に対して確保された２本のワイヤと該２本のワイヤの間に電流を提供するエネルギー源とを備える、請求項１に記載のアキシャルディフューザ。
【請求項３】
前記エネルギー源は直流電源を備える、請求項２に記載のアキシャルディフューザ。
【請求項４】
前記プラズマ制御器はディフューザ壁に対して確保されかつ誘電材料によって分離された第１及び第２の電極と該電極に接続されたエネルギー源とを備える、請求項１に記載のアキシャルディフューザ。
【請求項５】
前記プラズマ制御器はディフューザ壁のうちの１つに対して確保されたアノード及びカソードを備えており、該カソードは該アノードの下流側に配置されている、請求項１に記載のアキシャルディフューザ。
【請求項６】
ガスタービン内のアキシャルディフューザと協働すると共に、アキシャルディフューザを通過する空気フローを電離する役割をするプラズマ制御器を備えるフロー制御デバイス。
【請求項７】
前記プラズマ制御器はディフューザの壁に対して確保された２本のワイヤと該２本のワイヤの間に電流を提供するエネルギー源とを備える、請求項６に記載のフロー制御デバイス。
【請求項８】
前記エネルギー源は直流電源を備える、請求項７に記載のフロー制御デバイス。
【請求項９】
前記プラズマ制御器はディフューザの壁に対して確保されかつ誘電材料によって分離された第１及び第２の電極と該電極に接続されたエネルギー源とを備える、請求項６に記載のフロー制御デバイス。
【請求項１０】
前記プラズマ制御器はディフューザ壁のうちの１つに対して確保されたアノード及びカソードを備えており、該カソードは該アノードの下流側に配置されている、請求項６に記載のフロー制御デバイス。
【請求項１１】
ガスタービンアキシャルディフューザ内のフローを制御する方法であって、
プラズマ制御器を含んだフロー制御デバイスをアキシャルディフューザのディフューザチャンネル内に位置決めする工程と、
ディフューザチャンネル内の空気フローを電離するための電流をプラズマ制御器に印加する工程と、
を含む方法。
【請求項１２】
前記プラズマ制御器はディフューザチャンネル内に確保されかつ誘電材料によって分離された第１及び第２の電極と該電極に接続されたエネルギー源とを備えると共に、さらに電気風を生成する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記印加の工程は第１と第２の電極の間に直流を加えることによって実施されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記位置決めの工程はディフューザの壁に対して２本のワイヤを確保することによって実施されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
異なるチャンネルごとにディフューザの空気力学的形状に基づいて空気フロー方向を変更し、これにより空気フローをディフューザの形状と一致させる工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
タービンに対する負荷が低下している間は、減少した量の空気のディフューザ通過を加速させ、これによりタービン性能をさらに制御する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
燃焼ハードウェアに対する空気衝突を制御するためにフローの量及び性状を転換する工程を含む請求項１６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全般的にはガスタービンに関し、またより具体的には空気フローを制御するためのプラズマ制御器を含んだガスタービン内のアキシャルディフューザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来式のガスタービン燃焼システムは、高信頼性で高効率のタービン動作を得るために複数の燃焼室アセンブリを利用している。各燃焼室は、円筒状の燃焼器と、燃料噴射システムと、燃焼器からの高温気体のフローをタービンのインレットまで導く移行片と、を含む。一般に、コンプレッサ排出空気の一部は燃焼器反応ゾーンに直接導入され、燃料と混合されて燃やされている。空気フローをバランスさせると、燃焼器排出がタービンに入る前の炎の消滅あるいは燃焼器の壁（またある種の場合では、移行片）の冷却のいずれかに役立つ。
【０００３】
衝突（ｉｍｐｉｎｇｅｍｅｎｔ）冷却の移行片を組み込んだシステムでは、その移行片を中空のスリーブが囲繞すると共に、このスリーブ壁に穴を開けてコンプレッサ排出空気がスリーブ壁内の冷却用開口を通過して流れて移行片に当たる（またしたがって移行片を冷却する）ようにしている。
【０００４】
移行片は構造部材の１つであるため、応力が最高となるようなより低い温度を有することが望ましい。これは実現が困難であることが分かっているが、受容可能な折衷策として移行片の全長方向に均一な温度（応力が許容限界内となるような温度）を有させることがある。したがって、所望の均一温度を実現するには衝突スリーブに沿ったフロー圧力を均一とすることが望ましい。
【０００５】
コンプレッサ排出箇所にあるガスタービンでは実質的に直線状のアキシャルディフューザを利用するのが一般的である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第２０１０／０１２２５３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
既存のディフューザ構成に関連した典型的な問題の１つにフロー分離がある。こうしたフローでは、表面生成損失から切り離され、圧力回復が低下する。角度をより急峻とし２つのステージ間の環状部を末広形とすることによりディフューザの長さを短縮するような大胆な設計を備えさせようとする努力が行われてきた。しかし、角度が急峻になるほどフロー分離がより多く生成され、これにより圧力回復が低下する。目下のフロー制御方法は機械的手段により実現させており、これでは複雑であり、重量が増え、容積が大きくなり、かつノイズ及び振動の発生源となる。さらに、既存のデバイスは、摩耗を起こしまた損傷の可能性のあるような機械部品から構成されるのが一般的である。
【０００８】
フロープロフィールを有効に制御しながら既存のデバイスに関する問題点を解消することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
例示的な一実施形態では、ガスタービン用のアキシャルディフューザは、コンプレッサ排出空気を受け取るディフューザチャンネルを画定しているディフューザ壁を含む。このディフューザ壁はフロー方向に末広形としている。ディフューザチャンネル内にはフロー制御デバイスが配置されている。このフロー制御デバイスは、ディフューザチャンネル内の空気フローを電離する役割を果たすプラズマ制御器を含む。
【００１０】
別の例示的な実施形態では、フロー制御デバイスは、ガスタービン内のアキシャルディフューザと協働すると共に、アキシャルディフューザを通過する空気フローを電離する役割をするプラズマ制御器を含む。
【００１１】
さらに別の例示的な実施形態では、ガスタービンアキシャルディフューザ内のフローを制御する方法は、プラズマ制御器を含んだフロー制御デバイスをアキシャルディフューザのディフューザチャンネル内に位置決めする工程と、ディフューザチャンネル内の空気フローを電離するための電流をプラズマ制御器に印加する工程と、を含む。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】ガスタービンの断面概要図である。
【図２】図１に示したガスタービンの一部分の拡大図である。
【図３】プラズマ制御器を有するアキシャルディフューザを含んだ例示的なタービン構成を表した図である。
【図４】プラズマ制御器を有するアキシャルディフューザを含んだ例示的なタービン構成を表した図である。
【図５】プラズマ制御器を有するアキシャルディフューザを含んだ例示的なタービン構成を表した図である。
【図６】付勢させたプラズマ制御器及び境界層を含んだ概要図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態をその内部で動作させる環境を表しているガスタービンの一部分を断面で見た概略図である。ガスタービン１００は、コンプレッサ区画１０５と、燃焼区画１５０と、タービン区画１８０と、を含む。一般にコンプレッサ区画１０５は、流体を圧縮するような構造となった複数の回転ブレード１１０及び静止べイン１１５を含む。コンプレッサ区画１０５はさらに、少なくとも１つの抽出ポート１２０と、内側バレル１２５と、コンプレッサ排出ケーシング１３０と、マリッジジョイント１３５と、マリッジジョイントボルト１３７と、を含むことがある。
【００１４】
一般に燃焼区画１５０は、複数の燃焼缶１５５（そのうちの１つを図示）と、複数の燃料ノズル１６０と、複数の移行区画１６５（そのうちの１つを図示）と、を含む。複数の燃焼缶１５５は、燃料源（図示せず）に結合させることがある。各燃焼缶１５５の内部において、コンプレッサ区画１０５から圧縮した空気が受け取られると共に、これが燃料源から受け取った燃料と混合される。この空気／燃料の混合体に点火して作用流体が生成される。この作用流体は一般に、複数の燃料ノズル１６０の後方端部から移行区画１６５を通って下流方向にタービン区画１８０まで進む。
【００１５】
一般にタービン区画１８０は、複数の回転構成要素１８５と、複数の静止構成要素１９０と、複数のホイール空間領域１９５と、を含む。タービン区画１８０は、作用流体を機械的トルクに変換する。
【００１６】
典型的には、ガスタービン１００の動作中において、複数の構成要素が高温になり、また冷却やパージング（ｐｕｒｇｉｎｇ）を要することがある。これらの構成要素には、コンプレッサ区画１０５、マリッジジョイント１３５及び複数のホイール空間領域１９５の一部が含まれることがある。
【００１７】
抽出ポート１２０は、コンプレッサ区画１０５から冷却用流体を引き出す。この冷却用流体は、マリッジジョイント１３５や、複数のホイール空間領域１９５のうちの少なくとも１つを含む様々な構成要素の冷却またはパージングのために、燃焼区画１５０をバイパスすると共に、冷却回路２００（図２参照）を通って流れる。
【００１８】
図２は、図１に示したガスタービンの一区画の拡大図である。冷却回路２００の流路は、抽出ポート１２０（図１参照）に始まり、コンプレッサ排出ケーシング１３０及び内側バレルケーシング１２５の一部分を通過して流れ、コンプレッサ区画１０５の後方端部で空隙内まで流れることがある。次に冷却回路２００は、方向が逆転し、マリッジジョイント１３５を通り過ぎ、封止システム構成要素１４０を通り過ぎて、ホイール空間領域１９５まで流れることがある。
【００１９】
コンプレッサ排出箇所には、移行片を囲繞する衝突スリーブに沿ってコンプレッサ排出空気を分配するためのアキシャルディフューザ１２が設けられている。アキシャルディフューザ１２は、コンプレッサ排出空気を受け取るディフューザチャンネル１４を画定しているディフューザ壁を含む。図のように、ディフューザ壁はフロー方向に末広形としている（図３〜５の矢印で示す）。ディフューザチャンネル内には、プラズマ制御器２などのフロー制御デバイスを配置させている。プラズマ制御器２は、ディフューザチャンネル内の空気フローを電離する役割を果たす。プラズマ制御器２には、アノード３とカソード４あるいは適当な別の電極が設けらえると共に、電極３、４の間にエネルギー源７（図６）により電流が付与される。一構成ではこの電極は、ディフューザチャンネル内の表面上に面一装着させた２本の小直径ワイヤからなる。
【００２０】
使用時において、ディフューザ内の流体／空気が電離されると共に、大気中においてディフューザ壁に対する接線方向に電気風が生成される。この現象を用いて、フロー分離を低減させ、これによりより有効なフロー制御及び圧力低下の低減を得ている。図のようにこれらの電極は、アキシャルディフューザケーシングの内側表面に装着することが可能である。
【００２１】
空気フロー方向は異なるチャンネルごとにディフューザの空気力学的の形状に基づいて変更し、これにより空気フローをディフューザの形状と一致させることが可能である。さらに、タービンに対する負荷が低下している間は、減少した量の空気のディフューザ通過を加速させ、これによりタービン性能をさらに制御することが可能である。さらに、フローの量及び性状の転換が、燃焼ハードウェアに対する空気衝突の制御の役割を果たすことがある。
【００２２】
図６に例示的なプラズマ制御器２を表している。プラズマ制御器２は、ディフューザ壁に対して確保、好ましくはアキシャルディフューザケーシングの内側表面に装着させている。プラズマ制御器２は、誘電材料５によって分離させた第１及び第２の電極３、４を含む。誘電材料５は、ディフューザ壁内の差し渡し方向に延びる溝６の内部に配置させている。電極３、４には、電極に高い電位を供給するために電源７を接続させている。電源７は直流電源であることが好ましい。
【００２３】
電流の振幅が十分に大きいとき、気体フロー１９によって最大電位の領域内で電離が起こり、プラズマ９０が形成される。プラズマ制御器２は、外側表面に形状一致したプラズマ９０を発生させ、これがディフューザチャンネルのかなりの部分を覆う。プラズマ９０は一般に、気体フロー１９に対して曝露された第１の電極３のエッジ１０２の位置で始まり、誘電材料５によって覆われた第２の電極４から突き出た領域１０４を覆うまで広がる。電場勾配が存在するとプラズマ９０によってディフューザ表面とプラズマ９０の間に位置する気体フロー１９に対して力が生成され、ディフューザ表面全体に及ぶ圧力分布に変化を生じさせるような仮想的な空気力学的形状が誘導される。
【００２４】
アキシャルディフューザにおいてプラズマフロー制御を利用すると、重量を増加させ、またノイズ源や振動源になり兼ねない複雑な機械的デバイスを用いることなくフロー分離を低減するのに役立つ。プラズマ制御器の電極間に電流を加えることによって、有効なフロー制御並びに圧力低下の低減が達成できるので有利である。圧力回復の改善によって、より高くかつより効率の良いパワー生成が得られる。さらにこのデバイスは、既存のタービンに対して後付けするのに適する。
【００２５】
本発明について目下のところ最も実用的かつ好ましい実施形態と考えられるものに関連して記載してきたが、本発明は開示した実施形態に限定されるものでないこと、また一方添付の特許請求の範囲の精神及び趣旨の域内に含まれる様々な修正形態や等価的な機構を包含するように意図していること、を理解すべきである。
【符号の説明】
【００２６】
２  プラズマ制御器
３  アノード
４  カソード
５  誘電材料
６  溝
７  エネルギー源
１２  アキシャルディフューザ
１４  ディフューザチャンネル
１９  気体フロー
９０  プラズマ
１００  ガスタービン
１０２  エッジ
１０４  領域
１０５  コンプレッサ区画
１１０  回転ブレード
１１５  静止べイン
１２０  抽出ポート
１２５  内側バレル
１３０  コンプレッサ排出ケーシング
１３５  マリッジジョイント
１３７  マリッジジョイントボルト
１４０  封止システム構成要素
１５０  燃焼区画
１５５  燃焼缶
１６０  燃料ノズル
１６５  移行区画
１８０  タービン区画
１８５  回転構成要素
１９０  静止構成要素
１９５  ホイール空間領域
２００  冷却回路
【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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