(57)【要約】【課題】排気ディフューザを提供する。【解決手段】本排気ディフューザ（１０）は、シュラウド（１２）と、シュラウド（１２）から半径方向に分離されて該シュラウド（１２）との間に流体通路を形成した壁（１４）とを含む。ストラット（１６）が、シュラウド（１２）及び壁（１４）間で延び、またストラット（１６）は、調整可能なキャンバ（３４）を有する第１の表面（２４）を含む。第１の側面キャンバ（３４）及び第２の側面キャンバ（３６）を有するストラット（１６）にわたる空気流を調整する方法は、空気流及びストラット（１６）間の入射角を決定するステップと、ストラット（１６）の第１の側面キャンバ（３４）を調整するステップとを含む。【選択図】      図１
2011208637.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気ディフューザ（１０）であって、
ａ．シュラウド（１２）と、
ｂ．前記シュラウド（１２）から半径方向に分離されて、該シュラウド（１２）との間に流体通路を形成した壁（１４）と、
ｃ．前記シュラウド（１２）及び壁（１４）間で延びるストラット（１６）と、を含み、
ｄ．前記ストラット（１６）が、調整可能なキャンバ（３４）を有する第１の表面（２４）を含む、
排気ディフューザ（１０）。
【請求項２】
前記ストラット（１６）の外部にかつ第１の表面（２４）に近接して配置されたブラッダ（３８）をさらに含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１０）。
【請求項３】
前記ストラット（１６）の内部にかつ第１の表面（２４）に近接して配置されたプレート(６０)をさらに含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１０）。
【請求項４】
第１の表面（２４）と作動係合状態で前記ストラット（１６）の内部に配置されたネジ付きロッド（６２）をさらに含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１０）。
【請求項５】
前記ストラット（１６）が、調整可能なキャンバ（３６）を有する第２の表面（２６）を含む、請求項１記載の排気ディフューザ（１０）。
【請求項６】
前記ストラット（１６）が、第１の表面（２４）又は第２の表面（２６）の少なくとも１つのキャンバ（３４、３６）を調整する手段を含む、請求項５記載の排気ディフューザ（１０）。
【請求項７】
前記ストラット（１６）が、第１の表面（２４）及び第２の表面（２６）のキャンバ（３４、３６）を同時に調整する手段を含む、請求項５記載の排気ディフューザ（１０）。
【請求項８】
第１の側面キャンバ（３４）及び第２の側面キャンバ（３６）を有するストラット（１６）にわたる空気流を調整する方法であって、
ａ．前記空気流及びストラット（１６）間の入射角を決定するステップと、
ｂ．前記ストラット（１６）の第１の側面キャンバ（３４）を調整するステップと、を含む、
方法。
【請求項９】
前記ストラット（１６）の第２の側面キャンバ（３６）を調整するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記空気流の方向を検知して、該空気流及びストラット（１６）間の迎え角を決定するステップをさらに含む、請求項８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはガスタービン用の排気ディフューザに関連する。より具体的には、本発明は、ガスタービンの効率を向上させるように排気ディフューザ内におけるストラットのキャンバを調整するシステム及び方法について記述する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンは、産業及び商業運転において広く使用されている。一般的なガスタービンは、前部における軸流圧縮機と、中間部の周りの１以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。圧縮機は、複数段の動翼及び静翼を含む。外気が圧縮機に流入し、動翼及び静翼は、作動流体（空気）に徐々に運動エネルギーを与えて該作動流体を高エネルギー状態にする。作動流体は圧縮機から流出しかつ燃焼器に流れ、燃焼器において、作動流体は燃料と混合されかつ点火されて、高い温度及び圧力を有する燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、燃焼器から流出しかつタービンに流れ、タービンにおいて、燃焼ガスは膨張して仕事を産生する。タービンの下流に位置する排気ディフューザは、タービンの最終段から流出する流れの運動エネルギーを高い静圧の形態の位置エネルギーに変換する。これは、増大する面積のダクトを通して流れを流すことによって達成され、その間には、全体圧力損失の発生は最少にされなければならない。排気ディフューザは一般的に、軸受を支持した構造ストラットを囲む１以上の空気力学的翼形を含む。
【０００３】
燃焼ガスは、ガスタービンの負荷範囲にわたる広範囲の入口スワール状態で排気ディフューザに流入する。スワール状態の変化により、燃焼ガスは、様々な入射角でストラットに遮られまた該ストラット上を流れて、大きな空気力学的損失を引き起こすことになる。加えて、ディフューザの入口における高いスワールは、ストラットによる渦励振作用に基因して機械的振動発生を引き起こしかねない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２００７／０１９３３６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、燃焼ガスの存在スワール状態に基づいてディフューザストラットを調整して、ガスタービンの空気力学的性能を強化することができるのが望ましい。
【０００６】
本発明の態様及び利点は、以下において次の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の１つの実施形態は、排気ディフューザであり、本排気ディフューザは、シュラウドと、シュラウドから半径方向に分離されて該シュラウドとの間に流体通路を形成した壁とを含む。ストラットが、シュラウド及び壁間で延び、またストラットは、調整可能なキャンバを有する第１の表面を含む。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、排気ディフューザであり、本排気ディフューザは、シュラウドと、シュラウドから半径方向に分離されて該シュラウドとの間に流体通路を形成した壁とを含む。ストラットが、シュラウド及び壁間で延び、またストラットは、第１の側面キャンバと、第２の側面キャンバと、第１の側面キャンバ及び第２の側面キャンバの少なくとも１つを調整する手段とを含む。
【０００９】
本発明はまた、第１の側面キャンバ及び第２の側面キャンバを有するストラットにわたる空気流を調整する方法を含む。本方法は、空気流及びストラット間の入射角を決定するステップと、ストラットの第１の側面キャンバを調整するステップとを含む。
【００１０】
本明細書を精査することにより、当業者には、そのような実施形態の特徴及び態様並びにその他がより良好に理解されるであろう。
【００１１】
添付図面の図を参照することを含む本明細書の以下の残り部分において、当業者に対する本発明の最良の形態を含む本発明の完全かつ有効な開示をより具体的に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の１つの実施形態による排気ディフューザの簡略断面図。
【図２】線２−２に沿って取った、図１に示す排気ディフューザの断面図。
【図３】本発明の１つの実施形態によるストラットの簡略断面図。
【図４】燃焼ガスの特定の入射角に対する、図３に示すストラットの簡略断面図。
【図５】本発明の別の実施形態によるストラットの簡略断面図。
【図６】燃焼ガスの特定の入射角に対する、図５に示すストラットの簡略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
次に、その１以上の実施例を添付図面に示している本発明の現時点での実施形態を詳細に説明する。詳細な説明では、図面中の特徴要素を示すために参照符号及び文字表示を使用している。本発明の同様な又は類似した部品を示すために、図面及び説明において同様な又は類似した表示を使用している。
【００１４】
各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１５】
本発明の様々な実施形態は、高入射角におけるディフューザストラットにわたる空気力学的損失を減少させる手段を提供する。本発明の実施形態は、ストラットの前縁を燃焼ガスの流入流れ方向と良好に整列させるようにストラットの前縁の付近に小さいキャンバ量を効果的に付加する。本発明との関連で、「キャンバ」という用語は、表面における湾曲量を意味している。膨張式ブラッダ、液圧式又は空圧式ピストン、ネジ付きロッド、或いは同等の機械的装置を使用して、正圧側面内に膨出を形成しまたストラットの負圧側面内の膨出を減少させて、ストラットの前縁を効果的に燃焼ガスの流入流れ方向に湾曲させてストラットにわたる圧力低下を減少させかつ燃焼ガスの流れを軸方向に整列させることができる。本発明の実施形態によって得られる利点には、高いスワール状態の存在下でのディフューザ空気力学的性能の向上、及び機械的振動発生問題に至るおそれがある高入射角に基因した渦励振作用の減少を含むことができる。
【００１６】
図１は、本発明の１つの実施形態による排気ディフューザ１０の簡略断面図を示している。図示するように、排気ディフューザ１０は一般的に、シュラウド１２と、壁１４と、１以上のストラット１６とを含む。シュラウド１２は一般的に、回転構成要素を囲む弓形表面又はケーシングを含む。例えば、図１に示すように、シュラウド１２は、ガスタービンのロータ１８を囲む又は内包することができる。壁１４は、シュラウド１２から半径方向に分離されかつ該シュラウド１２を囲んで、該シュラウド１２及び壁１４間に流体通路を形成する。壁１４は、その内側壁２０が外側壁２２から空気間隙によって分離された状態の二重壁構造とすることができる。本発明は、特許請求の範囲に記載した点を除いて、シュラウド１２及び／又は壁１４の特定の寸法、形状、材料又はその他の物理的特性に限定されるものではない。
【００１７】
ストラット１６は、シュラウド１２に対して壁１４を配向するように該シュラウド１２及び壁１４間で延びる。本発明との関連で、「ストラット」という用語は、シュラウド１２及び壁１４間で延びる構造又は支持部材を含む。ストラット１６は一般的に、組合されて空気力学的表面を形成した第１の表面２４及び第２の表面２６を含む。
【００１８】
図２は、線２−２に沿って取った、図１に示す排気ディフューザ１０の断面図を示している。図２に示すように、各ストラット１６は燃焼ガス３０の流れの方向に面した前縁２８を含む。各ストラット１６は、該ストラット１６の１方又は両方の表面２４、２６のキャンバを調整するのを可能にする調整可能な表面又は調整可能なキャンバ３２を含む。調整可能な表面又は調整可能なキャンバ３２は、図２に示すようにストラット１６の一部分にわたって延びることができる。それに代えて、調整可能な表面又は調整可能なキャンバ３２は、ストラット１６の長さ全体にわたって延びることができる。
【００１９】
図３は、本発明の１つの実施形態による、線Ｂ−Ｂに沿って取ったストラット１６の簡略断面図を示している。ストラット１６の第１の表面２４及び第２の表面２６は、前縁２８において連結している。ストラット１６の第１及び第２の表面２４、２６は各々、該ストラット１６の翼形又は空気力学的形状を形成する関連するキャンバ３４、３６を有する。図３に示すように、ストラット１６はさらに、第１の側面キャンバ３４又は第２の側面キャンバ３６の少なくとも１つを調整する手段を含む。この具体的な実施形態では手段は、第１の表面２４に近接して配置された第１の側面ブラッダ３８と、第２の表面２６に近接して配置された第２の側面ブラッダ４０とを含む。ブラッダ３８、４０は、薄板金属、ＤｕＰｏｎｔのＫｅｖｌａｒ（登録商標）のようなパラ−アラミド合成繊維、Ｈｕｎｔｉｎｇｔｏｎ  Ａｌｌｏｙｓ  ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎのＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）のようなオーステナイトニッケル−クロム基超合金、ステンレス鋼、或いは１２００°Ｆ以上の温度に耐えることができるその他の可撓性材料で製作することができる。ブラッダ３８、４０の寸法及び長さは、特許請求の範囲に記載した点を除いて、特定の設計要求に従って変化させることができかつ本発明を限定するものではない。
【００２０】
空圧又は液圧は、配管４２、パイピングなどの構造を通して各ブラッダ３８、４０に或いは各ブラッダ３８、４０から導いて、各ブラッダ３８、４０の圧力及び従って関連するボリュームを増大又は減少させることができる。例えば、三方バルブ４４を使用して、１つのブラッダ内の圧力を増大させると同時に他方のブラッダ内の圧力を減少させて、ストラットの各表面２４、２６のキャンバを変化させることができる。別の実施形態では、別個のバルブ、ポート又はその他の流れ制御を各ブラッダに対して使用して、各ブラッダ内の圧力を独立して変化させることができる。
【００２１】
図４は、燃焼ガスの特定の流れ４６の方向における、図３に示すストラット１６を示している。図４に示すように、第１の側面キャンバ３４又は第２の側面キャンバ３６の少なくとも１つを調整する手段は、第１の表面２４に近接して配置された第１の側面ブラッダ３８内に流体を導きまた第２の表面２６に近接して配置された第２の側面ブラッダ４０から外に流体を導くようになっている。その結果、第１の表面２４に近接して配置された第１の側面ブラッダ３８は、そのボリュームが増大して、第１の側面キャンバ３４の対応する増大をもたらし、また第２の表面２６に近接して配置された第２の側面ブラッダ４０は、そのボリュームが減少して、第２の側面キャンバ３６の対応する減少をもたらす。このようにして、本発明のこの実施形態によるストラット１６は、第１及び第２の側面キャンバ３４、３６を調整して、接近する燃焼ガス４６及びストラット１６間の入射角を効果的に減少させる。
【００２２】
図５は、本発明の別の実施形態によるストラット４８の簡略断面図を示している。この実施形態では、ストラット４８は、ここでも同様に、前縁５４において連結した第１の表面５０及び第２の表面５２を含む。ストラット４８の第１及び第２の表面５０、５２は各々、該ストラット４８の翼形又は空気力学的形状を形成した関連する調整可能なキャンバ５６、５８を有する。この実施形態では、第１又は第２の表面の少なくとも１つのキャンバを調整する手段は、１以上の、ネジ付きロッド６２及びボルト６４を含む。各プレート６０は、ストラット４８の内部にかつ該ストラット４８の各表面５０、５２に近接して配置される。各プレート６０は一般的に、ストラット４８における所望のキャンバに対応する形状を形成しかつ該ストラット４８の各表面５０、５２の内側に連結される。ネジ付きロッド６２は、各プレート６０に連結され、またボルト６４の回転により、各プレート６０の位置が決定される。ボルト６４の回転により、ネジ付きロッド６２が一方の表面に向けてかつ他方の表面から離れるように移動することになる。その結果、ストラット４８の１つの表面のキャンバが増大する一方、反対側の表面のキャンバが減少する。
【００２３】
図６に示すように、ボルト６４を回転させて、ネジ付きロッド６２を上向きに移動させた。その結果、ストラット４８の第１の表面５０に近接して配置されたプレート６０は、第１の側面キャンバ５６を増大させ、また第２の表面５２に近接して配置されたプレート６０は、第２の側面キャンバ５８を減少させた。その結果、ストラット４８の前縁５４は、接近する燃焼ガス６６及びストラット４８間の入射角を効果的に減少させるように調整された。
【００２４】
当業者には、ストラットの第１及び／第２の表面のキャンバを調整するように第１及び／又は第２の表面を移動させる多くのその他の手段が知られている。例えば、液圧又は空圧構成要素の様々な組立体、電気モータ、歯車或いはその他の機械的装置を使用して、キャンバ内に所望の変化をもたらすように第１及び／又は第２の表面の形状を変化させることができる。
【００２５】
作動中に、本発明の様々な実施形態によるストラットを有する排気ディフューザは、空気流量を調整する方法を提供する。燃焼ガスの流れ及びストラット間の入射角は、経験的観察により又は運転経験に基づいて決定することができる。例えば、それに限定されないがピトー管及び／又は差圧検出器を含む当技術分野で公知の様々な機器を使用して燃焼ガスの方向及び速度を測定することができる。それに代えて、従来の運転経験を利用して現在の運転出力レベルを燃焼ガスの方向及び速度と相関させることができる。入射角が分かると、ストラットの一方又は両方のキャンバは、燃焼ガスの流れとストラットの前縁との間の入射角を減少させるように調整することができる。燃焼ガスの流れとストラットの前縁との間の入射角を減少させることによって、本発明の実施形態は、ストラットにわたる圧力低下を生じさせる流れ抵抗を減少させる。その結果、本発明は、ガスタービンの空気力学的効率に対する悪影響を最少にしながら、燃焼ガスのより大きな変動及び出口スワールを可能にする。
【００２６】
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、装置又はシステムを製作しかつ使用しまた組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【符号の説明】
【００２７】
１０  排気ディフューザ
１２  シュラウド
１４  壁
１６  ストラット
１８  ロータ
２０  内側壁
２２  外側壁
２４  第１の表面
２６  第２の表面
２８  前縁
３０  燃焼ガスの流れ
３２  調整可能な表面
３４  第１の側面キャンバ
３６  第２の側面キャンバ
３８  第１の側面ブラッダ
４０  第２の側面ブラッダ
４２  配管
４４  三方バルブ
４６  燃焼ガス流
４８  ストラット
５０  第１の側面
５２  第２の側面
５４  前縁
５６  第１の側面キャンバ
５８  第２の側面キャンバ
６０  プレート
６２  ネジ付きロッド
６４  ボルト
６６  燃焼ガス流
【図１】
2011208637.tif 000003
【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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