(57)【要約】【課題】タービンエンジンのディフューザ（４２）内で使用する方向転換ストラット（５０”）を提供する。【解決手段】第１及び第２の対向する表面（７４、７６）が、方向転換ストラット（５０”）の前縁（７２）から垂下しかつ後縁（７８）にて終端している。スロット（８０）が方向転換ストラット（５０”）を貫通して延び、第１の表面（７４）から第２の表面（７６）までそのボリュームが減少している。ターンダウン運転時に、排気流は偏向旋回角度で前縁（７２）に衝突し、第１の表面（７４）における排気流は、第２の表面（７６）におけるよりも圧力が高くなり、排気流はスロット（８０）を通って流れる。スロット（８０）ボリュームの減少により、スロット（８０）を通る排気流が加速され、第２の表面（７６）における排気流と合流する。第２の表面（７６）における排気流の運動量は増大し、第２の表面における第２の層流境界層（９２）を維持する。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンエンジン（１０）のディフューザ（４２）内で使用するための方向転換ストラット（５０”）であって、
湾曲前縁（７２）と、
その一端部において前記湾曲前縁（７２）から垂下した第１のテーパ表面（７４）と、
その一端部において前記湾曲前縁（７２）から垂下しかつ前記第１のテーパ表面（７４）に対向して配置された第２のテーパ表面（７６）と、
前記第１及び第２のテーパ表面（７４、７６）の他端部に形成された後縁（７８）と、
該方向転換ストラット（５０”）を貫通して前記第１のテーパ表面（７４）から前記第２のテーパ表面（７６）まで延び、該第１のテーパ表面（７４）から該第２のテーパ表面（７６）までそのボリュームが減少しかつ前記湾曲前縁（７２）に近接して配置された少なくとも１つのスロット（８０）と、を含む、
方向転換ストラット。
【請求項２】
前記少なくとも１つのスロット（８０）が、整列した複数のスロットを含む、請求項１記載の方向転換ストラット。
【請求項３】
前記少なくとも１つのスロット（８０）が、丸み付き端部を備えたほぼ矩形形状を有する、請求項１記載の方向転換ストラット。
【請求項４】
前記少なくとも１つのスロット（８０）が、ほぼ複合曲線形状を有する、請求項１記載の方向転換ストラット。
【請求項５】
前記ほぼ複合曲線形状が、蛇行形状を含む、請求項４記載の方向転換ストラット。
【請求項６】
前記少なくとも１つのスロット（８０）が、前記湾曲前縁（７２）に近接して配置されて、前記タービンエンジン（１０）のターンダウン運転時に前記第２のテーパ表面（７６）に層流境界層（９２）を維持するようにする、請求項１記載の方向転換ストラット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載した主題は、タービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジンのディフューザ内の方向転換ストラットに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、シャフト上に配置された複数の圧縮機ブレードを有する圧縮機を含み、圧縮機ブレード及びシャフトは、徐々に減少するボリュームを形成するように構成されている。ガスタービンに吸込まれた空気流は、該空気流が圧縮機を通って流れる時に加圧される。複数の燃焼器が、圧縮機の下流に配置され、燃焼器において、公知のように空気及び燃料が混合されかつ燃料が点火燃焼される。多段タービンが、燃焼器の下流に配置される。多段タービンの第１段は、圧縮機のシャフト上に配置された複数のタービンベーンによって形成される。多段タービンの最終段は、圧縮機のシャフトとは独立して回転する出力駆動シャフト上に配置された複数のタービンベーンによって形成される。燃焼器からの加熱加圧空気流は、多段タービンを回転させる。多段タービンの第１段の回転は、圧縮機のシャフトを回転させる。多段タービンの最終段の回転は、出力駆動シャフトを回転させ、出力駆動シャフトは次に、発電機を駆動する。ディフューザが、多段タービンの最終段の後方に配置され、また排気流を減速させかつ動的エネルギーを静圧上昇に変換するように構成される。ディフューザは、空気力学的フェアリングで囲んだ支持ストラットから成る複数の方向転換ストラットを含む。方向転換ストラットは、設計性能範囲内でガスタービンエンジンを運転している時に多段タービンからの流れを軸方向に向けて方向転換させる。方向転換ストラットは、ディフューザの環状空間内に円周方向に配置される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第５，８１３，８２８号公報
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様によると、タービンエンジンのディフューザ内で使用するための方向転換ストラットは、湾曲前縁と、その一端部において湾曲前縁から垂下した第１のテーパ表面と、その一端部において湾曲前縁から垂下した第２のテーパ表面と、第１及び第２のテーパ表面の他端部に形成された後縁とを有する。第２のテーパ表面は、第１のテーパ表面に対向して配置される。少なくとも１つのスロットが、方向転換ストラットを貫通して第１のテーパ表面から第２のテーパ表面まで延びる。少なくとも１つのスロットは、第１のテーパ表面から第２のテーパ表面までそのボリュームが減少している。少なくとも１つのスロットは、湾曲前縁に近接して配置される。
【０００５】
本発明の別の態様によると、タービンエンジンのディフューザ内の流れを方向転換させる方法は、設計ポイント旋回角度から偏向した旋回角度にて流れを方向転換ストラットの前縁に衝突させるステップを含む。本方法はさらに、方向転換ストラットの第１のテーパ表面における流れにより該第１のテーパ表面において第１の層流境界層を形成するステップと、方向転換ストラットの第２のテーパ表面における流れにより該第２のテーパ表面において第２の層流境界層を形成するステップとを含む。第１のテーパ表面は、その一端部において前縁から垂下している。第２のテーパ表面は、その一端部において前縁から垂下している。第２の表面は、第１の表面に対向して配置される。偏向旋回角度は、第１及び第２の表面における流れ間に圧力差を生じさせる。第１の表面における流れは、第２の表面における流れよりも高い圧力になっている。本方法は、方向転換ストラットを貫通して第１の表面から第２の表面まで延びる少なくとも１つのスロットを通る流れを生じさせるステップを含む。少なくとも１つのスロットを通る流れは、第１の表面から第２の表面に向かうものでありかつ第１及び第２の表面における流れ間の圧力差の結果によるものである。本方法はさらに、少なくとも１つのスロットのボリュームを第１の表面から第２の表面まで減少させることによって、該少なくとも１つのスロットを通る流れを加速させるステップを含む。本方法はその上さらに、少なくとも１つのスロットからの流れを第２の表面における流れと合流させるステップを含む。第２の表面における流れの運動量が増大して、第２の表面に第２の層流境界層を維持するようになる。
【０００６】
本発明のさらに別の態様によると、タービンエンジンのディフューザ内で使用するための方向転換ストラットは、前縁によって形成されかつ該前縁から垂下した第１及び第２の表面を有する全体的に細長い涙滴形状を有し、第２の表面は、第１の表面に対向して配置され、また第１及び第２の表面は、後縁にて終端している。少なくとも１つのスロットが、方向転換ストラットを貫通して第１の表面から第２の表面まで延びる。少なくとも１つのスロットは、第１の表面から第２の表面までそのボリュームが減少している。少なくとも１つのスロットは、前縁に近接して配置される。
【０００７】
これらの及びその他の利点並びに特徴は、図面と関連させて行った以下の説明から一層明らかになるであろう。
【０００８】
本発明と見なされる主題は、本明細書と共に提出した特許請求の範囲において具体的に指摘しかつ明確に特許請求している。本発明の前述の及びその他の特徴並びに利点は、添付図面と関連させて行った以下の説明から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】ディフューザを備えた典型的なガスタービンエンジンの概略断面図。
【図２】設計ポイント旋回角度にて作動している先行技術の方向転換ストラットの概略断面図。
【図３】設計ポイント旋回角度から偏向した旋回角度にて作動している、図２の方向転換ストラットの概略断面図。
【図４】設計ポイント旋回角度にて作動している本発明の方向転換ストラットの実施形態の概略断面図。
【図５】図４の方向転換ストラットの部分側面図。
【図６】図４の方向転換ストラットの別の部分側面図。
【図７】設計ポイント旋回角度から偏向した旋回角度にて作動している、図４の方向転換ストラットの概略断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
詳細な説明は、図面を参照しながら実施例によって、本発明の実施形態をその利点及び特徴と共に説明する。
【００１１】
図１を参照すると、高出力ガスタービンエンジンを、その全体的を参照符号１０で示している。ガスタービンエンジン１０は、外側タービンケーシング１２によって形成されたほぼ環状の形状を有する。ガスタービンエンジン１０の一端部に、入口１４が形成される。入口１４は、ケーシング１２内に配置された複数の圧縮機ブレード１８によって形成された圧縮機１６に通じる。圧縮機ブレード１８は、ケーシング１２の中心線２２に沿って延びるシャフト２０上に配置され、圧縮機ブレード１８及びシャフト２０は、徐々に減少するボリュームを形成するように構成される。入口１４においてガスタービンエンジン１０内に吸込まれた空気流は、該空気流が圧縮機１６内を通過する時に加圧される。複数の燃焼器２４が、圧縮機１６の下流に配置され、かつシャフト２０の周りに軸方向に配置される。燃焼器２４は、予混合室及び燃焼室（その両方とも図示せず）を有する。圧縮機１６からの空気流は、流入ポート２６を通して予混合室内に吸込まれる。また、燃料入口２８からの燃料が、予混合室内に送給される。この空気及び燃料は、公知のように、予混合室内で混合されて燃料及び空気混合気を形成し、この燃料及び空気混合気が、燃焼室に流入し、燃焼室において点火燃焼される。多段タービン３０が、燃焼器２４の下流でケーシング１２内に配置される。多段タービン３０の第１段３２は、シャフト２０上に配置された複数のタービンベーン３４によって形成される。多段タービン３０の最終段３６は、出力駆動シャフト４０上に配置された複数のタービンベーン３８によって形成される。出力駆動シャフト４０はまた、該出力駆動シャフト４０がシャフト２０と軸方向に整列しているのでケーシング１２の中心線２２に沿って延びるが、シャフト２０とは独立して回転する。燃焼器２４からの加熱加圧空気流は、多段タービン３０を回転させる。多段タービン３０の第１段３２の回転は、シャフト２０を回転させ、シャフト２０が次に、圧縮機１６を駆動する。多段タービン３０の最終段３６の回転は、出力駆動シャフト４０を回転させ、出力駆動シャフト４０が次に、発電機（図示せず）を駆動する。ディフューザ４２が、多段タービン３０の最終段３６の後方に配置され、また排気流を減速させかつ動的エネルギーを静圧上昇に変換するように構成される。ディフューザ４２は、空気力学的フェアリングで囲んだ支持ストラットから成る複数の方向転換ストラット５０を含む。方向転換ストラット５０は、設計性能範囲内でガスタービンエンジン１０を運転している時に多段タービン３０からの流れ４４を軸方向に向けて方向転換させて、流れ４６を発生させる。方向転換ストラット５０は、ディフューザ４２の環状空間内に円周方向に配置される。
【００１２】
図２を参照すると、参照符号５０’で表した先行技術における方向転換ストラットを、全体的に細長い涙滴形状を有するものとして概略断面図で示している。方向転換ストラット５０’は、湾曲前（縁）表面５２を有し、この湾曲前表面５２は、後縁５８で出会うテーパ表面５４及び５６につながっている。方向転換ストラット５０’は、その設計性能範囲内でガスタービン１０を運転している時に、限られた効率低下で排気の流れ６０を方向転換させるように設計されている。より具体的には、流れ６０は、設計ポイント入口旋回角度にて方向転換ストラット５０’の湾曲前表面５２に衝突して、該方向転換ストラット５０’の周りの流れ６０が均一であるようになる。従って、方向転換ストラット５０’の表面には、層流境界層６２及び６４が形成される。これは、その設計性能範囲内でガスタービンエンジン１０を運転している時に、高い信頼性で達成される。
【００１３】
しかしながら、時にはその設計性能範囲以下でガスタービンエンジン１０を運転することが望ましい場合もある。これには、オフピークエネルギー需要又はその他の低エネルギー需要状態の間での運転が含まれることになる。しばしば「ターンダウン」運転と呼ばれているこのような運転時には、方向転換ストラット５０’の周りにおける排気の流量は、最適流量よりも少ない。
【００１４】
図３を参照すると、ターンダウン運転時における方向転換ストラット５０’を示しており、この場合には、流れ６０は、設計ポイント入口旋回角度（図２）から大きく偏向した旋回角度にて方向転換ストラット５０’の湾曲前表面５２に衝突する。この偏向旋回角度における流れ６０は、方向転換ストラット５０’の湾曲前表面５２に衝突する。流れ６０は、表面５４に沿って流れ続けて層流境界層６２を形成する。流れ６０は、表面５６に沿って流れ続けて層流境界層６４を形成するが、この層流境界層６４は、剥離ポイント６６の下流で剥離する。層流境界層６４内の流れの運動量が、それがゼロとなる点まで低下した時に、層流境界層６４は、表面５６から剥離する。層流境界層６４が表面５６から剥離すると、層流境界層６４は、表面５６上に逆流を引き起こす。層流境界層６４が剥離すると、層流境界層６４は、圧力抗力の増大を引き起こす伴流６８を形成し、このことが、システムの効率に悪影響を与える。伴流６８内には複数の渦流７０が生じる。渦流７０が表面５６から離脱し始めると、それら渦流７０は、一定の頻度で離脱することになる。渦流７０の離脱は、ストラット５０’内に振動を引き起こして、騒音及び背圧の増大のようなシステムの非効率がさらに付加される可能性がある。
【００１５】
図４、図５及び図６を参照すると、参照符号５０”で表した方向転換ストラットの実施形態を、全体的に細長い涙滴形状を有するものとして概略断面図（図４）で示している。方向転換ストラット５０”は、湾曲前縁７２を有し、この湾曲前縁７２は、後縁７８で出会うテーパ表面７４及び７６につながっている。複数のスロット８０が、方向転換ストラット５０”を貫通して表面７４における入口８２（図５）から表面７６における出口８４（図６）まで延びている。スロット８０は、方向転換ストラット５０”の前縁７２に近接して配置される。スロット８０は、整列しておりかつ丸み付き端部を備えたほぼ矩形の形状になっている。入口８２の面積は、出口８４の面積よりも大きい。その結果、スロット８０のボリュームは、入口８２から出口８４まで徐々に減少する。スロット８０の概略断面図（図４）は、ほぼ蛇行形状になったほぼ複合曲線を示している。方向転換ストラット５０”は、その設計性能範囲内でガスタービンエンジン１０を運転している時に、限られた効率低下で排気の流れ８６を方向転換させるように設計されている。より具体的には、流れ８６は、設計ポイント入口旋回角度にて方向転換ストラット５０”の湾曲前（縁）表面７２に衝突して、該方向転換ストラット５０”の周りの流れ８６が均一であるようになる。層流境界層８８及び９０が、方向転換ストラット５０”のそれぞれ表面７４及び７６に形成される。設計ポイント旋回角度においては、表面７４上の流れと表面７６上の流れの圧力差は、無視できる程度であり、それによってスロット８０を通るいかなる流れも僅かである。
【００１６】
次に図７を参照すると、ターンダウン運転時における方向転換ストラット５０”を示しれており、この場合には、流れ８６は、設計ポイント入口旋回角度（図４）から大きく偏向した旋回角度にて方向転換ストラット５０”の湾曲前縁７２に衝突する。流れ８６は、表面７４に沿って流れ続けて層流境界層８８を形成する。流れ８６は、表面７６に沿って流れ続けて層流境界層９２を形成する。偏向旋回角度により、表面７４及び７６における流れ間に圧力差が生じる。表面７４には高圧流れが形成され、また表面７６には低圧流れが形成される。表面７４及び７６間の圧力差は、スロット８０において吸引作用を発生させて、スロットを通る流れを生じさせる。スロット８０の徐々に減少するボリュームは、ベルヌーイの法則によりスロット８０を通る流れの速度を増大させる。ベルヌーイの法則は、流体の速度及び圧力間の相関関係に関して、流体速度が増大する時には圧力が低下し、また流体速度が低下する時には圧力が上昇すると述べている。従って、入口８２においてスロット８０に流入した流れは、スロット８０を通して出口８４に向かって加速する。スロット８０から流出する流れは、表面７６の上流端における流れよりも速い。これらの流れは、出口８４において合流し、それによって出口８４の下流の表面７６における流れは、加速される。上記の先行技術とは異なり、表面７６におけるこの加速流は、剥離しない。この流れの運動量は、ゼロにまで低下することはなく、表面７４及び７６間の流れの均一性が維持される。上記したように、スロット８０は、入口８２内への流入及び出口８４からの流出を可能にするように蛇行形状になっている。より具体的には、表面７４における流れの方向は、入口８２に至り、また出口８４は、表面７６のおける流れの方向に沿っている。従って、圧力抗力が減少し、それにより、ディフューザ４２の効率が増大すると共に部品応力が低下することになる。
【００１７】
限られた数の実施形態に関してのみ本発明を詳細に説明してきたが、本発明がそのような開示した実施形態に限定されるものではないことは、容易に理解される筈である。むしろ、本発明は、これまで説明していないが本発明の技術思想及び技術的範囲に相応するあらゆる数の変形、変更、置換え又は均等な構成を組込むように改良することができる。さらに、本発明の様々な実施形態について説明してきたが、本発明の態様は説明した実施形態の一部のみを含むことができることを理解されたい。従って、本発明は、上記の説明によって限定されるものと見なすべきではなく、本発明は、特許請求の範囲の技術的範囲によってのみ限定される。
【符号の説明】
【００１８】
１０  ガスタービンエンジン
１２  外側タービンケーシング
１４  入口
１６  圧縮機
１８  圧縮機ブレード
２０  シャフト
２２  中心線
２４  燃焼器
２６  流入ポート
２８  燃料入口
３０  多段タービン
３２  第１段
３４  タービンブレード
３６  最終段
３８  タービンブレード
４０  出力シャフト
４２  ディフューザ
４４  流れ
４６  流れ
５０  方向転換ストラット
５０’  方向転換ストラット
５０”  方向転換ストラット
５２  湾曲前表面
５４  テーパ表面
５６  テーパ表面
５８  後縁
６０  流れ
６２  層流境界層
６４  層流境界層
６６  剥離ポイント
６８  伴流
７０  渦流
７２  湾曲前縁
７４  テーパ表面
７６  テーパ表面
７８  後縁
８０  スロット
８２  入口
８４  出口
８６  流れ
８８  層流境界層
９０  層流境界層
９２  層流境界層
【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】
2011052689.tif 000008
【図７】
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