(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムであって、
長手方向軸と、
前記長手方向軸の周りに位置する内側ディフューザガイドと、
前記長手方向軸の周りに位置する外側ディフューザガイドと、
前記内側ディフューザガイドと前記外側ディフューザガイドとの間に位置する複数の支持ストラットと、
を有するラジアルディフューザと、
前記ラジアルディフューザの周りに非対称に位置する非対称排気コレクタと、
を備え、
前記外側ディフューザガイドは、
円錐形で下流方向に拡がる上流部分と、
円錐形で下流方向に拡がる下流部分と、
を有し、
前記上流部分は、前記ラジアルディフューザの前記長手方向軸に対して上流膨張角を有し、
前記下流部分は、前記ラジアルディフューザの前記長手方向軸に対して下流膨張角を有し、
前記上流膨張角は前記下流膨張角より大きく、
前記上流部分と前記下流部分とは互いに隣接し、
前記上流部分と前記下流部分の境界に、前記複数の支持ストラットの前縁が位置する、
ラジアルディフューザ排気システム。
【請求項２】
ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムであって、
長手方向軸と、
前記長手方向軸の周りに位置する外側ディフューザガイドと、
前記外側ディフューザガイドから延びる複数の支持ストラットと、
を有するラジアルディフューザと、
前記ラジアルディフューザの周りに非対称に位置する非対称排気コレクタと、
を備え、
前記外側ディフューザガイドは、
円錐形で下流方向に拡がる上流部分と、
円錐形で下流方向に拡がる下流部分と、
を有し、
前記上流部分は、前記ラジアルディフューザの前記長手方向軸に対して上流膨張角を有し、
前記下流部分は、前記ラジアルディフューザの前記長手方向軸に対して下流膨張角を有し、
前記上流膨張角は前記下流膨張角より大きく、
前記上流部分と前記下流部分とは互いに隣接し、
前記上流部分と前記下流部分の境界に、前記複数の支持ストラットの前縁が位置する、
ラジアルディフューザ排気システム。
【請求項３】
前記非対称排気コレクタは、閉鎖端チャンバと排気端チャンバとを備え、
前記閉鎖端チャンバは第１のサイズを備え、前記排気端チャンバは第２のサイズを備え、前記第１のサイズは前記第２のサイズより小さい、
請求項１または２に記載のラジアルディフューザ排気システム。
【請求項４】
前記外側ディフューザガイドはさらに、下流部分に隣接して下流に位置する鐘形の口をしたラジアルガイド部分を有する、請求項１から３のいずれかに記載のラジアルディフューザ排気システム。
【請求項５】
前記非対称排気コレクタは、閉鎖端チャンバと排気端チャンバとを備え、
前記外側ディフューザガイドはさらに、前記排気端チャンバ内に位置する第１の偏向器リップを有し、
前記第１の偏向器リップは、前記ラジアルディフューザの前記長手方向軸に対して第１の角度で拡がる、
請求項１または２に記載のラジアルディフューザ排気システム。
【請求項６】
前記外側ディフューザガイドはさらに、前記閉鎖端チャンバ内に位置する第２の偏向器リップを有する、請求項５に記載のラジアルディフューザ排気システム。
【請求項７】
前記第２の偏向器リップは、前記ラジアルディフューザの前記長手方向軸に対して略平行に延びる、請求項６に記載のラジアルディフューザ排気システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願及び結果として得られる特許は、一般に、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、支持ストラットの上流の拡大した膨張ゾーンと、偏向器リップを有するディフューザガイドと、非対称排気コレクタとを有するラジアルディフューザ排気システムを有するガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンの通常運転中、主要な空気力学的難題の１つは、タービンの最終段を出る高運動量の燃焼ガス流を効率的に放出することを含む。水平排気構成を使用することが空気力学的に有益である場合があるが、こうした軸流排気は、全体的な設置面積が影響して実用的でない場合がある。そのため、軸流タービンから燃焼ガス流をラジアル方向に転回させる垂直及び側部搭載式排気スタックを使用することが標準的な慣行である。特に、ラジアルディフューザは、燃焼ガス流をラジアル方向に方向付けるために使用することができる。ラジアルディフューザは、一般に、内側ディフューザガイド上に搭載され、外側ディフューザガイドによって閉囲された幾つかのストラットを含む。ラジアルディフューザは、タービンの最終段を出る燃焼ガス流の運動エネルギーを、静圧の増加という形でポテンシャルエネルギーに変換する。総合的な静圧回復の増加は、ガスタービンエンジンの総合的な性能及び効率を上げる傾向がある。
【０００３】
したがって、ガスタービンエンジンと共に使用するための改良型ディフューザ設計及び改良型排気システムについての欲求が存在する。こうした改良型のディフューザ及び排気システムは、ガスタービンエンジンの総合的な軸流長を全体として低減しながら、空気力学的な性能及び効率の増加を提供することができる。更に、排気システムの空気力学的性能に対する改良は、伝統的に低いノイズ放出に関連付けられており、したがって、従来の軸流構成と比較して、同様の結果を、ラジアル排気ディフューザから期待することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】仏国特許出願公開第２７５７２１０号明細書
【発明の概要】
【０００５】
したがって、本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、非対称排気コレクタ内に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。非対称排気コレクタは、閉鎖端チャンバ及び排気端チャンバを含むことができる。閉鎖端チャンバは第１のサイズを有することができ、排気端チャンバは第２のサイズを有することができ、第１のサイズは第２のサイズより小さいとすることができる。
【０００６】
本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを更に提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、排気コレクタ内に非対称に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。ラジアルディフューザは外側ディフューザガイドを含むことができる。外側ディフューザガイドは、上流膨張角、下流膨張角、傾斜構成を有する上側偏向器リップ、及び下側偏向器リップを含むことができる。
【０００７】
本出願及び結果として得られる特許は、ガスタービンエンジンと共に使用するためのラジアルディフューザ排気システムを更に提供する。ラジアルディフューザ排気システムは、非対称排気コレクタ内に配置されたラジアルディフューザを含むことができる。ラジアルディフューザは外側ディフューザガイドを含むことができる。外側ディフューザガイドは、上流膨張角及び下流膨張角を含むことができる。上流膨張角は下流膨張角より大きいとすることができる。
【０００８】
本出願及び結果として得られる特許のこれらのまた他の特徴及び改良は、幾つかの図面及び添付特許請求の範囲と共に考えられるとき、以下の詳細な説明を検討することによって当業者に明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】圧縮機、燃焼器、タービン、及びディフューザを示すガスタービンエンジンの略図である。
【図２】本明細書で述べる場合があるラジアルディフューザ排気システムの断面図である。
【図３】図２のラジアルディフューザ排気システムの部分側断面図である。
【図４】本明細書で述べる場合があるラジアルディフューザ排気システムの更なる実施形態の断面図である。
【図５】図４のラジアルディフューザ排気システムの部分側断面図である。
【図６】図４のラジアルディフューザ排気システムの正面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
ここで、同様の数字が、幾つかの図全体にわたって同様の要素を指す図面を参照すると、図１は、本明細書で使用する場合があるガスタービンエンジン１０の略図を示す。ガスタービンエンジン１０は圧縮機１５を含むことができる。圧縮機１５は、入って来る空気２０の流れを圧縮する。圧縮機１５は、空気２０の圧縮された流れを燃焼器２５に送出する。燃焼器２５は、空気２０の圧縮された流れを燃料３０の加圧された流れと混合し、その混合物に点火して、燃焼ガス３５の流れを生成する。単一の燃焼器２５だけが示されるが、ガスタービンエンジン１０は、任意の数の燃焼器２５を含むことができる。燃焼ガス３５の流れは、次に、タービン４０に送出される。燃焼ガス３５の流れは、タービン４０を駆動して、機械的仕事を生成する。タービン４０内で生成される機械的仕事は、シャフト４５を介して圧縮機１５を、また、発電機及び同様なもの等の外部負荷５０を駆動する。
【００１１】
ガスタービンエンジン１０は、天然ガス、液体燃料、種々のタイプの合成ガス、及び／又は他のタイプの燃料、並びにその組合せを使用することができる。ガスタービンエンジン１０は、限定はしないが、７又は９シリーズ・ヘビーデューティ・ガスタービンエンジン、ＧＥ  Ａｅｒｏ  Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅｓエンジン、及び同様なもの等のエンジンを含む、ニューヨーク州シェネクタディ（Ｓｃｈｅｎｅｃｔａｄｙ，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ）のＧｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏｍｐａｎｙによって提供される幾つかの異なるガスタービンエンジンのうちの任意の１つのエンジンであるとすることができる。ガスタービンエンジン１０は、異なる構成を有することができ、他のタイプのコンポーネントを使用することができる。他のタイプのガスタービンエンジンもまた、本明細書で使用することができる。複数のガスタービンエンジン、他のタイプのタービン、及び他のタイプの発電機器もまた、本明細書で共に使用することができる。
【００１２】
ガスタービンエンジン１０はまた、ラジアルディフューザ５５を含むことができる。ラジアルディフューザ５５は、タービン４０の下流に配置することができる。上述したように、ラジアルディフューザ５５は、内側ディフューザガイド６５上に搭載され、外側ディフューザガイド７０内に閉囲された幾つかのストラット６０を含むことができる。ラジアルディフューザ５５は、燃焼ガス３５の流れをラジアル方向に転回させる。他のタイプのディフューザを使用することができる。他のコンポーネント及び他の構成を本明細書で使用することができる。
【００１３】
図２及び図３は、本明細書で使用する場合があるラジアルディフューザ排気システム１００の例を示す。ラジアルディフューザ排気システム１００は、ラジアルディフューザ１１０を含むことができる。上述したラジアルディフューザと同様に、ラジアルディフューザ１１０は、内側ディフューザガイド１２０、外側ディフューザガイド１３０、及び内側ディフューザガイド１２０と外側ディフューザガイド１３０との間に配置された幾つかのディフューザ支持ストラット１４０を含むことができる。内側ディフューザガイド１２０及び外側ディフューザガイド１３０は共に、下流のラジアルガイドセクション１６０につながる円錐セクション１５０を有することができる。内側ディフューザガイド１２０及び外側ディフューザガイド１３０は、両者の間に流路１７０を画定する。流路１７０は、下流方向に面積を増加させることができる。ラジアルディフューザ１１０は、任意のサイズ、形状、又は構成を有することができる。他のコンポーネント及び他の構成を本明細書で使用することができる。
【００１４】
ラジアルディフューザ１１０は、任意の数のディフューザ支持ストラット１４０を有することができる。支持ストラット１４０は、空気力学的なエーロフォイルに似た形状１８０又は同様な構成を有することができる。支持ストラット１４０は、内側ディフューザガイド１２０の円錐セクション１５０と外側ディフューザガイド１３０の円錐セクション１５０との間に配置することができる。他のコンポーネント及び他の構成を本明細書で使用することができる。
【００１５】
外側ディフューザガイド１３０は、支持ストラット１４０の直ぐ上流にキンク１９０を含むことができる。特に、外側ディフューザガイド１３０は、支持ストラット１４０の上流に上流膨張角２００を、また、支持ストラット１４０の前縁２２０の下流に下流膨張角２１０を含むことができ、キンク１９０は中間の頂点である。上流膨張角２００は、下流膨張角２１０より約２５パーセント（２５％）を越えて大きいとすることができる。上流膨張角２００と下流膨張角２１０との比、並びにセクションの軸長は、ラジアルディフューザ１１０の下流の設計、速度、渦（ｓｗｉｒｌ）、温度、及び圧力を含む流れの空気力学的及び熱力学的特性、並びに他のタイプの運転パラメータと共に変動する場合がある。
【００１６】
ラジアルディフューザ排気システム１００はまた、排気コレクタ２３０を含むことができる。ラジアルディフューザ１１０は、排気コレクタ２３０内に配置することができる。この例では、排気コレクタ２３０は、非対称排気コレクタ２４０であるとすることができる。非対称排気コレクタ２４０は、その一端に閉鎖端チャンバ２５０及び他端に排気端チャンバ２６０を含むことができる。閉鎖端チャンバ２５０は排気端チャンバ２６０より小さいとすることができる。閉鎖端チャンバ２５０のサイズと排気端チャンバ２６０のサイズとの比は、流量、全圧、温度、排気スタックの断面積、及び他のタイプの運転パラメータに依存することができる。例として、閉鎖端チャンバ２５０の軸長は、排気端チャンバ２６０より約３０パーセント（３０％）を越えて短い又は小さいとすることができる。
【００１７】
使用時、外側ディフューザガイド１３０内のキンク１９０の周りに配置されたより大きな上流膨張角２００は、支持ストラット１４０の上流で燃焼ガス流３５のより急激な膨張を可能にし、支持ストラット１４０の下流でよりゆっくりした膨張を可能にする。そのため、異なる膨張角２００、２１０の使用は、静圧回復の改善を提供する。支持ストラット１４０の前縁２２０上への流れの衝突は、燃焼ガス流３５の運動エネルギーの一部を除去することができる。より大きな上流膨張角２００は、支持ストラット１４０内でより大きな半径が使用されることを可能にし、それにより、有効な遮断を減少させ、静圧のよりよい回復を可能にする。キンク１９０はまた、全体的なラジアルディフューザ排気システム１００のより短い軸長を可能にする。
【００１８】
外側ディフューザガイド１３０からの流れの分離を防止するため、支持ストラット１４０が局所的減速及び静圧増加をもたらす場合があるため、より大きな上流膨張角２００が許容される。したがって、上流膨張角２００は、支持ストラット１４０の遮断、運転中のエンジンの質量流量、及び閉鎖端チャンバ２５０の周りでの急な流れの転回によって生成される背圧と同期される場合がある。より大きな上流膨張角２００は、強い境界層がより大きな圧力回復のために分離することなくより急激な角度を可能にするため、外側ディフューザガイド１３０の上流端に設置される。
【００１９】
閉鎖端チャンバ２５０におけるこの背圧を減少させるため、閉鎖端チャンバ２５０及び排気端チャンバ２６０の非対称設計は、大きな渦の形成を防止して、燃焼ガス流３５内でのよりスムーズな圧力回復を達成するのを補助することができる。こうした渦の形成は、流れ分離の主要な原因である場合がある。そのため、非対称排気チャンバ２４０は、ラジアルディフューザ排気システム１００の全長を減少させながら、空気力学的性能の向上を提供する。そのため、キンク１９０及び非対称排気チャンバ２４０の使用は、ディフューザ空気力学的総合効率及び総合エンジン性能の改善を提供することができる。
【００２０】
図４〜６は、ラジアルディフューザ排気システム３００の更なる実施形態の例を示す。ラジアルディフューザ排気システム３００はまた、上述したように非対称排気コレクタ２４０内に配置されたラジアルディフューザ１１０を含むことができる。この例では、外側ディフューザガイド１３０は、排気端チャンバ２６０の周りに配置された上側偏向器リップ３１０及び閉鎖端チャンバ２５０の周りに配置された下側偏向器リップ３２０を含むことができる。上側偏向器リップ３１０及び下側偏向器リップ３２０は、ラジアルガイドセクション１６０に沿って約１８０度（１８０°）同様に延在するものとして示されるが、それぞれの角度は変動する場合がある。その角度は、ラジアルガイドセクション１６０、排気スタック、エンジン流量、及び他のタイプの運転パラメータに応じて変動する場合がある。他のコンポーネント及び他の構成もまた本明細書で使用することができる。
【００２１】
上側偏向器リップ３１０は、下流方向に排気端チャンバ２６０に向かって上方に延在する傾斜構成３３０を有することができる。傾斜構成３３０は、燃焼ガス３５が、上方に排気端チャンバ２６０に入り、排気スタックに向かって流れることを可能にする。上側偏向器リップ３１０の傾斜構成３３０は、より大きな全圧の降下の生成を回避しながら、再循環流を主ストリーム内に誘導することができる。上側偏向器リップ３１０の傾斜構成３３０は、全体的な流れ分離を減少させながら、排気端チャンバ２６０内の再循環気泡をなくすのに役立つ。上側偏向器リップ３１０はまた、燃焼ガス流３５が膨張するための更なる空間を提供する。
【００２２】
下側偏向器リップ３２０は、上側偏向器リップ３１０の傾斜構成３３０と比較して、著しく平坦な又は異なる構成３４０を有することができる。下側偏向器リップ３２０の異なる構成３４０は、閉鎖端チャンバ２５０の周りでの再循環渦の形成を更に抑制し、閉鎖端チャンバ２５０内で渦を分解することに寄与する。そのため、下側偏向器リップ３２０は、閉鎖端チャンバ２５０内で生成される強い再循環流と入って来る流れとの相互作用を防止する。特に、下側偏向器リップ３２０は、入って来る流れに干渉することなく、閉鎖端チャンバ２５０内の流れを排出するのに役立つ。
【００２３】
ガイドリップのサイズ、形状、角度、及び周囲長は、全体としてガスタービンパッケージの特定の熱力学並びに排気コレクタ及び他のコンポーネントの寸法によって左右される。ガイドリップの幅及び形状は、互いから独立している場合があり、また、周囲場所に沿って変動する場合がある。ガイドリップの側面から観察されるＶ−プロファイルトリムは、排気コレクタの閉鎖端から開口端までの燃焼ガスの動きに有利である場合がある。
【００２４】
上記が本出願及び結果として得られる特許の或る実施形態に関連するだけであることが認識されるべきである。添付特許請求の範囲及びその均等物によって規定される本発明の一般的な精神及び範囲から逸脱することなく、多数の変更及び修正を当業者によって本明細書で行うことができる。
【符号の説明】
【００２５】
１０  ガスタービンエンジン
１５  圧縮機
２０  空気
２５  燃焼器
３０  燃料
３５  燃焼ガス
４０  タービン
４５  シャフト
５０  外部負荷
５５  ラジアルディフューザ
６０  ストラット
６５  内側ディフューザガイド
７０  外側ディフューザガイド
１００  ラジアルディフューザ排気システム
１１０  ラジアルディフューザ
１２０  内側ディフューザガイド
１３０  外側ディフューザガイド
１４０  ディフューザ支持ストラット
１５０  円錐セクション
１６０  ラジアルガイドセクション
１７０  流路
１８０  形状
１９０  キンク
２００  上流膨張角
２１０  下流膨張角
２２０  前縁
２３０  排気コレクタ
２４０  非対称排気コレクタ
２５０  閉鎖端チャンバ
２６０  排気端チャンバ
３００  ラジアルディフューザ排気システム
３１０  上側偏向器リップ
３２０  下側偏向器リップ
３３０  傾斜構成
３４０  異なる構成
【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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