(57)【要約】      （修正有）【課題】排気ディフューザの設置面積を減少させる。【解決手段】回転セクションは、ロータに結合された複数のブレード１８０と、そのまわりに配置されたシュラウド１９６と、シュラウド１９６と複数のブレード１８０の各半径方向の先端との間の先端クリアランス１９４とを含み、先端クリアランス１９４が、翼端上漏れ流を可能にする。システムは、複数のブレード１８０の下流に膨張流路を画定する外壁１９８を含むディフューザセクション１８８も含む。外壁１９８は、複数のブレード１８０の回転軸に対して第１の角度を有する第１の壁部分を含み、先端クリアランス１９４は、境界層を外壁１９８に沿って翼端上漏れ流により維持し、第１の角度の増加を可能にする。【選択図】図１
2012092837.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃焼セクション（１６２）と、
前記燃焼セクション（１６２）に結合されたタービンセクション（１３０）であって、ロータに結合された複数のタービンブレード（１８０）を有するタービン段（１７８）と、前記複数のタービンブレード（１８０）のまわりに配置された固定シュラウド（１９６）と、前記固定シュラウド（１９６）と前記複数のタービンブレード（１８０）の各ブレード端（２０４）の間のクリアランス（１９４、２３８、２４４）とを備えるタービンセクション（１３０）と、
前記タービンセクション（１３０）に結合されたディフューザセクション（１８８）であって、前記複数のタービンブレード（１８０）の下流に膨張流路を画定する外壁（１９８）を備え、前記外壁（１９８）が、前記複数のタービンブレード（１８０）の回転軸（２１０）に対して第１の角度（２１８）を有する第１の壁部分（２１４）を備え、前記クリアランス（１９４、２３８、２４４）が、翼端上漏れ流（２１２）が前記外壁（１９８）に沿って境界層を付勢できるように構成された、ディフューザセクション（１８８）と
を備えるガスタービンエンジン（１１８）
を備えるシステム。
【請求項２】
前記第１の角度（２１８）が少なくとも約１６度以上である、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の角度（２１８）が約２０から４０度の間である、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記外壁（１９８）が、前記第１の壁部分（２１４）の下流に第２の壁部分（２１６）を備え、前記第２の壁部分（２１６）が、前記複数のタービンブレード（１８０）の前記回転軸（２１０）に対して第２の角度（２２０）を有し、前記第２の角度（２２０）が少なくとも約６度以上である、請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の角度（２１８）が約２０から３０度の間であり、前記第２の角度（２２０）が約６から１５度の間である、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記クリアランス（１９４、２３８、２４４）が、前記翼端上漏れ流（２１２）が前記ディフューザセクション（１８８）内で半径方向の流速を増加させて前記外壁（１９８）に沿った流れ剥離（２３６、２４２）を実質的に減少させるかまたは解消できるように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
前記クリアランス（１９４、２３８、２４４）が約９０から１５０ミルの間である、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記ディフューザセクション（１８８）がある長さ（１９０）を有し、前記ガスタービンエンジン（１１８）がある全長（１９２）を有し、前記クリアランス（１９４、２３８、２４４）が、前記翼端上漏れ流（２１２）が少なくとも前記第１の壁部分（２１４）に沿って前記境界層を付勢して前記全長（１９２）に対する前記長さ（１９０）の減少を可能にするように構成される、請求項１記載のシステム。
【請求項９】
前記長さ（１９０）が前記全長（１９２）の少なくとも約１５パーセント未満である、請求項８記載のシステム。
【請求項１０】
ロータに結合された複数のブレード（１８０）と、前記複数のブレード（１８０）のまわりに配置された固定シュラウド（１９６、３２６）と、前記固定シュラウド（１９６、３２６）と前記複数のブレード（１８０）の各ブレード端（２０４）の間のクリアランス（１９４、２３８、２４４、３００、３２４）とを備える回転セクションであって、前記先端クリアランス（１９４、２３８、２４４、３００、３２４）が翼端上漏れ流（２１２）を可能にするように構成される、回転セクションと、
前記複数のブレード（１８０）の下流に膨張流路を画定する外壁（１９８、３１０）を備えるディフューザセクション（１８８、３１２）であって、前記外壁（１９８、３１０）が、前記複数のブレード（１８０）の回転軸（２１０）に対して第１の角度（２１８）を有する第１の壁部分（２１４）を備え、前記クリアランス（１９４、２３８、２４４、３００、３２４）が、前記境界層を前記外壁（１９８、３１０）に沿って前記翼端上漏れ流（２１２）により維持することによって、前記第１の角度（２１８）の増加を可能にするように構成されている、ディフューザセクション（１８８、３１２）と
を備えるシステム。
【請求項１１】
前記回転セクションがタービンセクション（１３０、３１４）を備える、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１の角度（２１８）が約１６から４０度の間である、請求項１０記載のシステム。
【請求項１３】
前記外壁（１９８、３１０）が、前記第１の壁部分（２１４）の下流に第２の壁部分（２１６）を備え、前記第２の壁部分（２１６）が、前記複数のブレード（１８０）の前記回転軸（２１０）に対して第２の角度（２２０）を有し、前記第２の角度（２２０）が約６から１５度の間である、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１の角度（２１８）が約２１から２３度の間であり、前記第２の角度（２２０）が約７から９度の間である、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記クリアランス（１９４、２３８、２４４、３００、３２４）が、前記翼端上漏れ流（２１２）が前記ディフューザセクション（１８８、３１２）内で半径方向の流速を増加させて前記外壁（１９８、３１０）に沿った流れ剥離（２３６、２４２）を実質的に減少させるかまたは解消できるように構成される、請求項１０記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書で開示される主題は、タービンシステムの排気拡散に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは、ガスタービンエンジンに結合された排気ディフューザを含むことがある。ガスタービンエンジンは、燃料を燃焼させて高熱の燃焼ガスを生成し、燃焼ガスは、タービンを流れて負荷および／または圧縮機を駆動する。排気ディフューザは、タービンから排気を受け取り、圧力および速度を徐々に減少させる。残念なことに、排気ディフューザはかなりの量の空間を占有する場合が多い。たとえば、排気ディフューザはガスタービンエンジンと同じくらいの長さとすることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００８０２３２９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、排気ディフューザの設置面積（ｆｏｏｔｐｒｉｎｔ）、したがってガスタービンシステムの全体的な設置面積を減少させる設計戦略を実施することが有益となり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
最初に特許請求された本発明の範囲に対応するいくつかの実施形態について以下で要約する。これらの実施形態は、特許請求された本発明の範囲を限定することを意図したものではなく、本発明の考えられる形態の簡単な要約を提供することのみを意図するものである。実際に、本発明はさまざまな形態を包含することができ、これらの形態は以下に記載の実施形態と同様でもよく、これと異なってもよい。
【０００６】
第１の実施形態によれば、システムはガスタービンエンジンを含む。このガスタービンエンジンは、燃焼セクションと、この燃焼セクションに結合されたタービンセクションとを含む。このタービンセクションは、ロータに結合された複数のタービンブレードを有するタービン段と、複数のタービンブレードのまわりに配置された固定シュラウド（ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ  ｓｈｒｏｕｄ）と、この固定シュラウドと複数のタービンブレードの各端との間のクリアランスとを含む。タービンブレードは、その端に取り付けられた回転シュラウドを有してもよく、有さなくてもよい。ガスタービンエンジンは、タービンセクションに結合されたディフューザセクションを含む。このディフューザセクションは、複数のタービンブレードの下流に膨張流路（ｅｘｐａｎｄｉｎｇ  ｆｌｏｗ  ｐａｔｈ）を画定する外壁を含む。この外壁は、複数のタービンブレードの回転軸に対して第１の角度を有する第１の壁部分を含み、クリアランスは、翼端上漏れ流（ｏｖｅｒ  ｔｉｐ  ｌｅａｋａｇｅ  ｆｌｏｗ）が外壁に沿って境界層を付勢（ｅｎｅｒｇｉｚｅ）できるように構成される。
【０００７】
第２の実施形態によれば、システムは回転セクションを含む。この回転セクションは、ロータに結合された複数のブレードと、この複数のブレードのまわりに配置された固定シュラウドと、この固定シュラウドと複数のブレードの各端との間のクリアランスとを含み、このクリアランスは、翼端上漏れ流を可能にするように構成される。タービンブレードは、その端に取り付けられた回転シュラウドを有してもよく、有さなくてもよい。システムは、複数のブレードの下流に膨張流路を画定する外壁を含むディフューザセクションも含む。この外壁は、複数のブレードの回転軸に対して第１の角度を有する第１の壁部分を含み、クリアランスは、外壁に沿って翼端上漏れ流により境界層を維持することによって、第１の角度の増加を可能にするように構成される。
【０００８】
第３の実施形態によれば、方法は、翼端上漏れ流が固定シュラウドとタービン段の複数のタービンブレードとの間を通ることができるステップを含む。この方法は、タービンディフューザの壁に沿って翼端上漏れ流により境界層を付勢するステップも含む。
【０００９】
本発明の上記およびその他の特徴、態様、および利点は、図面全体を通して同様の符号が同様の部分を表す添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより良く理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンエンジンの、長手方向軸に沿った断側面図である。
【図２】一実施形態による、タービンブレードがシュラウドで覆われていない（ｕｎｓｈｒｏｕｄｅｄ）ディフューザセクション内の先端クリアランス、およびタービンセクション内の大きな角度を示す、図１のガスタービンエンジンの部分断側面図である。
【図３】クリアランスがない、ガスタービンエンジンの一実施形態の部分断側面図である。
【図４】第１のクリアランスを有する、ガスタービンエンジンの一実施形態の部分断側面図である。
【図５】第２のクリアランスを有する、ガスタービンエンジンの一実施形態の部分断側面図である。
【図６】一実施形態による大きな角度を有するディフューザセクションの軸方向長さにわたる圧力回復を示すグラフである。
【図７】一実施形態による大きな角度を有するディフューザセクションにおける軸流速度対半径方向位置を示すグラフである。
【図８】一実施形態による大きな角度を有するディフューザセクションにおける半径方向速度対半径方向位置を示すグラフである。
【図９】ブレードのシュラウドで覆われた回転端（ｒｏｔａｔｉｎｇ  ｓｈｒｏｕｄｅｄ  ｅｎｄｓ）と固定シュラウドの間のクリアランスを有する、長手方向軸に対して横方向のガスタービンエンジンの一実施形態の断面図である。
【図１０】クリアランスを有するガスタービンエンジンの一実施形態の、図９の線１０−１０に沿った部分断側面図である。
【図１１】蒸気タービンエンジンの部分断側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１つまたは複数の特定の実施形態について以下に説明する。これらの実施形態の簡潔な説明を提供するために、実際の実装のすべての特徴については本明細書で説明することはできない。このような実際の実装の開発において、あらゆるエンジニアリングプロジェクトまたは設計プロジェクトと同様に、システム関連および業務関連の制約の遵守などの開発者の特定の目標を達成するために多くの実装固有の決定を行う必要があり、これは実装ごとに変化し得ることを理解されたい。さらに、このような開発努力は複雑で時間がかかることがあるが、にもかかわらず、本開示の利益を受ける当業者にとって設計、製作、および製造の日常的な作業であることを理解されたい。
【００１２】
本発明の種々の実施形態の要素を紹介するとき、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、および「前記（ｓａｉｄ）」は、要素の１つまたは複数が存在することを意味することが意図されている。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有する（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は、包括的であることを意図し、列挙された要素以外の追加の要素が存在してもよいことを意味することを意図するものである。
【００１３】
開示される実施形態は、排気ディフューザの外壁に沿った、排気ディフューザの外壁からの流れ剥離を減少させるための、ガスタービンまたは蒸気タービンなどのタービン内の翼端上漏れ流を対象とする。一般に、動翼の端と周囲の固定シュラウドとの間のクリアランスを最小限にし、それによって、動翼上の流体（たとえば、蒸気または高温ガス）の仕事を最大限にすることが望ましい場合がある。ただし、若干のクリアランスを設けてブレードと固定シュラウドの間の摩擦の可能性を減少することができる。しかし、このクリアランスに関する考慮事項は、動翼の下流での流体の流れには関連しない。後述のように、流れ剥離および他の好ましくない流体流れが動翼の下流に発生することがある。開示された実施形態は、具体的には、翼端上漏れ流を制御し、それによって、ブレードの下流での流体流れを制御するようにクリアランスを調整する。たとえば、複数のブレードのブレード端とブレードのまわりに配置された固定シュラウドとの間を通る翼端上漏れ流は、排気ディフューザの外壁に沿って境界層を付勢し、それによって、ブレードの回転軸に対する大きな角度を排気ディフューザの外壁に組み入れることが可能になる。言い換えれば、翼端上漏れ流は、境界層に沿って流速を増加させ、したがって、ブレードの回転軸に対する大きな角度が使用されたとき通常発生する排気ディフューザの外壁からの流れ剥離を減少または防止し、また排気ディフューザの圧力回復をも維持する。翼端上漏れ流は、排気ディフューザ内での角度の増加を可能にしながら、タービンシステムの全長だけでなく、ディフューザの長さを減少させることができる。
【００１４】
図１は、ガスタービンエンジン１１８の一実施形態の、長手方向軸１１９に沿った断側面図である。理解されるように、翼端上漏れ流は、ガスタービンシステムおよび蒸気タービンシステムなどの任意のタービンシステムで使用することができ、任意の特定の機械加工またはシステムに限定されない。さらに後述するように、翼端上漏れ流は、外壁からの排気ガスの剥離を防止または減少させる目的で排気ディフューザの外壁に沿って境界層を付勢するためにガスタービンエンジン１１８の内部で用いることができる。翼端上漏れ流は、ガスタービンエンジン１１８の下流または最終タービン段において動翼と周囲の固定シュラウドの間のクリアランスで生じる。したがって、クリアランスは、翼端上漏れ流を増加させるために増加されてもよく、翼端上漏れ流を減少させるために減少されてもよい。付勢された境界層は、外壁が、タービンブレードの回転軸に対する大きな角度を有することを可能にし、それによって、排気ディフューザの長さのかなりの減少を可能にする。その結果、翼端上漏れ流は、排気ディフューザが同様の、または改良された圧力回復を提供し、設置面積を減少することを可能にすることができる。
【００１５】
ガスタービンエンジン１１８は、燃焼器セクション１６２内部に位置する１つまたは複数の燃料ノズル１６０を含む。特定の実施形態では、ガスタービンエンジン１１８は、燃焼器セクション１６２の内部に環状の配列で配置された複数の燃焼器１２０を含むことができる。さらに、各燃焼器１２０は、環状または他の配列で各燃焼器１２０のヘッド端に取り付けられたまたはこれの近くの複数の燃料ノズル１６０を含むことができる。
【００１６】
空気は、吸気セクション１６３を通って入り、圧縮機１３２によって圧縮される。圧縮機１３２からの圧縮空気は、次に、燃焼器セクション１６２に向けられ、そこで圧縮空気は燃料と混合される。圧縮空気と燃料の混合は一般に燃焼器セクション１６２の内部で燃やされて高温高圧燃焼ガスを生成し、このガスは、タービンセクション１３０の内部でトルクを生成するために使用される。前述のように、複数の燃焼器１２０は、燃焼器セクション１６２の内部で環状に配置されることができる。各燃焼器１２０は、高熱の燃焼ガスを燃焼器１２０からタービンセクション１３０に向ける尾筒１７２を含む。特に、各尾筒１７２は、一般に、タービン１３０の第１の段１７４の内部に含まれる燃焼器１２０からタービンセクション１３０のノズルアセンブリへの高温ガス経路を画定する。
【００１７】
図示のように、タービンセクション１３０は、３つの別個の段１７４、１７６、および１７８を含む。各段１７４、１７６、および１７８は、シャフト１８４に回転可能に取り付けられたロータホイール１８２に結合された複数のブレード１８０を含む。各段１７４、１７６、および１７８は、各組のブレード１８０のすぐ上流に配置されたノズルアセンブリ１８６も含む。ノズルアセンブリ１８６は、高熱の燃焼ガスをブレード１８０に向け、ここで高熱の燃焼ガスはブレード１８０を回転させるための原動力をブレード１８０に加え、それによって、シャフト１８４を回す。高熱の燃焼ガスは、各段１７４、１７６、および１７８の内部のブレード１８０に原動力を加える段１７４、１７６、および１７８のそれぞれを流れる。次に、高熱の燃焼ガスは、ガスタービンセクション１３０を出て排気ディフューザセクション１８８を通ることができる。排気ディフューザセクション１８８は、またガスタービンエンジン１１８が生じる仕事を増加させるために静圧を増加しながら、ディフューザセクション１８８を通る流体流れの速度を低下させることによって機能する。図示のように、排気ディフューザセクション１８８は、ガスタービンエンジン１１８の全長１９２の一部分である長さ１９０を有する。開示されるエンジン１１８は、排気ディフューザセクション１８８で境界層を付勢するためにタービンセクション１８０から排気ディフューザセクション１８８に入る翼端上漏れ流を形成し、それによって長さ１９０の減少を可能にする。
【００１８】
図示の実施形態では、最後の段１７８は、複数のブレードの端１８０と、複数のブレード１８０のまわりに配置された固定シュラウド１９６との間にクリアランス１９４を含む。クリアランス１９４があることによって、翼端上漏れ流が、排気ディフューザセクション１８８の外壁１９８と高熱の燃焼ガスの流れとの間の境界層を付勢することが可能になり、それによって、ディフューザセクション１８８における大きな角度の使用およびガスタービンエンジン１１８の全長１９２に対するディフューザセクション１８８の長さ１９０の短縮を可能にする。翼端上漏れ流を組み入れる特定の実施形態では、ディフューザセクション１８８の長さ１９０は、ガスタービンエンジン１１８の全長１９２の約２５から５０パーセント、３０から４５パーセント、または３５から４０パーセントの範囲に及ぶことができる。たとえば、ディフューザセクション１８８の長さ１９０は、３０、３５、４０、４５、または５０パーセント、またはガスタービンエンジン１１８の全長１９２のそれらの間の任意のパーセントを占めることができる。
【００１９】
図２は、タービンセクション１３０内のクリアランス１９４およびディフューザセクション１８８で用いられる大きな角度をさらに示す、図１のガスタービンエンジン１１８の部分断面図である。ガスタービンエンジン１１８は、上述のように、ディフューザセクション１８８に結合されたタービンセクション１３０を含む。タービンセクション１３０は、最後の段１７８の複数のブレード１８０のまわりに配置された固定シュラウド１９６を含む。複数のブレード１８０の各ブレード１８０は、ブレード端２０４を含む。いくつかの実施形態では、ブレード端２０４は、半径方向の先端２０４を含むことができる。他の実施形態では、半径方向の端２０４は、シュラウドで覆われた回転端（図９および図１０を参照）を含むことができる。クリアランス１９４は、翼端上漏れ流がディフューザセクション１８８に沿って境界層を付勢するために、複数のブレード１８０の各ブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間に存在する。特定の実施形態では、クリアランス１９４の距離２０６は、約９０から１５０ミル、１００から１４０ミル、または１１０から１３０ミルの間の範囲で変動することができる。さらなる例によって、クリアランス１９４の距離２０６は、約１１５、１２０、１２５、１３０、１３５、または１４０ミル、またはそれらの間の任意のクリアランス１９４の距離２０６とすることができる。高熱の燃焼ガスは、方向２０８に流れて段１７８を通り、ブレード１８０を回転軸２１０のまわりで回転させるための原動力を複数のブレード１８０に加える。高熱の燃焼ガスのうちのいくらかがクリアランス１９４の間を流れ、矢印２１２によって示される翼端上漏れ流になる。
【００２０】
ディフューザセクション１８８は、翼端上漏れ流２１２を利用するためのより大きな角度を含む。ディフューザセクション１８８は、外壁１９８と、ディフューザセクション１８８にわたって径方向に配置されたストラット２００とを含む。外壁１９８は、複数のブレード１８０の下流に膨張流路を画定する。外壁１９８は、第１の壁部分２１４と、第１の壁部分２１４の下流の第２の壁部分２１６とを含む。第１の壁部分２１４は、複数のブレード１８０の回転軸２１０と平行な線２１１によって示される、軸２１０に対する第１の角度２１８を含む。特定の実施形態では、第１の角度２１８は、約１６から４０度、２０から４０度、２０から３０度、１８から２８度、または２１から２３度の範囲で変動することができる。たとえば、第１の角度２１８は、約１６、１８、２０、２２、または２４度、またはそれらの間の任意の角度とすることができる。クリアランス１９４を通る翼端上漏れ流２１２は、外壁１９８に沿って境界層を維持することによって第１の角度２１８の増加を可能にする。同様に、第２の壁部分２１６は、軸２１０と平行な線２１１によって示される、複数のブレード１８０の回転軸２１０に対する第２の角度２２０を含む。特定の実施形態では、第２の角度２２０は、約６から１２度または７から９度の間の範囲で変動することができる。たとえば、第２の角度２２０は、約６、８、または１０度、またはそれらの間の任意の角度とすることができる。いくつかの実施形態では、第１の角度２１８は約２０から２４度の間の範囲で変動することができ、第２の角度は約６から１２度の間の範囲で変動することができる。翼端上漏れ流２１２は、主に第１の壁部分２１４に沿って角度２１８で、または同様に第２の壁部分２１６に沿って角度２２０で、境界層を付勢するように機能することができる。いずれの場合にも、翼端上漏れ流は、ディフューザセクション１８８の平均角度の増加を可能にし、それによって、付勢された境界層によって、より短い距離にわたってのより能動的な拡散を実現する。
【００２１】
上記の測定値により第１の角度２１８を組み入れることによって、通常、ディフューザセクション１８８の内部の過剰な逆圧力勾配を引き起こし、それにより外壁１９８に沿った外壁１９８からの早期の流れ剥離を生じさせ、ディフューザセクション１８８によって性能が低下する。しかし、翼端上漏れ流２１２は境界層を付勢し、少なくとも第１の壁部分２１４に沿った、外壁１９８からの早期の流れ剥離を減少または防止する。翼端上漏れ流２１２は、ディフューザセクションの入口の直径２２２および出口の直径２２４を維持しながら、ディフューザセクション１８８の内部での大きな第１の角度２１８の使用およびガスタービンエンジン１１８の全長１９２に対するディフューザセクション１８８の長さ１９０の短縮を可能にする。さらに、ディフューザセクション１８８の長さ１９０を短縮すると、拡散回復のためにディフューザセクション１８８の全拡散面積を維持しながら、ディフューザセクション１８８の単位長さあたりの拡散面積比が向上する。その結果、大きな第１の角度２１８は、翼端上漏れ流２１２と共に、より短いタービンセクション１８８における少なくとも同じまたは改良された圧力回復およびディフューザ性能を可能にする。特定の実施形態では、ディフューザセクション１８８の長さ１９０の減少は、３０から６０パーセントの範囲に及ぶことができる。その結果、ディフューザセクション１８８の長さ１９０は、ガスタービンエンジン１１８の全長１９２の少なくとも約１５パーセント未満とすることができる。
【００２２】
図３〜図５は、クリアランス１９４がディフューザセクション１８８の外壁１９８に沿って境界層にどのように影響を及ぼすかをさらに示す、図１のガスタービンエンジン１１８の、線３−３の内部の部分断面図である。図３〜図５のガスタービンエンジン１８８は、上述のように、ディフューザセクション１８８に結合されたタービンセクション１３０を含む。タービンセクション１３０は、最後の段１７８の複数のブレード１８０のまわりに配置された固定シュラウド１９６を含む。ディフューザセクション１８８は、外壁１９８および大きな上述の角度、ならびにディフューザセクション１８８の内部に径方向に配置されたストラット２００を含む。
【００２３】
図３は、複数のブレード１８０の各ブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４のない、ガスタービンエンジン１１８の一実施形態を示す。高熱の燃焼ガスは、一般に、軸方向２３４に流れて段１７８を通り、ブレード１８０を回転させるための原動力を複数のブレード１８０に加える。一般に、高熱の燃焼ガスの流れは、ディフューザセクション１８８に沿って半径方向および軸方向の両方に膨張する。しかし、タービンセクション１３０近くのディフューザセクション１８８の入口における大きな角度は、圧力勾配に悪影響を及ぼし、ならびにディフューザセクション１８８の内部のガス流の軸方向および半径方向の速度を低下させる。ガス流の内部の軸方向および半径方向の運動量がないことにより、流れの失速および燃焼ガスの流れとディフューザセクション１８８の外壁１９８の間の境界層に沿った早期の大きな剥離２３６がもたらされる。
【００２４】
しかし、いくらかのクリアランス１９４を設けることによって、境界層に沿った剥離の量が減少する。図４は、複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間の第１の先端クリアランス２３８を有する、ガスタービンエンジン１１８の一実施形態を示す。第１のクリアランス２３８があることによって、いくらかの翼端上漏れ流２１２が複数のブレード１８０のブレード端２０４を越えることが可能になる。翼端上漏れ流２１２は、排気流２４０を外壁１９８に直接沿って向けるためのいくらかの追加運動量を付与する、高運動量の高エネルギー流である。翼端上漏れ流２１２は、排気流２４０に渦状の半径方向の運動量を付与し、それによって境界層を付勢する。境界層が付勢された結果、燃焼ガスの流れとディフューザセクション１８８の外壁１９８の間の剥離２４２が減少する。
【００２５】
クリアランス１９４を増加させることによって、はるかに大きな運動量およびエネルギーが燃焼ガスの排気流２４０に付与される（たとえば、渦状の半径方向の運動量）。図５は、図４の第１のクリアランス２３８より大きな第２のクリアランス２４４を有する、ガスタービンエンジン１１８の一実施形態を示す。第２のクリアランス２４４があることによって、より大量の翼端上漏れ流２１２が複数のブレード１８０のブレード端２０４を越えることが可能になる。第２のクリアランス２４４の間の翼端上漏れ流２１２は、第１のクリアランス２３８により提供される流れより大きな、高運動量の高エネルギー２４０の流れを生じさせる。この翼端上漏れ流２１２は、ディフューザセクション１８８の外壁１９８を有する境界層を付勢し、かつ境界層に沿った剥離の形成を実質的に防止するのに十分な追加の運動量を燃焼ガスの排気流２４０に付与する。したがって、翼端上漏れ流２１２は、通常ディフューザセクション１８８内の大きな角度によって引き起こされる剥離に対処する。
【００２６】
図６は、上述の大きな角度を組み入れるディフューザセクション１８８の実施形態の軸方向長さ１９０にわたる圧力回復を表すグラフ２５０である。グラフ２５０では、ｙ軸２５２はディフューザセクション１８８の圧力回復を表し、ｘ軸２５４はディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０を表す。圧力回復は、ｙ軸２５２に沿って下から上にかけて増加する。ディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０は、ｘ軸２５４に沿って左から右にかけて増加する。プロット２５６は、タービンセクション１３０が複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４を有さない、ディフューザセクション１８８の一実施形態の軸方向長さ１９０に沿った圧力回復を表す。プロット２５８は、タービンセクション１３０が複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４を有するディフューザセクション１８８の一実施形態の軸方向長さ１９０に沿った圧力回復を表す。破線２６０および２６２は、ディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０に沿ったストラット２００の場所を表す。より具体的には、破線２６０および２６２はそれぞれ、ストラット２００の前縁および後縁を表す。
【００２７】
プロット２５６は、クリアランス１９４が存在しない場合に、最初はディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０に沿った圧力回復の漸増を示す。プロット２５６に示すように、燃焼ガスの流れが、破線２６０によって表されるストラット２００の前縁に直面すると、圧力回復の量は、流れがストラット２００と相互作用することにより急激に減少するが、流れが破線２６２によって表されるストラット２００の後縁に近付くと、回復して漸増する。ストラット２００の後で、圧力回復は、ディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０の残りに沿って漸増する。
【００２８】
プロット２５８は、プロット２５６と同様に、クリアランス１９４がある場合に、最初はディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０に沿った、より大きな割合での圧力回復の増加を示す。また同様に、プロット２５８に示すように、燃焼ガスの流れがストラット２００の前縁に直面すると、圧力回復の量は、流れがストラット２００と相互作用することにより減少するが、その減少量はわずかであり、流れがストラット２００の後縁２６２に近付くと、回復して圧力回復の上方レベルを増加させる。ストラット２００の後で、圧力回復は、ディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０の残りに沿って圧力回復の上方レベルに留まる。グラフ２００は、プロット２５８に示すようにクリアランス１９４がある場合、圧力回復はより大きな割合で生じ、ディフューザセクション１８８の軸方向長さ１９０に沿った、プロット２５６に示すようにクリアランス１９４がない場合より早い最大の獲得可能な圧力回復に達することを示す。翼端上漏れ流２１２を可能にするクリアランス１９４があることによる、このより早期かつ大きな圧力回復の結果、大きな角度をディフューザセクション１８８で使用することができ、ガスタービンエンジン１１８に対するディフューザセクション１８８の短縮を可能にする。
【００２９】
図７および図８は、大きな角度を有するディフューザセクション１８８の実施形態における、ディフューザセクション１８８の入口の下流であるがストラット２００に直面する前の燃焼ガスの流れの軸方向および半径方向の運動量に対する翼端上漏れ流２１２の影響を示す。図７は、燃焼ガスの流れの軸流速度と半径方向の距離（すなわち、ディフューザセクション１８８の長さ１９０に沿った半径方向の膨張）を表すグラフ２７２である。グラフ２７２では、ｘ軸２７４は軸流速度を表し、ｙ軸２７６は半径方向の距離を表す。半径方向の距離は、ｙ軸２７６に沿って下から上にかけて増加する。燃焼ガスの流れの軸流速度は、ｘ軸２７４に沿って左から右にかけて増加する。プロット２７８は、タービンセクション１３０が複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４を有さない場合のディフューザセクション１８８の内部で流れが半径方向に膨張するときの燃焼ガスの流れの軸流速度を表す。プロット２８０は、タービンセクション１３０が複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４を有する場合に流れが半径方向に膨張するときの燃焼ガスの流れの軸流速度を表す。
【００３０】
プロット２７８は、クリアランス１９４がない場合、軸流速度が、流れの膨張が点２７７に進むまで、燃焼ガスの流れが外壁１９８に向かって半径方向に膨張するとき、わずかに減少し、点２７７において、膨張の結果、燃焼ガスの流れにおける軸流速度が突然著しく失われることを示す。この軸流速度の突然の低下は、ディフューザセクション１８８の内部に大きな角度がある結果、燃焼ガスの流れが失速することにより生じる。外壁１９８近くの低速領域２７９は、外壁１９８からの著しい流れ剥離を表す。プロット２８０は、クリアランス１９４がある場合、燃焼ガスの流れが半径方向に膨張するとき、軸流速度がわずかに減少することを示す。しかし、プロット２８０に示すように、燃焼ガスの流れは、翼端上漏れ流２１２がある場合、流れが外壁１９８に向かって半径方向に膨張すると、クリアランス１９４により軸流速度を維持する。したがって、プロット２８０は低速領域２７９を示さない。プロット２８０は、ディフューザセクション１８８の外壁１９８に沿って境界層を維持する（たとえば、流れの失速および境界層に沿った剥離を防止する）ために、燃焼ガスの流れに運動量およびエネルギーを付与することを示す。したがって、翼端上漏れ流２１２は、流れ剥離を実質的に防止しながら、外壁１９８の増加を可能にする。
【００３１】
図８は、さらに、翼端上漏れ流２１２による燃焼ガスの流れの付勢（ｅｎｅｒｇｉｚｉｎｇ）を示す。図８は、燃焼ガスの流れの半径方向速度と半径方向の距離（すなわち、ディフューザセクション１８８の長さ１９０に沿った半径方向の膨張）を表すグラフ２９０である。グラフ２９０では、ｘ軸２９２は半径方向速度を表し、ｙ軸２９４は半径方向の距離を表す。半径方向の距離は、ｙ軸２９４に沿って下から上にかけて増加する。燃焼ガスの流れの半径方向速度は、ｘ軸２９２に沿って左から右にかけて増加する。プロット２９６は、タービンセクション１３０が複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４を有さないディフューザセクション１８８の内部で流れが半径方向に膨張するときの燃焼ガスの流れの半径方向速度を表す。プロット２９８は、タービンセクション１３０が複数のブレード１８０のブレード端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス１９４を有する場合に流れが半径方向に膨張するときの燃焼ガスの流れの半径方向速度を表す。
【００３２】
プロット２９６は、クリアランス１９４がない場合、軸流速度が、流れの膨張が点２９７に進むまで、燃焼ガスの流れが外壁１９８に向かって半径方向に膨張するとき、わずかに増加し、点２９７において、膨張の結果、燃焼ガスの流れにおける半径方向速度が着実に失われることを示す。半径方向速度の低下は、軸流速度の低下と同様に、ディフューザセクション１８８の内部の大きな角度がある結果、燃焼ガスの流れが失速することにより生じる。プロット２９８は、クリアランス１９４からの翼端上漏れ流２１２がある場合、燃焼ガスの流れが外壁１９８に向かって膨張するとき、半径方向速度の急激で著しい増加が生じることを示す。半径方向速度は、プロット２９８に示すように、膨張に関して、プロット２９６では半径方向速度が減少した点２９７を過ぎて膨張中に増加し続けさえする。プロット２９８は、翼端上漏れ流２１２が、大きな角度がある場合にディフューザセクション１８８の外壁１９８に沿って流れ剥離を実質的に減少または解消する目的で半径方向の流速を増加させるために燃焼ガスの流れにかなりの量のエネルギーおよび運動量を付与することを示す。
【００３３】
上述のように、複数のブレード１８０のブレード端２０４は、シュラウドで覆われた端２０４を含むことができる。図９は、ブレード１８０のシュラウドで覆われた端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス３００を有する、長手方向軸１１９に対して横方向のガスタービンエンジン１１８の一実施形態の断面図である。図示のように、たとえば段１７８における隣接するブレード１８０のブレード端２０４は、ブレード１８０を周方向に囲む環状シュラウド３０２を形成するシュラウドで覆われた端２０４を含む。翼端上漏れ流は、上記の実施形態で説明したように、固定シュラウド１９６と環状シュラウド３０２の間のクリアランス３００を使用して上述のように用いることができる。
【００３４】
図１０は、複数のブレード１８０のシュラウドで覆われた端２０４と固定シュラウド１９６の間のクリアランス３００をさらに示す、ガスタービンエンジン１１８の一実施形態の、図９の線１０−１０に沿った部分断側面図である。各シュラウドで覆われた端２０４は、カバー３０４を含む。クリアランス３００があることによって、上述のように、先端を超える漏れ２１２が複数のブレード１８０のシュラウドで覆われた端２０４を越えることが可能になる。クリアランス３００の間の翼端上漏れ流２１２は、高運動量の高エネルギー２４０の流れを生じさせる。この翼端上漏れ流２１２は、ディフューザセクション１８８の外壁１９８を有する境界層を付勢し、かつ境界層に沿った剥離の形成を実質的に防止するのに十分な追加の運動量を燃焼ガスの排気流２４０に付与する。したがって、翼端上漏れ流２１２は、通常ディフューザセクション１８８内の大きな角度によって引き起こされる剥離に対処する。
【００３５】
上述のように、翼端上漏れ流２１２は蒸気タービンシステムにおいて使用することができる。図１１は、蒸気タービンエンジン３０６の部分断側面図である。ガスタービンエンジン１１８と同様に、翼端上漏れ流２１２は、外壁３１０からの蒸気の剥離を防止または減少させる目的で排気ディフューザ３１２の外壁３１０に沿って境界層を付勢するために蒸気タービンエンジン３０６で用いることができる。図示のように、蒸気タービンエンジン３０６は、軸流排気蒸気タービンエンジン３０６である。蒸気タービンエンジン３０６は、複数の段３１６を含むタービンセクション３１４を含む。各段３１６は、シャフト３１８のまわりに周方向に延びる何列にも整列された複数のブレード１８０を含む。各ブレード１８０は、ブレード端２０４を含む。特定の実施形態では、ブレード端２０４は、ブレード先端２０４を含むことができる。他の実施形態では、ブレード端２０４は、シュラウドで覆われた端２０４を含むことができる。各段３１４は、各組のブレード１８０の上流に配置されたノズルアセンブリも含む。蒸気は、蒸気タービンエンジン３０６の入口３２０を入り、ノズルアセンブリを通って流れる。このノズルアセンブリは、蒸気をブレード１８０に向け、ここで蒸気はブレード１８０を回転させるための原動力をブレード１８０に加え、それによって、シャフト３１８を回す。蒸気は、各段３１６の内部のブレード１８０に原動力を加える各段３１６を流れる。次に、蒸気は、タービンセクション３１４を出て排気ディフューザセクション３１２を通る。
【００３６】
図示の実施形態では、最後の段３２２は、複数のブレード１８０のブレード端２０４と、複数のブレード１８０のまわりに配置された固定シュラウド３２６との間に、一般に矢印３２４によって示されるクリアランスを含む。特定の実施形態では、クリアランス３２４の距離は、約１００から２５０ミルの範囲に及ぶことができる。このクリアランスがあることによって、上述のように翼端上漏れ流２１２が可能になり、したがって、ディフューザセクション３１２における大きな角度の使用および蒸気タービンエンジン３０６の全長に対するディフューザセクション３１２の短縮が可能になる。ディフューザセクション３１２の長さは、約２０から６０パーセント、または蒸気タービンエンジン３０６の全長のそれらの間の任意のパーセントの範囲に及ぶことができる。
【００３７】
特定の実施形態では、タービンシステムを動作させる方法は、翼端上漏れ流２１２が境界層を付勢し、たとえばディフューザセクション１８８内の、タービンの下流の流れ剥離を防止することを可能にするステップを含むことができる。たとえば、この方法は、翼端上漏れ流２１２が固定シュラウド１９６とタービン段１７８の複数のタービンブレード１８０の間を通ることを可能にするステップを含むことができる。この方法は、タービンディフューザ１８８の壁１９８に沿って翼端上漏れ流２１２により境界層を付勢するステップも含む。この方法は、少なくとも約１６度以上の角度を有する壁１９８の第１の部分２１４を通って下流方向の複数のタービンブレード１８０からの流れを径方向に膨張するステップをさらに含むことができ、付勢ステップが第１の部分２１４に沿って境界層を維持する。いくつかの実施形態では、この角度は、少なくとも約２０度以上とすることができる。方法は、さらに、壁１９８の第１の部分２１４から壁１９８の第２の部分２１６への、少なくとも約６度以上の角度を有する流れを径方向に膨張するステップを含むことができる。また、方法は、タービン段１７８およびタービンディフューザ１８８を有するタービンエンジン１１８の全長１９２の少なくとも約１５パーセント未満である長さ１９０にわたる、タービン段からタービンディフューザ１８８を通して排気流を拡散するステップを含むことができる。
【００３８】
開示された実施形態の技術的効果は、タービンシステムのディフューザセクション１８８において大きな角度を提供することを含む。また、クリアランス１９４を設けることによって、翼端上漏れ流２１２が付勢し、ディフューザセクション１８８を通る半径方向の膨張中に流れに運動量を与え、通常大きな角度により発生する壁１９８からの流れ剥離を防止することが可能になる。この大きな角度を、翼端上漏れ流２１２と共に使用することによって、性能を改善するとまではいかなくても少なくとも維持しながら、ディフューザセクション１８８の長さならびにタービンシステムの全長を減少させることが可能になる。ディフューザセクション１８８およびタービンシステムの長さを短縮することによって、それぞれの設置面積を減少させることができる。
【００３９】
本書では、いくつかの例を使用して、最良の形態を含めて本発明を開示し、また、すべての当業者が、任意のデバイスまたはシステムを作製および使用し、任意の採用した方法を実施することを含めて本発明を実施することができるようにする。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の例を含むことができる。このような他の例は、請求項の文言と異ならない構造要素を有する場合、または請求項の文言とのわずかなしか違いがない等価な構造要素を含む場合、請求項の範囲内に含まれるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１１８  ガスタービンエンジン
１１９  長手方向軸
１２０  燃焼器
１３０  タービンセクション
１３２  圧縮機
１６０  燃料ノズル
１６２  燃焼器セクション
１６３  吸気セクション
１７２  尾筒
１７４  第１の段
１７６  段
１７８  最後の段
１８０  ブレード
１８２  ロータホイール
１８４  シャフト
１８６  ノズルアセンブリ
１８８  排気ディフューザセクション
１９０  ディフューザセクションの長さ
１９２  ガスタービンエンジンの全長
１９４  クリアランス
１９６  固定シュラウド
１９８  外壁
２００  ストラット
２０４  ブレード端
２０６  先端クリアランスの量、クリアランスの距離
２０８  方向
２１０  回転軸
２１１  線
２１２  翼端上漏れ流
２１４  第１の壁部分
２１６  第２の壁部分
２１８  第１の角度
２２０  第２の角度
２２２  入口の直径
２２４  出口の直径
２３４  軸方向
２３６  大きな剥離
２３８  第１の先端クリアランス
２４０  排気流
２４２  小さな剥離
２４４  第２の先端クリアランス
２５０  グラフ
２５２  ｙ軸
２５４  ｘ軸
２５６  プロット
２５８  プロット
２６０  ストラットの前縁
２６２  ストラットの後縁
２７２  グラフ
２７４  ｘ軸
２７６  ｙ軸
２７７  点
２７８  プロット
２７９  低速領域
２８０  プロット
２９０  グラフ
２９２  ｘ軸
２９４  ｙ軸
２９６  プロット
２９７  点
２９８  プロット
３００  クリアランス
３０２  環状シュラウド
３０４  カバー
３０６  蒸気タービンエンジン
３１０  外壁
３１２  排気ディフューザ
３１４  タービンセクション
３１６  複数の段
３１８  シャフト
３２０  入口
３２２  最後の段
３２４  矢印
３２６  シュラウド
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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