(57)【要約】      （修正有）【課題】排気回収を改善するためのシステムおよび方法を提供する。【解決手段】システムは、タービンを備え、タービンは、下流方向に流れる排気流を膨張させるように構成され、複数の段を含む膨張部６１と、膨張部６１の下流に結合されたディフューザ部６２とを含む。ディフューザ部６２は、排気通路に沿った排気流と、壁に沿った付勢流を受け、ディフューザ部６２は、内面を有する壁であって、排気通路の周りに配置されている壁と、膨張部６１の複数の段のうち、最終段において、または最終段の下流で壁に配置された付勢口６６とを含む。付勢口６６は、壁の内面に沿って付勢流を導き、壁に沿った境界層を付勢するように構成され、付勢口において、付勢流の第１圧力が、排気流の第２圧力より高い。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下流方向に流れる排気流を膨張させるように構成され、複数の段を含む膨張部（６１）と、
前記膨張部（６１）の下流に結合されたディフューザ部（６２）とを備えるタービン（３２）を備えるシステム（１０）であって、
前記ディフューザ部（６２）が、排気通路に沿った前記排気流、および壁に沿った付勢流を受けるように構成されており、前記ディフューザ部（６２）が、
内面を有する前記壁であって、前記排気通路の周りに配置されている壁と、
前記膨張部（６１）の前記複数の段のうち、最終段において、または最終段の下流で前記壁に配置された付勢口（６６）とを含み、
前記付勢口（６６）が、前記壁の前記内面に沿って前記付勢流を導き、前記壁に沿った前記境界層を付勢し、前記付勢口（６６）において、前記付勢流の第１圧力が、前記排気流の第２圧力より高い、システム（１０）。
【請求項２】
前記付勢流が、蒸気または二酸化炭素を含む、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項３】
前記タービン（３２）に結合された冷却マニホールド（５０）をさらに備え、
前記冷却マニホールド（５０）が、前記膨張部（６１）の前記複数の段の周りに配置されたタービンケーシングに向けて冷却流を導くように構成されており、前記付勢口（６６）が前記冷却マニホールド（５０）からの前記冷却流の少なくとも一部を前記付勢流として受けるように構成されている、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項４】
前記タービン（３２）に結合された圧縮機（１２）をさらに備え、
前記タービン（３２）が、前記圧縮機（１２）を駆動するように構成されており、前記冷却流が、前記圧縮機（１２）からの抽気流を含む、請求項３に記載のシステム（１０）。
【請求項５】
前記タービン（３２）に結合された圧縮機（１２）と、タービン吐出ケーシングとをさらに備え、
前記タービン（３２）が前記圧縮機（１２）を駆動するように構成されており、前記タービン吐出ケーシングが、前記圧縮機（１２）から加圧空気流を受けるように構成されおり、前記タービン吐出ケーシングが、主タービンケーシングの前記冷却マニホールド（５０）および前記膨張部（６１）の周りに配置されている、請求項３に記載のシステム（１０）。
【請求項６】
エンクロージャー（１１）をさらに備え、
前記タービン（３２）が、航空転用ガスタービンを備えており、前記圧縮機吐出ケーシングが、前記エンクロージャー（１１）内に配置されている、請求項５に記載のシステム（１０）。
【請求項７】
前記冷却流および前記圧縮空気流が前記エンクロージャー（１１）から分離されている、請求項６に記載のシステム（１０）。
【請求項８】
下流部に結合された下流システム（９０）であって、前記排気流および前記付勢流からエネルギーを抽出するように構成されている下流システム（９０）をさらに備える請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項９】
前記下流システム（９０）が、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を含む、請求項８に記載のシステム（１０）。
【請求項１０】
前記壁の内径が、下流方向に大きくなり、前記壁と、前記ディフューザ部（６２）の軸線との間の角度が約５〜３０°である、請求項１に記載のシステム（１０）。
【請求項１１】
タービン部（３２）の複数のタービン段を通って排気を膨張させることであって、記排気が、前記複数のタービン段を通って下流方向に流れる、膨張させることと、
前記タービン部（３２）の下流のディフューザ部（６２）に、前記排気を受けることと、
前記ディフューザ部（６２）の付勢口（６６）の下流の境界層を付勢することとを含む方法であって、
前記境界層が、前記ディフューザ部（６２）の壁に沿って配置され、前記付勢流が前記付勢口（６６）において前記排気よりも高い圧力を有し、
前記境界層が、前記ディフューザ部（６２）を通る前記排気の圧力損失を低減するように構成されている、方法。
【請求項１２】
前記ディフューザ部（６２）に結合された下流システム（９０）を介して、前記付勢流および前記排気からエネルギーを抽出することをさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記下流システム（９０）が、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記付勢流が、蒸気流を含み、前記蒸気流が、前記ＨＲＳＧから受けられる、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記冷却流を介して前記タービン部（３２）を冷却することをさらに含み、
前記付勢口（６６）が、前記冷却流を前記付勢流として受けるように構成されている、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
前記タービン部（３２）を冷却することが、前記複数のタービン段の周りに配置されたタービンケーシングに向かって冷却マニホールド（５０）を通る前記冷却流を導くことを含み、前記冷却マニホールド（５０）が、前記付勢口（６６）に前記タービンケーシングからの前記冷却流を導くように構成されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記タービンケーシングを前記冷却流で冷却することによって、前記タービンケーシングと、前記タービン部（３２）の回転部品との間のクリアランスを制御することをさらに含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
タービン（３２）の膨張部（６１）の周りに配置された冷却マニホールド（５０）であって、前記膨張部（６１）のタービンケーシングに冷却流を導くように構成されている冷却マニホールド（５０）と、
前記冷却マニホールド（５０）に結合されたディフューザ部（６２）とを備えるガスタービンシステム（１０）であって、
前記ディフューザ部（６２）が、前記膨張部（６１）から排気を受け、前記冷却マニホールド（５０）から前記冷却流を受けるように構成されており、前記ディフューザ部（６２）が、壁と前記排気との間の前記冷却流で境界層を付勢するように構成された付勢口（６６）を備えている、ガスタービンシステム（１０）。
【請求項１９】
前記冷却流が蒸気流を含む、請求項１８に記載のガスタービンシステム（１０）。
【請求項２０】
ガスタービンシステム（１０）、冷却マニホールド（５０）、および膨張部（６１）の燃焼器周りに配置された圧縮機吐出ケーシングをさらに備え、
前記圧縮機吐出ケーシングが、圧縮空気流を受け、前記圧縮空気流を前記燃焼器に導くように構成されており、前記圧縮機吐出ケーシングが、前記圧縮機吐出ケーシングの周りの外部環境から、前記冷却流、前記圧縮空気流、および前記排気を分離するように構成されている、請求項１８に記載のガスタービンシステム（１０）。
【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、排気回収を改善するためのシステムおよび方法など、ガスタービンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンシステムは、一般に、圧縮機、燃焼器、およびタービンを含む。燃焼器は、圧縮空気と燃料との混合気を燃焼させて、発電機を駆動することなどの仕事を産生するためにタービンに向けられる高温燃焼ガスを発生する。圧縮機は、空気吸入口からの空気を圧縮し、その後圧縮空気燃焼器に導く。
【０００３】
タービンのための従来のクリアランス制御ユニットは、タービンブレードのクリアランス制御のために、ガスタービンの圧縮機部からの加圧された抽気を利用している。しかし、抽気を圧縮するために利用されるエネルギーが失われ、これによりガスタービンシステムの効率が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第８７９４００８号明細書
【発明の概要】
【０００５】
出願時に特許請求された発明の範囲に相応する特定の実施形態を以下に要約する。これらの実施形態は、特許請求される発明の範囲を限定するものではなく、これらの実施形態は本発明の可能な形態の簡単な要約を提供することのみを意図している。実際、本発明は、以下に記載した実施形態と同様の、または異なる様々な形態を包含することができる。
【０００６】
第１の実施形態では、システムは、複数の膨張部において、下流方向に流れる排気流を膨張させるように構成されたタービンを含む。タービンは、冷却マニホールドと、ディフューザ部の周りに配置された通路とを含む。ディフューザ部は、排気通路に沿った排気流、ならびに壁、および排気通路の壁に沿った内面に沿った付勢流を受けるように構成されている。付勢流を壁の内面に沿って導き、壁に沿った境界層を付勢するように、多くの付勢口が、膨張部の複数の段のうち、最終段において、または最終段の下流で壁に配置されている。付勢口において、付勢流の第１圧力は、排気流の第２圧力よりも高い。
【０００７】
第２の実施形態では、方法は、排気が複数のタービン段を通って下流方向に流れるように、タービン部の複数のタービン段を通って気を膨張させることと、タービン部下流のディフューザ部に排気を受けることと、境界層がディフューザ部の壁と排気との間に配置され、付勢口において付勢流が排気流よりも高い圧力を有し、かつ境界層が、ディフューザ部を通る排気の圧力損失を低減するように構成されるように、タービン部の下流に付勢流を注入することによってのディフューザ部の付勢口の下流における付勢流の境界層を強化することとを含む。
【０００８】
第３の実施形態では、冷却マニホールドが、膨張部のタービンケーシングに冷却流を導くように構成されるように、冷却マニホールドは、タービンの膨張部の周りに配置されている。ディフューザ部が、膨張部からの排気、および冷却マニホールドからの冷却流を受けるように、ディフューザ部は、冷却マニホールドに結合されていてもよい。また、ディフューザ部は、壁と排気との間の冷却流で境界層を付勢するように構成された付勢口を有している。
【０００９】
本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことによってより良く理解されるであろう。添付図面では、同様の符号は、図面全体を通して同様の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】ガスタービンシステムおよび排気エネルギー回収を改善させるシステムの一実施形のブロック図である。
【図２】ガスタービンシステム、および改良された排気エネルギー回収システムの一実施形態の径方向断面図である。
【図３】コアンダ吹き出し孔／スロットによるコアンダ効果を示すガスタービンシステムの一実施形態を示す図である。
【図４】排気エネルギー回収システムにおける圧縮機からの圧縮空気を用いるガスタービンシステムの一実施形態のブロック図である。
【図５】排気エネルギー回収装置における下流プロセスからの圧縮空気を用いるガスタービンシステムの一実施形態のブロック図である。
【図６】膨張部の一実施形態、およびガスタービンシステムにおけるガスタービンのディフューザ部の斜視図である。
【図７】膨張部の一実施形態およびガスタービンシステムにおけるガスタービンのディフューザ部の斜視図である。
【図８】排気エネルギー回収を改善する方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の１以上の具体的な実施形態を説明する。これらの実施形態を簡潔に説明するために、実際の実施態様のすべての特徴を本明細書で説明しないことがある。そのような実際の実施態様の任意の開発においても、任意の工学プロジェクトまたは設計プロジェクトの場合と同様に、実施態様毎に変化し得るシステム関連およびビジネス関連の制約の遵守等、開発者の特定の目的を達成するために、多くの実施態様固有の決定をしなければならないことを理解されたい。さらに、こうした開発努力は、複雑で時間がかかる可能性があるが、それでも、こうした開発努力は、本開示の利益を有する当業者には、設計、組み立て、および製造の日常的な取り組みであろうことを理解されたい。
【００１２】
本発明の様々な実施形態の要素を導入する際、単数の表現は、その要素が１以上あることを意味するものとする。「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り、列記した要素以外の追加の要素があり得ることを意味する。
【００１３】
使用済みクリアランス制御衝突流体（例えば、空気、蒸気）を利用して排気エネルギー回収を改善するシステム、および方法について詳細に説明する。排気エネルギー回収装置の実施形態は、主流ストリームが剥離する可能性のある、戦略上重要な領域に衝突（例えば、冷却）流体を導くために、冷却流体をタービンケーシングおよび第２外部ケーシングに導くようにガスタービンの周りに配置された冷却マニホールドを含む。以下で詳細に検討するように、戦略上重要な領域に冷却流体を導くことにより、ガスタービンの内側の表面（例えば内面）からの主流ストリームの剥離を低減することができ、それによって主流ストリームの圧力損失を低減することができる。いくつかの実施形態では、システムで使用されるガスタービンおよび排気エネルギー回収を改善する方法は、航空転用ガスタービンエンジンを含んでもよい。いくつかの実施形態では、タービンケーシングの一部は、圧縮機部からの加圧された抽気等の冷却流体によって冷却される。これは、タービンケーシングの当該部分の熱膨張および熱圧縮を制御することによって、タービンケーシング内に収容された内部部品を、タービンケーシングの内側の表面との衝突から守ることを助けるために行われる。冷却流体（例えば、タービンの圧縮機部からの加圧された抽気、下流プロセスからの蒸気）は、ガスタービンシステム内における、さらなる有用な仕事（例えば、流体の加熱、タービンの駆動）を行うために利用することができるエネルギーを有している。主流の、弱い境界層による最終タービンブレードの主流（例えば、排気）下流の剥離によって、主流の圧力が低減され、それによって、最終タービンブレードの主流下流から回収することができる有用な仕事が低減される場合がある。本明細書で検討するように、冷却流体（例えば、衝突流体、圧縮機抽気流、蒸気、低圧空気）を注入することによって、ガスタービンの最終タービンブレードの境界層下流に付勢することができる。流体で境界層を付勢することによって、主流（例えば排気）を最終タービンブレードの下流のディフューザ部の、内側の面に向けられると考えられるので、主流はその流路からはずれない。
【００１４】
いくつかの実施形態では、冷却流体（例えば、空気、蒸気）は、複数のタービンブレードおよび他の内部部品の、タービンケーシングからのクリアランスを制御するために利用され得る。冷却流体は、空気（例えば、加圧空気、低圧空気）、蒸気（例えば、高圧蒸気、中圧蒸気、低圧蒸気、低級蒸気、低級廃蒸気）、二酸化炭素（例えば、高圧二酸化炭素、低圧二酸化炭素）、およびそれらの組み合わせを含み得るが、これらに限られない。冷却流体は、さらに膨張部下流にあるディフューザ部で利用することができる。ディフューザ部において、クリアランス制御が発生する。冷却流体は、タービンのディフューザ部に導かれる。ディフューザ部では、冷却流体は、特定の場所で使用されて境界層剥離を低減または排除することができる。本明細書で検討するように、冷却流体の一部は、冷却マニホールドに連結された通路（例えば、流れ収集通路）を通って導かれる。この通路は、クリアランス制御のために用いられる冷却流体を受け、冷却流体を主流の境界層がディフューザ部から剥離されやすいポイントに導き、それによって主流の圧力を低下させるように構成されている。クリアランス制御に利用され、続いて通路（例えば、流れ収集通路）で利用される冷却流体（例えば、空気、蒸気）は、圧縮機、または蒸気タービン等の他の流体源から受けることができる。冷却マニホールドで受けられた冷却流体は、周囲環境に対して、約０．００１〜５０ｐｓｉｇ、約０．０１〜４０ｐｓｉｇ、約０．１〜３０ｐｓｉｇまたは、約１〜２０ｐｓｉｇ（約０．００７〜３４５ｋＰａ、約０．０６７〜２７６ｋＰａ、約０．６８９ｋＰａ〜２０７ｋＰａ、または約６．８９５ｋＰａ〜１３８ｋＰａ）であってもよい。冷却流体が冷却マニホールドに導かれて、タービンケーシングと内部部品（例えば、ブレード）との間のクリアランスを制御した後、冷却流体は、また通路（例えば、流れ収集通路）において利用され得る。通路は、ディフューザ部の異なる領域すなわち部分に冷却流体を案内し、境界層を付勢（例えば、補強、強化）するように構成することができる。通路は、複数の孔または開口部を通してガスタービンケーシングおよび／またはディフューザ部に冷却流体を導くように構成することができる。冷却流体の熱エネルギーは、１以上の下流のシステム（例えば、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、蒸気タービン）を介して排気の熱エネルギーと一緒に抽出することができる。冷却マニホールドからの冷却流体をディフューザ部に導くことにより、ガスタービンを少なくとも部分的に囲むエンクロージャー内に排出される冷却流体を低減または排除することができる。エンクロージャーに排出される冷却流体を低減または排除することにより、エンクロージャー内の環境温度を下げることができる。それにより、作業者および／またはエンクロージャー内のコントローラにかかるストレスおよび／または温度の影響を低減することができる。
【００１５】
図面を参照すると、図１は、ガスタービンシステム１０および排気エネルギー回収を改善するためのシステムの一実施形態のブロック図を示す。ガスタービンシステム１０は、大気に開放されていてもよいし、音響エンクロージャー等のエンクロージャー１１内に収容されていてもよい。圧縮機１２は、吸気口１６を介して周囲空気１４をガスタービンシステム１０に吸気する。周囲空気１４は、吸入空気１８を後に圧縮機１２に供給するために、低温吸気口等の好適な機構を介して、吸気口１６によってガスタービンシステム１０内に取り込まれる。本明細書で検討するように、吸入空気１８は、周囲空気１４、酸素、酸素富化空気、再循環排気、またはそれらの任意の組み合わせを含むが、特に限定されない酸化剤であってもよい。圧縮機１２は、吸入空気１８を圧縮し、圧縮機１２内でブレードを回転させることによって加圧空気２０を形成する。圧縮機１２が吸入空気１８を圧縮すると、圧縮機は、吸入空気１８にエネルギーを加える。それによって、加圧空気２０が、周囲空気１４よりも高温で、高圧力となるように、圧力および温度を上昇させる。加圧空気２０は、１以上の燃料ノズル２２に吐出されてもよい。１以上の燃料ノズル２２は、加圧空気２０と燃料２４（例えば、天然ガス等の液体燃料および／または気体燃料）を混合し、燃焼に適した混合気２６を生成する。
【００１６】
図示されているように、加圧空気２０は、燃料ノズル２２に入り、燃料２４と混合される。燃料ノズル２２は、混合気２６を燃焼器２８に導く。燃焼器２８は、混合気２６を点火して燃焼させ、燃焼生成物３０を形成する。燃焼生成物３０はガスタービン３２に導かれ、ガスタービン３２において燃焼生成物３０が膨張しシャフト３４を中心にガスタービン３２のブレードを駆動する。ガスタービン３２は、圧縮機１２に結合され、共通のシャフト３４により圧縮機１２を駆動する。また、ガスタービン３２は、共通のシャフト３４を介して負荷３６を駆動することができる。圧縮機ベーンまたはブレードが、圧縮機１２の部品として含まれている。圧縮機１２内のブレードはシャフト３４に結合されており、シャフト３４はガスタービン３２により駆動される。共通のシャフト３４は、ガスタービンシステム１０の全体にわたっていくつかの部品（例えば、圧縮機１２、ガスタービン３２、負荷３６）と結合されてもよい。理解されるように、負荷３６は、発電機、圧縮機、飛行機のプロペラ等を含んでもよい。最終的に、燃焼生成物３０は、排気３８としてガスタービン３２から流出し、排気３８は、その後排気出口を介してガスタービンシステム１０から流出する。排気３８は、エンクロージャー１１の外側に導かれる。
【００１７】
本明細書で検討するように、下流プロセス４２からの加圧流体４０は、ガスタービンシステム１０に導かれて冷却システム４４で利用され、排気エネルギーの回収を改善することができる。加圧流体４０は、外部環境の周囲圧力より高い圧力を有する空気（例えば、加圧空気、低圧空気）、蒸気（例えば、高圧蒸気、中圧蒸気、低圧蒸気、低級蒸気、低級廃蒸気）、二酸化炭素（例えば、高圧二酸化炭素、低圧二酸化炭素）またはそれらの任意の組み合わせであってもよいが、これらに限定されてない。後述する加圧流体のいくつかの実施形態が蒸気を使用しているが、加圧流体は、蒸気に限定されるものではない。加圧流体４０は、加圧流体４０が注入されている場所で排気よりも高い圧力を有するものとして定義することができる。加圧流体４０は、ガスタービンケーシング４６の目的位置に当たって（例えば、高速で）、局所対流熱伝達係数を高め、ガスタービンケーシング４６からの熱伝達を高めることができる。タービンケーシング４６は、タービンケーシング４６の温度に基づいて熱的に膨張または収縮し、それによってガスタービン３２内に収容された回転部品および静止部品と、ガスタービン３２の内面５４との間のクリアランスに影響を与えるであろう。以下で詳細に検討するように、加圧流体４０が、タービンケーシング４６の温度の制御を介してタービンケーシング４６のクリアランスを制御するために用いられた後、加圧流体４０がガスタービン３２のブレードの最終列の下流にある流路に注入され得る。この流路においては、排気３８の主流は、境界層が弱く、内壁面５４から剥離する可能性および圧力損失の可能性がある。注入された加圧流体４０は、主流路気体よりも高い圧力を有しており、このように、ガスタービン３２のディフューザ部の境界層を付勢するために流体技術を利用することができる。境界層を付勢することによって、剥離および内壁面５４からの排気３８の再循環流を低減または排除することができる。したがって、境界層を付勢することによって、ガスタービン３２のディフューザ部６２にわたる圧力低下を低減することができ、それによってガスタービン３２の下流に結合されたシステムを介して排圧回収を高めることが可能になる。さらに、使用済み冷却流体４０を注入することによって排気３８の主流に加えられた熱エネルギーが、下流システムによって、回収されたエネルギーを増大させることができる。
【００１８】
図２は、ガスタービンシステム１０および改善された排気エネルギー回収システムの一実施形態の半径方向の断面図を示している。上述したように、加圧流体４０は、最初はガスタービン３２のタービンケーシング４６に導かれ、タービンケーシング４６からガスタービン３２の内部部品（例えば、タービンブレード）のクリアランスを制御し、続いて冷却マニホールド５０に結合されている通路４８（例えば、流れ収集通路）を通って導かれる。加圧流体４０の一部は、冷却マニホールド５０の冷却通路５２を通ってタービンケーシング４６に導かれる。冷却流体４０の一部は、複数の冷却マニホールドの開口部６０を通って外面５６に導かれる。冷却マニホールドの開口部６０のうち、１以上（例えばすべて）が、冷却流体４０を外面５６に分配するために用いられ、それによってタービンケーシング４６を冷却することができる。冷却マニホールド５０と冷却通路５２は、ディフューザ部６２の周囲に配置された通路４８に結合することができる。冷却マニホールド５０からの冷却流体４０をディフューザ部６２に導くことによって、エンクロージャー１１の環境温度が低下するように冷却流体４０がエンクロージャー１１内に排出されることが、排除される。いくつかの実施形態では、冷却流体４０、および加圧空気流を、エンクロージャー１１から分離することができる。いくつかの実施形態では、冷却流体４０は、ガスタービンシステム１０のまわりの周囲環境よりも高温であり、冷却流体４０は、ガスタービン３２を通る排気３８よりも低温であってもよい。加圧流体４０として用いられる場合、低圧蒸気の比熱は、周囲環境の空気または圧縮機抽気よりも大きくてもよい。
【００１９】
本明細書で検討するように、加圧流体４０が外面５６を冷却した後、冷却流体４０を他の用途に利用することができ、それによって冷却流体４０のエネルギーの少なくとも一部を回収することができる。例えば、冷却流体４０は、ガスタービン３２の膨張部６１の下流で利用されて、排気３８の主流の境界層を付勢することができる。ガスタービン３２の膨張部６１は、下流方向７７において排気を膨張させ、複数の膨張段を含んでもよい。膨張段は、ブレード８６の各段に対応していてもよい。冷却流体４０は、冷却マニホールド５０に結合することができる通路４８に注入することができる。通路４８（例えば流れ収集通路）は、冷却流体４０がディフューザ部６２へと導かれるように、冷却マニホールド５０から冷却通路５２を介して冷却流体４０を収集することができる。冷却流体４０は、ディフューザ部６２に導かれて境界層を付勢して、流れ剥離を低減するかまたは排除する。したがって、ディフューザ圧力回収を改善することができる。冷却流体４０がディフューザ部６２に注入される前に、排気３８の第１速度プロファイル６４が示されている。膨張部６１の出口における第１速度プロファイル６４は、弱い境界層を示す。冷却流体４０がディフューザ部６２に注入された後、第２速度プロファイル６９を形成する。図示されるように、境界層は、境界層を付勢する冷却流体４０（例えば、送風流）により強化される。
【００２０】
図３はコアンダ吹き出しスロット７５の図である。スロット注入接線が、ディフューザ部６２の内面７２から離れようとしている場合、境界層を内面７２に張り付いた状態で維持するためにコアンダ効果を使用することができる。コアンダ効果は、近くの湾曲面または傾斜面に従うように空気または他の流体が移動しようとする傾向を記述するものである。コアンダ効果は、一般に、流体の境界層が固体表面にぶつかり曲面の周りで表面に従う、いかなる状況にも適用することができる。この場合、スロット通路の出口方向７９は、通路４８から空気を導くためのディフューザ部６２主流路に対して凸曲線である。後述するように、吹き出しスロット形状の簡略化した等角図が図６に示されている。
【００２１】
図７で説明するように、不連続の孔は、ガスタービン排気システムにおいて実現しやすいという利点がある。加圧流体４０は、冷却マニホールド５０に結合された通路４８内に回収することができる。続いて、通路４８に接続された小さい付勢口６６は、加圧流体４０を主ストリームに注入するために使用することができる。いくつかの実施形態では、通路４８の断面は、周辺の振動による注入を回避するために、付勢口６６の直径よりも少なくとも１５〜２０倍大きくてもよい。不連続の孔を通じた加圧流体４０の注入は、高運動量の自由ストリームの流れを低運動量の境界層と混合することができ、境界層を付勢するように作用する。
【００２２】
付勢口６６は、円形、三角形、正方形、長方形、または任意の他の多角形であってもよい。付勢口６６が円形であることの利点は、円形形状が、ディフューザ部６２の壁に沿った、境界層における３次元外乱の発生を促進できることである。これによって、混合を増進することができ、必要とされる二次的な加圧流体４０の質量流量を減少させることができ、したがって吹き出し方式の有効性を高めることができる。
【００２３】
必要とされる加圧流体４０の量を実質的に減少させられる代替実施形態は、剥離を防止するために、脈動する加圧流体４０をディフューザ壁の境界層に注入することを含む。ディフューザ壁にコヒーレント構造を人為的に生成し、発達させることは、非定常的な注入が、低運動量の境界層流れを高運動量のコアと混合することを実質的に高めるが、このことに起因して、定常的に注入するよりも非定常的に注入することが、剥離を遅らせることにおいてより効果的である。本実施形態を採用した場合には、パルス周波数、負荷サイクル、および脈動の振幅の等の要因を考慮してもよい。
【００２４】
図２に戻って、通路４８は、境界層が弱い状態で、ガスタービンシステム１０のディフューザ部６２の領域または部分に加圧流体４０を導くように構成することができる。境界層がより弱くなる傾向は、拡散流の逆圧力勾配に起因してディフューザ部で見られる。弱められた境界層によって、ディフューザ部において流れの剥離がおき、エネルギー損失が増加する可能性がある。境界層を強化し、早期の剥離を回避するために、通路４８は、加圧流体４０をディフューザ部６２に複数の付勢口６６を介して導くように構成することができる。冷却流体４０をディフューザ部６２の内面７２に分配するときに、ディフューザ部６２を通る排気３８の境界層を強化するために、１以上の付勢口６６を用いることができる。加圧流体４０の流れを制御し、最終の膨張部（例えば、タービンブレードの最終列）の下流にある戦略上重要な領域に導くことにより、ディフューザ部６２を通る排気３８の流れにおける、流れの剥離および圧力損失を低減することができる。排気３８の流れに沿った流れの剥離が低減されることにより、排気３８の主流６８が流れることができる有効領域６７を増大させることができる。さらに、加圧流体４０を冷却マニホールド５０からディフューザ部６２に導くことにより、ガスタービン３２を少なくとも部分的に包囲するエンクロージャー１１内に排出される加圧流体４０を低減または排除することができ、それによって作業者および／またはエンクロージャー１１内のコントローラ（例えば、回路要素、プロセッサ、メモリ）へのストレスおよび／または温度の影響を低減することができる。
【００２５】
コントローラ７４は、少なくとも１つの弁組立体８２に結合されて、制御ライン８０を介して１以上の弁を制御する。コントローラ７４は、弁組立体８２の弁を開閉して、加圧流体４０の流れを制御するように構成してもよい。特定の実施形態において、コントローラ７４は、命令を記憶するためにメモリ７６を用い、命令を処理するためにプロセッサ７８を用いてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ７４は、メモリ７６に記憶された命令を介して、加圧流体４０の望ましい流量を決定することができる。ある実施形態では、第１のプロセッサ７８が、命令の第１のセットを受信して、冷却マニホールド５０への加圧流体４０の流量を制御することができる。ある実施形態では、第２のプロセッサ７８が、命令の第２のセットを受信して、ディフューザ部６２に分配するために通路４８への加圧流体４０の流量を制御することができる。加圧流体４０は、冷却路８４から直接受けることもできるし、あるいはタービンケーシング４６を冷却するために利用された後に受けることもできる。いくつかの実施形態では、コントローラ７４は、通路４８に注入される加圧流体４０の望ましい流量を、境界層を維持するために増大しなければならないことをメモリ７６に記憶された命令を介して決定し、ディフューザ部６２内の排気３８の圧力損失を低減させる場合がある。いくつかの実施形態では、コントローラ７４は、ディフューザ部６２を通る排気の圧力損失に実質的に影響を及ぼすことなく、通路４８に注入されるべき加圧流体４０の望ましい圧力を低減させることができることをメモリ７６に記憶された命令を介して決定する場合がある。さらに、いくつかの実施形態では、コントローラ７４は、より弱い（例えば、より脆い）材料が、タービン３２のディフューザ部６２に含まれている場合、望ましい温度の加圧流体４０を、より低い温度で通路４８内に注入することができることを、メモリ７６内に記憶された命令を介して決定することができる。いくつかの実施形態では、タービン３２の最終の膨張部のさらに下流に、ディフューザ部６２のより積極的な拡散角度に起因して、境界層がより弱くなる傾向にある領域が、存在する可能性が高い。ディフューザ部６２の内面７２と軸線７７との間の角度は、約５°〜３０°の範囲とすることができる。いくつかの実施形態では、ディフューザ部６２は、ディフューザ部６２内の内面７２に沿ってさらに下流に配置された追加の付勢口６６を含むことができる。付勢口６６うち、１以上（例えばすべて）が、使用済み冷却流体４０をディフューザ部６２に分配するときに用いられ得る。
【００２６】
図４は、排気エネルギー回収システムにおいて、圧縮機からの圧縮空気を使用するガスタービンシステムの実施形態のブロック図を示している。上述したように、周囲空気１４は、吸気口１６に供給され、吸入空気１８を圧縮機１２に送るようにしてもよい。圧縮機１２は、圧縮機ブレードおよびベーンを含む圧縮機１２の内部部品を用いて吸入空気１８を加圧し、加圧空気２０を形成する。燃料２４と加圧空気２０は組み合わせられて混合気２６が生成される。混合気２６は、燃焼器２８に送られる。燃焼器２８は、混合気２６を点火して燃焼し、燃焼生成物３０を生成する。燃焼生成物３０は、膨張させるためにガスタービン３２に送られ、シャフト３４に結合された負荷３６を駆動する。いくつかの実施形態では、加圧空気２０の部分４１は、圧縮機出口から冷却システム４４に導かれる。加圧空気２０の部分４１は、ガスタービン３２内のブレード８６のクリアランスを能動的に制御するのに用いることができる。これは、加圧空気２０の部分４１を冷却マニホールド５０を介してタービンケーシングに導くことによって行われる。冷却マニホールド５０は、加圧空気２０の部分４１を受ける。加圧空気４１のすべてまたは一部は、付勢口６６を介して分配することができる。いくつかの実施形態では、付勢口６６を通って流れる加圧空気の量は、加圧空気２０の約０．０１〜４％、０．１〜３％、１〜２％、およびその間のすべての部分的範囲を含み得る。付勢口６６を流れる加圧空気４１の量は、周囲環境に対して約０．００１〜５０ｐｓｉｇ、約０．０１〜４０ｐｓｉｇ、約０．１〜３０ｐｓｉｇ、または約１〜２０ｐｓｉｇ（約０．００７〜３４５ｋＰａ、約０．０６７〜２７６ｋＰａ、約０．６８９ｋＰａ〜２０７ｋＰａ、または約６．８９５ｋＰａ〜１３８ｋＰａ）に加圧することができる。
【００２７】
いくつかの実施形態では、弁組立体８２は、加圧された部分４１の冷却マニホールド５０への流れを制御するために、同一のまたは異なる種類の１以上の弁を含むことができる。例えば、弁組立体８２は、１以上のゲートバルブ、バタフライバルブ、グローブバルブ、ボールバルブ、逆止弁、またはその他の弁を含むことができる。また、弁組立体８２は、弁の組み合わせを含むことができる。弁組立体８２は、冷却マニホールド５０を介するタービンケーシング５８への全容量流量を調整するように構成することができる。また、弁組立体８２は、冷却マニホールド５０への流れの分配を制御するように構成することができる。冷却マニホールド５０は、冷却マニホールド５０の周囲に配置できる複数の開口部６０を含んでもよい。開口部６０は、すべてが同時に用いられてもよいし、または加圧空気２０を通路４８に注入する前にセンサ８５によって決定されるように用いられてもよい。
【００２８】
加圧空気２０の部分４１がブレード８６のクリアランスを制御するために用いられた後、部分４１は、上述したように、通路４８を介して導かれ、ガスタービン３２のディフューザ部６２の境界層を付勢する。冷却流体４０（例えば、加圧された部分４１）の流れを制御し、膨張部６１の下流（例えば、タービンブレード８６の最終列下流）にある戦略的に重要な領域に導くことによって、使用済み冷却流体４０の熱エネルギーを回収し、追加の有用な仕事をするために利用することが可能になる。さらに、冷却流体４０を、冷却マニホールド５０からディフューザ部６２に導くことによって、ガスタービン３２を少なくとも部分的に囲むエンクロージャー１１内に排出される冷却流体４０を低減または排除することができる。
【００２９】
図５は排気エネルギー回収装置の下流プロセスからの圧縮空気を用いるガスタービンシステムの実施形態の、ブロック図を示している。いくつかの実施形態では、加圧流体４０は、下流プロセス９０（例えば、熱回収蒸気発生器（ＨＲＳＧ）、蒸気タービン）からの低圧蒸気９１（例えば、低級廃蒸気）であってもよく、ガスタービン３２内のブレード８６のクリアランスを能動的に制御するのに利用することができる。これは、低圧蒸気９１をタービンケーシングの外面５６に、１以上の冷却マニホールド５０を介して導くことによって行われる。１以上の冷却マニホールド５０が、低圧蒸気９１の一部を受けることもできるし、または１つの冷却マニホールド５０が、低圧蒸気９１のすべてを受けることもできる。一実施形態では、弁組立体８２は、低圧蒸気９１を２以上の別々の冷却マニホールド５０に導くように構成された２以上の弁を含むことができる。別個の冷却マニホールド５０は別々のセンサ８５を用いて、その位置の条件に対応する出力信号を提供することができる。タービンケーシング５８の異なる領域のための別個の冷却マニホールド５０を用いることによって、タービンケーシング５８のより高温の部分が、より大きい容量の低圧蒸気９１を受け、タービンケーシング５８を冷却し、ガスタービン３２の内面５４からの、ブレード８６のクリアランスを制御することが可能となる。低圧蒸気９１は、付勢口６６を介して導かれて境界層を付勢し、それによって境界層を強化し、ディフューザ部６２の内面７２からの、排気３８の剥離を抑制することができる。流れを収集する通路４８の１以上の付勢口６６は、冷却マニホールド５０に接続されており、冷却マニホールド５０において利用される低圧蒸気４０を受けるように構成することができる。
【００３０】
１以上の通路４８は、一度にすべてが用いられてもよいし、一度に１以上が用いられてもよい。いくつかの実施形態では、１以上の付勢口６６は、通路４８に結合することができる。付勢口６６は、ディフューザ部６２の周りに、周方向７３に配置されてもよいし、または軸線方向７７に配置されてもよい。コントローラ７４は、弁組立体８２を介して１以上の通路４８に向かう低圧蒸気９１の流れを制御するために弁を開閉するように構成してもよい。ある実施形態において、コントローラ７４は、命令を記憶するメモリ７６と、命令を処理するように構成されたプロセッサ７８とを含むことができる。いくつかの実施形態では、弁組立体８２は、同一の、または異なる種類の１以上の弁を含むことができる。例えば、弁組立体８２は、１以上のゲートバルブ、バタフライバルブ、グローブバルブ、ボールバルブ、逆止弁、またはその他の弁を含むことができる。さらに、１以上の弁組立体８２は、弁の組み合わせを含むことができる。弁組立体８２は、通路４８への全容量流量を調整するように構成することができる。また、弁組立体８２は、通路４８への流れの分配を制御するように構成することができる。通路４８は、通路４８に連結され、ディフューザ部６２の周りに周方向７３および／または軸線方向７７に配置することができる複数の付勢口６６を含んでいてもよい。
【００３１】
いくつかの実施形態では、１以上の通路４８は、冷却マニホールド５０と共に用いられてもよいし、冷却マニホールド５０無しで用いられてもよい。すなわち、１以上の通路４８は、冷却マニホールド５０から加圧流体４０を受けてもよいいし、１以上の通路は、別の流体源（例えば、圧縮機部、ＨＲＳＧ、下流プロセス）から加圧流体４０を直接受けてもよい。いくつかの実施形態において、コントローラ７４は、より大きな付勢の必要性に起因して、低圧蒸気４０の望ましい流量を、より大きい流量で通路４８内に注入することができることをメモリ７６に記憶された命令を介して決定することができる。いくつかの実施形態において、コントローラ７４は、ディフューザ部６２を介して、望ましい圧力の低圧蒸気４０を低圧で通路４８に注入することができることを、メモリ７６に記憶された命令を介して決定することができる。理解されるであろうように、付勢口６６は、ガスタービン３２のディフューザ部６２で用いられ、より弱い境界層を有する部分がより大きい容量の低圧蒸気９１を受けて境界層を再付勢し、かつ主流６８のための流路を増大させることを可能にする。
【００３２】
図６は、ガスタービンシステムで使用されるガスタービンの膨張部６１とディフューザ部６２の一実施形態の斜視図を示している。いくつかの実施形態では、ディフューザ部６２の環状領域８８は、膨張部６１の一部を少なくとも部分的に囲む。流れを収集する通路４８は、ディフューザ部６２と、タービンケーシング４６の膨張部６１の外面５６との間の環状領域８８を通して加圧流体４０を導く。すなわち、環状領域８８は、膨張部６１の周りに実質的に環状形状の付勢口６６を形成する。上述したように、付勢口６６は、ディフューザ部６２の内面７２に沿って加圧流体４０を導き、それによって内面７２に沿って境界層を付勢し、内面７２からの排気３８の主流の剥離を低減または排除する。図７は、ガスタービンシステムのガスタービン３２の膨張部６１とディフューザ部６２の一実施形態の斜視図を示している。いくつかの実施形態では、流れを収集する通路４８は、加圧流体４０を膨張部６１の外面５６の周りで、かつディフューザ部６２の上流で円周方向に配置された複数の付勢口６６に導く。複数の付勢口６６は、ディフューザ部６２の内面８９に沿った不連続な点に加圧流体４０を導いてもよい。
【００３３】
図８は、クリアランス制御衝突（例えば、冷却）空気をガスタービンの膨張部の下流に注入することにより排気エネルギー回収を改善する方法９２の一実施形態を示すフローチャートである。ガスタービンは、膨張部の複数のタービンブレードを通る気体流（例えば排気）を膨張させる（ブロック９４）。排気は膨張部の最終タービンブレードの下流に向かって流れ、タービンのディフューザ部内に受けられる（ブロック９６）。ディフューザ部までの境界層を付勢（例えば、強化）することによって、ディフューザ部を通る排気の圧力損失が低減され、かつ冷却流体のエネルギーを下流のシステム（例えば、膨張タービン、蒸気タービン、ＨＲＳＧ）を介して抽出する（ブロック１００）ことが可能になる。したがって、排気および冷却流体からのエネルギー回収の増加は、ガスタービンシステムの全体的な熱力学サイクル効率を増大させることができる。いくつかの実施形態では、排気から抽出された（ブロック１００）エネルギーは、蒸気を発生させる（ブロック１０２）ために使用される。発生した蒸気は、蒸気タービンを駆動することや、ガスタービンシステムの流体流を予熱すること等の種々の目的に用いることができる。また、エネルギーを排気から抽出して、ディフューザ部で利用することができる。いくつかの実施形態では、タービンの膨張部は、発生した蒸気を用いて冷却される（ブロック１０４）。
【００３４】
本発明の技術的効果は、複数の付勢口を介して冷却流体をディフューザ部の境界層に導くことを含み、それによってディフューザ部を通る排気の圧力損失を低減し、膨張部、および下流システムに対して利用できるエネルギーを増大させる。冷却流体は、ガスタービンシステムの他の領域から用いられ、ガスタービンの最終膨張部の下流でより有用な仕事をすることができる。それによってガスタービンシステムの全体的な熱力学サイクル効率を向上させることができる。
【００３５】
本明細書は、最良の態様を含めて本発明を開示すると共に、任意の装置またはシステムを製造および使用すること、並びに任意の組み込まれた方法を実行することを含む、本発明を実施することがいかなる当業者にも可能となるように、例を用いている。本発明の特許可能な範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に想起される他の例を含み得る。これらの他の例が、請求項の文字通りの文言と異ならない構造要素を有する場合、または特許請求の範囲の文言と実質的な差異のない均等の構造要素を有する場合、そのような他の例は特許請求の範囲内にあることが意図されている。
【符号の説明】
【００３６】
１０  ガスタービンシステム
１１  エンクロージャー
１２  圧縮機
１４  周囲空気
１６  吸気口
１８  吸入空気
２０  加圧空気
２２  燃料ノズル
２４  燃料
２６  混合気
２８  燃焼器
３０  燃焼生成物
３２  タービン
３４  シャフト
３６  負荷
３８  排気
４０  冷却流体、加圧流体、低圧蒸気
４１  加圧空気
４２  下流プロセス
４４  冷却システム
４６  タービンケーシング
４８  通路
５０  冷却マニホールド
５２  冷却通路
５４  内面
５６  外面
５８  タービンケーシング
６０  開口部
６１  膨張部
６２  ディフューザ部
６４  第１速度プロファイル
６６  付勢口
６７  有効領域
６８  主流
６９  第２速度プロファイル
７２  内面
７３  周方向
７４  コントローラ
７５  コアンダ吹き出しスロット
７６  メモリ
７７  軸線、下流方向
７８  プロセッサ
７９  出口方向
８０  制御ライン
８２  弁組立体
８４  冷却路
８５  センサ
８６  ブレード
８８  環状領域
８９  内面
９０  下流プロセス
９１  低圧蒸気
【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】
2016211555.tif 000009
【図８】
2016211555.tif 000010
【外国語明細書】
2016211555000001.pdf