JP2014114809A - 排気ディフューザ - Google Patents

Abstract

【課題】部分負荷時の改善を可能にする排気ディフューザを提供すること。
【解決手段】タービンに結合するよう適合された入口を有する中心本体を備えた排気ディフューザが提供される。中心本体は、外壁を有し、ガイド部材が中心本体内部に配置される。流路縮小部材が中心本体の内部に配置される。流路縮小部材は、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成される。第１の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、第２の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である。
【選択図】 図１

Description

本明細書で開示される主題は、タービンに関し、詳細には、ガスタービン及び蒸気タービンと共に使用する排気ディフューザに関する。

タービンでは、様々なタービン段にて配列されたタービンブレードと相互作用する経路に沿って高エネルギーのガスが流れ、ロータの周りのタービンブレードの回転並びに機械的エネルギーを生成する。最終的に、ガスは経路から流出し、最終タービン段から下流側に配置された排気ディフューザに流入する。ディフューザは、拡散しているガスの流れを調整する役割を果たし、該ガス流は、更に下流側に位置する追加機器に向かって配向される。

ガスタービンは、産業及び商業運転で幅広く使用されている。典型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つ又はそれ以上の燃焼器と、後部におけるタービンとを含む。周囲空気が圧縮機に流入し、回転ブレード及び固定ベーンが、作動流体（空気）に運動エネルギーを漸次的に与えて、該作動流体を高エネルギー状態にする。作動流体は、圧縮機から流出して燃焼器に流れ、ここで燃料と混合して点火され、高温高圧の燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは燃焼器から流出してタービンに流れ、ここで膨張して仕事を産出する。

タービンの下流側の排気ディフューザは、タービンの最終段から出る流れの運動エネルギーを静圧が増大した形態でポテンシャルエネルギーに変換する。これは、面積が増大するダクトに流れを供給することにより達成され、この間、全圧力損失の発生が最小限になる。排気ディフューザは通常、軸受を支持する構造ストラットを囲む１つ又はそれ以上の空力翼形部と、ストラットの下流側にある１つ又はそれ以上のマンウェイとを含む。

米国特許第８，１４６，３４１号明細書

本発明の第１の態様において、タービンに結合するよう適合された入口を有する中心本体を備えた排気ディフューザが提供される。中心本体は、外壁を有し、ガイド部材が中心本体内部に配置される。流路縮小部材が中心本体の内部に配置される。流路縮小部材は、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成される。第１の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、第２の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である。

本発明の別の態様において、排気ディフューザを有するタービンが提供される。排気ディフューザは、タービンに結合するよう適合された入口を有する中心本体を含む。中心本体は、外壁を有し、ガイド部材が中心本体内部に配置される。流路縮小部材が中心本体の内部に配置される。流路縮小部材は、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成される。第１の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、第２の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である。

本発明の更に別の態様において、ガスタービンと連通し、タービンに結合するよう適合された入口を有する中心本体を備えた排気ディフューザが提供される。中心本体は、外壁を有し、ガイド部材が中心本体内部に配置される。流路縮小部材が中心本体の内部に配置される。流路縮小部材は、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成される。第１の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、第２の位置は、排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である。

本発明の１つの態様による、ガスタービンの簡易概略図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の別の態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの簡易断面図。 本発明の１つの態様による、排気ディフューザの流路縮小部材の簡易断面図。

本発明の１つ又はそれ以上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行うために、本明細書では、実際の実施態様の全ての特徴については説明しないことにする。何れかの技術又は設計プロジェクトと同様に、このような何らかの実際の実装の開発において、システム及びビジネスに関連した制約への準拠など、実装毎に異なる可能性のある開発者の特定の目標を達成するために、多数の実装時固有の決定を行う必要がある点は理解されたい。更に、このような開発の取り組みは、複雑で時間を要する可能性があるが、本開示の利点を有する当業者にとっては、設計、製作、及び製造の日常的な業務である点を理解されたい。

本発明の種々の実施形態の要素を導入する際に、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」、及び「ｓａｉｄ」は、要素の１つ又はそれ以上が存在することを意味するものとする。用語「備える」、「含む」、及び「有する」は、包括的なものであり、記載した要素以外の付加的な要素が存在し得ることを意味する。動作パラメータの何れかの実施例は、開示された実施形態の他のパラメータだけに限定されない。加えて、本発明の「１つの実施形態」、「１つの態様」、又は「ある実施形態」もしくは「ある態様」という表現は、記載した特徴を同様に組み入れた付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈されることを意図するものではない。

タービンからの排気ガスは、ガスタービンの負荷範囲にわたって広範囲の入口スワール条件及び質量流量で排気ディフューザに流入する。ガスタービンが部分負荷（ガスタービンが作動中、或いは全容量未満で機械的出力又は電力を生成しているときに定められる部分負荷）で作動しているときに、排気ガス質量流量は全負荷状態よりも低く、タービン出口／ディフューザ入口からの排気ガスのスワールもまた全負荷状態とは異なる。入口から出口までのディフューザ区域の変動は、運動エネルギー回復を最大にするために全負荷状態に対して最適化される。従って、部分負荷では、ディフューザ回復は、ロータハウジングの表面上の流れ剥離に起因して低下する。この剥離は、流れ状態に起因した質量流量スワールを引き起こし、ディフューザ入口での全体圧力プロファイルは、全負荷状態とは大きく異なる。従って、ディフューザ内壁及び／又はロータハウジングにわたる流れ剥離を低減し、ガスタービンの回復又は空力性能を向上できることが望ましい。

図１は、本発明の１つの態様による、ガスタービン１００の簡易概略図を示す。スタービン１００は、圧縮機１１０、燃焼器１２０、及びタービン１３０を含む。空気は、圧縮機１１０によって加圧されて燃焼器１２０に入力される。加圧空気及び燃料が燃焼器１２０において点火され、結果として生じる膨張ガスを用いてタービン１３０を駆動する。シャフト（又はロータ）１４０が圧縮機１１０及びタービン１３０の両方に接続され、このシャフトはまた、発電機（図示せず）などの負荷にも接続することができる。ガスタービン１００は、地上設置型、船舶、又は航空用途で用いることができる。タービンセクション１３０もまた、排気ディフューザ１５０に接続され、該排気ディフューザ１５０を用いて、排気流を漸次的に拡散（すなわち、膨張及び減速）して排気流の圧力回復を最大になるようにし、これによりガスタービン１００の性能を向上させるようにする。

図２は、本発明の１つの態様による、排気ディフューザ１５０の簡易断面図を示す。排気ディフューザ１５０は、タービン１３０における最終タービン段の下流側に配置される。排気ディフューザは、タービン１３０に結合するよう適合された入口２０３を有する中心本体２０１を含む。入口２０３は環状開口から形成される。タービン１３０から出たガスは、入口２０３の環状開口を通過し、排気ディフューザ１５０に流入する。中心本体２０１はまた、外壁２０５を有し、ロータハウジング２０７は、中心本体２０１内部に少なくとも部分的に配置される。複数のストラット２３０は、ロータハウジングを外壁２０５に接続することができる。ガイド部材２１０が中心本体２０１の内部に配置される。ガイド部材２１０（フロースプリッターシリンダとも呼ばれる）は、排気ディフューザ１５０内で膨張するガスの流れを分離するのに用いることができ、及び／又は所望の流路に沿った流れを誘導するのに用いることができる。ガイド部材２１０は、円筒形状（図示のような）、切頭円錐形状（破線２１１で示されるような）、又は特定の用途に望ましい他の何れかの形状を有することができる。ガイド部材２１０、２１１は、複数のマンウェイ２０９に取り付けることができる。

流路縮小部材２２０は、中心本体２０１内部に配置され、ロータハウジング２０７に装着される。流路縮小部材２２０は、第１の位置（図２に示す）及び第２の位置（図３に示す）に移動可能であるように構成される。第１の位置は、排気ディフューザ１５０の出口流れ区域に影響を及ぼさない又は影響が最小限の不作動位置である。第２の位置は、排気ディフューザ１５０の出口流れ区域を低減する展開位置である。

図３は、本発明の１つの態様による、排気ディフューザ１５０の簡易断面図を示す。流路縮小部材２２０は、第２の位置に移動されており、この構成により排気ディフューザの出口流れ区域が低減される。排気ディフューザ１５０の環状開口２０３は、Ａ_Iに等しい区域を有し、ここでＡ_Iは環状形状である。排気ディフューザの出口流れ区域Ａ_Oは、入口流れ区域Ａ_Iよりも大きく、従って、排気ディフューザは、タービン１３０から流出するガスの運動エネルギーを拡散及び／又は回復させる機能を果たす。出口流れ区域Ａ_Oは、２つの部分Ａ_O1及びＡ_O2から構成される。Ａ_O1は、環状形状にされ、他方、Ａ_O2は、実質的に円形である。従って、Ａ_O＝Ａ_O1＋Ａ_O2である。この実施例において、流路縮小部材２２０は、第１の位置から第２の位置に変化するときにガイド部材２１０に向かって移動して、流路縮小部材２２０及びガイド部材２１０内のディフューザ１５０の密閉容積が排気ガス流から隔離されるように構成される。

タービン１００の全速全負荷（ＦＳＦＬ）時には、排気ディフューザ１５０の出口流れ区域Ａ_O全体を用いることが望ましい。しかしながら、タービン１００の部分負荷（例えば、５０％）時には、出口流れ区域Ａ_Oは、最良の効率に合ったサイズではない。流れ状態（すなわち、質量流量、スワール、及び全圧）の変化に起因して、ディフューザ入口における半径方向の分布はＦＳＦＬ状態とは大きく異なり、従って、区域比（Ａ_O／Ａ_I）は、部分負荷状態においてもはや最適又は望ましいレベルのものではなく、流れ剥離を増大させ、その結果、空力的損失が増大することになる。

本発明の１つの態様によれば、排気ディフューザは、タービンがＦＳＦＬで作動しているときに、流路縮小部材２２０を第１の位置（図２に示す）にするよう構成することができ、タービン１００が全負荷未満で又は部分負荷で作動しているときには、流路縮小部材２２０を第２の位置（図３に示す）にすることができる。ＦＳＦＬでは、タービン１３０から流出したガスは、両方の区域Ａ_O1及びＡ_O2又は出口流れ区域Ａ_O全体を通過して流出することができる。しかしながら、部分負荷では、流路縮小部材が移動して、区域Ａ_O2である排気ディフューザの中心部分を遮ることができる。これにより、排気ガス用の流路として区域Ａ_O1のみが残される。この区域低減は、部分負荷での低い質量流量及び他の流れ状態に好影響をもたらし、従って、剥離を軽減し、ディフューザ１５０の回復を向上させる。結果として、タービンは、部分負荷においてより効率的に作動することができる。

図４は、本発明の別の態様によれば、排気ディフューザ４５０の簡易断面図を示す。流路縮小部材４２０がガイド部材２１０上に装着され、該流路縮小部材４２０は、第１の位置（図示）から第２の位置（図３に示す）に変化するときにロータハウジングに向かって移動するよう構成される。第１の位置は、排気ディフューザ４５０の出口流れ区域Ａ_Oに影響を及ぼさない又は影響が最小限の不作動位置である。第２の位置は、排気ディフューザ４５０の出口流れ区域を、Ａ_O1に等しい区域まで低減する展開位置である。

図５は、本発明の１つの態様による、排気ディフューザ５５０の簡易断面図を示す。流路縮小部材５２０は第２の位置に移動して、この構成により、流路縮小部材５２０の下流側端部（マンウェイ５０９付近）における流れ区域が低減され、マンウェイの区域における排気ディフューザの流れ区域の比が変化する。排気ディフューザ５５０の環状開口５０３は、ロータハウジング５０７及び外壁５０５に接続されたストラット５３０の上流側に配置される。この実施例において、流路縮小部材５２０は、第１の位置から第２の位置に変化するときにマンウェイ５０９に向かって移動するよう構成することができる。

図６は、本発明の１つの態様による、排気ディフューザ６５０の簡易断面図を示す。流路縮小部材６２０は、第１の位置にあり、第２の位置へ上方に枢動するよう構成される。第２の位置は、排気ディフューザの流れ区域を低減する。この実施例において、流路縮小部材６２０は、第１の位置から第２の位置に変化するときにマンウェイ６０９付近でガイド部材６１０の端部に向かって移動するよう構成することができる。図７は、第２の位置における流路縮小部材６２０を示している。

図８は、本発明の１つの態様による、排気ディフューザ８５０の簡易断面図を示す。流路縮小部材８２０は、セグメント化された円筒形態をとり、軸方向軸線の周りに回転して第１の位置と第２の位置との間で変化する。流路縮小部材８２０はまた、切頭円錐形状を有することができる。図９は、流路縮小部材８２０の第１及び第２の位置を示している。流路縮小部材の第１の位置は、ガイド部材８１０内の排気流を可能にする。第２の位置は、ガイド部材８１０内部からの流れを遮断し、排気ディフューザの流れ区域を低減する。この実施例において、流路縮小部材８２０は、中心長手方向又は軸方向軸線の周りに回転移動して「開放」又は「閉鎖」するよう構成することができる。流路縮小部材は、２つの同心状の流路縮小部材として構成することができ、ここでアパーチャが選択的に開閉して、流路を調整することができる。或いは、ガイド部材８１０は、アパーチャを有する１つの同心部材として構成することができ、流路縮小部材は、相補的なアパーチャを有し、流路縮小部材が回転したときに、排気ディフューザ８５０がタービンの動作状態に基づいて可変の流れ区域を有することができるようになる。

一例として、ガスタービンは、ＦＳＦＬにてある特定の効率を有することができるが、当該効率は、部分負荷で作動したときには低下する可能性がある。これは、大型のメガワットガスタービンにおいて経済的に大きな影響をもたらす可能性がある。部分負荷作動の間、流路縮小部材２２０、４２０を第２の位置に展開することによって、出力効率を向上させることができ、実質的に大きな改善となる。実際に、このような大きな改善は予想外のことであり、このことは、流路縮小部材無しのガスタービンにおける部分負荷作動に対する大きな改善の結果を示している。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること並びにあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、或いは、請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

１００ ガスタービン
１１０ 圧縮機
１２０ 燃焼器
１３０ タービン
１４０ シャフト（又はロータ）
１５０ 排気ディフューザ

Claims (20)

1. 排気ディフューザであって、
   タービンに結合するよう適合された入口を有し且つ外壁を有する中心本体と、
   前記中心本体の内部に配置されたガイド部材と、
   前記中心本体の内部に配置され、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成された流路縮小部材と、
   を備え、前記第１の位置が、前記排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、前記第２の位置が、前記排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である、排気ディフューザ。
2. ガスタービンと連通している、請求項１に記載の排気ディフューザ。
3. 前記流路縮小部材が、ロータハウジング上に装着される、請求項１に記載の排気ディフューザ。
4. 前記流路縮小部材は、前記第１の位置から前記第２の位置に変化するときに前記ガイド部材に向けて移動するよう構成されている、請求項３に記載の排気ディフューザ。
5. 前記流路縮小部材が、前記ガイド部材上に装着される、請求項１に記載の排気ディフューザ。
6. 前記流路縮小部材は、前記第１の位置から前記第２の位置に変化するときに前記ロータハウジングに向けて移動するよう構成される、請求項５に記載の排気ディフューザ。
7. 前記外壁及び前記ロータハウジングに接続された複数のマンウェイ支持体を更に備え、前記ガイド部材が、該複数のマンウェイ支持体に接続される、請求項１に記載の排気ディフューザ。
8. 前記ガイド部材が、切頭円錐形状又は円筒形状を有する、請求項７に記載の排気ディフューザ。
9. 排気ディフューザを有するガスタービンであって、
   前記排気ディフューザが、
   タービンに結合するよう適合された入口を有し且つ外壁を有する中心本体と、
   前記中心本体の内部に配置されたガイド部材と、
   前記中心本体の内部に配置され、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成された流路縮小部材と、
   を備え、前記第１の位置が、前記排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、前記第２の位置が、前記排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である、ガスタービン。
10. 前記流路縮小部材が、ロータハウジング上に装着される、請求項９に記載のガスタービン。
11. 前記流路縮小部材は、前記第１の位置から前記第２の位置に変化するときに前記ガイド部材に向けて移動するよう構成されている、請求項１０に記載のガスタービン。
12. 前記流路縮小部材が、前記ガイド部材上に装着される、請求項９に記載のガスタービン。
13. 前記流路縮小部材は、前記第１の位置から前記第２の位置に変化するときに前記ロータハウジングに向けて移動するよう構成される、請求項１２に記載のガスタービン。
14. 前記外壁及び前記ロータハウジングに接続された複数のマンウェイ支持体を更に備え、前記ガイド部材が、該複数のマンウェイ支持体に接続される、請求項９に記載のガスタービン。
15. 前記ガイド部材が、切頭円錐形状又は円筒形状を有する、請求項１４に記載のガスタービン。
16. ガスタービンと連通した排気ディフューザであって、
    タービンに結合するよう適合された入口を有し且つ外壁を有する中心本体と、
    前記中心本体の内部に配置されたガイド部材と、
    前記中心本体の内部に配置され、第１の位置及び第２の位置に移動可能に構成された流路縮小部材と、
    を備え、前記第１の位置が、前記排気ディフューザの出口流れ区域に影響を及ぼさない不作動位置であり、前記第２の位置が、前記排気ディフューザの出口流れ区域を低減する展開位置である、排気ディフューザ。
17. 前記流路縮小部材が、ロータハウジング上に装着され、前記流路縮小部材は、前記第１の位置から前記第２の位置に変化するときに前記ガイド部材に向けて移動するよう構成されている、請求項１６に記載の排気ディフューザ。
18. 前記流路縮小部材が、前記ガイド部材上に装着され、前記流路縮小部材は、前記第１の位置から前記第２の位置に変化するときに前記ロータハウジングに向けて移動するよう構成される、請求項１６に記載の排気ディフューザ。
19. 前記外壁及び前記ロータハウジングに接続された複数のマンウェイ支持体を更に備え、前記ガイド部材が、該複数のマンウェイ支持体に接続される、請求項１６に記載の排気ディフューザ。
20. 前記ガイド部材が、切頭円錐形状又は円筒形状を有する、請求項１６に記載の排気ディフューザ。