JP2011236897A - ガスタービンシステム用のディフューザ - Google Patents
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Abstract
【課題】長手方向軸線(90)を有するガスタービンシステム(10)用のディフューザ(20)を開示する。
【解決手段】本ディフューザ(20)は、複数のディフューザダクト(30)を含む。複数のディフューザダクト(30)の各々は、長手方向軸線(90)の周りに環状に配置されかつ入口(32)と出口(36)と該入口(32)及び出口(36)間で延びる通路(34)とを有する。複数のディフューザダクト(30)の各々の出口(36)は、それぞれのディフューザダクト(30)の入口(32)から接線方向にオフセットしている。複数のディフューザダクト(30)の各々は、それを通してガス流(80)を流して該ガス流(80)の速度を低下させるように構成される。
【選択図】 図3
【解決手段】本ディフューザ(20)は、複数のディフューザダクト(30)を含む。複数のディフューザダクト(30)の各々は、長手方向軸線(90)の周りに環状に配置されかつ入口(32)と出口(36)と該入口(32)及び出口(36)間で延びる通路(34)とを有する。複数のディフューザダクト(30)の各々の出口(36)は、それぞれのディフューザダクト(30)の入口(32)から接線方向にオフセットしている。複数のディフューザダクト(30)の各々は、それを通してガス流(80)を流して該ガス流(80)の速度を低下させるように構成される。
【選択図】 図3
Description
本明細書に開示した主題は、総括的にはガスタービンシステムに関し、より具体的には、ガスタービンシステムにおけるディフューザに関する。
ガスタービンシステムは、発電のような分野において広範に利用されている。従来型のガスタービンシステムは、圧縮機セクション、燃焼器セクション及び少なくとも1つのタービンセクションを含む。圧縮機セクションは、空気が圧縮機セクションを通って流れる時に該空気を加圧するように構成される。この加圧空気は次に、圧縮機セクションから燃焼器セクションに流れ、この燃焼器セクションにおいて、加圧空気は燃料と混合されかつ燃焼されて高温ガス流を発生する。高温ガス流は、タービンセクションに供給され、このタービンセクションは、高温ガス流をそれからエネルギーを抽出することによって利用して、圧縮機、発電機及びその他の様々な負荷を駆動する。
従来型のガスタービンシステムでは、圧縮機セクション内で加圧された空気流は、比較的高速度で圧縮機セクションから吐出される。この空気流の速度は一般的に、燃焼器セクションに流入させるのに最適である速度まで低下させる必要がある。従って、一般的な公知の圧縮機セクションは、図2に示すようなアキシャルディフューザ19を備えており、このアキシャルディフューザ19は、圧縮機セクションから流出する空気流の速度を低下させるように作用する。
ガスタービンシステムにおける一般的な公知のディフューザの利用は、ガスタービンシステムを種々の問題に曝すおそれがある。例えば、公知のディフューザは一般的に、空気流がガスタービンシステムの略長手方向軸線90に沿って移動する時に、該空気流を拡散させる。しかしながら、圧縮機セクションから流出した空気流は一般的に、略長手方向での移動に伴った接線方向及び半径方向流れ成分と共に、空気流が略回転方向に移動していることを意味する「流出スワール」成分を有する。空気流がアキシャルディフューザ19に流入する前にこの流出スワールを減少させるために、一般的に圧縮機セクションにおけるアキシャルディフューザ19の上流に、1つ又は複数のガイドベーン28が配置される。ガイドベーン28は、流出スワールを減少させるように設計される。しかしながら、大きい空気流圧力降下は、この流出スワールを減少させるガイドベーン28の使用と関連しており、このことにより、ガスタービンシステムの性能及び効率の損失が生じる。さらに、空気流が一般的なアキシャルディフューザ19から流出した後に、空気流は、それが燃焼器セクションに流れるにつれて、図2に示すように複数回にわたってその方向を変更しなければならない。さらに大きい空気流圧力降下は、各方向変更と関連しており、従ってガスタービンシステムの性能及び効率のさらなる損失が生じる。
従って、当技術分野では、空気流圧力降下を減少させるディフューザが、望ましいと言える。その上、空気流と関連した流出スワールを利用して燃焼器セクションに空気流を導くディフューザが、有利であると言える。さらに、圧縮機セクションにおけるガイドベーンの必要性を排除したディフューザが、望ましいと言える。
本発明の態様及び利点は、その一部を以下の説明に記載しており、或いはそれら説明から自明なものとして理解することができ、或いは本発明の実施により学ぶことができる。
1つの実施形態では、長手方向軸線を有するガスタービンシステム用のディフューザを開示する。本ディフューザは、複数のディフューザダクトを含む。複数のディフューザダクトの各々は、長手方向軸線の周りに環状に配置されかつ入口と出口と該入口及び出口間で延びる通路とを有する。複数のディフューザダクトの各々の出口は、それぞれのディフューザダクトの入口から接線方向にオフセットしている。複数のディフューザダクトの各々は、それを通してガス流を流して該ガス流の速度を低下させるように構成される。
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の説明及び特許請求の範囲を参照することによってより良好に理解されるであろう。本明細書の一部として組入れられかつ本明細書の一部を構成した添付図面は、本発明の実施形態を示しており、詳細な説明と共に本発明の原理を説明するのに役立つ。
当業者を対象に、本発明のその最良の形態を含む完全かつ有効な開示を、添付図を参照した本明細書において説明する。
次に、その1つ又はそれ以上の実施例を図面に示している本発明の実施形態について詳細に説明する。各実施例は、本発明の限定ではなくて本発明の説明として示している。実際には、本発明においてその技術的範囲及び技術思想から逸脱せずに様々な修正及び変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。例えば、1つの実施形態の一部として例示し又は説明した特徴要素は、別の実施形態で使用してさらに別の実施形態を生成することができる。従って、本発明は、そのような修正及び変更を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
図1は、ガスタービンシステム10の概略図である。システム10は、圧縮機セクション12、燃焼器セクション14及びタービンセクション16を含むことができる。さらに、システム10は、複数の圧縮機セクション12、燃焼器セクション14及びタービンセクション16を含むことができる。圧縮機セクション12及びタービンセクション16は、シャフト18によって結合することができる。シャフト18は、単一シャフト又は互いに結合されてシャフト18を形成した複数のシャフトセグメントとすることができる。ガスタービンシステム10は、中心長手方向軸線90を有することができる。例えば、シャフト18は、軸線90に沿って長手方向に配置することができる。
圧縮機セクション12は、ガス流80が圧縮機セクション12を通って流れる時に、ガス流80を加圧することができる。ガス流80は、例えば空気又はあらゆるその他の好適なガスとすることができる。圧縮機セクション12は次に、ガス流80を燃焼器セクション14に流すことができ、燃焼器セクション14は、下記に説明するようにガス流80を受けるように構成することができる。
ガス流80が加圧された後に圧縮機セクション12を通って流れる時に、ガス流は、長手方向軸線90に対して略長手方向に流れることができる。しかしながら、ガス流80は一般的にさらに、他の流れ成分を含む可能性がある。例えば、加圧された後のガス流80は、当技術分野では「流出スワール」として一纏めにして知られている流れ成分を有する可能性がある。従って、ガス流80は、略接線方向に流れることができ、またさらに略半径方向に流れることができる。
様々な実施形態では、圧縮機セクション12は、少なくも1つのガイドベーン28を含むことができる。ガイドベーン28は、流出スワールを減少させ、従ってガス流80の接線方向及び半径方向流れ成分を減少させることができる。しかしながら、本開示の例示的な実施形態では、圧縮機セクション12は、ガイドベーン28がないものとすることができる。
図3〜図6に示すように、圧縮機セクション12は、ディフューザ20を含むことができる。ディフューザ20は、下記に説明するようにガス流80の速度を低下させるように構成することができる。ディフューザ20はさらに、ガス流80を全体的に燃焼器セクション14に流すことができる。例えば、圧縮機セクション12内で加圧された後に、ガス流80は、ディフューザ20を通って流れかつ燃焼器セクション14に供給されるようにすることができる。例えば、1つの実施形態では、ガス流80は、ディフューザ20からプレナム22内に流出することができる。ガス流80は次に、プレナム22から燃焼器セクション14に供給されるようにすることができる。それに代えて、ガス流80は、ディフューザ20から直接に燃焼器セクション14内に流出させることができる。例えば、燃焼器セクション14は、複数の燃焼器缶24を含むことができる。さらに、下記に説明するような1つの実施形態では、ディフューザ20は、複数のディフューザダクト30を含むことができる。ディフューザダクト30の各々は、燃焼器缶24と結合することができる。燃焼器缶24は、複数のディフューザダクト30の1つからガス流80を受けるように構成することができる。例えば、燃焼器缶24の各々は、ディフューザダクト30の1つに流体連結して、該ディフューザダクト30から流出したガス流80が、燃焼器缶24に、従って燃焼器セクション14に直接流入するようにすることができる。
上述のように、本開示のディフューザ20は、複数のディフューザダクト30を含む。図3〜図6に示すように、複数のディフューザダクト30の各々は、入口32と出口36と該入口32及び出口36間で延びる通路とを有することができる。ディフューザダクト30は、それを通してガス流80を流して、該ガス流80の速度を低下させるように構成することができる。例えば、複数のディフューザダクト30の各々の入口32は、それぞれのディフューザダクト30の出口36の断面積よりも全体として小さい断面積を有することができる。入口32及び出口36は、略円形又は長円形断面、矩形断面、三角形断面又はあらゆるその他の好適な多角形断面を有することができる。さらに、それぞれのディフューザダクト30の入口32及び出口36は、同じ形状断面を有する必要性がないことを理解されたい。例えば、1つの実施形態では、入口32は、略矩形断面を有することができるが、出口36は、略円形断面を有することができる。
さらに、通路34は、入口32及び出口36間で全体的にテーパさせることができる。例えば、例示的な実施形態では、通路34は、略円錐形状にすることができる。しかしながら、それに代えて、通路34は、略矩形断面、三角形断面又はあらゆるその他の好適な多角形断面を有することができる。通路34の断面形状は、通路34が比較的より小さい入口32から比較的より大きい出口36までテーパするように通路34全体にわたって変化させることができることを理解されたい。
ディフューザダクト30は、長手方向軸線90の周りに環状アレイとして配置することができる。従って、ガス流80が加圧された後に圧縮機セクション12を通って略長手方向にディフューザ20内に流れる時に、ガス流80は、入口32を通って環状アレイのディフューザダクト30内に流れることができる。
複数のディフューザダクト30の各々の出口36は、それぞれのディフューザダクト30の入口32からオフセットさせることができる。本明細書で使用する場合に、「オフセット」という用語は、特定した座標方向に沿った方向から間隔を置いた状態を意味する。例えば、複数のディフューザダクト30の各々の出口36は、接線方向軸線92に沿ったオフセットのように、それぞれのディフューザダクト30の入口32から接線方向にオフセットさせることができる。複数のディフューザダクト30の各々の出口36がそれぞれのディフューザダクト30の入口32から接線方向にオフセットしているので、ディフューザダクト30は、ガス流80流出スワールの接線方向成分を利用してディフューザダクト30を通してガス流80を流すことができる利点を有する。例示的な実施形態では、この接線方向ガス流80成分の利用により、圧縮機セクション12内におけるガイドベーン28の必要性を排除することができる。さらに、接線方向ガス流80成分の利用により、ガス流80が圧縮機セクション12からディフューザ20を通って燃焼器セクション14に流れる場合における一般的な従来技術のガスタービンシステムでの流れ方向変化に起因したガス流80圧力損失を防止することができる。
加えて、幾つかの例示的な実施形態では、複数のディフューザダクト30の各々の出口36は、長手方向軸線90に沿ったオフセットのように、それぞれのディフューザダクト30の入口32から長手方向にオフセットさせることができる。複数のディフューザダクト30の各々の出口36がそれぞれのディフューザダクト30の入口32から長手方向にオフセットしているので、ディフューザダクト30は、ガス流80の長手方向成分を利用してディフューザダクト30を通してガス流80を流すことができる利点を有する。
さらに、幾つかの例示的な実施形態では、複数のディフューザダクト30の各々の出口36は、半径方向軸線94に沿ったオフセットのように、それぞれのディフューザダクト30の入口32から半径方向にオフセットさせることができる。複数のディフューザダクト30の各々の出口36がそれぞれのディフューザダクト30の入口32から半径方向にオフセットしているので、ディフューザダクト30は、ガス流80流出スワールの半径方向成分を利用してディフューザダクト30を通してガス流80を流すことができる利点を有する。
図5及び図6に示すように、接線方向軸線92及び半径方向軸線94は、ディフューザ20及びディフューザダクト30によって定まる円周部に対して各ディフューザダクト30において個々に定まり、また軸線92及び94は、ディフューザダクト20の長手方向軸線90の周りに環状アレイとして配置されたディフューザダクト30の数に基づいてディフューザ20の円周部の周りで各ディフューザダクト30において変化することを理解されたい。
通路34の各々は、図4に示すように第1のガイド部分40を含むことができる。例示的な実施形態では、第1のガイド部分40は、それぞれのディフューザダクト30の入口32に隣接して配置することができる。しかしながら、それに代えて、第1のガイド部分40は、ディフューザダクト30の通路34のあらゆる部分とすることができる。第1のガイド部分40は、ガス流80の全体的方向をディフューザダクト30の内部に向け直す通路34のそのような部分とすることができる。例えば、第1のガイド部分40は、ガス流80を略長手方向流れ方向から略接線方向流れ方向に導くように構成することができる。それに代えて、第1のガイド部分40は、ガス流80を略長手方向流れ方向から略半径方向流れ方向、略接線方向及び半径方向流れ方向、略接線方向及び長手方向流れ方向に、つまり略接線方向、半径方向及び長手方向流れ方向に導くように構成することができる。略長手方向におけるようなあらゆる全体的方向におけるガス流80は、半径方向及び接線方向流れ成分のような他の流れ成分を有することができ、またそこで述べた方向に厳密に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。
ガス流80がディフューザダクト30の通路34の第1のガイド部分40を通って流れた後に、ガス流80は、通路34を通って出口36に向けて流れ続けることができる。一部の例示的な実施形態では、通路34は、図6に示すようにガイド部分40の下流でガス流80に対して略直線状に延びることができる。従って、ガス流80は、通路34の第1のガイド部分40を通って流れた後に、通路34を通って略直線状に流れ続けることができる。別の例示的な実施形態では、通路34は、図3〜図5に示すようにガイド部分40の下流でガス流80に対して略曲線状に延びることができる。従って、ガス流80は、通路34の第1のガイド部分40を通って流れた後に、通路34を通って略曲線状に流れ続けることができる。
通路34の各々はさらに、第2のガイド部分42を含むことができる。例示的な実施形態では、第2のガイド部分42は、それぞれのディフューザダクト30の出口36に隣接して配置することができる。しかしながら、それに代えて、第2のガイド部分42は、ディフューザダクト30の通路34のあらゆる部分とすることができる。第2のガイド部分42は、ガス流80の全体的方向をディフューザダクト30の内部にさらに向け直す通路34の別の部分とすることができる。例えば、第2のガイド部分42は、ガス流80を略接線方向流れ方向から略長手方向流れ方向に導くように構成することができる。それに代えて、第2のガイド部分42は、ガス流80を略半径方向流れ方向、略接線方向及び半径方向流れ方向、略接線方向及び長手方向流れ方向から、つまり略接線方向、半径方向及び長手方向流れ方向から略長手方向流れ方向に導くように構成することができる。略長手方向におけるようなあらゆる全体的方向におけるガス流80は、半径方向及び接線方向流れ成分のような他の流れ成分を有することができ、またそこで述べた方向に厳密に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。
ガス流80がディフューザダクト30の通路34の第2のガイド部分42を通って流れる前に、ガス流80は、通路34を通ってガイド部分42及び出口36に向けて流れることができることを理解されたい。一部の例示的な実施形態では、通路34は、図6に示すように第2のガイド部分42の上流でガス流80に対して略直線状に延びることができる。従って、ガス流80は、通路34の第2のガイド部分42を通って流れる前に、通路34を通って略直線状に移動することができる。別の例示的な実施形態では、通路34は、図3〜図5に示すように第2のガイド部分42の上流でガス流80に対して略曲線状に延びることができる。従って、ガス流80は、通路34の第2のガイド部分42を通って流れる前に、通路34を通って略曲線状に移動することができる。
ガス流80が本開示のディフューザダクト30の出口36を通って流れた後に、ガス流80は、ディフューザ20から流出することができる。幾つかの例示的な実施形態では、ガス流80は、ディフューザ20から流出して略接線方向に流れることができる。しかしながら、ガス流80は、半径方向及び長手方向流れ成分を有することができ、また厳密に接線方向に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。それに代えて、ガス流80は、ディフューザ20から流出して略長手方向に流れることができる。しかしながら、ガス流80は、接線方向及び半径方向流れ成分を有することができ、また厳密に長手方向に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。さらに、ガス流80は、ディフューザ20から流出して略半径方向に流れることができる。しかしながら、ガス流80は、接線方向及び長手方向流れ成分を有することができ、また厳密に半径方向に流れることに限定されるものではないことを理解されたい。
上述のように、ガス流80がディフューザ20及び圧縮機セクション12から流出した後に、ガス流80は、プレナム22に流入することができ、或いは燃焼器セクション14に直接流入することができる。例えば、ディフューザダクト30の各々は、燃焼器缶24に結合することができ、かつ各ディフューザダクト30から流出したガス流80は、該ディフューザダクト30に結合した燃焼器缶24に流入することができる。従って、例示的な実施形態では、ディフューザ20は、燃焼器14内における燃焼器缶24の数に等しい多数のディフューザダクト20を含むことができる。例えば、様々な実施形態では、ディフューザ20は、8個、12個又は16個のディフューザダクト30を含むことができ、或いはあらゆるその他の好適な数のディフューザダクト30を含むことができる。
本明細書は最良の形態を含む実施例を使用して、本発明を開示し、また当業者が、あらゆる装置又はシステムを製作しかつ使用しまたあらゆる組込み方法を実行することを含む本発明の実施を行なうことを可能にもする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲により定めており、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を含むか又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する均等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属する。
10 ガスタービンシステム
12 圧縮機セクション
14 燃焼器セクション
16 タービンセクション
18 シャフト
19 アキシャルディフューザ
20 ディフューザ
22 プレナム
24 燃焼器缶
28 ガイドベーン
30 ディフューザダクト
32 入口
34 通路
36 出口
40 第1のガイド部分
42 第2のガイド部分
80 ガス流
90 長手方向軸線
92 接線方向軸線
94 半径方向軸線
12 圧縮機セクション
14 燃焼器セクション
16 タービンセクション
18 シャフト
19 アキシャルディフューザ
20 ディフューザ
22 プレナム
24 燃焼器缶
28 ガイドベーン
30 ディフューザダクト
32 入口
34 通路
36 出口
40 第1のガイド部分
42 第2のガイド部分
80 ガス流
90 長手方向軸線
92 接線方向軸線
94 半径方向軸線
Claims (14)
- 長手方向軸線(90)を有するガスタービンシステム(10)用のディフューザ(20)であって、
その各々が前記長手方向軸線(90)の周りに環状に配置されかつ入口(32)と出口(36)と該入口(32)及び出口(36)間で延びる通路(34)とを有する複数のディフューザダクト(30)を含み、
前記複数のディフューザダクト(30)の各々の出口(36)が、該それぞれのディフューザダクト(30)の入口(32)から接線方向にオフセットしており、前記複数のディフューザダクト(30)の各々が、それを通してガス流(80)を流して該ガス流(80)の速度を低下させるように構成される、ディフューザ(20)。 - 前記複数のディフューザダクト(30)の各々の出口(36)が、該それぞれのディフューザダクト(30)の入口(32)から長手方向にオフセットしている、請求項1記載のディフューザ(20)。
- 前記複数のディフューザダクト(30)の各々の出口(36)が、該それぞれのディフューザダクト(30)の入口から半径方向にオフセットしている、請求項1又は請求項2記載のディフューザ(20)。
- 前記ガス流(80)が、前記ディフューザ(20)から流出して略接線方向に流れる、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のディフューザ(20)。
- 前記ガス流(80)が、前記ディフューザ(20)から流出して略長手方向に流れる、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載のディフューザ(20)
- 前記通路(34)の各々が、前記それぞれのディフューザダクト(30)の入口(32)に隣接して配置されたガイド部分(40)を含み、前記ガイド部分(40)が、前記ガス流(80)を略長手方向流れ方向から略接線方向流れ方向に導くように構成される、請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のディフューザ(20)。
- 前記ガイド部分(40)が、前記ガス流(80)を略半径方向流れ方向に導くようにさらに構成される、請求項6記載のディフューザ(20)。
- 前記通路(34)の各々が、前記ガイド部分(40)の下流で前記ガス流(80)に対して直線状に延びる、請求項6記載のディフューザ(20)。
- 前記通路(34)の各々が、前記ガイド部分(40)の下流で前記ガス流(80)に対して曲線状に延びる、請求項6記載のディフューザ(20)。
- 前記通路(34)の各々が、前記それぞれのディフューザダクト(30)の出口(36)に隣接して配置されたガイド部分(42)を含み、
前記ガイド部分(42)が、前記ガス流(80)を略接線方向流れ方向から略長手方向流れ方向に導くように構成される、請求項1乃至請求項9のいずれか1項記載のディフューザ(20)。 - 前記ガイド部分(42)が、前記ガス流(80)を略半径方向流れ方向から導くようにさらに構成される、請求項10記載のディフューザ(20)。
- 前記通路(34)の各々が、前記ガイド部分(42)の上流で前記ガス流(80)に対して直線状に延びる、請求項10記載のディフューザ(20)。
- 前記通路(34)の各々が、前記ガイド部分(42)の上流で前記ガス流(80)に対して曲線状に延びる、請求項10記載のディフューザ(20)。
- 前記通路(34)の各々が略円錐形である、請求項1乃至請求項13のいずれか1項記載のディフューザ(20)。
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