JP4097734B2

JP4097734B2 - ガスタービン用の三通路ディフューザ

Info

Publication number: JP4097734B2
Application number: JP02307297A
Authority: JP
Inventors: エドワード・ジェイ・シー・リン; リチャード・エドウィン・ウォーリン，ジュニア; クリスチャン・エル・バンデーボート
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1996-02-09
Filing date: 1997-02-06
Publication date: 2008-06-11
Anticipated expiration: 2017-02-06
Also published as: US5737915A; DE69726626D1; EP0789195A1; KR100476353B1; EP0789195B1; JPH09310622A; DE69726626T2; KR970062283A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般的にはガスタービンに関し、特に、ガスタービン圧縮機吐出し部における多通路ディフューザに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のガスタービン燃焼装置は、確実で効率の良いタービン運転を達成するために多数の燃焼室アセンブリを用いる。各燃焼室には筒形燃焼器と、燃料噴射装置と、遷移部とが含まれ、遷移部は燃焼器からの高温ガスの流れをタービンの入口に導く。一般に、圧縮機吐出し空気の一部分は燃焼器反応域内に直接導入され燃料と混合され燃やされる。空気流の残部は、燃焼器排出流がタービンに入る前に火炎を急冷するか、あるいは燃焼器の壁そしてある場合には遷移部を冷却するように作用する。
【０００３】
衝突冷却を施される遷移部を組込んだ装置では、中空スリーブが遷移部を囲み、そしてスリーブ壁が多孔を有するので、圧縮機吐出し空気はスリーブ壁の冷却孔を通流しそして遷移部に衝突する（すなわちそれを冷却する）。
遷移部は構造部材であるから、応力が最高である箇所の温度を比較的低くすることが望ましい。既にわかっていようにこれは達成し難いが、許容可能な妥協は、遷移部の全長に沿って（応力が許容可能限度内にある）均等温度を発生させることである。従って、衝突スリーブに沿う均等流れ圧力が所望均等温度を得るのに必要である。
【０００４】
実質的に真っ直ぐな軸方向ディフューザが、通例ガスタービン内の圧縮機吐出し箇所に利用される。しかし、もし一通路ディフューザが機械の中央部において大きな空間を占めれば、その流れを均等に分布させる能力は制限される。事実上、衝突冷却される遷移部を有するガスタービンの場合、試験で示されているように、一通路軸方向ディフューザ設計によれば、過酷な遷移部温度変動と、大きな衝突スリーブ静圧変動とが発生する。ガスタービン工業において湾曲ディフューザを利用して流れを半径方向に変向させる少なくとも一つの試みが既になされている（遷移部の衝突冷却を用いる装置ではこのような試みはなされていない）が、ディフューザは単一通路だけを含むように形成されたので、衝突スリーブの軸方向寸法に沿う均等流れは得られなかった。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、遷移部域の流れの均等性を高めることによりガスタービン出力を最大にすることによって先行技術における諸問題を解決しようとするものである。同時に、本発明によれば、ロータの動的な理由によりガスタービンロータ長さを最小にすることができ、そして全体的にガスタービン長さを最小にして追加的な経費節減を達成することもできる。
【０００６】
本発明の一実施態様によれば、三流路ディフューザが圧縮機吐出し部に設けられて圧縮機流をディフューザ出口で３つの相異なる方向に向ける。この構成は遷移域周囲の衝突スリーブに沿って均等な流れ分布をもたらし、従って望ましい静圧回復が達成される。
この実施態様では、圧縮機吐出し部における張り開き出口通路が、吐出し部内に配置した２つの邪魔板の使用により３つの個別通路に分割される。吐出し部の外壁は外向きに張り開いているが、邪魔板の設計の結果、各流路の流れ断面積が実質的に同じになる。この構成により、遷移部域内で安定流が確保されると同時に比較的高効率かつ均等な分布流が得られ、遷移部の所望均等衝突冷却が確保される。
【０００７】
従って、本発明の一態様によれば、ガスタービン用の圧縮機吐出しディフューザが設けられ、このディフューザは、圧縮機吐出し空気流の方向に外向きに張り開いている１対のディフューザ外壁を形成する内部ケーシングと、両ディフューザ外壁により画成された流れ区域内にあってこの流れ区域を３つの個別流路に分割する１対の邪魔板とからなる。
【０００８】
本発明の他の態様によれば、燃焼器ライナと一タービン段との間に延在する遷移部ダクトを含む燃焼器と該タービン段との間の遷移域と、遷移部を囲みそして複数の冷却孔を有する衝突スリーブと、圧縮機吐出し空気を遷移域内に向ける圧縮機ディフューザとを有するガスタービンにおける改良として、前記ディフューザは圧縮機吐出し空気流を少なくとも半径方向に向けるように形成された第１通路を含む。
【０００９】
本発明の他の目的と利点は以下の詳述から明らかとなろう。
【００１０】
【実施例の記載】
図１において、代表的なガスタービンに遷移部１０が含まれ、これにより、燃焼器ライナ１２の上流の燃焼器からの高温燃焼ガスが、１４で表されるタービンの第１段に通される。ガスタービン圧縮機からの流れは軸方向ディフューザ１６を出て遷移域１８に入る。圧縮機吐出し空気の約５０％が、衝突スリーブ２２に沿いかつその外周に形成された孔２０を通り、遷移部１０と衝突スリーブ２２との間の環状域２４に流入する。圧縮機吐出し流の残りの約５０％は流れスリーブ２６に入り、結局燃焼器内でガスタービン燃料と混合する。図１に示した流れ矢印によって示されるように、従来の構成における圧縮機吐出し流は不均等になりがちであり、その結果、かなりの遷移部温度変動とかなりの衝突スリーブ静圧変動が発生するおそれがあり、このような変動はガスタービン出力に悪影響を与える。
【００１１】
図２は本発明による三通路ディフューザ２８の断面図である。この図に示したディフューザは図１に示したディフューザ１６の代わりに用いるものであることを理解されたい。この三通路ディフューザ２８は、ガスタービン遷移域１８の中央部に向けて、圧縮機吐出し空気流を相異なる半径方向と軸方向に変向させる。具体的には、ディフューザ２８は、（流れ方向に）外向きに張り開いている外壁３０、３２と、１対の内部邪魔板３４、３６とにより形成されている。邪魔板３４は１対の湾曲壁部３８、４０を含み、両壁部も流れ方向に外向きにテ−パが付いておりそして下流端壁４２によって連結されている。壁部３８、４０は上流端において丸みを付けた縁４４により連結されている。同様に、邪魔板３６にはテ−パ壁４６、４８が含まれ、下流端壁５０と上流縁５２とにより連結されている。
【００１２】
図２からわかるように、邪魔板３４、３６はディフューザ外壁３０、３２と関連して３つのディフューザ通路５４、５６、５８を形成している。ディフューザ壁３０、３２の曲率と邪魔板３４、３６の形状は、各通路５４、５６、５８の流れ面積が実質的に等しくなるように注意深く選定される。しかし同時に、図からわかるように、流れは３つの個別方向に向かう。さらに詳述すると、通路５８は小さな半径方向流れ成分とかなり大きな軸方向流れ成分とを有する。中間通路５６は実質的に相等しい軸方向および半径方向流れ成分を有する。これに対し、通路５４はかなり大きな半径方向流れ成分だけを有する。このように、遷移域１８内への圧縮機吐出し流は衝突スリーブ２２の周囲により均等に分布し、軸方向ディフューザと関連して従来発生した遷移部温度変動と衝突スリーブ静圧変動を実質的に無くする。事実上、試験により確認されているように、本発明の三通路ディフューザの場合、遷移部域１８の全長に沿って負圧が存在せずそして遷移部１０と衝突スリーブ２２の長さに沿う圧力および温度分布は比較的均等である。
【００１３】
また、ここに説明したディフューザ構造によれば、ロータの長さとタービン全長とを短くすることができるので、比較的少ない費用で総合タービン性能を高め得ることに注意されたい。
以上、本発明の最適実施例と考えられるものについて説明したが、本発明は開示した実施例に限定されるものではなく、本発明の範囲内で様々な改変と対等構成が可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】衝突冷却される遷移部を組込んだガスタービン内の圧縮機吐出し部における従来の軸方向圧縮機ディフューザの概略断面図である。
【図２】本発明による三通路ディフューザの断面図である。
【符号の説明】
１０遷移部
１２燃焼器ライナ
１４タービン第１段
１８遷移域
２０冷却孔
２２衝突スリーブ
２８三通路ディフューザ
３０、３２ディフューザ外壁
３４、３６邪魔板
５４、５６、５８ディフューザ通路

Claims

ガスタービンの燃焼器とタービン段（ 14 ）との間の遷移部（ 10 ）へ圧縮機から空気流を向ける圧縮機吐出しディフューザ（ 28 ）であって、
圧縮機吐出した空気流の方向に外向きに張り開いている１対のディフューザ外壁（ 30,32 ）を形成する内部ケーシングと、
前記１対のディフューザ外壁（ 30,32 ）により画成された流れ区域内にあってこの流れ区域を３つの個別流路に分割する１対の邪魔板（ 34,36 ）とからなり、前記３つの個別流路（ 54, 56, 58 ）のうちの一つ（ 54 ）が前記圧縮機吐出した空気流を実質的に半径方向だけに変向させることを特徴とする圧縮機吐出しディフューザ。
前記各流路（ 54, 56, 58 ）はそれぞれ流れ面積は実質的に等しい請求項１記載の圧縮機吐出しディフューザ。
前記３つの個別流路（ 54, 56, 58 ）のうちの一つ（ 58 ）が前記圧縮機吐出した空気流を主に軸方向に向かわせる請求項１又は２に記載のディフューザ。
前記３つの個別流路（ 54, 56, 58 ）のうちの一つ（ 56 ）が前記圧縮機吐出した空気流を軸方向及び半径方向にほぼ均等となるよう変向させる請求項１乃至３のいずれか１項に記載のディフューザ。
ガスタービンであって、
燃焼器ライナ（12）とタービン段（14）との間で延びる遷移部（10）を含むタービン段（14）と燃焼器との間の遷移域（18）と、
前記遷移部を囲い複数の冷却孔（20）を有する衝突スリーブ（22）と、
前記遷移域（18）に圧縮機吐出した空気流を向ける請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧縮機吐出しディフューザ（28）と
を備えるガスタービン。