CN109072781B - 燃气轮机 - Google Patents

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Abstract

一种降低向涡轮静叶供给的冷却空气的压力损失的燃气轮机，具备：冷却装置(7)，其从压缩机(1)抽取压缩空气(P)并生成冷却了的冷却空气，将冷却空气沿旋转轴(4)向涡轮(3)供给；升压装置(8)，其配置在冷却装置(7)和涡轮(3)之间，伴随着旋转轴(4)的旋转将冷却空气向涡轮径向外侧升压；升压装置扩散器(9)，其在升压装置(8)的涡轮径向外侧沿涡轮周向连续设置，形成将由升压装置(8)升压后的冷却空气向升压装置(8)的涡轮径向外侧引导的通路；以及歧管(10)，其配置于沿涡轮周向排列设置有多个的涡轮静叶(32)和升压装置扩散器(9)之间，形成有沿涡轮周向连续的环状通路(10a)，并且将环状通路(10a)与升压装置扩散器(9)的通路(9b)以及设置在各涡轮静叶(32)内的冷却通路(32a)连通。

Description

燃气轮机
技术领域
本发明涉及燃气轮机。
背景技术
一般的燃气轮机具备：生成压缩空气的压缩机；利用在压缩机生成的压缩空气生成燃烧气体的燃烧器；以及通过在燃烧器生成的燃烧气体驱动旋转的涡轮。而且，在这样的燃气轮机中，例如专利文献1中示出了将对压缩机的排出空气进行升压的空气升压装置设置在压缩机和冷却叶片(涡轮静叶)之间的构成。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平5-86901号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1所示的空气升压装置由具有沿半径方向延伸设置的叶片的离心压缩机构成，以便通过涡轮轴的旋转进行空气的升压。该离心压缩机通过从涡轮静叶向内周侧伸出的各隔板包围叶片而构成，将在各隔板之间升压了的冷却空气经由位于涡轮静叶的内周的内周壁的孔向涡轮静叶供给。但是，在这种构成的情况下，具有在从离心压缩机到涡轮静叶之间的空间中产生压力损失的问题。
本发明欲解决上述课题，目的在于提供一种能够降低向涡轮静叶供给的冷却空气的压力损失的燃气轮机。
用于解决课题的方案
为了达到上述目的，本发明的一实施方式所涉及的燃气轮机具备：压缩机，其以旋转轴为中心进行旋转而生成压缩空气；燃烧器，其利用由所述压缩机生成的压缩空气生成燃烧气体；涡轮，其通过由所述燃烧器生成的燃烧气体驱动所述旋转轴旋转；冷却装置，其从所述压缩机抽取压缩空气并生成冷却了的冷却空气，将该冷却空气沿所述旋转轴向所述涡轮供给；升压装置，其配置在所述冷却装置和所述涡轮之间，伴随着所述旋转轴的旋转将所述冷却空气朝向涡轮径向外侧升压；升压装置扩散器，其在所述升压装置的涡轮径向外侧沿涡轮周向连续设置，形成将由所述升压装置升压后的冷却空气向所述升压装置的涡轮径向外侧引导的通路；以及歧管，其配置于沿涡轮周向排列设置有多个的涡轮静叶和所述升压装置扩散器之间，形成有沿涡轮周向连续的环状通路，并且将该环状通路与所述升压装置扩散器的通路以及设置在各所述涡轮静叶内的冷却通路连通。
根据该燃气轮机，利用升压装置扩散器将由升压装置升压后的冷却空气向涡轮径向外侧引导，并且利用歧管将由升压装置扩散器引导到涡轮径向外侧的冷却空气向各涡轮静叶的冷却通路供给。其结果是，能够降低由升压装置升压后向各涡轮静叶供给的冷却空气的压力损失。
另外，优选为，本发明的一实施方式所涉及的燃气轮机在所述歧管的环状通路内具有朝向所述涡轮静叶的所述冷却通路引导所述冷却空气的引导叶片。
根据该燃气轮机，降低从歧管向冷却通路供给的冷却空气的压力损失。其结果是，能够进一步降低由升压装置升压后向各涡轮静叶供给的冷却空气的压力损失。
另外，优选为，本发明的一实施方式所涉及的燃气轮机在所述涡轮静叶的所述冷却通路的与所述歧管连通的入口部具有引导所述冷却空气的弯曲部。
根据该燃气轮机，降低从歧管向冷却通路供给的冷却空气的压力损失。其结果是，能够进一步降低由升压装置升压后向各涡轮静叶供给的冷却空气的压力损失。
发明效果
根据本发明，能够降低向涡轮静叶供给的冷却空气的压力损失。
附图说明
图1是本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的概略构成图。
图2是本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的燃烧器周边的放大剖视图。
图3是表示本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的子午截面的一部分的概略放大图。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的其他例的子午截面的一部分的概略放大图。
图5是表示本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的其他例的子午截面的一部分的概略放大图。
图6是本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的其他例的燃烧器周边的放大剖视图。
具体实施方式
以下，基于附图对本发明所涉及的实施方式详细地说明。需要说明的是，本发明并不限定为该实施方式。另外，在下述实施方式中的构成要素中包含有本领域的技术人员能够容易置换的或者是实质相同的构成要素。
图1是本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的概略构成图。图2是本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的燃烧器周边的放大剖视图。图3是表示本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的子午截面的一部分的概略放大图。
如图1所示，燃气轮机101具备：压缩机1；燃烧器2；以及涡轮3。该燃气轮机101在压缩机1、燃烧器2以及涡轮3的中心部以贯通的方式配置有旋转轴即涡轮轴4。压缩机1、燃烧器2以及涡轮3沿着涡轮轴4的轴心C从空气流动的前侧朝向后侧依次排列设置。需要说明的是，在以下的说明中，涡轮轴向是指与轴心C平行的方向，涡轮周向是指以轴心C为中心的圆周方向，涡轮径向是指与轴心C正交的方向。另外，涡轮径向内侧是在涡轮径向上朝向轴心C的一侧，涡轮径向外侧是在涡轮径向上远离轴心C的一侧。
压缩机1是将空气压缩而形成压缩空气的装置。压缩机1在圆筒形状的压缩机壳体12内设置有压缩机静叶13以及压缩机动叶14，压缩机壳体12具有获取空气的空气获取口11。压缩机静叶13安装在压缩机壳体12侧，且沿涡轮周向排列设置有多个。另外，压缩机动叶14安装在涡轮轴4侧，且沿以涡轮轴4为中心的涡轮周向排列设置有多个。这些压缩机静叶13和压缩机动叶14沿涡轮轴向交替地设置。压缩机1在出口16沿涡轮周向排列设置有多个最终级静叶13a。另外，压缩机1有时在出口16的比最终级静叶13a靠向下游的位置，沿涡轮周向排列设置有多个出口引导静叶15。
燃烧器2是对由压缩机1压缩后的压缩空气供给燃料而生成高温·高压的燃烧气体的装置。燃烧器2具有将压缩空气与燃料混合并使它们燃烧的燃烧筒21和将燃烧气体从燃烧筒21向涡轮3引导的尾筒22。燃烧筒21在形成机室R的圆筒状的燃烧器壳体23内沿以涡轮轴4为中心的涡轮周向排列设置有多个(例如16个)。
如图2所示，各燃烧筒21形成为筒型，且在其内部的中心配置有引燃烧嘴21A。另外，燃烧筒21以沿其内周面包围引燃烧嘴21A的方式配置有多个主烧嘴21B。引燃烧嘴21A由支承于燃烧筒21的引燃锥形筒21Aa和配置在引燃锥形筒21Aa的内部的引燃喷嘴21Ab构成。另外，各主烧嘴21B由主喷嘴21Ba和在主喷嘴21Ba的外周部设置的回旋叶片(Swirl vanes)21Bb构成。另外，关于燃烧筒21，未图示的引燃燃料管线与引燃喷嘴21Ab连结，未图示的主燃烧管线与各主喷嘴21Ba连结。另外，关于燃烧筒21，通过包围引燃烧嘴21A的内筒21C，在该内筒21C的内侧形成有将压缩空气向引燃烧嘴21A侧输送的流路，在内筒21C的外侧形成有将压缩空气向主烧嘴21B侧输送的流路。关于该燃烧筒21，筒型的轴沿涡轮轴向配置，供气口24形成为筒型的开口部，该供气口24朝向压缩机1的出口16侧配置。关于该燃烧筒21，当高温·高压的压缩空气的空气流从供气口24流入内部时，该压缩空气与从主烧嘴21B喷射出的燃料混合，成为预混合气的回旋流。另外，压缩空气与从引燃烧嘴21A喷射出的燃料混合，由未图示的火种点火而燃烧，形成为燃烧气体而喷出到燃烧筒21内。此时，燃烧气体的一部分以伴随着火焰向周围扩散的方式喷到燃烧筒21内，因此被从各主烧嘴21B流入到燃烧筒21内的预混合气点火而燃烧。即，通过由从引燃烧嘴21A喷射出的引燃燃料产生的扩散火焰，能够进行保焰，该保焰用于进行来自主烧嘴21B的稀薄予混合燃料的稳定燃烧。
另外，各燃烧筒21相对于压缩机1经由压缩机扩散器5连接。压缩机扩散器5是形成为将来自压缩机1的压缩空气向燃烧筒21引导的空气通路的筒体，一端51与压缩机1的出口16连接，另一端52与燃烧器2的燃烧筒21的供气口24连接，从而压缩机扩散器5将压缩机1和各个燃烧器2相连。
涡轮3是通过在燃烧器2中燃烧的燃烧气体产生旋转动力的装置。涡轮3在圆筒状的涡轮壳体31内设置有涡轮静叶32以及涡轮动叶33。涡轮静叶32安装在涡轮壳体31侧，且沿涡轮周向排列设置有多个。另外，涡轮动叶33安装在涡轮轴4侧，沿涡轮周向排列设置有多个。这些涡轮静叶32和涡轮动叶33沿着涡轮轴向交替地设置。另外，在涡轮壳体31的后侧设置有排气室34，该排气室34具有与涡轮3连续的排气扩散器34a。
关于涡轮轴4，压缩机1侧的端部通过轴承部41支承，排气室34侧的端部通过轴承部42支承，且设为以轴心C为中心旋转自如。而且，涡轮轴4在压缩机1侧的端部连结有发电机的驱动轴，其在图中未明确示出。
关于这样的燃气轮机101，从压缩机1的空气获取口11获取的空气通过多个压缩机静叶13和压缩机动叶14而被压缩，从而成为高温·高压的压缩空气。通过在燃烧器2中向该压缩空气混合燃料并使它们燃烧而生成高温·高压的燃烧气体。而且，该燃烧气体通过涡轮3的涡轮静叶32和涡轮动叶33而驱动涡轮轴4旋转，从而对与该涡轮轴4连结的发电机赋予旋转动力而进行发电。而且，驱动涡轮轴4旋转后的排气气体经过排气室34的排气扩散器34a，作为排气气体而被排到大气中。
本实施方式的燃气轮机101在压缩机扩散器5设置有抽气部55。为了从压缩机扩散器5抽出压缩空气，抽气部55形成为与压缩机扩散器5的内外连通的孔。在本实施方式中，抽气部55设置在压缩机扩散器5的一端51和另一端52中的至少一方。例如，抽气部55是在压缩机扩散器5的一端51的边缘部分、另一端52的边缘部分形成的孔。因此，通过抽气部55，将经由压缩机扩散器5从压缩机1向燃烧筒21输送的压缩空气P的一部分提取到形成机室R的圆筒形状的燃烧器壳体23内。
与该抽气部55相关联地，燃气轮机101在涡轮轴4的外周沿着涡轮周向装配有成为环状的中间轴罩6。而且，在该中间轴罩6的外周，在燃烧器壳体23内且多个燃烧筒21的外侧划分出机室R。
而且，本实施方式的燃气轮机10具有冷却装置7。冷却装置7具有：排气管71，其从机室R通到燃烧器壳体23的外部；供气管72，其从燃烧器壳体23的外部贯通燃烧器壳体23而通到中间轴罩6的内部(涡轮轴4侧)；冷却管73，其连通排气管71和供气管72；以及换热器(TCA cooler)74，其设置于冷却管73的中途。
由此，通过抽气部55提取到机室R的压缩空气P从排气管71排到燃烧器壳体23外部的冷却管73，在换热器74与制冷剂进行热交换而成为冷却空气，经由供气管72供给到中间轴罩6的内部。而且，通过该压缩空气P的冷却空气，能够冷却涡轮静叶32、涡轮动叶33、涡轮轴4等。
进一步地，本实施方式的燃气轮机101具有：升压装置8；升压装置扩散器9；以及歧管10。
升压装置8设置在中间轴罩6的内部且涡轮静叶(在本实施方式中配置在涡轮3的入口部的第一级涡轮静叶)32的涡轮径向内侧。升压装置8作为所谓的离心压缩机而构成，该离心压缩机具有：固定于涡轮轴4的护罩8a；与护罩8a在涡轮轴向上对置的轮毂8b；以及设置于护罩8a和轮毂8b之间的叶片8c，在护罩8a和轮毂8b之间设有从涡轮轴向朝向涡轮径向外侧的内部流路8d。关于该升压装置8，护罩8a、轮毂8b以及叶片8c随着涡轮轴4的旋转而旋转，由此将通过冷却装置7供给到中间轴罩6内部的压缩空气P的冷却空气从涡轮轴向吸入护罩8a和轮毂8b之间的内部流路8d并朝向涡轮径向外侧一边升压一边从内部流路8d排出。
升压装置扩散器9固定于涡轮壳体31，在升压装置8的涡轮径向外侧沿涡轮周向连续地设置。关于升压装置扩散器9，通过以在涡轮轴向上对置且以涡轮轴4为中心的方式配置将板材形成为环状而成的一对引导板9a，由此形成截面积朝向涡轮径向外侧增大的通路9b。而且，通路9b的涡轮径向内侧端与升压装置8中的内部流路8d的排出口即涡轮径向外侧端面对面设置。由此，升压装置扩散器9在升压装置8的涡轮径向外侧将由升压装置8升压后从内部流路8d排出的压缩空气P的冷却空气一边向涡轮径向外侧引导一边使其减速。需要说明的是，升压装置扩散器9可以不具有引导板9a而通过形成在涡轮壳体31的环状空间来形成通路9b。另外，升压装置扩散器9可以在通路9b内设置有固定叶片，该固定叶片用于调整压缩空气P的冷却空气的向涡轮径向外侧的流动。
如图3所示，歧管10固定于涡轮壳体31，且配置于沿涡轮周向排列设置有多个的涡轮静叶32和升压装置扩散器9之间。歧管10形成有以涡轮轴4为中心沿涡轮周向连续的环状通路10a。歧管10具有将环状通路10a的涡轮径向内侧在涡轮周向上连续开放而成的开口部10b，该开口部10b与升压装置扩散器9连结，以便与升压装置扩散器9中的通路9b的涡轮径向外侧端连通。另外，歧管10具有在涡轮径向上贯通环状通路10a的涡轮径向外侧且在涡轮周向上排列设置有多个的孔部10c，该孔部10c与各涡轮静叶32的护罩部32b连结，以便与设置在各涡轮静叶32的冷却通路32a连通。冷却通路32a在一个涡轮静叶32的内部形成多个，在涡轮径向内侧的护罩部32b汇总到一个入口部32ba，孔部10c以与该入口部32ba连通的方式形成。由此，歧管10将通过升压装置扩散器9引导到涡轮径向外侧的压缩空气P的冷却空气一边向涡轮周向引导一边向各个涡轮静叶32的冷却通路32a供给。
根据这样的燃气轮机101，利用升压装置扩散器9将由升压装置8升压后的压缩空气P的冷却空气向涡轮径向外侧引导，并且利用歧管10将通过升压装置扩散器9引导到涡轮径向外侧的压缩空气P的冷却空气向各涡轮静叶32的冷却通路32a供给。因此，能够降低由升压装置8升压后向各涡轮静叶32供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。
图4是表示本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的其他例的子午截面的一部分的概略放大图。
如图4所示，本实施方式的燃气轮机101在歧管10设置有引导叶片10d。引导叶片10d配置在与涡轮静叶32的冷却通路32a的入口部32ba对应设置的孔部10c的涡轮周向的侧部。具体地，引导叶片10d相对于图4中箭头A所示的涡轮轴4的旋转方向且压缩空气P的冷却空气回旋的方向而言配置在孔部10c的下游侧。进一步地，引导叶片10d的在环状通路10a内延伸的涡轮径向外侧端朝向涡轮周向且压缩空气P的冷却空气回旋的方向的上游侧设置，引导叶片10d从该涡轮径向外侧端朝向涡轮径向内侧(孔部10c)弯曲形成。由此，引导叶片10d在歧管10的环状通路10a内朝向涡轮静叶32的冷却通路32a引导压缩空气P的冷却空气。
根据具备该图4所示的构成的燃气轮机101，通过引导叶片10d朝向涡轮静叶32的冷却通路32a引导压缩空气P的冷却空气，由此降低从歧管10向冷却通路32a供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。其结果是，能够进一步降低由升压装置8升压后向各涡轮静叶32供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。
图5是表示本实施方式所涉及的燃气轮机的其他例的子午截面的一部分的概略放大图。
如图5所示，本实施方式的燃气轮机101在涡轮静叶32的冷却通路32a的入口部32ba形成有弯曲部。弯曲部是冷却通路32a的入口部32ba从涡轮周向朝向涡轮径向外侧弯曲形成的通路。具体地，弯曲部形成如下的通路：冷却通路32a的入口部32ba相对于图5中箭头A所示的涡轮轴4的旋转方向且压缩空气P的冷却空气回旋方向而言朝向上游侧且在歧管10的环状通路10a开口，从该开口朝向冷却通路32a地从涡轮周向向涡轮径向外侧弯曲。由此，弯曲部在冷却通路32a的入口部32ba朝向涡轮静叶32的冷却通路32a内引导压缩空气P的冷却空气。
根据具备该图5所示的结构的燃气轮机101，通过冷却通路32a的入口部32ba的弯曲部朝向涡轮静叶32的冷却通路32a内引导压缩空气P的冷却空气，由此降低从歧管10向冷却通路32a供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。其结果是，能够进一步降低由升压装置8升压后向各涡轮静叶32供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。
需要说明的是，如图5所示，歧管10优选形成为，其孔部10c以沿着冷却通路32a的入口部32ba的弯曲部的开口方向的方式相对于图5中箭头A所示的涡轮轴4的旋转方向且压缩空气P的冷却空气回旋的方向而言朝向上游侧且在环状通路10a开口。通过如上形成歧管10的孔部10c，能够进一步降低从歧管10向冷却通路32a供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。
另外，可以同时使用图5所示的冷却通路32a的入口部32ba的弯曲部与图4所示的引导叶片10d。
图6是本发明的实施方式所涉及的燃气轮机的其他例的燃烧器周边的放大剖视图。在图6所示的燃气轮机101中，与图1以及图2所示的燃气轮机101相同的部分标注相同的附图标记，省略说明。
图6所示的燃气轮机101相对于图1以及图2所示的燃气轮机101而言压缩机扩散器50不同，且燃烧器2的结构也不同。
图6所示的燃气轮机101的压缩机扩散器50向机室R开放而形成，以便向机室R内排出压缩空气P。
另外，燃烧器2设置有覆盖燃烧筒21的外侧的外筒21D。外筒21D固定于燃烧器壳体23，在燃烧筒21的外侧以一端侧向机室R开放、另一端侧通到燃烧筒21的内部的方式形成。而且，由压缩机1压缩后的压缩空气P经由压缩机扩散器50向机室R排出，排出到该机室R的压缩空气P从外筒21D的一端侧穿过外筒21D和燃烧筒21之间供给到燃烧筒21内。在燃烧器2中，利用供给到燃烧筒21的压缩空气P如上所述地生成燃烧气体。
如上，在图6所示的构成的燃气轮机101中也具备上述的升压装置8、升压装置扩散器9以及歧管10，由此能够降低由升压装置8升压后向各涡轮静叶32供给的压缩空气P的冷却空气的压力损失。
需要说明的是，在上述的实施方式中，以与第一级涡轮静叶对应地设置升压装置8、升压装置扩散器9和歧管10的构成进行了说明，但也可以与其他的涡轮静叶对应地设置升压装置8、升压装置扩散器9以及歧管10。
附图标记说明
1 压缩机；
11 空气获取口；
12 压缩机壳体；
13 压缩机静叶；
13a 最终级静叶；
14 压缩机动叶；
15 出口引导静叶；
16 出口；
2 燃烧器；
21 燃烧筒；
21A 引燃烧嘴；
21Aa 引燃锥形筒；
21Ab 引燃喷嘴；
21B 主烧嘴；
21Ba 主喷嘴；
21Bb 回旋叶片；
21C 内筒；
21D 外筒；
22 尾筒；
23 燃烧器壳体；
24 供气口；
3 涡轮；
31 涡轮壳体；
32 涡轮静叶；
32a 冷却通路；
32b 护罩部；
32ba 入口部；
33 涡轮动叶；
34 排气室；
34a 排气扩散器；
4 涡轮轴(旋转轴)；
41 轴承部；
42 轴承部；
5 压缩机扩散器；
50 压缩机扩散器；
51 一端；
52 另一端；
55 抽气部；
6 中间轴罩；
7 冷却装置；
71 排气管；
72 供气管；
73 冷却管；
74 换热器；
8 升压装置；
8a 护罩；
8b 轮毂；
8c 叶片；
8d 内部流路；
9 升压装置扩散器；
9a 引导板；
9b 通路；
10 歧管；
10a 环状通路；
10b 开口部；
10c 孔部；
10d 引导叶片；
101 燃气轮机；
A 箭头；
C 轴心；
P 压缩空气；
R 机室。

Claims (3)

1.一种燃气轮机，其具备：
压缩机，其以旋转轴为中心进行旋转而生成压缩空气；
燃烧器，其利用由所述压缩机生成的压缩空气生成燃烧气体；
涡轮，其通过由所述燃烧器生成的燃烧气体驱动所述旋转轴旋转；
冷却装置，其从所述压缩机抽取压缩空气并生成冷却了的冷却空气，将该冷却空气沿所述旋转轴向所述涡轮供给；
升压装置，其配置在所述冷却装置和所述涡轮之间，伴随着所述旋转轴的旋转将所述冷却空气朝向涡轮径向外侧升压；
升压装置扩散器，其在所述升压装置的涡轮径向外侧沿涡轮周向连续设置，形成将由所述升压装置升压后的冷却空气向所述升压装置的涡轮径向外侧引导的通路；以及
歧管，其配置于沿涡轮周向排列设置有多个的涡轮静叶和所述升压装置扩散器之间，且形成有沿涡轮周向连续的环状通路，并且将该环状通路与所述升压装置扩散器的通路以及设置在各所述涡轮静叶内的冷却通路连通，
所述歧管的所述环状通路的涡轮径向内侧与所述升压装置扩散器的涡轮径向外侧端在涡轮周向上连续地连通，所述歧管在所述环状通路的涡轮径向外侧具有在涡轮径向上贯通且在涡轮周向上排列设置有多个的孔部，该孔部与设置于所述涡轮静叶的冷却通路连通，在所述环状通路连通的所述冷却通路的入口部，具有从涡轮径向外侧朝向涡轮径向内侧以在所述冷却空气回旋的方向的下游侧呈凸状的方式弯曲的弯曲部。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其中，
所述燃气轮机还具备引导叶片，该引导叶片在所述歧管的所述环状通路内，朝向所述涡轮静叶的所述冷却通路引导所述冷却空气，
所述引导叶片在所述歧管的所述环状通路的涡轮径向外侧相对于所述旋转轴的旋转方向即所述冷却空气回旋的方向而言配置在所述孔部的下游侧。
3.根据权利要求2所述的燃气轮机，其中，
所述引导叶片的涡轮径向外侧端朝向所述冷却空气回旋的方向的上游侧设置，所述引导叶片从所述涡轮径向外侧端朝向涡轮径向内侧以在所述冷却空气回旋的方向的下游侧呈凸状的方式弯曲形成。
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