JP2005290985A - 軸流タービンの排気ディフューザー - Google Patents

Abstract

【課題】 軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、ストラットの構造及び形状に改良を加え、排気性能の向上を図る。
【解決手段】 軸流タービン１はハブ側チューブ１７とチップ側チューブ１８により構成される排気ディフューザー１６を有する。排気ディフューザー１６の中には、作動流体の流れを横切るように上流ストラット２０と下流ストラット２１とが配置されている。上流ストラット２０の背後に発生する後流は下流ストラット２１を外れて下流ストラット２１同士の間を通過する。
【選択図】 図２

Description

本発明は軸流タービンの排気ディフューザーに関する。

軸流タービンにおいて、最終段の動翼にエネルギーを伝達した作動流体は排気ディフューザーを通って排気される。図１２は動翼と排気ディフューザーの位置関係を示す軸流タービン１の概略部分断面図である。軸流タービン１はガスタービンであり、外側にタービンケーシング１０を備え、その中に静翼１１と動翼１２の組み合わせを複数段配置している。動翼１２を取り付けたロータ１３の後端を軸受ハウジング１４に納められた軸受（ジャーナル軸受）１５が支持する。軸受ハウジング１４は作動流体の流れを横切るように放射状に配置された複数のストラット２０によりタービンケーシング１０の中心と同心に支持される。なお本明細書において「ストラット」とは、支持の役割を果たす強度部材に加え、流体に対する抵抗を低減するためその外側に設けられるフェアリングも含んだ構造体を指すものとする。

図１２中の矢印Ｆは作動流体の流れを示す。最終段の動翼１２を出た作動流体は排気ディフューザー１６を通じて排出される。排気ディフューザー１６はハブ側チューブ１７とチップ側チューブ１８を同心に配置したものであり、両チューブの間に環状の流路を形成している。ハブ側チューブ１７は円筒形状であるがチップ側チューブ１８は下流ほど直径が大きくなる円錐台形状を呈しており、このため排気ディフューザー１６は、上流から下流に向かって流路の断面積が次第に大きくなる、いわゆるコニカルディフューザーとなっている。ハブ側チューブ１７とチップ側チューブ１８の間隔を保って環状流路の形状を維持すること、及びこれをタービンケーシング１０の中で支持することもストラット２０の役割である。

上記のようなストラット構造、あるいはそれをカバーするフェアリング構造の例は特許文献１や特許文献２に見ることができる。
特開２００２−５０９６号公報（第４頁段落〔００２２〕、図１） 特公平６−３１４５号公報（第４頁、第３−６図）

図１２に示すようなガスタービン１においては、長大な排気ディフューザー１６が必要となる。そのような長大な排気ディフューザー１６を形成するため、上流側と下流側とにストラットが配置される。図１２に示すストラット２０は上流側に位置するものであり、以下「上流ストラット」の呼称を用いる。下流ストラットは図１２の図示範囲を外れたところにある。

排気ディフューザー１６を形成する上でストラット構造は不可欠なものであるが、その存在はまた排気流に対しロスをもたらす。この間の事情を図１３以下の図を参照しつつ説明する。

図１３〜図１５はいずれも排気ディフューザー１６の模型的断面図で、図１３は上流ストラット２０の方から下流ストラット２１を見通した状況を示すもの、図１４は上流ストラット２０の箇所の断面を示すもの、図１５は下流ストラット２１の箇所の断面を示すものである。図中二重線が上流ストラット２０を表し、太い実線が下流ストラット２１を表す。上流ストラット２０はいわゆるタンジェンシャルストラットで、個数は６個である。下流ストラット２１はいわゆるラジアルストラットで、個数は３個である。

排気ディフューザー１６の中を排気流が流れると、上流ストラット２０の背後に後流（wake）が発生する。上流ストラット２０の後流が下流ストラット２１と関わることにより、様々な現象が生じる。

図１６〜図１９は図１５と同様下流ストラット２１の箇所で断面した排気ディフューザー１６の模型的断面図である。図１６〜図１９の各図は、上流ストラット２０に対する下流ストラット２１の位相（軸流方向に見た角度のずれ）を変えたときに生じる排気流の剥離状況をシミュレーションし、可視化したものである。

図１６は下流ストラット２１を上流ストラット２０に対し位相０゜で配置したときのシミュレーション結果を示す。下流ストラット２１の側面で剥離が生じ、排気性能が悪化する。

図１７は下流ストラット２１を上流ストラット２０に対しマイナス７．５゜の位相で配置したときのシミュレーション結果を示す。チップ側チューブ１８の内面で剥離が生じ、排気性能が悪化する。悪化の度合いは位相０゜の場合よりはるかに大きい
図１８は下流ストラット２１を上流ストラット２０に対し位相２２５゜で配置したときのシミュレーション結果を示す。ハブ側チューブ１７の外面で剥離が生じ、排気性能が悪化する。悪化の度合いは位相０゜のときと同じくらいである。

なお可視化して図示することはしないが、位相３５０゜付近に排気性能が極端に悪化する位置がある。

図１９は下流ストラット２１を上流ストラット２０に対し位相１３５゜で配置したときのシミュレーション結果を示す。剥離は殆ど生じておらず、排気性能の悪化の度合いは小さい。

本発明は、上記のような知見をベースに、ストラットの構造及び形状に改良を加え、排気ディフューザーの排気性能の向上を図ることを目的とする。

本発明では、軸流タービンの排気ディフューザーを次のように構成した。

（１）作動流体の排気流中に上流ストラット及び下流ストラットを配置した軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、前記上流ストラット及び下流ストラットを、上流ストラットの背後に発生する後流が下流ストラットを外れて下流ストラット同士の間を通過するように配置した。

（２）作動流体の排気流中に上流ストラット及び下流ストラットを配置した軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、前記上流ストラット及び下流ストラットを、上流ストラットの背後に発生する後流が下流ストラットに正面から当たるように配置した。

（３）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラットの数を下流ストラットの数の整数倍とした。

（４）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方のハブ側を上流側に前進させた。

（５）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方のチップ側を上流側に前進させた。

（６）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の中央部をハブ側及びチップ側よりも下流側に後退させた。

（７）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が長く、中央部においてコード長が短くなるように形成した。

（８）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が短く、中央部においてコード長が長くなるように形成した。

（９）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方につき、排気ディフューザーのラジアル方向に関し断面形状に変化を持たせた。

（１０）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の正面形状をバウ形状とした。

（１）作動流体の排気流中に上流ストラット及び下流ストラットを配置した軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、前記上流ストラット及び下流ストラットを、上流ストラットの背後に発生する後流が下流ストラットを外れて下流ストラット同士の間を通過するように配置したから、後流が下流ストラットの側面に剥離を生じさせることが殆どなく、排気性能の悪化の度合いをきわめて小さくすることができる。

（２）作動流体の排気流中に上流ストラット及び下流ストラットを配置した軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、前記上流ストラット及び下流ストラットを、上流ストラットの背後に発生する後流が下流ストラットに正面から当たるように配置したから、後流が下流ストラットの側面に剥離を生じさせるという現象自体は避けられないものの、排気性能の悪化の度合いが比較的小さい状態で軸流タービンを運転できる。

（３）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラットの数を下流ストラットの数の整数倍としたから、後流が下流ストラット同士の間を通過する、あるいは後流が下流ストラットに正面から当たるという関係を、いずれの下流ストラットについても設定しやすくなる。

（４）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方のハブ側を上流側に前進させたから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側での剥離を抑制できる。

（５）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方のチップ側を上流側に前進させたから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、チップ側での剥離を抑制できる。

（６）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の中央部をハブ側及びチップ側よりも下流側に後退させたから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

（７）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が長く、中央部においてコード長が短くなるように形成したから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

（８）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が短く、中央部においてコード長が長くなるように形成したから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

（９）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方につき、排気ディフューザーのラジアル方向に関し断面形状に変化を持たせたから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

（１０）上記のような排気ディフューザーにおいて、上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の正面形状をバウ形状としたから、排気ディフューザーのラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

以下、図１〜１１に基づき本発明の各実施形態を説明する。

図１は本発明の第１実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図、図２はストラットの配置を図１とは異なった方向から見た模型的断面図である。図１に示す排気ディフューザー１６は図１２の排気ディフューザーと同様のコニカルディフューザーである。すなわち円筒形状のハブ側チューブ１７と円錐台形状のチップ側チューブ１８とを同心に配置し、両チューブの間に環状の流路を形成している。流路の中には上流ストラット２０と下流ストラット２１が排気ディフューザー１６の軸線方向に間隔を置いて配置される。

上流ストラット２０と下流ストラット２１の間隔は、上流ストラット２０の後端と下流ストラット２１の前端との間隔をＬ′、上流ストラット２０の平均高さをΔＲとしたとき、次式の関係を満たすものとする。

Ｌ′ ＜ ４ΔＲ
上流ストラット２０及び下流ストラット２１は、図２に見られるように、上流ストラット２０の背後に発生する後流（wake）３０が下流ストラット２１を外れて下流ストラット２１同士の間を通過するように配置される。図２の配置関係と図１９の位相状態、すなわち上流ストラットと下流ストラットの位相を１３５゜とした位相状態とは対応関係にある。

上記配置によれば、後流３０は下流ストラット２１同士の間を下流ストラット２１に干渉することなく通過し、下流ストラット２１の側面に剥離３１を生じさせることが少ない。従って、排気性能の悪化の度合いが小さい。

第１実施形態の構成は排気ディフューザー１６の構造が次の条件を満たすときに特に有効である。すなわち上流ストラット２０の出口（後端）における環状流路の面積をＡ１、下流ストラット２１の出口（後端）における環状流路の面積をＡ２とした場合、
Ａ２／Ａ１ ＞ １．５
であるか、あるいはチップ側チューブ１８の開き角度θ（図１参照）が６゜以上であると、下流ストラット２１の側面に剥離３１が生じやすくなる。後流３０が下流ストラット２１に干渉することなく下流ストラット２１同士の間を通過するようにすることにより、上記のような剥離の生じやすい条件にもかかわらず、剥離３１を軽度のものとすることができる。

上流ストラット２０の数は下流ストラット２１の数の整数倍とする。このようにすることにより、後流３０が下流ストラット２１同士の間を通過するという関係を、いずれの下流ストラット２１についても設定しやすくなる。

図３は本発明の第２実施形態を示す図２と同様の模型的断面図である。ここでは上流ストラット２０及び下流ストラット２１を、上流ストラット２０の背後に発生する後流３０が下流ストラット２１に正面から当たるように配置する。図３の配置関係と図１６の位相状態、すなわち上流ストラットと下流ストラットの位相を０゜とした位相状態とは対応関係にある。

上記配置は、後流３０が下流ストラット２１の側面に剥離を生じさせると言う現象自体は避けられないものの、位相全般の中では排気性能の低下の度合いは比較的小さい。

第２実施形態の構成は排気ディフューザー１６の構造が次の条件を満たすときに特に有効である。すなわち上流ストラット２０の出口（後端）における環状流路の面積をＡ１、下流ストラット２１の出口（後端）における環状流路の面積をＡ２とした場合、
Ａ２／Ａ１ ＜ １．５
であると、下流ストラット２１を通過する排気流の流速が大きくなり、下流ストラット２１の側面に剥離が生じやすくなる。後流３０が下流ストラット２１に正面から当たるようにすることにより、上記のような剥離の生じやすい条件にもかかわらず、剥離を軽度のものとすることができる。

上流ストラット２０の数は下流ストラット２１の数の整数倍とする。このようにすることにより、後流３０が下流ストラット２１に正面から当たるという関係を、いずれの下流ストラット２１についても設定しやすくなる。

図４は本発明の第３実施形態を示す排気ディフューザーの模型的断面図である。ここでは上流ストラット２０のハブ側をチップ側に比べ上流側に前進させている。下流ストラット２１についてもそのハブ側をチップ側に比べ上流側に前進させている。

上記構造により、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側での剥離を抑制できる。

図４では上流ストラット２０と下流２１の両方ともハブ側をチップ側に比べ上流側に前進させているが、上流ストラット２０と下流ストラット２１の一方のみにこのような構造を採用することとしても一定の効果は得られるものである。

図５は本発明の第４実施形態を示す排気ディフューザーの模型的断面図である。ここでは上流ストラット２０のチップ側をハブ側に比べ上流側に前進させている。下流ストラット２１についてもそのチップ側をハブ側に比べ上流側に前進させている。

上記構造により、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、チップ側での剥離を抑制できる。

図５では上流ストラット２０と下流２１の両方ともチップ側をハブ側に比べ上流側に前進させているが、上流ストラット２０と下流ストラット２１の一方のみにこのような構造を採用することとしても一定の効果は得られるものである。

図６は本発明の第５実施形態を示す排気ディフューザーの模型的断面図である。ここでは上流ストラット２０の中央部をハブ側及びチップ側よりも後退させており、上流ストラット２０の側面形状は湾曲形状（いわゆるスキュー形状）になっている。下流ストラット２１の中央部もハブ側及びチップ側よりも後退し、下流ストラット２１の側面形状は湾曲形状（いわゆるスキュー形状）になっている。

上記構造により、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

図６では上流ストラット２０と下流２１の両方とも中央部をハブ側及びチップ側より後退させているが、上流ストラット２０と下流ストラット２１の一方のみにこのような構造を採用することとしても一定の効果は得られるものである。

図７は本発明の第６実施形態を示す排気ディフューザーの模型的断面図である。ここでは上流ストラット２０の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード（cord：弦）長が長く、中央部においてコード長が短くなるように形成した。なおコード長は上流ストラット２０の側面投影における水平方向の長さに相当する。下流ストラット２１についてもその側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が長く、中央部においてコード長が短くなるように形成した。コード長の長短差は平均コード長の１割以上とする。

上記構造により、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

図７では上流ストラット２０と下流２１の両方ともハブ側及びチップ側においてコード長が長く、中央部においてコード長が短くなるように形成しているが、上流ストラット２０と下流ストラット２１の一方のみにこのような構造を採用することとしても一定の効果は得られるものである。

図８は本発明の第７実施形態を示す排気ディフューザーの模型的断面図である。ここでは上流ストラット２０の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が短く、中央部においてコード長が長くなるように形成した。下流ストラット２１についてもその側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が短く、中央部においてコード長が長くなるように形成した。コード長の長短差は平均コード長の１割以上とする。

上記構造により、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。

図８では上流ストラット２０と下流２１の両方ともハブ側及びチップ側においてコード長が短く、中央部においてコード長が長くなるように形成しているが、上流ストラット２０と下流ストラット２１の一方のみにこのような構造を採用することとしても一定の効果は得られるものである。

図９は本発明の第８実施形態を示すストラットの正面図である。第８実施形態では排気ディフューザー１６のラジアル方向に関しストラットの断面形状に変化を持たせる。図９においてはストラットが中央部分において厚味を有し、ハブ側及びチップ側はそれよりも薄くなっている。これにより、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。この構造は上流ストラット２０と下流ストラット２１の双方に適用してもよく、その一方だけに適用することとしてもよい。

図１０は本発明の第９実施形態を示すストラットの正面図である。第９実施形態ではストラットの正面形状をバウ（bow）形状、すなわち湾曲形状にする。これにより、排気ディフューザー１６のラジアル方向における排気流の流量配分をコントロールし、ハブ側及びチップ側での剥離を抑制できる。この構造は上流ストラット２０と下流ストラット２１の双方に適用してもよく、その一方だけに適用することとしてもよい。

実施形態相互の関係について言えば、第３〜第７実施形態はそれぞれ第１実施形態と第２実施形態のどちらかと組み合わせて実施することが可能である。第８実施形態と第９実施形態は、それぞれ、第１〜第７実施形態と組み合わせて実施可能である。第３〜第７実施形態を第１実施形態又は第２実施形態と組み合わせたものにさらに第８実施形態又は第９実施形態を組み合わせて実施することも可能である。第８実施形態と第９実施形態を組み合わせて実施することもできる。第８実施形態と第９実施形態の組み合わせを、他の実施形態、又は他の実施形態同士の組み合わせに組み合わせることも可能である。

上流ストラット２０及び下流ストラット２１の断面形状は、図２又は図３に示すような長円（偏平）形状であってもよく、図１１に示すような翼形状であってもよい。

以上本発明の各実施形態につき説明したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。

本発明は、フロー中に上流ストラット及び下流ストラットを配置する流体機械に広く利用可能である。

第１実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図 第１実施形態の排気ディフューザーのストラットの配置を示す模型的断面図 第２実施形態に係る排気ディフューザーのストラットの配置を示す模型的断面図 第３実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図 第４実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図 第５実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図 第６実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図 第７実施形態に係る排気ディフューザーの模型的部分断面図 第８実施形態に係るストラットの正面図 第９実施形態に係るストラットの正面図 ストラットの変形構造を示す断面図 軸流タービンの概略部分断面図 排気ディフューザーの模型的断面図 排気ディフューザーの模型的断面図にして、上流ストラットの箇所で断面したもの 排気ディフューザーの模型的断面図にして、下流ストラットの箇所で断面したもの 排気流のシミュレーション結果を示す排気ディフューザーの模型的断面図にして、下流ストラットの箇所で断面したもの 図１６と同様の模型的断面図にして、下流ストラットの位相を変えたもの 図１６と同様の模型的断面図にして、下流ストラットの位相を図１７からさらに変えたもの 図１６と同様の模型的断面図にして、下流ストラットの位相を図１８からさらに変えたもの

符号の説明

１ 軸流タービン
１０ タービンケーシング
１１ 静翼
１２ 動翼
１３ ロータ
１４ 軸受ハウジング
１５ 軸受
１６ 排気ディフューザー
１７ ハブ側チューブ
１８ チップ側チューブ
２０ 上流ストラット
２１ 下流ストラット
３０ 後流
３１ 剥離

Claims (10)

1. 作動流体の排気流中に上流ストラット及び下流ストラットを配置した軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、
   前記上流ストラット及び下流ストラットを、上流ストラットの背後に発生する後流が下流ストラットを外れて下流ストラット同士の間を通過するように配置したことを特徴とする軸流タービンの排気ディフューザー。
2. 作動流体の排気流中に上流ストラット及び下流ストラットを配置した軸流タービンの排気ディフューザーにおいて、
   前記上流ストラット及び下流ストラットを、上流ストラットの背後に発生する後流が下流ストラットに正面から当たるように配置したことを特徴とする軸流タービンの排気ディフューザー。
3. 上流ストラットの数を下流ストラットの数の整数倍としたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
4. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方のハブ側を上流側に前進させたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
5. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方のチップ側を上流側に前進させたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
6. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の中央部をハブ側及びチップ側よりも下流側に後退させたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
7. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が長く、中央部においてコード長が短くなるように形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
8. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の側面形状を、ハブ側及びチップ側においてコード長が短く、中央部においてコード長が長くなるように形成したことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
9. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方につき、排気ディフューザーのラジアル方向に関し断面形状に変化を持たせたことを特徴とする請求項１〜請求項８のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。
10. 上流ストラット及び下流ストラットの一方又は双方の正面形状をバウ形状としたことを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の軸流タービンの排気ディフューザー。

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