JP2011089508A - タービン排気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】タービン翼列の最終段における燃焼ガスの二次流れの発生を抑制してタービン効率を向上できるタービン排気構造を提供すること。
【解決手段】このタービン排気構造は、動翼４２および静翼４１を交互かつ複数段に配列して成るタービン翼列と、このタービン翼列４１、４２の最終段の下流側に連結される排気ディフューザ４３とを備えている。このタービン排気構造では、タービン翼列４１、４２の最終段（動翼４２）から排気ディフューザ４３の入口部までの間に配置されると共に燃焼ガス通路Ｒの壁面から燃焼ガス通路Ｒ内に突出する突出部４８、４９を備えている。
【選択図】図１

Description

この発明は、タービン排気構造に関し、さらに詳しくは、タービン翼列の最終段における燃焼ガスの二次流れの発生を抑制してタービン効率を向上できるタービン排気構造に関する。

タービン排気構造は、動翼および静翼を交互かつ複数段に配列して成るタービン翼列と、このタービン翼列の最終段の下流側に連結される排気ディフューザとを備えている。

ここで、従来のタービンでは、排気ディフューザの入口部（タービン翼列の最終段の下流側）にて、燃焼ガス通路の壁面付近における燃焼ガスの圧力が極端に小さくなり、また、中央部における燃焼ガスの圧力が大きくなるという現象が生じる。すると、かかる全圧分布の偏りにより、タービン翼列の最終段にて大きな燃焼ガスの二次流れが発生して、タービン効率が低下するおそれがある（二次損失によるタービン効率の低下）。かかる課題に関する従来のタービン構造として、特許文献１に記載される技術が知られている。

特開昭５９−９０６３０号公報

この発明は、タービン翼列の最終段における燃焼ガスの二次流れの発生を抑制してタービン効率を向上できるタービン排気構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、この発明にかかるタービン排気構造は、動翼および静翼を交互かつ複数段に配列して成るタービン翼列と、前記タービン翼列の最終段の下流側に連結される排気ディフューザとを備えるタービン排気構造であって、前記タービン翼列の最終段から前記排気ディフューザの入口部までの間に配置されると共に燃焼ガス通路の壁面から燃焼ガス通路内に突出する突出部を備えることを特徴とする。

このタービン排気構造は、タービン翼列の最終段から排気ディフューザの入口部までの間に配置されると共に燃焼ガス通路の壁面から燃焼ガス通路内に突出する突出部を備える。かかる構成では、燃焼ガス通路の流路断面積が突出部の設置位置にて絞られる。すると、突出部が配置された燃焼ガス通路の壁面近傍にて、燃焼ガスの圧力が上昇する。すると、燃焼ガスの全圧分布が適正化されるので、タービン翼列の最終段における二次流れの発生が抑制される。これにより、タービン効率が適正に確保される利点がある。

また、この発明にかかるタービン排気構造は、前記突出部が燃焼ガス通路を構成する径方向内側壁面および径方向外側壁面の双方にそれぞれ配置される。

このタービン排気構造では、突出部の作用により、燃焼ガス通路の両壁面付近における燃焼ガスの圧力がそれぞれ大きくなる。これにより、燃焼ガスの全圧分布がより適正化されて、タービン翼列の最終段における二次流れの発生がより効果的に抑制される利点がある。

また、この発明にかかるタービン排気構造は、前記突出部が前記タービン翼列の最終段よりも下流側であって燃焼ガス通路の拡径開始位置付近に配置される。

このタービン排気構造では、突出部がより下流側に配置される構成と比較して、燃焼ガスの全圧分布を効率的に調整できる。これにより、タービン翼列の最終段における二次流れの発生を効果的に抑制できる利点がある。

この発明にかかるタービン排気構造は、タービン翼列の最終段から排気ディフューザの入口部までの間に配置されると共に燃焼ガス通路の壁面から燃焼ガス通路内に突出する突出部を備える。かかる構成では、燃焼ガス通路の流路断面積が突出部の設置位置にて絞られる。すると、突出部が配置された燃焼ガス通路の壁面近傍にて、燃焼ガスの圧力が上昇する。すると、燃焼ガスの全圧分布が適正化されるので、タービン翼列の最終段における二次流れの発生が抑制される。これにより、タービン効率が適正に確保される利点がある。

図１は、この発明の実施の形態にかかるタービン排気構造を示す構成図である。 図２は、図１に記載したタービン排気構造の突出部を示すＡ−Ａ視断面図である。 図３は、図１に記載したタービン排気構造の作用を示す説明図である。 図４は、図１に記載したタービン排気構造の変形例を示す構成図である。 図５は、図４に記載したタービン排気構造の突出部を示すＢ−Ｂ視断面図である。 図６は、図１に記載したタービン排気構造の変形例を示す構成図である。 図７は、図６に記載したタービン排気構造の突出部を示すＣ−Ｃ視断面図である。 図８は、一般的なガスタービンを示す構成図である。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、この実施の形態の構成要素には、発明の同一性を維持しつつ置換可能かつ置換自明なものが含まれる。また、この実施の形態に記載された複数の変形例は、当業者自明の範囲内にて任意に組み合わせが可能である。

［ガスタービン］
ガスタービン１は、圧縮機２と、燃焼器３と、タービン４とを有する（図８参照）。このガスタービン１では、まず、圧縮機２が空気取込口から取り込まれた空気を圧縮して圧縮空気を生成する。次に、燃焼器３がこの圧縮空気に燃料を噴射して高温・高圧の燃焼ガスを発生させる。次に、タービン４がこの燃焼ガスの熱エネルギーをロータ５の回転エネルギーに変換して駆動力を発生させる。そして、この駆動力がロータ５に連結された発電機（図示省略）などに伝達される。

［タービン排気構造］
タービン４は、複数段の静翼４１および複数段の動翼４２と、排気ディフューザ４３とを有する（図１参照）。

静翼４１および動翼４２は、燃焼ガスの流体エネルギーを回転運動に変換する部材であり、複数の翼体を環状に配列して成る。静翼４１と動翼４２とは、ロータ５の軸方向に交互かつ複数段に配置されて、タービン翼列を構成する。このタービン翼列４１、４２は、燃焼ガス通路Ｒ上に配置される。なお、この実施の形態では、タービン翼列４１、４２の最終段が動翼４２となっている。

排気ディフューザ４３は、静翼４１および動翼４２を通過した後の燃焼ガスを減速させる部材であり、タービン翼列の最終段（動翼４２）の下流側に配置される。この排気ディフューザ４３は、略円筒形状を有する外側ディフューザ４３１および内側ディフューザ４３２から成り、これらの外側ディフューザ４３１および内側ディフューザ４３２がストラットシールド（図示省略）により連結されて構成される。

また、タービン翼列４１、４２の最終段には、最終段翼環４４と、第一遮熱環４５および第二遮熱環４６と、分割環４７とが配置される（図１参照）。最終段翼環４４は、円筒形状を有するケーシングであり、タービン翼列４１、４２の最終段にある動翼４２を収容する。第一遮熱環４５および第二遮熱環４６は、動翼４２から最終段翼環４４への熱伝達を遮蔽するための環状部材であり、最終段翼環４４の軸方向に所定間隔を隔てつつ最終段翼環４４に支持されて配置される。分割環４７は、動翼４２とのクリアランスを保持するための環状部材であり、第一遮熱環４５および第二遮熱環４６に支持されて動翼４２の外周に配置される。

また、最終段翼環４４が、燃焼ガスの下流側に延出する延出部４４１を有する。そして、この延出部４４１に排気ディフューザ４３の外側ディフューザ４３１が連結される。このとき、外側ディフューザ４３１は、その前端部の内周面が延出部４４１の内周面に対して略面一となるように、延出部４４１に連結される。一方、内側ディフューザ４３２は、タービン翼列の最終段にある動翼４２のプラットフォーム４２１に対して所定のクリアランスを保持しつつ略面一となるように、配置される。これにより、タービン翼列４１、４２の最終段にて、燃焼ガス通路Ｒの外周側壁面および内周側壁面が滑らか（略面一）に形成される。

このタービン４では、燃焼ガスが複数段の静翼４１および動翼４２を通過すると、動翼４２が回転駆動されてロータ５が回転する。これにより、ガスタービン１が稼動して駆動力を発生する。また、静翼４１および動翼４２を通過した燃焼ガスが、排気ディフューザ４３にて熱エネルギーを圧力に変換し、減速してから大気に放出される。

なお、この実施の形態では、最終段翼環４４がＮｉ基合金製であり、また、最終段翼環４４と延出部４４１とが鋳造により一体形成されている（図１参照）。また、排気ディフューザ４３（外側ディフューザ４３１および内側ディフューザ４３２）がステンレス鋼をプレス加工して形成されている。また、外側ディフューザ４３１の前端部に取付ブラケット４３３が溶接されて固定され、この取付ブラケット４３３にシール部材４３４が装着されている。そして、最終段翼環４４の延出部４４１の後端部と外側ディフューザ４３１の前端部とが所定の隙間を軸方向に空けて突き合わされ、延出部４４１の内周面と外側ディフューザ４３１の内周面とが略面一となるように、延出部４４１と外側ディフューザ４３１とが連結されている。このとき、シール部材４３４が、その先端部を延出部４４１の外周面に押圧することにより、延出部４４１と外側ディフューザ４３１との隙間を封止している。なお、この隙間は、延出部４４１と外側ディフューザ４３１との材質の相異による熱伸び差を吸収するために設けられている。

［排気ディフューザ入口部の突出部］
ここで、従来のタービンでは、その稼働時にて、排気ディフューザの入口部（タービン翼列の最終段の下流側）における燃焼ガスの圧力分布が以下のようになる（図３の従来例参照）。すなわち、燃焼ガス通路Ｒの壁面付近（Ｒｉ、Ｒｏ）では、燃焼ガスの圧力が極端に小さくなり、中央部では、燃焼ガスの圧力が大きくなる。すると、かかる全圧分布の偏りにより、タービン翼列の最終段にて大きな燃焼ガスの二次流れが発生して、タービン効率が低下するおそれがある（二次損失によるタービン効率の低下）。

そこで、このタービン４は、排気ディフューザ４３の入口部に突出部４８、４９を有する（図１および図２参照）。この突出部４８、４９は、タービン翼列４１、４２の最終段（動翼４２）から排気ディフューザ４３の入口部までの間に配置され、また、燃焼ガス通路Ｒの壁面から燃焼ガス通路Ｒ内に突出する。これら突出部４８、４９により、燃焼ガス通路Ｒの流路断面積がタービン翼列の最終段（動翼４２）から排気ディフューザ４３の入口部に至る途中で絞られる。

かかる構成では、燃焼ガス通路Ｒの流路断面積が突出部４８、４９の設置位置にて絞られる。すると、突出部４８、４９のある燃焼ガス通路Ｒの壁面近傍にて、燃焼ガスの圧力が上昇する（図３参照）。すると、燃焼ガスの全圧分布が適正化されるので、タービン翼列４１、４２の最終段における二次流れの発生が抑制される。これにより、タービン効率が適正に確保される。

例えば、この実施の形態では、外側突出部４８と内側突出部４９とがタービン翼列４１、４２の最終段の下流側であって排気ディフューザ４３の入口部付近に形成されている（図１および図２参照）。このとき、外側突出部４８が最終段翼環４４の延出部４４１に形成され、内側突出部４９が排気ディフューザ４３の内側ディフューザ４３２側に形成されている。具体的には、最終段翼環４４の延出部４４１が燃焼ガスの下流側に向かって緩やかに拡径されており、この延出部４４１の後端部に外側ディフューザ４３１が配置されている。そして、外側突出部４８がこの延出部４４１の後端部の内周面から燃焼ガス通路Ｒ内に突出するように形成されている。また、この外側突出部４８が、延出部４４１の拡径開始位置（図１中のＡ−Ａ視の位置）から後端部（延出部４４１と外側ディフューザ４３１との連結位置）に渡って配置されている。また、内側突出部４９が外側突出部４８に対してタービン４の径方向に対向する位置に配置されている。これにより、燃焼ガス通路Ｒの流路断面積が外側突出部４８と内側突出部４９とによって絞られている。そして、この絞り構造により、燃焼ガスの全圧分布が適正化されて、タービン翼列４１、４２の最終段における二次流れの発生が抑制されている。

なお、突出部４８、４９の絞り形状、大きさ、設置位置および設置範囲は、燃焼ガスが燃焼ガス通路Ｒの壁面に対して大規模な剥離を生じない程度に、適宜設計され得る。また、突出部４８、４９の絞り形状、大きさ、設置位置および設置範囲は、ガスタービン１の運転条件下にてタービン効率が好適となるように、適宜設計され得る。

また、この実施の形態では、ガスタービン１を一例として説明した。しかし、これに限らず、このタービン４の排気構造は、例えば、蒸気タービン、その他の軸流圧縮機に適用されても良い。

［効果］
以上説明したように、このタービン排気構造は、タービン翼列４１、４２の最終段から排気ディフューザ４３の入口部までの間に配置されると共に燃焼ガス通路Ｒの壁面から燃焼ガス通路Ｒ内に突出する突出部４８、４９を備える（図１および図２参照）。かかる構成では、燃焼ガス通路Ｒの流路断面積が突出部４８、４９の設置位置にて絞られる。すると、突出部４８、４９が配置された燃焼ガス通路Ｒの壁面近傍にて、燃焼ガスの圧力が上昇する（図３参照）。すると、燃焼ガスの全圧分布が適正化されるので、タービン翼列４１、４２の最終段における二次流れの発生が抑制される。これにより、タービン効率が適正に確保される利点がある。

また、このタービン排気構造では、突出部４８、４９が燃焼ガス通路Ｒを構成する径方向内側壁面および径方向外側壁面の双方にそれぞれ配置される（図１参照）。すなわち、外側突出部４８が燃焼ガス通路Ｒの径方向外側壁面に形成され、内側突出部４９が燃焼ガス通路Ｒの径方向内側壁面に形成される。かかる構成では、突出部４８、４９の作用により、燃焼ガス通路Ｒの両壁面付近（Ｒｉ、Ｒｏ）における燃焼ガスの圧力がそれぞれ大きくなる。これにより、燃焼ガスの全圧分布がより適正化されて、タービン翼列４１、４２の最終段における二次流れの発生がより効果的に抑制される利点がある。

［変形例］
なお、このタービン構造では、突出部４８、４９が、タービン４の軸方向断面視にて略円弧状の断面形状を有しており（図１参照）、また、タービン４の径方向断面視にて燃焼ガス通路Ｒの全周に渡って連続的に延在する略ドーナツ形状を有している（図２参照）。かかる構成では、燃焼ガス通路Ｒの両壁面付近（Ｒｉ、Ｒｏ）における燃焼ガスの圧力が燃焼ガス通路Ｒの全周にて一様に大きくなる。これにより、燃焼ガスの全圧分布が効果的に適正化される利点がある。

しかし、これに限らず、このタービン構造では、突出部４８、４９が略球面形状を有し、複数の突出部４８、４９が燃焼ガス通路Ｒの周方向に点在するように配置されても良い（図４および図５参照）。かかる構成では、突出部４８、４９の設置数や配置密度の調整により燃焼ガス通路Ｒの流路断面積の絞り量を調整できるので、燃焼ガスの全圧分布を容易に調整できる利点がある。また、突出部が燃焼ガス通路の全周に渡って連続的に延在する構成と比較して、突出部４８、４９における燃焼ガスの壁面からの剥離が低減されるので、ディフューザ効率が適正に確保される利点がある。

例えば、図４および図５に示す構成では、外側突出部４８および内側突出部４９が略球面形状を有している。また、複数の外側突出部４８が、延出部４４１の後端部に沿って延出部４４１の周方向に所定間隔を隔てて点在するように、配置されている。また、複数の内側突出部４９が、内側ディフューザ４３２の前端部に沿って内側ディフューザ４３２の周方向に所定間隔を隔てて点在するように、配置されている。また、外側突出部４８および内側突出部４９が、延出部４４１の拡径開始位置（図４中のＢ−Ｂ視の位置）に配置されている。また、外側突出部４８と内側突出部４９とが燃焼ガス通路Ｒを挟んでタービン４の径方向に対向する位置に配置されている。

また、これに限らず、このタービン排気構造では、突出部４８、４９が所定長さを有する板状形状あるいはブロック形状を有し、複数の突出部４８、４９が長手方向を燃焼ガス通路Ｒの周方向に向けつつ所定間隔にて配列されても良い（図６および図７参照）。かかる構成では、突出部４８、４９の長さ（燃焼ガス通路Ｒの周方向に対する長さ）や配置間隔の調整により燃焼ガス通路Ｒの流路断面積の絞り量を調整できるので、燃焼ガスの全圧分布を容易に調整できる利点がある。また、突出部が燃焼ガス通路の全周に渡って連続的に延在する構成と比較して、突出部４８、４９における燃焼ガスの燃焼ガス通路Ｒの壁面からの剥離が低減されるので、ディフューザ効率が適正に確保される利点がある。

例えば、図６および図７に示す構成では、外側突出部４８および内側突出部４９が矩形断面の棒状形状を有している。また、複数の外側突出部４８が、長手方向を延出部４４１の周方向に向けつつ延出部４４１の後端部に沿って所定間隔を隔てて配置されている。また、複数の内側突出部４９が、長手方向を内側ディフューザ４３２の周方向に向けつつ内側ディフューザ４３２の前端部に沿って所定間隔を隔てて配置されている。また、外側突出部４８および内側突出部４９が、延出部４４１の拡径開始位置（図６中のＣ−Ｃ視の位置）に配置されている。また、外側突出部４８と内側突出部４９とが燃焼ガス通路Ｒを挟んでタービン４の径方向に対向する位置に配置されている。

また、このタービン排気構造では、突出部４８、４９がタービン翼列４１、４２の最終段よりも下流側であって燃焼ガス通路Ｒの拡径開始位置付近に配置される（図１および図２参照）。かかる構成では、突出部がより下流側に配置される構成と比較して、燃焼ガスの全圧分布を効率的に調整できる。これにより、タービン翼列４１、４２の最終段における二次流れの発生を効果的に抑制できる利点がある。

例えば、この実施の形態では、上記のように、外側突出部４８が最終段翼環４４の延出部４４１に形成され、内側突出部４９が排気ディフューザ４３の内側ディフューザ４３２側に形成されている（図１および図２参照）。また、外側突出部４８および内側突出部４９がタービン翼列４１、４２の最終段よりも下流側であって延出部４４１の拡径開始位置（図１中のＡ−Ａ視の位置）に配置されている。

しかし、これに限らず、突出部４８、４９は、タービン翼列４１、４２の最終段から排気ディフューザ４３の入口部までの間に形成されれば足りる。例えば、突出部４８、４９が延出部４４１の拡径開始位置よりも上流側に配置されても良いし、また、双方の突出部４８、４９が排気ディフューザ４３の前端部（延出部４４１との連結部）に配置されても良い（図示省略）。

また、このタービン排気構造では、上記のように、外側突出部４８が最終段翼環４４の延出部４４１に形成されている（図１および図２参照）。しかし、これに限らず、外側突出部４８がより下流側に配置される構成では、外側突出部４８が外側ディフューザ４３１の前端部に形成されても良い（図示省略）。

また、突出部４８、４９は、部材を最終段翼環４４の延出部４４１あるいは排気ディフューザ４３の前端部に溶接して形成されても良いし、または、排気ディフューザ４３をプレス加工（板金加工）して形成されても良い。

以上のように、この発明にかかるタービン排気構造は、タービン翼列の最終段における燃焼ガスの二次流れの発生を抑制してタービン効率を向上できる点で有用である。

１ ガスタービン
２ 圧縮機
３ 燃焼器
４ タービン
４１ 静翼
４２ 動翼
４２１ プラットフォーム
４３ 排気ディフューザ
４３１ 外側ディフューザ
４３２ 内側ディフューザ
４３３ 取付ブラケット
４３４ シール部材
４４ 最終段翼環
４４１ 延出部
４５ 第一遮熱環
４６ 第二遮熱環
４７ 分割環
４８ 外側突出部
４９ 内側突出部
５ ロータ

Claims (3)

1. 動翼および静翼を交互かつ複数段に配列して成るタービン翼列と、前記タービン翼列の最終段の下流側に連結される排気ディフューザとを備えるタービン排気構造であって、
   前記タービン翼列の最終段から前記排気ディフューザの入口部までの間に配置されると共に燃焼ガス通路の壁面から燃焼ガス通路内に突出する突出部を備えることを特徴とするタービン排気構造。
2. 前記突出部が燃焼ガス通路を構成する径方向内側壁面および径方向外側壁面の双方にそれぞれ配置される請求項１に記載のタービン排気構造。
3. 前記突出部が前記タービン翼列の最終段よりも下流側であって燃焼ガス通路の拡径開始位置付近に配置される請求項１または２に記載のタービン排気構造。

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