JP2011236771A - ガスタービン用排気ディフューザおよびこれを備えたガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】軸流タービン部および排気ディフューザの性能向上を両立させることを目的とする。
【解決手段】燃焼ガスを作動流体とする軸流タービン部５０の最終段動翼５１の下流に接続され、内周壁部６１と外周壁部６２とによって囲まれた環状空間が形成されたガスタービン用排気ディフューザ６０において、最終段動翼５１の直後に接続される内周壁部６１の入口部は、軸流タービン部５０から流出した燃焼ガスの主流側に隆起する隆起部６１ａを有する固定壁部とされている。隆起部６１ａは、入口部の最上流側にて所定の初期立上り角度θで主流側に向けて立ち上がり、主流の流れに沿うように立上り角度を初期立上り角度θから漸次減少させながら所定の隆起高さＨまで至らせた形状とされている。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービン用排気ディフューザおよびこれを備えたガスタービンに関するものである。

一般に、ガスタービンは、燃焼器から導かれる燃焼ガスによって回転駆動される軸流タービン部と、この軸流タービン部の最終段動翼の下流に接続された排気ディフューザとを備えている。ガスタービンの性能向上を目的として、軸流タービン部と排気ディフューザについてそれぞれ最適設計が行われる。しかし、軸流タービン部について最適設計がなされると、その下流側に接続される排気ディフューザにとっては最適でない入口条件となっている場合がある。したがって、軸流タービン部および排気ディフューザの性能向上を両立させる設計が求められる。

一方、排気ディフューザの形状を変更することによって性能向上を図る技術が下記特許文献１に開示されている。
特許文献１には、最終段動翼の先端部後縁よりも燃焼ガス流れの下流に位置する排気ディフューザの外周壁部に対して、半径方向内側に突出する段差部を設けた構成が開示されている。これにより、動翼の先端部後縁と段差部の上流側端部との間において、燃焼ガス流れの流線が内方に曲げられることとなり、圧力が高められてマッハ数が低下し、圧力損失が少なくなり、タービン効率を高めることができる。また、マッハ数が低下することにより衝撃波の発生が少なくなり、動翼の先端部の破損を防止することができる。

特許第３５６４４２０号公報

しかし、特許文献１に開示された技術は、動翼の先端部後縁付近に生じる衝撃波について着目し、排気ディフューザの外周壁部に段差部を設けたものである。
本発明者等が鋭意検討したところ、軸流タービン部について最適設計を行うと、排気ディフューザ入口における径方向の全圧分布は、内周側および外周側が小さくなり、中央側が大きくなる場合がある。したがって、外周側の流れだけでなく、内周側の流れについても考慮する必要がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、排気ディフューザ入口における内周側の流れを改善することにより、軸流タービン部および排気ディフューザの性能向上を両立させるガスタービン用排気ディフューザおよびこれを備えたガスタービンを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のガスタービン用排気ディフューザおよびこれを備えたガスタービンは以下の手段を採用する。
すなわち、本発明にかかるガスタービン用排気ディフューザは、燃焼ガスを作動流体とする軸流タービン部の最終段動翼の下流に接続され、内周壁部と外周壁部とによって囲まれた環状空間が形成されたガスタービン用排気ディフューザにおいて、前記最終段動翼の直後に接続される前記内周壁部の入口部は、前記軸流タービン部から流出した前記燃焼ガスの主流側に隆起する隆起部を有する固定壁部とされていることを特徴とする。

排気ディフューザの内周壁部の入口部に、燃焼ガスの主流側に隆起する隆起部を有する固定壁部を設けることとした。この隆起部により、排気ディフューザ入口の径方向内周側を流れる燃焼ガスを部分的にせき止め、内周側における全圧分布を上昇させる。これにより、内周側の全圧が上昇するとともに中央側の全圧が低下し、排気ディフューザ入口における燃焼ガスの径方向全圧分布が均一に近づき改善されることとなり、結果として良好な圧力回復を排気ディフューザにて得ることができる。
なお、固定壁部とされた隆起部の形状は、排気ディフューザが適用されるガスタービンの定格時の流れに基づいて決定される。

さらに、本発明のガスタービン用排気ディフューザでは、前記隆起部は、前記入口部の最上流側にて所定の初期立上り角度で前記主流側に向けて立ち上がり、該主流の流れに沿うように立上り角度を前記初期立上り角度から漸次減少させながら所定の隆起高さまで至らせた形状とされていることを特徴とする。

排気ディフューザの入口部の最上流側で所定の初期立上り角度で立ち上がらせ、その立上り角度を漸次減少させることにより、より効果的に排気ディフューザ入口の径方向全圧分布を改善させることができる。

さらに、本発明のガスタービン用排気ディフューザでは、前記初期立上り角度は、隆起を生じさせない角度を０°とした場合に、３０°以上９０°以下とされていることを特徴とする。

初期立上り角度としては、隆起を生じさせない角度を０°とした場合に、３０°以上９０°以下が好適である。この角度は、ガスタービンの定格時における排気ディフューザの圧力回復係数に基づいて決定されることが好ましい。
「隆起を生じさせない角度」とは、最終段動翼の直後から径方向の流路高さを漸次拡大させて圧力回復を達成するように決定される場合の内周壁部の角度を意味する。
また、前記隆起高さは、前記燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率で表記した場合に、０％以上（０％を除く）２５％以下とされていることが好ましい。

さらに、本発明のガスタービン用排気ディフューザでは、前記隆起部が立ち上がる前記隆起高さを、前記燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率で表記した場合に、前記初期立上り角度と該隆起高さとの組み合わせが、以下のいずれかの関係とされていることを特徴とする。
（初期立上り角度，隆起高さ）＝
（３０°以上４５°未満，０％以上（０％を除く）２５％以下）又は，
（４５°以上６０°未満，０％以上（０％を除く）２２％以下）又は，
（６０°以上７５°未満，０％以上（０％を除く）１９％以下）又は，
（７５°以上９０°以下，０％以上（０％を除く）１８％以下）

以上のような関係を有する初期立上り角度と隆起高さとすることにより、良好な圧力回復係数を得ることができる。
なお、隆起高さの下限としては、より好ましくは、２．５％以上とされる。

また、本発明のガスタービンは、上述のガスタービン用排気ディフューザと、該ガスタービン用排気ディフューザの上流に接続される軸流タービン部と、該軸流タービン部に燃焼ガスを供給する燃焼器と、該燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機とを備えていることを特徴とする。

排気ディフューザの圧力回復性能が向上し、高効率なガスタービンを提供することができる。

排気ディフューザの入口部に設けた隆起部により、排気ディフューザ入口における燃焼ガスの全圧分布が改善され、良好な圧力回復を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかるガスタービンを示した全体概略構成図である。 図１のガスタービンの軸流タービン部および排気ディフューザ付近の拡大縦断面図である。 隆起部の各隆起高さの形状を示した拡大縦断面図であり、（ａ）は隆起部の初期立上り角度３０°とした場合、（ｂ）は隆起部の初期立上り角度４５°とした場合を示す。 隆起部の各隆起高さの形状を示した拡大縦断面図であり、（ａ）は隆起部の初期立上り角度６０°とした場合、（ｂ）は隆起部の初期立上り角度７５°とした場合を示す。 隆起部の初期立上り角度９０°とした場合における隆起部の各隆起高さの形状を示した拡大縦断面図である。 隆起部の初期立上り角度３０°，４５°，６０°，７５°，９０°の場合に対するシミュレーション結果を示したグラフである。

以下に、本発明にかかる一実施形態について、図面を参照して説明する。
図１には、本発明の排気ディフューザが適用されるガスタービン１０の概略構成が示されている。
ガスタービン１０は、空気を取り入れて圧縮する圧縮機３０と、空気の流れに対して圧縮機３０の下流に設けられた少なくとも一つの燃焼器４０と、この燃焼器４０の下流に設けられた軸流タービン部５０と、この軸流タービン部５０の下流に設けられた排気ディフューザ６０と、この排気ディフューザ６０の下流に設けられた排気室７０とを備えている。ガスタービン１０の内部には、これら圧縮機３０、軸流タービン部５０、排気ディフューザ６０および排気室７０によって、横断面視して環状のガスタービン通路８０が形成されている。

圧縮機３０は、圧縮機車室３９内に複数の段からなる圧縮機動翼および圧縮機静翼を含んでいる。タービン５０はタービン車室５９内に複数の段からなる動翼および静翼を含んでいる。図に示すように、圧縮機３０および軸流タービン部５０は同一の回転軸９０上に設けられている。
軸流タービン部５０は、ガスタービン通路８０の内壁に設けられた複数の段の静翼と回転軸９０上に設けられた複数の段の動翼とを有している。複数の段の動翼の各段においては、複数の動翼が回転軸９０周りに周方向にほぼ等間隔に配置されている。

圧縮機３０の入口部（図示せず）から流入した空気（流体）は、圧縮機３０を通過しつつ圧縮される。次いで、圧縮後の空気は燃焼器４０内の燃料と一緒に混合されて燃焼されて燃焼ガスとなり、この燃焼ガスは、例えばそれぞれ四段とされた静翼および動翼が交互に取り付けられている軸流タービン部５０を通過して工業仕事を行った後、排気ディフューザ６０へと導かれる。軸流タービン部５０を通過した後の燃焼ガスは、排気ディフューザ６０にて圧力回復を行った後、排気室７０から排出される。

図２には、ガスタービン１０の軸流タービン部５０および排気ディフューザ６０付近の拡大図が示されている。同図には、軸流タービン部５０の最終段の動翼５１が示されている。理解を容易にするために、この図は最終段の動翼以外の翼を省略している。
最終段動翼５１の直後の下流に接続された排気ディフューザ６０は、内周壁部６１と外周壁部６２とを備えている。これら内周壁部６１及び外周壁部６２で囲まれる空間が環状空間とされ、ガスタービン通路８０となっている。ガスタービン通路８０は燃焼ガスの流れ（矢印Ｆで示す）に関して下流方向に半径（流路高さ）が増すように形成されている。

排気ディフューザ６０の内周壁部６１の入口部には、隆起部６１ａが設けられている。この隆起部６１ａは、最終段動翼５１から流出した燃焼ガスの主流側（図２において上方側）に隆起する形状となっており、排気ディフューザ６０が適用されるガスタービン１０の定格時の燃焼ガス流れに基づいて決定された固定壁部となっている。より具体的には、隆起部６１ａは、排気ディフューザ６０の入口部の最上流側にて所定の初期立上り角度θで燃焼ガスの主流側に向けて立ち上がり、その後、燃焼ガスの主流の流れに沿うように立上り角度を初期立上り角度θから漸次減少させながら隆起高さＨまで至らせた形状となっている。隆起部６１ａの下流側は、隆起高さＨを維持したままの形状となっている。なお、この隆起部６１ａの下流側の形状は、これに限定されるものではなく、ディフューザとしての機能を阻害しない限り、隆起高さＨを漸次減少させる形状としても良いし、隆起高さＨを漸次増大させる形状としても良い。

初期立上り角度θは、隆起を生じさせない角度を０°とした場合（図２において破線で示した仮想内周壁部６１’の場合）に、３０°以上９０°以下とされていることが好ましい。ここで、「隆起を生じさせない角度」とは、最終段動翼の直後から径方向の流路高さを漸次拡大させて圧力回復を達成するように決定される場合の内周壁部の角度を意味する。
また、隆起部６１ａが仮想内周壁部６１’から立ち上がる隆起高さＨは、燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率で表記した場合に、０％以上（０％を除く）２５％以下が好ましい。
さらに、初期立上り角度θと隆起高さＨとの関係は、以下の関係となっていることが好ましい。
（初期立上り角度，隆起高さ）＝
（３０°以上４５°未満，０％以上（０％を除く）２５％以下）又は，
（４５°以上６０°未満，０％以上（０％を除く）２２％以下）又は，
（６０°以上７５°未満，０％以上（０％を除く）１９％以下）又は，
（７５°以上９０°以下，０％以上（０％を除く）１８％以下）

本実施形態によれば、上記構成により、以下の作用効果を奏する。
排気ディフューザ６０の内周壁部６１の入口部に、燃焼ガスの主流側に隆起する隆起部６１ａを設けることとしたので、排気ディフューザ６０入口の径方向内周側を流れる燃焼ガスを部分的にせき止め、内周側における全圧分布を上昇させることができる。これにより、内周側の全圧が上昇するとともに中央側の全圧が低下し、排気ディフューザ６０入口における燃焼ガスの径方向全圧分布が均一に近づき改善されることとなり、結果として良好な圧力回復を排気ディフューザ６０にて得ることができる。
したがって、軸流タービン部５０について最適設計を行い、排気ディフューザ６０入口における径方向全圧分布が、内周側が小さくなり中央側が大きくなる場合であっても、排気ディフューザ６０入口の全圧分布を改善することができるので、軸流タービン部５０および排気ディフューザ６０の性能向上を両立させることができる。

次に、数値シミュレーションにより、隆起部６１ａと隆起高さＨの関係を検討したので、以下に説明する。
図３乃至図５には、最終段動翼５１の直下流の内周壁部の拡大図が示されている。図３（ａ）は隆起部６１ａの初期立上り角度θが３０°の場合、図３（ｂ）は初期立上り角度θが４５°の場合、図４（ａ）は初期立上り角度θが６０°の場合、図４（ｂ）は初期立上り角度θが７５°の場合、図５は初期立上り角度θが９０°の場合を示す。
また、各図において、最下段の内周壁部の線が、燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率で表記した隆起高さＨが０％の場合（図２の仮想内周壁部６１’に相当）を示し、順に上方に向かって、２．５０％、６．３０％、１０．０％、１３．６０％、１７．３０％、２１．０％、２４．６０％、２８．３０％、３２．０％となっている。

図６には、図３乃至図５のそれぞれに対するシミュレーション結果が示されている。図６において、横軸は、隆起高さＨの燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率、縦軸は、圧力回復係数Ｃｐの改善割合ΔＣｐとなっている。このΔＣｐは、隆起部６１ａがない場合（隆起高さＨが０％の場合）の圧力回復係数Ｃｐを１とした場合に対する割合で示されている。つまり、ΔＣｐが０の場合は隆起高さＨが０％の場合と変わらず効果がないことを意味し、正の場合に圧力回復係数Ｃｐが増大したことを意味する。
したがって、図６から、上述した初期立上り角度θと隆起高さＨとの関係、即ち、
（初期立上り角度，隆起高さ）＝
（３０°以上４５°未満，０％以上（０％を除く）２５％以下）又は，
（４５°以上６０°未満，０％以上（０％を除く）２２％以下）又は，
（６０°以上７５°未満，０％以上（０％を除く）１９％以下）又は，
（７５°以上９０°以下，０％以上（０％を除く）１８％以下）
が導かれる。

１０ ガスタービン
５０ 軸流タービン部
５１ 最終段動翼
６０ 排気ディフューザ
６１ａ 隆起部
７０ 排気室
８０ ガスタービン通路
θ 初期立上り角度
Ｈ 隆起高さ

Claims (6)

1. 燃焼ガスを作動流体とする軸流タービン部の最終段動翼の下流に接続され、内周壁部と外周壁部とによって囲まれた環状空間が形成されたガスタービン用排気ディフューザにおいて、
   前記最終段動翼の直後に接続される前記内周壁部の入口部は、前記軸流タービン部から流出した前記燃焼ガスの主流側に隆起する隆起部を有する固定壁部とされていることを特徴とするガスタービン用排気ディフューザ。
2. 前記隆起部は、前記入口部の最上流側にて所定の初期立上り角度で前記主流側に向けて立ち上がり、該主流の流れに沿うように立上り角度を前記初期立上り角度から漸次減少させながら所定の隆起高さまで至らせた形状とされていることを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用排気ディフューザ。
3. 前記初期立上り角度は、隆起を生じさせない角度を０°とした場合に、３０°以上９０°以下とされていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービン用排気ディフューザ。
4. 前記隆起高さは、前記燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率で表記した場合に、０％以上（０％を除く）２５％以下とされていることを特徴とする請求項２または３に記載のガスタービン用排気ディフューザ。
5. 前記隆起部が立ち上がる前記隆起高さを、前記燃焼ガスが流れる流路高さに対する百分率で表記した場合に、前記初期立上り角度と該隆起高さとの組み合わせが、以下のいずれかの関係とされていることを特徴とする請求項３に記載のガスタービン用排気ディフューザ。
   （初期立上り角度，隆起高さ）＝
   （３０°以上４５°未満，０％以上（０％を除く）２５％以下）又は，
   （４５°以上６０°未満，０％以上（０％を除く）２２％以下）又は，
   （６０°以上７５°未満，０％以上（０％を除く）１９％以下）又は，
   （７５°以上９０°以下，０％以上（０％を除く）１８％以下）
6. 請求項１から５のいずれかに記載のガスタービン用排気ディフューザと、
   該ガスタービン用排気ディフューザの上流に接続される軸流タービン部と、
   該軸流タービン部に燃焼ガスを供給する燃焼器と、
   該燃焼器に圧縮空気を供給する圧縮機と、
   を備えていることを特徴とするガスタービン。

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