JP2012511115A - 軸流ターボ機械のための環状拡散器、軸流ターボ機械のための配列および軸流ターボ機械 - Google Patents

Abstract

本発明は例えばガスタービン（１０）等の軸流ターボ機械のための環状拡散器（１４）に関し、その拡散器は外側壁（４４）と、外側壁と同軸の内側壁（４８）と、を具備し、外側壁と内側壁との間には拡散ダクト（４２）が軸に沿った範囲で流入側端部（５２）から発散した流出側端部（５４）まで環状の態様において延在し、内側壁（４８）と外側壁（４４）との各々は拡散ダクト（４２）を画定する壁面（４６，５０）を具備している。周方向に沿って不均一な流入に調整され且つ動的エネルギの静的エネルギへの特に効率的な変換を促進する拡散ダクト（４２）を特定するために、流入側において拡散ダクト（４２）を確定した回転的に非対称な壁面（４４，４６）が本発明によって提案されている。

Description

本発明は軸流ターボ機械のための環状拡散器に関し、その拡散器は環状の外側壁と、それと同軸の環状の内側壁と、を具備し、外側壁と内側壁との間には拡散ダクトが軸に沿った範囲で環状の態様において流入側端部から流出側端部まで延在し、内側壁と外側壁とはいずれの場合においても拡散ダクトを画定する壁面を具備している。本発明はさらに軸流ターボ機械の配列に関し、その配列は環状ダクトを具備し、ダクトは外側壁の壁面と内側壁の壁面とによって確定され、それらの間には少なくとも１つのガイドベーン翼列が設けられ、媒体がそこを通って流れることが可能である。本発明は、最後に上述の配列を備えた軸流ターボ機械に関する。

環状拡散器は先行技術から公知であり、例えばガスタービンにおいて使用されている。ガスタービンは通常はエネルギの安定的な再生のために、または航空機の駆動機として提供されており、冒頭に述べたように、環状拡散器はしばしば、手短にコンプレッサと言及されるガスタービンコンプレッサの流出部に設けられ、それは吸入された空気およびコンプレッサ内で圧縮された空気の減速のため、ならびに動的エネルギの内容を静的圧力へと変換するためである。通常は、この場合には、コンプレッサ流出部拡散器は環状の外壁およびそれと同軸に配置された同様に環状の内壁によって形成されており、それらの間に環状の拡散ダクトが設けられている。拡散ダクトはこの場合流入側端部から流出側端部にかけて発散している。

代替的なガスタービン拡散器は、例えば特許文献１から公知である。そこに開示された拡散器は、正方形断面の複数のチューブから成り、それらは円を形成するように配列されている。流入側において、チューブ端部は同一半径であり、一方で、流出側において、チューブ端部は同一の半径でなく、したがって、チューブ端部の分配につながっており、端部は円形ラインに関して多様に振動する。この配列の補助を伴って、コンプレッサによって提供された空気は比較的単純な方法において異なった構成部品へと導かれる。

さらに、自動車の触媒変換器のための環状拡散器が公知であり、その流出側は、この位置において発生する可能性のある流れの分離を防止するために、周方向において波状となったケースを備えている。

知られているように、ガスタービンにおいて、軸流タイプの構成において最も具体化されたコンプレッサの流出部は、環状拡散器の流入部と一致している。ガイドベーン翼列はコンプレッサの流出部またはその上流に直接設けられている。ガイドベーン翼列はこの場合最終コンプレッサステージのガイドベーン翼列として、且つ／または追加ガイドホイールとして設計されており、知られているように、コンプレッサの環状ダクト内において空気の流れをねじらないことに供与している。

構成のタイプに依存して、ガイドベーン翼列のガイドベーンに関して自立するように設計されていることがこの場合知られている。最終コンプレッサステージおよび追加ガイドホイールにおける自立ガイドベーンの使用は適切であれば存在するが、特に自立ガイドベーン先端とそれらに対向して配置された内側壁との間に比較的大きい径方向ギャップを生じ、コンプレッサステージの流出部またはそれに続いたガイドホイールの速度分布または全圧力分布が、ギャップによって生成された乱流の影響によって周方向に沿って著しく不均一となる。最終コンプレッサステージの追加ガイドホイールまたはガイドベーンが湾曲された程度に依存して、同様に生じる第２流れも場合によっては外側壁上で流出速度において対応した不均一さを生じる。この結果として、拡散器の入口では、流れ強さの分布は周方向において変化し、且つ追加ガイドホイールの通路の数と共に周期的である。動的エネルギのこの不均一な分布は、空間的に異なった相当する流れの容量を、拡散器内の比較的均一な静的圧力勾配に対抗して流す。

自立ガイドベーンに代わって、ベーン翼列に関して両側にプラットフォームに締結されたガイドベーン翼を使用することも公知である。このタイプのガイドベーン翼において、ブレード翼先端の側には径方向ギャップがなく、より少ない流れ強さの著しく不均等な分布がここで生じている。

米国特許第５，５９２，８２０号明細書

しかしながら、不均等な分布は拡散器内の空力的な損失を生じ、したがって本発明の目的に帰結する。

本発明の目的は、特に低い空力的損失の軸流ターボ機械のための環状拡散器を提供することである。本発明のさらなる目的は、環状拡散器の上流のガイドベーン翼列を具備し、同様に特に低い空力的損失となるように設計された軸流ターボ機械のための配列を提供することである。さらに、本発明のさらなる目的は、このタイプの軸流ターボ機械を提供することである。

冒頭で述べられた環状拡散器の目的は、請求項１の特徴を備えた環状拡散器を利用して達成される。

本発明は、冒頭に述べられたタイプの環状拡散器において、周方向における流入流れの不均一さがこれまでは考慮されていなかったという認識に基づいている。したがって、より高い全圧力の領域における分離のない減速に関する境界層のポテンシャルが完全に実行され得ないか、または負荷がより低い全圧力の領域において高すぎて、結果的に極端に高損失の流れの分離が生じるかのいずれかであるために、拡散器が最良の方法において動作することが不可能となっている。

さらに、本発明は、周方向における流れの不均一さが、上流のガイドベーン翼列の上流の明らかに必要な湾曲に起因しているために、減少されることが可能でないか、または適宜に回避されることさえ可能でないという認識に基づいている。その代わりに、本発明は、周方向における流入する空気の不均一さまたは環状拡散器のその影響への適応の不均一さを考慮した思考に基づいている。この目的のために、環状拡散器が流入側において、環状拡散器の流れの方向に関して非回転対称の形状を有し、それは回転対称部まで下流に続くことを本発明は目的としている。言い換えると、環状拡散器の内側壁の包絡線形状の壁面および／または外側壁の包絡線形状の壁面は、流入側において非回転対称にデザインされている。したがって、周方向の任意の位置において実際に存在する動的流れのエネルギを静的な圧力へと、最も可能な方法において変換する、より良好な断面を備えることが可能である。したがって、流れ強さの拡散は環状拡散ダクトの周方向に沿った環状拡散器の流入においてすでに確実に考慮されているが、このことはここでは考慮されていない。特にこの結果として、流入部に存在している動的エネルギの減速を拡散に順応させて、結果的に最大全圧を回復している。

この公開との関連で、本体の包絡面は配置されたときに回転対称であり、中心軸（対称軸）に関して任意の角度において回転される。要求が与えられなければ、包絡面は回転的に非対称である。しかしながら、この場合、本体の包絡面の一部は、単に本体を担持構造に締結する理由のために、且つ／または適切であれば、複数部品の環状本体内の本体を組み立てる理由のために、回転的に非対称であることは無視されるべきである。例えば、締結ネジのためのネジ穴が周方向に沿って包絡面内に分配されている場合、これらのネジ穴は、この公開との関連では、包絡面が回転対称であるか否かをチェックする目的に関して考慮されない。この点において、回転的な非対称に関するものは、径方向外側壁面および／または径方向内側壁面（包絡面）のみであり、それは本発明との関連で径方向最外側流れまたは径方向最内側流れへの影響に関して適切である。支柱が存在している場合でさえも、拡散器の内側壁と拡散器の外側壁との間の周方向に沿った分布は、ここの包絡面が回転的に非対称であるか否かをチェックすることが無視される。

軸流タービンのための配列に向けられた目的は、請求項１０の特長による配列を利用して達成されている。作動媒体が通って流れることが可能なガイドベーン翼列が、外側壁の壁面と内側壁の壁面との間において拡散ダクトに先立った流れダクト内に設けられた場合に、上述の拡散ダクト内への作動媒体の流れの不均一さは比較的高くなる。その程度まで、これに続く拡散器の流出部と環状拡散器とを具備した配列に関して、本発明による回転的に非対称の壁面を設けることは特に好都合であり、それは冒頭に述べた流れの不均一さが特にそこで発生するためである。自立型ガイドベーンがコンプレッサ流出部の上流において直接的にガイドベーン翼列を形成する場合、このことはますます当てはまる。

軸流ターボ機械に向けられた目的は、請求項１６の特徴を利用して達成されており、その利点は類似の軸流ターボ機械に提供された配列に適用可能である。

有利な改良が従属請求項において特定されている。

第１の有利な改良によれば、個々の回転的に非対称な径方向内側壁面および／または径方向外側壁面は周方向に沿って交互に隆起部と陥没部とを備えている。言い換えると、回転的に非対称な壁面は周方向に波打っており、隆起部は波の頂点として且つ陥没部は波の底として設計されている。輪郭、すなわち隆起部と陥没部との間の遷移はこの場合任意の所望の形状である。回転的に非対称な壁面の断面が上面図に図示されている限りでは、輪郭は例えば鋸歯状、三角形または正弦曲線とすることが可能であり、適切であればいずれの場合においてもそれらの間に直線的（斜面形状）なまたは平坦な部分を備えている。上述の輪郭は任意の所望の方法において互いに結合されてまたは重ね合わされてもよい。しかしながら、全体的に、媒体の流れエネルギの全圧への変換を改良することを達成するために、輪郭が最良の可能な方法において非回転対称な流れを均一化するように輪郭は選択されている。

本発明のさらに有利な改良によれば、径方向において見られているように、ダクト高さは流入側の内側壁の壁面と外側壁の壁面との間に存在し、最大高さまたは最大深さはダクト高さの最大でも２５％である。内側壁と外側壁との間の中心部の媒体流れのかく乱は、これによって回避されている。それと同時に、流入側における不均一さの顕著な均一化が達成されることが可能である。

拡散ダクトの周方向に沿った流れの不均一さのタイプに依存して、部分の異なったアキシアル位において、隆起部は異なった高さを有し、且つ／または陥没部は異なった深さを有してもよい。言い換えると、軸部において、回転的に非対称な壁面は流入端部と流出端部とを備え、回転的な非対称性は流入端部において最大であり、流出端部に向かって減少していく。これは流れの不均一さが回転的な非対称性を利用して流れ方向において常に減少されえるためである。便宜的に、回転的な非対称性は流出端部において終端となり、同時に連続的に、すなわち無段階に環状拡散器の回転対称な部分に統合されている。

代替的にまたは追加的に上述されたとおり、部分の１つのアキシアル位において、隆起部は異なった高さを有し、且つ／または陥没部は異なった深さを有することが可能である。この改良は、均一化される流れの強さが周方向に沿って複数の極大または極小の異なったサイズを有している。

本発明のさらなる特徴によれば、回転的な非対称性は臨界の輪郭を備え、輪郭は軸の範囲で角度αを形成し、その角度の大きさは０°〜４０°である。例えば、臨界の輪郭は１つの隆起部の最大位置または１つの陥没部の最小位置の軸方向輪郭であってもよい。角度はこの場合部分の異なったアキシアル位において異なった大きさであってよく、拡散器の軸方向において見られているように、回転的に非対称の湾曲した輪郭が得られている。好適に、角度は環状拡散器の流入側において最大であり、流れの方向において均一にまたは不均一に減少する。

環状拡散器または少なくとも非対称の部分は軸拡散器または傾斜拡散器として設計されている。

特に環状拡散器がガイドベーン翼列によって先行されている場合、回転的な非対称性は媒体の流れ内において発生するので、本発明の環状拡散器の使用は特にそのような配列において有利である。したがって、この配列は外側壁と内側壁との間に環状ダクトを具備しており、作動媒体が流れることが可能なガイドベーン翼列が設けられている。ガイドベーン翼列はこの場合ベーンステージ、または追加ガイドホイールのガイドベーン翼列として設計されている。もちろん、配列がベーンステージの一部としてのガイドベーン翼列、および追加ガイドとしての１つ以上のガイドベーン翼列の双方を備えることは可能である。作動媒体内の非対称性は特に自立ベーン翼を備えたガイドベーン翼列内において発生し、このタイプのガイドベーン翼列の下流において本発明による環状拡散器を使用することは特に意味があり、したがって、特にギャップがさらに上流に配列された環状拡散器の壁面は回転的に非対称なデザインとなる。ガイドベーン翼列のベーン翼がガイドベーンキャリアに径方向外側に締結されて、内側に向かってベーン翼先端がダクトの内側壁に対向して存在し、ギャップを形成している場合、少なくとも環状拡散器の内側壁の壁面は部分的に回転的に非対称に設計されている。ガイドベーン翼列の自立ガイドベーンはダクトの外壁に対向して存在しており、ギャップを形成して、少なくとも環状拡散器の外側壁の壁面は回転的に非対称に設計されている。

環状拡散器の外側壁の壁面とダクトの外側壁の壁面との間、および／または環状拡散器の内側壁の壁面とダクトの内側壁の壁面との間において、特に空力的に低損失な遷移部を設けるために、遷移部は無段階となるように設計されている。

配列および発生する流れの形態に依存して、ガイドベーン翼列が配置されたダクトの外側壁の壁面および／またはダクトの内側壁の壁面も、少なくとも部分的に回転的に非対称なデザインとされることを必要とする。

全体的に、本発明は、少なくとも１つのコンプレッサ流出部と１つの環状拡散器と野配列を具備した装置に関して好都合である。特にこのタイプの装置の場合、流れの不均一は媒体内において生じ、ダクトの周方向に沿って見られているように、本発明による形態の利用を考慮されることが可能である。局所的な流れ状態が考慮されることによって、全圧の低い領域における負荷は減少されることが可能である。それと同時に、全圧の高い領域における分離のない減速に関する境界層のポテンシャルがより効果的に実行され、それらが完全に回避されることが可能でなくても、全体的により少ない分離が生じる。したがって、一般的に、より低い空力的損失がガイドベーン翼列内および環状拡散器内においてさえも生じ、回転対称の環状拡散器の場合よりも高い圧力回復が可能となっている。結果的に、本発明による装置の利用によって、周方向の任意の位置に存在する動的エネルギは、最良の可能な方法において静的圧力へと変換される。

本発明は図を利用してさらに詳細に説明され、さらなる特徴及び利点は以下の図の記載において説明されている。

軸流コンプレッサおよび環状拡散器、それに続いた固定軸流ガスタービンの長手方向断面を示した図である。 図１の環状拡散器の部分詳細を示した斜視図である。 拡散器の内側壁の壁面およびコンプレッサのダクトの上面の部分拡大図を示している。 図３のＩＶ−ＩＶの領域を示した図である。 環状拡散器の内側壁を通る断面を示した図である。

図１は、ガスタービンコンプレッサ１３の流出部１２および流出部１２に続いた環状拡散器１４における軸流固定ガスタービン１０の長手方向断面を示している。コンプレッサ１３において、ベーン翼列１６のみが下流に配列されており、すなわち、コンプレッサ１３の後部のみが図示されている。各々のベーン翼列１６は、少なくともリング形状の断面のダクト１８内に放射状に配列されたベーン翼２０を具備し、各々のベーン翼２０は移動ベーン２２の一部に一体化されているか、またはベーンガイド２４の一部に一体化されているか、のいずれかである。

符号２５は機械軸を指定しており、その軸に関してリング形状断面のダクト１８が同心円状に延在している。コンプレッサ１３のダクト１８はガイドベーンキャリア２８の一部である壁面２６によって外側を区切られている。ダクト１８の径方向の内側境界は原則的にロータディスク３０によって形成されており、その下流では固定されたシャフトカバー３２によって形成されている。移動ベーン２２は、例えばハンマーヘッド形状のフック３３を利用してロータディスク３０に締結されている。自立ベーン翼先端は壁面２６に対向し、ギャップを形成している。移動ベーン２２の下流において、ベーン翼列１６に属するガイドベーン２４はフック３３を介してベーンキャリア２８に同様に締結されている。この場合、ロータディスク３０に締結された移動ベーン２２は、その下流に配列されたガイドベーン２４と共に、軸流コンプレッサ１３の最終コンプレッサステージ３４を形成している。最終コンプレッサステージ３４のガイドベーン２４は同様に自立ベーンとして設計されており、個々の自立翼の先端３５は各々の場合において壁面３６に対向しており、その壁面３６はシャフトカバー３２の一部である。

最終コンプレッサステージ３４のガイドベーン翼列１６のさらなる下流において、追加ガイドホイール３８として知られたさらなるベーン翼列１６が設けられており、それは同様にフック３３を介してガイドベーンキャリア２８に径方向に剛的に締結されている。追加ガイドホイール３８のベーン翼２０もシャフトカバー３２の壁面３６に対向して位置し、ギャップ３７を形成している。

ベーン翼２０によって圧縮される媒体４０の流れ方向に見られているように、追加ガイドホイール３８の後には環状拡散器１４が続いている。環状拡散器１４は同様にリング形状拡散ダクト４２を備え、そのダクトは円形断面の外側壁４４によって外側において径方向に区切られている。より正確には、外側壁４４の原則的に円形断面の壁面４６が外側において径方向に拡散ダクト４２を区切っている。ダクト１８の外側壁と拡散器ダクト４２の外側壁４４とは、この場合同一の構造によって形成されており、正確にはガイドベーンキャリア２８によって形成されているが、このことはそうである必要はない。

環状拡散器はさらに、外側壁４４およびシャフトカバー３２の一部と同軸の内側壁４８を具備している。この場合、円形断面の内側壁４８の壁面５０は内側において径方向に拡散ダクト４２を区切っている。壁４４、４８またはそれらの壁面４６、５０は、環状拡散器１４の流入側端部５２から流出側短部５４まで環状拡散器１４の長手方向の範囲に沿って発散している。環状拡散器１４の径方向且つ現実の流入方向において見られているように、該壁面４６と内壁面５０との間の距離はダクト高さＫＨとして設計されている。

自立ガイドベーン２４が最終コンプレッサステージ１４において、および／または追加ガイドホイール３８内において使用されることによって、周囲に沿って不均等な速度分布または総圧力分布は、ガスタービン１０が運転中でありこれによってコンプレッサ１３が運転中である場合に、追加ガイドホイール流出口において発生する。これは、特にギャップ乱流の影響によるものであり、ギャップ乱流自身はガイドベーン翼先端３５とこれらに対向して位置した壁面３６との間のギャップ３７によって発生する。コンプレッサ流出部１２に到達するまたは環状拡散器内に流入するコンプレッサ流出流れ４０は、したがって回転的に非対称である。その流れは、特に壁面近傍の領域において周方向に沿って異なった大きさおよび異なった流れ方向の流速を有する。

本発明によれば、非回転対象の壁面５０は、ガイドベーン翼先端３５に対向した壁面３６の下流にあり、壁面３６内にギャップ３７を形成している。壁面５０は環状拡散器１４の一部であり、少なくとも１つの軸部上に延在している。環状拡散器１４の領域にいて回転的に非対称な壁面５０の輪郭は、図１においてこれ以上詳細に図示されない。

図２は、環状拡散器１４の本発明による発散拡散ダクト４２からの詳細の斜視図を示している。この場合、発散とは媒体が通って流れる断面領域が下流に向かった方向において増加することを意味している。軸拡散器の場合、増加は例えば内側壁４８の平均直径の減少によって、および／または外側壁４４の平均直径の増加によって生じてもよい。傾斜拡散器の場合、外側壁の径および内側壁の径の双方が増加し、外側壁の径のサイズの増加が内側壁のサイズの増加よりも大きい。

この場合において、図２は拡散器ダクト４２を区切った壁４４、４８のみを図示している。環状拡散器１４の流入側端部５２はコンプレッサ流出部１２と一致しており、図２においてさらに左側に示される。コンプレッサ拡散器流出部は、すなわち環状拡散器１４の流出側端部５４は、図２においてさらに右側に示される。壁面５０が回転的に非対称なデザインとなっている部分Ａは、軸方向Ｘにおいて環状拡散器１４の流入側端部５２から延在している。図示された回転的な非対称は、壁面５０の周方向Ｕに沿って交互に配置された隆起部５６および陥没部５８の配列のために発生している。回転対称な部分Ｂは拡散器流出部まで延在し、部分Ａの下流側に続いている。

隆起部５６と陥没部５８とは、追加ガイドホイール３８のガイドベーン２４の数と一致した数において、周方向Ｕに沿って均等に分配されている。図２に示された形態において、部分Ａの軸方向の範囲は環状拡散器１４の軸方向の広がり全体の約３０％の量である。しかしながら、部分Ａは環状拡散器１４の全長に渡って、すなわち１００％に渡って延在することも可能である。

各々の隆起部５６はライン６０を備え、そのラインは同様に流れ方向において円在し、且つ対応した隆起部の最大高さの印となっている。ライン６０は、軸方向Ｘと共に角度αを形成した臨界の輪郭を構成している。この角度は流入流れの不均一さに依存して４０°を超えてもよく、一方で、その角度は異なったアキシアル位において異なったサイズであってもよい。したがって、ライン６０は相応して直線的でないが、その代わりに、軸方向において見られるように、湾曲している。これは図３に示されたライン６０によって例示されている。図３は内側壁４８の発展した図の上面を示した図であり、同時にガイドベーン２４を通る断面を示した図である。図３においてさらに上に示されたベーン翼２０は最終コンプレッサステージ３４のガイドベーン２４のベーン翼であり、追加ガイドホイール３８のガイドベーン２４のベーン翼２０はその下流側に示されている。

隆起部５６と陥没部５８とは拡散ダクト４２内の内側に径方向に生じた媒体４０の流れの湾曲を引き起こし、その結果として異なった流れ状態を備えた流れゾーンから、それらの間に配列され且つ主に同一の流れ状態を備えた流れゾーンへの連続した局所的な適応が発生する。適応は全体的に環状拡散器流入側端部５２に到達した流れの流れ特性の均一化を引き起こし、環状拡散器１４内において圧力に対抗して流れる流れはより均一に減速され、これによって低損失となる。動的流れエネルギの静圧への効果的な変換は、極端な高損失流れの分離が発生することなく、これによって達成される。

図２から推測されるように、隆起部５６と陥没部５８とは流れの方向において異なった高さまたは異なった深さを有する。高さと深さとの間のスパンは流入側において最大となる。増大する軸長を伴って、隣接した隆起部５６の高さと陥没部５８の深さとは、それらが共通の半径で部分Ａの下流側の端部において結合されるまで互いに接近している。その後、環状拡散器はこの位置から流出側端部５４に向かって回転対称となって延在している（図２）。

図２によれば、全ての隆起部５６と陥没部５８とは１つの軸方向位置において終端となる。それに対して、異なった隆起部５６と陥没部５８とは異なった軸方向位置において終端となることも考えられる。例えば、拡散器の流入側に関して、隆起部５６と陥没部５８とはガイドベーン２４の数と同一の数だけ存在していてもよく、一方で隆起部５６および陥没部５８の数は拡散器流出部５４に向かってその後減少されてもよい。例えば、拡散器の流れが環状拡散器１４の下流に配列された構造体に適応される場合に、このことは有利である。構造体は例えば支柱またはサポートとすることが可能であり、それらはガイドベーン２４の数よりも少ない数だけ周方向に沿って分配され、例えばシャフトカバー３２をケーシングに接続している。しかしながら、構造体はガスタービンのバーナまたは管状燃焼チャンバとすることも可能である。

環状拡散器１４の回転的に非対称な部分Ａは、拡散ダクト４２内のみに設けられなくてもよいことが図３から推測され得る。適切であれば、回転的に非対称な部分Ａはさらに上流のコンプレッサ１３のダクト１８内にも必要とされる範囲において延在している。この場合、流れの湾曲はベーン翼２０を利用してその後そこにおいて発生し、このことは壁から離間したより中央の媒体の流れに特に当てはまる。壁近傍の流れ、特にベーン翼２０が配列された径方向ギャップ３７の壁４８近傍の流れは、適切な場合、隆起部５６と陥没部５８とによってその後すでに影響を受けており、湾曲されている。

図４は、ダクト１８の断面の詳細を示した図であり、その間に配列されたベーン翼２０を備えている。ベーン翼２０は径方向外側に締結されているが、これは図４には図示されていない。それに対して、図４は自立ベーン翼先端３５を示しており、その翼は内側壁４８に対抗して配置され、ギャップを形成している。径方向ギャップは符号３７で示されている。図４によれば、内側壁４８の壁面５０も回転的に非対称に設計されており、隆起部５６と陥没部５８とがガイドベーン２４の数と同一の数だけ形成されている。断面において見られているように、隆起部５６と陥没部５８との輪郭６２は、この場合湾曲した斜面を備えた鋸歯を周期的に反復する形式と同じである。

使用され得る隆起部５６と陥没部５８との断面の輪郭６２の代替的な形状は、例えばさらに下流の拡散ダクト４２内において、図５に見られている。ここで、輪郭は基本的に略正弦形状であり、２つの側面６６の１つはいずれの場合にも隆起部５６の１つを隣接した陥没部５８に接続しており、いずれの場合にも他の２つの側面６８よりも急勾配となるように設計されている。しかしながら、輪郭６２のこの形状は制限的ではなく、単に図示されたものである。他の輪郭、傾斜した先端が設けられた輪郭が想定されてもよい。

さらに、図５は機械軸２５に関する平均半径ｒ_ｍを示しており、隆起部５６の最大高さＨと陥没部５８の最大深さＴとが関連付けられている。平均半径ｒ_ｍの定義は、この場合、最大高さＨが配された半径と最大深さＴが配された半径との相加平均である。最大高さＨまたは最大深さＴは、この場合、流入側ダクトの高さＫＨの最大でも２５％に到達する程度である。

全体的に、本発明は、例えばガスタービン１０のような軸流ターボ機械のための環状拡散器１４に関し、その拡散器は外側壁４４と、それと同軸の内側壁４８と、を備え、それらの間において拡散ダクト４２が軸に沿った範囲で環状に延在しており、流入側端部５２から流出側端部５４へと発散し、内側壁４８と外側壁４４とはいずれの場合においても拡散ダクト４２を限定した壁面４６、５０を具備している。周方向に沿って不均一な流入に適応し、且つ特に動的エネルギの静的エネルギへの効率的な変換が可能であることを利用した拡散ダクト４２を特定するために、本発明の目的は、流入側の拡散ダクト４２を画定し且つ回転的に非対称な壁面４４、４６を提案している。

１０ ・・・軸流固定ガスタービン、 １２ ・・・流出部、 １３ ・・・ガスタービンコンプレッサ、 １４ ・・・環状拡散器、 １６ ・・・ベーン翼列、 １８ ・・・ダクト、 ２０ ・・・ベーン翼、 ２２ ・・・移動ベーン、 ２４ ・・・ベーンガイド、 ２６，３６ ・・・壁面、 ２８ ・・・ガイドベーンキャリア、 ３０ ・・・ロータディスク、 ３２ ・・・シャフトカバー、 ３３ ・・・フック、 ３４ ・・・コンプレッサステージ、 ３７ ・・・ギャップ、 ３８ ・・・追加ガイドホイール、 ４０ ・・・媒体、 ４２ ・・・リング形状拡散ダクト、 ４４ ・・・外側壁、 ４８ ・・・内側壁、 ５２ ・・・流入側端部、 ５４ ・・・流出側端部、 ５６ ・・・隆起部、 ５８ ・・・陥没部、 ６０ ・・・ライン

本発明は軸流ターボ機械のための環状拡散器に関し、その拡散器は環状の外側壁と、それと同軸の環状の内側壁と、を具備し、外側壁と内側壁との間には拡散ダクトが軸に沿った範囲で環状の態様において流入側端部から流出側端部まで延在し、内側壁と外側壁とはいずれの場合においても拡散ダクトを画定する壁面を具備している。本発明はさらに軸流ターボ機械の配列に関し、その配列は環状ダクトを具備し、ダクトは外側壁の壁面と内側壁の壁面とによって確定され、それらの間には少なくとも１つのガイドベーン翼列が設けられ、媒体がそこを通って流れることが可能である。本発明は、最後に上述の配列を備えた軸流ターボ機械に関する。

特許文献１に示されたように、環状拡散器は先行技術から公知であり、例えばガスタービンにおいて使用されている。ガスタービンは通常はエネルギの安定的な再生のために、または航空機の駆動機として提供されており、冒頭に述べたように、環状拡散器はしばしば、手短にコンプレッサと言及されるガスタービンコンプレッサの流出部に設けられ、それは吸入された空気およびコンプレッサ内で圧縮された空気の減速のため、ならびに動的エネルギの内容を静的圧力へと変換するためである。通常は、この場合には、コンプレッサ流出部拡散器は環状の外壁およびそれと同軸に配置された同様に環状の内壁によって形成されており、それらの間に環状の拡散ダクトが設けられている。拡散ダクトはこの場合流入側端部から流出側端部にかけて発散している。

代替的なガスタービン拡散器は、例えば特許文献２から公知である。そこに開示された拡散器は、正方形断面の複数のチューブから成り、それらは円を形成するように配列されている。流入側において、チューブ端部は同一半径であり、一方で、流出側において、チューブ端部は同一の半径でなく、したがって、チューブ端部の分配につながっており、端部は円形ラインに関して多様に振動する。この配列の補助を伴って、コンプレッサによって提供された空気は比較的単純な方法において異なった構成部品へと導かれる。

さらに、自動車の触媒変換器のための環状拡散器が特許文献３から公知であり、その流出側は、この位置において発生する可能性のある流れの分離を防止するために、周方向において波状となったケースを備えている。

知られているように、ガスタービンにおいて、軸流タイプの構成において最も具体化されたコンプレッサの流出部は、環状拡散器の流入部と一致している。ガイドベーン翼列はコンプレッサの流出部またはその上流に直接設けられている。ガイドベーン翼列はこの場合最終コンプレッサステージのガイドベーン翼列として、且つ／または追加ガイドホイールとして設計されており、知られているように、コンプレッサの環状ダクト内において空気の流れをねじらないことに供与している。

構成のタイプに依存して、ガイドベーン翼列のガイドベーンに関して自立するように設計されていることがこの場合知られている。最終コンプレッサステージおよび追加ガイドホイールにおける自立ガイドベーンの使用は適切であれば存在するが、特に自立ガイドベーン先端とそれらに対向して配置された内側壁との間に比較的大きい径方向ギャップを生じ、コンプレッサステージの流出部またはそれに続いたガイドホイールの速度分布または全圧力分布が、ギャップによって生成された乱流の影響によって周方向に沿って著しく不均一となる。最終コンプレッサステージの追加ガイドホイールまたはガイドベーンが湾曲された程度に依存して、同様に生じる第２流れも場合によっては外側壁上で流出速度において対応した不均一さを生じる。この結果として、拡散器の入口では、流れ強さの分布は周方向において変化し、且つ追加ガイドホイールの通路の数と共に周期的である。動的エネルギのこの不均一な分布は、空間的に異なった相当する流れの容量を、拡散器内の比較的均一な静的圧力勾配に対抗して流す。

自立ガイドベーンに代わって、ベーン翼列に関して両側にプラットフォームに締結されたガイドベーン翼を使用することも公知である。このタイプのガイドベーン翼において、ブレード翼先端の側には径方向ギャップがなく、より少ない流れ強さの著しく不均等な分布がここで生じている。

欧州特許出願公開第１ ５７４ ６６７号明細書 米国特許第５，５９２，８２０号明細書 欧州特許出願公開第０ ４１０ ９２４号明細書

しかしながら、不均等な分布は拡散器内の空力的な損失を生じ、したがって本発明の目的に帰結する。

本発明の目的は、特に低い空力的損失の軸流ターボ機械のための環状拡散器を提供することである。本発明のさらなる目的は、環状拡散器の上流のガイドベーン翼列を具備し、同様に特に低い空力的損失となるように設計された軸流ターボ機械のための配列を提供することである。さらに、本発明のさらなる目的は、このタイプの軸流ターボ機械を提供することである。

冒頭で述べられた環状拡散器の目的は、請求項１の特徴を備えた環状拡散器を利用して達成される。

本発明は、冒頭に述べられたタイプの環状拡散器において、周方向における流入流れの不均一さがこれまでは考慮されていなかったという認識に基づいている。したがって、より高い全圧力の領域における分離のない減速に関する境界層のポテンシャルが完全に実行され得ないか、または負荷がより低い全圧力の領域において高すぎて、結果的に極端に高損失の流れの分離が生じるかのいずれかであるために、拡散器が最良の方法において動作することが不可能となっている。

本発明のさらなる特徴によれば、回転的な非対称性は臨界の軸方向輪郭を有し、軸の範囲において軸と共に０°〜４０°の大きさの角度を形成している。例えば、臨界の輪郭は隆起部の最高位置または陥没部の最低位置の軸方向輪郭であってもよい。角度αはこの場合部分の異なったアキシアル位において異なったサイズであってもよく、拡散器の軸方向から見て、回転的に非対称の湾曲した輪郭が得られてもよい。好適に、角度は環状拡散器の流入端部において最大となり、流れ方向において均一にまたは不均一に減少している。

さらに、本発明は、周方向における流れの不均一さが、上流のガイドベーン翼列の上流の明らかに必要な湾曲に起因しているために、減少されることが可能でないか、または適宜に回避されることさえ可能でないという認識に基づいている。その代わりに、本発明は、周方向における流入する空気の不均一さまたは環状拡散器のその影響への適応の不均一さを考慮した思考に基づいている。この目的のために、環状拡散器が流入側において、環状拡散器の流れの方向に関して非回転対称の形状を有し、それは回転対称部まで下流に続くことを本発明は目的としている。言い換えると、環状拡散器の内側壁の包絡線形状の壁面および／または外側壁の包絡線形状の壁面は、流入側において非回転対称にデザインされている。したがって、周方向の任意の位置において実際に存在する動的流れのエネルギを静的な圧力へと、最も可能な方法において変換する、より良好な断面を備えることが可能である。したがって、流れ強さの拡散は環状拡散ダクトの周方向に沿った環状拡散器の流入においてすでに確実に考慮されているが、このことはここでは考慮されていない。特にこの結果として、流入部に存在している動的エネルギの減速を拡散に順応させて、結果的に最大全圧を回復している。

この公開との関連で、本体の包絡面は配置されたときに回転対称であり、中心軸（対称軸）に関して任意の角度において回転される。要求が与えられなければ、包絡面は回転的に非対称である。しかしながら、この場合、本体の包絡面の一部は、単に本体を担持構造に締結する理由のために、且つ／または適切であれば、複数部品の環状本体内の本体を組み立てる理由のために、回転的に非対称であることは無視されるべきである。例えば、締結ネジのためのネジ穴が周方向に沿って包絡面内に分配されている場合、これらのネジ穴は、この公開との関連では、包絡面が回転対称であるか否かをチェックする目的に関して考慮されない。この点において、回転的な非対称に関するものは、径方向外側壁面および／または径方向内側壁面（包絡面）のみであり、それは本発明との関連で径方向最外側流れまたは径方向最内側流れへの影響に関して適切である。支柱が存在している場合でさえも、拡散器の内側壁と拡散器の外側壁との間の周方向に沿った分布は、ここの包絡面が回転的に非対称であるか否かをチェックすることが無視される。

軸流タービンのための配列に向けられた目的は、請求項８の特長による配列を利用して達成されている。作動媒体が通って流れることが可能なガイドベーン翼列が、外側壁の壁面と内側壁の壁面との間において拡散ダクトに先立った流れダクト内に設けられた場合に、上述の拡散ダクト内への作動媒体の流れの不均一さは比較的高くなる。その程度まで、これに続く拡散器の流出部と環状拡散器とを具備した配列に関して、本発明による回転的に非対称の壁面を設けることは特に好都合であり、それは冒頭に述べた流れの不均一さが特にそこで発生するためである。自立型ガイドベーンがコンプレッサ流出部の上流において直接的にガイドベーン翼列を形成する場合、このことはますます当てはまる。

軸流ターボ機械に向けられた目的は、請求項１４の特徴を利用して達成されており、その利点は類似の軸流ターボ機械に提供された配列に適用可能である。

有利な改良が従属請求項において特定されている。

第１の有利な改良によれば、個々の回転的に非対称な径方向内側壁面および／または径方向外側壁面は周方向に沿って交互に隆起部と陥没部とを備えている。言い換えると、回転的に非対称な壁面は周方向に波打っており、隆起部は波の頂点として且つ陥没部は波の底として設計されている。輪郭、すなわち隆起部と陥没部との間の遷移はこの場合任意の所望の形状である。回転的に非対称な壁面の断面が上面図に図示されている限りでは、輪郭は例えば鋸歯状、三角形または正弦曲線とすることが可能であり、適切であればいずれの場合においてもそれらの間に直線的（斜面形状）なまたは平坦な部分を備えている。上述の輪郭は任意の所望の方法において互いに結合されてまたは重ね合わされてもよい。しかしながら、全体的に、媒体の流れエネルギの全圧への変換を改良することを達成するために、輪郭が最良の可能な方法において非回転対称な流れを均一化するように輪郭は選択されている。

本発明のさらに有利な改良によれば、径方向において見られているように、ダクト高さは流入側の内側壁の壁面と外側壁の壁面との間に存在し、最大高さまたは最大深さはダクト高さの最大でも２５％である。内側壁と外側壁との間の中心部の媒体流れのかく乱は、これによって回避されている。それと同時に、流入側における不均一さの顕著な均一化が達成されることが可能である。

拡散ダクトの周方向に沿った流れの不均一さのタイプに依存して、部分の異なったアキシアル位において、隆起部は異なった高さを有し、且つ／または陥没部は異なった深さを有してもよい。言い換えると、軸部において、回転的に非対称な壁面は流入端部と流出端部とを備え、回転的な非対称性は流入端部において最大であり、流出端部に向かって減少していく。これは流れの不均一さが回転的な非対称性を利用して流れ方向において常に減少されえるためである。便宜的に、回転的な非対称性は流出端部において終端となり、同時に連続的に、すなわち無段階に環状拡散器の回転対称な部分に統合されている。

代替的にまたは追加的に上述されたとおり、部分の１つのアキシアル位において、隆起部は異なった高さを有し、且つ／または陥没部は異なった深さを有することが可能である。この改良は、均一化される流れの強さが周方向に沿って複数の極大または極小の異なったサイズを有している。

本発明のさらなる特徴によれば、回転的な非対称性は臨界の輪郭を備え、輪郭は軸の範囲で角度αを形成し、その角度の大きさは０°〜４０°である。例えば、臨界の輪郭は１つの隆起部の最大位置または１つの陥没部の最小位置の軸方向輪郭であってもよい。角度はこの場合部分の異なったアキシアル位において異なった大きさであってよく、拡散器の軸方向において見られているように、回転的に非対称の湾曲した輪郭が得られている。好適に、角度は環状拡散器の流入側において最大であり、流れの方向において均一にまたは不均一に減少する。

環状拡散器または少なくとも非対称の部分は軸拡散器または傾斜拡散器として設計されている。

特に環状拡散器がガイドベーン翼列によって先行されている場合、回転的な非対称性は媒体の流れ内において発生するので、本発明の環状拡散器の使用は特にそのような配列において有利である。したがって、この配列は外側壁と内側壁との間に環状ダクトを具備しており、作動媒体が流れることが可能なガイドベーン翼列が設けられている。ガイドベーン翼列はこの場合ベーンステージ、または追加ガイドホイールのガイドベーン翼列として設計されている。もちろん、配列がベーンステージの一部としてのガイドベーン翼列、および追加ガイドとしての１つ以上のガイドベーン翼列の双方を備えることは可能である。作動媒体内の非対称性は特に自立ベーン翼を備えたガイドベーン翼列内において発生し、このタイプのガイドベーン翼列の下流において本発明による環状拡散器を使用することは特に意味があり、したがって、特にギャップがさらに上流に配列された環状拡散器の壁面は回転的に非対称なデザインとなる。ガイドベーン翼列のベーン翼がガイドベーンキャリアに径方向外側に締結されて、内側に向かってベーン翼先端がダクトの内側壁に対向して存在し、ギャップを形成している場合、少なくとも環状拡散器の内側壁の壁面は部分的に回転的に非対称に設計されている。ガイドベーン翼列の自立ガイドベーンはダクトの外壁に対向して存在しており、ギャップを形成して、少なくとも環状拡散器の外側壁の壁面は回転的に非対称に設計されている。

環状拡散器の外側壁の壁面とダクトの外側壁の壁面との間、および／または環状拡散器の内側壁の壁面とダクトの内側壁の壁面との間において、特に空力的に低損失な遷移部を設けるために、遷移部は無段階となるように設計されている。

配列および発生する流れの形態に依存して、ガイドベーン翼列が配置されたダクトの外側壁の壁面および／またはダクトの内側壁の壁面も、少なくとも部分的に回転的に非対称なデザインとされることを必要とする。

全体的に、本発明は、少なくとも１つのコンプレッサ流出部と１つの環状拡散器と野配列を具備した装置に関して好都合である。特にこのタイプの装置の場合、流れの不均一は媒体内において生じ、ダクトの周方向に沿って見られているように、本発明による形態の利用を考慮されることが可能である。局所的な流れ状態が考慮されることによって、全圧の低い領域における負荷は減少されることが可能である。それと同時に、全圧の高い領域における分離のない減速に関する境界層のポテンシャルがより効果的に実行され、それらが完全に回避されることが可能でなくても、全体的により少ない分離が生じる。したがって、一般的に、より低い空力的損失がガイドベーン翼列内および環状拡散器内においてさえも生じ、回転対称の環状拡散器の場合よりも高い圧力回復が可能となっている。結果的に、本発明による装置の利用によって、周方向の任意の位置に存在する動的エネルギは、最良の可能な方法において静的圧力へと変換される。

本発明は図を利用してさらに詳細に説明され、さらなる特徴及び利点は以下の図の記載において説明されている。

軸流コンプレッサおよび環状拡散器、それに続いた固定軸流ガスタービンの長手方向断面を示した図である。 図１の環状拡散器の部分詳細を示した斜視図である。 拡散器の内側壁の壁面およびコンプレッサのダクトの上面の部分拡大図を示している。 図３のＩＶ−ＩＶの領域を示した図である。 環状拡散器の内側壁を通る断面を示した図である。

図１は、ガスタービンコンプレッサ１３の流出部１２および流出部１２に続いた環状拡散器１４における軸流固定ガスタービン１０の長手方向断面を示している。コンプレッサ１３において、ベーン翼列１６のみが下流に配列されており、すなわち、コンプレッサ１３の後部のみが図示されている。各々のベーン翼列１６は、少なくともリング形状の断面のダクト１８内に放射状に配列されたベーン翼２０を具備し、各々のベーン翼２０は移動ベーン２２の一部に一体化されているか、またはベーンガイド２４の一部に一体化されているか、のいずれかである。

符号２５は機械軸を指定しており、その軸に関してリング形状断面のダクト１８が同心円状に延在している。コンプレッサ１３のダクト１８はガイドベーンキャリア２８の一部である壁面２６によって外側を区切られている。ダクト１８の径方向の内側境界は原則的にロータディスク３０によって形成されており、その下流では固定されたシャフトカバー３２によって形成されている。移動ベーン２２は、例えばハンマーヘッド形状のフック３３を利用してロータディスク３０に締結されている。自立ベーン翼先端は壁面２６に対向し、ギャップを形成している。移動ベーン２２の下流において、ベーン翼列１６に属するガイドベーン２４はフック３３を介してベーンキャリア２８に同様に締結されている。この場合、ロータディスク３０に締結された移動ベーン２２は、その下流に配列されたガイドベーン２４と共に、軸流コンプレッサ１３の最終コンプレッサステージ３４を形成している。最終コンプレッサステージ３４のガイドベーン２４は同様に自立ベーンとして設計されており、個々の自立翼の先端３５は各々の場合において壁面３６に対向しており、その壁面３６はシャフトカバー３２の一部である。

最終コンプレッサステージ３４のガイドベーン翼列１６のさらなる下流において、追加ガイドホイール３８として知られたさらなるベーン翼列１６が設けられており、それは同様にフック３３を介してガイドベーンキャリア２８に径方向に剛的に締結されている。追加ガイドホイール３８のベーン翼２０もシャフトカバー３２の壁面３６に対向して位置し、ギャップ３７を形成している。

ベーン翼２０によって圧縮される媒体４０の流れ方向に見られているように、追加ガイドホイール３８の後には環状拡散器１４が続いている。環状拡散器１４は同様にリング形状拡散ダクト４２を備え、そのダクトは円形断面の外側壁４４によって外側において径方向に区切られている。より正確には、外側壁４４の原則的に円形断面の壁面４６が外側において径方向に拡散ダクト４２を区切っている。ダクト１８の外側壁と拡散器ダクト４２の外側壁４４とは、この場合同一の構造によって形成されており、正確にはガイドベーンキャリア２８によって形成されているが、このことはそうである必要はない。

環状拡散器はさらに、外側壁４４およびシャフトカバー３２の一部と同軸の内側壁４８を具備している。この場合、円形断面の内側壁４８の壁面５０は内側において径方向に拡散ダクト４２を区切っている。壁４４、４８またはそれらの壁面４６、５０は、環状拡散器１４の流入側端部５２から流出側短部５４まで環状拡散器１４の長手方向の範囲に沿って発散している。環状拡散器１４の径方向且つ現実の流入方向において見られているように、該壁面４６と内壁面５０との間の距離はダクト高さＫＨとして設計されている。

自立ガイドベーン２４が最終コンプレッサステージ１４において、および／または追加ガイドホイール３８内において使用されることによって、周囲に沿って不均等な速度分布または総圧力分布は、ガスタービン１０が運転中でありこれによってコンプレッサ１３が運転中である場合に、追加ガイドホイール流出口において発生する。これは、特にギャップ乱流の影響によるものであり、ギャップ乱流自身はガイドベーン翼先端３５とこれらに対向して位置した壁面３６との間のギャップ３７によって発生する。コンプレッサ流出部１２に到達するまたは環状拡散器内に流入するコンプレッサ流出流れ４０は、したがって回転的に非対称である。その流れは、特に壁面近傍の領域において周方向に沿って異なった大きさおよび異なった流れ方向の流速を有する。

本発明によれば、非回転対象の壁面５０は、ガイドベーン翼先端３５に対向した壁面３６の下流にあり、壁面３６内にギャップ３７を形成している。壁面５０は環状拡散器１４の一部であり、少なくとも１つの軸部上に延在している。環状拡散器１４の領域にいて回転的に非対称な壁面５０の輪郭は、図１においてこれ以上詳細に図示されない。

図２は、環状拡散器１４の本発明による発散拡散ダクト４２からの詳細の斜視図を示している。この場合、発散とは媒体が通って流れる断面領域が下流に向かった方向において増加することを意味している。軸拡散器の場合、増加は例えば内側壁４８の平均直径の減少によって、および／または外側壁４４の平均直径の増加によって生じてもよい。傾斜拡散器の場合、外側壁の径および内側壁の径の双方が増加し、外側壁の径のサイズの増加が内側壁のサイズの増加よりも大きい。

この場合において、図２は拡散器ダクト４２を区切った壁４４、４８のみを図示している。環状拡散器１４の流入側端部５２はコンプレッサ流出部１２と一致しており、図２においてさらに左側に示される。コンプレッサ拡散器流出部は、すなわち環状拡散器１４の流出側端部５４は、図２においてさらに右側に示される。壁面５０が回転的に非対称なデザインとなっている部分Ａは、軸方向Ｘにおいて環状拡散器１４の流入側端部５２から延在している。図示された回転的な非対称は、壁面５０の周方向Ｕに沿って交互に配置された隆起部５６および陥没部５８の配列のために発生している。回転対称な部分Ｂは拡散器流出部まで延在し、部分Ａの下流側に続いている。

隆起部５６と陥没部５８とは、追加ガイドホイール３８のガイドベーン２４の数と一致した数において、周方向Ｕに沿って均等に分配されている。図２に示された形態において、部分Ａの軸方向の範囲は環状拡散器１４の軸方向の広がり全体の約３０％の量である。しかしながら、部分Ａは環状拡散器１４の全長に渡って、すなわち１００％に渡って延在することも可能である。

各々の隆起部５６はライン６０を備え、そのラインは同様に流れ方向において円在し、且つ対応した隆起部の最大高さの印となっている。ライン６０は、軸方向Ｘと共に角度αを形成した臨界の輪郭を構成している。この角度は流入流れの不均一さに依存して４０°を超えてもよく、一方で、その角度は異なったアキシアル位において異なったサイズであってもよい。したがって、ライン６０は相応して直線的でないが、その代わりに、軸方向において見られるように、湾曲している。これは図３に示されたライン６０によって例示されている。図３は内側壁４８の発展した図の上面を示した図であり、同時にガイドベーン２４を通る断面を示した図である。図３においてさらに上に示されたベーン翼２０は最終コンプレッサステージ３４のガイドベーン２４のベーン翼であり、追加ガイドホイール３８のガイドベーン２４のベーン翼２０はその下流側に示されている。

隆起部５６と陥没部５８とは拡散ダクト４２内の内側に径方向に生じた媒体４０の流れの湾曲を引き起こし、その結果として異なった流れ状態を備えた流れゾーンから、それらの間に配列され且つ主に同一の流れ状態を備えた流れゾーンへの連続した局所的な適応が発生する。適応は全体的に環状拡散器流入側端部５２に到達した流れの流れ特性の均一化を引き起こし、環状拡散器１４内において圧力に対抗して流れる流れはより均一に減速され、これによって低損失となる。動的流れエネルギの静圧への効果的な変換は、極端な高損失流れの分離が発生することなく、これによって達成される。

図２から推測されるように、隆起部５６と陥没部５８とは流れの方向において異なった高さまたは異なった深さを有する。高さと深さとの間のスパンは流入側において最大となる。増大する軸長を伴って、隣接した隆起部５６の高さと陥没部５８の深さとは、それらが共通の半径で部分Ａの下流側の端部において結合されるまで互いに接近している。その後、環状拡散器はこの位置から流出側端部５４に向かって回転対称となって延在している（図２）。

図２によれば、全ての隆起部５６と陥没部５８とは１つの軸方向位置において終端となる。それに対して、異なった隆起部５６と陥没部５８とは異なった軸方向位置において終端となることも考えられる。例えば、拡散器の流入側に関して、隆起部５６と陥没部５８とはガイドベーン２４の数と同一の数だけ存在していてもよく、一方で隆起部５６および陥没部５８の数は拡散器流出部５４に向かってその後減少されてもよい。例えば、拡散器の流れが環状拡散器１４の下流に配列された構造体に適応される場合に、このことは有利である。構造体は例えば支柱またはサポートとすることが可能であり、それらはガイドベーン２４の数よりも少ない数だけ周方向に沿って分配され、例えばシャフトカバー３２をケーシングに接続している。しかしながら、構造体はガスタービンのバーナまたは管状燃焼チャンバとすることも可能である。

環状拡散器１４の回転的に非対称な部分Ａは、拡散ダクト４２内のみに設けられなくてもよいことが図３から推測され得る。適切であれば、回転的に非対称な部分Ａはさらに上流のコンプレッサ１３のダクト１８内にも必要とされる範囲において延在している。この場合、流れの湾曲はベーン翼２０を利用してその後そこにおいて発生し、このことは壁から離間したより中央の媒体の流れに特に当てはまる。壁近傍の流れ、特にベーン翼２０が配列された径方向ギャップ３７の壁４８近傍の流れは、適切な場合、隆起部５６と陥没部５８とによってその後すでに影響を受けており、湾曲されている。

図４は、ダクト１８の断面の詳細を示した図であり、その間に配列されたベーン翼２０を備えている。ベーン翼２０は径方向外側に締結されているが、これは図４には図示されていない。それに対して、図４は自立ベーン翼先端３５を示しており、その翼は内側壁４８に対抗して配置され、ギャップを形成している。径方向ギャップは符号３７で示されている。図４によれば、内側壁４８の壁面５０も回転的に非対称に設計されており、隆起部５６と陥没部５８とがガイドベーン２４の数と同一の数だけ形成されている。断面において見られているように、隆起部５６と陥没部５８との輪郭６２は、この場合湾曲した斜面を備えた鋸歯を周期的に反復する形式と同じである。

使用され得る隆起部５６と陥没部５８との断面の輪郭６２の代替的な形状は、例えばさらに下流の拡散ダクト４２内において、図５に見られている。ここで、輪郭は基本的に略正弦形状であり、２つの側面６６の１つはいずれの場合にも隆起部５６の１つを隣接した陥没部５８に接続しており、いずれの場合にも他の２つの側面６８よりも急勾配となるように設計されている。しかしながら、輪郭６２のこの形状は制限的ではなく、単に図示されたものである。他の輪郭、傾斜した先端が設けられた輪郭が想定されてもよい。

さらに、図５は機械軸２５に関する平均半径ｒ_ｍを示しており、隆起部５６の最大高さＨと陥没部５８の最大深さＴとが関連付けられている。平均半径ｒ_ｍの定義は、この場合、最大高さＨが配された半径と最大深さＴが配された半径との相加平均である。最大高さＨまたは最大深さＴは、この場合、流入側ダクトの高さＫＨの最大でも２５％に到達する程度である。

全体的に、本発明は、例えばガスタービン１０のような軸流ターボ機械のための環状拡散器１４に関し、その拡散器は外側壁４４と、それと同軸の内側壁４８と、を備え、それらの間において拡散ダクト４２が軸に沿った範囲で環状に延在しており、流入側端部５２から流出側端部５４へと発散し、内側壁４８と外側壁４４とはいずれの場合においても拡散ダクト４２を限定した壁面４６、５０を具備している。周方向に沿って不均一な流入に適応し、且つ特に動的エネルギの静的エネルギへの効率的な変換が可能であることを利用した拡散ダクト４２を特定するために、本発明の目的は、流入側の拡散ダクト４２を画定し且つ回転的に非対称な壁面４４、４６を提案している。

１０ ・・・軸流固定ガスタービン、 １２ ・・・流出部、 １３ ・・・ガスタービンコンプレッサ、 １４ ・・・環状拡散器、 １６ ・・・ベーン翼列、 １８ ・・・ダクト、 ２０ ・・・ベーン翼、 ２２ ・・・移動ベーン、 ２４ ・・・ベーンガイド、 ２６，３６ ・・・壁面、 ２８ ・・・ガイドベーンキャリア、 ３０ ・・・ロータディスク、 ３２ ・・・シャフトカバー、 ３３ ・・・フック、 ３４ ・・・コンプレッサステージ、 ３７ ・・・ギャップ、 ３８ ・・・追加ガイドホイール、 ４０ ・・・媒体、 ４２ ・・・リング形状拡散ダクト、 ４４ ・・・外側壁、 ４８ ・・・内側壁、 ５２ ・・・流入側端部、 ５４ ・・・流出側端部、 ５６ ・・・隆起部、 ５８ ・・・陥没部、 ６０ ・・・ライン

Claims (17)

1. 軸流ターボ機械のための環状拡散器（１４）であって、該拡散器は、
   外側壁（４４）と、該外側壁と同軸の内側壁（４８）と、を具備し、
   前記外側壁と内側壁との間には拡散ダクト（４２）が軸（Ｘ）に沿った範囲で環状の態様において延在し、流入側端部（５２）から流出側端部（５４）にかけて発散しており、
   前記内側壁（４８）と外側壁（４４）とはいずれの場合においても前記拡散ダクト（４２）を画定する壁面（４６，５０）を具備し、前記内側壁（４８）の壁面（５０）および／または前記外側壁（４４）の壁面（４６）は、少なくとも前記管状拡散器（１４）の部分（Ａ）において回転的に非対称である環状拡散器において、
   前記部分（Ａ）は前記管状拡散器（１４）の流入側端部（５２）に配置され、回転対称な部分（Ｂ）に融合し、該回転対称な部分（Ｂ）は前記管状拡散器（１４）の流れの方向に関連して前記回転的に非対称な部分（Ａ）の下流に配置されていることを特徴とする環状拡散器（１４）。
2. 前記回転的に非対称な壁面（４６，５０）は、周方向に沿って隆起部（５６）と陥没部（５８）とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の環状拡散器（１４）。
3. 前記内側壁（４８）の壁面（５０）と外側壁（４４）の壁面（４６）との間において、各々の前記隆起部（５６）の最大高さ（Ｈ）および前記陥没部（５８）の最大深さ（Ｔ）が関係付けられた流入側ダクト高さ（ＫＨ）が存在し、前記最大高さ（Ｈ）または最大深さ（Ｔ）は前記ダクト高さ（ＫＨ）の最大でも２５％にしか到達しないことを特徴とする請求項１または２に記載の環状拡散器（１４）。
4. 前記部分（Ａ）の１つのアキシアル位において、前記隆起部（５６）は異なった高さ（Ｈ）を有し、且つ／または前記陥没部（５８）は異なった深さ（Ｔ）を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）。
5. 前記部分（Ａ）の異なったアキシアル位において、前記隆起部（５６）は異なった高さ（Ｈ）を有し、且つ／または前記陥没部（５８）は異なった深さ（Ｔ）を有していることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）。
6. 回転的に非対称な壁面の前記部分（Ａ）は回転対称な部分（Ｂ）へと無段階に融合していることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）。
7. 回転的な非対称は臨界の軸方向輪郭（６０）を備え、該輪郭は前記軸の範囲と共に角度（α）を形成し、該角度は０°〜４０°の間の大きさであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）。
8. 前記角度（α）は前記部分（Ａ）の異なったアキシアル位において異なった大きさであることを特徴とする請求項７に記載の環状拡散器（１４）。
9. 少なくとも前記部分（Ａ）は軸方向拡散器または傾斜拡散器として設計されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）。
10. 軸流ターボ機械のための装置であって、該装置は環状ダクト（１８）を具備し、該環状ダクトは、外側壁（２８）の壁面（２６）と内側壁（３２）の壁面（３６）とによって画定されており、前記壁面の間に少なくとも１つのベーン翼列（１６）が設けられ、該ベーン翼列を通って媒体（４０）が流れることが可能とされた装置において、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）が前記ガイドベーン翼列の下流に配置されていることを特徴とする装置。
11. 前記ガイドベーン翼列（１６）はベーンステージ（３４）ガイドベーン翼列として、または追加ガイドホイールとして設計されていることを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記ガイドベーン翼列（１６）は、
    空力的に湾曲された複数のベーン翼（２０）と、
    自立ベーン翼先端（３５）と、を具備し、
    該自立ベーン翼先端は、径方向内側において前記ダクト（１８）の内側壁（３２）に対向しているか、または径方向外側において前記ダクト（１８）の外側壁（２８）に対向しており、いずれの場合であってもギャップを形成していることを特徴とする請求項１０または１１に記載の装置。
13. 前記管状拡散器（１４）の外側壁（４４）は、前記ダクト（１８）の外側壁（２８）の下流に配置され、且つ／または前記管状拡散器（１４）の内側壁（４８）は前記ダクト（１８）の内側壁（３２）の下流に配置され、
    前記ギャップ（３７）がさらに上流に配置された前記管状拡散器（１４）の壁面（５０）は、回転的に非対称にデザインされていることを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記環状拡散器（１４）の外側壁（４４）の壁面（４６）は前記ダクト（１８）の外側壁（２８）の外側面（２６）に融合しており、且つ／または前記環状拡散器（１４）の内側壁（４８）の壁面（５０）は前記ダクト（１８）の内側壁（３２）の外側面（３６）に融合していることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記ダクト（１８）の外側壁（２８）の外側面（２６）および／または前記ダクト（１８）の内側壁（３２）の外側面（３６）は、いずれの場合においても、１つの前記壁面（２６，３６）または双方の前記壁面（２６，３６）が回転的に非対称な部分を備えていることを特徴とする請求項１０〜１３のいずれか一項に記載の装置。
16. 請求項１０〜１５のいずれか一項に記載の装置を備えていることを特徴とする軸流ターボ機械。
17. 固定ガスタービン（１０）のコンプレッサ（１３）として設計された軸流ターボ機械であって、前記コンプレッサの流出部（１２）は請求項１１の前段にしたがって配列されるように設計されており、前記コンプレッサの流出部には流出部拡散器としての請求項１〜１０のいずれか一項に記載の環状拡散器（１４）が直接続いていることを特徴とする請求項１６に記載の軸流ターボ機械。

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