JP2013234678A - 流路構造及びガスタービン排気ディフューザ - Google Patents

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Abstract

【課題】その目的は、圧力損失の発生を抑止する流路構造及びガスタービン排気ディフューザを提供する。
【解決手段】流路Pを形成する壁面10b,11bから流路Pを流れる流体Eの主流に沿った主流方向と交差する方向に構造物12,13が延出し、前記主流と交差する流路断面において構造物12,13が流路Pのうち一部の範囲を占めることにより、前記主流方向に進むに従って流路Pの断面積が変化する流路構造であって、前記主流方向において前記構造物12,13を含む範囲に亘って壁面10b,11bに凹部21,22,31,32が形成された凹部形成領域20,30を有することを特徴とする。
【選択図】図2

Description

本発明は、流路構造及びガスタービン排気ディフューザに関するものである。
周知のように、流路構造の一種として、流路を形成する壁面から流路を流れる流体の主流に沿った主流方向と交差する方向に構造物が延出したものが知られている。
例えば、ガスタービンの排気ディフューザの一種においては、排気ケーシングの内部にローターを軸支する軸受が設けられており、この軸受の周囲の環状空間が排気流路となっているが、この環状空間に排気ケーシングから延びて軸受を保持するストラットが配設されている(例えば、特許文献1)。
特開2004−190664号公報
ところで、上記流路構造においては、流路断面積が変化するために、圧力損失が生じてしまうという問題があった。
例えば、上述したガスタービンの排気ディフューザの一種においては、排気の主流方向におけるストラットの配設された範囲は、流路断面においてストラットが流路のうち一部の範囲を占めることにより、排気主流の上流から下流に進むに従って流路の断面積が急激に減少した後に、増加する構造となっている。このため、ストラットの配設された範囲を排気が通過する際に、比較的に大きな圧力損失が生じるという問題があった。
本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、その目的は、圧力損失の発生を抑止する流路構造及びガスタービン排気ディフューザを提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
すなわち、本発明に係る流路構造は、流路を形成する壁面から前記流路を流れる流体の主流に沿った主流方向と交差する方向に構造物が延出し、前記主流と交差する流路断面において前記構造物が前記流路のうち一部の範囲を占めることにより、前記主流方向に進むに従って前記流路の断面積が変化する流路構造であって、前記主流方向において前記構造物を含む範囲に亘って前記壁面に凹部が形成された凹部形成領域を有し、前記凹部は、周方向に向かって漸次深くなった後に漸次浅くなることを特徴とする。
この構成によれば、主流方向において構造物を含む凹部形成領域に亘って壁面に凹部が形成されているので、凹部を形成しない場合に比べて、凹部の分だけ流路の断面積が増加する。
つまり、主流方向における構造物が形成された範囲においては、構造物による断面積の減少分の少なくとも一部を、凹部による断面積の増加分で相殺することができる。これにより、断面積の変化が、凹部を形成しない場合に比べて穏やかなものとなるので、圧力損失の発生を抑止することができる。
さらに、主流方向における構造物の上流及び下流においては、凹部を形成しない場合に比べて、流路の断面積が増加することになるので、構造物の前縁及び後縁における圧力変化の影響を緩和することができる。
また、前記凹部は、前記主流方向における前記構造物の前縁から後縁までの長さをLとした場合に、前記前縁から上流側に距離0.4L離れた位置から、前記後縁から下流側に距離0.4L離れた位置までの範囲に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、凹部が、前縁から上流側に距離0.4L離れた位置から、後縁から下流側に距離0.4L離れた位置までの範囲に形成されているので、圧力損失を効果的に抑止することができる。
また、前記凹部は、前記前縁から上流側に距離0.2L離れた位置から、前記後縁から下流側に距離0.2L離れた位置までの範囲に形成されていることを特徴とする。
この構成によれば、凹部が、前縁から上流側に距離0.2L離れた位置から、後縁から下流側に距離0.2L離れた位置までの範囲に形成されているので、圧力損失をより効果的に抑止することができる。
また、本発明に係るガスタービン排気ディフューザは、上記のうちいずれかに記載の流路構造を有することを特徴とする。
この構成によれば、上記いずれかの流路構造を備えているので、ディフューザ性能を向上させることができ、結果的にガスタービンの性能・効率を向上させることができる。
本発明によれば、圧力損失の発生を抑止することができる。
本発明の実施形態に係るガスタービン1の概略構成を示す半断面図である。 本発明の実施形態に係るガスタービン1の要部拡大断面図であって、図1における要部Iを示している。 本発明の実施形態に係る排気ディフューザ10の要部拡大断面図であって、図2におけるII−II線断面図を示している。 本発明の実施形態に係る排気ディフューザ10の排気流路Pの断面積の変化を示す線グラフであって、横軸に主流方向の位置を、縦軸に排気流路Pの断面積を示している。 本発明の実施形態に係る排気ディフューザ10の排気流路Pの断面積の変化を示す線グラフであって、図4の要部IIIの拡大図である。 本発明の実施形態に係る排気ディフューザ10の効果説明図であって、横軸に凹部形成領域の開始・終了位置を、縦軸にディフューザ性能向上量を示している。 本発明の実施形態に係る排気ディフューザ10の変形例を示す要部拡大断面図であって、図3に相当する図である。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図1は、本発明の実施形態に係るガスタービン1の概略構成を示す半断面図である。
図1に示すように、ガスタービン1は、圧縮機2と燃焼器3とタービン4とで概略構成されており、圧縮機2の圧縮機ケーシング2aとタービン4のタービンケーシング4aとをローター5が挿通している。
圧縮機2は、圧縮機ケーシング2aの内周に環状に配列された圧縮機静翼2bからなる翼列と、ローター5の外周に環状に配列された圧縮機動翼2cからなる翼列とが、回転中心軸S方向に交互に重ねられており、これら翼列を通過するように圧縮流路が形成されている。これら圧縮機動翼2cからなる翼列と圧縮機静翼2bからなる翼列は、回転中心軸S方向に隣接する一対で組(段)をなす、多段構造となっている。
この圧縮機2は、内部に取り入れた空気Aを、圧縮流路の上流側から下流側に向けて断熱圧縮していく。
燃焼器3は、圧縮機2とタービン4との間に配設されており、圧縮機2で圧縮された高圧の空気Aに燃料を混合して燃焼させ、タービン4に燃焼ガスGを送っている。
タービン4は、タービンケーシング4aの内周に環状に配列されたタービン静翼4bからなる翼列と、ローター5の外周に環状に配列されたタービン動翼4cからなる翼列とが、回転中心軸S方向に交互に重ねられて多段に構成されており、これら翼列を通過するように燃焼ガス流路Rが形成されている。
このタービン4は、燃焼器3で発生した燃焼ガスGを膨張させながら下流に流すことで、ローター5を介して、燃焼ガスGの熱エネルギーを機械仕事の回転エネルギーに変換している。
ローター5は、上述したように、圧縮機ケーシング2aとタービンケーシング4aとを挿通していると共に、一端側が図示しない発電機に接続されており、タービン4で発生させた回転エネルギーを動力として発電機に供給する。
このような概略構成のガスタービン1は、タービンケーシング4aの最終段のタービン動翼4cの下流側に接続された排気ディフューザ10を備えている。
図2は、図1における要部Iを示す拡大断面図であり、図3は、図2におけるII−II線断面図を示している。
図2に示すように、排気ディフューザ10は、タービンケーシング4aに接続された排気ケーシング10aと、排気ケーシング10aの内部に設けられ、ローター5を軸支するジャーナル軸受7等を内部に収容する円筒状の保護ケーシング11と、排気ケーシング10aから保護ケーシング11の内部まで延びて周囲よりジャーナル軸受7を保持する複数のストラット(構造物)12と、これらストラット12よりも下流側に設けられ、ジャーナル軸受7等のメンテナンスのために設けられたマンホール(構造物)13とを備えている。
なお、この排気ディフューザ10は、回転中心軸S方向が、排気ガスEの主流に沿った主流方向となっている。
排気ケーシング10aは、主流方向において、タービン4が接続された上流側から下流側に向かうに従って、内周壁面(壁面)10bが次第に拡径するようになっている。
保護ケーシング11は、排気ディフューザ10と同軸に設けられており、主流方向において、タービン4が接続された上流側から下流側に向かって略同径に形成されている。
これら排気ケーシング10aと保護ケーシング11との間には、排気ケーシング10aの内周壁面10bと保護ケーシング11の外周壁面11bとで、円環状の排気流路Pが形成されている。この排気流路Pは、保護ケーシング11の外周壁面11bが略同径に形成されている一方で、排気ケーシング10aの内周壁面10bが下流側に進むに従って次第に拡径するために、主流方向の上流から下流側に進むに従って、主流方向に交差する断面積が次第に大きくなっている(図4参照)。
各ストラット12は、ジャーナル軸受7を保持するストラット本体12aと、このストラット本体12aを燃焼ガスGより被覆し、加熱より保護するストラットカバー12bとを備えている。ストラットカバー12bは、保護ケーシング11から排気ケーシング10aに向けて延びている。
マンホール13は、排気ケーシング10aの外部と保護ケーシング11の内部(収容空間)とを連通させている。
上記ストラットカバー12bとマンホール13とは、主流に交差する方向に延出しており、排気流路Pにおいて主流の抵抗を低減するために、断面形状が翼型(流線型)となっている。
このような排気ケーシング10aは、図2に示すように、上流凹部形成領域(凹部形成領域)20と下流凹部形成領域(凹部形成領域)30とを有している。
上流凹部形成領域20には、主流方向においてストラット12を含む範囲に亘って、排気ケーシング10aの内周壁面10bに形成された上流側内周凹部(凹部)21と、保護ケーシング11の外周壁面(壁面)11bに形成された上流側外周凹部(凹部)22とが形成されている。
これら上流凹部(上流側内周凹部21と上流側外周凹部22)は、図3に示すように、流路断面において内周壁面10bと外周壁面11bとのうち、それぞれストラット12が延出する位置が含まれる範囲に亘って形成されている。
これら上流凹部は、図2に示すように、主流方向の一方から他方に向かって漸次深くなった後に、漸次浅くなっている。また、図3に示すように、周方向の一方から他方に向かって漸次深くなった後に漸次浅くなっている。
また、これら上流凹部は、ストラット12の主流方向の長さをL1とした場合に、主流方向に延在する位置が以下のように設定されている。すなわち、主流方向において、ストラット12の最上流に位置するストラット前縁12cから上流側に0.2L1離れた位置から、ストラット12の最下流に位置するストラット後縁12dから下流側に0.2L1離れた位置まで、延在している。
下流凹部形成領域30には、図2に示すように、主流方向においてマンホール13を含む範囲に亘って、内周壁面10bに形成された下流側内周凹部(凹部)31と、外周壁面11bに形成された下流側外周凹部(凹部)32とが形成されている。
これら下流凹部(下流側内周凹部31及び下流側外周凹部32)は、流路断面において、それぞれマンホール13が延出する位置が含まれる範囲に亘って形成されている(図3参照)。
また、これら下流凹部は、図2に示すように、主流方向に向かって漸次深くなった後に、漸次浅くなっており、図3に示すように、周方向に向かって漸次深くなった後に漸次浅くなっている。
これら下流凹部は、マンホール13の主流方向の長さをL2とした場合に、主流方向において、マンホール13の最上流に位置するマンホール前縁13cから上流側に0.2L2離れた位置から、マンホール13の最下流に位置するマンホール後縁13dから下流側に0.2L2離れた位置まで、延在している。
図4は、排気ディフューザ10の排気流路Pの断面積の変化を示す線グラフであり、図5は、図4の要部IIIの拡大図である。なお、図4においては、横軸に主流方向の位置を、縦軸に排気流路Pの断面積を示している。また、図4及び図5においては、実線で示した軌跡が排気流路Pを示しており、破線で示した軌跡が上流凹部形成領域20及び下流凹部形成領域30並びにストラット12及びマンホール13がないと仮定した場合における第一仮定流路PXの断面積の変化を示しており、一点鎖線で示した軌跡が上流凹部形成領域20及び下流凹部形成領域30がないと仮定した場合における第二仮定流路PYの断面積の変化を示している。
図4に示すように、上流凹部と下流凹部とは、排気流路Pの断面積の変化の軌跡の中央部分が、第一仮定流路PXと第二仮定流路PYとの間に位置するように、その深さが形成されている。より正確には、図5に示すように、ストラット前縁12cとストラット後縁12dとの間、及び、マンホール前縁13cとマンホール後縁13dとの間において、排気流路Pの断面積の変化の軌跡が、第一仮定流路PXと第二仮定流路PYとの間に位置するように、形成されている。
図4に示すように、排気流路Pの断面積の変化は、以下のようになる。
まず、排気流路Pは、排気ガスEの流入部から下流側に進むに従ってタービン4の内周壁面10bの拡径によって断面積が大きくなる。その後、上流凹部形成領域20に到達すると、上流凹部による断面積の増加分が内周壁面10bの拡径による断面積の増加分に加わり、断面積の増加率が大きくなる。次に、ストラット前縁12cに到達すると、ストラット12が排気流路Pに占めることによる断面積の減少分が、上流凹部と内周壁面10bの拡径とによる断面積の増加分を上回って、断面積の増加率がマイナスに転じる。そして、排気流路Pの断面積がストラット12の主流方向の中間付近の位置まで減少した後に、上記と反対の軌跡を描いて、断面積が増加する。ストラット後縁12dに到達すると内周壁面10bの拡径による断面積の増加分を上流凹部の断面積の減少分が上回って排気流路Pの断面積が穏やかに減少し、その後、再び内周壁面10bの拡径による断面積の増加だけの軌跡となる。
下流凹部形成領域30の場合も同様である。
続いて、上記構成からなる排気ディフューザ10の作用について説明する。
図2に示すように、最終段のタービン動翼4cを通過した燃焼ガスGは、排気流路Pに流入する。この排気流路Pは、下流側に進むに従って漸次拡径しているために、排気ガスEの動圧が静圧に変換される。
上流凹部形成領域20の最上流側に到達した排気ガスEは、下流側のストラット12に向けて流れていく。この際、ストラット前縁12cの主流方向の上流側には、排気ガスEの衝突により、ストラット前縁12cに向かうほど圧力が漸次高くなる圧力分布が形成されているが、上流側内周凹部21と上流側外周凹部22とによる排気流路Pの断面積の増加によって、圧力勾配が比較的に緩やかなものとなる。
排気ガスEが、ストラット前縁12cに到達すると、排気流路Pの断面中にストラット12が占めることとなるために、排気流路Pの断面積が減少する。排気流路Pの断面積は、主流方向の中央付近、換言すれば、翼型断面形状としたストラット12の翼厚が最大となる位置において減少分が最も大きくなり、その後は、緩やかに増加する。
これらの際、図4及び図5に示すように、排気流路Pの断面積の減少分を上流側外周凹部22及び上流側内周凹部21の断面積の増加分が相殺し、第二仮定流路PYに比べて、排気流路Pの断面積の変化が穏やかなものとなる。このため、排気ガスEの圧力変動が比較的に穏やかなものとなり、排気ガスEに生じる圧力損失が比較的に小さなものとなる。
排気ガスEが、ストラット後縁12dから下流側に流れ出ると、内周壁面10bの拡径による断面積の増加分を上流側内周凹部21と上流側外周凹部22との断面積の減少分が上回って排気流路Pの断面積が穏やかに減少した後に、内周壁面10bの拡径によって増加する。この際においても、排気流路Pの断面積が比較的に穏やかに変化する。このために、排気ガスEの圧力変動が比較的に穏やかなものとなり、排気ガスEに生じる圧力損失が比較的に小さなものとなる。
同様に、排気ガスEがマンホール13(下流凹部形成領域30)を通過する際にも、ストラット12(上流凹部形成領域20)を通過する際と同様の作用により、発生する圧力損失が比較的に小さくなる。
以上説明したように、本発明の実施形態に係る排気ディフューザ10によれば、主流方向においてストラット12を含む上流凹部形成領域20に亘って内周壁面10bに上流側内周凹部21が、外周壁面11bに上流側外周凹部22が形成されているので、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22を形成しない第二仮定流路PYと比べて、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22の分だけ排気流路Pの断面積が増加する。
つまり、ストラット12による断面積の減少分の少なくとも一部を、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22による断面積の増加分で相殺することができる。これにより、排気流路Pの断面積の変化が、第二仮定流路PYに比べて穏やかなものとなるので、排気ガスEの圧力損失の発生を抑止することができる。
さらに、主流方向におけるストラット12の上流及び下流においては、第二仮定流路PYに比べて、排気流路Pの断面積が増加することになるので、ストラット前縁12c及びストラット後縁12dにおける圧力変化の影響を緩和することができる。
上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22が、流路断面においてストラット12が延出する位置が含まれるように形成されているので、流路断面のうちストラット12が含まれる部分的な領域の断面積を大きくすることができる。これにより、流路断面において上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22を、ストラット12から周方向に離間した位置に形成した場合に比べて、ストラット12に衝突した流体を速やかに上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22に逃がすことができるので、効果的に圧力損失を低下させることができる。
さらに、主流方向におけるストラット前縁12cの上流及びストラット後縁12dの下流においては、第二仮定流路PYを形成しない場合に比べて、部分的に流路の断面積が増加することになるので、ストラット前縁12c及びストラット後縁12dにおける圧力変化の影響を大幅に緩和することができる。
また、主流方向においてストラット12が延出する範囲での排気流路Pの断面積の変化の軌跡の中央の一部が、第一仮定流路PXの断面積の変化の軌跡と、第二仮定流路PYの断面積の変化の軌跡との間になるように、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22が形成されているので、排気流路Pの断面積の変化が、第一仮定流路PXの断面積の変化に近似したものとなり、圧力損失を効果的に抑止することができる。
また、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22が、ストラット前縁12cから上流側に距離0.2L離れた位置から、ストラット後縁12dから下流側に距離0.2L離れた位置までの範囲に形成されているので、圧力損失をより効果的に抑止することができる。
図6は、凹部形成領域とディフューザ性能向上量との相関図である。図6においては、上流凹部形成領域20の上流側の開始位置及び下流側の終了位置を変化させてディフューザ性能向上量を確認した結果を示している。
図6に示すように、上流凹部形成領域20の上流側の開始位置及び下流側の終了位置を、大きくしていくと、緩やかに増加して、0.2L1付近で最も高くなる。そして、その後緩やかに低下し、0.4L1付近からディフューザ性能向上量が低下していく。
このように、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22を、ストラット前縁12cから上流側に距離0.2L1離れた位置から、ストラット後縁12dから下流側に距離0.2L1離れた位置までの範囲に形成したので、ディフューザ性能を大幅に向上させることができ、ガスタービンの性能・効率を向上させることができる。
下流凹部形成領域30が位置するマンホール13においても、下流側内周凹部31及び下流側外周凹部32によって、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22と同様の作用効果を奏するので、圧力損失を効果的に抑止することができる。
なお、上述した実施の形態において示した動作手順、あるいは各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
例えば、上述した実施の形態では、上流凹部(上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22)及び下流凹部(下流側内周凹部31及び下流側外周凹部32)を設ける構成としたが、上流凹部と下流凹部とのうちいずれか一方だけを設けてもよいし、内周壁面10bと外周壁面11bとのうちいずれか一方だけに凹部形成領域を設けてもよい。
また、上述した実施の形態では、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22を、ストラット前縁12cから上流側に距離0.2L1離れた位置から、ストラット後縁12dから下流側に距離0.2L1離れた位置までの範囲に形成したが、図6に示すように、距離0.4L1離れた位置までの範囲であれば、良好なディフューザ性能向上量が認められる。従って、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22を、ストラット前縁12cから上流側に距離0.4L1離れた位置から、ストラット後縁12dから下流側に距離0.4L1離れた位置までの範囲に形成してもよい。下流側内周凹部31と下流側外周凹部32とについても同様である。
また、上述した実施の形態では、流路断面においてストラット12が延出する位置を含むように上流側内周凹部21と上流側外周凹部22とを、マンホール13が延出する位置を含むように下流側内周凹部31及び下流側外周凹部32をそれぞれ形成する構成としたが、図7に示すように、流路断面において、ストラット12やマンホール13を含まない範囲に凹部40を少なくとも一つ以上形成してもよい。
この凹部40は、図7に示すように、外周壁面11bのみに設ける構成としてもよいし、内周壁面10bのみに、又は、双方に設ける構成としてもよい。
また、上流凹部形成領域20において、上流側内周凹部21及び上流側外周凹部22に代えて凹部40のみを設ける構成にしてもよい。同様に、下流凹部形成領域30において、下流側内周凹部31及び下流側外周凹部32に代えて凹部40のみを設ける構成にしてもよい。
また、上述した実施の形態では、ガスタービン1の排気ディフューザ10に本発明に係る流路構造を適用した場合を説明したが、ガスタービン1の他の部位(例えば、圧縮機の空気Aの吸込流路等)や、他の流体機械に本発明に係る流路構造を適用してもよい。
1…ガスタービン10…排気ディフューザ10b…内周壁面(壁面)11b…外周壁面(壁面)12…ストラット(構造物)12c…ストラット前縁(前縁)12d…ストラット後縁(後縁)13…マンホール(構造物)13c…マンホール前縁(前縁)13d…マンホール後縁(後縁)20…上流凹部形成領域(凹部形成領域)21…上流側内周凹部(凹部)22…上流側外周凹部(凹部)30…下流凹部形成領域(凹部形成領域)31…下流側内周凹部(凹部)32…下流側外周凹部(凹部)40…凹部E…排気ガス(流体)P…排気流路

Claims (4)

  1. 流路を形成する壁面から前記流路を流れる流体の主流に沿った主流方向と交差する方向に構造物が延出し、前記主流と交差する流路断面において前記構造物が前記流路のうち一部の範囲を占めることにより、前記主流方向に進むに従って前記流路の断面積が変化する流路構造であって、
    記主流方向において前記構造物を含む範囲に亘って前記壁面に凹部が形成された凹部形成領域を有し
    前記凹部は、周方向に向かって漸次深くなった後に漸次浅くなることを特徴とする流路構造。
  2. 前記凹部は、前記主流方向における前記構造物の前縁から後縁までの長さをLとした場合に、前記前縁から上流側に距離0.4L離れた位置から、前記後縁から下流側に距離0.4L離れた位置までの範囲に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の流路構造。
  3. 前記凹部は、前記前縁から上流側に距離0.2L離れた位置から、前記後縁から下流側に距離0.2L離れた位置までの範囲に形成されていることを特徴とする請求項2に記載の流路構造。
  4. 請求項1から3のうちいずれか一項に記載の流路構造を有することを特徴とするガスタービン排気ディフューザ。
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