JP2017048683A - 排気ディフューザ - Google Patents

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Abstract

【課題】管状ストラットを含んでいても、管状ストラットに起因する圧力損失を小さくすることができる排気ディフューザを提供する。【解決手段】排気ディフューザは、内筒と、内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、内筒と外筒とを連結する少なくとも1つの管状ストラットと、を備え、外筒は、管状ストラットよりも前方に前側円錐部を有するとともに、前側円錐部よりも大きな傾斜角度で管状ストラットよりも前方から広がり始める外側フレア部を有しており、内筒は、前側円錐部および外側フレア部と対向する前側ストレート部を有するとともに、管状ストラットの最大幅部分と後縁の間から広がり始める内側フレア部を有している。【選択図】図2

Description

本発明は、排気ディフューザに関する。
従来から、タービンの下流には、タービンからの排気の動圧を静圧に変換する排気ディフューザが配置されている。例えば、特許文献1には、ガスタービンエンジンに組み込まれた排気ディフューザが開示されている。
特許文献1に開示された排気ディフューザでは、内筒と外筒とが複数のストラットによって連結されている。内筒と外筒の間には、前方から後方に向かって広がる排気流路が形成されている。ストラットは、互いに同一の板状をなしており、同一円周上に等角度ピッチで配置されている。
特開2014−77441号公報
ところで、複数のストラットのうちのいくつかを管状にし、その内部に配管などを通すことも行われている。しかしながら、このようにストラットのうちのいくつかを管状にして太くした場合には、ストラットが存する領域で圧力損失が大きくなる。
そこで、本発明は、管状ストラットを含んでいても、管状ストラットに起因する圧力損失を小さくすることができる排気ディフューザを提供することを目的とする。
前記課題を解決するために、本発明の1つの側面からの排気ディフューザは、内筒と、前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも1つの管状ストラットと、を備え、前記外筒は、前記管状ストラットよりも前方に前側円錐部を有するとともに、前記前側円錐部よりも大きな傾斜角度で前記管状ストラットよりも前方から広がり始める外側フレア部を有しており、前記内筒は、前記前側円錐部および前記外側フレア部と対向する前側ストレート部を有するとともに、前記管状ストラットの最大幅部分と後縁の間から広がり始める内側フレア部を有している、ことを特徴とする。
ここで、「前方」および「後方」とは、それぞれ排気ディフューザの軸方向の一方(排気の流れの上流側)および他方(排気の流れの下流側)をいう。
上記の構成によれば、管状ストラットの前方で外側フレア部により排気流路が拡大されるため、排気流路を流れる排気は十分に減速された後に管状ストラット間に流入する。従って、管状ストラットの前縁近傍での圧力損失を小さくすることができる。一方、内側フレア部がない場合には、管状ストラットの最大幅部分よりも後方では、管状ストラットの占有面積の減少により、排気流路の断面積が急激に増加する。これに対し、内側フレア部があれば、内側フレア部によってそのような排気流路の断面積の急激な増加を緩和することができる。これにより、管状ストラットの後縁近傍でも圧力損失を小さくすることができる。
前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されていてもよい。この構成によれば、中型および小型のガスタービンエンジンに適した排気ディフューザを実現できる。
前記外筒は、前記外側フレア部の後端から前記管状ストラットの最大幅部分を超えて後方に延びる外側ストレート部と、前記外側ストレート部の後端から拡径する後側円錐部を有し、前記内筒は、前記内側フレア部の後端から後方に延びる後側ストレート部を有してもよい。この構成によれば、外筒に排気流路から径方向外向きに窪む凹部が形成されず、かつ、内筒に排気流路から径方向内向きに窪む凹部が形成されないため、外筒の一部および内筒の一部を管状ストラットと共に鋳造により製造する際に、鋳型の分割数を少なくすることができる。
上記の排気ディフューザは、前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも1つの扁平ストラットをさらに備えてもよい。この構成によれば、配管などが無い箇所では細いストラットを採用することができ、排気流路の断面積を大きく確保することができる。これにより、全てのストラットを管状ストラットとしたときと比べて、圧力損失を小さくすることができる。
前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置していてもよい。この構成によれば、排気流路の断面積が、扁平ストラットによって小さく減少された後に管状ストラットによって大きく減少されるため、排気流路の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラットの前縁と扁平ストラットの前縁が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。
前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置していてもよい。この構成によれば、排気流路を流れる排気が扁平ストラットの後縁近傍で合流した後に管状ストラットの後縁近傍で合流する。これにより、流れを安定化させることができる。
また、本発明の他の側面からの排気ディフューザは、内筒と、前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも1つの管状ストラットと、前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも1つの扁平ストラットと、を備え、前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置している、ことを特徴とする。
上記の構成によれば、排気流路の断面積が、扁平ストラットによって小さく減少された後に管状ストラットによって大きく減少されるため、排気流路の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラットの前縁と扁平ストラットの前縁が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。
上記の他の側面からの排気ディフューザにおいて、前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置していてもよい。この構成によれば、排気流路を流れる排気が扁平ストラットの後縁近傍で合流した後に管状ストラットの後縁近傍で合流する。これにより、流れを安定化させることができる。
上記の他の側面からの排気ディフューザにおいて、前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されていてもよい。この構成によれば、中型および小型のガスタービンエンジンに適した排気ディフューザを実現できる。
本発明によれば、管状ストラットを含んでいても、管状ストラットに起因する圧力損失を小さくすることができる。
本発明の一実施形態に係る排気ディフューザが組み込まれたガスタービンエンジンの概略構成図である。 排気ディフューザの断面図である。 図2のIII−III線に沿った断面図である。 図3のIV−IV線に沿った断面図である。
図1に、本発明の一実施形態に係る排気ディフューザ2が組み込まれたガスタービンエンジン1を示す。以下では、排気ディフューザ2の軸方向(本実施形態では水平方向)の一方(排気の流れの上流側)を前方、他方(排気の流れの下流側)を後方という。
ガスタービンエンジン1は、圧縮機11、燃焼室12およびタービン13を含む。排気ディフューザ2は、タービン13の下流に配置されている。また、ガスタービンエンジン1は、圧縮機11およびタービン13を貫通するロータ14を含む。ロータ14の前端部には、発電機15が接続されている。
図2および図3に示すように、排気ディフューザ2は、内筒3および外筒4を含む。内筒3と外筒4との間には、前方から後方に向かって広がる排気流路21が形成されている。本実施形態では、内筒3と外筒4とが、排気ディフューザ2の径方向に延びる複数(図例では2つ)の管状ストラット5および複数(図例では4つ)の扁平ストラット6によって互いに連結されている。ただし、管状ストラット5および扁平ストラット6のそれぞれは少なくとも1つあればよく、管状ストラット5の数および扁平ストラット6の数は適宜決定可能である。
管状ストラット5および扁平ストラット6は、排気ディフューザ2の周方向に並んでいる。各扁平ストラット6は、排気ディフューザ2の径方向に平行である。ただし、各扁平ストラット6は、排気ディフューザ2の径方向に対して傾斜していてもよい。本実施形態では、内筒3の上方および下方に2つの管状ストラット5が配置され、内筒3の右方および左方に扁平ストラット6が2つずつ配置されている。
本実施形態の排気ディフューザ2は、中型および小型のガスタービンエンジンに適したものである。このため、外筒4の一部および内筒3の一部は、鋳造により管状ストラット5および扁平ストラット6と一体的に形成されている。
より詳しくは、外筒4は前方ピース4Aと後方ピース4Bとに分割されており、内筒3は前方ピース3Aと後方ピース3Bとに分割されている。そして、外筒4の前方ピース4Aおよび内筒3の前方ピース3Aが、鋳造により管状ストラット5および扁平ストラット6と一体的に形成されている。外筒4の後方ピース4Bおよび内筒3の後方ピース3Bのそれぞれは、例えば板金加工によって製造される。
また、本実施形態では、扁平ストラット6が管状ストラット5よりも前方に突出している。換言すれば、扁平ストラット6は、排気ディフューザ2の軸方向において、管状ストラット5と部分的に重なり合っている。
より詳しくは、図4に示すように、各管状ストラット5の断面形状は後方に向かって尖る水滴状であり、最大幅部分55から前方が半円状、最大幅部分55から後方が略V字状である。ここで、「幅」とは、排気ディフューザ2の周方向における管状ストラット5の厚さをいう。外筒4の前方ピース4Aおよび内筒3の前方ピース3Aには、管状ストラット5の内部空間と同形状の開口45,35(図2,3参照)がそれぞれ設けられている。
扁平ストラット6の前縁61は、管状ストラット5の前縁51よりも距離Aだけ前方に位置している。また、扁平ストラット6の後縁62は、管状ストラット5の後縁52よりも距離Bだけ前方に位置している。ただし、扁平ストラット6の後縁62は、管状ストラット5の最大幅部分55よりも後方に位置している。ここで、「前縁」および「後縁」とは、管状ストラット5および扁平ストラット6のそれぞれにおける断面形状が一定の部分の直線状の縁をいう。
図2に戻って、外筒4は、前方から順に、前側円錐部41、外側フレア部42、外側ストレート部43および後側円錐部44を有している。これの部位41〜44は連続した内向き壁面を構成している。つまり、前側円錐部41の前端が外筒4の前端であり、後側円錐部44の後端が外筒4の後端であるとともに、隣り合う部位の後端と前端とが互いに接続されている。前側円錐部41、外側フレア部42および外側ストレート部43は前方ピース4Aの構成要素であり、後側円錐部44は後方ピース4Bの構成要素である。
前側円錐部41は、管状ストラット5および扁平ストラット6よりも前方に位置している。前側円錐部41は、比較的に緩やかな傾斜角度で後方に向かって拡径している。
外側フレア部42は、前側円錐部41よりも大きな傾斜角度で、管状ストラット5および扁平ストラット6よりも前方から広がり始めている。本実施形態では、外側フレア部42の後端が管状ストラット5の前縁51よりも後方に位置している。ただし、外側フレア部42の後端は、管状ストラット5の前縁51と同じ位置に位置していてもよいし、管状ストラット5の前縁51よりも前方に位置していてもよい。
例えば、外側フレア部42は、管状ストラット5の前縁51の近傍での管状ストラット5に起因する排気流路21の断面積の減少(場合によっては、扁平ストラット6の前縁61の近傍での扁平ストラット6に起因する排気流路21の断面積の減少も)を打ち消す(必ずしもゼロにする必要はない)ように外筒4を拡径する。
外側ストレート部43は、外側フレア部42の後端から管状ストラット5の最大幅部分55を超えて後方に延びている。本実施形態では、外側ストレート部43の後端が管状ストラット5の後縁52よりも後方に位置している。ただし、外側ストレート部43の後端は、管状ストラット5の後縁52と同じ位置に位置していてもよいし、管状ストラット5の後縁52よりも前方に位置していてもよい。
後側円錐部44は、外側ストレート部43の後端から後方に向かって拡径している。後側円錐部44の傾斜角度は、前側円錐部41の傾斜角度と同じであってもよいし異なっていてもよい。
一方、内筒3は、前方から順に、前側ストレート部31、内側フレア部32および後側ストレート部33を有している。これの部位31〜33は連続した外向き壁面を構成している。つまり、前側ストレート部31の前端が内筒3の前端であり、後側ストレート部33の後端が内筒3の後端であるとともに、隣り合う部位の後端と前端とが互いに接続されている。前側ストレート部31および内側フレア部32は前方ピース3Aの構成要素であり、後側ストレート部33は後方ピース3Bの構成要素である。
前側ストレート部31は、内筒3の前端から、管状ストラット5の最大幅部分55を超えて後方に延びている。このため、前側ストレート部31は、外筒4の前側円錐部41および外側フレア部42の全体と対向しているとともに、外側ストレート部43の一部とも対向している。
内側フレア部32は、管状ストラット5の最大幅部分55と後縁52の間から広がり始めている。内側フレア部32の後端は、管状ストラット5の後縁52よりも後方に位置している。
例えば、内側フレア部32は、管状ストラット5の後縁52の近傍での管状ストラット5に起因する排気流路21の断面積の増加(場合によっては、扁平ストラット6の後縁62の近傍での扁平ストラット6に起因する排気流路21の断面積の増加も)を打ち消す(必ずしもゼロにする必要はない)ように内筒3を拡径する。
後側ストレート部33は、内側フレア部32の後端から後方に延びており、外筒4の後側円錐部44と対向している。
以上説明したように、本実施形態の排気ディフューザ2では、管状ストラット5の前方で外側フレア部42により排気流路21が拡大されるため、排気流路21を流れる排気は十分に減速された後に管状ストラット5間に流入する。従って、管状ストラット5の前縁51近傍での圧力損失を小さくすることができる。一方、内側フレア部32がない場合には、管状ストラット5の最大幅部分55よりも後方では、管状ストラット5の占有面積の減少により、排気流路21の断面積が急激に増加する。これに対し、内側フレア部32があれば、内側フレア部32によってそのような排気流路21の断面積の急激な増加を緩和することができる。これにより、管状ストラット5の後縁52近傍でも圧力損失を小さくすることができる。
さらに、本実施形態では、扁平ストラット6の前縁61が管状ストラット5の前縁51よりも前方に位置しているので、排気流路21の断面積が、扁平ストラット5によって小さく減少された後に管状ストラット5によって大きく減少される。このため、排気流路21の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラット5の前縁51と扁平ストラット6の前縁61が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。
また、扁平ストラット6の後縁62は管状ストラット5の後縁52よりも前方に位置しているので、排気流路21を流れる排気が扁平ストラット6の後縁62近傍で合流した後に管状ストラット5の後縁52近傍で合流する。これにより、流れを安定化させることができる。
さらに、本実施形態では、外筒4に排気流路21から径方向外向きに窪む凹部が形成されず、かつ、内筒3に排気流路から径方向内向きに窪む凹部が形成されない。このため、外筒4の前方ピース4Aおよび内筒3の前方ピース3Aを管状ストラット5および扁平ストラット6と共に鋳造により製造する際に、鋳型(例えば、木型)の分割数を少なくすることができる。
(変形例)
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
例えば、排気ディフューザ2は、必ずしもガスタービンエンジン1に組み込まれる必要はなく、例えば蒸気タービンの下流に配置されてもよい。
また、排気ディフューザ2の軸方向において、扁平ストラット6は必ずしも管状ストラット5と部分的に重なり合う必要はなく、扁平ストラット6は管状ストラット5と全体的に重なり合ってもよい。
さらに、扁平ストラット6は必ずしも必要ではなく、複数の管状ストラット5のみが設けられてもよい。ただし、前記実施形態のように、少なくとも1つの管状ストラット5と少なくとも1つの扁平ストラット6が設けられていれば、配管などが無い箇所では細いストラットを採用することができ、排気流路21の断面積を大きく確保することができる。これにより、全てのストラットを管状ストラット5としたときと比べて、圧力損失を小さくすることができる。
また、外側フレア部42の前端は、扁平ストラット6の前縁61よりも後方に位置していてもよい。ただし、前記実施形態のように、外側フレア部42の前端が扁平ストラット6の前縁61よりも前方に位置していれば、扁平ストラット6間に流入する排気の速度を低減させることができる。
また、扁平ストラット6の後縁62は、必ずしも管状ストラット5の後縁52よりも前方に位置している必要はなく、管状ストラット5の後縁52と同じ位置または管状ストラット5の後縁52よりも後方に位置していてもよい。
また、図示は省略するが、外筒4の外側ストレート部43の代わりに、後側円錐部44と同じ傾斜角度の中間円錐部が設けられてもよい。さらに、内筒3の後側ストレート部33に代えて、内側フレア部32の後端から縮径する円錐部が採用されるとともに、外筒4の後側円錐部44に代えて、ストレート部が採用されてもよい。
また、外筒4の前方ピース4Aおよび内筒3の前方ピース3Aのそれぞれは、板金加工により製造されてもよい。さらに、外筒4および内筒3のそれぞれは、単一の部材であってもよい。
ところで、前記実施形態の管状ストラット5と扁平ストラット6との位置関係に着目すれば、外筒4が外側フレア部42を有さず、かつ、内筒3が内側フレア部32を有さなくてもよい。すなわち、前記実施形態では、扁平ストラット6の前縁61が管状ストラット5の前縁51よりも前方に位置しているので、排気流路21の断面積が、扁平ストラット5によって小さく減少された後に管状ストラット5によって大きく減少される。このため、排気流路21の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラット5の前縁51と扁平ストラット6の前縁61が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。このように前記実施形態の管状ストラット5と扁平ストラット6との位置関係に着目した場合には、内筒3および外筒4は、それらの間に形成される排気流路21が前方から後方に向かって広がる限りどのような形状であってもよい。
また、前記実施形態の管状ストラット5と扁平ストラット6との位置関係に着目した場合でも、扁平ストラット6の後縁62は、必ずしも管状ストラット5の後縁52よりも前方に位置している必要はなく、管状ストラット5の後縁52と同じ位置または管状ストラット5の後縁52よりも後方に位置していてもよい。さらに、外筒4および内筒3のそれぞれは、全体が板金加工で製造されてもよいし、単一の部材であってもよい。
2 排気ディフューザ
21 排気流路
3 内筒
31 前側ストレート部
32 内側フレア部
33 後側ストレート部
4 外筒
41 前側円錐部
42 外側フレア部
43 外側ストレート部
44 後側円錐部
5 管状ストラット
51 前縁
52 後縁
55 最大幅部分
6 扁平ストラット
61 前縁
62 後縁

Claims (9)

  1. 内筒と、
    前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、
    前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも1つの管状ストラットと、を備え、
    前記外筒は、前記管状ストラットよりも前方に前側円錐部を有するとともに、前記前側円錐部よりも大きな傾斜角度で前記管状ストラットよりも前方から広がり始める外側フレア部を有しており、
    前記内筒は、前記前側円錐部および前記外側フレア部と対向する前側ストレート部を有するとともに、前記管状ストラットの最大幅部分と後縁の間から広がり始める内側フレア部を有している、排気ディフューザ。
  2. 前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されている、請求項1に記載の排気ディフューザ。
  3. 前記外筒は、前記外側フレア部の後端から前記管状ストラットの最大幅部分を超えて後方に延びる外側ストレート部と、前記外側ストレート部の後端から拡径する後側円錐部を有し、
    前記内筒は、前記内側フレア部の後端から後方に延びる後側ストレート部を有する、請求項1または2に記載の排気ディフューザ。
  4. 前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも1つの扁平ストラットをさらに備える、請求項1〜3のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
  5. 前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、
    前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置している、請求項4に記載の排気ディフューザ。
  6. 前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置している、請求項5に記載の排気ディフューザ。
  7. 内筒と、
    前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、
    前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも1つの管状ストラットと、
    前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも1つの扁平ストラットと、を備え、
    前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、
    前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置している、排気ディフューザ。
  8. 前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置している、請求項7に記載の排気ディフューザ。
  9. 前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されている、請求項7または8に記載の排気ディフューザ。
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