JP2018096325A - 圧縮機ディフューザ及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮機から燃焼器の燃焼筒に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することのできる圧縮機ディフューザを提供する。【解決手段】圧縮機ディフューザは、圧縮機の出口と燃焼器の燃焼筒との間に配置され、圧縮空気の少なくとも一部を燃焼器へと流入させるように構成されたディフューザ外壁と、ディフューザ外壁の内側に配置され、ディフューザ外壁との間に区画される拡大流路の断面積の拡大を制限するディフューザ内壁と、ディフューザ内壁の外表面に開口し、拡大流路とディフューザ内壁の内部に区画された内部流路とを連通する、少なくとも１つの埋め込み型ダクトと、を備え、ディフューザ外壁は、圧縮機側に回転軸を中心とする扇形状の開口を有し、埋め込み型ダクトの開口の幅及び深さは、圧縮機側から燃焼筒側に向けて徐々に大きくなっている。【選択図】 図２

Description

本開示は、圧縮機ディフューザ及びガスタービンに関する。

一般的なガスタービンは、圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機で生成された圧縮空気を用いて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスによって回転駆動するタービンと、を備えている。また、上記ガスタービンにあっては、圧縮機により圧縮された圧縮空気を、回転軸の周りに形成された車室を介し、燃焼器において回転軸の周りに複数配置された各燃焼筒に供給している。また、圧縮機の出口側には、一般に、圧縮空気の動圧を静圧に変換するためのディフューザ（圧縮機ディフューザ）が設けられている。このディフューザは、車室側に向かって流路断面積が徐々に拡大するように形成され、車室に流れ込む圧縮空気の動圧を静圧に変換している（例えば、特許文献１参照）。
特許文献２には、ターボファンガスタービンエンジンのバイパス流路にＮＡＣＡダクトを採用した例が開示されている。ＮＡＣＡダクトは、バイパス流路を流れるファンエアの一部を、エンジンケースの冷却空気として第１高圧室に向かわせる。なお、ＮＡＣＡは、アメリカ航空諮問委員会の略である。

特開２０１４−１８５５３９号公報 米国特許第９，０４５，９９８号明細書

特許文献１に示されるようなガスタービンにあっては、圧縮機で生成された圧縮空気がディフューザから回転軸に沿ってタービン側に向けて車室に流れ込むが、その後に車室内で圧縮機側に向けて反転し、さらに燃焼器入口で反転して燃焼筒内に供給される。このように、圧縮空気は、車室内で反転しながら燃焼筒に供給され、反転する度に圧力損失が増大する。また、特許文献１に示されるようなガスタービンにあっては、圧縮機で生成された圧縮空気が車室内で急拡大されるため圧力損失が増大する。このため、主にタービンを回転駆動する効率や圧縮空気による冷却の効率が低下し、ひいてはガスタービン全体の効率を低下させることになる。
一方、特許文献２には、高圧圧縮機から吐出された高温高圧の空気を如何にして燃焼器に導くかという点について具体的な記載はない。

上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、圧縮機から燃焼器の燃焼筒に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することのできる圧縮機ディフューザ及びガスタービンを提供することを目的とする。

（１）本発明の少なくとも一実施形態に係る圧縮機ディフューザは、
回転軸の回転を利用して圧縮空気を生成可能な圧縮機と、前記回転軸の周りに配置され、前記圧縮空気を利用して燃焼ガスを生成可能な複数の燃焼器の各々との間に配置される圧縮機ディフューザにおいて、
前記圧縮機の出口と前記燃焼器の燃焼筒との間に配置され、前記圧縮空気の少なくとも一部を前記燃焼器へと流入させるように構成されたディフューザ外壁と、
前記ディフューザ外壁の内側に配置され、前記ディフューザ外壁との間に区画される拡大流路の断面積の拡大を制限するディフューザ内壁と、
前記ディフューザ内壁の外表面に開口し、前記拡大流路と前記ディフューザ内壁の内部に区画された内部流路とを連通する、少なくとも１つの埋め込み型ダクトと、
を備え、
前記ディフューザ外壁は、前記圧縮機側に前記回転軸を中心とする扇形状の開口を有し、
前記埋め込み型ダクトの開口の幅及び深さは、前記圧縮機側から前記燃焼筒側に向けて徐々に大きくなっている。

上記（１）の構成によれば、扇形状の開口からディフューザ外壁とディフューザ内壁との間に区画された拡大流路に流入させた圧縮空気が燃焼器の燃焼筒に供給される。この際、ディフューザ内壁によって、拡大流路の流路面積の変化が抑制されているので、拡大流路における圧縮空気の流れの圧力損失を低減することができる。
また、拡大流路に流入させた圧縮空気の一部が埋め込み型ダクトを通り、ディフューザ内壁の内部に区画された内部流路に供給され、それから燃焼器に供給される。埋め込み型ダクトの開口の幅及び深さは、圧縮機側から燃焼筒側に向けて徐々に大きくなっているので、埋め込み型ダクトを通じて拡大流路の圧縮空気の一部を抽気しても拡大流路における圧縮空気の流れが乱れることが防止される。
更に、埋め込み型ダクトの開口の幅及び深さは、圧縮機側から燃焼筒側に向けて徐々に大きくなっているので、内部流路に対し圧縮空気を円滑に供給することができる。
これらの結果、圧縮機から燃焼器の燃焼筒に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することができる。

（２）幾つかの実施形態では、上記（１）の構成において、
前記埋め込み型ダクトの開口の後縁は、厚さ方向中央部が前記圧縮機に向かって突出する凸形状を有する。
上記（２）の構成によれば、埋め込み型ダクトの開口の後縁は、厚さ方向中央部が圧縮機に向かって突出する凸形状を有するので、拡大流路における圧縮空気の流れに乱れが発生することが抑制されるとともに、拡大流路に流入させた圧縮空気の一部が内部流路に円滑に供給される。この結果、圧縮機から燃焼筒に供給される圧縮空気の圧力損失をさらに低減することができる。

（３）幾つかの実施形態では、上記（１）又は（２）の構成において、
前記少なくとも１つの埋め込み型ダクトは、前記ディフューザ内壁の外周にて周方向に設置された複数の埋め込み型ダクトを含む。
上記（３）の構成によれば、埋め込み型ダクトは、ディフューザ内壁の外周にて周方向に複数設置されるので、拡大流路に流入させた圧縮空気の一部が複数の埋め込み型ダクトから内部流路に供給される。これにより、ダクト下流において、拡大流路の流量の偏在度合いが小さくなるので、燃焼器メインノズルに対する供給空気の流量差が小さくなる。

（４）幾つかの実施形態では、上記（３）の構成において、
複数の前記埋め込み型ダクトは、前記ディフューザ内壁の外周にて周方向に等分する位置に設置される。
上記（４）の構成によれば、埋め込み型ダクトは、ディフューザ内壁の外周にて周方向に等分する位置に設置されるので、拡大流路に流入させた圧縮空気の一部が複数の埋め込み型ダクトから均等に内部流路に供給される。これにより、ダクト下流において、拡大流路の流量の偏在度合いが小さくなるので、燃焼器メインノズルに対する供給空気の流量差が小さくなる。

（５）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの構成において、
前記ディフューザ内壁は、横断面視にて円形状の輪郭を有する。
上記（５）の構成によれば、ディフューザ内壁は、横断面視にて円形状の輪郭を有するので、簡単な構成にて、拡大流路の流路面積の変化を抑制することができる。

（６）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの構成において、
前記ディフューザ内壁は、横断面視にて楕円形状の輪郭を有する。
上記（６）の構成によれば、ディフューザ内壁は、横断面視にて楕円形状の輪郭を有するので、ディフューザ外壁が圧縮機側に扇形状の開口を有していても、拡大流路の流路面積の変化を的確に抑制することができる。

（７）幾つかの実施形態では、上記（１）から（４）の何れか一つの構成において、
前記ディフューザ内壁は、前記圧縮機側において前記扇形状の開口の中央で前記回転軸を中心とする円弧からなる線状に形成され、前記燃焼器側において前記ディフューザ外壁の開口よりも小さい円形状に形成される。
上記（７）の構成によれば、ディフューザ内壁は、圧縮機側において扇形状の開口の中央で回転軸を中心とする円弧からなる線状に形成され、燃焼器側においてディフューザ外壁の開口よりも小さい円形状に形成されるので、ディフューザ外壁が圧縮機側に扇形状の開口を有していても、拡大流路の流路面積の変化を的確に抑制することができる。

（８）幾つかの実施形態では、上記（１）から（７）の何れか一つの構成において、
前記ディフューザ内壁の内側にて前記埋め込み型ダクトに接続され、前記ディフューザ内壁との間に前記圧縮機側から前記燃焼器側に向かって徐々に断面積が拡大する延伸流路を区画する延伸ディフューザを更に備える。
上記（８）の構成によれば、ディフューザ内壁の内側にて埋め込み型ダクトに接続され、ディフューザ内壁との間に圧縮機側から燃焼器側に向かって徐々に断面積が拡大する延伸流路を区画する延伸ディフューザをさらに備えるので、埋め込み型ダクトから内部流路に供給された圧縮空気の流れの急拡大が抑制され、圧力損失を抑制することができる。

（９）幾つかの実施形態に係るガスタービンは、
回転軸の回転を利用して圧縮空気を生成可能な圧縮機と、
前記回転軸の周りに配置され、前記圧縮空気を利用して燃焼ガスを生成可能な複数の燃焼器と、
前記燃焼ガスを利用して前記回転軸を回転させるタービンと、
上記（１）から（８）の何れか一つに記載の圧縮機ディフューザと、
を備える。
上記（９）の構成によれば、圧縮機から燃焼器の燃焼筒に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することができるので、ガスタービンの効率を向上させることができる。

本発明の少なくとも一実施形態によれば、圧縮機から燃焼器の燃焼筒に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することができる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンの構成を概略的に示す構成図である。 本発明の一実施形態に係る圧縮機ディフューザを示すガスタービンの燃焼器周辺の拡大断面図である。 一実施形態に係る圧縮機ディフューザの構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。 一実施形態に係る圧縮機ディフューザの構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。 一実施形態に係る圧縮機ディフューザの構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。 埋め込み型ダクトの構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は縦断面図である。 ディフューザ内壁に配置される埋め込み型ダクトの位置を説明するための模式図である。 一実施形態に係る圧縮機ディフューザの構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。 一実施形態に係る埋め込み型ダクト及び延伸ディフューザの構成を概略的に示す斜視図である。

以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
例えば、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
例えば、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
一方、一の構成要素を「備える」、「具える」、「具備する」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るガスタービン１０の構成を概略的に示す構成図である。図２は、本発明の一実施形態に係る圧縮機ディフューザ５を示すガスタービン１０の燃焼器２周辺の拡大断面図である。

図１に示すように、幾つかの実施形態に係るガスタービン１０は、圧縮機１、複数の燃焼器２及びタービン３を備えている。このガスタービン１０は、圧縮機１及びタービン３を貫通して配置された、回転軸であるタービン軸４を備え、複数の燃焼器２はタービン軸４の周りに配置されている。圧縮機１、燃焼器２及びタービン３は、タービン軸４の軸線Ｃに沿って、空気の流れ方向にて上流から下流に向けて順次設置されている。
尚、以下の説明において、タービン軸４の軸線Ｃの軸線方向をタービン軸方向、タービン軸４の軸線Ｃを中心とする周方向をタービン周方向、タービン軸４の軸線Ｃに直交する方向をタービン径方向という。

圧縮機１は、タービン軸４の回転を利用して圧縮空気を生成可能である。圧縮機１は、圧縮機ケーシング１２、複数の圧縮機静翼１３及び複数の圧縮機動翼１４を有する。圧縮機ケーシング１２は、円筒形状に形成され、その内部をタービン軸４が貫通するとともに、その内部に圧縮機静翼１３及び圧縮機動翼１４を収容する円筒形状の空間を有している。また、圧縮機ケーシング１２は、その空気流れ方向上流に空気取入口１１を有し、その空気流れ方向下流に出口１６（図２参照）を有している。空気取入口１１は、空気流れ方向上流から圧縮機ケーシング１２の内部に空気を取り入れ可能である。出口１６は、タービン軸４を中心とする円環形状に形成され、圧縮機１で生成された圧縮空気を吐出可能である。

圧縮機静翼１３は、タービン軸４の軸線Ｃを中心としてタービン軸方向及びタービン周方向に整列した状態で、圧縮機ケーシング１２の内周に固定されている。圧縮機動翼１４は、タービン軸方向において圧縮機静翼１３と交互に位置するように、タービン軸４の軸線Ｃを中心としてタービン軸方向及びタービン周方向に整列した状態で、タービン軸４の外周に固定されている。

複数の燃焼器２の各々は、圧縮機１で生成された圧縮空気を利用して燃焼ガスを生成可能である。燃焼器２には、圧縮機１で生成された圧縮空気とともに燃料を供給可能であり、燃料が燃焼することで燃焼ガスが生成される。
複数の燃焼器２は、燃焼器ケーシング２３内に配置されている。より詳しくは、燃焼器ケーシング２３は、円筒形状に形成され、その内部をタービン軸４が貫通するとともに、その内部に複数の燃焼器２を収容する円筒形状の空間（以下「車室Ｒ」という）を有している。

複数の燃焼器２は、タービン周方向に配置されている。複数の燃焼器２は、例えば、１６個の燃焼器２で構成され、タービン周方向にて等間隔に配置されている。

図２に示すように、複数の燃焼器２の各々は、燃焼筒２１及び尾筒２２を有する。
燃焼筒２１には、圧縮機１で生成された圧縮空気とともに燃料を供給可能であり、燃料が燃焼することで燃焼ガスが生成される。
燃焼筒２１は、円筒形状に形成され、燃焼筒２１の軸線がタービン軸方向に沿って配置されている。燃焼筒２１の一端開口が給気口２４とされ、当該給気口２４が圧縮機１の出口１６に向けて配置されている。

燃焼筒２１の内部に内筒２１Ｃが配置されている。内筒２１Ｃは、燃焼筒２１よりも小径な円筒形状に形成され、内筒２１Ｃの軸線が燃焼筒２１の軸線に一致するように配置されている。内筒２１Ｃの一端開口が給気口２５とされ、当該給気口２５が燃焼筒２１の軸線方向において燃焼筒２１の給気口２４と一致するように配置される。これにより、内筒２１Ｃの内側と外側とに流路が区画される。

燃焼筒２１の内部であって、内筒２１Ｃの出口部にパイロット燃焼バーナ２１Ａが設置されている。パイロット燃焼バーナ２１Ａは、燃焼筒２１の軸線上に設置され、内筒２１Ｃの内側に区画された流路から圧縮空気が供給される。
パイロット燃焼バーナ２１Ａは、燃焼筒２１に支持されたパイロットコーン２１Ａａと、パイロットコーン２１Ａａの内部に設置されたパイロットノズル２１Ａｂとから構成されている。パイロットノズル２１Ａｂには図示しないパイロット燃料ラインが接続され、パイロット燃料ラインからパイロットノズル２１Ａｂに燃料が供給される。

燃焼筒２１の内部には、パイロット燃焼バーナ２１Ａを取り囲むように複数のメイン燃焼バーナ２１Ｂが設置されている。メイン燃焼バーナ２１Ｂは、内筒２１Ｃの外側に配置され、内筒２１Ｃの外側に区画された流路から圧縮空気が供給される。
各メイン燃焼バーナ２１Ｂは、メインノズル２１Ｂａと、メインノズル２１Ｂａの外周部に設けられる旋回翼（スワラーベーン）２１Ｂｂとから構成されている。各メインノズル２１Ｂａには図示しないメイン燃料ラインが接続され、メイン燃料ラインから各メインノズル２１Ｂａに燃料が供給される。

尾筒２２は、燃焼筒２１で生成された燃焼ガスを燃焼筒２１からタービン３に導出可能である。

上述した燃焼器２では、高温・高圧の圧縮空気が給気口２４から燃焼筒２１の内部に流れ込むと、圧縮空気がメイン燃焼バーナ２１Ｂから噴射された燃料と混合され、予混合気の旋回流を生成する。
また、高温・高圧の圧縮空気が給気口２５から内筒２１Ｃの内部に流れ込むと、圧縮空気がパイロット燃焼バーナ２１Ａから噴射された燃料と混合され、図示せぬ種火により着火されて燃焼し、燃焼ガスとなって燃焼筒２１内に噴出される。このとき、燃焼ガスの一部が燃焼筒２１内に火炎を伴って周囲に拡散するように噴出されることで、各メイン燃焼バーナ２１Ｂから燃焼筒２１内に流れ込んだ予混合気に着火されて燃焼する。すなわち、パイロット燃焼バーナ２１Ａから噴射されたパイロット燃料による拡散火炎により、メイン燃焼バーナ２１Ｂからの希薄予混合燃料の安定燃焼を行うための保炎を行うことができる。

図１に示すように、タービン３は、燃焼ガスを利用してタービン軸４の回転動力を生成可能である。タービン３は、タービンケーシング３１、複数のタービン静翼３２及び複数のタービン動翼３３を有する。タービンケーシング３１は、円筒形状に形成され、その内部をタービン軸４が貫通するとともに、その内部にタービン静翼３２及びタービン動翼３３を収容する円筒形状の空間を有している。また、タービンケーシング３１は、その空気流れ方向下流に排気室３４を有している。排気室３４は、排気ディフューザ３４ａを有し、タービン軸４の回転動力を生成した排気ガスを排出可能である。複数のタービン静翼３２は、タービン軸４の軸線Ｃを中心としてタービン軸方向及びタービン周方向に整列した状態で、タービンケーシング３１の内周に固定されている。複数のタービン動翼３３は、タービン軸方向においてタービン静翼３２と交互に位置するように、タービン軸４の軸線Ｃを中心としてタービン軸方向及びタービン周方向に整列した状態で、タービン軸４の外周に固定されている。

タービン軸４は、圧縮機１側の端部が軸受部４１に支持され、排気室３４側の端部が軸受部４２に支持されている。これにより、タービン軸４は、タービン軸４の軸線Ｃを中心として回転自在である。また、タービン軸４は、図に明示しないが、圧縮機１側の端部に発電機の駆動軸が連結されている。

上述したガスタービン１０は、圧縮機１の空気取入口１１から空気が取り込まれ、かかる空気が複数の圧縮機静翼１３と圧縮機動翼１４を通過することで圧縮される。これにより、圧縮機１を通過した空気は高温・高圧の圧縮空気となる。そして、この高温・高圧の圧縮空気は、燃焼器２に対し燃料とともに供給され、燃料が燃焼することで高温・高圧の燃焼ガスが生成される。この燃焼ガスがタービン３のタービン静翼３２とタービン動翼３３とを通過することでタービン軸４の回転動力が生成され、タービン軸４が回転駆動される。そして、タービン軸４に連結された発電機に回転動力を付与することで発電が行われる。一方、タービン軸４を回転駆動した後の排気ガスは、排気室３４の排気ディフューザ３４ａを経て排気ガスとして大気に放出される。

図２に示すように、幾つかの実施形態に係るガスタービン１０は、圧縮機１と複数の燃焼器２の各々との間に圧縮機ディフューザ５が配置される。圧縮機ディフューザ５は、圧縮機１で生成された圧縮空気を複数の燃焼器２の各々に流入させるように構成される。圧縮機ディフューザ５は、燃焼器２の個数と同数（複数）で構成され、複数の圧縮機ディフューザ５は、タービン周方向に配置されている。複数の圧縮機ディフューザ５は、例えば、１６個の圧縮機ディフューザ５で構成され、タービン周方向にて等間隔に配置されている。

図３から図５及び図８は、それぞれ一実施形態に係る圧縮機ディフューザ５の構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は縦断面図である。

図３から図５及び図８に示すように、圧縮機ディフューザ５は、ディフューザ外壁５０と、ディフューザ内壁５３とを含む。
図２に示すように、ディフューザ外壁５０は、圧縮機１の出口１６と燃焼器２の燃焼筒２１との間に配置され、圧縮空気の少なくとも一部を燃焼器２へと流入させるように構成される。ディフューザ外壁５０は、筒形形状に形成されている。ディフューザ外壁５０の一端が圧縮機１の出口１６に接続され、他端が燃焼器２の燃焼筒２１、即ち給気口２４の外周に接続されている。これにより、ディフューザ外壁５０は、自身の内部に、圧縮機１で生成された圧縮空気を燃焼器２に導く流路を構成する。

ディフューザ外壁５０は、圧縮機１側に圧縮機１の出口１６に接続される開口を有する。ここで、圧縮機１の出口１６はタービン軸４を中心とする円環形状に形成されているため、ディフューザ外壁５０は、圧縮機１側に圧縮機１の出口１６を燃焼器２の個数で分割した形状の開口、すなわち、タービン軸４を中心とする扇形状の開口（入口開口）５１を有する。換言すれば、ディフューザ外壁５０は、タービン軸４を中心とする二重円弧部を含む入口開口５１を有する。

ディフューザ外壁５０は、燃焼器２側に燃焼器２の給気口２４に接続される開口を有する。ここで、燃焼器２の給気口２４の外周は円形状に形成されているため、ディフューザ外壁５０は、燃焼器２側に給気口２４の外周と同一形状の入口開口、すなわち、燃焼器２の軸線を中心とする円形状の開口（出口開口）５２を有する。

ディフューザ外壁５０は、自身の内部の流路が入口開口５１から出口開口５２に向けて連続し、流路断面積が入口開口５１から出口開口５２に向けて徐々に大きくなるように形成されている。したがって、ディフューザ外壁５０では、自身の内部の流路が入口開口５１における扇形状から出口開口５２における円形状に徐々に変化し、流路断面積が入口開口５１から出口開口５２に向けて徐々に拡大される。これにより、ディフューザ外壁５０は、圧縮機１にて生成された圧縮空気の動圧を静圧に変換して燃焼器２に供給可能である。

ディフューザ内壁５３は、ディフューザ外壁５０の内側に配置され、ディフューザ外壁５０との間に区画される拡大流路Ｃ１の断面積の拡大を制限する。ディフューザ内壁５３の外径若しくは断面積は、圧縮機１側から燃焼器２側に向けて徐々に拡大している。ディフューザ内壁５３の後端５３ｂは内筒２１Ｃ、換言すれば、給気口２５の外周又は給気口２４の内周に接続され、ディフューザ内壁５３の内部に内部流路Ｃ２が区画される。
ディフューザ内壁５３は、その断面中心がディフューザ外壁５０の流路中心を通るように配置され、その先端５３ａが入口開口５１を介して圧縮機１の出口１６に臨む位置に配置されている。また、ディフューザ内壁５３の後端５３ｂは燃焼器２の給気口２５の外周に接続され、ディフューザ内壁５３の出口開口は、給気口２５を通じてパイロット燃焼バーナ２１Ａと対向している。

上述した実施形態に係る圧縮機ディフューザ５によれば、圧縮機１が生成する圧縮空気の一部を複数の燃焼器２の各々に直接流入させるので、圧縮機が生成する圧縮空気を車室Ｒを経て燃焼器に供給する構成（図示せず）と比較して圧縮空気の反転を生じさせず、かつ圧縮空気の急拡大を抑制するため、圧縮空気の圧力損失を低減することができる。これにより、圧縮機１から燃焼器２に流入させる圧縮空気の圧力損失を低減することができる。
また、扇形状の開口５１からディフューザ外壁５０とディフューザ内壁５３との間に区画された拡大流路Ｃ１に流入させた圧縮空気が燃焼器２の燃焼筒２１に供給される。この際、ディフューザ内壁５３によって、拡大流路Ｃ１の流路面積の変化が抑制されているので、拡大流路Ｃ１における圧縮空気の流れの圧力損失を低減することができる。

図３から図５及び図８に示すように、幾つかの実施形態に係る圧縮機ディフューザ５は、更に、少なくとも１つの埋め込み型ダクト７を備える。埋め込み型ダクト７は、ディフューザ内壁５３の外表面に開口し、拡大流路Ｃ１とディフューザ内壁５３の内部に区画された内部流路Ｃ２とを連通する。また、埋め込み型ダクト７の開口の幅Ｗ及び深さＨは、圧縮機１側から燃焼筒２１側に向けて徐々に大きくなっている（図６参照）。
上述した実施形態に係る圧縮機ディフューザ５によれば、拡大流路Ｃ１に流入させた圧縮空気の一部が埋め込み型ダクト７を通り、ディフューザ内壁５３の内部に区画された内部流路Ｃ２に供給され、それから燃焼器２に供給される。埋め込み型ダクト７の開口の幅Ｗ及び深さＨは、圧縮機１側から燃焼筒２１側に向けて徐々に大きくなっているので、埋め込み型ダクト７を通じて拡大流路Ｃ１の圧縮空気の一部を抽気しても拡大流路Ｃ１における圧縮空気の流れが乱れることが防止される。
更に、埋め込み型ダクト７の開口の幅Ｗ及び深さＨは、圧縮機１側から燃焼筒２１側に向けて徐々に大きくなっているので、内部流路Ｃ２に対し圧縮空気を円滑に供給することができる。
これらの結果、圧縮機１から燃焼器２の燃焼筒２１に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することができる。

また、上述した実施形態に係る圧縮機ディフューザ５によれば、燃焼器２側において、ディフューザ外壁５０の後端及びディフューザ内壁５３Ｃの後端５３ｂが、二重環状をなしており、ディフューザ内壁５３Ｃに埋め込み型ダクト７が設けられているので、圧縮機１から供給された圧縮空気の一部を、拡大流路Ｃ１を通じて環状にして燃焼器２の給気口２４に供給することができ、また、圧縮空気の流れの一部を、埋め込み型ダクト７を通じて、燃焼器２の給気口２５に供給することができる。このように埋め込み型ダクト７を通じて圧縮空気の流れを分けることで、燃焼器２に対する圧縮空気の供給分布を調整することができ、燃焼器２の燃焼効率を向上させることができる。
例えば、パイロット燃焼バーナ２１Ａに比べ、より多くの圧縮空気を、拡大流路Ｃ１及び給気口２４を通じてメイン燃焼バーナ２１Ｂに供給することにより、燃焼器２の燃焼効率を向上させることができる。

また、上述した実施形態に係る圧縮機ディフューザ５によれば、ディフューザ内壁５３の先端５３ａが閉塞されており、開口していないので、圧縮機１から供給された圧縮空気が低損失にて拡大流路Ｃ１に流入することができる。
幾つかの実施形態では、埋め込み型ダクト７は、いわゆるＮＡＣＡダクトである。

図３に示すように、幾つかの実施形態に係るディフューザ内壁５３Ａは、横断面視にて円形状の輪郭を有する。ディフューザ内壁５３Ａは、例えば、先端５３ａＡが丸められた、横断面が円形状の輪郭を有する円錐形状であって、圧縮機１側から燃焼器２側に向けて断面積が徐々に拡大し、その後端５３ｂＡが内筒２１Ｃの外径と一致するように形成され、その内部に内部流路Ｃ２Ａが区画されている。
上述した実施形態に係るディフューザ内壁５３Ａによれば、横断面視にて円形状の輪郭を有するので、簡単な構成にて、拡大流路Ｃ１の流路面積の変化を抑制することができる。

図４に示すように、幾つかの実施形態に係るディフューザ内壁５３Ｂは、横断面視にて楕円形状の輪郭を有する。ディフューザ内壁５３Ｂは、例えば、先端５３ａＢが丸められた、横断面が楕円形状の輪郭を有する円錐形状であって、圧縮機１側から燃焼器２側に向けて横断面が楕円形状から円形状に徐々に変化し、その後端５３ｂＢが内筒２１Ｃの外径と一致するように形成され、その内部に内部流路Ｃ２Ｂが区画されている。
上述した実施形態に係るディフューザ内壁５３Ｂによれば、横断面視にて楕円形状の輪郭を有するので、ディフューザ外壁５０が圧縮機１側に扇形状の開口５１を有していても、拡大流路Ｃ１の流路面積の変化を的確に抑制することができる。
また、ディフューザ内壁５３Ｂが横断面視にて楕円形状の輪郭を有する領域に埋め込み型ダクト７を設置することで、ディフューザ内壁５３Ｂにおける曲率の小さい領域に埋め込み型ダクト７を設置することができる。この結果として、埋め込み型ダクト７の形状を簡単にすることができる。

図５に示すように、幾つかの実施形態に係るディフューザ内壁５３Ｃは、圧縮機１側において扇形状の開口５１の中央でタービン軸４を中心とする円弧からなる線状に形成され、燃焼器２側においてディフューザ外壁５０の開口５２よりも小さい円形状に形成される。
ディフューザ内壁５３Ｃは、例えば、円弧からなる線状の先端から円形状の後端に向けて横断面が線状から円形状に徐々に変化し、その後端５３ｂＣが内筒２１Ｃの外径と一致するように形成され、その内部に内部流路Ｃ２Ｃが区画されている。すなわち、ディフューザ内壁５３Ｃは、円弧からなる線状の先端５３ａＣが嘴状に尖っており、後端５３ｂＣに向かって徐々に円形状に変化し、ディフューザ外壁５０の外形を小さくしたような形状に形成され、その内部に内部流路Ｃ２Ｃが区画されている。
ディフューザ内壁５３Ｃは、例えば、図示しない支持部材によりディフューザ外壁５０の内部に支持され、ディフューザ外壁５０の内周面に接触せずに宙に浮いているように配置されている。従って、ディフューザ内壁５３Ｃによって、ディフューザ外壁５０の圧縮機１側の扇形状の開口５１はタービン径方向にて内周側と外周側とに区画されている。

上述した実施形態に係るディフューザ内壁５３Ｃによれば、圧縮機１側において扇形状の開口５１の中央でタービン軸４を中心とする円弧からなる線状に形成され、燃焼器２側においてディフューザ外壁５０の開口５２よりも小さい円形状に形成されるので、ディフューザ外壁５０が圧縮機１側に扇形状の開口５１を有していても、拡大流路Ｃ１の流路面積の変化を的確に抑制することができる。
また、ディフューザ内壁５３Ｃが、圧縮機１側において扇形状の開口５１の中央でタービン軸４を中心とする円弧からなる線状に形成され、燃焼器２側においてディフューザ外壁５０の開口よりも小さい円形状に形成されるので、ディフューザ内壁５３Ｃにおける曲率の小さい領域に埋め込み型ダクト７を設置することができる。この結果として、埋め込み型ダクト７の形状を簡単にすることができる。
なお、図５では、ディフューザ内壁５３Ｃの圧縮機１側の先端がディフューザ外壁５０の入口開口５１と面一に配置されているが、ディフューザ内壁５３Ｃの圧縮機１側の先端は、入口開口５１に比べ、圧縮機１から離れていてもよい。

図５に示すように、幾つかの実施形態に係る圧縮機ディフューザ５Ｃは、タービン周方向にてディフューザ内壁５３Ｃの両外側に分割板部５３ｃを有している。分割板部５３ｃは、圧縮機１側から燃焼器２側に至り、タービン軸方向に沿って連続し、かつ、外側圧縮機ディフューザの内周に設置されている。これにより、拡大流路Ｃ１Ｃがタービン径方向にて内周側と外周側とに二分割されている。
上述した実施形態に係る圧縮機ディフューザ５Ｃによれば、圧縮機１側から燃焼器２側に向けて拡大流路Ｃ１Ｃを内周側と外周側とに二分割するので、拡大流路を分割しない場合と比較して拡大流路Ｃ１Ｃの拡大角度が小さくなるため圧力損失を低減することができる。

図６は、埋め込み型ダクト７の構成を概略的に示す構成図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図、（ｃ）は縦断面図である。
図６に示すように、幾つかの実施形態に係る埋め込み型ダクト７の開口７１の後縁（リップ）７１ａは、厚さ方向中央部が圧縮機１に向かって突出する凸形状を有する。
上述した実施形態に係る埋め込み型ダクト７の開口７１の後縁７１ａによれば、厚さ方向中央部が圧縮機１に向かって突出する凸形状を有するので、拡大流路Ｃ１における圧縮空気の流れに乱れが発生することが抑制されるとともに、拡大流路Ｃ１に流入させた圧縮空気の一部が内部流路Ｃ２に円滑に供給される。これにより、拡大流路Ｃ１から内部流路Ｃ２へと、さらに低い圧力損失にて圧縮空気を供給することができる。

図７は、ディフューザ内壁５３に配置される埋め込み型ダクト７の位置を説明するための模式図である。なお、図７では、埋め込み型ダクト７の位置を黒丸で示している。埋め込み型ダクト７の数は、埋め込み型ダクト７から内部流路Ｃ２に供給する圧縮空気と各埋め込み型ダクト７の容量によって決定される。
図７（ａ）に示すように、幾つかの実施形態に係る埋め込み型ダクト７は、埋め込み型ダクト７が一つで十分な場合、ディフューザ内壁５３の外周にて周方向に任意の位置に一つ設置される。
埋め込み型ダクト７は、例えば、タービン径方向外側に一つ設置される。
上述した実施形態に係る埋め込み型ダクト７によれば、タービン径方向外側に一つ設置されるので、燃焼器ケーシング２３にメンテナンス用に開放可能な蓋（図示せず）を設置すれば、燃焼器２等を取り外さなくても、埋め込み型ダクト７にアクセスしやすくなる。

図７（ｂ）から図７（ｄ）に示すように、幾つかの実施形態に係る埋め込み型ダクト７は、ディフューザ内壁５３の外周にて周方向に複数設置される。
埋め込み型ダクト７は、例えば、ディフューザ内壁５３の外周にて周方向に２個（図７（ｂ））、３個（図７（ｃ））又は４個（図７（ｄ））設置される。
上述した実施形態に係る埋め込み型ダクト７によれば、ディフューザ内壁５３の外周にて周方向に複数設置されるので、拡大流路Ｃ１に流入させた圧縮空気の一部が複数の埋め込み型ダクト７から内部流路Ｃ２に供給される。これにより、拡大流路Ｃ１から内部流路Ｃ２へと、さらに低い圧力損失にて圧縮空気を供給することができる。

図７（ｂ）から図７（ｄ）に示すように、幾つかの実施形態に係る複数の埋め込み型ダクト７は、ディフューザ内壁５３の外周にて周方向に等分する位置に設置される。
埋め込み型ダクト７は、例えば、ディフューザ内壁５３の外周にて周方向に二等分する位置（図７（ｂ））、三等分する位置（図７（ｃ））又は四等分する位置（図７（ｄ））に設置される。
上述した実施形態に係る埋め込み型ダクト７によれば、ディフューザ内壁の外周にて周方向に等分する位置に設置されるので、拡大流路Ｃ１に流入させた圧縮空気の一部が複数の埋め込み型ダクト７から均等に内部流路Ｃ２に供給される。これにより、拡大流路Ｃ１から内部流路Ｃ２へと、さらに低い圧力損失にて圧縮空気を供給することができる。

図９は、一実施形態に係る埋め込み型ダクト７及び延伸ディフューザ８の構成を概略的に示す斜視図である。
図８及び図９に示すように、幾つかの実施形態に係る圧縮機ディフューザ５Ｄは、延伸ディフューザ８を更に備える。
延伸ディフューザ８は、ディフューザ内壁５３の内側にて埋め込み型ダクト７に接続され、ディフューザ内壁５３との間に圧縮機１側から燃焼器２側に向かって徐々に断面積が拡大する延伸流路Ｃ３を区画する。
上述した実施形態に係る圧縮機ディフューザ５Ｄによれば、ディフューザ内壁５３の内側にて埋め込み型ダクト７に接続され、ディフューザ内壁５３との間に圧縮機１側から燃焼器２側に向かって徐々に断面積が拡大する延伸流路Ｃ３を区画する延伸ディフューザ８をさらに備えるので、埋め込み型ダクト７から内部流路Ｃ２に供給された圧縮空気の流れの急拡大が抑制され、圧力損失を抑制することができる。

上述した実施形態に係るガスタービン１０によれば、圧縮機１から燃焼器２の燃焼筒２１に供給される圧縮空気の圧力損失を低減することができるので、ガスタービン１０の効率を向上させることができる。

本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。

１ 圧縮機
１１ 空気取入口
１２ 圧縮機ケーシング
１３ 圧縮機静翼
１４ 圧縮機動翼
１６ 出口
２ 燃焼器
２１ 燃焼筒
２１Ａ パイロット燃焼バーナ
２１Ａａ パイロットコーン
２１Ａｂ パイロットノズル
２１Ｂ メイン燃焼バーナ
２１Ｂａ メインノズル
２１Ｂｂ 旋回翼
２１Ｃ 内筒
２２ 尾筒
２３ 燃焼器ケーシング
２４，２５ 給気口
３ タービン
３１ タービンケーシング
３２ タービン静翼
３３ タービン動翼
３４ 排気室
３４ａ 排気ディフューザ
４ タービン軸（回転軸）
４１，４２ 軸受部
５，５Ｃ，５Ｄ 圧縮機ディフューザ
５０ ディフューザ外壁
５１ 扇形状の開口（入口開口）
５２ 円形状の開口（出口開口）
５３，５３Ａ，５３Ｂ，５３Ｃ ディフューザ内壁
５３ａ，５３ａＡ，５３ａＢ，５３ａＣ 先端
５３ｂ，５３ｂＡ，５３ｂＢ，５３ｂＣ 後端
５３ｃ 分割板部
７ 埋め込み型ダクト（ＮＡＣＡダクト）
７１ 開口
７１ａ 後縁
８ 延伸ディフューザ
１０ ガスタービン
Ｃ１ 拡大流路
Ｃ２ 内部流路
Ｃ３ 延伸流路
Ｃ タービン軸の軸線
Ｃ１，Ｃ１Ｃ 拡大流路
Ｃ２，Ｃ２Ａ，Ｃ２Ｂ，Ｃ２Ｃ 内部流路
Ｃ３ 延伸流路
Ｒ 車室
Ｗ 埋め込み型ダクトの開口の幅
Ｈ 埋め込み型ダクトの開口の深さ

Claims (9)

1. 回転軸の回転を利用して圧縮空気を生成可能な圧縮機と、前記回転軸の周りに配置され、前記圧縮空気を利用して燃焼ガスを生成可能な複数の燃焼器の各々との間に配置される圧縮機ディフューザにおいて、
   前記圧縮機の出口と前記燃焼器の燃焼筒との間に配置され、前記圧縮空気の少なくとも一部を前記燃焼器へと流入させるように構成されたディフューザ外壁と、
   前記ディフューザ外壁の内側に配置され、前記ディフューザ外壁との間に区画される拡大流路の断面積の拡大を制限するディフューザ内壁と、
   前記ディフューザ内壁の外表面に開口し、前記拡大流路と前記ディフューザ内壁の内部に区画された内部流路とを連通する、少なくとも１つの埋め込み型ダクトと、
   を備え、
   前記ディフューザ外壁は、前記圧縮機側に前記回転軸を中心とする扇形状の開口を有し、
   前記埋め込み型ダクトの開口の幅及び深さは、前記圧縮機側から前記燃焼筒側に向けて徐々に大きくなっている、
   圧縮機ディフューザ。
2. 前記埋め込み型ダクトの開口の後縁は、厚さ方向中央部が前記圧縮機に向かって突出する凸形状を有する、請求項１に記載の圧縮機ディフューザ。
3. 前記少なくとも１つの埋め込み型ダクトは、前記ディフューザ内壁の外周にて周方向に設置された複数の埋め込み型ダクトを含む、請求項１又は２に記載の圧縮機ディフューザ。
4. 複数の前記埋め込み型ダクトは、前記ディフューザ内壁の外周にて周方向に等分する位置に設置される、請求項３に記載の圧縮機ディフューザ。
5. 前記ディフューザ内壁は、横断面視にて円形状の輪郭を有する、請求項１から４の何れか一項に記載の圧縮機ディフューザ。
6. 前記ディフューザ内壁は、横断面視にて楕円形状の輪郭を有する、請求項１から４の何れか一項に記載の圧縮機ディフューザ。
7. 前記ディフューザ内壁は、前記圧縮機側において前記扇形状の開口の中央で前記回転軸を中心とする円弧からなる線状に形成され、前記燃焼器側において前記ディフューザ外壁の開口よりも小さい円形状に形成される、請求項１から４の何れか一項に記載の圧縮機ディフューザ。
8. 前記ディフューザ内壁の内側にて前記埋め込み型ダクトに接続され、前記ディフューザ内壁との間に前記圧縮機側から前記燃焼器側に向かって徐々に断面積が拡大する延伸流路を区画する延伸ディフューザを更に備える、請求項１から７の何れか一項に記載の圧縮機ディフューザ。
9. 回転軸の回転を利用して圧縮空気を生成可能な圧縮機と、
   前記回転軸の周りに配置され、前記圧縮空気を利用して燃焼ガスを生成可能な複数の燃焼器と、
   前記燃焼ガスを利用して前記回転軸を回転させるタービンと、
   請求項１から８の何れか一項に記載の圧縮機ディフューザと、
   を備える、ガスタービン。

Images