JP2018141450A - タービン及びガスタービン - Google Patents

Abstract

【課題】ディフューザの排気性能を向上させてガスタービン全体の効率向上を図ることができるタービン及びガスタービンを提供する。
【解決手段】タービンは、タービンロータ２１と、タービンケーシングと、タービン動翼２４と、タービン静翼と、ディフューザ４と、を備えている。ディフューザ４は、軸線に沿って延びる内筒４１と、内筒４１を外周側から覆うとともに、内筒４１との間に排気流路Ｃを形成する外筒と、を備えている。内筒４１は、軸線方向の一方側から他方側に向かうに従って軸線を中心とする径方向の内側から外側に延びる傾斜面５１を備えている。傾斜面５１は、軸線を含む断面視で、複数のタービン動翼２４のプラットフォーム５４を軸線方向の他方側に延長した延長線５５と交差するように配置されている。
【選択図】図３

Description

この発明は、タービン及びガスタービンに関する。

一般に、ガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、を備えている。圧縮機は、外気を圧縮して高圧空気を生成し、燃焼器は、この圧縮機によって生成された高圧空気と燃料とを混合燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する。タービンは、この燃焼器により生成された燃焼ガスによって駆動される。

タービンの下流側には、内筒と外筒とストラットとを有したディフューザが設けられている（例えば、特許文献１参照）。内筒は、ディフューザの内周側に配置されており、外筒は、この内筒を外周側から覆うことで内筒との間に排気流路を形成している。ストラットは、周方向に間隔をあけて複数設けられ、それぞれ内筒の外周面からタービンの径方向に延びている。これらストラットを介して、内筒及び外筒が接続されている。

ディフューザの排気流路は、燃焼ガスの流れる方向の上流から下流に向かうにしたがって次第に流路面積が拡大するように形成されている。タービンを駆動した燃焼ガス（排気ガス）は、このように形成された排気流路を通過することで静圧回復される。
上記ディフューザの性能向上は、ガスタービンの圧力比を実質的に増加させる。そのため、ディフューザの性能向上によってガスタービン全体の効率向上を図ることができる。

特許第３９９９８０３号公報

ディフューザにおいて、排気流路を形成する内筒の外周面に境界層が形成される。ディフューザ流れは、逆圧力勾配であるため、境界層流れにおいて運動量が低下し易い。そのため、局所的な運動量欠損による剥離領域が生じると、流れの下流に向けて剥離が進展して大規模化する可能性がある。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、ディフューザの排気性能を向上させてガスタービン全体の効率向上を図ることができるタービン及びガスタービンを提供するものである。

上記の課題を解決するために以下の構成を採用する。
この発明の第一態様によれば、タービンは、軸線に沿って延びるとともに前記軸線回りに回転可能なタービンロータと、前記タービンロータを外周側から覆うタービンケーシングと、前記タービンロータの外周面上で前記軸線の周方向に配列された複数のタービン動翼と、前記タービンケーシングの内周面上で前記タービン動翼に対して前記軸線方向の一方側に隣り合うように設けられるとともに、周方向に配列された複数のタービン静翼と、前記タービン動翼の軸線方向の他方側に設けられ、軸線方向の一方側から他方側に向かって排気ガスが流れる排気流路を形成するディフューザと、を備え、前記ディフューザは、前記軸線に沿って延びる内筒と、前記内筒を外周側から覆うとともに、前記内筒との間に前記排気流路を形成する外筒と、を備え、前記内筒は、前記軸線方向の一方側から他方側に向かうに従って前記軸線を中心とする径方向の内側から外側に延びる傾斜面を備え、前記傾斜面は、前記軸線を含む断面視で、前記複数のタービン動翼のプラットフォームを前記軸線方向の他方側に延長した延長線と交差するように配置されている。
ディフューザの内筒の外周面に沿って形成される境界層は、軸線方向で最も下流側に配置されるタービン動翼の位置からプラットフォーム及び内筒の外周面に沿ってディフューザの下流側に向かって徐々に発達する場合がある。しかし、プラットフォームの延長線上に傾斜面が形成されていることで、境界層流れが傾斜面に衝突する。そのため、境界層の発達を抑制して、内筒の外周面から流れが剥離することを抑制できる。したがって、ディフューザの排気性能を向上させてガスタービン全体の効率向上を図ることができる。

この発明の第二態様によれば、第一態様に係る内筒は、前記軸線方向の最も一方側に前記傾斜面を備えていてもよい。
このように構成することで、ディフューザの入口において内筒に沿う境界層流れの速度を上昇させて、境界層が発達することを抑制できるため、ディフューザの全域で、内筒に沿う境界層の発達を抑制できる。

この発明の第三態様によれば、第一又は第二態様に係るタービンにおいて、前記内筒と、前記プラットフォームとの間には、前記排気流路へシールガスを流入させるためのシールガス流入口を備えていてもよい。
このように構成することで、ディフューザの入口においてシールガスが流入する場合であっても、内筒の外周面近傍の境界層流れの速度が低下することを傾斜面によって抑制できる。そのため、シールガスの流入によって境界層が発達し易い条件下にあっても、内筒に沿って境界層が発達して境界層の流れが剥離してしまうことを抑制できる。

この発明の第四態様によれば、第一から第三態様の何れか一つの態様に係る内筒は、前記傾斜面よりも前記軸線方向の他方側の外周面が、前記延長線よりも前記径方向の外側に配置されていてもよい。
このように延長線よりも径方向外側に内筒の外周面が配置されることで、延長線上に内筒の外周面が配置される場合よりも、内筒側の全圧を高めて、境界層の厚さを低減することができる。したがって、境界層の流れが剥離することをより一層低減できる。

この発明の第五態様によれば、ガスタービンは、空気を圧縮した圧縮空気を生成する圧縮機と、前記圧縮空気に燃料を混合させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスにより駆動される第一から第四態様の何れか一つの態様に係るタービンとを備える。
このように構成することで、タービンのディフューザにおける圧力回復を効率よく行うことができるため、性能向上を図ることができる。

上記タービン及びガスタービンによれば、ディフューザの排気性能を向上させてガスタービン全体の効率向上を図ることができる。

この実施形態のガスタービンの概略構成を示す構成図である。 この発明の実施形態におけるディフューザの軸線に沿う断面図である。 この発明の実施形態におけるディフューザ入口を拡大した概略図である。

次に、この発明の実施形態におけるタービン及びガスタービンを図面に基づき説明する。
図１は、この実施形態のガスタービンの概略構成を示す構成図である。
図１に示すように、この実施形態に係るガスタービン１００は、圧縮機１と、燃焼器３と、タービン２と、を備えている。

圧縮機１は、高圧空気を生成する。圧縮機１は、圧縮機ロータ１１と、圧縮機ケーシング１２と、を備えている。圧縮機ケーシング１２は、圧縮機ロータ１１を外周側から覆っており、軸線Ａｍに沿って延びている。

圧縮機ロータ１１の外周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼段１３が設けられている。これら圧縮機動翼段１３は、複数の圧縮機動翼１４をそれぞれ備えている。各圧縮機動翼段１３の圧縮機動翼１４は、圧縮機ロータ１１の外周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列されている。

圧縮機ケーシング１２の内周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼段１５が設けられている。これら圧縮機静翼段１５は、軸線Ａｍ方向で上記圧縮機動翼段１３と交互に配置されている。これら圧縮機静翼段１５は、複数の圧縮機静翼１６をそれぞれ備えている。各圧縮機静翼段１５の圧縮機静翼１６は、圧縮機ケーシング１２の内周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列されている。

燃焼器３は、圧縮機１で生成された高圧空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する。燃焼器３は、圧縮機ケーシング１２とタービン２のタービンケーシング２２との間に設けられている。この燃焼器３によって生成された燃焼ガスは、タービン２に供給される。

タービン２は、燃焼器３で生成された燃焼ガスによって駆動する。このタービン２は、タービンロータ２１と、タービンケーシング２２と、ディフューザ４と、を有している。
タービンロータ２１は、軸線Ａｍに沿って延びている。このタービンロータ２１の外周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段２３が設けられている。これらタービン動翼段２３は、複数のタービン動翼２４をそれぞれ備えている。各タービン動翼段２３のタービン動翼２４は、タービンロータ２１の外周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列されている。

タービンケーシング２２は、タービンロータ２１を外周側から覆っている。このタービンケーシング２２の内周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼段２５が設けられている。タービン静翼段２５は、軸線Ａｍ方向で上記タービン動翼段２３と交互に配置されている。これらタービン静翼段２５は、複数のタービン静翼２６をそれぞれ備えている。各タービン静翼段２５のタービン静翼２６は、タービンケーシング２２の内周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列されている。

圧縮機ロータ１１とタービンロータ２１とは、軸線Ａｍ方向に一体に接続されている。これら圧縮機ロータ１１とタービンロータ２１とによって、ガスタービンロータ９１が構成されている。同様に、圧縮機ケーシング１２とタービンケーシング２２とは、軸線Ａｍに沿って一体に接続されている。これら圧縮機ケーシング１２とタービンケーシング２２とによってガスタービンケーシング９２が構成されている。
ガスタービンロータ９１は、ガスタービンケーシング９２の内部で軸線Ａｍ回りに一体に回転可能とされている。

ガスタービン１００を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって圧縮機ロータ１１（ガスタービンロータ９１）を回転駆動する。圧縮機ロータ１１の回転に伴って外部の空気が順次圧縮され、高圧空気が生成される。この高圧空気は、圧縮機ケーシング１２を通じて燃焼器３内に供給される。燃焼器３内では、燃料がこの高圧空気に混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービンケーシング２２を通じてタービン２内に供給される。タービン２内では、タービン動翼段２３、及びタービン静翼段２５に燃焼ガスが順次衝突することで、タービンロータ２１（ガスタービンロータ９１）に対して回転駆動力が与えられる。この回転エネルギーは、例えば、軸端に連結された発電機Ｇ等の駆動に利用される。タービン２を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとしてディフューザ４を通過する際に圧力（静圧）が高められた後、外部に排出される。

図２は、この発明の実施形態におけるディフューザの軸線に沿う断面図である。
図１、図２に示すように、ディフューザ４は、タービンケーシング２２（ガスタービンケーシング９２）に一体に設けられている。このディフューザ４は、内筒４１と、外筒４２と、ストラット４３，４４と、を備えている。

内筒４１は、軸線Ａｍに沿って延びる筒状に形成されている。この内筒４１の内側には、ガスタービンロータ９１の軸端部９１Ａを回転可能に支持する軸受装置等が設けられている。

外筒４２は、内筒４１を外周側から覆う筒状に形成されている。外筒４２は、内筒４１との間に、タービン２から排出された排気ガスが流れる排気流路Ｃを形成している。外筒４２と内筒４１との間に形成されている排気流路Ｃの断面積（軸線Ａｍに直交する断面積）は、軸線Ａｍ方向一方側（図２の紙面左側）から他方側（図２の紙面右側）に向かって、徐々に拡大している。このように排気流路Ｃの断面積が次第に拡大することで、排気流路Ｃ内を流れる排気ガスの運動エネルギーが、漸次圧力エネルギーに変換（圧力回復）される。

ストラット４３，４４は、排気流路Ｃの中に配置され、内筒４１と外筒４２とを接続している。これらストラット４３，４４によって内筒４１に対して外筒４２が固定・支持されている。ストラット４３は、複数のタービン動翼段２３のうちで軸線Ａｍ方向の最も他方側に位置する最終段のタービン動翼段２３に対して、軸線Ａｍ方向で隣り合うように配置されている。

ストラット４４は、ストラット４３から軸線Ａｍ方向他方側に離間した位置に設けられている。なお、この実施形態におけるストラット４３，４４は、排気ガスに対する形状抵抗を低減可能な形状となっている。排気ガスに対する形状抵抗を低減可能な形状としては、例えば、排気ガスの流れる方向に長い断面長円形状や、排気ガスの流れる方向に翼弦が延びる翼型を例示できる。

図３は、この発明の実施形態におけるディフューザ入口を拡大した概略図である。
図３に示すように、ガスタービン１００は、ディフューザ４の入口に、シールガス流入口５０を備えている。このシールガス流入口５０は、例えば、圧縮機１により生成した圧縮空気の一部等をシールガスとして、上述したディフューザ４の内筒４１と、タービンロータ２１との隙間から、排気流路Ｃの内側に向かって流入させている。

内筒４１の外周面４１Ａは、第一傾斜面（傾斜面）５１と第二傾斜面５２と、接続面５３と、を備えている。
第一傾斜面５１は、軸線Ａｍ方向の一方側であるタービンロータ２１側から他方側であるディフューザ４の出口側に向かうに従って軸線Ａｍを中心とする径方向の内側から外側に向かうように延びている。この図３で示す断面における第一傾斜面５１は、タービンロータ２１側ほど軸線Ａｍに一定の傾斜角度で近づく傾斜面である場合を例示している。しかし、第一傾斜面５１は、一定の傾斜角度に限られない。例えば、図３の断面において、軸線Ａｍ方向の一方側から他方側に向かうに従って軸線Ａｍを中心とする径方向の内側から外側に向かう凸曲面状や凹曲面状としても良い。この凸曲面状や凹曲面状の曲率半径は、例えば、軸線Ａｍ方向における第一傾斜面５１の長さよりも長くすることが好ましい。また、第一傾斜面５１は、上記の凸曲面や凹曲面を組み合わせて形成しても良い。

第一傾斜面５１は、図３に示す軸線Ａｍを含む断面視で、最も下流側に配置されたタービン動翼段２３のタービン動翼２４のプラットフォーム５４を軸線Ａｍ方向の他方側に延長した延長線５５（図３中、破線で示す）と交差するように配置されている。言い換えれば、第一傾斜面５１の軸線Ａｍ方向における一方側の前縁部５６ａは、延長線５５よりも軸線Ａｍを中心とする径方向の内側に配置されている。さらに、第一傾斜面５１の軸線Ａｍ方向における他方側の後縁部５６ｂは、延長線５５よりも軸線Ａｍを中心とする径方向の外側に配置されている。この実施形態における、軸線Ａｍを含む断面における第一傾斜面５１と延長線５５とのなす角のうち、径方向内側の角の角度θは、鋭角（例えば、１５度程度）となっている。なお、第一傾斜面５１が曲面である場合には、上記断面における曲面の接線と延長線５５とのなす角度θが鋭角となる。

第一傾斜面５１は、内筒４１において、軸線Ａｍ方向の最も一方側に形成されている。この実施形態における第一傾斜面５１は、梁部５７に形成されている。この梁部５７は、シールガス流入口５０の軸線Ａｍ方向他方側の内壁５８から、軸線Ａｍ方向一方側に向かって片持ち梁の如く延びている。この実施形態における梁部５７は、径方向内側に上記第一傾斜面５１と平行な下面５９を有している場合を例示している。しかし、下面５９は、第一傾斜面５１と平行な形状に限られるものではない。

第二傾斜面５２は、第一傾斜面５１よりも軸線Ａｍ方向の他方側に配置されている。この第二傾斜面５２は、延長線５５よりも径方向の外側に配置されている。

この図３で示す断面における第二傾斜面５２は、ディフューザ４の出口に向かうにつれて軸線Ａｍに一定の傾斜角度で近づく傾斜面である場合を例示している。しかし、第二傾斜面５２は、第一傾斜面５１と同様に、一定の傾斜角度である場合に限られない。例えば、第二傾斜面５２は、第一傾斜面５１と同様に、図３の断面において、軸線Ａｍ方向の一方側から他方側に向かうに従って軸線Ａｍを中心とする径方向の外側から内側に向かう凸曲面状や凹曲面状としても良い。この凸曲面状や凹曲面状の曲率半径は、例えば、軸線Ａｍ方向における第二傾斜面５２の長さよりも長くすることができる。また、第二傾斜面５２は、上記の凸曲面や凹曲面を組み合わせて形成しても良い。

接続面５３は、第一傾斜面５１と第二傾斜面５２とを接続している。より具体的には、接続面５３は、第一傾斜面５１のうち最も軸線Ａｍ方向の他方側に配置された第一頂部６１と、第二傾斜面５２のうち最も軸線Ａｍ方向の一方側に配置された第二頂部６２とを接続している。この第一実施形態における第一傾斜面５１と接続面５３との間、接続面５３と第二傾斜面５２との間は、それぞれ角が形成されないように曲面状に接続されている場合を例示している。

第一頂部６１は、第一傾斜面５１のうち最も延長線５５から径方向外側に離間している箇所である。同様に第二頂部６２は、第二傾斜面５２のうち最も延長線５５から径方向外側に離間している箇所である。
ここで、第一距離Ｌ１及び第二距離Ｌ２は、最も下流側のタービン動翼段２３を構成するタービン動翼２４の翼高さに対して０％よりも大きく１０％以下とすることができる。また、第一距離Ｌ１と第二距離Ｌ２とは、０％よりも大きく５％以下としても良い。さらに、第一距離Ｌ１と第二距離Ｌ２とは、０％よりも大きく３％以下としても良い。第一距離Ｌ１と第二距離Ｌ２とは、同一の距離でなくても良い。この実施形態においては、軸線Ａｍ方向の同一位置における第一頂部６１と延長線５５との第一距離Ｌ１は、同じく第二頂部６２と延長線５５との距離である第二距離Ｌ２よりも僅かに短くなっている。これにより、接続面５３は、軸線Ａｍと平行な面又は軸線Ａｍに平行な面に近似した形状となっている。

図３において、太い実線で示しているのは、軸線Ａｍ方向における排気ガスの速度分布である。この速度分布において、プラットフォーム５４付近においては、流れがプラットフォーム５４に接することで、流速が低下していることを示している。この流速の低下する範囲が径方向外側に増加することが、境界層の発達を意味する。

この図３に示すように、最下流のタービン動翼段２３の下流側における排気ガスの主流は、プラットフォーム５４に沿って境界層を形成する。ここで、図３においては、プラットフォーム５４よりも径方向外側に示す破線Ｈの位置がプラットフォーム５４で形成された境界層の最も径方向外側の位置を意味している。ここで示すプラットフォーム５４の境界層の厚さは、一例でありこの厚さに限られない。この境界層は、通常、下流に向かって徐々に発達して、図３中の第二頂部６２付近に示す二点鎖線の速度分布のように、流速が低下する。

これに対して、上述した実施形態のタービン２は、第一傾斜面５１が延長線５５と交差するように配置されている。そのため、境界層流れが第一傾斜面５１に衝突し境界層の発達を抑制する。また、傾斜面５１よりも軸線Ａｍ方向他方側の内筒４１の外周面４１Ａが径方向外側に配置されることにより、主流の全圧が高められる。

そのため、上記第二頂部６２付近に示す太線のように、傾斜面５１よりも下流側（軸線Ａｍ方向の他方側）の流れは、外周面４１Ａに沿う境界層流れの速度が上昇して、プラットフォーム５４の境界層を径方向内側から外側に削り取るような形となる。そのため、ディフューザ４の入口において、境界層の厚さを低減することができる。つまり、ストラット４４に向かって境界層が発達することにより、内筒４１の外周面４１Ａから流れが剥離することを抑制できる。
その結果、ディフューザ４の排気性能を向上させてガスタービン１００全体の効率向上を図ることができる。

さらに、ディフューザ４は、軸線Ａｍ方向の最も一方側に第一傾斜面５１を備えている。そのため、ディフューザ４の入口において内筒４１に沿う境界層流れの速度を上昇させて、境界層が発達することを抑制できる。その結果、ディフューザの全域で、内筒に沿う境界層の発達を抑制できる。

また、内筒４１と、プラットフォーム５４との間には、排気流路Ｃへシールガスを流入させるためのシールガス流入口５０が形成されている。このようにシールガス流入口５０が形成されていることで、ディフューザ４の入口において主流に対してシールガスが合流する。このようにシールガスが主流に対して合流すると、特に境界層の流速を低下させる場合がある。しかし、この場合であっても、内筒４１の外周面４１Ａ近傍の境界層流れの速度が低下することを第一傾斜面５１によって抑制できる。そのため、シールガスの流入によって境界層が発達し易い条件下にあっても、内筒４１に沿って境界層が発達して境界層の流れが剥離してしまうことを抑制できる。

さらに、ガスタービン１００が上述した構成のタービン２を備えることで、ディフューザ４における圧力回復を効率よく行うことができる。その結果、ガスタービン１００の性能向上を図ることができる。

この発明は上述した実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で設計変更可能である。
例えば、上述した接続面５３や第二傾斜面５２の延長線５５に対する傾斜角度や傾斜向きは一例であってこの構成に限られない。また、接続面５３は、必要に応じて設ければ良く、省略しても良い。

１ 圧縮機
２ タービン
３ 燃焼器
４ ディフューザ
１１ 圧縮機ロータ
１２ 圧縮機ケーシング
１３ 圧縮機動翼段
１４ 圧縮機動翼
１５ 圧縮機静翼段
１６ 圧縮機静翼
２１ タービンロータ
２２ タービンケーシング
２３ タービン動翼段
２４ タービン動翼
２５ タービン静翼段
２６ タービン静翼
３０ 軸受装置
４１ 内筒
４１Ａ 外周面
４２ 外筒
４３ ストラット
４４ ストラット
５０ シールガス流入口
５１ 第一傾斜面
５２ 第二傾斜面
５３ 接続面
５４ プラットフォーム
５５ 延長線
５６ａ 前縁部
５６ｂ 後縁部
５７ 梁部
５８ 内壁
５９ 下面
６１ 第一頂部
６２ 第二頂部
９１ ガスタービンロータ
９１Ａ 軸端部
９２ ガスタービンケーシング
１００ ガスタービン
Ａｍ 軸線
Ｃ 排気流路
Ｇ 発電機

Claims (5)

1. 軸線に沿って延びるとともに前記軸線回りに回転可能なタービンロータと、
   前記タービンロータを外周側から覆うタービンケーシングと、
   前記タービンロータの外周面上で前記軸線の周方向に配列された複数のタービン動翼と、
   前記タービンケーシングの内周面上で前記タービン動翼に対して前記軸線方向の一方側に隣り合うように設けられるとともに、周方向に配列された複数のタービン静翼と、
   前記タービン動翼の軸線方向の他方側に設けられ、軸線方向の一方側から他方側に向かって排気ガスが流れる排気流路を形成するディフューザと、
   を備え、
   前記ディフューザは、
   前記軸線に沿って延びる内筒と、
   前記内筒を外周側から覆うとともに、前記内筒との間に前記排気流路を形成する外筒と、を備え、
   前記内筒は、前記軸線方向の一方側から他方側に向かうに従って前記軸線を中心とする径方向の内側から外側に延びる傾斜面を備え、
   前記傾斜面は、
   前記軸線を含む断面視で、前記複数のタービン動翼のプラットフォームを前記軸線方向の他方側に延長した延長線と交差するように配置されているタービン。
2. 前記内筒は、
   前記軸線方向の最も一方側に前記傾斜面を備える請求項１に記載のタービン。
3. 前記内筒と、前記プラットフォームとの間には、前記排気流路へシールガスを流入させるためのシールガス流入口を備える請求項１又は２に記載のタービン。
4. 前記内筒は、
   前記傾斜面よりも前記軸線方向の他方側の外周面が、前記延長線よりも前記径方向の外側に配置されている請求項１から３の何れか一項に記載のタービン。
5. 空気を圧縮した圧縮空気を生成する圧縮機と、
   前記圧縮空気に燃料を混合させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、
   前記燃焼ガスにより駆動される請求項１から４の何れか一項に記載のタービンと、
   を備えるガスタービン。

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