JP5675914B2 - Gas turbine exhaust diffuser - Google Patents

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Description

本発明は、ガスタービン排気ディフューザに関するものである。 The present invention relates to gas turbine exhaust diffuser.

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。   As is well known, a type of flow path structure is known in which a structure extends from a wall surface forming a flow path in a direction intersecting with a main flow direction along a main flow of a fluid flowing through the flow path.

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)。   For example, in a kind of exhaust diffuser of a gas turbine, a bearing that supports a rotor is provided inside an exhaust casing, and an annular space around the bearing serves as an exhaust passage. A strut that extends from the exhaust casing and holds the bearing is disposed (for example, Patent Document 1).

特開2004−190664号公報JP 2004-190664 A

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。   By the way, in the said flow-path structure, since the flow-path cross-sectional area changed, there existed a problem that a pressure loss would arise.

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。   For example, in a kind of the exhaust diffuser of the gas turbine described above, the range in which the struts are disposed in the main flow direction of the exhaust gas is such that the struts occupy a part of the flow path in the cross section of the flow path. As the flow proceeds from upstream to downstream, the cross-sectional area of the flow path decreases rapidly and then increases. For this reason, there has been a problem that a relatively large pressure loss occurs when the exhaust gas passes through the area where the struts are disposed.

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ガスタービン排気ディフューザを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its object is to provide a Ruga turbines exhaust diffuser to suppress the occurrence of pressure loss.

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、本発明に係るガスタービン排気ディフューザは、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を有するガスタービン排気ディフューザであって、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。
In order to achieve the above object, the present invention employs the following means.
That is, the gas turbine exhaust diffuser according to the present invention has a structure in which a structure extends from a wall surface forming a flow path in a direction intersecting with a main flow direction along a main flow of the fluid flowing through the flow path, and the flow path intersects with the main flow. A gas turbine exhaust diffuser having a flow path structure in which a cross-sectional area of the flow path changes in the main flow direction when the structure occupies a part of the flow path in a cross section, It has a recess forming region in which a recess is formed on the wall surface over a range including the structure in the direction, and the recess gradually becomes deeper after becoming deeper in the circumferential direction.
According to this configuration, since the concave portion is formed on the wall surface over the concave portion forming region including the structure in the main flow direction, the cross-sectional area of the flow path is increased by the amount of the concave portion compared to the case where the concave portion is not formed. .
That is, in the range where the structure in the mainstream direction is formed, at least a part of the decrease in the cross-sectional area due to the structure can be offset by the increase in the cross-sectional area due to the recess. Thereby, since the change in the cross-sectional area becomes gentler than that in the case where the concave portion is not formed, generation of pressure loss can be suppressed.
Furthermore, the upstream and downstream of the structure in the main flow direction will increase the cross-sectional area of the flow path as compared with the case where no recess is formed, so the effect of pressure changes at the front and rear edges of the structure will be reduced. Can be relaxed.

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。
Further, when the length from the front edge to the rear edge of the structure in the main flow direction is L, the concave portion is spaced from the rear edge by a distance of 0.4 L from the front edge to the upstream side. It is formed in a range up to a position separated by a distance of 0.4 L on the downstream side.
According to this configuration, since the concave portion is formed in a range from a position separated by a distance of 0.4 L upstream from the front edge to a position separated by a distance of 0.4 L downstream from the rear edge, pressure loss is reduced. It can be effectively deterred.

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。
Further, the concave portion is formed in a range from a position separated by a distance of 0.2 L upstream from the front edge to a position separated by a distance of 0.2 L downstream from the rear edge.
According to this configuration, the concave portion is formed in a range from a position 0.2 L away from the front edge to the upstream side to a position 0.2 L away from the rear edge to the downstream side. It can be suppressed more effectively.

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。   According to the present invention, occurrence of pressure loss can be suppressed.

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。1 is a half sectional view showing a schematic configuration of a gas turbine 1 according to an embodiment of the present invention. 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。1 is an enlarged cross-sectional view of a main part of a gas turbine 1 according to an embodiment of the present invention, showing a main part I in FIG. 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。It is principal part expanded sectional drawing of the exhaust diffuser 10 which concerns on embodiment of this invention, Comprising: The II-II sectional view taken on the line in FIG. 2 is shown. 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。It is a line graph which shows the change of the cross-sectional area of the exhaust flow path P of the exhaust diffuser 10 which concerns on embodiment of this invention, Comprising: The position of a mainstream direction is shown on a horizontal axis, and the cross-sectional area of the exhaust flow path P is shown on the vertical axis | shaft. Yes. 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。FIG. 5 is a line graph showing a change in the cross-sectional area of the exhaust passage P of the exhaust diffuser 10 according to the embodiment of the present invention, and is an enlarged view of a main part III in FIG. 4. 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。It is an effect explanatory view of exhaust diffuser 10 concerning the embodiment of the present invention, and the horizontal axis shows the start / end position of a crevice formation field, and the vertical axis shows diffuser performance improvement amount. 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。FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of a main part showing a modified example of the exhaust diffuser 10 according to the embodiment of the present invention, corresponding to FIG. 3.

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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a half sectional view showing a schematic configuration of a gas turbine 1 according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the gas turbine 1 is schematically composed of a compressor 2, a combustor 3, and a turbine 4, and a rotor 5 includes a compressor casing 2 a of the compressor 2 and a turbine casing 4 a of the turbine 4. It is inserted.

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。
The compressor 2 includes a blade row composed of compressor stationary blades 2b arranged in an annular shape on the inner periphery of the compressor casing 2a, and a blade row composed of compressor moving blades 2c arranged in an annular shape on the outer periphery of the rotor 5. The compression channels are alternately stacked in the direction of the rotation center axis S, and a compression flow path is formed so as to pass through these blade rows. The cascade composed of the compressor moving blades 2c and the cascade composed of the compressor stationary blades 2b have a multistage structure in which a pair (stage) adjacent in the direction of the rotation center axis S forms a pair.
The compressor 2 adiabatically compresses the air A taken inside from the upstream side to the downstream side of the compression flow path.

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。   The combustor 3 is disposed between the compressor 2 and the turbine 4. The high-pressure air A compressed by the compressor 2 is mixed and burned, and the combustion gas G is sent to the turbine 4. Yes.

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。
The turbine 4 includes a cascade of turbine stationary blades 4b arranged annularly on the inner periphery of the turbine casing 4a, and a cascade of turbine rotor blades 4c arranged annularly on the outer periphery of the rotor 5. The combustion gas flow path R is formed so as to pass through these blade rows.
The turbine 4 converts the thermal energy of the combustion gas G into rotational energy of mechanical work through the rotor 5 by flowing the combustion gas G generated in the combustor 3 downstream while expanding.

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。   As described above, the rotor 5 is inserted through the compressor casing 2a and the turbine casing 4a, and one end side is connected to a generator (not shown), and the generator is driven by the rotational energy generated by the turbine 4 as power. To supply.

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。   The gas turbine 1 having such a schematic configuration includes an exhaust diffuser 10 connected to the downstream side of the turbine blade 4c at the final stage of the turbine casing 4a.

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。
2 is an enlarged cross-sectional view showing a main part I in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG.
As shown in FIG. 2, the exhaust diffuser 10 is a cylindrical shape that is provided inside the exhaust casing 10 a connected to the turbine casing 4 a and the journal bearing 7 that supports the rotor 5. A protective casing 11, a plurality of struts (structures) 12 extending from the exhaust casing 10 a to the inside of the protective casing 11 and holding the journal bearing 7 from the periphery, and provided on the downstream side of the struts 12. And a manhole (structure) 13 provided for maintenance.
In the exhaust diffuser 10, the direction of the rotation center axis S is the main flow direction along the main flow of the exhaust gas E.

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。
The exhaust casing 10a is configured such that the inner peripheral wall surface (wall surface) 10b gradually increases in diameter in the main flow direction from the upstream side to which the turbine 4 is connected toward the downstream side.
The protective casing 11 is provided coaxially with the exhaust diffuser 10 and is formed to have substantially the same diameter from the upstream side to which the turbine 4 is connected to the downstream side in the main flow direction.

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)。   An annular exhaust passage P is formed between the exhaust casing 10 a and the protective casing 11 by the inner peripheral wall surface 10 b of the exhaust casing 10 a and the outer peripheral wall surface 11 b of the protective casing 11. The exhaust passage P has the outer peripheral wall surface 11b of the protective casing 11 formed to have substantially the same diameter, while the inner peripheral wall surface 10b of the exhaust casing 10a gradually increases in diameter as it goes downstream. The cross-sectional area that intersects the main flow direction gradually increases as it goes from the upstream side to the downstream side (see FIG. 4).

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。
Each strut 12 includes a strut body 12a that holds the journal bearing 7, and a strut cover 12b that covers the strut body 12a with combustion gas G and protects it from heating. The strut cover 12b extends from the protective casing 11 toward the exhaust casing 10a.
The manhole 13 allows the outside of the exhaust casing 10a to communicate with the inside of the protective casing 11 (accommodating space).
The strut cover 12b and the manhole 13 extend in a direction intersecting the mainstream, and in order to reduce the mainstream resistance in the exhaust passage P, the cross-sectional shape is a wing shape (streamline type).

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。   As shown in FIG. 2, the exhaust casing 10 a has an upstream recess formation region (recess formation region) 20 and a downstream recess formation region (recess formation region) 30.

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。   In the upstream recess formation region 20, an upstream inner peripheral recess (recess) 21 formed on the inner peripheral wall surface 10 b of the exhaust casing 10 a and an outer peripheral wall surface of the protective casing 11 (over the range including the struts 12 in the main flow direction). An upstream peripheral recess (recess) 22 formed in the wall surface 11b is formed.

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。   As shown in FIG. 3, these upstream recesses (upstream inner peripheral recess 21 and upstream outer peripheral recess 22) are positions where the struts 12 respectively extend out of the inner peripheral wall surface 10 b and the outer peripheral wall surface 11 b in the flow path cross section. It is formed over the range including.

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。
As shown in FIG. 2, these upstream recesses gradually become shallower after becoming gradually deeper from one side in the main flow direction to the other side. Moreover, as shown in FIG. 3, after becoming gradually deeper from one to the other in the circumferential direction, it becomes gradually shallower.
Further, the positions of the upstream recesses extending in the main flow direction are set as follows when the length of the strut 12 in the main flow direction is L1. That is, in the main flow direction, 0.2 L1 away from the strut leading edge 12 c located upstream of the strut 12 upstream from the position 0.2 L1 away from the strut trailing edge 12 d located downstream of the strut 12 0.2 L1 away from the downstream. It extends to the position.

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。   As shown in FIG. 2, the downstream recess forming region 30 includes a downstream inner peripheral recess (recess) 31 formed in the inner peripheral wall surface 10b and an outer peripheral wall surface 11b over a range including the manhole 13 in the main flow direction. A formed downstream outer peripheral recess (recess) 32 is formed.

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。
These downstream recesses (downstream inner peripheral recesses 31 and downstream outer periphery recesses 32) are each formed over a range including the position where the manhole 13 extends in the flow path cross section (see FIG. 3).
Further, as shown in FIG. 2, these downstream recesses become gradually shallower after becoming gradually deeper in the mainstream direction, and gradually getting shallower after becoming gradually deeper in the circumferential direction as shown in FIG. It has become.

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。   When the length of the manhole 13 in the mainstream direction is L2, these downstream recesses are located in the mainstream direction from a position 0.2 L2 upstream from the manhole leading edge 13c located at the uppermost stream of the manhole 13 in the mainstream direction. Extends from the manhole trailing edge 13d located on the most downstream side to a position 0.2 L2 away from the downstream side.

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。   4 is a line graph showing a change in the cross-sectional area of the exhaust flow path P of the exhaust diffuser 10, and FIG. 5 is an enlarged view of a main part III of FIG. In FIG. 4, the horizontal axis indicates the position in the main flow direction, and the vertical axis indicates the cross-sectional area of the exhaust passage P. 4 and 5, the locus indicated by the solid line indicates the exhaust flow path P, and the locus indicated by the broken line does not include the upstream recessed portion forming region 20 and the downstream recessed portion forming region 30, the strut 12, and the manhole 13. The change in the cross-sectional area of the first hypothetical flow path PX is assumed, and the second hypothetical flow in the case where the locus indicated by the alternate long and short dash line is assumed to have no upstream recess formation region 20 and downstream recess formation region 30 is shown. The change of the cross-sectional area of the path PY is shown.

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。   As shown in FIG. 4, the upstream concave portion and the downstream concave portion are located between the first hypothetical channel PX and the second hypothetical channel PY in the central part of the change path of the cross-sectional area of the exhaust channel P. As such, its depth is formed. More precisely, as shown in FIG. 5, the change in the cross-sectional area of the exhaust passage P between the strut leading edge 12c and the strut trailing edge 12d and between the manhole leading edge 13c and the manhole trailing edge 13d. Is formed so as to be located between the first assumed flow path PX and the second assumed flow path PY.

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。
As shown in FIG. 4, the change in the cross-sectional area of the exhaust passage P is as follows.
First, the cross-sectional area of the exhaust passage P increases as the inner peripheral wall surface 10b of the turbine 4 increases in diameter as it proceeds downstream from the inflow portion of the exhaust gas E. Thereafter, when reaching the upstream recess formation region 20, the increase in the cross-sectional area due to the upstream recess is added to the increase in the cross-sectional area due to the expansion of the inner peripheral wall surface 10b, and the increase rate of the cross-sectional area increases. Next, when the strut leading edge 12c is reached, the decrease in the cross-sectional area due to the strut 12 occupying the exhaust flow path P exceeds the increase in the cross-sectional area due to the upstream recess and the expansion of the inner peripheral wall surface 10b. The cross-sectional area increase rate turns negative. Then, after the cross-sectional area of the exhaust passage P decreases to a position near the middle of the strut 12 in the main flow direction, the cross-sectional area increases while depicting a trajectory opposite to the above. When the strut trailing edge 12d is reached, the cross-sectional area of the exhaust passage P is gently reduced by increasing the cross-sectional area due to the expansion of the inner peripheral wall surface 10b more than the decrease of the cross-sectional area of the upstream recess. The locus is only an increase in cross-sectional area due to the expansion of the wall surface 10b.
The same applies to the downstream recess formation region 30.

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。
Next, the operation of the exhaust diffuser 10 having the above configuration will be described.
As shown in FIG. 2, the combustion gas G that has passed through the final stage turbine blade 4 c flows into the exhaust passage P. Since the exhaust passage P gradually increases in diameter as it goes downstream, the dynamic pressure of the exhaust gas E is converted to a static pressure.

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。   The exhaust gas E that has reached the most upstream side of the upstream recess formation region 20 flows toward the downstream strut 12. At this time, a pressure distribution in which the pressure gradually increases toward the strut leading edge 12c due to the collision of the exhaust gas E is formed on the upstream side in the main flow direction of the strut leading edge 12c. And the upstream outer circumferential concave portion 22 increase the cross-sectional area of the exhaust flow path P, so that the pressure gradient becomes relatively gentle.

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。   When the exhaust gas E reaches the strut leading edge 12c, the strut 12 occupies the cross section of the exhaust flow path P, so the cross sectional area of the exhaust flow path P decreases. The cross-sectional area of the exhaust flow path P is the largest in the vicinity of the center in the mainstream direction, in other words, at the position where the blade thickness of the strut 12 having the airfoil cross-sectional shape is maximized, and then gradually increases. .

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。   In these cases, as shown in FIGS. 4 and 5, the decrease in the cross-sectional area of the exhaust passage P is offset by the increase in the cross-sectional areas of the upstream outer peripheral recess 22 and the upstream inner peripheral recess 21. Compared with the flow path PY, the change in the cross-sectional area of the exhaust flow path P becomes gentle. For this reason, the pressure fluctuation of the exhaust gas E becomes relatively gentle, and the pressure loss generated in the exhaust gas E becomes relatively small.

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。   When the exhaust gas E flows downstream from the strut trailing edge 12d, the increase in the cross-sectional area due to the expansion of the inner peripheral wall surface 10b is reduced by the decrease in the cross-sectional area between the upstream inner peripheral recess 21 and the upstream outer recess 22. After the increase, the cross-sectional area of the exhaust passage P is gently reduced, and then increases due to the diameter expansion of the inner peripheral wall surface 10b. Even at this time, the cross-sectional area of the exhaust passage P changes relatively gently. For this reason, the pressure fluctuation of the exhaust gas E becomes relatively gentle, and the pressure loss generated in the exhaust gas E becomes relatively small.

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。   Similarly, when the exhaust gas E passes through the manhole 13 (downstream recessed portion forming region 30), the generated pressure loss is relatively reduced due to the same action as when passing through the strut 12 (upstream recessed portion forming region 20). Get smaller.

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。
As described above, according to the exhaust diffuser 10 according to the embodiment of the present invention, the upstream inner peripheral recess 21 is formed on the inner peripheral wall 10b over the upstream recess forming region 20 including the strut 12 in the main flow direction. Since the upstream outer peripheral concave portion 22 is formed in 11b, the upstream inner peripheral concave portion 21 and the upstream outer peripheral concave portion are compared with the second assumed flow path PY in which the upstream inner peripheral concave portion 21 and the upstream outer peripheral concave portion 22 are not formed. The cross-sectional area of the exhaust flow path P increases by the amount of 22.
That is, at least a part of the decrease in the cross-sectional area due to the struts 12 can be offset by the increase in the cross-sectional area due to the upstream inner peripheral recess 21 and the upstream outer peripheral recess 22. Thereby, since the change of the cross-sectional area of the exhaust flow path P becomes gentler than that of the second hypothetical flow path PY, generation of pressure loss of the exhaust gas E can be suppressed.
Further, the upstream and downstream of the strut 12 in the main flow direction, the cross-sectional area of the exhaust passage P increases compared to the second hypothetical passage PY, so the pressure at the strut leading edge 12c and the strut trailing edge 12d. The effects of change can be mitigated.

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。
Since the upstream inner circumferential concave portion 21 and the upstream outer circumferential concave portion 22 are formed so as to include a position where the strut 12 extends in the flow path cross section, a partial region in which the strut 12 is included in the flow path cross section. The cross-sectional area of can be increased. Thereby, compared with the case where the upstream inner circumferential recess 21 and the upstream outer circumferential recess 22 are formed at positions spaced apart from the strut 12 in the circumferential direction, the fluid colliding with the strut 12 can be quickly transferred into the upstream side. Since it can escape to the peripheral recessed part 21 and the upstream outer peripheral recessed part 22, a pressure loss can be reduced effectively.
Furthermore, in the main flow direction, the cross-sectional area of the flow path partially increases compared to the case where the second hypothetical flow path PY is not formed upstream of the strut leading edge 12c and downstream of the strut trailing edge 12d. The influence of the pressure change at the strut leading edge 12c and the strut trailing edge 12d can be greatly reduced.

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。   In addition, a part of the center of the change path of the cross-sectional area of the exhaust passage P in the range in which the struts 12 extend in the main flow direction is the change of the cross-section area of the first assumed flow path PX and the second assumption. Since the upstream inner circumferential concave portion 21 and the upstream outer circumferential concave portion 22 are formed so as to be between the change trajectories of the flow path PY, the change in the cross sectional area of the exhaust flow path P is the first. It approximates the change in the cross-sectional area of the assumed flow path PX, and pressure loss can be effectively suppressed.

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。   Further, the upstream inner circumferential recess 21 and the upstream outer circumferential recess 22 extend from a position 0.2 L away from the strut leading edge 12 c to the upstream side to a position 0.2 L away from the strut trailing edge 12 d. Since it is formed in the range, pressure loss can be more effectively suppressed.

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。
FIG. 6 is a correlation diagram between the recessed portion formation region and the diffuser performance improvement amount. FIG. 6 shows the result of confirming the amount of improvement in the diffuser performance by changing the upstream start position and the downstream end position of the upstream recess formation region 20.
As shown in FIG. 6, as the upstream start position and the downstream end position of the upstream recess formation area 20 are increased, they gradually increase and become the highest in the vicinity of 0.2L1. Then, it gradually decreases, and the amount of improvement in the diffuser performance decreases from around 0.4L1.
In this way, the upstream inner circumferential recess 21 and the upstream outer circumferential recess 22 are separated from the strut leading edge 12c by a distance of 0.2L1 upstream and from the strut trailing edge 12d by a distance of 0.2L1 downstream. Therefore, the diffuser performance can be greatly improved, and the performance and efficiency of the gas turbine can be improved.

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。   Even in the manhole 13 where the downstream recessed portion forming region 30 is located, the downstream inner peripheral recessed portion 31 and the downstream outer peripheral recessed portion 32 exhibit the same effects as the upstream inner peripheral recessed portion 21 and the upstream outer peripheral recessed portion 22, so that the pressure loss Can be effectively deterred.

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。   Note that the operation procedure shown in the above-described embodiment, various shapes and combinations of the constituent members, and the like are examples, and various modifications can be made based on design requirements and the like without departing from the gist of the present invention.

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。   For example, in the above-described embodiment, the upstream concave portion (the upstream inner peripheral concave portion 21 and the upstream outer peripheral concave portion 22) and the downstream concave portion (the downstream inner peripheral concave portion 31 and the downstream outer peripheral concave portion 32) are provided. Only one of the recess and the downstream recess may be provided, or the recess forming region may be provided only on either the inner peripheral wall surface 10b or the outer peripheral wall surface 11b.

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。   In the above-described embodiment, the upstream inner circumferential recess 21 and the upstream outer circumferential recess 22 are separated from the strut leading edge 12c by a distance of 0.2L1 upstream from the strut trailing edge 12d by a distance 0 downstream. Although formed in a range up to a position 2L1 apart, as shown in FIG. 6, a good improvement in diffuser performance is recognized if it is a range up to a position 0.4L1 away. Accordingly, the upstream inner circumferential recess 21 and the upstream outer circumferential recess 22 are moved from a position separated by a distance of 0.4 L1 upstream from the strut leading edge 12 c to a position separated by a distance of 0.4 L1 downstream from the strut trailing edge 12 d. You may form in a range. The same applies to the downstream inner circumferential recess 31 and the downstream outer circumferential recess 32.

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。
Further, in the above-described embodiment, the upstream inner peripheral recess 21 and the upstream outer recess 22 include the position where the manhole 13 extends so as to include the position where the strut 12 extends in the cross section of the flow path. Although the downstream inner circumferential recess 31 and the downstream outer circumferential recess 32 are respectively formed, as shown in FIG. 7, at least one or more recesses 40 are included in a range not including the struts 12 and the manholes 13 in the flow path cross section. It may be formed.
As shown in FIG. 7, the recess 40 may be provided only on the outer peripheral wall surface 11b, or may be provided only on the inner peripheral wall surface 10b or on both.
Further, in the upstream recess formation region 20, only the recess 40 may be provided instead of the upstream inner periphery recess 21 and the upstream outer periphery recess 22. Similarly, in the downstream recess formation region 30, only the recess 40 may be provided instead of the downstream inner periphery recess 31 and the downstream outer periphery recess 32.

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。   Moreover, although the case where the flow path structure according to the present invention was applied to the exhaust diffuser 10 of the gas turbine 1 was described in the above-described embodiment, other parts of the gas turbine 1 (for example, suction of air A of the compressor) The flow channel structure according to the present invention may be applied to a flow channel or the like or other fluid machines.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Gas turbine 10 ... Exhaust diffuser 10b ... Inner peripheral wall surface (wall surface) 11b ... Outer peripheral wall surface (wall surface) 12 ... Strut (structure) 12c ... Strut front edge (front edge) 12d ... Strut rear edge (rear edge) 13 ... Manhole (structure) 13c ... Manhole front edge (front edge) 13d ... Manhole rear edge (rear edge) 20 ... Upstream recess formation region (recess formation region) 21 ... Upstream inner peripheral recess (recess) 22 ... Upstream outer periphery recess (Recessed portion) 30 ... downstream recessed portion forming region (recessed portion forming region) 31 ... downstream inner peripheral recessed portion (recessed portion) 32 ... downstream outer peripheral recessed portion (recessed portion) 40 ... recessed portion E ... exhaust gas (fluid) P ... exhaust flow path

Claims (3)

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を有するガスタービン排気ディフューザであって、
前記流路構造は、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ガスタービン排気ディフューザ
A structure extends from the wall surface forming the flow path in a direction intersecting the main flow direction along the main flow of the fluid flowing through the flow path, and the structure is one of the flow paths in a cross section of the flow path intersecting the main flow. A gas turbine exhaust diffuser having a flow path structure in which a cross-sectional area of the flow path changes as it proceeds in the mainstream direction by occupying the range of the part,
The flow path structure has a recessed portion forming region in which a recessed portion is formed on the wall surface over a range including the structure in the main flow direction, and the recessed portion becomes gradually shallower after gradually becoming deeper in the circumferential direction. A gas turbine exhaust diffuser characterized by that.
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に記載のガスタービン排気ディフューザWhen the length from the front edge to the rear edge of the structure in the main flow direction is L, the concave portion is located downstream from the rear edge by a distance of 0.4 L from the front edge to the upstream side. 2. The gas turbine exhaust diffuser according to claim 1, wherein the gas turbine exhaust diffuser is formed in a range up to a position 0.4 L apart. 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に記載のガスタービン排気ディフューザ3. The concave portion is formed in a range from a position separated by a distance of 0.2L upstream from the front edge to a position separated by a distance of 0.2L downstream from the rear edge. The gas turbine exhaust diffuser described in 1.
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