JP5693315B2 - 排気ディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、排気ディフューザに関するものである。

図７に示すように、ガスタービン（軸流タービン）１００は前方の入り口から取り込んだ空気を圧縮機１２０で圧縮した後、燃焼室１３０で加熱し、更に後方にあるタービン１４０で流れを整え動力を得て、最後に後部の排気ディフューザ１５０を通して排気を行う。
図８はタービン１４０の動翼と排気ディフューザ１５０の位置関係の一例を示すガスタービン１００の概略部分断面図である。ガスタービン１００は、外側にタービンケーシング１１０を備え、その中に静翼１１１と動翼１１２の組み合わせを複数段配置している。動翼１１２を取り付けたロータ１１３の後端を軸受ハウジング１１４に納められた軸受（ジャーナル軸受）１１５が支持する。軸受ハウジング１１４は排気ガスの流れを横切るように放射状に配置された複数のストラット１５３によりタービンケーシング１１０の中心と同心に支持される。
なお、ここでは排気ガスの流れる方向に一段のストラット１５３を設けた例を示しているが、下流にマンホールとも称されるストラットをもう一段設ける場合もある。このマンホールも支持の役割を果たす強度部材として機能するので、本願発明ではマンホールも含めて、ストラットと総称する。

図８中の矢印Ｆは排気ガスの流れを示す。最終段の動翼１１２を出た排気ガスは排気ディフューザ１５０を通じて排出される。排気ディフューザ１５０はハブ側チューブ（内筒）１５１とその周囲にチップ側チューブ（外筒）１５２を同心に配置したものであり、両チューブの間に環状の流路が形成される。ハブ側チューブ１５１は円筒形状であるがチップ側チューブ１５２は下流ほど直径が大きくなる円錐台形状を呈しており、このため排気ディフューザ１５０は、上流から下流に向かって流路の断面積が次第に大きくなる、いわゆるコニカルディフューザーとなっている。ハブ側チューブ１５１とチップ側チューブ１５２の間隔を保って環状流路の形状を維持すること、及びこれをタービンケーシング１１０の中で支持することもストラット１５３の役割である。

排気ディフューザにおいてストラットは不可欠なものであるが、ストラットが配設された範囲を排気ガスが通過する際に、また排気ガスに対し比較的に大きな圧力損失をもたらす。これに対して、本出願人は、特許文献１、特許文献２において、圧力損失を低減できる排気ディフューザの構造を提案している。

特開２００５−２９０９８５号公報 特開２０１１−３２９００号公報

ところが、本発明者等の検討によると、排気ガスの流れについては改善の余地を残している。
そこで本発明は、排気ガスの流れをより理想的なものに近づけることのできる排気ディフューザを提供することを目的とする。

本発明者等の検討によると、ハブ側チューブ（内筒）の下流端で排気流が剥離して渦流が発生する。そのために、ストラットを通過して排気流は大きく循環しており、このため流れが均一になり難く、排気ダクトでの圧力回復量に比べ、実際の圧力回復量がかなり小さい。また、渦流が消えるのに必要な軸方向の距離が相当必要である。さらに、渦流は騒音・振動を伴う。これらの課題を解消することで、排気流の流れをより理想的なものに近づけることができる。
そこでなされた本発明の排気ディフューザは、内筒と、内筒の周囲に配置され、内筒との間に排気流路が形成される外筒と、排気流路内に設けられ、内筒と外筒を繋ぐストラットと、を備える。
ストラットは、排気流路を排気ガスが流れる方向の上流側に位置する前縁と、排気ガスが流れる方向の下流側に位置する後縁と、を備える。
内筒は、排気ガスが流れる方向の上流側の所定の開始位置から下流側の端部の終了位置にかけて径が縮径する縮径部、を備える。
そして、前縁と開始位置、及び、後縁と終了位置、の各々が、排気ガスが流れる方向において一致するように設定されている、ことを特徴とする。

本発明の排気ディフューザにおいて、ストラットは、後縁が、外筒から内筒にかけて、かつ下流に向けて下降するように傾斜されることが、排気ガスを排気ディフューザの軸に向けて流す上で好ましい。

本発明の排気ディフューザにおいて、内筒の周方向の全域にわたって縮径する縮径部とすることができるが、ストラットが接合される部分及びその周囲にのみ縮径領域を形成した縮径部とすることができる。ストラットに当たった排気ガスの流れは、内筒の外周面などの壁面側に押しやられる。このため、ストラットの近くの領域は、内筒の外周面で排気ガスが剥離しにくい。そこで、ストラットと内筒との接合部分及びその周囲の領域だけを縮径させるものである。
本発明の排気ディフューザにおいて、縮径部は、傾斜角度を５〜１５°の範囲とすることが好ましく、また、縮径部における内筒と外筒の間の排気流路の高さＴとストラットの前縁から後縁に到る排気ガスが流れる方向の長さＬの比（Ｔ／Ｌ）を、０．５〜２．０の範囲とする、ことが好ましい。

本発明によれば、排気流の流れをより理想的なものに近づけることのできる排気ディフューザを提供することができる。

第１実施形態に係るガスタービンの排気ディフューザ近傍を示す断面図である。 図１を模式的に示す図である。 第２実施形態に係るガスタービンの排気ディフューザ近傍を示す断面図である。 図３を模式的に示す図である。 第３実施形態に係るガスタービンの排気ディフューザ近傍を示す断面図である。 （ａ）は図５を模式的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）の６ｂ−６ｂ矢視断面図、（ｃ）は（ａ）の６ｃ−６ｃ矢視断面図である。 従来のガスタービンの概略構成を示す半断面図である。 従来のガスタービンの排気ディフューザ近傍を示す断面図である。

［第１実施形態］
以下、添付図面に示す実施形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１に示すように、排気ディフューザ１０は、ロータ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内筒１１と、タービンケーシング４ａに接続され、内筒１１の周囲に配置される円筒状の外筒１２と、を備えている。
また、排気ディフューザ１０は、外筒１２から内筒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１３と、これらストラット１３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１４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Ａ方向が、排気ガスＥの主流に沿った主流方向（排気ガスが流れる方向）となっている。

内筒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延設されている。内筒１１は、径が等しく設定されている等径部１１ａと、等径部１１ａの下流側の端部につらなり、下流側に向かうのにつれて径が縮小する縮径部１１ｂと、縮径部１１ｂの下流端を閉じる封止端１１ｃと、を備えている。なお、縮径部１１ｂを備えることを、以下、要素１、ということがある。
外筒１２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のにつれて、内周壁面（壁面）１２ｂが次第に拡径するようになっている。

これら内筒１１と外筒１２との間には、外筒１２の内周壁面１２ｂと内筒１１の外周壁面１１ｄとで、概略形状が円環状の排気流路Ｐが形成されている。この排気流路Ｐは、内筒１１の外周壁面１１ｄが略同径に形成されている一方で、外筒１２の内周壁面１２ｂが下流側に進むに従って次第に拡径するために、主流方向の上流側から下流側に進むに従って、主流方向に交差する開口面積が次第に大きくなっている。

ストラット１３は、互いに１２０°の角度をなして、ロータ５の回転中心軸Ａの回りに放射状に配置されている。つまり、この例では３つのストラット１３によりジャーナル軸受け７を支持している。
各ストラット１３は、ジャーナル軸受７を保持するストラット本体１３ａと、このストラット本体１３ａ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１３ｂとを備えている。ストラットカバー１３ｂは、内筒１１から外筒１２に向けて延びている。
ストラットカバー１３ｂ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）とされている。また、ストラットカバー１３ｂは、前縁１３ｃ及び後縁１３ｄを有している。

マンホール１４もストラット１３と同様に、互いに１２０°の角度をなして、ロータ５の回転中心軸Ａの回りに放射状に配置されている。
マンホール１４は、内筒１１と外筒１２とを繋ぎ、かつ外筒１２の外部と内筒１１の内部（収容空間）とを連通させている。
マンホール１４もまた、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）とされている。

さて、排気ディフューザ１０において、マンホール１４と、縮径部１１ｂを備える内筒１１と、が以下の関係を有している。
マンホール１４の前縁１４ａの位置と、内筒１１の等径部１１ａと縮径部１１ｂの境界（縮径の開始位置Ｓｔ）と、が主流方向において一致するように設定されている。以下、この構成を要素２ということがある。
また、マンホール１４の後縁１４ｂの位置と、内筒１１（縮径部１１ｂ）の後端の位置（縮径の終了位置Ｅｎ）と、が主流方向において一致するように設定されている。以下、この構成を要素３ということがある。

排気ディフューザ１０は、要素１を備えることにより、排気ガスＥの流れを回転中心軸Ａに向けて誘導することができる（図２参照）。
ただし、要素１、つまり縮径部１１ｂを設けたとしても、縮径部１１ｂの外周面から排気ガスＥの流れの中で剥離する成分があり、それが渦流を形成する。そこで、排気ディフューザ１０は、要素２を備えることにより、排気ガスＥの流れを回転中心軸Ａに向けてより効果的に誘導することができる。
内筒１１（外周面）から排気ガスＥの剥離を抑えるのに、排気流路Ｐの流路（開口）面積が一定であることが理想的である。しかし、排気流路Ｐにマンホール１４が設けられているので、マンホール１４より上流側よりも下流側の流路面積は減少する。この流路面積の減少を補完するために縮径部１１ｂを設けることが望まれる。そこで、流路面積の減少が生じる原因であるマンホール１４の存在、つまり前縁１４ａに合せて内筒１１を縮径させれば、それよりも上流側の流路面積を維持させやすくなる。したがって、要素２を備えることで、排気ガスＥの剥離を抑えることができる。

さらに、要素３を備えることで、内筒１１の外周面から排気ガスＥの流れの剥離を低減する。つまり、マンホール１４の後縁１４ｂよりも下流側に内筒１１の縮径部１１ｂが突出していると、突出部分で剥離が生じうる。そこで、要素３、つまり、後縁１４ｂと縮径部１１ｂの後端を一致するよう設定することで、剥離の発生を抑制する。その結果、渦流発生に基づく騒音・振動を低減する。

以上のように、要素１、要素２を備えることで、排気ディフューザ１０は、マンホール１４よりも下流の排気ガスＥの流れを回転中心軸Ａに向けて効果的に誘導できるので、マンホール１４よりも下流の循環領域を小さくし、短い距離で流れを均一化することができる。その結果、圧力回復を大きくすることができるとともに、軸方向の距離を短くすることができる。また、要素３を備えることで、排気ディフューザ１０は、騒音・振動を低減できる。

本実施形態において、マンホール１４、内筒１１の仕様は、排気ディフューザ１０が用いられるガスタービンにしたがって設定されるものであるが、一つの指針として、縮径部１１ｂの傾斜角度（θ）は５〜１５°の範囲で設定され、また、流路の高さＴとマンホール１４の前縁１４ａから後縁１４ｂに到る回転中心軸Ａ方向の長さＬの比（Ｔ／Ｌ）は、０．５〜２．０の範囲で設定されるのが好ましい。

本実施形態において、前縁１４ａの位置と内縮径の開始位置Ｓｔとが一致するように設定される、とは、前縁１４ａの位置と内縮径の開始位置Ｓｔとが物理的に一致することに限定されものではない。後縁１４ｂの位置と縮径部１１ｂの後端の終了位置Ｅｎとの関係についても同様である。例えば、排気ディフューザ１０を実際に製造する際に生ずる不可避的な位置ずれがあったとしても以上説明した効果が得られるのであれば、本発明に該当する。この場合に許容される位置ずれは、長さＬの１０％以下、好ましくは５％である。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態による排気ディフューザ２０を説明する。
排気ディフューザ２０は第１実施形態と基本的な構成が同じであるから、以下では第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態の排気ディフューザ１０と同じ構成には同じ符号を付している。

図３に示すように、排気ディフューザ２０は、マンホール２４の形態が第１実施形態と相違する。つまり、マンホール２４は、後縁２４ｂを、外筒１２から内筒１１にかけて、かつ下流に向けて下降するように傾斜させている。そうすることで、図４に示すように、内筒１１側の圧力は外筒１２側の圧力に比べ低くできる。したがって、排気ガスＥを回転中心軸Ａに向けてより効果的に誘導することができる。なお、前縁２４ａは回転中心軸Ａ方向と直交している（第１実施形態も同様）。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態による排気ディフューザ３０を図５、図６に基づいて説明する。
排気ディフューザ３０は第１実施形態と基本的な構成が同じであるから、以下では第１実施形態との相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態の排気ディフューザ１０と同じ構成には同じ符号を付している。

排気ディフューザ３０は、内筒３１の形態が第１実施形態と相違する。つまり、内筒３１は、等径部３１ａの下流側の端部に連なり、マンホール１４が接合される部分及びその周囲に限り縮径領域３１ｃが形成される縮径部３１ｂを備える。縮径領域３１ｃは、マンホール１４の前縁１４ａから始まって連続的に深くなり、マンホール１４の後縁１４ｂで最も大きくなる傾斜の形態を示す。マンホール１４の後縁１４ｂは、第１実施形態のように回転中心軸Ａと直交させてもよいし、第２実施形態のように下流に向けて下降するように傾斜させてもよい。また、前縁１４ａから後縁１４ｂにかけて縮径領域３１ｃの傾斜は、直線的なものであってもよいし、曲線的なものであってもよい。縮径領域３１ｃを除く部分の横断面における外形は図６に示されるように円弧をなしており、全体としての横断面の形状は花びら紋様に似ている。なお、第１実施形態の内筒１１は横断面における外形が円形である。

排気ディフューザ３０の中に設けられるマンホール１４は、排気ガスＥの流れを妨げる。マンホール１４に当たった排気ガスＥの流れは、内筒３１の外周壁面３１ｄなどの壁面側に押しやられる。このため、マンホール１４の近くの領域は、内筒３１の外周面で排気ガスＥが剥離しにくい。そこで、マンホール１４の内筒３１との接合部分及びこれを含む領域（縮径領域３１ｃ）を、軸方向に沿って回転中心軸Ａに向けて傾斜させることで、この領域の流れを効率的に回転中心軸Ａに向け、マンホール１４よりも下流の循環領域を小さくするのである。そうすることで、マンホール１４よりも下流で早く排気ガスＥの流れが均一化し、圧力回復が増加する。

以上説明した実施形態は、ストラット１３とマンホール１４（マンホール２４）と、回転中心軸Ａの方向に二段階のストラットを備えているが、本発明はこれに限定されず、マンホール１４を備えていない排気ディフューザについて本発明を適用できる。つまり本発明は、軸方向に単段のストラットを備える排気ディフューザ及び軸方向に複数段のストラットを備える排気ディフューザの両者において、特に排気ガスが通過する最終段のストラットに適用される。
また、本発明において、マンホールも含めストラットは、周方向に配置される数は以上説明した３に限るものではなく、２又は４などの任意の数を採用できる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

４ タービン
４ａ タービンケーシング
５ ロータ
７ ジャーナル軸受
１０，２０，３０ 排気ディフューザ
１１，３１ 内筒
１１ａ，３１ａ 等径部
１１ｂ，３１ｂ 縮径部
１１ｃ 封止端
１１ｄ，３１ｄ 外周壁面
３１ｃ 縮径領域
１２ 外筒
１２ｂ 内周壁面
１３ ストラット
１３ａ ストラット本体
１３ｂ ストラットカバー
１４，２４ マンホール
１４ａ，２４ａ 前縁
１４ｂ，２４ｂ 後縁
Ａ 回転中心軸
Ｐ 排気流路
Ｓｔ 開始位置
Ｅｎ 終了位置

Claims (6)

1. 内筒と、
   前記内筒の周囲に配置され、前記内筒との間に排気流路が形成される外筒と、
   前記排気流路内に設けられ、内筒と外筒を繋ぐストラットと、を備え、
   前記ストラットは、
   前記排気流路を排気ガスが流れる方向の上流側に位置する前縁と、
   前記排気ガスが流れる方向の下流側に位置する後縁と、を備え、
   前記内筒は、
   前記排気ガスが流れる方向の上流側の所定の開始位置から下流側の端部の終了位置にかけて径が縮径する縮径部、を備え、
   前記前縁と前記開始位置、及び、前記後縁と前記終了位置、の各々が、前記排気ガスが流れる方向において一致するように設定されている、
   ことを特徴とする排気ディフューザ。
2. 前記ストラットは、
   前記後縁が、前記外筒から前記内筒にかけて、かつ下流に向けて下降するように傾斜される、
   請求項１に記載の排気ディフューザ。
3. 前記縮径部は、
   前記ストラットが接合される部分及びその周囲にのみ形成される、
   請求項１又は２に記載の排気ディフューザ。
4. 前記縮径部は、傾斜角度を５〜１５°の範囲とする、
   請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
5. 前記縮径部における前記内筒と前記外筒の間の前記排気流路の高さＴと前記ストラットの前記前縁から前記後縁に到る前記排気ガスが流れる方向の長さＬの比（Ｔ／Ｌ）を、０．５〜２．０の範囲とする、
   請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の排気ディフューザを備えることを特徴とするガスタービン。