JP6188885B2 - 特に軸流機械に用いられるディフューザ - Google Patents

Description

本発明は、軸流機械の分野に関する。本発明は、請求項１の上位概念部に記載の形式のディフューザ、すなわち第１の横断面積を有する環状通路から、該第１の横断面積よりも大きな第２の横断面積を有する流出スペースへと機械軸線に沿って移行する、特に軸流機械に用いられるディフューザに関する。

据置型のガスタービンの出口に配置され、タービンから到来するガスの流速を低下させ、かつガスタービンの効率を改善するために圧力上昇を生じさせることが望ましいディフューザは、以前から公知先行技術に基づいて知られている（たとえば、欧州特許第０４９１９６６号明細書または米国特許出願公開第２０１１／０５８９３９号明細書および当該明細書の図１を参照）。

ガスタービンの出口に設けられたディフューザの作用、ひいては機械の総効率を改善するために、過去に種々異なる提案が成された。そこで、特に欧州特許第０２６５６３３号明細書において、ディフューザを、半径方向で、流れをガイドするガイド金属薄板を用いて複数のディフューザ部分に分割することが提案されている。

既に述べた米国特許出願公開第２０１１／０５８９３９号明細書では、ディフューザ内の流れ状態を改善するために、ディフューザの、先細りした内側部分に制御可能なコアンダ流（コアンダ効果に起因する流れ）が形成される。このコアンダ流により、ディフューザ内の流れに有利に影響が与えられ得る。ディフューザの内側部分、つまりハブは、段部を形成することなく、下流に向かって先鋭に延びている。ガスは外部の供給源からハブ内の環状室へと案内されて、環状室から複数のスリットノズルを介して高温の排ガスの流れ方向で、ハブの表面に対して平行に吹き込まれる。公知のコアンダ効果に基づいて、この付加的なガス流は、高温の排ガスを吸い込み、この高温の排ガスをハブに向かう方向に変向させる。排ガス流は、そこで加速され、下流側に向かって先細りするハブの表面に付着する。ディフューザ内の排ガス流への所望の影響を達成するために、排ガス質量流の４％までが付加ガスに吹き込まれなければならず、このことは、著しい手間に等しい。

これに対して欧州特許第０２６５６３３号明細書では、ディフューザの出口において、横断面積の急激な移行部が設けられている。このディフューザはカルノー型ディフューザとも呼ばれる。

上述の処置により効率のある程度の改善がもたらされるが、ディフューザの領域内において影響を及ぼす可能性は未だ利用し尽くされていない。

欧州特許第０４９１９６６号明細書 米国特許出願公開第２０１１／０５８９３９号明細書 欧州特許第０２６５６３３号明細書

したがって本発明の課題は、特に工業用タービンに用いられるディフューザを改善して、簡単な形式でガスタービンの総効率のさらなる改善をもたらすことである。

この課題を解決するための本願の請求項１に記載の構成では、第１の横断面積を有する環状通路から、該第１の横断面積よりも大きな第２の横断面積を有する流出スペースへと機械軸線に沿って移行する、特に軸流機械、有利には据置型のガスタービンに用いられるディフューザにおいて、前記移行が、複数の段部で行われるようにした。

本発明の有利な態様では、ディフューザの内部の横断面積が２つの段部で拡大している。

本発明の有利な態様では、ディフューザは、カルノー型ディフューザとして形成されている。

本発明の有利な態様では、ディフューザは、外側周壁と内側周壁とを有していて、外側周壁と内側周壁との間で媒体はディフューザを貫流し、横断面積における段部（横断面積が変化している段部）は、直径段部（直径の変化による段部）により内側周壁に形成されている。

本発明の有利な態様では、隣接した２つの段部の間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面が配置されており、２つの段部のうち上流側に位置する段部に、環状ギャップが設けられており、該環状ギャップを通じてガス流が流出し、コアンダ流としてガイド面に沿って流れるようになっている。

本発明の有利な態様では、ガイド面が、ディフューザの最後から２つ目の段部と、最後の段部との間に配置されている。

本発明の有利な態様では、ディフューザは、据置型のガスタービンの出口に配置されている。

本発明は、特に軸流機械、有利には据置型のガスタービンに用いられるディフューザを起点とする。ディフューザは、第１の横断面積を有する環状通路から、第１の横断面積よりも大きな第２の横断面積を有する流出スペースへと機械軸線に沿って移行する。このディフューザは、上記移行が複数の段部で行われることにより傑出している。

本発明の第１の態様は、ディフューザの内側の横断面積が２つの段部で拡大していることを特徴としている。このディフューザは、構造が特に単純である。

本発明の別の態様によれば、ディフューザが、カルノー型ディフューザ（管断面積が急拡大しているディフューザ）として構成されている。

本発明の別の態様は、ディフューザが、外側周壁と内側周壁とを有していて、該外側周壁と内側周壁との間で、媒体がディフューザを貫流し、段部が、横断面積において直径段部によって内側周壁に形成されていることにより傑出している。

本発明の別の態様は、隣り合う２つの段部の間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面が配置されていて、２つの段部のうち上流側に位置する段部に環状ギャップが設けられていて、該環状ギャップを通じてガス流が流出して、コアンダ流としてガイド面に沿って流れることができることを特徴とする。これによって、ディフューザ内の流れが有利に影響を受ける。

有利には、ガイド面が、ディフューザの最後から２つ目の段部と最後の段部との間に配置されている。

本発明のさらに別の態様は，ディフューザが工業用ガスタービンの出口に配置されていることを特徴としている。

以下に本発明を図面につき詳しく説明する。

自体公知の排ガスディフューザを有するガスタービンの概略的な構造を示す図である。 従来のカルノー型ディフューザの内側の構造を示す図である。 図２と比較して、本発明の実施の形態による多段式のディフューザの内側の構造を示す図である。 本発明の別の実施の形態による２段のディフューザを側面から見た斜視図である。 本発明の別の実施の形態によるコアンダ制御部を有する２段式のディフューザの内側の構造を示す図である。

図１には、公知先行技術から知られているような排ガスディフューザを備えたガスタービンの概略的な構造が再現されている。図１に図示されたガスタービン１０は、空気流入口１１を介して空気を吸い込み、その空気を圧縮する圧縮機１２を有している。圧縮された空気は、燃焼器１３に供給され、該燃焼器１３において燃料１４を燃焼するために利用される。発生する高温ガスは、後続のタービン１５内において作業出力を取り出しながら膨張され、次いでディフューザ１６を貫流する。これによって、ディフューザ１６において流速を減じられて、圧力上昇を引き起こすことができる。

従来のカルノー型ディフューザ（管断面積が急拡大しているディフューザ：Carnot-Diffusor）の内側の構造が、図２に著しく簡略化して再現されている。機械軸線３１に対して同心的に形成されたこのようなディフューザ１６は、入り口側に環状通路１７を有している。この環状通路１７を介して、タービンの排ガス１９がディフューザ１６に流入する。比較的に小さな横断面積を備えた環状通路１７には、流出スペース２１が接続している。流出スペース２１は、流れのために著しく大きな横断面積を有している。環状通路１７と流出スペース２１との間の移行は、図２に示した例では、急激な１つの段部２２によって行われている。この段部２２が、当該ディフューザ１６をカルノー型ディフューザとして特徴付けている。環状通路１７内には半径方向の支柱１８が配置されていてよい。これらの支柱１８は、ディフューザ１６の内側部分と外側部分とを接続すると同時に、流れを変向するために機能する。

これに対して本発明は、図３に図示した実施の形態によれば、ディフューザ２０において、環状通路１７と流出スペース２１との間の移行部を、多段式につまり複数の段部によって形成することを提案する。このためには、図示された実施の形態では２つの段部２２ａおよび２２ｂが設けられている。（図３では破線で示されている）別の段部２２ｃは任意である。しかし、段部の個数は上限を有していない。段部２２ａ−ｃに関連した直径の飛躍的な変化（Ｄｕｒｃｈｍｅｓｓｅｒｓｐｒｕｎｇ）は、図３に示した実施の形態では、ディフューザ２０の内側部分に限定されている。しかし、同様に直径の飛躍的な変化をディフューザの外側部分において設けることも十分に考えられる。

複数回段付けされたこのような内側輪郭により、タービン効率の０．１％である、本出願人のＧＴ２６型のガスタービンでは約５０万ワットの出力利得を意味する圧力上昇利得が生じる。

実際には、相応するディフューザはたとえば図４に再現されているような構成である。図４に示したディフューザ２０ａは環状の外側周壁２３を有していて、該外側周壁２３は、同心的に内側周壁２４を取り囲んで、この内側周壁２４と一緒に流路を形成している。内側周壁２４と外側周壁２３とは、半径方向の支柱２５によって接続されている。ディフューザ２０ａの出口には、軸方向で相前後して、直径において段付けされた２つの環状部２６および２７が配置されている。これらの環状部２６，２７によって、ディフューザ２０ａの複数回段付けされた拡大部が形成される。

流れ横断面の多段式の拡大部に対して付加的に、基本的には冒頭で挙げた刊行物、米国特許出願公開第２０１１／０５８９３９号明細書において提案されているように、ディフューザ内においてコアンダ流によって流れ特性に影響が与えられ得る。このためには、図５に示されているように、ディフューザ２０ｂにおいて、２つの段部２２ａおよび２２ｂの間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面２８が配置されている。両段部２２ａおよび２２ｂのうち上流側に位置する段部に、環状ギャップ２９が設けられており、この環状ギャップ２９を通じてガス流が流出スペース２１に流出し、コアンダ流３０としてガイド面２８に沿って流れることができる。この場合、コアンダ流３０のためのガス供給は、種々異なる形式で行うことができる。しかし上述の刊行物が教示しているのとは異なり、本発明によれば、能動的に吹き込まれる付加的なガスのための外部の供給源が省略されることが望ましい。構成部材の適切な配置により、ディフューザの急激な横断面拡大部の領域に占める圧力状態が利用されることが望ましく、この場合、運転の間に自動的に、湾曲されたガイド面２８に沿った壁流３０が形成され、この壁流３０が平行な排ガス流１９を変向するようになる。環状部２７の背後（下流側）の静圧ｐ２は、横断面拡大による流れ遅延の結果として、環状ギャップにおける流入圧ｐ１よりも高くなる。相応して、より高い圧力領域からより低い圧力領域への流れ３２が形成される。ディフューザ内に２つよりも多くの段部が設けられている場合、コアンダ流が最後から２つ目の段部と最後の段部との間において使用されると有利である。

１０ ガスタービン
１１ 空気流入部
１２ 圧縮機
１３ 燃焼器
１４ 燃料
１５ タービン
１６，２０ ディフューザ
１７ 環状通路
１８，２５ 支柱
１９ 排ガス
２０ａ，ｂ ディフューザ
２１ 流出スペース
２２ａ−ｃ 段部（横断面積）
２３ 外側周壁
２４ 内側周壁
２６，２７ 環状部
２８ ガイド面（凸状に湾曲）
２９ 環状ギャップ
３０ コアンダ流
３１ 機械軸線
３２ 戻り流

Claims (5)

1. 第１の横断面積を有する環状通路（１７）から、該第１の横断面積よりも大きな第２の横断面積を有する流出スペース（２１）へと機械軸線（３１）に沿って移行する、軸流機械に用いられるディフューザ（２０，２０ａ，２０ｂ）であって、
   前記移行が、複数の段部（２２ａ−ｃ）で行われ、
   隣り合う２つの段部（２２ａ，２２ｂ）の間に、凸状に湾曲されて直径が先細りした環状のガイド面（２８）が配置されており、前記２つの段部（２２ａ，２２ｂ）のうちの上流側に位置する段部に、環状ギャップ（２９）が設けられており、該環状ギャップ（２９）を通じてガス流が流出し、コアンダ流（３０）として前記環状のガイド面（２８）に沿って流れるようになっており、
   前記環状のガイド面（２８）が、前記ディフューザ（２０ｂ）の最後から２つ目の段部と、最後の段部との間に配置されており、前記環状のガイド面（２８）の下流側から前記環状ギャップ（２９）へのガスの流れ（３２）が形成され、前記環状ギャップ（２９）を通じてガスが流出することを特徴とするディフューザ。
2. 前記ディフューザ（２０，２０ａ，２０ｂ）の内部の横断面積は、２つの段部（２２ａ，２２ｂ）で拡大している、請求項１記載のディフューザ。
3. 前記ディフューザ（２０，２０ａ，２０ｂ）は、カルノー型ディフューザとして形成されている、請求項１または２記載のディフューザ。
4. 前記ディフューザ（２０ａ）は、外側周壁（２３）と内側周壁（２４）とを有していて、該外側周壁（２３）と内側周壁（２４）との間で、媒体がディフューザ（２０ａ）を貫流し、横断面積における段部（２２ａ−ｃ）は、前記内側周壁（２４）に形成される、請求項１から３までのいずれか１項記載のディフューザ。
5. 前記ディフューザ（２０，２０ａ，２０ｂ）は、据置型のガスタービン（１０）の出口に配置されている、請求項１から４までのいずれか１項記載のディフューザ。