JP6399894B2 - 排気装置及びガスタービン - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ガスタービンから排出される排気を処理する排気装置、また、このガスタービンに関するものである。

例えば、一般的なガスタービンは、圧縮機と燃焼器とタービンにより構成されている。圧縮機は、空気取入口から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気にする。燃焼器は、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させることで高温・高圧の燃焼ガスを得る。タービンは、この燃焼ガスにより駆動され、同軸上に連結された発電機を駆動する。

このガスタービンにおいて、タービンの下流側に排気装置が設けられている。タービンは、タービン車室内に複数の静翼と複数の動翼が燃焼ガスの流動方向に交互に配設されて構成されている。このタービン車室は、下流側に排気車室を介して排気室が配設されている。この排気室は、排気車室に支持される排気ディフューザを有している。排気ディフューザは、円筒形状をなす外側ディフューザと内側ディフューザがストラットシールドにより連結されて構成されている。ストラットは、一端部がロータを支持する軸受に連結され、他端部が排気車室に連結されている。そして、外部からの冷却空気をストラットとストラットシールドとの間に引き込むことで、排気ディフューザを冷却している。

特許文献１には、冷却部の案内管から送り出された冷却流体が供給される排気ディフューザ冷却装置の入口に設けられ、排気ディフューザ冷却装置の冷却流体の通路を、排気ディフューザを冷却する非加熱部と段落部ケーシングを冷却する加熱部とに区分けする透口板が開示されている。この透口板は、冷却流体が排気ディフューザ側からの熱輻射を受けて過熱され、段落部ケーシングの冷却が不十分になることを解決するため、輻射熱の遮断を目的として設けられ、排気ディフューザに供給された冷却流体の一部は、透口板を透過して、排気ディフューザを冷却する非加熱部に供給され、排気ディフューザを冷却後、外部へ排出されている。

特許文献２には、内周側ケーシングの外周側に隔壁を設け、内周側ケーシングと隔壁との間に空気チャンバーを形成する第二冷却系統が開示されている。

特開平０６−１７３７１２号公報 特開２００５−０８３１９９号公報

上述したように従来の排気ディフューザでは、外部からの冷却空気をストラットとストラットシールドとの間に引き込むことで、排気ディフューザを冷却している。ところが、近年、ガスタービンの高出力化が求められており、これにより排気ガス温度が上昇するため、排気ディフューザの更なる冷却が必要となる。この場合、外部からのストラットとストラットシールドとの間に引き込む冷却空気量を増加することが考えられる。しかし、排気ディフューザを冷却した空気は、排気ガス流路に排出されることから、排気ガス温度が低下し、タービン効率が低下してしまうという問題がある。

特許文献１に開示された透口板は、冷却流体を通過させる構造であり、透口板と外側ディフューザの間に形成された通路は、冷却効率が悪く、冷却性能が良いとは言えない。また、特許文献１に開示された空気チャンバーは、外側ディフューザに設けたものではない。この特許文献１に開示された外側ディフューザに、特許文献１に開示された空気チャンバーを取付けるとなると、外側ディフューザに荷重がかかり、荷重の支持方法が難しくなる。

本発明は、上述した課題を解決するものであり、排気ディフューザを効率良く冷却することを可能とする排気装置及びガスタービンを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明の一態様に係る排気装置は、環状に形成される車室と、環状に形成されて前記車室の径方向の内側に支持される外側ディフューザと、環状に形成されて前記外側ディフューザの径方向の内側に配置されることで前記外側ディフューザとの聞に排気ガス流路を形成する内側ディフューザと、筒形状を形成されて長手方向の一端部が前記外側ディフューザに連結されて他端部が前記内側ディフューザに連結されるストラットカバーと、前記車室における前記ストラットカバーより前記排気ガス流路の上流側または下流側に設けられる冷却空気導入部と、前記外側ディフューザの径方向の外側を覆うように環状に形成されて前記車室に支持される仕切部材と、前記外側ディフューザと前記仕切部材との間に設けられて前記冷却空気導入部から導入された冷却空気を前記ストラットカバー内側のストラットカバー流路に導くように形成される冷却空気流路と、を有することを特徴とするものである。

従って、外側ディフューザの外側に新たに仕切部材を設けて従来構造より流路面積の狭い冷却空気流路を形成できるので、外側ディフューザの冷却性能を向上することができる。また、仕切部材は、車室側から支持されているので、取付構造が簡単になり、メンテナンス性を向上することができる。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記仕切部材は、軸方向の一端部を先端が固定されていない自由端とし、他端部は前記車室に固定された固定端を備えて、軸方向に環状に配置され、前記冷却空気流路が、前記自由端から前記固定端に向かう流路を形成するように配置されることを特徴としている。

従って、冷却空気導入部から供給された冷却空気の全流量が、仕切部材の自由端で折り返して固定端に向かう冷却空気流路内を流れるので、外側ディフューザの冷却が促進され、ストラットカバー流路への冷却空気の流入が円滑になる。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記外側ディフューザは、軸方向の一端部において周方向に環状に配置されたサポート部材を介して前記車室に支持され、前記仕切部材は、前記サポート部材に対して径方向の内側に配置されることを特徴としている。

従って、外側ディフューザを支持するサポート部材の径方向内側に仕切部材を配置できるので、仕切部材を干渉しない範囲内で外側ディフューザに接近させ、冷却空気流路の流路断面積を狭く形成でき、外側ディフューザの冷却が強化される。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記サポート部材は、周方向に隙間をあけて複数に分割された分割片で形成され、前記分割片は、軸方向から見て、周方向に配置された前記ストラットカバーの間に少なくとも一以上の前記隙間が配置されるように取付けられることを特徴としている。

従って、冷却空気導入部から供給された冷却空気は、サポート部材の隙間を通過することにより、周方向への冷却空気の分散が促進される。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記分割片は、周方向に隣接して配置され、軸方向の一端が前記車室に固定され、他端が前記外側ディフューザの径方向外側の壁面に固定され、隣接する前記分割片の間の隙間が軸方向に一定幅を形成するように配置されることを特徴としている。

従って、周方向の分割片間に均一な隙間が形成されるので、冷却空気流路を流れる冷却空気の流量が周方向に均一化される。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記仕切部材は、周方向に複数に分割され、分割された仕切部材片の周方向両端にはシール部材を備えることを特徴としている。

従って、仕切部材片の両端はシール部材でシールされるので、冷却空気流路に入る冷却空気は、ショートパスすることなく自由端側から冷却空気流路に流入するので、周方向の冷却空気の流れが均一化される。また、部分的に仕切部材片の取外しが可能となり、メンテナンス性が向上する。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記冷却空気流路は、前記ストラットカバーと前記外側ディフューザとの連結部の外側に設けられることを特徴としている。

従って、ストラットカバーと外側ディフューザとの連結部に排気ガスの熱応力が集中するものの、冷却空気が冷却空気流路を通過するとき、この連結部を冷却することから、ストラットカバーと外側ディフューザとの連結部に作用する熱応力を軽減することができる。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記冷却空気導入部は、前記仕切部材の径方向の外側に対向して設けられることを特徴としている。

従って、冷却空気導入部から車室の内部に導入された冷却空気は、サポート部材及び仕切部材を通過する過程で周方向に均一化され、冷却空気流路を通ってストラットカバーの内部に導かれることとなり、冷却空気により外側ディフューザを周方向に均一に冷却することができる。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記車室と前記仕切部材との間に環状をなす空間部が設けられ、前記冷却空気導入部は、前記空間部に連通し、冷却空気流路は、一端部が前記空間部に連通し、他端部が前記ストラットカバーの内部に連通することを特徴としている。

従って、冷却空気導入部から車室の内部に導入された冷却空気は、一定の容積を有する空間部を経由して冷却空気流路に入り込むため、空間部がバッファタンクの役割を果たし、冷却空気が空間部で周方向に均一化されてから冷却空気流路に流れ込むこととなり、冷却空気により外側ディフューザを周方向に均一に冷却することができる。

本発明の一態様に係る排気装置では、前記冷却空気導入部は、周方向に所定間隔で複数設けられることを特徴としている。

従って、車室の内部に対して周方向に均一に冷却空気を導入することができる。

また、本発明の一態様に係るガスタービンは、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、前記タービンから排出される排気を処理する前記排気装置と、を有することを特徴とするものである。

従って、少ない流量で外側ディフューザを効率良く冷却することができ、冷却空気量の増加を抑制することができることから、排気ガス流路に排出される冷却空気量増加を抑制することができ、排気ガス温度の低下を防止してタービン効率を維持することができる。

本発明の少なくとも一態様に係る排気装置及びガスタービンによれば、車室から支持された仕切部材と外側ディフューザの径方向の外表面との間に、小さい流路面積を有して冷却空気をストラットカバーの内部に導く冷却空気流路を設けるので、冷却空気流路内の冷却空気の流速が上がり、外側ディフューザの冷却性能が向上する。また、少ない流量で外側ディフューザを効率良く冷却することができ、発電効率を向上させることができる。更に、仕切部材は、車室から支持する構造のため、構造が簡略化され、メンテナンス性が向上する。

図１は、第１実施形態の排気装置を表す断面図である。 図２は、排気装置を表す図１のII−II断面図である。 図３は、排気装置における第２冷却空気導入口を表す断面図である。 図４は、ガスタービンの全体構成を表す概略図である。 図５は、第２実施形態の排気装置を表す断面図である。 図６は、第３実施形態の排気装置を表す要部断面図である。 図７は、第４実施形態の排気装置を表す要部断面図である。

以下に添付図面を参照して、本発明に係る排気装置及びガスタービンの好適な実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本発明が限定されるものではなく、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせて構成するものも含むものである。

［第１実施形態］
図４は、第１実施形態のガスタービンの全体構成を表す概略図である。

第１実施形態において、図４に示すように、ガスタービン１０は、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３により構成されている。このガスタービン１０は、ロータ（回転軸）３２の外側に軸心Ｃの方向（以下、軸方向）に沿って圧縮機１１とタービン１３が配置されると共に、圧縮機１１とタービン１３との間に複数の燃焼器１２が配置されている。そして、ガスタービン１０は、同軸上に図示しない発電機（電動機）が連結され、発電可能となっている。

圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２０を有し、圧縮機車室２１内に入口案内翼（ＩＧＶ：Inlet Guide Vane）２２が配設されると共に、複数の静翼２３と複数の動翼２４が空気の流動方向（軸心Ｃ方向）に交互に配設されている。この圧縮機１１は、空気取入口２０から取り込まれた空気を圧縮することで高温・高圧の圧縮空気を生成し、燃焼器１２に供給する。圧縮機１１は、同軸上に連結された電動機により起動可能となっている。

燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮されてタービン車室２６に溜められた高温・高圧の圧縮空気と燃料が供給され、燃焼することで、燃焼ガスを生成する。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と複数の動翼２８が燃焼ガスの流動方向（軸方向）に交互に配設されている。そして、このタービン車室２６は、下流側に排気車室２９を介して排気室３０が配設されている。この排気室３０は、タービン１３に連結する排気ディフューザ３１を有している。タービン１３は、燃焼器１２からの燃焼ガスにより駆動し、同軸上に連結された発電機を駆動可能となっている。

圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３は、内部に排気室３０の中心部を貫通するように軸方向に沿ったロータ３２が配置されている。ロータ３２は、圧縮機１１側の端部が軸受部３３により回転自在に支持されると共に、排気室３０側の端部が軸受部３４により回転自在に支持されている。そして、ロータ３２は、圧縮機１１にて、各動翼２４が装着されたディスクが複数重ねられて固定されている。また、ロータ３２は、タービン１３にて、各動翼２８が装着されたディスクが複数重ねられて固定されている。そして、ロータ３２は、空気取入口２０側の端部に発電機の駆動軸が連結されている。

そして、このガスタービン１０は、圧縮機１１の圧縮機車室２１が脚部３５に支持され、タービン１３のタービン車室２６が脚部３６により支持され、排気室３０が脚部３７により支持されている。

そのため、圧縮機１１にて、空気取入口２０から取り込まれた空気が、入口案内翼２２、複数の静翼２３と動翼２４を通過して圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となる。燃焼器１２にて、この圧縮空気に対して所定の燃料が供給され、燃焼する。タービン１３にて、燃焼器１２で生成された高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３における複数の静翼２７と動翼２８を通過することでロータ３２を駆動回転し、このロータ３２に連結された発電機を駆動する。そして、タービン１３を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとして大気に放出される。

このように構成されたガスタービン１０にて、タービン１３から排出された排気ガスを処理する排気装置が設けられている。図１は、第１実施形態の排気装置を表す断面図、図２は、排気装置を表す図１のII−II断面図、図３は、排気装置における第２冷却空気導入口を表す断面図である。なお、以下の説明では、ロータ３２の軸心方向が軸方向であり、燃焼ガス（排気ガス）Ｇの流動方向となっている。また、燃焼ガス（排気ガス）Ｇの流動方向の上流側を前側（前方）と称し、燃焼ガス（排気ガス）Ｇの流動方向の下流側を後側（後方）と称する。

図１及び図２に示すように、タービン車室２６は、円筒形状（環状）をなし、複数の静翼２７と動翼２８が軸方向に沿って交互に配設されており、燃焼ガスＧの流動方向の下流側に排気車室２９が配置され、締結ボルト４１により連結されている。排気車室２９は、円筒形状をなし、燃焼ガスＧの流動方向の下流側に排気室３０が配置されている。この排気室３０は、円筒形状（環状）をなしている。そして、排気車室２９と排気室３０は、熱伸びを吸収可能な排気室サポート４２により連結されている。

排気車室２９は、その内側に円筒形状をなす排気ディフューザ３１が配置されている。この排気ディフューザ３１は、円筒形状（環状）をなす外側ディフューザ４３と内側ディフューザ４４がストラットカバー（ストラットシールド）４５により連結されて構成されている。このストラットカバー４５は、円筒形状または楕円筒形状などの中空構造をなし、径方向に対して周方向に所定角度だけ傾斜しており、排気ディフューザ３１の周方向に均等間隔で複数（本実施形態では、６個）設けられている。排気ディフューザ３１は、外側ディフューザ４３の径方向の内側に内側ディフューザ４４が配置されることで、内外のディフューザ４３，４４の間に排気ガス（燃焼ガス）Ｇが流れる排気ガス流路Ｆが形成されている。

なお、ロータ３２は、軸受部３４より回転自在に支持され、軸受部３４はストラット４７を介して排気車室２９から支持されている。ストラットカバー４５の内部には、ストラット４７が配設されている。ストラットカバー４５とストラット４７の間には、冷却空気Ａが流れるストラットカバー流路６５が形成され、ストラット４７を冷却している。

図２に示すように、排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４３は、軸方向の前方側の前端部４３ｃがタービン車室２６側に延出され、翼環４８に当接している。排気車室２９と排気車室２９より径方向内側に配置された外側ディフューザ４３との間に、径方向にリング形状をなすガスシール４９が設けられている。また、外側ディフューザ４３は、ストラットカバー４５及び内側ディフューザ４４と結合して一体として形成され、ストラット４７より軸方向の後方側の後端部４３ｄにおいて、ディフューザサポート（サポート部材）５０により排気車室２９から支持されている。そのため、外側ディフューザ４３とストラットカバー４５の連結部４５ｂであって、荷重の支持点である後端部４３ｄに近いストラットカバー４５の軸方向下流側の連結部４５ｂ近傍には、大きい曲げ荷重がかかり、さらに高い熱応力が発生ずる。

ディフューザサポート５０は、短冊形状をなし、軸方向に沿って延設されると共に、周方向に所定の間隔をあけて環状に配設されている。図２に示すように、ディフューザサポート５０は、周方向に複数のサポート分割片５０ａに分割されて設けられている。各サポート分割片５０ａは、一端部が排気車室２９に締結され、他端部が外側ディフューザ４３に締結されている。サポート分割片５０ａは、周方向に隣接して配置されているサポート分割片５０ａとの間に、軸方向に一定の幅の隙間Ｓ２が形成されるように排気車室２９に固定される。排気車室２９は、ディフューザサポート５０を外側から覆うように設けられており、排気車室２９の後端部と外側ディフューザ４３の後端部との間にガスシール５１が設けられている。ガスシール４９，５１は、排気車室２９と外側ディフューザ４３で囲まれた環状の空間と軸方向上流側又は下流側に隣接する翼環４８及び排気室３０の間をシールするものであり、軸方向の燃焼ガス又は冷却空気の流れを遮断している。

排気車室２９は、軸方向のストラット４７に対応する位置で、周方向に所定間隔を空けて第１冷却空気導入口６１が複数設けられている。この複数の第１冷却空気導入口６１は、外部の冷却空気Ａをストラットカバー４５とストラット４７との間のストラットカバー流路６５に導入することかできる。また、排気車室２９は、ストラット４７（ストラットカバー４５）より排気ガス流路Ｆの下流側の位置で、周方向に所定間隔を空けて第２冷却空気導入口（冷却空気導入部）６２が複数設けられている。この複数の第２冷却空気導入口６２は、外側ディフューザ４３の冷却を目的に、外部の冷却空気Ａを導入する開口である。冷却空気Ａは後述する冷却空気流路６３で外側ディフューザ４３を冷却後、ストラットカバー流路６５に供給され、第１冷却空気導入口６１から供給された冷却空気Ａの流れに合流して、ストラット４７を冷却後、燃焼ガス流路Ｆに排出される。

また、外側ディフューザ４３の径方向の外側に環状をなすと共に、第２冷却空気導入口６２より小さい流路面積を有してこの第２冷却空気導入口６２から導入された冷却空気Ａをストラットカバー４５とストラット４７との間のストラットカバー流路６５に導入する冷却空気流路６３が設けられている。

冷却空気流路６３は、環状に形成される仕切部材６４の軸方向の後方側の一端部を先端が固定されない自由端とし、軸方向の前方側の他端部を固定端として排気車室２９の軸方向の後方側を向く面に固定して、外側ディフューザ４３の径方向の外側に外側ディフューザ４３を覆うように配置されることで形成されている。即ち、仕切部材６４は、外側ディフューザ４３より大径の円筒形状をなし、軸方向における前方側の端部（一端部）が排気車室２９に溶接により固定され、軸方向における後方側の端部（他端部）の自由端と外側ディフューザ４３側の後端部４３ｄの間に隙間Ｓ１が設けられている。そのため、冷却空気流路６３は、仕切部材６４と外側ディフューザ４３の径方向の外側面との間、並びに外側ディフューザ４３から軸方向の前方側に延在するストラットカバー４５と外側ディフューザ４３との連結部４５ｂの外側、との間に形成されている。

図２に示すように、仕切部材６４は、水平フランジ部６４ａで２つの仕切部材片（上半仕切部材片６４ｂ、下半仕切部材片６４ｃ）に２分割され、ロータ３２の廻りに環状に配置されている。水平フランジ部６４ａでは、締結ボルト６４ｄ（図示せず）にて上半仕切部材片６４ｂと下半仕切部材片６４ｃが締結される。水平フランジ部６４ａには、シール部材６４ｅ（図示せず）が配置され、仕切部材６４の外表面を軸方向に流れる冷却空気Ａが、水平フランジ部６４ａから漏洩して、冷却空気流路６３にショートパスすることを防止している。なお、仕切部材６４は、２分割に限定されることはなく、３分割以上でも構わない。

なお、ガスタービンの起動時においては、排気車室２９と外側ディフューザ４３の間の温度差が拡大し、排気車室２９に固定された仕切部材６４と外側ディフューザ４３が径方向に接近して干渉するおそれがある。そのため、最も接近した場合でも最少隙間が維持できるように、外側ディフューザ４３を含めた排気ディフューザ３１の取付けが行われる。即ち、運転時において最少隙間が維持できるように、取付け時に仕切部材６４と外側ディフューザ４３の径方向の隙間を調整して、冷却空気流路６３の隙間が決定される。つまり、運転時において、狭い流路断面積が維持できるように冷却空気流路６３が設定されるので、運転時においては、冷却空気流路６３内を流れる冷却空気Ａ（Ａ１）の流速が速まり、冷却空気Ａによる外側ディフューザ４３に対する冷却性能が向上する。

ストラットカバー４５は、排気ディフューザ３１における径方向の外側の端部が拡径して外側に屈曲するフランジ部４５ａが設けられている。一方、外側ディフューザ４３は、ストラットカバー４５が連結される位置に開口部４３ａが形成されている。ストラットカバー４５のフランジ部４５ａが外側ディフューザ４３の開口部４３ａの周囲に重なるように密着し、溶接により連結されている。外側ディフューザ４３は、後端部４３ｄが複数のディフューザサポート５０を介して排気車室２９に支持されており、複数のストラットカバー４５を介して内側ディフューザ４４が連結されている。そのため、ストラットカバー４５のフランジ部４５ａと外側ディフューザ４３の開口部４３ａとの連結部４５ｂに曲げ荷重が作用する。また、外側ディフューザ４３は、排気ガス流路Ｆを流れる高温の排気ガスＧにより加熱され、特に、ストラットカバー４５のフランジ部４５ａと外側ディフューザ４３の開口部４３ａとの連結部４５ｂに熱応力が作用する。そこで、本実施形態では、冷却空気流路６３を流れる冷却空気Ａ１による冷却性能を改善して、外側ディフューザ４３やストラットカバー４５と外側ディフューザ４３との連結部４５ｂを冷却して熱応力を低減するようにしている。

また、排気車室２９は、径方向の内側に外側ディフューザ４３が配置され、外側ディフューザ４３の径方向の外側に仕切部材６４が配置されることから、排気車室２９と仕切部材６４との間に環状をなす空間部Ｒが設けられている。この場合、この空間部Ｒに排気車室２９と外側ディフューザ４３を連結する複数のディフューザサポート５０が配置されており、仕切部材６４は、各ディフューザサポート５０の径方向の内側に配置されている。そして、第２冷却空気導入口６２は、仕切部材６４の径方向の外側に対向して設けられている。そのため、第２冷却空気導入口６２は、空間部Ｒに連通し、冷却空気流路６３は、一端部がこの空間部Ｒに連通し、他端部がストラットカバー流路６５に連通している。

即ち、仕切部材６４が外側ディフューザ４３の径方向の外側に配置され、軸方向前方側の前端部（固定端）が排気車室２９に固定され、軸方向後方側の後端部（自由端）側に隙間Ｓ１が設けられている。つまり、第２冷却空気導入口６２が仕切部材６４に対して軸方向前方側に位置し、隙間Ｓが仕切部材６４の軸方向後方側に位置することから、第２冷却空気導入口６２、空間部Ｒ、隙間Ｓ、冷却空気流路６３、ストラットカバー４５へと続く逆Ｓ字形状をなす流路が形成されることとなる。また、冷却空気流路６３は、空間部Ｒに比べて通路断面積が小さいことから、この冷却空気流路６３が絞り部として機能し、冷却空気Ａ１の流速が上昇する。

なお、図２に示すように、排気車室２９と外側ディフューザ４３は、上下に２分割された構造を有し、水平フランジ部１９ａ，４３ｂでボルト締結されることで円筒形状をなしている。そのため、仕切部材６４も、同様に、上下に２分割された構造を有し、水平フランジ部６３ａでボルト締結されることで円筒形状をなしている。

排気ディフューザ３１内は、最終段の動翼２８の軸方向下流側近傍で最も負圧になる。ストラットカバー流路６５内を流れる冷却空気Ａは、ストラット４７を冷却後、内側ディフューザ４４の軸方向上流端から、最終段の動翼２８近傍の排気ディフューザ３１内へ排出される。そのため、ストラットカバー流路６５の内部に負圧が作用し、各冷却空気導入口６１，６２に吸引力が作用する。すると、外部の空気が吸引力により第１冷却空気導入口６１からストラットカバー４５とストラット４７との間の空間に導入される。また、同様に、外部の空気が吸引力により第２冷却空気導入口６２から冷却空気流路６３を通ってストラットカバー流路６５に導入される。

即ち、図３に示すように、第２冷却空気導入口６２に吸引力が作用すると、外部の冷却空気Ａが第２冷却空気導入口６２から空間部Ｒに吸入され、各ディフューザサポート５０のサポート分割片５０ａ間の隙間Ｓ２を通過して仕切部材６４に到達する。この冷却空気Ａは、仕切部材６４に到達した後、この仕切部材６４に案内されて軸方向後方に流れ、隙間Ｓ１を通って冷却空気流路６３に流れる。つまり、冷却空気Ａは、空間部Ｒを軸方向後方に流れ、１８０度反転して折り返すように軸方向前方へ流れて冷却空気流路６３に至る。そのため、冷却空気流路６３を流れる冷却空気Ａ１により外側ディフューザ４３を冷却することができると共に、外側ディフューザ４３とストラットカバー４５との連結部４５ｂを冷却することができる。

また、前述のように、仕切部材６４は、外側ディフューザ４３との間で、運転時に最少隙間が確保できるように、取り付けられる。従って、通常運転時においては、冷却空気Ａ１が冷却空気流路６３を通過するとき、空間部Ｒやディフューザサポート５０近傍より流速が上昇して冷却空気Ａ１による単位時間当たりの流量が増加する外側ディフューザ４３の外表面の冷却が促進される。そのため、従来よりは、少ない冷却空気Ａ１の流量で外側ディフューザ４３やストラットカバー４５との連結部４５ｂを効率良く冷却することができる。

従来、第１冷却空気導入口６１から導入される冷却空気Ａだけで排気ディフューザ３１を冷却していたが、本実施形態では、第１冷却空気導入口６１から導入される冷却空気Ａの一部を第２冷却空気導入口６２から導入し、この一部の冷却空気Ａにより排気ディフューザ３１を更に冷却する。第２冷却空気導入口６２から導入した冷却空気Ａは、第１冷却空気導入口６１から導入した冷却空気Ａより少量であるものの、冷却空気流路６３の通過時に流速が上昇することから、外側ディフューザ４３やストラットカバー４５との連結部４５ｂを効率良く冷却できる。

このように第１実施形態の排気装置にあっては、排気車室２９と、排気車室２９の径方向の内側に支持される外側ディフューザ４３と、外側ディフューザ４３の径方向の内側に配置されることで外側ディフューザ４３との間に排気ガス流路Ｆを形成する内側ディフューザ４４と、一端部が外側ディフューザ４３に連結されて他端部が内側ディフューザ４４に連結されるストラットカバー４５と、排気車室２９におけるストラットカバー４５より排気ガス流路Ｆの下流側に設けられる第２冷却空気導入口６２と、外側ディフューザ４３の径方向の外側を覆うように環状に形成され、排気車室２９に支持された仕切部材６４と、外側ディフューザ４３と仕切部材６４との間に設けられ、第２冷却空気導入部６２から導入された冷却空気Ａを前記ストラットカバー４５の内側のストラットカバー流路６５に導くように形成された冷却空気流路６３とを設けている。

従って、第２冷却空気導入口６２から排気車室２９の内部に導入された冷却空気Ａは、冷却空気流路６３を通ってストラットカバー４５の内部に導かれる。このとき、外側ディフューザ４３との間で、冷却空気流路６３を形成するため、外側ディフューザ４３を径方向外側から覆うように環状に形成された仕切部材６４が、排気車室２９に固定される。仕切部材６４を排気車室に取付けの際は、運転時において外側ディフューザとの間で干渉しない最少隙間が維持できるように、排気車室２９に固定される。その結果、冷却空気Ａ１が冷却空気流路６３を通過するとき、従来よりも少ない流量で外側ディフューザ４３を効率良く冷却することができ、冷却空気量の増加を抑制することができる。また、冷却空気流路６３を形成する仕切部材６４を、外側ディフューザ４３に取付けずに、直接排気車室２９に固定するので、外側ディフューザ４３にかかる荷重が軽減される。更に、構造が簡略化されるので、メンテナンス性も向上する。

第１実施形態の排気装置では、仕切部材６４は、軸方向の一端部を先端が固定されていない自由端とし、他端部は排気車室２９に固定された固定端を備えて、軸方向に環状に配置され、冷却空気流路６３が、自由端から固定端に向かう流路を形成するように配置されている。従って、導入された冷却空気の全量が、仕切部材の自由端で折り返して固定端に向かう冷却空気Ａ１の流れが形成されるので、外側ディフューザの冷却が促進され、ストラットカバー流路への冷却空気の流入が円滑になる。

第１実施形態の排気装置では、外側ディフューザ４３は、軸方向の一端部において周方向に環状に配置されたディフューザサポート５０（サポート部材）を介して排気車室２９に支持され、仕切部材６４は、ディフューザサポート５０の径方向の内側に配置されている。従って、外側ディフューザ４３を支持するディフューザサポート５０の径方向内側に仕切部材６４を配置できるので、仕切部材６４を外側ディフューザ４３に接近させ、冷却空気流路６３の流路断面積を狭く形成でき、冷却空気の流速が上昇して、外側ディフューザ４３の冷却が強化される。

第１実施形態の排気装置では、ディフューザサポート５０は、周方向に隙間をあけて複数に分割された分割片５０ａで形成され、分割片５０ａは、軸方向から見て、周方向に配置されたストラットカバー４５の間に少なくとも一以上の隙間Ｓ２が配置されるように取付けられている。従って、第２冷却空気導入部６２から供給された冷却空気Ａは、ディフューザサポート５０の分割片５０ａの間の隙間Ｓ２を通過することにより、周方向への冷却空気Ａの分散が促進される。

第１実施形態の排気装置では、ディフューザサポート５０の分割片５０ａは、周方向に隣接して配置され、軸方向の一端が排気車室２９に固定され、他端が外側ディフューザ４３の径方向外側の壁面に固定され、隣接する分割片５０ａの間の隙間が軸方向に一定幅を形成するように配置されている。従って、周方向の分割片５０ａ間に均一な隙間Ｓ２が形成されるので、冷却空気流路６３を流れる冷却空気Ａの流量が周方向に均一化される。

第１実施形態の排気装置では、仕切部材６４は、周方向に複数に分割され、分割された仕切部材片６４ｂ、６４ｃの周方向両端にはシール部材６４ｅを備えている。従って、仕切部材片６４ｂ，６４ｃの両端はシール部材６４ｅでシールされるので、冷却空気流路６３に入る冷却空気Ａ１は、ショートパスすることなく自由端側から冷却空気流路６３に流入して、周方向の冷却空気の流れが均一化される。また、部分的に仕切部材片６４ｂ，６４ｃの取外しが可能となり、メンテナンス性が向上する。

第１実施形態の排気装置では、ストラットカバー４５は、他端部に拡径して外側に屈曲するフランジ部４５ａが設けられ、フランジ部４５ａが外側ディフューザ４３に形成される開口部４３ａの周囲に連結され、冷却空気流路６３がストラットカバー４５と外側ディフューザ４３との連結部４５ｂの外側に設けられている。従って、ストラットカバー４５と外側ディフューザ４３との連結部４５ｂに排気ガスＧによる熱応力が集中するものの、冷却空気Ａ１が冷却空気流路６３を通過するとき、この連結部４５ｂを冷却することから、ストラットカバー４５と外側ディフューザ４３との連結部４５ｂに作用する熱応力を軽減することができる。

第１実施形態の排気装置では、第２冷却空気導入口６２を仕切部材６４の径方向の外側に対向して設けている。従って、第２冷却空気導入口６２から排気車室２９の内部に導入された冷却空気Ａ１は、仕切部材６４に当たって流れ方向が変わることで周方向に均一化される。更に、冷却空気流路６３を通ってストラットカバー４５の内部に導かれることとなり、冷却空気Ａ１により外側ディフューザ４３を周方向に均一に冷却することができる。

第１実施形態の排気装置では、排気車室２９と仕切部材６４との間に環状をなす空間部Ｒを設け、第２冷却空気導入口６２が空間部Ｒに連通し、冷却空気流路６３の一端部が空間部Ｒに連通し、他端部がストラットカバー４５の内部に連通している。従って、第２冷却空気導入口６２から排気車室２９の内部に導入された冷却空気Ａは、空間部Ｒを経由して冷却空気流路６３に入り込むため、冷却空気Ａが空間部Ｒで周方向に均一化される。その空気流が冷却空気流路６３に流れ込むこととなり、冷却空気Ａ１により外側ディフューザ４３を周方向に均一に冷却することができる。

第１実施形態の排気装置では、第２冷却空気導入口６２を周方向に所定間隔で複数設けている。従って、排気車室２９の内部に対して周方向に均一に冷却空気Ａを導入することができる。

第１実施形態のガスタービンにあっては、空気を圧縮する圧縮機１１と、圧縮機１１が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器１２と、燃焼器１２が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービン１３と、タービン１３から排出される排気を処理する排気装置を設けている。従って、排気装置により少ない流量で外側ディフューザ４３を効率良く冷却することができ、冷却空気量の増加を抑制することができることから、排気ガス流路Ｆに排出される冷却空気量増加を抑制することができ、排気ガス温度の低下を防止してタービン効率を維持することができる。

［第２実施形態］
図５は、第２実施形態の排気装置を表す断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第２実施形態の排気装置において、図５に示すように、排気車室２９は、その内側に円筒形状をなす排気ディフューザ３１が配置されている。この排気ディフューザ３１は、外側ディフューザ４３と内側ディフューザ４４がストラッドカバー４５により連結されて構成されている。排気ディフューザ３１は、外側ディフューザ４３の径方向の内側に内側ディフューザ４４が配置されることで、排気ガス流路Ｆが形成されている。ストラットカバー４５は、内部にストラット４７が配設されている。

外側ディフューザ４３は、軸方向前方の前端部がタービン車室２６側に延出され、ディフューザサポート（サポート部材）７１により排気車室２９から支持されている。外側ディフューザ４３は、軸方向後方の後端部が排気室（図示略）側に延出されている。排気車室２９は、ディフューザサポート７１を外側から覆うように設けられており、排気車室２９の軸方向前端部と排気室２９より径方向の内側に配置された外側ディフューザ４３の軸方向の前端部との間に、径方向にガスシール７２が設けられている。

なお、本実施形態においては、ストラットカバー４５及び内側ディフューザ４４及び外側ディフューザ４３と、が溶接により一体化され、外側ディフューザ４３の前端部４３ｃにおいて、ディフューザサポート７１を介して排気車室２９から支持されている点が、第一実施形態とは異なっている。

従って、本実施形態においては、外側ディフューザ４３とストラットカバー４５の連結部４５ｂであって、荷重の支持点である前端部４３ｃに近いストラットカバー４５の軸方向上流側の連結部４５ｂ近傍には、大きい曲げ荷重がかかり、高い熱応力が発生ずる。

排気車室２９は、ストラット４７（ストラットカバー４５）より排気ガス流路Ｆの上流側の位置で、周方向に所定間隔を空けて第２冷却空気導入口（冷却空気導入部）７３が複数設けられている。この複数の第２冷却空気導入口７３は、外部の冷却空気Ａを外側ディフューザ４３の外側を通してストラットカバー４５とストラット４７との間のストラットカバー流路６５に導入することができる。

外側ディフューザ４３に設けられる冷却空気流路７４は、環状に形成される仕切部材７５が外側ディフューザ４３の径方向の外側に配置されることで形成されている。この仕切部材７５は、外側ディフューザ４３より大径の円筒形状をなし、軸方向における後端部である固定端（他端部）が排気車室２９に溶接により固定され、軸方向における前端部である自由端（一端部）側に隙間Ｓ１が設けられている。そのため、冷却空気流路７４は、この仕切部材７５により外側ディフューザ４３の外側と、ストラットカバー４５と外側ディフューザ４３との連結部４５ｂの外側に設けられている。

また、排気車室２９は、径方向の内側に外側ディフューザ４３が配置され、外側ディフューザ４３の径方向の外側に仕切部材７５が配置されることから、排気車室２９と仕切部材７５との間に環状をなす空間部Ｒが設けられている。この場合、この空間部Ｒに排気車室２９と外側ディフューザ４３を連結する複数のディフューザサポート７１が配置されており、仕切部材７５は、各ディフューザサポート７１の径方向の内側に配置されている。そして、第２冷却空気導入口７３は、仕切部材７５の径方向の外側に対向して設けられている。

そのため、ストラットカバー流路６５に負圧が作用すると、第２冷却空気導入口７３に吸引力が作用する。そのため、外部の空気が第２冷却空気導入口７３から冷却空気流路７４を通ってストラットカバー４５とストラット４７との間のストラットカバー流路６５に導入される。

即ち、第２冷却空気導入口７３に吸引力が作用すると、外部の冷却空気Ａが第２冷却空気導入口７３から空間部Ｒに吸入され、各ディフューザサポート７１の間を通過して仕切部材７５に到達する。この冷却空気Ａは、仕切部材７５に到達した後、この仕切部材７５に案内されて軸方向の前方に流れ、隙間Ｓ１を通って冷却空気流路７４に流れる。つまり、冷却空気Ａは、空間部Ｒを前方に流れ、１８０度反転して折り返すように軸方向の後方へ流れて冷却空気流路７４に至る。そのため、冷却空気流路７４に流れる冷却空気Ａ１により外側ディフューザ４３を冷却することができると共に、熱応力が大きい外側ディフューザ４３とストラットカバー４５との軸方向上流側の連結部４５ｂ近傍を冷却することができる。

また、冷却空気流路７４は、運転時において、仕切部材７５と外側ディフューザ４３との間に最少隙間が確保できるように、仕切部材７５が排気車室２９に取付けられるので、冷却空気Ａ１の冷却空気流路７４内における流速は、従来よりも早くなる。従って、外側ディフューザ４３の外表面における冷却が促進され、従来より少ない冷却空気Ａで外側ディフューザ４３やストラットカバー４５との連結部を効率良く冷却することができる。また、冷却空気流路７５を形成する仕切部材７４を、外側ディフューザ４３に取付けずに、直接排気車室２９に固定するので、外側ディフューザ４３にかかる荷重が軽減される。更に、構造が簡略化されるので、メンテナンス性も向上する。

［第３実施形態］
図６は、第３実施形態の排気装置を表す要部断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第３実施形態の排気装置において、図６に示すように、排気車室２９は、ストラットカバー４５より排気ガス流路Ｆの下流側の位置で、周方向に所定間隔を空けて第２冷却空気導入口８１が複数設けられている。この複数の第２冷却空気導入口８１は、ディフューザサポート５０より径方向の内側で、且つ、仕切部材６４より径方向の外側における空間部Ｒに連通している。なお、冷却空気流路６３、仕切部材６４の構成は、第１実施形態と同様である。

このように第３実施形態では、排気車室２９におけるストラットカバー４５より排気ガス流路Ｆの上流側に設けられる第２冷却空気導入口８１を設け、排気車室２９に固定された仕切部材６４は、外側ディフューザ４３の径方向の外側に環状をなすように配置され、排気車室２９と外側ディフューザ４３の外表面との間に冷却空気流路６３が形成される。冷却空気流路６３は、上流側が空間部Ｒに連通し、下流側はストラットカバー流路６５に連通している。

従って、外部の冷却空気Ａをディフューザサポート５０に邪魔されることなく空間部Ｒに導入することができ、従来よりも少ない流量の冷却空気Ａにより外側ディフューザ４３を効率良く冷却することができる。

［第４実施形態］
図７は、第４実施形態の排気装置を表す要部断面図である。なお、上述した実施形態と同様の機能を有する部材には、同一の符号を付して詳細な説明は省略する。

第４実施形態の排気装置において、図７に示すように、排気車室２９は、その内側に円筒形状をなす排気ディフューザ３１が配置されている。この排気ディフューザ３１は、外側ディフューザ４３と内側ディフューザ４４がストラッドカバー４５により連結されて構成されている。外側ディフューザ４３は、後端部が排気車室２９の支持部材９１に連結されている。

排気車室２９は、支持部材９１にストラットカバー４５より排気ガス流路Ｆの下流側の位置で、周方向に所定間隔を空けて第２冷却空気導入口（冷却空気導入部）９２が複数設けられている。なお、排気車室２９と支持部材９１を一体に形成し、排気車室２９に第２冷却空気導入口９２を形成してもよい。この複数の第２冷却空気導入口９２は、外部の冷却空気Ａを外側ディフューザ４３の外側を通してストラットカバー４５とストラット４７との間のストラットカバー流路６５に導入することができる。また、排気車室２９に固定され、外側ディフューザ４３の径方向の外側に環状をなすように配置された仕切部材６４と外側ディフューザ４３との間に冷却空気流路９３が設けられている。従って、第２冷却空気導入口９２から導入された冷却空気Ａは、一旦排気車室２９と仕切部材６４で囲まれた空間部Ｒに流入して、冷却空気流路９３を流れて、ストラットカバー流路６５に導入される。

そのため、冷却空気流路９３の上流側の構造が簡単になり、冷却空気流路９３に至る経路の圧力損失が低減され、更に、冷却空気流路９３に流れる冷却空気Ａにより外側ディフューザ４３を冷却することができると共に、外側ディフューザ４３とストラットカバー４５との連結部を冷却することができる。

１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２９ 排気車室
２９ａ，４３ａ，６４ａ 水平フランジ部
３０ 排気室
３１ 排気ディフューザ
３２ ロータ（回転軸）
４３ 外側ディフューザ
４３ｂ 水平フランジ部
４３ｃ 前端部
４３ｄ 後端部
４４ 内側ディフューザ
４５ ストラットカバー
４５ａ フランジ部
４５ｂ 連結部
４７ ストラット
５０，７１ ディフューザサポート（サポート部材）
５０ａ サポート分割片
６１ 第１冷却空気導入口
６２，７３，８１，９２ 第２冷却空気導入口（冷却空気導入部）
６３，７４，９３ 冷却空気流路
６４，７５，９４ 仕切部材
６４ｂ、６４ｃ 仕切部材片
６４ｅ シール部材
６５ ストラットカバー流路
Ｇ 排気ガス（燃焼ガス）
Ｆ 排気ガス流路
Ｒ 空間部
Ｓ１，Ｓ２ 隙間

Claims (11)

1. 環状に形成される車室と、
   環状に形成されて前記車室の径方向の内側に支持される外側ディフューザと、
   環状に形成されて前記外側ディフューザの径方向の内側に配置されることで前記外側ディフューザとの聞に排気ガス流路を形成する内側ディフューザと、
   筒形状を形成されて長手方向の一端部が前記外側ディフューザに連結されて他端部が前記内側ディフューザに連結されるストラットカバーと、
   前記車室における前記ストラットカバーより前記排気ガス流路の上流側または下流側に設けられる冷却空気導入部と、
   前記外側ディフューザの径方向の外側を覆うように環状に形成されて前記車室に支持される仕切部材と、
   前記外側ディフューザと前記仕切部材との間に設けられて前記冷却空気導入部から導入された冷却空気を前記ストラットカバー内側のストラットカバー流路に導くように形成される冷却空気流路と、
   を有することを特徴とする排気装置。
2. 前記仕切部材は、軸方向の一端部を先端が固定されない自由端とし、他端部は前記車室に固定された固定端を備え、軸方向に環状に配置され、前記冷却空気流路が、前記自由端から前記固定端に向かう流路を形成するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の排気装置。
3. 前記外側ディフューザは、軸方向の一端部において周方向に環状に配置されたサポート部材を介して前記車室に支持され、前記仕切部材は、前記サポート部材に対して径方向の内側に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の排気装置。
4. 前記サポート部材は、周方向に一定の隙間をあけて複数に分割された分割片で形成され、前記分割片は、軸方向から見て、周方向に配置された前記ストラットカバーの間に少なくとも一以上の前記隙間が配置されるように取付けられることを特徴とする請求項３に記載の排気装置。
5. 前記分割片は、周方向に隣接して配置され、軸方向の一端が前記車室に固定され、他端が前記外側ディフューザの径方向外側の壁面に固定された前記分割片は、隣接する前記分割片の間の隙間が軸方向に一定幅を形成するように配置されることを特徴とする請求項４に記載の排気装置。
6. 前記仕切部材は、周方向に複数に分割され、分割された仕切部材片の周方向両端にはシール部材を備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の排気装置。
7. 前記冷却空気流路は、前記ストラットカバーと前記外側ディフューザとの連結部の外側に設けられることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の排気装置。
8. 前記冷却空気導入部は、前記仕切部材の径方向の外側に対向して設けられることを特徴とする請求項４に記載の排気装置。
9. 前記車室と前記仕切部材との間に環状をなす空間部が設けられ、前記冷却空気導入部は、前記空間部に連通し、前記冷却空気流路は、一端部が前記空間部に連通し、他端部が前記ストラットカバーの内部に連通することを特徴とする請求項１と請求項４と請求項７のいずれか一項に記載の排気装置。
10. 前記冷却空気導入部は、周方向に所定間隔で複数設けられることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の排気装置。
11. 空気を圧縮する圧縮機と、
    前記圧縮機が圧縮した圧縮空気と燃料を混合して燃焼する燃焼器と、
    前記燃焼器が生成した燃焼ガスにより回転動力を得るタービンと、
    前記タービンから排出される排気を処理する請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の排気装置と、
    を有することを特徴とするガスタービン。

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