JP6820735B2 - タービン及びガスタービン - Google Patents

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ディフューザが設けられている（例えば、特許文献１参照）。このディフューザとしては、内筒と外筒とストラットとを有しているものがある。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増加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。ディフューザの性能が向上すると、実質的なガスタービンの圧力比を増加させるので、ディフューザの性能向上は、ガスタービン全体の効率向上にも寄与する。

特許第５６９３３１５号公報

タービンから排出される燃焼ガスの流れには、軸線方向成分と、軸線を中心とした周方向に旋回する旋回流成分（スワール成分）とが含まれている。そのため、排気ガスの流れがストラットの周囲を通過する際に、ストラットによって形状抵抗が生じたり、流れの剥離が生じたりする。特に流れの剥離は、圧力損失を増加させる要因となる。また、タービンが部分負荷時には、旋回流の角度（旋回角度）が大きくなる。そのため、ストラットにおいてより一層流れの剥離が生じ易くなり、圧力損失を増加させる可能性が有る。これら圧力損失の増加は、ディフューザの静圧回復量を低下させて、ガスタービン全体の効率を低下させる可能性が有る。

この発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、圧力損失を抑制して性能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、前記軸線の周方向一方側に向かって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、少なくとも軸線方向の他方側の部分が周方向一方側から他方側に向かって湾曲している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、前記排気流路内で周方向に間隔をあけて設けられ、前記内筒と前記外筒とを接続するとともに、径方向内側から外側に向かうにしたがって前記タービンロータの回転方向前方に配置される複数のストラットと、周方向で隣り合う前記ストラットの間に配置されて、前記内筒の外周面から突出して、軸線方向の一方側の前端部から軸線方向の他方側の後端部に至る範囲で軸線方向に延びて前記タービンロータの軸線に沿って形成されている突条と、を備え、前記突状は、前記軸線の周方向の幅寸法が径方向外側に向かって漸次減少して、軸線方向に延びて前記前端部から前記後端部に至る稜線を有し、前記突条の軸線方向一方側の前端部は、前記ストラットの軸線方向一方側の前縁と前記ストラットの軸線方向他方側の後縁との間に配置され、前記突条の軸線方向他方側の後端部は、前記後縁よりも軸線方向他方側に配置されている。

タービン動翼を通過した流体は、タービン動翼及びタービン静翼のフローパターン設計の結果として、旋回流を形成することが多い。また、部分負荷時のように、軸線方向の流速が比較的に小さい場合には、旋回流が定格負荷時に比べて大きくなる。
一般に、流体の流れの中に構造体が存在する場合、いわゆる馬蹄渦が生成される。この馬蹄渦は、構造体の両側に生じた渦が渦管となり構造体に巻き付くように延びたものである。

例えば、タービンが部分負荷時のように軸線方向の流速が比較的に小さい場合には、軸線に対する旋回流の角度（旋回角度）が大きくなる。このように旋回流の角度が大きくなると、ストラットの軸線方向他方側の前縁の近傍の領域に流体の剥離が生じてしまう。この剥離によって、軸線を中心とする径方向（以下、単に「径方向」と称する）に延びる渦軸を有した剥離渦（横渦）が生じる。この剥離渦は、周方向で隣り合うストラットの間の内筒の外周面に形成された境界層を径方向外側に向かって巻き上げてしまう。さらに、この剥離渦は、ストラットの回転方向前方側に形成される馬蹄渦も径方向外側に向かって巻き上げてしまう。これらの巻き上げによって、軸線方向におけるストラットの中央からストラットの後縁に渡って、内筒の外周面に形成される境界層が不安定となり、剥離が生じてしまう可能性が有る。

しかし、内筒の外周面から突出して軸線方向に延びる突条が、周方向で隣り合うストラットの間に配置されていることで、突条が仕切りとなり、周方向で隣り合うストラットのうち、回転方向後方のストラットに生じた剥離渦が、回転方向前方のストラットの回転方向後方に生じた馬蹄渦を巻きあげる等の影響を及ぼすことを抑制できる。そのため、回転方向前方のストラットの回転方向後方に形成された馬蹄渦により、軸線方向におけるストラットの中央からストラットの後縁に渡って、内筒の外周面に形成される境界層が不安定になることを抑制できる。

また、周方向で隣り合うストラットの間において、回転方向後方のストラットに形成された剥離渦が、回転方向前方のストラットに向かう際に、その一部が突条を乗り越える。これにより軸線方向に延びる突条に沿う渦軸を有した縦渦が生じる。この縦渦は、上述したストラットの回転方向前方に形成される馬蹄渦の回転方向と同方向に回転しストラットの下流側に延びる渦管となる。このように縦渦と馬蹄渦との回転方向が互いに同方向となることで、上記の縦渦と馬蹄渦とには互いに周方向で離間する方向に力が作用する。つまり、縦渦と馬蹄渦との配置が維持され易くなる。そのため、ストラットの下流においても縦渦と馬蹄渦とが維持され易くなり、境界層の発達を抑制できる。

その結果、旋回流の角度が大きい場合であっても、内筒の外周面から流れが剥離することを抑制でき、排気流路における圧力損失を抑制して、性能向上を図ることが可能となる。

この発明の第二態様によれば、第一態様に係る突条は、軸線を中心とした径方向外側から見て軸線方向一方側に向かって先細りに形成されるとともに、軸線方向他方側に向かって先細りに形成されていてもよい。
このように構成することで、軸線方向に流れる排気ガスの主流に対する形状抵抗を低減することができる。

この発明の第三態様によれば、第一態様に係るタービンにおいて、前記ストラットの負圧面から突出する凸部を備えるようにしてもよい。
このように構成することで、凸部の両側に上述した馬蹄渦と同様に渦を形成することができる。この凸部によって形成した渦は、旋回流によりストラットの負圧面に形成される剥離渦に干渉する。そのため、剥離渦の発達を抑制することができる。つまり、剥離渦によって、内筒の境界層が巻き上げられることを低減できる。

この発明の第四態様によれば、第三態様に係る凸部は、軸線を中心とした径方向の中央よりも前記内筒に近い側に配置されていてもよい。
このように構成することで、特に旋回流によって剥離渦が形成され易い径方向の中央よりも内筒に近い位置に、凸部によって剥離渦に干渉する渦を形成させることができる。そのため、効率よく剥離渦の発生を抑制できる。

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記載のタービンと、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、圧力損失を抑制して性能向上を図ることができる。

この発明の第一実施形態におけるガスタービンの概略構成を示す構成図である。 この発明の第一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２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。 この発明の第一実施形態における隣り合う第一ストラットの間の内筒の斜視図である。 この発明の第一実施形態における排気流路入口の径方向位置に対する排気ガスの旋回角度を示すグラフである。 この発明の第一実施形態における軸線方向一方側から見た縦渦と馬蹄渦との回転方向を示す図である。 この発明の第二実施形態における図３に相当する断面図である。 この発明の第二実施形態における図４に相当する斜視図である。

（第一実施形態）
次に、この発明の第一実施形態の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、この発明の第一実施形態における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、この第一実施形態に係るガスタービン１００Ａ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４Ａ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。

複数のタービン動翼段２３のうち、最も下流側に配置された最終段のタービン動翼段２３を構成するタービン動翼２４は、その軸線Ａｍ方向他方側の部分が軸線Ａｍを中心とした周方向の一方側から他方側に向かって湾曲している。言い換えれば、最終段のタービン動翼段２３のタービン動翼２４は、その下流側のエッジ部分（後縁）が、タービンロータ２１の回転方向の後方側を向くように湾曲している。なお、少なくとも最終段のタービン動翼段２３のタービン動翼２４のみが上述したように湾曲して形成されればよく、上記構成に限られるものではない。例えば、他のタービン動翼段２３のタービン動翼２４についても、最終段のタービン動翼段２３のタービン動翼２４と同様に湾曲させても良い。

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１００Ａ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４Ａ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、この発明の第一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４Ａ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４Ａは、内筒４１と、外筒４２と、第一ストラット４３Ａと、第二ストラット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。内筒４１は、その外周面４１Ａが、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かうにしたがって次第に縮径するように形成されている。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（図示省略）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は、その内周面４２Ａが、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径するように形成されている。すなわち、外筒４２と内筒４１との間に形成される排気流路Ｃの断面積（軸線Ａｍに直交する断面積）は、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かうにしたがって、次第に拡径している。このように排気流路Ｃの断面積が次第に拡径することで、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。

第一ストラット４３Ａと第二ストラット４４とは、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。これら第一ストラット４３Ａ及び第二ストラット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。
第一ストラット４３Ａ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。

図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う断面図である。
図３に示すように、第一ストラット４３Ａは、排気流路Ｃ内で軸線Ａｍを中心とした周方向に間隔をあけて複数設けられている。この第一実施形態では、内筒４１を中心として外周側に向かって放射状に延びる６つの第一ストラット４３Ａが設けられている場合を例示している。これら第一ストラット４３Ａは、軸線Ａｍを中心とした周方向に等間隔で配置されている。

これら第一ストラット４３Ａは、内筒４１の外周面４１Ａの法線に対して傾斜したいわゆるタンジェンシャルストラットになっている。より具体的には、第一ストラット４３Ａは、軸線Ａｍを中心とした径方向内側から外側に向かうにしたがって、タービンロータ２１の回転方向（図３中、矢印Ａで示す）の前側に配置されるように傾斜している。このようなタンジェンシャルストラットとすることで、熱伸びによる軸心のずれを少なくすることが可能となっている。

タービンロータ２１の回転方向において、回転方向の後側を向く第一ストラット４３Ａの面は、正圧面Ｓ１となり、回転方向の前側を向く第一ストラット４３Ａの面は、負圧面Ｓ２となる。この第一実施形態において、これら正圧面Ｓ１、及び負圧面Ｓ２は、いずれも内筒４１の外周面４１Ａから外筒４２の内周面４２Ａに至る間で、同一の方向に延びるように形成されている。

図２に示すように、第二ストラット４４は、第一ストラット４３Ａの荷重負担を分散することを主な目的として設けられる。第二ストラット４４は、第一ストラット４３Ａ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。この第一実施形態の第二ストラット４４は、二つ設けられて、それぞれ内筒４１の外周面４１Ａから反対方向に延びる場合を例示している。これら第二ストラット４４は、軸線Ａｍを中心とした径方向に延びている。
なお、この第一実施形態における第一ストラット４３Ａ及び第二ストラット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４は、この発明の第一実施形態における隣り合う第一ストラットの間の内筒の斜視図である。
図４に示すように、ディフューザ４Ａは、軸線Ａｍを中心とした周方向で隣り合う第一ストラット４３Ａの間に、突条５０を備えている。突条５０は、周方向に並んで配置された複数の第一ストラット４３Ａの間にそれぞれ一つずつ設けられている。突条５０は、内筒４１の外周面４１Ａから突出するとともに軸線Ａｍ方向に延びている。この第一実施形態における突条５０は、外周面４１Ａから軸線Ａｍを中心とした径方向の外側に向けて突出している。

この第一実施形態における突条５０は、軸線Ａｍを中心とした周方向において、隣り合う第一ストラット４３Ａの間の距離を１００％とすると、隣り合う第一ストラット４３Ａの中央（５０％）の位置から、±３０％の範囲に形成することができる。さらに、突条５０は、軸線Ａｍを中心とした周方向において、上記中央（５０％）の位置から±２０％の位置に配置しても良い。さらに、突条５０は、軸線Ａｍを中心とした周方向において、上記中央（５０％）の位置から±１０％の位置に配置しても良い。

突条５０は、その前端部（言い換えれば、軸線Ａｍ方向一方側の端部）５１が、第一ストラット４３Ａの前縁（言い換えれば、軸線Ａｍ方向一方側の縁部）４３ａと第一ストラット４３Ａの後縁（言い換えれば、軸線Ａｍ方向他方側の縁部）４３ｂとの間に配置されている。この突条５０の前端部５１の位置は、例えば、翼型を有する第一ストラット４３Ａの翼弦長を１００％とした場合、第一ストラット４３Ａの翼弦方向で、翼弦長の５０％の位置から±３０％の範囲に配置することができる。さらに、突条５０の前端部５１の位置は、例えば、第一ストラット４３Ａの翼弦方向で、翼弦長の５０％の位置から±２０％の範囲に配置してもよい。さらに、突条５０の前端部５１の位置は、例えば、第一ストラット４３Ａの翼弦方向で、翼弦長の５０％の位置から±１０％の範囲に配置してもよい。

突条５０は、その後端部（言い換えれば、軸線Ａｍ方向他方側の端部）５２が、第一ストラット４３Ａの後縁４３ｂよりも軸線Ａｍ方向他方側に配置されている。この後端部５２は、後縁４３ｂよりも軸線Ａｍ方向他方側の範囲において可能な限り後縁４３ｂから離れた位置に配置できる。つまり、突条５０は、軸線Ａｍ方向他方側に向かって可能な限り長く形成してもよい。このようにすることで、第一ストラット４３Ａの後縁４３ｂから下流側において、第一ストラット４３Ａが無くなることによる排気流路Ｃの流路断面積の急拡大を緩和することができる。そのため、後縁４３ｂよりも下流において、境界層が剥離することを抑制できる。なお、図４中、軸線Ａｍ方向における前縁４３ａの位置を符号「Ｆ」、中央の位置を符号「Ｍ」、後縁４３ｂの位置を符号「Ｒ」で示している。

内筒４１の外周面４１Ａから突出する突条５０の高さは、内筒４１の外周面４１Ａで生じる排気ガスの剥離による圧損よりも、突条５０の形状抵抗による圧損の方が小さくなるような高さにすることができる。さらに、突条５０の高さは、外周面４１Ａに形成される境界層の厚さに応じた高さにすることができ、例えば、第一ストラット４３Ａの翼高さに対して例えば、３％から１％程度の高さとしてもよい。なお、外周面４１Ａに形成される境界層の厚さは、ディフューザ４Ａの仕様等に応じて変わるため、突条５０の高さは、この境界層の厚さに応じて適宜調整すればよい。また、突条５０は、境界層の厚さよりも高くなるように形成しても良い。このように境界層の厚さよりも高く突条５０を形成することで、排気ガスの主流を巻き込むことが可能となり、境界層の発達をより抑制することができる。

突条５０は、翼型を有している。より具体的には、突条５０は、軸線Ａｍを中心とした径方向外側から見て、軸線Ａｍ方向一方側に向かって先細りに形成されるとともに、軸線Ａｍ方向他方側に向かって先細りに形成されている。言い換えれば、突条５０は、軸線Ａｍ方向の両側に向かって、その幅寸法が漸次減少している。なお、この第一実施形態における突条５０は、径方向外側に向かって漸次幅寸法が減少して、軸線Ａｍ方向に延びる稜線が形成される場合を例示しているが、この形状に限られるものでは無い。

図５は、この発明の第一実施形態における排気流路入口の径方向位置に対する排気ガスの旋回角度を示すグラフである。図６は、この発明の第一実施形態における軸線方向一方側から見た縦渦と馬蹄渦との回転方向を示す図である。
この図５において、横軸は、旋回流の旋回角度、縦軸は、排気流路Ｃ入口の径方向位置を示している。横軸のプラス（＋）側は、旋回流が周方向他方側から一方側に向かって流れている状態を示し、横軸のマイナス（−）側は、旋回流が周方向一方側から他方側に向かって流れている状態を示している。さらに、縦軸は、内筒４１の外周面４１Ａの位置を原点として、軸線Ａｍを中心にした径方向外側における排気流路Ｃ内の位置を表している。タービン動翼２４が上述したように湾曲している場合、タービン２から排出される排気ガスは、軸線Ａｍの周方向に旋回する旋回流成分を含んでいる。

上述した構成を備えるガスタービン１００Ａが定格運転されている場合、第一ストラット４３Ａの周囲すなわち排気流路Ｃ入口における旋回流の旋回角度は、図５のグラフ中の破線で示すような分布となる。具体的には、内筒４１の外周面４１Ａの近傍と、外筒４２の内周面４２Ａの近傍とにおいて、旋回流の旋回角度の向きがマイナスになり、外周面４１Ａと内周面４２Ａとの間の径方向の中央付近で旋回流の旋回角度の向きがプラスになる。これは、流体の流れと流路内構造物との干渉による圧力損失が定格運転時に最も小さくなるように設計されているためである。旋回流の旋回角度を図５の破線のように分布させることで、定格運転において旋回流の旋回角度の絶対値を小さくできる。

その一方で、ガスタービン１００Ａが定格運転ではなく部分負荷で運転されている状態では、排気流路Ｃ入口の径方向全域で旋回流の旋回角度がマイナス側に大きくなる。これは、図５のグラフ中の実線で示すように、ガスタービン１００Ａが部分負荷で運転されている場合の旋回角度の分布が、定格運転時の旋回角度の分布（図５中、破線で示す）をマイナス側にシフトしたような分布になるからである。このように旋回角度がマイナス側に大きくなることで、排気流路Ｃ内の構造物による流れの剥離が大きくなる傾向があり、これに伴ってディフューザ４Ａで生じる圧力損失が増加してしまう。

しかし、図４に示すように、上述した第一実施形態のディフューザ４Ａは、軸線Ａｍを中心とする周方向で隣り合う第一ストラット４３Ａの間に突条５０が配置されている。そして、これら突条５０が、内筒４１の外周面４１Ａから突出して軸線Ａｍ方向に延びている。そのため、突条５０が仕切りとなり、軸線Ａｍを中心とした周方向で隣り合う第一ストラット４３Ａのうち、タービンロータ２１の回転方向後方に配置されている第一ストラット４３Ａの負圧面Ｓ２側に生じた剥離渦Ｖ２が、回転方向前方に配置されている第一ストラット４３Ａの正圧面Ｓ１側に生じた馬蹄渦Ｖ１を巻きあげる等の影響を及ぼすことを抑制できる。
そのため、回転方向前方の第一ストラット４３Ａの正圧面Ｓ１側（回転方向後方）に形成された馬蹄渦Ｖ１により、軸線Ａｍ方向における第一ストラット４３Ａの中央から第一ストラット４３Ａの後縁４３ｂに渡って、内筒４１の外周面４１Ａに形成される境界層が不安定になることを抑制できる。

また、軸線Ａｍを中心とした周方向で隣り合う第一ストラット４３Ａの間において、回転方向後方の第一ストラット４３Ａに形成された剥離渦Ｖ２が、回転方向前方の第一ストラット４３Ａに向かう際に、その一部が突条５０を乗り越える。これにより軸線Ａｍ方向に延びる突条５０に沿う渦軸を有した縦渦Ｖ３が生じる。図６に示すように、この縦渦Ｖ３は、上述した第一ストラット４３Ａの回転方向前方に形成される馬蹄渦Ｖ１の回転方向と同方向に回転し第一ストラット４３Ａの下流側に延びる渦管となる。
このように縦渦Ｖ３と馬蹄渦Ｖ１との回転方向が互いに同方向となることで、上記の縦渦Ｖ３と馬蹄渦Ｖ１とには互いに周方向で離間する方向に力が作用する。つまり、縦渦Ｖ３と馬蹄渦Ｖ１との配置が維持され易くなる。そのため、第一ストラット４３Ａの下流においても縦渦Ｖ３と馬蹄渦Ｖ１とが維持され易くなり、境界層の発達を抑制できる。

これにより、上述した部分負荷時のように排気ガスの旋回角度が大きい場合であっても、内筒４１の外周面４１Ａから排気ガスの流れが剥離することを抑制できる。そのため、排気流路Ｃにおける圧力損失を抑制して、ディフューザ４Ａによる圧力回復を効率よく行うことができる。
その結果、タービン２及びガスタービン１００Ａの性能向上を図ることが可能となる。

さらに、軸線Ａｍを中心とした径方向外側から見て、突条５０が、軸線Ａｍ方向一方側に向かって先細りに形成されるとともに、軸線Ａｍ方向他方側に向かって先細りに形成されている。このように突条５０が形成されることで、軸線Ａｍ方向に流れる排気ガスの主流に対して突条５０の形状抵抗を低減することができる。

（第二実施形態）
次に、この発明の第二実施形態を図面に基づき説明する。この第二実施形態のガスタービンは、上述した第一実施形態のガスタービンと、ディフューザの構成のみが異なる。そのため、上述した第一実施形態と同一部分に同一符号を付して説明するとともに、重複する説明を省略する。

図７は、この発明の第二実施形態における図３に相当する断面図である。図８は、この発明の第二実施形態における図４に相当する斜視図である。
図７、図８に示すように、この第二実施形態におけるガスタービン１００Ｂのディフューザ４Ｂは、上述した第一実施形態のディフューザ４Ａと同様に、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。
なお、この第二実施形態のガスタービン１００Ｂは、第一実施形態のガスタービン１００Ａと同様に圧縮機１と、燃焼器３と、タービン２と、をそれぞれ備えている。

ディフューザ４Ｂは、内筒４１と、外筒４２と、第一ストラット４３Ｂと、第二ストラット４４と、を備えている。
第一ストラット４３Ｂは、上述した第一ストラット４３Ａと同様に、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。外筒４２は、第一ストラット４３Ｂ及び第二ストラット４４によって内筒４１に対して固定・支持されている。第一ストラット４３Ｂ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。

第一ストラット４３Ｂは、排気流路Ｃ内で軸線Ａｍを中心とした周方向に間隔をあけて複数設けられている。この第二実施形態では、第一実施形態と同様に、内筒４１を中心として外周側に向かって放射状に延びる６つの第一ストラット４３Ｂが設けられている場合を例示している。これら第一ストラット４３Ｂは、軸線Ａｍを中心とした周方向に等間隔で配置されている。

これら第一ストラット４３Ｂは、上述した第一ストラット４３Ａと同様に、内筒４１の外周面４１Ａの法線に対して傾斜したいわゆるタンジェンシャルストラットになっている。より具体的には、第一ストラット４３Ｂは、軸線Ａｍを中心とした径方向内側から外側に向かうにしたがって、タービンロータ２１の回転方向（図７中、矢印Ａで示す）の前側に配置されるように傾斜している。

タービンロータ２１の回転方向において、回転方向の後側を向く第一ストラット４３Ｂの面は、正圧面Ｓ１となり、回転方向の前側を向く第一ストラット４３Ｂの面は、負圧面Ｓ２となる。この第一実施形態において、これら正圧面Ｓ１、及び負圧面Ｓ２は、いずれも内筒４１の外周面４１Ａから外筒４２の内周面４２Ａに至る間で、同一の方向に延びるように形成されている。

ディフューザ４Ｂは、凸部５３を備えている。凸部５３は、複数の第一ストラット４３Ｂの負圧面Ｓ２からそれぞれ突出している。凸部５３は、第一ストラット４３Ｂの負圧面Ｓ２に縦渦Ｖ４を発生させる。この縦渦Ｖ４は、軸線Ａｍを中心とした径方向で、凸部５３の両側に発生する。縦渦Ｖ４は、凸部５３に巻き付くように排気ガスの下流側（軸線Ａｍ方向他方側）に延びる渦管となる。この凸部５３によって発生する縦渦Ｖ４は、第一ストラット４３Ｂの前縁４３ａの近傍の領域に発生する剥離渦Ｖ２に干渉する。この干渉により、剥離渦Ｖ２の発達が阻害される。
上述した凸部５３は、一つの第一ストラット４３Ｂに対して一つだけ設けた場合について説明した。しかし、凸部５３は、一つの第一ストラット４３Ｂに対して複数設けたりしても良い。

凸部５３は、例えば、上述した剥離渦Ｖ２が生じる部分よりも上流側に設けても良い。このようにすることで、凸部５３により形成された縦渦Ｖ４によって剥離渦Ｖ２が生じること自体を抑制できる。
さらに、凸部５３は、軸線Ａｍを中心とした径方向で、内筒４１の外周面４１Ａから外筒４２の内周面４２Ａまでの距離を１００％とした場合、５０％の位置よりも内筒４１の外周面４１Ａに近い側に配置しても良い。さらに、凸部５３は、上記軸線Ａｍを中心とした径方向で、３０％の位置よりも内筒４１の外周面４１Ａに近い側に配置しても良い。このようにすることで、特に排気ガスのマイナスの旋回角度が大きくなる位置に配置できるため、効率よく剥離渦Ｖ２の発達を阻害できる。

また、凸部５３は、負圧面Ｓ２から突出する寸法は、剥離渦Ｖ２に起因する圧力損失よりも、凸部５３の形状抵抗による圧力損失が大きくならない程度の寸法としてもよい。このように凸部５３の突出寸法を設定することにより、効率よく圧力損失を低減できる。
なお、凸部５３の形状は、負圧面Ｓ２から突出していればよく、図７、図８に示す形状に限られない。

ディフューザ４Ｂは、上述したディフューザ４Ａと同様に、軸線Ａｍを中心とした周方向で隣り合う第一ストラット４３Ｂの間に、突条５０を備えている。この突条５０は、第一実施形態と同一の構成であるため、詳細説明を省略する。

したがって、上述した第二実施形態によれば、第一実施形態の作用効果に加えて、凸部５３を備えていることで、凸部５３の両側に上述した馬蹄渦と同様の縦渦Ｖ４が形成される。この凸部５３によって形成された縦渦Ｖ４は、排気ガスの旋回流によって第一ストラット４３Ｂの負圧面Ｓ２に形成される剥離渦Ｖ２に干渉する。そのため、剥離渦Ｖ２の発達が抑制される。つまり、剥離渦Ｖ２によって、内筒４１の外周面４１Ａに形成される境界層が径方向外側に向かって巻き上げられることを低減できる。

さらに、凸部５３を径方向の中央の位置（上述した５０％の位置）よりも内筒４１に近い位置に配置している。そのため、特に旋回流によって剥離渦Ｖ２が形成され易い位置に、凸部５３によって剥離渦Ｖ２に干渉する縦渦Ｖ４を形成させることができる。その結果、剥離渦Ｖ２の発生を効率よく抑制することができる。

この発明は上述した各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、上述した各実施形態では、一つのディフューザ４Ａ又は一つのディフューザ４Ｂに設けられる複数の突条５０が全て同一の構成である場合について説明した。しかし、これら複数の突条５０は、それぞれ異なる構成（形状、配置等）であっても良い。例えば、突条５０の前端部５１及び後端部５２の位置、高さ、幅は、それぞれ上記複数の突条５０毎に異なっていても良い。

また、上述した第二実施形態においては、軸線Ａｍを中心とした径方向の中央よりも内筒４１に近い側に凸部５３が配置される場合を例示したが、軸線Ａｍを中心とした径方向の中央よりも、外筒４２に近い側に凸部５３を配置するようにしても良い。

また、第二実施形態において、凸部５３が軸線Ａｍを中心とした径方向で、５０％の位置又は３０％の位置よりも内筒に近い側に配置される場合について説明したが、この範囲に限られない。凸部５３は、例えば、５０％の位置を基準にして上記径方向で±３０％の範囲内に配置するようにしても良い。

さらに、各実施形態においては、第一ストラット４３Ａ，４３Ｂと第二ストラット４４とを備える場合について説明したが、第一ストラット４３Ａ，４３Ｂのみを備えるようにしても良い。

１ 圧縮機
２ タービン
３ 燃焼器
４Ａ，４Ｂ 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
４１ 内筒
４１Ａ 外周面
４２ 外筒
４２Ａ 内周面
４３ 第一ストラット（ストラット）
４３ａ 前縁
４３ｂ 後縁
４４ 第二ストラット
５０ 突条
５１ 前端部
５２ 後端部
５３ 凸部
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
１００Ａ，１００Ｂ ガスタービン
Ａｍ 軸線
Ｃ 排気流路
Ｇ 発電機
Ｓ１ 正圧面
Ｓ２ 負圧面
Ｖ１ 馬蹄渦
Ｖ２ 剥離渦
Ｖ３ 縦渦
Ｖ４ 縦渦

Claims (5)

1. 軸線に沿って延びるとともに、前記軸線の周方向一方側に向かって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、少なくとも軸線方向の他方側の部分が周方向一方側から他方側に向かって湾曲している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、
   前記排気流路内で周方向に間隔をあけて設けられ、前記内筒と前記外筒とを接続するとともに、径方向内側から外側に向かうにしたがって前記タービンロータの回転方向前方に配置される複数のストラットと、
   周方向で隣り合う前記ストラットの間に配置されて、前記内筒の外周面から突出して、軸線方向の一方側の前端部から軸線方向の他方側の後端部に至る範囲で軸線方向に延びて、前記タービンロータの軸線に沿って形成されている突条と、を備え、
   前記突条は、前記軸線の周方向の幅寸法が径方向外側に向かって漸次減少して、軸線方向に延びて前記前端部から前記後端部に至る稜線を有し、
   前記突条の軸線方向一方側の前端部は、前記ストラットの軸線方向一方側の前縁と前記ストラットの軸線方向他方側の後縁との間に配置され、
   前記突条の軸線方向他方側の後端部は、前記後縁よりも軸線方向他方側に配置されているタービン。
2. 前記突条は、軸線を中心とした径方向外側から見て軸線方向一方側に向かって先細りに形成されるとともに、軸線方向他方側に向かって先細りに形成されている請求項１に記載のタービン。
3. 前記ストラットの負圧面から突出する凸部を備える請求項１に記載のタービン。
4. 前記凸部は、軸線を中心とした径方向の中央よりも前記内筒に近い側に配置されている請求項３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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