JPS59105905A - 高出力ガスタ−ビン用デイフユ−ザ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ＫＷ以上）のガスタービンのために適当なディフューザ
の改良に関する。

このような高出力ガスタービン用デイフユーザは、その
軸方向及び半径方向の総寸法を小さくてきるようにする
ために、非常に高いガス拡散効蘂を得ろ１ことができる
よう竺なっている。ディ：ツユ　。

−ザのこれらの総寸法は、設計上、ディフューザの輸送
の面からｉ！ＩＪ約きれるｉ囲に始いて許容され′る大
きさを越えてはならない。このような高拡散効率したが
って排気・ガ亥の低速度を得ることにより、また、振動
及び騒音の発生を相当減少させることが、できる。した
がって、これにより、排気消音器の構成なｆＭ　１−に
して作ることができ、その結果排気消音器の製作コスト
及び大きさをそれぞれ減少させることができる。　　　
　　′このような高出力ガスタービンに非常に多（使用
されているディフューザとして、航空機用タービンのた
めに投網されて配置されているディフューザがあること
は知られてい：る゛。この□ように航空機用タービンに
使用されるディフューザにおいては、その半径方向の総
寸法を小さくすることは絶対必要なことであり、また、
シャフト軸受ビ支持するために、冷却ガスによって空間
部内で冷却されているとともに輪郭が空気カ浮的に形成
されている複合壁のリブをディフューザ（拡散ダクト）
の内ツに、ｌＡ切るように配置しなければならない。

しかして、このようなディフューザはふたつの同軸の円
錐形の壁により構成され、これら円卸、形壁間の角度は
約７°とされている。この型式のティフユーザは、等し
い表面仕上げの長さに依存しそれ酸ティフユーザをより
小さくより短くするふたつの壁における摩擦損失と、拡
ｔ　’ｒより漸進的に小さくしそれ故ディフューザ乞よ
り□長くする拡散乱れ損失とを最良に調和した状態の下
で、最大効率を有する。経験的に、表面仕上げの度合、
ガス速度などに依存する最適な□調和長さは、一般的に
軸方向′に延びる２壁デイ□フユーザのため□には約７
°である円錐形壁間の角度にほぼ対応することが知られ
ている。　　　□ 能力、ガスはディフューザを去るときはいまだ高速度で
あり、それ故そのエネルギは失われるが、しかし排気の
方向が軸方向であるので、重量、総寸法及び効率間の航
空学的調和を考慮すると、このエイ・ルキの損失ば容認
てきるものである。

航空学的経験に基いて開発されている陸用タービンは、
同じようなティフユーザを使用しているか、ひとつだけ
違うところがある。それは、このような陸用タービンに
お〜、、・では、杉１気の方、向が半径方向であるため
に、ディフューザの一端が半径方向に曲るように作られ
ているということである。

また、ガスの流れを小さな損失でかつ小さな曲率てもっ
て曲げる・ために、デフレクタがしばしばティフユーザ
の曲り部分の中に配置され、これらデフレクタは平行な
円弧の形の横断面ケ有する。

ガス拡散はディフューザの１」錐形部分の一端で終るよ
うにされ、デフレクタは曲り部分を通しての圧力降−ト
を減少さぜるだげ０）１動きをなし、ガス拡散の働きは
ない。　　　　　１、　　。

このような型式のディフューザは、航空機に設置される
よりも陸に設置されるように開発されているものである
から、このようなディフューザを選択して利用する範囲
は広くない。

しかして、このような型式のディフューザにおいては、
次に述べるような問題がある。

ａ）ディフューザはその入口のところに＋ｆ！ｌｂ受支
持リブを具備しているが、このデイフユー→ノ゛人口て
はガス速ｊ−リは相当に高り、シたがって一定の損失が
生じる。この損失は、もしターＩインを設泪条件と異な
る作動条件の下て作う史しなければならないような場合
には、非常に大きくなる。。なぜなら、このような場合
に：ｔ６〜）ては、リブが存在することによりガス；ｉ
ｒ＋路の横断面が減少し、ガスが、これらリフ゛を通過
する間におけろこの横断面減少により生じる１員失に、
ガスがこれらリブに衝突することにより生じろ損失が加
えられるからである。このガスのリブに対する衝突は最
適角度ｈ・ら−１※かけ離れている入射角度で生じ、タ
ービンの作動は設計ポイントからますます逸脱してしま
う（陸用タービンにおいて、初期設言１速度の５０％で
作動しなげればならないことはまれではない）。

航空機用タービンにおいては、前述したようなリブは、
緑１寸法及びｆ量の理由のために、絶夕・］必要である
。これに対し、陸用タービンに１Ｇいては、もしンヤフ
トラインに関連する（（４’＋１ｌｌｉ的問題か１笹決
されろ場合には、シャフト軸パＱをぞの外側から支持す
るように代えろことかでき４）。

ｂ）拡１１々効率及び騒音レベルを悪化することなしに
、ｒ：＋＋気ガスの速度を最大に減少することができな
い。

したがって、陸用タービンのためのティフユーザにおい
て、最初に工夫すべきことは、前述したリブを除去しま
たティフユーザ終端部分の曲り部分におけるガス拡散を
改良するようにすイ）ことである。これらリブは／ヤフ
）　ｊｌＱｌ＋受をその外側から支持′１−ることによ
り除去され、これによって排気の軸方向長さが長くなる
ことはない。また、ディフューザの曲り部分は、まさに
曲りディフューザの形に作られるいこのような曲りディ
フューザは、真直なディフューザよりも非常に複雑とさ
れ、したがって綿花な設計と経験的に得た技術とに基き
多くの時間をかけて作られる。

このような型式のティフユーザを史に改良すく）ために
は、曲り部分で大きな拡散率を１１）ろために軸方向に
延びる円錐形部分を増大させるか（これは、しかしなが
ら、タービンのｌｌ１１１１方向長さを＊ｊ７１芥でき
ないほどに増大させる）、または拡散角度をふたつにす
るために前記円錐形部分の中に中間壁を配置することが
必買である。

この後者の方法においては、更に、軸受支持リムケ使用
し、これらリムによって中間壁をも支持することができ
るように改良することがなされている、。

しかしながら、このような方法は、１１（ｌＩ’Ｖ支（
，１リムを使用することから、好ましくない結果が生じ
ることは明らかである。すなわち、このようなシ咄・受
支持リムを使用することによって、投網条件と異なる作
業条件の下での前述したすべての損失が同様に発生する
からである。また、前述した堅擦損失と拡散損失との調
和から、ガスの速度がいまだに高い区域の中に中間壁を
配置すること（１′、、摩（ゴ及び衝突のために損失の
増大ｈ″＝生じろ。こＪｔら摩擦及び衝突は、拡散を増
大させろう先で非常にＩ）ｆましくな、（ンものである
。

前述した第２の一方法すなわちティフユーヅ′糸冬つｊ
Ｍ）１１１分の曲り部分にｊ６けるガス拡散を改良する
方法では、その曲りティフユーザ部分の長さ力１増大し
てしまい、これにより総半径方向寸法σつ増大カー生じ
てしまう。しかし、大型のタービンの場合に（家。

この総半径方向寸法は、輸送上σ）問題など力・らでき
るだけ小さくおさえなげればならな（・ものである。

本発明は、前述したような従来の問題を１臀７肖するた
めになされたものて、寸法σ）　ｆ！！ｉＪ　ｉ但乞１
リイ決し、まブこかなり改良した拡散しブこｈ″−って
Ｊ着火したタービン効率を４４（゛気騒音の減少ととも
にイ暑ろことを目的とする。

本発明のこの目的は、ふたつの一般的に円錐形の壁を包
含するとともに、ガス流ｔＬを…１り音す分へ良好に向
けるためにガスタービンの水平軸線に対して一定の角度
を形成する方向に延びている第］のディフューザ部分を
包含ずろテイフコ−−ザにより、実質的に達成される。

前述した第１のディフューザ部分は、リブ及び中間壁を
イ１しておらず、最適な条件の下で作動する。したがっ
て、この第１のティフユーザ部分は拡散作用の最も重要
な部分を形成する。

本発明によれば、また、第１のディフューザ部分に続け
て３つの壁を包含する第２のディフューザ部分の複合曲
りディフューザが設けられている。

この複合曲りティフユーザはその曲り部分て最適な最終
的拡散ケ許谷し、またその総が１法は許容し得る範囲と
される。

複合曲りティフユーザを形成ずろために使用１した中間
壁は、輪郭が空気力学的に形成されている複数のリブに
より片持ち式に支持されている。これらリブはディフュ
ーザの終端部分に配置されており、このディフューザの
終端部分ては、ガスはほぼ完全に拡散されて多少の損失
をも生じさせブ工いほどの遅い速度にまで減少させられ
て（・る。

中間壁の始り端部分を片持ち式に支持する構成は２、中
間（１，（が曲がっていることがら、可能な限り丈夫に
作られイ）１．中間壁の始り端部分は、前記第ｆのディ
フューザ部分からやって来るｔｔ−のガス流れを、ふた
つの流れに、これらふたつの流れが衝突したり又はティ
フユーザの横断面において流れを急敢に変えることなし
に、分割するのに適当な空気力学的輪郭を有するように
機械加工されている。

また、片持ち式の中間壁の大部分は、異なる運転条件の
下で発生ずる種々の振動数の振動モードを４：Ｊ１除す
るのに最適な輪郭にまで薄くされている。

高速度では、Ｊスの衝突及び摩擦による損失は非常に大
きい（これら損失はガス速度と平方関係で増大する）。

このため、本発明では、高速度のガスの拡散においては
、リブを排除しがっふたっのり（だげを包含する前述し
た第１のディフューザ部分よりなるディフューザを使用
するようにしている。

しかし、曲り部分においては、曲り部分を通しての拡散
は非常に複雑であるという理由のために、すでに十分に
減速されたガスが曲り部分にやって来るようにすること
が必要である１、本発明は、この理由のために、曲り部
分の入口側にリブな治しない中間壁を配置することによ
り、はぽ同じ複合拡散角Ｊ■でもってふたつの平行な曲
りティンユーザとして作用させるようにしている。これ
により、従来の単一の最終曲りディフューザによって’
（４７られる速度のほぼ半分の速度でガスを抽気室に入
れることができる。

中間壁を曲り部分の出口側で支持１−るリブは、また、
空気力学的に利益のある機能を果すような方法で設訓さ
れて角度的に配置行される。

この点に１ｖ、１し、（ガスがその１））イ張ケはとん
ど完結したときＫ）ディンユーザの最終端横断面を適当
に減少させることにより、その周囲出口速度の一様性は
確実に改良される。

この点に関し、ガスは排気ダクトを半径方向に去るため
、出口流れは全（一様ではな（、またリブがないために
、直径的に対向する部分よりも排気口に４と近する部分
において数陪大きい曲りディフューザ部分から排気室へ
の出口速度を得ることができ、圧り降下及び騒音は速度
の平方でもって変化することを考えれば、この抽気口の
吸込作用は高負作用を有することを理解することがて・
きよう。

と４１は、効率の増大はリブ（すなわち障害物）を介入
することによシ得ることかで・きるという明らかに矛盾
した事実を意味する。これが曲りディフューザ部分の出
口に横断面の減少を形成するようにした理由であり、リ
ブは半径方向排気口の吸込作用（この吸込作用は軸線の
まわりで非対称である）を妨（げることによりガスを出
口周囲に沿って一様に分配するようにする。ガスはほと
んど完全に分配した周囲方向に去り、１だ、ガスを出口
に向って規定した方法で運ぶ排気室の内側に適当な形状
のダクトを設けることによシ、ガスは、特別に圧力脈動
なしに、し７たがって最小の騒音でもって、非常に低い
速度で最終の消音器に到達する。

なぜなら、多くのディフュ−ザにおいては、ティフユー
ザにおいてなしとげることが困難である圧力回復の大部
分が圧力降下の形で排気室で破壊されるからである。こ
の効果により、シｆこかつて、タービン効率が増太し、
捷だ陸用タービンの適用においては除去することが非出
゛に困難である欠点のひとつとして知られている排気ガ
スの騒音レベルがかなり減少する（従来は、この騒音レ
ベＩしを減少するために使用される消音器は、大型で高
価であり、また作動温度が４５０℃を越えて与えられる
ため寿命が短いものである）。

実験テヌトによってこの騒音減少の効果は十分に確かめ
られており、騒音の減少は種々のパラメータ（リブの数
、曲り部分の曲率の値なと）が変るにつれて改良の度合
が異なる効率の向」・を間１羽的に即座に知ることがで
きる尺度となる。

また、実験によれば、許容される総寸ｄ〈の！ｉｉ　Ｉ
ノｌ内では、曲りディフューザ部分内の中間壁を複数に
することが好ましくないことがわかった。なせれにより
牛しるｆｉｌ擦損失により改良の調和が失なわれるから
である。また、それ以上の中間壁が設けられた場合には
、効率が悪化し始めてしまう。

以下添伺図＋ｈ５を参照して本発明の好適な一実施例に
つ１ハて詳述する。しかし、本発明は、この特定の実施
例に決して限定されるものではなく、本発明の範囲を逸
脱することなく種々の変形がなし得るものである。

第１．２及び３図、特に第１図において、参照？Ｅ１号
１はガスタービン用のガス発生器を示し、このガス発生
器からのガスは出力タービン２に供給される。出力ター
ビンからの排気ガスは、排気ケーシング３にディフュー
ザ４を通して送られる。

ティフユーザ４は、特に第２図に詳細１に示すように、
ふたつの一般的に円錐形である同＋１１１１の壁６及び
７により限定されて実質的にタービンの軸方向延びる第
１のディフューザ部分５を包含する。

ティフユーザ部分５は、ガス流れを後述する曲り流路に
良好に向けるために水平面に対して一定角度傾斜されて
いる。このティフユーザ部分５は、ガス拡散の最も重要
な部分であり、リブ又は中間壁のない最適な方法でガス
の拡散をなしさげる。

ディフューザ部分５に続いて第２のディフューザ部分で
ある複合曲りディフューザが設けらねている。この複合
面シディフユーザは、２つの壁８．９及び１０を包含し
、ガスの拡散を完全におこなう。すなわち、ディフュー
ザ部分５がらの単一のガス流れはこの複合曲りディフュ
ーザの古ころでふたつの独ケする流れに分割され、かつ
同時に半径方向に曲がって流れるようにされる。

複合ディンユーザを形成するために使用した中間曲シ壁
９は、空気力学的に輪郭が形成されている複数のリブｊ
１にょシ片持ち式に支持されている。これらリブ１１は
、タービンの水平軸線に苅して平行となる関係で複合曲
りディフューザの出口端側に配置されている。

ガス複合的りディンユーザを出て排気ケーシング３に入
るときのガス出口速度の一様な周囲分配を得、これによ
り排気ケーシング３の口１２による非対称的なガス吸込
み作用を実質的に減少させるだめに、こ、＋１らリブ１
１の長さは、複合ディフューザの１苗断曲をその曲り部
分から出口に寸で適当に減少させるように、８定されて
いる。

複合ディフューザから流出するガスの−、１茨な周囲流
Ｊ＋を乱さないようにし、これシこよりガスが４１Ｐ気
口】２に向って流れるのを良好にするために、ブイノ」
−一−リ−４は囲い１３により何気ケーシング３に１〆
続されている。

この囲い】３は、ディフューザ４になめらかに結合され
ている輪郭を有して、排気ゲージング３の中に収容され
ている。

最後に、ｍＪ述した中間壁９は始り端部分９′を有して
いる。この始り端部分９′は、第３図にその輪郭が訂細
に小されているように、ティフユーザ・１の第１部分５
からすでに速度を減少させられてやり−（来る単一のガ
ス流れを、ふたつの流れに、これらふたつの流れが衝突
したり又はディフューザの横断面において流れを急激に
変える今となしに、分割するような輪郭に空気力学的に
形成されている。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例によるディフューザを使用し
ている出力タービンの要部の長手方向断面を示す図、第
２図は第１図のディフューザの部分を拡大して示す図、
及び第３図は第２図のディフューザの一部分を更に拡大
して詳細に示す図である。 １・・ガス発生器、２・・出力タービン、３・・排気ケ
ーシング、４・・ティフユーザ、５・・第１のディフュ
ーザ部分、６，７・・その壁、８゜９．１０・・第２の
ディフューザ部分である複合面シディノユーザを形成す
る壁、９１・・その中間壁９の始り端部分、１１・・リ
ブ、１２・・排気口、１３・・囲い。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 囲１実ｆ′↓的にガスタービンの１ｔ（ｈカ向へ延びろ
   通路であるとともにふたつの一般的に円３１１．形の同
   軸管により限定され、内部にリブ及び中間＋；ｆイ１イ
   ノしＣい／ｌ：い第１のソ　丁ソユーリ゛）１１３分と
   、この第１デイノユーザ部分に続けて設けられ、３つの
   ９ｗ具備する第２のディフューザ部分の複合曲りティフ
   ユーザとを包含し、この３つの壁の中間壁はガスタービ
   ンの水平軸線に対して平行な関係で前記複合曲りディフ
   ューザの出［」ψ１１１冒Ｆ１１１に耐重した複数のリ
   ブにより片ｊ５）シ式に支４プされていることを１１’
   、１４芹Ｑとする高出力ガスタービン用ディフューザ。 ２、前記複合曲りディフューザの中間面り壁は、前記第
   １のディフューザ部分からの単一のガス流れを、ふたつ
   の流れに、これらふたつの流れが衝突したり又はディフ
   ューザの横断面において流れを急激に変えることなしに
   、分割するような輪郭に空気力学的に形成されている部
   分から始まることを特徴とする特許請求の範囲第１項記
   載のディフューザ。 ３、前記リブは、その輪郭が空気力学的に形成され、ま
   たその長さが前記複合曲りティフユーザの横断面なその
   曲り部分から出口にまで減少させるような寸法とされて
   いることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のディ
   フューザ。 ４、前記複合曲りディフューザになめらかに結合されて
   いる輪郭をイイして前、記排気ケーシングの中に収容さ
   れている囲いにより前記排気ケーゾングに接Ｉヅこされ
   ていること乞’ｌ’ｆｆ徴とする髄許請求の範囲第１項
   記載のディフューザ１．