KR20130135928A

KR20130135928A - 터빈 배기 구조 및 가스 터빈

Info

Publication number: KR20130135928A
Application number: KR1020137025437A
Authority: KR
Inventors: 히토시 기타가와; 야스로 사카모토; 에이사쿠 이토
Original assignee: 미츠비시 쥬고교 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2012-03-22
Publication date: 2013-12-11
Also published as: KR101522484B1; JP2012207565A; CN103459781B; US9845689B2; EP2692998B1; EP2692998A4; US20140023493A1; JP5951187B2; EP2692998A1; WO2012133123A1; CN103459781A

Abstract

터빈 배기 구조 및 가스 터빈에 있어서, 원통 형상을 이루어 연소 가스 통로(A)를 구성하는 터빈 차실(26)이 설치되고, 이 터빈 차실(26)에 원통 형상을 이루어 배기 가스 통로(B)를 구성하는 배기 디퓨저(31)가 연결되어 구성되고, 이 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)를 설치함으로써, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써 터빈 효율을 향상시켜 성능 향상을 가능하게 한다.

Description

터빈 배기 구조 및 가스 터빈{TURBINE EXHAUST STRUCTURE AND GAS TURBINE}

본 발명은, 예를 들어, 압축한 고온·고압의 공기에 대하여 연료를 공급하여 연소하고, 발생한 연소 가스를 터빈에 공급하여 회전 동력을 얻는 가스 터빈에 있어서, 터빈의 후방부에 배치되는 터빈 배기 구조 및 이 터빈 배기 구조가 적용되는 가스 터빈에 관한 것이다.

가스 터빈은, 압축기와 연소기와 터빈에 의해 구성되어 있고, 공기 도입구로부터 도입된 공기가 압축기에 의해 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기로 되고, 연소기에서, 이 압축 공기에 대하여 연료를 공급하여 연소시키고, 고온·고압의 연소 가스가 터빈을 구동하고, 이 터빈에 연결된 발전기를 구동한다. 이 경우, 터빈은, 차실 내에 복수의 정익 및 동익이 교대로 배치되어 구성되어 있고, 연소 가스에 의해 동익을 구동함으로써 발전기의 연결되는 출력축을 회전 구동하고 있다. 그리고 터빈을 구동한 연소 가스(배기 가스)의 에너지는, 배기 디퓨저에 의해 손실이 발생하지 않도록 서서히 압력으로 변환되어 대기에 방출된다.

이와 같이 구성된 가스 터빈에 있어서의 터빈에서, 배기 디퓨저는, 터빈 출구, 즉, 디퓨저 입구로부터 배기 가스의 유동 방향을 향해 그 유로 면적이 확대되도록 구성되어 있고, 터빈에서 동력이 회수된 후의 배기 가스를 감속하고, 압력을 회복할 수 있다.

이러한 배기 디퓨저를 갖는 가스 터빈으로서는, 예를 들어, 하기 특허문헌 1에 기재된 것이 있다.

일본 특허 출원 공개 제2009-203871호 공보

그런데 상술한 배기 디퓨저에서는, 배기 가스의 감속에 의해 압력 회복량이 커지면, 터빈 효율이 향상되어 가스 터빈의 성능이 향상된다. 이 배기 디퓨저에서의 압력 회복량을 크게 하기 위해서는, 입구의 유로 면적에 비해 출구 유로 면적을 크게 하는 것이 유효적이다. 그러나 배기 디퓨저에서, 입구의 유로 면적에 비해 출구 유로 면적을 급격하게 크게 하면, 배기 디퓨저에 있어서의 외주측의 벽면 근방이나 중심측의 벽면 근방에서, 배기 가스의 흐름이 박리되고, 압력 회복량이 작아져 버린다. 한편, 배기 디퓨저에서, 입구의 유로 면적에 비해 출구 유로 면적이 급격하게 커지지 않도록 하면, 배기 디퓨저에 있어서의 길이 방향(배기 가스의 유동 방향)의 길이가 커져, 배기 디퓨저의 대형화를 초래해 버린다.

본 발명은 상술한 과제를 해결하는 것이며, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써 터빈 효율을 향상시켜 성능 향상을 가능하게 하는 터빈 배기 구조 및 가스 터빈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 터빈 배기 구조는, 원통 형상을 이루어 연소 가스 통로를 구성하는 케이싱이 설치되고, 상기 케이싱에 원통 형상을 이루어 배기 가스 통로를 구성하는 배기 디퓨저가 연결되는 터빈 배기 구조에 있어서, 상기 배기 디퓨저에 압력 손실체가 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서, 배기 디퓨저에 압력 손실체를 설치함으로써, 연소 가스로부터 동력이 회수되어 배기 디퓨저에 유동한 배기 가스는, 압력 손실체에 의해 그 흐름이 정류되어 균일화되고, 배기 디퓨저의 벽면 근방에서의 배기 가스의 박리가 발생하기 어려워지므로, 여기에서의 압력 회복량이 증가하고, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써, 터빈 효율을 향상시켜 성능 향상을 가능하게 할 수 있다.

본 발명의 터빈 배기 구조에서는, 상기 압력 손실체는, 상기 배기 디퓨저에 있어서의 배기 가스 통로에 배치되는 다공 부재를 갖는 것으로 하고 있다.

따라서, 압력 손실체를 배기 가스 통로에 배치되는 다공 부재에 의해 구성함으로써, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행할 수 있을 뿐만 아니라, 구조의 간소화를 가능하게 하면서 배기 디퓨저의 강성을 올릴 수 있다.

본 발명의 터빈 배기 구조에서는, 상기 압력 손실체는, 배기 가스와 내부를 유동하는 열교환 매체 사이에서 열교환을 행하는 전열관을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 압력 손실체를 전열관에 의해 구성함으로써, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행할 수 있는 동시에, 배기 가스가 갖는 열에너지를 효과적으로 회수할 수 있다.

본 발명의 터빈 배기 구조에서는, 상기 압력 손실체는, 상기 배기 디퓨저에 있어서의 직경 방향의 외측 및 내측 중 적어도 어느 한쪽의 압력 손실이, 직경 방향의 중간측의 압력 손실보다도 작게 설정되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 배기 디퓨저를 유동하는 배기 가스는, 압력 손실이 큰 직경 방향의 중간측으로부터, 압력 손실이 작은 직경 방향의 외측이나 내측으로 흐르게 되고, 배기 디퓨저의 벽면 근방에서의 배기 가스의 박리를 억제하고, 압력 회복량을 증가시킬 수 있다.

본 발명의 터빈 배기 구조에서는, 상기 배기 디퓨저를 직경 방향으로 관통하는 지지 구조체가 설치되고, 상기 압력 손실체는, 상기 지지 구조체보다 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하고 있다.

따라서, 압력 손실체를, 배기 가스가 벽면 근방으로부터 박리되기 쉬운 스트러츠의 하류측에 배치함으로써, 배기 디퓨저의 벽면 근방으로부터의 배기 가스의 박리를 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 가스 터빈은, 압축기에서 압축한 압축 공기에 연소기에서 연료를 공급하여 연소하고, 발생한 연소 가스를 터빈에 공급함으로써 회전 동력을 얻는 가스 터빈에 있어서, 상기 터빈은, 원통 형상을 이루는 케이싱 내에 정익체와 동익체가 연소 가스의 유동 방향을 따라 교대로 배치되고, 상기 케이싱에 원통 형상을 이루는 배기 디퓨저가 연결되어 구성되고, 상기 배기 디퓨저에 압력 손실체가 설치되는 것을 특징으로 하는 것이다.

따라서, 배기 디퓨저에 압력 손실체를 설치함으로써, 연소 가스로부터 동력이 회수되어 배기 디퓨저에 유동한 배기 가스는, 압력 손실체에 의해 그 흐름이 정류되어 균일화되고, 배기 디퓨저의 벽면 근방에서의 배기 가스의 박리가 발생하기 어려워지므로, 여기에서의 압력 회복량이 증가하고, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써, 터빈 효율을 향상시켜, 가스 터빈의 성능을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 터빈 배기 구조 및 가스 터빈에 따르면, 배기 디퓨저에 압력 손실체를 설치하므로, 배기 디퓨저에 유동한 배기 가스는, 압력 손실체에 의해 그 흐름이 정류되어 균일화되고, 배기 디퓨저의 벽면 근방에서의 배기 가스의 박리가 발생하기 어려워지므로, 여기에서의 압력 회복량이 증가하고, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써, 터빈 효율을 향상시켜 성능 향상을 가능하게 할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 가스 터빈에 있어서의 터빈 배기 구조를 나타내는 개략도이다.
도 2는 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 압력 손실체를 나타내는 정면도이다.
도 3은 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 다른 압력 손실체를 나타내는 정면도이다.
도 4는 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 다른 압력 손실체를 나타내는 측면도이다.
도 5는 배기 디퓨저에서의 직경 방향 높이에 있어서의 압력을 나타내는 그래프이다.
도 6은 제1 실시예의 가스 터빈을 나타내는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 관한 가스 터빈에 있어서의 터빈 배기 구조를 나타내는 개략도이다.
도 8은 제2 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 압력 손실체를 나타내는 정면도이다.

이하에 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 관한 터빈 배기 구조 및 가스 터빈의 적합한 실시예를 상세하게 설명한다. 또한, 이 실시예에 의해 본 발명이 한정되는 것이 아니고, 또한, 실시예가 복수 있는 경우에는, 각 실시예를 조합하여 구성하는 것도 포함하는 것이다.

제1 실시예

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 관한 가스 터빈에 있어서의 터빈 배기 구조를 나타내는 개략도, 도 2는 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 압력 손실체를 나타내는 정면도, 도 3은 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 다른 압력 손실체를 나타내는 정면도, 도 4는 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 다른 압력 손실체를 나타내는 측면도, 도 5는 배기 디퓨저에서의 직경 방향 높이에 있어서의 압력을 나타내는 그래프, 도 6은 제1 실시예의 가스 터빈을 나타내는 개략도이다.

제1 실시예의 가스 터빈은, 도 6에 도시하는 바와 같이, 압축기(11)와 연소기(12)와 터빈(13)에 의해 구성되어 있다. 이 가스 터빈에는, 도시하지 않은 발전기가 연결되어 있어, 발전 가능하게 되어 있다.

압축기(11)는, 공기를 도입하는 공기 도입구(21)를 갖고, 압축기 차실(22) 내에 복수의 정익체(23)와 동익체(24)가 전후 방향[후술하는 로터(32)의 축 방향]으로 교대로 배치되어 이루어지고, 그 외측에 추기실(25)이 설치되어 있다. 연소기(12)는, 압축기(11)에서 압축된 압축 공기에 대하여 연료를 공급하고, 점화함으로써 연소 가능하게 되어 있다. 터빈(13)은, 터빈 차실(케이싱)(26) 내에 복수의 정익체(27)와 동익체(28)가 전후 방향[후술하는 로터(32)의 축 방향]으로 교대로 배치되어 있다. 이 터빈 차실(26)의 하류측에는, 배기 차실(29)을 통해 배기실(30)이 배치되어 있고, 배기실(30)은, 터빈(13)에 연속하는 배기 디퓨저(31)를 갖고 있다.

또한, 압축기(11), 연소기(12), 터빈(13), 배기실(30)의 중심부를 관통하도록 로터(터빈축)(32)가 위치하고 있다. 로터(32)는, 압축기(11)측의 단부가 베어링부(33)에 의해 회전 가능하게 지지되는 한편, 배기실(30)측의 단부가 베어링부(34)에 의해 회전 가능하게 지지되어 있다. 그리고 이 로터(32)는, 압축기(11)에서, 각 동익체(24)가 장착된 디스크가 복수 겹쳐져 고정되고, 터빈(13)에서, 각 동익체(28)가 장착된 디스크가 복수 겹쳐져 고정되어 있고, 압축기(11)측의 단부에 도시하지 않은 발전기의 구동축이 연결되어 있다.

그리고 이 가스 터빈은, 압축기(11)의 압축기 차실(22)이 다리부(35)에 지지되고, 터빈(13)의 터빈 차실(26)이 다리부(36)에 의해 지지되고, 배기실(30)이 다리부(37)에 의해 지지되어 있다.

따라서, 압축기(11)의 공기 도입구(21)로부터 도입된 공기가, 복수의 정익체(23)와 동익체(24)를 통과하여 압축됨으로써 고온·고압의 압축 공기로 된다. 연소기(12)에서, 이 압축 공기에 대하여 소정의 연료가 공급되고, 연소한다. 그리고 이 연소기(12)에서 생성된 작동 유체인 고온·고압의 연소 가스가, 터빈(13)을 구성하는 복수의 정익체(27)와 동익체(28)를 통과함으로써 로터(32)를 구동 회전하고, 이 로터(32)에 연결된 발전기를 구동한다. 한편, 배기 가스(연소 가스)의 에너지는, 배기실(30)의 배기 디퓨저(31)에 의해 압력으로 변환되고 감속되고 나서 대기에 방출된다.

상술한 터빈(13)에 있어서의 배기 구조에 있어서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 원통 형상을 이루는 터빈 차실(26)은, 그 내측에 복수의 정익체(27)와 동익체(28)가 연소 가스의 유동 방향을 따라 교대로 배치되어 있다. 이 터빈 차실(26)은, 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 원통 형상을 이루는 배기 차실(29)이 배치되어 있다. 이 배기 차실(29)은, 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 원통 형상을 이루는 배기실(30)이 배치되어 있다. 이 배기실(30)은, 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배기 덕트(도시 생략)가 배치되어 있다. 이 경우, 터빈 차실(26), 배기 차실(29), 배기실(30), 배기 덕트는, 각각 상하 2분할로 형성되고, 양자가 일체로 연결되어 구성되어 있다.

그리고 터빈 차실(26)과 배기 차실(29)은, 복수의 연결 볼트(41)에 의해 연결되고, 배기 차실(29)과 배기실(30)은, 열 연신을 흡수 가능한 복수의 배기실 서포트(42, 43)에 의해 연결되어 있다. 이 배기실 서포트(42, 43)는, 스트립 형상을 이루고, 터빈(13)의 축 방향을 따라 연장 설치되는 동시에, 둘레 방향으로 소정의 간격으로 복수 병설되어 있다. 이 배기실 서포트(42, 43)는, 배기 차실(29)과 배기실(30) 사이에서 온도 차에 의해 열 연신이 발생하였을 때, 변형함으로써 그 열 연신을 흡수 가능하게 되어 있다. 이 열 연신은, 터빈(13)의 시동 시 등의 과도기나 고부하 시에 발생하기 쉽다. 또한, 배기 차실(29)과 배기실(30) 사이에는, 각 배기실 서포트(42, 43)의 사이에 위치하여 가스 시일(44)이 설치되어 있다.

배기 차실(29)은, 그 내측에 배기실(30)을 구성하는 원통 형상을 이루는 배기 디퓨저(31)가 배치되어 있다. 이 배기 디퓨저(31)는, 원통 형상을 이루는 외측 디퓨저(45)와 내측 디퓨저(46)가 복수의 스트러츠 실드(47)에 의해 연결되어 구성되어 있다. 이 스트러츠 실드(47)는, 원통 형상이나 타원 통 형상 등의 중공 구조를 이루고, 배기 디퓨저(31)의 둘레 방향으로 균등 간격으로 복수 설치되어 있다. 또한, 상술한 배기실 서포트(42, 43) 및 가스 시일(44)은, 단부가 배기실(30)을 구성하는 배기 디퓨저(31)에 있어서의 외측 디퓨저(45)에 연결되어 있다.

스트러츠 실드(47) 내에는, 스트러츠(지지 구조체)(48)가 배치되어 있다. 이 스트러츠(48)는, 일단부측이 내측 디퓨저(46)를 관통하여 베어링부(34)를 수용하는 베어링 상자(49)에 연결되고, 이 베어링(34)에 의해 로터(32)가 회전 가능하게 지지되어 있다. 또한, 스트러츠(48)는, 타단부측이 외측 디퓨저(45)를 관통하여 배기 차실(29)에 고정되어 있다. 또한, 스트러츠 실드(47) 내부의 공간은, 배기 디퓨저(31)[내측 디퓨저(46)]의 내측의 공간이나, 배기 차실(29)과 배기 디퓨저(31)[외측 디퓨저(45)] 사이의 공간에 연통되고, 외부로부터 이들 공간에 냉각 공기를 공급 가능하게 되어 있다.

또한, 터빈 차실(26)은, 그 내측에 복수의 정익체(27)와 동익체(28)가 교대로 배치되어 있고, 각 단의 익환 구조는 거의 마찬가지의 구성으로 되어 있다. 이 경우, 정익체(27)는, 복수의 정익(27a)이 둘레 방향으로 균등 간격으로 배치되고, 로터(32)측의 기단부에 내측 슈라우드(27b)가 고정되고, 터빈 차실(26)측의 선단부에 외측 슈라우드(27c)가 고정되어 구성되어 있다. 또한, 동익체(28)는, 마찬가지로, 동익(28a)이 둘레 방향으로 균등 간격으로 배치되고, 기단부가 로터(32)에 고정되는 로터 디스크(28b)에 고정되고, 선단부가 터빈 차실(26)측으로 연장되어 구성되어 있다. 그리고 최종단 정익(27a)의 하류측에 최종단 동익(28a)이 배치되어 있다.

여기서, 터빈 차실(26)에 있어서의 최종단 익환 구조는, 원통 형상을 이루는 터빈 차실 본체(51)와, 터빈 차실 본체(51)의 내측에 설치되어 원통 형상을 이루는 익환(52)과, 최종단 동익(28a)의 외측에 배치되어 원통 형상을 이루는 분할환(53)과, 분할환(53) 및 익환(52)과 최종단 정익(27a)의 외측 슈라우드(27c)를 연결하는 차열환(54, 55, 56)으로 구성되어 있다.

터빈(13)은, 이와 같이 각 단의 익환 구조가 구성되므로, 터빈 차실(26)을 구성하는 내측 슈라우드(27b), 분할환(53) 등에 의해 연소 가스 통로(A)가 구성되고, 터빈 차실(26) 및 배기 차실(29)의 후방부의 내측에, 배기 디퓨저(31)의 전방부가 직경 방향으로 소정 간극을 갖고 침입하고, 시일 장치(57)에 의해 연결됨으로써, 배기 디퓨저(31)에 의해 구성되는 배기 가스 통로(B)가 구성되고, 연소 가스 통로(A)와 배기 가스 통로(B)가 연속하도록 되어 있다.

이와 같이 구성된 제1 실시예의 터빈 배기 구조에서, 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)가 설치되어 있다. 이 압력 손실체(61)는, 스트러츠(48)보다 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배치되어 있다. 그리고 이 압력 손실체(61)는, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 배기 가스 통로(B)에 배치되는 다공 부재로서 설치되어 있고, 배기 디퓨저(31)의 배기 가스 통로(B)에 있어서의 직경 방향의 외측[외측 디퓨저(45)] 및 내측[내측 디퓨저(46)]의 압력 손실이, 직경 방향의 중간측의 압력 손실보다도 작게 설정되어 있다.

구체적으로 설명하면, 도 1 및 도 2에 도시하는 바와 같이, 압력 손실체(61)는, 링 형상을 이루고, 스트러츠(48)보다 하류측에 배치되고, 내주부가 내측 디퓨저(46)에 고정되고, 외주부가 외측 디퓨저(45)에 고정되어 있다. 이 압력 손실체(61)는, 배기 디퓨저(31)의 둘레 방향을 따라 직경이 다른 복수의 링(62)과, 배기 디퓨저(31)의 직경 방향을 따르는 복수의 스포크(63)로 구성되고, 복수의 링(62)이 복수의 스포크(63)에 의해 내측 디퓨저(46)와 외측 디퓨저(45)에 지지되어 있다. 이 경우, 복수의 링(62)은, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 직경 방향의 외주부와 내주부의 간격이, 직경 방향의 중간부의 간격보다 크게 설정되어 있음으로써, 압력 손실체(61)는, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 배기 가스 통로(B)에서, 외주부 및 내주부의 압력 손실이 중간부의 압력 손실보다도 작게 설정되게 된다. 또한, 복수의 스포크(63)는, 둘레 방향으로 균등 간격으로 배치되어 있다.

또한, 압력 손실체(61)를 복수의 링(62)과 복수의 스포크(63)로 구성하였지만, 이 구조에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 3에 도시하는 바와 같이, 압력 손실체(64)는, 철망에 의한 메쉬로서 형성되고, 외주부측의 영역 R1과 내주부측의 영역 R3의 개구율이, 중간부측의 영역 R2보다 그 개구율이 크게 설정되어 있음으로써, 이 압력 손실체(64)는, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 배기 가스 통로(B)에서, 외주부 및 내주부의 압력 손실이 중간부의 압력 손실보다도 작게 설정되게 된다. 또한, 도 4에 도시하는 바와 같이, 압력 손실체(65)는, 소정 두께의 다공체(다공 부재)로서 형성되고, 외주부측의 두께 T1과 내주부측의 두께 T3이, 중간부측의 두께 T2보다 얇게 설정되어 있음으로써, 이 압력 손실체(65)는, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 배기 가스 통로(B)에서, 외주부 및 내주부의 압력 손실이 중간부의 압력 손실보다도 작게 설정되게 된다.

따라서, 도 1에 도시하는 바와 같이, 연소 가스가 연소 가스 통로(A)를 흐름으로써, 동익체(28)에 의해 동력이 회수된 후, 배기 가스로서 배기 디퓨저(31)의 배기 가스 통로(B)에 유동하면, 여기서, 배기 가스의 에너지가 서서히 압력으로 변환되어 대기에 방출된다. 이 배기 디퓨저(31)에서, 배기 가스가 압력 손실체[61(64, 65)]를 통과할 때, 배기 가스가 정류되어 균일화되고, 높은 압력 회복량을 확보할 수 있다. 즉, 압력 손실체(61)는, 직경 방향의 중간부가 높은 압력 손실로 되어 있으므로, 이 영역을 흐르는 배기 가스가 직경 방향의 외주측 또는 직경 방향의 내주측에 흐르게 되고, 외측 디퓨저(45)의 내벽이나 내측 디퓨저(46)의 외벽으로부터의 배기 가스의 박리가 억제된다.

그 결과, 도 5에 나타내는 바와 같이, 종래는, 1점 쇄선으로 나타내는 바와 같이, 배기 디퓨저에 있어서의 직경 방향의 외주부측으로부터 내주부측까지의 배기 가스의 전체 압력이 거의 일정해지고, 외측 디퓨저나 내측 디퓨저의 벽면 근방에서 배기 가스의 박리가 발생하기 쉬워지고, 배기 디퓨저에 있어서의 압력 회복량이 작게 되어 버린다. 이에 반해, 제1 실시예에서는, 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)가 설치되고, 또한, 직경 방향의 중간부의 압력 손실이 크므로, 실선으로 나타내는 바와 같이, 중간부에 비해 외주부측 및 내주부측의 배기 가스의 전체 압력이 높아지고, 외측 디퓨저(45) 및 내측 디퓨저(46)의 벽면 근방에서 배기 가스의 박리가 발생하기 어려워지고, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 압력 회복량이 커진다.

이와 같이 제1 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서는, 원통 형상을 이루어 연소 가스 통로(A)를 구성하는 터빈 차실(26)이 설치되고, 이 터빈 차실(26)에 원통 형상을 이루어 배기 가스 통로(B)를 구성하는 배기 디퓨저(31)가 연결되어 구성되고, 이 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)를 설치하고 있다.

따라서, 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)를 설치함으로써, 연소 가스 통로(A)에서, 연소 가스로부터 동력이 회수되어 배기 디퓨저(31)의 배기 가스 통로(B)에 유동한 배기 가스는, 압력 손실체(61)에 의해 그 흐름이 정류되어 균일화되고, 배기 디퓨저(31)의 벽면 근방에 있어서의 배기 가스의 흐름의 박리가 발생하기 어려워지므로, 여기에서의 압력 회복량이 증가하고, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써, 터빈 효율을 향상시켜 성능 향상을 가능하게 할 수 있다. 이 경우, 배기 디퓨저(31)의 벽면 근방으로부터의 배기 가스의 박리가 억제되므로, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 출구측의 유로 면적을 크게 하는 것이 가능해지고, 이 점에서도, 터빈 효율을 향상시킬 수 있는 동시에, 배기 디퓨저(31)의 길이의 단축화를 가능하게 할 수 있다.

또한, 제1 실시예의 터빈 배기 구조에서는, 압력 손실체(61)를, 다수의 링(62)과 다수의 스포크(63)로 이루어지는 다공 부재로 하고 있다. 따라서, 압력 손실체(61)를 배기 가스 통로(B)에 배치되는 다공 부재에 의해 구성함으로써, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행할 수 있을 뿐만 아니라, 구조의 간소화를 가능하게 하면서 배기 디퓨저(31)의 강성을 올릴 수 있다.

또한, 제1 실시예의 터빈 배기 구조에서는, 압력 손실체(61)에서, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 직경 방향의 외주부 및 내주부의 압력 손실을 직경 방향의 중간부의 압력 손실보다도 작게 설정하고 있다. 따라서, 배기 디퓨저(31)를 유동하는 배기 가스는, 압력 손실이 큰 중간부로부터, 압력 손실이 작은 외주부나 내주부에 흐르게 되고, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 벽면 근방에서의 배기 가스의 박리를 억제하고, 압력 회복량을 증가시킬 수 있다.

또한, 제1 실시예의 터빈 배기 구조에서는, 배기 디퓨저(31)를 직경 방향으로 관통하여 베어링 상자(49)와 배기 차실(29)을 연결하여 지지하는 스트러츠(48)를 설치하고, 압력 손실체(61)를 이 스트러츠(48)보다 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배치하고 있다. 따라서, 압력 손실체(61)를 배기 가스가 벽면 근방으로부터 박리되기 쉬운 스트러츠(48)의 하류측에 배치함으로써, 배기 디퓨저(31)의 벽면 근방으로부터의 배기 가스의 박리를 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 발명의 가스 터빈은, 압축기(11)에서 압축한 압축 공기에 연소기(12)에서 연료를 공급하여 연소하고, 발생한 연소 가스를 터빈(13)에 공급함으로써 회전 동력을 얻도록 구성하고, 원통 형상을 이루는 터빈 차실(26)의 내측에 정익체(27)와 동익체(28)를 연소 가스의 유동 방향을 따라 교대로 배치하고, 터빈 차실(26)의 후방부에 원통 형상을 이루는 배기 디퓨저(31)를 연결하여 터빈(13)을 구성하고, 이 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)를 설치하고 있다.

따라서, 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61)를 설치함으로써, 배기 디퓨저(31)에 유동한 배기 가스는, 압력 손실체(61)에 의해 그 흐름이 정류되어 균일화되고, 배기 디퓨저(31)의 직경 방향의 중간부에 비해 외주부 및 내주부에서의 배기 가스의 전체 압력이 높아지고, 배기 디퓨저(31)의 벽면 근방에서의 배기 가스의 박리가 발생하기 어려워지므로, 여기에서의 압력 회복량이 증가하고, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써, 터빈 효율을 향상시키고, 가스 터빈의 성능을 향상시킬 수 있다.

제2 실시예

도 7은 본 발명의 제2 실시예에 관한 가스 터빈에 있어서의 터빈 배기 구조를 나타내는 개략도, 도 8은 제2 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서의 압력 손실체를 나타내는 정면도이다. 또한, 상술한 실시예와 마찬가지의 기능을 갖는 부재에는, 동일한 부호를 부여하여 상세한 설명은 생략한다.

제2 실시예의 터빈 배기 구조에서, 도 7에 도시하는 바와 같이, 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체로서의 전열관(71)이 설치되어 있다. 이 전열관(71)은, 스트러츠(48)보다 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배치되어 있다. 그리고 이 전열관(71)은, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 직경 방향의 외측 및 내측의 압력 손실이, 직경 방향의 중간측의 압력 손실보다도 작게 설정되어 있다.

구체적으로 설명하면, 도 7 및 도 8에 도시하는 바와 같이, 전열관(71)은, 배기 디퓨저(31)를 유동하는 배기 가스와 내부를 유동하는 냉각 매체(열교환 매체) 사이에서 열교환을 행하는 것이며, 예를 들어, 도시하지 않은 폐열 회수 보일러의 전열관이 적용된다. 그리고 이 전열관(71)은, 배기 디퓨저(31)의 배기 가스 통로(B)에서, 둘레 방향으로 왕복하도록 배치되고, 복수의 스포크(72)에 의해 내측 디퓨저(46)와 외측 디퓨저(45)에 지지되어 있다. 이 경우, 전열관(71)은, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 직경 방향의 외주부와 내주부의 간격이, 직경 방향의 중간부의 간격보다 크게 설정되어 있음으로써, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 배기 가스 통로(B)에서, 외주부 및 내주부의 압력 손실이 중간부의 압력 손실보다도 작게 설정되게 된다.

따라서, 연소 가스가 연소 가스 통로(A)를 흐름으로써, 동익체(28)에 의해 동력이 회수된 후, 배기 가스로서 배기 디퓨저(31)의 배기 가스 통로(B)에 유동하면, 여기서, 배기 가스의 에너지가 서서히 압력으로 변환되어 대기에 방출된다. 이 배기 디퓨저(31)에서, 배기 가스가 전열관(71)을 통과할 때, 배기 가스가 정류되어 균일화되고, 높은 압력 회복량을 확보할 수 있다. 즉, 전열관(71)은, 직경 방향의 중간부가 높은 압력 손실로 되어 있으므로, 이 영역을 흐르는 배기 가스가 직경 방향의 외주측 또는 직경 방향의 내주측에 흐르게 되고, 외측 디퓨저(45)의 내벽이나 내측 디퓨저(46)의 외벽으로부터의 배기 가스의 박리가 억제되고, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 압력 회복량이 커진다.

또한, 배기 가스가 전열관(71)을 통과할 때, 배기 디퓨저(31)를 유동하는 배기 가스와 전열관(71)의 내부를 유동하는 냉각 매체 사이에서 열교환이 행해지게 되고, 배기 가스의 열을 효율적으로 회수할 수 있다.

이와 같이 제2 실시예의 터빈 배기 구조에 있어서는, 원통 형상을 이루어 연소 가스 통로(A)를 구성하는 터빈 차실(26)이 설치되고, 이 터빈 차실(26)에 원통 형상을 이루어 배기 가스 통로(B)를 구성하는 배기 디퓨저(31)가 연결되어 구성되고, 이 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체로서의 전열관(71)을 설치하고 있다.

따라서, 배기 디퓨저(31)에 전열관(71)을 설치함으로써, 연소 가스 통로(A)에서, 연소 가스로부터 동력이 회수되어 배기 디퓨저(31)의 배기 가스 통로(B)에 유동한 배기 가스는, 전열관(71)에 의해 그 흐름이 정류되어 균일화되고, 배기 디퓨저(31)의 벽면 근방에 있어서의 배기 가스의 흐름의 박리가 발생하기 어려워지므로, 여기에서의 압력 회복량이 증가하고, 효율적인 배기 가스의 압력 회복을 행함으로써, 터빈 효율을 향상시켜 성능 향상을 가능하게 할 수 있다. 이 경우, 전열관(71)은, 배기 디퓨저(31)를 유동하는 배기 가스와 내부를 유동하는 냉각 매체 사이에서 열교환을 행할 수 있으므로, 배기 가스의 열을 회수하여 유효 이용을 도모할 수 있다.

또한, 상술한 각 실시예에서는, 배기 디퓨저(31)에 압력 손실체(61, 64, 65, 71)를 설치하고, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 직경 방향의 외측 및 내측의 압력 손실을 중간측의 압력 손실보다도 작게 설정하였지만, 배기 디퓨저(31)에 있어서의 직경 방향의 외측의 압력 손실만, 또는, 내측의 압력 손실만을 중간측의 압력 손실보다도 작게 설정해도 된다. 또한, 압력 손실체(61, 64, 65, 71)를 스트러츠(48)보다 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배치하였지만, 배기 디퓨저(31)를 흐르는 배기 가스가 벽면으로부터 박리되는 영역에 설치하는 것이 바람직하고, 배기 디퓨저(31)의 형상에 의해, 스트러츠(48)의 근방, 또는, 스트러츠(48)보다 상류측에 배치해도 된다.

11 : 압축기
12 : 연소기
13 : 터빈
26 : 터빈 차실(케이싱)
27 : 정익체
28 : 동익체
29 : 배기 차실
30 : 배기실
31 : 배기 디퓨저
32 : 로터
45 : 외측 디퓨저
46 : 내측 디퓨저
48 : 스트러츠(지지 구조체)
61, 64, 65 : 압력 손실체
62 : 링
63 : 스포크
71 : 전열관(압력 손실체)
A : 연소 가스 통로
B : 배기 가스 통로

Claims

원통 형상을 이루어 연소 가스 통로를 구성하는 케이싱이 설치되고, 상기 케이싱에 원통 형상을 이루어 배기 가스 통로를 구성하는 배기 디퓨저가 연결되는 터빈 배기 구조에 있어서,
상기 배기 디퓨저에 압력 손실체가 설치되는 것을 특징으로 하는, 터빈 배기 구조.
제1항에 있어서, 상기 압력 손실체는, 상기 배기 디퓨저에 있어서의 배기 가스 통로에 배치되는 다공 부재를 갖는 것을 특징으로 하는, 터빈 배기 구조.
제1항에 있어서, 상기 압력 손실체는, 배기 가스와 내부를 유동하는 열교환 매체 사이에서 열교환을 행하는 전열관을 갖는 것을 특징으로 하는, 터빈 배기 구조.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 압력 손실체는, 상기 배기 디퓨저에 있어서의 직경 방향의 외측 및 내측 중 적어도 어느 한쪽의 압력 손실이, 직경 방향의 중간측의 압력 손실보다도 작게 설정되는 것을 특징으로 하는, 터빈 배기 구조.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배기 디퓨저를 직경 방향으로 관통하는 지지 구조체가 설치되고, 상기 압력 손실체는, 상기 지지 구조체보다 배기 가스의 유동 방향의 하류측에 배치되는 것을 특징으로 하는, 터빈 배기 구조.
압축기에서 압축한 압축 공기에 연소기에서 연료를 공급하여 연소하고, 발생한 연소 가스를 터빈에 공급함으로써 회전 동력을 얻는 가스 터빈에 있어서,
상기 터빈은, 원통 형상을 이루는 케이싱 내에 정익체와 동익체가 연소 가스의 유동 방향을 따라 교대로 배치되고, 상기 케이싱에 원통 형상을 이루는 배기 디퓨저가 연결되어 구성되고,
상기 배기 디퓨저에 압력 손실체가 설치되는 것을 특징으로 하는, 가스 터빈.