JP2015200211A - タービンの換気構造 - Google Patents

Abstract

【課題】排気ディフューザの径方向内側に位置する部材の冷却を効率的に行うことが可能な、信頼性および運転効率に優れるガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機（３）と、前記圧縮機（３）からの圧縮空気（ＰＡ）に燃料を供給して燃焼させる燃焼器（５）と、前記燃焼器（５）からの燃焼ガスによって駆動されるタービン（７）と、前記タービン（７）からの排気を排出する環状の排気ディフューザ（４３）とを備えるガスタービンエンジン（１）に、前記排気ディフューザ（４３）の径方向外側から該排気ディフューザ（４３）を横断して、径方向内側の冷却対象部を（５７）通った後に前記排気ディフューザ（４３）内に接続される換気通路（ＶＰ）と、前記圧縮機（３）からの圧縮空気（ＰＡ）を利用して、外気を前記圧縮空気（ＰＡ）とともに換気用空気ＶＡ（ＶＡ）として前記換気通路（ＶＰ）に供給するエジェクタ（６１）とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として板金二重構造を有する排気ディフューザを備えるガスタービンエンジンのタービンの換気構造に関する。

ガスタービンエンジンにおける、タービンからの排気を排出する排気ディフューザの構造として、板金製の外筒および内筒からなる二重構造が一般的に採用されている（例えば、特許文献１）。このような構造の排気ディフューザを備えるガスタービンエンジンでは、ディフューザ内部の支持構造材や軸受箱などの、鋳造により形成された部材を熱的に保護するために、適切な換気（冷却）が必要とされる。排気ディフューザ入口の負圧を、あらゆる運転条件下で十分に確保できる場合には、その負圧を利用して排気ディフューザ内に換気用空気を吸い込ませることにより、換気を行うことができる。

また、排気ディフューザ入口の負圧を利用して排気ディフューザ内に換気用空気を吸い込む場合、タービンロータの軸受を支持するストラットとこれを覆うストラットカバーとの間の隙間を換気用空気の通路として利用することにより、効率的にディフューザ内部の構造物を冷却することが提案されている（例えば、特許文献２，３）。

特開２００４−１９７６９６号公報 特開２００９−１６７８００号公報 特開２０１１−１２７４４７号公報

しかしながら、あらゆる運転条件下において換気に十分な負圧を確保することが困難な場合がある。例えば、エンジンの部分負荷運転（アイドリング）状態では、排気ディフューザ内での排気が旋回流となってストラットに斜め方向に衝突する。これにより、ストラット近傍で排気流に乱れが発生する結果、排気ディフューザ内で十分な負圧が得られない。

さらに、排気ディフューザ入口から排気ディフューザ内に換気用空気を取り込む場合、換気用空気が排気ディフューザの内壁に沿って流れるので、によってタービンからの排気ガスが排気ディフューザの内壁から剥離して、排気ディフューザ性能が低下する。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービンエンジンのあらゆる運転条件（負荷条件）において、排気ディフューザの性能を低下させることなく、排気ディフューザ内に換気のための十分な負圧を発生させることができるタービンの換気構造を提供することにある。

前記した目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンにおけるタービンの換気構造は、内筒と外筒の間にタービンからの排気ガスが通過する環状の排気通路を形成する排気ディフューザと、前記外筒の径方向外側のハウジングから前記排気ディフューザを横断して前記内筒の内側の軸受を支持するストラットと、前記排気通路に配置されて前記ストラットの外周を覆うストラットカバーと、前記排気通路におけるストラットカバーの下流側に配置されて、内部に装備品を通す中空部を有し、前記ハウジングと前記内筒とを連結する連結部材とを備え、前記ハウジングが外部からの空気を導入する第１の導入口を有し、前記ストラットカバーが、その後縁部に排出孔を有し、さらに、前記第１導入口から前記連結部材の前記中空部を通り、前記ストラットの内端部から前記ストラットと前記ストラットカバーとの間の空間を通って前記ストラットカバーの前記排出孔から前記排気通路内に出る第１の換気通路が設けられている。

この構成によれば、排気ディフューザ内の構造物であるストラットカバーの後縁部、すなわち排気ガス流の下流側に換気用空気を排出する排出孔を設けることにより、ストラットカバー後方領域の負圧を利用して、ガスタービンエンジンの全負荷運転時のみならず、アイドリング運転時にも安定的に換気用空気流を発生させることができる。しかも、換気用空気を、排気ディフューザの内壁から離間した領域に流すことが可能となるので、排気ディフューザの性能低下を防止できる。

本発明のタービンの換気構造において、前記排出孔は、前記ストラットカバーにおける前記排気通路を横断する方向に沿って離間して複数設けられていることが好ましい。この構成によれば、排出孔を複数設けることにより、排気ディフューザ内での換気用空気流の分布が均一化される結果、排気ガス流への影響が抑制されるので、排気ディフューザの性能低下が一層効果的に防止される。

本発明のタービンの換気構造において、前記ストラットカバーは、その後縁部が排気の下流側に向いた平坦面を有し、後縁部を除く他の部分の横断面が翼形であることが好ましい。この構成によれば、ストラットカバーの抵抗を抑制しながら、より確実に、ストラットカバーの後方に負圧を発生させることができる。

本発明のタービンの換気構造において、前記ハウジングに外部からの空気を導入する第２の導入口が設けられており、この第２導入口から前記ハウジングと前記外筒との間を通り、前記ストラットと前記ストラットカバーの間の空間を通って前記ストラットカバーの排出孔から前記排気通路内に出る第２の換気通路をさらに備えていることが好ましい。この構成によれば、第１導入口とは別に第２導入口を設けて、第１換気通路とは別に第２換気通路を設定することにより、排気ディフューザ周辺の構造物をより効果的に冷却することができる。特に、第２導入口をハウジングにおけるタービン出口と前記ストラットカバーとの間の軸方向位置に設けた場合、ハウジングにおけるタービン出口に近い高温となる部分が効果的に冷却される。

以上のように、本発明に係るタービンの換気構造によれば、ガスタービンエンジンのあらゆる運転条件（負荷条件）において、排気ディフューザの性能を低下させることなく、排気ディフューザ内に換気のための十分な負圧を発生させることができる。

本発明の一実施形態に係る換気構造が適用されるガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線に沿った模式的な断面図である。 図１の換気構造の、排気ディフューザの周辺部分を拡大して示す断面図である。 図１の換気構造に使用されるストラットおよびストラットカバーを示す斜視図である。 図１の換気構造の作用を説明する模式図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係るタービンの換気構造が適用されるガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）の一部を破断した側面図である。同図において、ガスタービン１は、導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７を駆動する。燃焼器５は、ガスタービン１の周方向に沿って複数個が等間隔に配置されている。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向における圧縮機３側を「前側」と呼び、タービン７側を「後側」と呼ぶ場合がある。

本実施形態では、圧縮機３として軸流型の圧縮機を用いている。この軸流型圧縮機３は、多数の動翼１１と、多数の静翼１３との組み合わせにより、吸気筒１５から吸入した空気ＩＡを圧縮する。動翼１１は、ガスタービン１の回転部分を構成するロータ１７の前部の外周面に配置されており、静翼１３は、ハウジング１９の内周面に配置されている。

圧縮機３で圧縮された圧縮空気Ａは燃焼器５に送給される。燃焼器５は、圧縮機３から送給された圧縮空気Ａと、燃焼器５内に噴射された燃料Ｆとを混合して燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧをタービン７に送る。

タービン７は、ハウジング１９の内方に設けられてロータ１７の後部を覆うタービンケーシング２１を備えている。タービンケーシング２１の内周部には、複数段のタービン静翼２３が、軸心方向に所定間隔をおいて取り付けられている。一方、ロータ１７の後部には複数段のタービン動翼２５が設けられている。これらタービン静翼２３とタービン動翼２５とが、軸心方向に沿って交互に配置されている。ロータ１７の全体は、前部および後部の軸受２７，２９を介して、ハウジング１９に回転自在に支持されている。

複数段のタービン動翼２５のうち最後段に位置するタービン動翼２５の後端がタービン出口３１となっている。このタービン出口３１に、タービン７からの排気ガスＥＧを外部に排出する環状の排気ディフューザ３３が接続されている。排気ディフューザ３３は、互いに同心状に配置された外筒３５および内筒３７と、これら外筒３５と内筒３７とを連結する第１連結部材４１および第２連結部材４３とによって構成されている。外筒３５および内筒３７は、それぞれ、耐熱性に優れた金属材料からなる板金で形成されている。外筒３５と内筒３７との間の空間は、排気ガスＥＧが通過する環状の排気通路４５を形成している。外筒３５はハウジング１９に支持されている。排気ディフューザ３３の下流側には、排気ガスＥＧの熱を利用して動作する廃熱ボイラ（図示せず）が接続されている。

図１のII−II線に沿った断面図を図２に示す。なお、図２には、第１連結部材４１およびストラット４７が配置される部分の横断面を示すが、第２連結部材４３も、内部にストラットが配置されていない点を除いて、第１連結部材４１と同様の構造を有している。第１連結部材４１（および第２連結部材４３）は、排気通路４５を径方向に横断している。第１連結部材４１（および第２連結部材４３）は、それぞれ複数、例えば６つずつ、周方向に等間隔に設けられている。図３に示すように、第１連結部材４１および第２連結部材４３は、それぞれ、板金で形成されており、中空部４１ａ，４３ａを有している。第１連結部材４１の中空部４１ａには、ハウジング１９から排気ディフューザ３３を横断して延びるストラット４７が挿通されている。換言すれば、第１連結部材４１は、ストラット４７の外周を覆うストラットカバー４９を形成している。ストラット４７とストラットカバー４９との間には隙間（空間）Ｓが形成されている。一方、ハウジング１９の、第２連結部材４３の径方向外側に相当する軸方向位置には、外部の空気を換気用空気ＶＡとしてガスタービン１の内部に導入する、第１の導入口を形成する換気ダクト５１が設けられている。第２連結部材４３の中空部４３ａには、装備品、例えば軸受用潤滑油の供給管（図示せず）が挿通されている。

ストラット４７は、後部軸受２９にほぼ対応する軸方向位置に配置され、排気ディフューザ３３の外筒３５の径方向外側から外筒３５を貫通して排気通路４５を径方向に横断し、さらに内筒３７の径方向外側から内筒３７を貫通して、後部軸受２９の径方向外側に設けられた軸受サポート５３に連結されている。すなわち、ストラット４７は、軸受サポート５３を介して後部軸受２９をハウジング１９に支持している。なお、第１連結部材４１、第２連結部材４３およびストラット４７は、排気通路４５を必ずしも径方向に横断している必要はなく、径方向に対して斜めに横断していてもよい。

図４に示すように、ストラット４７およびその外周を囲むストラットカバー４９は、ガスタービン１の軸心方向に沿って細長く延びている。図５（ａ）からわかるように、ストラット４７の、ガスタービン１の軸心と同心の円筒面で切断した切断面が、細長いほぼ矩形に形成されており、ストラットカバー４９は、その切断面が、ほぼ翼形状に形成されている。図４に示すストラットカバー４９の後縁部４９ａには、ストラットカバー４９内部の空気を外部へ排出するための排出孔５５が設けられている。ここで、ストラットカバー４９の「後縁部」とは、排気ガスＥＧの流れ方向（ガスタービン１の軸心方向）における下流端およびその近傍の部分を指す。

より詳細には、ストラットカバー４９は、その後縁部４９ａが後側（排気ガスＥＧの下流側）に向いた平坦面を有し、後縁部４９ａを除く他の部分は、横断面が翼形に形成されている。すなわち、ストラットカバー４９は、前部および側部を形成する、翼形状の湾曲面を有する湾曲部４９ｂと、後部を形成する、平坦面を有する平坦面部４９ｃとを有している。本実施形態では、排出孔５５は、湾曲部４９ｂと平坦面部４９ｃとの境界に相当する２つの角部４９ｄの一方のみに設けられている。

さらに、排出孔５５は、ストラットカバー４９における排気通路４５を横断する方向、つまりストラットカバー４９の高さ方向Ｈ（この例ではガスタービン１の径方向）に沿って離間して複数（この例では３つ）設けられている。排出孔５５を複数設けることにより、後述する第１換気通路ＶＰ１および第２換気通路ＶＰ２を通って、排気通路４５内に導入される換気用空気ＶＡ流の分布が均一化される結果、排気ガスＥＧ流への影響が抑制されるので、排気ディフューザ３３の性能低下が効果的に防止される。

ストラットカバー４９における排出孔５５を設ける位置は、ストラットカバー４９の後縁部４９ａであれば特に限定されない。例えば、ストラットカバー４９の平坦面部４９ｃに設けてもよく、湾曲部４９ｂにおける角部４９ｄの近傍に設けてもよい。

しかし、排気ガスＥＧは、図５（ａ）に示す全負荷状態では、ガスタービン１の軸心と平行、つまりストラットカバー４９の長手方向と平行な流れであるが、アイドリングを含む部分負荷状態では、ガスタービン１の軸心回りの旋回成分を持つ。そこで、本実施形態では、ストラットカバー４９の後縁部４９ａの２つの角部４９ｄのうち、ガスタービン１のアイドリング状態下での排気ガスＥＧの旋回方向Ｒにおける下流側に位置する角部４９ｄにのみ排出孔５５を設けている。これにより、図５（ａ）に示す全負荷運転状態のみならず、換気用空気ＶＡを吸い込むための負圧不足が特に問題となる図５（ｂ）のアイドリング状態においても、ストラットカバー４９の周辺で最も負圧が大きくなる領域Ｄの近傍に排出孔５５を設けることとなる。したがって、ガスタービン１のどのような運転状態においても確実に換気用空気ＶＡを排気ディフューザ３３内に引き込むことが可能となる。

図４に示すように、横断方向Ｈにおける排出孔５５を設ける範囲としては、ストラットカバー４９の高さＬ、つまり外筒３５の内周面と内筒３７の外周面との間の径方向における距離を基準として、ストラットカバー４９の横断方向Ｈの両端からの距離ｄが０．１Ｌ以上であることが好ましく、０．１５Ｌ以上であることがより好ましい。排出孔５５をこのような範囲に設けることにより、換気用空気ＶＡによって排気ガスＥＧが排気ディフューザ３３（図１）の内壁面から剥離することが回避され、排気ディフューザ３３の性能低下が防止される。

ストラットカバー４９に平坦面部４９ｃを設けずに、後部を、例えば湾曲部４９ｂから連続する曲面状に形成して、ストラットカバー４９ｃ全体の横断面を完全な翼形としてもよい。しかし、ストラットカバー４９の後部を平坦面部４９ｃとして形成することにより、ストラットカバー４９の後方（下流側）に、より確実に、負圧を発生させることができる

図３に示すように、ハウジング１９には、さらに、換気ダクト５１とは別に、ハウジング１９を貫通する第２の導入口６１が設けられている。この第２導入口６１からも、外部の空気が換気用空気ＶＡとしてガスタービン１の内部に導入される。より具体的には、第２導入口６１は、ハウジング１９における、タービン出口３１の径方向外側に相当する軸方向位置に設けられている。第２導入口６１を設ける軸方向位置は、図示の例に限らないが、換気ダクト５１よりも前方の軸方向位置に設けることが好ましく、タービン出口３１とストラットカバー４９との間の軸方向位置に設けることがより好ましい。

このような構成を有するガスタービン１の換気構造において、ストラットカバー４９の排出孔５５の下流部に発生する負圧によって、換気ダクト（第１導入口）５１および第２導入口６１を介して外部の空気が換気用空気ＶＡとして導入され、二経路の換気通路ＶＰ１，ＶＰ２が形成される。すなわち、ハウジング１９の外方から第２連結部材４３の中空部４３ａを通り、ストラット４７の内径側端部からストラット４７とストラットカバー４９との間の空間Ｓを通って、ストラットカバー４９の排出孔５５から排気通路４５内に出る第１の換気通路ＶＰ１が形成される。さらに、第２導入口６１からハウジング１９と外筒３５との間を通り、ストラット４７とストラットカバー４９の間の空間Ｓを通ってストラットカバー４９の排出孔５５から排気通路４５内に出る第２の換気通路ＶＰ２が形成される。

第１換気通路ＶＰ１により、軸受サポート５３を介して軸受２９が冷却されるとともに、排気ディフューザ３３の内側の空間Ｓ１が換気される。また、第２換気通路ＶＰ２により、ハウジング１９におけるタービン出口３１に近い高温となる部分が効果的に冷却される。

なお、第２導入口６１および第２換気通路ＶＰ２は省略してもよいが、換気ダクト（第１導入口）５１とは別に第２導入口６１を設けて、第１換気通路ＶＰ１とは別に第２換気通路ＶＰ２を設定することにより、排気ディフューザ３３周辺の構造物をより広範囲にかつ効果的に冷却することができる。

本実施形態に係るタービンの換気構造によれば、排気ディフューザ３３内の構造物であるストラットカバー４９の後縁部４９ａ、すなわち排気ガスＥＧ流の下流側に換気用空気ＶＡを排出する排出孔５５を設けることにより、ストラットカバー４９後方領域の負圧を利用して、ガスタービンエンジン１の全負荷運転時のみならず、アイドリング運転時にも安定的に換気用空気ＶＡ流を発生させることができる。しかも、換気用空気ＶＡを、排気ディフューザ３３の内壁から離間した領域に流すことが可能となるので、排気ディフューザ３３の性能低下を防止できる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
１７ ロータ（回転軸）
１９ ハウジング
２７，２９ 軸受
３３ 排気ディフューザ
３５ 外筒
３７ 内筒
４３ 第２連結部材（連結部材）
４５ 排気通路
４７ ストラット
４９ ストラットカバー
４９ａ ストラットカバーの中空部
５１ 換気ダクト（第１の導入口）
５５ 排出孔
６１ 第２の導入口
ＥＧ 排気ガス
ＶＡ 換気用空気ＶＡ
ＶＰ１ 第１の換気通路
ＶＰ２ 第２の換気通路

Claims (5)

1. 内筒と外筒の間にタービンからの排気ガスが通過する環状の排気通路を形成する排気ディフューザと、
   前記外筒の径方向外側のハウジングから前記排気ディフューザを横断して前記内筒の内側の軸受を支持するストラットと、
   前記排気通路に配置されて前記ストラットの外周を覆うストラットカバーと、
   前記排気通路における前記ストラットカバーの下流側に配置されて、内部に装備品を通す中空部を有し、前記ハウジングと前記内筒とを連結する連結部材とを備え、
   前記ハウジングが外部からの空気を導入する第１の導入口を有し、
   前記ストラットカバーが、その後縁部に排出孔を有し、さらに、
   前記第１導入口から前記連結部材の前記中空部を通り、前記ストラットの内端部から前記ストラットと前記ストラットカバーとの間の空間を通って前記ストラットカバーの前記排出孔から前記排気通路内に出る第１の換気通路が設けられている、
   ガスタービンエンジンにおけるタービンの換気構造。
2. 請求項１に記載の換気構造において、前記排出孔は、前記ストラットカバーにおける前記排気通路を横断する方向に沿って離間して複数設けられているタービンの換気構造。
3. 請求項１または２に記載の換気構造において、前記ストラットカバーは、その後縁部が排気の下流側に向いた平坦面を有し、前記後縁部を除く他の部分の横断面が翼形であるタービンの換気構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の換気構造において、前記ハウジングに外部からの空気を導入する第２の導入口が設けられており、この第２導入口から前記ハウジングと前記外筒との間を通り、前記ストラットと前記ストラットカバーの間の空間を通って前記ストラットカバーの排出孔から前記排気通路内に出る第２の換気通路をさらに備えるタービンの換気構造。
5. 請求項４に記載の換気構造において、前記第２導入口が前記ハウジングにおけるタービン出口と前記ストラットカバーとの間の軸方向位置に設けられているタービンの換気構造。

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