タービン排気構造及びガスタービン
【課題】タービン排気構造及びガスタービンにおいて、排気ディフューザの性能を向上可能とする。
【解決手段】円筒形状をなすタービン車室２６により燃焼ガス通路Ａが構成され、このタービン車室２６の後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザ３１の前部が所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通するように構成し、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部６１を設け、この延出部６１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結する。
【解決手段】円筒形状をなすタービン車室２６により燃焼ガス通路Ａが構成され、このタービン車室２６の後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザ３１の前部が所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通するように構成し、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部６１を設け、この延出部６１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、タービンの後部に配設されるタービン排気構造、並びに、このタービン排気構造が適用されるガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
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おり、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガス（排気ガス）のエネルギは、排気ディフューザにより損失を発生しないように徐々に圧力に変換されて大気に放出される。
【０００３】
このように構成されたガスタービンにおけるタービンは、タービン車室を構成するケーシング本体の内側に翼環が固定され、この翼環の内側における前後方向の所定の複数位置に遮熱環を介して分割環が支持されている。そして、この各分割環の間に静翼がそれぞれ固定されると共に、各分割環に対応して、つまり、各静翼の間に動翼が配置されて構成されている。即ち、タービンでは、タービン車室内に形成された燃焼ガス通路に、複数の静翼と複数の動翼が燃焼ガスの流れ方向に沿って交互に配置されている。そして、このタービン車室の後部には、排気車室及び排気室が連結されている。この排気車室には、ロータの軸受を支持するストラットが設けられ、排気室には、排気ガスのエネルギを圧力に変換する排気ディフューザが設けられており、排気ディフューザにより構成される排気ガス通路が、タービン車室内の燃焼ガス通路に連通している。
【０００４】
従来のタービンでは、タービン車室の後部、つまり、分割環に排気ディフューザの前部が連結されている。この場合、燃焼ガスがタービン車室内に形成された燃焼ガス通路を通り、排気ディフューザにより形成された排気ガス通路に流れることから、タービン車室の構成部材や排気ディフューザに熱伸びが発生する。また、ガスタービンでは、燃焼ガスが非常に高温であることから、タービン車室や排気ディフューザ内部を冷却するなどして、部材温度に差を生ずることで、熱伸び差が発生する。部材のメタル温度がそれぞれ異なる結果となり、また、加工精度や製造コストを考慮して、一般的に、タービン車室を構成するケーシング本体や翼環、遮熱環、分割環などの構成部材や排気車室は鋳物により製造され、排気室を構成する排気ディフューザは板金により製造され、材質もそれぞれ異なっている。
【０００５】
このように、ガスタービンでは、タービン車室の構成部材と排気ディフューザとの間に熱伸び差が発生することから、従来、タービン車室を構成する分割環の後端部近傍に排気ディフューザの前端部を両者間の熱伸び差を吸収できる程度に流れ方向（軸方向）の所定隙間をもって配置し、この分割環と排気ディフューザとを相対移動可能となるようにシール部材をもって連結している。
【０００６】
このようなガスタービンとしては、例えば、下記特許文献１、２、３に記載されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０３１８７１号公報
【特許文献２】特開平０４−２１９４２０号公報
【特許文献３】特開平０１−２４４１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、従来のガスタービンにあっては、タービン車室を構成する分割環と排気ディフューザとを相対移動可能となるようにシール部材により連結してはいるものの、加工精度にばらつきがあったり、分割環と排気ディフューザとの間に熱伸び差が発生すると、この分割環と排気ディフューザとの間に、換言すると、燃焼ガス通路と排気ガス通路との間に径方向の段差が発生して境界層が発達してしまう。そのため、排気ディフューザ本来の性能を発揮させることができず、性能の低下を招いてしまう。
【０００９】
また、タービンにおける燃焼ガス通路から続く排気ガス通路は、一般的に、その流路面積が漸次増加する広がり通路となっており、排気ガスの流速が低下すると共に、圧力が上昇する。前述のように、分割環と排気ディフューザとの間に発生する段差で発生する境界層を薄くコントロールするために、排気ガス通路の入口部では流路面積を漸次増加する広がり通路とはせず、通路面積を減少させたり、所定区間だけ一定としたりすることがある。しかし、この流路面積が減少、または一定の区間とその下流側の流路面積が漸次増加する区間の接続部は、滑らかに接続したとしても、流路面の流れ方向（子午面形状）の曲率部が発生することから、この曲がり部の下流で境界層が厚くなり排気ディフューザの性能が低下する場合がある。
【００１０】
本発明は上述した課題を解決するものであり、排気ディフューザの性能向上を可能とするタービン排気構造及びガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明のタービン排気構造は、円筒形状をなすケーシングにより燃焼ガス通路が構成され、該ケーシングの後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、該排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通するタービン排気構造において、前記ケーシングは、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、ことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、前記燃焼ガス通路に配設される最終段動翼より後方で、且つ、ストラットまたはストラットシールドより前方に配置されることを特徴としている。
【００１３】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、ストラットまたはストラットシールドの前方近傍に配置されることを特徴としている。
【００１４】
本発明のタービン排気構造では、前記燃焼ガス通路及び前記排気ガス通路は、最終段動翼が配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成され、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置されることを特徴としている。
【００１５】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部は、前記ケーシングと同じ材料で一体または別体に形成されることを特徴としている。
【００１６】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部は、前記ケーシングと異なる材料で別体に形成され、熱膨張差吸収手段を介して連結される一方、前記排気ディフューザは、前記延出部と同じ材料で形成されることを特徴としている。
【００１７】
本発明のタービン排気構造では、前記ケーシングは、円筒形状をなすケーシング本体と、該ケーシング本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明のガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、前記タービンは、円筒形状をなすタービン車室の内側に静翼と動翼が前後方向に交互に配置される燃焼ガス通路が設けられ、前記タービン車室の後部の内側に円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、前記排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通して構成され、前記タービン車室は、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、ことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のガスタービンでは、前記タービンは、前記タービン車室と排気車室と排気室が前後方向に沿って連結され、前記タービン車室は、円筒形状をなすタービン車室本体と、該タービン車室本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のタービン排気構造によれば、ケーシングの後部の内側に排気ディフューザの前部を所定隙間をもって侵入させ、排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部をケーシングの燃焼ガス通路に連通して構成し、ケーシングの内側から後方に延出する延出部を設け、この延出部の後部に排気ディフューザの前部を相対移動可能にシール部材を介して連結している。従って、延出部と排気ディフューザとの連結部が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、ケーシングと排気ディフューザとの間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザの性能を向上することができる。
【００２１】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部と排気ディフューザとの連結部を、燃焼ガス通路に配設される最終段動翼より後方で、且つ、ストラットまたはストラットシールドより前方に配置するので、ケーシング本体や排気ディフューザ、ストラットなどの構成や強度に影響を与えることなく、延出部と排気ディフューザとの連結部を流速の小さい流れ方向後方側に位置させることができる。
【００２２】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部と排気ディフューザとの連結部を、ストラットまたはストラットシールドの前方近傍に配置するので、最終段動翼とストラットまたはストラットシールドとの間において最も流速の小さい領域に、延出部と排気ディフューザとの連結部を配置することで、境界層の発達や流れの乱れを更に抑制することができる。また、延出部と排気ディフューザとの連結部からストラットシールドと排気ディフューザとの連結部までの距離を短縮することで、排気ディフューザの支持剛性を確保することができる。
【００２３】
本発明のタービン排気構造によれば、燃焼ガス通路及び排気ガス通路を、最終段動翼が配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成し、延出部と排気ディフューザとの連結部を、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置するので、流れが減速しており、かつ、流路面の流れ方向（子午面形状）の曲率が０のため、流速が小さい領域に延出部と排気ディフューザとの連結部を配置することで、段差による流れへの影響を最小化できる。
【００２４】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部をケーシングと同じ材料で一体または別体に形成するので、ケーシング及び延出部を高精度に製造することができると共に、熱伸び差の影響を抑制することができる。
【００２５】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部をケーシングと異なる材料で別体に形成し、熱膨張差吸収手段を介して連結する一方、排気ディフューザを延出部と同じ材料で形成するので、熱膨張差吸収手段を介して連結することで、異なる材料の延出部とケーシングとの間に生じる熱膨張差を吸収することができる。また、延出部を排気ディフューザと同じ材料とすることで、連結部に生じる熱膨張差による段差を小さくすると共に、低コスト化を可能とすることができる。
【００２６】
本発明のタービン排気構造によれば、ケーシングを、円筒形状をなすケーシング本体と、ケーシング本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、翼環と分割環とを連結する遮熱環とで構成し、延出部を、翼環、分割環、遮熱環のいずれか一つから後方に延出するので、ケーシングをケーシング本体と翼環と分割環と遮熱環とから構成し、延出部をこの翼環と分割環と遮熱環のいずれかから延出して構成することで、製造を簡素化して製造コストを低減することができる。
【００２７】
また、本発明のガスタービンによれば、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成し、タービンをタービン車室の後部の内側に排気ディフューザの前部を所定隙間をもって侵入させ、排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部をタービン車室の燃焼ガス通路に連通して構成し、タービン車室の内側から後方に延出する延出部を設け、この延出部の後部に排気ディフューザの前部を相対移動可能にシール部材を介して連結している。従って、延出部と排気ディフューザとの連結部が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、ケーシングと排気ディフューザとの間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザの性能を向上することができる。
【００２８】
本発明のガスタービンによれば、タービンを、タービン車室と排気車室と排気室を前後方向に沿って連結し、タービン車室を、円筒形状をなすタービン車室本体と、タービン車室本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、翼環と分割環とを連結する遮熱環とで構成し、延出部を、翼環、分割環、遮熱環のいずれか一つから後方に延出するので、タービン車室をタービン車室本体と翼環と分割環と遮熱環とから構成し、延出部をこの翼環と分割環と遮熱環のいずれかから延出して構成することで、製造を簡素化して製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図である。
【図２】図２は、実施例１のガスタービンの概略構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施例２に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図である。
【図４−１】図４−１は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段を表す図３のIV−IV断面図である。
【図４−２】図４−２は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段の変形例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るタービン排気構造及びガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００３１】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図、図２は、実施例１のガスタービンの概略構成図である。
【００３２】
実施例１のガスタービンは、図２に示すように、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。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。
【００３３】
圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２１を有し、圧縮機車室２２内に複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。
【００３４】
また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）３２が位置している。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一方、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、このロータ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、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おり、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
【００３５】
そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２２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。
【００３６】
従って、圧縮機１１の空気取入口２１から取り込まれた空気が、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。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼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。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。
【００３７】
上述したタービン１３において、図１に示すように、円筒形状をなすタービン車室２６には、複数の静翼２７と動翼２８が交互に配設されている。このタービン車室２６は、排気ガスの流動方向の下流側に円筒形状をなす排気車室２９が配設されている。この排気車室２９は、排気ガスの流動方向の下流側に円筒形状をなす排気室３０が配設されている。この排気室３０は、排気ガスの流動方向の下流側に排気ダクト（図示略）が配設されている。この場合、タービン車室２６、排気車室２９、排気室３０、排気ダクトは、それぞれ上下２分割に形成され、タービン車室２６と排気車室２９は、鋳造により製作され、排気室３０と排気ダクトは、ブレス加工（板金）により製作される。
【００３８】
そして、タービン車室２６と排気車室２９とは、複数の連結ボルト４１により連結され、排気車室２９と排気室３０とは、熱伸びを吸収可能な複数の排気室サポート４２，４３により連結されている。この排気室サポート４２，４３は、短冊形状をなし、タービン１３の軸方向に沿って延設されると共に、周方向に所定の間隔で複数並設されている。この排気室サポート４２，４３は、排気車室２９と排気室３０との間で温度差により熱伸びが発生したとき、変形することでその熱伸びを吸収可能となっている。この熱伸びは、タービン１３の始動時などの過渡期や高負荷時に発生しやすい。また、排気車室２９と排気室３０との間には、各排気室サポート４２，４３の間に位置してガスシール４４が設けられている。
【００３９】
排気車室２９は、その内側に排気室３０を構成する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、円筒形状をなす外側ディフューザ４５と内側ディフューザ４６が複数のストラットシールド４７により連結されて構成されている。このストラットシールド４７は、円筒形状や楕円筒状などの中空構造をなし、排気ディフューザ３１の周方向に均等間隔で複数設けられている。なお、上述した排気室サポート４２，４３及びガスシール４４は、端部が排気室３０を構成する排気ディフューザ３１における外側ディフューザ４５に連結されている。
【００４０】
ストラットシールド４７内には、ストラット４８が配設されている。このストラット４８は、一端側が内側ディフューザ４６を貫通して軸受部３４を収容する軸受箱４９に連結され、この軸受３４によりロータ３２が回転自在に支持されている。また、ストラット４８は、他端側が外側ディフューザ４５を貫通して排気車室２９に固定されている。なお、ストラットシールド４７内部の空間は、排気ディフューザ３１（内側ディフューザ４６）の内側の空間や、排気車室２９と排気ディフューザ３１との間の空間に連通し、外部からこれらの空間に冷却空気を供給可能となっている。
【００４１】
ところで、タービン車室（ケーシング）２６内には、複数の静翼２７と動翼２８が交互に配設されており、各段の翼環構造はほぼ同様の構成となっている。即ち、最終段翼環構造にて、最終段静翼２７ａの下流側に最終段動翼２８ａが配置されている。タービン車室２６における最終段翼環構造は、円筒形状をなすタービン車室本体（ケーシング本体）５１と、タービン車室本体５１の内側に設けられて円筒形状をなす翼環５２と、最終段動翼２８ａの外方に配置されて円筒形状をなす分割環５３と、翼環５２と分割環５３とを連結する遮熱環５４，５５とから構成されている。
【００４２】
タービン車室本体５１は、鋳造で円筒形状をなすように形成され、燃焼器１２と排気車室２９とを連結している。翼環５２は、鋳造で円筒形状をなすように形成されており、周方向上下に２分割されており、図示しないシール部材を介してボルト連結されている。そして、この翼環５２は、タービン１３の軸方向における前後方向にずれた位置に、周方向に沿う係止溝５２ａ，５２ｂが形成されている。
【００４３】
分割環５３は、高温強度に優れた耐熱合金で形成される環状部品であり、周方向に複数の分割体に分割されており、各分割体の間には図示しないシール部材が介装され、燃焼ガス及び空気の漏洩を防止している。この分割環５３は、タービン１３の軸方向における前後にずれた位置に、周方向に沿うと共に、外側に突出するフランジ部５３ａ，５３ｂが形成されている。図１に示すこの分割環５３は、最終段動翼２８ａの外方に位置している。
【００４４】
遮熱環５４，５５は、環状部品であり、周方向に複数に分割されており、相互の間には図示しないシール部材が介装され、燃焼ガス及び空気の漏洩を防止している。この遮熱環５４，５５は、最終段静翼２７ａや最終段動翼２８ａに作用する高温の熱が、特別な耐熱材料を用いていない翼環５２に伝達するのを防止する機能を有する。そして、遮熱環５４，５５は、外周側の係止部５４ａ，５５ａが翼環５２の係止溝５２ａ，５２ｂに係合している。また、遮熱環５４，５５は、内周側の係止部５４ｂ，５５ｂに分割環５３のフランジ部５３ａ，５３ｂが係止している。
【００４５】
また、最終段静翼２７ａは、外側端部が円筒形状をなすシュラウド５６に支持されており、このシュラウド５６は、フランジ部５６ａが遮熱環５４の係止部５４ｂに係止している。
【００４６】
タービン１３では、このように各段の翼環構造が構成されることから、タービン車室２６を構成するシュラウド５６、分割環５３などにより燃焼ガス通路Ａが構成され、タービン車室２６及び排気車室２９の後部の内側に、排気ディフューザ３１の前部が径方向に所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通する構成となっている。
【００４７】
なお、タービン車室２６、排気車室２９、排気室３０（排気ディフューザ３１）の外周面や内周面には、図示しない断熱材が装着されている。
【００４８】
このように構成された本実施例のタービン１３の排気構造にて、翼環５２は、内側から後方に延出する延出部６１が設けられ、この延出部６１に排気ディフューザ３１の前部が相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結部６５にて連結されている。即ち、本実施例では、タービン車室２６の後部と排気ディフューザ３１の前部との連結部６５を、境界層が安定しているタービン１３の後方側（排気ガスの流れ方向の下流側）に配置している。
【００４９】
この場合、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５は、燃焼ガス通路Ａに配設される最終段動翼２８ａより後方で、且つ、ストラット４８またはストラットシールド４７より前方に配置されている。具体的に、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５は、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に配置されており、更には、ストラットシールド４７と排気ディフューザ３１との連結部６６より所定距離前方に配置されている。
【００５０】
即ち、翼環５２は、タービン１３の軸方向における後端部から、ロータ３２の中心側に燃焼ガス通路Ａの通路面まで延びるフランジ部６１ａが一体に形成され、このフランジ部６１ａにおける内周側端部からタービン１３の後方に連結部６５まで延出する円筒部６１ｂが一体に形成されている。延出部６１は、このフランジ部６１ａと円筒部６１ｂにより構成されており、その円筒部６１ｂの内面により燃焼ガス通路Ａまたは排気ガス通路Ｂを形成している。
【００５１】
この場合、延出部６１（円筒部６１ｂ）は、内径が分割環５３の内周径とほぼ同径に設定され、分割環５３から延出部６１（円筒部６１ｂ）にかけて段差なく連続する。そして、燃焼ガス通路Ａから連通する排気ガス通路Ｂは、最終段動翼２８ａが配置される位置より後方で流路面積が減少する絞り部Ｂ１と、この絞り部Ｂ１から後方で流路面積が増加する拡大部Ｂ２を有しており、この絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２は、延出部６１の円筒部６１ｂにより構成されている。また、絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２とは極力滑らかに接続されているが、その接続部の子午面形状にはある程度の曲率が存在することとなり、この曲率が大きい場合はその近傍を流れる速度も大きくなる。
【００５２】
一方、排気ディフューザ３１における外側ディフューザ４５は、円筒形状をなすものの、排気ガス通路Ｂが燃焼ガス通路Ａに連通する前方側、つまり、翼環５２の延出部６１に連結される側の流路面積が増加する形状となっており、この外側ディフューザ４５の前端部と延出部６１の後端部がほぼ同径となることで、延出部６１（円筒部６１ｂ）における拡大部Ｂ２から外側ディフューザ４５に至る排気ガス通路Ｂの子午面形状が直線的に広がる形状となっている。つまり、延出部６１と排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５との連結部６５は、流路面積の増加率が正の値で、且つ、一定の領域に配置されることとなる。
【００５３】
そして、延出部６１が一体に鋳造された翼環５２と、排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５は、異なる材料で形成されることから、熱伸び量が相違する。そのため、本実施例では、延出部６１の後端部と外側ディフューザ４５の前端部との間に、両者の熱伸び差を吸収できる程度の所定隙間を軸方向に確保し、両者の間にシール部材６２を設けている。この場合、例えば、翼環５２は、Ｎｉ基合金を鋳造して形成され、排気ディフューザ３１（外側ディフューザ４５、内側ディフューザ４６）は、ステンレス鋼をプレス加工（板金）して形成される。
【００５４】
即ち、外側ディフューザ４５の前端部には、延出部６１側に突出する取付ブラケット６３が溶接などにより固定されており、この取付ブラケット６３にシール部材６２が装着されている。このシール部材６２は、先端部の環状シール６２ａが図示しない付勢ばねにより延出部６１における先端部外周面に押圧する構成となっている。なお、翼環５２の延出部６１には、排気ガス通路Ｂを流れる排気ガスの温度を計測する温度センサ６４が設けられている。
【００５５】
従って、タービン車室２６における翼環５２から延出部６１が一体に形成され、この延出部６１の後端部が、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍で排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５とシール部材６２を介して連結部６５において連結されることで、ガスタービンの始動時などの過渡期や高負荷時に、タービン車室２６の延出部６１と排気室３０の排気ディフューザ３１との間で熱伸び差が発生したとしても、延出部６１と外側ディフューザ４５との連結部６５が、排気ガスの流れが十分減速される拡大部Ｂ２の後方側に配設されたストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に位置することから、燃焼ガス通路Ａと排気ガス通路Ｂとの連通部近傍で生じる段差によって影響を受ける流れの乱れや境界層の発達を低減することができる。また、通路面の流れ方向（子午面形状）に曲率を有する絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２との接続部からも流れ方向後方側に離間することで、通路面の曲率が流速に与える影響を抑制することができる。
【００５６】
そのため、燃焼ガス通路Ａから排気ガス通路Ｂに至るガス流れは、絞り部Ｂ１で増速されることで、壁面に沿う流速の小さい排気ガスの境界層が発生することが抑制され、この絞り部Ｂ１から拡大部Ｂ２に向けて適正に流れることとなり、この排気ディフューザ３１により排気ガスのエネルギを効率的に圧力に変換してから大気に放出することができる。
【００５７】
このように実施例１のタービン排気構造にあっては、円筒形状をなすタービン車室２６により燃焼ガス通路Ａが構成され、このタービン車室２６の後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザ３１の前部が所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通するように構成し、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部６１を設け、この延出部６１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結している。
【００５８】
従って、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザ３１の性能を向上することができる。
【００５９】
また、実施例１のタービン排気構造では、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を、燃焼ガス通路Ａに配設される最終段動翼２８ａより後方で、且つ、ストラット４８またはストラットシールド４７より前方に配置している。従って、タービン車室２６や排気ディフューザ３１、ストラット４８などの構成や強度に影響を与えることなく、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を流速の小さい流れ方向後方側に位置させることができる。
【００６０】
また、実施例１のタービン排気構造では、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に配置している。従って、最終段動翼２８ａとストラット４８またはストラットシールド４７との間において最も流速の小さい領域に、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５を配置することで、境界層の発達や流れの乱れを更に抑制することができる。また、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部からストラットシールド４７と排気ディフューザ３１との連結部までの距離を短縮することで、排気ディフューザ３１の支持剛性を確保することができる。
【００６１】
また、実施例１のタービン排気構造では、燃焼ガス通路Ａ及び排気ガス通路Ｂを、最終段動翼２８ａが配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成し、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置している。従って、流れが減速しており、かつ、流路面の流れ方向（子午面形状）の曲率が０のため、流速が小さい領域に延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５を配置することで、段差による流れへの影響を最小化できる。
【００６２】
また、実施例１のタービン排気構造では、延出部６１をタービン車室２６と同じ材料で一体に形成している。従って、タービン車室２６及び延出部６１を高精度に製造することができると共に、熱伸び差の影響を抑制することができる。
【００６３】
また、実施例１のタービン排気構造によれば、タービン車室２６を、円筒形状をなすタービン車室本体５１と、タービン車室本体５１の内側に設けられて円筒形状をなす翼環５２と、最終段動翼２８ａの外方に配置されて円筒形状をなす分割環５３と、翼環５２と分割環５３とを連結する遮熱環５４，５５とで構成し、延出部６１を翼環５２から後方に延出して設けている。従って、延出部６１を翼環５２から延出して構成することで、製造を簡素化して製造コストを低減することができる。
【００６４】
また、実施例１のガスタービンによれば、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とにより構成し、このタービン１３にて、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部６１を設け、この延出部６１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結している。
【００６５】
従って、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザ３１の性能を向上することができる。その結果、ガスタービンにより発電効率を向上することができる。
【００６６】
なお、この実施例１では、翼環５２に対して延出部６１を同じ材料で一体に形成したが、翼環５２に対して延出部６１を別体に形成し、溶接またはボルト締結などの連結方法により一体に固定してもよい。この場合、翼環５２に対して延出部６１を同じ材料で形成することが好ましい。
【実施例２】
【００６７】
図３は、本発明の実施例２に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図、図４−１は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段を表す図３のIV−IV断面図、図４−２は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段の変形例を表す断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６８】
実施例２のガスタービンにおけるタービン排気構造において、図３に示すように、タービン車室２６には、複数の静翼２７と動翼２８が交互に配設されており、最終段翼環構造にて、最終段静翼２７ａの下流側に最終段動翼２８ａが配置されている。タービン車室２６における最終段翼環構造は、タービン車室本体５１と、翼環５２と、分割環５３と、遮熱環５４，５５とから構成されている。
【００６９】
そして、本実施例のタービン１３の排気構造にて、翼環５２は、内側から後方に延出する延出部７１が設けられ、この延出部７１の後部に排気ディフューザ３１の前部が相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結されている。
【００７０】
即ち、延出部７１は、リング形状をなすフランジ部７１ａと、このフランジ部７１ａにおける内周側端部からタービン１３の後方に延出する円筒部７１ｂとが一体に形成されて構成されている。そして、この延出部７１は、フランジ部７１ａが翼環５２におけるタービン１３の軸方向における後端部に密着し、複数の締結ボルト７２により一体に固定されている。
【００７１】
本実施例では、この延出部７１は、翼環５２と異なる材料で別体に形成され、熱膨張差吸収手段７３を介して連結されている。この場合、例えば、翼環５２は、Ｎｉ基合金を鋳造して形成され、延出部７１は、ステンレス鋼をプレス加工（板金）して形成される。そして、図４−１に示すように、延出部７１のフランジ部７１ａには、熱膨張差吸収手段７３として、締結ボルト７２のネジ部７２ａの直径より大きく、締結ボルト７２の頭部７２ｂの直径よりも小さな孔を形成しており、延出部７１が翼環５２に固定される締結ボルト７２に対して、この孔を介して径方向及び周方向に相対移動可能に連結する。
【００７２】
なお、本実施例にて、熱膨張差吸収手段７３は、この構成に限るものではない。例えば、図４−２に示すように、熱膨張差吸収手段７３として、締結ボルト７２のネジ部７２ａの直径に対して径方向にのみ大きな長孔を放射状に設けて、この長孔を介して延出部７１が径方向に相対移動可能に連結してもよい。
【００７３】
なお、熱膨張差吸収手段７３は、これらの孔に限るものではなく、延出部７１を翼環５２と異なる材料で別体に形成するものの、熱膨張係数が近似する材料を選択することとしてもよい。
【００７４】
一方、排気ディフューザ３１における外側ディフューザ４５は、円筒形状をなすものの、排気ガス通路Ｂが燃焼ガス通路Ａに連通する前方側、つまり、翼環５２の延出部７１に連結される側の流路面積が増加する形状となっており、この外側ディフューザ４５の前端部と延出部７１の後端部がほぼ同径となることで、延出部７１（円筒部７１ｂ）における拡大部Ｂ２から外側ディフューザ４５に至る排気ガス通路Ｂの子午面形状が直線的に広がる形状となっている。つまり、延出部７１と排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５との連結部７５は、流路面積の増加率が正の値で且つ一定の領域に配置されることとなる。この場合、排気ディフューザ３１（外側ディフューザ４５、内側ディフューザ４６）は、延出部７１と同じ材料で形成されている。そして、延出部７１の後端部と外側ディフューザ４５の前端部との間に両者の熱伸び差を吸収できる程度の所定隙間を軸方向に確保し、両者の間にシール部材６２を設けている。
【００７５】
従って、タービン車室２６における翼環５２から延出部７１が形成され、この延出部７１の後端部が、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍で排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５とシール部材６２を介して連結部７５において連結されることで、ガスタービンの始動時などの過渡期や高負荷時に、タービン車室２６の延出部７１と排気室３０の排気ディフューザ３１との間で熱伸び差が発生したとしても、延出部７１と外側ディフューザ４５との連結部７５が、排気ガスの流れが十分減速される拡大部Ｂ２の後方側に配設されたストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に位置することから、燃焼ガス通路Ａと排気ガス通路Ｂとの連通部近傍で生じる段差によって影響を受ける流れの乱れや境界層の発達を低減することができる。また、通路面の流れ方向（子午面形状）に曲率を有する絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２との接続部からも流れ方向後方側に離間することで、通路面の曲率が流速に与える影響を抑制することができる。
【００７６】
そのため、燃焼ガス通路Ａから排気ガス通路Ｂに至るガス流れは、絞り部Ｂ１で増速されることで、壁面に沿う流速の小さい排気ガスの境界層が発生することが抑制され、この絞り部Ｂ１から拡大部Ｂ２に向けて適正に流れることとなり、この排気ディフューザ３１により排気ガスのエネルギを効率的に圧力に変換してから大気に放出することができる。
【００７７】
このように実施例２のタービン排気構造にあっては、円筒形状をなすタービン車室２６により燃焼ガス通路Ａが構成され、このタービン車室２６の後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザ３１の前部が所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通するように構成し、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部７１を設け、この延出部７１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結している。
【００７８】
従って、延出部７１と排気ディフューザ３１との連結部７５が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザ３１の性能を向上することができる。
【００７９】
また、実施例２のタービン排気構造では、延出部７１を翼環５２と異なる材料で別体に形成し、熱膨張差吸収手段７３を介して連結する一方、排気ディフューザ３１を延出部７１と同じ材料で形成している。従って、異なる材料の延出部７１と翼環５２との間に生じる熱膨張差を吸収することができる。また、延出部７１を排気ディフューザ３１と同じ材料とすることで、連結部７５に生じる熱伸び差による段差を小さくするとともに、低コスト化を可能とすることができる。
【００８０】
なお、上述した各実施例では、延出部６１，７１を翼環５２から後方に延出したが、この構成に限るものではない。例えば、延出部を分割環５３や遮熱環５５から後方に延出してもよく、この場合、延出部を分割環５３や遮熱環５５と一体に形成してもよく、別体に形成してもよい。
【００８１】
また、延出部６１，７１には拡大部Ｂ２と共に絞り部Ｂ１を設けたが、この構成に限るものではなく、絞り部Ｂ１ではなく流路面積が一定の領域を設けてもよい。また、ケーシング（タービン車室）２６と排気ディフューザ３１を形成する材料は同じでもよいし、異なってもよい。また、ケーシング（タービン車室）２６は、ケーシング本体（タービン車室本体）５１、翼環５２、分割環５３、遮熱環５４，５５によって構成されるとしたが、これに限るものではなく、例えば、翼環５２、分割環５３、遮熱環５４，５５は用いずに、ケーシング本体（タービン車室本体）５１のみによりケーシング（タービン車室）２６が構成されるものとしてもよい。また、ストラット４８の周囲に冷却空気用の空間を介してストラットシールド４７を配設した構成としたが、これに限るものではなく、ストラット４８のみの構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係るタービン排気構造及びガスタービンは、ケーシングから後方に延出する延出部を設け、この延出部に排気ディフューザの前部を相対移動可能に連結することで、排気ディフューザの性能を向上可能とするものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２６ タービン車室（ケーシング）
２７ 静翼
２７ａ 最終段静翼
２８ 動翼
２８ａ 最終段動翼
２９ 排気車室
３０ 排気室
３１ 排気ディフューザ
３２ ロータ
４５ 外側ディフューザ
４６ 内側ディフューザ
４７ ストラットシールド
４８ ストラット
５１ タービン車室本体（ケーシング本体）
５２ 翼環
５３ 分割環
５４，５５ 遮熱環
６１，７１ 延出部
６２ シール部材
６５，７５ 連結部
７３ 熱膨張差吸収手段
Ａ 燃焼ガス通路
Ｂ 排気ガス通路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、圧縮した高温・高圧の空気に対して燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給して回転動力を得るガスタービンにおいて、タービンの後部に配設されるタービン排気構造、並びに、このタービン排気構造が適用されるガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
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おり、空気取入口から取り込まれた空気が圧縮機によって圧縮されることで高温・高圧の圧縮空気となり、燃焼器にて、この圧縮空気に対して燃料を供給して燃焼させ、高温・高圧の燃焼ガスがタービンを駆動し、このタービンに連結された発電機を駆動する。この場合、タービンは、車室内に複数の静翼及び動翼が交互に配設されて構成されており、燃焼ガスにより動翼を駆動することで発電機の連結される出力軸を回転駆動している。そして、タービンを駆動した燃焼ガス（排気ガス）のエネルギは、排気ディフューザにより損失を発生しないように徐々に圧力に変換されて大気に放出される。
【０００３】
このように構成されたガスタービンにおけるタービンは、タービン車室を構成するケーシング本体の内側に翼環が固定され、この翼環の内側における前後方向の所定の複数位置に遮熱環を介して分割環が支持されている。そして、この各分割環の間に静翼がそれぞれ固定されると共に、各分割環に対応して、つまり、各静翼の間に動翼が配置されて構成されている。即ち、タービンでは、タービン車室内に形成された燃焼ガス通路に、複数の静翼と複数の動翼が燃焼ガスの流れ方向に沿って交互に配置されている。そして、このタービン車室の後部には、排気車室及び排気室が連結されている。この排気車室には、ロータの軸受を支持するストラットが設けられ、排気室には、排気ガスのエネルギを圧力に変換する排気ディフューザが設けられており、排気ディフューザにより構成される排気ガス通路が、タービン車室内の燃焼ガス通路に連通している。
【０００４】
従来のタービンでは、タービン車室の後部、つまり、分割環に排気ディフューザの前部が連結されている。この場合、燃焼ガスがタービン車室内に形成された燃焼ガス通路を通り、排気ディフューザにより形成された排気ガス通路に流れることから、タービン車室の構成部材や排気ディフューザに熱伸びが発生する。また、ガスタービンでは、燃焼ガスが非常に高温であることから、タービン車室や排気ディフューザ内部を冷却するなどして、部材温度に差を生ずることで、熱伸び差が発生する。部材のメタル温度がそれぞれ異なる結果となり、また、加工精度や製造コストを考慮して、一般的に、タービン車室を構成するケーシング本体や翼環、遮熱環、分割環などの構成部材や排気車室は鋳物により製造され、排気室を構成する排気ディフューザは板金により製造され、材質もそれぞれ異なっている。
【０００５】
このように、ガスタービンでは、タービン車室の構成部材と排気ディフューザとの間に熱伸び差が発生することから、従来、タービン車室を構成する分割環の後端部近傍に排気ディフューザの前端部を両者間の熱伸び差を吸収できる程度に流れ方向（軸方向）の所定隙間をもって配置し、この分割環と排気ディフューザとを相対移動可能となるようにシール部材をもって連結している。
【０００６】
このようなガスタービンとしては、例えば、下記特許文献１、２、３に記載されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−０３１８７１号公報
【特許文献２】特開平０４−２１９４２０号公報
【特許文献３】特開平０１−２４４１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、従来のガスタービンにあっては、タービン車室を構成する分割環と排気ディフューザとを相対移動可能となるようにシール部材により連結してはいるものの、加工精度にばらつきがあったり、分割環と排気ディフューザとの間に熱伸び差が発生すると、この分割環と排気ディフューザとの間に、換言すると、燃焼ガス通路と排気ガス通路との間に径方向の段差が発生して境界層が発達してしまう。そのため、排気ディフューザ本来の性能を発揮させることができず、性能の低下を招いてしまう。
【０００９】
また、タービンにおける燃焼ガス通路から続く排気ガス通路は、一般的に、その流路面積が漸次増加する広がり通路となっており、排気ガスの流速が低下すると共に、圧力が上昇する。前述のように、分割環と排気ディフューザとの間に発生する段差で発生する境界層を薄くコントロールするために、排気ガス通路の入口部では流路面積を漸次増加する広がり通路とはせず、通路面積を減少させたり、所定区間だけ一定としたりすることがある。しかし、この流路面積が減少、または一定の区間とその下流側の流路面積が漸次増加する区間の接続部は、滑らかに接続したとしても、流路面の流れ方向（子午面形状）の曲率部が発生することから、この曲がり部の下流で境界層が厚くなり排気ディフューザの性能が低下する場合がある。
【００１０】
本発明は上述した課題を解決するものであり、排気ディフューザの性能向上を可能とするタービン排気構造及びガスタービンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するための本発明のタービン排気構造は、円筒形状をなすケーシングにより燃焼ガス通路が構成され、該ケーシングの後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、該排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通するタービン排気構造において、前記ケーシングは、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、ことを特徴とするものである。
【００１２】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、前記燃焼ガス通路に配設される最終段動翼より後方で、且つ、ストラットまたはストラットシールドより前方に配置されることを特徴としている。
【００１３】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、ストラットまたはストラットシールドの前方近傍に配置されることを特徴としている。
【００１４】
本発明のタービン排気構造では、前記燃焼ガス通路及び前記排気ガス通路は、最終段動翼が配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成され、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置されることを特徴としている。
【００１５】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部は、前記ケーシングと同じ材料で一体または別体に形成されることを特徴としている。
【００１６】
本発明のタービン排気構造では、前記延出部は、前記ケーシングと異なる材料で別体に形成され、熱膨張差吸収手段を介して連結される一方、前記排気ディフューザは、前記延出部と同じ材料で形成されることを特徴としている。
【００１７】
本発明のタービン排気構造では、前記ケーシングは、円筒形状をなすケーシング本体と、該ケーシング本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴としている。
【００１８】
また、本発明のガスタービンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、前記タービンは、円筒形状をなすタービン車室の内側に静翼と動翼が前後方向に交互に配置される燃焼ガス通路が設けられ、前記タービン車室の後部の内側に円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、前記排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通して構成され、前記タービン車室は、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、ことを特徴とするものである。
【００１９】
本発明のガスタービンでは、前記タービンは、前記タービン車室と排気車室と排気室が前後方向に沿って連結され、前記タービン車室は、円筒形状をなすタービン車室本体と、該タービン車室本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴としている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のタービン排気構造によれば、ケーシングの後部の内側に排気ディフューザの前部を所定隙間をもって侵入させ、排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部をケーシングの燃焼ガス通路に連通して構成し、ケーシングの内側から後方に延出する延出部を設け、この延出部の後部に排気ディフューザの前部を相対移動可能にシール部材を介して連結している。従って、延出部と排気ディフューザとの連結部が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、ケーシングと排気ディフューザとの間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザの性能を向上することができる。
【００２１】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部と排気ディフューザとの連結部を、燃焼ガス通路に配設される最終段動翼より後方で、且つ、ストラットまたはストラットシールドより前方に配置するので、ケーシング本体や排気ディフューザ、ストラットなどの構成や強度に影響を与えることなく、延出部と排気ディフューザとの連結部を流速の小さい流れ方向後方側に位置させることができる。
【００２２】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部と排気ディフューザとの連結部を、ストラットまたはストラットシールドの前方近傍に配置するので、最終段動翼とストラットまたはストラットシールドとの間において最も流速の小さい領域に、延出部と排気ディフューザとの連結部を配置することで、境界層の発達や流れの乱れを更に抑制することができる。また、延出部と排気ディフューザとの連結部からストラットシールドと排気ディフューザとの連結部までの距離を短縮することで、排気ディフューザの支持剛性を確保することができる。
【００２３】
本発明のタービン排気構造によれば、燃焼ガス通路及び排気ガス通路を、最終段動翼が配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成し、延出部と排気ディフューザとの連結部を、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置するので、流れが減速しており、かつ、流路面の流れ方向（子午面形状）の曲率が０のため、流速が小さい領域に延出部と排気ディフューザとの連結部を配置することで、段差による流れへの影響を最小化できる。
【００２４】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部をケーシングと同じ材料で一体または別体に形成するので、ケーシング及び延出部を高精度に製造することができると共に、熱伸び差の影響を抑制することができる。
【００２５】
本発明のタービン排気構造によれば、延出部をケーシングと異なる材料で別体に形成し、熱膨張差吸収手段を介して連結する一方、排気ディフューザを延出部と同じ材料で形成するので、熱膨張差吸収手段を介して連結することで、異なる材料の延出部とケーシングとの間に生じる熱膨張差を吸収することができる。また、延出部を排気ディフューザと同じ材料とすることで、連結部に生じる熱膨張差による段差を小さくすると共に、低コスト化を可能とすることができる。
【００２６】
本発明のタービン排気構造によれば、ケーシングを、円筒形状をなすケーシング本体と、ケーシング本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、翼環と分割環とを連結する遮熱環とで構成し、延出部を、翼環、分割環、遮熱環のいずれか一つから後方に延出するので、ケーシングをケーシング本体と翼環と分割環と遮熱環とから構成し、延出部をこの翼環と分割環と遮熱環のいずれかから延出して構成することで、製造を簡素化して製造コストを低減することができる。
【００２７】
また、本発明のガスタービンによれば、圧縮機と燃焼器とタービンとにより構成し、タービンをタービン車室の後部の内側に排気ディフューザの前部を所定隙間をもって侵入させ、排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部をタービン車室の燃焼ガス通路に連通して構成し、タービン車室の内側から後方に延出する延出部を設け、この延出部の後部に排気ディフューザの前部を相対移動可能にシール部材を介して連結している。従って、延出部と排気ディフューザとの連結部が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、ケーシングと排気ディフューザとの間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザの性能を向上することができる。
【００２８】
本発明のガスタービンによれば、タービンを、タービン車室と排気車室と排気室を前後方向に沿って連結し、タービン車室を、円筒形状をなすタービン車室本体と、タービン車室本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、翼環と分割環とを連結する遮熱環とで構成し、延出部を、翼環、分割環、遮熱環のいずれか一つから後方に延出するので、タービン車室をタービン車室本体と翼環と分割環と遮熱環とから構成し、延出部をこの翼環と分割環と遮熱環のいずれかから延出して構成することで、製造を簡素化して製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図である。
【図２】図２は、実施例１のガスタービンの概略構成図である。
【図３】図３は、本発明の実施例２に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図である。
【図４−１】図４−１は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段を表す図３のIV−IV断面図である。
【図４−２】図４−２は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段の変形例を表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下に添付図面を参照して、本発明に係るタービン排気構造及びガスタービンの好適な実施例を詳細に説明する。なお、この実施例により本発明が限定されるものではない。
【実施例１】
【００３１】
図１は、本発明の実施例１に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図、図２は、実施例１のガスタービンの概略構成図である。
【００３２】
実施例１のガスタービンは、図２に示すように、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。このガスタービンには、図示しない発電機が連結されており、発電可能となっている。
【００３３】
圧縮機１１は、空気を取り込む空気取入口２１を有し、圧縮機車室２２内に複数の静翼２３と動翼２４が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されてなり、その外側に抽気室２５が設けられている。燃焼器１２は、圧縮機１１で圧縮された圧縮空気に対して燃料を供給し、点火することで燃焼可能となっている。タービン１３は、タービン車室２６内に複数の静翼２７と動翼２８が前後方向（後述するロータ３２の軸方向）に交互に配設されている。このタービン車室２６の下流側には、排気車室２９を介して排気室３０が配設されており、排気室３０は、タービン１３に連続する排気ディフューザ３１を有している。
【００３４】
また、圧縮機１１、燃焼器１２、タービン１３、排気室３０の中心部を貫通するようにロータ（タービン軸）３２が位置している。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一方、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、このロータ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、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おり、排気室３０側の端部に図示しない発電機の駆動軸が連結されている。
【００３５】
そして、このガスタービンは、圧縮機１１の圧縮機車室２２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。
【００３６】
従って、圧縮機１１の空気取入口２１から取り込まれた空気が、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。そして、この燃焼器１２で生成された作動流体である高温・高圧の燃焼ガスが、タービン１３を構成する複数の静翼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。一方、排気ガス（燃焼ガス）のエネルギは、排気室３０の排気ディフューザ３１により圧力に変換され減速されてから大気に放出される。
【００３７】
上述したタービン１３において、図１に示すように、円筒形状をなすタービン車室２６には、複数の静翼２７と動翼２８が交互に配設されている。このタービン車室２６は、排気ガスの流動方向の下流側に円筒形状をなす排気車室２９が配設されている。この排気車室２９は、排気ガスの流動方向の下流側に円筒形状をなす排気室３０が配設されている。この排気室３０は、排気ガスの流動方向の下流側に排気ダクト（図示略）が配設されている。この場合、タービン車室２６、排気車室２９、排気室３０、排気ダクトは、それぞれ上下２分割に形成され、タービン車室２６と排気車室２９は、鋳造により製作され、排気室３０と排気ダクトは、ブレス加工（板金）により製作される。
【００３８】
そして、タービン車室２６と排気車室２９とは、複数の連結ボルト４１により連結され、排気車室２９と排気室３０とは、熱伸びを吸収可能な複数の排気室サポート４２，４３により連結されている。この排気室サポート４２，４３は、短冊形状をなし、タービン１３の軸方向に沿って延設されると共に、周方向に所定の間隔で複数並設されている。この排気室サポート４２，４３は、排気車室２９と排気室３０との間で温度差により熱伸びが発生したとき、変形することでその熱伸びを吸収可能となっている。この熱伸びは、タービン１３の始動時などの過渡期や高負荷時に発生しやすい。また、排気車室２９と排気室３０との間には、各排気室サポート４２，４３の間に位置してガスシール４４が設けられている。
【００３９】
排気車室２９は、その内側に排気室３０を構成する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、円筒形状をなす外側ディフューザ４５と内側ディフューザ４６が複数のストラットシールド４７により連結されて構成されている。このストラットシールド４７は、円筒形状や楕円筒状などの中空構造をなし、排気ディフューザ３１の周方向に均等間隔で複数設けられている。なお、上述した排気室サポート４２，４３及びガスシール４４は、端部が排気室３０を構成する排気ディフューザ３１における外側ディフューザ４５に連結されている。
【００４０】
ストラットシールド４７内には、ストラット４８が配設されている。このストラット４８は、一端側が内側ディフューザ４６を貫通して軸受部３４を収容する軸受箱４９に連結され、この軸受３４によりロータ３２が回転自在に支持されている。また、ストラット４８は、他端側が外側ディフューザ４５を貫通して排気車室２９に固定されている。なお、ストラットシールド４７内部の空間は、排気ディフューザ３１（内側ディフューザ４６）の内側の空間や、排気車室２９と排気ディフューザ３１との間の空間に連通し、外部からこれらの空間に冷却空気を供給可能となっている。
【００４１】
ところで、タービン車室（ケーシング）２６内には、複数の静翼２７と動翼２８が交互に配設されており、各段の翼環構造はほぼ同様の構成となっている。即ち、最終段翼環構造にて、最終段静翼２７ａの下流側に最終段動翼２８ａが配置されている。タービン車室２６における最終段翼環構造は、円筒形状をなすタービン車室本体（ケーシング本体）５１と、タービン車室本体５１の内側に設けられて円筒形状をなす翼環５２と、最終段動翼２８ａの外方に配置されて円筒形状をなす分割環５３と、翼環５２と分割環５３とを連結する遮熱環５４，５５とから構成されている。
【００４２】
タービン車室本体５１は、鋳造で円筒形状をなすように形成され、燃焼器１２と排気車室２９とを連結している。翼環５２は、鋳造で円筒形状をなすように形成されており、周方向上下に２分割されており、図示しないシール部材を介してボルト連結されている。そして、この翼環５２は、タービン１３の軸方向における前後方向にずれた位置に、周方向に沿う係止溝５２ａ，５２ｂが形成されている。
【００４３】
分割環５３は、高温強度に優れた耐熱合金で形成される環状部品であり、周方向に複数の分割体に分割されており、各分割体の間には図示しないシール部材が介装され、燃焼ガス及び空気の漏洩を防止している。この分割環５３は、タービン１３の軸方向における前後にずれた位置に、周方向に沿うと共に、外側に突出するフランジ部５３ａ，５３ｂが形成されている。図１に示すこの分割環５３は、最終段動翼２８ａの外方に位置している。
【００４４】
遮熱環５４，５５は、環状部品であり、周方向に複数に分割されており、相互の間には図示しないシール部材が介装され、燃焼ガス及び空気の漏洩を防止している。この遮熱環５４，５５は、最終段静翼２７ａや最終段動翼２８ａに作用する高温の熱が、特別な耐熱材料を用いていない翼環５２に伝達するのを防止する機能を有する。そして、遮熱環５４，５５は、外周側の係止部５４ａ，５５ａが翼環５２の係止溝５２ａ，５２ｂに係合している。また、遮熱環５４，５５は、内周側の係止部５４ｂ，５５ｂに分割環５３のフランジ部５３ａ，５３ｂが係止している。
【００４５】
また、最終段静翼２７ａは、外側端部が円筒形状をなすシュラウド５６に支持されており、このシュラウド５６は、フランジ部５６ａが遮熱環５４の係止部５４ｂに係止している。
【００４６】
タービン１３では、このように各段の翼環構造が構成されることから、タービン車室２６を構成するシュラウド５６、分割環５３などにより燃焼ガス通路Ａが構成され、タービン車室２６及び排気車室２９の後部の内側に、排気ディフューザ３１の前部が径方向に所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通する構成となっている。
【００４７】
なお、タービン車室２６、排気車室２９、排気室３０（排気ディフューザ３１）の外周面や内周面には、図示しない断熱材が装着されている。
【００４８】
このように構成された本実施例のタービン１３の排気構造にて、翼環５２は、内側から後方に延出する延出部６１が設けられ、この延出部６１に排気ディフューザ３１の前部が相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結部６５にて連結されている。即ち、本実施例では、タービン車室２６の後部と排気ディフューザ３１の前部との連結部６５を、境界層が安定しているタービン１３の後方側（排気ガスの流れ方向の下流側）に配置している。
【００４９】
この場合、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５は、燃焼ガス通路Ａに配設される最終段動翼２８ａより後方で、且つ、ストラット４８またはストラットシールド４７より前方に配置されている。具体的に、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５は、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に配置されており、更には、ストラットシールド４７と排気ディフューザ３１との連結部６６より所定距離前方に配置されている。
【００５０】
即ち、翼環５２は、タービン１３の軸方向における後端部から、ロータ３２の中心側に燃焼ガス通路Ａの通路面まで延びるフランジ部６１ａが一体に形成され、このフランジ部６１ａにおける内周側端部からタービン１３の後方に連結部６５まで延出する円筒部６１ｂが一体に形成されている。延出部６１は、このフランジ部６１ａと円筒部６１ｂにより構成されており、その円筒部６１ｂの内面により燃焼ガス通路Ａまたは排気ガス通路Ｂを形成している。
【００５１】
この場合、延出部６１（円筒部６１ｂ）は、内径が分割環５３の内周径とほぼ同径に設定され、分割環５３から延出部６１（円筒部６１ｂ）にかけて段差なく連続する。そして、燃焼ガス通路Ａから連通する排気ガス通路Ｂは、最終段動翼２８ａが配置される位置より後方で流路面積が減少する絞り部Ｂ１と、この絞り部Ｂ１から後方で流路面積が増加する拡大部Ｂ２を有しており、この絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２は、延出部６１の円筒部６１ｂにより構成されている。また、絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２とは極力滑らかに接続されているが、その接続部の子午面形状にはある程度の曲率が存在することとなり、この曲率が大きい場合はその近傍を流れる速度も大きくなる。
【００５２】
一方、排気ディフューザ３１における外側ディフューザ４５は、円筒形状をなすものの、排気ガス通路Ｂが燃焼ガス通路Ａに連通する前方側、つまり、翼環５２の延出部６１に連結される側の流路面積が増加する形状となっており、この外側ディフューザ４５の前端部と延出部６１の後端部がほぼ同径となることで、延出部６１（円筒部６１ｂ）における拡大部Ｂ２から外側ディフューザ４５に至る排気ガス通路Ｂの子午面形状が直線的に広がる形状となっている。つまり、延出部６１と排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５との連結部６５は、流路面積の増加率が正の値で、且つ、一定の領域に配置されることとなる。
【００５３】
そして、延出部６１が一体に鋳造された翼環５２と、排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５は、異なる材料で形成されることから、熱伸び量が相違する。そのため、本実施例では、延出部６１の後端部と外側ディフューザ４５の前端部との間に、両者の熱伸び差を吸収できる程度の所定隙間を軸方向に確保し、両者の間にシール部材６２を設けている。この場合、例えば、翼環５２は、Ｎｉ基合金を鋳造して形成され、排気ディフューザ３１（外側ディフューザ４５、内側ディフューザ４６）は、ステンレス鋼をプレス加工（板金）して形成される。
【００５４】
即ち、外側ディフューザ４５の前端部には、延出部６１側に突出する取付ブラケット６３が溶接などにより固定されており、この取付ブラケット６３にシール部材６２が装着されている。このシール部材６２は、先端部の環状シール６２ａが図示しない付勢ばねにより延出部６１における先端部外周面に押圧する構成となっている。なお、翼環５２の延出部６１には、排気ガス通路Ｂを流れる排気ガスの温度を計測する温度センサ６４が設けられている。
【００５５】
従って、タービン車室２６における翼環５２から延出部６１が一体に形成され、この延出部６１の後端部が、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍で排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５とシール部材６２を介して連結部６５において連結されることで、ガスタービンの始動時などの過渡期や高負荷時に、タービン車室２６の延出部６１と排気室３０の排気ディフューザ３１との間で熱伸び差が発生したとしても、延出部６１と外側ディフューザ４５との連結部６５が、排気ガスの流れが十分減速される拡大部Ｂ２の後方側に配設されたストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に位置することから、燃焼ガス通路Ａと排気ガス通路Ｂとの連通部近傍で生じる段差によって影響を受ける流れの乱れや境界層の発達を低減することができる。また、通路面の流れ方向（子午面形状）に曲率を有する絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２との接続部からも流れ方向後方側に離間することで、通路面の曲率が流速に与える影響を抑制することができる。
【００５６】
そのため、燃焼ガス通路Ａから排気ガス通路Ｂに至るガス流れは、絞り部Ｂ１で増速されることで、壁面に沿う流速の小さい排気ガスの境界層が発生することが抑制され、この絞り部Ｂ１から拡大部Ｂ２に向けて適正に流れることとなり、この排気ディフューザ３１により排気ガスのエネルギを効率的に圧力に変換してから大気に放出することができる。
【００５７】
このように実施例１のタービン排気構造にあっては、円筒形状をなすタービン車室２６により燃焼ガス通路Ａが構成され、このタービン車室２６の後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザ３１の前部が所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通するように構成し、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部６１を設け、この延出部６１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結している。
【００５８】
従って、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザ３１の性能を向上することができる。
【００５９】
また、実施例１のタービン排気構造では、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を、燃焼ガス通路Ａに配設される最終段動翼２８ａより後方で、且つ、ストラット４８またはストラットシールド４７より前方に配置している。従って、タービン車室２６や排気ディフューザ３１、ストラット４８などの構成や強度に影響を与えることなく、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を流速の小さい流れ方向後方側に位置させることができる。
【００６０】
また、実施例１のタービン排気構造では、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に配置している。従って、最終段動翼２８ａとストラット４８またはストラットシールド４７との間において最も流速の小さい領域に、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５を配置することで、境界層の発達や流れの乱れを更に抑制することができる。また、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部からストラットシールド４７と排気ディフューザ３１との連結部までの距離を短縮することで、排気ディフューザ３１の支持剛性を確保することができる。
【００６１】
また、実施例１のタービン排気構造では、燃焼ガス通路Ａ及び排気ガス通路Ｂを、最終段動翼２８ａが配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成し、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部を、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置している。従って、流れが減速しており、かつ、流路面の流れ方向（子午面形状）の曲率が０のため、流速が小さい領域に延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５を配置することで、段差による流れへの影響を最小化できる。
【００６２】
また、実施例１のタービン排気構造では、延出部６１をタービン車室２６と同じ材料で一体に形成している。従って、タービン車室２６及び延出部６１を高精度に製造することができると共に、熱伸び差の影響を抑制することができる。
【００６３】
また、実施例１のタービン排気構造によれば、タービン車室２６を、円筒形状をなすタービン車室本体５１と、タービン車室本体５１の内側に設けられて円筒形状をなす翼環５２と、最終段動翼２８ａの外方に配置されて円筒形状をなす分割環５３と、翼環５２と分割環５３とを連結する遮熱環５４，５５とで構成し、延出部６１を翼環５２から後方に延出して設けている。従って、延出部６１を翼環５２から延出して構成することで、製造を簡素化して製造コストを低減することができる。
【００６４】
また、実施例１のガスタービンによれば、圧縮機１１と燃焼器１２とタービン１３とにより構成し、このタービン１３にて、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部６１を設け、この延出部６１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結している。
【００６５】
従って、延出部６１と排気ディフューザ３１との連結部６５が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザ３１の性能を向上することができる。その結果、ガスタービンにより発電効率を向上することができる。
【００６６】
なお、この実施例１では、翼環５２に対して延出部６１を同じ材料で一体に形成したが、翼環５２に対して延出部６１を別体に形成し、溶接またはボルト締結などの連結方法により一体に固定してもよい。この場合、翼環５２に対して延出部６１を同じ材料で形成することが好ましい。
【実施例２】
【００６７】
図３は、本発明の実施例２に係るガスタービンにおけるタービン排気構造を表すタービンの要部断面図、図４−１は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段を表す図３のIV−IV断面図、図４−２は、実施例２に係る熱膨張差吸収手段の変形例を表す断面図である。なお、前述した実施例で説明したものと同様の機能を有する部材には同一の符号を付して重複する説明は省略する。
【００６８】
実施例２のガスタービンにおけるタービン排気構造において、図３に示すように、タービン車室２６には、複数の静翼２７と動翼２８が交互に配設されており、最終段翼環構造にて、最終段静翼２７ａの下流側に最終段動翼２８ａが配置されている。タービン車室２６における最終段翼環構造は、タービン車室本体５１と、翼環５２と、分割環５３と、遮熱環５４，５５とから構成されている。
【００６９】
そして、本実施例のタービン１３の排気構造にて、翼環５２は、内側から後方に延出する延出部７１が設けられ、この延出部７１の後部に排気ディフューザ３１の前部が相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結されている。
【００７０】
即ち、延出部７１は、リング形状をなすフランジ部７１ａと、このフランジ部７１ａにおける内周側端部からタービン１３の後方に延出する円筒部７１ｂとが一体に形成されて構成されている。そして、この延出部７１は、フランジ部７１ａが翼環５２におけるタービン１３の軸方向における後端部に密着し、複数の締結ボルト７２により一体に固定されている。
【００７１】
本実施例では、この延出部７１は、翼環５２と異なる材料で別体に形成され、熱膨張差吸収手段７３を介して連結されている。この場合、例えば、翼環５２は、Ｎｉ基合金を鋳造して形成され、延出部７１は、ステンレス鋼をプレス加工（板金）して形成される。そして、図４−１に示すように、延出部７１のフランジ部７１ａには、熱膨張差吸収手段７３として、締結ボルト７２のネジ部７２ａの直径より大きく、締結ボルト７２の頭部７２ｂの直径よりも小さな孔を形成しており、延出部７１が翼環５２に固定される締結ボルト７２に対して、この孔を介して径方向及び周方向に相対移動可能に連結する。
【００７２】
なお、本実施例にて、熱膨張差吸収手段７３は、この構成に限るものではない。例えば、図４−２に示すように、熱膨張差吸収手段７３として、締結ボルト７２のネジ部７２ａの直径に対して径方向にのみ大きな長孔を放射状に設けて、この長孔を介して延出部７１が径方向に相対移動可能に連結してもよい。
【００７３】
なお、熱膨張差吸収手段７３は、これらの孔に限るものではなく、延出部７１を翼環５２と異なる材料で別体に形成するものの、熱膨張係数が近似する材料を選択することとしてもよい。
【００７４】
一方、排気ディフューザ３１における外側ディフューザ４５は、円筒形状をなすものの、排気ガス通路Ｂが燃焼ガス通路Ａに連通する前方側、つまり、翼環５２の延出部７１に連結される側の流路面積が増加する形状となっており、この外側ディフューザ４５の前端部と延出部７１の後端部がほぼ同径となることで、延出部７１（円筒部７１ｂ）における拡大部Ｂ２から外側ディフューザ４５に至る排気ガス通路Ｂの子午面形状が直線的に広がる形状となっている。つまり、延出部７１と排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５との連結部７５は、流路面積の増加率が正の値で且つ一定の領域に配置されることとなる。この場合、排気ディフューザ３１（外側ディフューザ４５、内側ディフューザ４６）は、延出部７１と同じ材料で形成されている。そして、延出部７１の後端部と外側ディフューザ４５の前端部との間に両者の熱伸び差を吸収できる程度の所定隙間を軸方向に確保し、両者の間にシール部材６２を設けている。
【００７５】
従って、タービン車室２６における翼環５２から延出部７１が形成され、この延出部７１の後端部が、ストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍で排気ディフューザ３１の外側ディフューザ４５とシール部材６２を介して連結部７５において連結されることで、ガスタービンの始動時などの過渡期や高負荷時に、タービン車室２６の延出部７１と排気室３０の排気ディフューザ３１との間で熱伸び差が発生したとしても、延出部７１と外側ディフューザ４５との連結部７５が、排気ガスの流れが十分減速される拡大部Ｂ２の後方側に配設されたストラット４８またはストラットシールド４７の前方近傍に位置することから、燃焼ガス通路Ａと排気ガス通路Ｂとの連通部近傍で生じる段差によって影響を受ける流れの乱れや境界層の発達を低減することができる。また、通路面の流れ方向（子午面形状）に曲率を有する絞り部Ｂ１と拡大部Ｂ２との接続部からも流れ方向後方側に離間することで、通路面の曲率が流速に与える影響を抑制することができる。
【００７６】
そのため、燃焼ガス通路Ａから排気ガス通路Ｂに至るガス流れは、絞り部Ｂ１で増速されることで、壁面に沿う流速の小さい排気ガスの境界層が発生することが抑制され、この絞り部Ｂ１から拡大部Ｂ２に向けて適正に流れることとなり、この排気ディフューザ３１により排気ガスのエネルギを効率的に圧力に変換してから大気に放出することができる。
【００７７】
このように実施例２のタービン排気構造にあっては、円筒形状をなすタービン車室２６により燃焼ガス通路Ａが構成され、このタービン車室２６の後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザ３１の前部が所定隙間をもって侵入し、この排気ディフューザ３１により構成される排気ガス通路Ｂの前部が燃焼ガス通路Ａに連通するように構成し、タービン車室２６の内側から後方に延出する延出部７１を設け、この延出部７１の後部に排気ディフューザ３１の前部を相対移動可能で、且つ、シール部材６２を介して連結している。
【００７８】
従って、延出部７１と排気ディフューザ３１との連結部７５が排気ガスの流速の小さい流れ方向後方側に位置することから、タービン車室２６と排気ディフューザ３１との間の熱伸び差によって発生する段差が、流速の大きい流れ方向前方側に生じることを防ぐことができるので、境界層の発達が抑制されると共に、排気ガスのスムースな流れが阻害されず、排気ディフューザ３１の性能を向上することができる。
【００７９】
また、実施例２のタービン排気構造では、延出部７１を翼環５２と異なる材料で別体に形成し、熱膨張差吸収手段７３を介して連結する一方、排気ディフューザ３１を延出部７１と同じ材料で形成している。従って、異なる材料の延出部７１と翼環５２との間に生じる熱膨張差を吸収することができる。また、延出部７１を排気ディフューザ３１と同じ材料とすることで、連結部７５に生じる熱伸び差による段差を小さくするとともに、低コスト化を可能とすることができる。
【００８０】
なお、上述した各実施例では、延出部６１，７１を翼環５２から後方に延出したが、この構成に限るものではない。例えば、延出部を分割環５３や遮熱環５５から後方に延出してもよく、この場合、延出部を分割環５３や遮熱環５５と一体に形成してもよく、別体に形成してもよい。
【００８１】
また、延出部６１，７１には拡大部Ｂ２と共に絞り部Ｂ１を設けたが、この構成に限るものではなく、絞り部Ｂ１ではなく流路面積が一定の領域を設けてもよい。また、ケーシング（タービン車室）２６と排気ディフューザ３１を形成する材料は同じでもよいし、異なってもよい。また、ケーシング（タービン車室）２６は、ケーシング本体（タービン車室本体）５１、翼環５２、分割環５３、遮熱環５４，５５によって構成されるとしたが、これに限るものではなく、例えば、翼環５２、分割環５３、遮熱環５４，５５は用いずに、ケーシング本体（タービン車室本体）５１のみによりケーシング（タービン車室）２６が構成されるものとしてもよい。また、ストラット４８の周囲に冷却空気用の空間を介してストラットシールド４７を配設した構成としたが、これに限るものではなく、ストラット４８のみの構成としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明に係るタービン排気構造及びガスタービンは、ケーシングから後方に延出する延出部を設け、この延出部に排気ディフューザの前部を相対移動可能に連結することで、排気ディフューザの性能を向上可能とするものであり、いずれの種類のガスタービンにも適用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１１ 圧縮機
１２ 燃焼器
１３ タービン
２６ タービン車室（ケーシング）
２７ 静翼
２７ａ 最終段静翼
２８ 動翼
２８ａ 最終段動翼
２９ 排気車室
３０ 排気室
３１ 排気ディフューザ
３２ ロータ
４５ 外側ディフューザ
４６ 内側ディフューザ
４７ ストラットシールド
４８ ストラット
５１ タービン車室本体（ケーシング本体）
５２ 翼環
５３ 分割環
５４，５５ 遮熱環
６１，７１ 延出部
６２ シール部材
６５，７５ 連結部
７３ 熱膨張差吸収手段
Ａ 燃焼ガス通路
Ｂ 排気ガス通路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
円筒形状をなすケーシングにより燃焼ガス通路が構成され、該ケーシングの後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、該排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通するタービン排気構造において、
前記ケーシングは、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、
ことを特徴とするタービン排気構造。
【請求項２】
前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、前記燃焼ガス通路に配設される最終段動翼より後方で、且つ、ストラットまたはストラットシールドより前方に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタービン排気構造。
【請求項３】
前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、ストラットまたはストラットシールドと前記排気ディフューザとの連結部の前方近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタービン排気構造。
【請求項４】
前記燃焼ガス通路及び前記排気ガス通路は、最終段動翼が配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成され、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項５】
前記延出部は、前記ケーシングと同じ材料で一体または別体に形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項６】
前記延出部は、前記ケーシングと異なる材料で別体に形成され、熱膨張差吸収手段を介して連結される一方、前記排気ディフューザは、前記延出部と同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項７】
前記ケーシングは、円筒形状をなすケーシング本体と、該ケーシング本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項８】
圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
前記タービンは、円筒形状をなすタービン車室の内側に静翼と動翼が前後方向に交互に配置される燃焼ガス通路が設けられ、前記タービン車室の後部の内側に円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、前記排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通して構成され、
前記タービン車室は、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項９】
前記タービンは、前記タービン車室と排気車室と排気室が前後方向に沿って連結され、前記タービン車室は、円筒形状をなすタービン車室本体と、該タービン車室本体の内側に設けられて円筒状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン。
【請求項１】
円筒形状をなすケーシングにより燃焼ガス通路が構成され、該ケーシングの後部の内側に、円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、該排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通するタービン排気構造において、
前記ケーシングは、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、
ことを特徴とするタービン排気構造。
【請求項２】
前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、前記燃焼ガス通路に配設される最終段動翼より後方で、且つ、ストラットまたはストラットシールドより前方に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタービン排気構造。
【請求項３】
前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、ストラットまたはストラットシールドと前記排気ディフューザとの連結部の前方近傍に配置されることを特徴とする請求項１に記載のタービン排気構造。
【請求項４】
前記燃焼ガス通路及び前記排気ガス通路は、最終段動翼が配置される位置より後方で流路面積が減少した後に増加するように構成され、前記延出部と前記排気ディフューザとの連結部は、流路面積の増加率が正で一定の領域に配置されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項５】
前記延出部は、前記ケーシングと同じ材料で一体または別体に形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項６】
前記延出部は、前記ケーシングと異なる材料で別体に形成され、熱膨張差吸収手段を介して連結される一方、前記排気ディフューザは、前記延出部と同じ材料で形成されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項７】
前記ケーシングは、円筒形状をなすケーシング本体と、該ケーシング本体の内側に設けられて円筒形状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴とする請求項１から６のいずれか一つに記載のタービン排気構造。
【請求項８】
圧縮機で圧縮した圧縮空気に燃焼器で燃料を供給して燃焼し、発生した燃焼ガスをタービンに供給することで回転動力を得るガスタービンにおいて、
前記タービンは、円筒形状をなすタービン車室の内側に静翼と動翼が前後方向に交互に配置される燃焼ガス通路が設けられ、前記タービン車室の後部の内側に円筒形状をなす排気ディフューザの前部が所定隙間をもって侵入し、前記排気ディフューザにより構成される排気ガス通路の前部が前記燃焼ガス通路に連通して構成され、
前記タービン車室は、内側から後方に延出する延出部が設けられ、該延出部の後部に前記排気ディフューザの前部が相対移動可能で、且つ、シール部材を介して連結される、
ことを特徴とするガスタービン。
【請求項９】
前記タービンは、前記タービン車室と排気車室と排気室が前後方向に沿って連結され、前記タービン車室は、円筒形状をなすタービン車室本体と、該タービン車室本体の内側に設けられて円筒状をなす翼環と、最終段動翼の外方に配置されて円筒形状をなす分割環と、前記翼環と前記分割環とを連結する遮熱環とを有し、前記延出部は、前記翼環、前記分割環、前記遮熱環のいずれか一つから後方に延出されることを特徴とする請求項８に記載のガスタービン。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４−１】
【図４−２】
【図２】
【図３】
【図４−１】
【図４−２】
【公開番号】特開２０１１−３８４９１（Ｐ２０１１−３８４９１Ａ）
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１８９１２７（Ｐ２００９−１８９１２７）
【出願日】平成２１年８月１８日（２００９．８．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年２月２４日（２０１１．２．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月１８日（２００９．８．１８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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