JP5812567B2 - タービン - Google Patents

Description

本発明は、作動流体により回転駆動するタービンに関する。

従来、タービンとしては、ガスタービンや蒸気タービンなどがある。例えば、ガスタービンは、ロータと、該ロータの回転駆動により圧縮空気を生成する圧縮機と、圧縮機で生成された圧縮空気を燃焼させて燃焼ガスを生成する燃焼器と、燃焼器で生成された燃焼ガスを作動流体としてロータ中心軸方向に沿って流通させてロータを回転駆動させるタービン本体とを備える。また、このようなガスタービンにおいてタービン本体には、ロータを回転駆動させた作動流体の排出を行うディフューザが接続されている。ディフューザは、中心軸方向に沿って次第に拡径するように形成されている。これにより流通する作動流体は、該ディフューザによって減速され圧力回復した後に大気に排出され、あるいは、他の設備において再利用されることとなる。

ここで、ディフューザの入口における流路高に対して出口側の流路高が大きければ大きいほど、すなわちロータ中心軸に対するディフューザの開き角が大きければ大きいほど、入口に対する出口の流路面積比が大きくなり、効果的に作動流体を減速させることができる。その一方で、ディフューザの開き角が大きく、急激に流路面積が変化すると、内周面に沿って流通する作動流体に剥離が生じ、圧力損失が発生して効率が低下してしまう。ディフューザの中心軸方向に沿う寸法を長くすることで、ディフューザの開き角を抑えつつ入口に対する出口の流路面積比を大きくして効果的に作動流体を減速させて圧力回復を図れるが、設置スペースなどの制限により、十分な長さを確保することが困難な場合があり、寸法が長いことによる損失増加も生じる。そこで、ディフューザの入口の上方及び下方に下流側に面する壁面を設け、該壁面から内周面に沿って、上流側のタービン段や圧縮機段から抽気することで生成した二次ジェットを噴射させることが提案されている。また、二次ジェットの供給源としては、上記タービン段、圧縮機のみならず、独立したブースターユニットや、周囲空気を利用する点が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−１６２７１５号公報

しかしながら、特許文献１のようなタービンにおけるディフューザでは、二次ジェットを供給する構造及び噴射させる構造を新たに設ける必要があり、装置構造が複雑になってしまう問題があった。また、ディフューザの入口には、二次ジェットを噴射させるための壁面を設けるために段差を形成する必要があり、新たな剥離の原因となってしまう場合もある。さらに、二次ジェットをタービン段や圧縮機段からの抽気により行う場合には、作動流体を減少させることとなり、タービン効率を低下させてしまうこととなる。また、ブースターユニットを追設する場合には、当該ユニットの動力源が別途必要となり、結局全体として効率を低下させてしまうこととなる。同様に、周囲空気を利用する場合も必要な圧力まで圧縮させる手段が必要となり、結局全体として効率が低下してしまうこととなる。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、最小限の構成で、剥離による圧力損失の発生を抑えつつ流体を効果的に圧力回復させて排出させることが可能なタービンを提供することを課題としている。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。
本発明のタービンは、中心軸回りに回転可能なロータと、該ロータの外周に配設された略筒状で、内部に前記中心軸方向一方側から他方側に向かって流体が流通する作動流体流路を形成するケーシング、該ケーシングの内周面に複数設けられる静翼、及び、該静翼の前記中心軸方向他方側に複数設けられる動翼を有するタービン本体と、該タービン本体の前記ケーシングと接続され、略筒状で前記中心軸方向一方側から他方側に向かって次第に拡径するように形成された排気ケーシング、及び該排気ケーシングの内部に配設された略筒状の保護ケーシングを有し、前記排気ケーシングと前記保護ケーシングとの間に前記流体を排出させる断面環状の排出流体流路を形成するディフューザとを備え、前記排気ケーシングは、内周面の周方向同位置で、前記排出流体流路の入口と、前記排出流体流路の入口から前記中心軸に沿って他方側に該入口の流路高の１．５倍だけ異なる位置とを結んだ線と、前記中心軸とがなす開き角度が、２０度以上２８度以下に設定され、前記動翼のうち、前記ディフューザに最も近接するものは、先端に略板状に張り出すシュラウドが設けられておらず、前記ケーシングの内周面との間に形成するチップクリアランスが、当該動翼の位置における前記作動流体の流路高の０．１５％以上０．４５％以下に設定されていることを特徴としている。
また、本発明のタービンは、中心軸回りに回転可能なロータと、該ロータの外周に配設された略筒状で、内部に前記中心軸方向一方側から他方側に向かって流体が流通する作動流体流路を形成するケーシング、該ケーシングの内周面に複数設けられる静翼、及び、該静翼の前記中心軸方向他方側に複数設けられる動翼を有するタービン本体と、該タービン本体の前記ケーシングと接続され、略筒状で前記中心軸方向一方側から他方側に向かって次第に拡径するように形成された排気ケーシング、及び該排気ケーシングの内部に配設された略筒状の保護ケーシングを有し、前記排気ケーシングと前記保護ケーシングとの間に前記流体を排出させる断面環状の排出流体流路を形成するディフューザとを備え、前記排気ケーシングは、内周面の周方向同位置で、前記排出流体流路の入口と、前記排出流体流路の入口から前記中心軸に沿って他方側に該入口の流路高の１．５倍だけ異なる位置とを結んだ線と、前記中心軸とがなす開き角度が、１６度以上２４度以下に設定され、前記動翼のうち、前記ディフューザに最も近接するものは、先端に略板状に張り出すシュラウドが設けられており、前記ケーシングの内周面との間に形成するチップクリアランスが、当該動翼の位置における前記作動流体の流路高の０．２２％以上０．６８％以下に設定されていることを特徴としている。

この構成によれば、流体が、タービン本体の作動流体流路を、静翼及び動翼の間を通って中心軸方向に流通することにより、動翼が設けられたロータを回転駆動させる。また、作動流体流路を流通した流体は、ケーシングに接続されたディフューザ内部の排出流体流路に流入し、ディフューザが中心軸方向他方側に向かって次第に拡径して流路面積が拡大することにより、減速して圧力回復が図られた後に排出されることとなる。ここで、前記開き角度が１５度以上に設定されていることで、効果的に流体の圧力回復を図りつつ、ディフューザに最も近接する動翼の前記チップクリアランスが当該動翼の前記中心軸方向の位置における前記作動流体の流路高の０．１％以上に設定されていることで、チップクリアランスからディフューザの内周面に沿って積極的に漏れ流れを導入して流体の内周面からの剥離を抑え、剥離による圧力損失の発生を防止することができる。また、前記開き角度が３０度以下に設定されていることで流体のディフューザの内周面からの剥離を確実に防止することができる。また、ディフューザに最も近接する動翼の前記チップクリアランスが当該動翼の中心軸方向の位置における作動流体の流路高の１．０％以下に設定されていることで、漏れ流れが増大してタービン効率が低下してしまうのを防止することができる。また、上記のとおり、前記開き角及び前記チップクリアランスを調整するだけで良いので、最小限の構成としつつ、ディフューザにおける流体の圧力回復と、剥離による圧力損失の発生の抑制を両立させることができる。

また、上記のタービンにおいて、前記排出流体流路には、径方向に横断するとともに、断面翼形状を呈し、断面幅が最大となる位置が、前記排出流体流路の前記入口から、前記中心軸方向に沿って該入口の流路高の１．５倍以上離れた位置となるように横断部材が設けられていることがより好ましい。

この構成によれば、横断部材が、断面幅が最大となる位置で、排出流体流路の入口から、中心軸方向に沿って該入口の流路高の１．５倍以上離れた位置となるように設けられていることで、排出流体流路の入口に流入した流体は、十分に減速した後に横断部材の側方を流れることになる。このため、流体が横断部材で分岐して側方を流れる際に生じる圧力損失を抑えることができる。

また、上記のタービンにおいて、前記ディフューザの前記排出流体流路に面する周面で、前記横断部材よりも前記中心軸方向一方側には、前記流体を該中心軸方向に沿うように案内する案内手段が設けられていることがより好ましい。

この構成によれば、タービン本体の作動流体流路から、ディフューザの排出流体流路に周方向の速度成分を有して流入する流体は、横断部材よりも中心軸一方側に設けられた案内手段により案内されることで、中心軸に沿った流れとして横断部材に向かって流れることとなる。このため、排出流体流路を流れる流体が、周方向成分を有して横断部材に衝突することを抑制し、圧力損失を最小限に抑えることができる。

また、上記のタービンにおいて、前記ディフューザの前記排出流体流路に面する周面で、前記横断部材よりも前記中心軸方向他方側には、局所的に前記流体に渦を発生させる渦発生手段が設けられていることがより好ましい。

この構成によれば、排出流体流路内部において、横断部材の側方を流れて中心軸方向他方側へと流れる流体は、渦発生手段により局所的に渦が発生させられることとなる。このため、当該渦により、横断部材よりも中心軸方向他方側の流体は、ディフューザ内周面からの剥離が抑制されて、剥離によって生じる圧力損失を抑えることができる。

本発明のタービンによれば、最小限の構成で、剥離による圧力損失を抑えつつ、流体を効果的に圧力回復させて排出させることができる。

本発明の第１の実施形態のガスタービンの概略構成を示す半断面図である。 本発明の実施形態に係るガスタービンの要部拡大断面図であって、図１における要部Ｉを示している。 本発明の実施例１における解析に使用したガスタービンのモデルを示す断面図である。 本発明の実施例１における解析結果を示し、チップクリアランス／流路高と、タービン効率（段効率）との関係を示すグラフである。 本発明の実施例１において、開き角度１２度となるときの解析結果を示し、チップクリアランスが（ａ）０．００％、（ｂ）０．１５％、（ｃ）０．３％のときの排出ガス流路内の流れの状態を示す流線図である。 本発明の実施例１において、開き角度２０度となるときの解析結果を示し、チップクリアランスが（ａ）０．００％、（ｂ）０．１５％、（ｃ）０．３％のときの排出ガス流路内の流れの状態を示す流線図である。 本発明の実施例１において、開き角度２８度となるときの解析結果を示し、チップクリアランスが（ａ）０．００％、（ｂ）０．１５％、（ｃ）０．３％のときの排出ガス流路内の流れの状態を示す流線図である。 本発明の第２の実施形態に係るガスタービンの要部拡大断面図である。 本発明の実施例２における解析結果を示し、チップクリアランス／流路高と、タービン効率（段効率）との関係を示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係るガスタービンの要部拡大断面図である。 本発明の第３の実施形態の変形例に係るガスタービンにおいて、案内手段の詳細を説明する詳細図である。 本発明の第３の実施形態の変形例に係るガスタービンにおいて、案内手段の詳細を説明する詳細図である。 本発明の第４の実施形態に係るガスタービンの要部拡大断面図である。 本発明の第４の実施形態の係るガスタービンにおいて、渦発生手段の詳細を説明する詳細図である。 本発明の第４の実施形態の変形例に係るガスタービンにおいて、渦発生手段の詳細を説明する詳細図である。 本発明の第４の実施形態の他の変形例に係るガスタービンにおいて、渦発生手段の詳細を説明する詳細図である。 本発明の第５の実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す断面図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明に係る第１の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るガスタービンの概略構成を示す半断面図である。
図１に示すように、ガスタービン１は、中心軸Ｓ回りに回転可能なロータ２と、圧縮空気Ａを生成する圧縮機３と、圧縮機３で生成された圧縮空気Ａを燃焼させて燃焼ガスＧを生成する燃焼器４と、燃焼器４で生成された燃焼ガスＧを作動流体としてロータ２を回転駆動させるタービン本体１０と、燃焼ガスＧの排出を行うディフューザ２０とを備える。ロータ２は、圧縮機３及びタービン本体１０に挿通されており、圧縮機３とタービン本体１０との配列の両側で軸受７、８により中心軸Ｓ回りに回転可能に支持されている。

圧縮機３は、ロータ２の外周に配設された略筒状の圧縮機ケーシング３ａと、圧縮機ケーシング３ａの内周面に放射状に複数設けられた圧縮機静翼３ｂからなる圧縮機静翼列と、ロータ２の外周に放射状に複数設けられた圧縮機動翼３ｃからなる圧縮機動翼列とを有する。圧縮機静翼列と圧縮機動翼列とは、中心軸Ｓ方向に沿って複数列交互に設けられており、これら翼列を通過するように圧縮空気流路３ｄが形成されている。これら圧縮機静翼列と圧縮機動翼列は、中心軸Ｓ方向に隣接する一対で組（段）をなして多段構造となっている。この圧縮機３は、ロータ２とともに圧縮機動翼３ｃを回転させることで、圧縮空気流路３ｄに取り入れた空気を、圧縮空気流路３ｄの上流側から下流側に向けて断熱圧縮させて圧縮空気Ａを生成する。燃焼器４は、圧縮機３とタービン本体１０との間に配設されており、圧縮機３で圧縮された高圧の圧縮空気Ａに燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスＧを生成し、タービン本体１０に送っている。

タービン本体１０は、ロータ２の外周に配設された略筒状のタービンケーシング１１と、タービンケーシング１１の内周面に放射状に複数設けられたタービン静翼１２からなるタービン静翼列と、ロータ２の外周に複数設けられたタービン動翼１３からなるタービン動翼列とを有する。タービン静翼列とタービン動翼列とは、中心軸Ｓ方向に沿って複数列交互に設けられており、これら翼列を通過するように燃焼ガス流路１４が形成されている。これらタービン静翼列とタービン動翼列は、中心軸Ｓ方向に隣接する一対で組（段）をなし多段構造となっている。そして、このタービン本体１０は、燃焼器４で生成した燃焼ガスＧを膨張させながら中心軸Ｓに沿って下流に流すことで、タービン動翼１３を介してロータ２を回転させ、これにより燃焼ガスＧの熱エネルギーを機械仕事の回転エネルギーに変換している。ここで、図２に示すように、最終段のタービン動翼１３の先端１３ａと、タービンケーシング１１の内周面１１ａとの隙間であるチップクリアランスＣは、所定の大きさに設定されている。具体的には、チップクリアランスＣは、当該タービン動翼１３が設けられた中心軸Ｓ方向の位置における燃焼ガス流路１４の燃焼ガス流路高Ｈ（以下、単に燃焼ガス流路高Ｈと称する）、言い換えれば当該タービン動翼１３の基端に設けられたプラットフォーム１３ｂの外周面１３ｃとタービンケーシング１１の内周面１１ａとの離間距離に対して、０．１％以上１．０％以下となる大きさに設定されている。なお、当該チップクリアランスＣは、運転条件により変動するものであり、上記範囲は定格運転時におけるチップクリアランスＣとして定義したものである。

また、図１に示すように、ディフューザ２０は、タービンケーシング１１と接続された略筒状で、内部に、燃焼ガス流路１４から流入する燃焼ガスＧを、排出ガスＧ１として排出させる排出ガス流路２１を形成する。具体的には、ディフューザ２０は、略筒状でタービンケーシング１１と接続された排気ケーシング２２と、排気ケーシング２２内部に配設された略筒状で、軸受８などを内部に収容する保護ケーシング２３とを有し、排気ケーシング２２と保護ケーシング２３との間に形成された断面環状の空間が排出ガス流路２１として構成される。排気ケーシング２２は、排出ガス流路２１の入口２１ａ側となる中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側から、出口２１ｂ側となる他方Ｓ２側に向かって次第に拡径するように形成されている。一方、保護ケーシング２３は、中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側から他方Ｓ２側に向かって略等しい外径となるように形成されている。このため、排気ケーシング２２と保護ケーシング２３との間に形成される排出ガス流路２１は、入口２１ａから出口２１ｂに向かって次第に、流路高を大きくして断面積が拡大するように形成されている。

ここで、図２に示すように、ディフューザ２０の排気ケーシング２２は、排出ガス流路２１の入口２１ａから出口２１ｂ側へと向かって、所定の開き角θで拡径するように設定されている。本発明における開き角θは、排気ケーシング２２の内周面２２ａの周方向同位置において、排出ガス流路２１の入口２１ａと、入口２１ａから中心軸Ｓに沿って他方Ｓ２側に、該入口２１ａの入口流路高Ｂの１．５倍だけ異なる位置２１ｂとを結んだ線Ｌと、前記中心軸Ｓとがなす角度として定義される。そして、本実施形態では、上記開き角θが、１５度以上３０度以下に設定されている。

また、排気ケーシング２２と保護ケーシング２３との間には、排出ガス流路２１を径方向に横断するように設けられた横断部材として軸受支持部材２５が設けられている。軸受支持部材２５は、外周端が排気ケーシング２２の内周面２２ａに支持されているとともに、内周端が軸受７、８が取り付けられ、これによりロータ２は、軸受７、８、軸受支持部材２５及び排気ケーシング２２を介してディフューザ２０の外側より支持されている。ここで、横断部材を構成する軸受支持部材２５は、断面翼形状（流線形状）を呈しており、すなわち中心軸Ｓ一方Ｓ１側から他方Ｓ２側に向かって次第に断面幅が厚くなって最大幅となった後に次第に断面幅が薄くなるような構成となっている。ここで、このような横断部材の位置としては、断面幅が最大となる位置で、排出ガス流路２１の入口２１ａから中心軸Ｓに沿って他方Ｓ２側に入口流路高Ｂの１．５倍以上離れた位置とすることが望ましい。 また、軸受支持部材２５よりも中心軸Ｓ方向他方Ｓ２側にマンホール２６が設けられている。マンホール２６は、略筒状で、外周端が排気ケーシング２２に接続されて外側に開口しており、内周端が保護ケーシング２３に接続されて内側に開口している。このため、マンホール２６を介してディフューザ２０の外側から、保護ケーシング２３の内部の軸受７、８等にアクセスすることが可能となっている。

次に、この実施形態のガスタービン１の作用について説明する。
図１及び図２に示すように、この実施形態のガスタービン１において、燃焼ガス流路１４を流通してロータ２を回転駆動させた燃焼ガスＧは、ディフューザ２０の排出ガス流路２１に排出ガスＧ１として流入する。そして、排出ガスＧ１は、排出ガス流路２１の断面積が次第に拡大していくことで、次第に減速し圧力回復が図られる。ここで、開き角θを１５度以上とすることで、排出ガス流路２１の断面積を中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側から他方Ｓ２側に向かって積極的に拡大させて、これにより排出ガスＧ１を効果的に減速させ、圧力回復を図ることができる。

一方、燃焼ガス流路１４を流通する燃焼ガスＧの一部は、最終段のタービン動翼１３のチップクリアランスＣから漏れ流れＧａとして、排出ガス流路２１に流入し、排気ケーシング２２の内周面２２ａに沿って流れることになる。ここで、チップクリアランスＣを燃焼ガス流路高Ｈの０．１％以上とすることにより、最終段のタービン動翼１３のチップクリアランスＣからの漏れ流れＧａの流量が増大して、漏れ流れＧａが積極的にディフューザ２０側に供給される。これにより、ディフューザ２０の排気ケーシング２２の内周面２２ａ近傍においては、境界層内部での全圧を高めることができる。このため、上記のとおり、従来に比して大きな開き角θでディフューザ２０の排気ケーシング２２を拡径させて断面積を拡大させても、排気ケーシング２２の内周面２２ａに沿って積極的に漏れ流れＧａが導入されることにより、排出ガスＧ１の排気ケーシング２２の内周面２２ａからの剥離を抑制して、剥離による圧力損失の発生を抑えることができる。その一方で、開き角θを３０度以下とすることで、排出ガスＧ１がディフューザ２０の排気ケーシング２２の内周面２２ａから剥離してしまうのを確実に防止し、また、最後段のタービン動翼１３のチップクリアランスＣが１．０％以下に設定されていることで、漏れ流れＧａの流量が過剰に増大して出力に寄与する主流の流量が減少してタービン効率（段効率）が低下してしまうのを防止することができる。

次に、この実施形態のガスタービン１についての実施例について説明する。
本実施例では、図３に示すようなモデルにおいて、チップクリアランスＣ及び開き角θを上記範囲内で変化させた複数の実施例及び、上記範囲外とした複数の比較例で、それぞれタービン効率（段効率）をＣＦＤ解析により求めた。具体的には、図３に示すように、本モデルでは、軸受支持部材２５を、断面幅が最大となる位置で、排出ガス流路２１の入口２１ａから中心軸Ｓに沿って他方Ｓ２側に入口流路高Ｂの１．５倍離れた位置となるように設定している。また、当該位置は、最終段のタービン静翼１２の後縁先端１２ａを起点として、当該起点から排出ガス流路２１の出口２１ｂまでの距離をＬとした場合に、０．２Ｌの位置となっている。そして、チップクリアランスＣを、燃焼ガス流路高Ｈに対して０．００％（比較例）、０．１５％（実施例）、０．３％（実施例）、０．４５％（実施例）に設定した。また、開き角θを、１２度（比較例）、２０度（実施例）、２８度（実施例）に設定した。なお、排気ケーシング２２の内周面２２ａは、排出ガス流路２１の入口２１ａから、入口流路高Ｂの１．５倍となる位置（０．２Ｌ）まで、０．０８Ｌとなる中間位置で折れ曲がり、２面で構成されるように設定されている。

図４は、各実施例及び比較例でタービン効率（段効率）を求めた結果を、横軸をチップクリアランスＣ／燃焼ガス流路高Ｈ（％）、縦軸をタービン効率（段効率）（％）として整理したものである。また、図５、図６、図７は、順に開き角θが１２度、２０度、２８度における解析結果に基づく流線図を示しており、それぞれの図において（ａ）、（ｂ）、（ｃ）が順にチップクリアランスＣが０．００％、０．１５％、０．３０％である状態を示している。図４に示すように、開き角θが２０度及び２８度の場合においては、チップクリアランスＣが０．１％以上であると高いタービン効率（段効率）を得ることができた。これは、開き角θを２０度または２８度とすることで排出ガスＧ１の圧力回復を効果的に図れるとともに、積極的に漏れ流れＧａを導入することで、排気ケーシング２２の内周面２２ａにおける排出ガスＧ１の剥離を抑制し、剥離による圧力損失を抑えることができていることによる。図６（ｂ）、（ｃ）及び図７（ｂ）、（ｃ）にそれぞれ示す流線図において、剥離Ｅが認められないか、あるいは、認められても僅かであることからも明らかである。一方、開き角θが２０度及び２８度の場合において、チップクリアランスＣが０％である場合には、０．１５％の場合と比してタービン効率（段効率）が低下していることがわかる。これは、図６（ａ）及び図７（ａ）に示すように、チップクリアランスＣからの漏れ流れＧａが供給されないために、排気ケーシング２２の内周面２２ａに沿って排出ガスＧ１の剥離が顕著に生じ、圧力損失が発生してしまっていることによる。

また、開き角θが１２度の場合には、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示すように、チップクリアランスＣが０．００％でも僅かにしか剥離が生じないものの、図４に示すようにタービン効率（段効率）としてはいずれも開き角θが２０度、２８度の場合と比較して低い値しか示さなかった。これは、開き角θが小さいために、ディフューザ２０において排出ガスＧ１の圧力回復が十分に図られていないことによる。

以上のように、本実施形態のガスタービン１では、開き角θ及びチップクリアランスＣを上記範囲に調整するだけの最小限の構成で、ディフューザ２０における排出ガスＧ１の圧力回復と、剥離による圧力損失の発生の抑制を両立させて、タービン効率（段効率）の向上を図ることができる。また、横断部材である軸受支持部材２５が、断面幅が最大となる位置で、排出ガス流路２１の入口２１ａから入口流路高Ｂの１．５倍以上離れた位置となるように設けられていることで、排出ガス流路２１の入口２１ａに流入した排出ガスＧ１は、十分に減速した後に軸受支持部材２５やマンホール２６の側方を流れることになる。このため、排出ガスＧ１が軸受支持部材２５やマンホール２６で分岐して側方を流れる際に生じる圧力損失を最小限に抑えて、さらにタービン効率（段効率）の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図８及び図９は、本発明の第２の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図８に示すように、この実施形態のガスタービン３０において、タービン動翼３１は、図２に示す第１の実施形態のガスタービン１のタービン動翼１３とは異なり、先端３１ａに略板状のシュラウド３２が張り出すようにして設けられている。ここで、タービンケーシング１１の内周面１１ａにおいてタービン動翼３１が設けられた中心軸Ｓ方向の位置には、環状に凹部１１ｂが形成されており、シュラウド３２は、該凹部１１ｂに所定のサイドクリアランス及びチップクリアランスＣをもって収容されている。また、シュラウド３２は、内周面３２ａがタービンケーシング１１の内周面１１ａとほぼ同一曲面上となるように配設されており、本実施形態において燃焼ガス流路高Ｈは、プラットフォーム３１ｂの外周面とシュラウド３２の内周面３２ａとの離間距離により定義される。
また、シュラウド３２の外周面３２ｂには、対向する凹部１１ｂの内周面に向かって突出するフィン３３が設けられている。そして、本実施形態においても、同様に、チップクリアランスＣは、当該タービン動翼３１が設けられた中心軸Ｓ方向の位置における燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．１％以上１．０％以下となる大きさに設定されている。また、ディフューザ２０の排気ケーシング２２の上記開き角θが、１５度以上３０度以下に設定されている。

上記構成を除いて図３同様のモデルで、実施例１同様にＣＦＤ解析を実施した。本実施例では、以下のとおり、複数の開き角θにおいて、それぞれチップクリアランスＣを変化させてタービン効率（段効率）を求めた。すなわち、開き角１０度において、チップクリアランスＣを、燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．００％（比較例）、０．０９％（比較例）、０．７２％（比較例）に設定した。また、開き角１２度において、チップクリアランスＣを、燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．０９％（比較例）、０．６９％（比較例）に設定した。また、開き角１６度において、チップクリアランスＣを、燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．０９％（比較例）、０．６８％（実施例）に設定した。また、開き角２０度において、チップクリアランスＣを、燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．０９％（比較例）、０．２２％（実施例）、０．４３％（実施例）、０．６７％（実施例）に設定した。また、開き角２４度において、チップクリアランスＣを、燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．０９％（比較例）、０．６６％（実施例）に設定した。

図９は、解析結果に基づくチップクリアランスＣ／燃焼ガス流路高Ｈ（％）とタービン効率（段効率）（％）との関係を示したものである。本実施形態でも同様に、開き角θが１５度以上３０度以下で、チップクリアランスＣが燃焼ガス流路高Ｈに対して０．１％以上１．００％以下の場合では高い効率を示した。これは、シュラウド３２を有するタービン動翼３１においても同様に、チップクリアランスＣが上記範囲であることで、漏れ流れＧａによってディフューザ２０の排気ケーシング２２の内周面２２ａにおける排出ガスＧ１の剥離を効果的に抑制することができることによる。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図１０及び図１１は、本発明の第３の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１０に示すように、この実施形態のガスタービン４０において、ディフューザ２０は、排気ケーシング２２の内周面２２ａで、横断部材である軸受支持部材２５より上流側となる中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側に、排出ガスＧ１を中心軸Ｓ方向に沿うように案内する案内手段４１が設けられている。図１１に示すように、案内手段４１は、具体的には断面翼形状をした翼形部材であり、断面中心線が、上流側である中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側では排出ガス流路２１の入口２１ａに周方向の速度成分を有して流入する排出ガスＧ１の流入方向に沿っているとともに、次第に中心軸Ｓ方向他方Ｓ２側に向かうに従って中心軸Ｓに沿うような曲線上に形成されている。また、翼形部材は、周方向に間隔を有して複数配列されている。このため、排出ガス流路入口２１ａから流入された排出ガスＧ１は、排気ケーシング２２の内周面２２ａ近傍（排出ガス流路２１における外周部）において翼形部材によって中心軸Ｓ方向に沿う流れとなるように案内された後に軸受支持部材２５の側方を流れるようになる。このため、排出ガス流路２１を流れる排出ガスＧ１が、周方向成分を有して横断部材である軸受支持部材２５に衝突することを抑制し、圧力損失を最小限に抑えてタービン効率（段効率）の向上をさらに図ることができる。

なお、上記においては、案内手段４１の具体的な位置としては、対象となる軸受支持部材２５の前縁よりも、当該軸受支持部材２５の中心軸Ｓ方向長さの約２０％以上、中心軸Ｓ方向一方側に離間していることが好ましい。また、案内手段４１の高さ（径方向長さ）としては、タービン動翼１３の翼高さの５％以上とすることが好ましい。また、案内手段４１を構成する翼形部材の中心軸Ｓ方向長さとしては、内周面２２ａから突出する高さの１〜３倍とすることが好ましい。また、互いの翼形部材の間隔としては、中心軸Ｓ方向長さの０．５〜１．５倍とすることがより好ましい。また、本実施形態においては、案内手段４１が排気ケーシング２２の内周面に設けられるものとしたが、保護ケーシング２３の外周面に設けられるものとしても良く、また、両面に設けられるものとしても良い。

また、上記においては、横断部材である軸受支持部材２５と、案内手段４１である翼形部材とが別部材として構成されているものとしたが、これに限るものではなく、軸受支持部材２５と案内手段とが一体的に構成されていても良い。すなわち、図１２に示すように、軸受支持部材２５は、中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側の縁部２５ａが、中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側に向かうに従って次第に、排出ガス流路２１の入口２１ａに流入する排出ガスＧ１の流れに沿うように中心軸Ｓに沿って傾斜するように設けられて、当該縁部２５ａにより案内手段４２を構成している。このようにすることで、排出ガスＧ１は、案内手段４２を構成する縁部２５ａによって中心軸Ｓ方向に沿うように案内された後に、軸受支持部材２５の本体部分２５ｂの側方を流れることとなり、同様の効果を奏する。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１３及び図１４は、本発明の第４の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１３に示すように、この実施形態のガスタービン５０において、ディフューザ２０は、排気ケーシング２２の内周面２２ａで、横断部材である軸受支持部材２５より下流側となる中心軸Ｓ方向他方Ｓ２側に、局所的に排出ガスＧ１に渦を発生させる渦発生手段５１が設けられている。図１４は、内周側から外周側に向かって排気ケーシング２２の内周面２２ａの一部を径方向視した平面図である。図１３及び図１４に示すように、渦発生手段５１は、具体的には、内周面２２ａから突出する突起であり、径方向視して中心軸Ｓから傾斜して細長に形成されている。本実施形態では、断面輪郭が一方において直線状を呈するとともに、他方において円弧状を呈している。そして、このような渦発生手段５１を構成する突起は、周方向に等間隔に、同じ向きで、中心軸Ｓに対して同じ傾斜角度で傾斜して配設されている。

本実施形態のガスタービン５０においてディフューザ２０の排出ガス流路２１を流通する排出ガスＧ１は、軸受支持部材２５の側方から中心軸Ｓ他方Ｓ２側へと流れた後、排気ケーシング２２の内周面２２ａに沿う流れのうち、渦発生手段５１となる突起の衝突する流れについては、渦Ｇ２が形成されることなる。ここで、上記のとおり、突起が周方向に等間隔に、同じ向きで、中心軸Ｓに対して同じ傾斜角度で傾斜して配設されていることから、排気ケーシング２２の内周面近傍では、略間隔に同じ向きに流れる渦Ｇ２が形成されることとなり、当該渦Ｇ２により排気ケーシング２２の内周面近傍に流れる排出ガスＧ１が内周面から剥離してしまうのを抑制することができ、剥離よって生じる圧力損失を抑えてタービン効率（段効率）の向上をさらに図ることができる。

なお、渦発生手段５１の設けられる位置としては、横断部材である軸受支持部材２５の中心軸Ｓ方向他方側において剥離が生じるうる位置と対応付けて設定することが好ましい。具体的には、ＣＦＤ解析を実施して内周面２２ａにおける摩擦係数Ｃｆを計算し、Ｃｆが０．００２以下となる位置に設定することが好ましい。また、渦発生手段５１である突起の高さとしては、ＣＦＤ解析により排出ガスＧ１の境界層の厚みを求め、当該境界層の厚みの０．５〜１．５倍程度に設定することが好ましい。また、突起の中心軸Ｓ方向長さとしては高さの１〜３倍、互いの間隔としては長さの０．５〜３倍とすることが好ましい。

また、渦発生手段５１についても、排気ケーシング２２の内周面に限られるものではなく、保護ケーシング２３の外周面に設けるものとしてもよく、また、両面に設けられるものとしても良い。また、渦発生手段５１を構成する突起としては、上記に限るものではない。図１５は、渦発生手段５１の変形例を示し、図１４同様に内周側から外周側に向かって排気ケーシング２２の内周面２２ａの一部を径方向視した平面図である。すなわち、例えば図１５に示すように、渦発生手段５１を構成する突起を２つ一組として中心軸Ｓを対称線として互いに向かい合うように傾斜させて配列させるものとしても良い。このようにすることで、向きの異なる渦Ｇ２が交互に形成されて、これによって剥離を効果的に抑制することができる。

また、突起の形状としても、図１４や図１５に示すような形状に限られるものではない。図１６に示すように、様々な形状が選択可能である。例えば、図１６（ａ）の渦発生手段５２では、周方向視して断面翼形状を呈する本体部５２ａと、本体部５２ａを周面から離間して支持する支柱５２ｂとを有する構成となっている。また、図１６（ｂ）に示す渦発生手段５３ように、三角錐状で、上流側から衝突する流れが下流側に向かって分岐するように形成されるものや、図１６（ｃ）に示す渦発生手段５４のように、同様に三角錐状で、上流側から衝突する流れが下流側に向かって周面から離間するように案内される斜面５４ａが形成されるとともに、側方を流れる流れが下流側へ合流するように形成されるものとしても良い。また、図１６（ｅ）に示す渦発生手段５５のように、三角形状の板が、上流側となる下流側に向かうに従って次第に周面から張り出すように形成されていても良い。また、図１６（ｄ）、図１６（ｆ）、図１６（ｇ）に示す渦発生手段５６、５７、５８のように、上流側からの流れの内、周面より離間した流れが周面に沿うように案内する傾斜面５６ａ、５７ａ、５８ａを有するとともに、周面に沿う流れが傾斜面５６ａ、５７ａ、５８ａの下側で側方に案内されるように形成されていても良い。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図１７は、本発明の第５の実施形態を示したものである。なお、この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１７に示すように、この実施形態のガスタービン６０では、ロータ６１と、ロータ６１の外周側に設けられたタービンケーシング６３と、タービンケーシング６３の内部においてロータ６１に取り付けられたタービンランナー６４と、タービンケーシング６３に対してロータ６１の中心軸Ｓに沿う方向に接続された略筒状のディフューザ６５とを備える。

タービンケーシング６３には、環状で、径方向外周側及び内周側に連通し、燃焼ガス流路の一部を構成する第一流路６３ａが形成されており、該第一流路６３ａ内には放射状にタービン静翼６６が設けられている。タービンケーシング６３の外周側には、吸込ケーシング６７が設けられており、該吸込ケーシング６７内の吸込流路６７ａが第一流路６３ａの外周側で連通しており、第一流路６３ａ内に径方向に外周側から内周側に向かって作動流体として燃焼ガスＧを供給することが可能となっている。

また、タービンランナー６４は、ロータ６１に取り付けられたディスク７０と、ディスク７０に取り付けられたタービン動翼７１とを有する。ディスク７０のタービン動翼７１が取り付けられた外周面７０ａは、外周側で径方向に沿うとともに、外周側から内周側に向かうに従って、次第に中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側から他方Ｓ２側へと向かうように湾曲形成されており、タービンケーシング６３のディスク７０と対向する内周面６３ｂも対応する湾曲形状を呈している。

また、タービン動翼７１は、タービンケーシング６３の内周面６３ｂと所定のチップクリアランスＣを有している。そして、ディスク７０とタービンケーシング６３との間に形成されタービン動翼７１が配された空間は、第一流路６３ａとともに燃焼ガス流路を構成する第二流路６４ａとして、外周側で第一流路６３ａと径方向に連通して燃焼ガスＧが外周側から内周側に向かって流入するとともに、該燃焼ガスＧを中心軸Ｓ方向に沿うように案内し中心軸Ｓ方向他方Ｓ２側に向かって排出ガスＧ１として排出させる。ディフューザ６５は、内部を排出ガス流路６５ａとして第二流路６４ａと連通しており、第二流路６４ａから排出された排出ガスＧ１を中心軸Ｓ方向一方Ｓ１側から他方Ｓ２側に向かって排出させる。

そして、本実施形態のガスタービン６０のような半径流ガスタービンにおいても、排出ガス流路６５ａの入口６５ｂから出口６５ｃ側へと向かって、開き角θが１５度以上３０度以下で拡径するように設定されている。なお、開き角θの定義は、第一の実施形態と同様であり、排出ガス流路６５ａの入口６５ｂと、入口６５ｂから中心軸Ｓに沿って他方Ｓ２側に、該入口６５ｂの入口流路高Ｂの１．５倍だけ異なる位置とを結んだ線と、前記中心軸Ｓとがなす角度として定義される。また、チップクリアランスＣも、第１の実施形態同様にタービン動翼７１の後縁の位置における燃焼ガス流路の第二流路６４ａの燃焼ガス流路高Ｈに対して、０．１％以上１．０％以下となる大きさに設定されている。

以上、本実施形態のガスタービン６０の構成について説明したが、本実施形態のような半径流ガスタービンにおいても、開き角θ及びチップクリアランスＣを上記のように設定することで、第１の実施形態同様の効果を奏する。また、第２、第３の実施形態のように、排出ガス流路６５ａ内に横断部材を設け、案内手段や渦発生手段を設けるものとしても良い。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、上記各実施形態では、軸受支持部材２５を横断部材として説明したが、マンホール２６についても同様に横断部材として、案内手段や渦発生手段を適用するものとしても良い。

１、３０、４０、５０、６０ ガスタービン（タービン）
２、６１ ロータ
１０ タービン本体
１１、６３ タービンケーシング（ケーシング）
１２、６６ タービン静翼（静翼）
１３、３１、７１ タービン動翼（動翼）
１４、６３ａ、６４ａ 燃焼ガス流路（作動流体流路）
２０、６５ ディフューザ
２１、６５ａ 排出流体流路
４１、４２ 案内手段
５１、５２、５３、５３、５６、５７ 渦発生手段
Ｃ チップクリアランス
Ｓ 中心軸
θ 開き角

Claims (5)

1. 中心軸回りに回転可能なロータと、
   該ロータの外周に配設された略筒状で、内部に前記中心軸方向一方側から他方側に向かって流体が流通する作動流体流路を形成するケーシング、該ケーシングの内周面に複数設けられる静翼、及び、該静翼の前記中心軸方向他方側に複数設けられる動翼を有するタービン本体と、
   該タービン本体の前記ケーシングと接続され、略筒状で前記中心軸方向一方側から他方側に向かって次第に拡径するように形成された排気ケーシング、及び該排気ケーシングの内部に配設された略筒状の保護ケーシングを有し、前記排気ケーシングと前記保護ケーシングとの間に前記流体を排出させる断面環状の排出流体流路を形成するディフューザとを備え、
   前記排気ケーシングは、内周面の周方向同位置で、前記排出流体流路の入口と、前記排出流体流路の入口から前記中心軸に沿って他方側に該入口の流路高の１．５倍だけ異なる位置とを結んだ線と、前記中心軸とがなす開き角度が、２０度以上２８度以下に設定され、
   前記動翼のうち、前記ディフューザに最も近接するものは、先端に略板状に張り出すシュラウドが設けられておらず、前記ケーシングの内周面との間に形成するチップクリアランスが、当該動翼の位置における前記作動流体の流路高の０．１５％以上０．４５％以下に設定されていることを特徴とするタービン。
2. 中心軸回りに回転可能なロータと、
   該ロータの外周に配設された略筒状で、内部に前記中心軸方向一方側から他方側に向かって流体が流通する作動流体流路を形成するケーシング、該ケーシングの内周面に複数設けられる静翼、及び、該静翼の前記中心軸方向他方側に複数設けられる動翼を有するタービン本体と、
   該タービン本体の前記ケーシングと接続され、略筒状で前記中心軸方向一方側から他方側に向かって次第に拡径するように形成された排気ケーシング、及び該排気ケーシングの内部に配設された略筒状の保護ケーシングを有し、前記排気ケーシングと前記保護ケーシングとの間に前記流体を排出させる断面環状の排出流体流路を形成するディフューザとを備え、
   前記排気ケーシングは、内周面の周方向同位置で、前記排出流体流路の入口と、前記排出流体流路の入口から前記中心軸に沿って他方側に該入口の流路高の１．５倍だけ異なる位置とを結んだ線と、前記中心軸とがなす開き角度が、１６度以上２４度以下に設定され、
   前記動翼のうち、前記ディフューザに最も近接するものは、先端に略板状に張り出すシュラウドが設けられており、前記ケーシングの内周面との間に形成するチップクリアランスが、当該動翼の位置における前記作動流体の流路高の０．２２％以上０．６８％以下に設定されていることを特徴とするタービン。
3. 請求項１または請求項２に記載のタービンにおいて、
   前記排出流体流路には、径方向に横断するとともに、断面翼形状を呈し、断面幅が最大となる位置が、前記排出流体流路の前記入口から、前記中心軸方向に沿って該入口の流路高の１．５倍以上離れた位置となるように横断部材が設けられていることを特徴とするタービン。
4. 請求項３に記載のタービンにおいて、
   前記ディフューザの前記排出流体流路に面する周面で、前記横断部材よりも前記中心軸方向一方側には、前記流体を該中心軸方向に沿うように案内する案内手段が設けられていることを特徴とするタービン。
5. 請求項３または請求項４に記載のタービンにおいて、
   前記ディフューザの前記排出流体流路に面する周面で、前記横断部材よりも前記中心軸方向他方側には、局所的に前記流体に渦を発生させる渦発生手段が設けられていることを特徴とするタービン。

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