(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンのための排ガスディフューザ（１０）であって、
ディフューザ出口に向かって広がる流れダクト（２２）を有し、その中心に、軸方向に延伸するガイド体（１４）を備え、
前記ガイド体（１４）が、少なくともその長手方向延伸部の軸方向のセクションにおいて、円周にわたって配分されかつガイド要素（３２）の間に設けられたいくつかの凹所（３０）を備えてなる、排ガスディフューザにおいて、
各ガイド要素（３２）は、前記ガイド体（１４）の長手方向延長部に沿って、螺旋状の線に沿って延在することを特徴とする排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項２】
前記ガイド体（１４）は、前記排ガスディフューザ（１０）の中心軸（１６）に対して垂直に設けられた断面輪郭を備え、該断面輪郭は星型をしており、その稜角はそれぞれの前記ガイド要素（３２）によって形成されている、請求項１に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項３】
各ガイド要素は、前記排ガスディフューザ（１０）の中心軸（１６）から半径方向外側に突出する先端部（３６）を備え、
前記排ガスディフューザ（１０）の前記中心軸（１６）への前記先端部（３６）の最短距離は、前記ディフューザ出口（２０）への軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなる、請求項１又は２に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項４】
各凹所（３０）は、半径方向内側に設けられた底部（３８）を備え、
前記排ガスディフューザ（１０）の中心軸（１６）への前記底部（３８）の最短距離は、前記ディフューザ出口（２０）への軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなる、請求項１から３のいずれか一項に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項５】
凹所（３０）とガイド要素（３２）とを有する前記ガイド体（１４）の軸方向の前記セクションが、前記ガイド体（１４）の軸方向の延伸部全体にわたって延伸する、請求項１から４のいずれか一項に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項６】
前記ガイド要素（３２）の数が、ガスタービンロータをタービン側で軸受けするために備わっているベアリング支柱（２６）の数と同じである、請求項１から５のいずれか一項に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項７】
各ガイド要素（３２）は、前記排ガスディフューザ（１０）の貫流方向で見て、前記ベアリング支柱（２６）を一直線に延長して設けられている、請求項６に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項８】
前記ベアリング支柱（２６）の軸方向のセクション（Ａ）において、該ベアリング支柱（２６）の間に、円周方向に弓状になっている内壁輪郭が備わっており、
前記排ガスディフューザ（１０）の中心軸（１６）への前記内壁輪郭の最短距離は、前記ディフューザ出口への軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなる、請求項６又は７に記載の排ガスディフューザ（１０）。 
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載の排ガスディフューザ（１０）を有するガスタービン設備。 
【請求項１０】
前記排ガスディフューザ（１０）に後置された熱回収蒸気発生器を有する、請求項９に記載のガスタービン設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ディフューザ出口に向かって広がる流れダクトであって、その中心に、軸方向に延伸するガイド体が備わっている流れダクトを有する、ガスタービンのための排ガスディフューザに関する。
【背景技術】
【０００２】
そのような排ガスディフューザは、ガスタービンの排ガス流を遅くし、かつ動圧の少なくとも一部を再利用するために用いられる。１０度以上の比較的大きな開口角を有する排ガスディフューザを挙げれば、たとえば特許文献１から、ディフューザダクトの中心に、軸方向に延伸するガイド体を備えることが知られている。ガイド体を用いることによって、排ガスディフューザは、リングディフューザとして形成される。それによって、ガスタービンハブの後方で還流区域の領域がより大きくなるのが回避され、このことが排ガスディフューザの効率に有利に作用する。しかしながら不利なのは、ガイド体が比較的長く、それゆえ付加的な支柱によって支えられなくてはならないということである。さらに、ベアリング支柱の空気力学的影響が、無視されている。
【０００３】
さらに特許文献２から、側面に、回転不能に設けられた多数のブレードが備わっている中心ドラム体を有する、ガスタービンの排ガスディフューザが知られている。ブレードは、わずかな圧力低下の際に、ガスタービンの排ガス流を均等にするために用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】独国特許出願公開第１９８０５１１５号公報
【特許文献２】米国特許第５７９１１３６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
それゆえ本発明の課題は、ガスタービンのできる限り高い効率を達成するために圧力再利用の改善を可能にする、ガスタービンのための省スペース排ガスディフューザを提供することである。さらに本排ガスディフューザは、ディフューザ流出流の均等化を可能にし、その結果ガスタービンに後置されている熱回収蒸気発生器において、ガスタービンからの熱い排ガスができる限り均一に流入する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
この課題は、本発明に従えば、請求項１の特徴を有する排ガスディフューザによって解決される。そのために当該分野に係る排ガスディフューザのガイド体は、少なくともその長手方向延伸部の軸方向のセクションにおいて、円周にわたって配分されかつガイド要素の間に設けられたいくつかの凹所を備え、各ガイド要素は、螺旋状の線に沿って延伸する。
【０００７】
本発明は、ハブ端部後方での混合を強化し、かつそれでハブ後方の還流区域の長さをさらに短縮するために、流入流がねじれる際に後方のベアリングスターのベアリング支柱で引き起こされる二次流を利用するべきであるという認識に基づいている。このために、ほぼ円錐状あるいは円筒状の物体として形成されている、排ガスディフューザのガイド体は、二次流を最適に誘導しかつ強化するために、円周にわたって配分される凹所とガイド要素とを備える。二次流は、ベアリング支柱の圧力側からの流体を、螺旋状のコースで誘導する。凹所とガイド要素とを用いることによって、二次流は、ディフューザの中心軸により近づくことができ、ベアリング体は、その効率を減じることなく、従来技術よりも短く形成され得る。ベアリング体の長さをより短縮することによって、当該ベアリング体は、任意に形成され得る。本発明の特別な利点は、ハブ側の凹所を使って流体をハブ軸にさらに近づけてガイドし、そうしてハブ後方の還流区域の大きさと特に長さとをさらに削減するために、配置されたおよび／あるいはプロフィルされたベアリング支柱で生じる二次流を利用することにある。これにより、排ガスディフューザの効率はさらに高まることになる。
【０００８】
中心軸に対して配置された、ガイド要素の配列（傾斜）によって、流れのねじれを取るための、極めて効率的かつ省スペースの構成が提供される。その際螺旋状の線の傾斜は比較的大きく、その結果螺旋状の線は、排ガスディフューザの中心軸に対してほんのわずかだけ傾斜している。傾斜は、その延長するに従って小さくなってもよい。しかし好適には、排ガスディフューザからのできる限りねじれの少ない流出流を維持するために、傾斜は大きくなる。この構造は特に、ガイド要素の数が、排ガスディフューザにおいてあるいはそのすぐ上流でガスタービンロータをタービン側で軸受けするために備わっているベアリング支柱の数と同じであるアキシャル排ガスディフューザで有利である。
【０００９】
有利な形態においては、ガイド体は、排ガスディフューザの中心軸に対して垂直に設けられた断面輪郭を備え、当該断面輪郭は星型をしており、その稜角はそれぞれのガイド要素によって形成されている。星型の断面輪郭によって、リングディフューザとして形成された排ガスディフューザの内壁の強度をはるかに高いものにできる。流れで振動しがちなガイド体の傾向は、それによってはるかに減少する。それゆえ、ガイド体を片側だけで固定されたものとして構成することも可能であり、その結果ディフューザ出口に対向するその端部は、排ガスディフューザにおいて自由に揺動して突き出ている。空気力学的に障害となりコストを上げる、ガイド体の流出側の支持体は、それゆえ、より高まったガイド体の剛性によって回避され得る。
【００１０】
合理的なさらなる形態においては、各ガイド要素は、排ガスディフューザの中心軸から半径方向外側に突出する外側先端部を備え、中心軸への当該外側先端部の最短距離（すなわち、中心軸に対して垂直に設けられた断面における）は、ディフューザ出口への軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなる。その際各凹所は、半径方向内側に設けられた底部を備え、中心軸への当該底部の最短距離（すなわち、中心軸に対して垂直に設けられた断面における）は、ディフューザ出口への軸方向の距離が縮小するにつれて同様に小さくなる。これによって、排ガスディフューザの流れ断面の拡大が、ハブ側でも達成され、排ガスディフューザの軸方向の構造長をさらに短縮するのに貢献する。そのため、流れ断面の増加は、単に排ガスディフューザの外側リング壁の直径を大きくすることによってのみ達成される必要はない。この処置も、排ガスディフューザの軸方向の構造長を減少させる。
【００１１】
好適には各ガイド要素は、排ガスディフューザの流れ方向で見て、ベアリング支柱を一直線に延長して設けられている。特にこれによって可能なのは、ハブ端部後方での混合を強化し、かつ圧力再利用の改善を達成するために、流入流がねじれる際に後方のベアリングスターのベアリング支柱で引き起こされる二次流を利用することである。特にベアリング支柱の圧力側に沿った二次流の渦は、空気力学的に特に都合よくガイド体の凹所にガイドされ得、比較的わずかな空気力学的損失のみを伴うに過ぎない。その際意図され得るのは、ベアリング支柱が設けられている、排ガスディフューザの軸方向のセクションにおいて、ガイド体が、支柱の間に、円周方向に弓状になっている内壁輪郭を備え、排ガスディフューザの中心軸への当該内壁輪郭の最短距離は、ディフューザ出口への軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなるということである。言い換えれば、ベアリング支柱に隣接するガイド体のみが円錐状に形成されていてよいだけでなく、リング状の排ガスディフューザの内壁も、ベアリング支柱の軸方向のセクションですでに円錐状に形成されていてよく、その際その直径は、排ガスディフューザの出口側の端部に対して減少する。
【００１２】
特に、排ガス側で排ガスディフューザを介して熱回収蒸気発生器がガスタービンに後置されている場合には、熱回収蒸気発生器あるいは熱回収ボイラへの付属する蒸気管が短縮されることによって、省資源が達成される。横置きあるいは縦置きの構造における、対応する熱回収蒸気発生器あるいはボイラは、比較的小さい熱面積で構成されていてよい。なぜなら、当該熱面積は、流入流が比較的均一あるいは均等である結果、これまでよりも良好に利用されるからである。それによって、ボイラの排ガス側の圧力損失が低下し、ガスタービンの効率を上げる結果になる。
【００１３】
本発明の実施例は、図に基づいてより詳細に説明される。図に示されるのは以下である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】中央に設けられたガイド体を有する、ガスタービンの排ガスディフューザの、一部は断面図で一部は斜視図である。
【図２】図１に記載のガイド体を通る横断面の第１断面図である。
【図３】図１に記載のガイド体の第２断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１には、ガスタービンのための排ガスディフューザ１０の縦断面図が表わされており、この図において、排ガスディフューザ１０の中心には、ベアリングスター１２が斜視図法によって示されている。ベアリングスター１２は、ガスタービンロータと前記ベアリングスターに設けられたガイド体１４とをタービン側で支持するために、該排ガスディフューザ１０の中心に設けられている。排ガスディフューザ１０は、その中心にある中心軸１６を備え、当該中心軸１６は、流入側端部１８から流出側端部２０まで延伸している。排ガスディフューザ１０内には流れダクト２２が備わっており、中心軸に対して垂直に存在する、当該流れダクト２２の断面は、リング輪郭を備える。その際流れダクト２２は、半径方向外側に設けられた外壁２４によって画定されている。排ガスディフューザ１０の中心、すなわちその中心軸１６の領域において、ガイド体１４が設けられており、その際、半径方向内側に設けられた、流れダクト２２の境界となっている。その際ガイド体１４は、円周にわたって均等にあるいは不均等にも配分される５つのベアリング支柱２６によって支えられる。ベアリング支柱２６が設けられてもいる、排ガスディフューザ１０の軸方向のセクションＡにおいて、ガイド体の内部で、明快性の理由から表わされていない、ガスタービンロータのタービン側の端部が終わっている。セクションＡの上流では、すなわち流入側端部１８に向かって、ガイド体１４は円筒状に形成されている。意図されているのは、すでにセクションＡにおいて、ガイド体１４は、ベアリング支柱２６の間で、円筒状の内壁輪郭を備えていないということであり、むしろすでに当該箇所に、大きくなる（深くなる）凹所３０が備わっているということである。セクションＡの下流では、ガイド体１４の円周にわたって配分される凹所３０が、ガイド要素３２によって画定され、その結果凹所３０とガイド要素３２とが交互に、接線方向に設けられている。その際ガイド要素３２の数は、ベアリング支柱２６の数に相当し、表わされている実施例においては、それぞれ５つのガイド要素３２とベアリング支柱２６とが備わっている。それより多いあるいは少ないガイド要素３２もしくはベアリング支柱２６が備わっていてよい。ベアリング支柱２６が円周にわたって不均等に配分されている場合には、凹所３０とガイド要素３２とは、流入側でそれに応じて不均等に配分されている。流出側ではいずれの場合でも、これらが均等に配分されていることが好ましい。周知のように、ベアリング支柱２６は、空気力学的にプロフィルされている。それによってベアリング支柱２６は、タービンブレードとコンプレッサブレードとによっても知られる所定の流出角を備え、当該流出角が空気力学的に一直線に続く中で、ガイド要素３２は中心軸に対して傾いて、排ガスディフューザ１０の流出側出口２０に向かってねじれている。各ガイド要素３２は、外側に向かって突出する先端部３６を備え、当該先端部３６の最外点が、中心軸１６に対して垂直に存在する任意の各断面にとっての、排ガスディフューザ１０の中心軸への最短距離を備え、当該最短距離は、ディフューザ出口２０への断面の軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなる。同じことが、各凹所に当てはまる。半径方向内側に設けられた底部３８の、中心軸１６への最短距離は、ディフューザ出口への軸方向の距離が縮小するにつれて小さくなる。それによって、ガイド体１４は、そのセクションＡの下流で、全体的に円錐状の外見を維持し、これにより、排ガスが貫流しない、ガイド体の内部断面が、小さくなり続けることになる。ガイド体の端部には、それに応じて比較的短くかつ弱く形成されている還流領域に誘導できる、比較的小さい断面だけが残される。
【００１６】
図２と図３には、図１の切断面ＩＩとＩＩＩとに従った、中心軸１６に対して垂直に設けられた、ガイド体１４の断面図が表わされている。その際同一の特徴には、同一の符号が備わっている。
【００１７】
全体的に本発明は、ディフューザ出口２０に向かって広がる流れダクト２２であって、その中心に、軸方向に延伸するガイド体１４が備わっている流れダクト２２を有する、ガスタービンのための排ガスディフューザ１０を提供する。ガイド体１４が特に高い強度を備え、かつ流れによって振動しがちな傾向が減少している、さらに短縮された排ガスディフューザ１０を提供するために、ガイド体１４は、少なくともその長手方向延伸部の軸方向のセクションにおいて、円周にわたって配分されかつガイド要素３２の間に設けられたいくつかの凹所３０を備えることが、意図されている。
【符号の説明】
【００１８】
１０  排ガスディフューザ
１２  ベアリングスター
１４  ガイド体
１６  中心軸
１８  流入側端部
２０  ディフューザ出口
２２  流れダクト
２４  外壁
２６  ベアリング支柱
３０  凹所
３２  ガイド要素
３６  先端部
３８  底部
Ａ  セクション
【図１】
0005592000.tif 000002
【図２】
0005592000.tif 000003
【図３】
0005592000.tif 000004