(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械（１０）におけるディフューザ（２００、４００）であって、
ガスが流入し、その中を進むにつれて拡散して、前記ガスの運動エネルギが減少すると共に圧力が増加するように設定された流路（２３６、４３６）を成す内壁（２２２、４２２）および外壁（２２４、４２４）を備えており、前記外壁（２２４、４２４）が、第１および第２の軸方向セクション（２２４Ａ、２２４Ｂ、４２４Ａ、４２４Ｂ）と、前記第１および第２の軸方向セクション（２２４Ａ、２２４Ｂ、４２４Ａ、４２４Ｂ）を接合する段付きセクション（２２４Ｃ、４２４Ｃ）とを備えている拡散構造（２２０、４２０）と、
前記外壁（２２４、４２４）の段付きセクション（２２４Ｃ、４２４Ｃ）の下流に配置されて、前記外壁（２２４、４２４）の段付きセクション（２２４Ｃ、４２４Ｃ）の下流に位置する分離したガスの還流領域（Ｚ１、Ｚ２）を安定化させる、第１の安定化構造（２４０、４３０）とを含んでおり、
前記外壁（２２４、４２４）の段付きセクション（２２４Ｃ、４２４Ｃ）の下流に位置する前記第１の安定化構造（２４０、４３０）は、更に詳細には、前記外壁（２２４、４２４）からその半径方向にかつその周方向に延在するように設けられて、前記外壁（２２４、４２４）の段付きセクション（２２４Ｃ、４２４Ｃ）の下流に位置する前記分離したガスの還流領域（Ｚ１、Ｚ２）を安定化させる、有孔板（２４２、４３２）を含んでおり、
前記有孔板（２４２、４３２）は、更に詳細には、前記内壁および前記外壁（２２２、２２４、４２２、４２４）によって画成された前記流路（２３６、４３６）へと前記外壁（２２４、４２４）からその半径方向に延在する孔であって当該有孔板を貫通すると共に前記流路（２３６、４３６）へと通じる孔を有していて、前記流路（２３６、４３６）を流れるガスが当該有孔板（２４２、４３２）の前記孔を通過可能であるように設けられている
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項２】
ターボ機械（１０）におけるディフューザ（２０）であって、
ガスが流入し、その中を進むにつれて拡散して、前記ガスの運動エネルギが減少すると共に圧力が増加するように設定された流路（３６）を成す内壁および外壁（３２、３４）を備えており、前記外壁（３４）が、第１および第２の軸方向セクション（３４Ａ、３４Ｂ）と、前記第１および第２の軸方向セクション（３４Ａ、３４Ｂ）を接合する段付きセクション（３４Ｃ）とを備えている拡散構造（３０）と、
前記外壁（３４）の段付きセクション（３４Ｃ）の下流に配置されて、前記外壁（３４）の段付きセクション（３４Ｃ）の下流に位置する分離したガスの還流領域（Ｚ１）を安定化させる第１の安定化構造（４０）とを含んでおり、
前記第１の安定化構造（４０）が、前記外壁を貫通して延びて前記流路（３６）における前記外壁（３４）の段付きセクション（３４Ｃ）の下流の領域に連通して、前記外壁（３４）の段付きセクション（３４Ｃ）の下流に位置する前記分離したガスの還流領域（Ｚ１）を安定化させるようにした、第１端部および第２端部（４０Ｂ、４０Ｃ）を有する、少なくとも１つの吸込管（４０Ａ）を含んでおり、
前記第２端部（４０Ｃ）は、前記外壁の第１の軸方向セクション（３４Ａ）の部分を貫通し、前記外壁（３４）の段付きセクション（３４Ｃ）よりも上流の領域における前記流路（３６）に連通しており、前記第２端部（４０Ｃ）付近を通過するガスの流れによって前記少なくとも1つの吸込管（４０Ａ）に吸込み作用を生じせしめ、当該吸込み作用で以て、前記還流領域（Ｚ１）における前記分離したガスを、前記第１端部（４０Ｂ）から前記少なくとも１つの吸込管（４０Ａ）によって吸い込んで除去することにより、前記分離したガスの還流領域（Ｚ１）を安定化せしめるように設定されており、
前記拡散構造（３０）は、更に、当該拡散構造（３０）の前記内壁と前記外壁（３２、３４）との間に延びる少なくとも１つの支柱（６０）を含んでおり、かつ、前記少なくとも１つの吸込管（４０Ａ）の前記第２端部（４０Ｃ）が、前記少なくとも１つの支柱（６０）の下流寄り（６０Ａ）に配置されていて、前記還流領域（Ｚ１）から除去されたガスが前記少なくとも１つの吸込管（４０Ａ）を介して前記少なくとも１つの支柱（６０）の下流寄りに送り込まれるようにした
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項３】
請求項１または２記載のターボ機械におけるディフューザ（２０、２００、４００）において、
前記外壁（３４、２２４、４２４）の前記第２の軸方向セクション（３４Ｂ、２２４Ｂ、４２４Ｂ）が、前記外壁の第１の軸方向セクション（３４Ａ、２２４Ａ、４２４Ａ）の内径よりも大きな内径を備えた
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項４】
請求項１または２記載のターボ機械におけるディフューザ（２０、２００、４００）において、
前記内壁（３２、２２２、４２２）が、第１の軸方向セクション（３２Ａ、２２２Ａ、４２２Ａ）と、前記第１の軸方向セクション（３２Ａ、２２２Ａ、４２２Ａ）の下流に位置する段付きセクション（３２Ｂ、２２２Ｂ、４２２Ｂ）とを含む
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項５】
請求項４記載のターボ機械におけるディフューザ（２０、２００、４００）において、
前記内壁（３２、２２２、４２２）の段付きセクション（３２Ｂ、２２２Ｂ、４２２Ｂ）の下流に位置する分離したガスの還流領域（Ｚ２、Ｚ３）を安定化させるための、前記内壁（３２、２２２、４２２）の段付きセクション（３２Ｂ、２２２Ｂ、４２２Ｂ）に関与する第２の安定化構造（５０、２５０、４４０）を、更に含む
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項６】
請求項５記載のターボ機械におけるディフューザ（４００）において、
前記第２の安定化構造（４４０）が、前記内壁（４２２）の段付きセクション（４２２Ｂ）に隣接して配置されて、前記内壁（４２２）の段付きセクション（４２２Ｂ）の下流に位置する前記分離したガスの還流領域（Ｚ２）を安定化させる、有孔板（４４２）を含む
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項７】
請求項５記載のターボ機械におけるディフューザ（２００）において、
前記第２の安定化構造（２５０）が、前記内壁（２２２）の段付きセクション（２２２Ｂ）の下流に位置する分離したガスの還流領域（Ｚ３）を安定化させるための、前記内壁（２２２）の段付きセクション（２２２Ｂ）に関与する少なくとも１つのヘルムホルツダンパ（２５０Ａ、２５０Ｂ）を含む
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項８】
ターボ機械（１０）におけるディフューザ（４００、６００）であって、
ガスが流入し、その中を進むにつれて拡散して、前記ガスの運動エネルギが減少すると共に圧力が増加するように設定された流路（４３６、６３６）を成す内壁および外壁（４２２、４２４、６２２、６２４）を備えており、前記内壁（４２２、６２２）が、第１の軸方向セクション（４２２Ａ、６２２Ａ）と、前記第１の軸方向セクション（４２２Ａ、６２２Ａ）の下流に位置する段付きセクション（４２２Ｂ、６２２Ｂ）とを備えている拡散構造（４２０、６２０）と、
前記段付きセクション（４２２Ｂ、６２２Ｂ）の下流に配置されて、前記段付きセクション（４２２Ｂ、６２２Ｂ）の下流に位置する分離したガスの還流領域（Ｚ１、Ｚ２）を安定化させる安定化構造（４４０、６３０）とを含んでおり、
前記流路（４３６、６３６）は、前記内壁および前記外壁（４２２、４２４、６２２、６２４）によって画成されており、
前記安定化構造（４４０、６３０）は、更に詳細には、前記段付きセクション（４２２Ｂ、６２２Ｂ）の下流に位置する前記分離したガスの還流領域（Ｚ１、Ｚ２）を安定化させるための、前記段付きセクション（４２２Ｂ、６２２Ｂ）に隣接して配置された有孔板（４４２、６３２）を含んでおり、
前記有孔板（４４２、６３２）は、更に詳細には、所定の半径を有すると共に前記段付きセクション（４２２Ｂ、６２２Ｂ）からその軸方向に沿って前記流路（４３６、６３６）中に延在する長さを有しており、かつ、当該有孔板（４４２、６３２）を貫通すると共に前記流路（４３６、６３６）に通じる孔を有していて、前記流路（４３６、６３６）を流れるガスが当該有孔板（４４２、６３２）の孔を通過可能であるように設けられており、ここに
前記有孔板（４４２、６３２）は、流量調節器として機能して、前記分離したガスの還流領域（Ｚ１、Ｚ２）における高速の流れ構造の速度が、その還流領域（Ｚ１、Ｚ２）における低速の流れ構造の被る減速よりも大きな度合いで減速されるように設定されている
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項９】
ターボ機械（１０）におけるディフューザ（２００）であって、
ガスが流入し、その中を進むにつれて拡散して、前記ガスの運動エネルギが減少すると共に圧力が増加するように設定された流路（２３６）を成す内壁（２２２）および外壁（２２４）を備えており、前記内壁（２２２）が、第１の軸方向セクション（２２２Ａ）と、前記第１の軸方向セクション（２２２Ａ）の下流に位置する段付きセクション（２２２Ｂ）とを備えている、拡散構造（２２０）と、
前記段付きセクション（２２２Ｂ）の下流に配置されて、前記段付きセクション（２２２Ｂ）の下流に位置する分離したガスの還流領域（Ｚ３）を安定化させる安定化構造（２５０）とを含んでおり、
前記安定化構造（２５０）は、前記段付きセクション（２２２Ｂ）の下流に位置する前記分離したガスの還流領域（Ｚ３）を安定化させるための、前記段付きセクション（２２２Ｂ）に関与する少なくとも１つのヘルムホルツダンパ（２５０Ａ、２５０Ｂ）を含んでおり、ここに
前記少なくとも１つのヘルムホルツダンパ（２５０Ａ、２５０Ｂ）は、前記流路（２３６）まで軸方向に延びる減衰管を介して前記流路（２３６）に通じている、箱状の共振空洞を含んでいる
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項１０】
請求項８または９記載のターボ機械におけるディフューザ（２００、４００）において、
前記外壁（２２４、４２４）が、第１および第２の軸方向セクション（２２４Ａ、２２４Ｂ、４２４Ａ、４２４Ｂ）と、第１の軸方向セクション（２２４Ａ、４２４Ａ）と第２の軸方向セクション（２２４Ｂ、４２４Ｂ）とを接合する段付きセクション（２２４Ｃ、４２４Ｃ）と、を含む
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【請求項１１】
請求項１０記載のターボ機械におけるディフューザ（２００、４００）において、
前記外壁（２２４、４２４）の第２の軸方向セクション（２２４Ｂ、４２４Ｂ）が、前記外壁（２２４、４２４）の第１の軸方向セクション（２２４Ａ、４２４Ａ）の内径よりも大きな内径を備えた
ことを特徴とするターボ機械におけるディフューザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、その全開示が本書で援用されている、Alexander Ralph Beeckによって２００８年７月２８日に提出された「CARNOT DIFFUSER WITH DEVICES WHICH REDUCE SENSIBILITY TO INLET AND OUTLET FLOW CONDITIONS」と題する米国仮出願第６１／０８４，０７９号の特典を請求する。
【０００２】
本発明は、ターボ機械におけるディフューザに関するものであり、そのようなディフューザのうちでも特に、段付きセクションを備える拡散構造と、その段付きセクションの下流に配置されて、分離したガスの還流領域を安定化させる安定化構造とを含んだ、ディフューザに関するものである。
【背景技術】
【０００３】
従来の燃焼ガスタービンエンジンには、コンプレッサ、燃焼器、およびタービンが含まれている。コンプレッサは、外気を圧縮する。燃焼器は、圧縮空気と燃料を混合し、その混合気に点火して、作動ガスとなる燃焼生成物を発生させる。その作動ガスは、タービンに送られる。そのタービン内には、一連の静翼列と回転翼列とが設けられている。静翼列と回転翼列との対の一つ一つは、段と呼ばれる。一般に、１つのタービン内には、複数の段が存在する。回転翼は、シャフトおよびディスクアセンブリに結合されている。作動ガスが膨張してタービンを通ると、その作動ガスによって、回転翼、つまりシャフトおよびディスクアセンブリが、回転する。
【０００４】
ディフューザは、タービンの下流に配置することができる。ディフューザには、距離につれて断面積が拡大するダクトが含まれている。その断面積が拡大することにより、ディフューザは、排出ガスを減速させる働きをする。従って、排出ガスの運動エネルギは減少し、その一方で、その排出ガスの圧力は増加することになる。排出ガスがディフューザを出る前の圧力回復が大きければ大きいほど、タービン終段の排出ガス圧は低い。タービン終段の圧力が低ければ低いほど、タービン両端の圧力比が大きくなって、そのタービンから出力される仕事量が大きくなる。
【０００５】
ディフューザの入口から出口までの間で、排出ガスの圧力を大幅に上昇させると供に流速を低下させるようにすることが望ましい。１つのディフューザ内における拡散は、そのディフューザの壁からガス流が分離する場合、減少する可能性がある。従って、ディフューザの壁からのガス流の分離を最小限に抑えるようにすることが望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、拡散構造と第１の安定化構造とを含んだターボ機械のディフューザが提供される。拡散構造には、ガスが流入し、その中を進むにつれてガスが拡散して、そのガスの運動エネルギが減少する一方で圧力が増加するようになっている流路を形成する、内壁および外壁が含まれている。外壁は、第１および第２の軸方向セクションと、それら第１および第２の軸方向セクションを接合する段付きセクションとを備えたものとすることが可能である。その第１の安定化構造は、外壁の段付きセクションの下流にて分離したガスの還流領域を安定化させるために、その外壁の段付きセクションの下流に配置される。
【０００７】
実施形態の１つにおいては、安定化構造は、外壁の段付きセクションの下流に配置され、その外壁から半径方向に、かつ周方向に延在して、その外壁の段付きセクションの下流に位置する分離したガスの還流領域を安定化させる、有孔板を含んだものとすることが可能である。
【０００８】
もう１つの実施形態では、安定化構造は、外壁を貫通して延びて、外壁の段付きセクションの下流の流路領域に通じるように設けられて、その外壁の段付きセクションの下流の位置で、その外壁の段付きセクションから分離したガスの還流領域を安定化させるようにする、少なくとも１つの吸込管を含んだものとすることが可能である。
【０００９】
拡散構造は、さらに、拡散構造の内壁と外壁との間に延びる少なくとも１つの支柱を含んだものとすることが可能であり、かつ、少なくとも１つの支柱の下流領域に通じていて、その少なくとも１つの支柱の下流における高速ガスによって吸込み作用が生じるような、少なくとも１つの吸込管を含んだものとすることが可能である。
【００１０】
外壁の第２の軸方向セクションは、外壁の第１の軸方向セクションの内径よりも大きい内径を有するものとすることが可能である。
【００１１】
内壁は、第１の軸方向セクションと、その第１のセクションの下流に位置する段付きセクションとを含んだものとすることが可能である。
【００１２】
ディフューザは、さらに、内壁の段付きセクションに関して、その内壁の段付きセクションの下流に位置する分離したガスの還流領域を安定化させる、第２の安定化構造を含んだものとすることが可能である。
【００１３】
実施形態の１つにおいては、第２の安定化構造は、内壁の段付きセクションに隣接して配置されて、内壁の段付きセクションの下流に位置する分離したガスの還流領域を安定化させる、有孔板を含んだものとすることが可能である。
【００１４】
もう１つの実施形態においては、第２の安定化構造は、内壁の段付きセクションに関して、その内壁の段付きセクションの下流に位置する分離したガスの還流領域を安定化させるための、少なくとも１つのヘルムホルツダンパを含んだものとすることが可能である。
【００１５】
本発明の第２の態様によれば、拡散構造と安定化構造とを含んだ、ターボ機械におけるディフューザが提供される。その拡散構造は、ガスが流入し、その中を進むに連れて拡散して、そのガスの運動エネルギが減少する一方で圧力が増加するようになっている流路を形成する、内壁および外壁を備えたものとすることが可能である。内壁は、第１の軸方向セクションと、その第１のセクションの下流に位置する段付きセクションとを備えたものとすることが可能である。安定化構造は、段付きセクションに関して、その段付きセクションの下流に位置する分離したガスの還流領域を安定化させるためのものとすることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１の実施形態に従って構成されたディフューザを含むガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に従って構成されたディフューザを含むガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に従って構成されたディフューザを含むガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図４】本発明の第４の実施形態に従って構成されたディフューザを含むガスタービンエンジンの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明によって構成された、ターボ機械に用いられるディフューザの実施形態について、以下に述べる。図１に示されているように、ターボ機械１０は、外部ケーシング１１、コンプレッサ（不図示）、燃焼器（不図示）、および、タービン１２を含んだ可燃性ガスタービンエンジンを備えたものとすることが可能である。コンプレッサは、周囲空気を圧縮する。燃焼器は、圧縮空気と燃料とを混合し、その混合気に点火して、作動ガスとなる燃焼生成物を生じせしめる。その作動ガスは、タービン１２に送られる。タービン１２内には、一連の静翼列１４および回転翼列１６が設けられている。その静翼列と回転翼列との各対は、段と呼ばれる。図１には、タービン１２の終段１２Ａが例示されている。回転翼１６は、シャフトおよびディスクアセンブリ１８に結合されている。作動ガスがタービン内を進行すると、その作動ガスによって、回転翼１６が、従ってシャフトおよびディスクアセンブリ１８が、回転する。シャフトおよびディスクアセンブリ１８のシャフトまたはタービン軸１８Ａは、例えばジャーナル軸受のような軸受１９内で回転するように取り付けられている。軸受１９は、固定軸受ハウジング１９Ａに取り付けられており、その固定軸受ハウジング１９Ａは、さらに、複数の支柱６０を介して外部ケーシングに取り付けられている。
【００１８】
図１に例示されている本発明の第１の実施形態によれば、ディフューザ２０は、タービン終段１２Ａの下流に配置されている。そのディフューザ２０は、拡散構造３０と、第１および第２の安定化構造４０および５０とを含んでいる。拡散構造３０は、流路３６であってそれを通るタービン１２からの排出ガスＧを拡散せしめる流路３６を形成する、内壁３２および外壁３４を含んでいる。ガスＧは、拡散構造３０内で拡散するに連れて、その運動エネルギが減少する一方で圧力が増加する。
【００１９】
外壁３４には、第１および第２の軸方向セクション３４Ａおよび３４Ｂと、その第１および第２の軸方向セクション３４Ａおよび３４Ｂを接合する段付きセクション３４Ｃとが含まれている。第１の軸方向セクション３４Ａは、外側に向かって拡がったものとすることが可能であり、第２の軸方向セクション３４Ｂは、第１のセクション３４Ａの内径よりも十分に大きい内径を備えている。内壁３２は、第１の軸方向セクション３２Ａと、その第１のセクション３２Ａの下流に位置する段付きセクション３２Ｂとを含むことが可能である。拡散構造３０は、既知の「ダンプディフューザ」と同様の形状を備えている。図１には、拡散構造３０の上方部分だけが略示されている。
【００２０】
外壁の第２の軸方向セクション３４Ｂが、外壁の第１のセクション３４Ａの内径よりも十分に大きな内径を備えており、かつその第１のセクション３４Ａと第２のセクション３４Ｂとの間における内径の拡大が、段付きセクション３４Ｃの極めて短い軸方向距離内で生じることに起因して、流路３６を通る排出ガスは、外壁３４の段付きセクション３４Ｃのすぐ下流に、第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦を形成するものと考えられる。その第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦は、第２のセクション３４Ｂの内面１３４Ｂの近くで、ほぼ周方向に拡がる可能性がある。排出ガス流は、また、そのガス還流領域Ｚ1に隣接もしくは近い位置で、外壁の第２のセクション３４Ｂの内面１３４Ｂから分離する可能性があるとも考えられる。排出ガス流が外壁の第２のセクション３４Ｂの内面１３４Ｂから分離した場合には、拡散構造３０の領域における排出ガスの拡散が制限される、もしくは生じなくなり、その結果、拡散構造３０およびタービン１２の効率が低下する可能性がある。第１の安定化構造４０がなければ、ガス還流領域Ｚ1が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、ガス還流領域Ｚ1のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する（すなわち揺動する）可能性があると考えられる。ガス還流領域Ｚ1のサイズが増大すると、それに対応して、外壁の第２のセクション３４Ｂの内面１３４Ｂにおけるガス流の分離量が増加する可能性がある。さらに、ガス還流領域Ｚ1のサイズが揺動すると、拡散構造３０を通るガスのエネルギを消費することになって、不都合である。
【００２１】
第１の安定化構造４０には、１つないしはそれ以上のパイプ４０Ａであって、そのそれぞれが、外壁の第２のセクション３４Ｂを貫通して第１のガス還流領域Ｚ1の近くに位置する第１の端部４０Ｂと、外壁の第１のセクション３４Ａを貫通して流路３６に通じている第２の端部４０Ｃとを備えて、周方向に間隔をあけて配置されたパイプ４０Ａが、含まれている。高速の排出ガスが、各パイプ４０Ａの第２の端部４０Ｃに隣接して流れてそこを横切ると、その高速ガスによって、パイプ４０Ａ内に吸込み作用または部分真空が生じ、ガス還流領域Ｚ1を形成する排出ガスの一部が、パイプの第１の端部４０Ｂを介した吸込みによって除去されて、その流れ場が縮小し、その結果、タービン１２の運転中に、その軸方向、周方向、および／または、半径方向におけるガス還流領域Ｚ1のサイズが安定化する、すなわち、そのサイズの縮小および／またはサイズ変化の抑制が施されることになる。その１つないしはそれ以上のパイプ４０Ａの第２の端部４０Ｃは、第１の還流領域Ｚ1から除去された排出ガスを支柱６０の下流寄りに送り込むことができるように、その対応する支柱６０の下流側６０Ａの近くに配置することが可能である。
【００２２】
流路３６を流れる排出ガスは、内壁３２の段付きセクション３２Ｂの下流に、第２のガス還流領域Ｚ2つまり渦を生じせしめることになると考えられる。第２の安定化構造５０がなければ、第２のガス還流領域Ｚ2が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、第２のガス還流領域Ｚ2のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する可能性があると考えられる。第２のガス還流領域Ｚ2のサイズが揺動および／または増大することに起因して、流路３６を流れる排出ガスＧ内にエネルギ損失が生じ、その結果、拡散構造３０の性能が低下する、すなわち、拡散構造３０内における最大圧力上昇が制限される、もしくは生じなくなる可能性がある。拡散構造の性能が低下すると、タービン１２の効率も、やはり低下する。
【００２３】
第２の安定化構造５０には、１つないしはそれ以上のパイプ５０Ａであって、そのそれぞれが、第２のガス還流領域Ｚ2の近くに位置して内壁の段付きセクション３２Ｂを貫通する第１の端部５０Ｂと、内壁の第１の軸方向セクション３２Ａを貫通して流路３６に通じている第２の端部５０Ｃとを備えたパイプ５０Ａが、含まれている。高速の排出ガスが、各パイプ５０Ａの第２の端部５０Ｃに隣接して流れてそこを横切ると、その高速ガスによって、パイプ５０Ａ内に吸込み作用または部分真空が生じ、ガス還流領域Ｚ2を形成する排出ガスの一部がパイプの第１の端部５０Ｂを介した吸込みによって除去されて、流れ場が縮小し、その結果、タービン１２の運転中に、その軸方向、周方向、および／または、半径方向における第２のガス還流領域Ｚ2のサイズが安定化する、すなわち、そのサイズの縮小および／またはサイズ変化の抑制が施されることになる。その１つないしはそれ以上のパイプ５０Ａの第２の端部５０Ｃは、第２の還流領域Ｚ2から除去された排出ガスを支柱６０の下流寄りに送り込むことができるように、対応する支柱６０の下流側６０Ａの近くに配置することが可能である。
【００２４】
図２に例示された、本発明の第２の実施形態によれば、ディフューザ２００は、タービン終段１２Ａの下流に配置されている。そのディフューザ２００には、拡散構造２２０と、第１および第２ならびに第３の安定化構造２３０および２４０ならびに２５０とが含まれている。拡散構造２２０には、流路２３６であってタービン１２からの排出ガスがそれを通って流れて拡散する流路２３６を形成する、内壁２２２および外壁２２４が含まれている。拡散構造２２０内でガスが拡散するに連れて、その運動エネルギは減少する一方、圧力は増加する。外壁２２４には、第１および第２の軸方向セクション２２４Ａおよび２２４Ｂと、その第１および第２の軸方向セクション２２４Ａおよび２２４Ｂを接合する第３の段付きセクション２２４Ｃとが含まれている。第２の軸方向セクション２２４Ｂは、第１のセクション２２４Ａの内径よりも十分に大きな内径を備えている。
【００２５】
タービン外壁１２Ｂの端部１２Ａと外壁２２４の第１の軸方向セクション２２４Ａとの間に段付きセクション２１２Ａが形成されていることは、注目されるべきである。
【００２６】
内壁２２２は、第１の軸方向セクション２２２Ａと、その第１のセクション２２２Ａの下流に位置する段付きセクション２２２Ｂとを含んだものとすることが可能である。図２には、拡散構造２２０の上方部分だけが略示されている。
【００２７】
タービン外壁１２Ｂの端部１２Ａと外壁２２４の第１の軸方向セクション２２４Ａとの間に段付きセクション２１２Ａが設けられていることに起因して、通路２３６を流れる排出ガスは、段付きセクション２１２Ａのすぐ下流に第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦を形成すると考えられる。さらに、外壁の第２の軸方向セクション２２４Ｂが、外壁の第１のセクション２２４Ａの内径よりも十分に大きな内径を備えており、かつ第１のセクション２２４Ａと第２のセクション２２４Ｂとの間における内径の拡大が、段付きセクション２２４Ｃにおける極めて短い軸方向距離で生じることになるので、流路２３６を通る排出ガスは、外壁２２４の段付きセクション２２４Ｃのすぐ下流に、第２のガス還流領域Ｚ2つまり渦を形成すると考えられる。第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦は、第１のセクション２２４Ａの内面３２４Ａの近くで、そのほぼ周方向に拡張する可能性があり、また他方、第２のガス還流領域Ｚ2つまり渦は、第２のセクション２２４Ｂの内面３２４Ｂの近くで、そのほぼ周方向に拡張する可能性がある。
【００２８】
排出ガス流は、ガス還流領域Ｚ1およびＺ2に隣接した、またはそれに近い位置で、外壁の第１および第２のセクション２２４Ａおよび２２４Ｂの内面３２４Ａおよび３２４Ｂから分離する可能性がある。排出ガス流が外壁の第１および第２のセクション２２４Ａおよび２２４Ｂの内面３２４Ａおよび３２４Ｂから分離した場合には、拡散構造２２０の領域内における排出ガスの拡散が制限される、もしくは生じなくなり、その結果、拡散構造２２０さらにはタービン１２の効率が低下する可能性がある。さらに、第１および第２のガス還流領域Ｚ1およびＺ2内におけるガスの循環流のために、排出ガス流内におけるエネルギの損失が生じる可能性があり、それに起因して、拡散構造２２０の性能が、さらに低下する可能性もある。第１および第２の安定化構造２３０および２４０がなければ、ガス還流領域Ｚ1およびＺ2が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、ガス還流領域Ｚ1およびＺ2のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する可能性があると考えられる。ガス還流領域Ｚ1およびＺ2のサイズが揺動および／または増大すると、それに起因して、外壁の第１および２のセクション２２４Ａおよび２２４Ｂの内面３２４Ａおよび３２４Ｂにおけるガス流の分離量が増加して、排出ガス流におけるエネルギの損失を生じせしめる可能性がある。
【００２９】
第１の安定化構造２３０には、外壁の第１のセクション２２４Ａの内面３２４Ａからその半径方向にかつ周方向に延在する有孔板またはグリッド２３２が含まれている。その有孔板２３２の開口または孔は、段付きセクション２１２Ａの半径方向高さＨ1の約５％〜約３０％の半径方向サイズを備えたものとすることが可能である。第１の還流領域Ｚ1を形成する排出ガスは、有孔板２３２を通過するが、そこで流量調整器のような機能が働いて、第１の還流領域Ｚ1つまりその流れ場を形成する流れ構造が抑制されることが確信される。すなわち、第１の還流領域Ｚ1における高速の第１の流れ構造は、有孔板またはグリッド２３２によって減速させられるが、その際、第１の還流領域Ｚ1における低速の第２の流れ構造が被る減速は、極めて少ない。従って、第１の還流領域Ｚ1をあらかじめ決定付ける第１および第２の流れ構造は、より均一な合成流れ場を形成する。
【００３０】
有孔板２３２は、段付きセクション２１２Ａから軸方向に距離Ｌ1だけ下流に配置するのが望ましいが、その場合、距離Ｌ1は、段付きセクション２１２Ａの半径方向高さＨ1の約２〜約４倍にほぼ等しいものとすることが可能である。あるいは、適切なコンピュータ流体力学シミュレーションソフトウェアを用意して、外壁の第１のセクション２２４Ａの内面３２４Ａに沿った好適な位置に有孔板を配置し、第１の還流領域Ｚ1を最大限に安定化させるようにすることも可能であると考えられる。有孔板２３２の望ましい半径方向長さも、同様に、コンピュータ流体力学シミュレーションソフトウェアによって決めるようにすることが可能である。
【００３１】
第２の安定化構造２４０には、外壁の第２のセクション２２４Ｂの内面３２４Ｂからその半径方向にかつ周方向に延在する有孔板またはグリッド２４２が含まれている。有孔板２４２の開口または孔は、段付きセクション２２４Ｃの半径方向高さＨ2の約５％〜約３０％の半径方向サイズを備えたものとすることが可能である。内面３２４Ｂの近くで循環して第２の還流領域Ｚ2を形成する排出ガスは、有孔板２４２を通過するが、そこで流量調整器のような機能が働いて、第２の還流領域Ｚ2つまりその流れ場を形成する流れ構造が抑制されることが確信される。すなわち、第２の還流領域Ｚ2における高速の第１の流れ構造は、有孔板またはグリッド２４２によって減速させられるが、その際、第２の還流領域Ｚ2における低速の第２の流れ構造が被る減速は、極めて少ない。従って、第２の還流領域Ｚ2をあらかじめ決定付ける第１および第２の流れ構造は、より均一な合成流れ場を形成する。
【００３２】
有孔板２４２は、段付きセクション２２４Ｃから軸方向に距離Ｌ2だけ下流に配置するのが望ましく、その距離Ｌ2は、段付きセクション２２４Ｃの半径方向高さＨ2の約２倍〜約４倍にほぼ等しいものとすることが可能である。あるいは、適切なコンピュータ流体力学シミュレーションソフトウェアを用意して、外壁の第２のセクション２２４Ｂの内面３２４Ｂに沿った好適な位置に有孔板を配置し、第２の還流領域Ｚ2を最大限に安定化させるようにすることも可能であると考えられる。その有孔板２４２の望ましい半径方向長さも、同様に、コンピュータ流体力学シミュレーションソフトウェアによって決めるようにすることが可能である。
【００３３】
流路２３６を流れる排出ガスは、内壁２２２の段付きセクション２２２Ｂの下流に、第３のガス還流領域Ｚ3つまり渦を形成すると考えられる。第３の安定化構造２５０がなければ、ガス還流領域Ｚ3が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、ガス還流領域Ｚ3のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する可能性があると考えられる。第３のガス還流領域Ｚ3のサイズが揺動および／または増大すると、流路２３６を流れる排出ガスにエネルギ損失が生じ、その結果、拡散構造２２０の性能が低下する、すなわち、拡散構造２２０内における最大圧力上昇が制限される、もしくは生じなくなる可能性がある。拡散構造の性能が低下すると、タービン１２の効率も低下する。
【００３４】
第３の安定化構造２５０には、それぞれ、内壁の段付きセクション２２２Ｂを貫通して第３のガス還流領域Ｚ3の近くに位置する第１および第２のヘルムホルツダンパ２５０Ａおよび２５０Ｂが含まれている。１つまたは３〜２０のヘルムホルツダンパを設けることが可能であると考えられる。各ホルムヘルツダンパ２５０Ａおよび２５０Ｂには、共振空洞から流路２３６まで軸方向に延びる減衰管を介して流路２３６に通じている共振空洞のような箱を含むものとすることが可能である。排出ガスは、減衰管を通って第１のヘルムホルツダンパ２５０Ａの共振空洞に流入し、ダンパ２５０Ａの共振空洞のサイズに対応した共振周波数またはその共振周波数付近における圧力揺動または変動を、抑制される。同様に、排出ガスは、減衰管を通って第２のヘルムホルツダンパ２５０Ｂの共振空洞に流入し、ダンパ２５０Ｂの共振空洞のサイズに対応する共振周波数またはその共振周波数付近における圧力揺動または変動を、抑制される。従って、第１のダンパ２５０Ａの共振空洞には第２のダンパ２５０Ｂの共振空洞とは異なったサイズを付与して、第２のダンパ２５０Ｂによって減衰させる圧力揺動とは異なった周波数の圧力揺動を減衰させるようにすることが可能である。従って、適切な共振空洞サイズを備えたヘルムホルツダンパを選択することによって、所望の周波数における圧力揺動を抑制することが可能となる。ヘルムホルツダンパ２５０Ａおよび２５０Ｂは、第３のガス還流領域Ｚ3を形成する排出ガスの少なくとも一部のエネルギを弱め、それによって、タービン１２の運転中に、その軸方向、周方向、および／または、半径方向における、第３のガス還流領域Ｚ3のサイズが安定化する、すなわち、そのサイズの縮小および／またはサイズ変化の制限が施されることになる。
【００３５】
また、外壁２２４の段付きセクション２２４Ｃに、その段付きセクション２２４Ｃを貫通して延びるように、１つないしはそれ以上のヘルムホルツダンパを設けて、それらを有孔板２４２の代りに用いることで、タービン１２の運転中に、その軸方向、周方向、および／または、半径方向における第２のガス還流領域Ｚ2のサイズを縮小すること、および／またはサイズ変化を抑制することを可能にすることも考えられる。
【００３６】
図３に例示した、本発明の第３の実施形態によれば、ディフューザ４００は、タービン終段１２Ａの下流に配置される。ディフューザ４００には、拡散構造４２０と、第１および第２の安定化構造４３０および４４０とが含まれている。拡散構造４２０には、タービン１２からの排出ガスがそれを通って流れて拡散する流路４３６を形成する、内壁４２２および外壁４２４が含まれている。ガスが拡散構造４２０内で拡散するに連れて、その運動エネルギが減少し、その一方でガスの圧力が増加する。外壁４２４には、第１および第２の軸方向セクション４２４Ａおよび４２４Ｂと、それら第１および第２の軸方向セクション４２４Ａおよび４２４Ｂを接合する第３の段付きセクション４２４Ｃとが含まれている。第２の軸方向セクション４２４Ｂは、第１のセクション４２４Ａの内径よりも十分に大きな内径を備えている。内壁４２２は、第１の軸方向セクション４２２Ａと、第１のセクション４２２Ａの下流に位置する段付きセクション４２２Ｂとを含むものとすることが可能である。
【００３７】
外壁の第２の軸方向セクション４２４Ｂが、外壁の第１の軸方向セクション４２４Ａの内径よりも十分に大きな内径を備えており、かつ第１のセクション４２４Ａと第２のセクション４２４Ｂとの間における内径の拡大が、第３のセクション４２４Ｃにおける極めて短い軸方向距離にて生じることに起因して、流路２３６を通る排出ガスは、外壁４２４の段付きセクション４２４Ｃのすぐ下流に、第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦を形成すると考えられる。その第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦は、第２のセクション４２４Ｂの内面５２４Ｂの近くで、そのほぼ周方向に拡張する可能性がある。また、排出ガス流は、ガス還流領域Ｚ1に隣接した、もしくはそれに近い位置で、外壁の第２のセクション４２４Ｂの内面５２４Ｂから分離する可能性があるとも考えられる。排出ガス流が外壁の第２のセクション４２４Ｂの内面５２４Ｂから分離した場合には、拡散構造４２０の領域内における排出ガスの拡散は、制限されるか、発生しなくなり、その結果、タービン１２の効率が低下する可能性がある。第１の安定化構造４３０がなければ、ガス還流領域Ｚ1が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、ガス還流領域Ｚ1のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する可能性があると考えられる。ガス還流領域Ｚ1のサイズが増大すると、それに対応して、外壁の第２のセクション４２４Ｂの内面５２４Ｂにおけるガス流の分離量が増加する可能性がある。
【００３８】
第１の安定化構造４３０は、外壁の第２のセクション４２４Ｂの内面５２４Ｂから半径方向にかつ周方向に延在する有孔板またはグリッド４３２を含んだものとすることが可能である。その有孔板４３２の開口または孔は、段付きセクション４２４Ｃの半径方向高さの約５％〜約３０％の半径方向サイズを備えたものとすることが可能である。内面５２４Ｂの近くで循環して第１の還流領域Ｚ1を形成する排出ガスは、有孔板４３２を通過するが、そこで流量調整器のような機能が働いて、第１の還流領域Ｚ1つまりその流れ場を形成する流れ構造が抑制されることが確信される。すなわち、第１の還流領域Ｚ1における高速の第１の流れ構造は、有孔板またはグリッド４３２によって減速させられるが、その際、第１の還流領域Ｚ1における低速の第２の流れ構造が被る減速は、極めて少ない。従って、第１の還流領域Ｚ1をあらかじめ決定付ける第１および第２の流れ構造は、より均一な合成流れ場を形成する。
【００３９】
有孔板４３２は、段付きセクション４２４Ｃから軸方向に所定の距離だけ下流に配置するのが望ましく、その距離は、段付きセクション４２４Ｃの半径方向高さの約２〜約４倍にほぼ等しいものとすることが可能である。あるいは、適切なコンピュータ流体力学シミュレーションソフトウェアを用意して、外壁の第２のセクション４２４Ｂの内面５２４Ｂに沿った好適な位置に有孔板を配置し、第２の還流領域Ｚ1を最大限に安定化させるようにすることも可能であると考えられる。また、その有孔板４３２の望ましい半径方向長さも、同様に、コンピュータ流体力学シミュレーションソフトウェアによって決めるようにすることが可能である。
【００４０】
流路４３６を流れる排出ガスは、内壁４２２の段付きセクション４２２Ｂの下流に、第２のガス還流領域Ｚ2つまり渦を形成すると考えられる。第２の安定化構造４４０がなければ、第２のガス還流領域Ｚ2が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、ガス還流領域Ｚ2のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する可能性があると考えられる。第２のガス還流領域Ｚ2のサイズが増大すると、流路４３６を流れる排出ガスにエネルギ損失が生じ、その結果、拡散構造４２０の性能が低下する、すなわち、拡散構造４２０内における最大圧力上昇が制限される、もしくは生じなくなる可能性がある。拡散構造の性能が低下すると、タービン１２の効率も低下する。
【００４１】
その第２の安定化構造４４０には、内壁４２２の段付きセクション４２２Ｂから半径方向に外側に向って延在する有孔板またはグリッド４４２が含まれているようにすることが可能である。例示の実施形態の場合、有孔板４４２は、図３に示したように、Ｕ字形の断面を備えているが、これはまた、矩形、三角形、もしくは、その他の断面形状を備えたものとすることも可能である。有孔板４４２の開口または孔は、図３に示したように、段付きセクション４２２Ｂの半径方向高さＨ1の約５％〜約３０％の半径方向サイズを備えたものとすることが可能である。第２の還流領域Ｚ2を形成する排出ガスは、有孔板４４２を通過するが、そこで流量調整器のような機能が働いて、第２の還流領域Ｚ2つまりその流れ場を形成する流れ構造が抑制されるものと確信される。すなわち、第２の還流領域Ｚ2における高速の第１の流れ構造は、有孔板またはグリッド４４２によって減速させられるが、その際、第２の還流領域Ｚ2における低速の第２の流れ構造が被る減速は、極めて少ない。従って、第２の還流領域Ｚ2をあらかじめ決定付ける第１および第２の流れ構造は、より均一な合成流れ場を形成する。
【００４２】
図４に例示した、本発明の第４の実施形態によれば、ディフューザ６００は、タービン終段１２Ａの下流に配置されている。そのディフューザ６００には、拡散構造６２０と、第１の安定化構造６３０とが含まれている。拡散構造６２０には、タービン１２からの排出ガスがそれを通って流れて拡散する流路６３６を形成する、内壁６２２および外壁６２４が含まれている。ガスが拡散構造６２０内で拡散するに連れて、その運動エネルギが減少し、その一方で圧力が増加する。外壁６２４は、タービン１２から離れる方向において徐々に外側に発散するように設けられていて、段は付いていない。内壁６２２は、第１の軸方向セクション６２２Ａと、その第１のセクション６２２Ａの下流に位置する段付きセクション６２２Ｂとを含むものとすることが可能である。
【００４３】
流路６３６を貫いて流れる排出ガスは、内壁６２２の段付きセクション６２２Ｂのすぐ下流に、第１のガス還流領域Ｚ1つまり渦を形成すると考えられる。第１の安定化構造６３０がなければ、ガス還流領域Ｚ1が不安定になる可能性がある、すなわち、タービン１２の運転中に、ガス還流領域Ｚ1のサイズが、時間とともに軸方向、周方向、および／または、半径方向において増減する可能性があると考えられる。第１のガス還流領域Ｚ1のサイズが増大すると、流路６３６を流れる排出ガスにエネルギ損失が生じ、その結果、拡散構造６２０の性能が低下する、すなわち、拡散構造６２０における最大圧力上昇が制限される、もしくは生じなくなる可能性がある。拡散構造の性能が低下すると、タービン１２の効率も低下する。
【００４４】
第２の安定化構造６３０には、内壁６２２の段付きセクション６２２Ｂから軸方向に外側に延在する有孔板またはグリッド６３２が含まれているようにすることが可能である。例示の実施形態の場合、その有孔板６３２は、図４に示したように、Ｕ字形の断面を備えている。有孔板６３２の開口または孔は、図４に示したように、段付きセクション６２２Ｂの半径方向高さＨ1の約５％〜約３０％の半径方向または軸方向のサイズを有するものとすることが可能である。第１の還流領域Ｚ1を形成する排出ガスは、その第１の還流領域Ｚ1または流れ場を形成する流れ構造をあたかも流量調整器のように機能して抑制すると確信される有孔板６３２を、完全にもしくは部分的に通過することが確信される。すなわち、第１の還流領域Ｚ1における高速の第１の流れ構造は、有孔板またはグリッド６３２によって減速させられるが、その際に、第１の還流領域Ｚ1における低速の第２の流れ構造が被る減速は、極めて少ない。従って、第１の還流領域Ｚ1をあらかじめ決定付ける第１および第２の流れ構造は、より均一な合成流れ場を形成する。
【００４５】
本発明に係る特定の実施形態について例示し、説明してきたが、当該分野の技術者には明らかなように、本発明の真髄および趣旨から逸脱しない範囲内で、様々な他の変形および変更が可能である。従って、添付の特許請求の範囲は、そのような本発明の範囲内にある全ての変形および変更を網羅するように意図されている。
【符号の説明】
【００４６】
１０      ターボ機械
１１      外部ケーシング
１２      タービン
１２Ａ    タービン終段
２０      ディフューザ
３０      拡散構造
３２      拡散構造の内壁
３２Ａ    内壁の第１の軸方向セクション
３２Ｂ    内壁の段付きセクション
３４      拡散構造の外壁
３４Ａ    外壁の第１の軸方向セクション
３４Ｂ    外壁の第２の軸方向セクション
３４Ｃ    外壁の段付きセクション
３６      流路
４０      第１の安定化構造
４０Ａ    パイプ
４０Ｂ    第１の安定化構造の第１の端部
４０Ｃ    第１の安定化構造の第２の端部
５０      第２の安定化構造
５０Ａ    パイプ
５０Ｂ    第２の安定化構造の第１の端部
５０Ｃ    第２の安定化構造の第２の端部
６０      支柱
２００    ディフューザ
２１２Ａ  段付きセクション
２２０    拡散構造
２２２    拡散構造の内壁
２２４    拡散構造の外壁
２２４Ａ  外壁の第１の軸方向セクション
２２４Ｂ  外壁の第２の軸方向セクション
２２４Ｃ  外壁の第３の段付きセクション
２３０    第１の安定化構造
２３２    有孔板
２３６    流路
２４０    第２の安定化構造
２４２    有孔板
２５０    第３の安定化構造
２５０Ａ  第１のヘルムホルツダンパ
２５０Ｂ  第２のヘルムホルツダンパ
４００    ディフューザ
４２０    拡散構造
４２２    拡散構造の内壁
４２２Ａ  内壁の第１の軸方向セクション
４２２Ｂ  内壁の段付きセクション
４２４  拡散構造の外壁
４２４Ａ  外壁の第１の軸方向セクション
４２４Ｂ  外壁の第２の軸方向セクション
４３０    第１の安定化構造
４３２    有孔板
４３６    流路
４４０    第２の安定化構造
４４２    有孔板
６００    ディフューザ
６２０    拡散構造
６２２    拡散構造の内壁
６２２Ａ  内壁の第１の軸方向セクション
６２２Ｂ  内壁の段付きセクション
６２４    拡散構造の外壁
６３０    第１の安定化構造
６３２    有孔板
６３６    流路
【図１】
0005591236.tif 000002
【図２】
0005591236.tif 000003
【図３】
0005591236.tif 000004
【図４】
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