(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内筒と、
前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、
前記内筒および前記外筒を貫通して、前記内筒の内側に配置された軸受サポートと前記外筒の外側に配置された構造体とを連結する複数のストラットであって、前記軸受サポートから前記構造体に向かって後方に傾くストラットと、
前記内筒と前記外筒との間で前記複数のストラットをそれぞれ囲繞する複数のストラットカバーと、を備え、
前記外筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの前縁と重なり合う位置に、当該外筒を拡径するテーパー状の第１段差部を有しており、
前記内筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの後縁と重なり合う位置に、当該内筒を拡径するテーパー状の第２段差部を有している、排気ディフューザ。
【請求項２】
前記第１段差部の後端は、前記外筒上の前記ストラットカバーの上流端と一致しており、
前記第２段差部の前端は、前記内筒上の前記ストラットカバーの下流端と一致している、請求項１に記載の排気ディフューザ。
【請求項３】
内筒と、
前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、
前記内筒および前記外筒を貫通して、前記内筒の内側に配置された軸受サポートと前記外筒の外側に配置された構造体とを連結する複数のストラットであって、前記軸受サポートから前記構造体に向かって前方に傾くストラットと、
前記内筒と前記外筒との間で前記複数のストラットをそれぞれ囲繞する複数のストラットカバーと、を備え、
前記内筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの前縁と重なり合う位置に、当該内筒を縮径するテーパー状の第１段差部を有しており、
前記外筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの後縁と重なり合う位置に、当該外筒を縮径するテーパー状の第２段差部を有している、排気ディフューザ。
【請求項４】
前記第１段差部の後端は、前記内筒上の前記ストラットカバーの上流端と一致しており、
前記第２段差部の前端は、前記外筒上の前記ストラットカバーの下流端と一致している、請求項３に記載の排気ディフューザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、排気ディフューザに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、タービンの下流には、タービンからの排気の動圧を静圧に変換する排気ディフューザが配置されている。例えば、特許文献１には、ガスタービンエンジンに組み込まれた排気ディフューザが開示されている。
【０００３】
特許文献１に開示された排気ディフューザは、前端から後端まで断面直線状の内筒および外筒を含む。内筒と外筒の間には、前方から後方に向かって広がる排気流路が形成されている。内筒および外筒のそれぞれは、板金加工により製造されるものであり、比較的に薄い板厚を有する。
【０００４】
上述したような内筒および外筒が薄い排気ディフューザでは、排気ディフューザ自体を強度部材として取り扱うことが困難である。このため、特許文献１に開示された排気ディフューザでは、外筒の外側に強度部材としてディフューザケーシング（構造体）が配置されている。一方、内筒の内側には、ロータを軸受を介して支持する軸受サポートが配置されている。そして、軸受サポートと構造体とが、内筒および外筒を貫通する複数のストラットにより連結されている。
【０００５】
さらに、ストラットを含む排気ディフューザでは、ストラットが排気によって直接的に加熱されることを防ぐために、内筒と外筒との間で、各ストラットがストラットカバーに囲繞されている。
【０００６】
ところで、内筒と外筒との間にストラットカバーが配置されていると、ストラットカバーが存する領域では、ストラットカバーの断面積分だけ排気流路の断面積が減少する。「排気流路の断面積」とは、排気流路が最小となる断面（排気流路内で内筒および外筒に接する球における内筒および外筒の接点同士を結んだ線に沿った断面）上での面積をいう。特に、ストラットカバーの前縁および後縁の近傍で排気流路の断面積が急激に変化する。このようなストラットカバーに起因する排気流路の断面積の急激な変化を緩和するために、例えば特許文献２には、内筒および外筒におけるストラットカバーが接合される部分だけに、ストラットカバーと同数の局所的な凹部を形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１２７４４７号公報
【特許文献２】特開２０１３−２３４６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、内筒および外筒を板金加工により製造する場合には、特許文献２に記載されたような複数の局所的な凹部の形成は困難である。
【０００９】
そこで、本発明は、ストラットカバーの前縁および後縁の近傍でのストラットカバーに起因する排気流路の断面積の急激な変化を緩和することができ、かつ、内筒および外筒を板金加工により容易に製造することができる排気ディフューザ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】
【００１０】
前記課題を解決するために、本発明の１つの側面からの排気ディフューザは、内筒と、前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、前記内筒および前記外筒を貫通して、前記内筒の内側に配置された軸受サポートと前記外筒の外側に配置された構造体とを連結する複数のストラットであって、前記軸受サポートから前記構造体に向かって後方に傾くストラットと、前記内筒と前記外筒との間で前記複数のストラットをそれぞれ囲繞する複数のストラットカバーと、を備え、前記外筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの前縁と重なり合う位置に、当該外筒を拡径するテーパー状の第１段差部を有しており、前記内筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの後縁と重なり合う位置に、当該内筒を拡径するテーパー状の第２段差部を有している、ことを特徴とする。
【００１１】
「前方」および「後方」とは、それぞれ排気ディフューザの軸方向の一方（排気の流れの上流側）および他方（排気の流れの下流側）をいう。
【００１２】
上記の構成によれば、外筒の第１段差部から内筒の第２段差部までの区間では、内筒から外筒までの距離が部分的に大きくされるため、ストラットカバーの前縁および後縁の近傍でのストラットカバーに起因する排気流路の断面積の急激な変化を緩和することができる。しかも、内筒および外筒のそれぞれには凹部を形成する必要がないため、内筒および外筒を板金加工により容易に製造することができる。
【００１３】
さらに、上記の構成では、ストラットが傾いているために、ストラットカバーも内筒から外筒に向かって後方に傾く。従って、外筒の第１段差部はストラットカバーの前縁に沿うように傾斜し、内筒の第２段差部はストラットカバーの後縁に沿うように傾斜する。このため、排気流路の断面積をスムーズに連続的に変化させることができる。
【００１４】
前記第１段差部の後端は、前記外筒上の前記ストラットカバーの上流端と一致しており、前記第２段差部の前端は、前記内筒上の前記ストラットカバーの下流端と一致していてもよい。この構成によれば、ストラットカバーと内筒および外筒とを容易に溶接することができる。
【００１５】
また、本発明の別の側面からの排気ディフューザは、内筒と、前記内筒との間に、前方から後方に向かって広がる排気流路を形成する外筒と、前記内筒および前記外筒を貫通して、前記内筒の内側に配置された軸受サポートと前記外筒の外側に配置された構造体とを連結する複数のストラットであって、前記軸受サポートから前記構造体に向かって前方に傾くストラットと、前記内筒と前記外筒との間で前記複数のストラットをそれぞれ囲繞する複数のストラットカバーと、を備え、前記内筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの前縁と重なり合う位置に、当該内筒を縮径するテーパー状の第１段差部を有しており、前記外筒は、軸方向において前記複数のストラットカバーの後縁と重なり合う位置に、当該外筒を縮径するテーパー状の第２段差部を有している、ことを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、内筒の第１段差部から外筒の第２段差部までの区間では、内筒から外筒までの距離が部分的に大きくされるため、ストラットカバーの前縁および後縁の近傍でのストラットカバーに起因する排気流路の断面積の急激な変化を緩和することができる。しかも、内筒および外筒のそれぞれには凹部を形成する必要がないため、内筒および外筒を板金加工により容易に製造することができる。
【００１７】
さらに、上記の構成では、ストラットが傾いているために、ストラットカバーも内筒から外筒に向かって前方に傾く。従って、内筒の第１段差部はストラットカバーの前縁に沿うように傾斜し、外筒の第２段差部はストラットカバーの後縁に沿うように傾斜する。このため、排気流路の断面積をスムーズに連続的に変化させることができる。
【００１８】
上記の別の側面からの排気ディフューザにおいて、前記第１段差部の後端は、前記内筒上の前記ストラットカバーの上流端と一致しており、前記第２段差部の前端は、前記外筒上の前記ストラットカバーの下流端と一致していてもよい。この構成によれば、ストラットカバーと内筒および外筒とを容易に溶接することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ストラットカバーの前縁および後縁の近傍でのストラットカバーに起因する排気流路の断面積の急激な変化を緩和することができ、かつ、内筒および外筒を板金加工により容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１実施形態に係る排気ディフューザが組み込まれたガスタービンエンジンの半分を断面で示した側面図である。
【図２】図１の要部を拡大した図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】第１変形例の排気ディフューザの一部の断面図である。
【図５】第２変形例の排気ディフューザの一部の断面図である。
【図６】本発明の第２実施形態に係る排気ディフューザの一部の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態に係る排気ディフューザ２Ａが組み込まれたガスタービンエンジン１を示す。以下では、排気ディフューザ２Ａの軸方向の一方（排気の流れの上流側）を前方、他方（排気の流れの下流側）を後方という。
【００２２】
ガスタービンエンジン１は、圧縮機ケーシング１４、メインハウジング１５、タービンケーシング１６およびディフューザケーシング１７（本発明の構造体に相当）を含む。タービンケーシング１６はメインハウジング１５内に配置されており、ディフューザケーシング１７はメインハウジング１５に連結されている。
【００２３】
圧縮機ケーシング１４およびタービンケーシング１６内には、これらのケーシングを貫通するようにロータ１１が配置されている。ロータ１１の前端部は、軸受１８を介して軸受サポート１９に支持されており、ロータ１１の後端部は、軸受１２を介して軸受サポート１３に支持されている。
【００２４】
図２および図３に示すように、排気ディフューザ２Ａは、内筒３、外筒４および複数のストラット５を含む。内筒３と外筒４との間には、前方から後方に向かって広がる排気流路２１が形成されている。本実施形態では、内筒３と外筒４の双方が前方から後方に向かって拡大している。内筒３の内側には、上述した軸受サポート１３が配置されており、外筒４の外側には、上述したディフューザケーシング１７が配置されている。
【００２５】
本実施形態では、内筒３が前方ピース３１と後方ピース３２とに分割され、外筒４が前方ピース４１と後方ピース４２とに分割されている。ただし、内筒３および外筒４のそれぞれは単一の部材であってもよい。
【００２６】
内筒３の前方ピース３１の前端部は、ブラケット７１を介して軸受サポート１３と連結されている。また、前方ピース３１の後端部は、後方ピース３２の前端部と連結されている。
【００２７】
外筒４の前方ピース４１の前端部は、ブラケット７２を介してディフューザケーシング１７に固定されており、前方ピース４１の後端部は、ブラケット７３を介してディフューザケーシング１７に固定されている。外筒４の後方ピース４２には、ブラケット７４が例えば溶接により接合されており、ブラケット７４がディフューザケーシング１７に固定されている。
【００２８】
各ストラット５は、内筒３の前方ピース３１および外筒４の前方ピース４１を貫通して軸受サポート１３とディフューザケーシング１７とを連結している。また、各ストラット５は、軸受サポート１３からディフューザケーシング１７に向かって後方に傾いている。各ストラット５は、排気の流れ方向にフラットな板状である。
【００２９】
本実施形態では、全てのストラット５が周方向に完全に重なり合うように同一円周上に配置されている。ただし、ストラット５は、隣り合うストラット５同士が周方向に部分的に重なり合うように千鳥状に配置されていてもよい。
【００３０】
全てのストラット５は、内筒３と外筒４の間では、複数のストラットカバー６によってそれぞれ囲繞されている。各ストラットカバー６は、ストラット５よりも僅かに大きな断面形状を有しており、ストラット５と平行に延びている。換言すれば、各ストラットカバー６は、内筒３から外筒４に向かって後方に傾いている。各ストラットカバー６は、例えば溶接により内筒３の前方ピース３１および外筒４の前方ピース４１に接合されている。
【００３１】
外筒４は、軸方向においてストラットカバー６の前縁６１と重なり合う位置に、テーパー状の第１段差部４３を有している。第１段差部４３は、ストラットカバー６の前縁６１よりも上流側から下流側にかけてのストラットカバー６に起因する排気流路２１の断面積の減少を打ち消す（必ずしもゼロにする必要はない）ように外筒４を全周に亘って拡径している。
【００３２】
本実施形態では、外筒４の内周面の断面形状が、第１段差部４３の前方、第１段差部４３内および第１段差部４３の後方で直線状である。このため、外筒４の形状がシンプルである。外筒４の内周面の断面形状に関してより詳しく説明すると、第１段差部４３の前方の傾斜角度（排気ディフューザ２Ａの軸方向に対する角度）は、第１段差部４３の後方の傾斜角度と等しく、第１段差部４３の傾斜角度は、第１段差部４３の前方および後方の傾斜角度よりも大きい。ただし、テーパー状の第１段差部４３は、湾曲していてもよい。
【００３３】
一方、内筒３は、軸方向においてストラットカバー６の後縁６２と重なり合う位置に、テーパー状の第２段差部３３を有している。第２段差部３３は、ストラットカバー６の後縁６２よりも上流側から下流側にかけてのストラットカバー６に起因する排気流路２１の断面積の増加を打ち消す（必ずしもゼロにする必要はない）ように内筒３を全周に亘って拡径している。
【００３４】
本実施形態では、内筒３の外周面の断面形状が、第２段差部３３の前方、第２段差部３３内および第２段差部３３の後方で直線状である。このため、内筒３の形状がシンプルである。内筒３の内周面の断面形状に関してより詳しく説明すると、第２段差部３３の前方の傾斜角度（排気ディフューザ２Ａの軸方向に対する角度）は、第２段差部３３の後方の傾斜角度と等しく、第２段差部３３の傾斜角度は、第２段差部３３の前方および後方の傾斜角度よりも大きい。ただし、テーパー状の第２段差部３３は、湾曲していてもよい。
【００３５】
本実施形態では、第１段差部４３の前端４４は、内筒３上のストラットカバー６の上流端６ａ（前縁６１の内側端）よりも前方に位置しており、第２段差部３３の後端３５は、外筒４上のストラットカバー６の下流端６ｄ（後縁６２の外側端）よりも後方に位置している。また、第１段差部４３の後端４５は、外筒４上のストラットカバー６の上流端６ｃ（前縁６１の外側端）と一致しており、第２段差部３３の前端３４は、内筒３上のストラットカバー６の下流端６ｂ（後縁６２の内側端）と一致している。このため、ストラットカバー６と内筒３および外筒４とを容易に溶接することができる。ただし、第１段差部４３の後端４５は、外筒４上のストラットカバー６の上流端６ｃよりも前方に位置していてもよい。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態の排気ディフューザ２Ａでは、外筒４の第１段差部４３から内筒３の第２段差部３３までの区間では、内筒３から外筒４までの距離が部分的に大きくされる。このため、ストラットカバー６の前縁６１および後縁６２の近傍でのストラットカバー６に起因する排気流路２１の断面積の急激な変化を緩和することができる。しかも、内筒３および外筒４のそれぞれには凹部を形成する必要がないため、内筒３および外筒４を板金加工により容易に製造することができる。
【００３７】
さらに、本実施形態では、ストラットカバー６が内筒３から外筒４に向かって後方に傾いている。従って、外筒４の第１段差部４３はストラットカバー６の前縁６１に沿うように傾斜し、内筒３の第２段差部３３はストラットカバー６の後縁６２に沿うように傾斜する。このため、排気流路２１の断面積をスムーズに連続的に変化させることができる。
【００３８】
また、本実施形態では、第１段差部４３の前端４４が内筒３上のストラットカバー６の上流端６ａよりも前方に位置しているので、内筒３上のストラットカバー６の上流端６ａの近傍でもストラットカバー６の前縁６１に沿う迂回流れを形成することができる。さらに、第２段差部３３の後端３５が外筒４上のストラットカバー６の下流端６ｄよりも後方に位置しているので、外筒４上のストラットカバー６の下流端６ｄの近傍でも排気の剥離を抑制することができる。
【００３９】
＜変形例＞
本実施形態では、内筒３と外筒４の双方が前方から後方に向かって拡大していたが、内筒３および外筒４は、それらの間に形成される排気流路２１が前方から後方に向かって広がる限りどのような形状であってもよい。例えば、図４に示すように、第２段差部３３以外では内筒３がストレートであってもよい。あるいは、図５に示すように、第１段差部４３以外では外筒４がストレートであり、内筒３が前方から後方に向かって縮小していてもよい。さらには、内筒３と外筒４の双方が前方から後方に向かって縮小していてもよい。
【００４０】
（第２実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第２実施形態に係る排気ディフューザ２Ｂを説明する。なお、本実施形態において、第１実施形態と同一構成要素には同一符号を付し、重複した説明は省略する。
【００４１】
本実施形態では、第１実施形態と同様に、内筒３と外筒４の双方が前方から後方に向かって拡大している。ただし、第１実施形態の変形例で説明したのと同様に、内筒３および外筒４は、それらの間に形成される排気流路２１が前方から後方に向かって広がる限りどのような形状であってもよい。
【００４２】
また、本実施形態では、軸受サポート１３とディフューザケーシング１７とを連結するストラット５が、軸受サポート１３からディフューザケーシング１７に向かって前方に傾いている。これに伴い、各ストラットカバー６も、内筒３から外筒４に向かって前方に傾いている。
【００４３】
内筒３は、軸方向においてストラットカバー６の前縁６１と重なり合う位置に、テーパー状の第１段差部３６を有している。第１段差部３６は、ストラットカバー６の前縁６１よりも上流側から下流側にかけてのストラットカバー６に起因する排気流路２１の断面積の減少を打ち消す（必ずしもゼロにする必要はない）ように内筒３を全周に亘って縮径している。
【００４４】
本実施形態では、内筒３の外周面の断面形状が、第１段差部３６の前方、第１段差部３６内および第１段差部３６の後方で直線状である。このため、内筒３の形状がシンプルである。内筒３の内周面の断面形状に関してより詳しく説明すると、第１段差部３６の前方の傾斜角度（排気ディフューザ２Ｂの軸方向に対する角度）は、第１段差部３６の後方の傾斜角度と等しく、第１段差部３６の傾斜角度は、第１段差部３６の前方および後方の傾斜角度よりも小さい（場合によってはマイナス）。ただし、テーパー状の第１段差部３６は、湾曲していてもよい。
【００４５】
一方、外筒４は、軸方向においてストラットカバー６の後縁６２と重なり合う位置に、テーパー状の第２段差部４６を有している。第２段差部４６は、ストラットカバー６の後縁６２よりも上流側から下流側にかけてのストラットカバー６に起因する排気流路２１の断面積の増加を打ち消す（必ずしもゼロにする必要はない）ように外筒４を全周に亘って縮径している。
【００４６】
本実施形態では、外筒４の内周面の断面形状が、第２段差部４６の前方、第２段差部４６内および第２段差部４６の後方で直線状である。このため、外筒４の形状がシンプルである。外筒４の内周面の断面形状に関してより詳しく説明すると、第２段差部４６の前方の傾斜角度（排気ディフューザ２Ｂの軸方向に対する角度）は、第２段差部４６の後方の傾斜角度と等しく、第２段差部４６の傾斜角度は、第２段差部４６の前方および後方の傾斜角度よりも小さい（場合によってはマイナス）。ただし、テーパー状の第２段差部４６は、湾曲していてもよい。
【００４７】
本実施形態では、第１段差部３６の前端３７は、外筒４上のストラットカバー６の上流端６ｃよりも前方に位置しており、第２段差部４６の後端４８は、内筒３上のストラットカバー６の下流端６ｂよりも後方に位置している。また、第１段差部３６の後端３８は、内筒３上のストラットカバー６の上流端６ａと一致しており、第２段差部４６の前端４７は、外筒４上のストラットカバー６の下流端６ｄと一致している。このため、ストラットカバー６と内筒３および外筒４とを容易に溶接することができる。ただし、第１段差部３６の後端３８は、内筒３上のストラットカバー６の上流端６ａよりも前方に位置していてもよい。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態の排気ディフューザ２Ｂでは、内筒３の第１段差部３６から外筒４の第２段差部４６までの区間では、内筒３から外筒４までの距離が部分的に大きくされる。このため、ストラットカバー６の前縁６１および後縁６２の近傍でのストラットカバー６に起因する排気流路２１の断面積の急激な変化を緩和することができる。しかも、内筒３および外筒４のそれぞれには凹部を形成する必要がないため、内筒３および外筒４を板金加工により容易に製造することができる。
【００４９】
さらに、本実施形態では、ストラットカバー６が内筒３から外筒４に向かって前方に傾いている。従って、内筒３の第１段差部３６はストラットカバー６の前縁６１に沿うように傾斜し、外筒４の第２段差部４６はストラットカバー６の後縁６２に沿うように傾斜する。このため、排気流路２１の断面積をスムーズに連続的に変化させることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、第１段差部３６の前端３７が外筒４上のストラットカバー６の上流端６ｃよりも前方に位置しているので、外筒４上のストラットカバー６の上流端６ｃの近傍でもストラットカバー６の前縁６１に沿う迂回流れを形成することができる。さらに、第２段差部４６の後端４８が内筒３上のストラットカバー６の下流端６ｂよりも後方に位置しているので、内筒３上のストラットカバー６の下流端６ｂの近傍でも排気の剥離を抑制することができる。
【００５１】
（その他の実施形態）
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。
【００５２】
例えば、排気ディフューザ２Ａ，２Ｂは、必ずしもガスタービンエンジン１に組み込まれる必要はなく、例えば蒸気タービンの下流に配置されてもよい。この場合、外筒４の外側に配置されるのは、ディフューザケーシング以外の構造体であってもよい。
【符号の説明】
【００５３】
１３  軸受サポート
１７  ディフューザケーシング（構造体）
２Ａ，２Ｂ  排気ディフューザ
２１  排気流路
３    内筒
３３  第２段差部
３４  前端
３５  後端
３６  第１段差部
３７  前端
３８  後端
４    外筒
４３  第１段差部
４４  前端
４５  後端
４６  第２段差部
４７  前端
４８  後端
５    ストラット
６    ストラットカバー
６ａ，６ｃ  上流端
６ｂ，６ｄ  下流端
６１  前縁
６２  後縁
【図１】
0006498534.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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