(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、
前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも１つの管状ストラットと、を備え、
前記外筒は、前記管状ストラットよりも前方に前側円錐部を有するとともに、前記前側円錐部よりも大きな傾斜角度で前記管状ストラットよりも前方から広がり始める外側フレア部を有しており、
前記内筒は、前記前側円錐部および前記外側フレア部と対向する前側ストレート部を有するとともに、前記管状ストラットの最大幅部分と後縁の間から広がり始める内側フレア部を有している、排気ディフューザ。
【請求項２】
前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されている、請求項１に記載の排気ディフューザ。
【請求項３】
前記外筒は、前記外側フレア部の後端から前記管状ストラットの最大幅部分を超えて後方に延びる外側ストレート部と、前記外側ストレート部の後端から拡径する後側円錐部を有し、
前記内筒は、前記内側フレア部の後端から後方に延びる後側ストレート部を有する、請求項１または２に記載の排気ディフューザ。
【請求項４】
前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも１つの扁平ストラットをさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載の排気ディフューザ。
【請求項５】
前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、
前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置している、請求項４に記載の排気ディフューザ。
【請求項６】
前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置している、請求項５に記載の排気ディフューザ。
【請求項７】
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、
前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも１つの管状ストラットと、
前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも１つの扁平ストラットと、を備え、
前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、
前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置している、排気ディフューザ。
【請求項８】
前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置している、請求項７に記載の排気ディフューザ。
【請求項９】
前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されている、請求項７または８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では、内筒と外筒とが複数のストラットによって連結されている。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。ストラットは、互いに同一の板状をなしており、同一円周上に等角度ピッチで配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−７７４４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、複数のストラットのうちのいくつかを管状にし、その内部に配管などを通すことも行われている。しかしながら、このようにストラットのうちのいくつかを管状にして太くした場合には、ストラットが存する領域で圧力損失が大きくなる。
【０００６】
そこで、本発明は、管状ストラットを含んでいても、管状ストラットに起因する圧力損失を小さく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】
【０００７】
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、前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも１つの管状ストラットと、を備え、前記外筒は、前記管状ストラットよりも前方に前側円錐部を有するとともに、前記前側円錐部よりも大きな傾斜角度で前記管状ストラットよりも前方から広がり始める外側フレア部を有しており、前記内筒は、前記前側円錐部および前記外側フレア部と対向する前側ストレート部を有するとともに、前記管状ストラットの最大幅部分と後縁の間から広がり始める内側フレア部を有している、ことを特徴とする。
【０００８】
ここで、「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。
【０００９】
上記の構成によれば、管状ストラットの前方で外側フレア部により排気流路が拡大されるため、排気流路を流れる排気は十分に減速された後に管状ストラット間に流入する。従って、管状ストラットの前縁近傍での圧力損失を小さくすることができる。一方、内側フレア部がない場合には、管状ストラットの最大幅部分よりも後方では、管状ストラットの占有面積の減少により、排気流路の断面積が急激に増加する。これに対し、内側フレア部があれば、内側フレア部によってそのような排気流路の断面積の急激な増加を緩和することができる。これにより、管状ストラットの後縁近傍でも圧力損失を小さくすることができる。
【００１０】
前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されていてもよい。この構成によれば、中型および小型のガスタービンエンジンに適した排気ディフューザを実現できる。
【００１１】
前記外筒は、前記外側フレア部の後端から前記管状ストラットの最大幅部分を超えて後方に延びる外側ストレート部と、前記外側ストレート部の後端から拡径する後側円錐部を有し、前記内筒は、前記内側フレア部の後端から後方に延びる後側ストレート部を有してもよい。この構成によれば、外筒に排気流路から径方向外向きに窪む凹部が形成されず、かつ、内筒に排気流路から径方向内向きに窪む凹部が形成されないため、外筒の一部および内筒の一部を管状ストラットと共に鋳造により製造する際に、鋳型の分割数を少なくすることができる。
【００１２】
上記の排気ディフューザは、前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも１つの扁平ストラットをさらに備えてもよい。この構成によれば、配管などが無い箇所では細いストラットを採用することができ、排気流路の断面積を大きく確保することができる。これにより、全てのストラットを管状ストラットとしたときと比べて、圧力損失を小さくすることができる。
【００１３】
前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置していてもよい。この構成によれば、排気流路の断面積が、扁平ストラットによって小さく減少された後に管状ストラットによって大きく減少されるため、排気流路の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラットの前縁と扁平ストラットの前縁が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。
【００１４】
前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置していてもよい。この構成によれば、排気流路を流れる排気が扁平ストラットの後縁近傍で合流した後に管状ストラットの後縁近傍で合流する。これにより、流れを安定化させることができる。
【００１５】
また、本発明の他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、前記内筒と前記外筒とを連結する少なくとも１つの管状ストラットと、前記内筒と前記外筒とを連結する、当該排気ディフューザの軸方向において前記管状ストラットと重なり合う少なくとも１つの扁平ストラットと、を備え、前記扁平ストラットの前縁は、前記管状ストラットの前縁よりも前方に位置しており、前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの最大幅部分よりも後方に位置している、ことを特徴とする。
【００１６】
上記の構成によれば、排気流路の断面積が、扁平ストラットによって小さく減少された後に管状ストラットによって大きく減少されるため、排気流路の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラットの前縁と扁平ストラットの前縁が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。
【００１７】
上記の他の側面からの排気ディフューザにおいて、前記扁平ストラットの後縁は、前記管状ストラットの後縁よりも前方に位置していてもよい。この構成によれば、排気流路を流れる排気が扁平ストラットの後縁近傍で合流した後に管状ストラットの後縁近傍で合流する。これにより、流れを安定化させることができる。
【００１８】
上記の他の側面からの排気ディフューザにおいて、前記外筒の一部および前記内筒の一部は、鋳造により前記管状ストラットと一体的に形成されていてもよい。この構成によれば、中型および小型のガスタービンエンジンに適した排気ディフューザを実現できる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、管状ストラットを含んでいても、管状ストラットに起因する圧力損失を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一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概略構成図である。
【図２】排気ディフューザの断面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿った断面図である。
【図４】図３のIV−IV線に沿った断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１に、本発明の一実施形態に係る排気ディフューザ２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２の軸方向（本実施形態では水平方向）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１１、燃焼室１２およびタービン１３を含む。排気ディフューザ２は、タービン１３の下流に配置されている。また、ガスタービンエンジン１は、圧縮機１１およびタービン１３を貫通するロータ１４を含む。ロータ１４の前端部には、発電機１５が接続されている。
【００２３】
図２および図３に示すように、排気ディフューザ２は、内筒３および外筒４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とが、排気ディフューザ２の径方向に延びる複数（図例では２つ）の管状ストラット５および複数（図例では４つ）の扁平ストラット６によって互いに連結されている。ただし、管状ストラット５および扁平ストラット６のそれぞれは少なくとも１つあればよく、管状ストラット５の数および扁平ストラット６の数は適宜決定可能である。
【００２４】
管状ストラット５および扁平ストラット６は、排気ディフューザ２の周方向に並んでいる。各扁平ストラット６は、排気ディフューザ２の径方向に平行である。ただし、各扁平ストラット６は、排気ディフューザ２の径方向に対して傾斜していてもよい。本実施形態では、内筒３の上方および下方に２つの管状ストラット５が配置され、内筒３の右方および左方に扁平ストラット６が２つずつ配置されている。
【００２５】
本実施形態の排気ディフューザ２は、中型および小型のガスタービンエンジンに適したものである。このため、外筒４の一部および内筒３の一部は、鋳造により管状ストラット５および扁平ストラット６と一体的に形成されている。
【００２６】
より詳しくは、外筒４は前方ピース４Ａと後方ピース４Ｂとに分割されており、内筒３は前方ピース３Ａと後方ピース３Ｂとに分割されている。そして、外筒４の前方ピース４Ａおよび内筒３の前方ピース３Ａが、鋳造により管状ストラット５および扁平ストラット６と一体的に形成されている。外筒４の後方ピース４Ｂおよび内筒３の後方ピース３Ｂのそれぞれは、例えば板金加工によって製造される。
【００２７】
また、本実施形態では、扁平ストラット６が管状ストラット５よりも前方に突出している。換言すれば、扁平ストラット６は、排気ディフューザ２の軸方向において、管状ストラット５と部分的に重なり合っている。
【００２８】
より詳しくは、図４に示すように、各管状ストラット５の断面形状は後方に向かって尖る水滴状であり、最大幅部分５５から前方が半円状、最大幅部分５５から後方が略Ｖ字状である。ここで、「幅」とは、排気ディフューザ２の周方向における管状ストラット５の厚さをいう。外筒４の前方ピース４Ａおよび内筒３の前方ピース３Ａには、管状ストラット５の内部空間と同形状の開口４５，３５（図２，３参照）がそれぞれ設けられている。
【００２９】
扁平ストラット６の前縁６１は、管状ストラット５の前縁５１よりも距離Ａだけ前方に位置している。また、扁平ストラット６の後縁６２は、管状ストラット５の後縁５２よりも距離Ｂだけ前方に位置している。ただし、扁平ストラット６の後縁６２は、管状ストラット５の最大幅部分５５よりも後方に位置している。ここで、「前縁」および「後縁」とは、管状ストラット５および扁平ストラット６のそれぞれにおける断面形状が一定の部分の直線状の縁をいう。
【００３０】
図２に戻って、外筒４は、前方から順に、前側円錐部４１、外側フレア部４２、外側ストレート部４３および後側円錐部４４を有している。これの部位４１〜４４は連続した内向き壁面を構成している。つまり、前側円錐部４１の前端が外筒４の前端であり、後側円錐部４４の後端が外筒４の後端であるとともに、隣り合う部位の後端と前端とが互いに接続されている。前側円錐部４１、外側フレア部４２および外側ストレート部４３は前方ピース４Ａの構成要素であり、後側円錐部４４は後方ピース４Ｂの構成要素である。
【００３１】
前側円錐部４１は、管状ストラット５および扁平ストラット６よりも前方に位置している。前側円錐部４１は、比較的に緩やかな傾斜角度で後方に向かって拡径している。
【００３２】
外側フレア部４２は、前側円錐部４１よりも大きな傾斜角度で、管状ストラット５および扁平ストラット６よりも前方から広がり始めている。本実施形態では、外側フレア部４２の後端が管状ストラット５の前縁５１よりも後方に位置している。ただし、外側フレア部４２の後端は、管状ストラット５の前縁５１と同じ位置に位置していてもよいし、管状ストラット５の前縁５１よりも前方に位置していてもよい。
【００３３】
例えば、外側フレア部４２は、管状ストラット５の前縁５１の近傍での管状ストラット５に起因する排気流路２１の断面積の減少（場合によっては、扁平ストラット６の前縁６１の近傍での扁平ストラット６に起因する排気流路２１の断面積の減少も）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を拡径する。
【００３４】
外側ストレート部４３は、外側フレア部４２の後端から管状ストラット５の最大幅部分５５を超えて後方に延びている。本実施形態では、外側ストレート部４３の後端が管状ストラット５の後縁５２よりも後方に位置している。ただし、外側ストレート部４３の後端は、管状ストラット５の後縁５２と同じ位置に位置していてもよいし、管状ストラット５の後縁５２よりも前方に位置していてもよい。
【００３５】
後側円錐部４４は、外側ストレート部４３の後端から後方に向かって拡径している。後側円錐部４４の傾斜角度は、前側円錐部４１の傾斜角度と同じであってもよいし異なっていてもよい。
【００３６】
一方、内筒３は、前方から順に、前側ストレート部３１、内側フレア部３２および後側ストレート部３３を有している。これの部位３１〜３３は連続した外向き壁面を構成している。つまり、前側ストレート部３１の前端が内筒３の前端であり、後側ストレート部３３の後端が内筒３の後端であるとともに、隣り合う部位の後端と前端とが互いに接続されている。前側ストレート部３１および内側フレア部３２は前方ピース３Ａの構成要素であり、後側ストレート部３３は後方ピース３Ｂの構成要素である。
【００３７】
前側ストレート部３１は、内筒３の前端から、管状ストラット５の最大幅部分５５を超えて後方に延びている。このため、前側ストレート部３１は、外筒４の前側円錐部４１および外側フレア部４２の全体と対向しているとともに、外側ストレート部４３の一部とも対向している。
【００３８】
内側フレア部３２は、管状ストラット５の最大幅部分５５と後縁５２の間から広がり始めている。内側フレア部３２の後端は、管状ストラット５の後縁５２よりも後方に位置している。
【００３９】
例えば、内側フレア部３２は、管状ストラット５の後縁５２の近傍での管状ストラット５に起因する排気流路２１の断面積の増加（場合によっては、扁平ストラット６の後縁６２の近傍での扁平ストラット６に起因する排気流路２１の断面積の増加も）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を拡径する。
【００４０】
後側ストレート部３３は、内側フレア部３２の後端から後方に延びており、外筒４の後側円錐部４４と対向している。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の排気ディフューザ２では、管状ストラット５の前方で外側フレア部４２により排気流路２１が拡大されるため、排気流路２１を流れる排気は十分に減速された後に管状ストラット５間に流入する。従って、管状ストラット５の前縁５１近傍での圧力損失を小さくすることができる。一方、内側フレア部３２がない場合には、管状ストラット５の最大幅部分５５よりも後方では、管状ストラット５の占有面積の減少により、排気流路２１の断面積が急激に増加する。これに対し、内側フレア部３２があれば、内側フレア部３２によってそのような排気流路２１の断面積の急激な増加を緩和することができる。これにより、管状ストラット５の後縁５２近傍でも圧力損失を小さくすることができる。
【００４２】
さらに、本実施形態では、扁平ストラット６の前縁６１が管状ストラット５の前縁５１よりも前方に位置しているので、排気流路２１の断面積が、扁平ストラット５によって小さく減少された後に管状ストラット５によって大きく減少される。このため、排気流路２１の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラット５の前縁５１と扁平ストラット６の前縁６１が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。
【００４３】
また、扁平ストラット６の後縁６２は管状ストラット５の後縁５２よりも前方に位置しているので、排気流路２１を流れる排気が扁平ストラット６の後縁６２近傍で合流した後に管状ストラット５の後縁５２近傍で合流する。これにより、流れを安定化させることができる。
【００４４】
さらに、本実施形態では、外筒４に排気流路２１から径方向外向きに窪む凹部が形成されず、かつ、内筒３に排気流路から径方向内向きに窪む凹部が形成されない。このため、外筒４の前方ピース４Ａおよび内筒３の前方ピース３Ａを管状ストラット５および扁平ストラット６と共に鋳造により製造する際に、鋳型（例えば、木型）の分割数を少なくすることができる。
【００４５】
（変形例）
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。
【００４６】
例えば、排気ディフューザ２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。
【００４７】
また、排気ディフューザ２の軸方向において、扁平ストラット６は必ずしも管状ストラット５と部分的に重なり合う必要はなく、扁平ストラット６は管状ストラット５と全体的に重なり合ってもよい。
【００４８】
さらに、扁平ストラット６は必ずしも必要ではなく、複数の管状ストラット５のみが設けられてもよい。ただし、前記実施形態のように、少なくとも１つの管状ストラット５と少なくとも１つの扁平ストラット６が設けられていれば、配管などが無い箇所では細いストラットを採用することができ、排気流路２１の断面積を大きく確保することができる。これにより、全てのストラットを管状ストラット５としたときと比べて、圧力損失を小さくすることができる。
【００４９】
また、外側フレア部４２の前端は、扁平ストラット６の前縁６１よりも後方に位置していてもよい。ただし、前記実施形態のように、外側フレア部４２の前端が扁平ストラット６の前縁６１よりも前方に位置していれば、扁平ストラット６間に流入する排気の速度を低減させることができる。
【００５０】
また、扁平ストラット６の後縁６２は、必ずしも管状ストラット５の後縁５２よりも前方に位置している必要はなく、管状ストラット５の後縁５２と同じ位置または管状ストラット５の後縁５２よりも後方に位置していてもよい。
【００５１】
また、図示は省略するが、外筒４の外側ストレート部４３の代わりに、後側円錐部４４と同じ傾斜角度の中間円錐部が設けられてもよい。さらに、内筒３の後側ストレート部３３に代えて、内側フレア部３２の後端から縮径する円錐部が採用されるとともに、外筒４の後側円錐部４４に代えて、ストレート部が採用されてもよい。
【００５２】
また、外筒４の前方ピース４Ａおよび内筒３の前方ピース３Ａのそれぞれは、板金加工により製造されてもよい。さらに、外筒４および内筒３のそれぞれは、単一の部材であってもよい。
【００５３】
ところで、前記実施形態の管状ストラット５と扁平ストラット６との位置関係に着目すれば、外筒４が外側フレア部４２を有さず、かつ、内筒３が内側フレア部３２を有さなくてもよい。すなわち、前記実施形態では、扁平ストラット６の前縁６１が管状ストラット５の前縁５１よりも前方に位置しているので、排気流路２１の断面積が、扁平ストラット５によって小さく減少された後に管状ストラット５によって大きく減少される。このため、排気流路２１の断面積を緩やかに変化させることができる。これにより、管状ストラット５の前縁５１と扁平ストラット６の前縁６１が一致している場合に比べ、圧力損失を小さくすることができる。このように前記実施形態の管状ストラット５と扁平ストラット６との位置関係に着目した場合には、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。
【００５４】
また、前記実施形態の管状ストラット５と扁平ストラット６との位置関係に着目した場合でも、扁平ストラット６の後縁６２は、必ずしも管状ストラット５の後縁５２よりも前方に位置している必要はなく、管状ストラット５の後縁５２と同じ位置または管状ストラット５の後縁５２よりも後方に位置していてもよい。さらに、外筒４および内筒３のそれぞれは、全体が板金加工で製造されてもよいし、単一の部材であってもよい。
【符号の説明】
【００５５】
２    排気ディフューザ
２１  排気流路
３    内筒
３１  前側ストレート部
３２  内側フレア部
３３  後側ストレート部
４    外筒
４１  前側円錐部
４２  外側フレア部
４３  外側ストレート部
４４  後側円錐部
５    管状ストラット
５１  前縁
５２  後縁
５５  最大幅部分
６    扁平ストラット
６１  前縁
６２  後縁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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