(57)【要約】【課題】軸流タービンの作動流体中に延在するストラットに起因するロスを、定格負荷時、部分負荷時を問わず低く抑える。【解決手段】軸流タービンの作動流体の流れを横切るようにストラット２０ａが延在する。ストラット２０ａは前部２１と後部２２とに分かれており、後部２２は角度不変であるが、前部２１は延在軸線まわりに確度調整可能である。前部２１は作動流体の流れに向き合うように角度を変える。これによりストラット２０ａの断面形状は背面と腹面とを有する翼形状となり、作動流体はスムーズにその翼形状に沿って流れ、剥離を生じることがない。【選択図】　　　図２
2004100615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流タービンの作動流体中に延在するストラットの全体又は一部をその延在軸線まわりに角度調整可能としたことを特徴とする軸流タービンのストラット構造。
【請求項２】
ストラットの前部を角度調整可能部分としたことを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンのストラット構造。
【請求項３】
角度調整可能部分以外のストラット側面に境界層吸込口を設けたことを特徴とする請求項２に記載の軸流タービンのストラット構造。
【請求項４】
角度調整可能部分以外のストラット側面と境を接する軸流タービンのケーシング面に境界層吸込口を設けたことを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の軸流タービンのストラット構造。
【請求項５】
ストラットの後部を角度調整可能部分としたことを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンのストラット構造。
【請求項６】
ストラット全体を一体として角度調整可能としたことを特徴とする請求項１に記載の軸流タービンのストラット構造。
【請求項７】
ストラットをその延在方向において複数のセグメントに分割し、前述の角度調整がセグメント単位で行われるようにするとともに、両端に位置するセグメントから中央に位置するセグメントにかけて各セグメントの位置を段階的に下流側にずらしたことを特徴とする請求項１〜請求項６に記載の軸流タービンのストラット構造。
【請求項８】
軸流タービンの作動流体中に延在するストラットの左右側面の翼面形状を左右独立して変化させられるようにしたことを特徴とする軸流タービンのストラット構造。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は軸流タービンのストラット構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軸流タービンでは内部に構成要素を支持するのにストラットを用いる。図１０はストラットの構造例を示す軸流ガスタービン１の概略部分断面図である。ガスタービン１は外側にタービンケーシング１０を備え、その中に静翼１１と動翼１２の組み合わせを複数段配置している。動翼１２を取り付けたロータ１３の後端を軸受ハウジング１４に納められたジャーナル軸受１５が支持する。軸受ハウジング１４は複数のストラット２０によりタービンケーシング１０の中心と同心に支持される。
【０００３】
図１０中の矢印Ｆは作動流体の流れを示す。最終段の動翼１２を出た作動流体は内側ガイドケーシング１６と外側ガイドケーシング１７の間に形成された環状流路を通って流れる。内側ガイドケーシング１６及び外側ガイドケーシング１７の支持もストラット２０によって行われる。
【０００４】
上記のようなストラット構造、あるいはそれをカバーするフェアリング構造の例は特許文献１や特許文献２に見ることができる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５０９６号公報（段落
【００２２】、図１）
【特許文献２】
特公平６−３１４５号公報（第４頁、第３−６図）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１０のガスタービン１にあっては、最終段の動翼１２を出た作動流体がストラット２０に勢い良く衝突する。その状況を図１１の説明図に示す。図１１には作動流体の流れが太い矢印Ｆ１及びＦ２で示されている。矢印Ｆ１は定格負荷時の作動流体の流れを示し、矢印Ｆ２は部分負荷時の作動流体の流れを示す。図に見られるとおり、ストラット２０に対する作動流体の流れ方向は定格負荷時と部分負荷時とで異なる
【０００７】
定格負荷時の流れにも部分負荷時の流れにも対応できるよう、ストラット２０は中立的な姿勢で配置される。しかしながらこの姿勢は定格負荷時の流れに対しても部分負荷時の流れに対しても完全には適合しない。ストラット２０の断面を流体力学に基づく翼形状にしたとしても、作動流体がそれに沿ってスムーズに流れることがなく、ストラット２０の表面からの剥離が生じる。これがロスとなり、ガスタービン１の運転効率が低下する。
【０００８】
本発明はこの問題を解決するためになされたものであり、軸流タービンの作動流体中に延在するストラットに起因するロスを、定格負荷時、部分負荷時を問わず低く抑えることを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、軸流タービンのストラット構造を次のようにした。
【００１０】
（１）軸流タービンの作動流体中に延在するストラットの全体又は一部をその延在軸線まわりに角度調整可能とした。
【００１１】
この構成によれば、ストラットの全体又は一部の角度を調整し、その時点での作動流体の流れにストラットを適合させることができる。
【００１２】
（２）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラットの前部を角度調整可能部分とした。
【００１３】
この構成によれば、ストラットの前部のみを動かしてその時点での作動流体の流れにストラットを適合させることができる。
【００１４】
（３）上記のようなストラットの前部を角度調整する軸流タービンのストラット構造において、角度調整可能部分以外のストラット側面に境界層吸込口を設けた。
【００１５】
この構成によれば、角度調整可能部分を過ぎた作動流体がストラット側面の境界層吸込口から吸い込まれるので、作動流体の剥離防止が一層実効あるものとなる。
【００１６】
（４）上記のようなストラットの前部を角度調整する軸流タービンのストラット構造において、角度調整可能部分以外のストラット側面と境を接する軸流タービンのケーシング面に境界層吸込口を設けた。
【００１７】
この構成によれば、角度調整可能部分を過ぎた作動流体がケーシング面の境界層吸込口から吸い込まれるので、作動流体の剥離防止が一層実効あるものとなる。
【００１８】
（５）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラットの後部を角度調整可能部分とした。
【００１９】
この構成によれば、ストラットの後部のみを動かしてその時点での作動流体の流れにストラットを適合させることができる。
【００２０】
（６）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラット全体を一体として角度調整可能とした。
【００２１】
この構成によれば、ストラットの全体を動かしてその時点での作動流体の流れに適合させることができる。
【００２２】
（７）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラットをその延在方向において複数のセグメントに分割し、前述の角度調整がセグメント単位で行われるようにするとともに、両端に位置するセグメントから中央に位置するセグメントにかけて各セグメントの位置を段階的に下流側にずらした。
【００２３】
この構成によれば、ストラット側面の二次流れロスが減少し、作動流体が一層スムーズに流れる。
【００２４】
（８）軸流タービンの作動流体中に延在するストラットの左右側面の翼面形状を左右独立して変化させられるようにした。
【００２５】
この構成によれば、その時点での作動流体の流れにストラットの翼面形状を適合させ、翼面からの作動流体の剥離を防止することができる
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、図１〜図９に基づき本発明の各実施形態を説明する。
【００２７】
図１及び図２は本発明の第１実施形態に係るストラットの断面図である。なお本発明において「ストラット」とは、支持の役割を果たす強度部材に加え、流体に対する抵抗を低減するためその外側に設けられるフェアリングも含んだ構造体を指すものとする。
【００２８】
図１のストラット２０ａは作動流体の流れを横切るように延在する。ストラット２０ａは前部２１と後部２２とに分割され、全体としての断面は涙滴形の翼形状を呈する。作動流体の流れ方向におけるストラット２０ａの全長のうち、前部２１はその２割〜３割を占め、後部２２がその残りを占める。
【００２９】
後部２２は角度不変であるが、前部２１は延在方向に延びる軸線（以下「延在軸線」という）のまわりに角度調整可能となっている。前部２１の角度を変えるメカニズムについては、例えば特許文献１に記載された圧縮機静翼の変角機構を応用することができる。
【００３０】
作動流体の流れに向き合うように前部２１の角度を変える。前部２１は定格負荷時には矢印Ｆ１方向の作動流体の流れに向き合い、部分負荷時には矢印Ｆ２方向の作動流体の流れに向き合う。これにより、ストラット２０ａの断面形状は背面と腹面とを有する翼形状となり、作動流体はスムーズにその翼形状に沿って流れ、剥離を生じることがない。
【００３１】
図３は本発明の第２実施形態に係るストラットの断面図である。図３のストラット２０ｂは第１実施形態と同様に角度調整可能な前部２１と角度不変の後部２２を組み合わせた構成であるが、これに加え、後部２２の側面に境界層吸込口２３を設けた点が特徴となっている。
【００３２】
境界層吸込口２３は後部２２の側面に複数個設けられ、各々後部２２の内部空間２４に連通する。内部空間２４は図示しない低圧空間に連通する。後部２２の表面に生じる境界層は境界層吸込口２３から内部空間２４へと吸い込まれるので、後部２２の表面で作動流体が剥離するといった事態が一層発生しにくくなる。
【００３３】
図４は本発明の第３実施形態に係るストラットの側面図である。図４のストラット２０ｃは第１実施形態と同様に角度調整可能な前部２１と角度不変の後部２２を組み合わせた構成であるが、これに加え、後部２２と境を接するケーシング面に境界層吸込口を設けた点が特徴となっている。
【００３４】
図４に示すケーシングは作動流体を通す環状流路を形成する内側ガイドケーシング１６と外側ガイドケーシング１７である。内側ガイドケーシング１６及び外側ガイドケーシング１７がストラット２０ｃの後部２２となす角の部分、あるいはその近傍の箇所に、複数個ずつの境界層吸込口２５を設ける。境界層吸込口２５は低圧空間に連通しており、後部２２の表面に生じる境界層は境界層吸込口２５から吸い込まれる。このため、後部２２の表面で作動流体が剥離するといった事態が一層発生しにくくなる。
【００３５】
この第３実施形態の境界層吸込口２５を第２実施形態の境界層吸込口２３と合わせて設ければ、作動流体の剥離防止効果は一層高まる。
【００３６】
図５は本発明の第４実施形態に係るストラットの断面図である。図５のストラット２０ｄも前部２１と後部２２とに分かれているが、今度は前部２１が角度不変で、後部２２が延在軸線まわりに角度調整可能となっている。後部２２の角度を変えるメカニズムについても、特許文献１に記載された圧縮機静翼の変角機構を応用することができる。
【００３７】
作動流体の流れに従うように後部２２の角度を変える。後部２２は定格負荷時には矢印Ｆ１方向の流れに従い、部分負荷時には矢印Ｆ２方向の流れに従う。これにより、ストラット２０ｄの断面形状は背面と腹面とを有する翼形状となり、作動流体はスムーズにその翼形状に沿って流れ、剥離を生じることがない。
【００３８】
図６は本発明の第５実施形態に係るストラットの断面図である。図６のストラット２０ｅは前部と後部２２とに分かれていない。ストラット２０ｅは全体が一体となって延在軸線まわりに角度を変える。ストラット２０ｅの角度を変えるメカニズムについても、特許文献１に記載された圧縮機静翼の変角機構を応用することができる。
【００３９】
定格負荷時には矢印Ｆ１方向の流れに従い、部分負荷時には矢印Ｆ２方向の流れに従うようにストラット２０ｅの角度を変える。このようにすることにより、作動流体はストラット２０ｅの側面に沿ってスムーズに流れ、剥離を生じることがない。
【００４０】
図７は本発明の第６実施形態に係るストラットの側面図である。この実施形態は、第１実施形態から第５実施形態までの、全体又は一部が延在軸線まわりに角度調整可能であるストラットに、さらに次のような工夫を加えたことが特徴となっている。
【００４１】
図７に示すストラット２０ｆは、延在方向において複数個のセグメント２６に分割されている。分割数は１０〜２０とする。第１実施形態から第５実施形態までに記載したような作動流体の流れに対する角度調整はセグメント２６単位で行われる。第２実施形態に示した境界層吸込口を設ける場合にもセグメント２６単位で設ける。
【００４２】
両端に位置するセグメント２６から、すなわち内側ガイドケーシング１６に接するセグメント２６及び外側ガイドケーシング１７に接するセグメント２６から中央側に位置するセグメント２６に向かうに従い、セグメント２６の位置を段階的に作動流体の流れの下流側にずらす。両端のセグメント２６と中央のセグメント２６とのずれ量は、作動流体の流れ方向におけるストラット２０ｆの全長の２割〜３割とする。
【００４３】
このようにセグメント２６をずらす（スイープさせる）ことにより、ストラット側面の静圧最下点が軸流タービンの軸方向において下流側にずれ、ストラット側面の二次流れロスが減少する。
【００４４】
セグメント２６の寸法（高さ、長さ、断面形状）や角度調整の際の角度変化度は、セグメント毎に異なったものとすることができる。
【００４５】
図８及び図９は本発明の第７実施形態に係るストラットの断面図である。このストラット２０ｇは角度不変の本体２７の左右側面に翼形状面を有するフェアリング２８Ｌ、２８Ｒを設けた点が特徴となっている。フェアリング２８Ｌ、２８Ｒは各々前端にピボット軸２９を有し、このピボット軸２９を中心に互いに独立して回動可能である。ピボット軸２９の軸線方向はストラット２０ｇの延在方向と一致する。フェアリング２８Ｌ、２８Ｒの角度を変えるメカニズムについても、特許文献１に記載された圧縮機静翼の変角機構を応用することができる。
【００４６】
作動流体の流れに合わせてフェアリング２８Ｌ、２８ｒの角度を変える。定格負荷時にはフェアリング２８Ｒを本体２７に密着させ、フェアリング２８Ｌを開く。部分負荷時にはフェアリング２８Ｌを本体２７に密着させ、フェアリング２８Ｒを開く。フェアリング２８Ｌ、２８Ｒの端が本体２７から離れる距離は作動流体の流れ方向におけるストラット２０ｇの全長の２割〜３割である。
【００４７】
フェアリング２８Ｌが開くとストラット２０ｇの左側面の翼面形状が変化したことになる。矢印Ｆ１方向の作動流体の流れはフェアリング２８Ｌの表面をスムーズに流れ、剥離を生じない。フェアリング２８Ｒが開けばストラット２０ｇの右側面の翼面形状が変化したことになる。矢印Ｆ２方向の作動流体の流れはフェアリング２８Ｒの表面をスムーズに流れ、剥離を生じない。
【００４８】
以上本発明の各実施形態につき説明したが、この他、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えて実施することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明は次のような効果を奏するものである。
【００５０】
（１）軸流タービンの作動流体中に延在するストラットの全体又は一部をその延在軸線まわりに角度調整可能としたから、ストラットの全体又は一部の角度を調整し、その時点での作動流体の流れにストラットを適合させ、作動流体の剥離を防止することができる。
【００５１】
（２）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラットの前部を角度調整可能部分としたから、ストラットの前部を動かしてその時点での作動流体の流れにストラットを適合させ、作動流体の剥離を防止することができる。動かすのはストラットの前部だけなのでそのための動力機構及び消費エネルギーが小さくて済む。
【００５２】
（３）上記のようなストラットの前部を角度調整する軸流タービンのストラット構造において、角度調整可能部分以外のストラット側面に境界層吸込口を設けたから、角度調整可能部分を過ぎた作動流体がストラット側面の境界層吸込口から吸い込まれ、作動流体の剥離防止が一層実効あるものとなる。
【００５３】
（４）上記のようなストラットの前部を角度調整する軸流タービンのストラット構造において、角度調整可能部分以外のストラット側面と境を接する軸流タービンのケーシング面に境界層吸込口を設けたから、角度調整可能部分を過ぎた作動流体がケーシング面の境界層吸込口から吸い込まれ、作動流体の剥離防止が一層実効あるものとなる。
【００５４】
（５）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラットの後部を角度調整可能部分としたから、ストラットの後部を動かしてその時点での作動流体の流れにストラットを適合させ、作動流体の剥離を防止することができる。動かすのはストラットの後部だけなのでそのための動力機構及び消費エネルギーが小さくて済む。
【００５５】
（６）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラット全体を一体として角度調整可能としたから、ストラットの全体を動かしてその時点での作動流体の流れに適合させ、作動流体の剥離を防止することができる。流体力学的に設計したストラットの断面形状が十分に生きることになる。
【００５６】
（７）上記のような軸流タービンのストラット構造において、ストラットをその延在方向において複数のセグメントに分割し、前述の角度調整がセグメント単位で行われるようにするとともに、両端に位置するセグメントから中央に位置するセグメントにかけて各セグメントの位置を段階的に下流側にずらしたから、ストラット側面の静圧最下点が軸流タービンの軸方向において下流側にずれ、ストラット側面の二次流れロスが減少し、作動流体が一層スムーズに流れる。
【００５７】
（８）軸流タービンの作動流体中に延在するストラットの左右側面の翼面形状を左右独立して変化させられるようにしたから、その時点での作動流体の流れにストラットの翼面形状を適合させ、翼面からの作動流体の剥離を防止することができる
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るストラットの断面図
【図２】第１実施形態に係るストラットの断面図にして、図１と異なる状態を示すもの
【図３】第２実施形態に係るストラットの断面図
【図４】第３実施形態に係るストラットの側面図
【図５】第４実施形態に係るストラットの断面図
【図６】第５実施形態に係るストラットの断面図
【図７】第６実施形態に係るストラットの側面図
【図８】第７実施形態に係るストラットの断面図
【図９】第７実施形態に係るストラットの断面図にして、図８と異なる状態を示すもの
【図１０】ストラットの用いられ方を示す概略部分断面図
【図１１】従来構造のストラットの断面図
【符号の説明】
１　　軸流タービン
１０　タービンケーシング
１１　静翼
１２　動翼
１３　ロータ
１４　軸受ハウジング
１５　軸受
１６　内側ガイドケーシング
１７　外側ガイドケーシング
２０　ストラット
２０ａ　ストラット
２１　前部
２２　後部
２０ｂ　ストラット
２３　境界層吸込口
２４　空間
２０ｃ　ストラット
２５　境界層吸込口
２０ｄ　ストラット
２０ｅ　ストラット
２０ｆ　ストラット
２６　セグメント
２０ｇ　ストラット
２７　本体
２８Ｌ、２８Ｒ　フェアリング
２９　ピボット軸
【図１】
2004100615.tif 000003
【図２】
2004100615.tif 000004
【図３】
2004100615.tif 000005
【図４】
2004100615.tif 000006
【図５】
2004100615.tif 000007
【図６】
2004100615.tif 000008
【図７】
2004100615.tif 000009
【図８】
2004100615.tif 000010
【図９】
2004100615.tif 000011
【図１０】
2004100615.tif 000012
【図１１】
2004100615.tif 000013