(57)【要約】【課題】性能が向上したタービンを提供する。【解決手段】タービン２は、軸線Ａｍの周方向一方側に向かって回転可能なタービンロータと９１、タービンケーシング９２と、タービンロータ９１の外周面上で軸線Ａｍの周方向に配列され、少なくとも軸線Ａｍ方向他方側の部分が周方向一方側から他方側に向かって湾曲している複数のタービン動翼２４と、周方向に配列された複数のタービン静翼２６と、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かって排気ガスが流通する排気流路Ｃを画成するディフューザ４と、を備える。ディフューザ４は、内筒４１と、内筒４１との間に排気流路Ｃを画成する外筒４２と、周方向一方側を向く第一面Ｓ１が形成された複数のストラット４３と、を有する。第一面Ｓ１は、内筒４１の外周面４１Ａから径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びる第一傾斜面Ｔ１を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸線に沿って延びるとともに、該軸線の周方向一方側に向かって回転可能なタービンロータと、
前記タービンロータを外周側から覆うタービンケーシングと、
前記タービンロータの外周面上で前記軸線の周方向に配列され、少なくとも前記軸線方向他方側の部分が周方向一方側から他方側に向かって湾曲している複数のタービン動翼と、
前記タービンケーシングの内周面上で前記タービン動翼に対して前記軸線方向に隣接して設けられるとともに、周方向に配列された複数のタービン静翼と、
前記タービン動翼の軸線方向他方側に設けられ、軸線方向一方側から他方側に向かって排気ガスが流通する排気流路を画成するディフューザと、
を備え、
前記ディフューザは、
前記軸線に沿って延びる内筒と、
前記内筒を外周側から覆うとともに、前記内筒との間に前記排気流路を画成する外筒と、
前記排気流路内で周方向に間隔をあけて設けられ、前記内筒と前記外筒とを接続するとともに、周方向一方側を向く第一面が形成された複数のストラットと、
を有し、
前記第一面は、
前記内筒の外周面から径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びる第一傾斜面を有するタービン。
【請求項２】
前記第一面は、前記第一傾斜面の径方向外側に設けられ、径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって延びる第一外側傾斜面を有する請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
前記ストラットには、周方向他方側を向く第二面が形成され、
該第二面は、前記内筒の外周面から径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びる第二傾斜面を有する請求項１又は２に記載のタービン。
【請求項４】
前記第二面は、前記第二傾斜面の径方向外側に設けられ、径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって延びる第二外側傾斜面を有する請求項３に記載のタービン。
【請求項５】
前記第二傾斜面は、前記内筒の外周面から前記外筒の内周面にわたって延びている請求項３に記載のタービン。
【請求項６】
高圧空気を生成する圧縮機と、
前記高圧空気に燃料を混合させて燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、
前記燃焼ガスによって駆動される請求項１から５のいずれか一項に記載のタービンと、を備えるガスタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン、ガスタービンに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なガスタービンは、圧縮機と、燃焼器と、タービンと、を備えている。圧縮機は、外気を圧縮して高圧空気を生成する。燃焼器は、高圧空気に燃料を混合して燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する。タービンは、燃焼ガスによって駆動される。
上記タービンの下流側にはディフューザが設けられることが一般的である（下記特許文献１参照）。より具体的には、ディフューザは、内周側に設けられた内筒と、この内筒を外周側から覆うことで排気流路を画成する外筒と、これら内筒及び外筒を接続し、タービンの径方向に延びる複数のストラットと、を有している。排気流路は、燃焼ガスの流れる方向の上流側から下流側に向かうにしたがって次第に拡径している。これにより、タービンを駆動した燃焼ガス（排気ガス）は、ディフューザを通過することで静圧が上昇した状態となって外部に排出される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５６９３３１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、タービンから排出される燃焼ガスの流れには、軸線方向成分と、当該軸線方向に対する周方向に旋回する旋回流成分（スワール成分）とが含まれている。一方で、上記のストラットは、タービンの径方向に延びている。このため、排気ガスの流れがストラットの周囲を通過する際に、当該ストラットによって形状抵抗が生じたり、流れの剥離を生じたりする。これにより、排気ガスの流れに圧力損失を生じてしまう虞がある。
【０００５】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、性能の向上したタービン、及びガスタービン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】
【０００６】
本発明の第一の態様に係るタービンは、軸線に沿って延びるとともに、該軸線の周方向一方側に向かって回転可能なタービンロータと、前記タービンロータを外周側から覆うタービンケーシングと、前記タービンロータの外周面上で前記軸線の周方向に配列され、少なくとも前記軸線方向他方側の部分が周方向一方側から他方側に向かって湾曲している複数のタービン動翼と、前記タービンケーシングの内周面上で前記タービン動翼に対して前記軸線方向に隣接して設けられるとともに、周方向に配列された複数のタービン静翼と、前記タービン動翼の軸線方向他方側に設けられ、軸線方向一方側から他方側に向かって排気ガスが流通する排気流路を画成するディフューザと、を備え、前記ディフューザは、前記軸線に沿って延びる内筒と、前記内筒を外周側から覆うとともに、前記内筒との間に前記排気流路を画成する外筒と、前記排気流路内で周方向に間隔をあけて設けられ、前記内筒と前記外筒とを接続するとともに、周方向一方側を向く第一面が形成された複数のストラットと、を有し、前記第一面は、前記内筒の外周面から径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びる第一傾斜面を有する。
【０００７】
ここで、タービン動翼を通過した流体は、タービン動翼及びタービン静翼のフローパターン設計の結果として、旋回流を形成することが多い。また、部分負荷時のように、軸線方向の流速が比較的に小さい場合には、当該旋回流が定格負荷時に比べて大きくなる。このように旋回流が大きくなれば、排気ガスが内筒から剥離し易くなってしまう。
ここで一般に、流体の流れの中に構造体が存在する場合、構造体の両側に境界層によって生じた渦度が巻き付くことにより、渦管状の渦構造を有する馬蹄渦が生成される。本実施形態では、第一傾斜面が、内筒の外周面から径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びていることから、当該第一傾斜面の周方向一方側の領域では、軸線方向に延びる成分を含む馬蹄渦が卓越して発達する。このように馬蹄渦が発達することで、当該第一傾斜面の周方向一方側の領域では、固体壁面である第一傾斜面近傍の低運動量領域中における流体（排気ガス）の流体に対して運動量が付加されるため、排気ガスの流れが内筒側（径方向内側）に積極的に付着するようになる。これにより、排気ガスの流れが内筒から剥離してしまうことを抑制することができる。
加えて、ストラットに第一傾斜面が形成されていることで、内筒の近傍では外周側から内筒に向かう圧力勾配が形成される。具体的には、第一傾斜面の周方向一方側の領域の圧力は、周方向他方側の領域の圧力よりも高くなる。これにより、ストラットの周方向一方側で、周方向一方側から他方側に向かう流れが生じる。その結果、ストラットの周方向他方側に圧力を供給することができる。したがって、ストラットの周方向他方側でも、排気ガスの流れが内筒から剥離してしまうことを抑制できる。
以上のように、旋回流が大きい場合であっても、内筒の外周面から流れが剥離することによって生じる排気流路内での圧力損失を抑制することができる。
【０００８】
本発明の第二の態様に係るタービンでは、前記第一面は、前記第一傾斜面の径方向外側に設けられ、径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって延びる第一外側傾斜面を有してもよい。
【０００９】
この構成によれば、第一外側傾斜面の周方向一方側の領域では、軸線方向に延びる成分を含む馬蹄渦が形成される。この馬蹄渦が形成されることで、当該第一外側傾斜面の周方向一方側の領域では、固体壁面である第一傾斜面近傍の低運動量領域中における排気ガスの流れに対して運動量が付加されるため、排気ガスの流れが外筒側（径方向外側）に積極的に付着するようになる。すなわち、第一外側傾斜面の周方向一方側で、排気ガスの流れが外筒から剥離する虞を低減することができる。
加えて、ストラットに第一傾斜面が形成されていることで、内筒の近傍では外周側から内筒に向かう圧力勾配が形成される。具体的には、第一外側傾斜面の周方向一方側の領域の圧力は、周方向他方側の領域の圧力よりも高くなる。すなわち、ストラットの周方向一方側から他方側に向かって圧力が減少する圧力勾配が形成される。この圧力勾配により、排気ガスの流れは、内筒の外周面に向かって押し付けられるように流れる。その結果、ストラットの周方向他方側に圧力を供給することができ、当該ストラットの周方向他方側でも、排気ガスの流れが外筒から剥離する虞を低減することができる。これにより、外筒の内周面から流れが剥離することによる排気流路内での圧力損失を抑制することができる。
【００１０】
本発明の第三の態様に係るタービンでは、前記ストラットには、周方向他方側を向く第二面が形成され、該第二面は、前記内筒の外周面から径方向外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びる第二傾斜面を有してもよい。
【００１１】
この構成では、周方向一方側に向かって旋回する旋回流のうち、相対的に径方向内側の領域を流れる成分は、第二傾斜面に沿って径方向外側から内側に向かって流れる。これにより、内筒の外周面に対して積極的に流れを付着させることができる。すなわち、内筒の外周面上における流れの剥離をさらに抑制することができる。
【００１２】
本発明の第四の態様に係るタービンでは、前記第二面は、前記第二傾斜面の径方向外側に設けられ、径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって延びる第二外側傾斜面を有してもよい。
【００１３】
この構成では、周方向一方側に向かって旋回する旋回流のうち、相対的に径方向外側の領域を流れる成分は、第二外側傾斜面に沿って径方向内側から外側に向かって流れる。これにより、外筒の内周面に対して積極的に流れを付着させることができる。すなわち、外筒の内周面上における流れの剥離をさらに抑制することができる。
【００１４】
本発明の第五の態様に係るタービンでは、前記第二傾斜面は、前記内筒の外周面から前記外筒の内周面にわたって延びていてもよい。
【００１５】
この構成によれば、第一傾斜面が、内筒の外周面から外筒の内周面にわたって延びている。言い換えると、この第一傾斜面は、内筒の外周面から外筒の内周面にかけて屈曲することなく、連続的に延びている。これにより、例えば第一傾斜面に屈曲部が形成されている構成に比べて、ストラットの剛性を高めることができる。
【００１６】
本発明の第六の態様に係るガスタービンは、高圧空気を生成する圧縮機と、前記高圧空気に燃料を混合させて燃焼させることで高温高圧の燃焼ガスを生成する燃焼器と、前記燃焼ガスによって駆動される上記のいずれか一の態様に係るタービンと、を備える。
【００１７】
この構成によれば、タービンにおける圧力損失が抑制されることで効率的に運転可能なガスタービンを得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、性能が向上したタービン、及びガスタービンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態に係るガスタービンの構成を示す図である。
【図２】本発明の第一実施形態に係るディフューザの構成を示す断面図であって、軸線を含む断面を示す図である。
【図３】本発明の第一実施形態に係るディフューザの構成を示す断面図であって、軸線方向から見た断面を示す図である。
【図４】本発明の第一実施形態に係るディフューザ内（ストラットの周囲）を流通する排気ガスの旋回角度分布の一例を示すグラフである。
【図５】本発明の第一実施形態に係るストラットの要部拡大図であって、ストラットの周囲を流通する排気ガスの流れを模式的に示す図である。
【図６】本発明の第一実施形態に係るストラットに対する比較例を示す図である。
【図７】本発明の第二実施形態に係るディフューザの構成を示す断面図であって、軸線方向から見た断面を示す図である。
【図８】本発明の第三実施形態に係るディフューザの構成を示す断面図であって、軸線方向から見た断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第一実施形態］
本発明の第一実施形態について、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係るガスタービン１００は、高圧空気を生成する圧縮機１と、高圧空気に燃料を混合して燃焼させることで燃焼ガスを生成する燃焼器３と、燃焼ガスによって駆動されるタービン２と、を備えている。
【００２１】
圧縮機１は、軸線Ａｍに沿って延びる圧縮機ロータ１１と、圧縮機ロータ１１を外周側から覆う圧縮機ケーシング１２と、を有している。圧縮機ロータ１１の外周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼段１３が設けられている。各圧縮機動翼段１３は、圧縮機ロータ１１の外周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機動翼１４を有している。圧縮機ケーシング１２の内周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼段１５が設けられている。圧縮機静翼段１５は、上記の圧縮機動翼段１３に対して軸線Ａｍ方向に交互に配列されている。各圧縮機静翼段１５は、圧縮機ケーシング１２の内周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数の圧縮機静翼１６を有している。
【００２２】
燃焼器３は、圧縮機ケーシング１２とタービンケーシング２２（後述）との間に設けられている。燃焼器３には、圧縮機１で生成された高圧空気が導かれる。この高圧空気に燃料を混合し、燃焼させることで、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスは、タービン２に流入してこれを駆動する。
【００２３】
タービン２は、軸線Ａｍに沿って延びるタービンロータ２１と、タービンロータ２１を外周側から覆うタービンケーシング２２と、ディフューザ４と、を有している。タービンロータ２１の外周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼段２３が設けられている。各タービン動翼段２３は、タービンロータ２１の外周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン動翼２４を有している。タービンケーシング２２の内周面には、軸線Ａｍ方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼段２５が設けられている。タービン静翼段２５は、上記のタービン動翼段２３に対して軸線Ａｍ方向に交互に配列されている。各タービン静翼段２５は、タービンケーシング２２の内周面上で軸線Ａｍの周方向に間隔をあけて配列された複数のタービン静翼２６を有している。
【００２４】
圧縮機ロータ１１とタービンロータ２１とは、軸線Ａｍ方向に一体に接続されることで、ガスタービンロータ９１を形成している。同様に、圧縮機ケーシング１２とタービンケーシング２２とは、軸線Ａｍに沿って一体に接続されることで、ガスタービンケーシング９２を形成している。ガスタービンロータ９１は、ガスタービンケーシング９２の内部で軸線Ａｍ回りに一体に回転可能とされている。
【００２５】
ディフューザ４は、タービンケーシング２２（ガスタービンケーシング９２）に一体に設けられている。より具体的には、ディフューザ４は、軸線Ａｍに沿って延びる内筒４１と、内筒４１を外周側から覆う外筒４２と、これら内筒４１と外筒４２とを接続する複数の第一ストラット４３（ストラット）、及び第二ストラット４４と、を有している。内筒４１の外周面４１Ａ、外筒４２の内周面４２Ａ、及び周方向に隣り合う一対の第一ストラット４３によって囲まれる空間は、タービン２から排出された排気ガスが流通する排気流路Ｃとされている。
【００２６】
続いて、図２を参照してディフューザ４の詳細な構成について説明する。ディフューザ４の内筒４１は、軸線Ａｍに沿って延びており、その内側には上記のガスタービンロータ９１の軸端部９１Ａを回転可能に支持する軸受装置（図示省略）が設けられている。内筒４１の外周面は、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かうにしたがって次第に縮径している。
【００２７】
外筒４２は、内筒４１を外周側から覆う筒状をなしている。外筒４２の内周面４２Ａは、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かうにしたがって次第に拡径している。すなわち、外筒４２と内筒４１との間に画成される空間（排気流路Ｃ）は、軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かうにしたがって、その断面積（軸線Ａｍ方向から見た場合の断面積）が次第に拡大している。これにより、当該排気流路Ｃ内を流通する流体（排気ガス）の運動エネルギーは、圧力に変換されるようになっている。
【００２８】
内筒４１と外筒４２との間には、上記の第一ストラット４３、及び第二ストラット４４が設けられている。これら第一ストラット４３及び第二ストラット４４は、主として外筒４２を内筒４１に対して固定・支持するために設けられている。第一ストラット４３は、複数のタービン動翼段２３のうちで軸線Ａｍ方向の最も他方側に位置する最終段を臨んでいる。図３に示すように、本実施形態では、内筒４１を中心として外周側に向かって放射状に延びる６つの第一ストラット４３が設けられている。これら６つの第一ストラット４３は、軸線Ａｍの周方向に等間隔をあけて配列されている。
【００２９】
各第一ストラット４３は、内筒４１の外周面４１Ａの接線方向に対して傾斜した形式（タンジェンシャルストラット）を採っている。より具体的には、第一ストラット４３は、軸線Ａｍの径方向内側から外側に向かうにしたがって、該軸線Ａｍの周方向他方側から一方側に向かって延びている。第一ストラット４３の周方向一方側を向く面は、第一面Ｓ１とされている。一方で、第一ストラット４３の周方向他方側を向く面は、第二面Ｓ２とされている。本実施形態では、これら第一面Ｓ１、及び第二面Ｓ２は、いずれも径方向内側（内筒４１の外周面から外側（外筒４２の内周面）にわたって同一の方向に延びている。具体的には、第一面Ｓ１は、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に向かって延びる第一傾斜面Ｔ１を有している。第二面Ｓ２は、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に向かって延びる第二傾斜面Ｔ２を有している。第一傾斜面Ｔ１及び第二傾斜面Ｔ２の径方向内側の端部は、それぞれ内筒４１の外周面４１Ａに接続され、径方向外側の端部は、それぞれ外筒４２の内周面４２Ａに接続されている。
【００３０】
第二ストラット４４は、内筒４１に対して外筒４２の荷重を支持させるために設けられる部材であって、第一ストラット４３の荷重負担を分散することを主な目的として設けられる。第二ストラット４４は、第一ストラット４３から軸線Ａｍ方向他方側に離間した位置に設けられている。本実施形態では、内筒４１の外周面４１Ａから互いに離間する方向に延びる２つの第二ストラット４４が設けられている。各第二ストラット４４は、軸線Ａｍの径方向に対して平行に延びている。
【００３１】
以上のように構成されたガスタービン１００を運転するに当たっては、まず外部の駆動源によって圧縮機ロータ１１（ガスタービンロータ９１）を回転駆動する。圧縮機ロータ１１の回転に伴って外部の空気が順次圧縮され、高圧空気が生成される。この高圧空気は、圧縮機ケーシング１２を通じて燃焼器３内に供給される。燃焼器３内では、燃料がこの高圧空気に混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスが生成される。燃焼ガスはタービンケーシング２２を通じてタービン２内に供給される。タービン２内では、タービン動翼段２３、及びタービン静翼段２５に燃焼ガスが順次衝突することで、タービンロータ２１（ガスタービンロータ９１）に対して回転駆動力が与えられる。この回転エネルギーは、軸端に連結された発電機ＧＧの駆動に利用される。タービン２を駆動した燃焼ガスは、排気ガスとしてディフューザ４の排気流路Ｃを通過する際に圧力（静圧）が高められた後、外部に排出される。
【００３２】
続いて、上記のディフューザ４内における排気ガスの挙動について、図３と図４を参照して説明する。上述したように、本実施形態に係るタービン２では、最終段のタービン動翼２４の後縁側（軸線Ａｍ方向他方側の部分）が周方向一方側から他方側に向かって湾曲しており、かつタービンロータ２１は周方向他方側から一方側に向かって回転している。このとき、ディフューザ４内に流入する排気ガスには、軸線Ａｍの周方向に旋回する旋回流成分が付与される。（図３中における矢印Ａは、この旋回流の旋回方向を表している。）特に、ガスタービン１００が定格運転されている場合、第一ストラット４３の周囲における旋回流の旋回角度は、図４のグラフ中の鎖線で示すような分布を示すことが知られている。
【００３３】
なお、図４のグラフにおいて、横軸は旋回流の旋回角度を表している。横軸のプラス（＋）側は、旋回流が周方向他方側から一方側に向かって流れている状態を示し、マイナス（−）側は、旋回流が周方向一方側から他方側に向かって流れている状態を示している。縦軸は第一ストラット４３の径方向内側（内筒４１側）の端部を原点とする当該第一ストラット４３上における径方向の位置座標を表している。
【００３４】
一般にガスタービン１００は、定格運転時において流れと流路内構造物との干渉による圧力損失を小さくするために、旋回流が極力小さくなるように設計されている。本実施形態では、一例として同図中の鎖線で示すように、ガスタービン１００の定格運転時には、第一ストラット４３の内筒４１側の端部を含む領域、及び外筒４２側の端部を含む領域では、マイナス方向の旋回流が生じる。一方で、これら２つの領域に囲まれた領域では、プラス方向の旋回流が生じる。
【００３５】
他方で、ガスタービン１００が部分負荷で運転されている状態では、旋回流が大きくなる。この結果、流路内の構造物からの流れの剥離の影響が大きくなる傾向がある。また、これに伴って圧力損失が増加する。本実施形態では、一例として第一ストラット４３の周囲における旋回流は、図４中の実線で示すような分布を示している。すなわち、第一ストラット４３の延在領域の全体にわたって、マイナス方向の旋回流が生じる。
【００３６】
ここで、上記のように、第一ストラット４３の第一面Ｓ１は、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向一方側から他方側に延びる第一傾斜面Ｔ１を有している。すなわち、この第一傾斜面Ｔ１は、径方向内側から外側に向かうにしたがって、上記の旋回成分とは反対の方向に傾斜するように延びている。これにより、第一傾斜面Ｔ１の周方向一方側の領域では、軸線Ａｍ方向に延びる成分を含む馬蹄渦としての渦Ｖ１が卓越して発達する。なお、馬蹄渦とは、流れの中に構造体が存在する場合に該構造体の両側に境界層によって生じた渦度が巻き付くことにより生成される渦管状の構造を有する渦である。
この渦Ｖ１は、径方向外側から見て、第一ストラット４３を軸線Ａｍ方向他方側から囲むように延びる馬蹄形の渦管を形成する。また、この渦Ｖ１は、第一傾斜面Ｔ１に沿って内筒４１の外周面４１Ａに向かって流れた後、当該外周面４１Ａから離間しながら、再び第一傾斜面Ｔ１に向かうように流れる。すなわち、軸線Ａｍ方向一方側から見た場合、渦Ｖ１は反時計回りに旋回している。このような渦Ｖ１が形成されることで、当該第一傾斜面Ｔ１の周方向一方側の領域では、当該第一傾斜面Ｔ１の近傍で形成される境界層に対して運動量が付加されるため、排気ガスの流れが内筒４１の外周面４１Ａに積極的に付着するようになる。すなわち、第一傾斜面Ｔ１の周方向一方側で、排気ガスの流れが内筒４１から剥離する虞を低減することができる。
【００３７】
加えて、上記の渦Ｖ１が形成されるため、第一傾斜面Ｔ１の周方向一方側の領域の圧力は、第二傾斜面Ｔ２の周方向他方側の領域の圧力よりも高くなる。これにより、第一ストラット４３の周方向一方側では、当該周方向一方側から他方側に向かって圧力が減少する圧力勾配が形成される。この圧力勾配により、排気ガスは内筒４１の外周面４１Ａに向かって押し付けられるように流れる。その結果、第二傾斜面Ｔ２の周方向他方側に圧力を供給することができる。したがって、第二傾斜面Ｔ２の周方向他方側でも、排気ガスの流れが内筒４１の外周面４１Ａから剥離する虞を低減することができる。これにより、排気流路Ｃ内での圧力損失を抑制することができる。
【００３８】
一方で、例えば図６に示すように、第一ストラット４３が上記とは反対の方向に傾斜している場合（すなわち、径方向内側から外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に傾斜している場合）、内筒４１の外周面４１Ａ近傍では径方向内側から外側に向かう圧力勾配が形成されてしまう。これにより、当該外周面４１Ａの近傍に形成される境界層の安定性が損なわれる虞がある。しかしながら、本実施形態に係るタービン２、及びこれを備えるガスタービン１００では、上述の通り、部分負荷時における第一ストラット４３周辺での圧力損失を抑制することができる。
【００３９】
特に、上記第一ストラット４３のようなタンジェンシャルストラットの形状・姿勢を決定するに当たっては、主に定格運転時における排気ガスの挙動のみを想定することが従来一般的であった。すなわち、一例として軸線Ａｍ方向一方側から見て旋回流が周方向他方側から一方側に向かって旋回している場合には、ストラットもこれに対応させて、径方向内側から外側に向かうにしたがって周方向他方側から一方側に向かって傾斜する構成とすることが一般的であった。しかしながら、図４のグラフに基づいて上述したように、ガスタービン１００が部分負荷で運転されている場合には、圧力損失の低減を図る上でこのような構成が必ずしも最適ではないことが、本願発明者による新たな知見として得られた。この知見に基づいて、本実施形態では第一ストラット４３が上述のような構成を採っている。
【００４０】
［第二実施形態］
次に、本発明の第二実施形態について図７を参照して説明する。なお、上記第一実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るディフューザ４では、第一ストラット５３の構成が上記第一実施形態と相違している。より具体的には、第一ストラット５３の第一面Ｓ１２は、相対的に径方向内側に位置する第一傾斜面Ｔ１２と、第一傾斜面Ｔ１２の径方向外側に位置する第一外側傾斜面Ｔ１３と、を有している。第二面Ｓ２２は、相対的に径方向内側に位置する第二傾斜面Ｔ１４と、第二傾斜面Ｔ１４の径方向外側に位置する第二外側傾斜面Ｔ１５と、を有している。
【００４１】
第一傾斜面Ｔ１２は、内筒４１の外周面４１Ａから径方向外側に向かって延びている。具体的には、第一傾斜面Ｔ１２は、内筒４１の外周面４１Ａから径方向外側に向かうにしたがって、周方向一方側から他方側に向かって延びている。一方で、第一外側傾斜面Ｔ１３は、第一傾斜面Ｔ１２の径方向外側の端部から径方向外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって延びている。
【００４２】
第二傾斜面Ｔ１４は、内筒４１の外周面４１Ａから径方向外側に向かって外筒４２の内周面４２Ａまで延びている。具体的には、第二傾斜面Ｔ１４は、内筒４１の外周面４１Ａから径方向外側に向かうにしたがって、周方向一方側から他方側に向かって延びている。一方で、第二外側傾斜面Ｔ１５は、第二傾斜面Ｔ１４の径方向外側の端部から径方向外側に向かうにしたがって、周方向他方側から一方側に向かって延びている。すなわち、上記の第一傾斜面Ｔ１２と第二傾斜面Ｔ１４とは互いに平行に延びている。同様に、第一外側傾斜面Ｔ１３と第二外側傾斜面Ｔ１５とは互いに平行に延びている。さらに、本実施形態では第一外側傾斜面Ｔ１３の延在寸法は、第一傾斜面Ｔ１２の延在寸法よりも小さく、第二外側傾斜面Ｔ１５の延在寸法は、第二傾斜面Ｔ１４の延在寸法よりも小さい。
【００４３】
このような構成によれば、第一傾斜面Ｔ１２が形成されていることによって内筒４１の外周面４１Ａ上における流れの剥離を抑制できることに加えて、第一外側傾斜面Ｔ１３が形成されていることによって外筒４２の内周面４２Ａ上における流れの剥離をも抑制することができる。より具体的には、第一外側傾斜面Ｔ１３の周方向一方側の領域では、軸線Ａｍ方向に延びる成分を含む馬蹄渦としての渦Ｖ２が形成される。この渦Ｖ２は、第一外側傾斜面Ｔ１３に沿って外筒４２の内周面４２Ａに向かって流れた後、当該内周面４２Ａから離間しながら、再び第一外側傾斜面Ｔ１３に向かうように流れる。すなわち、軸線Ａｍ方向一方側から見た場合、渦Ｖ２は時計回りに旋回している。この渦Ｖ２が形成されることで、第一外側傾斜面Ｔ１３の周方向一方側の領域では、当該第一外側傾斜面Ｔ１３の近傍で形成される境界層に対して運動量が付加されるため、排気ガスの流れが外筒４２の内周面４２Ａ（径方向外側）に積極的に付着するようになる。すなわち、第一外側傾斜面Ｔ１３の周方向一方側で、排気ガスの流れが外筒４２から剥離する虞を低減することができる。
【００４４】
加えて、上記の渦Ｖ２が形成されるため、第一外側傾斜面Ｔ１３の周方向一方側の領域の圧力は、第二外側傾斜面Ｔ１５の周方向他方側の領域の圧力よりも高くなる。これにより、上記第一実施形態と同様に、第一ストラット５３を挟んで周方向一方側から他方側に向かう流れが生じる。したがって、第一ストラット５３の周方向他方側でも、排気ガスの流れが外筒４２から剥離する虞を低減することができる。これにより、外筒４２の内周面から流れが剥離することによる排気流路Ｃ内での圧力損失を抑制することができる。
【００４５】
さらに、上記の構成では、排気流路Ｃ中を、周方向他方側から一方側に向かって旋回する旋回流のうち、相対的に径方向内側の領域を流れる成分は、第二傾斜面Ｔ１４に沿って径方向外側から内側に向かって流れる。これにより、内筒４１の外周面４１Ａに対して積極的に流れを付着させることができる。すなわち、内筒４１の外周面４１Ａ上における流れの剥離をさらに抑制することができる。
【００４６】
また、排気流路Ｃ中の旋回流のうち、相対的に径方向外側の領域を流れる成分は、第二外側傾斜面Ｔ１５に沿って径方向内側から外側に向かって流れる。これにより、外筒４２の内周面４２Ａに対して積極的に流れを付着させることができる。すなわち、外筒４２の内周面４２Ａ上における流れの剥離をさらに抑制することができる。
【００４７】
［第三実施形態］
続いて、本発明の第三実施形態について図８を参照して説明する。なお、上記の各実施形態と同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。同図に示すように、本実施形態に係るディフューザ４では、第一ストラット６３の構成が上記の各実施形態とは相違している。より具体的には、この第一ストラット６３では、上記の第二実施形態における第二外側傾斜面Ｔ１５が形成されておらず、第二面Ｓ２３の全体が、内筒４１の外周面から外筒４２の内周面にわたって一様に延びる第二傾斜面Ｔ３４とされている。第二傾斜面Ｔ３４は、内筒４１の外周面４１Ａから径方向外側に向かうにしたがって、周方向一方側から他方側に向かって延びている。一方で、第一面Ｓ１３には、上記の第二実施形態と同様に、相対的に径方向内側に位置する第一傾斜面Ｔ１２と、この第一傾斜面Ｔ１２の径方向外側に位置する第一外側傾斜面Ｔ１３とが形成されている。すなわち、この第一ストラット６３の径方向外側の部分では、周方向における寸法が他の部分よりも大きく設定されている。
【００４８】
このような構成によれば、上記第二実施形態と同様に、第一傾斜面Ｔ１２及び第一外側傾斜面Ｔ１３が形成されることによって、内筒４１の外周面４１Ａ及び外筒４２の内周面４２Ａからの流れの剥離を抑制することができる。加えて、第二面Ｓ２３の全体が、一様に延びる第二傾斜面Ｔ３４とされることで、第一ストラット６３の径方向外側の部分では、周方向における寸法が他の部分よりも大きくなっている。これにより、例えば第一ストラット６３の周方向における寸法が径方向の全域にわたって同一とされている構成に比べて、第一ストラット６３の剛性を高めることができる。すなわち、第一ストラット６３に対して外力が加わった場合であっても、この外力に対して十分に抗することができる。
【００４９】
以上、本発明の各実施形態について図面を参照して説明した。なお、上記各実施形態で説明した構成はあくまで一例であり、本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、上記構成に種々の変更を加えることが可能である。
【００５０】
例えば、上記各実施形態では、第一ストラット４３（第一ストラット５３、第一ストラット６３）が６個設けられている構成について説明した。しかしながら、第一ストラット４３（第一ストラット５３、第一ストラット６３）の数は上記実施形態によっては限定されず、設計や仕様に応じて適宜決定されてよい。
【００５１】
さらに、上記各実施形態では、第一ストラット４３の軸線Ａｍ方向他方側に第二ストラット４４が設けられている構成について説明した。しかしながら、内筒４１に対して外筒４２を安定的に支持・固定することができる場合には、必ずしも第二ストラット４４を設ける必要はなく、第一ストラット４３（第一ストラット５３、第一ストラット６３）のみが設けられていてもよい。
【００５２】
加えて、内筒４１の構成は、上記実施形態によっては限定されない。特に、上記実施形態では、内筒４１が軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かって縮径するように構成された例について説明した。しかしながら、内筒４１は必ずしも上記のような構成を採る必要はなく、軸線Ａｍに対して平行に延びていてもよい。このような構成であっても、外筒４２が軸線Ａｍ方向一方側から他方側に向かって拡径していれば、ディフューザ４としての機能を発揮することができる。
【００５３】
さらに加えて、上記第二実施形態では、第一傾斜面Ｔ１２と第一外側傾斜面Ｔ１３とが互いに接続され、第二傾斜面Ｔ１４と第二外側傾斜面Ｔ１５とが互いに接続されている構成について説明した。しかしながら、第一傾斜面Ｔ１２と第一外側傾斜面Ｔ１３との間に、例えば径方向に延びる他の面が形成されていてもよい。同様に、第二傾斜面Ｔ１４と第二外側傾斜面Ｔ１５との間に、例えば径方向に延びる他の面が形成されていてもよい。
【符号の説明】
【００５４】
１…圧縮機
２…タービン
３…燃焼器
４…ディフューザ
１１…圧縮機ロータ
１２…圧縮機ケーシング
１３…圧縮機動翼段
１４…圧縮機動翼
１５…圧縮機静翼段
１６…圧縮機静翼
２１…タービンロータ
２２…タービンケーシング
２３…タービン動翼段
２４…タービン動翼
２５…タービン静翼段
２６…タービン静翼
４１…内筒
４１Ａ…内筒の外周面
４２…外筒
４２Ａ…外筒の内周面
４３，５３，６３…第一ストラット（ストラット）
４４…第二ストラット
９１…ガスタービンロータ
９１Ａ…軸端部
９２…ガスタービンケーシング
１００…ガスタービン
Ａｍ…軸線
Ｃ…排気流路
Ｇ…発電機
Ｓ１，Ｓ１２，Ｓ１３…第一面
Ｓ２，Ｓ２２，Ｓ２３…第二面
Ｔ１，Ｔ１２…第一傾斜面
Ｔ１３…第一外側傾斜面
Ｔ２，Ｔ１４，Ｔ３４…第二傾斜面
Ｔ１５…第二外側傾斜面
Ｖ１，Ｖ２…渦
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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