JP2002327626A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱効率の向上を図ることができるガスタービン
エンジンを提供する。 【解決手段】コンプレッサ１２によって圧縮された熱交
換前の空気を第１吸気ダクト３０を介して熱交換器１３
に導くとともに、エンジン本体１１から排出される排気
ガスを排気ダクト３３を介して熱交換器１３に導く。熱
交換器１３で排気ガスの熱によって加熱された熱交換後
の空気を第２吸気ダクト３２を介して燃焼用空気として
エンジン本体１１に供給する。排気ガスを導く排気ダク
ト３３は内側に配設され、排気ダクト３３の外側に第２
吸気ダクト３２を配設して連結ダクト３１が構成されて
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱交換器を備えた
ガスタービンエンジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービンエンジンを図３に示
す。ガスタービンエンジン５０は、燃焼器５４を有する
エンジン本体５１と、コンプレッサ５２と、熱交換器５
３とを備えている。エンジン本体５１、コンプレッサ５
２、及び熱交換器５３はそれぞれ図示しないフレーム等
に固定されている。コンプレッサ５２と熱交換器５３と
は第１吸気ダクト６０によって繋がれている。熱交換器
５３とエンジン本体５１とは第２吸気ダクト６１によっ
て繋がれて燃焼器５４に至り、さらに、排気ダクト６２
によって熱交換器５３に繋がれている。

【０００３】エンジン本体５１は、燃焼器５４及びター
ビン５５を備えている。燃焼器５４は、コンプレッサ５
２によって圧縮された燃焼用空気と、インジェクタ（図
示略）から噴射される燃料との混合気を燃焼させる。タ
ービン５５は、燃焼器５４での燃焼に伴って発生した燃
焼ガスによって回転される。このタービン５５の回転に
よってエンジン本体５１の駆動力（出力トルク）が得ら
れる。タービン５５を通過した燃焼ガスはエンジンハウ
ジング５６内に設けられた排気ダクト部５７及び排気ダ
クト６２を介して熱交換器５３に向けて導出される。

【０００４】コンプレッサ５２は、前記タービン５５と
同軸上に設けられたインペラ５８を備える。コンプレッ
サ５２のインペラ５８は前記タービン５５で発生する出
力トルクの一部によって駆動される。コンプレッサ５２
は外気を吸入し、インペラ５８の駆動によって空気を圧
縮し、その圧縮した空気を前記第１吸気ダクト６０を介
して熱交換器５３に導出する。

【０００５】熱交換器５３は前記第１吸気ダクト６０と
第２吸気ダクト６１とを繋ぐ通路を備えている。熱交換
器５３は排気ダクト６２を介して導かれた排気ガスと第
１吸気ダクト６０を介して導かれた圧縮空気との間で熱
交換を行い、加熱された熱交換後の圧縮空気を第２吸気
ダクト６１を介してエンジン本体５１に燃焼用空気とし
て供給する。このように、熱交換器５３がない場合に捨
てられていた排気ガスの熱を回収することによりガスタ
ービンエンジン５０の熱効率が向上する。

【０００６】なお、上記ガスタービンエンジンでは高温
となる第２吸気ダクト６１及び排気ダクト６２の熱膨張
による応力により熱交換器５３の変形損傷のおそれがあ
る。そのため、第１吸気ダクト６０、第２吸気ダクト６
１、及び排気ダクト６２の中間部にはベローズ部６０
ａ，６１ａ，６２ａが設けられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、ガスタービ
ンエンジンの熱効率を左右する要因の一つとして、エン
ジン本体の高温部位及び熱交換器の高温部位から外部空
間への放熱量がある。この放熱量は、高温部位の表面積
と、高温部位の温度及び外部空間温度の温度差とに比例
することが知られている。従って、ガスタービンエンジ
ンの熱効率を向上するためには、高温部位の表面積を減
少させたり、高温部位と外部空間との温度差を小さくし
たりすることによって、放熱量を抑制することが必要と
なる。

【０００８】ところが、上記ガスタービンエンジン５０
では、エンジン本体５１と熱交換器５３とを連結するダ
クトとして、それぞれ別々の第１吸気ダクト６０、第２
吸気ダクト６１、及び排気ダクト６２を設けており、そ
のいずれもが常温空気に触れている。従って、高温とな
る排気ダクト６２及び第２吸気ダクト６１において、外
部空間との温度差が大きくなって排気ダクト６２及び第
２吸気ダクト６１からの放熱量が多くなるため、ガスタ
ービンエンジン５０の熱効率が低下するという問題があ
る。

【０００９】また、ガスタービンエンジン５０には３つ
のダクトが別個に設けられているため、これらのダクト
の取回し上スペースが必要となり、ガスタービンエンジ
ン５０をコンパクト化する上で支障となる。

【００１０】本発明はこのような実情に鑑みてなされた
ものであって、その目的は、熱効率の向上を図ることが
できるとともに、よりコンパクトなガスタービンエンジ
ンを提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】以下、上記目的を達成す
るための手段及びその作用効果について記載する。請求
項１に記載の発明は、コンプレッサによって圧縮された
空気を第１吸気ダクトを介して熱交換器に導くととも
に、エンジン本体から排出される排気ガスを排気ダクト
を介して熱交換器に導き、該熱交換器で前記排気ガスの
熱によって加熱された空気を第２吸気ダクトを介して燃
焼用空気として前記エンジン本体に供給するようにした
ガスタービンエンジンにおいて、前記第１吸気ダクト、
前記第２吸気ダクト及び前記排気ダクトのうち、少なく
とも２つのダクトを内外に配設して多重管構造としたこ
とを特徴とする。

【００１２】上記の構成によれば、熱交換前の空気を導
く第１吸気ダクト、熱交換後の空気を導く第２吸気ダク
ト及び排気ガスを導く排気ダクトのうち、少なくとも２
つのダクトを内外に配設して多重管構造が構成されてい
る。従って、内側ダクトと外側ダクトとの間で熱の授受
が行われることとなり、ガスタービンエンジン全体での
外部空間への放熱量を減少することができ、ガスタービ
ンエンジンの熱効率を向上することができる。また、３
つのダクトのうち、少なくとも２つのダクトが多重管構
造をなすため、ダクトの取回し上スペースを小さくする
ことができ、ガスタービンエンジンのコンパクト化を図
ることができる。

【００１３】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のガスタービンエンジンにおいて、前記排気ダクトと前
記第２吸気ダクトとを内外に配設して多重管構造とした
ことを特徴とする。

【００１４】上記の構成によれば、熱交換後の空気を導
く第２吸気ダクトと排気ガスを導く排気ダクトを内外に
配設して多重管構造が構成されている。従って、第２吸
気ダクト及び排気ダクトの配置にかかわらず、第２吸気
ダクトと排気ダクトとの間で熱の授受が行われることと
なり、ガスタービンエンジン全体での外部空間への放熱
量を減少することができ、ガスタービンエンジンの熱効
率を向上することができる。

【００１５】請求項３に記載の発明は、請求項２に記載
のガスタービンエンジンにおいて、前記排気ダクトを内
側に配設し、前記排気ダクトの外側に前記第２吸気ダク
トを配設して多重管構造としたことを特徴とする。

【００１６】上記の構成によれば、排気ダクトの外部空
間は第２吸気ダクトを通る高温の空気となり、排気ガス
温度とその加熱された空気の温度との温度差が小さくな
るため、排気ダクトからの放熱量が減少する。また、排
気ダクトからの放熱先は第２吸気ダクトを通過する加熱
された空気であり、結果的に排気ダクトの表面からの放
熱による熱効率の低下はなくなり、ガスタービンエンジ
ンの熱効率を向上することができる。

【００１７】請求項４に記載の発明は、請求項２及び３
のいずれかに記載のガスタービンエンジンにおいて、前
記エンジン本体は前記排気ダクトに連結される排気ダク
ト部と、前記第２吸気ダクトに連結される吸気ダクト部
とを備え、少なくとも前記排気ダクトの端部と前記排気
ダクト部の端部とは前記排気ガスの漏れを防止し、かつ
前記排気ダクトの軸線方向への相対移動を許容する遮蔽
機構を介して嵌合されていることを特徴とする。

【００１８】上記の構成によれば、熱交換前の空気を導
く第１吸気ダクト、熱交換後の空気を導く第２吸気ダク
ト及び排気ガスを導く排気ダクトのうち、高温の排気ガ
スを導く排気ダクトの熱膨張量が最も大きくなる。この
点について、遮蔽機構によって排気ダクトと排気ダクト
部との排気ダクトの軸線方向への移動が許容されるの
で、排気ガスの漏れを防止しつつ、排気ダクトの熱膨張
を吸収することができる。

【００１９】請求項５に記載の発明は、請求項４に記載
のガスタービンエンジンにおいて、前記遮蔽機構は、内
嵌される部材の端部外周面に環状に設けられた収容溝
と、同収容溝内に移動可能に収容され、かつ、外嵌され
る部材の端部内周面に弾性的に接触する摺接リングと、
を備えることを特徴とする。

【００２０】請求項６に記載の発明は、請求項４に記載
のガスタービンエンジンにおいて、前記遮蔽機構は、外
嵌される部材の端部内周面に環状に設けられた収容溝
と、同収容溝内に移動可能に収容され、かつ、内嵌され
る部材の端部外周面に弾性的に接触する摺接リングと、
を備えることを特徴とする。

【００２１】請求項５及び６のいずれかの構成によれ
ば、嵌合された一対の部材の内部空間と外部空間とに圧
力差が存在すると、収容溝を有する部材側では、摺接リ
ングが収容溝内を圧力の低い空間側に移動して収容溝の
側壁に当接し、その部材と摺接リングとの間がシールさ
れる。一方、収容溝のない部材側ではその端部内周面又
は端部外周面に対して摺接リングが弾性的に接触するた
め、その部材と摺接リングとの間がシールされる。従っ
て、嵌合された両部材の内部空間と外部空間とは摺接リ
ングによって確実に遮蔽され、内部空間と外部空間との
間での漏れが防止される。

【００２２】請求項７に記載の発明は、請求項５及び６
のいずれかに記載のガスタービンエンジンにおいて、前
記収容溝は前記嵌合される部材の軸線方向において複数
設けられ、各収容溝内にそれぞれ前記摺接リングが収容
されていることを特徴とする。

【００２３】上記の構成によれば、複数の摺接リング
と、各摺接リングを収容する複数の収容溝とを設けるこ
とによって、嵌合された両部材の内部空間と外部空間と
をより確実に遮蔽することができ、内部空間と外部空間
との間での漏れを確実に防止することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明を具体化した実施の
形態を図１及び図２に従って説明する。図１に示すよう
に、ガスタービンエンジン１０は、燃焼器１４を有する
エンジン本体１１と、コンプレッサ１２と、熱交換器１
３とを備えている。エンジン本体１１、コンプレッサ１
２、及び熱交換器１３はそれぞれ図示しないフレーム等
に固定されている。

【００２５】コンプレッサ１２と熱交換器１３とは熱交
換前の空気の通路となる第１吸気ダクト３０によって繋
がれている。熱交換器１３とエンジン本体１１とは多重
管構造をなす連結ダクト３１によって繋がれている。連
結ダクト３１は外側に配設されかつ熱交換後の空気通路
を構成する第２吸気ダクト３２と、この第２吸気ダクト
３２の内側に配設されかつ排気ガス通路を構成する排気
ダクト３３とからなる。

【００２６】エンジン本体１１は、燃焼器１４及びター
ビン１５を備えており、吸気ダクト部として機能するエ
ンジンハウジング１６によって覆われている。エンジン
ハウジング１６のフランジ部１６ａは前記第２吸気ダク
ト３２のフランジ部３２ａに対して図示しないボルト等
により連結されている。

【００２７】エンジン本体１１内にはタービン１５を覆
うように排気ダクト部１７が設けられており、この排気
ダクト部１７によってエンジンハウジング１６内の空間
は燃焼器１４を収容する空間とタービン１５を収容する
空間とに区画されている。燃焼器１４は排気ダクト部１
７内に臨むように配設されている。排気ダクト部１７は
その外周フランジ１８を第２吸気ダクト３２のフランジ
部３２ａとエンジンハウジング１６のフランジ部１６ａ
との間に挟み込んで固定されている。

【００２８】排気ダクト部１７の端部１７ａは前記排気
ダクト３３の端部３３ａに対して図２に示す遮蔽機構３
４を介して摺動可能に連結されることにより、排気ダク
ト部１７と前記排気ダクト３３とが連通されている。ま
た、排気ダクト部１７の外周フランジ１８には所定位置
に複数の切り欠き１８ａが設けられており、この切り欠
き１８ａを介して第２吸気ダクト３２とエンジン本体１
１の燃焼器１４を収容する空間とが連通されている。

【００２９】排気ダクト部１７と排気ダクト３３とを連
結する遮蔽機構３４の詳細を図２に従って説明する。排
気ダクト部１７の端部１７ａは前記排気ダクト３３の端
部３３ａに対して内嵌されている。端部１７ａ外周面に
は環状をなす複数の収容溝３５が設けられている。各収
容溝３５内には摺接リング３６が収容溝３５の幅方向に
おいて移動可能に収容されている。各摺接リング３６は
排気ダクト３３の端部３３ａ内周面に弾性的に接触する
ようになっている。本実施形態では複数の収容溝３５と
複数の摺接リング３６とによって遮蔽機構３４が構成さ
れている。

【００３０】嵌合された排気ダクト３３と排気ダクト部
１７の内部空間は低圧の排気ガス通路となり、外部空間
は圧縮された燃焼用空気の通路となる。従って、排気ダ
クト３３及び排気ダクト部１７の内部空間と外部空間と
の間に圧力差が生じ、排気ダクト部１７では、摺接リン
グ３６が収容溝３５内を圧力の低い内部空間側に移動し
て収容溝３５の側壁に当接し、排気ダクト部１７と摺接
リング３６との間がシールされる。また、排気ダクト３
３側ではその端部３３ａ内周面に対して摺接リング３６
が弾性的に接触するため、排気ダクト３３と摺接リング
３６との間がシールされる。従って、嵌合された排気ダ
クト３３と排気ダクト部１７の内部空間と外部空間とは
摺接リング３６によって確実に遮蔽され、内部空間と外
部空間との間での漏れが防止される。なお、高温の排気
ガスが通過する排気ダクト部１７及び排気ダクト３３の
熱膨張量が大きくなるが、摺接リング３６によって排気
ダクト３３の軸線方向への移動が許容されるので、排気
ダクト３３と排気ダクト部１７の熱膨張を吸収すること
ができる。

【００３１】エンジン本体１１において、上記燃焼器１
４は、コンプレッサ１２によって圧縮された燃焼用空気
と、インジェクタ（図示略）から噴射される燃料との混
合気を燃焼させる。タービン１５は、燃焼器１４での燃
焼に伴って発生した燃焼ガスによって回転される。この
タービン１５の回転によってエンジン本体１１の駆動力
（出力トルク）が得られる。タービン１５を通過した燃
焼ガスは排気ダクト部１７及び排気ダクト３３を介して
熱交換器１３に向けて導出される。

【００３２】コンプレッサ１２は、前記タービン１５と
同軸上に設けられたインペラ３８を備える。コンプレッ
サ１２のインペラ３８は前記タービン１５で発生する出
力トルクの一部によって駆動される。コンプレッサ１２
は外気を吸入し、インペラ３８の駆動によって空気を圧
縮し、その圧縮した空気を前記第１吸気ダクト３０を介
して熱交換器１３に導出する。

【００３３】熱交換器１３はその内部において前記第１
吸気ダクト３０と第２吸気ダクト３２とを繋ぐ通路を備
えている。熱交換器１３はエンジン本体１１から導かれ
た排気ガスとコンプレッサ１２から導かれた圧縮空気と
の間で熱交換を行い、熱交換後の圧縮空気を第２吸気ダ
クト３２を介してエンジン本体１１に燃焼用空気として
供給する。

【００３４】このように構成された本実施の形態によれ
ば、以下の効果を得ることができる。 ・ 本実施形態では、排気ガスを導く排気ダクト３３を
内側に配設し、排気ダクト３３の外側に熱交換後の空気
を導く第２吸気ダクト３２を配設して多重管構造とし
た。従って、排気ダクト３３の外部空間は第２吸気ダク
ト３２を通る高温の空気となり、排気ガス温度とその加
熱された空気の温度との温度差が小さくなるため、排気
ダクト３３からの放熱量が減少する。また、排気ダクト
３３からの放熱先は第２吸気ダクト３２を通過する加熱
された空気であり、結果的に排気ダクト３３の表面から
の放熱による熱効率の低下はなくなり、ガスタービンエ
ンジン１０の熱効率を向上することができる。

【００３５】・ また、３つのダクトのうち、排気ダク
ト３３と第２吸気ダクト３２とを内外に配設して多重管
構造としたため、ダクトの取回し上スペースを小さくす
ることができ、ガスタービンエンジン１０のコンパクト
化を図ることができる。

【００３６】・ また、排気ダクト３３の端部３３ａと
エンジン本体１１の排気ダクト部１７の端部１７ａとは
排気ダクトの軸線方向への相対移動を許容する遮蔽機構
３４を介して嵌合されている。この遮蔽機構３４によっ
て高温の排気ガスを導く排気ダクト３３及び排気ダクト
部１７の熱膨張を吸収することができる。よって排気ダ
クト３３及び排気ダクト部１７の熱膨張による応力が熱
交換器１３に作用せず、熱交換器１３の損傷破損を防止
することができる。

【００３７】・ また、排気ダクト３３と排気ダクト部
１７とを遮蔽機構３４を介して嵌合したことにより、排
気ダクト３３にベローズ部を設ける必要がなくなり、ガ
スタービンエンジン１０の小型化を図ることができる。

【００３８】・ また、遮蔽機構３４は、排気ダクト部
１７の端部１７ａ外周面に形成した複数の収容溝３５と
各収容溝３５に移動可能に収容した複数の摺接リング３
６という簡易な構成で実現することができる。

【００３９】なお、実施の形態は上記に限定されるもの
ではなく、次のように変更してもよく、その場合でも上
記実施形態と同様の作用および効果を得ることができ
る。 ・ 上記実施形態では、内嵌される排気ダクト部１７の
端部１７ａ外周面に複数の収容溝３５を形成し、各収容
溝３５内に摺接リング３６を収容したが、これを逆の構
成としてもよい。すなわち、外嵌される排気ダクト３３
の端部３３ａ内周面に複数の収容溝を形成し、各収容溝
内に排気ダクト部１７の端部１７ａ外周面に弾性的に接
触する摺接リングを収容する構成としてもよい。

【００４０】・ 上記実施形態では、排気ダクト部１７
の端部１７ａに対して排気ダクト３３を外嵌するように
構成したが、排気ダクト３３の端部３３ａに対して排気
ダクト部１７を外嵌するように構成してもよい。この場
合には、収容溝を形成する部材は、排気ダクト部１７及
び排気ダクト３３のいずれでもよい。

【００４１】・ 上記実施形態では、排気ダクト３３を
内側に配設し、第２吸気ダクト３２を外側に配設して多
重管（二重管）構造としたが、第２吸気ダクト３２を内
側に配設し、排気ダクト３３を外側に配設した多重管
（二重管）構造としてもよい。

【００４２】・ 上記実施形態では、排気ダクト３３と
第２吸気ダクト３２とを多重管構造としたが、第１吸気
ダクト３０と第２吸気ダクト３２とを、又は、第１吸気
ダクト３０と排気ダクト３３とを多重管構造となるよう
に配設してもよい。

【００４３】・ 上記実施形態では、排気ダクト３３と
第２吸気ダクト３２とを多重管構造としたが、第１吸気
ダクト３０、第２吸気ダクト３２及び排気ダクト３３の
すべてを多重管（三重管）構造となるように配設しても
よい。

【００４４】・ 第２吸気ダクト３２とエンジンハウジ
ング１６との連結を排気ダクト３３と同様の遮蔽機構に
よって行うように構成してもよい。 ・ 上記実施形態ではエンジン本体１１の出力によって
コンプレッサ１２を駆動するガスタービンエンジンに実
施したが、コンプレッサをエンジン本体以外の他の動力
によって駆動するように構成してもよい。

【００４５】次に、上記実施形態から把握できる他の技
術的思想を、以下に記載する。 ・ 請求項１〜７のいずれかに記載のガスタービンエン
ジンにおいて、前記コンプレッサは前記エンジン本体の
出力によって駆動されるものであることを特徴とするガ
スタービンエンジン。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態のガスタービンエンジンを示す概略
断面図。

【図２】排気ダクト及びエンジン本体の排気ダクト部と
の接続状態を示す部分拡大断面図。

【図３】従来のガスタービンエンジンを示す概略断面
図。

【符号の説明】 １１…エンジン本体、１２…コンプレッサ、１３…熱交
換器、１６…エンジンハウジング、１７…排気ダクト
部、３０…第１吸気ダクト、３２…第２吸気ダクト、３
３…排気ダクト、３４…遮蔽機構、３５…収容溝、３６
…摺接リング。

フロントページの続き (72)発明者 西川 匡彦 愛知県豊田市山之手４丁目46番地三井海上 豊田ビル 株式会社トヨタタービンアンド システム内 (72)発明者 杉山 末吉 愛知県豊田市山之手４丁目46番地三井海上 豊田ビル 株式会社トヨタタービンアンド システム内

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】コンプレッサによって圧縮された熱交換前
   の空気を第１吸気ダクトを介して熱交換器に導くととも
   に、エンジン本体から排出される排気ガスを排気ダクト
   を介して熱交換器に導き、該熱交換器で前記排気ガスの
   熱によって加熱された熱交換後の空気を第２吸気ダクト
   を介して燃焼用空気として前記エンジン本体に供給する
   ようにしたガスタービンエンジンにおいて、 前記第１吸気ダクト、前記第２吸気ダクト及び前記排気
   ダクトのうち、少なくとも２つのダクトを内外に配設し
   て多重管構造としたことを特徴とするガスタービンエン
   ジン。
2. 【請求項２】請求項１に記載のガスタービンエンジンに
   おいて、 前記排気ダクトと前記第２吸気ダクトとを内外に配設し
   て多重管構造としたことを特徴とするガスタービンエン
   ジン。
3. 【請求項３】請求項２に記載のガスタービンエンジンに
   おいて、 前記排気ダクトを内側に配設し、前記排気ダクトの外側
   に前記第２吸気ダクトを配設して多重管構造としたこと
   を特徴とするガスタービンエンジン。
4. 【請求項４】請求項２及び３のいずれかに記載のガスタ
   ービンエンジンにおいて、 前記エンジン本体は前記排気ダクトに連結される排気ダ
   クト部と、前記第２吸気ダクトに連結される吸気ダクト
   部とを備え、 少なくとも前記排気ダクトの端部と前記排気ダクト部の
   端部とは前記排気ガスの漏れを防止し、かつ前記排気ダ
   クトの軸線方向への相対移動を許容する遮蔽機構を介し
   て嵌合されていることを特徴とするガスタービンエンジ
   ン。
5. 【請求項５】請求項４に記載のガスタービンエンジンに
   おいて、 前記遮蔽機構は、内嵌される部材の端部外周面に環状に
   設けられた収容溝と、同収容溝内に移動可能に収容さ
   れ、かつ、外嵌される部材の端部内周面に弾性的に接触
   する摺接リングと、を備えることを特徴とするガスター
   ビンエンジン。
6. 【請求項６】請求項４に記載のガスタービンエンジンに
   おいて、 前記遮蔽機構は、外嵌される部材の端部内周面に環状に
   設けられた収容溝と、同収容溝内に移動可能に収容さ
   れ、かつ、内嵌される部材の端部外周面に弾性的に接触
   する摺接リングと、を備えることを特徴とするガスター
   ビンエンジン。
7. 【請求項７】請求項５及び６のいずれかに記載のガスタ
   ービンエンジンにおいて、 前記収容溝は前記嵌合される部材の軸線方向において複
   数設けられ、各収容溝内にそれぞれ前記摺接リングが収
   容されていることを特徴とするガスタービンエンジン。