JP2002534627A - ガスタービンエンジン用のレキュペレータ - Google Patents

ガスタービンエンジン用のレキュペレータ

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JP2002534627A
JP2002534627A JP2000551133A JP2000551133A JP2002534627A JP 2002534627 A JP2002534627 A JP 2002534627A JP 2000551133 A JP2000551133 A JP 2000551133A JP 2000551133 A JP2000551133 A JP 2000551133A JP 2002534627 A JP2002534627 A JP 2002534627A
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、高温の排気ガスと熱接触する熱交換レキュペレータに圧縮空気を通過させて、燃焼前に圧縮空気を予熱することによってガスタービンエンジンの燃料効率を高める。本発明による改善点は、内側及び外側のダクト壁を貫通し、かつ高温ガスダクトに亘って径方向に延びるように各ディフューザパイプを経路づけることによって定まる、一体型のレキュペレータが含まれることである。これにより、圧縮機、ディフューザ、燃焼室、及び高温ガスダクトによってレキュペレータの熱交換空気流路が定められ、このレキュペレータ熱交換空気流路は、単純でかつ最短の単一ループによって構成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、高温の排気ガスと熱的に接触する一体型の熱交換レキュペレータに
圧縮空気を通過させて、燃焼前に圧縮空気を予熱することによってガスタービン
エンジンの燃料効率を改善することに関し、このレキュペレータは、高温の排気
ダクトを通るようにパイプディフューザの経路を単に変更し、逆流式燃焼室と共
に単一ループの空気流路を形成することによって構成される。
【０００２】
【背景技術】
熱交換レキュペレータを有するガスタービンエンジンは、従来技術で周知であ
る。レキュペレータとは、エンジンからの排気ガスを利用して、圧縮機の圧縮空
気を燃焼室へ供給する前にこの圧縮空気を加熱する熱交換器である。圧縮空気を
予熱することで、エンジンの燃料効率がいくつかの点で改善される。
【０００３】 燃焼器によって供給する必要のある熱の量が減少し、これに伴って燃焼器の寸
法及び燃料消費が減少する。更に、低温の圧縮空気を加熱することで圧力と温度
の積である圧縮空気のポテンシャルエネルギが増加するので、圧縮機の圧縮力を
減少させることができる。従って、圧力の増加及び温度の上昇は、最終的な結果
に対して同様の効果を有する。
【０００４】 一般的に、排気ガスの熱は、廃物と見なされるが、軍用航空機の場合には、排
気ガスの熱が赤外線追跡技術を利用する軍用機による識別及び追跡を補助するの
で、熱の発生は大きな関心事である。従って、排気ガスの熱を減少させることに
よって、航空機の赤外線特性を減少させることができる。
【０００５】 しかし、従来技術のレキュペレータは、重要な利点のために難点をも有してい
る。一般的に、従来の装置は、大きくかつ重い構造体であるので、航空機での使
用に全く適していない。航空機のエンジンは、抗力を最小とするために最小の前
面面積を維持する必要がある。大きい熱交換ダクトやレキュペレータを含むこと
により、レキュペレータを使用することによって得られる利点がエンジンの寸法
によって生じる抗力によって失われる程度まで、航空機エンジンの前面面積が拡
大してしまう。
【０００６】 そのうえ、従来技術のレキュペレータは、複雑に入り組んだ熱交換ダクトを含
み、これにより、空気流に対する内部抵抗が増加するとともに、圧縮機に作動負
荷が加わる。例えば、複数の熱交換用直交流パイプを排気マニホルドに設けると
、排気の空気流抵抗及び燃焼室への空気流抵抗が同時に増加する。複雑な熱交換
レキュペレータの影響が積み重なることより、圧縮機の負荷が増加するとともに
、エンジンの推力が減少してしまう。従って、結局のところ、従来の熱交換レキ
ュペレータを使用することによって得られる利点は、全ての不利な要因を考慮し
た場合におけるエンジン効率の損失を大きく超えるものではない。
【０００７】 例えば、シャピロに付与された米国特許第４，５０６，５０２号は、エンジン
内の空気流抵抗を増加してしまうことに加えて、重くかつ製造コストが高い大型
のドラム型ハニコム式熱交換器を含む。これらの要因の組み合わせにより、この
熱交換器は、航空機での使用に全く適さない。
【０００８】 同様に、マックケンナに付与された米国特許第５，１１９，６２４号は、圧縮
空気を予熱するためにエンジンの排気ポートに挿入された大きい熱交換機を含む
。このようなダクトは、エンジンの寸法及び重量を増加させるので、航空機での
使用に適していない。しかし、ガスタービンエンジンが、例えば、地上発電のた
めの補助的な電源装置として用いられる場合には、このような構成は有用であり
得る。寸法の大きな熱交換器をガスタービンエンジンに設けた他の例は、コスシ
ェイルに付与された米国特許第４，１４１，２１２号及びスゼッゴに付与された
米国特許第４，９７４，４１３号に開示されている。
【０００９】 このような寸法の大きいダクトに対する改善策は、デブに付与された米国特許
第５，２５３，４７２号に開示されており、この特許では、熱交換レキュペレー
タが、実質的にガスタービンエンジンの従来の外部寸法内に設けられている。こ
の装置の重要な難点は、圧縮空気を導く必要がある小さい熱交換チューブの数が
多く、燃焼室に入る前に圧縮空気が通過する湾曲部が多いことである。小さい熱
交換チューブの数が多いと、空気流抵抗がかなり増加してしまう。また、圧縮空
気が多数の湾曲部を有する入り組んだ複雑な流路を通ることで、熱交換が有利に
増す一方で、内部の空気流抵抗がかなり増加してしまう。これらの要因は共に、
空気流抵抗ならびに圧縮機とエンジンの作動負荷を全体として増加させ、結果的
に燃料消費を増加させる。内部の空気流抵抗による燃料消費の増加は、圧縮空気
の予熱による燃料消費の減少を実質的に超えると予想される。
【００１０】 よって、本発明の目的は、熱交換レキュペレータの使用によって燃料消費を減
少させるとともに、エンジン内の空気流抵抗を最小に抑えることである。
【００１１】 本発明の他の目的は、ガスタービンエンジンの外部形状及び寸法が拡大しない
熱交換レキュペレータを提供することである。
【００１２】 本発明の更に他の目的は、ガスタービンエンジンの重量増加及び複雑さを最小
にする熱交換レキュペレータを提供することである。
【００１３】
【発明の開示】
本発明は、高温の排気ガスと熱接触する熱交換レキュペレータに圧縮空気を通
過させて、燃焼前に圧縮空気を予熱することによってガスタービンエンジンの燃
料効率を高める。
【００１４】 ガスタービンエンジンは、一般に、長手方向の回転軸、圧縮機、燃焼室、圧縮
機から燃焼室に圧縮空気を導くためのディフューザパイプの列、及び燃焼室と排
気ポートとの間に画定される環状の高温ガスダクト内にベーンを有する圧縮機タ
ービンと動力タービンを含む。
【００１５】 本発明による改善点は、内側及び外側の高温ガスダクト壁を貫通し、かつ高温
ガスダクトに亘って径方向に延びるように各ディフューザパイプを経路づけるこ
とによって定まる、一体型のレキュペレータを含むことに関する。これにより、
圧縮機、ディフューザ、燃焼室、及び高温ガスダクトによってレキュペレータの
熱交換空気流路が定められ、このレキュペレータ熱交換空気流路は、単純でかつ
最短の単一ループによって構成される。
【００１６】 現在多くのエンジンがパイプディフューザを利用しているので、単に排気ダク
トを横切るようにパイプディフューザの経路を変更することで生じる空気流抵抗
の増加は非常に小さい。対照的に、従来の熱交換レキュペレータは、内部の空気
流抵抗、エンジン重量、及び比較的大きい入り組んだダクトを含むことにより前
面面積を大きく増加する構造体を有する。熱交換フィンを使用することで、内部
の空気流抵抗を大きく増加させることなく、熱交換効率を高めることができる。
【００１７】 単一ループのレキュペレータ設計では、（従来の配置とは逆に）動力タービン
を圧縮機タービンの上流の高温ガス排気ダクト内に設けることができ、これによ
り、場合によって同軸シャフトの必要性がなくなる。
【００１８】 インペラ式圧縮機を使用する場合には、ディフューザパイプは、空気流を径方
向から軸方向へと再度方向づけるために通常弓形となっている。レキュペレータ
の一部に弓形のディフューザパイプを使用することで、パイプディフューザの長
さが効果的に延長されるとともに、高温の排気ダクトガスと熱接触する圧縮空気
の滞留時間が長くなり、これにより、熱交換過程が補助される。更に熱交換効率
を高めるように、ディフューザパイプは、外部熱交換フィンを含むことができる
とともに、空気力学的に効率のよいエアフォイル断面を採用することができる。
【００１９】 商業的な製造では、一体型のパイプディフューザを含むレキュペレータは、単
に金属製の鋳物として製造することができる。単一の鋳造レキュペレータによっ
て、複数の従来部材（即ち、複雑な形状の複合型ディフューザパイプや排気ダク
ト）を補充することができ、組立及び保守を単純化にすることができる。
【００２０】 本発明の更なる詳細及び利点は、以下の詳細な説明や図面によって明らかとな
る。
【００２１】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照すると、本発明に係るガスタービンエンジンの軸方向断面が示され
ている。ガスタービンエンジンの動作は、当業者に周知であるので、ここでは一
般的な動作及び設計に関しては説明しない。
【００２２】 簡単に説明すると、ガスタービンエンジンは、長手方向軸１を含み、この軸を
中心として１つまたはそれ以上のシャフトが回転する。図１に示した実施例では
、ガスタービンエンジンは、動力シャフト２と圧縮機シャフト３とを含む。圧縮
機シャフト３は、従来のように補助的な装置に動力を供給するように使用するこ
ともできる。
【００２３】 大気が取入口（図示省略）を通してエンジンに取り入れられ、環状の吸気プレ
ナム４に流入する。圧縮機シャフト３の回転により圧縮機のインペラ５が回転し
、このインペラは、複数のディフューザパイプ６を通して圧縮空気を径方向外向
きに移動させる。ディフューザパイプ６から放出された圧縮空気が存在する状態
で、燃料ノズル８によって分散した燃料が燃焼室７で点火される。図示の実施例
では、燃焼室７は、高温の燃焼ガスを動力タービン９と圧縮機タービン１０を通
るように導く逆流式のものである。動力タービン９と圧縮機タービン１０は、そ
れぞれ燃焼室７と排気ポート１３との間に位置する環状の高温のガスダクト１２
内にベーン１１を有する。図示の環状の高温ガスダクト１２は、内側ダクト壁１
４と外側ダクト壁１５との間に画定される。
【００２４】 本発明は、参照符号１６として全体を示した一体型のレキュペレータを提供す
る。レキュペレータ１６は、複数のディフューザパイプ６の環状の列を含み、各
ディフューザパイプは、内側ダクト壁１４と外側ダクト壁１５を貫通して高温ガ
スダクト１２に亘ってそれぞれ径方向に延びている。高温ガスダクト１２の排気
部を通るようにディフューザパイプ６を設けることで、レキュペレータ熱交換空
気流路が定まる。図１の矢印は、レキュペレータ熱交換空気流路の流れの方向を
概略的に示している。流路は、圧縮機５で始まり、ディフューザ６を通って燃焼
室７に入る。続いて、流路は、高温ガスダクト１２を通って進み、排気ポート１
３から出る。図１の実施例から明らかなように、レキュペレータ熱交換空気流路
は、最短の単一ループによって構成される。
【００２５】 対照的に、従来の熱交換レキュペレータは、同様の予熱のために複数の波形ル
ープまたは複雑な複合型チューブを含む。従来のエンジンは、図示のタイプのデ
ィフューザパイプを既に含んでいるので、本発明は、エンジン内部の空気流抵抗
を大きく増加させることのないレキュペレータを提供する。勿論、ディフューザ
パイプ６を高温ガスダクト１２内に設けることで、排気ガスの流動抵抗が増加す
る。しかし、従来技術の入り組んだ複合ダクトに比較すると、この流動抵抗の僅
かな増加は最小限のものである。
【００２６】 特定の場合における図１に示した構成の利点は、動力タービン９が圧縮機ター
ビン１０の上流で高温ガスダクト１２内に配置されていることである。この構成
は、一般的に、高温のガスが最初に圧縮機タービン１０に衝突する従来のエンジ
ンの逆である。本発明は、ループ状の空気流路を含み、これに従ってタービンの
順序を逆転させることによって、特定の場合において、高価な同軸デゥアルシャ
フトを設計上排除することができる。
【００２７】 圧縮機タービン１０のベーン１１を通過するときに熱ガスの流れが失速しない
ように、回転可能な可変ベーン１７が動力タービン９と圧縮機タービン１０との
間で高温ガスダクト１２内に配置される。この回転可能な可変ベーン１７は、全
ての場合において絶対に必要なものではない。
【００２８】 図１，図２に示すように、所望のディフューザパイプ６は、圧縮機としてイン
ペラ５が使用されている場合には弓形である。一般に、インペラ式圧縮機は、軸
流圧縮機よりも経済的であり、かつ占める空間も狭い。しかし、インペラ式圧縮
機では、径方向に排出される圧縮空気の流れを、燃焼室７に送る前に軸方向に再
度方向づける必要がある。ディフューザパイプ６を熱交換レキュペレータで使用
した場合には、ディフューザパイプ６の弓形形状によって大きな利点が得られる
。ディフューザパイプ６の弓形形状は、ディフューザパイプ６の長さを延長し、
これにより、高温の排気ガスとの熱接触を増加させる。ディフューザパイプ６は
、軸流圧縮機と共に使用することもできる。このような場合には、例えば、軸流
圧縮機（図示省略）は、軸方向の空気流を生じさせ、この空気流は、高温のガス
流路１２の排気部を通過するディフューザパイプ６の列に圧縮空気を送るマニホ
ルドに収集することができる。しかし、この場合には、充分な湾曲がディフュー
ザパイプ６に与えられないおそれがある。
【００２９】 従って、インペラ式圧縮機は、インペラ式圧縮機５の経済性と弓形のディフュ
ーザパイプ６によって得られる熱交換の向上という２つの利点を有する。図１，
図２の両方の実施例において、ディフューザパイプ６は、外部熱交換フィン１６
を任意に含むことができる。ディフューザパイプ６は、排気内に置かれるので、
勿論、空気力学的に効率のよいエアフォイル断面を有するようにディフューザパ
イプ６を製造することは有利である。例えば、図２で示した実施例では、断面が
卵形となっているが、所望であれば、ディフューザパイプ６を複雑なエアフォイ
ル形状とすることもできる。例えば、タービンベーン１１を通るように冷却空気
流路を設けることは、一般的である。よって、同様の技術を用いてディフューザ
パイプ６を設計及び製造することができ、ベーン様の断面とすることができる。
従って、適切な場合において、排気ガス流を再度方向づけることができる。
【００３０】 上述の開示及び添付図面は、特定の好適実施例に関するが、本発明の広い形態
では、説明及び図示の要素に機械的及び機能的に相当するものも含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 空気流がインペラ式圧縮機と排気ダクトを通って延びる弓形のフィン付ディフ
ューザパイプとを通り、続いて燃焼室と高温のガス流路内に流入し、排気ポート
から排出される前に動力タービンと圧縮機タービンを駆動する、本発明に係るガ
スタービンエンジンの軸方向の部分的な断面図である。
【図２】 ディフューザパイプ内の低温の圧縮空気と、ディフューザパイプの外面とフィ
ンの上を通過する高温の排気ガスと、の直交する流れの方向を示す、熱交換フィ
ンを含む単一のディフューザパイプの詳細な説明図である。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年８月１日（２０００．８．１）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジンであって、該ガスタービンエンジンは、
    長手方向軸、圧縮機、燃焼室、前記圧縮機から前記燃焼室へ圧縮空気を導くため
    の複数のディフューザパイプ、及び前記燃焼室と排気ポートとの間に画定され、
    かつ内側及び外側の高温ガスダクト壁を含む環状の高温ガスダクト内にベーンを
    有する圧縮機タービンと動力タービン、を含み、 更に、一体型のレキュペレータを含み、該レキュペレータは、それぞれ前記内
    側及び外側のダクト壁を貫通して前記高温ガスダクトに亘って径方向に延びる複
    数の前記ディフューザパイプを有し、これにより、レキュペレータ熱交換空気流
    路が、前記圧縮機、ディフューザ、前記燃焼室、及び前記高温ガスダクトによっ
    て定められ、該レキュペレータ熱交換空気流路は、単一のループからなることを
    特徴とするガスタービンエンジン。
  2. 【請求項２】 前記動力タービンは、前記圧縮機タービンの上流で前記高温ガ
    スダクト内に設けられていることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエン
    ジン。
  3. 【請求項３】 前記動力タービンと前記圧縮機タービンとの間でかつ前記高温
    ガスダクト内に設けられた回転可能な可変ベーンを含むことを特徴とする請求項
    ２記載のガスタービンエンジン。
  4. 【請求項４】 前記ディフューザパイプは、弓形であることを特徴とする請求
    項１記載のガスタービンエンジン。
  5. 【請求項５】 前記ディフューザパイプは、外部熱交換フィンを含むことを特
    徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン。
JP2000551133A 1998-05-29 1999-05-13 ガスタービンエンジン用のレキュペレータ Pending JP2002534627A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/086,982 1998-05-29
US09/086,982 US6092361A (en) 1998-05-29 1998-05-29 Recuperator for gas turbine engine
PCT/CA1999/000416 WO1999061767A1 (en) 1998-05-29 1999-05-13 Recuperator for gas turbine engine

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US (1) US6092361A (ja)
EP (1) EP1080300B1 (ja)
JP (1) JP2002534627A (ja)
CA (1) CA2332819A1 (ja)
DE (1) DE69900476T2 (ja)
WO (1) WO1999061767A1 (ja)

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