JP2003520315A - ガスタービンエンジン - Google Patents

ガスタービンエンジン

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JP2003520315A
JP2003520315A JP2000574820A JP2000574820A JP2003520315A JP 2003520315 A JP2003520315 A JP 2003520315A JP 2000574820 A JP2000574820 A JP 2000574820A JP 2000574820 A JP2000574820 A JP 2000574820A JP 2003520315 A JP2003520315 A JP 2003520315A
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アナトリ ラクマイロフ
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エーエルエム ディベロップメント インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 【解決手段】 ガスタービンエンジンは羽根の入口縁部と出口縁部との間に配置されたタービン羽根流れ部分を有し、流体流れを供給するための圧縮機を有し、圧縮機の流体出力の実質的部分は羽根の流れ部分の外側表面に沿って流れ、その結果タービン羽根のための熱絶縁層を提供し、この層の上側を燃焼器からの加熱流体が流れる。燃焼器内で生成された加熱流体さらに冷却されることなしに直接タービン羽根へと流れ、それにより冷却に関連した損失を低減する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願は係属中の３つの米国特許出願、出願日は１９９８年９月２５日で米国特
許出願番号が第０９／１６１，１０４号、第０９／１６１，１１４号、及び第０
９／１６１，１７０号と相互参照され、これらのそれぞれの係属中の米国出願は
参照によってここに組入れられる。
【０００２】 本発明はガスタービンエンジンの分野に関し、より詳細には、タービン羽根と
燃焼器からの加熱流体との間の熱境界層を維持するのに圧縮機流体を使用する改
良されたガスタービンエンジン
【０００３】
【従来の技術】
あるタイプの従来技術のガスタービンは、圧縮機と、燃料源と、燃焼のための
空気源と、ケーシングと、燃料及び燃焼空気から加熱流体を用意する燃焼器とを
有している。燃焼器は燃料源と燃焼空気源とに結合される燃焼領域を有する。そ
れは冷却領域を含んでいて結果としての加熱流体をタービンに達する前に冷やす
。燃焼器の冷却領域は圧縮機に結合される。動作条件によって、加熱流体の温度
は変動する。従来のガスタービンエンジンでは、これらの温度変動は温度誘発さ
れた強い応力となってエンジン部品に与えられる。
【０００４】 これらの従来技術のガスタービンでは、事実上すべての圧縮機の流体流れが燃
焼器に向けられる。燃焼器で加熱された流体は燃焼器の冷却領域では圧縮機の流
体流れによって冷やされる。このエンジンは燃焼器からの加熱流体を受ける羽根
をもったタービンローターディスクを有する。この加熱流体の温度はかなり高く
、ある条件のもとでは、流体はタービンローターディスク羽根を過熱することが
ある。そのようなものが過熱するのを防ぐために、各羽根は圧縮機からの空気を
受ける内部チャネルを有する。その結果、圧縮機から来る流体の一部（総流れの
およそ３％から５％）が、羽根の内部チャネルに供給されてそれらの温度を設計
限界内に保つ。このガスタービンエンジンの１つの例はBranstromらへの米国特
許第３，８２６，０８４号で開示される。
【０００５】 加熱流体もまた燃料燃焼の後には冷やされなければならない。これは通常、燃
焼器内で行なわれ、圧縮機からの流体の大半は燃焼器に入れられる。
【０００６】 したがって、この従来技術のガスタービンでは、実質的に圧縮機から来る流体
のすべてが、タービンへ入る前に流体を冷やすために燃焼器の冷却領域に供給さ
れる。圧縮機からの流体が燃焼器の冷却領域で加熱流体と混ぜられるとき、流体
のエネルギーのおよそ３％から５％は失われる。タービンローターディスク羽根
に圧縮機からの流体のおよそ３％を転用すことでさらに３％の損失となる。さら
に、この従来技術のガスタービンのための燃焼器は冷却領域を収容するためによ
り大型に製作しなければならない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、より良い効率を有すると共に有害物質の排出がより少ないガ
スタービンエンジンを提供することにある。
【０００８】 本発明の他の目的は、従来技術の燃焼器における冷却領域の損失を抑えること
にある。
【０００９】 本発明の別の目的は、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
である。
【００１０】 本発明のさらなる目的はガスタービンエンジンの寿命を長くすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上述の目的は、羽根の入口縁部と出口縁部との間に配置されたタービン羽根流
れ部分を有し、流体流れに供給するための圧縮機を有し、圧縮機の流体出力の実
質的部分が羽根の流れ部分の外側表面に沿って備えられ、その結果、断熱境界層
を提供して、かかる層上にて燃焼器からの加熱流体が流れるようなガスタービン
エンジンのデザインによって達成される。燃焼器内で生み出された加熱流体はさ
らに冷されることなく直接タービン羽根に流れて、それにより冷却に関連する損
失を抑える。
【００１２】 本発明の他の目的と利点は好ましい実施形態と添付図面についての以下の詳細
な説明から明らかになる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１において、ガスタービンエンジンは、ケーシング１０と、圧縮された流体
を供給するための圧縮機１２と、圧縮機１２の下流側に取付けられたタービンロ
ーターディスク１４と、タービンのために加熱流体を用意する燃焼器１６と、圧
縮機１２を駆動するための圧縮機のタービンローターディスク１８とを有してい
る。タービンローターディスク１４は圧縮機のローターディスク１８の回転方向
とは反対の方向へ回転する。流体はタービンローターディスク１４から圧縮機の
タービンローターディスク１８まで直接に流れる。燃焼器１６は、燃料源（図示
せず）から供給された燃料を入れるためのノズル２１を有する。燃焼器１６は燃
焼領域２０を形成し、この領域が燃焼器１６の全体の内部空間を実質的に占領す
る。燃焼空気は、矢印Ａで模式的に示した方向に供給されて燃焼器１６の入口部
分へと至り、そこにはノズル２１が配置される。
【００１４】 圧縮機１２からの流体の大部分はタービンローターディスク１４に供給されて
、燃焼器１６を迂回して矢印Ｂで示すようにケーシング１０内の通路２２を通る
。タービンへ直接流れる流れは総流体流れのおよそ５５％と８５％の間の範囲に
ある。５５％よりも実質的に小さいいかなる流れもタービン羽根と関連する部品
の必要な冷却を実現させないし、そして、８５％より実質的に大きい流れは損失
を生じさせるが、それは燃焼器での不完全燃焼に通じるためである。この流体流
れはタービンローターディスク１４に進入し、タービン羽根を包囲して、圧縮機
のタービンローターディスク１８へ行って圧縮機１２を駆動する。この流体の一
部は燃焼器１６に行くが、それについては以下に説明する。圧縮機のタービンロ
ーターディスク１８からの排気ガスは矢印Ｃにて示した方向でエキゾースト・マ
ニホルド２４を通して取り除かれる。
【００１５】 燃料を霧化するのに使用される総流体の部分（圧縮機からの流体の全体の量の
およそ２５％）だけがポート２３を介して燃焼器１６に供給される。燃焼器１６
は燃焼器１６の内部には冷却領域を有していないで、燃焼器１６から出て行く流
体は冷されることなしに矢印Ｄで模式的に示した方向にてタービンローターディ
スク１０に行く。流体は矢印Ｅが示すように移動して、燃焼器１６から出た加熱
流体を冷却すると共にタービンローターディスクの羽根を損傷から保護する。
【００１６】 図２を参照すると、対応する要素には図１と同じ符号数字に１００を加算して
示しており、タービンローターディスク１１４は根本部分１１５ａによってロー
ターディスクに取付けられた羽根１１５を有し、燃焼器１１６のすぐ下流側に配
置されて矢印Ｄで示すように燃焼領域１２０内で生成された加熱流体を受ける。
【００１７】 燃焼器１１６もまた必要な量の燃焼空気を受けるが、それは当業者にとってよ
く知られている。燃焼空気は不図示の別のラインを介して供給される。燃焼空気
の供給の組織化については当業者によく知られているのでここでは詳細に説明し
ない。しかしながら、空気は燃焼器内の流れの優勢な方向に対して接線方向に進
入する（図１の矢印Ｄを参照）ことに留意すべきである。これは加熱流体の流れ
に回転を与える公知の方法である。これは、加熱流体の流れを圧縮機のタービン
ローターディスクの回転とコンパチブルにするのを助ける。代わりに、タービン
ローター羽根への入射角は、同様の結果を得るのに使用される。その場合には、
燃焼空気を接線方向に進入させる必要は全く無い。
【００１８】 圧縮機のタービンローターディスク１１８はタービンローターディスク１１４
の下流側に取り付けられて、羽根１１９を有する。通路１２２は領域１２４にて
タービンローターディスク１１４と圧縮機（図示せず）との間の空間を結合し、
これの領域１２４は燃焼器１１６の内側の環状壁によって形成される。圧縮機か
らの流体は矢印Ｂに沿った方向に動いて、タービンローターディスク羽根１１５
に進入する。
【００１９】 図３において、ブレードの１１５は内部通路１２６を有し、この通路は入口開
口１２８と、テーパーの付いた部分１３０と、まっすぐな部分１３２とをもって
いる。内部通路１２６の壁は最適な入射角に配置されて、通路の壁の流体流れが
なめらかに入射することを確保するが、そのような入射角は当業者が容易に確認
できる。ブレード１１５は燃焼器１１６の側に入口縁部１３４を有し、反対側に
は出口縁部１３６を有する。入口縁部は、流体出口スリット１３８、入口縁部に
沿って配置されたポート１３８’、又はいくつかのラインに沿って配置された複
数のポート１３８”のいずれかを有する。タービンローターディスク羽根１１５
には様々な出口を提供でき、それらには多数のスリットやポートの列その他類似
のものなどがある。タービンローターディスクの羽根１１５は係脱可能の根本部
分を有しなくてもよく、ローターディスクと一体的に作ってもよい。
【００２０】 ブレードの１１５の入口縁部と出口縁部との間の部分１４０は羽根の流れ部分
を形成し、この部分に沿って圧縮機からの流体が内部通路１２６のまっすぐな部
分１３２を出てから動く。この流体は羽根１１５の流れ部分１４０を包囲して、
その結果羽根の表面をおおうように流体の層を形成すると共に燃焼器１１６から
来る加熱流体に対する熱絶縁層を提供する。加熱流体は、パイプ１１７を通して
燃料源（図示せず）から供給される燃料を使用して、燃焼器の燃焼領域１２０内
で生成されて、あらかじめ冷やされないで羽根１１５に動く。この加熱流体が羽
根１１５に達すると、流体は圧縮機から供給される比較的な冷たい流体の層の上
にて羽根の流れ部分１４０に沿って動き、ほんの一部だけが混じり合う。熱い流
体と冷たい流体とのかかる層の分離は過熱に対して羽根を保護する。図２からわ
かるように、圧縮機からの流体の一部は羽根１１５の内部通路１２６から出て、
矢印Ａに沿って動いて、羽根１１５の側板１４２の内側表面に戻る。同時に、タ
ービンローターディスク１１４の上流の空間１２４からの流体の一部は矢印Ｂ’
が示すように燃焼器１１６の内側の環状壁の縁と羽根１１５の縁との間のクリア
ランスを通り抜ける。この流体が残りの表面を保護している…ブレード間の空間
加熱流体がタービンローターディスク１１４の羽根１１５を去るとき、その流
体は圧縮機のタービンローターディスク１１８の羽根１１９へ動く。タービン羽
根１１５を包囲する圧縮機からの流体もまた圧縮機のタービン羽根１１９へ動く
ことに留意すべきである。加熱流体と圧縮機からの流体とが圧縮機のタービンロ
ーターディスクに達するとき、それら両方はほぼ同じ温度をもつようになる。
【００２１】 冷却流体は環状空間１４４を満たす。この流体はケーシングとラビリンスシー
ル１４６との間を動いてケーシングのこの領域の内側表面を保護する。
【００２２】 本実施形態の説明は、燃焼器１１６にはいかなる冷却領域も存在しないことを
示す。燃焼器１１６に冷却領域が存在しないということは、より小さい燃焼器サ
イズを意味すると共に冷たい流体と加熱流体とが混ざることで起こる冷却領域の
損失を排除する。加熱流体が羽根１１４の流れ部分１４０に沿って圧縮機からの
流体層の上を動くとき２つの流体の混合はわずかで不完全なので、この領域にお
ける損失は最小にされる。圧縮機の流体はより冷たいので、それは低い粘性を有
する。この低い粘性の流体は羽根の表面に沿って動いて、境界損失を決める。流
体力学の原理によると、およそ２，０００Ｋの温度である加熱流体はより高い粘
性を有するので、低い粘性の流体によって羽根の表面から除外されることは防が
れる。加熱流体とエンジン部品の表面との間にはいかなる直接接触もないので、
これらの部品は熱的に誘発された応力を従来技術のガスタービンと同じ程度には
受けることがない。さらに、圧縮機から供給された（羽根の材料と接触する）冷
たい流体の組成と温度とは、この流体の羽根材料に対する腐食性を、燃焼器から
直接来る加熱流体の腐食性よりも、小さくする。これは羽根の寿命を長くする。
【００２３】 不完全な混合を受けることに加えて、加熱流体と圧縮機からの流体とは両者が
遭遇したときに膨張してそれらの温度を低くする。その結果、燃焼器の下流側の
酸化反応は従来技術のエンジンほどには強くない。これは、より少ないＮＯｘが
形成されることを意味して、その結果、エンジンは本発明に従って環境には有害
でない。
【００２４】 流体が圧縮機からタービン羽根に供給されるとき、それが多量のエネルギーを
運ぶ。この流体は羽根の入口と出口縁部との間の領域において膨張する。従来技
術のエンジンにおいては、この流体は燃焼器の冷却領域においてそのエネルギー
の一部分を失った。これらの冷却損失は本発明においては避けられる。この膨張
で実行される仕事はタービン出力の約１／２である。この流体の量は燃焼器から
来る熱いガスの量より多いが、それはより冷たくて、このことが仕事の量がター
ビン出力の１／２だけである理由を説明する。
【００２５】 図４に示した他の実施形態においては、図２と同一の要素には参照符号に１０
０を加算して示しており、唯一の違いはガスタービンエンジンが１つのタービン
ローターディスク２１４を有し圧縮機２１２がシャフト２４８によって駆動され
ることである。他の点では、この実施形態のデザインと動作は同じである。
【００２６】 本発明の好ましい実施形態について上述した。しかしながら、本明細書で場所
に提示した実施形態への様々な変更と変化は特許請求の範囲において定義された
本発明の精神と範囲を逸脱することなく可能であることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明によるガスタービンエンジンの模式図を示す。
【図２】 図２は、本発明によるガスタービンエンジンの断面を示す側立面図である（圧
縮機は図示していない）。
【図３】 図３は、タービンローターディスク羽根の様々な実施形態を示す（図２におけ
るＩＩ−ＩＩ線による横断面図）。
【図４】 図４は、本発明によるガスタービンエンジンの他の実施形態を図２と同様に示
した図である（圧縮機は図示していない）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＡＴ，ＡＵ，Ｂ Ｒ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＧＢ，ＨＵ ，ＩＬ，ＩＮ，ＪＰ，ＫＲ，ＬＵ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ， ＰＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＳＧ，ＴＲ，ＶＮ，ＺＡ，ＺＷ

Claims (11)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジンを運転する方法であって、上記ガスタ
    ービンエンジンが、流体流れを生み出すための圧縮機と、ケーシングと、前記ケ
    ーシング内の燃焼領域と、羽根を備えたタービンローターディスクを有し、上記
    各羽根は入口縁部と出口縁部とを有して両者の間に羽根の流れ部分を形成してい
    るガスタービンエンジンにおいて、上記方法が、 − 燃料と燃焼空気とを前記燃焼領域に供給して加熱流体を準備する段階と、 − 冷却を進めることなしに前記燃焼領域から前記羽根の流れ部分に沿って前
    記羽根へ直接前記加熱流体を供給する段階と、 − 前記圧縮機からの前記流体流れを前記羽根の流れ部分に供給する段階とを
    備えていることを特徴とする方法。
  2. 【請求項２】 前記羽根のそれぞれが内部通路を有し、前記流体流れは前記
    内部通路を介して前記羽根の流れ部分に供給される請求項１記載の方法。
  3. 【請求項３】 前記圧縮機から前記羽根の流れ部分へ供給される前記流体流
    れは圧縮機からの総流体流れの５５％と８５％との間である請求項１記載の方法
    。
  4. 【請求項４】 ガスタービンエンジンであって、このガスタービンエンジン
    が、 − 流体流れを生み出すための圧縮機と、 − 燃料源と、 − 燃焼空気源と、 − ケーシングと、 − 前記ケーシング内の燃焼領域であって、加熱流体を用意するために前記燃
    料源及び前記燃焼空気源と連通する前記燃焼領域と、 − 羽根を有するタービンローターディスクであって、それぞれの前記羽根は
    入口縁部と、出口縁部と、前記入口縁部と前記出口縁部との間に形成された羽根
    の流れ部分とを有し、前記入口縁部が前記燃焼領域のすぐ下流側に配置されて、
    前記燃焼領域からの前記加熱流体を受けて、前記羽根の流れ部分に沿って前記加
    熱流体を動かして、前記羽根の流れ部分は前記圧縮機と連通して前記流体流れを
    供給して前記流体流れを前記羽根の流れ部分に沿って動かすような上記タービン
    ローターディスクとを備え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】 前記羽根のそれぞれが内部通路を有し、前記流体流れは前記
    内部通路を介して前記羽根の流れ部分に供給される請求項４記載のガスタービン
    エンジン。
  6. 【請求項６】 各内部通路が処理能力を有し、前記処理能力が前記羽根の数
    で割られた前記流体流れと実質的に一致している請求項５記載のガスタービンエ
    ンジン。
  7. 【請求項７】 前記圧縮機から前記羽根の流れ部分に供給される前記流体流
    れは圧縮機からの総流体の５５％と８５％の間である請求項４記載のガスタービ
    ンエンジン。
  8. 【請求項８】 ガスタービンエンジンであって、このガスタービンエンジン
    が、 − 流体流れを生み出すための圧縮機と、 − 燃料源と、 − 燃焼空気源と、 − ケーシングと、 − 前記ケーシング内の燃焼領域であって、加熱流体を用意するために前記流
    体源及び前記燃焼空気源と連通している前記燃焼領域と、 − 羽根を有するタービンローターディスクであって、それぞれの前記羽根は
    入口縁部と、出口縁部と、前記入口縁部と前記出口縁部との間に形成された羽根
    の流れ部分とを有し、前記入口縁部が前記燃焼領域のすぐ下流側に配置されて、
    前記燃焼領域からの前記加熱流体を受けて、前記羽根の流れ部分に沿って前記加
    熱流体を動かすような上記タービンローターディスクと、 − 羽根を有する圧縮機タービンローターディスクであって、前記圧縮機ター
    ビンローターディスクの回転方向とは反対の方向に回転する前記タービンロータ
    ーディスクと、 −前記圧縮機と連通する前記羽根の流れ部分であって、前記流体流れを供給し
    、前記羽根の流れ部分に沿って動かすための上記羽根の流れ部分とを備えている
    ことを特徴とするガスタービンエンジン。
  9. 【請求項９】 前記羽根のそれぞれが内部通路を有し、前記流体流れは前記
    内部通路を介して前記羽根の流れ部分に供給される請求項８記載のガスタービン
    エンジン。
  10. 【請求項１０】 各内部通路が処理能力を有し、前記処理能力が前記羽根の
    数で割られた前記流体流れと実質的に一致している請求項９記載のガスタービン
    エンジン。
  11. 【請求項１１】 前記圧縮機から前記羽根の流れ部分に供給される前記流体
    流れは圧縮機からの総流体の５５％と８５％の間である請求項８記載のガスター
    ビンエンジン。
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