JP2005337236A - ガスタービンエンジンおよびその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン運転効率に悪影響を著しく及ぼすことなくタービン区間に冷却空気を導入することができるガスタービンエンジンおよびその運転方法を提供する。
【解決手段】タービン区間冷却システムを備えたガスタービンエンジンは、最適な運転温度範囲でガスタービンエンジンのタービン区間を冷却することが可能であり、同時にエンジン性能を実質的に低下させないことを特徴とする。本発明はこれを実施する複数の異なる構造を付与し、例えば、旋回フォイル４４、旋回孔、旋回溝を二次空気流れキャビティ４３内に付与することを含む。これにより、タービン区間に向かってこの区間内のガス流経路３８と実質的に整列する方向３９で、冷却・パラサイトリーク空気は旋回・案内される。従って、冷却・パラサイトリーク空気は、従来装置のようにガス流経路を横断する方向にタービン区間に案内されないため、エンジン効率の低下を防ぐことが可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンのタービン区間に関する。

ガスタービンエンジンは出力つまりスラストを発生させる装置に広く適用される。通常、ガスタービンエンジンは現行の航空機に採用され、飛行に必要な推進力を供給する。また、ガスタービンエンジンは、航空機等の機内で発電用にも使用され、つまり、ＡＰＵ（補助動力装置）として使用され、機内の冷暖房や空調のシステム、及びコックピットや客室等の航空機機内の運転電力照明システムを機能させる。また、ガスタービンエンジンは無数の車両や装置用に電力や機械的な出力を発生させる地上設置型の用途にも用いられる。

通常のガスタービンエンジンには、３つの主要区間、すなわち、圧縮機区間、燃焼区間、およびタービン区間、が設けられる。圧縮機区間では、周囲空気が吸い込まれ、高圧に圧縮され、下流のディフューザを通して燃焼区間に案内される。燃焼区間では、高圧の空気が環状燃焼室内で燃料と混合し、莫大なレベルの熱エネルギを発生しながら極めて高い温度で燃焼する。その上、燃料の燃焼が２もしくは４ストロークおきに断続的になされる内燃機関とは対照的に、ガスタービンエンジン内の燃焼は連続的であるため、エンジンによって達成可能な高出力レベルを増大させることができる。

燃焼区間から、極めて高い温度の燃焼ガスが燃焼室下流のタービン区間に案内される。タービン区間と圧縮機区間双方がともに同一のシャフトアセンブリ上に設けられると、急速に膨張する高温燃焼ガスとの接触によりタービンブレードが回転し、これにより、該ブレードが設けられている上記シャフトも回転し、ついで上記シャフトに設けられている圧縮機ブレードが回転することになって、エンジンサイクルが完成する。タービンから高速度で急速に膨張する高温ガスの排出により、エンジンは航空機の運転に必要な上記スラストを発生する。

ガスタービンエンジンの設計や運転は有効であるものの、エンジン部品、特にタービンブレードが極めて高い温度に晒されることにより直面している問題がある。このため、従来技術の装置は、ガスタービンエンジンのタービン区間内に冷却空気を案内するスキーム（仕組み）を講じている。一例は特許文献１に開示されており、この特許文献１はガスタービンエンジン内に軸方向に沿って冷却空気を案内しついでこれをタービン区間に向かって径方向外側に案内する、タービン区間内の複数のオリフィスを教示する。加えて、ロータ部分やタービンの静止部品を許容温度に維持するために、幾らかの冷却空気が必要となる。パラサイトリーク空気（parasitic leakage air）と呼ばれる該冷却空気（以下、冷却・パラサイトリーク空気と呼ぶ。）も同様にタービン区間に向かって径方向外側に吹き込む。

上記従来技術の装置はタービン区間内に冷却空気つまりパラサイトリーク空気を案内する点においては有効であるが、悪影響がないわけではない。より具体的には、上記装置においては、冷却空気つまりパラサイトリーク空気は、タービン区間を通過する高温燃焼ガスのガス流経路を横断する方向にタービン区間に案内される。軸方向ガス流経路上の燃焼ガスによってタービンが駆動されると、上記流れを横切る方向に空気を流入させることはいずれもエンジン効率を必然的に低下させる。
米国特許出願公開第２００２／０１５９８８０号Ａ１明細書

従って、当業者であれば、エンジン運転効率に著しく有害な影響を及ぼすことなくガスタービンエンジンのタービン区間内に冷却空気を導入することが可能な装置が当該分野において必要とされていることがすぐに分かるであろう。

本発明の一形態に従えば、ガスタービンエンジンは、圧縮機区間と、燃焼区間と、タービン区間と、該エンジン内に延びた軸流プレナムと、を有している。この燃焼区間は圧縮機区間の下流にあり、この燃焼区間の下流にタービン区間がある。軸流プレナムは、タービン区間に流体的に連通した少なくとも１つの出口を含む。ガスタービンエンジンはさらに上記軸流プレナム出口近傍に配設された流れ方向調整器を含む。

本発明の別の形態によれば、ガスタービンエンジンは、圧縮機区間と、燃焼区間と、タービン区間と、タービン区間冷却システムと、を含む。この燃焼区間は圧縮機区間の下流に位置し、この燃焼区間の下流にタービン区間が位置する。燃焼ガスは、燃焼ガス流経路に沿って燃焼区間からタービン区間内へと横断する。タービン区間冷却システムはタービン区間の近傍に位置し、燃焼ガス流経路の方向に沿ってタービン区間内に冷却・パラサイトリーク空気を案内する。

本発明の別の形態によれば、ガスタービンエンジンの運転方法は、ガスタービンエンジンの圧縮機区間内で空気を圧縮するステップと、ガスタービンエンジンの燃焼区間へ圧縮空気を案内するステップと、ガスタービンエンジンの燃焼区間内で燃料を噴射するステップと、この燃焼区間からガスタービンエンジンのタービン区間へ向って燃焼ガス流経路に沿って燃焼ガスを案内するステップと、上記燃焼ガス流経路の方向と実質的に同方向でタービン区間に向かうように冷却・パラサイトリーク空気を導入するステップと、を含む。

本発明の上記の形態や特徴やその他の形態や特徴は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することにより明らかとなろう。

図１は、本発明の教示に従って構成されたガスタービンエンジンが参照符号２０で示されている。当業者であれば容易に理解されるように、ガスタービンエンジン２０は、圧縮機区間２２と、燃焼区間２４と、タービン区間２６と、を含む。通常、周囲空気が圧縮機区間２２内で圧縮され、燃焼区間２４に案内され、そこで、燃料と混合し燃焼する。この燃焼により生じた高温燃焼ガスがさらにタービン区間２６に案内されることにより、タービン区間が極めて高い速度で空気を回転し排出する。

タービン区間２６は複数の動翼３０と、これらと連動する静翼２８と、を含む。上記静翼２８は径方向内側に延びつつケーシング３２に固定して取り付けられるのに対し、上記動翼３０は回転可能なシャフト３６から径方向内側に延びつつ回転可能なロータ３４に取り付けられる。燃焼区間２４から流出する燃焼ガスはタービン静翼２８の形状と角度とによって案内され、これにより動翼３０に力が付与されひいてはロータ３４およびシャフト３６が回転する。

しかしながら、一次流れつまりガス流経路が通常の矢印３８の向きに延び、かつ、矢印３８を実質的に横断する方向に沿ってタービン区間２６内にパラサイトリーク空気を案内する従来のガスタービンエンジンとは対照的に、本発明は矢印３９（図３参照）に示すガス流経路３８と実質的に同じ方向でタービン区間２６にパラサイトリーク空気を案内するタービン区間冷却システムおよびその冷却方法を教示する。二次流体流れや冷却空気とも呼ばれるパラサイトリーク空気をタービン区間２６に導入可能にする複数の具体的な構造が以下に開示・記載されている。これにより、エンジン効率に対し実質的に影響を及ぼさずにタービン区間２６を適宜冷却することが可能となる。

図２および図３に示す第１の態様においては、パラサイトリーク空気はシャフト３６と実質的に一致する径方向中央のプレナム４０に沿ってタービン区間２６に案内された後、径方向外側に経路４１に沿って案内され、孔４２を通過する。上記中央のプレナム４０と、上記経路４１と、上記孔４２とは、二次流れキャビティ４３を形成するように組合せられる。図３は上記キャビティ４３を通過する上記パラサイトリーク空気の流れ方向を示す。この第１の態様においては、タービン静翼２８の後縁４５の近傍に設けられた複数の流れ方向調整器４４によって、パラサイトリーク空気はほぼガス流経路３８の方向に案内される。より具体的には、この態様では、上記流れ方向調整器４４は複数の旋回フォイル４４（turning foils）として付与され、各旋回フォイル４４には円弧形表面４６（図５）が設けられ、これにより、上記二次流れキャビティ４３を通り抜けるパラサイトリーク空気は上記ガス流経路３８には実質的に平行となるような旋回が促される。結果的に、パラサイトリーク空気はタービン区間２６の機器を保護するのに十分な程度にタービン区間２６を冷却することができるだけでなく、エンジンの性能を著しく低下させることなく上記冷却が可能である。別の態様においては、１つの流れ方向調整器４４だけで対処可能であることを理解されたい。

上記旋回フォイル４４の実際の構造に関しては、タービン静翼２８と一体に上記旋回フォイルを直接鋳造により成型してもよいし、もしくは、別個に加工し、上記静翼２８に溶接あるいは蝋付けしてもよい。図４および図５は、タービン静翼２８の後縁４５を成す壁４７から直に延びた上記フォイル４４を示す。上記フォイル４４は阻止部つまりタービン動翼３０の前縁４９から延びたリップ４８と協働して、入り組んだ経路４１（図３に最も良く示される）を形成する。これにより、パラサイトリーク空気は所望の方向に沿ってタービン２５に流入する。

図６Ａおよび図６Ｂや図７Ａおよび図７Ｂに示すコンピュータモデルは、本発明の教示よって得られる本質的な長所を示す。まず図６Ａおよび図６Ｂに関しては、径方向外側に、すなわち通常のガスタービンエンジンのガス流方向に対し横方向に沿って、パラサイトリーク空気が案内される、従来技術の二次冷却・パラサイトリークシステム５０を示す。結果として、図６Ｂに最も良く示すように、領域５１に示される再循環がタービン区間２６内に実質的に発生し、これにより、該タービン区間２６内でガス流全体は実質的に減速し、ひいてはエンジン性能は低下する。これに対し、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、本発明の二次流れキャビティ４３は実質的にガス流経路３８の方向に上記冷却空気を案内するため、エンジン性能に実質的に影響を及ぼすことなく所望の冷却性能を実現する。実際には、図７Ｂのコンピュータモデルにおいて、再循環の領域５２が図６Ｂに示したものより著しく小さくなっていることに留意されたい。

図８および図９を参照すると、本発明の教示に従って構成されたタービン区間冷却システムの別の構造が参照符号５３に概略的に示されている。本発明のこの第２の態様は、通常、上記第１の態様と同様に、エンジン性能を実質的に低下させることなくエンジン２０のタービン区間２６内に冷却空気を案内することを考慮に入れている。この第２の態様においては、旋回孔（turning holes）５４の形をした複数の流れ方向調整器を用いて行われる点で、複数の旋回フォイル４４を用いる上記第１の態様とは対照をなす。より具体的には、図８および図９に示すように、シュラウド５６がタービン静翼壁５８の径方向内側に設けられ、これらの間には複数の旋回孔５４が設けられかつ内部隔壁６０によって仕切られている。こうすることで、パラサイトリーク空気が二次流れキャビティ４３を通過し、第１プレナム６２に案内された後に、第２プレナム６４を通過し、最終的に上記複数の旋回孔５４を通過することが分かるであろう。これにより、旋回孔５４から流出し経路６５上を流れる空気は、エンジン２０の全体のガス流経路６６とほぼ整列する。開示された上記構造に加えて、複数の旋回孔５４はドリル加工、フライス加工、あるいはガスタービンエンジン分野における当業者に公知な一般的な他の方法によって作られる。さらに、完全に包囲された孔ではなく、上記目的のために溝等を上記構造に機械加工してもよい。

パラサイトリーク空気が径方向外側にタービン区間２６内に案内される上記特定した態様とは対照的に、図１０に示すさらに別の態様においては、冷却・パラサイトリーク空気が径方向内側に案内される。これにより、タービン区間２６の径方向外側に配設された部分に設けられた複数の流れ方向調整器７２によって、空気が外側環状プレナム７０に沿って案内される。上記調整器７２は、上記特定・提案したような旋回フォイル、旋回孔、溝、その他の態様で付与される。重要な点では、この別の態様で生じるパラサイトリーク空気の二次流体流れはタービン区間２６に向かって矢印７４上を案内され、この矢印７４は、矢印７６で示される燃焼ガスの一次流体流れとほぼ同様の向きとなることに留意されたい。従って、上記特定した態様と同様に、エンジン性能を実質的に低下させることなくパラサイトリーク空気がタービン区間２６内に付与される。

図１１および図１２は、本発明に従って構成された冷却・パラサイトリーク空気のシステム１００の別の態様を示す。図示のように、冷却・パラサイトリーク空気が二次空気流れキャビティ１０１上に案内された後、矢印１０４の向きに沿ってタービン区間１０２内に案内される。本発明の教示に従えば、上記二次空気流れはガス流経路の一次流体流れとほぼ整列して上記タービン区間を通過する。こうすることで、エンジン効率に悪影響を及ぼさずに、タービン区間１０２の冷却が可能となる。上記システム１００は、断熱シールド１１０に設けられた旋回孔１０８の形で流れ方向調整器を含んでもよい。この旋回孔１０８は、所望の二次冷却流１０４が生じるような角度で設けられている。

上記の冷却・パラサイトリーク空気は上記一次流体流れ１０６にほぼ整列してタービン区間１０２内に案内されるだけではなく、上記の態様においては、該パラサイトリーク空気は、上記タービン区間１０２に向かって加速することでさらに冷却を促進する。二次流れキャビティ１０１、具体的にはチャンバ１１４、の内部にシール１１２を配設して旋回孔１０８に亘って圧力損失を生じさせることで、上記効果が実現可能となる。

本明細書から、当業者であれば、本発明の教示をガスタービンエンジンの製造に使用して、ガスタービンエンジンのタービン区間を最適運転温度パラメータ内に維持しつつ、同時にエンジン性能を実質的に低下させることのない二次冷却能力を改善できることを理解するであろう。パラサイトリーク空気と冷却空気とが全体のガス流経路と実質的に同じ向きでタービン区間に案内されることを確保することで、本発明の教示に従って構成されたエンジンは、上記能力を実現することができる。

本発明は種々の改良や代替構造の余地があるものの、特定の実施例が図面に示され、これらについて明細書中で具体的に説明している。しかしながら、本発明を特定の開示形態に限定する意図がないこと、それどころか、本発明は全ての改良、代替構造、および添付の特許請求の範囲によって定められる本発明の趣旨および範囲内に属する均等物をも包含すること、に留意されたい。

本発明の教示に従って構成されたガスタービンエンジンの断面図。 本発明の教示に従って構成されたガスタービンエンジンのタービン区間の拡大断面図。 本発明の教示に従って構成されたタービン区間冷却部分の拡大断面図。 本発明の教示に従って構成されたタービンベーンの破断斜視図。 図４の旋回フォイルの拡大斜視図。 従来技術のシステムにおける二次流れキャビティの通常の流路を示す概略図。 図６Ａの差込部分における通常の流路を示す概略図。 本発明の教示に従って構成された二次流れキャビティの通常の流路を示す概略図。 図７Ａの差込部分における通常の流路を示す概略図。 本発明の教示に従って構成された別のタービン区間冷却部分およびパラサイトリークシステムの断面図。 図８に示した別の構造の斜視図。 本発明の教示に従って構成されたさらに別（第２の代替態様）のタービン区間冷却部分およびパラサイトリークシステムの断面図。 本発明の教示に従って構成されたさらに別（第３の代替態様）のタービン区間冷却部分およびパラサイトリークシステムの断面図。 図１１の差込部分の拡大断面図。

符号の説明

２８…タービン静翼
３０…タービン動翼
３８…矢印（ガス流経路の方向）
３９…矢印
４１…入り組んだ経路
４２…孔
４３…二次流れキャビティ
４４…旋回フォイル
４５…タービン静翼の後縁
４８…リップ
４９…タービン動翼の前縁

Claims (21)

1. 圧縮機区間と、
   上記圧縮機区間下流の燃焼区間と、
   上記燃焼区間下流のタービン区間と、
   エンジン内に延び、かつ、上記タービン区間に連通した少なくとも１つの出口を有した軸流プレナムと、
   上記軸流プレナムの近傍に配設された少なくとも１つの流れ方向調整器と、
   を備えたガスタービンエンジン。
2. 上記流れ方向調整器が旋回フォイルであることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 上記流れ方向調整器が旋回孔であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
4. 上記流れ方向調整器が旋回溝であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
5. 上記流れ方向調整器が径方向内側に向かって流体を案内することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
6. 上記流れ方向調整器が径方向外側に向かって流体を案内することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
7. 上記流れ方向調整器が、上記タービン区間内の全体の燃焼ガス流経路と実質的に整列する方向に沿ってタービン区間内にパラサイトリーク空気を案内することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
8. 周囲空気を取り入れかつ圧縮空気を排出する圧縮機区間と、
   上記圧縮機区間下流に位置し、かつ、上記圧縮空気を受け入れ、上記圧縮空気に燃料を導入し、上記燃料と上記空気とを燃焼させて燃焼ガスを発生させる燃焼区間と、
   上記燃焼区間下流に位置し、かつ、上記燃焼ガスが上記燃焼区間から燃焼ガス流経路に沿って通過していくタービン区間と、
   上記タービン区間近傍に位置し、かつ、実質的に上記燃焼ガス流経路方向に上記タービン区間内に冷却・パラサイトリーク空気を案内するタービン区間冷却・パラサイトリークシステムと、
   を備えたガスタービンエンジン。
9. 上記タービン区間冷却・パラサイトリークシステムは流れ方向調整器を含むことを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン。
10. 上記流れ方向調整器が旋回フォイルであることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
11. 上記流れ方向調整器が旋回孔であることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
12. 上記流れ方向調整器が旋回溝であることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
13. 上記流れ方向調整器が径方向内側に向いていることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
14. 上記流れ方向調整器が径方向外側に向いていることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
15. 上記タービン区間冷却・パラサイトリークシステムは上記タービン区間内に周方向に冷却・パラサイトリーク空気を案内することを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン。
16. ガスタービンエンジンの圧縮機区間内で空気を圧縮するステップと、
    上記ガスタービンエンジンの燃焼区間に圧縮空気を案内するステップと、
    上記ガスタービンエンジンの上記燃焼区間内に燃料を噴射し、上記燃料と上記圧縮空気とを燃焼させ、燃焼ガスを発生させるステップと、
    燃焼ガス流経路に沿って上記燃焼区間から上記ガスタービンエンジンのタービン区間内に上記燃焼ガスを案内するステップと、
    実質的に燃焼ガス流経路の方向に沿って上記タービン区間内に冷却・パラサイトリーク空気を導入するステップと、
    を含んだガスタービンエンジンの運転方法。
17. 上記冷却・パラサイトリーク空気は、上記タービン区間の径方向内側にある位置から導入されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジンの運転方法。
18. 上記冷却・パラサイトリーク空気は、上記タービン区間の径方向外側にある位置から導入されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジンの運転方法。
19. 上記冷却・パラサイトリーク空気は、旋回フォイルにより導入されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジンの運転方法。
20. 上記冷却・パラサイトリーク空気は、旋回孔により導入されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジンの運転方法。
21. 上記冷却・パラサイトリーク空気は、旋回溝により導入されることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジンの運転方法。

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