JP2006233942A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】 タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる技術を提供する。
【解決手段】 タービンのハウジングに設けられ燃焼器から放出される輻射エネルギーをタービン翼に伝達する伝達部材４３と、タービンの回転軸の軸方向に往復動可能に、ハウジング４１の外側に支持され、伝達部材４３を介して輻射エネルギーがタービン翼４２に達するのを遮断する遮断部材６，７と、運転状態に応じてタービン翼４２に対する遮断部材６，７の位置を制御する位置制御手段８とを備える。位置制御手段８は、エンジンの負荷増加時にはタービン翼４２の前端部および後端部に達する輻射エネルギーを遮断するように遮断部材の位置を制御し、エンジンの負荷減少時には中央部に達する輻射エネルギーを遮断するように遮断部材６，７の位置を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンのタービン翼の熱応力を緩和する技術に関するものである。

ガスタービンエンジン（以下、単に「エンジン」という場合もある。）のタービン翼は、燃焼器で生成された燃焼ガスの熱エネルギーをタービン回転運動エネルギーへと変換する機能を有する。ゆえに、エンジン運転中においては、タービン翼は常に高温の燃焼ガスに曝されている。

このタービン翼の一般的な形状を示したのが図１０である。図示したように、タービン翼の前端部および後端部は、翼厚が薄く、中央部になるに従い厚くなる。ゆえに、前端部および後端部は熱容量が小さく、中央部になるに従い熱容量が大きくなっている。

定常運転時は、燃焼ガス温度に変化はほとんど無くタービン翼の温度分布も均一に保たれている。しかし、起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時、つまり燃焼ガスの温度が上昇側に変化する時においては、熱容量の小さい前端部および後端部では温度上昇が早く、熱容量の大きい中央部では温度上昇が遅い。従って、かかる場合には、前端部および後端部の温度は中央部より高温となる温度分布が発生する。

また、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの負荷減少時、つまり燃焼ガスの温度が下降側に変化する時においては、熱容量の小さい前端部および後端部では温度低下が早く、熱容量の大きい中央部では温度低下が遅い。従って、かかる場合には、中央部の温度は前端部および後端部より高温となる温度分布が生じる。

このように、起動時、アイドル運転から定格運転への移行時、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの過渡運転時には、タービン翼特有の形状に起因してタービン翼に温度分布が生じ、これにより熱応力が発生する。そして、この熱応力により、タービン翼が疲労損傷するおそれがある。
特開平８−１４００１号公報 特開平１１−２４７６０８号公報 特開平６−１４６８０２号公報

本発明は、上記した問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンにおいては、タービンのハウジングに設けられ燃焼器から放出される輻射エネルギーをタービン翼に伝達する伝達部材と、前記タービンの回転軸の軸方向に往復動可能に、前記ハウジングの外側に支持され、前記伝達部材を介して輻射エネルギーがタービン翼に達するのを遮断する遮断部材と、運転状態に応じて前記タービン翼に対する前記遮断部材の位置を制御する位置制御手段と、を備えることを特徴とする。

このように構成されたガスタービンエンジンにおいては、伝達部材を介して燃焼器から
放出される輻射エネルギーをタービン翼に伝達させることができ、遮断部材にて伝達部材を介して輻射エネルギーがタービン翼に達するのを遮断することができる。それゆえ、位置制御手段にて、タービン翼に対する遮断部材の回転軸方向の位置を制御することで、タービン翼の任意の位置にのみ輻射エネルギーを伝達させ、当該箇所の温度を上昇させることができる。

タービン翼の形状は、一般的にその前端部および後端部の翼厚は薄く、中央部になるに従い厚くなる。ゆえに、前端部および後端部は熱容量が小さく、中央部になるに従い熱容量が大きくなっている。

したがって、起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時、つまり燃焼ガスの温度が上昇する時においては、熱容量の小さい前端部および後端部では温度上昇が早く、熱容量の大きい中央部では温度上昇が遅い。そして、かかる場合には、前端部および後端部の温度は中央部より高温となる温度分布が発生する。

また、定格運転からアイドル運転への移行時、アイドル運転から停止時などの負荷減少時、つまり燃焼ガスの温度が低下する時においては、熱容量の小さい前端部および後端部では温度低下が早く、熱容量の大きい中央部では温度低下が遅い。そして、かかる場合には、中央部の温度は前端部および後端部より高温となる温度分布が生じる。

このように、負荷増加時あるいは負荷減少時などの過渡運転時には、タービン翼特有の形状に起因してタービン翼に温度分布が生じ、これにより熱応力が発生するおそれがある。

そこで、前記位置制御手段は、エンジンの負荷増加時には前記タービン翼の前端部および後端部に達する輻射エネルギーを遮断するように前記遮断部材の位置を制御し、エンジンの負荷減少時には前記タービン翼の中央部に達する輻射エネルギーを遮断するように前記遮断部材の位置を制御することが好適である。

これにより、エンジンの負荷増加時には、輻射エネルギーが中央部のみに伝達され当該部分の温度が上昇するので、燃焼ガスの温度上昇に起因するタービン翼の温度分布を緩和することができる。そしてこれにより、タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる。

また、エンジンの負荷減少時には、輻射エネルギーが前端部および後端部に伝達され当該部分の温度が上昇するので、燃焼ガスの温度低下に起因するタービン翼の温度分布を緩和することができる。そしてこれにより、タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる。

また、本発明に係るガスタービンエンジンにおいては、前端部、中央部および後端部各々の内部に外部から流入する空気を流通させる前端部空気通路、中央部空気通路および後端部空気通路を有するタービン翼と、前記各空気通路を流通する空気の量を制御する流量制御手段と、を備えるガスタービンエンジンにおいて、前記流量制御手段は、エンジンの負荷増加時には、前記前端部通路および後端部通路を流通する空気の量を、前記中央部通路を流通する空気の量よりも多くし、エンジンの負荷減少時には、前記タービン翼の中央部通路を流通する空気の量を、前記前端部通路および後端部通路を流通する空気の量よりも多くすることを特徴とする。

エンジン運転中にタービン翼内部に、外部から流入する空気が流通すると、当該空気は燃焼ガスよりも温度が低いので、タービン翼は冷却される。

それゆえ、上記のように構成されたガスタービンエンジンにおいては、エンジンの負荷増加時には、前端部通路および後端部通路を流通する空気の量を、中央部通路を流通する空気の量よりも多くすることで、中央部よりも前端部および後端部がより冷却されることとなり、燃焼ガスの温度上昇に起因するタービン翼の温度分布を緩和することができる。そしてこれにより、タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる。

また、エンジンの負荷減少時には、中央部通路を流通する空気の量を、前端部通路および後端部通路を流通する空気の量よりも多くすることで、前端部および後端部よりも中央部がより冷却されることとなり、燃焼ガスの温度低下に起因するタービン翼の温度分布を緩和することができる。そしてこれにより、タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる。

以上説明したように、本発明によれば、タービン翼に発生する熱応力を緩和することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この最良の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。

図１は、ガスタービンエンジン１の概略構成を示した図である。エンジン１は、コンプレッサ２、燃焼器３、タービン４を備えている。そして、コンプレッサ２に吸入された空気（吸気）はコンプレッサ２にて圧縮され、燃焼器３において、燃料噴射装置（図示省略）により供給される燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスはコンプレッサ２と回転軸５で連結されたタービン４を駆動させた後に機関外部へ排出される。

燃焼器３の燃焼室３１は、タービン４の外周を覆うように形成されており、この燃焼器３からは、エンジン運転中常に輻射エネルギーが放出されている。タービン４のハウジング４１の材質は金属でできており、輻射エネルギーはその金属壁により遮断される。ただし、ハウジング４１におけるタービン翼４２に対応する箇所に輻射エネルギーを透過するための窓が設けられており、その窓には、透明な石英ガラス４３が埋め込まれている。これにより、石英ガラス４３は、燃焼器３からの輻射エネルギーをタービン翼４２に伝達する伝達部材として機能し、燃焼器３からタービン翼４２への熱放射を可能にしている。

燃焼器３の内側壁３２とタービン４のハウジング４１との間には、金属製の内側遮断リング（遮断部材）６と外側遮断リング（遮断部材）７の２つのリングが回転軸５の軸方向に往復動可能に支持されており、図１に示した内側遮断リング６と外側遮断リング７が最も離れた状態から、図３に示した両リングが最も近寄った状態まで往復動することが可能になっている。

これら内側遮断リング６と外側遮断リング７を駆動するのは、モータおよびモータの回転運動を回転軸５の軸方向の運動に変換するラックなどからなる駆動手段であり、エンジン１に備えられた電子制御装置（ＥＣＵ）が当該駆動手段を制御することによりリング６，７の位置を制御することが可能になっている。すなわち、駆動手段およびＥＣＵが、タービン翼４２に対する両リング６，７の位置を制御する位置制御手段８として機能する。

ここで、タービン翼４２の概略形状は図１０のようになっており、タービン翼４２の前端部および後端部は、翼厚が薄く、中央部になるに従い厚くなる。ゆえに、前端部および後端部は熱容量が小さく、中央部になるに従い熱容量が大きくなっている。そして、上記外側遮断リング７は前端部と略同一の幅に、内側遮断リング６は後端部と略同一の幅に成形されている。

そして、内側遮断リング６と外側遮断リング７が図２に示した位置、つまり内側遮断リング６がタービン翼４２の後端部を覆い、外側遮断リング７がタービン翼４２の前端部を覆う位置にある場合には、外側遮断リング７は、燃焼器３からの輻射エネルギーがタービン翼４２の前端部に伝達するのを遮断しており、内側遮断リング６は、燃焼器３からの輻射エネルギーが後端部に伝達するのを遮断している。

両リングが図３に示した状態、つまり両リング６，７が最も近寄った状態である場合には、内側遮断リング６と外側遮断リング７が重なり合い、燃焼器３からの輻射エネルギーがタービン翼４２の中央部に伝達するのを遮断している。

起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時、つまり燃焼ガスの温度が上昇する時には、熱容量の小さい前端部および後端部では温度上昇が早く、熱容量の大きい中央部では温度上昇が遅い。従って、かかる場合には、燃焼ガスの温度により前端部および後端部の温度は中央部より高温となる温度分布が発生する。

そこで、起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時に、内側遮断リング６と外側遮断リング７の位置を図２の状態に制御し、タービン翼４２の中央部にのみ燃焼器３からの輻射エネルギーを伝達させ、これにより、前端部および後端部よりも中央部の温度を上昇させるようにする。

その結果、燃焼ガスの温度上昇に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和することができるので、タービン翼４２に生じる熱応力を緩和することができる。

一方、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの負荷減少時、つまり燃焼ガスの温度が低下する時においては、熱容量の小さい前端部および後端部では温度低下が早く、熱容量の大きい中央部では温度低下が遅い。従って、かかる場合には、中央部の温度は前端部および後端部より高温となる温度分布が生じる。

そこで、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの負荷減少時に、内側遮断リング６と外側遮断リング７の位置を図３の状態に制御し、タービン翼４２の前端部および後端部にのみ燃焼器３からの輻射エネルギーを伝達させ、これにより、中央部よりも前端部および後端部の温度を上昇させるようにする。

その結果、燃焼ガスの温度低下に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和することができるので、タービン翼４２に生じる熱応力を緩和することができる。

このように、起動時、アイドル運転から定格運転への移行時、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの過渡運転時においても、タービン翼特有の形状に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和するので、タービン翼４２に生じる熱応力を緩和することができる。

なお、定常運転時においては、燃焼ガス温度に変化はほとんど無くタービン翼４２の温度分布も均一に保たれているので、燃焼器３からの輻射エネルギーもタービン翼４２に均一に伝達するように、内側遮断リング６および外側遮断リング７がタービン翼４２を覆わ
ない図１の状態にすることが好ましい。

実施例１においては、外側遮断リング７をタービン翼４２の前端部と略同一の幅に、内側遮断リング６を後端部と略同一の幅に成形し、定常運転時において、両リング６，７がタービン翼４２を覆わない図１の状態にしているが、本実施例においては、両リング６，７をそれぞれタービン翼４２の全長の略半分の幅に成形し、定常運転時において、図４（ａ）のように、両リング６，７がタービン翼４２を完全に覆う状態にする。

そして、起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時には、内側遮断リング６と外側遮断リング７の位置を図４（ｂ）の状態に制御し、タービン翼４２の中央部にのみ燃焼器３からの輻射エネルギーを伝達させるようにする。

一方、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの負荷減少時には、内側遮断リング６と外側遮断リング７の位置を図４（ｃ）の状態に制御し、タービン翼４２の前端部および後端部にのみ燃焼器３からの輻射エネルギーを伝達させるようにする。

これにより、実施例１と同様に、起動時、アイドル運転から定格運転への移行時、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの過渡運転時においても、タービン翼特有の形状に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和することができるので、タービン翼４２に生じる熱応力を緩和することができる。また、定常運転時において、タービン翼４２の温度が過剰に高くなることを防止することができる。

本実施例に係るガスタービンエンジン１は、実施例１に係るガスタービンエンジン１に対して、内側遮断リング６および外側遮断リング７を備えていない点と後述するようにタービン翼４２の内部に冷却空気通路が形成されている点が異なる。その他は同一であるのでその詳細な説明は省略する。

図５に示すように、タービン翼４２の内部の冷却空気通路は、２系統に分かれており、系統１は、タービン翼４２の前端部へ冷却空気を流通させる前端部通路および後端部へ冷却空気を流通させる後端部通路（以下、前端部通路および後端部通路を総称して「前後端部通路」という。）４４であり、系統２はタービン翼４２の中央部へ冷却空気を流通させる中央部通路４５である。

そして、両通路４４，４５内を流通する冷却空気の量を調整する流量調整弁４６が備えられている。流量調整弁４６は、弁の開度に応じて、前後端部通路４４を流通する冷却空気流量と中央部通路４５を流通する冷却空気流量の割合を変更するものであり、弁の開度はＥＣＵにより制御されるようになっている。つまり、流量調整弁４６およびＥＣＵが、各空気通路を流通する空気の量を制御する流量制御手段として機能する。

なお、両通路４４，４５内を流通した冷却空気は、複数設けられた通気孔４７からタービン翼４２の外部に流出するようになっている。

このように構成されたエンジン１において、ＥＣＵが、起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時には、前後端部通路４４を流通する冷却空気流量が中央部通路４５を流通する冷却空気流量よりも多くなるように流量調整弁４６の開度を制御する。

その結果、中央部よりも前端部および後端部がより冷却されることとなり、燃焼ガスの
温度上昇に起因するタービン翼４２の温度分布を緩和することができる。そしてこれにより、タービン翼４２に発生する熱応力を緩和することができる。

一方、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの負荷減少時には、中央部通路４５を流通する冷却空気流量が前後端部通路４４を流通する冷却空気流量よりも多くなるように流量調整弁４６の開度を制御する。

その結果、前端部および後端部よりも中央部がより冷却されることとなり、燃焼ガスの温度低下に起因するタービン翼４２の温度分布を緩和することができる。そしてこれにより、タービン翼４２に発生する熱応力を緩和することができる。

このように、起動時、アイドル運転から定格運転への移行時、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの過渡運転時においても、タービン翼特有の形状に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和するので、タービン翼４２に生じる熱応力を緩和することができる。

なお、定常運転時においては、燃焼ガス温度に変化はほとんど無くタービン翼４２の温度分布も均一に保たれるので、冷却空気により中央部および前後端部が均一に冷却されるように、両通路４４，４５に流通する冷却空気流量を制御することが好ましい。

図５の構成においては、タービン翼４２の内部に流量調整弁４６が備えられているが、図６に示すように、流量調整弁４６をタービン翼４２の外部に備えるようにしてもよい。

本実施例に係るガスタービンエンジン１は、実施例３に係るガスタービンエンジン１に対して、タービン翼４２の内部の構造が異なる。その他は同一であるのでその詳細な説明は省略する。

図７に示すように、本実施例に係るタービン翼４２の内部の冷却空気通路も、２系統に分かれており、系統１は前端部および後端部へ冷却空気を流通させる前後端部通路４４であり、系統２は中央部へ冷却空気を流通させる中央部通路４５である。そして、前後端部通路４４の上流側と中央部通路４５の上流側は共に鋼球４８を収容する鋼球室４９と連通している。

このように構成されたエンジン１においては、起動時やアイドル運転から定格運転への移行時などの負荷増加時には、タービンの回転速度が増速するが、その際内部の鋼球４８は、慣性力により回転方向（図７の矢印方向）と逆方向に移動する（図７の状態）。すると、鋼球４８が中央部通路４５内に突出し、当該通路の通路面積を減少させる。これにより、タービン翼４２の中央部への冷却空気流量が、前端部および後端部への冷却空気流量に対して減少する。つまり、鋼球４８が、各空気通路を流通する空気の量を制御する流量制御手段として機能する。

その結果、負荷増加時に、この冷却空気により中央部よりも前端部および後端部の方がより冷やされることになるので、燃焼ガスの温度上昇に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和することができ、タービン翼４２に発生する熱応力を緩和することができる。

一方、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの負荷減少時には、タービンの回転速度が減速するが、その際内部の鋼球４８は、慣性力により回転方向（矢印方向）に移動する（図８の状態）。すると、鋼球４８が前後端部通路４４内に突出し、当該通路
の通路面積を減少させる。これにより、タービン翼４２の前端部および後端部への冷却空気流量が、中央部への冷却空気流量に対して減少する。

その結果、負荷減少時に、この冷却空気により前端部および後端部よりも中央部の方がより冷やされることになるので、燃焼ガスの温度低下に起因して生じるタービン翼４２に生じる温度分布を緩和することができ、タービン翼４２に発生する熱応力を緩和することができる。

このように、起動時、アイドル運転から定格運転への移行時、定格運転からアイドル運転への移行時、停止時などの過渡運転時においても、タービン翼特有の形状に起因して生じるタービン翼４２の温度分布を緩和するので、タービン翼４２に生じる熱応力を緩和することができる。

なお、定常運転時においては、燃焼ガス温度に変化はほとんど無くタービン翼４２の温度分布も均一に保たれるので、冷却空気により中央部および前後端部が均一に冷却されるような冷却空気流量であることが好ましい。

本実施例に係るタービン翼４２においては、鋼球４８を収容している鋼球室４９の中央が凸形状になっているので、定常運転時（回転速度一定時）には、鋼球４８が遠心力により、中央へ移動する（図９の状態）。これにより、両通路４４，４５の通路面積が減少させられないので、冷却空気による冷却効果の偏りがなくなる。これにより、定常運転時においても、タービン翼４２に温度分布が生じないようにし、熱応力が発生しないようにすることができる。

実施例１に係るガスタービンエンジンの概略構成を示す図である。 タービン翼の前端部および後端部に伝達する輻射エネルギーを内側遮断リングと外側遮断リングで遮断している状態を示す図である。 タービン翼の中央部に伝達する輻射エネルギーを内側遮断リングと外側遮断リングで遮断している状態を示す図である。 実施例２に係るガスタービンエンジンの内側遮断リングおよび外側遮断リングを示す図である。 実施例３に係るガスタービンエンジンのタービン翼のＡ−Ａ断面の概略構成を示す図である。 実施例３に係る他のガスタービンエンジンのタービン翼などの概略構成を示す図である。 実施例４に係るガスタービンエンジンのタービン翼のＡ−Ａ断面の概略構成を示す図である。 タービン翼内部の鋼球が回転方向に移動した状態を示す図である。 タービン翼内部の鋼球が半径方向に移動した状態を示す図である。 タービン翼の概略形状を示す図である。

符号の説明

１ ガスタービンエンジン
２ コンプレッサ
３ 燃焼器
４ タービン
５ 回転軸
６ 内側遮断リング
７ 外側遮断リング
８ 位置制御手段
３１ 燃焼室
４１ ハウジング
４２ タービン翼
４３ 石英ガラス
４４ 前後端部通路
４５ 中央部通路
４６ 流量調整弁
４７ 通気孔
４８ 鋼球
４９ 鋼球室

Claims (3)

1. タービンのハウジングに設けられ燃焼器から放出される輻射エネルギーをタービン翼に伝達する伝達部材と、
   前記タービンの回転軸の軸方向に往復動可能に、前記ハウジングの外側に支持され、前記伝達部材を介して輻射エネルギーがタービン翼に達するのを遮断する遮断部材と、
   運転状態に応じて前記タービン翼に対する前記遮断部材の位置を制御する位置制御手段と、
   を備えることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記位置制御手段は、エンジンの負荷増加時には前記タービン翼の前端部および後端部に達する輻射エネルギーを遮断するように前記遮断部材の位置を制御し、エンジンの負荷減少時には前記タービン翼の中央部に達する輻射エネルギーを遮断するように前記遮断部材の位置を制御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。
3. 前端部、中央部および後端部各々の内部に外部から流入する空気を流通させる前端部空気通路、中央部空気通路および後端部空気通路を有するタービン翼と、
   前記各空気通路を流通する空気の量を制御する流量制御手段と、
   を備えるガスタービンエンジンにおいて、
   前記流量制御手段は、エンジンの負荷増加時には、前記前端部通路および後端部通路を流通する空気の量を、前記中央部通路を流通する空気の量よりも多くし、エンジンの負荷減少時には、前記タービン翼の中央部通路を流通する空気の量を、前記前端部通路および後端部通路を流通する空気の量よりも多くすることを特徴とするガスタービンエンジン。

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