JP2006283716A

JP2006283716A - 単翼列多段タービン及びそれを用いたガスタービン

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Publication number: JP2006283716A
Application number: JP2005107211A
Authority: JP
Inventors: Satoru Iwase; 識岩瀬; Yoshio Saito; 喜夫齊藤
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2005-04-04
Filing date: 2005-04-04
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-04
Also published as: US7540158B2; EP1710396A2; EP1710396B1; DE602006001973D1; JP4033303B2; EP1710396A3; US20060222484A1

Abstract

【課題】チップクリアランスからの作動流体の漏洩を好適に防止して熱落差の損失を低減する。
【解決手段】第１静翼列２の第１基準翼２１ａに対応する第２静翼列の第１対応翼４１ａを、動翼３１ａが第１基準翼の下端２１aLに最近接する時の動翼の下端３１aLの位置から動翼の移動方向に対し２Ｌの距離に配置する。なお、Ｌは、高圧作動流体Ｆ_Ｈが動翼を通過するのに要する平均時間Ｔと動翼の移動速度Ｕを乗じて得られる値である。他方、第１静翼列２の第２基準翼２１ｂに対応する第２静翼列の第２対応翼４１ｂを、動翼が第１基準翼の下端２１bLに最近接する時の動翼３１ｂの下端３１bLの位置に配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、単翼列多段タービン及びガスタービン、特にチップクリアランスからの作動流体の漏洩を好適に防止して作動流体の熱落差の損失を低減する高効率な単翼列多段タービン及びそれを用いたガスタービンに関するものである。

一般的なターボファンエンジンにおいてファンの駆動は、ファンと同一回転軸に接続された低圧タービンであるが、他のファン駆動方法として、ファンの先端に小型のタービン動翼（以下、「チップタービン」という。）を組み込んだチップタービン方式がある。このチップタービン方式は、ファンの外周端部にチップタービンが組み込まれたものであり、低圧タービンとファンを接続する回転軸が不要となる他、低圧タービンがファンの外周端部に移動することによりエンジンの軸長が短小化され、且つエンジン構造が大幅に簡略化される利点を有する。
一方で、チップタービンのハブ径が必然的にファンの直径よりも大きくなり流路面積が大きくなる傾向にあるため、チップタービン駆動用の作動流体の流量が流路面積と比較して相対的に少ない場合は、チップタービン動翼の高さを低くする必要がある。極端な動翼高の低下は翼の性能低下を招くため、タービン内を流れる作動流体の流量とタービンの流路面積の整合性が図れない場合は、チップタービンをファン外周の一部分に配設したパーシャルタービン等が用いられている。
さらに、チップタービンの周速度はファンの周速度に大きく依存することとなり、特にチップタービンが単列の動翼列のみで構成されている場合、所望のタービン周速度が得られず、チップタービンがファンを駆動するために必要な熱落差を吸収することができないことがある。このため、チップタービンが複数の動翼列で構成されている複翼列多段タービンが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。あるいは、チップタービン駆動用ガスの圧力が高圧になる場合には、パーシャルチップタービンを多段の動翼列で構成した形態で使用される。
ところで、チップタービンの動翼列は単列のままで作動流体を繰り返し動翼列を通過させることによって多段にわたり作動流体を断熱膨張させて所望の熱落差を吸収するようにした単翼列多段タービンが知られている（例えば、特許文献２を参照。）。この単翼列多段タービンは、単翼列に作動流体を複数回通過させる機構を有しており、単翼列でありながら多段タービンの作用効果をもたらすものである。このため、チップタービンを複翼列多段化する場合と比べて構造が簡素になり、重量も低減される。

特開平６−２７２６１９号公報特開２００３−２９３７０２号公報

上記単翼列多段タービンでは、作動流体は動翼列を通過する毎に断熱膨張して動翼列に仕事を付与しながら圧力は低下する。このため、動翼の両側において圧力を異にする作動流体が並流する場合が起こり得る。
しかし、圧力の高い作動流体と圧力の低い作動流体が並流する場合には、圧力の高い作動流体が圧力の低い作動流体に動翼間の隙間（以下、「チップクリアランス」という。）を介して多量に流入することになり、このため作動流体が動翼列を通過する際に断熱膨張することにより得られる熱落差を十分に回収することができず、チップタービンの性能ひいては翼全体の性能が低下する問題を生じていた。
他方、チップクリアランスを介した作動流体の漏洩（リーク）は動翼の下流の圧力状態と、動翼間の圧力勾配に大きく依存している。特に、回転と共に低圧の作動流体から高圧の作動流体流体を受け始める箇所に位置する動翼は、翼の背側から徐々に高い圧力を受けるため、翼の背側の圧力が翼の腹側と比較して高い状態となる。このとき、翼の背側の下流が高圧の作動流体に晒されると、翼の背側の流体は圧力の低い翼の腹側へ向けて流れようとし、流れはチップクリアランスに集中する。その結果、チップクリアランスを介して翼の背側から翼の腹側へ向けた多量の高圧作動流体の移動が始まり、翼の性能が大きく低下する。また、回転と共に高圧の作動流体から低圧の作動流体流体を受け始める箇所に位置する動翼についても、同様な理由でチップクリアランスを介して翼の腹側から翼の背側へ向けた多量の高圧作動流体の移動が始まり、翼の性能が大きく低下する。
ところで、上記の問題は、動翼の枚数を増加させることでその影響を小さくすることが可能だが、翼弦長の縮小を招き、極端な翼弦長の縮小はタービンの空力的な働きを阻害してしまう。
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その解決しようとする課題はチップクリアランスからの作動流体の漏洩を好適に防止して作動流体の熱落差の損失を低減する高効率な単翼列多段タービン及びそれを用いたガスタービンを提供することである。

前記目的を達成するため第１の発明では、動翼列を通過した作動流体を再び前記動翼列を通過させることにより該作動流体に複数回にわたり断熱膨張を行わしめて動力を出力する単翼列多段タービンであって、作動流体を増速させながら前記動翼列に流入させる第１静翼列と、前記動翼列の下流に位置し前記動翼列から流出する作動流体を隔てる第２静翼列とを具備し、前記第２静翼列は高圧作動流体と低圧作動流体を隔離する第１静翼列の基準翼に対応して配置されていることを特徴とする。
上記第１の発明の単翼列多段タービンでは、動翼が低圧作動流体から高圧作動流体に晒される箇所あるいは高圧作動流体から低圧作動流体に晒される箇所において、動翼列の上流に配置されている第１静翼列および同下流に配置されている第２静翼列の配置を最適化することによって、動翼の形状を変更せずに、動翼の翼背側および翼腹側の圧力勾配を可能な限り小さくすることが可能となる。これにより、高圧作動流体が断熱膨張する際にチップクリアランスを介して動翼の翼背側から翼腹側へ漏洩することが抑止されて断熱膨張時の熱落差の損失が好適に低減されるようになる。また、第２静翼列は高圧作動流体と低圧作動流体を隔離する第１静翼列の基準翼に対応して配置されているので、動翼列の下流において高圧の作動流体が低圧の作動流体と混流することを好適に防止する。これにより、高エンタルピーの作動流体を動翼列に再流入させることが可能になり、更に、作動流体は第１静翼により増速されるので動翼列において効率よく断熱膨張することができる。その結果、作動流体から効率よくエネルギーを得ることができ、エネルギー効率が向上するようになる。

第２の発明では、高圧作動流体が前記動翼列の移動方向に対し低圧作動流体より先行して並流している第１基準翼に対応する前記第２静翼列の第１対応翼は、前記動翼列の一動翼が前記第１基準翼に最近接する時の前記動翼の下端から該動翼の移動方向に対し、前記高圧作動流体が前記動翼を通過するのに要する時間をＴと、前記動翼の周方向に対する移動速度をＵとした時の２×Ｕ×Ｔで定まる距離近傍に配置されていることとした。
第１基準翼を流れ出た高圧作動流体が動翼の翼背側を充満するのに要する時間はＴであり、引き続き同高圧作動流体が動翼の翼腹側を充満するのに要する時間はＴであるから、動翼がその第１基準翼の下端からＵ×（Ｔ＋Ｔ）＝Ｕ×２Ｔ＝２×Ｕ×Ｔ＝２×Ｌ（但し、Ｌ＝Ｕ×Ｔとする。）の距離を移動した時には、高圧作動流体は動翼の翼背側から翼腹側にかけて充満し、その翼背側および翼腹側における圧力勾配が可能な限り小さくなっている。
そこで、上記第２の発明の単翼列多段タービンでは、高圧作動流体が動翼の翼背側および翼腹側を高圧作動流体で充満した後で第１対応翼とその動翼が最近接するように第２静翼の第１対応翼が配置されている。これにより、高圧作動流体がチップクリアランスを介して動翼の翼背側から翼腹側へ漏洩することが抑止されて断熱膨張時の熱落差の損失が好適に低減されるようになる。

第３の発明では、高圧作動流体が前記動翼列の移動方向に対し低圧作動流体より後行して並流している第２基準翼に対応する前記第２静翼列の第２対応翼は、前記動翼列の一動翼が前記第２基準翼の下端に最近接する時の前記動翼の下端近傍に配置されていることとした。
動翼が第２基準翼の下端に最近接した位置から少しでも移動すると、動翼の翼腹側の出口側（下流側）の圧力は低下することになり、その結果、翼腹側の高圧作動流体は流路の狭いチップクリアランスを通して動翼の翼背側に漏洩するよりも、より圧力の低い動翼の出口側（下流側）に向かい動翼に沿って流れることとなる。
そこで、上記第３の発明の単翼列多段タービンでは、第２静翼列の第２対応翼は動翼が第２基準翼の下端に最近接した時の動翼の下端近傍に配置されている。これにより、高圧作動流体がチップクリアランスを介して動翼の翼腹側から翼背側へ漏洩することが抑止されて断熱膨張時の熱落差の損失が好適に低減されるようになる。

前記目的を達成するための第４の発明では、断熱圧縮された酸化剤を燃料と混合し燃焼させて高温高圧の作動流体としその作動流体をタービンによって断熱膨張させることにより動力を出力するガスタービンであって、前記タービンは上記第１の発明の単翼列多段タービンであることを特徴とする。
上記第４の発明のガスタービンでは、上記第１の発明の単翼列多段タービンが使用されているので、供給されたエネルギーが単翼列多段タービンにて好適に回収されてガスタービンのエネルギー効率が向上するようになると共に、ファン又は圧縮機に動力を伝達するための回転軸が不要となるのでガスタービンの軸長が短縮化し且つガスタービンの重量が軽量化し且つガスタービンの構成が簡素化するようになる。

本発明の単翼列多段タービンによれば、第２静翼列を構成する第１対応翼および第２対応翼が各々第１静翼列２の第１基準翼と第２基準翼に対応して配置されている。特に、動翼が低圧作動流体から高圧作動流体に晒される箇所においては、動翼が第１対応翼の上端に最近接する時には動翼の翼背側および翼腹側の圧力勾配が可能な限り小さくなるように第１対応翼が配置されている。他方、動翼が高圧作動流体から低圧作動流体に晒される箇所においては、高圧作動流体が動翼の翼腹側に沿って動翼の下流側に流れるように第２対応翼が配置されている。その結果、チップクリアランスからの高圧作動流体の漏洩が好適に抑制され、作動流体が動翼列を通過する際に大きな熱落差を得ることができるようになる。これにより、動翼の形状等を変更せずに、動翼列の上流に位置する第１静翼列および同下流に位置する第２静翼列の配列を最適化することにより、作動流体から効率良くエネルギーを回収することができるようになる。
さらに、本発明のガスタービンによれば、上記発明の単翼列多段タービンが使用されているので、供給されたエネルギーが単翼列多段タービンにて好適に回収されてガスタービンのエネルギー効率が向上するようになると共に、ファン又は圧縮機に動力を伝達するための回転軸が不要となるのでガスタービンの軸長が短縮化し且つガスタービンの重量が軽量化し且つガスタービンの構成が簡素化するようになる。

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明による単翼列多段タービンの実施例を示す要部断面図である。なお、この要部断面図は、円筒面により切断した本発明の単翼列多段タービンの要部を２次元展開図として示すものである。
この単翼列多段タービン１００は、高圧作動流体Ｆ_Ｈが流入する高圧側吸入ダクト部１と、作動流体を増速させるノズルとして機能する第１静翼列２と、作動流体が翼間を断熱膨張しながら通過する動翼列３と、断熱膨張した作動流体を後方へ流出させると共にエンタルピーの異なる作動流体を隔てる隔壁として機能する第２静翼列４と、動翼列３を通過した高圧作動流体Ｆ_Ｈが再び動翼列３を通過するために低圧作動流体Ｆ_Ｌとして流入する低圧側吸入ダクト５ａ,５ｂとを具備して構成されている。なお、第２静翼列４の配置については、図２および図３を参照しながら後述する。

第１静翼列２は、複数の第１静翼２１が例えばケーシング（図示せず）の内周面に動翼列３に対応して等間隔で且つ動翼列３とのクリアランスが最小となるように取り付けられて構成されている。そして、第１静翼列２は、第１静翼列２に流入した高圧作動流体Ｆ_Ｈを増速させて運動エネルギーを高めた後に動翼列３に流入させる。特に、第１静翼２１の中で高圧作動流体Ｆ_Ｈおよび低圧作動流体Ｆ_Ｌを隔離する静翼のことを基準翼として、更に動翼の移動方向に対して高圧作動流体Ｆ_Ｈが低圧作動流体Ｆ_Ｌに先行して並流する（動翼が低圧作動流体から高圧作動流体に晒される）基準翼を第１基準翼２１ａと、動翼の移動方向に対して高圧作動流体Ｆ_Ｈが低圧作動流体Ｆ_Ｌに後行して並流する（動翼が高圧作動流体から低圧作動流体に晒される）基準翼を第２基準翼２１ｂと定義する。

動翼列３は、複数の動翼３１が例えばファン（図示せず）の外周端部に第１静翼列２に対応して等間隔で且つ静翼列２および第２静翼列４とのクリアランスが最小となるように取り付けられて構成されている。また、第１静翼列２から流入した高圧作動流体Ｆ_Ｈは動翼間で断熱膨張しながら下流に低圧作動流体Ｆ_Ｌとなって流出し、その作動流体が断熱膨張する際の反動力で動翼列３に回転力が発生し、高圧作動流体が第１静翼列２から連続的に供給され動翼間で断熱膨張が連続的に行われることによって動翼列３に回転動力が発生し、その回転動力によってファン（図示せず）が駆動される。

第２静翼列４は、第１基準翼２１ａに対応する第１対応翼４１ａと、第２基準翼２１ｂに対応する第２対応翼４１ｂとで構成され、動翼列３から流出する高圧作動流体Ｆ_Ｈおよび低圧作動流体Ｆ_Ｌ等のエンタルピーの異なる作動流体を隔てる隔壁の機能を有し、ケーシング（図示せず）の内周面に第１基準翼２１ａおよび第２基準翼２１ｂに対応して且つ動翼列３とのクリアランスが最小となるように取り付けられてている。なお、詳細については図２および図３を参照しながら後述するが、第１対応翼４１ａおよび第２対応翼４１ｂの配列を適切に行うことにより、作動流体が動翼列３にて断熱膨張する際の熱落差の損失を低減し、動翼列３にて大きな仕事を取り出すことができる。

高圧側吸入ダクト部１は、高圧作動流体Ｆ_Ｈ、例えば燃焼器（図示せず）からの高温・高圧の燃焼ガスが流入するインテークである。

低圧側吸入ダクト部５ａ,５ｂは、低圧作動流体Ｆ_Ｌ、例えば燃焼器（図示せず）からの高温・高圧の燃焼ガスが動翼列３にて断熱膨張した後エンタルピーを低下させた作動流体が流入するインテークである。動翼列３にて断熱膨張した作動流体は、動翼列３に仕事を与えてもなお高いエンタルピーを保有している。そこで、作動流体の保有するエネルギーを十分に回収するために、その作動流体を排出側ダクト部（図示せず）および戻りダクト部（図示せず）を介して低圧側吸入ダクト５ａ,５ｂに流入させて再び第１静翼２および動翼列３を通過させることにより動翼列３から仕事を取り出すことができる。このように、作動流体を複数回（多段）にわたり第１静翼列２および動翼列３を通過させることによって作動流体の保有するエネルギーを機械エネルギーとして効率よく回収することが可能になる。

図２は、第１対応翼４１ａの配列を示す要部断面説明図である。
第１対応翼４１ａは、一の動翼３１ａの上端３１aUが第１基準翼２１ａの下端２１aLに最近接する時の動翼３１の下端３１aLの位置から動翼の移動方向に対して２×Ｌの距離に相当する位置に配置されている。なお、Ｌは高圧作動流体Ｆ_Ｈが動翼３１ａを通過するのに要する平均時間Ｔと動翼の移動速度Ｕを乗じることにより得られる値である。その平均時間Ｔについては数値計算により算出するか、或いは実験によって取得することができる。

第１基準翼２１ａに対応する第１対応翼４１ａが上述のように配置されると、第１基準翼２１ａの下端２１aLに最近接した動翼３１ａが第１対応翼４１ａに最近接する時には、動翼の翼背側３１aSおよび翼腹側３１aHは共に高圧作動流体Ｆ_Ｈで充満されることになる。そして、高圧作動流体Ｆ_Ｈが翼背側３１aSと翼腹側３１aHを充満するのに要する時間は２×Ｔである。従って、その動翼３１ａが第１基準翼の下端２１aLを通過して第１対応翼の上端４１aUに最近接した時、即ち第１基準翼の下端２１aLからＵ×２Ｔ＝２×Ｕ×Ｔ＝２×Ｌの距離を移動した時には、その高圧作動流体Ｆ_Ｈは動翼の翼背側３１aSから翼腹側３１aHにかけて充満し、その翼背側３１aSおよび翼腹側３１aHにおける圧力勾配が可能な限り小さくなっている。これにより、高圧作動流体Ｆ_Ｈがチップクリアランスを介して動翼３１aの翼背側３１aSから翼腹側３１aHへ漏洩することが抑止されて断熱膨張時の熱落差の損失が好適に低減されるようになる。

なお、動翼の上端３１aUと第１基準翼の下端２１aLとの距離ｄ1、および動翼の下端３１aLと第１対応翼の上端４１aUとの距離ｄ2は小さい方が良い。ｄ1が大きくなる場合は、高圧作動流体Ｆ_Ｈが第１基準翼を流出した直後の軸流速度Ｖa1と絶対周方向速度Ｖq1を用いて、ΔＬ1＝ｄ1×（Ｖq1／Ｖa1）を算出し、ΔＬ1分だけ第１対応翼４１ａを移動させると良い。
一方、ｄ2が大きくなる場合も同様に、高圧作動流体Ｆ_Ｈが動翼を流出した直後の軸流速度Ｖa2と絶対周方向速度Ｖq2を用いて、ΔＬ2＝ｄ2×（Ｖq2／Ｖa2）を算出し、Ｖq2の符号に応じて、ΔＬ2分だけ第１対応翼４１ａを移動させると良い。

他方、図３は、第２対応翼４１ｂの配列を示す要部断面説明図である。
第２対応翼４１ｂは、一の動翼３１bの上端３１bUが第２基準翼２１ｂの下端２１bLに最近接する時のその動翼３１bの下端３１bLの位置に配置されている。

第２基準翼２１ｂに対応する第２対応翼４１ｂが上述のように配置されると、第２基準翼２１ｂの下端２１bLに最近接した動翼の下端３１bLの下流は経時的に圧力が低下し、その結果、動翼の翼腹側３１bHの高圧作動流体Ｆ_Ｈは、流路の狭いチップクリアランスを通って翼背側３１bSへ流れるよりも、より圧力の低い第２対応翼４１ｂで隔てられた低圧作動流体Ｆ_Ｌの出口側へ流れることとなり、第２基準翼２１ｂの下端２１bLに最近接する動翼では翼腹側３１bHの形状に沿った流れが実現されるようになる。これにより、高圧作動流体Ｆ_Ｈがチップクリアランスを介して動翼３１bの翼腹側３１bHから翼背側３１bSへ漏洩することが抑止されて断熱膨張時の熱落差の損失が好適に低減されるようになる。

図４は、第２静翼列４の配列と本発明の効果を確認するための他の配列を示す要部断面説明図である。
図４の（ａ）では、一の動翼の上端３１aUが第１基準翼の下端２１aLに最近接する時の動翼の下端３１aLの位置から動翼の移動方向に対してＬの距離に相当する位置に第１対応翼４１ａが配置されている一方、一の動翼の上端３１bUが第２基準翼の下端２１bLに最近接する時の動翼の下端３１bLの位置から動翼の移動方向に対してＬの距離に相当する位置に第２対応翼４１ｂが配置されている。

図４の（ｂ）では、一の動翼の上端３１aUが第１基準翼の下端２１aLに最近接する時の動翼の下端３１aLの位置から動翼の移動方向に対して２Ｌの距離に相当する位置に第１対応翼４１ａが配置されている一方、一の動翼の上端３１bUが第２基準翼の下端２１bLに最近接する時の動翼の下端３１bLの位置から動翼の移動方向に対して同じく２Ｌの距離に相当する位置に第２対応翼４１ｂが配置されている。

図４の（ｃ）は、上記単翼列多段タービン１００の第２静翼列４の配列であり、一の動翼の上端３１aUが第１基準翼の下端２１aLに最近接する時の動翼の下端３１bLの位置から動翼の移動方向に対して２Ｌの距離に相当する位置に第１対応翼４１ａが配置されている一方、一の動翼の上端３１bUが第２基準翼の下端２１bLに最近接する時の動翼の下端３１bLの位置に第２対応翼４１ｂが配置されている。

ここで、図４の（ａ）から（ｃ）の各配列の形状にて、三次元、粘性を考慮した作動流体の断熱膨張時の熱落差の数値解析を実施した。形状はタービンハブ直径が２７０ｍｍ、タービン翼高は約５ｍｍ、動翼の回転速度は１６８００ｒｐｍとした。また、動静翼の周方向は周期的に同じ形状が繰り返されている。なお、熱落差Ｈ_Ｔは次式（１）を使用した。
Ｈ_Ｔ＝Ｃ_Ｐ×（Ｔ_in−Ｔ_out）・・・（１）
ここで、Ｃ_Ｐは定圧比熱であり、Ｔ_inは流入流体の平均全温であり、Ｔ_outは流出流体の平均全温である。

図５は、図４の各配列に対する解析結果を示すグラフである。
このグラフから分かるように、本発明に係る第２静翼列４の配列において最も高い熱落差Ｈ_Ｔを得ることが確認された。特に、時刻と共に動翼が低圧から高圧の流体の流入を受ける第１基準翼２１ａの近傍および時刻と共に動翼が高圧から低圧の流体の流入を受ける第２基準翼２１ｂの近傍において本発明の効果が顕著に表れることが確認できた。

上記単翼列多段タービン１００によれば、第２静翼列４を構成する第１対応翼４１ａおよび第２対応翼４１ｂが各々第１静翼列２の第１基準翼２１ａと第２基準翼２１ｂに対応して配置されている。特に、動翼３１ａが低圧作動流体Ｆ_Ｌから高圧作動流体Ｆ_Ｈに晒される箇所においては、動翼３１ａが第１対応翼４１ａの上端４１aUに最近接する時には動翼３１ａの翼背側３１aSおよび翼腹側３１aHの圧力勾配が可能な限り小さくなるように第１対応翼４１ａが配置されている。他方、動翼３１ｂが高圧作動流体Ｆ_Ｈから低圧作動流体Ｆ_Ｌに晒される箇所において、動翼３１ｂの翼腹側３１bHの高圧作動流体Ｆ_Ｈが動翼３１ｂの翼腹側３１bHに沿って流れるように第２対応翼４１ｂが配置されている。その結果、チップクリアランスからの高圧作動流体Ｆ_Ｈの漏洩が好適に抑制され、作動流体が動翼列３を通過する際に大きな熱落差を得ることができるようになる。これにより、動翼３１の形状等を変更せずに、動翼列３の上流に位置する第１静翼列２および同下流に位置する第２静翼列３の配列を最適化することにより、作動流体から効率良くエネルギーを回収することができるようになる。
さらに、本発明のガスタービンによれば、上記発明の単翼列多段タービン１００が使用されているので、供給されたエネルギーが単翼列多段タービン１００にて好適に回収されてガスタービンのエネルギー効率が向上するようになると共に、ファン又は圧縮機に動力を伝達するための回転軸が不要となるのでガスタービンの軸長が短縮化し且つガスタービンの重量が軽量化し且つガスタービンの構成が簡素化するようになる。

本発明の単翼列多段タービンは、航空機用または船舶用あるいは発電機用のガスタービンエンジンの他、火力発電所等の蒸気タービン等の流体エネルギーを機械エネルギーに変換する流体機械に好適に適用することが可能である。

本発明による単翼列多段タービンの実施例を示す要部断面図である。第１対応翼の配列を示す要部断面説明図である。第２対応翼の配列を示す要部断面説明図である。第２静翼列の配列と本発明の効果を確認するための他の配列を示す要部断面説明図である。図４の各配列に対する解析結果を示すグラフである。

符号の説明

１高圧側吸入ダクト
２第１静翼列
３動翼列
４第２静翼列
５ａ，５ｂ低圧側吸入ダクト
２１ａ第１基準翼
２１ｂ第２基準翼
４１ａ第１対応翼
４１ｂ第２対応翼
１００単翼列多段タービン

Claims

動翼列を通過した作動流体を再び前記動翼列を通過させることにより該作動流体に複数回にわたり断熱膨張を行わしめて動力を出力する単翼列多段タービンであって、作動流体を増速させながら前記動翼列に流入させる第１静翼列と、前記動翼列の下流に位置し前記動翼列から流出する作動流体を隔てる第２静翼列とを具備し、前記第２静翼列は高圧作動流体と低圧作動流体を隔離する第１静翼列の基準翼に対応して配置されていることを特徴とする単翼列多段タービン。
高圧作動流体が前記動翼列の移動方向に対し低圧作動流体より先行して並流している第１基準翼に対応する前記第２静翼列の第１対応翼は、前記動翼列の一動翼が前記第１基準翼に最近接する時の前記動翼の下端から該動翼の移動方向に対し、前記高圧作動流体が前記動翼を通過するのに要する時間をＴと、前記動翼の周方向に対する移動速度をＵとした時の２×Ｕ×Ｔで定まる距離近傍に配置されている請求項１に記載の単翼列多段タービン。
高圧作動流体が前記動翼列の移動方向に対し低圧作動流体より後行して並流している第２基準翼に対応する前記第２静翼列の第２対応翼は、前記動翼列の一動翼が前記第２基準翼の下端に最近接する時の前記動翼の下端近傍に配置されている請求項１に記載の単翼列多段タービン。
断熱圧縮された酸化剤の作動流体を燃料と混合し燃焼させて高温高圧の作動流体としその作動流体をタービンによって断熱膨張させることにより動力を出力するガスタービンであって、前記タービンは請求項１に記載の単翼列多段タービンであることを特徴とするガスタービン。