JP2010255522A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】大きさや重量を増加させることなく、始動時における燃焼器の着火を確実に行うことのできるガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】吸気した空気を圧縮する圧縮機３と、圧縮機３で圧縮された空気と燃料を混合させて燃焼する燃焼器４と、燃焼器４に微粒化された燃料を噴霧する燃料ノズル５と、燃焼器４の燃焼ガスによって回転するタービン６と、圧縮機３の上流側に設けられて吸気される空気を案内する可変案内翼２と、を備え、エンジン始動時に可変案内翼２を制御することによって、燃焼器４に対する空気流量を一時的に増加させる。燃料ノズル５における微粒化を促進することによって、確実に着火を行うことを可能とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関する。

従来のガスタービンエンジンとして、吸気した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料を混合させて燃焼させる燃焼器と、燃焼器に微粒化された燃料を噴霧する燃料ノズルと、燃焼器の燃焼ガスによって回転するタービンとを備えるものが知られており、そのようなガスタービンとして、例えば特開２００８−５１０１３号公報に示すものが知られている。このガスタービンは、圧縮機の上流側に燃焼空気の流量を調節する圧縮機入口案内翼を備えており、この圧縮機入口案内翼の開度を調整することによって、部分負荷運転時の排気温度が設定値に近づくように運転される。

特開２００８−５１０１３号公報

ここで、エアブラスト式ノズルを用いるタイプのガスタービンエンジンにおいては、燃焼器内での着火のためには燃料が十分に微粒化されて噴霧される必要があるが、エアブラスト式ノズルの場合には、この微粒化が燃焼空気によって行われるため、始動時にも微粒化に必要な十分な空気流量が必要になる。しかし、例えば、航空機用ガスタービンエンジンでは、大きさや重量の制限からスタータ容量を大きくできないため、モータリングで圧縮機の回転速度を十分に上げることができない。従って、上述のようなガスタービンエンジンでは、始動時に燃焼器の空気が不足し、燃料の微粒化ができずに着火が困難、あるいは不可能になる可能性があった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、大きさや重量を増加させることなく、始動時における燃焼器の着火を確実に行うことのできるガスタービンエンジンを提供することを目的とする。

本発明に係るガスタービンエンジンは、吸気した空気を圧縮する圧縮機と、圧縮機で圧縮された空気と燃料を混合させて燃焼させる燃焼器と、燃焼器に微粒化された燃料を噴霧する燃料ノズルと、燃焼器の燃焼ガスによって回転するタービンと、圧縮機の上流側に設けられて吸気される空気を圧縮機に案内する可変案内部と、を備えるガスタービンエンジンであって、エンジン始動時に可変案内部を制御することによって、燃焼器に対する空気流量を一時的に増加させることを特徴とする。

このガスタービンエンジンでは、エンジン始動時に可変案内部で吸気される空気に予旋回を与え、あるいは全閉とすることで圧縮機を無負荷とすることによって圧縮機仕事を減少させる。これによって、始動時の圧縮機の回転速度を増加させることができる。始動の時点では可変案内部による予旋回を有りとし、あるいは全閉とすることによって、十分に圧縮機回転速度を得ることの出来るように制御する。そして、所定の圧縮機回転速度に達したところで可変案内部による予旋回を無しに制御することによって圧縮機の仕事を上昇させる。そのとき、圧縮機とタービンの慣性によって回転を維持できるので、その間は予旋回無しの場合に比して圧縮回転速度を高めることができる。その結果、燃焼器空気流量が一時的に増加し、一時的に増加したタイミングでは燃料ノズルにおける微粒化が促進されることにより、確実に着火を行うことができる。以上によって、本実施形態に係るガスタービンエンジンによれば、エンジン始動時に可変案内部を制御して、燃焼器に対する空気流量を一時的に増加させることによって、大きさや重量を増加させることなく、始動時における燃焼器の着火を確実に行うことができる。

本発明によれば、大きさや重量を増加させることなく、始動時における燃焼器の着火を確実に行うことができる。

本発明の実施形態に係るガスタービンの構成を示した図である。 可変案内翼と圧縮機の具体的な関係を示す図である。 始動における圧縮機の回転速度の時間変化を示す線図である。 圧縮機回転速度と空気流量との関係を示す線図である。 圧縮機回転速度と空気流量との関係を示す線図である。 吸気温度の時間変化及び案内翼角度の時間変化を示す線図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るガスタービンエンジンの好適な実施形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係るガスタービンエンジン１の構成を示した図である。図２は、可変案内翼２と圧縮機３の具体的な関係を示す図である。図１に示すように、ガスタービンエンジン１は、可変案内翼（可変案内部）２と、圧縮機３と、燃焼器４と、燃料ノズル５と、タービン６と、スタータ７とを備えて構成されている。このガスタービンエンジン１は、燃料を燃焼させることによって発生した高温高圧ガスを用いてタービン６を回転させることによりプロペラなどの外部の負荷を回転させる機能を有している。

可変案内翼２は、圧縮機３に吸気される空気を案内すると共に、吸気される空気に予旋回を与える機能を有している。可変案内翼２は、具体的には図２に示すように、圧縮機３の上流側に配置されると共に吸気される空気に対して回動可能な機能を供えて構成されている。この可変案内翼２を制御して吸気される空気に対して傾斜するように回動することによって、予旋回（Ｃ１ｕ）を与えることができる。また、吸気される空気に対して可変案内翼２が垂直をなすように回動することによって入口を全閉とすることができる。更に、吸気される空気に対して可変案内翼２が平行をなすように回動することによって空気を旋回なしでそのまま通過させることができる。この可変案内翼２は、エンジン始動時に予旋回を与えるように傾斜されたり、全閉とされることによって、エンジンの回転数を一時的に増加させるように制御することができる。この制御についての詳細な説明は後述する。この可変案内翼２では、Ｗ＝Ｇａ・（Ｕ_２Ｃ_２ｕ−Ｕ_１Ｃ_１ｕ）／ｇの関係がなりたつ。ここで、Ｗとは圧縮機の仕事量であり、Ｕ_２とは圧縮機の出口周速であり、Ｃ_２ｕとは圧縮機出口の絶対速度の周方向成分であり、Ｕ_１とは圧縮機の入口周速であり、Ｃ_１ｕとは圧縮機入口の絶対速度の周方向成分である。

圧縮機３は、可変案内翼２を介して吸気された空気を圧縮する機能を有している。圧縮機３は、複数の翼を回転させることによって空気を圧縮する。図２に示すように、圧縮機３の空気の入口では、翼１２が回転方向に向かって傾斜している。この圧縮機３においては、可変案内翼２で予旋回を与えた場合や可変案内翼２を全閉した場合は、圧縮機仕事が減少し回転数が上がる。また、この圧縮機３は、エンジン始動時には、スタータ７によってモータリング駆動される。

燃焼器４は、圧縮機３で圧縮された空気と、取り込んだ燃料とを混合させると共に、燃焼させることによって高温高圧の燃焼ガスを発生させる機能を有している。また、燃焼器４は、発生させた高温高圧の燃焼ガスをタービン６へ供給する機能を有している。燃料ノズル５は、燃焼器４に燃料を供給する機能を有している。この燃料ノズル５は、エアブラスト式燃料ノズルである。このエアブラスト式燃料ノズルとは、燃焼空気の力（すなわち気流）によって燃料の微粒化して噴霧を行うことによって、燃焼器４での燃焼を促進する機能を有するノズルである。

タービン６は、燃焼器４からの高温高圧の燃焼ガスによって回転する機能を有している。タービン６は圧縮機３と回転軸で連結されており、運転時においてはタービン６の回転力によって圧縮機３を回転させる。タービン６は、回転力を付与された後、燃焼ガスを排気流路から排気する。

次に、上述のように構成されたガスタービンエンジン１の動作及び作用・効果について説明する。

このガスタービンエンジン１では、始動時においてはスタータ７によって起動され、圧縮機３の回転によって空気が吸入圧縮されて燃焼器４に送られ、燃焼器４では燃料ノズル５から燃料が噴射される。そして、圧縮機３の回転速度が所定の速度まで上昇した時点で点火栓で着火されて燃焼が行われる。この燃焼による燃焼ガスでタービン６が回転されて動力が発生する。図３は、始動における圧縮機３の回転速度の時間変化を示す線図であり、スタータ７によるモータリング到達回転速度が点線で示され、実際の圧縮機３の回転速度が実線で示されている。図３に示すように、スタータ７によるモータリングで所定の回転数までガスタービンエンジン１の回転を上げ着火して燃焼器４の燃焼による運転に切り替える。

ここで、着火のためには燃料が燃料ノズル５で十分に微粒化されて噴霧される必要があるが、エアブラスト式燃料ノズルの場合には、この微粒化が燃焼空気によって行われるため、始動時にも微粒化に必要な十分な空気流量（すなわち圧縮機３の十分な回転速度）が必要になる。しかし、航空機用ガスタービンエンジンでは、大きさや重量の制限からスタータ容量を大きくできないため、モータリングで圧縮機３の回転速度を十分に上げることができない。従って、従来の可変案内翼２が設けられていないガスタービンエンジンでは、燃焼器４の空気が不足し、燃料の微粒化ができずに着火が困難、あるいは不可能になる可能性があった。

一方、本実施形態に係るガスタービンエンジン１では、エンジン始動時に可変案内翼２の可変案内翼２を傾斜させて圧縮機３の回転方向に予旋回を与えることによって圧縮機仕事を減少させる（図２参照）。これによって、始動時の圧縮機３の回転速度を可変案内翼２による予旋回無しとした場合に比して増加させることができる。

図４は、圧縮機回転速度と空気流量（すなわち燃焼器空気流量）との関係を示す線図であって、実線は可変案内翼２による予旋回がある場合の圧縮機回転速度と空気流量との関係を示し、一点鎖線は可変案内翼２による予旋回が無い場合の圧縮機回転速度と空気流量との関係を示している。本実施形態に係るガスタービンエンジン１では、始動の時点では可変案内翼２による予旋回有りとして十分に圧縮機回転速度を得ることの出来るように制御する（図４の実線に従って制御する）。一定の圧縮機回転速度に達したところで可変案内翼２による予旋回無しに制御することによって圧縮機３の仕事を上昇させる。そのとき、圧縮機３とタービン６の慣性によって回転を維持できるので、その間は旋回無しの場合に比して圧縮回転速度を高めることができる（図４において曲線で示されている部分）。その結果、燃焼器空気流量が一時的に増加し（図４においてＵＰ１で示される分増加する）、そのタイミングにおいて燃料ノズル５における微粒化が促進されることによって、確実に着火を行うことができる。

以上によって、本実施形態に係るガスタービンエンジン１によれば、大きさや重量を増加させることなく、始動時における燃焼器４の着火を確実に行うことができる。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、上述の実施形態においては、始動時に可変案内翼２を傾斜させて予旋回を発生させて起動を行っていたが、これに代えて可変案内翼２を全閉にして起動を行ってもよい。

図５は、圧縮機回転速度と空気流量（すなわち燃焼器空気流量）との関係を示す線図であって、実線は可変案内翼２を全閉とした場合の圧縮機回転速度と空気流量との関係を示し、一点鎖線は可変案内翼２による予旋回が無い場合の圧縮機回転速度と空気流量との関係を示している。図６は、吸気温度の時間変化及び案内翼角度の時間変化を示す線図であり、実線は吸気温度、点線は案内翼角度を示している。図５に示すように、可変案内翼２を全閉した場合、圧縮機３は無負荷で起動されることとなり、予旋回有りとした場合よりも回転速度を大きくすることができる。このとき、圧縮機３はストール状態で起動されるため、吸気ダクトに圧縮出口空気が逆流して、図６に示すように入口温度、すなわち吸気温度は上昇する。この状態で可変案内翼２を予旋回無しの状態にし、燃料を噴射して着火を行う。図５に示すように、予旋回有りとした場合に比して大きい回転速度を得ることができ、これによって空気流量を一時的に一層増加（図５においてＵＰ２で示される分増加する）させて着火することが可能となるため、燃料ノズルの微粒化が一層促進される。更に、温度上昇した吸気を着火に利用することによって、着火条件を改善することができる。

１…ガスタービンエンジン、２…可変案内翼（可変案内部）、３…圧縮機、４…燃焼器、５…燃料ノズル、６…タービン。

Claims (1)

1. 吸気した空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機で圧縮された空気と燃料を混合させて燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器に微粒化された燃料を噴霧する燃料ノズルと、
   前記燃焼器の燃焼ガスによって回転するタービンと、
   前記圧縮機の上流側に設けられて吸気される前記空気を前記圧縮機へ案内する可変案内部と、を備えるガスタービンエンジンであって、
   エンジン始動時に前記可変案内部を制御することによって、前記燃焼器に対する空気流量を一時的に増加させることを特徴とするガスタービンエンジン。

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