JP2011021506A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】空力性能の低下を抑えつつ、入口案内翼やストラットの防氷性を高めることができるガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】外部から空気が流入する入口流路３内に入口案内翼５が設けられるガスタービンエンジン１０であって、入口案内翼５には、この入口案内翼５を加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間５ａが形成される。入口案内翼５の背側面５ｃには、内部空間５ａ内の加熱用ガスを下流に向けて入口流路３に噴出させる噴出孔が形成されている、ことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、防氷性を有するガスタービンエンジンに関する。

図１は、下記の特許文献１に記載されたガスタービンエンジンを示し、図２（Ａ）は、図１のＸ−Ｘ線矢視図である。図２（Ｂ）は、図１のＸ−Ｘ線矢視図であるが、図２（Ａ）とは異なる構成例を示す。

ガスタービンエンジンは、図１に示すように、外部から空気が流入する上流側領域において、ストラット３１、入口案内翼３３、動翼３５などを有する。なお、符号３７は、ノーズコーンを示し、符号は、加熱用空気ダクト３９を示し、符号４１は、外部配管を示す。

このようなガスタービンエンジンにおいては、圧縮機（図示せず）の後段から４００℃程度の加熱用ガスを、外部配管４１により抽出し、加熱用空気ダクト３９を通して、ストラット３１の中空部３１ａに送り込む。これにより、ストラット３１を加熱する。
また、ストラット３１には、噴出口３１ｂが設けられる。この噴出口３１ｂから、中空部３１ａ内の加熱用ガスが入口案内翼３３側に噴出される。これにより、入口案内翼３３を加熱する。
上記構成で、ストラット３１および入口案内翼３３に氷が付着することによる不都合を回避できる。即ち、ストラット３１および入口案内翼３３に付着し成長した氷が、ストラット３１および入口案内翼３３から剥離して、圧縮機へ吸い込まれることを防止でき、入口案内翼３３が可動である場合には、入口案内翼３３に付着した氷により、入口案内翼３３の動きが妨げられることを防止できる。

特開平１０−１８４３８９号公報

しかし、上述の構成において、ストラット３１の噴出口３１ｂから噴出する加熱用ガスが主流とミキシングするので、乱れがなく高エネルギーを維持した主流に対して新たな乱れを生じさせ、空力性能が低下する。
そこで、本発明の目的は、空力性能の低下を抑えつつ、入口案内翼やストラットの防氷性を高めることができるガスタービンエンジンを提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明によると、外部から空気が流入する入口流路内に入口案内翼が設けられるガスタービンエンジンであって、
前記入口案内翼には、該入口案内翼を加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間が形成され、
前記入口案内翼の下流側端部には、前記内部空間内の前記加熱用ガスを下流に向けて前記入口流路に噴出させる1個以上の噴出孔が形成されている、ことを特徴とするガスタービンエンジンが提供される。

上述の本発明では、入口案内翼の内部空間に加熱用ガスを導入することで、入口案内翼の防氷性を高めることができる。
また、入口案内翼の内部空間に導入された加熱用ガスは、前記入口案内翼の背側の噴出孔から下流に向けて噴出されるので、加熱用ガスが噴出される事で翼面の境界層内にエネルギーを与え、流れの剥離がおきにくくなり、入口流路内の主流ガスが、入口案内翼における後縁側の背側面に沿って流れやすくなる。これにより、空力性能を向上させることができる。
さらに、入口案内翼の噴出孔から噴出された加熱用ガスは、入口案内翼の下流にある動翼に吹き付けられるので、動翼の防氷性をも高めることができる。

好ましくは、前記噴出孔は、少なくとも一つが前記入口案内翼の背側面に形成されている。

このように、前記噴出孔は、前記入口案内翼の下流側端部であって前記入口案内翼の背側面に形成されて、下流側に向けて加熱用ガスを噴出するので、加熱用ガスが噴出される事で翼面の境界層内にエネルギーを与え、流れの剥離がおきにくくなり、入口流路内の主流ガスが、入口案内翼における後縁側の背側面に沿って一層流れやすくなる。その結果、空力性能が一層向上される。

本発明の好ましい実施形態によると、前記入口案内翼は、ガスタービンエンジンの中心軸に対する半径方向に、該中心軸側のノーズコーンから前記半径方向外側の前記入口流路の内壁面へ向かって延びており、
前記入口案内翼における前記半径方向外側の一端部には、前記半径方向を向く軸芯を中心として回転駆動されるスピンドル軸が結合されており、前記スピンドル軸には、内部空間が形成されており、
前記加熱用ガスは、前記スピンドル軸の前記内部空間を介して前記入口案内翼の前記内部空間に導入される。

このように、前記入口案内翼に結合された前記スピンドル軸に内部空間を設け、この内部空間を介して前記入口案内翼の前記内部空間に前記加熱用ガスを導入することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記入口案内翼より上流側の前記入口流路内には、ストラットが設けられ、該ストラットは、前記入口流路の内壁面から前記入口流路の中心部に位置するノーズコーンまで延びており、
前記ストラットには、該ストラットを加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間が形成され、
前記ストラットの前記内部空間から前記加熱用ガスが流入する流路が、前記ノーズコーンに形成され、
該ノーズコーンの前記流路内の前記加熱用ガスを下流に向けて前記入口流路内に噴出させる噴出孔が、前記ストラットの上流側において、前記ノーズコーンに形成されている。

このように、前記入口案内翼の上流側にあるストラットにも内部空間を設け、この内部空間に加熱用ガスを導入するので、ストラットに氷が付着することを防止できる。また、ストラットの内部空間に導入された加熱用ガスは、前記ストラットの上流側において、ノーズコーンの噴出孔から下流に向けて前記入口流路内に噴出されるので、空力性能の低下を抑えつつ、該加熱用ガスは、再びストラットを加熱し、その後、入口案内翼も加熱することができる。

本発明の別の実施形態によると、前記入口案内翼より上流側の前記入口流路内には、ストラットが設けられ、該ストラットは、前記入口流路の内壁面から前記入口流路の中心部に位置するノーズコーンまで延びており、
前記ストラットには、該ストラットを加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間が形成され、
前記ストラットの前記内部空間から前記加熱用ガスが流入する流路が、前記ノーズコーンに形成され、
前記ノーズコーンの前記流路を通して、前記ストラットの前記内部空間から前記入口案内翼の前記内部空間に前記加熱用ガスが導入される。

このように、前記入口案内翼の上流側にあるストラットにも内部空間を設け、この内部空間に加熱用ガスを導入するので、ストラットに氷が付着することを防止できる。また、ストラットの内部空間に導入された加熱用ガスが、ノーズコーン内の流路を通して入口案内翼の内部空間へ導入されるので、空力性能を低下させずに、ストラットおよび入口案内翼の両方を加熱することができる。

本発明の好ましい実施形態によると、前記入口案内翼よりも下流に設けられる圧縮機を備え、
前記入口案内翼の前記内部空間に導入される前記加熱用ガスは、前記圧縮機から抽出されたものである。

このように、前記圧縮機から抽出された加熱用ガスを、ストラットの内部空間を介して、または、ストラットの内部空間を介さないで、入口案内翼の内部空間に導入することができる。

上述した本発明のガスタービンエンジンによると、空力性能を向上させつつ、入口案内翼の防氷性を高めることができる。

特許文献１のガスタービンエンジンを示す。 （Ａ）は、図１のＸ−Ｘ線矢視図であり、（Ｂ）は、図１のＸ−Ｘ線矢視図であるが、（Ａ）とは異なる構成例を示す。 本発明の第１実施形態によるガスタービンエンジンを示す。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＶ−Ｖ線矢視図である。 本発明の第２実施形態によるガスタービンエンジンを示す。

本発明を実施するための最良の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

［第１実施形態］
第１実施形態によるガスタービンエンジン１０は、防氷性を要する地上または航空機用のガスタービンエンジンに適用可能である。特に、第１実施形態によるガスタービンエンジン１０は、低バイパス比の航空機用ガスタービンエンジンに適している。
図３は、本発明の第１実施形態によるガスタービンエンジン１０の上流側領域を示す。図３のように、ガスタービンエンジン１０は、外部から空気が流入する入口流路３内に設けられる入口案内翼５と、該入口案内翼５の下流に設けられる動翼７と、を有する。

第１実施形態によると、入口案内翼５には、該入口案内翼５を加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間５ａが形成される。また、入口案内翼５の背側面５ｃには、内部空間５ａ内の前記加熱用ガスを下流に向けて外部の入口流路３に噴出させる１個以上の噴出孔５ｂが形成されている。入口案内翼５は、周方向に複数設けられている。本願において、周方向とは、ガスタービンエンジン１０の中心軸Ｃ１を回る方向である。また、本願において、半径方向とは、前記中心軸Ｃ１に対する半径方向であり、軸方向とは、前記中心軸Ｃ１と平行な方向である。なお、入口案内翼５の材質は、例えばチタン合金である。

噴出孔５ｂは、各入口案内翼５において、半径方向の1箇所または複数位置（図３の例では、５箇所）に設けられる。複数の噴出孔５ｂは、開口面積が同一であってよく、開口の形状が丸形状または四角形状であってよい。なお、各入口案内翼５において、噴出孔５ｂは、半径方向における１つの箇所だけに設けるようにしてもよい。
図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図４に示すように、入口案内翼５は、背側面５ｃと腹側面５ｄを有し、背側面５ｃに各噴出孔５ｂが形成されている。各入口案内翼５（即ち、背側面５ｃと腹側面５ｄ）は、少なくとも入口案内翼５の下流側部分において、下流側に移行するにつれ、その位置が同じ周方向一方側（図４の下側）に移行している。入口案内翼５における前記周方向一方側の面が腹側面５ｄであり、入口案内翼５における前記周方向一方側と反対側の面が背側面５ｃである。
図４に示すように、噴出孔５ｂは、内部空間５ａの一部である噴出用流路５ｅの下流端に位置して、下流に向けて加熱用ガスを噴出するので、加熱用ガスが噴出されることで翼面の境界層内にエネルギーを与えられ、流れの剥離がおきにくくなり、入口流路３内の主流ガスが、入口案内翼５における後縁側の背側面５ｃに沿って流れやすくなり、その結果、空力性能が向上する。上述した形状と構造を持つ噴出用流路５ｅが、各入口案内翼５において、各噴出孔５ｂ毎に（図３の例では５つ）設けられている。
また、各入口案内翼５において、噴出孔５ｂは、入口案内翼５の下流側端部（即ち、後縁付近）に位置している。さらに、各噴出用流路５ｅは、下流側に移行するにつれ、背側面５ｃに沿うように、その位置が前記周方向一方側に移行している。これにより、噴出孔５ｂが向く方向は、下流側を向く軸方向の成分と、前記周方向一方側を向く周方向の成分とを有する。このようにして、噴出孔５ｂが向く方向を、背側面５ｃに沿った方向に近くすることができる。従って、このような噴出孔５ｂが向く方向に、加熱用ガスが、入口案内翼５の下流側端部において噴出孔５ｂから噴出される。これにより、加熱用ガスが噴出されることで翼面の境界層内にエネルギーを与えられ、流れの剥離がおきにくくなり、入口流路３内の主流ガスが、入口案内翼５における後縁側の背側面５ｃに沿って一層流れやすくなる。その結果、空力性能が一層向上する。

入口案内翼５は、中心軸Ｃ１側のノーズコーン９から、半径方向外側にある入口流路３の内壁面６へ向かって半径方向に延びている。入口案内翼５における半径方向外側の一端部には、自身の軸心回りに回転駆動されるスピンドル軸１１が結合されている。スピンドル軸１１には、内部空間１１ａ（この例では、中空部１１ａ）が形成されている。前記加熱用ガスは、スピンドル軸１１の内部空間１１ａを介して入口案内翼５の内部空間５ａに導入される。
また、入口案内翼５の半径方向内側端部に支持軸２９が結合されている。この支持軸２９は、スピンドル軸１１と同軸周りに揺動（回転）可能にノーズコーン９に取り付けられている。なお、スピンドル軸１１と支持軸２９の材質は、例えばチタン合金である。

また、図３のように、入口案内翼５より上流側の入口流路３には、ストラット１３が設けられている。ストラット１３は、入口流路３の内壁面６から入口流路３の中心部に位置するノーズコーン９まで延びている。ストラット１３は、複数の周方向位置に設けられる。
入口流路３の内壁面６は、入口流路３を内部に区画する外側ケーシング１５に形成されている。ノーズコーン９は、回転しない非回転部である。ストラット１３は、外側ケーシング１５とノーズコーン９に結合されている。ストラット１３の材質は、例えばチタン合金である。

第１実施形態によると、各ストラット１３には、該ストラット１３を加熱する加熱用ガスが導入される内部空間１３ａ（この例では中空部１３ａ）が形成される。ストラット１３の内部空間１３ａから前記加熱用ガスが流入する流路９ａが、各ストラット１３毎にノーズコーン９に形成される。ノーズコーン９の流路９ａ内の前記加熱用ガスを下流に向けて入口流路３内に噴出させる噴出孔９ｂが、ストラット１３の上流側において、ノーズコーン９に形成されている。噴出孔９ｂが、前記加熱用ガスを下流に向けて噴出できるように、流路９ａは、所定の部分から上流側に延びて途中で下流側を向く方向に反転し、反転した後、噴出孔９ｂまで下流側へ延びている。なお、複数のストラット１３の内部空間１３にそれぞれ連通する複数の流路９ａは、互いに連通していてもよいし、互いに独立していてもよい。

図３において、外側ケーシング１５の外表面側には、外部配管１７と第１周方向ダクト１９と第２周方向ダクト２１が設けられる。外部配管１７は、入口案内翼５よりも下流に設けられるガスタービンエンジン１０の圧縮機（図示せず）の後段から、第１周方向ダクト１９と第２周方向ダクト２１に、高温高圧ガス（例えば４００℃程度）を前記加熱用ガスとして送り込む。第１周方向ダクト１９は、全周にわたって周方向に延びることで、各周方向位置にて各ストラット１３の内部空間１３ａに連通している。そのために、外側ケーシング１５には、各ストラット１３の内部空間１３ａの周方向位置において、第１周方向ダクト１９と内部空間１３ａを連通させる貫通孔１５ａが形成されている。第２周方向ダクト２１は、全周にわたって周方向に延びることで、各周方向位置にて各スピンドル軸１１の内部空間１１ａに連通している。

図５は、図３のＶ−Ｖ線矢視図であるが、第１周方向ダクト１９などの図示を省略している。図５に示すように、各入口案内翼５のスピンドル軸１１は、駆動機構２３により揺動（回転）させられる。駆動機構２３は、リング状部材２５と操作レバー２７を有する。リング状部材２５は、全周わたって周方向に延び、図示しない装置により、周方向である図５の矢印Ａの方向に回転させられる。操作レバー２７は、中心軸Ｃ２の周りに回転可能にリング状部材２５に取り付けられた一端部と、第２周方向ダクト２１に干渉しないようにスピンドル軸１１の外周面に一体的に結合または嵌合した他端部とを有する。この構成で、リング状部材２５の回転により、操作レバー２７を介してスピンドル軸１１を、スピンドル軸１１の軸芯回りに揺動させる。なお、駆動機構２３は、スピンドル軸１１を上述のように揺動させることができれば、図５に示した構成以外の適切な構成を有するものであってもよい。

上述した第１実施形態のガスタービンエンジン１０によると、以下の効果（Ａ）〜（Ｃ）が得られる。

（Ａ）入口案内翼５の内部空間５ａに加熱用ガスを導入することで、入口案内翼５の防氷性を高めることができる。また、入口案内翼５の内部空間５ａに導入された加熱用ガスは、入口案内翼５の背側の噴出孔５ｂから下流に向けて噴出されるので、加熱用ガスが噴出されることで翼面の境界層内にエネルギーを与えられ、流れの剥離がおきにくくなり、入口流路３内の主流ガスが、入口案内翼５における後縁側の背側面に沿って流れやすくなる。これにより、空力性能を向上させることができる。さらに、入口案内翼５の噴出孔５ｂから噴出された加熱用ガスは、動翼７に吹き付けられるので、動翼７の防氷性をも高めることができる。

（Ｂ）噴出孔５ｂは、入口案内翼５の下流側端部であって入口案内翼５の背側面５ｃに形成されて、背側面５ｃに沿った下流側方向に加熱用ガスを噴出するので、加熱用ガスが噴出されることで翼面の境界層内にエネルギーを与えられ、流れの剥離がおきにくくなり、入口流路３内の主流ガスが、入口案内翼５における後縁側の背側面５ｃに沿って一層流れやすくなる。その結果、空力性能が一層向上される。

（Ｃ）入口案内翼５の上流側にあるストラット１３にも内部空間１３ａを設け、この内部空間１３ａに加熱用ガスを導入するので、ストラット１３に氷が付着することを防止できる。また、ストラット１３の内部空間１３ａに導入された加熱用ガスは、ストラット１３の上流側において、ノーズコーン９の噴出孔９ｂから下流に向けて入口流路３内に噴出されるので、空力性能の低下を抑えつつ、該加熱用ガスは、再びストラット１３を加熱し、その後、入口案内翼５も加熱することができる。

［第２実施形態］
図６は、本発明の第２実施形態によるガスタービンエンジン１０の上流側領域を示す。第２実施形態によるガスタービンエンジン１０は、以下で説明する内容が第１実施形態によるガスタービンエンジン１０と異なる。第２実施形態によるガスタービンエンジン１０において、以下で説明する内容以外の点は、第１実施形態によるガスタービンエンジン１０と同じであってよい。

第２実施形態によると、第１実施形態の流路９ａおよび噴出孔９ｂの代わりに、図６に示すように流路９ｃが形成される。即ち、第２実施形態によると、ストラット１３の内部空間１３ａから前記加熱用ガスが流入する流路９ｃが、ノーズコーン９に形成される。ノーズコーン９の流路９ｃを通して、ストラット１３の内部空間１３ａから入口案内翼５の内部空間５ａに前記加熱用ガスが導入される。図６の例では、支持軸２９には、該支持軸２９の軸線方向に貫通した内部空間２９ａ（この例では中空部２９ａ）が形成されている。この内部空間２９ａを通して、ノーズコーン９内の流路９ｃから入口案内翼５の内部空間５ａへ加熱ガスが導入される。

第２実施形態では、第１実施形態と違って、スピンドル軸１１の内部空間１１ａを通して加熱用ガスが内部空間５ａに導入されない。即ち、第２実施形態では、スピンドル軸１１の内部空間１１ａ、第２周方向ダクト２１が省略される。ただし、第２実施形態において、ノーズコーン９の流路９ｃを通して入口案内翼５の内部空間５ａに前記加熱用ガスが導入されることに加えて、第１実施形態のように、スピンドル軸１１の内部空間１１ａを通して外部配管１７から加熱用ガスが内部空間５ａに導入されるようにしてもよい。

第２実施形態によるガスタービンエンジン１０によると、上記効果（Ａ）、（Ｂ）と次の効果（Ｄ）が得られる。

（Ｄ）入口案内翼５の上流側にあるストラット１３にも内部空間１３ａを設け、この内部空間１３ａに加熱用ガスを導入するので、ストラット１３に氷が付着することを防止できる。また、ストラット１３の内部空間１３ａに導入された加熱用ガスが、ノーズコーン９内の流路９ｃと内部空間２９ａを通して入口案内翼５の内部空間５ａへ導入されるので、空力性能を低下させずに、ストラット１３および入口案内翼５の両方を加熱することができる。

本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、以下の変更点を単独でまたは組み合わせて採用してよい。

入口案内翼５は、図４において、図４の上下に関して対称となる形状を有していてもよい。

噴出孔５ｂを、入口案内翼５の背側面５ｃと腹側面５ｄの両方に形成し、背側面５ｃと腹側面５ｄの両方にて加熱用ガスを下流に向けて噴出孔５ｂから噴出させてもよい。

３ 入口流路、５ 入口案内翼、５ａ 入口案内翼の内部空間、
５ｂ 噴出孔、５ｃ 背側面、５ｄ 腹側面、５ｅ 噴出用流路、
６ 内壁面、７ 動翼、９ ノーズコーン、
９ａ ノーズコーンの流路、９ｂ 噴出孔、９ｃ 流路、
１０ ガスタービンエンジン、１１ スピンドル軸、
１１ａ スピンドル軸の内部空間、１３ ストラット、
１３ａ 内部空間、１５ 外側ケーシング、１７ 外部配管、
１９ 第１周方向ダクト、２１ 第２周方向ダクト、
２３ 駆動機構、２５ リング状部材、２７ 操作レバー、
２９ 支持軸、２９ａ 内部空間、

Claims (6)

1. 外部から空気が流入する入口流路内に入口案内翼が設けられるガスタービンエンジンであって、
   前記入口案内翼には、該入口案内翼を加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間が形成され、
   前記入口案内翼の下流側端部には、前記内部空間内の前記加熱用ガスを下流に向けて前記入口流路に噴出させる1個以上の噴出孔が形成されている、ことを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記噴出孔は、少なくとも一つが前記入口案内翼の背側に形成されている、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. 前記入口案内翼は、ガスタービンエンジンの中心軸に対する半径方向に、該中心軸側のノーズコーンから前記半径方向外側の前記入口流路の内壁面へ向かって延びており、
   前記入口案内翼における前記半径方向外側の一端部には、前記半径方向を向く軸芯を中心として回転駆動されるスピンドル軸が結合されており、前記スピンドル軸には、内部空間が形成されており、
   前記加熱用ガスは、前記スピンドル軸の前記内部空間を介して前記入口案内翼の前記内部空間に導入される、ことを特徴とする請求項１または２に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記入口案内翼より上流側の前記入口流路内には、ストラットが設けられ、該ストラットは、前記入口流路の内壁面から前記入口流路の中心部に位置するノーズコーンまで延びており、
   前記ストラットには、該ストラットを加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間が形成され、
   前記ストラットの前記内部空間から前記加熱用ガスが流入する流路が、前記ノーズコーンに形成され、
   該ノーズコーンの前記流路内の前記加熱用ガスを下流に向けて前記入口流路内に噴出させる噴出孔が、前記ストラットの上流側において、前記ノーズコーンに形成されている、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記入口案内翼より上流側の前記入口流路内には、ストラットが設けられ、該ストラットは、前記入口流路の内壁面から前記入口流路の中心部に位置するノーズコーンまで延びており、
   前記ストラットには、該ストラットを加熱するための加熱用ガスが導入される内部空間が形成され、
   前記ストラットの前記内部空間から前記加熱用ガスが流入する流路が、前記ノーズコーンに形成され、
   前記ノーズコーンの前記流路を通して、前記ストラットの前記内部空間から前記入口案内翼の前記内部空間に前記加熱用ガスが導入される、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記入口案内翼よりも下流に設けられる圧縮機を備え、
   前記入口案内翼の前記内部空間に導入される前記加熱用ガスは、前記圧縮機から抽出されたものである、ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。

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