JP2011127447A - 換気構造を改良したガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】排気ディフューザの径方向内側に位置する部材の冷却を効率的に行うことが可能な、信頼性および運転効率に優れるガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】空気を圧縮する圧縮機（３）と、前記圧縮機（３）からの圧縮空気（ＰＡ）に燃料を供給して燃焼させる燃焼器（５）と、前記燃焼器（５）からの燃焼ガスによって駆動されるタービン（７）と、前記タービン（７）からの排気を排出する環状の排気ディフューザ（４３）とを備えるガスタービンエンジン（１）に、前記排気ディフューザ（４３）の径方向外側から該排気ディフューザ（４３）を横断して、径方向内側の冷却対象部を（５７）通った後に前記排気ディフューザ（４３）内に接続される換気通路（ＶＰ）と、前記圧縮機（３）からの圧縮空気（ＰＡ）を利用して、外気を前記圧縮空気（ＰＡ）とともに換気用空気（ＶＡ）として前記換気通路（ＶＰ）に供給するエジェクタ（６１）とを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、主として板金二重構造を有する排気ディフューザを備えるガスタービンエンジンの換気構造に関する。

ガスタービンエンジンにおける、タービンからの排気を排出する排気ディフューザの構造として、板金製の外筒および内筒からなる二重構造が一般的に採用されている（例えば、特許文献１）。このような構造の排気ディフューザを備えるガスタービンエンジンでは、ディフューザ内部の支持構造材や軸受箱などの、鋳造により形成された部材を熱的に保護するために、適切な換気（冷却）が必要とされる。排気ディフューザ入口の負圧を、あらゆる運転条件下で十分に確保できる場合には、その負圧を利用して排気ディフューザ内に換気用空気を吸い込ませることにより、換気を行うことができる。

特開２００４−１９７６９６号公報

しかしながら、あらゆる運転条件下において換気に十分な負圧を確保することが困難な場合がある。このような場合には、圧縮機からの抽気空気を換気用に使用したり、外部動力によるブロワで加圧した外気を換気に使用する必要があり、ガスタービンエンジンの運転効率の低下や、部材の追加によるコスト増大を招くという課題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、排気ディフューザの径方向内側に位置する部材の冷却を効率的に行うことにより、信頼性および運転効率に優れるガスタービンエンジンを提供することにある。

前記した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は、空気を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、前記タービンからの排気を排出する環状の排気ディフューザと、前記排気ディフューザの径方向外側から該排気ディフューザを横断して、径方向内側の冷却対象部を通った後に前記排気ディフューザ内に接続される換気通路と、前記圧縮機からの圧縮空気を利用して、外気を前記圧縮空気とともに換気用空気として前記換気通路に供給するエジェクタとを備えている。

この構成によれば、圧縮機から抽気した圧縮空気を、エジェクタを介して換気通路内に取り込むことにより、圧縮空気の高速流によって生じる吸引力を利用して低温の外気をも換気通路内に取り込むことが可能となり、きわめて高効率かつ効果的に、ディフューザの径方向内側の冷却対象物を冷却することができる。その結果、ガスタービンエンジンの運転効率の低下を抑制しながら信頼性を向上させることができる。

本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記排気ディフューザは、外筒と内筒とが、排気ディフューザ内の排気通路を径方向に横断する連結部材により連結されており、前記換気通路は、前記排気ディフューザの外筒の外側から外筒を貫通し、前記連結部材の内方を通り、前記冷却対象部を経て前記排気ディフューザの内筒の内側から前記排気通路内に連通していることが好ましい。この構成によれば、圧縮機から抽気して冷却に使用した空気が排気通路内に戻されるので、排気通路の後段に、例えば廃ガスボイラや追焚きボイラのような装置を設置してガスタービンのエネルギーを効率的に利用することができる。

本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記エジェクタが、前記換気用空気の流れ方向を前記外筒の軸心周りの接線方向にほぼ合致させた状態で、該ガスタービンエンジンに取り付けられていることが好ましい。この構成によれば、エジェクタから供給される換気用空気が、外筒の周面を周方向に沿って流れるので、外筒に対しても効果的に冷却が行われる。

また、上記のように前記換気通路が排気通路内に接続している場合、前記換気通路が、前記排気ディフューザの内筒の前端から前記排気通路内に接続していることが、より好ましい。排気ディフューザ前端すなわちタービン出口近傍では排気の流速が大きいので、換気用空気を吸い込む力も大きくなり、それだけ換気用空気の流量を増大させて効率的に冷却対象物を冷却することができる。

本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記エジェクタは、前記圧縮空気の導入口を有するエジェクタボディと、該エジェクタボディの内側に嵌合されて外気の吸引通路を形成するノズルと、前記エジェクタボディと前記ノズルの上流端部との間に形成されて前記圧縮空気を前記ノズルの上流端部から吸引通路内に噴出する噴出通路とを備えている。この構成によれば、エジェクタをコンパクトに形成できるので、従来のガスタービンエンジンの寸法増大を抑制しつつ優れた信頼性と運転効率とを実現することが可能となる。

本発明にかかるガスタービンエンジンにおいて、前記冷却対象部は、例えば、前記回転軸の軸受を支持する軸受サポートを含む。この構成によれば、軸受サポートのような鋳造品を、上記の構成により効果的かつ効率的に冷却することにより、軸受サポートを耐熱性に優れる高価な材料で形成することが不要となり、コスト増大を抑制しながらガスタービンエンジンの信頼性を向上させることができる。

以上のように、本発明に係るガスタービンエンジンによれば、圧縮機から抽気した高温・高圧の圧縮空気のみならず低温の外気をも換気通路内に取り込むことにより、少量の抽気空気できわめて高効率かつ効果的に、ディフューザの径方向内側の冷却対象物を冷却することができるので、ガスタービンエンジンの運転効率の低下を抑制しながら信頼性を向上させることができる。

本発明の第１実施形態に係るガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 図１の実施形態に使用されるエジェクタの構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った模式的な断面図である。 本発明の第３実施形態に係るガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

図１は、本発明の第１実施形態に係るガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）の一部を破断した側面図である。同図において、ガスタービン１は、導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７を駆動する。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向の圧縮機側を「前側」と呼び、タービン側を「後側」と呼ぶ場合がある。

この実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いている。この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分を構成するロータ１１の前部の外周面に、多数の動翼１３が配置されており、これら動翼１３と、ハウジング１５の内周面に多数配置された静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９から吸入した空気ＩＡを圧縮する。

圧縮機３で圧縮された圧縮空気Ａは燃焼器５に送給される。燃焼器５は、ガスタービン１の周方向に沿って複数個が等間隔に配置されている。燃焼器５では、圧縮機３から送給された圧縮空気Ａが、燃焼器５内に噴射された燃料Ｆと混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧがタービン７に送られる。

タービン７は、ハウジング１５の内方に設けられてロータ１１の後部を覆うタービンケーシング２５を備え、このタービンケーシング２５の内周部には複数段のタービン静翼２７が所定間隔をおいて取り付けられ、一方、ロータ１１の後部には複数段のタービン動翼２９が設けられ、これらタービン静翼２７とタービン動翼２９とが軸方向に沿って交互に配置されている。ロータ１１の全体は、ハウジング１５に、前部および後部の軸受３１，３５を介して回転自在に支持されている。

複数段のタービン動翼２９のうち最後段に位置するタービン動翼２９の後端がタービン出口３７となっており、このタービン出口３７には、タービン７からの排気ガスＥＧを外部に排出する環状の排気ディフューザ４３が接続されている。排気ディフューザ４３は、互いに同心状に配置された外筒４５および内筒４７と、これらを連結する第１および第２の連結部材５１，５３とによって構成されており、外筒４５と内筒４７との間の空間が、排気ガスＥＧが通過する排気通路４９を形成している。外筒４５はハウジング１５に支持されている。第１および第２の連結部材５１，５３は排気通路４９を径方向に横断しており、それぞれ複数、例えば６つずつ、周方向に等間隔で設けられている。外筒４５および内筒４７は、それぞれ、耐熱性に優れた金属材料からなる板金で形成されている。排気ディフューザ４３の外筒４５の外周面および内筒４７の内周面の軸方向の一部は、グラスウールのような断熱材５０で覆われている。排気ディフューザ４３の下流側には、排気ガスＥＧの熱を利用して動作する廃熱ボイラ（図示せず）が接続されている。

第１および第２連結部材５１，５３は、板金で形成されており、ガスタービン１のエンジン軸心Ｃと同心の円筒面で切断した切断面が細長い楕円形状であり、第１連結部材５１の内方空間に、後部軸受３５をハウジング１５に支持するためのストラット５５が挿通されている。

ストラット５５は、後部軸受３５にほぼ対応する軸方向位置に配置され、排気ディフューザ４３の外筒４５の径方向外側から外筒４５を貫通して排気通路４９を径方向に横断し、さらに内筒４７の径方向外側から内筒４７を貫通して、後部軸受３５の径方向外側に設けられた軸受サポート５７に連結されている。

一方、第２連結部材５３の径方向外側にはエジェクタ６１が配置されており、このエジェクタ６１の下流端に、第２連結部材５３の内方空間を通って内筒４７の内側空間Ｓに連通する換気ダクト６３が接続されている。エジェクタ６１は、圧縮機３から圧縮空気ＰＡを抽気して、外気ＥＡとともに換気用空気ＶＡとして内筒４７の内側空間Ｓに供給する。

エジェクタ６１は、図２の断面図に示すように、主要な構成部材として、ほぼ円筒形状のエジェクタボディ６５と、エジェクタボディ６５の内側に連結固定される、ほぼ円筒形状のノズル６７とを備えている。エジェクタボディ６５の周壁６９には、この周壁６９を径方向に貫通する導入孔６９ａが設けられており、圧縮空気ＰＡの導入口として機能する。また、エジェクタボディ６５の上流側端部の開口部７１は、その内周面７１ａが外側に向かって大径となるベルマウス状に形成されており、外気ＥＡの導入口として機能する。開口部７１のテーパ状の内周面７１ａは、圧縮空気導入孔６９ａよりも若干上流側の軸方向位置まで延びており、内周面７１ａの下流端に、軸方向下流側を向く環状の鍔面７３が形成されている。

ノズル６７は、外周面６７ａの軸方向中央部に設けられた雄ねじ部７５を、エジェクタボディ６５の内周面下流部に設けられた雌ねじ部７７に螺合させることにより、エジェクタボディ６５に連結されている。なお、ノズル６７のエジェクタボディ６５への連結は、嵌合により行ってもよい。ノズル６７の上流端部は、その内周面が、上流側に向かって大径となるベルマウス状に形成されて、エジェクタボディ６５の吸引口（開口部）７１から吸引された外気ＥＡをノズル６７の内側に形成された吸引通路７９に吸引する吸引口８１を形成している。また、ノズル６７の上流端部の外周面には、径方向外側に突出する環状のフランジ部８３が設けられている。このフランジ部８３の外径は、エジェクタボディ６５の鍔面７３の内径よりも大きく、かつ、鍔面７３の外径つまりエジェクタボディ６５の内周面径よりも小さく設定されている。

ノズル６７は、その上流端が、エジェクタボディ６５の鍔面７３との間に隙間８５を存するようにエジェクタボディ６５に取り付けられている。このようにして、ノズル６７の上流端部のフランジ部８３の外周面とエジェクタボディ６５の内周面との隙間８７、および、ノズル６７の上流端面とエジェクタボディ６５の鍔面７３との隙間８５によって形成される、圧縮空気導入孔６９ａよりも狭い通路が、圧縮空気導入孔６９ａから導入された圧縮空気ＰＡを吸引通路７９内に噴出する噴出通路８９を形成している。ノズル内側の吸引通路７９の、上流端部よりも下流側の部分は、下流側に向かって拡径する末広がりの通路として形成されている。

噴出通路８９から吸引通路７９に高速で噴出された圧縮空気ＰＡは、吸引通路７９内のノズル６７の内周面に沿って下流側に流れる。この時、吸引通路７９の径方向中心部には、ベルヌーイ効果によって大きな負圧が発生し、強力な吸引力を誘発して、吸引口８１から低温の外気ＥＡを吸引通路７９内に吸引する。このようにして、吸引通路７９内に取り込まれた外気ＥＡと圧縮空気ＰＡとが、換気用空気ＶＡとして、ノズル６７によって形成される供給口６８から、後述する図１の換気通路ＶＰ１，ＶＰ２に供給される。

エジェクタボディ６５に形成された圧縮空気導入孔６９ａは、抽気通路９１を介して、図１のハウジング１５の圧縮機３を覆う部分に貫通して設けられた抽気孔９３に連通している。圧縮機３の中段から抽気される圧縮空気ＰＡは、エジェクタ６１において外気ＥＡを吸引する力を確保するために、一定の圧力を有していることが好ましい一方で、高い冷却効果を発揮するために、一定の温度以下であることが好ましい。

図１に示すように、エジェクタ６１から換気ダクト６３を通って内側空間Ｓに供給された換気用空気ＶＡは、この内側空間Ｓに位置する冷却対象部である軸受サポート５７を通った後に排気ディフューザ４３内に接続する２つの換気通路ＶＰ１，ＶＰ２を通って排気通路４９に流入する。すなわち、エジェクタ６１の下流には、換気ダクト６３から、径方向内側に設置された冷却対象部である軸受サポート５７の近傍を通り、その後に排気ディフューザ４３の内筒４７の径方向内側から、内筒４７の前端と最後段の動翼２９との間の隙間を通って排気通路４９に連通する第１換気通路ＶＰ１と、換気ダクト６３から、軸受サポート５７近傍に達し、その後に排気ディフューザ４３の径方向内側からストラット５５と第１連結部材５１との間の隙間を通って、排気ディフューザ４３の外筒４５の径方向外側に出たのち、外筒４５の前端と最後段の動翼２９との間の隙間を通って排気通路４９内に連通する第２換気通路ＶＰ２が形成されている。

第１および第２換気通路ＶＰ１，ＶＰ２のいずれも、排気ディフューザ４３の前端、つまりタービン出口３７の下流側近傍から排気通路４９内に連通している。このように構成することにより、タービン出口近傍における排気ＥＧの大きな流速を利用して、換気用空気ＶＡを吸い込む力を大きくすることができ、冷却対象物が効率的に冷却される。もっとも、換気通路ＶＰ１，ＶＰ２が排気通路４９に接続する軸方向位置は、排気ディフューザ４３の前端よりも下流側に設定してもよい。

上記構成のガスタービン１によれば、圧縮機３から抽気した圧縮空気ＰＡを、エジェクタ６１を介して換気通路ＶＰ１，ＶＰ２内に取り込むことにより、圧縮空気ＰＡの高速流によって生じる吸引力を利用して低温の外気ＥＡをも換気通路ＶＰ１，ＶＰ２内に取り込むことが可能となり、きわめて高効率かつ効果的に、排気ディフューザ４３の径方向内側の冷却対象物を冷却することができる。その結果、ガスタービンエンジン１の運転効率の低下を抑制しながら信頼性を向上させることができる。

なお、上記の実施形態の説明では、換気通路ＶＰ１，ＶＰ２が通過すべき冷却対象部として、鋳物である軸受サポート５７を例示したが、排気ディフューザ４３の径方向内側に配置される部材であれば、これに限られない。例えば、潤滑系統、計装系統なども冷却することが必要であるし、また、大型支持構造物全体を適切に冷却することにより、高価な耐熱構造材料の使用量を削減して製品コストを低減できる。

また、エジェクタ６１を設置する位置は、図１の例に限らない。例えば、図３に示す第２実施形態のように、エジェクタ６１を、第１連結部材５１よりも前側の軸方向位置に配置してもよい。この場合、換気通路ＶＰ３は、ストラット５５と第１連結部材５１との間の隙間から、軸受サポート５７を通った後に、排気ディフューザ４３の内筒４７の径方向内側から、内筒４７の前端と最後段の動翼２９との間の隙間を通って排気通路４９に連通しており、エジェクタ６１から供給される換気用空気ＶＡの一部はこの換気通路ＶＰ３を通過する。また、換気用空気ＶＡの残りの一部は、ストラット５５と第１連結部材５１との間の隙間から、軸受サポート５７を通った後に、内側空間Ｓを通って換気ダクト６３から外部へ流出する。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿った模式的な断面図であり、内筒４７の内側の部材は省略している。図４に示すように、エジェクタ６１が、その軸心方向、つまり換気用空気ＶＡの流れ方向を、ガスタービン１のエンジン軸心Ｃ周り、つまり外筒４５の軸心Ｃ周りの接線方向Ｔにほぼ合致させた状態でハウジング１５に取り付けられている。これにより、エジェクタ６１から供給される換気用空気ＶＡが、外筒４５の外周面を周方向に沿って流れた後に、ストラット５５と第１連結部材５１との間の隙間に流れ込むので、外筒４５に対しても効果的に冷却が行われる。なお、図４の例では、エジェクタ６１をガスタービン１の周方向の４箇所に等間隔に設けているが、エジェクタ６１および第１連結部材５１の数および相対位置は、適宜変更してよい。

図５は、本発明の第３実施形態に係るガスタービン１を示す部分破断側面図である。この第３実施形態では、冷却対象部である軸受サポート５７に、軸受サポート５７の温度を検知する温度センサ１００が取り付られており、温度センサ１００によってモニターした軸受サポート温度に応じて、圧縮機３から抽気する圧縮空気ＰＡの量が制御される。抽気通路９１の中途には、抽気された圧縮空気ＰＡの圧力を制御する制御弁１０２が設けられており、この制御弁１０２を、コントローラ１０４が、温度センサ１００から受けた出力に応じて開閉する。つまり、冷却対象部の温度が比較的低く、冷却の必要性が小さい場合には、抽気する圧縮空気ＰＡの量を抑制する一方、冷却対象部の温度が高く、冷却の必要性が大きい場合には、抽気する圧縮空気ＰＡの量を増加させる。

温度センサ１００としては、これを設置するのに要するスペース、温度検知精度、コスト等を考慮して適宜選択される。例えば、熱電対、サーミスタ、白金抵抗素子等を温度センサ１００として使用することができる。

このように、冷却対象部の温度に応じて、圧縮機３から抽気する圧縮空気ＰＡの圧力を制御することにより、無駄な圧縮空気ＰＡの消費を回避し、ガスタービン１の運転効率の低下を抑えながら信頼性を向上させることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
１１ ロータ（回転軸）
３１，３３，３５ 軸受
４３ 排気ディフューザ
４９ 排気通路
５１ 第１連結部材
５３ 第２連結部材
５５ ストラット
５７ 軸受サポート（冷却対象部）
６１ エジェクタ
６３ 換気ダクト
ＶＡ 換気用空気
ＥＧ 排気ガス
ＶＰ１〜３ 換気通路

Claims (6)

1. 空気を圧縮する圧縮機と、
   前記圧縮機からの圧縮空気に燃料を供給して燃焼させる燃焼器と、
   前記燃焼器からの燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
   前記タービンからの排気を排出する環状の排気ディフューザと、
   前記排気ディフューザの径方向外側から該排気ディフューザを横断して、径方向内側の冷却対象部を通った後に前記排気ディフューザ内に接続される換気通路と、
   前記圧縮機からの圧縮空気を利用して、外気を前記圧縮空気とともに換気用空気として前記換気通路に供給するエジェクタと、
   を備えるガスタービンエンジン。
2. 請求項１において、前記排気ディフューザは、外筒と内筒とが、排気ディフューザ内の排気通路を径方向に横断する連結部材により連結されており、前記換気通路は、前記排気ディフューザの外筒の外側から外筒を貫通し、前記連結部材の内方を通り、前記冷却対象部を経て前記排気ディフューザの内筒の内側から前記排気通路内に連通しているガスタービンエンジン。
3. 請求項２において、前記エジェクタが、前記換気用空気の流れ方向を前記外筒の軸心周りの接線方向にほぼ合致させた状態で、該ガスタービンエンジンに取り付けられているガスタービンエンジン。
4. 請求項３において、前記換気通路は、前記排気ディフューザの内筒の前端から前記排気通路内に接続しているガスタービンエンジン。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記エジェクタは、前記圧縮空気の導入口を有するエジェクタボディと、該エジェクタボディの内側に嵌合されて外気の吸引通路を形成するノズルと、前記エジェクタボディと前記ノズルの上流端部との間に形成されて前記圧縮空気を前記ノズルの上流端部から吸引通路内に噴出する噴出通路とを備えているガスタービンエンジン。
6. 請求項１から５のいずれか一項において、前記冷却対象部は、前記回転軸の軸受を支持する軸受サポートを含むガスタービンエンジン。

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