JP2011241791A - ガスタービンエンジンのタービン - Google Patents

Abstract

【課題】タービンの動翼および静翼を通過した燃焼ガスの周方向の速度分布が均一化され、個体間の性能ばらつきが小さいガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】外周部に複数の動翼（４３）からなる動翼段（４５）を有し、軸方向に複数連結されてガスタービンエンジン（１）のタービン（７）を形成するタービンロータ段（３９）と、少なくとも各タービンロータ段（３９）の間に設けられた、複数の静翼（３５）からなる静翼段（３７）とを備えるタービン（７）において、前記各動翼段（４５）の複数の動翼（４３）および各静翼段（３７）の複数の静翼（３５）は、それぞれ、周方向に等間隔に配置されており、各静翼段における前記静翼の枚数ｍに対する、当該静翼段の軸方向両側に位置する各動翼段における前記動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、１．２５≦ｒ≦１．７５の範囲内に設定されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、発電機や航空機エンジンなどに用いられるガスタービンエンジンのタービンの構造に関する。

ガスタービンエンジンの圧縮機およびタービンは、固定側部材であるハウジングの内周に設けられた、周方向に並ぶ複数の静翼からなる静翼段と、回転側部材であるロータの外周に設けられた、周方向に並ぶ複数の動翼からなる動翼段とが、軸方向に交互に配設されて構成されている（例えば、特許文献１）。

特開２００３−１６１２９８号公報

タービンにおいて、上流側の動翼段における複数の動翼間を通過した燃焼ガス流には、周方向に動翼の枚数分だけの周期を有する速度分布が発生する。静翼段の翼枚数と動翼段の翼枚数とが同一の場合、燃焼ガス流は、静翼段を通過した後も周方向に周期性を有する速度分布が保たれた状態で、下流側の動翼段に到達する。この場合、燃焼ガス流の速度分布のピーク位置が、下流側の動翼間の位置に合致していればガスタービンエンジンの動力損失が小さいが、逆に動翼の前縁部の位置に合致していれば動力損失が大きくなる。

一方で、各ロータ段のタービンディスクの結合面は、必ずしも完全に平行に形成されてはいないので、一般に、動翼段を有する複数のロータ段を軸方向に連結してタービンロータを組み立てる際には、組立後の回転時の振動が最小となるようにロータ段間の周方向位置が調整される。つまり、ロータ段間での動翼の周方向の相対位置は、それ自体が調整されるのではなく、ロータ段間の平行性の調整に伴って付随的に決定される。したがって、ロータ段間の動翼の周方向相対位置がガスタービンエンジンごとにばらつくことになり、その結果、ガスタービンエンジンごとの性能ばらつきが大きくなる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、タービンの動翼および静翼を通過した燃焼ガスの周方向の速度分布を均一化することにより、ガスタービンエンジンごとの性能ばらつきを抑制することにある。

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のタービンは、外周部に複数の動翼からなる動翼段を有し、軸方向に複数連結されてガスタービンエンジンのタービンを形成するタービンロータ段と、少なくとも各タービンロータ段の間に設けられた、複数の静翼からなる静翼段とを備え、前記各動翼段の複数の動翼および各静翼段の複数の静翼は、それぞれ、周方向に等間隔に配置されており、各静翼段における前記静翼の枚数ｍに対する、当該静翼段の軸方向両側に位置する各動翼段における前記動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、１．２５≦ｒ≦１．７５の範囲内に設定されている。

このように構成することにより、タービンの動翼および静翼を通過した燃焼ガスの周方向の速度分布が平均化され、その結果、このタービンが適用されるガスタービンエンジンの効率が平均化される。すなわち、このタービンが適用されるガスタービンエンジンの個体間の性能ばらつきが抑制される。

本発明に係るガスタービンエンジンのタービンにおいて、各静翼段における静翼の枚数ｍに対する、各動翼段における動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、１．４０≦ｒ≦１．６０の範囲内に設定されていることが好ましく、１．４５≦ｒ≦１．５５の範囲内に設定されていることがより好ましい。このように構成することにより、燃焼ガスの周方向速度分布が一層平均化され、ガスタービンエンジンの性能ばらつきが大幅に抑制される。

以上のように、本発明に係るガスタービンエンジンのタービンによれば、動翼および静翼を通過した燃焼ガスの周方向の速度分布が均一化されることにより、このタービンが適用されるガスタービンエンジンごとの性能ばらつきが抑制される。

本発明の一実施形態に係るタービンを備え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の要部を拡大して示す断面図である。 図１のタービンの動作を模式的に示す断面図である。 図１のタービンのタービン静翼と動翼との枚数比とクロッキング効果との関係を示す相関図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係るタービンが適用され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。）を示す。同図において、ガスタービン１は、外部からの導入空気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３側を「前側」と呼び、タービン７側を「後側」と呼ぶ場合がある。

本実施形態では、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の回転部分の前部を構成する圧縮機ロータ１１を備えている。圧縮機ロータ１１の外周面には、多数の圧縮機動翼１３が配置されており、これら圧縮機動翼１３と、ハウジング１５の内周面に多数配置された圧縮機静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９から吸入された空気ＩＡを圧縮する。その圧縮空気ＣＡは、圧縮機３の下流側に配置されたディフューザ２１を介して燃焼器５に送給される。

燃焼器５は、例えばアニュラー型であり、ガスタービン１の周方向に沿って複数個の燃焼噴射ユニット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ＣＡ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、タービンノズル（第１段静翼）２５からタービン７内に流入する。

タービン７は、ガスタービン１の回転部分の後部を構成する高圧タービンロータ３１Ａおよび低圧タービンロータ３１Ｂと、これらタービンロータ３１Ａ，３１Ｂを覆うタービンケーシング３３とを備えている。高圧タービンロータ３１Ａは圧縮機ロータ１１に一体回転するように連結されて圧縮機ロータ１１を駆動する。また、高圧タービンロータ３１Ａと低圧タービンロータ３１Ｂは連結されていない。圧縮機ロータ１１、高圧タービンロータ３１Ａ，低圧タービンロータ３１Ｂの全体は、軸心方向の３箇所に設けられた軸受３２を介して回転自在に支持されている。タービンケーシング３３の内周部には、複数段のタービン静翼３５が周方向に等間隔に植設されてなるタービン静翼段３７が、軸心方向に所定間隔をおいて複数取り付けられている。

タービンロータ３１Ａ，３１Ｂのうち、代表して高圧タービンロータ３１Ａの周辺部分の構造を拡大して図２に示す。高圧タービンロータ３１Ａは、軸心Ｃ方向に重ねて連結された複数のタービンロータ段３９を有している。各タービンロータ段３９は、その径方向内側部分を形成するディスク４１と、ディスク４１の外周部において周方向に等間隔に植設された複数のタービン動翼４３からなるタービン動翼段４５とを有している。各タービン動翼段４５は、対応するタービン静翼段３７の下流側に位置するように設けられている。

複数のタービンロータ段３９は、これら複数のタービンロータ段３９を軸心方向に貫通する連結ボルト４７および連結ボルト４７の先端部に螺合する連結ナット４９によって軸心方向に締め付けられることにより、互いに連結されている。連結ボルト４７は、周方向に等間隔に複数配置されている。

本実施形態では、図３に模式的に示すように、上流側の動翼段４５と、その下流側の静翼段３７を通過した燃焼ガスＧの周方向の速度分布が可及的に均一化されるように、つまり周方向の速度分布のピーク値Ｐが最小になるように、各タービン静翼段３７におけるタービン静翼３５の枚数ｍと、各タービン動翼段４５におけるタービン動翼４３の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが設定されている。

具体的には、比ｒ＝ｎ／ｍが、１．２５≦ｒ≦１．７５の範囲内に設定されていることが好ましく、１．４０≦ｒ≦１．６０の範囲内に設定されていることがより好ましく、１．４５≦ｒ≦１．５５の範囲内に設定されていることがさらに好ましい。本実施形態におけるｒの値は１．５０に設定されている。

各タービン静翼段３７におけるタービン静翼３５の枚数ｍと、各タービン動翼段４５におけるタービン動翼４３の枚数ｎの比ｒをこのように設定することにより、タービンの動翼および静翼を通過した燃焼ガスＧの周方向の速度分布が平均化され、その結果、このタービンが適用されるガスタービンの効率が平均化されることが数値計算により確認された。

図４のグラフに、静翼・動翼の枚数比ｒとクロッキング効果との相関関係を示す。このグラフの横軸は枚数比ｒを、縦軸はクロッキング効果の値を表している。ここで、「クロッキング効果」とは、ある枚数比ｒについてクロッキング、つまりタービン静翼段３７とタービン動翼段４５との周方向の相対位置を変化させたときのガスタービン効率の最大値と最小値の差のことである。すなわち、クロッキング効果の値が大きければ、ガスタービン１の個体間の性能ばらつきが大きく、クロッキング効果の値が小さければ、ガスタービン１の個体間の性能ばらつきが小さいことを意味する。

同図に示すように、静翼・動翼枚数比ｒの値を、ガスタービンの設計上実用的な値である１．００〜２．００の間で変化させた場合、ｒ＝１．５０付近においてクロッキング効果の値が最小となり、枚数比ｒの値が１．５０から１．００または２．００に近づくに連れて、クロッキング効果の値は増大し、枚数比ｒの値が、特に整数である１．００および２．００である場合にクロッキング効果の値は極大となった。この数値計算により、１．２５≦ｒ≦１．７５の範囲において十分に低い値のクロッキング効果が得られ、このタービンが適用されるガスタービンエンジンの個体間の性能ばらつきが十分に抑制されることが確認された。

ｒ＝１．５０の近傍が好ましい理由は次のとおりである。動翼・静翼枚数比ｒ＝１．００の場合は、上流のタービン動翼４３で発生した燃焼ガス流速度分布のピーク部分の数が、タービン静翼３５，３５間の流路の数と一致しており、また、タービンロータ３１Ａの回転により流入する流路が隣のタービン静翼３５，３５間の流路に切り替わるタイミングもすべてのピーク部分で同時であるので、タービン静翼３５下流において動翼枚数分の周期対称性が保存される。動翼・静翼枚数比ｒ＝２．００の場合は、上流のタービン動翼４３から発生したピーク部分の数は静翼間流路の数の２倍であり、ある時点においては２つのピーク部分が１つの静翼間流路に流入する。また、タービンロータ３１Ａの回転により、全体のピーク部分の半分が流入する静翼間流路がひとつ飛ばしで同時に切り替わり、残りの半分のピーク部分は同じ流路に流入し続ける。その結果、周期対称性は、ｒ＝１．００の場合に比べると若干弱くなるものの、動翼枚数分保存される。動翼・静翼枚数比ｒ＝１．５０は、タービン動翼枚数分の周期対称性が最も強く保存されるｒ＝１．００と、これに次いで強く保存されるｒ＝２．００からほぼ等しく離れており、クロッキング位置による性能・流量のばらつきが最も効果的に低減される比率である。

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
３１Ａ 高圧タービンロータ（タービンロータ）
３１Ｂ 低圧タービンロータ（タービンロータ）
３３ タービンケーシング
３５ タービン静翼
３７ タービン静翼段
３９ タービンロータ段
４３ タービン動翼
４５ タービン動翼段

Claims (4)

1. 外周部に複数の動翼からなる動翼段を有し、軸方向に複数連結されてガスタービンエンジンのタービンを形成するタービンロータ段と、
   少なくとも各タービンロータ段の間に設けられた、複数の静翼からなる静翼段と、
   を備え、
   前記各動翼段の複数の動翼および各静翼段の複数の静翼は、それぞれ、周方向に等間隔に配置されており、
   各静翼段における前記静翼の枚数ｍに対する、当該静翼段の軸方向両側に位置する各動翼段における前記動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、１．２５≦ｒ≦１．７５の範囲内に設定されている、ガスタービンエンジンのタービン。
2. 請求項１において、各静翼段における静翼の枚数ｍに対する、各動翼段における動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、１．４０≦ｒ≦１．６０の範囲内に設定されている、ガスタービンエンジンのタービン。
3. 請求項２において、各静翼段における静翼の枚数ｍに対する、各動翼段における動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、１．４５≦ｒ≦１．５５の範囲内に設定されている、ガスタービンエンジンのタービン。
4. 外周部に複数の動翼からなる動翼段を有し、軸方向に複数連結されてガスタービンエンジンのタービンを形成するタービンロータ段と、
   少なくとも各タービンロータ段の間に設けられた、複数の静翼からなる静翼段と、
   を備え、
   前記各動翼段の複数の動翼および各静翼段の複数の静翼は、それぞれ、周方向に等間隔に配置されており、
   各静翼段における前記静翼の枚数ｍに対する、当該静翼段の軸方向両側に位置する各動翼段における前記動翼の枚数ｎの比ｒ＝ｎ／ｍが、前記静翼段を通過した前記燃焼ガスの周方向の速度分布におけるピーク値が最小になるように設定されている、ガスタービンエンジンのタービン。

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