JP3079187B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はガスタービンエンジンに
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図４は軸流式空気圧縮機の外周にガスタ
ービンを配設し、該ガスタービンによって軸流式空気圧
縮機を直接駆動するようにしたガスタービンエンジンの
一例を示すものであり、図中、４６はエンジン外殻２内
の前端Ａ側寄り部分に、ストラット３により支持された
ハウジング、１はハウジング４６内に嵌装された軸受４
に回転自在に且つエンジン外殻２と略同軸になるように
支持されたシャフト、５，６はシャフト１の前端Ａ側部
分に対して固着された環状の空気圧縮機ディスク、７，
８は空気圧縮機ディスク５，６の外周面に周方向に複数
取付けられた空気圧縮機動翼、９は前端Ａ側の空気圧縮
機動翼７よりもエンジン外殻２内の後端Ｂ側に位置し、
且つ、前記ストラット３を介してエンジン外殻２の内周
面に対して所定の間隔を保つように支持された筒状隔
壁、１０，１１は筒状隔壁９の内周面に周方向に複数取
付けられた空気圧縮機静翼であり、空気圧縮機ディスク
５，６、空気圧縮機動翼７，８、筒状隔壁９、空気圧縮
機静翼１０，１１等により軸流式空気圧縮機４７を形成
している。

【０００３】１２は空気圧縮機動翼７の翼端部に、シャ
フト１に対して同軸になるように取付けられた前記筒状
隔壁９の前端Ａ側部分と略同径の環状のタービンディス
ク、１３はタービンディスク１２の外周面に周方向に複
数形成されたタービン動翼、１４はエンジン外殻２の前
端Ａ側部分にタービンディスク１２を周方向に包囲する
ように取付けられたタービン静翼支持部、１５はタービ
ン静翼支持部１４の内周面に周方向に複数形成されたタ
ービン静翼、１６はエンジン外殻２の前端Ａ側部分に取
付けられた前記空気圧縮機ディスク５と略同径の環状の
空気取入筒であり、タービンディスク１２、タービン動
翼１３、タービン静翼１５等によりガスタービン４８を
形成している。

【０００４】前記空気取入筒１６、タービンディスク１
２、筒状隔壁９の内側には、エンジン外殻２の前端Ａ側
から後端Ｂ側へ向って延びる空気流路１７が、また、エ
ンジン外殻２の内周面と、空気取入筒１６、タービンデ
ィスク１２、筒状隔壁９との間には、前端Ａ側が外部に
対して閉塞し、且つエンジン外殻２の後端Ｂ側へ向って
延びる燃料流路１８が形成されている。

【０００５】上述した構成を有するガスタービンエンジ
ンでは、高圧に保持された液体水素等の燃料１９を加熱
してガス化させたうえ、該燃料１９をエンジン外殻２の
前端部に接続した管路２０から燃料流路１８へ供給する
と、該燃料流路１８内をエンジン外殻２の後端Ｂ側へ向
って流れる燃料１９のガス圧がタービン動翼１３に作用
してタービン動翼１３、タービンディスク１２が回転
し、該タービンディスク１２の回転にともなって空気圧
縮機動翼７，８、空気圧縮機ディスク５，６が回転す
る。

【０００６】また、空気圧縮機動翼７，８が回転する
と、空気取入筒１６の前端Ａ側から内部へ空気２１が吸
引され、該空気２１は空気圧縮機動翼７，８及び空気圧
縮機静翼１０，１１によって圧縮されたうえ、空気流路
１７からエンジン外殻２内の後端Ｂ側へ向って吐出す
る。

【０００７】一方、タービン動翼１３を駆動した燃料１
９は、燃料流路１８からエンジン外殻２内の後端Ｂ側へ
向って吐出する際に、筒状隔壁９の後端Ｂ側に設けたミ
キサ２２により、空気流路１７から吐出する空気２１に
混合される。

【０００８】更に、上述した燃料１９と空気２１の混合
気体は、ミキサ２２の後端Ｂ側に設けられた図示されて
いない点火器により着火されて燃焼し、前記混合気体の
燃焼ガスがエンジン外殻２の後端より外部へ向って噴出
することによりガスタービンエンジンは推力を得る。

【０００９】上述したガスタービンエンジンの稼働時に
おいては、タービンディスク１２、タービン動翼１３に
は高温のガス化した燃料１９が吹付けられるので、空気
圧縮機動翼７先端部のタービンディスク１２径方向の伸
びに比べて、タービンディスク１２自体の径方向の膨張
のほうが大きくなる。

【００１０】このため、空気圧縮機動翼７の先端部をタ
ービンディスク１２に対して直接固着すると、前述した
伸びの差によって空気圧縮機動翼７が破断してしまう。

【００１１】そこで、従来は、図５に示す如く、空気圧
縮機動翼７の基端部に、空気圧縮機動翼７の厚さ方向に
突出する突起部２３を形成し、空気圧縮機ディスク５に
設けた前記突起部２３が嵌合可能な形状の溝２４に、前
記空気圧縮機動翼７の基端部を嵌合せしめることによ
り、空気圧縮機動翼７を空気圧縮機ディスク５に対して
径方向へ移動しないように取付け、また、空気圧縮機動
翼７の先端部に、空気圧縮機動翼７の反基端部側に突出
する突起部２５を形成し、タービンディスク１２の内周
面に設けた穴２６に前記突起部２５を摺動自在に挿入
し、ガスタービンエンジンの稼働時に、タービン動翼１
３に生じる回転力が穴２６に挿入された突起部２５によ
りタービンディスク１２を介して空気圧縮機動翼７に伝
達され、且つ温度上昇によってタービンディスク１２が
径方向へ膨張しても、空気圧縮機動翼７には引張力が作
用しないように構成して、空気圧縮機動翼７の破断を防
止している。

【００１２】また、図６に示す如く、外周面にタービン
動翼１３を有するタービンディスク１２を周方向に複数
に分割してセグメント２７を形成し、空気圧縮機動翼７
の先端部に支持板２８を介して固着したブラケット２９
に、セグメント２７をピン３０により連結せしめて、ガ
スタービンエンジンの稼働時に、タービン動翼１３に生
じる回転力がセグメント２７、ピン３０、ブラケット２
９、支持板２８を介して空気圧縮機動翼７に伝達され、
且つタービンディスク１２をセグメント２７に分割する
ことにより、温度上昇によってセグメント２７が膨張し
ても、空気圧縮機動翼７に引張力が作用しないように構
成して、空気圧縮機動翼７の破断を防止しているものも
ある。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図５に示すタ
ービンと空気圧縮機の結合構造では、空気圧縮機動翼７
先端の突起部２５が、タービンディスク１２の穴２６に
対して摺動できるようになっているので、ガスタービン
エンジンが稼働、停止を繰り返すうちに突起部２５、穴
２６に摩耗が生じ、部品交換を行う必要がある。

【００１４】また、タービンディスク１２の穴２６付近
には応力集中が生じるので、強度上タービンディスク１
２を高速で回転させることができない。

【００１５】一方、図６に示すタービンと空気圧縮機の
結合構造では、タービン動翼１３、セグメント２７、空
気圧縮機動翼７等が回転すると、タービン動翼１３、セ
グメント２７等にはたらく遠心力が直接空気圧縮機動翼
７に作用するので、空気圧縮機動翼７の強度上、該空気
圧縮機動翼７の径方向の寸法を大きくして、タービンデ
ィスク１２の径を大きくすることや、タービンディスク
１２を高速で回転させることができず、また、各セグメ
ント２７間に形成される間隙をシールすることは困難で
ある。

【００１６】本発明は上述した問題点を解決するもの
で、高速回転に対応できるガスタービンエンジンを提供
することを目的としている。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、回転自在に支持された空気圧縮機ディ
スクの外周面に、該空気圧縮機ディスクの径方向へ延び
る複数の空気圧縮機動翼を周方向に所定の間隔で設けた
軸流式空気圧縮機と、環状のタービンディスクの外周面
に、該タービンディスクの径方向へ延びる複数のタービ
ン動翼を周方向に所定の間隔で設けたガスタービンとを
有し、該ガスタービンを軸流式空気圧縮機の外周に同心
状に配設したうえ、各空気圧縮機動翼の翼端径方向外周
部分をタービンディスクに連結したガスタービンエンジ
ンにおいて、軸流式空気圧縮機を周方向に同軸に取り囲
み且つ空気圧縮機動翼の翼端径方向外周部分が固着され
たシュラウドを設け、該シュラウド及びタービンディス
クの全周に連なり且つ前記空気圧縮機動翼の翼端径方向
外周部分とタービンディスクとの径方向への変位を許容
し得る弾性体を設け、該弾性体に径方向に貫通する剛性
調整用孔を複数穿設している。

【００１８】

【作用】空気圧縮機動翼の翼端径方向外周部分が連なる
シュラウドとタービンディスクとを連結している弾性体
によって、ガスタービンエンジンの稼働時に生じる空気
圧縮機動翼とタービンディスクの径方向の伸び差、及び
タービンディスクに発生する遠心力を吸収し、空気圧縮
機動翼に対して作用する引張力の緩和を図る。

【００１９】また、弾性体に穿設される剛性調整用孔の
大きさ、数、位置を適宜変更して、弾性体の剛性を調整
する。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しつつ説
明する。

【００２１】なお図１から図３において、図４から図６
と同一の符号を付した部分は同一物を、また、図１から
図３において、相互に同一の符号を付した部分は同一物
を表わしている。

【００２２】また、図１から図３に示す本発明のガスタ
ービンエンジンの各実施例の基本的な構造は図４に示す
ガスタービンエンジンと同様に構成されているので、各
実施例においてガスタービンの全体的な構造についての
説明は省略する。

【００２３】図１及び図２は本発明のガスタービンエン
ジンの第１の実施例であり、３１は空気圧縮機動翼７の
翼端に、全空気圧縮機動翼７に連なり且つ空気圧縮機の
軸線（図４に示すシャフト１の軸線）と同軸に位置する
ように固着した略円筒状のシュラウド、３２はシュラウ
ド３１の前端Ａ側に該シュラウド３１に対して一体的に
且つ同軸に形成された所要の剛性を有する略円筒状のシ
ュラウド側ばね部分、３３はシュラウド側ばね部分３２
の前端Ａ側外周面に沿うようにシュラウド側ばね部分３
２に対して一体的に形成された環状のシュラウド側連結
部、３４はシュラウド側連結部３３の後端Ｂ側に該シュ
ラウド側連結部３３に対して一体的に且つ同軸に形成さ
れた環状の突起部、３５は前記シュラウド３１を周方向
に包囲し、且つ外周面に複数のタービン動翼１３を形成
した環状のタービンディスク、３６はタービンディスク
３５の前端Ａ側に該タービンディスク３５に対して一体
的に且つ同軸に形成された所要の剛性を有する略円筒状
のタービンディスク側ばね部分、３７はタービンディス
ク側ばね部分３６の前端Ａ側に該タービンディスク側ば
ね部分３６に対して一体的に形成された環状のタービン
ディスク側連結部、３８はタービンディスク側連結部３
７の前端Ａ側に該タービンディスク側連結部３７に対し
て同軸に形成され且つ前記突起部３４と嵌合可能な溝部
であり、該溝部３８と突起部３４は互に嵌合し、また、
シュラウド側連結部３３とタービンディスク側連結部３
７は、タービンディスク３５の径方向に延び且つ各シュ
ラウド側連結部３３，３７を貫通する複数のリベット３
９により締結されている。

【００２４】更に、シュラウド側ばね部分３２には、径
方向に貫通する剛性調整用孔４０が周方向に複数箇所穿
設されている。

【００２５】上述したガスタービンエンジンにおいて、
燃料１９を燃料流路１８へ供給すると、該燃料流路１８
内をガスタービンエンジン前端Ａ側から後端Ｂ側へ向っ
て流れる燃料１９のガス圧がタービン動翼１３に作用し
てタービン動翼１３、タービンディスク３５が回転し、
該タービンディスク３５の回転にともなって、タービン
ディスク側ばね部分３６、タービンディスク側連結部３
７、リベット３９、シュラウド側連結部３３、シュラウ
ド側ばね部分３２、シュラウド３１を介して空気圧縮機
動翼７が回転する。

【００２６】一方、高温の燃料１９が吹付けられること
によりタービンディスク３５、タービン動翼１３が加熱
されてタービンディスク３５、空気圧縮機動翼７に径方
向の伸び差が生じると、その伸び差は所定の剛性を有す
るタービンディスク側ばね部分３６及びシュラウド側ば
ね部分３２に吸収される。

【００２７】また、タービン動翼１３、タービンディス
ク３５が回転することにより、タービン動翼１３、ター
ビン静翼１５に作用する遠心力も、前記タービンディス
ク側ばね部分３６及びシュラウド側ばね部分３２に吸収
される。

【００２８】上述したように、本実施例においては、タ
ービンディスク３５と空気圧縮機動翼７との間に摺動部
がないので、摺動摩耗による部品交換の必要性が生じな
い。

【００２９】また、タービン動翼１３、タービンディス
ク３５に生じる遠心力は、タービンディスク側ばね部分
３６、シュラウド側ばね部分３２により吸引され、空気
圧縮機動翼７にタービン動翼１３、タービンディスク３
５の遠心力に起因する引張力が直接作用しないので、タ
ービン、空気圧縮機の高速回転及び径の拡大を行うこと
ができる。

【００３０】更に、剛性調整用孔４０の大きさ、数、位
置等を適宜変更することにより、シュラウド側ばね部分
３２の剛性を調整することができる。

【００３１】図３は本発明のガスタービンエンジンの第
２の実施例である。

【００３２】本実施例では、シュラウド３１の前端Ａ側
に、略円筒状のシュラウド延長部分４１をシュラウド３
１に対して一体的に且つ同軸に形成し、環状の連結部材
４２によってシュラウド延長部分４１の前端Ａ側部分と
タービンディスク３５の前端Ａ側部分を同軸に連結せし
め、タービン動翼１３、タービンディスク３５の回転力
が、連結部材４２、シュラウド延長部分４１、シュラウ
ド３１を介して空気圧縮機動翼７に伝達されるように構
成しており、更に、前記シュラウド延長部分４１に、径
方向に貫通する剛性調整用孔４０を周方向に複数穿設し
て、シュラウド延長部分４１にばね特性を持たせてい
る。

【００３３】連結部材４２はタービン後端Ｂ側に向って
開口し且つ周方向に延びる溝４３を有し、シュラウド延
長部分４１は溝４３の内周側縁部４４に、また、タービ
ンディスク３５は溝４３の外周側縁部４５に溶接によっ
て固着されている。

【００３４】また、図１及び図２に示すタービンエンジ
ンと同様に、剛性調整用孔４０の大きさ、数、位置等を
適宜変更することにより、シュラウド延長部分４１の剛
性を調整することができる。

【００３５】本実施例においても、図１及び図２に示す
ガスタービンエンジンと同様な作用効果を奏し得る。

【００３６】なお、本発明のガスタービンエンジンは上
述した実施例のみに限定されるものではなく、シュラウ
ド側ばね部分、タービンディスク側ばね部分、シュラウ
ド延長部分をテーパ状に形成すること、シュラウド側ば
ね部分、タービンディスク側ばね部分、シュラウド延長
部分をシュラウド、タービンディスクの前端側に替え
て、後端側あるいは前後端側に形成すること、シュラウ
ド側連結部とタービンディスク側連結部の固着手段にリ
ベットに替えて、ボルト、ピンや摩擦接合等の手段を用
いるようにすること、その他、本発明の要旨を逸脱しな
い範囲において種々変更を加え得ることは勿論である。

【００３７】

【発明の効果】以上述べたように、本発明のガスタービ
ンでは、下記のような種々の優れた効果を奏し得る。

【００３８】（１）タービンディスクと空気圧縮機動翼
の径方向の伸び差を弾性体によって吸収したうえ、ター
ビン動翼、タービンディスクに生じる遠心力を前記弾性
体によって吸収するので、空気圧縮機動翼に伸び差、遠
心力による引張力が作用せず、タービン、空気圧縮機の
高速回転及び径の拡大を行うことができる。

【００３９】（２）タービンディスクと空気圧縮機動翼
との間に摺動部がないので、摺動摩耗による部品の交換
の必要性がなくなり、また、タービンディスクの応力集
中を避けることができる。

【００４０】（３）剛性調整用孔の大きさ、数、位置を
適宜変更すれば、弾性体の剛性を調整することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガスタービンエンジンの第１の実施例
を示す断面図である。

【図２】本発明のガスタービンエンジンの第１の実施例
を示す部分切断斜視図である。

【図３】本発明のガスタービンエンジンの第２の実施例
を示す部分切断斜視図である。

【図４】ガスタービンエンジンの一例を示す断面図であ
る。

【図５】従来のタービンと空気圧縮機の結合構造の一例
を示す正面部分切断図である。

【図６】従来のタービンと空気圧縮機の結合構造の他の
例を示す正面部分切断図である。

【符号の説明】

５ 空気圧縮機ディスク ７ 空気圧縮機動翼 １３ タービン動翼 ３１ シュラウド ３２ シュラウド側ばね部分（弾性体） ３５ タービンディスク ３６ タービンディスク側ばね部分（弾性体） ４０ 剛性調整用孔 ４１ シュラウド延長部分（弾性体） ４７ 軸流式空気圧縮機 ４８ ガスタービン

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 岳郎 東京都田無市向台町三丁目５番１号 石 川島播磨重工業株式会社 田無工場内 (72)発明者 山田 隆信 東京都田無市向台町三丁目５番１号 石 川島播磨重工業株式会社 田無工場内 (72)発明者 金子 久輝 東京都田無市向台町三丁目５番１号 石 川島播磨重工業株式会社 田無工場内 (56)参考文献 特開 平２−241931（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−85429（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭48−25684（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) F02C 3/073

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 回転自在に支持された空気圧縮機ディス
   クの外周面に、該空気圧縮機ディスクの径方向へ延びる
   複数の空気圧縮機動翼を周方向に所定の間隔で設けた軸
   流式空気圧縮機と、環状のタービンディスクの外周面
   に、該タービンディスクの径方向へ延びる複数のタービ
   ン動翼を周方向に所定の間隔で設けたガスタービンとを
   有し、該ガスタービンを軸流式空気圧縮機の外周に同心
   状に配設したうえ、各空気圧縮機動翼の翼端径方向外周
   部分をタービンディスクに連結したガスタービンエンジ
   ンにおいて、軸流式空気圧縮機を周方向に同軸に取り囲
   み且つ空気圧縮機動翼の翼端径方向外周部分が固着され
   たシュラウドを設け、該シュラウド及びタービンディス
   クの全周に連なり且つ前記空気圧縮機動翼の翼端径方向
   外周部分とタービンディスクとの径方向への変位を許容
   し得る弾性体を設け、該弾性体に径方向に貫通する剛性
   調整用孔を複数穿設したことを特徴とするガスタービン
   エンジン。