JP3988474B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器を備えたガスタービンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、コンプレッサによって圧縮された燃焼用圧縮空気と燃料との混合気を燃焼器で燃焼させ、この燃焼にともない生じたガスによってタービンを回転させて、エンジンの駆動力（出力トルク）を得ている。また、前記構成を有するエンジン本体に熱交換器を付加し、両者をダクトによって連結したタイプのガスタービンエンジンも知られている。
【０００３】
このタイプでは、タービンの回転にともないエンジン本体から排出された排気ガスが熱交換器を通過する。また、コンプレッサによる燃焼用圧縮空気が、熱交換器を通過した後に燃焼器に流入する。熱交換器では、排気ガスと燃焼用圧縮空気との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が燃焼用圧縮空気に回収される。このようにして温度の上昇した燃焼用圧縮空気が熱交換器に流入するため、エンジン本体の熱効率が向上する。
【０００４】
ところで、前記熱交換器付ガスタービンエンジンでは高温部分が多く、この高温部分の熱膨張により過大な力が加わって、熱交換器等が変形するおそれがある。これに対しては、エンジン本体と熱交換器とを繋ぐダクトの途中にベローズ管を介在させ、そのベローズ管の圧縮、伸張によって熱膨張を吸収する技術が、例えば、特開平５−１１３１３３号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ベローズ管のばね定数と長さとは反比例の関係にある。そのため、省スペースを優先（大型化を回避）してベローズ管を短くすると、ばね定数が大きくなる。その結果、熱膨張を吸収する際にベローズ管の圧縮によって発生する力（弾性復元力）が大きく、他部品の変形を招く等の新たな不具合が発生する。逆に、前記弾性復元力を小さくするために、ベローズ管を長くしてばね定数を小さくすると、ガスタービンエンジンがベローズ管の軸線方向について長くなり、結果として大型化を招くこととなる。
【０００６】
上記問題点を解消するために、本願出願人は、特願２００１−１３１８４９において、エンジン本体と熱交換器とを連結する排気ダクト又は熱交換後の燃焼用圧縮空気を通すダクト（以下、加熱後空気ダクトという）にスライド継手の構造を採用したガスタービンエンジンを提案している。このガスタービンエンジンにおいては、エンジン本体と熱交換器とを連結する熱交換前の燃焼用圧縮空気を通すためのダクト（以下、加熱前空気ダクトという）は固定されている。なお、加熱後空気ダクトと排気ダクトとは多重管構造となっている。
【０００７】
このようなガスタービンエンジンにおいて、排気ガスを通す排気ダクトのみをスライド継手構造とし、加熱後空気ダクト及び加熱前空気ダクトを固定したものでは、排気ダクトの熱膨張を吸収することはできる。しかしながら、加熱後空気ダクトの熱膨張は大きく、加熱前空気ダクトの熱膨張はほとんどない。従って、加熱後空気ダクトの熱膨張量と加熱前空気ダクトの熱膨張量との差に基づいて過大な力が熱交換器に作用して熱交換器が変形するおそれがある。
【０００８】
また、このようなガスタービンエンジンにおいて、排気ダクト及び加熱後空気ダクトをスライド継手構造としたものではそれらの熱膨張を吸収することができ、上記した熱膨張による熱交換器の変形は防止することができる。しかしながら、加熱前空気ダクト及び加熱後空気ダクトはコンプレッサによって圧縮された高圧の空気を通しているため、この高圧の空気が加熱前空気ダクト及び加熱後空気ダクトの連結部において熱交換器の内壁に作用する。加熱後空気ダクトはスライド継手構造であるため、熱交換器は加熱後空気ダクト側において加熱後空気ダクトの伸張方向に移動して初期の配置状態から傾斜し、これにより過大な力が作用して熱交換器が変形するおそれがある。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高温部分の熱膨張及び圧力に起因する変形抑制と、小型化との両立を図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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、燃焼用圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼させて生じたガスによってタービンを回転させるエンジン本体と、前記混合気の燃焼に先立ち、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱によって前記燃焼用圧縮空気を加熱する熱交換器と、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記エンジン本体から熱交換前の燃焼用圧縮空気を前記熱交換器に導く加熱前空気ダクトと、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記熱交換器から熱交換後の燃焼用圧縮空気を前記エンジン本体に供給する加熱後空気ダクトと、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記エンジン本体から排気ガスを前記熱交換器に導く排気ダクトとを備えるガスタービンエンジンにおいて、前記加熱前空気ダクト、前記加熱後空気ダクト及び前記排気ダクトのうち、少なくとも２つのダクトにダクト長を変更可能なスライド継手部をそれぞれ設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材を設け、前記スライド継手部は、前記エンジン本体側に設けられた第１配管部と、前記熱交換器側に設けられた第２配管部と、それら第１配管部及び第２配管部に摺動可能に嵌合された揺動ダクトとを備え、前記揺動ダクトの長さは、該揺動ダクトと前記第１配管部との第１嵌合上限値と、該揺動ダクトと前記第２配管部との第２嵌合上限値とのうちいずれか大きい方の値と、前記第１配管部及び前記第２配管部間の間隔との和よりも小さく設定され、前記揺動ダクトと前記第１配管部及び第２配管部と嵌合状態を維持する嵌合維持部材を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、エンジン本体では、燃焼用圧縮空気及び燃料の混合気が燃焼され、生じた高温のガスによりタービンが回転される。熱交換器では、エンジン本体から排出される排気ガスが排気ダクトを通じて導入されるとともに、燃焼用圧縮空気がエンジン本体へ供給される途中で熱交換器を通過する。熱交換器では、これらの排気ガスと燃焼用圧縮空気との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が燃焼用圧縮空気に回収される。
【００１２】
ところで、エンジン本体と熱交換器とを連結する加熱前空気ダクト、加熱後空気ダクト及び排気ダクトのうち、少なくとも２つのダクトにダクト長を変更可能なスライド継手部がそれぞれ設けられるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材が設けられている。そのため、上記ガスタービンエンジンの運転にともなう熱膨張は、スライド継手部によって吸収することができるとともに、エンジン本体と熱交換器との相対移動によるダクト長の変化を許容することができる。スライド継手部を設けた２つのダクトにおいては、それらと熱交換器との連結部において熱交換器の内壁に作用する気体の圧力によって熱交換器が移動しようとする。このとき、規制部材によってダクト長の変化が所定長に規制されるので熱交換器が初期の配置状態から傾斜するようなことはなく、熱交換器のダクト連結部付近に局部的な応力が作用するのを防止でき、熱交換器の変形を抑制することができる。また、エンジン本体と熱交換器とを連結するダクトはベローズ管を必要とせず、そのベローズ管のスペースの分、ガスタービンエンジンの小型化が可能となる。また、ベローズ管の圧縮によって発生する力（弾性復元力）がなくなるため、熱交換器等、ガスタービンエンジンの構成部品の変形が抑制される。
【００１３】
なお、ガスタービンエンジンの運転停止等にともない高温部分の温度が低下すると、前記のように一旦熱膨張した部分が収縮して元の状態に戻る。この場合にも、スライド継手部によって前記収縮が吸収される。
さらに、エンジン本体と熱交換器との相対移動によってダクトの軸線がエンジン本体側と熱交換器側とでずれたとしても、揺動ダクトによってダクトに異常な外力が作用するのを防止できるとともに、気体の流路を確保することができる。
また、ガスタービンエンジンを組み立てる際、嵌合維持部材を取り外した状態で、揺動ダクトを嵌合上限値が大きい配管部側に嵌合すれば、揺動ダクトと他方の配管部との嵌合状態は解除される。この状態で揺動ダクトを嵌合した配管部の取り付け及び取り外しを容易に行うことができ、組み付け性能が向上する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記規制部材は、前記スライド継手部の両端において所定長の範囲内で移動可能に支持された規制ロッドであることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、上記ガスタービンエンジンの運転にともなうダクトの熱膨張及びエンジン本体と熱交換器との相対移動にともなうダクト長の変化は、スライド継手部によって吸収される。このとき、規制ロッドは所定長の範囲内で移動可能に支持されているので、異常な外力がダクトに作用することはない。エンジン本体と熱交換器との相対移動によるダクト長の変化が所定長に達すると、規制ロッドはスライド継手部の両端によって移動不能となり、この規制ロッドによりダクト長が延びる方向への変化が規制される。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記規制部材は、前記スライド継手部の両端において所定のたるみをもって接続された線材であることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、上記ガスタービンエンジンの運転にともなうダクトの熱膨張及びエンジン本体と熱交換器との相対移動にともなうダクト長の変化は、スライド継手部によって吸収される。このとき、線材は所定のたるみをもって接続されているので、異常な外力がダクトに作用することはない。エンジン本体と熱交換器との相対移動によるダクト長の変化が所定長に達すると、線材はスライド継手部の両端によって緊張し、この線材によりダクト長が延びる方向への変化が規制される。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記第１嵌合上限値と前記第２嵌合上限値とは異なる値に設定され、前記揺動ダクトの長さは、前記第１嵌合上限値と前記第２嵌合上限値とのうち小さい方の値と、前記第１配管部及び前記第２配管部間の間隔との和よりも大きく設定されていることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、嵌合維持部材を取り外した状態で、揺動ダクトを嵌合上限値が小さい配管部側に嵌合しても、揺動ダクトと他方の配管部との嵌合状態が解除されることはない。そのため、嵌合維持部材として嵌合上限値が小さい配管部側において揺動ダクトの嵌合を維持することができるものを１つ設ければ済み、部品点数の増加を抑制することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図９に従って説明する。
図１に示すように、ガスタービンエンジン１０は、エンジン本体１１、熱交換器１２及び複数本のダクト（加熱前空気ダクト１３、加熱後空気ダクト１４、排気ダクト１５）とを備えている。エンジン本体１１は図示しないフレーム等に固定されている。エンジン本体１１は、コンプレッサ１６、燃焼器１７及びタービン１８を備えている。エンジン本体１１において、燃焼器１７及びタービン１８は吸気ダクトとして機能するエンジンハウジング１９によって覆われている。
【００２５】
エンジン本体１１内にはタービン１８、排気ダクト部２０が設けられており、この排気ダクト部２０によってエンジンハウジング１９内の空間は燃焼器１７を収容する空間とタービン１８を収容する空間とに区画されている。燃焼器１７は排気ダクト部２０内に臨むように配設されている。
【００２６】
燃焼器１７は、コンプレッサ１６によって圧縮された燃焼用圧縮空気と、インジェクタ（図示略）から噴射される燃料との混合気を燃焼させる。タービン１８は、燃焼器１７での混合気の燃焼にともない生じたガスによって回転される。このタービン１８の回転によってエンジン本体１１の駆動力（出力トルク）が得られる。コンプレッサ１６は軸によってタービン１８に連結されており、そのタービン１８で発生する出力トルクの一部によって駆動される。
【００２７】
熱交換器１２は、燃料消費量の改善、燃焼効率の向上等を目的として、前記混合気の燃焼に先立ち、エンジン本体１１から排出された排気ガスによって燃焼用圧縮空気を加熱し、排気ガスの熱を回収して熱効率を向上するためのものである。熱交換器１２は、エンジン本体１１の近傍に配置されており、図示しない支持部により、フレーム等に対して移動可能に支持されている。
【００２８】
加熱前空気ダクト１３は、熱交換器１２の上部とエンジン本体１１のコンプレッサ１６との間に接続されている。加熱前空気ダクト１３は、熱交換前の燃焼用圧縮空気、すなわち、コンプレッサ１６によって圧縮された中温かつ高圧の燃焼用圧縮空気を熱交換器１２に導くための流路を有している。
【００２９】
加熱後空気ダクト１４は、エンジン本体１１のエンジンハウジング１９と熱交換器１２との間に接続されている。加熱後空気ダクト１４は、熱交換後の燃焼用圧縮空気、すなわち、排気ガスの熱を回収して昇温した高温かつ高圧の燃焼用圧縮空気をエンジン本体１１内の燃焼器１７に導くための流路を有している。
【００３０】
排気ダクト１５は、熱交換器１２とエンジン本体１１の排気ダクト部２０との間に接続されている。排気ダクト１５は、タービン１８の回転にともないエンジン本体１１から排出された高温かつ低圧の排気ガスを燃焼器１７に導くための流路を有している。本実施形態では、加熱後空気ダクト１４が排気ダクト１５を包み込み、両ダクト１４，１５が二重管構造をなしている。なお、排気ダクト１５が加熱後空気ダクト１４を包み込んだ二重管構造であってもよい。また、両ダクト１４，１５が互いに分離した構造（非二重管構造）であってもよい。
【００３１】
本実施形態のガスタービンエンジン１０においては混合気の燃焼に基づく各ダクト１３〜１５の熱膨張の差を吸収するために、各ダクト１３〜１５のうち、加熱前空気ダクト１３と排気ダクト１５との２つのダクトにスライド継手部が設けられている。
【００３２】
まず、加熱前空気ダクト１３について説明する。図１に示すように、加熱前空気ダクト１３は、エンジン本体１１側の第１配管部２３と、熱交換器１２側の第２配管部２４と、第１配管部２３及び第２配管部２４に摺動可能に嵌合された揺動ダクト２５とを備える。第１配管部２３はエンジン本体１１の取付管２１に締結具（ボルト及びナット）２２にて締結されている。
【００３３】
図２，図４に示すように、第１配管部２３及び第２配管部２４の対向端部間には、ソケット部２３ａ、２４ａがそれぞれ設けられている。揺動ダクト２５はその両端部に設けられた遮蔽機構３０を介してソケット部２３ａ、２４ａに内嵌されている。図６に示すように、揺動ダクト２５の両端部外周面には環状をなす収容溝３１が設けられている。収容溝３１内にはパッキン３２が収容されるとともに、そのパッキン３２を挟むように一対の摺接リング３３が収容溝３１の幅方向において移動可能に収容されている。摺接リング３３はソケット部２３ａ内周面に弾性的に接触するようになっている。ここでは収容溝３１とパッキン３２と摺接リング３３とによって遮蔽機構３０が構成されている。
【００３４】
上記第１配管部２３のソケット部２３ａの長さＬ１は、第２配管部２４のソケット部２４ａの長さＬ２よりも大きく設定されている。本実施形態において、揺動ダクト２５の長さは、ソケット部２３ａの長さＬ１と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも小さく、かつ、ソケット部２４ａの長さＬ２と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも大きく設定されている。従って、図８に示すように、揺動ダクト２５が第１配管部２３のソケット部２３ａの最奥部まで嵌合されると、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態が解除されることとなる。なお、揺動ダクト２５が第２配管部２４のソケット部２４ａの最奥部まで嵌合されても、揺動ダクト２５と第１配管部２３との嵌合状態が維持される。
【００３５】
なお、加熱前空気ダクト１３はコンプレッサ１６によって圧縮された燃焼用圧縮空気の流速を低下させて熱交換器１２に導く必要があり、揺動ダクト２５の内周面は熱交換器１２側が拡径するテーパ状に形成されている。そのため、加熱前空気ダクト１３を介して燃焼用圧縮空気を熱交換器１２に供給する際、揺動ダクト２５には同揺動ダクト２５を第２配管部２４から抜き出すように空気の圧力が作用する。
【００３６】
このような揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するための嵌合維持部材が設けられている。すなわち、図１、図２に示すように、第２配管部２４の外周に突設された複数の係止片２４ｂと揺動ダクト２５の外周に突設された複数の係止片２５ａとの間には嵌合維持部材としてのダクト支持ボルト２６が挿通支持されている。図３に示されるように、ダクト支持ボルト２６は係止片２４ｂ及び係止片２５ａに対して遊挿されるとともに、その支持ボルト２６の有効長さはソケット部２４ａに対する揺動ダクト２５の嵌合長さＬ４が確保されるように設定されている。ガスタービンエンジン１０の組み付け状態において、揺動ダクト２５に外力が作用してもダクト支持ボルト２６によって揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持できるようになっている。
【００３７】
さらに、図１、図４に示すように、第１配管部２３の外周に突設された複数の係止片２３ｂと第２配管部２４の外周に突設された複数の係止片２４ｃとの間には規制ロッドとしてのダクト長規制ボルト２７が挿通支持されている。図５に示されるように、ダクト長規制ボルト２７は係止片２４ｃ及び係止片２３ｂに対して遊挿されるとともに、そのダクト長規制ボルト２７はガスタービンエンジン１０の初期組み付け状態において所定長Ｌ５の範囲内で移動し得るように設定されている。本実施形態では所定長Ｌ５は加熱後空気ダクト１４の熱膨張量と等しい値に設定されている。ガスタービンエンジン１０の組み付け状態において、エンジン本体１１と熱交換器１２とが相対移動してもダクト長規制ボルト２７によってダクト長の変化を所定長に規制することができるようになっている。
【００３８】
次に、排気ダクト１５について説明する。図１に示すように、排気ダクト１５の端部１５ａは排気ダクト部２０の端部２０ａに対して図７に示す遮蔽機構３４を介して摺動可能に連結されることにより、排気ダクト１５と排気ダクト部２０とが連通されている。また、排気ダクト部２０の外周フランジ２０ｂには所定位置に複数の切り欠き２０ｃが設けられており、この切り欠き２０ｃを介して加熱後空気ダクト１４とエンジン本体１１の燃焼器１７を収容する空間とが連通されている。
【００３９】
排気ダクト１５と排気ダクト部２０とを連結する遮蔽機構３４の詳細を図７に従って説明する。排気ダクト部２０の端部２０ａは排気ダクト１５の端部１５ａに対して内嵌されている。端部２０ａ外周面には環状をなす複数の収容溝３５が設けられている。各収容溝３５内には摺接リング３６が収容溝３５の幅方向において移動可能に収容されている。各摺接リング３６は排気ダクト１５の端部１５ａ内周面に弾性的に接触するようになっている。本実施形態では複数の収容溝３５と複数の摺接リング３６とによって遮蔽機構３４が構成されている。
【００４０】
嵌合された排気ダクト１５と排気ダクト部２０の内部空間は低圧の排気ガス通路となり、外部空間は圧縮された燃焼用空気の通路となる。従って、排気ダクト１５及び排気ダクト部２０の内部空間と外部空間との間に圧力差が生じ、排気ダクト部２０では、摺接リング３６が収容溝３５内を圧力の低い内部空間側に移動して収容溝３５の側壁に当接し、排気ダクト部２０と摺接リング３６との間がシールされる。また、排気ダクト１５側ではその端部１５ａ内周面に対して摺接リング３６が弾性的に接触するため、排気ダクト１５と摺接リング３６との間がシールされる。従って、嵌合された排気ダクト１５と排気ダクト部２０の内部空間と外部空間とは摺接リング３６によって確実に遮蔽され、内部空間と外部空間との間での漏れが防止される。なお、高温の排気ガスが通過する排気ダクト部２０及び排気ダクト１５の熱膨張量が大きくなるが、摺接リング３６によって排気ダクト１５の軸線方向への移動が許容されるので、排気ダクト１５と排気ダクト部２０の熱膨張を吸収することができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、排気ダクト１５は加熱後空気ダクト１４に包み込まれる多重管構造をなしており、加熱後空気ダクト１４は固定されたダクトである。従って、加熱後空気ダクト１４が排気ダクト１５のダクト長を所定長に規制する規制部材として機能する。
【００４２】
ここで、上記ガスタービンエンジン１０の組み立て方法について説明する。
まず、フレーム等にエンジン本体１１を固定したのち、エンジン本体１１と熱交換器１２とを加熱後空気ダクト１４にて連結する。次に、図８に示すように、第１配管部２３のソケット部２３ａの最奥部まで揺動ダクト２５を嵌合する。第１配管部２３をエンジン本体１１の取付管２１上に配置したとき、揺動ダクト２５と第２配管部２４のソケット部２４ａ端部との間には隙間Ｌ６が存在する。よって、揺動ダクト２５を嵌合した第１配管部２３を取付管２１に対して締結具２２によって締結する。
【００４３】
この後、揺動ダクト２５を第２配管部２４側に引き抜き、揺動ダクト２５の他端部を第２配管部２４のソケット部２４ａ内に正規の嵌合量だけ嵌合し、ダクト支持ボルト２６によって揺動ダクト２５の位置決めを行い、揺動ダクト２５の嵌合状態を維持する。
【００４４】
最後に、第１配管部２３の係止片２３ｂ及び第２配管部２４の係止片２４ｃ間にダクト長規制ボルト２７を挿通すると、ガスタービンエンジン１０の組み付けが完了する。
【００４５】
前記のように構成されたガスタービンエンジン１０によると、エンジン本体１１では、コンプレッサ１６によって圧縮された中温かつ高圧の燃焼用圧縮空気が、加熱前空気ダクト１３、熱交換器１２、加熱後空気ダクト１４を順に流れて燃焼器１７に導かれる。燃焼器１７では、燃焼用圧縮空気とインジェクタから噴射された燃料との混合気が燃焼される。燃焼により生じた高温の排気ガスによりタービン１８が回転される。タービン１８を通過した排気ガスは、排気ダクト１５内及び熱交換器１２内を順に通った後、外部に排出される。熱交換器１２では、これらの排気ガスと燃焼用圧縮空気との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が燃焼用圧縮空気に回収される。この回収により燃焼用圧縮空気の温度が上昇する。そして、この燃焼用圧縮空気は、前述したように加熱後空気ダクト１４を通じて燃焼器１７に導入される。
【００４６】
ところで、上記ガスタービンエンジン１０においては混合気が燃焼されることから、同エンジン１０の各部の温度が高くなり、熱膨張が起こる。本実施形態ではエンジン本体１１と熱交換器１２とを連結するダクトのうち、加熱後空気ダクト１４及び排気ダクト１５での熱膨張が大きくなる。排気ダクト１５の熱膨張はスライド継手部によって吸収される。加熱後空気ダクト１４は固定されたダクトであるため、その熱膨張分にともなう力（熱応力）が熱交換器１２に伝わると、熱交換器１２は自由に動ける状態となっているため、熱交換器１２が熱膨張の方向に変位する。
【００４７】
また、図９に示すように、スライド継手部を設けた加熱前空気ダクト１３においては、第２配管部２４と熱交換器１２との連結部において熱交換器１２の内壁に、第２配管部２４の内径面積分の圧力アンバランスによる力Ｆが作用して熱交換器１２が移動しようとする。このとき、熱交換器１２が力Ｆの方向に移動してダクト長規制ボルト２７によって加熱前空気ダクト１３のダクト長の変化が所定長Ｌ５に規制される。そのため、熱交換器１２が初期の配置状態から傾斜するようなことはなく、熱交換器１２のダクト連結部付近に局部的な応力が作用するのを防止でき、熱交換器１２の変形を抑制することができる。
【００４８】
なお、ガスタービンエンジン１０の運転停止等にともない高温部分の温度が低下すると、前記のように一旦熱膨張した部分が収縮して元の状態に戻る。この場合には、熱交換器１２が前記熱膨張時とは逆方向に変位して元の位置に戻る。
【００４９】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
・ 本実施形態では、エンジン本体１１と熱交換器１２とを連結する加熱前空気ダクト１３にダクト長を変更可能なスライド継手部を設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制するダクト長規制ボルト２７を設けた。また、排気ダクト１５にもダクト長を変更可能なスライド継手部を設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材（実施形態では固定された加熱後空気ダクト１４）を設けた。そのため、ガスタービンエンジン１０の運転にともなう加熱前空気ダクト１３、排気ダクト１５での熱膨張をスライド継手部によって吸収することができ、エンジン本体１１と熱交換器１２との相対移動によるダクト長の変化を許容することができる。
【００５０】
・ また、スライド継手部を設けた加熱前空気ダクト１３においては、熱交換器１２の第２配管部２４において熱交換器１２の内壁に第２配管部２４の内径面積分の圧力アンバランスによる力Ｆが作用して熱交換器１２が移動しようとする。このとき、ダクト長規制ボルト２７によって加熱前空気ダクト１３のダクト長の変化が所定長Ｌ５に規制されるので、熱交換器１２が初期の配置状態から傾斜するようなことはなく、熱交換器１２のダクト連結部付近に局部的な応力が作用するのを防止でき、熱交換器１２の変形を抑制することができる。
【００５１】
・ また、エンジン本体１１と熱交換器１２とを連結するダクトはベローズ管を必要とせず、そのベローズ管のスペースの分、ガスタービンエンジンの小型化が可能となる。また、ベローズ管の圧縮によって発生する力（弾性復元力）がなくなるため、熱交換器等、ガスタービンエンジンの構成部品の変形が抑制される。
【００５２】
・ 本実施形態において、加熱前空気ダクト１３のスライド継手部は、エンジン本体１１側の第１配管部２３と、熱交換器１２側の第２配管部２４と、第１配管部２３及び第２配管部２４に摺動可能に嵌合された揺動ダクト２５とを備える。エンジン本体１１と熱交換器１２との相対移動によって加熱前空気ダクト１３の軸線がエンジン本体１１側と熱交換器１２側とでずれたとしても、揺動ダクト２５によってダクトに異常な外力が作用するのを防止できるとともに、気体の流路を確保することができる。
【００５３】
・ 本実施形態において、加熱前空気ダクト１３を構成する第１配管部２３のソケット部２３ａの長さＬ１は、第２配管部２４のソケット部２４ａの長さＬ２よりも大きく設定されている。揺動ダクト２５の長さは、ソケット部２３ａの長さＬ１と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも小さく、かつ、ソケット部２４ａの長さＬ２と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも大きく設定されている。従って、ガスタービンエンジン１０を組み立てる際、ダクト支持ボルト２６を取り外した状態で、揺動ダクト２５を第１配管部２３側のソケット部２３ａの最奥部に嵌合すれば、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を解除することができる。この状態で揺動ダクト２５を嵌合した第１配管部２３の取り付け及び取り外しを容易に行うことができ、組み付け性能及びメンテナンス性能が向上する。また、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するためにダクト支持ボルト２６を設ければよく、部品点数の増加を抑制することができる。
【００５４】
・ 本実施形態では、排気ダクト１５を内側に配設し、排気ダクト１５の外側に加熱後空気ダクト１４を配設して多重管構造とした。従って、排気ダクト１５の外部空間は加熱後空気ダクト１４を通る高温の空気となり、排気ガス温度とその加熱された空気の温度との温度差が小さくなるため、排気ダクト１５からの放熱量が減少する。また、排気ダクト１５からの放熱先は加熱後空気ダクト１４を通過する加熱された空気であり、結果的に排気ダクト１５の表面からの放熱による熱効率の低下はなくなり、ガスタービンエンジン１０の熱効率を向上することができる。
【００５５】
・ また、３つのダクトのうち、排気ダクト１５と加熱後空気ダクト１４とを内外に配設して多重管構造としたため、ダクトの取回し上スペースを小さくすることができ、ガスタービンエンジン１０のコンパクト化を図ることができる。
【００５６】
なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、次のように変更してもよく、その場合でも上記実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
・ 上記実施形態において、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するダクト支持ボルト２６に代えて、図１０に示すように、揺動ダクト２５の第１配管部２３側において第１配管部２３の端面に当接する係止部材３８を設ける。係止部材３８としてはスナップリング、ボルト等を使用することができる。この係止部材３８により揺動ダクト２５の第１配管部２３側への嵌合量を規制することにより、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するようにしてもよい。
【００５７】
・ 上記実施形態におけるダクト支持ボルト２６に代えて、図１１に示すように、ワイヤロープ４０等の線材を使用するようにしてもよい。
・ 上記実施形態におけるダクト長規制ボルト２７に代えて、図１１に示すように、所定のたるみをもたせたワイヤロープ４１等の線材を使用するようにしてもよい。
【００５８】
・ 上記実施形態において、加熱後空気ダクト１４以外のダクトを固定し、その他の２つのダクトにスライド継手部及び規制部材を設けてもよい。
・ 上記実施形態において、さらに加熱後空気ダクト１４にもスライド継手部及び規制部材を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した一実施形態のガスタービンエンジンの一部を破断して示す正面図。
【図２】同じく加熱前空気ダクトを示す正断面図。
【図３】同じく加熱前空気ダクトにおけるダクト支持ボルトの装着状態を示す拡大断面図。
【図４】同じく加熱前空気ダクトを示す平断面図。
【図５】同じく加熱前空気ダクトにおけるダクト長規制ボルトの装着状態を示す拡大断面図。
【図６】同じくエンジン側配管部と揺動ダクトとの接続状態を示す拡大断面図。
【図７】同じく加熱後空気ダクト及び排気ダクトの接続状態を示す拡大断面図。
【図８】同じく加熱前空気ダクトの組み付け方法を示す説明図。
【図９】同じく熱交換器の概略断面図。
【図１０】別の実施形態における加熱前空気ダクトの組み付け状態を示す部分断面図。
【図１１】別の実施形態における加熱前空気ダクトを示す正面図。
【符号の説明】
１１…エンジン本体、１２…熱交換器、１３…加熱前空気ダクト、１４…加熱後空気ダクト、１５…排気ダクト、１６…コンプレッサ、２３…第１配管部、２４…第２配管部、２５…揺動ダクト、２６…ダクト支持ボルト、２７…ダクト長規制ボルト。
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換器を備えたガスタービンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、コンプレッサによって圧縮された燃焼用圧縮空気と燃料との混合気を燃焼器で燃焼させ、この燃焼にともない生じたガスによってタービンを回転させて、エンジンの駆動力（出力トルク）を得ている。また、前記構成を有するエンジン本体に熱交換器を付加し、両者をダクトによって連結したタイプのガスタービンエンジンも知られている。
【０００３】
このタイプでは、タービンの回転にともないエンジン本体から排出された排気ガスが熱交換器を通過する。また、コンプレッサによる燃焼用圧縮空気が、熱交換器を通過した後に燃焼器に流入する。熱交換器では、排気ガスと燃焼用圧縮空気との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が燃焼用圧縮空気に回収される。このようにして温度の上昇した燃焼用圧縮空気が熱交換器に流入するため、エンジン本体の熱効率が向上する。
【０００４】
ところで、前記熱交換器付ガスタービンエンジンでは高温部分が多く、この高温部分の熱膨張により過大な力が加わって、熱交換器等が変形するおそれがある。これに対しては、エンジン本体と熱交換器とを繋ぐダクトの途中にベローズ管を介在させ、そのベローズ管の圧縮、伸張によって熱膨張を吸収する技術が、例えば、特開平５−１１３１３３号公報に記載されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、ベローズ管のばね定数と長さとは反比例の関係にある。そのため、省スペースを優先（大型化を回避）してベローズ管を短くすると、ばね定数が大きくなる。その結果、熱膨張を吸収する際にベローズ管の圧縮によって発生する力（弾性復元力）が大きく、他部品の変形を招く等の新たな不具合が発生する。逆に、前記弾性復元力を小さくするために、ベローズ管を長くしてばね定数を小さくすると、ガスタービンエンジンがベローズ管の軸線方向について長くなり、結果として大型化を招くこととなる。
【０００６】
上記問題点を解消するために、本願出願人は、特願２００１−１３１８４９において、エンジン本体と熱交換器とを連結する排気ダクト又は熱交換後の燃焼用圧縮空気を通すダクト（以下、加熱後空気ダクトという）にスライド継手の構造を採用したガスタービンエンジンを提案している。このガスタービンエンジンにおいては、エンジン本体と熱交換器とを連結する熱交換前の燃焼用圧縮空気を通すためのダクト（以下、加熱前空気ダクトという）は固定されている。なお、加熱後空気ダクトと排気ダクトとは多重管構造となっている。
【０００７】
このようなガスタービンエンジンにおいて、排気ガスを通す排気ダクトのみをスライド継手構造とし、加熱後空気ダクト及び加熱前空気ダクトを固定したものでは、排気ダクトの熱膨張を吸収することはできる。しかしながら、加熱後空気ダクトの熱膨張は大きく、加熱前空気ダクトの熱膨張はほとんどない。従って、加熱後空気ダクトの熱膨張量と加熱前空気ダクトの熱膨張量との差に基づいて過大な力が熱交換器に作用して熱交換器が変形するおそれがある。
【０００８】
また、このようなガスタービンエンジンにおいて、排気ダクト及び加熱後空気ダクトをスライド継手構造としたものではそれらの熱膨張を吸収することができ、上記した熱膨張による熱交換器の変形は防止することができる。しかしながら、加熱前空気ダクト及び加熱後空気ダクトはコンプレッサによって圧縮された高圧の空気を通しているため、この高圧の空気が加熱前空気ダクト及び加熱後空気ダクトの連結部において熱交換器の内壁に作用する。加熱後空気ダクトはスライド継手構造であるため、熱交換器は加熱後空気ダクト側において加熱後空気ダクトの伸張方向に移動して初期の配置状態から傾斜し、これにより過大な力が作用して熱交換器が変形するおそれがある。
【０００９】
本発明はこのような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、高温部分の熱膨張及び圧力に起因する変形抑制と、小型化との両立を図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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
以下、上記目的を達成するための手段及びその作用効果について記載する。
請求項１に記載の発明は、燃焼用圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼させて生じたガスによってタービンを回転させるエンジン本体と、前記混合気の燃焼に先立ち、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱によって前記燃焼用圧縮空気を加熱する熱交換器と、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記エンジン本体から熱交換前の燃焼用圧縮空気を前記熱交換器に導く加熱前空気ダクトと、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記熱交換器から熱交換後の燃焼用圧縮空気を前記エンジン本体に供給する加熱後空気ダクトと、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記エンジン本体から排気ガスを前記熱交換器に導く排気ダクトとを備えるガスタービンエンジンにおいて、前記加熱前空気ダクト、前記加熱後空気ダクト及び前記排気ダクトのうち、少なくとも２つのダクトにダクト長を変更可能なスライド継手部をそれぞれ設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材を設け、前記スライド継手部は、前記エンジン本体側に設けられた第１配管部と、前記熱交換器側に設けられた第２配管部と、それら第１配管部及び第２配管部に摺動可能に嵌合された揺動ダクトとを備え、前記揺動ダクトの長さは、該揺動ダクトと前記第１配管部との第１嵌合上限値と、該揺動ダクトと前記第２配管部との第２嵌合上限値とのうちいずれか大きい方の値と、前記第１配管部及び前記第２配管部間の間隔との和よりも小さく設定され、前記揺動ダクトと前記第１配管部及び第２配管部と嵌合状態を維持する嵌合維持部材を備えることを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、エンジン本体では、燃焼用圧縮空気及び燃料の混合気が燃焼され、生じた高温のガスによりタービンが回転される。熱交換器では、エンジン本体から排出される排気ガスが排気ダクトを通じて導入されるとともに、燃焼用圧縮空気がエンジン本体へ供給される途中で熱交換器を通過する。熱交換器では、これらの排気ガスと燃焼用圧縮空気との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が燃焼用圧縮空気に回収される。
【００１２】
ところで、エンジン本体と熱交換器とを連結する加熱前空気ダクト、加熱後空気ダクト及び排気ダクトのうち、少なくとも２つのダクトにダクト長を変更可能なスライド継手部がそれぞれ設けられるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材が設けられている。そのため、上記ガスタービンエンジンの運転にともなう熱膨張は、スライド継手部によって吸収することができるとともに、エンジン本体と熱交換器との相対移動によるダクト長の変化を許容することができる。スライド継手部を設けた２つのダクトにおいては、それらと熱交換器との連結部において熱交換器の内壁に作用する気体の圧力によって熱交換器が移動しようとする。このとき、規制部材によってダクト長の変化が所定長に規制されるので熱交換器が初期の配置状態から傾斜するようなことはなく、熱交換器のダクト連結部付近に局部的な応力が作用するのを防止でき、熱交換器の変形を抑制することができる。また、エンジン本体と熱交換器とを連結するダクトはベローズ管を必要とせず、そのベローズ管のスペースの分、ガスタービンエンジンの小型化が可能となる。また、ベローズ管の圧縮によって発生する力（弾性復元力）がなくなるため、熱交換器等、ガスタービンエンジンの構成部品の変形が抑制される。
【００１３】
なお、ガスタービンエンジンの運転停止等にともない高温部分の温度が低下すると、前記のように一旦熱膨張した部分が収縮して元の状態に戻る。この場合にも、スライド継手部によって前記収縮が吸収される。
さらに、エンジン本体と熱交換器との相対移動によってダクトの軸線がエンジン本体側と熱交換器側とでずれたとしても、揺動ダクトによってダクトに異常な外力が作用するのを防止できるとともに、気体の流路を確保することができる。
また、ガスタービンエンジンを組み立てる際、嵌合維持部材を取り外した状態で、揺動ダクトを嵌合上限値が大きい配管部側に嵌合すれば、揺動ダクトと他方の配管部との嵌合状態は解除される。この状態で揺動ダクトを嵌合した配管部の取り付け及び取り外しを容易に行うことができ、組み付け性能が向上する。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記規制部材は、前記スライド継手部の両端において所定長の範囲内で移動可能に支持された規制ロッドであることを特徴とする。
【００１５】
上記の構成によれば、上記ガスタービンエンジンの運転にともなうダクトの熱膨張及びエンジン本体と熱交換器との相対移動にともなうダクト長の変化は、スライド継手部によって吸収される。このとき、規制ロッドは所定長の範囲内で移動可能に支持されているので、異常な外力がダクトに作用することはない。エンジン本体と熱交換器との相対移動によるダクト長の変化が所定長に達すると、規制ロッドはスライド継手部の両端によって移動不能となり、この規制ロッドによりダクト長が延びる方向への変化が規制される。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、請求項１において、前記規制部材は、前記スライド継手部の両端において所定のたるみをもって接続された線材であることを特徴とする。
【００１７】
上記の構成によれば、上記ガスタービンエンジンの運転にともなうダクトの熱膨張及びエンジン本体と熱交換器との相対移動にともなうダクト長の変化は、スライド継手部によって吸収される。このとき、線材は所定のたるみをもって接続されているので、異常な外力がダクトに作用することはない。エンジン本体と熱交換器との相対移動によるダクト長の変化が所定長に達すると、線材はスライド継手部の両端によって緊張し、この線材によりダクト長が延びる方向への変化が規制される。
【００２２】
請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれかにおいて、前記第１嵌合上限値と前記第２嵌合上限値とは異なる値に設定され、前記揺動ダクトの長さは、前記第１嵌合上限値と前記第２嵌合上限値とのうち小さい方の値と、前記第１配管部及び前記第２配管部間の間隔との和よりも大きく設定されていることを特徴とする。
【００２３】
上記の構成によれば、嵌合維持部材を取り外した状態で、揺動ダクトを嵌合上限値が小さい配管部側に嵌合しても、揺動ダクトと他方の配管部との嵌合状態が解除されることはない。そのため、嵌合維持部材として嵌合上限値が小さい配管部側において揺動ダクトの嵌合を維持することができるものを１つ設ければ済み、部品点数の増加を抑制することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１〜図９に従って説明する。
図１に示すように、ガスタービンエンジン１０は、エンジン本体１１、熱交換器１２及び複数本のダクト（加熱前空気ダクト１３、加熱後空気ダクト１４、排気ダクト１５）とを備えている。エンジン本体１１は図示しないフレーム等に固定されている。エンジン本体１１は、コンプレッサ１６、燃焼器１７及びタービン１８を備えている。エンジン本体１１において、燃焼器１７及びタービン１８は吸気ダクトとして機能するエンジンハウジング１９によって覆われている。
【００２５】
エンジン本体１１内にはタービン１８、排気ダクト部２０が設けられており、この排気ダクト部２０によってエンジンハウジング１９内の空間は燃焼器１７を収容する空間とタービン１８を収容する空間とに区画されている。燃焼器１７は排気ダクト部２０内に臨むように配設されている。
【００２６】
燃焼器１７は、コンプレッサ１６によって圧縮された燃焼用圧縮空気と、インジェクタ（図示略）から噴射される燃料との混合気を燃焼させる。タービン１８は、燃焼器１７での混合気の燃焼にともない生じたガスによって回転される。このタービン１８の回転によってエンジン本体１１の駆動力（出力トルク）が得られる。コンプレッサ１６は軸によってタービン１８に連結されており、そのタービン１８で発生する出力トルクの一部によって駆動される。
【００２７】
熱交換器１２は、燃料消費量の改善、燃焼効率の向上等を目的として、前記混合気の燃焼に先立ち、エンジン本体１１から排出された排気ガスによって燃焼用圧縮空気を加熱し、排気ガスの熱を回収して熱効率を向上するためのものである。熱交換器１２は、エンジン本体１１の近傍に配置されており、図示しない支持部により、フレーム等に対して移動可能に支持されている。
【００２８】
加熱前空気ダクト１３は、熱交換器１２の上部とエンジン本体１１のコンプレッサ１６との間に接続されている。加熱前空気ダクト１３は、熱交換前の燃焼用圧縮空気、すなわち、コンプレッサ１６によって圧縮された中温かつ高圧の燃焼用圧縮空気を熱交換器１２に導くための流路を有している。
【００２９】
加熱後空気ダクト１４は、エンジン本体１１のエンジンハウジング１９と熱交換器１２との間に接続されている。加熱後空気ダクト１４は、熱交換後の燃焼用圧縮空気、すなわち、排気ガスの熱を回収して昇温した高温かつ高圧の燃焼用圧縮空気をエンジン本体１１内の燃焼器１７に導くための流路を有している。
【００３０】
排気ダクト１５は、熱交換器１２とエンジン本体１１の排気ダクト部２０との間に接続されている。排気ダクト１５は、タービン１８の回転にともないエンジン本体１１から排出された高温かつ低圧の排気ガスを燃焼器１７に導くための流路を有している。本実施形態では、加熱後空気ダクト１４が排気ダクト１５を包み込み、両ダクト１４，１５が二重管構造をなしている。なお、排気ダクト１５が加熱後空気ダクト１４を包み込んだ二重管構造であってもよい。また、両ダクト１４，１５が互いに分離した構造（非二重管構造）であってもよい。
【００３１】
本実施形態のガスタービンエンジン１０においては混合気の燃焼に基づく各ダクト１３〜１５の熱膨張の差を吸収するために、各ダクト１３〜１５のうち、加熱前空気ダクト１３と排気ダクト１５との２つのダクトにスライド継手部が設けられている。
【００３２】
まず、加熱前空気ダクト１３について説明する。図１に示すように、加熱前空気ダクト１３は、エンジン本体１１側の第１配管部２３と、熱交換器１２側の第２配管部２４と、第１配管部２３及び第２配管部２４に摺動可能に嵌合された揺動ダクト２５とを備える。第１配管部２３はエンジン本体１１の取付管２１に締結具（ボルト及びナット）２２にて締結されている。
【００３３】
図２，図４に示すように、第１配管部２３及び第２配管部２４の対向端部間には、ソケット部２３ａ、２４ａがそれぞれ設けられている。揺動ダクト２５はその両端部に設けられた遮蔽機構３０を介してソケット部２３ａ、２４ａに内嵌されている。図６に示すように、揺動ダクト２５の両端部外周面には環状をなす収容溝３１が設けられている。収容溝３１内にはパッキン３２が収容されるとともに、そのパッキン３２を挟むように一対の摺接リング３３が収容溝３１の幅方向において移動可能に収容されている。摺接リング３３はソケット部２３ａ内周面に弾性的に接触するようになっている。ここでは収容溝３１とパッキン３２と摺接リング３３とによって遮蔽機構３０が構成されている。
【００３４】
上記第１配管部２３のソケット部２３ａの長さＬ１は、第２配管部２４のソケット部２４ａの長さＬ２よりも大きく設定されている。本実施形態において、揺動ダクト２５の長さは、ソケット部２３ａの長さＬ１と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも小さく、かつ、ソケット部２４ａの長さＬ２と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも大きく設定されている。従って、図８に示すように、揺動ダクト２５が第１配管部２３のソケット部２３ａの最奥部まで嵌合されると、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態が解除されることとなる。なお、揺動ダクト２５が第２配管部２４のソケット部２４ａの最奥部まで嵌合されても、揺動ダクト２５と第１配管部２３との嵌合状態が維持される。
【００３５】
なお、加熱前空気ダクト１３はコンプレッサ１６によって圧縮された燃焼用圧縮空気の流速を低下させて熱交換器１２に導く必要があり、揺動ダクト２５の内周面は熱交換器１２側が拡径するテーパ状に形成されている。そのため、加熱前空気ダクト１３を介して燃焼用圧縮空気を熱交換器１２に供給する際、揺動ダクト２５には同揺動ダクト２５を第２配管部２４から抜き出すように空気の圧力が作用する。
【００３６】
このような揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するための嵌合維持部材が設けられている。すなわち、図１、図２に示すように、第２配管部２４の外周に突設された複数の係止片２４ｂと揺動ダクト２５の外周に突設された複数の係止片２５ａとの間には嵌合維持部材としてのダクト支持ボルト２６が挿通支持されている。図３に示されるように、ダクト支持ボルト２６は係止片２４ｂ及び係止片２５ａに対して遊挿されるとともに、その支持ボルト２６の有効長さはソケット部２４ａに対する揺動ダクト２５の嵌合長さＬ４が確保されるように設定されている。ガスタービンエンジン１０の組み付け状態において、揺動ダクト２５に外力が作用してもダクト支持ボルト２６によって揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持できるようになっている。
【００３７】
さらに、図１、図４に示すように、第１配管部２３の外周に突設された複数の係止片２３ｂと第２配管部２４の外周に突設された複数の係止片２４ｃとの間には規制ロッドとしてのダクト長規制ボルト２７が挿通支持されている。図５に示されるように、ダクト長規制ボルト２７は係止片２４ｃ及び係止片２３ｂに対して遊挿されるとともに、そのダクト長規制ボルト２７はガスタービンエンジン１０の初期組み付け状態において所定長Ｌ５の範囲内で移動し得るように設定されている。本実施形態では所定長Ｌ５は加熱後空気ダクト１４の熱膨張量と等しい値に設定されている。ガスタービンエンジン１０の組み付け状態において、エンジン本体１１と熱交換器１２とが相対移動してもダクト長規制ボルト２７によってダクト長の変化を所定長に規制することができるようになっている。
【００３８】
次に、排気ダクト１５について説明する。図１に示すように、排気ダクト１５の端部１５ａは排気ダクト部２０の端部２０ａに対して図７に示す遮蔽機構３４を介して摺動可能に連結されることにより、排気ダクト１５と排気ダクト部２０とが連通されている。また、排気ダクト部２０の外周フランジ２０ｂには所定位置に複数の切り欠き２０ｃが設けられており、この切り欠き２０ｃを介して加熱後空気ダクト１４とエンジン本体１１の燃焼器１７を収容する空間とが連通されている。
【００３９】
排気ダクト１５と排気ダクト部２０とを連結する遮蔽機構３４の詳細を図７に従って説明する。排気ダクト部２０の端部２０ａは排気ダクト１５の端部１５ａに対して内嵌されている。端部２０ａ外周面には環状をなす複数の収容溝３５が設けられている。各収容溝３５内には摺接リング３６が収容溝３５の幅方向において移動可能に収容されている。各摺接リング３６は排気ダクト１５の端部１５ａ内周面に弾性的に接触するようになっている。本実施形態では複数の収容溝３５と複数の摺接リング３６とによって遮蔽機構３４が構成されている。
【００４０】
嵌合された排気ダクト１５と排気ダクト部２０の内部空間は低圧の排気ガス通路となり、外部空間は圧縮された燃焼用空気の通路となる。従って、排気ダクト１５及び排気ダクト部２０の内部空間と外部空間との間に圧力差が生じ、排気ダクト部２０では、摺接リング３６が収容溝３５内を圧力の低い内部空間側に移動して収容溝３５の側壁に当接し、排気ダクト部２０と摺接リング３６との間がシールされる。また、排気ダクト１５側ではその端部１５ａ内周面に対して摺接リング３６が弾性的に接触するため、排気ダクト１５と摺接リング３６との間がシールされる。従って、嵌合された排気ダクト１５と排気ダクト部２０の内部空間と外部空間とは摺接リング３６によって確実に遮蔽され、内部空間と外部空間との間での漏れが防止される。なお、高温の排気ガスが通過する排気ダクト部２０及び排気ダクト１５の熱膨張量が大きくなるが、摺接リング３６によって排気ダクト１５の軸線方向への移動が許容されるので、排気ダクト１５と排気ダクト部２０の熱膨張を吸収することができる。
【００４１】
なお、本実施形態においては、排気ダクト１５は加熱後空気ダクト１４に包み込まれる多重管構造をなしており、加熱後空気ダクト１４は固定されたダクトである。従って、加熱後空気ダクト１４が排気ダクト１５のダクト長を所定長に規制する規制部材として機能する。
【００４２】
ここで、上記ガスタービンエンジン１０の組み立て方法について説明する。
まず、フレーム等にエンジン本体１１を固定したのち、エンジン本体１１と熱交換器１２とを加熱後空気ダクト１４にて連結する。次に、図８に示すように、第１配管部２３のソケット部２３ａの最奥部まで揺動ダクト２５を嵌合する。第１配管部２３をエンジン本体１１の取付管２１上に配置したとき、揺動ダクト２５と第２配管部２４のソケット部２４ａ端部との間には隙間Ｌ６が存在する。よって、揺動ダクト２５を嵌合した第１配管部２３を取付管２１に対して締結具２２によって締結する。
【００４３】
この後、揺動ダクト２５を第２配管部２４側に引き抜き、揺動ダクト２５の他端部を第２配管部２４のソケット部２４ａ内に正規の嵌合量だけ嵌合し、ダクト支持ボルト２６によって揺動ダクト２５の位置決めを行い、揺動ダクト２５の嵌合状態を維持する。
【００４４】
最後に、第１配管部２３の係止片２３ｂ及び第２配管部２４の係止片２４ｃ間にダクト長規制ボルト２７を挿通すると、ガスタービンエンジン１０の組み付けが完了する。
【００４５】
前記のように構成されたガスタービンエンジン１０によると、エンジン本体１１では、コンプレッサ１６によって圧縮された中温かつ高圧の燃焼用圧縮空気が、加熱前空気ダクト１３、熱交換器１２、加熱後空気ダクト１４を順に流れて燃焼器１７に導かれる。燃焼器１７では、燃焼用圧縮空気とインジェクタから噴射された燃料との混合気が燃焼される。燃焼により生じた高温の排気ガスによりタービン１８が回転される。タービン１８を通過した排気ガスは、排気ダクト１５内及び熱交換器１２内を順に通った後、外部に排出される。熱交換器１２では、これらの排気ガスと燃焼用圧縮空気との間で熱交換が行われ、排気ガスの熱が燃焼用圧縮空気に回収される。この回収により燃焼用圧縮空気の温度が上昇する。そして、この燃焼用圧縮空気は、前述したように加熱後空気ダクト１４を通じて燃焼器１７に導入される。
【００４６】
ところで、上記ガスタービンエンジン１０においては混合気が燃焼されることから、同エンジン１０の各部の温度が高くなり、熱膨張が起こる。本実施形態ではエンジン本体１１と熱交換器１２とを連結するダクトのうち、加熱後空気ダクト１４及び排気ダクト１５での熱膨張が大きくなる。排気ダクト１５の熱膨張はスライド継手部によって吸収される。加熱後空気ダクト１４は固定されたダクトであるため、その熱膨張分にともなう力（熱応力）が熱交換器１２に伝わると、熱交換器１２は自由に動ける状態となっているため、熱交換器１２が熱膨張の方向に変位する。
【００４７】
また、図９に示すように、スライド継手部を設けた加熱前空気ダクト１３においては、第２配管部２４と熱交換器１２との連結部において熱交換器１２の内壁に、第２配管部２４の内径面積分の圧力アンバランスによる力Ｆが作用して熱交換器１２が移動しようとする。このとき、熱交換器１２が力Ｆの方向に移動してダクト長規制ボルト２７によって加熱前空気ダクト１３のダクト長の変化が所定長Ｌ５に規制される。そのため、熱交換器１２が初期の配置状態から傾斜するようなことはなく、熱交換器１２のダクト連結部付近に局部的な応力が作用するのを防止でき、熱交換器１２の変形を抑制することができる。
【００４８】
なお、ガスタービンエンジン１０の運転停止等にともない高温部分の温度が低下すると、前記のように一旦熱膨張した部分が収縮して元の状態に戻る。この場合には、熱交換器１２が前記熱膨張時とは逆方向に変位して元の位置に戻る。
【００４９】
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
・ 本実施形態では、エンジン本体１１と熱交換器１２とを連結する加熱前空気ダクト１３にダクト長を変更可能なスライド継手部を設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制するダクト長規制ボルト２７を設けた。また、排気ダクト１５にもダクト長を変更可能なスライド継手部を設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材（実施形態では固定された加熱後空気ダクト１４）を設けた。そのため、ガスタービンエンジン１０の運転にともなう加熱前空気ダクト１３、排気ダクト１５での熱膨張をスライド継手部によって吸収することができ、エンジン本体１１と熱交換器１２との相対移動によるダクト長の変化を許容することができる。
【００５０】
・ また、スライド継手部を設けた加熱前空気ダクト１３においては、熱交換器１２の第２配管部２４において熱交換器１２の内壁に第２配管部２４の内径面積分の圧力アンバランスによる力Ｆが作用して熱交換器１２が移動しようとする。このとき、ダクト長規制ボルト２７によって加熱前空気ダクト１３のダクト長の変化が所定長Ｌ５に規制されるので、熱交換器１２が初期の配置状態から傾斜するようなことはなく、熱交換器１２のダクト連結部付近に局部的な応力が作用するのを防止でき、熱交換器１２の変形を抑制することができる。
【００５１】
・ また、エンジン本体１１と熱交換器１２とを連結するダクトはベローズ管を必要とせず、そのベローズ管のスペースの分、ガスタービンエンジンの小型化が可能となる。また、ベローズ管の圧縮によって発生する力（弾性復元力）がなくなるため、熱交換器等、ガスタービンエンジンの構成部品の変形が抑制される。
【００５２】
・ 本実施形態において、加熱前空気ダクト１３のスライド継手部は、エンジン本体１１側の第１配管部２３と、熱交換器１２側の第２配管部２４と、第１配管部２３及び第２配管部２４に摺動可能に嵌合された揺動ダクト２５とを備える。エンジン本体１１と熱交換器１２との相対移動によって加熱前空気ダクト１３の軸線がエンジン本体１１側と熱交換器１２側とでずれたとしても、揺動ダクト２５によってダクトに異常な外力が作用するのを防止できるとともに、気体の流路を確保することができる。
【００５３】
・ 本実施形態において、加熱前空気ダクト１３を構成する第１配管部２３のソケット部２３ａの長さＬ１は、第２配管部２４のソケット部２４ａの長さＬ２よりも大きく設定されている。揺動ダクト２５の長さは、ソケット部２３ａの長さＬ１と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも小さく、かつ、ソケット部２４ａの長さＬ２と、第１配管部２３及び第２配管部２４間の間隔Ｌ３との和よりも大きく設定されている。従って、ガスタービンエンジン１０を組み立てる際、ダクト支持ボルト２６を取り外した状態で、揺動ダクト２５を第１配管部２３側のソケット部２３ａの最奥部に嵌合すれば、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を解除することができる。この状態で揺動ダクト２５を嵌合した第１配管部２３の取り付け及び取り外しを容易に行うことができ、組み付け性能及びメンテナンス性能が向上する。また、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するためにダクト支持ボルト２６を設ければよく、部品点数の増加を抑制することができる。
【００５４】
・ 本実施形態では、排気ダクト１５を内側に配設し、排気ダクト１５の外側に加熱後空気ダクト１４を配設して多重管構造とした。従って、排気ダクト１５の外部空間は加熱後空気ダクト１４を通る高温の空気となり、排気ガス温度とその加熱された空気の温度との温度差が小さくなるため、排気ダクト１５からの放熱量が減少する。また、排気ダクト１５からの放熱先は加熱後空気ダクト１４を通過する加熱された空気であり、結果的に排気ダクト１５の表面からの放熱による熱効率の低下はなくなり、ガスタービンエンジン１０の熱効率を向上することができる。
【００５５】
・ また、３つのダクトのうち、排気ダクト１５と加熱後空気ダクト１４とを内外に配設して多重管構造としたため、ダクトの取回し上スペースを小さくすることができ、ガスタービンエンジン１０のコンパクト化を図ることができる。
【００５６】
なお、実施の形態は上記に限定されるものではなく、次のように変更してもよく、その場合でも上記実施形態と同様の作用及び効果を得ることができる。
・ 上記実施形態において、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するダクト支持ボルト２６に代えて、図１０に示すように、揺動ダクト２５の第１配管部２３側において第１配管部２３の端面に当接する係止部材３８を設ける。係止部材３８としてはスナップリング、ボルト等を使用することができる。この係止部材３８により揺動ダクト２５の第１配管部２３側への嵌合量を規制することにより、揺動ダクト２５と第２配管部２４との嵌合状態を維持するようにしてもよい。
【００５７】
・ 上記実施形態におけるダクト支持ボルト２６に代えて、図１１に示すように、ワイヤロープ４０等の線材を使用するようにしてもよい。
・ 上記実施形態におけるダクト長規制ボルト２７に代えて、図１１に示すように、所定のたるみをもたせたワイヤロープ４１等の線材を使用するようにしてもよい。
【００５８】
・ 上記実施形態において、加熱後空気ダクト１４以外のダクトを固定し、その他の２つのダクトにスライド継手部及び規制部材を設けてもよい。
・ 上記実施形態において、さらに加熱後空気ダクト１４にもスライド継手部及び規制部材を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を具体化した一実施形態のガスタービンエンジンの一部を破断して示す正面図。
【図２】同じく加熱前空気ダクトを示す正断面図。
【図３】同じく加熱前空気ダクトにおけるダクト支持ボルトの装着状態を示す拡大断面図。
【図４】同じく加熱前空気ダクトを示す平断面図。
【図５】同じく加熱前空気ダクトにおけるダクト長規制ボルトの装着状態を示す拡大断面図。
【図６】同じくエンジン側配管部と揺動ダクトとの接続状態を示す拡大断面図。
【図７】同じく加熱後空気ダクト及び排気ダクトの接続状態を示す拡大断面図。
【図８】同じく加熱前空気ダクトの組み付け方法を示す説明図。
【図９】同じく熱交換器の概略断面図。
【図１０】別の実施形態における加熱前空気ダクトの組み付け状態を示す部分断面図。
【図１１】別の実施形態における加熱前空気ダクトを示す正面図。
【符号の説明】
１１…エンジン本体、１２…熱交換器、１３…加熱前空気ダクト、１４…加熱後空気ダクト、１５…排気ダクト、１６…コンプレッサ、２３…第１配管部、２４…第２配管部、２５…揺動ダクト、２６…ダクト支持ボルト、２７…ダクト長規制ボルト。
Claims (4)
- 燃焼用圧縮空気及び燃料の混合気を燃焼させて生じたガスによってタービンを回転させるエンジン本体と、前記混合気の燃焼に先立ち、前記エンジン本体から排出される排気ガスの熱によって前記燃焼用圧縮空気を加熱する熱交換器と、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記エンジン本体から熱交換前の燃焼用圧縮空気を前記熱交換器に導く加熱前空気ダクトと、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記熱交換器から熱交換後の燃焼用圧縮空気を前記エンジン本体に供給する加熱後空気ダクトと、前記エンジン本体と前記熱交換器とを連結しかつ前記エンジン本体から排気ガスを前記熱交換器に導く排気ダクトとを備えるガスタービンエンジンにおいて、
前記加熱前空気ダクト、前記加熱後空気ダクト及び前記排気ダクトのうち、少なくとも２つのダクトにダクト長を変更可能なスライド継手部をそれぞれ設けるとともに、そのスライド継手部の両端においてダクト長の変化を所定長に規制する規制部材を設け、
前記スライド継手部は、前記エンジン本体側に設けられた第１配管部と、前記熱交換器側に設けられた第２配管部と、それら第１配管部及び第２配管部に摺動可能に嵌合された揺動ダクトとを備え、
前記揺動ダクトの長さは、該揺動ダクトと前記第１配管部との第１嵌合上限値と、該揺動ダクトと前記第２配管部との第２嵌合上限値とのうちいずれか大きい方の値と、前記第１配管部及び前記第２配管部間の間隔との和よりも小さく設定され、
前記揺動ダクトと前記第１配管部及び第２配管部と嵌合状態を維持する嵌合維持部材を備えるガスタービンエンジン。 - 請求項１において、
前記規制部材は、前記スライド継手部の両端において所定長の範囲内で移動可能に支持された規制ロッドであるガスタービンエンジン。 - 請求項１において、
前記規制部材は、前記スライド継手部の両端において所定のたるみをもって接続された線材であるガスタービンエンジン。 - 請求項１〜３のいずれかにおいて、
前記第１嵌合上限値と前記第２嵌合上限値とは異なる値に設定され、前記揺動ダクトの長さは、前記第１嵌合上限値と前記第２嵌合上限値とのうち小さい方の値と、前記第１配管部及び前記第２配管部間の間隔との和よりも大きく設定され、
前記揺動ダクトと前記第１配管部及び第２配管部との嵌合状態を維持する嵌合維持部材を備えるガスタービンエンジン。
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