JP4841680B2 - ガスタービン圧縮機の抽気構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機から圧縮空気を抽気する抽気構造に関する。

多段軸流型の圧縮機を備えるガスタービンエンジンでは、タービンの冷却など種々の目的で、圧縮機から高圧の圧縮空気を抽気して利用している。圧縮機から抽気を行う場合には、抽気する部分の圧力が低下して圧縮機内での圧力分布が不均一となることを防ぐために、圧縮機ケーシングの周方向に等間隔に設けられた複数のスリットを介して抽気される。特に、１つのガスタービンエンジンにおいて、抽気の用途に応じて異なる流量の抽気を行う必要がある場合に、流量に応じた異なる大きさのスリットを設けることが提案されている（特許文献１）。このように構成することにより、異なる抽気量に対しても、適切に圧縮機内の圧力分布の均一性が保たれる。

特開２００１−３０４１９４号公報

しかしながら、特許文献１に開示されたガスタービンエンジンでは、異なる大きさのスリットを、いずれも圧縮機ハウジングと一体的に形成しているので、抽気量の変更に応じた設計変更が困難である。また、小流量用のスリットを、圧縮機ハウジングの内側部分と外側部分を構成する別体の部材間の隙間として形成しているので、特に高い寸法精度が要求される小流量用のスリットの寸法管理が容易でなく、圧縮機内の圧力分布が十分に均一に保たれないという問題があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、小流量の圧縮空気を抽気するための抽気用孔の寸法管理が容易であり、かつ、簡単な構造で圧縮機内の圧力分布を均一に保つことができるガスタービン圧縮機の抽気構造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圧縮機の抽気構造は、ガスタービンエンジンの圧縮機から圧縮空気を抽気するための構造であって、周方向に等間隔に設けられた複数の径方向の貫通孔を有する圧縮機ケーシングと、前記圧縮機ケーシング内に前記圧縮機ケーシングと別体に設けられた、前記貫通孔よりも小さい流路面積を有する複数の絞り孔を有し、かつ当該複数の絞り孔の総流路面積が前記複数の貫通孔の総流路面積よりも小さく設定されている、環状の絞り部材と、前記貫通孔の下流に設けられて、前記圧縮機から前記貫通孔を介して流入する圧縮空気を収容する第１プレナム室と、前記絞り部材の絞り孔を介して前記第１プレナム室に連通して、前記第１プレナム室からの圧縮空気を収容する第２プレナム室と、前記第２プレナム室に連通して、この第２プレナム室から圧縮空気を抽気する抽気路とを備えている。

この構成によれば、圧縮機ケーシングに設けられた比較的大きな流路面積を有する貫通孔の下流に、小さな流路面積を有する絞り孔を有する絞り部材が配置されているので、圧縮機内の圧力分布が周方向に不均一となることを抑制しながら、必要に応じて絞り部材の絞り孔の大きさを変更することにより、流量の異なる圧縮空気を抽気することができる。前記絞り部材は圧縮機ケーシングとは別体に形成された後に圧縮機ケーシングに組み付けられるので、絞り孔寸法の精度管理が容易であり、また、ガスタービンエンジンの設計変更に伴う絞り孔寸法の変更も容易である。これにより、ガスタービンエンジンの性能および信頼性が向上する。

本発明に係るガスタービン圧縮機の抽気構造において、さらに、前記第１プレナム室に連通して、前記抽気路よりも大流量の圧縮空気を抽気する大流量抽気路を備えることが好ましい。この構成によれば、大流量の圧縮空気を抽気する場合は、この大流量抽気路を開放することにより、圧縮空気が、小さい流路面積を有する絞り部材の絞り孔から流出することなく大流量抽気路から抽気される。したがって、簡単な構造により、流量に応じた抽気路の選択が可能になる。

本発明に係るガスタービン圧縮機の抽気構造において、前記絞り部材が周方向に複数の部分に分割可能に形成されていることが好ましい。また、前記圧縮機ケーシングが、前後に分割可能に形成されており、前記圧縮機の前記スリットが、前記圧縮機の分割面に形成されていることが好ましい。この構成によれば、上述のように性能および信頼性に優れるガスタービンエンジンの作製が容易になる。

以上のように、本発明に係るガスタービン圧縮機の抽気構造によれば、小流量抽気用の絞り部材を別体に設けることによって、小流量抽気用の孔寸法を高精度に管理することが容易となり、簡単な構造で圧縮機内の圧力分布を均一に保つことができるので、当該抽気構造が適用されるガスタービンエンジンの性能および信頼性が向上する。

本発明の第１実施形態に係る抽気構造が適用され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の抽気構造の要部を示す縦断面図である。 図１の抽気構造に用いられる絞り部材を示す正面図である。 図１の抽気構造の要部の、図２と異なる断面を示す縦断面図である。 図１の抽気構造に用いられる前方ケーシングの背面図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る抽気構造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。）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、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の回転部分の前部を構成する圧縮機ロータ１１Ａを備えている。圧縮機ロータ１１Ａの前部は、前後２分割型の圧縮機ケーシング１３によって覆われている。圧縮機ケーシング１３の内周部には複数段の圧縮機静翼１５が所定間隔をおいて取り付けられ、一方、圧縮機ロータ１１Ａの外周部には、各段のタービン静翼の下流側に位置するように複数段の圧縮機動翼１７が設けられている。これら圧縮機動翼１７と、圧縮機ケーシング１３の内周面に多数配置された圧縮機静翼１５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。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、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）２３からタービン７内に流入する。

圧縮機ロータ１１Ａにはタービン７の高圧タービンロータ１１Ｂが連結され、高圧タービンロータ１１Ｂの後方に低圧タービンロータ１１Ｃが配置されている。圧縮機ロータ１１Ａは、圧縮機ケーシング１３に、前部の軸受３３Ａと中央部の軸受３３Ｂを介して回転自在に支持されている。低圧タービンロータ１１Ｃは、その後部に連結されたタービンシャフト１１Ｄを介して、後部の軸受３３Ｃにより支持されている。

圧縮機ケーシング１３は、圧縮機ロータ１１Ａの中段から前方（本実施形態では第７段静翼１５付近より前方）を覆う前方ケーシング１３ａと、この前方ケーシング１３ａの後端に連結ボルト４１により連結されて圧縮機ロータ１１Ａの中段から後方（本実施形態では第８段動翼１７付近より後方）を覆う後方ケーシング１３ｂとから構成されている。図２に、前方ケーシング１３ａと後方ケーシング１３ｂとの連結部分周辺の断面を拡大して示す。前方ケーシング１３ａと後方ケーシング１３ｂとの連結部分周辺、つまり圧縮機ケーシング１３の前後分割面Ｐの周辺に、圧縮機３から圧縮空気ＣＡを抽気する抽気構造ＥＳが設けられている。

前方ケーシング１３ａと後方ケーシング１３ｂとの連結部分の外周には、径方向に突出する環状のフランジ４３Ａ，４３Ｂが設けられている。すなわち、前方ケーシング１３ａの後端部の外周に環状の前方フランジ４３Ａが設けられており、後方ケーシング１３ｂの前端部の外周に、前方フランジ４３Ａとほぼ同一の外径を有する後方フランジ４３Ｂが設けられている。両フランジ４３Ａ，４３Ｂの外周部の複数の周方向位置において、軸方向に連結ボルト４１を挿通し、連結ボルト４１の先端にナット４５を螺合させて前方ケーシング１３ａと後方ケーシング１３ｂとを軸方向に締め付けることにより、前方ケーシング１３ａと後方ケーシング１３ｂとが連結されている。

前方フランジ４３Ａの内周部には、前方に凹む環状の前方凹部４７が形成されている。他方、後方フランジ４３Ｂの内周部には、後方に凹む環状の後方凹部４９が形成されている。前方フランジ４３Ａの前方凹部４７には、前方フランジ４３Ａと別体に、つまり圧縮機ケーシング１３と別体に形成された絞り部材である絞りプレート５１が設けられている。具体的には、図３に示すように、絞りプレート５１は、軸心方向に貫通する複数の絞り孔５３が周方向に等間隔に設けられた環状部材であり、周方向に複数に分割可能に形成されている。本実施形態の絞りプレート５１は、絞りプレート半体５１Ａ，５１Ｂからなる２分割型に形成されている。このように構成することにより、絞りプレート５１の圧縮機３への組み付けが容易になる。絞りプレート５１は、図２の前方凹部４７の内周壁および外周壁の対応する軸心方向位置に形成されてそれぞれ全周に渡って延びる嵌合溝４７ａ，４７ｂに嵌合されている。また、前方フランジ４３Ａの前方凹部４７の内周壁の後端には、径方向に貫通して延びる連通溝４７ｃが、周方向に等間隔に複数設けられている。

前方ケーシング１３ａと後方ケーシング１３ｂとが連結された状態で、前方凹部４７および後方凹部４９によって形成されたフランジ４３Ａ，４３Ｂの内方空間は、絞りプレート５１によって、後方の第１プレナム室５５と前方の第２プレナム室５７とに分画されている。また、前方フランジ４３Ａの連通溝４７ｃは、後方フランジ４３Ｂの内周壁の前端面４３Ｂａとの間に、つまり圧縮機３の分割面Ｐに沿って、圧縮機３の圧縮空気ＣＡを第１プレナム室５５に導入する貫通孔であるスリット６１を形成している。本実施形態では、第７段静翼１５と第８段動翼１７との間の空間から、圧縮空気ＣＡがスリット６１を介して第１プレナム室５５に導入される。スリット６１は必ずしも圧縮機ケーシング１３の前後分割面Ｐに設けなくてもよいが、このようにすることで、スリット６１を圧縮機ケーシング１３に容易に設けることができる。

換言すれば、圧縮機ケーシングの外周部に設けられたフランジ４３Ａ，４３Ｂの内方空間は、絞りプレート５１に対して、スリット６１と同じ軸心方向位置側に形成された第１プレナム室５５と、絞りプレート５１に対して、スリット６１と反対の軸心方向位置側に形成された第２プレナム室５７とに分画されており、両プレナム室５５，５７は、絞りプレート５１の絞り孔５３を介して互いに連通している。絞りプレート５１の各絞り孔５３の流路面積（流路の横断面積）は、各スリット６１の流路面積よりも小さく設定されている。さらに、絞り孔５３の数は、スリット６１の数よりも少なく設定されている。本実施形態では、絞り孔５３の数をスリット６１の数の約半分として、各絞り孔５３の流路面積を合計した総流路面積を、スリット６１の総流路面積の１０％に設定している。

抽気構造ＥＳの、図２と異なる周方向位置における縦断面を図４に示す。同図に示すように、後方フランジ４３Ｂの外周部、つまり第１プレナム室５５の下流側には、第１プレナム室５５に流入した圧縮空気ＣＡを抽気するための第１抽気路６３が設けられている。他方、前方フランジ４３Ａの外周部、つまり第２プレナム室５７の下流側には、第２プレナム室５７に流入した圧縮空気を抽気するための第２抽気路６５が設けられている。第１抽気路６３は後方ケーシング１３ｂに形成された第１抽気孔６７とこれに接続された第１抽気パイプ６９とからなり、第２抽気路６５は前方ケーシング１３ａに形成された第２抽気孔７１とこれに接続された第２抽気パイプ７３とからなる。第１抽気孔６７と第２抽気孔７１とは周方向に互いにずれた位置に配置されている。

上述のように、各スリット６１の流路面積および各スリット６１の流路面積を合計した総流路面積は、絞り孔５３の流路面積及び総流路面積よりそれぞれ大きく設定されており、第１抽気路６３は、スリット６１および第１プレナム室５５を介して大流量の圧縮空気を抽気する大流量抽気路として形成されている。一方、第２抽気路６５は、絞り孔５３および第２プレナム室５７を介して小流量の圧縮空気を抽気する小流量抽気路として形成されている。これら抽気路６３，６５の数は、必要な抽気量に応じて適宜選択してよいが、本実施形態では、第１抽気路６３は、圧縮機ケーシング１３の周方向の２箇所に等間隔に設けられており、第２抽気路６５は、圧縮機ケーシング１３の周方向の１箇所に設けられている。

図１に示すように、本実施形態では、大流量抽気路である第１抽気路６３は、排ガス通路３１に接続されている。第１抽気路６３の中途には、弁機構７７が設けられており、第１抽気路６３を用いて大流量の抽気を行う場合以外は弁機構７７が閉じられて、第１抽気路６３が遮断される。一方、小流量抽気路である第２抽気路６５は、ガスタービン１内の高温部分、例えば中央部の軸受３７が収容される軸受室８１に接続されて、高温部分を冷却する冷却空気として用いられる圧縮空気ＣＡを導く。

次に、本実施形態に係る抽気構造の作用を説明する。図１のガスタービン１の始動時には、圧縮機の起動トルクを小さくするために大流量の圧縮空気ＣＡを抽気する必要があるので、第１抽気路６３の弁機構７７を開く。この場合、圧縮機３内の圧縮空気ＣＡは、前方ケーシング１３ａを後方から見た背面図である図５に示すように、圧縮機ケーシング１３の周方向に多数設けられたスリット６１を介して図４の第１プレナム室５５に導入される。この場合、第１抽気路６３の流路面積が、スリット６１の流路面積に対して十分大きく設定されているので、スリット６１が圧縮機３の流路と第１プレナム室５５との間の絞りとして機能し、圧縮機３内の周方向の圧力分布が不均一となることが抑制される。

さらに、スリット６１を介して第１プレナム室５５に流入する圧縮空気ＣＡの流量が、絞りプレート５１の絞り孔５３の流路面積に対して十分大きく、しかも、絞りプレート５１の絞り孔５３の貫通方向（圧縮機３の軸方向）が、スリット６１の貫通方向および第１抽気路６３の抽気方向（圧縮機３の径方向）にほぼ直交しているので、スリット６１から第１プレナム室５５に流入した圧縮空気ＣＡのほぼ全量が、絞り孔５３から第２プレナム室５７に流入することなく、大流量圧縮空気ＬＦとして第１抽気路６３から図１の排ガス通路３１に導出される。

一方、ガスタービン１の定常運転時には、小流量の抽気が必要とされ、第１抽気路６３の弁機構７７は閉じられる。このとき、図２に示すように、圧縮機３内から圧縮空気ＣＡが、小流量圧縮空気ＳＦとしてスリット６１を介して第１プレナム室５５に導入されるが、スリット６１の流路面積は抽気量に対して大きく設定されているので、スリット６１は絞りとして機能しない。一方、絞りプレート５１の絞り孔５３の総流路面積が、抽気量に対して十分小さい値に設定されているので、絞り孔５３によって第１プレナム室５５および圧縮機３内の周方向の圧力分布が不均一となることが抑制される。しかも、絞りプレート５１は、圧縮機ケーシング１５とは別体の部材として形成されているので、小流量用に高い精度が要求される絞り孔５３の寸法を容易に管理することができる。また、ガスタービン１の仕様変更に応じた絞り孔５３の寸法、数、配置等の変更も容易にできる。

なお、本実施形態の説明において、図１に示す大流量抽気路としての第１抽気路６３をガスタービン１の始動時用として排ガス通路３１に、小流量抽気路としての第２抽気路６５をガスタービン１内の冷却用として中央部の軸受室８１に、それぞれ接続した例を示したが、各抽気路６３，６５の接続先は、ガスタービン１の内部、外部を問わず、またその用途を問わず、互いに異なる抽気量が必要とされる部分を適宜選択することができる。

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
１３ 圧縮機ケーシング
５１ 絞りプレート（絞り部材）
５３ 絞り孔
５５ 第１プレナム室
５７ 第２プレナム室
６１ スリット（貫通孔）
６３ 第１抽気路（大流量抽気路）
６５ 第２抽気路（抽気路）
ＣＡ 圧縮空気
ＥＳ 抽気構造

Claims (4)

1. ガスタービンエンジンの圧縮機から、圧縮空気を抽気するための構造であって、
   周方向に等間隔に設けられた複数の径方向の貫通孔を有する圧縮機ケーシングと、
   前記圧縮機ケーシング内に前記圧縮機ケーシングと別体に設けられた、前記貫通孔よりも小さい流路面積を有する複数の絞り孔を有し、かつ当該複数の絞り孔の総流路面積が前記複数の貫通孔の総流路面積よりも小さく設定されている、環状の絞り部材と、
   前記貫通孔の下流に設けられて、前記圧縮機から前記貫通孔を介して流入する圧縮空気を収容する第１プレナム室と、
   前記絞り部材の絞り孔を介して前記第１プレナム室に連通して、前記第１プレナム室からの圧縮空気を収容する第２プレナム室と、
   前記第２プレナム室に連通して、この第２プレナム室から圧縮空気を抽気する抽気路と、
   を備える、ガスタービン圧縮機の抽気構造。
2. 請求項１において、さらに、前記第１プレナム室に連通して、前記抽気路よりも大流量の圧縮空気を抽気する大流量抽気路を備えるガスタービン圧縮機の抽気構造。
3. 請求項１または２において、前記絞り部材が周方向に複数の部分に分割可能に形成されているガスタービン圧縮機の抽気構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項において、前記圧縮機ケーシングが、前後に分割可能に形成されており、前記圧縮機の前記貫通孔が、前記圧縮機の分割面に形成されているガスタービン圧縮機の抽気構造。

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