JP6563312B2 - ガスタービンエンジンの抽気構造 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンの圧縮機で圧縮されたガスをエンジン外部へ抽気するための構造に関する。

ガスタービンエンジンにおいて、一般に、圧縮機から燃焼器へ向かう圧縮空気をエンジンの外部へ抽気する抽気構造を設けることにより、部分負荷運転時にも燃焼温度を維持して、燃焼安定性を確保し、かつＮＯｘのような大気汚染物質の排出を抑制することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

米国特許出願公開第２０１０／００１１７７９号明細書

もっとも、ガスタービンエンジンにこのような抽気構造を設ける場合、燃焼器における燃焼を周方向に均一にし、安定した燃焼を実現するため、圧縮機から燃焼器へ向かう圧縮空気が周方向に偏って流れることを防止する必要がある。このため、通常は、エンジンのケーシングの外周部に、周方向に多数配置した抽気ダクトと、これら抽気ダクトで抽気された空気をまとめるマニホールドとを設ける必要があり、エンジン全体が大型化する。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、ガスタービンエンジン内の空間や構成部材を利用してエンジン全体の大型化を回避しながら、エンジン内のガスの偏流を抑制して安定的な燃焼を確保できるガスタービンエンジン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、本発明に係る抽気構造は、ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機からの圧縮ガスを受け入れて燃焼器へ供給するチャンバから圧縮ガスを抽気する構造であって、前記ガスタービンエンジンのタービンの外周を覆うタービンケーシングと、前記タービンケーシングを囲繞し、このタービンケーシングとの間に前記チャンバに連通する抽気空間を形成するエンジンハウジングと、前記エンジンハウジングに設けられて、前記抽気空間内の圧縮ガスを前記エンジンハウジングの外部へ導出する抽気ダクトと、前記抽気空間における、前記抽気ダクトよりも上流側に配置されて前記抽気空間を前記チャンバから区画する環状の仕切り部材であって、この仕切り部材の上流側と下流側とを連通させる複数の連通孔を有する仕切り部材と、を備えている。

この構成によれば、チャンバ内の圧縮ガスは、仕切り部材に衝突して周方向に流れた後、仕切り部材の複数の連通孔から下流側へ抽気される。したがって、圧縮機から燃焼器へ向かう圧縮空気が周方向に偏って流れることが防止される。しかも、このような効果が、抽気空間をチャンバから区画する仕切り部材を設けることによって得られるので、ガスタービンエンジン全体の大型化を回避しながら、抽気時におけるエンジン内での圧縮ガスの周方向の偏流が抑制され、燃焼器において安定的な燃焼を確保することが可能となる。

本発明の一実施形態において、前記仕切り部材に弾性を持たせる構造として、例えば、前記仕切り部材が、軸心方向に沿った縦断面視で、径方向に延びる胴部と、この胴部の径方向両端からそれぞれ軸心方向に延びる外径側脚部および内径側脚部とを有し、前記胴部に前記複数の連通孔が形成されていてもよい。さらには、前記仕切り部材の前記外径側脚部および内径側脚部の少なくとも一方に、複数の軸心方向のスリットが形成されていてもよい。この構成によれば、簡単な構造によって仕切り部材に径方向の弾性を持たせることができ、仕切り部材の連通孔以外の部分から圧縮ガスが下流側へ漏れることを効果的に防止できる。

本発明の一実施形態において、前記仕切り部材が、前記タービンを前記エンジンハウジングに支持するタービン支持部材に取り付けられていてもよい。この構成によれば、ガスタービンエンジンの既存の構成部品を有効に利用することにより、仕切り部材を設けることによる支持部材等の部品点数の増加を抑制することができる。

以上のように、本発明に係るガスタービンエンジンの抽気構造によれば、エンジン内の空間や構成部材を利用してエンジン全体の大型化を回避しながら、エンジン内のガスの偏流を防止して安定的な燃焼を確保することが可能となる。

本発明の一実施形態に係る抽気構造を備えるガスタービンエンジンの概略構成を示す部分破断側面図である。 図１のガスタービンエンジンの抽気構造周辺部分を拡大して示す縦断面図である。 図２のガスタービンエンジンの抽気構造に使用される仕切り部材を示す正面図である。 図２のガスタービンエンジンの抽気構造に使用される仕切り部材を後方から見た斜視図である。 図２のガスタービンエンジンの抽気構造に使用される仕切り部材の周辺部分を拡大して示す縦断面図である。

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、本発明の一実施形態に係る抽気構造を備えたガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＥの一部を破断した側面図である。ガスタービンＧＥは、外部から導入した空気Ａを圧縮機１で圧縮して燃焼器３に導き、燃焼器３内で燃料Ｆを圧縮空気ＣＡとともに燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン５を駆動する。本実施形態では、複数のキャン型の燃焼器３が、ガスタービンＧＥの周方向に沿って等間隔に配置されている。なお、以下の説明において、ガスタービンＧＥの軸心Ｃ方向における圧縮機１側を「前方」と呼び、タービン５側を「後方」と呼ぶ場合がある。実施形態を構成する要素の名称に付する「前」，「後」も同様の意味である。また、以下の説明において、「軸心方向」，「周方向」および「径方向」とは、特に示した場合を除き、ガスタービンＧＥの軸心Ｃ方向，周方向および径方向を意味する。

本実施形態では、圧縮機１として軸流型のものを用いている。この軸流型の圧縮機１で圧縮された圧縮空気ＣＡは、圧縮機１の下流端部に接続するディフューザ９を通過した後、チャンバ１１に流入する。チャンバ１１は、ディフューザ９を介して圧縮機出口に連通する、燃焼器３の周囲に形成された空間であり、圧縮機１からの圧縮空気ＣＡを受け入れて燃焼器３へ供給する。燃焼器３で発生した高温高圧の燃焼ガスＧは、タービン５内に流入する。タービン５を駆動した燃焼ガスＧは、タービン５の下流（後方）に接続された排気通路１５からガスタービンＧＥの外部へ排出される。

図２に示すように、タービン５は、多数の静翼１９と、ガスタービンＧＥの回転部分を構成するロータ２１の外周面に配置された多数の動翼２３とを有している。タービン５の入口を形成する前端の第１段目の静翼１９（以下、特に「第１段静翼１９Ａ」と呼ぶ場合がある。）以降の静翼１９および動翼２３の外周、つまりタービン５の外周がタービンケーシング２５によって覆われている。本実施形態では、タービン５の外周を覆うタービンケーシング２５がエンジンハウジング１７の内側に連結および固定されており、タービンケーシング２５に各静翼１９が取付けられている。ガスタービンＧＥ全体のハウジングであるエンジンハウジング１７によって、タービンケーシング２５が囲繞されている。本明細書では、エンジンハウジング１７のうち、タービン５の外方に位置する部分をタービンハウジング部３１と呼ぶ。本実施形態では、タービンハウジング部３１の内周壁面３１ａは軸心方向にほぼ平行に延びる平坦な円筒面として形成されている。

タービンケーシング２５は、その前端から径方向外方に突設された連結フランジ部３５を有している。第１段静翼１９Ａは、その前端部１９Ａａが、連結フランジ部３５に周方向および径方向に位置決めされている。また、第１段静翼１９Ａは、エンジンハウジング１７の内周面に設けられたフランジ（図示せず）に固定されたサポートリング４１と連結フランジ部３５によって軸心方向に位置決めされている。

図２に示すように、タービンケーシング２５は、後方に向かって拡径する形状であり、その後端部の最後端に、径方向外方に突設された後端フランジ４５を有している。タービンケーシング２５は、この後端フランジ４５を介して、エンジンハウジング１７のタービンハウジング部３１の後端部３１ｂに支持されている。各静翼１９は、タービンケーシング２５の内周部に設けられた係合機構に係合することにより、タービンケーシング２５に支持されている。なお、タービンケーシング２５がタービン５の静翼１９を支持する構造は、上記で説明した例に限定されない。

エンジンハウジング１７のタービンハウジング部３１と、その内側のタービンケーシング２５との間に、チャンバ１１に連通する抽気空間５１が形成されている。抽気空間５１が、ガスタービンＧＥ内における、チャンバ１１から圧縮空気ＣＡを抽気する抽気路を形成する。エンジンハウジング１７のタービンハウジング部３１には、抽気空間５１内の空気をエンジンハウジング１７の外部へ導出する抽気ダクト５３が設けられている。本実施形態では、抽気ダクト５３は、タービンハウジング部３１の周方向の１箇所のみに設けられている。また、図示の例では、抽気ダクト５３は、タービンハウジング部３１の、第３段静翼１９に対応する軸心方向位置に設けられているが、抽気ダクト５３の軸心方向位置はこの例に限定されない。

抽気空間５１は、エンジンハウジング１７のタービンハウジング部３１と、その内側のタービンケーシング２５との間の空間において抽気ダクト５３よりも前方に配置された、環状の仕切り部材５５によってチャンバ１１から区画されている。すなわち、仕切り部材５５は、チャンバ１１から圧縮空気ＣＡを抽気する抽気路における、抽気ダクト５３よりも上流側に配置されている。仕切り部材５５によって、チャンバ１１と抽気空間５１とが軸心方向に区画され、仕切り部材５５の下流側（後方）の抽気空間５１から、抽気ダクト５３へ圧縮空気ＣＡが導出される。

本実施形態における仕切り部材５５は、より具体的には、軸心方向に沿った縦断面視で、径方向に延びる胴部６１と、この胴部６１の径方向両端からそれぞれ軸心方向に延びる外径側脚部６３および内径側脚部６５とを有している。換言すれば、仕切り部材５５は、軸心方向に沿った縦断面視で、Ｕ字形状またはＪ字形状に形成されている。本実施形態では、仕切り部材５５は金属製の板状部材を曲げ加工することにより形成されており、胴部６１の径方向両端部は、後方に向かって湾曲している。仕切り部材５５において、上記の構造を有する外径側脚部６３および内径側脚部６５を設けたことにより、仕切り部材５５は径方向に弾性を有している。

図３に示すように、仕切り部材５５には、この仕切り部材５５の上流側と下流側とを連通させる複数の連通孔６７が形成されている。本実施形態に係る仕切り部材５５において、複数の連通孔６７は、胴部６１に形成されている。図示の例では、各連通孔６７は円形孔として形成されているが、連通孔６７の形状は円形に限定されない。また、複数の連通孔６７は周方向に等間隔に配置されている。

図４に示すように、仕切り部材５５の外径側脚部６３および内径側脚部６５には、それぞれ、軸心方向の切込みであるスリット６９が複数形成されている。図示の例では、外径側脚部６３において、連通孔６７と同数のスリット６９が、周方向に互いに等間隔に形成されている。さらに、図示の例では、各スリット６９が胴部６１の連通孔６７まで延びており、各連通孔６７に開口している。一方、内径側脚部６５において、外径側脚部６３の隣合うスリット６９，６９の中間の各周方向位置に、１つずつスリット６９が形成されている。

スリット６９は省略してもよいが、仕切り部材５５の外径側脚部６３および内径側脚部６５の少なくとも一方の脚部にスリット６９を形成することにより、仕切り部材５５の径方向の弾性を大きくすることができる。本実施形態では、外径側脚部６３および内径側脚部６５のいずれにもスリット６９を形成したが、仕切り部材５５の外径側脚部６３および内径側脚部６５の一方のみにスリット６９を形成してもよい。また、スリット６９の数および配置は、図示の例に限定されず、適宜設定してよい。

仕切り部材５５に径方向の弾性を持たせることにより、仕切り部材５５の連通孔６７以外の部分から圧縮空気ＣＡが下流側へ漏れることが防止され、圧縮空気ＣＡの周方向の偏流を確実に抑制することができる。特に、図２に示すように、仕切り部材５５の内径側部分（本実施形態では内径側脚部６５）が、高温となるタービン５の外周部に配置されているので、大きな熱膨張が生じる。このような環境においても、仕切り部材５５が弾性を有することにより、仕切り部材５５とエンジンハウジング１７およびタービンケーシング２５との接触が確保される。なお、仕切り部材５５に径方向の弾性を持たせる構造は、上記の例に限定されない。

仕切り部材５５の外径側脚部６３はエンジンハウジング１７に接触しており、内径側脚部６５がタービン支持部材であるタービンケーシング２５に接触している。また、仕切り部材５５の胴部６１が、タービンケーシング２５の連結フランジ部３５に着脱自在に締結されている。

図５に示すように、エンジンハウジング１７のタービンハウジング部３１の内周面には、径方向内側に突出する環状のハウジング嵌合面部７１が設けられている。ハウジング嵌合面部７１の内周面は、縦断面視で軸心方向にほぼ平行に形成されている。一方、仕切り部材５５の外径側脚部６３の外周面には、径方向外側に突出する環状の外径側嵌合面部７３が設けられている。外径側嵌合面部７３の外周面は、縦断面視で軸心方向にほぼ平行に形成されている。

また、タービンケーシング２５の外周面には、径方向外側に突出する環状のタービンケーシング嵌合面部７５が設けられている。タービンケーシング嵌合面部７５の外周面は、縦断面視で軸心方向にほぼ平行に形成されている。一方、仕切り部材５５の内径側脚部６５の内周面には、径方向内側に突出する環状の内径側嵌合面部７７が設けられている。内径側嵌合面部７７の内周面は、縦断面視で軸心方向にほぼ平行に形成されている。これら各部材に設けられた嵌合面部７１〜７７の全部または一部は省略してもよいが、嵌合面部７１〜７７を設けることにより、仕切り部材５５とエンジンハウジング１７およびタービンケーシング２５との嵌合部分に隙間が生じることが、より確実に防止される。

図３に示すように、仕切り部材５５の胴部６１には、周方向の複数箇所に連結部材を挿通させる挿通孔７９が形成されている。図５に示すように、仕切り部材５５の胴部６１は、周方向の複数箇所において、ボルトＢ３のような連結部材を胴部６１の挿通孔７９に挿通し、タービンケーシング２５の連結フランジ部３５に締結することにより、タービンケーシング２５に取り付けられている。

なお、本実施形態では、上述のように、仕切り部材５５の胴部６１および内径側脚部６５がタービンケーシング２５の第１段静翼１９Ａを覆う前端部に支持されている例を説明したが、仕切り部材５５の支持構造は、これに限定されない。例えば、図５に二点鎖線で示すように、仕切り部材５５Ａを若干後方に配置し、タービンケーシング２５の第１段動翼２３を覆う部分（またはこれより後方の部分）の外周面にフランジ（図示せず）を設けて、このフランジに仕切り部材５５の胴部６１をボルトによって締結することにより、仕切り部材５５をタービンケーシング２５に支持する構造としてもよい。また、仕切り部材５５におけるタービン支持部材によって支持される部分が胴部６１を含むことにより、安定的な支持が可能となるが、仕切り部材５５は、必ずしも胴部６１を介して支持される必要はなく、例えば内径側脚部６５のみを介して支持されていてもよい。いずれの場合にも、仕切り部材５５が、タービン５をエンジンハウジング１７に支持するタービン支持部材として機能しているタービンケーシング２５に取り付けられているので、ガスタービンＧＥの既存の構成部品を有効に利用することにより、仕切り部材５５を設けることによる部品点数の増加を抑制することができる。

本実施形態に係るガスタービンエンジンの抽気構造によれば、図２に示すチャンバ１１内の圧縮空気ＣＡは、仕切り部材５５に衝突して周方向に流れた後、仕切り部材５５の複数の連通孔６７から、仕切り部材５５の下流側に形成された抽気空間５１に流入する。その結果、チャンバ１１内における圧縮空気ＣＡの周方向の偏流が抑制されて、速度分布が均一化される。したがって、圧縮機１から燃焼器３へ向かう圧縮空気ＣＡが周方向に偏って流れることが防止される。しかも、このような効果が、抽気空間５１をチャンバ１１から区画する仕切り部材５５を設けることによって得られるので、ガスタービンエンジン全体の大型化を回避しながら、エンジン内での圧縮空気ＣＡの周方向の偏流が抑制され、燃焼器３において安定的な燃焼を確保することが可能となる。

抽気空間５１内の圧縮空気ＣＡは、抽気空間５１から抽気ダクト５３を通ってガスタービンＧＥの外部へ抽気される。上記の構成を有する仕切り部材５５を設けることにより、複数の抽気ダクトを周方向に等間隔に設けなくても、ガスタービンＧＥ内での圧縮空気ＣＡの偏流が効果的に抑制されるので、本実施形態では、エンジンハウジング１７に１つの抽気ダクト５３のみを設けて、ガスタービンエンジン全体の大型化を抑制した例を示した。もっとも、エンジンハウジング１７に設ける抽気ダクトの数は１つに限定されない。

なお、本実施形態では、上述のように、仕切り部材５５において複数の連通孔６７を周方向に等間隔に配置しているが、例えば、複数の連通孔６７を、抽気ダクト５３の近傍となる周方向領域では連通孔６７間の間隔が大きく、抽気ダクト５３からより離れた周方向領域では連通孔６７間の間隔が小さくなるように配置してもよい。また、本実施形態では、仕切り部材の複数の連通孔６７の開口面積を同一としているが、連通孔６７によって開口面積を異ならせ、例えば、抽気ダクト５３の近傍となる周方向領域では連通孔６７の開口面積を小さく、抽気ダクト５３からより離れた周方向領域では連通孔６７の開口面積を大きくしてもよい。このように構成することにより、仕切り部材５１の上流側において圧縮空気ＣＡの周方向の偏流がさらに効果的に抑制される。

また、本実施形態では、抽気構造が適用されるガスタービンエンジンとして、空気を作動ガスとするガスタービンエンジンを例として説明したが、メタンガスのような空気以外の作動ガスを使用するガスタービンエンジンであってもよい。

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 圧縮機
３ 燃焼器
５ タービン
１１ チャンバ
１７ エンジンハウジング
２５ タービンケーシング
５１ 抽気空間
５３ 抽気ダクト
５５ 仕切り部材
６７ 連通孔
６９ スリット
ＣＡ 圧縮空気（圧縮ガス）
ＧＥ ガスタービンエンジン

Claims (4)

1. ガスタービンエンジンにおいて、圧縮機からの圧縮ガスを受け入れて燃焼器へ供給するチャンバから圧縮ガスを抽気する構造であって、
   前記ガスタービンエンジンのタービンの外周を覆うタービンケーシングと、
   前記タービンケーシングを囲繞し、このタービンケーシングとの間に前記チャンバに連通する抽気空間を形成するエンジンハウジングと、
   前記エンジンハウジングに設けられて、前記抽気空間内の圧縮ガスを前記エンジンハウジングの外部へ導出する抽気ダクトと、
   前記抽気空間における、前記抽気ダクトよりも上流側に配置されて前記抽気空間を前記チャンバから区画する環状の仕切り部材であって、この仕切り部材の上流側と下流側とを連通させる複数の連通孔を有する仕切り部材と、
   を備える抽気構造。
2. 請求項１に記載の抽気構造において、前記仕切り部材は、軸心方向に沿った縦断面視で、径方向に延びる胴部と、この胴部の径方向両端からそれぞれ軸心方向に延びる外径側脚部および内径側脚部とを有し、前記胴部に前記複数の連通孔が形成されている抽気構造。
3. 請求項２に記載の抽気構造において、前記仕切り部材の前記外径側脚部および内径側脚部の少なくとも一方に、軸心方向に延びる複数のスリットが形成されている抽気構造。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の抽気構造において、前記仕切り部材が、前記タービンを前記エンジンハウジングに支持するタービン支持部材に取り付けられている抽気構造。

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