JP7252791B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、コンプレッサで圧縮した空気が供給される逆流燃焼器がドーム部、外側ライナー部、内側ライナー部、外側ターンダクト部および内側ターンダクト部を備え、前記逆流燃焼器で発生した燃焼ガスをタービンに案内するノズルガイドベーンと前記外側ターンダクト部とを支持部で静止支持体に支持したガスタービンエンジンに関する。

かかるガスタービンエンジンの逆流燃焼器を取り囲む空間にはコンプレッサで圧縮された空気が供給されるが、その空気の圧力はアンバランスであって逆流燃焼器の後方において高圧で前方において低圧となるため、逆流燃焼器は前記圧力差で軸方向前側に付勢されてしまい、逆流燃焼器が変形することで、燃料と空気との混合や燃焼器内のガスの流れが変化し、着火性や保炎性、排気エミッションなどの燃焼性能が悪化する問題がある。

そこで、下記特許文献１に記載されたガスタービンエンジンは、逆流燃焼器の径方向内側の外側ターンダクト部およびノズルガイドベーンを静止部材に支持する支持部に加えて、逆流燃焼器の外側ライナー部を静止部材に係合する係合部を備えており、この係合部で逆流燃焼器を軸方向前側に付勢する荷重の一部を支持するようになっている。

逆流燃焼器の外側ライナー部を静止部材に係合する係合部は、燃焼器の径方向外側の静止部材に固定されて径方向内側に延びる円形断面の支持ピンを、外側ライナー部に設けられた円形断面の受容孔部に嵌合させたもので、外側ライナー部および静止部材の径方向の相対移動を許容しながら軸方向の相対移動を規制するように構成されている。

ＵＳ６，９１６，１５４Ｂ１

ところで、逆流燃焼器で発生した燃焼ガスをタービンに案内するノズルガイドベーンは、そこを流れる燃焼ガスにより軸方向後側に付勢されるため、ノズルガイドベーンを静止部材に支持する支持部に曲げモーメントが作用して耐久性を低下させる問題がある。

また空気の圧力差により逆流燃焼器を軸方向前側に付勢する荷重が作用したとき、支持ピンおよび受容孔部は相互に線接触して狭い接触面で前記荷重を支持する必要があるため、その接触面の摩耗が短時間で進行してしまい、空気漏れが発生して、着火性や保炎性、排気エミッションなどの燃焼性能を悪化させる懸念がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、逆流燃焼器の燃焼性能の悪化を防止するとともに、ノズルガイドベーンの支持部と、外側ターンダクト部の径方向内側部分と、ドーム部とに作用する曲げモーメントを低減して耐久性を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、コンプレッサで圧縮した空気が供給される逆流燃焼器がドーム部、外側ライナー部、内側ライナー部、外側ターンダクト部および内側ターンダクト部を備え、前記逆流燃焼器で発生した燃焼ガスをタービンに案内するノズルガイドベーンと前記外側ターンダクト部とを支持部で静止支持体に支持したガスタービンエンジンであって、前記内側ターンダクト部と前記ノズルガイドベーンとが係合部で相互に係合しており、前記係合部は、前記内側ターンダクト部と前記ノズルガイドベーンの径方向外側部分とを相互に係合させるものであって、前記内側ターンダクト部から径方向内向きに突出する環状の第１凸部と、前記ノズルガイドベーンから径方向外向きに突出する環状の第２凸部とからなり、ガスタービンエンジンへの空気の吸入側を前側としたときに、前記逆流燃焼器に作用する軸方向前向きの荷重が前記係合部を介して前記ノズルガイドベーンに伝達されることを特徴とするガスタービンエンジンが提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記支持部は、前記外側ターンダクト部の径方向内側部分と前記ノズルガイドベーンの径方向内側部分とを前記静止支持体に支持することを特徴とするガスタービンエンジンが提案される。

なお、実施の形態の低圧コンプレッサ２２および高圧コンプレッサ２３は本発明のコンプレッサに対応し、実施の形態の高圧タービン３１および低圧タービン３２は本発明のタービンに対応し、実施の形態のシールリング５１および第２段部２９ｆは本発明の第１凸部に対応し、実施の形態のフランジ部４２ａおよび第２フランジ部４２ｄは本発明の第２凸部に対応する。

請求項１の構成によれば、ガスタービンエンジンは、コンプレッサで圧縮した空気が供給される逆流燃焼器がドーム部、外側ライナー部、内側ライナー部、外側ターンダクト部および内側ターンダクト部を備え、逆流燃焼器で発生した燃焼ガスをタービンに案内するノズルガイドベーンと外側ターンダクト部とが支持部で静止支持体に支持されるので、コンプレッサから供給される圧縮空気により軸方向前向きの荷重を受ける逆流燃焼器の外側ターンダクト部とドーム部とに曲げモーメントが作用し、さらに逆流燃焼器を出る燃焼ガスにより軸方向後向きの荷重を受けるノズルガイドベーンの支持部に曲げモーメントが作用する。

内側ターンダクトとノズルガイドベーンとが係合部で相互に係合しており、逆流燃焼器に作用する軸方向前向きの荷重が係合部を介してノズルガイドベーンに伝達されるので、その軸方向前向きの荷重で燃焼ガスからノズルガイドベーンに作用する軸方向後向きの荷重を相殺し、ノズルガイドベーンの支持部に作用する曲げモーメントを低減して耐久性を高めることができる。また逆流燃焼器に作用する軸方向前向きの荷重の一部はノズルガイドベーンを介して支持部に作用するため、その分だけノズルガイドベーンを介さずに逆流燃焼器の支持部に作用する軸方向前向きの荷重が減少することで、逆流燃焼器の外側ターンダクト部とドーム部とに作用する曲げモーメントを低減して耐久性を高めるとともに、着火性や保炎性、排気エミッションなどの燃焼性能の悪化を防止することができる。また係合部は、内側ターンダクト部とノズルガイドベーンの径方向外側部分とを相互に係合させるものであって、内側ターンダクト部から径方向内向きに突出する環状の第１凸部と、ノズルガイドベーンから径方向外向きに突出する環状の第２凸部とからなるので、内側ターンダクト部とノズルガイドベーンの径方向外側部分とを３６０°に亙る広い面積で当接させて耐久性を一層高めることができる。

また請求項２の構成によれば、支持部は、外側ターンダクト部の径方向内側部分とノズルガイドベーンの径方向内側部分とを静止支持体に支持するので、係合部が内側ターンダクト部とノズルガイドベーンの径方向外側部分とを相互に係合させるのと相俟って、支持部および係合部をノズルガイドベーンの径方向内外の相互に接近した位置に配置し、熱膨張量差による各部材間の相対的な位置ずれを最小限に抑えることができ、これにより支持部および係合部に作用する最大荷重を低減して耐久性を一層高めることができる。

ガスタービンエンジンの全体構造を示す図である。（第１の実施の形態） 図１の２部拡大図である。（第１の実施の形態） 図１の２部拡大図である。（第２の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１および図２に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。なお、本明細書において、ガスタービンエンジンへの空気の吸入側を前側といい、噴射側を後側という。また、軸方向とはガスタービンエンジンの低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６の延びる方向と定義され、径方向とは前記軸方向に対して直交する方向と定義される。

図１に示すように、本発明が適用される航空機用のガスタービンエンジンは、アウターケーシング１１およびインナーケーシング１２を備えており、インナーケーシング１２の内部に前部第１ベアリング１３および後部第１ベアリング１４を介して低圧系シャフト１５の前部および後部がそれぞれ回転自在に支持される。低圧系シャフト１５の軸方向中間部の外周に筒状の高圧系シャフト１６が相対回転自在に嵌合し、高圧系シャフト１６の前部が前部第２ベアリング１７を介してインナーケーシング１２に回転自在に支持されるとともに、高圧系シャフト１６の後部が後部第２ベアリング１８を介して低圧系シャフト１５に相対回転自在に支持される。

低圧系シャフト１５の前端には、翼端がアウターケーシング１１の内面に臨むフロントファン１９が固定されており、フロントファン１９が吸入した空気の一部はアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に配置されたステータベーン２０を通過した後、その一部がアウターケーシング１１およびインナーケーシング１２間に形成された環状のバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、他の一部がインナーケーシング１２の内部に配置された軸流式の低圧コンプレッサ２２および遠心式の高圧コンプレッサ２３に供給される。

低圧コンプレッサ２２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２４と、外周にコンプレッサブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧コンプレッサホイール２５とを備える。高圧コンプレッサ２３は、インナーケーシング１２の内部に固定されたステータベーン２６と、外周にコンプレッサブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧コンプレッサホイール２７とを備える。

高圧コンプレッサホイール２７の外周に接続されたデフューザ２８の後方には逆流燃焼器２９が配置されており、逆流燃焼器２９の内部に燃料噴射ノズル３０から燃料が噴射される。逆流燃焼器２９の内部で燃料および空気が混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービン３１および低圧タービン３２に供給される。

高圧タービン３１は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン４１と、外周にタービンブレードを備えて高圧系シャフト１６に固定される高圧タービンホイール３４とを備える。低圧タービン３２は、インナーケーシング１２の内部に固定されたノズルガイドベーン３５と、外周にタービンブレードを備えて低圧系シャフト１５に固定される低圧タービンホイール３６とを備える。

従って、図示せぬスタータモータで高圧系シャフト１６を駆動すると、高圧コンプレッサホイール２７が吸い込んだ空気が逆流燃焼器２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、発生した燃焼ガスが高圧タービンホイール３４および低圧タービンホイール３６を駆動する。その結果、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６が回転してフロントファン１９、低圧コンプレッサホイール２５および高圧コンプレッサホイール２７が空気を圧縮して逆流燃焼器２９に供給することで、スタータモータを停止させてもガスタービンエンジンの運転が継続される。

ガスタービンエンジンの運転中に、フロントファン１９が吸い込んだ空気の一部はバイパスダクト２１を通過して後方に噴射され、特に低速飛行時に主たる推力を発生する。またフロントファン１９が吸い込んだ空気の残部は逆流燃焼器２９に供給されて燃料と混合して燃焼し、低圧系シャフト１５および高圧系シャフト１６を駆動した後に後方に噴射されて推力を発生する。

次に、図２に基づいて逆流燃焼器２９の支持構造を説明する。

逆流燃焼器２９の外郭は、ドーム部２９ｉと、外側ライナー部２９ａと、内側ライナー部２９ｊと、外側ターンダクト部２９ｂと、内側ターンダクト部２９ｋとを備えており、燃料噴射ノズル３０が設けられたドーム部２９ｉから外側ライナー部２９ａおよび内側ライナー部２９ｊが前方に延び、その前端から外側ターンダクト部２９ｂおよび内側ターンダクト部２９ｋが１８０゜屈曲しながら後方に延びてノズルガイドベーン４１に接続される。逆流燃焼器２９の出口に配置される円環状のノズルガイドベーン４１は、アウターバンド４２と、アウターバンド４２の内周側に位置するインナーバンド４３と、アウターバンド４２およびインナーバンド４３を接続する複数のガイドベーン３３とを備える。

逆流燃焼器２９の外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側部分と、ノズルガイドベーン４１のインナーバンド４３とをインナーケーシング１２の一部を構成する静止支持体４４に支持する支持部４５は、静止支持体４４の径方向外側に延びる環状のフランジ部４４ａと、逆流燃焼器２９の外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側に延びる環状のフランジ部２９ｃと、ノズルガイドベーン４１のインナーバンド４３の径方向内側に延びる環状のフランジ部４３ａと、環状の保持リング４６とを前後方向に重ね合わせた状態で、それらを貫通するボルト４７にナット４８を螺合して構成される。ノズルガイドベーン４１のインナーバンド４３の径方向内側に延びる環状フランジ部４３ａは、フランジ部２９ｃと保持リング４６とによって構成される空間にフローティング支持されている。

一方、逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋと、ノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２とは、係合部４９において相互に係合する。すなわち、係合部４９は、逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋから径方向外側に延びる環状のフランジ部２９ｄと、ノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２の前端から径方向外側に延びる環状のフランジ部４２ａと、内側ターンダクト部２９ｋのフランジ部２９ｄの内周面に支持されたクリップ５０と、アウターバンド４２のフランジ部４２ａおよびクリップ５０に前後から挟まれて内側ターンダクト部２９ｋのフランジ部２９ｄの内周面に当接するシールリング５１とを備える。

またノズルガイドベーン４１の後方に位置する高圧タービンホイール３４の径方向外側を覆うタービンケース５２の前端部には、ノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２の後端に形成したシールリング溝４２ｂに嵌合するシールリング５３が軸方向摺動自在に当接する。

次に、上記構成を備えた本発明の実施の形態の作用を説明する。

逆流燃焼器２９を取り囲む空間の後方はタービンケース５２で閉塞されており、このタービンケース５２に向かってデフューザ２８から高圧の空気が後方に噴出するため、逆流燃焼器２９を取り囲む空間の後方は高圧になり、前方は低圧になる。この圧力差により逆流燃焼器２９は前向きの荷重Ｆ１を受け、図２に二点鎖線で示すように前方に向かって変形しようとするため、外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側部分とドーム部２９ｉとに曲げモーメントＭ１，Ｍ３が作用して耐久性が低下したり、逆流燃焼器２９の変形によって燃焼性能が悪化する問題がある。

また逆流燃焼器２９から流出する燃焼ガスが通過するノズルガイドベーン４１には軸方向後向きの荷重Ｆ２が作用するため、ノズルガイドベーン４１のインナーバンド４３のフランジ部４３ａの付け根に曲げモーメントＭ２が作用して耐久性を低下させる問題がある。

しかしながら、本実施の形態によれば、係合部４９において、クリップ５０で逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋのフランジ部２９ｄに係止されたシールリング５１が、ノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２のフランジ部４２ａに当接するため、逆流燃焼器２９に作用する軸方向前向きの荷重Ｆ１の一部でノズルガイドベーン４１に作用する軸方向後向きの荷重Ｆ２を相殺することができる。その結果、ノズルガイドベーン４１のインナーバンド４３のフランジ部４３ａの付け根に作用する曲げモーメントＭ２を低減してインナーバンド４３の耐久性を高めるとともに、逆流燃焼器２９からノズルガイドベーン４１を介して支持部４５に伝達される荷重の分だけ逆流燃焼器２９の外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側部分とドーム部２９ｉとに伝達される前向きの荷重を減少させ、外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側部分とドーム部２９ｉとに作用する曲げモーメントＭ１，Ｍ３を低減して耐久性を高めるとともに、逆流燃焼器２９の変形を抑制して燃焼性能の悪化を防止することができる。

また支持部４５および係合部４９はノズルガイドベーン４１の径方向内外側の相互に接近した位置に配置されるため、熱膨張量差による各部材間の軸方向および径方向の位置ずれを充分に小さくすることができる。これにより、支持部４５および係合部４９に作用する最大荷重を低減して逆流燃焼器２９やノズルガイドベーン４１の耐久性を一層高めることができるだけでなく、係合部４９の摩耗を抑制して空気漏れを確実に防止することができる。

また係合部４９は、逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋから径方向内向きに突出する第１凸部であるシールリング５１と、ノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２から径方向外向きに突出する第２凸部であるフランジ部４２ａとを備えるので、簡単な構造で逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋとノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２とを確実に係合させることができる。

また上記特許文献１に記載されたものは、支持ピンおよび受容孔部が線状の狭い当接面で相互に当接するため、その当接面が摩耗し易くなって耐久性の低下が懸念されるが、本実施の形態によれば、係合部４９においてシールリング５１およびフランジ部４２ａは３６０°に亙る環状の広い面積で相互に当接するので、その当接面の摩耗が最小限に抑えられる。

第２の実施の形態

次に、図３に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第１の実施の形態のノズルガイドベーン４１は円環状の単一部材、または複数の扇状のセグメントを円周方向に接続した円環状の複数部材で構成されるが、第２の実施の形態のノズルガイドベーン４１は複数の扇状のセグメントを円周方向に接続して円環状に構成される。第２の実施の形態の係合部４９は第１の実施の形態と構造が異なっている。すなわち、逆流燃焼器２９の外側ターンダクト部２９ｂの径方向外側には、外側ライナー部２９ａと、ドーム部２９ｉと、内側ライナー部２９ｊと、内側ターンダクト部２９ｋと、第１段部２９ｅおよび第２段部２９ｆを介して径方向外側に窪む環状凹部２９ｇとが形成されるとともに、環状凹部２９ｇの後方に径方向外側に開放するシールリング溝２９ｈが形成される。そしてノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２の前側の第１フランジ部４２ｃおよび後側の第２フランジ部４２ｄが内側ターンダクト部２９ｋの環状凹部２９ｇに嵌合し、シールリング溝２９ｈに保持されたシールリング５４がタービンケース５２の内周面に前後摺動自在に当接する。

本実施の形態によっても、逆流燃焼器２９から出る燃焼ガスによりノズルガイドベーン４１に作用する軸方向後向きの荷重Ｆ２を、逆流燃焼器２９から係合部４９を介してノズルガイドベーン４１に伝達される軸方向前向きの荷重Ｆ１で相殺し、ノズルガイドベーン４１のインナーバンド４３のフランジ部４３ａの付け根に作用する曲げモーメントＭ２を低減してインナーバンド４３の耐久性を高めることができる。さらに逆流燃焼器２９からノズルガイドベーン４１を介して支持部４５に伝達される荷重の分だけ逆流燃焼器２９の外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側部分とドーム部２９ｉとに伝達される荷重Ｆ１を減少させ、外側ターンダクト部２９ｂの径方向内側部分とドーム部２９ｉとに作用する曲げモーメントＭ１，Ｍ３を低減して耐久性を高めるとともに、逆流燃焼器２９の変形を防止して燃焼性能の悪化を防止することができる。

しかも支持部４５および係合部４９はノズルガイドベーン４１の径方向内外の相互に接近した位置に配置されるため、熱膨張量差による各部材間の相対的な位置ずれを充分に小さくすることができる。これにより、支持部４５および係合部４９に作用する最大荷重を低減して逆流燃焼器２９やノズルガイドベーン４１の耐久性を一層高めることができるだけでなく、係合部４９の摩耗による空気漏れを確実に防止することができる。

また係合部４９は、逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋから径方向内向きに突出する第１凸部である第２段部２９ｆと、ノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２から径方向外向きに突出する第２凸部である第２フランジ部４２ｄとを備えるので、簡単な構造で逆流燃焼器２９の内側ターンダクト部２９ｋとノズルガイドベーン４１のアウターバンド４２とを確実に係合させることができる。

そして複数の扇状のセグメントを円周方向に接続して円環状に構成されたノズルガイドベーン４１は、逆流燃焼器２９の第１段部２９ｅおよび第２段部２９ｆ間に形成された環状凹部２９ｇに嵌合して保持されるため、複数の扇状のセグメントを強固に一体化して形状を維持することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、本発明の第１凸部および第２凸部は、第１の実施の形態のシールリング５１およびフランジ部４２ａに限定されるものではなく、また第２の実施の形態の第２段部２９ｆおよび第２フランジ部４２ｄに限定されるものではない。

２２ 低圧コンプレッサ（コンプレッサ）
２３ 高圧コンプレッサ（コンプレッサ）
２９ 逆流燃焼器
２９ａ 外側ライナー部
２９ｂ 外側ターンダクト部
２９ｆ 第２段部（第１凸部）
２９ｉ ドーム部
２９ｊ 内側ライナー部
２９ｋ 内側ターンダクト部
３１ 高圧タービン（タービン）
３２ 低圧タービン（タービン）
４１ ノズルガイドベーン
４２ａ フランジ部（第２凸部）
４２ｄ 第２フランジ部（第２凸部）
４４ 静止支持体
４５ 支持部
４９ 係合部
５１ シールリング（第１凸部）

Claims (2)

1. コンプレッサ（２２，２３）で圧縮した空気が供給される逆流燃焼器（２９）がドーム部（２９ｉ）、外側ライナー部（２９ａ）、内側ライナー部（２９ｊ）、外側ターンダクト部（２９ｂ）および内側ターンダクト部（２９ｋ）を備え、前記逆流燃焼器（２９）で発生した燃焼ガスをタービン（３１，３２）に案内するノズルガイドベーン（４１）と前記外側ターンダクト部（２９ｂ）とを支持部（４５）で静止支持体（４４）に支持したガスタービンエンジンであって、
   前記逆流燃焼器（２９）は、前記内側ターンダクト部（２９ｋ）と前記ノズルガイドベーン（４１）とが係合部（４９）で相互に係合しており、前記係合部（４９）は、前記内側ターンダクト部（２９ｋ）と前記ノズルガイドベーン（４１）の径方向外側部分とを相互に係合させるものであって、前記内側ターンダクト部（２９ｋ）から径方向内向きに突出する環状の第１凸部（５１，２９ｆ）と、前記ノズルガイドベーン（４１）から径方向外向きに突出する環状の第２凸部（４２ａ，４２ｄ）とからなり、ガスタービンエンジンへの空気の吸入側を前側としたときに、前記逆流燃焼器（２９）に作用する軸方向前向きの荷重が前記係合部（４９）を介して前記ノズルガイドベーン（４１）に伝達されることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記支持部（４５）は、前記外側ターンダクト部（２９ｂ）の径方向内側部分と前記ノズルガイドベーン（４１）の径方向内側部分とを前記静止支持体（４４）に支持することを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン。

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