JPH02504416A - 可変抽出空気流を設けるサージ保護ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １亦　出角　　　　（る　− ジ　−ガス　−ピンエンジン ＋７）ｉ」 この発明はガスタービン、特に変化する要求を満たすよう実質的な量の抽出空気 を設けるべく使用されるガスタービンに関するものである。

ｌ艷へ１１ ガスタービンエンジンは、スラストによる推進、機械的連結による推進、回転入 力を必要とする駆動付属品、圧縮空気の提供、これらの組合せ等を含む多種の目 的のために用いられる。形成される圧縮空気は、ガスタービンエンジンに用いら れる回転圧１１８！や遠心圧縮機による部分的または全体的圧縮が続く成る場所 においてタービンエンジンから抽出されるために“抽出空気”として知られてい る。この様な圧縮空気は種々の目的のために使用できる０例えば、航空機におい て、客室換気、融雪、主エンジン始動等に使用することが出来る。

いずれの場合も、抽出空気が用いられる利用の多くが、与えられた使用のために 必要とされる抽出空気の量が一定期間に亙って変化する意味で変化可能である。

同時に、タービンエンジンの作動における燃焼を維持する空気の需要は実質的に 一定である。従って、参＜ではない抽出空気の需要の減少は、燃焼器のディフュ ーザにおけるよりもエンジンの燃焼器内の高圧力の存在のために起こる所謂圧縮 機サージや背流（バックフロー）の原因となる。

周知の様に、これはタービンエンジンの不安定な作動の原因となる。

１：の問題を解除するために、従来では例えば圧ｌｉ機サージを防止するように 特定の時間に要求される抽出空気よりも多い抽出空気が放出できる流路を開くべ く作動できるサージ保護弁の使用に頼っている。サージ保護を為すこの方法はサ ージの発生の防止には十分であるが、タービンエンジンが長い時間全負荷状態ま たはその付近にて作動することを必要とする。

この発明は上述の問題の１つ以上を解決することに向けられている。

九墨！］１叛 この発明の目的は、全負荷状態またはその付近での作動なしに、抽出空気の変化 する流れを設けるべく適した新規で改良されたサージ保護ガスタービンエンジン を提供することにある。

この発明の実施例は、軸心回りに回転可能なタービン羽根車と、高温燃焼ガスを 生成する燃焼器とを有するガスタービンにて上述の目的を達成する。ノズルを含 む手段が燃焼器とタービン羽根車とを連結して、タービン羽根車を軸心回りに駆 動するようにタービン羽根車に高温燃焼ガスが当たるように為す。

タービン羽根車を駆動するよう一対の回転圧縮機がタービン羽根車に連結され、 これら回転圧ｔａ機は入口と出口を夫々有している。これら回転圧縮機は第１段 圧縮機および第２段圧ｗｉ機を形成するように直列に接続されている。圧縮空気 を燃焼器に供給するよう第２段圧縮機出口を燃焼器に接続する手段が設けられる と共に、第１段圧ｍ機出口から抽出空気を得るための手段が少なくとも第１段圧 縮機出口に連動される。一般には羽根の形の可変人口案内装置が第１段圧ｗａ機 入口に設けられて、開放位置、閉鎖位置、中間位置の間を選択的に動くことが出 来る。第１段圧縮機は高比速度、単段の遠心圧ｍ機で、変化する流量での作動に おける限り入口案内装置の形状の変化に全く予期せずに大いに感応し、安定およ び不安定な作動間の駆動ラインが関係している。

この発明の一実施例に従えば、回転圧縮機とタービン羽根車は軸心に設けられた 単一軸に在る。

推奨実施例において、圧縮機はタービン羽根車の冷却側に位置され、反対側は支 持されていない。

この発明の一実施例に依れば、タービンの作動中の空気流が第１段圧縮機の圧縮 機羽根先端に対してマツハ１゜０に達する速度またはマツハ１．０以上の高速に 成るように構成配置された第１設入口を有することによって高速度が連成される 。

別の見地で見て、作動中の高比速度（Ｎｓ）は次式で約１００を越えるように成 る。

但し、Ｎは第１段圧縮機の回転数（回転７分）で、′：ＦＳは第１段圧縮機入口 体積流（立方フィー５７秒）で、Ｈａｄは断熱水頭（フィート）である。

この発明の他の目的と利点は添付図面に関連した以下の説明から明らかになろう 。

・・　　の　　゛　−；Ｂ 第１図はこの発明に従って遺られたガスタービンエンジンの断面図、 第２図はタービンに用いられた第１段圧縮機の圧力比と流量のグラフ、 この発明に従って遣られたガスタービンエンジンの推奨実施例は量が変化する抽 出空気を設けるべく特別に設計され、圧縮機サージに対して保護され、第１区に 示されている。図示実施例は第１の組の軸受１４と第２の組の軸受１６とによっ て細心１２回りに回転可能に支承された軸１０を有するよう見られる０図示実施 例によって。

軸１０は半径方向流入、軸方向流出型の一連の羽根２０が設けられたタービン羽 根車１９のボス１８に連結されている。併し、この発明は同様に多段軸流タービ ンに使用できる。

環状ノズル２２は羽根２０の外周回りに設けられ、環状燃焼機２４と流体連通さ れている。燃焼器２４には所要場所に燃料噴射器２６が設けられ、圧縮空気室２ ８によって三方が囲まれている。

圧縮空気室２８は、軸方向流入で放射方向流出の遠心圧ｍ機３６のためのディフ ューザ３４に接続された脱渦羽根３２によって占められる入口部分３０を有して いる。

圧８ｍ３６は羽根４０と一緒に回転すべく軸１０に固着されたボス３８を有して いる。

ディフューザ３４は圧１１１１３６の出口として作用し、また固定の入口案内羽 根４２は圧ｉｔ！１１！３６の入口として作用する。軸受１６が圧縮機３６の入 口４２と出口３４の間に設けられていて、燃焼器２４からノズル２２を経て燃焼 高温ガスを受ける結果、タービン羽根車付近に於ける温度に関連した比較的冷た い部分に位置されることが注意されるべきである。

すなわち、軸１０はタービン羽根車のボス１８の高温側に支持されていないので 、熱を定常的に受けるような場所に軸受を配置する必要を阻止するように為す。

この様な構成はタービンエンジンの寿命を延ばす。

圧縮機３６の入口４２は室４４に接続され、更に出口にディフューザ５０を有す る回転圧縮機４８から圧縮空気を受けるよう設けられた脱渦羽根４６に流体連通 している。

圧縮ｖ１４８は軸方向流入、半径方向流出の遠心ポンプで、羽根５４に沿った軸 １ｏと一体または軸１０に固着されたボス５２を有している。

圧ｍ機４８は、最初に圧縮Ｉ！４８によって、次いで圧！ｉｉ機４８と直列に接 続された圧縮機３６によって周囲空気を圧縮すべく吸い込むよう出来る入口５６ を有している。

入口５６には一連の入口案内羽根５８が設けられている。この発明に従って、案 内羽根５８は周知の様に概略的に図示される各軸心６０回りに回転すべく取付で きる可変人口案内羽根である。モータや他の型のアクチュエータ６２が開放およ び閉鎖位置、並びに中間位置の間に各軸心６０上の案内羽根５８を回転すべく用 いて、入口５６を開閉すると共に案内羽根５８が中間位置に在る時に入口５６を 部分的に開閉するよう出来る。

また、この発明は室４４から延びるダクト６４を有している。ダクト６４は、第 １段圧ＩＩ機４８から抽出空気を得てこの抽出空気を使用箇所に供給する手段を 設けている。ダクト６４内の流量を検出するよう用いられると共に、アクチュエ ータ６２を作動するよう用いられる制御器６８への検出流量を表す信号を供給す る通常のセンサ６６がダクト６４に連動されている。ダクト６４内の流量が減少 した時に抽出空気の需要の減少を示してアクチュエータ６２が案内羽根５８を閉 鎖位置に向かって動かすような構成を成している。逆に、抽出空気の需要の増大 が検知されると、制御器６８がアクチュエータ６２を介して作動されて案内羽根 ５８を更に開放位置に向かって動かすよう為す。この目的はサージを阻止するこ とに在る。

この発明の基本的に重要なことは、第１段圧縮機４８が高比速度の単段遠心圧縮 機であることである。全く意外なことに、この様な圧縮機の安定な作動範囲が入 口案内羽根の形状の変更によって大きく影響されることを見い出した。高比速度 圧ａ＋ｔａを設けるために、正常作動状態の際に、入口５０における空気流速度 が第１段圧縮機４８の羽根先端に対してマツハ１．０に達するように圧縮Ｉ！４ ８が設計される。

別の見地から、高比速度（Ｎｓ）が次式から１００を越えている。

但し、Ｎは第１段圧縮機の回転数（回転７分）で、ＣＦＳは第１段圧縮機入口容 積流（立方フィート７秒）で、Ｈａｄは断熱水頭（フィート）である。

第１段、第２段圧縮機４８．３６が周知の様に一致する場合に、作動特性が第１ 図および第２図に示される様になる。入口案内羽根が零度、すなわち入口５６が 広く開いている時に、サージ線、すなわち安定および不安定作動状態間の作動特 性を分ける線が作動の無負荷の点の右方に実質的に在ることが注意されよう。こ れは抽出空気の需要が無いためにダクト６４を通って僅かな或は同等抽出空気が 流れない状態を意味している。

併し、この発明は、入口案内羽根５８を零度位置から６０°位置に変更すること によってこの様な状態になる危険を避けている０次いで、サージ線は、無負荷位 置が安定側に在るＢ、７２によって示される新しい位置に初期の！ｉ７０から移 される。従って、抽出空気の需要に従った入口案内羽根５８の形状の変更は第１ 段の圧ｍ機す−ジの恐れの無いエンジンの作動を許している。

第３図は、第２段圧ｍ機３６の作動の無負荷点が不安定な方向に移るが、サージ 線７４の右方の安定作動領域内にまだ残っていることを示している。

入口案内羽根の形状の変更によって簡単にサージ線の安定側にて作動するよう為 す能力のために、タービンは実際の需要に出会うよう必要とされるだけ燃料が供 給されることが必要である。従って、燃料消費はエンジンが負荷される時に減少 される。

従って、この発明に従って造られたエンジンは、過剰な空気の無駄な供給や全負 荷状態近く或は全負荷状態での作動なしにサージ保護を設けるように出来る。

ＦＩＧ、　２ 真量 補正書の翻訳文提比書（特許法第１８４条の７第１項）１０国際出願番号 ＰＣＴ／ＵＳ　　８９１０１５３０ ２、発明の名称 可変抽出空気流を設けるサージ保護ガスタービンエンジン３、特許出願人 名　称　　サンドストランド・コーポレーション丸の内ビルディング４階 ５、補正書の提出年月日 平成　１年　８月２２日 ６、添付書類の目録 補正した請求の範囲 ［元の請求の範囲４および５が補正され、他の請求の範囲は補正されなかった。

］３、圧ａｉｍがタービン羽根車の冷却側に在って、軸が冷却側からタービン羽 根車に延び且つ反対側が支持されていない請求の範囲第２項記載のタービンエン ジン。

４、タービンエンジン作動中の第１段圧縮機入口の空気流れが、高比速度を得る ように第１段圧縮機に対して約マツハ１．０以上に達する速度に成るように第１ 段圧縮機入口が成っている請求の範囲第１項記載のタービンエンジン。

５、軸心回りに回転可能なタービン羽根車、燃焼高温ガスを生じる燃焼器、 ノズルを有し、軸心回りにタービン羽根車を駆動すべく燃焼高温ガスがタービン 羽根車に当たるように燃焼器およびタービン羽根車を連結する装置、タービン羽 根車により駆動されるべくタービン羽根車に連結され、第１段圧ｍ機と第２段圧 縮機とを形成するように直列に接続された入口および出口を各々有する一対の回 転圧縮機、 燃焼器に圧縮空気を供給するよう燃焼器に第２段圧縮機出口を接続する装置、 第１段圧ｍ機出口から抽出空気を得るべく少なくとも第１段圧縮機出口と関連し た装置、 第２段圧縮機出口に圧縮空気を供給するよう燃焼器に第２ＦＩＬＥＥ縮機出口を 接続する装置、第１段圧縮機出口から抽出空気を得るべく少なくとも第１段圧縮 機出口と関連した装置、 開放、閉鎖および中間位置間を選択的に動くことが出来るべく第１段圧縮機入口 のための可変人口案内装置、抽出空気流を得る装置内のセンサ、 抽出空気流が減少する時に閉鎖位置に向かって案内羽−根を動かし、抽出空気流 が増大する時に開放位置に向かって案内羽根を動かすべく該センサに応答する装 置５を備えた、全負荷状君付近の作動なしに抽出空気の可変流れを設けるサージ 保護ガスタービンエンジン。

国際調査報告

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. １．軸心回りに回転可能なタービン羽根車、燃焼高温ガスを生じる燃焼器、 ノズルを有し、軸心回りにタービン羽根車を駆動すべく燃焼高温ガスがタービン 羽根車に当たるように燃焼器およびタービン羽根車を連結する装置、タービン羽 根車により駆動されるべくタービン羽根車に連結され、第１段圧縮機と第２段圧 縮機とを形成するように直列に接続される入口および出口を各々有する一対の回 転圧縮機、 燃焼器に圧縮空気を供給するよう燃焼器に第２段圧縮機出口を接続する装置、 第１段圧縮機出口から抽出空気を得るべく少なくとも第１段圧縮機出口と関連し た装置、 開放、閉鎖および中間位置間を選択的に動くことが出来るべく第１段圧縮機入口 のための可変入口案内装置、を備え、該第１段圧縮機は高比速度単段遠心圧縮機 である、全負荷状態付近の作動なしに抽出空気の可変流れを設けるサージ保護ガ スタービンエンジン。
2. ２．回転圧縮機およびタービン羽根車が軸心上に設けられた単一軸上に在る請求 の範囲第１項記載のタービンエンジン。
3. ３．圧縮機がタービン羽根車の冷却側に在って、軸が冷却側からタービン羽根車 に延び且つ反対側が支持されていない請求の範囲第２項記載のタービンエンジン 。
4. ４．タービン作動中の第１段圧縮機入口の空気流れが第１段圧縮機に対して約マ ッハ１．０以上に達する速度に成るように構成配置された第１段圧縮機入口を有 することによって高比速度が達成される請求の範囲第１項記載のタービンエンジ ン。
5. ５．軸心回りに回転可能なタービン羽根車、燃焼高温ガスを生じる燃焼器、 ノズルを有し、軸心回りにタービン羽根車を駆動すべく燃焼高温ガスがタービン 羽根車に当たるように燃焼器およびタービン羽根車を連結する装置、タービン羽 根車により駆動されるべくタービン羽根車に連結され、第１段圧縮機と第２段圧 縮機とを形成するように直列に接続される入口および出口を端々有する一対の回 転圧縮機、 燃焼器に圧縮空気を供給するよう燃焼器に第２段圧縮機出口を接続する装置、 第１段圧縮機出口かち抽出空気を得るべく少なくとも第１段圧縮機出口と関連し た装置、 開放、閉鎖および中間位置間を選択的に動くことが出来るべく第１段圧縮機入口 のための可変入口案内装置、を備え、該第１段圧縮機は、次式でＮｓが約１００ 以上である高比速度を有する単段遠心圧縮機である、Ｎｓ＝（Ｎ√ＣＦＳ／（Ｈ ａｄ）．７５）（但し、Ｎは第１段圧縮機の回転数（回転／分）で、ＣＦＳは第 １段圧縮機入口容積流（立方／フィート）で、Ｈａｄは断熱水頭（フィート）で ある）、全負荷状態付近の作動なしに抽出空気の可変流れを設けるサージ保護ガ スタービンエンジン。
6. ６．軸心回りに回転可能な半径流、軸流タービン羽根車、燃焼高温ガスを生じる べく軸心回りに設けられた環状燃焼器、 ノズルを有し、軸心回りにターピン羽根車を駆動すべく燃焼高温ガスがタービン 羽根車に当たるように燃焼器およびタービン羽根車を連結する装置、タービン羽 根車により駆動されるべくタービン羽根車に連結され、第１段圧縮機と第２段圧 縮機とを形成するように直列に接続される入口および出口を各々有し、第１段圧 縮機が高比速度の単段遠心圧縮機で、第２段圧縮機がタービン羽根車と背中合わ せに成った一対の半径流、軸流遠心圧縮機、 燃焼器に圧縮空気を供給するよう燃焼器に第２段圧縮機出口を接続する装置、 第１段圧縮機出口から抽出空気を得るべく少なくとも第１段圧縮機出口と関連し た装置、 開放、閉鎖および中間位置間を選択的に動くことが出来るべく第１段圧縮機入口 のための可変入口案内装置、を備え、該第１段圧縮機は高比速度単段遠心圧縮機 であり、 抽出空気流を得る装置内のセンサ、 抽出空気流が減少する時に閉鎖位置に向かって案内羽根を動かし、抽出空気流が 増大する時に開放位置に向かって案内羽根を動かすべく該センサに応答する装置 、を更に備えた、全負荷状態付近の作動なしに抽出空気の可変流れを設けるサー ジ保護ガスタービンエンジン。