JPH03500797A - 高圧中間冷却タービンエンジン - 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】 炙圧土１冷却タービンエンジン 免叶ｉ豆Ｉ この発明はタービンエンジン、特に圧縮段階間を中間冷却する高圧作動する複合 タービンエンジンに関するものである。

及用−のゴＬ屡 １９４０年初頭のプレイトンサイクルガスタービンエンジンの導入以来、熱効率 と燃料の経済性を改善するように構造と作動サイクルの十分な開発が行われてき た。

併し乍ら、比較的高サイクル圧力、特に比較的小さなエンジン（１０００または それ以下の出力比を有する）を得るよう主要な制限は無力である。

小形遠心圧縮機の今日の利用は、中間冷却機によって二倍にスプールされる時に 非常に高い全体圧力を供給するよう能力が示威される。従って、この発明は、熱 効率を改善するようにプレイトンサイクルガスタービンエンジンの高圧力比を得 るべくこの様な圧縮機を用いるようめることにある。

タービン段間の中間冷却の利点を得るよう幾つかの試みが従来性われた。ロール スロイス社は２つの中間冷却機と３つの個別の軸とを有するガスタービンを製作 した。

このエンジンは冷却水の容易な有効性が中間冷却を簡略にする海洋の利用に使用 された。

フォードモーター社は幾分同様なサイクルを持った７０４／７０５として知られ たガスタービンエンジンを開発した。このエンジンは中間冷却機が空冷であるの で、大きな損失と減少した中間冷却効率を責ず。これら両者の開発は技術の流れ 状態のために複雑に成り過ぎた。

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る。

１乳み１力 この発明の主な目的は新規で改良されたタービンエンジンを提供することにある 。特に、この発明の目的は良好な熱効率を達成するように非常に高圧力比で作動 できる多段ガスタービンを提供することにある。

この発明の推奨実施例は少なくとも３つの個別に回転可能なスプールを有する複 合ガスタービンエンジンによって上述の目的を達成している。第１のスプールは 低圧圧縮機と低圧タービンとを有している。第２のスプールは中間圧力圧縮機と 中間圧力タービンを有している。更に、第３のスプールは高圧圧縮機と高圧ター ビンを有している。少なくとも２つの中間冷却機が設けられ、圧縮空気ダクトが 低圧および高圧圧１１機間の中間冷却機の１つを接続すると共に、中間および高 圧冷却機間の他の中間冷却機を更に接続する。

ガスの燃焼を行うよう燃料を燃焼する少なくとも１つの燃焼器が設けられ、該燃 焼器は高圧圧縮機と高圧タービンの間に接続される。燃焼器は高圧圧縮機から圧 縮空気を受けて、燃焼生成ガスを高圧タービンに供給する。

燃焼ガス用ダクトは高圧および中間タービンを接続し、更に中間および低圧ター ビンを接続する。動力取出装置がエンジンのために設けられる。

約０．７５Ｌかの重量の理由のために中間冷却機の有効性°が必然的に制限され る航空機用の利用の設計において、高い熱効率を達成するよう４０以上の全体圧 縮機圧力比が達成できることが考慮される。

この発明の推奨実施例に従えば、各低圧、中間および高圧圧縮機は遠心圧縮機で ある。

推奨実施例において、低圧スプールは１つの軸を有し、各中間冷却機は冷却空気 入口と冷却空気出口とを有している。選択的に、液体冷却装置が空気の代わりに 使用できる。動力取出しは低圧タービンから燃焼ガスを受けるように接続された 別個の出力タービンの型である。再加熱器は、低圧タービンから出力タービンに 流れる燃焼ガスを加熱するように選択的に接続でき、ファンは低圧タービンによ って駆動される第１スプールの軸に取付けられる。冷却空気用ダクトはファンと 中間冷却機の冷却空気入口とを接続する。

この発明の１つの実施例において、スプールははダ同一平面内に平行な関係に横 に並んで間隔を置いて設けられる。空気入口は圧縮機側に低圧スプールと整列し て設けられ、ファンはこの様な入口に設けられる。圧縮空気ダクトは圧縮機側の スプールに大体横方向に延び、冷却空気ダクトは２つの中間冷却機を形成するよ う長手方向に沿って圧縮空気ダクトと熱交換関係に有る。

この発明の別の実施例にては、スプールは平行な関係に三角形に横に並んで間隔 を置いて設けられ、前の様に入口゛に配置されたファンと一緒に空気入口を設け ている。

冷却空気用ダクトは、中間冷却機の各々の冷却空気入口に終わっている少なくと も２つのはゾ放射方向に設けられたダクトから成っている。

この発明の更に別の推奨実施例においては、出力タービンの低圧および中間圧力 スプールは同軸である。

この実施例に従えば、高圧スプールは低圧および中間圧力スプールの一方の側に 且つ後方に設けられる。中間スプール高圧スプールの前方に且つ軸方向に整列し て、更に低圧および中間圧力スプールの一方の側に配置される。

この発明は、この実施例において、出力タービンの低圧および中間タービンが軸 流タービンであることを意図している。

この発明の他の目的と特長は添付図面に関連した以下の詳細な説明から明らかに なろう。

欧ｌ叫蒸員ス１１ 第１図は互いに関連したこの発明の全実施例の種々な部材の機能を示す概要図、 第２図はこの発明に従って遣られたガスタービンエンジンの一実施例の断面図、 第３図は第２図の実施例の前面図、 第４図は明示のために一部を断面した第２図の実施例の側面図、 第５図はこの発明の別の実施例の断面図、第６図は第５図の実施例の前面図、 第７図はこの発明の推奨実施例の断面図、第８図は第７図の実施例の後面図、 である。

推Ｊ（実Ｕ！！ｉ！Ｌ！Ｌｌｉ５Ｊ この発明に従って造られた複合ガスタービンエンジンの概要図が第１図に示され ている。

この発明は４つの個別に回転可能なスプール１０．１２．１４．１６を有する。

スプール１０は低圧スプールで、遠心圧縮機１８とタービン車２０を有している 。また、スプール１０はエンジン用に入口２４内に延びる軸２２を有する。入口 ２４内にて、ファン２６が軸２２に取付けられている。冷却空気用ダクト２８は 、ファン２６の丁度下流側で遠心圧縮機１８の上流側の処にて入口２４から第１ および第２中間冷却機３０．３２に延びている。

スプール１２は中間圧力スプールで、遠心圧縮機３４と中間タービン３６を有し ている。中間冷却機３０を貫通する通路を有するダクト３８は遠心圧縮機１８の 出口と遠心圧縮機３４の入口を接続している。

スプール１４は高圧スプールで、遠心圧縮機４０とタービン４２を有している。

ダクト４４は、中間冷却機３２を貫通する通路を介して遠心圧縮機３４と遠心圧 縮機４０を接続する。

入口２４から吸い込まれた空気は、入口２４から吸い込まれて最初に低圧圧縮機 １８によって圧縮された後に、また再び中間圧力圧縮機３４によって更に圧縮さ れた後に、燃焼空気の中間冷却を設けるように中間冷却ｆｉ３０．３２内にて用 いられることが従って理解できる。成る場合には、適宜な手段によって駆動され る別のファンまたはポンプを用いて中間冷却機３０．３２に空気や液体冷却材を 夫々供給できる。

高圧圧縮機４０の出口は通常の燃焼器４６に接続される。燃焼器４６は高圧圧縮 ｆｉ４０から圧縮空気を受けると共に図示しない燃料源から燃料を受けて、これ ら燃料および空気を燃焼して燃焼ガスをタービン４２に供給するので、タービン ４２は回転して高圧圧縮機４０を駆動する６ タービン４２を駆動する燃焼ガスはダクト４８を介してタービン３６の入口に運 ばれて、タービン３６を駆動すると共に中間圧力圧縮機３４を駆動する。

別のダクト５０はタービン３６からの燃焼ガスを低圧タービン２ｏに導いて低圧 タービン２０を駆動する。これは更に低圧圧縮機１８とファン２６とを回転する 。

第４のスプール１６は、適宜な歯車５４を介して出力軸５６に接続される出力タ ービン５２を有する。再熱燃焼器６０を含むダクト５８は低圧タービン２０と出 力タービ゛ン５２を接続する。再熱燃焼器６ｏは所要するように使用したり或は しなかったり出来、再熱燃焼器６０を選択的に使用すべく与えられた利用が許さ れる場合に、出力タービン５２は符号６２で概略的に示される可変出力タービン ノズルが設けられる。

所要の段の遠心圧縮機の３段の使用が６４の理論的全体圧縮機圧力比を容易に設 けるよう出来ることが明らかであろう。言い換えれば、各段は４の個別圧縮機圧 力比を有している。実際に、４０以上の全体圧力比を達成できる。

個別出力タービンの使用が絶対的に必要ではないが、特に任意な再加熱が考えら れる時には一般的に好適である。

中間冷却機は温度を低減することによって空気の密度を増大するので、所要され る様に比較的高い圧力比を達成できる。

特別な実施例に対するこの発明の要部の利用がいま説明されよう、これに関連し て、第１図の説明に用いられたと同一の符号が図面に適用できる場合に使用され 、特別な実施例の構造に対する材料以外には、これら部材は重複して説明されな い。

いま、第２〜４図とこれら図面に示される実施例を説明するに、各スプール１０ ．１２、】４．１６が関連した軸１００．１０２．１０４．１０６に個々に回転 可能なことが理解されよう。更に、この実施例の各タービン２０．３６．４２． ５２が遠心タービンであることが理解されよう。

燃焼器４６はスプール１４の軸心回りに配置された環状の燃焼器である。出力取 出軸５６は、もし必要ならば軸心１０２と同軸にできる出力タービン５２の回転 軸心１０６から配置される。第３図から、スプールが横に並んだ関係にはゾ同− 面内にある様に平行であることが見られよう。

理解される様に、渦形室１０８が低圧圧縮機１８を取囲んでいる。渦形室１０８ は１１０において室１１２の内部に開口していて入口１１４によって中間圧力圧 縮機３４と流体連通している。仕切り１１６（第３図）は室１１２を２つの区分 に仕切って、中間段圧縮機３４を取囲む渦形室１１８が開口１２０を介して最下 区分に吐出できると共に入口１２２によって高圧圧ｗｉ機４０と流体連通するよ うに出来る。

室１１２は従って圧縮空気のダクトを形成し、このダクトはエンジンの前部を横 切・って種々の回転軸心に対して横切るように延びる。室１１２は互いに熱交換 関係に室を２つの別個の流通路に分けるための適宜な装Ｗ　１２４が室１１２内 にある。勿論、これは中間冷却機３０．３２を区画するもので、正確な内部形状 に就いては当業者に周知である。

いずれの場合にも、仕切り１２４は中間冷却機３０．３２を区画するのに加えて 、ファン２６の下流側で且つ低圧圧縮ｆｉ　ｔ　８の上流側の入口２４に開口す る冷却空気用ダクト１２６を区画している。冷却空気の出口は１２８で示される ６ ダクト１３０は高圧タービン４２の吐出側から中間圧力スプール１２のタービン ３６を取囲むノズル１３２に延びている。別のダクト１３４が中間圧力タービン ３６の出口側から低圧タービン２０を取囲むノズル１３６に延びている。ダクト ５８は次いで出力タービン１６と関連した可変ノズル１４０に延びている。第２ 〜４図の実施例は包括的に単体形のスプールの使用を許して同軸に関連した機械 的複雑さを避ける利点が有る。この実施例は、エンジン容量が地上電源や海洋利 用の様に特別に関連していない利用に理論的に適している。

この発明の別の実施例が第５．６図に示されている。

この発明のこの実施例は第２〜４図の実施例に示されるものと非常に似ているが 、前面の面積が減少された別の利点を持っている。これは一層複雑なダクトには 不利である。

この実施例において、スプール１０．１２．１４．１６は軸２００．２０２．２ ０４．２０６上にて夫々回転する。第２〜４図の実施例における様に、入口２４ は低圧スプール１０の回転軸心、こ５では軸心２００と大体同軸である。

この実施例にて、中間冷却機３０．３２は、ダクト３８．４４の作用を助けるダ クト２１２を介して受ける圧縮空気のための入口２０８と出口とを有している。

更に、中間冷却機３０．３２は請求心方向に開口して入口２４から放射方向に延 びてファン２６と低圧スプール１０の中間の位置にて開口したダクトによって接 続された冷却空気入口２１４を有する。冷却空気出口（図示しない）は普通に設 けられる。

推奨実施例が第７図および第８図に示されている。上述した２つの実施例のいず れよりも機械的に幾分複雑であるが、実質的に減少された前面面積の利点を意図 すると共に、比較的簡単なダクトが得られる。この実施例において、スプール１ ０．１２．１６は単一の軸心３００周りに回転可能である。スプール１６はスプ ール１０．１２の後方に配置され、スプール１０．１２は同心に成った軸３０２ ．３０４を有している。軸３０２はファン２６を駆動し、従って軸２２に対応し ている。言い換えると、軸３０２は低圧スプール１０と関連している。軸３０４ は軸３０２を受ける中空の軸で、中間圧力スプール１２に関連している。

この実施例にて、低圧タービン２０、中間圧力タービン３６、出力タービン５２ は総て軸流タービンである。

圧縮機１８．３４．４０は総て遠心圧縮機であり、高圧タービン４２は心タービ ンである。

この実施例に従って、高圧スプール１４はスプール１０．１２．１６の一方の側 に、且つスプール１０．１２の後方に配置される。中間冷却機３０．３２は高圧 スプール１４と、すなわち、もし中間冷却ｔｌｉ３０．３２を貫通して突出して 延びるならば、回転軸心３０６とはゾ整列される。従って、中間冷却８！３０． ３２は前後にスプール１０．１２と名目的に整列されて、高圧スプール１４にお ける様に軸心３００と同一側に配置される。

中間冷却［３０，３２は第８図に示される様に軸心３０６の両側に開口する出口 ３０８を有し、ダクト２８のために作用するダクト３１０はファン３６と低圧圧 縮機１８の間の入口２４の処から中間冷却機３０．３２の入口（図示しない）に 延びるように出来る。

以上から、この発明に従って造られたプレイトンサイクルガスタービンが高圧力 比で作動でき、且つ設置される利用に基いて種々な具合に構成できることが理解 されよう。従って、ディーゼルエンジンにて得られる熱効率を達成できるプレイ トンサイクルガスタービンが提供される。

ＦＩＧ、　２　ＦＩＧ、　３ ｌ 国際調査報告 ｋｎｎｎｗｎ＋ｌ＾醪ト・””＋１６ＰＣＴｉＳｉ’１９１０１２２７

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. １．低圧圧縮機と低圧タービンを有する第１のスプールと、中間圧力圧縮機と中 間圧力タービンを有する第２のスプールと、高圧圧縮機と高圧タービンを有する 第３のスプールとから成る少なくとも３つの個別に回転可能なスプール、 少なくとも２つの中間冷却機、 低圧圧縮機と中間圧縮機の間の中間冷却機の１つに接続されると共に、中間圧力 圧縮機と高圧圧縮機の間の他方の中間冷却機に接続される圧縮空気ダクト、燃焼 ガスを生成するよう燃料を燃焼すると共に、高圧圧縮機と高圧タービンの間に接 続されて高圧圧縮機から圧縮空気を受けて燃料を燃焼して燃焼生成ガスを高圧タ ービンに供給する少なくとも１つの燃焼器、高圧タービンと中間圧力タービンを 接続すると共に、中間圧力タービンと低圧タービンを接続する燃焼ガス用ダクト 、 エンジンからの出力取出装置、 を備えた複合ガスタービンエンジン。
2. ２．低圧、中間圧力および高圧圧縮機が総て遠心圧縮機である請求項１記載の複 合ガスタービンエンジン。
3. ３．１つの軸と低圧圧縮機と低圧タービンを有する第１のスプールと、中間圧力 圧縮機と中間圧力タービンを有する第２のスプールと、高圧圧縮機と高圧タービ ンを有する第３のスプールとから成る少なくとも３つの個別に回転可能なスプー ル、 冷却空気入口と冷却空気出口を夫々有する少なくとも２つの中間冷却機、 低圧圧縮機と中間圧縮機の間の中間冷却機の１つに接続されると共に、中間圧力 圧縮機と高圧圧縮機の間の他方の中間冷却機に接続される圧縮空気ダクト、燃焼 ガスを生成するよう燃料を燃焼すると共に、高圧圧縮機と高圧外一ビンの間に接 続されて高圧圧縮機から圧縮空気を受けて燃料を燃焼して燃焼生成ガスを高圧タ ービンに供給する少なくとも１つの燃焼器、高圧タービンと中間圧力タービンを 接続すると共に、中間圧力タービンと低圧タービンを接続する燃焼ガス用ダクト 、 出力タービン、 低圧タービンと出力タービンを接続する別の燃焼ガス用ダクト、 該別のダクトと関連し、燃焼ガスに熱を加えるよう作動できる装置、 低圧タービンにより駆動されるべく第１のスプールの軸に取付けられたファン、 ファンと中間冷却機の冷却空気入口を接続する冷却空気用ダクト、 を備えた複合ガスタービンエンジン。
4. ４．スプールがほゞ同一面内に横に並んで間隔を置いて平行な関係に配置され、 圧縮機側に低圧スプールと整列したエンジンのための空気入口を形成する手段を 備え、 該ファンはエンジン空気入口に配置され、該圧縮空気用ダクトは圧縮機側のスプ ールに対して大体横切るように延び、 該冷却空気用ダクトは中間冷却機を形成するように長手方向に沿って圧縮空気用 ダクトと熱交換関係に成っている、請求項３記載の複合ガスタービンエンジン。
5. ５．スプールが間隔を置いて横に並んで三角形状に平行な関係に配置され、 圧縮機がわの低圧スプールと整列したエンジンのための空気入口を形成する手段 を備え、 該ファンは入口に配置され、 該冷却空気用ダクトは中間冷却機の各々の冷却空気用入口に終わる少なくとも２ つのほゞ放射方向に配置されたダクトから成っている、請求項３記載の複合ガス タービンエンジン。
6. ６．低圧および中間圧力スプールと出力タービンが同軸である請求項３記載の複 合ガスタービンエンジン。
7. ７．低圧および中間圧力スプールと出力タービンが同軸で、高圧スプールが低圧 および中間圧力スプールの一方の側の後方に配置された請求項３記載の複合ガス タービンエンジン。
8. ８．低圧および中間圧力スプールと出力タービンが同軸で、高圧スプールが低圧 および中間圧力スプールの一方の側の後方に配置され、低圧および中間圧力圧縮 機が遠心圧縮機で、低圧および中間圧力タービンと出力タービンが軸流タービン である請求項３記載の複合ガスタービンエンジン。
9. ９．低圧および中間圧力スプールと出力タービンが同軸で、高圧スプールが低圧 および中間圧力スプールの一方の側の後方に配置され、中間冷却機が高圧スプー ルの前方にほゞ軸方向に整列して低圧および中間圧力スプールの一方の側に配置 された、請求項３記載の複合ガスタービンエンジン。
10. １０．低圧および中間圧力スプールの前方に、ほゞ同軸の中間圧力圧縮機と流体 連通してエンジン用の空気入口を形成する手段を備え、該ファンは空気入口に配 置され、該冷却空気用ダクトは該入口と中間冷却機とを接続すると共に該ファン と低圧圧縮機の間の該入口に開口した、請求項９記載の複合ガスタービンエンジ ン。