JPH0476231A - 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】 Ａ８発明の目的 （１）産業上の利用分野 本発明は、タービンロータを有するタービン軸と、この
タービン軸の外周を取り囲むように配設されて前記ター
ビンロータに燃焼ガスを供給するスクロールと、前記タ
ービン軸の軸線と交差するように配設された円盤状の熱
交換器と、この熱交換器の外径に支配される外径を有す
る概略円筒状の本体ハウジングとを備えたガスタービン
エンジンに関する。

（２）従来の技術 従来、かかるガスタービンエンジンとして、特公昭５Ｂ
−４１７３号公報に記載されたものが公知である。

（３）発明が解決しようとする課題 ところで、上記公報に記載された従来のガスタービンエ
ンジンは、タービン軸の外周を取り囲むスクロールの中
心が本体ハウジングの中心軸線と同心に配設されている
ため、そのスクロールの外周が本体ハウジングの内面に
僅かな隙間を存して対向している。そのために、前記ス
クロールに接続される燃焼器を本体ハウジングの内部に
収納することができず、その燃焼器の大部分が本体ハウ
ジングから突出してエンジン全体の寸法が大型化する不
都合がある。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、本体ハウ
ジングの内部にスクロールを合理的に配設することによ
り、その本体ハウジングの内部に燃焼器等の機器を配置
するための充分なスペースを確保することを目的とする
。

Ｂ６発明の構成 （１）課題を解決するための手段 前記目的を達成するために、本発明は、タービンロータ
を有するタービン軸と、このタービン軸の外周を取り囲
むように配設されて前記タービンロータに燃焼ガスを供
給するスクロールと、前記タービン軸の軸線と交差する
ように配設された円盤状の熱交換器と、この熱交換器の
外径に支配される外径を有する概略円筒状の本体ハウジ
ングとを備えたガスタービンエンジンにおいて、前記ス
クロールの中心を本体ハウジングの中心軸線に対して偏
心させ、そのスクロールと本体ハウジングの内面間に機
器配置スペースを形成したことを第１の特徴とする。

また本発明は、前記第１の特徴に加えて、前記機器が燃
焼ガスを発生する燃焼器であることを第２の特徴とする
。

更に本発明は、前記第１または第２の特徴に加えて、前
記本体ハウジングの外周を二重構造として圧縮空気通路
を形成したことを第３の特徴とする。

（２）作　用 前述の第１の特徴によれば、円盤状の熱交換器とほぼ同
一外径の概略円筒形状に形成された本体ハウジングの内
部に収納されるスクロールが、その中心が前記本体ハウ
ジングの中心軸線に対して偏心するように配設されるた
め、前記スクロールと本体ケーシングの内面間に円弧状
の機器配置スペースが形成される。

また本発明の第２の特徴によれば、スクロールを偏心さ
せて形成した前記機器配置スペースを利用して燃焼器が
配設されるため、その燃焼器の容量を充分に確保し、且
つ燃焼器のレイアウトの自由度を高めることができる。

これにより燃焼器の効率が向上するだけでなく、燃焼器
とスクロールを滑らかに接続して燃焼ガスをスムーズに
流すことができる。

更に本発明の第３の特徴によれば、本体ハウジングの外
周を二重構造として圧縮空気通路を形成しているので、
本体ハウジングの内部に前記圧縮空気通路を設ける必要
がなくなり、その結果、前記機器配置空間を一層有効に
利用することができる。

（３）実施例 以下、図面に基づいて本発明の詳細な説明する。

第１図〜第６図は本発明の第１実施例を示すもので、第
１図はそのガスタービンエンジンの継断面図、第２図は
燃焼器および高圧タービンを示す第１図の■−■線断面
図、第３図および第４図はコレクタハウジングを示す第
１図の■−■線およびＩＶ−ＩＶ線断面図、第５図は熱
交換器を示す第１図の■−Ｖ線断面図、第６図はニゲシ
ーストハウジングを示す第１図のＶＩ−Ｖｌ線断面図で
ある。

第１図に示すように、２軸式のガスタービンエンジンＧ
は、前部本体ハウジング１．と後部本体ハウジング１□
に２分割された有底円筒状の本体ハウジング１と、この
本体ハウジング１の後部開口に接続される環状の熱交換
器ハウジング２止、この熱交換器ハウジング２の後部を
覆うニゲシーストハウジング３とを備える。前記本体ハ
ウジング１の前部にはエアクリーナ４とサイレンサ５を
備えた吸気通路６と、発電機やスタータ等の補機類を収
納する補機ハウジング７が接続され、また前記ニゲシー
ストハウジング３の後部には排気ダクト８が接続される
。

前部本体ハウジングＩＩに形成した中央開口部の前後に
は、前記吸気通路６から吸入した空気を圧縮する遠心式
のコンプレッサ９と、このコンプレッサ９を駆動する遠
心式の高圧タービン１０が配設されるとともに、その後
方には出力を取り出すための軸流式の低圧タービン１１
が配設され、更に本体ハウジング１の上部空間には前記
高圧タービン１０と低圧タービン１１を駆動するための
燃焼ガスを発生させる燃焼器１２が配設される。

また、前記熱交換器ハウジング２に内部には、前記両タ
ービン１０．１１を通過した燃焼ガスの熱エネルギーを
回収して吸入空気を加熱するための回転式の熱交換器１
３が配設され、その中心部には前記低圧タービン１１の
出力を減速して外部に取り出すための減速機１４が配設
される。

前部本体ハウジング１１に設けられたコンプレッサケー
シング１５の中央部には、ポールベアリング１６とロー
ラベアリング１７を介して高圧タービン軸１８が回転自
在に支持され、その高圧タービン軸１８には外周に多数
のブレードを形成したコンプレッサロータ１９が固定さ
れる。そして、前記吸気通路６から吸入された空気は静
翼２０を有するダクト２１を通って前記コンプレッサロ
ータ１９を駆動し、本体ハウジングｌと内壁２２０間に
形成された空気通路２３を通って放射状に前記本体ハウ
ジング１の後方に供給される。また、高圧タービン軸１
８に平ギヤ２４．２５を介して接続された補助出力軸２
６は前記補器ハウジング７の内部に延び、発電機やスタ
ータ等の補機類に接続される。

前記高圧タービン軸１８の後端には外周に多数のブレー
ドを形成した高圧タービンロータ２７が固着され、その
高圧タービンロータ２７は前部本体ハウジング１１に内
面にローラ２８を介して支持したセラミックス製の高圧
タービンシュラウド２９の内部に収納される。高圧ター
ビンシュラウド２９の外側には後述の燃焼器１２から延
びる渦巻き状のスクロール３０が配設され、そのスクロ
ール３０の内周と前記高圧タービンシュラウド２９の外
周との間には多数の可変静翼３１を備えたノズル３２が
設けられる。

本体ハウジング１の後部に接続された熱交換器ハウジン
グ２の前端には後で詳述するコレクタハウジング３３が
支持され、その中央部に設けた軸受部材３４にはボール
ベアリング３５とローラベアリング３６を介して低圧タ
ービン軸３７が支持される。低圧タービン軸３７の先端
には低圧タービンロータ３８が固着され、その外周に形
成した多数のブレードは前記コレクタハウジング３３に
支持したセラミックス製の低圧タービンシュラウド３９
の内面に嵌合する。低圧タービンシュラウド３９と前記
高圧タービンシュラウド２８の間は、後端に可変静翼４
０を有するノズル４１を設けたセラミックス製の中間ダ
クト４２によって接続される。そして、前記中間ダクト
４２の前端に支持した環状のブラケットと前記高圧ター
ビンシュラウド２８の間には複数のコイルバネ４３が縮
設される。

而して、上述の高圧タービン軸１８と低圧タービン軸３
７は、それらの軸線り、が一致するように同心に配設さ
れ、しかも前記軸線Ｌ＋は後述の出力軸７８が配設され
る本体ハウジング１の中心軸線Ｌ０に対してδだけ下方
に偏心している。

第２図を併せて参照すると明らかなように、本体ハウジ
ング１の上部空間には、前記内壁２２にリベット４４を
介して支持した燃焼器１２が配設される。燃焼器１２は
円筒状の燃焼器ハウジング４５を備え、その内部には隔
壁４６によって前室４７と主燃焼室４８が画成される。

前室４７の内部に支持した内筒４９の中心には点火プラ
グ５０が設けられ、その外周には燃料パイプ５１から供
給された燃料を主燃焼室４８内に噴射する複数本の燃料
ノズル５２が配設される。そして、前記燃焼器ハウジン
グ４５には前室４７と主燃焼室４８の内外を連通ずる多
数のルーパー４５＋、４５ｚが開口するとともに、前記
隔壁４６には前記前室４７と主燃焼室４８を相互に連通
ずる多数のノズル孔４６．が開口する。前記主燃焼室４
日は約９０°にわたって下方に屈曲する希釈領域５３を
介して前記スクロール３０の始端に接続する。その際、
前記スクロール３０の中心、すなわち高圧タービン軸１
８と低圧タービン軸３７の軸線り、を本体ハウジング１
の中心に対して下方にδだけ偏心させたことにより、そ
の本体ハウジングｌの上部に燃焼器１２および希釈領域
５３を収納する充分な空間が確保される。

第１図、第３図および第４図に示すように、前記コレク
タハウジング３３の上半部には熱交換器１３によって加
熱された空気を本体ハウジングｌの内部に導くための約
１８０＠にわたる円弧状の開口３３１が形成され、その
開口３３．の周囲には熱交換器１３の側面に摺接するシ
ール部材５４が支持される。一方、コレクタハウジング
３３の下半部には、低圧タービンシュラウド３９に形成
した環状の燃焼ガス通路３９１を通過した排気ガスが集
合する排気ガス通路３３□が形成され、その排気ガス通
路３３□の出口端部の周囲には熱交換器１３の側面に摺
接するシール部材５５が支持される。そして、前記排気
ガス通路３３□を囲むコレクタハウジング３３の下半部
と前記燃焼器１２は、相互に干渉しないように本体ハウ
ジングｌの下部空間と上部空間に各々配設される。

熱交換器ハウジング３２の内周には前記本体ハウジング
１の内壁２２の後端に対向する環状の支持リング５６が
配設される。支持リング５６の外周に６０°間隔で突設
した６個のブラケット５６、にはピン５７が前方に向け
て植設され、このピン５７に前記コレクタハウジング３
３の外周に半径方向に形成した６個の長孔３３３が係合
する。

そして、前記支持リング５６の内周には熱交換器１３の
外周に摺接するシール部材５８が支持されるとともに、
コレクタハウジング３３の外周と前記本体ハウジング１
の内壁２２の後端間にはダイヤフラムシール５９が装着
される。

第１図および第５図から明らかなように、セラミックス
製の熱交換器１３は中央部に円形の開口１３、を有する
円盤状に形成され、吸入空気あるいは排気ガスが通過す
るコア面が前記本体ハウジング１の軸線Ｌ０に直交する
ように熱交換器ハウジング２の内部に収納される。熱交
換器１３の外周には３６０°にわたってリングギヤ６０
が装着され、そのリングギヤ６０の前部に形成された平
坦な支持面６０．が熱交換器ハウジング２の内周に設け
た３個のガイドローラ６１，６２．６３により回転自在
に支持される。第１のガイドローラ６１は熱交換器ハウ
ジング２に設けた回転軸６４に単純に支持されるが、第
２のガイドローラ６２は熱交換器ハウジング２に揺動自
在に枢支されてスプリング６５で付勢された断面コ字状
のブラケット６６に回転軸６７を介して支持される。こ
れにより、前記ガイドローラ６２は熱交換器１３のガタ
を防止すべく前記スプリング６５の弾発力で熱交換器１
３外周の支持面６０１に圧接される。

また、第３のガイドローラ６３を支持する回転軸６８に
は前記リングギヤ６０に噛合するピニオン６９が固着さ
れ、その回転軸６８を熱交換器駆動モータ７０で回転さ
せることにより熱交換器１３が回転駆動される。

熱交換器１３の中央部を貫通する前記間口１３１の内部
に収納される減速Ｉ！１４は略円筒状の減速機ボックス
７１を備え、その内部にポールヘアリング７２で片持ち
支持された中間軸７３に設けた大径の平ギヤ７４は、前
記低圧タービン軸３７に設けた小径の平ギヤ７５に噛合
する。また、本体ハウジング１の中心軸ｍｒ、、に沿っ
てポールベアリング７６とローラベアリング７７で支持
された出力軸７８は、太陽ギヤ７９、遊星ギヤ８０、お
よび内歯ギヤ８１よりなる遊星減速機構により前記中間
軸７３に接続される。

第６図から明らかなように、熱交換器ハウジング２の後
部に接続されるニゲシーストハウジング３の下部には、
熱交換器１３を通過した排気ガスを排気ダクト８に導く
開口３１が約１８０°にわたる円弧状に形成され、その
周囲には熱交換器１３の側面に摺接するシール部材８２
が装着される。

そして、本体ハウジング１の下部と内壁２２間に形成さ
れた空気通路２３の下半部を通ってニゲソーストハウジ
ング３の下部に流入した空気は、前記開口３１の外周に
形成された空気通路８３を介してニゲシーストハウジン
グ３の上部空間に達し、また、前記空気通路２３の上半
部から流入した空気は直接ニゲシーストハウジング２３
の上部空間に供給される。このようにしてニゲシースト
ハウジング３の上部空間に達した空気は３枚の隔壁３２
に形成した開口３３を介して集合した後、熱交換器１３
に向けて供給される。

次に、前述の構成を備えた本発明の実施例の作用につい
て説明する。

エアクリーナ４およびサイレンサ５を通過して吸気通路
６に流入した空気は、コンプレッサケーシング１５に形
成した環状のダクト２１を通過する際にコンプレッサロ
ータ１９により高圧に圧縮され、本体ハウジング１と内
壁２２の間に形成された放射状の空気通路２３を介して
後方に送られる。前記空気通路２３からエグゾーストハ
ウジング３の内部に達した高圧空気は、そのニゲシース
トハウジング３の上部空間に集合した後、前方に向きを
変えて回転式の熱交換器１３のコア面の上半部を後ろか
ら前に通過する。このように熱交換器１３を通過して更
に高温に加熱された空気は、コレクタハウジング３３の
上部に形成した開口３３１を通って本体ハウジング１の
内部空間に流入する。

本体ハウジング１の内部空間に供給された空気の一部は
、燃焼器１２の燃焼器ハウジング４５に形成した多数の
ルーパー４５．から前室４７に流入し、そこから隔壁４
６に形成したノズル孔４６、を通過することにより渦流
となって主燃焼室４８に供給される。このとき、内筒４
９の内部に配設された多数の燃料ノズル５２から噴射さ
れた燃料は前記渦流によって霧化し、主燃焼室４８の外
周に形成された多数のルーパー４５２から供給される空
気と混合して燃焼する。主燃焼室４８において発生した
燃焼ガスは希釈領域５３を介して環状のスクロール３０
に供給され、そこから多数のノズル３２を介して高圧タ
ービンロータ２７に吹き付けられる。その際、スクロー
ル３０を本体ハウジングｌの下部に偏心させて配置した
ことにより、燃焼器１２、希釈領域５３、およびスクロ
ール３０を全体として滑らかな渦巻き状に形成すること
ができるので、燃焼ガスの流れがスムーズなものとなる
。しかも、燃焼器１２と希釈領域５３の容量が充分に確
保されるため、燃焼器１２の圧力損失が減少して性能の
向上が図れるだけでなく、燃焼ガスが充分に希釈されて
タービン入口温度が均一化されるため、ＣＯやＨＣの未
燃ガスの反応が促進されて排気ガス対策上も有利となる
。このとき、もしもスクロール３０の中心を本体ハウジ
ング１に対して偏心させない場合には、同一形状の燃焼
器１２、希釈領域５３、およびスクロール３０を収納可
能な本体ハウジング１の外径は、第２図に鎖線で示すよ
うにかなり大型化する必要がある。

上述のようにして高圧タービンロータ２７が回転すると
、高圧タービン軸１８に設けた前記コンブレッサロータ
エ９が駆動されるとともに、その動力の一部は補助出力
軸２６を介して補器類の駆動に使用される。なお、前記
補助出力軸２６は、始動の際に高圧タービン軸１８を外
部がらスタータで回転させる際に入力軸として使用され
る。また、高温の燃焼ガスの熱によりセラミックス製の
高圧タービンシュラウド２９が半径方向に熱膨張すると
、その熱膨張は前部本体ハウジング１．との間に介装さ
れたローラ２８の回転により吸収される。

高圧タービンロータ２７を通過した燃焼ガスは、中間ダ
クト４２の後端に設けたノズル４１を通過して低圧ター
ビンロータ３８に吹き付けられ、低圧タービン軸３７を
回転駆動する。低圧タービン軸３７の回転は減速用の平
ギヤ７４．７５を介して中間軸７３に伝達され、更に太
陽ギヤ７９、遊星ギヤ８０、内歯ギヤ８１よりなる遊星
減速機構を介して出力軸７８に伝達される。そして、セ
ラミックス製の高圧タービンシュラウド２９、中間ダク
ト４２、低圧タービンシュラウド３９の熱膨張による軸
方向の変位は、前記高圧タービンシュラウド２９と中間
ダクト４２間に縮設したコイルバネ４３の弾発力により
吸収される。

低圧タービンロータ３８を駆動した排気ガスは、コレク
タハウジング３３の下部に形成した排気ガス通路３３．
によって集められた後、回転式の熱交換器１３のコア面
の下半部を前から後ろに通過して該熱交換器１３を加熱
し、排気ダクト８に排出される。このようにして排気ガ
スで加熱された熱交換器１３は、熱交換器駆動モータ７
０によりピニオン６９およびリングギヤ６０を介して回
転駆動され、前記加熱されたコア面が順次吸入空気の通
路に対向する。その際、熱交換器１３０前後両面および
外周面はシール部材５４，５５，８２゜および５８によ
りシールされる。

上述のようにしてガスタービンエンジンＧが運転される
とき、その本体ハウジング１の内部は熱交換器１３を通
過した空気や燃焼器１２が発生した燃焼ガスが通過する
ことにより高温状態に保たれる。その際、前記熱が本体
ハウジング１の壁面を介して低温の外気に過度に放熱さ
れると、ガスタービンエンジンＧの燃費や出力等の性能
が損なわれる戊れがある。しかるに、本体ハウジングＩ
の外周に内壁２２によって形成された空気通路２３には
、コンプレッサ９により圧縮されて前記本体ハウジング
１の内部温度と外気温度の中間温度に加熱された空気が
通過するため、その空気層によって本体ハウジング１か
らの放熱を抑制することが可能となる。

第７図は本発明の第２実施例を示すもので、この実施例
において前記第１図に対応する部材には同一の符号が付
しである。

このガスタービンエンジンＧは、先の実施例と同様に高
圧タービン軸１８および低圧タービン軸３７の軸線り９
、すなわちスクロール３０の中心が本体ハウジング１の
中心軸線Ｌ０に対して下方に偏心しているが、そのスク
ロール３０の始端に接続される希釈領域５３と燃焼器１
２が本体ハウジング１の上部に形成した膨出部８４の内
部に延出している点で異なっている。

而して、この実施例によれば、本体ハウジング１の上部
に斜線で示すスペースが確保されるので、このスペース
を利用して、例えば高圧タービン１０や低圧タービン１
１の可変静翼３１，４０の駆動機構等を収納することが
できる。

第８図は本発明の第３実施例を示すもので、この実施例
において前記第１図に対応する部材には同一の符号が付
しである。

この実施例は、コンプレッサロータ１９と高圧タービン
ロータ２７を支持する高圧タービン軸１８が中空に形成
され、その高圧タービン軸１８の内部に低圧タービンロ
ータ３８を支持する低圧タービン軸３７が同心に支持さ
れる。そして、本体ハウジング１の前部に設けられた減
速機１４の内部に延出する低圧タービン軸３７の回転は
、一対の平ギヤ７４．７５を介して本体ハウジング１の
中心軸線Ｌ０と同心に配設された中間軸７３に伝達され
、更に太陽ギヤ７９、遊星ギヤ８０、内歯ギヤ８１より
なる遊里減速機構を介して出力軸７８に伝達される。

而して、この実施例によっても前記第１実施例と同じ作
用効果を得ることができ、しかも、その出力軸７８を熱
交換器１３と逆方向に取り出すことができるため、その
熱交換器１３のコア面の面積が充分に確保されて熱交換
効率の向上が可能となる。

以上、本発明の実施例を詳述したが、本発明は、前記実
施例に限定されるものでなく、特許請求の範囲に記載さ
れた本発明を逸脱することなく、種々の小設計変更を行
うことが可能である。

例えば、本発明は２軸式のガスタービンエンジンに限定
されず、周知の１軸式あるいは３軸式ガスタービンエン
ジンにも適用可能である。また、実施例の熱交換器は回
転式であるが、その熱交換器を固定式とすることができ
る。

Ｃ０発明の効果 以上のように本発明の第１の特徴によれば、本体ハウジ
ングをコンパクトな円筒形状に形成して円盤状の熱交換
器を隙間無く収納しても、その本体ハウジングの内部に
収納されるスクロールを偏心させたことにより、スクロ
ールと本体ケーシングの内面間に充分な容量の機器配置
スペースを確保することができるので、エンジン全体の
寸法を小型化することが可能となる。

また本発明の第２の特徴によれば、スクロールを偏心さ
せて形成した前記機器配置スペースを利用して燃焼器が
配設されるため、その燃焼器の容量を充分に確保し、且
つ燃焼器のレイアウトの自由度を高めることができる。

これにより燃焼器の効率が向上するだけでなく、燃焼器
とスクロールを滑らかに接続して燃焼ガスをスムーズに
流すことができる。

更に本発明の第３の特徴によれば、本体ハウジングの外
周を二重構造として圧縮空気通路を形成しているので、
本体ハウジングの内部に前記圧縮空気通路を設ける必要
がなくなり、その結果、前記機器配置空間を一層有効に
利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第６図は本発明の第１実施例を示すもので、第
１図はそのガスタービンエンジンの縦断面図、第２図は
燃焼器および高圧タービンを示す第１図の■−■線断面
図、第３図および第４図はコレクタハウジングを示す第
１図の■−■線およびＩＶ−ＩＶ線断面図、第５図は熱
交換器を示す第１図のＶ−Ｖ線断面図、第６図はニゲシ
ーストハウジングを示す第１図のＶＩ−ＶＩ線断面図、
第７図は本発明の第２実施例を示す前記第２図に対応す
る断面図、第一８図は本発明の第３実施例によるガスタ
ービンエンジンの縦断面図である。 １・・・本体ハウジング、１２・・・燃焼器、１３・・
・熱交換器、１８・・・高圧タービン軸（タービン軸）
、２３・・・空気通路、２７・・・高圧タービンロータ
（タービンロータ）、３０・・・スクロール、３７・・
・低圧タービン軸（タービン軸）、３８・・・低圧ター
ビンロータ（タービンロータ）、 Ｌｏ・・・軸線、Ｌ１川軸線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）タービンロータ（２７，３８）を有するタービン
   軸（１８，３７）と、このタービン軸（１８，３７）の
   外周を取り囲むように配設されて前記タービンロータ（
   ２７，３８）に燃焼ガスを供給するスクロール（３０）
   と、前記タービン軸（１８，３７）の軸線（Ｌ＿１）と
   交差するように配設された円盤状の熱交換器（１３）と
   、この熱交換器（１３）の外径に支配される外径を有す
   る概略円筒状の本体ハウジング（１）とを備えたガスタ
   ービンエンジンにおいて、 前記スクロール（３０）の中心を本体ハウジング（１）
   の中心軸線（Ｌ＿０）に対して偏心させ、そのスクロー
   ル（３０）と本体ハウジング（１）の内面間に機器配置
   スペースを形成したことを特徴とする、ガスタービンエ
   ンジン。
2. （２）前記機器が燃焼ガスを発生する燃焼器（１２）で
   あることを特徴とする、請求項１記載のガスタービンエ
   ンジン。
3. （３）前記本体ハウジング（１）の外周を二重構造とし
   て圧縮空気通路（２３）を形成したことを特徴とする、
   請求項（１）または（２）記載のガスタービンエンジン
   。