JPH0586899A - 双スプールガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 低い動力範囲で高効率のガスタービンエンジ
ンを提供する。 【構成】 本質的にもっぱら高圧スプールから外部動力
取出しを行う低コスト低燃料消費双スプールタービンエ
ンジンは、高圧スプールに半径流タービンおよび遠心圧
縮機を使用しおよび流れを最適化できる低圧スプールを
使用して単純サイクルエンジンに対し約１２／１の圧力
比を達成する。中間冷却器および回収熱交換器を備えた
形式もまた使用される。本発明によるタービンエンジン
は理想的には約１０００ＫＷ以下の用途に適しまたこの
動力範囲において従来設計のものに比較して約２０％の
燃焼消費節約を提供するであろう。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高圧エンジン部分に半径
流タービンおよび遠心圧縮機を使用しかつ低燃料消費を
達成するように配置されたガスタービンエンジンに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】今日まで小型ガスタービンエンジンにお
ける燃料消費の減少は、高圧比を得ることのむずかし
さ、小型タービン要部を冷却することのむずかしさおよ
び要素を小型化したことから発生する寄生損失を回避す
ることのむずかしさにより、および小型化精密部品の高
コストにより、制約されてきた。これらの理由で燃料消
費の減少が達成されなかったにもかかわらず、小型ター
ビンエンジンがとくにガスエンジン、ディーゼルエンジ
ンおよびガソリンエンジンより実質的により少ない排気
を出して運転可能であることによりこのようなエンジン
の用途が一般に拡大されてきた。

【０００３】上記問題点を解決するために従来から多く
の試みがなされてきたが、この情況に適合した他の唯一
の解決方法が単一スプールガスジェネレータ形状におけ
る両吸込口第１段圧縮機の使用であった。この形状は高
い動力範囲においては有望ではあるが、低い動力範囲す
なわち約１０００KW以下で使用するにはあまりにも高価
すぎるであろう。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】通常の既知のガスター
ビンエンジン設計には上記の欠点があることから、従来
では燃料消費レベルおよび原価の点で受入れ不可能とさ
れてきたような低い動力範囲で使用できる高効率のガス
タービンエンジンを提供することが本発明の目的であ
る。

【０００５】設計点の性能を損なうことなく運転条件を
変化できるようなフレキシビリティを有するガスタービ
ンエンジン構造を提供することが本発明の他の目的であ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によればここに概
略開示されかつ特許請求の範囲に記載のように、該高効
率の双スプールガスタービンエンジンは軸手段とおよび
とくに該軸手段に装着された遠心圧縮圧縮機および半径
流タービンとを有する高圧スプールを含み、ここで該半
径流タービンは約４／１ないし８／１の膨張比を有す
る。軸手段に接続されて外部負荷を駆動するための手段
が設けられ、また高圧スプールに付属し遠心圧縮機から
圧縮空気を受入れ該圧縮空気を用いて燃料を燃焼しかつ
燃焼ガスを半径流ガスタービンに吐出するための燃焼手
段が設けられている。該双スプールガスタービンはまた
軸手段とおよび付属の低圧圧縮機手段および低圧タービ
ン手段とを有する低圧スプールを含み、該低圧スプール
は高圧スプールとは独立に回転可能でありかつ本質的に
無負荷である。該双スプールガスタービンエンジンは低
圧圧縮機手段と高圧遠心圧縮機との間の流れを連絡して
該高圧遠心圧縮機に予圧縮空気を供給する第１の流れ連
絡手段とおよび高圧半径流タービンと低圧タービン手段
との間の流れを連絡して該低圧タービン手段に部分膨張
燃焼ガスを供給するための第２の流れ連絡手段とをさら
に含む。

【０００７】低圧圧縮機の圧力比は高圧遠心圧縮機の圧
力比以下であることが好ましく、また低圧圧縮機は単一
吸込口遠心圧縮機であることが好ましいが必ずしもその
ようである必要はなく、一方低圧タービンは軸流、半径
流または斜流（軸流／半径流）タービンのいずれでもよ
い。外部負荷駆動手段により供給可能な設計負荷は約１
０００KW以下であることが好ましい。

【０００８】該双スプールガスタービンエンジンは第１
の流れ連絡手段に付属されて前記予圧縮空気を冷却する
ための中間冷却器手段を含んでもよい。第１の流れ連絡
手段は低圧圧縮機手段から部分拡散圧縮空気を受入れて
該空気を高圧遠心圧縮機に吐出する前に拡散させるため
のディフューザ手段を含むことが好ましい。また第１お
よび第２の流れ連絡手段は構造的に第１および第２のス
プールを支持しかつそれらをオフセットされた角度に配
置してもよい。

【０００９】該双スプールガスタービンエンジンは低圧
タービンから排出された燃焼ガスからの熱量を回収して
これにより高圧遠心圧縮機から吐出される圧縮空気を燃
焼前に予熱するための回収熱交換器手段をさらに含んで
もよく、また燃焼手段が傾斜内円錐形低ＮＯｘ燃焼器を
含んでもよい。

【００１０】本明細書に含められかつ本明細書の一部で
もある添付図面は本発明の好ましい実施態様を示し、ま
た説明とあわせて本発明の原理を開示するものである。

【００１１】以下の説明で添付図面を参照すれば本発明
をより一層よく理解できよう。

【００１２】

【実施例】ここで図に示した本発明の好ましい実施態様
を参照しよう。まず図１を参照すると、本発明により構
成された好ましい高効率の双スプールガスタービンエン
ジンの全体が符号１０で示されている。当業者であれば
添付図面を参照しながら以下の説明を読めば図１に示し
た好ましい本実施態様の修正態様および変更態様がただ
ちに考えつくであろうが、これらの修正態様および変更
態様は本発明の一部とみなされ、本発明は特許請求の範
囲およびそれらの相当態様によってのみ限定されるもの
である。

【００１３】本発明によれば、ガスタービンエンジン
は、軸手段を有しかつ該軸手段上に装着された遠心圧縮
機およびとくに半径流タービンを特徴とする高圧スプー
ルを含む。図１においてガスタービン１０は、軸組立体
１２とおよび該軸組立体１２の両端部に装着された単一
吸込口遠心圧縮機１４および半径流タービン１６とを含
む高圧スプール１１を含む。半径流タービン１６は約４
／１ないし８／１の膨張比をもって運転するように形成
され、該半径流タービン１６は概して１０００KW以下の
負荷レベルにおいて５００mm以下のロータ直径を有する
であろう。

【００１４】さらに本発明によれば、軸手段に接続され
て外部負荷を駆動するための手段が設けられている。こ
こに態様化されているように外部負荷駆動手段は１８で
略図で示され、該外部負荷駆動手段１８は負荷２０を高
圧圧縮機１４に近接する高圧スプール軸組立体１２に接
続している。負荷２０（これもまた略図で示されてい
る）はたとえば高速発電機であってもよい。負荷駆動手
段１８は関連の軸系と共に、減速歯車装置、クラッチな
どを含んでいてもよい。駆動手段１８は高圧スプール潤
滑系、燃料供給系（両方共図示なし）およびエンジン１
０の他の補助系を含むことができるがこれらの系は外部
負荷の一部とはみなされず、または補助負荷は後述する
ように低圧スプールに負担させてもよくあるいは高圧ス
プールと低圧スプールとに分担させてもよい。

【００１５】さらに本発明によれば、高圧遠心圧縮機か
ら圧縮空気を受入れ該圧縮空気を用いて燃料を燃焼しか
つ燃焼ガスを高圧半径流タービンに吐出するための燃焼
手段が設けられている。図１に示すようにガスタービン
１０は燃焼器２３を含む燃焼手段２２を含み、該燃焼器
２３は高圧遠心圧縮機ディフューザ２４から圧縮空気を
受入れまた燃料供給装置（図示なし）から導管２６を経
由して燃料を受入れる。燃焼ガスは燃焼器２３を出て半
径流タービン入口２８に吐出され続いて膨張する。燃焼
器２３は本出願と同時に出願された「低排出ガスタービ
ン燃焼器」という名称の本発明者の同時係属出願第
号（MOWL-002)に開示の低ＮＯｘ傾斜内円錐環状燃焼
器形状を利用することがきわめて好ましく、この燃焼器
の開示は本出願内に参照例として組込まれるものであ
る。

【００１６】さらに本発明によれば、該ガスタービン
は、軸手段とおよび付属の低圧圧縮機手段および低圧タ
ービン手段とを有する低圧スプールを含む。図示のよう
にガスタービン１０は、低圧軸組立体３２とおよび該軸
組立体１２の両端部に装着された低圧圧縮機３４および
低圧タービン３６とを有する低圧スプール３０を含む。
好ましい実施態様においては、低圧圧縮機は遠心圧縮機
として示されまた低圧タービンは斜流（軸流／半径流）
タービンとして示されている。単純軸流および単純半径
流の圧縮機およびタービン要素を含む他の形状も可能で
ある。

【００１７】低圧スプール軸組立体３２は高圧スプール
軸組立体１２とは独立に回転可能であることが重要であ
り、これにより低圧スプール軸組立体３２は動力レベル
したがって運転条件の質量流量要求に応じて可変速度で
運転可能であり、一方高圧スプール１１を一定周波数負
荷需要に対して有利な本質的に一定速度で継続的に運転
させることができる。高圧スプールもまた用途に応じて
可変速度で使用可能であろう。低動力条件においては低
圧スプールが低速となってエネルギー消費を低下し、こ
れにより効率低下を減少させるであろう。

【００１８】また低圧スプール３０は外部負荷から切離
されている。すなわち低圧タービン３６により取出され
る動力は低圧圧縮機３４を駆動するためにのみ使用さ
れ、またエンジン補助系の一部または全部を駆動する動
力を供給するのに使用されることも可能であろう。前述
のように、これらの補助系は外部負荷の一部とはみなさ
れず、外部負荷は高圧スプール１１によってのみ駆動さ
れる。

【００１９】また低圧スプールは低圧タービン３６から
排出された燃焼ガスを受入れてそれを最終的に拡散する
ためのディフューザ３８を含むことが好ましい。図１お
よび図２に示すように、ガスタービン１０はオプション
として、低圧タービン３６から排出された拡散排気から
の熱量を回収してこれにより高圧圧縮機１４からの圧縮
空気を燃焼手段２２に導入する前に該圧縮空気を加熱す
ることが可能な回収熱交換器手段４０を含んでもよい。

【００２０】さらに本発明によれば、第１および第２の
流れ連絡手段が設けられている。第１の流れ連絡手段は
低圧圧縮機手段からの予圧縮空気を高圧遠心圧縮機に連
絡し、また第２の流れ連絡手段は高圧半径流タービン出
口からの部分膨張燃焼ガスを低圧タービン入口に連絡す
る。

【００２１】図示のように、第１の流れ連絡手段４１は
低圧圧縮機ディフューザ４４からの予圧縮空気を集める
ためのマニホルド４２とおよびマニホルド４２からの集
められた予圧縮空気を高圧遠心圧縮機入口プレナム（前
室）４８に送るための導管４６とを含む。低圧圧縮機デ
ィフューザ４４は低圧圧縮機３４から出る圧縮高速空気
を高圧低速空気へ部分的にのみ拡散するような形状とさ
れまたこの集合マニホルド４２は拡散をさらに達成させ
るために流れ方向（矢印で示す）に増大する流れ断面積
を有する形状とされることが好ましい。低圧モジュール
の外形寸法は低圧圧縮機ディフューザの外形寸法によっ
て規定され一方低圧圧縮機ディフューザの外形寸法は流
量および平均流速に応じて決定されるので、連絡手段４
１のマニホルド４２内で拡散の一部を達成することはエ
ンジン占有空間の寸法の減少を達成できるので有利であ
る。

【００２２】図１および図２からわかるように、第１の
流れ連絡手段４１はオプションとして、予圧縮空気を高
圧遠心圧縮機１４により最終的に圧縮する前に該予圧縮
空気の密度を増大させるための中間冷却器５０を含んで
もよい。中間冷却器５０の運転のために、低圧圧縮機３
４の圧力比は高圧遠心圧縮機１４の圧力比以下とすべき
である。流れ連絡手段４１はまた起動時またはその他の
過渡状態時に使用するための図１では導管４６に接続す
るように示されている抽気弁５２を含んでもよい。

【００２３】図示のように第２の流れ連絡手段５４は、
高圧タービン１６から出る部分膨張燃焼ガスを拡散する
ためのディフューザ５６およびこの拡散部分膨張ガスを
を低圧タービン入口６０に分配するためのマルホルド５
８を含む。好ましいガスタービンエンジン１０において
は、低圧スプール圧力容器はマニホルド５８を提供する
ような形状とされている。ディフューザ５６は高圧半径
流タービン１６の排気から発生する旋回流を防止するた
めに羽根６２を含むことが好ましい。

【００２４】第１および第２の流れ連絡手段４１および
５４はまた構造的に高圧スプール１２を低圧スプール３
０からオフセットした角度位置に支持しかつ配置する。
図１に示したオフセットは約９０°であるが意図する用
途に応じて他の角度が好ましいことがあり、また図３お
よび図４に示すようにゼロオフセットの角度形状であっ
てもよい。図１に示した９０°形状は高圧スプールと低
圧スプールとの間および低圧タービンから大気までの間
の熱損失および流れ（形状および摩擦）損失を低減し、
したがってこの９０°形状は熱効率の向上および機械設
計の容易さの観点からは好ましい。

【００２５】図６は低圧スプールの形状における図１の
形状とは異なるいくつかの変更態様を示す。図６におい
ては、エンジン１０′の低圧スプール（符号３０′）は
図１に示した斜流（軸流／半径流）タービン３６とは異
なる軸流タービンとして形状化された低圧タービン３
６′を含む。軸流低圧タービン３６′は図６に示す軸組
立体３２を介して低圧遠心圧縮機３４を駆動する。しか
しながら本発明により、低圧スプール３０′内の遠心圧
縮機３４の代りに軸流圧縮機３４′（点線で略図として
示す）のような軸流圧縮機要素に置換してもよい。図６
に示しかつここに説明したすべての変更態様にもかかわ
らず、高圧スプール１１は相変らず１４のような遠心圧
縮機および１６のような半径流タービンで形状化されて
いることが重要である。

【００２６】上記の説明から明らかなように、本発明は
各々付属の圧縮機要素および専用のタービン要素を備え
た２つの分離軸を有するガスタービンエンジンに関する
ものである。通常の形状とは異なり、動力出力は本質的
にもっぱらエンジンの高圧側から取得される。本発明
は、高圧タービンが半径流タイプであり、前記半径流タ
ービンによって駆動される高圧圧縮機が遠心圧縮機であ
りおよび外部負荷が高圧スプールにより駆動されるとこ
ろのタービンエンジンにのみ関するものである（図１参
照）。

【００２７】それぞれ対応のロータ要素を備えた２つの
軸は「スプール」と呼ばれる。したがって高圧スプール
は遠心圧縮機およびいわゆる半径流タービンを有する。

【００２８】好ましい実施態様においては動力は高圧ス
プールの圧縮機側から取出されるがタービン側からの動
力取出しもまた考えられ、これもまた動力が高圧スプー
ルから取出される限りにおいて本発明の範囲内である。

【００２９】低圧スプールの唯一の目的は、燃焼ガスが
高圧タービン内で膨張した後に排気ガスから余剰エネル
ギーを吸収しかつこのエネルギーを同一低圧軸上に装着
されている圧縮機を駆動するのに使用することである。
一方この圧縮機は圧縮空気（または支燃性の他のガス媒
体）を第２段の圧縮機に供給し、これら２つの圧縮機を
使用してエンジンに対し典型的には約２０／１の設計総
合圧力比を達成することが可能である。

【００３０】外部動力は低圧スプールからは取出されな
いであろう。燃料ポンプおよび潤滑油ポンプのような補
助装置は本発明の意味では外部動力とは考えられず、こ
れらは低圧スプール、高圧スプールまたは両スプール分
担により駆動することができる。

【００３１】高圧圧縮機と外部負荷との両方のための駆
動要素として半径流タービンを組込んだ本発明の目的
は、結果として得られるタービンロータの高い周速によ
りタービン内の機械的性質の限界を超えることなしに半
径流タービンに対して最大可能仕事を提供することであ
る。ハブ領域の厚肉部分と羽根先端部の薄肉軽量部分と
を有する半径流タービン羽根のこの「エッフェル塔」形
状のおかげで高周速の形成が可能である。軸流タービン
はこの特徴を有さず、また膨張比が高いときは効率に大
きな損失をもたらす。また結果として得られる半径流タ
ービンの高周速は羽根の温度を低下させ、したがって軸
流タービンが要求する温度レベルにおける羽根の冷却は
必要ではなく、このことは小型タービンエンジンにとっ
ては重要な特徴である。

【００３２】図１に戻るとエンジンの流れ通路は次のよ
うに説明される：空気が低圧圧縮機３４に入り、圧縮さ
れそしてマニホルド４２から出て高圧圧縮機１４に通じ
る移送導管４６に入る。遠心圧縮機１４によりさらに圧
縮された後に空気は燃焼器２３に入り、ここで空気は添
加された燃料と共に燃焼される。結果として得られた高
温ガスは高圧半径流タービン１６内で膨張し、一方高圧
半径流タービン１６は軸１２および駆動手段１８を介し
て高圧圧縮機１４および外部負荷２０の両方を駆動す
る。ガスが高圧タービン１６を通過した後に余剰排気エ
ネルギーが排気ディフューザ５６内で回収されるが、該
ディフューザ５６はここでは半径流タイプとして示され
これにより排気から少ない損失で「施回流」を除去す
る。好ましい実施態様においては、低圧軸３２および高
圧軸１２は相互にある角度（ここでは９０度として示さ
れている）をなして配置されている。ガスは高圧タービ
ン内では部分的にのみ膨張されマニホルド５８を経由し
て低圧タービンに入る。図１では「斜流」タイプとして
示されている低圧タービン３６内で最終的に膨張した後
に、ガスはディフューザ３８から排出される。

【００３３】中間冷却器５０および回収熱交換器４０の
ような中間冷却器要素および回収熱交換器要素を流れ通
路内に組込むことはきわめてわずかな変更で簡単に実施
でき、したがって図１および図２に示す配置を達成する
ことができる。しかしながら中間冷却器要素および回収
熱交換器要素は本発明の必須部品ではない。

【００３４】タービン入口温度（すなわち燃焼器出口の
平均温度にほぼ等しい）と典型的な半径流タービン段の
入口における相対よどみ点温度との差はこの膨張段全体
の全温度降下の５０％に近いので、膨張比が高くなれば
なるほどタービン羽根の温度は低くなる。この特徴は高
いサイクル（燃焼器）温度を利用して熱効率を上昇する
ことを可能にする。

【００３５】本技術の半径流タービンの最善の状態は約
８／１の膨張比まで良好な効率を提供するであろう。こ
れは単軸半径流エンジンとほぼ同じ圧力比に対応しよ
う。単純サイクルエンジンすなわち回収熱交換器または
熱効率を上昇させるための他のサイクル付属品を有しな
いエンジンは、たとえば１０００℃という与えられたタ
ービン入口温度に対して最良の効率を達成するために実
質的により高い圧力比を必要とするであろう。本発明は
この設計点において、より高い総合サイクル圧力を利用
することにより、したがって低圧スプールによって発生
された予圧縮を用いて軸効率を改善することにより増大
された効率を提供する。

【００３６】本発明によれば、与えられた平均燃焼温度
に対してタービン羽根の温度を低下させる上記の効果を
得るために膨張の大部分が高圧半径流タービン内で行わ
れるべきである。約２１／１の圧力比のエンジンに対し
ては、高圧タービン内の膨張比は典型的には約７／１で
あり低圧タービン内の膨張比は約３／１である。しかし
ながらより高い出力に対応するより高い圧力比を含め、
約８／１ないし３０／１の範囲の総合圧力比が考えられ
る。１０００KW未満の範囲の動力出力に対しては、総合
圧力比は一般に約１２／１ないし２１／１の範囲内であ
ろう。

【００３７】遠心圧縮機および半径流タービンの要素効
率は比速度に応じて大きく変化する。比速度（Ｎｓ）は
要素内の速度−流れ−仕事の関係を定義し、これは同じ
発明者の他のエンジン形状に関する米国特許第4,641,49
5 号に記載されている。

【００３８】遠心式および半径流タービンを有する市販
のガスタービンエンジンにおいて受入れ可能なＮｓは、
圧力比を犠牲にするかまたは米国特許第4,461,495 号に
開示されているようにガス発生器において二重吸込口第
１段圧縮機を使用するかのいずれかにより得られる。こ
のような形状においては、外部軸動力を取出すために分
離した動力タービンが使用されなければならない。この
最後に記載の装置は本発明よりさらに一層複雑となるの
で、したがって本発明は低動力範囲に対してより適切な
ものである。

【００３９】ここに説明したエンジン形状は２つの独立
な回転軸を有し、該回転軸は異なる速度で回転しこれに
より高速スプール車に対する最適比速度のための要求を
満たしかつ同時に低圧の圧縮機およびタービンに対する
可能な最善の流れ条件を提供できる。

【００４０】本発明によるエンジン形状は動力出力が高
圧スプールから取出されることを必要とし、該高圧スプ
ールはまた一般に高回転数の軸でもある。この特徴は、
ある歯車減速比が必要とされるような減速装置が負荷駆
動手段１８の一部として考えられるような場合にはわず
かながら不利となることがあろう。冷却されない軸流タ
ービンよりは約１００℃高い高圧タービン入口温度で運
転可能であるという著しい利点に比較すれば、この不利
は実質的に本発明の価値を損わないはずである。直結駆
動高速発電機の分野における現在の発展は、理想的には
上記エンジンを有するエンジン系にマッチするであろ
う。

【００４１】エンジン形状のトルク特性は、それが単軸
エンジン特性とフリー動力タービンを備えたエンジンの
特性との中間に存在するという点で特有であろう。この
原因は「昇圧された」単軸機械としての上記のエンジン
の性質である。

【００４２】用途に応じては、２つの圧縮機およびター
ビン段の間でおよび／またはそれぞれの段内部で空気流
れにある程度の可変性が必要とされるであろう。このよ
うな可変性を受入れるための最も簡単な構造は、要素へ
の流れのマッチングを助けるために過渡過程中に作動さ
れるところの図１に示す抽気手段５２のような中間段抽
気の形状をとる。

【００４３】本発明により比較的高い圧力サイクルと低
い圧力比のエンジンとの両方が構成可能である。より低
い圧力比の装置は通常圧縮機段の間に回収熱交換器およ
び中間冷却器を備えているであろう。２つに分離した圧
縮機と流れ連絡手段４１の構造とはこのような要素の利
用をきわめて便利にさせるものである（図１および図２
参照）。

【００４４】エンジンの機械的配置は図１に示した角度
位置にオフセットされたスプール形状のほかにいくつか
の形態をとることができる。図３は一直線上のスプール
配置を示しまた図４は並列のスプール配置を示す。これ
らの形状は本発明の総括的範囲内に入るものとみなされ
る。

【００４５】類似の要素の技術およびタービン寿命に関
しては、３０％の熱効率を達成する約４００KWの本発明
によるエンジンは通常設計の２２％の熱効率を有するエ
ンジンと比較すればその有利さがわかるであろう（両方
とも「単純サイクル」としての形状化されたものとす
る）。回収熱交換器付エンジンに対しては、この比較は
それぞれ約４０％および３５％となるであろう。

【００４６】典型的な通常設計はこの動力範囲では単純
圧縮機を備えた単一スプールを有するであろう。この場
合中間冷却器用の設備は設けられていない。したがって
所要質量流量すなわち回収熱交換器は容積を約３０％大
きくするであろう。

【００４７】開示された設計の効率上の有利性は１００
KWと１０００KWとの中間で最大となるであろう。１００
０KW以上も考えられるが大型の半径流タービン車および
それに対応のステータは結果的にその使用を制限するで
あろう。したがって小型においては、ターボチャージャ
の製造において低コストの半径流および遠心型要素の製
作がきわめてよく確立されている。これらの種類の回転
車における要素効率もまた本質的に小型の軸流タイプの
圧縮機およびタービン段に対してよりは高い。

【００４８】双スプールエンジンは通常分離された軸上
に別々の動力タービンを有する。ロールスロイス（Roll
s-Royce Tyne) のターボシャフト／ターボプロップは例
外であって、低圧スプールから動力取出しを行ってい
る。このような従来のエンジン設計とは異なり、本発明
による形状は高圧スプールから動力を取出し、これは半
径流タービンにできるだけ負荷をかけてこれにより与え
られた平均燃焼温度に対して回転車のメタル温度を低下
できるその特性を利用するという明確な目的を有してい
る。この特徴を前述の双スプール運転の利点と組合せる
ことが、良好なサイクル効率を達成するための重要な要
因である追加の温度容量およびより高い圧力比の両方を
提供する。

【００４９】本発明によれは高圧スプールは常に遠心圧
縮機および半径流タービンを使用する。低圧スプールは
軸流または斜流（軸流／遠心式）の両方の要素を有して
よいが、考えている動力範囲の低い範囲に対しては後者
の方が適している。

【００５０】本発明のガスタービンはいくつかの形状を
有することができるが、これらのうち次のような形状が
あげられる： Ａ） 中間冷却器または回収熱交換器のない単純サイク
ルエンジン。 Ｂ） 動力出力の向上ならびにある程度の効率改善のた
めに中間冷却器を備えた単純サイクルエンジン。これは
多少複雑になる。動力と熱（スチーム）との両方を必要
とする用途は形状Ａ）またはＢ）を使用するのが有利で
あろう。 Ｃ） Ｂ）と同じであるがさらに回収熱交換器を備えて
いる。これは市場に大きなフレキシビリティを与え、回
収熱交換器を備えた装置に対しては実質的に効率改善を
提供するであろう。しかしながら回収熱交換器を備える
ことにより実質的にコストが追加されかつ複雑となるで
あろう。 Ｄ） Ｃ）に類似するが回収熱交換器を備えた装置に対
してはオプションとして要素／サイクルのマッチングが
可能でありこれにより可能な最高の効率が達成できる。
この装置が回収熱交換器は使用しないが中間冷却器を使
用して運転されるときは、効率はＢ）ほどよくはないで
あろう。加熱の要求を有しないベース負荷電気動力はこ
の最適化された回収熱交換器使用サイクルにとって好ま
しいであろう。

【００５１】

【発明の効果】例１ 本発明をさらによく説明するために、中間冷却器付双ス
プールガスタービンエンジンを使用した公称４００KWの
用途のための計算例をあげてみよう。

【００５２】図５は計算結果を示し、図示の中間冷却器
付単純サイクルに対し燃焼器出口温度１０５１°をベー
スにして３０％以上の総合効率が期待できることを示し
ている。

【００５３】図５に示しかつ以下に説明するサイクルは
回収熱交換器を有するエンジンおよび回収熱交換器を有
しないエンジンに対して同じエンジンハードウェアを使
用し、したがって好ましい市場フレキシビリティを達成
している。

【００５４】同じエンジンハードウェアに単に回収熱交
換器を付加して多少の調整を行うことによりこのサイク
ルが熱回収サイクルに戻されると、性能は次のようにな
るであろう。 動力出力 …………………３７５KW 軸熱効率 ………………… ４0.１％

【００５５】中間冷却器付単純サイクルおよび熱回収サ
イクルに対する要素は次のように仮定されている： 総合圧力比 ……………………………１５／１ 低圧圧縮機の等エントロピ効率………８2.８％ 高圧圧縮機の等エントロピ効率………８0.４％ 全静的等エントロピ総合膨張効率……８7.０％ 回収熱交換器効率 ……………………８５％

【００５６】例２ 比較のために、図５のサイクルの計算をより低い燃焼器
出口温度の場合について繰返された。燃焼器出口温度を
目標定格レベルの１０５１℃より５０℃だけ低い定格温
度をまず使すると、中間冷却器付単純サイクルに対しも
しエンジンがこの状況にマッチした場合に３0.１％の効
率と３６３KWの出力を与えるであろう。同一条件に対し
て熱回収サイクルは３8.３％の効率と３４１KWの出力を
与えるであろう。

【００５７】本発明の上記実施態様において本発明の範
囲および精神から逸脱することなく種々の修正態様およ
び変更態様が可能であることが当業者には明らかであろ
う。したがって本発明は、このような修正態様および変
更態様が特許請求の範囲およびそれの相当態様の範囲に
入る限り本発明はそれらをも含むことを意図するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による高効率双スプールガスタービンエ
ンジンの一実施態様の平面断面図である。

【図２】図示の中間冷却器および回収熱交換器を備えた
図１に示したガスタービンエンジンの概略図である。

【図３】図１に示すガスタービンエンジンの一直線配置
のスプール形状代替態様を示す。

【図４】図１に示すガスタービンエンジンの並列配置の
スプール形状代替態様を示す。

【図５】本発明による双スプールガスタービンエンジン
の計算実施例の結果を示すサイクル概略図である。

【図６】図１に示したガスタービンエンジンの変更態様
の平面断面図である。

【符号の説明】

１０、１０′ 双スプールガスタービンエンジン １１ 高圧スプール １２ 高圧軸手段 １４ 高圧遠心圧縮機 １６ 高圧半径流タービン １８ 外部負荷駆動手段 ２０ 外部負荷 ２２ 燃焼手段 ３０、３０″ 低圧スプール ３２ 低圧スプール軸手段 ３４、３４′ 低圧圧縮機手段 ３６、３６′ 低圧タービン手段 ４０ 回収熱交換器手段 ４１ 第１の流れ連絡手段 ４２ マニホルド ５０ 中間冷却器手段 ５２ 抽気手段 ５４ 第２の流れ連絡手段 ５６ ディフューザ手段

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 軸手段と、および前記軸手段上に装着さ
   れた遠心圧縮機および半径流タービンであり前記半径流
   タービンが約４／１ないし８／１の膨張比を有するとこ
   ろの該遠心圧縮機および半径流タービンと、を有する高
   圧スプールと；前記軸手段に接続されて外部負荷を駆動
   するための手段と；前記高圧スプールに付属し前記遠心
   圧縮機から圧縮空気を受入れ該圧縮空気を用いて燃料を
   燃焼しかつ燃焼ガスを前記半径流タービンに吐出するた
   めの燃焼手段と；軸手段と、および付属の低圧圧縮機手
   段および低圧タービン手段と、を有する低圧スプールで
   あり前記高圧スプールとは独立に回転可能でありかつ本
   質的に無負荷である前記低圧スプールと；前記低圧圧縮
   機手段と前記高圧遠心圧縮機との間の流れを連絡して該
   高圧遠心圧縮機に予圧縮空気を供給するための第１の流
   れ連絡手段と；および前記高圧半径流タービンと前記低
   圧タービン手段との間の流れを連絡して該低圧タービン
   手段に部分膨張燃焼ガスを供給するための第２の流れ連
   絡手段と；からなる高効率の双スプールガスタービンエ
   ンジン。
2. 【請求項２】 前記第１の流れ連絡手段に付属されて前
   記予圧縮空気を冷却するための中間冷却器手段をさらに
   含む請求項１の双スプールガスタービン。
3. 【請求項３】 前記低圧圧縮機手段の圧力比が前記高圧
   遠心圧縮機の圧力比以下である請求項２の双スプールガ
   スタービンエンジン。
4. 【請求項４】 前記低圧タービン手段から排出された前
   記燃焼ガスからの熱量を回収してこれにより前記高圧遠
   心圧縮機から前記燃焼手段へ吐出される圧縮空気を予熱
   するための回収熱交換器手段をさらに含む請求項１の双
   スプールガスタービンエンジン。
5. 【請求項５】 前記第１およひ第２の流れ連絡手段が構
   造的に前記第１および第２のスプールを支持しかつそれ
   らを相互に約９０°オフセットされた角度に配置する請
   求項１の双スプールガスタービンエンジン。
6. 【請求項６】 前記燃焼手段が傾斜内円錐形低ＮＯｘ環
   状燃焼器を含む請求項１の双スプールガスタービンエン
   ジン。
7. 【請求項７】 前記低圧圧縮機手段が単一吸込口遠心圧
   縮機を含みおよび前記低圧タービン手段が斜流（軸流／
   半径流）タービンを含む請求項１の双スプールガスター
   ビンエンジン。
8. 【請求項８】 前記低圧圧縮機手段が単一吸込口遠心圧
   縮機を含みおよび前記低圧タービン手段が軸流タービン
   を含む請求項１の双スプールガスタービンエンジン。
9. 【請求項９】 前記低圧圧縮機手段が軸流圧縮機を含み
   および前記低圧タービン手段が軸流タービンを含む請求
   項１の双スプールガスタービンエンジン。
10. 【請求項１０】 前記外部負荷駆動手段が前記高圧遠心
    圧縮機に近接する前記高圧スプール軸手段に作動結合さ
    れている請求項１の双スプールガスタービンエンジン。
11. 【請求項１１】 前記第１の流れ連絡手段により前記低
    圧圧縮機手段から受入れられた圧縮空気が部分的にのみ
    拡散され、および前記第１の流れ連絡手段が前記部分拡
    散空気を受入れるためのマニホルドを含み前記マニホル
    ドが該圧縮空気をさらに完全に拡散させるために流れ方
    向に増大する断面積を有する請求項１の双スプールガス
    タービンエンジン。
12. 【請求項１２】 前記第２の流れ連絡手段が前記高圧タ
    ービンから排出された部分膨張燃焼ガスを受入れ該ガス
    を前記低圧タービン手段に吐出する前に拡散させるため
    のディフューザ手段を含む請求項１の双スプールガスタ
    ービンエンジン。
13. 【請求項１３】 前記第１の流れ連絡手段に付属された
    抽気手段をさらに含む請求項１の双スプールガスタービ
    ンエンジン。