JPH0674754B2 - ガスタ−ビン機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 この発明はガスタービン機関の空気冷却装置、更に具体
的に云えば、タービン・ノズル・ベーンからの冷却空気
をタービン羽根車に接線方向に差向ける空気冷却装置の
旋回ノズル手段に関する。

発明の背景 高温ガスタービン機関は、燃料と空気の混合物の燃焼に
よって高温ガスの供給源を作る様な燃焼室を１つ又は更
に多く用いている。高温ガスが燃焼室から１つ又は更に
多くのタービン羽根車に送られ、そこで高温ガスを、各
々のタービン羽根車の円周方向の１列として装着された
タービン・バケット又は羽根の間に流す。こういうバケ
ット又は羽根が入射する高温ガスに反作用して、ガスの
エネルギをタービン羽根車の回転運動に変換する。場合
によっては、タービン羽根車が空気圧縮機と共通の軸に
装着され、この時、回転するタービン羽根車が、機関内
の燃料を燃焼させる為の空気を供給する圧縮機をも駆動
する。機関がその中を流れる非常に高温のガスを大量に
利用するから、高温ガスに露出する多数の部品及び機関
の構造は、非常に高い温度に達する様になる。場合によ
っては、こういう部品の温度はその構造を損傷する惧れ
のある様なレベルに達する。こういう場合、圧縮機から
冷却空気を取出し、上に述べた部品及び構造を冷却する
為に利用することが出来る。この冷却空気はかなりの速
度成分を持つことがあり、この為非常に高いRPMで移動
又は回転しているかも知れない機関の部品に入射する冷
却空気の方向については、相当の注意を払わなければな
らない。更に、利用する冷却空気の容積がかなり大き
く、それを機関内で有利な形で最終的に処分することが
望ましい。

発明の目的 この発明の目的は、高温ガスタービン機関のノズル案内
ベーンを通る或る量の冷却空気を、１対のタービン羽根
車の内の先行する方に隣接して接線方向に、先行する羽
根車の回転方向にジェット空気流として吐出する様に通
すことである。

この発明の別の目的は、ジェット空気流への旋回ノズル
として、ジェット空気流に回転作用を加え、それをター
ビン羽根車に隣接して、その回転方向に、且つ接線方向
に差向ける改良された旋回ノズルを提供することであ
る。

この発明の別の目的は、機関を通る大量の空気流の中
に、前述のジェット空気流を最終的に処分することであ
る。

発明の要約 高温ガスタービン機関の１対のタービン羽根車の間にあ
るノズル・ベーンを通る冷却空気を適当な案内導管を介
して、タービン羽根車と向い合う壁に設けた開口に差向
ける。タービン羽根車の方向に、開口から空気ジェット
が出て来る。特に適した旋回ノズルを開口内に配置す
る。冷却空気が開口に入り込み、旋回ノズルを通る。ノ
ズルの空気通路の矩形部分にある空気制御弁が、通過す
る空気流に対して回転作用を加え、この為、空気流はノ
ズルから、先行するタービン羽根車に隣接して接線方向
の向きで且つその回転方向の向きの空気ジェットとして
出て来る。ノズルから出て来る冷却空気ジェットが、全
般的にタービン羽根車のバケット又は羽根が羽根車円板
に固定されている区域で、先行するタービン羽根車の近
くに差向けられる。こういう量の空気を冷却用に利用し
た後、それを機関内の予定の通路に沿って流し、機関を
通る質量空気流と混合し、その効率を高める。

この発明は以下図面について説明する所から更によく理
解されよう。

発明の好ましい実施例の説明 第１図には、この発明を説明する為に、ガスタービン機
関の関連する細部だけを示してある。第１図で、高温ガ
スタービン機関10が頑丈なケーシング11を持ち、これが
機関の枠体として作用する。機関10が、燃焼室12に対す
る空気を供給する空気圧縮機（図面に示してない）を持
っている。適当な燃料を燃焼室12に送込み、そこで圧縮
機からの空気と混合し、点火して燃焼する。典型的な高
温ガスタービン機関では、燃焼室12の様な複数個の燃焼
室が、機関10の中心線の周りに円周方向の１列として取
付けられている。燃焼室12からの高温燃焼ガスが環状通
路又は室13に入り、これがタービン円板15に円周方向に
１列に装着されたタービン羽根車のバケット又は羽根14
の間に高温ガスを差向ける。タービン・バケット又は羽
根とタービン円板又は回転子との組合せをタービン羽根
車と呼ぶ。高温ガスタービン機関では、１つ又は更に多
くのタービン羽根車を用いることが出来る。

第１図に示す場合、軸方向に隔たる３つのタービン羽根
車16,16′,16″を用いており、各々の羽根車のバケット
及び羽根14,14′,14″が環状通路13に入り込み、この為
燃焼室12からその中へ流込む高温ガスが、相次いで各々
のタービン羽根車の羽根14,14′,14″にあたり、羽根車
に回転エネルギを与える。高温ガス流に対する羽根14の
反作用により、羽根14の間を通過した直後の高温ガス流
に若干の方向の変化が生ずると共に、幾分かの回転速度
成分が加えられる。然し、高温ガスがタービン羽根車の
間を略軸方向の流れパターンで流れ、且つ羽根14に最適
の形及び方向で当る様に差向けられた時、高温ガス流か
ら羽根14へのエネルギ交換が最大になる。

従って、高温ガス流を羽根14に対して最適の形並びに方
向に差向ける為、通路13の高温ガス流の中に環状の１列
のノズル又は案内ベーン17が取付けられる。図示の様
に、３つのタービン羽根車16,16′,16″の各々に隣接し
て１列ずつ、３列のノズル案内ベーン17,17′,17″が用
いられ、この為、１つのタービン羽根車、例えば羽根車
16が、燃焼室12と１列のベーン17′の間の先行するター
ビン羽根車であり、或いは羽根車16が１列のベーン17′
に対する先行の羽根車である。ノズル・ベーン17が通路
13内の熱ガス流の中に直接的に配置されており、極めて
高い温度になるが、これは反り又はその他の構造的な変
形又は損傷を招く惧れがある。この為ベーン17を冷却す
る何等かの手段が望ましい。第１図では、或る量の空気
を燃焼室12に送込む前に、圧縮機から取出し、第２段の
タービン羽根車16′に隣接する１列のベーン17′を同心
に取囲む環状室又は高圧室18に送込む。ベーン17は（破
線で示す様に）中空であってもよいし、或いは高圧室18
と空気の流れが出来る様に接続された通抜けの垂直空気
通路を備えていてもよい。高圧室18からの冷却空気を冷
却の為に、ベーン17′に半径方向内向きに流す。この様
な冷却方式に伴う重要な１つの因子は、利用し得る冷却
空気の冷却能力を最大限に有効に利用する何等かの手
段、並びにこの冷却空気を機関内で、好ましくは有利な
形で最終的に処分する何等かの手段を設ける必要がある
ことである。第１図は、こういう目的に適した機関の或
る構造を示している。

第１図には、第１段及び第２段のタービン羽根車16,1
6′を示してある。１対のタービン羽根車の間にスペー
サ・ホイール7,8,9（９は示してない）が配置されてい
る。例えは第１図で、スペーサ・ホイール７が隣接した
タービン羽根車16,16′の間に配置されている。タービ
ン羽根車16,16′の様な相次ぐタービン羽根車の間には
ノズル構造19も配置されている。ノズル構造19は一連の
円周方向のセグメントで構成され、それらを合せたもの
が360°のリング形構造を構成する。各々の円周方向の
セグメントが１つ又は更に多くのベーン17′を持ち、こ
れらのベーンは通路13の壁20,21と一体に鋳造されてい
る。タービン羽根車の間の区域又は空間をホイール・ス
ペースと呼び、一般的にノズル・ベーンのリング構造19
の壁21より下方の空間を含む。空気コネクタ22が壁21の
下側から伸び、１つ又は更に多くのノズル構造の出口側
の端に接続されている。各々のセグメントが１つ又は更
に多くの空気コネクタを持っていてよい。

高圧室18からの冷却空気はベーン17′を通過すると、コ
ネクタ22に入る。頑丈な開放端を持つ導管又はニップル
23の１端がコネクタ22と空気の流れが通ずる様に接続さ
れ、他方の開放端が先行するタービン羽根車16に向って
軸方向に突出している。ニップル23から放出された空気
流が、全体的に羽根14が羽根車円板15に固定される領域
で、タービン羽根車16′に差向けられる。従って、組立
てられた壁のセグメント21の下方の半径方向内側の空間
には、複数個の別々の空気コネクタ、ニップル及び隔膜
が360°の円弧に配置されている。然し、第１図及び第
３図に示す機関では、隔膜24と呼ぶ環状空気収集室部材
があり、これがノズル・ベーン構造19の壁21の下に同心
に配置されており、ノズル・ベーン構造19の一体の一部
分であってよい。従って、ノズル・ベーン構造19の各々
の円周方向のセグメントには、それ自身の隔膜セグメン
トがある。こういうセグメント24を用いる時、ニップル
23のタービン羽根車16に隣接する端は、図示の様に、室
24の直立の側壁26内の開口25で終端することが出来る。
この時、冷却空気がベーン17からコネクタ22へ流れ、ニ
ップル23及び開口25を通り、全体的に羽根14が羽根車円
板15に結合される区域で、タービン羽根車16に差向けら
れる。これは、タービン羽根車の温度制御が極めて重要
となり且つ冷却方式が著しい効果を持つ様な区域であ
る。

開口25又はニップル23から放出される冷却空気ジェット
又は空気流は最適の指向性を持つべきであることが判っ
た。比較的高速の開口25からの冷却空気ジェットが、タ
ービン羽根車円板15に対して垂直に差向けられると、羽
根車16の速度に対する冷却空気ジェットの相対速度が非
常に大きい。これは羽根車の回転方向と開口25からの空
気流の方向とが互いに直角であるからであり、この様な
構成は冷却を最大にするのに適していない。

開口25から放出される冷却空気ジェットが先行するター
ビン羽根車16の接線方向に且つその回転方向に積極的に
差向けられる時、羽根車円板15の一層有効な冷却が行な
われることが判った。この為、開口25からの冷却空気ジ
ェットに積極的な回転の運動量を与える為の何等かの空
気流制御手段が必要である。旋回ノズルと呼ぶ特定のベ
ーン形ノズルを開口25にはめ込むと、この回転作用に利
用し得る軸方向の距離が非常に短いにもかゝわらず、必
要な回転の運動量が得られることが判った。

この発明を実施した旋回ノズル27が第２図に示されてい
る。次に第２図について説明すると、旋回ノズル27は長
さの短い、肉厚の厚い直角円筒28であり、夫々入口面及
び出口面と呼ぶ両側の平行な１対の面29,30を有する。
円筒28の中には連続的な空気流通路32もある。通路32は
全体的に、円筒28の内部で互いに交差する１対の相次ぐ
通路31,33によって構成されている。１番目の通路、即
ち通路31は円柱形断面であり、これを入口通路31と呼ぶ
が、その中心線は円筒28の面29に対して垂直である。他
方の通路33を出口通路33と呼ぶが、これは矩形断面であ
り、その中心線が円筒28の面30の平面に対して約45°未
満の角度をなす。通路32は円筒28内の連続しているが角
度のついた通路である。各々の通路31,33の中心線が円
筒28内で互いに交差し、通路31がその円柱形断面から滑
らかに通路33の矩形断面に変化する領域を定める。

こうして限定された角度のついた通路32だけでは、円筒
28の長さが比較的短い為、上に述べた様な種類の所望の
空気回転運動量を作るには不十分である。普通、空気流
を上に述べた様に有効に回転させる為には、この回転作
用が流れのかなりの長さにわたって流れに作用すべきで
ある。円筒28の矩形通路33内に或る旋回用ベーンを追加
すると、所望の増分的な回転運動量が得られることが判
った。複数個のこの様な回転用ベーン34が第２図に示さ
れている。ベーン34は比較的薄い弯曲した平行な部材で
あり、これは通路32を構成する円筒28の壁、特に矩形通
路33を構成する円筒28の壁から伸びている。

旋回ノズル27は鋳造方法によって製造するのが有利であ
ることが判った。この為、ベーン34は所定位置に鋳造す
る。図示の様に、ベーン34が通路32の中及びその中の空
気流の中にかなり伸出す。大部分のベーン構造は通路32
の矩形部分33にある。各々のベーンは３つの部分を持つ
ものとみなすことが出来る。第１の縦方向部分35が通路
33の中心線と平行であり、円筒18の面30から、通路31,3
3の交点まで伸びる。この点に、弯曲部分36があって、
それが非常に短い第２の縦方向部分37へ滑らかに移行す
る。第２の縦方向部分37が円柱形通路31内にその中心線
と平行に突出する。ベーン34は、通路32を流れる空気流
が所望の方向にノズル27から出て行く様に、この空気流
を回転させる積極的で有効な旋回作用を行なわせると共
に、非常に有効な空気流制御手段にもなる。

第２図を見れば判るが、旋回用ベーン34がなければ、円
筒28の通路32を通る高速の空気流のかなりの部分は、面
30内にある開口33の面積のかなりの部分が面29にある開
口32と真向いになっているから、軸方向に放出される。
通路31の弯曲した又は角度のついた壁だけでは、空気流
に実質的な接線方向の成分を加えることが出来ない。図
示のベーン34は、円筒28内の空気流を最初にくせ取りし
て回転させ、その弯曲面が、円筒28の面30にある矩形開
口33から放出される空気に対して或る程度の流れ制御を
行なう。

冷却空気をタービン羽根車の接線方向に且つタービン羽
根車の回転方向に差向けることにより、タービン羽根車
に対する空気流の相対速度が小さくなり、この結果ター
ビン羽根車は一層低温で動作する。

第３図はこの発明の旋回ノズル27を高温ガスタービン機
関に組込んだ状態を示す。第３図でノズル・ベーン構造
19が中空ベーン17′を持ち、これが第１図の高圧室18か
らの冷却空気をベーン17′に通す。第１図及び第３図に
ついて説明すると、冷却空気はコネクタ22から頑丈で固
定されたニップル23を通り、この発明の旋回ノズル27を
通って、先行するタービン羽根車16の回転子円板15に隣
接して接線方向に流れる。この後、冷却空気は羽根車円
板15に沿って半径方向外向きに羽根14と壁21の１端の間
を脱出して、通路13内の高温ガスに入り、機関10を通る
質量空気流の一部分になるので有利である。

旋回ノズル27を機関10に組込む１つの方法が第２図及び
第３図に示されており、隔膜24の側壁26に開口25に対し
て偏心して皿孔38を設けることを含む。その後、ノズル
27を、その面30が隔膜24の側壁26の外面39と面一になる
まで、皿孔38に押込む。こゝで、ニップル23の開口25内
にある端が旋回ノズル27の皿孔40と係合する。その後、
例えばかしめ又はピーン加工（44）の様な種々の手段に
より、旋回ノズル27を皿孔38内に機械的に保持すること
が出来る。機関10に相次いで組立てる時、旋回ノズル27
が正しく整合し、ノズル27の通路31内の面34が空気流を
隣接するタービン羽根車円板15の接線方向に正しい角度
で差向ける様にする為に、何等かの手段を設けなければ
ならない。正しい整合を達成する１つの手段は、皿孔40
を円筒28又はノズル27の外径に対して偏心してあけるこ
とである。ノズル部材27を隔膜24の皿孔38に挿入する
時、ノズル27の入口面29がニップル23の伸出した端に隣
接する。この時、ニップル23が隔膜24の皿孔38内に突出
し、偏心が正しければ、皿孔40がニップル23と係合し
て、ノズル27を隔膜24に組込むことが出来る。ノズル27
を開口25の皿孔38に挿入した時、通路32の皿孔40が自動
的に正しく整合して、ニップルの端と係合し、全ての部
分が必要な正しい整合状態になるまで、ノズル27を皿孔
の中で回転する。

この為、この発明は高温ガスタービン機関のタービン羽
根車に対し、ノズル・ベーン冷却装置から接線方向の向
きの積極的な冷却空気流を供給する。

この発明の好ましい実施例を図面に示して説明したが、
当業者であれば、特許請求の範囲によって定められたこ
の発明の範囲内で種々の変更を加えることが出来ること
は云うまでもない。

【図面の簡単な説明】 第１図は高温ガスタービン機関の一部分を断面で示した
側面図、 第２図はこの発明の旋回ノズルの半分の断面図、 第３図は第２図の旋回ノズルの組立て状態を示す側面断
面図である。 主な符号の説明 11:ケーシング 13:環状通路 16,16′,16″：タービン羽根車 17,17′,17″：ベーン 18:高圧室 19:ノズル構造 22:空気コネクタ 23:ニップル 24;隔膜 25:開口 27:旋回ノズル 38:皿孔

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】外側ケーシング、該ケーシング内に回転自
   在に装着されていて、半径方向外向きに伸びる羽根を装
   着した軸方向に相隔たる複数個のタービン羽根車、及び
   各々のタービン羽根車の間に配置された翼形ベーンを含
   む不動の環状部材を持ち、前記羽根を持つタービン羽根
   車及び前記不動の環状部材が高温ガス通路を限定してお
   り、更に、該高温ガス通路及び前記不動の部材の外壁の
   間に構成された環状高圧室、及び前記不動の部材の内壁
   から垂下する隔膜、少なくとも若干の翼形ベーンを通
   り、前記環状高圧室からの冷却空気を前記隔膜へ通す空
   気通路を持つ形式のガスタービン機関に於て、 前記環状部材の内壁から垂下していて、夫々少なくとも
   １つの翼形ベーンと流体が連通する複数個の空気コネク
   タと、 それより上流側に１つ前のタービン羽根車に向い合って
   前記隔膜に形成された少なくとも１つの開口と、 各々の開口に対して偏心して隔膜に形成された拡大皿孔
   と、 ずれた旋回用皿孔を持っていて、前記拡大皿孔に挿入さ
   れた旋回ノズルと、 空気コネクタを隔膜に形成された開口を介して旋回用皿
   孔と相互接続することにより、前記環状高圧室から冷却
   空気が翼形ベーンを通り、空気コネクタと当該ニップル
   を介して送出され、その後旋回ノズルからその前の上流
   側の羽根車に送られる様にするニップとを有するガスタ
   ービン機関。
2. 【請求項２】特許請求の範囲１）に記載したガスタービ
   ン機関に於て、旋回ノズルが 前記ずれた旋回用皿孔を形成した円筒形ブロックと、前
   記旋回用皿孔と同心の入口通路及び該入口通路と連続し
   ているが、該入口通路及び旋回用皿孔に対してずれた出
   口通路を含む前記円筒形ブロック中の空気流通路とで構
   成されているガスタービン機関。
3. 【請求項３】特許請求の範囲２）に記載したガスタービ
   ン機関に於て、前記出口通路内に配置された旋回ノズル
   ・ベーンを有し、この為旋回ノズルが隔膜の開口に対し
   てずれていて、出口通路が旋回ノズルの皿孔に対してず
   れることにより、冷却空気が旋回ノズルの中で回転し
   て、その前のタービン羽根車に対して接線方向に差向け
   られる様にしたガスタービン機関。
4. 【請求項４】特許請求の範囲１）に記載したガスタービ
   ン機関に於て、旋回ノズルの挿着体が 向い合った平面状の平行な入口面及び出口面を持つ直角
   円筒を有し、前記入口面の中を円柱形通路が通抜けて前
   記円筒に入り、前記出口面の中を通路が通抜けて前記円
   筒に入り、該円筒と交差して前記入口面に入り、前記出
   口面の通路は矩形断面を持ち、前記入口面は前記入口面
   を通る円筒内に旋回用皿孔を持ち、該皿孔が前記直角円
   筒の外径に対して偏心しており、前記ニップルが前記皿
   孔内に挿入されて、前記ノズル部材が前記開口内に位置
   ぎめされているガスタービン機関。
5. 【請求項５】特許請求の範囲４）に記載したガスタービ
   ン機関に於て前記入口面の開口が円柱形の開口であり、
   前記出口面の開口が矩形の開口であり、前記円柱形通路
   が前記入口面を直角に通り、前記矩形の通路が前記出口
   面の平面に対して鋭角で前記出口面を通って前記円筒内
   で前記円柱形通路と交差して、前記円筒の中の連続的な
   角度をつけた通路を作っているガスタービン機関。
6. 【請求項６】高温ガスタービン機関のタービン羽根車冷
   却装置に用いる旋回ノズルに於て、 入口面及び出口面を構成する向い合った平行な平面状の
   １対の面を持つ直角円筒部材を有し、 該円筒は前記入口面から該入口並びに前記円筒及び出口
   面を通る角度をつけた空気流通路を持ち、 該空気流通路が前記入口面から前記円筒内に軸方向に入
   りこむ円柱形通路、及び前記出口面から角度方向に前記
   円筒に入り、前記円柱形通路と交差してそれと共に前記
   円筒内の角度のついた空気流通路を構成する矩形通路で
   構成されており、 前記矩形通路内に複数個の空気流ベーン部材が設けられ
   て、前記角度をつけた空気通路を通過して前記円筒の矩
   形の開口から出て行く空気流を、出口面の平面に対して
   約45°未満の角度に差向ける様にし、 前記円柱形通路が前記入口面に隣接して皿孔を持ってい
   る旋回ノズル。