JPS62271938A - ガスタ−ビン機関 - 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】 ３、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。こういうパケ
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
ベーンを通る成る量の冷却空気を、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
るノズル拳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パ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である。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１
２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１−５に円周方向に１列に装着されたタービン羽根
車のパケット又は羽根１４の間に高温ガスを差向ける。

タービン・パ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
パケット及び羽根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
車の間を略軸ガ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屓傷を招く
慣れがある。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、成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成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．
１６’　を示しである。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。例えば第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１
３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３６００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１
６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内にはめ込むと、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−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一有効”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内に成る旋回用
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仲出す。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３１．３３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と真問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
対して成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＼
で、ニップル２３の開口２５内にある端が旋回ノズル２
７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１Ｉｉｌｉ３４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４ｏを円筒２
８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４ｏ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４ｏが自動的に正しぐ整合−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、ノズル拳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 (1)

1. 【特許請求の範囲】 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）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）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）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）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）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。