WO1988006226A1 - Gas turbine - Google Patents

Description

明 細 書

ガ ス タ ー ビ ン 技 衛 分 野

こ の発明は、 ガスタービンに関し、 更に詳し く は、 タービンホイルが外周が波形のローターとその外方に SE 置した複数の翼部とから成り 、 燃焼ガスエネルギーを回 転機械エネルギーに効率良く 変換するこ とのできるガス タービンに関する。 背 景 技 術

ガスタービンはタービン、 燃焼器、 コンプレッサーの 三つの基 *構成から成り 、 タービンブレー ドの構造によ り主と してラジアルタービンと轴流タービンに分類され る ;

ラジアルタービンはブレー ドを回転軸を中心にラジア ル状に設けられ、 ノズルによ り膨張させた燃焼ガスを連 繞してブレー ドにぶっけ、 回転轴を回転させる方式であ る。

しかし、 ラジアルタービンのブレー ドは回転铀に直角 な面内に燃焼ガスを受けて回転するので力学的に不利な 点があり 、 熱効率も低かった。

軸流タービンはブレー ドが静翼と動翼の組合せから成 り 、 直線状に流れて来る膨張燃焼ガスを静翼によ り整流 して効果的に動翼にぶっけ、 回転軸を回転させる方式で ある。

このガスタービンは、 圧縮機から出た圧縮空気を燃-焼 器に送り 、 燃料を噴射して連続的に燃焼させタービンに 導いて膨張させブレードにぶっけて動力を発生させるの である。 しかし、 铀流タービンの動翼は燃焼ガスの流れ とほ 同じ方向に設けてあり 、 動翼の前縁に街突する燃 焼ガスの摩擦損失及び動翼の先端部からの燃焼ガスの漏 洩による.損失、 並びにプレードの遠心力に対する耐久性 に問題があった。

この発明は従来のラジアルタービンや軸流タービンの 欠点を除き、 ブレードの耐久性が優れ、 エネルギー変換 効率の優れたガスタービンを提供するこ とを目的と して いる。 発 明 の 開 示 ' 末発明によるガスタービンは、 ローターノ、ウジング内 に収納されたタービンホイルの外周が山部と谷部の連練 で形成された波形のローターと、 該口一ターを両側面よ り挟んだ上記波形ローターより大きい直径を有する一対 の円板と、 上記波形ローターの各山部の上部に両端を上 記一対の円板によ り 固定された翼部とから成り 、 ロー ターの山部と翼部の内局面とにより燃焼ガス噴出口を形 成したことから成る。 上述の如く 、 この発明では従来の一端を支持させてい るブレー ドに変えて、 両端を支持されている翼都を設け るこ とによ り翼部の耐久性は向上する。 更に、 燃焼ガス は翼部の前縁部、 及び燃焼ガス噴出口によ り ローターの 山部に衝突してそのまま回転エネ ギーへ変換されるの で熱変換効率の優れたガスタービンを提供するこ とにな る。 図面の簡単な説明

第 1 図は、 本発明によるガスタービンのタービンの一 実施例を示す正面断面図、 第 2図は、 第 1 図の II - II線 に沿った靳面図、 第 3図は、 本発明のタービンの他の実 施例を示す正面断面図、 第 4図は、 *発明のタービンの ハ ウジングに燃焼器を設けた実施例を示す要部側断面 図、 第 5図は、 第 4図のタービンに更に補助燃焼器を設 けた実施例を示す一部を断面と した側面図である。 発明を実施するための最良の形態

第 1 図及び第 2図は本発明によるガスタービンのター ビンの一実施例を示し、 円筒形のローターノ、ウジング 3 の轴心には回転铀 2が軸受 5 によ って回転できるよう に 支持されている。 回転轴 2には外周面を山都 l aと谷部 l b の連続の波形と したローター 1 が固定され、 ローター 1 の両面には該ローター 1 より も直径の大きい一対の円板 6が回転轴 2 と同軸上にローター 1 の両面を挟んで固定 されている。 二枚の円扳 6間のローター 1 の各山部 l a上 の空間にはそれぞれ翼部 4が設けられ、 それぞれの翼部 4の両端は二つの円扳 6によってローター 1 の山部 l aと 所定の間隔を保って固定されている。 従って、 ローター 1 、 二つの円板 6及び複数の翼部 4から成るタービンホ ィルは回転轴 2の回転により一体回転することになる。 これらのタービンホイルの構成部品は公知の超耐熱合金 セラミ ックスなどにより製造される。

ローター 1 の山部 l a上に設けられた翼部 4は図示の如 く 前縁が丸く 、 尾部を細く した翼型をしており 、 山部 と翼部 4の内周面とにより 山都 l a上の空隙を狭く して 燃焼ガスの噴出口 7を形成し、 翼部の尾部は円心方向に 向って彎曲している。 またローター 1の谷部 l b上の翼部 の尾部ど次の翼部の前縁間の空簡は与圧室 8を構成す る。 この与圧室 8は燃焼ガスの速度エネルギーを圧力ェ ネルギ一へ変換する作用をなし、 噴出口 7は与圧室 8に 充潢した燃焼ガスの余剰速度エネルギーを次段の翼部 4や噴出口 7の山部 l aに衝突させる作用を有する。

図示の実施例に於ては、 ローターハウジング 3に隣接 してコンプレッサー 9が設けられ、 回転軸 2の一端はコ ンプレッサ一 9を貫通レてコンプレッサー用のブレード 10が固定されている。 尚、 回転轴 2の他端は出力軸とな る。 上述の如き構成のタービンに於て、 コンプレッサー 9で圧縮された空気は燃焼装置 1 3に供給され （供給手段 は図示せず） 、 燃焼装置 1 3で燃料が添加され、 着火して 燃焼ガスとなり 、 吸入口 1 1よ り ローターハウジング 3の 内部へ連続的に送られる。 ハウジング 3内に於て、 燃焼 ガスは翼部 4の外周面に衝突してタービンホイルを回 す。 燃焼ガスの速度が速いので次の翼部 4の前縁にほと んど同時に衝突する。 また、 翼部 4の外周面に案内され た燃焼ガスは次の与圧室 8 に入 り 次の翼部の噴出 口 7に向かう。 翼部 4が移動する と燃焼ガスは与圧室 8に 充満する。 そして、 燃焼ガスは翼部 4の前縁より内周面 と ロータ一 1 の山部 l aに衝突してタービンホイルを回 す。 噴出口 7を噴出した燃焼ガスは次の与圧室 8に充満 する 。 続いて次の翼部 4や噴出 口 7の山部 l aに街突す る。 燃焼ガスの余剰速度エネルギーのある間、 同じこ と を繰り返し、 最後に燃焼ガスは排気口 12から大気中に放 出される。 翼部 4の後縁は円心方向に曲げてあるので、 燃焼ガスは外周方向には殆ど逃げないで円心方向に案内 されて常に山部 l aと衝突して進行する。 噴出口 7を噴出 した燃焼ガスと翼部 4の外周面に案内されてきた燃焼ガ スが収束して次の翼部 4 と噴出口 7 に向う 。 このよう に 吸入口 1 1から入った燃焼ガスは翼部 4 と噴出口 7におけ る山部 l aに衝突してタービンホイルを回転させるので衝 動タービンの機能であるが、 次の噴出口 7で増速される ため反動タービンの機能も有している。 与圧室 8に進入 する燃焼ガスには速度エネルギーがあり 、 噴出口のない 与圧室はパケッ トとして働き.、 速度エネルギーは街擊カ となり タービンホイルの回転速度が速く なる。 噴出口を 設ける と与圧室の速度エネルギーの一部は、 噴出口から 噴出するので燃焼ガスの衝擊カを減少することとなり 回 転速度が遅く なる。 従って噴出口は燃焼ガスの余剰速度 エネルギーを分力するので回転数を低くする減速装置の 効果を有する。

燃焼ガスが出口圧まで膨張するとき、 発生するタービ - ンの仕事量は各翼部と各噴出口に働く 力の総和である。

最初の翼部と噴出口で癸生するタービンの仕 *量は全仕 事量の約 80 %であり 、 残り の仕事量は各翼部と各噴出口 で得る。

第 3図は： ί:発明によるタービンの第 2実施例を示し、 ローター 1 の各山部 l a上の翼部 4を主翼部 4 aと副翼部

4bの二枚で構成し、 主翼部 4aと副翼部 4bの間は所定の間 隔を隔てて設ける。 この主翼部、 副翼部とも先の実施例 と同じく 、 前縁が丸く、 尾部は細く 、 いずれも円心方向 に彎曲している 。 従って、 この実施例に於ては主翼部

4aと副翼部 4bの間と、 副翼部 4 bとローター 1 の山部 l aの 間のニケ所に噴出口 7が形成する。

このよう に本実施例では翼部を二枚と したため、 複棻 機の主翼のよう に抗力の負担を分け合うので翼部の耐久 性を高く する。 なお、 タービンホイルの回転メカニズム は前記実施例と同じである。

第 4図は本発明のタービンに好適に用い得る燃焼器 13の一例を示し、 燃焼器 13はロケッ ト形をしていて先端 部に空気口 17があ り 、 ローターハウジング 3 の吸入口 11にはノズル 18が設けられている。 上記先端部の側面に フユエルインジェクター 14と ヒーター 15が設けられてい る。 またノズル 18の直前部分に水を噴射するようノズル 近傍の側面にはウォーターイ ンジェクター 16が設けられ ている。 このフユエルインジヱクタ一 14は燃料の噴射間 隔を任意に設定で き る よ う に構成されている 。 ま た ウォーターイ ンジェクター 16は燃焼器 13の温度が設定値 を越える と 自動的に水を噴射して燃焼器 13の瘟度を下 げ、 燃焼器 13の耐久性を向上させるこ とになる。

上記耩成の燃焼器 13を末発明のタービンに適用するこ とによ り 、 空気とフ ィ ンの外に水によ り燃焼器 13は冷却 されるので、 エアの送風量が少なく て済み、 その結果、 コンプレ ッ サー 9 を小型軽量化できる利点がある。 更 に、 燃料の間欠噴射による振動を押さえるために、 同軸 上に複数個のタービンを配列して燃料噴射のタイ ミ ング を順序よ く 行えば、 振動を小さく して滑らかな運転を行 う こ とができる。

第 5図はローターハウジング 3の外周に第 4図と同じ 構成の燃焼器の外に補助燃焼器 13' を上記燃焼器 13の反 対側に設けた実施例を示す。

補助燃焼器 13はフユエルインジェクター 14とヒーター 15を備えている。 この補助燃焼器 13 ' と燃焼器 13との差 異はウォーターイ ンジェクターを備えていない点であ る。

上述の如く 、 二つの燃焼器 13， 13 ' を設けるこ とによ り 、 発進睁に急加速を要する自動車用の原動機に好適に 用い得る。 即ち、 自動車の発進時或いは急加速時には燃 焼器 13ど捕助燃焼器 13 ' より燃料噴射を同時に行う こ と により 、 ハウジング 3にはニケ所より燃焼ガスが供給さ れ、 タービン 1 は高速回転して高出力を得る。 高出力を 必要としない定速運転時には燃料噴射は燃焼器 13のみ行 い、 補助燃焼器 13 ' へは空気だけを送り 、 燃焼ガスを完 全燃焼させて排気ガスをクリーンにする。

尚、 ローターハウジングの外周に複数個の燃焼器を取 り付けたり 、 また、 同轴上に複数個のガスタービンを S 列 して大動力のガスタービンを構成する こ と もで き る。

更に、 ガスタービンの燃焼ガスを水蒸気や空気や水力 に変えるこ とにより 、 蒸気タービン、 空気タービン、 水 力タービンに転用するこ ともできる。 産業上の利用の可能せ

以上の説明で明らかなように、 ；*：癸明によるガスター ビンは従来のガスタービンのブレー ドに相当する翼部が 両端をローターに固定されているので、 遠心力や熱応力 に対して強度が優れ、 耐久性が向上する。

更に、 本発明のガスタービンは翼部の前縁及び口一 ターの山部に衝突する燃焼ガスのエネルギーを回転の機 械的エネルギーに変えるので、 エネルギーの変换損失が 小さく 、 燃焼ガスの流れはローターの円周方向に流れる ので力学的に効果的な力が作用し、 従来のラジアルター ビンゃ轴流タービンに見られない優れた効果を備えてい る。

Claims

請 求 の 範 囲

1. ローターハウジング（3) 内に収納されたタービンホ ィルを備えたガスタービンであって、

該タービンホイルは外周が山部（la)と谷部（lb)の連 続で形成された波形のローター（1) と、

該ローターを両側面よ り挟んだ上記波形ローターに より径の大きい一対の円扳（6) と、

該ローターの各山部の上部に両端を上記一対の円板

(6) によ り 固定された複数の翼部（4) とから成り 、 口一ターの山部と翼部の内周面とによ り 噴出口（₇₎ を 形成したこ とを特徵とするガスタービン。

2. 翼部（4) は前縁部が円形で尾都が細く且つ円心方向 に彎曲.しでいるこ とを特徴とする請求範囲第 1項記載

- のガスタービン。

3. 翼部（4) は主翼部（4a)と、 主翼部とローターの間に 設けられた（4b)副翼部とから成るこ とを特徵とする請 汆範囲第 1項記載のガスタービン。

4. ローター Aウジング（3) の外周にウォーターイ ン ジェクタ一（16)を傭えた燃焼器（13)を設けたことを特 徵とする請求範囲第 1項記載のガスタービン。

5. ロータ ーハ ウジ ング（3) の外周に一対の 焼器 (13，13')を設け、 そのう ちの一つの燃焼器はウォー ターインジェクター CI 6)を備えた燃焼器であるこ とを 特徴とする請求範囲第 1項記載のガスタービン。