JPH116445A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 コンプレッサ性能を向上させ、エンジン性能
を向上させることのできるガスタービンエンジンを提供
すること。 【解決手段】 タービンノズルプレート４０とコンプレ
ッサディフューザプレート４１との間に、断熱構造部材
４２が挿入され、図示しないボルトで締結されている。
断熱構造部材４２には、タービンノズルプレート４０
側、コンプレッサディフューザプレート４１側にそれぞ
れ凹みが設けられており、空間４３，４４を形成してい
る。また、断熱構造部材４２の外周部分４２ａには、環
状フィン４５が取り付けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のガスタービンエンジンとしては、
例えば特開平２−２３８１３２号公報に開示されている
ように、図９〜図１２に示すような構造のものがあっ
た。

【０００３】この従来技術の構成は、以下のようなもの
である。ガスタービン１は、コンプレッサ２、燃焼器
３、タービン４の基本コンポーネントから成り立ち、高
温ガスによって駆動されるタービンロータ１１と低温ガ
スを加圧する遠心式コンプレッサインペラ１２とはシャ
フト１３を介して同軸上に連結され、シャフト１３は一
対の転がり軸受けを介して負荷を駆動する。

【０００４】タービン４から排出される高温排気ガス
は、図中矢印で示すように、タービンハウジング２６か
らディフューザを介してレキュペレータ（熱交換器）５
に流入し、排気ガスの熱を吸収して燃料消費率を減らす
ようになっている。図１１にも示すように、ディフュー
ザ２５は、プレナムチャンバ２７を介してタービンハウ
ジング２６に接続し、タービンハウジング２６側に対す
る接合フランジ２５Ａは円形に、プレナムチャンバ２７
に対する接合フランジ２５Ｂは四角形にそれぞれ形成さ
れている。

【０００５】レキュペレータ５は、タービン４から送ら
れる高温排気ガスを通過させる流路（図示せず）がシャ
フト１３の回転方向に形成され、タービン４から排出さ
れる排気ガスの流れ方向に沿うように配置される。この
排気ガス流路に対してコンプレッサ２から送られる低温
圧縮空気を通過させる流路とが互いに伝熱壁を介して平
行に対向して形成される。

【０００６】レキュペレータ５と燃焼器３は互いに並列
に配置され、レキュペレータ５と燃焼器３を共に覆うチ
ャンバ２１が設けられ、コンプレッサ２から吐出する低
温圧縮空気がこのチャンバ２１内を通ってレキュペレー
タ５に導かれる。

【０００７】コンプレッサ２から圧送される低温圧縮空
気は、図中矢印で示すように、フランジ２２に形成され
た環状流路２３を通ってチャンバ２１内に流入する。チ
ャンバ２１は、フランジ２２の外周端に複数のボルト２
４を介して締結されている。

【０００８】レキュペレータ５には、チャンバ２１内に
開口する低温圧縮空気の流入口５Ａが形成され、この流
入口５Ａから流入してレキュペレータ５を通って加熱さ
れた圧縮空気は、ヘッダ５Ｃで曲げられた後、接合フラ
ンジ５Ｂを介して燃焼器に流入する。

【０００９】なお、この従来技術では対向式レキュペレ
ータ５を用いたが、排気ガスと低温圧縮空気が互いに直
交して交差する直交流式レキュペレータを用いても良
く、その場合、燃焼器３に対する開口部が比較的に大き
くなる。

【００１０】燃焼器３では燃料噴射弁６から噴射された
燃料が燃焼して高温ガスとなり、燃焼器３から流出する
燃焼ガスは、プレナムチャンバ２７と断熱材３３の間で
画成される流路２８で曲げられた後、タービンハウジン
グ外周壁３４の間で渦巻き状に画成される流路２９を通
ってタービンロータ１１に導かれ膨張し、タービンロー
タ１１に回転力を付与するようになっている。

【００１１】プレナムチャンバ２７は、ディフューザ２
５に対する接合フランジ２７Ａと、燃焼器外側チャンバ
３４に対する接合フランジ２７Ｂがそれぞれ形成されて
いる。断熱材３３は、フランジ２２側に接合して設けら
れ、タービンロータ１１に導かれる燃焼ガスを断熱す
る。

【００１２】図１２にも示すように、燃焼器３の端部に
取り付けられるキャップ３５には燃料噴射弁６と点火栓
７が取り付けられ、中空構造のキャップ３５内に形成さ
れた流路３６には、入口３７から配管を介してチャンバ
２１から取り出した低温圧縮ガスが流入し、複数の出口
３８から燃焼器外側チャンバ３４内に流入させることに
より、燃料噴射弁６と点火栓７を冷却するとともに、燃
焼器３を断熱するようになっている。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来のガスタービンエンジンにあっては、タービン
段の燃焼ガスの熱の一部が、背板合わせとなっているコ
ンプレッサ段に流入し、コンプレッサ段の性能を低下さ
せるという問題点があった。

【００１４】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、コンプレッサ性能を向上させ、エ
ンジン性能を向上させることのできるガスタービンエン
ジンを提供することを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決するために、排気ガスにより回転駆動されるラジアル
タービンロータと、このロータと同軸に配置されるラジ
アルインペラにより燃焼器に送られる空気を圧縮してな
るガスタービンエンジンにおいて、コンプレッサ段とタ
ービン段との間の断熱構造部材の外周部分に、軸方向厚
さの中央位置よりコンプレッサ側に、放熱フィンを外径
方向に設け、コンプレッサディフューザ外径より外側
で、コンプレッサ段下流の流路に露出させる構造とす
る。

【００１６】また、上記ガスタービンエンジンにおい
て、放熱フィンの外周先端に整流ベーンを有する構造と
する。

【００１７】また、上記ガスタービンエンジンにおい
て、放熱フィンが最大外径位置でタービン出口方向に曲
がり、タービンプレナム外壁との間に空間をはさんで軸
方向に重合する構造とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるガスタービン
エンジンの実施の形態を添付図面を参照して詳細に説明
する。

【００１９】（第１の実施の形態）図１〜図４は、本発
明によるガスタービンエンジンの第１の実施の形態を示
す図である。まず、構成を説明すると、図１に示すよう
に、タービンノズルプレート４０とコンプレッサディフ
ューザプレート４１との間に、断熱構造部材４２が挿入
され、図示しないボルトで締結されている。図１の要部
拡大図である図２に示すように、断熱構造部材４２に
は、タービンノズルプレート４０側、コンプレッサディ
フューザプレート４１側にそれぞれ凹みが設けられてお
り、空間４３，４４を形成している。また、断熱構造部
材４２の外周部分４２ａには、環状フィン４５が取り付
けられている。その平面図を図３に示す。インペラ１２
の下流には、図１の断面Ａ−Ａである図４に示すよう
な、ベーン４６付ディフューザが取り付けられており、
先の環状フィン４５の先端の外周４５ａの径は、ベーン
４６の外周４９の径よりも大きく、環状フィン４５は、
コンプレッサ出口流路４８に突出している。また、環状
フィン４５の軸方向位置は、断熱構造部材４２の軸方向
厚さの中央位置５０よりコンプレッサディフューザプレ
ート４１側となっている。

【００２０】次に、第１の実施の形態の作用を説明す
る。タービンノズルプレート４０は、タービンロータ１
１に流入する燃焼ガスによって加熱され、高温となる。
この熱が、コンプレッサへ流入すると、圧縮行程の途中
で加熱されることとなり、コンプレッサの性能を低下さ
せることとなる。

【００２１】第１の実施の形態では、タービンノズルプ
レート４０とコンプレッサディフューザプレート４１と
が断熱構造部材４２を介して締結されている。高温のタ
ービンノズルプレート４０の熱は、断熱構造部材４２へ
流入するが、断熱構造部材４２のタービン側の面には凹
みがあり、タービンノズルプレート４０との固体接触面
積は、面４２ｂ，４２ｃと小さくしてあり、大部分は空
間４３内の熱伝導率の小さい空気層を介してタービンノ
ズルプレート４０と相対している。これにより、タービ
ンノズルプレート４０から、断熱構造部材４２へ流入す
る熱量を低減している。

【００２２】また、断熱構造部材４２のコンプレッサ側
の面にも凹みがあり、コンプレッサディフューザプレー
ト４１との固体接触面積は、面４２ｄ，４２ｅと小さく
してあり、大部分は空間４３内の熱伝導率の小さい空気
層を介してコンプレッサディフューザプレート４１と相
対している。これにより、断熱構造部材４２から、コン
プレッサディフューザプレート４１へ流入する熱量を低
減している。

【００２３】さらに、断熱構造部材４２の外周部分４２
ａに取り付けられている環状フィン４５により、断熱構
造部材４２からコンプレッサ出口流路４８中の低温圧縮
空気へと放熱され、コンプレッサディフューザプレート
４１へ流入する熱量を小さくしている。ここで、インペ
ラ１２を流出した空気は、ベーン４６の間の流路４７を
通る間に減速、圧縮され、コンプレッサ出口流路４８へ
流入する。環状フィン４５の先端の外周４５ａの径は、
ベーン４６の外周４９の径よりも大きく、コンプレッサ
出口流路４８に突出しているので、環状フィン４５に
は、流路の中では流速が大きい空気と接するため、熱伝
導率が高くなり、断熱構造部材４２からコンプレッサ出
口流路４８中の低温圧縮空気へ放熱される熱量が増え、
コンプレッサディフューザプレート４１へ流入する熱量
をより小さくしている。

【００２４】また、環状フィン４５の軸方向位置は、断
熱構造部材４２の軸方向厚さの中央位置５０よりコンプ
レッサディフューザプレート４１側となっているため、
タービンノズルプレート４０及びプレナム外壁５１と環
状フィン４５の間の空気層が厚くなり、タービンノズル
プレート４０及びプレナム外壁５１から環状フィン４５
へ流入する熱量を小さくすることができる。よって、環
状フィン４５がタービンノズルプレート４０よりにある
場合と比較して、タービンから熱が逃げることによるタ
ービン入口温度の低下を小さくすることができる。

【００２５】（第２の実施の形態）図５、図６は、本発
明によるガスタービンエンジンの第２の実施の形態を示
す図である。

【００２６】まず、構成を説明すると、第１の実施の形
態の構成に加えて、第２の実施の形態では、環状フィン
４５の外周４５ａに、整流ベーン５２を取り付けた。整
流ベーン５２の前縁５２ａの軸方向位置は、コンプレッ
サディフューザのベーン４６の軸方向厚さの中央とし、
半径方向位置は、実験により決定する。また、整流ベー
ン５２の断面はＲ形状とする。また、環状フィン４５に
は、整流ベーン５２内周の径からコンプレッサディフュ
ーザのベーン４６の外周４９の径までの間に貫通穴５３
が設けられている。整流ベーン５２は、全周にわたって
取り付ける場合だけでなく、例えば図６に示すように、
下側１８０度のみ取り付けても良い。この場合、貫通穴
５３の周方向範囲も整流ベーン５２の範囲とほぼ同一と
する。

【００２７】次に、第２の実施の形態の作用を説明す
る。環状フィン４５の外周に取り付けられた整流ベーン
５２の前縁５２ａの軸方向位置は、コンプレッサディフ
ューザのベーン４６の軸方向厚さの中央としてあるの
で、コンプレッサディフューザのベーン４６の間の流路
４７より流出した空気の流量は、整流ベーン５２をはさ
んで、ほぼ半分ずつに分けられる。整流ベーン５２の前
縁のタービン側に流入した空気５４は、ベーンに沿って
流れ、環状フィン４５に空けられた貫通穴５３を通っ
て、下流に流れる。このように、流れの方向が９０度変
わる場合、整流ベーン５２を取り付けた場合、剥離を押
さえることにより、圧力損失が減ることは一般的に知ら
れている。また、環状フィン４５からの熱が、整流ベー
ン５２の両面より空気に放熱されるので、第１の実施の
形態の場合よりも、断熱構造部材４２からコンプレッサ
出口流路４８中の低温圧縮空気へ放熱される熱量が増
え、コンプレッサディフューザプレート４１へ流入する
熱量をより小さくしている。

【００２８】（第３の実施の形態）図７、図８は、本発
明によるガスタービンエンジンの第３の実施の形態を示
す図である。

【００２９】まず、構成を説明すると、第１の実施の形
態の構成に加えて、図７に示すように、環状フィン４５
が最大外径位置でタービン出口方向に曲がり、タービン
プレナム外壁５５との間に空間５６をはさんで軸方向に
重合する部分５８をもつ。曲がり部５７の断面はＲ形状
である。なお、重合する長さは、実験により決定する。
重合する部分５８は、全周にわたってある場合だけでな
く、例えば図８に示すように、下側１８０度のみある場
合もある。

【００３０】次に、第３の実施の形態の作用を説明す
る。第１の実施の形態の作用に加えて、コンプレッサデ
ィフューザのベーン４６の間の流路４７より流出した空
気は、環状フィン４５の曲がりに沿って下流に流れる。
曲がり部５７の断面はＲ形状のため、直角の場合と比べ
て剥離しにくく圧力損失を小さくできる。空間５６の空
気は、ほとんど流動しないため、タービンプレナム外壁
５５及び重合する部分５８との間の熱伝達率は低く、プ
レナム外壁から重合する部分５８へ流入する熱量は小さ
い。よって、重合する部分５８が無い場合と比較して、
コンプレッサ出口流路４８内の低温圧縮空気へタービン
から熱が逃げることによるタービン入口温度の低下を小
さくすることができる。

【００３１】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、その構成を、（１）排気ガスにより回転駆動さ
れるラジアルタービンロータと、このロータと同軸に配
置されるラジアルインペラにより燃焼器に送られる空気
を圧縮してなるガスタービンエンジンにおいて、コンプ
レッサ段とタービン段との間の断熱構造部材の外周部分
に、軸方向厚さの中央位置よりコンプレッサ側に、放熱
フィンを外径方向に設け、コンプレッサディフューザ外
径より外側で、コンプレッサ段下流の流路に露出させ
る。または、（２）上記（１）に加えて、放熱フィンの
外周先端に整流ベーンを有する。または、（３）上記
（１）に加えて、放熱フィンが最大外径位置でタービン
出口方向に曲がり、タービンプレナム外壁との間に空間
をはさんで軸方向に重合することとしたため、以下の効
果がある。

【００３２】（第１の実施の形態）断熱構造部材４２か
らコンプレッサ出口流路４８中の低温圧縮空気へ放熱
し、コンプレッサディフューザプレート４１へ流入する
熱量をより小さくすることにより、コンプレッサ性能を
向上させ、エンジン性能を向上させる。

【００３３】（第２の実施の形態）第１の実施の形態の
効果に加え、断熱構造部材４２からコンプレッサ出口流
路４８中の低温圧縮空気への放熱量を増やし、コンプレ
ッサ性能をさらに向上させる。また、コンプレッサ出口
の曲がり流路での圧力損失を低減することにより、エン
ジン性能を向上させる。

【００３４】（第３の実施の形態）第１の実施の形態の
効果に加え、コンプレッサ出口流路４８内の低温圧縮空
気へタービンから熱が逃げることによるタービン入口温
度の低下を小さくすることにより、エンジン性能を向上
させる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるガスタービンエンジンの第１の実
施の形態の構成を示す図である。

【図２】図１の要部拡大図である。

【図３】第１の実施の形態の環状フィン、断熱構造部材
の平面図である。

【図４】図１のＡ−Ａ断面図である。

【図５】第２の実施の形態の構成を示す図である。

【図６】第２の実施の形態の環状フィン、断熱構造部材
の平面図である。

【図７】第３の実施の形態の構成を示す図である。

【図８】第３の実施の形態の環状フィン、断熱構造部材
の平面図である。

【図９】従来技術のガスタービンの側面断面図である。

【図１０】従来技術のガスタービンの正面図である。

【図１１】従来技術のガスタービンの分解斜視図であ
る。

【図１２】従来技術のガスタービンの要部断面図であ
る。

【符号の説明】

１１ タービンロータ １２ インペラ ４０ タービンノズルプレート ４１ コンプレッサディフューザプレート ４２ 断熱構造部材 ４２ａ 断熱構造部材４２の外周部分 ４２ｂ，４２ｃ，４２ｄ，４２ｅ 面 ４３，４４ 空間 ４５ 環状フィン ４５ａ 環状フィン４５の先端の外周 ４６ ベーン ４７ 流路 ４８ コンプレッサ出口流路 ４９ ベーン４６の外周 ５０ 断熱構造部材４２の軸方向厚さの中央位置 ５１ プレナム外壁 ５２ 整流ベーン ５２ａ 整流ベーン５２の前縁 ５３ 貫通穴 ５４ 空気 ５５ タービンプレナム外壁 ５６ 空間 ５７ 曲がり部 ５８ 重合する部分

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガスにより回転駆動されるラジアル
   タービンロータと、このロータと同軸に配置されるラジ
   アルインペラにより燃焼器に送られる空気を圧縮してな
   るガスタービンエンジンにおいて、 コンプレッサ段とタービン段との間の断熱構造部材の外
   周部分に、軸方向厚さの中央位置よりコンプレッサ側
   に、放熱フィンを外径方向に設け、コンプレッサディフ
   ューザ外径より外側で、コンプレッサ段下流の流路に露
   出させることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のガスタービンエンジン
   において、 前記放熱フィンの外周先端に整流ベーンを有することを
   特徴とするガスタービンエンジン。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のガスタービンエンジン
   において、 前記放熱フィンが最大外径位置でタービン出口方向に曲
   がり、タービンプレナム外壁との間に空間をはさんで軸
   方向に重合することを特徴とするガスタービンエンジ
   ン。