JP2007009841A - ガスタービンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジンの排気ダクトに配置される機関部材に対して、簡易な機構によって十分な冷却効果を奏することを可能とする技術を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン１９の排気ダクト２０に配置された軸受９や軸受室２２や潤滑油供給パイプ２１などの機関部材をガスタービンエンジン１９の排気から遮蔽する遮蔽室（２３、２６）に、排気ダクト２０の外部から外気を取り入れる開口部２４と該外気が排気ダクト内に流出する開口部２５とを設け、前記機関部材が前記遮蔽室を流通する外気に曝される流路を形成した。
【選択図】図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関する。

ガスタービンエンジンの運転時に高速回転するロータ軸は複数の軸受によって支えられる。この際、コンプレッサ側に配置される軸受は比較的低温の空気を吸気する環境下にあるのに対し、タービン側の排気ダクトに配置される軸受は非常に高温且つ高速の排気に曝される。この排気の熱による軸受の変形や損傷などを回避するため、排気の熱を遮蔽する熱遮蔽室を設けてその内部に軸受を設置したり、軸受に対して潤滑油を多量に供給したりする技術が提案されている（例えば特許文献１を参照）。
特開平６−１７３７０８号公報 特公平７−１３４７３号公報

しかし、このような冷却方法では排気の熱を排熱し切れない場合があり、そのような場合、熱遮蔽室そのものが排気の高熱に耐えられずに損壊したり、潤滑油が排気の高熱によって劣化したり油膜切れを起こしたりする虞がある。これに対して熱遮蔽室の大型化や、潤滑油を供給するポンプの容量増大などの対策が考えられるが、いずれもエンジンの軽量化・小型化の要請に相反する可能性があった。

また、冷却専用のコンプレッサを追加搭載したり、エンジンのコンプレッサを利用して空冷により冷却することも考えられるが、前者の場合はエンジンの重量増大を招く虞があった。また、後者の場合は本来推力発生のために利用されるはずの空気の一部を冷却のために使うことになり、エンジンの出力に影響を与える虞があった。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ガスタービンエンジンの排気ダクトに配置される機関部材に対して、簡易な機構によって十分な冷却効果を奏することを可能とする技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、ガスタービンエンジンの排気ダクトに配置された機関部材をガスタービンエンジンの排気から遮蔽する遮蔽室に、排気ダクトの外部から外気を取り入れる開口部と該外気が排気ダクト内に流出する開口部とを設け、遮蔽室を流通する外気に機関部材が曝されるようにしたことを最大の特徴とする。

より詳しくは、本発明に係るガスタービンエンジンは、
ガスタービンエンジンの排気ダクト内に設けられた機関部材と、
前記排気ダクト内において前記機関部材を取り囲む隔壁により形成され、前記機関部材を前記ガスタービンエンジンから排出される排気から遮蔽する遮蔽室とを備え、
前記遮蔽室は、
前記遮蔽室内に外気を取り込む外開口部と、
前記外開口部から前記遮蔽室内に取り込まれた外気を前記排気ダクト内を流通する排気中へ排出する内開口部とを有し、前記外開口部から流入し前記内開口部へ流れる外気に前記機関部材が曝される流路を形成することを特徴とする。

上記の構成によれば、ガスタービンエンジンの排気ダクトに設けられた機関部材は遮蔽
室に収容されており、この遮蔽室を形成する隔壁と機関部材との間の空気層によって、排気ダクトを流通する排気の熱から遮蔽される。これにより、排気ダクト内に設置されていても排気ダクトを高速で流通する高温の排気に直接曝されなくなり、また、空気層の空気が排気の熱を吸収するので、機関部材の過剰な昇温を抑制することができる。

さらに、この遮蔽室には、排気ダクトの外部から外気が流入する外開口部と、外開口部から流入した外気が排気ダクトへ流出する内開口部とが備えられている。ここで、内開口部は高速で流通する排気の流れの中に開口しているので、内開口部の近傍には負圧が生じる。そのため、遮蔽室内の外気が内開口部から排気ダクトへ吸い出される効果が生じる。これにより、遮蔽室内部では内開口部と外開口部との間に差圧が生じる。そのため、外開口部から遮蔽室に流入した外気が内開口部へ向かって流れ、内開口部から排気ダクトへ流出する、という外気の流れが生じる。その結果、ポンプやファンなどの動力を追加搭載したり、ガスタービンエンジンの圧縮空気を用いたりすることなく、継続的に外開口部から新しい低温の外気を取り込むことが可能となる。

また、この遮蔽室は、上述のようにして生じた外気の流れに対して機関部材が曝される流路を形成している。すなわち、外開口部から遮蔽室に流入した外気は、機関部材に吹き付けながら内開口部へ向かって流れる。これにより、遮蔽室内に収容された機関部材は、継続的に遮蔽室に流入する低温の新しい外気によって空冷されることになる。

以上のように、本発明によれば、ガスタービンエンジンの排気ダクトに高速の排気の流れが存在する間は、継続的に遮蔽室に低温の新しい外気が流入し続ける。これにより、排気の熱による遮蔽室の温度上昇を抑制するとともに、遮蔽室に収容された機関部材を直接空冷することが可能となる。その結果、ガスタービンエンジンの排気ダクトに配置される機関部材をより確実に冷却することが可能となる。

なお、このような遮蔽室は排気ダクト内に複数個設けてもよい。そうすれば、より多くの機関部材を冷却することができる。また、遮蔽室は排気ダクトを高速で流通する排気の流れの中に配置されることになるため、排気の流れに対して抵抗の少ない形状とすることもできる。そうすれば、ガスタービンエンジンの運転性能に著しい影響を及ぼすことなく遮蔽室を形成することができる。

本発明に係るガスタービンエンジンは、
前記機関部材が、
前記ガスタービンエンジンのロータ軸を回転可能に支える軸受と、
前記軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、
前記軸受から流出した潤滑油が流通する潤滑油排出部とのうち少なくとも一つを含むようにしてもよい。

ここで、軸受は高速回転するロータ軸を回転可能に支持している。ロータ軸の回転運動を円滑化するとともに、回転運動による摩擦熱や排気ダクトを流通する排気の熱などによって昇温された軸受を冷却するために、軸受には潤滑油供給部によって潤滑油が供給される。そして、軸受に供給された潤滑油はロータ軸の回転運動に伴って軸受の周囲に飛散する。飛散した潤滑油は、潤滑油排出部において一時的に保持されたのち、排気ダクト外部に排出される。

しかし、ガスタービンエンジンから排出される高温の排気によって、軸受が過剰に昇温された場合には、軸受が変形したりや溶損したりすることが考えられた。また、潤滑油が過剰に昇温された場合には、潤滑油が劣化したり軸受において油膜切れを起こしたりすることが考えられた。

そこで、本発明においては、ガスタービンエンジンの排気ダクト内部に配置された、軸受、潤滑油供給部、又は潤滑油排出部の少なくとも一つを遮蔽室に収容することとし、それらを排気ダクトを流通する排気の熱から遮蔽するとともに、継続的に遮蔽室に流入する新しい低温の外気によって冷却することとした。

これにより、上述のように、軸受、潤滑油供給部、又は潤滑油排出部は、排気ダクトに排気が流通している間は継続的に低温の外気によって空冷される。そのため、これらの機関部材をより確実に冷却することが可能となる。その結果、軸受が過剰に昇温されることによって変形したりや溶損したりすることが抑制され、また、潤滑油が過剰に昇温されることによって劣化したり軸受において油膜切れを起こしたりすることが抑制される。これによりロータ軸の高速回転性能をより確実に維持することができる。

さらに、本発明に係るガスタービンエンジンは、
前記潤滑油供給部は、前記軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給パイプであり、
前記潤滑油排出部は、前記軸受を収容するとともに前記軸受から流出した潤滑油を一時的に保持する軸受室であり、
前記隔壁は、
前記軸受室を取り囲む軸受室保護壁と、
前記潤滑油供給パイプを取り囲むとともに、両端が前記軸受室保護壁及び前記排気ダクトに結合して形成され、前記軸受室を前記排気ダクトに固定する中空の支柱とを有し、
前記遮蔽室は、
前記支柱により形成され前記外開口部が設けられた第一の遮蔽室と、
前記軸受室保護壁により形成され前記内開口部が設けられた第二の遮蔽室と、
前記第一の遮蔽室と前記第二の遮蔽室とを連通する連通路とを有し、
前記外開口部は、前記第一の遮蔽室における前記支柱と前記排気ダクトとの結合部に設けられ、
前記内開口部は、前記第二の遮蔽室における前記排気ダクトの下流側の端部に設けられ、
前記連通路は、前記支柱と前記軸受室保護壁との結合部における前記排気ダクトの上流側の端部に設けられていることを特徴とするガスタービンエンジンとしてもよい。

このように構成されたガスタービンエンジンにおいては、排気ダクトの外から前記外開口部を通って前記支柱の中空部に流入した外気は、前記第一の遮蔽室、前記連通路、前記第二の遮蔽室によって形成される流路を流通した後、前記内開口部から前記排気ダクト内に流出する。上述のように内開口部の近傍には負圧が生じるため、内開口部の近傍と外開口部の近傍との間の差圧により、排気ダクトの外部から第一の遮蔽室内へ外気を吸い込むことができる。

これにより、潤滑油供給パイプ、軸受及び軸受室の全てを低温の外気により冷却することができる。その結果、潤滑油供給パイプによって供給される潤滑油の温度上昇が抑制され、軸受をより確実に冷却することが可能となる。さらに、軸受から飛散するなどにより流出して軸受室に溜まった潤滑油の冷却もより確実に行われることになる。

ここで、連通路と内開口部とはそれぞれ第二の遮蔽室における排気ダクトの上流側と下流側とに設けられているため、第一の遮蔽室から連通路を経由して第二の遮蔽室に流入した外気は、確実に軸受室に吹き付けられながら内開口部に向かって流れることになる。そのため、軸受室の空冷をさらに確実に行うことができる。

本発明により、ガスタービンエンジンの排気ダクトに配置される機関部材に対して、簡易な機構によって十分な冷却効果を奏することが可能となる。それにより、機関部材が排気の高熱により過剰に昇温されることに起因する機能不全や、潤滑油が過剰に昇温されることによる潤滑油供給量の低下、潤滑油の劣化などの問題の発生をより確実に抑制することができる。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は本発明に係るガスタービンエンジンのブロック図である。

図１のガスタービンエンジン１９はコンプレッサ１、燃焼器１０、タービン２、出力タービン３が直列的に配置されている。コンプレッサ１とタービン２とはローターシャフト４によって結合され、ローターシャフト４はコンプレッサ側の端部をコンプレッサ側軸受６によって回転可能に支えられるとともに、タービン側の端部をタービン側軸受７によって回転可能に支えられている。出力タービン３は出力ローターシャフト５によって図示しない負荷と結合され、出力タービン３の回転エネルギーが動力に変換される。出力ローターシャフト５は出力タービン側の端部を出力タービン側軸受８によって回転可能に支えられるとともに、負荷側の端部を軸受９によって回転可能に支えられている。

ガスタービンエンジン１９の運転中、コンプレッサの入口１１からコンプレッサ１に吸い込まれた吸気１０１は圧縮され出口１２から排出される。そして、コンプレッサ１の出口１２から排出された圧縮空気１０２は燃焼器１０の入口１３から燃焼器１０に流入し、燃料と混合され、点火され、燃焼して高温の燃焼ガスを発生する。燃焼後、燃焼器１０の出口１４から排出された燃焼ガス１０３はタービン２の入口１５に流入してタービン２を駆動する。さらに、タービン２の出口１６から排出されたタービン出ガス１０４は出力タービン３の入口１７に流入して出力タービン３を駆動する。こうして、出力タービン３の出口１８から排出された出力タービン出ガス１０５は排気ダクト２０に流入し排気１０６となって外部に排出される。このように、排気ダクト２０を流通する排気１０６は出力タービン３から高速で排出された高温の燃焼ガスであるため、排気ダクト２０内に設置される機関部材は高温高速の排気の流れに曝されることになる。

図２はガスタービンエンジン１９の排気ダクト２０近傍の半断面図の一部を示す図である。

なお、図２の中に図１のブロック図で示した構成要素に相当するものがある場合は、図１と共通の番号を付した。

出力タービン３は出力ローターシャフト５に結合されている。出力タービン３から排気ダクト２０に排出された出力タービン出ガス１０５は、高温高速の排気１０６として排気ダクト２０を流通する。

ローターシャフト５は排気ダクト２０内に設置された軸受９によって回転可能に支持されている。軸受９には潤滑油供給パイプ２１によって排気ダクト２０の外部から潤滑油が供給される。この潤滑油により出力ローターシャフト５の回転運動が円滑化されるとともに、軸受９が冷却される。また、軸受９に供給された潤滑油は、出力ローターシャフト５の高速回転運動に伴って周囲に飛散され、液滴又は霧状になって軸受室２２に一時的に保持された後、排気ダクト２０の外部へ排出される。

軸受室２２はエンジン中心軸線２９と同心的に設けられた軸受室保護壁３０によって取り囲まれている。軸受室保護壁３０によって軸受室２２を排気１０６の熱から遮蔽する第二の遮蔽室２６が形成される。軸受室保護壁３０は中空の支柱２７によって排気ダクト２０に固定されている。支柱２７は出力タービン出ガス１０５や排気１０６（以後「排気」）の流れに対して抵抗の少ない形状を有し、エンジン中心軸線２９に対して放射状に複数個配置されている。

支柱２７中空部には潤滑油供給パイプ２１が収容されている。支柱２７によって潤滑油供給パイプ２１を排気の熱から遮蔽する第一の遮蔽室２３が形成される。

第一の遮蔽室２３と潤滑油供給パイプ２１との位置関係を図３に示す。ここで、図３は、図２においてＡ−Ａ’で示す破線を含み紙面に垂直な平面によって支柱２７を切断した場合の断面図を示している。

支柱２７と排気ダクト２０との結合部には、第一の遮蔽室２３に外気を取り込む外気取り入れ口２４が設けられている。外気取り入れ口２４は本発明における外開口部に相当する。また、支柱２７と軸受室保護壁３０との結合部における排気ダクト２０の上流側の端部には、第一の遮蔽室２３内の外気が第二の遮蔽室２６へ流入する連通開口部３１が設けられている。連通開口部３１は本発明における連通路に相当する。また、支柱２７と軸受保護壁３０との結合部における排気ダクト２０の下流側の端部には、第二の遮蔽室２６内の外気が排気ダクト２０内へ流出する外気吸出し口２５が設けられている。外気吸出し口２５は本発明における内開口部に相当する。

このように、第一の遮蔽室２３、連通開口部３１、及び第二の遮蔽室２６は、外気取り入れ口２４から流入した外気が流通する流路を形成する。

ここで、外気吸出し口２５は排気ダクト２０の内部に開口しており、その近傍には高速で排気１０６が流れているため、外気吸出し口２５の近傍には負圧が生じる。そのため、第二の遮蔽室２６内の外気が外気吸出し口２５から排気ダクト２０内へ吸い出される効果が生じる。そのため、上記の流路において、外気取り入れ口２４の近傍と外気吸出し口２５の近傍との間に差圧が生じる。これにより、外気取り入れ口２４から流入した外気が上記の流路を通って外気吸出し口２５から流出するという流れが生じる。その結果、第一の遮蔽室２３内の潤滑油供給パイプ２１や、第二の遮蔽室２６内の軸受室２２に吹き付ける継続的な外気の流れが生じ、低温の外気にる潤滑油供給パイプ２１及び軸受室保護壁３０の空冷が可能となる。上述のように、この外気の流れを生み出すためには、ポンプやコンプレッサなどの動力を必要としないので、ガスタービンエンジン１９の重量やサイズの増加を招きにくい。

以上のように、本実施例によれば、ガスタービンエンジン１９の排気ダクト２０に配置される軸受９、潤滑油供給パイプ２１または軸受室２２などの機関部材に対して、簡易な機構によって十分な冷却効果を奏することが可能となる。それにより、該機関部材が排気の高熱に曝されて昇温されることに起因する機能不全や、潤滑油が昇温されることによる潤滑油供給量の低下、潤滑油の劣化などの問題の発生をより確実に抑制することができる。

なお、上述した本発明の実施例の説明は、例示のためのものであり、本発明を上記の特定の態様に限定するものではなく、上記の説明に基づいて本発明の本旨を逸脱しない範囲内において種々の改変が可能である。例えば、軸受室を冷却する外気と潤滑油供給パイプを冷却する外気とを別々の外気取り込み口から導入し、異なる流路を流通させるようにしてもよい。また、冷媒は特に外気である必要はなく、排気ダクトの外部に設けられた冷却
ガス発生手段により供給される何らかの冷媒を上述のような差圧を利用して継続的に遮蔽室内に導入するようにしてもよい。

本発明の実施例に係るガスタービンエンジンのブロック図である。 本発明の実施例に係るガスタービンエンジンの排気ダクト周辺の概略構成図である。 本発明の実施例に係る遮蔽室の断面図である。

符号の説明

１・・・コンプレッサ
２・・・タービン
３・・・出力タービン
４・・・ローターシャフト
５・・・出力ローターシャフト
６・・・コンプレッサ側軸受
７・・・タービン側軸受
８・・・出力タービン側軸受
９・・・軸受
１０・・・燃焼器
１１・・・コンプレッサ入口
１２・・・コンプレッサ出口
１３・・・燃焼器入口
１４・・・燃焼器出口
１５・・・タービン入口
１６・・・タービン出口
１７・・・出力タービン入口
１８・・・出力タービン出口
１９・・・ガスタービンエンジン
２０・・・排気ダクト
２１・・・潤滑油供給パイプ
２２・・・軸受室
２３・・・第一の遮蔽室
２４・・・外気取り入れ口
２５・・・外気吸出し口
２６・・・第二の遮蔽室
２７・・・支柱
２８・・・潤滑油排出パイプ
２９・・・エンジン中心軸線
３０・・・軸受室保護壁
３１・・・連通開口部
１０１・・・吸気
１０２・・・圧縮空気
１０３・・・燃焼ガス
１０４・・・タービン出ガス
１０５・・・出力タービン出ガス
１０６・・・排気

Claims (3)

1. ガスタービンエンジンの排気ダクト内に設けられた機関部材と、
   前記排気ダクト内において前記機関部材を取り囲む隔壁により形成され、前記機関部材を前記ガスタービンエンジンから排出される排気から遮蔽する遮蔽室とを備え、
   前記遮蔽室は、
   前記遮蔽室内に外気を取り込む外開口部と、
   前記外開口部から前記遮蔽室内に取り込まれた外気を前記排気ダクト内を流通する排気中へ排出する内開口部とを有し、前記外開口部から流入し前記内開口部へ流れる外気に前記機関部材が曝される流路を形成することを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記機関部材は、
   前記ガスタービンエンジンのロータ軸を回転可能に支える軸受と、
   前記軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給部と、
   前記軸受から流出した潤滑油が流通する潤滑油排出部とのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記潤滑油供給部は、前記軸受に潤滑油を供給する潤滑油供給パイプであり、
   前記潤滑油排出部は、前記軸受を収容するとともに前記軸受から流出した潤滑油を一時的に保持する軸受室であり、
   前記隔壁は、
   前記軸受室を取り囲む軸受室保護壁と、
   前記潤滑油供給パイプを取り囲むとともに、両端が前記軸受室保護壁及び前記排気ダクトに結合して形成され、前記軸受室を前記排気ダクトに固定する中空の支柱とを有し、
   前記遮蔽室は、
   前記支柱により形成され前記外開口部が設けられた第一の遮蔽室と、
   前記軸受室保護壁により形成され前記内開口部が設けられた第二の遮蔽室と、
   前記第一の遮蔽室と前記第二の遮蔽室とを連通する連通路とを有し、
   前記外開口部は、前記第一の遮蔽室における前記支柱と前記排気ダクトとの結合部に設けられ、
   前記内開口部は、前記第二の遮蔽室における前記排気ダクトの下流側の端部に設けられ、
   前記連通路は、前記支柱と前記軸受室保護壁との結合部における前記排気ダクトの上流側の端部に設けられていることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。

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