特許 6799455 ガスタービンエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6799455

(24)【登録日】2020年11月25日

(45)【発行日】2020年12月16日

(54)【発明の名称】ガスタービンエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/24 20060101AFI20201207BHJP

【ＦＩ】

   F02C7/24 A

【請求項の数】5

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2016-244695(P2016-244695)

(22)【出願日】2016年12月16日

(65)【公開番号】特開2018-96353(P2018-96353A)

(43)【公開日】2018年6月21日

【審査請求日】2019年12月11日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087941

【弁理士】

【氏名又は名称】杉本 修司

(74)【代理人】

【識別番号】100086793

【弁理士】

【氏名又は名称】野田 雅士

(74)【代理人】

【識別番号】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100154771

【弁理士】

【氏名又は名称】中田 健一

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(72)【発明者】

【氏名】中山 智

(72)【発明者】

【氏名】岡 顕久

(72)【発明者】

【氏名】清家 裕喜

【審査官】 高吉 統久

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１３８０６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１２／０１５６００５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１５／００８２７６７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０３４８５８７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開２０１７−０７８４２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０３−１００３３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０２０１５７２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｆ０１Ｄ １７／００

Ｆ０２Ｃ ７／１８− ７／２０

Ｆ０２Ｃ ７／２２８

Ｆ０２Ｃ ７／２４

Ｆ０２Ｃ ９／１８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃焼器で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスにより、回転軸で連結されたタービンを駆動するガスタービンエンジンであって、
前記ガスタービンエンジン内の異なる部分間を連通させる複数の空気通路と、
前記複数の空気通路間で空気の流路を切り替える切替装置と、を備え、
前記複数の空気通路はエンジンケーシングの外側に設けられた空気管によって形成され、
前記切替装置は遮熱部材を介して前記エンジンケーシングの外面に取り付けられており、
前記遮熱部材は、前記切替装置の前記エンジンケーシング側を覆う壁を有するとともに、前記切替装置の反対側が開放されている、
ガスタービンエンジン。

【請求項2】

圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃焼器で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスにより、回転軸で連結されたタービンを駆動するガスタービンエンジンであって、
前記ガスタービンエンジン内の異なる部分間を連通させる複数の空気通路と、
前記複数の空気通路間で空気の流路を切り替える切替装置と、を備え、
前記複数の空気通路はエンジンケーシングの外側に設けられた空気管によって形成され、
前記切替装置は遮熱部材を介して前記エンジンケーシングの外面に取り付けられており、
他の付属機器のサポート部材に前記切替装置が取り付けられているガスタービンエンジン。

【請求項3】

請求項２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記他の付属機器が燃料マニホールドであるガスタービンエンジン。

【請求項4】

請求項１から３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記切替装置がステーを介してエンジンケーシング表面から離間して取り付けられているガスタービンエンジン。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記切替装置が圧縮機ケーシングの外面に取り付けられているガスタービンエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ガスタービンエンジンの主としてシールエア供給用に使用される空気の通路の配置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ガスタービンエンジンの軸受部にオイル漏れを防止するシールエアを供給する空気管をエンジンケーシングの外側に配置したものがある。この空気管には、切換弁が設けられ、エンジン運転中は、圧縮機から抽気された圧縮空気が供給され、エンジン停止中は外部の補助エア源からの高圧空気が供給されるように切り替えている（例えば特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００７−１３８８０９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

しかしながら、前記先行技術の場合、圧縮空気の切換弁の設置場所について言及されていない。仮に、この切換弁がガスタービンエンジン本体から離れた場所に設置される場合には、ガスタービンエンジン本体と切換弁の間を接続する配管やそれに伴う部品などの設備構成が大掛かりとなり、広いスペースが必要でコスト高にもなる。また、仮に、ガスタービンエンジン本体に近接した場所に切換弁が設置される場合には、ガスタービンエンジンからの熱による悪影響を受けて、切換弁の誤作動や早期の劣化を招く。

【0005】

本発明の目的は、空気通路を切り替える切替装置の信頼性が高く、省スペースかつコンパクトな構成で配置したガスタービンエンジンを提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記目的を達成するために、本発明に係るガスタービンエンジンは、圧縮機で圧縮した圧縮空気を燃焼器で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスにより、回転軸で連結されたタービンを駆動するガスタービンエンジンであって、前記ガスタービンエンジン内の異なる部分間を連通させる複数の空気通路と、前記複数の空気通路間で空気の流路を切り替える切替装置とを備え、前記複数の空気通路はエンジンケーシングの外側に設けられた空気管によって形成され、前記切替装置は遮熱部材を介して前記エンジンケーシングの外面に取り付けられている。

【0007】

この構成によれば、複数の空気通路を形成する空気管および切替装置がエンジンケーシングの外側に設けられることで、設置スペースに余裕があるため、エンジンケーシング内部の高温による熱的悪影響を受けにくい配置が容易となる。また、遮熱部材による遮熱効果によって切替装置の高温化がさらに効果的に防止される。したがって、高温化による切替装置の誤作動や劣化がなく、その信頼性が高いレベルで確保される。

【0008】

本発明のガスタービンエンジンにおいて、前記切替装置がステーを介してエンジンケーシング表面から離間して取り付けられてもよい。この場合、ステーの存在による切替装置の隔離によって、さらなる高温化抑制効果が期待できる。

【0009】

本発明のガスタービンエンジンにおいて、他の付属機器のサポート部材に前記切替装置が取り付けられていてもよい。この場合、同一のサポート部材の共有化による省スペース、コスト低減を図ることができる。

【0010】

本発明のガスタービンエンジンにおいて、前記他の付属機器が燃料マニホールドであってもよい。この場合、燃料マニホールドと切替装置が近接するので、燃料マニホールド内を流れる低温の燃料によって切替装置の高温化が抑制される。

【0011】

本発明のガスタービンエンジンにおいて、前記切替装置が圧縮機ケーシングの外面に取り付けられていてもよい。この場合、圧縮機ケーシングは高温となるタービンおよび燃焼器から離れているので、タービンおよび燃焼器からの熱影響を大きく受けず、切替装置の過熱防止が図られる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、複数の空気通路を形成する空気管および切替装置がエンジンケーシングの外側に設けられることで、設置スペースに余裕があるため、エンジンケーシング内部の高温による熱的悪影響を受けにくい配置が容易となる。また、遮熱部材によって切替装置の高温化がさらに効果的に防止される。その結果、高温化による切替装置の誤作動や劣化がなく、その信頼性が高いレベルで確保される。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの概略構成図である。

【図2】同ガスタービンエンジンの部分破断側面図である。

【図3】切替装置を取り付けた圧縮機ケーシングの下面側から見た斜視図である。

【図4】サポート部材と切替装置の取付関係を簡略的に示す断面図である。

【図5】燃料マニホールドを支持するサポート部材に切替装置が取り付けられた状態を簡略的に示す正面図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジン（以下、単にガスタービンという場合がある）について図面を参照しながら説明する。図１は本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンの概略構成図を示す。同図において、ガスタービン１は、外部からの導入空気Ａ１を圧縮機２で圧縮して圧縮空気ＣＡにして燃焼器３に導き、この圧縮空気ＣＡを燃焼器３内に噴射される燃料Ｆと混合して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧにより、タービン５を駆動する。なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向Ｃの圧縮機２側を「前側」、タービン５側を「後側」という場合がある。

【0015】

圧縮機２とタービン５は回転軸６で連結され、タービン５が圧縮機２を駆動する。回転軸６の前部は軸受室７に収容された軸受によって支持され、回転軸６の後部は軸受室８に収容された軸受によって支持されている。このガスタービン１は、図２に示すように、回転軸６が軸方向に複数、この例では６Ａ〜６Ｃの３つに分割された一軸型であるが、圧縮機２とタービン５は単一の回転軸６で連結されていてもよい。また、本発明は、軸方向に複数に分割された圧縮機２と軸方向に複数に分割されたタービン５とを同心状の複数の回転軸で連結する、いわゆる複数軸型のガスタービンにも適用できる。

【0016】

図１の圧縮機２の高圧段側（例えば１０段目）とタービン５との間は冷却空気供給路１０で連絡され、圧縮機２の高圧段側から取り出した圧縮空気ＣＡの一部が内部冷却用の空気としてタービン５の内部各所に送り込まれるようになっている。

【0017】

圧縮機２は、ガスタービンエンジン１内の異なる部分間を連通させる複数の空気通路として、その低圧段側（例えば４段目）から軸受室７，８にシール用の圧縮空気ＣＡを供給する低圧空気供給路１１と、圧縮機２内の高圧段側から軸受室７，８へシール用の圧縮空気ＣＡを供給する高圧空気供給路１２とを備えている。この高圧空気供給路１２は前記冷却空気供給路１０から分岐させて設けられている。高圧空気供給路１２は合流点Ｐで低圧空気供給路１１と合流しており、低圧空気供給路１１における合流点Ｐよりも上流側に逆止弁１３が設けられている。合流点Ｐよりも下流側は空気供給路１８となっており、この空気供給路１８に、空気中の異物を除去するフィルタ１５と、ドレイン排出器１６とが設けられている。

【0018】

合流点Ｐの上流側の高圧空気供給路１２には、低圧空気供給路１１と高圧空気供給路１２を適宜切り替え可能な切替装置１７が設けられている。弁体空気供給路１８は途中で、前側空気供給路１８Ａと後側空気供給路１８Ｂとに分岐しており、前側空気供給路１８Ａは前側の軸受室７に、後側空気供給路１８Ｂは後側の軸受室８にそれぞれ接続されている。前記切替装置１７は自動切替弁で構成されている。この自動切替弁１７は、高圧空気供給路１２の内部に配置された弁体４３と、これを駆動するアクチュエータ４４とを有する。アクチュエータ４４は、例えば電気式であり、ソレノイドバルブによって選択的に弁駆動用空気を導入し、その空気圧により弁駆動ロッド４４ａを移動させることによって弁体４３を開閉動作させる。

【0019】

ガスタービン１の回転速度は、軸受室７に取り付けた回転速度センサ２０により検出され、シール用の圧縮空気ＣＡの圧力は、空気供給路１８に設置した圧力センサ２１により検出される。前記回転速度センサ２０は、ガスタービン１の回転速度を検出できる部位であれば、軸受室７以外の部位に設けてもよい。

【0020】

ガスタービン１には、適切な運転制御を可能とするコントローラ２２が付設されており、このコントローラ２２に回転速度センサ２０により検出したエンジンの回転速度や圧力センサ２１により検出した圧力が監視情報として入力され、これらの情報を演算処理した結果に基づいて切替装置１７を動作させ、低圧空気供給路１１と高圧空気供給路１２のうち、いずれか適切な方に適宜切替え制御できるようになっている。

【0021】

図２はガスタービンエンジン１の部分破断側面図を示す。同図を参照しながら、図１に示すガスタービンエンジン１をより具体的に説明する。図２に示すように、このガスタービンエンジン１では、圧縮機２として軸流型のものを用いている。この軸流型圧縮機２は、ガスタービン１の回転部分の前部を構成する圧縮機ロータ２３Ａの外周面に、多数の動翼２５が配置されており、これら動翼２５と、圧縮機ケーシング（エンジンケーシングの一部）２６の内周面に多数配置された静翼２７との組合せにより、前部開口から吸入した空気Ａ１を圧縮する。圧縮空気ＣＡは、圧縮機２の下流側に設けたディフューザ３０を経由して燃焼器３に向けて送給される。

【0022】

燃焼器３は、ガスタービン１の周方向に沿って複数個（例えば８個）が等間隔に配置されている。燃焼器３では、圧縮機２から送給された圧縮空気ＣＡが、燃焼器３内に噴射された燃料Ｆと混合されて燃焼され、これにより生成した高温高圧の燃焼ガスＧがタービン５内に流入する。

【0023】

タービン５は、ガスタービン１の回転部分の軸方向中央部と後部をそれぞれ構成するタービンロータ２３Ｂおよび２３Ｃと、これらロータ２３Ｂ，２３Ｃを覆うタービンケーシング（エンジンケーシングの一部）３２とを備えている。タービンロータ２３Ｂは圧縮機ロータ２３Ａに一体回転するように連結されている。タービンケーシング３２の後部には、排気路３７を形成する排気路ケーシング（エンジンケーシングの一部）３８が連結されている。

【0024】

ロータ２３Ａ，２３Ｂは前部の回転軸６を形成しており、圧縮機ケーシング２６およびタービンケーシング３２に、前部および中央部の軸受室７，９を介して回転自在に支持されている。また、ロータ２３Ｃは後部の回転軸６Ａを形成しており、排気路ケーシング３８に、後部の軸受室８を介して回転自在に支持されている。両回転軸６，６Ａは、ギヤカップリング６０により、一体回転するように連結されている。

【0025】

このような構成のガスタービン１において、前出の図１で説明した複数の空気通路の一つである図２の低圧空気供給路１１は、圧縮機ケーシング２６における圧縮機２の低圧段側に相当する部位に抽気口（図示せず）を設け、この抽気口に低圧空気供給路１１を形成する空気管を接続する。一方、空気通路の一つである高圧空気供給路１２は、エンジンケーシングの前部を構成する圧縮機ケーシング２６における圧縮機２の高圧段側に相当する部位に抽気口（図示せず）を設け、この抽気口に冷却空気供給路１０を形成する空気管を接続することで形成される。低圧空気供給路１１を形成する空気管および高圧空気供給路１２を形成する空気管は、いずれも圧縮機ケーシング２６の外側に設けられる。

【0026】

低圧空気供給路１１と高圧空気供給路１２の空気の流路を切り替える切替装置１７の自動切替弁が閉じられると、高圧空気供給路１２が閉路され、常時開路されている低圧空気供給路１１からの圧縮空気ＣＡが空気供給路１８を通って軸受室７，８に供給される。また、切替装置１７の自動切替弁が開かれると、高圧空気供給路１２が開路され、その圧縮空気ＣＡによって低圧空気供給路１１が遮断され，高圧空気供給路１２からの圧縮空気ＣＡが空気供給路１８を通って軸受室７，８に供給される。回転速度センサ２０で検出した回転速度信号２０ａや圧力センサ２１で検出した情報がコントローラ２２に入力され、演算処理の結果によって、軸受室７，８への圧縮空気ＣＡの供給を低圧空気供給路１１で行うか、あるいは高圧空気供給路１２で行うかが判断される。その結果に基づき、コントローラ２２からの指令２２ａにより切替装置１７のアクチュエータ４４が作動して、開閉が切り替えられる。

【0027】

低圧空気供給路１１と高圧空気供給路１２のうち、いずれが選択された場合でも、空気供給路１８と連通して、圧縮空気ＣＡが軸受室７，８を取り囲む壁と回転軸６，６Ａの外周面との間に供給されて、軸受室７，８からのオイル漏れを防止するエアシールがなされる。なお、中央部の軸受室９は別系統でエアシールされている。

【0028】

つぎに、切替装置１７の具体的構成を図３により説明する。図３は切替装置１７が取り付けられた圧縮機ケーシング２６の下面側から見た斜視図であり、同図において、切替装置１７は圧縮機ケーシング２６の下半部の外面に取り付けられている。圧縮機２の高圧段側（例えば１０段目）に冷却空気供給路１０を形成する空気管が接続されて、タービン５（図１）に冷却空気が供給される。この冷却空気供給路１０から高圧空気供給路１２を形成する空気管が分岐して設けられている。

【0029】

圧縮機ケーシング２６の下部の外面には他の付属機器である図５の燃料マニホールド５３を支持するためのサポート部材４０の取付座４０ｂが固着されている。サポート部材４０の取付座４０ｂには燃料マニホールド５３が取り付けられる。このサポート部材４０に、ステー４２を介して切替装置１７が取り付けられている。

【0030】

サポート部材４０は、圧縮機ケーシング２６に取り付けられる下部の取付座４０ａと、上部のＴ字状のマニホールド取付座４０ｂと、両取付座４０ａ，４０ｂを連結する柱部４０ｃとを有している。柱部４０ｃにステー４２がボルト・ナットのような締結部材４６（図４）によって固定され、このステー４２にボルトのような締結部材４７（図４）によって取り付けた熱遮蔽カバーからなる遮熱部材５０が、圧縮機ケーシング２６から離間した状態、つまり、隙間Ｓ（図５）を開けた状態で取り付けられている。これにより、切替装置１７全体も圧縮機ケーシング２６から離間した状態となっている。

【0031】

前記遮熱部材５０は、図４に示すように、アクチュエータ４４の圧縮機ケーシング２６側を覆う背壁５０ａ、ステー４２側を覆う上壁５０ｂおよび前後面側を覆う２つの端壁５０ｃ，５０ｃを有している。遮蔽部材５０における上壁５０ｂに対向する下部は、アクチュエータ４４の弁駆動ロッド４４ａが延びているので、壁が設けられておらず、開放されている。遮断部材５０における圧縮機ケーシング２６と反対側も壁がなく、開放されている。切替装置１７のアクチュエータ４４には複数のスペーサ６３が、これに設けられたねじ体６３ａのねじ込みによって取り付けられている。このスペーサ６３に、ステー４２の取付座４２ａと遮熱部材５０の上壁５０ｂとを貫通して前記締結部材４７がねじ込まれている。これによって、前記締結部材４７により、ステー４２に、遮熱部材５０と切替装置１７とが、その間にスペーサ６３を介在させた状態で取り付けられている。遮熱部材５０とスペーサ６３は、例えばステンレス製である。

【0032】

図２に示す圧縮機２の低圧空気供給路１１または高圧空気供給路１２から空気供給路１８に入った圧縮空気ＣＡの一部は、後側空気供給路１８Ｂを経て後側の軸受室８へ供給され、圧縮空気ＣＡの他の一部は分岐点Ｈで分岐して、前側空気供給路１８Ａを経て前側の軸受室７へ供給される。

【0033】

このように構成されるガスタービンエンジン１の制御動作について説明する。まず、図２のガスタービンエンジン１の始動時には、コントローラ２２により、切替装置１７の弁を開き、圧縮機２の高圧段側から高圧空気供給路１２と空気供給路１８を通って圧縮空気ＣＡを軸受室７，８に供給する。このとき、低圧空気供給路１１は逆止弁１３により、圧縮空気ＣＡが低圧空気供給路１１内に逆流するのが防止される。

【0034】

始動時を経て所定の回転速度に達したとき、コントローラ２２が回転速度センサ２０からの回転速度信号２０ａによって定常運転に入ったと判断し、切替装置１７の弁を閉じて高圧空気供給路１２からの圧縮空気ＣＡの使用を停止し、低圧空気供給路１１と空気供給路１８とを通って圧縮空気ＣＡを軸受室７，８に供給する。

【0035】

また、ガスタービンエンジン１が停止に向けて減速しているとき、前記所定の回転速度未満になると、コントローラ２２により、切替装置１７の弁を開き、高圧空気供給路１２から圧縮空気ＣＡを軸受室７，８に供給する。なお、ガスタービンエンジン１の停止時には、軸受室７，８からのオイル漏れが発生しにくいのでエアシールの必要性がなく、圧縮空気ＣＡは軸受室７，８に供給されない。

【0036】

以上のように構成されるガスタービンエンジン１は、図２の複数の空気通路１１，１２を形成する空気管および切替装置１７が圧縮機ケーシング２６の外側に設けられることで、設置スペースに余裕があるため、圧縮機ケーシング２６内部の高温による熱的悪影響を受けにくい配置が容易となる。また、遮熱部材５０による遮熱効果によって切替装置１７の高温化がさらに効果的に防止される。したがって、高温化による切替装置１７の誤作動や劣化がなく、その信頼性が高いレベルで確保される。

【0037】

図５に示すように、切替装置１７がステー４２を介して圧縮機ケーシング２６表面から離間して取り付けられており、このステー４２の存在による切替装置１７の隔離によって、さらなる遮熱効果が期待できる。また、切替装置１７を覆う遮熱部材５０の背壁５０ａと圧縮機ケーシング２６の外表面から隙間Ｓだけ離れているので、遮熱部材５０自体の高温化も抑制されるので、遮熱部材５０による切替装置１７の高温化抑制効果が一層大きくなる。

【0038】

他の付属機器である燃料マニホールド５３を支持するサポート部材４０に切替装置１７が取り付けられているから、同一のサポート部材４０の共有化による省スペース、コスト低減を図ることができる。燃料マニホールド５３と切替装置１７が近接するので、燃料マニホールド５３内を流れる低温の燃料によって切替装置１７の高温化が抑制される。

【0039】

図３に示すように、切替装置１７が圧縮機ケーシング２６に取り付けられており、この圧縮機ケーシング２６は図２に示す高温部の燃焼器３およびタービン５から離れているので、これら燃焼器３およびタービン５からの熱影響を受けず、切替装置１７の過熱防止が図られる。

【0040】

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。例えば、切替装置１７とその遮蔽部材５０は、圧縮機ケーシング２６とともにエンジンケーシングを構成するタービンケーシング３２または排気路ケーシング３８の外面に取り付けてもよい。また、切替対象の空気通路は、軸受室のエアシール用に限定されず、例えばタービンに冷却空気を供給する空気通路であってもよい。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0041】

１…ガスタービン
２…圧縮機
３…燃焼器
５…タービン
６…回転軸
７，８，９…軸受室
１０…冷却空気供給路
１１…低圧空気供給路（空気通路）
１２…高圧空気供給路（空気通路）
１７…切替装置
１８…空気供給路
１８Ａ…前側空気供給路
１８Ｂ…後側空気供給路
２０…回転速度センサ
２１…圧力センサ
２２…コントローラ
２６…圧縮機ケーシング（エンジンケーシング）
３２…タービンケーシング（エンジンケーシング）
３８…排気路ケーシング（エンジンケーシング）
４０…サポート部材
４２…ステー
４４…アクチュエータ
５０…遮熱部材
５３…燃料マニホールド（付属機器）
ＣＡ…圧縮空気
Ｇ…高温高圧の燃焼ガス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】