特開 2023-96761 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】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023096761

(43)【公開日】2023-07-07

(54)【発明の名称】ガスタービンエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02C 7/18 20060101AFI20230630BHJP

   F02C 7/05 20060101ALI20230630BHJP

【ＦＩ】

F02C7/18 E

F02C7/05

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021212733

(22)【出願日】2021-12-27

(71)【出願人】

【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】100112829

【弁理士】

【氏名又は名称】堤 健郎

(74)【代理人】

【識別番号】100155963

【弁理士】

【氏名又は名称】金子 大輔

(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】100150566

【弁理士】

【氏名又は名称】谷口 洋樹

(74)【代理人】

【識別番号】100220489

【弁理士】

【氏名又は名称】笹沼 崇

(72)【発明者】

【氏名】荒井 博光

(72)【発明者】

【氏名】田中 良造

(72)【発明者】

【氏名】谷口 智紀

(72)【発明者】

【氏名】武藤 吉彦

(57)【要約】

【課題】タービン冷却用の空気に混入した異物粒子を除去することが可能なガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン（１）において、圧縮機（３）からの空気を、冷却媒体として、周方向に旋回させながらタービン（７）へ供給する冷却空気供給通路（４１）であって、空気が導入される導入部（４１ａ）と、前記導入部（４１ａ）を流れる空気を周方向へ偏向させる旋回部（４１ｂ）とを備える冷却空気供給通路（４１）と、前記旋回部（４１ｂ）から分岐して設けられて、空気中の異物粒子（Ｐ）を捕捉するチャンバ（４５）であって、径方向視における、水平方向に対して前記旋回部（４１ｂ）がなす角度をα、前記チャンバ（４５）と前記旋回部（４１ｂ）とがなす角度をβとしたとき、α≧βの関係を満たすように形成されたチャンバ（４５）とを設ける。
【選択図】図４

【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された空気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機からの空気を、冷却媒体として、周方向に旋回させながら前記タービンへ供給する冷却空気供給通路であって、
前記空気が導入される導入部と、
前記導入部を流れる空気を周方向へ偏向させる旋回部と、
を備える冷却空気供給通路と、
前記旋回部から分岐して設けられて、前記空気中の異物粒子を捕捉するチャンバであって、径方向視における、水平方向に対して前記旋回部がなす角度をα、前記チャンバと前記旋回部とがなす角度をβとしたとき、α≧βの関係を満たすように形成されたチャンバと、
を備えるガスタービンエンジン。

【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、
リング状のブロック体に前記冷却空気供給通路を形成する複数の冷却空気供給孔が形成されている予旋回ノズル部材をさらに備え、
前記予旋回ノズル部材に前記チャンバが形成されている、
ガスタービンエンジン。

【請求項3】

請求項１または２に記載のガスタービンエンジンにおいて、
前記チャンバに、当該チャンバに流入した異物粒子を捕捉し、かつ空気を通過させるフィルタが設けられている、
ガスタービンエンジン。

【請求項4】

請求項３に記載のガスタービンエンジンおいて、
前記フィルタが前記チャンバに対して着脱可能に設けられている、
ガスタービンエンジン。

【請求項5】

請求項１から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、
前記チャンバの下流端部に、前記チャンバから排出される空気の流量を調整する流量調整機構が設けられている、
ガスタービンエンジン。

【請求項6】

請求項２および請求項２を引用する請求項３から５のいずれか一項に記載のガスタービンエンジンおいて、
前記チャンバが、前記予旋回ノズル部材に形成された円孔として設けられている、
ガスタービンエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスタービンエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンエンジンのタービンは、燃焼器で生成された燃焼ガスの供給を受けて駆動されるので、極めて高い温度に曝される。そこで、例えばタービン動翼内に冷却用の通路を設けるなどにより、圧縮機からの空気を冷却媒体として利用して、タービンを構成する部品を冷却することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１１－１９６３５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、ガスタービンエンジンの高効率化のために、圧縮機の動翼とハウジング間の隙間を低減していくと、構成部品同士のラビング（こすれ）などにより、異物粒子が発生する可能性がある。ガスタービンエンジン内の、冷却用空気を供給する通路の上流側（例えば圧縮機）において発生するこのような異物粒子を放置すれば、異物粒子の堆積によって冷却用空気の通路が閉塞され、タービンを十分に冷却できないおそれがある。

【0005】

そこで、本開示の目的は、上記の課題を解決するために、タービン冷却用の空気に混入した異物粒子を除去することが可能な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】

上記目的を達成するために、本開示に係るガスタービンエンジンは、
外部から取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、
前記圧縮機で圧縮された空気と燃料との混合気を燃焼させる燃焼器と、
前記燃焼器で生成された燃焼ガスによって駆動されるタービンと、
前記圧縮機からの空気を、冷却媒体として、周方向に旋回させながら前記タービンへ供給する冷却空気供給通路であって、
前記空気が導入される導入部と、
前記導入部を流れる空気を周方向へ偏向させる旋回部と、
を備える冷却空気供給通路と、
前記旋回部から分岐して設けられて、前記空気中の異物粒子を捕捉するチャンバであって、径方向視における、水平方向に対して前記旋回部がなす角度をα、前記チャンバと前記旋回部とがなす角度をβとしたとき、α≧βの関係を満たすように形成されたチャンバと、
を備えている。

【発明の効果】

【0007】

本開示に係るガスタービンエンジンによれば、タービン冷却用空気に混入した異物粒子を除去することが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本開示の一実施形態に係るガスタービンエンジンの概略構成を示す部分破断側面図である。

【図2】図１のガスタービンエンジンの冷却空気供給通路の周辺部分を拡大して示す縦断面図である。

【図3】図１のガスタービンエンジンの冷却空気供給通路を示す正面図である。

【図4】図１のガスタービンエンジンの冷却空気供給通路およびチャンバの概略構成を示す、図３のIV-IV線に沿った断面図である。

【図5A】図１のガスタービンエンジンの冷却空気供給通路が下向きの状態を示す断面図である。

【図5B】図１のガスタービンエンジンの冷却空気供給通路が上向きの状態を示す断面図である。

【図6】図１のガスタービンエンジンの冷却空気供給通路の周辺部分を拡大して示す縦断面図である。

【図7】図１のガスタービンエンジンのチャンバに用いられるフィルタおよび流量調整機構を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図１に、本開示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」と称する。）１を示す。ガスタービン１では、外部から取り入れた空気Ａを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、この圧縮空気Ａと燃料Ｆとの混合気を燃焼器５で燃焼させ、発生した高温高圧の燃焼ガスＢＧによりタービン７を駆動する。

【0010】

なお、以下の説明において、ガスタービン１の軸心方向における圧縮機３側を「前側」と呼び、タービン７側を「後側」と呼ぶ。また、以下の説明において、特に示した場合を除き、「軸心方向」，「径方向」および「周方向」とは、それぞれガスタービン１の軸心方向、径方向および周方向を指す。

【0011】

本実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いている。圧縮機３は、圧縮機ロータ９の外周面に植設された複数の圧縮機動翼１１と、圧縮機ハウジング１３の内周面に配置された複数の圧縮機静翼１５とを備えている。圧縮機３は、これら動翼１１と静翼１５の組み合わせにより、吸気筒１７を介して取り入れた空気を圧縮する。圧縮機３の下流側にはディフューザ１９が配置されている。圧縮機３で圧縮された圧縮空気Ａは、ディフューザ１９から排出されて燃焼器５に送給される。

【0012】

燃焼器５は、圧縮機３から送給された圧縮空気Ａに燃料Ｆを混合して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスＢＧを発生させる。燃焼器５で生成された燃焼ガスＢＧは、タービン静翼２１（第１段のタービン静翼）からタービン７内に流入する。

【0013】

タービン７は、タービンロータ２３と、タービンロータ２３を覆うタービンケーシング２５とを備えている。タービンケーシング２５の内周部には複数のタービン静翼２７が所定間隔をおいて取り付けられている。一方、タービンロータ２３の外周部には、各段のタービン静翼２７の下流側に位置するように複数のタービン動翼２９が設けられている。

【0014】

図２に示すように、タービン動翼２９は、タービンロータ２３の外周に設けられたロータディスク３１の外周部に植設されている。この例では、タービン動翼２９に、タービン動翼２９を冷却するための機構が設けられている。具体的には、冷却空気ＣＡによってタービン動翼２９内を冷却するためのタービン動翼内冷却通路３３、およびタービン動翼内冷却通路３３からの空気を利用してタービン動翼２９後端部の外壁面をフィルム冷却するためのフィルム冷却孔３５が設けられている。ロータディスク３１には、タービン動翼２９を冷却するための空気をタービン動翼内冷却通路３３へ案内するための冷却空気案内通路３７が設けられている。

【0015】

本実施形態では、圧縮機３（図１）からの空気を、冷却媒体（冷却空気ＣＡ）として、周方向に旋回させながらタービン７へ供給する冷却空気供給通路４１が設けられている。図３に示すように、冷却空気供給通路４１は、周方向Ｑに複数並べて配置されている。図２に示す例では、冷却空気ＣＡは、冷却空気供給通路４１からロータディスク３１の冷却空気案内通路３７へ供給される。もっとも、タービン７における冷却構造は図示した例に限られず、冷却空気供給通路４１からの冷却空気ＣＡは、タービン７における冷却構造に応じて適宜の箇所に供給されてよい。

【0016】

具体的には、本実施形態では、冷却空気供給通路４１は予旋回ノズル部材４３に設けられている。予旋回ノズル部材４３は、リング状のブロック体であって、冷却空気供給通路４１を形成する複数の冷却空気供給孔が形成されている。図示の例では、予旋回ノズル部材４３は、ディフューザ１９の後方かつロータディスク３１の前方の軸心方向位置に設けられている。また、この例では、予旋回ノズル部材４３は、タービン静翼２１の径方向内側に配置されている。

【0017】

図４に示すように、各冷却空気供給通路４１は、冷却空気ＣＡの冷却空気供給通路４１への入口４１ａａを形成する導入部４１ａと、導入部４１ａを流れる冷却空気ＣＡを周方向へ偏向させる旋回部４１ｂとを有する。図示の例では、導入部４１ａは、軸心方向Ｃに対して周方向Ｑに若干傾斜した通路として形成されている。旋回部４１ｂは、導入部４１ａにおける導入方向Ｉから周方向Ｑに角度θ１（以下、この角度を「第１偏向角度」と呼ぶ。）偏向した通路として形成されている。ここでの「導入方向Ｉ」とは、冷却空気供給通路の入口４１ａａにおける冷却空気ＣＡの主流方向である。なお、第１偏向角度θ１は、９０°より小さい。このような構造の冷却空気供給通路４１が図３に示すように周方向Ｑに複数並べて配置されていることにより、冷却空気ＣＡが周方向Ｑの旋回流として、図２のタービン７側へ供給される。本実施形態では、冷却空気供給通路４１の旋回部４１ｂは、軸心方向Ｃから径方向Ｒ外側へ、ロータディスク３１の冷却空気案内通路３７にほぼ対応する向きに偏向した通路として形成されている。

【0018】

図４に示すように、本実施形態に係るガスタービン１には、さらに、冷却空気ＣＡ中の異物粒子Ｐを捕捉するチャンバ４５が設けられている。チャンバ４５は、冷却空気供給通路４１の旋回部４１ｂから分岐して設けられている。具体的には、チャンバ４５は、旋回部４１ｂにおける上流側部分、すなわち旋回部４１ｂにおける導入部４１ａに近い部分から分岐している。

【0019】

チャンバ４５は、異物粒子Ｐが混入した冷却空気ＣＡが導入部４１ａから旋回部４１ｂへ偏向される際の、冷却空気ＣＡと異物粒子Ｐとに作用する慣性力の違いを利用して、冷却空気ＣＡ中の異物粒子Ｐを捕捉する。具体的には、冷却空気供給通路４１の導入部４１ａの流れ方向とチャンバ４５への流入方向とがなす角度θ２（以下、この角度を「第２偏向角度」という。）は、第１偏向角度θ１よりも小さい。換言すれば、図示の例において、チャンバ４５は、旋回部４１ｂから後方に向かって分岐している。したがって、冷却空気ＣＡが導入部４１ａから旋回部４１ｂへ偏向される際に、冷却空気ＣＡ中の異物粒子Ｐに、比重の違いに起因してより大きい慣性力が作用する結果、異物粒子Ｐが旋回流の外周側を流れてチャンバ４５へ流入する。チャンバ４５内に流入した異物粒子Ｐは、チャンバ４５内で生じた旋回流によってチャンバ４５の内壁面に付着することにより、チャンバ４５内に捕捉される。

【0020】

本実施形態では、図５Ａに示すように、チャンバ４５は、径方向Ｒ視における、水平方向Ｈに対して冷却空気供給通路４１の旋回部４１ｂがなす角度（以下、便宜上、「旋回部角度」と呼ぶ。）をα、チャンバ４５と旋回部４１ｂとがなす角度（以下、便宜上、「チャンバ角度」と呼ぶ。）をβとしたとき、α≧βの関係を満たすように形成されている。なお、上記導入方向Ｉ（図４）が水平方向Ｈに一致する場合は、α＝θ１となる。

【0021】

旋回部角度αおよびチャンバ角度βをα≧βの関係を満たすように設定することにより、ガスタービン１が停止しているときに、チャンバ４５内に捕捉された異物粒子Ｐが、再度捕捉することができない冷却空気供給通路４１の下流側、つまりタービン７側に落下することが防止される。具体的には、ガスタービン１の停止中は、異物粒子Ｐを移動させる要因が重力Ｇのみとなるところ、図５Ａに示すように冷却空気供給通路４１の下流端が下向きとなる位置においては、α≧βであることにより、異物粒子Ｐが冷却空気供給通路４１内へ落下することが防止される。なお、図５Ｂに示すように冷却空気供給通路４１の下流端が上向きとなる位置においては、α≧βであることにより、異物粒子Ｐが冷却空気供給通路４１内へ落下し得るが、落下する場所が冷却空気供給通路４１内におけるチャンバ４５よりも上流側であるので、ガスタービン１の再始動後に、チャンバ４５内に再度捕捉することができる。

【0022】

図４に示す例では、チャンバ４５は、旋回部４１ｂの後側壁面において、旋回部４１ｂの長手方向に沿って複数（この例では３つ）設けられている。図６に示すように、これら複数のチャンバ４５は、すべてのチャンバ４５の入口４５ａの全部が、導入部４１ａの出口（導入部４１ａと旋回部４１ｂとの境界部分）４１ａｂの通路断面の導入方向Ｉへの投影面４７内に位置するように配置されている。なお、「導入部４１ａの出口４１ａｂ」とは、導入部４１ａの通路内壁面の縦断面における直線状部分が終端する箇所をいう。チャンバ４５をこのように配置することは必須ではないが、複数のチャンバ４５の入口４５ａの少なくとも一部が導入部４１ａの出口４１ａｂの通路断面の導入方向Ｉへの投影面４７内に位置するように配置されることが好ましい。このように構成することにより、冷却空気ＣＡ中の異物粒子Ｐの捕捉率を高めることができる。

【0023】

なお、チャンバ４５を複数設けることは必須ではなく、１つのチャンバ４５のみが設けられていてもよい。この場合にも、導入部４１ａの出口４１ａｂの通路断面の軸心方向Ｃへの投影面４７内に、チャンバ４５の入口４５ａの少なくとも一部が配置されていることが好ましく、全部が配置されていることがより好ましい。

【0024】

本実施形態において、チャンバ４５は、予旋回ノズル部材４３（図２）に設けた円孔として形成されている。チャンバ４５は円孔以外の形状であってよく、例えば横断面形状が長円形や矩形であってもよいが、円孔とすることにより、予旋回ノズル部材４３のようなブロック体にチャンバ４５を形成することが容易となる。また、チャンバ４５を円孔として形成する場合、（ｉ）円孔の径と旋回部４１ｂの流路幅との関係、（ｉｉ）上述した、チャンバ４５の入口４５ａが、導入部４１ａの出口の通路断面の軸心方向Ｃへの投影面４７内に位置するように配置すること、および（ｉｉｉ）隣接するチャンバ４５間の間隔を考慮したうえで、配置可能な最大数のチャンバ４５を設けることが好ましい。

【0025】

なお、図６に示したようにチャンバ４５を複数設ける代わりに、これら複数のチャンバ４５に相当する領域を含む長円孔形状のチャンバ４５を設けてもよい。もっとも、チャンバ４５の長さ寸法（チャンバ４５の入口４５ａからの奥行き寸法）に対するチャンバ４５の入口４５ａ面積の比率が大きい場合、いったんチャンバ４５内に流入したものの、チャンバ４５内で捕捉されないまま空気と共に旋回して、冷却空気供給通路４１へ流出する異物粒子Ｐの比率が増大する。したがって、このような観点からも、入口面積の大きい少数のチャンバ４５を設けるよりも、より入口面積の小さい多数のチャンバ４５を設けることが好ましい。

【0026】

図７に示すように、本実施形態では、チャンバ４５に、このチャンバ４５に流入した異物粒子Ｐを捕捉し、冷却空気ＣＡを通過させるフィルタ５１が設けられている。フィルタ５１は、チャンバ４５に着脱可能に設けられている。具体的には、チャンバ４５の下流端部に、フィルタ付きの蓋５３が嵌合されている。フィルタ５１は、想定される異物粒子Ｐの粒径（例えば数十～１００μｍ程度）に対応できるフィルタであればどのようなものを用いてもよい。

【0027】

また、チャンバ４５の下流端部に、チャンバ４５から排出される冷却空気ＣＡの流量を調整する流量調整機構５５が設けられている。この例では、蓋５３の上流側端部にフィルタ５１が取り付けられており、蓋５３におけるフィルタ５１の下流側部分に、流量調整機構５５としてオリフィスが設けられている。

【0028】

チャンバ４５にフィルタ５１を設けることによって、より効率的に異物粒子Ｐを捕捉することが可能になる。また、フィルタ５１を、チャンバ４５に着脱可能に設けることにより、フィルタ５１の交換やメンテナンスが容易になる。なお、チャンバ４５にフィルタ５１を設けない場合であっても、チャンバ４５の下流端部を着脱可能に取り付けられる蓋５３によって覆うことが好ましい。これにより、チャンバ４５内のメンテナンス作業が容易になる。

【0029】

なお、蓋５３にフィルタ５１を設ける場合でも、その下流側に流量調整機構５５を設けることは必須ではなく、チャンバ４５の下流側から空気が流出可能な空気出口（例えばチャンバ４５外部への連通孔）が設けられていてもよい。このような空気出口を設けることにより、チャンバ４５内を負圧にして異物粒子Ｐをチャンバ４５内に留める力を作用させることができる。もっとも、流量調整機構５５を設けることにより、効率的な異物粒子Ｐの捕捉を達成するための適切な流量設定、すなわち、チャンバ４５を設けることにより生じる冷却空気供給通路４１の流量低下を流量調整機構５５により補いながら効果的に異物粒子Ｐを捕捉できる流量の設定が容易になる。

【0030】

なお、本実施形態では、図２に示すように、予旋回ノズル部材４３に設けた冷却空気供給通路４１の旋回部４１ｂが、軸心方向Ｃから径方向Ｒ外側へ、ロータディスク３１の冷却空気案内通路３７にほぼ対応する向きに偏向した通路として形成されている例について説明したが、予旋回ノズル部材４３に設けた冷却空気供給通路４１の構成はこの例に限定されない。例えば、予旋回ノズル部材４３に設けた冷却空気供給通路４１の旋回部４１ｂは径方向Ｒに偏向せず直線状に延びていてもよく、径方向Ｒ内側に偏向していてもよい。

【0031】

また、本実施形態では、予旋回ノズル部材４３に冷却空気供給通路４１を設けた例について説明したが、予旋回ノズル部材４３を用いることは必須ではない。例えば、冷却空気供給通路４１は、複数の旋回羽根を有するスワーラによって形成されていてもよい。

【0032】

また、本実施形態では、冷却空気ＣＡとして、圧縮機３の下流に設けられたディフューザ１９から排出された空気を利用する例について説明したが、ガスタービン１内の他の部分からの空気を冷却空気ＣＡとして利用してもよい。例えば、圧縮機３の途中の段落から抽気した空気を冷却空気ＣＡとして利用してもよい。

【0033】

以上説明したように、本実施形態に係るガスタービン１によれば、異物粒子Ｐに作用する慣性力を利用して、冷却空気ＣＡ中の異物粒子Ｐをチャンバ４５内に捕捉することができる。さらに、チャンバ４５は、旋回部角度αがチャンバ角度β以上となるように形成されているので、ガスタービン１の停止中にも、チャンバ４５内に捕捉した異物粒子Ｐがタービン７側に落下することが防止される。したがって、タービン７の冷却空気ＣＡに混入した異物粒子Ｐを効果的に除去することが可能になる。

【0034】

本実施形態において、リング状のブロック体に冷却空気供給通路４１を形成する複数の冷却空気供給孔が形成されている予旋回ノズル部材４３をさらに備え、予旋回ノズル部材４３にチャンバ４５が形成されていてもよい。この場合、例えば、チャンバ４５が予旋回ノズル部材４３に形成された円孔として設けられていてもよい。この構成によれば、上述の構造を有する冷却空気供給通路４１およびチャンバ４５を容易にかつ低コストで形成することができる。

【0035】

本実施形態において、チャンバ４５に、当該チャンバ４５に流入した異物粒子Ｐを捕捉し、かつ空気を通過させるフィルタ５１が設けられていてもよい。この構成によれば、より高い効率で異物粒子Ｐを捕捉することが可能になる。

【0036】

本実施形態において、フィルタ５１がチャンバ４５に対して着脱可能に設けられていてもよい。この構成によれば、フィルタ５１の交換やメンテナンスが容易になる。

【0037】

本実施形態において、チャンバ４５が、チャンバ４５から排出される空気の流量を調整する流量調整機構５５が設けられていてもよい。この構成によれば、効率的な異物粒子Ｐの捕捉を達成するための適切な流量設定、すなわち、チャンバ４５を設けることにより生じる冷却空気供給通路４１の流量低下を流量調整機構５５により補いながら効果的に異物粒子Ｐを捕捉できる流量の設定が容易になる。

【0038】

以上のとおり、図面を参照しながら本開示の好適な実施形態を説明したが、本開示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。したがって、そのようなものも本開示の範囲内に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１ ガスタービンエンジン
３ 圧縮機
５ 燃焼器
７ タービン
４１ 冷却空気供給通路
４１ａ 導入部
４１ｂ 旋回部
４５ チャンバ
５１ フィルタ
５５ 流量調整機構
Ｐ 異物粒子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】