JP6654039B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジン、特には圧縮機から燃焼器へ圧縮空気を導くディフューザの構造に関する。

一般的に、ガスタービンエンジンにおいて、軸流型圧縮機の出口にディフューザを設けることにより、圧縮空気の静圧を回復させ、圧縮空気が燃焼器へ流入するまでの圧力損失（主として動圧損失）を低減させている（例えば、特許文献１参照）。軸流式の圧縮機では、圧縮されるガスの体積流量が流れ方向に沿って減少する。このため、一般に、圧縮機の流路高さは下流に向かって次第に小さくなり、これに伴って、圧縮機出口での流路断面積に対する濡れぶち長さが大きくなる。

特開２０１２−０６２９００号公報

これに伴い、圧縮機の出口に接続されるディフューザにおいても、流路高さが小さく、流路断面積に対する濡れぶち長さが大きくなる。一般に、流路の濡れぶち長さが大きいほど、流路壁面による摩擦損失が大きくなることが知られている。したがって、圧縮機のディフューザにおいて、流路の濡れぶち長さを低減できれば、流路壁面による摩擦損失に起因する圧力損失を低減することができると考えられる。

本発明の目的は、上記の課題を解決するために、簡単な構造によって圧縮機のディフューザにおける壁面の摩擦損失を低減できるガスタービンエンジンを提供することにある。

前記した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、軸流圧縮機で圧縮した圧縮ガスを燃焼器で燃焼させ、得られた燃焼ガスによりタービンを駆動するガスタービンエンジンであって、前記圧縮機の出口に接続されたディフューザであって、互いに同心状に配置された筒状部材であるディフューザ内筒とディフューザ外筒とを有する環状のディフューザと、前記ディフューザ内筒と前記ディフューザ外筒との間に形成された環状の空間であるディフューザ流路に配置されて、前記ディフューザ流路を周方向に分割する複数の仕切り部材とを備えている。

この構成によれば、ディフューザ流路に仕切り部材を設けるという簡単な構造によって、ディフューザの濡れぶち長さ（流路表面積）を低減することができる。これにより、既存のディフューザの寸法を大幅に変更することなく、ディフューザ流路の壁面による摩擦損失を十分に低減することが可能となる。

本発明の一実施形態において、前記仕切り部材は、周方向寸法が、圧縮ガスの流れ方向の上流側から下流側に向かって次第に拡大する形状を有していてもよい。この構成によれば、ディフューザ流路に仕切り部材を設けることによる圧力損失を抑制しながら、ディフューザ流路の壁面による摩擦損失を低減することができる。

本発明の一実施形態において、前記ディフューザの流路を前記仕切り部材によって分割することにより形成された分割ディフューザ流路の流路断面の幅寸法Ｗに対する高さ寸法Ｈのアスペクト比Ｈ／Ｗが、前記分割ディフューザ流路の出口において、入口における流路断面のアスペクト比よりも大きく、かつ、前記分割ディフューザ流路の出口における流路断面のアスペクト比が０．３〜５の範囲内にあってもよい。この構成によれば、ディフューザの寸法増大を抑制し、かつ必要なディフューザの流路面積を確保しながら、ディフューザ流路の壁面による摩擦損失を低減することができる。

本発明の一実施形態において、前記分割ディフューザ流路の出口における流路断面のアスペクト比が１であってもよい。この構成によれば、分割ディフューザ流路の出口において、流路面積に対する濡れ縁長さを最小にすることができる。

本発明の一実施形態において、前記ディフューザ外筒と前記ディフューザ内筒とを連結する連結柱が、前記仕切り部材の周方向位置と同一の周方向位置のみに設けられていてもよい。なお、仕切り部材が前記連結柱を兼ねていてもよい。この構成によれば、分割ディフューザ流路の出口の下流に、連結柱のような構造物が配置されていないので、ディフューザから燃焼器へ向かう圧縮ガスが連結柱に衝突することによる圧力損失が抑制される。

本発明の一実施形態において、前記燃焼器の径方向内方に、前記仕切り部材が配置されていてもよい。この場合、前記燃焼器が周方向に複数設けられており、前記燃焼器の個数をＮ、前記仕切り部材の個数をｎとした場合、Ｎ／ｎが自然数となることが好ましい。この構成によれば、燃焼器の径方向内方で、仕切り部材によって圧縮ガスが周方向に分流される。したがって、ディフューザから吐出された圧縮ガスを、複数の燃焼器間に均一に供給することができる。

本発明の一実施形態において、前記仕切り部材の前記流れ方向の長さが、ディフューザの流れ方向の長さの１０％以上であってよい。

以上のように、本発明に係る圧縮機用ディフューザによれば、簡単な構造によって圧縮機のディフューザにおける壁面の摩擦損失を低減することが可能となる。

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を示す部分破断側面図である。 図１のガスタービンエンジンのディフューザの周辺部分を拡大して示す縦断面図である。 図１のガスタービンエンジンに使用されるディフューザの概略構成を示す斜視図である。 図１のガスタービンエンジンに使用されるディフューザの仕切り部材および分割ディフューザ流路の概略構成を示す斜視図である。 図４の仕切り部材および分割ディフューザ流路の他の例を示す斜視図である。 図１のガスタービンエンジンに使用されるディフューザの仕切り部材の形状の例を示す断面図である。 図１のガスタービンエンジンに使用されるディフューザの仕切り部材の形状の例を示す断面図である。 図１のガスタービンエンジンに使用されるディフューザの仕切り部材の形状の例を示す断面図である。 図１のガスタービンエンジンの燃焼器とディフューザとの位置関係を模式的に示す斜視図である。 図１のガスタービンエンジンの変形例における燃焼器とディフューザとの位置関係を模式的に示す斜視図である。

以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明するが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。

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（以下、単にガスタービンと称する。）ＧＴの一部を破断した側面図である。ガスタービンＧＴは、外部から導入した空気Ａを圧縮機１で圧縮して燃焼器３に導き、燃焼器３内で燃料Ｆを圧縮空気ＣＡとともに燃焼させ、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。本実施形態では、複数のキャン型の燃焼器３が、ガスタービンＧＴの周方向に沿って等間隔に配置されている。なお、以下の説明において、ガスタービンＧＴの軸心Ｃ方向における圧縮機１側を「前方」と呼び、タービン５側を「後方」と呼ぶ場合がある。実施形態を構成する要素の名称に付する「前」，「後」も同様の意味である。また、以下の説明において、「軸心方向」，「周方向」および「径方向」とは、特に示した場合を除き、ガスタービンＧＴの軸心Ｃ方向，周方向および径方向を意味する。

本実施形態では、圧縮機１として軸流型のものを用いている。この軸流型の圧縮機１は、ガスタービンＧＴの回転部分を構成するロータ７の外周面に配置された多数の動翼１１と、ハウジング１３の内周面に多数配置された静翼１５との組み合わせにより、外部から吸入した空気Ａを圧縮する。図２に示すように、圧縮機１で圧縮された圧縮空気ＣＡは、圧縮機１の下流端部に接続するディフューザ１７およびその下流のチャンバ１９を通って燃焼器３に供給される。チャンバ１９は、ほぼ環状の空間であり、この環状空間内に複数の燃焼器３が周方向に離間して配置されている。

ディフューザ１７は、圧縮機１の出口１ａから吐出された圧縮空気ＣＡを軸心方向後方へ導く。ディフューザ１７は、圧縮機出口１ａに連なるディフューザ１７の入口から後方に向かうにしたがって、次第に流路面積が拡大する流路を有している。圧縮機出口１ａから吐出された圧縮空気ＣＡは、ディフューザ１７を通過することにより、静圧が回復される。

本実施形態では、互いに同心状に配置された２つの筒状部材、すなわちディフューザ内筒２１とディフューザ外筒２３とによってディフューザ１７が形成されている。ディフューザ内筒２１が、ディフューザ１７の内径側壁を形成し、その径方向外側に配置されたディフューザ外筒２３が、ディフューザ１７の外径側壁を形成する。ディフューザ内筒２１とディフューザ外筒２３との間の環状空間が、圧縮空気ＣＡが流れるディフューザ流路２５である。ディフューザ内筒２１によって形成される内径側壁は、ディフューザ１７を、これより径方向内方に配置される、ガスタービンＧＴの構成部材（例えばロータ７）の収容空間から隔てている。

図３に示すように、ディフューザ１７には、ディフューザ流路２５を周方向に分割する複数（この例では６つ）の仕切り部材２７が設けられている。複数の仕切り部材２７は、周方向に等間隔に設けられている。以下、ディフューザ流路２５を仕切り部材２７によって分割することにより形成された各流路を、分割ディフューザ流路２９と呼ぶ。

本実施形態では、図２に示すように、仕切り部材２７が、ディフューザ１７における圧縮空気ＣＡの流れ方向Ｄ（以下、単に「流れ方向Ｄ」と呼ぶ。）の長さ全体に渡って設けられているが、仕切り部材２７は必ずしもディフューザ１７の流れ方向Ｄの長さ全体に渡って設けなくてよい。仕切り部材２７の好ましい長さは、ディフューザ１７全体の流れ方向Ｄの長さの１０％以上であり、より好ましくは２０％以上である。なお、図２では、説明の便宜のため、ガスタービンＧＴの軸心線Ｃの上側には仕切り部材２７が存在しない周方向位置（つまり分割ディフューザ流路２９が形成されている周方向位置）の断面を示し、下側には仕切り部材２７が存在する周方向位置の断面を示している。

本実施形態では、このように、ディフューザ１７に複数の仕切り部材２７を設けることにより、ディフューザ１７の総流路表面積を、仕切り部材２７が存在しない場合のディフューザ１７の流路表面積よりも小さく設定している。流路表面積とは、流路を画定する壁面の表面積を意味する。また、ディフューザ１７の総流路表面積とは、ディフューザ１７におけるすべての分割ディフューザ流路２９の流路表面積を合計した面積を意味する。

「仕切り部材２７が存在しない場合のディフューザ１７の流路表面積」は、ディフューザ内筒２１の外周面の面積とディフューザ外筒２３の内周面の面積を合せた値となる。他方、分割ディフューザ流路２９は、ディフューザ内筒２１の外周面およびディフューザ外筒２３の内周面の隣接する仕切り部材２７，２７間の部分と、これら仕切り部材２７，２７の側面によって形成されるので、「ディフューザ１７の総流路表面積」は、ディフューザ内筒２１の外周面の面積とディフューザ外筒２３の内周面の面積を合せた値から、これらディフューザ内筒２１およびディフューザ外筒２３と仕切り部材２７との接合面の面積を減じ、分割ディフューザ流路２９の側壁面となる仕切り部材２７の側面の面積を加えた値となる。したがって、本実施形態で使用される仕切り部材２７は、前記接合面となる図４の径方向を向く両底面２７ａ，２７ａの合計面積よりも、周方向を向く両側面２７ｂ、２７ｂの合計面積が小さい形状に形成されている。

また、上記のようにディフューザ１７の総流路表面積を、仕切り部材２７が存在しない場合のディフューザ１７の流路表面積よりも小さく設定する場合には、これとともに、例えば、ディフューザ１７に対する所望の静圧回復率を、仕切り部材２７を設けない場合に比べて維持することが好ましい。すなわち、本実施形態では、静圧回復率を決定するディフューザ１７の入口と出口の流路面積比を、仕切り部材２７が存在しない場合と比べて維持した状態で、ディフューザ１７の総流路表面積を、仕切り部材２７が存在しない場合のディフューザ１７の流路表面積よりも小さく設定している。

また、本実施形態では、仕切り部材２７は、その横断面積（軸心方向に直交する平面で切った断面積）Ｓが、流れ方向Ｄに沿って（つまり前方から後方へ向かって）増大する形状を有している。また、この例では、図５に示すように、仕切り部材２７は、その周方向寸法ＣＤが、流れ方向Ｄの上流側から下流側に向かって次第に拡大する形状を有している。より具体的には、仕切り部材２７の、流路母線に沿った断面形状が、流れ方向Ｄの上流側に頂点を有する砲弾形状、すなわち、上流側の頂点から下流側に互いに次第に離間しながら延びる両側辺が、外側に膨出するように湾曲する形状である。

もっとも、仕切り部材２７の流路母線に沿った断面形状は砲弾形状に限定されない。仕切り部材２７の流路母線に沿った断面形状は、例えば、図６に示すように、流れ方向Ｄの上流側に頂点を有する二等辺三角形でもよく、図７に示すように、上流側の頂点から下流側に互いに次第に離間しながら延びる両側辺が、内側に凹むように湾曲する形状であってもよい。仕切り部材２７を、その周方向寸法ＣＤが、流れ方向Ｄの上流側から下流側に向かって次第に拡大する形状とすることにより、ディフューザ流路２５に仕切り部材２７を設けることによる圧力損失を抑制できる。また、特に仕切り部材の断面形状を、図５の砲弾形状とした場合は、図６，７に示した例に比べて、ディフューザ１７の総流路表面積をさらに小さくすることができる。

また、図４に示すように、仕切り部材２７によって分割された各分割ディフューザ流路２９の流路断面の幅寸法Ｗに対する高さ寸法Ｈのアスペクト比Ｈ／Ｗが、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａにおいて、分割ディフューザ流路２９の入口２９ｂにおける流路断面のアスペクト比よりも大きく設定されている。ここで、アスペクト比を算出する基準となる、前記流路断面の幅寸法とは、流路の高さ方向（径方向Ｒ）の中央位置における幅寸法（周方向Ｑの寸法）のことであり、前記流路断面の高さ寸法とは、流路の幅方向（周方向Ｑ）の中央位置における高さ寸法（径方向Ｒの寸法）のことである。

換言すれば、仕切り部材２７は、その周方向寸法ＣＤが、流れ方向Ｄの上流側から下流側に向かって次第に拡大する形状を有しているのみならず、その径方向寸法も、流れ方向Ｄの上流側から下流側に向かって次第に拡大する形状を有している。仕切り部材２７をこのような形状とすることにより、分割ディフューザ流路２９の流路断面の幅寸法Ｗに対する高さ寸法Ｈのアスペクト比Ｈ／Ｗが、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａにおいて、分割ディフューザ流路２９の入口２９ｂにおける流路断面のアスペクト比よりも大きく設定される。これにより、必要なディフューザ１７の流路面積が確保される。

もっとも、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａのアスペクト比が過大であると、ディフューザ１７の径方向寸法、ひいてはガスタービンＧＴの径方向寸法が増大してしまう。このような観点から、具体的には、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａにおけるアスペクト比Ｈ／Ｗが０．３〜５の範囲内にあることが好ましく、０．４〜３の範囲内にあることがより好ましい。

さらには、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａにおける濡れぶち長さを、出口２９ａにおける流路面積に対して可及的に小さくするために、出口２９ａにおけるアスペクト比Ｈ／Ｗは１であることが特に好ましい。つまり、図４に示す例のように、製造効率をも考慮して出口２９ａの形状を矩形とする場合は、出口２９ａの形状を正方形とすることが好ましい。また、濡れぶち長さを小さくすることを特に重視する場合には、図５に示すように、出口２９ａの形状を円形としてもよい。なお、出口２９ａの形状は、アスペクト比にかかわらず、矩形以外にも楕円形、台形等適宜選択してよい。

なお、仕切り部材２７がディフューザ１７の全長よりも短い範囲に設けられている場合の前記アスペクト比を算出する基準となる「分割ディフューザ流路２９の入口２９ｂ」および「分割ディフューザ流路２９の出口２９ａ」の位置は、それぞれ、仕切り部材２７の上流側端および下流側端に対応する位置である。

各仕切り部材２７は、図３に示すように、周方向に等間隔に離間して配置された各燃焼器３の径方向内方に配置されている。図１に示すように、本実施形態において、各燃焼器３は、その上流側部分が前方外側に進出するように傾斜している。図示の例では、各燃焼器３は、逆流缶型であり、圧縮空気ＣＡが、燃焼器ハウジング４０と、内部に燃焼室３１を形成する燃焼器内筒４２との間の通路を燃焼器３の頭部に向かって流れる。各燃焼器３には、燃焼室３１で生成された高温の燃焼ガスＧを軸心方向後方のタービン５に導出する遷移ダクト３３が設けられている。図２に示すように、遷移ダクト３３は、燃焼ガスＧの流路を内部に形成する遷移ダクト本体３４と、その外周を隙間を介して覆うダクトカバー３５とを有している。各仕切り部材２７は、燃焼器３の遷移ダクト３３と同一の周方向位置で、その径方向内方に配置されている。

図９に示すように、ダクトカバー３５には、そのほぼ全面に渡って、圧縮空気ＣＡを燃焼器３内へ導入するための多数の空気導入孔３７が形成されている。つまり、ダクトカバー３５は、圧縮空気ＣＡを燃焼器３内へ導入する空気導入部材として機能する。なお、ダクトカバー３５の空気導入孔３７から導入された圧縮空気は、燃焼器３を冷却する冷却媒体としても利用される。このような構成を有する遷移ダクト３３の、ガスタービンエンジンの径方向内方となる周方向および軸心方向に重なる位置に、各仕切り部材２７が配置されている。

圧縮機１からの圧縮空気ＣＡは、ディフューザ１７内で周方向に分流して、隣接する燃焼器３，３（遷移ダクト３３，３３）の間に均一に到達する。このようにして、圧縮空気ＣＡを、ディフューザ１７の下流側の狭い空間から複数の遷移ダクト３３間に均一に供給することができる。圧縮空気ＣＡは、遷移ダクト３３の表面に設けられた多数の空気導入孔３７から燃焼器３内へ流入するので、圧縮空気ＣＡの流れが遷移ダクト３３の全面に均一に供給されて燃焼器３内へ導入されることにより、極めて効果的に圧力損失を低減することが可能になる。

もっとも、燃焼器３の構造によっては、ディフューザ１７からの圧縮空気ＣＡを燃焼器３の径方向内側部分に衝突させる方が、圧縮空気ＣＡによる冷却効果により、ガスタービンエンジン全体の効率を向上させる場合がある。その場合は、図１０に示す変形例のように、仕切り部材２７を、隣接する２つの燃焼器３，３の間の周方向位置における径方向内方に配置してもよい。

複数の仕切り部材２７を、複数の燃焼器３の位置に対して上記のいずれの態様によって配置する場合も、仕切り部材２７の個数ｎを燃焼器３の個数Ｎと同数としている。もっとも、燃焼器３の個数Ｎに対する仕切り部材２７の個数ｎはこの例に限定されないが、Ｎ／ｎが自然数となるように設定することが好ましい。すなわち、燃焼器３を６個設ける場合には、図示の例では、仕切り部材２７を３個または２個設けてもよい。このように構成することにより、ディフューザ１７から吐出される圧縮空気ＣＡが、周方向に並ぶ複数の燃焼器３に対して均一に供給される。

また、図２に示す本実施形態において、ディフューザ外筒２３とディフューザ内筒２１とを連結する連結柱が、仕切り部材２７の周方向位置と同一の周方向位置にのみ設けられている。換言すれば、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａの後方（軸心方向における下流側）にはディフューザ外筒２３とディフューザ内筒２１とを連結するための構造物が存在しない。図示の例では、仕切り部材２７の後方に、連結柱としてストラット４１を設けている。

ここでいう「連結柱」には、ディフューザ外筒２３とディフューザ内筒２１とが仕切り部材２７のみを介して連結されており、他にディフューザ外筒２３とディフューザ内筒２１とを連結する部材が設けられておらず、仕切り部材２７が「連結柱」を兼ねる場合を含む。分割ディフューザ流路２９の出口２９ａの下流に、連結柱のような構造物を配置してもよいが、上記のように、分割ディフューザ流路２９の出口２９ａの下流に連結柱のような構造物を配置しない場合、ディフューザ１７から燃焼器３へ向かう圧縮空気ＣＡが連結柱に衝突することによる圧力損失が抑制される。さらに、仕切り部材２７が連結柱を兼ねる場合には、ガスタービンエンジンＧＴの部品点数が削減される。

このように、本実施形態に係るガスタービンＧＴでは、ディフューザ流路２５に仕切り部材２７を設けるという簡単な構造によって、流路面積に対する相対的なディフューザ１７の濡れぶち長さ（流路表面積）を低減している。これにより、既存のディフューザ１７の寸法を大幅に変更することなく、ディフューザ流路２５の壁面による摩擦損失を十分に低減することが可能となる。

なお、本実施形態では、ガスタービンＧＴとして、空気を作動ガスとするガスタービンエンジンを例として説明したが、二酸化炭素のような空気以外の作動ガスを使用するガスタービンエンジンであってもよい。

以上のとおり、図面を参照しながら本発明の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。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。

１ 圧縮機
３ 燃焼器
５ タービン
１７ ディフューザ
２１ ディフューザ内筒
２３ ディフューザ外筒
２５ ディフューザ流路
２７ 仕切り部材
２９ 分割ディフューザ流路
２９ａ 分割ディフューザ流路の出口
２９ｂ 分割ディフューザ流路の入口
４１ ストラット（連結柱）
ＣＡ 圧縮空気（圧縮ガス）
Ｄ 圧縮空気の流れ方向
ＧＴ ガスタービンエンジン

Claims (8)

1. 軸流圧縮機で圧縮した圧縮ガスを燃焼器で燃焼させ、得られた燃焼ガスによりタービンを駆動するガスタービンエンジンであって、
   前記圧縮機の出口に接続されたディフューザであって、互いに同心状に配置された筒状部材であるディフューザ内筒とディフューザ外筒とを有する環状のディフューザと、
   前記ディフューザ内筒と前記ディフューザ外筒との間に形成された環状の空間であるディフューザ流路に配置されて、前記ディフューザ流路を周方向に分割する複数の仕切り部材と、
   を備え、
   前記仕切り部材は、周方向寸法が、圧縮ガスの流れ方向の最上流側から最下流側に向かって連続的に次第に拡大する形状を有する、ガスタービンエンジン。
2. 請求項１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記ディフューザの流路を前記仕切り部材によって分割することにより形成された分割ディフューザ流路の流路断面の幅寸法Ｗに対する高さ寸法Ｈのアスペクト比Ｈ／Ｗが、前記分割ディフューザ流路の出口において、入口における流路断面のアスペクト比よりも大きく、かつ、前記分割ディフューザ流路の出口における流路断面のアスペクト比が０．３〜５の範囲内にあるガスタービンエンジン。
3. 請求項２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記分割ディフューザ流路の出口における流路断面のアスペクト比が１であるガスタービンエンジン。
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、前記ディフューザ外筒と前記ディフューザ内筒とを連結する連結柱が、前記仕切り部材の周方向位置と同一の周方向位置にのみ設けられているガスタービンエンジン。
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、前記燃焼器の径方向内方に、前記仕切り部材が配置されているガスタービンエンジン。
6. 請求項５に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記燃焼器が周方向に複数設けられており、前記燃焼器の個数をＮ、前記仕切り部材の個数をｎとした場合、Ｎ／ｎが自然数となるガスタービンエンジン。
7. 請求項１から６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、前記仕切り部材の圧縮ガスの流れ方向の長さが、ディフューザの圧縮ガスの流れ方向の長さの１０％以上であるガスタービンエンジン。
8. 請求項１から７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、各仕切り部材の径方向を向く両底面の合計面積よりも、周方向を向く両側面の合計面積が小さいガスタービンエンジン。

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