JP5192507B2 - ガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、下流側に出口案内翼が配置されている圧縮機を備えたガスタービンエンジンに関するものである。

ガスタービンエンジンに搭載された軸流圧縮機では、圧縮機の下流側にディフューザが設けられ、ディフューザの入口につながる圧縮機の出口部に出口案内翼が配置されている。圧縮機の出口は高温となるので、出口案内翼が熱膨張してディフューザの壁面に干渉するのを防ぐ必要がある。しかしながら、出口案内翼の外端部をアウタケーシングの外壁面に片持ち支持させて出口案内翼とディフューザの内周壁面との間に隙間を設けて熱膨張を吸収するようにした場合、上記隙間から空気が漏れて圧力損失が増加し圧縮機効率が低下するうえに、片持ち支持であるから、共振が生じる可能性もある。そこで、出口案内翼の内端部に設けたフランジをディフューザの内壁面に設けた凹所に周方向に挿入することで、熱膨張を吸収しつつ、空気漏れを防いだ構造がある（例えば、特許文献１の図８）。

特開２０００−３１４３９７号公報

しかしながら、上記構造では、フランジによる出口案内翼の径方向の保持力が弱いから、振動により出口案内翼が径方向外側へ動き、フランジと凹所との間でフレッティング摩耗が発生することが懸念される。また、熱膨張によりフランジ凹所との間に隙間が生じて空気漏れを招き、この空気漏れはディフューザ内部の流れを乱し、エンジンの性能低下につながるおそれもある。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、圧縮機の出口案内翼が熱膨張するのを許容しながら振動するのを抑制することができるガスタービンエンジンを提供することを目的としている。

上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、圧縮機の下流側に出口案内翼が配置され、前記出口案内翼は、径方向外端部がアウタケーシングに、内端部がインナディフューザにそれぞれ支持され、前記インナディフューザの外周面に径方向内側に向かって凹入する凹所が形成され、前記凹所に軸方向一方向へ凹入した係止溝が設けられ、前記径方向内端部に前記インナディフューザの凹所内に位置する内側フランジが形成され、前記内側フランジに、前記インナディフューザに係止される係止片が形成され、前記係止片は、前記内側フランジから径方向内側へ延出した延出部と、前記延出部の先端部から前記軸方向一方向へ突出した係止部とを有し、前記径方向内端部は、前記係止部が前記凹所に設けられた係止溝に運転時に係止することにより前記インナディフューザに支持されている。

この構成によれば、出口案内翼の係止部がインナディフューザの凹所に設けられた係止溝に運転時に係止するように設定すること、つまり、熱膨張していない停止時には係止部と係止溝の間に若干の隙間を設けることで、出口案内翼の径方向への熱膨張を許容することができる。また、出口案内翼の係止部がインナディフューザの係止溝に係止することで、出口案内翼がインナディフューザとアウタケーシング間に両持ちで支持されて径方向への移動が規制されるから、出口案内翼の振動が抑制される。さらに、出口案内翼とインナディフューザとの隙間が、係止片と係止溝により形成される迷路構造となるから、空気漏れも防止できる。

本発明において、前記係止部の軸方向先端面と前記インナディフューザの係止溝の内底面との間に隙間が形成されていることが好ましい。この構成によれば、出口案内翼の軸方向の熱膨張も吸収することができる。

本発明において、運転時に、前記出口案内翼の係止部の径方向外側面が前記インナディフューザの係止溝の径方向外側面に当接するように設定されていることが好ましい。この構成によれば、係止部の径方向外側面と係止溝の径方向外側面を、圧縮機と同心の円筒面で形成することができるから、係止部と係止溝の加工が容易になる。

本発明において、前記出口案内翼の延出部は、前記内側フランジの後部に形成され、前記係止部は下流方向へ突出していることが好ましい。この構成によれば、インナディフューザにおける出口案内翼の下流側はスペースに余裕があるから、上述の係止構造および迷路構造を容易に構築できる。

本発明において、さらに、前記出口案内翼の上流側に最下段の静翼が配置され、前記静翼は、径方向外端部が前記アウタケーシングに、内端部が前記インナディフューザにそれぞれ支持され、前記インナディフューザの前端に前方へ突出する被係止片が形成され、前記静翼の径方向内端部に前記インナディフューザの凹所内に位置する静翼内側フランジが形成され、前記静翼内側フランジに、前記インナディフューザに係止される静翼係止片が形成され、前記静翼係止片は、前記静翼内側フランジの前端から径方向内側に延びる延出部と、前記延出部から後方へ突出して運転時に前記被係止片に係止される係止部とを有することが好ましい。この構成によれば、最下段の静翼の係止片がインナディフューザに設けられた被係止片に運転時に係止するように設定すること、つまり、停止時には係止片と被係止片の間に若干の隙間を設けることで、静翼の径方向への熱膨張を許容することができる。また、最下段の静翼もインナディフューザとアウタケーシング間に両持ちで支持されて径方向外側への移動が規制されるから、振動により静翼が共振するのを抑制できる。

前記静翼を備える場合、前記インナディフューザの被係止片の径方向内側面と前記静翼係止部の径方向外側面とが運転時に当接するように設定されていることが好ましい。この構成によれば、係止部の径方向外側面と被係止片の径方向内側面を、圧縮機と同心の円筒面で形成することができるから、係止片と被係止片の加工が容易になる。

前記静翼を備える場合、前記静翼係止片と前記圧縮機との間に、前記インナディフューザの内方へ向かう斜めの導入通路の入口が形成されていることが好ましい。この構成によれば、静翼係止片が前記インナディフューザの被係止片に係止することで、軸方向に位置ずれしないので、一定の大きさの入り口が確保される。

本発明に係るガスタービンエンジンによれば、運転時に出口案内翼の係止部がインナディフューザの凹所に設けられた係止溝に係止することで、出口案内翼の熱膨張が許容されるとともに、出口案内翼が両持ちで支持されることで出口案内翼の振動が抑制される。また、出口案内翼とインナディフューザとの隙間が、係止片と係止溝により形成される迷路構造となるから、空気漏れも防止できる。

本発明の一実施形態に係るガスタービンエンジンを示す部分破断側面図である。 同上ガスタービンエンジンの圧縮機の下流部を拡大した図である。 （ａ）は同上出口案内翼の正面図で、（ｂ）は側面図である。 （ａ）は同上最下段の静翼の正面図で、（ｂ）は側面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態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（以下、単に「ガスタービン」という。）の断面図である。同図において、ガスタービン１は、導入空気ＩＡを圧縮機３で圧縮して燃焼器５に導き、燃料Ｆを燃焼器５内に噴射して燃焼させ、得られた高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン７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Ａの圧縮機３側を「前側」あるいは「上流側」と呼び、タービン７側を「後側」あるいは「下流側」と呼ぶ場合がある。

この実施形態では、圧縮機３として軸流型のものを用いており、この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分を構成する圧縮機ロータ１１Ａの前部の外周面に、軸方向に所定間隔をおいて複数段の動翼１３が取り付けられており、これら動翼１３と、ハウジング１５の内周面に、各段の動翼１３の下流側に位置する各段の静翼１７が取り付けられている。これら複数段の動翼１３と静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９から吸入した空気ＩＡを圧縮する。

圧縮機３とタービン７との間には、圧縮機ロータ１１Ａの後部を覆うインナディフューザ２１が設けられ、このインナディフューザ２１とハウジング１５との間に、圧縮機３から燃焼器５へ向かう圧縮空気ＣＡの通路であるディフューザ２３が形成されている。圧縮機３で圧縮された圧縮空気ＣＡはディフューザ２３から燃焼器５に送給される。燃焼器５では、圧縮機３から送給された圧縮空気ＣＡが、燃焼器５内に噴射された燃料Ｆと混合されて燃焼し、高温高圧の燃焼ガスＧが、タービンノズル（第１段静翼）２５からタービン７内に流入する。

圧縮機ロータ１１Ａにはタービン７の高圧タービンロータ１１Ｂが連結され、高圧タービンロータ１１Ｂの後方に低圧タービンロータ１１Ｃが配置されている。圧縮機ロータ１１Ａは、ハウジング１５に、前部の軸受２４Ａと中央部の軸受２４Ｂを介して回転自在に支持されている。低圧タービンロータ１１Ｃは、その後部に連結されたタービンシャフト１１Ｄを介して、後部の軸受２４Ｃにより支持されている。

図２は圧縮機の下流部を拡大した図である。同図に示すように、圧縮機３の下流部に最下段の静翼３０が配置され、その下流に出口案内翼４０が配置され、さらにその下流にディフューザ２３が配置されている。これら最下段の静翼３０および出口案内翼４０はそれぞれ、周方向に複数並んだピースからなる。静翼ピース３５および案内翼ピース４５は、本体部として空気をガイドする静翼部３１および案内翼部４１を有し、これら静翼部３１および案内翼部４１の径方向外端部にそれぞれ静翼外側フランジ３２、案内翼外側フランジ４２が形成され、静翼部３１および案内翼部４１の径方向内端部に静翼内側フランジ３４、案内翼内側フランジ４４がそれぞれ形成されている。

これら静翼外側フランジ３２および案内翼外側フランジ４２には、圧縮機３の他の静翼と同様に、前後各一対の係合片３３，４３が一体形成されており、これら係合片３３，４３をアウタケーシング１５に形成された蟻溝からなる前後一対の係合溝１５ａ、１５ｂに係合させることにより、静翼３０および出口案内翼４０の径方向外端部がアウタケーシング１５に支持されている。係合溝１５ａ、１５ｂは圧縮機３の軸心Ｃ（図１）と同心の環状である。静翼内側フランジ３４および案内翼内側フランジ４４は、後述する係止構造によって、インナディフューザ２１に支持されている。静翼３０および出口案内翼４０が支持された状態で、静翼外側フランジ３２と案内翼外側フランジ４２は、その間に何も介在させることなく近接しており、静翼内側フランジ３４と案内翼内側フランジ４４も、その間に何も介在させることなく近接している。

この状態で、静翼外側フランジ３２および案内翼外側フランジ４２の各係合片３３，４３と各係合溝１５ａ，１５ｂとの間に、軸方向および径方向に僅かな隙間が設けられており、したがって、係合片３３，４３は係合溝１５ａ，１５ｂに対して、軸方向および径方向に移動可能である。静翼外側フランジ３２の径方向外側面および案内翼外側フランジ４２の径方向外側面と、アウタケーシング１５に設けられた環状の取付溝１５ｃとの間には、軸方向から見てほぼ円弧状の板ばね２８が介在しており、この板ばね２８により径方向内方にばね力が付加されることで、静翼３０および出口案内翼４０がアウタケーシング１５に押し付けられて支持されている。

インナディフューザ２１の上流端部の外周面に径方向内側に向かって凹入する環状の凹所５０が形成されている。この凹所５０は、インナディフューザ２１の上流端に設けられて径方向内側へ凹入する第１の凹入部５２と、第１の凹入部５２の下流側に設けられて第１の凹入部５２よりも径方向内側へ大きく凹入した第２の凹入部５４とを含んでいる。第２の凹入部５４の下流端を形成する後壁には、軸方向の一側である下流側へ凹入した係止溝５６が形成されている。第１の凹入部５２の上流端であるインナディフューザ２１の前端には、前方へ突出する突片（被係止片）５８が形成されている。

案内翼内側フランジ４４はインナディフューザ２１の凹所５０内に位置している。具体的には、案内翼内側フランジ４４は、前部の径方向内側面が第１の凹入部５２の外周面に近接した円弧面であり、後部に、径方向内側面４８ｂｃが第２の凹入部５４の外周面に近接しインナディフューザ２１の係止溝５６に係止される係止片４８が、一体形成により設けられている。係止片４８は、案内翼内側フランジ４４の後部から径方向内側へ延出した延出部４８ａと、延出部４８ａの先端部（径方向内端部）から軸方向一方向である後方、すなわち下流側へ突出した係止部４８ｂとを有し、この係止部４８ｂが係止溝５６に係止されることにより、出口案内翼４０の径方向内端部がインナディフューザ２１に支持されている。このように、出口案内翼４０は、径方向外端部がアウタケーシング１５に、内端部がインナディフューザ２１にそれぞれ支持される両持ち支持となっている。

出口案内翼４０の係止部４８ｂの軸方向先端面（後端面）４８ｂａと、インナディフューザ２１の係止溝５６の底面５６ａとの間には隙間Ｓ１が形成されている。また、出口案内翼４０の係止部４８ｂの径方向外側面４８ｂｂは、圧縮機３の軸心Ｃと同心の円筒面の一部分からなり、インナディフューザ２１の係止溝５６の径方向外側面５６ｂは全体が前記円筒面からなり、ガスタービン運転時に膨張によって互いに当接するように設定されている。停止時には係止部４８ｂの径方向外側面４８ｂｂと係止溝５６の径方向外側面５６ｂとの間に若干の隙間が存在する。こうして、出口案内翼４４の後部とインナディフューザ２１との間に迷路構造が形成されている。すなわち、案内翼内側フランジ４４の下流端面４７、係止部４８ｂの外側面４８ｂｂ、後端面４８ｂａおよび内側面４８ｂｃと、インナディフューザ２１の凹所後面２１ａ、係止溝５６の外側面５６ｂ、底面５６ａおよび第１の凹入部５２の外周面（底面）５４ａとが近接して、狭い迷路構造を形成している。

静翼ピース３５の静翼内側フランジ３４もインナディフューザ２１の凹所５０内に位置している。具体的には、静翼内側フランジ３４の後部の径方向内側面３４ａが第１の凹入部５２の外周面（底面）５２ａに近接し、前部にはインナディフューザ２１の突片５８に係止される静翼係止片３６が一体形成により設けられている。つまり、突片５８は被係止片として機能する。静翼係止片３６は、静翼内側フランジ３４の前端から径方向内側に延びる静翼延出部３６ａと、静翼延出部３６ａから後方へ突出する静翼係止部３６ｂとを有している。この静翼係止部３６ｂが、突片５８に係止されることにより、静翼３０の径方向内端部がインナディフューザ２１に支持されている。静翼係止片３６の静翼係止部３６ｂの径方向外側面３６ｂｂは圧縮機３の軸心Ｃと同心の円筒面の一部分からなる。インナディフューザ２１の突片５８の径方向内側面５８ａは、全体が圧縮機３の軸心Ｃと同心の円筒面からなる。こうして、静翼３０は、径方向外端部がアウタケーシング１５に、内端部がインナディフューザ２１にそれぞれ支持される両持ち支持となっている。

アウタケーシング１５およびインナディフューザ２１は周方向に２分割された２つ割り構造である。アウタケーシング１５およびインナディフューザ２１の半円形のケーシング半体に設けた前記係合溝１５ａ、１５ｂおよび凹所５０に、静翼ピース３５および案内翼ピース４５の各係合片３３、４３および係止片３６、４８を周方向から嵌め込むことにより、両ピース３５，４５を周方向に組み込んで、静翼３０および出口案内翼４０が組み付けられる。

静翼係止部３６ｂの軸方向先端面（後端面）３６ｂａとインナディフューザ２１の前端面２１ｂとの間、およびインナディフューザ２１の突片５８の先端面５８ａと静翼延出部３６ａの後端面３６ａａとの間には、それぞれ隙間Ｓ２、Ｓ３が形成されている。また、静翼係止部３６ｂの径方向外側面３６ｂｂと、インナディフューザ２１の突片５８の径方向内周面５８ｂとは、ガスタービン運転時に熱膨張によって互いに当接するように設定されている。停止時には、静翼係止部３６ｂの径方向外側面３６ｂｂと突片５８の径方向内周面５８ｂの間に若干の隙間が存在する。

静翼係止片３６の前端面は後方に進むにつれて径方向内方に傾いた傾斜面３７となっており、この傾斜面３７と圧縮機３の一部である圧縮機ロータ１１Ａとの間に、インナディフューザ２１の内方へ向かう斜めの導入通路６０の入口６０ａが形成されている。導入通路６０によってインナディフューザ２１の内方に導かれた空気により、図１の前後方向中央部の軸受２４Ｂに供給している潤滑油を外からシールする。

図３（ａ）は案内翼ピース４５の正面図を、図３（ｂ）は側面図を示している。各案内翼ピース４５の径方向外端の係合片４３は、図３（ａ）に示すように、案内翼外側フランジ４２の周方向幅の全体にわたって延びており、径方向内端の係止片４８は案内翼内側フランジ４４の周方向幅の全体にわたって延びている。図３（ｂ）に示す案内翼外側フランジ４２および案内翼内側フランジ４４の側面４２ａ、４４ａが隣接する案内翼ピース４５の対向する側面に近接ないし当接して、複数の案内翼ピース４５が周方向に並ぶ。

図４（ａ）は静翼ピース３５の正面図を、図４（ｂ）は側面図を示している。各静翼ピース３５の径方向外端の係合片３３は、図４（ａ）に示すように、静翼外側フランジ３２の周方向幅の全体にわたって延びており、径方向内端の係止片３６は静翼内側フランジ３４の周方向幅の全体にわたって延びている。図４（ｂ）に示す静翼外側フランジ３２および静翼内側フランジ３４の側面３２ａ、３４ａが隣接する静翼ピース３５の対向する側面に近接ないし当接して、複数の静翼ピース３５が周方向に並ぶ。

上記構成において、図２に示す出口案内翼４０の係止部４８ｂがインナディフューザ２１の凹所５０に設けられた係止溝５６に運転時に係止するように設定すること、つまり、熱膨張していない停止時には係止部４８ｂと係止溝５６の間に若干の隙間を設けることで、出口案内翼４０の径方向への熱膨張を許容することができる。また、出口案内翼４０の係止部４８ｂがインナディフューザ２１の係止溝５６に係止することで、出口案内翼４０がインナディフューザ２１とアウタケーシング１５間に両持ちで支持されて径方向への移動が規制されるから、出口案内翼４０の振動が抑制される。さらに、出口案内翼４０とインナディフューザ２１との隙間が、係止片４８と係止溝５６により形成される迷路構造となるから、空気漏れも防止できる。

さらに、出口案内翼４０の係止部４８ｂの軸方向先端面４８ｂａとインナディフューザ２１の係止溝５６の内底面５６ａとの間に隙間Ｓ１が形成されているので、出口案内翼４０およびインナディフューザ２１の双方の軸方向の熱膨張も吸収することができる。

また、運転時に、出口案内翼４０の係止部４８ｂの径方向外側面４８ｂｂがインナディフューザ２１の係止溝５６の径方向外側面５６ｂに当接するように設定されているので、係止部４８ｂの径方向外側面４８ｂｂと係止溝５６の径方向外側面５６ｂを、圧縮機３と同心の円筒面で形成することができるから、係止部４８ｂと係止溝５６の加工が容易になる。

また、出口案内翼４０の延出部４８ａが、案内翼内側フランジ４４の後部に形成され、かつ、下流方向（後方）へ突出しているので、インナディフューザ２１におけるスペースに余裕のある出口案内翼４０の下流側を利用して、第２の凹入部５４や係止溝５６を容易に構築できる。

さらに、最下段の静翼３０の静翼係止片３６ｂがインナディフューザ２１に設けられた被係止片５８に係止するように設定すること、つまり係止時に係止片３６ｂと被係止片５８の間に若干の隙間を設けることで、静翼３０の径方向への熱膨張を許容することができる。また、最下段の静翼３０もインナディフューザ２１とアウタケーシング１５間に両持ちで支持されて径方向外側への移動が規制されるから、振動により静翼３０が共振するのを抑制できる。

また、インナディフューザ２１の被係止片５８の径方向内側面５８ｂと静翼係止片３６ｂの径方向外側面３６ｂｂとが運転時に当接するように設定されているので、静翼係止片３６ｂの径方向外側面３６ｂｂと被係止片５８の径方向内側面５８ｂを、圧縮機３と同心の円筒面で形成することができるから、係止片３６ｂと被係止片５８の加工が容易になる。

また、静翼係止片３６ｂと圧縮機３との間に、インナディフューザ２１の内方へ向かう斜めの導入通路６０の入口６０ａが形成されているが、静翼係止片３６ｂがインナディフューザ２１の被係止片５８に係止することで、軸方向に位置ずれしないので、一定の大きさの入口６０ａが確保される。

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。例えば、図２の出口案内翼４０とインナディフューザ２１との間の空気漏れを一層抑制するために、案内翼内側フランジ４４と第２の凹入部５４との間にシール部材を組み込んでもよい。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。

３ 圧縮機
１５ アウタケーシング
２１ インナディフューザ
４０ 出口案内翼
４４ 案内翼内側フランジ
４８ 案内翼の係止部
４８ａ 延出部
４８ｂ 係止部
５０ 凹所
５６ 係止溝

Claims (5)

1. 圧縮機の下流側に出口案内翼が配置され、前記出口案内翼は、径方向外端部がアウタケーシングに、内端部がインナディフューザにそれぞれ支持され、
   前記インナディフューザの外周面に径方向内側に向かって凹入する凹所が形成され、
   前記凹所に軸方向一方向へ凹入した係止溝が設けられ、
   前記径方向内端部に前記インナディフューザの凹所内に位置する内側フランジが形成され、
   前記内側フランジに、前記インナディフューザに係止される係止片が形成され、
   前記係止片は、前記内側フランジから径方向内側へ延出した延出部と、前記延出部の先端部から前記軸方向一方向へ突出した係止部とを有し、
   前記径方向内端部は、前記係止部が前記凹所に設けられた係止溝に運転時に係止することにより前記インナディフューザに支持され、
   さらに、前記出口案内翼の上流側に最下段の静翼が配置され、前記静翼は、径方向外端部が前記アウタケーシングに、内端部が前記インナディフューザにそれぞれ支持され、
   前記インナディフューザの前端に前方へ突出する被係止片が形成され、
   前記静翼の径方向内端部に前記インナディフューザの凹所内に位置する静翼内側フランジが形成され、
   前記静翼内側フランジに、前記インナディフューザに係止される静翼係止片が形成され、
   前記静翼係止片は、前記静翼内側フランジの前端から径方向内側に延びる延出部と、前記延出部から後方へ突出する係止部とを有し、
   前記静翼係止片と前記圧縮機との間に、前記インナディフューザの内方へ向かう斜めの導入通路の入口が形成されているガスタービンエンジン。
2. 請求項１において、前記係止部の軸方向先端面と前記インナディフューザの係止溝の内底面との間に隙間が形成されているガスタービンエンジン。
3. 請求項１または２において、運転時に、前記出口案内翼の係止部の径方向外側面が前記インナディフューザの係止溝の径方向外側面に当接するように設定されているガスタービンエンジン。
4. 請求項１，２または３において、前記出口案内翼の延出部は、前記内側フランジの後部に形成され、前記係止部は下流方向へ突出しているガスタービンエンジン。
5. 請求項１から４のいずれか一項において、前記インナディフューザの被係止片の径方向内側面と前記静翼係止部の径方向外側面とが運転時に当接するように設定されているガスタービンエンジン。

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