(57)【要約】  燃焼器１４が、タービン１６に隣接してコンプレッサ１２と反対側に設置されており、燃焼器及びタービンとコンプレッサの間に、高温側から低温側への伝熱を低減する遮熱装置２０を備える。また、連結軸１８が、コンプレッサの入口側に開口しタービンインペラ近傍まで軸方向に延びる軸方向穴１８ａと、タービンインペラ近傍の連結軸外部に開口し半径方向に延び前記軸方向穴と連通する半径方向穴１８ｂとを有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させ高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンエンジンであって、
前記燃焼器は、タービンに隣接して前記コンプレッサと反対側に設置されており、
前記燃焼器及びタービンとコンプレッサの間に、高温側から低温側への伝熱を低減する遮熱装置を備えた、ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記遮熱装置は、前記燃焼器及びタービンとコンプレッサとの間を仕切る遮熱熱交換板であり、
該遮熱熱交換板は、低温側外板、高温側外板、及びその内部を仕切る流路形成板からなり、コンプレッサで圧縮した加圧空気が外周部から流入し、低温側外板に沿って内方に流れ、内端部で高温側に流入し、高温側外板に沿って外方に流れ、外周部から燃焼器へ流出する、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。
【請求項３】
前記遮熱装置は、前記燃焼器及びタービンとコンプレッサの間を仕切り接触面積が小さい低接触仕切板であり、
該低接触仕切板は、低温側または高温側の一方に接触する支持板と、該支持板上に分散して配置され低温側または高温側の他方に接触する複数の突起部とからなり、該突起部の総接触面積が熱伝導を低減するように十分小さく設定されている、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。
【請求項４】
前記遮熱装置は、前記燃焼器及びタービンとコンプレッサの間を仕切り熱伝導率が小さい低熱伝導率板である、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。
【請求項５】
空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させ高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンエンジンであって、
前記コンプレッサ内のコンプレッサインペラと前記タービン内のタービンインペラが連結軸を介して連結されており、
該連結軸は、コンプレッサの入口側に開口しタービンインペラ近傍まで軸方向に延びる軸方向穴と、該タービンインペラ近傍の連結軸外部に開口し半径方向に延び前記軸方向穴と連通する半径方向穴とを有する、ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項６】
空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させ高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンエンジンであって、
前記燃焼器とタービンの間に、高温ガスをタービンに案内するガス案内板を備え、
該ガス案内板は、前記加圧空気を予熱する放熱フィンを備える、ことを特徴とするガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【発明の背景】
【０００１】
発明の技術分野
本発明は、コンプレッサインペラとタービンインペラが連結軸を介して連結され、或いはコンプレッサとタービンのケーシングが近接し又は連結されるガスタービンエンジンに関する。
【０００２】
関連技術の説明
ガスタービンの基本サイクルは、ブレイトンサイクルであり、その熱効率は、圧力比と温度比が高いほど大きくなる。そのため、ガスタービンでは、高温部（燃焼器）で発生する熱を、低温部（圧縮機）に伝えないようにすることが、サイクル性能確保の上で大変重要である。これは、ガスタービンエンジンを小型化するときには特に重要となる。大型機と同じ高温部と低温部の温度差を、より短い距離で実現する必要があるからである。
【０００３】
また、ガスタービンを発電機駆動用に使う場合は、ガスタービンの高温部と発電機の間の遮熱も重要となる。発電機の永久磁石は、そのキュリー点によって磁石として機能する最高許容温度が低く制限されるからである。
【０００４】
従来、高温部から低温部への伝熱量を低減する遮熱手段として、例えば特許文献１，２が開示されている。
【０００５】
図１に示すように、特許文献１に開示された起動用燃焼器は、ケーシング５１の内側に冷却流体通路５２を有する遮熱板５３をガス通路に臨んで設けるとともに、同遮熱板５３とケーシング内面との間に、保温材が装鎮された一定厚さの保温層５４を設けてなり、輻射熱のケーシング５１への入熱を抑制するものである。
【０００６】
図２に示すように、特許文献２に開示された遮熱パネル（前部遮熱パネル）６０は、ガスタービンエンジン用の燃焼器に用いられる高温側部および低温側部を有し、低温側部に少なくとも１つの独立した冷却チャンバ６６を有する。各冷却チャンバ６６は空気などの冷媒を低温側部から高温側部に流れさせるための複数の膜冷却孔６２を有している。
【０００７】
【特許文献１】特開平９−３３０３５号公報
【特許文献２】特開２００６−２９２３６２号公報
【０００８】
空気を圧縮するコンプレッサインペラと高温ガスで回転するタービンインペラが連結軸で直結されている場合、連結軸を通して高温のタービンインペラからコンプレッサインペラの大量の熱が伝熱されるため、コンプレッサ内の空気が加熱されてコンプレッサの性能が低下する問題がある。
【０００９】
また、コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させる燃焼器を、コンプレッサから離してタービンの背後（コンプレッサと反対側）に設置した場合でも、燃焼器で発生する燃焼ガスは例えば１０００℃以上の高温であり、この高温ガスがタービンに流入するため、燃焼器及びタービンは高温であり、この高温部からコンプレッサ側に大量の熱が伝熱される。
特にガスタービンエンジンを小型化するため、コンプレッサとタービンのケーシングが近接し、或いは連結される場合には、伝熱量も大きくなり、コンプレッサ性能ひいてはガスタービン性能が低下するおそれがある。
【００１０】
さらに、ガスタービンエンジンと発電機を組み合わせ、かつ小型化を図る場合には、コンプレッサとタービンの中間に発電機を組み込むのが好ましいが、この場合、発電機の永久磁石は、そのキュリー点によって磁石として機能する最高許容温度が低い（例えば１００℃）ため、遮熱性能を一層高める必要がある。
【発明の要約】
【００１１】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、コンプレッサインペラとタービンインペラが連結軸を介して連結され、或いはコンプレッサとタービンのケーシングが近接し又は連結される場合であっても、燃焼器及びタービンからコンプレッサ側への伝熱を大幅に低減することができ、これにより高い熱効率を達成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にある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させ高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンエンジンであって、
前記燃焼器は、タービンに隣接して前記コンプレッサと反対側に設置されており、
前記燃焼器及びタービンとコンプレッサの間に、高温部側から低温部側への伝熱を低減する遮熱装置を備えた、ことを特徴とするガスタービンエンジンが提供される。【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記遮熱装置は、前記燃焼器及びタービンとコンプレッサとの間を仕切る遮熱熱交換板であり、
該遮熱熱交換板は、低温側外板、高温側外板、及びその内部を仕切る流路形成板からなり、コンプレッサで圧縮した加圧空気が外周部から流入し、低温側外板に沿って内方に流れ、内端部で高温側に流入し、高温側外板に沿って外方に流れ、外周部から燃焼器へ流出する。【００１４】
また、前記遮熱装置は、前記燃焼器及びタービンとコンプレッサの間を仕切り接触面積が小さい低接触仕切板であり、
該低接触仕切板は、低温側または高温側の一方に接触する支持板と、該支持板上に分散して配置され低温側または高温側の他方に接触する複数の突起部とからなり、該突起部の総接触面積が熱伝導を低減するように十分小さく設定されている。【００１５】
また、前記遮熱装置は、前記燃焼器及びタービンとコンプレッサの間を仕切り熱伝導率が燃焼器を構成する材質の熱伝導率より小さい低熱伝導率板である。【００１６】
また、本発明によれば、空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させ高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンエンジンであって、
前記コンプレッサ内のコンプレッサインペラと前記タービン内のタービンインペラが連結軸を介して連結されており、
該連結軸は、コンプレッサの入口側に開口しタービンインペラ近傍まで軸方向に延びる軸方向穴と、該タービンインペラ近傍の連結軸外部に開口し半径方向に延び前記軸方向穴と連通する半径方向穴とを有する、ことを特徴とするガスタービンエンジンが提供される。【００１７】
また、空気を圧縮するコンプレッサと、該コンプレッサで圧縮した加圧空気中で燃料を燃焼させ高温ガスを発生させる燃焼器と、該高温ガスで回転駆動されるタービンとを備えたガスタービンエンジンであって、
前記燃焼器とタービンの間に、高温ガスをタービンに案内するガス案内板を備え、
該ガス案内板は、前記加圧空気を予熱する放熱フィンを備える、ことを特徴とするガスタービンエンジンが提供される。【００１８】
上記本発明の構成によれば、燃焼器及びタービンとコンプレッサの間に、燃焼器及びタービンからコンプレッサ側への伝熱を低減する遮熱装置（遮熱熱交換板、低接触仕切板、低熱伝導率板）を備えるので、燃焼器及びタービンからコンプレッサ側への伝熱を大幅に低減することができる。【００１９】
また、コンプレッサインペラとタービンインペラを連結する連結軸が、コンプレッサの入口側に開口しタービンインペラ近傍まで軸方向に延びる軸方向穴と、該タービンインペラ近傍の連結軸外部に開口し半径方向に延び前記軸方向穴と連通する半径方向穴とを有するので、連結軸の高速回転による遠心力で、軸方向穴と半径方向穴を介してコンプレッサの入口側からタービンインペラ近傍までコンプレッサの入口部の低温空気（例えば３０℃）を連結軸の内部を通して導入することができ、連結軸を内側から低温空気で直接冷却することができる。【００２０】
また、燃焼器とタービンの間に、高温ガスをタービンに案内するガス案内板を備え、
該ガス案内板は、加圧空気を予熱する放熱フィンを備えるので、高温ガスで加熱されたガス案内板を加圧空気で冷却すると共に、加圧空気を予熱して燃焼器における燃焼効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】特許文献１の「起動用燃焼器の遮熱装置」の模式図である。
【図２】特許文献２の「遮熱パネル」の模式図である。
【図３】本発明のガスタービンエンジンの全体模式図である。
【図４】本発明のガスタービンエンジンの具体例を示す全体構成図である。
【図５】遮熱熱交換板の模式的断面図である。
【図６】低接触仕切板の一構成例を示す斜視図である。
【図７】低接触仕切板の配置状態を示す図４の部分拡大図である。
【図８】ガス案内板の模式的斜視図である。
【好ましい実施例の説明】
【００２２】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明は省略する。
【００２３】
図３は、本発明のガスタービンエンジンの全体模式図である。
この図において、本発明のガスタービンエンジン１０は、空気１を圧縮するコンプレッサ１２と、コンプレッサ１２で圧縮した加圧空気２中で燃料３を燃焼させ高温ガス４を発生させる燃焼器１４と、高温ガス４で回転駆動されるタービン１６とを備える。
また燃焼器１４は、タービン１６に隣接してコンプレッサ１２の反対側に設置されている。
【００２４】
図３において、本発明のガスタービンエンジン１０は、さらに、遮熱装置２０を備える。遮熱装置２０は、燃焼器１４及びタービン１６とコンプレッサ１２の間に設けられ、燃焼器１４及びタービン１６からコンプレッサ側への伝熱を低減する機能を有する。
【００２５】
図４は本発明のガスタービンエンジンの具体例を示す全体構成図である。
この図において、燃焼器１４は、タービン１６に隣接してコンプレッサ１２の反対側にタービン１６を囲んで設置され、排気ガス５はその中心部から軸方向に排気されるようになっている。
またこの例でコンプレッサ１２は遠心圧縮機、タービン１６は半径流タービンであるが、本発明はこれに限定されず、軸流圧縮機、軸流タービン、斜流圧縮機、斜流タービンであってもよい。
【００２６】
図４において、６はコンプレッサケーシング、７はタービンケーシングであり、ガスタービンエンジンを小型化するため、コンプレッサケーシング６とタービンケーシング７は、互いに連結されている。
また、コンプレッサ１２内のコンプレッサインペラ１３とタービン１６内のタービンインペラ１７が連結軸１８で直結されている。なお、連結軸１８は直結に限定されず、減速機等を介して連結してもよい。
さらに、コンプレッサ１２とタービン１６の中間に発電機３０（ロータとステータからなる）が組み込まれている。なお、本発明において、発電機３０は、必須ではなくこれを省略してもよい。
【００２７】
図４において、連結軸１８は、コンプレッサ側のラジアルベアリング１９ａ、タービン側のラジアルベアリング１９ｂ、及びタービン側のスラストベアリング１９ｃにより、ラジアル方向及びスラスト方向に支持されている。
また、連結軸１８は、コンプレッサ１２の入口側に開口しタービンインペラ近傍まで軸方向に延びる軸方向穴１８ａと、タービンインペラ近傍の連結軸外部に開口し半径方向に延び、かつ軸方向穴１８ａと連通する半径方向穴１８ｂとを有する。
なお、半径方向穴１８ｂの位置は、この例ではスラストベアリング１９ｃよりタービン側であるが、コンプレッサ側でもよい。
この構成により、連結軸１８の高速回転による遠心力で、軸方向穴１８ａと半径方向穴１８ａを介して、コンプレッサ１２の入口側からタービンインペラ近傍までコンプレッサの入口部の低温空気（例えば３０℃）を連結軸の内部を通して導入することができ、連結軸１８を内側から低温空気で直接冷却することができる。
【００２８】
図４において、遮熱装置２０は、遮熱熱交換板２２、低接触仕切板２４、及び低熱伝導率板２６からなる。
【００２９】
図５は、遮熱熱交換板２２の模式的断面図である。
遮熱熱交換板２２は、連結軸１８が通る中心穴２３を有するドーナツ状の円板であり、低温側外板２２ａ、高温側外板２２ｂ、及びその内部を仕切る流路形成板２２ｃとからなり、燃焼器及びタービンとコンプレッサの間を仕切っている。
【００３０】
低温側外板２２ａの外面（図で左側）はこの例では低接触仕切板２４に密着している。また、高温側外板２２ｂの外面（図で右側）はこの例では、高温ガス４をタービン１７に案内するガス案内板２８に密着している。また、低温側外板２２ａと高温側外板２２ｂは連結軸１８が通る中心穴部分で接続され内部の加圧空気が漏れないようになっている。
流路形成板２２ｃは、低温側外板２２ａと高温側外板２２ｂの中間に図示しない支持部材（例えばコルゲート）を介して位置し、コンプレッサ１２で圧縮した加圧空気が低温側外板２２ａの外周部から流入し、低温側外板２２ａに沿って内方に流れ、内端部（中心穴の外側）で高温側に流入し、高温側外板２２ｂに沿って外方に流れ、高温側外板２２ｂの外周部から燃焼器側へ流出するようになっている。
【００３１】
また、この流路形成板２２ｃは、図５に示すように細孔２２ｄを有し、コンプレッサ１２で圧縮した加圧空気２の一部を直接燃焼器側へ流すようになっている。この細孔２２ｄの大きさと数は、遮熱熱交換板２２の冷却に必要な空気量が流れるように設定される。
【００３２】
この構成により、コンプレッサ１２で圧縮した加圧空気２で遮熱熱交換板２２の内部を冷却すると共に、遮熱熱交換板２２の低温側外板２２ａと高温側外板２２ｂの間に空気の断熱層を形成し、燃焼器１４及びタービン１６からコンプレッサ側への伝熱を大幅に低減することができる。空気の断熱層は、固体層と比較して熱伝達率が非常に低いことが知られている。
また、遮熱熱交換板２２の冷却で昇温した加圧空気２は、燃焼器１４に供給されるので、燃焼器１４における燃料３の着火性を高め、燃焼効率を高めることができる。
【００３３】
図６は、低接触仕切板２４の構成を示す斜視図である。図７は、低接触仕切板２４の配置状態を示す図４の部分拡大図である。
低接触仕切板２４は、燃焼器１４及びタービン１６とコンプレッサ１２の間を仕切り接触面積が小さい板である。
この図に模式的に示すように、低接触仕切板２４は、低温側または高温側の一方（この例では低温側外板２２ａ）に接触する支持板２４ａと、支持板２４ａ上に分散して配置され低温側または高温側の他方（この例では低熱伝導率板２６）に接触する複数の突起部２４ｂとからなり、突起部２４ｂの総接触面積が熱伝導を低減するように十分小さく設定されている。
【００３４】
また、この低接触仕切板２４は、連結軸１８が通る中心穴２５を有するドーナツ状の円板であり、その中心側から連結軸１８の回転による遠心力で、コンプレッサ１２の入口側からタービンインペラ近傍まで導入したコンプレッサの入口部の低温空気１（例えば３０℃）を突起部２４ｂの隙間に導入して空気層を形成するようになっている。
さらに、図６及び図７に示すように、低接触仕切板２４の外周部には、コンプレッサで圧縮した加圧空気２を通すための貫通穴２４ｃが周方向に複数形成されている。また低接触仕切板２４の外周部には、各突起部２４ｂの隙間に導入した空気１を外部に排気するための排気流路２４ｄが形成されている。この例において排気流路２４ｄは溝状であるが半径方向の貫通穴であってもよい。
なお、低温空気１の排気通路は、この構成に限定されず、その他の部分（例えばコンプレッサケーシング）を介して排気してもよい。
上述した構成により、低接触仕切板２４の接触面積が小さく、かつ空気による断熱層を有するので、低接触仕切板２４を介しての伝熱を大幅に低減することができる。
【００３５】
低熱伝導率板２６は、燃焼器１４及びタービン１６とコンプレッサ１２の間を仕切る断熱板である。この低熱伝導率板２６は、熱伝導率が燃焼器を構成する材質の熱伝導率に比べて非常に小さい、例えばポーラスなセラミック板であり、これによっても高温側から低温側への伝熱を低減することができる。
【００３６】
なお、上述した遮熱熱交換板２２、低接触仕切板２４及び低熱伝導率板２６のすべては必ずしも必要でなく、所望の遮熱性能を満たす限りで、その一部を省略してもよい。
【００３７】
図４において、本発明のガスタービンエンジン１０は、さらに、燃焼器１４とタービン１６の間に、高温ガス４をタービン１６（タービンインペラ１７）に案内するガス案内板２８を備える。このガス案内板２８は、タービンインペラ１７の背面と連結軸１８に近接し、タービンインペラ１７からコンプレッサ側に高温ガスが流入しないように例えばラビリンスシール等のシールを備えている。
【００３８】
図８は、ガス案内板２８の模式的斜視図である。このガス案内板２８は、その外周面で加圧空気２の流路内面を形成し、この外周面に軸方向に延びる複数の放熱フィン２８ａを有する。
この構成により、高温ガス４で加熱されたガス案内板２８を加圧空気２で冷却すると共に、加圧空気２を予熱して燃焼器１４における燃料の燃焼効率を高めることができる。
【００３９】
上述したように、本発明の構成によれば、燃焼器１４及びタービン１６とコンプレッサ１２の間に、燃焼器及びタービンからコンプレッサ側への伝熱を低減する遮熱装置２０（遮熱熱交換板２２、低接触仕切板２４、低熱伝導率板２６）を備えるので、燃焼器及びタービンからコンプレッサ側への伝熱を大幅に低減することができる。
【００４０】
また、連結軸１８の高速回転による遠心力で、軸方向穴１８ａと半径方向穴１８ｂを介してコンプレッサの入口部の低温空気１（例えば３０℃）を連結軸１８の内部を通して導入することができ、連結軸１８を内側から低温空気で直接冷却することができる。
【００４１】
また、放熱フィン２８ａにより、高温ガス４で加熱されたガス案内板２８を加圧空気２で冷却すると共に、加圧空気２を予熱して燃焼器における燃焼効率を高めることができる。
【００４２】
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更することができることは勿論である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
2008146579.tif 000011
2008146579.tif 000012
2008146579.tif 000013
2008146579.tif 000014
2008146579.tif 000015
2008146579.tif 000016