(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンにおける遠心圧縮機のディフューザの下流に、前記ディフューザからの空気を径方向の外向きから軸方向の後ろ向きを経て径方向の内向きに変向させる湾曲通路が形成され、
前記湾曲通路における径方向外周部に、空気中の異物を進入させて前記湾曲通路外へ導出する捕集口が形成されているガスタービンエンジン。
【請求項２】
ガスタービンエンジンにおける燃焼器が、燃焼室を形成する内筒と、この内筒の外周部および頂部を覆う外筒と、前記内筒と外筒との間に形成されて圧縮機からの空気を前記内筒内の燃焼ガスの流れ方向と逆方向に導入する導入通路とを有し、
前記外筒における頂壁と周壁との境界部に、空気中の異物を進入させて、前記導入通路外へ導出する捕集口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において、前記捕集口はエンジンの軸心と同心の環状に形成されてい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１項において、さらに、前記捕集された異物をエンジン外へ取り出す取出口と、この取出口を開閉するプラグとを備えているガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主として、ヘリコプターのような航空機の動力源や発電機の駆動源等として用いられるガスタービンエンジンであって、エンジン内部に侵入した異物を簡単な構成で容易に捕集して除去することのできる異物除去構造を備えたものに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上述のような用途に用いらるガスタービンエンジンでは、砂、小石、金属片または小枝などの異物が吸入空気中に含まれた状態でエンジン内部に侵入し易く、これらの異物がエンジンの圧縮翼やタービン翼に衝突すると、その衝突時に受ける衝撃によるダメージでエンジンが損傷するおそれがある。特に、衝撃に対して脆いセラミック製のタービン翼を備えたエンジンでは、従来において問題とならなかった微細な異物によっても損傷を受けて故障発生の原因となる。すなわち、セラミック製のタービン翼を備えたエンジンでは、吸入空気中に含まれる異物だけでなく、内部で発生する切削粉やカーボンの塊といった異物も損傷の原因となる。
【０００３】
そこで、従来では、吸入した空気を、旋回させたり、曲がった通路を通過させたのちに、エンジン内部に導入するようにして、空気よりも重い異物を遠心力で空気流路から外れる方向に導出させて除去し、空気のみをエンジン内部に吸入するＩＰＳ（inlet particle separator）が広く採用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の異物除去手段（ＩＰＳ）では、重量の小さい異物がエンジン内部に進入するのを阻止することが難しいとともに、一旦エンジン内部に侵入した異物についてはこれを除去することができない。また、ＩＰＳ等の従来の手段では、捕集した異物を、定期点検時などにおいてエンジンを分解するまで取り出すことができない。
【０００５】
そこで、本発明は、前記従来の課題に鑑みてなされたもので、異物除去構造を、エンジンに既存の部品を利用して、コンパクトかつ安価に設けることができるとともに、捕集した異物を任意に取り出す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するものでる。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の第１構成に係るガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンにおける遠心圧縮機のディフューザの下流に、前記ディフューザからの空気を径方向の外向きから軸方向の後ろ向きを経て径方向の内向きに変向させる湾曲通路が形成され、前記湾曲通路における径方向外周部に、空気中の異物を進入させて前記湾曲通路外へ導出する捕集口が形成されている。
【０００７】
この構成によれば、ディフューザから吐出される空気は、旋回成分を有して流動しているので、この空気中に含まれる異物には、空気の旋回による遠心力と湾曲通路の曲がりに抗して流動しようとする慣性力とが作用する。そのため、空気は湾曲通路に沿って強制的に流動していくのに対し、空気よりも重い異物は、大きな遠心力および慣性力が作用することから、湾曲通路から外れて捕集口内に進入して空気から除去される。一般に、遠心圧縮機の下流の湾曲通路は、曲がり角度が比較的大きいので、異物をこれに作用する慣性力によって捕集する効果が極めて大きく、小さな異物であってもほぼ確実に捕集することができる。また、この異物除去構造は、異物除去のために流路を特別に大きく曲げて形成する従来の異物除去手段とは異なり、既存の湾曲通路を利用して、この湾曲通路における径方向外周部に捕集口を設けるだけでよいので、コンパクトに構成できるとともに、コストアップを招くこともない。
【０００８】
本発明の第２構成に係るガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンにおける燃焼器が、燃焼室を形成する内筒と、この内筒の外周部および頂部を覆う外筒と、前記内筒と外筒との間に形成されて圧縮機からの空気を前記内筒内の燃焼ガスの流れ方向と逆方向に導入する導入通路とを有しており、前記外筒における頂壁と周壁との境界部に、空気中の異物を進入させて、前記導入通路外へ導出する捕集口が形成されている。
【０００９】
この構成によれば、導入通路を流動中の圧縮空気は、旋回成分を有しているので、この圧縮空気中に含まれている異物には、旋回による遠心力と、外筒の頂壁によって直角に変向されることにより生じる慣性力とが作用する。そのため、異物は、圧縮空気から分離して捕集口内に進入して捕集される。また、この異物除去構造は、圧縮空気の流路を特別に大きく曲げることなく、既存の導入通路を利用して、この導入通路の突き当たり箇所の外側にあたる前記境界部に捕集口を設けるだけでよいので、コンパクトに構成できるとともに、コストアップを招くこともない。
【００１２】
前記第１および第２構成において、前記捕集口はエンジンの軸心と同心の環状に形成されていることが好ましく、これにより、異物を空気通路の全周において捕集できる。
【００１３】
また、前記第１および第２構成において、前記捕集された異物をエンジン外へ取り出す取出口と、この取出口を開閉するプラグとを備えていることが好ましい。これにより、捕集した異物を、エンジンを分解することなく、プラグによって取出口を開放するだけで外部に排出することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
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詳述する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの概略構成を示す縦断面図である。
【００１５】
このガスタービンエンジンは、空気吸入口ＩＮから空気Ａを吸入して圧縮する２段の遠心圧縮機１と、圧縮された空気Ａに燃料を供給して燃焼させる燃焼器４と、燃焼ガスＧで駆動されるタービン７とを有している。前記圧縮機１およびタービン７はハウジング１３内に収納され、燃焼器４はハウジング１３に突出して取り付けられている。燃焼器４の燃焼室Ｃで発生した燃焼ガスＧは、スクロール９を介してタービン７に導かれてタービン７を回転させ、このタービン７に回転軸１０で連結されている２段の遠心圧縮機１と、発電機またはヘリコプターロータのような回転負荷Ｌとを駆動する。
【００１６】
燃焼器４は、単缶型（多缶型でもよい）であって、タービン７のほぼ径方向に突出して設けられている。この燃焼器４は、燃焼室Ｃを形成する内筒８と、この内筒８の外周部８ａおよび頂部８ｂを覆う外筒１１とを有し、内筒８と外筒１１との間に、圧縮機１からの圧縮空気ＣＡを内筒８内の燃焼ガスＧの流れ方向と逆方向に導入する導入通路１２が形成されている。圧縮機１から供給された圧縮空気ＣＡは、導入通路１２内を燃焼器４の先端側に向かって流れ、燃焼器４の中心側に向かって変向されて内筒８内に入り、内筒８内で燃料ノズルから供給された燃料と混合されて燃焼して燃焼ガスＧとなったのち、燃焼器４の基端側に向かって流れる。遠心圧縮機１を構成する２つの圧縮段２，３は、回転するインペラロータ２ａ，３ａと、その下流側でハウジング１３に固定されて空気Ａの旋回を抑制し、動圧を静圧に転換して静圧を上昇させるディフューザ２ｂ，３ｂとを備えている。
【００１７】
１段目の圧縮段２の吐出口２ｅｘ、つまりディフューザ２ｂの下流端と、２段目の圧縮段３の吸入口３ｉｎ、つまりインペラロータ３ａの吸入端との間には、前記ディフューザ２ｂからの空気Ａをガスタービンエンジンの径方向の外向きから径方向の内向きへＵターンさせるように変向させる湾曲通路１４が形成されている。
【００１８】
図１のII部の拡大図である図２に示すように、前記湾曲通路１４の径方向外周部を形成するエンジンハウジング１３には、空気Ａ中の異物Ｅを進入させて湾曲通路１４外へ導出する捕集口１７が、回転軸１０（図１）の軸心、つまりガスタービンエンジンの軸心２５と同心の環状に形成されており、その捕集口１７の奥部には異物Ｅの捕集室１８が設けられている。さらに、捕集室１８には、外部に連通するねじ孔からなる取出口１９が形成されており、その取出口１９にはボルトからなるプラグ２０が着脱自在に螺着されている。このプラグ２０の着脱により開閉される取出口１９は、周方向に複数個形成してもよいし、図１に示すように環状の捕集室１８の下部に１つだけ設けてもよい。
【００１９】
一般に、ディフューザ２ｂから吐出される空気Ａは、旋回成分を有して流動しているので、この空気Ａ中に異物Ｅが含まれていると、この異物Ｅには、空気Ａの旋回による遠心力と湾曲通路１４に沿った曲がりによる慣性力とが作用する。そのため、空気Ａよりも重い異物Ｅは、湾曲通路１４から径方向外方に外れて、図２の捕集口１７内に進入し、捕集室１８内に貯留される。
【００２０】
前記の異物除去構造では、湾曲通路１４の曲がり角度がほぼ１８０°と大きいので、慣性力によって異物Ｅを捕集する効果が極めて大きく、小さな異物Ｅであってもほぼ確実に捕集室１８内に捕集することができる。また、この異物除去構造は、流路を特別に大きく曲げる従来の異物除去手段とは異なり、既存の湾曲通路１４を利用して、この湾曲通路１４における径方向外周部に捕集口１７を有する捕集室１８を設けるだけでよいので、コンパクトに構成できるとともに、コストアップを招くこともない。
【００２１】
また、捕集室１８内に貯留されている異物Ｅは、エンジンの停止時に図１に示す下方のプラグ２０を取り外せば、取出口１９から外部に自然落下させて排出することができる他に、エンジンの駆動中においては、上方のプラグ２０を取り外しても、空気圧によって取出口１９に向け吹き飛ばして外部に排出することができる。なお、取出口１９は、プラグ２０に代えて、電磁弁などで自動的に開閉できるようにすれば、エンジンの運転中においても容易に開放して異物を排出できる。
【００２２】
図３は図１のIII 部の拡大図であって、２段目の圧縮段３の吐出口３ｅｘに、前記ディフューザ３ｂからの空気Ａをガスタービンエンジンの径方向の外向きからエンジンの軸方向の後ろ向き（図の右方）へ変向させる湾曲通路２１が形成されている。
【００２３】
前記湾曲通路２１の径方向外周部を形成するエンジンハウジング１３には、空気Ａ中の異物Ｅを進入させて湾曲通路２１外へ導出する捕集口２２が、回転軸１０（図１）の軸心２５と同心の環状に形成されており、その捕集口２２の奥部には異物Ｅの捕集室２３が設けられている。さらに、捕集室２３には、外部に連通するねじ孔からなる取出口２４が形成されており、その取出口２４にはボルトからなるプラグ２７が着脱自在に螺着されている。このプラグ２７の着脱により開閉される取出口２４は、周方向に複数個形成してもよいし、図１に示すように環状の捕集室２３における下部に１つだけ設けてもよい。
【００２４】
この異物除去構造においても、図２の構造とほぼ同様の効果を得ることができる。すなわち、空気Ａ中に含まれている異物Ｅは、空気Ａの旋回による遠心力と湾曲通路２１に沿った曲がりによる慣性力とを受けて、湾曲通路２１から径方向外方に外れて捕集口２２内に進入し、捕集室２３内に貯留される。この異物除去構造においても、湾曲通路２１の曲がり角度がほぼ９０°と比較的大きいので、慣性力によって異物Ｅを捕集する効果が大きく、小さな異物Ｅであってもほぼ確実に捕集室２３内に捕集することができる。
【００２５】
図４は、本発明の第１実施形態に係る変形例の異物除去構造を示す。この異物除去構造は、図１に示す２段の遠心圧縮機１を備えたガスタービンエンジンに適用したものであり、図２の捕集室１８に代えて、２段の圧縮段２，３の間に形成されている既存の密閉空間を捕集室２８として利用している。この捕集室２８はエンジンの軸心２５（図１）と同心の環状の空間になっている。湾曲通路１４の径方向外周部には、空気Ａ中の異物Ｅを進入させて湾曲通路１４外へ導出する捕集口２９を有して捕集室２８に連通する捕集通路３０が、回転軸１０の軸心２５（図１）と同心の環状に形成されている。この捕集通路３０と捕集室２８との間には、外部に連通するねじ孔からなる取出口３１が形成されており、その取出口３１にはボルトからなるプラグ３２が着脱自在に螺着されている。取出口３１は、周方向に複数個形成してもよいし、環状の捕集室２８における下部に１つだけ設けてもよい。
【００２６】
この異物除去構造は、図２とほぼ同様の構成になっているので、図２の構造で説明したと同様に作用する。すなわち、空気Ａ中に含まれている異物Ｅは、空気Ａの旋回による遠心力と湾曲通路１４の曲がりによる慣性力とを受けて、湾曲通路１４から径方向外方に外れて捕集口２９内に進入したのち、捕集通路３０を通って捕集室２８内に貯留される。
【００２７】
また、この異物除去構造は、既存の湾曲通路１４と遠心圧縮機１の両圧縮段２，３間の密閉空間とを利用して、この湾曲通路１４の径方向外周部に捕集口２９と捕集通路３０とを設けるだけでよいので、コンパクトに構成できるとともに、コストアップを招くこともない。また、捕集室２８内に貯留されている異物Ｅは、エンジンの停止時に下方のプラグ（図示せず）を取り外すか、エンジンの駆動中において何れかのプラグ３２を取り外せば、空気圧によって取出口３１から外部に排出することができる。なお、この異物除去構造は、容積の大きい捕集室２８を備えているので、貯留中の異物Ｅの排出頻度を少なくできる利点もある。
【００２８】
図５は、本発明の第２実施形態に係る異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの要部構成を示す縦断面図である。この異物除去構造は、図１に示したガスタービンエンジンの燃焼器４に設けるものであり、図１と同一または同等のものには同一の符号を付してある。図１の燃焼器４の内筒８の頂部８ｂには、燃料ノズル１３を取り囲むようにしてスワーラ３４が装着されており、遠心圧縮機１からの圧縮空気ＣＡは、導入通路１２を経てその一部が内筒８の燃焼用または希釈用の空気孔３３から燃焼室Ｃ内に流入し、他の一部が導入通路１２からＵターンし、スワーラ３４を通ることによって旋回しながら燃焼室Ｃ内に流入する。
【００２９】
この実施形態の異物除去構造は、外筒１１の頂壁３７と周壁３８との境界部に、圧縮空気ＣＡ中に含まれる異物Ｅを進入させて導入通路１２外へ導出する捕集口３９が形成され、捕集口３９の奥部にあたる周壁３８に捕集室４０が設けられた構成になっている。さらに、捕集室４０には、下方外部に連通するねじ孔からなる取出口４１が形成されており、その取出口４１にはボルトからなるプラグ４２が着脱自在に螺着されている。
【００３０】
一般に、導入通路１２を流動中の圧縮空気ＣＡは、圧縮機１によって付加された旋回成分を有しているので、この圧縮空気ＣＡ中に異物Ｅが含まれていると、この異物Ｅには、旋回による遠心力と、外筒１１の頂壁３７によって直角に変更されることにより生じる慣性力とが作用する。そのため、圧縮空気ＣＡよりも重い異物Ｅは、圧縮空気ＣＡから分離して捕集口３９内に進入し、捕集室４０内に貯留される。
【００３１】
前記の異物除去構造では、異物Ｅに作用する慣性力および旋回力が共に大きいので、小さな異物Ｅであってもほぼ確実に捕集口３９から導入通路１２外へ導出して捕集室４０内に捕集することができる。また、この異物除去構造は、流路を特別に大きく曲げる従来の異物除去手段とは異なり、既存の導入通路１２を利用して、この導入通路１２の突き当たり箇所の外側にあたる前記境界部に、捕集口３９を有する捕集室４０を設けるだけでよいので、コンパクトに構成できるとともに、コストアップを招くこともない。
【００３２】
捕集室４０内に貯留されている異物Ｅは、エンジンの停止時または駆動時にプラグ４２を取り外せば、取出口４１から外部に排出することができる。また、エンジン停止時には、頂壁３７を取り外して異物Ｅを除去することも容易である。なお、この異物除去構造では、二点鎖線で示すように、頂壁３７の下面における捕集口３９の径方向内側に、断面湾曲形状の凹んだガイド凹所４３を形成すれば、圧縮空気ＣＡ中の異物Ｅを円滑に捕集口３９内に導くことができる。
【００３３】
図６は、本発明に含まれない参考例に係る異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの概略構成を示す一部破断した側面図である。まず、このガスタービンエンジンの構成について簡単に説明する。
【００３４】
このガスタービンエンジンは、軸流圧縮機４４で空気Ａを圧縮して燃焼器４７に導くとともに、ガス燃料または液体燃料を、燃焼器４７に噴射して燃焼させ、その高温高圧の燃焼ガスＧによりタービン４８を駆動する構成になっている。軸流圧縮機４４は、回転軸４９の外周に取り付けられた複数個の動翼５０と、この軸流圧縮機４４の空気通路６７の外周壁を形成する圧縮機シュラウド５１の内周面に複数段に配置された静翼５２との組み合わせにより、吸気ダクト５３から吸入した空気Ａを圧縮して、その圧縮空気ＣＡを、環状に形成された車室５４に送給する。
【００３５】
燃焼器４７は、環状の車室５４に、その周方向に沿って複数個（例えば６個）が等間隔に配置されており、車室５４に送給された圧縮空気ＣＡが、矢印ａ，ｂで示すように、ほぼ円筒形の外筒５６を通って、ほぼ円筒形の内筒５７内の燃焼室５８に導かれる。一方、燃焼器４７には，燃料ノズル５９から燃料Ｆが燃焼室５８内に噴射され、この燃料Ｆが圧縮空気ＣＡと混合されて燃焼し、その高温高圧の燃焼ガスＧが内筒５７の下流側に接続された移送ダクト６０を通ってタービン４８に送られる。
【００３６】
図７は、図６のVII 部の拡大図であって、前記ガスタービンエンジンの異物除去構造を示す。この異物除去構造は、軸流圧縮機４４における最終段の動翼５０の後方近傍箇所で、圧縮機シュラウド５１に、空気Ａ中の異物Ｅを進入させて空気通路６７外へ導出する捕集口６１が、回転軸４９の軸心、つまりガスタービンエンジンの軸心２５（図６）と同心の環状に形成されており、その捕集口６１の奥部に異物Ｅの捕集室６２が設けられている。さらに、捕集室６２には、外部に連通するねじ孔からなる取出口６３が形成されており、その取出口６３にはボルトからなるプラグ６４が着脱自在に螺着されている。このプラグ６４の着脱により開閉される取出口６３は、周方向に複数個形成してもよいし、図６に示すように環状の捕集室６２における下部に１つだけ設けてもよい。
【００３７】
軸流圧縮機４４では、空気Ａに動翼５０によって旋回が与えられるので、この空気Ａ中に異物Ｅが含まれていると、この異物Ｅには、旋回による遠心力が作用する。そのため、空気Ａは空気通路６７に沿いながら流動していくが、空気Ａよりも重い異物Ｅは、比較的大きな遠心力が作用することから、空気通路６７から径方向外方へ外れて捕集口６１内に進入し、捕集室６２内に貯留される。
【００３８】
また、この異物除去構造は、既存の圧縮機シュラウド５１の一部に捕集口６１を有する捕集室６２を設けるだけでよいので、コンパクトに構成できるとともに、コストアップを招くこともない。
【００３９】
さらに、捕集室６２内に貯留されている異物Ｅは、エンジンの停止時に図６に示す下方のプラグ６４を取り外せば、取出口６３から外部に自然落下させて排出することができるほかに、エンジンの駆動中において何れかのプラグ５４を取り外せば、空気圧によって取出口６３に向け吹き飛ばして外部に排出することもできる。
【００４０】
【発明の効果】
以上のように、本発明のガスタービンエンジンによれば、遠心圧縮機のディフューザの下流に接続されている既存の湾曲通路、燃焼器に既存の外筒あるいは軸流圧縮機に既存の圧縮機シュラウドに、空気中に含まれて空気よりも重い異物を旋回力と慣性力とを利用して進入させる捕集口を設けた構成としたので、ガスタービンエンジンに既存の部品を利用したコンパクトな異物除去構造を安価に構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの概略構成を示す縦断面図である。
【図２】図１のII部の拡大図である。
【図３】図１のIII 部の拡大図である。
【図４】同上の実施形態に係る変形例の異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの要部構成を示す縦断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係る異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの要部構成を示す縦断面図である。
【図６】  本発明に含まれない参考例に係る異物除去構造を備えたガスタービンエンジンの概略構成を示す一部破断した側面図である。
【図７】図６のVII 部の拡大図である。
【符号の説明】
１…遠心圧縮機、２ｂ，３ｂ…ディフューザ、４，４７，５８…燃焼器、８…内筒、１１…外筒、１２…導入通路、１４，２１…湾曲通路、１７，２２，２９、３９，６１…捕集口、１９，２４，４１，６３…取出口、２０，２７，４２，６４…プラグ、２５…軸心、３７…頂壁、３８…周壁、４４…軸流圧縮機、５１…圧縮機シュラウド、５８…燃焼室、６７…空気通路、Ａ…空気、Ｅ…異物、Ｃ…燃焼室。
【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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