(57)【要約】【課題】  極めて簡単な構成を採りながら、燃焼用空気中の異物を効果的に除去することを可能としたガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】  吸入通路２１は、入口部２９と、湾曲部３０と、縮径部３１とからなっている。バイパスダクト２４は、吸入通路２１の湾曲部３０および縮径部３１に対応する部位において、回転軸心ＣＬから離間する方向に湾曲している。吸入通路２１とバイパスダクト２４との間には、異物除去通路を兼ねる環状空間３２が形成されている。縮径部３１において、アウタライナ２０には、吸入通路２１と環状空間３２とを連通させる多数の異物導入孔３３が円周状に形成されている。インナケーシング４には、外側への湾曲部位において、環状空間３２とバイパスダクト２４とを連通させる複数の異物排出孔３４が円周状に形成されている。【選択図】図２
2006161653.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンの回転軸により駆動されるフロントファンと、
当該フロントファンにより吸引された空気の一部を前記ガスタービンの燃焼用空気として導入する略環状断面の吸入通路と、
当該吸入通路の外側に形成され、前記フロントファンにより吸引された空気の残部を推進用空気として通過させる略環状断面のバイパスダクトと、
前記吸入通路に流入した燃焼用空気を圧縮する第１の圧縮手段と
を有するガスタービンエンジンにおいて、
前記吸入通路と前記バイパスダクトとに開口する異物除去通路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】
前記吸入通路は、インナライナとアウタライナとにより画成されるとともに、前記回転軸に沿った軸方向視において、当該アウタライナの外形線が略全周にわたり入口側における当該インナライナの外形線から外側に出ない縮小部を有するように屈曲形成され、
前記異物除去通路が、前記インナライナの外形線を前記回転軸に沿って前記アウタライナに投影した位置から前記縮小部との間の領域で当該アウタライナに開口したことを特徴とする、請求項１に記載のガスタービンエンジン。
【請求項３】
前記吸入通路と前記バイパスダクトとの間に略環状の空間が形成され、当該空間が前記異物除去通路を兼ねることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項４】
前記吸入通路の下流側に第２の圧縮手段が備えられたことを特徴とする、請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記異物除去通路が、前記アウタライナに周状に穿設された複数の異物導入孔をもって前記吸入通路に開口したことを特徴とする、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
【請求項６】
前記異物除去通路が、前記アウタライナに穿設された略長円形、略楕円形、または略長方形を呈する複数の異物導入孔をもって前記吸入通路に開口したことを特徴とする、請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
【請求項７】
前記異物導入孔は、その長手方向が前記回転軸の軸心に対して傾斜していることを特徴とする、請求項６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項８】
前記第２の圧縮手段が遠心型圧縮であることを特徴とする、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、航空機等に搭載されるガスタービンエンジンに係り、詳しくは燃焼器等への砂塵や水の進入を抑制する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用のガスタービンエンジンには種々の形式が存在するが、旅客機や貨物機に搭載されるものとしてはターボファンエンジンが主流となっている。ターボファンエンジンは、ガスタービンの作動ガス（排気ガス）を後方に噴射する一方で、空気流入口の直後に設置した推進用ファン（フロントファン）をタービンの回転軸によって駆動する機関である。ターボファンエンジンにおいて、フロントファンにより取り入れられた空気は、燃焼用空気としてガスタービンに導入されるものを除き、その大部分が推進用空気としてそのまま後方に排出される。ターボファンエンジンのガスタービンでは、前段に配置された圧縮機と燃焼器とにより高温高圧の作動ガスを生成し、その作動ガスを後段のタービンに供給することにより圧縮機のインペラやフロントファンが一体となった回転軸を回転させる。ガスタービンには、通常、遠心式あるいは軸流式の圧縮機と、多数の空気導入孔を備えたアニュラ（環状）型等の燃焼器とが採用されている。
【０００３】
航空機用のガスタービンエンジンでは、航空機の離着陸時に地表付近の空気が空気流入口から取り入れられるため、燃焼用空気に砂塵や水等の異物が混入することが避けられない。ガスタービンエンジンの燃焼用空気中に異物が存在した場合、燃焼器の空気導入孔が異物によって目詰まりしたり、タービンのインペラ等が摩耗したりすることがあるため、異物を除去する異物除去構造を設けることが望ましい。一般的なガスタービンエンジンにおける異物除去構造としては、例えば、遠心式圧縮機のディフューザの下流に湾曲通路を形成し、この湾曲通路における径方向外周部に異物を進入させて湾曲通路外に導出させる捕集口を備えたものが公知となっている（特許文献１参照）。この異物除去構造では、捕集口から導出された異物が捕集室に貯留され、運転員はガスタービンエンジンの停止時あるいは運転時において、捕集室に設けられたプラグを外すことで異物を外部に排出することができる。また、プラグに代えて電磁弁等を用いることにより、ガスタービンエンジンの運転中に自動的に異物の排出を行うこともできる。
【特許文献１】特開２００２−２４２６９９号公報（段落００１７，００１８、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の異物除去構造を航空機用のターボファンエンジンに適用する場合、異物の排出に係る以下のような問題が生じる。ターボファンエンジンの場合、ガスタービンの周囲に推進用空気が流通する環状断面のバイパス路が形成されているため、捕集室のプラグにアクセスするにはケーシング類を取り外す必要がある。そのため、異物の排出に多大な時間やコストを要するという問題があった。また、自動的に開閉作動する電磁弁を備えたものでは、ケーシング類の取り外しは不要となるが、電磁弁の開閉制御を行う制御装置等も必要となって装置の複雑化やコストの増大がもたらされる他、故障等が生じる虞が否めなかった。
【０００５】
本発明は、このような状況に鑑みなされたもので、極めて簡単な構成を採りながら、燃焼用空気中の異物を効果的に除去することを可能としたガスタービンエンジンを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決すべく、請求項１の発明にかかるガスタービンエンジンは、ガスタービンの回転軸により駆動されるフロントファンと、当該フロントファンにより吸引された空気の一部を前記ガスタービンの燃焼用空気として導入する略環状断面の吸入通路と、当該吸入通路の外側に形成され、前記フロントファンにより吸引された空気の残部を推進用空気として通過させる略環状断面のバイパスダクトと、前記吸入通路に流入した燃焼用空気を圧縮する第１の圧縮手段とを有するガスタービンエンジンにおいて、前記吸入通路と前記バイパスダクトとに開口する異物除去通路を備えたことを特徴とする。
【０００７】
また、請求項２の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項１に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記吸入通路は、インナライナとアウタライナとにより画成されるとともに、前記回転軸に沿った軸方向視において、当該アウタライナの外形線が略全周にわたり入口側における当該インナライナの外形線から外側に出ない縮小部を有するように屈曲形成され、前記異物除去通路が、前記インナライナの外形線を前記回転軸に沿って前記アウタライナに投影した位置から前記縮小部との間の領域で当該アウタライナに開口したことを特徴とする。
【０００８】
また、請求項３の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項１または請求項２に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記吸入通路と前記バイパスダクトとの間に略環状の空間が形成され、当該空間が前記異物除去通路を兼ねることを特徴とする。
【０００９】
また、請求項４の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項１〜請求項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、前記吸入通路の下流側に第２の圧縮手段が備えられたことを特徴とする。
【００１０】
また、請求項５の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項１〜請求項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、前記異物除去通路が、前記アウタライナに周状に穿設された複数の異物導入孔をもって前記吸入通路に開口したことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項６の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項１〜請求項５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、前記異物除去通路が、前記アウタライナに穿設された略長円形、略楕円形、または略長方形を呈する複数の異物導入孔をもって前記吸入通路に開口したことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項７の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項６に記載のガスタービンエンジンにおいて、前記異物導入孔は、その長手方向が前記回転軸の軸心に対して傾斜していることを特徴とする。
【００１３】
また、請求項８の発明にかかるガスタービンエンジンは、請求項１〜請求項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、前記第２の圧縮手段が遠心型圧縮機であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１の発明に係るガスタービンエンジンによれば、吸入通路に流入した燃焼用空気中に存在する砂塵や水等の異物は、異物除去通路を経てバイパスダクト側に排出され、推進用空気とともにエンジン後方に排出される。また、請求項２の発明に係るガスタービンエンジンによれば、吸入通路に進入した異物の大部分は、その慣性によって異物除去通路に導入される。また、請求項３の発明に係るガスタービンエンジンによれば、吸入通路側とバイパスダクト側とで異物除去通路の開口の位置や個数等を自由に設定できる。また、請求項４の発明に係るガスタービンエンジンによれば、異物が除去された燃焼用空気を更に加圧することにより、燃焼効率を向上させることができる。また、請求項５の発明に係るガスタービンエンジンによれば、吸入通路に流入した燃焼用空気から偏りなく異物を除去できる。また、請求項６の発明に係るガスタービンエンジンによれば、アウタライナの剛性をいたずらに低下させることなく、比較的大きな異物を除去できる。また、請求項７の発明に係るガスタービンエンジンによれば、吸入通路に流入した燃焼用空気から偏りなく異物を除去できる。また、請求項８の発明に係るガスタービンエンジンによれば、吸入通路により回転軸側に寄せられた燃焼用空気が効率よく加圧することにより、燃焼効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に添付の図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００１６】
《全体構成》
図１は、本発明の実施形態に係るターボファンエンジン（以下、単にエンジンと記す）の概略構成図である。このエンジン１は、互いの間を整流板２で連結されて同軸上に配置されたそれぞれが円筒状をなすアウタケーシング３とインナケーシング４とを有している。また、同心的に組み合わされた中空軸からなり、それぞれが互いに独立した軸受５ｆ・５ｒ・６ｆ・６ｒをもってインナケーシング４の中心部に支持された回転軸たるアウタシャフト７とインナシャフト８とを有している。図中の符号ＣＬは、アウタシャフト７およびインナシャフト８の軸心（以下、回転軸心と記す）を示す。
【００１７】
アウタシャフト７には、その前側に高圧遠心コンプレッサ（第２の圧縮手段）ＨＣのインペラホイール９が、そして後側に燃焼器１０のノズルＮに隣接配置された高圧タービンＨＴの高圧タービンホイール１１が、それぞれ一体的に結合されている。
【００１８】
インナシャフト８には、その前端にフロントファン１２が、フロントファン１２の後方に低圧軸流コンプレッサ（第１の圧縮手段）ＬＣの動翼を構成するコンプレッサホイール１３が、そして後端に燃焼ガスの噴射ダクト１４中に低圧タービンＬＴの動翼を置いた低圧タービンホイール１５が、それぞれ一体的に結合されている。
【００１９】
フロントファン１２の中心には、ノーズコーン１６が設けられ、フロントファン１２の後方には、アウタケーシング３の内周面にその外端を結合させた静翼１７が配置されている。
【００２０】
インナケーシング４の前端部内周には、低圧軸流コンプレッサＬＣの静翼１８が配置されている。低圧軸流コンプレッサＬＣの後方には、低圧軸流コンプレッサＬＣが予圧した燃焼用空気を導入すべく、インナライナ１９とアウタライナ２０とにより画成された円環状断面の吸入通路２１が形成されている。吸入通路２１の下流側には高圧遠心コンプレッサＨＣが配置され、アウタライナ２０の後方部分が高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラケーシングを兼ねている。また、吸入通路２１の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の前端側を支持する軸受５ｆ・６ｆの軸受箱２３が結合されている。
【００２１】
フロントファン１２が吸入した空気は、その一部が上記のように低圧軸流コンプレッサＬＣを経て高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込まれる。そしてその残りの比較的低速かつ大量の空気は、アウタケーシング３とインナケーシング４との間に形成されたバイパスダクト２４から後方へ噴射され、低速域での主たる推力となる。
【００２２】
高圧遠心コンプレッサＨＣの外周部には、ディフューザ２５が結合されており、その直後に設けられた燃焼器１０へ高圧の空気を送り込むようになっている。
【００２３】
燃焼器１０は多数の空気導入孔（図示せず）を備えたアニュラ型であり、その後端面に設けられた燃料噴射ノズル２６から噴射された燃料とディフューザ２５から送り込まれた高圧の燃焼用空気とを混合して燃焼させる。そして後方を向くノズルＮから噴射ダクト１４を経て大気中へ噴射する燃焼ガスによって推力を得る。なお、噴射ダクト１４の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の後端側を支持する軸受５ｒ・６ｒの軸受箱２７が結合されている。また、エンジン１のアウタシャフト７には、図示されていないギア機構を介してスタータモータ２８の出力軸が連結されている。
【００２４】
《異物除去通路》
次に、図２（図１中のII部拡大図）を主に参照して異物除去通路を説明する。
図２に示すように、吸入通路２１は、低圧軸流コンプレッサＬＣの静翼１８が形成された入口部２９と、内側（回転軸心ＣＬ側）に湾曲する湾曲部３０と、高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９の前部が位置する縮径部（縮小部）３１とからなっている。一方、バイパスダクト２４は、吸入通路２１の湾曲部３０および縮径部３１に対応する部位において、外側（回転軸心ＣＬから離間する方向）に湾曲している。そして、吸入通路２１とバイパスダクト２４との間には、異物除去通路を兼ねる環状空間３２が形成されている。本実施形態の場合、縮径部３１におけるアウタライナ２０の内径Ｄｏは、入口部２９側におけるインナライナ１９の外径Ｄｉより小さく設定されている。
【００２５】
吸入通路２１の縮径部３１において、アウタライナ２０には、吸入通路２１と環状空間３２とを連通させる多数（例えば、４０個程度）の異物導入孔３３が円周状に形成されている。図３（アウタライナ２０の要部展開図）に示すように、これら異物導入孔３３は、いわゆる長孔であり、その長手方向が回転軸心ＣＬに対して角度θ（例えば、５０°〜６０°）傾斜した状態でアウタライナ２０に穿設されている。
【００２６】
一方、インナケーシング４には、外側への湾曲部位において、環状空間３２とバイパスダクト２４とを連通させる複数（例えば、６個程度）の異物排出孔３４が円周状に形成されている。インナケーシング４のバイパスダクト２４側には、異物排出孔３４に対応する位置に凹部３５が形成されるとともに、凹部３５を覆うカバー３６が取り付けられている。カバー３６は、バイパスダクト２４の下流側（図２中の右方）に向けて開口している。
【００２７】
《実施形態の作用》
パイロットが航空機を飛行させるべくスタータモータ２８を起動すると、高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９がアウタシャフト７と共に駆動され、高圧の燃焼用空気が燃焼器１０へ送り込まれる。燃焼用空気は燃料噴射ノズル２６から噴射された燃料と混合して燃焼され、その燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンＨＴの高圧タービンホイール１１並びに低圧タービンＬＴの低圧タービンホイール１５が駆動される。この高圧タービンホイール１１の回転力で高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９が、そして低圧タービンホイール１５の回転力でフロントファン１２及び低圧軸流コンプレッサＬＣのコンプレッサホイール１３が、それぞれ駆動される。そして燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンホイール１１並びに低圧タービンホイール１５が駆動されると、燃料供給量と吸入空気量との自己フィードバック的釣り合いに応じて定まる状態でエンジン１が回転を継続することとなる。
【００２８】
航空機の離着陸時等において、エンジン１には地表付近の異物を含んだ空気が取り入れられることがある。異物４１を含んだ空気は、図４中に太い矢印で示すように、その一部が燃焼用空気として吸入通路２１に流入し、残部は推進用空気としてバイパスダクト２４を通過する。吸入通路２１の入口部２９に流入した燃焼用空気は、低圧軸流コンプレッサＬＣにより加圧された後、吸入通路２１の湾曲部３０に沿って回転軸心ＣＬ側に流れる。ところが、砂塵や水等の異物４１は、その比重が燃焼用空気に較べて遙かに大きいことから、図４中に細い矢印で示すように吸入通路２１の入口部２９を直進してアウタライナ２０に衝突した後、大部分がアウタライナ２０の内壁面に沿って流れる。
【００２９】
燃焼用空気は、吸入通路２１から高圧遠心コンプレッサＨＣに流入することになるが、その一部が縮径部３１に開口した異物導入孔３３から環状空間３２に導入される。これは、環状空間３２は、異物導入孔３３を介して比較的高圧の吸入通路２１に連通する一方で、異物排出孔３４を介して比較的低圧のバイパスダクト２４に連通しているため、その内圧が吸入通路２１の内圧より低いことによる。燃焼用空気が異物導入孔３３から環状空間３２に導入される際、アウタライナ２０の内壁面に沿って流れてきた異物４１は、高圧遠心コンプレッサＨＣによって遠心力を与えられることも相俟って、燃焼用空気とともに異物導入孔３３から環状空間３２に導入される。なお、異物導入孔３３が長円形を呈しているため、比較的大きな異物４１も異物導入孔３３を通過して環状空間３２に導入される。また、異物導入孔３３は、その長手方向が回転軸心ＣＬに対して傾斜しているため、アウタライナ２０の内壁面を流れてきた異物４１の殆どを環状空間３２に導入させる。
【００３０】
環状空間３２に流入した燃焼用空気は、環状空間３２の内圧がバイパスダクト２４の内圧より高いことにより、異物４１とともにインナケーシング４に形成された異物排出孔３４を介してバイパスダクト２４に排出され、推進用空気となってエンジン１の後方に排出される。
【００３１】
本実施形態ではこのような構成を採ったことにより、高圧遠心コンプレッサＨＣで圧縮される時点では燃焼用空気中に異物４１が殆ど存在しなくなり、従来装置で問題となっていたインペラホイール９の摩耗や燃焼器１０の目詰まり等が極めて起こり難くなった。
【００３２】
《一部変形例》
次に実施形態の一部変形例を説明する。
図５は実施形態の一部変形例を示す要部縦断面図であり、図６，図７は一部変形例におけるアウタライナの要部展開図である。この一部変形例では、図５に示すように、異物導入孔３３は、吸入通路２１の湾曲部３０におけるアウタライナ２０に回転軸心ＣＬと略平行に穿設されている。また、図６に示すように、異物導入孔３３は、いわゆる楕円孔であり、その長手方向が回転軸心ＣＬに対して角度θ（例えば、３０°〜４０°）傾斜した状態でアウタライナ２０に穿設されている。なお、異物導入孔３３の形状は、図７に示すように、長方形としてもよい。
【００３３】
一部変形例の作用も上記実施形態と略同様であり、アウタライナ２０の内壁面に沿って流れてきた異物４１は、燃焼用空気とともに異物導入孔３３から環状空間３２に導入される。なお、異物導入孔３３は、図５に符号Ａで示す領域、すなわち、入口部２９におけるインナライナ１９の外径線Ｄｉをアウタライナ２０に投影した位置から縮径部３１までの領域でアウタライナ２０に開口することが望ましい。これは、入口部２９を通過する異物４１の殆どが外径線Ｄｉの内側でアウタライナ２０に衝突するため、異物導入孔３３を内径線Ｄｏの外側に開口させることで異物４１が異物導入孔３３に導入される確率が高くなることと、異物導入孔３３を縮径部３１より図５中右方に開口させた場合には異物４１が高圧遠心コンプレッサＨＣ内に流入する虞が高くなることとによる。
【００３４】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は前記の実施形態に限定されるものではなく、異物導入孔や異物排出孔、環状空間の形状や個数等を始めとして、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明が適用されるジェットエンジンの概略構成図である。
【図２】図１中のII部拡大図である。
【図３】実施形態におけるアウタライナの要部展開図である。
【図４】実施形態の作用説明図である。
【図５】実施形態の一部変形例を示す要部縦断面図である。
【図６】一部変形例におけるアウタライナの要部展開図である。
【図７】一部変形例におけるアウタライナの要部展開図である。
【符号の説明】
【００３６】
１      エンジン
１０    燃焼器
１２    フロントファン
１３    コンプレッサホイール
１９    インナライナ
２０    アウタライナ
２１    吸入通路
２４    バイパスダクト
２９    入口部
３０    湾曲部
３１    縮径部（縮小部）
３２    環状空間（異物除去通路）
３３    異物導入孔（異物除去通路）
３４    異物排出孔（異物除去通路）
４１    異物
ＣＬ    回転軸心
【図１】
2006161653.tif 000003
【図２】
2006161653.tif 000004
【図３】
2006161653.tif 000005
【図４】
2006161653.tif 000006
【図５】
2006161653.tif 000007
【図６】
2006161653.tif 000008
【図７】
2006161653.tif 000009