(57)【要約】【課題】冷却媒体の移送やケーブルの配設などのためにロータの内方空間に設けられるパイプの振れ回りを防止して、性能および信頼性に優れるガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】軸心（Ｃ）方向に重ねて連結された複数のロータ段からなり、圧縮機（３）およびタービン（７）の少なくとも一方を形成する中空のロータ（１１）と、前記ロータの内方空間（２９）に軸心方向に挿通されたパイプユニット（５１）とを備えるガスタービンエンジン（１）において、前記パイプユニット（５１）の横断面内の重量分布が前記ロータの軸心（Ｃ）に対して偏心するように設定する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸心方向に連結された複数のロータ段からなり、圧縮機およびタービンの少なくとも一方を形成する中空のロータと、
前記ロータの内方空間に軸心方向に挿通されたパイプユニットと、
を備え、
前記パイプユニットの横断面内の重量分布が前記ロータの軸心に対して偏心しているガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記パイプユニットが、管状部材と、この管状部材の外周に設けられて、前記ロータの内周面に嵌合するフランジとを有するガスタービンエンジン。
【請求項３】
請求項２において、前記フランジの横断面内の重量分布が前記ロータの軸心に対して偏心しているガスタービンエンジン。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項において、前記パイプユニットが、当該ガスタービンエンジンの内部を冷却する冷却媒体の通路を形成しているガスタービンエンジン。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか一項において、前記パイプユニットが、前記ロータを回転自在に支持する軸受をシールするシール空気の通路を形成しているガスタービンエンジン。
【請求項６】
請求項４または５において、前記ロータが圧縮機ロータであり、前記冷却媒体または前記シール空気が、前記圧縮機から抽気した圧縮空気であるガスタービンエンジン。
【請求項７】
請求項１から３のいずれか一項において、前記パイプユニットの内方にケーブルが延設されている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、冷却媒体の通路や、ケーブルの配設用部材などに用いられるパイプを備えるガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
圧縮機で圧縮した空気を燃焼させた高温の燃焼ガスによって動力を取り出すガスタービンエンジンにおいては、エンジンの性能および寿命の向上のために、エンジン内部を冷却する必要がある。ガスタービンエンジン内を冷却するための構造として、タービンを形成するロータの内部に、軸心方向にパイプを延設し、このパイプを冷媒通路として利用することが提案されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５７０１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、ガスタービンエンジンの圧縮機ロータやタービンロータは、複数のロータ段を軸心方向に連結して組み立てられるので、ロータの内方空間にパイプを一体的に形成したり、ボルトのような固定部材を用いてパイプをロータに固定することは、生産性の点から困難である。したがって、ロータの組立前または組立後に、パイプをロータ内に設けた貫通孔に挿通する必要があり、この場合、パイプと貫通孔の周壁との間に微小な隙間が生じることが避けられない。その結果、ロータが高速で回転する際に、パイプが貫通孔内で振れ回り、ガスタービンエンジンの効率や寿命を低下させるという問題があった。
【０００５】
本発明の目的は、上記の課題を解決するために、冷却媒体の移送やケーブルの配設などのためにロータの内方空間に設けられるパイプの振れ回りを防止して、性能および信頼性に優れるガスタービンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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、軸心方向に連結された複数のロータ段からなり、圧縮機およびタービンの少なくとも一方を形成する中空のロータと、前記ロータの内方空間に軸心方向に挿通されたパイプユニットとを備え、前記パイプユニットの横断面内の重量分布が前記ロータの軸心に対して偏心している。
【０００７】
この構成によれば、中空ロータの内方空間にパイプユニットを設けて、冷却媒体通路やケーブル配設用部材として利用することにより、ガスタービンエンジン全体の寸法増大を抑制しながら、ガスタービンエンジンの高性能化、高機能化を図ることができる。しかも、パイプユニットの重量分布を偏心させたことにより、ロータの回転時に、パイプユニットが、ロータに対して特定の方向にのみ偏位するので、パイプユニットのロータ内での振れ回りが抑制され、ガスタービンエンジンの信頼性が維持される。
【０００８】
本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記パイプユニットが、管状部材と、この管状部材の外周に設けられて、前記ロータの内周面に嵌合するフランジとを有していることが好ましい。この場合、さらに、前記フランジの横断面内の重量分布が前記ロータの軸心に対して偏心していることが好ましい。管状部材の外周にフランジを設けることにより、パイプユニットをロータに組み付ける作業およびロータに対するパイプユニットの位置決め作業が容易になる。また、このフランジの横断面内の重量分布を偏心させることにより、偏心したパイプユニットの製作が容易になる。
【０００９】
本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記パイプユニットは、例えば、当該ガスタービンエンジン内部を冷却する冷却媒体の通路、または、前記ロータを回転自在に支持する軸受をシールするシール空気の通路を形成していてもよい。この構成によれば、ロータの内方空間を活用して、エンジン内部の冷却やシールを行うことができるので、ガスタービンエンジンの寸法の増大を抑制しながら、エンジン効率や寿命などの性能が向上する。
【００１０】
本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記パイプユニットが冷却媒体の通路またはシール空気の通路を形成する場合、前記ロータが圧縮機ロータであり、前記冷却媒体または前記シール空気が、前記圧縮機から抽気した圧縮空気であってもよい。この構成によれば、冷却やシールのための空気を別途導入することなく、圧縮機の圧縮空気を利用して、効率的に冷却またはシールを行うことができる。
【００１１】
本発明に係るガスタービンエンジンにおいて、前記パイプユニットの内方にケーブルが延設されていてもよい。この構成によれば、ケーブルとして、例えば、温度センサや歪センサ等の計測信号を伝達する配線をパイプユニット内に延設することにより、ロータの内方空間を活用して、ガスタービンエンジンの高機能化を図ることができる。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明に係るガスタービンエンジンによれば、冷却媒体の移送やケーブルの挿通などのためにロータの内周面に取り付けられるパイプの振れ回りが防止され、ガスタービンエンジン性能および信頼性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１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。
【図２】図１のガスタービンエンジンの要部を示す縦断面図である。
【図３】図１のガスタービンエンジンに使用されるパイプユニットの例を示す図であり、（ａ）および（ｂ）が正面図、（ｃ）が縦断面図である。
【図４】図１のガスタービンエンジンに使用されるパイプユニットの変形例を示す横断面図である。
【図５】本発明の第２実施形態に係るガスタービンエンジンを示す部分破断断面図である。
【図６】図４の一部分を拡大して示す縦断面図である。
【図７】本発明の第３実施形態に係るガスタービンエンジンを示す部分破断断面図である。
【図８】図７の一部分を拡大して示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係る実施形態を図面に従って説明する。
【００１５】
図１は、本発明の第１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。）を示す。同図において、ガスタービン１は、外部からの導入空気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の軸心方向の圧縮機側を「前側」と呼び、タービン側を「後側」と呼ぶ場合がある。
【００１６】
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いる。この軸流型圧縮機３は、ガスタービン１の回転部分の前部を構成する圧縮機ロータ１１を備えている。圧縮機ロータ１１は、前後２分割型に、すなわち前部の圧縮機ロータ本体１１Ａと、この圧縮機ロータ本体１１Ａの後端部に図示しないボルトによって相対回転不能に連結された圧縮機ロータ延設部１１Ｂから構成されている。圧縮機ロータ本体１１Ａの外周面には、多数の動翼１３が配置されており、これら動翼１３と、ハウジング１５の内周面に多数配置された静翼１７との組み合わせにより、吸気筒１９からハウジング１５とその内径側の内側カウル２０との間を通って吸入された空気ＩＡを圧縮する。その圧縮空気ＣＡは、圧縮機３の下流側に配置されたディフューザ２１を介して燃焼器５に送給される。
【００１７】
圧縮機ロータ１１は、軸心方向に重ねて連結された複数の圧縮機ロータ段２３を有している。各圧縮機ロータ段２３は、径方向内側部分を形成するディスク２５を有しており、ディスク２５の外周部に複数の動翼１３が周方向に等間隔に植設されている。また、圧縮機ロータ１１は中空状に形成されている。すなわち、各圧縮機ロータ段２３は、ディスク２５の中心部に、軸心方向に貫通する貫通孔２７を有しており、圧縮機ロータ１１の全体が、貫通孔２７によって形成される中空部２９を有している。
【００１８】
燃焼器５は、ガスタービン１の周方向に沿って複数個が等間隔に配置されている。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）２３からタービン７内に流入する。
【００１９】
タービン７は、ガスタービン１の回転部分の後部を構成するタービンロータ３３と、タービンロータ３３を覆うタービンケーシング３５とを備えている。タービンケーシング３５の内周部には複数段のタービン静翼３７が所定間隔をおいて取り付けられ、一方、タービンロータ３３には、各段のタービン静翼３７の下流側に位置するように複数段のタービン動翼３９が設けられている。２つのロータ１１，３３の全体は、ハウジング１５に、前部軸受４３、中央部軸受４５、後部の軸受４７を介して回転自在に支持されている。
【００２０】
圧縮機ロータ１１の中空部２９には、パイプユニット５１がロータ軸心Ｃ方向に挿通されている。具体的には、パイプユニット５１は、貫通孔２７の孔径よりも小さい外径を有する鋼製の複数の管状部材５３と、管状部材５３の外周に設けられた鋼製の複数のフランジ５５とを有しており、圧縮機ロータ１１の中空部２９に前側から挿入されている。パイプユニット５１の前端部５１ａは、圧縮機ロータ１１の前端部１１ａに位置する円板状の支持部材５６を介して圧縮機ロータ１１に固定されている。
【００２１】
図２に示すように、管状部材５３は、複数本がロータ軸心Ｃに沿って直列に配置され、隣接する管状部材５３，５３間がフランジ５５により連結されている。より具体的には、フランジ５５は、管状部材５３，５３の相対する端部の外周部に嵌合される内周壁５５ａと、圧縮機ロータ１１の内周面１１ｂに嵌合する外周壁５５ｂと、これら周壁５５ａ，５５ｂを連結する連結壁５５ｃとを有し、内周壁５３ａに溶接されることで２本の管状部材５３，５３が連結されている。フランジ５５の外周壁５５ｂと圧縮機ロータ１１の内周面１１ｂとの間には、フランジ５５を貫通孔２７内に挿入するための若干の隙間Ｓが存在する。なお、フランジ５５は、図１に示すように、軸方向の異なる位置に複数（本実施形態では６つ）設けられているが、１つのみ設けられてもよい。
【００２２】
図３に示すように、パイプユニット５１は、ロータ軸心Ｃと直交する横断面内の重量分布（以下、単に「重量分布」と呼ぶ。）が、ロータ軸心Ｃに対して偏心するように形成されている。パイプユニット５１の重量分布を偏心させる構造としては、フランジ５５の重量分布をロータ軸心Ｃに対して偏心させることが好ましい。
【００２３】
具体的には、例えば、図３（ａ）の正面図に示すように、フランジ５５の連結壁５５ｃの一部に錘５７を埋め込むことにより、重量分布を偏心させることができる。あるいは、図３（ｂ）の正面図に示すように、フランジ５５の連結壁５５ｃの一部を切除して軸方向の貫通孔５９を設けてもよく、図３（ｃ）の縦断面図に示すように、フランジ５５の連結壁５５ｃの一部の肉厚を薄くした薄肉部６１を設けてもよい。
【００２４】
パイプユニット５１の重量分布の偏心量は僅かでよく、例えば、圧縮機ロータ１１の定格回転数の６０％以上の回転数領域において、圧縮機ロータ１１と一体的なフランジ５５の回転により、フランジ５５の外周壁５５ｂが圧縮機ロータ１１の内周面１１ｂに押し当てられればよい。
【００２５】
このように、パイプユニット５１を、管状部材５３の外周にフランジ５５が設けられた構成とすることにより、パイプユニット５１をロータに組み付ける作業およびロータに対するパイプユニット５１の位置決め作業が容易になる。また、このフランジ５５の重量分布を偏心させることにより、偏心した重量分布を有するパイプユニット５１の製作が容易になる。
【００２６】
もっとも、パイプユニット５１の構造としては、その内部に軸方向に延びる空間を有し、かつ、重量分布が偏心していれば、管状部材５３およびフランジ５５を有する図１の例に限定されず、例えば、図４の横断面図に示すように、フランジ５５が省略されて、管状部材５３のみから構成されていてもよい。パイプユニット５１が管状部材５３のみからなる場合には、例えば、同図に示すように、周壁５３ａの厚みをロータ軸心Ｃに対して非対称に設定することにより、重量分布を偏心させることができる。
【００２７】
本実施形態では、図１に示すように、パイプユニット５１が、ガスタービン１の内部を冷却する冷却媒体ＲＡの通路（冷媒通路）ＲＰとして形成されている。パイプユニット５１は、圧縮機ロータ１１の前端部１１ａから後端部１１ｃまで延設されている。パイプユニット５１の前端部５１ａは、支持部材５６を貫通して圧縮空気抽気通路６３に連通している。一方、パイプユニット５１の後端部５１ｂは、タービンロータ３３に向かって開口している。したがって、圧縮空気抽気通路６３を介して圧縮機３から抽気された圧縮空気ＣＡは、管状部材５３内の冷媒通路ＲＰを通ってタービンロータ３３の周辺に導かれ、冷却媒体ＲＡとしてタービンロータ３３を冷却する。
【００２８】
上記構成において、圧縮機ロータ１１の内方空間である中空部２９を活用して、ガスタービン内部の冷却を行うことができるので、ガスタービン１の寸法の増大を抑制しながら、エンジン効率や寿命などの性能が向上する。また、冷却媒体ＲＡとして、圧縮機３から抽気した圧縮空気ＣＡを用いているので、冷却のための空気を別途導入することなく効率的にガスタービン１内部の冷却を行うことができる。しかも、パイプユニット５１の重量分布は偏心しているので、圧縮機ロータ１１と一体的に回転することにより、図３（ａ）に示すように、パイプユニット５１のフランジ５５が遠心力により圧縮機ロータ１１の内周面１１ｂに対して、偏心した方向Ｐに押し付けられることで、圧縮機ロータ１１に安定して支持され、振れ回ることがない。
【００２９】
図５は、本発明の第２実施形態に係るガスタービン１を示す縦断面図である。この第２実施形態では、パイプユニット５１を、第１実施形態の冷媒通路としてではなく、中央部軸受４５をシールするシール空気の通路（シール空気通路）ＳＰとして形成しており、以下に特に説明する点を除いて、第１実施形態と同様の構成を有している。
【００３０】
図５の中央部軸受４５周辺部を拡大した縦断面図である図６に示すように、ディフューザ２１の内周壁の下流端部には、中央部軸受４５が配置されている圧縮機ロータ延設部１１Ｂの軸方向中央部を覆う、第１の軸受ケースである軸受ハウジング６５が図示しないボルトにより連結されている。軸受ハウジング６５の内方には、第２の軸受ケースである軸受箱６７が設けられている。軸受箱６７の径方向内側には、中央部軸受４５を収容する軸受室６０が形成されており、軸受室６０の軸方向の両外側に、空気シール機構６９，６９が設けられている。
【００３１】
空気シール機構６９は、圧縮機３から漏れた高温の空気ＬＡや、燃焼器５から漏れた高温ガスＬＧが、軸受ハウジング６５と軸受箱６５との間の空間である、エンジン外部に連通したベント室７１を介して、軸受室６０内に流入するのを防止するためのシール機構である。
【００３２】
圧縮機ロータ延設部１１Ｂには、中空部２９から空気シール機構６９まで貫通する貫通孔が、中空部２９と空気シール機構６９とを連通させるシール空気導入路７９として設けられている。また、パイプユニット５１の管状部材５３の後端部５１ｂは閉塞されており、圧縮機ロータ延設部１１Ｂの中空部２９に挿入される部分の周壁には、径方向の貫通孔である空気導出孔８１が設けられている。
【００３３】
図５の圧縮空気抽気通路６３を介して圧縮機３から抽気された圧縮空気ＣＡは、シール空気通路ＳＰを通った後、図６に示す空気導出孔８１およびシール空気導入路７９を経由して空気シール機構６９にシール空気ＳＡとして供給される。空気シール機構６９に供給されたシール空気ＳＡは、その一部が、ベント室７１に流出して、高温空気が軸受室６０内に流入するのを妨げる。
【００３４】
このように、第２実施形態に係るガスタービン１によれば、圧縮機ロータ１１の内方空間である中空部２９を活用して、ガスタービン内部のシールを行うことができるので、ガスタービン１の寸法の増大を抑制しながら、エンジン効率や寿命などの性能が向上する。シール空気ＳＡとして、圧縮機３から抽気した圧縮空気ＣＡを用いているので、冷却やシールのための空気を別途導入することなく効率的にガスタービン１内部のシールを行うことができる。
【００３５】
図７は、本発明の第３実施形態に係るガスタービンを示す断面図である。この第３実施形態では、パイプユニット５１の内方に、計測用のケーブル８５が延設されており、以下に特に説明する点を除いて、第１実施形態と同様の構成を有している。
【００３６】
本実施形態において、パイプユニット５１は、圧縮機ロータ１１の前端部１１ａから後端部１１ｃまで延設されている。ケーブル８５は、タービン７の動翼が取り付けられているタービンロータ３３の温度を計測し、その計測信号を外部に取り出すためのケーブルである。すなわち、ケーブル８５の一端が、タービンロータ３３に取り付けられた温度センサ８７に接続されており、ケーブル８５の他端が、テレメータ送信器８９に接続されている。
【００３７】
テレメータ送信器８９は、計測信号を無線で送信する装置であり、図７の圧縮機ロータ１１の前端部１１ａの周辺を拡大した断面図である図８に示すように、圧縮機ロータ１１の前端部１１ａに支持部材５６とともにボルト９０で共締め固定された環状サポート９１に取り付けられて、圧縮機ロータ１１とともに回転する。テレメータ送信器８９は、その内周部に送信アンテナ９３を有している。さらに、テレメータ送信器８９の送信アンテナ９３の径方向内側には、テレメータ受信器（図示せず）の受信アンテナ９５が、圧縮機３の非回転部材である内側カウル２０に支持されて、送信アンテナ９３に径方向に対向するように配設されており、ケーブル８５、送信アンテナ９３および受信アンテナ９５を介して、図７の温度センサ８７の計測信号が、外部に設置されたテレメータ受信器に伝達される。
【００３８】
なお、本実施形態では、ケーブル８５の一端に接続されるセンサが温度センサ８７である例を説明したが、ケーブル８５に接続される計測素子としては、これに限らず、歪センサや回転センサ等、各種の計測装置を用いることができる。さらには、ケーブル８５は、本実施形態として説明した計測用ケーブル８５に限らず、例えば、内部に設置される装置の制御信号伝達や電力伝送用等、必要に応じた各種の目的のためのケーブルであってよい。このように構成することにより、圧縮機ロータ１１の内方空間である中空部２９を有効に活用して、ガスタービンエンジンの高機能化、高性能化を図ることができる。
【００３９】
パイプユニット５１内のケーブル８５は、パイプユニット５１内に固定されていないので、圧縮機ロータ１１およびパイプユニット５１とともに回転する際に、パイプユニット５１の管状部材５３内でケーブル８５の振れ回りを起こす。しかしながら、パイプユニット５１の横断面内の重量分布が偏心しているので、ケーブル８５の振れ回りの影響を受けてパイプユニット５１が中空部２９内で振れ回るのが防止される。
【００４０】
このように、ロータの内方空間にパイプユニット５１を設けて、ケーブル配設用部材として利用することにより、ガスタービン１全体の寸法増大を抑制しながら、ガスタービン１の高性能化、高機能化を図ることができる。
【００４１】
なお、上記の各実施形態の説明においては、パイプユニット５１を、圧縮機ロータ１１の中空部２９に設けた例を示したが、パイプユニット５１は、圧縮機ロータ１１に代えて、または追加で、タービンロータ３３に設けてもよい。
【００４２】
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。
【符号の説明】
【００４３】
１  ガスタービンエンジン
３  圧縮機
５  燃焼器
７  タービン
１１  圧縮機ロータ
２３  ロータ段
２９  中空部（ロータの内方空間）
５１  パイプユニット
５３  管状部材
５５  フランジ
８５  ケーブル
ＳＰ  シール空気通路
ＲＰ  冷媒通路
ＲＡ  冷却空気
ＳＡ  シール空気
【図１】
2011179402.tif 000003
【図２】
2011179402.tif 000004
【図３】
2011179402.tif 000005
【図４】
2011179402.tif 000006
【図５】
2011179402.tif 000007
【図６】
2011179402.tif 000008
【図７】
2011179402.tif 000009
【図８】
2011179402.tif 000010