(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンに於いて、ハウジングを構成する複数の部品とそこに装着される種々の構成要素の組み付けのためのボルト締結をできるだけ少なくすること。【解決手段】  本発明のガスタービンエンジンは、コンプレッサ側の外郭ハウジング部分と、タービン側の略円筒状の外郭ハウジング部分とを有し、二つの外郭ハウジング部分の端面がＶバンド・カップリングにより締結されて互いに近接する方向の力が与えられることにより、第一の外郭ハウジング部分の内側壁面と第二の外郭ハウジング部分の内側壁面とが、コンプレッサ・ディフューザと回転軸を保持する軸受を担持する内部ハウジングとタービン・ノズルを押圧して狭持する。【選択図】        図１
2015206325.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンであって、コンプレッサを囲繞してタービンの位置へ向かって延在する略円筒状の第一の外郭ハウジング部分と、前記タービンと燃焼器を囲繞して前記コンプレッサの位置へ向かって延在し前記第一の外郭ハウジングの端面と対向する端面を有する略円筒状の第二の外郭ハウジング部分とを有し、前記第一の外郭ハウジング部分の端面とそれに対向する前記第二の外郭ハウジング部分の端面とがＶバンド・カップリングにより締結されて前記二つの端面に互いに近接する方向の力が与えられることにより、前記第一の外郭ハウジング部分の前記回転軸の軸線方向に略垂直な方向に延在する内側壁面と該前記第一の外郭ハウジング部分の内側壁面に対向した前記第二の外郭ハウジング部分の内側壁面とが、前記第一の外郭ハウジング部分と前記第二の外郭ハウジング部分との内部に於いて前記二つの内側壁面の間にて前記回転軸の軸線方向に沿って順に配置された前記コンプレッサのディフューザと、前記コンプレッサとタービンとの間にて共通の回転軸を回転可能に保持する軸受を担持する内部ハウジングと、前記タービンのノズルとを、前記回転軸の軸線方向の両側から押圧し狭持す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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに係り、より詳細には、ガスタービンエンジンのハウジングの構造に係る。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、典型的には、回転軸線上に構成されたコンプレッサとタービンと、その回転軸線と同軸上に円環状の燃焼器とを有し、その作動に於いては、コンプレッサにてその回転軸の回転によって吸入された空気が圧縮され、圧縮空気が燃焼器に入って燃焼されて高温ガス流となり、高温ガス流によってコンプレッサの回転軸と連結又は一体のタービンの回転軸が回転され、その回転エネルギーが出力として得られ、その一部が吸入空気の圧縮のために費やされる。かかるガスタービンエンジンの実際の構成に於いては、回転軸にはコンプレッサのインペラ、タービンロータベーンといった回転軸とともに回転する構成が形成され、その回転体を回転方向に囲繞するように、軸受を介して、燃焼器、コンプレッサのディフューザ、タービン・ノズル、タービンステータ、といった固定された種々の構成が設けられ、更に、それらの構造は、全体的に外郭ハウジングに覆われている。
【０００３】
上記の如きガスタービンエンジンの構造に於いて、外郭ハウジングと、内部に於いて、軸受、コンプレッサのディフューザ、タービン・ノズルといった構造を位置決めし固定する内部ハウジングは、典型的には、構造上、少なくとも３〜４点以上に分割された部品から成っており、エンジン組立体として構成する場合には、分割された部品は、ボルトなどによって締結される。例えば、特許文献１に於いては、ガスタービンに於いて、コンプレッサディフユーザ、タービン・ノズル、外郭のハウジングがボルトにより組み付けられる構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−３３０７６４
【特許文献２】実開昭５９−３２１３１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の如きガスタービンエンジンのハウジングを構成する複数の部品とそこに装着される種々の構成要素は、既に触れたように、ボルトにより互いに締結されるのが一般的ある。しかし、ボルトによる締結は、部品点数及び(ボルト締めのための)組み付け工数の増加を招き、コスト増加の要因にもなっている。即ち、ボルトによる締結のためには、勿論、多数のボルトそのものが必要となり、また、ボルト締結のためのフランジ面の形成、ネジ穴加工などの工程が必要となり、工数とコスト増加の原因となる。また、フランジ面とボルトの数が増え、更にボルト締結のための工具が進入でき、組み付け操作のできるスペースも必要となり、このことは、エンジンのサイズと重量の増加の要因ともなる。特に、小型のエンジンの場合には、原価の中で、ボルトの組み付け工数、(ボルト孔などの)加工工数の締める割合が相対的に大きくなるので、労力と費用の面で非効率的である。更に、フランジ面などの、組み付け合わせ面をボルトで締結する構造の場合、高温・高圧ガスに曝される部位の歪みによって、隙間が生成されると、燃焼ガス、潤滑材の洩れなどの不具合も発生し得る。従って、できるだけ、ボルト締結を使わないで、組み付けができる構造が望まれていた。
【０００６】
かくして、本発明の一つの課題は、上記の如きガスタービンエンジンに於いて、ハウジングを構成する複数の部品とそこに装着される種々の構成要素の組み付けにボルト締結をできるだけ少なくする新規な構成を提供することである。
【０００７】
ところで、一般に、二つの円筒状の部材をそれらの軸方向に連結する手法として、「Ｖバンド・カップリング」と称される手法が知られている。Ｖバンド・カップリングに於いては、端的に述べれば、二つの円筒状部材の貼り合わせる端の周囲に放射方向に厚みが漸減するフランジ部を設け、その二つの円筒状部材のフランジ部を互いに貼り合わせた状態で、略Ｖ字形状の断面の溝を長さ方向に沿って有するバンド（Ｖバンド）が、貼り合わされた二つのフランジ部上に略Ｖ字形状の溝が嵌装されるように、二つの円筒状部材の端部の周囲に巻きつけられる。そして、Ｖバンドの締め付けをきつく締めるほど、フランジ部が略Ｖ字形状溝の幅の狭い部分に入り込み、これにより、二つの円筒状部材が互いに締結されることとなる。例えば、特許文献２には、ターボチャージャにおいて、コンプレッサとタービンと間の軸受を囲繞するセンタハウジングと、タービンハウジングとがＶバンド・カップリングにより締結される構成が開示されている。Ｖバンド・カップリングは、ボルト締結を利用せず、二つの円筒状部材を連結するのに有利に用いることができる。本発明に於いては、かかる知見が利用される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、上記の課題は、ガスタービンエンジンであって、コンプレッサを囲繞してタービンの位置へ向かって延在する略円筒状の第一の外郭ハウジング部分と、タービンと燃焼器を囲繞してコンプレッサの位置へ向かって延在し第一の外郭ハウジング部分の端面と対向する端面を有する略円筒状の第二の外郭ハウジング部分とを有し、第一の外郭ハウジング部分の端面とそれに対向する第二の外郭ハウジング部分の端面とがＶバンド・カップリングにより締結されてそれらの二つの端面に互いに近接する方向の力が与えられることにより、第一の外郭ハウジング部分の回転軸の軸線方向に略垂直な方向に延在する内側壁面と第一の外郭ハウジング部分の内側壁面に対向した第二の外郭ハウジング部分の内側壁面とが、第一の外郭ハウジング部分と第二の外郭ハウジング部分との内部に於いて二つの内側壁面の間にて回転軸の軸線方向に沿って順に配置されたコンプレッサのディフューザと、コンプレッサとタービンとの間にて共通の回転軸を回転可能に保持する軸受を担持する内部ハウジングと、タービンのノズルとを、回転軸の軸線方向の両側から押圧し狭持することを特徴とするガスタービンエンジンによって達成される。
【０００９】
上記の構成によれば、端的に述べれば、略円筒状の外郭ハウジングに於いて、そのコンプレッサ側の部分（第一の外郭ハウジング部分、以下、単に、「コンプレッサ側部分」と称する。）とタービン及び燃焼器側の部分（第二の外郭ハウジング部分、以下、単に、「タービン側部分」と称する。）との締結が、既に触れた如き、Ｖバンド・カップリングによって達成される。そして、ガスタービンエンジンの外郭ハウジングの内部に固定される構造のうち、少なくとも、固定側の構成要素である、コンプレッサのディフューザと、回転軸を回転可能に保持する軸受を担持する内部ハウジングと、タービンのノズルとは、外郭ハウジングのコンプレッサ側部分とタービン側部分の間に配置される。この状態で、Ｖバンド・カップリングを締め付けると、かかる外郭ハウジングの両部分の弾性力が、外郭ハウジングのコンプレッサ側部分とタービン側部分の内側壁面から、回転軸の軸線方向に、その内側に挟持された構成要素に働き、結果として、それらの要素がコンプレッサ側部分とタービン側部分の内側壁面の間で押圧されてそれぞれの位置に保持されることとなる。かくして、外郭ハウジングの組立とともに、コンプレッサのディフューザと内部ハウジングとタービン・ノズルとの外郭ハウジングへの組み付けに於いても、ボルト締結が不要となる。このことにより、ボルト締結のためのボルト穴の形成やボルト締結といった組み付け工数が削減され、また、ボルト締結のためのスペースの確保が不要となり、ガスタービンの小型化・軽量化が可能となる。なお、外郭ハウジングの内部の構成要素に軸方向の保持力を作用させるために、互いに貼り合わされるコンプレッサ側部分の端面とタービン側部分の端面との間は、Ｖバンド・カップリングの締結前の状態でわずかに隙間があく寸法に設計されることが好ましい。そして、Ｖバンド・カップリングの締め付けによって、かかる隙間が閉じるようにすることで、コンプレッサ側部分とタービン側部分の内側壁面の間に、コンプレッサ・ディフューザと、内部ハウジングと、タービンのノズルとを保持する有意な押圧力を作用させることが可能となる。
【発明の効果】
【００１０】
かくして、上記の本発明によれば、ガスタービンエンジンに於いて、Ｖバンド・カップリングによる締め付けと、これによる外郭ハウジングの弾性力とを用いて、外郭ハウジング内部の構成要素の組み付けの保持が可能となり、従って、ボルト締結が用いられる部位の数を大幅に低減することができ、部品点数削減及び組み付け工数削減が達成される。また、ボルト締結箇所が少なくなると、ボルト穴などのボルト締結のための構造が不要となるので、エンジンの構造が極めて簡素化され、例えば、熱による各部の歪みによる影響も低減されることが期待され、そして、エンジンの小型軽量化、信頼性向上も期待される。
【００１１】
本発明のその他の目的及び利点は、以下の本発明の好ましい実施形態の説明により明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１（Ａ）は、本発明によるガスタービンの一つの実施形態の回転軸に垂直な方向から見た模式的な断面図である。図１（Ｂ）は、Ｖバンド・カップリングによる外郭ハウジングの締結の態様を模式的に表した図である。図１（Ｃ）は、本発明に於けるコンプレッサ・ディフューザ静翼と内部ハウジングとタービン・ノズルの固定方法を説明する模式図である。
【図２】図２は、本発明によるガスタービンの別の実施形態の回転軸に垂直な方向から見た模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００１３】
１…ガスタービンエンジン
２…発電機
３…コンプレッサ
３ａ…コンプレッサ・インペラ
４…燃焼器
５…タービン
５ａ…タービンベーン
６…排気口
７…外郭ハウジング・コンプレッサ側部分
８…外郭ハウジング・タービン側部分
７ａ、８ａ…フランジ
９…内部ハウジング
１０…回転軸
１１…軸受
１３…コンプレッサ・ディフューザ静翼
１５…タービン・ノズル
２０…Ｖバンド
２０ａ…Ｖバンドカプラ
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に添付の図を参照しつつ、本発明を幾つかの好ましい実施形態について詳細に説明する。図中、同一の符号は、同一の部位を示す。
【００１５】
図１（Ａ）に模式的に描かれている如く、本発明の一つの実施形態によるガスタービンエンジン１の基本的な構成は、典型的なガスタービンエンジンと同様であってよく、回転軸Ｓ周りにて回転する回転軸１０上に於いて、コンプレッサ３とタービン５とが構成され、まず、コンプレッサ３の吸気口にて吸入された空気がコンプレッサ・インペラ３ｂの回転により一旦加速された後コンプレッサ・ディフューザ１３を通過して減速及び圧縮される。かかる圧縮された空気は、燃焼器４に送られ、そこに於いて、燃料ノズル４ａから噴射された燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスがタービン・ノズル１５を通過して、タービン５へ流れ込み、タービンベーン５ａを通過する際に、回転軸１０を回転し、排気ガスが排気口６から排出される。そして、回転軸１０のタービンによる回転エネルギーは、一部はコンプレッサ・インペラ３ｂの回転駆動に利用され、残りが、発電機２のロータ部分の回転により、電気エネルギーへ変換されて外部へ取り出されることとなる。なお、回転軸１０は、図示の例では、コンプレッサ３とタービン５との間の、回転軸１０に略同軸に配置される円筒状の内部ハウジング９に担持された軸受１１と、コンプレッサ３と発電機２との間にて発電機２のステータ部分に設けられた軸受２ａとにより支承される。軸受２ａと軸受１１とは、例えば、エアベアリングであってよい。
【００１６】
また、上記の構成に於いては更に、コンプレッサ３、燃焼器４及びタービン５は、その外周に於いて、回転軸１０と略同軸に配置される略円筒状の外殻ハウジングに囲繞される。外殻ハウジングは、コンプレッサ３の吸気口からコンプレッサ３のインペラ３ｂとディフューザ１３を囲繞してタービン５の方向へ延在するコンプレッサ側部分７と、排気口６から燃焼器４及びタービン５を囲繞してコンプレッサ３の方向へ延在するタービン側部分８とから構成され、コンプレッサ側部分７の略円環状の端部７ａとタービン側部分８の略円環状の端部８ａとが、図示の如く、対向して互いに連結される。また、コンプレッサ側部分７の回転軸Ｓに略垂直な面に延在する壁面７ｂと、内部ハウジング９の回転軸Ｓに略垂直な面に延在するコンプレッサ３側の壁面との間には、上記のコンプレッサ・ディフューザ１３が組みつけられ、タービン側部分８の回転軸Ｓに略垂直な面に延在する壁面８ｂと、内部ハウジング９の回転軸Ｓに略垂直な面に延在するタービン５側の壁面との間には、タービン・ノズル１５が組みつけられることとなる。
【００１７】
上記の如きガスタービンの構成に於いて、従前では、例えば、コンプレッサ側部分７の端部７ａとタービン側部分８の端部８ａとの締結、コンプレッサ・ディフューザ１３、内部ハウジング９及びタービン・ノズル１５の組み付けは、通常、ボルトを用いて為されていた（ボルト締結）。しかしながら、ボルト締結には、フランジの形成、ボルト穴加工、ボルトのねじ込みといった多くの工数が必要となり、また、フランジ部分を設けること、ボルトのねじ込み操作を可能にするためのスペースの確保、ボルト及び／又はナットの装着は、各部品の寸法及び重量の増大の要因となる。そこで、本発明では、上記の構成に於いて、まず、外郭ハウジングのコンプレッサ側部分７の端部７ａとタービン側部分８の端部８ａとの締結がＶバンド・カップリングにより行われる。そして、Ｖバンド・カップリングによるコンプレッサ側部分７とタービン側部分８との締め付けによれば、それらの壁面の間に挟持されるコンプレッサ・ディフューザ１３、内部ハウジング１１及びタービン・ノズル１５に壁面の内向きに押圧する力が作用するので、その押圧力によってこれらの部品の保持が為されるよう構成される。
【００１８】
具体的には、まず、図１（Ｂ）上に模式的に描かれている如く、外郭ハウジングのコンプレッサ側部分７の端部７ａとタービン側部分８の端部８ａに於いて、それらの円筒形状の周方向に沿って、放射方向に幅が漸減するフランジ部分が形成される。そして、図示の如く、端部７ａと端部８ａのフランジが互いに対向するように配置した状態で、断面に於いて略Ｖ字形状の溝２０ａを有するＶバンド２０が、略Ｖ字形状の溝２０ａの内側に端部７ａと端部８ａのフランジが嵌入するように、端部７ａと端部８ａの円筒形状の周方向に沿って巻きつけられ、締め付けがなされる。そうすると、Ｖバンド２０の周方向の長さが短くなると伴に、Ｖバンド２０は、端部７ａと端部８ａの円筒形状の放射方向内向き（図中、下向き矢印の方向）に偏倚するところ、これと同時に端部７ａと端部８ａのフランジが、略Ｖ字形状の溝２０ａに深くまで嵌入することとなるので、端部７ａと端部８ａのフランジには、互いに近接する方向（図中、横向きの矢印の方向）に力が作用し、これにより、図１（Ｂ）下の如く、端部７ａと端部８ａのフランジが互いに締結されることとなる。このＶバンド２０による締結の際、端部７ａと端部８ａがＶバンド２０の締め付けによって近接するとともに、外郭ハウジングのコンプレッサ側部分７の回転軸Ｓに略垂直な面に延在する壁面７ｂと、タービン側部分８の回転軸Ｓに略垂直な面に延在する壁面８ｂも近づく方向に偏倚されるので、図１（Ａ）及び図１（Ｃ）に模式的に描かれている如く、壁面７ｂと壁面８ｂとのの間に挟持されたコンプレッサ・ディフューザ１３、内部ハウジング１１及びタービン・ノズル１５には、壁面７ｂと壁面８ｂの両側から弾性的な押圧力が回転軸の軸線方向に作用することとなり、かくして、コンプレッサ・ディフューザ１３、内部ハウジング１１及びタービン・ノズル１５は、それぞれ、その部位に保持されることとなる。即ち、本発明の構成では、コンプレッサ側部分７の端部７ａとタービン側部分８の端部８ａをＶバンド・カップリングによって締結することにより、かかる締結だけでなく、コンプレッサ・ディフューザ１３、内部ハウジング１１及びタービン・ノズル１５の組み付けも、ボルト締結を利用せずに、壁面７ｂと壁面８ｂとから付与される押圧力によって達成できることとなる。
【００１９】
なお、上記のＶバンド２０の締め付けによる端部７ａと端部８ａの締結と壁面７ｂと壁面８ｂの間に於ける押圧力によるコンプレッサ・ディフューザ１３、内部ハウジング１１及びタービン・ノズル１５保持を達成するために、好適には、Ｖバンド２０の締め付けの前に於いて、端部７ａと端部８ａとの間に有意な隙間が形成されるように、回転軸線Ｓ方向のコンプレッサ側部分７とタービン側部分８の寸法が設定される。かかる隙間の幅は、コンプレッサ側部分７とタービン側部分８の全体的な寸法や材質等に基づいて、当業者に於いて適宜選択できることは理解されるべきである。典型的な大きさの小型ガスタービンエンジンの場合、Ｖバンド２０の締め付け前の端部７ａと端部８ａとの間の隙間の幅は、例えば、０．３〜０．５mm程度であるが、これに限定されない。
【００２０】
更に、上記の構成に於いて、排気口６からの熱による外郭ハウジングのタービン側部分８の熱歪みの影響を抑制するために、排気口６の内側に断熱層（図示せず）が設けられるか、任意の冷却機構（冷却空気を流通させるなど）が設けられていてよい。また、外郭ハウジングのタービン側部分８の熱歪みを吸収できるように、図２に模式的に描かれている如く、タービン側部分８の一部にベローズ構造２２が形成されていてもよい。ベローズ構造２２の如き歪みを吸収するための構成は、ハウジングのその他の部位に設けてもよい。
【００２１】
かくして、上記の本発明の構成によれば、外郭ハウジングのコンプレッサ側部分７とタービン側部分８の締結に於いて、Ｖバンド・カップリングを採用することにより、コンプレッサ側部分７とタービン側部分８の貼り合わせによる締結及びその他の部品の組み付けが、Ｖバンドの締め付けだけによって達成され、これにより、ボルト締結部位の数を低減することが可能となる。
【００２２】
以上の説明は、本発明の実施の形態に関連してなされているが、当業者にとつて多くの修正及び変更が容易に可能であり、本発明は、上記に例示された実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の概念から逸脱することなく種々の装置に適用されることは明らかであろう。例えば、本発明は、図示されている如き単純サイクルのガスタービンエンジンだけでなく、再生サイクル式のガスタービンエンジンにも適用できる。
【図１】
2015206325.tif 000003
【図２】
2015206325.tif 000004