(57)【要約】コンプレッサ部（１４）、燃焼器（１６）およびタービン部（１８）を含むガスタービンエンジン（１０）において、該エンジンは、ケーシングの壁（１２１）の最も高い位置にあるタービンの空間（１３７）内に配設されたガス逃し弁（１３６）であり、エンジンが運転停止後に作動しなくなった時点で弁を開いてソークバックによる損傷を抑制するように作動可能な弁を有する。弁（１３６）が開いているときは、高温ガスはケーシングから外部に流出しエンジンの冷却が促進される。逃し弁（１３６）は好適には受動的な一方向逆止弁であり、内部通路（１３７）内の圧力が低下したときに開くように構成される。あるいは、弁（１３６）は能動的な弁であり、内部通路（１３７）内の圧力と温度の値を検知するためのセンサと組み合わせて使用されるソレノイドのような起動手段によって開閉させられるように動作可能である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケーシング内で流れに沿って連続するコンプレッサ、燃焼器およびタービンを含むガスタービンエンジンにおいて、
前記ケーシングの一部分の内部に規定された内部通路であって、前記ガスタービンエンジンが運転停止後に作動しなくなった時点で内部に蓄積した高温ガスを受ける内部通路と、
前記内部通路に近接して前記ケーシングの上部に配設されたガス逃し弁であって、前記エンジンが作動しなくなった時点で開放されて、高温ガスが前記内部通路から排出され、前記ガスタービンエンジンが運転中のときは閉鎖されるように作動可能な逃し弁と、
を含むガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記ケーシングは、前記高温ガスがその外部に排出される外部ケーシングと、前記内部通路をその内部に規定する内部ケーシングと、からな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】
前記ケーシングが内部ケーシングであり、前記弁が開いて前記高温ガスを前記内部通路から、前記内部ケーシングと前記外部ケーシングとの間に規定された包囲部へと排出するように作動可能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４】
前記外部ケーシング内に取り付けられ、かつ開放して前記高温ガスを前記包囲部から大気中に排出するように作動可能な第二のガス逃し弁を更に含むことを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項５】
前記弁は、前記弁が開いたときに起動して、弁が閉じるまでに所定の時間の間、前記弁を開放状態に維持するタイマを含む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６】
前記高温ガスが自然の対流によって前記内部通路から排出され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７】
前記内部通路内の圧力および温度の少なくとも一方の値を検知するセンサを更に有し、起動手段が検知された値に応じて作動し、前記弁を少なくとも開放または閉鎖するように作動可能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８】
前記検知された値を閾値と比較するコンパレータを更に有し、前記起動手段が前記比較に応じて前記弁を作動させることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項９】
前記検知された値をユーザに示す少なくとも１つの指示器を更に有し、前記起動手段をユーザが操作して、前記指示に応じて前記起動手段を起動できることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１０】
前記弁が、ガスタービンエンジンのエンジン電子制御装置により起動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１１】
前記弁が、前記内部通路と前記ケーシングの外部の大気の間の圧力差により起動され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１２】
ガスタービンエンジンのケーシング内における高温空気が蓄積する領域内に配設され、かつ前記領域に隣接して前記ケーシング内に規定された内部通路とガスの流れに関して連通している連通手段を有するガスタービンエンジンにおいて、前記内部通路は、前記エンジンが停止されて作動しなくなった時、前記内部通路に蓄積している高温ガスを回収し、
前記連通手段は、運転停止に続いて開放して少なくとも自然の対流によって前記高温ガスを前記内部通路から排出し、
前記連通手段は、前記エンジンが運転しているときは閉鎖されるガスタービンエンジン。
【請求項１３】
前記停止を示す前記内部通路内における圧力の低下に応じて、前記連通手段が開くことを特徴とする請求項１２に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１４】
前記連通手段が、運転中の前記内部通路内の内部圧力に反応して前記手段を閉じた状態に維持する圧力感応手段と、前記エンジンが作動していないときに前記手段を付勢して開放する弾力性のある手段と、を含むことを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１５】
前記弾力性のある手段が、重力の作用に反応する前記連通手段の部品であることを特徴とする請求項１４に記載の弁。
【請求項１６】
前記圧力感応手段が、前記上昇した内部圧力によって変位させられる圧力板または圧力ダイアフラムであることを特徴とする請求項１４に記載の弁。
【請求項１７】
運転停止後にガスタービンエンジン内で回収された高温ガスを排出する方法であって、
エンジン停止を検知することと、
ガスタービンエンジン内の少なくとも１つの弁を開いて前記高温ガスを外部に排出することと、
を含む方法。
【請求項１８】
前記内部通路内の温度および圧力の少なくとも一方の値を検知すること、
検知された値を閾値と比較することと、
前記比較の結果に基づいて前記弁を起動して開くことと、
を更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記検知された値をユーザに示すことを更に含み、前記比較および前記起動が前記ユーザによって行われることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記高温ガスが自然の対流によって放出されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、さらに詳しくは、運転停止後にエンジンの上部内に蓄積している高温ガスを排出することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンに共通する問題は、エンジンを停止した後に燃焼器とエンジンのケーシングの上部内に高温ガスが蓄積することである。この現象は一般にソークバックと呼ばれる。この問題は、コンプレッサ段がタービン段よりも大きな直径を有するエンジンにおいて顕著であり、遠心コンプレッサを備えた多くのガスタービンエンジンは上記のような構造を有している。高温ガスの通路を自然の対流で冷却する場合、エンジンの上部内に高温ガスが滞留することになる。温度が非常に高い場合には、この滞留ガスにより、シールの劣化、煤の付着およびエンジンケーシングに生じる熱応力など、エンジンに深刻な損傷が生じてしまうことが判明した。この問題を克服するために、設計者は寿命の長い部品を求め続けてきた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
エンジンの上部内への高温ガスの蓄積から生じるもう一つの問題は、熱的なアンバランスである。事実、高温ガスが蓄積する領域内中に存在する部品の熱膨張により、ある種のエンジン部品、特に回転するタービン部品の重心位置がわずかに変化する。この問題に対処するための一般的な安全策には、エンジンを停止してから所定の時間待ってモータを起動し、それによりエンジンを十分に冷却し、かつエンジンをスタータモータで所定の時間だけ回転させて高温ガスが蓄積しないようにすることが含まれる。従来技術におけるこの問題に対する解決策は、部品の熱膨張が最も起こりやすい領域に冷却空気を注入することである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の目的は、運転停止後にガスタービンエンジンの上部内に蓄積した高温ガスを排出する手段を提供することである。
【０００５】
本発明の１つの態様は、ケーシング内で流れに沿って連続するコンプレッサ、燃焼器およびタービンを含むガスタービンエンジンにおいて、前記ガスタービンエンジンが、前記ケーシングの一部の内部に規定され、かつガスタービンエンジンが運転停止後に作動しなくなった時点で内部に蓄積した高温ガスを受ける内部通路と、前記内部通路に近接して前記ケーシングの上部内に配設されたガス逃し弁であって、エンジンが作動しなくなった時点で弁を開放するように作動して、高温ガスを内部通路から排出し、前記ガスタービンエンジンが運転中のときは閉鎖される逃し弁と、を含むガスタービンエンジンを提供する。
【０００６】
本発明の別の態様は、ガスタービンエンジンのケーシング内の高温ガスが蓄積する領域内に配設されて前記ケーシング内で前記領域に隣接して規定された内部通路とガスの流れに関して連通している手段を有するガスタービンエンジンにおいて、エンジンが停止して作動しなくなった時点で、前記内部通路に蓄積された高温ガスを回収し、前記手段が前記運転停止に続いて開いて少なくとも自然の対流によって前記高温ガスを前記内部通路から排出し、前記エンジンが運転しているときは前記手段が閉じられるガスタービンエンジンを提供する。
【０００７】
本発明の別の態様は、運転停止後にガスタービンエンジン内で回収された高温ガスを排出する方法において、エンジン停止を検知し、かつガスタービンエンジン内の少なくとも１つの弁を開いて前記高温ガスを排出させる方法を提供する。
【０００８】
本発明のこれら態様のおよび他の態様の詳細は、以下の詳細な説明および図から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
図１は亜音速飛行において好適に使用されるタイプのガスタービンエンジン１０であり、一般に、外部の空気が内部を通って推進されるファン１２、空気を加圧する多段コンプレッサ１４、内部で圧縮空気が燃料と混合されて点火され、高温の燃焼ガスの環状流を生じさせる燃焼器１６、および燃焼ガスからエネルギーを取り出すタービン部１８が、直列に流体的に連通したものからなるガスタービンエンジンを示す。
【００１０】
図２を参照すると、ガスタービンエンジンは少なくとも１つのガス発生器のケーシング１２１を含むガス発生部１１５を有し、ガス発生器のケーシングは、ファン１２によって推進されたバイパス空気がその外側を通流する外側壁１２０と、内部のガス流がエンジンの中核的な部品１４，１６，１８を通って流れる際に通過する内部通路１２４をその内部に規定する内側壁１２２と、を有する。ケーシング１２１の内側壁１２２と外側壁１２０との間の区域は、「包囲部（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）」１２６として規定され、１つまたは複数の区画からなり、開口部を含むことができる。あるいは、かかる包囲部が存在しない場合には１枚壁のエンジンケーシング１２１を備えても良い。ファン１２は、ケーシング１２１と外部エンジンカウル１３０との間に規定された外部通路１２８を通して、バイパス空気を送る。
【００１１】
エンジンの運転中は、燃焼器およびその下流側を通って流れるガスは高い圧力と温度を有する。運転停止後、エンジンは作動しない状態となり、エンジンを通る空気の流れは自然の対流だけとなる。エンジンの排気口に近接したタービンの後段に残留する高温ガスは排気口からエンジンの外部に吐出されるが、上記のようにエンジンからの高温ガスが自由に流出できないエンジンの領域には、高温のガスポケットが蓄積してしまう。加えて高温の部品、特に燃焼器の近傍の部品および第一の下流側高圧タービン段の残留熱は、冷却に長い時間を必要とするため、エンジンケーシング内に滞留するこれらの高温ガスポケットに更に熱が加わることとなる。これらの高温ガスポケットは運転停止後に増加してエンジン内で高まり、かつ自然の対流により内部通路１２４の上部内に集まる傾向がある。これは周囲の領域よりも直径の大きな領域、例えば、燃焼器に隣接するガス発生器のケーシングにおいて発生する傾向がある。これは、コンプレッサ段がタービン段よりも大きな直径を有するようなエンジンに特に見られ、遠心コンプレッサ１３２を備えた多くのエンジンは上記のような構造を有している。図では高温ガスが蓄積する部分１３４を、ケーシング１２１内に規定された内部通路１２４内に影つきの領域で表している。本発明の好適な実施形態を、特に燃焼器を取り囲むガス発生器のケーシングから高温ガスを排出することに関して説明するが、本発明は高温ガスが上昇し滞留する傾向のあるガスタービンエンジンの他の上部領域にも適用することができる。
【００１２】
図２に示すように、燃焼段は燃焼器１６を有し、燃焼器は、該燃焼器とガス発生器の内部ケーシング１２２の周囲部分との間に環状の内部通路１３７を規定する外部燃焼器壁を有する。運転停止の後、エンジンが作動しない状態では、ガスタービンエンジン１０のガス発生器部内部通路１３７における高温ガスが最も蓄積しやすい。エンジンが作動していないとき、すなわち、エンジン停止後に燃焼器１６自体の中に留まる高温ガスは、燃焼器の壁に設けられた様々な開口を通って上方に通過して、エンジン上部で半径方向外側に向かって配設された内部通路つまり空間１３７に流入する。高温ガスは、特にエンジンを非常停止した後に蓄積しやすいことがわかっている。空気導入口を通ってエンジンの前部から、あるいは排出口を通ってエンジンの後部から外部に流出できない高温ガスは、エンジンのガス発生器部のケーシング１２１内に規定された内部通路１３７の上記領域内に蓄積する傾向がある。これは主に、周囲が取り囲まれている特性という単純な原因と、内部通路により内部で暖かいガスが一般に自然の対流によって上昇して蓄積する高い位置が規定される事実と、によるものである。そのため、前記内部通路を開く手段が高温ガス逃し弁１３６の形で備えられ、この弁は一般に内部通路１３７に近接するケーシング１２１を貫通して配設される。これにより、ガス発生器１２１内に規定された内部通路すなわち空間１３７と、エンジンのバイパス空気用管路１２８との間にガス流に関する連通が実現される。エンジンの他の構成において、弁１３６は、内部通路１３７とエンジンを取り囲む大気との間の流体的な連通を実現する。高温ガス逃し弁１３６は好適にはケーシングの最も高い位置または少なくともその最高点の近くに配設され、内部通路内に蓄積した高温ガスが、弁を開いたときに自然に大気中に排気される。そのため弁１３６は好適には、ガス発生器部のケーシング１２１の頂点を通りエンジンの中心線に沿って配設される。これにより弁１３６は、エンジンの運転が停止されてエンジンが作動しなくなった時点で開放され、蓄積した高温ガスをエンジン内から排出する。エンジン内に滞留する高温ガスを排気するために複数のケーシングを横切らねばならないような別の実施形態では、かかる高温ガス逃し弁１３６が、各ケーシングに１つ備えられるため、２つ以上の弁が備えられる。
【００１３】
弁１３６は好ましくは受動的であり、内部通路１３７内の圧力が十分に低下したときに開くように構成される。これは、エンジンが作動していないとき、つまりエンジンが停止した後にのみ生じる。図３に示すようにそのような弁１３６は、一方向逆止弁であり、この一方向逆止弁は、ボールシールの形状において、変位可能な弁閉鎖部材２４１に作用するバネ２４０の形態を備えた付勢部材を備える。付勢部材はまた、重力の作用に反応する部品のような弾力性のある手段という別のタイプであってもよい。バネ２４０は通常の状態では、圧力板２４２を弁本体１３９から引き離す方向に作用して弁を開放状態に維持し、ボール２４１が弁本体の環状の弁座２４３から自由落下できるようにする。エンジンが作動していない状態にあり内部通路１３７内の内部圧力が下がると、バネ２４０は、内向きの圧力によって、圧力板２４２に作用する外向きの力よりも大きな力を圧力板２４２に及ぼす。これにより、弁が図３に示すように開放位置にあるときには、内部通路１３７内の高温ガスは、圧力板２４２を貫通して規定された開口２４５を通って自由に流れ、高温ガスは弁本体の通路２４４を通って大気中に排気される。しかしエンジンが運転中のときは、内部通路１３７内の高い内部圧力によって圧力板２４２に作用する外向きの力がバネ２４０の付勢力に逆らって働き、ボール２４１を弁座２４３に押し付けることにより、弁を閉じる。そのため内部通路内の内部圧力を検知する圧力検知手段が備えられる。エンジンが運転している限り、エンジン内の高い圧力が弁１３６を閉じた状態に維持されるため、エンジンの運転中に弁が誤って開放されない。代替として、圧力板を、例えば、圧力に感応するダイアフラムのような別の圧力反応手段で置き換えることも可能である。エンジンを停止した後、エンジン内の内部圧力が十分に低下すれば、バネの作用により弁の開放状態が確保される。あるいはまた、弁を通常は閉じているように構成し、エンジンが作動していないことを保証するほどエンジン内の内圧が十分に低いレベルまで下がったときにのみ弁を開くようにすることもできる。
【００１４】
別の実施形態では、弁は能動的な弁であり、ソレノイドのような起動手段によって開閉することができる。ソレノイドは、通常の状態では弁を閉じておくように弾力性のある手段を備える場合には弁を開き、通常の状態では弁を開放しておくように弾力性のある手段を備える場合には弁を閉じるように弁を遠隔操作で開閉するのに用いられる。能動的な弁について、他に多くの使用法が考えられるであろう。電気で駆動されて弁の開閉に使用されるソレノイドは、好ましくはエンジンの電子制御システム（ＥＥＣ）と接続されており、エンジンが運転中でないことが検知されると、弁を開くようにソレノイドがＥＥＣによって起動される。エンジンを始動する前に、ＥＥＣはソレノイドを使用して弁を閉じる。かかるＥＥＣを使用して、弁１３６を所定の時間だけ開放状態に維持することもでき、この所定の時間は、弁を閉じる前に、滞留している高温ガスを全てエンジンケーシング内から外部に排気するように選択される。
【００１５】
弁が受動的なものであれ、能動的なものであれ、この弁が開いたときに起動されるタイマを含むことで、弁を所定の時間だけ開放状態に維持した後に閉じるようにすることができる。受動的な弁の場合、かかるタイマは独立して作動可能なタイマメカニズムを含み、能動的な弁の場合はかかるタイマはＥＥＣ用ソフトウェアに組み込むことができる。
【００１６】
他の実施形態では、起動手段は、内部通路内の圧力と温度を検知するための１つまたは複数のセンサと組み合わせて使用され、起動手段は検知された圧力または温度に応じて操作される。この場合、２つの第二の選択肢があり、（１）検知された値を示す装置と、示されたその値（複数の値）に応じてユーザが弁を手動操作するための起動スイッチを備える場合と、（２）電子部品またはＥＥＣ内に備えられて、検知された値をハードウェアに設定し、または事前にプログラムされた閾値と比較し、それに従って起動手段を作動させて弁を開閉するためのコンパレータを備える場合である。圧力は、エンジンが運転中かまたは作動していない状態かを示す検知された値として、有利に使用される。温度は、エンジンが運転中かまたは作動していない状態かを示すだけでなく、高温ガスが蓄積されたか否かを示す検知された値として、有利に使用される。
【００１７】
一実施形態では、起動手段がエンジン動力のスイッチに直接接続される。この場合、ソレノイドは、電力供給されて、エンジン動力を受けたときに、弁は閉鎖され、またエンジンが停止してエンジン動力がソレノイドから切り離されたとき、バネは常時設定として弁を開く。
【００１８】
当業者には、その他多くの形態が考えられ、またエンジンの様々な位置で多くの弁の起動を制御する電子装置のように、様々な用途に適応できることが示されるであろう。
【００１９】
説明では航空機について述べ、また遠心コンプレッサを有するのが好ましいとしたが、エンジンが停止後に作動していない状態で、高温ガスが蓄積する可能性のある多くのタイプのガスタービンエンジンに本発明を適用できる。
【００２０】
上記の説明は例示だけを目的としたものであり、開示された本発明の範囲から逸脱することなく、実施形態に変更を行うことができることを、当業者は認識するであろう。例えば弁はエンジンケーシングの頂点に位置することが好ましいが、具体的な用途により、エンジン内に滞留する高温空気の内部のポケットに隣接するケーシング内の別の位置に配設されてもよく、また導入口または排出口に近接して配設することもできる。１つの弁について述べたが、あらゆる数の弁および／または他のタイプの弁を備えても良い。更にメカニズムまたは手段は弁そのものでなくてもよく、記述した機能を達成する任意のメカニズムまたは手段であればよい。自然の対流は、他の熱伝達手段で補助または置換することができる。上述した弁に対する多くの代替物を使用して、蓄積した高温ガスを排出する目的を達成することができる。本開示を読むことにより、本発明の範囲に属する更に他の変更が可能であることが、当業者には明らかであろう。かかる変更は付属の請求項の範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】ガスタービンエンジンの模式的断面図である。
【図２】高温ガスが蓄積した領域とガス逃し弁の位置を示す部分的な模式的断面図である。
【図３】図２のガス逃し弁の断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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