(57)【要約】    【課題】高圧タービンの効率低下を抑制し、高圧タービン自体の多段化を回避することは勿論のこと、高圧タービンの後段に配される低圧タービンの多段化をも回避し得るガスタービンエンジンを提供する。    【解決手段】軸流タービンからなる各１段の高圧タービン（ＨＴ）と低圧タービン（ＬＴ）とを有するガスタービンエンジン（１）において、周方向に列設された複数の静翼（３１）で構成され、高圧タービンの動翼（３２）の直前に配置されるノズルＮにおける入口部の面積Ｓ１とスロート部の面積Ｓ２との関係を、０．１８≦Ｓ１／Ｓ２≦０．４とする。これに加えて、ノズルを流過するガスの流速Ｖ（マッハ数Ｍ）を、Ｍ０．０５≦Ｖ≦Ｍ０．２とし、且つ高圧タービンの互いに隣り合う動翼同士間における入口側の面積Ｓ３と出口側の面積Ｓ４との関係を、０．３≦Ｓ３／Ｓ４≦１．２とする。【選択図】図２
2005226559.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸流タービンからなる各１段の高圧タービンと低圧タービンとを直列配置してなるガスタービンエンジンであって、
周方向に列設された複数の静翼で構成され、前記高圧タービンの動翼の直前に配置されるノズルにおける入口部の面積Ｓ１とスロート部の面積Ｓ２との関係を、
０．１８≦Ｓ１／Ｓ２≦０．４としたことを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項２】
前記ノズルを流過するガスの流速Ｖ（マッハ数Ｍ）を、Ｍ０．０５≦Ｖ≦Ｍ０．２とし、且つ前記高圧タービンの互いに隣り合う動翼同士間における入口側の面積Ｓ３と出口側の面積Ｓ４との関係を、０．３≦Ｓ３／Ｓ４≦１．２と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。
【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関し、特に軸流タービンからなる各１段の高圧タービンと低圧タービンとを直列配置してなるガスタービンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周方向に列設された複数の静翼で構成されるノズルを高圧タービンの動翼の直前に配置したガスタービンエンジンにおいては、高圧タービンの効率を高める上にノズルを構成する静翼の圧力損失および動翼の共振が問題となる。特に推力が３０００ｌｂ以下の小型のガスタービンエンジンにおいては、動翼と静翼との関係を適切に定める上での制約が大きく、効率を高めるために種々の工夫が凝らされている（特許文献１を参照されたい）。
【特許文献１】特開２００３−１０６１０３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本出願人は、特許文献１で提案した静翼のアスペクト比の最適設定の研究の中で、互いに隣り合う静翼同士間の流路断面積を適切に設定することにより、高圧タービンの効率向上に有為な作用が得られることを見出した。
【０００４】
本発明は、このような知見に基づくものであり、その主な目的は、高圧タービンの効率低下を抑制し、高圧タービン自体の多段化を回避することは勿論のこと、高圧タービンの後段に配される低圧タービンの多段化をも回避し得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】
【０００５】
このような課題を解決するために本発明の請求項１においては、軸流タービンからなる各１段の高圧タービン（ＨＴ）と低圧タービン（ＬＴ）とを有するガスタービンエンジンを、周方向に列設された複数の静翼（３１）で構成され、前記高圧タービンの動翼（３２）の直前に配置されるノズルＮにおける入口部の面積Ｓ１とスロート部の面積Ｓ２との関係が、０．１８≦Ｓ１／Ｓ２≦０．４であることを特徴とするものとした。
【０００６】
また本発明の請求項２は、上記構成に加えて、前記ノズルを流過するガスの流速Ｖ（マッハ数Ｍ）を、Ｍ０．０５≦Ｖ≦Ｍ０．２とし、且つ前記高圧タービンの互いに隣り合う動翼同士間における入口側の面積Ｓ３と出口側の面積Ｓ４との関係を、０．３≦Ｓ３／Ｓ４≦１．２としたことを特徴とするものとした。
【発明の効果】
【０００７】
このような本発明によれば、高圧タービンの効率を所定範囲に維持することができるので、高圧タービン並びに低圧タービンの多段化を回避し、小型で高推力なタービンエンジンを実現する上に大きな効果を奏することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
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。
【０００９】
図１は、本発明が適用される複軸バイパスジェットエンジンの模式図である。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アウタシャフト７とインナシャフト８とを有している。
【００１０】
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ＨＣのインペラホイール９が、そして後側に逆流燃焼室１０のノズルＮに隣接配置された高圧タービンＨＴのタービンホイール１１が、それぞれ一体的に結合されている。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。そしてその後方には、フロントファン１２が吸入し、かつ低圧軸流コンプレッサＬＣが予圧した空気を高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込むための吸入ダクト１９と、これに連続する高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラケーシング２０とが形成されている。また吸入ダクト１９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２１が結合されている。
【００１４】
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２２から後方へ噴射され、低速域での主たる推力となる。
【００１５】
高圧遠心コンプレッサＨＣの外周部には、ディフューザ２３が結合されており、その直後に設けられた逆流燃焼室１０へ高圧の空気を送り込むようになっている。
【００１６】
逆流燃焼室１０では、その後端面に設けられた燃料噴射ノズル２４から噴射された燃料とディフューザ２３から送り込まれた高圧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り、高速域での主たる推力を得る。
【００１７】
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２５が結合されている。
【００１８】
このエンジン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２６の出力軸が連結されている。このスタータモータ２６を駆動すると、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、高圧空気が逆流燃焼室１０へ送り込まれる。この高圧空気と燃料とを混合して燃焼させると、その燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンＨＴのタービンホイール１１並びに低圧タービンＬＴのタービンホイール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。
【００１９】
このようなエンジン１においては、高圧コンプレッサＨＣを駆動する高圧タービンＨＴの損失を低減するために、高圧タービンＨＴへ燃焼ガスを送り込むノズルＮを構成する静翼の流路面積が重要なファクタとなっている。
【００２０】
ここでノズルＮの面積、つまり周方向について互いに隣り合う２つの静翼同士間の面積は、図２に示す通り、静翼３１同士間の寸法と静翼３１の径方向寸法との積で与えらるが、互いに隣り合う静翼３１の燃焼ガス入口側端縁同士間の面積Ｓ１に対する、一方の静翼３１の出口側端縁と他方の静翼３１の湾曲面との間隔寸法が最小となる部位（スロート部）の面積Ｓ２の比（Ｓ２／Ｓ１）と高圧タービンＨＴの効率との関係は、図３に示すようになる。
【００２１】
図３で分かる通り、Ｓ２／Ｓ１の値が０．１８で効率が最大となり、０．１８以下の領域は効率が著しく低下する。これはスロート部の面積Ｓ２が相対的に小さくなるに従ってノズル出口の流速が増大し、ノズル出口の流速Ｖ（マッハ数Ｍ）がＭ０．２を超えると、高圧タービンＨＴにおける動翼３２の表面に衝撃波が発生するからである。そしてＳ２／Ｓ１の値が０．１８を超える、つまりスロート部の面積Ｓ２が相対的に増大するに連れてノズル出口の流速Ｖが低下すると効率は徐々に低下し、Ｓ２／Ｓ１の値が０．４を超えるとノズル出口の流速Ｖ（マッハ数Ｍ）はＭ０．０５を下回り、効率はピーク値から半減する。
【００２２】
このことは、高圧タービンＨＴの仕事量を半減させないためには、高圧タービンＨＴを複数段直列させねばならず、あるいは高圧タービンＨＴの仕事量が半減しても低圧タービンＬＴに同じだけの仕事量をさせるためには、低圧タービンＬＴを複数段直列させねばならないことを意味している。これはエンジン１の軸長を増大させることに繋がるので好ましいことではない。
【００２３】
本発明は、このような知見に鑑み、高圧タービンＨＴに対して燃焼ガスを噴出させるノズルＮの出入り口の面積比を０．１８〜０．４の範囲に設定することで対処している。
【００２４】
また、高圧タービンＨＴの互いに隣り合う動翼３２同士間の寸法と動翼３２の径方向寸法との積で与えられる面積については、一方の動翼３２の燃焼ガス入口側端縁と他方の動翼３２の湾曲面との間隔が最小となる部位の面積Ｓ３に対する、一方の動翼３２の出口側端縁と他方の動翼３２の湾曲面との間隔が最小となる部位の面積Ｓ４の比（Ｓ４／Ｓ３）を、０．３〜１．２の範囲に設定することにより、高圧タービンＨＴの効率がピーク値から半減しない範囲に定めることができる。これにより、高圧タービンＨＴ並びに低圧タービンＬＴを多段化せずに済むようにしている。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明が適用されるジェットエンジンの模式的な断面図である。
【図２】本発明によるノズルの出入り口の面積比と高圧タービンの効率との関係線図である。
【図３】ノズルを構成する静翼と高圧タービンの動翼との関係を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２６】
ＨＴ  高圧タービン
ＬＴ  低圧タービン
Ｎ  ノズル
１  エンジン
３１  静翼
３２  動翼
【図１】
2005226559.tif 000003
【図２】
2005226559.tif 000004
【図３】
2005226559.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成17年1月14日(2005.1.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
軸流タービンからなる各１段の高圧タービンと低圧タービンとを直列配置してなるガスタービンエンジンであって、
周方向に列設された複数の静翼で構成され、前記高圧タービンの動翼の直前に配置されるノズルにおける入口部の面積Ｓ１とスロート部の面積Ｓ２との関係を、
０．１８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．４としたことを特徴とするガスタービンエンジン。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
前記ノズルを流過するガスの流速Ｖ（マッハ数Ｍ）を、Ｍ０．０５≦Ｖ≦Ｍ０．２とし、且つ前記高圧タービンの互いに隣り合う動翼同士間における入口側の面積Ｓ３と出口側の面積Ｓ４との関係を、０．３≦Ｓ４／Ｓ３≦１．２と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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
このような課題を解決するために本発明の請求項１においては、軸流タービンからなる各１段の高圧タービン（ＨＴ）と低圧タービン（ＬＴ）とを有するガスタービンエンジンを、周方向に列設された複数の静翼（３１）で構成され、前記高圧タービンの動翼（３２）の直前に配置されるノズルＮにおける入口部の面積Ｓ１とスロート部の面積Ｓ２との関係が、０．１８≦Ｓ２／Ｓ１≦０．４であることを特徴とするものとした。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
また本発明の請求項２は、上記構成に加えて、前記ノズルを流過するガスの流速Ｖ（マッハ数Ｍ）を、Ｍ０．０５≦Ｖ≦Ｍ０．２とし、且つ前記高圧タービンの互いに隣り合う動翼同士間における入口側の面積Ｓ３と出口側の面積Ｓ４との関係を、０．３≦Ｓ４／Ｓ３≦１．２としたことを特徴とするものとした。