JPH0658043B2 - 蒸気注入式ガスタービンエンジンとその運転方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はタービンエンジン、とくにロータに設けられる
ようなスラスト軸受に加わる軸方向の力を逃がす装置に
関するものである。

発明の背景 タービンエンジンの一つの特徴は該タービンエンジンが
静止要素によって支持された回転要素を含み、該静止要
素が回転要素によって発生された力を吸収するかまたは
それから影響をうけることである。たとえば、現代のガ
スタービンにおいて、回転要素またはロータはシャフ
ト、シャフトコーン、羽根を支持するディスクまたドラ
ム、流体シール、および種々の連結構造部材のような種
々の部材を含んでいる。エンジンの異なった点または部
分において、相対的圧力に従ってエンジンのスラストは
エンジンの軸方向に作用する。ガス流または流体流路の
圧力がエンジンの軸方向下流に向って減少するエンジン
のタービン部分において、正味の軸方向の力は下流向き
である。タービンによって駆動される圧縮機は、ある程
度、そのような正味の軸方向下流向きの力を補償する。
すなわち、圧縮機における最大圧力がその後方の段にあ
って、正味の軸方向前向きの力を加えようとする。しか
しながら、自由回転出力タービンにおいては、軸方向下
流向きの力はスラスト軸受または軸受複合装置によって
吸収される。現代の水準の軸受は、標準の出力タービン
を備えたガスタービンを含む通常のガスタービン用に使
用することができる。

工業用に関連するようなガスタービン技術では蒸気を有
利に用いることによって熱効率が改善されかつ出力が増
大されている。そのような最新技術の例が米国特許第
４，５６９，１９５号、および米国特許第４，６３１，
９１４号に開示されている。この技術による一つの結果
としてロータスラスト荷重がいちじるしく増大し、この
ため現在入手できないほどの能力を持つ軸受が必要とな
る。

そのような高い正味の軸方向スラストを補償するための
技術の手段は圧縮機から抽気されてエンジンの一部に加
えられるような比較的高圧の空気を使用するものであ
る。他の手段、たとえば米国特許第４，５７８，０１８
号特許に記載の手段では、そのような目的のために液圧
を利用している。

しかしながら、エンジンで圧縮した空気の利用または潤
滑のためエンジンに使用されるような液圧流体の利用は
エンジンの効率を損なう可能性がある。

発明の目的 本発明の主目的はタービンエンジンにおける軸方向ロー
タスラストの少なくとも一部を逃がすための改良した有
効な手段を提供することにある。

別の目的は、ガスタービンエンジン用に、エンジン空気
または液圧流体よりもむしろ蒸気を利用する手段を提供
することである。

さらに別の目的は蒸気発生源、および蒸気ピストン平衡
のために蒸気を利用する手段を備えたガスタービンエン
ジン装置を提供することにある。

さらに別の目的はタービンエンジン運転中にスラスト軸
受に加わる軸方向の力の少くとも一部分を逃がす改良し
た方法を提供することにある。

これらのおよび他の目的並びに利点は下記の詳細な説
明、図面および実施例から一層十分に理解されるであろ
う。しかしそれらのすべてはいずれにしても本発明の範
囲を限定するよりもむしろ代表的なものを表わすもので
ある。

発明の要約 簡略して述べると、本発明は一形式において圧力室と該
圧力室に蒸気を供給する装置を含むタービンエンジン用
蒸気ピストン平衡装置を提供する。圧力室はロータに連
結されかつロータとともに回転する部材の内面部分、該
内面部分から離れた非回転の第２部材、および回転する
内面と非回転の第２部材との間のシール装置によって限
定されている。また蒸気を圧力室内に導入して、蒸気が
平衡力を上記の連結された内面を介してロータに加えう
るようにする装置が含まれている。

別の形式においては、蒸気を圧力室からエンジン運転流
体流路に導入する装置を含んでいる。さらに別の形式に
おいては、上記のような蒸気ピストン平衡装置および蒸
気発生源、ならびに蒸気を圧力室に送給する装置を備え
たシステムが提供される。

さらに別の形式においては、スラスト軸受を有するター
ビンエンジンが加圧蒸気を一部材たとえば室の一部に向
って差し向けて、スラスト軸受にかかる軸方向の力の少
なくとも一部を逃がす方法に従って運転される。

好ましい実施例の説明 本発明は、蒸気注入式エンジンとして運転するのに適し
ている、航空機用ガスタービンエンジンから派生した工
業用ガスタービンエンジンに対して使用するのにとくに
有用である。一般的にこれらの形式のエンジンは自由回
転出力タービンを備えた単一あるいは二重ロータコアエ
ンジンを有する。この構成は、標準の発電用の重い工業
用ガスタービンエンジンとは、この標準エンジンが一般
的に一定速度たとえば毎分３，０００または３，６００
回転で回転する単軸形式である点で異なっている。その
ようなエンジンの軸方向下流向きまたは後向きのタービ
ンロータスラストは軸方向前向きまた上流向きの圧縮機
ロータ力によって大部分平衡化される。

上記の米国特許第４，５６９，１９５号および同第４，
６３１，９１４号に記載された形式の高圧力比蒸気注入
式エンジンの出現によって、エンジンの比出力は、蒸気
の注入が行われない「乾式」エンジンに比較して、数倍
たとえば５倍にも増加することができる。出力タービン
ローターのスラストのレベルは後向きの力として約２８
５，０００ポンドまで増加し、ロータスラスト荷重を約
３〜５倍に増加した。このような荷重は関連するシャフ
トの大きさに対する現行技術水準の軸受の容量をこえて
いる。さらに、現代のきわめて大型の軸受は運転のため
きわめて多量の潤滑油を要しかつ大きい摩擦損失を生じ
る。荷重を二重または他の複雑な軸受装置において分配
しようとする試みは分配を達成する方法ならびにその分
配の効率および信頼性に関して多くの問題を生じた。本
発明は一層簡単で、有効な信頼性のある代替物を提供す
る。

そのような問題に対する本発明の新規な解決法では、エ
ンジンに注入するための高圧の蒸気を発生するのに使用
される排熱ボイラから一般的に便利に利用できる高圧蒸
気の源を利用する。このような装置の一つの例は上記米
国特許第４，５６９，１９５号に記載されている。本発
明の一形式においては、蒸気は圧力またはピストン型の
力を出力タービンに対して前向きに加えるために使用さ
れる。このような力は出力タービンロータに連結されか
つそれとともに回転する部材の表面に加えられる。この
ような部材がスラスト軸受の少なくとも一部分に連結さ
れているため、牽引力または引張力はスラスト軸受に対
して前向きに加えられる。この結果、出力タービンの運
転から生ずる後向きまたは下流向きの軸受に対する力の
少くとも一部を逃がす。

本発明を使用することにより、最新の蒸気注入式高圧力
比エンジンは、蒸気の注入を行わない「乾燥」運転状態
中のロータスラスト荷重を容易に処理することのできる
単一の軸受を用いて設計することができる。同時に、こ
のような軸受は蒸気注入による運転を行っているとき、
適当なスラスト荷重、たとえばその半分を支えて、本発
明の牽引式蒸気ピストン平衡装置と共働して、安全かつ
効率のよい運転を可能にする。このような単一軸受は乾
式運転中のロータスラスト荷重の増分を処理するように
設計することだけが必要であり、本発明の牽引式蒸気ピ
ストン平衡装置は蒸気注入運転中に生じ得るロータスラ
スト荷重の残りを処理するように設計される。

本発明は典型的な実施例を示す図面および下記の詳細な
説明から一層十分に理解しうるであろう。しかし、それ
らに本発明の範囲が制限されるものではないことに留意
されたい。

第１図は、比較的簡単な蒸気注入式エンジンを示す。こ
のエンジンおよび一層複雑な形式のエンジンは上記米国
特許第４，５６９，１９５号に記載されている。このよ
うなエンジンは、作動流体流路１０に沿って直列に、圧
縮機装置または圧縮機１２、燃焼装置１４、および全体
的に１６で示したタービン装置を含む。タービン装置
は、本技術分野で公知のように、電気的または機械的出
力を発生するのに使用される自由回転出力タービン１８
を含む。圧縮機１２はシャフト２２によってタービン２
０に連結され、該タービン２０は圧縮機１２を駆動す
る。しかしながら、出力タービン１８は、全体的に出力
タービンの前方および後方の軸受により静止エンジン構
造から支持されるが、そのタービン羽根を通って膨脹す
るガスの作用で自由に回転する。出力タービンの一つの
形式の一層詳細な図が第２図の部分断面図に示されてい
る。一般的に過熱状態にある蒸気源２３からの加圧蒸気
は、第１図に示されるようにタービン２０の後方へ向け
てエンジンに導入することができる。

第２図を参照すると、全体的に１８で示した出力タービ
ンは、相互に連結された回転輪またはディスク２６と、
それらによって支持された複数のタービン羽根２４より
成るタービンロータ２５を含んでいる。ディスクの少く
とも一つ、たとえば第２図の２６ａは、回転構造部材２
８および３０を介して、本技術分野において一般に公知
のように、全体的にそれぞれ３２および３４で示された
前方および後方の軸受およびシール装置に連結されてい
る。外側ケーシング３８のような静止外側構造によって
支持された静翼３６が、回転羽根２４間に配置されてい
る。第２図のエンジンにおいて、低圧タービン４０が出
力タービン１８の上流（図面で左側）に示され、低圧タ
ービンと出力タービン１８との間の境界が静止中空支柱
４４の付近に形成されている。

出力タービンの後部において回転ディスク２６ａに連結
された回転構造部材３０が、軸受装置３４の回転部分と
関連した付加的構造部材５０に接合されている。第２図
において、スラスト軸受は軸受装置３４において全体的
に５２で示されている。本技術分野で公知のこの種の装
置の構成により出力タービンからの軸方向後向きの正味
のスラストがスラスト軸受によって支持される。

第１図に示されている加圧蒸気源２３に連結された蒸気
マニホルド４６が、蒸気を導管４８および支柱４４内部
を通して全体的に５４で示す（第３図に一層詳細に示
す）本発明の一形式の牽引式蒸気ピストン平衡装置に導
入される。第２図の実施例において、導管４８には蒸気
流制御弁４９が設けられている。さらに、蒸気導管４８
は、空気制御弁５３を含む空気導管５１に接合されてい
る。

第３図の断面図において、本発明の牽引式蒸気ピストン
平衡装置５４は、回転構造部材２８を介して出力タービ
ンロータ２５（第２図）に連結されかつそれとともに回
転する第１部材６０の一部の回転する内面５８と、静止
支柱４４によって支持されかつ第１部材６０の表面５８
から離れた非回転すなわち静止の第２部材６２とによっ
て限定された圧力室を有する。第３図の実施例におい
て、第１および第２部材６０および６２はほゞ環状の相
隔たる部材である。第３図の圧力室５６を限定する残り
の要素は、本技術分野で公知であって広く使用されてい
るラビリンス型の半径方向内側および外側の流体圧力降
下式シールとして図示されたシール装置６４ａおよび６
４ｂである。このシールは環状とするのが好ましい。

加圧蒸気、たとえば支柱４４の直ぐ上流の出力タービン
入口ステーションにおける圧力よりも少くとも高い圧力
であって、スラスト平衡化のために必要な圧力を有する
第１図の蒸気源２３からの蒸気が、第２図のマニホルド
４６および導管４８から第３図の支柱４４の内部および
蒸気導管６６を通って圧力室５６に供給される。蒸気は
圧力室の壁に作用して、一般に加圧流体がこのような室
の内部で作用するのと同じ様に力を加える。しかしなが
ら、前記のように、圧力室５６の第１部材６０がロータ
２５を介してスラスト軸受５２に連結されているため、
第１部材６０の内面５８に加えられる力は軸方向前向き
の牽引力または引張力としてスラスト軸受５２に伝達さ
れ、これによりエンジン運転から生ずるこのような軸受
にかかる軸方向の力の少なくとも一部を逃がす。したが
って、第１部材６０の内部５８上に圧力を加える蒸気は
スラスト軸受に牽引力を与える。

第３図に示された本発明の形式の他の特徴は、たとえば
上記米国特許第４，５６９，１９５号に記載されている
ように効率増進のためにガスタービンエンジンの流体流
路１０に蒸気を圧力室５６から通す手段である。圧力室
５６内からの蒸気は、制御された状態で、たとえばシー
ル装置６４ａおよび６４ｂを通って、エンジンのタービ
ン部分の流体流路またはガス蒸気通路１０内に流入す
る。このような蒸気流は半径方向内側および外側のシー
ル装置から、それぞれ矢印７２ａおよび７２ｂで示すよ
うに、エンジン室６８および７０内に流れ、ついで種々
のエンジン構造および要素へと流れる。

第２図に示された本発明の形式の他の特徴は、圧力室５
６への加圧蒸気の流れを調節または制御するために、蒸
気導管４８または圧力室５６への蒸気入口配管の都合の
よい場所に弁４９のような蒸気流制御装置を設けること
である。一実施例において、このような弁は、運転中の
シール装置６４ａおよび６５ｂの摩耗の関数として少な
くとも部分的に操作することができる。というのは、こ
のようなシールの摩耗が生じると、一層多くの蒸気が圧
力室５６から流れて圧力室内の圧力が低下し、第２図の
５２のようなスラスト軸受に対する牽引力または作用を
減少する傾向があるためである。弁４９のような流れ制
御弁の操作は、軸受５２上の力または応力レベル、もし
くは他の状態の信号を受ける中央制御装置によって指令
することができる。これを達成するには、エンジン運転
状態およびエンジンならびにその関連した装置内のパラ
メータを感知して伝達するために、ガスタービン部分に
おいて使用される公知の信号感知および伝達技術並びに
手段を利用することができる。

第２図に示された本発明の形式のさらに別の特徴は空気
制御装置または弁５３によって制御される空気導管５１
を設けたことである。このような構造はエンジンを「乾
燥」状態で運転、すなわち上記米国特許第４，５６９，
１９５号に記載されているような出力および効率増進の
ための蒸気の注入を行わずに運転できるようにするため
に設けられる。このような「乾燥」状態での運転におい
ては、スラスト軸受５２は通常のガスタービンエンジン
におけるように軸方向のスラストを支えることができ
る。しかしながら、圧力室５６、ならびに室６８および
７０へ掃気用空気流または加圧空気流を供給することが
好ましい。たとえば、導管４８内の弁４９が閉鎖されて
蒸気が導管４８を通って流れていないとき、弁５３はた
とえば圧縮機のようなエンジンの上流側から抽気した加
圧空気を所望量だけ通すように開いて、導管５１を通っ
て室５６，６８，７０に流すことができる。

弁４９および５３の操作の統制および範囲は第２図の切
換装置または弁制御装置５５のような比較的簡単な流体
流制御装置によって達成することができる。たとえば、
切換装置はガスタービンエンジン制御技術において公知
の技術を使用して、「乾燥」運転と蒸気注入運転とを選
択するエンジン制御装置に含めることができる。さら
に、この蒸気と空気の部分的または完全な切換えは種々
の方法で流体流制御装置５５にプログラムすることがで
きる。これはたとえば出力タービンロータのスラスト軸
受の油ポンプの圧力の関数として変えることができる。
すなわち蒸気ピストンへの蒸気を、出力タービンのスラ
スト軸受の荷重が設計レベルより低いとき減少すること
ができる。他の形式においては、蒸気室圧力対出力ター
ビン入口ガス流圧力の比を蒸気弁の絞りによって設定し
て、ロータスラストに対する牽引力を制御することがで
きる。

本発明と、蒸気注入運転中の前述の高荷重状態に対して
設計しなければならない対の整合した荷重分担軸受のよ
うな一層複雑な機械的軸受の予測される性能との間の比
較計算を行った。比較計算によれば、本発明が、このよ
うな形式の複雑な機械的軸受装置に伴う危険および出力
損失なしに、ほゞ同じ熱効率をもつことを示した。また
比較計算によれば、本発明が、１％の出力損失をもつが
しかし危険を伴わずに、同様な形式の複雑な機械的テー
パーころ軸受による負荷分担装置とほゞ同じ熱効率の影
響を有することを示した。本発明の装置は一層確実に寿
命を予想しうる信頼性が高い装置であり、他の装置に関
連した大形の油供給装置およびポンプの取扱いを排除す
ることができる。

流れ制御弁５５の使用、この弁による第１図の蒸気源２
３からのような導管４８を通る加圧蒸気流の調整、およ
び導管５１を通る加圧空気流の調整は一般的にエンジン
運転の関数としてなされる。一例は、スロットルを蒸気
注入から「乾燥」すなわち無蒸気運転に引き戻すことに
よって、エンジン出力を減少する場合である。制御装置
５５は空気弁５３および蒸気弁４９を個々に操作してそ
れぞれの圧力を絞るように指令して、蒸気圧力が全エン
タルピー一定で減少し、蒸気過熱度が増加するようにす
る。このようにして、高圧過熱蒸気とそれより低たい空
気との混合気は凝縮を生ずることがない。別の例は、掃
気空気を用いた「乾燥」運転から蒸気注入運転へ向けて
スロットルを進めることによって、エンジン出力を増加
する場合である。高圧空気源または供給装置は過熱蒸気
が添加されるとき凝縮が生じないようにするのに十分な
高い温度に選択することができる。そのような制御およ
び統制はタービンエンジン技術において使用される公知
の形式のサイクル設計ならびに感知、導管および切換技
術を使用することによって達成することができる。

本発明を特定の例および実施例に関連して説明したが、
関連する種々の技術に通じた人々にとっては他の実施例
および変形を特許請求の範囲によって規定された本発明
の範囲から離れることなく行いうることは明らかであろ
う。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明を用いることのできる、出力タービン
を有する比較的簡単な形式のガスタービンエンジンの概
略図である。 第２図は本発明を実施したガスタービンエンジンの出力
タービンの部分断面図である。 第３図は本発明の形式を詳細に示す第２図の一部の拡大
図である。 「主な符号の説明」 １６：タービン装置 １８：出力タービン ２５：ロータ ５２：スラスト軸受 ５４：牽引式蒸気ピストン平衡装置 ５６：圧力室 ５８：回転する第１部材 ６２：非回転の第２部材 ６４ａ，６４ｂ：シール装置

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少くとも一つのロータスラスト軸受によっ
   て支持されたロータを含み、さらに前記スラスト軸受に
   連結され、蒸気注入運転により前記スラスト軸受から軸
   方向後向きの力の少なくとも一部を逃がす牽引式蒸気平
   衡装置を設けた蒸気注入式ガスタービンエンジンにおい
   て、 該牽引式蒸気平衡装置が、Ａ）前記ロータに連結されか
   つそれとともに回転する第１部材の少くとも一部によっ
   て形成された回転する内面、前記内面から軸方向後側に
   隔たって配置された非回転の第２部材、および前記回転
   する内面と前記非回転の第２部材との間のシール装置を
   有する圧力室、Ｂ）加圧蒸気を前記圧力室内に前記内面
   に向って供給して、前記内面および前記スラスト軸受に
   軸方向前向きの加圧力を加える加圧蒸気供給装置であっ
   て、少なくともエンジン運転の関数として前記圧力室へ
   の蒸気の流れを制御する蒸気流制御装置をそなえた加圧
   蒸気供給装置、ならびにｃ）蒸気を前記圧力室から当該
   エンジンの作動流体流路に通す装置を含むことを特徴と
   する、蒸気注入式ガスタービンエンジン。
2. 【請求項２】前記圧力室からの蒸気が前記シール装置を
   通って流れる、特許請求の範囲第１項に記載の蒸気注入
   式ガスタービンエンジン。
3. 【請求項３】前記第１部材および第２部材が、それぞれ
   タービン回転構造およびタービン非回転構造によって支
   持されたほゞ環状の相隔たる部材であって、前記シール
   装置とともにほゞ環状の圧力室を形成しており、前記シ
   ール装置が前記圧力室からの蒸気の流れを制御する半径
   方向内側および外側の流体圧力降下式シールよりなる、
   特許請求の範囲第１項に記載の蒸気注入式ガスタービン
   エンジン。
4. 【請求項４】加圧空気を前記圧縮機から前記圧力室に供
   給する装置、前記圧力室への前記加圧空気の流れを制御
   する空気流制御装置、ならびに蒸気流制御装置および前
   記空気流制御装置に作動的に連結され、エンジン運転の
   関数として前記圧力室への蒸気流および空気流を調整す
   る流体流制御装置を含む、特許請求の範囲第１項に記載
   の蒸気注入式ガスタービンエンジン。
5. 【請求項５】運転中にガスタービンエンジン作動流体の
   中へ蒸気を注入することにより付加的な軸方向スラスト
   力を受けるような蒸気注入式軸流ガスタービンエンジン
   を運転する方法において、 少なくとも前記蒸気注入による付加的なスラスト力を抑
   えるための加圧蒸気の供給源を設け、前記蒸気注入によ
   る付加的なスラスト力の方向とは反対の方向に前記加圧
   蒸気を牽引式蒸気ピストン平衡装置に供給し、前記牽引
   式蒸気ピストン平衡装置から前記ガスタービンエンジン
   の作動流体の中へ蒸気を漏出させて前記蒸気注入を補う
   ことを特徴とする方法。
6. 【請求項６】前記牽引式蒸気ピストン平衡装置への加圧
   空気の供給源を設け、エンジン運転の関数として前記牽
   引式蒸気ピストン平衡装置への加圧空気および加圧蒸気
   の流れを制御することを含む、特許請求の範囲第５項に
   記載の方法。
7. 【請求項７】前記空気の流れおよび前記蒸気の流れが、
   エンジン出力の減少時に全エンタルピー一定で蒸気圧を
   低下し蒸気過熱度を増大するように制御される、特許請
   求の範囲第６項に記載の方法。
8. 【請求項８】前記空気の流量および前記空気の温度なら
   びに前記蒸気の流量が、エンジン出力の増加時に蒸気か
   らの凝縮を防止するように制御される、特許請求の範囲
   第６項に記載の方法。
9. 【請求項９】前記加圧蒸気の流量が前記牽引式蒸気ピス
   トン平衡装置からの蒸気の漏出量の関数として変えられ
   る、特許請求の範囲第５項に記載の方法。
10. 【請求項１０】エンジン運転を蒸気注入運転と蒸気注入
    なしの運転との間で切り換えることを含み、蒸気注入運
    転のために蒸気が前記蒸気ピストン平衡装置に送り込ま
    れ、前記加圧空気および加圧蒸気の流れが蒸気注入運転
    と蒸気注入なしの運転との間の切換えに応じて制御され
    る、特許請求の範囲第６項に記載の方法。