JP2014533337A - 航空機転用型ガスタービンの低速旋回のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

航空機転用型ガスタービンのシャットダウン期間中に、低エネルギーでタービンロータの回転を維持して均一に冷却する。ガス発生器（２０）、ガス発生器タービン、出力タービンセクション、及び低速旋回装置（３３）を備え、低速旋回装置が、前記ガスタービンのシャットダウン後にタービンロータを回転運動状態に維持するよう設計及び構成された、航空機転用型ガスタービンが記載される。
【選択図】 図２

Description

本開示は、全体的に、ガスタービンに関し、詳細には航空機転用型ガスタービンに関する。

航空機転用型ガスタービンは、機械駆動用途の動力源として、並びに産業プラント、パイプライン、海洋プラットフォーム、ＬＮＧ応用分野、及び同様のもののための動力発生において広く使用されている。

ガスタービンは、例えば、緊急時及び短期間後の再始動時にシャットダウンされる可能性がある。タービンロータがシャットダウンに続いて静止状態のままでいるときに、ロータ部品とステータ部品の間のクリアランスの縮小又は除去を伴う熱変形が生じ、ロータ部品とステータ部品の間の摩擦又はロータロック現象の発生につながる可能性がある。熱変形は、複数の理由により均一温度場に関連していない。タービンが静止状態にあるときのロータの冷却は均一ではなく、自然対流現象、ロータの曲げ及び湾曲変形の発生に起因して、ロータの上側の部分の方が下側の部分よりも緩慢に冷却する。また、ロータとステータとの間のクリアランスの縮小は、シャットダウン中の二次流れ分布に関連する温度拡散により生じる可能性がある。タービンは、ロータが適切な温度場及び幾何形状になるまで再始動することはできない。この点では、航空機転用型ガスタービンの最も重要な部品は、圧縮機段のブレード先端であり、ステータとロータとの間に限定的なクリアランスが設けられる。

一部のタイプのガスタービン緊急シャットダウンにおいて、冷却プロセスは十分に長い時間を必要とし、その間、タービン及び機械駆動は、作動状態に入ることができない。このことは、相当な経済的損失をもたらし、及び／又は技術上又は管理上の問題を引き起こす可能性がある。

この問題を解決するために、シャットダウン期間中に低旋回条件でタービンロータの回転を維持して、従って、ロータの不均一な冷却を回避し、ロータがロックするのを防ぐようにすることが提案されている。これは、始動用電気モータを用いてタービンロータを駆動し回転させることにより行われることが多い。始動用電気モータは、駆動するのに大量の電気エネルギーを必要とする。一部の特定のプラント緊急シャットダウンにおいて、ＡＣ電流が利用可能ではなく、そのため始動用モータ又は何らかの高エネルギー消費の公共施設を用いることができない。

欧州特許出願公開第１９９０５１９号公報

本開示の実施形態は、低速旋回装置を備えた航空機転用型ガスタービンを含み、該低速旋回装置は、例えばバッテリなど、容量が限定的な電気エネルギー源を用いて給電することができる超低消費電力のモータによって駆動される。これにより、ガスタービンがシャットダウンしたときにガスタービンのガス発生器タービンを回転状態に維持して、ロータのロックを防ぎ、従って、タービンの再始動が実施可能になると直ちに再始動できるようになる。

本明細書で開示される主題の１つの実施形態によれば、ガス発生器タービン及び関連のケーシングを含むガス発生器と、出力タービンロータ及び関連のケーシングを含む出力タービンセクションと、ガス発生器タービンと選択的に係合した低速旋回装置とを備えた、航空機転用型ガスタービンが提供される。

一部の実施形態において、ガス発生器は、軸流圧縮機、燃焼器、高圧タービン及び関連のケーシング、シャフト、軸受、その他を含む。圧縮機ロータ及び高圧タービンロータは共に、ケーシング内で末端軸受により支持される共通シャフトを有するガス発生器タービンを形成する。低速旋回装置は、タービンシャットダウン後にガス発生器タービンを回転運動状態に維持するよう設計及び構成される。ガス発生器タービンの回転により、ロータの全部分が実質的に均一に冷却されるのが確保され、従って、ロータのロックが回避される。

一部の実施形態において、出力タービンは、ガス発生器と機械的に独立しており、すなわち、出力タービンセクションのロータ及びガス発生器タービンがインラインで配列されている。燃焼ガスは、高圧タービン内で部分的に膨張し、ガス発生器の圧縮機に動力を供給する。次いで、高圧タービンから流出する燃焼ガスは、出力タービンにおいて更に膨張して、出力タービンの軸及びこれに接続された負荷を回転駆動させる機械出力を提供する。従って、出力タービンにおいて膨張するガスから取り出される出力全体は、負荷を駆動するのに使用される。

一部の実施形態において、航空機転用型ガスタービンは、第１の圧縮機と第２の圧縮機を直列に含み、第１の圧縮機によって部分的に加圧される空気は、第２の圧縮機において更に圧縮される。これらのガスタービンは更に、高圧タービンと出力タービンを直列に含む。高圧タービンのロータと第２の圧縮機のロータがガス発生器タービンを形成する。高圧タービンのロータは、回転シャフトによって支持され、該回転シャフトは、ガス発生器タービンに同軸に延び、第１の圧縮機を回転駆動する。高圧タービンにおける燃焼ガスの膨張は、第２の圧縮機を駆動するための機械出力を発生し、出力タービンにおける燃焼ガスの更なる膨張は、第１の圧縮機と出力タービンに接続された負荷とを駆動する機械出力を発生する。

両方の構成において、低速旋回装置を設けることができ、ガスタービンのシャットダウン時にガス発生器タービンが低速旋回装置によって低速度で回転駆動されるようにする。

一部の実施形態において、低速旋回装置は、ガスタービンの補助ギアボックスのポートに接続される。より具体的には、好ましい実施形態によれば、低速旋回装置は、補助ギアボックスのポートのうちの１つに接続され、該補助ギアボックスは、タービンの航空機用途に提供されているが、例えば、発電、機械駆動、又は同様の用途など、産業用途の航空機転用型ガスタービンとしてタービンが使用される場合には未だ使用されていない。一部の実施形態において、低速旋回装置は、補助ギアボックスの燃料ポンプポートに接続される。

従って、本明細書で開示される主題は、ガス発生器及びガス発生器タービンを備え、更に、補助ギアボックス、該補助ギアボックス上の燃料ポンプポート、及び燃料ポンプポートに接続された低速旋回装置を備えた航空機転用型ガスタービンに関する。

一部の実施形態において、出力タービンセクションは、限定数の膨張セクション（例えば、２〜８又は６個の膨張セクション）を有する出力タービンを含み、各セクションは、タービンケーシングにより支持される固定ブレードのセットと、タービンロータにより支持される回転ブレードのセットとを含む。従って、出力タービンの軸方向長さが制限される。出力タービンの回転部分と固定部分との間には、比較的大きなクリアランスが設けられる。この両方の要因は、何らかの可能性があるロータ湾曲並びに出力タービンセクションにおけるロータとステータとの間の機械的干渉の全体の低減をもたらす。従って、出力タービンロータの低速旋回は、通常は必須ではない。

本明細書で開示される別の主題は、緊急シャットダウン後のガスタービンのロータ旋回のための低速旋回装置であって、該低速旋回装置は、例えば、電気モータ、ギアボックス、及びギアボックスの低速出力部材に捩り拘束され、作動位置と非作動位置との間を選択的に移動可能である可動出力シャフトなどの作動装置を備える。可動出力シャフトは、滑動出力シャフトとすることができる。

別の態様によれば、ガス発生器タービン及び出力タービンを有するガス発生器を備えた航空機転用型ガスタービンにおいて、シャットダウン時にロータのロックを制限する方法であって、シャットダウン時に、ガス発生器タービンを低速旋回装置に機械的に接続するステップと、タービンが再始動するまで、又はガス発生器タービンが所定温度に冷却されるまで、ガス発生器タービンの冷却中に低速旋回装置を用いて低速度でガス発生器タービンを回転させるステップと、を含む。

低速旋回速度は通常、１５０ｒｐｍ未満、好ましくは１００ｒｐｍよりも低い。好ましい実施形態において、本方法は、低速旋回装置を航空機転用型ガスタービンの補助ギアボックスの燃料ポンプポートに接続するステップを含み、該ポートは、航空機転用型ガスタービンのガス発生器タービンに接続されている。

特徴要素及び実施形態は、本明細書において以下で開示され、更に、本明細書の不可欠な部分を形成する添付の請求項において記載される。上記の簡単な説明は、以下の詳細な説明をより深く理解することを目的とし、更に当該技術分野に対する本発明の寄与をより評価できるようにするために、本発明の種々の実施形態の特徴を記載している。勿論、以下で説明され、添付の請求項に記載される本発明の他の特徴も存在する。この点において、本発明の幾つかの実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の実施形態は、以下の説明で記載され又は図面中に例示される構成の詳細及び構成部品の配列に適用することに限定されない点は理解される。本発明は、他の実施形態が可能であり、及び種々の方法で実行及び実施することができる。また、本明細書で利用された用語及び表現は、説明の目的のものであり、限定としてみなすべきではない点を理解すべきである。

従って、開示事項のベースとなる概念は、本発明の幾つかの目的を実行する他の構造、方法、及び／又はシステムを設計するための根拠として容易に利用することができることは、当業者であれば理解されるであろう。従って、本発明の請求項は、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱しない範囲においてこのような均等な構成を含むものとみなすことが重要である。

本発明の開示される実施形態並びにその付随する利点の多くのより完全な理解は、添付図面を参照しながら検討したときに、以下の詳細な説明を参照することによってより十分に理解することから得られるであろう。

例えば圧縮機又は圧縮機トレインなどの汎用作業機械に組み合わされた航空機転用型ガスタービンの概略部分側断面図。 図１の航空機転用型ガスタービンの断面図。 １つの実施形態における、ガスタービンの補助ギアボックス及びこれに取り付けられた組み合わせ低速旋回装置の斜視図。 １つの実施形態における、低速旋回装置の部分側断面図。 低速旋回装置の構成要素の斜視図。 図５の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図。 別の実施形態における低速旋回装置の断面図。 本明細書で開示される主題による低速旋回装置を備えた航空機転用型ガスタービンの別の実施可能な実施形態の概略図。 本明細書で開示される主題による低速旋回装置を備えた航空機転用型ガスタービンの別の実施可能な実施形態の概略図。 本明細書で開示される主題による低速旋回装置を備えた航空機転用型ガスタービンの別の実施可能な実施形態の概略図。

添付図面を参照して例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明を行う。異なる図面における同じ参照符号は、同じ又は同様の要素を示している。加えて、図面は必ずしも縮尺通りに描かれているとは限らない。また、以下の詳細な説明は本発明を限定するものではない。むしろ、本発明の範囲は、添付の請求項によって定義される。

本明細書を通して「１つの実施形態」又は「実施形態」として言及することは、実施形態に関連して説明される具体的な特徴、構造、又は特性が本開示の主題の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書全体を通じて様々な箇所で表現「１つの実施形態では」又は「ある実施形態では」が出現するが、必ずしも同じ実施形態について言及している訳ではない。更に、具体的な特徴、構造、又は特性は、１つ又はそれ以上の実施形態においてあらゆる好適な様態で組み合わせてもよい。

図１は、例示的な実施形態において、作動機械３（例えば、発電機、遠心圧縮機、又は他の何れかの負荷）に動力を供給するよう構成された航空機転用型ガスタービン１を示している。遠心圧縮機３は、駆動するのに航空機転用型ガスタービン１からの機械的動力を必要とするガス液化システム又は他の何れかの機械のための冷凍ガス圧縮機とすることができる。一部の実施形態において、機械３を駆動することになる航空機転用型ガスタービン１を始動させるために、始動モータ（例えば、電気モータ、油圧モータ、空気モータ、又は同様のもの）も設けられる。

一部の実施形態において、航空機転用型ガスタービン１は、タービンの低温端部の下方の補助ギアボックス上に配列される始動油圧モータ１Ａ（図示しないが、ポンプ及び電気モータによって動力供給される）を備える。

ここで図２を参照すると、一部の実施形態において、航空機転用型ガスタービン１は、入口を備えた圧縮機前方フレーム又はベルマウス１１と、ケーシング１３と、シャフト１６上に回転可能に支持され且つケーシング１３内に配列されるロータ１４とを有する、圧縮機セクション９を含む。圧縮機ロータ１４上の回転ブレード及びケーシング１３上の固定ブレードにより、空気がベルマウス１１を通って吸引されて加圧され、圧縮機セクション９の出口に送給されるようになる。出口１５は、燃焼器１７と流体連通している。圧縮機セクション９から出た加圧空気は、ガス又は液体燃料と共に燃焼器１７内に送給される。

燃焼器１７は、高圧タービン１９と流体連通している。高圧タービン１９は、燃焼ガスがそこを通って流れ、圧縮機セクション９を駆動する動力を供給することによって回転駆動される。圧縮機を駆動するために、利用可能な動力の一部だけが高圧タービン１９により使用される。高圧タービン１９から出た高温ガスは、更に加圧され、航空機転用型ガスタービンの下流側セクションにて機械出力を発生するのに使用されることになる。圧縮機セクション９、燃焼器１７及び高圧タービン１９の組み合わせは通常、ガス発生器と名付けられ、図面において全体的に符号２０で示される。

圧縮機セクション９のロータ１４と高圧タービン１９のロータは共通シャフト１６上に配列され、共に接合されてガス発生器タービンを形成する。

ガス発生器２０により発生して高圧タービン１９から出るガスは、下流側の出力タービンセクションを通って流れ、ガスに含まれるエネルギーが機械的エネルギーに部分的に変換される。

図面に示した例示的な実施形態において、出力タービンセクションは、ステータ２１Ｓ及びロータ２１Ｒを含む低圧出力タービン２１を備える。図面に例示した実施形態において、出力タービン２１のロータ２１Ｒは、タービンシャフト２２上に支持されてこれに捩り接続され、該タービンシャフト２２は、ガス発生器のシャフト１６とは機械的に分離されている。

図２に示した例示的な実施形態は、低速６段出力タービンを含む。他の実施形態は、高速出力タービン、例えば、高速２段出力タービンを含むことができる。符号２３にて出力タービンを出る排気ガスは、コジェネレーション目的で使用され、又は単に大気中に放出することができる。

航空機転用型ガスタービンは、ＬＭ２５００＋Ｇ４ ＬＳＰＴ又はＬＭ２５００航空機転用型ガスタービンとすることができ、双方とも米国オハイオ州Ｅｖｅｎｄａｌｅ所在のＧＥ Ａｖｉａｔｉｏｎから市販されている。他の実施形態において、航空機転用型ガスタービンは、例えば、イタリア国Ｆｌｏｒｅｎｃｅ所在のＧＥ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓから市販されているＰＧＴ２５＋Ｇ４航空機転用型ガスタービン、又は米国テキサス州Ｈｏｕｓｔｏｎ所在のＤｒｅｓｓｅｒ−Ｒａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙから市販されているＤｒｅｓｓｅｒ−Ｒａｎｄ Ｖｅｃｔｒａ（登録商標）４０Ｇ４航空機転用型ガスタービンとすることができる。他の実施形態において、航空機転用型ガスタービンは、ＰＧＴ２５＋、ＰＧＴ１６、ＰＧＴ２０（全てイタリア国Ｆｌｏｒｅｎｃｅ所在のＧＥ Ｏｉｌ ａｎｄ Ｇａｓから市販されている）、又はＬＭ６０００航空機転用型ガスタービン（米国オハイオ州Ｅｖｅｎｄａｌｅ所在のＧＥ Ａｖｉａｔｉｏｎから市販されている）とすることができる。

一部の実施形態において、航空機転用型ガスタービンシャフトは、機械３を直接、すなわち直接機械接続で駆動し、機械３が航空機転用型ガスタービンの出力タービンセクションと同じ速度で回転するようにすることができる。他の実施形態において、ギアボックスは、出力タービンのシャフトと機械３のシャフトとの間に配列することができる。この特定の配列は、使用される出力タービンの種類（高速又は低速）、及び／又は機械３の回転速度に基づいた設計考慮事項によって決まる。

一部の実施形態において、航空機転用型ガスタービンは、アクセサリギアボックス（ＡＧＢ）３１と名付けられる場合もある補助ギアボックス３１を含む。図示の例示的な実施形態において、補助ギアボックス３１は、ガスタービンの低温端部にて配列され、より具体的にはガス発生器２０の圧縮機前方フレーム１１の下方に配列される。補助ギアボックス３１は、一連のギア（図示せず）によりガス発生器２０のシャフト１６に接続される。図示の実施形態において、始動用油圧モータ１Ａが補助ギアボックス３１に接続される。

航空用途において、タービンは、ジェットエンジンとして使用され、液体燃料により作動される。液体燃料は通常、補助ギアボックス３１に配列され且つシャフト１６により回転される出力ギアを介して駆動される燃料ポンプにより送給される。補助ギアボックスは、燃料ポンプの接続のため燃料ポンプポートを備える。従って、ガス発生器タービンの回転が燃料ポンプに伝達される。これにより燃焼器に向かう燃料流の連続性が確保され、タービンが連続して稼働し続けることになる。タービンが産業用途の航空機転用型タービンとして使用されるときには、燃料ポンプを駆動するのに設けられる補助ギアボックス３１のポートは、使用されないままであり、カバーによりシール閉鎖される。例えば、ＬＭ２５００ガスタービンの設置設計マニュアル（ＩＤＭ）では、このようなポートはＡ１７ポートと名付けられている。

一部の実施形態によれば、航空機転用型ガスタービンを回転させるための低速旋回装置３３は、シャットダウン後の冷却中、補助ギアボックス３１に、具体的には通常は燃料ポンプを駆動するのに設けられたポートに組み合わされる。

次に、低速旋回装置３３の１つの実施形態について、図３〜６を参照して説明する。参照符号３５は、低速旋回装置３３が接続される補助ギアボックス３１のポートを示す。補助ポート３５は、ギア３９に捩り連結された機械加工中空シャフト３７を備える。上述のように、運動伝達構成、例えば、歯付きホイールのセット（図示せず）が、ガス発生器のシャフト１６とギア３９との間に設けられる。

図面に例示した実施形態において、低速旋回装置３３は、ポート３５の内部機械加工された中空シャフト３７に捩りり連結されたフランジ４１を備える。一部の実施形態において、フランジ４１は、外部スプラインシャフト４３及びロック機構を用いて内部スプライン付き中空シャフト３７に捩り及び軸方向接続される。一部の実施形態において、ロック機構は、錘台形状とすることができる内部膨張器４２を備える。内部膨張器４２は、ネジ付きピン４２Ｐを係合する中央ネジ孔４２Ｈを有する。図５に示すように、内部膨張器４２及びピン４２Ｐは、外部スプラインシャフト４３の貫通孔４３Ｈ内に両側から導入される。孔４３Ｈの内径は、内部膨張器４２の最大直径よりも小さく、その結果、ネジ付きピン４２Ｐ用いることによる内部膨張器の牽引によって外部スプラインシャフト４３の半径方向の膨張が生じ、該膨張は、外部スプラインシャフト４３内に機械加工される長手方向スリットにより促進される。図面に例示した実施形態において、外部スプラインシャフト４３は、フランジ４１と一体的に形成される。図示しない他の実施形態において、外部スプラインシャフト４３及びフランジ４１は、２つの別個に機械加工された要素から作られて、その後で互いに捩り接続されてもよい。

フランジ４１は、ギアボックス４５を通じて電気モータ５７により回転駆動される可動シャフト４４へのクラッチ接続部を含む。シャフト４４は、スプラインシャフト４３を係合又は係合解除するよう移動可能である。一部の例示的な実施形態において、シャフト４４は、滑動移動が与えられている。従って、以下では可動シャフト４４は滑りシャフト４４としても示される。

一部の実施形態において、クラッチ接続部は、複数の弓形スロット４７を備える。図示の実施例においては、４つのスロット４７が設けられている。弓形スロット４７の形状は、図６を見たときに最もよく理解することができ、図６は、図５における線ＶＩ−ＶＩに沿った１つの弓形スロットの断面図を示している。各弓形スロット４７は、フランジ４１の前面４１Ａから該フランジの内部に向かって延びた傾斜底面４７Ａを有する。各弓形スロット４７の傾斜底面４７Ａは、以下で明確になる目的のためにそれぞれのピン４９と協働するカム輪郭を形成する。ピン４９は、ディスク５１から突出し、該ディスクは、モータ駆動式ギアボックス４５の滑りシャフト４４の第１の端部に捩り係合される。

滑りシャフト４４は、例えば、キースロット構成又はスプライン結合によって、軸方向に滑動可能であるがスリーブ５２に捩り方向で拘束されるようにスリーブ５２内に滑動可能に係合される。滑りシャフト４４は、スリーブ５２と一体的に回転するが、両矢印ｆ４４に従って滑動することができる。スリーブ５２は、モータ駆動式ギアボックス４５のハウジング５３内に回転可能に支持される。スリーブ５２は、電気モータ５７により回転駆動される。ギア−ウォーム構成（図示せず）により、回転運動が電気モータ５７からスリーブ５２に好適な減速比で伝達される。

モータ駆動式ギアボックス４５及びスリーブ５２は、補助ギアボックス３１に接続される。１つの実施形態において、モータ駆動式ギアボックス４５は、補助ギアボックス３１に片持ち式に拘束され、スペーサ５９が、ハウジング５３と、ポート３５上に設けられ且つこれに接続されたカバー６１との間に配列される。

滑りシャフト４４の第２の端部は、減速機５５のハウジング５３の外にアクチュエータ６５に向かって延びる。アクチュエータ６５は、中空スペーサ６７を介してハウジング５３上に支持され、該スペーサ内には滑りシャフト４４の第２の端部が延びる。アクチュエータ６５は、電気アクチュエータ６５、電磁アクチュエータ、又はロック装置としての役割を果たす弾性部材の動作に抗して滑りシャフトを軸方向に変位させるのに好適な他の何れかのアクチュエータとすることができる。一部の実施形態において、弾性部材は、バネ６９、例えば、スリーブ５２又はこれに一体化された当接部材と、滑りシャフト４４上のショルダー７１との間に配列された螺旋圧縮バネである。弾性部材６９は、係合解除位置、すなわち、ピン４９がフランジ４１の弓形スロット４７から係合解除される位置に滑りシャフト４４３を付勢する。

上記の低速旋回装置３３の動作は以下の通りである。航空機転用型ガスタービンが作動しているときには、アクチュエータ６５は遮断されている。滑りシャフト４４は、弾性部材６９により非係合位置に維持され、その結果、ピン４９は、付属のフランジ４１に対して非係合状態になる。従って、弾性部材６９は、滑りシャフト４４及びディスク５１をロック位置に維持し、すなわち、フランジ４１に対して非係合位置に押し込むので、ロック装置として機能する。

航空機転用型タービンがシャットダウンになると、低速旋回装置３３が作動する。アクチュエータ６５が作動すると、矢印ｆ４４に従って滑りシャフト４４をポート３５に向けて押し出し、ピン４９が弓形スロット４７を係合するようになる。弓形スロット４７の傾斜底面４７Ａにより形成されるカム輪郭は、ピン４９とスロット４７の相互係合を可能にする。モータ５７が始動し、スリーブ５２、シャフト４４、ピン４９、フランジ４１、及び外部スプラインシャフト４３を介してギア３９を回転駆動する。回転運動は、ガス発生器２０のシャフト１６に伝達され、ガス発生器２０が低速回転の状態で維持されるようにする。従って、圧縮機１４のロータ及び高圧タービン１９のロータを含むガス発生器タービンは、タービンが再度始動するまで、又は上側部分と下側部分との間の温度差によるロータの湾曲が無視できるプロファイルのような機械温度に達するまで、低速回転状態で維持される。

エネルギー消費を低減するために、モータ５７を用いたタービンの低速回転が開始されると、アクチュエータ６５を遮断することができる。弾性部材６９がピン４９を弓形スロットから係合解除するのを防ぐための好適な手段を設けることができる。これは、例えば、ピンと弓形スロット４７の側壁の好適な摩擦力により、又はピンと弓形スロット４７の側壁を適宜に成形することによって達成することができる。

航空機転用型ガスタービンは、比較的軽量の機械である。減速機５５により好適な減速比が提供された場合、ガス発生器２０のシャフト１６は、低出力の電気モータ５７により低速度で回転を維持することができる。一部の実施形態において、例えば、０．１と１．５ｋＷの間、及び好ましくは１．０ｋＷ未満の出力を有する比較的小型の電気モータにより、０．１と１５０ｒｐｍの間の回転速度を達成し維持することができる。好ましいｒｐｍ値は、０．１と１．５ｋＷの間、例えば、０．３と１．０ｋＷの間、好ましくは０．３と０．６ｋＷの間の定格出力を有する電気モータ５７を用いて、１０と５０ｒｐｍの間、例えば、１８と３０ｒｐｍの間に及ぶ。上述の数値は例証として与えられたものであり、限定として解釈すべきではないことを理解されたい。

従って、電気モータ５７は、商用電力が利用可能でない場合でも、バッテリ又は他のデバイスなどの緊急電気エネルギー源によって給電することができる。緊急電気エネルギー源は、図２において符号５８で概略的に示されている。

ガス発生器２０のロータの低旋回速度は、高圧タービンセクション並びに軸方向圧縮機セクション９の両方においてロータの上側及び下側部分の間の温度差に起因したロータの湾曲を低減し且つロックを回避するのに十分なものである。タービンが再始動すると、弓形スロット４７の傾斜底面４７Ａにより形成されるカム輪郭は、スプラインシャフト４３の回転速度が滑りシャフト４４の速度を超えると該滑りシャフト４４をフランジ４１から自動的に係合解除する。電気モータ５７は停止することができる。弾性部材６９は、滑りシャフト４４の後方移動を助け、タービンが再始動したときにロック装置が低速旋回装置３３の意図しない再係合を阻止する役割を果たす。従って、低速旋回装置３３の損傷が回避される。

図７は、修正の実施形態における低速旋回装置３３の断面を示す。図４と同じ参照符号は、同じ又は同様の構成要素を示している。この実施形態において、滑りシャフト４４は、ロック装置１０１により図に例示する係合解除位置にロックされる。ロック装置１０１は、滑りシャフト４４内に形成された環状シート４４Ｓに突出する複数の球形要素１０２を備える。各球形要素１０２は、中空ピン１０３内に部分的に収容され、そこから環状シート４４Ｓ内に突出する。螺旋バネ１０４は、各ピン１０３内に収容され、球形要素１０２を半径方向に弾性的に押し付けて、この球形要素１０２を環状シート４４Ｓ内に係合状態で維持する。

環状シート４４Ｓは、略半径方向に当接する壁と、半径方向に当接する壁からアクチュエータ６５に向かって延びる略円錐形の傾斜した壁とを有する形状にされる。この構成は、タービンの低速転動が必要となったときに、滑りシャフト４４が係合位置のフランジ４１に向かって移動する間、アクチュエータ６５がバネ１０４の力に打ち勝つのに十分な軸方向スラスト力をもたらし、これにより球形要素１０２が環状シート４４Ｓの円錐壁に沿って転動するようになるまで、球形要素１０２を介してバネ１０４により作用するスラスト力が、滑りシャフト４４を係合解除位置で維持するようなものである。滑りシャフト４４がフランジ４１に接近し、ピン４９が弓形スロット４７内に係合すると、球形要素１０２が滑りシャフト４４の円筒形外面部分と接触し、バネ１０４は、滑りシャフト４４に作用するどのような軸方向の力ももはや発生しなくなる。アクチュエータ６５は、遮断することができる。

低速旋回のある期間の後、ガスタービンが再度始動するときには、滑りシャフト４４は、バネ４９に働く弓形スロット４７の傾斜底面４７Ａの作用と球形要素１０２に働くバネ１０４の半径方向の力の組み合わせにより、図７に示す係合解除されたロック位置に戻される。スプラインシャフト４３の回転速度が滑りシャフト４４の回転速度を上回ることに起因して、ピン４９は、弓形スロットの傾斜底面４７Ａによって作用する軸方向スラスト力により、最初に弓形スロット４７の外に押し出される。滑りシャフト４４の軸方向後方移動により、球形要素１０２が再度スロット４４Ｓの傾斜円錐面に係合するようになる。従って、バネ１０４により作用する半径方向スラスト力は、図７の最終の引き出し位置に再度達するまで、滑りシャフト４４を更に後方に移動させる。次いで、ロック装置１０１は、アクチュエータ６５が再度作動するまで、滑りシャフト４４を引き出し位置に保持する。

一部の実施形態において、回転中のガス発生器タービン２０がケーシングに触れて抵抗トルクを発生する場合、例えば、圧縮機ブレードの先端が圧縮機ケーシングの内面に擦れる場合に、タービンの低速旋回を阻止するために安全制御装置を設けることができる。

一部の例示的な実施形態において、この安全制御装置は、低速旋回モータ５７とガスロータシャフト２０との間、例えば、低速旋回モータ５７と滑りシャフト４４との間のクラッチ部により機械的に提供される。

他の実施形態において、機械的制御装置と組み合わせて、又は代替として、電気的制御装置を設けることもできる。タービンの低速旋回を電気的に制御及び停止する１つの方法は、電気モータ５７によって取り込まれた電力を制御することに基づく。一部の実施形態において、図２に概略的に図示され、符号６０で表記された制御ユニット及び電流センサ（図示せず）を設けることができる。電流センサは、モータ５７により取り込まれる電流に比例した信号を提供する。上記の電流は、モータにより取り込まれる電力に比例する。検出電流に比例する値は、閾値と比較することができ、電流閾値を超えていた場合には、電気モータ５７の通電を切り、従って、タービンの低速旋回を停止させることができる。

これにより、低速旋回装置の作動上の安全性が向上する。

本明細書で上述されたガスタービンは、圧縮機と、第１のシャフトにより圧縮機に駆動可能に接続される高圧タービンと、第１のシャフトとは別個の第２のシャフト、すなわちガス発生器シャフトによって支持される出力タービンと、を備える。本明細書で上述された低速旋回装置と組み合わせて、他の航空機転用型ガスタービン構成を用いることができる。

図８は、互いに流体連通して順次的に配列されたターボ機械、すなわち、低圧圧縮機２０１、高圧圧縮機２０３、高圧タービン２０５、及び低圧タービン２０７から構成される、航空機転用型ガスタービン２００を概略的に示している。最初に、外気が低圧圧縮機２０１において中間圧まで圧縮されて、高圧圧縮機２０３に供給され、該高圧圧縮機が、空気を最終圧力に圧縮する。燃焼室２０８において、高圧圧縮機２０３により供給された圧縮空気流に燃料が加えられる。燃焼室２０８からの高圧高温の燃焼ガスは、高圧タービン２０５及び低圧タービン２０７において順次的に膨張される。高圧タービン２０５は、第１のシャフト２０９を介して高圧圧縮機２０３に機械的に接続される。高圧タービン２０５におけるガス膨張によって発生する機械出力は、高圧圧縮機２０３を駆動するのに使用される。第２のシャフト２１１は、第１のシャフト２０９を同軸に通って延びて、低圧圧縮機２０１及び低圧タービン２０７を機械的に接続する。低圧タービン２０７におけるガス膨張によって発生する機械出力は、低圧圧縮機２１１を回転させるのに部分的に使用される。これ以上の機械出力は、負荷２１５、２１７を駆動するのに使用される。図示の実施形態において、第２のシャフト２１１は、ギアボックス２１９を介して負荷２１５、２１７に機械的に接続される。負荷２１５、２１７は、例えば、駆動シャフト２２１により回転される第１の圧縮機２１５及び第２の圧縮機２１７を備えた圧縮機トレインにより形成することができる。

補助ギアボックス３１が高圧圧縮機２０３の低温端部に設けられる。この補助ギアボックス３１は、液体燃料ポンプの駆動用の燃料ポンプ駆動ポートを備える。ガスタービンが産業用途で使用されるときには、図８に示す実施形態と同様に、補助ギアボックス３１の燃料ポンプポートを使用して、低速旋回装置３３を接続するようにする。低速旋回装置３３は、図３〜７を参照して上記で説明したように設計することができる。低速旋回装置３３は、高速圧縮機２０３、シャフト２０９及び高圧タービン２０５から構成されるガス発生器タービンを低速旋回条件下に維持する。

図９は、低速旋回装置３３を含むガスタービンレイアウトの別の実施形態を示す。図９の実施形態において、ガスタービン３００は、互いに流体連通して順次的に配列されたターボ機械、すなわち、低圧圧縮機３０１、高圧圧縮機３０３、高圧タービン３０５、第１の低圧タービン３０７、及び第２の低圧タービン３１０を備える。外気が低圧圧縮機３０１において圧縮され、中間冷却器３０２において冷却されて、最終圧縮のため高圧圧縮機３０３に供給された後、燃焼室３０８に送給され、ここで圧縮空気流に燃料が加えられる。燃焼室３０８からの高圧高温の燃焼ガスは、高圧タービン３０５、第１の低圧タービン３０７、及び第２の低圧タービン３１０において順次的に膨張される。高圧タービン３０７
は、第１のシャフト３０９を介して高圧圧縮機３０３に機械的に接続される。高圧タービン３０５におけるガス膨張によって発生する機械出力は、高圧圧縮機３０３を駆動するのに使用される。第２のシャフト３１１は、第１のシャフト３０９を同軸に通って延びて、低圧圧縮機２０１及び第１の低圧タービン３０７を機械的に接続する。第１の低圧タービン３０７におけるガス膨張によって発生する機械出力は、低圧圧縮機３１１を回転させるのに使用される。第１の低圧タービン３０７からの燃焼ガスは、第２の低圧タービン３１０において更に膨張され、この第２の低圧タービン３１０のシャフト３１１は、第２のシャフト３１１からは機械的に分離され、負荷３１５を駆動する。第２の低圧タービン３１０の回転速度が負荷３１５の回転速度とは異なる場合には、２つのターボ機械の間にギアボックス３１９を配置することができる。

補助ギアボックス３１は、高圧圧縮機３０３の低温端部に設けられ、低速旋回装置３３は、補助ギアボックス３１のポート、例えば、液体燃料ポンプを駆動するのに設けられるポートに接続される。低速旋回装置３３は、図３〜７を参照して上記で説明したように設計することができる。作動時には、低速旋回装置３３は、ガス発生器タービンを低速旋回条件下に維持し、該ガス発生器タービンは、第１のシャフト３０９、高速圧縮機３０３、及び高圧タービン３０５から構成される。

図１０は、低速旋回装置３３をガスタービンレイアウトの別の実施形態を示す。図１０の実施形態において、ガスタービン４００は、互いに流体連通して順次的に配列されたターボ機械、すなわち、第１の低圧圧縮機４０１、第２の低圧圧縮機４０３、高圧圧縮機４０５、高圧タービン４０７、第１の低圧タービン４０９、及び第２の低圧タービン４１１を備える。外気は、３つの圧縮機４０１、４０３、４０５による３段圧縮プロセスで順次的に圧縮される。第１の低圧圧縮機４０１と第２の低圧圧縮機４０３との間、及び第２の低圧圧縮機４０３と高圧圧縮機４０５との間に、中間冷却器４０２、４０４をそれぞれ設けることができる。燃焼室４１２において燃料が圧縮空気に混合され、結果として生じる燃焼ガスが、高圧タービン４０７において、及び２つの低圧タービン４０９、４１１において順次的に膨張される。高圧タービン４０７のガス膨張により回収される出力は、第１のシャフト４１３を介して高圧圧縮機４０５を駆動するのに使用される。第２のシャフト４１５は、第１の低圧タービン４０９を第２の低圧圧縮機４０３に接続し、第１のシャフト４１３の内部で同軸に延びる。従って、第１の低圧タービンにおける燃焼ガスの膨張により回収される出力は、第２の低圧圧縮機４０３を駆動するのに使用される。第２の低圧タービンは、第３のシャフト４１７を通じて第１の低圧圧縮機４０１に機械的に接続される。第２の低圧タービン４１４によって回収される機械出力の一部は、第１の低圧圧縮機４０１を回転させるのに使用される。シャフト４１７上の残りの出力は、負荷４２０を駆動するのに使用される。負荷４２０が第２の低圧タービン４１４の速度と異なる回転速度で回転することになる場合には、第３のシャフト４１７と負荷４２０との間にギアボックス４２３を設けることができる。

補助ギアボックス３１は、高圧圧縮機４０５の低温端部に設けられ、低速旋回装置３３は、補助ギアボックス３１のポート、例えば、液体燃料ポンプを駆動するのに設けられるポートに接続される。低速旋回装置３３は、図３〜７を参照して上記で説明したように設計することができる。ガス発生器タービンは、第１のシャフト４１３、高速圧縮機４０５、及び高圧タービン４０７から構成され、タービンのシャットダウン後の低速旋回装置３３による回転で維持される。

本明細書で記載される主題の開示された実施形態は、幾つかの例示的な実施形態と関連して特異性及び詳細事項に関して図面において示され、且つ上記で十分に説明されたが、新規の教示事項、本明細書で記載された原理及び概念、並びに添付の請求項に記載の主題の利点から実質的に逸脱することなく、多くの修正、変更、及び省略が可能であることは理解されるであろう。従って、開示された発明の適正な範囲は、全てのこのような修正、変更、及び省略が含まれるように、添付の請求項を最も広く解釈することによってのみ決定すべきである。加えて、あらゆるプロセス又は方法ステップの順序又は配列は、代替の実施形態に応じて変更され、又は再配列することができる。

１ 航空機転用型ガスタービン
１Ａ 始動油圧モータ
９ 圧縮機セクション
１１ 圧縮機前方フレーム又はベルマウス
１３ ケーシング
１４ ロータ
１５ 出口
１６ シャフト
１７ 燃焼器
１９ 高圧タービン
２０ ガス発生器
２１ 出力タービン
２１Ｓ ステータ
２１Ｒ ロータ
２２ タービンシャフト
２３ 排気ガス
３１ 補助ギアボックス
３３ 低速旋回装置
５７ 電気モータ
５８ 緊急電気エネルギー源
６０ 制御ユニット

Claims (29)

1. 航空機転用型ガスタービンであって、ガス発生器（２０）、ガス発生器タービン、出力タービンセクション、及び低速旋回装置（３３）を備え、前記低速旋回装置が、前記ガスタービンのシャットダウン後に前記ガス発生器タービンを回転運動状態に維持するよう設計及び構成されている、航空機転用型ガスタービン。
2. 前記航空機転用型ガスタービンが補助ギアボックス（３１）を備え、前記低速旋回装置（３３）が、前記補助ギアボックス（３１）と選択的に係合及び係合解除される、請求項１に記載の航空機転用型ガスタービン。
3. 前記低速旋回装置（３３）が、前記補助ギアボックスの燃料ポンプポートと選択的に係合及び係合解除される、請求項２に記載の航空機転用型ガスタービン。
4. 前記補助ギアボックスが、前記ガス発生器タービンに駆動可能に接続される、請求項２又は３の何れかに記載の航空機転用型ガスタービン。
5. 中空スプラインシャフト（３７）を有する補助ギアボックス（３１）を備え、前記中空スプラインシャフト（３７）に第１のクラッチ部（４１、４３）が回転可能に係合され、第２のクラッチ部（５１）が、前記第１のクラッチ部（４１、４３）と選択的に接続及び接続解除される、請求項１に記載の航空機転用型ガスタービン。
6. 前記第１のクラッチ部がスロット（４７）を含み、前記第２のクラッチ部が、前記スロット（４７）と選択的に係合されるピン（４９）を含み、或いはその逆でもよい、請求項５に記載の航空機転用型ガスタービン。
7. 前記低速旋回装置（３３）が、該低速旋回装置（３３）を前記ガス発生器タービンに選択的に係合するためのアクチュエータ（６５）を含む、請求項１〜６の何れかに記載の航空機転用型ガスタービン。
8. 前記アクチュエータ（６５）が、タービンシャットダウン時に通電されるように制御及び構成された電気アクチュエータである、請求項７に記載の航空機転用型ガスタービン。
9. 前記低速旋回装置（３３）が、電気モータ（５７）と、可動シャフト（４４）と、これらの間にギアボックスとを含み、前記可動シャフト（４４）は、前記可動シャフトが前記ガス発生器タービンに係合される作動位置と、前記可動シャフト（４４）が前記ガス発生器タービンから係合解除され非作動位置との間を選択的に移動可能である、請求項１〜７の何れかに記載の航空機転用型ガスタービン。
10. 前記可動シャフト（４４）が、前記低速旋回装置（３３）のギアボックス（４５）の低速出力部材（５２）内に滑動可能に収容される、請求項９に記載の航空機転用型ガスタービン。
11. 前記可動シャフト（４４）が、ロック装置（６９；１０１）によって前記非作動位置に保持され、前記アクチュエータ（６５）が、前記ロック装置（６９；１０１）の動作に反して前記可動シャフト（４４）を前記非作動位置から前記作動位置に選択的に移動させるよう構成及び制御される、請求項８及び１０の何れかに記載の航空機転用型ガスタービン。
12. 前記低速旋回装置（３３）に動力を供給するための緊急エネルギー源（５８）を備える、請求項１〜１１の何れかに記載の航空機転用型ガスタービン。
13. 前記緊急エネルギー源が、蓄電池（５８）を含む、請求項１２に記載の航空機転用型ガスタービン。
14. 前記ガス発生器タービンに作用する抵抗トルクが閾値を上回った場合に、前記低速旋回装置（３３）を非作動にする制御装置を備える、請求項１〜１３の何れかに記載の航空機転用型ガスタービン。
15. 航空機転用型ガスタービンのガス発生器タービンを前記ガスタービンのシャットダウン後に旋回させるための低速旋回装置（３３）であって、
    電気モータ（５７）と、
    ギアボックス（４５）と、
    前記ギアボックス（４５）の低速出力部材（５２）に捩り拘束され、作動位置と非作動位置との間で選択的に移動可能である可動シャフト（４４）と、
    を備える、低速旋回装置（３３）。
16. 前記可動シャフト（４４）が、前記低速出力部材（５２）内に滑動可能に収容される、請求項１５に記載の低速旋回装置。
17. 前記非作動位置に前記可動シャフト（４４）を保持するロック装置（６９；１０１）と、
    前記ロック装置（６９；１０１）の動作に反して前記可動シャフト（４４）を前記非作動位置から前記作動位置に選択的に移動させるよう構成及び制御されたアクチュエータ（６５）と、
    を備える、請求項１５又は１６の何れかに記載の低速旋回装置。
18. 前記電気モータに給電するための緊急エネルギー源（５８）を備える、請求項１５〜１７の何れかに記載の低速旋回装置。
19. 前記緊急エネルギー源が、蓄電池（５８）を含む、請求項１８に記載の低速旋回装置。
20. 前記ガス発生器タービンに作用する抵抗トルクが閾値を上回った場合に、前記低速旋回装置を非作動にする制御装置を備える、請求項１５〜１９の何れかに記載の低速旋回装置。
21. ガス発生器タービン及び出力タービン（２１）を有するガス発生器（２０）を備えた航空機転用型ガスタービンにおいて、該ガスタービンのシャットダウン時に前記ガス発生器タービンのロックを制限又は阻止する方法であって、
    シャットダウン時に、前記ガス発生器タービンを低速旋回装置に機械的に接続するステップと、
    前記タービンが再始動するまで、又は前記ガス発生器タービンが選択温度条件に達するまで、前記ガス発生器タービンの冷却中に前記低速旋回装置（３３）を用いて低速度で前記ガス発生器タービンを回転させるステップと、
    を含む、方法。
22. 前記ガス発生器タービンが、前記航空機転用型ガスタービンの補助ギアボックス（３１）を通じて前記低速旋回装置（３３）に接続されている、請求項２１に記載の方法。
23. 前記ガス発生器タービンが、前記航空機転用型ガスタービンの燃料ポンプポートを通じて前記前記低速旋回装置（３３）に接続されている、請求項２１又は２２の何れかに記載の方法。
24. 緊急エネルギー源（５８）を用いて前記低速旋回装置に動力を供給するステップを更に含む、請求項２１〜２３の何れかに記載の方法。
25. 緊急蓄電池（５８）を用いて前記低速旋回装置に電力を供給するステップを更に含む、請求項２１〜２４の何れかに記載の方法。
26. 前記ガス発生器タービンが、冷却中に、１５０ｒｐｍ未満、好ましくは１と１５０ｒｐｍの間、より好ましくは１０と５０ｒｐｍの間、更に好ましくは１８と３０ｒｐｍの間を含む回転速度に維持される、請求項２１〜２５の何れかに記載の方法。
27. 前記ガス発生器タービンに作用する抵抗トルクが閾値を上回った場合に、前記ガス発生器タービンの回転を停止するステップを含む、請求項２１〜２５の何れかに記載の方法。
28. 前記低速旋回装置によって取り込まれる電力に比例するパラメータを検出し、前記電力が閾値を超えた場合に前記低速旋回装置を停止させるステップを更に含む、請求項２７に記載の方法。
29. 緊急電気エネルギー源を用いて前記低速旋回装置に電力を供給するステップを更に含む、請求項２１〜２８の何れかに記載の方法。