JP2003505636A - タービンエンジン - Google Patents

タービンエンジン

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JP2003505636A
JP2003505636A JP2001511295A JP2001511295A JP2003505636A JP 2003505636 A JP2003505636 A JP 2003505636A JP 2001511295 A JP2001511295 A JP 2001511295A JP 2001511295 A JP2001511295 A JP 2001511295A JP 2003505636 A JP2003505636 A JP 2003505636A
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マイケル、エイ、ウィルソン
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マイケル、エイ、ウィルソン
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Abstract

(57)【要約】 効率性を向上させたタービンエンジン及びタービンエンジンのための方法は、ロータ（２５）と、圧縮ステージ（６３）と燃焼ステージ（６５）と膨張ステージ（６７）あるいはタービンステージを通過して延在する流体流路（３１）とを有し、流体は流体流路をロータを駆動しながら通過して流れる。タービンエンジンは、１以上のステータ−ロータ−ステータ（２４−２５−２６）アセンブリを有し、タービンブレード（５７／５８）を備えた平坦ロータディスクを使用する。燃焼中に流体を捕捉することにより、流体を燃焼中ほぼ一定の容積に維持する一方、温度と圧力を上昇させることができる。流体はロータに複数回入り、タービンエンジンの移動部品をエンジンサイクルの異なる部分に周期的に露出させ、移動部品の平均温度を下げて、より高い圧縮比と燃焼温度が得られるようにする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、効率性を向上させたタービンエンジンに係る。
【０００２】
【従来の技術】
現在タービンエンジンは周知であり、現在周知のタービンエンジンは、例えば
ピストンタイプの内燃エンジンのようなエンジンにはないいくつかの利点を有し
ている。尤もこの種の内燃エンジンは、タービンエンジンには含まれない有用な
特徴を有する。
【０００３】 周知のように、典型的なタービンエンジンは、流体流が通過するよう規定され
た圧縮及び燃焼ステージを利用し、燃焼にほぼ一定の高圧力を利用し（少なくと
も多くのタービンエンジンにおいては、実際に利用可能な圧力は圧縮器を通過す
る逆流（すなわち圧縮失速）、及び必要な高圧力の実現に要求されるいくつかの
ステージの物理的な寸法により制限されている）、回転軸に略平行なエンジンを
通過する主要方向流を有している（遠心圧縮器には周囲構成要素が見受けられる
が、これらの構成要素はエンジンの連続するステージ間の流体の進行を提供する
ものではない）。
【０００４】 熱機関の効率性は、加えられる熱の操作温度と直接関係すること、操作圧力の
上昇は、通常、操作温度をを上昇させること、及び熱機関は加熱処理中に流体を
拘束することにより更に効率的なものとなることが知られている。これらは全て
効率性を向上させるものであり、上記事項は、作動流体の、あるいはその中の燃
焼により熱が加えられる熱機関に適用可能であることがわかっている。加熱中に
作動流体をほぼ一定の容積に拘束することは、例えば内燃エンジンには普通であ
るが、この方法は現在周知のタービンエンジンには利用されていない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】 現在周知のタービンエンジンは、普通は、燃焼中の圧力上昇に耐えることがで
きない。これは、付随する温度の上昇が許容範囲を超える水準に至るため、及び
／または圧縮器の出口の圧力を上回る圧力の上昇は圧縮器へ圧力を逆流させ、こ
のような圧力逆流はしばしば圧縮器を失速させる結果となるためである。
【０００６】 パルスジェットエンジンにおいては、例えば燃焼処理中に燃焼室と圧縮器／入
口との間に障壁を介在させることにより、燃焼中の温度と圧力を圧縮器により提
供される温度と圧力より上昇させて、圧縮器／入口の失速を防いで操作効率性を
高めている。また、ピストン駆動内燃エンジンにおいても、全般にこれと同様の
考え方で、燃焼中ほぼ一定の容積を提供するように操作されるピストンを備えた
吸入バルブ及び排気バルブを使用して、操作効率性を高めている。しかし、上記
方法はこれまで現在周知のタービンエンジンには利用されていない。
【０００７】 タービンエンジンにおいては、最高操作温度は、典型的には、燃焼器の出口で
生じる。これは通常エンジンのタービン部の入口でも同様であり、タービン部の
材料や表面はしばしば連続的に最高許容操作温度、あるいはそれに近い温度を受
ける。
【０００８】 現在周知のタービンエンジンのタービン部における材料の最高許容温度強度は
、タービンの効率性の少なくとも重要な決定因のひとつである。このため、この
ようなエンジンは、その効率性が、タービン部における材料の耐高温能力により
制限されている（現在周知のタービンエンジンにおける効率性を向上させること
は、タービン部の材料の高温強度を改良することで実現可能ではあるが、実際に
は常に達成できるものではなく、及び／またはしばしば非常に費用のかかるもの
である）。
【０００９】 従って、タービンエンジンに現在のところ見受けられない効率性を向上させる
ための従来周知のタービンエンジンにおける改良点（例えば、米国特許第１、２
８９、９６０号、米国特許第４、６９３、０７５号、米国特許第３、８７７、２
１９号、及び米国特許第３、６８５、２８７号に記載）が、有用であると理解さ
れ、及び／または必要とされている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、改良された効率性を向上させたタービンエンジンと、ロータと、圧
縮ステージと燃焼ステージと膨張ステージあるいはタービンステージを通過して
延在する流体流路とを有し、流体がロータを駆動しながら流体流路を流れるター
ビンエンジンのための方法を提供する。
【００１１】 タービンエンジンは、１つ以上のステータ−ロータ−ステータアセンブリを有
し、本発明の好適な実施の形態においては、タービン羽根を備えた平坦ロータデ
ィスクを使用して、製造を単純化し、且つタービン羽根の隙間の規定と維持が単
純化されている。
【００１２】 燃焼中の圧力が、圧縮器の、すなわち圧縮ステージにおける圧力以上に上昇す
ると、燃焼器、すなわち燃焼ステージから圧縮器への圧力の逆流が防止されて、
燃焼器で利用可能な高圧力が得られ、燃焼中に利用される高温を得ることが可能
となり、エンジンの効率性が向上する。
【００１３】 圧縮ステージと燃焼ステージ間の弁作用を実現し、圧力が逆流することなく圧
縮流体を前方移送するために、圧縮ステージにおいて圧縮された流体を、ロータ
のタービン羽根の間の拘束流部に捕獲することにより、流体は燃焼ステージから
圧縮ステージへ逆流することが略不可能とされる。こうして燃焼ステージにおけ
る流体は温度と圧力が上昇する一方、燃焼中ほぼ一定の容積が維持され、更に良
好な効率性が得られる。一定容積の燃焼は、弁調節及び／または流路の拘束流領
域の使用により、更に増大することができる。
【００１４】 タービンエンジンの移動部品が受ける平均温度を実質的に下げ、高い圧力比と
燃焼温度を得て良好な効率性をもたらすために、流体流は好適には周方向であり
、流体はロータを複数回ロータを通過し、あるいは再び入って、タービンエンジ
ンの移動部品をエンジンサイクルの異なる部分に周期的に露出させる。
【００１５】 効率性を向上させたタービンエンジンは 複数のチャンバを有する少なくとも
１つのステータと、隣接するロータを備え、圧縮ステージと、燃焼ステージと、
膨張ステージとを有し、通常操作中、前記圧縮ステージと前記燃焼ステージとの
間に差圧を生じるユニットを有する。燃焼ステージで燃焼させる燃焼発生器が設
けられ、流体流路は、ステータと隣接するロータの間に延在し、圧縮ステージと
燃焼ステージを通過して延在する。ロータは、流体流路内に配設された羽根を有
し、羽根の間に流体を収容し、羽根の間に収容された流体を圧縮ステージと燃焼
ステージの間に移送し、流体を燃焼中ほぼ一定の容積に維持することを可能にし
ている。
【００１６】 タービンエンジンユニットは、第１及び第２のステータを備えてもよく、流体
流路の構成は、第１のステータを通過して延在する第１の部分と、第２のステー
タを通過して延在する第２の部分と、ロータを通過して延在する第３及び第４の
部分を有する。流体流路の第３部分を通過する流体は、流体流路の第４部分を通
過する方向と反対方向であり、流体流路に沿って移動する流体は、流路に沿った
流体流により前記ロータを運動させるようにロータを複数回通過する。圧縮ステ
ージ及び燃焼ステージは、通常操作中圧力が規定され、燃焼ステージにおける圧
力は、燃焼中、前記圧縮ステージへ流れることがほぼ不可能とされ、燃焼中、燃
焼ステージにおける圧力は圧縮ステージにおける流体の圧力より高い圧力に上昇
することができる。
【００１７】 第１及び第２のステータの間に配置されたロータは、半径方向に互いに隣接し
て位置する第１グループ及び第２グループのタービン羽根を有する。第１及び第
２のステータからの流体流は、ロータを通過してタービン羽根の各グループに複
数回係合する。
【００１８】 ステータ及びロータは、好適にはディスクであり、ロータディスクは第１及び
第２のステータの間に配置されタービン羽根を有している。調節可能の間隔制御
装置は、第１及び第２のステータディスクに連結され、第１及び第２のステータ
ディスクの間の操作間隔の調節を可能にしている。
【００１９】 間欠露出コントローラが設けられ、タービンエンジンを通過する混合流体流を
実現することにより、前記ロータの前記表面の高温への露出が制御される。
【００２０】 圧縮ステージと、圧縮ステージからの流体を収容する燃焼ステージとを有する
タービンエンジンにおいてタービンエンジンの効率性を向上させる方法は、流体
流をタービンエンジンの圧縮ステージと燃焼ステージに提供する工程と、燃焼ス
テージにおける流体の圧力を圧縮ステージにおける流体の圧力より上昇させる工
程と、燃焼ステージにおける圧力が圧縮ステージへ逆流することを防ぎ、燃焼ス
テージで高い圧力の使用を可能にする工程とを有している。
【００２１】 以上から理解されるように、本発明の目的は、前記利点と有利な効果を提供す
ることにより、改良された効率性を向上させたタービンエンジンとそれに関連す
る方法を提供することである。
【００２２】 本発明の更なる目的は、圧縮ステージと、燃焼ステージと、膨張ステージ、あ
るいはタービンステージを有し、効率性を向上させるべく流体流がそれらを通過
する改良されたタービンエンジンと方法を提供することである。
【００２３】 本発明の更なる目的は平坦ロータディスクを有する改良された効率性を向上さ
せたタービンエンジンを提供することである。
【００２４】 本発明の更なる目的は、内部に周方向の流れを有する１つ以上のステータ−ロ
ータ−ステータアセンブリを備え、流体はロータに複数回入ってタービンエンジ
ンの移動部品をエンジンサイクルの異なる部分に露出させる、改良された効率性
を向上させたタービンエンジンを提供することである。
【００２５】 本発明の更なる目的は、圧力が圧縮ステージに逆流することが略不可能となる
よう流体流が制御され、燃焼ステージにおいて高圧力を利用できるようにした、
改良された効率性を向上させたタービンエンジンを提供することである。
【００２６】 本発明の更なる目的は、燃焼ステージにおける流体は温度と圧力が上げられる
とともに、燃焼中ほぼ一定の容積が維持される、改良された効率性を向上させた
タービンエンジンを提供することである。
【００２７】 当業者には説明に従って明らかとなるこれら及びその他の利点と有利な効果と
ともに、本発明は部品の新規な構造、組合わせ、配置、及び以下に述べる方法に
係るものであり、更に詳細には、添付の請求項で規定されるが、本明細書で開示
される明確な実施の形態における変更は、請求項の範囲に含まれるものであるこ
とが理解されなくてはならない。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
【００２９】 添付図面は、本発明の原理の実用化のための最良の態様による本発明の完全な
実施の形態を説明するものである。
【００３０】 改良された効率性を向上させたタービンエンジン２０を図１から図９に示す。
図２に最もよく示すように、エンジン２０は、好適には、単独のステータ−ロー
タ−ステータアセンブリ２１を有し、また、図１及び図２に最もよく示すように
、タービンエンジンは小型でコンパクトで質量の少ないものである。
【００３１】 図２に最もよく示すように、タービンエンジン２０は、上部ステータ２３と、
下部ステータ２４と、これら上部ステータと下部ステータの間に配置されたロー
タ２５とを有する。ロータの上部プレート２６及びロータの下部プレート２７は
ロータの対向する側面に配置されている。ロータ２５は、ロータに連結されロー
タとともに回転が拘束されるハブ２８を有する。ハブ２８はロード取付ナット２
９を介して従来の出力ドライブに連結可能となっている。
【００３２】 流体流路３１がタービンエンジン内に規定され、流体は流体入口すなわち注入
口３３を介して流路に挿入され、流体出口すなわち排気口３４を介して流路から
排気される。燃焼発生器３６は上部ステータ２３に設けられ、図示のように、燃
料挿入器すなわち噴射器３８、及び点火栓３９を有していてもよい。
【００３３】 図２に最もよく示すように、ロータ２５は、好適には、上部ステータ２３と下
部ステータ２４（ステータ２３及び２４はセラミックでもよい）の間に配置され
た平坦ロータディスクである（ディスクもセラミックでもよい）。ステータディ
スクは、維持リング４１により、互いに対して間隔を置いた関係に保持されてい
る。ステータディスク間の間隔は、間隙制御ドライブ４６（図１）により制御さ
れるジャックスクリュー４５（図２）を有する間隔制御装置４３により制御され
る。
【００３４】 図１乃至図９に示す本発明の実施の形態においては、ロータ２５はエンジンス
ピードで動く唯一の部品である。図２に示すように、ロータ２５は、回転軸とな
る２つの内部高速ベアリング４７に取り付けられている。ベアリングは、上部ス
テータ２３に一体に形成されているか、あるいはその他の方法で上部ステータに
取り付けられている固定ステータ軸４９に支持されている。ロータの垂直位置は
、ロータディスクの上部及び下部表面の空気軸受作用により支持される。
【００３５】 流体流路３１は、図２に示され、上部ステータ２３を通過して延在する第１部
分５１と、下部ステータ２４を通過して延在する第２部分５２と、ロータ２５の
他の範囲、あるいは部分を通過して延在する第３及び第４部分５４、５５を有す
る。
【００３６】 図３及び４に示すように（図３はロータの外周部のみを示す半透明不等角斜視
図であり、図４は同じくロータの外周部のみを示す上面図である）、ロータ２５
は、その内部に２つのタービン羽根グループ５７、５８を有し、羽根はロータの
外周部付近の内側リング６0及び外側リング６１に配置され、各タービン羽根グ
ループは第３経路５４、及び第４経路５５のうちの異なる一方のの経路を通過す
る。
【００３７】 図５に示すように、タービン羽根は流体流に反応し、羽根が回転していない場
合、流体流の障害となるよう構成され、形成されている。各タービン羽根の対向
する端、すなわちエッジは、ストレスレベルを減少させるように上部プレート２
６及び下部プレート２７に取り付けられ、固定されており、タービン羽根グルー
プ５７（内側リング６０側）は、流体流路３１の部分５４を通過する上向きの周
方向の流れが、ロータを時計回り方向に駆動するような角度で取り付けられ、タ
ービン羽根グループ５８（外側リング６１側）はタービン羽根グループ５７が取
り付けられている角度と対向する角度で取り付けられて、流体流路３１の部分５
５を通過する下向きの周方向の流れも、ロータを時計回り方向に駆動するように
なっている。
【００３８】 タービンエンジンの、単独のステータ−ロータ−ステータアセンブリの実施の
形態においては（図１乃至図９に図示）、圧縮ステージと、燃焼ステージと、膨
張ステージとを含むエンジンサイクル全体は、ロータの各回転中に、連続的及び
／または間欠的に発生する。上部ステータ及び下部ステータを通過する流体（通
常は空気）の流れは、図６及び図７の矢印により最もよく示され、複合流は図８
の矢印により最もよく示されている。図８は吸入口３３から排気口３４への流体
流に関する圧縮ステージ６３と、燃焼ステージ６５と、膨張ステージ６７も、特
に示している。
【００３９】 流体流は、下部ステータ２４の吸入口３３でエンジンに入り、ロータ２５の内
側リング、すなわち部分５４を上向きに通過し、螺旋形態のまま周方向に上部ス
テータ２３を通過し、前方向及び下方向にロータ２５の外側リング、すなわち部
分５５を通過し、次いで前方向及び上方向に下部ステータ２４を通過して流れる
。流体の進行は螺旋状で、上部ステータ２３においては、図６に示すように、周
方向外方への流れで、下部ステータ２４においては、図７に示すように、内方へ
の流れである。
【００４０】 図８に示すように、複合流れは、圧縮ステージを通過して、周方向に、燃焼ス
テージに向かって圧縮及び圧力を増しながら、吸入口においては上向き（符号１
）、外側リングにおいては下向き（符号２）、上向き（符号３）等となる。図８
に示すように、燃焼ステージの後、流体が排気口を介して排気されるまで、膨張
ステージにおいて、同様に漸次拡大される流路を通過して、膨張が進行する。
【００４１】 特に示していないが、ロータの上部プレート及び／または下部プレートに、必
要に応じて、流体流を制御するため、及び／または流体を迂回させるための適切
な弁を使用できることが理解されなくてはならない。
【００４２】 圧縮及び膨張時に、流路を可能な限り大きく保持するために、流体流は実用上
最低の速度に維持される。空気力学的演算から上記の流体（空気）の流れの特徴
が説明され、これらの演算により、タービンを通過する流れが、圧縮の通常の方
向においては一定の低速度で、且つ膨張処理においては毎秒２００メートル以下
である条件下では、流路の面積は容積圧縮に比例することが示される。
【００４３】 所与の入口範囲、及び固定した流速について、連続的な圧縮処理においては、
流れの容積がロータ内では同一の自由容積である、すなわち羽根の間の容積に羽
根の速度を掛けたものが、流れの容積となるというポイントがある。適切な設計
上の選択により、条件は所望の圧縮比が実現される流れの同ポイントとなる。
【００４４】 図９は、流体流がロータの運動により、捕獲あるいは拘禁流領域内にある状態
を示している。拘禁流領域では、捕獲された流体（空気）が実質的に外部に漏れ
ないように、ステータはロータと羽根に十分に密着している。更にこの拘禁領域
は、圧縮処理と燃焼処理を分断するものであるので、圧縮ステージの追加負荷と
なる逆流を発生させることなく、任意の所望の燃焼処理を利用することができる
。
【００４５】 流れが羽根の間で捕獲されている時間中に、燃料の噴射や点火等により燃焼さ
せることにより、ほぼ一定の容積燃焼を実現することができる。あるいは、より
遅い燃焼が所望の場合には、図９に示すように、拘禁領域の後、流路を必要に応
じた断面を有する燃焼室内へ膨張させて、所望の燃焼時間を実現する。
【００４６】 単独のステータ−ロータ−ステータアセンブリ（図１乃至図９）を使用する本
発明の実施の形態においては、製造時に、特に精度を必要とする４つの表面があ
る。ロータの上部及び下部、及びステータの上部及び下部の境界面は、空気軸受
が精密に平坦でなければならず、また、燃焼処理付近の領域において、平坦性を
、時間の経過及び温度の上昇に対して維持するように、十分に堅くなくてはなら
ない。この問題の重要性は、平坦ロータディスクが短い寸法の流路（およそ１ｃ
ｍ）を有すること、及び高圧力下の領域が非常に小さいこと（１００ＨＰ設計で
、おおよそ４０ｃｍ２あるいは６×６平方インチ）により軽減される。
【００４７】 上部ステータ２３の外側エッジに前ネジ山を設け、下部ステータ２４に逆ネジ
山を設けることにより、ステータとロータ間の間隙は、維持リングを回転するこ
とにより、空気軸受隙間まで縮小することができる。ステータに相対的な維持リ
ングの一方向の回転により、ステータ同士は互いに近づき、反対方向の回転によ
り、エンジン隙間が拡大される。
【００４８】 図２に示すジャックスクリュー４５、及び図１に示す間隙制御装置４６を用い
ることにより、操作中の維持リングの動作は実用的なものとなる。この手段によ
り、唯一の重要なエンジントレランス、すなわちロータとステータ間の隙間を、
エンジンの寿命を通じて消耗を補償すべく調整することができ、操作中所望の場
合に、より高い性能が提供される。エンジンにおけるトレランスの残りは、性能
に重大な影響を与えるものではないので、エンジン産業に共通の規格を利用して
もよい。
【００４９】 燃焼ステージの出口は、第２拘禁領域を通過することが可能であり、あるいは
排気タービンに直接つなぐこともできる。ある流れが燃焼処理から排気タービン
に至ることができれば、エンジンは速力０でトルクを発生する。低速トルクは、
燃焼処理において存在する流れの低圧力状態により制限されるが、依然として、
一定の容積燃焼処理から任意の有効な圧縮比／速度で得られるエネルギの実質的
な部分である。低速では、圧縮ステージはほとんど圧力を生じないため、ほとん
どエネルギが必要なく、また、摩擦損失が少ないため、利用できるトルクのほぼ
全てが軸出力となる。
【００５０】 低圧縮エンジンにおいては、中継エンジン隙間セッティングが、エンジン使用
の多数のサイクルに亘って利用することができる。高圧縮比で作動するエンジン
について、エンジン始動中の圧縮器の失速は、重大な問題である。圧縮器の失速
は、圧縮器のその後のステージが、高圧力が高速で実現されるまで、必要な大量
の流れを達成できないために生じる。低速では、低圧力ステージの大量の流れ能
力は、更なる圧力上昇を防止する圧縮器の失速より後のステージ及び先のステー
ジの能力を超える。
【００５１】 積極的な間隙制御（例えばコンピュータプログラムあるいはタイマーを用いて
、例えば自動制御間隙ドライブ４６を設ける等）により、起動時及び低エンジン
スピード時にエンジン隙間を開放することで、この問題を克服することができる
。開放されたエンジン隙間により、過剰な流れ能力が漏出して分散され、圧縮器
の失速が防止される。速度と圧力が上昇するにつれ、圧縮器の後方部の大量流れ
能力が上昇し、最適の性能を実現すべく隙間を漸次締めることができる。
【００５２】 図１乃至図９に示す発明の実施の形態は、４つの主要部と、４つの精度平坦表
面と、単純で軽量の（１００馬力エンジンについておよそ７５ポンド）付属品の
みを有する単純なものである。エンジンは、更に、同圧縮比で動作する現在周知
のエンジンに対して、およそ実質３０パーセントの熱力学的利点、非常に少ない
摩擦損失、連続トルク、ゼロ速度トルク、低いタービンストレス、材料の熱的有
利性、及び単純な製造方法という利点を有する。
【００５３】 熱力学的利点は、ほぼ一定の容積燃焼及び周囲圧力に戻る膨張により生じ、非
常に少ない摩擦損失は空気軸受シールの使用により生じる。エンジンは本質的に
平衡であり、単独の燃料噴射器、及び点火栓のみを必要とする単独の燃焼室から
連続トルクを提供することができる。
【００５４】 燃焼室と圧縮器を分離する拘禁流領域は、更に、有意零速度、及び低速のトル
クの発生を含むエンジンサイクルの性質上の効果を有する。低速では、圧縮器は
ほとんどエネルギを必要としないので、摩擦損失は少なく、使用可能なトルクの
ほぼ全ては軸出力となる。
【００５５】 タービン羽根は、エンジン操作サイクルの全ての部分を経験するため、平均流
温度で（現在周知のタービンエンジンに典型的な最高流温度ではなく）動作する
。羽根はその両端を支持されているので、唯一の重要な寸法であるシーリングの
寸法は、小さく、且つ調整可能である。寸法が小型で、その寸法の作成に伴う部
品が少ないことにより、温度及び時間の両方について安定性がもたらされ、調整
が可能なことにより製造が非常に単純化される（空気軸受表面の最終仕上げは初
期操作中の摩耗により達成できる）。
【００５６】 改良された効率性を向上させたタービンエンジンは、複数のロータ−ステータ
−ロータアセンブリを用いて、実現することもできる。特に弁を設けて、燃焼ス
テージから圧縮器ステージへの圧力の逆流を防いだり、燃焼ステージにおいて流
体を拘束し、燃焼中ほぼ一定の容積を生じさせたり、１かそれ以上の複数のロー
タ−ステータ−ロータアセンブリのロータに流体を複数回通過させたり、及び／
または表面を高温流に間欠的に露出させるための間欠露出コントローラを用いる
ことに関する。
【００５７】 図１０に示す本発明の実施の形態において、タービンエンジン７０は、ロータ
７４とステータ７５とを有する複数段の（図示では３段の）圧縮器、すなわち圧
縮ステージ７２と、燃焼器、すなわち燃焼ステージ７７と、ロータ８１とステー
タ８２と中心体８４を有する複数（図示では２つ）のタービン７９と、燃焼発生
器、すなわち点火栓８６と、ハウジング８８とを備えている。燃焼入口バルブ９
０及び燃焼出口バルブ９２も示されている。
【００５８】 燃焼入口バルブ９０は、圧縮器の圧力が燃焼器の圧力を超えた場合に、圧縮器
７２から燃焼器７７への流体流を可能にし、また、燃焼器の圧力が圧縮器の圧力
を超えた場合、これは燃焼中に発生するが、燃焼器７７から圧縮器７２への逆流
を防ぐ。このことにより、燃焼器の圧力が非常に有効なものとなり、より良好な
操作効率性が得られる。
【００５９】 燃焼出口バルブ９２は、利用される場合、燃焼中に燃焼器の流体をほぼ一定の
容積に拘束するために、点火の直前に閉まるよう制御される（燃焼器の圧力が圧
縮器の圧力を超えた場合に、燃焼入口バルブ９０の閉鎖と共同して流体の逆流を
防ぐ）。これにより、温度が上昇し、燃焼入口バルブだけで使用する利用可能な
圧力以上の圧力が得られる。燃焼出口バルブ９２を、燃焼入口バルブ９０の閉鎖
に先立って閉めることにより、燃焼圧力の音響向上も提供される。
【００６０】 図１０に示すような弁の他に、あるいはその代わりに、図１０に示すように１
つ以上のステータ−ロータ−ステータアセンブリは、図１１及び図１２に示すよ
うに、流体をロータに複数回通過させるように構成された流体流路９４を有して
もよい。図１１及び図１２の矢印で示されるように、流体はエンジンの軸を中心
として、周方向に螺旋状に流れるようにされる（すなわち、流体流は、活動ステ
ージの平面を、同活動ステージに複数回遭遇して、複数回通過する）。各ロータ
は、ステータプレート間に捕捉された羽根を備えた単独のロータとして製造する
ことができ、且つ圧力の複数ステージ及び出力送出を提供できることが理解され
る。
【００６１】 表面を異なった温度の流れに間欠的に露出することにより、露出される表面が
受ける全体の平均温度が下がり、また、同じ材料を燃焼室出口の温度などの高温
だけにさらす場合、そうでない場合より高い温度を用いることができ、タービン
エンジンの効率性を向上させることができる。間欠露出は、少なくとも１つの間
欠燃焼を用いたり、エンジン内の熱い及び冷たいバイパスの流路の温度を間欠的
に変換するための流れ変換バルブを用いる流れ転換を利用したり、周方向の分断
により得られる混合流により実施することができる。
【００６２】 図１３に示すように、間欠燃焼は、図１０に示すタービンエンジン７０（図示
の弁の有無は問わない）における、燃料噴射器９６と点火栓９７として示される
燃焼発生器９５を使用することにより実現できる。点火の中断により燃焼が終了
し、動作中の流体流が冷却される。
【００６３】 図１４に示すように、流れ転換は、流れがエンジン内を通過する際に、熱伝導
流と冷却バイパス流の流路を間欠的に変換するための流れ変換バルブを使用する
ことによって実現できる。図１４に示すように、熱い流れ及び冷たい流れは、内
部ハウジング９９（燃焼流１０１と冷たいバイパス流１０２を分離する）と、流
れ変換バルブ１０４を使用することにより、互いに半径方向に分離される。
【００６４】 流れ変換バルブは、排気タービンの内部を通過する熱い流れと外部を通過する
冷たい流れを保持することで直線通過流を提供するか、あるいは熱い燃焼流が排
気タービンの外部を通過し、冷たい流れがタービンの内部を通過する変換流を提
供する。
【００６５】 変換バルブの間欠操作により、排気タービンのほぼ全てを通過する混合流が提
供され、排気タービン内の全ての表面は、非常に高温の燃焼が可能な一方、低い
平均温度で動作することができる。本実施の形態においては、圧縮器のバイパス
部は、燃焼室の出口端の圧力と調和しているので、流れ変換バルブの操作圧力差
は非常に小さい。
【００６６】 図１５に示すように、混合流は熱い流れ、及び冷たい流れを周方向に分断する
ことによっても実現できる。放射状の壁１０６により、燃焼流１０８と冷たいバ
イパス流れ１０９は、同一の環状リング１１１に沿って互いに平行となる。ター
ビンの羽根の運動は周方向であるので、羽根は回転の度に、高温の流れから冷た
い流れを数回通過する。従って、タービンの回転要素は、間欠的に非常に高温の
燃焼があっても、低い平均温度を経験する。これによりステータ要素が冷却され
ない一方、ステータはより低いストレスレベルで動作し、従って高温にもよりよ
く耐えることができる。
【００６７】 以上から理解されるように、本発明は、向上した効率性を有する改良されたタ
ービンエンジン、及びタービンエンジンにおける向上した効率性を提供するため
の改良された方法を提供するものである。
【００６８】
【発明の効果】
タービンエンジンの効率性は、熱が加えられる温度に直接関連するため、燃焼
における圧力、従って温度を上昇させることにより、及び／または燃焼工程中に
流量を拘束することにより、タービンエンジンをより効率的にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の単独のステータ−ロータ−ステータアセンブリを有するタービンエン
ジンの斜視図である。
【図２】 図１のタービンエンジンの側断面図である。
【図３】 図２のロータの斜視図である。
【図４】 図２及び図３のロータの上面図である。
【図５】 図４の５−５線に沿ったロータの断面図である。
【図６】 図２のロータの上部プレートの上面図である。
【図７】 図２のロータの下部プレートの上面図である。
【図８】 図２のロータと上部ステータ及び下部ステータを通過する流体流を示す単純化
した上面略図である。
【図９】 ロータと、圧縮ステージ及び燃焼ステージ間の捕獲流領域を備えたステータを
示す拡大部分側面図である。
【図１０】 弁を結合した複数のステータ−ロータ−ステータアセンブリを有するタービン
エンジンの切り欠いた側面図である。
【図１１】 図１０のタービンエンジンの流体がロータを複数回通過していることを示す流
体流端図である。
【図１２】 図１１の１２−１２線に沿った断面図である。
【図１３】 図１０のタービンエンジンの間欠燃焼の使用を示す切り欠き側面図である。
【図１４】 図１０のタービンエンジンの流転換の使用を示す切り欠き側面図である。
【図１５】 図１０のタービンエンジンの周方向分離を用いた混合流の使用を示す端面図で
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，Ｅ Ａ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ， ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，Ｇ Ｅ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ， ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，Ｍ Ｎ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ， ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，Ｚ Ｗ

Claims (36)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数のチャンバを有する少なくとも１つのステータと、隣接するロータを備え
    、圧縮ステージと、燃焼ステージと、膨張ステージとを有し、通常操作中、前記
    圧縮ステージと前記燃焼ステージとの間に差圧を生じるユニットと、 前記燃焼ステージで燃焼させる燃焼発生器と、 前記少なくとも１つのステータと前記隣接するロータの間に延在し、前記圧縮
    ステージと燃焼ステージを通過して延在する流体流路とを備え、 前記ロータは、前記流体流路内に配設された羽根を有し、前記羽根の間に流体
    を収容し、前記羽根の間に収容された流体を前記圧縮ステージと前記燃焼ステー
    ジの間に移送し、流体を燃焼中ほぼ一定の容積に維持することを可能にすること
    を特徴とする効率性を向上させたタービンエンジン。
  2. 【請求項２】 前記差圧は、前記流体流路の構造、前記流体流路内の障害、及び前記流体流路
    の弁調節のうちの少なくとも１つで維持されることを特徴とする請求項１に記載
    のタービンエンジン。
  3. 【請求項３】 前記ロータは、平坦ロータディスクであることを特徴とする請求項１に記載の
    タービンエンジン。
  4. 【請求項４】 前記羽根は、前記平坦ロータディスクに互いに隣接して配置された第１グルー
    プ及び第２グループの羽根を有することを特徴とする請求項３に記載のタービン
    エンジン。
  5. 【請求項５】 前記少なくとも１つのステータは、前記平坦ロータディスクの両側に位置する
    第１及び第２のステータディスクを有することを特徴とする請求項３に記載のタ
    ービンエンジン。
  6. 【請求項６】 前記ユニットは、前記圧縮ステージと前記燃焼ステージと前記膨張ステージと
    を有する単独のステータ−ロータ−ステータアセンブリを有することを特徴とす
    る請求項１に記載のタービンエンジン。
  7. 【請求項７】 前記単独のステータ−ロータ−ステータアセンブリは、平坦ロータディスクを
    含むことを特徴とする請求項６に記載のタービンエンジン。
  8. 【請求項８】 前記燃焼発生器は、前記燃焼ステージで燃料を挿入する燃料挿入器と、前記燃
    焼ステージで前記燃料に点火する点火栓とを有することを特徴とする請求項１に
    記載のタービンエンジン。
  9. 【請求項９】 前記流体流路は、前記流体流を前記ユニットを通過する周方向に規定すること
    を特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
  10. 【請求項１０】 前記流体流路は、前記流体流が前記ロータに複数回係合する構造であることを
    特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン。
  11. 【請求項１１】 ロータと、第１及び第２のステータを備え、圧縮ステージと、燃焼ステージと
    、膨張ステージとを有するユニットと、 前記燃焼ステージで燃焼させる燃焼発生器と、 前記圧縮ステージと前記燃焼ステージを通過して延在する流体流路であって、
    前記第１のステータを通過して延在する第１の部分と、前記第２のステータを通
    過して延在する第２の部分と、前記ロータを通過して延在する第３及び第４の部
    分を有し、前記流体流路の第３部分を通過する前記流体は、前記流体流路の第４
    部分を通過する方向と反対方向であり、前記流体流路に沿って移動する流体は、
    前記流路に沿った流体流により前記ロータを運動させるように前記ロータを複数
    回通過し、前記圧縮ステージ及び前記燃焼ステージは、通常操作中圧力が規定さ
    れ、前記燃焼ステージにおける前記圧力は、前記燃焼中、前記圧縮ステージへ流
    れることをほぼ不可能とし、前記燃焼中、前記燃焼ステージにおける前記圧力を
    圧縮ステージにおける前記流体の圧力より高い圧力に上昇させる流体流路とを有
    することを特徴とする効率性を向上させたタービンエンジン。
  12. 【請求項１２】 圧縮ステージと、燃焼ステージと、膨張ステージと、前記燃焼ステージで燃焼
    させる燃焼発生器とを有するタービンエンジンにおいて、 第１及び第２のステータと、 第１グループ及び第２グループのタービン羽根を有し、第１グループ及び第２
    グループのタービン羽根は半径方向に互いに隣接して位置され、前記第１及び第
    ２のステータの間に配置されたロータと、 流体入口と流体出口と、 前記流体入口から前記第１及び第２のステータと前記記ロータを通過して前記
    流体出口へ延在する流体流路であって、前記第１及び第２のステータからの前記
    流体流は、前記ロータを通過して前記タービン羽根の各グループに複数回係合す
    る流体流路と、を備えたことを特徴とするアセンブリ。
  13. 【請求項１３】 前記ロータの前記第１グループのタービン羽根は、前記ロータの前記第２グル
    ープのタービン羽根の半径方向外方に配置され、 前記流体流路は、前記第１及び前記第２のステータのうちの異なる一方を通過
    する第１及び第２の部分と、前記ロータを通過する第３及び第４の部分を有し、
    前記流体流路の前記第３及び第４部分はその内部に前記第１グループ及び第２グ
    ループのタービン羽根のうちの異なる一方を有し、前記ロータは前記流路の前記
    第３及び第４部分に沿って通過する流体により回転されることを特徴とする請求
    項１２に記載のアセンブリ。
  14. 【請求項１４】 前記圧縮ステージと前記燃焼ステージは、通常操作中に内部で圧力が規定され
    、 前記燃焼ステージにおける前記圧力は、流体流路構造、前記流体流路内のター
    ビン羽根、前記流体流路の弁調節のうちの少なくとも１つにより前記燃焼ステー
    ジから前記圧縮ステージに流れることをほぼ不可能にすることを特徴とする請求
    項１２に記載のアセンブリ。
  15. 【請求項１５】 前記流体流路の構造は、前記圧縮ステージと前記燃焼ステージの間に捕獲流領
    域を含むことを特徴とする請求項１４に記載のアセンブリ。
  16. 【請求項１６】 前記流体流路は、燃焼ステージにおいて流体を拘束し、それによって、燃焼ス
    テージにおける流体は、上昇した圧力が前記圧力ステージの出口の圧力より高く
    、前記流体が前記燃焼中ほぼ一定の容積に維持するように、温度と圧力が上昇す
    ることを特徴とする請求項１２に記載のアセンブリ。
  17. 【請求項１７】 前記流体流路は、前記第１及び第２のステータ及び前記ロータの周縁部の回り
    を螺旋状に延在し、前記流体は、前記流体流路を周方向に通過して移動すること
    を特徴とする請求項１２に記載のアセンブリ。
  18. 【請求項１８】 前記タービン羽根は、燃焼温度、排気温度、及び流入流体に連続的に露出され
    、混合流に露出されるように配置され、前記タービン羽根は全体として低い平均
    流体温度を受けることを特徴とする請求項１２に記載のアセンブリ。
  19. 【請求項１９】 少なくとも圧縮ステージと、燃焼ステージと、膨張ステージと、前記燃焼ステ
    ージで燃焼させる燃焼発生器とを有するタービンエンジンにおいて、 第１及び第２のステータディスクと、 タービン羽根を有し、前記第１及び第２のステータディスクの間に配置された
    ロータディスクと、 流体入口と流体出口と、 前記流体入口から前記ロータディスクと前記第１及び第２のステータディスク
    を通過して前記流体出口に延在し、前記流体流は前記ロータディスクを前記ター
    ビン羽根に複数回係合して通過する流体流路と、 前記第１及び第２のステータディスクに連結され、前記第１及び第２のステー
    タディスクの間の操作間隔の調節を可能にする調節可能の間隔制御装置と、 を備えたことを特徴とするアセンブリ。
  20. 【請求項２０】 前記間隔制御装置は、前記ステータ及びロータディスクを取り囲み、前記ステ
    ータディスクを相対的に配置する移動可能なリングを含むことを特徴とする請求
    項１９に記載のアセンブリ。
  21. 【請求項２１】 前記間隔制御装置は、前記アセンブリの通常操作中、前記ステータディスク間
    の間隔を調節することができることを特徴とする請求項１９に記載のアセンブリ
    。
  22. 【請求項２２】 前記間隔制御装置は、前記ステータディスク間の間隔を調節する間隙制御ドラ
    イブを含むことを特徴とする請求項１７に記載のアセンブリ。
  23. 【請求項２３】 圧縮ステージと燃焼ステージと膨張ステージと流体係合表面を有するロータを
    有するユニットと、 前記燃焼ステージで燃焼させる燃焼発生器と、 前記圧縮ステージと燃焼ステージと膨張ステージを通過して延在する流体流路
    であって、前記ロータの動作が前記流体流路に沿って前記ロータの前記流体係合
    表面に係合して通過する前記流体により付勢されるように、前記流路内に前記ロ
    ータの前記流体係合表面を有する流体流路と、 タービンエンジンを通過する混合流体流を実現することにより、前記ロータの
    前記表面の高温への露出を制御する間欠露出コントローラと、 を備えたことを特徴とするタービンエンジン。
  24. 【請求項２４】 前記コントローラは、間欠燃焼と、流れ転換と、流れ表面の移動のうちの少な
    くとも１つにより、前記表面を間欠的に異なる温度の流れに露出させることを特
    徴とする請求項２３に記載のタービンエンジン。
  25. 【請求項２５】 前記流れ転換は、前記異なる温度の流れを周方向に分断することを含むことを
    特徴とする請求項２４に記載のタービンエンジン。
  26. 【請求項２６】 圧縮ステージと、圧縮ステージからの流体を収容する燃焼ステージとを有する
    タービンエンジンにおいてタービンエンジンの効率性を向上させる方法において
    、 流体流をタービンエンジンの圧縮ステージと燃焼ステージに提供する工程と、 前記燃焼ステージにおける前記流体の圧力を前記圧縮ステージにおける流体の
    圧力より上昇させる工程と、 燃焼ステージにおける前記圧力が前記圧縮ステージへ逆流することを防ぎ、燃
    焼ステージで高い圧力の使用を可能にする工程と、 を備えたことを特徴とする方法。
  27. 【請求項２７】 燃焼ステージで燃焼させることにより燃焼ステージの圧力を上昇させる工程と
    、前記燃焼ステージで前記流体を燃焼中ほぼ一定の容積に維持する工程とを含む
    ことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  28. 【請求項２８】 前記燃焼ステージで前記流体を燃焼中ほぼ一定の容積に維持する工程は、ター
    ビン羽根を有し前記タービン羽根の間に前記流体を捕獲するロータに備えたステ
    ータ−ロータ−ステータアセンブリを提供する工程と、圧縮ステージと燃焼ステ
    ージの間に捕獲流領域を提供する工程と、流体流を制御する弁を使用する工程の
    少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２７に記載の方法。
  29. 【請求項２９】 前記燃焼ステージで燃焼させる工程は、燃焼ステージで燃料を供給し、前記燃
    焼ステージで前記燃料を点火する工程を含むことを特徴とする請求項２７に記載
    の方法。
  30. 【請求項３０】 前記タービンエンジンは膨張ステージを有し、 前記方法は、圧縮ステージと燃焼ステージと膨張ステージを内部に有する単独
    のステータ−ロータ−ステータアセンブリを提供する工程と、前記流体流を前記
    アセンブリに通過させて提供する工程と、 を含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  31. 【請求項３１】 前記方法は、前記単独のステータ−ロータ−ステータアセンブリ内に平坦ロー
    タディスクを提供する工程を含むことを特徴とする請求項３０に記載の方法。
  32. 【請求項３２】 前記タービンエンジンは、タービンステージを含み、 前記方法は、複数のステータ−ロータ−ステータアセンブリを、前記圧縮ステ
    ージと、前記ステータ−ロータ−ステータアセンブリとは別のアセンブリを有す
    る前記タービンステージに提供する工程と、前記流体を、燃焼ステージと、前記
    圧縮ステージと前記タービンステージで前記ステータ−ロータ−ステータアセン
    ブリを通過させる工程とを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  33. 【請求項３３】 前記方法は、ロータを提供する工程と、前記流体を前記ロータに複数回通過さ
    せ前記ロータをエンジンサイクルの異なる部分に周期露出させて、ロータが受け
    る平均温度を下げる工程とを含むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
  34. 【請求項３４】 前記方法は、前記流体をロータを反対方向に通過させる工程を含むことを特徴
    とする請求項３３に記載の方法。
  35. 【請求項３５】 前記方法は、前記流体を前記圧縮ステージと燃焼ステージを通過する周方向に
    移動させる工程を含む請求項２６に記載の方法。
  36. 【請求項３６】 前記方法は、エンジン構成要素を操作中に異なる温度に間欠露出する工程を含
    むことを特徴とする請求項２６に記載の方法。
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