JP2006083856A - 改善されたコアシステムを有するガスタービンエンジン - Google Patents

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ロバート・ジョセフ・オーランド
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Ching-Pang Lee
チン・パン・リー
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Abstract

【課題】 従来のガスタービンエンジンの高圧システムに取って代わる改善されたコアシステムに関する。
【解決手段】 ガスタービンエンジンは、ファンセクション(16)の下流側に配置されたブースタ圧縮機(20)と、入口(54)に供給される流体流(52)から高圧高温のガスのパルスを発生させる燃焼システム(46)と、を含む。ブースタ圧縮機(20)からの第1の供給源(64)の加圧空気(52)が燃焼システム入口(54)に供給され、ブースタ圧縮機(20)からの第2の供給源(66)の加圧空気(65)が燃焼システム(46)を冷却するために供給され、ここで、第2の供給源(66)からの加圧空気(65)の圧力が、第1の供給源(64)からの加圧空気(52)の圧力よりも高い圧力を有する。
【選択図】 図2

Description

本発明は、一般に改善されたガスタービンエンジン設計に関し、特に、従来のガスタービンエンジンの高圧システムに取って代わる改善されたコアシステムに関する。ガスタービンエンジンのブースタ圧縮機は、こうした改善されたコアシステムの様々な影響を緩和して従来の低圧タービン設計を維持するような方法で使用される。
典型的なガスタービンエンジンは理想的Braytonサイクルに基づいており、ここでは、空気が断熱圧縮され、熱が一定の圧力で加えられ、結果として得られる高温ガスがタービン内で膨張して、熱が一定の圧力で冷却されることがよく知られている。従って、圧縮システムを駆動するために必要とされる以上のエネルギーは、推進又は他の仕事のために利用可能である。そのようなガスタービンエンジンは、一般に、燃料/空気混合物を燃焼させ、比較的遅い速度及び比較的一定の圧力で燃焼チャンバ内を移動する燃焼ガス生成物を発生させる爆燃性燃焼に依存する。Braytonサイクルに基づくエンジンは、構成要素の効率における着実な改善と、圧力比及びピーク温度の増大とにより高いレベルの熱力学的効率に到達したが、更なる改善を得ることは、益々難しくなってきている。
従来のガスタービンエンジン内で使用されている燃焼器は、その内部の圧力が実質的に一定に維持されるタイプのものであるが、エンジンサイクル性能及び効率における改善は、連続モード又は脈動モードのいずれかのデトネーションとして燃焼が生じるようにエンジンを運転させることによって得られてきた。例えば、幾つかのパルスデトネーションシステム設計は、以下の特許出願において本発明の譲受人によって開示されている。すなわち特許文献1、特許文献2、特許文献3、特許文献4、及び特許文献5で開示されている。
パルスデトネーション装置は、ほぼ同じ圧力である高温ガスのパルスを発生することが理解されるであろう。そのようなパルスの時間平均圧力は、典型的な低圧タービンエンジン内で発生される圧力と大きさは同じであるが、通常低圧タービンエンジンに関係するよりも高温でのものである。定容燃焼器は、やはりパルスデトネーション形式の装置において使用することのできる高圧高温ガスのパルスを同様に発生することが理解されるであろう。静止定容型燃焼器の1つの実施例が、Hagenに付与された特許文献6に開示されており、回転要素を含む定容型燃焼器は、Zdvorak,Sr.に付与された特許文献7で開示されている。
このように、従来のガスタービンエンジンのコア又は高圧システムは、主として燃焼器を含む、より効率的で複雑さがより少ないシステムで置き換えることができる。同時に、変更されたガスタービンエンジンは、従来の低圧タービン、並びに従来のその作動性を保持することができる。
米国特許出願公開2004−172950号公報 米国特許出願第10/405,561号公報 米国特許出願公開2004−206089号公報 米国特許出願第10/422,314号公報 米国特許出願第10/803,293号公報 米国特許第3,877,219号公報 米国特許第5,969,625号公報
従って、全体的なエンジン効率を更に改善するために、コアシステムにおいてパルスデトネーション装置又は定容型燃焼器を使用するガスタービンエンジンのための実用的な全体的アーキテクチャが開発されることが望ましいであろう。更に、そのようなアーキテクチャにおいて冷却システムを組み込むこと、及び燃焼排気の脈動特性を軽減し、エンジンノイズを低減する方法を組み込むことが望ましいであろう。
本発明の第1の例示的な実施形態において、貫通して通る長手方向中心軸線を有するガスタービンエンジンであって、駆動シャフトに接続された少なくとも第1のファンブレード列を含む、ガスタービンエンジンの前端にあるファンセクションと、各々が静止圧縮機ブレード列と駆動シャフトに接続されて静止圧縮機ブレード列と交互に嵌合される回転圧縮機ブレード列とを有する複数の段を含む、ファンセクションの下流側に配置されたブースタ圧縮機と、入口に供給される流体流から高圧高温のガスのパルスを発生させる燃焼システムと含むガスタービンエンジンが開示される。ブースタ圧縮機からの第1の供給源の加圧空気が燃焼システム入口に供給され、ブースタ圧縮機からの第2の供給源の加圧空気が燃焼システムを冷却するために供給され、ここで、第2の供給源からの加圧空気は、第1の供給源からの加圧空気よりも高い圧力を有する。
本発明の第2の例示的な実施形態において、供給される流体流から高圧高温のガスのパルスを発生させる、複数の段を有するブースタ圧縮機を含むガスタービンエンジンの燃焼システムを冷却する方法であって、ブースタ圧縮機からの第1の供給源の加圧空気を燃焼システムの入口に供給する段階と、ブースタ圧縮機からの第2の供給源の加圧空気を供給して燃焼システムを冷却する段階とを含む方法が開示される。
本発明の第3の例示的な実施形態によれば、ガスタービンエンジンは、各々が静止圧縮機ブレード列と、駆動シャフトに接続されて静止圧縮機ブレード列と交互に嵌合される回転圧縮機ブレード列とを有する複数の段を含む、ガスタービンエンジンの前端にある圧縮機と、入口に供給される流体から高圧高温のガスのパルスを発生させる燃焼システムと、駆動シャフトに動力を供給するために、燃焼システムと流れ連通してその下流側にあるタービンと、駆動シャフトに接続された負荷とを含むものとして開示される。圧縮機からの第1の供給源の加圧空気は、燃焼システムの入口に供給され、圧縮機からの第2の供給源の加圧空気が、燃焼システムを冷却するために供給され、ここで第2の供給源からの加圧空気の圧力は、第1の供給源からの加圧空気よりも高い圧力を有する。別の燃焼システムは、タービンが第2の駆動シャフトにより負荷を独立して駆動しながら、第1の駆動シャフトを介して圧縮機を駆動する回転部材を含むことができる。
本発明の第4の例示的な実施形態によれば、
貫通して通る長手方向中心軸線を有するガスタービンエンジンであって、駆動シャフトに接続された少なくとも第1のファンブレード列を含む、ガスタービンエンジンの前端にあるファンセクションと、各々が静止圧縮機ブレード列と、駆動シャフトに接続されて静止圧縮機ブレード列と交互に嵌合される回転圧縮機ブレード列とを有する複数の段を含む、ファンセクションの下流側に配置されたブースタ圧縮機と、入口に供給される流体流から高圧高温のガスのパルスを発生させる燃焼システムと、駆動シャフトに動力を供給する燃焼システムと流れ連通してその下流側にある低圧タービンとを含むガスタービンエンジンが開示される。ブースタ圧縮機からの第1の供給源の加圧空気が、燃焼システム入口に供給され、ブースタ圧縮機からの第2の供給源の加圧空気が、低圧タービンの前端に供給されて、ガスパルスの影響を軽減するようにする。
次に、図全体を通じて同じ参照符号が同じ構成要素を示す各図面を詳細に参照すると、図1は、基準として全体を通る長手方向すなわち軸方向中心軸線12を有する、航空機用の従来のガスタービンエンジン10(高バイパス型)を概略的に示している。空気の流れ(矢印14で表す)は、ファンセクション16を通って導かれ、その一部分(矢印18で表す)がブースタ圧縮機20に供給される。その後、第1の加圧流(矢印22で表す)は、コアすなわち高圧システム25に供給される。
より具体的には、コアシステム25は、第2の加圧流26を燃焼器28に供給する高圧圧縮機24を含む。燃焼器28は、当技術分野においてよく知られた定圧型のものであることは理解されるであろう。高圧タービン30は、燃焼器28の下流側に配置され、燃焼器28によって生成されたガス生成物(矢印32で表す)を受け入れて、それからエネルギーを取り出し、第1の駆動シャフトすなわち高圧駆動シャフト34により高圧圧縮機24を駆動する。更に、高圧圧縮機24は、燃焼器28の入口に第2の加圧流26を供給するだけでなく、冷却流(点線矢印42で表す)を燃焼器28に供給することも理解されるであろう。
低圧タービン36は、コアシステム25(すなわち、高圧タービン30)の下流側に配置され、ガス生成物(矢印38で表す)が該低圧タービン内を流れ、エネルギーが取り出されて、第2の駆動シャフトすなわち低圧駆動シャフト40を介してブースタ圧縮機20及びファンセクション16を駆動する。次に、残りのガス生成物(矢印41で表す)は、ガスタービンエンジン10から排出される。ファンセクション16は一般に、第2の駆動シャフト40に接続された少なくとも1列のファンブレードを含むことは理解されるであろう。ブースタ圧縮機20及び高圧圧縮機24は通常、複数の段を含み、ブースタ圧縮機20の各段は、静止圧縮機ブレード列と、第2の駆動シャフト40に接続され、該静止圧縮機ブレード列と交互に嵌合した回転ブレード列とを含むことも理解されるであろう。
図2に見られるように、ガスタービンエンジン44は同様に、長手方向中心軸線12、ファンセクション16への空気流14、ブースタ圧縮機20への空気流18、及び低圧タービン36がファンセクション16とブースタ圧縮機20とを駆動する低圧駆動シャフト40を含む。しかしながら、ガスタービンエンジン44は、主として燃焼システム46を伴う新たなコアシステム45を含む。定容型燃焼器又はパルスデトネーションシステムのいずれかとすることができる燃焼システム46は、入口54に供給される空気流(矢印52で表す)と比較して圧力及び温度が高められたガスのパルス(矢印48で表す)を出口50において生成する。上述のコアシステム25において使用される燃焼器28とは対照的に、燃焼システム46は、その内部で比較的一定の圧力を維持しない。更にコアシステム45は、コアシステム25において理想Braytonサイクルではなく、実質的には理想Humphreyサイクルに従って作動する。
ガスパルス48が低圧タービン36の直ぐ上流側に位置付けられたタービンノズル56に供給され、その流れを最適な方向で低圧タービン内に配向するのが好ましいことが分かるであろう。図2に示す実施形態において、燃焼システム46は静止型であり、その結果低圧タービン36は、駆動シャフト40により必ずファンセクション16とブースタ圧縮機20の両方を駆動する。図3に示す別の構成において、燃焼システム58は、該システムと関連付けられた少なくとも1つの回転部材を含み、該回転部材はブースタ圧縮機20を駆動する第1の駆動シャフト60を作動させる点に留意されたい。その結果として、低圧タービン36は、第2の駆動シャフト62を介してファンセクション16を独立して駆動することができる。
更に、ブースタ圧縮機20からの第1の供給源64は、加圧空気52を燃焼システム46及び58の入口54に供給し、ブースタ圧縮機20からの第2の供給源66は、好ましくは加圧空気65をタービンノズル56に供給して、燃焼排気(すなわちガスパルス48)の脈動特性を減衰させ、且つその温度を低圧タービン36に対して許容可能なレベルまで低下させるようにすることが、図2及び図3から分かるであろう。このようにして、関連するどのようなノイズも軽減され、ガスタービンエンジン44の滑らかな運転が可能になる。また、第2の加圧空気65を利用して、燃焼システム46及び58を冷却することができ、該冷却は、衝突及び/又は対流冷却の形態をとることができる。これに加えて、第2の加圧空気65のごく一部を用いて、燃焼システム46及び58に供給される燃料の噴霧化を改善することができる。
第1の加圧空気源64は、好ましくは第2の加圧空気源66の上流側に配置されたブースタ圧縮機20にあるバルブ又はポートから生じることは理解されるであろう。第2の加圧空気源66からの空気は、好ましくは第1の供給源64よりも多くのブースタ圧縮機20の段を経ているので、第1の加圧空気源64からの加圧空気52よりも必然的により高い圧力を有することになる。第2の加圧空気源66からの加圧空気65の圧力は、第1の加圧空気源64からの加圧空気52の圧力よりも少なくとも約20%だけ高いことが好ましい。より好ましくは、第2の加圧空気源66からの加圧空気65と第1の加圧空気源64からの加圧空気52との間の圧力差は、少なくとも約50%であり、最適には少なくとも約100%である。第1の加圧空気源64からの加圧空気52と第2の加圧空気源66からの加圧空気65との間に所望の圧力差を生じさせるためには、第1の加圧空気源64がブースタ圧縮機20の隣接する段間において生じ、第2の加圧空気源66がブースタ圧縮機20の後端68において生じるのが好ましい。
更に、タービンノズル56及び55に供給される第2の加圧空気源66からの加圧空気65は、燃焼システム出口50に供給されるガスパルス48よりも高い圧力を有することが理解されるであろう。このようにして、第1の加圧空気源64からの加圧空気52の圧力が燃焼システム内で増大された場合でも、そのような加圧空気65は、燃焼システム46内に導入することができる。第2の加圧空気源66からの加圧空気65の冷却効果を高めるために、任意選択的に熱交換器70を直列に(図2に仮想線で示すように)使用してもよい。
ガスタービンエンジン44及びそこで使用されるコアシステム45に関しては、変更が付加されることなく、発生する推力の最大量は、約30,000ポンドであると思われる。それでも、従来のガスタービンエンジン10の高圧コアシステム25をコアシステム45で置き換えることの実際的な効果には、ガスタービンエンジン44のより単純でより効率的な運転が含まれる。これと同時に、特殊で高価な材料を回避することができるように、従来の低圧タービン36の設計及び材料を維持することができる。
本発明はまた、ブースタ圧縮機20が複数の段を含み、且つガスパルス48が燃焼システム46及び58から排出されるガスタービンエンジン44の燃焼システム46及び58を冷却する方法を企図している。この方法は、ブースタ圧縮機20の第1の加圧空気源64からの加圧空気52を燃焼システム46(又は燃焼システム58)に供給する段階と、ブースタ圧縮機20の第2の加圧空気源66からの加圧空気65を供給して、こうしたそれぞれの燃焼システムを冷却する段階とを含む。第2の加圧空気源66からの加圧空気65の圧力は、上述のように第1の加圧空気源64からの加圧空気52の圧力よりも所定量だけ高いことが理解されるであろう。この方法は更に、ブースタ圧縮機20の隣接する段間に位置する第1の地点から第1の加圧空気源64を生じさせる段階と、第1の地点の下流側にある第2の地点から第2の加圧空気源66を生じさせる段階とを更に含むことができる。より具体的には、本方法は、本明細書で説明したように、低圧タービン36の最初の段又はタービンノズル56のいずれかに第2の加圧空気源66からの加圧空気65を供給する段階を含む。第2の加圧空気源66からの加圧空気65の効果を高めるためには、このような加圧空気65を燃焼システム46又は58に供給する段階の前に、該加圧空気65を冷却する(例えば、加圧空気65を熱交換器70に導入することによって)追加段階を含むことができる。
図4は、長手方向中心軸線78を有する工業用及び他の軸出力用途(例えば、船舶又はヘリコプター推進)で使用するための代替的なガスタービンエンジン76を示している。ここで分かるように、ガスタービンエンジン76は、空気流(矢印82で表す)と流れ連通した圧縮機80を含む。圧縮機80は、好ましくは少なくとも第1の静止圧縮機ブレード列と、第1の駆動シャフト84に接続され、且つ該第1の静止圧縮機ブレード列と交互に嵌合した第2の圧縮機ブレード列とを含む。追加の圧縮機ブレード列を駆動シャフト84に接続し、追加の静止圧縮機ブレード列を該圧縮機ブレード列と交互に嵌合させることができる。空気流を圧縮機80内に向けるために、入口案内ベーン(図示せず)を圧縮機80の上流側端部に配置することができる。図2と関連して上記で説明されたような静止燃焼システム88を有するコアシステム86は、第1の駆動シャフト84に動力を供給する低圧タービン90にガスパルス89を供給する。次いで、燃焼ガス(矢印92で表す)は、低圧タービン90から出て排出される。
ガスパルス89は、低圧タービン90の直ぐ上流側に位置付けられたタービンノズル94に供給され、その流れを最適な方向で低圧タービン90へ向かうようにするのが好ましいことが分かるであろう。図5に示す別の構成においては、燃焼システム100は、これと関係付けられた少なくとも1つの回転部材を含み、該回転部材は、圧縮機80を駆動する第1の駆動シャフト102を作動させることに留意されたい。その結果、低圧タービン90は、第2の駆動シャフト98を介して負荷96を独立して駆動することができる。
更に、圧縮機80からの第1の供給源104は、加圧空気106を燃焼システム88及び100の入口108に供給し、圧縮機80からの第2の加圧空気源110は、好ましくは加圧空気112をタービンノズル94に供給し、燃焼排気(すなわちガスパルス89)の脈動特性を減衰させ、その温度を低圧タービン90の許容可能な程度まで低下させるようにすることが図4及び図5から分かるであろう。このようにして、関連するあらゆるノイズが軽減され、ガスタービンエンジン76の滑らかな運転が可能となる。また、第2の加圧空気112を利用して、燃焼システム88及び100を冷却することができ、この冷却には好ましくは衝突及び/又は対流冷却の形態をとることができる。これに加えて、第2の加圧空気112のわずかな部分を用いて、燃焼システム88及び100に供給される燃料の噴霧化を改善することができる。
第1の加圧空気源104は、好ましくは第2の加圧空気源110の上流側に配置された圧縮機80のバルブ又はポートから生じることが理解されるであろう。第2の加圧空気源110からの空気は、好ましくは第1の加圧空気源104よりも多い圧縮機80の段を経ているので、第2の加圧空気源110からの加圧空気112は、第1の加圧空気源104からの加圧空気106よりも必然的に高い圧力を有することになる。第2の加圧空気源110からの加圧空気112の圧力は、第1の加圧空気源104からの加圧空気106の圧力よりも少なくとも約20%だけ高いことが好ましい。より好ましくは、第2の加圧空気源110からの加圧空気112と第1の加圧空気源104からの加圧空気106との間の圧力差は、少なくとも約50%であり、最適には少なくとも約100%である。第1の加圧空気源104からの加圧空気106と第2の加圧空気源110からの加圧空気112との間に所望の圧力差を生じさせるためには、第1の加圧空気源104が圧縮機80の隣接する段間において生じ、第2の加圧空気源110が圧縮機80の後端114において生じるのが好ましい。
更に、タービンノズル94に供給される第2の加圧空気源110からの加圧空気112は、燃焼システム出口116に供給されるガスパルス89よりも高い圧力を有することが理解されるであろう。このようにして、第1の加圧空気源104からの加圧空気106の圧力が燃焼システム88内で増大された場合でも、そのような加圧空気112は、燃焼システム88内に導入することができる。第2の加圧空気源110からの加圧空気112の冷却効果を高めるために、任意選択的に熱交換器118を直列に(図4に仮想線で示すように)使用してもよい。
別の燃焼システム100が、図5に図示され説明されており、圧縮機80を回転させる第1の駆動シャフト102を駆動する回転部材を含む。第2の駆動シャフト98は、低圧タービン90によって独立して駆動され、負荷96に接続されている。
本発明の好ましい実施形態を図示し且つ説明してきたが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく適切に変更することによって、コアシステム45、86、及び特に燃焼システム46、58、88、100の更なる改作を実現することができる。更に、燃焼システム46、58、88、100は、本明細書に示されていない他の形式のガスタービンエンジンにも利用することができる点が理解されるであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
冷却システムが図示されている、先行技術によるコアシステムを含むガスタービンエンジン構成の概略図。 冷却システムが一体化されて示されている、本発明による静止燃焼装置を備えたコアシステムを含むガスタービンエンジンの概略図。 冷却システムが一体化されて示されている、本発明による回転燃焼装置を備えたコアシステムを含む図2に示すガスタービンエンジン構成の概略図。 別のガスタービンエンジン構成の概略図。 さらに別のガスタービンエンジン構成の概略図。
符号の説明
16 ファンセクション、ファン
20 ブースタ圧縮機
36 低圧タービン
40 第2の駆動シャフト、低圧駆動シャフト
44 ガスタービンエンジン
45 コアシステム
46 燃焼システム
50 燃焼システム46の出口
54 燃焼システム46の入口
56 タービンノズル
66 第2の加圧空気源
68 ブースタ圧縮機47の後端

Claims (10)

  1. 貫通して通る長手方向中心軸線(12)を有するガスタービンエンジン(44)であって、
    (a)駆動シャフト(40、62)に接続された少なくとも第1のファンブレード列を含む、前記ガスタービンエンジン(44)の前端にあるファンセクション(16)と、
    (b)各々が静止圧縮機ブレード列と、駆動シャフト(40、60)に接続されて前記静止圧縮機ブレード列と交互に嵌合される回転圧縮機ブレード列とを有する複数の段を含む、前記ファンセクション(16)の下流側に配置されたブースタ圧縮機(20)と、
    (c)入口(54)に供給される流体流(52)から高圧高温のガスのパルスを発生させる燃焼システム(46)と、
    を備え、
    前記ブースタ圧縮機(20)からの第1の供給源(64)の加圧空気(52)が前記燃焼システム入口(54)に供給され、前記ブースタ圧縮機(20)からの第2の供給源(66)の加圧空気(65)が前記燃焼システム(46)を冷却するために供給することを特徴とするガスタービンエンジン(44)。
  2. 前記第2の供給源(66)からの加圧空気(65)が、前記第1の供給源(64)からの加圧空気(52)よりも高い圧力を有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(44)。
  3. 前記第2の供給源(66)からの加圧空気(65)の圧力が、前記第1の供給源(64)からの加圧空気(52)の圧力よりも少なくとも約20%だけ高い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(44)。
  4. 前記第1の供給源(64)の加圧空気(52)が、前記第2の供給源(66)の加圧空気(65)の上流側の前記ブースタ圧縮機(20)で生じ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(44)。
  5. 前記第1の供給源(64)の加圧空気(52)が、前記ブースタ圧縮機(20)の隣接する段間で生じ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(44)。
  6. 前記第2の供給源(66)の加圧空気(65)が、前記ブースタ圧縮機(20)の後端(68)において生じ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(44)。
  7. 前記第2の供給源(66)からの加圧空気(65)の圧力が、前記燃焼システム(46)の出口端部(50)での流体(48)の圧力よりも大きい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(44)。
  8. 前記燃焼装置(46)が、前記駆動シャフト(60)に動力を供給するために少なくとも1つの回転部材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(44)。
  9. 前記駆動シャフト(60)に動力を供給するために、前記燃焼システム(46)と流れ連通してその下流側にあるタービン(36)を更に備え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(44)。
  10. 前記燃焼システム(46)が回転部材を含まない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(44)。
JP2005264921A 2004-09-15 2005-09-13 改善されたコアシステムを有するガスタービンエンジン Pending JP2006083856A (ja)

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