JP2006138206A

JP2006138206A - Ｐｄｅ駆動チップタービンファンエンジン

Info

Publication number: JP2006138206A
Application number: JP2004326166A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Chiba; 薫千葉; Osamu Funadogawa; 治船渡川; Yoshinari Nakamura; 良也中村; Motohide Murayama; 元英村山
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-11-10
Filing date: 2004-11-10
Publication date: 2006-06-01

Abstract

【課題】軽量、高効率かつ高バイパス比の亜音速航空機用ファンエンジンを提供する。
【解決手段】ファンの先端部に固定されたチップタービンと、チップタービンにデトネーションで発生する高速排気流を噴射するデトネーション管を有するパルスデトネーションエンジンとを備え、この高速排気流によりチップタービンを駆動する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＰＤＥ（パルスデトネーションエンジン）でチップタービンを駆動するファンエンジンに関する。

ターボファンエンジンは、航空用ガスタービンのうちコアエンジンの前後にそれぞれファン及びファンを駆動する低圧タービンを追加したものである。このターボファンエンジンは、ファンとコアエンジンを流れる空気流量比（バイパス比と呼ぶ）が大きいほど効率が高まる。そのため、一般のファンエンジンにおいて、さらなる高効率化のために、高バイパス化が検討されている（例えば非特許文献１及び特許文献１）。

また、チップタービンを備えたジェットエンジンとして、特許文献２が開示されている。

更に、パルスデトネーションを利用したジェットエンジンも提案されている（例えば特許文献３、４）。

非特許文献１の装置は、複数のコアエンジンと複数の空気タービン駆動ファンとを組み合わせたクラスターファンエンジンである。また空気タービン駆動ファンとして、図５に示す「単動翼列多段チップタービン駆動ファン」が開示されている。
特許文献１の装置は、図６に示すように、単一のガスタービンエンジン５１と複数のパルス燃焼エンジン５２とを組み合わせたものである。

特許文献２の装置は、燃焼ガスがチップタービンの燃料ガス通路から圧縮機の空気通路へ漏洩することを防止することを目的とし、図７に示すように、チップタービン６１の前部と後部にある前部シール室６３と後部シール室６４に不活性ガスを充填し得るようにしたものである。

特許文献３の装置は、図８に示すように、ターボファンエンジン７１が、エンジンの内部に温度上昇及び圧力上昇を生じさせ、エンジンからの推力を発生させるパルスデトネーション装置７２を含むものである。

特許文献４の装置は、図９に示すように、パルスデトネーションシステム８１がコアエンジン８２の下流に位置し、ガスタービンエンジン内の温度及び圧力を上昇させてエンジン推力を増加させるように構成されたものである。

岩瀬識、他、「単動翼列多段チップタービン駆動ファン」、日本ガスタービン学会、第３１回ガスタービン定期講演会、２００３年６月２５日

米国特許第６４７７８２９号明細書、「ＣＯＭＢＩＮＥＤＣＹＣＬＥＰＵＬＳＥＣＯＭＢＵＳＴＩＯＮ／ＧＡＳＴＵＲＢＩＮＥＥＮＧＩＮＥ」特開平６−２７２６１９号公報、「エアターボラムジェットエンジン」特開２００１−３５５５１５号公報、「複合サイクル・パルスデトネーション・タービンエンジン」特開２００４−２０４８４６号公報、「ガスタービンエンジン推力を発生するための方法及び装置」

上述したように、従来から一般のファンエンジンにおいて、さらなる高効率化のために、高バイパス化が検討されているが、ファンナセルが巨大化することによる空気抵抗増加やインストレーションの問題、材料強度やコアエンジン効率／高出力化の限界等の制約から現状ではバイパス比１０程度が上限である。
一方、パルスデトネーションエンジン（ＰｕｌｓｅＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ：以下、ＰＤＥという）は高効率エンジンとして期待されるが、その高速排気流にマッチングするタービンがなく、軸出力の抽出が困難であった。

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、従来困難であった軽量、高効率かつ高バイパス比の亜音速航空機用ファンエンジンを提供することにある。

本発明によれば、ファンの先端部に固定されたチップタービンと、該チップタービンにデトネーションで発生する高速排気流を噴射するデトネーション管を有するパルスデトネーションエンジンとを備え、前記高速排気流によりチップタービンを駆動する、ことを特徴とするＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンが提供される。
この構成により、ファン駆動用のコアエンジンが不要であり、エンジン構成も単純化されるため、軽量化が可能となる。

本発明の好ましい実施形態によれば、前記デトネーション管の排気口は、チップタービンの駆動に適した向きに設定され、排気口を出た高速排気流を偏向することなくチップタービンに向けて噴射する。
この構成により、排気流速を低下させるためのダンパーなどが不要となり、パルスデトネーションエンジンの排気を高速流のままタービンに噴射ことができるため、高効率作動が可能となる。

また、前記パルスデトネーションエンジンは、ファンナセル内に収容された複数の螺旋状または円弧状のデトネーション管を有する。
この構成により、パルスデトネーションエンジンはガスタービンよりも軽量であり、かつ形状自由度があるため、ファンナセル内にコンパクトに納めることが可能であり、エンジン全体の軽量、小型化が可能となる。

更に、低圧コンプレッサを有するターボファンエンジンを備え、該ターボファンエンジンから圧縮空気を抽気してパルスデトネーションエンジンに供給する。
この構成により、パルスデトネーションエンジンに必要な空気流量はガスタービンよりも少ないため、高バイパス、高効率エンジンが可能となる。

また更に、前記ファンで駆動される低圧コンプレッサを備え、該低圧コンプレッサで圧縮した圧縮空気をパルスデトネーションエンジンに供給する。
この構成により、多段ファンを正回転ファン又は逆回転ファンとして適用でき、パルスデトネーションエンジンに必要な空気流量はガスタービンよりも少ないため、高バイパス、高効率エンジンが一層可能となる。

上述したように、本発明により軽量、高効率かつ高バイパス比の亜音速航空機用ファンエンジンが実現可能となる。

以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

パルスデトネーションエンジン（ＰｕｌｓｅＤｅｔｏｎａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅ：ＰＤＥ）は、燃焼器内で爆発的な燃焼であるデトネーションをパルス状に間欠的に発生させ、燃焼ガスが発生する熱と運動エネルギーの両方を高い熱効率で利用するエンジンである。
また、デトネーションとは、通常の燃焼であるデフラグレーションに対する語であり、通常の燃焼の数十倍から数千倍の速度で爆発的に燃焼し、燃焼時に生じる衝撃波と燃焼波が合体して超音速で伝播する燃焼波を意味する。以下、この超音速燃焼波を「デトネーション波」と呼ぶ。

図１は、パルスデトネーションエンジンの作動説明図であり、（１）〜（８）は、パルスデトネーションの１サイクルを順に示している。この図において、１は、一端が閉じた中空円筒形のデトネーション管であり、内部でデトネーションが発生し、開口端から高速排気流を噴出するようになっている。
図１の（１）において、一定の圧力Ｐ１（例えば常圧）で充填された燃料・酸化剤混合ガス２に点火すると、内部で高圧Ｐ３と共にデトネーション波３が発生し（２）、デトネーション波は、希薄波４と共に開口端に向けて高速伝播し、高速排気流５を噴出する。
次いで、希薄波後面が開口端まで伝播し（３）、希薄波後面が上流側に伝播し（４）、内部が希薄波となり（５）、内部ガスが排気され（６）、Ｐ１より低い低圧となる（７）。
次いで、燃料・酸化剤混合ガスが一定の圧力Ｐ１（例えば常圧）で再充填され（８）、（１）に戻る。

上述したデトネーション管１は、例えば直径３０〜１００ｍｍ、長さ１ｍ前後であり、１０〜１００Ｈｚで作動し、８００〜１０００ｍ／ｓの高速排気流５を噴出することが実験的に確認されている。なお、必要に応じてデトネーション管１に空気及び燃料を供給する配管やバルブ等を備える。

図２は、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンの第１実施形態図である。この図において、（Ａ）は正面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ断面図、（Ｃ）はＣ−Ｃ矢視図である。

図２において、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン１０は、チップタービン１２とパルスデトネーションエンジン１４とを備える。
チップタービン１２は、ファン１１の先端部に固定され、ファン１１を回転駆動するように構成された翼列である。

パルスデトネーションエンジン１４は、ファンナセル１３内に収容された複数の螺旋状または円弧状のデトネーション管１４ａを有する。また、各デトネーション管１４ａの排気口は、チップタービン１２の駆動に適した向きに設定され、チップタービン１２にデトネーションで発生する高速排気流５を、排気口から偏向することなくチップタービンに向けて噴射し、この高速排気流によりチップタービンを駆動するようになっている。
なおこの例において、デトネーション管１４ａの排気口は、管の軸心に対して斜めに切断されているが、本発明はこの構成に限定されず、デトネーション管を３次元的に曲げて構成してもよい。

この構成により、ファン駆動用のコアエンジンが不要であり、エンジン構成も単純化されるため、軽量化が可能となる。また、排気流速を低下させるためのダンパーなどが不要となり、パルスデトネーションエンジンの排気を高速流（例えば８００〜１０００ｍ／ｓ）のままチップタービン１２に噴射ことができるため、高効率作動が可能となる。さらに、パルスデトネーションエンジン１４はガスタービンよりも軽量であり、かつ形状自由度があるため、この例のようにファンナセル１３内にコンパクトに納めることが可能であり、エンジン全体の軽量・小型化が可能となる。

図３は、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンの第２実施形態図である。
この例において、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン１０は、複数（この図で２基）のファンエンジン２０と１基のターボファンエンジン２２を備える。
ファンエンジン２０は、ファン１１とチップタービン１２（翼列）からなる。チップタービン１２は、ファン１１の先端部に固定され、ファンナセル１３内に収容されファン１１を回転駆動するように構成されている。

また、パルスデトネーションエンジン１４が、ファンエンジン２０の外側に取り付けられ、そのデトネーション管１４ａの排気口が、チップタービン１２の駆動に適した向きに設定されている。なお、図２と同様に複数のデトネーション管１４ａをファンナセル１３内に収容してもよい。
この構成により、チップタービン１２にデトネーションで発生する高速排気流５を、排気口から偏向することなくチップタービンに向けて噴射し、この高速排気流によりチップタービンを駆動する。

ターボファンエンジン２２は、大径の低圧コンプレッサ２３を有し、この低圧コンプレッサ２３から圧縮空気を抽気してパルスデトネーションエンジン１４に供給するようになっている。
この構成により、パルスデトネーションエンジンに必要な空気流量はガスタービンよりも少ないため、高バイパス、高効率エンジンが可能となる。

図４は、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンの第３実施形態図である。この図において、（Ａ）は多段ファンが正回転ファンである場合、（Ｂ）は多段ファンが逆回転ファンである場合を示している。
この例において、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン１０は、パルスデトネーションエンジン１４の他に、多段ファン３２、及び多段ファン３２で駆動される低圧コンプレッサ３３を備える。

多段ファン３２は、ファン１１、チップタービン１２（動翼列）、静翼ファン１５及び静翼列１６が多段（複数）に直列配置されている。各チップタービン１２は、各ファン１１の先端部に固定され、ファンナセル１３内に収容され各ファン１１を順次回転駆動するように構成されている。

パルスデトネーションエンジン１４は、ファンナセル１３内に収容された複数のデトネーション管１４ａを有する。デトネーション管１４ａは、螺旋状または円弧状でも直管でもよい。
デトネーション管１４ａが螺旋状または円弧状の場合、各デトネーション管１４ａの排気口は、チップタービン１２の駆動に適した向きに設定され、チップタービン１２にデトネーションで発生する高速排気流５を、排気口から偏向することなくチップタービンに向けて噴射し、この高速排気流によりチップタービンを駆動する。
また、デトネーション管１４ａが直管の場合は、ノズルを設け、ノズルにより高速排気流５を、チップタービンに適した向きに偏向し、この高速排気流によりチップタービンを駆動する。
また低圧コンプレッサ３３は、多段ファン３２で駆動され、この低圧コンプレッサ３３で圧縮した圧縮空気をパルスデトネーションエンジン１４に供給するようになっている。

この図において、（Ａ）は多段ファン３２が正回転ファンであり、パルスデトネーションエンジン１４が多段ファン３２の前方に位置し高速排気流５を後方（図で右向き）に噴射するのに対し、（Ｂ）は多段ファン３２が逆回転ファンであり、パルスデトネーションエンジン１４が多段ファン３２の後方に位置し高速排気流５を前方（図で左向き）に噴射する点で相違するが、その他の点は同様である。
この構成により、多段ファンを正回転ファン又は逆回転ファンとして適用でき、パルスデトネーションエンジンに必要な空気流量はガスタービンよりも少ないため、高バイパス、高効率エンジンが一層可能となる。

上述したように、本発明は、パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）によりチップタービンを駆動するファンエンジンであり、ＰＤＥの高速排気流をチップタービン駆動に利用する。またＰＤＥは円曲管状とし、ファンナセル内に納める。
従ってファン駆動用のコアエンジンが不要であり、エンジン構成も単純化されるため、軽量化が可能となる。また、ＰＤＥ高速排気をダンピングする必要もなくなるため、高効率エンジンとなる。

またＰＤＥ高速排気流を有効利用するため、周速が高いチップタービン駆動に利用する。この理由は、タービンで有効に仕事を得るには、ガス流速とタービン周速が同レベルである必要があるためである。
これにより、排気流速を低下させるためのダンパーなどが不要となり、ＰＤＥ排気を高速流のままタービンに噴射ことができるため、高効率作動が可能となる。
さらにＰＤＥに必要な空気流量はガスタービンよりも少ないため、高バイパス、高効率エンジンが可能となる。
また、ＰＤＥはガスタービンよりも軽量であり、かつ形状自由度があるため、ファンナセル内にコンパクトに納めることが可能であり、エンジン全体の軽量、小型化が可能となる。
従って、本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンは、亜音速航空機の軽量、高効率エンジンとして有望である。

なお、本発明は上述した実施例及び実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

パルスデトネーションエンジンの作動説明図である。本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンの第１実施形態図である。本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンの第２実施形態図である。本発明のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジンの第３実施形態図である。非特許文献１の「単動翼列多段チップタービン駆動ファン」の模式的斜視図である。特許文献１のガスタービンエンジンとパルス燃焼エンジンの構成図である。特許文献２の「エアターボラムジェットエンジン」の構成図である。特許文献３の「複合サイクル・パルスデトネーション・タービンエンジン」の構成図である。特許文献４の「パルスデトネーション・タービンエンジン」の構成図である。

符号の説明

１デトネーション管、２燃料・酸化剤混合ガス、
３デトネーション波、４希薄波、５高速排気流、
１０ＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン、
１１ファン、１２チップタービン、１３ファンナセル、
１４パルスデトネーションエンジン（ＰＤＥ）、
１４ａデトネーション管、
１５静翼ファン、１６静翼列
２０ファンエンジン、２２ターボファンエンジン、
２３低圧コンプレッサ、
３２多段ファン、３３低圧コンプレッサ

Claims

ファンの先端部に固定されたチップタービンと、該チップタービンにデトネーションで発生する高速排気流を噴射するデトネーション管を有するパルスデトネーションエンジンとを備え、前記高速排気流によりチップタービンを駆動する、ことを特徴とするＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン。
前記デトネーション管の排気口は、チップタービンの駆動に適した向きに設定され、排気口を出た高速排気流を偏向することなくチップタービンに向けて噴射する、ことを特徴とする請求項１に記載のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン。
前記パルスデトネーションエンジンは、ファンナセル内に収容された複数の螺旋状または円弧状のデトネーション管を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン。
更に、低圧コンプレッサを有するターボファンエンジンを備え、該ターボファンエンジンから圧縮空気を抽気してパルスデトネーションエンジンに供給する、ことを特徴とする請求項１に記載のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン。
更に、前記ファンで駆動される低圧コンプレッサを備え、該低圧コンプレッサで圧縮した圧縮空気をパルスデトネーションエンジンに供給する、ことを特徴とする請求項１に記載のＰＤＥ駆動チップタービンファンエンジン。