JP2008094189A - Fan-driven turbine system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスタービンエンジンから抽気された圧縮空気によってエアタービンを作動させ、エアタービンがファンを駆動することによって推進力や揚力を発生するファン駆動タービンのシステムに関する。 The present invention relates to a fan-driven turbine system that generates propulsion and lift by operating an air turbine with compressed air extracted from a gas turbine engine and driving the fan by the air turbine.
航空機などの推進力または揚力を得るために、ガスタービンエンジンのコンプレッサにて発生した圧縮空気が膨張する際のエネルギによりエアタービンを回転駆動し、このエアタービンの回転を利用してファンを回転させるファン駆動タービンのシステムが知られている。 In order to obtain propulsive force or lift of an aircraft or the like, the air turbine is rotationally driven by the energy generated when the compressed air generated by the compressor of the gas turbine engine expands, and the fan is rotated using the rotation of the air turbine. Fan driven turbine systems are known.
ガスタービンエンジンから抽気された抽出空気を空調に利用する技術としては、タービンから抽気された抽出空気を、推進力または揚力を得るためのタービンとは別に設けられたターボ圧縮機に導入した上で、ターボ圧縮機のタービンを駆動すると共に、該抽出空気を冷却して客室用の空調やリフレッシュのために用いる技術が提案されている(例えば、特許文献1参照。)。 As a technique for using air extracted from a gas turbine engine for air conditioning, the air extracted from a turbine is introduced into a turbo compressor provided separately from a turbine for obtaining propulsive force or lift. In addition, a technique has been proposed in which the turbine of a turbo compressor is driven and the extracted air is cooled to be used for air conditioning or refreshing for passenger cabins (for example, see Patent Document 1).
しかし、上述の技術においては、航空機のための推力及び揚力発生用のシステムと、空調用のシステムとが別に設けられているため、重量、スペースまたはコストの低減の妨げとなる場合があった。
本発明の目的とするところは、航空機などの推進力や揚力を発生させる装置とは別に、空調用に特別な装置や空気源を設ける必要性を低減し、重量、スペースまたはコストの低減を可能とする技術を提供することである。 The purpose of the present invention is to reduce the need for a special device or air source for air conditioning, apart from devices that generate propulsion and lift such as aircraft, and can reduce weight, space or cost Is to provide the technology.
上記目的を達成するための本発明は、ガスタービンエンジンから抽気され、ファン駆動のためのエアタービンを作動させるために導入される空気を熱交換器で冷却し、空調用に用いることを最大の特徴とする。 In order to achieve the above object, the present invention maximizes the use of air extracted from a gas turbine engine and cooled in a heat exchanger to be used for air conditioning, which is introduced to operate an air turbine for driving a fan. Features.
より詳しくは、ガスタービンエンジンと、
ガスタービンエンジンから抽気された燃焼前の空気が流通する抽気通路と、
前記抽気通路を流通してきた空気によって作動するエアタービンと、
前記エアタービンによって駆動されるファンと、
前記抽気通路に設けられ、該抽気通路を通過する空気の熱を熱媒体との間で交換させて奪う熱交換器と、
を備え、
前記熱交換器によって熱が奪われた後の前記空気を空調に利用することを特徴とする。
More specifically, a gas turbine engine,
An extraction passage through which pre-combustion air extracted from the gas turbine engine flows;
An air turbine that is operated by the air flowing through the extraction passage;
A fan driven by the air turbine;
A heat exchanger that is provided in the extraction passage and exchanges heat of the air passing through the extraction passage with a heat medium, and
With
The air after heat is taken away by the heat exchanger is used for air conditioning.
本発明によれば、ガスタービンエンジンから抽気され、推進力または揚力を得るためのエアタービンでエネルギを奪われた空気をそのまま空調に用いることができ、空調のための特別な装置や空気源を別途確保する必要がない。従って、システム全体としての重量、スペースまたはコストを低減することができる。 According to the present invention, air extracted from a gas turbine engine and deprived of energy by an air turbine for obtaining propulsive force or lift can be used as it is for air conditioning, and a special device or air source for air conditioning can be used. There is no need to secure it separately. Therefore, the weight, space, or cost of the entire system can be reduced.
また、本発明においては、前記抽気通路には、抽気された空気が前記熱交換器をバイパスすることができるバイパス路を設けることとし、前記ファンによる出力を増加する場合には前記熱交換器を通過する前記空気の量に対して前記バイパス路を通過する前記空気の量を相対的に増加させるようにしてもよい。 In the present invention, the extraction passage is provided with a bypass path through which the extracted air can bypass the heat exchanger, and when the output from the fan is increased, the heat exchanger is The amount of air passing through the bypass path may be relatively increased with respect to the amount of air passing through.
すなわち、ファンによる推進力や揚力を急速に増加させたい場合には、ガスタービンエンジンから抽出された空気に熱交換器をバイパスさせ、高温のままエアタービンに供給する。そうすることによってエアタービンに供給されるエネルギを増加させ、ファンの出力を急速に増加させることができる。 In other words, when it is desired to rapidly increase the propulsive force and lift by the fan, the air extracted from the gas turbine engine is bypassed by the heat exchanger and supplied to the air turbine at a high temperature. By doing so, the energy supplied to the air turbine can be increased and the output of the fan can be increased rapidly.
この場合、熱交換器を通過する空気の量に対してバイパス路を通過する空気の量を相対的に増加させることで、ファンの出力を急増させることができるが、熱交換器を通過する空気の量を略零とし、抽気通路を通過する空気の略全量にバイパス通路を通過させてもよい。 In this case, the output of the fan can be increased rapidly by increasing the amount of air passing through the bypass path relative to the amount of air passing through the heat exchanger, but the air passing through the heat exchanger And the bypass passage may be allowed to pass through substantially the entire amount of air passing through the extraction passage.
また、本発明においては、前記熱交換器は、前記ファンの駆動による空気流との間で前記空気の熱の交換を行うようにしてもよい。すなわち、前記熱交換器を通過する空気の熱を前記ファンの駆動により発生した空気流に放散することにより、前記空気を冷却してもよい。そうすれば、前記ガスタービンエンジンから抽出された空気の熱を交換すべき熱媒体を流すための装置が不要となる。具体的には、熱媒体を熱交換器に供給するファン、モータ、ポンプなどを省略することができる。 In the present invention, the heat exchanger may exchange heat of the air with an air flow generated by driving the fan. That is, the air may be cooled by dissipating heat of the air passing through the heat exchanger into an air flow generated by driving the fan. If it does so, the apparatus for flowing the heat carrier which should exchange the heat of the air extracted from the said gas turbine engine will become unnecessary. Specifically, a fan, a motor, a pump, or the like that supplies the heat medium to the heat exchanger can be omitted.
この場合、熱交換器は、前記ファンの下流側におけるダクトの壁面を、前記空気の熱を放散する伝熱板として用いるようにしてもよい。そうすれば、熱交換器において新規に伝熱板を設ける必要がなくなり、システム全体としての重量、スペースまたはコストをさらに低減することができる。 In this case, the heat exchanger may use the wall surface of the duct on the downstream side of the fan as a heat transfer plate that dissipates the heat of the air. If it does so, it will become unnecessary to provide a heat exchanger plate newly in a heat exchanger, and the weight, space, or cost as the whole system can further be reduced.
なお、本発明における課題を解決するための手段は、可能な限り組み合わせて使用することができる。 The means for solving the problems in the present invention can be used in combination as much as possible.
本発明にあっては、航空機などの推進力や揚力を発生させる装置とは別に、空調用に特別な装置や空気源を設ける必要性を低減し、重量、スペースまたはコストを低減することができる。 In the present invention, it is possible to reduce the necessity of providing a special device or air source for air conditioning separately from a device that generates propulsive force or lift force such as an aircraft, and to reduce weight, space, or cost. .
以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be exemplarily described in detail below with reference to the drawings.
図1には、本実施例におけるガスタービンエンジン1及びエアタービン2を含めたシステム全体の概略構成を示す。本実施例におけるガスタービンエンジン(以下、単に「エンジン」という場合もある。)1は、コンプレッサ11、燃焼器12、タービン13を備えている。そして、コンプレッサ11に吸入された空気(吸気)はコンプレッサ11にて圧縮され、燃焼器12において、燃料噴射装置(図示省略)により供給される燃料と混合されて燃焼し、その燃焼ガスはコンプレッサ11と回転軸14で直結されたタービン13を駆動させた後に機関外部へ排出される。
FIG. 1 shows a schematic configuration of the entire system including a
また、コンプレッサ11には、抽気流路15が接続されており、コンプレッサ11にて発生した圧縮空気の一部が抽気流路15へ排出されるようになっている。そして、抽気流
路15には、抽気流路15を通過する圧縮空気の熱を外気に放散し(換言すると、熱媒体としての空気との間で熱交換し、)、圧縮空気の温度を低下させる熱交換器4が設けられている。
In addition, an
また、抽気流路15における熱交換器4の下流には、抽気流路15を通過する圧縮空気によって作動するエアタービン2が備えられている。このエアタービン2が作動してファン装置3を駆動し、推進力または揚力を発生させる。
Further, an
図2には、エアタービン2及びファン装置3付近の概略構成を示す。抽気流路15から流入した圧縮空気が膨張する際のエネルギによりエアタービン2が回転駆動される。この回転運動が、減速機20により減速させられた上でファン装置3に伝達される。そして、ファン装置3が駆動され空気流を生み出すことで、本システムが搭載された機体の推進力または揚力を発生する。
FIG. 2 shows a schematic configuration in the vicinity of the
ここで、図1の説明に戻る。図1において、ガスタービンエンジン1のコンプレッサ11によって圧縮された圧縮空気は例えば300℃程度の高温まで温度が上昇している。
Here, the description returns to FIG. In FIG. 1, the temperature of the compressed air compressed by the compressor 11 of the
そして、この圧縮空気の熱は、熱交換器4において外気に奪われる。従って、熱交換器4を通過した後の圧縮空気の温度は例えば150℃程度まで低下し、さらにエアタービン2を回転させる際に膨張してエネルギを奪われ、エアタービン2から排出される際には、例えば5℃程度の冷気となっている。
The heat of the compressed air is taken away by the outside air in the
本実施例においては、このエアタービン2を回転させた後の冷気を空調に用いることとした。この空調とは、例えば、本システムが航空機に用いられている場合には、客席の冷房に用いられるものでも良いし、荷物室や計器類を冷却するためのものでもよい。
In this embodiment, the cool air after rotating the
このように本実施例においては、推進力または揚力を得るためのエアタービン2を駆動した後の空気をそのまま空調に利用するため、空調のためのシステムを別途設ける必要がなく、システム全体の重量、スペースまたはコストを低減することができる。
Thus, in this embodiment, since the air after driving the
次に、本発明における実施例2について説明する。本実施例においては、抽気流路15を通過する圧縮空気に熱交換器4をバイパスさせるバイパス流路16が備えられた例について説明する。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, an example will be described in which a
図3には、本実施例におけるガスタービンエンジン1及びエアタービン2を含めたシステム全体の概略図を示す。本実施例に係るシステムと実施例1に示したものとの相違点は、抽気流路15には、抽気流路15における熱交換器4の上流側と下流側を連通し、抽気流路15を通過する圧縮空気に熱交換器4をバイパスさせるバイパス流路16が設けられている点である。また、本実施例においては、バイパス流路16によってバイパスされている抽気流路15及び、バイパス流路16には、それぞれの流路を通過する圧縮空気の量を制御する抽気流路弁5及びバイパス流路弁6が設けられている。
In FIG. 3, the schematic of the whole system containing the
そして、ファン装置3による推進力または揚力を急速に増加させる場合には、抽気流路弁5を閉弁側に作動させるとともにバイパス流路弁6を開弁側に作動させる。これにより、エアタービン2に導入される圧縮空気の温度をより高くして、エアタービン2に供給されるエネルギを急速に増加させることができる。
When the propulsive force or lift force by the
以上、説明したように、本実施例によれば、ファン装置3による推進力または揚力の要求に応じて熱交換器4を通過する圧縮空気とバイパス流路16を通過する圧縮空気の量を
調整できるので、ファン装置3に要求される推進力または揚力の変化に迅速に対応することができる。
As described above, according to the present embodiment, the amount of compressed air passing through the
次に、本発明における実施例3について説明する。本実施例においては、ファン装置3から排出されて推進力または揚力を生む空気を、熱交換器4において圧縮空気の熱を奪う熱媒体として用いる例について説明する。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. In the present embodiment, an example will be described in which air that is exhausted from the
図4には、本実施例におけるガスタービンエンジン1及びエアタービン2を含めたシステム全体の概略構成について示す。本実施例においては、熱交換器4がファン装置3の下流に配置しており、抽気流路15を通過する圧縮空気の熱をファン装置3から排出される空気流によって奪う。
FIG. 4 shows a schematic configuration of the entire system including the
そうすれば、より確実に熱交換器4に熱媒体としての空気を供給することができ、より効率的に抽気流路15を流通する圧縮空気の温度を低下させることができる。また、本実施例によれば、熱交換器4に熱媒体としての空気を供給する装置を新たに準備する必要がないので、重量、スペースまたはコストの点でより有利である。
If it does so, the air as a heat medium can be more reliably supplied to the
なお、この際、バイパス流路16はファン装置3の下流に配置されないことが望ましい。そうすることにより、バイパス流路16を通過する圧縮空気の温度をより高温に維持することができる。その結果、ファン装置3による推進力または揚力を急速に増加させる場合に、より効率よくエアタービン2に供給されるエネルギを増加させることができる。
At this time, it is desirable that the
図5には、本実施例における熱交換器4の具体的な配置の例について示す。図5(a)には、熱交換器4の伝熱板40がファン装置3におけるファン30の下流側のダクト31に直接設けられた例について示す。この場合、伝熱板40としてのダクト31の表面において、抽気の通路41は、熱媒体としての空気流への圧縮空気の接触面積が多くなるように蛇行して設けられている。またこの例では、抽気の通路41が設けられた伝熱板40を別途形成してダクト31の表面に貼り付ける構成としてもよい。
FIG. 5 shows an example of a specific arrangement of the
次に図5(b)に示すのは、ファン30の下流側に配置される静翼32の内部に圧縮空気を通過させることで、ファン30から排出される空気流との間で熱交換させる例である。図においては、静翼32の内部を上流部分と下流部分に分割し、上流部分から圧縮空気を流入させて下流部分から排出させる例を示している。
Next, as shown in FIG. 5B, heat is exchanged with the air flow discharged from the
また、図5(c)に示すのは、ファン30の下流側のダクト31に圧縮空気の熱交換用のフィン42を設けた例である。この例では、圧縮空気がフィン42の内部を蛇行して通過し、その間にファン30から排出される空気流に放熱する構造となっている。
FIG. 5C shows an example in which
1・・・ガスタービンエンジン
2・・・エアタービン
3・・・ファン装置
4・・・熱交換器
5・・・抽気流路弁
6・・・バイパス流路弁
11・・・コンプレッサ
12・・・燃焼器
13・・・タービン
14・・・回転軸
15・・・抽気流路
16・・・バイパス流路
30・・・ファン
31・・・ダクト
32・・・静翼
40・・・伝熱板
41・・・抽気の通路
42・・・フィン
DESCRIPTION OF
Claims (4)
ガスタービンエンジンから抽気された燃焼前の空気が流通する抽気通路と、
前記抽気通路を流通してきた空気によって作動するエアタービンと、
前記エアタービンによって駆動されるファンと、
前記抽気通路に設けられ、該抽気通路を通過する空気の熱を熱媒体との間で交換させて奪う熱交換器と、
を備え、
前記熱交換器によって熱が奪われた後の前記空気を空調に利用することを特徴とするファン駆動タービンシステム。 A gas turbine engine,
An extraction passage through which pre-combustion air extracted from the gas turbine engine flows;
An air turbine that is operated by the air flowing through the extraction passage;
A fan driven by the air turbine;
A heat exchanger that is provided in the extraction passage and exchanges heat of the air passing through the extraction passage with a heat medium, and
With
A fan-driven turbine system, wherein the air after heat is taken away by the heat exchanger is used for air conditioning.
前記ファンによる出力を増加する場合には前記熱交換器を通過する前記空気の量に対して前記バイパス路を通過する前記空気の量を相対的に増加させることを特徴とする請求項1に記載のファン駆動タービンシステム。 The extraction passage is provided with a bypass passage that bypasses the heat exchanger,
The amount of the air passing through the bypass path is increased relative to the amount of the air passing through the heat exchanger when the output from the fan is increased. Fan driven turbine system.
前記ファンの下流側における前記ダクトの壁面が、前記熱交換器において前記空気の熱を前記ファンの駆動により生じる空気流に放散する伝熱板として用いられることを特徴とする請求項3に記載のファン駆動タービンシステム。 A duct is provided around the fan,
The wall surface of the duct on the downstream side of the fan is used as a heat transfer plate that dissipates heat of the air into an air flow generated by driving the fan in the heat exchanger. Fan drive turbine system.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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2006
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