JP2013224589A - 変速機を備えたターボプロップ／ファン型ジェットエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】プロペラまたはファンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性と、ガスタービンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性の間の調和を図ることのできるターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンを提供する。
【解決手段】ガスタービンと、ガスタービンにより回転駆動されるプロペラまたはファンを有するターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンに於いて、ガスタービンの回転軸とプロペラまたはファンの間に変速機を介装する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービンと該ガスタービンにより回転駆動されるプロペラまたはファンを有するターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンに係る。

ターボプロップ型またはターボファン型ジェットエンジンは、ガスタービンによりプロペラまたはファンを回転駆動することにより推進力を得ると同時にガスタービンの排気の噴出によりジェット推進力を得るエンジンであり、主として航空機等の乗物のためのエンジンである。乗物は停止状態から推進力により加速されて次第に速度を上げて行くものであり、発進時には、乗物の移動速度は低いが速やかな加速のために大きな推進力を必要とし、所定の定常的な運行速度に達した後には、乗物の移動速度は大きいが推進力としてはさほど大きな力を必要としない。従って、乗物の発進時と定常運行時とでは、エンジンの大気速度と要求される推進力の間の相対関係が大きく変化する。この場合、プロペラまたはファンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性と、ガスタービンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性とは、相互にかなり相違しているので、プロペラまたはファンとガスタービンとが直結されていると、発進時と定常運行時の両方に於いてエンジンの性能を最適化することが困難である。

かかる事情から、ガスタービンと、ガスタービンにより回転駆動されるプロペラまたはファンを有するターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンに於けるガスタービンのタービンを高圧タービンと低圧タービンとに分けて２軸構造とし、低圧タービンの軸にプロペラまたはファンを連結し、この低圧タービン軸に電動機を作用させ、航空機のタキシング時にプロペラまたはファンを電動機により駆動することが下記の特許文献１に記載されている。また下記の特許文献２には、タービンを高圧タービンと低圧タービンとに分けて２軸構造としたガスタービンに於いて、両軸間の相対回転数比を両軸間に介装された電動発電機により制御することが記載されている。

特開２００９−５１６７９３号公報 特開２００６−２９１９４８号公報

本発明は、タービンを高圧タービンと低圧タービンとに分けるようなことを行わず、プロペラまたはファンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性と、ガスタービンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性の間の調和を図ることのできるターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンを提供することを課題としている。

上記の課題を解決ため、本発明は、ガスタービンと、前記ガスタービンにより回転駆動されるプロペラまたはファンを有するターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンにして、前記ガスタービンの回転軸と前記プロペラまたはファンの間に介装された変速機を有することを特徴とするジェットエンジンを提案するものである。

前記変速機は遊星歯車装置であってよい。この場合、遊星歯車装置のサンギアがガスタービンの回転軸に接続され、遊星歯車装置のリングギアがプロペラまたはファンに接続され、遊星歯車装置のキャリアがその回転を制動されるようになっていてよく、更に、かかるジェットエンジンが空陸両用の乗物のエンジンとして使用される場合には、遊星歯車装置のキャリアが車輪駆動軸に接続され、リングギアもその回転を制動されるようになっていてよい。或いは、遊星歯車装置のサンギアがガスタービンの回転軸に接続され、遊星歯車装置のキャリアがプロペラまたはファンに接続され、遊星歯車装置のリングギアがその回転を制動されるようになっていてよく、更に、かかるジェットエンジンが空陸両用の乗物のエンジンとして使用される場合には、遊星歯車装置のリングギアが車輪駆動軸に接続され、キャリアもその回転を制動されるようになっていてもよい。

上記の如きジェットエンジンには、ガスタービンの回転軸に作用する電動発電機が設けられていてよい。

ガスタービンの回転軸には前記電動発電機の作用位置よりガスタービンの側にクラッチが介装されてよい。

上記の如くガスタービンと、前記ガスタービンにより回転駆動されるプロペラまたはファンを有するターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンが、前記ガスタービンの回転軸と前記プロペラまたはファンの間に介装された変速機を有するように構成されれば、プロペラまたはファンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性と、ガスタービンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性の間に大きな差があり、航空機の離陸時より巡航時に亙る如くエンジンの大気速度が大幅に変化する場合にも、前記変速機によりプロペラまたはファンの回転速度とガスタービンの回転速度の間の比を調節することにより、タービンを高圧タービンと低圧タービンとに分けることなく、プロペラまたはファンの作動特性とガスタービンの作動特性の両方の同時最適化を図ることができる。

前記変速機が遊星歯車装置であれば、遊星歯車装置はサンギアとリングギアとキャリアの間で大きな回転数比を得ることができるので、プロペラまたはファンの作動特性とガスタービンの作動特性との間の調和を図ろうとするとき、プロペラまたはファンの回転数とガスタービンの回転数の間に大きな差があっても、プロペラまたはファンの回転数とガスタービンの回転数の間の適切な対応を図ることができる。

プロペラまたはファンの作動特性とガスタービンの作動特性との間の調和を図ろうとするとき、一般にプロペラまたはファンの回転数はガスタービンの回転数より低い値になるので、遊星歯車装置のサンギアにガスタービンの回転軸が接続され、リングギアにプロペラまたはファンが接続され、キャリアがその回転を制動されるか、遊星歯車装置のサンギアにガスタービンの回転軸が接続され、キャリアにプロペラまたはファンが接続され、リングギアがその回転を制動されれば、プロペラまたはファンの回転数をガスタービンの回転数に対比して低い値に対応させることができる。

かかるジェットエンジンが空陸両用の乗物のエンジンとして使用される場合、遊星歯車装置のリングギアにプロペラまたはファンが接続され、キャリアに車輪駆動軸が接続されていれば、空陸両用乗物が地上走行するとき、リングギアがその回転を制動され、キャリアの制動が解除されれば、車輪駆動軸がガスタービンに比して低い回転速度にて回転駆動され、また、キャリアにプロペラまたはファンが接続されていれば、空陸両用乗物が地上走行するとき、キャリアがその回転を制動され、リングギアの制動が解除されれば、車輪駆動軸がガスタービンに比して低い回転速度にて回転駆動される。

上記の如きジェットエンジンが、更にガスタービンの回転軸に作用する電動発電機を有していれば、プロペラまたはファンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性と、ガスタービンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性の間の調和を図るに当って、前記変速機によるプロペラまたはファンとガスタービンの間の回転数比の調節にガスタービン回転軸の出力の増減を加味することができ、前記調和をより一層向上させることができると共に、この電動発電機をガスタービンのスタータとして作動させることができ、更に、かかるジェットエンジンが空陸両用の乗物のエンジンとして使用される場合には、ガスタービンを休止アイドル状態とし、この電動発電機により車輪駆動軸を駆動することができる。

前記電動発電機が設けられる場合に、ガスタービンの回転軸に電動発電機の作用位置よりガスタービンの側にクラッチが介装されれば、ガスタービンを休止状態とし、電動発電機により車輪駆動軸を駆動するとき、該クラッチによりガスタービンのロータを電動発電機による車輪駆動系より切り離し、電動発電機による車輪駆動系にガスタービンロータの慣性モーメントが作用しないようにして、電動発電機による車輪の駆動および車輪の制動の機敏性を高めることができる。

本発明によるジェットエンジンを空陸両用の乗物のエンジンとして構成した一つの実施例について示す概略図である。 本発明によるジェットエンジンを空陸両用の乗物のエンジンとして構成した他の一つの実施例について示す概略図である。 図１または図２に示すジェットエンジンの作動状態の一例を示す線図である。

図１に於いて、ジェットエンジンは、ファン１０により付勢された空気流の一部が外側フードハウジング１２と第一の中間フードハウジング１４の間を通ってその後端よりジェット流として排出され、残る部分が第二の中間フードハウジング１６と内側フードハウジング１８の間を通ってガスタービン２０の圧縮機２２へ導入されるようになったターボファン型のジェットエンジンとして構成されているが、図示の構成より外側フードハウジング１２と第一の中間フードハウジング１４とが除去されば、ファン１０はプロペラとなって、ジェットエンジンはターボプロップ型のジェットエンジンとなる。

２４はガスタービン２０のタービンであり、回転軸２６により圧縮機２２と連結されてこれと一体となって回転し、圧縮機２２により圧縮された空気と燃焼器２８に於いて噴射された燃料の燃焼により生成された高温の燃焼ガスより回転軸３０に回転力を発生させ、その後燃焼ガスをノズル３２よりジェット噴量として排出する。回転軸３０にはクラッチ３４を介して回転軸３６の一端が連結されている。

回転軸３６の他端は、遊星歯車装置３８のサンギア４０に連結されている。遊星歯車装置３８のリングギア４２は回転ドラム４４を介してファン１０と連結されている。遊星歯車装置３８のサンギア４０とリングギア４２の間に噛み合った複数個のプラネタリピニオン４６はキャリア４８により担持されている。キャリア４８は軸受５０により回転軸３６と同心に回転するよう支持されている。

リングギア４２或いはこれと連結された回転ドラム４４はブレーキ５２により選択的に制動されるようになっており、キャリア４８はブレーキ５４により選択的に制動されるようになっている

キャリア４８には歯車５６、５８Ｌ、５８Ｒ、６０Ｌ、６０Ｒ、６２Ｌ、６２Ｒを経て車輪駆動軸６４Ｌ、６４Ｒが連結されており、キャリア４８の回転により左右の車輪６６Ｌ、６６Ｒが駆動されるようになっている。これらの車輪は図示のジェットエンジンが空陸両用乗物のエンジンとして用いられた場合の陸上走行用車輪である。

ガスタービン２０の出力軸には、回転軸３６の部分にて、電動発電機６８が作用するようになっている。上記のクラッチ３４は、ガスタービンの出力軸の電動発電機６８が作用する位置よりガスタービンの側に介装されている。

上記の構成によるエンジンを備えた空陸両用乗物が陸上に停止しているとし、エンジンを作動させて飛行を開始する場合についてみると、ブレーキ５４を作動させてキャリア４８およびそれと連結された車輪駆動系を制動した状態で、まず電動発電機６８をスタータとして作動させてガスタービン２０を回転駆動し、これを始動させる。これより離陸を開始するには、ガスタービン２０の出力を上げつつブレーキ５４を弛めれば、乗物はファン１０の回転による推進力と、ガスタービン２０からの排ガスの噴射による推進力と、車輪６６Ｌ、６６Ｒの駆動による推進力とにより助走を開始する。ガスタービン２０の出力の増大に連れて助走速度が増大し、浮力の発生により車輪６６Ｌ、６６Ｒの接地荷重が低下して車輪が地面に対し滑り始め、その回転速度が所定値を越えようとするところでブレーキ５４が係合されば、ガスタービン２０による回転力はすべてファン１０に伝達される。尚、離陸時のエンジン出力を一時的に増大させるため、離陸時には電動発電機６８が電動機として作動されてもよい。

ブレーキ５４が係合され、キャリア４８の回転が停止すると、ファン１０の回転速度とガスタービン２０の回転速度の比は、サンギア４０の半径Ｒsとリングギア４２の半径Ｒrの比Ｒs／Ｒrとなる。プロペラまたはファンの作動を大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に於いて最適化するプロペラまたはファンの回転速度は、ジェットエンジンとしてのガスタービンの作動を大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に於いて最適化するガスタービンの回転速度に比して一般に低いので、ファン１０の回転速度がガスタービン２０の回転速度に比してサンギア４０の半径とリングギア４２の半径の比となることにより、ファン１０とガスタービン２０の両方の作動特性を最適化することがより容易となる。巡航中、エンジン出力はガスタービン２０により賄われるが、一時的に、特に瞬間的に、推進力を上げたいときには、電動発電機６８が電動機として作動されてよい。また電動発電機６８に接続された図には示されていないバッテリの充電度が低下したときには、電動発電機６８を発電機として作動させ、バッテリを充電すればよい。

空陸両用乗物が地上で車輌として運行されるとき、或いは着陸後のタキシング時には、ガスタービン２０を休止状態とし、ブレーキ５２によりリングギア４２の回転を制動した状態で、車輪６６Ｌ、６６Ｒが電動発電機６８（またはガスタービン２０または両方）により駆動されてよい。この場合、回転軸３０と３６の間にクラッチ３４が介装されていれば、電動発電機６８のみにより車輪６６Ｌ、６６Ｒを駆動するときには、クラッチ３４を解除し、地上走行に於いては機敏な加速或いは減速が必要とされる車輪６６Ｌ、６６Ｒの駆動系にガスタービンのロータの大きな慣性モーメントおよび圧縮機２２やタービン２４の負荷トルクが作用しないようにすることができる。

以上の如き事項を含めたエンジンの作動態様の一例が図３に示されている。

図２に示されている実施例は、ファン１０が遊星歯車装置３８のキャリア４８に連結されており、車輪６６Ｌ、６６Ｒが回転ドラム７０を経て遊星歯車装置３８のリングギア４２に連結されている点に於いてのみ、図１に示す実施例と異なっている。但し、この場合、車輪駆動系はサンギア４２に連結されているので、車輪６６Ｌ、６６Ｒはリングギア４２を制動するブレーキ５２により制動され、またガスタービン２０の始動時にはブレーキ５２が作動される。図２に於いて、図１に示す部分に対応する部分は図１に於けると同じ符号により示されている。この実施例のようにガスタービン２０の回転軸が遊星歯車装置３８のサンギア４０に連結され，ファン１０が遊星歯車装置３８のキャリア４８に連結されていると、リングギア４２の回転がブレーキ５２より制動され、車輪６６Ｌ、６６Ｒの回転がロックされた状態にあるとき、ガスタービン２０の回転速度に対するファン１０の回転速度の比は、サンギアの半径をＲsとし、リングギアの半径をＲrとすると、Ｒs／（Ｒs＋Ｒr）となる。これは、図１の実施例に於いて、車輪６６Ｌ、６６Ｒの回転がロックされた状態にあるとき、即ち遊星歯車装置３８のキャリア４８がブレーキ５４により制動されている時、ガスタービン２０の回転速度に対するファン１０の回転速度の比が、上記の通りＲs／Ｒrになることと異なっており、ガスタービン２０の回転速度に対するファン１０の回転速度の比は、図１の実施例に於けるよりも図２の実施例に於ける方がより小さくなる。その他の点に於いて、図２の実施例に於ける作動は図１の実施例に於ける作動と実質的に同じである。

以上に説明した図１および図２の実施例に於いては、ガスタービンの回転軸３６に作用する電動発電機６８が設けられ、電動発電機６８がガスタービンの回転軸に作用する位置よりガスタービンの側にクラッチ３４が介装されているが、プロペラまたはファンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性と、ガスタービンの大気速度と推進力と回転数の間の相対関係に関する特性の間の差を変速機により調節することによりプロペラまたはファンの作動特性とガスタービンの作動特性の両方の同時最適化を図るという本発明の基本的技術思想にとって、電動発電機６８およびクラッチ３４は必須ではなく、これらを欠く実施例も可能である。

以上に於いては、本発明を２つの実施例について詳細に説明したが、これらの実施例について本発明の範囲内にて種々の変更が可能であることは当業者にとって明らかであろう。

１０…ファン、１２…外側フードハウジング、１４…第一の中間フードハウジング、１６…第二の中間フードハウジング、１８…内側フードハウジング、２０…ガスタービン、２２…圧縮機、２４…タービン、２６…回転軸、２８…燃焼器、３０…回転軸、３２…ノズル、３４…クラッチ、３６…回転軸、３８…遊星歯車装置、４０…サンギア、４２…リングギア、４４…回転ドラム、４６…プラネタリピニオン、４８…キャリア、５０…軸受、５２，５４…ブレーキ、５６，５８Ｌ，５８Ｒ，６０Ｌ，６０Ｒ，６２Ｌ，６２Ｒ…歯車、６４Ｌ，６４Ｒ…車輪駆動軸、６６Ｌ，６６Ｒ…車輪、６８…電動発電機、７０…回転ドラム

Claims (8)

1. ガスタービンと、前記ガスタービンにより回転駆動されるプロペラまたはファンを有するターボプロップ型またはターボファン型のジェットエンジンにして、前記ガスタービンの回転軸と前記プロペラまたはファンの間に介装された変速機を有することを特徴とするジェットエンジン。
2. 前記変速機は遊星歯車装置であることを特徴とする請求項１に記載のジェットエンジン。
3. 前記遊星歯車装置のサンギアが前記ガスタービンの回転軸に接続され、前記遊星歯車装置のリングギアが前記プロペラまたはファンに接続され、前記遊星歯車装置のキャリアがその回転を制動されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載のジェットエンジン。
4. 前記遊星歯車装置のキャリアが車輪駆動軸に接続され、前記リングギアがその回転を制動されるようになっていることを特徴とする請求項３に記載のジェットエンジン。
5. 前記遊星歯車装置のサンギアが前記ガスタービンの回転軸に接続され、前記遊星歯車装置のキャリアが前記プロペラまたはファンに接続され、前記遊星歯車装置のリングギアがその回転を制動されるようになっていることを特徴とする請求項２に記載のジェットエンジン。
6. 前記遊星歯車装置のリングギアが車輪駆動軸に接続され、前記キャリアがその回転を制動されるようになっていることを特徴とする請求項５に記載のジェットエンジン。
7. 前記ガスタービンの回転軸に作用する電動発電機を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のジェットエンジン。
8. 前記ガスタービンの回転軸には前記電動発電機の作用位置よりガスタービンの側にクラッチが介装されていることを特徴とする請求項７に記載のジェットエンジン。

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