JP2019183826A - Turbine engine - Google Patents

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Abstract

To provide a turbine engine capable of increasing the output.SOLUTION: In a turbine engine 100, air compressed by a compressor 112 is combusted in a combustor 118 to generate a combustion gas, a high-pressure stage power turbine 125 and a low-pressure stage power turbine 126 are rotated with the combustion gas, and the combustion gas is discharged. The high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126 are connected to an air turbine 131 via an output shaft 121, and the air turbine 131 is rotated with the compressed air generated by a gas generation compressor turbine section 110 to energize the output shaft 121. With this configuration, it is possible to provide a turbine engine capable of increasing the output.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、圧縮機を駆動するタービン軸と出力を取り出すタービン軸との2軸で構成されるタービンにおいて、圧縮機から抽気した空気で出力軸に配置した空気タービンを駆動して出力軸を加勢し、軸出力を増大することを特徴とするタービンエンジンに関する。   The present invention is a turbine composed of two shafts, a turbine shaft for driving a compressor and a turbine shaft for taking out an output, to drive an air turbine arranged on the output shaft with air extracted from the compressor to urge the output shaft The present invention relates to a turbine engine characterized by increasing shaft output.

タービンエンジンの出力軸を駆動したタービンからの排気ガスは大気へ放出されるが、この排ガスには、まだエネルギーが残っており、ただ大気へ放出するのは不経済と言える。この排ガスの持つエネルギーを回収して熱効率を向上できれば、燃費低減や有害成分の大気放出抑制が可能になり、経済面だけでなく地球温暖化抑制対策上も有益なことと考える。排ガスの持つエネルギーを回収して熱効率を向上する手法は再生サイクルと呼ばれる。   Exhaust gas from the turbine that drives the output shaft of the turbine engine is released to the atmosphere, but energy still remains in this exhaust gas, and it can be said that it is uneconomical to release it to the atmosphere. If the energy of this exhaust gas can be recovered to improve the thermal efficiency, it will be possible to reduce fuel consumption and suppress harmful components into the atmosphere, which is beneficial not only for economic reasons but also for global warming prevention measures. A technique for improving the thermal efficiency by collecting the energy of the exhaust gas is called a regeneration cycle.

再生サイクルは熱交換器を用いて圧縮機を出た空気を排ガス熱と熱交換し、燃焼器入口空気温度を昇温させ、昇温した分だけ従来は昇温に使われる燃料分を節約するサイクルである。燃焼器入口の空気温度は高いほど、タービン入口温度も高くなり熱効率が向上する。   The regeneration cycle uses a heat exchanger to exchange heat from the compressor with the exhaust gas heat, raising the temperature of the combustor inlet air, and saving the fuel that was conventionally used for raising the temperature. Cycle. The higher the air temperature at the combustor inlet, the higher the turbine inlet temperature and the better the thermal efficiency.

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しかしながら、再生サイクルでは熱効率は向上するが、出力は増大しないデメリットがあった。   However, although the heat efficiency is improved in the regeneration cycle, there is a demerit that the output is not increased.

そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することにある。   The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a turbine engine capable of increasing the output.

上記課題を解決するために、本発明によれば、圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンであって、前記圧縮機を駆動する圧縮機タービン軸と出力を取り出す前記パワータービンは前記出力軸で空気タービンと連結されており、前記空気タービンは、前記圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気を前記パワータービンの排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジンが提供される。   In order to solve the above-described problems, according to the present invention, a turbine engine that rotates and discharges a power turbine with combustion gas generated by combustion of air compressed by a compressor in a combustor, the compressor The compressor turbine shaft that drives the power turbine and the power turbine for taking out the output are connected to the air turbine at the output shaft, and the air turbine extracts the compressed air partially extracted during the compression by the compressor. A turbine engine is provided, which is heated by exhaust gas from a power turbine and driven by air having high temperature and pressure to urge the output shaft.

かかる構成によれば、パワータービンは出力軸で空気タービンと連結し、空気タービンは、圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気で駆動されて、パワータービンの出力軸を加勢する。よって、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することができる。また、タービンエンジンは、広範囲に負荷変動に強く且つ高い熱効率となる。   According to this configuration, the power turbine is connected to the air turbine at the output shaft, and the air turbine is driven by the compressed air partially extracted during the compression performed by the compressor, and urges the output shaft of the power turbine. . Therefore, a turbine engine capable of increasing the output can be provided. The turbine engine is resistant to load fluctuations over a wide range and has high thermal efficiency.

さらに、空気タービンを設けたことにより、従来のタービンエンジンにおいて、燃焼ガスによるパワータービンを追加したものと同等の出力を得ることができる。また、空気タービンを輻流式にすれば、温度と圧力を有効に動力転換できる。   Furthermore, by providing the air turbine, in the conventional turbine engine, an output equivalent to that obtained by adding a power turbine using combustion gas can be obtained. Moreover, if the air turbine is a radiant flow type, power can be effectively converted between temperature and pressure.

本発明は様々な応用が可能である。以下の応用例は適宜組み合わせることが可能である。
例えば、前記空気タービンの空気の排出には、前記圧縮機の吸い込み負圧が利用されるようにしてもよい。空気タービンの出口の空気は圧縮機の吸い込み負圧を利用するため、入口と出口の圧力差を大きくすることができる。よって、空気タービンに供給される空気の温度と圧力を有効に動力転換できる。
The present invention can be applied in various ways. The following application examples can be appropriately combined.
For example, the suction negative pressure of the compressor may be used to discharge the air from the air turbine. Since the air at the outlet of the air turbine uses the suction negative pressure of the compressor, the pressure difference between the inlet and the outlet can be increased. Therefore, it is possible to effectively convert the temperature and pressure of the air supplied to the air turbine.

また、前記空気タービンを駆動する作動空気量と前記圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、可変ガイド・ベーン装置の開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えているようにしてもよい。よって、可変ガイド・ベーン装置による負荷変動に応じた空気量の制御を行うことができる。このため、空気と燃焼ガスの各タービン駆動源の配分が制御でき、全負荷域に渡り燃費の低減が可能である。また、圧縮機の軸流速度が過小にならないよう抽気量を調整できるので、サージングが発生しない。   A variable guide vane device that adjusts the distribution of the amount of working air that drives the air turbine and the amount of combustion air supplied to the compressor by an angle area according to an opening angle of the variable guide vane device; You may make it. Therefore, it is possible to control the air amount according to the load fluctuation by the variable guide vane device. For this reason, distribution of each turbine drive source of air and combustion gas can be controlled, and fuel consumption can be reduced over the entire load range. Further, since the amount of extraction can be adjusted so that the axial flow speed of the compressor does not become too low, surging does not occur.

また、前記圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されるようにしてもよい。このように、本発明ではガイド筒を設けたことによりガイド筒と圧縮機の駆動軸間に電動発電機部を設置することができる。よって、従来のタービンエンジンが備えていた補機駆動装置である、圧縮機のコア軸に設けられた動力取出歯車、圧縮機のコア歯車からの動力取り出しタワーシャフト、補機駆動用アクセサリー・ギヤ・ボックスなどを設ける必要ななくなる。このため、タービンエンジン全体を小型化することができる。補機駆動装置の電動化はMME(More Electric Engine)と呼ばれ、補機駆動装置の配置の自由度が向上する。よって、補機駆動装置の性能向上や配置の合理化でエンジン全容積をより小さくすることが可能となる。   Further, a motor generator section may be installed between a compressor turbine shaft that supports the compressor and a guide cylinder that supports a gas generation turbine that drives the compressor. As described above, in the present invention, the motor generator section can be installed between the guide cylinder and the drive shaft of the compressor by providing the guide cylinder. Therefore, it is an auxiliary machine drive device provided in a conventional turbine engine, a power take-off gear provided on the core shaft of the compressor, a power take-off tower shaft from the core gear of the compressor, an accessory drive accessory, gear, There is no need to provide a box. For this reason, the whole turbine engine can be reduced in size. The electrification of the accessory drive device is called MME (More Electric Engine), and the degree of freedom of arrangement of the accessory drive device is improved. Therefore, it is possible to further reduce the total engine volume by improving the performance of the accessory driving device and rationalizing the arrangement.

前記パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、前記空気タービンの入り口温度を昇温するようにしてもよい。従来のタービンエンジンは、常に負荷変動に対応できる安定した作動を確保するため、低負荷時でも要求出力以上に燃料を使用しており、総じて燃費が悪い要因になっている。これに対して本発明によれば、エネルギーが多量に残った排ガスの熱回収で空気タービンの入口の空気温度を昇温することができる。よって、空気タービンの出力が向上し、エンジンの熱効率が向上する。   The inlet temperature of the air turbine may be raised by collecting the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the power turbine. Conventional turbine engines always use fuel more than the required output even at low loads in order to ensure a stable operation that can cope with load fluctuations, and this is generally a factor of poor fuel consumption. On the other hand, according to the present invention, the air temperature at the inlet of the air turbine can be raised by heat recovery of the exhaust gas in which a large amount of energy remains. Therefore, the output of the air turbine is improved and the thermal efficiency of the engine is improved.

また、前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する前記燃焼器と空気タービンの作動空気を加熱する作動空気加熱部を備え、前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で加熱された圧縮空気で回転し、前記出力軸を加勢するようにしてもよい。作動空気加熱部を備えたことにより、負荷が変動しても、一時的に大きなパワーが必要な都度、短時間に要求パワーに対応できる。また、圧縮後の高圧側に抽気口と、可変ガイド・ベーン装置を備えると、従来と同様の出力機に比し、負荷に応じた燃料投入調整領域が拡大し、全負荷域で燃費の低減が可能である。   The exhaust gas discharged from the power turbine is combusted by adding fuel to the combustion gas, and includes a working air heating unit that heats the working air of the combustor and the air turbine that generates the combustion gas. The output shaft may be energized by rotating with compressed air heated by the working air heating unit. By providing the working air heating unit, even when the load fluctuates, the required power can be dealt with in a short time whenever a large amount of power is required temporarily. In addition, if a bleed port and variable guide / vane device are provided on the high pressure side after compression, the fuel injection adjustment area will be expanded according to the load, and fuel consumption will be reduced over the entire load range, compared to conventional output machines. Is possible.

このように作動空気加熱部を備えた再熱装置は、大気から圧縮した空気に燃料添加して燃焼させるのではなく、燃焼後の、まだ酸素が残っているガスを利用するので簡素な燃焼器(燃料弁含む)の作動空気加熱部でよい。この作動空気加熱部はジェットエンジンのアフターバーナーに由来するが、従来のバーナーは燃焼ガスを推力のみに使用する。一方、本発明では、作動空気加熱部はバーナーは推力発生ではなく、圧縮機からの抽気を強制加熱する。可変ガイド・ベーン装置を設けた場合は、加熱後の高温空気によって可変ガイド・ベーン装置の開閉を調整し、燃焼器の入口空気及び空気タービンの作動空気量を適宜制御し、出力軸の軸出力の増大を図ることができる。   In this way, the reheating device equipped with the working air heating unit does not add fuel to the compressed air from the atmosphere and burn it, but uses a gas that still has oxygen remaining after combustion, so a simple combustor A working air heating unit (including a fuel valve) may be used. This working air heating unit is derived from an afterburner of a jet engine, but a conventional burner uses combustion gas only for thrust. On the other hand, in the present invention, in the working air heating unit, the burner does not generate thrust but forcibly heats the bleed air from the compressor. When a variable guide / vane device is provided, the opening and closing of the variable guide / vane device is adjusted by the high-temperature air after heating, the inlet air of the combustor and the operating air amount of the air turbine are appropriately controlled, and the shaft output of the output shaft Can be increased.

また、前記作動空気加熱部からの燃焼ガスによって前記圧縮機で圧縮された空気を加熱し、前記空気タービンに供給するようにしてもよい。このため、空気タービンの出力が向上し、出力軸の軸出力を増大することができる。   Moreover, you may make it heat the air compressed with the said compressor with the combustion gas from the said working air heating part, and supply it to the said air turbine. For this reason, the output of the air turbine is improved and the shaft output of the output shaft can be increased.

また、前記作動空気加熱部で生成された燃焼ガスは、前記燃焼器の入口に供給されるようにしてもよい。作動空気加熱部に添加する燃料量は燃焼器の入口温度を昇温するに必要な量だけでよく、経済的である。   Further, the combustion gas generated by the working air heating unit may be supplied to the inlet of the combustor. The amount of fuel added to the working air heating section is only an amount necessary for raising the inlet temperature of the combustor and is economical.

また、前記出力軸に連結される二相流タービンと、前記作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、を備え、前記液相分で前記二相流タービンを回転させて、前記出力軸を加勢するようにしてもよい。作動空気加熱部による再熱燃焼での空気加熱後の排ガスには、まだエネルギーが残っており、大気放出は不経済であるが、この排ガス熱は既に温度成分を吸収して残ったガスであるため、ガス温度が70〜250℃位と低い。本発明は、R134a、R245faのような低沸点熱交換媒体を利用して低温排ガス熱加熱媒体を二相流ノズルで液相と気相に分離し、その液相分で液体タービンを回し、タービンエンジンの出力軸を加勢してエンジン出力増大を図ることができる。   A two-phase flow turbine connected to the output shaft; and a two-phase flow nozzle that heats the medium with combustion gas from the working air heating unit and separates the heated medium into a liquid phase and a gas phase. And the output shaft may be urged by rotating the two-phase turbine in the liquid phase. The exhaust gas after air heating in the reheat combustion by the working air heating part still has energy, and it is uneconomical to release to the atmosphere, but this exhaust gas heat is a gas that has already absorbed the temperature component and remains. Therefore, the gas temperature is as low as 70 to 250 ° C. The present invention uses a low-boiling point heat exchange medium such as R134a and R245fa to separate a low-temperature exhaust gas heat heating medium into a liquid phase and a gas phase with a two-phase flow nozzle, and rotates the liquid turbine with the liquid phase component. The engine output can be increased by energizing the output shaft of the engine.

また、前記空気タービンの出口と前記圧縮機の吸い込み口の間に配置され、前記液相と前記気相を凝縮する媒体凝縮器を備え、前記媒体凝縮器は、通過する空気によって冷却されるようにしてもよい。二相流タービンの出口媒体は液体・気体混合体であり、一旦は媒体凝縮器で冷却し液化する。媒体凝縮器は、空気タービンの出口と圧縮機の吸込入口との間に配置され、冷却源はこの間を通過する空気であり、冷却ファンが不要にできる。   A medium condenser disposed between the outlet of the air turbine and the inlet of the compressor and condensing the liquid phase and the gas phase, the medium condenser being cooled by the passing air; It may be. The outlet medium of the two-phase flow turbine is a liquid / gas mixture, which is once cooled and liquefied by a medium condenser. The medium condenser is disposed between the outlet of the air turbine and the suction inlet of the compressor, and the cooling source is air passing between them, and a cooling fan can be dispensed with.

また、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンと前記圧縮機を連結する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機タービン軸を支持するガイド筒と、二重反転機構とをさらに備え、前記ガイド筒は、前記圧縮機、前記燃焼器を備えたコアエンジン部と、前記二重反転機構とを隔離し、前記二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービンと前記後段パワータービンが駆動する後段ファンとを連結する連結軸が中空軸であり、前記連結軸の内部に前記後段パワータービンからの作動ガスが供給される前段パワータービンと前記前段パワータービンが駆動する前段ファンとを連結する中実軸が同軸に貫通しており、前記後段パワータービンと前段パワータービンの回転方向を相互に逆方向に回転させるようにしてもよい。またこのとき、前記前段パワータービンの出口の排気ガス流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることによって、アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前記前段パワータービンで使われるようにしてもよい。   In addition, a gas generation turbine that drives the compressor, a compressor turbine shaft that connects the compressor, a guide tube that supports the compressor turbine shaft, and a counter rotating mechanism, and the guide tube, The compressor, the core engine unit including the combustor, and the counter-rotating mechanism are separated from each other, and the counter-rotating mechanism includes a rear-stage power turbine to which combustion gas generated in the core engine unit is supplied, and A connecting shaft that connects a rear fan driven by the rear power turbine is a hollow shaft, and a front power turbine in which the working gas from the rear power turbine is supplied to the inside of the connecting shaft, and a front stage driven by the front power turbine. The solid shaft connecting the fan passes through coaxially, and the rotational direction of the rear power turbine and the front power turbine may be rotated in opposite directions. There. Also, at this time, the exhaust gas flow at the outlet of the preceding power turbine is taken out as thrust by a throttle duct that tapers toward the downstream, so that the entire amount of combustion gas generated by the afterburner is used in the preceding power turbine. You may do it.

本発明によれば、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することが可能である。本発明のその他の効果については、後述する発明を実施するための形態においても説明する。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is possible to provide the turbine engine which can increase an output. Other effects of the present invention will also be described in a mode for carrying out the invention described later.

第1の実施形態に係るタービンエンジン100の全体構成を説明するための図である。It is a figure for explaining the whole composition of turbine engine 100 concerning a 1st embodiment. ガス生成圧縮機タービン部110を示す図である。It is a figure which shows the gas production | generation compressor turbine part 110. FIG. 再生サイクル構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the reproduction | regeneration cycle structure. 第2の実施形態に係るタービンエンジン200の全体構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the whole structure of the turbine engine 200 which concerns on 2nd Embodiment. 再燃サイクル構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a reburn cycle structure. 第3の実施形態に係るタービンエンジン300の全体構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the whole structure of the turbine engine 300 which concerns on 3rd Embodiment. 再燃再生サイクル構造を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a reburn regeneration cycle structure. 第4の実施形態に係るタービンエンジン400の全体構成を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the whole structure of the turbine engine 400 which concerns on 4th Embodiment. 前段ファン部、後段ファン部、後段ケーシング部、エンジン主ケース、ファンケースを説明するための図である。It is a figure for demonstrating a front | former stage fan part, a back | latter stage fan part, a back | latter stage casing part, an engine main case, and a fan case. 従来のターボ・ファンのタービンエンジンを示す図である。It is a figure which shows the turbine engine of the conventional turbo fan.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態に係るタービンエンジン100の全体構成について、図1を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るタービンエンジン100の全体構成を説明するための正面図である。本実施形態のタービンエンジン100は、例えば、民間の中・小型ヘリコプタのローター駆動用主機、陸海空の固定位置配位での動力源などに用いられる。
(First embodiment)
An overall configuration of the turbine engine 100 according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a front view for explaining the overall configuration of a turbine engine 100 according to the present embodiment. The turbine engine 100 of the present embodiment is used, for example, as a main engine for driving a rotor of a medium- or small-sized helicopter in a private sector, a power source in a fixed position configuration in land, sea, and air.

本実施形態のタービンエンジン100は、再生サイクル構造であり、圧縮機、燃焼器、タービンの三つの要素から構成される。圧縮機に吸い込まれた空気は燃焼器で燃焼ガスを生成しタービンを回して排出される。タービンエンジン100は、圧縮機112で圧縮された空気を燃焼器118で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービン125、126を回して排出するものであって、圧縮機112を駆動する圧縮機タービン軸114−1と出力を取り出すパワータービン125、126は出力軸121で空気タービン131と連結されており、空気タービン131は、圧縮機112で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気をパワータービン125、126の排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、出力軸121を加勢する。   The turbine engine 100 according to the present embodiment has a regeneration cycle structure, and includes three elements: a compressor, a combustor, and a turbine. The air sucked into the compressor generates combustion gas in the combustor and is discharged by turning the turbine. The turbine engine 100 is a combustion gas generated by burning the air compressed by the compressor 112 in the combustor 118, and rotates the power turbines 125 and 126, and the compressor drives the compressor 112. The turbine shaft 114-1 and the power turbines 125 and 126 that extract the output are connected to the air turbine 131 via the output shaft 121, and the air turbine 131 extracts the compressed air partially extracted during the compression by the compressor 112. Heated by the exhaust of the power turbines 125 and 126 and driven by air that has become high temperature and pressure, the output shaft 121 is energized.

タービンエンジン100は、圧縮機及び燃焼器を備えたガス生成圧縮機タービン部110と、タービンを備えたパワータービン部120及び空気タービン部130と、電動発電機部150と、を備えて構成される。以下、各構成要素について説明する。   The turbine engine 100 includes a gas generation compressor turbine section 110 including a compressor and a combustor, a power turbine section 120 and an air turbine section 130 including a turbine, and a motor generator section 150. . Hereinafter, each component will be described.

(ガス生成圧縮機タービン部110)
ガス生成圧縮機タービン部110について、図2を参照しながら詳細に説明する。図2は、ガス生成圧縮機タービン部110を示す図である。ガス生成圧縮機タービン部110は、圧縮機112と、圧縮機タービン114と、タービン116と、燃焼器118と、を備えて構成される。
(Gas generation compressor turbine section 110)
The gas generation compressor turbine section 110 will be described in detail with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram illustrating the gas generation compressor turbine section 110. The gas generation compressor turbine section 110 includes a compressor 112, a compressor turbine 114, a turbine 116, and a combustor 118.

まず、ガス生成圧縮機タービン部110の概要について説明する。
1)ガス生成圧縮機タービン部110は、コアエンジン部と呼ばれ、取り込まれた空気を圧縮して得られた圧縮空気に燃料を添加し、燃焼させることでパワータービン部120を回す燃焼ガスを生成する部分である。
2)燃焼ガスの生成は、空気圧縮機で生成された高温高圧の空気を燃焼器本体118−1に取り込み燃料弁118−6で霧化した燃料と燃焼器空気入口118−3からの空気を燃焼器本体118−1の燃焼器ライナー118−2内で燃焼させ、得られた高温ガスを燃焼器燃焼ガス出口118−4から噴出する。
3)燃焼器燃焼ガス出口118−4からの高温ガスはガス生成タービンケーシング116−2の静翼で整流しガス生成タービン116−1の動翼に噴き付けてガス生成タービン116−1を回転させる。
4)ガス生成タービン116−1は圧縮機タービン軸114−1で連結され空気圧縮機112−1を駆動。空気圧縮機112−1は大気から空気を圧縮し、高温高圧空気を生成する。
5)燃焼器燃焼ガス出口118−4からの高温ガスはガス生成タービン116−1を通過した後、パワータービン部120を回転させる。
6)エンジン効率は燃料消費のガス生成エネルギーを差し引いた残りの軸出力との比となる。
First, an outline of the gas generation compressor turbine section 110 will be described.
1) The gas generation compressor turbine section 110 is called a core engine section, and adds combustion fuel to compressed air obtained by compressing the taken-in air, and burns the combustion gas that rotates the power turbine section 120 by burning it. This is the part to be generated.
2) Combustion gas is generated by taking high-temperature and high-pressure air generated by an air compressor into the combustor main body 118-1, atomized fuel by the fuel valve 118-6, and air from the combustor air inlet 118-3. Combustion is performed in the combustor liner 118-2 of the combustor main body 118-1, and the obtained high-temperature gas is ejected from the combustor combustion gas outlet 118-4.
3) The high-temperature gas from the combustor combustion gas outlet 118-4 is rectified by the stationary blades of the gas generation turbine casing 116-2, sprayed onto the moving blades of the gas generation turbine 116-1, and rotates the gas generation turbine 116-1. .
4) The gas generation turbine 116-1 is connected by a compressor turbine shaft 114-1, and drives the air compressor 112-1. The air compressor 112-1 compresses air from the atmosphere and generates high-temperature and high-pressure air.
5) The hot gas from the combustor combustion gas outlet 118-4 passes through the gas generation turbine 116-1, and then rotates the power turbine unit 120.
6) The engine efficiency is the ratio of the remaining shaft output minus the fuel-generated gas generation energy.

圧縮機112は、図2に示したように、空気圧縮機112−1と、圧縮機空気入口112−2と、圧縮空気抽気口112−3と、圧縮機空気出口112−4と、圧縮機ケーシング112−5より構成される。   As shown in FIG. 2, the compressor 112 includes an air compressor 112-1, a compressor air inlet 112-2, a compressed air bleed port 112-3, a compressor air outlet 112-4, and a compressor. It is comprised from the casing 112-5.

空気圧縮機112−1は、軸流式多段圧縮機である。軸流式は軸方向に空気を流しながら圧縮して行く圧縮機である。空気圧縮機112−1は圧縮機ディスクに動翼が円周状に取付けられた構成である。空気圧縮機112−1の動翼は、ディスクと一体化(blade+disk=blisk)され、軽量化及びコスト低減が計られている。空気圧縮機112−1は圧縮機ケーシング112−5で覆われて一つの段をなし、軸方向に段を重ねて圧力を上昇する。圧縮機ケーシング112−5のケース内側は静翼が円周状に配置される。   The air compressor 112-1 is an axial flow type multistage compressor. The axial flow type is a compressor that compresses while flowing air in the axial direction. The air compressor 112-1 has a configuration in which rotor blades are circumferentially attached to a compressor disk. The moving blades of the air compressor 112-1 are integrated with the disk (blade + disk = blisk) to reduce weight and reduce costs. The air compressor 112-1 is covered with a compressor casing 112-5 to form one stage, and the pressure is increased by stacking stages in the axial direction. The stationary blades are circumferentially arranged inside the case of the compressor casing 112-5.

圧縮機空気入口112−2は、空気圧縮機112−1に空気を取り込むものである。図2に示したように、空気圧縮機112−1の燃焼器118とは反対側に設けられる。   The compressor air inlet 112-2 takes air into the air compressor 112-1. As shown in FIG. 2, the air compressor 112-1 is provided on the side opposite to the combustor 118.

圧縮空気抽気口112−3は、圧縮空気を抽気するものであり、図1に示したように、圧縮機タービン114に連結されている。   The compressed air extraction port 112-3 extracts compressed air, and is connected to the compressor turbine 114 as shown in FIG.

圧縮機空気出口112−4は、空気圧縮機112−1により圧縮された空気を燃焼器118に排出するものである。圧縮機空気出口112−4は、図2に示したように、空気圧縮機112−1の燃焼器118側の端部に設けられる。   The compressor air outlet 112-4 discharges the air compressed by the air compressor 112-1 to the combustor 118. As shown in FIG. 2, the compressor air outlet 112-4 is provided at the end of the air compressor 112-1 on the combustor 118 side.

圧縮機ケーシング112−5は、図2に示したように、空気圧縮機112−1、圧縮機空気入口112−2、圧縮空気抽気口112−3、及び圧縮機空気出口112−4を収容する。従来のタービンエンジンで用いられていたサージング対応可変静翼に代えて、可変ガイド・ベーン装置133が用いられる。   As shown in FIG. 2, the compressor casing 112-5 accommodates an air compressor 112-1, a compressor air inlet 112-2, a compressed air bleed port 112-3, and a compressor air outlet 112-4. . A variable guide and vane device 133 is used in place of the surging-compatible variable stationary blade used in the conventional turbine engine.

圧縮機タービン114は、図2に示したように、圧縮機タービン軸114−1と、圧縮機タービン軸受114−2と、圧縮機タービン軸受シール114−3と、圧縮機タービン軸受固定ナット114−4より構成される。空気圧縮機112−1は、圧縮機タービン軸114−1を介してガス生成タービン116−1と組み合わされ、圧縮機タービン114となる。   As shown in FIG. 2, the compressor turbine 114 includes a compressor turbine shaft 114-1, a compressor turbine bearing 114-2, a compressor turbine bearing seal 114-3, and a compressor turbine bearing fixing nut 114-. It is composed of four. The air compressor 112-1 is combined with the gas generation turbine 116-1 through the compressor turbine shaft 114-1 to become the compressor turbine 114.

圧縮機タービン軸114−1の内側にガイド筒116−3が配置され、圧縮機タービン軸114−1とガイド筒116−3との間に圧縮機タービン軸受114−2と圧縮機タービン軸受シール114−3が組み付けられ圧縮機タービン軸受固定ナット114−4で固定される。   A guide tube 116-3 is disposed inside the compressor turbine shaft 114-1, and the compressor turbine bearing 114-2 and the compressor turbine bearing seal 114 are provided between the compressor turbine shaft 114-1 and the guide tube 116-3. -3 is assembled and fixed with a compressor turbine bearing fixing nut 114-4.

タービン116は、図2に示したように、ガス生成タービン116−1と、ガス生成タービンケーシング116−2と、ガイド筒116−3より構成される。ガス生成タービン116−1は、軸流式ガス生成駆動タービンである。軸方向に燃焼ガスが流れパワータービン部120へ流れる。ガス生成タービン116−1は、タービンディスクに動翼が円周状に取付けられて構成される。ガス生成タービン116−1の動翼は、タービンディスクに植え込んで組み付けられる。ガス生成タービン116−1の動翼は高温ガスにさらされるため圧縮機112から抽気した空気で冷却される。   As shown in FIG. 2, the turbine 116 includes a gas generation turbine 116-1, a gas generation turbine casing 116-2, and a guide tube 116-3. The gas generation turbine 116-1 is an axial flow type gas generation drive turbine. Combustion gas flows in the axial direction and flows to the power turbine section 120. The gas generation turbine 116-1 is configured by attaching moving blades circumferentially to a turbine disk. The rotor blades of the gas generation turbine 116-1 are implanted and assembled in a turbine disk. Since the moving blades of the gas generating turbine 116-1 are exposed to the high-temperature gas, they are cooled by the air extracted from the compressor 112.

ガス生成タービン116−1はガス生成タービンケーシング116−2と組み合わされ一段のパワータービンを構成する。ガス生成タービンケーシング116−2のケース内側は静翼が円周状に配置される。ガイド筒116−3は、ガス生成タービンケーシング116−2と後述する空気タービンケーシング135の壁に固定される回転しない固定の筒である。ガイド筒116−3は、圧縮機112、燃焼器118を備えたコアエンジン部と、二重反転機構とを隔離する。   The gas generation turbine 116-1 is combined with the gas generation turbine casing 116-2 to constitute a one-stage power turbine. The stationary blades are circumferentially arranged inside the case of the gas generating turbine casing 116-2. The guide cylinder 116-3 is a fixed cylinder that does not rotate and is fixed to the walls of the gas generating turbine casing 116-2 and an air turbine casing 135 described later. The guide cylinder 116-3 isolates the core engine unit including the compressor 112 and the combustor 118 from the counter rotating mechanism.

燃焼器118は、図2に示したように、燃焼器本体118−1、燃焼器ライナー118−2、燃焼器空気入口118−3、燃焼器燃焼ガス出口118−4、燃焼器ケーシング118−5、燃料弁118−6より構成される。   As shown in FIG. 2, the combustor 118 includes a combustor body 118-1, a combustor liner 118-2, a combustor air inlet 118-3, a combustor combustion gas outlet 118-4, and a combustor casing 118-5. And a fuel valve 118-6.

燃焼器本体118−1は、外側の燃焼器ライナー118−2と内側の燃料弁118−6で構成され、燃焼器ライナー118−2の内部に燃料弁118−6が配置される。燃焼器ライナー118−2は多数の孔が開けられている。孔は、燃焼前の空気の層流で冷却されるよう配置される。燃焼器ライナー118−2内に燃料弁118−6が配置され(図示していない)、点火プラグが2個または数個の燃料弁118−6に配置される。   The combustor body 118-1 includes an outer combustor liner 118-2 and an inner fuel valve 118-6, and the fuel valve 118-6 is disposed inside the combustor liner 118-2. The combustor liner 118-2 has a number of holes. The holes are arranged to be cooled with a laminar flow of air before combustion. A fuel valve 118-6 is disposed in the combustor liner 118-2 (not shown), and spark plugs are disposed on two or several fuel valves 118-6.

燃焼器本体118−1は、燃焼器ケーシング118−5の内側に円周状に配置される(本図はカンニュラ式)。燃焼器本体118−1が空気圧縮機112−1とガス生成タービン116−1の間に配置され燃焼器ケーシング118−5で組み合わされて構成される。燃料弁118−6は、燃料ポンプ(図示せず)からの燃料圧送により燃料を霧状に噴霧する機能を有す。   The combustor main body 118-1 is circumferentially arranged inside the combustor casing 118-5 (this figure is a cannula type). A combustor body 118-1 is disposed between the air compressor 112-1 and the gas generation turbine 116-1, and is configured by being combined with a combustor casing 118-5. The fuel valve 118-6 has a function of spraying fuel in the form of a mist by pumping fuel from a fuel pump (not shown).

(パワータービン部120)
パワータービン部120の構成について、図3を参照しながら説明する。図3は、再生サイクル構造を説明するための図である。パワータービン部120の構造は、タービン116に同じであるが、回転数が異なり、回転方向が逆回転である。パワータービン部120は、図3に示したように、出力軸121と、出力軸受122と、出力軸受シール123と、出力軸受固定ナット124と、高圧段パワータービン(パワータービン)125と、低圧段パワータービン(パワータービン)126と、パワータービンケーシング127と、パワータービン燃焼ガス出口128と、を備えて構成される。
(Power turbine section 120)
The configuration of the power turbine unit 120 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a diagram for explaining the reproduction cycle structure. The structure of the power turbine unit 120 is the same as that of the turbine 116, but the rotation speed is different and the rotation direction is reverse rotation. As shown in FIG. 3, the power turbine unit 120 includes an output shaft 121, an output bearing 122, an output bearing seal 123, an output bearing fixing nut 124, a high pressure stage power turbine (power turbine) 125, and a low pressure stage. A power turbine (power turbine) 126, a power turbine casing 127, and a power turbine combustion gas outlet 128 are provided.

高圧段パワータービン125は高圧段の軸流式タービンである。低圧段パワータービン126は、低圧段の軸流式タービンである。高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126の構成について、図3を参照しながら説明する。高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126は、タービンディスクに動翼が円周状に取付けられる。高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126の動翼はタービンディスクに植え込んで組み付けられる。高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126の動翼は高温ガスにさらされるため圧縮機から抽気した空気で冷却される。高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126はパワータービンケーシング127で組み合わされパワータービンを構成する。   The high-pressure stage power turbine 125 is a high-pressure stage axial flow turbine. The low-pressure stage power turbine 126 is a low-pressure stage axial turbine. The configurations of the high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126 will be described with reference to FIG. In the high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126, the rotor blades are circumferentially attached to the turbine disk. The blades of the high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126 are implanted and assembled in a turbine disk. The moving blades of the high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126 are exposed to the high-temperature gas, and are therefore cooled by the air extracted from the compressor. The high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126 are combined in a power turbine casing 127 to constitute a power turbine.

パワータービンケーシング127のケース内側は静翼が円周状に配置される。出力軸121に高圧段パワータービン125と低圧段パワータービン126が組み合わされて構成される。ガイド筒116−3の内側に出力軸121が貫通配置されガイド筒116−3と出力軸121の間に出力軸受122と出力軸受シール123が組み付けられ、出力軸受固定ナット124で固定される。   Inside the case of the power turbine casing 127, the stationary blades are arranged in a circumferential shape. The output shaft 121 is configured by combining a high pressure stage power turbine 125 and a low pressure stage power turbine 126. The output shaft 121 passes through the guide tube 116-3, the output bearing 122 and the output bearing seal 123 are assembled between the guide tube 116-3 and the output shaft 121, and are fixed by the output bearing fixing nut 124.

(空気タービン部130)
空気タービン部130の構成について、図3を参照しながら説明する。空気タービン部130は、空気タービン131と、タービン空気入口132と、可変ガイド・ベーン装置133と、タービン空気出口134と、空気タービンケーシング135と、空気加熱器136と、加熱器空気入口137と、加熱器空気出口138と、加熱器ケーシング139と、パワータービン出口コーン140と、圧縮機抽気口/加熱器入口間配管141と、加熱器出口/空気タービン入口間配管142と、燃焼ガス排気口143と、を備えて構成される。
(Air turbine part 130)
The configuration of the air turbine unit 130 will be described with reference to FIG. The air turbine section 130 includes an air turbine 131, a turbine air inlet 132, a variable guide vane device 133, a turbine air outlet 134, an air turbine casing 135, an air heater 136, a heater air inlet 137, Heater air outlet 138, heater casing 139, power turbine outlet cone 140, compressor bleed port / heater inlet pipe 141, heater outlet / air turbine inlet pipe 142, and combustion gas exhaust 143 And comprising.

空気タービン131は、圧縮機112で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気で駆動されて、出力軸121を加勢するものである。空気タービン131は、輻流式タービンで径方向から作動空気が流入し羽根車に吹き付け大気へ排出する。空気タービン131は、図3に示したように、タービンディスクにブレード翼が円周状に一体で製造(brisk)されて構成される。空気タービン131は一体加工により軽量化と堅牢である特長を有する。空気タービン131は空気タービンケーシング135と組み合い、タービン空気入口132に可変ガイド・ベーン装置133が配置される。   The air turbine 131 is driven by compressed air partially extracted during the compression by the compressor 112 and urges the output shaft 121. The air turbine 131 is a radial turbine, and working air flows in from the radial direction, blows to the impeller, and discharges to the atmosphere. As shown in FIG. 3, the air turbine 131 is configured such that blade blades are circumferentially integrated with a turbine disk. The air turbine 131 has a feature that it is lightweight and robust by integrated processing. The air turbine 131 is combined with an air turbine casing 135, and a variable guide vane device 133 is disposed at the turbine air inlet 132.

ここで、空気タービン131の輻流タービンの詳細について説明する。
タービン駆動エネルギーQ=G・Cp・(Ti−T0)・ηt・(1−π)^(1−1/κ)
G:作動ガス流量、Cp:ガス定圧比熱比、Ti:タービン入口温度、T0:大気温度、ηt:タービン効率、π=P0/Pi、P0:タービン出口圧力、Pi:タービン入口圧力、κ:空気比熱比
式よりタービン仕事はタービン入口温度が高く、出口圧力が低いほど大きくなる。このような原理で高効率化に適した空気タービン131は輻流式を考える。本実施形態のタービン空気出口134の空気は圧縮機に直接吸い込ませるので、タービン空気出口134の圧力を従来の大気開放式より低くできる。このため、高い圧力差が得易い。空気タービン131は、圧縮途中の一部少量抽気駆動のため、大容量の軸流式より上記式原理より、圧力差、温度差に有利な輻流式がよい。
Here, the detail of the radiation turbine of the air turbine 131 is demonstrated.
Turbine drive energy Q = G · Cp · (Ti−T0) · ηt · (1-π) ^ (1-1 / κ)
G: Working gas flow rate, Cp: Gas constant pressure specific heat ratio, Ti: Turbine inlet temperature, T0: Atmospheric temperature, ηt: Turbine efficiency, π = P0 / Pi, P0: Turbine outlet pressure, Pi: Turbine inlet pressure, κ: Air From the specific heat ratio equation, the turbine work becomes larger as the turbine inlet temperature is higher and the outlet pressure is lower. The air turbine 131 suitable for high efficiency based on such a principle is considered to be a radial type. Since the air at the turbine air outlet 134 of the present embodiment is directly sucked into the compressor, the pressure at the turbine air outlet 134 can be made lower than that in the conventional open air type. For this reason, it is easy to obtain a high pressure difference. Since the air turbine 131 is driven by a small amount of bleed air during compression, the air turbine 131 is preferably a radiant flow type that is advantageous for pressure difference and temperature difference from the above formula principle rather than a large capacity axial flow type.

上記のタービン駆動エネルギーの数式について、さらに説明する。
数式中の(1−1/κ)は(1−圧力比)の指数関数の指数値であり、本数式は空気タービンの動力発生の式である。ガスタービンは一般的に等圧を利用するため、圧力成分は期待できないため、温度差成分が主体となる。従って、従来のガスタービンの再生サイクルは大気へ廃棄する廃ガス熱から熱を回収して燃料消費量を低減することで熱効率を向上させるが、このとき、軸出力は向上しない。
The above formula for the turbine drive energy will be further described.
In the formula, (1-1 / κ) is an exponent value of an exponential function of (1-pressure ratio), and this formula is a formula for generating power of the air turbine. Since a gas turbine generally uses isobaric pressure, a pressure component cannot be expected, and therefore a temperature difference component is mainly used. Therefore, the regeneration cycle of the conventional gas turbine improves heat efficiency by recovering heat from waste gas heat discarded to the atmosphere and reducing fuel consumption, but at this time, shaft output is not improved.

本実施形態は、廃熱から再生する際、軸出力が向上できるものである。この軸出力向上に空気タービンを使用する。空気タービンの発生動力は、温度差成分より、圧力成分が主体となる。従って、圧力成分の圧力比に対して空気の比熱比κを使用して記載の計算式で空気タービン出力を算出する。これにタービン効率としての機械効率を掛けた分が取り出せる仕事となる。本実施形態の特徴は、ガスタービン燃焼用空気圧縮機の入口に本空気タービンの作動空気出口を配置することで圧力差を従来の大気放出に比し、大きくできることである。燃料消費量は変わらないが、軸出力が向上するため、軸出力が同じなら、燃料消費量は低減できる。   In this embodiment, the shaft output can be improved when regenerating from waste heat. An air turbine is used to improve the shaft output. The power generated by the air turbine is mainly a pressure component rather than a temperature difference component. Therefore, the air turbine output is calculated by the described calculation formula using the specific heat ratio κ of air with respect to the pressure ratio of the pressure component. The work obtained by multiplying this by the mechanical efficiency as the turbine efficiency is the work that can be taken out. The feature of this embodiment is that the pressure difference can be increased compared to the conventional atmospheric discharge by arranging the working air outlet of the air turbine at the inlet of the gas turbine combustion air compressor. Although the fuel consumption does not change, the shaft output is improved, so if the shaft output is the same, the fuel consumption can be reduced.

可変ガイド・ベーン装置133は、図3に示したように、タービン空気入口132に設けられて、空気タービン131を駆動する作動空気量と、圧縮機112に供給される燃焼用空気量の配分をベーン開き角度による角度面積で調整する。ただし、エンジン低回転時は、前方段の空気流量を増やして(軸流速度を高めて)圧縮機112のサージング防止を優先する。   As shown in FIG. 3, the variable guide vane device 133 is provided at the turbine air inlet 132 and distributes the amount of working air that drives the air turbine 131 and the amount of combustion air supplied to the compressor 112. Adjust the angle area according to the vane opening angle. However, when the engine is running at low speed, priority is given to preventing surging of the compressor 112 by increasing the air flow rate in the front stage (increasing the axial flow speed).

空気タービンケーシング135の内側は渦巻き状に空気通路が形成される。ガイド筒116−3の内側に出力軸121が貫通配置されガイド筒116−3と出力軸121の間に20と21が組み付けられる。出力軸121の先端側に空気タービン131、他端側に高圧段パワータービン125、低圧段パワータービン126が配置され出力軸受122、出力軸受シール123を組み付け後、出力軸受固定ナット124で固定される。   An air passage is formed spirally inside the air turbine casing 135. The output shaft 121 is disposed through the guide tube 116-3, and 20 and 21 are assembled between the guide tube 116-3 and the output shaft 121. An air turbine 131 is disposed on the front end side of the output shaft 121, and a high pressure stage power turbine 125 and a low pressure stage power turbine 126 are disposed on the other end side. After the output bearing 122 and the output bearing seal 123 are assembled, they are fixed by the output bearing fixing nut 124. .

空気加熱器136がパワータービン出口コーン140の周上に配置され加熱器ケーシング139で覆われる。圧縮空気抽気口112−3と加熱器空気入口137の間は圧縮機抽気口/加熱器入口間配管141で配管され、タービン空気入口132と加熱器空気出口138との間は加熱器出口/空気タービン入口間配管142で配管される。   An air heater 136 is disposed on the circumference of the power turbine outlet cone 140 and is covered with a heater casing 139. The compressed air bleed port 112-3 and the heater air inlet 137 are connected by a compressor bleed port / heater inlet pipe 141, and between the turbine air inlet 132 and the heater air outlet 138 are the heater outlet / air. Piped by a turbine inlet pipe 142.

(電動発電機部150)
電動発電機部150について、再び図2を参照しながら説明する。電動発電機部150は、電動発電機回転子151と、電動発電機固定子152と、を備えて構成される。電動発電機部150は、図2に示したように、圧縮機タービン軸114−1の内側に電動発電機回転子151、ガイド筒116−3の外側に電動発電機固定子152が配置され電動発電機部を構成する。
(Motor generator 150)
The motor generator 150 will be described with reference to FIG. 2 again. The motor generator unit 150 includes a motor generator rotor 151 and a motor generator stator 152. As shown in FIG. 2, the motor generator unit 150 includes a motor generator rotor 151 disposed inside the compressor turbine shaft 114-1 and a motor generator stator 152 disposed outside the guide cylinder 116-3. Configure the generator section.

電動発電機回転子151は永久磁石が配置され回転し、電動発電機固定子152は鉄心に銅線コイルが巻かれ磁気を発生する。磁気を電動発電機固定子152で電力化し電動発電機固定子152から配線により外部電源制御器及びバッテリと結線される。   The motor generator rotor 151 is rotated by a permanent magnet, and the motor generator stator 152 generates magnetism by winding a copper wire coil around an iron core. The magnetism is converted into electric power by the motor generator stator 152 and connected to the external power supply controller and the battery from the motor generator stator 152 by wiring.

以上、タービンエンジン100の構成について説明した。以下、タービンエンジン100の再生サイクル動作・機能について、構成要素ごとに、図1を参照しながら説明する。   The configuration of the turbine engine 100 has been described above. Hereinafter, the regeneration cycle operation / function of the turbine engine 100 will be described for each component with reference to FIG.

(ガス生成圧縮機タービン部110の動作)
1)圧縮機空気入口112−2から大気が吸い込まれ空気圧縮機112−1の軸方向に空気が流れて各段で空気が昇圧される。
2)高温高圧の空気が燃焼器本体118−1に入り燃焼器本体118−1の内側と燃焼器ライナー118−2の外側の間に流れる。
3)燃焼器ライナー118−2には多数の穴が空けられこの穴を介して空気が燃焼器ライナー118−2の容器内に渦を巻いて流入する。
4)燃焼器ライナー118−2の頂部付近に燃料弁118−6が配置され燃料弁118−6から燃料が噴霧される。
5)燃料弁118−6は外部の燃料ポンプから圧送された燃料を霧化し燃焼器ライナー118−2の内で燃料と空気が混合する。
6)最初は外部の電気火花で混合気に点火し、火炎が生成される。
7)一度点火したらその後は圧力一定下で炎が持続し高温(1600℃〜2000℃位)となり、図2に示した燃焼器燃焼ガス出口118−4より噴き出し、ガス生成タービン116−1の動翼に勢いよく噴き付けて(1000〜1400℃位)ガス生成タービン116−1を回転させる。
8)ガス生成タービン116−1は、図2に示した圧縮機タービン軸114−1を介して空気圧縮機112−1を駆動し高温高圧空気を生成する。
9)ガス生成タービン116−1を通過した高温高圧ガスは、図3に示したパワータービン部120へ導かれる。
10)燃焼器本体118−1の内側と燃焼器ライナー118−2の外側の間に流れる空気は一部素通し燃焼器ライナー118−2を冷却するように流れる。
(Operation of Gas Generation Compressor Turbine Unit 110)
1) Atmosphere is sucked in from the compressor air inlet 112-2, air flows in the axial direction of the air compressor 112-1, and the air is pressurized in each stage.
2) High temperature and high pressure air enters the combustor body 118-1 and flows between the inside of the combustor body 118-1 and the outside of the combustor liner 118-2.
3) A number of holes are formed in the combustor liner 118-2, and air flows in a vortex through the holes into the container of the combustor liner 118-2.
4) A fuel valve 118-6 is disposed near the top of the combustor liner 118-2, and fuel is sprayed from the fuel valve 118-6.
5) The fuel valve 118-6 atomizes the fuel pumped from the external fuel pump and mixes fuel and air in the combustor liner 118-2.
6) At first, the mixture is ignited by an external electric spark, and a flame is generated.
7) Once ignited, the flame continues under a constant pressure and reaches a high temperature (about 1600 ° C. to 2000 ° C.), and is ejected from the combustor combustion gas outlet 118-4 shown in FIG. The gas generation turbine 116-1 is rotated by spraying the blades vigorously (approximately 1000 to 1400 ° C.).
8) The gas generation turbine 116-1 drives the air compressor 112-1 via the compressor turbine shaft 114-1 shown in FIG. 2 to generate high-temperature and high-pressure air.
9) The high-temperature and high-pressure gas that has passed through the gas generation turbine 116-1 is guided to the power turbine unit 120 shown in FIG.
10) The air flowing between the inside of the combustor body 118-1 and the outside of the combustor liner 118-2 flows to partially cool the combustor liner 118-2.

(燃焼器118の動作)
ここで、燃焼器118の動作について、図1に加え、さらに図2を参照しながら説明する。
1)燃焼器本体118−1の上流部では、旋回案内羽根から空燃比(14〜18対1)程度の混合比になるよう、空気流量の25%程度が燃焼器ライナー118−2で囲まれた燃焼領域に取り込まれる。
2)残りの空気流量の75%程度は、燃焼器本体118−1の内部冷却と燃焼ガスの希釈、25%程度で完全燃焼しなかった燃料の二次燃焼に利用される。
3)燃焼器ライナー118−2は、燃焼器本体118−1の直前の空気流速(100〜200m/s程度)から火炎を保護し、部分的に(10〜20m/s程度)に減速された燃焼領域を作り出す。
4)燃焼器ライナー118−2と燃焼器ケーシング118−5の間及び燃焼器ライナー118−2の孔には空気が流れ、燃焼領域に流れる空気量が調節され燃焼器ライナー118−2も冷却される。
5)燃料弁118−6から燃料ポンプ(図示せず)で加圧された燃料がノズルから噴霧され始動時は電気火花で点火される。
6)点火後は以下のことで火炎は自ら燃焼領域内で維持される。
a)旋回渦を形成しながら空気と燃料が混合燃焼することで一次燃焼領域を形成。
b)二次空気が燃焼器ライナー118−2の孔から一次燃焼領域の下流側に流入することで二次燃焼領域を形成。
c)流入する二次空気の流れがその上流である一次燃焼領域内に環状渦を作る。
以上のことにより火炎は持続される。
7)二次燃焼領域内では一次空気で燃焼しきれなかった燃料が燃焼され、共に二次空気による希釈が始まる。
8)燃焼器ライナー118−2内の後部は混合希釈領域となって、一次と二次の空気が混合されて高温ガスが平均化される。
9)燃焼直後の一次燃焼域温度は2000℃程になるが、二次空気と混合希釈(60〜130:1)されてガス生成タービン116−1の入口直前では1000〜1400℃(2000年以降)程まで低下され、動翼の熱応力破損に対応される。
(Operation of the combustor 118)
Here, the operation of the combustor 118 will be described with reference to FIG. 2 in addition to FIG.
1) In the upstream portion of the combustor main body 118-1, about 25% of the air flow rate is surrounded by the combustor liner 118-2 so that the mixing ratio is about the air-fuel ratio (14 to 18: 1) from the turning guide vanes. Into the combustion area.
2) About 75% of the remaining air flow rate is used for internal cooling of the combustor main body 118-1, dilution of combustion gas, and secondary combustion of fuel that is not completely burned at about 25%.
3) The combustor liner 118-2 protected the flame from the air flow velocity (about 100 to 200 m / s) immediately before the combustor body 118-1, and was partially decelerated (about 10 to 20 m / s). Create a burning area.
4) Air flows between the combustor liner 118-2 and the combustor casing 118-5 and in the holes of the combustor liner 118-2, the amount of air flowing to the combustion region is adjusted, and the combustor liner 118-2 is also cooled. The
5) Fuel pressurized by a fuel pump (not shown) from the fuel valve 118-6 is sprayed from the nozzle and ignited by electric sparks at the start.
6) After ignition, the flame is maintained within the combustion zone by the following.
a) A primary combustion region is formed by mixing and burning air and fuel while forming a swirl vortex.
b) The secondary air flows into the downstream side of the primary combustion region from the hole of the combustor liner 118-2 to form the secondary combustion region.
c) An inflow of secondary air creates an annular vortex in the primary combustion region upstream of it.
The flame is sustained by the above.
7) In the secondary combustion region, the fuel that could not be combusted by the primary air is combusted, and the dilution by the secondary air starts together.
8) The rear part in the combustor liner 118-2 is a mixed dilution region where the primary and secondary air are mixed and the hot gases are averaged.
9) The primary combustion zone temperature immediately after combustion is about 2000 ° C., but is mixed and diluted with secondary air (60 to 130: 1) and immediately before the inlet of the gas generating turbine 116-1 to 1000 to 1400 ° C. (after 2000) ) To the extent that it can cope with the thermal stress failure of the rotor blades.

(パワータービン部120の動作)
1)ガス生成タービン116−1を通過した燃焼作動ガスは、高圧段パワータービン125へ導かれ高圧段パワータービン125の動翼にガス流を整流して吹き付ける。
2)高圧段パワータービン125の動翼とパワータービンケーシング127の静翼は列をなし一つの段を成し、ガス流整流はパワータービンケーシング127の静翼で行われる。
3)高圧段パワータービン125の動翼は圧縮機から抽気した空気で冷却され高温での耐久性が確保される。
4)高圧段パワータービン125を通過した燃焼作動ガスは低圧段パワータービン126へ導かれ、低圧段パワータービン126の動翼にガス流を整流して吹き付ける。
5)低圧段パワータービン126の動翼とパワータービンケーシング127の静翼は列をなし一つの段を成し、ガス流整流はパワータービンケーシング127の静翼で行われる。
6)低圧段パワータービン126の動翼は圧縮機から抽気した空気で冷却され高温での耐久性が確保される。
7)出力軸121の軸出力回転特性は低圧段パワータービン126の動翼設計値により決まる。
8)高圧段パワータービン125と低圧段パワータービン126の回転により出力軸121の軸端から回転動力が取り出される。
(Operation of the power turbine unit 120)
1) The combustion working gas that has passed through the gas generating turbine 116-1 is guided to the high-pressure stage power turbine 125 and rectifies and blows the gas flow onto the moving blades of the high-pressure stage power turbine 125.
2) The moving blades of the high-pressure stage power turbine 125 and the stationary blades of the power turbine casing 127 form a single row, and the gas flow rectification is performed by the stationary blades of the power turbine casing 127.
3) The rotor blades of the high-pressure stage power turbine 125 are cooled by the air extracted from the compressor, and durability at high temperatures is ensured.
4) The combustion working gas that has passed through the high-pressure stage power turbine 125 is guided to the low-pressure stage power turbine 126, and the gas flow is rectified and blown to the moving blades of the low-pressure stage power turbine 126.
5) The moving blades of the low-pressure stage power turbine 126 and the stationary blades of the power turbine casing 127 form a single row, and gas flow rectification is performed by the stationary blades of the power turbine casing 127.
6) The rotor blades of the low-pressure stage power turbine 126 are cooled by the air extracted from the compressor, and durability at high temperatures is ensured.
7) The shaft output rotation characteristic of the output shaft 121 is determined by the moving blade design value of the low-pressure stage power turbine 126.
8) Rotational power is extracted from the shaft end of the output shaft 121 by the rotation of the high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126.

(空気タービン部130の作動)
空気タービン部130の動作を、図1に加え、さらに図3を参照しながら説明する。
1)圧縮空気抽気口112−3から高温高圧空気を抽気する。
2)抽気空気は空気タービン131に送り込む前に空気加熱器136で排ガスを再生加熱し、抽気時より高温化する。
3)抽気空気は圧縮機抽気口/加熱器入口間配管141を介して空気加熱器136の加熱器空気入口137へ送り込まれる。
4)空気加熱器136は燃焼ガス排熱で抽気空気を加熱し、排熱ガスと熱交換を行う。
5)加熱された高温高圧空気が加熱器空気出口138から加熱器出口/空気タービン入口間配管142を介して空気タービン131のタービン空気入口132へ送られる。
6)タービン空気入口132からの作動空気は、可変ガイド・ベーン装置133のノズルで絞られ空気タービン131の動翼に吹き付けられ空気タービン131を回転させる。
7)空気タービン131の回転は、出力軸121の回転に加勢され出力軸121の軸出力を増大する。
8)タービン駆動の抽気量は、タービン空気入口132に配置した可変ガイド・ベーン装置133のノズルベーンの開度面積調整で行う。
9)空気タービン131の作動空気温度は、抽気時より高くする必要(低いと再生にならない)がある。
10)軸出力調整などでタービン燃焼温度が低く排ガスから十分な温度上昇が得られない場合は、開度を閉じるよう調整し抽気を止めるよう制御する。
11)本サイクルの可変ガイド・ベーン装置133の開閉制御の要点は以下の通りである。
a)再生空気温度が抽気時温度より高くなること。
b)抽気時より低くなる場合は可変ガイド・ベーン装置133のベーンを閉じで抽気を止める。
c)空気加熱器136の効率を高く且つ流動損失を小さくすること。
12)可変ガイド・ベーン装置133で調節された作動空気はタービン空気入口132から空気タービン131の回転後軸流に沿ってタービン空気出口134から圧縮機ケーシング112−5内側を介して圧縮機空気入口112−2へ流れる。
13)作動空気が圧縮機空気入口112−2へ流れるとき空気圧縮機112−1が空気を吸込むのでタービン空気出口134での作動空気は負圧状態になる。
14)本構造では空気タービン131単独でタービン空気出口134から大気放出する場合(2気圧位大気より高い)に比しタービン効率が大きく向上するメリットを有する。
(Operation of the air turbine unit 130)
The operation of the air turbine unit 130 will be described with reference to FIG. 3 in addition to FIG.
1) High temperature and high pressure air is extracted from the compressed air extraction port 112-3.
2) Before the extraction air is sent to the air turbine 131, the exhaust gas is regenerated and heated by the air heater 136, and the temperature is higher than that during extraction.
3) The bleed air is sent to the heater air inlet 137 of the air heater 136 via the compressor bleed port / heater inlet pipe 141.
4) The air heater 136 heats the extracted air with combustion gas exhaust heat, and exchanges heat with the exhaust heat gas.
5) The heated high-temperature high-pressure air is sent from the heater air outlet 138 to the turbine air inlet 132 of the air turbine 131 via the heater outlet / air turbine inlet pipe 142.
6) The working air from the turbine air inlet 132 is throttled by the nozzle of the variable guide vane device 133 and blown to the moving blades of the air turbine 131 to rotate the air turbine 131.
7) The rotation of the air turbine 131 is urged by the rotation of the output shaft 121 to increase the shaft output of the output shaft 121.
8) The amount of bleed air driven by the turbine is adjusted by adjusting the opening area of the nozzle vane of the variable guide vane device 133 disposed at the turbine air inlet 132.
9) The operating air temperature of the air turbine 131 needs to be higher than when the air is extracted (if it is low, regeneration is not possible).
10) When the turbine combustion temperature is low due to shaft output adjustment or the like and a sufficient temperature rise cannot be obtained from the exhaust gas, control is performed so as to stop the extraction by adjusting the opening degree.
11) The main points of the open / close control of the variable guide / vane device 133 in this cycle are as follows.
a) The regeneration air temperature must be higher than the extraction temperature.
b) When lower than the time of bleed, the bleed is stopped by closing the vane of the variable guide vane device 133.
c) Increase the efficiency of the air heater 136 and reduce the flow loss.
12) The working air adjusted by the variable guide vane device 133 passes from the turbine air inlet 132 along the rotated axial flow of the air turbine 131 to the compressor air inlet from the turbine air outlet 134 through the inside of the compressor casing 112-5. It flows to 112-2.
13) Since the air compressor 112-1 sucks air when the working air flows to the compressor air inlet 112-2, the working air at the turbine air outlet 134 is in a negative pressure state.
14) This structure has a merit that the turbine efficiency is greatly improved as compared with the case where the air turbine 131 alone releases from the turbine air outlet 134 to the atmosphere (which is higher than the atmosphere of about 2 atm).

以上説明したように、圧縮機112の圧縮機空気入口112−2と圧縮機空気出口112−4の間に配置された圧縮機空気抽気口112−3から一部抽気した圧縮空気は、圧縮機抽気口/加熱器入口間配管141を介して、空気加熱器136で高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126を回して排出された排気ガスで加熱される。空気加熱器136で加熱された高温高圧の作動空気は、加熱器出口/空気タービン入口間配管142を介して、空気タービン131のタービン空気入り口132に送られ、空気タービン131を駆動する。   As described above, the compressed air partially extracted from the compressor air extraction port 112-3 disposed between the compressor air inlet 112-2 and the compressor air outlet 112-4 of the compressor 112 is compressed by the compressor. The exhaust gas is heated by the exhaust gas discharged by rotating the high-pressure stage power turbine 125 and the low-pressure stage power turbine 126 by the air heater 136 via the piping 141 between the extraction port / heater inlet. The high-temperature and high-pressure working air heated by the air heater 136 is sent to the turbine air inlet 132 of the air turbine 131 via the heater outlet / air turbine inlet pipe 142 to drive the air turbine 131.

(再生サイクルの可変ガイド・ベーン装置133の動作)
エンジン負荷が変動し、特に小負荷領域などで排気ガス温度が圧縮抽気温度より、低くなると、熱交換温度が低下し、加熱上昇とは逆に冷却されるようなことがある。このような場合は、可変ガイド・ベーン装置133によりガイド・ベーンを閉じ方向に絞り、抽気量を調整する。可変ガイド・ベーン装置133のガイド・ベーンは負荷変動に直ぐ対応できるよう完全に閉じず、少し開いて、空気タービン131を常に作動状態にする。
(Operation of Regenerative Cycle Variable Guide / Vane Device 133)
When the engine load fluctuates, and the exhaust gas temperature becomes lower than the compression bleed temperature, particularly in a small load region, the heat exchange temperature may decrease, and cooling may occur contrary to the increase in heating. In such a case, the guide vane is squeezed in the closing direction by the variable guide vane device 133 to adjust the extraction amount. The guide vanes of the variable guide vane device 133 do not close completely so that they can respond immediately to load fluctuations, but are opened slightly to keep the air turbine 131 always in operation.

(電動発電機部150の動作)
電動発電機部150の動作を、図1に加え、さらに図2を参照しながら説明する。
1)エンジン始動は外部バッテリ電力で電動発電機回転子151を回転させ圧縮機タービン軸114−1を稼動させる。
2)エンジン始動後は電動発電機回転子151と電動発電機固定子152の間で発電し電動発電機固定子152から電力を取り出す。
3)生成電力は燃料や潤滑油ポンプ駆動電動機その他へ電力を供給する。
More Electric Engine=MEE化はエンジン構成要素の合理化へ大きく寄与する。
4)エンジン軽量化は下記3つの従来部品の撤去により実施される。
a)高圧段軸に設けた動力取出歯車
b)高圧段軸歯車から動力を取出すタワーシャフト
c)補機駆動用アクセサリー・ギヤ・ボックス
(Operation of motor generator unit 150)
The operation of the motor generator 150 will be described with reference to FIG. 2 in addition to FIG.
1) The engine is started by rotating the motor generator rotor 151 with external battery power and operating the compressor turbine shaft 114-1.
2) After the engine is started, power is generated between the motor generator rotor 151 and the motor generator stator 152 and electric power is taken out from the motor generator stator 152.
3) The generated power supplies power to the fuel, lubricant pump drive motor and others.
More Electric Engine = MEE greatly contributes to rationalization of engine components.
4) Engine weight reduction will be implemented by removing the following three conventional parts.
a) Power take-off gear provided on the high-pressure stage shaft b) Tower shaft for taking out power from the high-pressure stage shaft gear c) Accessory gear box for driving auxiliary equipment

(第1の実施形態の効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126を出力軸121で空気タービン131と連結し、高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126で排出された作動ガスの熱でコアエンジン部110から一部抽気した圧縮空気を加熱し、この作動空気で空気タービン131を回転して出力軸121を加勢する。よって、出力を増大させることの可能なタービンエンジン100を提供することができる。また、タービンエンジン100は、広範囲に負荷変動に強く且つ高い熱効率となる。
(Effects of the first embodiment)
As described above, according to the present embodiment, the high pressure stage power turbine 125 and the low pressure stage power turbine 126 are connected to the air turbine 131 by the output shaft 121, and are discharged by the high pressure stage power turbine 125 and the low pressure stage power turbine 126. The compressed air partially extracted from the core engine unit 110 is heated by the heat of the working gas, and the air turbine 131 is rotated by this working air to urge the output shaft 121. Therefore, it is possible to provide the turbine engine 100 capable of increasing the output. The turbine engine 100 is resistant to load fluctuations over a wide range and has high thermal efficiency.

さらに、空気タービン131を設けたことにより、従来のタービンエンジンにおいて、燃焼ガスによるパワータービンを追加したものと同等の出力を得ることができる。また、空気タービン131を輻流式にすれば、温度と圧力を有効に動力転換できる。   Furthermore, by providing the air turbine 131, an output equivalent to that obtained by adding a power turbine using combustion gas in a conventional turbine engine can be obtained. In addition, if the air turbine 131 is a radiant flow type, power can be effectively converted between temperature and pressure.

また、従来のタービンエンジンは、常に負荷変動に対応できる安定した作動を確保するため、低負荷時でも要求出力以上に燃料を使用しており、総じて燃費が悪い要因になっている。これに対して本実施形態では、エネルギーが多量に残った排ガスの熱回収で空気タービン131の入口の空気温度を昇温することができる。よって、空気タービン131の出力が向上し、エンジンの熱効率が向上する。   Further, in order to ensure stable operation that can always cope with load fluctuations, the conventional turbine engine uses fuel more than the required output even at low load, which is generally a factor of poor fuel consumption. On the other hand, in the present embodiment, the air temperature at the inlet of the air turbine 131 can be raised by heat recovery of the exhaust gas in which a large amount of energy remains. Therefore, the output of the air turbine 131 is improved and the thermal efficiency of the engine is improved.

また、空気タービン131の出口の空気は圧縮機112の吸い込み負圧を利用するため、入口と出口の圧力差を大きくすることができる。よって、空気タービン131に供給される空気の温度と圧力を有効に動力転換できる。   Moreover, since the air at the outlet of the air turbine 131 uses the suction negative pressure of the compressor 112, the pressure difference between the inlet and the outlet can be increased. Therefore, the power and temperature of the air supplied to the air turbine 131 can be effectively converted.

また、空気タービン131を駆動する作動空気量と圧縮機112に供給される燃焼用空気量との配分を、可変ガイド・ベーン装置133の開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置133を備えるようにしたため、可変ガイド・ベーン装置133による負荷変動に応じた空気量の制御を行うことができる。このため、空気と燃焼ガスの各タービン駆動源の配分が制御でき、全負荷域に渡り燃費の低減が可能である。また、圧縮機112の軸流速度が過小にならないよう抽気量を調整できるので、サージングが発生しない。   Further, a variable guide / vane device 133 that adjusts the distribution of the amount of working air that drives the air turbine 131 and the amount of combustion air that is supplied to the compressor 112 by an angle area according to the opening angle of the variable guide / vane device 133. Since the variable guide and vane device 133 is provided, it is possible to control the air amount according to the load fluctuation. For this reason, distribution of each turbine drive source of air and combustion gas can be controlled, and fuel consumption can be reduced over the entire load range. Further, since the amount of extraction can be adjusted so that the axial flow speed of the compressor 112 does not become too low, surging does not occur.

また、ガイド筒116−3を設けたことによりガイド筒116−3と圧縮機112の駆動軸間に電動発電機部150を設置することができる。よって、従来のタービンエンジンが備えていた補機駆動装置である、圧縮機のコア軸に設けられた動力取出歯車、圧縮機のコア歯車からの動力取り出しタワーシャフト、補機駆動用アクセサリー・ギヤ・ボックスなどを設ける必要ななくなる。このため、タービンエンジン全体を小型化することができる。補機駆動装置の電動化はMME(More Electric Engine)と呼ばれ、補機駆動装置の配置の自由度が向上する。よって、補機駆動装置の性能向上や配置の合理化でエンジン全容積をより小さくすることが可能となる。   Further, by providing the guide cylinder 116-3, the motor generator unit 150 can be installed between the guide cylinder 116-3 and the drive shaft of the compressor 112. Therefore, it is an auxiliary machine drive device provided in a conventional turbine engine, a power take-off gear provided on the core shaft of the compressor, a power take-off tower shaft from the core gear of the compressor, an accessory drive accessory, gear, There is no need to provide a box. For this reason, the whole turbine engine can be reduced in size. The electrification of the accessory drive device is called MME (More Electric Engine), and the degree of freedom of arrangement of the accessory drive device is improved. Therefore, it is possible to further reduce the total engine volume by improving the performance of the accessory driving device and rationalizing the arrangement.

また、高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126で排出された排気ガスの排熱の回収により、空気タービン131の入り口温度を昇温することにより、空気タービン131の出力を向上させることができる。   In addition, the temperature of the inlet of the air turbine 131 is raised by recovering the exhaust heat of the exhaust gas discharged from the high pressure stage power turbine 125 and the low pressure stage power turbine 126, so that the output of the air turbine 131 can be improved. .

(第2の実施形態)
第2の実施形態のタービンエンジン200について、図4及び図5を参照しながら説明する。図4は、本実施形態に係るタービンエンジン200の全体構成を説明するための図である。図5は、再燃サイクル構造を説明するための図である。本実施形態のタービンエンジン200は、再熱サイクル構造であり、第1の実施形態の再生サイクル構成に代えて再燃サイクルを備えた点が第1の実施形態と相違するものであり、その他の構成は第1の実施形態と同様である。以下、第1の実施形態と異なる作動空気加熱部210を中心に説明する。実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。本実施形態のタービンエンジン200は、例えば、軍用ヘリコプタ、民間大型ヘリコプタのローター駆動用主機、陸海空の固定位置配位での動力源などに用いられる。
(Second Embodiment)
A turbine engine 200 according to a second embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5. FIG. 4 is a diagram for explaining the overall configuration of the turbine engine 200 according to the present embodiment. FIG. 5 is a diagram for explaining a reburn cycle structure. The turbine engine 200 of the present embodiment has a reheat cycle structure, and differs from the first embodiment in that a reburn cycle is provided instead of the regeneration cycle configuration of the first embodiment. Is the same as in the first embodiment. Hereinafter, the working air heating unit 210 different from the first embodiment will be mainly described. Constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The turbine engine 200 of the present embodiment is used for, for example, a military helicopter, a rotor driving main engine of a large civil helicopter, a power source in a fixed position configuration in land, sea and air.

タービンエンジン200は、図4に示したように、ガス生成圧縮機タービン部110、パワータービン部120及び電動発電機部150に作動空気加熱部210が設けられて構成されている。すなわち、第1の実施形態の再生サイクルを構成する空気タービン部130の空気加熱器136、加熱器空気入口137、加熱器空気出口138、加熱器ケーシング139、燃焼ガス排気口143に代えて、作動空気加熱部210からなる再燃サイクル構成を備えている。   As shown in FIG. 4, the turbine engine 200 is configured by providing a working air heating unit 210 in a gas generation compressor turbine unit 110, a power turbine unit 120, and a motor generator unit 150. That is, instead of the air heater 136, the heater air inlet 137, the heater air outlet 138, the heater casing 139, and the combustion gas exhaust port 143 of the air turbine unit 130 constituting the regeneration cycle of the first embodiment, the operation is performed. A reburning cycle configuration comprising the air heating unit 210 is provided.

作動空気加熱部210は、空気タービン131の作動空気を加熱するものである。空気タービン131は、作動空気加熱部210で加熱された圧縮空気で回転し、出力軸121を加勢する。作動空気加熱部210は、図5に示したように、パイロット・バーナー211と、火炎保持器212と、再熱燃焼器213と、再熱燃焼器ケーシング214と、再熱熱交換器215と、燃焼ガス排気口216と、圧縮空気抽気口217とを備えて構成される。   The working air heating unit 210 heats the working air of the air turbine 131. The air turbine 131 rotates with the compressed air heated by the working air heating unit 210 and urges the output shaft 121. As shown in FIG. 5, the working air heating unit 210 includes a pilot burner 211, a flame holder 212, a reheat combustor 213, a reheat combustor casing 214, a reheat heat exchanger 215, A combustion gas exhaust port 216 and a compressed air extraction port 217 are provided.

作動空気加熱部210は、図5に示したように、圧縮機の圧縮途中からの高圧圧縮空気を圧縮空気抽気口217で抽気し、再熱熱交換器215において再熱燃焼ガスで熱交換加熱する。作動空気加熱部210は、エンジン負荷に応じて可変ガイド・ベーン装置133の開度を調整する。エンジン出力が大きいときは、燃料添加の燃焼ガスで作動空気を加熱昇温し、可変ガイド・ベーン装置133の開度を小さくする。また、エンジン出力が小さいときは、燃料添加を無しにして、排ガスの熱で作動空気を加熱昇温し、可変ガイド・ベーン装置133の開度を大きくする。   As shown in FIG. 5, the working air heating unit 210 bleeds high-pressure compressed air from the middle of compression of the compressor at the compressed air bleed port 217, and heat-exchange heats with reheat combustion gas in the reheat heat exchanger 215. To do. The working air heating unit 210 adjusts the opening degree of the variable guide vane device 133 according to the engine load. When the engine output is large, the temperature of the working air is increased by heating with the combustion gas added with fuel, and the opening degree of the variable guide vane device 133 is decreased. Further, when the engine output is small, fuel addition is not performed, the working air is heated and heated with the heat of the exhaust gas, and the opening degree of the variable guide vane device 133 is increased.

作動空気加熱部210は、図5に示したように、パイロット・バーナー(作動空気加熱部燃焼器)211と、火炎保持器212と、再熱燃焼器213と、再熱燃焼器ケーシング214と、再熱熱交換器215と、燃焼ガス排気口216と、圧縮空気抽気口217と、を備えて構成される。パイロット・バーナー211、火炎保持器212、再熱燃焼器213、再熱燃焼器ケーシング214、及び再熱熱交換器215は、パワータービン燃焼ガス出口128の下流側に配置される。以下、各構成要素について、図5を参照しながら説明する。   As shown in FIG. 5, the working air heating unit 210 includes a pilot burner (working air heating unit combustor) 211, a flame holder 212, a reheat combustor 213, a reheat combustor casing 214, The reheat heat exchanger 215, the combustion gas exhaust port 216, and the compressed air extraction port 217 are configured. Pilot burner 211, flame holder 212, reheat combustor 213, reheat combustor casing 214, and reheat heat exchanger 215 are disposed downstream of power turbine combustion gas outlet 128. Hereinafter, each component will be described with reference to FIG.

パイロット・バーナー211は、電気点火で火種を作り、この火種にバーナー燃料弁からの燃料を吹き付けて、バーナー炎を作る。高圧段パワータービン125及び低圧段パワータービン126から排出された排気ガスは、パイロット・バーナー211の入口に供給される。火炎保持器212は、燃焼を安定して連続させて、火が消えないようにするものである。再熱燃焼器213は、再熱燃焼器ケーシング214で覆われ、再熱燃焼器ケーシング214内に再熱熱交換器215が配置され、作動空気を熱交換加熱して昇温する。   The pilot burner 211 creates a fire by electric ignition, and blows fuel from the burner fuel valve to the fire to create a burner flame. Exhaust gas discharged from the high pressure stage power turbine 125 and the low pressure stage power turbine 126 is supplied to the inlet of the pilot burner 211. The flame holder 212 keeps the combustion stable and prevents the fire from extinguishing. The reheat combustor 213 is covered with a reheat combustor casing 214, and a reheat heat exchanger 215 is disposed in the reheat combustor casing 214, and the operating air is heated by heat exchange.

燃焼ガス排気口216は、燃焼ガスを大気に放出する。圧縮空気抽気口217と再熱熱交換器215は圧縮機抽気口/加熱器入口間配管141を、また、再熱熱交換器215とタービン空気入口132は加熱器出口/空気タービン入口間配管142を介して作動空気配管が配置される。   The combustion gas exhaust port 216 discharges the combustion gas to the atmosphere. The compressed air bleed port 217 and the reheat heat exchanger 215 are the compressor bleed port / heater inlet pipe 141, and the reheat heat exchanger 215 and the turbine air inlet 132 are the heater outlet / air turbine inlet pipe 142. The working air piping is arranged via

以上、作動空気加熱部210の構成について説明した、以下、以下、タービンエンジン200の再燃サイクル動作について、図4を参照しながら説明する。   The configuration of the working air heating unit 210 has been described above. Hereinafter, the reburning cycle operation of the turbine engine 200 will be described with reference to FIG.

1)エンジン負荷に応じて可変ガイド・ベーン装置133の開度が調整される。
2)圧縮空気抽気口217から圧縮機圧縮途中の高圧空気が抽気され、再熱熱交換器215で再熱加熱昇温する。
3)エンジン高負荷時:
燃料添加の燃焼ガスで作動空気を加熱後、可変ガイド・ベーン装置133の開度を大きくして空気タービン131の出力を増大する。エンジン出力が大きくなり、可変ガイド・ベーン装置133の開度が小さくなる。可変ガイド・ベーン装置133の開度を小さくする理由について説明する。抽気量を抑え、燃焼空気を増やしてパワータービン部120の軸出力を増大させる。抽気量を抑えた分、燃料添加燃焼ガスで作動空気が過熱され、空気タービン部130の軸出力が増大する。
4)エンジン小負荷時:
燃料添加が無く、排ガス熱で作動空気を加熱後、空気タービン131を回す。エンジン出力が小さくなり、可変ガイド・ベーン装置133の開度が大きくなる。可変ガイド・ベーン装置133の開度を大きくする理由について説明する。前方段空気流量(軸流速度を高めて)を増やして、サージングを防止するためである。
1) The opening degree of the variable guide vane device 133 is adjusted according to the engine load.
2) High-pressure air that is being compressed by the compressor is extracted from the compressed air extraction port 217, and the reheat heat exchanger 215 raises the temperature by reheat heating.
3) At high engine load:
After the working air is heated with the combustion gas added with fuel, the opening degree of the variable guide vane device 133 is increased to increase the output of the air turbine 131. The engine output increases, and the opening of the variable guide vane device 133 decreases. The reason why the opening degree of the variable guide vane device 133 is reduced will be described. The amount of bleed air is suppressed, the combustion air is increased, and the shaft output of the power turbine unit 120 is increased. The working air is superheated by the fuel-added combustion gas as much as the amount of extraction is suppressed, and the shaft output of the air turbine unit 130 increases.
4) At low engine load:
After heating the working air with exhaust gas heat without adding fuel, the air turbine 131 is turned. The engine output decreases and the opening degree of the variable guide vane device 133 increases. The reason why the opening degree of the variable guide vane device 133 is increased will be described. This is to prevent surging by increasing the front air flow rate (increasing the axial flow velocity).

ここで、再熱燃焼室の作動原理について説明する。
1)タービンエンジン200の燃焼室は1次燃焼領域と2次燃焼領域に分けられる。
2)1次の空燃比は空気:燃料割合で14〜18:1、燃焼温度は1600〜2000℃とされる。
2次は60〜130:1、燃焼温度700〜1200℃。21世紀では1000〜1400℃とされる。
燃焼器出口=タービン入口温度は高温連続使用でのタービン動翼の耐熱限界値で決まる。
3)燃焼必要空気より多めに空気を吸入し、その一部の空気を使い高温部のガス生成タービン116−1、高圧段パワータービン125、低圧段パワータービン126の動翼と燃焼器本体118−1、及び燃焼器ライナー118−2を冷却し燃焼ガス排気口143の排気口をこれら空気が取り巻くようにして排気される。
4)ガス生成タービン116−1、燃焼器本体118−1、燃焼器ライナー118−2、高圧段パワータービン125、及び低圧段パワータービン126を通過してきた排気には、吸気時の約75%の酸素が残る。
5)十分酸素を残した高温排気ガスに再度燃料を投入すると高温燃焼ガスが生成可能となる。
6)再燃焼は、パイロット・バーナー211のバーナー炎で火種を形成し、このバーナー炎と排ガスと混合して行う。なお、火が消えないよう火炎保持器212で保炎し、連続燃焼させる。パイロット・バーナー211は常時点火されてもよい。
Here, the operation principle of the reheat combustion chamber will be described.
1) The combustion chamber of the turbine engine 200 is divided into a primary combustion region and a secondary combustion region.
2) The primary air-fuel ratio is 14 to 18: 1 in the air: fuel ratio, and the combustion temperature is 1600 to 2000 ° C.
Secondary is 60-130: 1, combustion temperature 700-1200 ° C. In the 21st century, it is 1000-1400 ° C.
Combustor outlet = turbine inlet temperature is determined by the heat resistance limit value of the turbine blade in continuous use at high temperatures.
3) A large amount of air is sucked in from the air necessary for combustion, and a part of the air is used, and the blades and the combustor main body 118- of the gas generating turbine 116-1, the high pressure stage power turbine 125, and the low pressure stage power turbine 126 in the high temperature section 1 and the combustor liner 118-2 are cooled, and the air is exhausted around the exhaust port of the combustion gas exhaust port 143.
4) The exhaust gas that has passed through the gas generation turbine 116-1, the combustor main body 118-1, the combustor liner 118-2, the high-pressure stage power turbine 125, and the low-pressure stage power turbine 126 is about 75% of the intake air. Oxygen remains.
5) When the fuel is again injected into the high-temperature exhaust gas with sufficient oxygen left, high-temperature combustion gas can be generated.
6) Recombustion is performed by forming a fire type with the burner flame of the pilot burner 211 and mixing this burner flame with exhaust gas. In addition, flame is held by the flame holder 212 so that the fire does not disappear and is continuously burned. The pilot burner 211 may be constantly ignited.

(第2の実施形態の効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、作動空気加熱部210を備えたことにより、負荷が変動しても、一時的に大きなパワーが必要な都度、短時間に要求パワーに対応できる。また、圧縮後の高圧側に抽気口と、可変ガイド・ベーン装置133を備えると、従来と同様の出力機に比し、負荷に応じた燃料投入調整領域が拡大し、全負荷域で燃費の低減が可能である。
(Effect of 2nd Embodiment)
As described above, according to the present embodiment, since the working air heating unit 210 is provided, even if the load fluctuates, the required power can be dealt with in a short time whenever a large amount of power is required temporarily. In addition, if the bleed port and variable guide / vane device 133 are provided on the high pressure side after compression, the fuel injection adjustment range corresponding to the load is expanded compared to the conventional output machine, and fuel consumption is improved in the entire load range. Reduction is possible.

また、作動空気加熱部210を備えた再熱装置は、大気から圧縮した空気に燃料添加して燃焼させるのではなく、燃焼後の、まだ酸素が残っているガスを利用するので簡素な燃焼器(燃料弁含む)の作動空気加熱部210でよい。この作動空気加熱部210はジェットエンジンのアフターバーナーに由来するが、従来のバーナーは燃焼ガスを推力のみに使用する。一方、本実施形態では、作動空気加熱部210のバーナーは推力発生ではなく、圧縮機112からの抽気を強制加熱する。可変ガイド・ベーン装置133を設けた場合は、加熱後の高温空気によって可変ガイド・ベーン装置133の開閉を調整し、燃焼器118の入口空気及び空気タービン131の作動空気量を適宜制御し、出力軸121の軸出力の増大を図ることができる。   In addition, the reheat device provided with the working air heating unit 210 does not add fuel to the compressed air from the atmosphere and burn it, but uses a gas that still has oxygen remaining after combustion, so a simple combustor The working air heating unit 210 (including the fuel valve) may be used. This working air heating unit 210 is derived from an afterburner of a jet engine, but a conventional burner uses combustion gas only for thrust. On the other hand, in this embodiment, the burner of the working air heating unit 210 does not generate thrust but forcibly heats the bleed air from the compressor 112. When the variable guide / vane device 133 is provided, the opening / closing of the variable guide / vane device 133 is adjusted by the high-temperature air after heating, the inlet air of the combustor 118 and the operating air amount of the air turbine 131 are appropriately controlled, and output The shaft output of the shaft 121 can be increased.

また、作動空気加熱部210からの燃焼ガスによって圧縮機112で圧縮された空気を加熱し、空気タービン131に供給するようにしたため、空気タービン131の出力が向上し、出力軸121の軸出力を増大することができる。   Further, since the air compressed by the compressor 112 is heated by the combustion gas from the working air heating unit 210 and supplied to the air turbine 131, the output of the air turbine 131 is improved, and the shaft output of the output shaft 121 is increased. Can be increased.

また、作動空気加熱部210で生成された燃焼ガスは、燃焼器118の入口に供給されるようにしたため、作動空気加熱部210に添加する燃料量は燃焼器118の入口温度を昇温するに必要な量だけでよく、経済的である。   Further, since the combustion gas generated in the working air heating unit 210 is supplied to the inlet of the combustor 118, the amount of fuel added to the working air heating unit 210 increases the inlet temperature of the combustor 118. Only the amount needed is economical.

(第3の実施形態)
第3の実施形態のタービンエンジン300について、図6及び図7を参照しながら説明する。図6は、本実施形態に係るタービンエンジン300の全体構成を説明するための図である。図7は、再燃再生サイクル構造を説明するための図である。本実施形態のタービンエンジン300は、再熱再生サイクル構造であり、第2の実施形態のタービンエンジン200に、作動媒体加熱部310、二相流ノズル部320、二相流タービン部330、作動媒体凝縮器部340、媒体ポンプ部350からなる再燃再生サイクルを備えた点が第2の実施形態と相違するものであり、その他の構成は第2の実施形態と同様である。以下、第2の実施形態と異なる点を中心に説明する。実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。本実施形態のタービンエンジン300は、例えば、高速艇、鉄道車両(発電後モータ駆動含む)、陸海空の固定位置配位での動力源などの動力源などに用いられる。
(Third embodiment)
A turbine engine 300 according to a third embodiment will be described with reference to FIGS. 6 and 7. FIG. 6 is a diagram for explaining the overall configuration of the turbine engine 300 according to the present embodiment. FIG. 7 is a diagram for explaining a reburn regeneration cycle structure. The turbine engine 300 of the present embodiment has a reheat regeneration cycle structure, and the working medium heating unit 310, the two-phase flow nozzle unit 320, the two-phase flow turbine unit 330, and the working medium are added to the turbine engine 200 of the second embodiment. The second embodiment is different from the second embodiment in that a reburn regeneration cycle including a condenser unit 340 and a medium pump unit 350 is provided, and other configurations are the same as those in the second embodiment. Hereinafter, a description will be given focusing on differences from the second embodiment. Constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. The turbine engine 300 of the present embodiment is used for a power source such as a high-speed boat, a railway vehicle (including a motor drive after power generation), a power source in a fixed position configuration in land, sea, and air.

本実施形態のタービンエンジン300は、再燃再生サイクル構造であり、図6に示したように、第2の実施形態のタービンエンジン200に、再燃再生サイクルを構成する作動媒体加熱部310、二相流ノズル部320、二相流タービン部330、作動媒体凝縮器部340、媒体ポンプ部350を加えて構成される。   The turbine engine 300 of the present embodiment has a reburn regeneration cycle structure. As shown in FIG. 6, the turbine engine 200 of the second embodiment includes a working medium heating unit 310 that constitutes a reburn regeneration cycle, and a two-phase flow. A nozzle unit 320, a two-phase flow turbine unit 330, a working medium condenser unit 340, and a medium pump unit 350 are added.

まず、タービンエンジン300の概要を説明する。
1)タービンエンジンはディーゼルに比し熱効率が低い。しかし、排熱温度は高い。
ディーゼル熱効率=40%〜50%程度であり、タービン熱効率=30%〜35%程度である。
ディーゼル排熱温度=250℃〜300℃程度であり、タービン排熱温度=500℃〜600℃程度である。
2)第2の実施形態のタービンエンジン200の再熱サイクルは、主燃焼とは別に更に燃料を投入するため排熱エネルギーから熱回収を行い、最終熱効率を向上させることが可能である。
3)タービンエンジン200の再熱サイクルで使用した燃焼ガスは作動空気を十分加熱後、大気へ放出される。そのため、作動空気昇温加熱に使用後の排熱温度は低い。
4)排熱温度が70℃〜250℃位から動力回収するには、この熱源との熱交換に低沸点の作動媒体を介在させる必要がある。
5)低沸点媒体としては例えば代替フロンであるR134a、R245fa等の利用が可能である。
6)動力回収方法は低温媒体を加熱後、二相流ノズル部320を介して熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、二相流タービン331(衝動タービン)の羽根に吹き付け、出力軸121を加勢することで行う。
7)二相流ノズル321の上流での作動媒体は液体で、液体は二相流ノズル321を介して二相流に変換される。
8)二相流タービン331は蒸気ではなく二相流を二相流タービン331の動翼に直接吹き付け回転させ出力軸121を加勢後、作動媒体凝縮器部340にて凝縮・冷却され、媒体ポンプ部350により作動媒体加熱部310へ送られることで熱サイクルが形成される。
First, the outline of the turbine engine 300 will be described.
1) The turbine engine has lower thermal efficiency than diesel. However, the exhaust heat temperature is high.
Diesel thermal efficiency is about 40% to 50%, and turbine thermal efficiency is about 30% to 35%.
Diesel exhaust heat temperature is about 250 ° C to 300 ° C, and turbine exhaust heat temperature is about 500 ° C to 600 ° C.
2) In the reheat cycle of the turbine engine 200 of the second embodiment, in addition to the main combustion, fuel is further injected so that heat recovery can be performed from the exhaust heat energy to improve the final heat efficiency.
3) The combustion gas used in the reheat cycle of the turbine engine 200 is released to the atmosphere after sufficiently heating the working air. For this reason, the exhaust heat temperature after use for heating and heating the working air is low.
4) In order to recover power from an exhaust heat temperature of about 70 ° C. to 250 ° C., it is necessary to interpose a low-boiling working medium in heat exchange with the heat source.
5) As the low boiling point medium, for example, alternative fluorocarbons such as R134a and R245fa can be used.
6) In the power recovery method, after heating the low-temperature medium, the thermal energy is converted into kinetic energy via the two-phase flow nozzle unit 320, sprayed on the blades of the two-phase flow turbine 331 (impulsive turbine), and the output shaft 121 is energized. Do that.
7) The working medium upstream of the two-phase flow nozzle 321 is a liquid, and the liquid is converted into a two-phase flow through the two-phase flow nozzle 321.
8) The two-phase flow turbine 331 directly rotates and rotates the two-phase flow, not the steam, on the rotor blades of the two-phase flow turbine 331, energizes the output shaft 121, and is condensed and cooled by the working medium condenser unit 340. A heat cycle is formed by being sent to the working medium heating unit 310 by the unit 350.

以上、タービンエンジン300の概要について説明した。以下、本実施形態の特徴的なタービンエンジン300の再燃再生サイクル構造の各構成要素の構成について説明する。   The overview of the turbine engine 300 has been described above. Hereinafter, the structure of each component of the reburn regeneration cycle structure of the turbine engine 300 that is characteristic of the present embodiment will be described.

(作動媒体加熱部310)
作動媒体加熱部310は、高圧の媒体を燃焼ガス排熱と熱交換し媒体を加熱するものである。作動媒体加熱部310は、図7に示したように、媒体加熱器311と、加熱器媒体入口312と、加熱器媒体出口313と、媒体加熱器ケーシング314と、燃焼ガス排気口315と、媒体加熱器出口/二相流ノズル入口間配管316と、を備えて構成される。媒体加熱器311の加熱器媒体入口312に二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345より高圧の媒体が圧送され媒体加熱器ケーシング314内で燃焼ガス排熱と熱交換し媒体を加熱する。加熱器媒体出口313から媒体加熱器出口/二相流ノズル入口間配管316を介して二相流ノズル部320へ媒体が送られる。
(Working medium heating unit 310)
The working medium heating unit 310 heats the medium by exchanging heat between the high-pressure medium and the combustion gas exhaust heat. As shown in FIG. 7, the working medium heating unit 310 includes a medium heater 311, a heater medium inlet 312, a heater medium outlet 313, a medium heater casing 314, a combustion gas exhaust port 315, a medium And a heater outlet / two-phase flow nozzle inlet pipe 316. A high-pressure medium is pumped from the two-phase flow turbine outlet / condenser inlet pipe 345 to the heater medium inlet 312 of the medium heater 311, and heat is exchanged with combustion gas exhaust heat in the medium heater casing 314 to heat the medium. The medium is sent from the heater medium outlet 313 to the two-phase flow nozzle section 320 via the medium heater outlet / two-phase flow nozzle inlet pipe 316.

(二相流ノズル部320)
二相流ノズル部320は、作動媒体加熱部310からの媒体から平衡均質二相流を生成するものである。二相流ノズル部320は、図7に示したように、二相流ノズル321と、ノズル媒体入口322と、ノズル媒体出口323と、を備えて構成される。媒体加熱器311を出た媒体は圧液状態のままで二相流ノズル321へ導かれ二相流ノズル321内で膨張し二相流ジェットを形成し二相流タービン331を駆動する。二相流ノズル321は十分な質量流量を確保した上で気液速度差の少ない平衡均質二相流を生成する。二相流ノズル321での二相流生成は加圧・加熱した媒体を気化させずに液体のまま管状ノズルで膨張させ一部を気化させて行う。
(Two-phase flow nozzle part 320)
The two-phase flow nozzle unit 320 generates an equilibrium homogeneous two-phase flow from the medium from the working medium heating unit 310. As shown in FIG. 7, the two-phase flow nozzle unit 320 includes a two-phase flow nozzle 321, a nozzle medium inlet 322, and a nozzle medium outlet 323. The medium exiting the medium heater 311 is guided to the two-phase flow nozzle 321 in a pressurized liquid state, expands in the two-phase flow nozzle 321, forms a two-phase flow jet, and drives the two-phase flow turbine 331. The two-phase flow nozzle 321 generates a balanced homogeneous two-phase flow with a small gas-liquid velocity difference while ensuring a sufficient mass flow rate. The two-phase flow generation by the two-phase flow nozzle 321 is performed by expanding the pressurized and heated medium with a tubular nozzle without vaporizing the medium and evaporating a part thereof.

二相流ノズル321の機能は作動媒体が有する熱エネルギーを有効に運動エネルギーに変換することでありそのためには液滴を出来るだけ均一微細化する必要がる。均一微細化は二相流ノズル321のノズル媒体入口322からノズル媒体出口323に向うに従って気相が液相を微小液滴に分割し気相の持つ運動量を液滴に伝達する。ノズル媒体出口323では気相と液相の練成により微小液滴を加速することで気相と液相の流速をそろえる。   The function of the two-phase flow nozzle 321 is to effectively convert the thermal energy of the working medium into kinetic energy. For this purpose, it is necessary to make the droplets as uniform and fine as possible. In the uniform refinement, the gas phase divides the liquid phase into fine droplets from the nozzle medium inlet 322 to the nozzle medium outlet 323 of the two-phase flow nozzle 321, and the momentum of the gas phase is transmitted to the droplets. At the nozzle medium outlet 323, the flow velocity of the gas phase and the liquid phase is made uniform by accelerating the fine droplets by kneading the gas phase and the liquid phase.

(二相流タービン部330)
二相流タービン部330は、二相流タービン331と、タービン媒体入口332と、タービン媒体出口333と、二相流タービンケーシング334と、タービンケーシングシール335と、二相流ノズル出口/二相流タービン入口間配管336と、タービン遮断弁337と、タービン調整弁338と、を備えて構成される。
(Two-phase turbine section 330)
The two-phase flow turbine section 330 includes a two-phase flow turbine 331, a turbine medium inlet 332, a turbine medium outlet 333, a two-phase flow turbine casing 334, a turbine casing seal 335, and a two-phase flow nozzle outlet / two-phase flow. A turbine inlet pipe 336, a turbine cutoff valve 337, and a turbine adjustment valve 338 are provided.

二相流ノズル部320からの媒体はタービン媒体入口332から二相流タービンケーシング334内を通ってタービン媒体出口333に流れ二相流タービン331は回転動力を発生する。二相流タービンケーシング334内を通る媒体が漏れないようにタービンケーシングシール335が施され、タービン媒体入口332の前にタービン遮断弁337、タービン調整弁338が配置される。パイロット・バーナー211の燃料投入の有無、出力軸121の出力調整による負荷変動に応じてタービン遮断弁337の遮断、タービン調整弁338の調節が行われる。   The medium from the two-phase flow nozzle section 320 flows from the turbine medium inlet 332 through the two-phase flow turbine casing 334 to the turbine medium outlet 333, and the two-phase flow turbine 331 generates rotational power. A turbine casing seal 335 is provided so that the medium passing through the two-phase flow turbine casing 334 does not leak, and a turbine shut-off valve 337 and a turbine regulating valve 338 are disposed in front of the turbine medium inlet 332. The turbine cutoff valve 337 is shut off and the turbine adjustment valve 338 is adjusted in accordance with the presence or absence of fuel injection in the pilot burner 211 and the load fluctuation caused by the output adjustment of the output shaft 121.

ここで、本実施形態の二相流タービン331について簡単に説明する。二相流タービン331は、気体と液体の二相流において、二相流を二相流ノズル321で絞り、気体と液体に分離し、この内の液体成分で二相流タービン331を回す。二相流タービン331は、この分離した液体による水車のタービンとなる。二相流タービン331は液体を直接タービンの羽に取り込む際、液体を衝動的にタービン羽に取り込む方式の衝動タービンと呼ばれるタービンを用いる。水車を回す力仕事は加圧ポンプで加圧した気液二相流の液体成分で水車タービンを回すが、この段階ではタービン回転力と加圧ポンプ駆動力はバランスし、外部に取り出せる仕事はゼロになる。   Here, the two-phase flow turbine 331 of the present embodiment will be briefly described. In the two-phase flow of gas and liquid, the two-phase flow turbine 331 squeezes the two-phase flow with the two-phase flow nozzle 321 and separates it into gas and liquid, and rotates the two-phase flow turbine 331 with the liquid component therein. The two-phase turbine 331 becomes a turbine of a water turbine using the separated liquid. The two-phase flow turbine 331 uses a turbine called an impulse turbine that takes liquid in an impulsive manner when the liquid is directly taken into the blades of the turbine. The power work to turn the water turbine is to turn the water turbine with the liquid component of the gas-liquid two-phase flow pressurized by the pressure pump, but at this stage the turbine rotational force and the pressure pump driving force are balanced and the work that can be taken out to the outside is zero become.

こうして構成された本実施形態のシステムで外部に動力を取り出すには、このバランスした状態に、従来は大気へ廃棄しているエンジン排気ガス熱の温度成分を熱交換器で熱回収し、この回収した温度成分で、二相流ノズル321で分離した際の液体成分を加速する。この回収熱温度による液体への加速分が外部へ取り出せる仕事となる。大気へ放出している排気ガス温度は低いので、低い排気ガス温度に対応できる低沸点媒体を用いる。本実施形態の気液二相流は低沸点媒体の液体と空気の気体の二相流となり、低沸点媒体の液体が二相流タービン331、すなわち低沸点媒体の液体タービンを回す。タービン回転後の液体は、再び熱回収出来るよう作動媒体凝縮器部340で気液二相流に戻す。作動媒体凝縮器部340の冷却熱源は本体の圧縮器入口空気を用いる。   In order to extract the power to the outside by the system of the present embodiment configured as described above, in this balanced state, the temperature component of the engine exhaust gas heat conventionally discarded to the atmosphere is recovered by the heat exchanger, and this recovery is performed. The liquid component at the time of separation by the two-phase flow nozzle 321 is accelerated by the temperature component thus obtained. The acceleration of the liquid due to the recovered heat temperature is the work that can be taken out. Since the exhaust gas temperature released to the atmosphere is low, a low boiling point medium that can cope with the low exhaust gas temperature is used. The gas-liquid two-phase flow of the present embodiment is a two-phase flow of a low-boiling-point medium liquid and air gas, and the low-boiling-point medium liquid rotates the two-phase flow turbine 331, that is, the low-boiling point liquid turbine. The liquid after turbine rotation is returned to the gas-liquid two-phase flow by the working medium condenser section 340 so that the heat can be recovered again. The cooling medium heat source of the working medium condenser unit 340 uses the compressor inlet air of the main body.

(作動媒体凝縮器部340)
作動媒体凝縮器部340は、媒体凝縮器341と、凝縮器媒体入口342と、凝縮器媒体出口343と、媒体タンク344と、二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345と、凝縮器出口/媒体タンク入口間配管346と、を備えて構成される。
(Working medium condenser section 340)
The working medium condenser section 340 includes a medium condenser 341, a condenser medium inlet 342, a condenser medium outlet 343, a medium tank 344, a two-phase flow turbine outlet / condenser inlet pipe 345, and a condenser outlet. / Medium tank inlet pipe 346.

作動媒体凝縮器部340冷却源は空気タービン131の排出空気及び空気圧縮機112−1の吸い込み空気の流れを利用した空冷を特徴する。媒体凝縮器341と二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345間は二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345、凝縮器媒体出口343は凝縮器出口/媒体タンク入口間配管346を介して配管される。   The working medium condenser section 340 cooling source is characterized by air cooling using the flow of exhaust air from the air turbine 131 and the suction air from the air compressor 112-1. Between the medium condenser 341 and the two-phase flow turbine outlet / condenser inlet pipe 345, the two-phase flow turbine outlet / condenser inlet pipe 345, and the condenser medium outlet 343 via the condenser outlet / media tank inlet pipe 346. Piped.

(媒体ポンプ部350)
媒体ポンプ部350は、媒体ポンプ351と、ポンプ媒体入口352と、ポンプ媒体出口353と、媒体タンク出口/媒体ポンプ入口間配管354と、媒体ポンプ出口/媒体加熱器入口間配管355と、ポンプ/タービン間軸受356と、ポンプ/タービン間軸受シール357と、を備えて構成される。
(Medium pump unit 350)
The medium pump unit 350 includes a medium pump 351, a pump medium inlet 352, a pump medium outlet 353, a medium tank outlet / medium pump inlet pipe 354, a medium pump outlet / medium heater inlet pipe 355, a pump / An inter-turbine bearing 356 and a pump / turbine bearing seal 357 are provided.

媒体凝縮器341で液体となった媒体は二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345を経て媒体ポンプ351により作動媒体加熱部310に送られる。加熱器媒体出口313での液相状態を維持するため、媒体ポンプ351には高い揚程が要求される。二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345とポンプ媒体入口352間は媒体タンク出口/媒体ポンプ入口間配管354、ポンプ媒体出口353と加熱器媒体入口312間は媒体ポンプ出口/媒体加熱器入口間配管355を介して配管される。   The medium that has become liquid in the medium condenser 341 is sent to the working medium heating unit 310 by the medium pump 351 through the pipe 345 between the two-phase flow turbine outlet / condenser inlet. In order to maintain the liquid phase state at the heater medium outlet 313, the medium pump 351 is required to have a high head. Between the two-phase flow turbine outlet / condenser inlet pipe 345 and the pump medium inlet 352 is a medium tank outlet / media pump inlet pipe 354, and between the pump medium outlet 353 and the heater medium inlet 312 is a medium pump outlet / medium heater inlet. Piping is performed via the inter-pipe 355.

以上、タービンエンジン300の構成について説明した。以下、タービンエンジン300の作動について、図6及び図7を参照しながら説明する。   The configuration of the turbine engine 300 has been described above. Hereinafter, the operation of the turbine engine 300 will be described with reference to FIGS. 6 and 7.

(タービンエンジン300の起動:タービンバイパス運転)
媒体ポンプ351が二相流タービン出口/凝縮器入口間配管345から媒体を吸い込み媒体加熱器311内で媒体の蒸発が起きないよう熱媒体の圧力を保持するよう媒体ポンプ351の回転数を監視し、タービン遮断弁337を全閉し、タービン調整弁338を全開してタービンバイパス運転を行う。
(Starting of turbine engine 300: turbine bypass operation)
The medium pump 351 sucks the medium from the two-phase flow turbine outlet / condenser inlet pipe 345 and monitors the rotation speed of the medium pump 351 so as to maintain the pressure of the heat medium so that the medium does not evaporate in the medium heater 311. Then, the turbine shut-off valve 337 is fully closed, the turbine adjustment valve 338 is fully opened, and the turbine bypass operation is performed.

(二相流タービン部330の起動)
例えば媒体温度が90℃以上を起動条件としタービン遮断弁337が全閉しタービン調整弁338が全開する。
(Starting of the two-phase flow turbine section 330)
For example, when the medium temperature is 90 ° C. or higher, the turbine cutoff valve 337 is fully closed and the turbine adjustment valve 338 is fully opened.

(二相流タービン部330の運転)
媒体の流量及び圧力の調節はタービン調整弁338の開度を調節して行う。
(Operation of the two-phase flow turbine unit 330)
The flow rate and pressure of the medium are adjusted by adjusting the opening of the turbine adjustment valve 338.

(二相流タービン部330の停止)
タービン調整弁338からタービン遮断弁337への流量切替が徐々に行われ、タービンバイパス運転モードに移行する。
出力軸121の回転(エンジン)停止と同時にタービン遮断弁337が閉じる。
(Stop of two-phase flow turbine section 330)
The flow rate switching from the turbine adjustment valve 338 to the turbine shut-off valve 337 is performed gradually, and the mode shifts to the turbine bypass operation mode.
At the same time as the rotation (engine) of the output shaft 121 is stopped, the turbine shut-off valve 337 is closed.

ここで、二相流タービンの衝動タービンの詳細について説明する。
1)二相流タービン331の衝動タービンは、タービン翼に吹き付けられた二相流中の液相成分が遠心力によって翼の覆面に層を作って流れる。
2)Wgの流体について、F=W/g*(C1*cosα−C2*cosδ)で羽根を周速Uで回転させる。
Fは固定角度α(15〜20°位)で取付けられ二相流の流速Cがタービン羽根に作用する力
3)二相流の液体=1、気体=圧縮機空気入口112−2の質量流量M、流速VからC=(M1*V1+M2*V2)/(M1+M2)
ただし、C2の角度δはδ=90−α°
4)二相流タービン331は出力軸121に直結であるため二相流タービン331の周速Uは低圧段パワータービン126と回転特性が同期できるよう作動流体の流速及び流量をタービン調整弁338で調整する。
Here, the details of the impulse turbine of the two-phase flow turbine will be described.
1) In the impulse turbine of the two-phase flow turbine 331, the liquid phase component in the two-phase flow blown to the turbine blades flows by forming a layer on the cover surface of the blades by centrifugal force.
2) For the Wg fluid, rotate the blades at the circumferential speed U with F = W / g * (C1 * cos α−C2 * cos δ).
F is a force at which the two-phase flow velocity C is applied to the turbine blades at a fixed angle α (about 15 to 20 °). 3) Two-phase liquid = 1, gas = mass flow rate at the compressor air inlet 112-2 M, flow rate V to C = (M1 * V1 + M2 * V2) / (M1 + M2)
However, the angle δ of C2 is δ = 90−α °.
4) Since the two-phase flow turbine 331 is directly connected to the output shaft 121, the peripheral speed U of the two-phase flow turbine 331 is adjusted by the turbine adjusting valve 338 so that the working fluid flow velocity and flow rate can be synchronized with the low-pressure stage power turbine 126. adjust.

タービンエンジン300の性能指標について説明する。
タービンエンジン300の性能指標には比出力と熱効率がある。
1)比出力とはエンジンに流入する気体の単位流量当り取り出せる動力を言う。
2)比出力が大きいと同じ動力をより少ない作動流体で発生できるため小型大出力機関になる。
3)比出力を大きくするにはタービン入口燃焼ガス温度と大気温の比を大きくする。
4)作動ガスの高温化はタービン材料の融点で決まるので動翼の空冷化、耐熱コーティングなどにより材料融点を超えた温度で作動できるよう対策される。
5)熱効率とは燃料が持つ熱エネルギーから取り出せる動力の割合を言う。
6)熱効率=[取り出した動力]/[燃料が持つ熱エネルギー]で算出する。
The performance index of the turbine engine 300 will be described.
The performance index of the turbine engine 300 includes specific power and thermal efficiency.
1) Specific power is the power that can be taken out per unit flow rate of gas flowing into the engine.
2) If the specific output is large, the same power can be generated with a smaller amount of working fluid, resulting in a small and large output engine.
3) To increase the specific output, increase the ratio of the turbine inlet combustion gas temperature to the atmospheric temperature.
4) Since the high temperature of the working gas is determined by the melting point of the turbine material, measures are taken so that it can be operated at a temperature exceeding the melting point of the material by air cooling of the rotor blades or heat-resistant coating.
5) Thermal efficiency is the ratio of power that can be extracted from the thermal energy of fuel.
6) Thermal efficiency = [taken out power] / [thermal energy of fuel]

(第3の実施形態の効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、作動空気加熱部210による再熱燃焼での空気加熱後の排ガスには、まだエネルギーが残っており、大気放出は不経済であるが、この排ガス熱は既に温度成分を吸収して残ったガスであるため、ガス温度が70〜250℃位と低い。本発明は、R134a、R245faのような低沸点熱交換媒体を利用して低温排ガス熱加熱媒体を二相流ノズル321で液相と気相に分離し、その液相分で液体タービンを回し、タービンエンジンの出力軸121を加勢してエンジン出力増大を図ることができる。
(Effect of the third embodiment)
As described above, according to the present embodiment, the exhaust gas after the air heating in the reheat combustion by the working air heating unit 210 still has energy, and the atmospheric emission is uneconomical. Since heat is a gas that has already absorbed the temperature component and remains, the gas temperature is as low as about 70 to 250 ° C. The present invention uses a low-boiling point heat exchange medium such as R134a and R245fa to separate a low-temperature exhaust gas heat heating medium into a liquid phase and a gas phase with a two-phase flow nozzle 321 and rotates a liquid turbine with the liquid phase component. The engine output can be increased by energizing the output shaft 121 of the turbine engine.

また、二相流タービンの出口媒体は液体・気体混合体であり、一旦は媒体凝縮器341で冷却し液化する。媒体凝縮器341は、空気タービン131の出口と圧縮機112の吸込入口との間に配置され、冷却源はこの間を通過する空気であり、冷却ファンが不要にできる。   The outlet medium of the two-phase flow turbine is a liquid / gas mixture, which is once cooled and liquefied by the medium condenser 341. The medium condenser 341 is disposed between the outlet of the air turbine 131 and the suction inlet of the compressor 112, and the cooling source is air passing between them, so that a cooling fan can be omitted.

(第4の実施形態)
第4の実施形態のタービンエンジン400は、航空機用推進力発生原動機の特にファンによる推力を発生するターボ・ファンと呼ばれるタービンエンジン(以下、ターボ・ファン=従来図を図10に示す)である。本実施形態のタービンエンジンは、コアエンジンからの燃焼ガスで推進用ファンを駆動し、駆動後の排気ガスに再度、燃料を添加して更に設けたファン駆動タービンを回すことを特徴とするファンエンジンである。タービンエンジン400は、2組の推力発生用ファンで構成され、各組の軸が同軸上を互いに反対方向に回転する。これは、本実施形態により成し遂げられるものであり、二重反転ファンと呼ぶ。従来、航空機用推力発生装置について、2組のプロペラを同軸上でお互いに反対方向に回転させ推進力を得る装置が知られており、これは2重反転プロペラと呼ばれる。二重反転のファン推力発生によるターボ・ファンは、現在(2018年)見受けられない。
(Fourth embodiment)
The turbine engine 400 according to the fourth embodiment is a turbine engine called a turbo fan that generates thrust by a fan of an aircraft propulsion generating prime mover (hereinafter, turbo fan = conventional diagram is shown in FIG. 10). The turbine engine according to the present embodiment is characterized in that the propulsion fan is driven by the combustion gas from the core engine, fuel is added again to the exhaust gas after driving, and a further fan-driven turbine is rotated. It is. The turbine engine 400 includes two sets of thrust generating fans, and the shafts of the sets rotate on the same axis in opposite directions. This is achieved by this embodiment and is called a counter-rotating fan. 2. Description of the Related Art Conventionally, an aircraft thrust generating device is known that obtains a propulsive force by rotating two sets of propellers in the opposite directions on the same axis, which is called a double reversing propeller. No turbo fan with counter-rotating fan thrust is currently available (2018).

ここで、従来のターボ・ファンと呼ばれるターボエンジンについて説明する。
現在(2018年)、航空機推進動力装置のジェットエンジンと呼ばれるエンジンは、民間、軍事を問わず、ターボ・ファンが多用されていることは周知の通りである。ファンによる推進量と燃焼ガスによる推進量の比率はバイパス比と呼ばれる。バイパス比率が5〜10以上は高バイパス比と呼ばれ、中・大型旅客機などで多用される。また、バイパス比が1以下は低バイパス比と呼ばれ、軍用戦闘機などで多用される。最近(2018年以降)のターボ・ファンを使用した航空機は、以下のような傾向にある。
Here, a conventional turbo engine called a turbo fan will be described.
It is well known that turbo-fans are widely used at present (2018), called jet engines for aircraft propulsion power units, regardless of civilian or military use. The ratio of the propulsion amount by the fan and the propulsion amount by the combustion gas is called a bypass ratio. A bypass ratio of 5 to 10 or more is called a high bypass ratio and is frequently used in medium and large passenger aircraft. A bypass ratio of 1 or less is called a low bypass ratio and is often used in military fighters. Aircraft using turbo fans recently (after 2018) tend to be as follows.

(1)民間用の特にビジネス・ジェット(乗員・乗客10から15名)と呼ばれる分野において、飛行航続距離が伸びて(例えば2000km以上)、直接海外移動が可能となり、わざわざ航空会社の国際線に乗り換えて海外へ移動する必要性が無くなって来ている。従って、移動に要する時間が大幅に短縮され、よりビジネスに特化できることになる。   (1) In the field of business jets (especially from 10 to 15 passengers / passengers), the flight range has increased (for example, 2000 km or more), and it has become possible to move directly overseas, bothering to international airlines. There is no need to move overseas. Therefore, the time required for movement is greatly shortened and the business can be more specialized.

(2)軍用の特にジェット戦闘機の分野において、近年の情報処理能力の向上により、戦闘機動時の最高速度をマッハ2(以下M2)以上に上げなくても戦闘に支障が生じなくなって来ており、例えば、戦闘時最高速度はM1.6位でも充分戦闘機動が可能となって来ていると言われている。従って、多量に燃料消費する従来アフターバーナーと呼ばれる推力増強装置の必要性が無くなれば、より少ない燃料で戦闘行動半径が拡大されることになる。
また、従来の航空用二重反転プロペラは、変速機に逆転機を内蔵して右回り左回りの各回転軸を同軸上に構成する必要があり、以下のような問題がある。
1)2組のプロペラの回転軸の中心を一致させないと、猛烈な振動が発生する。
2)猛烈な振動を受けることにより、本体耐久性が大きく低下する。変速機のギヤボックスは二重反転機構の無い装置に比し、同じ装置容積で2倍近いギヤ機構を組み込むため、機構的な必然性から航空機用では致命的な重量が増大する。
(2) In the field of military jets, especially jet fighters, with the recent improvement in information processing capabilities, there will be no obstacles to combat even if the maximum speed during fighter aircraft movement is not increased to Mach 2 (M2) or higher. For example, it is said that even if the maximum speed during battle is M1.6, sufficient fighter maneuvering is possible. Therefore, if there is no need for a thrust booster called a conventional afterburner that consumes a large amount of fuel, the combat action radius is expanded with less fuel.
Further, the conventional contra-rotating propeller for aviation needs to incorporate a reverse gear in the transmission and to configure each of the clockwise and counterclockwise rotating shafts on the same axis, and has the following problems.
1) If the centers of the rotation axes of the two propellers are not matched, severe vibration will occur.
2) The durability of the main body is greatly reduced due to severe vibration. Since the gear box of the transmission incorporates a gear mechanism that is nearly twice as large as the device without the double reversing mechanism, the fatal weight increases for aircraft due to the necessity of the mechanism.

バイパス比1以上5以下の上記ニーズに提供できるターボエンジンは新しい分野として期待されるが、図10に示すような、従来のターボ・ファンと呼ばれるターボエンジンでは燃費の悪さ、同体格での推力不足が課題である。そこで、上記(1)、(2)のような近年のターボファン・エンジン市場ニーズに鑑み、これらのニーズに対応出来る、低燃費で高推力・軽量な二重反転ターボ・ファンのターボエンジンを提供する。   A turbo engine that can provide the above needs with a bypass ratio of 1 or more and 5 or less is expected as a new field. However, as shown in FIG. 10, a conventional turbo engine called a turbo fan has poor fuel efficiency and lack of thrust in the same size. Is an issue. Therefore, in view of the recent market demand for turbofan engines such as (1) and (2) above, we provide a turbo engine that is a fuel-efficient, high-thrust and lightweight counter-rotating turbofan that can meet these needs. To do.

まず、以下の(1)、(2)に対応可能なファンバイパス比を考える。
(1)直接海外移動が可能な飛行距離は2000kmから4000km位と設定する。
理由:各国首都間移動に必要な飛行距離を算出した場合を示す。
(2)移動に要する時間の大幅短縮が必要であり運航速度1200km/hと設定する。
理由:燃料搭載量は従来と同等以下とし、現行国際線速度800×1.5倍とした場合。前記(1)4000km、(2)1200km/hに対応可能なバイパス比は3〜4位が効果的と考えられる。
First, consider a fan bypass ratio that can accommodate the following (1) and (2).
(1) The flight distance that allows direct overseas travel is set to 2000 km to 4000 km.
Reason: Indicates the case where the flight distance necessary for movement between capital cities is calculated.
(2) The travel time needs to be significantly shortened and the operation speed is set to 1200 km / h.
Reason: The amount of fuel loaded is less than or equal to the conventional, and the current international speed is 800 x 1.5 times. It is considered that the 3rd to 4th place of the bypass ratio that can cope with (1) 4000 km and (2) 1200 km / h is effective.

前記概念に対応した低燃費で高推力・軽量な航空ターボ・ファンとして、本実施形態では、二重反転ターボ・ファンのタービンエンジンを提供する。本実施形態のタービンエンジン400を図8及び図9を参照しながら説明する。図8は、本実施形態に係るタービンエンジン400の全体構成を説明するための図である。図9は、前段ファン部、後段ファン部、後段ケーシング部、エンジン主ケース、ファンケースを説明するための図である。以下、第1の実施形態と異なる点を中心に説明する。実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。   In this embodiment, a turbine engine of a counter-rotating turbo fan is provided as a low fuel consumption, high thrust, lightweight aviation turbo fan corresponding to the above concept. A turbine engine 400 according to this embodiment will be described with reference to FIGS. 8 and 9. FIG. 8 is a diagram for explaining the overall configuration of the turbine engine 400 according to the present embodiment. FIG. 9 is a view for explaining the front fan unit, the rear fan unit, the rear casing unit, the engine main case, and the fan case. Hereinafter, a description will be given focusing on differences from the first embodiment. Constituent elements having substantially the same functional configuration are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

タービンエンジン400は、二重反転ターボ・ファンの構造を備えている。タービンエンジン400は、図8に示したように、圧縮機112を駆動するガス生成タービン116−1と圧縮機112を連結する圧縮機タービン軸114−1を支持するガイド筒116−3と、二重反転機構とをさらに備えて構成される。ガイド筒116−3は、圧縮機112、燃焼器118を備えたコアエンジン部110と、二重反転機構とを隔離している。二重反転機構は、前段ファン部410、後段ファン部430、後部ケーシング部460、エンジン主ケース470及びファンケース450を備えて構成される。二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービン438と後段パワータービン438が駆動する後段ファン431、432とを連結する連結軸433が中空軸であり、連結軸433の内部に後段パワータービン438からの作動ガスが供給される前段パワータービン419、420と前段パワータービン419、420が駆動する前段ファン411とを連結する前段ファン駆動軸(中実軸)412が同軸に貫通しており、後段パワータービン438と前段パワータービン419、420の回転方向を相互に逆方向に回転させる。後段ファン部430の出口の空気流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出される。アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前段低圧ファン411を駆動する前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420で使われ、前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420の出口の排気ガスは下流に行くにしたがって先細りとなった全噴流絞りダクト463により推力として取り出される。   The turbine engine 400 has a counter rotating turbo fan structure. As shown in FIG. 8, the turbine engine 400 includes a gas generation turbine 116-1 that drives the compressor 112, a guide cylinder 116-3 that supports the compressor turbine shaft 114-1 that connects the compressor 112, and two And a double reversing mechanism. The guide tube 116-3 separates the core engine unit 110 including the compressor 112 and the combustor 118 from the counter rotating mechanism. The contra-rotating mechanism includes a front fan section 410, a rear fan section 430, a rear casing section 460, an engine main case 470, and a fan case 450. In the contra-rotating mechanism, the connecting shaft 433 that connects the rear-stage power turbine 438 to which the combustion gas generated in the core engine unit is supplied and the rear-stage fans 431 and 432 driven by the rear-stage power turbine 438 is a hollow shaft. A front stage fan drive shaft (solid shaft) 412 that connects the front stage power turbines 419 and 420 to which the working gas from the rear stage power turbine 438 is supplied into the shaft 433 and the front stage fan 411 driven by the front stage power turbines 419 and 420. Passes through the same axis, and rotates the rotation directions of the rear power turbine 438 and the front power turbines 419 and 420 in opposite directions. The air flow at the outlet of the rear fan unit 430 is taken out as thrust by a throttle duct that tapers toward the downstream. The entire amount of the combustion gas generated by the afterburner is used in the front-stage high-pressure power turbine 419 and the front-stage low-pressure power turbine 420 that drive the front-stage low-pressure fan 411, and the exhaust at the outlets of the front-stage high-pressure power turbine 419 and the front-stage low-pressure power turbine 420. The gas is taken out as thrust by the total jet restrictor duct 463 that tapers as it goes downstream.

(前段ファン部410)
1)前段低圧ファン411と前段高圧段パワータービン419、前段低圧段パワータービン420は前段ファン駆動軸(中実軸)412で結合される。前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420は前段ファン駆動軸412を介して前段低圧ファン411を駆動する。前段ファン駆動軸412は、後述する連結軸433の内部を同軸に貫通している。
2)前段ファン駆動軸412の前段ファン軸受414、前段ファン軸受シール415が前段ファン軸受固定ケース418を介して前段ファン固定座金416、前段ファン固定ボルト417で固定される。
3)前段低圧ファン411先端に前段ファン先端キャップ413が取り付けられる。
4)前段高圧段パワータービン419、前段低圧段パワータービン420は前段パワータービン軸受421、前段パワータービン軸受シール422が前段パワータービン軸受固定ケース424を介して前段パワータービン軸受固定ナット423で固定される。
5)前段低圧ファン411は前段高圧段パワータービン419、前段低圧段パワータービン420と前段ファン駆動軸412によって連結され、前段高圧段パワータービン419、前段低圧段パワータービン420により駆動される。前段低圧ファン411の回転方向は正回転(例えば右回転)である。
6)前段低圧段パワータービン420後端に前段パワータービンテールコーン425が取り付けられる。
(Front fan section 410)
1) The front-stage low-pressure fan 411, the front-stage high-pressure stage power turbine 419, and the front-stage low-pressure stage power turbine 420 are coupled by a front-stage fan drive shaft (solid shaft) 412. The front-stage high-pressure stage power turbine 419 and the front-stage low-pressure stage power turbine 420 drive the front-stage low-pressure fan 411 via the front-stage fan drive shaft 412. The front fan drive shaft 412 passes through the inside of a connecting shaft 433 described later coaxially.
2) The front fan bearing 414 and the front fan bearing seal 415 of the front fan drive shaft 412 are fixed by the front fan fixing washer 416 and the front fan fixing bolt 417 through the front fan bearing fixing case 418.
3) A front fan front end cap 413 is attached to the front end of the front low pressure fan 411.
4) The front-stage high-pressure stage power turbine 419 and the front-stage low-pressure stage power turbine 420 are fixed to the front-stage power turbine bearing 421 and the front-stage power turbine bearing seal 422 by the front-stage power turbine bearing fixing nut 423 via the front-stage power turbine bearing fixing case 424. .
5) The front-stage low-pressure fan 411 is connected to the front-stage high-pressure stage power turbine 419, the front-stage low-pressure stage power turbine 420 and the front-stage fan drive shaft 412, and is driven by the front-stage high-pressure stage power turbine 419 and the front-stage low-pressure stage power turbine 420. The rotation direction of the first-stage low-pressure fan 411 is forward rotation (for example, right rotation).
6) The front stage power turbine tail cone 425 is attached to the rear end of the front stage low pressure stage power turbine 420.

(後段ファン部430)
1)後段低圧ファン431、後段中圧ファン432と後段パワータービン438は後段ファン駆動軸(連結軸)433で結合される。後段パワータービン438は後段ファン駆動軸433を介して後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432を駆動する。後段ファン駆動軸433の内部には、前述の前段ファン駆動軸412が同軸に貫通している。
2)後段ファン軸受435、後段ファン軸受シール436が後段ファン軸受固定ケース437を介して後段ファン固定ナット434で固定される。
3)後段パワータービン438は後段パワータービン軸439、後段パワータービン軸受シール440が後段ファン軸受固定ケース437を介して後段パワータービン軸受固定ナット441で固定される。
4)後段低圧ファン431、後段中圧ファン432は後段パワータービン438により駆動され、回転方向は逆回転(例えば左回転)である。
(Rear fan section 430)
1) The rear-stage low-pressure fan 431, the rear-stage intermediate-pressure fan 432, and the rear-stage power turbine 438 are coupled by a rear-stage fan drive shaft (connection shaft) 433. The rear power turbine 438 drives the rear low pressure fan 431 and the rear intermediate pressure fan 432 via the rear fan drive shaft 433. Inside the rear fan drive shaft 433, the above-mentioned front fan drive shaft 412 penetrates coaxially.
2) The rear fan bearing 435 and the rear fan bearing seal 436 are fixed by the rear fan fixing nut 434 via the rear fan bearing fixing case 437.
3) The rear power turbine shaft 439 and the rear power turbine bearing seal 440 are fixed to the rear power turbine 438 by the rear power turbine bearing fixing nut 441 through the rear fan bearing fixing case 437.
4) The rear-stage low-pressure fan 431 and the rear-stage intermediate-pressure fan 432 are driven by the rear-stage power turbine 438, and the rotation direction is reverse (for example, left rotation).

(ファンケース450)
前段ファン部410の前段低圧ファン411と後段ファン部430の後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432をガイドするため、前段低圧ファン411、後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432はファンケース450で覆われる。
(Fan case 450)
The front-stage low-pressure fan 411, the rear-stage low-pressure fan 431, and the rear-stage intermediate-pressure fan 432 are guided by a fan case 450 in order to guide the front-stage low-pressure fan 411 of the front-stage fan unit 410, the rear-stage low-pressure fan 431, and the rear-stage intermediate-pressure fan 432. Covered.

(後部ケーシング部460)
1)後部ケーシング461にバイパス流混合ガイド462が配置され、前段低圧ファン411、後段低圧ファン431、後段中圧ファン432で発生した風流が排ガスとバイパス流混合ガイド462で合流する。
2)後部ケーシング461の後方に全噴流絞りダクト463が配置され、合流した作動流体は全噴流絞りダクト463で絞られ、全推力が生成される。全噴流絞りダクト463の絞りで噴流の流速を上げて、推力としてエンジン外部に取り出す。
絞りが大きいと再熱生成の燃焼ガスの圧力でコアエンジンが破損するおそれがある。このため、戦闘機のアフターバーナーでは必ず絞り量を可変化する必要がある。戦闘機のアフターバーナーの燃焼ガスは全量推力として使用するため必ず可変が必需である。
本実施形態では、アフターバーナーは戦闘機と違い燃焼ガスの全量は前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420の駆動に使われる。このため、強力な推力が出せるので、再度燃料を添加しても航空機の到着時間の短縮することができ、費用対効果を高くすることができる。なお、パワータービン駆動後の排気ガスは一部推力として利用可能である。前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420の出口の排気ガス流を推力に変換するには全噴流絞りダクト463の絞りで行う。
アフターバーナー非作動のときは、コアエンジンが生成する燃焼ガスによる後段低圧ファン431と後段中圧ファン432の駆動の後段パワータービン438を通過後の排ガスで、前段高圧段パワータービン419と前段低圧段パワータービン420を駆動して排気ガスとして大気へ放出される。
(Rear casing part 460)
1) A bypass flow mixing guide 462 is disposed in the rear casing 461, and the wind flow generated by the front-stage low-pressure fan 411, the rear-stage low-pressure fan 431, and the rear-stage intermediate pressure fan 432 is merged with the exhaust gas by the bypass flow mixing guide 462.
2) A total jet throttle duct 463 is disposed behind the rear casing 461, and the combined working fluid is throttled by the total jet throttle duct 463 to generate a total thrust. The flow velocity of the jet is increased by the restriction of all the jet restrictors duct 463 and taken out to the outside of the engine as thrust.
If the throttle is large, the core engine may be damaged by the pressure of the combustion gas generated by reheat. For this reason, it is necessary to vary the amount of aperture in the fighter afterburner. Since the combustion gas of the fighter afterburner is used as the total thrust, it must be variable.
In the present embodiment, unlike the fighter aircraft, the afterburner uses the entire amount of combustion gas to drive the front-stage high-pressure stage power turbine 419 and the front-stage low-pressure stage power turbine 420. For this reason, since a strong thrust can be produced, even if fuel is added again, the arrival time of the aircraft can be shortened, and cost effectiveness can be enhanced. The exhaust gas after driving the power turbine can be partially used as thrust. In order to convert the exhaust gas flow at the outlets of the front-stage high-pressure stage power turbine 419 and the front-stage low-pressure stage power turbine 420 into thrust, it is performed by throttling the entire jet throttle duct 463.
When the afterburner is not in operation, the exhaust gas after passing through the rear power turbine 438 driven by the rear-stage low-pressure fan 431 and the rear-stage intermediate-pressure fan 432 by the combustion gas generated by the core engine, the front-stage high-pressure power turbine 419 and the front-stage low-pressure power The turbine 420 is driven and discharged as exhaust gas to the atmosphere.

(エンジン主ケース470)
エンジン先端に配置した前段低圧ファン411、後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432で生成した風流はエンジン主ケース470の内側とコアエンジン外側の通路を通り、バイパス流混合ガイド462で排ガス流と合流し、エンジン推力となり外部へ仕事する。ここで、全エンジン推力の本願の目標バイパス比は3〜4位を見込んでいる。
(Engine main case 470)
The wind flow generated by the front-stage low-pressure fan 411, the rear-stage low-pressure fan 431, and the rear-stage intermediate pressure fan 432 disposed at the front end of the engine passes through the passage inside the engine main case 470 and the outside of the core engine, and merges with the exhaust gas flow through the bypass flow mixing guide 462. And it becomes engine thrust and works outside. Here, the target bypass ratio of the present application for all engine thrusts is expected to be 3rd to 4th.

以上、本実施形態のタービンエンジン400の構成について説明した。以下、タービンエンジン400の動作について図8及び図9を参照しながら説明する。図8に示したように、燃焼器118で燃焼されて生成された燃焼ガスは、ガス生成タービン116−1を回し、排気される。排気された燃焼ガスは、図9に示したように、後段パワータービン438に送られ、後段パワータービン438を回す。後段パワータービン438の回転は後段ファン駆動軸433を介して後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432を駆動させる。   The configuration of the turbine engine 400 according to the present embodiment has been described above. Hereinafter, the operation of the turbine engine 400 will be described with reference to FIGS. 8 and 9. As shown in FIG. 8, the combustion gas generated by being combusted in the combustor 118 rotates through the gas generation turbine 116-1 and is exhausted. As shown in FIG. 9, the exhausted combustion gas is sent to the rear power turbine 438 and rotates the rear power turbine 438. The rotation of the rear-stage power turbine 438 drives the rear-stage low-pressure fan 431 and the rear-stage intermediate-pressure fan 432 via the rear-stage fan drive shaft 433.

後段パワータービン438を回し、排出された燃焼ガスは、再燃焼器213(図5参照)で再度燃料が添加されて再燃焼し、再燃焼ガスが生成される。再燃焼ガスは、前段高圧段パワータービン419に送られ、前段高圧段パワータービン419を回し、燃焼ガスを排出する。排出された燃焼ガスは、前段低圧段パワータービン420に送られ、前段低圧段パワータービン420を回し、排気ガスが大気へ放出される。前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420の回転は、前段ファン駆動軸412を介して前段ファンを駆動させる。また、前段低圧段パワータービン420を回し、放出された排気ガスは、まだエネルギーが残っており、バイパス流混合ガイド462で絞られ、ジェットスラストとなり、(航空機の)推力として使用される。   The post-stage power turbine 438 is rotated, and the exhausted combustion gas is re-combusted by adding fuel again in the re-combustor 213 (see FIG. 5), and re-combustion gas is generated. The recombustion gas is sent to the front-stage high-pressure stage power turbine 419, rotates the front-stage high-pressure stage power turbine 419, and discharges the combustion gas. The exhausted combustion gas is sent to the front-stage low-pressure stage power turbine 420, rotates the front-stage low-pressure stage power turbine 420, and the exhaust gas is released to the atmosphere. The rotation of the front-stage high-pressure stage power turbine 419 and the front-stage low-pressure stage power turbine 420 drives the front-stage fan via the front-stage fan drive shaft 412. Further, the exhaust gas discharged from the front-stage low-pressure stage power turbine 420 still has energy, is throttled by the bypass flow mixing guide 462, becomes jet thrust, and is used as thrust (of the aircraft).

バイパス流混合ガイド462で絞られ、ジェットスラストとなった燃焼ガスは、前段ファン部410と後段ファン部430で発生するファン風流となり、全噴流絞りダクト463で絞られ、空気流推力となる。また、バイパス流混合ガイド462で絞られ、ジェットスラストとなった燃焼ガスは、全噴流絞りダクト467で合流し、タービンエンジン400で発生する全ての推力が取り出される。   The combustion gas that has been squeezed by the bypass flow mixing guide 462 and turned into jet thrust becomes a fan wind generated by the front fan unit 410 and the rear fan unit 430, and is squeezed by the entire jet throttle duct 463 to be an air flow thrust. Further, the combustion gas that has been squeezed by the bypass flow mixing guide 462 and becomes jet thrust is merged by the total jet squeeze duct 467, and all thrust generated in the turbine engine 400 is taken out.

以上のように構成される二重反転ターボ・ファンの構造を備えたタービンエンジン400は、ガス生成圧縮機タービン部110と空気タービン部130を備えたコアエンジン部が本実施形態独自のガイド筒116−3を介して構成される。また、タービンエンジン400は、後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432とこれら後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432を駆動する後段パワータービン438を連結する後段ファン駆動軸433を中空軸とし、後段ファン駆動軸433の内部に前段低圧ファン411と前段低圧ファン411を駆動する前段高圧段パワータービン419及び前段低圧段パワータービン420を連結する中実の前段ファン駆動軸412を貫通させ、前段の前段低圧ファン411と後段の後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432を同軸に配置し、各組を相互に逆方向に回転させる。   In the turbine engine 400 having the structure of the counter-rotating turbo fan configured as described above, the core engine unit including the gas generating compressor turbine unit 110 and the air turbine unit 130 has a guide cylinder 116 unique to the present embodiment. -3. Further, the turbine engine 400 has a rear-stage fan drive shaft 433 that connects a rear-stage low-pressure fan 431 and a rear-stage intermediate-pressure fan 432 and a rear-stage power turbine 438 that drives the rear-stage low-pressure fan 431 and the rear-stage intermediate pressure fan 432 as a hollow shaft. A solid front stage fan drive shaft 412 that connects a front stage low pressure fan 411, a front stage high pressure stage power turbine 419 that drives the front stage low pressure fan 411, and a front stage low pressure stage power turbine 420 is passed through the fan drive shaft 433 so as to pass through the front stage. The low-pressure fan 411, the rear-stage low-pressure fan 431, and the rear-stage intermediate-pressure fan 432 are arranged coaxially, and each set is rotated in the opposite direction.

(第4の実施形態の効果)
以上説明したように、本実施形態によれば、前段の前段低圧ファン411と後段の後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432を同軸に配置し、各組を相互に逆方向に回転させることで、以下の利点が得られる。
1)前段低圧ファン411、後段低圧ファン431及び後段中圧ファン432の後流の偏向を正逆回転の組み合わせで相殺するのでエンジン本体にかかるカウンタートルクを相殺できる。
2)1組のファンでは流れのねじれとして損失となるエネルギーが、相殺により無くなることで推力発生効率が向上する。
(Effect of the fourth embodiment)
As described above, according to the present embodiment, the front-stage front-stage low-pressure fan 411, the rear-stage rear-stage low-pressure fan 431, and the rear-stage intermediate-pressure fan 432 are arranged coaxially, and the respective groups are rotated in opposite directions. The following advantages are obtained.
1) Since the downstream deflection of the upstream low pressure fan 411, the downstream low pressure fan 431, and the downstream intermediate pressure fan 432 is canceled by a combination of forward and reverse rotation, the counter torque applied to the engine body can be canceled.
2) With one set of fans, the energy that becomes a loss as a twist of the flow is eliminated by the cancellation, so that the thrust generation efficiency is improved.

また、変速機や二重反転機構を不要することで、エンジン重量を大幅に軽減できる。また、ガイド筒116−3によりコアエンジン部と二重反転機構を隔離することと、機械結合によらない二重反転構造との組み合わせで、各回転軸中心一致精度を軽減出来るので、製造コストの大幅低減と高い信頼性確保の両立を実現することができる。   Moreover, the weight of the engine can be greatly reduced by eliminating the need for a transmission and a counter-rotating mechanism. Also, the separation of the core engine portion and the counter-reversing mechanism by the guide cylinder 116-3 and the combination of the counter-rotating structure that does not rely on mechanical coupling can reduce the accuracy of the center of rotation of each rotating shaft. Both significant reduction and high reliability can be achieved.

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。   As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described referring an accompanying drawing, it cannot be overemphasized that this invention is not limited to this example. It will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made within the scope of the claims, and these are naturally within the technical scope of the present invention. Understood.

例えば、上記実施形態では、空気タービンの空気の排出には、圧縮機の吸い込み負圧が利用されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。圧縮機の吸い込み負圧が利用される以外の方法により空気タービンの空気を排出してもよい。   For example, in the above-described embodiment, the suction negative pressure of the compressor is used to discharge the air turbine air, but the present invention is not necessarily limited to this example. You may exhaust the air of an air turbine by methods other than the suction negative pressure of a compressor being utilized.

また、上記実施形態では、空気タービンを駆動する作動空気量と圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、ベーン開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えているようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。可変ガイド・ベーン装置を備える以外の方法により、作動空気量と燃焼用空気量との配分を調整してもよい。   In the above-described embodiment, the variable guide vane device that adjusts the distribution of the amount of working air that drives the air turbine and the amount of combustion air supplied to the compressor by the angle area according to the vane opening angle is provided. However, the present invention is not necessarily limited to this example. The distribution of the working air amount and the combustion air amount may be adjusted by a method other than providing the variable guide vane device.

また、上記実施形態では、圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。電動発電機部は圧縮機タービン軸とガイド筒との間以外の位置に設けてもよい。   In the above embodiment, the motor generator unit is installed between the compressor turbine shaft that supports the compressor and the guide cylinder that supports the gas generation turbine that drives the compressor. Is not necessarily limited to this example. The motor generator section may be provided at a position other than between the compressor turbine shaft and the guide tube.

また、上記実施形態では、パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、空気タービンの入り口温度を昇温するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収以外の方法で空気タービンの入り口温度を昇温するようにしてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the inlet temperature of the air turbine was raised by collection | recovery of the exhaust heat of the exhaust gas discharged | emitted by the power turbine, this invention is not necessarily limited to this example. You may make it raise the inlet temperature of an air turbine by methods other than collection | recovery of exhaust heat of the exhaust gas discharged | emitted by the power turbine.

また、上記実施形態では、パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する作動空気加熱部を備え、空気タービンは、作動空気加熱部で生成された燃焼ガスで回転し、出力軸を加勢するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。作動空気加熱部で生成された燃焼ガスで空気タービンを回転する以外の方法で出力軸を加勢するようにしてもよい。   Moreover, in the said embodiment, it adds the fuel to the exhaust gas discharged | emitted from the power turbine, burns, and it has the working air heating part which produces | generates combustion gas, and an air turbine is the combustion gas produced | generated by the working air heating part. However, the present invention is not necessarily limited to this example. The output shaft may be energized by a method other than rotating the air turbine with the combustion gas generated by the working air heating unit.

また、上記実施形態では、作動空気加熱部からの燃焼ガスによって圧縮機で圧縮された空気を加熱し、空気タービンに供給するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。空気タービンに供給する空気は、作動空気加熱部からの燃焼ガスによって圧縮機で圧縮された空気を加熱する以外の方法で加熱してもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the air compressed with the compressor with the combustion gas from a working air heating part was heated and supplied to the air turbine, this invention is not necessarily limited to this example. The air supplied to the air turbine may be heated by a method other than heating the air compressed by the compressor with the combustion gas from the working air heating unit.

また、上記実施形態では、作動空気加熱部で生成された燃焼ガスは、燃焼器の入口に供給されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。燃焼器の入口に供給される燃焼ガスは、作動空気加熱部で生成される以外の方法で生成されてもよい。   Moreover, in the said embodiment, although the combustion gas produced | generated by the working air heating part was supplied to the inlet_port | entrance of a combustor, this invention is not necessarily limited to this example. The combustion gas supplied to the inlet of the combustor may be generated by a method other than that generated by the working air heating unit.

また、上記実施形態では、出力軸に連結される二相流タービンと、作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、を備え、液相分で二相流タービンを回転させて、出力軸を加勢するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。二相流タービンを回転させる以外の方法で出力軸を加勢するようにしてもよい。   Moreover, in the said embodiment, the two-phase flow nozzle connected with an output shaft, and the two-phase flow nozzle which heats a medium with the combustion gas from a working air heating part, and isolate | separates the heated medium into a liquid phase and a gaseous phase The two-phase turbine is rotated by the liquid phase and the output shaft is urged. However, the present invention is not necessarily limited to this example. The output shaft may be energized by a method other than rotating the two-phase flow turbine.

また、上記実施形態では、空気タービンの出口と圧縮機の吸い込み口の間に配置され、液相と気相を凝縮する凝縮器を備え、凝縮器は、通過する空気によって冷却されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。通過する空気以外の方法で凝縮器を冷却してもよい。   Moreover, in the said embodiment, it was arrange | positioned between the outlet of an air turbine, and the suction inlet of a compressor, and was equipped with the condenser which condenses a liquid phase and a gaseous phase, and the condenser was cooled with the air which passes. However, the present invention is not necessarily limited to this example. The condenser may be cooled by methods other than passing air.

本発明は以下の発明を含む。
<発明1>
圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンにおいて、
前記パワータービンは出力軸で空気タービンと連結されており、
前記空気タービンは、前記パワータービンからの排気によって加熱された圧縮空気によって回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジン。
<発明2>
前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する作動空気加熱部を備え、
前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で生成された燃焼ガスにより加熱された圧縮空気によって回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、<発明1>のタービンエンジン。
The present invention includes the following inventions.
<Invention 1>
In a turbine engine that discharges by turning a power turbine with combustion gas generated by burning air compressed by a compressor in a combustor,
The power turbine is connected to an air turbine at an output shaft;
The turbine engine is rotated by compressed air heated by exhaust gas from the power turbine and urges the output shaft.
<Invention 2>
A working air heating unit for adding fuel to the exhaust gas discharged from the power turbine and burning it to generate combustion gas;
The turbine engine according to <Invention 1>, wherein the air turbine rotates by compressed air heated by the combustion gas generated by the working air heating unit and urges the output shaft.

上記実施形態、応用例、変形例は、任意に組み合わせて実施することができる。   The above embodiment, application examples, and modification examples can be implemented in any combination.

100、200、300、400 タービンエンジン
110 ガス生成圧縮機タービン部(コアエンジン部)
112 圧縮機
112−1 空気圧縮機
112−2 圧縮機空気入口
112−3 圧縮空気抽気口
112−4 圧縮機空気出口
112−5 圧縮機ケーシング
114 圧縮機タービン
114−1 圧縮機タービン軸
114−2 圧縮機タービン軸受
114−3 圧縮機タービン軸受シール
114−4 圧縮機タービン軸受固定ナット
116 タービン
116−1 ガス生成タービン
116−2 ガス生成タービンケーシング
116−3 ガイド筒
118 燃焼器
118−1 燃焼器本体
118−2 燃焼器ライナー
118−3 燃焼器空気入口
118−4 燃焼器燃焼ガス出口
118−5 燃焼器ケーシング
118−6 燃料弁
120 パワータービン部
121 出力軸
122 出力軸受
123 出力軸受シール
124 出力軸受固定ナット
125 高圧段パワータービン
126 低圧段パワータービン
127 パワータービンケーシング
128 パワータービン燃焼ガス出口
130 空気タービン部
131 空気タービン
132 タービン空気入口
133 可変ガイド・ベーン装置
134 タービン空気出口
135 空気タービンケーシング
136 空気加熱器
137 加熱器空気入口
138 加熱器空気出口
139 加熱器ケーシング
140 パワータービン出口コーン
141 圧縮機抽気口/加熱器入口間配管
142 加熱器出口/空気タービン入口間配管
143 燃焼ガス排気口
150 電動発電機部
151 電動発電機回転子
152 電動発電機固定子
210 作動空気加熱部
211 パイロット・バーナー
212 火炎保持器
213 再熱燃焼器
214 再熱燃焼器ケーシング
215 再熱熱交換器
216 燃焼ガス排気口
217 圧縮空気抽気口
310 作動媒体加熱部
311 媒体加熱器
312 加熱器媒体入口
313 加熱器媒体出口
314 媒体加熱器ケーシング
315 燃焼ガス排気口
316 媒体加熱器出口/二相流ノズル入口間配管
320 二相流ノズル部
321 二相流ノズル
322 ノズル媒体入口
323 ノズル媒体出口
330二相流タービン部
331 二相流タービン
332 タービン媒体入口
333 タービン媒体出口
334 二相流タービンケーシング
335 タービンケーシングシール
336 二相流ノズル出口/二相流タービン入口間配管
337 タービン遮断弁
338 タービン調整弁
340 作動媒体凝縮器部
341 媒体凝縮器
342 凝縮器媒体入口
343 凝縮器媒体出口
344 媒体タンク
345 二相流タービン出口/凝縮器入口間配管
346 凝縮器出口/媒体タンク入口間配管
350 媒体ポンプ部
351 媒体ポンプ
352 ポンプ媒体入口
353 ポンプ媒体出口
354 媒体タンク出口/媒体ポンプ入口間配管
355 媒体ポンプ出口/媒体加熱器入口間配管
356 ポンプ/タービン間軸受
357 ポンプ/タービン間軸受シール
410 前段ファン部
411 前段低圧ファン
412 前段ファン駆動軸(中実軸)
413 前段ファン先端キャップ
414 前段ファン軸受
415 前段ファン軸受シール
416 前段ファン固定座金
417 前段ファン固定ボルト
418 前段ファン軸受固定ケース
419 前段高圧段パワータービン
420 前段低圧段パワータービン
421 前段パワータービン軸受
422 前段パワータービン軸受シール
423 前段パワータービン軸受固定ナット
424 前段パワータービン軸受固定ケース
425 前段パワータービンテールコーン
430 後段ファン部
431 後段低圧ファン
432 後段中圧ファン
433 後段ファン駆動軸(連結軸)
434 後段ファン固定ナット
435 後段ファン軸受
436 後段ファン軸受シール
437 後段ファン軸受固定ケース
438 後段パワータービン
439 後段パワータービン軸
440 後段パワータービン軸受シール
441 後段パワータービン軸受固定ナット
450 ファンケース
460 後部ケーシング部
461 後部ケーシング
462 バイパス流混合ガイド
463 全噴流絞りダクト
470 エンジン主ケース
100, 200, 300, 400 Turbine engine 110 Gas generating compressor turbine section (core engine section)
112 Compressor 112-1 Air compressor 112-2 Compressor air inlet 112-3 Compressed air bleed port 112-4 Compressor air outlet 112-5 Compressor casing 114 Compressor turbine 114-1 Compressor turbine shaft 114-2 Compressor turbine bearing 114-3 Compressor turbine bearing seal 114-4 Compressor turbine bearing fixing nut 116 Turbine 116-1 Gas generating turbine 116-2 Gas generating turbine casing 116-3 Guide cylinder 118 Combustor 118-1 Combustor main body 118-2 Combustor liner 118-3 Combustor air inlet 118-4 Combustor combustion gas outlet 118-5 Combustor casing 118-6 Fuel valve 120 Power turbine section 121 Output shaft 122 Output bearing 123 Output bearing seal 124 Output bearing fixed Nut 125 High pressure stage power Turbine 126 Low-pressure stage power turbine 127 Power turbine casing 128 Power turbine combustion gas outlet 130 Air turbine section 131 Air turbine 132 Turbine air inlet 133 Variable guide vane device 134 Turbine air outlet 135 Air turbine casing 136 Air heater 137 Heater air inlet 138 Heater air outlet 139 Heater casing 140 Power turbine outlet cone 141 Pipe between compressor bleed port / heater inlet 142 Pipe between heater outlet / air turbine inlet 143 Combustion gas exhaust port 150 Motor generator section 151 Motor generator rotation Child 152 Motor generator stator 210 Working air heating unit 211 Pilot burner 212 Flame holder 213 Reheat combustor 214 Reheat combustor casing 215 Reheat heat exchanger 216 Fuel Gas exhaust port 217 Compressed air extraction port 310 Working medium heating unit 311 Medium heater 312 Heater medium inlet 313 Heater medium outlet 314 Medium heater casing 315 Combustion gas exhaust port 316 Medium heater outlet / two-phase flow nozzle inlet piping 320 Two-phase flow nozzle section 321 Two-phase flow nozzle 322 Nozzle medium inlet 323 Nozzle medium outlet 330 Two-phase flow turbine section 331 Two-phase flow turbine 332 Turbine medium inlet 333 Turbine medium outlet 334 Two-phase flow turbine casing 335 Turbine casing seal 336 Two Phase flow nozzle outlet / two-phase flow turbine inlet piping 337 Turbine shut-off valve 338 Turbine regulating valve 340 Working medium condenser 341 Medium condenser 342 Condenser medium inlet 343 Condenser medium outlet 344 Medium tank 345 Two-phase flow turbine outlet / Clump Condenser inlet piping 346 Condenser outlet / media tank inlet piping 350 Media pump section 351 Media pump 352 Pump media inlet 353 Pump media outlet 354 Media tank outlet / media pump inlet piping 355 Media pump outlet / media heater inlet Piping 356 Pump / turbine bearing 357 Pump / turbine bearing seal 410 Pre-stage fan section 411 Pre-stage low-pressure fan 412 Pre-stage fan drive shaft (solid shaft)
413 Pre-stage fan tip cap 414 Pre-stage fan bearing 415 Pre-stage fan bearing seal 416 Pre-stage fan fixing washer 417 Pre-stage fan fixing bolt 418 Pre-stage fan bearing fixing case 419 Pre-stage high-pressure stage power turbine 420 Pre-stage low-pressure stage power turbine 421 Pre-stage power turbine bearing 422 Pre-stage power Turbine bearing seal 423 Pre-stage power turbine bearing fixing nut 424 Pre-stage power turbine bearing fixing case 425 Pre-stage power turbine tail cone 430 Rear-stage fan part 431 Rear-stage low-pressure fan 432 Rear-stage intermediate-pressure fan 433 Rear-stage fan drive shaft (connection shaft)
434 Rear stage fan fixing nut 435 Rear stage fan bearing 436 Rear stage fan bearing seal 437 Rear stage fan bearing fixing case 438 Rear stage power turbine 439 Rear stage power turbine shaft 440 Rear stage power turbine bearing seal 441 Rear stage power turbine bearing fixing nut 450 Fan case 460 Rear casing part 461 Rear casing 462 Bypass flow mixing guide 463 Total jet throttle duct 470 Engine main case

Claims (12)

圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンにおいて、
前記圧縮機を駆動する圧縮機タービン軸と出力を取り出す前記パワータービンは前記出力軸で空気タービンと連結されており、
前記空気タービンは、前記圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気を前記パワータービンの排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジン。
In a turbine engine that discharges by turning a power turbine with combustion gas generated by burning air compressed by a compressor in a combustor,
A compressor turbine shaft that drives the compressor and the power turbine that extracts output is connected to the air turbine at the output shaft;
The air turbine heats the compressed air partially extracted during the compression by the compressor with the exhaust of the power turbine, and is driven by the high-temperature and high-pressure air to energize the output shaft. Characteristic turbine engine.
前記空気タービンの空気の排出には、前記圧縮機の吸い込み負圧が利用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。   The turbine engine according to claim 1, wherein a suction negative pressure of the compressor is used to discharge air of the air turbine. 前記空気タービンを駆動する作動空気量と前記圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、ベーン開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えていることを特徴とする、請求項1又は2に記載のタービンエンジン。   A variable guide vane device that adjusts the distribution of the amount of working air that drives the air turbine and the amount of combustion air that is supplied to the compressor by an angle area according to a vane opening angle is provided. The turbine engine according to claim 1 or 2. 前記圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかに記載のタービンエンジン。   The motor generator section is installed between a compressor turbine shaft that supports the compressor and a guide cylinder that supports a gas generation turbine that drives the compressor. The turbine engine according to any one of the above. 前記パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、前記空気タービンの入り口温度を昇温することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のタービンエンジン。   The turbine engine according to any one of claims 1 to 4, wherein an inlet temperature of the air turbine is increased by collecting exhaust heat of exhaust gas discharged from the power turbine. 前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する前記燃焼器と空気タービンの作動空気を加熱する作動空気加熱部を備え、
前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で加熱された圧縮空気で回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のタービンエンジン。
A combustion air is added to the exhaust gas discharged from the power turbine and burned, and the combustion air is generated, and the working air heating unit that heats the working air of the air turbine is provided.
The turbine engine according to any one of claims 1 to 4, wherein the air turbine rotates with compressed air heated by the working air heating unit and urges the output shaft.
前記作動空気加熱部からの燃焼ガスによって前記圧縮機で圧縮された空気を加熱し、前記空気タービンに供給することを特徴とする、請求項6に記載のタービンエンジン。   The turbine engine according to claim 6, wherein the air compressed by the compressor is heated by combustion gas from the working air heating unit and is supplied to the air turbine. 前記パワータービンから排出された排気ガスは、前記燃焼器の入口に供給されることを特徴とする、請求項6又は7に記載のタービンエンジン。   The turbine engine according to claim 6 or 7, wherein the exhaust gas discharged from the power turbine is supplied to an inlet of the combustor. 前記出力軸に連結される二相流タービンと、
前記作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、
を備え、
前記液相分で前記二相流タービンを回転させて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、請求項6〜8のいずれかに記載のタービンエンジン。
A two-phase turbine connected to the output shaft;
A two-phase flow nozzle that heats the medium with combustion gas from the working air heating unit and separates the heated medium into a liquid phase and a gas phase;
With
The turbine engine according to any one of claims 6 to 8, wherein the output shaft is energized by rotating the two-phase turbine in the liquid phase.
前記空気タービンの出口と前記圧縮機の吸い込み口の間に配置され、前記液相と前記気相を凝縮する凝縮器を備え、
前記凝縮器は、通過する空気によって冷却されることを特徴とする、請求項9に記載のタービンエンジン。
A condenser arranged between the outlet of the air turbine and the suction port of the compressor, and condensing the liquid phase and the gas phase;
The turbine engine according to claim 9, wherein the condenser is cooled by passing air.
前記圧縮機を駆動するガス生成タービンと前記圧縮機を連結する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機タービン軸を支持するガイド筒と、二重反転機構とをさらに備え、
前記ガイド筒は、前記圧縮機、前記燃焼器を備えたコアエンジン部と、前記二重反転機構とを隔離し、
前記二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービンと前記後段パワータービンが駆動する後段ファンとを連結する連結軸が中空軸であり、前記連結軸の内部に前記後段パワータービンからの作動ガスが供給される前段パワータービンと前記前段パワータービンが駆動する前段ファンとを連結する中実軸が同軸に貫通しており、前記後段パワータービンと前段パワータービンの回転方向を相互に逆方向に回転させることを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のタービンエンジン。
A gas generation turbine that drives the compressor; a compressor turbine shaft that connects the compressor; a guide tube that supports the compressor turbine shaft; and a counter rotating mechanism;
The guide tube isolates the compressor, the core engine unit including the combustor, and the counter rotating mechanism,
In the counter rotating mechanism, the connecting shaft that connects the rear power turbine to which the combustion gas generated in the core engine unit is supplied and the rear fan driven by the rear power turbine is a hollow shaft, and the inside of the connecting shaft A solid shaft that connects a front-stage power turbine to which the working gas from the rear-stage power turbine is supplied and a front-stage fan that is driven by the front-stage power turbine passes through coaxially, and the rear-stage power turbine and the front-stage power turbine The turbine engine according to any one of claims 1 to 4, wherein rotation directions are rotated in directions opposite to each other.
前記後段ファンの出口の空気流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることと、
アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前記前段ファンを駆動する前記前段パワータービンで使われ、前記前段パワータービンの出口の排気ガスは下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることと、を特徴とする、請求項11に記載のタービンエンジン。
The air flow at the outlet of the rear fan is taken out as thrust by a throttle duct that tapers as it goes downstream;
The entire amount of combustion gas generated by the afterburner is used in the front stage power turbine that drives the front stage fan, and the exhaust gas at the outlet of the front stage power turbine is taken out as thrust by a throttle duct that tapers toward the downstream. The turbine engine according to claim 11, wherein:
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JPS5281408A (en) * 1975-12-25 1977-07-07 United Turbine Ab & Co Gas turbine power equipment
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