JP4209680B2 - タービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、エンジン、および特に、排他的ではないが、電気の発生に使用されるエンジンに関する。

図１には、電気の発生に使用されるエンジンの一例が示される。ガスタービンエンジンと呼ばれるエンジンは、空気入口１１を通して引込まれた空気を圧縮する圧縮機１０を備える。圧縮された空気は、エンジンの高温の排気ガスを利用して、熱交換器１２において加熱される。加熱された圧縮空気は、燃料入口１３からの燃料と混合され、燃焼室１４において燃焼され、その燃焼室においてガスの容積がかなり増加して、ガスが移動する速度もかなり増加する。その高速の移動ガスがタービン１５を通して送られるので、タービンが回転させられ、また余剰高温ガスが熱交換器１２を通して排気される。タービン１５の回転により、圧縮機１０へ接続されるシャフト１６が駆動されて、圧縮機１０内の空気を圧縮する動力が生成される。そのシャフトは、電気を発生する発電機１７へも接続される。

上述のガスタービンエンジンは、次のような欠点を有する。すなわち、そのようなタービンエンジンは、大型の場合に最も効率が良くかつ効果的であるが、各家庭用電気の発生またはハイブリッド自動車における自動車用電池の充電のような小規模適用設備まで小型化されるようにはなっていない。

本発明の好ましい実施例は、従来技術の上述の欠点を克服しようとするものである。

本発明の１つの態様によれば、
少なくともひとつの入口および少なくともひとつの排気出口を有するハウジングと、
第１の方向（ｓｅｎｓｅ）に回転して燃料と空気の混合気を圧縮するようにされた圧縮ファンと、および
前記圧縮ファンと実質的に同軸（ｃｏａｘｉａｌｌｙ）で取付けられ、かつ複数の羽根（ｖａｎｅｓ、翼、ベーン）を有するリアクション部材であって、前記圧縮された燃料と空気の混合気を前記圧縮ファンから受入れるようになっており、また使用中に前記の燃料と空気の混合気が前記羽根間で燃焼され、また前記燃焼により生成されたガスが特定の方向へ向けられて、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記リアクション部材を回転させる、前記リアクション部材と
を備えたエンジンが提供される。

燃料と空気の混合気をリアクション部材に直接流入させる圧縮機を設けることにより、次の利点が得られる。すなわち、圧縮ファンとリアクション部材が反対方向に回転するために、リアクション部材に流入する燃料と空気の混合気の相対的速度は、同一の半径におけるリアクション部材速度へ加えられる圧縮ファンの外部周辺縁部速度にほぼ等しいことである。この高い流入速度は、リアクション部材内にディフューズされると、圧縮ファンだけで達成できるものよりも高い圧縮比を生じる。空気／燃料混合気が燃焼すると、リアクション部材から接線方向に流出するときの膨張する燃焼ガスの力がリアクション部材へ直接作用して、空気／燃料混合気の燃料エネルギーをリアクション部材の回転エネルギーへ効率的に変換する。例えば、そのようなエンジンは、各家庭規模での電気の発生に使用できるか、またはハイブリッド自動車における電池の充電に使用できる。現在そのような目的に一般的に使用されるエンジンには、一般にはガソリンまたはディーゼル型式の内燃機関が含まれる。上述の発明は、これらの型式のエンジンよりも利点がある。すなわち、エネルギーの固有の損失を生じる、ピストンの直線運動から駆動シャフトの回転運動への変換が無いことである。さらに連続的に作動する点火時期機構または複雑な水冷却システムが必要無いことも、本発明のエンジンのエネルギー損失を減少する。

好ましい実施例において前記の燃料と空気の混合気は、前記リアクション部材内でさらに圧縮される。

燃料と空気の混合気をさらに圧縮することにより、そのエンジンは、エンジンの単位サイズ当りの高い出力を有するという利点が得られる。

好ましい実施例において前記のさらなる圧縮は、前記リアクション部材内での前記混合気のディフージョンにより生じる。

他の好ましい実施例において前記のさらなる圧縮は、前記リアクション部材内での前記混合気のラム圧縮（ｒａｍ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ）により生じる。

好ましい実施例において前記圧縮ファンは、圧縮ファンの羽根の先端部（ｔｉｐｓ）の回転により形成される円に実質的に接線方向に前記混合気を吐出す。

混合気が、圧縮ファンからファンへ実質的に接線方向に吐出されるので、その箇所における混合気の速度の半径方向成分は最小にされる。したがって、エンジンを通過する質量流量を減少でき、かつ低出力のユニットを製造できるので、潜在的な適用設備の数を増加できる。

他の好ましい実施例において前記の燃料と空気の混合気は、圧縮ファン羽根先端部の速度と、および実質的に同一の半径におけるリアクション部材の速度との合計に実質的に等しいリアクション部材に関する速度で前記リアクション部材内に受入れられる。

好ましい実施例においてエンジンは、前記圧縮ファンを駆動する少なくとも１個のタービン部材をさらに備える。

他の好ましい実施例において前記少なくとも１個のタービン部材は、前記リアクション部材からの排気ガスにより駆動される。

好ましい実施例において前記の燃料と空気の混合気は、その入口またはそれぞれの入口を通してエンジンに流入する前に混合される。

燃料と空気の混合気をエンジンに流入する前に混合することにより、燃料／空気混合気が、リアクション部材内で燃焼するときには、既に完全に混合されているので、最大の効率で燃焼するという利点が得られる。実際にはその混合は、圧縮ファンの前に生じ、かつ燃料と空気が、圧縮ファン、リアクション部材（火炎グリッドを通過する前）、および火炎グリッド自体を通過するときに生じる。

好ましい実施例において２枚の隣接する羽根により形成される空間の周辺方向（ｃｉｒｃｕｍｆｅｒｅｎｔｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）で測られた断面積は、リアクション部材の軸からの半径距離（ｒａｄｉａｌ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ、ラジアル距離、半径方向間隔）が増加するにつれて、前記羽根の長さ方向に沿って実質的に半分の（ｈａｌｆ ｗａｙ）最大まで増加し、ついで前記半径方向間隔がさらに増加するにつれて減少する。

リアクション部材の中心からの間隔が増加するにつれて、リアクション部材の羽根の対間の空間を先ず増加し、ついで減少することにより、羽根の隣接する対により形成されるリアクション部材の各セクションがラムジェットと同様な仕方で作用するという利点が得られる。すなわち、燃料／空気混合気が、圧縮ファンからリアクション部材中に高速で押込まれると、２枚の羽根間の増加する容積により減速され、ついでそれにより、燃料／空気混合気の圧力が増加する。燃料／空気混合気が燃焼を持続させるように十分に減速される時点において、燃料／空気混合気が燃焼され、かつ高温膨張燃焼ガスが、隣接する羽根間の流路部位を通過し続けて、その隣接する羽根は、ここで集束する隣接する羽根により形式されるノズルを通して燃焼ガスを特定の方向に向けるか、または送出する。吐出されるガスの方向がリアクション部材半径に対して接線方向であるので、接線方向の噴流反作用が生じて、リアクション部材を第２の方向に回転する。

好ましい実施例において前記リアクション部材は、火炎グリッド（ｆｌａｍｅ ｇｒｉｄ）をさらに備える。

リアクション部材に火炎グリッドを設けることにより、そのグリッドがブラッフボディ（ｂｌｕｆｆ ｂｏｄｙ）として作用するので、火炎グリッド直後の燃料／空気混合気の速度が、火炎グリッドに関する火炎速度よりも低くなるという利点が得られる。その結果、燃料／空気混合気の燃焼を火炎グリッドにおいて制御できる。

好ましい実施例において火炎グリッドは、隣接する羽根により形成される断面積が最大になる羽根に沿う位置に位置決めされる。

火炎グリッドを、羽根間の断面積が最大になる箇所、すなわち羽根の長さ方向に沿ってほぼ中ほどの箇所に設けることにより、燃料／空気混合気が、最低のガス速度の箇所において、かくして、最高の圧力の箇所において燃焼されるという利点が得られる。速度の減少とガス圧力の増加は、羽根間の断面積の増加から生じる。

好ましい実施例において前記羽根は、２枚の隣接する羽根により形成される空間の周辺方向で測られた断面積が、リアクション部材の軸からの半径距離が増加するにつれて、最小断面積まで減少するように断面積を減少するようになっているので、増加する前に火炎前部を実質的に形成する。

好ましい実施例において前記リアクション部材は、前記羽根を、その長さの少なくとも一部分（ｓｏｍｅ）に沿って支持する少なくとも１個の外部支持部材をさらに備える。

羽根用の少なくとも１個の支持部材を設けることにより、羽根が屈曲または振動する傾向が減少されるか、または無くされるという利点が得られる。

好ましい実施例において前記リアクション部材は、前記羽根の対向する縁部に沿って前記羽根に装着される２個の前記外部支持部材を備える。

他の好ましい実施例において前記羽根は、その全長に沿って実質的に支持される。

羽根の両側の全長に沿って支持部材を設けることにより、リアクション部材が取り囲まれ、その結果、燃料／空気混合気の燃料からの最大反作用力が、リアクション部材へ加えられるという利点が得られる。

好ましい実施例において前記外部支持部材は、圧縮ファンを少なくとも部分的に覆うように延びる。

外部支持部材を、圧縮ファンを覆うように延ばすことにより、燃料／空気混合気の一層効果的な移動が、圧縮ファンとリアクション部材との間に行なわれる。

好ましい実施例においてリアクション部材の軸から最小半径距離における前記羽根は、圧縮ファンの外側半径へ実質的に接線をなす角度にある。

羽根を圧縮ファンへのほぼ接線において開始することにより、圧縮ファンを出る燃料／空気混合気が、羽根から最小の抵抗でリアクション部材に流入するという利点が得られる。

好ましい実施例において前記ハウジングは、冷却空気の流れを前記ハウジングと前記リアクション部材との間に引込まさせる（ｅｎｔｒａｉｎｅｄ、エントレイン、噴流される、混入される）ようになっている少なくとも１箇所の別の入口を有する。

他の好ましい実施例において前記リアクション部材は、リアクション部材の支持部材の外側へ延び、かつ冷却空気の流れを形成するようになっている別の羽根を有する。

好ましい実施例において前記別の羽根は、前記リアクション部材の最大半径に直接隣接する燃料と空気の混合気の燃焼生成物（ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ ｐｒｏｄｕｃｔｓ）の圧力に実質的に同等な圧力において前記空気の流れを形成するようになっている。

本発明の好ましい実施例を、ここで添付図面を参照して、限定することなく一例としてだけ説明する。

図２および３を参照すると、エンジン３０が、入口３４を中に有するハウジング３２を備える。エンジン３０は、リアクション部材３８と同軸で取付けられる圧縮ファン３６も有する。圧縮ファン３６は、中空回転軸４０上に取付けられ、かつその軸に関して固定され、またリアクション部材３８は、回転軸４２上に取付けられ、かつその軸に関して固定される。

回転軸４０内に、別の回転軸（すなわち自由スピンドル）４４が取付けられる。自由スピンドル４４は、第１の軸受組立体４６と第２の軸受組立体４８上に取付けられていることにより、回転軸４０と圧縮ファン３６に関して、かつ回転軸４２とリアクション部材３８に関して自由に回転する。回転軸４２は、軸受５０上に取付けられる。

ケーシング３２は、リアクション部材３８の周りに延びて渦巻形部５２を形成し、さらに延びて、ノズルリング５３の周りに延びる別の渦巻形部を形成する。ノズルリング５３へは、回転軸４０を経て圧縮ファン３６（ｒｅｌａｔｉｖｅ ｔｏ）へ接続されるタービン翼車５４が隣接する。エンジン３０は、排気出口５６をさらに備える。

リアクション部材３８は、羽根（ｖａｎｅｓ）６０、火炎グリッド（ｆｌａｍｅ ｇｒｉｄ）６２、および側面ケーシング６４の形状の支持部材を備える。羽根６０の隣接する対は、セクション６６を形成し、それらのセクション自体が、火炎グリッド６２によりディフージョンゾーン６８と燃焼ゾーン７０に分割される。それぞれの羽根６０は、火炎グリッド６２の両側に２つのセクションの６０ａと６０ｂに分割してよい。圧縮ファン３６は、羽根先端部７４を有する羽根７２を有する。

図２および３に示されるエンジン３０の作用をここで説明する。図２は、図３の線Ｂ−Ｂについての図であることが分る。

燃料と空気の混合気が、入口３４を経てエンジン３０に流入する。その混合気が圧縮ファン３６に引込まれて、混合気の圧力が増加される。混合気は、圧縮ファン３６からリアクション部材３８へ向けて送られる。圧縮ファン３６の回転により、羽根７２の羽根先端部（ｖａｎｅ ｔｉｐｓ）７４が円（その円は、図３に示されるように、圧縮ファンの外周辺縁部に近似する）を形成する。混合気は、この円に対して実質的に接線方向に圧縮ファンにより送られる。圧縮ファン３６が第１の方向すなわち方向Ｄ（図４に示されるように）に回転し、およびリアクション部材３８が第２の方向すなわち反対方向Ｅに回転しているので、リアクション部材３８に関連する、リアクション部材３８に流入する燃料と空気の混合気の速度は、圧縮ファン３６の外側周辺縁部速度と、およびリアクション部材３６の内側周辺速度との合計にほぼ等しい。

圧縮ファン３６を取り囲むリアクション部材３８は、混合気を、羽根６０の隣接する対間のディフージョンゾーン６８中に受入れる。ディフージョンゾーン６８の形状は、高速度の混合気を受入れ、ついでその速度を圧力に効果的に変換するようになっている。例えば、混合気が亜音速で移動するならば、混合気は、リアクション部材３８に流入するとき、羽根６０の隣接する対間のディフージョンゾーン６８に先ず流入する。混合気がリアクション部材３８を通して半径方向外側に移動すると、混合気が中に移動する容積は、羽根６０の半径方向広がりにより増加する。この容積の増加は、リアクション部材３８の側面ケーシング６４が混合気の流入箇所から広がると、さらに大きくなる。この容積の増加により、混合気の移動速度が減少し、ついでそれにより混合気の圧力が増加する。代わりに、（図示されないが）混合気が超音速で移動するならば、混合気は、リアクション部材３８に流入するとき、羽根６０の隣接する対間のディフージョンゾーン６８に先ず流入する。混合気がリアクション部材３８を通して半径方向外側に移動すると、混合気が中に移動する容積は、羽根６０の形状により減少する。この容積の減少により、混合気の圧力の増加が生じる。

この圧力の増加は、混合気が火炎グリッド６２へ達するまで続く。グリッド６２は、リアクション部材３８内に生じる温度に耐えることができる材料の穴あきシートから成る。火炎グリッド６２は、ブラッフボディとして作用する。混合気は、それらの穴を通過するにつれて、火炎グリッド６２直前の混合気の速度に関してその速度が増加する。混合気は、火炎グリッド内の穴を一旦通過すると、乱流となり、その速度が減少するので、火炎グリッド６２の材料（穴あけされていない部分）直後の空間を満たす。火炎グリッド６２は、燃料／空気混合気の燃焼が生じる境界を形成する。燃焼は、火炎グリッド直後の乱流ゾーンで生じ、混合気が、それらの穴を通過するにつれて速度を増加する結果として火炎グリッドによりそのゾーンに維持される。この増加した速度は、火炎前部を火炎グリッド６２に保持するために、燃料／空気混合気の火炎速度よりも大きくなくてはならない。

混合気の燃焼により、リアクション部材３８のそれぞれのセクション６６の燃焼ゾーン７０内に含まれるガスの容積が急速に増加する。このガスは、燃焼ゾーン７０を通過し続け、リアクション部材３８から出ると、リアクション部材３８の軸への半径において反作用力を加えて、圧縮ファン３６の移動方向と反対の方向にリアクション部材を回す。

リアクション部材３８の火炎グリッド６２からの半径距離が増加するにつれて、燃焼ゾーン７０の形状が、膨張する燃焼ガスに適応するようになっている。反作用力が生じるリアクション部材３８の燃焼ゾーン７０の出口へ燃焼ガスを制御しかつ送るように、側面ケーシング６４間の間隔を変えてよいし、または羽根６０の曲率を変えてよいし、または両方を変えてもよい。羽根６０の曲率と側面ケーシング６４の形状は、燃焼ゾーン７０の出口においてノズルを生成するようになっている。これらのノズルは、ガスがリアクション部材３８を出るときのガス速度を最適にするようにサイズが決められる。さらにこれらのノズルは、ガスを最適な角度で流出させてリアクション部材へ最適なトルクを加えるように、羽根６０の曲率だけ角度が付けられる。

燃料／空気混合気をリアクション部材３８のセクション６６中に高速で流入させる圧縮ファンを使用し、ついでそれぞれのセクション６６内の容積を先ず増加しついで減少し、およびそれぞれのセクション６６に沿って、ほぼその中ほどまでに火炎グリッド６２に隣接する燃料／空気混合気を燃焼させることにより、それぞれのセクションが、ラムジェットと同様な仕方で作用するので、燃焼エネルギーの機械的エネルギーへの効率的な変換が生じる。

リアクション部材３８の外面は、空気入口５８を通して引込まれる空気により冷却される。この冷却空気は、リアクション部材３８の最大半径の箇所においてガス流に引込まれる。

リアクション部材３８からの燃焼ガスと引込まれた冷却空気は、渦巻形部５２とノズルリング５３を経てタービン翼車５４へ向けて送られる。このガスの速度により、タービン翼車５４は、余剰ガスが排気出口５６を通して排気される前に回転される。このタービン翼車５４の回転により、圧縮ファン３６へ接続される回転軸４０が回転される。したがって、圧縮ファン３６により燃料／空気混合気の圧縮を生じるのは、タービン翼車５４を回す排気ガスである。

エンジン３０を始動するために、回転軸４２が回転される。これは、回転軸４２へ装着された発電機へ電力を供給して実施できるので、発電機は電動機として作用して回転軸４２を回転させる。代わりに、他の始動電動機を使用して、回転軸４２を回転させることもできる。生じた回転軸４２の回転により、リアクション部材３８が回転して、燃料／空気混合気を入口３４を通して引込む。リアクション部材３８から出る燃料／空気混合気の速度が、混合気の火炎速度よりも一旦かろうじて大きくなると、混合気は点火される。燃焼ガスは、タービン翼車５４を駆動するタービンを通して送られて、圧縮ファン３６を駆動する。ついでリアクション部材３８の速度が調整されるので、火炎は逆火して火炎グリッド６２上で安定する。一旦これが生じると、ここでリアクション部材３８は、燃料／空気混合気を利用しながら、発電機を連続的に駆動することになる。

このエンジンは、連続的な負荷を受けて効率良く作動するが、変動する負荷に対して動力を供給するようにはなっていない。したがって、この型式のエンジンは、発電用に最も適切であり、例えば電気自動車に使用できるであろう。このエンジンは、車両が移動中に電気を発生して電池を充電するのに使用できる。機械エネルギーから電気エネルギーへの動力損失があるが、エンジンが作動する効率的な特性により動力損失を許容できるものにする。このエンジンは、往復動部分を無くし、かつ冷却空気を使用した結果として効率的に作動できるので、エンジン効率に付随する損失を有する水ポンプと熱交換器の必要性を無くす。

図２および３の実施例と共通の部材が、同様な参照数字で示されるが、１００が付加される図４および５を参照すると、エンジン１３０は、圧縮ファン１３６およびリアクション部材１３８を有する。側面ケーシング１６４は、圧縮ファン１３６を部分的に取囲むように１７６の部分において延びる。圧縮ファンをリアクション部材内に取囲むことにより、燃料と空気の混合気の移動が一層効率的になる。

リアクション部材１３８には、さらなる羽根（ｆｕｒｔｈｅｒ ｖａｎｅｓ、別の羽根）１７８も設けられ、その羽根は、冷却空気の引込みに役立ち、冷却空気をエンジンに効果的に引込む。火炎グリッド６２（図２および３における）の代わりとして、２枚の隣接する羽根により形成される空間の周辺方向で測られた断面積が、火炎前部が理想的に位置決めされることになる箇所まで減少するように、ついでその断面積が再び急速に増加するように、羽根１６０が、１８０の箇所において厚くされる。この形状は、火炎グリッドから生成される多ブラッフボディ（ｂｌｕｆｆ−ｂｏｄｙ）とは対照的に単一ブラッフボディとして作用する効果を有する。燃料／空気混合気は、その速度を羽根間の断面積が減少するにつれて増加する。羽根間の空間は、燃料の速度が燃料／空気混合気の火炎速度よりも速いように、かくして火炎前部がこの位置において維持されるように、燃料の速度を増加するために減少される。

図４および５の実施例と共通の部材が、同様な参照数字で示されるが、１００が付加される図６を参照すると、リアクション部材２３８は、さらなる羽根２７８を有する。このさらなる羽根の長さと位置により、具体的には、燃料／空気混合気の燃焼から生じる燃焼ガスがリアクション部材２３８から出るときの圧力にほぼ等しい圧力まで冷却空気が圧縮される。

添付ＩおよびＩＩに、工程全体を通しての温度と圧力についての設定点計算値が記載され、またエンジン効率も計算される。付録Ｉにおける計算値は、リアクション部材３８における羽根６０の第１のセクション６０ａ間に生じる二次的圧縮がラム圧縮であるという仮定に基づいている。付録ＩＩにおける計算値は、二次的圧縮がディフージョン圧縮であるという仮定に基づいている。

上述の実施例を、一例だけをあげて説明してきたが、なんら限定しようとするものではないこと、および種々の代替態様と変換態様が、上述の請求項により明示される本発明の範囲から逸脱することなく実施可能であることは、当該技術に有能な者にとり分る。

接線噴流エンジン（ＴａｎＪｅｔ Ｅｎｇｉｎｅ）−設定点計算値（Ｓｅｔ Ｐｏｉｎｔ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ）
ガソリン燃料が蒸発して、羽根車（ｉｍｐｅｌｌｅｒ、インペラ）前で２２：１の比で空気と混合されるものと仮定される。燃焼温度は、２１８０°Ｋの範囲内にあり、また冷却空気は、接線噴流反作用（ｔａｎｇｅｎｔｉａｌ ｊｅｔ ｒｅａｃｔｉｏｎ）後に引込まれる。０．２５ｋｇ／ｓｅｃの質量流量が仮定される。比熱の比は、空気／燃料混合気について１．３３３とされ、Ｃ_ｐＧＡＳ値は１．１５０ＫＪ／Ｋｇ．Ｋである。

第１章 圧縮（羽根車）
１２枚羽根の羽根車について、０．８３５の滑り係数が計算される。羽根車周辺速度Ｕ_１は４６０ｍ／ｓｅｃであり、入口温度は２８８°Ｋであり、入口圧力は１．０１バールである。全圧縮工程を通して８１％（すなわち９０％の羽根車×９０％のディフューザ）の断熱効率が仮定される。

第２章 圧縮（ディフューザ）
空気／燃料混合気は、圧縮機から出て、Ｕ_１＋Ｕ_２の組合せ速度でリアクション（ｒｅａｃｔｉｏｎ、反動、反作用、応動）翼車（ｗｈｅｅｌ、ホイール）ディフージョンゾーンに流入し、また燃焼前の速度は、リアクション翼車に関してＵ_３である。ディフューザに流入する混合気の速度は、羽根車と反対方向のリアクション翼車の回転により、高くなる。圧縮工程の全体について、８１％（すなわち９０％の羽根車×９０％のディフューザ）の断熱効率が仮定される。

第３章 燃焼の温度
９５％の燃焼効率が仮定され、また圧力降下は圧力Ｐ_３の５％である。ガソリン燃料の発熱量は、４３メガジュール／Ｋｇであり、また空燃比は２２：１である。

第４章 接線反作用
高温加圧ガスは、接線ノズルを通して部分的に膨張することになり、それからの反作用により、リアクション翼車が回転して有用な出力動力を生成することになる。動力出力反作用係数は、十分なエネルギーが流体中に残されてタービンを駆動できるように反復調整される（動力出力は、有用なシャフト動力出力＋ラムディフューザ作動力（第２章）＋冷却空気送出作動力（第５章）を表す）。リアクションノズルについて、９０％の断熱効率が仮定される。

第５章 リアクション翼車冷却
高温加圧ガスは、回転するリアクション翼車の壁内に含まれる。冷却空気は、リアクション翼車の外側に装着される半径方向羽根によりその壁を横断して送出される。それらの羽根は、羽根車のように作用し、ノズルを通して部分的に膨張後の高温燃焼ガスと同一の圧力で冷却空気を送出するようになっている。この冷却空気は、リアクション翼車の半径において出る一次燃焼空気の高い速度により引込まれる。合計質量流量は、６０．５：１（２．７５×２２）の空燃比が１１５０°Ｋの冷却器燃焼温度を示すので、初期質量流量の２．７５倍と予測される。そのシステムに流入する冷却空気は２８８°Ｋであり、またＣ_ｐ値は１．００５キロジュール／ｋｇ．Ｋである。空気についての比熱の比は、１．４とされる。

リアクション翼車上の外側羽根が羽根車と形状が同様であると仮定すると、滑り係数は同一となり、またその計算は第１章と同様になるであろう。その効率は、低く、例えば８０％になるであろう。

第６章 タービン
ガスは、タービンを通してさらに膨張することになる。タービンにおいて必要とされる動力は、圧縮機に必要な動力に合致することになる（これは、動力出力反作用係数の調整により達成される）。一定の質量流量を有するタービンについて、８５％の断熱係数が仮定される。

接線噴流エンジン−設定点計算値
ガソリン燃料が蒸発して、羽根車前で２２：１の比で空気と混合されるものと仮定される。燃焼温度は、２１７５°Ｋの範囲内にあり、また冷却空気は、接線噴流表反作用後に引込まれる。０．２５ｋｇ／ｓｅｃの質量流量が仮定される。比熱の比は、空気／燃料混合気について１．３３３とされ、Ｃ_ｐＧＡＳ値は１．１５０ＫＪ／Ｋｇ．Ｋである。

第１章 圧縮（羽根車）
１２枚羽根の羽根車について、０．８３５の滑り係数が計算される。羽根車周辺速度Ｕ_１は４６０ｍ／ｓｅｃであり、入口温度は２８８°Ｋであり、入口圧力は１．０１バールである。全圧縮工程を通して８１％（すなわち９０％の羽根車×９０％のディフューザ）の断熱効率が仮定される。

第２章 圧縮（ディフューザ）
空気／燃料混合気は、圧縮機から出て、ディフューザに関してＵ_１＋Ｕ_２の組合せ速度でリアクション翼車ディフージョンゾーンに流入する。ディフューザに流入する混合気の速度は、羽根車と反対方向のリアクション翼車の回転により、高くなる。圧縮工程の全体について、８１％（すなわち９０％の羽根車×９０％のディフューザ）の断熱効率が仮定される。

第３章 燃焼の温度
９５％の燃焼効率が仮定され、また圧力降下は圧力Ｐ_３の５％である。ガソリン燃料の発熱量は、４３メガジュール／Ｋｇであり、また空燃比は２２：１である。

第４章 接線反作用
高温加圧ガスは、接線ノズルを通して部分的に膨張することになり、それからの反作用により、リアクション翼車が回転して有用な出力動力を生成することになる。動力出力反作用係数は、十分なエネルギーが流体中に残されてタービンを駆動できるように反復調整される（動力出力は、有用なシャフト動力出力＋ラムディフューザ作動力（第２章）＋冷却空気送出作動力（第５章）を表す）。リアクションノズルについて、９０％の断熱効率が仮定される。

第５章 リアクション翼車冷却
高温加圧ガスは、回転するリアクション翼車の壁内に含まれる。冷却空気は、リアクション翼車の外側に装着される半径方向羽根によりその壁を横断して送出される。それらの羽根は、羽根車のように作用し、ノズルを通して部分的に膨張後の高温燃焼ガスと同一の圧力で冷却空気を送出するようになっている。この冷却空気は、リアクション翼車の半径において出る一次燃焼空気の高い速度により引込まれる。そのシステムに流入する冷却空気は２８８°Ｋであり、またＣ_ｐ値は１．００５キロジュール／ｋｇ．Ｋである。空気についての比熱の比は、１．４とされる。

リアクション翼車上の外側羽根が羽根車と形状が同様であると仮定すると、滑り係数は同一となり、またその計算は第１章と同様になるであろう。その効率は、低く、例えば８０％になるであろう。

第６章 タービン
ガスは、タービンを通してさらに膨張することになる。タービンにおいて必要とされる動力は、圧縮機に必要な動力に合致することになる（これは、動力出力反作用係数の調整により達成される）。タービンについて、８５％の断熱係数が仮定される。

従来技術のガスタービンエンジンの概略断面図である。 本発明の第１の実施例のエンジンの断面図である。 図２のエンジンの線Ａ−Ａについての断面図である。 本発明の第２の実施例のエンジンの断面図である。 図４のエンジンの断面図である。 本発明の第３の実施例のエンジンの断面図である。

Claims (22)

1. 少なくともひとつの入口および少なくともひとつの排気出口を有するハウジングと、
   第１の方向に回転して燃料と空気の混合気を圧縮するようにされた圧縮ファンと、および
   前記圧縮ファンと実質的に同軸で取付けられ、かつ少なくともひとつの燃焼ゾーンを有するリアクション部材であって、前記圧縮された燃料と空気の混合気を前記圧縮ファンから受入れるようになっており、また使用中に前記の燃料と空気の混合気が少なくともひとつの前記燃焼ゾーンで燃焼され、また前記燃焼により生成されたガスが特定の方向へ向けられて、前記第１の方向と反対の第２の方向に前記リアクション部材を回転させる、前記リアクション部材と
   を備えたエンジン。
2. 請求項１に記載のエンジンにおいて、前記リアクション部材は、複数の羽根により少なくとも一部が定められる複数の前記燃焼ゾーンを有するエンジン。
3. 請求項１又は２に記載のエンジンにおいて、前記の燃料と空気の混合気は前記リアクション部材によりさらに圧縮されるエンジン。
4. 請求項３に記載のエンジンにおいて、前記のさらなる圧縮は、前記混合気を前記リアクション部材内にディフュージョンすることにより生じるエンジン。
5. 請求項３又は４に記載のエンジンにおいて、前記のさらなる圧縮は、前記混合気の前記リアクション部材内でのラム圧縮により生じるエンジン。
6. 上述の請求項２乃至５のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記圧縮ファンは、圧縮ファンの羽根の先端部の回転により定められる円に対して実質的に接線方向に前記混合気を吐出すエンジン。
7. 上述の請求項２乃至６のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記の燃料と空気の混合気は、圧縮ファン羽根先端部の速度と、実質的に同一の半径におけるリアクション部材の速度との合計に実質的に等しいリアクション部材に関連する速度で前記リアクション部材内に受入れられるエンジン。
8. 上述の請求項２乃至７のいずれかに記載のエンジンであって、前記圧縮ファンを駆動する少なくともひとつのタービン部材をさらに備えるエンジン。
9. 請求項８に記載のエンジンにおいて、前記少なくともひとつのタービン部材は、前記リアクション部材からの排気ガスにより駆動されるエンジン。
10. 上述の請求項２乃至９のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記の燃料と空気の混合気は、その入口またはそれぞれの入口を通してエンジンに流入する前に混合されるエンジン。
11. 上述の請求項２乃至１０のいずれかに記載のエンジンにおいて、２枚の隣接する羽根により定められる空間の、周方向で測られた断面積は、リアクション部材の軸からの半径距離が増加するにつれて、前記羽根の長さに沿って実質的に半分の位置において最大値を取るまで増加し、ついで前記半径距離がさらに増加するにつれて減少するエンジン。
12. 上述の請求項２乃至１１のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記リアクション部材は、火炎グリッドをさらに備えるエンジン。
13. 請求項１２に記載のエンジンにおいて、火炎グリッドは、隣接する羽根により定められる断面積が最大になる、羽根に沿う位置に位置決めされるエンジン。
14. 請求項２乃至１０のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記羽根は、２枚の隣接する羽根により定められる空間の、周方向で測られた断面積が、リアクション部材の軸からの半径距離が増加するにつれて、最小断面積まで減少するように断面積を減少するようになっており、それにより増加する前に火炎前部を実質的に定めるエンジン。
15. 上述の請求項２乃至１３のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記リアクション部材は、前記羽根を、その長さの少なくとも一部分に沿って支持する少なくともひとつの外部支持部材をさらに備えるエンジン。
16. 請求項１５に記載のエンジンであって、前記羽根の対向する縁部に沿って前記羽根に装着される２個の前記外部支持部材を備えるエンジン。
17. 請求項１５または１６に記載のエンジンにおいて、前記羽根は、その全長に沿って実質的に支持されるエンジン。
18. 上述の請求項１乃至１７のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記外部支持部材は、圧縮ファンを少なくとも部分的に覆うように延びるエンジン。
19. 上述の請求項１乃至１８のいずれかに記載のエンジンにおいて、リアクション部材の軸から最小半径距離における前記羽根は、圧縮ファンの外側半径へ実質的に接線をなす角度にあるエンジン。
20. 上述の請求項１乃至１９のいずれかに記載のエンジンにおいて、前記ハウジングは、冷却空気の流れを前記ハウジングと前記リアクション部材との間に引込まさせるようになっている少なくともひとつの別の入口を有するエンジン。
21. 請求項２０に記載のエンジンであって、前記リアクション部材は、リアクション部材の支持部材の外側へ延び、かつ冷却空気の流れを与えるようになっているさらなる羽根を有するエンジン。
22. 請求項２１に記載のエンジンであって、前記さらなる羽根は、前記リアクション部材の最大半径に直接隣接する燃料と空気の混合気の燃焼生成物の圧力に実質的に同等な圧力において前記空気の流れを与えるようになっているエンジン。

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