JP4541707B2 - ガスタービンエンジンシステム - Google Patents

Description

本発明は、熱エンジンシステムの分野に関し、特にガスタービンに関する。詳細には、本発明は、制御された容積の流体の連続流動によって正変位サイクルを行なわせるガスタービンに関する。

世界的な原動機の機能の大多数は、内燃エンジンの形態である。こうした内燃エンジンを含むものとしては、自動車、トラック、トラクタ、船舶、航空機および固定プラントが挙げられる。熱力学的には、エンジンは、その基礎サイクルに従って分類される。往復タイプおよびその他のタイプの容積内燃エンジンに関して分類される。

容積内燃エンジンは、閉鎖容積内の静的な圧力により動作し、エンジン速度に対する依存が少なく、その結果、広い範囲のエンジン速度を通して比較的高効率および高出力で、効果的かつ効率的な動作を可能にするという点で、従来のガスタービンエンジンに比べて利点を有する。また、こうしたエンジンの部品は、一般に、最大サイクル温度よりはるかに低い温度で動作することができる。したがって、前記の最大サイクル温度が高くても、高度のサイクル効率を可能にする。容積内燃エンジンのその他の利点としては、比較的低コスト、高度の機械的効率、並びに速度および負荷の広範な多様性が挙げられる。こうした利点は、陸上輸送の分野で特に重要である。

参照符号１０により指示される代表的な単一シャフト開放型ガスタービンエンジンを図１に示す。ガスタービンエンジン１０は、圧縮機２と、燃焼器５と、シャフト８により圧縮機に結合されたタービン７とを備える。大気３は圧縮機２に入り、その圧力および温度が増加する。次に、圧縮空気が燃焼器５内に圧入され、燃焼器５内で燃料と混合されて燃焼する。高温の加圧燃焼ガス９がタービン７内で膨張して比較的高速度を達成し、燃焼ガス流の運動エネルギーにより、シャフト８が回転して、圧縮機２、およびシャフトに接続された任意の負荷を駆動する。次に、燃焼ガス９が大気に排出される。サイクルの正味の仕事は、膨張過程で得られる仕事と圧縮の仕事との差である。

容積エンジンに比べて、ガスタービンエンジンは、重量比に対して比較的大きい出力を有するため、サイズは、特定の出力で対応する容積エンジンより小さい。ガスタービンエンジンは、迅速な始動および装填が可能であり、超寿命を有すると思われる。また、開放型ガスタービンエンジンは、封止システムが単純であるという利点を提供する。効果的な冷却は可能ではない。

ガスタービンエンジンは、燃焼ガスの動作温度および運動エネルギー、圧縮機の圧力比、並びにシャフトの回転速度が高い場合、全負荷における効率が良好である。しかし、効率は、動作温度またはシャフトの回転速度の低下などにより負荷が低下すると減少する。したがって、先行技術のガスタービンエンジンは、一般に、大陸横断航空機または発電所など、実質的に一定の回転速度および出力を要する用途に適すると考えられ、従来、多様な速度および負荷を要する陸上輸送または軽航空機などの用途には適さないと考えられて来た。

本発明の目的は、燃焼エンジンシステム、特に、速度および負荷の多様な変化を可能にするガスタービンエンジンを提供することである。

本発明のその他の目的は、陸上輸送用途に適するガスタービンエンジンを提供することである。

本発明の付加的な利点は、広範な燃料を効率的に燃焼させることができる燃焼エンジンシステムを提供することである。

本発明のもう１つの目的は、費用効果の高い燃焼エンジンシステムを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、先行技術のデバイスの欠点を克服し、しかも固有の利点を維持するガスタービンエンジンを提供することである。

本発明のさらに他の目的は、容積システムの利点を流動システムの利点と結合することである。

本発明のその他の目的および利点は、以下の説明で明白になるであろう。

本発明は、少なくとも第１容積デバイスおよび第２容積デバイスを備える改善された燃焼エンジンシステムであって、第１容積デバイス及び第２容積デバイスは圧縮可能流体の制御された容積を順次移送し、制御された容積をそれぞれ区切る複数のバッファを備え、圧縮可能な流体が前記第１容積デバイスから前記第２容積デバイスに連続的に流れる時に、仕事が実行される燃焼エンジンシステムを提供する。

好ましい実施態様によると、エンジンは、前記第２容積デバイスから排出される流体により駆動される追加の仕事生成デバイス、特にタービンを備える。

本明細書に記載するとおり、「流体変位サイクル」は、流体が遷移段階で変位する過程と定義され、これらの過程は、必要に応じて何度も、理論上は無限の回数だけ繰り返すことができる。各段階における流体の変位が、１つ又は複数の機械的要素の第１位置から第２位置への変位により決定される場合、サイクルは「正変位サイクル」と呼ばれる。

本明細書で述べるように、「容積デバイス」は、受け入れる流体と同じ容積の流体を供給するデバイスである。一般に、こうしたデバイスは、正変位サイクルを使用して各サイクルで同量の流体を移送する。これは、必ずしも容積デバイスの唯一の機能である必要はないし、一般に唯一の機能ではなく、むしろ容積デバイスの機能の１つである。一般に、同容積の流体は、各段階でデバイスにより収用され、供給される。前記流体の容積は、以下「制御された容積」と呼ぶ。

第１容積デバイスから第２容積デバイスまでの流体の移送であって、流体が容積デバイスの正変位サイクルの各段階で移送されるものを、本明細書で考察し、「連続流動」と呼ぶ。

「タービン」は、本明細書では、駆動流体がタービンブレードを横断して通過した後に、駆動流体の運動エネルギーを機械エネルギーに転換することにより、仕事を出力するためのデバイス、または流体をターボチャージャで過給するためのデバイスとして定義される。タービンを備える本発明の実施態様では、駆動流体は、２個の容積デバイスのうち、第２容積デバイスの排気である。

好ましい一実施態様では、本発明は、エンジンシステムであって、
ａ）１以上の前記圧縮可能流体の独立流路であって、
それぞれの流路は第１容積デバイスへと通じる独立した吸気導管から始まり、前記第１容積デバイスより容積が大きい前記第２容積デバイスから伸びる排気導管で終わるものであり、前記第２容積デバイスが前記独立流路を経由して加熱された制御された容積の流体を受け取るように、前記第１容積デバイスと前記第２容積デバイスとの間で燃料が供給される安定状態の燃焼器を備える流路と、
ｂ）前記第２容積デバイスから排出される流体により駆動されるターボ圧縮機であって、前記独立流路を経由して前記圧縮可能流体を前記第１容積デバイスへ供給するターボ圧縮機と、
ｃ）前記第１容積デバイスを駆動して、制御された容積の前記流体を正変位サイクルにより前記燃焼器に順次移送するための手段と、
ｄ）前記第２容積デバイスを駆動して、正変位サイクルにより、前記制御された容積の加熱流体を順次排出するための手段と、
ｅ）前記第１および第２容積デバイスを駆動するための前記手段を同期化する手段とを備えるエンジンシステムを提供する。

好ましい実施態様では、
Ｉ）前記第１および第２容積デバイスを駆動する前記手段を同期化する手段は、前記第１および第２容積デバイスを支持して回転させる共通シャフトを備える。
ＩＩ）圧縮可能流体を第１容積移送ユニットに供給する手段は前記流体の圧力を増加させる手段、好ましくは圧縮機を備える。
ＩＩＩ）エンジンシステムはタービンをさらに備え、前記第２容積デバイスの排出口は前記タービンの入口である。
ＩＶ）熱源は燃料が供給される燃焼器であり、燃焼器は制御された容積の流体を収用し、前記燃料を燃焼させて、前記流体を加熱し、前記燃料は化石ベースのエンジン燃料だが、必ずしもこうした燃料である必要はない。
Ｖ）圧縮機が存在する場合は圧縮機と、第１容積デバイスおよび第２容積デバイスと、タービンが存在する場合はタービンとは、共通シャフトに結合される。
ＶＩ）圧縮可能流体は一般に空気である。
ＶＩＩ）エンジンシステムは追加の仕事生成デバイスをさらに備え、このデバイスは好ましくはタービンだが、必ずしもタービンである必要はなく、前記第２容積デバイスから排出される流体により駆動され、前記排出流体の運動エネルギーから仕事を生成する。

前記第１容積デバイスは、流体を前記第２容積デバイスに移送するため、「移送容積デバイス」とも呼ばれる。前記第２容積デバイスは、制御された容積の加熱流体を熱源から受け入れるため、「膨張容積デバイス」とも呼ばれる。トルクは、ガスタービンまたはその他の追加の仕事生成デバイスが存在する場合、こうしたデバイスにより加わるトルクと独立して、前記移送容積デバイスのチャンバ（室）と前記膨張容積デバイスのチャンバ（室）との間の静的な圧力により、前記共通シャフト手段または前記エンジンシステムのメインシャフトに加わる。

「エネルギー」は、本明細書では、エンジンシステム内の圧縮可能流体が、前記第２容積デバイスの排出口に流動する時に行なわれる正味の仕事を意味する。

正変位サイクルは、ローブ（突出物）が設けられた回転子、ワンケル機構、往復ピストンシステム、またはその他の共通もしくは特別に設計された容積システムから成る群から選択された装置により行なわれる。

本発明の特定の実施態様では、エンジンシステムは、少なくとも１段階の中間冷却器（インタークーラー）をさらに備える。

もう１つの実施態様では、エンジンシステムは２本の独立するシャフトを備え、そのうちの１本には負荷、好ましくは、負荷の大きさに応じて２本の独立シャフトに結合又は離脱するワンウェイクラッチ（一方向クラッチ）が結合される。

本発明のエンジンシステムは、可変の負荷および速度で動作するのに適する。したがって、エンジンシステムは、自動車推進システム内に組み込むことができる。一実施態様では、自動車推進システムは、第２容積デバイスからの排気を加熱するための２次加熱器を備え、独立シャフト周囲で回転する第３容積デバイスをさらに備え、２次加熱器からの排出物は第３容積デバイスの作動流体であり、前記第３容積デバイスは、前記独立シャフトに結合された可変負荷に対応する速度およびトルク変換器として構成され、エンジンシステムは、バルブ手段による前記独立シャフトの回転方向制御装置であって、前記排出物を第２加熱器から前記第３容積デバイスの入口ポートと出口ポートとの間に二者択一的に方向付ける回転方向制御装置、をさらに備える。必要なら、モータとトルク変換器との間の結合および離脱を行うデバイスとして機能するバイパスバルブは、モータの作動時にトルク変換器を抑制することができるように設置する。

自動車推進システムは、ターボ圧縮機から第２圧縮機に流動する排出物を冷却するための第１段階中間冷却器と、第２圧縮機からターボチャージャのターボ圧縮機に流動する排出物を冷却するための第２段階中間冷却器とをさらに備える。この推進システムは、ターボチャージャのターボ圧縮機から第１容積デバイスに流動する排出物を冷却するための第３段階中間冷却器と、ターボチャージャのタービンからの排出物により第１容積デバイスから熱源に流動する流体を加熱するための熱交換器とをさらに備えてもよい。

自動車推進システムは、変速機であって、
ａ）独立シャフトの周囲で回転可能な複数の同軸の容積デバイスと、
ｂ）２次加熱器からの排出物が、前記複数の容積デバイスの各々に平行にそれぞれ流動する複数の導管と、
ｃ）前記複数の容積デバイスの各々にそれぞれ設けられた複数のセレクタバルブであって、前記セレクタバルブの各々の作動に一致して、対応する容積デバイスの入口ポートと出口ポートとの間で二者択一的に、対応する導管を通る流れを方向付けることにより、独立シャフトの方向を変化させるためのセレクタバルブと、
ｄ）前記導管の各々とそれぞれ連通する複数のバイパスバルブであって、どの前記容積デバイスのとの組合せを通って、２次加熱器からの排出物が流れるかを選択するためのバイパスバルブとを備え、
前記自動車推進システムが、２次燃焼器からの排出物が複数の容積デバイスのすべてに並行に方向付けられる時に、最大量のトルクを生成し、少なくとも１つのバイパスバルブが停止するとトルクのレベルが低下し、少なくとも１つ以上の前記停止したバイパスバルブが作動するとトルクのレベルが増加する。

好ましくは、複数のセレクタバルブは、操作者による入力または速度およびトルクの制御装置による入力の後に自動的に作動する。

もう１つの好ましい実施態様では、エンジンシステムは、ターボファンエンジンシステムであって、大気を圧縮して、前記圧縮空気を移送容積デバイスに供給するためのターボ圧縮機と、膨張容積デバイスからの排出物により駆動されて、前記ターボ圧縮機を駆動するタービンとをさらに備え、メインシャフトが、クロスファンの流線と航空機の主推進力とを生成するファンを駆動し、前記タービンからの排気が大気に排出され、前記主推進力のほかに補助推進力を提供するターボファンエンジンシステムである。同様の実施態様は、ファン推進力を使用して容積デバイスに供給することにより、ターボ圧縮機がなくても実現することができる。

本発明のもう１つの好ましい実施態様では、エンジンシステムは、ターボジェットエンジンシステムであって、膨張容積デバイスが、主推進力のほかに補助推進力を航空機に提供し、この補助推進力が、主燃焼器により生成されるジェット気流により提供され、前記少なくとも１つの圧縮機からの気流が入口容積室および主燃焼器に供給されるターボジェットエンジンシステムである。同様の実施態様は、効率および出力を改善するためにターボ圧縮機を使用することができる。

本発明は、一実施態様では、新規なガスタービンエンジンシステムであって、作動流体がタービンブレードの上流にトルクを与え、その結果、サイクル効率を著しく低下させずに、負荷およびシャフト速度の広範な変化が実現されるシステムを提供する。先行技術のガスタービンエンジンは、燃焼器からタービンに流れる燃焼ガスの運動エネルギーが最大の時に、全負荷で比較的高度のサイクル効率を達成するが、この効率は、燃焼ガスの運動エネルギーが低下し、これに付随してシャフト速度が低下すると著しく低下する。したがって、先行技術のガスタービンエンジンは、速度および負荷の広範な変化を要する用途、たとえば陸上輸送または軽航空機の場合は使用できない。対照的に、本発明のエンジンシステムは、移送容積デバイスおよび膨張容積デバイスが導管および燃焼器により互いに流体を連通する正変位サイクルを含む。主エンジンシャフトに加わるトルクは、同じ圧力下における２つの容積および回転子間のサイズ（および容積）の差により生成される。したがって、作動流体のエネルギーは、以下に記載するように様々な用途に使用され、エンジンシステムのサイクル効率、並びに速度および負荷が変化した時の仕事の実行に関する適応性を増加させる。

図２Ａ〜図２Ｃは、本発明に適用される原理の略図である。図２Ａは、一般に符号１８で指示される容積システムであって、容積が等しくなく、直径Ｄ１およびＤ２が等しくない２個の相互接続された室２０および室２５を備える容積システムを示す。ピストン３０およびピストン３５は、室２０および室２５内でそれぞれ変位可能であり、システム１８の長手方向軸に平行なロッド４０により接続される。２個のピストン間の容積は、各々が２個の室の一方に属する２個の部分を含む。ピストンがシステムの長手方向軸に沿って移動すると、両方の部分が変化する。流体が入口４５を介してシステムに入ると、前記２個の室部分の各々に圧力が生成される。ピストン３５は、ピストン３０より大きい表面を有し、前記圧力は、結果として得られる力（図示のとおり、右に方向付けられる）を２個のピストンとロッド４０の組立体（アセンブリ）上に生成するため、前記組立体は前記方向に変位し、前記変位から仕事が得られる。より多くの流体が入口４５から入ると、前記組立体はさらに変位し、容積システム１８からより多くの仕事が得られる。図２Ｂおよび図２Ｃは、前記過程の連続的な段階を示す。

以下の実施態様のすべては、作動流体の２個の独立する流路を備えるものとして記載されている。任意の数の流路を使用して同様の結果が得られ、説明を単純にするために、２個の流路を選択したことが分かるであろう。

図３は、本発明の非常に基本的な概念を示し、容積デバイスは少なくとも２個の容積ユニット、すなわち、共通シャフト５８の周囲で回転する移送ユニット６０および膨張ユニット７０から成る。

前記移送ユニット６０は、吸気導管９４および９４Ａから充填されて、導管８０および８０Ａ並びに燃焼器７５および７５Ａを介して前記膨張ユニットに接続される。各々の膨張セクタの終端では、燃焼混合物は、膨張ユニット７０から排気導管９５および９５Ａを通って排出される。後述する本発明による実施態様の殆どは、上記のデバイス（図３）基づくか、または対応する別の周辺システムに類似する。

図４に示すように、エンジンシステム９０はタービンがなくても良く、移送ユニット６０と膨張ユニット７０との間の流体の圧力は、シャフト５８に接続された負荷を駆動するために使用することができる。圧縮機５５は、圧縮作動流体をシステム内に圧入し、その結果圧縮作動流体は燃焼器８５および８５Ａに移送され、本発明に従って加熱されてから、排気ポート９５および９５Ａから排出される。

図５および図５Ａは、本発明による容積型の（本明細書では回転ローブ）正変位サイクルに基づくガスタービンエンジンシステムを示す。このシステムは、一般に符号５０で指示される。このシステムは、圧縮機５５と、（第１）移送容積デバイス６０と、膨張容積デバイスである（第２）容積デバイス７０と、タービン８０とを備え、これらのすべてのデバイスは共通シャフト５８の周囲で回転する。図５Ａでは、このシステムを略側面図で示し、図５では、前記デバイスを、互いに側方に変位させた略断面図で示すが、実際には、これらのデバイスは、共通の長手方向軸（共通シャフト方向５８）に沿って整列する。作動流体５９は、圧縮機５５により圧縮された後に、導管６２および６２Ａを貫流して、それぞれポート６４および６４Ａを介して移送容積デバイス６０に入る。

この実施態様では、移送容積デバイス６０には、３個のローブが設けられる。ここで、任意の数のローブを使用してもよいことが分かるであろう。図５に示す前記デバイスの位置では、入口室は、ケーシング６３、ローブ６６Ｂおよびバッファ６８Ａの間に画定される。回転時、ローブ６６Ｃはバッファ６８Ａを通過し、室の最大容積がケーシング６３と、ローブ６６Ｂと６６Ｃとの間に画定される。時計方向の回転が継続すると、ローブ６６Ｂはバッファ６８を通過し、前記室は出口室になり、その容積は、ローブ６６Ｃとバッファ６８との間で縮小し、流体は、導管８７を通って燃焼器８５内に圧入される。同じデバイスの他の半分において、同じ過程が行なわれる。圧力が加わった時の膨張容積デバイスと移送容積デバイスとの間のローブ領域（すなわち、容積）の差はシャフト５８周囲のモーメントを生成してシャフト５８を回転させる（時計方向に）。前記シャフトが回転すると、前記入口室が増加し、前記出口室が縮小する。前記出口室の内容物は、燃焼器８５および８５Ａに供給される。前記内容物は、本明細書で「制御された容積」と記載する容積を有する。同時かつ徐々に、上記の説明により、シャフト５８が１８０°回転することにより（一般に、３６０をバッファの数で除算した数に等しい度数）、バッファを通過するすべてのローブが、ローブの後方に新しい入口室を形成し、ローブの前方に出口室を画定することが分かる。

入口室が供給導管により圧縮機に接続され、出口室が、同時に排出導管により燃焼器に接続される場合、供給導管と排出導管との間の連通は妨げられなければならない。これは、ローブ６６の何れか１つがかみ合うことにより、それぞれ導管６２と８７との間、導管６２Ａと８７Ａとの間に封止を形成するように成形されたシートを有する回転バッファ６８および６８Ａを提供することにより得られる。したがって、バッファとローブとの組合せはバルブとして機能する。各々の回転バルブは、容積移送ユニット６０の回転方向に回転バルブをたどるローブと共に、エンジンシステムにおける仕事が得られる制御された容積の流体を決定し、さらに前記容積を燃焼器８５および８５Ａに圧迫する。図５に示す条件では、回転バッファ６８Ａにはローブ６６Ｃがかみ合う。デバイス６０が時計方向に回転し続けると、ローブ６６Ａは回転バッファ６８Ａにかみ合う。この段階では、圧縮作動流体は、それぞれ導管８７および８７Ａを介して燃焼器８５および８５Ａに噴出状態で排出され、作動流体のもう一方の充填物が同時に移送ユニット６０に入る。

燃焼器８５および８５Ａは、それぞれインジェクタ８９および８９Ａを備える。燃料は、インジェクタ８９および８９Ａにより圧縮作動流体中に射出されるため、結果として得られる可燃混合物が発火して安定状態で燃焼し、その結果、作動流体の圧力および温度を上昇させる。燃焼ガスは、加熱された作動流体を構成する。この燃焼ガスは、導管９１および９１Ａを介して膨張容積デバイスに排出される。

膨張容積デバイス７０は、その規模を除くと、移送容積デバイスと同様に構成される。膨張容積デバイス７０は、３個のローブ７５Ａ、７５Ｂおよび７５Ｃ、並びに回転バッファ７７および７７Ａを有する回転子を備える。図５に示す条件では、膨張室は、バッファ７７Ａとローブ７５Ａとの間に画定され、出口室は、膨張ユニットの１８０°の一方のセクタにおけるローブ７５Ａとバッファ７７との間に画定される。第２膨張室は、バッファ７７とローブ７５Ｃとの間に画定され、出口室は、膨張ユニットの１８０°の他方のセクタにおけるローブ７５Ｃとバッファ７７Ａとの間に画定される。第３ローブ７５Ｂは、ローブ７５Ａおよびローブ７５Ｃと同じ動作を順に実施するために、適合する凹みを通って回転バッファ７７を横断する。図３、図４、図６Ｂおよび図５に示す構造では、容積デバイス（移送容積デバイスおよび膨張容積デバイス）は、３６０°回転するごとに、６回の完全なサイクルを実行する。図５Ｄに示す構造では、容積デバイスは、３６０°回転するごとに１２回の完全なサイクルを実行する。図７では、ワンケルシステムの容積デバイスは、３６０°回転するごとに回転子の６回の完全なサイクルを実行するが、メインシャフト（圧縮機のファンに直接接続されている）は、さらに３回迅速に回転する。

膨張時の圧力は連続的に増加するため、各膨張セクタの終わりに残る圧力は比較的高い。この圧力は、導管９３および９３Ａを介してタービンに伝達され、その運動エネルギーがタービン内で使用される。

図５Ｂには、２本の独立シャフトを含むエンジン構成を示す。圧縮機５５、並びに容積デバイス６０および７０はシャフト４６の周囲で回転し、タービン８０はシャフト４７の周囲で回転する。したがって、タービン８０は、膨張容積デバイス７０の速度に関係なく、カップリング４９に接続された外部負荷に応じて、ある速度で回転する。シャフト４７は、たとえば変速機システム（図示しない）を駆動してもよい。任意に、膨張ユニット７０からの排気は、エンジンの出力を増加するために、２次燃焼器９６および９６Ａにより再加熱された後にタービン８０に導入されてもよい。膨張容積デバイス７０内で膨張した後、燃焼した燃焼ガスは、２次燃焼器の使用を保証するのに十分な量の酸素をまだ含んでいる。

必要なら、図５Ｃに示すワンウェイクラッチ４８を使用して、エンジン構成の適応性をさらに高めることができる。タービン８０に、カップリング４９において重い負荷が加わり、シャフト４７の速度が実質的にシャフト４６の速度まで低下すると、ワンウェイクラッチ４８が結合し、シャフト４７により得られる出力がシャフト４６から得られる出力に加わる。カップリング４９に接続された負荷が減少すると、シャフト４７の速度はシャフト４６よりはるかに高い値まで増加し、ワンウェイクラッチ４８がシャフト４６から離脱して、２本のシャフトが異なる速度で回転することが可能になる。

図５Ｄは、各容積デバイスに２個ではなく４個のバッファ付きセクタを備えるという点でのみ図５に示すエンジンシステムと異なるエンジンシステムの略図を示す。したがって、図５Ｄは自明である。異なる数のバッファ付きセクタをこうしたエンジンシステムに設けることができ、４個のセクタは、単なる一例として図５Ｄに示す。

ターボチャージャ付きエンジンシステムを備える本発明のもう１つの好ましい実施態様は、図６Ａおよび図６Ｂに一般に符号１５０で示す。吸気１５９は２段階で圧縮され、つまり容積移送ユニット１６０および膨張容積ユニット１７０と同軸の圧縮機１５５と、圧縮空気が圧縮機１５５からそれぞれ導管１６２および１６２Ａを通して供給されるターボ圧縮機１１０および１１０Ａとにより圧縮される。ターボチャージャ（ターボ圧縮機）で過給された空気は導管１３２および１３２Ａを貫流して、それぞれ入口ポート１６４および１６４Ａで移送ユニット１６０に入り、その際、圧力が上昇して、より多くの燃料がそれぞれ燃焼器１８５および１８５Ａで燃焼し、エンジンシステム１５０がシャフト１５８においてより多くの動力を生成する。膨張ユニット１７０からの排気は導管１９３および１９３Ａを貫流して、膨張ユニット１７０から排出される燃焼ガスの運動エネルギーにより、タービン１２０および１２０Ａを回転させる推進力を提供する。その結果、タービン１２０および１２０Ａは、それぞれターボ圧縮機１１０および１１０Ａを駆動し、それぞれ対応する出力シャフト１２５および１２５Ａに、より多くの動力を提供する。

本発明は、その他の正変位デバイスにより実施することができる。一般に符号２３０で指示されるシステムを図７に示し、この場合、正変位サイクルは、三角形の回転子が外トロコイダル状筐体内部の偏心シャフト上で回転するワンケル機構に基づく。吸気は２段階で圧縮され、つまり、容積移送ユニット２１０および膨張容積ユニット２４０と同軸で、内部容積が第１容積移送ユニット２１０より大きい圧縮機１５５と、圧縮空気が圧縮機１５５からそれぞれ導管１６２および１６２Ａを通って流れる入口を持つターボ圧縮機１１０および１１０Ａとにより圧縮される。容積ユニットの三角形回転子が回転すると、対応する容積ユニット内に順に入る制御された容積の流体は、三角形回転子の２個の隣接する頂点により捕捉される。したがって、移送ユニット２１０は、ターボチャージャで過給された空気を燃焼器に供給することができ、膨張ユニット２４０は燃焼ガスの膨張を可能にし、本発明により、所望の量の仕事が共通シャフト１５８で得られる。

一般に符号２８０で指示され、本発明によるもう１つの容積システムを図８に示し、この場合、正変位サイクルは往復ピストンシステムに基づく。図８では、本発明の採用可能なその他の類の容積機構と同様、様々な周辺システムを有する多様な実施態様が適合する。図８に関する以下の説明は、多数の実行可能性の単なる一例である。

吸気は、２段階で圧縮され、つまり、容積移送ユニット２６０および膨張容積ユニット２９０と同軸の圧縮機１５５と、圧縮空気が圧縮機１５５からそれぞれ導管１６２および１６２Ａを通って流れる入口を持つターボ圧縮機１１０および１１０Ａとにより圧縮される。ターボチャージャで過給され、制御された容積の各々の作動流体は、第１移送容積ユニットに順に供給され、バルブセットの予め決められたタイミングで移送ユニット２６０から膨張容積ユニット２９０に順に押しやられる。

図９は、本発明のシステムを先行技術の一般的なシステムに適合させて、より高度な性能および効率を達成する実行可能性を説明する例示的なシステムである。図９に示す本発明のもう１つの好ましい実施態様に基づくエンジンは一般に符号３５０で指示され、この図は、本発明が一般的な周辺システムに高度に適応して効率および出力を改善することを示し、効率および出力は、中間冷却器（インタークーラー）の採用により、圧縮作動流体の温度を冷却し、その結果、より高密度の流体を容積デバイスに提供することにより、さらに増加させることができることを示す。軸方向圧縮機３１０は、周囲空気３１５を第１段階中間冷却器３２０および３２０Ａに押しやり、その後、圧縮されて冷却された空気は、それぞれ半径方向圧縮機３３０および第２段階中間冷却器３４０および３４０Ａでさらに圧縮される。したがって、より高度の流体密度が、膨張容積ユニット３７０と移送容積ユニット３６０との間に生じる。熱交換器３９０および３９０Ａは、排気ガスの温度を使用して作動流体を燃焼器の入口で予熱し、より高度の効率および出力を達成する。

上記の様々な応用例を実施するに当たり、本発明のエンジンは、負荷および回転速度において多様な出力を要するあらゆる種類の陸上自動車に使用するために、システムのある動作パラメーターの変化に直ちに対応させて適応させることができる。本発明によるエンジンは、特有の構成により、どの既存エンジン燃料の燃焼にも有利に適する。

本発明の好ましい一実施態様では、自動車で動作させるのに適するエンジン４００を図１０Ａおよび図１０Ｂに示す。エンジン４００は、３種類の段階の中間冷却器を備え、つまり軸方向圧縮機４１０からの圧縮周囲空気を冷却するための第1段階中間冷却器４２０および４２０Ａと、第１段階中間冷却器からの排出物を圧縮する半径方向圧縮機４３０からの圧縮空気を冷却するための第２段階中間冷却器４４０および４４０Ａと、それぞれ対応する第２中間冷却器から空気を受け入れるターボ圧縮機４５０および４５０Ａからの圧縮空気を冷却するための第３段階中間冷却器４５５および４５５Ａとを備える。第３段階中間冷却器からの排出物は、移送ユニット４６０に導入される。移送ユニット４６０からの排出物は熱交換器４６２および４６２Ａにより加熱され、これらの熱交換器は、それぞれ導管４５２および４５２Ａで指示されるように、１次燃焼器４８５および４８５Ａに導入される前に、それぞれターボ圧縮機４５０および４５０Ａからの排気を利用して、作動流体の使用可能なエネルギーレベルを増加させる。１次燃焼器により加熱された流体は膨張ユニット４７０に流れ、メインシャフト４８０における仕事を実行する。

エンジン４００の適応性および効率は、独立シャフト４９１の周囲で回転して、追加の量の動力を伝達する第３の容積デバイス４９０を提供することによりさらに増加する。膨張ユニット４７０からの排気は、未燃焼の排気の酸素分を利用することにより、容積デバイス４９０に対する圧力を生成する機能を果たすため、２次燃焼器４７５および４７５Ａにより加熱される。膨張ユニット４７０からの加熱された排気は、セレクタバルブ４９５および４９５Ａに導入される。図１０Ｃでより明確に分かるとおり、たとえばセレクタバルブ４９５は、膨張ユニット出口の流れを入口ポート４９６に方向付けて、シャフト４９１を時計方向に回転させるか、または出口ポート４９７に方向付けて、シャフト４９１を反時計方向に回転させる。次に、容積デバイス４９０からの排気は、それぞれライン４９８および４９８Ａにより、対応するターボ圧縮機を駆動するターボチャージャ４５８および４５８Ａのタービンにそれぞれ排出される。必要なら、容積デバイス４９０からの排気は熱交換器に方向付けるか、またはその他の適切な応用例に方向付けてもよい。２次燃焼器、中間冷却器および熱交換器などの上記の周辺ユニットはどれも、何らかの特定の構造に応じて使用するか、または使用を避けて良い。

容積デバイス４９０は、上記のある正変位サイクルにより動力を展開する。独立シャフト４９１は負荷に結合されるので、容積デバイスはトルク変換器として機能し、シャフト４９１に加わるトルクは、膨張ユニット４７０と容積デバイス４９０との間の負荷および圧力に応じて可変である。デバイス４９０の容積は、シャフト４９１が比較的高速度および低トルクで回転することが望ましい場合、比較的小さいと有利である。逆に、デバイス４９０の容積は、シャフト４９１が比較的低速度および高トルクで回転することが望ましい場合、より大きいものが選択される。係止機構は、メインシャフト４８０と２次シャフト１９１との間に位置し、特定の用途に応じて２本のシャフトを１本に一体化することを可能にする。バイパスバルブ４６５および４６５Ａは、結合／離脱デバイスとして機能し、第３容積ユニット（トルク変換器）を離脱した状態で、エンジンの作動およびアイドリングを維持することを可能にする。

エンジン４００は、図１０Ｃに示すように、２次燃焼器４７５および４７５Ａの出口に配置された複数の容積デバイスを使用することにより、適応性がある段階的な変速機を提供するように構成され、多数のセレクタバルブを使用して、２次燃焼器により加熱される作動流体がデバイスのどの組合せを通って流動するかが選択される。２次燃焼器により加熱される作動流体は、平行な導管内を対応する容積デバイスまで流れ、各導管と連通する個々のセレクタバルブは、対応する導管を通る流れを制御する。これらの各々の容積デバイスは同軸であり、独立シャフト４９１から出力される正味出力は、個々の容積デバイス各々からの出力の合計である。したがって、エンジンは、２次燃焼器からの排出物がすべての容積デバイスに同時に方向付けられる時に、最大量のトルクを生成する。操作者がトルクを円滑に低下させ、シャフト４９１の速度を増加させることを望む場合、セレクタバルブを作動させて、対応する個々の容積デバイスに対する流れを防止すると、同量の流体が１つ少ないデバイスを通って流れ、トルクの減少により速度を増加させる。

同様に、任意の数の容積デバイスを迂回して、所望の速度またはトルクを達成することができる。独立シャフト４９１の方向は、各々の容積デバイスのセレクタバルブの作動に一致してして変化する。好ましくは、セレクタバルブは、操作者が入力した後に自動的に作動する。

図１０Ｄは、上記の実施態様に示した容積デバイス７０１および７０２のほかに、トルク変換器として機能する３個の追加の容積デバイス７０８、７０９および７１０を備えるエンジンを示す。参照符号７００は、容積デバイス７０１および７０２が結合されたシャフトを指示する。符号７０３は圧縮機、符号７０４は燃焼器、符号７０５はターボチャージャである。前記追加の容積デバイス７０８、７０９および７１０は、バルブ７１１、７１２および７１３をそれぞれ開放または閉鎖することにより作動または停止させることができる。容積デバイス７０８、７０９および７１０はシャフト７１５上に取り付けられるが、これらのデバイスが停止した場合に、シャフト７１５と共に回転しないように、これらのデバイスはそれぞれワンウェイベアリング（一方向ベアリング）７１６、７１７および７１８を介して取り付けてもよい。前記追加の容積デバイスは、２つの方法でエンジンのトルクおよび回転速度を変化させる。第１に、一般に負荷および速度に応じて容積変速機の適切な組合せを作動させ、第２に、流体（通常は空気）の圧縮可能な性質に基づいて、作動している前記容積ユニット内に形成される圧力を変化させて、変速機としての容積ユニットの選択した組合せにおける負荷および速度に対応させることにより変化させる。

本発明のもう１つの好ましい実施態様を図１１に示すが、これは、一般に符号５５０で指示されるターボファンエンジンとして使用される。大気５１０は、ファン５３０によって生成される標準圧力下でターボ圧縮機５２０および５２０Ａに入り、さらに圧縮されてから移送ユニット５６０に供給される。移送ユニット５６０は、圧縮空気を燃焼器５８５および５８５Ａに排出し、これらの燃焼器から燃焼ガスが膨張容積デバイス５７０に流れる。燃焼ガスが膨張すると、膨張容積デバイス５７０と移送容積デバイス５６０との間の圧力により推進力が生成され、シャフト５５８が回転してファンを駆動する。ファン５３０は、ダクト５９０を貫流するクロスファンの流線５１５を生成し、推進力を生じる。デバイス５７０からの排気は、ターボチャージャのタービン５２２および５２２Ａに供給され、対応するターボ圧縮機を駆動する。タービン５２２および５２２Ａからの排気は大気に排出されて、追加の推進力を提供する。

図１２は、一般に符号６５０で指示されるターボジェットエンジンシステムが軸方向圧縮機６１０と、半径方向圧縮機６２０と、移送容積デバイス６６０と、エンジン燃焼器６８５および６８５Ａと、膨張容積デバイス６７０と、主燃焼器６９０とを備えるもう１つの好ましい実施態様を示す。航空機の推進力の大部分は、主燃焼器６９０により提供される。圧縮機６１０および６２０から開口部６７５を介して主燃焼器６９０に導入される圧縮空気は、インジェクタ６４０により射出される燃料と混合され、燃焼可能な混合物は燃焼して、強力なジェット流を生成する。圧縮機６１０および６２０は、トルクがデバイス６７０によりこれらの圧縮機に加わる結果、シャフト６５８により駆動される。主燃焼器６９０に入らない圧縮空気の残りは主燃焼器およびその囲いを冷却し、膨張ユニット６７０からの排気と共に、出口ノズル６９５からエンジンの後方に流れる補助推進力を提供する。

図１１または図１２の実施態様に対応する航空機のエンジンは、容積デバイス間の圧力によるエネルギーにより圧縮機を駆動し、その結果、速度および負荷の大きい変化にも関わらず、高度の効率で動作することができる。したがって、こうした航空機のエンジンは、これまで実行不能だった用途に適する。

本発明によるエンジンを費用効果の高い方法で大量生産するため、本発明のエンジンをモジュール様式で製造してもよい。

本発明のいくつかの実施態様について、具体的に説明してきたが、本発明は、多くの変更、変形および適応を施して、当業者の範囲内に含まれる多数の等価なものまたは代替解決方法を用いて、本発明の精神から逸脱するか、または請求の範囲を超えることなく実践できることが分かるであろう。

先行技術のガスタービンシステムの略図である。 サイズが等しくない２個の室から成る容積システムの略図である。 一定時間経過後における図２Ａの容積システムの略図である。 一定時間経過後における図２Ｂの容積システムの略図である。 圧縮機またはタービンを駆動しないエンジンシステムのフロー図である。 タービンを駆動しないエンジンシステムのフロー図である。 本発明によるエンジンシステムのフロー図である。 図５のシステムの略図である。 ２次燃焼器および２次シャフトが追加された類似のエンジンシステムの略図である。 ワンウェイクラッチが追加された状態を示す。 図５に類似する容積システムと、本発明のシステムのその他の実施態様とから成り、特定の構造による複数のバッファ付きセクタ（図５Ｄでは４個）を備えた容量を示す。 ターボチャージャを含むエンジンシステムの略図およびフロー図であり、回転ローブの正変位サイクルの動作を示す。 ターボチャージャを含むエンジンシステムの略図およびフロー図であり、回転ローブの正変位サイクルの動作を示す。 ターボチャージャを含むエンジンシステムのフロー図であり、ワンケルベースの正変位システムの動作を示す。 ターボチャージャを含むエンジンシステムの略図であり、往復ピストン容積変位システムの動作を示す。 中間冷却器および熱交換器を含むエンジンシステムのフロー図である。 自動車に適するエンジンシステムのフロー図および略図である。 自動車に適するエンジンシステムのフロー図および略図である。 セレクタバルブの動作、および（バイパス）バルブのクラッチ解除を示す。 独立シャフトの周囲で回転可能な複数の同軸の容積デバイスと、その制御システムとを備える自動車の変速機システム（トルク変換器）の略図である。 ターボファンに適するエンジンシステムの略図である。 ターボジェットに適するエンジンシステムの略図である。

Claims (21)

1. 第１移送容積デバイスおよび少なくとも１つの第２容積デバイスを備えるエンジンシステムであって、
   ａ）前記第１移送容積デバイスは、圧縮された流体の制御された容積を順次移送するために、当該圧縮された流体を圧縮機又はターボ圧縮機から供給し、当該圧縮された流体の前記制御された容積のそれぞれを区切ると共に逆流を防ぐ複数のバッファを備え、このバッファが前記第１移送容積デバイスに導入されたときの前記圧縮された流体の圧力と当該第１移送容積デバイスから出ていくときの前記圧縮された流体の圧力とをほぼ等しくし、かつ、
   ｂ）前記少なくとも１つの第２容積デバイスは、前記第１移送容積デバイスより容積が大きいことによって、前記流体が前記第１移送容積デバイスから前記少なくとも１つの第２容積デバイスのそれぞれに連続的に流れる間に、仕事が実行される
   エンジンシステム。
2. 前記第２容積デバイスから排出される流体により駆動されるタービンをさらに備える、請求項１に記載のエンジンシステム。
3. ａ）１以上の前記圧縮された流体の独立流路であって、
   それぞれの流路は第１容積デバイスへと通じる独立した吸気導管から始まり、前記第１容積デバイスより容積が大きい前記第２容積デバイスから伸びる排気導管で終わるものであり、前記第２容積デバイスが前記独立流路を経由して加熱された制御された容積の流体を受け取るように、前記第１容積デバイスと前記第２容積デバイスとの間で燃料が供給される安定状態の燃焼器を備える流路と、
   ｂ）前記第２容積デバイスから排出される流体により駆動されるターボ圧縮機であって、前記独立流路を経由して前記圧縮された流体を前記第１容積デバイスへ供給するターボ圧縮機と、
   ｃ）前記第１容積デバイスを駆動して、制御された容積の前記流体を正変位サイクルにより前記燃焼器に順次移送するための手段と、
   ｄ）前記第２容積デバイスを駆動し、制御された容積の前記加熱流体を正変位サイクルにより順次排出するための手段と、
   ｅ）前記第１容積デバイスおよび第２容積デバイスを駆動する前記手段を同期化するための手段とを備える、請求項１に記載のエンジンシステム。
4. 第１容積デバイスおよび第２容積デバイスを駆動する手段を同期化するための手段が、前記第１容積デバイスおよび第２容積デバイスを支持して回転させるための共通のシャフトを備える、請求項３に記載のエンジンシステム。
5. 前記第２容積デバイスの排出口がタービンの入口である、請求項２に記載のエンジンシステム。
6. 前記第１容積デバイスおよび第２容積デバイスが共通シャフトに結合される、請求項４に記載のエンジンシステム。
7. 共通シャフトに結合されたターボ圧縮機を備える、請求項４に記載のエンジンシステム。
8. 圧縮された流体が空気である、請求項１または請求項３に記載のエンジンシステム。
9. 正変位サイクルが、ローブが設けられた回転子、ワンケル機構、往復ピストンシステム、または一般的もしくは特別に設計された容積機構から成る群から選択された装置により行なわれる、請求項３に記載のエンジンシステム。
10. 少なくとも１段階の中間冷却器をさらに備える、請求項３に記載のエンジンシステム。
11. ２本の独立シャフトを備え、一方のシャフトに容積デバイスが結合され、負荷が他方のシャフトに結合される、請求項３に記載のエンジンシステム。
12. ２本の独立シャフトを負荷の大きさに応じて結合および離脱させるためのクラッチをさらに備える、請求項１１に記載のエンジンシステム。
13. ２次加熱器をさらに備える、請求項３に記載のエンジンシステム。
14. 第２圧縮機と、ターボ圧縮機から前記第２圧縮機に流れる排出物を冷却するための第１段階中間冷却器とをさらに備える、請求項３に記載のエンジンシステム。
15. ターボチャージャと、第２圧縮機からターボチャージャのターボ圧縮機に流れる排出物を冷却するための第２段階中間冷却器とをさらに備える、請求項１４に記載のエンジンシステム。
16. 請求項３に記載のエンジンシステムを備え、前記システムからの排気を加熱するための２次加熱器と、独立シャフトの周囲で回転する第３容積デバイスとをさらに備える自動車推進システムであって、前記２次加熱器からの排出物が前記第３容積デバイスの作動流体であり、前記第３容積デバイスが、前記独立シャフトに結合された可変の負荷に対応するトルク変換器として構成され、前記エンジンシステムが、前記２次加熱器からの前記排出物を交互に前記第３容積デバイスの入口ポートと出口ポートに方向付けるバルブ手段による、前記独立シャフトの回転方向制御装置をさらに備える自動車推進システム。
17. 変速機をさらに備え、該変速機が、
    ａ）独立シャフトの周囲で回転可能な複数の同軸容積デバイスと、
    ｂ）２次加熱器からの排出物が、前記複数の容積デバイスの各々までそれぞれ同時に流れる複数の導管と、
    ｃ）前記複数の容積デバイスの各々にそれぞれ設けられた複数のセレクタバルブであって、前記セレクタバルブの各々の作動に一致して、対応する導管を通る流れを対応する容積デバイスの入口ポートと出口ポートとの間に交互に方向付けることにより、独立シャフトの回転方向を変更するセレクタバルブと、
    ｄ）前記導管の各々と連通する複数のセレクタバルブであって、前記複数の容積デバイスのどの組合せを通って、２次燃焼器からの排出物が流れるかを選択するセレクタバルブとを備え、
    前記自動車推進システムが、２次燃焼器からの排出物が、前記複数の容積デバイスのすべてに同時に方向付けられた時に、最大量のトルクを生成し、少なくとも１個の前記容積デバイスが停止すると、トルクのレベルが低下し、さらに少なくとも１個の前記容積デバイスが作動すると、トルクのレベルが増加する、請求項１６に記載の自動車推進システム。
18. モータの作動時にトルク変換器を抑制することができるように、モータ組立体とトルク変換器組立体との間の結合および離脱デバイスとして機能するバイパスバルブをさらに備える、請求項１６に記載の自動車推進システム。
19. 熱源をさらに備える、請求項１６に記載の自動車推進システム。
20. 前記ターボ圧縮機が、第２容積デバイスからの排出物により駆動される請求項３に記載のエンジンシステムと、前記エンジンシステムにより駆動されるファンとを備えるターボファンエンジンシステムであって、前記ファンがクロスファンの流線および航空機の主推進力を生成し、前記ターボ圧縮機からの排気が大気に排出され、前記主推進力のほかに補助推進力を提供するターボファンエンジンシステム。
21. 請求項３に記載のエンジンシステムを備え、航空機の主推進力を提供するガス流を生成する主燃焼器をさらに備える、ターボジェットエンジンシステム。

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