JP5686811B2 - 平行シャフトを有するターボシャフトエンジン - Google Patents

Description

本発明の分野は、航空推進の分野、および特にガスジェネレータおよびフリータービンを有するターボシャフトエンジンの分野に関する。

タービンエンジンは、通常、航空機の推進のために、および特に回転翼航空機またはヘリコプタの推進および上昇のために使用される。これらのエンジンは、圧縮機と、環状燃焼チャンバと、ジェネレータシャフトとして知られるシャフトによって圧縮機を駆動するジェネレータタービンとして知られるタービンと、から成るガスジェネレータを備える。ガスジェネレータは、通常、単一スプールガスジェネレータであり、すなわち、これは、単一シャフトによって２つとも接続されるただ１つの圧縮機および単一のタービンを備えるが、これはまた、多スプールガスジェネレータであることもでき、すなわち、これは、複数の圧縮機および複数のタービンを備えることができ、各圧縮機は、特定のシャフトによってタービンに接続される。この場合、ガスジェネレータを離れるガスは、フリータービンとして知られる第２のタービンに送られ、このフリータービンは、ジェネレータのシャフト（１つまたは複数のシャフト）と異なるパワーシャフトと関連し、これは、推進に要求される動力を供給する。このシャフトは、ヘリコプタ（またはＭＧＢ）の主ギヤボックスに接続される減速ギヤボックスを駆動し、これは、主ロータのハブおよび反トルクロータを駆動する。この減速アセンブリは、通常、エンジンまたは航空機の良好な運転に必要な機器用のアクセサリギヤボックスの中に一体化される。

構造が簡単であるという理由で、フリータービンは、通常、最後のジェネレータタービンの下流に配置され、これが駆動するシャフトは、ガスジェネレータのシャフトと同軸である。このパワーシャフトは、エンジンの後部に向かって出て行き、あるいは、通常そうであるように、ガスジェネレータのシャフトと同心であり、前部に向かって戻ることができる。コンパクトさおよび／またはアクセスの容易さを目的とする場合、この構成により、ガスジェネレータの空気入口と同じレベルで減速ギヤボックスおよびアクセサリギヤボックスを配置することができる。

英国特許第５９４２０７号明細書

たとえば英国特許第５９４２０７号明細書に説明されているものなどの、同心シャフトを有するこれらのエンジンは、製造するのが複雑であるという欠点を有し、これは、比較的低コストでこれらを製造するのを幾分困難にしている。このことに加えて、同様に製造コストの低減を阻むその環状の形状により、燃焼チャンバの複雑さが加えられ、この環状形状は、小さなエンジンでは窒素酸化物（ＮＯｘ）排出を低減するための装置の導入を複雑にする、多数の噴射ポイントを必要とする。

本発明の目的は、先行技術のターボシャフトエンジンの一定の問題を示さない、かつＮＯｘ排出を低減するための装置の組み入れを可能にしながら、その製造コストを低減する簡単な設計から成る、小さなターボシャフトエンジンを提案することによってこれらの欠点を改善することである。

このために、本発明は、一方では、空気が供給される少なくとも１つの圧縮機と、前記圧縮機を離れる圧縮空気を受け入れる燃焼チャンバと、駆動シャフトによって前記圧縮機に機械的に接続され、前記燃焼チャンバで行われる燃料の燃焼により生じるガスによって駆動される少なくとも１つのジェネレータタービンと、を備えるガスジェネレータを備え、さらに、前記ジェネレータタービンを通してそれの通過後に前記燃焼により生じるガスが供給されるフリータービンであり、ガスジェネレータの駆動シャフトと非同軸に方向付けられかつ減速ギヤボックスを介してターボシャフトエンジン動力を供給するパワーシャフトを駆動するフリータービンを備える、フリータービンのあるターボシャフトエンジンであって、燃焼チャンバが、ジェネレータタービンの軸と同軸の、実質的に円筒形または円錐台形のチャンバであり、単一のインジェクタを備えることを特徴とする、ターボシャフトエンジンを提供する。

同軸シャフトとは、それらの相対的な回転方向がどうであれ、互いの延長部分に位置している２つのシャフトを意味する。

シャフトのこの配置は、エンジンの２つの部品の配置に大きな柔軟性を与え、「単缶」燃焼チャンバ、すなわち前記円筒体または円錐台の中心に配置される単一のインジェクタを有する、形状が実質的に円筒形または円錐台形である燃焼チャンバを選択することを可能にし、それにより、窒素酸化物の発生を低減することができる噴射システムの一体化が容易になる。ジェネレータタービンの軸と同軸の燃焼チャンバは、要求される、目的の１つすなわち小さなターボシャフトエンジンを作り出すということと適合しないことになる過度の嵩張りを生じないという利点を有する。さらに、燃焼チャンバを離れるガスは、ジェネレータのタービンに直接送られ、それにより、ガスの流れを調整するのに別の方法で必要であることになり、冷却を必要とすることになるチャンバ底部の存在を妨げる。現代のエンジンでの燃焼チャンバを離れるガスの非常に高い温度を考えて、クレーム記載の構成は、実施するのが特に困難であろうこの作動を回避している。

パワーシャフトは、前記駆動シャフトに平行に方向付けられることが好ましい。この配置により、エンジンが非常にコンパクトになる。さらにより好ましくは、減速ギヤボックスは、アクセサリギヤボックスと関連し、２つは、圧縮機の空気入口と実質的に同じレベルで長手方向に配置される。このように、コンパクトさは、さらに改善され、減速ギヤボックス／アクセサリギヤボックスアセンブリは、比較的冷たいゾーンに位置している。

燃焼チャンバは、ＬＰＰ（またはＬｅａｎ Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｐｒｅｖａｐｏｒｉｚｅｄ（希薄予混合予蒸発））技術を取り入れたインジェクタを備えることが好ましい。チャンバの円筒形または円錐台形の形状は、比較的嵩張るが、窒素酸化物排出を低減するために最適化されるこのタイプのインジェクタの取付けを可能にする。

１つの実施形態では、燃焼チャンバの出口は、圧縮機に向かって方向付けられる。この配置は、エンジンのコンパクトさに寄与する。

燃焼により生じるガスは、フリータービンの上流に配置される環状分配チャンバに移送できるようにジェネレータタービンの下流に配置される環状コレクタに収集されることが好ましい。

減速ギヤボックス／アクセサリギヤボックスのケーシングおよびガスジェネレータのケーシングは、単一のケーシングに結合されることが有利である。アセンブリを潤滑するための装置の設計は、このように容易にされ、単一のケーシングは、より軽量であり、より安価である。

１つの特定の実施形態では、ガスジェネレータは、高圧タービンおよび低圧タービンと共に高圧圧縮機および低圧圧縮機を備える多スプールジェネレータであり、前記タービンは、それぞれ高圧駆動シャフトおよび低圧駆動シャフトによって前記圧縮機を駆動し、フリータービンによって駆動されるパワーシャフトは、前記ジェネレータの高圧駆動シャフトと同軸でなく、燃焼チャンバは、高圧駆動シャフトと同軸である。

多スプールターボシャフトエンジンの場合は、パワーシャフトは、低圧駆動シャフトと同軸であることが好ましい。かつさらに、低圧駆動シャフトは、中空であり、これを通過するパワーシャフトを有することがより好ましい。

特定の実施形態では、ターボシャフトエンジンには、高速ジェネレータオルタネータが設けられ、かつ／またはフリータービンを離れるガスと圧縮機を離れる空気との間に、高温ガス／圧縮空気熱交換器が設けられる。

また、本発明は、上で説明されたように、少なくとも１つの装置を備えるターボシャフトエンジンに関する。

非限定的な実例として与えられる本発明のいくつかの実施形態の次の詳細な例示的な説明によって、本発明は、よりよく理解され、本発明の他の目的、詳細、特徴、および利点が、より明確に明らかになるであろう。前記説明は、添付の概略図を参照して行われる。

本発明の１つの実施形態によるターボシャフトエンジンの概略断面図である。 本発明の１つの実施形態により製造される、フリータービンを有するツインスプールターボシャフトエンジンの概略図である。 本発明によるターボシャフトエンジンの２つの部品の間でガスを移送するための管の概略図である。

図１は、平行して配置される２つの部分で作られるフリータービンを有するターボシャフトエンジンの断面図であり、第１の部分は、ガスジェネレータを構成するすべての要素を備え、第２の部分は、フリータービンおよび減速ギヤボックスを構成する要素を結合している。第１の部分は、遠心圧縮機の形でここに示される圧縮機１を備え、その中に空気が、吸気ポート２を通して入り、これは、出口スクロール３の中に圧縮空気を排出する。スクロールは、圧縮機の周りに輪になって配置され、その結果この圧縮空気を収集し、上流の移送管４によって円筒形燃焼チャンバ５の中に圧縮空気を送るためにコンスタントに増加する断面を有し、これは、インジェクタ６によって噴射される燃料の燃焼に貢献する。この燃焼により生じるガスは、ジェネレータのシャフト１５によって圧縮機１に接続されるジェネレータタービン７で第１の膨張を受け、次いで環状コレクタ８に収集されて、エンジンの第２の部分へ移る。軸受や歯車などの潤滑を必要とするガスジェネレータの回転部品は、エンジンケーシング１７に収容される。

ジェネレータタービン７を離れると、ガスは、図１に概略的に示され図３により詳細に示される、環状コレクタ８から、下流の移送管９を介してフリータービンの上流に配置される分配チャンバ１０の中に移送される。

ガスは、フリータービン１１を通過することによって分配チャンバ１０を離れ、第２の膨張を受け、フリータービンにそのガスのエネルギーを供給する。フリータービンは、ガスによって供給されるエネルギーを回収するパワーシャフト１２に取り付けられる。このパワーシャフト１２は、その回転速度を低下させ、かつギヤシャフト１４によって主ヘリコプタギヤボックス（図示せず）に動力を伝達するように、減速ギヤボックス１３に結合される。減速ギヤボックス／アクセサリギヤボックスは、ギヤボックスケーシング１６に収容される。

ターボシャフトエンジンを構成する２つの部分は、図１に示されるように、潤滑を必要とする機械部品が１つの、同じゾーンに結合されるように、互いに平行に配置される。ギヤボックスケーシング１６およびガスジェネレータケーシング１７は、１つの、同じケーシングを構成し、それにより、これらの部品すべての潤滑を容易にし、この要素の全質量を低減することができる。

ターボシャフトエンジンを２つの部分に分離する、選択された構造の結果として、燃焼チャンバ５は、先行技術のエンジンの場合にそうであるように、これを通過する駆動シャフト１５を有さない。このシャフトの存在と関連する拘束を排除すると、チャンバが取ることができる形状について新しい設計の可能性が提供され、特に、これは、図１に示されるように円筒形の形状を取ることができる。また、これは、先行技術のエンジンのそれと反対の方向付けを示し、ガス出口は、圧縮機１に向かって方向付けられる。したがって、駆動シャフトは、かなり短くされることができ、その結果、製造するのにより簡単であり、結局より軽量である。

次いで図２を参照して、第２の実施形態が次に説明され、本発明は、ツインスプールターボシャフトエンジンに適用される。ガスジェネレータの低圧および高圧スプールの２つのジェネレータシャフト１５および２５は、この場合は同軸でない。他方では、低圧スプールのシャフト２５は、中空であり、これを通過するフリータービンのパワーシャフト１２を有する。

この第２の実施形態では、ターボシャフトエンジンは、第１の実施形態の前記動作と同様の方法で作動し、空気は、入口ポートを介して吸い込まれ、次いで低圧（またはＢＰ）圧縮機２１で圧縮される。次いで、この空気は、第１の上流の移送管２４を介して高圧（ＨＰ）圧縮機１の中に移送される。ＨＰ圧縮機によって行われる第２の圧縮作動の後、これは、第２の上流の移送管４を介して円筒形燃焼チャンバ５の中に移送され、インジェクタ６を介して前記チャンバの中に導入される燃料の燃焼に貢献する。燃焼の後、ガスは、ＨＰ駆動シャフト１５によってＨＰ圧縮機１に機械的に接続される高圧タービン７で膨張され、下流の移送管９を介して、ＢＰタービンの上流に配置される分配チャンバの中に移る。この分配チャンバから、このガスは、ＢＰシャフト２５によってＢＰ圧縮機２１を駆動するＢＰタービン２７を通過する。ＢＰタービンを離れると、このガスは、今まで通りパワーシャフト１２を駆動するフリータービン１１に送られる。

図２に示される構成では、パワーシャフト１２は、中空ＢＰ駆動シャフト２５を通過して、減速ギヤボックス１３に入る。対照的に、ＨＰ駆動シャフトは、別々に回転し、他の２つのシャフトから機械的に独立している。ＢＰ駆動シャフト２５の内側のパワーシャフト１２を回転させることは、ＢＰシャフトの回転速度が比較的低くかつパワーシャフト１２の回転速度の値に匹敵する限り、同軸シャフトを有する先行技術の単一スプールターボシャフトエンジンに見かける欠点を伴わない。

したがって、本発明が関係するターボシャフトエンジンは、次の特徴、とりわけ、
１つの軸線上のガスジェネレータ、および第１の軸線と同軸でない第２の軸線上のフリータービンと、
「単缶」燃焼チャンバ、すなわちガスの流れ方向に対して単一のインジェクタを有するガスジェネレータの下流側に配置される形状が実質的に円筒形または円錐台形の燃焼チャンバと、
ガスジェネレータの潤滑される回転部品用、および主ギヤボックス用の単一のケーシングと、を示す。

上で説明された構成は、いくつかの利点と関連している。

これは、まず第１に、ガスジェネレータ、減速ギヤボックス、およびアクセサリギヤボックス、次いで単缶燃焼チャンバの、潤滑されるべき部品用の共通ケーシングの選択によって、および最後に、同心シャフトが無いこと（またはツインスプール実施形態の場合は、３つではなく２つだけの同心シャフト）によって、ターボシャフトエンジンのための「低コスト」設計を容易にする。

ヘリコプタにエンジンを一体化することは、フリータービンと関連するアセンブリに平行に配置されるガスジェネレータを選択することによって、かつ、フリータービンおよび減速ギヤボックスによって形成されるアセンブリをより広範に一体化することによって容易にされる。これは、ターボシャフトエンジンを先行技術のターボシャフトエンジンよりも一層コンパクトにする。

さらに、この一体化は、同軸シャフトを有する先行技術の場合にそうであったように、空気がガスジェネレータの中に吸い込まれる側に、かつ排出ガス排出側にではなくこれを位置させている、ヘリコプタの冷却ゾーンに減速ギヤボックスを位置決めしながら行われる。

２つの容易に分離可能な部分、すなわちガスジェネレータのための１つと、フリータービンおよびアクセサリの駆動のための１つとによる設計は、保守を容易にし、保守コストを低減するモジュール構造体を有するターボシャフトエンジンを提供する。

ガスジェネレータの駆動シャフト１５（または、多スプールエンジンの場合はＨＰ駆動シャフト）は、もう１つのシャフトがこれを通過しないので、より小さな直径を有することができ、したがって機械的強度および質量に関して最適化され得る。

最後に、エンジンは、空気入口、およびエンジンに対して軸方向に方向付けられる排気装置を保持し、それにより、曲がらないガス流用のスクロールの必要、および生じることになる出力の損失が起こらないようにする。

さらに、このエンジン構成は、高速オルタネータ、または２％から３％だけ燃費を低減することができるスタータオルタネータ、比較的嵩張るが、燃焼チャンバ５のサイズ、および円筒形もしくは円錐台形の形状によってその使用が可能になる、ＬＰＰ（Ｌｅａｎ Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｐｒｅｖａｐｏｒｉｚｅｄ）ＮＯｘ排出低減技術を取り入れたインジェクタ６、またはさらに、圧縮機１（または多スプールターボシャフトエンジンの場合はＢＰ圧縮機２１）を離れる空気を再加熱することによって約１０％だけ燃費を低減する、排気ガス出口に配置される熱交換器などの、ターボシャフトエンジンの作動を改善するさまざまなアクササリと適合する。ガスジェネレータの中心のパワーシャフトを排除し、前記ジェネレータの軸からアクササリを偏位させるとすれば、平行シャフトを有するターボシャフトエンジンの全体的な配置は、この種の装置の取付けを大いに容易にする。

本発明をいくつかの特定の実施形態について説明したが、本発明は、決してそれに限定されるものではなく、もしこれらの実施形態が本発明の範囲に属するとすれば、それらの組合せと共に説明された手段の技術的均等物すべてに適用されることは明らかである。

Claims (12)

1. 一方では、空気が供給される少なくとも１つの圧縮機（１）と、前記圧縮機（１）を離れる圧縮空気を受け入れる燃焼チャンバ（５）と、駆動シャフト（１５）によって前記圧縮機（１）に機械的に接続され、前記燃焼チャンバ（５）で行われる燃料の燃焼により生じるガスによって駆動される少なくとも１つのジェネレータタービン（７）と、を備えるガスジェネレータを備え、さらに、前記ジェネレータタービン（７）を通してそれの通過後に前記燃焼により生じるガスが供給されるフリータービン（１１）であり、ガスジェネレータの駆動シャフト（１５）の延長上になくかつ減速ギヤボックス（１３）を介してターボシャフトエンジン動力を供給するパワーシャフト（１２）を駆動するフリータービン（１１）を備える、フリータービンのあるターボシャフトエンジンであって、ジェネレータタービン（７）がアキシャルタイプであり、燃焼チャンバ（５）がジェネレータタービンの軸の延長上にある、実質的に円筒形または円錐台形のチャンバであり、単一のインジェクタ（６）を備えることを特徴とする、ターボシャフトエンジン。
2. パワーシャフト（１２）が、前記駆動シャフト（１５）に平行に方向付けられる、請求項１に記載のターボシャフトエンジン。
3. 減速ギヤボックスおよびガスジェネレータが、単一のケーシング内に結合される、請求項２に記載のターボシャフトエンジン。
4. 燃焼チャンバ（５）が、ＬＰＰ（Ｌｅａｎ Ｐｒｅｍｉｘｅｄ Ｐｒｅｖａｐｏｒｉｚｅｄ（希薄予混合予蒸発））技術を取り入れたインジェクタ（６）を備える、請求項１に記載のターボシャフトエンジン。
5. 燃焼チャンバ（５）の出口が、圧縮機（１）に向かって方向付けられる、請求項１から４のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジン。
6. 燃焼により生じるガスが、フリータービン（１１）の上流に配置される環状分配チャンバ（１０）の中に移送できるようにジェネレータタービン（７）の下流に配置される環状コレクタ（８）に収集される、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジン。
7. ガスジェネレータが、高圧タービン（７）および低圧タービン（２７）と共に高圧圧縮機（１）および低圧圧縮機（２１）を備える多スプールジェネレータであり、前記タービンが、それぞれ高圧駆動シャフト（１５）および低圧駆動シャフト（２５）によって前記圧縮機を駆動し、フリータービン（１１）によって駆動されるパワーシャフト（１２）が、前記ジェネレータの高圧駆動シャフト（１５）の延長上になく、燃焼チャンバが、高圧駆動シャフト（１５）の延長上にある、請求項１から６のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジン。
8. 低圧駆動シャフト（２５）が、中空であり、これを通過するパワーシャフト（１２）を有する、請求項７に記載のターボシャフトエンジン。
9. パワーシャフト（１２）および低圧駆動シャフト（２５）が同心である、請求項８に記載のターボシャフトエンジン。
10. 高速オルタネータが取り付けられる、請求項１から９のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジン。
11. フリータービン（１１）を離れるガスと圧縮機（１）を離れる空気との間に、高温ガス／圧縮空気熱交換器が設けられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジン。
12. 請求項１から１１のいずれか一項に記載のターボシャフトエンジンによって推進される航空機。

Images