JP6026521B2 - 低圧タービンに接続された高圧圧縮機を備えるターボシャフトエンジン用の２スプール設計 - Google Patents

Description

本発明はターボシャフトエンジンの内部構造に関し、より具体的にはヘリコプタエンジンの内部構造に関する。

「ターボジェット」という用語は、高速での高温ガスの排出に対する反作用により、推進に必要とされる推力を供給するガスタービンエンジンを指し、その一方で「ターボシャフトエンジン」という用語は、駆動シャフトを回転駆動するガスタービンエンジンを指すことが、わかるはずである。たとえば、ターボシャフトエンジンは、ヘリコプタ、船舶、列車におけるエンジンとして、または実際に産業用エンジンとして使用される。ターボプロップ（プロペラを駆動するターボシャフトエンジン）もまた、航空エンジンとして使用されるエンジンである。

従来のターボシャフトエンジンは一般に、低圧圧縮機と、低圧圧縮機よりも下流に配置された高圧圧縮機とを備え、ここで「下流」とは、エンジンを通るガスの流れ方向に対するものである。特定の使用条件の下では、高圧圧縮機への入口における圧力が、低圧圧縮機からの出口における圧力よりも高いとき、サージング現象が出現する。場合により、ガスが入口を通って低圧圧縮機に排出される程度まで、エンジンの動作が不安定になる。

このサージング現象は、低圧スプール（シャフトによって低圧タービンに連結された低圧圧縮機）と、高圧スプール（別のシャフトによって高圧タービンに連結された高圧圧縮機であって、高圧圧縮機および高圧タービンは一方の末端の低圧圧縮機と他方の末端の低圧タービンとの間に位置する）とを備える、２スプールタイプのターボジェット用の従来型構造によって、回避されることが可能である。とは言うものの、通常運転において、２スプールターボジェットの圧縮比は、通常運転中にターボシャフトエンジンに課される圧縮比と比較して大きすぎるので、このようなターボジェット構造はターボシャフトエンジンに適合させるのが困難である。具体的には、２スプールターボジェットの圧縮比は通常約３０から４０（たとえば航空機ターボジェットの場合）であり、その一方でターボシャフトエンジンの圧縮比は通常２０未満である（たとえば、ヘリコプタエンジンの場合）。

本発明の一目的は、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間に発生するサージング現象の危険性が低減されるかまたはゼロである、ターボシャフトエンジンを提案することである。

本発明は、低圧圧縮機と、高圧圧縮機と、低圧タービンと、高圧タービンと、低圧タービンの回転速度をほぼ一定な速度に調整するためのレギュレータ手段とを備えるターボシャフトエンジンであって、低圧タービンは第１のシャフトによって高圧圧縮機に連結され、その一方で高圧タービンは第２のシャフトによって低圧圧縮機に連結されている、ターボシャフトエンジンを提案することによって、その目的を実現する。

高圧圧縮機は低圧圧縮機よりも下流に配置されること、高圧タービンは高圧圧縮機よりも下流に配置されること、および低圧タービンは高圧タービンよりも下流に配置されることは、理解され得る。高圧タービンは、燃焼室から下流の最初のタービンである。燃焼室は、ガスの流れ方向において、高圧圧縮機と高圧タービンとの間に配置される。燃焼室に注入される燃料が多いか少ないかに応じて高圧タービンが、その回転速度の変動を受けることもまた、理解され得る。

一般に、またその逆を明記されない限り、要素に関して「上流」および「下流」ならびに「入口」および「出口」という用語は、エンジンを通って流れるガスの流れ方向に対して定義される。

高圧圧縮機は、低圧タービンと同じ回転シャフトに装着され、その一方で低圧圧縮機は高圧タービンと同じ回転シャフトに装着される。したがって、高圧圧縮機および低圧タービンは同じ回転速度で回転し、その一方で低圧圧縮機および高圧タービンは他の同じ回転速度で回転する。

「ほぼ一定の速度」という用語は、所定の運転速度について、速度が変動してもよいが、ただしプラスマイナス１５パーセント（±１５％）以内であることを意味する。たとえば、低圧タービンの速度を調整するために、高圧タービンおよび低圧圧縮機を備える回転アセンブリが加速または減速させられるように、レギュレータ手段は、より多くのまたは少ない燃料を燃焼室に注入する。その結果、ガス流量は、こうして増加または減少し、エンジンの駆動シャフトに印加されるトルクとは無関係に、低圧タービンがほぼ一定の速度で回転するのに必要なエネルギーを供給するのに役立つ。

レギュレータ手段のゆえに、高圧圧縮機は第１のシャフトによって低圧タービンに機械的に連結されているので、高圧圧縮機の速度は、実質的に一定である。さらに、低圧圧縮機は第２のシャフトによって高圧タービンに機械的に連結されているので、高圧タービンの回転速度の変動は、低圧圧縮機の回転速度のみに影響を及ぼす。したがって、高圧圧縮機の回転速度は、低圧圧縮機の回転速度と比較してほぼ一定である。その結果、低圧圧縮機と高圧圧縮機の間のサージングの危険性が減少し、あるいは回避さえされる。当然ながら、高圧圧縮機の所定の回転速度については、高圧圧縮機がいつも低圧圧縮機から来るガスを受け取って圧縮できるように、低圧圧縮機の回転速度が所定の回転速度範囲内に収まることは、理解され得る。

言い換えると、高圧圧縮機を低圧タービンに、および低圧圧縮機を高圧タービンに機械的に連結することによって、ならびにレギュレータ手段を使用することによって、低圧圧縮機と高圧圧縮機との間の圧力が高くなりすぎる危険性が低減されるかまたはゼロになるように、高圧圧縮機の回転速度は、低圧圧縮機の回転速度よりも安定になり、このためサージング現象が減少するかまたは存在しなくなる。

第１の変形例において、第１のシャフトは第２のシャフトの中を同軸に通り、第１のおよび第２のシャフトは軸方向を定義し、高圧圧縮機、低圧圧縮機、高圧タービン、および低圧タービンは、この順番で軸方向に配置される。

従来の２スプールターボジェットと比較して、軸方向における高圧圧縮機および低圧圧縮機の位置が入れ替わっており、その一方で高圧タービンおよび低圧タービンは同じ順番で配置されている。この第１の変形例において、第１のシャフトは中心にあり、これによって、特にエンジンの前部において（すなわち軸方向において圧縮機に対して、タービンから遠い方のその末端において）駆動力を伝達するためのこのシャフト（動力取り出し装置参照）を接続しやすくする。

第２の変形例において、第２のシャフトは第１のシャフトと同軸に通り、第１および第２のシャフトは軸方向を定義し、低圧圧縮機、高圧圧縮機、低圧タービン、および高圧タービンは、この順番で軸方向に配置される。

従来の２スプールターボジェットと比較して、軸方向における高圧圧縮機および低圧圧縮機の位置が入れ替わっており、その一方で高圧タービンおよび低圧タービンは同じ順番で配置されている。この第２の変形例において、燃焼室は有利なことにエンジンの後端に（すなわちタービンに対して圧縮機から遠い方のその末端に）、配置されている。これにより、保守または交換のために燃焼室にアクセスしやすくなる。

有利なことに、第２の変形例のターボシャフトエンジンは、低圧タービンより下流に設けられたガス排出チャネル、および高圧圧縮機からの出口を、高圧タービンより上流に設けられた燃焼室に接続するガスダクトを有し、ガスダクトは、低圧タービンから来るガスからガスダクト内を流れるガスに熱を伝達するために、熱交換器を介してガス排出チャネル内を通る。

熱交換器は、ガスダクトとガス排出チャネルとの間の熱接触を提供する。熱交換器は、燃焼室内に侵入させる前に高圧圧縮機から来るガスを加熱することを可能にし、これにより、熱損失を低減してエンジンの効率を上昇させるのに役立つ。

好ましくは、本発明のターボシャフトエンジンは、ヘリコプタエンジンである。

本発明およびその利点は、非限定例として示される本発明の様々な実施形態の以下の詳細な説明を読むと、より良く理解できる。この説明は、以下の添付図面を参照している。

本発明のターボシャフトエンジンの、第１の実施形態の略図である。 本発明のターボシャフトエンジンの、第２の実施形態の略図である。

図１は、第１の上記変形例に対応する、本発明のターボシャフトエンジンの第１の実施形態を示す。矢印は、エンジン１０内のガスの流れ方向を示す。空気は空気流入チャネル１１を介してエンジン１０に侵入し、燃焼ガスはガス排出チャネル２２を介して排出される。ターボシャフトエンジン１０は、ヘリコプタエンジンである。

ガスの流れ方向において、エンジン１０は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、燃焼室１６、高圧タービン１８、および低圧タービン２０を連続して備える。この例において、高圧圧縮機１４は遠心圧縮機であり、その一方で低圧圧縮機１２は軸流圧縮機である。当然ながら、変形例によっては、高圧圧縮機が軸流式、および／または低圧圧縮機が遠心式であってもよい。ガスダクト１５は、高圧圧縮機１４から燃焼室１６に圧縮空気を導入するために、高圧圧縮機１４からの出口を燃焼室１６の入口に接続する。図１および図２において、圧縮機１２および１４、ならびにタービン１８および２０の固定的要素には斜線が掛けられており、その一方で可動要素には斜線が掛けられていない。

高圧圧縮機１４は、第１のシャフト２４によって低圧タービン２０とともに回転するように連結されている。低圧圧縮機１２は、第２のシャフト２６によって高圧タービン１８とともに回転するように連結されている。第１のシャフト２４は、第２のシャフト２６の内部を同軸に通り、第１および第２のシャフト２４および２６は軸方向Ｘ（または軸Ｘ）を定義する。この第１の実施形態において、図１の左から右に向かって、高圧圧縮機１４、低圧圧縮機１２、高圧タービン１８、および低圧タービン２０が、この順番で軸方向Ｘに沿って配置されている。

低圧タービン２０に接続された第１のシャフト２４は、ターボシャフトエンジン１０の駆動シャフトである。この第１のシャフト２４は、たとえば図１に図示されるようなギヤボックスを介して、または間接的に（図示せず）、ヘリコプタのロータ（図示せず）を駆動する伝達シャフト２８と係合する。一変形例において、エンジンを始動する目的のため、第１のシャフト２４と伝達シャフト２８との間にクラッチが配置されている。この例において、第１のシャフト２４と伝達シャフト２８との間の接続は、エンジン１０の正面、すなわち図１の左側で行われる。

レギュレータ手段３０は、第１のシャフト２４に対してヘリコプタロータによって印加される対抗トルクに関係なく、低圧タービン２０、およびしたがってヘリコプタロータもほぼ一定の速度で回転するように、燃焼室１６内への燃料の注入を調整する。このため、様々なヘリコプタ飛行体勢条件のためのヘリコプタロータブレードのピッチ角にかかわらず、したがって第１のシャフト２４に対してヘリコプタロータによって付与されるトルクにかかわらず、前記ロータは一定の速度で回転する。

レギュレータ手段３０、および第１のシャフト２４を介した低圧タービン２０と高圧圧縮機１４との連結のゆえに、高圧圧縮機１４は一定の速度で回転する。高圧タービン１８は低圧圧縮機１２に連結されているので、燃焼室１６内への燃料注入の調整による高圧タービン１８の回転速度のいかなる変動も、低圧圧縮機１２に対して影響を及ぼす。したがって、高圧圧縮機１４を設けることで正常に動作し、すなわち定格出力または中間出力（すなわち部分出力または半出力）での低圧圧縮機１２の回転速度における変動の全範囲にわたって、低圧圧縮機１２から来るガスを圧縮することが可能であり、低圧および高圧圧縮機１２および１４の間でサージング現象が回避される。

図２は、第２の上記変形例に対応する、本発明のターボシャフトエンジンの第２の実施形態を示す。矢印は、エンジン１００内のガスの流れ方向を示す。第１の実施形態と共通の要素は再度説明されず、これらの参照番号は同じままであり、同様にこれらの動作も再度説明されることはない。第１の実施形態と同様に、低圧圧縮機１２は軸流圧縮機であるが、しかし一変形例においてこれは遠心圧縮機に置き換えられることが可能である。同様に、低圧圧縮機１４は遠心圧縮機であるが、しかし一変形例においてこれは軸流圧縮機に置き換えられることが可能である。

エンジン１００において、第２のシャフト２６は第１のシャフト２６の内部を同軸に通り、第１および第２のシャフト２４および２６は軸方向Ｘ（または軸Ｘ）を定義する。この第２の実施形態において、図２の左から右に向かって、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、低圧タービン２０、および高圧タービン１８が、この順番で軸方向Ｘに沿って配置されている。この例において、燃焼室１６はエンジン１００の後端に、すなわち図２の右側に配置されている。

ガスダクト１５は熱交換器３４を通過して、排出チャネル２２を通る。当然ながら、熱交換器３４は排出チャネル２２を遮断せず、排ガスは、熱交換器３４の少なくとも一部の上を流れることによって、外部に自由に逃げる。したがって、エンジン１００によって排出されたガスは、熱交換器３４と直接、熱接触し、熱交換器３４を介してダクト１５内を流れるガスに熱を供給する。一変形例において、ガスダクト１５は排出チャネル２２を通らず、熱伝達は行われない。

第１および第２の実施形態の空気流入チャネル１１およびガスダクト１５、ならびに第２の実施形態の排出チャネル２２は、回転体ではなく、このため特に、第１の実施形態では空気流入チャネル１１およびガスダクト１５を受容するための空間をもたらし、第２の実施形態ではシャフト２４および２８の間の機械的動力伝達をもたらすことが可能になることが、わかるはずである。変形例において、空気流入チャネル１１、ガスダクト１５、および／または排出チャネル２２は、その他の形状であってもよく、随意により回転体であってもよい。

Claims (2)

1. 低圧圧縮機（１２）と、高圧圧縮機（１４）と、低圧タービン（２０）と、高圧タービン（１８）と、低圧タービン（２０）の回転速度をほぼ一定な速度に調整するためのレギュレータ手段（３０）とを備え、低圧圧縮機（１２）、高圧圧縮機（１４）、高圧タービン（１８）、および低圧タービン（２０）がガスの流れ方向において連続して配置されるターボシャフトエンジン（１０、１００）にして、低圧タービン（２０）は第１のシャフト（２４）によって高圧圧縮機（１４）に連結され、その一方で高圧タービン（１８）は第２のシャフト（２６）によって低圧圧縮機（１２）に連結されており、第１のシャフト（２４）は第２のシャフト（２６）の中を同軸に通り、第１および第２のシャフト（２４、２６）は軸方向（Ｘ）を定義する、ターボシャフトエンジン（１０、１００）であって、構造上の並び方において高圧圧縮機（１４）、低圧圧縮機（１２）、高圧タービン（１８）、および低圧タービン（２０）はこの順番で軸方向（Ｘ）に沿って配置されていることを特徴とする、ターボシャフトエンジン（１０、１００）。
2. ヘリコプタエンジンを形成する、請求項１に記載のターボシャフトエンジン（１０）。

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