JPS6020567B2 - ３個のロータを備えたガスタービン動力装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ガスタービン動力装置、特に自動車用のガスタービン動
力装置を設計するに当って一般的に考慮しなければなら
ないことは、高効率を維持しつつ同時に必要重量及びス
ペースを減少させること、並びに該動力装置の種々な構
成部材の点検及び保守を容易に行えるようにすることで
ある。

この動力装置設計の別の目的は、特に自動車の動力装置
の場合非常に重要なガス発生部での加速が容易に行える
ようにすることである。満足すべき作動結果を得るため
に、動力装置には各々の軸に結合された３個のタービン
ロータが具備されており、第１タービンロー外ま動力装
置の圧縮機と駆動可能に連結されて一つのロータ。

スプールを形成している。この第１タービンロータを設
計するに際しては「該ロー外ま動力装置が全負荷をかけ
た場合でも圧縮機作業に必要な動力を充分与えることの
ないように、つまり他の２個のタービンロータのいずれ
かから補助動力を伝達しなければならないように設計さ
れている。ガスの流れる方向に向かって教えた場合２番
目１こあるロー外ま出力タービン本体であり、第３番目
のタービンロー外ま種々な補助機能を備え、またそれ自
体公知の方法で第２タービンロー夕と相互連結されてお
り、更にこれら２個のロータは同軸上で作動できるよう
に取付けられている。ガス発生部の急速な加速が得られ
るように本発明ではこの部分の設計に際し、圧縮機／タ
ービン・スプールが動力装置の内部補助装置からの如何
なる負荷をも受けないようにしてある。第２タービンロ
ータと第３タービンロータに付属している２本の同軸は
、圧縮機／タービン。スプールから遠隔にある同軸の端
部に配置された歯車装置によって相互連結されており、
また前記圧縮機／タービン。スプールへの動力伝達は前
記同軸の中心を貫通している１本の伝動軸を介して行わ
れる。この中央伝動軸の望ましい構成は、動力装澄がア
ィドリング中でも超臨界速度（ｓｕｐｅｒｃｉｔｉｃｓ
ｐｅｅｄ）で回転するようにすることであり、またこの
伝動軸は前記同軸の最内部において空気軸受により支持
されているのが有利である。望ましくは、第２タービン
ロータは第３タービンロー夕から突出している管状部材
で軸支され、また第３ロータはタービンケーシングで麹
支されているのが良い。前記管状部材において第２ター
ビンロータを支持している軸受は空気軸受であることが
望ましい。出力タービンを圧縮機／タービン・スプール
と補助タービンロータの間に配置することによって、高
速回転軸を支持するすべての軸受は自動車が停止して出
力タービン。

−夕が失速状態にある時でも潤滑負荷容量が得られるよ
うになっている。これは自由な出力タービンを具備した
従来の２鼠タービンでは不可能なことである。軸受が空
気潤滑用に設計されている場合は潤滑用還流管が不要で
あり、またこの空気を案内して、例えばロータでの冷却
を行うのに利用することもできる。従来のガスタービソ
動力装置では、加速を行う場合、通常全出力用に必要な
量の燃料以外に余分な燃料を供給して行っている。これ
は加速のたびごとに構成部材は１０ぴ○〜１５ぴ○の温
度上昇を含む温度衝撃を受けることになる。これらの高
温度がタービン羽根のみならず、タービンロータ、燃焼
器及び渦形入口などの製造コストを高くし、且つ既に充
分に高温負荷を受けた構成部材の使用寿命を縮める最大
の原因である。圧縮機／タービン。

スプールには補助動力が供給されるが、これから，補助
装置には何ら動力を供給しないように横成ごれているの
で、急速な加速が可能になった。そのため、加速時間が
短くなって過剰燃料の供給量が減り、及び供給時間が短
くなり、タービン部分の温度上昇が低くなった。つまり
、これは材料を有利な方法で利用すること、並びに軽量
且つ廉価なタービン設計ができるということである。こ
の超高温度は窒素酸化物（Ｎ○ｘ）発生の比較的重要な
要因の一つであるから、この点においてもまた超高温度
を回避することは利点がある。

迅速加速式圧縮機を含む構成は、更にァィドリング速度
を低く保つことができることを意味している。つまり、
全体の燃料消費量が減少され、従って排出物も少なくな
るわけである。また非常に低いアィドリング速度の場合
でも、他方のタービンロータからの衝撃エネルギーを中
央伝動軸を介して圧縮機に伝達することができる。圧縮
機タービンはまず始めに高温ガスに出会うため、この場
合軽量で耐熱性を有するセラミック製にすることが望ま
しい。このタービンロー外ま圧縮機の作業の全動力を提
供する必要はないから「設計に際しては直径を小さくす
ることができる。第２タービンロータもまた場合によっ
てセラミック材で作ることもできるが、一方第３タービ
ンロータは直径が比較的大きいから金属材料で作られて
いるのが望ましく、従って高慣性を有することになる。
既述のように、自動車が停止して第２ロータが失速した
場合でも第３タービンロータは回転し続けるようになっ
ている。従って衝撃エネルギーは常時確保されているこ
とになる。ロータの設計に際してはこれらが対向方向に
回転するように設置してあるので、確実に平衡の取れた
旋回力を得ること、並びに羽根システムの有利な使用が
できるようになっている。動力装置が熱交換器を備えて
いる場合には２段式再生システムが得られる。

この場合、まず第３タービンロータが第２タービンロー
タからの流出エネルギーを利用し、次にタービンシステ
ム内の空気力学的モーメント変換における損失分を前記
熱交換器内で高率（９０〜９５％）で回収することがき
る。第２タービンロータと第３タービンロ−夕の車中間
にある伝動部に遊星歯車が含まれると同時に、該遊星歯
車から圧縮機／タービン・スブールへの動力伝達が変速
装置によって制御される場合は、加速中出力軸において
衝撃動力伝達によって生ずる反作用モーメントが他の軸
に伝達される。

タービンケーシングを軽量且つ廉価にするには、軽金属
の合金を材料にしたダィカストが適している。次に、ガ
スと空気の流れを案内するための内面を軽金属壁に接着
されたセラミック村製の予成形部村により前記ケーシン
グの内面を覆う。これらのセラミック部材の形成に際し
ては、それらがタービンの渦形入口の全体または一部分
を形成するようにすることができる。熱交換器を備えた
自動車用動力装置の場合は、パワー・ユニットを取付け
るに当って、構成部材の修理及び交換が容易に行えるよ
うに充分な注意を払わなけ机まならない。

本発明‘ままた自動車にタービンを取り付けるに際し有
利な方法を提供している。この方法によって従来の構成
に比べてスペースを拡大することができるようになって
おり、このスペースは、安全用または緩衝装置用、ある
いは荷物運搬用に使用することができる。従ってガスタ
ービンに必要な寸法取りが小さくて済むから、自動車の
長さ及び重量を軽減することができる。その他の利点は
以下の説明から明らかであるつｏ本発明を添付図面に関
して以下に詳述する。

第１図に図示のガスタービン動力装置は同軸上にあって
互いの下流に配置された３個のタービンロータ１０，１
１，１２を備えており、これらには図中には示されてい
ない燃焼器からの流動ガスが供給される。第１タービン
ロータ１０は軸１３を介して動力装置の圧縮機１４に連
結されて、該圧縮機１４と共にスプール・ユニットを形
成する。

タービンロータ１０‘ま進入して来るガスの高温に耐え
られる最良の素材としてセラミックを使用するのが望ま
しい。このロータ１０を嵩を小さくするために、この段
の寸法取りに際してはロータ１０が動力装魔の全負荷中
圧縮作業の全動力を段孫台することがないように構成さ
れている。その他の重要な特徴は、このスプール・ユニ
ットが如何なる補助菱直をも駆動する必要がないという
ことである。つまり、これは圧縮機ノタービン・スプー
ルの加速が容易であることを意味する。第２タービンロ
ータ１１、これは主要な出力タービンであるが、このロ
ータ１１は第１中空麹１５上に取り付けられる。

一方、第３タービンロー夕は第２中空軸１６上に取り付
けられていて、この中空軸１６は第１中空軸１５を包囲
している。第１中空軸１５はピニオン１７を、そして第
２中空軸１６はピニオン１８を備えている。これらのピ
ニオン１７，１８は遊星歯車装置として形成されたモー
メント・デバィダと連動する。ピニオン１７は中間の歯
車（図示せず）と連動し、該歯車はその図示の平面を越
えた位置に配置されている。この中間の歯車はそのハブ
２０が歯車として形成されている大きい皿形歯車１９と
咳み合い、また出力軸２２上に装着された別の歯車２１
と連動する。この世力軸２２からの先の動力の流れに関
しては以下に記載する。皿形歯車１９は、前述の遊星歯
車装置の中でリングホイールの働きをする内部ギアリン
グ２３を備えている。

第３タービンロータ１２を有する第２中空軸１６上のピ
ニオン１８は遊星歯車装置の遊星歯車のキャリア２４と
運動する。遊星歯車２５によってギアリング２３と太陽
歯車２６が連結されており、該太陽歯車２６は軸２７上
に装着されて動力を圧縮機／タービン・スプールに伝達
する働きをする。伝達すべき動力量は、一般に３０で示
されている変速装置によって決まる。図示の変速装置３
川こは、軸２７に連結された第１ロータボディ３１及び
大歯車３３に連結された第２ロータボディ３２が含まれ
ている。〇ータボディ３１と３２の間には可調整接触部
材３４が配置されていて、軸２７から半径方向外向きの
トラニオン３５に対して回転運動ができるようになって
いる。これらのトラニオン３６の軸２７に垂直な平面に
対する鏡斜角を変えることによって、２個のロータボデ
ィ３１と３２の間の速度比を変えることができる。図示
の位置「つまりトラニオン３５が軸２７に対して垂直方
向にある場合は、これらのロータボディの速度は同じで
ある。２個の隣接した接触部材３４の間には潤滑ディス
トリビュータ３６が挿入されている。

この種の変速装置は当業者にとって周知の糠段変速機で
あるが、この代りに同様の機能を有するその他の装遣を
使うこともできるのは当然の事である。

大歯車３３は、最内部の第１中空軸１５内の中心に位層
付けられた細い伝動軸４１の一端に取り付けられたピニ
オン４０と連動する。

ピニオン４０から遠方にあって回転はできないが軸方向
に摺動できる伝動軸４１の端部は、圧縮機／タービン・
スブールのロータ１０と接合し、これに動力を伝達する
。ピニオン４０‘こは、この対向側から突出し且つター
ビンケーシングの周囲部に支持された一対の管状スタッ
ド４２，４３が具備されている。

圧縮緩からの空気管４４はこれらの管状スタッド４２，
４３の近傍にあるタービンケーシングに連結されている
。空気は細い伝動軸４１の近傍の端部内の孔４５を介し
て管状スタッド４３内を貫通し、該伝動軸４１と周囲の
第１中空軸１５の間の空隙に流入する。ピニオン１７を
越えて延びている第１中空軸１５の端部はピニオン４０
の管状スタッド４２内で支持される。第３タービンロー
タ１２には、第２タービンロータ１１に向かって延び且
つ軸受４７によってタービンケーシング内に鞠支される
管状部材４６が具備されている。

最内部の第１中空軸１５の端部はこの管状部村４６内に
軸支される。ロータから遠方にある鞠１６の端部は平ら
な軸受４８によってタービンケーシング内に鏡支される
。管状部村４６内の最内部の細い伝動軸４１を支持する
軸受は半径方向の通気孔３９を備えた空気軸受である。
細い伝動軸４１の寸法決めに当っては動力装置が低速の
アィドリング速度で作動する場合でも、前記伝動軸４１
が超臨界速度（ｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｓｐｅｅｄ
）で回転するようにする。この伝動軸４１は、第１中空
軸１５内に少くとも一つの制動用減夏軸受（図示せず）
を具備することができるが、その設計上の理由から動力
装置がその始動点を越えるや否や自動的に自ら中心位置
に入るようになつている。以上の如く、この細い伝動軸
４１は主要部分が第１中空軸１５内の空気によって支持
され、またその両端部がそれぞれ空気管４４を介して供
Ｖ給される空気によって潤滑される管状スタッド４２及
び管状部材４６内で軸支されるよう形成されている。

前述のように中空軸１５と１６は対向方向に回転するか
ら、これらの軸間の軸受の譲晴十は入念に行わなければ
ならない。ピニオン１８は、遊星歯車のキャリア２４の
他に、軸５０上に取り付けられたピニオン４９をも駆動
する。

燃料及び潤滑ポンプ、電動機、熱交換器用動力装置など
の補助装置（図示せず）は軸５川こよって駆動されるゴ
ヒうになっており、またこの駆動によっては圧縮機／タ
ービン・スプールへの動力伝達は全く影響を受けないと
いうことは明白である。出力軸２２から車輪の駆動軸６
０への動力伝達は差動装置６ｌｌを介して通常の方法で
行われる。この差動装置６１にはピニオン６３と啄み合
う外部ギアリング６２が具備されており、前記ピニオン
６３は第２遊星歯車装置の一部を構成するりングホィー
ル６４ｌのハブと一体成形されている。その太陽歯車６
５は出力軸２２に豚合され、またその遊星歯車のキャリ
ア６６は任意の公知の種類の前進／後退ギア６７の中に
含まれている。この実施例ではタＷビン軸が車輪の駆動
軸６０に平行であり、歯車６２及び６３は円筒形である
が、タービン軸が駆動軸６０に対して直角方向にある場
合はこれらの歯車は円錐形でなければならない。タービ
ン及び圧縮機を包囲しているケーシングは軽合金のタト
ィカスト製品である。

空気及びガスの流れを案内するケーシングの内面はセラ
ミック材で作られた絶縁体によって覆われている。この
ようにして軽量且つ望ましい熱特性を有する強い構造が
得られるわけである。前記のセラミック絶縁体は空気流
入口側の７０〜７６ガス流出口側の７７〜７１９で示さ
れた予め成形された都村で櫛成され、軽金属壁に接着さ
れている。

燃焼器（図示せず）から流出したガスは通路８０を介し
てタービンの推古形入口８１に流入し、次し、でタービ
ンロータの下流へ流れ更に上昇して室８２へと流入する
。渦形入口８１及び出口は、それぞれ本明細書中では一
部分がセラミック絶縁体で支持された薄い金属膜として
設計されている。しかし絶縁体自体の設計に際しては、
ガス通路の下流部分に図示してあるように、該絶縁体が
空気かガスのいずれか一方または双方の通路の壁面を限
定するように形成することは明らかである。動力装置に
は、部材８３ｂによって従来の回転可能な再生式空気予
熱用の熱交換器８３が具備されている。下流のタービン
・ロータから出たガスは室８２を流過して上昇し、ロー
タの半体を通って出口８４へ流れる。空気は圧縮機１４
から高圧室８５を通って熱交換器８３のロータの遠方側
に流れ、ここで該ロータを下方に回転させる。図示のタ
イプ、即ち回転可能な再生式熱交換器８３は、軽自動車
及び普通の圧力比の場合に都合が良い。比較的高い圧力
比の場合には、熱回収式熱交換器が望ましい。第２ター
ビンロータ１１と第３夕−ビンロータ１２の間には、そ
れぞれ可変案内羽根９６が設けられている。

これらの可変案内羽根９６によって２個のロータ１１，
１２間の動力配分を指示することができ、また変速装置
３０の力を借りずに単純な毅歯車を使用するだけで圧縮
機／タービン・スブールへの動力伝達を調整できる場合
が多い。第２図は前輪駆動用に設計された自動車のモ−
夕・ケーシング９２内にガスタービン・ユニットを装着
した態様を概略的に示したものであり、またこの図で留
意すべきことは、第１図がこの図の線１−１に沿った断
面図であるということである。動力装置の燃焼器９０は
前向きであるから、常に容易に接近できる状態にある。

差敷装置と後退歯車を備えたハウジング９１はフランジ
によってタービンのケーシング１９２に結合されている
。このような構成によって、ガスタービンの本格的な調
査点検中差動装槽を自動車内に残したままでケーシング
だけを取り外すことができる。熱交換器８３は燃焼器の
対向位置、即ち運転席の近傍に配置され、ガス出口８４
はシャシの下方で後方下向きに配置されている。熱交換
器の回転軸及び燃焼器の中心線はほぼ同じレベルで水平
面に対して幾分傾斜している。熱交換器のカバーを取り
除くと、タービンケーシングに干渉することなくロータ
を上方外側に斜めに取り出すことができる。タービンケ
ーシングは、３点、可能な場合は４点で自動車に支持さ
れている。これらのうち２点はタービンケーシングの対
向両側の心合せ位置に配置されたローラ９３の形状に設
計されている。これらのロー外ま自動車の車輪の駆動軸
６０に中心を有している固定された弧状案内部９４内を
移動する。ケーシングの前端には一つ、または一つの取
付部材９５が設けられている。これらの取付部材を解放
するとタービンケーシングは車輪の軸を中心として旋回
できるから、熱交換器はほぼ真上に向く。配置を示すた
めに、第２図では細い伝動軸の位置並びに最も大きいタ
ービンロータ１２の周囲が図示されている。変速装置３
０の位置もまた図示されている。実用に際しては案内部
９４に対するローラ９３の位層を確保するための装置、
及びタービンケーシングを回すための別の案内ないし摺
動部材を設けることができることは明白な所である。

第３図乃至第５図は、それぞれ第２図の反対側から見た
場合、前端から見た場合、及び上から見た場合のガスタ
ービン動力装置の縮小図である。

【図面の簡単な説明】

第１図は自動車のガスタービン動力装置及び自動車の車
輪に動力を伝達するための装置の縦断面図である。 第２図はガスタービン動力装置の自動車内での装着状態
を概略的に示した左側面図である。第３図はガスターピ
ンを縮小した右側面図、第４図は正面図、第５図は上面
図である。１０……第１タービンロータ、１１……第２
タービンロータ、１２……第３タービンロータ、１４・
・…・圧縮機、１５・・・・・・第１中空軸、１６…・
・・第２中空軸、２２・・・・・・出力麹、２３・・…
・内部ギアリング、２４…・・・キャリア、２５…・・
・遊星歯車、２６…・・・太陽歯車、３０・…・・変速
装置、３９・・・…通気孔、４１・・・・・・伝動軸、
４６…・・・管状部材、４７・・・・・・軸受、６１・
・・・・・差動装置「７９〜７９・・・…セラミック製
の予成形部材、８３・・・・・・熱交換器、８４・・・
・・・ガス出口、９０・・・・・・燃焼器、９１…・・
・ハウジング「９２……ケーシング、９３……ローフ「
９４…・・・弧状案内部、９５・・・…取付部材、９６
・・・・・・可変案内羽根。 第１図 第２図 第３図 繁４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 同一軸心上に３個のタービンロータを具備するガス
   タービンにおいて、該３個のタービンロータ中の１個で
   ある第１タービンロータが、動力装置の圧縮機を駆動す
   るように連結されて圧縮機／タービン・スプールを形成
   し、該第１タービンロータは、前記動力装置の全負荷時
   においても前記圧縮機を駆動するには容量が不充分であ
   るごとく構成され、他の２個のタービンロータのいずれ
   か一方から前記圧縮機／タービン・スプールに動力を伝
   達する装置が設けられ、そしてこれら２個のタービンロ
   ータが２本の同心中空軸上で作動するように形成され、
   而も前記第２のタービンロータと第３のタービンロータ
   の２本の同心中空軸が、各々圧縮機／タービン・スプー
   ルから離れた該同心中空軸の端部に配置された歯車装置
   によつて相互連結され、また前記圧縮機／タービン・ス
   プールへの動力伝達が前記中空軸の中心を貫通している
   第３の伝動軸を介しておこなわれ、該第３の伝動軸が動
   力装置のアイドリング時においても超臨界速度（ｓｕｐ
   ｅｒｃｒｉｔｉｃ ｓｐｅｅｄ）で回転され、前記同心
   中空軸を相互連結する歯車装置が、前記第３の伝動軸を
   介する動力伝達とは無関係に前記動力装置の動力を消費
   する内部補助装置を駆動する歯車を含んでいること、を
   特徴とする３個のロータを備えたガスタービン動力装置
   。 ２ 前記第３の伝動軸が、前記第２タービンロータの中
   空軸内において空気軸受で支持されていることを特徴と
   する特許請求の範囲第１項に記載の３個のロータを備え
   たガスタービン動力装置。 ３ 前記第２タービンロータが、前記第３タービンロー
   タから突出し、タービンケーシングに形成された軸受に
   支持された管状部材によつて軸支されていることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項に記載の３個
   のロータを備えたガスタービン動力装置。 ４ 前記管状部材において前記第２タービンロータを支
   持するジヤーナルが空気軸受を含むことを特徴とする特
   許請求の範囲第３項に記載の３個のロータを備えたガス
   タービン動力装置。 ５ 前記２本の同心中空軸を相互連結する前記歯車装置
   が遊星歯車装置であること、前記第２タービンロータが
   そのギアリングを駆動すること、該ギアリングが順次動
   力出力軸を駆動すること、前記第３タービンロータが前
   記遊星歯車装置のキヤリアにこれを駆動するように連結
   され、且前記動力装置の補助装置への伝動用歯車の軸方
   向に平行に配置されていること、並びに前記圧縮機／タ
   ービン・スプールへの動力伝達が前記歯車装置の太陽歯
   車を介て行なわれることを特徴とする特許請求の範囲第
   １項乃至第４項のいずれかに記載の３個のロータを備え
   たガスタービン動力装置。 ６ 前記動力を伝達する装置が変速装置を有し、該変速
   装置を介して前記歯車装置の太陽歯車から動力を伝達す
   ることを特徴とする特許請求の範囲第５項に記載の３個
   のロータを備えたガスタービン動力装置。 ７ 前記第２タービンロータと前記第３タービンロータ
   との間に可変案内板羽根が挿入されていて、これらのロ
   ータ間の動力配分を決定するように取付けられているこ
   とを特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第６項のいず
   れかに記載の３個のロータを備えたガスタービン動力装
   置。 ８ 少くとも前記第１タービンロータがセラミツク材料
   で形成され、少くとも前記第３タービンロータが金属材
   料で形成され、さらに該第３タービンロータが前記第１
   タービンロータよりも大幅に大きい直径を有し且つより
   大きい衝撃エネルギー吸収容量を有していることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかに記
   載の３個のロータを備えたガスタービン動力装置。