KR100318877B1

KR100318877B1 - 멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진

Info

Publication number: KR100318877B1
Application number: KR1019960707634A
Authority: KR
Inventors: 그레그 지. 윌리암스
Original assignee: 그리스, 도날드 에이.; 윌리안스 인터내셔널 코포레이션
Priority date: 1994-06-29
Filing date: 1995-06-07
Publication date: 2002-04-22
Also published as: KR970704111A; WO1996000845A1; DE69533398D1; US5485717A; EP0767871A4; JPH10502152A; EP0767871B1; EP0767871A1

Abstract

멀티스풀 터보팬 엔진(6)은 착륙연습 및 지상운전에 손상을 주는 고속 공회전 추력을 발생하지 않고 공회전으로부터 최고정격 RPM까지 가속시간을 최소화시키고 부속장치의 출력을 증가시키도록 고속 공회전 RPM으로 작동되는 고압스풀(26)을 갖는다. 연소기(40)로부터의 가스유동은 고압터빈(36)의 바로 후미에서 분리되고 그래서 이들의 일부분만이 저압스풀(12)상에 있는 중간 압력 및 저압 터빈 블레이드(22,24)를 통과하며, 그 때문에 저압스풀(12)에 의해 발달된 출력이 상당히 감소된다. 따라서, 팬(18)의 RPM은 상당히 감소되고 그 때문에 공회전 상태에서 엔진(6)의 추력이 감소된다. 더욱이, 고압스풀(26)의 상대적인 고속 공회전 RPM은 고압터빈(36)의 바로 후미에서 연소가스의 방출 때문에 유지된다. 고압스풀(26)에 대한 상대적인 고속 공회전 RPM은 적당한 출력이 교류발전기(56)로 전달되게 한다.

Description

멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진

발명의 배경

본 발명은 일반적으로 가스터빈엔진에 관한 것으로서, 특히 제트항공기의 동력장치로서 특유한 효용을 갖는 멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진에 관한 것이다.

멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진은 효율적이고 신뢰성있는 동력장치로서 항공기 산업에 의해 수용되어왔다. 전형적인 엔진은 전방 단부에 팬을 갖는 저압 스풀과 후미의 저압터빈을 포함한다. 고압스풀은 저압스풀상에 있는 팬과 유체유동 전달되는 고압압축기 및 상기 저압스풀상에 있는 저압터빈과 유체유동전달되는 고압 터빈을 갖는다. 특정 용도에서, 중간 압력 압축기는 중간 압력스풀의 부분으로서나 저압스풀의 부품으로서 팬의 하류로 정해진다. 중간압력 압축기가 별도의 중간압력스풀상에 장착된다면 중간 압력 압축기는 중간압력 터빈과 연결된다.

저압스풀상에 있는 팬은 일반적으로 고압 및 저압스풀을 감싸는 환형 바이패스관과 정렬된다.

연소기는 엔진의 고압 압축기와 고압터빈 사이에 위치된다. 교류발전기와 유압펌프를 포함하는 엔진 부속장치들은 고압스풀로 구동된다. 상기의 기하학적 형태는 비교적 효율적이고 현장사용에서 잘 증명됐다.

항공기 제트엔진의 한가지 필요한 조건은 실속(stall) 또는 중단된 지상접근의 경우에 항공기속도를 회복시키기 위해 최고 정격 추력을 얻기에 필요한 시간을최소화시키도록 공회전 RPM으로부터 최대 정격 RPM까지 엔진의 고압스풀을 가속시키는데 필요한 시간이 최소화되는 것이다. 엔진가속시간의 틀(engine acceleration time frame)은 일반적으로 엔진의 고압스풀에 대해 비교적 고속 공회전 RPM을 사용함으로써 최소화된다.

고려될 다른 인자는 항공기가 항공기 배터리로부터 이용가능한것 보다 램프(ramp)상에서 더 많은 전력을 실질적으로 더욱 필요로 하는 것이다. 대형 항공기에서, 전력은 일반적으로 기내에 장치된 보조 동력유니트에 의해 공급된다. 업무용 또는 통근용과 같은 더 작은 항공기에서, 기내에 장치된 보조 동력 유니트에 의해 나타나는 비용, 중량, 및 체적은 엄두를 못낼만큼 과중하다. 따라서, 전력, 유압 동력 및 공기 싸이클 공기조정장치는 흔히 항공기 엔진에 의해 공급된다. 필요한 동력을 발생시키기 위해, 엔진의 고압스풀은 비교적 고속 공회전 RPM을 나타내야 한다.

그러나, 공회전으로부터 최고 RPM까지 엔진 가속도시간의 틀을 최소화시키고 램프상에서 적절한 동력을 공급시키기 위해 필요한 고압스풀의 고속 공회전 RPM이 공회전 추력을 만족스럽지 않은 레벨로 증가시키는 것이 특징이기 때문에 상기 조건을 만족시키는데 예외가 존재한다. 고속 공회전 추력은 항공기의 착륙연습과 지상운전 양자를 손상시킨다.

발명의 요약

상기 문제에 대한 출원인의 해결책 이면에 있는 발명개념은 공회전 RPM에선 바이패스 터보팬 엔진에 의해 나타난 추력의 75%이상이 팬에 의해 유입된 공기량유동때문이라는 인식에 근거하고 있다. 출원인은 동시에

a) 사용되는 경우 팬과 중간압력 압축기의 압축비를 감소시키고, b) 고압터빈을 가로지르는 팽창비를 증가시키고, 그리고 C) 저압터빈을 가로지는 팽창비를 감소시킴으로써 고압스풀의 소정의 비교적 고속 공회전 RPM을 유지시키는 동안 공회전 RPM에서 과도한 고속추력이 제거될 수 있다는 것을 발견했다. 상기 방법들은 팬속도를 감소시키고 그 결과 팬을 통하는 공기량 유동을 감소시키며, 그 때문에 증가된 팽창율로 인한 비교적 고속 RPM에서 고압스풀이 작동될지라도 공회전 추력을 만족스러운 레벨로 감소시키는 순수한 효과를 갖는다. 또한, 사용되는 경우 팬과 중간 압력 압축기의 감소된 압력비가 고압 압축기로 유입되고 그 때문에 중심공기(core air) 및 이 중심공기에 의해 발생된 추력을 감소시키는 공기의 압력 및 밀도를 감소시킨다.

상기 개념은 엔진이 공회전 상태일 때 고압 터빈의 바로 후미 지점으로부터 엔진의 바이패스 관으로 연소가스의 일부를 수송함으로써 실행된다.

가스터빈엔진에서 중간단계 압력의 배출이 미합중국 특허 제 3,363,415호에 기술됐고, 본 발명의 양수인에게 양도됐을지라도, 상기 특허는 고속 공회전을 유지시키는 동안 팬 제트엔진의 공회전 추력을 감소시키고 그 때문에 공회전으로부터 최고 RPM까지 엔진가속도 시간의 틀을 최소화시키며 엔진 공회전에서 부속장치를 구동시키는데 이용 가능한 동력을 최대화시키는 문제에 대해 기재되어 있지 않다.

다른 방식으로 기술됐지만, 미합중국 특허 제 3,363,415호는 상기 특허에 기술된 엔진이 고압 압축기 상류의 팬을 사용하지 않았기 때문에, 본 발명에 의해 해결된 문제를 제기하지 않는다. 그러나, 본 발명은 공회전 속도를 유지하는 동안 공회전 추력을 감소시킬뿐만 아니라 미합중국 특허 제 3,363,415호의 엔진보다 연료소비를 감소시키는데 더욱 상당히 효과적임을 주목해야 한다. 이는 본 발명의 엔진이 고압 압축기로 그리고 고압 압축기를 통하는 공기량 유동을 감소시키고 그러므로 연소기를 통하는 공기량 유동을 감소시키는 것이 나타나기 때문에 일어난다. 공기량 유동의 감소는 연소기 출구에서 소정 온도를 얻기에 필요한 연료량을 감소시킨다.

그러므로, 본 발명의 제 1특징에 따라, 멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진은 전방 단부에 팬을 갖는 저압스풀 및 후미단부의 저압터빈, 저압스풀에 대해 공축이고 팬과 저압터빈사이에 배치된 고압스풀을 포함한다. 고압스풀은 저압스풀상에 있는 팬의 후방에 배치된 전방단부의 고압압축기 및 후미단부의 고압터빈을 갖는다. 연소기는 상기 고압스풀상에 있는 고압 압축기와 고압 터빈사이의 유체 유동 전달에 설치되고, 연소가스관은 고압 및 저압스풀상에 있는 고압 및 저압 터빈 각각에 배치되며, 바이패스 관은 고압스풀상에 있는 바이패스 관과 고압 압축기 사이의 팬 후미에 공기유동을 분리시키기 위하여 저압 스풀상에 있는 팬 후미의 일지점으로부터 저압 스풀상에 있는 저압 터빈 후미의 일지점까지 연장된다. 교류발전기는 고압스풀로 구동되고, 연소가스관의 오리피스(orifice)는 고압 스풀상에 있는 고압터빈의 후미단부와 방사상으로 정렬된다. 연소가스관의 밸브는 동시에 저압 스풀 및 팬의 속도를 감소시키도록 저압 터빈을 가로지르는 팽창율을 감소시키고 그 때문에 팬에 의해 발생된 공회전 추력을 감소시키며 고압 터빈의 RPM을 상당히 감소시키지않고 고압스풀상에 있는 고압압축기에 공기량 유동을 감소시키는 동안 공회전 상태에서 고압스풀의 RPM을 최대화시키기위해 고압터빈을 가로지르는 팽창율을 증가시키도록 고압 터빈으로부터 오리피스를 통하고 밸브를 통하여 바이패스 관까지 유체 유동경로를 제공하게 엔진 공회전 상태에서 개방가능하고 오리피스로부터 후방으로 이격된다.

본 발명의 다른 특징에 따라, 멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진의 고압스풀의 RPM을 최대화시키는 동안 추력을 최소화시키는 방법은 후미단부에 저압 터빈을 갖는 저압스풀의 전방단부에 있는 팬을 통해 공기유동을 일으키는 단계, 고압스풀상에 있는 고압 압축기와 바이패스 관 사이의 저압 스풀상에 있는 팬으로부터 공기유출을 분리시키는 단계, 및 고압 압축기로부터 고압 압축기와 고압 스풀상에 있는 고압 터빈사이에 배치된 연소기까지 공기를 안내하는 단계를 포함한다. 연소가스는 고압스풀상에 있는 고압 터빈으로 안내되고, 한편 연소가스의 일부는 고압 터빈으로부터 저압 터빈까지 안내된다. 연소가스의 일부는 동시에 저압 스풀 및 저압 스풀위의 팬의 속도를 감소시키도록 저압 터빈을 가로지르는 팽창율을 감소시키고, 그 때문에 팬에 의해 발생된 공회전 추력을 감소시키며 고압 스풀상의 고압 압축기로 공기량 유동을 감소시키는 동안 공회전 상태에서 RPM을 최대화시키도록 엔진 공회전 상태에서 고압 터빈을 가로지르는 팽창율을 최소화 시키기 위해 고압 스풀상에 있는 고압 터빈 바로 후방으로부터 바이패스 관까지 방출된다. 교류발전기는 고압스풀로 구동된다.

제 1도는 본 발명에 따른 멀티스풀 터보팬 엔진을 부분적으로 단면으로 나타낸 정면도.

제 2도는 제 1도의 "2"구역내의 확대도.

제 3도는 제 2도의 3-3선 단면도.

제 4도는 개방상태의 바이패스 밸브를 보여주는 제 3도와 유사한 단면도.

제 5도는 고압 및 저압 터빈에 대한 바이패스의 방향을 보여주는 3스풀엔진의 개략도.

바람직한 실시예의 상세한 설명

제 1도에 도시된 바와같이, 멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진(6)은 원통형 하우징(8)을 포함하고 이의 외측 말단은 환형 바이패스 관(10)의 외측벽을 한정한다. 저압 스풀 조립체(12)는 엔진(6)의 중앙 종축(14)에 대해 회전가능하고, 팬(18)과 축 전방단부에 중간 압력 압축기 단계(20)와 중간 압력 터빈(22)과 축 후미 단부의 저압 터빈(24)을 갖춘 축(16)을 포함한다.

고압스풀 조립체(26)는 동축관계로 저압스풀(12)위로 신축(telescope)되고, 축 전방단부의 고압 압축기(34)와 축 후미 단부의 고압터빈(36)을 포함한다.

환형 연소기(40)는 고압 압축기(34)와 고압터빈(36) 사이의 저압 및 고압스풀(12,26) 각각에 대해 배치된다.

보조 구동축(50)은 고압스풀(26)의 축(32)에 있는 보충기어(complementary gear)와 맞물리는 기어(52)를 갖는다. 예컨데 시동발전기(starter-generator)(56) 같은 종래의 보조장치는 고압스풀(26) RPM에 직접 관련된 RPM에서 보조 구동축(50)에 의해 구동된다.

팬 제트엔진(6)의 팬(18)에 의해 발생된 공기유동은 고압 압축기(34)로 유동되는 연소공기와 바이패스 관(10)으로 유동되는 바이패스 공기 사이에서 분리된다. 연소공기는 고압 압축기(34)의 출구로부터 연료가 유입되어 연소되는 연소기(40)까지 유동된다. 연소가스는 고압 터빈(36)을 통과하고, 그곳에서부터 중간 압력 및 저압 터빈(22,24)을 각각 통과한다.

바이패스 공기는 추가적인 에너지가 부가되지 dksg고 팬(18)으로부터 바이패스 관(10)을 통하여 유동한다. 그러나, 팬(18)에 의해 발생된 공기의 비교적 고질량 유동 때문에, 상당한 추력은 착륙접근 및 지상운전에서 바람직하지 않은 공회전 RPM에서 팬에 의해 발생된다.

제 2도에 잘 도시된 바와같이, 본 발명에 따라 엔진(6)이 공회전 상태에서 작동될 때, 고압 터빈(36)을 나오는 고온가스 흐름은 분리되고, 그래서 이의 일부가 고압 터빈(36)의 바로 후미에 있는 터빈 중간단계 관(61) 외벽(62)의 환형 바이패스 구멍(60)을 통해, 그곳에서부터 바이패스 관(10) 내벽(62)의 환형 플랜지(65)에 있는 다수의 구멍(64)을 통해, 그곳에서부터 밴드 밸브(66)를 지나서 바깥쪽 바이패스 관(10)으로 유동한다. 고압터빈(36)을 나오는 고온 연소가스의 다른 부분은 중간 압력 및 저압터빈 블레이드(22,24) 각각을 통과하고 혼합노즐(68)을 통과한다. 이 터빈 배출 가스는 그 다음 바이패스 관(10)으로부터의 바이패스 유동과 혼합되고 추진노즐(69)를 통해 배출된다.

제 3도 및 제 4도에 도시된 바와같이, 밴드 밸브(66)는 링크(71)를 통해 액츄에이터(70)로 조절된다. 액츄에이터(70)상에 있는 로드(rod)(72)의 진행때문에 밴드 밸브(66)의 단부부분(74,76)들 간격이 증가되고, 그 때문에 밸브직경 및 바이패스 관 내측 라이너(liner)(62)의 구멍(64) 열림이 증가된다.

연소기(40)로부터의 가스유동이 고압 터빈(36)의 바로 후미에서 분리되기 때문에 이의 일부분만이 저압 스풀(12)상에 있는 중간 압력 및 저압 터빈 블레이드(22,24)를 통과하고, 그 때문에 저압 스풀(12)에 의해 발달된 동력을 상당히 감소시킨다. 따라서, 팬(18)의 RPM은 상당히 감소되고 이에의해 공회전 상태에서 엔진(6)의 추력을 감소시킨다. 더욱이, 고압 압축기(34)에 대한 입구 압력의 결과적인 감소는 물질적으로 공회전 연료소비를 감소시키는 연소기(40)에 대해 공기량 유동의 상당한 감소를 일으킨다. 그러나 비교적 고압스풀(26)의 고속 공회전 RPM은 연소기(40)에 대한 공기량 유동이 감소될지라도 고압터빈(36)을 가로지르는 비교적 큰 팽창율이 고압 터빈 바로 후미의 연소가스 배출 때문이라는 사실 때문에 유지된다, 고압 터빈을 가로지르는 큰 팽창율은 고압스풀(26)에 대해 비교적 고속 공회전 RPM을 일으키고, 고압 스풀은 차례로 적절한 동력이 부속 축(50)을 통해 교류발전기(56)로 전달되게 하고, 이에의해 램프상에서 항공기의 동력요구를 만족시키며 공회전으로부터 최고 RPM까지 가속시간을 최소화시킨다.

제 5도에 개략적으로 도시된 바와같이, 본 발명의 다른 실시예에 따른 3스풀 터보팬 엔진(80)은 하우징(82)을 포함하고, 하우징의 외측 말단은 환형 바이패스 관(84)을 한정한다. 저압스풀 조립체(86)는 엔진(80)의 중앙 종축(88)에 대해 회전가능하고, 전방단부에 팬(92)을 갖는 축(90) 및 후미 단부의 저압 터빈(94)을 포함한다.

중간 압력 스풀(100)은 공축관계의 회전을 위해 저압스풀 축(90)위로 및 엔진(80)의 종축(88)에 대해 신축된다. 중간압력 스풀(100)은 전방단부에 중간압력 압축기(104)를 갖는 축(102) 및 후미단부에 중간압력 터빈(106)을 포함한다.

고압 스풀(110)은 중간압력 스풀(100)위로 신축되고 고압 압축기(112) 및 고압 터빈(114)을 포함한다. 연소기(116)는 고압 압축기(112)와 고압터빈(114) 사이에 배치된다. 부속 구동축(도시되지 않음)은 엔진(6)의 방식으로 고압 스풀(110)에 맞물린다.

엔진(80)의 작동은 팬(92)에 의해 발생된 추력을 최소화시키고 고압 압축기(112)의 입구에서 압력 및 밀도를 감소시키는 동안 고압스풀(110)의 RPM을 최대화시키도록 엔진(80)이 공회전 상태일 때 밸브(120)가 고압 터빈(114)의 바로 후미에서 터빈 중간단계관(121)의 외벽(124)에 있는 오리피스(122)를 개방시키는 점에서 엔진(6)의 작동과 유사하다.

상기로부터 멀티스풀 터보팬 엔진기술에 대한 출원인의 기여는 부속장치의 동력을 증가시키고 공회전으로부터 최고 정격 RPM까지 가속시간은 최소화하고 공지의 팬 제트 엔진에서 나타났던 것처럼 착륙연습 및 지상운전에 손상되는 고속 공회전 추력을 발생하지 않는 추력을 최소화하도록 고속 공회전 RPM으로 적동되는 고속 스풀을 갖는 엔진임이 명백하다.

Claims

멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진에 있어서,

전방 단부에 팬 및 후미단부에 저압 터빈을 갖는 저압스풀,

상기 저압 스풀에 대해 공축이고 팬과 저압 터빈사이에 배치됐으며, 상기 저압 스풀상에 있는 팬과 후미 단부에 있는 고압터빈의 후방에 배치된 전방 단부에 고압 압축기를 갖는 고압 스풀 ;

상기 고압 스풀상에 있는 고압 압축기와 고압 터빈 사이에 유체 유동 전달되는 연소기 ;

상기 고압 및 저압 스풀상에 각각 있는 고압 및 저압 터빈사이에 배치된 연소가스관 ;

상기 저압 스풀상에 있는 팬의 후미 지점으로부터 상기 저압 스풀상에 있는 저압 터빈의 후미지점까지 연장되고, 상기 고압스풀상에 있는 바이패스 관과 고압 압축기 사이에 팬의 후미 공기유동을 분리하는 바이패스 관 ;

상기 고압 스풀에 의해 구동되는 교류발전기 ;

상기 고압 스풀상에 있는 고압 터빈의 후미 단부와 방사상으로 정렬된 상기연소가스관의 오리피스 ;

동시에 상기 저압 스풀의 속도 및 팬의 속도를 감소시키도록 저압 터빈을 가로지르는 팽창율을 감소시키고, 그 때문에 팬에 의해 발생된 공회전 추력을 감소시키며 상기 고압 터빈의 RPM을 상당히 감소시키지 않고 상기 고압 스풀상에 있는 고압 압축기에 공기량 유동을 감소시키는 동안 공회전 상태에서 상기 고압스풀의 RPM을 최대화 시키기 위해 고압 터빈을 가로지르는 팽창율을 증가시키도록 상기 고압 터빈으로부터 상기 오리피스를 통해 그곳에서부터 상기 밸브를 통해 상기 바이패스 관까지 유체유동경로를 제공하게 엔진 공회전 상태에서 개방가능하고 오리피스로부터 후방으로 이격된 상기 연소가스관의 밸브로 구성된 것을 특징으로 하는 멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진.
멀티스풀 바이패스 터보팬 엔진의 고압스풀의 RPM을 최대화시키는 동안 추력을 최소화시키는 방법에 있어서,

후미단부에 저압 터빈을 갖는 저압 스풀의 전방 단부에 있는 팬을 통해 공기 유동을 일으키는 단계 ;

고압 스풀상에 있는 고압압축기와 바이패스 관 사이의 저압 스풀상에 있는 팬으로부터 공기 유동을 분리시키는 단계 ;

상기 고압 압축기로부터 상기 고압스풀 상에 있는 고압 압축기와 고압 터빈 사이에 배치된 연소기까지 공기를 안내하는 단계 ;

연소가스를 상기 고압 스풀상에 있는 고압 터빈까지 안내하는 단계 ;

연소가스의 일부를 고압 터빈으로부터 저압 터빈까지 안내하는 단계 ;

동시에 상기 저압스풀 및 팬의 속도를 감소시키도록 저압터빈을 가로지르는 팽창율을 감소시키고, 그 때문에 팬에 의해 발생된 공회전 추력을 감소시키며 상기 고압스풀 상에 있는 고압 압축기로 공기량 유동을 감소시키는 동안 공회전 상태에RPM을 최소화시키기 위해 고압 터빈을 가로지르는 팽창율을 증가시키도록 엔진 공회전 상태에서 상기 고압 스풀상에 있는 고압 터빈 바로 뒤로부터 상기 바이패스 관까지 연소가스의 일부를 배출시키는 단계 ; 및

상기 고압 스풀에 의해 구동되는 교류발전기를 구동시키는 단계로 구성된 것을 특징으로 하는 추력을 최소화 시키는 방법.