(57)【要約】【課題】  燃料に圧力を効率的に加えることができるジェットエンジンを提供する。【解決手段】  ジェットエンジン２は、燃料を加熱するポンプ１１０と、加圧された燃料を加熱する加熱流路１２０と、ポンプに動力を与える燃料タービン１３０と、回転電機１４０とを備える。所望の条件を満たさないときに、回転電機１４０が燃料タービン１３０に動力を与える。所望の条件を満たすときに、加熱流路１２０を通過した燃焼前の燃料が、燃料タービン１３０に流入して燃料タービン１３０に動力を与える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を加圧するポンプと、
加圧された前記燃料を加熱する加熱流路と、
前記ポンプに動力を与える燃料タービンと、
回転電機と、
を備え、
所望の条件を満たさないときに、前記回転電機が前記燃料タービンに動力を与え、
前記所望の条件を満たすときに、前記加熱流路を通過した燃焼前の前記燃料が、前記燃料タービンに流入して前記燃料タービンに動力を与える
ジェットエンジン。
【請求項２】
前記所望の条件は、前記加熱流路を通過した前記燃料が気化していることを含む
請求項１に記載のジェットエンジン。
【請求項３】
前記所望の条件は、前記加熱流路の温度が第１閾値より高いことを含む
請求項１または２に記載のジェットエンジン。
【請求項４】
前記所望の条件は、前記加熱流路を通過した前記燃料の温度が第２閾値より高いことを含む
請求項１から３のいずれか１項に記載のジェットエンジン。
【請求項５】
前記所望の条件は、当該ジェットエンジンを始動してから所望の時間が経過していることを含む
請求項１から４のいずれか１項に記載のジェットエンジン。
【請求項６】
前記回転電機は、前記所望の条件を満たすときに、前記燃料タービンの回転力を受けて電力を発電する
請求項１から５のいずれか１項に記載のジェットエンジン。
【請求項７】
前記燃料タービンの回転速度を計測する回転計と、
前記回転速度に応じて、前記回転電機の回転速度を制御する制御装置と
をさらに備える
請求項１から６のいずれか１項に記載のジェットエンジン。
【請求項８】
前記制御装置は、
前記回転速度が第３閾値より大きいときに、前記燃料タービンの前記回転速度を減少させる方向に動力を加え、
前記回転速度が第４閾値より小さいときに、前記燃料タービンの前記回転速度を増加させる方向に動力を加える
請求項７に記載のジェットエンジン。
【請求項９】
前記燃料は、前記所望の条件を満たさないときに、前記燃料タービンを通過せずに燃焼する
請求項１から８のいずれか１項に記載のジェットエンジン。
【請求項１０】
前記燃料を燃焼する燃焼器を備え、
前記加熱流路は、前記燃焼器に隣接して設けられている
請求項１から９のいずれか１項に記載のジェットエンジン。
【請求項１１】
前記回転電機に電力を供給する電源装置をさらに備え、
前記電源装置は、前記燃焼器で発生する熱により保温される
請求項１０に記載のジェットエンジン。
【請求項１２】
前記電源装置は、前記加熱流路に隣接して設けられている
請求項１１に記載のジェットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェットエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ラムジェットエンジンなどのジェットエンジンには、燃料を燃焼する燃焼器に、高い噴射圧で燃料を噴射する場合がある。例えば、特許文献１には、タービンポンプを用いて燃料を加圧する方法が開示されている。このタービンポンプは、タービンエンジンで圧縮した加圧空気がタービンポンプに流入することで、タービンポンプを稼働させる。また、タービンポンプに発電機を組み込むことで、タービンポンプから電力を取り出してもよいことが記載されている。さらに、タービンポンプに電動モータを組み込むことで、タービンエンジンからの加圧空気を低減することができることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１６−５１０３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、以上の状況に鑑みなされたものであり、燃料に圧力を効率的に加えることができるジェットエンジンを提供することを目的の１つとする。他の目的については、以下の記載及び実施の形態の説明から理解することができる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
以下に、発明を実施するための形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための形態との対応関係の一例を示すために、参考として、括弧付きで付加されたものである。よって、括弧付きの記載により、特許請求の範囲は、限定的に解釈されるべきではない。
【０００６】
上記目的を達成するための一実施の形態によるジェットエンジン（２）は、燃料を加圧するポンプ（１１０）と、加圧された燃料を加熱する加熱流路（１２０）と、ポンプに動力を与える燃料タービン（１３０）と、回転電機（１４０）とを備える。所望の条件を満たさないときに、回転電機（１４０）が燃料タービン（１３０）に動力を与える。所望の条件を満たすときに、加熱流路（１２０）を通過した燃焼前の燃料が、燃料タービン（１３０）に流入して燃料タービン（１３０）に動力を与える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ジェットエンジンの燃料に効率的に圧力を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施の形態におけるジェットエンジンを備える機体の概略図である。
【図２】一実施の形態におけるジェットエンジンの断面を表す概略図である。
【図３】一実施の形態におけるジェットエンジンの供給システムの概略図である。
【図４】一実施の形態におけるジェットエンジンの供給システムの処理に関するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
一実施の形態によるジェットエンジン２は、例えば、図１に示すように、航空機１に搭載される。ジェットエンジン２は、ミサイルなどを含む飛昇体に搭載されてもよい。ジェットエンジン２は、図２に示すように、例えば、機体１０と、カウル２０と、供給システム３０とを備える。機体１０と、カウル２０との間に気体の流通可能な空間１５が形成されている。機体１０とカウル２０とは、航空機１が前方に進むことで、空気を空間１５に導入するインレット５０を構成する。空間１５の中央部分には、供給システム３０から燃料が噴射され、燃料と空気とが混合され燃焼される燃焼器６０が構成される。燃焼した気体は、機体１０とカウル２０とで構成されたノズル７０から放出される。ジェットエンジン２は、インレット５０から空気を取り込み、ノズル７０から燃焼した気体を放出することで推力を得る。ジェットエンジン２は、例えば、ラムジェットエンジンを含む。
【００１０】
供給システム３０は、図３に示すように、燃料タンク１００と、ポンプ１１０と、加熱流路１２０と、燃料タービン１３０と、回転電機１４０と、電源装置１５０と、噴射口１６０とを備える。燃料タンク１００には、燃料が格納されている。
【００１１】
ジェットエンジン２が始動するとき、回転電機１４０がポンプ１１０に動力を供給する。回転電機１４０は、燃料タービン１３０の燃料タービン軸１３５を介して、ポンプ１１０のポンプ軸１１５に接続されている。回転電機１４０は、電源装置１５０から電力が供給されて、燃料タービン軸１３５を回転させて、燃料タービン１３０に動力を供給する。燃料タービン軸１３５が回転することで、ポンプ軸１１５が回転する。ポンプ軸１１５が回転することで、ポンプ１１０は、燃料タンク１００から供給される燃料に圧力を加える。圧力が加えられた燃料は、加熱流路１２０を経由し、噴射口１６０から燃焼器６０に噴射される。
【００１２】
燃焼器６０が高温になると、燃料タービン１３０がポンプ１１０に動力を供給する。加熱流路１２０は、燃焼器６０で生じる熱が加熱流路１２０に伝搬されることで、加熱流路１２０を流れる燃料を加熱して気化させる。気化した燃料は、燃焼器６０で燃焼する前に、燃料タービン１３０に流入して、燃料タービン１３０に動力を供給し、燃料タービン１３０の燃料タービン軸１３５を回転させる。燃料タービン軸１３５はポンプ軸１１５に接続されているため、燃料タービン１３０で生じた回転力は、ポンプ１１０のポンプ軸１１５を回転させる。ポンプ軸１１５が回転することで、ポンプ１１０は燃料に圧力を加える。また、燃料タービン１３０から放出された燃料は、噴射口１６０から燃焼器６０に噴射される。
【００１３】
このように、ポンプ１１０は、加熱流路１２０の温度が低いときに回転電機１４０から動力を得て、加熱流路１２０の温度が高いときに燃料タービン１３０から動力を得る。これにより、ポンプ１１０は、加熱流路１２０の温度が低いときに、燃料に十分な圧力を加えることができる。
【００１４】
また、加熱流路１２０の温度が高いときに、燃料タービン１３０が回転電機１４０の回転子を回転させることで、回転電機１４０は電力を生成する。回転電機１４０が生成した電力は、航空機１に搭載された電子機器４０に供給される。
【００１５】
このように、回転電機１４０が電力を供給することで、電源装置１５０の電力消費を抑制することができる。電源装置１５０は、熱電池（thermal battery）、融解塩電池（molten salt battery）などを含む。電源装置１５０は、燃焼器６０または加熱流路１２０に隣接して設けられてもよい。燃焼器６０で生じる熱が電源装置１５０に伝搬される。これにより、電源装置１５０が保温されることで、電源装置１５０の作動時間が長くなり得る。
【００１６】
供給システム３０における燃料の流れを説明する。供給システム３０は、燃料タンク１００とポンプ１１０とを接続する第１流路１７０と、ポンプ１１０と加熱流路１２０とを接続する第２流路１８０と、加熱流路１２０と噴射口１６０と燃料タービン１３０とを接続する第３流路１９０と、燃料タービン１３０と噴射口１６０とを接続する第４流路２００とを備える。
【００１７】
第１流路１７０は、ジェットエンジン２が始動するときに、燃料タンク１００に格納された燃料をポンプ１１０に導く。第１流路１７０には、遮断弁１７２が設けられている。ジェットエンジン２が始動するときに遮断弁１７２が開くことで、燃料がポンプ１１０に流れる。ポンプ１１０に流入した燃料は、加圧されて、第２流路１８０に放出される。ポンプ１１０は、タービンポンプなどのうず巻きポンプを含む。
【００１８】
第２流路１８０は、ポンプ１１０で加圧された燃料を加熱流路１２０に導く。加熱流路１２０に導かれた燃料は、加熱流路１２０で加熱され、第３流路１９０に流れる。加熱流路１２０は、例えば、燃焼器６０に隣接して設けられている。また、加熱流路１２０は、ノズル７０に隣接して設けられてもよい。
【００１９】
第３流路１９０は、加熱流路１２０の温度に応じて、噴射口１６０または燃料タービン１３０に燃料を導く。第３流路１９０は、加熱流路１２０から噴射口１６０に燃料を導く流路と、加熱流路１２０から燃料タービン１３０に燃料を導く流路との分岐点１９２を備える。また、分岐点１９２と燃料タービン１３０との間には第１開閉弁１９４が設けられ、分岐点１９２と噴射口１６０との間には第２開閉弁１９６が設けられている。加熱流路１２０の温度が低いときに、第１開閉弁１９４が閉じられ、第２開閉弁１９６が開かれる。これにより、加熱流路１２０を通過した燃料は、燃料タービン１３０を通過せずに噴射口１６０に流れ、噴射口１６０から燃焼器６０に噴射され、燃焼する。加熱流路１２０の温度が高いときに、第１開閉弁１９４が開き、第２開閉弁１９６が閉じられる。これにより、加熱流路１２０を通過した燃料は燃料タービン１３０に流れる。
【００２０】
燃料タービン１３０に導かれた燃料は、燃料タービン軸１３５を回転させ、第４流路２００に放出される。
【００２１】
第４流路２００は、燃料タービン１３０から放出された燃料を噴射口１６０に導く。噴射口１６０に導かれた燃料は、噴射口１６０から噴射され、燃焼する。
【００２２】
供給システム３０は、燃料の流れを制御するために、例えば、制御装置２１０と、温度センサ２２０と、回転計２３０とを備える。
【００２３】
温度センサ２２０は、加熱流路１２０の温度を計測し、計測した温度を示す温度情報を制御装置２１０に送信する。
【００２４】
回転計２３０は、ポンプ軸１１５の回転速度を計測し、計測した回転速度を示す回転情報を制御装置２１０に送信する。回転計２３０は、燃料タービン軸１３５の回転速度を計測することで、ポンプ軸１１５の回転速度を推定してもよい。
【００２５】
制御装置２１０は、遮断弁１７２と、第１開閉弁１９４と、第２開閉弁１９６とを制御する。制御装置２１０は、温度センサ２２０が計測した温度に基づき、第１開閉弁１９４と第２開閉弁１９６とを制御する。
【００２６】
また、制御装置２１０は、回転電機１４０を制御する。制御装置２１０は、ジェットエンジン２が始動するときに、ポンプ１１０が燃料を加圧できるように、回転電機１４０に電力を供給して、回転電機１４０を電動機として駆動する。また、加熱流路１２０の温度が高いときに、制御装置２１０は、燃料タービン１３０の動力から電力を発電するように、回転電機１４０を発電機として駆動する。
【００２７】
さらに、制御装置２１０は、回転計２３０が計測した回転速度に応じて、回転電機１４０の回転数を制御してもよい。ポンプ軸１１５の回転速度に応じて、ポンプ１１０が燃料に加える圧力が決定される。このため、ポンプ軸１１５の回転速度が速いときに、制御装置２１０は、回転電機１４０の回転速度を下げるように回転電機１４０を制御する。同様に、ポンプ軸１１５の回転速度が遅いときに、制御装置２１０は、回転電機１４０の回転速度を上げるように回転電機１４０を制御する。これにより、ポンプ１１０から放出される燃料の圧力を制御することができる。
【００２８】
ジェットエンジン２は、図４に示すように動作する。ジェットエンジン２が始動する前に、遮断弁１７２と、第１開閉弁１９４は閉じられ、第２開閉弁１９６が開かれる。
【００２９】
ジェットエンジン２が始動するときに、回転電機１４０を電動機として駆動し、遮断弁１７２を開く（ステップＳ１００）。制御装置２１０は、遮断弁１７２を開き、燃料タンク１００の燃料をポンプ１１０に流す。また、制御装置２１０は、ポンプ１１０が燃料を加圧するように、回転電機１４０に電力を供給する。第２開閉弁１９６は、ジェットエンジン２が始動するときに開かれてもよい。
【００３０】
ステップＳ１１０において、制御装置２１０は、温度センサ２２０が計測する加熱流路１２０の温度に基づき、加熱流路１２０で加熱された燃料が気化しているかを判断する。例えば、加熱流路１２０の温度が所望の温度より高いときに、加熱流路１２０を流れる燃料が気化していると判断する。制御装置２１０は、加熱流路１２０を流れる燃料が気化していると判断されるまで待つ。加熱流路１２０を流れる燃料が気化していると判断したときに、ステップＳ１２０に移行する。
【００３１】
ステップＳ１２０において、制御装置２１０は、第１開閉弁１９４と第２開閉弁１９６とを制御して、燃料が流れる経路を変更する。制御装置２１０は、加熱流路１２０で加熱された燃料が気化していると判断すると、第１開閉弁１９４を開く。次に、制御装置２１０は、第２開閉弁１９６を閉じる。このため、加熱流路１２０で加熱された燃料は、燃料タービン１３０に流入し、燃料タービン軸１３５を回転させる。燃料タービン軸１３５が回転することで、ポンプ１１０のポンプ軸１１５が回転する。その結果、ポンプ１１０は燃料を加圧する。
【００３２】
ステップＳ１３０において、制御装置２１０は、回転計２３０が測定するポンプ軸１１５の回転速度が第１閾値より低いかを判断する。ポンプ軸１１５の回転速度が第１閾値より低い場合、ポンプ１１０から放出される燃料の圧力が低いことを意味する。このため、制御装置２１０は、ポンプ軸１１５の回転速度が第１閾値より低いと判断すると、回転電機１４０の回転速度を上げるように回転電機１４０を制御する（ステップＳ１４０）。制御装置２１０は、ステップＳ１４０の処理を行った後にステップＳ１３０の処理に戻る。ポンプ軸１１５の回転速度が第１閾値以上であるときは、処理はステップＳ１５０に移行する。第１閾値は、ジェットエンジン２が許容し得る燃料の圧力の下限値に基づき、決定されてもよい。第１閾値は、航空機１の速度に応じて、決定されてもよい。この場合、供給システム３０は、航空機１の速度を航空機１が備える速度計から取得する。また、供給システム３０が速度計を備えてもよい。
【００３３】
ステップＳ１５０において、制御装置２１０は、回転計２３０が測定するポンプ軸１１５の回転速度が第２閾値より高いかを判断する。ポンプ軸１１５の回転速度が第２閾値より高い場合、ポンプ１１０から放出される燃料の圧力が高いことを意味する。このため、制御装置２１０は、ポンプ軸１１５の回転速度が第２閾値より高いと判断すると、回転電機１４０の回転速度を下げるように回転電機１４０を制御する（ステップＳ１６０）。制御装置２１０は、ステップＳ１６０の処理を行った後にステップＳ１３０の処理に戻る。ポンプ軸１１５の回転速度が第２閾値以下であるときは、処理はステップＳ１７０に移行する。第２閾値は、ジェットエンジン２が許容し得る燃料の圧力の上限値に基づき、決定されてもよい。第２閾値は、航空機１の速度に応じて、決定されてもよい。例えば、第２閾値は、第１閾値より大きくてもよい。
【００３４】
ステップＳ１７０において、制御装置２１０は、回転電機１４０を発電機として駆動して、回転電機１４０が発電した電力を電子機器４０に供給する。例えば、制御装置２１０は、回転電機１４０が発電した電力を受け取り、電子機器４０に供給する。回転電機１４０が発電した電力を直接、電子機器４０に供給してもよい。また、ステップＳ１４０、Ｓ１６０において、制御装置２１０は、電源装置１５０から供給される電力を電子機器４０に供給してもよい。
【００３５】
ステップＳ１３０〜Ｓ１７０を繰り返すことで、制御装置２１０は、燃料の圧力を調整することができる。
【００３６】
ステップＳ１１０において、加熱流路１２０で加熱された燃料が気化しているかを判断するための任意の方法を選択することができる。例えば、加熱流路１２０または第３流路１９０を流れる燃料の温度に基づき、燃料が気化しているかを判断してもよい。この場合、温度センサ２２０は、加熱流路１２０または第３流路１９０を流れる燃料の温度を測定する。制御装置２１０は、温度センサ２２０が測定した燃料の温度が所望の値より大きいときに、燃料が気化していると判断する。また、ジェットエンジン２を始動してから経過した時間に基づき、燃料が気化しているかを判断してもよい。この場合、制御装置２１０は、ジェットエンジン２を始動してから所望の時間が経過しているときに燃料が気化していると判断する。また、加熱流路１２０の温度と、加熱流路１２０を流れる燃料の温度と、第３流路１９０を流れる燃料の温度と、ジェットエンジン２が始動してから経過した時間との２つ以上の組み合わせに基づき、加熱流路１２０で加熱された燃料が気化しているかを判断してもよい。
【００３７】
ステップＳ１２０において、燃料が流れる経路を変更するための任意の方法を選択することができる。例えば、制御装置２１０は、第２開閉弁１９６を閉じた後に、第１開閉弁１９４を開いてもよい。また、制御装置２１０は、第２開閉弁１９６の閉鎖と、第１開閉弁１９４の開放とを同時に行ってもよい。また、分岐点１９２に三方弁を備えてもよい。制御装置２１０がこの三方弁を制御することで、加熱流路１２０を通過した燃料は噴射口１６０または燃料タービン１３０に導かれる。この場合、加熱流路１２０の温度が低いときに加熱流路１２０を通過した燃料が噴射口１６０に流れるように、制御装置２１０は三方弁を制御する。加熱流路１２０の温度が高いときに加熱流路１２０を通過した燃料が燃料タービン１３０に流れるように、制御装置２１０は三方弁を制御する。
【００３８】
加熱流路１２０の温度が低いときに燃料が噴射口１６０から噴射するための任意の方法を選択することができる。例えば、加熱流路１２０の温度が低いときに、加熱流路１２０を経由せずに、燃料は第２流路１８０から噴射口１６０に導かれてもよい。この場合、第２流路１８０は、ポンプ１１０から加熱流路１２０に燃料を導く流路と、ポンプ１１０から噴射口１６０に燃料を導く流路との分岐点を備える。この分岐点と加熱流路１２０との間に第３開閉弁が設けられ、この分岐点と噴射口１６０との間に第４開閉弁が設けられる。制御装置２１０は、第３開閉弁と第４開閉弁とを、第１開閉弁１９４と第２開閉弁１９６と同様に制御する。また、燃料は、第３流路１９０に分岐点１９２を設けずに、常に燃料タービン１３０を経由して、噴射口１６０に流れてもよい。
【００３９】
以上において説明した処理は一例であり、各ステップの順番、処理内容は、機能を阻害しない範囲で変更してもよい。また、説明した構成は、機能を阻害しない範囲で、任意に変更してもよい。例えば、ポンプ１１０のポンプ軸１１５は、燃料タービン１３０の燃料タービン軸１３５に動力が伝わればよく、燃料タービン軸１３５に任意の方法で接続されてもよい。燃料タービン１３０の燃料タービン軸１３５は、回転電機１４０に動力が伝わればよく、回転電機１４０に任意の方法で接続されてもよい。制御装置２１０は、ポンプ軸１１５の回転速度に応じて、回転電機１４０を制御しなくてもよい。この場合、図４のステップＳ１３０〜Ｓ１６０を省略することができる。
【符号の説明】
【００４０】
１  航空機
２  ジェットエンジン
１０  機体
１５  空間
２０  カウル
３０  供給システム
４０  電子機器
５０  インレット
６０  燃焼器
７０  ノズル
１００  燃料タンク
１１０  ポンプ
１１５  ポンプ軸
１２０  加熱流路
１３０  燃料タービン
１３５  燃料タービン軸
１４０  回転電機
１５０  電源装置
１６０  噴射口
１７０  第１流路
１７２  遮断弁
１８０  第２流路
１９０  第３流路
１９２  分岐点
１９４  第１開閉弁
１９６  第２開閉弁
２００  第４流路
２１０  制御装置
２２０  温度センサ
２３０  回転計
【図１】
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【図２】
2020133461.tif 000004
【図３】
2020133461.tif 000005
【図４】
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