(57)【要約】【課題】出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供する。【解決手段】タービンエンジン１００は、圧縮機１１２で圧縮された空気を燃焼器１１８で燃焼して生成した燃焼ガスで、高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６を回して排出するものにおいて、高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６は出力軸１２１で空気タービン１３１と連結されており、空気タービン１３１は、ガス生成圧縮機タービン部１１０で生成された圧縮空気で回転し、出力軸１２１を加勢することを特徴とする。かかる構成によれば、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンにおいて、
前記圧縮機を駆動する圧縮機タービン軸と出力を取り出す前記パワータービンは前記出力軸で空気タービンと連結されており、
前記空気タービンは、前記圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気を前記パワータービンの排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジン。
【請求項２】
前記空気タービンの空気の排出には、前記圧縮機の吸い込み負圧が利用されることを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジン。
【請求項３】
前記空気タービンを駆動する作動空気量と前記圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、ベーン開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のタービンエンジン。
【請求項４】
前記圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項５】
前記パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、前記空気タービンの入り口温度を昇温することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項６】
前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する前記燃焼器と空気タービンの作動空気を加熱する作動空気加熱部を備え、
前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で加熱された圧縮空気で回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項７】
前記作動空気加熱部からの燃焼ガスによって前記圧縮機で圧縮された空気を加熱し、前記空気タービンに供給することを特徴とする、請求項６に記載のタービンエンジン。
【請求項８】
前記パワータービンから排出された排気ガスは、前記燃焼器の入口に供給されることを特徴とする、請求項６又は７に記載のタービンエンジン。
【請求項９】
前記出力軸に連結される二相流タービンと、
前記作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、
を備え、
前記液相分で前記二相流タービンを回転させて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項１０】
前記空気タービンの出口と前記圧縮機の吸い込み口の間に配置され、前記液相と前記気相を凝縮する凝縮器を備え、
前記凝縮器は、通過する空気によって冷却されることを特徴とする、請求項９に記載のタービンエンジン。
【請求項１１】
前記圧縮機を駆動するガス生成タービンと前記圧縮機を連結する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機タービン軸を支持するガイド筒と、二重反転機構とをさらに備え、
前記ガイド筒は、前記圧縮機、前記燃焼器を備えたコアエンジン部と、前記二重反転機構とを隔離し、
前記二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービンと前記後段パワータービンが駆動する後段ファンとを連結する連結軸が中空軸であり、前記連結軸の内部に前記後段パワータービンからの作動ガスが供給される前段パワータービンと前記前段パワータービンが駆動する前段ファンとを連結する中実軸が同軸に貫通しており、前記後段パワータービンと前段パワータービンの回転方向を相互に逆方向に回転させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項１２】
前記後段ファンの出口の空気流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることと、
アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前記前段ファンを駆動する前記前段パワータービンで使われ、前記前段パワータービンの出口の排気ガスは下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることと、を特徴とする、請求項１１に記載のタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮機を駆動するタービン軸と出力を取り出すタービン軸との２軸で構成されるタービンにおいて、圧縮機から抽気した空気で出力軸に配置した空気タービンを駆動して出力軸を加勢し、軸出力を増大することを特徴とするタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンの出力軸を駆動したタービンからの排気ガスは大気へ放出されるが、この排ガスには、まだエネルギーが残っており、ただ大気へ放出するのは不経済と言える。この排ガスの持つエネルギーを回収して熱効率を向上できれば、燃費低減や有害成分の大気放出抑制が可能になり、経済面だけでなく地球温暖化抑制対策上も有益なことと考える。排ガスの持つエネルギーを回収して熱効率を向上する手法は再生サイクルと呼ばれる。
【０００３】
再生サイクルは熱交換器を用いて圧縮機を出た空気を排ガス熱と熱交換し、燃焼器入口空気温度を昇温させ、昇温した分だけ従来は昇温に使われる燃料分を節約するサイクルである。燃焼器入口の空気温度は高いほど、タービン入口温度も高くなり熱効率が向上する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】インターネット＜https://goo.gl/YUcxpo＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、再生サイクルでは熱効率は向上するが、出力は増大しないデメリットがあった。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明によれば、圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンであって、前記圧縮機を駆動する圧縮機タービン軸と出力を取り出す前記パワータービンは前記出力軸で空気タービンと連結されており、前記空気タービンは、前記圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気を前記パワータービンの排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジンが提供される。
【０００８】
かかる構成によれば、パワータービンは出力軸で空気タービンと連結し、空気タービンは、圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気で駆動されて、パワータービンの出力軸を加勢する。よって、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することができる。また、タービンエンジンは、広範囲に負荷変動に強く且つ高い熱効率となる。
【０００９】
さらに、空気タービンを設けたことにより、従来のタービンエンジンにおいて、燃焼ガスによるパワータービンを追加したものと同等の出力を得ることができる。また、空気タービンを輻流式にすれば、温度と圧力を有効に動力転換できる。
【００１０】
本発明は様々な応用が可能である。以下の応用例は適宜組み合わせることが可能である。
例えば、前記空気タービンの空気の排出には、前記圧縮機の吸い込み負圧が利用されるようにしてもよい。空気タービンの出口の空気は圧縮機の吸い込み負圧を利用するため、入口と出口の圧力差を大きくすることができる。よって、空気タービンに供給される空気の温度と圧力を有効に動力転換できる。
【００１１】
また、前記空気タービンを駆動する作動空気量と前記圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、可変ガイド・ベーン装置の開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えているようにしてもよい。よって、可変ガイド・ベーン装置による負荷変動に応じた空気量の制御を行うことができる。このため、空気と燃焼ガスの各タービン駆動源の配分が制御でき、全負荷域に渡り燃費の低減が可能である。また、圧縮機の軸流速度が過小にならないよう抽気量を調整できるので、サージングが発生しない。
【００１２】
また、前記圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されるようにしてもよい。このように、本発明ではガイド筒を設けたことによりガイド筒と圧縮機の駆動軸間に電動発電機部を設置することができる。よって、従来のタービンエンジンが備えていた補機駆動装置である、圧縮機のコア軸に設けられた動力取出歯車、圧縮機のコア歯車からの動力取り出しタワーシャフト、補機駆動用アクセサリー・ギヤ・ボックスなどを設ける必要ななくなる。このため、タービンエンジン全体を小型化することができる。補機駆動装置の電動化はＭＭＥ（Ｍｏｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅ）と呼ばれ、補機駆動装置の配置の自由度が向上する。よって、補機駆動装置の性能向上や配置の合理化でエンジン全容積をより小さくすることが可能となる。
【００１３】
前記パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、前記空気タービンの入り口温度を昇温するようにしてもよい。従来のタービンエンジンは、常に負荷変動に対応できる安定した作動を確保するため、低負荷時でも要求出力以上に燃料を使用しており、総じて燃費が悪い要因になっている。これに対して本発明によれば、エネルギーが多量に残った排ガスの熱回収で空気タービンの入口の空気温度を昇温することができる。よって、空気タービンの出力が向上し、エンジンの熱効率が向上する。
【００１４】
また、前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する前記燃焼器と空気タービンの作動空気を加熱する作動空気加熱部を備え、前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で加熱された圧縮空気で回転し、前記出力軸を加勢するようにしてもよい。作動空気加熱部を備えたことにより、負荷が変動しても、一時的に大きなパワーが必要な都度、短時間に要求パワーに対応できる。また、圧縮後の高圧側に抽気口と、可変ガイド・ベーン装置を備えると、従来と同様の出力機に比し、負荷に応じた燃料投入調整領域が拡大し、全負荷域で燃費の低減が可能である。
【００１５】
このように作動空気加熱部を備えた再熱装置は、大気から圧縮した空気に燃料添加して燃焼させるのではなく、燃焼後の、まだ酸素が残っているガスを利用するので簡素な燃焼器（燃料弁含む）の作動空気加熱部でよい。この作動空気加熱部はジェットエンジンのアフターバーナーに由来するが、従来のバーナーは燃焼ガスを推力のみに使用する。一方、本発明では、作動空気加熱部はバーナーは推力発生ではなく、圧縮機からの抽気を強制加熱する。可変ガイド・ベーン装置を設けた場合は、加熱後の高温空気によって可変ガイド・ベーン装置の開閉を調整し、燃焼器の入口空気及び空気タービンの作動空気量を適宜制御し、出力軸の軸出力の増大を図ることができる。
【００１６】
また、前記作動空気加熱部からの燃焼ガスによって前記圧縮機で圧縮された空気を加熱し、前記空気タービンに供給するようにしてもよい。このため、空気タービンの出力が向上し、出力軸の軸出力を増大することができる。
【００１７】
また、前記作動空気加熱部で生成された燃焼ガスは、前記燃焼器の入口に供給されるようにしてもよい。作動空気加熱部に添加する燃料量は燃焼器の入口温度を昇温するに必要な量だけでよく、経済的である。
【００１８】
また、前記出力軸に連結される二相流タービンと、前記作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、を備え、前記液相分で前記二相流タービンを回転させて、前記出力軸を加勢するようにしてもよい。作動空気加熱部による再熱燃焼での空気加熱後の排ガスには、まだエネルギーが残っており、大気放出は不経済であるが、この排ガス熱は既に温度成分を吸収して残ったガスであるため、ガス温度が７０〜２５０℃位と低い。本発明は、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａのような低沸点熱交換媒体を利用して低温排ガス熱加熱媒体を二相流ノズルで液相と気相に分離し、その液相分で液体タービンを回し、タービンエンジンの出力軸を加勢してエンジン出力増大を図ることができる。
【００１９】
また、前記空気タービンの出口と前記圧縮機の吸い込み口の間に配置され、前記液相と前記気相を凝縮する媒体凝縮器を備え、前記媒体凝縮器は、通過する空気によって冷却されるようにしてもよい。二相流タービンの出口媒体は液体・気体混合体であり、一旦は媒体凝縮器で冷却し液化する。媒体凝縮器は、空気タービンの出口と圧縮機の吸込入口との間に配置され、冷却源はこの間を通過する空気であり、冷却ファンが不要にできる。
【００２０】
また、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンと前記圧縮機を連結する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機タービン軸を支持するガイド筒と、二重反転機構とをさらに備え、前記ガイド筒は、前記圧縮機、前記燃焼器を備えたコアエンジン部と、前記二重反転機構とを隔離し、前記二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービンと前記後段パワータービンが駆動する後段ファンとを連結する連結軸が中空軸であり、前記連結軸の内部に前記後段パワータービンからの作動ガスが供給される前段パワータービンと前記前段パワータービンが駆動する前段ファンとを連結する中実軸が同軸に貫通しており、前記後段パワータービンと前段パワータービンの回転方向を相互に逆方向に回転させるようにしてもよい。またこのとき、前記前段パワータービンの出口の排気ガス流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることによって、アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前記前段パワータービンで使われるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、出力を増大させることの可能なタービンエンジンを提供することが可能である。本発明のその他の効果については、後述する発明を実施するための形態においても説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態に係るタービンエンジン１００の全体構成を説明するための図である。
【図２】ガス生成圧縮機タービン部１１０を示す図である。
【図３】再生サイクル構造を説明するための図である。
【図４】第２の実施形態に係るタービンエンジン２００の全体構成を説明するための図である。
【図５】再燃サイクル構造を説明するための図である。
【図６】第３の実施形態に係るタービンエンジン３００の全体構成を説明するための図である。
【図７】再燃再生サイクル構造を説明するための図である。
【図８】第４の実施形態に係るタービンエンジン４００の全体構成を説明するための図である。
【図９】前段ファン部、後段ファン部、後段ケーシング部、エンジン主ケース、ファンケースを説明するための図である。
【図１０】従来のターボ・ファンのタービンエンジンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係るタービンエンジン１００の全体構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るタービンエンジン１００の全体構成を説明するための正面図である。本実施形態のタービンエンジン１００は、例えば、民間の中・小型ヘリコプタのローター駆動用主機、陸海空の固定位置配位での動力源などに用いられる。
【００２５】
本実施形態のタービンエンジン１００は、再生サイクル構造であり、圧縮機、燃焼器、タービンの三つの要素から構成される。圧縮機に吸い込まれた空気は燃焼器で燃焼ガスを生成しタービンを回して排出される。タービンエンジン１００は、圧縮機１１２で圧縮された空気を燃焼器１１８で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービン１２５、１２６を回して排出するものであって、圧縮機１１２を駆動する圧縮機タービン軸１１４−１と出力を取り出すパワータービン１２５、１２６は出力軸１２１で空気タービン１３１と連結されており、空気タービン１３１は、圧縮機１１２で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気をパワータービン１２５、１２６の排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、出力軸１２１を加勢する。
【００２６】
タービンエンジン１００は、圧縮機及び燃焼器を備えたガス生成圧縮機タービン部１１０と、タービンを備えたパワータービン部１２０及び空気タービン部１３０と、電動発電機部１５０と、を備えて構成される。以下、各構成要素について説明する。
【００２７】
（ガス生成圧縮機タービン部１１０）
ガス生成圧縮機タービン部１１０について、図２を参照しながら詳細に説明する。図２は、ガス生成圧縮機タービン部１１０を示す図である。ガス生成圧縮機タービン部１１０は、圧縮機１１２と、圧縮機タービン１１４と、タービン１１６と、燃焼器１１８と、を備えて構成される。
【００２８】
まず、ガス生成圧縮機タービン部１１０の概要について説明する。
１）ガス生成圧縮機タービン部１１０は、コアエンジン部と呼ばれ、取り込まれた空気を圧縮して得られた圧縮空気に燃料を添加し、燃焼させることでパワータービン部１２０を回す燃焼ガスを生成する部分である。
２）燃焼ガスの生成は、空気圧縮機で生成された高温高圧の空気を燃焼器本体１１８−１に取り込み燃料弁１１８−６で霧化した燃料と燃焼器空気入口１１８−３からの空気を燃焼器本体１１８−１の燃焼器ライナー１１８−２内で燃焼させ、得られた高温ガスを燃焼器燃焼ガス出口１１８−４から噴出する。
３）燃焼器燃焼ガス出口１１８−４からの高温ガスはガス生成タービンケーシング１１６−２の静翼で整流しガス生成タービン１１６−１の動翼に噴き付けてガス生成タービン１１６−１を回転させる。
４）ガス生成タービン１１６−１は圧縮機タービン軸１１４−１で連結され空気圧縮機１１２−１を駆動。空気圧縮機１１２−１は大気から空気を圧縮し、高温高圧空気を生成する。
５）燃焼器燃焼ガス出口１１８−４からの高温ガスはガス生成タービン１１６−１を通過した後、パワータービン部１２０を回転させる。
６）エンジン効率は燃料消費のガス生成エネルギーを差し引いた残りの軸出力との比となる。
【００２９】
圧縮機１１２は、図２に示したように、空気圧縮機１１２−１と、圧縮機空気入口１１２−２と、圧縮空気抽気口１１２−３と、圧縮機空気出口１１２−４と、圧縮機ケーシング１１２−５より構成される。
【００３０】
空気圧縮機１１２−１は、軸流式多段圧縮機である。軸流式は軸方向に空気を流しながら圧縮して行く圧縮機である。空気圧縮機１１２−１は圧縮機ディスクに動翼が円周状に取付けられた構成である。空気圧縮機１１２−１の動翼は、ディスクと一体化（ｂｌａｄｅ＋ｄｉｓｋ＝ｂｌｉｓｋ）され、軽量化及びコスト低減が計られている。空気圧縮機１１２−１は圧縮機ケーシング１１２−５で覆われて一つの段をなし、軸方向に段を重ねて圧力を上昇する。圧縮機ケーシング１１２−５のケース内側は静翼が円周状に配置される。
【００３１】
圧縮機空気入口１１２−２は、空気圧縮機１１２−１に空気を取り込むものである。図２に示したように、空気圧縮機１１２−１の燃焼器１１８とは反対側に設けられる。
【００３２】
圧縮空気抽気口１１２−３は、圧縮空気を抽気するものであり、図１に示したように、圧縮機タービン１１４に連結されている。
【００３３】
圧縮機空気出口１１２−４は、空気圧縮機１１２−１により圧縮された空気を燃焼器１１８に排出するものである。圧縮機空気出口１１２−４は、図２に示したように、空気圧縮機１１２−１の燃焼器１１８側の端部に設けられる。
【００３４】
圧縮機ケーシング１１２−５は、図２に示したように、空気圧縮機１１２−１、圧縮機空気入口１１２−２、圧縮空気抽気口１１２−３、及び圧縮機空気出口１１２−４を収容する。従来のタービンエンジンで用いられていたサージング対応可変静翼に代えて、可変ガイド・ベーン装置１３３が用いられる。
【００３５】
圧縮機タービン１１４は、図２に示したように、圧縮機タービン軸１１４−１と、圧縮機タービン軸受１１４−２と、圧縮機タービン軸受シール１１４−３と、圧縮機タービン軸受固定ナット１１４−４より構成される。空気圧縮機１１２−１は、圧縮機タービン軸１１４−１を介してガス生成タービン１１６−１と組み合わされ、圧縮機タービン１１４となる。
【００３６】
圧縮機タービン軸１１４−１の内側にガイド筒１１６−３が配置され、圧縮機タービン軸１１４−１とガイド筒１１６−３との間に圧縮機タービン軸受１１４−２と圧縮機タービン軸受シール１１４−３が組み付けられ圧縮機タービン軸受固定ナット１１４−４で固定される。
【００３７】
タービン１１６は、図２に示したように、ガス生成タービン１１６−１と、ガス生成タービンケーシング１１６−２と、ガイド筒１１６−３より構成される。ガス生成タービン１１６−１は、軸流式ガス生成駆動タービンである。軸方向に燃焼ガスが流れパワータービン部１２０へ流れる。ガス生成タービン１１６−１は、タービンディスクに動翼が円周状に取付けられて構成される。ガス生成タービン１１６−１の動翼は、タービンディスクに植え込んで組み付けられる。ガス生成タービン１１６−１の動翼は高温ガスにさらされるため圧縮機１１２から抽気した空気で冷却される。
【００３８】
ガス生成タービン１１６−１はガス生成タービンケーシング１１６−２と組み合わされ一段のパワータービンを構成する。ガス生成タービンケーシング１１６−２のケース内側は静翼が円周状に配置される。ガイド筒１１６−３は、ガス生成タービンケーシング１１６−２と後述する空気タービンケーシング１３５の壁に固定される回転しない固定の筒である。ガイド筒１１６−３は、圧縮機１１２、燃焼器１１８を備えたコアエンジン部と、二重反転機構とを隔離する。
【００３９】
燃焼器１１８は、図２に示したように、燃焼器本体１１８−１、燃焼器ライナー１１８−２、燃焼器空気入口１１８−３、燃焼器燃焼ガス出口１１８−４、燃焼器ケーシング１１８−５、燃料弁１１８−６より構成される。
【００４０】
燃焼器本体１１８−１は、外側の燃焼器ライナー１１８−２と内側の燃料弁１１８−６で構成され、燃焼器ライナー１１８−２の内部に燃料弁１１８−６が配置される。燃焼器ライナー１１８−２は多数の孔が開けられている。孔は、燃焼前の空気の層流で冷却されるよう配置される。燃焼器ライナー１１８−２内に燃料弁１１８−６が配置され（図示していない）、点火プラグが２個または数個の燃料弁１１８−６に配置される。
【００４１】
燃焼器本体１１８−１は、燃焼器ケーシング１１８−５の内側に円周状に配置される（本図はカンニュラ式）。燃焼器本体１１８−１が空気圧縮機１１２−１とガス生成タービン１１６−１の間に配置され燃焼器ケーシング１１８−５で組み合わされて構成される。燃料弁１１８−６は、燃料ポンプ（図示せず）からの燃料圧送により燃料を霧状に噴霧する機能を有す。
【００４２】
（パワータービン部１２０）
パワータービン部１２０の構成について、図３を参照しながら説明する。図３は、再生サイクル構造を説明するための図である。パワータービン部１２０の構造は、タービン１１６に同じであるが、回転数が異なり、回転方向が逆回転である。パワータービン部１２０は、図３に示したように、出力軸１２１と、出力軸受１２２と、出力軸受シール１２３と、出力軸受固定ナット１２４と、高圧段パワータービン（パワータービン）１２５と、低圧段パワータービン（パワータービン）１２６と、パワータービンケーシング１２７と、パワータービン燃焼ガス出口１２８と、を備えて構成される。
【００４３】
高圧段パワータービン１２５は高圧段の軸流式タービンである。低圧段パワータービン１２６は、低圧段の軸流式タービンである。高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６の構成について、図３を参照しながら説明する。高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６は、タービンディスクに動翼が円周状に取付けられる。高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６の動翼はタービンディスクに植え込んで組み付けられる。高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６の動翼は高温ガスにさらされるため圧縮機から抽気した空気で冷却される。高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６はパワータービンケーシング１２７で組み合わされパワータービンを構成する。
【００４４】
パワータービンケーシング１２７のケース内側は静翼が円周状に配置される。出力軸１２１に高圧段パワータービン１２５と低圧段パワータービン１２６が組み合わされて構成される。ガイド筒１１６−３の内側に出力軸１２１が貫通配置されガイド筒１１６−３と出力軸１２１の間に出力軸受１２２と出力軸受シール１２３が組み付けられ、出力軸受固定ナット１２４で固定される。
【００４５】
（空気タービン部１３０）
空気タービン部１３０の構成について、図３を参照しながら説明する。空気タービン部１３０は、空気タービン１３１と、タービン空気入口１３２と、可変ガイド・ベーン装置１３３と、タービン空気出口１３４と、空気タービンケーシング１３５と、空気加熱器１３６と、加熱器空気入口１３７と、加熱器空気出口１３８と、加熱器ケーシング１３９と、パワータービン出口コーン１４０と、圧縮機抽気口／加熱器入口間配管１４１と、加熱器出口／空気タービン入口間配管１４２と、燃焼ガス排気口１４３と、を備えて構成される。
【００４６】
空気タービン１３１は、圧縮機１１２で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気で駆動されて、出力軸１２１を加勢するものである。空気タービン１３１は、輻流式タービンで径方向から作動空気が流入し羽根車に吹き付け大気へ排出する。空気タービン１３１は、図３に示したように、タービンディスクにブレード翼が円周状に一体で製造（ｂｒｉｓｋ）されて構成される。空気タービン１３１は一体加工により軽量化と堅牢である特長を有する。空気タービン１３１は空気タービンケーシング１３５と組み合い、タービン空気入口１３２に可変ガイド・ベーン装置１３３が配置される。
【００４７】
ここで、空気タービン１３１の輻流タービンの詳細について説明する。
タービン駆動エネルギーＱ＝Ｇ・Ｃｐ・（Ｔｉ−Ｔ０）・ηｔ・（１−π）＾（１−１／κ）
Ｇ：作動ガス流量、Ｃｐ：ガス定圧比熱比、Ｔｉ：タービン入口温度、Ｔ０：大気温度、ηｔ：タービン効率、π＝Ｐ０／Ｐｉ、Ｐ０：タービン出口圧力、Ｐｉ：タービン入口圧力、κ：空気比熱比
式よりタービン仕事はタービン入口温度が高く、出口圧力が低いほど大きくなる。このような原理で高効率化に適した空気タービン１３１は輻流式を考える。本実施形態のタービン空気出口１３４の空気は圧縮機に直接吸い込ませるので、タービン空気出口１３４の圧力を従来の大気開放式より低くできる。このため、高い圧力差が得易い。空気タービン１３１は、圧縮途中の一部少量抽気駆動のため、大容量の軸流式より上記式原理より、圧力差、温度差に有利な輻流式がよい。
【００４８】
上記のタービン駆動エネルギーの数式について、さらに説明する。
数式中の（１−１／κ）は（１−圧力比）の指数関数の指数値であり、本数式は空気タービンの動力発生の式である。ガスタービンは一般的に等圧を利用するため、圧力成分は期待できないため、温度差成分が主体となる。従って、従来のガスタービンの再生サイクルは大気へ廃棄する廃ガス熱から熱を回収して燃料消費量を低減することで熱効率を向上させるが、このとき、軸出力は向上しない。
【００４９】
本実施形態は、廃熱から再生する際、軸出力が向上できるものである。この軸出力向上に空気タービンを使用する。空気タービンの発生動力は、温度差成分より、圧力成分が主体となる。従って、圧力成分の圧力比に対して空気の比熱比κを使用して記載の計算式で空気タービン出力を算出する。これにタービン効率としての機械効率を掛けた分が取り出せる仕事となる。本実施形態の特徴は、ガスタービン燃焼用空気圧縮機の入口に本空気タービンの作動空気出口を配置することで圧力差を従来の大気放出に比し、大きくできることである。燃料消費量は変わらないが、軸出力が向上するため、軸出力が同じなら、燃料消費量は低減できる。
【００５０】
可変ガイド・ベーン装置１３３は、図３に示したように、タービン空気入口１３２に設けられて、空気タービン１３１を駆動する作動空気量と、圧縮機１１２に供給される燃焼用空気量の配分をベーン開き角度による角度面積で調整する。ただし、エンジン低回転時は、前方段の空気流量を増やして（軸流速度を高めて）圧縮機１１２のサージング防止を優先する。
【００５１】
空気タービンケーシング１３５の内側は渦巻き状に空気通路が形成される。ガイド筒１１６−３の内側に出力軸１２１が貫通配置されガイド筒１１６−３と出力軸１２１の間に２０と２１が組み付けられる。出力軸１２１の先端側に空気タービン１３１、他端側に高圧段パワータービン１２５、低圧段パワータービン１２６が配置され出力軸受１２２、出力軸受シール１２３を組み付け後、出力軸受固定ナット１２４で固定される。
【００５２】
空気加熱器１３６がパワータービン出口コーン１４０の周上に配置され加熱器ケーシング１３９で覆われる。圧縮空気抽気口１１２−３と加熱器空気入口１３７の間は圧縮機抽気口／加熱器入口間配管１４１で配管され、タービン空気入口１３２と加熱器空気出口１３８との間は加熱器出口／空気タービン入口間配管１４２で配管される。
【００５３】
（電動発電機部１５０）
電動発電機部１５０について、再び図２を参照しながら説明する。電動発電機部１５０は、電動発電機回転子１５１と、電動発電機固定子１５２と、を備えて構成される。電動発電機部１５０は、図２に示したように、圧縮機タービン軸１１４−１の内側に電動発電機回転子１５１、ガイド筒１１６−３の外側に電動発電機固定子１５２が配置され電動発電機部を構成する。
【００５４】
電動発電機回転子１５１は永久磁石が配置され回転し、電動発電機固定子１５２は鉄心に銅線コイルが巻かれ磁気を発生する。磁気を電動発電機固定子１５２で電力化し電動発電機固定子１５２から配線により外部電源制御器及びバッテリと結線される。
【００５５】
以上、タービンエンジン１００の構成について説明した。以下、タービンエンジン１００の再生サイクル動作・機能について、構成要素ごとに、図１を参照しながら説明する。
【００５６】
（ガス生成圧縮機タービン部１１０の動作）
１）圧縮機空気入口１１２−２から大気が吸い込まれ空気圧縮機１１２−１の軸方向に空気が流れて各段で空気が昇圧される。
２）高温高圧の空気が燃焼器本体１１８−１に入り燃焼器本体１１８−１の内側と燃焼器ライナー１１８−２の外側の間に流れる。
３）燃焼器ライナー１１８−２には多数の穴が空けられこの穴を介して空気が燃焼器ライナー１１８−２の容器内に渦を巻いて流入する。
４）燃焼器ライナー１１８−２の頂部付近に燃料弁１１８−６が配置され燃料弁１１８−６から燃料が噴霧される。
５）燃料弁１１８−６は外部の燃料ポンプから圧送された燃料を霧化し燃焼器ライナー１１８−２の内で燃料と空気が混合する。
６）最初は外部の電気火花で混合気に点火し、火炎が生成される。
７）一度点火したらその後は圧力一定下で炎が持続し高温（１６００℃〜２０００℃位）となり、図２に示した燃焼器燃焼ガス出口１１８−４より噴き出し、ガス生成タービン１１６−１の動翼に勢いよく噴き付けて（１０００〜１４００℃位）ガス生成タービン１１６−１を回転させる。
８）ガス生成タービン１１６−１は、図２に示した圧縮機タービン軸１１４−１を介して空気圧縮機１１２−１を駆動し高温高圧空気を生成する。
９）ガス生成タービン１１６−１を通過した高温高圧ガスは、図３に示したパワータービン部１２０へ導かれる。
１０）燃焼器本体１１８−１の内側と燃焼器ライナー１１８−２の外側の間に流れる空気は一部素通し燃焼器ライナー１１８−２を冷却するように流れる。
【００５７】
（燃焼器１１８の動作）
ここで、燃焼器１１８の動作について、図１に加え、さらに図２を参照しながら説明する。
１）燃焼器本体１１８−１の上流部では、旋回案内羽根から空燃比（１４〜１８対１）程度の混合比になるよう、空気流量の２５％程度が燃焼器ライナー１１８−２で囲まれた燃焼領域に取り込まれる。
２）残りの空気流量の７５％程度は、燃焼器本体１１８−１の内部冷却と燃焼ガスの希釈、２５％程度で完全燃焼しなかった燃料の二次燃焼に利用される。
３）燃焼器ライナー１１８−２は、燃焼器本体１１８−１の直前の空気流速（１００〜２００ｍ／ｓ程度）から火炎を保護し、部分的に（１０〜２０ｍ／ｓ程度）に減速された燃焼領域を作り出す。
４）燃焼器ライナー１１８−２と燃焼器ケーシング１１８−５の間及び燃焼器ライナー１１８−２の孔には空気が流れ、燃焼領域に流れる空気量が調節され燃焼器ライナー１１８−２も冷却される。
５）燃料弁１１８−６から燃料ポンプ（図示せず）で加圧された燃料がノズルから噴霧され始動時は電気火花で点火される。
６）点火後は以下のことで火炎は自ら燃焼領域内で維持される。
ａ）旋回渦を形成しながら空気と燃料が混合燃焼することで一次燃焼領域を形成。
ｂ）二次空気が燃焼器ライナー１１８−２の孔から一次燃焼領域の下流側に流入することで二次燃焼領域を形成。
ｃ）流入する二次空気の流れがその上流である一次燃焼領域内に環状渦を作る。
以上のことにより火炎は持続される。
７）二次燃焼領域内では一次空気で燃焼しきれなかった燃料が燃焼され、共に二次空気による希釈が始まる。
８）燃焼器ライナー１１８−２内の後部は混合希釈領域となって、一次と二次の空気が混合されて高温ガスが平均化される。
９）燃焼直後の一次燃焼域温度は２０００℃程になるが、二次空気と混合希釈（６０〜１３０：１）されてガス生成タービン１１６−１の入口直前では１０００〜１４００℃（２０００年以降）程まで低下され、動翼の熱応力破損に対応される。
【００５８】
（パワータービン部１２０の動作）
１）ガス生成タービン１１６−１を通過した燃焼作動ガスは、高圧段パワータービン１２５へ導かれ高圧段パワータービン１２５の動翼にガス流を整流して吹き付ける。
２）高圧段パワータービン１２５の動翼とパワータービンケーシング１２７の静翼は列をなし一つの段を成し、ガス流整流はパワータービンケーシング１２７の静翼で行われる。
３）高圧段パワータービン１２５の動翼は圧縮機から抽気した空気で冷却され高温での耐久性が確保される。
４）高圧段パワータービン１２５を通過した燃焼作動ガスは低圧段パワータービン１２６へ導かれ、低圧段パワータービン１２６の動翼にガス流を整流して吹き付ける。
５）低圧段パワータービン１２６の動翼とパワータービンケーシング１２７の静翼は列をなし一つの段を成し、ガス流整流はパワータービンケーシング１２７の静翼で行われる。
６）低圧段パワータービン１２６の動翼は圧縮機から抽気した空気で冷却され高温での耐久性が確保される。
７）出力軸１２１の軸出力回転特性は低圧段パワータービン１２６の動翼設計値により決まる。
８）高圧段パワータービン１２５と低圧段パワータービン１２６の回転により出力軸１２１の軸端から回転動力が取り出される。
【００５９】
（空気タービン部１３０の作動）
空気タービン部１３０の動作を、図１に加え、さらに図３を参照しながら説明する。
１）圧縮空気抽気口１１２−３から高温高圧空気を抽気する。
２）抽気空気は空気タービン１３１に送り込む前に空気加熱器１３６で排ガスを再生加熱し、抽気時より高温化する。
３）抽気空気は圧縮機抽気口／加熱器入口間配管１４１を介して空気加熱器１３６の加熱器空気入口１３７へ送り込まれる。
４）空気加熱器１３６は燃焼ガス排熱で抽気空気を加熱し、排熱ガスと熱交換を行う。
５）加熱された高温高圧空気が加熱器空気出口１３８から加熱器出口／空気タービン入口間配管１４２を介して空気タービン１３１のタービン空気入口１３２へ送られる。
６）タービン空気入口１３２からの作動空気は、可変ガイド・ベーン装置１３３のノズルで絞られ空気タービン１３１の動翼に吹き付けられ空気タービン１３１を回転させる。
７）空気タービン１３１の回転は、出力軸１２１の回転に加勢され出力軸１２１の軸出力を増大する。
８）タービン駆動の抽気量は、タービン空気入口１３２に配置した可変ガイド・ベーン装置１３３のノズルベーンの開度面積調整で行う。
９）空気タービン１３１の作動空気温度は、抽気時より高くする必要（低いと再生にならない）がある。
１０）軸出力調整などでタービン燃焼温度が低く排ガスから十分な温度上昇が得られない場合は、開度を閉じるよう調整し抽気を止めるよう制御する。
１１）本サイクルの可変ガイド・ベーン装置１３３の開閉制御の要点は以下の通りである。
ａ）再生空気温度が抽気時温度より高くなること。
ｂ）抽気時より低くなる場合は可変ガイド・ベーン装置１３３のベーンを閉じで抽気を止める。
ｃ）空気加熱器１３６の効率を高く且つ流動損失を小さくすること。
１２）可変ガイド・ベーン装置１３３で調節された作動空気はタービン空気入口１３２から空気タービン１３１の回転後軸流に沿ってタービン空気出口１３４から圧縮機ケーシング１１２−５内側を介して圧縮機空気入口１１２−２へ流れる。
１３）作動空気が圧縮機空気入口１１２−２へ流れるとき空気圧縮機１１２−１が空気を吸込むのでタービン空気出口１３４での作動空気は負圧状態になる。
１４）本構造では空気タービン１３１単独でタービン空気出口１３４から大気放出する場合（２気圧位大気より高い）に比しタービン効率が大きく向上するメリットを有する。
【００６０】
以上説明したように、圧縮機１１２の圧縮機空気入口１１２−２と圧縮機空気出口１１２−４の間に配置された圧縮機空気抽気口１１２−３から一部抽気した圧縮空気は、圧縮機抽気口／加熱器入口間配管１４１を介して、空気加熱器１３６で高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６を回して排出された排気ガスで加熱される。空気加熱器１３６で加熱された高温高圧の作動空気は、加熱器出口／空気タービン入口間配管１４２を介して、空気タービン１３１のタービン空気入り口１３２に送られ、空気タービン１３１を駆動する。
【００６１】
（再生サイクルの可変ガイド・ベーン装置１３３の動作）
エンジン負荷が変動し、特に小負荷領域などで排気ガス温度が圧縮抽気温度より、低くなると、熱交換温度が低下し、加熱上昇とは逆に冷却されるようなことがある。このような場合は、可変ガイド・ベーン装置１３３によりガイド・ベーンを閉じ方向に絞り、抽気量を調整する。可変ガイド・ベーン装置１３３のガイド・ベーンは負荷変動に直ぐ対応できるよう完全に閉じず、少し開いて、空気タービン１３１を常に作動状態にする。
【００６２】
（電動発電機部１５０の動作）
電動発電機部１５０の動作を、図１に加え、さらに図２を参照しながら説明する。
１）エンジン始動は外部バッテリ電力で電動発電機回転子１５１を回転させ圧縮機タービン軸１１４−１を稼動させる。
２）エンジン始動後は電動発電機回転子１５１と電動発電機固定子１５２の間で発電し電動発電機固定子１５２から電力を取り出す。
３）生成電力は燃料や潤滑油ポンプ駆動電動機その他へ電力を供給する。
Ｍｏｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅ＝ＭＥＥ化はエンジン構成要素の合理化へ大きく寄与する。
４）エンジン軽量化は下記３つの従来部品の撤去により実施される。
ａ）高圧段軸に設けた動力取出歯車
ｂ）高圧段軸歯車から動力を取出すタワーシャフト
ｃ）補機駆動用アクセサリー・ギヤ・ボックス
【００６３】
（第１の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６を出力軸１２１で空気タービン１３１と連結し、高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６で排出された作動ガスの熱でコアエンジン部１１０から一部抽気した圧縮空気を加熱し、この作動空気で空気タービン１３１を回転して出力軸１２１を加勢する。よって、出力を増大させることの可能なタービンエンジン１００を提供することができる。また、タービンエンジン１００は、広範囲に負荷変動に強く且つ高い熱効率となる。
【００６４】
さらに、空気タービン１３１を設けたことにより、従来のタービンエンジンにおいて、燃焼ガスによるパワータービンを追加したものと同等の出力を得ることができる。また、空気タービン１３１を輻流式にすれば、温度と圧力を有効に動力転換できる。
【００６５】
また、従来のタービンエンジンは、常に負荷変動に対応できる安定した作動を確保するため、低負荷時でも要求出力以上に燃料を使用しており、総じて燃費が悪い要因になっている。これに対して本実施形態では、エネルギーが多量に残った排ガスの熱回収で空気タービン１３１の入口の空気温度を昇温することができる。よって、空気タービン１３１の出力が向上し、エンジンの熱効率が向上する。
【００６６】
また、空気タービン１３１の出口の空気は圧縮機１１２の吸い込み負圧を利用するため、入口と出口の圧力差を大きくすることができる。よって、空気タービン１３１に供給される空気の温度と圧力を有効に動力転換できる。
【００６７】
また、空気タービン１３１を駆動する作動空気量と圧縮機１１２に供給される燃焼用空気量との配分を、可変ガイド・ベーン装置１３３の開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置１３３を備えるようにしたため、可変ガイド・ベーン装置１３３による負荷変動に応じた空気量の制御を行うことができる。このため、空気と燃焼ガスの各タービン駆動源の配分が制御でき、全負荷域に渡り燃費の低減が可能である。また、圧縮機１１２の軸流速度が過小にならないよう抽気量を調整できるので、サージングが発生しない。
【００６８】
また、ガイド筒１１６−３を設けたことによりガイド筒１１６−３と圧縮機１１２の駆動軸間に電動発電機部１５０を設置することができる。よって、従来のタービンエンジンが備えていた補機駆動装置である、圧縮機のコア軸に設けられた動力取出歯車、圧縮機のコア歯車からの動力取り出しタワーシャフト、補機駆動用アクセサリー・ギヤ・ボックスなどを設ける必要ななくなる。このため、タービンエンジン全体を小型化することができる。補機駆動装置の電動化はＭＭＥ（Ｍｏｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｅｎｇｉｎｅ）と呼ばれ、補機駆動装置の配置の自由度が向上する。よって、補機駆動装置の性能向上や配置の合理化でエンジン全容積をより小さくすることが可能となる。
【００６９】
また、高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６で排出された排気ガスの排熱の回収により、空気タービン１３１の入り口温度を昇温することにより、空気タービン１３１の出力を向上させることができる。
【００７０】
（第２の実施形態）
第２の実施形態のタービンエンジン２００について、図４及び図５を参照しながら説明する。図４は、本実施形態に係るタービンエンジン２００の全体構成を説明するための図である。図５は、再燃サイクル構造を説明するための図である。本実施形態のタービンエンジン２００は、再熱サイクル構造であり、第１の実施形態の再生サイクル構成に代えて再燃サイクルを備えた点が第１の実施形態と相違するものであり、その他の構成は第１の実施形態と同様である。以下、第１の実施形態と異なる作動空気加熱部２１０を中心に説明する。実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。本実施形態のタービンエンジン２００は、例えば、軍用ヘリコプタ、民間大型ヘリコプタのローター駆動用主機、陸海空の固定位置配位での動力源などに用いられる。
【００７１】
タービンエンジン２００は、図４に示したように、ガス生成圧縮機タービン部１１０、パワータービン部１２０及び電動発電機部１５０に作動空気加熱部２１０が設けられて構成されている。すなわち、第１の実施形態の再生サイクルを構成する空気タービン部１３０の空気加熱器１３６、加熱器空気入口１３７、加熱器空気出口１３８、加熱器ケーシング１３９、燃焼ガス排気口１４３に代えて、作動空気加熱部２１０からなる再燃サイクル構成を備えている。
【００７２】
作動空気加熱部２１０は、空気タービン１３１の作動空気を加熱するものである。空気タービン１３１は、作動空気加熱部２１０で加熱された圧縮空気で回転し、出力軸１２１を加勢する。作動空気加熱部２１０は、図５に示したように、パイロット・バーナー２１１と、火炎保持器２１２と、再熱燃焼器２１３と、再熱燃焼器ケーシング２１４と、再熱熱交換器２１５と、燃焼ガス排気口２１６と、圧縮空気抽気口２１７とを備えて構成される。
【００７３】
作動空気加熱部２１０は、図５に示したように、圧縮機の圧縮途中からの高圧圧縮空気を圧縮空気抽気口２１７で抽気し、再熱熱交換器２１５において再熱燃焼ガスで熱交換加熱する。作動空気加熱部２１０は、エンジン負荷に応じて可変ガイド・ベーン装置１３３の開度を調整する。エンジン出力が大きいときは、燃料添加の燃焼ガスで作動空気を加熱昇温し、可変ガイド・ベーン装置１３３の開度を小さくする。また、エンジン出力が小さいときは、燃料添加を無しにして、排ガスの熱で作動空気を加熱昇温し、可変ガイド・ベーン装置１３３の開度を大きくする。
【００７４】
作動空気加熱部２１０は、図５に示したように、パイロット・バーナー（作動空気加熱部燃焼器）２１１と、火炎保持器２１２と、再熱燃焼器２１３と、再熱燃焼器ケーシング２１４と、再熱熱交換器２１５と、燃焼ガス排気口２１６と、圧縮空気抽気口２１７と、を備えて構成される。パイロット・バーナー２１１、火炎保持器２１２、再熱燃焼器２１３、再熱燃焼器ケーシング２１４、及び再熱熱交換器２１５は、パワータービン燃焼ガス出口１２８の下流側に配置される。以下、各構成要素について、図５を参照しながら説明する。
【００７５】
パイロット・バーナー２１１は、電気点火で火種を作り、この火種にバーナー燃料弁からの燃料を吹き付けて、バーナー炎を作る。高圧段パワータービン１２５及び低圧段パワータービン１２６から排出された排気ガスは、パイロット・バーナー２１１の入口に供給される。火炎保持器２１２は、燃焼を安定して連続させて、火が消えないようにするものである。再熱燃焼器２１３は、再熱燃焼器ケーシング２１４で覆われ、再熱燃焼器ケーシング２１４内に再熱熱交換器２１５が配置され、作動空気を熱交換加熱して昇温する。
【００７６】
燃焼ガス排気口２１６は、燃焼ガスを大気に放出する。圧縮空気抽気口２１７と再熱熱交換器２１５は圧縮機抽気口／加熱器入口間配管１４１を、また、再熱熱交換器２１５とタービン空気入口１３２は加熱器出口／空気タービン入口間配管１４２を介して作動空気配管が配置される。
【００７７】
以上、作動空気加熱部２１０の構成について説明した、以下、以下、タービンエンジン２００の再燃サイクル動作について、図４を参照しながら説明する。
【００７８】
１）エンジン負荷に応じて可変ガイド・ベーン装置１３３の開度が調整される。
２）圧縮空気抽気口２１７から圧縮機圧縮途中の高圧空気が抽気され、再熱熱交換器２１５で再熱加熱昇温する。
３）エンジン高負荷時：
燃料添加の燃焼ガスで作動空気を加熱後、可変ガイド・ベーン装置１３３の開度を大きくして空気タービン１３１の出力を増大する。エンジン出力が大きくなり、可変ガイド・ベーン装置１３３の開度が小さくなる。可変ガイド・ベーン装置１３３の開度を小さくする理由について説明する。抽気量を抑え、燃焼空気を増やしてパワータービン部１２０の軸出力を増大させる。抽気量を抑えた分、燃料添加燃焼ガスで作動空気が過熱され、空気タービン部１３０の軸出力が増大する。
４）エンジン小負荷時：
燃料添加が無く、排ガス熱で作動空気を加熱後、空気タービン１３１を回す。エンジン出力が小さくなり、可変ガイド・ベーン装置１３３の開度が大きくなる。可変ガイド・ベーン装置１３３の開度を大きくする理由について説明する。前方段空気流量（軸流速度を高めて）を増やして、サージングを防止するためである。
【００７９】
ここで、再熱燃焼室の作動原理について説明する。
１）タービンエンジン２００の燃焼室は１次燃焼領域と２次燃焼領域に分けられる。
２）１次の空燃比は空気：燃料割合で１４〜１８：１、燃焼温度は１６００〜２０００℃とされる。
２次は６０〜１３０：１、燃焼温度７００〜１２００℃。２１世紀では１０００〜１４００℃とされる。
燃焼器出口＝タービン入口温度は高温連続使用でのタービン動翼の耐熱限界値で決まる。
３）燃焼必要空気より多めに空気を吸入し、その一部の空気を使い高温部のガス生成タービン１１６−１、高圧段パワータービン１２５、低圧段パワータービン１２６の動翼と燃焼器本体１１８−１、及び燃焼器ライナー１１８−２を冷却し燃焼ガス排気口１４３の排気口をこれら空気が取り巻くようにして排気される。
４）ガス生成タービン１１６−１、燃焼器本体１１８−１、燃焼器ライナー１１８−２、高圧段パワータービン１２５、及び低圧段パワータービン１２６を通過してきた排気には、吸気時の約７５％の酸素が残る。
５）十分酸素を残した高温排気ガスに再度燃料を投入すると高温燃焼ガスが生成可能となる。
６）再燃焼は、パイロット・バーナー２１１のバーナー炎で火種を形成し、このバーナー炎と排ガスと混合して行う。なお、火が消えないよう火炎保持器２１２で保炎し、連続燃焼させる。パイロット・バーナー２１１は常時点火されてもよい。
【００８０】
（第２の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、作動空気加熱部２１０を備えたことにより、負荷が変動しても、一時的に大きなパワーが必要な都度、短時間に要求パワーに対応できる。また、圧縮後の高圧側に抽気口と、可変ガイド・ベーン装置１３３を備えると、従来と同様の出力機に比し、負荷に応じた燃料投入調整領域が拡大し、全負荷域で燃費の低減が可能である。
【００８１】
また、作動空気加熱部２１０を備えた再熱装置は、大気から圧縮した空気に燃料添加して燃焼させるのではなく、燃焼後の、まだ酸素が残っているガスを利用するので簡素な燃焼器（燃料弁含む）の作動空気加熱部２１０でよい。この作動空気加熱部２１０はジェットエンジンのアフターバーナーに由来するが、従来のバーナーは燃焼ガスを推力のみに使用する。一方、本実施形態では、作動空気加熱部２１０のバーナーは推力発生ではなく、圧縮機１１２からの抽気を強制加熱する。可変ガイド・ベーン装置１３３を設けた場合は、加熱後の高温空気によって可変ガイド・ベーン装置１３３の開閉を調整し、燃焼器１１８の入口空気及び空気タービン１３１の作動空気量を適宜制御し、出力軸１２１の軸出力の増大を図ることができる。
【００８２】
また、作動空気加熱部２１０からの燃焼ガスによって圧縮機１１２で圧縮された空気を加熱し、空気タービン１３１に供給するようにしたため、空気タービン１３１の出力が向上し、出力軸１２１の軸出力を増大することができる。
【００８３】
また、作動空気加熱部２１０で生成された燃焼ガスは、燃焼器１１８の入口に供給されるようにしたため、作動空気加熱部２１０に添加する燃料量は燃焼器１１８の入口温度を昇温するに必要な量だけでよく、経済的である。
【００８４】
（第３の実施形態）
第３の実施形態のタービンエンジン３００について、図６及び図７を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るタービンエンジン３００の全体構成を説明するための図である。図７は、再燃再生サイクル構造を説明するための図である。本実施形態のタービンエンジン３００は、再熱再生サイクル構造であり、第２の実施形態のタービンエンジン２００に、作動媒体加熱部３１０、二相流ノズル部３２０、二相流タービン部３３０、作動媒体凝縮器部３４０、媒体ポンプ部３５０からなる再燃再生サイクルを備えた点が第２の実施形態と相違するものであり、その他の構成は第２の実施形態と同様である。以下、第２の実施形態と異なる点を中心に説明する。実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。本実施形態のタービンエンジン３００は、例えば、高速艇、鉄道車両（発電後モータ駆動含む）、陸海空の固定位置配位での動力源などの動力源などに用いられる。
【００８５】
本実施形態のタービンエンジン３００は、再燃再生サイクル構造であり、図６に示したように、第２の実施形態のタービンエンジン２００に、再燃再生サイクルを構成する作動媒体加熱部３１０、二相流ノズル部３２０、二相流タービン部３３０、作動媒体凝縮器部３４０、媒体ポンプ部３５０を加えて構成される。
【００８６】
まず、タービンエンジン３００の概要を説明する。
１）タービンエンジンはディーゼルに比し熱効率が低い。しかし、排熱温度は高い。
ディーゼル熱効率＝４０％〜５０％程度であり、タービン熱効率＝３０％〜３５％程度である。
ディーゼル排熱温度＝２５０℃〜３００℃程度であり、タービン排熱温度＝５００℃〜６００℃程度である。
２）第２の実施形態のタービンエンジン２００の再熱サイクルは、主燃焼とは別に更に燃料を投入するため排熱エネルギーから熱回収を行い、最終熱効率を向上させることが可能である。
３）タービンエンジン２００の再熱サイクルで使用した燃焼ガスは作動空気を十分加熱後、大気へ放出される。そのため、作動空気昇温加熱に使用後の排熱温度は低い。
４）排熱温度が７０℃〜２５０℃位から動力回収するには、この熱源との熱交換に低沸点の作動媒体を介在させる必要がある。
５）低沸点媒体としては例えば代替フロンであるＲ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａ等の利用が可能である。
６）動力回収方法は低温媒体を加熱後、二相流ノズル部３２０を介して熱エネルギーを運動エネルギーに変換し、二相流タービン３３１（衝動タービン）の羽根に吹き付け、出力軸１２１を加勢することで行う。
７）二相流ノズル３２１の上流での作動媒体は液体で、液体は二相流ノズル３２１を介して二相流に変換される。
８）二相流タービン３３１は蒸気ではなく二相流を二相流タービン３３１の動翼に直接吹き付け回転させ出力軸１２１を加勢後、作動媒体凝縮器部３４０にて凝縮・冷却され、媒体ポンプ部３５０により作動媒体加熱部３１０へ送られることで熱サイクルが形成される。
【００８７】
以上、タービンエンジン３００の概要について説明した。以下、本実施形態の特徴的なタービンエンジン３００の再燃再生サイクル構造の各構成要素の構成について説明する。
【００８８】
（作動媒体加熱部３１０）
作動媒体加熱部３１０は、高圧の媒体を燃焼ガス排熱と熱交換し媒体を加熱するものである。作動媒体加熱部３１０は、図７に示したように、媒体加熱器３１１と、加熱器媒体入口３１２と、加熱器媒体出口３１３と、媒体加熱器ケーシング３１４と、燃焼ガス排気口３１５と、媒体加熱器出口／二相流ノズル入口間配管３１６と、を備えて構成される。媒体加熱器３１１の加熱器媒体入口３１２に二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５より高圧の媒体が圧送され媒体加熱器ケーシング３１４内で燃焼ガス排熱と熱交換し媒体を加熱する。加熱器媒体出口３１３から媒体加熱器出口／二相流ノズル入口間配管３１６を介して二相流ノズル部３２０へ媒体が送られる。
【００８９】
（二相流ノズル部３２０）
二相流ノズル部３２０は、作動媒体加熱部３１０からの媒体から平衡均質二相流を生成するものである。二相流ノズル部３２０は、図７に示したように、二相流ノズル３２１と、ノズル媒体入口３２２と、ノズル媒体出口３２３と、を備えて構成される。媒体加熱器３１１を出た媒体は圧液状態のままで二相流ノズル３２１へ導かれ二相流ノズル３２１内で膨張し二相流ジェットを形成し二相流タービン３３１を駆動する。二相流ノズル３２１は十分な質量流量を確保した上で気液速度差の少ない平衡均質二相流を生成する。二相流ノズル３２１での二相流生成は加圧・加熱した媒体を気化させずに液体のまま管状ノズルで膨張させ一部を気化させて行う。
【００９０】
二相流ノズル３２１の機能は作動媒体が有する熱エネルギーを有効に運動エネルギーに変換することでありそのためには液滴を出来るだけ均一微細化する必要がる。均一微細化は二相流ノズル３２１のノズル媒体入口３２２からノズル媒体出口３２３に向うに従って気相が液相を微小液滴に分割し気相の持つ運動量を液滴に伝達する。ノズル媒体出口３２３では気相と液相の練成により微小液滴を加速することで気相と液相の流速をそろえる。
【００９１】
（二相流タービン部３３０）
二相流タービン部３３０は、二相流タービン３３１と、タービン媒体入口３３２と、タービン媒体出口３３３と、二相流タービンケーシング３３４と、タービンケーシングシール３３５と、二相流ノズル出口／二相流タービン入口間配管３３６と、タービン遮断弁３３７と、タービン調整弁３３８と、を備えて構成される。
【００９２】
二相流ノズル部３２０からの媒体はタービン媒体入口３３２から二相流タービンケーシング３３４内を通ってタービン媒体出口３３３に流れ二相流タービン３３１は回転動力を発生する。二相流タービンケーシング３３４内を通る媒体が漏れないようにタービンケーシングシール３３５が施され、タービン媒体入口３３２の前にタービン遮断弁３３７、タービン調整弁３３８が配置される。パイロット・バーナー２１１の燃料投入の有無、出力軸１２１の出力調整による負荷変動に応じてタービン遮断弁３３７の遮断、タービン調整弁３３８の調節が行われる。
【００９３】
ここで、本実施形態の二相流タービン３３１について簡単に説明する。二相流タービン３３１は、気体と液体の二相流において、二相流を二相流ノズル３２１で絞り、気体と液体に分離し、この内の液体成分で二相流タービン３３１を回す。二相流タービン３３１は、この分離した液体による水車のタービンとなる。二相流タービン３３１は液体を直接タービンの羽に取り込む際、液体を衝動的にタービン羽に取り込む方式の衝動タービンと呼ばれるタービンを用いる。水車を回す力仕事は加圧ポンプで加圧した気液二相流の液体成分で水車タービンを回すが、この段階ではタービン回転力と加圧ポンプ駆動力はバランスし、外部に取り出せる仕事はゼロになる。
【００９４】
こうして構成された本実施形態のシステムで外部に動力を取り出すには、このバランスした状態に、従来は大気へ廃棄しているエンジン排気ガス熱の温度成分を熱交換器で熱回収し、この回収した温度成分で、二相流ノズル３２１で分離した際の液体成分を加速する。この回収熱温度による液体への加速分が外部へ取り出せる仕事となる。大気へ放出している排気ガス温度は低いので、低い排気ガス温度に対応できる低沸点媒体を用いる。本実施形態の気液二相流は低沸点媒体の液体と空気の気体の二相流となり、低沸点媒体の液体が二相流タービン３３１、すなわち低沸点媒体の液体タービンを回す。タービン回転後の液体は、再び熱回収出来るよう作動媒体凝縮器部３４０で気液二相流に戻す。作動媒体凝縮器部３４０の冷却熱源は本体の圧縮器入口空気を用いる。
【００９５】
（作動媒体凝縮器部３４０）
作動媒体凝縮器部３４０は、媒体凝縮器３４１と、凝縮器媒体入口３４２と、凝縮器媒体出口３４３と、媒体タンク３４４と、二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５と、凝縮器出口／媒体タンク入口間配管３４６と、を備えて構成される。
【００９６】
作動媒体凝縮器部３４０冷却源は空気タービン１３１の排出空気及び空気圧縮機１１２−１の吸い込み空気の流れを利用した空冷を特徴する。媒体凝縮器３４１と二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５間は二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５、凝縮器媒体出口３４３は凝縮器出口／媒体タンク入口間配管３４６を介して配管される。
【００９７】
（媒体ポンプ部３５０）
媒体ポンプ部３５０は、媒体ポンプ３５１と、ポンプ媒体入口３５２と、ポンプ媒体出口３５３と、媒体タンク出口／媒体ポンプ入口間配管３５４と、媒体ポンプ出口／媒体加熱器入口間配管３５５と、ポンプ／タービン間軸受３５６と、ポンプ／タービン間軸受シール３５７と、を備えて構成される。
【００９８】
媒体凝縮器３４１で液体となった媒体は二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５を経て媒体ポンプ３５１により作動媒体加熱部３１０に送られる。加熱器媒体出口３１３での液相状態を維持するため、媒体ポンプ３５１には高い揚程が要求される。二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５とポンプ媒体入口３５２間は媒体タンク出口／媒体ポンプ入口間配管３５４、ポンプ媒体出口３５３と加熱器媒体入口３１２間は媒体ポンプ出口／媒体加熱器入口間配管３５５を介して配管される。
【００９９】
以上、タービンエンジン３００の構成について説明した。以下、タービンエンジン３００の作動について、図６及び図７を参照しながら説明する。
【０１００】
（タービンエンジン３００の起動：タービンバイパス運転）
媒体ポンプ３５１が二相流タービン出口／凝縮器入口間配管３４５から媒体を吸い込み媒体加熱器３１１内で媒体の蒸発が起きないよう熱媒体の圧力を保持するよう媒体ポンプ３５１の回転数を監視し、タービン遮断弁３３７を全閉し、タービン調整弁３３８を全開してタービンバイパス運転を行う。
【０１０１】
（二相流タービン部３３０の起動）
例えば媒体温度が９０℃以上を起動条件としタービン遮断弁３３７が全閉しタービン調整弁３３８が全開する。
【０１０２】
（二相流タービン部３３０の運転）
媒体の流量及び圧力の調節はタービン調整弁３３８の開度を調節して行う。
【０１０３】
（二相流タービン部３３０の停止）
タービン調整弁３３８からタービン遮断弁３３７への流量切替が徐々に行われ、タービンバイパス運転モードに移行する。
出力軸１２１の回転（エンジン）停止と同時にタービン遮断弁３３７が閉じる。
【０１０４】
ここで、二相流タービンの衝動タービンの詳細について説明する。
１）二相流タービン３３１の衝動タービンは、タービン翼に吹き付けられた二相流中の液相成分が遠心力によって翼の覆面に層を作って流れる。
２）Ｗｇの流体について、Ｆ＝Ｗ／ｇ＊（Ｃ１＊ｃｏｓα−Ｃ２＊ｃｏｓδ）で羽根を周速Ｕで回転させる。
Ｆは固定角度α（１５〜２０°位）で取付けられ二相流の流速Ｃがタービン羽根に作用する力
３）二相流の液体＝１、気体＝圧縮機空気入口１１２−２の質量流量Ｍ、流速ＶからＣ＝（Ｍ１＊Ｖ１＋Ｍ２＊Ｖ２）／（Ｍ１＋Ｍ２）
ただし、Ｃ２の角度δはδ＝９０−α°
４）二相流タービン３３１は出力軸１２１に直結であるため二相流タービン３３１の周速Ｕは低圧段パワータービン１２６と回転特性が同期できるよう作動流体の流速及び流量をタービン調整弁３３８で調整する。
【０１０５】
タービンエンジン３００の性能指標について説明する。
タービンエンジン３００の性能指標には比出力と熱効率がある。
１）比出力とはエンジンに流入する気体の単位流量当り取り出せる動力を言う。
２）比出力が大きいと同じ動力をより少ない作動流体で発生できるため小型大出力機関になる。
３）比出力を大きくするにはタービン入口燃焼ガス温度と大気温の比を大きくする。
４）作動ガスの高温化はタービン材料の融点で決まるので動翼の空冷化、耐熱コーティングなどにより材料融点を超えた温度で作動できるよう対策される。
５）熱効率とは燃料が持つ熱エネルギーから取り出せる動力の割合を言う。
６）熱効率＝［取り出した動力］／［燃料が持つ熱エネルギー］で算出する。
【０１０６】
（第３の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、作動空気加熱部２１０による再熱燃焼での空気加熱後の排ガスには、まだエネルギーが残っており、大気放出は不経済であるが、この排ガス熱は既に温度成分を吸収して残ったガスであるため、ガス温度が７０〜２５０℃位と低い。本発明は、Ｒ１３４ａ、Ｒ２４５ｆａのような低沸点熱交換媒体を利用して低温排ガス熱加熱媒体を二相流ノズル３２１で液相と気相に分離し、その液相分で液体タービンを回し、タービンエンジンの出力軸１２１を加勢してエンジン出力増大を図ることができる。
【０１０７】
また、二相流タービンの出口媒体は液体・気体混合体であり、一旦は媒体凝縮器３４１で冷却し液化する。媒体凝縮器３４１は、空気タービン１３１の出口と圧縮機１１２の吸込入口との間に配置され、冷却源はこの間を通過する空気であり、冷却ファンが不要にできる。
【０１０８】
（第４の実施形態）
第４の実施形態のタービンエンジン４００は、航空機用推進力発生原動機の特にファンによる推力を発生するターボ・ファンと呼ばれるタービンエンジン（以下、ターボ・ファン＝従来図を図１０に示す）である。本実施形態のタービンエンジンは、コアエンジンからの燃焼ガスで推進用ファンを駆動し、駆動後の排気ガスに再度、燃料を添加して更に設けたファン駆動タービンを回すことを特徴とするファンエンジンである。タービンエンジン４００は、２組の推力発生用ファンで構成され、各組の軸が同軸上を互いに反対方向に回転する。これは、本実施形態により成し遂げられるものであり、二重反転ファンと呼ぶ。従来、航空機用推力発生装置について、２組のプロペラを同軸上でお互いに反対方向に回転させ推進力を得る装置が知られており、これは２重反転プロペラと呼ばれる。二重反転のファン推力発生によるターボ・ファンは、現在（２０１８年）見受けられない。
【０１０９】
ここで、従来のターボ・ファンと呼ばれるターボエンジンについて説明する。
現在（２０１８年）、航空機推進動力装置のジェットエンジンと呼ばれるエンジンは、民間、軍事を問わず、ターボ・ファンが多用されていることは周知の通りである。ファンによる推進量と燃焼ガスによる推進量の比率はバイパス比と呼ばれる。バイパス比率が５〜１０以上は高バイパス比と呼ばれ、中・大型旅客機などで多用される。また、バイパス比が１以下は低バイパス比と呼ばれ、軍用戦闘機などで多用される。最近（２０１８年以降）のターボ・ファンを使用した航空機は、以下のような傾向にある。
【０１１０】
（１）民間用の特にビジネス・ジェット（乗員・乗客１０から１５名）と呼ばれる分野において、飛行航続距離が伸びて（例えば２０００ｋｍ以上）、直接海外移動が可能となり、わざわざ航空会社の国際線に乗り換えて海外へ移動する必要性が無くなって来ている。従って、移動に要する時間が大幅に短縮され、よりビジネスに特化できることになる。
【０１１１】
（２）軍用の特にジェット戦闘機の分野において、近年の情報処理能力の向上により、戦闘機動時の最高速度をマッハ２（以下Ｍ２）以上に上げなくても戦闘に支障が生じなくなって来ており、例えば、戦闘時最高速度はＭ１．６位でも充分戦闘機動が可能となって来ていると言われている。従って、多量に燃料消費する従来アフターバーナーと呼ばれる推力増強装置の必要性が無くなれば、より少ない燃料で戦闘行動半径が拡大されることになる。
また、従来の航空用二重反転プロペラは、変速機に逆転機を内蔵して右回り左回りの各回転軸を同軸上に構成する必要があり、以下のような問題がある。
１）２組のプロペラの回転軸の中心を一致させないと、猛烈な振動が発生する。
２）猛烈な振動を受けることにより、本体耐久性が大きく低下する。変速機のギヤボックスは二重反転機構の無い装置に比し、同じ装置容積で２倍近いギヤ機構を組み込むため、機構的な必然性から航空機用では致命的な重量が増大する。
【０１１２】
バイパス比１以上５以下の上記ニーズに提供できるターボエンジンは新しい分野として期待されるが、図１０に示すような、従来のターボ・ファンと呼ばれるターボエンジンでは燃費の悪さ、同体格での推力不足が課題である。そこで、上記（１）、（２）のような近年のターボファン・エンジン市場ニーズに鑑み、これらのニーズに対応出来る、低燃費で高推力・軽量な二重反転ターボ・ファンのターボエンジンを提供する。
【０１１３】
まず、以下の（１）、（２）に対応可能なファンバイパス比を考える。
（１）直接海外移動が可能な飛行距離は２０００ｋｍから４０００ｋｍ位と設定する。
理由：各国首都間移動に必要な飛行距離を算出した場合を示す。
（２）移動に要する時間の大幅短縮が必要であり運航速度１２００ｋｍ／ｈと設定する。
理由：燃料搭載量は従来と同等以下とし、現行国際線速度８００×１．５倍とした場合。前記（１）４０００ｋｍ、（２）１２００ｋｍ／ｈに対応可能なバイパス比は３〜４位が効果的と考えられる。
【０１１４】
前記概念に対応した低燃費で高推力・軽量な航空ターボ・ファンとして、本実施形態では、二重反転ターボ・ファンのタービンエンジンを提供する。本実施形態のタービンエンジン４００を図８及び図９を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係るタービンエンジン４００の全体構成を説明するための図である。図９は、前段ファン部、後段ファン部、後段ケーシング部、エンジン主ケース、ファンケースを説明するための図である。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【０１１５】
タービンエンジン４００は、二重反転ターボ・ファンの構造を備えている。タービンエンジン４００は、図８に示したように、圧縮機１１２を駆動するガス生成タービン１１６−１と圧縮機１１２を連結する圧縮機タービン軸１１４−１を支持するガイド筒１１６−３と、二重反転機構とをさらに備えて構成される。ガイド筒１１６−３は、圧縮機１１２、燃焼器１１８を備えたコアエンジン部１１０と、二重反転機構とを隔離している。二重反転機構は、前段ファン部４１０、後段ファン部４３０、後部ケーシング部４６０、エンジン主ケース４７０及びファンケース４５０を備えて構成される。二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービン４３８と後段パワータービン４３８が駆動する後段ファン４３１、４３２とを連結する連結軸４３３が中空軸であり、連結軸４３３の内部に後段パワータービン４３８からの作動ガスが供給される前段パワータービン４１９、４２０と前段パワータービン４１９、４２０が駆動する前段ファン４１１とを連結する前段ファン駆動軸（中実軸）４１２が同軸に貫通しており、後段パワータービン４３８と前段パワータービン４１９、４２０の回転方向を相互に逆方向に回転させる。後段ファン部４３０の出口の空気流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出される。アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前段低圧ファン４１１を駆動する前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０で使われ、前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０の出口の排気ガスは下流に行くにしたがって先細りとなった全噴流絞りダクト４６３により推力として取り出される。
【０１１６】
（前段ファン部４１０）
１）前段低圧ファン４１１と前段高圧段パワータービン４１９、前段低圧段パワータービン４２０は前段ファン駆動軸（中実軸）４１２で結合される。前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０は前段ファン駆動軸４１２を介して前段低圧ファン４１１を駆動する。前段ファン駆動軸４１２は、後述する連結軸４３３の内部を同軸に貫通している。
２）前段ファン駆動軸４１２の前段ファン軸受４１４、前段ファン軸受シール４１５が前段ファン軸受固定ケース４１８を介して前段ファン固定座金４１６、前段ファン固定ボルト４１７で固定される。
３）前段低圧ファン４１１先端に前段ファン先端キャップ４１３が取り付けられる。
４）前段高圧段パワータービン４１９、前段低圧段パワータービン４２０は前段パワータービン軸受４２１、前段パワータービン軸受シール４２２が前段パワータービン軸受固定ケース４２４を介して前段パワータービン軸受固定ナット４２３で固定される。
５）前段低圧ファン４１１は前段高圧段パワータービン４１９、前段低圧段パワータービン４２０と前段ファン駆動軸４１２によって連結され、前段高圧段パワータービン４１９、前段低圧段パワータービン４２０により駆動される。前段低圧ファン４１１の回転方向は正回転（例えば右回転）である。
６）前段低圧段パワータービン４２０後端に前段パワータービンテールコーン４２５が取り付けられる。
【０１１７】
（後段ファン部４３０）
１）後段低圧ファン４３１、後段中圧ファン４３２と後段パワータービン４３８は後段ファン駆動軸（連結軸）４３３で結合される。後段パワータービン４３８は後段ファン駆動軸４３３を介して後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２を駆動する。後段ファン駆動軸４３３の内部には、前述の前段ファン駆動軸４１２が同軸に貫通している。
２）後段ファン軸受４３５、後段ファン軸受シール４３６が後段ファン軸受固定ケース４３７を介して後段ファン固定ナット４３４で固定される。
３）後段パワータービン４３８は後段パワータービン軸４３９、後段パワータービン軸受シール４４０が後段ファン軸受固定ケース４３７を介して後段パワータービン軸受固定ナット４４１で固定される。
４）後段低圧ファン４３１、後段中圧ファン４３２は後段パワータービン４３８により駆動され、回転方向は逆回転（例えば左回転）である。
【０１１８】
（ファンケース４５０）
前段ファン部４１０の前段低圧ファン４１１と後段ファン部４３０の後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２をガイドするため、前段低圧ファン４１１、後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２はファンケース４５０で覆われる。
【０１１９】
（後部ケーシング部４６０）
１）後部ケーシング４６１にバイパス流混合ガイド４６２が配置され、前段低圧ファン４１１、後段低圧ファン４３１、後段中圧ファン４３２で発生した風流が排ガスとバイパス流混合ガイド４６２で合流する。
２）後部ケーシング４６１の後方に全噴流絞りダクト４６３が配置され、合流した作動流体は全噴流絞りダクト４６３で絞られ、全推力が生成される。全噴流絞りダクト４６３の絞りで噴流の流速を上げて、推力としてエンジン外部に取り出す。
絞りが大きいと再熱生成の燃焼ガスの圧力でコアエンジンが破損するおそれがある。このため、戦闘機のアフターバーナーでは必ず絞り量を可変化する必要がある。戦闘機のアフターバーナーの燃焼ガスは全量推力として使用するため必ず可変が必需である。
本実施形態では、アフターバーナーは戦闘機と違い燃焼ガスの全量は前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０の駆動に使われる。このため、強力な推力が出せるので、再度燃料を添加しても航空機の到着時間の短縮することができ、費用対効果を高くすることができる。なお、パワータービン駆動後の排気ガスは一部推力として利用可能である。前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０の出口の排気ガス流を推力に変換するには全噴流絞りダクト４６３の絞りで行う。
アフターバーナー非作動のときは、コアエンジンが生成する燃焼ガスによる後段低圧ファン４３１と後段中圧ファン４３２の駆動の後段パワータービン４３８を通過後の排ガスで、前段高圧段パワータービン４１９と前段低圧段パワータービン４２０を駆動して排気ガスとして大気へ放出される。
【０１２０】
（エンジン主ケース４７０）
エンジン先端に配置した前段低圧ファン４１１、後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２で生成した風流はエンジン主ケース４７０の内側とコアエンジン外側の通路を通り、バイパス流混合ガイド４６２で排ガス流と合流し、エンジン推力となり外部へ仕事する。ここで、全エンジン推力の本願の目標バイパス比は３〜４位を見込んでいる。
【０１２１】
以上、本実施形態のタービンエンジン４００の構成について説明した。以下、タービンエンジン４００の動作について図８及び図９を参照しながら説明する。図８に示したように、燃焼器１１８で燃焼されて生成された燃焼ガスは、ガス生成タービン１１６−１を回し、排気される。排気された燃焼ガスは、図９に示したように、後段パワータービン４３８に送られ、後段パワータービン４３８を回す。後段パワータービン４３８の回転は後段ファン駆動軸４３３を介して後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２を駆動させる。
【０１２２】
後段パワータービン４３８を回し、排出された燃焼ガスは、再燃焼器２１３（図５参照）で再度燃料が添加されて再燃焼し、再燃焼ガスが生成される。再燃焼ガスは、前段高圧段パワータービン４１９に送られ、前段高圧段パワータービン４１９を回し、燃焼ガスを排出する。排出された燃焼ガスは、前段低圧段パワータービン４２０に送られ、前段低圧段パワータービン４２０を回し、排気ガスが大気へ放出される。前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０の回転は、前段ファン駆動軸４１２を介して前段ファンを駆動させる。また、前段低圧段パワータービン４２０を回し、放出された排気ガスは、まだエネルギーが残っており、バイパス流混合ガイド４６２で絞られ、ジェットスラストとなり、（航空機の）推力として使用される。
【０１２３】
バイパス流混合ガイド４６２で絞られ、ジェットスラストとなった燃焼ガスは、前段ファン部４１０と後段ファン部４３０で発生するファン風流となり、全噴流絞りダクト４６３で絞られ、空気流推力となる。また、バイパス流混合ガイド４６２で絞られ、ジェットスラストとなった燃焼ガスは、全噴流絞りダクト４６７で合流し、タービンエンジン４００で発生する全ての推力が取り出される。
【０１２４】
以上のように構成される二重反転ターボ・ファンの構造を備えたタービンエンジン４００は、ガス生成圧縮機タービン部１１０と空気タービン部１３０を備えたコアエンジン部が本実施形態独自のガイド筒１１６−３を介して構成される。また、タービンエンジン４００は、後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２とこれら後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２を駆動する後段パワータービン４３８を連結する後段ファン駆動軸４３３を中空軸とし、後段ファン駆動軸４３３の内部に前段低圧ファン４１１と前段低圧ファン４１１を駆動する前段高圧段パワータービン４１９及び前段低圧段パワータービン４２０を連結する中実の前段ファン駆動軸４１２を貫通させ、前段の前段低圧ファン４１１と後段の後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２を同軸に配置し、各組を相互に逆方向に回転させる。
【０１２５】
（第４の実施形態の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、前段の前段低圧ファン４１１と後段の後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２を同軸に配置し、各組を相互に逆方向に回転させることで、以下の利点が得られる。
１）前段低圧ファン４１１、後段低圧ファン４３１及び後段中圧ファン４３２の後流の偏向を正逆回転の組み合わせで相殺するのでエンジン本体にかかるカウンタートルクを相殺できる。
２）１組のファンでは流れのねじれとして損失となるエネルギーが、相殺により無くなることで推力発生効率が向上する。
【０１２６】
また、変速機や二重反転機構を不要することで、エンジン重量を大幅に軽減できる。また、ガイド筒１１６−３によりコアエンジン部と二重反転機構を隔離することと、機械結合によらない二重反転構造との組み合わせで、各回転軸中心一致精度を軽減出来るので、製造コストの大幅低減と高い信頼性確保の両立を実現することができる。
【０１２７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【０１２８】
例えば、上記実施形態では、空気タービンの空気の排出には、圧縮機の吸い込み負圧が利用されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。圧縮機の吸い込み負圧が利用される以外の方法により空気タービンの空気を排出してもよい。
【０１２９】
また、上記実施形態では、空気タービンを駆動する作動空気量と圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、ベーン開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えているようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。可変ガイド・ベーン装置を備える以外の方法により、作動空気量と燃焼用空気量との配分を調整してもよい。
【０１３０】
また、上記実施形態では、圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。電動発電機部は圧縮機タービン軸とガイド筒との間以外の位置に設けてもよい。
【０１３１】
また、上記実施形態では、パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、空気タービンの入り口温度を昇温するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収以外の方法で空気タービンの入り口温度を昇温するようにしてもよい。
【０１３２】
また、上記実施形態では、パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する作動空気加熱部を備え、空気タービンは、作動空気加熱部で生成された燃焼ガスで回転し、出力軸を加勢するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。作動空気加熱部で生成された燃焼ガスで空気タービンを回転する以外の方法で出力軸を加勢するようにしてもよい。
【０１３３】
また、上記実施形態では、作動空気加熱部からの燃焼ガスによって圧縮機で圧縮された空気を加熱し、空気タービンに供給するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。空気タービンに供給する空気は、作動空気加熱部からの燃焼ガスによって圧縮機で圧縮された空気を加熱する以外の方法で加熱してもよい。
【０１３４】
また、上記実施形態では、作動空気加熱部で生成された燃焼ガスは、燃焼器の入口に供給されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。燃焼器の入口に供給される燃焼ガスは、作動空気加熱部で生成される以外の方法で生成されてもよい。
【０１３５】
また、上記実施形態では、出力軸に連結される二相流タービンと、作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、を備え、液相分で二相流タービンを回転させて、出力軸を加勢するようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。二相流タービンを回転させる以外の方法で出力軸を加勢するようにしてもよい。
【０１３６】
また、上記実施形態では、空気タービンの出口と圧縮機の吸い込み口の間に配置され、液相と気相を凝縮する凝縮器を備え、凝縮器は、通過する空気によって冷却されるようにしたが、本発明は必ずしもこの例に限定されない。通過する空気以外の方法で凝縮器を冷却してもよい。
【０１３７】
本発明は以下の発明を含む。
＜発明１＞
圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンにおいて、
前記パワータービンは出力軸で空気タービンと連結されており、
前記空気タービンは、前記パワータービンからの排気によって加熱された圧縮空気によって回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジン。
＜発明２＞
前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する作動空気加熱部を備え、
前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で生成された燃焼ガスにより加熱された圧縮空気によって回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、＜発明１＞のタービンエンジン。
【０１３８】
上記実施形態、応用例、変形例は、任意に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０１３９】
１００、２００、３００、４００  タービンエンジン
１１０  ガス生成圧縮機タービン部（コアエンジン部）
１１２  圧縮機
１１２−１  空気圧縮機
１１２−２  圧縮機空気入口
１１２−３  圧縮空気抽気口
１１２−４  圧縮機空気出口
１１２−５  圧縮機ケーシング
１１４  圧縮機タービン
１１４−１  圧縮機タービン軸
１１４−２  圧縮機タービン軸受
１１４−３  圧縮機タービン軸受シール
１１４−４  圧縮機タービン軸受固定ナット
１１６  タービン
１１６−１  ガス生成タービン
１１６−２  ガス生成タービンケーシング
１１６−３  ガイド筒
１１８  燃焼器
１１８−１  燃焼器本体
１１８−２  燃焼器ライナー
１１８−３  燃焼器空気入口
１１８−４  燃焼器燃焼ガス出口
１１８−５  燃焼器ケーシング
１１８−６  燃料弁
１２０  パワータービン部
１２１  出力軸
１２２  出力軸受
１２３  出力軸受シール
１２４  出力軸受固定ナット
１２５  高圧段パワータービン
１２６  低圧段パワータービン
１２７  パワータービンケーシング
１２８  パワータービン燃焼ガス出口
１３０  空気タービン部
１３１  空気タービン
１３２  タービン空気入口
１３３  可変ガイド・ベーン装置
１３４  タービン空気出口
１３５  空気タービンケーシング
１３６  空気加熱器
１３７  加熱器空気入口
１３８  加熱器空気出口
１３９  加熱器ケーシング
１４０  パワータービン出口コーン
１４１  圧縮機抽気口／加熱器入口間配管
１４２  加熱器出口／空気タービン入口間配管
１４３  燃焼ガス排気口
１５０  電動発電機部
１５１  電動発電機回転子
１５２  電動発電機固定子
２１０  作動空気加熱部
２１１  パイロット・バーナー
２１２  火炎保持器
２１３  再熱燃焼器
２１４  再熱燃焼器ケーシング
２１５  再熱熱交換器
２１６  燃焼ガス排気口
２１７  圧縮空気抽気口
３１０  作動媒体加熱部
３１１  媒体加熱器
３１２  加熱器媒体入口
３１３  加熱器媒体出口
３１４  媒体加熱器ケーシング
３１５  燃焼ガス排気口
３１６  媒体加熱器出口／二相流ノズル入口間配管
３２０  二相流ノズル部
３２１  二相流ノズル
３２２  ノズル媒体入口
３２３  ノズル媒体出口
３３０二相流タービン部
３３１  二相流タービン
３３２  タービン媒体入口
３３３  タービン媒体出口
３３４  二相流タービンケーシング
３３５  タービンケーシングシール
３３６  二相流ノズル出口／二相流タービン入口間配管
３３７  タービン遮断弁
３３８  タービン調整弁
３４０  作動媒体凝縮器部
３４１  媒体凝縮器
３４２  凝縮器媒体入口
３４３  凝縮器媒体出口
３４４  媒体タンク
３４５  二相流タービン出口／凝縮器入口間配管
３４６  凝縮器出口／媒体タンク入口間配管
３５０  媒体ポンプ部
３５１  媒体ポンプ
３５２  ポンプ媒体入口
３５３  ポンプ媒体出口
３５４  媒体タンク出口／媒体ポンプ入口間配管
３５５  媒体ポンプ出口／媒体加熱器入口間配管
３５６  ポンプ／タービン間軸受
３５７  ポンプ／タービン間軸受シール
４１０  前段ファン部
４１１  前段低圧ファン
４１２  前段ファン駆動軸（中実軸）
４１３  前段ファン先端キャップ
４１４  前段ファン軸受
４１５  前段ファン軸受シール
４１６  前段ファン固定座金
４１７  前段ファン固定ボルト
４１８  前段ファン軸受固定ケース
４１９  前段高圧段パワータービン
４２０  前段低圧段パワータービン
４２１  前段パワータービン軸受
４２２  前段パワータービン軸受シール
４２３  前段パワータービン軸受固定ナット
４２４  前段パワータービン軸受固定ケース
４２５  前段パワータービンテールコーン
４３０  後段ファン部
４３１  後段低圧ファン
４３２  後段中圧ファン
４３３  後段ファン駆動軸（連結軸）
４３４  後段ファン固定ナット
４３５  後段ファン軸受
４３６  後段ファン軸受シール
４３７  後段ファン軸受固定ケース
４３８  後段パワータービン
４３９  後段パワータービン軸
４４０  後段パワータービン軸受シール
４４１  後段パワータービン軸受固定ナット
４５０  ファンケース
４６０  後部ケーシング部
４６１  後部ケーシング
４６２  バイパス流混合ガイド
４６３  全噴流絞りダクト
４７０  エンジン主ケース
【図１】
2019183826.tif 000003
【図２】
2019183826.tif 000004
【図３】
2019183826.tif 000005
【図４】
2019183826.tif 000006
【図５】
2019183826.tif 000007
【図６】
2019183826.tif 000008
【図７】
2019183826.tif 000009
【図８】
2019183826.tif 000010
【図９】
2019183826.tif 000011
【図１０】
2019183826.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成31年2月26日(2019.2.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機で圧縮された空気を燃焼器で燃焼して生成した燃焼ガスで、パワータービンを回して排出するタービンエンジンにおいて、
出力を取り出す前記パワータービンは出力軸で空気タービンと連結されており、
前記空気タービンは、前記圧縮機で圧縮される圧縮途中で一部抽気した圧縮空気を前記パワータービンの排気で加熱し、高温高圧となった空気で駆動されて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、タービンエンジン。
【請求項２】
前記空気タービンの空気の排出には、前記圧縮機の吸い込み負圧が利用されることを特徴とする、請求項１に記載のタービンエンジン。
【請求項３】
前記空気タービンを駆動する作動空気量と前記圧縮機に供給される燃焼用空気量との配分を、ベーン開き角度による角度面積で調整する可変ガイド・ベーン装置を備えていることを特徴とする、請求項１又は２に記載のタービンエンジン。
【請求項４】
前記圧縮機を支持する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機を駆動するガス生成タービンを支持するガイド筒との間に電動発電機部が設置されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項５】
前記パワータービンで排出された排気ガスの排熱の回収により、前記空気タービンの入り口温度を昇温することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項６】
前記パワータービンから排出された排気ガスに燃料を添加して燃焼し、燃焼ガスを生成する前記燃焼器と空気タービンの作動空気を加熱する作動空気加熱部を備え、
前記空気タービンは、前記作動空気加熱部で加熱された圧縮空気で回転し、前記出力軸を加勢することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項７】
前記作動空気加熱部からの燃焼ガスによって前記圧縮機で圧縮された空気を加熱し、前記空気タービンに供給することを特徴とする、請求項６に記載のタービンエンジン。
【請求項８】
前記パワータービンから排出された排気ガスは、前記作動空気加熱部が備える再熱燃焼器の入口に供給されることを特徴とする、請求項６又は７に記載のタービンエンジン。
【請求項９】
前記出力軸に連結される二相流タービンと、
前記作動空気加熱部からの燃焼ガスで媒体を加熱し、加熱された媒体を液相と気相に分離する二相流ノズルと、
を備え、
前記液相分で前記二相流タービンを回転させて、前記出力軸を加勢することを特徴とする、請求項６〜８のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項１０】
前記空気タービンの出口と前記圧縮機の吸い込み口の間に配置され、前記液相と前記気相を凝縮する凝縮器を備え、
前記凝縮器は、通過する空気によって冷却されることを特徴とする、請求項９に記載のタービンエンジン。
【請求項１１】
前記圧縮機を駆動するガス生成タービンと前記圧縮機を連結する圧縮機タービン軸と、前記圧縮機タービン軸を支持するガイド筒と、二重反転機構とをさらに備え、
前記ガイド筒は、前記圧縮機、前記燃焼器を備えたコアエンジン部と、前記二重反転機構とを隔離し、
前記二重反転機構は、コアエンジン部で生成された燃焼ガスが供給される後段パワータービンと前記後段パワータービンが駆動する後段ファンとを連結する連結軸が中空軸であり、前記連結軸の内部に前記後段パワータービンからの作動ガスが供給される前段パワータービンと前記前段パワータービンが駆動する前段ファンとを連結する中実軸が同軸に貫通しており、前記後段パワータービンと前段パワータービンの回転方向を相互に逆方向に回転させることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のタービンエンジン。
【請求項１２】
前記後段ファンの出口の空気流は下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることと、
アフターバーナーで生成した燃焼ガスの全量が前記前段ファンを駆動する前記前段パワータービンで使われ、前記前段パワータービンの出口の排気ガスは下流に行くにしたがって先細りとなった絞りダクトにより推力として取り出されることと、を特徴とする、請求項１１に記載のタービンエンジン。