(57)【要約】【課題】制御の容易性を確保しつつ小型化が可能なガスタービンエンジンを実現する。【解決手段】ガスタービンエンジンにおいて、空気吸入口３ａから取り入れられた空気がコンプレッサＨＣで高圧にされて送り込まれる高圧室２７内にアニュラー型燃焼器１０を設け、空気吸入口の開口面積Ｃに対する燃焼器１０の断面積Ａの比が０．３４から０．４１の範囲として、空燃比において空気の過大／過小を防止して、出力を容易に制御可能な状態にすると共に、高圧室の断面積Ｂに対する燃焼器１０の断面積Ａの比が０．３６から０．３９の範囲として、部材の耐高温限度以上の高温になったり低温になって低効率となったりすることを防止する。それらの関係を保持しつつ小径化することにより、全長が短くかつ小径のコンパクトなガスタービンを提供し得る。【選択図】図１
2005226923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気吸入口から取り入れられた空気がコンプレッサで高圧にされて送り込まれる高圧室内にアニュラー型逆流燃焼器を設けたガスタービンエンジンであって、
前記空気吸入口の開口面積に対する前記燃焼器の断面積の比が０．３４から０．４１の範囲にあり、かつ前記高圧室の断面積に対する前記燃焼器の断面積の比が０．３６から０．３９の範囲にあることを特徴とするガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、小型のガスタービンエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガスタービンエンジンにおいて小型化が望まれている。小型化として全長を短くできるものとして、空気吸入口から取り入れられた空気がコンプレッサで高圧にされて送り込まれる高圧室内にアニュラー型逆流燃焼器を設けたガスタービンエンジンがある（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】ＵＳＰ４，５４９，４０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記したようなガスタービンエンジンにあっては、燃焼器の円環状となる部分の側断面形状がＵ字を寝かせた形状になり、その重なり方向がエンジンの径方向となるため大径化になり易いばかりでなく、圧縮空気を導く領域が大きいなど、エンジン全体の小型化を図ることが困難であるという問題がある。
【０００４】
また、ガスタービンエンジンにあっては、吸入空気量を変えるためには構造が複雑な可変静翼などを設ける必要があり、エンジン全体の小型化ためには相応しくない。また、空気吸入量が過小であったり過大であったりすると、燃料噴射量の調整では出力を容易に制御できなくなる。そのため、単純にエンジンを小径化したのでは制御を容易に行うことができなくなるという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
このような課題を解決して、制御の容易性を確保しつつ小型化が可能なガスタービンエンジンを実現するために本発明に於いては、空気吸入口（３ａ）から取り入れられた空気がコンプレッサ（ＨＣ）で高圧にされて送り込まれる高圧室（２７）内にアニュラー型逆流燃焼器（１０）を設けたガスタービンエンジンであって、前記空気吸入口（３ａ）の開口面積（Ｃ）に対する前記燃焼器（１０）の断面積（Ａ）の比が０．３４から０．４１の範囲にあり、かつ前記高圧室（２７）の断面積（Ｂ）に対する前記燃焼器（１０）の断面積（Ａ）の比が０．３６から０．３９の範囲にあるものとした。
【発明の効果】
【０００６】
このように本発明によれば、小型化のために全長を短くし得るアニュラー型逆流燃焼器を設けたガスタービンエンジンにおいて、空気吸入口の開口面積に対する燃焼器の断面積の比が０．３４から０．４１の範囲にあることにより、空燃比において空気が過大になったり過小になったりすることがなく、出力を容易に制御可能な状態にすることができると共に、高圧室の断面積に対する燃焼器の断面積の比が０．３６から０．３９の範囲にあることにより、部材の耐高温限度以上の高温になったり、低温になって低効率となったりすることがない。それらの関係を保持しつつ小径化することにより、エンジン全体をより一層小型化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明が適用されるガスタービンエンジンとしての複軸バイパスジェットエンジンの模式図である。このエンジン１は、互いの間を整流板２で連結されて同軸上に配置されたそれぞれが円筒状をなすアウタケーシング３とインナケーシング４とを有している。また、同心的に組み合わされた中空軸からなり、それぞれが互いに独立した軸受５ｆ・５ｒ・６ｆ・６ｒをもってケーシングの中心部に支持されたアウタシャフト７とインナシャフト８とを有している。
【０００８】
アウタシャフト７には、その前側に高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９が、そして後側にアニュラー型逆流燃焼器１０のノズルＮに隣接配置された高圧タービンＨＴのタービンホイール１１が、それぞれ一体的に結合されている。
【０００９】
インナシャフト８には、その前端にフロントファン１２が、フロントファン１２の後方に低圧軸流コンプレッサＬＣの動翼を構成するコンプレッサホイール１３が、そして後端に燃焼ガスの噴射ダクト１４中に低圧タービンＬＴの動翼を置いたタービンホイール１５が、それぞれ一体的に結合されている。
【００１０】
フロントファン１２の中心には、ノーズコーン１６が設けられ、フロントファン１２の後方には、アウタケーシング３の内周面にその外端を結合させた静翼１７が配置されている。
【００１１】
インナケーシング４の前端部内周には、低圧軸流コンプレッサＬＣの静翼１８が配置されている。そしてその後方には、フロントファン１２が吸入し、かつ低圧軸流コンプレッサＬＣが予圧した空気を高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込むための吸入ダクト１９と、これに連続する高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラケーシング２０とが形成されている。また吸入ダクト１９の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の前端側を支持する軸受５ｆ・６ｆの軸受箱２１が結合されている。
【００１２】
フロントファン１２が吸入した空気は、その一部が上記のように低圧軸流コンプレッサＬＣを経て高圧遠心コンプレッサＨＣへと送り込まれる。そしてその残りの比較的低速かつ大量の空気は、アウタケーシング３とインナケーシング４との間に形成されたバイパスダクト２２から後方へ噴射され、低速域での主たる推力となる。
【００１３】
高圧遠心コンプレッサＨＣの外周部には、ディフューザ２３が結合されており、その直後に設けられた逆流燃焼器１０へ高圧の空気を送り込むようになっている。このディフューザ２３の内側部分が高圧室２７となる。
【００１４】
逆流燃焼器１０では、その後端面に設けられた燃料噴射ノズル２４から噴射された燃料とディフューザ２３から送り込まれた高圧空気とを混合して燃焼させる。そして、側断面形状がＵ字を寝かせた形の逆流燃焼器１０における後方を向くノズルＮから噴射ダクト１４を経て大気中へ噴射する燃焼ガスにより、高速域での主たる推力を得る。
【００１５】
なお、噴射ダクト１４の内周側には、前記したアウタシャフト７並びにインナシャフト８の後端側を支持する軸受５ｒ・６ｒの軸受箱２５が結合されている。
【００１６】
このエンジン１のアウタシャフト７には、図示されていないギア機構を介してスタータモータ２６の出力軸が連結されている。このスタータモータ２６を駆動すると、高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９がアウタシャフト７と共に駆動され、高圧空気が逆流燃焼器１０へ送り込まれる。この高圧空気と燃料とを混合して燃焼させると、その燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンＨＴのタービンホイール１１並びに低圧タービンＬＴのタービンホイール１５が駆動される。この高圧タービンホイール１１の回転力で高圧遠心コンプレッサＨＣのインペラホイール９が、そして低圧タービンホイール１５の回転力でフロントファン１２及び低圧軸流コンプレッサＬＣのコンプレッサホイール１３が、それぞれ駆動される。そして燃焼ガスの噴射圧で高圧タービンホイール１１並びに低圧タービンホイール１５が駆動されると、燃料供給量と吸入空気量との自己フィードバック的釣り合いに応じて定まる状態でエンジン１が回転を継続することとなる。
【００１７】
このように構成されたガスタービンエンジンにあっては、アニュラー型逆流燃焼器を設けており、それにより全長を短くすることができる。さらに、エンジンの小型化を図るためには小径化（特に内蔵物の小径化）することになるが、単純に小径化したのでは燃焼効率などが悪化してしまう。
【００１８】
そのため本発明では、まず、アウタケーシング３の図における左端の空気吸入口３ａの開口面積（範囲Ｃ）に対する逆流燃焼器１０の断面積（範囲Ａ）の比（Ａ／Ｃ）に着目した。なお、開口面積Ｃは、Ｃで示された全範囲を表すものではなく、空気取り入れに有効な部分の総面積であり、断面積Ａは、逆流燃焼器１０における燃料と高圧空気とを混合して燃焼させる部分の円環状からなる部分の面積である。
【００１９】
上記比（Ａ／Ｃ）を横軸に取り、縦軸に燃焼効率を取った場合には図２に示されるようになる。図に示されるように、比（Ａ／Ｃ）の小さい側から燃焼効率が増加し、最大燃焼効率点からは比（Ａ／Ｃ）が大きくなるに連れて燃焼効率が低下する、というような全体として山なりの傾向となる。したがって、燃焼効率の良好な範囲、すなわち燃料噴射量の調整により出力制御（レスポンスや安定性）を容易に行うことができる燃焼効率の下限値Ｅｄより上の範囲（図のＤ）内になる比（Ａ／Ｃ）を選ぶことができる。この範囲Ｄ内に比（Ａ／Ｃ）が入るように対応する部分の設計を行えば良く、図示例の具体的な値としては０．３４（３４％）以上０．４１（４１％）以下である。
【００２０】
上記制御の容易な範囲Ｄの制限は、比（Ａ／Ｃ）が小さい場合には空気が過小となって空燃費が小さくなるため低燃費で回転が上がり難くなることと、比（Ａ／Ｃ）が大きい場合には空気が過大となって空燃費が大きくなるため過回転となる虞があることによる。なお、図示例では上記燃焼効率の曲線と燃焼効率の下限値Ｅｄとの交点で上記範囲Ｄを決めるように示されているが、回転の上がり難さ及び過回転の虞を基準または加味して範囲Ｄを決めても良い。
【００２１】
また、図におけるディフューザ２３の内側部分となる高圧室の断面積（範囲Ｂ）に対する逆流燃焼器１０の断面積（範囲Ａ）の比（Ａ／Ｂ）にも着目した。なお、断面積Ｂは、Ｂで示された全範囲を表すものではなく、高圧室となる部分の総面積である。
【００２２】
上記比（Ａ／Ｂ）を横軸に取り、縦軸に燃焼効率を取った場合には図３に示されるようになる。図に示されるように、比（Ａ／Ｂ）が小さいほど燃焼効率が高く、大きくなるほど燃焼効率が低下する。そのため、上記と同様に燃焼効率の下限値Ｅｄより上の範囲として設定すると、図に示されるように比（Ａ／Ｂ）の上限は０．３９（３９％）となる。これより上では燃焼効率の低下により冷却性は良いが、圧力が上がらず燃焼効率が半減する虞もある。
【００２３】
なお、燃焼効率からだけ見ると下限値は無いように見受けられるが、比（Ａ／Ｂ）が０．３６（３６％）より下の場合には、燃焼効率の増加により高温となるため冷却が困難になる。そのため、燃焼温度が上がり過ぎてしまい、それに耐えられる部材でエンジンを構成することが困難になるため、その領域での運転は実用的ではない。したがって、比（Ａ／Ｂ）が３６％以上３９％以下の範囲にはいるように対応する部分の設計を行うと良い。
【００２４】
このようにして、上記各条件を満足させるように逆流燃焼器１０・高圧室２７・空気吸入口３ａの各寸法を設定し、できるだけ小径となるようにすることにより、全長が短くかつ小径のコンパクトなガスタービンエンジンを提供し得る。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明にかかるガスタービンエンジンは、良好な燃焼効率を確保しつつ小型化が可能な効果を有し、アニュラー型逆流燃焼器を設けたガスタービンエンジン等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明が適用されたガスタービンエンジンの模式的側断面図である。
【図２】空気吸入口と燃焼器との断面積比に対する燃焼効率の変化を示す図である。
【図３】高圧室燃焼器との断面積比に対する燃焼効率の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００２７】
３ａ  空気吸入口
１０  燃焼器
２７  高圧室
ＨＣ  コンプレッサ
Ａ  燃焼器の断面積
Ｂ  高圧室の断面積
Ｃ  空気吸入口の開口面積
【図１】
2005226923.tif 000003
【図２】
2005226923.tif 000004
【図３】
2005226923.tif 000005