(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音速輸送機用推進エンジンである低バイパス比ターボファンに於いて、高圧タービン（ＨＰＴ）出口とコア排気ダクト（Ｄ）を結ぶ抽気流路（Ｐ）を設け、前記抽気流路（Ｐ）の入口に抽気弁（Ｖ）を設けて、超音速巡航時に於いては、前記抽気弁（Ｖ）を開き高圧タービン（ＨＰＴ）出口から作動ガスの一部を抽気して、低圧タービン（ＬＰＴ）をバイパスし抽気ガスを後方排気に導入することによって、低圧タービン（ＬＰＴ）より高圧タービン（ＨＰＴ）の作動ガス流量を多くし、低速飛行時には、前記抽気弁（Ｖ）を閉じ前記抽気流路（Ｐ）を閉鎖して、高低両圧タービンの作動ガス流量を同一にすることを特徴とするダブルバイパス・エンジン。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
現在、商用運行している唯一の超音速旅客機であるコンコルドの実績と教訓から、次世代超音速輸送機用推進エンジンは、低燃費、低ＮＯｘ化、及び離陸時の低騒音化の三つの課題の改善が要請されている。本発明は、超音速輸送機用推進エンジンである低バイパス比ターボファンの低燃費化、並びに低ＮＯｘ化の技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
離陸時の低騒音化のためには、排気ジェット速度の低減が不可欠であり、一方超音速飛行時に高比推力を得るためには高排気ジェット速度が要求される。一つのエンジンで相異なる要求を満たすエンジンシステムとして、現在可変サイクルエンジンが有力視されている。
【０００３】
可変サイクルエンジンは、低圧タービンノズルを可変化し、これを開閉することにより低圧系と高圧系の仕事配分を変える低バイパス比ターボファンエンジンである。超音速飛行時には低圧タービン可変ノズルを開くことによって、高圧系への仕事配分を増やし低圧系への仕事配分を減らして、バイパス比を減少し比推力を増す。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従って従来の可変サイクルエンジンは、超音速飛行時に比推力を増すためには必然的に低圧系の仕事が減少し、エンジン空気流量が減少するという問題点があった。比推力を増すために、空気流量を減少しなければならないということは、推力を増加するためタービン入口温度（以下、ＴＩＴと略す）を高めなければならず、サイクル圧力比の増加を伴わないＴＩＴの上昇は燃料消費率（ｓｆｃ）の悪化をもたらし、また低ＮＯｘ化を困難にするという問題を生じた。
【０００５】
本発明は、超音速巡航時に低圧系の仕事を減少させることなく高圧系の仕事を増加することを目的とし、超音速巡航時に、推力を一定に保ち、ファン空気流量一定のままバイパス比を下げてｓｆｃを改善し、然もＴＩＴを降下させてＮＯｘ排出量を低減することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明ダブルバイパス・エンジンは、低バイパス比ターボファンの高圧タービン（以下、ＨＰＴと略す）出口から作動ガスの一部を抽気し、低圧タービン（以下、ＬＰＴと略す）をバイパスして、抽気を後方排気に導くものである。
【０００７】
図１に本発明ダブルバイパス・エンジンの概念図を示す。図に於いてＦＡＮはファン、ＨＰＣは圧縮機、ＣＯＭＢは燃焼器、ＨＰＴは高圧タービン、ＬＰＴは低圧タービン、Ｄはコア排気ダクト、Ｐは抽気流路、Ｖは抽気弁であって、数字はエンジンの位置番号である。本発明ダブルバイパス・エンジンは、高圧タービンＨＰＴの出口とコア排気ダクトＤを結び、Ｄ内に開口する抽気流路Ｐを設け、抽気流路Ｐの入口に抽気弁Ｖを設けた低バイパス比ターボファンである。
【０００８】
本発明ダブルバイパス・エンジンは、超音速巡航時に抽気弁Ｖを開いてＨＰＴ出口から抽気を行い、ＬＰＴをバイパスすることによって、ＨＰＴ作動ガス流量をＬＰＴ作動ガス流量より多くする。低速飛行時には抽気弁Ｖを閉じて抽気流路Ｐを閉鎖し、高低両圧タービンの流量を同一にする概念である。
【０００９】
【作用】
本発明ダブルバイパス・エンジンは、ＨＰＴ出口から作動ガスの一部を抽気しＬＰＴをバイパスして、抽気ガスを後方排気に導入することにより；
１）低圧系の仕事を減少させることなく、高圧系の仕事を増加させることが出来る；従って
２）ファン流量を減少させることなく、圧縮機回転数を高め圧縮機流量を増加することによって、バイパス比を減少させることが出来る；
よって推力一定で抽気率を増すと
３）平均ジェット速度一定で、機関発生動力を減少させることが出来る；
４）エンジン流量一定で、ガス発生器流量を増加し、ＴＩＴを低下させることが出来る；
というサイクル特性が得られる。これ等を超音速輸送機用推進エンジンに利用すると
５）超音速巡航時にｓｆｃを従来より低減する運転；
６）ＮＯｘ排出量を従来より減少させる運転；
が可能になる。
【００１０】
但し、上に示したダブルバイパス・エンジンのサイクル特性は、抽気を行うことでそのまま得られるものではない。圧縮機はそれ自体で自動的に回転数を上げ圧力比を増すことは出来ない。従って超音速飛行時に、先ず抽気弁Ｖを僅かに開き、一時的にＴＩＴを定格温度より高め圧縮機の回転数を上げる。ＴＩＴを高め高圧系の仕事を増すと推力が増加するが、抽気弁Ｖの開度を増しＴＩＴを低下させて推力を元に戻すと、圧縮機とＨＰＴは新しい物理平衡点に達し、ＬＰＴよりＨＰＴの作動ガス流量が多い上記のサイクル特性を得ることが出来る。尚、一時的にＴＩＴを高め圧縮機回転数を上げる時も、低圧系の仕事を一定に保つためには少量の抽気を行わなければ連続の条件を満たすことは出来ない。
【００１１】
ファン回転数を一定に保ち圧縮機回転数を増すと、バイパス流量が減少し圧縮機流量が増す。つまりバイパス比が減少する。従って圧縮機流量（ＨＰＴ作動ガス流量）の一部を抽気してもＬＰＴ作動ガス流量は減少せず、ＬＰＴ入口での流れのエネルギ値を一定にすることが出来る。よってファン圧力比は維持され、エンジン流量一定で圧縮機流量を増すことが出来る。
【００１２】
本発明ダブルバイパス・エンジンは、推力一定、エンジン流量一定で圧縮機流量を増すのであるから、平均ジェット速度は一定であり、比推力及び推進効率に変化はない。ファン圧力比、流量、推力ともに一定でバイパス比を減少すると、高速の主ジェット排気速度が減少するため、機関発生動力が小さくなる。機関発生動力の減少は省エネルギとなり、ｓｆｃを改善することができる。
【００１３】
本発明ダブルバイパス・エンジンは、抽気を行うことによりサイクル圧力比を高めることが出来るが、高い圧力比にも関わらずＴＩＴが降下する。その理由はエンジン流量一定、推力一定でガス発生器流量を増加することが出来るからであり、燃焼器に流入する空気の単位流量当たりの受熱量が減少するからである。
【００１４】
次に本発明ダブルバイパス・エンジンのサイクル特性を定量的に論証するために行ったサイクル計算の計算条件を示す。
１）推力一定とする
２）ファンの回転数（圧力比）を一定とする
３）超音速巡航時の計算とする
【００１５】
次にサイクル計算に用いた設定値を以下に示す。
１）設計点（抽気率Ｑ＝０）
飛行マッハ数Ｍ０＝２．５、飛行高度：１８ｋｍ、大気温度ｔ０＝２１６．７Ｋ、大気圧ｐ０＝０．０７６５ｋｇｆ／ｃｍ２、タービン入口温度Ｔ５＝１７７３Ｋ、ファン圧力比πＦ＝２、圧縮機圧力比πＨＣ＝３、バイパス比μ＝１。
【００１６】
２）一定に仮定した設定値
ファン、及び圧縮機の断熱効率ηＦ＝ηＣ＝０．８５、タービンの断熱効率ηＴ＝０．９、またジェットノズル及びバイパスノズルでは理想膨張するものとし、推力効率ηＮ＝０．９８とした。即ち主ジェットのノズル及びバイパスノズルはＣＯＮＶＥＲＧＥＮＴ−ＤＩＶＥＲＧＥＮＴノズルと仮定した。
【００１７】
また抽気ガスは単独で膨張するものと仮定し、計算の上ではコア排気との混合は行わぬものとした。つまり主ジェット排気速度Ｖｊ、バイパス排気速度Ｖｆ、抽気ガス排気速度Ｖｂはそれぞれ別個に求めた。
【００１８】
次に図２〜図８に計算結果を示し、本発明ダブルバイパス・エンジンの特徴を定量的に論証する。図２は、圧縮機圧力比πＨＣと抽気率Ｑの関係を示した図である。図示するように推力一定でπＨＣを高めるためには、抽気率Ｑを増さねばならない。図に於いてファン圧力比はπＦ＝２一定である。
【００１９】
図３にバイパス比μと抽気率Ｑの関係を示す。推力一定で抽気率Ｑを増すことによって圧縮機圧力比πＨＣを増加させると、ファン圧力比πＦは一定であるからバイパス比μは大きく減少する。
【００２０】
図４にエンジン流量Ｇ２、ガス発生器流量Ｇ４、ＬＰＴ作動ガス流量Ｇ６、それぞれの変化を重量流量比で表し、抽気率Ｑとの関係を示す。図から推力一定で抽気率Ｑを増してもエンジン流量Ｇ２は一定であり、ガス発生器流量Ｇ４が大きく増加する。つまりファンのバイパス流量が減少する。またＬＰＴ作動ガス流量Ｇ６は前述のように減少せず、僅かに増す。
【００２１】
図５にＴＩＴと抽気率Ｑの関係を示す。図４から推力一定で抽気率Ｑを増すとガス発生器流量Ｇ４が増加するためＴＩＴが降下する。図５の計算例では抽気率Ｑ＝０．３の時ＴＩＴは１７７３Ｋ（Ｑ＝０）から１５６７．４Ｋまで低下する。抽気率をどの程度大きく出来るかは、一時的にＴＩＴを高め圧縮機圧力比πＨＣを増加させる時の材料の許容温度に依存する。
【００２２】
次に主ジェット排気速度Ｖｊ、バイパス排気速度Ｖｆ、抽気ガス排気速度Ｖｂ、平均ジェット速度Ｖｅ、それぞれの変化と抽気率Ｑの関係を図６に示す。図から抽気率Ｑを増してもバイパス排気速度Ｖｆ及び平均ジェット速度Ｖｅは一定であるが、主ジェット排気速度Ｖｊ及び抽気ガス排気速度Ｖｂは抽気率Ｑを増すと減少することが分かる。
【００２３】
機関発生動力Ｗｏと抽気率Ｑの関係を図７に示す。図６からＱが増すと平均ジェット速度Ｖｅは一定であるが、流量が増える主ジェットの排気速度Ｖｊ及び抽気ガスの排気速度Ｖｂが減少するため、流出運動エネルギと流入運動エネルギの差である機関発生動力Ｗｏは減少することになる。よって図８に示すように抽気率Ｑを増すと、ｓｆｃを低減できることが分かる。
【００２４】
【効果】
以上から、本発明ダブルバイパス・エンジンは、ＨＰＴ出口より抽気を行い、ＬＰＴをバイパスして、抽気ガスを後方排気に導入することにより
１）推力一定で、機関発生動力Ｗｏを減少させることが出来るため、超音速巡航時のｓｆｃを改善することが出来る。
【００２５】
２）エンジン流量一定でガス発生器流量を増加することが出来るため、ＴＩＴが低下する。よって超音速巡航時に於けるＮＯｘ排出量を低減できる。
【００２６】
本発明ダブルバイパス・エンジンは、以上の効果を有し、超音速輸送機用推進エンジンに対する社会的、経済的要請を満たし得るエンジンである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明ダブルバイパス・エンジンの概念図。
【図２】圧縮機圧力比πＨＣと抽気率Ｑの関係を示す図。
【図３】バイパス比μと抽気率Ｑの関係を示す図。
【図４】エンジン流量Ｇ２、ガス発生器流量Ｇ４、ＬＰＴ作動ガス流量Ｇ６、それぞれの変化と抽気率Ｑの関係を示す図。
【図５】ＴＩＴと抽気率Ｑの関係を示す図。
【図６】主ジェット排気速度Ｖｊ、バイパス排気速度Ｖｆ、抽気ガス排気速度Ｖｂ、平均ジェット速度Ｖｅと抽気率Ｑの関係を示す図。
【図７】機関発生動力Ｗｏと抽気率Ｑの関係を示す図。
【図８】ｓｆｃと抽気率Ｑの関係を示す図。
【符号の説明】
ＦＡＮ  ファン                      ＨＰＣ  圧縮機
ＣＯＭＢ  燃焼器                    ＨＰＴ  高圧タービン
ＬＰＴ  低圧タービン                Ｄ  コア排気ダクト
Ｐ  抽気流路                        Ｖ  抽気弁
０  大気                            １  ディフューザ入口
２  ファン入口                      ３  圧縮機入口
４  燃焼器入口                      ５  高圧タービン入口
６  低圧タービン入口                ７  低圧タービン出口
８  抽気ガス出口                    ９  主ジェットノズル出口
１０  バイパスダクト入口            １１  バイパスノズル出口
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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