JPH11107857A - エアターボラムエンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 チップタービンを効果的に冷却することで、
サイクル性能の向上を図る。 【解決手段】 低温水素供給源から供給される水素ガス
を、熱交換部４を迂回させて冷却ガスＨcとしてチップ
タービン２の内部に導入する導入路１０を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、飛行中に吸入した
空気を酸化剤として燃料（液体水素）を燃焼させること
により推進力を得るエアターボラムエンジンに係わり、
特に、エキスパンダサイクル式のエアターボラムエンジ
ンに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、飛行中に大気中の空気を吸い込む
とともに、これを酸化剤として燃料である液体水素を燃
焼させることによって、高温・高速のガス流を後方に噴
射して推進力を得るエアターボラムエンジン（Air Turb
o Ram Engine：以下、ＡＴＲエンジンとする）が知られ
ている。

【０００３】このＡＴＲエンジンは、酸化剤を大気中か
ら取り込むため、従来のロケットのように液体酸素を装
備して飛行する必要がなく、これによって軽量化された
重量を機体の構造重量に振り向けることによって、航空
機並の安全性と信頼性が達成できるという長所を有して
いる。

【０００４】図４は、液体水素の冷媒としての特性を活
かしつつ、空力加熱を再生エネルギーとして利用するエ
キスパンダーサイクルを採用したＡＴＲエンジンの構造
例を模式的に示した図である。

【０００５】このＡＴＲエンジンは、動翼１の先端にチ
ップタービン２が設けられており、低速飛行時には、該
チップタービン２が配された流路３に、図示しない低温
水素供給源からの低温水素を熱交換部４に供給して加熱
生成した水素ガスを駆動ガスＨdとして導入することに
よって動翼１を駆動するように構成されている。

【０００６】そして、動翼１を駆動した駆動ガスＨd
は、前記流路３の下流に配されるミキサー（図示略）に
より吸入空気Ａと混合させられ、その混合ガスが燃焼室
５で燃焼させられることによって、高温・高速のガス流
が後方に噴射されて推進力が得られる。

【０００７】このような構成のＡＴＲエンジンでは、低
速飛行で空気を吸い込むターボ機械部分にチップタービ
ン構造を採用することにより、前述した安全性および信
頼性を確保しつつ、従来の航空機用ジェットエンジンに
は見られないコンパクトで軽量なエンジンとなってい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、通常のジェ
ットエンジンでは、吸入空気を用いてタービンブレード
の冷却を行い、これにより、入口温度の上昇に対する耐
熱性を向上させているが、上記構成のＡＴＲエンジンで
は、吸入空気Ａを流路３に導入すると、駆動ガスＨdと
反応して燃焼してしまうため、チップタービン２は無冷
却の状態で使用されていた。

【０００９】このため、入口温度を更に高温化させてサ
イクル性能を向上させるには、チップタービン２の耐熱
強度との関係で、一定の限界が生じている。また、チッ
プタービン２の耐熱性を向上させる方法として、チップ
タービン２の材質を高耐熱材に変更することも考えられ
るが、このような材料は開発段階で、まだ実現されてい
ない。

【００１０】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
で、チップタービンを効果的に冷却することで、サイク
ル性能の向上を図ることのできるＡＴＲエンジンの提供
を目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するため、ＡＴＲエンジンに以下の構成を採用した。 (ａ)低温水素供給源から熱交換部を迂回させた水素ガス
を冷却ガスとして、チップタービンの内部に導入してチ
ップタービンを冷却する導入路を設けた。 (ｂ)チップ動翼に、導入路からの冷却ガスを駆動ガスの
流路に向けて放出させることでチップ動翼を冷却する冷
却孔を設けた。 (ｃ)チップ動翼に、導入路を通過した冷却ガスをそのチ
ップ動翼の下流側に設けられたチップ静翼に向けて通過
させる動翼側ガス通路を設けた。 (ｄ)チップ静翼に、動翼側ガス通路を通過した冷却ガス
をそのチップ静翼の下流側に設けられたチップ動翼に向
けて通過させる静翼側ガス通路を設けた。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るＡＴＲエンジ
ンの一実施形態について、図１ないし図３を参照しなが
ら説明する。

【００１３】図１はＡＴＲエンジンの構造を示す模式図
である。このＡＴＲエンジンには、図示しない低温水素
供給源から供給される低温水素の一部について熱交換部
４を迂回させ、冷却ガスＨcとしてチップタービン２に
導入する導入路１０が設けられている。

【００１４】図２はＡＴＲエンジンの断面図である。こ
のＡＴＲエンジンは、円筒状のシュラウド１１と、シュ
ラウド１１の内部にストラット１２により同軸に固定さ
れた円筒状のセンタボディ１３とを備え、このセンタボ
ディ１３の内部には、主軸１４がベアリング１５、１６
により回転可能に支持されている。

【００１５】シュラウド１１には、センタボディ１３と
の間に形成された空間をガス流路１７と吸入空気流路１
８とに画成するとともに、センタボディ１３に向けて延
びる二組の静翼１９を支持する支持部材２０が固定され
ている。

【００１６】シュラウド１１の先端には、低温水素供給
源からの低温水素を熱交換部４に供給し加熱生成した駆
動ガスＨdを、外周側ガス流路１７ｂに導入する受入部
２１が接続されている。受入部２１は、開口端側にフラ
ンジを有する有底円筒状をなしており、その底部には直
径方向に貫通する貫通孔２２が形成されている。

【００１７】貫通孔２２には導入路１０が接続され、熱
交換部４を迂回させた低温水素を冷却ガスＨcとして内
周側ガス流路１７ａに導入するようになっている。

【００１８】主軸１４の先端には、その周面から放射状
に延びる二組の動翼２３が、各静翼１９の上流側にそれ
ぞれ配されるように、主軸１４の軸線方向に間隔をおい
て設けられている。これら動翼２３および静翼１９は圧
縮機を構成している。

【００１９】図３は図２におけるＡＴＲエンジンの要部
断面図である。動翼２３のうち上流側に配された動翼２
３ａの先端には、断面櫛歯状のチップ動翼２４が設けら
れている。このチップ動翼２４には、導入路１０から内
周側ガス流路１７ａに導入された冷却ガスＨcをチップ
動翼２４の前部から流入させ、後部から内周側ガス流路
１７ａに放出させる動翼側ガス通路２５が形成されてい
る。

【００２０】また、チップ動翼２４の先端面が臨むシュ
ラウド１１の内周面には、内側に向けて放射状に延びる
チップ静翼２６が設けられている。このチップ静翼２６
には、チップ動翼２４から放出された冷却ガスＨcをチ
ップ静翼２６の前部から流入させ、後部から内周側ガス
流路１７ａに放出させる静翼側ガス通路２７が形成され
ている。

【００２１】さらに、チップ動翼２４には、内周側ガス
流路１７ａに導入された冷却ガスＨcをチップ動翼２４
の前部から流入させ、チップ動翼２４の上端から外周側
ガス流路１７ｂに向けて放出させることでチップ動翼２
４をフィルム冷却する冷却孔２８が形成されている。

【００２２】このように、チップタービン２は、低温水
素を熱交換部４に供給し、加熱生成した駆動ガスＨdに
より回転駆動されるチップ動翼２４とチップ静翼２６と
によって構成されている。そして、チップ動翼２４を回
転駆動した後の駆動ガスＨdは、ミキサー２９により吸
入空気Ａと混合、燃焼して推力を発生する燃料として用
いられるようになっている。

【００２３】さらに、チップタービン２に設けられた冷
却機構は、低温水素を冷却ガスＨcとして貫通孔２２か
ら内周側駆動ガス流路１７ａに供給し、チップ動翼２４
およびチップ静翼２６に形成された動翼側ガス通路２
５、静翼側ガス通路２７、および冷却孔２８を流通させ
ることによってチップタービン２を冷却するものであ
る。

【００２４】次に、上記構成からなるＡＴＲエンジンの
低速飛行時における作用について説明する。まず、低温
水素供給源から熱交換部４を通過させることにより加熱
生成された水素ガスは、駆動ガスＨdとして受入部２１
を介してチップ動翼２４の上端が配される外周側ガス流
路１７ｂへと導入され、チップ動翼２４を駆動する。

【００２５】同時に、導入路１０に流入して熱交換部４
を迂回した水素ガスは、冷却ガスＨcとして受入部２１
の底部に形成された貫通孔２２を流通し、チップ動翼２
４の下端が配される内周側ガス流路１７ａに導入され
る。

【００２６】内周側ガス流路１７ａに導入された冷却ガ
スＨcは、最も上流側に配されるチップ動翼２４に形成
された冷却孔２８に流入し、チップ動翼２４の上端から
外周側ガス流路１７ｂに向けて放出されてチップ動翼２
４がフィルム冷却される。

【００２７】また、内周側ガス流路１７ａに導入された
冷却ガスＨcの一部は、チップ動翼２４に形成された動
翼側ガス通路２５を流通した後、内周側ガス流路１７ａ
に放出される。

【００２８】動翼側ガス通路２５を通過した冷却ガスＨ
cは、チップ静翼２６に形成された動翼側ガス通路２７
を流通した後、再び内周側ガス流路１７ａに放出され
る。

【００２９】このように、冷却ガスＨcが、順次チップ
動翼２４およびチップ静翼２６に設けられた動翼側ガス
通路２５、静翼側ガス通路２７を流通しながら内周側ガ
ス流路１７ａを上流側から下流側へと流れていくこと
で、チップ動翼２４およびチップ静翼２６が冷却され
る。さらにその過程で、冷却ガスＨcの一部が、冷却孔
２８に流入して外周側ガス流路１７ｂに放出されること
で、チップ動翼２４がフィルム冷却される。

【００３０】上記のように構成されたＡＴＲエンジンに
よれば、燃料である低温水素の一部を利用してチップタ
ービン２を冷却することにより、チップタービン２の耐
熱性を高めて入口温度を更に高温にすることができるた
め、サイクル性能の向上を図ることができる。

【００３１】また、動翼２３の回転によって冷却ガスＨ
cが下流へと噴出されるため、下流での駆動ガスＨdと吸
入空気Ａとの混合が促進される。これにより、燃焼効率
が向上して燃焼器２９の燃焼距離を短くすることがで
き、ＡＴＲエンジンの更なる小型化を図ることもでき
る。

【００３２】さらに、エキスパンダ式のＡＴＲエンジン
では、低温水素を再生加熱するための熱交換器が不可欠
であるが、本実施形態のＡＴＲエンジンでは、低温水素
の一部を冷却ガスＨcとしてチップタービン２の冷却に
用いているため、その際に行われるチップタービン２と
の熱交換により、熱交換機能の一部を代替することがで
きる。

【００３３】なお、本実施形態のＡＴＲエンジンでは、
ガス流路１７の上流側および下流側から、窒素ガスやヘ
リウムガス等のシールガスＧを封入することによって、
ガス流路１７からの駆動ガスＨdおよび冷却ガスＨcの漏
洩を防止して、吸入空気Ａとの混合燃焼を回避してい
る。

【００３４】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、次のような効果を奏することができる。 (ａ)燃料である低温水素の一部を利用してチップタービ
ンを極めて効果的に冷却することができるため、チップ
タービンの耐熱性が飛躍的に高められる。これにより、
入口温度を更に高温にすることができ、サイクル性能の
向上を図ることができる。

【００３５】(ｂ)また、チップタービンの回転によって
冷却ガスが下流へと噴出されるので、下流での駆動ガス
と吸入空気との混合が促進される。これにより、燃焼効
率が向上して燃焼距離を短くすることができるので、エ
ンジン本体を小型化することができる。

【００３６】(ｃ)さらに、低温水素の一部を冷却ガスと
してチップタービンの冷却に用いているため、その際に
行われる冷却ガスとチップタービンとの熱交換により、
熱交換機能を一部代替することができ、低温水素を再生
加熱するための熱交換器等を小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るＡＴＲエンジンの構造の一例を
示す模式図である。

【図２】 本発明に係るＡＴＲエンジンの構造を具体的
に示す断面図である。

【図３】 図２におけるＡＴＲエンジンの要部拡大断面
図である。

【図４】 従来のＡＴＲエンジンの構造の一例を示す模
式図である。

【符号の説明】

２ チップタービン ４ 熱交換部 １０ 導入路 １７ ガス流路 ２２ 貫通孔 ２３ 動翼 ２４ チップ動翼 ２５ 動翼側ガス通路 ２６ チップ静翼 ２７ 動翼側ガス通路 ２８ 冷却孔 Ｈc 冷却ガス Ｈd 駆動ガス

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 動翼の先端に設けられたチップ動翼によ
   って構成されるチップタービン内に、低温水素供給源か
   ら熱交換部を通過させて加熱生成した水素ガスを駆動ガ
   スとして導入することにより前記動翼を駆動するエアタ
   ーボラムエンジンにおいて、 前記熱交換部を迂回させた水素ガスを冷却ガスとして前
   記チップタービンの内部に導入する導入路を設けたこと
   を特徴とするエアターボラムエンジン。
2. 【請求項２】 前記チップ動翼に、前記導入路からの冷
   却ガスを、前記駆動ガスの流路に向けて放出させること
   でチップ動翼を冷却する冷却孔を設けたことを特徴とす
   る請求項１に記載のエアターボラムエンジン。
3. 【請求項３】 前記チップ動翼に、前記導入路からの冷
   却ガスを、該チップ動翼の下流側に設けられたチップ静
   翼に向けて通過させる動翼側ガス通路を設けたことを特
   徴とする請求項１または２に記載のエアターボラムエン
   ジン。
4. 【請求項４】 前記チップ静翼に、前記動翼側ガス通路
   を通過した冷却ガスを、該チップ静翼の下流側に設けら
   れたチップ動翼に向けて通過させる静翼側ガス通路を設
   けたことを特徴とする請求項３に記載のエアターボラム
   エンジン。