JP2006518822A - 低容積圧縮率の統合されたターボ複合ロータリエンジン - Google Patents

Abstract

複合サイクルエンジン（１０）は、圧縮機およびタービン部分（１４，１８）を含み、かつタービン部分（１８）にエネルギー入力を提供する少なくとも１つのサイクルトッピング装置（１６）を含んでいる。圧縮機部分（１４）は、圧力比ＰＲ_gtにしたがって空気を圧縮する。さらにサイクルトッピング装置（１６）は、容積圧縮比Ｒ_vcにしたがって空気を圧縮し、かつその際、ＰＲ_gt×Ｒ_vcは、本発明の１つの態様によれば、さらにコンパクトなかつ軽い複合サイクルエンジンを提供することを可能にするサイクルを提供するように選択されている。

Description

本発明は、ガスタービンおよびロータリエンジンに関し、特にターボ複合化されたロータリエンジンまたはターボ複合化された内燃機関に関する。

ガスタービンエンジンサイクルのトッピングは、当業技術においてよく知られている。たとえば米国特許第４，８１５，２８２号、米国特許第５，４７１，８３４号、および米国特許第５，６９２，３７２号は、ピストンタイプの内燃機関およびいわゆるバンケル機関のような偏心ロータリエンジンのように、サイクルトッピング装置を含む統合ガスタービンにおける従来の試みを示している。このようなサイクルトッピング装置は、統合されたエンジンに対して大いに改善された燃料効率の見込みがある。上記の特許に開示されたすべての統合されたエンジンは、エンジンの圧縮機部分に侵入する前に空気を冷却するために、中間冷却器を必要とする。このような中間冷却器は、かさばりかつ重い等のものとして知られており、したがって航空機搭載用の適用のためには理想的ではない。

航空機搭載の適用のために決められたガスタービンのために、統合は、サイクル効率における改善を成功するように提供すればよいだけでなく、コンパクトかつ軽量のパッケージを提供しなければならず、望ましくは、規則的な（すなわち複合化されていない）ガスタービンエンジンのものに対して必要な包絡面をあまり変化させないパッケージを提供しなければならない。従来技術の試みは、これらの範囲において成功とはなっておらず、したがって改善した効率だけではなく、いっそう良好な動力密度、信頼性、動作能力等を提供する改善されたコンパクトな装置に対する要求が存在する。

非回転および回転タイプ両方を含めて、種々のタイプのサイクルトッピング装置が知られている。本出願は、特にガスタービンエンジンにサイクルトッピングの利得を提供することに有用なあらゆるタイプの偏心ロータリエンジンに関する。専門家の読者にとって容易に明らかなように、なお利用可能なその他のものがもちろん存在するとはいえ、二、三の例を挙げるとすれば、いくつかの例が、米国特許第５，４７１，８３４号、米国特許第５，５２２，３５６号、米国特許第５，５２４，５８７号および米国特許第５，６９２，３７２号に示されている。

本発明の目的は、従来技術のものよりも航空機搭載用の適用に良好に適合する複合サイクルエンジンを提供することにある。

本発明の一般的な態様は、中間冷却器を必要とすることなくサイクルトッピング装置の上流における予混合燃料を可能にする低い容積圧縮比（＜３．５）に対して設計された統合されたサイクルトッピング装置およびガスタービンエンジン（“統合されたエンジン”）を含んでいる。これは、改善された熱効率および改善された比動力を提供する。

本発明のさらなる一般的な態様によれば、圧縮機およびタービン部分を含み、かつ前記のタービン部分にエネルギー入力を提供する少なくとも１つのロータリエンジンを含み、その際、前記の少なくとも１つのロータリエンジンが、共通の動力出力を提供するために、前記のタービン部分に機械的に連結されている、複合サイクルエンジンが提供される。

本発明の別の一般的な態様によれば、互いに直列流において連通する圧縮機部分、ロータリエンジン部分およびタービン部分を含み、かつエンジンの一次動力出力を提供する一次出力軸を含み、その際、ロータリエンジン部分およびタービン部分が、両方とも一次出力軸に駆動するように接続されている、複合サイクルエンジンが提供される。

本発明の別の一般的な態様によれば、複合サイクルエンジンのための中間冷却しないサイクルを提供する方法であって、エンジンが、直列に接続されたロータリエンジンおよびガスタービンを有しており、この方法は、ａ） ガスタービンの圧縮機部分において空気を圧縮し、ｂ） ロータリエンジンにおける容積圧縮比が３．５より小さくなるように、ロータリエンジンにおいて空気をさらに圧縮し、ｃ） 空気／燃料混合物を取得するために圧縮された空気と燃料を混合し、ｄ） 空気／燃料混合物を燃焼し、ｅ） ロータリエンジン内における膨張を介して燃焼した空気／燃料混合物からエネルギーを抽出し、ｆ） ガスタービンのタービン部分を利用して燃焼した空気／燃料混合物からさらにエネルギーを抽出する、ステップを含む方法を提供する。

本発明の別の一般的な態様によれば、圧縮機およびタービン部分を含み、かつ前記のタービン部分にエネルギー入力を提供する少なくとも１つのサイクルトッピング装置を含み、前記の圧縮機部分が、圧力比（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ）ＰＲ_gtにしたがって空気を圧縮し、前記の少なくとも１つのサイクルトッピング装置が、容積圧縮比（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）Ｒ_vcにしたがって空気をさらに圧縮し、かつその際、ＰＲ_gt×Ｒ_vc ^1.3＜３０である、複合サイクルエンジンが提供される。

本発明のなおさらなる一般的な態様によれば、複合サイクルエンジンのための中間冷却しないサイクルを提供する方法であって、エンジンが、直列に接続されたサイクルトッピング装置およびガスタービンを含んでおり、この方法は、ａ） 圧力比ＰＲ_gtを利用してガスタービンの圧縮機部分において空気を圧縮し、ｂ） 容積圧縮比Ｒ_vcを利用してサイクルトッピング装置において空気をさらに圧縮し、ｃ） 空気／燃料混合物を取得するために圧縮された空気と燃料を混合し、ｄ） 空気／燃料混合物を燃焼し、ｅ） トッピング装置における膨張を介して燃焼した空気／燃料混合物からエネルギーを抽出し、ｆ） ガスタービンのタービン部分を利用して燃焼した空気／燃料混合物からエネルギーをさらに抽出する、ステップを含み、ＰＲ_gtとＲ_vcとの間の関係が、ＰＲ_gt×Ｒ_vc ^1.3＜３０であるように維持されている、方法が提供される。

本発明のなおさらなる一般的な態様によれば、複合サイクルエンジンのためのサイクルを提供する方法であって、エンジンが、直列に接続されたロータリエンジンおよびガスタービンを含んでおり、この方法は、ａ） 燃料／空気混合物の自己点火限界を確定し、ｂ） 自己点火限界に関連する圧力比を確定し、ｃ） ガスタービンの圧縮機部分に対するかつロータリエンジンに対するそれぞれの圧力比を確定し、ｄ） 圧縮機部分およびロータリエンジンに対する圧力比の組み合わせが、ステップｂ）において確定された圧力比より下にある全体的な圧力比（ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ）を提供するように、この組み合わせを選択する、ステップを含む、方法が提供される。

本出願および添付の特許請求の範囲を通して利用される場合、用語“サイクルトッピング装置”は、タービンサイクルに入力を提供するように適合されるあらゆる装置に適用されるものであり、バンケル機関、摺動またはピン止めベーンロータリエンジン（米国特許第５，５２４，５８７号または米国特許第５，５２２，３５６号にそれぞれ開示されたようなもの）のようなロータリサイクルトッピング装置だけに適用されるものでないことは明らかである。また、本出願および添付の特許請求の範囲を通して利用される場合、用語“複合サイクルエンジン”は、共通の出力を提供するために、少なくとも２つの異なったタイプのエンジン（たとえばロータリエンジンおよびガスタービン等）が一緒に統合されたエンジンに言及するものとする。さらに当業技術において利用される場合、かつここにおいて利用される場合、用語“ロータリエンジン”は、ピストンタイプの内燃機関におけるように往復運動するようにではなく、回転方向にガスの圧縮および膨張が起こるエンジンに言及するために利用されている。

本発明の態様を示す添付図面をここで参照する。

統合されたエンジンの実施例は、一軸構想に対して図１〜図３に示されており、ここでは１つ（１）または２つ（２）の閉じた容積の燃焼ロータリエンジンが、ギヤボックスを介して動力タービンに結合することができる。図１は、統合されたエンジンまたは複合サイクルエンジンを示しており、その際、ロータリエンジンは、主エンジン軸線に対して９０度に取り付けられている。図２は、別の可能な構成を示しており、その際、ロータリエンジンは、主エンジン軸線に対して平行に取り付けられている。図３は、主エンジン軸線と一直線上に取り付けられたロータリエンジンを示している。

ここでさらに詳細に図１を参照すると、一軸エンジン１０が開示されており、この一軸エンジンは、ＡＧＢ／ＲＧＢ１２（アクセサリーギヤボックス／減速ギヤボックス）（ａｃｃｅｓｓｏｒｙ ｇｅａｒｂｏｘ／ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｇｅａｒｂｏｘ）、圧縮機１４、２つのロータリ機械またはエンジン１６、および単一軸２０に接続された動力タービン１８を含んでいる。図示したタービンは、他の構成も可能であるとはいえ、ラジアルタービンである。ロータリエンジン１６は、分離したタワー軸２２および２４によって軸２０に接続されている。圧縮機１４は、必然的にこのようにする必要はないとはいえ、望ましくは遠心圧縮機であり、かつ吸気口２６によって供給される。圧縮機１４は、入口スクロール２８を介してロータリエンジン１６に連通しており、かつ他方においてロータリエンジン１６は、出口スクロール３０を介して動力タービン１８に連通しており、それにより専門家の読者によって理解されるように、圧縮機吸気口２６とタービン排気口２７との間に連続したガス通路を提供するようにする。圧縮機１４は、ロータリエンジン１６に対してターボ過給機として作用する。燃料予混合機３２は、それぞれのロータリエンジンの入口スクロール２８に統合されている。

図１に示すように、軸２０は、動力タービン１８およびロータリエンジン１６によって一緒に連結して駆動される。ロータリエンジン出力軸２２および２４は、ベベルギヤ３４によって軸２０に機械的に結合することができる。

それぞれのロータリエンジン１６は、適当な様式によって液体冷却されかつ関連する冷却入口２５および出口２７を有するハウジング２３を含んでいる。冷却液、たとえばオイルは、ロータリエンジンハウジング２３を介して循環している。液体がハウジング２３を通ってまたは介して移動する場合、この液体は、過剰の熱を取り上げる。それから液体は、液体冷却器（図示せず）にポンプによって送られ、ここにおいて液体は、ロータリエンジン１６内に戻るように再循環される前に、冷却される。

図１から容易に明らかなように、利用環境においてガスタービン吸気口２６に侵入する空気は、圧縮機１４によって圧縮され、それから（１つまたは複数の）予混合機３２を通り、ここにおいて燃料が空気に予混合される。それから燃料／空気混合物は、ロータリエンジン１６内に侵入し、さらに容積減少によって圧縮される。圧縮された混合物は、それから既知の技術にしたがって、膨張する前に、ロータリエンジン内において点火され、このような膨張エネルギーは、さらにロータリエンジンを駆動する。ロータリエンジンの排気ガスは、それからタービン排気口２７を介して大気に排気される前に、さらに作業を行なうようにタービンに動力を与えるために、動力タービン１８に導かれる。

ロータリエンジン１６および動力タービン１８によって発生される動力は、ＡＧＢ／ＲＧＢ１２を介して共通の負荷を駆動するために利用される。専門家の読者には明らかなように、かつ図７の実施例に関連して示すように、エンジンがターボプロップ、ターボシャフトまたはＡＰＵ（補助動力ユニット）（Ａｕｘｉｌｉａｒｙ Ｐｏｗｅｒ Ｕｎｉｔ）であるかどうかに依存して、負荷は、プロペラ、ヘリコプタロータ、負荷圧縮機または発電機の形態をとることができる。

図２および図３は、それぞれ一軸エンジンの別の実施例を示しており、その際、類似の部品は、類似の参照符号によって識別される。専門家の読者は、開示された構想を理解するためにこのようなものを必要としないので、これらの部品の重複する説明は、簡単化のためにここでは省略されている。

図２に示された実施例は、ロータリエンジン１６が主エンジン軸線に対して平行に取り付けられている点において、図１に示した実施例とは基本的に相違している。ロータリエンジン１６の出力軸２２および２４は、ＡＧＢ／ＲＧＢ１２を介して動力タービン軸２０に機械的に結合されている。

図３においてはっきりと明らかなように、一軸エンジン１０は、単一のロータリエンジン１６が動力タービン軸２０に一直線上に取り付けられているように構成することもできる。この逆流構成によれば、タービン軸２０は、ロータリエンジン出力軸２０を介してＡＧＢ／ＲＧＢ１２に駆動するように接続されている。ギヤ（図示せず）が、ロータリエンジン出力軸２２に動力タービン軸２０を機械的に接続するために設けられている。

図１〜図３から明らかなように、（１つまたは複数の）ロータリエンジンは、これらの軸の軸線がガスタービン軸の軸線に対して平行にまたは垂直になるように取り付けることができる。

図７は、自由タービンの実施例を示しており、ここにおいてロータリエンジン１６（このロータリエンジンは、１つまたは２つのロータリまたはそれより多くのロータリエンジンであることができるが、ここにおいては便宜上単一のものとして言及する）は、動力タービン１８だけに連結されている。圧縮機１４は、分離した軸１５に取り付けられており、かつ軸１５上に同軸的に取り付けられた圧縮機タービン１７によって独立に駆動される。圧縮機１４および圧縮機タービン１７は、ロータリエンジン１６に対してターボ過給機として作用する。ロータリエンジン１６および動力タービン１８の出力は、共通の負荷（たとえばヘリコプタロータ、プロペラまたは発電機）を駆動するために、ＡＧＢ／ＲＧＢ１２を介して機械的に結合されている。ＡＧＢ／ＲＧＢは、低速のロータリエンジン１６に高速の動力タービン１８を連結することを可能にするために、必要な速度の低下（必要な場合、所望のように）を提供する。動力タービン１８およびロータリエンジン１６は、両方ともＡＧＢ／ＲＧＢ１２に連結された負荷を駆動するために必要な軸馬力を提供するように共同動作する。この自由タービン構成は、低速のロータリエンジンに機械的に直接連結されていないので、高速の他のターボ機械部分（さらにコンパクトかつ効率的）を有する能力を提供する点において有利である。スタータ３９は、複合機械全体を駆動しなければならないのではなく、出力ＲＧＢ（図７参照）に設ければよいので、いっそう小さなスタータ３９も自由タービン構成に利用することができる。

冷却ファン３４は、ロータリエンジンの空気冷却されるロータ３１に冷却空気を提供するために、適当なダクト３６を介して冷却空気を押し出すように、望ましくはロータリエンジン出力軸２２に駆動するように接続されている。このとき、冷却空気は、圧縮機１４と熱いスクロール３０との間のキャビティ３５を冷却するために、ロータから追い出される。機械ハウジング２３は、冷却入口と出口２５および２７の間に延びた適当な液体導管またはハウジングジャケット３７を介して循環する適当な冷却液体によって冷却され、それによりロータリエンジン１６のハウジングから過剰の熱も抽出するようにする。

図１〜図３および図７から明らかなように、開示された実施例は、ガスタービン圧縮機とロータリエンジンとの間に中間冷却器を含んでいない。専門家の読者は、燃料／空気混合物がますます圧縮されると、点火しやすくなることを認識しているので、燃料／空気混合物の過早点火を防止するために、ロータリ機械に入る前に、空気を冷却するために、従来技術は、中間冷却器を必要としていた（たとえば米国特許第４，８１５，２８２号および第５，４７１，８３４号参照）。図１〜図３および図７の実施例は、従来技術においては不可能であったが、ここで説明するように、本発明の別の態様によるサイクルの改善を利用することを介して今では可能である。

図４および図５は、中間冷却しないサイクルの高い効率および比出力を図示している。図４に示した結果は、中間冷却器を持たずかつ３１００°Ｆに設定されたロータリエンジン１６の出口における温度Ｔ₄を有するその容積圧縮比（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ ｒａｔｉｏ）（Ｒ_vc）の２倍の容積膨張圧力比（ｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｒａｔｉｏ）（Ｒｖｅ）を有する定容積燃焼（ＣＶＣ）（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｖｏｌｕｍｅ ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ）ロータリエンジンに対するものであり、ロータリエンジンは、６の圧縮機圧力比（ＰＲ−ＧＴ）を有するガスタービンエンジンとともに利用される。温度−エントロピーの関係は、５つの異なった値の容積圧縮比（Ｒ_vc＝１．２、Ｒ_vc＝１．５、Ｒ_vc＝２．０、Ｒ_vc＝３．０およびＲ_vc＝５）に対して取得された。図４は、それぞれの曲線のピーク値温度における比の値ηｔｈ／ＳＨＰ／Ｗ１（ηｔｈ：熱効率； ＳＨＰ：軸馬力； Ｗ１：圧縮機吸気口における空気流）も示している。

図５における結果も、３１００°Ｆのピーク値温度Ｔ₄を有する定容積燃焼ロータリエンジンに対するものであり、ロータリエンジンは、その容積圧縮比（Ｒ_vc）の２倍の容積膨張圧力比（Ｒｖｅ）を有し、かつその際、圧縮機圧力比（ＰＲ−ＧＴ）および容積圧縮比（Ｒ_vc）は、一定の漏れに対して変化する。軸線“熱効率正味の軸”における用語“正味の軸”は、直接エンジンの出力軸におけるものを意味するものとする。図５は、中間冷却器を利用しない場合に、異なった値の圧縮機圧力比（ＰＲ−ＧＴ＝８； ＰＲ−ＧＴ＝６； およびＰＲ−ＧＴ＝４）に対する３つの（３）曲線を示しており、かつ同じ３つの異なった値の圧縮機圧力比（ＰＲ−ＧＴ＝８； ＰＲ−ＧＴ＝６； およびＰＲ−ＧＴ＝４）に対してであるが、このとき中間冷却器を利用した場合に対して３つ（３）の追加的な曲線を示している。それぞれの曲線上に、５つ異なった値のロータリエンジンの容積圧縮比（Ｒ_vc＝１．２； Ｒ_vc＝１．５； Ｒ_vc＝２； Ｒ_vc＝３； およびＲ_vc＝５）が提供されている。

さらに特定すれば、中間冷却器を利用しないとき、エンジンの全体的な圧力比がほぼ４０である場合に、熱効率が最適であることを、発明者は見出し、かつ図５が明確に表わしている。全体的な圧力比が５０より上に増加した場合、熱効率は低下する。したがって図５によれば、特定の条件下において（すなわち全体的な圧力比が５０より下にあるときに）、中間冷却器は、その重量、寸法およびコストによってそれ以上に差し引きされてしまう熱効率に対するきわめてわずかな利点しか提供しないことは、容易に明らかである。ロータリエンジン１６の容積圧縮比（Ｒ_vc）が増加したとき、所定の点の後に、熱効率が低下し始めることも明らかである。中間冷却器が伴う多くの追加的な重量および寸法を考慮すれば、本発明によれば有利にはＲ_vcは、中間冷却器を必要とすることなく最適な熱効率を提供する３．５より下に維持される。図５は、中間冷却器を持たないかつ６の圧縮機圧縮比（ＰＲ_gt）とともに３のＲ_vcを有する統合されたエンジンの熱効率が、ほとんど中間冷却器を有する統合されたエンジンの熱効率程度に良好であることも明確に示している。しかしながら圧縮機が８のＰＲ_gtを有するように設計されている場合、Ｒ_vcは、中間冷却器を有する統合されたエンジンに等価な熱効率を提供するために、１．２に低下させなければならない。

図６は、２つの異なった値の圧縮機圧力比（ＰＲ−ｇｔ＝６およびＰＲ−ｇｔ＝４）に対する４つの曲線を示しており、グラフ上において自己点火領域内に延びた第１の対の曲線は、中間冷却器を持たないエンジンに対するものであり、かつグラフの下側における２つの残りの曲線は、中間冷却器を有するエンジンに対するものである。それぞれの曲線上において５つの異なった値のロータリエンジンの容積圧縮比（Ｒ_vc＝１．２； Ｒ_vc＝１．５； Ｒ_vc＝２； Ｒ_vc＝３； およびＲ_vc＝５）が提供されている。

図６において明確に明らかなように、本発明によれば、“自己点火領域”と通常領域との間の限界線（図において太い破線によって示す）は、利用された燃料および燃料／空気混合物の特性に基づいて確定することができる。図６によって表わされたように、全体的な圧力比の注意深い選択、およびガスタービンとロータリエンジンとの間の圧力比の注意深い割り当ては、“自己点火のない”サイクルを達成するために利用することができる。中間冷却器を利用しない場合、ロータリエンジンにおける容積圧縮比（Ｒ_vc）は、自己点火領域の外にあるようにするために、６の圧縮機圧力比（ＰＲ_gt）に対してほぼ３より下に、かつ４のＰＲ_gtに対してほぼ３．５より下に維持しなければならない。図６の解析は、圧縮比の低下によって、空気がわずかしか加熱せず、かつこのときさらに自己点火温度から離れることを明確に示しており、それにより中間冷却器に対する必要性がなくなる。

前記のことにより３．５より下にロータリエンジンにおける容積圧縮比を制限することの明確な利点は、高い熱効率が維持されるが、一方燃焼の前における低下した圧力および温度が自己点火を生じることなく多くの航空宇宙用途に対してかつ特に商用のおよびコミューターの航空機に対してあまりにかさばる中間冷却器の必要なしに行なうべきロータリエンジン１６の前における空気と燃料の予混合を可能にすることにあることは明らかである。専門家の読者には明らかなように、これらのサイクルの制限も適用可能であり、かつ火花点火による燃料噴射構造に対して、同様な利点を提供する。

低いロータリエンジンの圧縮容積比、すなわち望ましくは３．５より低いものおよびガスタービン圧力比、すなわち望ましくは６より低いものを有する低い全体的な圧力比、すなわち望ましくは５０より低いものは、低い負荷による設計をするためにいっそう容易な、いっそうわずかな応力のかつシールおよびギャップにおける減少した漏れを有するコンパクトな最適な熱効率のサイクルを提供する。このサイクルは、摩耗を受ける高速度のシールに抗するように、制御された回転するギャップを有するように設計されたロータリ機械にとって特に魅力的である。

ロータリエンジンの圧縮は、その閉じた容積の燃焼の設計の理由によりこのような閉じた容積の燃焼機関において容易に測定可能なので、ロータリエンジンの圧縮は、ここにおいて“容積圧縮比”として表わすが、一方容積比の代わりに圧力がいっそう容易に測定されるガスタービンの連続流設計のために、ガスタービンの圧縮は、“圧力比”として表わされることに注意する。

改善された出力対重量比を有するコンパクトなエンジンパッケージにおける高い熱効率（４０〜４５％）を有する中間冷却されないサイクルを有するための判定基準は、次のように、
ＰＲ_gt×Ｒ_vc ^1.3＜３０、
と定義することができ、その際、ＰＲ_gtは、ロータリエンジンに供給する（１つまたは複数の）圧縮機またはガスタービンエンジン圧縮段の圧力比であり、かつ
Ｒ_vcは、ロータリエンジンの容積圧縮比である。

最適なサイクル効率の典型的な値は：ＰＲｇｔ＝３〜６およびＲｖｃ＝２〜３．５であり、かつ前記の判定基準を満たすために興味ある全体の範囲は、１．２＜ＰＲｇｔ＜９、および１．２＜Ｒｖｃ＜１２である。

前記の条件が満たされる限り、ロータリエンジン１６に侵入する前に、空気を冷却する中間冷却器を用いることなく動作することが可能である。これにより、有利にもきわめてコンパクトな統合されたエンジンパッケージを提供する。さらに５０より下に全体的な圧力比を制限することも、さもなければロータリエンジンの壁の厚さをさらに厚くかつ重くしなければならないという点において、重量の低減に貢献する。

ロータリエンジンとガスタービンエンジンとにおける圧縮比の前記の組み合わせは、燃焼の直前における予混合された空気／燃料混合物の温度が１１００°Ｆより下であることを保証する。前記の“圧力の規則”は、ディーゼルまたはケロシン／ジェットエンジンのタイプの燃料に適用されることに注意する。

前記のことは、例のためだけのものとし、かつ当業者は、開示された本発明の権利範囲から離れることなく、前記の実施例に変更を行うことができることを認識しているであろう。たとえばロータリエンジンが、並列または直列になったいくつかのロータリエンジンに、またはその他のタイプのタービンサイクルトッピング装置に置き換えることができることは明らかである。たとえばレシプロエンジンを利用することができ、かつウエイブエンジンを燃焼器に連結することができる。しかしながらロータリエンジンは、コンパクトなことおよび速度の両立性に関して有利である（ロータリエンジンは、レシプロエンジンに対していっそう高い回転速度の可能性を有する）。その他の例は、トッピング装置の上流において予混合空気／燃料を利用する代わりに、火花点火によって点火するために空気圧縮の後にトッピング装置内に直接燃料を噴射する別の構成も利用することができる点にある。用語“アクセサリーギヤボックス”および“減速ギヤボックス”は、ここではこれらがガスタービン技術のよく知られた用語であるとして利用されているが、専門家の読者は、設けられたギヤボックスがあらゆる適当な変速機システムであってもよく、活用とに依存して減速部を含んでいてもよくまたは含んでいなくともよいことを認識している。１つの圧縮および１つのタービン段が示されているとはいえ、所望の場合、あらゆる適当な数の段を設けることができる。本発明の権利範囲内に属するさらに別の変形は、この開示内容を考察することによって、当業者にとって明らかであり、かつこのような変形は、添付の特許請求の範囲に調和した均等物内に属するものとする。

ロータリサイクルトッピング装置によってターボ複合化されたガスタービンエンジンを含む統合されたエンジンの一軸実施例の略図。 ロータリサイクルトッピング装置によってターボ複合化されたガスタービンエンジンを含む統合されたエンジンの一軸実施例の略図。 ロータリサイクルトッピング装置によってターボ複合化されたガスタービンエンジンを含む統合されたエンジンの一軸実施例の略図。 ターボ複合化されたロータリエンジンサイクルの温度−エントロピー図。 中間冷却器熱効率対ロータリエンジン容積比およびガスタービン圧力比の感度を図示する熱効率−全体的な圧力比図。 自己点火対ロータリエンジン容積比およびガスタービン圧力比に対する感度を図示する燃焼入口温度対燃焼入口圧力図。 統合されたエンジンの自由タービンの実施例の略図。

Claims (41)

1. 圧縮機およびタービン部分を含み、かつ前記のタービン部分にエネルギー入力を提供する少なくとも１つのロータリエンジンを含み、その際、前記の少なくとも１つのロータリエンジンが、共通の動力出力を提供するために、前記のタービン部分に機械的に連結されていることを特徴とする複合サイクルエンジン。
2. ロータリエンジンが、ロータリエンジンの容積圧縮比を３．５より小さく維持するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の複合サイクルエンジン。
3. 前記の少なくとも１つのロータリエンジンが、ガスタービンエンジン減速ギヤボックス（ＲＧＢ）を介して、前記のタービン部分に結合されていることを特徴とする請求項１記載の複合サイクルエンジン。
4. 前記の少なくとも１つのロータリエンジンが、前記の圧縮機部分によってターボ過給されていることを特徴とする請求項２記載の複合サイクルエンジン。
5. 圧縮機部分が、９より小さい圧力比を提供することを特徴とする請求項４記載の複合サイクルエンジン。
6. 複合サイクルエンジンが、５０より小さい全体的な圧力比を提供することを特徴とする請求項４記載の複合サイクルエンジン。
7. 燃料予混合機が、ロータリエンジンの上流に設けられていることを特徴とする請求項１記載の複合サイクルエンジン。
8. 圧縮機部分によって圧縮された空気が、入口スクロールによって前記の少なくとも１つのロータリエンジン内に直接導かれ、この入口スクロールに前記の燃料予混合機が統合されていることを特徴とする請求項７記載の複合サイクルエンジン。
9. 前記のタービン部分が、自由動力タービンを含み、かつ減速ギヤが、共通の負荷を駆動するために、自由動力タービンおよび前記の少なくとも１つのロータリエンジンを一緒に駆動するように接続するために設けられていることを特徴とする請求項１記載の複合サイクルエンジン。
10. 前記の負荷が、ヘリコプタロータ、プロペラおよび発電機から成る群より選択されていることを特徴とする請求項９記載の複合サイクルエンジン。
11. 互いに直列流において連通する圧縮機部分、ロータリエンジン部分およびタービン部分を含み、かつエンジンの一次動力出力を提供する一次出力軸を含み、その際、ロータリエンジン部分およびタービン部分が、両方とも一次出力軸に駆動するように接続されていることを特徴とする複合サイクルエンジン。
12. 前記の一次出力軸が、ヘリコプタロータ、プロペラおよび発電機から成る群より選択された負荷に駆動するように接続されていることを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
13. ロータリエンジン部分が、ガスタービンエンジンギヤボックス（ＲＧＢ）を介してタービン部分に機械的に連結されていることを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
14. 前記のロータリエンジン部分が、少なくとも２つのロータリエンジンを含むことを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
15. 前記のロータリエンジンが、平行、垂直および一直線上のうちの１つの関係においてタービン部分に取り付けられていることを特徴とする請求項１４記載の複合サイクルエンジン。
16. 前記のタービン部分が、減速ギヤボックスを介してロータリエンジン部分に機械的に連結された動力タービンを含む自由タービンを含むことを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
17. ロータリエンジン部分が、ロータリエンジンの容積圧縮比を３．５より小さく維持するように構成されていることを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
18. 圧縮機部分が、９より小さい圧力比を提供することを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
19. 複合サイクルエンジンが、５０より小さい全体的な圧力比を提供することを特徴とする請求項１８記載の複合サイクルエンジン。
20. 燃料予混合機が、ロータリエンジン部分の上流に設けられていることを特徴とする請求項１１記載の複合サイクルエンジン。
21. 圧縮機部分によって圧縮された空気が、入口スクロールによって前記のロータリエンジン部分内に直接導かれ、この入口スクロールに前記の燃料予混合機が統合されていることを特徴とする請求項２０記載の複合サイクルエンジン。
22. 複合サイクルエンジンのための中間冷却しないサイクルを提供する方法であって、エンジンが、直列に接続されたロータリエンジンおよびガスタービンを有しており、この方法は、
    ａ） ガスタービンの圧縮機部分において空気を圧縮し、
    ｂ） ロータリエンジンにおける容積圧縮比が３．５より小さくなるように、ロータリエンジンにおいて空気をさらに圧縮し、
    ｃ） 空気／燃料混合物を取得するために圧縮された空気と燃料を混合し、
    ｄ） 空気／燃料混合物を燃焼し、
    ｅ） ロータリエンジン内における膨張を介して燃焼した空気／燃料混合物からエネルギーを抽出し、
    ｆ） ガスタービンのタービン部分を利用して燃焼した空気／燃料混合物からさらにエネルギーを抽出する、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
23. ステップｃ）が、ステップｂ）より前に行われることを特徴とする請求項２２記載の方法。
24. ステップａ）が、６より小さな圧縮比を利用することを特徴とする請求項２２記載の方法。
25. ステップａ）およびｂ）の組み合わせた圧力比が、５０より小さいことを特徴とする請求項２２記載の方法。
26. 圧縮機およびタービン部分を含み、かつ前記のタービン部分にエネルギー入力を提供する少なくとも１つのサイクルトッピング装置を含み、前記の圧縮機部分が、圧力比ＰＲ_gtにしたがって空気を圧縮し、前記の少なくとも１つのサイクルトッピング装置が、容積圧縮比Ｒ_vcにしたがって空気をさらに圧縮し、かつその際、ＰＲ_gt×Ｒ_vc ^1.3＜３０であることを特徴とする複合サイクルエンジン。
27. Ｒ_vcが１．２と１２との間にあることを特徴とする請求項２６記載の複合サイクルエンジン。
28. Ｒ_vcが２と３．５との間にあることを特徴とする請求項２７記載の複合サイクルエンジン。
29. ＰＲ_gtが１．２と９との間にあることを特徴とする請求項２６記載の複合サイクルエンジン。
30. ＰＲ_gtが３と６との間にあることを特徴とする請求項２９記載の複合サイクルエンジン。
31. 複合サイクルエンジンのための中間冷却しないサイクルを提供する方法であって、エンジンが、直列に接続されたサイクルトッピング装置およびガスタービンを含んでおり、この方法は、
    ａ） 圧力比ＰＲ_gtを利用してガスタービンの圧縮機部分において空気を圧縮し、
    ｂ） 容積圧縮比Ｒ_vcを利用してサイクルトッピング装置において空気をさらに圧縮し、
    ｃ） 空気／燃料混合物を取得するために圧縮された空気と燃料を混合し、
    ｄ） 空気／燃料混合物を燃焼し、
    ｅ） トッピング装置における膨張を介して燃焼した空気／燃料混合物からエネルギーを抽出し、
    ｆ） ガスタービンのタービン部分を利用して燃焼した空気／燃料混合物からエネルギーをさらに抽出する、
    ステップを含み、ＰＲ_gtとＲ_vcとの間の関係が、ＰＲ_gt×Ｒ_vc ^1.3＜３０であるように維持されていることを特徴とする方法。
32. Ｒ_vcが１．２と１２との間にあることを特徴とする請求項３１記載の方法。
33. Ｒ_vcが２と３．５との間にあることを特徴とする請求項３２記載の方法。
34. ＰＲ_gtが１．２と９との間にあることを特徴とする請求項３１記載の方法。
35. ＰＲ_gtが３と６との間にあることを特徴とする請求項３４記載の方法。
36. 複合サイクルエンジンのためのサイクルを提供する方法であって、エンジンが、直列に接続されたロータリエンジンおよびガスタービンを含んでおり、この方法は、
    ａ） 燃料／空気混合物の自己点火限界を確定し、
    ｂ） 自己点火限界に関連する圧力比を確定し、
    ｃ） ガスタービンの圧縮機部分に対するかつロータリエンジンに対するそれぞれの圧力比を確定し、
    ｄ） 圧縮機部分およびロータリエンジンに対する圧力比の組み合わせが、ステップｂ）において確定された圧力比より下にある全体的な圧力比を提供するように、この組み合わせを選択する、
    ステップを含むことを特徴とする方法。
37. 圧縮機部分の圧力比がＰＲ_gtであり、ロータリエンジンの圧力比が容積圧縮比Ｒ_vcの形において測定され、かつＰＲ_gtとＲ_vcとの間の関係が、ＰＲ_gt×Ｒ_vc ^1.3＜３０であるように維持されていることを特徴とする請求項３６記載の方法。
38. Ｒ_vcが１．２と１２との間にあることを特徴とする請求項３７記載の方法。
39. Ｒ_vcが２と３．５との間にあることを特徴とする請求項３８記載の方法。
40. ＰＲ_gtが１．２と９との間にあることを特徴とする請求項３７記載の方法。
41. ＰＲ_gtが３と６との間にあることを特徴とする請求項４０記載の方法。

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