特許 7036447 ガスタービンエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-07

(45)【発行日】2022-03-15

(54)【発明の名称】ガスタービンエンジン

(51)【国際特許分類】

   F23R 3/58 20060101AFI20220308BHJP

   F02C 3/05 20060101ALI20220308BHJP

【ＦＩ】

F23R3/58

F02C3/05

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019542811

(86)(22)【出願日】2017-10-24

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2019-12-19

(86)【国際出願番号】 GB2017053202

(87)【国際公開番号】W WO2018078350

(87)【国際公開日】2018-05-03

【審査請求日】2020-02-25

(31)【優先権主張番号】1618016.8

(32)【優先日】2016-10-25

(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB

(73)【特許権者】

【識別番号】519148817

【氏名又は名称】ジアン，カイル

(74)【代理人】

【識別番号】100091443

【弁理士】

【氏名又は名称】西浦 ▲嗣▼晴

(74)【代理人】

【識別番号】100130720

【弁理士】

【氏名又は名称】▲高▼見 良貴

(74)【代理人】

【識別番号】100130432

【弁理士】

【氏名又は名称】出山 匡

(72)【発明者】

【氏名】ジアン，カイル

【審査官】小岩 智明

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第３０１０２８１（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第２５６７０７９（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第２７９２１９７（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第３２３８７１８（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第３６２６６９４（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許第６１５５７８０（ＵＳ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１２４５６９（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２１６５０６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／００２０５００（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５０－１１３６１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平０３－５０５２４７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２４６９０３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１３３０２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１３４９９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２００２／０３９０４５（ＷＯ，Ａ２）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２３Ｒ ３／００－ ３／６０

Ｆ０２Ｃ ３／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

軸線を中心に回転可能なタービンシャフトと、前記軸線を中心に回転するように前記シャフトに取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、前記圧縮機と前記タービンとの間の空気／ガス流路の中の複数の燃焼室を含み；
前記複数の燃焼室は前記タービンシャフトの前記軸線を中心に周方向に間隔を置いて配置されており、前記各燃焼室は空気／ガス流が前記各燃焼室を通り抜ける方向に細長く、前記各燃焼室の長手方向軸線が前記タービンシャフトの前記軸線に対して概ね横方向にスキューされているガスタービンエンジンであって、
前記ガスタービンエンジンは、前記圧縮機の外径周りに周方向に配置されたディフューザを有しており、前記ディフューザは空気を径方向外側に導くように構成されており、
前記ガスタービンエンジンは、前記遠心圧縮機と前記燃焼室との間の流路の中に周方向に延びる空気流バッファチャネルを有しており、前記空気流バッファチャネルは前記複数の燃焼室に流体的に接続されており、
前記空気流バッファチャネルは複数のセクタに分割されて、各セクタは前記燃焼室の対応する１つに流体的に接続されており、
前記ガス流は、前記ディフューザから各セクタに入り、前記セクタに沿って対応する燃焼室の中に入り、
前記エンジンは、環状の回収熱交換器を有し、該環状の回収熱交換器は前記遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取る第１の組の複数の流通路と、前記第１の組の複数の流通路の間に交互に配置された第２の組の複数の流通路とを有し、前記第２の組の複数の流通路は前記タービンからの排気ガスを受け取るために前記タービンに流体的に接続され、
前記回収熱交換器は前記遠心圧縮機を取り囲んでおり、前記第１の組の複数の流通路は実質的に径方向に延び、
前記回収熱交換器中の前記第２の組の複数の流通路は前記タービンシャフトの前記軸線に対し径方向に延びているガスタービンエンジン。

【請求項2】

前記複数の燃焼室は前記長手方向に湾曲しており、前記各燃焼室の前記長手方向軸線は前記タービンシャフトの前記軸線を中心にして湾曲している請求項１に記載のガスタービンエンジン。

【請求項3】

前記複数の燃焼室は前記長手方向に真っ直ぐであり、各燃焼室の前記長手方向軸線は前記タービンシャフトの長手方向の平面に延びていない請求項１に記載のガスタービンエンジン。

【請求項4】

前記各燃焼室の前記長手方向軸線は、前記タービンシャフトの前記軸線に対して径方向にも傾いている請求項３に記載のガスタービンエンジン。

【請求項5】

前記複数の燃焼室の複数の前記長手方向軸線は、前記タービンシャフトの前記軸線に対して横方向に延びる共通平面中に実質的に含まれており；及び／又は前記複数の燃焼室の前記長手方向軸線は、前記タービンシャフトの前記軸線に対してそれぞれ９０°横方向にスキューされている請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項6】

前記複数の燃焼室は前記タービンシャフトの前記軸線を中心として概ね同心状に配置されている請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項7】

前記複数の燃焼室は少なくとも全長の大部分にわたって実質的に円筒形である請求項１乃至６のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項8】

前記複数の燃焼室は入口端及び出口端をそれぞれ有しており、前記複数の燃焼室の複数の前記出口端で先細りしている請求項７に記載のガスタービンエンジン。

【請求項9】

前記空気流バッファチャネルは前記第１の組の複数の流通路に流体的に接続されている請求項１乃至８のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項10】

前記エンジンは、前記タービンに排気ガスを導くために、前記タービンの外径周りに周方向に配置されたノズルを有しており、前記エンジンは前記ノズル周りに周方向に延びる排気ガス流バッファチャネルを画定し、前記排気ガス流バッファチャネルは前記複数の燃焼室及び前記ノズルに流体的に接続されている請求項１乃至９のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項11】

前記エンジンは、前記空気流バッファチャネルから前記複数の燃焼室のそれぞれを通って前記排気ガス流バッファチャネルまでの空気／ガス流路を画定し、前記空気／ガス流路は前記タービンシャフトの前記軸線の周りを循環する請求項１０に記載のガスタービンエンジン。

【請求項12】

前記遠心圧縮機及び前記ラジアルタービンはいずれもそれらの複数の羽根が同じ軸線方向に面するように前記タービンシャフトに取り付けられている請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項13】

前記エンジンは、前記各燃焼室における燃焼を独立して制御するように構成されたエンジン制御システムを有し、前記エンジン制御システムはエンジンの運転パラメータに応じてエンジンが作動している間に、燃焼が起きている前記燃焼室の数を変化させるように構成されている請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のガスタービンエンジン。

【請求項14】

軸線を中心として回転可能なタービンシャフトと、前記軸線を中心として前記シャフトと共に回転するように前記シャフトにそれぞれ取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、前記遠心圧縮機を周方向に取り囲む環状の回収熱交換器と、前記回収熱交換器と前記タービンとの間の空気／ガス流路中の少なくとも１つの燃焼室とを含み；
前記回収熱交換器は前記遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取るための第１の組の複数の流通路を有し、前記第１の組の複数の流通路は径方向に延びており、前記回収熱交換器は前記第１の組の複数の流通路の間に交互に配置された第２の組の複数の流通路を有し、前記第２の組の複数の流通路は前記タービンからの排気ガスを受け取るために前記タービンに流体的に接続されており、
前記回収熱交換器中の前記第２の組の複数の流通路は前記タービンシャフトの前記軸線に対し径方向に延びており、使用時、前記圧縮空気は前記第１の組の複数の流通路を通って径方向外向きに流れ、前記排気ガスは前記第２の組の複数の流通路を通って径方向内向きに流れるガスタービンエンジン。

【請求項15】

前記少なくとも１つの燃焼室は、複数の燃焼室であり、
前記複数の燃焼室は前記回収熱交換器の内径の径方向外側であって、前記回収熱交換器の外径の径方向内側に位置していている請求項１４に記載のガスタービンエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明はガスタービンエンジン及びガスタービンエンジンの運転方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ガスタービンエンジン(gas turbine engine)は、下流のタービンに連結した上流の回転式圧縮機(rotating compressor)と、その中間の流路(flow path)に配置された燃焼室(combustion chamber)を有するものとして知られている。ガスタービンの基本的な運転においては、空気が圧力を高める圧縮機を通って流れ、燃焼室内の圧縮空気の中に燃料を噴射して燃焼させ、タービンに流入する高温の排気ガス流を生成する。この高温の排気ガス流はタービンを通過するにつれ膨張して出口圧力(exhaust pressure)まで減圧し、この過程でタービンシャフト仕事出力(turbine shaft work output)を生成する。タービンシャフト仕事は圧縮機を駆動するために利用され、また軸に連結することのできる発電機のような他の装置を駆動するために利用することができる。シャフト仕事に使用されないエネルギーは、高い温度及び速度を有する排気ガス中に現れる。

【0003】

小型のガスタービンエンジンは、「ミニタービン(mini-turbines)」あるいは「マイクロタービン(micro-turbines)」と呼ばれることもあるが、近年、特に分散型発電(distributed electrical generation)及びコージェネレーション応用(combined heat and power applications)における使用のために発展しつつある。既知のミニ及びマイクロタービンは、いずれも単段の遠心圧縮機とラジアルタービンホイール(radial turbine wheel)を用いた簡単なエンジンになりやすい。既知のミニ及びマイクロタービンにおいては、排気ガスと圧縮空気は、熱エネルギーが排気ガスから燃焼室の上流の圧縮空気に移動する回収熱交換器として知られる熱交換器の形態を通過させて、エンジンの全効率を改善している。一般に、既知のミニ及びマイクロガスタービンエンジンは、３０ｋＷから１ＭＷ以上の範囲の電力定格を有する。発電に使用するために、小型のガスタービンエンジンに発電機を組み合わせて単一の組立体とすることが知られており、これは「タービン発電機(turbogenerator)」と呼ばれることも多い。

【0004】

従来のより大きな(lager)ガスタービンエンジンにおいては、圧縮機、燃焼室及びタービンは、空気がエンジンを通って一方から他方へと軸線方向に流れるように、順に直列に（in-line）配置されているものもある。軸流ターボファンジェットエンジン(axial-flow turbo fan jet engine)は、この構造の一例である。しかしながら、既知のミニ及びマイクロガスタービンエンジンにおいては、環状の回収熱交換器内に、圧縮機とタービンが相互に隣接して配置されているものもある。圧縮空気は圧縮機から回収熱交換器へ９０°回転して径方向外側に導かれ、径方向内側に向けられる前に最初の軸線方向に沿って回収熱交換器を通って流れ、続いて逆の軸線方向に流れて燃焼室を通り抜け、タービンに戻される。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

既知のエンジンは満足のいくものではあるが、既知のエンジンの欠点のいくつかを克服し、または少なくとも緩和するような代替的なガスタービンエンジンが必要とされている。

【0006】

特に、同等の動力出力を有しつつ、既知のミニ及びマイクロガスタービンエンジンよりも高効率である代替的なガスタービンエンジンが必要とされている。

【0007】

また、同等の動力出力を有する既知のガスタービンエンジンよりもコンパクトで、及び／又は異なる全体形状を有するガスタービンエンジンが必要とされている。

【0008】

さらにまた、運転条件の範囲で、より汎用性の高いガスタービンエンジンが必要とされている。

【0009】

また、向上したスケーラビリティ(scalability)を有する代替的なガスタービンエンジンが必要とされている。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の第１の態様によれば、シャフトの長手方向の軸線を中心として回転可能なタービンシャフトと、この軸線を中心として回転するようにシャフトに取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、圧縮機とタービンとの間の空気／ガス流路の中に複数の燃焼室とを備えており；複数の燃焼室はタービンシャフトの長手方向の軸線を中心に周方向に間隔を置いて配置されており、各燃焼室は空気／ガス流が燃焼室を通り抜ける方向に細長い形で長手方向軸線を有しており、各燃焼室の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線に対して概ね横方向に配置されているガスタービンエンジンを提供する。

【0011】

一つの実施形態においては、複数の燃焼室は長手方向に湾曲しており、各燃焼室の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線を中心にして湾曲している。

【0012】

他の実施形態においては、複数の燃焼室は長手方向に真っ直ぐであり、各燃焼室の軸線はタービンシャフトの長手方向の平面の中に延びてはいない。

【0013】

また、各燃焼室の長手方向軸線は、タービンシャフトの軸線に対して径方向に傾いていてもよい。

【0014】

エンジンの第１の態様によるガスタービンエンジンにおいては、複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は単一点に収束しておらず、特にタービンシャフトの長手方向の軸線に収束していない。複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は、仮に延長しても、タービンシャフトの長手方向の軸線と交差することはない。複数の燃焼室の複数の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線を通って長手方向に延びる平面に含まれてはいない。複数の燃焼室の複数の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線を通って長手方向に延び、燃焼室の長手方向軸線を通過する平面に対して、接線方向にスキューされている(skewed tangentially)。

【0015】

各燃焼室の長手方向軸線は、タービンシャフトの軸線に対して、概ね横方向に、少なくとも３０°、または少なくとも４０°、または少なくとも４５°、または少なくとも５０°、または少なくとも５５°、または少なくとも６５°、または少なくとも７０°、または少なくとも７５°、または少なくとも８０°、または少なくとも８５°、または９０°スキューされていてもよい。

【0016】

複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は、タービンシャフトの軸線に対して横方向に実質的に９０°それぞれスキューされていてもよい。

【0017】

一つの実施形態においては、複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は全て、タービンシャフトの軸線に対して横方向に延びる共通平面中に実質的に含まれている。

【0018】

一つの実施形態においては、複数の燃焼室は、タービンシャフトの軸線を中心として概ね同心状に、長手方向に延びている。

【0019】

複数の燃焼室が長手方向に真っ直ぐである場合、複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は、タービンシャフトの長手方向の軸線周りに同心状に描かれた円について、接線方向に整列されていてもよい。

【0020】

複数の燃焼室が長手方向について湾曲している場合、湾曲度は複数の燃焼室の全長にわたり一定でも、変化していてもよい。複数の燃焼室の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線を中心にして概ね同心状に湾曲していてもよい。各燃焼室の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線周りにらせん状になっていてもよい。

【0021】

複数の燃焼室はタービンシャフトの軸線を中心として環状に配列されていてもよい。

【0022】

複数の燃焼室は少なくともその全長の大部分にわたって実質的に円筒形であってもよい。複数の燃焼室は、入口端及び出口端をそれぞれ有し、複数の燃焼室の複数の出口端で先細りしてもよい。複数の燃焼室の複数の出口端で内向きに先細りになり、出口端に向かうに従って狭くなっていてもよい。複数の燃焼室が長手方向に湾曲している場合、少なくともその全長の大部分にわたって、湾曲した円筒形の形状であってもよい。

【0023】

燃焼室は缶形燃焼器でもよい。

【0024】

一つの実施形態においては、タービンシャフトの軸線を中心として周方向に間隔を置いて３つの燃焼室が備えられている。

【0025】

エンジンは、遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取る第１の組の複数の流通路(flow passages)と、第１の組の複数の流通路の間に交互に配置された第２の組の複数の流通路とを有する環状の回収熱交換器を有していてもよい。第２の組の複数の流通路はタービンからの排気ガスを受け取るためにタービンに流体的に接続されている。一つの実施形態においては、第１の組の複数の流通路は実質的に径方向に延びている。一つの実施形態においては、回収熱交換器中の第２の組の複数の流通路は概ね軸線方向に延びている。他の実施形態においては、回収熱交換器中の第２の組の複数の流通路はタービンシャフトの軸線に対し概ね径方向に延びている。複数の燃焼室は回収熱交換器の内径の径方向外側であって、回収熱交換器の外径の径方向内側に位置していてもよい。

【0026】

エンジンは、遠心圧縮機と燃焼室との間の流路の中に周方向に延びる空気流バッファチャネル(air flow buffer channel)を有していてもよい。空気流バッファチャネルは、各燃焼室に管のような空気路によりそれぞれ流体的に接続することができる。空気流バッファチャネルは複数のセクタに分割されて、各セクタは燃焼室の一つにそれぞれ流体的に接続されていてもよい。あるいは、空気流バッファチャネルは実質的に継続的な環状の流路に画定されていてもよい。エンジンが回収熱交換器を有している場合、空気流バッファチャネルは第１の組の複数の流通路に流体的に接続している。この実施形態においては、燃焼室は空気流バッファチャネルの径方向内側に位置していてもよい。

【0027】

エンジンは、圧縮機の外径周りに周方向に配置されたディフューザを有していてもよい。ディフューザは、圧縮空気を径方向外向きに導くように構成することができる。ディフューザを通る空気流の方向は、実質的に軸線方向成分(axial component)を有していなくてもよい。エンジンが回収熱交換器を有する場合、ディフューザが環状の回収熱交換器の内径の中に配置されて、空気を径方向に回収熱交換器中の第１の組の複数の流通路中に導く。エンジンが回収熱交換器を有しない場合、ディフューザは上述のように周方向に延びる空気流バッファチャネルの中に周方向に配置されて、圧縮機からの圧縮空気がディフューザを通って空気流バッフチャネル内に向けられるようにしてもよい。

【0028】

エンジンは、タービンに排気ガスを導くために、タービンの外径周りに周方向に配置されたノズルを有していてもよく、エンジンはノズル周りに周方向に延びる排気ガス流バッファ経路を画定し、排気ガス流バッファチャネルは複数の燃焼室及びノズルに流体的に接続されている。またエンジンが周方向に延びる空気流バッファチャネルを有している場合、エンジンは空気流バッファチャネルから各燃焼室を通って排気ガス流バッファチャネルまでの空気／ガス流路を画定していてもよい。空気／ガス流路は、タービンシャフトの軸線周りを概ね周方向に巡る(circulate)。各空気／ガス流路は、空気流バッファチャネルから排気ガス流バッファチャネルまで、燃焼室の一つをそれぞれ通って、タービンシャフトの軸線周りにらせん状になっていてもよい。

【0029】

一つの実施形態においては、エンジンは、概ね周方向にタービンシャフトの軸線周りを巡る、ディフューザからタービンまでの空気／ガス流路を画定している。一つの実施形態においては、エンジンは、タービンシャフトの軸線周りにらせん状になった、ディフューザからタービンまでの空気／ガス流路を画定している。

【0030】

遠心圧縮機及びラジアルタービンはいずれも、特にエンジンが圧縮機の径方向外側に環状の回収熱交換器を有する場合に、それらの複数の羽根が同じ軸線方向に面するようにタービンシャフトに取り付けられていてもよい。

【0031】

ガスタービンエンジンは、概ね扁平球（flattened sphere）のように形成された外側ハウジングを有していてもよい。このハウジングは、タービンシャフトの軸線を径方向に取り囲む区域に、概ね平坦で相互に平行な対向する側壁を有していてもよい。

【0032】

エンジンは、各燃焼室における燃焼を独立して制御するように構成されたエンジン制御システムを有していてもよい。このエンジン制御システムは、エンジンの運転パラメータに応じてエンジンが作動している間に、燃焼が起きている燃焼室の数を変化させるように構成されている。この制御システムは、エンジンの要求される動力出力に応じて、燃焼が起きている燃焼室の数を変化させるように構成されていてもよい。

【0033】

本発明の第２の態様によると、軸線を中心として回転可能なタービンシャフトと、軸線を中心としてシャフトと共に回転するようにシャフトにそれぞれ取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、遠心圧縮機を周方向に取り囲む環状の回収熱交換器と、回収熱交換器及びタービンの間の空気／ガス流路中の少なくとも１つの燃焼室とを含み；回収熱交換器は遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取るための第１の組の複数の流通路を有し、第１の組の複数の流通路は径方向に延びており、回収熱交換器は第１の組の複数の流通路の間に交互に配置された第２の組の複数の流通路を有し、第２の組の複数の流通路はタービンからの排気ガスを受け取るためにタービンに流体的に接続されているガスタービンエンジンが提供される。

【0034】

本発明の第３の態様によると、軸線を中心として回転可能なタービンシャフトと、軸線を中心としてシャフトと共に回転するようにシャフトにそれぞれ取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、圧縮機を周方向に取り囲む環状の回収熱交換器と、回収熱交換器の軸線方向後方且つタービンの径方向外側に配置された複数の缶形燃焼器とを含み、遠心圧縮機はシャフトの前端に向かってタービンシャフトに取り付けられ、ラジアルタービンは遠心圧縮機の軸線方向後方でシャフトに取り付けられ、回収熱交換器は遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取るための第１の組の複数の流通路及びタービンからの排気ガスを受け取るための第２の組の複数の流通路を有し、第１の組の複数の流通路は概ね径方向に延びており、燃焼器はタービンシャフトの軸線に対して横方向にスキューされた長手方向の軸線をそれぞれ有するガスタービンエンジンが提供される。

【0035】

本発明の第４の態様によると、軸線を中心として回転可能なタービンシャフトと、軸線を中心としてシャフトと共に回転するようにシャフトに取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、遠心圧縮機を周方向に取り囲む環状の回収熱交換器と、回収熱交換器とタービンの間の空気／ガス流路の中に少なくとも１つの燃焼室とを含み；回収熱交換器は遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取るための第１の組の複数の流通路を有し、第１の組の複数の流通路は概ね径方向に延びており、回収熱交換器はタービンからの排気ガスを受け取るための第２の組の複数の流通路を有し、少なくとも１つの燃焼室は細長く且つタービンシャフトの軸線に対して角度のある長手方向の軸線を有し、少なくとも１つの燃焼室はタービンの径方向外側に位置するガスタービンエンジンが提供される。

【0036】

本発明のさらに他の態様によると、軸線を中心として回転可能なタービンシャフトと、軸線を中心としてシャフトと共に回転するようにシャフトに取り付けられた遠心圧縮機及びラジアルタービンと、遠心圧縮機を周方向に取り囲む環状の回収熱交換器と、回収熱交換器の軸線方向後方且つタービンの径方向外側に配置された複数の缶形燃焼器（can type combustors）とを含み、ラジアルタービンは遠心圧縮機の軸線方向後方にタービンシャフトに取り付けられ、回収熱交換器は遠心圧縮機からの圧縮空気を受け取るための第１の組の複数の流通路及びタービンからの排気ガスを受け取るための第２の組の複数の流通路を有し、第１の組の複数の流通路は概ね径方向外側に延びており、複数の燃焼器は長手方向の軸線をそれぞれ有し、複数の燃焼器の複数の軸線はタービンシャフトの軸線に対し直角に延びる共通横方向平面に含まれるガスタービンエンジンが提供される。

【0037】

複数の燃焼器はタービンシャフトの軸線周りに湾曲し、及び／又は複数の燃焼器は出口端で先細りしていてもよい。

【0038】

ラジアルタービンは、使用時に、タービンを出る排気ガスが、回収熱交換器中の第２の組の複数の流通路に向かって軸線方向前方の向きになるように、複数の羽根が圧縮機及び回収熱交換器の方に前方に面するように取り付けられていてもよい。

【0039】

エンジンは、概ね扁平球のように形成された外側ハウジングを有していてもよい。このハウジングは、タービンシャフトの軸線を径方向に取り囲む区域に、概ね平坦で、相互に平行な対向する側壁を有していてもよい。このハウジングは、後方の側部（reward side）に１以上の出口ノズルが画定されていてもよい。

【0040】

回収熱交換器中の第２の組の複数の流通路は、概ね径方向あるいは概ね軸線方向に延びていてもよい。

【0041】

本発明のさらに他の態様によると、複数の燃焼室を有するガスタービンエンジンの運転方法であって、各燃焼室中での燃焼は、少なくとも１つのエンジンの運転パラメータに応じて独立して制御する運転方法が提供される。

【0042】

一つの実施形態においては、少なくとも１つのエンジンの運転パラメータに応じてエンジンが作動している間に、燃焼が起きている燃焼室の数を変化させる。この方法は、エンジンをフルパワー未満で運転する際に、燃焼室の一つ、あるいはいくつかのみで燃焼が起きているエンジンの運転を含む。

【0043】

この方法は、上に概説された前掲の本発明の態様のいずれかに従ったエンジンにも適用可能である。

【図面の簡単な説明】

【0044】

【図1】図１は、本発明の一つの態様に従ったガスタービンエンジンの一つの実施形態の平面図である。

【図2】図２は、図１のエンジンの前方から一側部への斜視図であり、エンジンの外部ケーシングの一部を透過して(ghosted)、内部の詳細を示す図である。

【図3】図３は、図１のエンジンの背面図であり、エンジンの外部ケーシングの一部を透過して、内部の詳細を示す図である。

【図4】図４は、図１のエンジンのやや模式的な横断面図である。

【図5】図５は、図１のエンジンの分解斜視図である。

【図6】図６は、図１のエンジンの一部を形成する回収熱交換器の一部の斜視図である。

【図7】図７は、エンジンの燃料噴射機と火花点火器の部分を示す別の斜視図である。

【図8】図８は、燃料噴射機と火花点火器を付加的に示す図４と同様の図である。

【図9】図９は、回収熱交換器を有しない本発明の態様に従うガスタービンエンジンの他の実施形態を図説する図４と同様の図である。

【図10】図１０は、図９のエンジンの圧縮機段の正面図であり、エンジンのディフューザと圧縮機ホイールの外側に(outboard)周方向に配置された環状の空気流バッファ経路の提供を模式的に図説し、及び空気流バッファチャネルの燃焼室への流体的な接続を模式的に説明する図である。

【図11】図１１は、図１０の圧縮機段を通る模式的な、長手方向断面図であって、空気流バッファチャネルの位置を縮小して図説する図である。

【図12】図１２は、図９のエンジンのタービン段の模式的な背面図であり、燃焼室がどのようにしてノズル及びタービンの外側に配置された環状の排気ガス流バッファチャネルと流体的に接続されているかを図説する図である。

【発明を実施するための形態】

【0045】

本発明をより明確に理解できるように、単なる一例として、その実施形態について、添付の図面を参照しつつ以下説明する。

【0046】

本発明の一つの態様に従うガスタービンエンジン１の第１の実施形態を、添付の図面の図１から図８に示す。

【0047】

エンジン１は、タービンシャフト２、遠心圧縮機ホイール４（しばしばラジアル圧縮機とも呼ばれる）、環状のディフューザ６、回収熱交換器８、３つの燃焼室１０、環状のノズル１２及びラジアルタービンホイール１４を含む。遠心圧縮機ホイール４及びタービンホイール１４は、長手方向の軸線Ｚ周りにシャフトと共に回転するように、いずれもシャフト２に取り付けられている。

【0048】

エンジン１は外部ケーシング１８を含むハウジング１６を有する。外部ケーシング１８は、軸線Ｚ周りの中央領域に、概ね平面状で相互に平行な入口側壁２０と排気側壁２２を備えた中空な扁平球の全体形状を有する。軸線Ｚは扁平球の短軸線と完全に一致している。ハウジング１６は、入口側の軸線Ｚを中心として、中心に配置された空気入口ノズル２４と、排気側の軸線Ｚから径方向に間隔を置いた一組の円形出口ノズル２６とを含む。

【0049】

シャフト２の長手方向の軸線Ｚは、エンジンの長手方向の軸線を画定する。詳細な説明及び請求の範囲を通じて、方向に関する用語「軸線」、「軸線方向」、「半径」、「径方向」、「周」及び「周方向」等は、文脈上他に要求されない限り、タービンシャフトの軸線Ｚを基準にして画定されるものと理解されるべきである。シャフトの軸線Ｚに対し「横」方向というときには、シャフトの長手方向の軸線Ｚに直角（垂直）な横断面中を延びる方向を指すものと理解されなければならない。

【0050】

説明の便宜上、エンジン１の入口側は、エンジンの前面あるいは正面と呼ばれ、一方排気側は、エンジンの後面あるいは背面と呼ばれることになる。しかしながら、これらの用語の使用は、エンジン１が利用可能な向きについてのいかなる限定も暗示するものではないということは理解されなければならない。エンジン１は、いかなる所望の向きでも利用することができ、例えば、軸線Ｚが垂直に配向されて、入口側壁２０が上下いずれになった向きでもよい。さらに、乗物に使用する場合には、エンジン１は、入口側壁２０が乗物の背面、又は側面、あるいは乗物に対するいずれかの他の向きに面するように取り付けることができる。

【0051】

シャフト２は、軸受２８を用いて、軸線Ｚを中心として回転可能にハウジングに取り付けられている。いかなる適当な軸受２８も使用可能だが、本実施形態においては軸受２８は空気軸受である。空気軸受を使用する場合、静圧又は動圧型軸受のいずれでもよい。一つの実施例においては、少なくともいくつかの軸受は、空気力学的に空気のクッションを生じさせることができ、しかし低速度で回転しているときには加圧空気が供給源から軸受中に導入されるハイブリッド軸受である。外部の供給源からの空気の供給は、軸受の回転速度が、軸受の空力効果が必要な負荷を支持する空気のクッションが生じるのに十分になった場合に、減少しあるいは完全に停止する。このタイプのハイブリッド空気軸受の配置にあっては、供給源からの加圧空気は、エンジンの運転の開始及び停止の間のみ、軸受への導入が必要になる。これは、静圧軸受を使用したエンジンに比較してエンジンの全効率を改善し、しかし静圧軸受を使用したエンジンに比較すると低速度で運転した際の損傷の危険を軽減する。

【0052】

シャフト２は、補助装置へのアタッチメントを駆動するために、排気側壁２２を通ってハウジング１６の外部に突出している。他の実施形態においては、シャフト２は、補助装置へのアタッチメントを駆動するために、前面の入口側においてハウジング１６の外部に突出しており、あるいはエンジンはシャフト２により駆動される補助装置に結合されて単一の組立体になっている。

【0053】

遠心圧縮機ホイール４は、前方のシャフト２の入口端に向かって配置されており、エンジンの入口又は前面に向いた複数の羽根３２を有している。遠心圧縮機ホイールの径方向外側の周りに周方向に取り付けられているのは環状のディフューザ６であり、これもエンジンの入口又は前面に向いた複数の羽根３３を有している。遠心圧縮機ホイール４とディフューザ６は、共に圧縮機段ハウジング（compressor stage housing）を形成する、第１の圧縮機ハウジング部材３４と第２の圧縮機ハウジング部材３６との間に配置されている。第１の圧縮機ハウジング部材３４は圧縮機ホイール４及びディフューザ６の前方の入口側のあたりに配置され、一方第２の圧縮機ハウジング部材３６は圧縮機ホイール４及びディフューザ６の後方側のあたりに配置されている。第１の圧縮機ハウジング部材３４は、圧縮機ホイール４とディフューザ６の入口側を包み、ケーシング１８の入口側壁２０の開口４０を通って延びて空気入口ノズル２４を画定する管状壁３８を有する。管状壁３８は、ケーシング１８の外側に開いた空気入口を形成する第１の端４２を有する。管状壁３８は第１の端４２から径方向内側に湾曲して、圧縮機ホイール４の真向かいに狭い通路(narrow throat)を画定し、続いて径方向外側に延びて遠心圧縮機ホイール４及びディフューザ６の入口（前方）側を包む。管状壁３８の内端は、ケーシング１８の入口側壁２０の内面に向かい、開口４０の径方向外側を保護する円筒状部分４４を有している。管状壁３８の内側に湾曲した区域は、遠心圧縮機４の中に空気を導く収束導管を画定する。第１の圧縮機ハウジング部材３４は、管状壁３８の収束導管の区域の内側の中心に配置された円筒状体４６を有する。円筒状体４６は、その中にシャフト２の前方の入口端が支持される中心穴を有し、また複数の径方向のリブ又はスパー４７により外側の管状壁３８に接続されている。空気は、リブ又はスパーの間の間隙を抜けて、外側の管状壁３８と円筒状体４６との間の入口ノズル２４を通って流れ、遠心圧縮機ホイール４に到達することができる。

【0054】

ラジアルタービンホイール１４は、第２の圧縮機ハウジング部材３６の軸方向後方で、シャフト２に取り付けられている。タービンホイール１４は、エンジンの前面又は入口側を向いている複数の羽根４８を有する。そのためタービンホイール１４は、圧縮機ホイール４と同じ軸方向を向くようにシャフト２に取り付けられている。環状のノズル１２は、タービンホイール１４の外径周りに配置され、タービンホイール１４の複数の羽根４８に排気ガスを導くためのノズルを画定する複数の羽根５２を有する。ノズル１２の複数の羽根５２も、エンジンの前面の入口側を向いている。

【0055】

回収熱交換器８は環状であり、ケーシング１８中の、ディフューザ６及び第１と第２の圧縮機ハウジング部材３４、３６の径方向外側に配置されている。第１と第２の圧縮機ハウジング部材３４、３６はケーシング１８及びシャフト２と結合して、エンクロージャ又はプレナム(enclosure or plenum)を画定する。これを通って、周囲の空気Ａがエンジン１の外部から遠心圧縮機ホイール４に引き入れられ、そして矢印Ｂで示すように、ディフューザ６を通って径方向外側に、圧縮機段ハウジングにおける１以上の出口を通って回収熱交換器８に向けられる。

【0056】

回収熱交換器８の構造の一部は図６に見ることができる。回収熱交換器８は、複数のプレート５６を備えている。複数のプレート５６は、互いに離間して隣接する対で互いに接続されて２つの組の交互配置された複数の流通路５８、６０を画定する。ディフューザ６から圧縮された入口空気を受け取るための第１の組の複数の流通路５８は、回収熱交換器の内周から、回収熱交換器の外周領域周りに延びる空気流バッファチャネル６２まで、径方向外側に延びている。排気ガスのための第２の組の複数の流通路６０は、エンジンの軸方向に、回収熱交換器を通って延びている。図６に見えるように、各プレート５６は、第１の対の対向する縁部に沿って一方側で隣接するプレートに気密に接合され、第２の対の対向する縁部に沿って反対側で隣接するプレートに気密に接合されている。回収熱交換器８の複数のプレート５６は、排気ガスから入口空気に効率的に熱伝達するのに適当な材料から作られている。適当な材料は、例えばステンレス鋼のような金属を含む。

【0057】

３つの燃焼室１０は、以後燃焼器とも呼ぶが、回収熱交換器８の軸方向後方の、タービンホイール１４及びノズル１２の径方向外側に配置される。本実施形態においては、燃焼器１０は空気流バッファチャネル６２の外周を超えて径方向に延びてはいない。本実施形態における燃焼室１０は全て、軸線Ｚに直角（垂直）に延びる共通横断面中に実質的に配置されている。各燃焼器１０は自給式缶形燃焼器（self-contained can type combustor）で、その全長の大部分にわたって概ね円筒形だが、出口に向かって狭くなるように出口端で先細りになった形状を有する。各燃焼器１０は細長く（すなわちその径よりも大きい長さを有する）、燃焼室を通る流れの方向に延びる長手方向軸線Ｙを有する。この実施の形態においては、燃焼室は、軸線Ｚの周りを長手方向に沿って周方向に湾曲している。すなわち、各燃焼器１０の長手方向軸線Ｙは、軸線Ｚの周りを周方向に湾曲している。各燃焼器１０は、外管７２と、外管７２の内側に位置する内管７４とを有する。内外の管の間に環状の隙間７３が存在するように、内管７４の外径は外管７２の内径よりも小さくなっている。内管７４は、空気が環状の隙間７３から内管７４内に流れるように、穿孔処理されている。

【0058】

エンジンは、燃焼を生じさせる場合に、各燃焼室１０の内管７４内に燃料を噴射するため、及び内管７４の内側の混合気（fuel/air mixture）を発火させるための燃料噴射・点火システムを有する。燃料噴射・点火システムは、各燃焼器１０ごとに、燃料噴射器７５ａと火花点火器７５ｂを含む。図７及び８に図説するように、各噴射器７５ａ及び点火器７５ｂは、適当なシール配置（sealing arrangements）を伴ってそれぞれ燃焼器１０内に延びるように、適当な開口部を通ってケーシング内に取り付けられる。燃料噴射器７５ａは燃料源に接続され、且つそれぞれの燃焼部内に燃料を導くように構成されている。火花点火器７５ｂは電源に接続されて、火花を生成し、それぞれの燃焼部内の燃料を発火させる。エンジンは、各燃料噴射器７５ａ及び火花点火器７５ｂに接続されてエンジンの運転を調整する電子制御システム（７５ｃで模式的に示す）を有している。制御システムにはＩＣＵあるいはその他のプログラマブルプロセッサを用いることができる。

【0059】

各燃焼器１０は入口端７６と出口端７８とを有する。入口端７６において外管７２は、回収熱交換器から内外の管７２、７４の間の環状の隙間７３内に空気を導く管８０により、バッファチャネル６２に流体的に接続されている。管８０は主として軸線Ｚを中心として周方向に、バッファチャネル６２から燃焼器１０内へ空気を導く。空気流バッファチャネル６２は、個別のセクタに分離されて各セクタが複数の燃焼器の一つの燃焼器に流体的に接続されていてもよく、又は回収熱交換器の周方向の周りを連続的に延びていてもよい。この後者の配置においては、バッファチャネルは回収熱交換器の外径区域の周りを延びる連続的な流路を画定する。環状の隙間７３から、空気は内管７４内に流れて、燃料と混合される。各燃焼室１０の出口端において内管７４は先細りになっており、矢印Ｃにより模式的に示されるように、そこを通ってノズル１２を周方向に取り囲む環状の排気ガス流バッファチャネル８２内に排気ガスが導かれる出口を画定する。

【0060】

環状の排気ガス流バッファチャネル８２は、タービンホイール１４を収納するタービンハウジング８４の中に画定されていて、各燃焼室のために個別のセクタに分離していても、ノズル１２の周りに周方向に延びる単一の連続する流路であってもよい。タービンハウジング８４はタービンホイール１４及びノズル１２の前方側の周りに配置された第１のタービンハウジング部材８６と、タービンホイール１４及びノズル１２の後方側の周りに配置された第２のタービンハウジング部材８８とを含む。タービンハウジング８４は、排気ガスが通ってノズル１２に流入し、排気ガスをタービンホイール１４の複数の羽根に導く環状の排気ガス流バッファチャネル８２からの環状の出口開口８９を画定する。第１のタービンハウジング部材８６は、外側の周方向領域の周りに、３つの周方向に間隔が空けられたソケット９０を画定する。各ソケット９０は、それぞれ燃焼部１０の出口端を受け入れて、排気ガス流バッファチャネル８２と出口開口８９内へ排気ガスを周方向に導くための流路を画定する。第１のタービンハウジング部材８６は、タービンホイール１４の複数の羽根を包む一部ドーム形状部分９２を有する径方向前方壁９１を有している。径方向前方壁（radial front wall）９１は、一部ドーム形状部分９２中に、矢印Ｄにより示すように、タービンホイール１４を出た排気ガスが通り抜けて、排気ガスが流れて回収熱交換器８の第２の組の複数の流通路６０に入り、そこからタービンハウジング８４と第２の圧縮機ハウジング部材３６との間の空間へと入る中心開口９４を有する。一部ドーム形状部分９２の径方向外側には、前方壁９１が一部ドーム形状部分９２に対向する方向に湾曲して、排気ガスを円滑に回収熱交換器へと案内する。第１及び第２のタービンハウジング部材８６、８８はケーシング１８及びシャフト２と結合して、燃焼器１０からの排気ガスがノズル及びタービンホイールにここを通って導かれるエンクロージャ又はプレナムを画定する。

【0061】

第２の組の複数の流通路６０に流入する排気ガスは、外部ケーシング１８の入口側壁２０に向かって前方向の軸方向に導かれる。排気ガスは回収熱交換器８を出ると、矢印Ｅで示すように、径方向外向きに、燃焼部１０周りの外部ケーシング１８の内面の湾曲に追従して軸線方向後方に流れ、出口ノズル２６を通って出る。

【0062】

定常状態で作動している間のエンジンの運転について、以下説明する。

【0063】

エンジンの外部からの周囲の空気Ａは、ディフューザ６を通って空気を径方向外向きに導く（矢印Ｂ）圧縮機ホイール４を回転することにより、入口ノズル２４を通じて引き入れられる。この空気は、圧縮機ホイール４及びディフューザ６を通過するに従って圧縮される。ディフューザ６を出た圧縮空気は第１及び第２の圧縮機ハウジング部材３４、３６の間の出口を通り抜け、回収熱交換器８を通って第１の組の複数の流通路５８に流入する。圧縮空気は第１の組の複数の流通路５８を通って径方向外向きに流れ、空気流バッファチャネル６２に入る。熱は、回収熱交換器中の第２の組の複数の流通路６０を通り抜ける排気ガスから、回収熱交換器を通り抜けるにつれて圧縮空気に移動し、そのため圧縮空気の温度はバッファチャネル６２に到達するときまで上昇する。

【0064】

バッファチャネル６２から、予熱された圧縮空気は燃焼室１０内へ導かれ、そこで燃料と混合される。混合気は燃焼室の内管７４の内部で発火され、燃焼が起きて、排気ガス流バッファチャネル８２及びノズル１２を通ってタービンホイール１４に導かれる高温、高速の排気ガス流が生成される（矢印Ｃ）。

【0065】

高温、高速のガス流はタービンホイール１４を通り抜けるにつれて膨張し、この過程でシャフト２を駆動するタービンシャフト仕事出力を生じる。タービンシャフトワークは圧縮機ホイール４を駆動するために使用され、またシャフト２に連結可能な、発電機のような他の補助装置を駆動するために使用することもできる。

【0066】

タービンホイール１４を出た排気ガスは（矢印Ｄ）、回収熱交換器８中の第２の組の複数の流通路６０を通って導かれ、熱エネルギーが排気ガスから第１の組の複数の流通路５８を通り抜ける圧縮空気に移動する。回収熱交換器の第２の組の複数の流通路６０の出口では、排気ガスは径方向外向きに導かれて、ケーシングの湾曲した内面近くを排気ノズル２６に向かって流れ、エンジンを出て行く（矢印Ｅ）。

【0067】

上に示し説明した実施形態に対する変更例としては、回収熱交換器８の構造が変更され、第２の組の複数の流通路６０が概ね径方向に、あるいは部分的に径方向で部分的に軸方向に延びるようにしている。排気ガスはタービン１４から回収熱交換器の径方向外側の縁領域に案内され、第２の組の複数の流通路に流入し、第２の組の複数の流通路を通って、第１の組の複数の流通路５８を通る圧縮空気の流れとは逆方向に、径方向内向きに流れる。これは、第２の組の複数の流通路が軸線方向に延びる直交流(cross flow)の配置内よりも多い排気ガスから圧縮空気へのエネルギーの移動を可能にする。なお回収熱交換器は、空気とガスが逆方向か、概ね逆方向だが角度が付いているか、直交流方向に回収熱交換器を通って流れるように構成され得ると思われる。

【0068】

さらなる変更例としては、排気ガスがエンジンから出る位置を上述の場所と変え得る。例えば、１以上の排気ガス出口ノズル２６は、エンジンの前部に、入口ノズル２４と同じ側に配置することができるが、実のところいかなる適当な場所でもよい。このさらなる変更は、回収熱交換器８中の第２の組の複数の流通路６０の方向に拘わらず適用することができる。

【0069】

本発明の一つの態様に従うエンジン１の構造は、同程度の大きさのいずれかの既知のガスタービンエンジンと比較して、効率の向上をもたらす。

【0070】

エンジン１の特徴は、エンジンを通る空気と排気ガスの流れが、タービンシャフトの軸線Ｚを中心とするほとんど円形の進路に追従することであり、圧縮機とタービンとの間の概ね９０°以下のなめらかな方向の変化を伴う。空気／排気ガス流は、軸線方向、径方向及び周方向の構成部分の混合であるエンジンを通るコア流路(core flow path)に追従する。例えば、圧縮機ホイール４及びディフューザ６からの圧縮空気は、多くの既知のマイクロタービンの場合のように９０°曲げられて回収熱交換器を軸方向に通って流れるよりもむしろ、径方向外向きに回収熱交換器８を通って流れている。空気／排気ガス流路の特徴は、空気バッファチャネル６２から、燃焼部１０を通り、ラジアルタービンホイール１４に入る、概ね円形で、らせん状の流路である。燃焼器をその軸線Ｙが軸線Ｚの横方向に延びるように整列したことと共に、ノズル１２の径方向外側の燃焼器１０の配置は、空気／ガスを周方向に、概ねらせん状の流路中を、空気バッファチャネル６２から管８０を通り燃焼器１０内に入り、及び燃焼器の出口端７８からソケット９０を通って環状の排気ガス流バッファチャネル８２内に入れて、導くことを可能にする。燃焼器１０は空気流バッファチャネル６２の径方向内側に配置し、あるいは少なくとも入口端を軸線Ｚから概ね半径と同じ距離が空くようにして、バッファチャネル６２から燃焼部１０に入る流れが円滑になるようにしてもよい。流れは完全に同一平面内にあるわけではないが、流れの軸方向成分は最小限であり、タービンシャフト２の軸線Ｚを横断する平面中の流れが主である。またエンジン１の構造は、回収熱交換器８に流入する前にタービン１４を出る際に、排気ガスが流れる距離を最小限にする。このことは、エンジン１の全効率にも貢献し、少なくともタービン１４の一部について、それらの羽根が、圧縮機ホイール４と同じ方向に面して取り付けられ、そのため排気ガスを前方に回収熱交換器８に向かって導く結果となる。

【0071】

さらにまた、エンジン１の構造は、エンジン全体のコンパクトさを維持しつつ効率を向上させるための、相対的に大型の回収熱交換器の利用を可能にする。加えて、ディフューザ６及びノズル１２のサイズは、既知の多くのマイクロタービンにおけるように回収熱交換器の構造により制約を受けるということがない。異なるサイズのディフューザ６が、例えば回収熱交換器８の内径を変化させることにより、収容可能である。

【0072】

湾曲した円筒状の複数の燃焼室１０は、より良好な効率のために、相対的に長く設けられている。出口端が先細りしている複数の燃焼器１０の形状も、この形状が炎の形状を反映するので有益であり、炎が平らになりがちな環状の燃焼室と比較して、効率が改善することも見出された。湾曲した複数の燃焼器１０が、燃焼器の長さの増大、及び回収熱交換器８からタービンホイール１４への円滑な環状のガスの流れをもたらすという点で有利である一方、複数の燃焼器１０は真っ直ぐでもよく、あるいは部分的に湾曲していてもよい。この場合、燃焼器１０の長手方向の軸線は、エンジンの軸線Ｚに対し横方向に、エンジンの軸線Ｚに対して９０°未満曲げられ／傾斜されて、燃焼室１０は軸線Ｚに対し直角に整列されるようにしている。特に燃焼室が真っ直ぐな場合、出口端７８が入口端７６よりも径方向内側に（軸線Ｚのより近くに）なるように傾けることができる。真っ直ぐな燃焼室は、それらの長手方向の軸線が、タービンシャフトの軸線Ｚを中心として同心状に描かれた円形の接線方向に延びるように配列されてもよい。

【0073】

エンジン１の構造は、比較的薄くて平らなエンジンを提供するが、既知のマイクロ及びミニタービンよりも軸方向によりコンパクトでもある。エンジン１のこの形状は、限られた空間中に収容することを容易にし、例えば自動車の中など、空間が限定されている応用において使用するのに特に有利である。軸線Ｚに対し直角（垂直）に整列した軸線Ｙを有する複数の缶形燃焼器１０の使用は、軸線方向におけるエンジンの長さ又は深さを最小限にし、且つタービンシャフト２の長さも最小限にするにも拘わらず、比較的長い複数の燃焼器を提供する。このことは、燃焼器１０も軸線Ｚ周りに湾曲している場合に、特に当て嵌まる。しかしながら、燃焼器が軸線Ｚに直角に整列していなくても、燃焼室がタービンシャフトの軸線と平行な長手方向の軸線を有するエンジンに比較して、エンジンの軸線方向における全長／奥行きが縮小するように、これらが少なくてもある程度、軸線Ｚに対して横方向にスキューされているか又は曲がっていれば（skewed or angled）、いくらかの利益が得られるだろう。各燃焼室の長手方向軸線は、タービンシャフトの軸線に対して、概ね横方向に、少なくとも３０°、または少なくとも４０°、または少なくとも４５°、または少なくとも５０°、または少なくとも５５°、または少なくとも６５°、または少なくとも７０°、または少なくとも７５°、または少なくとも８０°、または少なくとも８５°、または９０°スキューされていてもよい。湾曲した燃焼室に関し、本明細書でなされたさまざまな説明における軸線それ自体よりもむしろ、タービンシャフトの軸線に対し概ね横方向にスキューされた燃焼室の長手方向の平面について言及されるだろう。この場合、長手方向の平面は、燃焼室を半分に分割する平面であり、且つ平面はタービンシャフトも通り抜ける。

【0074】

なお、本実施形態におけるガスタービン中の複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は単一点に収束してはおらず、特にタービンシャフトの長手方向の軸線に収束していない。実際には、複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は、仮に延長しても、タービンシャフトの長手方向の軸線と交差することはない。なお、複数の燃焼室の複数の長手方向軸線はタービンシャフトの軸線を通って長手方向に延びる平面にも含まれてはいない。換言すれば、複数の燃焼室の複数の長手方向軸線は、エンジンの軸線方向には全く整列していない。各燃焼室の長手方向軸線は、タービンシャフトの軸線を通って長手方向に延び、燃焼室の長手方向軸線を通過するいずれかの平面に対してスキューされている。

【0075】

さらなる改良においては、制御システム７５ｃは、エンジンの運転パラメータのいずれかに応じて、各燃焼室１０の燃焼を独立に制御するように運転することができる。例えば、エンジン制御システムは、エンジンの運転中に、複数の燃焼室１０を選択的に使用できるようにして、一定の運転条件の下では、複数の燃焼室１０の全ては使用しないように構成してもよい。これにより、フルパワー未満で運転する際に、燃焼が１つのみ、又は２つの燃焼室で起きるように、あるいは同じ又は全ての燃焼室１０で異なる燃焼割合となるようにエンジン１を運転し、さらに効率を改善するようにしてもよい。これは、各燃焼器について独立に導入される燃料の量を変化させることにより達成できる。利用可能な燃焼器の１つのみ、又は一部が使用される場合、使用されない燃焼室には燃料が導入されないようにしてもよい。燃焼室１０の数は変えることができ、所望に応じて、エンジン１は１つ、２つ又は３つ以上の燃焼室１０を備えることができるということは理解されなければならない。

【0076】

上述の実施態様における回収熱交換器８の使用は、ガスタービンエンジンの全効率の向上に有利である一方、本発明の多数の有利な点を、回収熱交換器を組み入れていないガスタービンエンジンにおいても得ることができる。図９から１２は、回収熱交換器を有しない本発明に従うガスタービンエンジン１０１の実施形態を図説する。

【0077】

以下の説明において、同じだが１００を足された符号は、前掲の実施形態に関して先述されたものと同一の、あるいは類似の機能を実行する特徴(feature)を示すために使用される。

【0078】

ガスタービンエンジン１０１は、前述された前掲の実施形態１と実質的に同様の方法で構築され、運転されるので、大きな相違点についてのみ説明する。読者は、さらなる詳細については前掲の実施形態の上述の説明を参照すること。

【0079】

上記のように、エンジン１０１は回収熱交換器を有しない簡略化されたエンジンである。それ故に、遠心圧縮機ホイール１０４及びディフューザ１０６からの空気流は、環状の空気バッファチャネル１６２の中に導かれ、そこから複数の燃焼器１１０の中に導かれる。前掲の実施形態におけるのと同様に、ノズル１２４及びタービンホイール１１４の周りの環に沿って周方向に配置された３つの湾曲した缶形燃焼器１１０がある。本実施形態における燃焼器１１０は、上述した前掲の実施形態と実質的に同じく構築され、運転されうるが、次に述べるようにいくらかの変形を含んでいる。

【0080】

図１０及び１１に図説するように、圧縮空気流バッファチャネル１６２はディフューザ１０６の周方向外側に延びている。ディフューザからの空気は、チャネルの壁の内周の環状のスロット又は一連の開口を通って、空気流バッファチャネル１６２に流入する。各燃焼器１１０の入口端は、それぞれ管１８０あるいは他の流体接続により、空気流バッファチャネル１６２と流体的に接続されている。線１９６で示すように、空気流バッファチャネルは個別のセクタに分離されて、各セクタがそれぞれ管１８０及び燃焼器１１０に流体的に接続されていてもよい。この配置においては、圧縮空気は一つのセクタから他へ流れることはないが、ディフューザから各セクタへ入り、セクタに沿ってそれぞれ管１８０及び燃焼器１１０の中に流れる。あるいは、空気流バッファチャネル１６２は、個別のセクタに分離されておらず、空気が流れていろいろな管１８０及び複数の燃焼器１１０のいずれかに入る、周方向に連続する流路を画定していてもよい。第１の実施形態における空気流バッファチャネル１６２は、同様に、個別のセクタに分離されていてもいなくてもよい。なお複数の燃焼器１１０は図１１に示されていない。

【0081】

図１２は、タービン段において、複数の燃焼室１１０がどのようにしてノズル１１２及びタービンホイール１１４の周りに周方向に延びる環状の排気ガス流バッファチャネル１８２に流体的に接続されているかを模式的に図示する。排気ガス流バッファチャネル１８２は、第１の実施形態における排気ガス流バッファチャネル８２と同様の方法で形成されており、タービン段のハウジング１８４の中に画定されている。各燃焼器１１０の出口端は、それぞれ管状のソケット１９０又は他の適当な流体接続により、排気ガス流バッファチャネル１８２に流体的に接続されている。なおソケット１９０は、第１の実施形態におけるソケット９０と同様に、周方向に湾曲しており、これにより各燃焼室１１０と、タービンシャフトの軸線Ｘ周りにらせん状である排気ガス流チャネルとの間のなめらかな流路を提供することができるようにしている。空気流バッファチャネル１６２を複数の燃焼器１１０と接続する複数の管１８０は、同様にタービンシャフトの軸線周りに周方向に湾曲しており、複数の管１８０、複数の燃焼器１１０及び複数のソケット１９０が、各燃焼器１１０を通って空気流バッファチャネル１６２から排気ガス流バッファチャネル１８２までの、タービンシャフトの軸線Ｘ周りにらせん状になった、なめらかな周方向に延びる流路を画定するようにしている。

【0082】

排気ガスをタービンホイール１１４から回収熱交換器に向けて導く必要がないため、タービンホイール１１４及びノズル１１２は、それらの複数の羽根がエンジンの後方に面するように、すなわち圧縮機ホイール１０４とは逆方向にタービンシャフト１０２に取り付けられており、これにより排気ガスが、タービン段のハウジング１８４により画定される中央出口／排気ノズル１２６を通って、ハウジング１６の中から外へと直接送られるようにしている。

【0083】

ガスタービンエンジン１０１は、シャフト１０２の軸線Ｚ周りの概ね円形のなめらかな空気／ガス流路及び既知のマイクロ及びミニガスタービンエンジンの円筒形と比較して平たい円形の全体形状を含む前掲の実施形態の多数の有利な点から利益を得ている。

【0084】

本発明の複数の態様によるガスタービンエンジン１、１０１は、限定するものではないが、以下を含む広範囲の応用を有することが期待される。
・電気モーター乗物、特に自動車用のレンジエクステンダー(range extender)として。発電機と共に、このエンジンは車内用の電力を生成して、電気自動車の走行範囲を大幅に拡大することができる。
・このエンジンは、効率をあまり損なうことなく規模を拡大又は縮小することができ、ボートやバイク、さらには電動自転車のような範囲の乗物に適合する。
・高負荷マルチロータリー(multi-rotary)有翼ＵＡＶ（無人飛行機）用のバッテリに代わる電源として。
・分散型発電機として。
・バックアップ電源として。

【0085】

分散型発電であろうが発電に使用するために、又は乗物の部品として、あるいは他の応用において、エンジン１、１０１は発電機と組み合わせて単一の組立体とすることができる。

【0086】

本発明によるエンジンは、例えば１５ｋＷから１ＭＷの範囲内の、比較的低い電力出力が要求される場合の特定の応用を有することを期待されている一方、エンジン構造のスケーラビリティの故に、本発明の一つの態様によるエンジンは、１０ワットから２．５ギガワットに至るまでの範囲内の電力出力を発電可能であると思われる。

【0087】

上述の実施態様は、単なる一例として説明されたものである。添付の特許請求の範囲に定義され、及び上記の発明の要約における発明のさまざまな説明の中において述べられたような種々の態様の中で、本発明の範囲から逸脱することのない多くの変化が可能である。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】