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公開番号2025157016
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-10-15
出願番号2024067812
出願日2024-04-02
発明の名称タービン入口温度を下げて推力を増すターボファン・エンジン
出願人個人
代理人
主分類F02K 3/06 20060101AFI20251007BHJP(燃焼機関;熱ガスまたは燃焼生成物を利用する機関設備)
要約【課題】本発明は、タービン入口温度を下げて推力を増すサイクルを開発し、従来のターボファン・サイクルの枠を越えた航空エンジンの新分野を創出することを課題とする。
【解決手段】二つの排気ノズル面積を大きくし、広い主ジェットノズルによりコア流量を増して燃空比を下げ、同時にエンジン背圧を下げてタービン膨張比を増し排気残留エネルギーの一部を吸収、活用してエンジン正面面積当りの流量を増し、広いファンバイパスノズルによりBPRを高め推力を増強する。
【効果】SFCを改善してCO2排出量を抑え、低いTITによりNOxの生成を抑え、またタービン寿命を延伸できるので、経済性と環境性の両立を図ることが出来る。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
本発明は、コアの主ジェットノズル及びファンバイパスノズル面積を通常のターボファンより広く設定して；
１）広い主ジェットノズル面積によりコア流量を増して、燃料空気混合比を下げタービン入口温度（ＴＩＴ）を低下させる。
２）また広い主ジェットノズル面積により、エンジン背圧を下げてファン駆動タービンである低圧タービン（ＬＰＴ）の膨張比を高め、ファン吸込み空気流量を増す。
３）大きいファンバイパスノズル面積によりバイパス流量を増し、バイパス比（ＢＰＲ）を高めて推力を増す。
４）ＢＰＲを高め推力を増すための熱エネルギーは、燃焼器に供給される燃料のみでなく、コアエンジンの排気に含まれる有効エネルギーの一部を、膨張比が増したＬＰＴにより吸収して補う。
５）つまり燃空比が下がると比エンタルピーが減少するが、コアエンジンの流量が増すので全エンタルピーは増加し、ＢＰＲを高めて推力を増すことができる。
以上のようにＴＩＴとエンジン出口温度を下げて推力を高めるターボファン・サイクル

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービン入口と出口の温度を下げて推力を増すターボファン・サイクルであり、航空エンジンの新分野創出を目指す発明である。
続きを表示（約 1,700 文字）【背景技術】
【０００２】
高い離陸推力と経済的な巡航性能を要求される旅客機のターボファンエンジンは、性能向上のため高温・高圧化が追求され続けてきた。ジェットエンジンの推力はタービン入口温度（ＴＩＴ）に支配され、ＴＩＴは材料の融点により制約を受ける。そのため高度なタービン空冷技術や耐熱材料の革新的技術が開発されてきた。しかし高温化はタービン寿命を縮める。またそれを防ぐための冷却空気量が多すぎると高温化による性能向上を冷却空気過剰によるサイクル損失が上回ってしまう。その上燃焼器内の火炎温度の上昇に対しＮＯｘ（窒素酸化物）の排出量は指数関数的に増加する。ＮＯｘは温室効果ガスである。このように高性能化と省資源や環境保全は両立が難しく、航空用エンジンは環境対策、騒音対策が極めて困難な分野である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
特願２０２３－１２０２９９
【非特許文献】
【０００４】
森田光男、関根静雄著「多軸ターボファンエンジンの設計点外性能」航空宇宙技術研究所報告３４７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ターボファンの技術開発動向として、推進効率を高めるために高バイパス比化が進められてきた。しかしながらバイパス比を高めるには低圧系の仕事を増すためＴＩＴを高めねばならない。ＴＩＴを高めれば上述のように多くの問題が生じ必ずしも環境対策に繋がらない。特許文献１では以上の点に鑑み、ＴＩＴを高めず現実的な温度範囲で低圧タービン・ファン系の仕事を増しエンジン空気流量を増加、推力を保つオリジナリティに富んだ技術思想を生み出した。しかし軽量、小型、高推力が求められる航空用エンジンは、たとえＴＩＴを下げ推力を保つ新分野の創出であっても、推力の向上を無視することはできない。
【０００６】
そこで本発明は、「推力を落さずＴＩＴを下げるサイクル（特許文献１）」を「ＴＩＴを下げて、尚且つ、推力を増すことが出来るサイクル」に進化させることを解決すべき課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
図１に本エンジンの概念図を示す。このエンジンは同じファン前面面積を持つ通常のターボファンより主ジェットノズル及びファンバイパスノズルの出口面積を大きく設定した機関である。主ジェットノズル面積を広く取ると高圧圧縮機（ＨＰＣ）後流の抵抗が減少しＨＰＣ作動線がチョーク側に移動する。作動点の移動によりＨＰＣ流量が増すと燃料空気混合比が減少しＴＩＴが下がる。また面積が広い主ジェットノズルはエンジン背圧Ｐ７を下げ、ファン駆動タービンである低圧タービン（ＬＰＴ）の膨張比を増すので、ファン吸込み空気量が増す。
【０００８】
ファンバイパスノズル面積を広く設定すると、ファン吸込み空気流量の内のバイパス流れへの配分が増す。ＬＰＴは膨張比が増すと主ジェットノズルの排気に含まれる有効エネルギーの一部を吸収し、バイパス流れを増加するための仕事を生み出し、バイパス比（ＢＰＲ）を高める。つまり燃空比が下がると比エンタルピーが減少するが、コアエンジンの流量が増すので全エンタルピーは増加しＢＰＲを高めるので、推力を増すことが出来る。
【０００９】
推力を増すにはＴＩＴを高めねばならない。またＢＰＲを高めるにもＴＩＴを高めねばならない。これはターボファンの常識である。それに反し本発明はＴＩＴを低めてＢＰＲを高め推力を増すことが出来る。それは何故か、その原理を以下に説明する。
【００１０】
図２に典型的な（ファン＋ＨＰＣ）形式ターボファン・エンジンのコア側だけのＴ―ｓ線図を示す。この図はサイクル圧力比（ＣＰＲ）を一定に保ち、ＴＩＴを変動させた場合の図である。ＣＰＲを一定に保ちながらＴＩＴを高くすると、コア推力になり得る熱エネルギー量が増加する。これはターボジェットのサイクルに近く、このようなエンジンは推力は増すがコアの排気速度が高くなるため離陸時の騒音が問題になる。
（【００１１】以降は省略されています）

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