JPH045436A - Method for improving thermal efficiency of jet engine - Google Patents
Method for improving thermal efficiency of jet engineInfo
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- JPH045436A JPH045436A JP10523590A JP10523590A JPH045436A JP H045436 A JPH045436 A JP H045436A JP 10523590 A JP10523590 A JP 10523590A JP 10523590 A JP10523590 A JP 10523590A JP H045436 A JPH045436 A JP H045436A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
(産業上の利用分野)
この発明は、ジェット機に搭載されるジェットエンジン
のノズル、ブレードを冷却し、又エンジンの排気熱を回
収することにより、エンジンの熱効率を改善するのに利
用できる発明である。[Detailed Description of the Invention] (Industrial Application Field) This invention improves the thermal efficiency of a jet engine by cooling the nozzle and blades of a jet engine installed in a jet aircraft and recovering exhaust heat from the engine. This invention can be used for.
(従来の技術)
ジェット機には、第4図に例示するようなターボファン
エンジンが搭載されている。このエンジンは、回転式の
第1段コンプレッサla、第2段コンプレッサ1bで圧
縮した空気をバーナ2に送り、別にバーナに供給される
燃料を燃焼させて高温の燃焼ガスを発生させ、このガス
をブレード状のノズル3を通してロータ4の周囲に植立
したプレート5に噴射することによりロータ4及びその
軸6を回転させ、軸6に固定されたコンプレッサ1a、
1b及びファン7を回転させ、ブレード5の最終段を出
た燃焼ガスを噴出口8から後方に噴出させて推力を発生
させている。第5図はこの場合のガスの流れを温度変化
と共に例示する。機体を前進させる力の多くはファン7
により得られ、噴出ガスによる推力は小さい。(Prior Art) A jet aircraft is equipped with a turbofan engine as illustrated in FIG. This engine sends air compressed by a rotary first-stage compressor la and a second-stage compressor 1b to a burner 2, and combusts fuel separately supplied to the burner to generate high-temperature combustion gas. A compressor 1a fixed to the shaft 6 rotates the rotor 4 and its shaft 6 by injecting air through a blade-shaped nozzle 3 onto a plate 5 planted around the rotor 4;
1b and the fan 7 are rotated, and the combustion gas exiting the final stage of the blades 5 is ejected rearward from the ejection port 8 to generate thrust. FIG. 5 illustrates the gas flow in this case along with temperature changes. Much of the force that moves the aircraft forward comes from fan 7.
The thrust generated by the ejected gas is small.
このように高温の燃焼ガスに曝されるノズル3、ブレー
ド5(これらは同構造であるから、以下、両者をブレー
ドと総称する)は、著しく高温となる。The nozzle 3 and blade 5 (hereinafter, both will be collectively referred to as blades because they have the same structure) exposed to the high-temperature combustion gas become extremely hot.
ジェットエンジンの熱効率は、ガスタービンと同様に、
作用する燃焼ガスの温度が高い程高くなるが、ブレード
材料の耐熱温度に限度があるため極端に高くすることは
できず、現在では860℃以下とされている。The thermal efficiency of a jet engine is similar to that of a gas turbine.
The higher the temperature of the acting combustion gas, the higher the temperature, but because there is a limit to the heat resistance temperature of the blade material, it cannot be made extremely high, and currently it is set at 860° C. or lower.
ブレードの温度上昇を抑える手段としては、従来は、ブ
レードを中空にして多数の細孔により内外を通じさせ、
ブレード内に圧縮空気を送ってプレートを内部から冷却
すると共に、細孔からブレード外に噴出する空気流をブ
レード外面に沿って流してブレードを外面から冷却し、
同時にプレート外面に空気による熱遮断膜を形成して燃
焼ガスによりブレードが加熱される程度を小さくしてい
た。Conventionally, as a means of suppressing the temperature rise of the blade, the blade was made hollow and had many pores that allowed communication between the inside and outside.
Sending compressed air into the blade to cool the plate from the inside, and cooling the blade from the outside by flowing an air flow jetting out of the blade from the pores along the outer surface of the blade,
At the same time, a heat shielding film made of air was formed on the outer surface of the plate to reduce the degree to which the blades were heated by the combustion gas.
これによりプレートの表面温度を使用材料の耐熱限度ぎ
りぎりの850℃にして、燃焼ガス温度を1350℃ま
で高めることができた。As a result, it was possible to raise the surface temperature of the plate to 850°C, which is at the very limit of the heat resistance of the materials used, and to raise the combustion gas temperature to 1350°C.
又、水は空気に比べて比熱が犬ぎいと共に、蒸発時に大
きな潜熱を奪うことができるので、本発明者は水を利用
してガスタービンのブレードを冷却することを考えて特
許出願(特開昭82−251429号、特開平2−55
802号、同2−55837号、特願昭63−3129
14号、特願平1−84696号、同1−260599
号、同1−265039号等)した。In addition, water has a higher specific heat than air and can absorb a large amount of latent heat during evaporation, so the inventor filed a patent application for the idea of using water to cool gas turbine blades. No. 1982-251429, JP-A-2-55
No. 802, No. 2-55837, Patent Application No. 63-3129
No. 14, Patent Application No. 1-84696, No. 1-260599
No. 1-265039, etc.).
従来も水を利用してジェットエンジンのプレートの温度
上昇を抑える方法としては、次のようなことも行なわれ
た。即ち、−時的に大きな出力が要求されるジェット機
が離陸上昇する短時間に、ジェットエンジンのバーナ中
に水を噴射して燃焼ガスの温度を下げ、代りに燃料供給
量を多くして時的にエンジン出力を増加させ、水平巡航
に移ると水噴射を止めて通常の燃焼を行なわせるもので
ある。しかしながら、この方法は熱効率を著しく悪くす
るものであり、前記の本発明者の先発明とは別異なもの
である。Conventionally, the following methods have been used to suppress the temperature rise of jet engine plates using water. In other words, - During the short period of time when a jet aircraft takes off and climbs, when a large amount of power is required, water is injected into the burner of the jet engine to lower the temperature of the combustion gas, and instead, the amount of fuel supplied is increased to save time. The system increases engine output, and when the aircraft shifts to horizontal cruising, water injection is stopped and normal combustion occurs. However, this method significantly deteriorates thermal efficiency and is different from the above-mentioned previous invention of the present inventor.
(発明が解決しようとする課題)
ジェット機に装備されるジェットエンジンはガスタービ
ンと同様に高温の燃焼ガスに曝されるプレートを持つか
ら、これらを水で冷却することは、作用する燃焼ガスの
温度を高くして熱効率を高めるのに有効であるが、ジェ
ットエンジンは、その排気の噴出による推力をジェット
機の推進に利用する点で一般の地上用ガスタービン(例
えば発電用)と異なる点がある。(Problem to be Solved by the Invention) Jet engines installed in jet aircraft have plates that are exposed to high-temperature combustion gas, similar to gas turbines, so cooling them with water will reduce the temperature of the combustion gas that acts on them. However, jet engines differ from general ground-based gas turbines (for example, for power generation) in that the thrust generated by the jet exhaust gas is used to propel the jet aircraft.
本発明は、微細水滴を含んだ冷却空気によるブレードの
冷却を利用すると共に、更にエンジンの排気熱を回収し
てジェットエンジンの熱効率を改善する方法を得ようと
するものである。The present invention aims to provide a method for improving the thermal efficiency of a jet engine by utilizing cooling of the blades by cooling air containing fine water droplets and further recovering engine exhaust heat.
(課題を解決するための手段)
本発明の第−点は、圧縮空気を使用してエンジンのブレ
ード冷却を行なうジェット機に水タンクを装備し、プレ
ート冷却用の圧縮空気中に微細水滴を混入し、これの蒸
発潜熱を利用してブレード内面での熱伝達率を増加させ
、ブレード冷却を高度に行なわせてジェットエンジンの
熱効率を改善しようとするものである。(Means for Solving the Problems) The first aspect of the present invention is to equip a jet aircraft that uses compressed air to cool engine blades with a water tank, and to mix fine water droplets into the compressed air for plate cooling. The aim is to utilize this latent heat of vaporization to increase the heat transfer coefficient on the inner surface of the blade, thereby cooling the blade to a high degree and improving the thermal efficiency of the jet engine.
本発明の第二点は、ジェットエンジンの排気の持つ熱を
回収してコンプレッサを出た圧縮空気を加熱してバーナ
に送給し、使用燃料を節減してジェットエンジンの熱効
率を改善しようとしたものである。The second point of the present invention is to recover the heat of the jet engine exhaust gas to heat the compressed air exiting the compressor and send it to the burner, thereby reducing the amount of fuel used and improving the thermal efficiency of the jet engine. It is something.
(作 用)
第−点について説明すると、第1図に示すように中空の
プレート1の外面に沿って流れる燃焼ガスの温度をTO
、プレート壁の温度をTw、ブレード内に吹込む冷却用
圧縮空気の温度をTcとし、燃焼ガスからブレード壁へ
の熱伝達率をα。、ブレード壁からプレート内の水滴を
混入しない冷却用空気への熱伝達率をαcoとすると、
通過熱量が等しいことから
(TG −Tw ) Qa = (Tw −Tc )α
o0と見ることができる。例えば
Tw”850℃、To = 1350℃、Tc =
350℃とすると
冷却用圧縮空気に微細水滴を混入してプレード壁からの
熱伝達率αcoを大きくし、これを燃焼ガスからブレー
ド壁への熱伝達率αGの2倍にしたとすると
(TO−7,)Qa = (Tw T()X 2a
。(Function) To explain the -th point, as shown in Fig. 1, the temperature of the combustion gas flowing along the outer surface of the hollow plate 1 is
, the temperature of the plate wall is Tw, the temperature of the cooling compressed air blown into the blade is Tc, and the heat transfer coefficient from the combustion gas to the blade wall is α. , if αco is the heat transfer coefficient from the blade wall to the cooling air that does not mix with water droplets inside the plate, then
Since the amount of heat passing through is equal, (TG − Tw ) Qa = (Tw − Tc ) α
It can be seen as o0. For example, Tw”850°C, To = 1350°C, Tc =
When the temperature is 350°C, fine water droplets are mixed into the cooling compressed air to increase the heat transfer coefficient αco from the blade wall, and this is made twice the heat transfer coefficient αG from the combustion gas to the blade wall (TO- 7,)Qa = (Tw T()X 2a
.
T a ;3T w 2T c = 1850℃と
なり、燃焼ガス温度を従来の1350℃から1850℃
に高められることになるから、ジェットエンジンの出力
及び熱効率を高めることができる。こうすることは、ブ
レード内に送る冷却用空気中に微小水滴を混入して冷却
を良好に行なうことにより可能である。T a ; 3T w 2T c = 1850°C, and the combustion gas temperature has been reduced from the conventional 1350°C to 1850°C.
As a result, the output and thermal efficiency of the jet engine can be increased. This can be done by mixing minute water droplets into the cooling air sent into the blades to achieve good cooling.
このように水を使用してブレードを冷却するためには、
ジェット機に水タンク10(342図)を装備する必要
があるが、ジェット機は著しい低温空域を飛行すること
が多いから、水が凍結しないようにタンクは断熱構造と
し、又加熱装置を設けて水温を20〜80℃に保持する
ものとする。In order to cool the blades using water in this way,
It is necessary to equip a jet aircraft with a water tank 10 (Fig. 342), but since jet aircraft often fly in extremely low temperature airspace, the tank should have an insulated structure to prevent the water from freezing, and a heating device should be installed to control the water temperature. The temperature shall be maintained at 20-80°C.
次に第二点について説明すると、現在のジェットエンジ
ンにおいては、約1000℃の排気を、噴流による推力
発生に利用するのみで、I¥!棄している。Next, to explain the second point, in current jet engines, only the exhaust gas at about 1000°C is used to generate thrust by the jet flow, and the I¥! Abandoned.
本発明は、第2図に略示するように、ジェットエンジン
の噴出口8に通じるガス流路に円輪形の熱交換器9を設
けて、エンジン排気によりコンプレッサ1bの吐出する
約350℃の圧縮空気を加熱し、約900℃にしてバー
ナ2に供給する。As schematically shown in FIG. 2, the present invention provides a circular heat exchanger 9 in the gas flow path leading to the jet engine jet nozzle 8, and compresses approximately 350° C. discharged from the compressor 1b by the engine exhaust gas. Air is heated to about 900°C and supplied to burner 2.
バーナ2においてこの圧縮空気により燃料を燃焼させて
約1350℃の燃焼ガスを造りこれをプレートに吹きつ
けてロータ4を回転させる。In the burner 2, the compressed air is used to combust fuel to produce combustion gas at about 1350°C, which is blown onto the plates to rotate the rotor 4.
従来のように350℃の空気を1350’eまで昇温さ
せるに要する熱量QAは、このとぎの比熱をc、とする
と
Q A =Cp (1350350) ” 1000
c p熱交換器9により空気温度を900℃にした場合
に1350℃の燃焼ガスを造るに要する熱量QBは
Qa =Cp (1350900)= 450c p
となり、所要燃料は従来の45%で足りることになる。The amount of heat QA required to raise the temperature of air at 350°C to 1350'e as in the conventional method is QA = Cp (1350350) ” 1000, assuming that the specific heat at this point is c.
When the air temperature is set to 900°C by the c p heat exchanger 9, the amount of heat QB required to produce combustion gas at 1350°C is Qa = Cp (1350900) = 450c p
Therefore, the required fuel will be 45% of the conventional amount.
但し、ジェットエンジンの推力は排気の絶対温度に比例
するので、熱交換器を出て排出されるガス温度を、コン
プレッサの吐出する圧縮空気の温度350℃より100
℃高い450℃とすると、このときの排出ガスの推力と
水冷却しない場合の推力との比は
となって、水冷却するとエンジンの推力は約半分に減少
する。However, since the thrust of a jet engine is proportional to the absolute temperature of the exhaust gas, the temperature of the gas discharged from the heat exchanger should be 100°C lower than the temperature of the compressed air discharged from the compressor, which is 350°C.
If the temperature is higher than 450 degrees Celsius, the ratio of the thrust of the exhaust gas at this time to the thrust without water cooling will be, and with water cooling, the thrust of the engine will be reduced by about half.
尤も、現用のターボジェットエンジンでは、推力の大部
分はファン7により生しているので、推力の80%がフ
ァン7によるものとすると、上記のように水冷却しても
ファンの推力は全く変らないので、エンジン排気の推力
が従来の57%と減ってもエンジン全体の推力は
80+20X0.57=91%
となって推力の減少は従来の約10%で済む。燃料の消
費量は著しく減るから、熱効率は著しく改善されること
になる。However, in modern turbojet engines, most of the thrust is generated by the fan 7, so if 80% of the thrust comes from the fan 7, the thrust of the fan will not change at all even if water is cooled as described above. Therefore, even if the thrust of the engine exhaust is reduced to 57% of the conventional one, the thrust of the entire engine is 80 + 20 x 0.57 = 91%, so the reduction in thrust is only about 10% of the conventional one. Since fuel consumption is significantly reduced, thermal efficiency is significantly improved.
第3図は、このように作用するガスの流れを温度変化と
共に示したもので、バーナ2を出た燃焼カス温度tBを
従来と同じ1350℃とした場合であるか、前記の発明
の第−点による冷却効果の向上を利用して燃焼ガス温度
を高めれば、ジェットエンジンの熱効率を一層高くする
ことかできる。FIG. 3 shows the flow of gas acting in this way together with temperature changes, and shows whether the temperature tB of the combustion residue exiting the burner 2 is set to 1350° C., which is the same as in the conventional case, or The thermal efficiency of jet engines can be further increased by increasing the temperature of the combustion gas by utilizing the improved cooling effect caused by points.
例えは、熱交換器9を使用しない現用のターボファンジ
ェットエンジンにおいて、大気温度が15℃、バーナ2
を出たカス温度tB=1177℃、圧力比21.7とし
て計算すると、圧力QB=69.4 kcal/kgA
ir、熱効率27th=0.360となるが、圧力比は
同じ21.7とし、バーナを出たガス温度tB=165
0℃として計算すると、出力Q = 164 kcal
/kgAir、熱効率n th=0494となる。For example, in a current turbofan jet engine that does not use the heat exchanger 9, the atmospheric temperature is 15°C and the burner 2
Calculating as the temperature of the waste left out tB = 1177°C and the pressure ratio 21.7, the pressure QB = 69.4 kcal/kgA
ir, thermal efficiency 27th = 0.360, but the pressure ratio is the same 21.7, and the gas temperature exiting the burner tB = 165
Calculated as 0℃, output Q = 164 kcal
/kgAir, thermal efficiency n th = 0494.
更にこれに熱交換器9を使用すると、出力Q=164
kcal/kgAir、熱効率7)th=0.562と
なり、熱効率は一層高くなる。Furthermore, if heat exchanger 9 is used for this, the output Q = 164
kcal/kgAir, thermal efficiency 7) th=0.562, and the thermal efficiency becomes even higher.
(発明の効果)
(11ブレードを冷却する圧縮空気中に微細水滴を混入
することにより、ブレードの温度上昇を抑えつつ燃焼ガ
ス温度を上げることができる。(Effects of the Invention) (11) By mixing fine water droplets into the compressed air that cools the blades, it is possible to increase the temperature of the combustion gas while suppressing the temperature rise of the blades.
従ってブレード材料の耐熱性が現状のままでも、ジェッ
トエンジンの熱効率を上げることができる。Therefore, even if the heat resistance of the blade material remains as it is, the thermal efficiency of the jet engine can be increased.
(2)エンジンの排気熱の一部を回収することにより燃
料使用量を減少させることができる。(2) Fuel consumption can be reduced by recovering a portion of engine exhaust heat.
(3)エンジンの排気熱回収のため排気による推力が減
少しても、燃料使用量の減少により熱効率を上げること
ができ、差引き利得の方が大きくなる。(3) Even if the thrust from the exhaust gas is reduced due to exhaust heat recovery from the engine, the thermal efficiency can be increased due to the reduction in the amount of fuel used, and the subtractive gain will be larger.
′tS1図は中空ブレード冷却時の熱の移動を示すブレ
ードの断面図、第2図はターボジェットエンジンに熱交
換器を装備する状態を示す断面図、第3図は熱交換器に
より排気の熱を回収するとぎのガスの流れ及び温度変化
を示す略図、第4図は従来のターボジェットエンジンを
示す第2図同様の断面図、第5図はこれのガスの流れ及
び温度変化を示す略図である。
1a−第1段コンプレッサ、1b:i2段コンプレッサ
、2:バーナ、3:ノズル、4.ロータ、5・ブレード
、6:軸、7:ファン、8:噴出口、9:熱交換器、1
0:水タンク。'tS1 is a cross-sectional view of the blade showing the transfer of heat during cooling of the hollow blade, Figure 2 is a cross-sectional view showing the state in which a turbojet engine is equipped with a heat exchanger, and Figure 3 is a cross-sectional view showing the heat exchanger installed in the turbojet engine. Fig. 4 is a cross-sectional view similar to Fig. 2 showing a conventional turbojet engine, and Fig. 5 is a schematic diagram showing the gas flow and temperature changes in this engine. . 1a - 1st stage compressor, 1b: i 2nd stage compressor, 2: burner, 3: nozzle, 4. Rotor, 5, blade, 6: shaft, 7: fan, 8: spout, 9: heat exchanger, 1
0: Water tank.
Claims (1)
のノズル、ブレード内に圧縮空気を吹込み、ノズル、ブ
レードを冷却するジェットエンジンを使用するジェット
機において、冷却水タンクを機体に装備して上記冷却用
圧縮空気中に微細水滴を混入しノズル、ブレード冷却を
強化することを特徴とするジェットエンジンの熱効率を
改善する方法。 2)ジェットエンジンのバーナにおいて燃料を燃焼させ
るための圧縮空気をジェットエンジンの排気により加熱
する熱交換器を設けたことを特徴とするジェットエンジ
ンの熱効率を改善する方法。[Claims] 1) A cooling water tank in a jet aircraft using a jet engine that cools the nozzles and blades by blowing compressed air into the nozzles and blades having a similar structure in which the inside and outside are communicated through a number of hollow pores. A method for improving the thermal efficiency of a jet engine, which comprises equipping an aircraft with fine water droplets in the compressed air for cooling to strengthen nozzle and blade cooling. 2) A method for improving the thermal efficiency of a jet engine, comprising providing a heat exchanger that heats compressed air for burning fuel in a burner of the jet engine using exhaust gas from the jet engine.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10523590A JPH045436A (en) | 1990-04-23 | 1990-04-23 | Method for improving thermal efficiency of jet engine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10523590A JPH045436A (en) | 1990-04-23 | 1990-04-23 | Method for improving thermal efficiency of jet engine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH045436A true JPH045436A (en) | 1992-01-09 |
Family
ID=14401993
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10523590A Pending JPH045436A (en) | 1990-04-23 | 1990-04-23 | Method for improving thermal efficiency of jet engine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH045436A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5930990A (en) * | 1996-05-14 | 1999-08-03 | The Dow Chemical Company | Method and apparatus for achieving power augmentation in gas turbines via wet compression |
-
1990
- 1990-04-23 JP JP10523590A patent/JPH045436A/en active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5930990A (en) * | 1996-05-14 | 1999-08-03 | The Dow Chemical Company | Method and apparatus for achieving power augmentation in gas turbines via wet compression |
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