GMワールファイアエンジン
フリータービンターボシャフトエンジン
往復動型内燃機関
旋風
デトロイト ディーゼル アリソンGMT-305の断面図。GT -305 ワールファイアガスタービン エンジンの市販派生型。
概要
メーカーゼネラルモーターズ・リサーチ /デトロイト・ディーゼル・ アリソン
生産1953–83
レイアウト
圧縮比単段、回転式
燃焼
動作原理フリータービンターボシャフト

GMワールファイア・ガスタービンエンジンは、 1950年代に ゼネラルモーターズ社の研究部門によって開発され、1960年代を通じてファイアーバード・コンセプトカー、ターボクルーザーバス、ターボタイタン・トラックなどのコンセプトカーに搭載されました。フリータービン・ターボシャフトエンジンは、2つのスプール（圧縮機／ガス化装置用ターボシャフトと動力／出力ターボシャフト）を備え、機械的なカップリングなしで共通軸を共有しています。第一世代のGT-300はピストンエンジンに比べて燃料消費量が多かったため、第二世代のGT-304にはサーマルホイール再生器が追加され、燃料消費量を約半分に削減しました。

当初、エンジンはGMリサーチ社によって製造されていましたが、第3世代のGT-305以降、アリソン・エンジン部門がガスタービン技術の商業化を担うようになりました。この部門は後にデトロイト・ディーゼル社と合併し、デトロイト・ディーゼル・アリソン社に改名され、セラミック部品を組み込んだ最終設計のGT-404エンジンを約100台生産しました。特殊なタービン合金や材料の使用によるコストと燃費は、従来のピストンエンジンに比べて解決不可能な問題であることが判明し、ゼネラルモーターズ社におけるガスタービンエンジンの開発は1980年代初頭に中止されました。

デザイン

Whirlfireエンジンはフリータービンエンジンであるため、出力軸が停止（回転していない）した状態で最大トルクが発生し、これは全出力時の約2倍です。さらに、全出力時に最も低い燃料消費量を実現します。 [1] : 45–46 

ガス経路

第3世代のGT/GMT-305では、吸気口は共通の水平軸を共有するターボシャフトと同軸上に配置されます。単段ロータリーコンプレッサーは、大気条件の空気を吸気口から吸い込み、圧縮空気を放射状に側面コンパートメントに排出します。そこで回転するドラム型の再生器が、排気ガスから抽出した熱を利用して圧縮空気を予熱します。圧縮空気は燃焼器に送られ、そこで燃料と混合されて燃焼します。生成された燃焼ガスは、まず同じシャフト上にありロータリーコンプレッサーを駆動するために使用されるガス化タービンで膨張し、次に出力シャフトにあるパワータービンで膨張します。[1] : 43–44 

ガス化炉タービン入口の設計温度は1,650 °F（900 °C）である。GMT -305では、ガス化炉／圧縮機シャフトの回転速度は33,000 RPMであるのに対し、パワーシャフトは最大出力で24,000 RPMで回転する。パワーシャフトの回転速度は、自動車部品との互換性を確保するため、出力側の減速ギアによって3,500 RPMに減速される。調速機により、出力シャフトは最大4,500 RPMまで回転することができる。[1] : 43–44 ギア式潤滑油ポンプなどのエンジン補機類用の補助シャフトは、ガス化炉／圧縮機シャフトから駆動される。[1] : 44 

再生

当初開発された最初のエンジン ( GT-300および302 ) には再生器がありませんでした。しかし、排気ガスから熱を回収する再生機能を追加すると、第 2 世代の GT-304 では燃料消費量が1/2削減されることがわかったため、その後の世代の GM Whirlfireガスタービン エンジンには再生器が組み込まれました。

GT/GMT-305では、ターボシャフトの両側に2つのドラム型再生器が大型の区画に配置されており、再生器は約30 RPMで回転します。各区画内では、垂直の隔壁によって再生器が低圧排気部（再生器の約2 ⁄ 3を占める）と高圧吸気部（残りの1 ⁄ 3を占める）に分割されています。再生器が排気部を回転する際には、排気ガスから廃熱を吸収し、その後、吸気部へと回転を続けると、その熱が圧縮空気に伝達され、燃焼器に燃料が投入される前に予熱されます。[1] : 44 

熱力学的効率を向上させることに加えて、再生器はエンジンの騒音と熱を抑制し、排気温度を下げる役割を果たします。[1] : 44 排気部は吸気部よりも低い圧力で動作するため、高圧圧縮空気の損失を最小限に抑えるには再生器の密閉が重要です。[2]

エンジンブレーキ

従来のピストンエンジンでは、摩擦ブレーキを使用せずにエンジンブレーキを使用して車両を減速することができます。しかし、フリータービンターボシャフトエンジンでは、パワータービンがコンプレッサーに機械的に接続されていないため、同様の効果は得られません。GMはWhirlfireエンジンの開発中に、ガス化炉タービンがコンプレッサーの動作に必要な電力よりも多くの電力を生成できることを発見しました。そこで、GMとアリソンは第5世代のGT-309 （1964年）で、クラッチを使用してガス化炉とパワーターボシャフトを連結し、余剰電力の一部を抽出しました。アリソンがPower Transferと名付けたこのシステムは、GT-309にエンジンブレーキ効果をもたらし、部分負荷時の燃費を向上させました。[3]

燃料

外燃機関であるGMワールファイアガスタービンは、多種多様な燃料を燃焼させることができました。例えば、1979年の石油危機への対応として、1980年代初頭にキャデラック・エルドラドとオールズモビル・デルタ88に粉末石炭を燃焼させるタービンエンジンが搭載されました。[4] [5]その他の燃料源としては、メタノール、エタノール、液化石炭、シェールオイルなどが挙げられます。[6]

モデル

Whirlfireガスタービンの仕様
エンジン 出力 ターボシャフト速度（RPM） BSFC（lb/hp·hr） 重さ アプリケーション 注釈と参照
力 トルク ガス化炉 力
GT-300 325馬力（242kW） 2万6000 13,000 1.63 775ポンド（352キログラム） ターボクルーザーI 再生装置なし[7]
GT-302 370馬力（280kW） 2万6000 13,000 1.63 775ポンド（352キログラム） ファイアーバード I GT-300の2バーナーバージョン[7]
GT-304 200馬力（150kW） 3万5000 2万8000 0.77 850ポンド（390キログラム） ファイアーバードII、ターボタイタンI 燃費向上のため再生装置を搭載した最初のモデル[8]
GT-305 225馬力（168kW） 3万3000 27,000 0.55 600～650ポンド（270～290キログラム） ファイアーバードIII、ターボタイタンII デトロイト・ディーゼル・アリソン部門によりGMT-305として商品化された。
GT-309 280馬力（210kW） 875 ポンドフィート (1,186 Nm) 35,700 3万5000 0.45 950ポンド（430キログラム） ターボタイタンIII、ターボクルーザーII/III、RTX、RTS 3T 「パワートランスファー」システムはエンジンブレーキを可能にする[9]
GT-404 325馬力（242kW） 595 ポンドフィート (807 Nm) 37,103 30,830 0.475 1,700ポンド（770キログラム） GMCアストロ、MCI MC-8、RTS（プロトタイプ） [10]

GT-300/302

ファイアーバードI / XP-21はGT-302を搭載しています

最初のエンジンは社内呼称GT-300（1953年）で、再生器を備えていなかった。GT -300の出力は、ガス化（圧縮）タービンが26,000 RPM、自由（出力）タービンが13,000 RPMで回転しているとき、370馬力（280 kW）であった。エンジンユニット全体の重量は775ポンド（352 kg）であった。GT -300は「ターボ・クルーザー」というブランド名で販売された「オールドルック」の路線バスに搭載された。[11]全体のサイズを縮小するため、1つの大型バーナーが2つの小型バーナーに交換され、エンジンはGT-302に改称され、ファイアーバードI（XP-21）に搭載された。[1] : 43  [9] [12] [13]

GT -300は、3.5:1の圧縮比と、公称設計ターボシャフト回転速度24,000 RPM（ガス化炉側）、12,000 RPM（動力側）で設計されました。エンジン補機は、ガス化炉ターボシャフトから垂直ベベルギアを介して駆動されます。補機駆動軸（およびガス化炉ターボシャフト）の始動には、従来の自動車用スターターモーターが用いられます。[14] Whirlfireエンジンのタービンブレード用に、GMR-235と呼ばれる新しいニッケル基合金が開発され、特許を取得しました。[15] [16]

外観上、ターボクルーザーは、側面の「ターボクルーザー」の文字、覆われた後部窓、そして屋根の中央にある大きな排気管によって、ピストン駆動のバスと区別されていました。最後尾の座席は、2人のエンジニアのための「大型の（後方向きの）計器盤を備えた完全な移動実験室」に置き換えられました。[17] : 22 ターボクルーザーの運転経験は、エンジンの機械的耐久性を示しました。WAトゥルネンによると、「何度か計器の破片が機械を通過しました。タービンバケットは曲がりましたが、損傷した部品を再び使用しても故障することはありませんでした。」[17] : 23 このバスは試験走行で9,000マイル（14,000 km）を走行しました。[18] : 330 

実燃費（BSFC）は顕著な問題であり、タービン重量が1,500ポンド（680kg）軽量であったにもかかわらず、 1.63ポンド/馬力[19]と、同等のデトロイト・ディーゼル 8V71ディーゼルエンジン（約0.40ポンド/馬力[ 20] ）を大幅に上回っていました。その他の改善計画では、ガス化タービンを最高速度まで加速することで発生するスロットルラグと、エンジンブレーキ不足の改善が目標とされていました。[21]

GT-304

GT-304（1956年）はGMが初めて再生器を搭載したガスタービンで、排気熱を利用して吸入空気を温めることで、燃料消費量を0.77ポンド/馬力・時まで改善した。[19] Firebird IIに装着されたGT-304の出力は、ガス化タービン回転数35,000回転で200馬力（150kW）であった。ガス化タービンは15,000回転でアイドリングし、パワータービンは最大28,000回転で稼働した。ガス化段階の全体圧縮比は3.5:1であった。[22]タービン入口温度は、GMリサーチ社がGMR-235超合金の耐熱性を再評価した後、1,500°F（820°C）から1,650°F（900°C）に上昇した。再生器の設置により、エンジンの重量は850ポンド（390kg）に増加しました。[23] : 31 再生器1台あたりの重量は150ポンド（68kg）でした。[18] : 340  7.27:1の減速ギアにより、出力軸の回転速度は従来の自動車用補機類と互換性がありました。エンジンとトランスミッションの間には流体入力カップリングが使用されました。さらに、大型の補機類はガス化炉のターボシャフトではなくトランスミッションから駆動されました。これは、アイドリング時に補機類の消費電力が利用可能な余剰電力を超える可能性があることが判明したためです。[23] : 31–32 

GT -304は、最初のターボタイタン（タンデムリアアクスルを備えた大型シボレーモデル10413トラックトラクター）にも搭載されました。ターボタイタンはさまざまな負荷でテストされ、取り外されたロードマスターV-8エンジン（322立方インチ（5.3リットル）オーバーヘッドバルブV-8、195馬力（145kW）の出力）と比較して優れた加速性と登坂能力を示しました。[17]

GT-305

ファイアーバードIIIに装着されたGT -305（1958）は、出力が225馬力（168kW）（タービン速度33,000RPMガス化装置/ 27,000RPM電力）[24]で、重量が600〜650ポンド（270〜290kg）であった。[25]再生器と追加のコンポーネントの改良により、GT-305は0.55ポンド/馬力·時間のブレーキ固有燃料消費量を達成し、[19]初期のGT-304に比べて25％の改善となった。同様に、 GT-305のエンジン重量は304に比べて25％軽減された。外形寸法は、長さ37インチ（940mm）、高さ27.8インチ（710mm）、幅26インチ（660mm）であった。[26]排気温度が大幅に低下した。 GT -305の排気温度は全開時には520°F（271°C）で、アイドリング時には275°F（135°C）まで低下した。[18] : 346 

ファイアーバードIIIには、補機用の2気筒補助動力装置とエンジンブレーキをシミュレートする特殊グレードのリターダーが搭載されていたが、ヤン・ノーバイはこれを「タービン専門家が基盤の問題に取り組むことを拒否したため…この2つのシステムは、コストが問題にならない用途以外では価値が疑わしい」と批判した。[18] : 358–359 

このエンジンは1959年にGMT-305と改称され、通常生産に向けた更なる開発はGMリサーチからアリソントランスミッションに引き継がれた。[19] [1] : 43  GMT-305としては、タービンブレード（GMR-235）、タービンホイール（16-25-6）、ターボシャフト（4340 ） 、タービンボルト（インコネルX）、タービンおよび隔壁ケーシング（SAE 60347）、燃焼室（ハステロイX）などの合金に約30ポンド（14kg）のニッケルが組み込まれていた。[27]最初のGMT-305プロトタイプは、 M56スコーピオンや28フィートの人員ボートなどの米国軍用車両への装備のために1959年11月に出荷を開始した。 [28]ホワールファイアエンジンを搭載したM56は冬季試験を受け、ほとんどトラブルなく1,000マイル（1,600 km）の走行を達成した。[29]さらに、GMT-305はオンタリオ州サドベリーの露天掘りニッケル鉱山の鉱石運搬トラックに搭載された。[27]

GT-309

GT- 305の後継として提案されたGT- 307は1960年に設計されたが、製造されることはなかった。[18] : 369  GMは代わりに乗用車からGT-309 （1964年）に移行した。これはシボレー・ターボ・タイタンIIIトラックやターボ・クルーザーII/IIIバスでの使用が実証されているように、大型用途向けに設計されたものであった。この改良型エンジンでは、ガス化タービンとコンプレッサーが35,700 RPMで動作するように設計され、パワーシャフト速度35,000 RPM（減速ギア付き、4,000 RPM）で280 hp（210 kW）を発生した。失速トルクはアイドリング時に875 lb⋅ft（1,186 N⋅m）であった。[30] [9]さらに、GT-309は従来のGMCアストロ-95キャブオーバートラクターと1969年のRTXトランジットバスプロトタイプに搭載されました。[18] : 379, 382 

以前のエンジンと比較して、タービン入口温度は1,700°F（930°C）にさらに上昇した。[31]ガス化装置（圧縮機）の軸は15,000 RPMでアイドリングし、BSFCは0.45 lb/hp·hであった。ガス化装置タービンの一部を出力軸に繋ぐ「パワートランスファー」システムが使用され、これを作動させることで、ピストンエンジンを使用した場合の2～3倍の効率でエンジンブレーキを利用できた。エンジンは単一の回転ドラム型再生器を使用し、単一の燃焼器と共にエンジン上部に移動させた。[ 32]この再構成により、GT-309は長さ36インチ（910 mm）、幅30インチ（760 mm）、高さ35.5インチ（900 mm）となり、圧縮比3.9:1で空気消費量は4 lb/s（110 kg/分）となった。[18] : 370–371 トランスミッションがギアに入っているときはいつでも、エンジンは19,300 RPM（ガス化装置ターボシャフト）の準備アイドル速度で動作し、スロットルラグに対抗するために2.7秒で32,130 RPMまで加速することができました。[18] : 371–373 単一の再生器は圧縮空気を400〜1,100 °F（204〜593 °C）に予熱し、排気ガス温度を500 °F（260 °C）未満にしました。[18] : 375 

GT-305とは異なり、 GT-309の商用開発はデトロイト・ディーゼル社が担当しました。しかし、デトロイト・ディーゼル社とアリソン社は1970年に合併し、ゼネラルモーターズ社のデトロイト・ディーゼル・アリソン部門（DDAD）が設立されました。これにより、道路車両用ガスタービンの開発はGMに再び統合されました。[18] : 382 

GT-404/505/606

GT-404分解図

GMガスタービンエンジンの最終的な進化形は、DDADによって開発され、Whirlfireブランドを廃止したGT-404でした。GT -404の出力は、ガス化炉/発電タービン速度37,103 / 30,830 RPMで325馬力（242 kW）、失速トルク595 lb⋅ft（807 N⋅m）、BSFC0.475 lb/hp·hでした。[33]先行のGT-309と比較すると、404はドラムではなくディスクを使用していましたが、デュアルサイドマウント再生器に戻りました。[34] : 79  404は、前身の309よりもかなり大きく重く、幅47インチ×長さ28インチ×高さ39インチ（1,190 mm×710 mm×990 mm）、重量1,700ポンド（770 kg）でした。[18] : 383 アリソントランスミッションHT-740ヘビーデューティーオートマチックトランスミッションの特別バージョンがGT-404と組み合わせられる予定で、トルクコンバーターを省略してスペースを節約しました。[18] : 386 

最初のGT-404エンジンは、1971年にインディアナポリスのデトロイト・ディーゼル・アリソン工場からデトロイトとオレゴン州ポートランドに出荷され、試作の長距離トラクターに搭載されました。[35]さらに、このエンジンはMIM-104パトリオット地対空ミサイル射撃ユニットの電力発電機セットにも使用されました。[36]最初のバージョンの定価は9,000ドル（2024年には50,000ドルに相当）で、伝えられるところによると「生産コストをカバーするのにかろうじて十分」であり、従来のディーゼルエンジンと競争できませんでした。[18] : 387 量産開始は1972年の予定で、 1973年にはGT-505と606の派生型が続く予定で、出力はそれぞれ400～450馬力（300～340kW）（505）と550馬力（410kW）（606）に増加した。[37] 404の限定的な実地経験は1974年から1977年の間に得られ、[38]グレイハウンドのMC-7スーパー7ターボクルーザーバスでの使用も含まれている。[39] 404の後継機種では、アルミニウムシリケートセラミックディスク再生器などの先進材料が使用された。[34] : 79 

トランスバス計画で試験されたGMのRTS-3T候補プロトタイプ（1972年）にもGT-404が使用されていた。1970年代後半、米国エネルギー省と運輸省は共同でガスタービン・トランジット・バス実証プログラムを実施し、トランジット・バスとハイウェイ・コーチの両方でDDA GT-404ガスタービンを使用した。[40] [41]このプログラム用に11台のGT-404-4エンジンが製造された。このバージョンは公称出力300馬力（220kW）でタービン入口温度1,875°F（1,024°C）であった。[34]出荷時に試験された77台の エンジンの出力は282.8～304.3馬力（210.9～226.9kW）で、BSFCは0.428～0.447lb/hp·hであった。[34] : 92 実証プログラムでは、GT-404エンジン搭載のRTS-II（T8H-603）トランジットバス4台とMCI MC-8アメリクルーザーコーチ4台が、それぞれメリーランド州ボルチモアのMTAとグレイハウンドラインズで営業運行された。MTAは3ヶ月の営業運行を経て、1981年7月に試験運行を終了した。[34] : 51  1983年に研究が終了するまでに、このバスはNASAの支援下に置かれていた。[42]

GMはタービンエンジンを搭載するためにRTS-IIバスを改造することを拒否したため、製造業者にカスタムインストールを委託した。GT -404-4エンジンは手作業で製造され、1ユニットあたりのコストは25万ドル（2024年の121万ドルに相当）。[42] : I-5、I-6 外部的には、MTA向けに改造されたRTS-IIタービンバスは、移設されたエアコンコンデンサーを収容するためにバスの後部に箱型のカバーが必要となり、傾斜した後端のプロファイルが箱型の外観に変わった。[34] : 117 タービンエンジンはグレイハウンドMC-8の5991号車（エンジンT6）、5992号車（T5、後にT8）、5993号車（T7）、および5994号車（T5、後にT9）に搭載された。グレイハウンドによる170,610マイル（274,570 km）の運行で、4台のMC-8バスの平均燃費は4.26 mpg -US（55.2 L/100 km）で、平均5.66 mpg -US （ 41.6 L/100 km）を達成したディーゼルピストンエンジンの同等のコーチよりも効率が悪かっ た。同様に、MTAとの19,660マイル（31,640 km）の営業運行において、4台のRTS-IIバスの平均燃費は2.7 mpg -US（87 L/100 km）で、同様の路線を運行する他の公共バスの平均燃費4.3 mpg -US（55 L/100 km）よりも燃費が良かった。[34]

参照

参考文献

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