GMワールファイアエンジン

旋風
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	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であるデトロイトディーゼルアリソンGMT-305の断面図
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	単段式、回転式
燃焼
動作原理	フリータービンターボシャフト

GM Whirlfire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Firebirdコンセプトカー、Turbo-Cruiserバス、Turbo-Titanトラックなどのコンセプトカーに搭載されました。これらは、2 つのスプール (1 つはコンプレッサー/ガス化装置ターボシャフト、もう 1 つはパワー/出力ターボシャフト) を備えたフリータービンターボシャフトマシンで、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 1 世代のGT-300の燃料消費量はピストンエンジンに比べて高かったため、第 2 世代のGT-304には熱輪再生器が追加され、消費量が約1 ⁄ 2削減されました。

当初、エンジンはGMリサーチによって製造されていましたが、第3世代のGT-305から、アリソンエンジン部門がガスタービン技術の商業化の責任を引き継ぎました。この部門は後にデトロイトディーゼルと合併してデトロイトディーゼルアリソンに改名され、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と材料によるコストと燃料消費は、従来のピストンエンジンと比較し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でのガスタービンエンジンのさらなる開発は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、出力軸が停止している（回転していない）ときに最大トルクが発生し、フルパワー出力時に発生するトルクの約2倍になります。さらに、フルパワー時に最も低い燃料消費量が達成されます。^[1]^{: 45–46}

ガス経路

第 3 世代のGT/GMT-305では、空気取り入れ口は共通の水平軸を共有するターボシャフトと軸方向に配置されています。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。そこでは、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使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、その結果生じた燃焼ガスは、同じシャフト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最初に膨張し、次に出力シャフトにあるパワータービンを通過します。^[1]^{: 43–44}

ガス化炉タービン入口の設計温度は 1,650 °F (900 °C) です。GMT -305の場合、ガス化炉/コンプレッサーシャフトの回転速度は 33,000 RPM ですが、パワーシャフトはフルパワーで 24,000 RPM で回転します。パワーシャフトの速度は、自動車部品と互換性を持たせるために、出力側の減速ギアによって 3,500 RPM に減速されます。調速機により、出力シャフトは最大 4,500 RPM まで回転できます。^[1]^{: 43–44}ギア式潤滑油ポンプなどのエンジン補助装置用のアクセサリシャフトは、ガス化炉/コンプレッサーシャフトから駆動されます。^[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、2 つのドラム再生器がターボシャフトの両側の大きな区画に配置されており、再生器は約 30 RPM で回転します。各サイド区画内では、垂直の隔壁によって再生器が低圧排気セクション (再生器の約2 ⁄ 3を占める) と高圧吸気セクション (残りの1 ⁄ 3 ) に分割されています。再生器が排気セクションを回転すると、排気ガスから廃熱を吸収し、吸気セクションに回転し続けると、熱が圧縮空気に伝達され、燃焼器に燃料が追加される前に予熱されます。^[1]^{: 44}

再生器は熱力学的効率を向上させるだけでなく、エンジンの騒音と熱を抑制し、排気温度を下げる働きもあります。^[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、摩擦ブレーキを使わ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が、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。Whirlfireエンジンの開発中に、 GMはガス化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たため、第5世代のGT-309（1964年）では、GMとアリソンはクラッチを使用してガス化タービン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、部分負荷での燃費を改善しました。^[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、さまざまな燃料を燃焼することができました。たとえば、粉末石炭を燃焼するタービンエンジンは、 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に搭載されました。^[4]^[5]その他の潜在的な燃料源には、メタノール、エタノール、液化石炭、シェールオイルが含まれていました。^[6]

モデル

GT-300/302

最初のエンジンは、社内名称がGT-300（1953年）で、再生器を備えていなかった。GT -300は、ガス化装置（コンプレッサー）タービンが26,000 RPMで回転し、フリー（パワー）タービンが13,000 RPMで回転しているとき、370 hp（280 kW）の出力があった。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」というブランド名の「オールドルック」トランジットバスに搭載された。^[11]全体のサイズを小さくするため、1つの大きなバーナーが2つの小さなバーナーに交換され、エンジンはGT-302に再指定され、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速度24,000 RPM（ガス化装置）および12,000 RPM（動力）で設計されました。エンジンのアクセサリは、垂直ベベルギア配置を介してガス化装置ターボシャフトによって駆動されます。従来の自動車用始動モーターを使用して、アクセサリドライブシャフト（およびガス化装置ターボシャフト）をクランクします。^[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ベース合金が開発され、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、覆われていない後部窓、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。最後部の座席は、2人のエンジニアのための「大きな[後ろ向きの]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っていましたが、その後損傷した部品を運転した後でも故障することはありませんでした。」^[17]^{: 23}バスはテストで9,000マイル（14,000 km）を走行しました。^[18]^{: 330}

BSFC（ブレーキ固有燃料消費量）は注目すべき問題であり、タービンが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]で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] ）よりも大幅に高かった。計画されている他の改良は、ガス化タービンを最高速度まで加速することによって引き起こされるスロットルラグとエンジンブレーキの欠如を対象としていた。^[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、燃料消費量を0.77 lb/hp·hに改善した。^[19] Firebird IIに装備されたGT-304の出力は、ガス化タービン速度35,000 RPMで200 hp（150 kW）だった。ガス化タービンは15,000 RPMでアイドリングし、パワータービンは最大28,000 RPMで稼働した。ガス化段階の全体的な圧縮比は3.5:1だった。^[22] GMリサーチがGMR-235超合金の耐熱性を再評価した後、タービン入口温度は1,500 °F（820 °C）から1,650 °F（900 °C）に上昇した。再生器の装着により、エンジンの重量は 850 ポンド (390 kg) に増加しました。 ^[23]^{: 31}各再生器の重量は 150 ポンド (68 kg) でした。^[18]^{: 340} 7.27:1 の減速ギアにより、出力軸の速度は従来の自動車の付属品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、大型の付属品は、ガス化装置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、アイドル時に付属品の電力消費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、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である最初のターボタイタン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 に装備されたGT -305 (1958) は、出力が 225 hp (168 kW) (タービン速度 33,000 RPM ガス化装置 / 27,000 RPM 電力) ^[24]で、重量が 600–650 lb (270–290 kg) でした。^[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 lb/hp·h の正味燃料消費量を達成しました。^[19]これは、以前のGT-304と比較して 25% の改善です。同様に、 GT-305のエンジン重量は304と比較して 25% 軽量化されました。外形寸法は、長さ 37 インチ (940 mm)、高さ 27.8 インチ (710 mm)、幅 26 インチ (660 mm) でした。^[26]排気温度が大幅に低下しました。 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、アクセサリー用の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「タービンの専門家が基盤の問題に取り組むことを拒否した結果である...これら2つのシステムは、コストが問題にならない用途を除いて、疑わしい価値しかないように思われる」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フィートの兵員輸送ボートなどの米軍車両への装備のために1959年11月に出荷が開始された。^[28]ホワールファイアを搭載したM56は冬季試験を受け、ほとんどトラブルもなく1,000マイル（1,600 km）の走行距離を記録した。^[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}代わりに、GMは乗用車から離れて、シボレーターボタイタンIIIトラックとターボクルーザーII / IIIバスでの使用で実証されているように、大型用途向けに設計されたGT-309（1964年）を採用した。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馬力（210 kW）を発生した。アイドリング時の失速トルクは875 lb⋅ft（1,186 N⋅m）だった。^[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再び 1,700 °F (930 °C) に上昇しました。^[31]ガス化装置 (コンプレッサー) シャフトは 15,000 RPM でアイドリングし、BSFC は 0.45 lb/hp·h でした。ガス化装置タービンの一部を出力シャフトに接続するために「パワートランスファー」システムが使用されました。これを使用すると、ピストンエンジンを使用する場合と同等の効果の 2 ～ 3 倍の効率でエンジンブレーキを利用できます。エンジンは単一の回転ドラム再生器を使用し、単一の燃焼器とともにエンジンの上部に移動しました。^[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 で空気を 4 lb/s (110 kg/分) の速度で消費しました。^[^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（ガス化ターボシャフト）の準備アイドル速度で作動し、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、排気ガス温度は500 °F（260 °C）未満になりました。^[18]^{: 375}

GT-305とは異なり、 GT-309の商用開発はデトロイト・ディーゼルによって行われました。しかし、デトロイト・ディーゼルとアリソンは1970年に合併し、ゼネラルモーターズコーポレーションのデトロイト・ディーゼル・アリソン部門（DDAD）となり、道路車両用ガスタービンの開発はGMに再統合されました。^[18]^{: 382}

GT-404/505/606

GMガスタービンエンジンの最終的な進化は、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、ガス化装置/発電タービン速度37,103 / 30,830 RPMで325馬力（242kW）、失速トルク595 lb⋅ft（807 N⋅m）、BSFC0.475 lb/hp·hでした。^{[33]以前の}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710mm×高さ990mm（1,190mm×1,700mm）、重量770kg（1,700ポンド）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をGT-404と組み合わせる予定でしたが、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、試作型の長距離トラクターに搭載された。^{[35]さらに、}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た。 ^[36]最初のバージョンの定価は9,000ドル（2023年の50,000ドルに相当）で、「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なかったと伝えられている。^[18]^{: 387}量産は1972年に開始される予定で、 1973年にはGT-505と606の派生型が続く予定で、出力は400～450馬力（300～340kW）（505）と550馬力（410kW）（606）に増加した。^[37]404の限られた実地経験は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た。 ^[39]404の後のバージョンでは、アルミニウムケイ酸塩セラミックディスク再生器などの先進的な材料が使用されました。 ^[34]^{: 79}

トランスバス計画で試験されたGM RTS-3T候補プロトタイプ（1972年）もGT-404を使用していた。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]このプログラムのために11台のGT-404-4エンジンが製造された。このバージョンは、タービン入口温度が1,875°F（1,024°C）で公称出力300hp（220kW）と評価された。^{[34]出荷時}^の77台の試験済みエンジン出力は282.8～304.3hp（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を搭載した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MTA（メリーランド州ボルチモア）とグレイハウンドラインズで営業運転された。MTAは3か月の営業運転の後、1981年7月にテストを終了した。^[34]^{: 51} 1983年に研究が終了するまでに、 NASAの保護下に置かれていた。^[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、製造業者がカスタムインストールする契約を結んだ。GT -404-4エンジンは手作業で製造され、1台あたりのコストは25万ドル（2023年に117万ドルに相当）。^[42]^{： I-5、I-6}外部的には、MTA向けの改造された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更された。^[34]^{： 117}タービンエンジンは、グレイハウンドMC-8フリート番号5991（エンジンT6）、5992（T5、後にT8）、5993（T7）、および5994（T5、後にT9）に搭載された。およびMTA RTS-IIの車両番号3318（T11）、3319（T11、後にT14）、3320（T14、後にT13）、および3321（T13、後にT15とT12）です。エンジンT10は、バスに搭載される前に部品が取り外されました。^[34]^：付録Cグレイハウンドでの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です。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バスは平均2.7 mpg _-US（87 L/100 km）の燃費を記録し、同様の路線を運行する他の公共バスの平均4.3 mpg _-US（55 L/100 km）よりも多くの燃費を記録しました。^[34]

参照

クライスラータービンエンジン、同等の開発レベルを持つ同時代のプロトタイプエンジン

参考文献

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