JP2000503363A - 多重スプール バイパス ターボファン エンジン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多重スプールターボファンエンジン（６）は、高圧タービンの後方の燃焼ガス流出を精密に制御するため、それに固着されたダイバータ（80）を備える複数の円周方向に間隔をおいたポペット弁（60）を有しているので、高圧スプール（30）は装備品に動力を供給するため高い無負荷運転ＲＰＭで作動し、かつ低圧スプール（12）は騒音及び燃料消費を最小にするため低いＲＰＭで作動する。高圧タービンの下流及び中間圧スプール（22）の上流にポペット弁（60）との組合せでダイバータ（80）を配置してタービンとバイパスダクトとの流れ間の熱ガス流れ間の差圧によって誘起された流れと同時に、分流を制御することにより熱ガス流出の効率的かつ精密な制御が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】 多重スプールバイパスターボファンエンジン 発明の属する技術分野 本発明は一般に、ガスタービンエンジンに関し、さらに詳細にはジェット航空 機の主動力設備と同時に高効率補助動力装置として使用できる多重スプールバイ パスターボファンエンジンに関するものである。 発明の背景 現代のジェット航空機には、特に、航空機がランプで駐機する時、航空機の地 上動作を支援するのに必要とされる多くの装備品を駆動する実質的な電気的動力 が必要とされる。通常、このような装備品用動力は、重大な燃料消費、騒音、及 びエンジン推進の動作に関連する一般的な障害を回避するため、地上支援装置又 は機載補助動力装置（ＡＰＵ）によって供給される。大きなの汎用性をもたせる だけの余裕がある一方、機載補助動力装置（ＡＰＵ）はペイロードに否定的な強 い影響を有し、かつ航空機の使用可能なキューブを有している。地上を基本とす る支援装置はしばしば使用できないことがある。 従来、ジェットエンジンはこの問題を解決するため改良されてきた。例えば、 現在は米国特許第5,485,717号で、かつその権利が本発明の権利者に帰属してい る、同時出願番号第08／267,616号に開示されているツインスプールバイパスタ ーボファンエンジンはその前方端部にファンをかつ後方端部に低圧タービンを有 する低圧スプールを含んでいる。同軸高圧スプールは低圧スプール上のファンの 背後に流体の流れで連通する高圧圧縮機と；燃焼器の背後かつ低圧スプール上の 低圧タービンの前方に流体の流れで連通する高圧タービンと；を有している。燃 焼ガスは低圧タービンの上流箇所からエンジンのバイパスダクトへ流出すること により、ファンの速度を減衰する。 しかしながら、問題は、この概念を３スプールジェットエンジンに適用する場 合に一層困難になる。バイパスタービンの空気力学的要素を３つのスプールへ分 離することにより、各種スプールの速度が非設計動作点に対して有利な態様でそ れら自身を調整することが可能になる。これは、推進目的に対する最良の可能燃 料 経済性及ひ推進力／重量比を達成するように、全般的な圧縮比か比較的高くされ る場合、特に真実となる。分析により、推進力要求量が低くなると、低圧スプー ルの速度は高圧スプールの速度より大いに減少することが示されている。低圧圧 縮機のより低い速度が、それらのスプールがより低い流れ速度で圧縮機失速に遭 遇することなく作動することを可能にする。しかしながら、すべての装備品を負 荷した状態での最適性能には高圧圧縮機ガスの細密に調整された中間抽気が必要 とされる。 ３スプール構成では、一般的には、中間圧圧縮機はファンの中間スプールの下 流かつ高圧圧縮機の前方に支持される。中間スプールは高圧タービン及び低圧タ ービン間に配置される中間圧タービンによって駆動される。一般的に、低圧スプ ールのファンは高、中間、及び低圧スプールを包囲する環状バイパスダクトに整 列される。例えば、発電機を含む装備品は高圧スプールによって駆動される。そ れゆえ、低圧スプールのＲＰＭを最小にする一方、高圧スプールのＲＰＭを最大 にすることは重要である。 発明の概要 本発明は、３スプールバイパスタービン推進エンジンが、航空機の即時の必要 性に対して要求される電気的動力、油圧動力、及び圧縮空気に必要とされるエン ジン動力量だけを発現させることにより、燃料経済性及びランプでの人々への障 害を最小にするプログラマブルな細密に調整された良性なモードで作動すること を可能にする。 本発明の概念は、タービンとバイパスダクトとの流れ間の熱ガスの流れ間の差 圧によって誘起された流れと同時に、高圧タービンの下流かつ中間圧タービンの 上流に配置された機構的ダイバータ及び切換を制御するポペット弁の両方を利用 することにより、効率的かつ精密に制御可能な熱ガスの抽気に対処する備えを含 んでいる。抽気ガスはどのような別の仕事も行うことなくエンジンバイパスダク トの中に放出される。中間圧タービン及び低圧タービンを通した流れからの作動 流体の相当の部分を除去することにより、中間圧縮機及び低圧ファンそれぞれに 動力を供給するそれらの能力を徹底的に低減し、それによって、高圧圧縮機の中 に導入された空気の圧力及び温度両方を低減する。高圧圧縮機に対して低減され た圧力は、高圧スプールがエンジン発電機、ポンプなどを駆動するのに十分な速 度で作動することをなお可能にしながら、そこを通過して流れかつ要求燃料流れ を低減するエンジン燃焼器に流れる質量流れを低減する。また、それに対する吸 気口でより低い圧力を生ずる低減高圧圧縮機吸気口温度は高圧圧縮機排気口温度 を低減し、排気口温度は、抽気された空気が流出空気として使用される前に、高 圧圧縮機から抽気された空気を冷却する必要性を低減、又は除去する。 さらに具体的にいえば、本発明によれば、それぞれがポペット弁に結合された 機械的なフローダイバータを有するポペット弁の円周方向に間隔をおいた配列が 、高圧タービンの下流に配置され燃焼ガスの抽気に影響を与える。多重、高効率 な個別に制御されたポペット弁は燃焼ガス抽気量のコンピュータ制御を可能にす る。従って、プログラムされたシーケンスで弁を開放することにより個別に、精 密に増加させることで流出を変化させることができる。制御された抽気により、 低圧タービンが航空機に機載の電気的、油圧式、又は空気圧式装置に必要とされ た動力量を供給するのに必要なエンジンの高圧部にその空気量だけを供給するの に十分な速度で作動できるようになる。 エンジンが無負荷運転状態にある時の高圧タービンの直後の箇所からエンジン のバイパスダクトの中に通気する中間圧力の広い概念が、その権利が本発明の権 利者に帰属している、ウイリアムズ特許（Williams Patent）第3,363,415号に開 示されている。しかしながら、前記特許では、エンジンの無負荷運転状態時の装 備品の駆動に必要なだけの動力を供給しながら、燃料消費を最小にするように高 効率かつデジタル化コンピュータ制御を受け入れやすい方法での通気に関して触 れられていない。 図面の簡単な説明 図１ 本発明が特定のアプリケーションを有する３スプールターボファンガス タービンエンジンの図式化した断面立面図である。 図２ 図１の線２−２に沿った図面である。 図３ 図１の線３−３に沿った図面である。 図４ 開放状態にあるポペット弁及びダイバータを備える図３に類似の図面で ある。好適態様の詳細な説明 図面の内、図１に見られるように、３スプールバイパスターボファンエンジン ６が図式化して示されており、環状バイパスダクト10の外側壁を形成する外側端 の円筒形ハウジング８を含んでいる。低圧スプール組立体12はエンジン６の中央 長手方向軸線14の周囲を回転可能であり、かつファン18及びその前方に低圧圧縮 機19及びその後方に低圧タービン20を有する軸16を含んでいる。 中間圧スプール22は低圧スプール12の軸16の周囲に同軸に配置され、かつ軸24 、中間圧縮機26及び中間タービン28とを含んでいる。 高圧スプールアセンブリ30はそれぞれ低圧スプール12及び中間圧スプール22の 軸16及び24にわたって自在に伸縮し、かつ軸32及び、前方端部に高圧圧縮機34及 び後方端部に高圧タービン36とを含んでいる。 環状燃焼器40はそれそれの低圧スプール12、中間圧スプール22及び高圧スプー ル30の周囲、高圧圧縮機34と高圧タービン36との間に配置される。 装備品駆動軸50は高圧スプール30の軸32に噛み合っている。通常の装備品、例 えば、始動装置／発電機52は装備品駆動軸50により高圧スプール30のＲＰＭに直 接関連したＲＰＭで駆動される。 ファン18により誘導された空気の一部は低圧圧縮機19に流れ、そこから中間圧 圧縮機26及び高圧圧縮機34へそれそれ流れ、かつ一部は環状バイパスダクト10へ 流れる。燃焼空気は高圧圧縮機34の出口から、燃料が導入されかつ燃焼される燃 焼器40へ流れる。先ず、燃焼ガスは高圧タービン36を通過し、そこから中間圧タ ービン28及び低圧タービン20へそれぞれ流れる。 エンジン６が地上で作動しかつ無負荷運転状態にある時、高圧タービン36に存 在する熱ガスの流れを分流することによって騒音及び燃料消費を最小にしながら 装備品動力は最大となる。先ず、熱ガスの一部は半径方向外側へ切換えられ、そ の後、高圧タービン36の直後の１つ又は多数のポペット弁60を通過する。ポペッ ト弁60は円周方向に間隔をおいた配列で配置され、かつコンピュータ制御下で個 別に又は付随的に空気圧で開放される。各ポペット弁は弁座66上に着座するのに 適合するステム62及びバルブヘッド64を含んでいる。空気圧ダイアフラム68はそ れを横切る差圧に応答して各バルブ60を制御する。テールパイプ70は各バルブ 60の後方にバイパスダクト10の中に延びている。 図３に見られるように、本発明の１つの特徴によれば、複数のダイバータ80は バルブ60によりそれぞれ制御される。 各ダイバータ80はピボット84の周囲を回転可能なレバーアーム82を含んでいる 。レバーアーム82はその半径方向内部端に偏向板86を有し、内部端は関連バルブ 60が開放される時高圧タービン36に存在する熱ガスフローの流れの中に延びる。 レバーアーム82はバルブ60のバルブステム62に弧状リンク88によって接続される 。ダイバータ80は熱ガスフローの流れとバイパスダクト10内の比較的低い圧力と の間の差圧によって生じた抽気以上に熱ガスの抽気を増強する。 図４に見られるように、ポペット弁60及びダイバータ80は空気圧ダイアフラム 68によって通常のコンピュータ制御下で開放状態にバイアスがかけられている。 全力推進状態でのエンジン６の動作において、ポペット弁60は閉鎖され、かつ ダイバータ80は後退させられて、ダイバータ80の偏向板86は中間圧タービン28に 対して環状熱ガス通路の外側壁の一部になる。ダイバータ80はこの位置でポペッ ト弁60のステム62とダイバータ80のアーム82との間のリンク86の張力によってポ ペット弁60のステム62とダイバータ80のアーム82との間に保持される。ポペット 弁60が開放されると、ポペット弁60はダイバータ80を流れの環の中に押し込む。 この動作は開口を流れの環の外側壁でそのままにし、そこを通過して熱ガスがポ ペット弁60へ、かつポペット弁60を通ってエンジンバイパスダクト10へ進路を変 える。ダイバータ80の熱ガスフロー環への侵入は熱ガスを関連ポペット弁開口の 方向に向かわせ、かつ部分的にその中間圧タービン28下流への熱ガス流路を阻止 する。 可動ポペット弁60は正常なエンジン（後退）モードで間隔をおいた関係で置か れており、それによって、それらが半径方向内側へ熱ガスダクトの中に移動する のにともなって外側壁の小さな固定部88をダイバータ80のそれぞれの間に形成し てその偏向板86が互いに干渉するのを防止するＡＰＵモードでのフローの分流量 を、ポペット弁60の行程の制御による又はポペット弁60の選択的な開口による各 ダイバータ80の半径方向の侵入を制御することにより最適値に調整できる。 本発明の好ましい実施の形態が開示されてきたが、本発明が次の請求の範囲か ら逸脱することなく改変され得ることは了解されるべきである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．前方端部にファンとその後方端部に低圧タービンを有する低圧スプールと； 前方端部に中間圧圧縮機とその後方端部に中間圧タービンとを有する中間圧 スプールと； 前方端部に流体の流れが中間圧圧縮機と連通する高圧圧縮機とその後方端部 に高圧タービンとを有する高圧スプールと； 前記高圧スプール上の高圧圧縮機と高圧タービン間を流体の流れが連通する 燃焼器と； 前記高圧スプール及び中間圧スプール上にある夫々の高圧タービン及び中間 圧タービンの間の燃焼ガスダクトと； 前記低圧スプールから前記高圧スプール上の高圧タービンの後方箇所へ延び るバイパスダクトと； 前記エンジンの高圧スプールにより駆動された交流発電機と；を含む３スプ ールバイパスターボファンエンジンにおいて、 前記高圧スプール上の高圧タービンの直後の前記燃焼ガスダクトの複数の円 周方向に間隔をおいたポペット弁を含み； 前記ポペット弁はエンジンの無負荷運転状態で開放可能であり前記高圧ター ビンから前記バルブを通り前記バイパスダクトへの流体流れ経路を形成して中 間圧タービン及び低圧タービン全体にわたる膨張比を付随的に低減しながら全 高圧タービンにわたって膨張比を増大して無負荷運転状態でその比較的高い回 転数（ＲＰＭ）を生じさせて前記低圧スプールの及びそのファンの速度を低下 させることにより、前記高圧スプール上の高圧圧縮機への空気質量流れを低減 し、かつ無負荷運転速度での燃料消費を最小にすることを特徴とする改良。 ２．前記ポペット弁は選択的に開放可能である請求項１に記載のエンジン。 ３．前方端部にファンとその後方端部に低圧タービンとを有する低圧スプールと ； 前方端部に流体の流れが前記低圧スプール上のファンと連通する高圧圧縮機 とその後方端部に高圧タービンとを有する高圧スプールと； 前記高圧スプール上の高圧圧縮機と高圧タービン間を流体の流れが連通する 燃焼器と； 前記高圧スプール及び低圧スプールの上にある夫々の高圧タービン及び低圧 タービンとの間の燃焼ガスダクトと； 前記低圧スプール上のファンから前記高圧スプール上の高圧タービンの後方 箇所へ延びるバイパスダクトと； 前記エンジンの高圧スプールにより駆動された交流発電機と；を含む複数ス プールバイパスターボファンエンジンにおいて、 前記高圧スプール上の高圧タービンの直後の前記燃焼ガスダクトの複数の円 周方向に間隔をおいたポペット弁と； 前記ポペット弁にそれぞれ接続され、かつ前記バルブの開放の際に前記燃焼 ガスダクトの中に移動可能な複数のフローダイバータと；を含み、 前記ポペット弁はエンジンの無負荷運転状態で個別に開放可能であり前記高 圧タービンから前記バルブを通り前記バイパスダクトへの流体流れ経路を形成 して低圧タービン全体にわたる膨張比を付随的に低減しながら高圧タービン全 体にわたって膨張比を増大して無負荷運転状態でその比較的高い回転数（ＲＰ Ｍ）を生じさせて前記低圧スプールの及びそのファンの速度を低下させること により、前記高圧スプール上の高圧圧縮機への空気質量流れを低減し、かつ無 負荷運転速度での燃料消費を最小にすることを特徴とする改良。 ４．それぞれが空気圧ダイアフラムによって制御される前記ポペット弁が前記エ ンジンの半径方向にそれぞれ延びるバルブステムを有することを特徴とする請 求項３に記載のエンジン。