JP2005030397A - ガスタービンエンジン用の排気ノズル - Google Patents

Abstract

【課題】 ガスタービンエンジン用のコンバージェント／ダイバージェントノズルにおいて、レーダからヒンジを隠すのを助ける。
【解決手段】 ガスタービンエンジン用のコンバージェント／ダイバージェントノズル（１３０）は、曲率半径（Ｒ_C1）が均一でないスロート部を有し、この曲率半径は、上流の高い値から中間の低い値、そして下流の高い値へと変動する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン用のコンバージェント／ダイバージェント排気ノズルに関する。

タービンエンジンノズルの技術分野は、かなり発達している。特許文献１は、例示的な従来技術のノズルを開示している。この例示的なノズルは、対となったフラップの列すなわち上流の先細フラップと下流の末広フラップとを有する軸対称ノズルである。末広フラップは、エンジンモードに対応する種々の向きに関節式に動作可能となっていてもよい。例示的な末広フラップは、長手方向の断面において、所定の曲率半径で連続的に湾曲する凸状の上流部分と、下流に位置する１つまたはそれ以上の直線状部分と、を含む。各々のモードの間におけるフラップの関節式動作時には、上流部分に沿った位置にノズルの瞬間的な空力的スロート部が形成される。
米国特許第６３９８１２９号明細書

本発明の１つの形態は、ガスタービンエンジンの排気ノズルに関する。第１の部分が、下流方向に収束する内側面を有する。第２の部分が、第１の部分の内側面の下流に位置する内側面を有する。第１および第２の部分は、それぞれフラップの周方向の列を含みうる。第２の部分における各々のフラップは、ある範囲のモード位置にわたって関節動作するように第１の部分に連結可能である。各々のフラップに沿った第２の部分の内側面は、中心長手方向曲率半径を有し、この曲率半径は、上流から下流に向かって、第１のフラップ部分に沿った第１の値と、第１の値よりも小さく、かつ（記載のない場合にはこれらの値を含む）０．２５〜１．０インチの間である第２の部分に沿った少なくとも第２の値と、第１の値よりも小さく、かつ５．０〜１０．０インチの間である第３の部分に沿った少なくとも第３の値と、を有する。

種々の実施例では、曲率半径は、第１の部分に沿って実質的に無限でありうる。曲率半径は、０．２５〜５．０インチの低い値から８．０〜１４．０インチの高い値へと連続的に増加しうる。この連続的な増加は、２．０〜３．０インチの長手方向翼幅にわたって滑らかにまたは段階的に起こりうる。位置範囲は、出口面積対スロート面積の比が１．０５：１〜１．５：１である低モード位置と、この比が低モードよりも大きく１．３：１〜２．０：１である高モード位置との間にわたる範囲とすることができる。上記比は、低モードにおいて１．１：１〜１．３：１、高モードにおいて１．４：１〜１．５：１としてもよい。低モード位置と高モード位置との間で、スロート半径は、０．５％より小さい値で変更されうる。この変更は、０．２％より小さくてもよい。各々のフラップは、低モードと高モードとの間の移行時に、対応するヒンジ軸を中心に回転するように第１の部分にピボット可能に連結されうる。ヒンジ軸は、ノズルの中心線から第１の径方向距離を有しうる。ノズルの第２の部分は、中心線から第２の径方向距離を有し、かつヒンジ軸から第１の長手方向距離を有するスロート部を備えうる。第１の長手方向距離対ヒンジ軸から出口端部までの長手方向フラップ長さの比は、０．０５：１〜０．２０：１である。

本発明の他の形態は、周方向に配列された複数の第１のフラップと、下流方向で収束する内側面と、を有する上流部分を含むガスタービンエンジン用の排気ノズルに関する。下流部分は、周方向に配列されるとともに、それぞれ対応する第１のフラップの１つに対してヒンジ付けされた複数の第２のフラップを含みうる。下流部分は、下流出口と、上流部分の内側面の下流に位置する内側面を含みうる。下流部分の内側面の長手方向プロファイルは、実質的に直線状の第１の部分を有する。凸状の第２の部分は、第１の部分の下流に位置するとともに連続的に増加する曲率半径を有する。この面は、滑らかに設けることができ、上記の曲率半径の増加は、滑らかまたは段階的とすることができる。実質的に直線状の第３の部分が、第２の部分の下流に位置する。

種々の実施例では、ノズルは、周方向に配列された複数の第３のフラップを含むことができ、これらの第３のフラップは、第２のフラップの外側に設けられるとともに対応する第２のフラップの１つに対してそれぞれヒンジ付けされる。第２の部分の曲率半径は、少なくとも２．０インチの軸方向翼幅にわたって、０．２５〜０．５インチの上流の値から８．０〜１４．０インチの下流の値まで変動しうる。

本発明の他の形態は、ガスタービンエンジン用のコンバージェント／ダイバージェント軸対称排気ノズルに関する。ノズルの先細部と末広部とが接する接合部にヒンジ付ピボットが設けられる。先細部と末広部とは、周方向に離間されるとともに軸方向に延在する複数のフラップをそれぞれ含む。丸みが付けられたスロート部は、エンジンの作動媒体にさらされる面を有しており、ヒンジ付ピボットの下流に設けられている。丸みが付けられたスロート部の面は、末広部のフラップに形成された凸状の湾曲部によって定められており、上流から下流に向かって連続的に増加する曲率半径を有する部分を備える。

本発明の１つまたはそれ以上の詳細は、添付図面および以下の詳細な説明に記載されている。本発明の他の特徴、目的、および利点は、詳細な説明、図面、および請求項によって明らかになる。

図１は、エンジンの固定リング３１に取り付けられた従来技術の例示的なノズル３０を示している。この概略図では、従来技術で周知の（アクチュエータなどの）種々の部品および詳細は省略されている。ノズル３０は、ノズル／エンジン中心線すなわち長手方向中心軸５００を中心に設けられたフラップ３４の周方向の列によって構成された上流部分３２を有する。各々のフラップ３４は、上流端３５から下流端３６まで延在する。各々のフラップ３４は、共同して上流部分３２の内側面を形成する内側面３８を有する。下流部分４０が、フラップ４２の同様の周方向の列によって構成されており、これらのフラップは、低モード（実線）および高モード（破線）における位置で示されている。各々のフラップ４２は、上流端４４から下流端４５まで延在するとともに内側面４６を有する。

例示的な例では、各々の下流フラップ４２は、ヒンジ５０を介して対応する上流フラップ３４にヒンジ付されており、ヒンジ５０は、ヒンジ軸５０２を中心に相対的に回転するように上流フラップ３４の下流端３６と下流フラップ４２の上流端４４とを連結する。ヒンジ５０は、高モード位置と低モード位置との間の範囲にわたって下流フラップ４２の関節式動作を可能とする。このような関節式動作は、下流フラップ４２と対応する外部フラップ５４との組み合わせに作用する空力的圧力によって駆動される。

各々の外部フラップ５４は、上流端５５から下流端５６まで延在するとともに外側面５８を有する。上流端５５は、ヒンジ６０を介して固定リング構造体に連結されており、ヒンジ軸５０４を中心に相対的に回転する。下流端５６は、ヒンジ６２を介してフラップ４２の下流端４５に連結されており、ヒンジ軸５０６を中心に相対的に回転する。外部フラップは、軸５０４，５０６の間の翼幅が（入れ子式部材を有するように）延長および収縮するように構成されている。この延長性／収縮性により、末広／外部フラップの組み合わせに作用する空力によって、実線の低モードと破線の高モードとの間の条件範囲にわたってフラップの組み合わせが関節式に動作可能となり、収縮は低モードから高モードで生じ、延長は反対方向で生じる。

例示的な例では、長手方向断面において上流（先細）フラップの内側面３８は直線状でかつ下流方向で軸５００に向かって収束するように方向づけられており、フラップ３４の列の内側面の組み合わせによって下流方向で収束する実質的に円錐台状の面が提供される。この円錐台状の面は、上流端３５における入口５２から下流端３６およびヒンジ５０まで延在するとともに半角θ_Iを有する。各々の下流（末広）フラップの内側面４６は、長手方向断面において上流端４４から遷移部７４まで下流方向に延在する上流部分７２を有する。例示的な上流部分７２は、内向きに凸状となっており、実質的に均一の曲率半径Ｒ_Cを有する。遷移部７４と下流端４５との間の下流部分７６は、実質的に直線状である。面４６が軸５００から最小の半径にある位置は、軸からの半径Ｒ_Tを有するスロート部７８を定める。下流部分７６は、組み合わさって下流方向で広がる実質的に円錐台状の面を定める。この円錐台状の面は、遷移部７４から下流端４５における出口８０まで延在する半角θ_Oを有する。例示的なノズルでは、公称スロート半径（およびこれに対応する面積）は、作動装置（図示省略）によって制御可能である。この作動装置は、固定リング３１に関連して取り付けられるとともに、先細フラップ３４の前方端３５に位置するヒンジ８２の軸５０９を中心に各々の先細フラップ３４を回転させることなどによって、ヒンジ５０の横方向に延在する軸５０２の位置を移動させる。

従来技術のノズル３０の例示的な例では、入口半径Ｒ_Iが１８．８インチ（０．４７７５２ｍ）、角度θ_Iが４３°、フラップヒンジ半径Ｒ_Hが１３．７インチ（０．３４７９８ｍ）、曲率半径Ｒ_Cが３インチである。低モードでは、角度θ_Oが４．４°、スロート半径Ｒ_Tが１２．８インチ（０．３２５１２ｍ）、スロート部とヒンジとの間の軸方向距離Ｌ_Tが１．８インチ（４５．７２ｍｍ）、出口半径Ｒ_Eが１４．４インチ（０．３６５７６ｍ）、ヒンジから出口までの軸方向長さＬ_Eが２４インチ（０．６０９６ｍ）、入口から出口までの軸方向長さＬが３０インチ（０．７６２ｍ）である。低モードから高モードへの遷移時には、スロート部は、面４６に沿って僅かに前方に移動するとともに、末広フラップの回転に伴って径方向外向きに広がる。移動するスロート半径は、Ｒ’_Tとして示されている。高モードでは、θ’_Oが９°、Ｒ’_Tが１３．０インチ（０．３３０２ｍ）、Ｌ’_Tが１．７インチ（４３．１８ｍｍ）、Ｒ’_Eが１６．１インチ（０．４０８９４ｍ）である。

種々の形態は、（例えば、差込み式の交換部品を提供するための）ノズルの再設計を含む。例示的な再設計では、エンジンの残りの部分との接続のために入口半径Ｒ_Iを維持することが望まれるであろう。空力性能の観点から、他のパラメータを（僅かに大きい柔軟性を伴って）実質的に維持することが要求されうる。例えば、同じスロート半径Ｒ_T、および出口半径Ｒ_Eを維持することが望まれうる。また、上流フラップの形状を再利用して、フラップヒンジ５０の位置を維持することが望ましい場合もある。

図２は、本発明に従って再設計されたノズル１３０を示しており、図１のノズル３０の対応部には同一番号に１００を足した番号を付している。図示の要素で改めて説明しないものには、別に符号を付していない。各々の下流フラップ１４２における内側面１４６の上流部分１７２は、一定でない曲率半径Ｒ_C1を有する。この曲率半径は、上流部分１７２に沿って上流から下流に向かって比較的大きい値から比較的小さい値、そして再び比較的大きい値へと変動する。具体的には、例示的な実施例では、最も上流の部分１９０は直線状であり、よって無限の曲率半径を有する。最も上流の部分１９０の下流端における遷移部１９２では、曲率半径が急にＲ_Cよりも小さい値に変動する。続いて、曲率半径は、下流方向で遷移部１９２におけるＲ_Cよりも大きい値まで増加する。この増加は、（例えば、放物線や楕円の一部のように）連続的でかつ滑らかとすることができる。極端な場合には、（直線状の上流部分および下流部分をなくして）無限の曲率半径より小さい曲率半径でフラップ全体を湾曲させてもよい。また、このような直線状部分の一方のみをなくすこともできる。例示的な実施例では、直線状の部分の間に位置する非直線状の湾曲部は、ヒンジから出口までの軸方向長さの５〜１０％の長手方向翼幅を有する。

従来技術のノズル３０の例示的な例の第１の例示的な再設計では、フラップのヒンジ位置と出口位置は維持され、先細フラップや外部フラップはそのままで、末広フラップのみの再設計が必要となる。

従来技術のノズル３０の例示的な例の第２のより広い例示的な再設計では、ヒンジ半径Ｒ_H1は１３．５インチ（０．３４２９ｍ）であり、僅かに減少している。角度θ_I1は、４４°で、僅かに増加している。曲率半径Ｒ_C1は、上流の値の０．５インチから下流の値の８．０インチまで増加する。この湾曲プロファイルは、ヒンジに対して、また例示的な実施例では入口に対して、スロート部を前方に移動させる。例示的な低モードでは、Ｒ_T1は１２．８０インチであり、Ｒ_E1は、１４．４インチである（いずれも基線から比較的変更されていない）。θ_O1は、４．３°であり、θ_Oに比べて僅かに減少している。高モードでは、Ｒ’_T1は１２．８１インチ、Ｒ’_E1は１６．１インチ、θ’_O1は８．９°である。

ヒンジ半径の減少とともに、ヒンジのすぐ下流のフラップ面のより径方向の向きによって、レーダからヒンジを隠すのを助ける。また、スロート部とヒンジの相対的な位置の変更により、例示的な変更例におけるスロート部の半径および長手方向位置は、（作動装置の絞りによる変更がない状態で）モードの変更時における出口角度や出口半径の変更に対して感度が比較的鈍くなる。これにより、フラップヒンジをより良好に隠して、モードの変更時におけるレーダ断面（ＲＣＳ）をより良好に制御することができる。

本発明の１つまたはそれ以上の実施例を説明したが、本発明の趣旨および範囲から逸脱せずに種々の変更を行うことができる。例えば、特定のノズルが取り付けられるエンジンの詳細によって、ノズルの特徴部が要求または影響されうる。特に、既存のノズルの再設計として適用される場合には、既存のノズルの種々の特徴部を維持することができる。従って、他の実施例も請求項の範囲に含まれる。

従来技術に係る排気ノズルの長手方向部分断面図である。 本発明に係る排気ノズルの長手方向部分断面図である。

符号の説明

１３０…ノズル
１４２…下流フラップ
１４６…下流フラップの内側面
１７２…上流部分
１７４…遷移部
１９０…最も上流の部分
１９２…最も上流の部分の遷移部
５００…長手方向中心軸

Claims (13)

1. 下流方向で収束する内側面を有する第１部分と、
   第１部分の内側面の下流に位置する内側面を有し、かつある位置範囲にわたって関節動作を行うように第１部分にそれぞれピボット可能に連結されているとともに周方向に配列された複数のフラップを有する第２部分と、を含むガスタービンエンジン用の排気ノズルにおいて、
   各々のフラップに沿った第２部分の内側面は、中心長手方向曲率半径を有し、この曲率半径は、上流から下流に向かって、
   第１の部分に沿った少なくとも第１の値と、
   第１の値よりも少なく、かつ６．４ｍｍ（０．２５インチ）〜２５．４ｍｍ（１．０インチ）である第２の部分に沿った少なくとも第２の値と、
   第１の値よりも少なく、かつ１２７ｍｍ（５．０インチ）〜０．２５ｍ（１０．０インチ）である第３の部分に沿った少なくとも第３の値と、を有することを特徴とするガスタービンエンジン用の排気ノズル。
2. 前記曲率半径は、第１の部分に沿って実質的に無限であり、かつ６．４ｍｍ（０．２５インチ）〜１２７ｍｍ（５．０インチ）の低い値から０．２０ｍ（８．０インチ）〜０．３６ｍ（１４．０インチ）の高い値まで連続的に増加することを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
3. 前記曲率半径の連続的な増加は、５１ｍｍ（２．０インチ）〜７６ｍｍ（３．０インチ）の長手方向翼幅にわたって生じることを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
4. 前記曲率半径の連続的な増加は、長手方向フラップ長さの５％〜１０％の長手方向翼幅にわたって生じることを特徴とする請求項２記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
5. 前記位置範囲は、
   出口面積対スロート面積の比が１．０５：１〜１．５：１である低モード位置と、
   前記比が低モード位置よりも大きく、かつ１．３：１〜２．０：１である高モード位置と、の間にわたる範囲であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
6. 低モード位置では、前記比が１．１：１〜１．３：１であり、
   高モード位置では、前記比が１．４：１〜１．５：１であることを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
7. 低モード位置と高モード位置との間において、スロート半径の変動が０．５％より小さいことを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
8. 低モード位置と高モード位置との間において、スロート半径の変動が０．２％より小さいことを特徴とする請求項５記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
9. 各々のフラップは、対応するヒンジ軸を中心に回転するように第１部分にピボット可能に連結されており、前記ヒンジ軸は、ノズルの中心線から第１の径方向距離に位置し、前記フラップは、前記ヒンジ軸から該フラップの出口端部までの長手方向フラップ長さを有しており、
   第２部分は、前記中心線からの第２の径方向距離と前記ヒンジ軸からの第１の長手方向距離とを有するスロート部を備えており、
   第１の長手方向距離対長手方向フラップ長さの比は、０．０５：１〜０．２０：１であることを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
10. 周方向に配列された複数の第１のフラップを含むとともに、下流方向で収束する内側面を有する上流部分と、
    下流部分であって、
    周方向に配列されており、かつ対応する第１のフラップの１つに対してそれぞれヒンジ付けされた複数の第２のフラップと、
    下流の出口と、
    前記上流部分の内側面の下流に位置する内側面と、を有する下流部分と、を含み、
    前記下流部分の内側面の長手方向プロファイルは、
    実質的に直線状の第１の部分と、
    第１の部分の下流に位置するとともに、連続的に増加する曲率半径を有する凸状の第２の部分と、
    第２の部分の下流に位置するとともに、実質的に直線状の第３の部分と、を有することを特徴とするガスタービンエンジン用の排気ノズル。
11. 周方向に配列された複数の第３のフラップをさらに含み、これらの第３のフラップは、対応する第２のフラップの外側に設けられているとともに該第２のフラップの１つに対してそれぞれヒンジ付けされていることを特徴とする請求項１０記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
12. 第２の部分の曲率半径は、少なくとも５１ｍｍ（２．０インチ）の軸方向翼幅にわたって、６．４ｍｍ（０．２５インチ）〜１２．７ｍｍ（０．５インチ）の上流の値から０．２０ｍ（８．０インチ）〜０．３６ｍ（１４．０インチ）の下流の値まで変動することを特徴とする請求項１０記載のガスタービンエンジン用の排気ノズル。
13. ガスタービンエンジン用のコンバージェント／ダイバージェント排気ノズルであって、この排気ノズルは、該ノズルの先細部と末広部とが接する接続部においてヒンジ付ピボットを含んでおり、前記先細部は、周方向に離間されるとともに軸方向に延在する複数のフラップを有し、前記末広部は、周方向に離間されるとともに軸方向に延在する複数のフラップと、エンジンの作動媒体にさらされた面を有するとともにヒンジ付ピボットの下流に位置する丸みが付けられたスロート部と、を有し、前記丸みが付けられたスロート部の面は、末広部のフラップに形成された凸状の湾曲部によって定められるとともに、上流から下流に向かって連続的に増加する曲率半径を有する部分を備えていることを特徴とするガスタービンエンジン用のコンバージェント／ダイバージェント排気ノズル。

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