JP2005042719A

JP2005042719A - タービンエンジンノズルサブアッセンブリおよびその製作方法

Info

Publication number: JP2005042719A
Application number: JP2004212515A
Authority: JP
Inventors: Dale W Petty; ダブリュー．ペティーデール; Alex J O Simpson; ジェー．オー．シンプソンアレックス
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 2003-07-21
Filing date: 2004-07-21
Publication date: 2005-02-17
Also published as: GB2404222A; FR2858021B1; GB0415554D0; GB2404222B; FR2858021A1; US20070039328A1; US7225622B2

Abstract

【課題】タービンエンジンノズルアッセンブリが提供される。
【解決手段】タービンエンジンノズルアッセンブリ２０は、上流フラップ２２と、ヒンジ軸５０２回りに相対的に回転するように上流フラップ２２に枢動可能に結合された下流フラップ２６とを有する。アクチュエータリンク装置７０が、多数の喉部領域状態の間で上流フラップ２２を作動させるように、下流フラップ２６の前方部分に沿って下流フラップ２６に結合される。外部フラップ５０が、下流フラップ２６に、および周囲構造に枢動可能に結合され得る。下流フラップ２６および周囲構造とのそれぞれの結合位置の間の長さは、空力学的な力に応答して伸縮可能となり得る。所定の手段によって、外部フラップ５０の伸張範囲が制限され得る。この手段は、周囲構造への第１の枢動可能な結合位置と、発散型フラップへの第２の枢動可能な結合位置とを有する第２のリンク１００を含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、タービンエンジンに関する。より詳細には、本発明は、可変喉部タービンエンジン排気ノズルに関する。

（米国政府の権益）
本発明は、米国海軍により与えられた契約第Ｎ０００１９−０２−Ｃ−３００３号に基づき米国政府の援助によりなされた。政府は、本発明に一定の権利を有する。

タービンエンジン排気ノズルの分野は、非常に発展している。多数のノズル構成には、対になった相対的にヒンジ留めされたフラップ、すなわち、上流の収束型フラップおよび下流の発散型フラップが含まれる。軸対称ノズルは、そのようなフラップ対の円形配列を特徴とし得る。例示的なノズルは、米国特許第３，７３０，４３６号、第５，７９７，５４４号、および第６，３９８，１２９号に示される。
米国特許第３，７３０，４３６号明細書米国特許第５，７９７，５４４号明細書米国特許第６，３９８，１２９号明細書

タービンエンジン排気ノズルにはさらなる改良の余地が残されている。

従って、本発明の一態様は、タービンエンジンノズルサブアッセンブリを含む。下流フラップは、ヒンジ軸回りに相対的に回転するように上流フラップに枢動可能に結合される。アクチュエータリンク装置が、多数の喉部領域状態の間で上流フラップおよび下流フラップを作動させるように、下流フラップの前方半分に沿って下流フラップに結合される。

さまざまな実施においては、外部フラップが、下流フラップに、および周囲構造に枢動可能に結合され得る。下流フラップおよび周囲構造とのそれぞれの結合位置の間の長さは、空力学的な力に応答して伸縮可能となり得るものである。所定の手段によって、外部フラップの伸張範囲が制限され得る。この手段は、周囲構造への第１の枢動可能な結合位置と、発散型フラップへの第２の枢動可能な結合位置とを有する第２のリンクを含む。第２の枢動可能な結合位置は、外部フラップへの下流フラップの結合位置と下流フラップへのアクチュエータリンク装置の結合位置の中間とすることができる。第２のリンクは、下流フラップに対して制限された自由浮遊範囲を有し得る。

本発明の別の態様は、静止構造に結合された多数のフラップサブアッセンブリを有するタービンエンジンノズルを含む。サブアッセンブリはそれぞれ、静止構造に対して実質的に固定された軸回りに相対的に回転するように静止構造に枢動可能に結合された上流フラップを含む。さらに、各サブアッセンブリは、ヒンジ軸回りに相対的に回転するように関連する上流フラップに枢動可能に結合された下流フラップを含む。所定の手段によって、与えられた設計点におけるモード変化により生じる喉部領域の変化を最小限に抑えながら、喉部領域の範囲内で上流フラップおよび下流フラップの関節動作（ａｒｔｉｃｕｌａｔｉｏｎ）が作動される。

さまざまな実施において、サブアッセンブリは、エンジン中心線周りに軸対称に配置できる。関節動作は、各サブアッセンブリに対して同時であり得る。さらに、各サブアッセンブリは、関連する下流フラップに枢動可能に結合された外部フラップを含むことができる。

本発明の別の態様は、収束型フラップと、発散型フラップと、外部フラップと、収束型フラップに結合された作動リンク装置とを有する第１のノズルサブアッセンブリを備えるかまたは予め備えていた、タービンエンジンに後付けするかあるいは、タービンエンジン構成を再製作する手段を含む。第２のサブアッセンブリが、取り付けまたは製作される。第２のサブアッセンブリは、第２の収束型フラップと、第２の発散型フラップと、１つまたは複数の構成部材を第１のノズルサブアッセンブリの作動リンク装置と随意に共有する第２の作動リンク装置とを有する。固定されていないヒンジ軸回りに第２の収束型フラップに対して第２の発散型フラップを回転させると同時に、固定されていない瞬間の回転中心回りに第２の発散型フラップを回転させることが、第２の発散型フラップの空力学的に生じるモード変化による関節動作に可能となるように、第２の作動リンク装置は、第２の発散型フラップに結合される。

さまざまな実施において、第２のサブアッセンブリは、第１のノズルサブアッセンブリの喉部領域が敏感であったよりは、モード変化による関節動作に関連する変化に敏感でない喉部領域を有する空力学的喉部を提供できる。方法は、そのような第１のノズルサブアッセンブリの周方向の配列をそのような第２のノズルサブアッセンブリの周方向の配列に置き換えることを伴い得る。

本発明の１つまたは複数の実施態様の詳細は、添付の図面および以下の説明内に述べられる。本発明の他の特徴、目的、および利点は、説明および図面から、および請求項から明らかになるであろう。

さまざまな図面内の同様の参照番号および符号は、同様の部材を示している。

図１は、タービンエンジンノズル２０を示す。例示的なノズルは、ノズル軸線または中心線５００周りに収束型／発散型フラップ対の軸対称の円形配列を含む。与えられたフラップ対は、上流端部２３から下流端部２４へ延びる上流／前方の収束型フラップ２２と、上流端部２７から下流端部２８へ延びる下流／後方の発散型フラップ２６とを有する。これらのフラップは、収束型フラップの下流端部および発散型フラップの上流端部の最も近くにあるヒンジ軸５０２回りに相対的に移動するようにヒンジ機構３０により互いにヒンジ留めされる。発散型フラップの内向き表面は、その上流端部近くにあり、かつ、瞬間の喉部半径Ｒ_Tを有するノズルの空力学的喉部（すなわち、最も小さな通路断面位置）を形成する、長手方向凸面部４０と、そこから後方に下流端部へと延び、かつ、瞬間の出口半径Ｒ_Oを有する排気出口を形成する、実質的に長手方向の直線部４２とを有する。各収束型／発散型フラップ対では、ノズルは、外部フラップ５０をさらに有し、その外向き表面５２は、航空機胴体の周囲を通る外部空気流に曝されるノズルの外部輪郭を形成する。

さらに、図１は、エンジン、航空機胴体、または他の周囲構造にノズルを取り付けるためのノズル静止リング構造６０を示す。収束型フラップ２２の上流端部２３の最も近くで、ヒンジ構造が、固定された横方向軸５０３回りに相対的に回転するように収束型フラップを静止リング構造６０に枢動可能に結合する。同期リング６２が、静止リング構造の内向き後部６４および外向き後部６６の間に取り付けられ、アクチュエータ（図示しないが、例えば、空気圧式または油圧式アクチュエータ）により長手方向に往復運動できる。図１の状態では、同期リングは、最も前方／最も上流の位置にある。同期リングは、関連するリンク装置７０により各フラップ対に結合される。各リンク装置７０は、固定された横方向軸５０４回りに相対的に回転するように静止リング構造の内向き部６４の後縁においてヒンジ機構によりベルクランク接地点７４に枢動可能に結合された中央ベルクランク７２を含む。ベルクランクの回転を軸５０４回りのその回転範囲に亘って駆動するために、ベルクランクは、関連するＨ形リンク７６により同期リングに結合される。Ｈ形リンクの前方端部は、同期リングと共に長手方向に移動する横方向軸５０６回りに相対的に回転するようにヒンジ機構により同期リングに枢動可能に結合される。Ｈ形リンクの後方端部は、軸５０６の直線移動に応答して軸５０４を中心とする円形経路セグメントに沿って移動する横方向軸５０８回りに相対的に回転するようにヒンジ機構によりベルクランクに枢動可能に結合される。従って、図１に示されるように、同期リングが後方に移動することによって、軸５０４回りにベルクランクの時計回りの回転が生じる。ベルクランクの回転は、関連する対となった伝達リンク７８によって、関連するフラップ対の関節動作に伝達される。伝達リンクの各対の前方／上流端部は、軸５０６の直線移動に応答して軸５０４を中心とする円形経路セグメントに沿って同様に移動する横方向軸５１０回りに相対的に回転するようにベルクランクに枢動可能に結合される。伝達リンクの後方／下流端部は、横方向軸５１２回りに相対的に回転するように発散型フラップ２６に枢動可能に結合される。以下に説明するように、例示的な実施態様では、軸５１２の移動は、ベルクランクの回転および関連する静止リングの移動によっては、完全には規定ｆｓされない。むしろ、それは、他の力、すなわち、ノズルの内部および外部の相対的な圧力から生じる空力学的な力によって影響され得る。例示的な実施態様では、軸５１２は、軸５０２の後方に、および、発散型フラップの上流端部と下流端部の間の長さの前方半分に沿って置かれる。より狭くは、それは、前方３分の１に沿って置かれ、図示された実施態様では、おおよそそのような長さの最初の約５％から１５％の間に置かれる。

例示的な実施態様では、外部フラップ５０は、固定された横方向軸５２０回りに相対的に回転するようにヒンジ機構により静止構造の外向き部分６６に枢動可能に結合された前方端部９０を有する。その下流端部９２の最も近くで、外部フラップは、横方向軸５２２回りに相対的に回転するようにヒンジ機構により発散型フラップ２６（その下流端部２８のいくぶんより前方）に枢動可能に結合される。外部フラップは、上流リンク９４を外部フラップの主要本体部９６に入れ子式に嵌まり込むよう相対的に取り付けるとともに外部フラップを静止リング構造に結合させることなどによって、軸５２０と５２２の間の長さが伸縮可能となるように、構成される。伸張性／収縮性は、制限された範囲を有し得る。以下に、より詳細に説明するように、この範囲に対するさらなる制限が、好ましくなり得る。そのために、第２のリンクまたはモード支柱１００が設けられ、この第２のリンク１００は、軸５２０の近くになり得る固定された横方向軸５２４回りに相対的に回転するように静止リング構造に枢動可能に結合された前方端部１０２を有する。軸５２０および５２４が一致する場合は、費用を抑えるには全ての枢支点を通して１つの孔を穿孔するのが有利になり得る。しかしながら、外部フラップ５０の幅が、フラップの周方向のどちらかの側の主要本体部９６がモード支柱から実質的に周方向に離間するようになっている場合は、モード支柱に対して良好な機械的利点を維持するように軸５２４に比較して軸５２０をエンジン中心線に相対的に近くに配置するのが有利になり得る。

モード支柱の後方端部１０４は、モード支柱に対して固定されるが発散型フラップに対しては制限された移動範囲で浮遊する軸５２６回りに相対的に回転するように発散型フラップ２６に枢動可能に結合される。例示的な移動範囲は、発散型フラップ上の中間位置に、対となった取り付けブラケット１１０を使用することによって提供され、各ブラケットは、モード支柱に対して軸５２６に沿って固定された枢支シャフト１１４上の長円形スライダ１１３を収容するスロット１１２を有する。スライダおよびシャフトは、スロットに沿って第１の端部１１６と第２の端部１１８の間で自由に移動する。例示的な中間位置は、おおよそ、発散型フラップの長さの中間の３分の１、および、軸５１２と５２２の間の長さの中間の３分の１の範囲内である。

作動時には、同期リング６２の位置は、公称喉部半径Ｒ_Tおよび関連する喉部領域（すなわち、スロットル状態）を決定する。与えられた同期リング位置において、次に、空力学的な力が、発散型フラップの内部表面角度θに公称上関連するモードを決定し得る。図１は、同期リングをその移動範囲の前方末端において示し、それによって、最大公称喉部領域を確立する。さらに、図１は、高いモード状態を示し、この状態では、空力学的な力は、発散型フラップをその最大θ状態に置き、スライダ１１３は、スロット端部１１６に対する底部に配置される。変更された状態では、外部フラップ５０と発散型フラップ２６の組み合わせに亘る力の釣り合いによって、代替のθが生成され得る。例えば、図２は、最大領域で最小θの低いモード状態を示し、この状態では、スライダ１１３は、実質的にスロット端部１１８に対する底部に配置される。代替の構成では、モード支柱の作用は、逆転される（すなわち、スライダ配置は、発散型フラップへの支柱の接続部にあるのではなく、静止構造への支柱の接続部にある）。

与えられた公称喉部領域に対する高いモードと低いモードの間の移行中に、軸５０２および５１２のわずかな移動があることになる。発散型フラップの瞬間の回転中心は、一方の平面が軸５０３および５０２により画成され、他方の平面が軸５１０および５１２により画成される、一対の平面の交差点５３０に沿って生じる。この交差点は、ノズル喉部平面においてまたはその近くに位置するので、モードに応じる喉部領域の変化は、制限される。例示的な実施態様では、モード移動に応じる喉部領域の変化は、全ての公称喉部領域に亘って２％より十分低いものであり、最大変化は、最小の喉部領域状態におけるものである。モード移動に応じる喉部領域の最小変化が、与えられた用途のための飛行エンベロープ内の特に敏感な点（例えば、空中給油、着陸などのための設計点）で生じるような任意の実施を構成するのが有利となり得る。軸５０２が固定されている代替の状態に比較して、これは、与えられた公称喉部領域におけるモード移行中の喉部半径に、より高い均一性を提供できる。明らかに、瞬間の喉部の正確な位置は、表面部分４０に沿ってわずかに移動し、わずかな喉部半径の変化に加えてわずかな長手方向の喉部位置の変化を必然的に伴い得る。

図３は、同期リング６２が、その移動範囲の最も後方の端部に移動して最小の喉部領域／半径状態を形成するのを示す。特に、図３は、これを上述したような高いモード状態で示している。同期リングの移動中に、外部フラップの入れ子式の嵌まり込み（図に示すような収縮）が伴う。上述したように、喉部領域の範囲に亘る十分な入れ子式嵌まり込みの範囲を収容する必要性は、モード移動に関連する所望の伸張範囲を越えることができる。従って、モード支柱は、発散型フラップおよび外部フラップの組み合わせの移動範囲を制限するように依然として作動できる。図４は、低いモードでの最小の喉部領域／半径状態を示す。

作動リンク装置およびフラップの形状寸法は、所望の特性エンベロープに対応するのに効果的な喉部領域状態の範囲を可能とするように選択するのが有利である。例示的なエンベロープは、最小喉部半径の約１５０％である最大喉部半径を含む（例えば、１４０％を超過する）。同様に、モード支柱とその取り付け台は、所望のモード範囲を提供するように構成されている。例示的なモード範囲は、−５°から５°の間の最小θと、１０°から２５°の間の最大θとを含む。そのような範囲は、喉部領域全体に亘って提供できるのが有利である。

本発明のノズルは、既存のノズルの再設計として製作することができ、そうでなければ、既存の周囲構造のために（例えば、既存のノズルのための差し込み式の代用品として）製作できる。例えば、例示したノズルは、概略類似したノズルであるが、ベルクランクが、発散型フラップにではなく収束型フラップに（または収束型フラップと発散型フラップの間のヒンジ部）に接続されるようなノズルの代用品として、形成できる。再製作は、同期リングと、ベルクランクを含むリンク装置の可能性のある部分とを保存できる。また、再製作は、外部フラップおよびモード支柱の基本的な詳細を保存できるとはいえ、喉部領域およびフラップ角度の正確な範囲を維持する必要がある場合は、軽微な形状寸法の調整が潜在的に必要とされる。

本発明の１つまたは複数の実施態様を説明した。それにもかかわらず、本発明の精神および範囲から逸脱せずにさまざまな変形を行い得ることが理解されるであろう。例えば、既存のノズルの再製作として実施される場合は、既存のノズルのさまざまな詳細が、必要により、あるいは都合により保存できる。さらに、この原理は、軸対称ノズルばかりでなく軸非対称ノズルにも適用でき、また非ベクトル式ノズルばかりでなくベクトル式ノズルにも適用できる。従って、他の実施態様は、添付の請求項の範囲内にある。

第１の状態にあるタービンエンジンノズルの縦切欠図である。第２の状態にある図１のノズルの図である。第３の状態にある図１のノズルの図である。第４の状態にある図１のノズルの図である。

符号の説明

２０…タービンエンジンノズル
２２…収束型フラップ
２６…発散型フラップ
５０…外部フラップ
６０…ノズル静止リング構造
７０…リンク装置
１００…第２のリンク
５００…中心線
５０２…ヒンジ軸

Claims

上流フラップと、
ヒンジ軸回りに相対的に回転するように上流フラップに枢動可能に結合された下流フラップと、
複数の喉部領域状態の間で上流フラップおよび下流フラップを作動させるように、下流フラップの前方半分に沿って下流フラップに結合されたアクチュエータリンク装置と、
を備えることを特徴とする、タービンエンジンノズルサブアッセンブリ。
下流フラップに、および周囲構造に枢動可能に結合され、それによって、下流フラップおよび周囲構造とのそれぞれの結合位置の間の長さが、空力学的な力に応答して伸縮可能となる、外部フラップと、
外部フラップの伸張範囲を制限する手段と、
をさらに備えることを特徴とする請求項１記載のサブアッセンブリ。
前記手段は、周囲構造への第１の枢動可能な結合位置と、発散型フラップへの第２の枢動可能な結合位置とを有する第２のリンクを備えており、第２の枢動可能な結合位置は、外部フラップへの下流フラップの結合位置と下流フラップへのアクチュエータリンク装置の結合位置の中間であり、第２のリンクは、下流フラップに対して制限された自由浮遊範囲を有することを特徴とする請求項２記載のサブアッセンブリ。
静止構造と、
静止構造に対して実質的に固定された軸回りに相対的に回転するように静止構造に枢動可能に結合された上流フラップと、ヒンジ軸回りに相対的に回転するように上流フラップに枢動可能に結合された下流フラップとを含む、複数のフラップサブアッセンブリと、
与えられた設計点におけるモードにより生じる喉部領域の変化を最小限に抑えながら、喉部領域の範囲内で複数のフラップサブアッセンブリの上流フラップおよび下流フラップの関節動作を作動させる手段と、
を備えることを特徴とするタービンエンジンノズル。
前記複数のフラップサブアッセンブリは、エンジン中心線周りに軸対称に配置され、
前記関節動作は、各フラップサブアッセンブリに対して同時であり、
前記複数のフラップサブアッセンブリのそれぞれは、下流フラップに枢動可能に結合された外部フラップをさらに含むことを特徴とする請求項４記載のノズル。
収束型フラップと、発散型フラップと、外部フラップと、収束型フラップに結合された作動リンク装置とを有する第１のノズルサブアッセンブリを備えるかまたは予め備えていた、タービンエンジンに後付けするかあるいは、タービンエンジン構成を再製作する方法であって、
第２のサブアッセンブリを取り付けまたは製作する、
ことを含み、この第２のサブアッセンブリは、
第２の収束型フラップと、
第２の発散型フラップと、
１つまたは複数の構成部材を第１のノズルサブアッセンブリの作動リンク装置と随意に共有する第２の作動リンク装置と、
を備えており、さらに、固定されていないヒンジ軸回りに第２の収束型フラップに対して第２の発散型フラップを回転させると同時に、固定されていない瞬間の回転中心回りに第２の発散型フラップを回転させることが、第２の発散型フラップの空力学的に生じるモード変化による関節動作に可能となるように、第２の作動リンク装置は、第２の発散型フラップに結合されることを特徴とする方法。
前記第２のサブアッセンブリは、第１のノズルサブアッセンブリにより提供される喉部領域が敏感であったよりは、モード変化による関節動作に関連する領域変化に敏感でない喉部領域を有する空力学的喉部を提供することを特徴とする請求項６記載の方法。
そのような第１のノズルサブアッセンブリの周方向の配列が、そのような第２のノズルサブアッセンブリの周方向の配列に置き換えられることを特徴とする請求項６記載の方法。