JP2005061405A - 収束−発散ターボジェットノズル - Google Patents

Abstract

【課題】被駆動発散フラップ自体に冷却空気が供給されない場合に、ＣＤノズルの被駆動フラップの冷却を向上させる。
【解決手段】本発明は、被駆動発散フラップ４ａと、被駆動フラップ同士の間に介挿された従動発散フラップ４ｂと、従動フラップ４ｂに対して冷却空気を供給するための手段３２とを備え、従動フラップ４ｂが、ボックス構造を成すとともに、被駆動フラップ４ａの内側の面に向かって冷却空気を供給するための側部開口を有し、これにより、ターボジェットの動作中にこれらのフラップの温度上昇を制限する収束−発散ターボジェットノズル１に関する。用途は、軍用機のターボジェットである。
【選択図】 図５

Description

本発明は、収束−発散（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ−ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ）ターボジェットノズルに関する。本明細書中でＣＤノズルと称される収束−発散ノズルは、一般に、軍事用超音速機ターボジェットに取り付けられる。

図１は、知られているタイプのＣＤノズル１を概略的に示している。軸Ｘを有するこのノズルは、複数の収束フラップ（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ ｆｌａｐ）２から成る第１のリングと、複数の発散フラップ（ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ ｆｌａｐ）４から成る第２のリングとを備えている。収束フラップ２および発散フラップ４のうち、被駆動フラップ２ａ、４ａは、従動フラップ２ｂ、４ｂと区別される。

被駆動フラップ２ａ、４ａは、これら被駆動フラップを動かすために使用される駆動機構体５に接続されている。この駆動機構体は、通常、レバー、リンクロッド、ヨーク、またはリング、ローラ、カムから成る。被駆動フラップ２ａ、４ａの動作により、ノズル１の開度を飛行状態に適するように変えることができ、このため、ノズルは可変セクションであると言われている。

従動フラップ２ｂ、４ｂは、被駆動フラップ間に介挿され、両側で、従動フラップの側縁部が、被駆動フラップ２ａ、４ａの径方向内側の面に当接している。従動フラップは、駆動機構体に接続されておらず、被駆動フラップ２ａ、４ａに追従するだけである。

本明細書中、径方向とは、ノズルの軸Ｘと直交する方向として定義され、また、要素の内側の面とは、軸Ｘに最も近い部材の面として定義される。

ターボジェットの作動中、ターボジェットの後燃焼室からノズル１を通って高温ガス流が流れ込む。ノズルの開度を変えることにより、被駆動フラップ２ａ、４ａの駆動機構体５は、ノズル出口でのガス状流の排気速度を増減する。

ＣＤノズルを通過する高温ガス流の温度は、一般に非常に高く、ノズルフラップの径方向内側の面の温度上昇を制限するために、多数の冷却システムが開発されてきた。

米国特許第５，７７５，５８９号は、冷却空気が供給される従動発散フラップを備えた軍事用ターボジェットのためのＣＤノズルを開示している。

この空気は、フラップの内側壁に多穿孔（ｍｕｌｔｉｐｅｒｆｏｒａｔｉｏｎ）と称される穿孔を通じて逃げる前に、各フラップの内側を通じて流れる。したがって、フラップの内側壁と前記高温ガスとの間での熱交換を制限する空気の保護膜が、フラップの内側壁の表面に対して形成される。

１つの特定の実施形態において、被駆動発散フラップには冷却空気が供給されず、したがって、被駆動発散フラップは多穿孔を有していない。また、これらのフラップを冷却するために、ノズルの喉部（断面が最も狭い部分）に空気を注入するための手段だけが設けられている。しかしながら、そのような手段は、特に前記喉部から離れたこれらのフラップの領域で、被駆動発散フラップを適切に冷却するためには不十分である。
米国特許第５，７７５，５８９号明細書

本発明の目的は、特に被駆動発散フラップ自体に冷却空気が供給されない場合に、ＣＤノズルの被駆動フラップの冷却を向上させることである。

この目的を達成するために、本発明の対象は、被駆動発散フラップと、被駆動フラップ同士の間に介挿された従動発散フラップと、従動発散フラップに対して冷却空気を供給するための手段とを備え、従動発散フラップが、径方向内側壁と径方向外側壁とを有するボックス構造を成している、収束−発散ターボジェットノズルである。本発明によれば、従動発散フラップは、前記被駆動発散フラップの内側の面に向かって冷却空気を供給して、被駆動発散フラップを冷却するための側部開口も有している。

したがって、本発明は、従動発散フラップに供給される幾らかの冷却空気を利用して、被駆動発散フラップの内側の面を冷却する。これは、特に、被駆動発散フラップ自体に冷却空気が供給されない場合に有益である。

被駆動発散フラップの温度上昇を抑えることにより、これらのフラップの構成要素の寿命が延びるだけでなく、軍事行動との関連において、航空機のノズルの赤外線シグネチャ（ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を減らすことができる。

本発明の１つの特定の実施形態において、ノズルの外側壁および内側壁は、それらの側端部に沿って、その一方が他方の内側に嵌まり込むが、互いに対してスライドできる自由度を保っている。

このように前記壁が互いにスライドできるので、ターボジェットの作動中に、フラップの機械的応力が抑制される。そのような機械的応力は、例えば、外側壁と内側壁とが異なる温度に晒されることに起因する、外側壁と内側壁との間の膨張差によって生じる場合がある。

また、ＣＤノズルの性能を最適化するためには、被駆動発散フラップと従動発散フラップとの間での高温ガスの漏れを最小限に抑えることが望ましい。このため、各従動フラップは、フラップの駆動系の摩耗に起因して被駆動フラップと従動フラップとの間で僅かな位置ずれが頻繁に生じる場合であっても、その側縁部が、両側の２つの被駆動フラップの内側の面と接触状態を保つことができるように、ねじれ方向の可撓性を有していなければならない。このねじれ方向の可撓性は、外側壁と内側壁とが互いにスライドできることにより高められる。

また、従動発散フラップの側縁部と被駆動発散フラップの内側の面との間の接触を促進するため、外側壁および内側壁の側端部が湾曲している。

本発明の１つの特定の実施形態において、ノズルの外側壁および内側壁はそれぞれ、その側端部に沿って穴を有している。これらの壁の一方が他方の内側に嵌め込まれる時に、一方の壁の穴が、他方の壁の穴と位置合わせされることにより、前記側部開口が形成される。

一方の壁の穴が、他方の壁の穴よりも大きい断面を有し、それにより、内側壁と外側壁とが互いに対してどのような位置であっても、断面の小さい穴が常に断面の大きい穴の内側に入るようになっていることが有利である。これにより、フラップの膨張現象または捩じれ現象により内側壁と外側壁とが互いにスライドしても、側部開口を存続させることができる。

本発明の１つの特定の実施形態において、従動発散フラップの内側壁および外側壁はそれぞれ、それらの側部外周から前記穴の一方へ通じる少なくとも１つの切り込みを有している。

このような切り込みにより、壁の膨張またはフラップの捩じれに関連して、フラップに生じる機械的応力を軽減することができる。また、各切り込みが前記穴の一方へ通じているため、各切り込みの端部にクラックが生じることを防止できる。

本発明の１つの特定の実施形態において、各従動発散フラップは、フラップの対称面内に、その内側壁とその外側壁との間に配置されるスペーサも備えている。このスペーサは、フラップの構造を補強し、ノズルを通過する高温ガス流により内側壁に作用する圧力が高い場合であっても、フラップの形状を保持することができる。

ノズルの各従動発散フラップは、前記フラップの外側壁に固定されたガイドレールも備え、前記スペーサの断面は、略Ｉ字形状を成すとともに、スペーサの基部が、前記フラップの内側壁に固定され、かつその上部が前記ガイドレール内でスライドできることが有利である。

この特定の構造により、フラップの内側壁は、外側壁に対して移動することができる。すなわち、本発明によれば、フラップの可撓性を維持しつつ、フラップの構造をうまく補強することができる。

本発明の１つの特定の実施形態において、従動発散フラップの径方向内側壁は、冷却空気が逃げることができる穿孔も有している。これにより、フラップの表面に対して空気の保護膜を形成することができる。

本発明の他の実施形態においては、前記被駆動発散フラップに冷却空気が供給されず、したがって、従動フラップに存在する側部開口だけにより、被駆動発散フラップが冷却される。

この実施形態によれば、冷却空気を通過させるために必要な中空ボックス構造を有さない被駆動発散フラップを形成することができるため、ＣＤノズルの構造が非常に簡略化される。代わりに、簡単な外板構造、すなわち単独の壁を有するフラップを形成することができる。その場合には、この種の被駆動フラップを、被駆動フラップを制御する駆動部材に対して接続することが容易になる。

本発明及びその利点は、以下の図面に示された好ましい実施形態の詳細な説明を読むことにより明確に理解できる。

本発明に係るノズルの一般的な構造は、図１に示されかつ先に説明したノズルの構造と同様である。

ノズル１は、収束フラップ２と、発散フラップ４とを備えている。発散フラップ４のうち、被駆動発散フラップ４ａは、従動発散フラップ４ｂと区別される。各従動発散フラップ４ｂは、その側縁部に沿って位置する領域において、隣り合う２つの被駆動発散フラップと当接している。

被駆動発散フラップ４ａの上流側端部は、被駆動収束フラップ２ａの下流側端部に旋回可能に取り付けられている。また、従動発散フラップ４ｂの上流側端部は、従動収束フラップ２ｂの下流側端部に旋回可能に取り付けられている。

図２に示されるように、各従動発散フラップ４ｂは、ボックス構造を成すとともに、断面が略台形を成しており、径方向内側壁６および径方向外側壁８を有している。

外側壁８の側端部８ａおよび内側壁６の側端部６ａは、湾曲しており、また側端部６ａ、８ａの曲率は、内側壁６および外側壁８の一方が他方の内側に嵌まり込むことができるように、すなわち、内側壁の側端部６ａが外側壁８の側端部を覆うようなものである。

また、内側壁６の側端部６ａは、外側壁８の側端部８ａのためのスライド面を形成しており、そのため、これらの壁は、互いに軸方向にスライドすることができる。

このように、従動発散フラップ４ｂの側縁部は、内側壁６および外側壁８の側端部同士を重ね合わせることによって形成されている。

また、従動フラップ４ｂには幾つかのスペーサ２０が取り付けられており、これらのスペーサ２０は、フラップの対称面内において、内側壁６と外側壁８との間で、フラップに沿って一定の間隔で分布している。

各スペーサ２０は、基部および上部に結合された直線状のウェブから成るとともに、基部および上部の両方ともウェブと直交しており、スペーサの断面は略Ｉ字形状を成している。スペーサの基部は、溶接、ろう付け、または他の任意の適当な固定手段により、フラップの内側壁６に対して取り付けられている。スペーサ２０の上部は、スペーサ２０のウェブの両側に、このウェブの方向と直角に広がる２つのアーム２０ａから成る。

フラップの外側壁８には、フラップの対称面内に位置する１つのスロット２４を有する軸方向スライド面２２すなわちガイドレールが固定されている。スロット２４の幅は、スペーサ２０のウェブの厚さよりも大きく、したがって、スペーサ２０は、スロットの方向に沿ってスライド面２２内でスライドできる。スペーサ２０のアーム２０ａは、スライド面２２と外側壁８との間で延びており、これらの部分の一方または他方と接触することにより、内側壁６と外側壁８とが互いに接近できる距離または離間できる距離を制限し、それにより、フラップ形状を維持しようとするフラップの能力を高めることができる。

図３ａおよび図３ｂに示されるように、内側壁６および外側壁８はそれぞれ、それらの側端部６ａ、８ａに沿って一定の間隔で配置された穴１２、１４を有している。

壁６、８の一方が他方の内側に嵌め込まれると、外側壁８の穴１２は、内側壁６の穴１４と位置合わせされ、これにより、従動フラップ４ｂの構造体に側部開口を形成する。

外側壁８の穴１２は楕円形である。すなわち、穴１２は細長く、内側壁６の円形穴１４よりも大きい断面を有している。楕円形穴１２のサイズおよび形状は、外側壁８および内側壁６が異なって膨張し、かつ／または従動フラップ４ｂが捩じれて、２つの壁６、８の位置が互いに対してずれる場合であっても、円形穴１４が決して塞がれないように決定される。

また、内側壁６および外側壁８にはそれぞれ、それらの側端部６ａ、８ａに沿って一定の間隔で配置される切り込み１６、１８が設けられている。これらの切り込み１６、１８は、側端部６ａ、８ａの端面から始まり、この端面と直角を成して、各壁６、８に形成された穴１２、１４まで延びている。

図２および図４に示されるように、各従動フラップ４ｂの内側壁６は、その中央部に、多数の穿孔２６を有している。これらの穿孔は、多穿孔と称される。

図４、図５、図６に示されるように、被駆動フラップ４ａに冷却空気が供給されず、かつ従動フラップだけに冷却空気が供給される場合には、前述したノズルの発散フラップの冷却が、以下の方法で行なわれる。

従動発散フラップ４ｂの冷却空気は、ノズルを通過する高温ガスの流れ方向に対してノズルの上流側に配置されたマニホールド（図示せず）からくる。図６に概略的に示されるように、引き出された空気は、その途中でノズルのターボジェット上流側の熱保護スリーブ３０の下側を通過し、ダクトシステム３２を介して、従動発散フラップ４ｂ内に導入される。その後、空気は、発散フラップ４ｂのボックス構造内に流入し、前記発散フラップ４ｂの穿孔２６および側部開口１２、１４を通じて流出する。

矢印Ｆによって示される方向で穿孔２６から流出する冷却空気は、壁６の内側の面に冷却空気の膜を形成することにより、従動発散フラップ４ｂの内側壁６の温度上昇を制限するのに役立つ。

一方、側部開口１２、１４を通じて矢印Ｆ’の方向で流出する冷却空気は、各被駆動発散フラップ４ａの内側の面に向かって周方向に方向付けられ、最初に衝突によって被駆動発散フラップを冷却する。その後、この冷却空気は、被駆動発散フラップ４ａの内側の面に対して保護膜を形成することにより、ノズルを通過する高温ガスとこれらのフラップ４ａとの間での熱交換を弱め、フラップ４ａの加熱度合いを抑える。

従来技術のＣＤノズルの斜視図である。 本発明に係るノズルの従動発散フラップの断面図である。 図２のフラップの側部開口の詳細図である。 図２のフラップの側部開口の詳細図である。 ノズルの内側から見た本発明に係るノズルの幾つかの発散フラップを示す図である。 本発明に係るＣＤノズルの斜視図である。 本発明に係るＣＤノズルの軸方向半断面を概略的に示す図である。

符号の説明

１ ノズル
２ 収束フラップ
２ａ 被駆動収束フラップ
２ｂ 従動収束フラップ
４ 発散フラップ
４ａ 被駆動発散フラップ
４ｂ 従動発散フラップ
６ 内側壁
６ａ、８ａ 側端部
８ 外側壁
１２、１４ 穴
１６、１８ 切り込み
２０ スペーサ
２０ａ アーム
２２ スライド面
２４ スロット
２６ 穿孔
３０ 熱保護スリーブ
３２ ダクトシステム

Claims (11)

1. 被駆動発散フラップ（４ａ）と、被駆動発散フラップ同士の間に介挿された従動発散フラップ（４ｂ）と、従動発散フラップ（４ｂ）に対して冷却空気を供給するための手段（３２）とを備え、前記従動発散フラップ（４ｂ）が、径方向内側壁（６）と径方向外側壁（８）とを有するボックス構造を成している、収束−発散ターボジェットノズルであって、前記従動発散フラップが、前記被駆動発散フラップ（４ａ）の内側の面に向かって冷却空気を供給して、被駆動発散フラップを冷却するための側部開口を有していることを特徴とする、収束−発散ターボジェットノズル。
2. 外側壁（８）および内側壁（６）が、該外側壁（８）および内側壁（６）の側端部に沿って、一方が他方の内側に嵌まり込むが、互いに対してスライドできる自由度を保っていることを特徴とする、請求項１に記載のノズル。
3. 外側壁（８）および内側壁（６）の前記側端部が、湾曲していることを特徴とする、請求項２に記載のノズル。
4. 外側壁（８）および内側壁（６）それぞれが、該外側壁（８）および内側壁（６）の側端部に沿って穴（１２、１４）を有し、これらの壁の一方が他方の内側に嵌め込まれる時に、一方の壁（８）の穴（１２）が他方の壁（６）の穴（１４）と位置合わせされることにより、前記側部開口が形成されることを特徴とする、請求項２または３に記載のノズル。
5. 一方の壁（８）の穴（１２）が、他方の壁（６）の穴（１４）よりも大きい断面を有していることを特徴とする、請求項４に記載のノズル。
6. 一方の壁（８）の穴（１２）が楕円形であり、他方の壁（６）の穴（１４）が円形であることを特徴とする、請求項４または５に記載のノズル。
7. 外側壁（８）および内側壁（６）それぞれが、該外側壁（８）および内側壁（６）の側部外周から前記穴（１２、１４）の一方へ通じる少なくとも１つの切り込み（１６、１８）を有していることを特徴とする、請求項４から６のいずれか一項に記載のノズル。
8. 各従動発散フラップ（４ｂ）が、前記従動発散フラップ（４ｂ）の対称面内に、各従動発散フラップ（４ｂ）の内側壁（６）と各従動発散フラップ（４ｂ）の外側壁（８）との間に配置されるスペーサ（２０）を備えていることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載のノズル。
9. 各従動発散フラップ（４ｂ）が、前記フラップ（４ｂ）の外側壁（８）に固定されたガイドレール（２２）も備え、前記スペーサ（２０）が、略Ｉ字形状を成すとともに、前記スペーサ（２０）の基部が、前記フラップ（４ｂ）の内側壁（６）に固定され、かつ前記スペーサ（２０）の上部が前記ガイドレール（２２）内でスライドできることを特徴とする、請求項８に記載のノズル。
10. 従動発散フラップ（４ｂ）の前記径方向内側壁（６）が、冷却空気が逃げることができる穿孔（２６）も有していることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載のノズル。
11. 前記被駆動発散フラップ（４ａ）には冷却空気が供給されないことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のノズル。

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