JP2005133713A - フレード式エンジンノズルのための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ジェット機排気ノズル組立体（９０）のスロート面積（１４０）を調整する方法を提供する。
【解決手段】 本方法は、ほぼ矩形のノズル組立体内部に下部構造体（９４）を配置する段階と、傾斜フラップ（１１２）を下部構造体に結合する段階と、傾斜フラップ及び外側フラップの少なくとも１つの動きによってノズル組立体のスロート面積を調整するように該外側フラップ（１１０）をノズル組立体に結合する段階とを含む。下部構造体（９４）に結合されたフレードフラップ（１１４）がさらに設けられ、フレードフラップが、ノズル組立体のフレードスロート面積（１４０）を定めるように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、総括的にはジェット機排気ノズルに関し、より具体的にはジェット機排気ノズル内部のノズルスロートを調整するための方法及び装置に関する。

少なくとも一部の公知のエンジンは、民間用の亜音速エンジンで代表されるような固定式排気ノズルシステム又は超音速軍用機で代表されるような可変式排気ノズルシステムのいずれかを含む。固定式ノズルシステムのジオメトリは、運動学的に変更されないか又は可変でなく、従って可変式排気ノズルシステムほど効率的には作動することができない。

より具体的には、可変ジオメトリシステムは、エンジンサイクルの要求に基づいてノズルスロート（Ａ８）を調整しかつノズル面積比(Ａ９／Ａ８）を調整することによって広範囲の圧力比（Ｐ８／Ｐａｍｂ）にわたって作動するように構成されて、様々な作動ポイントにおいて所望のエンジン性能を達成するのを可能にする。

少なくとも一部の公知の可変式エンジンノズルシステムでは、Ａ８及びＡ９/Ａ８制御は、Ａ９/Ａ８をＡ８に「関連させる」、すなわち運動学的に関連付けた面積比スケジュールを設定することによって確立される。例えば、少なくとも一部の公知のエンジンは、円周方向に一連の一部重なり合ったフラップ及びシールを備えた可変式排気ノズルシステムを含み、これら重ね合わせフラップ及びシールによって、所望のノズルスロートＡ８を確定する収束形の流路を画成する。これに類似の重ね合わせフラップ及びシールの組が、収束形フラップ及びシールの後端部に結合されてノズルの発散形部分すなわち出口面積（Ａ９）を確定する。発散形フラップはさらに、例えばダクトなどの排気システムの相対固定部分に結合された圧縮リンクのような別個の連動部材を使用して運動学的に関連付けられる（連動される）。得られた４つのバーリンク機構、すなわちダクト、収束形フラップ、発散形フラップ及び圧縮リンクは、ノズルスロート面積Ａ８に対する出口面積Ａ９の連動関係を定め、従ってさらにＡ８の関数としてＡ９/Ａ８スケジュールを定める。このような構成により、一般的にＡ９/Ａ８スケジュールはＡ８が増大するにつれて増大するようになる。

しかしながら、ノズル設計に重ね合わせフラップ及びシール構造を使用することにより、エンジン作動効率をそれに応じて低下させる可能性がある多数の漏れ通路が生じることになる。加えて、ノズルを製作するために使用する比較的多数の部品により、この種エンジンのコスト、重量及び保守作業が増加することになる。
特開０７−１９７８５３号公報

１つの態様では、排気ノズル組立体を組み立てる方法を提供する。本方法は、ほぼ矩形のノズル組立体内部に下部構造体を配置する段階と、傾斜フラップを下部構造体に結合する段階と、傾斜フラップ及び外側フラップの少なくとも１つの動きによってノズル組立体のスロート面積を調整するように該外側フラップをノズル組立体に結合する段階とを含む。

別の態様では、排気ノズル組立体を提供する。本ノズル組立体は、ほぼ矩形のノズル組立体内部に配置された下部構造体と、下部構造体に結合された傾斜フラップと、ノズル組立体に結合された外側フラップとを含み、傾斜フラップ及び外側フラップの少なくとも１つが、ノズル組立体のスロート面積を調整するように構成されている。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、フレード吐出空気流を発生させるフレードロータと、フレード吐出空気流を受けるように構成されたほぼ矩形のフレードノズル組立体とを含む。フレードノズルは、フレードノズル組立体内部に配置された下部構造体と、下部構造体に結合された傾斜フラップと、ノズル組立体に結合された外側フラップとを含み、傾斜フラップ及び外側フラップの少なくとも１つが、フレードノズル組立体のスロート面積を調整するように構成されている。

図１は、複数のエンジン（図示せず）と複数のノズル組立体１２とを備えたジェット機１０の一部の概略図である。各ノズル組立体１２は、互いに結合された上部分１３、下部分１４及び複数の側壁１５を含む。例示的な実施形態では、各ノズル組立体１２は、ほぼ矩形の断面輪郭を有する。

図２は、ジェット機１０（図１に示す）に使用することができる例示的な「ファン・オン・ブレード（ｆａｎ−ｏｎ−ｂｌａｄｅ）」すなわちＦＬＡＤＥ（フレード）式エンジンの概略図である。エンジン１６は、フレード入口２０を含み、例えば航空機の離陸時のような所定のエンジン作動時にはエンジン吸入空気流２２の比較的大きな割合がこのフレード入口２０を通して流入する。空気流２２は、フレードインレット２０に入り、可変面積入口案内羽根２４の配列の間を通って流れる。図２に示すように、大量の空気流をフレードロータ２６に向かって導くために、入口案内羽根２４はその開位置に作動される。

入口案内羽根２４は、フレード流路２８に流入する空気流の量を制御し、該空気流を適当な角度でフレードロータ２６上に導き、フレードロータにおいて空気流を加圧しかつ加速する。フレードロータ２６から吐出された空気流は、複数の出口案内羽根３０を通って流れ、出口案内羽根によって空気流は整流されかつその回転速度成分が減じられる。フレード吐出空気流３２は、スクロールダクト３４を通って収束/発散形フレード排気ノズル９０に向かって流れる。

図３は、ジェット機１０（図１に示す）に使用することができる例示的なノズルシステム９０の拡大概略図である。図４は、異なるエンジン作動設定に対して配置されたノズルシステム９０の側面図である。図５は、さらに別のエンジン作動設定に対して配置されたノズルシステム９０の側面図である。例示的な実施形態では、ノズル９０は、ほぼ矩形のノズル面積を形成するように互いに結合された上部分９２、下部分９４及び複数の側壁（図示せず）を含む。ノズル９０はさらに、ノズル下部分に結合された比較的大きい下部構造体１０２を含む。下部構造体１０２は、内側に形成された前部分１０４、中央凹設部分１０６及び固定後部分１０８を含む。ノズル９０はさらに、外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４を含む。

１つの実施形態では、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は、ヒンジ１１８によって機械的に結合されて、該傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４がヒンジ１１８の中心軸線１２０の周りで回転可能になっている。外側フラップ１１０は、特に限定されないが例えば上部分９２と側壁との間にような、フラップ１１０の第１の端部１２４とノズル組立体９０の一部との間に結合されたヒンジ１２２を含む。

１つの実施形態では、各種フラップ、すなわち外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４の作動は、各種機械装置を使用して達成される。例えば、外側フラップ１１０は、ヒンジ１２２を使用して作動させることができ、一方、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は、ヒンジ１１８によって作動させることができる。１つの実施形態では、外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は各々、アクチュエータ１３０に結合される。別の実施形態では、外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は各々、それぞれの機械式リンク機構１３２を介して各それぞれのアクチュエータ１３０に結合される。フレード通路１３４を通って流れるフレード流は比較的低温であるので、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４用のアクチュエータ１３０及び作動リンク機構１３２は、フレード通路１３４内に、すなわち傾斜フラップ１１２、フレードフラップ１１４及び下部構造体１０２間に画成された空洞内に配置することができる。

使用時、フレードフラップ１１４は、本明細書ではＡ９８とも呼ぶフレードスロート面積１４０を制御してエンジン１６をサイクル要求にほぼ適合させる。フレードフラップ１１４の上流に配置した傾斜フラップ１１２は可動であり、エンジン混合コア/ファン流の本明細書ではＡ８とも呼ぶスロート面積１４２を可変に調節する。ノズル９０の上面に配置した外側フラップ１１０は、ヒンジ１２２の周りで回転ピボット動可能であり、ノズル９０の本明細書ではＡ９ｉとも呼ぶノズル出口面積１４４を調整する。従って、ノズル９０は、３つの独立して制御される面、すなわち外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４を含み、これらフラップは、エンジン１６が広範囲のサイクル要求作動条件Ａ８及びＡ９８内で作動しかつノズル性能を最適化するのを可能にするようなＡ９ｉを形成することができるように調整される。

図３では、外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は、「離陸」位置に配置されている。具体的には、傾斜フラップ１１２は、スロート面積１４２を増大させるように中心軸線１２０の周りで回転しており、またフレードフラップ１１４は、フレードスロート面積１４０を増大させるように中心軸線１２０の周りで回転している。その結果、離陸時のファン背圧要件にほぼ適合するような第１の大きさのスロート面積１４２が定まる。

図４では、外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は、「遷音速上昇」エンジン作動に対して配置されている。具体的には、傾斜フラップ１１２は、スロート面積１４２を減少させるように中心軸線１２０の周りで回転しており、またフレードフラップ１１４は、フレードスロート面積１４０を減少させるように中心軸線１２０の周りで回転している。その結果、第１の設定スロート面積１４５よりも小さい第２の大きさのスロート面積１４６が定まる。その結果、第２の大きさのスロート面積１４６は、音速上昇時のファン背圧要件にほぼ適合するように設定される。さらに、外側フラップ１１０は、ノズル出口面積１４４がノズル性能を最適化するような大きさ、すなわちノズル性能が最大になるようなＡ９/Ａ８の大きさになるように配置される。

図５では、外側フラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４は、「超音速巡航」エンジン作動に対して配置されている。具体的には傾斜フラップ１１２は、スロート面積１４２を大きく減少させるように中心軸線１２０周りで回転しており、またフレードフラップ１１４は、フレードスロート面積１４０を大きく減少させるように中心軸線１２０の周りで回転している。その結果、第１の大きさのスロート面積１４２よりも小さい第３の大きさのスロート面積１４８が定まり、超音速巡航時のファン背圧要件にほぼ適合するようになる。さらに、外側フラップ１１０は、ノズル出口面積１４４がノズル性能を最適化するような大きさ、すなわちノズル性能が最大になるようなＡ９/Ａ８の大きさになるように配置される。

図６は、ジェット機１０（図１に示す）に使用することができる別の例示的なノズルシステム９０の端面図である。ノズルシステム９０内部では、ヒンジ結合するのに代えて、外側フラップ１１０を複数のレール１５０内に結合し、前後方向１５２に平行移動させる。案内レール１５０は、少なくとも１つの側壁１５４に機械的に結合される。使用時には、例えば特に限定されないが、アクチュエータ１３０及びリンク機構１３２（図３に示す）のような作動システムを使用して外側フラップ１１０を前後方向に平行移動させる。

図７は、ジェット機１０（図１に示す）に使用することができるノズルシステム２００の別の例示的な実施形態である。ノズルシステム２００は、前部分２０４、中間凹設部分２０６及び固定後部分２０８を備えた下部構造体２０２を含む。ノズル２００はさらに、外側フラップ２１０及び傾斜フラップ２１２を含む。傾斜フラップ２１２は、傾斜フラップ２１２と単体構造に形成されたフレードフラップ２１４を含む。下部構造体２０２はまた、傾斜フラップ２１２に対し機械的に結合されたヒンジ２１６を含み、傾斜フラップ２１２がヒンジ２１６の周りで回転可能にピボット動するようになる。

別の例示的な実施形態では、傾斜フラップ１１２、２１２及びフレードフラップ１１４、２１４が側壁１５４に接触する領域におけるそれら側壁１５４は、傾斜フラップ１１２、２１２及びフレードフラップ１１４、２１４の端縁をそのそれぞれのヒンジ軸線の周りで回転させることによって描かれた回転面に近接するように構成される。例えば、外側フラップをピボット動させる実施形態の場合には、外側フラップ１１０、２１０と界面を接する側壁１５４の部分は、外側フラップ１１０の端縁をそのヒンジ軸線の周りで回転させることによって描かれた回転面に近接する。外側フラップ２１０を平行移動させる場合には、側壁成形する上で制約条件が殆どなく、従って側壁１５４は、外側フラップ２１０がその移動範囲を平行移動するとき、良好なシールを維持するように構成される。その他の点で、傾斜フラップ１１２、外側フラップ１１０又はフレードフラップ１１４と相互干渉しないようにするのが側壁１５４の領域を成形する上での唯一の制約条件であり、これは、気体力学的すなわちＬＯ性能に悪影響を与えないように行われなければならない。

別の例示的な実施形態では、エンジン１６（図２に示す）は、フレード流を含まず、従ってファン空気の一部は、現在フレード流として示しているものの中に導かれ、それによってそれぞれ下部構造体１０２及び２０２に対して冷却空気を供給する。別の実施形態では、傾斜（ランプ）冷却を全く必要としない場合、フレードフラップ１１４、２１４を排除することができ、固定下部構造体２０８は、傾斜フラップ１１２、２１２のヒンジ継手から始まる。

本明細書に記載した実施形態は、簡単な矩形断面を有するノズル組立体について説明したものであるが、下部構造体１０２、２０２、傾斜フラップ１１２、２１２、フレードフラップ１１４、２１４及び外側フラップ１１０、２１０は、スパンにわたって輪郭付けして構造上又は他の航空機への取付け上の利点を有することができる各種の断面を形成することができることを理解された。

上述したノズルシステムは、費用効果がありかつ高い信頼性がある。ノズルシステム９０は、３つの独立した制御ノズル面、すなわちアウタフラップ１１０、傾斜フラップ１１２及びフレードフラップ１１４を含み、これらフラップは、サイクル要求Ａ８及びＡ９８に適合し、また最適なノズル性能をもたらすＡ９ｉを形成するように調整される。その結果、ノズルを制作するために使用される比較的少数の部品により、エンジンのコスト、重量及び保守作業の低減をもたらすことができる。

以上、ノズルシステムの例示的な実施形態を詳細に説明している。本ノズルシステムは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各組立体の構成要素は、本明細書に記載した他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。例えば、各フレードフラップ、傾斜フラップ及び外側フラップは、本明細書に記載した他のノズル組立体の構成要素と組み合わせて使用することもできる。

本発明を種々の具体的な実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なエンジンを含む航空機の後端面図。 図１に示すジェット機に使用することができる例示的なフレード式エンジンの概略図。 図１に示すジェット機に使用することができる例示的なノズルシステムの拡大概略図。 異なるエンジン作動設定に対して配置された、図３に示すノズルシステムの側面図。 さらに別のエンジン作動設定に対して配置された、図３に示すノズルシステムの側面図。 図１に示すジェット機に使用することができる別の例示的なノズルシステムの後端面図。 図１に示すジェット機に使用することができるノズルシステムの別の例示的な実施形態を示す図。

符号の説明

１６ ガスタービンエンジン
２０ フレード入口
２４ 入口案内羽根
２６ フレードロータ
２８ フレード流路
３０ 出口案内羽根
３４ スクロールダクト
９０ 排気ノズル組立体
９４ 下部構造体
１１０ 外側フラップ
１１２ 傾斜フラップ
１１４ フレードフラップ
１１８、１２２ ヒンジ
１３０ アクチュエータ
１３２ 機械式リンク機構
１３４ フレード通路

Claims (10)

1. ほぼ矩形のノズル組立体（９０）内部に配置された下部構造体（９４）と、
   前記下部構造体に結合された傾斜フラップ（１１２）と、
   前記ノズル組立体に結合された外側フラップ（１１０）と、
   を含み、
   前記傾斜フラップ及び外側フラップの少なくとも１つが、前記ノズル組立体のスロート面積（１４２）を調整するように構成されている、
   排気ノズル組立体（９０）。
2. 前記下部構造体（９４）に結合されたフレードフラップ（１１４）をさらに含み、前記フレードフラップが、前記ノズル組立体のフレードスロート面積（１４０）を定めるように構成されている、請求項１記載の排気ノズル組立体（９０）。
3. 前記傾斜フラップ（１１２）及びフレードフラップ（１１４）を前記下部構造体（９４）に回転可能に結合するように構成されたヒンジ（１１８）をさらに含む、請求項２記載の排気ノズル組立体（９０）。
4. フレード通路（１３４）内部に配置された複数のアクチュエータ（１３０）をさらに含み、前記アクチュエータが、前記傾斜フラップ（１１２）及びフレードフラップ（１１４）の少なくとも１つを動かすように構成されている、請求項２記載の排気ノズル組立体（９０）。
5. 前記外側フラップ（１１０）を前記ノズル組立体に結合するように構成されたヒンジ（１２２）と、
   前記外側フラップの動き制御するように該外側フラップに結合されたアクチュエータ（１３０）と、
   をさらに含む、請求項１記載の排気ノズル組立体（９０）。
6. 前記ノズル組立体に結合された複数のレール（１５０）をさらに含み、前記レールが、前記外側フラップ（２１０）を前記ノズル組立体に摺動可能に結合するように構成されている、請求項１記載の排気ノズル組立体（９０）。
7. 前記傾斜フラップが、フレードフラップと単体構造に形成されている、請求項１記載の排気ノズル組立体（９０）。
8. フレード吐出空気流を発生させるフレードロータ（２６）と、
   前記フレード吐出空気流を受けるように構成されたほぼ矩形のフレードノズル組立体（９０）と、
   を含み、前記フレードノズル組立体が、
   前記フレードノズル組立体内部に配置された下部構造体（９４）と、
   前記下部構造体に結合された傾斜フラップ（１１２）と、
   前記ノズル組立体に結合された外側フラップ（１１０）と、を含み、
   前記傾斜フラップ及び外側フラップの少なくとも１つが、前記フレードノズル組立体のスロート面積（１４２）を調整するように構成されている、
   ガスタービンエンジン（１６）。
9. 前記下部構造体に結合されたフレードフラップ（１１４）をさらに含み、前記フレードフラップが、前記フレードノズル組立体のフレードスロート面積（１４０）を定めるように構成されている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１６）。
10. 前記傾斜フラップ（１１２）及びフレードフラップ（１１４）を前記下部構造体（９４）に回転可能に結合するように構成されたヒンジ（１１８）をさらに含む、請求項９記載のガスタービンエンジン（１６）。

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