JP2007040191A - ダクテッドファン - Google Patents

Abstract

【課題】ダクテッドファンが横風を受けた場合に発生するピッチアップモーメントを可及的に低減する技術を提供する。
【解決手段】ダクテッドファン２の外部からダクテッドファン２の側面に吹き付ける空気をダクト７の下端部から更に下流側に導く気流ガイド部１１と、気流ガイド部１１を流れる空気が通過することによって下流ガイド部１１を流れる空気の流れが変化し、気流ガイド部１１の下流側端部近傍に負圧を発生させる負圧発生部１２と、をダクト７の下端部に設ける。
【選択図】図６

Description

本発明は、ダクト内に設けられたファンの回転運動によって推力を発生させるダクテッドファンに関する。

垂直に離着陸を行う垂直離着陸機の推力発生装置としてダクテッドファンを用いたものが考案されている。

例えば、特許文献１には、ダクテッドファンのダクト内に空気を導入するリップ部において、空気が流れるときに発生する負圧の大きさを可変とすることによって、発生する推力の大きさの制御性を高めた垂直離着陸機が開示されている。

また、特許文献２には、ダクテッドファンのブレードのピッチ角とダクテッドファンを駆動するエンジンの回転数とを制御することによって、発生する推力の大きさの制御範囲を拡大した垂直離着陸機が開示されている。

しかし、ダクテッドファンを搭載した飛翔体の場合、飛行中にダクテッドファンの側面に横風が吹き付けると、横風を受けている側（以下「前方」）のダクトの空気導入部においては、ダクト内に流入する気流と横風とが合成され、空気導入部を流れる空気の流速が増大する。

そのため、前方の空気導入部に発生する負圧は、横風を受けていない側（以下「後方」）の空気導入部に発生する負圧より大きくなる。

これにより、前方の空気導入部は後方の空気導入部より強く負圧の方向へ引き寄せられるため、ダクテッドファンの前方を持ち上げる向きのモーメントが発生する場合がある。

また、ダクトを通過した気流が噴出するダクテッドファン下部の気流出口の近傍においては、ダクトから噴出した気流と横風とが合成され、ダクト下部における気流（以下「下降気流」）が横風の向きに偏向する。

この偏向した下降気流は、ダクトの気流出口の下流側を横切るように流れるため、ダクトの気流出口から垂直に噴出する気流の流路が遮られる。

すると、ダクトから空気が円滑に噴出しづらくなり、ダクトから噴出する気流の流速が低下する場合がある。特に、ダクトの後方の流出口から噴出する気流の流速の低下により、ダクトの後方に働く推力が低下し、ダクトの後方を持ち上げる向きのモーメントが発生しづらくなる場合がある。

以下、ダクテッドファンが横風を受けた時に発生する上記の現象について、図１及び図２を用いて説明する。

図１は、ダクテッドファン２００の外部からダクテッドファン２００の側面に横風１３が吹き付けた場合に、ダクテッドファン２００の周囲及びダクト７内部に発生する空気の流れを示す。図中の矢印は空気の流れる向きを表す。ただし、図を見やすくするため、ダクト７内部に設けられているファンについては図示を省略してある。

図１において、流入口８付近の空気の流れに着目すると、前方の流入口８ａにおいては、ファンの回転運動によって生ずる気流１４と横風１３とが合成されて、後方の流入口８ｂを流れる気流１４と比べて流速の速い合成流１８が発生する。

また、流出口１０付近の空気の流れに着目すると、流出口１０から噴出する気流２０と横風１３とが合成されて、下降気流１９が横風１３の向きに偏向する。

この偏向した下降気流１９は、流出口１０の下流側を横切るように流れるため、流出口１０から垂直に噴出する気流２０の流路が遮られる。

すると、流出口１０から空気が円滑に噴出しづらくなる。

図２は、ダクテッドファン２００の外部からダクテッドファン２００の側面に横風１３が吹き付けた場合に、ダクテッドファン２００の周囲及びダクト７内部に発生する空気の流れの流速分布、該空気の流れによって生じる推力の向きと大きさ、該推力によって生じるモーメントの向きと大きさを示す。

上記のような流入口８付近の空気の流れによって、前方の傾斜部９ａ（以下「前方傾斜部」）に発生する負圧は、後方の傾斜部９ｂ（以下「後方傾斜部」）に発生する負圧より大きくなる。そのため、前方傾斜部９ａを引き寄せる力１５が後方傾斜部９ｂを引き寄せる力１６より強くなり、前方傾斜部９ａは後方傾斜部９ｂより強く負圧の方向へ引き寄せられる。これにより、前方傾斜部９ａを持ち上げる向きのモーメント１７が発生する。

また、ダクト７の内部及び下流側においては、流速分布２１で示される流速を有する気流が発生する。ここで、流速分布２１は、ある一定の流速以上の流速で空気が流れている領域を示している。

このような気流によって、ダクト７の前方には推力２２ａ（以下「前方ファン推力」）が働き、ダクト７の後方には推力２２ｂ（以下「後方ファン推力」）が働く。これにより、ダクト７の後方を持ち上げる向きのモーメント２３が発生する。

図２に示されるように、ダクト７の後方を持ち上げる向きのモーメント２３は、前方傾斜部９ａを持ち上げる向きのモーメント１７を完全に相殺するほどの大きさにはならないため、ダクテッドファン２００が横風１３を受けた場合、全体としてダクト７の前方を持ち上げる向きのモーメント（以下「ピッチアップモーメント」）が発生する。

以上ように、従来のダクテッドファンでは、横風を受けた時にダクトの前方を持ち上げようとするピッチアップモーメントが発生する場合があった。
特開２００５−１４５２６４号公報 特開平３−７０６９９号公報

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ダクテッドファンの側面に空気が吹き付けた場合に発生するピッチアップモーメントを可及的に低減する技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は、ダクテッドファンの側面に吹き付ける空気を、ダクトの気流出口の更に下流側に導くとともに、そこで空気の流れを変化させることによっ
て負圧を発生させ、下降気流の偏向を抑制することを最大の特徴とする。

より詳しくは、本発明に係るダクテッドファンは、
回転することにより回転軸と略平行方向の気流を発生させるファンと、
前記回転軸の方向に前記気流の流入口と流出口とが開口するように前記ファンの周囲に設けられ、前記流入口の内側に傾斜部が設けられたダクトと、
前記流出口に設けられ、前記ダクトの外部から前記ダクトの側面に吹き付ける空気を、前記流出口よりさらに前記気流の下流側に導く気流ガイド部と、
前記気流ガイド部における前記気流の下流側の端部に設けられ、前記気流ガイド部によって導かれた前記空気が通過することによって前記端部近傍に負圧を生じさせる負圧発生部と、
を備えることを特徴とする。

上記のように構成されたダクテッドファンにおいては、ダクト内に設けられたファンの回転運動によって気流が発生する。この気流は、ダクトの流入口からダクト内に流入し、ダクトの流出口から噴出する。ダクトの流出口から気流が噴出する際の反力によって推力が発生する。

また、気流が流入口からダクト内に流入する時に、流入口の内側に設けられた傾斜部において気流の流速が増加し、傾斜部の面上に負圧が発生する。これにより、この負圧の方向に傾斜部を引き寄せる力が働き、これも推力の一部となる。

このダクテッドファンの側面に外部からダクテッドファンにとって外乱となる空気（以下これを「横風」と呼ぶ）が吹き付けると、横風の一部が気流ガイド部によってダクトの流出口からさらに気流の下流側に導かれる（以下「気流の下流側」を単に「下流側」と記す）。

そして、ダクトの流出口の下流側に導かれた横風は、気流ガイド部の下流側の端部に設けられた負圧発生部を通過する。その際、負圧発生部において横風の流れが変化させられる。この流れの変化によって、負圧発生部の近傍に負圧が発生する。

この負圧の方向に、ダクトの流出口から噴出する気流の一部が誘導される。特に、横風を受けている側（以下「前方」）のダクトから噴出する気流がこの負圧の方向に誘導されることにより、ダクト下部における気流（以下「下降気流」）が、横風の向きに偏向しづらくなる。

そのため、下降気流がダクトの流出口の下流側を横切るように流れることが抑制され、ダクトの流出口から垂直に噴出する気流の流路が遮られづらくなる。

これにより、ダクトからの空気の噴出が円滑になり、噴出する気流の流速の低下が抑制される。

特に、横風を受けていない側（以下「後方」）のダクトから噴出する気流の流速の低下が抑制されることによって、ダクトの後方に働く推力が従来より増大するので、ダクトの後方を持ち上げる向きのモーメントが従来より増大する。

ダクテッドファンが横風を受けた時に発生するモーメントは、前方の流入口付近の空気の流れによって生じる、前方の傾斜部を持ち上げる向きのモーメントと、ダクトからの空気の噴出によって生じる、ダクトの後方を持ち上げる向きのモーメントとの合成である。

上述のように、ダクト後方を持ち上げる向きのモーメントは従来より増大するため、結果として従来の場合よりダクテッドファンの前方を持ち上げる向きのモーメント（以下「ピッチアップモーメント」）が低減する。

上記のダクテッドファンは、
前記ダクトは、前記ファンの回転軸を中心軸とする円筒形状を有し、
前記気流ガイド部は、前記ダクトと中心軸を共有し、内径は前記ダクトと略等しく、外径は前記ダクトより小さい円筒形状を有し、
前記負圧発生部は、前記気流ガイド部における前記気流の下流側の端部において、前記気流ガイド部の全周に亘って外周側に設けられた環状突起を有するようにしてもよい。

上記の構成においては、気流ガイド部及び負圧発生部は、ダクトの内周面と略連続した内周面を有し、ダクトの外径より小さい外径を有する円筒と、該円筒の下流側の端部に形成された環状突起によって形成される。この形状を、ダクトの中心軸を含む平面による断面で見た場合、ダクトの流出口の下流側端部に設けられたＬ字型の部材となる。

このダクテッドファンの側面に外部から横風が吹き付けると、横風の一部がダクト下部の流出口に設けられた気流ガイド部の外周面に沿った流れとなってさらに下流側に導かれる。

そして、気流ガイド部の下流側に導かれた横風は、気流ガイド部の下流側の端部に設けられた負圧発生部を通過する。この負圧発生部は、横風の流路である気流ガイド部の外周面上に設けられた環状突起を有する。

横風がこの負圧発生部の環状突起を通過する際、横風の流れが変化させられる。この流れの変化によって、負圧発生部の近傍に負圧が発生する。

このように、上記構成によれば、ダクテッドファンが横風を受けた時に負圧発生部近傍に負圧が発生するので、ダクテッドファンに働くピッチアップモーメントを好適に低減することができる。

従って、上記構成によれば、円筒形状や環状突起などの簡単な形状の部材を用いて、本発明に特有のピッチアップモーメント低減効果を奏する気流ガイド部及び負圧発生部を構成することができる。

ここで、気流ガイド部は、ダクテッドファンの側面に吹き付ける横風を気流ガイド部の下流側端部へ誘導し、そこに設けられた負圧発生部を通過させる機能を果たしている。

より効率的に横風が負圧発生部を通過するようにするためには、気流ガイド部の軸方向の長さは、横風を気流ガイド部の下流側に導くのに十分な長さであることが求められる。

本発明においては、前記気流ガイド部の軸方向の長さが、前記ダクトの内径の１０％以上であれば、前記気流ガイド部は前記機能を十分に果たすことができる。

また、気流ガイド部の径方向の厚みは、気流ガイド部が横風を受けた時に破損することを抑制するのに十分な厚みであることが求められる。

本発明においては、前記気流ガイド部の径方向の厚みが、前記ダクトの内径の１％以上であれば、前記気流ガイド部は横風を受けた時の破損を抑制し得る十分な強度を有することができる。

ただし、「気流ガイド部の径方向の厚み」とは、気流ガイド部の外径と内径の差を指す。以下、「径方向の厚み」を同様の意味に用いる。

以上のことから、例えば飛翔体の推力発生装置として本発明に係るダクテッドファンを搭載する際に、飛翔体の機体を軽量コンパクトなものとするために気流ガイド部の大きさを可及的に制限しなければならない場合があるが、そのような場合、例えば気流ガイド部の軸方向の長さをダクトの内径の１０％、気流ガイド部の径方向の厚みをダクトの内径の１％としてもよい。

これにより、ダクテッドファンに対して本発明に係るピッチアップモーメント低減効果を有する気流ガイド部や負圧発生部を設ける際に、飛翔体の機体の重量の増加を可及的に抑制することが可能となる。

ところで、負圧発生部に発生する負圧の大きさは、気流ガイド部を流れて負圧発生部の環状突起を通過する空気の流速が速いほど大きくなる。

一方、気流ガイド部を流れる気流は、気流ガイド部の外周面に生じる境界層（以下「境界層」）の範囲内では流速の低下の度合いが大きい。

従って、負圧発生部においてより確実に負圧を発生させるためには、境界層から離れた位置を流れる、流速の低下の度合いが小さい気流が環状突起を通過することが望ましい。

すなわち、環状突起の径方向の高さが境界層の厚みより大きいことが望ましい。

本発明においては、前記気流ガイド部の前記環状突起が設けられた部分の径方向の厚みが、前記気流ガイド部の軸方向の長さの１０％以上であれば、前記環状突起の径方向の高さが境界層の厚みより大きくなる。

また、本発明に係るダクテッドファンが、前記ファンの回転軸を中心軸とする環状のタービン室に格納されたチップタービンファンに圧縮空気が吹き付けられることで、前記チップタービンファンに取り付けられた前記ファンを回転させるチップタービン駆動ダクテッドファンである場合は、前記気流ガイド部の前記環状突起が設けられた部分の径方向の厚みが、前記気流ガイド部の軸方向の長さの５０％以上であれば、前記環状突起の径方向の高さが境界層の厚みより大きくなる。

チップタービンファンを駆動した後タービン室から排出される圧縮空気の流速は、気流ガイド部によって負圧発生部に導かれる横風の流速より速くなる場合がある。

上記構成によるチップタービン駆動ダクテッドファンにおいては、このタービン室から排出される圧縮空気についても、より確実に負圧発生部の環状突起を通過させることができる。

そのため、流速の速い圧縮空気の流れが変化させられることによって、より大きな負圧を発生させることが可能となる。

また、上記構成によれば、チップタービン駆動ダクテッドファンが横風を受けていない場合も、チップタービンファンを駆動した後の圧縮空気が排出されていれば、圧縮空気が負圧発生部を通過することによって負圧発生部近傍に負圧が発生する。この負圧により、チップタービン駆動ダクテッドファンによる推力が増大するという副次的な効果をも得る
ことができる。

本発明に係るダクテッドファンにおいては、ダクテッドファンが側面から横風を受けた場合に発生するピッチアップモーメントを低減することが可能となる。
また、これにより、ピッチアップモーメントを解消するために姿勢制御が必要となる場合が減るため、燃費や航続距離を向上させることも可能となる。

以下に図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

ここでは、本発明に係るダクテッドファンを垂直離着陸機に搭載した実施形態を示す。

図３は、本実施例に係る垂直離着陸機の斜視図である。図３に示す垂直離着陸機１ａは、操縦者の前方及び後方にダクテッドファン２が２台ずつ設けられている。

また、図４は、本実施例に係る他の垂直離着陸機の斜視図である。図４に示す垂直離着陸機１ｂは、操縦者がほぼ直立状態で操縦することが可能であり、操縦者の上部の左右にダクテッドファン２が１台ずつ設けられている。

また、図５は、本実施例に係るさらに他の垂直離着陸機の斜視図である。図５に示す垂直離着陸機１ｃは、操縦者の前方及び後方にダクテッドファン２が１台ずつ設けられている。

垂直離着陸機１ａ及び１ｃの中央部には、操縦者が着座するための乗員席４が設けられている。乗員席４の下には、駆動源３が配置されている。垂直離着陸機１ｂでは、操縦者の背後に駆動源３が設けられてる。

以下では、２種類の駆動方式のダクテッドファンに対して本発明を適用した実施例を示す。

すなわち、原動機等の駆動力を用いてファンを回転駆動するダクテッドファンと、ダクト内に格納されたチップタービンファンを圧縮空気を用いて駆動することによりチップタービンファンに連結されたファンを回転駆動するダクテッドファン（以下「チップタービン駆動ダクテッドファン」）との２つの駆動方式のダクテッドファンである。

実施例１では、前者のダクテッドファンに対する本発明の一実施形態を示す。実施例２では、後者のチップタービン駆動ダクテッドファンに対する本発明の一実施形態を示す。

図６は、本実施の形態に係るダクテッドファン２の中心軸を含む平面による断面図であり、ダクテッドファン２の概略構成を示している。

ダクテッドファン２は、駆動源３から供給された駆動力によって高速回転する主軸５、主軸５に接続されたファン６、主軸５及びファン６の周囲に設けられた円筒状のダクト７から成っている。

ダクト７内に空気を導入する流入口８は、ダクト７の最上部に位置し、内側に傾斜部９が設けられている。傾斜部９の表面はＲ処理が施され、滑らかな曲面によってダクト７の
内周面に接続するように形成されている。

ダクテッドファン２が作動すると、ファン６が高速回転して気流が発生する。この気流は、流入口８からダクト７内に流入し、ダクト７の下端に位置する流出口１０から噴出する。流出口１０から気流が噴出する際の反力によって推力が発生する。

また、気流が流入口８からダクト７内に流入する時に、傾斜部９において気流の流速が増加し、傾斜部９の面上に負圧が発生する。これにより、この負圧の方向に傾斜部９を引き寄せる力が働き、これも推力の一部となる。

本実施例においては、流出口１０には、気流ガイド部１１が設けられている。気流ガイド部１１はダクト７より小さい外径を有する円筒形状であり、その内周面がダクト７の内周面と連続するように設けられている。また、気流ガイド部１１の下端には負圧発生部１２が設けられている。負圧発生部１２は気流ガイド部１１の下端においてフランジ形状をなす環状突起である。

図７はダクテッドファン２の気流ガイド部１１及び負圧発生部１２の部分の拡大図である。

図７のＨは気流ガイド部１１の軸方向の長さ（以下「気流ガイド部の長さ」）を表す。Ｔは気流ガイド部１１の径方向の厚み（以下「気流ガイド部の厚み」）を表す。
また、Ｚは負圧発生部１２の軸方向の長さ（以下「負圧発生部の長さ」）を表す。Ｌは気流ガイド部１１における負圧発生部１２が設けられた部分の径方向の厚み（以下「負圧発生部の厚み」）を表す。Ｓは負圧発生部の厚みＬと気流ガイド部の厚みＴとの差（Ｌ−Ｔ）（以下「負圧発生部の高さ」）を表す。

本実施例においては、気流ガイド部の長さＨはダクト７の内径の１０％以上、気流ガイド部の厚みＴはダクト７の内径の１％以上、負圧発生部の厚みＬは気流ガイド部の長さＨの１０％以上、負圧発生部の長さＺは負圧発生部の厚みＬと同程度の寸法で形成されている。

次に、図８〜図１０を参照しながら、本実施例に係るダクテッドファン２の外部からダクテッドファン２の側面に対して横風が吹き付けた場合に起こる現象について説明する。

図８は、本発明に係るダクテッドファン２の外部からダクテッドファン２の側面に横風１３が吹き付けた場合に、ダクテッドファン２の周囲及びダクト７内部に発生する空気の流れを示す。図中の矢印は空気の流れる向きを示す。ただし、図を見やすくするために、ファン６については図示を省略した。

図８に示すように、本実施例に係るダクテッドファン２の場合であっても、流入口８付近に生じる空気の流れは図１に示した従来のダクテッドファン２００の場合と大差はない。

一方、図８において、流出口１０付近の空気の流れに着目すると、気流ガイド部１１近傍に吹き付けた横風２６は、気流ガイド部１１の下流側に導かれる。

本実施の形態においては、気流ガイド部の長さＨがダクト７の内径の１０％以上に設定されているため、気流ガイド部１１近傍に吹きつけた横風２６は、好適に気流ガイド部１１の下流側端部へ誘導される。

気流ガイド部１１の下流側に誘導された横風２６は、負圧発生部１２を通過することによってその流れが変化させられる。図８の２４は横風２６が負圧発生部１２を通過する際の流れの変化の様子を表している。

この流れの変化によって、負圧発生部１２の下流側端部近傍の領域２７には負圧が発生する。

本実施の形態においては、負圧発生部の厚みＬが気流ガイド部の長さＨの１０％以上に設定されているため、気流ガイド部１１を流れる横風２６によって気流ガイド部１１の外周面４９上に発生する境界層（以下「境界層」）の厚みよりも、負圧発生部の高さＳが大きくなる。従って、横風２６が負圧発生部１２を通過する際、領域２７に好適に負圧を発生させることができる。

図９に気流ガイド部１１及び負圧発生部１２近傍の拡大図を示す。

領域２７に発生した負圧の方向に、ダクト７から噴出する気流２０の一部が誘導される。特に横風を受けている側（以下「前方」）のダクト７から噴出する気流２５がこの負圧の方向に誘導されることにより、ダクト７の下部における気流１９（以下「下降気流」）が横風１３の向きに偏向しづらくなる。

そのため、下降気流１９がダクト７の流出口１０の下流側を横切るように流れることが抑制され、ダクト７の流出口１０から垂直に噴出する気流の流路が遮られづらくなる。

これにより、ダクト７からの空気の噴出が円滑になり、ダクト７から噴出する気流２０の流速の低下が抑制される。

図１０は、本発明に係るダクテッドファン２の外部からダクテッドファン２の側面に対して横風１３が吹き付けた場合に、ダクテッドファン２の周囲及びダクト７内部に発生する空気の流れの流速分布、該空気の流れによって生じる推力の向きと大きさ、該推力によって生じるモーメントの向きと大きさを示す。

上記のように、流入口８付近に生じる空気の流れは従来のダクテッドファン２００の場合と同様である。従って、前方の傾斜部９ａ（以下「前方傾斜部」）に発生する負圧は、横風を受けていない側（以下「後方」）の傾斜部９ｂ（以下「後方傾斜部」）に発生する負圧より大きくなる。そのため、前方傾斜部９ａを引き寄せる力１５は後方傾斜部９ｂを引き寄せる力１６より強くなり、前方傾斜部９ａは後方傾斜部９ｂより強く負圧の方向へ引き寄せられる。これにより、前方傾斜部９ａを持ち上げる向きのモーメント１７が発生する。

また、ダクト７の内部及び下流側においては、流速分布３０で示される流速を有する気流が発生する。ここで、流速分布３０は、ある一定の流速以上の流速で空気が流れている領域を示している。

図２の流速分布２１と図１０の流速分布３０とを比較してわかるように、本実施例に係るダクテッドファン２においては、ダクト７から噴出される気流が一定の流速以上の流速で流れている領域が従来の場合と比較して大きくなる。

これにより、ダクト７の前方に働く推力２８ａ（以下「前方ファン推力」）及びダクト７の後方に働く推力２８ｂ（以下「後方ファン推力」）は、それぞれ従来のダクテッドファン２００の場合の前方ファン推力２２ａ及び後方ファン推力２２ｂより大きくなる。

特に、本実施例の場合の後方ファン推力２８ｂが従来の場合の後方ファン推力２２ｂと比べて大きくなることによって、ダクト７の後方を持ち上げる向きのモーメント２９は従来の場合のモーメント２３と比べて大きくなる。

本実施例に係るダクテッドファン２が横風を受けた時に発生するモーメントは、前方の流入口８ａ付近の空気の流れによって生じる、前方傾斜部９ａを持ち上げる向きのモーメント１７と、ダクト７からの空気の噴出によって生じる、ダクト７の後方を持ち上げる向きのモーメント２９との合成である。

上述のように、ダクト７の後方を持ち上げる向きのモーメント２９は従来の場合のモーメント２３より増大するため、結果として従来の場合よりダクテッドファン２の前方を持ち上げる向きのモーメント（以下「ピッチアップモーメント」）が低減する。

次に、上記の実施例１におけるダクテッドファン２をチップタービン駆動ダクテッドファンとした場合の、本発明の実施形態を示す。

図１１は、本実施の形態に係るチップタービン駆動ダクテッドファン３１の中心軸を含む平面による断面の一部を示した図であり、チップタービン駆動ダクテッドファン３１の概略構成を示している。

チップタービン駆動ダクテッドファン３１は、主軸３２を中心に回転するファン３３と、ダクト３４内に設けられた環状のタービン室３５内に格納されたチップタービンファン３６とが、ダクト３４の内壁３７に設けられたラビリンス部３８を介して接続されて構成される。

タービン室３５には、図示しない圧縮空気供給源から供給される圧縮空気４５が圧縮空気入口３９を経て供給される。そして、この圧縮空気がタービン室３５内のチップタービンファン３６に吹き付けられることで、チップタービンファン３６に揚力が発生し、チップタービンファン３６が回転するとともに、チップタービンファン３６に接続されたファン３３が回転運動する。

ラビリンス部３８は、タービン室３５内を流れる圧縮空気がダクトの内側５０に漏れるのを抑制するシール構造を有する。

本実施の形態においては、タービン室３５に圧縮空気を取り入れる圧縮空気入口３９は、ダクト３４の外壁４０に設けられている。また、チップタービンファン３６に吹き付けられた後の圧縮空気４６は、ダクト３４の下端部４１に設けられた圧縮空気出口４２を経てタービン室３５の外に排出される。

この圧縮空気入口３９及び圧縮空気出口４２は、ダクトの周方向に沿って等間隔に複数個設けられる。本実施の形態では４組の圧縮空気入口３９及び圧縮空気出口４２が設けられている。

ダクト３４内に空気を導入する流入口８は、ダクト３４の最上部に位置し、内側に傾斜部９が設けられている。傾斜部９の表面はＲ処理が施され、滑らかな曲面によってダクト３４の内周面に接続するように形成されている。

圧縮空気供給源からタービン室３５に圧縮空気が供給されてチップタービン駆動ダクテ
ッドファン３１が作動すると、ファン３３が高速回転し、流入口８からダクト３４内に流入する気流が発生する。この気流は、ダクト３４の下端に位置する流出口１０から噴出し、その際の反力によって推力が発生する。

また、気流が流入口８からダクト３４内に流入する際に、傾斜部９において気流の流速が増加し、傾斜部９の面上に負圧が発生する。この負圧の方向に傾斜部９を引き寄せる力が働き、これも推力の一部となる。

本実施の形態においては、流出口１０には、気流ガイド部４３が設けられている。気流ガイド部４３はダクト３４より小さい外径を有する円筒形状であり、その内周面がダクト３４の内周面と連続するように設けられている。また、気流ガイド部４３の下端には負圧発生部４４が設けられている。負圧発生部４４は気流ガイド部４３の下端においてフランジ形状をなす環状突起である。

図１２は、チップタービン駆動ダクテッドファン３１の気流ガイド部４３及び負圧発生部４４の部分の拡大図である。

図１２のＨは気流ガイド部４３の軸方向の長さ（以下「気流ガイド部の長さ」）を表す。Ｔは気流ガイド部４３の径方向の厚み（以下「気流ガイド部の厚み」）を表す。
また、Ｚは負圧発生部４４の軸方向の長さ（以下「負圧発生部の長さ」）を表す。Ｌは気流ガイド部４３における負圧発生部４４が設けられた部分の径方向の厚み（以下「負圧発生部の厚み」）を表す。Ｓは負圧発生部の厚みＬと気流ガイド部の厚みＴとの差（Ｌ−Ｔ）（以下「負圧発生部の高さ」）を表す。

本実施の形態においては、気流ガイド部の長さＨはダクト３４の内径の１０％以上、気流ガイド部の厚みＴはダクト３４の内径の１％以上、負圧発生部の厚みＬは気流ガイド部の長さＨの５０％以上、負圧発生部の長さＺは負圧発生部の厚みＬと同程度の寸法で形成されている。

このようなチップタービン駆動ダクテッドファン３１の外部からチップタービン駆動ダクテッドファン３１の側面に横風が吹き付けた場合に、ダクト３４に気流ガイド部４３及び負圧発生部４４が設けられていることによって生じる本発明に特有の諸効果については、上記の実施例１において説明した効果と同様である。

従って、以下では、上記のようなチップタービン駆動ダクテッドファン３１に対して本発明を適用した場合に生じる特有の効果についてのみ説明する。

図１３は、チップタービン駆動ダクテッドファン３１を駆動する圧縮空気の流れを示す図である。

圧縮空気入口３９からタービン室３５に流入した圧縮空気４５は、チップタービンファン３６に吹き付けられチップタービンファン３６を駆動する。これにより、圧縮空気４５の持つエネルギーがチップタービンファン３６に連結されたファン３３の回転運動に変換される。

その際、圧縮空気４５の持つエネルギーのうち約８０％が、ファン３３を回転駆動させるために消費される。そして、その残り約２０％のエネルギーを保持したまま、圧縮空気４６は圧縮空気出口４２から排出される。

しかし、本実施の形態においては、負圧発生部の厚みＬが気流ガイド部の長さＨの５０
％以上に設定されているため、気流ガイド部４３を流れる圧縮空気４７によって気流ガイド部４３の外周面５１上に発生する境界層（以下「境界層」）の厚みよりも、負圧発生部の高さＳが大きくなる。

そのため、気流ガイド部４３の外周面５１から境界層の厚みより離れた位置を流れる、流速の低下の度合いが小さい圧縮空気４７が負圧発生部４４を通過する。

これにより、負圧発生部４４において圧縮空気４７の流れが変化させられる際に、負圧発生部４４の下流側端部近傍の領域４８に好適に負圧が発生する。

また、圧縮空気出口４２から排出された圧縮空気４６の流速は、実施例１において気流ガイド部１１によって負圧発生部１２に導かれる横風２６の流速より速くなる場合がある。従って、領域４８において発生する負圧の大きさは実施例１の場合に負圧発生部１２の下端部近傍の領域２７に発生する負圧の大きさより大きくなることがある。

この負圧により、実施例１において横風２６が負圧発生部１２を通過する際に発生する負圧によって生じるピッチアップモーメント低減効果と同様の効果が生じる。そのため、本実施の形態によれば、チップタービン駆動ダクテッドファン３１に横風が吹き付けたときに発生するピッチアップモーメントをより確実に低減することが可能となる。

さらに、本実施の形態においては、横風１３が吹き付けていないときでも、圧縮空気出口４２から圧縮空気４６が排出されている間は、領域４８において負圧が発生する。従って、横風が吹き付けていない場合においては、この負圧によりチップタービン駆動ダクテッドファン３１の推力が増大するという効果をも奏する。

なお、以上述べてきた実施の形態は本発明を説明するための一例であって、本発明の本旨を逸脱しない範囲内において上記の実施形態には種々の変更を加え得る。

例えば、上記実施例２において、負圧発生部の厚みＬが実施例１の場合よりも大きく形成されているのは、圧縮空気出口４２から排出された圧縮空気４６が負圧発生部４４を通過する際に、より確実に流れが変化するようにするためである。

また、負圧発生部の長さＺを負圧発生部の厚みＬと同程度とし、実施例１の場合よりも大きく形成されているのは、負圧発生部４４には、圧縮空気出口４２から高速で排出される高温高圧の圧縮空気４６が吹き付けるため、実施例１の場合よりも高い強度が要求されるからである。

このように、実施例２において負圧発生部の厚みＬや負圧発生部の長さＺが実施例１の場合よりも大きく形成されているのは、圧縮空気４６が負圧発生部４４を通過する状況に対応したものである。従って、負圧発生部の厚みＬや負圧発生部の長さＺは、圧縮空気４６が通過する部分以外は必ずしも実施例１の場合よりも大きく形成されている必要はない。

例えば、図１４は、圧縮空気出口４２から排出された圧縮空気４６が通過する部分の負圧発生部の厚みＬ２を気流ガイド部の長さＨの５０％以上とするとともに、それ以外の部分の負圧発生部の厚みＬ１を気流ガイド部の長さＨの１０％以上としたチップタービン駆動ダクテッドファン３１を下から見た図である。

このようにすることによって、負圧発生部４４の重量を軽量化することが可能となる。

また、本実施例においては、垂直離着陸機に鉛直方向の推力を与える推力発生装置として本発明に係るダクテッドファンを搭載する実施形態を例示したが、飛翔体に対して推進力を発生させる装置として搭載することもできる。その場合でも、上記の実施例における「上部」「下部」などの位置関係が、ダクト内を通過する気流の「上流部」「下流部」などの流れについての関係になるだけであって、上記実施の形態にかかる特有の効果を失わないことは明らかである。

従来のダクテッドファンの周囲及びダクト内部に発生する空気の流れを示す図である。 従来のダクテッドファンの周囲及びダクト内部に発生する空気の流れの流速分布、推力、モーメントを示す図である。 本発明の実施例に係る垂直離着陸機の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る垂直離着陸機の他の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例に係る垂直離着陸機のさらに他の概略構成を示す斜視図である。 本発明の実施例１に係るダクテッドファンの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施例１に係るダクテッドファンにおける気流ガイド部及び負圧発生部の部分の拡大図である。 本発明の実施例１に係るダクテッドファンの周囲及びダクト内部に発生する空気の流れを示す図である。 本発明の実施例１に係るダクテッドファンにおける気流ガイド部及び負圧発生部の部分の拡大図である。 本発明の実施例１に係るダクテッドファンの周囲及び内部に発生する空気の流れの流速分布、推力、モーメントを示す図である。 本発明の実施例２に係るチップタービン駆動ダクテッドファンの概略構成を示す断面図である。 本発明の実施例２に係るチップタービン駆動ダクテッドファンにおける気流ガイド部及び負圧発生部の部分の拡大図である。 本発明の実施例２に係るチップタービン駆動ダクテッドファンを駆動する圧縮空気の流れを示す図である。 本発明の実施例２に係るチップタービン駆動ダクテッドファンに対する変更例として、負圧発生部の大きさを圧縮空気出口の下の部分だけ大きくした場合の実施形態を下から見た図である。

符号の説明

１ａ、１ｂ、１ｃ・・・垂直離着陸機
２・・・ダクテッドファン
３・・・駆動源
４・・・乗員席
５・・・主軸
６・・・ファン
７・・・ダクト
８・・・流入口
８ａ・・・前方の流入口
８ｂ・・・後方の流入口
９・・・傾斜部
９ａ・・・前方傾斜部
９ｂ・・・後方傾斜部
１０・・・流出口
１１・・・気流ガイド部
１２・・・負圧発生部
１３・・・横風
１４・・・ファンの回転によって生ずる気流
１５・・・前方傾斜部を引き寄せる力
１６・・・後方傾斜部を引き寄せる力
１７・・・前方傾斜部を持ち上げる向きのモーメント
１８・・・合成流
１９・・・下降気流
２０・・・ダクトから噴出する気流
２１・・・流速分布
２２ａ・・・従来のダクテッドファンによる前方ファン推力
２２ｂ・・・従来のダクテッドファンによる後方ファン推力
２３・・・ダクトの後方を持ち上げる向きのモーメント
２４・・・負圧発生部によって流れが変化した横風
２５・・・横風が吹き付けている側のダクトから噴出する気流の一部
２６・・・気流ガイド部を流れる横風
２７・・・負圧発生部の下流側端部近傍の負圧が発生する領域
２８ａ・・・本実施例に係るダクテッドファンによる前方ファン推力
２８ｂ・・・本実施例に係るダクテッドファンによる後方ファン推力
２９・・・ダクトの後方を持ち上げる向きのモーメント
３０・・・流速分布
３１・・・チップタービン駆動ダクテッドファン
３２・・・主軸
３３・・・ファン
３４・・・ダクト
３５・・・タービン室
３６・・・チップタービンファン
３７・・・ダクトの内壁
３８・・・ラビリンス部
３９・・・圧縮空気入口
４０・・・ダクトの外壁
４１・・・ダクトの下端部
４２・・・圧縮空気出口
４３・・・気流ガイド部
４４・・・負圧発生部
４５・・・タービン室に流入する圧縮空気
４６・・・タービン室から排出される圧縮空気
４７・・・負圧発生部を通過する圧縮空気
４８・・・負圧発生部の下流側端部近傍の領域
４９・・・気流ガイド部の外周面
５０・・・ダクトの内側
５１・・・気流ガイド部の外周面
２００・・・従来のダクテッドファン
Ｈ・・・気流ガイド部の長さ
Ｔ・・・気流ガイド部の厚み
Ｚ・・・負圧発生部の長さ
Ｌ・・・負圧発生部の厚み
Ｓ・・・負圧発生部の高さ
Ｌ１・・・圧縮空気出口の下部に位置する負圧発生部の厚み
Ｌ２・・・圧縮空気出口の下部に位置しない負圧発生部の厚み

Claims (6)

1. 回転することにより回転軸と略平行方向の気流を発生させるファンと、
   前記回転軸の方向に前記気流の流入口と流出口とが開口するように前記ファンの周囲に設けられ、前記流入口の内側に傾斜部が設けられたダクトと、
   前記流出口に設けられ、前記ダクトの外部から前記ダクトの側面に吹き付ける空気を、前記流出口よりさらに前記気流の下流側に導く気流ガイド部と、
   前記気流ガイド部における前記気流の下流側の端部に設けられ、前記気流ガイド部によって導かれた前記空気が通過することによって前記端部近傍に負圧を生じさせる負圧発生部と、
   を備えることを特徴とするダクテッドファン。
2. 前記ダクトは、前記ファンの回転軸を中心軸とする円筒形状を有し、
   前記気流ガイド部は、前記ダクトと中心軸を共有し、内径は前記ダクトと略等しく、外径は前記ダクトより小さい円筒形状を有し、
   前記負圧発生部は、前記気流ガイド部における前記気流の下流側の端部において、前記気流ガイド部の全周に亘って外周側に設けられた環状突起を有することを特徴とする請求項１に記載のダクテッドファン。
3. 前記気流ガイド部の軸方向の長さは、前記ダクトの内径の１０％以上であることを特徴とする請求項２に記載のダクテッドファン。
4. 前記気流ガイド部の径方向の厚みは、前記ダクトの内径の１％以上であることを特徴とする請求項２又は３に記載のダクテッドファン。
5. 前記気流ガイド部の前記環状突起が設けられた部分の径方向の厚みは、前記気流ガイド部の軸方向の長さの１０％以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のダクテッドファン。
6. 前記ダクテッドファンは、前記ファンの回転軸を中心軸とする環状のタービン室に格納されたチップタービンファンに圧縮空気が吹き付けられることで、前記チップタービンファンに取り付けられた前記ファンを回転させるチップタービン駆動ダクテッドファンであり、
   前記気流ガイド部の前記環状突起が設けられた部分の径方向の厚みは、前記気流ガイド部の軸方向の長さの５０％以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載のダクテッドファン。

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