JP2008008292A - ファンナセル、ナセルアッセンブリ、および環状のファン出口面積を変化させる方法 - Google Patents

Abstract

【課題】効果的で比較的費用のかからないガスタービンエンジンファンナセル用の可変面積ノズルを提供する。
【解決手段】ファン用可変面積ノズル（ＦＶＡＮ）２８は、ファン空気を放出する環状のファン出口面積を変化させるために、静止リング４２に対して同期リング４０を回転させて、リンク機構４６を通じてフラップアッセンブリ４４を調整する。ＦＶＡＮ２８を調整することにより、エンジン推力および燃料の節約は各飛行状態で最大化される。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ファンナセル内に可変面積ノズル構造体を有するターボファンガスタービンエンジンに関する。

航空機ターボファンエンジンでは、空気は圧縮機で加圧され、燃焼室で燃料と混合されて高温燃焼ガスとなり、この燃焼ガスはエネルギを取り出すタービンステージを通って下流に流れる。高圧タービンは圧縮機を駆動し、低圧タービンは圧縮機の上流に配置されたファンを駆動する。

燃焼ガスは、コアエンジンからコア排気ノズルを通って放出され、ファン空気は、コアエンジンを囲むナセルによって少なくとも部分的に画定された環状のファン排気ノズルを通って放出される。大部分の推進力は、ファン排気ノズルから放出された加圧ファン空気がもたらし、残りの推力はコア排気ノズルから放出された燃焼ガスがもたらす。

離陸操縦や巡航操縦などの特定の飛行状態で出口面積を合わせることで、航空機の様々な飛行状態時にエンジンの最大性能を引き出すことができることは航空機用ガスタービンエンジンの分野では公知である。軍用機では、性能を高くしようとすると、すべての排気が通る可変面積ノズル構造体が用いられるが、これは、費用のかかるものとなり、重くなり、より複雑になる。しかし、そのような考え方が、民間および軍用輸送機の典型的なターボファンガスタービンエンジン推進システムにファン空気用の可変面積ノズルを組み込むことを阻んできた。

したがって、効果的で比較的費用のかからない、ガスタービンエンジンファンナセル用の可変面積ノズルを提供することが望ましい。

本発明によるファン用可変面積ノズル（ＦＶＡＮ）は、同期リングと、静止リングと、ファンナセル内に取り付けたフラップアッセンブリと、を有する。このフラップアッセンブリは、ヒンジで静止リングに回動可能に取り付けられ、リンク機構によって同期リングに連結される。同期リングは、ファンナセル内に設けた多数のスライドトラック内に取り付けられる。アクチュエータアッセンブリは、静止リングに対して同期リングを選択的に回転させて、リンク機構を介してフラップアッセンブリを調整し、ファン空気を放出するＦＶＡＮによって画定される環状のファン出口面積が変わるようにする。

フラップアッセンブリの各フラップ用のリンク機構は、通常、各フラップから延びるヒンジビームと、スライドブロックアッセンブリと、スライドブロックアッセンブリに取り付けたヒンジピンと、を有する。スライドブロックは、同期リングに形成したスロット内に配置される。同期リング内に形成したスロットは、エンジンの長手方向中心線軸の周りに非円周方向に配置される。

動作時、アクチュエータアッセンブリは、同期リングをエンジンの長手方向中心線軸を中心に円周方向に回転させる。スライドブロックアッセンブリは、ヒンジビームから延びるロッドがスライドブロックの半径方向運動をロッドのヒンジ周りの接線モーメントに変換するようにスロット内で移動する。その結果発生したフラップアッセンブリのフラップヒンジ周りのモーメントにより、フラップアッセンブリの直径が変化し、ひいてはファンナセル内の環状ファン出口面積が変化する。ＦＶＡＮを調整することにより、エンジン推力と燃料の節約が各飛行状態で最大化される。

したがって、本発明は、効果的で比較的費用のかからないガスタービンエンジンファンナセル用の可変面積ノズルを提供する。

図１Ａは、亜音速運転用に設計した航空機の典型的な例としてエンジンパイロン１２から吊したガスターボファンエンジン１０の概略部分図を示す。エンジン１０は、高バイパスターボファン航空機エンジンとするのが好ましい。エンジン１０は通常、低圧圧縮機を備えたファン１４、高圧圧縮機１６、環状燃焼室１８、高圧タービン２０、および低圧タービン２２を流れが直列につながった状態で有する。動作中に、空気は圧縮機で加圧され、燃焼室で燃料と混合されて高温燃焼ガスを発生させ、この燃焼ガスは、エネルギを取り出す高圧タービンおよび低圧タービンを通る。高圧タービンはシャフトを介して圧縮機を駆動し、低圧タービンは別のシャフトを介してファンを駆動する。

典型的なターボファンエンジン１０は、ナセルアッセンブリ２４内に取り付けた高バイパス比エンジンの形態をなし、このエンジンでは、ファンによって加圧された空気の大部分は、推進力を発生させるためにコアエンジン自体を迂回する。ファン空気Ｆは、エンジン１０から、コアナセル３０とファンナセル３２との間に半径方向に画定された（図１Ｂおよび図１Ｃにも示した）ファン用可変面積ノズル（ＦＶＡＮ）２８を通って放出される。コア排気ガスＣは、コアエンジンから、エンジン１０およびナセルのエンジン長手方向中心線軸Ａの周りに同軸上に配置されたコアナセル３０とセンタプラグ３６（図１Ｃ）の間に画定されたコア排気ノズル３４を通って放出される。

ファンナセル３２のＦＶＡＮ２８は、コアナセル３０を同軸もしくは同心に囲んで、環状のファンダクトＤの下流にある可変直径ノズルを画定し、可変直径ノズルは、上流のファン１４によって加圧されたファン空気Ｆを軸方向に放出する。

図２Ａを参照すると、ＦＶＡＮ２８のセグメントには通常、同期リング４０、静止リング４２、およびフラップアッセンブリ４４がある。フラップアッセンブリ４４は、多数のヒンジ４５で静止リング４２に回動可能に取り付けられ、リンク機構４６によって同期ノズル４０に連結されている。アクチュエータアッセンブリ４８（１つのみを示す）は、静止リング４２に対して同期リング４０を選択的に回転させて、リンク機構４６によってフラップアッセンブリ４４を調整し、ファン空気Ｆを放出するＦＶＡＮ２８によって画定される面積が変わるようにする。

図２Ｂを参照すると、フラップアッセンブリ４４の各フラップ４４ａ用のリンク機構４６は通常、ヒンジビーム５０と、スライドブロックアッセンブリ５２と、留め具５６によってスライドブロックアッセンブリ５２に取り付けられたヒンジピン５４と、を有する。スライドブロックアッセンブリ５２は、ヒンジピン５４が長手軸Ｐを中心に回転できるように留め具５６によってその間に取り付けられた第１のスライドブロック５２ａおよび第２のスライドブロック５２ｂを有することが好ましい。ヒンジピン５４は、ヒンジビームロッド６０を受け入れる開口部５８を有する。

各フラップ４４ａは、ヒンジビーム５０に取り付けた機械加工のアルミニウム製ハニカムコア６２とカーボンファイバ入りスキン６４とを有する（図３Ａ）ことが好ましい。各フラップ４４ａは、入れ子式のさねはぎ構成をなして、組み立てたときに入れ子になる（図３Ｂ）。すなわち、各フラップ４４ａは隣接するフラップ４４ａと係合して、出口面積を画定する円周方向のシールを形成する。

スライドブロック５２ａ、５２ｂは、 同期リング４０に形成したスロット６６内に配置される。同期リング４０内に形成したスロット６６は、エンジン長手方向中心線軸Ａの周りに非円周方向に配置されている。すなわち、各スロット６６によって画定される中間線Ｍは、同心リング４０によって軸Ａの周りに画定される同心円Ｃに交差している（図２Ｃ）。好ましくは、スロット６６は、スライドブロック５２ａ、５２ｂをスロット６６の伸長した長さ方向に受け入れて組立を容易にするための半径方向組立用開口部６４を有する。あるいは、スライドブロック５２ａ、５２ｂは、半径方向組立用開口部６４のないスロット６６での組立を容易にするために、多数の部品から形成されてもよい。

同期リング４０は、ファンナセル３２内に設けた多数のスライドトラック７０内に取り付けられている（図１Ｂ）。とりわけ、アクチュエータアッセンブリ４８は、同期リング４０を回転させ、比較的複雑でない、薄型のシステムを通じて比較的大きな力を伝達するリニアアクチュエータを有する。

動作時、アクチュエータアッセンブリ４８は、同期リング４０をエンジン長手方向中心線軸Ａのまわりに円周方向に回転させる（両側矢印Ｘ、図４Ａ）。スライドブロックアッセンブリ５２は、ヒンジビームロッド６０が半径方向運動を、フラップアッセンブリ４４をフラップヒンジの周りに運動させる接線モーメントに変換して、フラップアッセンブリ４４の直径が変わり（図４Ｂおよび図４Ｃに様々な位置を例示しており、特に、図４Ｃは、すべてのフラップが一体で移動する例である）、ひいてはファンナセルとコアナセルの間の環状出口面積（図１Ｃ）が変わるようにスロット６６内を移動する。

ＦＶＡＮ２８を調整することにより、各飛行状態でエンジン推力と燃料の節約が最大化される。アクチュエータアッセンブリ４８は、ＦＶＡＮ２８の位置を調整するためにエンジンコントローラまたは同種のものにつながるのが好ましい。ただし、飛行制御システムを含めた他の制御システムも同様に本発明で使用することができる。

前記の説明は、限定するものではなくて例示である。上記の教示を考慮して、本発明についての多数の修正と変形が可能である。本発明の好ましい実施例が開示されたが、当業者ならば、特定の修正が本発明の範囲内であると分かるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内において、具体的に説明されたものとは別の方法で本発明を実施することができるのは当然のことである。こういう理由から、添付の特許請求の範囲が本発明の真の範囲および内容を究明するために検討されるべきである。

本発明で使用する典型的なターボファンエンジンの実施例の概略的な斜視図である。 エンジンの部分斜視図である。 エンジンの背面図である。 ＦＶＡＮの断面斜視図である。 ＦＶＡＮの１つのフラップ用リンク機構の分解図である。 ＦＶＡＮの同期リング内にあるスロットの概略図である。 ＦＶＡＮの１つのフラップの分解図である。 フラップアッセンブリの２つのフラップの間のスライド式さねはぎ接合部を示す背面図である。 ＦＶＡＮの後部断面図である。 様々な位置にあるフラップアッセンブリの側面図である。 各フラップが異なる位置で示された様々な位置にあるフラップアッセンブリの斜視図である。

Claims (16)

1. 軸の周りに画定された静止リングと、
   前記静止リングに回動可能に取り付けたフラップアッセンブリと、
   前記静止リングに対して前記軸を中心に回転可能な同期リングと、
   前記同期リングの回転に対応して前記フラップアッセンブリの環状ファン出口面積を調整するように、前記同期リングおよび前記フラップアッセンブリに取り付けたリンク機構と、
   を有するガスタービンエンジン用のファンナセル。
2. 上記フラップアッセンブリは、さねはぎ構成で互いに入れ子になった多数のフラップを有することを特徴とする請求項１に記載のファンナセル。
3. 上記フラップアッセンブリは、上記静止リングを貫通するヒンジビームロッドを有することを特徴とする請求項１に記載のファンナセル。
4. 上記ヒンジビームロッドは、上記同期リングによって画定されたスロット内を移動可能なスライドブロックと係合することを特徴とする請求項３に記載のファンナセル。
5. 上記スロットは、上記同期リングによって上記軸の周りに画定された同心円と交差する中間線を画定することを特徴とする請求項４に記載のファンナセル。
6. 上記ヒンジビームロッドは、上記スライドブロックに取り付けたピンと係合し、該ピンは上記スライドブロックに対して回転可能であることを特徴とする請求項４に記載のファンナセル。
7. 上記フラップアッセンブリの各フラップは、ヒンジビームと、上側スキンと下側スキンの間に挟まれたコア部とを有し、上記ヒンジビームロッドは、前記コアとは反対の側に前記ヒンジビームから延びることを特徴とする請求項６に記載のファンナセル。
8. さらに、上記静止リングに対して上記同期リングを上記軸を中心に回転させるリニアアクチュエータを有することを特徴とする請求項１に記載のファンナセル。
9. 軸の周りに画定されたファンナセルと、
   少なくとも一部が前記ファンナセル内にあるコアナセルと、
   前記ファンナセルに回動可能に取り付けたフラップアッセンブリと、
   前記ファンナセルに対して前記軸の周りに回転可能な同期リングと、
   前記ファンナセルと前記コアナセルの間の環状のファン出口面積を調整するために、前記同期リングおよび前記フラップアッセンブリに取り付けたリンク機構と、
   を有するガスタービンエンジン用ナセルアッセンブリ。
10. 上記フラップアッセンブリは、上記ファンナセルの最後部セグメントを形成することを特徴とする請求項９に記載のナセルアッセンブリ。
11. さらに、上記同期リングに近接して上記軸の周りに画定された静止リングを有し、上記フラップアッセンブリは、前記静止リングに回動可能に取り付けられていることを特徴とする請求項９に記載のナセルアッセンブリ。
12. 上記静止リングは、上記同期リングと上記フラップアッセンブリの中間にあることを特徴とする請求項１１に記載のナセルアッセンブリ。
13. 上記フラップアッセンブリは、上記静止リングを貫通して、上記同期リング内に画定されたスロット内を移動可能なスライドブロックと係合するヒンジビームロッドを有することを特徴とする請求項１２に記載のナセルアッセンブリ。
14. ガスタービンエンジンの環状ファン出口面積を変化させる方法であって、
    （Ａ）ファンナセルに取り付けた静止リングに対して同期リングを回転させるステップと、
    （Ｂ）前記同期リングに連結したフラップアッセンブリを調整して、環状のファン出口面積を変えるステップと、
    を含む方法。
15. 上記ステップ（Ｂ）はさらに、
    （ａ）上記フラップアッセンブリをコアナセルに対して調整するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 上記ステップ（Ｂ）はさらに、
    （ａ）上記フラップアッセンブリを上記ファンナセルの最後部に配置するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１４に記載の方法。

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