JP2008038905A - スロート部を擬似的に変化させるバイパスターボ機械 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスタービンエンジン（１４）と環状のナセル（１６）とを備えるバイパスターボ機械（１０）を提案する。
【解決手段】ガスタービンエンジン（１４）が、ファン（２０）をターボ機械の長手軸（１２）に配置して備え、環状のナセル（１６）が、低温の流れの流通チャネル（３８）を画定するようにエンジンを囲んでおり、さらにナセルが、エンジンのファンを囲んでいる上流側端と、ガス排出ノズル（４０）を形成している固定の下流側端とを有し、ノズルが、ノズルの最小断面に相当するスロート部（４２）を有するターボ機械（１０）に関する。さらにターボ機械が、ノズルのスロート部（４２）の上流において低温の流れの流通チャネル（３８）から空気を取り込むための手段（４４）、およびスロート部を擬似的に開くため、取り込んだ空気をノズルのスロート部の下流に吹き込むための手段を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、全体としては、バイパスターボ機械に取り付けられるガス排気ノズルの分野に関し、さらに詳しくは、固定のノズルでありながらスロート部を擬似的（ａｒｔｉｆｉｃｉａｌｌｙ）に変化させることができるノズルを有するターボ機械に関する。

バイパスターボ機械は、詳しくは、ファンをターボ機械の長手軸に配置して備えるガスタービンエンジンと、ターボ機械の長手軸に中心を有してエンジンを囲んでいる環状のナセルとを備え、ナセルが、エンジンのファンを囲んでいる上流側端と、ターボ機械からのガスを排出するためのノズルを形成している下流側端とを有する。用語「スロート部」は、ノズルの全長において最小の断面を構成しているノズルの断面を指して使用される。

ターボ機械のノズルのスロート部を変化させることによってファンを通過する流量を制御し、ファンをターボ機械のあらゆる運転速度において最適効率に相当する運転状態にできることが知られている。したがって、断面が幾何学的に可変である排気ノズルを使用することが、軍用においては一般的な実務である。使用される技法は、通常は、ノズルの外壁の下流側の端部に整列して配置されるフラップに依存しており、フラップの向きが、ノズルの断面を減少または増加させるべく操作される。

残念なことに、このような技法は、民生用のターボ機械のノズルにおいては実現が困難である。これは、特には、航空機の翼に対するナセルの設置に関する制約、地面とのすき間、ならびにナセルの後縁の厚さおよび形状のためである。さらには、このような可変断面のノズルは、製造が比較的高価につく。

したがって、民間の航空機に使用されるノズルは、一般的に、幾何学的に不変であって巡航に合わせて最適化されたスロート部を有する。これは、巡航が航空機の任務の大部分を呈しているためである。結果として、固定のスロート部のノズルは、エンジンが高速で動作しているとき（離陸および航空機の上昇時に相当する）、およびエンジンが低速で動作しているとき（降下、着陸段階、および航空機の飛行中のアイドリングに相当する）は、次善の様相で動作している。

したがって、本発明の主たる目的は、幾何学的には固定であるにもかかわらず、スロート部を運転速度に応じて擬似的に変化させることができるノズルを有するバイパスターボ機械を提案することで、上述の欠点を軽減することにある。

本発明によれば、この目的が、ノズルのスロート部の上流においてターボ機械の低温の流れの流通チャネルから空気を取り込むための空気取り込み手段と、スロート部を擬似的に開くため、取り込んだ空気をノズルのスロート部の下流に吹き込むための吹き込み手段とを有するターボ機械によって達成される。

すなわち、ノズルのスロート部の下流に空気を吹き込むことによって、この部位を通過する空気の量を擬似的に増やすことができ、これは、スロートについて同じ幾何学的断面を使用しつつ、ノズルの断面を開くことに相当する。このスロート部の擬似的な変化は、必要とする部品が少なく、設置が容易であり、既存のターボ機械と互換であるという利点を有する。他の利点は、騒音レベルの改善が可能であるという点にある。

本発明のターボ機械はまた、ターボ機械の外部から空気を取り入れて圧縮するための空気取り入れ手段と、スロート部を通過する空気の流量を空気力学的に妨げることによってスロート部を擬似的に閉じるため、取り入れた外部の空気をスロート部の近傍へと、低温の流れの流通チャネルを流れる空気流の流れの方向に実質的に直交または対向する方向に吹き込むための吹き込み手段とを含む。

すなわち、ノズルのスロート部の近傍へと空気を吹き込むことによって、この部位を通過する空気の量を擬似的に減らすことができ、これは、スロートについて同じ幾何学的断面を使用しつつ、ノズルのスロート断面を閉じることに相当する。

或る特定の構成においては、チャネル空気取り込み手段が、低温の流れの流通チャネルへと開いている複数の導入オリフィスであって、ガスタービンエンジンの内側に収容された環状のマニホールドへとつながっている複数の導入オリフィスを備え、上記マニホールドが、エンジンの内側へと開いた排出口を有するポンプの導入口へと接続されている。

ガスタービンエンジンは、ターボ機械の長手軸に中心を有する一次カウル、および一次カウルの内側に同心に配置された中心体を含むことができる。

一実施形態においては、一次カウルが、低温の流れの流通チャネルから取り込んだ空気を圧力差によって排出することができるよう、エンジンの内側から続いてノズルのスロート部の下流において低温の流れの流通チャネルへと開いている環状の開口を、下流端に呈している。

他の実施形態においては、一次カウルが、低温の流れの流通チャネルから取り込んだ空気を排出することができるよう、ノズルのスロート部の下流において低温の流れの流通チャネルへと開いており、環状のディフューザを介してポンプの排出口へと接続されている複数の出口オリフィスを、下流端に呈している。

好都合には、チャネルの空気の取り込みおよびスロート部の下流への吹き込みの量を調節するために、制御バルブを、マニホールドとポンプとの間に介装することができる。

或る特定の構成においては、外部空気取り入れ手段が、ターボ機械の外部へと開いた少なくとも１つの外部空気導入口を、コンプレッサモジュールを有してガスタービンエンジンの内側に収容されているポンプの導入口へと接続して備える。

他の特定の構成においては、ポンプが、環状のディフューザを介して複数の空気インジェクタへと接続された排出口を有し、これら複数の空気インジェクタが、低温の流れの流通チャネルのスロート部の近傍において低温の流れの流通チャネルへと、上記低温の流れの流通チャネルを流れる空気流の流れ方向に実質的に直交または対向する方向に開いている。

好都合には、外部の空気の取り入れおよびスロート部の近傍への吹き込みの量を調節するために、制御バルブを、外部空気導入口とポンプとの間に介装することができる。

さらに本発明は、バイパスターボ機械の不変断面のノズルのスロート部を変化させる方法であって、スロート部を擬似的に開くため、スロート部の有効断面を増すために、スロート部の上流においてターボ機械の低温の流れの流通チャネルから空気を取り込み、この空気をスロート部の下流においてノズルへと吹き込むこと、およびスロート部を擬似的に閉じるため、スロート部を通過する空気の流れに対して空気力学的な妨げを生成するために、ターボ機械の外部から空気を取り込んで圧縮し、低温の流れの流通チャネルを流れる空気流の方向に実質的に直交または対向する方向に沿ってスロート部の近傍へと吹き込むこと、からなることを特徴とする方法を提供する。

好ましくは、スロート部の開閉の操作は、ターボ機械の運転速度の関数として制御される。

本発明の他の特徴および利点は、実施形態（本発明を限定する性質のものではない）を示す添付の図面を参照して行なわれる以下の説明から明らかになる。

図１は、本発明のバイパスターボ機械１０を大幅に概略化した長手断面図である。ターボ機械１０は、長手軸１２を有し、ガスタービンエンジン１４と、軸１２上に中心を有してエンジンの周囲に同心に配置された環状のナセル１６とで構成されている。

エンジン１４は、ターボ機械を通過する空気の流れの流れ方向において上流から下流へと、空気導入口１８、ファン２０、低圧コンプレッサ２２、高圧コンプレッサ２４、燃焼室２６、高圧タービン２８、および低圧タービン３０を備え、これら要素のそれぞれが長手軸１２上に配置されている。

さらに、ガスタービンエンジンは、ファン２０の下流に高温の流れが通過して流れる環状のチャネル３６（一次チャネルと称される）を形成するため、ターボ機械の長手軸１２に中心を有する中心体３２と、やはり長手軸１２に中心を有して中心体を囲んでいる一次カウル３４とを備える。

ターボ機械のナセル１６が、エンジンの一次カウル３４を囲み、一次カウル３４と協働して、低温の流れのための環状の流通チャネル３８（二次チャネルと称される）を画定している。

空気は、以下のとおりターボ機械を通過する。空気は、空気導入口１８を介してターボ機械へと入る。ファン２０の下流において、空気の流れが、二次チャネル３８を流れる部分と、一次チャネル３６を流れるもう１つの部分とに分割される。一次チャネルにおいて、空気はコンプレッサ２２、２４において圧縮され、燃焼室２６において燃料と混合されて燃やされる。この燃焼によって生成されたガスが、高圧タービン２８および低圧タービン３０を駆動する。

ナセル１６は、上流側の端部においてエンジンのファン２０を囲んでいる。ナセルの下流側の端部は固定されており、ターボ機械からのガス流を排出するためのノズル４０を形成している。ノズルは、半径方向外側については、ナセルの下流側の端部によって画定され、半径方向内側については、一次カウル３４によって画定されている。ノズルは、その最小断面に相当するスロート部４２を呈している。

本発明によれば、このスロート部４２が、幾何学的には変化しないものの、擬似的に変化させられる（すなわち、開閉される）。

スロート部４２を擬似的に開くため、本発明は、スロート部の有効断面が大きくなるよう、スロート部の上流において二次チャネル３８から空気を取り出し、スロート部の下流においてノズル４０へと吹き込む。このような操作によってスロート部を通過する空気の流量が増加し、したがって結果として、流れの速度が不変であれば、スロート部が擬似的に拡大される（流量は、（空気が通過する断面）×（空気の速度）に比例する）。

このようなスロート部の開放の実施形態を、図１から図３を参照して以下で説明する。

空気を取り出すための手段は、二次チャネル３８へと開いた複数の導入オリフィス４４によって形成される。これらの導入オリフィスは、一次カウル３４を通して形成され、好ましくはターボ機械の長手軸１２を中心として規則的に離間している。図１に示されているように、導入オリフィスを、二次チャネルの空気の流れの方向に傾けてもよい。

導入オリフィス４４は、エンジン１４内に収容されて長手軸１２に中心を有する環状の空気マニホールド４６へとつながっている。この空気マニホールド４６は、やはりエンジンの内部に収容されたポンプ４８の導入口へと、少なくとも１つのダクト５０を介して接続されている。ポンプ４８は、空気排出口４８ａをさらに呈している。ポンプは、空気を吸い込むように機能するが、空気を圧縮するためのモジュールを取り入れてもよい。スロート部の上流での空気の取り込みおよび吹き込みのレートを、ターボ機械の運転速度の関数として調節するために、好ましくは、制御バルブ５１が、空気マニホールド４６とポンプ４８との間に介装されている。

図１および図２の実施形態において、スロート部４２の下流においてノズル４０へと空気を吹き込むための手段は、一次カウル３４の下流側の端部に形成された環状の開口（または、スロット）５２を備え、この開口が、エンジンの内側から延びてスロート部の下流でノズルへとつながっている。エンジンの内側の空気の圧力は外側よりも高いため、ポンプ４８によって吸い込まれた空気は、エンジンの内側を上流から下流へと自然に伝搬し、一次カウルの開口５２を通ってノズルへと吹き込まれる。エンジンの内側と外側との間の圧力差が不充分であって、このやり方では空気の排出が不可能である場合には、ポンプにコンプレッサモジュールを取り入れることによって、取り込んだ空気を圧縮する必要があるかもしれないことに、留意されたい。

図３は、上記の空気吹き込み手段の変形の実施形態を示している。本実施形態においては、一次カウル３４が、スロート部の下流の二次チャネルへとつながる複数の出口オリフィス５６を、下流側の端部に有する。これらの出口オリフィス５６は、好ましくはターボ機械の長手軸を中心として一様に離間しており、同じ軸を中心とする環状のディフューザ５８へと接続されている。ディフューザ５８は、少なくとも１つのダクト６０によってポンプ４８の排出口４８ａへと接続されている。

導入オリフィスが、単一の環状スロット、へこみ（ｓｃｏｏｐ）、多孔性の空洞（ｐｏｒｏｕｓ ｃａｖｉｔｙ）、または二次チャネルの全周から実質的に一様な様相で空気を取り入れることができる他の任意の等価なシステムによって置き換え可能であることに、留意されたい。また、そのような導入オリフィスを、例えばヒンジで取り付けられて何らかの制御によって動作するフラップの助けによって、非使用時に閉じてもよいことに留意されたい。

さらに本発明は、スロート部４２を擬似的に閉じる。この操作は、空気をターボ機械の外部から取り入れ、圧縮し、スロート部４２の近傍へと、二次チャネル３８の空気の流れの流れ方向に実質的に直交する方向（あるいは、二次チャネル３８の空気の流れの流れ方向と反対の方向であってさえよい）に吹き込み、スロート部を通過する空気の流れに対して空気力学的な障害を構成することからなる。

そのようなスロート部閉鎖手段の実施形態を、図１および図４を参照して以下で説明する。

外部の空気を取り入れるための手段が、ターボ機械のナセル１６に形成されてターボ機械の外部へと開いている少なくとも１つの外部空気導入口６２によって形成されている。この外部空気導入口６２は、例えばナセル１６の支持アーム６６のうちの１つに沿って二次チャネル３８を通過する少なくとも１つのダクト６４によって、ポンプ（空気コンプレッサモジュールを有し、エンジンの内側に収容されている）の導入口へと接続されている。好ましくは、空気の取り入れおよびスロート部の近傍への吹き込みの流量を、ターボ機械の運転速度の関数として調節するために、制御バルブ６７が、外部空気導入口６２とポンプとの間に介装されている。

図１に示されているように、ポンプは、上述したスロート部の開放の操作に使用すべく空気を取り込むために使用されるポンプと同じであってよい。そのような状況においては、ポンプ４８が、取り込んだ外部の空気を二次チャネルへの吹き込みに先立って圧縮するためのコンプレッサモジュールを有する。

外部の空気をスロート部の近傍へと吹き込むための手段は、ターボ機械の長手軸１２を中心として規則的に離間し、二次チャネルの空気流の流れの方向に実質的に直交する方向（あるいは、二次チャネル３８の空気流の流れ方向と反対の方向であってさえよい）に沿ってスロート部４２の近傍で二次チャネル３８へとつながっている複数の空気インジェクタ６６を備える。用語「スロート部の近傍」は、インジェクタがスロート部のすぐ上流へと開いており、あるいはまさにスロート部へと開いている（しかしながら、スロート部の下流ではない）ことを指して使用されている。

この目的のため、ポンプ４８は、もう１つの排出口４８ｂを、ターボ機械の長手軸１２に中心を有し、空気インジェクタ６６へと接続されている環状のディフューザ６８へと接続して有する。さらに、図４にさらに詳しく示されているとおり、それぞれの空気インジェクタ６６が、ノズルの内側の流れ（上流から下流へと進む）に対して角度δを形成するように傾けられており、この角度は、９０°よりも大きく、１８０°（二次チャネルの空気流の流れの方向と反対の方向への吹き込みに相当する）の大きさであってよい。

インジェクタ６６によって届けられる空気の量を調節することによって、スロート部４２を通過して流れる空気流に対して、空気力学的な障害物を形成することができる。図４に示されているように、インジェクタ６６によって届けられる空気が二次チャネル３８へと進入し、線７０によって表わされている狭窄流を生成する。このようにして、空気インジェクタ６６が動作しているとき、スロート部４２を通過する空気流の有効断面７２が、インジェクタが動作していないときに観察される平均断面７４に比べて縮小される。このようなスロート部の有効断面の減少の程度は、インジェクタ６６によって届けられる空気の量、および二次チャネルを流れる空気流の流れの方向に対する上記インジェクタの傾きの角度（δ）に直接関係する。このようにして、スロート部の有効断面を小さくすることが、スロート部を通過する空気流の量を少なくすることに等しく、すなわちスロートについて同じ幾何学的断面を保持したままでノズルのスロート部を閉じることに等しい。

空気インジェクタを、ターボ機械の長手軸に中心を有する単一の環状スロットで置き換えることができ、あるいはノズルの周囲を巡って実質的に一様かつ二次チャネルを流れる空気流の流れの方向に少なくとも直交する方向（あるいは、二次チャネルを流れる空気流の流れ方向と反対の方向であってさえよい）に空気を吹き込むことができる他の任意の等価なシステムによって置き換え可能であることに、留意されたい。

本発明のターボ機械を大幅に概略化した長手断面図である。 図１の細部を示す拡大図であり、スロート部の下流に空気を吹き込むための手段の一実施形態を示す。 スロート部の下流に空気を吹き込むための手段の別の実施形態を示す別の詳細図である。 図１の他の細部を示す図であり、スロート部の近傍に空気を吹き込むための手段の一実施形態を示す。

符号の説明

１０ ターボ機械
１２ （ターボ機械の）長手軸
１４ ガスタービンエンジン
１６ ナセル
１８ 空気導入口
２０ ファン
２２ 低圧コンプレッサ
２４ 高圧コンプレッサ
２６ 燃焼室
２８ 高圧タービン
３０ 低圧タービン
３２ 中心体
３４ 一次カウル
３６ 一次チャネル
３８ 二次チャネル
４０ ノズル
４２ スロート部
４４ 導入オリフィス
４６ 空気マニホールド
４８ ポンプ
４８ａ、４８ｂ 排出口
５０、６０、６４ ダクト
５１ 制御バルブ
５２ 開口
５６ 出口オリフィス
５８ ディフューザ
６２ 外部空気導入口
６６ （ナセルの）支持アーム
６６ 空気インジェクタ
６７ 制御バルブ
６８ ディフューザ
７０ 狭窄流
７２ 有効断面
７４ 平均断面

Claims (10)

1. ガスタービンエンジン（１４）と環状のナセル（１６）とを備えるバイパスターボ機械（１０）であって、ガスタービンエンジン（１４）が、ファン（２０）をターボ機械の長手軸（１２）に配置して備え、環状のナセル（１６）が、ターボ機械の長手軸に中心を有するとともに、エンジンと協働してターボ機械を通過する低温の流れが流れる環状のチャネル（３８）を画定する様相でエンジンを囲んでおり、さらにナセルが、エンジンのファンを囲んでいる上流側端と、ターボ機械からガスを排出するためのノズル（４０）を形成している固定の下流側端とを有し、ノズルが、ノズルの最小断面に相当するスロート部（４２）を有するターボ機械（１０）において、
   ノズルのスロート部（４２）の上流において低温の流れの流通チャネル（３８）から空気を取り込むためのチャネル空気取り込み手段（４４）、
   スロート部を擬似的に開くため、取り込んだチャネル空気をノズルのスロート部の下流に吹き込むためのチャネル空気吹き込み手段（５２、５６）、
   ターボ機械の外部から空気を取り入れて圧縮するための外部空気取り入れ手段（６２）、および
   スロート部を通過する空気の流量を空気力学的に妨げることによってスロート部を擬似的に閉じるため、取り入れた空気をスロート部（４２）の近傍へと、低温の流れの流通チャネル（３８）の空気流の流れ方向に実質的に直交または対向する方向に吹き込むための外部空気吹き込み手段（６６）
   をさらに備えることを特徴とする、ターボ機械。
2. チャネル空気取り込み手段が、低温の流れの流通チャネル（３８）へと開いている複数の導入オリフィス（４４）であって、ガスタービンエンジン（１４）の内側に収容された環状のマニホールド（４６）へとつながっている複数の導入オリフィス（４４）を備え、前記マニホールドが、エンジンの内側へと開いた排出口（４８ａ）を有するポンプ（４８）の導入口へと接続されている、請求項１に記載のターボ機械。
3. ガスタービンエンジン（１４）が、ターボ機械の長手軸（１２）に中心を有する一次カウル（３４）、および一次カウルの内側に同心に配置された中心体（３２）を有し、
   一次カウルが、低温の流れの流通チャネルから取り込んだ空気を圧力差によって排出することができるよう、エンジンの内側から続いてノズルのスロート部（４２）の下流において低温の流れの流通チャネル（３８）へと開いている環状の開口（５２）を、下流端に有する、請求項２に記載のターボ機械。
4. ガスタービンエンジン（１４）が、ターボ機械の長手軸（１２）に中心を有する一次カウル（３４）、および一次カウルの内側に同心に配置された中心体（３２）を有し、
   一次カウルが、低温の流れの流通チャネルから取り込んだ空気を排出することができるよう、ノズルのスロート部（４２）の下流において低温の流れの流通チャネル（３８）へと開いており、環状のディフューザ（５８）を介してポンプ（４８）の排出口（４８ａ）へと接続されている複数の出口オリフィス（５６）を、下流端に有する、請求項２に記載のターボ機械。
5. マニホールド（４６）とポンプ（４８）との間に介装された制御バルブ（５１）をさらに含む、請求項２から４のいずれか一項に記載のターボ機械。
6. 外部空気取り入れ手段が、ターボ機械の外部へと開いた少なくとも１つの外部空気導入口（６２）を、コンプレッサモジュールを有するガスタービンエンジン（１４）の内側に収容されているポンプ（４８）の導入口へと接続して備える、請求項１から５のいずれか一項に記載のターボ機械。
7. ポンプ（４８）が、環状のディフューザ（６８）を介して複数の空気インジェクタ（６６）へと接続された排出口（４８ｂ）を有し、複数の空気インジェクタ（６６）が、低温の流れの流通チャネル（３８）のスロート部（４２）の近傍において低温の流れの流通チャネルへと、前記低温の流れの流通チャネルを流れる空気流の流れ方向に実質的に直交または対向する方向に開いている、請求項６に記載のターボ機械。
8. 外部空気導入口（６２）とポンプ（４８）との間に介装された制御バルブ（６７）をさらに含む、請求項６または７に記載のターボ機械。
9. バイパスターボ機械の不変断面のノズル（４０）のスロート部を変化させる方法であって、
   スロート部（４２）を擬似的に開くため、スロート部の有効断面を増すために、スロート部の上流においてターボ機械の低温の流れの流通チャネル（３８）から空気を取り込み、この空気をスロート部の下流においてノズルへと吹き込むこと、および
   スロート部（４２）を擬似的に閉じるため、スロート部を通過する空気の流れに対して空気力学的な妨げを生成するために、ターボ機械の外部から空気を取り込んで圧縮し、低温の流れの流通チャネル（３８）を流れる空気流の方向に実質的に直交または対向する方向に沿ってスロート部の近傍へと吹き込むこと
   からなることを特徴とする、方法。
10. スロート部（４２）の開閉の操作が、ターボ機械の運転速度の関数として制御される、請求項９に記載の方法。

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