JP2008101616A - ガスタービンエンジン用のファンナセル、ファンナセルアッセンブリ、およびガスタービンエンジンの環状ファン出口面積を変える方法 - 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面積可変ノズルを提供する。
【解決手段】推力方向可変のファン用面積可変ノズル（ＦＶＡＮ）２８は、同期リングと、静止リング４２と、ファンナセル３２内に取付けられたフラップアッセンブリと、を有する。アクチュエータアッセンブリ４８は、同期リングセグメントを静止リング４２に対して選択的に回転させて、推力方向可変ＦＶＡＮ２８のセグメントの非対称運動によって環状のファン出口面積を変え、推力の方向を変えるようにフラップアッセンブリのセグメントを調整する。動作時、すべてのセグメントが同時に動く推力方向可変ＦＶＡＮ２８の外縁部全体を調整して、エンジン推力を最大にし、燃料を節約する。推力方向可変ＦＶＡＮ２８のセグメントを個別に調整することにより、エンジン推力の方向を選択的に変えて、トリムバランスをとったり、推力を制御した操縦を可能にする。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ファンナセル内に推力の方向を変更できる面積可変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。

航空機用ターボファンエンジンでは、空気はコンプレッサで加圧され、燃焼器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段を通って下流に流れる。高圧タービンはコンプレッサを駆動し、低圧タービンは低圧コンプレッサ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態勢に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のは、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、すべての排気が案内される面積可変ノズル構造体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、このような考え方が、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、ファン空気用の面積可変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面積可変ノズルを提供することが望ましい。

本発明による推力方向可変のファン用面積可変ノズル（ＦＶＡＮ）は、同期リングアッセンブリと、静止リングと、ファンナセル内に取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のセグメントは、ヒンジで静止リングに回動可能に取付けられ、それぞれのリンク機構によって、同期リングアッセンブリの独立して回転可能なセグメントに連結される。アクチュエータアッセンブリは、静止リングに対して各同期リングセグメントを選択的に回転させて、フラップアッセンブリセグメントを個別に調整する。

運転時、すべてのセグメントが同時に動く推力方向可変ＦＶＡＮの外縁部全体を調整して、各飛行態勢中に、エンジン推力を最大化し、燃料を最大限に節約する。推力方向可変ＦＶＡＮの特定のセグメントを非対称の形態で個別に調整することで、エンジン推力の方向を選択的に変えて、単なる例として挙げると、トリムバランスをとったり、推力を制御した操縦を可能にしたりする。

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面積可変ノズルを提示する。

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の概略の部分図を示す。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、低圧コンプレッサを備えたファン１４、高圧コンプレッサ１６、環状燃焼器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。運転中に、空気はコンプレッサで加圧され、燃焼器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コンプレッサを駆動し、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内に取付けた高バイパス比エンジンの形態をなし、このナセルアッセンブリ内で、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）推力方向可変のファン用面積可変ノズル（ＦＶＡＮ）２８を通って放出される。推力方向可変ＦＶＡＮ２８は、独立して動かせる複数のセグメント２８Ａ〜２８Ｄ（４つ示している）を有するのが好ましい。任意の数のセグメントを利用できることを理解されたい。

コア排気ガスＣは、コアエンジンから、コアナセル３０とセンタプラグ３６との間に画定されたコア排気ノズル３４を通って放出され、コアナセル３０およびセンタプラグ３６は、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ている。

ファンナセル３２の推力方向可変ＦＶＡＮ２８は、コアナセル３０を同軸に囲んで、上流のファン１４によって加圧されたファン空気Ｆを軸方向に放出し、かつ環状のファンダクトＤの下流にある直径可変ノズルを画定する。

図２Ａを参照すると、推力方向可変ＦＶＡＮ２８の部分には通常、同期リングアッセンブリ４０、静止リング４２、およびフラップアッセンブリ４４が含まれる。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に回動可能に取付けられ、リンク機構４６によって同期リングアッセンブリ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、連動する同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄ（図２Ｂ）を回転させて、リンク機構４６を介して、連動するフラップアッセンブリ４４を調整することで、ＦＶＡＮの各セグメント２８Ａ〜２８Ｄを選択的に回転させ、ファン空気Ｆを放出する、推力方向可変ＦＶＡＮ２８によって画定された領域の面積が変わるようにする。ＦＶＡＮの各セグメント２８Ａ〜２８Ｄを非対称に動かす各種作動システムを本発明で利用することもできることを理解されたい。

図２Ｂを参照すると、同期リングアッセンブリ４０は、ファンナセル３２内に固定された多数のスライダトラック７０内に取付けられている（図１Ｂ）。同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄはそれぞれ独立して回転でき、それぞれ、連動する調整可能なフラップアッセンブリセグメント４４Ａ〜４４Ｄを調整する（図１Ｃ）。すなわち、各同期リングアッセンブリ４０Ａ〜４０Ｄが回転して、連動する調整可能なフラップアッセンブリセグメント４４Ａ〜４４Ｄを独立して調整する。特に、アクチュエータアッセンブリ４８は、同期リングアッセンブリ４０の各セグメント４０Ａ〜４０Ｄを独立して回転させて、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。

同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄは、同期リングスライダ連結トラック７０ｉ内で隣接するセグメントと境界をなすのが好ましく、これは、これらの間に空隙を設けることで、同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄが独立して回転するのを可能にする。すなわち、各同期リングスライダ連結トラック７０ｉは、２つの隣接する同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄが独立して動けるように、スライド可能に支持する固定部材である。

推力方向可変ＦＶＡＮ２８は、同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄと、連動する調整可能なフラップアッセンブリセグメント４４Ａ〜４４Ｄとによって画定される４つのセグメント２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄに分離されるのが好ましい。４つのセグメント２８Ａ〜２８Ｄは、それぞれ独立して調整できる。すなわち、同期リングスライダ連結トラック７０ｉによって画定される各セグメント２８Ａ〜２８Ｄ間の境界部において、入れ込み式のさねはぎ構成は何らないので、組み立てたときに、隣接するセグメントの各側部上にあるフラップが重なることはない（図３Ｂ）。可撓性シール装置を各セグメント２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄの間に配置することができることを理解されたい。さらに、４つのセグメントが図示されているが、別の選択肢として、または追加するものとして、任意の数量のセグメントを設けることができ、フラップを独立して動かすことができることを理解されたい。このような代替の実施形態の１つとして、上側セグメントと下側セグメント（２８Ａと２８Ｄが合体され、２８Ｂと２８Ｃが合体される）のみを設けることもできる。

図２Ｃ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、スライダブロックアッセンブリ５２と、留め具５６によってスライダブロックアッセンブリ５２に取付けられたヒンジピン５４と、を有する。スライダブロックアッセンブリ５２は、ヒンジピン５４が長手方向軸Ｐのまわりに回転できるように、留め具５６によって相互間に取付けられた第１のスライダブロック５２ａおよび第２のスライダブロック５２ｂを有するのが好ましい。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に取付けられた、機械加工した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外装部６４とを有するのが好ましい（図３Ａ）。各セグメント２８Ａ〜２８Ｄ内の各フラップ４４ａは、入れ込み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、出口領域を画定する円周方向のシール材を形成する。

スライダブロック５２ａ，５２ｂは、 同期リングアッセンブリ４０に形成されたスロット６６内に配置される。同期リングアッセンブリ４０内に形成されたスロット６６は、エンジンの長手方向中心線軸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、同期リングアッセンブリ４０によって長手方向中心軸Ａを中心に画定される同心円Ｃに交差している（図２Ｄ）。好ましくは、スロット６６は、組立を容易にするために、スロット６６の長さを延長してスライダブロック５２ａ，５２ｂを受ける半径方向組立用開口部６９を有する。あるいは、スライダブロック５２ａ，５２ｂは、半径方向組立用開口部６９がないスロット６６への組み込みを容易にするために、複数の部品から形成されてもよい。

動作時、アクチュエータアッセンブリ４８は、同期リングアッセンブリ４０の同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄをエンジンの長手方向中心線軸Ａを中心に円周方向に独立して回転させる（両側矢印Ｘ、図４Ａ）。各同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄ内で、スライダブロックアッセンブリ５２は、ヒンジビームロッド６０が、各フラップアッセンブリ４４Ａ〜４４Ｄで、半径方向運動を接線方向運動に変換して、対応するフラップアッセンブリ４４Ａ〜４４Ｄの直径が変わる（図４Ｂおよび図４Ｃに様々な位置を例示している）ようにスロット６６内を移動する。同期リングアッセンブリ４０のすべての同期リングセグメント４０Ａ〜４０Ｄが一体で移動すると、ファンナセルとコアナセルとの間の環状ファン出口領域の外縁部（図１Ｃ）が変化する。同期リングアッセンブリ４０の特定のセグメント４０Ａ〜４０Ｄが個別に動くと、ファンナセルとコアナセルとの間の環状ファン出口領域の外縁部（図１Ｃ）によって、ファン出口領域が非対称となる。

すべてのセグメント２８Ａ〜２８Ｄが同時に動く推力方向可変ＦＶＡＮ２８の外縁部全体を調整して（図５Ａ、ＦＶＡＮ２８が対称に狭められている）、ファンノズル出口領域の面積を変えることで、各飛行態勢中に、エンジン推力を最大にし、燃料を最大限に節約する。推力方向可変ＦＶＡＮ２８のセグメント２８Ａ〜２８Ｄを個別に調整して、ファンノズル出口領域を非対称にする（図５Ｂ、推力が一方向に向けられるように、ＦＶＡＮセグメント２８Ｂ，２８Ｃのみが狭められている）ことで、エンジン推力の方向を選択的に変えて、単に例として挙げると、トリムバランスをとったり、推力を制御した操縦を可能にしたりする。

各セグメント２８Ａ〜２８Ｄとともに利用するアクチュエータアッセンブリ４８の各アクチュエータ４８Ａ〜４８Ｄ（図２）またはアクチュエータ一式は、推力方向可変ＦＶＡＮ２８の各セグメント２８Ａ〜２８Ｄ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とつながるのが好ましい。ただし、飛行制御システムを含む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、推力方向可変ＦＶＡＮ２８を航空機飛行制御システムと統合する。すなわち、推力方向可変ＦＶＡＮ２８は、空力的制御面と統合された別の制御システムとして利用される。

上述の説明は、限定するものではなくて例示である。上述の教示を考慮して、本発明についての多数の修正と変更が可能である。本発明の好ましい実施形態が開示されたが、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ことを理解されたい。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具体例の概略図である。 エンジンの部分斜視図である。 エンジンの背面図である。 推力方向可変ＦＶＡＮの断面斜視図である。 同期リングアッセンブリおよびそのセグメントの概略の平面図である。 推力方向可変ＦＶＡＮの１つのフラップ用リンク機構の分解図である。 推力方向可変ＦＶＡＮの同期リング内にあるスロットの概略図である。 推力方向可変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。 推力方向可変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。 各フラップを異なる位置で示し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。 各セグメントが、ファン出口のスロート領域を狭めるように、同期した態様で配置されており、実施例として狭まった状態にある推力方向可変ＦＶＡＮの概略の背面図である。 下側セグメントが上側セグメントに対して非対称に配置されて、ファン出口のスロート領域を出る推進物をエンジン流に向けて「上」方向に向かわせており、実施例として推力方向を変える状態にある推力方向可変ＦＶＡＮの概略の背面図である。

Claims (18)

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付けられた第１のフラップアッセンブリセグメントと、
   前記静止リングに回動可能に取付けられた第２のフラップアッセンブリセグメントと、
   前記静止リングに対して前記軸を中心に回転可能な第１の同期リングセグメントと、
   前記静止リングに対して前記軸を中心に回転可能な第２の同期リングセグメントと、
   前記第１のフラップアッセンブリセグメントによって画定される第１の半環状のファン出口スロート領域セグメントが、前記第１の同期リングセグメントの回転に対応して調整できるように、前記第１の同期リングセグメントおよび前記第１のフラップアッセンブリセグメントに取付けられた第１のリンク機構と、
   前記第２のフラップアッセンブリセグメントによって画定される第２の半環状のファン出口スロート領域セグメントが、前記第２の同期リングセグメントの回転に対応して、前記第１の半環状ファン出口スロート領域セグメントとは独立して調整できて、推力の方向を前記軸から選択的にずらすように、前記第２の同期リングセグメントおよび前記第２のフラップアッセンブリセグメントに取付けられた第２のリンク機構と、
   を有するガスタービンエンジン用のファンナセル。
2. 前記第１のフラップアッセンブリセグメントおよび前記第２のフラップアッセンブリセグメントがそれぞれ、さねはぎ構成で互いに入れ込まれ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. 前記第１の半環状ファン出口領域セグメントおよび前記第２の半環状ファン出口領域セグメントは、環状ファン出口領域の上側セグメントおよび下側セグメントを画定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. 前記フラップアッセンブリは、前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。
5. 前記ヒンジビームロッドは、前記第１の同期リングセグメントおよび前記第２の同期リングセグメント内に画定された多数のスロット内を各々移動可能なスライダブロックと係合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. 前記多数のスロットの各々は、前記第１の同期リングセグメントおよび第２の同期リングセグメントによって前記軸を中心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５に記載のファンナセル。
7. 前記第１の同期リングセグメントおよび前記第２の同期リングセグメントは、前記同心円上に画定されることを特徴とする請求項１に記載のファンナセル。
8. 前記第１の同期リングセグメントおよび前記第２の同期リングセグメントは同心であることを特徴とする請求項７に記載のファンナセル。
9. さらに、前記第１の同期リングセグメントおよび前記第２の同期リングセグメントをそれぞれ独立して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。
10. 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付けられた少なくとも２つのフラップアッセンブリセグメントセットを有するフラップアッセンブリと、
    を備え、
    前記フラップアッセンブリセグメントセットの各々が独立して動くことができて、前記ファンナセルと前記コアナセルとの間の環状ファン出口スロート領域を非対称にも対称にも調整することを特徴とするガスタービンエンジン用のナセルアッセンブリ。
11. 前記フラップアッセンブリは、前記ファンナセルの最後尾セグメントを画定することを特徴とする請求項１０に記載のナセルアッセンブリ。
12. さらに、前記少なくとも２つのフラップアッセンブリセグメントセットを独立して調整して、推力の方向を変えるためのコントローラを有することを特徴とする請求項１０に記載のナセルアッセンブリ。
13. ガスタービンエンジンの環状ファン出口領域の面積を変化させる方法であって、
    （Ａ）第１のフラップアッセンブリセグメントを第２のフラップアッセンブリセグメントに対して非対称に調整して、環状ファン出口スロート領域を調整するステップ
    を含む方法。
14. 前記ステップ（Ａ）はさらに、
    （ａ）前記フラップアッセンブリセグメントをコアナセルに対して調整すること
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記ステップ（Ａ）はさらに、
    （ａ）前記フラップアッセンブリセグメントをファンナセルの最後尾部に配置すること
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
16. 前記ステップ（Ａ）はさらに、
    （ａ）前記第１のフラップアッセンブリセグメントを前記ファンナセルの最後尾部の上方に配置することと、
    （ｂ）前記第２のフラップアッセンブリセグメントを前記ファンナセルの最後尾部の下方に配置することと、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
17. 前記ステップ（Ａ）はさらに、
    （ａ）前記第１のフラップアッセンブリセグメントを前記ファンナセルの最後尾部の右上に配置することと、
    （ｂ）前記第２のフラップアッセンブリセグメントを前記ファンナセルの最後尾部の左上に配置することと、
    （ｃ）第３のフラップアッセンブリセグメントを前記ファンナセルの最後尾部の右下に配置することと、
    （ｄ）第４のフラップアッセンブリセグメントを前記ファンナセルの最後尾部の左下に配置することと、
    （ｅ）前記第１、前記第２、前記第３、前記第４のフラップアッセンブリセグメントをそれぞれ独立して制御して、推力の方向を変えることと、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
18. 前記ステップ（Ａ）はさらに、
    同期リングアッセンブリの同期リングセグメントを、前記ファンナセルに取付けられた静止リングに対して独立して回転させて、前記第１のフラップアッセンブリセグメントおよび第２のフラップアッセンブリセグメントを独立して調整することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。

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