JP2008163945A

JP2008163945A - コンバーチブルガスタービンエンジン

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Publication number: JP2008163945A
Application number: JP2007335456A
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Inventors: James E Johnson; ジェイムズ・エドワード・ジョンソン
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Filing date: 2007-12-27
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Abstract

【課題】コンバーチブルガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】本ガスタービンエンジン（１０）は、実質的に一定のコア圧力比を維持しながら、可変流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能なターボ機械コア（１４Ａ）と、コア（１４Ａ）の上流に配置され、該コア（１４Ａ）からエネルギを取出しかつ第１の圧力比で加圧した第１の空気の流れを発生するようになった回転ファン（１２）と、ファンの下流でコアを囲み、第１の圧力比よりも小さい第２の圧力比で加圧された第１の流れの少なくとも第１の選択部分を選択的に受けかつコア（１４Ａ）の周りで該第１の選択部分を迂回させ、それによって該エンジン（１０）のバイパス比を変化させるようになった少なくとも第１のバイパスダクト（３８）とを含む。ファン（１２）は、バイパス比とは独立して、第１の流れの流量を実質的に一定に維持するようになっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的には、ファン速度とは独立してファン流れを調整することができるターボファンエンジンに関する。

将来型のミックストミッション・モーフィング航空機並びに高い値の離陸推力／離陸総重量、すなわち０．８〜１．２カテゴリの推力荷重を有するより従来型のミックストミッション高性能軍用システムは、推進システムに対する多くの課題に直面している。それらは、様々な飛行速度及び高度においてまた特に低出力設定時において、効率的な推進運転を必要とするが、従来型のエンジンは、このような低出力設定時において、非実装性能に関してもまた超音速吸気に関連したスピレージドラグ損失の影響を含む完全実装性能では一層大きな程度に関しても非効率的な設計外条件で運転される。

ミックストミッション用途のための従来型のエンジンサイクル及び構成を決定する場合に、適度な寸法のエンジンが亜音速及び超音速飛行条件の両方において効率的に運転されるのを可能にするためには、ファン圧力比、バイパス比及び総圧力比の選択において、妥協をしなければならない。具体的には、戦闘作戦及び超音速飛行に必要な推力を発生することができる適度な寸法のエンジンを得るのに必要なファン圧力比及び関連のバイパス比の選択は、効率的な低出力亜音速飛行には、最適ではない。基本的な非実装亜音速エンジン性能は悪化し、完全実装性能は、低出力設定において発生する入口／エンジン流量不整合のために、さらに低下する。
米国特許第４，５２７，３８８号公報米国特許第４，５３７，０２６号公報米国特許第５，０７９，９１６号公報米国特許第５，６９４，７６６号公報

とりわけ上述の先行技術における欠点は、本発明によって解決され、１つの態様によると本発明は、ガスタービンエンジンを提供し、本ガスタービンエンジンは、実質的に一定のコア圧力比を維持しながら、可変流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能なターボ機械コアと、コアの上流に配置され、該コアからエネルギを取出しかつ第１の圧力比で加圧した第１の空気の流れを発生するようになった回転ファンと、ファンの下流でコアを囲み、第１の圧力比よりも小さい第２の圧力比で加圧された第１の流れの少なくとも第１の選択部分を選択的に受けかつコアの周りで該第１の選択部分を迂回させ、それによって該エンジンのバイパス比を変化させるようになった少なくとも第１のバイパスダクトとを含む。ファンは、バイパス比とは独立して、第１の流れの流量を実質的に一定に維持するようになっている。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、第１の設計流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能な第１のターボ機械コアと、第１の流量よりも実質的に大きい第２の設計流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能な第２のターボ機械コアと、第１及び第２のコアの下流に配置されかつコアの少なくとも１つからエネルギを取出すようになった低圧タービンと、第１及び第２のコアの上流に配置されかつ低圧タービンによって機械的に駆動されて、第１の圧力比で加圧された第１の空気の流れを発生するようになった回転ファンと、コアの１つを通る第１の空気の流れの一部分を低圧タービンに選択的にダクトで導くための手段とを含む。

本発明のさらに別の態様によると、ガスタービンエンジンを運転する方法は、少なくとも１つのターボ機械コア内で燃料を燃焼させて第１の加圧燃焼ガスの流れを生成する段階と、第１の加圧燃焼ガスの流れからエネルギを取出しかつそのエネルギを使用して、回転ファンによって第１の圧力比で加圧されるように第１の加圧空気の流れを発生させる段階と、少なくとも１つのコアを通して第１の流れの第1の部分を流す段階と、第１のバイパスダクトを通して少なくとも１つのコアの周りで第１の流れの少なくとも選択した可変の第２の部分を迂回させて、エンジンが選択バイパス比で運転されるようにする段階とを含み、第１の流れの全流量が、バイパス比に拘わらず実質的に一定に維持され、またエンジンの作動圧力比が、エンジン運転時に実質的に一定に保たれるようにする。

本発明は、添付図面の図と関連させて行う以下の説明を参照することによって、最も良く理解することができる。

様々な図全体を通して同じ参照符号が同様の要素を示す図面を参照すると、図１は、その全体を参照符号１０で表した例示的なコンバーチブルガスタービンエンジンの一部分を示している。エンジン１０は、ファン１２と、第１の圧縮機１６Ａ、第１の燃焼器１８Ａ及び第１の高圧タービン２０Ａを含む第１のコア１４Ａと、第２の圧縮機１６Ｂ、第２の燃焼器１８Ｂ及び第２の高圧タービン２０Ｂを含む第２のコア１４Ｂとを有する。ファン１２は、コア１４Ａ及び１４Ｂの下流に配置された低圧タービン２２によって駆動される。コア１４Ａ及び１４Ｂは、任意選択的に同一の設計圧力比を有することができるが、第２のコア１４Ｂがより高い設計及び最大流量を有するように異なる設計流量を有することができる。排気ダクト２４が低圧タービン２２の下流に配置され、また収束−発散排気ノズル２６が排気ダクト２４の下流に配置される。排気ノズル２６のスロート２８は、可変面積「Ａ８」を有することができ、必要に応じて、排気ノズル２６の上流にアフタバーナ（図示せず）を組み込むことができる。

コア入口ダクト３０は、ファン１２と第１及び第２のコア１４Ａ及び１４Ｂとの間の流路を形成する。コア入口ダクト３０には、ファン流れを第１のコア１４Ａ又は第２のコア１４Ｂのいずれかに選択的にダクトで導くことを可能にする入口流れ制御フラップ３２が設けられる。同様に、コア出口ダクト３４は、第１及び第２のコア１４Ａ及び１４Ｂと低圧タービン２２との間の流路を形成する。コア出口ダクト３４には、低圧タービン２２を第１のコア１４Ａ又は第２のコア１４Ｂのいずれかに選択的に連結することを可能にする出口流れ制御フラップ３６が設けられる。

内側バイパスダクト３８は、コア１４Ａ及び１４Ｂを囲み、ファン１２から排気ダクト２４までの流路を形成する。外側バイパスダクト４０は、内側バイパスダクト３８を囲み、ファン１２と排気ダクト２４との間に第２の別個の流路を形成する。内側及び外側バイパスダクト３８及び４０は、ファン１２の下流で合流して、単一の主バイパスダクト４１を形成する。前方ミキサ４３は、コア流れストリームとバイパスダクト流れストリームとの合流点に配置されて、２つのストリームの効率的な混合を促進する。必要に応じて、前方ミキサ４３は、その開口面積を選択的に変化させることができる形式のものとすることができる。この形式のミキサは、可変面積バイパスインゼクタ（「ＶＡＢＩ」）と呼ばれることもある。ミキサ４２（例えば、ローブ型又はシュート型のミキサ）は、低圧タービン２２の下流においてコア流れストリームとバイパスダクト流れストリームとの合流点に配置されて、２つのストリームの効率的な混合を促進する。ミキサ４２はまた、ＶＡＢＩとすることができ、このＶＡＢＩは、ファン１１２の背圧を制御するために使用することができる。

図２Ａ及び図２Ｂにより詳細に示すファン１２は、「コンバーチブル」型のものである。バイパスダクト内に吐出される流れの圧力比（すなわち、ファン先端総ＰＲ）は、コア過給圧力比を維持しかつファン１２の全質量流量を一定に保ちながら、変化させることができる。説明のために、ファン１２は、「一次セクション」４４及び「二次セクション」４６を含み、両方ともファンダクト４８内に含まれるものとみなす。各セクション内の正確なファン段の数、個々のセクションの設計圧力比、及びその他の設計特性は、特定の用途に適合するように変化させることができる。図示した実施例では、一次セクション４４は、流れシーケンス状態で、非回転ファン入口案内ベーン又は「ＩＧＶ」５０の列と、第１の回転ファンブレード５２の段と、非回転段間ベーン５４の列と、第２の回転ファンブレード５６の段とを含む。入口案内ベーン５０は、空気流に対するその迎え角と、公知の形式のアクチュエータ５８を使用することによって選択的に変更されるその開口流れ面積とを有することができる。任意選択的に、段間ベーン５４は、空気流に対するその迎え角と、公知の形式のアクチュエータ（図示せず）を使用することによって選択的に変更されるその開口流れ面積とを有することができる。

外側バイパスダクト４０は、一次セクション４４と二次セクション４６との間でファンダクト４８に連結される。モード制御バルブ６０は、一次セクション４４からの吐出の一部分が外側バイパスダクト４０内に流れ込むことができる開放位置と前方部分からの吐出の全てが二次セクション４６内に流れ込む閉鎖位置との間で、選択的に移動させることができる。

二次セクション４６は、流れシーケンス状態で、半径方向内側及び外側セクション６２Ａ及び６２Ｂを備えた非回転二次ガイドベーン６２の列と、回転ファンブレード６４の段とを含む。二次ガイドベーン６２の内側及び外側セクション６２Ａ及び６２Ｂは、互いに独立して、空気流に対するその迎え角と、公知の形式のアクチュエータ（図示せず）を使用することによって選択的に変更されるその開口流れ面積とを有することができる。

ファン流れ制御フラップ６６は、二次セクション４６の下流に配置され、コア入口ダクト３０と内側バイパスダクト３８との間でファン吐出流れの比率を選択的に変える働きをする。ファン流れ制御フラップ６６は、固定スプリッタ構造体６８と共に、二次セクション４６の吐出流れを、半径方向内側、中央及び外側ストリームに効果的に分割する。図２Ａに示す「低流量」位置、すなわち高バイパスモードにおいて、内側ストリームはコア入口ダクト３０に流されるが、中央及び外側ストリームは内側バイパスダクト３８に流れる。図２Ｂに示す「高流量」位置、すなわち低バイパスモードにおいて、内側及び中央ストリームはコア入口ダクト３０に流れるが、外側ストリームは内側バイパスダクト３８に流れる。バイパスダクト３８又は４０の１つ又は両方に流入する全ファン流量の一部分は、「バイパス流れ」と呼ばれるが、残りは「コア流れ」と呼ばれる。

コンバーチブルエンジン１０は、２つのモードのうちの１つで作動する。部分出力運転を意図した第１のモードにおいては、第２のコア１４Ｂが停止される。内側ストリームからのコア流れはコア入口ダクト３０に流されるが、中央及び外側ストリームは内側バイパスダクト３８に流れる。モード制御バルブ６０が開き、ファン１２の一次セクション４４からの流れの一部分は、外側バイパスダクト４０を通って流れる。内側及び外側バイパスダクト３８及び４０間での流れ分割は、二次ガイドベーン６２の位置を変化させることによって、調整することができる。入口流れ制御フラップ３２は、コア流れを第１のコア１４Ａにダクトで導く。コア流れは、第１の圧縮機１６Ａによって加圧され、第１の燃焼器１８Ａ内で燃料と混合されかつ点火され、それによって加圧燃焼ガスを発生させる。幾らかの仕事が、これらのガスから第１の高圧タービン２０Ａによって取出され、第１の高圧タービン２０Ａは、シャフト（図示せず）を介して第２の圧縮機１６Ｂを駆動する。出口流れ制御フラップ３６は、第１のコア１４Ａを低圧タービン２２に連結し、低圧タービン２２は次に、内側シャフト７０を介してファン１２を駆動する。この運転モードは、「二重バイパス」と呼ばれ、比較的低いファン圧力比及び高いバイパス比を有する。

最大出力運転を意図した第２のモードにおいては、第１のコア１４Ａが停止される。内側及び中央ストリームからの流れは、コア入口ダクト３０に流されるが、外側ストリームは内側バイパスダクト３８に流れる。モード制御バルブ６０は、閉鎖される。内側バイパスダクト３８とコア流れとの間での流れ分割は、ガイドベーン６２の位置を変化させることによって調整することができる。入口流れ制御フラップ３２は、ファン流れを第２のコア１４Ｂにダクトで導く。コア流れは、第２の圧縮機１６Ｂによって加圧され、第２の燃焼器１８Ｂ内で燃料と混合されかつ点火され、それによって加圧燃焼ガスを発生させる。幾らかの仕事が、これらのガスから第２の高圧タービン２０Ｂによって取出され、第２の高圧タービン２０Ｂは、シャフト（図示せず）を介して第２の圧縮機１６Ｂを駆動する。出口流れ制御フラップ３６は、第２のコア１４Ｂを低圧タービン２２に連結し、低圧タービン２２は次に、内側シャフト７０を介してファン１２を駆動する。この運転モードは、「単一バイパス」と呼ばれ、比較的高いファン圧力比及び低いバイパス比を有する。

エンジン１０が連続的に運転している間に、第１及び第２のコア１４Ａ及び１４Ｂ間の切替えを行うための手段が設けられる。図１に示すように、第１及び第２のコア１４Ａ及び１４Ｂには、それぞれ遮断バルブ７４Ａ及び７４Ｂによって操作される第１及び第２のコア排気ダクト７２Ａ及び７２Ｂが設けられる。また、例えばコア入口ダクト３０を通して吸入空気を「不活動」コアに供給するための手段が設けられる。実際には、一方のコアが作動しておりかつモードを変更することが望ましい場合には、他方のコアを始動させかつ運転速度まで回転を高め、次にファンからのコア流れをそのコアに切り替え、最終的に、再度必要になるまで、前に「活動していた」コアを停止させることになる。

図３は、エンジン１０の運転における相違を先行技術のガスタービンエンジンと比較して概略的に示している。先行技術のブレイトンサイクルエンジンは、トラフ状の燃料消費率（ＳＦＣ）対推力のプロット線（「Ｐ」で示した）を示し、より高いＳＦＣが、設計点最小値（「Ｍ」と表示した）よりも高い又は低い推力レベルにおいて発生している。広い速度範囲にわたって運転する必要がある航空機では、必要な巡航推力をエンジンの「設計点」よりも十分に低くして、得られるＳＦＣ（「Ｘ」と表示した線と交差する）が所望よりも遙かに高くなるようにすることが可能である。この特性は、高速及び低速の両方で高い燃料効率を有する単一のエンジンを設計することを困難にする。

図３のプロット線Ｂは、上述のようなコンバーチブルエンジン１０の運転の理論モデルを示している。最大出力は、先行技術のエンジンと同じであり、同じ最大ファン流量及びファン総圧力比（すなわち、ファン二次セクション４６の出口における圧力をファン１２の上流の圧力によって除算したもの）を有することになる。高推力レベルにおいて、エンジン１０は、上述のような「単一バイパス」モードにおいて作動し、ＳＦＣ曲線の右側部分は、本質的に先行技術エンジンと同じである。例えば長距離巡航飛行におけるような低出力が必要な場合には、コンバーチブルエンジン１０は、「二重バイパス」モードで作動して、一定の全ファン流量を維持し、バイパスダクト内のファン総圧力比を低下させ、一定のコア圧力比（すなわち、燃焼器入口における圧力を圧縮機１６の上流の圧力によって除算したもの）及び一定の総圧力比（すなわち、燃焼器入口における圧力をファン１２の上流の圧力によって除算したもの）を維持し、またバイパス比を増大させることができる。この条件において、「ハブ圧力比」又は「コア過給」と呼ばれる、コア１４に流入するファン１２の両側における圧力比は、最大出力におけるものと同じ値を維持する。この運転方式では、コンバーチブルエンジン１０は、さらに低いＳＦＣ曲線に従い、曲線Ｂが線Ｘと交差する点で示すように、同じ低推力レベルにおいて、先行技術エンジンに優る大きな燃料消費の低減を伴う。

ファン１２の第１及び二次セクション４４及び４６の圧力比「スプリット」は、同じ設計総ファン圧力比、従って最大出力における同じ推力及びＳＦＣを維持しながら、低出力運転における特定の設計要件に合わせるように変化させることができることに、注目されたい。例えば、プロット線「Ｂ」で示すコンバーチブルエンジンは、二次セクション圧力比よりもわずかに大きい一次セクション圧力比を有する。プロット線「Ａ」で示す別のエンジンは、より高い一次セクション圧力比を有し、最小ＳＦＣをより高い推力レベルにおいて達成することができるが、さらに別のエンジン「Ｃ」は、より低い一次セクション圧力比を有し、より低い推力レベルにおいて最小ＳＦＣを達成することができる。

コンバーチブルエンジン１０の作動原理は、多くの異なる物理的構成として具現化することができる。例えば、図４は、ファン１１２と、圧縮機１１６、燃焼器１１８及び高圧タービン１２０を含むコア１１４とを有する別のコンバーチブルエンジン１１０を示している。ファン１１２は、コア１１４の下流に配置された低圧タービン１２２によって駆動される。排気ダクト１２４が、低圧タービン１２２の下流に配置され、また収束−発散排気ノズル１２６が、排気ダクト１２４の下流に配置される。排気ノズル１２６のスロート１２８は、可変面積「Ａ８」を有することができ、必要に応じて、アフタバーナ（図示せず）を排気ノズル１２６の上流に組み込むことができる。

コア入口ダクト１３０は、ファン１１２とコア１１４との間の流路を形成する。内側バイパスダクト１３８は、コア１１４Ａを囲み、ファン１１２から排気ダクト１２４までの流路を形成する。外側バイパスダクト１４０は、内側バイパスダクト１３８を囲み、ファン１１２と排気ダクト１２４との間に第２の別個の流路を形成する。内側及び外側バイパスダクト１３８及び１４０は、ファン１１２の下流で合流して、単一の主バイパスダクト１４１を形成する。前方ミキサ１４３は、コア流れストリームとバイパスダクト流れストリームとの合流点に配置されて、２つのストリームの効率的な混合を促進する。必要に応じて、前方ミキサ１４３は、その開口面積を選択的に変化させることができる形式のものとすることができる。この形式のミキサは、可変面積バイパスインゼクタ（「ＶＡＢＩ」）と呼ばれることもある。ミキサ１４２（例えば、ローブ型又はシュート型のミキサ）は、低圧タービン２２の下流においてコア流れストリームとバイパスダクト流れストリームとの合流点に配置されて、２つのストリームの効率的な混合を促進する。ミキサ４２はまた、ＶＡＢＩとすることができ、このＶＡＢＩは、ファン１１２の背圧を制御するために使用することができる。

ファン１１２は、上述のように「コンバーチブル」形式のものであり、両方ともファンダクト１４８内に含まれた「一次セクション」１４４及び「二次セクション」１４６を含む。各セクション内の正確なファン段の数、個々のセクションの設計圧力比、及びその他の設計特性は、特定の用途に適合するように変化させることができる。

外側バイパスダクト１４０は、一次セクション１４４と二次セクション１４６との間でファンダクト１４８に連結される。モード制御バルブ１６０は、一次セクション１４４からの吐出の一部分が外側バイパスダクト１４０内に流れ込むことができる開放位置と一次セクション１４４からの吐出の全てが二次セクション１４６内に流れ込む閉鎖位置との間で、選択的に移動させることができる。

ファン流れ制御フラップ１６６は、二次セクション１４６の下流に配置され、コア１１４と内側バイパスダクト１３８との間でファン吐出流れの比率を選択的に変える働きをする。ファン流れ制御フラップ１６６は、固定スプリッタ構造体１６８と共に、二次セクション１４６の吐出流れを、半径方向内側、中央及び外側ストリームに効果的に分割する。「高流量」位置において、内側及び中央ストリームはコア１１４に流されるが、外側ストリームは内側バイパスダクト１３８に流れる。「低流量」位置において、内側ストリームはコア１１４に流れるが、中央及び外側ストリームは内側バイパスダクト１３８に流れる。バイパスダクト１３８又は１４０の１つ又は両方に流入する全ファン流量の一部分は、「バイパス流れ」と呼ばれるが、残りは「コア流れ」と呼ばれる。

圧縮機１１６は、内側及び外側本体圧縮システムを含むいわゆる「ウォーム」圧縮機のような公知の形式の容積式ポンプである。この形式の圧縮機１１６の重要な態様は、先行技術軸流ターボ機械圧縮機と比較して、流量の変更に適応しながら実質的に一定の圧力比を維持することが可能であることである。２部品型圧縮機１１６は、高圧タービン１２０と必要な内側及び外側本体速度関係を維持する歯車装置１７２とによって駆動される。高圧タービン１２０には、可変面積ＨＰＴノズル（ＶＡＴＮ）１７４が設けられ、このＨＰＴノズル１７４は、公知の形式のアクチュエータ１７６を使用することによって選択的に変更されるその開口流れ面積を有しており、高圧タービン１２０及び圧縮機１１６の作動速度の変化を生じさせることができる。低圧タービン１２２にもまた、可変面積ＬＰＴベーン１７８を組み込むことができる。

コンバーチブルエンジン１１０は、上記のコンバーチブルエンジン１０の方法と幾らか類似した方法で、２つのモードのうちの１つで作動する。具体的には、コンバーチブルファン１１２の作動は、ファン１２の作動と同一である。部分出力運転を意図した「二重バイパス」モードにおいて、内側ストリームからのコア流れはコア１１４に流されるが、中央及び外側ストリームは内側バイパスダクト１３８に流れる。モード制御バルブ１６０が開き、ファン１１２の一次セクション１４４からの流れの一部分は、外側バイパスダクト１４０を通って流れる。内側及び外側バイパスダクト１３８及び１４０間での流れ分割は、二次ガイドベーン１６２の位置を変化させることによって、調整することができる。入口流れ制御フラップ１３２は、コア流れをコア１１４にダクトで導く。可変面積ＨＰＴノズル１７４は、圧縮機１１６の速度及び流量が減少した時、必要に応じて閉鎖され、ミキサ１４２及び／又は可変面積ＬＰＴベーン１７８が、必要に応じて調整される。独特のウォーム圧縮システムは、流れが減少した時に一定のコア圧力比を維持して、個々の圧縮機寸法の連続群として効果的に作動する。

最大出力運転を意図した「単一バイパス」モードにおいては、内側及び中央ストリームからの流れは、コア１１４に流されるが、外側ストリームは内側バイパスダクト１３８に流れる。モード制御バルブ１６０は、閉鎖される。内側バイパスダクト１３８とコア流れとの間での流れ分割は、ガイドベーン１６２の位置を変化させることによって調整することができる。可変面積ＨＰＴノズル１７４は、完全に開いて、圧縮機１１６が全速力で作動するようになる。ミキサ１４２及び可変面積ＬＰＴベーン１７８は、完全に開いている。

図５は、その構成がコンバーチブルエンジン１１０と同様であり、かつファン２１２と、圧縮機２１６（例えば、ウォーム圧縮機のような）、燃焼器２１８及び高圧タービン２２０を含むコア２１４とを有するさらに別のコンバーチブルエンジン２１０を示している。ファン２１２は、コア２１４の下流に配置された低圧タービン２２２によって駆動される。排気ダクト２２４が、低圧タービン２２２の下流に配置され、また収束−発散排気ノズル２２６が、排気ダクト２２４の下流に配置される。排気ノズル２２６のスロート２２８は、可変面積「Ａ８」を有することができ、必要に応じて、アフタバーナ（図示せず）を排気ノズル２２６の上流に組み込むことができる。

コンバーチブルエンジン２１０とコンバーチブルエンジン１１０との間の主要な相違点は、高圧タービン２２０が、いわゆる「ウォーム」タービンのような公知の形式の容積式装置であることである。この形式のタービン２２０の重要な態様は、先行技術軸流タービンと比較して、流量の変更に適応しながら実質的に一定の圧力低下を維持することが可能であることである。高圧タービン２２０は、両者の間の速度比の制御を行う歯車装置２７２によって低圧タービン２２２に相互連結される。低圧タービン２２２には、可変面積ＬＰＴノズル（ＶＡＴＮ）２７８が設けられ、このＬＰＴノズル２７８は、公知の形式のアクチュエータ（図示せず）を使用することによって選択的に変更されるその開口流れ面積を有しており、エンジン圧縮機２１６の作動速度の変化を生じさせることができる。この構成の利点は、エンジン２１０の「高温セクション」において、可変面積ハードウェアが全く必要でないことであり、歯車装置２７２は、歯車装置１７２よりも低い出力レベルを伝達することになる。

図６は、その構成がコンバーチブルエンジン２１０と同様であり、ファン３１２と、コア３１４と、低圧タービン３２２と、排気ダクト３２４と、排気ノズル３２６と、内側バイパスダクト３３８と、外側バイパスダクト３４０とを有するさらに別のコンバーチブルエンジン３１０を示している。エンジン３１０は、環状シュラウド３８２から半径方向外向きに延びかつファン３１２によって駆動される翼形部のリングの形態になった、「ＦＬＡＤＥ（フレード）」段３８０と呼ばれる補助ファンを含む。フレード段３８０は、外側バイパスダクト３３０を囲むファン外側ダクト３８４内に配置される。フレード段３８０は、ファン３１２の流量及び圧力比とは異なる流量及び圧力比で付加的な流れストリームを形成する。ファン及びフレード圧力比の最終選択に応じて、１つよりも多いファンブレード上に可能なフレード段を備えた他のファン段もまた、使用することができる。フレード段の流れは、公知の形式の選択航空機ブリード作動システム（図示せず）のために十分なブリード圧力及び流量を提供するような寸法にされる。アクチュエータ３８８によって操作される可変角フレード入口案内ベーン３８６の列は、フレード段３８０を通る流量を変化させるように開放位置と閉鎖位置との間で可動である。フレードノズル３９０は、排気ノズル３２６の周りに配置され、ファン外側ダクト３８４に連結される。フレード段吐出は、フレードノズル３９０から流出する。この流れを使用して、排気ノズル３２６を冷却するようにし、飛行中の性能を強化するようにし、また／又は、入口スピレージ及びスロートブリードドラグ損失を最小にするためにエンジン入口流量を調整するようにすることができる。

以上は、コンバーチブルガスタービンエンジンについて説明した。本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から離れずに本発明に対する様々な変更を行うことができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態の上記説明は、説明の目的のためのみに示したものであって、限定の目的のために示したものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって定まる。

本発明の態様によって構成したコンバーチブルガスタービンエンジンの概略断面図。部分出力運転モードにおける図１のエンジンのファンを示す、図１の拡大部分図。最大出力運転モードにおける図１のエンジンのファンを示す、図１の拡大部分図。先行技術のガスタービンエンジンと比較した本発明のガスタービンエンジンの燃料消費率対推力特性を示すグラフ。本発明の別の態様によって構成したガスタービンエンジンの概略断面図。本発明のさらに別の態様によって構成したガスタービンエンジンの概略断面図。本発明のさらに別の態様によって構成したガスタービンエンジンの概略断面図。

符号の説明

１０エンジン
１２ファン
１４Ａ第１のコア
１４Ｂ第２のコア
１６圧縮機
１６Ａ第１の圧縮機
１６Ｂ第２の圧縮機
１８Ａ第１の燃焼器
１８Ｂ第２の燃焼器
２０Ａ第１の高圧タービン（ＨＰＴ）
２０Ｂ第２の高圧タービン（ＨＰＴ）
２２低圧タービン（ＬＰＴ）
２４排気ダクト
２６排気ノズル
２８スロート
３０コア入口ダクト
３２入口流れ制御フラップ
３４コア出口ダクト
３６出口流れ制御フラップ
３８内側バイパスダクト
４０外側バイパスダクト
４１主バイパスダクト
４２ミキサ
４３第１のミキサ
４４一次セクション
４６二次セクション
４８ファンダクト
５０ファン入口案内ベーン
５２第１の回転ファンブレード段
５４非回転段間ベーン
５６第２の回転ファンブレード段
５８アクチュエータ
６０モード制御バルブ
６２非回転二次ガイドベーン
６２Ａ内側セクション
６２Ｂ外側セクション
６４ファンブレード
６６ファン流れ制御フラップ
６８スプリッタ構造体
７０内側シャフト
７２Ａ第１のコア排気ダクト
７２Ｂ第２のコア排気ダクト
７４Ａ第１の遮断バルブ
７４Ｂ第２の遮断バルブ
１１０コンバーチブルエンジン
１１２ファン
１１４コア
１１４Ａコア
１１６圧縮機
１１８燃焼器
１２０高圧タービン（ＨＰＴ）
１２２低圧タービン（ＬＰＴ）
１２４排気ダクト
１２６排気ノズル
１２８スロート
１３０コア入口ダクト
１３２入口流れ制御フラップ
１３８内側バイパスダクト
１４０外側バイパスダクト
１４１バイパスダクト
１４２ミキサ
１４３前方ミキサ
１４４一次セクション
１４６二次セクション
１４８ファンダクト
１６０モード制御バルブ
１６２二次ガイドベーン
１６６ファン流れ制御フラップ
１６８固定スプリッタ構造体
１７２歯車装置
１７４可変面積ＨＰＴノズル
１７６アクチュエータ
１７８可変面積ＬＰＴベーン
２１０コンバーチブルエンジン
２１２ファン
２１４コア
２１６容積式圧縮機
２１８燃焼器
２２０高圧タービン（ＨＰＴ）
２２２低圧タービン（ＬＰＴ）
２２４排気ダクト
２２６排気ノズル
２２８スロート
２７２歯車装置
２７８可変面積ＬＰＴノズル
３１０コンバーチブルエンジン
３１２ファン
３１４コア
３２２低圧タービン（ＬＰＴ）
３２４排気ダクト
３２６排気ノズル
３３０外側バイパスダクト
３３８内側バイパスダクト
３４０外側バイパスダクト
３８０フレード段
３８２環状シュラウド
３８４ファン外側ダクト
３８６フレード入口案内ベーン
３８８アクチュエータ
３９０フレードノズル
４１２ミキサ
Ａ８可変面積
ＩＧＶ入口案内ベーン
Ｍ設計点最小値
Ｐプロット線
ＳＦＣ燃料消費率
Ｘ得られたＳＦＣ
ＶＡＢＩ可変面積バイパスインゼクタ
ＶＡＴＮ可変面積ＨＰＴノズル

Claims

（ａ）実質的に一定のコア圧力比を維持しながら、可変流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能なターボ機械コア（１４Ａ）と、
（ｂ）前記コア（１４Ａ）の上流に配置され、該コア（１４Ａ）からエネルギを取出しかつ第１の圧力比で加圧した第１の空気の流れを発生するようになった回転ファン（１２）と、
（ｃ）前記ファン（１２）の下流で前記コア（１４Ａ）を囲み、前記第１の圧力比よりも小さい第２の圧力比で加圧された前記第１の流れの少なくとも第１の選択部分を選択的に受けかつ前記コア（１４Ａ）の周りで前記第１の選択部分を迂回させ、それによって該エンジンのバイパス比を変化させるようになった少なくとも第１のバイパスダクト（３８）と、を含み、
前記ファン（１２）が、前記バイパス比とは独立して、前記第１の流れの流量を実質的に一定に維持するようになっている、
ガスタービンエンジン（１０）。
前記コア（１４Ａ）が、直列流れ関係で、
（ａ）容積式圧縮機（１６Ａ）と、
（ｂ）燃焼器（１８Ａ）と、
（ｃ）高圧タービン（２０Ａ）と、を含む、
請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記圧縮機（１６Ａ）が、ウォーム圧縮機である、請求項２記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記高圧タービン（２０Ａ）が、ウォームタービンである、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記ファン（１２）の下流で前記コア（１４Ａ）を囲み、前記第１の圧力比よりも小さい第２の圧力比で加圧された前記第１の流れの第２の選択部分を選択的に受けかつ前記コア（１４Ａ）の周りで前記第２の選択部分を迂回させるようになった第２のバイパスダクト（４０）をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記ファン（１２）が、
（ａ）少なくとも１つの回転一次ファンブレード（５２）段を含む一次セクションと、
（ｂ）少なくとも１つの回転二次ファンブレード（５６）段を含む二次セクションと、を含み、
前記第１のバイパスダクト（３８）が、前記一次セクションの下流かつ前記二次セクションの上流で、前記ファン（１２）と流体連通状態で連結される、
請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記二次セクションが、
（ａ）前記二次ファンブレード（５６）の上流に配置され、開放位置と閉鎖位置との間で共に可動である複数の二次ガイドベーン（５０）と、
（ｂ）前記二次ファンブレード（５６）からの吐出流れを、半径方向内側、中央及び外側の流れに分割するようになった固定スプリッタ構造体と、
（ｃ）前記半径方向内側、中央及び外側の流れのうちの選択した流れを前記コア（１４Ａ）内に導くように作動可能な少なくとも１つのファン流れ制御フラップ（６６）と、を含む、
請求項６記載のガスタービンエンジン（１０）。
（ａ）前記コア（１４Ａ）を囲むファン外側ダクトと、
（ｂ）前記ファン外側ダクト（３８４）内に配置されかつ前記ファン（１２）によって駆動されて第２の加圧空気の流れを発生するようになった補助ファンを含むフレード段（３８０）と、
をさらに含む、請求項１記載のガスタービンエンジン（１０）。
前記ファン外側ダクト（３８４）と流体連通状態で連結されかつ前記第２の加圧空気の流れを下流方向に選択的に吐出するようになったフレードノズル（３９０）をさらに含む、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。
（ａ）第１の設計流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能な第１のターボ機械コア（１４Ａ）と、
（ｂ）前記第１の流量よりも実質的に大きい第２の設計流量で加圧燃焼ガスの流れを発生するように作動可能な第２のターボ機械コア（１４Ｂ）と、
（ｃ）前記第１及び第２のコア（１４Ａ、１４Ｂ）の下流に配置されかつ前記コアの少なくとも１つからエネルギを取出すようになった低圧タービン（２２）と、
（ｄ）前記第１及び第２のコア（１４Ａ、１４Ｂ）の上流に配置されかつ前記低圧タービン（２２）によって機械的に駆動されて、第１の圧力比で加圧された第１の空気の流れを発生するようになった回転ファン（５２）と、
（ｅ）前記コアの１つを通る前記第１の空気の流れの一部分を前記低圧タービン（２２）に選択的にダクトで導くための手段と、
を含むガスタービンエンジン（１０）。