JP2008190460A - チップタービン駆動ファン - Google Patents

Abstract

【課題】推力方向に対して横方向に強風を受けた場合に生じる外力を低減したチップタービン駆動ファンを提供する。
【解決手段】動作時において、導入口６を通った高圧空気８はダクト１５内において静翼４を通過し流れを整えられ、チップタービン動翼３に供給される。チップタービン動翼３は、排気側１７から吸気側１６に向かって高圧空気８を供給されることにより、上部ファン２及び下部ファン１４を同方向に回転駆動する。これにより、上部ファン２の回転面１２からファンケーシング１の吸気側１６の端部までの距離Ｈを短くすることができるため、横風９を受けた場合に負圧が発生する領域が小さいものとなり、負圧により生じる外力１１を低減できる。
【選択図】図１

Description

本発明はチップタービン駆動ファンに関し、特に、ファンの外周に設けられたチップタービン動翼列に流体を供給してファンを回転駆動するチップタービン駆動ファンに関するものである。

従来、ファンの外周に設けられたチップタービン動翼列に流体を供給してファンを回転駆動するチップタービン駆動ファンをＶＴＯＬ（Vertical take-off and landing）機に適用することが提案されている。例えば、特許文献１では、供給ダクトを通じて、ファンの吸気側から排気側に向かう方向に、作動流体をチップタービン動翼列に供給し、チップタービン動翼列を通過した作動流体を戻りダクトを通じてファンの吸気側方向に戻し、再度、ファンの吸気側から排気側に向かう方向に作動流体をチップタービン動翼列に供給することによりファンを回転駆動させる構成が開示されている。
特開２００３−２９３７０２号公報

しかしながら、上記の技術では、チップタービン駆動ファンをＶＴＯＬ機等のエンジンに適用した場合、チップタービン駆動ファンの推力方向に対して横方向に強風を受けると、チップタービン駆動ファンの吸気側に大きな負圧が生じ、チップタービン駆動ファンの吸気側に大きな外力が発生する場合がある。この場合、発生した外力によりＶＴＯＬ機の飛行制御が困難になる場合がある。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、推力方向に対して横方向に強風を受けた場合に生じる外力を低減したチップタービン駆動ファンを提供することにある。

本発明は、回転駆動されることにより吸気側から排気側への推力を発生するファンと、ファンの外周部を回転駆動可能に支持するファンケーシングと、ファンの外周部に設けられ、ファンケーシング内部において回転動可能であり、ファンケーシング内部において流体を供給されることによりファンを回転駆動するチップタービン動翼列と、ファンケーシング内部に設けられ、流体をチップタービン動翼列に供給するダクトと、を備え、ダクトは、ファンの発生する推力方向とは反対の方向からチップタービン動翼列に流体を供給する、チップタービン駆動ファンである。

ダクトがチップタービン動翼列に流体を効率良く供給するためには、ある程度の距離にわたって直線的に流体を流した後に、流体をチップタービン動翼列に対して供給する必要がある。しかしながら、上記構成によれば、ダクトは、ファンの発生する推力方向とは反対の方向からチップタービン動翼列に流体を供給するため、ファンケーシング内部のダクトのファンの吸気側において長距離にわたって流体を流す必要がなくなる。そのため、ファンケーシングにおけるファンの回転面から吸気側方向の長さを短くすることができ、推力方向に対して横方向に強風を受けた場合に負圧が生じることによって外力が生じる領域を小さくできる。したがって、ファンの推力方向に対して横方向に強風を受けた場合に生じる外力を低減することができる。

なお、本発明において、ファンの発生する推力方向と「反対の方向」とは、必ずしもファンの発生する推力方向と正反対に１８０°相違する方向である場合に限定されず、ファンの発生する推力方向と少なくとも９０°を超えて相違していれば含まれるものとする。また、本発明において、「流体」は空気等の気体に限定されず、水等の液体も含まれるものとする。

この場合、ダクトは、ファンの回転面における排気側から吸気側に向かってチップタービン動翼列に流体を供給することが好適である。

この構成によれば、ダクトは、ダクトは、ファンの回転面における排気側から吸気側に向かってチップタービン動翼列に流体を供給するため、ファンケーシングにおけるファンの回転面から吸気側方向へは流体を直線的に流す必要がないため、よりファンケーシングにおけるファンの回転面から吸気側方向の長さを短くすることができ、横方向に強風を受けた場合に生じる外力を低減することができる。

なお、本発明において、ファンの「回転面」とは、ファンの翼の最も吸気側に位置する部位が回転動することにより形成する回転面を意味するものとする。

一方、ファンは、ファンケーシングおけるファンの推力方向に沿った長さの中間位置よりも吸気側に当該回転面が位置するように備えられていることが好適である。

この構成によれば、ファンは、ファンケーシングおけるファンの推力方向に沿った長さの中間位置よりも吸気側に当該回転面が位置するように備えられているため、ファンケーシングにおけるファンの回転面から吸気側方向の長さを短くすることができ、横方向に強風を受けた場合に生じる外力を低減することができる。

本発明のチップタービン駆動ファンによれば、ファンの推力方向に対して横方向に強風を受けた場合に生じる外力を低減することができる。

以下、本発明の実施の形態に係るチップタービン駆動ファンについて添付図面を参照して説明する。

図１は第１実施形態に係るチップタービン駆動ファンを示す斜視図であり、図２は第１実施形態に係るチップタービン駆動ファンの縦断面図である。本実施形態のチップタービン駆動ファンはＶＴＯＬ機に搭載され、コアエンジンから高圧空気を供給されることにより、ファンを回転駆動して推力を発生するためのものである。図１及び２に示すように、本実施形態のチップタービン駆動ファンは、同軸上を同方向に回転駆動されることにより吸気側１６から排気側１７に推力１０を発生する上部ファン２及び下部ファン１４と、上部ファン２及び下部ファン１４それぞれの外周部を囲繞しつつ回転駆動可能に支持するファンケーシング１とから構成されている。上部ファン２の回転面１２は、ファンケーシング１における推力１０の方向に沿った長さの中間位置よりも吸気側１６に当該回転面１２が位置するように備えられている。

ファンケーシング１の内部には、ファンケーシング１の外周方向に９０°ずつ位置をずらしてコアエンジンからの高圧空気８を導入されるダクト（タービン室）１５が設けられている。一方、上部ファン２の外周部には、上部ファン２と一体成型されたチップタービン動翼３がチップタービン動翼列をなして設けられている。チップタービン動翼３は、ダクト１５内部の空間を回転動可能に支持され、ダクト１５内に導入された高圧空気８を供給されることにより、上部ファン２及び下部ファン１４を回転駆動するためのものである。

ダクト１５には、ファンケーシング１側面の最も排気側１７の部位に、コアエンジンからの高圧空気８を導入されるための導入口６が設けられている。ダクト１５内には、ダクト１５内の空気の流れを整えるための静翼４が設けられている。静翼４はダクト１５と一体成型されたものでも良いし、ダクト１５と分離された構造のものでも良い。

ダクト１５には、静翼４及びチップタービン動翼３を通過した高圧空気８を排気口７に誘導するための分離板５が設けられている。排気口７は、高圧空気８を排気側１７に排出するためのものである。

次に、本実施形態のチップタービン駆動ファンの動作について説明する。運転時においては本実施形態のチップタービン駆動ファンは、コアエンジンから高圧空気８を導入口６から導入される。導入口６を通った高圧空気８は、ダクト１５内において静翼４を通過し流れを整えられる。静翼４を通過した高圧空気８はチップタービン動翼３に供給される。

チップタービン動翼３は、排気側１７から吸気側１６に向かって高圧空気８を供給されることにより、上部ファン２及び下部ファン１４の回転駆動に必要なトルクを発生し、上部ファン２及び下部ファン１４を同方向に回転駆動する。上部ファン２及び下部ファン１４は回転駆動することにより、吸気側１６から排気側１７に向かって推力１０を発生する。

チップタービン動翼３を通過した高圧空気８は、分離板５によって排出口７の方向へ誘導される。排出口７は高圧空気８を排出口７の方向へ排出することにより、推力１０を増加させる。

図４に示すように従来のチップタービン駆動ファンは、高圧空気８の導入口６がファンケーシング１の吸気側１６に設けられ、チップタービン動翼３は吸気側１６から排気側１７に向かって高圧空気８を供給される。ダクト１５内に導入された高圧空気８を静翼４で流れを整え、チップタービン動翼３に効率良く供給するためにはある程度の距離が必要となる。そのため、従来のチップタービン駆動ファンにおいては、図４に示すように、上部ファン２の回転面１２からファンケーシング１の吸気側１６の端部までの距離Ｈが長い。この構成においては、図４及び５に示すように、ＶＴＯＬ機の飛行中等に横風９を受けた場合に負圧が発生する領域１３が大きい。負圧が発生した場合、ファンケーシング１に大きな外力１１が加わるため、従来のチップタービン駆動ファンは横風を受けた場合の安定性に乏しい。

一方、本実施形態のチップタービン駆動ファンは、高圧空気８を導入されるための導入口６がファンケーシング１側面の最も排気側１７の部位に設けられ、チップタービン動翼３は、排気側１７から吸気側１６に向かって高圧空気８を供給される。このため、本実施形態のチップタービン駆動ファンにおいては、上部ファン２の回転面１２からファンケーシング１の吸気側１６の端部までの距離Ｈを短くすることができ、上部ファン２の回転面１２は、ファンケーシング１における推力１０の方向に沿った長さの中間位置よりも吸気側１６に位置するものとできる。

このため、本実施形態のチップタービン駆動ファンにおいては、図３に示すように、ＶＴＯＬ機の飛行中等に横風９を受けた場合に負圧が発生する領域１３が小さいものとなり、負圧により生じる外力１１を従来のものより小さいものとすることができ、図６に示すように横風によって生じる外力を５０％低減することができる。したがって、本実施形態のチップタービン駆動ファンにおいては、ＶＴＯＬ機の飛行中等に横風９を受けた場合においても、安定性が高く、制御性の良いものとすることができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。図７は、第２実施形態に係るチップタービン駆動ファンを示す斜視図である。図７に示すように、本実施形態においては、２つのチップタービン動翼３ａ，３ｂの両方に高圧空気８を連続して供給するダクト１５が備えられている点が、上記第１実施形態と異なっている。

本実施形態においては、ダクト１５には、静翼４a及びチップタービン動翼３aを通過した高圧空気８を、静翼４ｂ及びチップタービン動翼３ｂに誘導するための分離板５a，５ｂ，５ｃが設けられている。また、分離板５ｃは、静翼４b及びチップタービン動翼３bを通過した高圧空気８を排気口７に誘導するための機能も果たす。

運転時においては本実施形態のチップタービン駆動ファンは、導入口６を通った高圧空気８は、ダクト１５内において静翼４aを通過し流れを整えられ、静翼４aを通過した高圧空気８は排気側１７から吸気側１６の方向に向かってチップタービン動翼３aに供給される。

チップタービン動翼３ａを通過した高圧空気８は、分離板５a，５ｂによって静翼４ｂ及びチップタービン動翼３ｂの方向に誘導される。高圧空気８は、分離板５a，５ｂによって一旦吸気側１６から排気側１７の方向に誘導された後、再度、排気側１７から吸気側１６の方向に誘導される。高圧空気８は、静翼４ｂを通過し流れを整えられ、静翼４ｂを通過した高圧空気８は排気側１７から吸気側１６の方向に向かってチップタービン動翼３ｂに供給される。このようにして、チップタービン動翼３ａ，３ｂはそれぞれ高圧空気８を排気側１７から吸気側１６の方向に向かって供給され、上部ファン２及び下部ファン１４を回転駆動するためのトルクを発生する。

本実施形態においては、２つのチップタービン動翼３ａ，３ｂに対して一つのダクト１５によって連続して高圧空気８を供給するため、多数のチップタービン動翼それぞれに同時に高圧空気を供給する場合であっても、それぞれのチップタービン動翼に高圧空気を供給するダクトを一体化することができ、ダクトの構造を簡便なものとすることができる。

以下、本発明の第３実施形態について説明する。図８は、第３実施形態に係るチップタービン駆動ファンを示す斜視図である。図８に示すように、本実施形態においては、上部ファン２及び下部ファン１４は、それぞれ別方向に回転駆動可能なように外周部をファンケーシング１により支持されている。ファンケーシング１内部には、上部ファン２を回転駆動するためのダクト１５ａに、上記第１実施形態と同様に、導入口６ａ、静翼４ａ、上部ファン２と一体成型されたチップタービン動翼３ａ及び排気口７ａが備えられている。

一方、本実施形態においては、ファンケーシング１内部に、下部ファン１４を回転駆動するためのダクト１５ｂが別途設けられている。ダクト１５ｂ内にも、上記第１実施形態と同様に、導入口６ｂ、静翼４ｂ、下部ファン１４と一体成型されたチップタービン動翼３ｂ及び排気口７ｂが備えられているが、上部ファン２とは反対方向に下部ファン１４を回転駆動させるために、静翼４ｂ、チップタービン動翼３ｂの向きは、静翼４ａ、チップタービン動翼３ａとは反対方向となっている。

運転時においては本実施形態のチップタービン駆動ファンは上記第１実施形態のチップタービン駆動ファンと同様に動作を行うが、静翼４ｂ、チップタービン動翼３ｂの向きは、静翼４ａ、チップタービン動翼３ａとは反対方向となっているため、上部ファン２と下部ファン１４とは互いに反対方向に回転駆動される。

本実施形態においては、上部ファン２及び下部ファン１４それぞれを回転駆動させるためのダクト１５ａ，１５ｂをそれぞれ別個に備え、上部ファン２及び下部ファン１４それぞれを互いに反対方向に回転駆動するため、上部ファン２及び下部ファン１４それぞれのトルクが相殺され、ＶＴＯＬ機等に適用した場合に安定性、制御性を一層向上させることができる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、ＶＴＯＬ機にチップタービン駆動ファンを適用した場合を中心に説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、本発明のチップタービン駆動ファンは、自動車における運転制御用のスラスター等にも適用可能である。また、本発明のチップタービン駆動ファンは、チップタービン駆動ファンに供給する流体を空気ではなく水として、潜水艇の姿勢制御用のスラスターとしても適用可能である。

第１実施形態に係るチップタービン駆動ファンを示す斜視図である。 第１実施形態に係るチップタービン駆動ファンの縦断面図である。 第１実施形態に係るチップタービン駆動ファンにおける圧力分布を示す図である。 従来のチップタービン駆動ファンの装置の縦断面図である。 従来のチップタービン駆動ファンにおける圧力分布を示す図である。 本発明のチップタービン駆動ファンと従来のチップタービン駆動ファンとに生じる外力を示すグラフ図である。 第２実施形態に係るチップタービン駆動ファンを示す斜視図である。 第３実施形態に係るチップタービン駆動ファンを示す斜視図である。

符号の説明

１…ファンケーシング、２…上部ファン、３，３ａ，３ｂ…チップタービン動翼、４，４a，４b…静翼、５，５a，５ｂ，５ｃ…分離板、６，６a，６b…導入口、７，７a，７b…排気口、８…高圧空気、９…横風、１０…推力、１１…外力、１２…回転面、１３…外力発生領域、１４…下部ファン、１５，１５a，１５b…ダクト、１６…吸気側、１７…排気側。

Claims (3)

1. 回転駆動されることにより吸気側から排気側への推力を発生するファンと、
   前記ファンの外周部を回転駆動可能に支持するファンケーシングと、
   前記ファンの外周部に設けられ、前記ファンケーシング内部において回転動可能であり、前記ファンケーシング内部において流体を供給されることにより前記ファンを回転駆動するチップタービン動翼列と、
   前記ファンケーシング内部に設けられ、前記流体を前記チップタービン動翼列に供給するダクトと、
   を備え、
   前記ダクトは、前記ファンの発生する推力方向とは反対の方向から前記チップタービン動翼列に前記流体を供給する、チップタービン駆動ファン。
2. 前記ダクトは、前記ファンの回転面における排気側から吸気側に向かって前記チップタービン動翼列に前記流体を供給する、請求項１に記載のチップタービン駆動ファン。
3. 前記ファンは、前記ファンケーシングおける前記ファンの推力方向に沿った長さの中間位置よりも吸気側に当該回転面が位置するように備えられている、請求項２に記載のチップタービン駆動ファン。

Images