JP2010180756A - ジェットエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】ストラット表面における空気の減速率を従来よりも低下させ、以ってエンジン性能の低下を抑制する。
【解決手段】ファン動翼５の上流側においてケーシング３とファン動翼５が固定される軸部２との間に差し渡すように所定間隔で放射状に設けられる複数のストラット１を備えるジェットエンジンであって、ストラット１は変曲点Ｘを挟んで上流側と下流側とで反対方向に湾曲する形状を備え、変曲点Ｘは軸部の軸線方向におけるストラット１の長さの中点に、あるいは当該中点から上流側に位置設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ストラットを備えるジェットエンジンに関するものである。

従来、戦闘機等の航空機では、その性質上、機影がレーダで捕捉されないようにするため、機体の表面形状の工夫や電波吸収材の付設等によりステルス性が施されている。しかし、ジェットエンジンを推進力とする航空機では、エンジンケーシング表面は容易にステルス性を実現できるが、ジェットエンジンの吸入口部分にステルス性を付加することに困難を伴っていた。なぜならば、ジェットエンジンの吸入口部分には、高速で回転したときに電波、すなわちマイクロ波を反射するファン動翼が設けられており、このような回転体に対してステルス性を付加することに困難を伴うからである。

そこで、特許文献１においては、ステルス性を要求される戦闘機等の航空機に好適なステルス性を付与するジェットエンジンが提案されている。
この提案に係るジェットエンジンは、ジェットエンジンの軸部とケーシングとの間に設けられるストラットにレーダーブロッカーの機能を持たせたものである。このストラットは、特許文献１の図２（断面図）に示すように、ジェットエンジンの軸線方向における断面形状が変曲点を挟んで反対方向に緩やかに湾曲すると共に、変曲点が後端側（稼動カイドベーン側）に偏った位置に設定された略Ｓ字状の形状を持つ。このような形状のストラットは、吸入口（上流側）から吸入した空気を変曲点に先行する湾曲部で増速させ、変曲点に後続する湾曲部で減速させるという作用を奏する。

上記構成からなるジェットエンジンは、そのジェットエンジンを吸入口側から見たとき、曲面壁で構成されストラットは、ジェットエンジンの軸部を中心として放射状に、かつ、互いに所定の等間隔を保って複数個設けられている。したがって、ストラット間に進入したマイクロ波は、一方のストラットの曲面壁に衝突して進行方向が変更されて他方のストラット曲面壁に衝突し、その衝突したマイクロ波は再び一方のストラットの曲面壁に衝突することとなる。ストラット間に進入したマイクロ波は、このような衝突が何度も繰り返されて拡散及び減衰され、ファン動翼へ達することが阻止される。
このため、この提案に係るジェットエンジンは、吸入口から進入したマイクロ波がファン動翼によって反射されることがなく、マイクロ波の反射波がマイクロ波の発生源に到達することが無くなり、ステルス性を効果的に高めることができる。

特開２００４−１３７９５０号公報

ところで、上記ストラットでは、第１の湾曲部の表面における流速（増速された流速）と第２の湾曲部の表面における速度（減速された流速）との比率（減速率）が大きいとエンジン性能が低下する、例えば第２の湾曲部の表面において空気の剥離現象が発生してエンジン効率が低下することが知られている。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ストラット表面における空気の減速率を従来よりも低下させ、以ってエンジン性能の低下を抑制することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、ファン動翼の上流側においてケーシングとファン動翼が固定される軸部との間に差し渡すように所定間隔で放射状に設けられる複数のストラットを備えるジェットエンジンであって、ストラットは変曲点を挟んで上流側と下流側とで反対方向に湾曲する形状を備え、変曲点は軸部の軸線方向におけるストラットの長さの中点に、あるいは当該中点から上流側に位置設定されていることを特徴とする。

このような特徴点を有する本発明によれば、変曲点が軸部の軸線方向におけるストラットの長さの中点に、あるいは当該中点から上流側に位置設定されているので、変曲点が上記中点から下流側（稼動カイドベーン側）に設定された従来のストラットとの比較においてストラットの表面における空気の減速率が低下する。
また、上述する形状に設定されたストラットが軸部との間に差し渡すように所定間隔で放射状に複数設けられるので、上流側からストラットに進入したマイクロ波は、一方のストラットに衝突して進行方向が変更されて隣り合うストラットに衝突し、このような衝突が何度も繰り返されることにより拡散及び減衰される。

したがって、本発明によれば、表面における空気の減速率が従来のストラットよりも小さいので、エンジン性能の低下、例えばストラットの表面において空気の剥離現象が発生してエンジン効率が低下することを従来よりも抑制することができる。
また、従来と同様にマイクロ波の反射を抑制することができるので、ステルス性を効果的に高めることができる。

本発明の一実施形態に係るターボファンエンジンの吸入口側の上半分の断面図である。 ストラット間に進入したマイクロ波の拡散及び減衰状態を示す、図１のＡ−Ａ線断面図に相当する説明図である。 本発明の一実施の形態に係るターボファンエンジンのストラット及び可変ガイドベーン部分の説明図である。 （ａ）が本発明の一実施の形態に係るターボファンエンジンのストラット及び可変ガイドベーン部分の等マッハ数線図であり、（ｂ）が翼面マッハ数を示すグラフである。 （ａ）が従来のターボファンエンジンのストラット及び可変ガイドベーン部分の等マッハ数線図であり、（ｂ）が翼面マッハ数を示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明に係るジェットエンジンの一実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態に係るターボファンエンジン（ジェットエンジン）の吸入口側の上半分の断面図である。また、図２は、図１のＡ−Ａ線断面図に相当する説明図である。
そして、図１に示すように、本実施形態のターボファンエンジンは、ストラット１と、軸部２と、ケーシング３と、可変ガイドベーン４と、ファン動翼５と、ファン静翼６とを備えている。

ストラット１は、扁平な金属製の板材で構成され、ファン動翼５の上流側においてターボファンエンジンの軸部２とケーシング３との間に差し渡すように設けられている。図１において、ストラット１は、図面を簡略化するために２個のストラットしか示されていないが、このストラット１は、ターボファンエンジンを吸入口側から見たとき（図１において左側から見たとき）、軸部２を中心として放射状に、かつ、互いに所定の等間隔を保って複数個設けられている。各ストラット１は、同一形状であるので、図１の軸部２の中心軸線Ｏ−Ｏ近くに設けられているストラット１を用いてその形状について説明する。

ストラット１は、中心軸線Ｏ−Ｏの方向において変曲点Ｘを挟んで上流側と下流側とで反対方向に湾曲する略Ｓ字状の形状を備えている。すなわち、このようなストラット１は、上流側（吸入口）から吸入した空気を変曲点Ｘに先行する湾曲部で増速させ、変曲点Ｘに後続する湾曲部で減速させるという作用を奏する。また、このようなストラット１は、上流側から進入したマイクロ波の反射を抑制してステルス性を高めるためのものである。

また、上記変曲点Ｘは、中心軸線Ｏ−Ｏの方向におけるストラット１の長さＬの中点、つまりストラット１の先端部（上流側端部）から長さＬ／２に相当する位置よりも上流側に位置設定されている。このようなストラット１における変曲点Ｘの位置は、本実施形態の特徴点であり、上述した従来のストラットとの対比において最も異なる点である。なお、変曲点Ｘの位置は、ストラット１の長さＬの中点から上流側に限定されず、ストラット１の長さの中点、つまりストラット１の先端部（あるいは後端部）から長さＬ／２に相当する位置に位置していても良い。

変曲点Ｘの位置は、Ｌ／２より上流側に位置する方が、増速域直後に形成される減速域の減速率を低下させて気体の剥離を抑制する効果が高くなることが確認されているが、変曲点Ｘの位置が上流側に位置し過ぎると、ストラット１のマイクロ波の拡散及び減衰が損なわれるので、変曲点Ｘの位置は、Ｌ／２から少し上流側に位置した付近に設定される。

可変ガイドベーン４は、扁平な金属製の板材で構成されており、ストラット１の吸入口と反対側（図１において右側）に図示しない支軸を介して回動自在に設けられている。すなわち、この可変ガイドベーン４は、ストラット１の吸入口と反対側の端面の近くで、かつ、その端面辺に並行する支軸で回動自在に軸支されている。
このように、可変ガイドベーン４は回動するため、構造上、ストラット１と可変ガイドベーン４と接する箇所には、間隙、つまりスリットＳが存在し、このスリットＳにより、ストラット１の表側（図１においてストラット１の上側）と、ストラット１の裏側（図１においてストラット１の下側）とが連通状態となる。

ファン動翼５は、可変ガイドベーン４の後方の位置、すなわち、ストラット１と反対側の可変ガイドベーン４に隣接して設けられている。また、ファン静翼６は、そのファン動翼５の後方の位置、すなわち、可変ガイドベーン４と反対側のファン動翼５に隣接して設けられている。これら、ファン動翼５及びファン静翼６は、周知のターボファンエンジンのファン動翼及びファン静翼とそれぞれ同一構成及び同一作用であるので、これ以上の説明は省略する。

図２は、図１のＡ−Ａ線断面図に相当し、ここにはストラット１が３個示されている。すなわち、この図２は、図１のＡ−Ａ線断面図を展開し、３個のストラットを図示している。なお、この図２において、実線で示される可変ガイドベーン４は、可変ガイドベーン４が全開の状態、つまりターボファンエンジンの最高出力状態を示しており、また、鎖線で示される可変ガイドベーン４は、可変ガイドベーン４が実線位置から所定角度回動して閉じられた状態を示し、つまりターボファンエンジンが出力を低下させた状態を示している。

この図２を用いてターボファンエンジンの吸入口から進入したマイクロ波の拡散及び減衰作用について説明すると、マイクロ波は、図２の左側に鎖線の矢印で示されるように、左側からストラット１，１間に進入してくる。ストラット１，１間に進入したマイクロ波は、一方のストラット１の曲面壁に衝突して進行方向が変更されて他方のストラット１の曲面壁に衝突し、その衝突したマイクロ波は再び一方のストラットの曲面壁に衝突することとなる。ストラット１，１間に進入したマイクロ波は、このような衝突が何度も繰り返されて拡散及び減衰され、ファン動翼５へ達することが阻止される。

このため、このターボファンエンジンは、吸入口から進入したマイクロ波がファン動翼によって反射されることがなく、マイクロ波の反射波がマイクロ波の発生源に到達することが無くなり、ステルス性を効果的に高めることができる。

以下、図３，４の実験例及び図５の比較例を用いてさらに気体の剥離について説明する。図３は、一個のストラット１及び一個の可変ガイドベーン４に空気を流したときの気体の剥離状態を示し、このときのストラット１の変曲点Ｘは、上流側からＬ／２の位置に存在している。また、図３において、網掛けで示された範囲は、気体の剥離の生じやすい範囲を示している。

図４は、（ａ）が図３の一個のストラット１及び一個の可変ガイドベーン４に空気を流したときの等マッハ数線図であり、（ｂ）がストラット１及び可変ガイドベーン４の翼面マッハ数を示すグラフである。なお、図４（ｂ）においてＡがストラット１及び可変ガイドベーン４の表側の翼面マッハ数を示すグラフであり、Ｂがストラット１及び可変ガイドベーン４の裏側の翼面マッハ数を示すグラフである。また、図４（ｂ）のグラフにおいて横方向の位置は、図４（ａ）に示すストラット１及び可変ガイドベーン４の軸心Ｏ−Ｏ（図３参照）方向の位置に対応している。

また、図５は、（ａ）が一個の従来のストラット１’（変曲点Ｘが上流側からＬ／２よりも下流側の位置に存在しているストラット）及び一個の可変ガイドベーン４に気体を流したときの等マッハ数線図であり、（ｂ）がストラット１’及び可変ガイドベーン４の翼面マッハ数を示すグラフである。なお、図４（ｂ）においてＡがストラット１’及び可変ガイドベーン４の表側の翼面マッハ数を示すグラフであり、Ｂがストラット１’及び可変ガイドベーン４の裏側の翼面マッハ数を示すグラフである。また、図４（ｂ）のグラフにおいて横方向の位置は、図４（ａ）に示すストラット１’及び可変ガイドベーン４の軸心Ｏ−Ｏ方向の位置に対応している。

そして、図４のグラフＡが図５のグラフＡよりも緩い傾きであることから分かるように、本実施形態におけるストラット１及可変ガイドベーン４においては、表面における流速が滑らかに減速（すなわちゆっくりと減速）していることが分かり、気体の剥離状態が生じていないことが伺える。一方、従来のストラット１’及可変ガイドベーン４においては、表面における流速が急激に減速していることが分かり、気体の剥離状態が生じていることが伺える。

本実施形態に係るターボファンエンジンによれば、ストラット１の変曲点Ｘが上流側からＬ／２を含めてこれよりも上流側に存在しているので、ストラットの表面における空気の減速率を上述した従来（特許文献１）のストラットよりも低下させることができる。したがって、ストラットの表面における空気の剥離現象を抑制することが可能であり、よってエンジン性能（例えばエンジン効率）の低下を抑制することができる。

以上、本発明の一実施の形態について図面を参照して詳説したが、具体的な構成は、上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において設計変更等が可能である。

１……ストラット、２……軸部、３……ケーシング、４……可変ガイドベーン、５……ファン動翼、６……ファン静翼、Ｘ……変曲点、Ｃ……屈曲部、Ｓ……スリット

Claims (1)

1. ファン動翼の上流側においてケーシングと前記ファン動翼が固定される軸部との間に差し渡すように所定間隔で放射状に設けられる複数のストラットを備えるジェットエンジンであって、
   前記ストラットは、変曲点を挟んで上流側と下流側とで反対方向に湾曲する形状を備え、前記変曲点は、前記軸部の軸線方向における前記ストラットの長さの中点に、あるいは当該中点から上流側に位置設定されていることを特徴とするジェットエンジン。

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