JP2010185363A - ターボファンエンジン - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン本体とは別に設けられた出力部における出力を向上させることができるターボファンエンジンを提供すること。
【解決手段】本発明に係るターボファンエンジン１では、高圧タービン１４と低圧タービン１５との間から分岐されたダクトＤが、エンジン本体部１０とは別に設けられたリフトファン部２０に接続されており、また、このダクトＤにはバルブ２５が設けられている。このバルブ２５によってダクトＤにガスが流れるよう調整することにより、燃焼器１３で燃焼した高温高圧の燃焼ガスが高圧タービン１４を通過した後、ダクトＤを流れてリフトファン部２０へ供給される。よって、リフトファン部２０へ供給されるガスは燃焼後の高温のガスであるため、航空機のリフトファン部２０における出力を向上させることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、ターボファンエンジンに関する。

従来、航空機等に用いられるターボファンエンジンとして、例えば特開２００３−２０６８０６号公報に記載されたターボファンエンジンがある。このターボファンエンジンでは、エンジン本体の圧縮機で圧縮された空気の一部を、エンジン本体とは分離して設けた出力部に供給することにより、この出力部にて例えば垂直離陸用の出力を得ている。

特開２００３−２０６８０６号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたターボファンエンジンでは、その出力部を駆動するための空気を圧縮機の出口から抽気しているため、出力部へ供給される空気の温度が低く、得られる出力が小さいという問題があった。

そこで本発明は、このような技術課題を解決するためになされたものであって、エンジン本体とは別に設けられた出力部における出力を向上させることができるターボファンエンジンを提供することを目的とする。

すなわち本発明に係るターボファンエンジンは、エンジン本体部に高圧タービンと低圧タービンとを有するターボファンエンジンであって、エンジン本体部とは別に設けられた出力部と、高圧タービンと低圧タービンとの間から分岐されて出力部へ接続されるガス流路と、ガス流路に設けられ、ガス流路を流れるガスの流量を調整する流量調整手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係るターボファンエンジンによれば、高圧タービンと低圧タービンとの間から分岐されたガス流路が、エンジン本体部とは別に設けられた出力部に接続されており、また、このガス流路には流量調整手段が設けられている。この流量調整手段によってガス流路にガスが流れるよう調整することにより、エンジン本体部で燃焼したガスが高圧タービンを通過した後、ガス流路を流れて出力部へ供給される。よって、出力部へ供給されるガスは燃焼後の高温のガスであるため、出力部における出力を向上させることができる。

また、本発明に係るターボファンエンジンは、航空機のエンジンとして用いられ、出力部は航空機のリフトファンであり、流量調整手段は、航空機の離陸時には、航空機の巡航時よりも開度を大きくすることが好ましい。

この発明によれば、航空機のリフトファンにおいて出力を向上させることができる。また、航空機の離陸時には、巡航時よりも流量調整手段の開度が大きくされてリフトファンへ供給されるガスの流量が増えるため、巡航速度が小さい状態でも揚力を得ることができ、短距離離陸や垂直離陸が可能となる。

また、本発明に係るターボファンエンジンにおいて、低圧タービンは、その前段に開閉可能な可変静翼を有し、可変静翼によって低圧タービンを流れるガスの流量を調整することが好ましい。

この発明によれば、低圧タービンの前段に設けられた可変静翼の開閉によって低圧タービンを流れるガスの流量を調整できるため、流量調整手段によるガス流路の流量調整と合わせて、エンジン本体部や出力部における出力をより好適に制御できる。

本発明に係るターボファンエンジンによれば、エンジン本体とは別に設けられた出力部における出力を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るターボファンエンジンを示す概略断面図である。 ターボファンエンジンの可変静翼及び動翼を示す図である。 図１に示すターボファンエンジンの離陸時の状態を示す図である。 図１に示すターボファンエンジンの巡航時の状態を示す図である。 他の実施形態に係るターボファンエンジンを示す概略断面図である。

以下、添付図面を参照して本発明の好適な実施形態について説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、実施形態に係るターボファンエンジンを示す概略断面図である。図１に示すように、ターボファンエンジン１は、航空機に搭載されてそのエンジンとして用いられるものであり、エンジン本体部１０と、リフトファン２０とを備えて構成されている。

エンジン本体部１０は、航空機の主翼に取り付けられて航空機の推力源となるものであり、フロントファン１１、高圧コンプレッサ１２、燃焼器１３、高圧タービン１４、低圧タービン１５、及び噴出ノズル１６を主要な構成要素として有している。高圧コンプレッサ１２、燃焼器１３、高圧タービン１４、及び低圧タービン１５は、エンジンケーシング１７の内部に取り付けられており、ガスタービンとしての機能を有している。

フロントファン１１は、エンジン本体部１０の前部に配置されており、エンジン本体部１０の後部に設けられた低圧タービン１５と低速軸１８により連結され、低圧タービン１５と共に回転可能な構成とされている。このフロントファン１１は、低圧タービン１５により駆動されて、その回転によって空気をエンジン本体部１０に取り込み、また、後方に排気することで推力を生じる機能を有している。

高圧コンプレッサ１２は、フロントファン１１の後方に配置された圧縮機であり、低圧タービン１５の前段に設けられた高圧タービン１４と、低速軸１８の周りに回転可能に配置された高速軸１９により連結され、高圧タービン１４と共に回転可能な構成とされている。この高圧コンプレッサ１２は、高圧タービン１４により駆動されて、エンジンケーシング１７内に流入した空気を圧縮し、その圧縮空気を後段の燃焼器１３へ供給する機能を有している。

燃焼器１３は、高圧コンプレッサ１２と高圧タービン１４との間に配置されており、燃料噴射部や燃焼室等を備えて構成されている。この燃焼器１３は、高圧コンプレッサ１２からの圧縮空気に燃料を混合させ、その混合気を燃焼させることにより、高温高圧の燃焼ガスを高圧タービン１４へ供給する機能を有している。

高圧タービン１４は、燃焼器１３の後段に配置された複数段のタービンであり、回転可能な本体の外周面上に、動翼としての高圧タービンロータ１４ａを備えている。また、エンジンケーシング１７の内側に、高圧タービンロータ１４ａに対応する静翼としての高圧タービンノズル１４ｂを備えている。この高圧タービン１４は、燃焼器１３から供給された高温高圧の燃焼ガスを導入し、その圧力により高圧タービンロータ１４ａが回転すると共に高速軸１９を回転させ、高圧コンプレッサ１２を駆動する機能を有している。

低圧タービン１５は、高圧タービン１４の後段に配置された複数段のタービンであり、回転可能な本体の外周面上に、動翼としての低圧タービンロータ１５ａを備えている。また、エンジンケーシング１７の内側に、低圧タービンロータ１５ａに対応する静翼としての低圧タービンノズル１５ｂを備えている。この低圧タービン１５は、高圧タービン１４から排出された高温の燃焼ガスを導入し、その圧力により低圧タービンロータ１５ａが回転すると共に低速軸１８を回転させ、フロントファン１１を駆動する機能を有している。

さらに、この低圧タービン１５は、その低圧タービンノズル１５ｂの最前段に、可変静翼を有している。図２には、低圧タービンノズル１５ｂの可変静翼１５ｂａ及び低圧タービンロータ１５ａを示している。図２に示すように、可変静翼１５ｂａは、回転軸１５ｂｃに対して所定の範囲を回動することにより、開閉可能とされている。

この可変静翼１５ｂａは、「開」の状態（図２の実線）では、低圧タービンノズル１５ｂと低圧タービンロータ１５ａとの間隙に、高圧タービン１４から排出された高温の燃焼ガスが流入することを許容する。また、「閉」の状態（図２の仮想線）では、低圧タービン１５のガス流路を閉じることによりその燃焼ガスの流入を遮断する。この可変静翼１５ｂａの開度は、適宜制御可能とされている。このように、可変静翼１５ｂａは、低圧タービン１５を流れる燃焼ガスの流量を調整する機能を有している。

図１に戻り、噴出ノズル１６は、エンジンケーシング１７の最後部に設けられた静翼であり、低圧タービン１５から排出された排気ガスを整流し、後方に向けて噴出する。

リフトファン部２０は、エンジン本体部１０とは別に設けられた出力部であり、ガス流路であるダクトＤによってエンジン本体部１０に接続されている。このリフトファン部２０は、例えば機体や主翼の下部等に取り付けられて、下方向に向けて空気を送ることにより、垂直方向の推力、すなわち揚力を生じるものである。リフトファン部２０は、リフトファン駆動タービン２１及びリフトファン２２を主要な構成要素として有している。これらは、リフトファンケーシング２３の内部に取り付けられている。

リフトファン駆動タービン２１は、回転可能な本体の外周面上に、動翼としてのリフトファン駆動タービンロータ２１ｂを備えている。また、リフトファンケーシング２３の内側に、リフトファン駆動タービンロータ２１ｂに対応する静翼としてのリフトファン駆動タービンノズル２１ａを備えている。このリフトファン駆動タービン２１は、ダクトＤを通してエンジン本体部１０から供給される燃焼ガスを導入し、その圧力によりリフトファン駆動タービンロータ２１ｂが回転することにより、リフトファン２２を駆動する機能を有している。

リフトファン２２は、リフトファン駆動タービン２１と共に回転可能に連結されている。このリフトファン２２は、リフトファン駆動タービン２１により駆動されて、その回転によって空気を下方に向けて排出することにより、揚力を生じる機能を有している。

ここで、エンジン本体部１０とリフトファン部２０とを接続するダクトＤの入口部Ｄａは、エンジン本体部１０の高圧タービン１４と低圧タービン１５との間の部分に設けられている。言い換えれば、ダクトＤは、高圧タービン１４と低圧タービン１５との間から分岐されて設けられている。さらに言い換えれば、ダクトＤは、低圧タービン１５をバイパスして設けられている。一方、ダクトＤの出口部Ｄｂは、リフトファン部２０のリフトファンケーシング２３内に挿入されている。

また、ダクトＤには、ダクトＤを流れる燃焼ガスの流量を調整する流量調整手段としてのバルブ２５が設けられている。このバルブ２５の開度は、適宜制御可能とされている。このバルブ２５は、ダクトＤを流れる燃焼ガスの流量を調整する機能を有している。

このようなリフトファン部２０では、バルブ２５を開けることにより、高圧タービン１４から排出された高温の燃焼ガスがダクトＤを通してリフトファン駆動タービン２１へ供給され、その圧力によりリフトファン駆動タービンロータ２１ｂが回転することにより、リフトファン２２が駆動され、揚力が発生する。

以上の構成を備えたターボファンエンジン１の動作について、以下に説明する。図３はターボファンエンジン１の離陸時の状態を、図４はターボファンエンジン１の巡航時の状態を示している。

まず、図３に示す離陸時の状態では、可変静翼１５ｂａを全閉とし、バルブ２５を全開とする。この状態でエンジン本体部１０を稼働させると、エンジン本体部１０は、燃焼器１３において燃料を燃焼し、高温高圧の燃焼ガスを高圧タービン１４へ供給する。なお、図３では、全閉状態である可変静翼１５ｂａは、黒く塗りつぶして示している。

高圧タービン１４は、燃焼器１３から供給された高温の燃焼ガスを導入し、高圧タービンロータ１４ａを回転すると共に高速軸１９を回転させ、高圧コンプレッサ１２を駆動する。高圧コンプレッサ１２は、高圧タービン１４により駆動されて、エンジンケーシング１７内に流入した空気を圧縮して燃焼器１３へ供給する。

一方、高圧タービン１４から排出された高温の燃焼ガスは、可変静翼１５ｂａが全閉とされているために低圧タービン１５へは流入せず、ダクトＤを通してリフトファン部２０のリフトファンケーシング２３内に流入する。この高温の燃焼ガスにより、リフトファン駆動タービン２１が回転すると共にリフトファン２２が回転し、機体を垂直方向に離陸させる揚力が発生する。この揚力によって、機体は垂直方向に離陸可能となる。

さらに、可変静翼１５ｂａを漸次開けると共に、バルブ２５は漸次閉じるように制御する。こうして、高圧タービン１４から排出された高温の燃焼ガスは、低圧タービン１５へも流入するようになり、低圧タービン１５が回転すると共にフロントファン１１が回転する。このフロントファン１１の回転によって、機体を前方に加速する推力が発生して巡航速度が増大すると共に、主翼における揚力も増大する。一方、リフトファン２２において発生する揚力は減少する。

そして、航空機が所定の高度に到達して図４に示す巡航状態となると、可変静翼１５ｂａは全開とし、バルブ２５は全閉とする。このようにすると、高圧タービン１４から排出された高温の燃焼ガスは低圧タービン１５へすべて流入し、フロントファン１１で発生する推力が増大する。なお、図４では、全閉状態であるバルブ２５は、黒く塗りつぶして示している。

また、この巡航時において航空機の推力を調整する場合、可変静翼１５ｂａの開度を適宜調整し、低圧タービン１５を流れる燃焼ガスの流量を調整することにより、低圧タービン１５及びフロントファン１１の回転を制御し、空力要素を高効率に維持して巡航することができ、燃費を改善できる。また、推力の損失を無くすことができる。

このように、本実施形態のターボファンエンジン１では、高圧タービン１４と低圧タービン１５との間から分岐されたダクトＤが、エンジン本体部１０とは別に設けられたリフトファン部２０に接続されており、また、このダクトＤにはバルブ２５が設けられている。このバルブ２５によってダクトＤにガスが流れるよう調整することにより、燃焼器１３で燃焼した高温高圧の燃焼ガスが高圧タービン１４を通過した後、ダクトＤを流れてリフトファン部２０へ供給される。よって、リフトファン部２０へ供給されるガスは燃焼後の高温のガスであるため、航空機のリフトファン部２０における出力を向上させることができる。

また、本実施形態のターボファンエンジン１では、バルブ２５は、航空機の離陸時には、航空機の巡航時よりも開度が大きくされる。これにより、航空機の離陸時には、巡航時よりもバルブ２５の開度が大きくされてリフトファン部２０へ供給される燃焼ガスの流量が増えるため、巡航速度が小さい状態でも揚力を得ることができ、短距離離陸や垂直離陸が可能となる。

また、上記作用効果に伴って、離陸時の滑走距離を短くすることができる。さらには、着陸時においても、着陸進入速度が速くなりすぎることを抑制できる。

また、本実施形態のターボファンエンジン１では、低圧タービン１５の前段に設けられた可変静翼１５ｂａの開閉によって低圧タービン１５を流れる燃焼ガスの流量を調整できるため、バルブ２５によるダクトＤの流量調整と合わせて、エンジン本体部１０やリフトファン部２０における出力をより好適に制御できる。

従来のリフトファンには、エンジン本体部１０のファンの排気をリフトファンへ導入することによりリフトファンでの出力を得るものもあった。しかしながら、このようなリフトファンでは、ファンの排気は圧力が低く、ダクトを流れる流体の体積が非常に大きいため、ダクトが極めて大きくなるという問題があった。本実施形態のターボファンエンジン１によれば、従来のリフトファンよりも高圧で体積の小さい燃焼ガスを利用するため、ダクトＤを小さくでき、ダクトＤの取り回しが容易になる。

以上、本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明に係るターボファンエンジンは、上記実施形態に限られるものではない。例えば、上記実施形態では、離陸時には可変静翼１５ｂａを全閉としバルブ２５を全開とする場合について説明したが、これらの開度は機体の状態に応じて適宜調整すればよく、例えば両方を半開としてフロントファン１１とリフトファン２２とを両方駆動してもよい。

また、上記実施形態では、航空機の機体や主翼の下部等にリフトファン部２０を設ける場合について説明したが、図５に示すように主翼の後部にフラップ型高揚力装置４０を設け、ダクトＤをフラップ型高揚力装置４０に接続することにより揚力を得てもよい。さらには、本発明の出力部は、揚力を生じるものに限られず、例えば姿勢制御用の出力部であってもよいし、フロントファンとは異なる飛行速度に最適化された別の推進用ファンであってもよい。

また、上記実施形態では、航空機のエンジンとして用いられる場合について説明したが、本発明のターボファンエンジンは他の輸送機器等に用いられてもよく、輸送機器以外の産業用として用いられてもよい。

１，３０…ターボファンエンジン、１０…エンジン本体部、１４…高圧タービン、１５…低圧タービン、１５ｂａ…可変静翼、２０…リフトファン部（出力部）、２５…バルブ（流量調整手段）、４０…フラップ型高揚力装置（出力部）、Ｄ…ダクト（ガス流路）。

Claims (3)

1. エンジン本体部に高圧タービンと低圧タービンとを有するターボファンエンジンであって、
   前記エンジン本体部とは別に設けられた出力部と、
   前記高圧タービンと低圧タービンとの間から分岐されて前記出力部へ接続されるガス流路と、
   前記ガス流路に設けられ、前記ガス流路を流れるガスの流量を調整する流量調整手段と、
   を備えることを特徴とするターボファンエンジン。
2. 航空機のエンジンとして用いられ、
   前記出力部は前記航空機のリフトファンであり、
   前記流量調整手段は、前記航空機の離陸時には、前記航空機の巡航時よりも開度を大きくする、
   請求項１記載のターボファンエンジン。
3. 前記低圧タービンは、その前段に開閉可能な可変静翼を有し、
   前記可変静翼によって前記低圧タービンを流れるガスの流量を調整する、
   請求項１又は２記載のターボファンエンジン。

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