JP2013130190A - ガスタービンエンジン - Google Patents

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Abstract

【課題】 ガスタービンエンジンの逆推力装置と一体化された可変ファンノズルを有するガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】 本発明の例示の一態様のガスタービンエンジン装置が、軸を中心として画定されたコアエンジンと、バイパス流を発生させるように、コアエンジンにより軸を中心として駆動されるファンと、バイパス流と連通する少なくとも一つの一体型機構と、を含む。バイパス流は、約6を上回るバイパス比を画定する。少なくとも一つの一体型機構は、可変面積ファンノズル(VAFN)と、逆推力装置と、を含むとともに、バイパス流を制御するための複数の位置を含む。
【選択図】図1

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ガスタービンエンジンの逆推力装置と一体化された可変ファンノズルを有するガスタービンエンジンに関する。
ガスタービンエンジンは周知であり、発電、および乗物(例えば、航空機)の推進力に利用される。一般的なガスタービンエンジンは、電力を発生させ、または乗物を推進するように、エンジンへの一次空気流を利用する圧縮機セクションと、燃焼セクションと、タービンセクションと、を含む。ガスタービンエンジンは一般に、ナセル等のハウジング内に取り付けられる。バイパス空気流が、ハウジングとエンジンとの間の通路を通して流れ、エンジンからアウトレットにおいて流出する。
現在、航空機などの乗物の前進運動を減速させるための逆推力を発生させるように、一般的な逆推力装置が使用されている。一般的な逆推力装置の一つの種類はナセルの後部付近に収容された可動ドアを利用する。航空機の着陸時の接地後、そのドアがバイパス空気流路内へと移動してバイパス空気流を径方向外側にカスケードまたはベントへと転向させて、航空機を減速させるように排出空気流を前方に導く。これは効果的であるが、この逆推力装置やその他の従来型の逆推力装置は逆推力のためだけの役割を果たし、非着陸状態の収容位置にあるときは、追加機能性を提供しない。高バイパス比のガスタービンエンジンの推進効率を向上させるべく可変面積ファンノズル(VAFN)を使用することが低圧比のファン設計に提案されている。VAFNの機能性を、共通の作動システムによって作動する逆推力装置のカスケード部の共通の組に統合することにより、複雑さや重量が著しく低減される。
本発明の例示の一態様のガスタービンエンジン装置が、軸を中心として画定されたコアエンジンと、バイパス流を発生させるように、コアエンジンにより軸を中心として駆動されるファンと、バイパス流と連通する少なくとも一つの一体型機構と、を含む。バイパス流は、約6を上回るバイパス比を画定する。少なくとも一つの一体型機構は、可変面積ファンノズル(VAFN)と、逆推力装置と、を含み、バイパス流を制御するための複数の位置を含む。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、一体型機構が展開位置にあるとき、バイパス流が外部環境と連通するように配される。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、一体型機構は、それが展開位置にあるときにバイパス流の外部環境との連通を可能にする、複数の開口部を含む。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、一体型機構は、複数の位置の間を移動するように設定された単一のアクチュエータを含む。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、逆推力装置が、収容位置と、バイパス流を逆推力方向に転向させる展開位置と、を有する。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、ギアシステムがコアエンジンによって駆動される。ファンはギアシステムによって駆動される。ギアシステムは、約2.3を上回るギア減速比を画定する。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、ギアシステムがコアエンジンによって駆動される。ファンはギアシステムによって駆動される。ギアシステムは、2.5を上回るギア減速比を画定する。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、コアエンジンが、約5を上回る圧力比を画定する低圧タービンを含む。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、コアエンジンが、5を上回る圧力比を画定する低圧タービンを含む。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、少なくとも一つの一体型機構が、ファンに亘る圧力比を変化させるように配置される。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、そのバイパス比は約10を上回る。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、そのバイパス比は10を上回る。
前述のガスタービンエンジン装置の実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、ギアシステムがコアエンジンによって駆動される。ファンは、2.5を上回るギア減速比を有するギアシステムによって駆動される。このギアシステムは、遊星ギアトレーンである。コアエンジンは、5を上回る圧力比を画定する低圧タービンを含む。
本発明の別の一例の態様のガスタービンエンジンが、軸を中心として画定されたコアエンジンと、バイパス流を発生させるように、コアエンジンにより軸を中心として駆動されるように連結されたファンと、バイパス流と連通する少なくとも一つの一体型機構と、を含む。コアエンジンは、約5を上回る圧力比を画定する少なくとも低圧タービンを含む。その少なくとも一つの一体型機構は、可変面積ファンノズル(VAFN)と、逆推力装置と、を含む。その一体型機構はまた、バイパス流を制御するための複数の位置を含む。一体型機構は、逆推力装置および可変面積ファンノズルと共通のセクションを含む。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、一体型機構は、複数の位置の間を移動するように設定された少なくとも一つのアクチュエータを含む。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、逆推力装置が、収容位置と、バイパス流を逆推力方向に転向させる展開位置と、を有する。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、共通のセクションが、複数の軸方向位置の間を移動可能であるとともに、バイパス流をガスタービンエンジンの外部環境へと到達させる流路を提供する複数の開口部を有する。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、ギアシステムが含まれる。コアエンジンがそのギアシステムを介してファンを駆動し、ギアシステムは、約2.3を上回るギア減速比を画定する。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、ギアシステムが含まれる。コアエンジンがそのギアシステムを介してファンを駆動し、ギアシステムは、2.5を上回るギア減速比を画定する。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、バイパス流が、約10を上回るバイパス比を画定する。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、バイパス流が、10を上回るバイパス比を画定する。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、逆推力装置が、収容位置と展開位置との間を移動可能なブロッカードアと、そのブロッカードアに連結された一端、および支持体に連結された反対端を有するリンクと、を含む。
前述のガスタービンエンジンの実施例のいずれかにおけるこれに限定しない更なる実施例では、ブロッカードアがT字状の断面を有するスロットを含み、このスロットがリンクを摺動可能に収容する。
本発明の様々な特徴および利点が以下の好適な実施例の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。
可変ファンノズルおよび逆推力装置が一体化された機構を有する一例のガスタービンエンジン装置の選択された部分を示す図。 逆推力のために露出されたカスケード部を有する一例のガスタービンエンジン装置の斜視図。 軸方向に移動可能なセクションを有する機構が閉位置にあることを示す概略図。 軸方向に移動可能なセクションが、ガスタービンエンジンからの排出流を変化させる中間位置にあることを示す概略図。 軸方向に移動可能なセクションが、逆推力を発生させる開位置にあることを示す概略図。 逆推力装置のブロッカードアを示す図。 図4に示す部分に一致するブロッカードアの一例のスロットを示す図。
図1は、亜音速で作動するように設計された航空機にとって一般的な、航空機のエンジンパイロン12から懸架された一例のガスタービンエンジン10の選択された部分の概略図を示す。ガスタービンエンジン10はエンジン中心線すなわち軸方向中心軸Aを中心として周方向に配置される。ガスタービンエンジン10は、ファン14と、低圧圧縮機16aと、高圧圧縮機16bと、燃焼セクション18と、低圧タービン20aと、高圧タービン20bと、を含む。当技術分野で周知のように、圧縮機16a,16b内で圧縮された空気が燃焼セクション18内で燃焼される燃料と混合されて、タービン20a,20b内で膨張される。タービン20a,20bがそれぞれロータ22,24(例えば、スプール)に回転するように連結されて、その膨張に応じて圧縮機16a,16bおよびファン14を回転させるように駆動する。この例では、ロータ22はまたギアトレーン24を介してファン14を駆動する。
エンジン10は好ましくは高バイパスギア構造(high−bypass geared architecture)の航空機エンジンである。これに限定しない開示の一実施例では、エンジン10のバイパス比は約6〜10を上回り、ギアトレーン22は、約2.3を超えるギア減速比を有する遊星歯車機構またはその他の歯車機構などの遊星(epicyclic)ギアトレーンであり、低圧タービン18は約5を超える圧力比を有する。図示の例では、ガスタービンエンジン10は高バイパスターボファン配列である。一例では、バイパス比は10を上回り、ファン14の直径は実質的に低圧圧縮機16aの直径よりも大きい。一例では、低圧タービン20aは、5を上回る圧力比を有する。ギアトレーン24は例えば星形ギアトレーンなどの遊星ギアトレーンであり、2.5を上回るギア減速比をもたらす。しかしながら、上記のパラメータは、検討される歯車付のターボファンエンジンの例示にすぎないことに留意されたい。換言すれば、本発明は他のエンジンにも適用可能である。
外側ハウジングであるナセル28(通常、ファンナセルとも呼ばれる)が、ファン14の周りに周方向に延在する。ファンバイパス流路32が、ナセル28と、概ね圧縮機16a,16bおよびタービン20a,20bを取り囲む内側ハウジングである内部カウル34と、の間に延在する。この例では、ガスタービンエンジン10は、ナセル28に連結された一体型機構30を含む。以下に詳述するようにこの一体型機構30は、可変ファンノズルと逆推力装置の機能を統合する。エンジンの特定の要求を満たすように任意の数の一体型機構30が用いられてもよい。例えば、2つの一体型機構30が用いられ、その各々がナセル28の各半円部分に配置される。
運転中、ファン14は、空気を、ガスタービンエンジン10内にコア流Cとして流入させるとともに、バイパス流路32内にバイパス空気流Dとして流入させる。バイパス空気流Dは、この例では、ナセル28の後部付近の一体型機構30に関連する後部排気口36を通流する排出流として排出される。コア流Cは、内部カウル34とテールコーン38との間の流路から排出される。
図1に示すガスタービンエンジン10では、高バイパス比により相当量の推力が排出流によってもたらされる。推力は、密度、速度、および面積の関数である。これらの一つ以上のパラメータが、提供される推力の量および方向を変化させ、または、航空機制御、ファン14の動作、バイパス流路32に関連するその他のコンポーネントの動作、またはガスタービンエンジン10の動作の状態を向上させるように操作される。例えば、後部排気口36の面積の効果的な低減により、バイパス流路32内の空気圧を上昇させ、それによりファン14に亘る圧力比を変化させる。
開示の例では、一体型機構30は、それらの一つ以上のパラメータを変化させるための、後部排気口36に関連する構造体を含む。しかしながら、構造的変化以外に、例えば、流れ境界層を変化させることにより、バイパス流または排出流が効果的に変化されうることを理解されたい。さらに、留意すべきは、後部排気口36の断面積を効果的に変化させることは、ナセル28の出口に近い物理的位置に限定するのではなく、任意の適切な手段によりバイパス流Dを変化させることを含む。
図2,3Aを参照すると、一体型機構30は、この例ではノズル40と、逆推力装置42と、を含む。ノズル40および逆推力装置は共通部分であるセクション44を含み、このセクションは中心線軸Aに関して複数の軸方向位置の間で移動可能である。この例では、セクション44はカスケード部46の周りに延在する中空のスリーブ状の構造である。この例ではナセル28内部にアクチュエータ48が取り付けられる。リンク50がカスケード部46を通して延在し、その一方の端部が各アクチュエータ48に周知のように連結されるとともにその反対端がセクション44に連結される。コントローラ49がアクチュエータ48と通信してセクション44を選択的に軸方向に移動させる。コントローラ49は、一体型機構30の制御のために設けられてもよく、ガスタービンエンジン10内の既存のエンジンコントローラに統合してもよく、またはその他の周知の航空機制御部またはエンジン制御部に組み込まれてもよい。代替的に、一つ以上のアクチュエータ48が周知の方法によりカスケード部46内に取り付けられる。
開示の例では、カスケード部46が、バイパス流路32と、ガスタービンエンジン10の外部環境との間に流路を提供する複数の開口部52すなわちベントを含む。開口部52は、例えばそれら開口部の間にエーロフォイル形状のベーンを有するといった、任意の周知の適切な形状に形成されうる。この例では、開口部52は、カスケード部46の周りに周方向の列に配置される。カスケード部46の前端付近の第1の組の開口部52aは、後方に角度が付けられるとともに、第1の組の開口部52aの後方の第2の組の開口部52bは、前方に角度が付けられる。セクション44の軸方向の移動が開口部52a、開口部52bまたはその両方を選択的に開放または露出させて、以下に詳述するように、排出流の補助的な流路を提供する。
図示の例では、第1の組の開口部52aの2つの周方向列と、第2の組の開口部52bの多数の周方向列と、を有する。一例では、第1の組の開口部52aの2つの周方向列は、以下に述べるように排出流を変化させるのに適している。しかしながら、排出流をより小さく変化させるまたはより大きく変化させるように、それぞれ、1つの周方向列または3つ以上の周方向列を用いてもよいことを理解されたい。
逆推力装置42は、収容位置(図3A)と、完全展開位置(図3C)と、を有するブロッカードア62を含む。ブロッカードア62は、セクション44と連結部63で回動可能に連結される。引棒64は、この例では、ブロッカードア62に摺動可能に連結された一端と、支持体すなわち内部カウル34に連結された反対端と、を含む。唯一つの引棒64を示すが、任意の適切な数の引棒64が用いられうることを理解されたい。
図4,5を参照すると、ブロッカードア62は、引棒64をこのブロッカードア62に摺動可能に連結するスロット66を有する。この例では、スロット66の形状は引棒64の端部を収容、保持するように適合される。例えば、スロット66はT字状であり、引棒64の端部は、ローラ、ベアリング、摩擦材料、または引棒64の端部をスロット66に沿って摺動させるその他の周知の適切な機構といった、横方向に延在する摺動部材68を含む。本明細書から、それらの特定の要求に応じた代替的な適切なスロット形状または摺動連結部が当業者にとって認識されるであろう。
作動時には、コントローラ49がアクチュエータ48に対し、セクション44を複数の軸方向位置の間で移動させるように選択的に命令を出して、排出流を変化させるまたは逆推力を提供する。図3Aは、セクション44がナセル28に対して密閉された第1の軸方向位置(すなわち、閉位置)を示す。閉位置では、排出流が後部排気口36を通して軸方向に流出するようにセクション44がカスケード部46を完全に覆う。
図3Bは、セクション44がナセル28から離間されてそれらの間に開口部を形成し、カスケード部46の一部を露出させる第2の軸方向位置を示す。第2の位置では、第1の組の開口部52aが露出されて排出流の補助的な流路を提供する。補助的な流路によりバイパス流路32からの排出流の出口に付加的な流路(すなわち、追加の効果的な断面流量範囲)がもたらされ、それにより排出流を変化させる。排出流の一部が第1の組の開口部52aを通流して後方へと導かれる。図示の例の後方角は中心線軸Aと平行ではないが、後方角の幾何学的成分(geometric component)は平行である。中心線軸Aに平行な排出流の幾何学的成分により、排出流によって生成される推力の一部を維持することができるという利点がもたらされる。
セクション44の第1の位置と第2の位置との間での移動時には、ブロッカードア62は収容位置に維持される。引棒64とスロット66との間の連結部により、空転移動の範囲が得られる。換言すれば、セクション44の移動が、ブロッカードア62を展開位置に移動させることなく、引棒64をブロッカードア62のスロット66に沿って摺動させる。
図3Cは、セクション44が第3の軸方向位置(すなわち、逆推力位置)にあることを示す。第2の位置を超えて第3の位置へとセクション44を移動させることにより、引棒64の端部をスロット66の端部70と係合させる。一旦係合すると、引棒64が、ブロッカードア62を、連結部63を中心としてバイパス流路32へと回動させる。ブロッカードア62は、排出流を中心線軸Aに関して径方向外側にカスケード部46に向けて転向させる。またセクション44の、第3の位置への移動により開口部52bが露出される。転向された排出流は第2の組の開口部52bに流入し、それにより排出流を前方へと転向させて逆推力を発生させる。
この例では、第1の組の開口部52aよりも多くの開口部52が第2の組の開口部52bに存在する。従って、第2の組の開口部52bを通流する排出流による逆推力が、第1の組の開口部52aから流れる後方への排出流による推力に打ち勝つ。
それにより開示の例の一体型機構30が、排出流を変化させる機能と逆推力機能とを統合する。一体型機構30がアクチュエータ48の単一の組またはシステムを利用することにより、排出流を変化させるための、そして、逆推力装置を展開させるための、個別のアクチュエータまたは個別の組のアクチュエータの必要性を排除する。開示の例のように単一のアクチュエータまたは単一の組のアクチュエータ48を用いることにより、ともすれば用いられる少なくとも幾つかのアクチュエータが不要となり、それによりガスタービンエンジン10の重量が低減され、燃料効率が向上される。
本発明の好適な実施例について記載したが、本発明の範囲内である程度の変更が行われうることが当業者にとって理解されるであろう。そのため、本発明の真の範囲および内容を画定するために以下の特許請求の範囲を検討すべきである。
10…ガスタービンエンジン
12…パイロン
14…ファン
16a…低圧圧縮機
16b…高圧圧縮機
18…燃焼セクション
20a…低圧タービン
20b…高圧タービン
22…ロータ
24…ギアトレーン
28…ナセル
30…一体型機構
32…ファンバイパス流路
34…内部カウル
36…後部排気口
38…テールコーン
A…エンジン中心線、軸方向中心軸
D…バイパス空気流

Claims (23)

  1. 軸を中心として画定されたコアエンジンと、
    6を上回るバイパス比を画定するバイパス流を発生させるように、前記コアエンジンにより前記軸を中心として駆動されるファンと、
    前記バイパス流と連通する少なくとも一つの一体型機構であって、可変面積ファンノズルと、逆推力装置と、を含むとともに、前記バイパス流を制御するための複数の位置を含んだ、一体型機構と、
    を備えたガスタービンエンジン。
  2. 前記一体型機構が展開位置にあるときに、前記バイパス流が外部環境と連通するように配置されることを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  3. 前記一体型機構は、前記展開位置にあるときに前記バイパス流の前記外部環境との連通を可能にする、複数の開口部を含むことを特徴とする請求項2に記載のガスタービンエンジン。
  4. 前記一体型機構は、前記複数の位置の間を移動するように設定された単一のアクチュエータを含むことを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  5. 前記逆推力装置が、収容位置と、前記バイパス流を逆推力方向に転向させる展開位置と、を有することを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  6. 前記コアエンジンによって駆動されるギアシステムをさらに備えるとともに、前記ファンが前記ギアシステムによって駆動され、前記ギアシステムは、約2.3を上回るギア減速比を画定することを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  7. 前記コアエンジンによって駆動されるギアシステムをさらに備えるとともに、前記ファンが前記ギアシステムによって駆動され、前記ギアシステムは、2.5を上回るギア減速比を画定することを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  8. 前記コアエンジンが、約5を上回る圧力比を画定する低圧タービンを含むことを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  9. 前記コアエンジンが、5を上回る圧力比を画定する低圧タービンを含むことを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  10. 前記少なくとも一つの一体型機構が、前記ファンに亘る圧力比を変化させるように配置されることを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  11. 前記バイパス比が約10を上回ることを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  12. 前記バイパス比が10を上回ることを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  13. 前記コアエンジンによって駆動されるギアシステムをさらに備えるとともに、前記ファンが、2.5を上回るギア減速比を有する前記ギアシステムによって駆動され、前記ギアシステムは、遊星ギアトレーンであり、前記コアエンジンが5を上回る圧力比を画定する低圧タービンを含むことを特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジン。
  14. 軸を中心として画定され、かつ、約5を上回る圧力比を画定する少なくとも低圧タービンを含んだコアエンジンと、
    バイパス流を発生させるように、前記コアエンジンにより前記軸を中心として駆動されるように連結されたファンと、
    前記バイパス流と連通する少なくとも一つの一体型機構であって、可変面積ファンノズルと、逆推力装置と、を含むとともに、前記バイパス流を制御するための複数の位置を含み、かつ、前記逆推力装置および前記可変面積ファンノズルと共通のセクションを含んだ、少なくとも一つの一体型機構と、
    を備えたガスタービンエンジン。
  15. 前記一体型機構は、前記複数の位置の間を移動するように設定された少なくとも一つのアクチュエータを含むことを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  16. 前記逆推力装置が、収容位置と、前記バイパス流を逆推力方向に転向させる展開位置と、を有することを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  17. 前記共通のセクションが、複数の軸方向位置の間を移動可能であるとともに、前記バイパス流を前記ガスタービンエンジンの外部環境へと到達させる流路を提供する複数の開口部を有することを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  18. ギアシステムをさらに備えるとともに、前記コアエンジンが該ギアシステムを介して前記ファンを駆動し、前記ギアシステムは、約2.3を上回るギア減速比を画定することを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  19. ギアシステムをさらに備えるとともに、前記コアエンジンが該ギアシステムを介して前記ファンを駆動し、前記ギアシステムは、2.5を上回るギア減速比を画定することを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  20. 前記バイパス流が、約10を上回るバイパス比を画定することを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  21. 前記バイパス流が、10を上回るバイパス比を画定することを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  22. 前記逆推力装置が、収容位置と展開位置との間を移動可能なブロッカードアと、前記ブロッカードアに連結された一端と支持体に連結された反対端とを有するリンクと、を含むことを特徴とする請求項14に記載のガスタービンエンジン。
  23. 前記ブロッカードアがT字状の断面を有するスロットを含み、前記スロットが前記リンクを摺動可能に収容することを特徴とする請求項22に記載のガスタービンエンジン。
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