JP2016501761A - アンダクテッド推力発生システムのアーキテクチャ - Google Patents

Abstract

アンダクテッド推力発生システムは、回転軸線を有する回転要素及び固定要素を有する。回転要素は、複数のブレードを含み、固定要素は、回転要素の作用を受、回転要素によって与えられるのとは逆向きの、作動流体の接線速度の変化を与えるように構成された構成される複数のベーンを有する。本システムは、回転要素及び固定要素の前方に入口を含む。前記ベーンは、前記回転軸線から遠位にシュラウドを含むことができる。前記ベーンは、航空機構造体に取り付けられることができる。【選択図】図１

Description

本明細書に記載された技術は、アンダクテッド推力発生システム、特にそのようなシステムのためのアーキテクチャに関する。「オープンロータ」ガスタービンエンジンに適用された場合、この技術は、特に有益である。

オープンロータ設計アーキテクチャを採用しているガスタービンエンジンが知られている。ターボファンエンジンは、中心部のガスタービンコアが、バイパスファンを駆動するという原理に基づいて動作し、バイパスファンは、エンジンのナセルと、エンジンコアとの間の、半径方向の位置に配置されている。オープンロータエンジンは、その代わりに、エンジンナセルの外側に配置された、バイパスファンを有するという原理に基づいて動作する。このため、より大きな体積の空気に作用できる、ターボファンエンジン用のファンブレードよりも大きなファンブレードを使用できるようになり、これにより、従来のエンジン設計全体の推進効率が向上する。

最適性能が、二重反転ロータ組立体によって設けられるファンを有する、オープンロータ設計に見られる。このロータ組立体のそれぞれは、エンジンナセルの外側に配置された、翼形ブレードの配列を保持している。本明細書で使用されるように、「二重反転関係」とは、第１及び第２ロータ組立体のブレードが、互いに対して対向する方向に回転するように配置されていることを意味する。通常、第１及び第２ロータ組立体のブレードは、共通の軸線を中心に、逆方向に回転するように配置されており、その軸線に沿って、軸方向に離れて配置されている。例えば、第１のロータ組立体及び第２のロータ組立体の各ブレードは、第１のロータ組立体のブレードが、軸線を中心に時計回りに回転するように構成され、第２のロータ組立体が、軸線を中心に反時計回りに回転するように構成されている状態で、同軸に取り付けられ、離れて配置されている（又はその逆）。外観については、オープンロータエンジンのファンブレードは、従来のターボプロップエンジンのプロペラブレードに似ている。

二重反転ロータ組立体を使用することには、２つのロータ組立体のそれぞれの翼形ブレードを、逆方向に駆動するために、出力タービンから動力を伝達することにおいて、技術的課題がある。

設計の複雑さを低減し、更に、大幅な重量及び長さの低減と共に二重反転推進設計と同等の推進効率のレベルもたらす、従来のバイパスファンに類似した、単一の回転プロペラ組立体を使用する、オープンロータ推進システムを提供することが望ましい。

欧州特許出願公開第２５６２０８２号明細書

アンダクテッド推力発生システムは、回転軸線を有する回転要素及び固定要素を有する。回転要素は、複数のブレードを含み、固定要素は、回転要素の作用を受け、回転要素によって与えられるのとは逆向きの、作動流体の接線速度の変化を与えるように構成される複数のベーンを有する。本システムは、回転要素及び固定要素の前方に入口を含む。

添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成しており、１つ以上の実施形態を示し、本記述と共に、これらの実施形態を説明する。

アンダクテッド推力発生システムの例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システム用の、例示的なベーン組立体の、別の実施形態の図である。 例示的な複合ギヤボックス構成を示す、アンダクテッド推力発生システムの例示的な実施形態の部分概略断面図である。 別の例示的なギヤボックス構成を示す、アンダクテッド推力発生システムの例示的な実施形態の部分概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 アンダクテッド推力発生システムの別の例示的な実施形態の概略断面図である。 図１４のアンダクテッド推力発生システムの入口構成を示す、図１４の線１５−１５に沿った概略断面図である。

以下の図面のすべてにおいて、図面に示された様々な実施形態を通して、同様の要素を指すためには、同様の参照数字が使用される。

図１は、アンダクテッド推力発生システム１０の例示的な実施形態の側断面図を示している。図１からわかるように、アンダクテッド推力発生システム１０は、オープンロータ推進システムの形態をとっており、プロペラ組立体として示される回転要素２０を有している。回転要素２０は、アンダクテッド推力発生システム１０の、中心長手方向軸線１１の周りに、翼形ブレード２１の配列を含む。ブレード２１は、中心線１１の周りに、典型的には均等に間隔を空けられた関係に配置されており、ブレード２１のそれぞれは、根元２３及び先端２４並びにこれらの間に規定されるスパンを有している。アンダクテッド推力発生システム１０は、ガス発生器４０及び低圧タービン５０を有するガスタービンエンジンを含む。左回り又は右回りのエンジン構成が、２１、３１、及び５０の翼形部を反転させることによって達成されてもよい。代替例として、任意の反転ギヤボックス５５（図３及び図４に示されるように低圧タービン５０内に若しくはその後ろに配置されるか、又は図３に示されるように出力ギヤボックス６０と組み合わされるか若しくは関連付けられる）は、共通のガス発生器及び低圧タービンが、特定の航空機用の設備に求められ得るような１対の対向回転エンジン組立体を実現するように、必要に応じてファンブレードを時計回り又は反時計回りに回転させるために（即ち、左回り又は右回りのいずれかの構成を実現するために）使用されることを可能にする。図１に示される実施形態におけるアンダクテッド推力発生システム１０はまた、一体駆動部（出力ギヤボックス）６０を含み、一体駆動部（出力ギヤボックス）６０は、低圧タービン５０と比べてプロペラ組立体の回転速度を低下させるためのギヤセットを含んでもよい。

アンダクテッド推力発生システム１０はまた、例示的な実施形態において、回転しない固定要素３０を含み、回転しない固定要素３０は、やはり中心長手方向軸線１１の周りに配置されたベーン３１の配列を含み、ブレード３１のそれぞれは、根元３３及び先端３４並びにこれらの間に規定されるスパンを有している。これらのベーンは、すべてが回転組立体から等距離には位置しないように配置されてもよい。かつ必要に応じて、（図２に示されるような）軸線１１から遠位に、環状シュラウド即ちダクト１００を含んでもよく、又はシュラウドなしであってもよい。これらのベーンは、固定フレームに取り付けられ、軸線１１に対して回転しないが、その軸線９０に関して及び／又はブレード２１に対してその向きを調整するための機構を含んでもよい。参照のために、図１には更に、矢印Ｆで示される前方向が示されており、また、この前方向により、システムの前方及び後方部分が規定される。図１に示されるように、回転要素２０は、「プラー（ｐｕｌｌｅｒ）」構成でガス発生器４０の前方に配置され、排気部８０は、固定要素３０の後方に設置される。

騒音削減の利益に加えて、図２に示されるダクト１００は、固定ベーン３１を結合し、１つの組立体にすることにより、固定ベーン３１の振動応答性及び構造的一体性に関する利益をもたらす。この組立体は、環状のリング、又は円周方向のセクタ、即ち、対形成ダブレット等の、２つ以上のベーン３１を連結する、環状のリングの各部分を形成するセグメントを形成している。ダクト１００により、ベーンのピッチを、必要に応じて変更できる場合がある。

開示されたファン概念によって生成されるノイズの、かなりの、おそらく主要な部分でさえある部分は、上流のブレード列によって生成された、伴流と乱流との間の相互作用と、下流のブレード列面での、相互作用の加速と、伴流と乱流の衝突とに関係している。固定ベーンを覆うように、シュラウドとして作用する部分的ダクトを導入することにより、ベーン表面で発生したノイズを遮蔽し、ファーフィールドに、効果的に無音域を作り出すことができ、これにより、騒音を全体的に減少させることができる。ダクトの軸方向の長さが長くなるにつれて、ダクトを通る音響放射の効率は、音響を遮断する現象によって、更に影響される。音響を遮断する現象は、ファーフィールドへの音響放射を制限するために、そのまま、従来の航空機エンジンに使用され得る。また、シュラウドの導入により、定期航空機に反射させるか、そうでなければ定期航空機と相互作用させて、音を減衰させるために、従来の航空機エンジンに対して、現在行われているように、音響処理を統合する機会を得ることができる。音響的に処理された表面を、固定ベーンの上流及び下流で、シュラウドの内側と、ハブ表面との両方に導入することにより、固定ベーンから生じる音波の多重反射が、実質的に減衰され得る。

動作中、回転ブレード２１は、軸線１１の周りを回転して、アンダクテッド推力発生システム１０を、したがって、それが関連する航空機を前方向Ｆへ推進させる推力を発生させるように、ギヤボックス６０を介して低圧タービンによって駆動される。

１組のブレード２１、及び１組のブレード３１のいずれか一方、又は両方が、ブレードが、互いから独立して、又は互いに関連して、ピッチ回転の軸線に対して、回転され得るように、ピッチ変更機構を組み込むことが望ましい場合がある。そのようなピッチ変化は、航空機着陸時のような特定の運転条件において有用であり得る、推力反転機能を提供することを含めて、様々な運転条件下で、推力及び／又はスワールの効果を変化させるために利用することができる。

ベーン３１のサイズ、形状、及び構成は、反作用するスワールを流体に与えるように形成され、これにより、両方の、ブレードの列より後方の下流方向において、流体のスワールの度合いは、大幅に低減される。このことは、誘導効率のレベルの上昇につながる。ブレード３１は、図１に示されるように、例えば、ブレード２１のスパンの５０％といった、ブレード２１よりも短いスパンを有してもよく、また、必要に応じて、ブレード２１より長いスパン、又は同じスパンを有してもよい。ベーン３１は、図１に示されるように、アンダクテッド推力発生システムに関連付けられた、航空機構造体に取り付けられてもよく、又は、翼、パイロン、若しくは胴体等の、別の航空機構造体に取り付けられてもよい。固定要素のベーン３１の数は、回転要素のブレード２１の数より、少なくても多くてもよく、又は同じであってもよい。通常は、２つより多い数、又は４つより多い数である。

図１に示される実施形態において、環状の３６０度の入口７０は、ファンブレード組立体２０と固定されたブレード組立体即ち固定ブレード組立体３０との間に配置され、固定要素３０の半径方向内側からガス発生器４０に進入する流入大気のための通路を形成している。そのような位置は、着氷性能の管理及び動作中に遭遇する可能性がある様々な物体及び物質からの入口７０の保護を含む様々な理由から好適であり得る。

図５は、回転要素２０及び固定要素３０の両方の前方かつ回転要素２０の半径方向内側にある入口７１の位置に関して図１の実施形態と異なる、ガスタービンエンジンの別の例示的な実施形態を示している。

図１及び図５は、両方とも、推力を発生させる回転要素２０がガス発生器４０の前方に配置される「プラー」構成と呼ばれ得るものを示している。一方、図６は、ガス発生器４０が回転要素２０の前方に配置される「プッシャ（ｐｕｓｈｅｒ）」構成の実施形態と呼ばれ得るものを示している。図５の実施形態と同様に、入口７１は、回転要素２０及び固定要素３０の両方の前方かつ回転要素２０の半径方向内側に配置される。排気部８０は、回転要素２０及び固定要素３０の両方の内側かつ後方に配置される。図６に示されるシステムはまた、固定要素３０が回転要素２０の前方に配置される構成を示している。

「プラー」又は「プッシャ」構成の選択は、目的の航空機用途の機体に対する取り付け方向の選択に合わせてなされてもよく、取り付け位置及び方向が、翼へ取り付ける、胴体へ取り付ける、又は尾部へ取り付ける構成のいずれであるかに応じて構造的又は機能的に好適なものもあり得る。

図７及び図８は、図６と同様の「プッシャ」の実施形態を示しているが、ここでは、排気部８０が、固定要素３０と回転要素２０との間に配置されている。これらの実施形態の両方において、回転要素２０は、固定要素３０の後方に配置されているが、図７及び図８は、図７の回転要素２０が、図８の実施形態に比べて比較的長いブレードを組み込んでいて、図７のブレードの根元２３が、固定要素３０から後方に流れる空気流より下方に引っ込められ、ガス発生器４０からの排気部が、回転要素２０の前縁に向けられている点で異なっている。図８の実施形態では、回転要素２０の長さは、固定要素３０及び排気部８０とほぼ同等であり、また、排気部８０は、回転要素２０と固定要素３０との間でより半径方向外側に向けられている。

図９、図１０、及び図１１は、他の例示的な、「プッシャ」構成の実施形態を示しており、これらにおいて、回転要素２０は、固定要素３０の前方に配置されているが、両方の要素は、ガス発生器４０の後方にある。図９の実施形態において、排気部８０は、回転要素２０及び固定要素３０の両方の後方に配置されている。図１０の実施形態において、排気部８０は、回転要素２０及び固定要素３０の両方の前方に配置されている。最後に、図１１の実施形態において、排気部８０は、回転要素２０と固定要素３０との間に配置されている。

図１２及び図１３は、ガス発生器４０、低圧タービン５０、及び回転要素２０の異なる配置を示している。図１２において、回転要素２０及びブースタ３００は、ブースタ３００に直接結合され、かつ減速装置６０を介して回転要素２０に連結された低圧タービン５０によって駆動される。高圧圧縮機３０１は、高圧タービン３０２によって直接駆動される。図１３において、回転要素２０は、減速装置６０を介して低圧タービン５０によって駆動され、ブースタ３０３は、中圧タービン３０６によって直接駆動され、高圧圧縮機３０４は、高圧タービン３０５によって駆動される。

図１５は、非軸対称の非環状の入口として図１４のアンダクテッド推力発生システムの入口構成を示す、図１４の線１５−１５に沿った概略断面図である。図示の構成において、入口７０は、半径方向に対置された１対の入口７２であって、それぞれコアに通じる１対の入口７２の形態をとっている。

動力源として使用されるガスタービン又は内燃機関は、圧縮工程に中間冷却要素を使用してもよい。同様に、ガスタービンエンジンは、出力タービンの下流に復熱装置を使用してもよい。

様々な実施形態において、回転要素２０を駆動する動力の供給源は、ジェット燃料又は液化天然ガスによって燃料供給されるガスタービンエンジン、電動機、内燃機関、又はどのような他の適切な、トルク及び動力の供給源であってもよく、また、回転要素２０に近接して配置されてもよいし、又は、分散動力モジュールシステム（ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｓｙｓｔｅｍ）等の適切に構成された伝動装置を用い、離れて配置されてもよい。

水平飛行を意図した従来の航空機用プラットフォームに使用するのに適した構成物に加えて、本明細書に記載された技術は、ヘリコプタ、ティルトロータの応用例、及び持ち上げ装置、並びに空中停止する装置にも使用され得る。

本発明の実施形態における前述の説明は、単なる例示の目的で提供されており、添付の特許請求の範囲に定義された、本発明の範囲を限定することを意図するものではない。

１０ アンダクテッド推力発生システム
１１ 中心長手方向軸線／軸線／中心線
２０ 回転要素／ファンブレード組立体
２１ ブレード
２３ 根元
２４ 先端
３０ 固定要素／固定ブレード組立体
３１ ブレード／ベーン
３３ 根元
３４ 先端
４０ ガス発生器
５０ 低圧タービン
５５ 反転ギヤボックス
６０ 一体駆動部、出力ギヤボックス、ギヤボックス／減速装置
７０、７１ 入口
７２ １対の入口
８０ 排気部
９０ 軸線
１００ シュラウド、ダクト
３００、３０３ ブースタ
３０１、３０４ 高圧圧縮機
３０２、３０５ 高圧タービン
３０６ 中圧タービン
Ｆ 前方向

Claims (34)

1. 回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、前記回転要素（２０）及び前記固定要素（３０）の前方にある入口（７１）とを備えるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
2. 前記回転要素（２０）が、回転軸線（１１）及び複数のブレード（２１）を有し、前記固定要素（３０）が、前記回転要素（２０）によって与えられるのとは逆向きの、空気の接線速度の変化を与えるように構成された複数のベーン（３１）を有する、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
3. 前記ベーン（３１）の少なくとも１つが、前記回転軸線（１１）から遠位にシュラウド（１００）を含む、請求項２に記載の推力発生システム（１０）。
4. 前記ベーン（３１）の少なくとも１つが、航空機構造体に取り付けられている、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
5. 前記固定要素（３０）が、２つを超える前記ベーン（３１）を含む、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
6. 前記固定要素（３０）が、４つを超える前記ベーン（３１）を含む、請求項５に記載の推力発生システム（１０）。
7. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、ティルトロータシステムである、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
8. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、ヘリコプタリフトシステムである、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
9. 前記回転要素（２０）が、トルク発生装置を介して駆動される、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
10. 前記トルク発生装置が、電動機、ガスタービン、ギヤ駆動システム、油圧モータ、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項９に記載の推力発生システム（１０）。
11. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、プロペラシステムである、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
12. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、オープンロータシステムである、請求項１に記載の推力発生システム（１０）。
13. 回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、前記回転要素（２０）と前記固定要素（３０）との間にある入口（７０）とを備え、前記入口（７０）が、前記固定要素（３０）の径方向内側を通過するアンダクテッド推力発生システム（１０）。
14. 前記回転要素（２０）が、回転軸線（１１）及び複数のブレード（２１）を有し、前記固定要素（３０）が、前記回転要素（２０）によって与えられるのとは逆向きの、空気の接線速度の変化を与えるように構成された複数のベーン（３１）を有する、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
15. 前記ベーン（３１）の少なくとも１つが、前記回転軸線（１１）から遠位にシュラウド（１００）を備える、請求項１４に記載の推力発生システム（１０）。
16. 前記ベーン（３１）の少なくとも１つが、航空機構造体に取り付けられている、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
17. 前記固定要素（３０）が、２つを超えるベーン（３１）を含む、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
18. 前記固定要素（３０）が、４つを超えるベーン（３１）を含む、請求項１７に記載の推力発生システム（１０）。
19. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、ティルトロータシステムである、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
20. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、ヘリコプタリフトシステムである、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
21. 前記回転要素（２０）が、トルク発生装置を介して駆動される、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
22. 前記トルク発生装置が、電動機、ガスタービン、ギヤ駆動システム、油圧モータ、及びそれらの組み合わせからなる群より選択される、請求項２１に記載の推力発生システム（１０）。
23. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、プロペラシステムである、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
24. 前記アンダクテッド推力発生システム（１０）が、オープンロータシステムである、請求項１３に記載の推力発生システム（１０）。
25. 回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、前記回転要素（２０）及び前記固定要素（３０）の後方にある非環状の入口（７２）とを備えるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
26. 前記回転要素（２０）が、回転軸線（１１）及び複数のブレード（２１）を有し、前記固定要素（３０）が、前記回転要素（２０）によって与えられるのとは逆向きの、空気の接線速度の変化を与えるように構成された複数のベーン（３１）を有する、請求項２５に記載の推力発生システム（１０）。
27. 回転要素（２０）及び固定要素（３０）を備え、前記回転要素（２０）が、前記回転要素（２０）及び前記固定要素（３０）の前方に配置された減速装置（６０）を介して駆動されるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
28. 回転要素（２０）及び後縁を有する固定要素（３０）を備え、前記回転要素（２０）が、前記回転要素（２０）と前記後縁との間に配置された減速装置（６０）を介して駆動されるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
29. 回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、前記回転要素（２０）及び前記固定要素（３０）の前方にある排気部（８０）とを備えるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
30. 回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、前記回転要素（２０）と前記固定要素（３０）との間にある排気部（８０）とを備えるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
31. 回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、前記回転要素（２０）及び前記固定要素（３０）の後方にある排気部（８０）とを備えるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
32. 複数の回転要素（２０）及び固定要素（３０）を備え、少なくとも１つの回転要素（２０）が、少なくとも１つの他の前記回転要素（２０）とは逆方向に回転し、前記固定要素（３０）のスパンが、前記回転要素（２０）のスパンの少なくとも２５％であるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
33. アンダクテッド推力発生システム（１０）であって、回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、ガスタービンエンジンとを備え、該ガスタービンエンジンが、コアと、ブースタ（３００）と、低圧タービン（５０）とを備え、前記回転要素（２０）及び前記ブースタ（３００）が、該ブースタ（３００）に直接結合され、かつ減速装置（６０）を介して前記回転要素（２０）に連結された前記低圧タービン（５０）によって駆動されるアンダクテッド推力発生システム（１０）。
34. アンダクテッド推力発生システム（１０）であって、回転要素（２０）と、固定要素（３０）と、コアを備えるガスタービンエンジンとを備え、前記コアが、中圧タービン（３０６）及びブースタ（３０３）を有し、前記回転要素（２０）が、減速装置（６０）を介して低圧タービン（５０）によって駆動され、前記ブースタ（３０３）が、該ブースタ（３０３）に直接結合された前記中圧タービン（３０６）を介して駆動されるアンダクテッド推力発生システム（１０）。