JP2019065834A - 超高バイパス比ダクテッド・ターボファンの流量制御法 - Google Patents

Abstract

【課題】 第一に超高バイパス比ダクテッド・ターボファンは、低速時に低圧圧縮機ＬＰＣがサージングするので、これを防ぐ。第二に巡航時のＢＰＲをファン直径を増さずに高める。第三に第一と第二の課題を同じ機構で解決し、複雑化を避ける。【解決手段】 圧縮機入口に可変入口案内翼ＶＩＧＶを設け、コアの排気ノズルを可変コアノズルＶＣＮとし、低速時にタービン入口温度ＴＩＴを下げＶＣＮを絞りＶＩＧＶを開いて、ファン回転数Ｎ１を下げた時コア流量を増すサイクルによりサージングを防ぎ、巡航時にＴＩＴを下げＶＣＮを開きＶＩＧＶを絞って、Ｎ１の低下を抑えてＮ２を下げ、ファン圧力比ＦＰＲ一定でＬＰＣ流量を減らすサイクルによりファン直径一定でＢＰＲを高める。【選択図】図２

Description

本発明は、ダクテッド・ターボファンを超高バイパス比化するための流量制御法である。

バイパス比に対する巡航時の燃費の傾向は、バイパス比の増加につれ燃費は減少する。Ｐ＆Ｗ社のＰＷ１１００Ｇ−ＪＭのバイパス比は１２：１、ＧＥ社のＣＦＭ ＬＥＡＰ―１Ａ及び１Ｃはバイパス比１１：１である。今や世界は高バイパス比ターボファンから超高バイパス比ターボファンの時代に入ろうとしており、より一層の対環境性の向上と燃料消費率低減のためターボファンエンジンの超高バイパス比化が世界の潮流となっている。

特願２０１６−２０５５４０

佐藤篤、今村蜜勇、藤村哲司著 「ＰＷ１１００Ｇ―ＪＭエンジン開発」ＩＨＩ技報 Ｖｏｌ．５３ Ｎｏ．４（２０１３）

ファン翼列がナセル内に収まったダクテッド・ターボファンは、バイパス比の増加につれ燃費は減少し続けるが、ファンケーシング寸法の増大に伴いナセル抵抗と重量がネックとなり、総合的に燃費最小になるバイパス比に至る。その先はダクト無しのプロップファンになるが、その境となるバイパス比はおよそ２０であると言われている。

しかし筆者が数多くのサイクル計算を積み重ねたところ、バイパス比１０と１２では計算の難易度が全く異なり、ダクテッド・ターボファンの超高バイパス比化を阻むサイクル上の阻害要因が存在する。従ってダクテッド・ターボファンとアンダクテッドファンの境となるバイパス比はもっとずっと低いことが分かった。

先ずダクテッド・ターボファン・エンジンの超高バイパス比化を妨げるサイクル上の要因を調べた計算例を示す。図１は地上静止と巡航で計算したファン（ＦＡＮ）、低圧圧縮機（ＬＰＣ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）、高圧圧縮機（ＨＰＣ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｏｍｐｒｅｓｓｏｒ）の作動状況である。巡航時の高度は１０ｋｍ、飛行マッハ数は０．８とした。図１例１のファンマップにおけるＳは海面上静止状態（ＳＬＳ：Ｓｅａ Ｌｅｖｅｌ Ｓｔａｔｉｃ）での設計点。Ｔは離陸、Ｃは巡航である。巡航定格におけるバイパス比を１２とし、設計点及び離陸定格は計算を容易にするためバイパス比を１１とした。

図１のファンマップ（例１、２）、ＬＰＣマップ（例３）、ＨＰＣマップ（例４）から超高バイパス比ダクテッド・ターボファンのサイクル特性を次のように述べることが出来る。
１）ファン前面面積が非常に大きくなるため、ファンマップにおいて離陸と巡航のファン 作動線が大きく離れる。
２）ファンノズル面積が大きいので、部分負荷でコア流量が非常に少なくなる。
３）例３から離陸における低回転では、ＬＰＣ作動線がサージラインに急接近するので、 サージ対策が不可欠になる。
以上からダクテッド・ターボファンの超高バイパス比化を阻むサイクル上の要因は、ＬＰＣのサージングであることが明らかである。

サージングを防ぐためにＬＰＣの作動線を移動する方法は二つある。抽気とコアノズルの可変化である。ギアードターボファンＰＷ１１００Ｇ―ＪＭはＬＰＣ出口全周にわたり開口する抽気口を備えている。しかしながら抽気は圧縮仕事の一部を無駄にする。そこで本発明はこれを用いず、可変コアノズル（ＶＣＮ：ｖａｒｉａｂｌｅ ｃｏｒｅ ｎｏｚｚｌｅ）を採用する。

図１から本発明が解決しようとする課題は、第一に高低両圧軸の回転数とコア流量を制御することにより低速におけるＬＰＣのサージングを回避し、ダクテッド・ターボファンの超高バイパス比化を可能にする。第二に、無闇にファン径を増せないなら、上空においてファン径一定でバイパス比を高め、燃料消費率（ＳＦＣ：Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｅｌ Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ）を低減する。第三に低速におけるサージング防止と、上空におけるファン直径一定でのバイパス比増加を同じ機構による流量制御法で実現する。

本発明の流量制御法を用いた超高バイパス比ダクテッド・ターボファンの概念図を図２例５に示す。その機構は、コアノズルを可変形状とし、ＨＰＣの入口に可変入口案内翼（ＶＩＧＶ：Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｉｎｌｅｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅ）を設けた可変サイクルエンジンである。尚、可変コアノズルは排気ダクトの出口面積を開閉する、或いはテールコーンを軸方向に出し入れする等、どのような方法でもよい。

図２の例５に示す本エンジンの機構は、特願２０１６−２０５５４０に示されているエンジンの機構と全く同じである。しかし流量制御法としての目的、作用、効果は全く異なる。つまり特許請求の対象となる熱力学サイクル上のコンセプトが全く異なる。特願２０１６−２０５５４０は旅客機の経済性と速さを兼ね合わせた最適巡航速度を高めることを目的とした流量制御法である。巡航定格推力でタービン入口温度（ＴＩＴ：Ｔｕｒｂｉｎｅ Ｉｎｌｅｔ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ）をより以上に高め高圧タービン（ＨＰＴ：Ｈｉｇｈ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｕｒｂｉｎｅ）への仕事の配分を増して、ＨＰＣ回転数Ｎ２を上昇させたとき、ＶＣＮを絞って低圧タービン（ＬＰＴ：Ｌｏｗ ＰｒｅｓｓｕｒｅＴｕｒｂｉｎｅ）の膨張仕事を減らしてファン回転数Ｎ１を下げ、ファン翼端で発生する衝撃波損失、及びファンデスクに掛かる遠心応力の増加を抑えて推力を増す流量制御法である。操作としては上空でＴＩＴを上げ、ＶＣＮを絞り、ＶＩＧＶを開くことにより、Ｎ１を高めることなくＮ２を高めて推力を増強する方法である。つまりバイパス比の高いターボファンの弱点であるＬＰＣのサージングに対する対策は考慮されていない。

それに対し本発明が解決しようとする課題は前述のように三つある。第一に地上における低回転でＬＰＣのサージングを防ぐ手段は、ＴＩＴを下げ、ＶＣＮを絞り、ＶＩＧＶを開くことにより、Ｎ２の低下を抑えてＮ１を下げる。この流量制御法により図２の例６に示すようにＬＰＣ作動線がチョーク側に寄り、サージが回避される。

第二に高空でファン直径一定のままバイパス比を高める方法は、ＴＩＴを下げ、ＶＣＮを広げ、ＶＩＧＶを絞ることによりＮ１を下げずにＮ２を降下させる。この流量制御法により図２の例７に示すようにＬＰＣ圧力比（ＬＰＲ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒａｔｉｏ）一定でＬＰＣ修正流量を減少させることができる。よって図２の例８に示すようにファン圧力比（ＦＰＲ：Ｆａｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒａｔｉｏ）一定でバイパス比を高めることが出来る。第三に第一の方法と第二の方法を同じ機構で、作動を逆に変化させることにより実現し、機構の複雑化、重量増、コストアップを回避する。

低速においてＬＰＣのサージングを防ぐためにＬＰＣ出口で抽気する方法は、圧縮したコア流量の一部を外気に捨てるので燃費が悪くなるのは必然である。これに対し本発明の第一の流量制御法は、抽気を行うのではなく、高低両圧軸の回転数とコア流れを制御することによってサージングを防げることを図２例６に示した。よってダクテッド・ターボファンの超高バイパス比化を促進することができる。

巡航時にＮ１の低下を抑えてＮ２を下げることができる本発明の第二の流量制御法は、図２の例８に示したようにＦＰＲ一定でバイパス比を高めることができるので、図３例９に示す如くＦＰＲ一定でＳＦＣを低減することができる。これを推力（離陸定格との比）とＳＦＣの関係で示すと図３例１０となる。例１０でトップクライムの推力比を２０％とし、クルーズの推力比を約１８％とすると、クルーズでのバイパス比はほぼ１３になり、ＳＦＣは５％改善される。また推力がより低下し、このサイクルのバイパス比が１４となった場合、ＶＩＧＶとＶＣＮが固定された従来型超高バイパス比ターボファンよりＳＦＣは約６．８％低減される。

図２例５に示す機構は、高圧軸と低圧軸の回転数の関係を２軸フリータービンの特性による拘束から解き放つ可変サイクルエンジンである。ところが実際には現在まで亜音速エンジンに可変サイクルは採用されていない。その理由は機構が複雑になり、重量、コスト、信頼性に問題が生じるデメリットの方が、可変サイクル化による燃費低減のメリットより大きいと考えられているからである。本発明の効果の第三は、第一の方法と第二の方法を同一の機構で、作動を逆に変化させることにより実現し、機構の複雑化、重量増、コストアップを回避することができることである。

発明を実施するための形態（作動説明）

低速時にＬＰＣのサージングを防ぐための作動をより詳しく説明する。低速運転の時にＶＣＮを絞るとコアノズル膨張比が増し、ＬＰＴの膨張比が減少する。図４例１１に示すようにコアノズルＡ７一定の場合よりＡ７を絞った場合の方がＬＰＴの仕事が減少する。従ってファン回転数Ｎ１が低下する。同時にＴＩＴを下げるとＨＰＣの作動点が下がる。図４の例１２はＨＰＣのＭＡＰを拡大し作動線を見やすくした図である。図からコアノズル固定の場合よりＶＣＮを絞った場合の方がＲＨＣの低下が少ない。つまりＶＣＮを絞るとＮ２低下が抑えられる。またＶＩＧＶを開くとコア流量が増す。Ｎ２の低下を抑えＮ１を下げてコア流量（ＬＰＣ流量）を増すと、図２例６に示したようにＬＰＣ作動線がサージラインから離れ、サーシングを防ぐことができる。

次にファン直径一定でバイパス比を高める作用についてより詳しく説明する。先ず図５例１３で、ＦＰＲ一定でＴＩＴを下げると図５例１４にあるようにＨＰＣ作動点が下がる。Ｎ１を下げずにＮ２を下げるのがこのサイクルの狙いだから、図５例１３でＴＩＴを下げてもＦＲＰを維持できればよいことになる。ＦＰＲを維持するためには、ＶＣＮを広げＶＩＧＶを絞る。図６タービン流量特性の例１５に示すようにＶＣＮを広げるとＬＰＣ膨張比が増す。このときＨＰＴ、ＬＰＴともにチョークしているので、例１６からＶＣＮ一定の場合と、ＶＣＮ面積を広げた場合で、ＨＰＴ膨張比は変わらない。従って図７例１７に示すようにＦＰＲ一定を維持できる。ただ例１７にあるようにファン修正流量が僅かに減少する。ファン修正流量が僅かでも減少すると、ファンノズル面積一定からコア流量が減少し、上に述べたようにＨＰＴ膨張比が同じでも、その膨張仕事は小さくなり図５例１４で示したようにＨＰＣ回転数Ｎ２が低下する。

このときＶＩＧＶを絞ると、ＬＰＣ出口の体積流量が減少し密度が高くなるので出口圧は低下せず維持され、図２例７に示したようにＬＰＲ一定でＬＰＣ修正流量が減少する。よってファン直径一定のままＢＰＲが高くなる。

超高バイパス比ダクテッド・ターボファンの離陸及び巡航時における圧縮機部作動図（例１及び例２はＦＡＮ作動マップ、例３はＬＰＣ作動マップ、例４はＨＰＣ作動マップ）。 本発明の概要を包括的に説明するための図（例５は本発明、超高バイパス比ダクテッド・ターボファンの概念図、例６はサージングを防ぐＬＰＣ作動説明図、例７はＬＰＲ一定で修正流量が減少するＬＰＣの作動説明図、例８はＦＰＲ一定でＢＰＲを高めるサイクルの説明図）。 巡航時にファン径一定でＢＰＲを増しＳＦＣを低減する本発明の効果を示す図（例９はＦＰＲとＳＦＣの関係、例１０は巡航における離陸定格との推力比とＳＦＣの関係）。 低速時にＬＰＣのサージを防ぐための低圧系（ＬＰＴ）と高圧系（ＨＰＣ）の作動（例１１はコアノズル面積Ａ７とＬＰＴの仕事の変化の関係、例１２はＨＰＣのマップを拡大した図）。 巡航時にファン径一定でＢＰＲを高める時のＴＩＴとＨＰＣの変化（図１３は上空でコアノズルを開き、ＦＰＲ一定でＴＩＴを下げた図、図１４はその時のＨＰＣの作動）。 巡航時にファン径一定でＢＰＲを高める際のタービン及びコアノズルの流量関係図（例１５はＬＰＴとコアノズルの流量関係図、例１６はタービン部流量関係図）。 巡航時にファン径一定でＢＰＲを高める際のファンの作動（図１７はファン作動マップ）。

ターボファンの超高バイパス比化を阻むサイクル上の要因は、低速におけるＬＰＣのサージングである。本発明はサイクルの可変化により、ファン回転数を下げた時コア流量を増やすことができるので、低速におけるＬＰＣサージングを防げる。その上、巡航時にＦＰＲ一定でコア流量を減らすことができるので、ファン直径一定のままＢＰＲを高め、ＳＦＣを低減することができる。以上から対環境性の向上と燃料消費節減という社会の要請に応えることができるので、産業上利用可能性が極めて高い。

ＦＡＮ ファン
ＬＰＣ 低圧圧縮機
ＨＰＣ 高圧圧縮機
ＣＯＭＢ 燃焼器
ＨＰＴ 高圧タービン
ＬＰＴ 低圧タービン
ＶＣＮ 可変ノズル
ＶＩＧＶ 可変入口案内翼
ＶＳＶ 可変静翼

Claims (1)

1. ダクテッド・ターボファンの高圧圧縮機（ＨＰＣ）入口に可変入口案内翼（ＶＩＧＶ）を設け、コアの排気ノズルを可変形状の可変コアノズル（ＶＣＮ）とし、低速時においてタービン入口温度（ＴＩＴ）を下げＶＣＮを絞りＶＩＧＶを開いて、ＨＰＣ回転数Ｎ２の低下を抑えて、ファン回転数Ｎ１を下げコア流量を増すサイクルを形成して、低速における低圧圧縮機（ＬＰＣ）のサージングを防ぐことを第一の特徴とし、巡航時において、ＴＩＴを下げＶＣＮを開きＶＩＧＶを絞って、Ｎ１の低下を抑えてＮ２を下げ、ファン圧力比（ＦＰＲ）一定で、ＬＰＣ流量を減らすサイクルを形成して、ファン直径一定のままバイパス比を高めることにより燃料消費率を低減することを第二の特徴とし、第一の特徴と第二の特徴を、同一の機構を逆に操作することにより実現して、機構の複雑化、重量増、コストアップを防ぐことを第三の特徴とする超高バイパス比ダクテッド・ターボファンの流量制御法。