JP2544087B2 - ガスタ―ビンエンジン用の熱シ―ルド及び支持構造アセンブリ、並びにガスタ―ビンエンジン排気ノズル用のダイバ―ジェント・シ―ル - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、航空機ガスタービンエ
ンジン・ノズルに関し、特に、このようなノズルのダイ
バージェント・シール用の取り外し可能なベース板（プ
レート）に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガスタービンエンジンは、高速のガス流
を排気ノズルから噴出することにより反動スラストを生
成する。空気をエンジンに取り込み、圧縮機セクション
で圧縮し、燃料を圧縮空気に添加し、少なくともその一
部を燃焼器セクションで燃焼させ、次いで高熱ガスをタ
ービンセクションで膨張させる。生成されたエネルギの
一部を抽出して、圧縮機セクションを駆動する。しばし
ば、特に軍用エンジンの場合には、タービン流出ガスを
追加の燃料と混合し、アフタ・バーナで２度目の燃焼を
行い、その後、排気ノズルで膨張させ、これにより、ガ
ス流に残っている使用可能なエネルギを高速流れに転換
して、推進パワー用のスラストを生成する。エンジンが
発現するスラストは、数百ポンドから数千ポンドまでに
及ぶ。

【０００３】代表的な航空機ガスタービンエンジンに
は、コンバージェント・ノズルを有している高圧収束
（コンバージング）−発散（ダイバージング）排気ノズ
ルが使用されており、このコンバージェント・ノズル
は、フラップとシールとを排気セクションの周りに円周
方向に交互に装着した構成である。ノズルのこのコンバ
ージェント部は代表的には、排気ガスが流れる断面積を
調節自在に減少させることができ、その後端に可変面積
ノズルスロートを形成している。対応するダイバージェ
ント・ノズルのフラップとシールとが、コンバージェン
ト・ノズルフラップのすぐ後ろに同様な態様で装着され
ており、そこにヒンジ装着されている。本発明の適用対
象の１つに、最新の軸対称なベクタリング・ノズル（ax
isymmetric vectoring nozzle （ＡＶＥＮ（商標）ノズ
ル））がある。このノズルでは、コンバージェント・フ
ラップとダイバージェント・フラップとが、ノズルの排
気流及びスラストの方向を変換するように、玉継手等の
ユニバーサル継手で連結されている。その詳細について
は、本出願人に譲渡されたＨａｕｅｒの米国特許番号第
４９９４６６０号「軸対称なベクタリング排気ノズル」
を参照されたい。

【０００４】ダイバージェント・フラップは、排気ガス
が流れる出口面積を増加させる。ノズル形状は、アイド
ル速度及び巡航速度で燃料効率が最高になるように設定
されている。しかしながら、最大スラストが必要とされ
る離陸時及び飛行中の加速時には、ノズルをそれらに応
じて調節して、収束−発散ガス流通路をもたらすように
する。スロート及び出口の流れ通路面積の寸法を変え
て、航空機がルーチン運転で経験する種々の飛行速度及
び高度での流れ及び膨張要件に適合させている。

【０００５】フラップ及びシールは、形状が概して長方
形であって、幅が約３インチ〜６インチである。フラッ
プは、枢軸点の周りで枢動して、エンジンの長さ方向に
延在している中心線に対して近付いたり離れたりするよ
うに装着されている。各組のフラップは移動時に、ファ
ン（扇）状に広がっている。シールは、フラップと同様
の構成であって、代表的には、隣接しているノズルフラ
ップの間に配置されている。シールは、フラップに対し
て横方向に且つフラップの間で移動するように装着され
ており、フラップと共にガス流を所望の態様で導く概し
て連続な内面を形成している。すべての排気フラップ
は、フラップ及びシールの裏側で種々のセンタリング及
び保持装置に作動連結されており、ノズルのスロート対
出口面積比を制御するために用いられている、又、ＡＶ
ＥＮ（商標）ノズルの場合には、ノズルのスラストを方
向転換するために用いられている作動（アクチュエイテ
ィング）装置に応答して、同時に一緒に動くようになっ
ている。

【０００６】通常のノズルフラップ又はシールは、構成
要素を溶接した分離不能なアセンブリである。フラップ
又はシールの概して長方形の底部又は表側は、内向きで
あり、このため、温度が約１２００°Ｃにも及ぶことの
あるエンジンの高熱排気ガスに直接さらされる。フラッ
プ又はシールの裏側も、表側よりは著しく低いが、例え
ば約４００°Ｃまでの高い温度を受ける。使用中にフラ
ップが経験する極端な過渡及び定常状態温度サイクルに
より、底部には大きな熱応力が生じ、最終的に亀裂が生
じる。シール又はフラップの表側がこのような高温にさ
らされることにより生じる熱応力のため、表側は反り、
構造的に劣化するので、ノズルシール又はフラップを定
期的に交換する必要がある。痛んだハードウェアの交換
は、経費のかかる停止時間と交換部品とを伴う。完全な
フラップ又はシールをその連結部材や取り付け点から取
り外し、交換部品を装着しなければならないからであ
る。

【０００７】この問題に対する１つの解決策が、本出願
人に譲渡された、本発明者の米国特許番号第５０００３
８６号「排気フラップ」に開示されている。ガスタービ
ンエンジン内に装着する排気フラップは、細長いフレー
ムと、このフレームに着脱自在に装着されており、表側
を画定しているベース板と、保持（リテイナ）手段とを
備えている。ベース板の寸法は、ベース板がフレームに
取り付けられた長さ方向に延在している受け入れチャン
ネル又はスロットに滑り込み、フラップの底部を実質的
に覆い、剛固な底面、即ち表側を形成するのに十分な寸
法である。フレームに取り付けられている軸線方向リテ
イナ手段は、ベース板を所定位置にしっかり保持してい
るが、フレームから簡単に取り外すことができ、ベース
板をフレームのチャンネルから滑り出させることによ
り、ベース板を交換することができる。損傷したフラッ
プを交換するのにかかるメインテナンス時間及び費用
は、損傷がベース板に限定されていれば、著しく軽減さ
れる。フラップのベース板は、排気フラップをエンジン
に装着した状態で、単にリテイナ手段を取り外し、損傷
したベース板を取り外し、このベース板を新しいベース
板と取り替えることにより、簡単に交換することができ
る。エンジンからフラップ全体を完全に分解する事態は
回避される。

【０００８】米国特許番号第５０００３８６号のフラッ
プの他の特徴及び利点は、フレームが、ベース板が浮遊
するのを許容し、ベース板の熱膨張を主フラップ構造
（しばしばバックボーンと称される）の構造的制約から
隔離することである。しかしながら、このような設計
は、シールと併用するように改変することが容易ではな
い。フラップベース板の高温暴露は、フラップベース板
の長さ方向に延在している側端までは及ばない。ベース
板はシールで遮蔽されているからである。一方、シール
側端は高温にさらされる。シールベース板の長さ方向に
延在している側端の間の幅方向膨張及び熱膨張によるベ
ース板の湾曲は、長さ方向に延在している従来設計のチ
ャンネル又はスロットによって抑制される。

【０００９】シール全体をエンジンから取り外す必要な
しに、容易に取り外すことのできる熱的に隔離された又
は浮遊型ベース板を有しているシール設計の必要性が実
証されたことに伴って、本発明者は、従来用いられてい
たものよりも改良された、航空機ガスタービンエンジン
ノズルに用いる排気シールアセンブリを開発した。この
シールアセンブリは、有効寿命を伸ばすと共に、ベース
板の交換が必要な時のメインテナンス時間を短縮する。

【００１０】

【発明の概要】本発明のガスタービンエンジン用の熱シ
ールド及び支持構造のアセンブリにおいては、支持構造
をエンジン内に装着したまま、熱シールドを取り外すこ
とができる。本発明の一実施例では、熱シールドは排気
ノズル・ダイバージェント・シールのベース板の形態を
採っているが、本発明は、他の熱シールド及びシールド
・サポート（支持）にも適用することができ、例えばベ
ース板の交換中にエンジン内に装着したままにとどめる
ことができる支持構造を有している排気ノズル・コンバ
ージェント・フラップ又はシールにも適用することがで
きる。

【００１１】本発明の更に具体的な実施例は、航空機ガ
スタービンエンジンの排気ノズルにおけるフラップ及び
シールに用いるための取り外し可能なベース板及び支持
構造のアセンブリを提供する。このアセンブリは、使用
寿命が長く、交換が容易である。本発明のベース板及び
支持構造アセンブリは、コンバージェント及びダイバー
ジェント・フラップと、コンバージェント及びダイバー
ジェント・シールとを含んでいる。ベース板及び支持構
造アセンブリは、ダイバージェント・シールに特に有用
であると共に、取り外し可能なベース板を有している。
ベース板には、その裏側に少なくとも１つ、好ましくは
２つのフックが設けられている。フックは、軸線方向に
向いている開口を有しており、開口は、好ましくは前向
き方向に開口している。フックは、支持構造のフレーム
上の幅方向に延在している表面と係合するように作動可
能である。

【００１２】支持構造は減衰又は予備荷重手段を含んで
おり、フレームに関して半径方向に弾性的な荷重をベー
ス板に加えて、機械的振動及びフラッタを抑制すると共
に減衰させる。一実施例では、ベース板は板金から構成
されており、減衰手段は、幅方向に延在しているアーム
の形態を成している。アームは、半径方向内方へバイア
スされていると共に、ベース板の裏側に係合して湾曲状
態に維持するように作動可能である。ベース板には、そ
の表側、即ち高熱の排気流に面している側に熱バリヤセ
ラミック被膜が設けられていてもよい。

【００１３】フックが支持構造から外れるのを防止する
ための軸線方向保持手段が設けられている。一実施例で
は、ラグがベース板の裏側から半径方向外方へ延在して
おり、フレーム上のクレビスに係合している。ボルト又
は他の締め付け手段が、ベース板をフレームに軸線方向
に保持するように、ラグ及びクレビスの合致した開口に
挿通して設けられている。

【００１４】本発明の主たる利点は、支持構造をエンジ
ン排気ノズル内に装着したままで、熱シールドを支持構
造から簡単に取り外し、交換できることである。本発明
の取り外し可能なベース板及び支持構造アセンブリで
は、ベース板における軸線方向及び円周方向の熱膨張が
拘束されないので、温度により誘起される応力が軽減す
るせいで、ベース板の使用寿命が長くなる。更に、エン
ジンを航空機に装着したままで損傷したベース板を簡単
に取り外し、交換することができるので、メインテナン
ス費用及び航空機休止時間が著しく減少し、このことは
現場では特に大きな利点となる。

【００１５】本発明の浮き（フローティング）ベース板
設計では、通常の設計よりも高い運転温度をとることが
でき、従って、ノズル効率が高まり、エンジンスラスト
及びパワーレベルが高まる。設計が簡単なことから、よ
り耐熱性の材料、例えば金属に比べて相対的に脆い、セ
ラミック母材（マトリクス）複合材料又はその他の耐熱
性非金属材料をベース板に用いることが可能になる。耐
熱性セラミック母材複合材料を用いることにより、従来
の設計に比べて重量の軽減を図ることができる。

【００１６】本発明の上述した構成、特徴、効果及び利
点を一層明瞭にするために、以下に本発明を図面に示す
実施例を参照しながら具体的に説明する。

【００１７】

【実施例】本発明の熱シールド及び支持構造の具体的な
例として、取り外し可能なベース板及び支持構造を示
す。即ち、ベース板（プレート）が、ガスタービンエン
ジンの排気ノズルにおいてダイバージェント・シールの
形態を成して取り外し自在に支持構造に装着されてい
る。本発明は、排気ノズルのコンバージェント（収束
形）及びダイバージェント（発散形）フラップ、並びに
コンバージェント・シールにも適用できるが、これらに
限定されるものではない。具体的に説明する目的上、ダ
イバージェント・シールを図面に示して、以下に詳しく
説明するが、前述したように本発明は、このような設計
に特に有効だからである。

【００１８】図１に、ガスタービンエンジン１０の排気
セクションの後方部を示す。この後方部は、エンジンの
中心線１６を取り囲んでいる環状ケーシング１２と、ケ
ーシング１２の半径方向内側の環状アフタバーナ・ライ
ナ１４とを有している。軸対称なコンバージェント／ダ
イバージェント・ノズル１８が、アフタバーナ・ライナ
１４の後方のケーシング１２の後端に配設されており、
ノズル１８は、前述したＨａｕｅｒの特許に開示された
ＡＶＥＮ（商標）ノズルに見られるような、可変スロー
ト及び出口面積型のノズルである。コンバージェント・
シール２０がダイバージェント・シール２２と概して摺
動自在なシール係合関係にあり、これら両シールは、ノ
ズル１８のスロート１９の周りで互いに枢動するように
作動可能である。ダイバージェント・シール２２は主と
して、円周方向に隣接しているフラップ（図示していな
い）によって支持されている。シール装着構造について
は、前述したＨａｕｅｒの特許、及び本出願人に譲渡さ
れたＷ．Ｃ．Ｌｉｐｐｍｅｉｅｒの米国特許番号第５０
７６４９６号「排気ノズルフラップシール」にもっと詳
しく説明されている。各ダイバージェント・シール２２
は、長さ方向に延在している支持構造２４を含んでお
り、支持構造２４には、取り外し可能なベース板２６が
装着されている。ベース板２６は、摺動可能な態様で装
着されており、浮き（フローティング）装着手段３０に
よって半径方向に固定されていると共に、軸線方向保持
手段３２によって軸線方向に固定されている。

【００１９】図２に、ダイバージェント・シール２２を
コンバージェント・シール２０と摺動可能な密封係合関
係にて詳しく示す。支持構造２４はフレーム３６を含ん
でいる。摺動可能な態様で装着されており、浮き装着手
段３０によって半径方向に固定されている取り外し可能
なベース板２６が、フレーム３６に装着されている。浮
き装着手段３０は、図３に詳しく示すように、複数のフ
ック４０、好ましくは図示のように２つのフック４０を
有していると共に、ベース板２６の裏側４２に配設され
ている。フック４０は、軸線方向に向いている開口４４
を有しており、開口４４は、好ましくは矢印Ｆで示すよ
うに前向き方向に開口している。フレーム３６が画定し
ているチャンネル５０内で、フック４０は、チャンネル
５０を幅方向に横断していると共にフレーム３６に取り
付けられているピン５２に係合するまで摺動可能であ
る。フレーム３６はピン５２を含めて、鋳造した一体の
部品であることが好ましく、ピン５２は、断面が長方形
のものとして示してあるが、円筒形等、他の適当な形状
としてもよい。

【００２０】再び図２において、ベース板２６は軸線方
向保持手段３２によってフレーム３６に軸線方向に固定
されており、フック４０がピン５２から軸線方向に外れ
るのを防止する。ここに例示した保持手段３２は、ベー
ス板２６の裏側４２から半径方向に延在しているラグ６
０を含んでいる。ラグ６０は、第１の開口６２を有して
いると共に、クレビス６４内に同延配設されている。ク
レビス６４は、第２の開口６６を有している２つのアー
ム６５を有している。ベース板２６が装着位置にあると
きに、第１の開口６２と第２の開口６６とは合致してお
り、そこにボルト７０を通し、ナット７２で固定する。

【００２１】ベース板２６はフレームアセンブリと同じ
金属で形成することができ、又はベース板２６は他の金
属又は耐熱性非金属材料から形成されていてもよい。例
えば、被覆若しくは非被覆炭素−炭素、又はセラミック
母材複合材料を用いてベース板を製造することができ
る。このような材料は、市販されており、耐熱性が良好
である。しかしながら、これらの材料は、成形や接合が
困難であり、他の制約もあるので、本支持構造のような
ノズル部品に適当ではない。シールが２部材型であるこ
とと、ベース板が本発明の支持構造アセンブリに対して
浮いていることとから、それぞれの部品をその部品の性
能要件に最適な材料から形成することが可能である。本
発明の排気フラップから得られる二次的な効果として、
「低視認性」材料（レーダによる探知を回避するために
レーダ波を吸収することのできる公知の材料）及び少し
脆い耐熱性材料で取り外し可能なベース板を作製又は被
覆することができる。

【００２２】図２において、本発明の好適な実施例は更
に、減衰手段を含んでいる。減衰手段は、横方向に延在
していると共に幾分半径方向内方に向けられている減衰
アーム７６が、フレーム３６から横方向に片持支持され
ているものとして示されている。減衰アーム７６は、振
動を減衰すると共にフラッタを制御するために、エンジ
ン運転中にベース板２６上に半径方向内向きの圧力を維
持するように構成されている。

【００２３】ノズルシールは、航空機のガスタービンエ
ンジンの排気ノズルセクションに配置されたときに、ア
クセス（接近）可能である。具体的には、ボルト７０
と、ナット７２とから成っている締め付け手段を簡単に
取り外す。この結果、ベース板２６を矢印Ａで示す後向
き方向へ滑らせることができ、フック４０がフレーム３
６のピン５２、従って支持構造２４から完全に外れるま
で、ベース板２６を滑らせる。交換用ベース板は、フッ
ク４０をチャンネル５０内に入れた状態で、その交換用
ベース板を前向き方向Ｆに滑らせることにより簡単に装
填できる。具体的には、フック４０は、ピン５２に係合
し、ピン５２によって固定されており、又、クレビスア
ーム６５の第２の開口６０がベース板２６のラグ６０の
第１の開口６２と合致するまで、ベース板を方向Ｆに滑
らせる。両方の開口を合致させることは、ベース板２６
を支持構造２４のピン５２、フレーム３６及び減衰アー
ム７６に対して適切に位置決めする整合手段となる。適
切な位置決めは、熱の関与する設計を考慮する上で重要
な長所である。次にボルト７０を第２の開口６６及び第
１の開口６２に挿入し、ナット７２をボルト７０にねじ
込み、保持手段３２を所定位置に固定する。分解及び組
み立てはすべて、エンジンを航空機内の所定位置に完全
に設置した状態で行うことができ、こうして、極めて望
ましい作業上の機能が得られる。

【００２４】尚、ダイバージェント・シール２２はコン
バージェント・シール２０に取り付けられておらず、シ
ールの支持は、後部ハンガ８０及び前部ハンガ８２によ
って示されるように、隣接しているダイバージェント・
フラップ（図示していない）に相互連結されている通常
のハンガによって行われている。ＡＶＥＮノズルには、
前述したＨａｕｅｒの特許に開示されたものと同様の機
能の、より適合型のハンガ又は保持手段を用いることが
有利である。

【００２５】本発明から得られる効果及び利点は、図面
を参照しながら具体的に説明したので、当業者に明らか
である。排気ノズルにおけるベース板、特にシールのベ
ース板は、最も過酷な高温暴露を受け、フラップ及びシ
ールの他の部品のいずれよりも前に損傷しがちである。
本発明によれば、どのベース板でも損傷したら、その損
傷したベース板を簡単に交換することができる。ノズル
フラップ又はシール全体を取り外す必要はなく、その代
わりに、締め付け手段を取り外し、損傷したベース板を
外し、新しいベース板を装填する。種々のフラップ及び
シール連結部材、並びに装着用取り付け部を外す必要は
ない。このことは、この時間を節約する特徴からメイン
テナンス費用を大幅に節減できることを意味する。

【００２６】更に、本発明の浮きベース板構成を用いる
ことにより、比較的脆い耐熱性セラミック、その他の非
金属材料を使用することができ、このことにより、高ス
ラスト・レベルのノズル、及びより高温で、従って、よ
り高効率で作動するノズルを用いることができる。セラ
ミック繊維を酸素阻止炭素母材又はセラミック母材複合
材料に埋設した被覆ベース板の好ましい例では、これら
の材料はいずれも、耐熱性が通常用いられる金属合金よ
りも優れているので、シールの有効寿命が更に長くな
る。又、このような好適なベース板を用いることによ
り、潜在的なエンジンの膨張も許容される。

【００２７】図面を参照しながら説明したコンバージェ
ント／ダイバージェント・ノズルシールは、本発明の好
適な実施例である。当業者であれば、自明な範囲の種々
の変更及び改変を加えることができる。当業者に自明の
ように、フック手段を支持構造に設け、フック係合要素
をベース板に設ける変更を行うことができる。本発明
は、コンバージェント及びダイバージェント・ノズルフ
ラップと、コンバージェント及びダイバージェント・ノ
ズルシールとを含んでいるあらゆる排気構成要素に適用
できることが理解できるはずである。特許請求の範囲
は、これらの変更例や改変例すべてを包含するものであ
る。ント・ノズルフラップと、コンバージェント及びダ
イバージェント・ノズルシールとを含んでいるあらゆる
排気構成要素に適用できることが理解できるはずであ
る。特許請求の範囲は、これらの変更例や改変例すべて
を包含するものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による取り外し可能なベース板及び支持
構造を有している排気ノズルが設けられている航空機ガ
スタービンエンジンの後端の一部を示す線図的断面図で
ある。

【図２】本発明の一実施例による図１に示すシールの取
り外し可能なベース板及び支持構造の斜視図である。

【図３】図１に示すフレーム及びベース板の一部の斜視
図であって、取り付け手段を詳細に示す図である。

【符号の説明】

１０ ガスタービンエンジン ２０ コンバージェント・シール ２２ ダイバージェント・シール ２４ 支持構造 ２６ ベース板 ３０ 浮き装着手段 ３２ 軸線方向保持手段 ３６ フレーム ４０ フック ５０ チャンネル ５２ ピン ６０ ラグ ６２ 第１の開口 ６４ クレビス ６５ アーム ６６ 第２の開口 ７０ ボルト ７６ 減衰アーム

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 中心線を有するガスタービンエンジン排
   気ノズル用のダイバージェント・シールであって、前記ガスタービンの中心線と同じ方向である 長さ方向に
   延在している取り外し可能なベース板と、 該ベース板を前記排気ノズル内に支持する支持構造と、 前記ベース板及び前記支持構造の一方に装着されてお
   り、長さ方向前方に向いた方向に開口している少なくと
   も１つのフックを含んでいるフック手段と、 前記ベース板及び前記支持構造の他方に、前記ベース板
   に関して幅方向に装着されているフック係合要素とを備
   えており、 前記ベース板及び前記支持構造は、前記フック係合要素
   と軸方向摺動係合関係にある前記フックにより、互いに
   取り外し可能に装着されているガスタービンエンジン排
   気ノズル用のダイバージェント・シール。
2. 【請求項２】 前記フックは、前記ベース板に装着され
   ており、前記フック係合要素は、前記支持構造に装着さ
   れている請求項１に記載のダイバージェント・シール。
3. 【請求項３】 前記支持構造は、長さ方向に延在してい
   るフレームを含んでおり、該フレームは、その中心を貫
   通しているチャンネルを有しており、 前記フック係合要素は、前記チャンネルを幅方向に横切
   って前記フレームに装着されている請求項２に記載のダ
   イバージェント・シール。
4. 【請求項４】 前記支持構造は、機械的振動及びフラッ
   タを抑制すると共に減衰するように、前記支持構造に関
   して半径方向に予備荷重を前記ベース板に加える減衰手
   段を含んでいる請求項１に記載のダイバージェント・シ
   ール。
5. 【請求項５】 前記支持構造は、軸線方向保持手段を含
   んでおり、 該手段は、 前記ベース板の半径方向外側から上向きに、前記フレー
   ム上のクレビスの少なくとも２つのアームの間に延在し
   ていると共に、第１の開口を有しているラグであって、
   前記少なくとも２つのアームは、前記第１の開口と位置
   合わせ可能な第２の開口を有している、ラグと、 前記第１及び第２の開口に挿通して設けられていると共
   にナットにより固定されているボルトを含んでいる締め
   付け手段とを含んでいる請求項１に記載のダイバージェ
   ント・シール。
6. 【請求項６】 前記ベース板は、金属合金及び非金属材
   料のいずれかと被膜とからなる熱シールドである請求項
   １に記載のダイバージェント・シール。