JP4174131B2

JP4174131B2 - ターボファンエンジン

Info

Publication number: JP4174131B2
Application number: JP10317999A
Authority: JP
Inventors: 孝彦伊東; 秀夫武田
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP2000002155A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、亜音速で航行する航空機、特に旅客機に広く採用されているターボファンエンジンに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、亜音速で航行する航空機には、ターボファンエンジンが広く採用されており、このようなターボファンエンジンの中に、図９に示したものがある。
【０００３】
このターボファンエンジン１は、低圧タービン６を回転軸１０を介してファン９に直接つなぎファン９を回転させている。ファン９による空気流はバイパス流となってエンジンに推力を与えるほか、一部は低圧コンプレッサ１１、高圧コンプレッサ７により圧縮されて燃焼室３への流入空気となる。燃焼室３から吐き出される高温ガス流は高圧タービン５と低圧タービン６へ回転エネルギーを与え、さらに残存エネルギーはそのまま後方へ排出されエンジン推力の一部となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ターボファンエンジンにおいて、バイパス比をあげることによって性能向上ができるが、ファンの外径を大きくしてバイパス比を上げようとすると、ファンの周速が過大となり推進効率が低下する。一方、ファンの外径を大きくしたまま周速を下げると、ファンとタービンが回転軸を介して直接的に接続されているためタービン周速が過小となりタービン効率が低下するという問題が生じる。
【０００５】
そこで、ファンが連結される回転軸に遊星歯車減速機を設け、ファンを減速回転させる技術が提案されている。これによって、タービンの回転軸の回転数を下げずタービン効率を良好に維持したままファンの回転を減速し、ファン効率も良好にすることができるというものである。この場合、上記のような減速装置は、極めて軽量であることと、絶対的な信頼性が要求される。
【０００６】
しかしながら、材料の問題や微妙なバランスを実現できる構造設計を要することから、現在の歯車技術においては、この用途に使用可能な軽量かつ高信頼性の歯車は一部の小型エンジンでの実用にとどめ、大型エンジンにおいては未だ実用化されていない。さらに、歯車以外の機構でこの用途に適切な減速機構も現在までに実用に供するものはない。
【０００７】
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、複雑な歯車式減速機構を用いることなく、ファンと風車の組み合わせによるトルクコンバータ形式の流体減速装置を用いて、ファン効率やタービン効率を良好な状態に維持したままバイパス比を大幅に上げエンジン性能を向上させることのできるターボファンエンジンの提供をその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、この発明は、タービン部分に結合して回転するファンの後方に風車を回転自在に設け、ファンと風車の組み合わせによるトルクコンバータ形式の流体減速装置を形成するとともに、風車の外周側に、ファンの外径よりも大きな外径を有する低速ファンを延設し、ファンの回転で生じる空気流によって風車を減速回転させ、低速ファンの回転によって主なるバイパス推力を発生させ、且つ、風車および低速ファンを二重としそれぞれ逆回転させるという構成をとる。
【０００９】
このターボファンエンジンでは、ファンによる空気流は風車に回転エネルギーを与えた後一部はバイパス流に加えられエンジン推力に寄与するほか、一部は低圧コンプレッサおよび高圧コンプレッサにより圧縮されて燃焼室への流入空気となる。燃焼室から吐き出される高温ガス流は高圧タービンと低圧タービンへ回転エネルギーを与えた後残存エネルギーはそのまま後方へ排出されエンジン推力の一部となる。また、風車は、その外周に延設された低速ファンでの推進効率が最適になるように減速回転される。
【００１０】
ファンと風車からなる流体減速装置を通過する空気流と、低速ファンを通過する空気流を仕切るため、ファンと風車の外周部に筒状のダクトを設ける構造とする。
【００１１】
ファンと風車からなる流体減速装置でのエネルギー伝達効率を最適化するため、ファンと風車の双方またはそのいずれか一方が複数個設けられた、または風車の各段間に一段または複数段の静翼を設ける多段減速機を構成することもできる。また、風車および低速ファン効率を最適化するため、二重反転構成としている。
【００１２】
つぎに、この発明によるターボファンエンジンを図面を用いて説明する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の参考例によるターボファンエンジン２０を示している。このターボファンエンジン２０は、後部側は、図９に示したターボファンエンジン１と略同様の構成になっており、前部側に、ダクト２１を挟んで風車（エアータービン）２２と低速ファン２３が設けられている点が最大の特徴である。
以下、これを詳しく説明する。
【００１４】
回転軸３４を介して低圧タービン３３に直接的に接続されているファン３８は、低圧タービン３３の効率を良好に維持する回転数で回転される。このファン３８とその後方に回転自在に位置する風車２２はトルクコンバータをなし、ファン３８からの空気流は風車２２に回転トルクを与える。風車２２はその外周に延設された低速ファン２３の効率を最適化するように適当な回転数で減速回転する。従って、ファン３８と風車２２は減速装置をなしているともいえる。
【００１５】
ファン３８と風車２２からなる流体減速装置を通過する空気流と、低速ファン２３を通過する空気流を仕切るため、ファン３８と風車２２の外周部に筒状のダクト２１が設けられている。図１では、ダクト２１は風車２２に連結されているが、ファン３８またはカウル４２に連結する構造とすることもできる。
【００１６】
低速ファン２３からの旋回空気流は整流翼４４ｂで軸方向へと整流され、バイパス流となって主なるエンジン推力を与える。一方、ファン３８による空気流は風車２２に回転トルクを与えた後、一部はバイパス流となってエンジン推力に寄与するほか、一部は低圧コンプレッサ４６及び高圧コンプレッサ４７により圧縮されて燃焼室２５への流入空気となる。
【００１７】
ダクト２１の後方に接続はしないで連続的に位置する筒状の仕切４５と、仕切４５の後端部に可動的に付属する可動部４５ａが設けられている。可動部４５ａは、低速ファン２３からの空気流と風車２２からの空気流の干渉による損失を防止するように調節される。すなわち、風車２２を通過してバイパス流に加えられる空気速度を低速ファン２３によるバイパス流速に近づけるように調節される。
【００１８】
図１のターボファンエンジン２０を図９のターボファンエンジン１と同様に簡略化した図を図２に示す。この図２のＡ−Ａ’面におけるファン３８，風車２２および整流翼４４ａの各前縁１、３、５および各後縁２、４，６における流体の速度三角形を図３に示す。また、図２のＢ−Ｂ’面における低速ファン２３および整流翼４４ｂの各前縁j_１、j_３および各後縁j_２、ｊ_４におけるによる流体の速度三角形を図４に示す。
【００１９】
図３を用いて速度三角形を説明する。ファン３８は周速Ｕ_１、Ｕ_２（但し、Ｕ_１＝Ｕ_２）で回転しているところ、前方から流入速度Ｖ_１（ファン３８側から見るとＷ_１の速度で）の流入空気がファン３８の前縁１に入る。そして、ファン３８で圧縮・加速されて、その後縁２では、速度Ｖ_２（ファン３８側から見るとＷ_２の速度で）で流出する。風車２２が周速Ｕ_３、Ｕ_４（但し、Ｕ_３＝Ｕ_４）で回転しているところ、風車２２の前縁３にＶ_２より若干小の速度Ｖ_３（風車２２側から見るとＷ_３の速度）で入る。そして、風車２２に回転トルクを付与して、速度Ｖ_４（風車２２側から見るとＷ_４の速度）で流出する。そして、整流翼４４ａで周方向（図３の上下方向）の成分を０とした上、その後縁６から速度Ｖ_ｍ６で流出する。
【００２０】
同様に図４を用いて速度三角形を説明する。低速ファン２３は周速Ｕ_ｊ１、Ｕ_ｊ２（但し、Ｕ_ｊ１＝Ｕ_ｊ２＞Ｕ_３）で回転しているところ、前方から流入速度Ｖ_ｊ１（低速ファン２３側から見るとＷ_ｊ１の速度で）の流入空気が低速ファン２３の前縁ｊ_１に入る。そして、低速ファン２３で増速されて、その後縁ｊ_２では、速度Ｖ_ｊ２（低速ファン２３側から見るとＶ_ｊ２の速度で）で流出する。そして、整流翼４４ａで周方向（図４の上下方向）の成分を０とした上、その後縁ｊ_４から速度Ｖ_ｊ４で流出する。
なお、可動部４５ａの向きを調整することにより、速度Ｖ_ｊ４を速度Ｖ_ｍ６に近づけ、低速ファン２３からの空気流と風車３８からの空気流の干渉による損失を減少させることができる。
【００２１】
風車２２の軸部４１は、ベアリング３９，４０を介して躯体部分５０に回転自在に取り付けられる。風車２２の軸方向荷重は低速ファン２３のそれと逆方向でバランスしているため、ベアリング３９，４０は軸方向への過度の負荷を考慮する必要はない。このため、このターボファンエンジン２０を製造する際に、特殊な材料や技術は特に必要とせず、従来からの技術で十分に対応することができる。
【００２２】
図５は、この発明の他の参考例によるターボファンエンジン５１を示している。このターボファンエンジン５１は、図２に示したターボファンエンジン２０における風車２２とファン３８の間に、さらに別の風車５２およびファン５３を加えた構成になっている。この場合、ファン５３は回転軸３４に固定され、風車５２はダクト２１に固定されている。
【００２３】
また、図６も他の参考例によるターボファンエンジン５４を示している。このターボファンエンジン５４では、図２に示したターボファンエンジン２０における風車２２と整流翼４４ａの間に、さらに別の整流翼５５と風車５６が設けられている。それ以外の部分の構成については、ターボファンエンジン２０と同様であり、同一部分に同一符号を記している。
【００２４】
図７は、この発明の実施形態によるターボファンエンジン６０を示している。このターボファンエンジン６０では、風車および低速ファン効率を最適化するため、二段の風車６１，６２および低速ファン６３，６４を設けて、互に逆転するように設けられている。
【００２５】
更に、図８は他の参考例によるターボファンエンジン７０を示している。このターボファンエンジン７０は、回転軸３４に固定された３段のファン７１の回転により生じる空気流をこれらファン７１間に配置された２段の風車７２で受け、風車７２に回転トルクを減速して付与している。よって、これらファン７１と風車７２の組み合わせによりトルクコンバータ式の流体減速装置をなす。更に、これらファン７１と風車７２の組み合わせは流入空気を圧縮する機能も有する。即ち、前記流入空気は上記ファン７１や風車７２を通過する間、ダクト２１で仕切られた空間内で順次圧縮されるのである。その一部は高圧コンプレッサー４７へ導かれ、高圧コンプレッサー４７で更に圧縮されて燃焼室２５へ導かれる。その残部は膨張タービンへ導かれる。
【００２６】
なお、膨張タービンは動翼７６、静翼７３、および動翼７４からなり、上流側の動翼７６はその内周部に円環状のサブダクト２１ａが固設され、更にこのサブダクト２１ａの内周部に翼７５が固設されている。サブダクト２１ａは高圧コンプレッサー４７へ導くべく圧縮された流入空気が膨張タービン側へ逃げるのを防止する機能を有する。また、翼７５はファン７１から高圧コンプレッサー４７へ流入すべく空気流の障害にならない様に、形状や向きが設定されている。
【００２７】
しかして、膨張タービンでは、昇圧した流入空気が、順次減圧されながら２段の動翼７６、７４に回転トルクを付与する。そして、この流入空気は、整流翼４４ａを通って整流された上、低速ファン２３による空気流と合流し推力の一部となる。
なお、本実施形態及び参考例では、低圧コンプレッサー４７を構成する風車７２が低速ファン２３と一緒に回転する構造であるので、その迎角の可変が困難である。しかし、出口側の膨張タービンの静翼７３や可動部４５ａの向きを可変制御することにより、低圧コンプレッサーとしての圧縮比を安定して確保できるとともに流体減速装置としての減速比の適切化が図れる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明によるターボファンエンジンは構成されているため、低速ファンの回転によって大量のバイパス空気流を得るとともに、トルクコンバータの作動流体として風車を駆動したあとの空気流もバイパス空気流の一部として加えられる。この結果、バイパス比を大幅に増加させることができ、性能向上が可能になる。従来技術による大型大出力のコアエンジンを用いても、例えば、１０：１以上の超高バイパス比を有するターボファンエンジンが実現できるようになる。
【００２９】
また、タービン効率を良好に維持する回転数で低圧タービンを回転させることができるので、低圧タービン段数の低圧タービン径の減少が可能となり、エンジンの重量軽減と保守作業の簡易化や、さらに運行費用の低減にもつながるようになる。
また、従来の低圧コンプレッサーを省くことが可能となり、あるいは高圧コンプレッサーの段数を減ずることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の参考例によるターボファンエンジンを示す一部切り欠き断面図。
【図２】図１を簡略化した説明図。
【図３】図２のＡ−Ａ’での速度三角形による説明図。
【図４】図２のＢ−Ｂ’での速度三角形による説明図。
【図５】他の参考例によるターボファンエンジンを示す説明図。
【図６】さらに他の参考例によるターボファンエンジンを示す説明図。
【図７】この発明の実施形態によるターボファンエンジンを示す説明図。
【図８】他の参考例によるターボファンエンジンを示す説明図。
【図９】従来技術によるターボファンエンジンの説明図。
【符号の説明】
２０，５１，５４，６０・・・ターボファンエンジン
２１・・・・・・・・・・・・ダクト
２１ａ・・・・・・・・・・・サブダクト
２２，５２，５６，７２・・・風車
２３・・・・・・・・・・・・低速ファン
２５・・・・・・・・・・・・燃焼室
２６・・・・・・・・・・・・高圧タービン
３３・・・・・・・・・・・・低圧タービン
３４・・・・・・・・・・・・回転軸
３８，５３，７１・・・・・・ファン
７５・・・・・・・・・・・・翼
７３・・・・・・・・・・・・膨張タービンの静翼
７４，７６・・・・・・・・・膨張タービンの動翼
７７・・・・・・・・・・・・軸受

Claims

タービン部分に結合して回転するファンの後方に風車を回転自在に設け、ファンと風車の組み合わせによるトルクコンバータ形式の流体減速装置を形成するとともに、風車の外周側に、ファンの外径よりも大きな外径を有する低速ファンを延設し、ファンの回転で生じる空気流によって風車を減速回転させ、低速ファンの回転によって主なるバイパス推力を発生させ、且つ、風車および低速ファンを二重としそれぞれ逆回転させる構成としたことを特徴とするターボファンエンジン。
上記ファンと風車の外周部に筒状のダクトを設け、ファンと風車からなる流体減速装置を通過する空気流と低速ファンを通過する空気流を仕切る構造を持つ請求項１に記載のターボファンエンジン。
上記流体減速装置にファンと風車の双方、またはそのいずれか一方が複数個設けられ多段減速機を構成する請求項１または２に記載のターボファンエンジン。
上記風車の各段間に一段または複数段の静翼を設ける請求項３に記載のターボファンエンジン。
ファンと風車の外周部に筒状のダクトを設けた請求項２に記載のターボファンエンジンにおいて、ダクトに連続して設けられた仕切の後端部に可動部を設け減速装置内を通過した空気の速度を低速ファンによるバイパス流速に近づけるように調節可能な構造を持つターボファンエンジン。
前記請求項１から５までのターボファンエンジンにおいて、減速装置と低速ファンをコアエンジンの後方に配置したターボファンエンジン。
前記請求項１から６までのターボファンエンジンにおいて、前記ファンと風車の組み合せにより前記流体減速装置を構成すると共に高圧コンプレッサーへ圧縮空気を供給するための低圧コンプレサーをも構成してなるターボファンエンジン。
上記流体減速装置を通過した空気流の一部を膨張タービンを介して前記低速ファンを通過した空気流と合流させることにより前記バイパス推力の一部としてなる請求項７に記載したターボファンエンジン。