JP4578652B2 - 軸対称方向制御ノズルのための直線作動及び方向制御リング支持機構 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に軸対称の可変スロートスラスト方向制御ノズルに関するものであり、具体的には、ノズル噴出流を方向制御するノズルフラップを支点回転するのに使用する方向制御リングを作動しかつ支持するための、直線作動及び方向制御リング支持及び作動装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
戦闘用航空機分野では、空中戦飛行及び複雑な地上攻撃飛行に対して航空機の操縦性を向上させる必要性がある。航空機の設計者は、フラップ及び補助翼などの従来の空力操縦面の利用を、航空機に動力を供給するガスタービンエンジンの噴出流及びスラストを方向転換又は方向制御する方向制御可能なノズルに置き換えること或いはそのようなノズルを追加することを模索している。ハウアー（Ｈａｕｅｒ）に付与された米国特許第４９９４６６０号は、ノズルのダイバージェントフラップを軸対称に自在に支点回転することにより、言い換えるとダイバージェントフラップを方向制御されていないノズル中心線に対して半径方向及び接線方向に支点回転することにより、軸対称のコンバージェント／ダイバージェントノズルのスラストを方向制御する手段を提供する軸対称の方向制御噴出ノズルを開示している。フラップは方向制御リングにより支点回転され、方向制御リングは、限定された範囲内で水平軸線及び垂直軸線に対して軸方向に移動しまたジンバルすることができ、或いは傾斜する（本質的には姿勢を調節する）ことができるようになっている。
【０００３】
スラストを方向制御すると、作動器を通ってエンジンケーシングにまでさかのぼる種々の荷重経路によりフラップから伝達される側荷重といわれる接線方向及び半径方向の荷重が生じる。この巨大な荷重のため、荷重、特にスラスト方向制御により作動器軸に加えられる曲げモーメントを吸収する強力型の作動器が必要となる。
【０００４】
リプメイヤー（Ｌｉｐｐｍｅｉｅｒ）らに付与された米国特許第５１７４５０２号は、ガスタービンエンジンのスラスト方向制御ノズルにより生じる側荷重の少なくとも一部をエンジンの比較的静止した部分に伝達する方向制御リングの支持体を開示している。米国特許第５１７４５０２号は、ノズルにより作動器に伝達される側荷重を最小にするか除去し、半径方向荷重のために作動器が受ける曲げモーメントを減少させるか除去し、ノズル作動器及び作動器に動力を与えるために使用される油圧系統のサイズ及び重量を最小にする装置を開示している。この支持体には、自由度２（２ＤＯＦ）を可能にするために、方向制御リングの支点回転又はジンバル運動及び軸方向移動を提供する枢着リンクが含まれている。
実施例の一つは、エンジンケーシングにヒンジで軸着されている矩形の第１のリンクを備えた２重リンク支持手段を有する。第１のリンクは第２リンクに軸連結されており、次ぎに第２のリンクは３ＤＯＦ或いは球面継手で方向制御リングに自在にヒンジ結合されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述の課題を克服せんとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の特徴の一つを要約すると、方向制御リングを作動させ、ガスタービンエンジンのスラスト方向制御ノズルにより生じ方向制御リングに作用する側荷重をエンジンの比較的静止した部分に伝達し、方向制御リングを傾けてノズルのスラストを方向制御するための方向制御リング支持及び作動装置を提供することである。方向制御リング支持及び作動装置は、スライダバーにより方向制御リングに連結された直線作動器を含む。第１の作動器継手は直線作動器をスライダバーの前端部に連結し、作動器後部継手はスライダバーの後端部を方向制御リングに連結する。方向制御リング支持装置は滑動自在にスライダバーを支持し、方向制御リングの周方向の動きを拘束し、方向制御リングに作用する側荷重をエンジンの比較的静止した部分に伝達する。作動器後部継手は自由度３を有し、作動器前部継手は回転自由度１を有することが好ましい。作動器後部継手は回転自由度３を有するボール継手であることが好ましい。作動器前部継手は、３つのラグとかみ合って支点回転自在にピン留めされた２つのラグを含むクレビス継手であることが好ましい。
【０００７】
本発明の実施形態の一つでは、方向制御リング支持装置は、支持構造によりエンジンケーシングに装着された中空ガイド及びガイド内に滑動自在に支持されたスライダバーを有する少なくとも１つのガイド組立体を含む。方向制御リング支持装置は前部支持体及び後部支持体を含み、後部支持体は前部支持体の後方に隔設されることが好ましい。別の実施形態では、中空ガイド内に装着され、ガイドとスライダバーとの間に配置されたローラを含む。他の実施形態では、断面が中空の矩形又は円筒形であるスライダバーが設けられている。円筒形の実施形態では、環状の直線軸受けが円筒形のスライダバーの周りに滑動自在に配置され、外周リング支持組立体の半径方向の連続溝又は軌道により保持されている。
【０００８】
以下に記載する図面では好ましい実施形態を記載しているが、本発明の技術思想及び技術的範囲から離れることなく、種々の改良形態及び構造の変更をすることが可能である。
【０００９】
本発明の直線作動及び方向制御リング支持装置により提供される有利な点には、方向制御リング作動器に伝達された側荷重、及び作動器及びそのアームが方向制御リングを作動することに影響を受ける可能性がある曲げモーメントを共に減少又は除去さえすることができる。また、本発明はこの機能を実行するのに必要な構造全体の大きさを先行技術の設計に比較して小さくし、本発明の両立する機能を備えるために使用される部品の数を減らしている。本発明はリング支持機能とリング作動機能とを分離して、方向制御リング上の２つの別々の接合個所にするのではなく、方向制御リングの作動機構と支持機構とを両立し、リングの作動機能及び支持機能という２つの機能を１つの機構で達成し、先行技術に比較して装置を単純化し、構造的に改善する。本発明は噴出ダクト又はエンジンケーシングに沿って周方向の空間を開放し、ほかのノズル設備を取り付ける場所を見出すことを容易にする。
【００１０】
本発明は、作動器をリングに固定するために使用される方向制御リング上のクレビス継手セットを除去することによりリングを単純化し、その費用及び重量を軽減させる。本発明の支持及び作動装置の前部に、一直線になるように方向制御リング作動器を配置することにより、ノズルエンジンケーシングの周囲に周方向に間隔が開き、他のノズル機器を取り付ける場所を見出すことが容易になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の特徴であると思われる新しい構造が、特許請求の範囲に記載され特定される。本発明をその目的及び利点とともに、添付の図面に関して詳細に記載する。
【００１２】
本発明を直線作動及び方向制御リング支持装置９８として図１に示しており、装置９８は、連続した流れの中に固定面積噴出ダクト又はエンジンケーシング１１を含む航空機ガスタービンエンジンの噴出セクション１０の一部として図示された方向制御リング支持装置１００を含み、噴出セクション１０はアフタバーナライナ１２、及びハウアーの特許で先に引例として引用したコンバージェント・ダイバージェント型の軸対称方向制御ノズル１４を有する可変面積の下流セクション１３を含む。
【００１３】
図１に関して、ノズル１４は連続した流れの中にコンバージェントセクション３４、スロート４０及びダイバージェントセクション４８を含む。コンバージェントセクション３４は、エンジン中心線８の周囲に周方向に配置された複数のコンバージェントフラップ又は一次フラップ５０を含み、重なり合う一次シール５１が、周方向に隣接する一次フラップ５０の間に配置され、その半径方向内側に面する表面と密封係合している。一次フラップ５０は、第１のピボット継手すなわちクレビス継手５２で、その前端部をケーシング１１に支点回転自在に取り付けられている。ダイバージェントフラップ又は二次フラップ５４は、フラップボール継手５６のような自由度２（２ＤＯＦ）の自在継手により一般的にスロート４０とぴったり合うノズル１４の軸線位置で、その前端部５３を一次フラップ５０の後端部に支点回転自在に取り付けられている。二次フラップ５４は一般的にエンジン中心線８の周囲に周方向に配置されており、重なり合うダイバージェントシールすなわち二次シール５５が周方向に隣接する二次フラップ５４の間に配置され、その半径方向内側に面する表面と密封係合している。スロート４０はそれに関して慣習的にＡ８と呼ばれるスロート領域を有し、ノズル口４４は一般に二次フラップ５４の端部にあり、それに関して慣習的にＡ９と呼ばれる出口領域を有する。
【００１４】
複数のローラ６２が一次リング構造６６内に配置され、次ぎに、一次リング構造６６は複数の一次作動器７０で前後に移動されるようになっており、好ましい実施形態では一次作動器７０の数は３つである。本発明に関しては、３つより多い一次作動器７０を使用してもよい。可変スロート領域Ａ８は、一次フラップ５０の背面に形成されたカム面６０にあるカムローラ６２の作用で制御される。作動中、ノズル内の高圧噴出ガスにより、一次フラップ５０及び二次フラップ５４が半径方向外側に押されるため、カム面６０がカムローラ６２と接触し続ける。
円錐形の環状作動器支持部７６は先細の前端部でエンジンケーシング１１に装着され、一次作動器７０は、円錐形の作動器支持部７６の幅の広い後端に自在ボール継手７４で支点回転自在に連結されている。一次作動器７０は作動器ロッド７３を有し、作動器ロッド７３は次ぎに、球面継手で一次リング構造６６に連結される。
【００１５】
複数の方向制御作動器９０は、好ましい実施形態では３つであり、ケーシング１１の周囲に周方向に等角に配置され、自在ボール継手９４で作動器７０と類似の方法で円錐形の作動器支持部７６に装着される。
【００１６】
方向制御リング８６は二次フラップ５４の位置決め又は支点回転を制御し、スラストを方向制御するのに使用される。二次フラップ５４はフラップボール継手５６で一次フラップ５０に支点回転自在に連結され、コントロールアーム５７及び５８を有する複数のそれぞれのＹフレーム５９により多自由度で支点回転自在に制御されており、コントロールアーム５７及び５８は方向制御リング８６を二次フラップ５４に作動可能に連結する。外側フラップ６４はＹフレーム５９により少なくとも部分的に支持され、ノズルの外側に沿って流線型で滑らかな空力的な形状を提供する。
【００１７】
コントロールアーム５７及び５８は３ＤＯＦの球面継手８２で方向制御リング８６に、球面継手８４で二次フラップの後部端に連結される。このリンク配置は方向制御リング８６の姿勢変化を二次フラップ５４の多自由度支点回転の変化又は軌道運動に転換し、それによって各二次フラップが種々の角度で支点回転するように操作可能である。バックボーン９２は二次フラップ５４の装着部となり、その２つの端部で継手８４及びフラップボール継手５６を支持する。図２及び図３に、３つの方向制御リング支持装置１００が方向制御リング８６を支持し、作動する様子をさらに明確に示している。各方向制御リング支持装置１００は少なくとも１つ、好ましくは２つの軸線方向に隔設された前部ガイド組立体１０１及び後部ガイド組立体１０４を含む。各ガイド組立体１０４は、周方向に隔設された２つの脚１０５を備える支持構造１０６を有しており、脚１０５は、バー軸線１０３を有する軸方向に移動可能なスライダバー１０２が滑動自在に配置されている中空ガイド１０８を支持する。脚１０５は、ガイド組立体１０４の基板１１５に取り付けられたブレイス又はガッセト１１３により補強され、支持構造１０６に強度及び安定性を与える。ガイド１０８は、脚１０５に対応する側面上に周方向に隔設されたスライダ表面１１２を含む。半径方向内側のウェブ１０９及び外側のウェブ１１１がそれぞれ脚１０５に連結され、中空ガイド１０８を形成する。脚１０５は、噴出ダクト又はエンジンケーシング１１のようなエンジンの比較的静止した部分に固着される。方向制御リング支持装置１００は、スライダバーを滑動自在に支持する周辺リング支持手段を提供しており、方向制御リングの周方向の動きを拘束し、方向制御リングに作用する側荷重をエンジンの比較的静止した部分に伝達する。
【００１８】
各方向制御作動器９０は作動器の軸線９５に沿って配置された方向制御作動器ロッド９３を含む。方向制御作動器ロッド９３の第１の後端部９１は、回転自由度１を有する前部作動器継手９６でスライダバー１０２の第１の前端部１０７に連結される。前部作動器継手９６は、方向制御作動器ロッド９３の第１の後端部に２つのラグ１２６を有するような図示されているクレビス継手であることが望ましく、２つのラグ１２６はスライダバー１０２の第１の前端部にある３つのラグ１３０とかみ合って支点回転自在に第１のピン１２８で留められている。第１のピン１２８はノズル中心線即ちエンジン中心線８に垂直に交わる軸線を有する。クレビス継手により、作動器軸線９５はバー軸線１０３との整合からずらすことができる。このことにより、エンジンケーシング１１にある作動器支持部７６と支持構造１０６との間の製作公差及び組立体公差を吸収する。また、ピン留めされた前部作動器継手９６により、作動器ロッド９３及びスライダバー１０２はノズル又はエンジン中心線８を通る半径方向平面に整合性を保ち、したがって互いに座屈することはない。
【００１９】
方向制御リング８６は、自在継手であり、好ましくは回転自由度３を有するボール継手である第２の継手１２０によりスライダバー１０２の第２の後端部に連結される。
【００２０】
直線作動及び方向制御リング支持装置９８により、方向制御リング８６は姿勢を制御するために軸方向に移動し、中心線８に対して傾斜することができる。３つの方向制御リング９０及び対応する３つの直線作動及び方向制御リング支持装置１００は、ケーシング１１の周囲に周方向に等角に配置されており、そのため、方向制御リング８６は方向制御作動器９０により軸方向に移動し、ジンバルされる。
【００２１】
スライダバー１０２、前部作動器継手９６、及び第２の継手１２０は、３つの作動器９０を同時又は別々に伸長することにより、作動器９０が方向制御リング８６を傾けたり移動したりすることを可能にする。ガイド組立体１０４は、エンジンケーシング１１に対して接線方向に作用し、そうでなければ作動器に伝わることになる側荷重が伝達しないようにする。ガイド組立体１０４により、スライダバー１０２が方向制御リング８６からの周方向の荷重を吸収してエンジンケーシング１１に伝達することが可能となり、３つの方向制御リング支持装置１００が協働して方向制御リングが横方向に動くことを防止する。
【００２２】
方向制御リング支持装置１００により、方向制御リング８６の姿勢調整又はジンバルすること及び移動が可能となり、方向制御リングを軸方向に移動して出口領域Ａ９を制御できるようになる。図２に示すスライダバー１０２は図７に示す中実の矩形断面ＲＸを有し、中空ガイド１０８内のスライダ表面１１２に沿って滑動する。スライダバー１０２は図８に示すような中空の矩形断面ＨＲＸを有し、中空の箱形はりとして作用することが好ましい。ほかの実施形態では、図９に示す通り、スライダバー１０２はＩ形はり断面ＩＸを有し、Ｉ形のフランジ２３０がスライダ表面１１２に接触する。
【００２３】
中空ガイド１０８のほかの実施形態を図３に示しており、スライダ表面１１２をスライダバー１０２に係合するローラ１１８に置き換えることにより、スライダバーがきわめて容易にガイドを滑動できるようにしている。
【００２４】
中空ガイド１０８のほかの実施形態を図４及び図５に示しており、スライダバーは円形断面を有する円筒形のスライダバー２０２である。円筒形のスライダバー２０２は各ガイド組立体１０４にある環状の直線運動軸受け２０４内に滑動自在に配置される。環状の直線運動軸受け２０４は、ガイド組立体１０４の周方向に隔設された脚１０５にある半径方向の連続軌道２０６内に保持される。図５の直線運動軸受け２０４は、円筒形のスライダバー２０２と直線運動軸受けとの間に低摩擦接触面を有するジャーナル軸受けとして示されている。軌道２０６は脚１０５に切りこんだ溝として示されている。環状の直線運動軸受け２０４はノズルを方向制御する間に軌道２０６内で回転し、半径方向に移動することができる。半径方向外側にある半円のウェブ２１０は半径方向内側にあるウェブ１０９とともに脚１０５を連結し、中空の環状ガイド１０８を形成する。このため、ガイド１０８内で半円形のウェブ２１０及び半径方向内側にあるウェブ１０９により拘束された軸受け２０４の半径方向の運動を制限でき、方向制御リング８６が支点回転及びジンバルすることを可能にする。図６は、直線運動軸受け２０４と円筒形シリンダバー２０２との間に循環玉軸受け２２０を有する直線運動軸受け２０４の他の実施形態を示す。
【００２５】
本発明の好ましい実施形態をその本質を説明するために十分に記載したが、特許請求の範囲で述べた本発明の技術的範囲から離れることなく、好ましい実施形態に種々の修正又は変更を加えてもよいことは明らかである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施形態による、直線作動及び方向制御リング支持装置を有するガスタービンエンジンの軸対称方向制御噴出ノズルの１部切り取り斜視図。
【図２】図１に示す直線作動及び方向制御リング支持装置の好ましい実施形態の拡大図。
【図３】図１に示す直線作動及び方向制御リング支持装置の第１の別の実施形態の斜視図。
【図４】図１に示す直線作動及び方向制御リング支持装置の第２の別の実施形態の斜視図。
【図５】図４に示す直線作動及び方向制御リング支持装置の直線運動軸受け内に装着された円筒形スライダバーの断面概略図。
【図６】図４に示す直線作動及び方向制御リング支持装置の循環玉軸受けを有する直線運動軸受け内に装着された円筒形スライダバーの断面概略図。
【図７】矩形断面を有するスライダバーの断面概略図。
【図８】中空の矩形断面を有する中空スライダバーの断面略図。
【図９】Ｉ形はり断面を有するＩ形はりスライダバーの断面概略図。
【符号の説明】
８ エンジン中心線
１０ 噴出セクション
１１ エンジンケーシング
１２ アフタバーナライナ
１３ 下流セクション
１４ 方向制御ノズル
３４ コンバージェントセクション
４０ スロート
４４ ノズル出口
４８ ダイバージェントセクション
５０ 一次フラップ
５１ 一次シール
５２ クレビス継手
５３ 前端部
５４ 二次フラップ
５５ 二次シール
５６ フラップボール継手
５７ コントロールアーム
５８ コントロールアーム
５９ Ｙフレーム
６０ カム面
６２ カムローラ
６４ 外側フラップ
６６ 一次リング構造
６８ 球面継手
７０ 一次作動器
７３ 作動器ロッド
７４ ボール継手
７６ 作動器支持体
８２ 球面継手
８４ 球面継手
８６ 方向制御リング
９０ 方向制御作動器
９１ 第１の後端部
９２ バックボーン
９３ 作動器ロッド
９４ 自在ボール継手
９５ 作動器軸
９６ 前部作動器継手
９８ 直線作動及び方向制御リング支持装置
１００ 方向制御リング支持装置
１０１ 前部ガイド組立体
１０２ スライダバー
１０３ バー軸線
１０４ 後部ガイド組立体
１０５ 脚
１０６ 支持構造
１０７ 第１の前端部
１０８ 中空ガイド
１０９ 内側ウェブ
１１１ 外側ウェブ
１１２ スライダ表面
１１６ 第２の後端部
１１８ ローラ
１２０ 第２の継手
１２６ ２つのラグ
１２８ 第１のピン
１３０ ３つのラグ
２０２ 円筒形スライダバー
２０４ 直線運動軸受け
２０６ 連続軌道
２１０ 半円形ウェブ
２２０ 循環玉軸受け
Ａ８ スロート領域
Ａ９ 出口領域
ＨＲＸ 中空の矩形断面
ＩＸ はり断面

Claims (9)

1. 方向制御リング（８６）を作動及び支持するために航空機ガスタービンエンジンの方向制御ノズル（１４）に使用される直線作動及び方向制御リング支持装置（９８）であって、
   スライダバー（１０２）で方向制御リング（８６）に連結されている、軸線（９５）を有する直線作動器（９０）、
   直線作動器（９０）をスライダバー（１０２）の前端部（１０７）に連結する第１の作動器継手（９６）、及びスライダバー（１０２）の後端部（１１６）を方向制御リング（８６）に連結する後部作動器継手（１２０）、及び
   スライダバー（１０２）を滑動自在に支持し、方向制御リング（８６）の周方向の動きを拘束し、かつ方向制御リング（８６）に作用する側荷重をエンジンの相対的静止部に伝達するための方向制御リング支持手段（１００）
   を含み、
   前記直線作動器（９０）は、前記軸線（９５）に沿って配置された方向制御作動器ロッド（９３）を備え、
   前記第１の作動器継手（９６）は、前記ノズルの中心線（８）に垂直に交わる軸線を有するピン（１２８）で前記方向制御作動器ロッド（９３）の後端部（９１）に留められて回転自由度１を有することを特徴とする、装置。
2. 後部作動器継手（１２０）が、スライダバー（１０２）を方向制御リング（８６）に取り付けるための自由度３の手段を含む、請求項１記載の装置（９８）。
3. 自由度３の手段が回転自由度３を有するボール継手（７４）を含む、請求項２記載の装置（９８）。
4. 前部作動器継手（９６）が３つのラグ（１３０）とかみ合って支点回転自在にピン留めされた２つのラグ（１２６）を含むクレビス継手（５２）である、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の装置（９８）。
5. 方向制御リング支持手段（１００）が支持構造（１０６）でエンジンのケーシング（１１）に装着された中空のガイド（１０８）を有する少なくとも１つのガイド組立体（１０１）を含み、スライダバー（１０２）がガイド内に滑動自在に支持される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の装置（９８）。
6. 少なくとも１つのガイド組立体（１０１）が前部ガイド組立体（１０１）であり、当該装置（９８）は後部ガイド組立体（１０４）をさらに含み、後部ガイド組立体（１０４）が前部ガイド組立体（１０１）の後方に隔設される、請求項５記載の装置（９８）。
7. スライダバー（１０２）が断面が矩形（ＨＲＸ）である、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の装置（９８）。
8. スライダバー（１０２）が中空（ＨＲＸ）である、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の装置（９８）。
9. 中空ガイド（１０８）の内部に装着され、ガイドとスライダバー（１０２）との間に配置されるローラ（１１８）をさらに含む、請求項５記載の装置（９８）。

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