JP4856366B2

JP4856366B2 - 二重反転ファンを備えたｆｌａｄｅガスタービンエンジン

Info

Publication number: JP4856366B2
Application number: JP2004186143A
Authority: JP
Inventors: ローリン・ジョージ・グリフィン，ザ・サード; ジェームズ・エドワード・ジョンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2003-08-25
Filing date: 2004-06-24
Publication date: 2012-01-18
Anticipated expiration: 2024-06-24
Also published as: US20050047942A1; EP1510682A2; EP1510682A3; US7246484B2; EP1510682B1; JP2005069222A

Description

本発明は、ＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンに関し、より具体的には二重反転ファンを備えたそのようなエンジンに関する。

亜音速及び超音速の両方での様々な推力設定及び飛行速度において効率的に作動するそれらの特有の性能の故に、種々の高性能可変サイクルガスタービンエンジンが設計されている。その高性能に貢献する可変サイクルガスタービンエンジンの重要な特徴は、このエンジンが、その推力を変化させた時に、実質的に一定の吸気流量を維持できることである。この特徴により、亜音速巡航時のような、全出力エンジン設定すなわち最大推力状態よりも低い状態において、重要な性能上の利点が得られる。二重反転ファン式ガスタービンエンジンもまた、効率的に作動するそれらの特有かつ固有の性能の故に設計されかつ試験されてきた。さらに、二重反転タービンによって駆動される二重反転ファンは、エンジンのファンセクション内におけるステータベーンとエンジンのタービンセクション内における少なくとも１つのノズルとの必要性を排除する。これによって、エンジンの重量が大きく軽減する。エンジン性能に関わる１つの問題は、二重反転ファン間のファンロータトルクを均等化することが望ましいことである。

ＦＬＡＤＥエンジン（ＦＬＡＤＥは「ｆａｎｏｎｂｌａｄｅ」の略語である）と呼ばれる１つの特別なタイプの可変サイクルエンジンは、半径方向内側ファンにより駆動される外側ファンに特徴があり、この外側ファンは、内側ファンを囲む内側ファンダクトとほぼ同心環状でありかつ該内側ファンダクトを囲んだ外側ファンダクト内にそのｆｌａｄｅ空気を吐出する。特許文献１に開示されている１つのこのようなエンジンでは、ｆｌａｄｅファンと外側ファンダクトとを備えており、外側ファンダクト内で、可変案内ベーンがｆｌａｄｅ外側ファンダクトを通過する空気の量を制御することによって、サイクル可変性を制御している。高度及び飛行マッハ数のような亜音速飛行周囲条件の任意の設定における比較的広い推力範囲にわたって実質的に一定の入口空気流量を維持してスピレージ抗力を回避し、また飛行条件の範囲全体にわたってそのようにすることができるその他の高性能航空機可変サイクルガスタービンＦＬＡＤＥエンジンが、研究されてきた。この性能は、特に亜音速部分出力エンジン作動状態にとって必要とされる。これらの実例は、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献５に開示されている。
特開昭５１−０９２９１７号特開平０７−１９７８５３号米国特許第５４０２９６３号米国特許第５２６１２２７号特開平０６−０１０７６４号米国特許第５８０６３０３号米国特許第５８０９７７２号特開平１０−００８９１５号

コアエンジンの周りでのファンセクションからバイパス流路へのバイパス流量を調整でき、高いファンハブ及びバイパス流圧力比で効率的に作動して離陸及び上昇出力設定時に高い比推力を発生でき、また低いバイパス流圧力比で作動して低出力巡航作動時に良好な燃料消費率を提供できる二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジンを得ることは非常に望ましい。エンジンのファンセクション内のステータベーンを排除し、タービン内のノズル及びベーンの数を最少化し、かつ二重反転ファン間のファンロータトルクを均等化する二重反転ファン式エンジンを得ることも望ましい。

ＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジンは、軸方向に間隔をおいて配置された第１及び第２の二重反転ファンと、第１及び第２の二重反転ファンの１つの半径方向外側に配置されかつ該第１及び第２の二重反転ファンの１つに駆動結合されたＦＬＡＤＥファンブレードの少なくとも１つの列とを含む。第１及び第２の二重反転ファンは、それらの間に何らのベーンも存在しないから、ベーンレス型と呼ばれる。本エンジンの例示的な実施形態はさらに、第１の二重反転ファンに駆動結合された第２の低圧タービンと、第２の二重反転ファンに駆動結合された第１の低圧タービンとを含む。第１の低圧タービンと第２の低圧タービンとは、図１に示すエンジンの第１の例示的な実施形態では互いに逆方向回転可能であって（二重反転して）、それらの間に何らのベーンも存在しないから、ベーンレス型とも呼ばれる。

コアエンジンは、第１及び第２の二重反転ファンの下流側かつ軸方向後方に配置される。ファンバイパスダクトは、第１及び第２の二重反転ファンの下流側かつ軸方向後方に配置され、コアエンジンを囲む。ＦＬＡＤＥダクトは、第１及び第２の二重反転ファン及びファンバイパスダクトを囲み、ＦＬＡＤＥダクトを横切ってＦＬＡＤＥファンブレードの列が半径方向に延びる。ＦＬＡＤＥファンブレードの列は、図１に示すように可変の第１のＦＬＡＤＥベーンの軸方向前方列と可変又は固定とすることができる第２のＦＬＡＤＥベーンの軸方向後方列との間でＦＬＡＤＥダクト内に配置される。ファンバイパスダクトへの第１のバイパス入口内には、前方可変面積バイパスインゼクタドアが作動的に配置される。

本発明の例示的な実施形態では、コアエンジンは、直列の流れ関係で、コア駆動ファンステータベーンの列と、コア駆動ファンブレードの少なくとも１つの列を備えたコア駆動ファンと、高圧圧縮機と、燃焼器と、コア駆動ファンに駆動結合された高圧タービンとを有する。第１及び第２の二重反転ファンは、環状の第１のファンダクトを横切って半径方向に配置され、コア駆動ファンは、環状の第２のファンダクトを横切って半径方向に配置される。ベーンシュラウドが、コア駆動ファンステータベーンを半径方向内側ベーンハブ部分と半径方向外側ベーン先端部分とに分割する。ファンシュラウドが、コア駆動ファンブレードを半径方向内側ブレードハブ部分と半径方向外側ブレード先端部分とに分割する。ファンバイパスダクトへの第１のバイパス入口は、第２の二重反転ファンとコアエンジンへの環状のコアエンジン入口との軸方向間に配置される。

コア駆動ファンステータベーンのベーン先端部分を横切りかつコア駆動ファンブレードのブレード先端部分を横切るファン先端ダクトが、ファンバイパスダクトへの第２のバイパス入口まで延びる。本エンジンはさらに、ベーン先端部分の流れ面積を独立して変えるための第１の変更手段と、ベーンハブ部分の流れ面積を独立して変えるための第２の変更手段と含む。第１及び第２の変更手段の特定実施形態は、それぞれ独立して変化するベーン先端部分と独立して変化するベーンハブ部分とを含む。より具体的には、第１及び第２の変更手段は、ベーンハブ部分のピボット動可能な後縁ハブフラップに取り付けられた内側シャフトと、ベーン先端部分のピボット動可能な後縁先端フラップに取り付けられた外側シャフトとを含むことができる。内側シャフトは、ファンステータベーンの外側シャフト内に同軸に配置される。内側シャフトに対して回転可能な作動関係で結合された第１のレバーアームに対して、第１のユニゾンリングが作動関係で結合される。外側シャフトに対して回転可能な作動関係で結合された第２のレバーアームに対して、第２のユニゾンリングが作動関係で結合される。

ＦＬＡＤＥダクトと流体流れ連通しかつ該ＦＬＡＤＥダクトから空気を受けるように作動可能である複数の周方向に配置された中空のストラットが、実質的に中空のセンタボデーを構造的に支持しかつ該センタボデーに空気を流す。可変面積ｆｌａｄｅ空気ノズルは、中空のセンタボデー内で軸方向に移動可能なプラグと該センタボデーの半径方向外側に配置された固定ノズルカウリングとを含む。第２の二重反転低圧タービン及びファンバイパスダクトの下流側かつ軸方向後方に配置された可変スロート面積エンジンノズルは、半径方向に固定されかつ軸方向に移動可能な外側の環状の収束／発散壁と、センタボデー上の半径方向及び軸方向に固定された環状の内側壁とを含む。

本発明の上記の態様及びその他の特徴を、添付図面に関連して行う以下の記載において説明する。

図１〜図３に示すのは、第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２に導かれるファン入口１１を有するＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン１である。少なくとも１つのＦＬＡＤＥファンブレード５の列を有するＦＬＡＤＥファン２が、ＦＬＡＤＥダクト３内に配置され、該ＦＬＡＤＥダクト３を通してＦＬＡＤＥ空気流８０がＦＬＡＤＥファンブレード５によって排出される。ＦＬＡＤＥファンブレード５の列は、第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の１つの半径方向外側に配置され、該第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の１つに作動可能に接続され、かつ該第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の１つによって駆動される。図１において、第２のファン１３２は、可変の第１のＦＬＡＤＥベーン６の軸方向前方列と固定の第２のＦＬＡＤＥベーン７の軸方向後方列との間に配置されたＦＬＡＤＥファンブレード５の列を有するＦＬＡＤＥファンとして図示されている。ＦＬＡＤＥファン２は、ＦＬＡＤＥダクト３への環状のＦＬＡＤＥ入口８の下流側に配置される。ＦＬＡＤＥ入口８とファン入口１１とは、両者組み合さって、全体としてＦＬＡＤＥエンジン入口面積ＡＩを有するＦＬＡＤＥエンジン入口１３を形成する。第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の下流側かつ軸方向後方には、環状のコアエンジン入口１７を有するコアエンジン１８が配置され、ほぼ軸方向に延びるその軸線又は中心線１２が、前方１４と後方１６とに延びる。第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の下流側かつ軸方向後方に配置されたファンバイパスダクト４０が、コアエンジン１８を囲む。ＦＬＡＤＥダクト３が、第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２並びにファンバイパスダクト４０を囲む。

検討する入口性能の１つの重要な基準は、ラム回復率である。良好な入口は、エンジンと整合した空気取り入れ特性と共に、低い抗力（ｄｒａｇ）と良好な流量安定性とを有するものでなくてはならない。空気流量整合特性の重要性は、図１に示す面積を考察することによって分かり、図１においてＦＬＡＤＥエンジン入口１３は、全エンジン空気流がそこを通過するＦＬＡＤＥエンジン入口面積ＡＩと自由流の流れ面積Ａ０とを含んでいる。任意の設定の作動飛行条件において、空気流量要件は、ＦＬＡＤＥエンジン１のポンピング特性によって一定している。エンジンの超音速作動時に、ＡＩが入口空気流を取り入れるには小さ過ぎる場合には、入口衝撃が入口スロートから下流方向に移動し、衝撃後の圧力回復が悪化し、エンジンの要求を満たすために入口から出る補正流量が増大する。ＡＩが大き過ぎる場合には、ＦＬＡＤＥエンジン入口１３は、エンジンが使用できるよりも多くの空気を供給し、余分な空気をエンジンの周りにバイパスさせるか又は入口から外に戻すように「溢れ」させなくてはならなくなるので、過度な抗力（スピレージ抗力）を生じることになる。空気が多過ぎても少な過ぎても、航空機システムの性能は低下する。ＦＬＡＤＥファン２及びＦＬＡＤＥダクト３は、入口からファンに送られる入口空気流量の制御を助けるように設計されかつ作動する。

ファン入口１１は、図３に示すように可変の第１のＦＬＡＤＥベーン６と可変の第２のＦＬＡＤＥベーン７とを閉じることによってＦＬＡＤＥエンジン入口１３が本質的に閉鎖された全出力状態において、本質的に全エンジン空気流１５を受け入れるような寸法にされる。さらにエンジンは、図２に示すように所定の部分出力飛行状態においてｆｌａｄｅダクトの入口を全開し、また図３に示すように離陸のような全出力状態においてｆｌａｄｅダクトの入口を本質的に閉鎖するように設計されかつ作動する。

コアエンジン１８は、下流方向への直列の軸方向流れ関係で、コア駆動ファンブレード３６の列を有するコア駆動ファン３７と、高圧圧縮機２０と、燃焼器２２と、高圧タービンブレード２４の列を有する高圧タービン２３とを含む。エンジン１の中心線１２の周りに同心に配置された高圧シャフト２６は、高圧圧縮機２０と高圧タービンブレード２４とを固定的に相互結合する。コアエンジン１８は、燃焼ガスを生成する機能がある。高圧圧縮機２０からの加圧された空気は、燃焼器２２内で燃料と混合されかつ点火されて、燃焼ガスを発生する。高圧タービンブレード２４によって燃焼ガスから幾らかの仕事が取り出されされ、高圧タービンブレード２４は、コア駆動ファン３７及び高圧圧縮機２０を駆動する。高圧シャフト２６は、周方向に間隔をおいて配置されたコア駆動ファンブレード３６の単一の列を有するコア駆動ファン３７を回転させ、このコア駆動ファンブレード３６は、ほぼ半径方向内側に位置するブレードハブ部分３９から環状のファンシュラウド１０８によって分離されたほぼ半径方向外側に位置するブレード先端部分３８を有する。

燃焼ガスは、コアエンジン１８から、それぞれ低圧タービンブレード２８、２９の第１及び第２の列を有する第１及び第２の二重反転（互いに逆方向回転可能な）低圧タービン１９、２１内に吐出される。第２の低圧タービン２１は、第１の低圧シャフト３０によって第１の二重反転ファン１３０に駆動結合され、この組合せ又は組立体は、第１の低圧スプール２４０と呼ばれる。第１の低圧タービン１９は、第２の低圧シャフト３１によって第２の二重反転ファン１３２に駆動結合され、この組合せ又は組立体は、第２の低圧スプール２４２と呼ばれる。第２の二重反転ファン１３２は、ほぼ半径方向外向きに延びかつ周方向に間隔をおいて配置された第２のファンブレード３２の単一の列を有する。第１の二重反転ファン１３０は、ほぼ半径方向外向きに延びかつ周方向に間隔をおいて配置された第１のファンブレード３３の単一の列を有する。ＦＬＡＤＥファンブレード５は、主として入口空気流量要件を弾力的に整合させるために使用される。

エンジン１の一実施形態では、ＦＬＡＤＥダクト３内に配置されたＦＬＡＤＥファンブレード５の列は、図１〜図３に示すように、第２の二重反転ファン１３２の第２のファンブレード３２の列に取り付けられかつ該第２のファンブレード３２の列から半径方向外向きに延びる。エンジン１の別の実施形態では、ＦＬＡＤＥダクト３内に配置されたＦＬＡＤＥファンブレード５の列は、図４に示すように、第１の二重反転ファン１３０の第１のファンブレード３３の列に取り付けられかつ該第１のファンブレード３３の列から半径方向外向きに延びる。エンジン１のさらに別の実施形態では、ＦＬＡＤＥダクト３内に配置されたＦＬＡＤＥファンブレード５の列は、図６及び図７に示すように、２段式の第２の二重反転ファン２３２の第２段ファンブレード２５２の列に取り付けられかつ該第２段ファンブレード２５２の列から半径方向外向きに延びる。

図１及び図２を参照すると、ファンバイパスダクト４０への第１のバイパス入口４２が、第２の二重反転ファン１３２とコアエンジン１８への環状コアエンジン入口１７との軸方向間に配置されて、第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２からファンバイパスダクト内への２つの同軸のバイパス流路を形成する。第１の二重反転ファン１３０の第１のファンブレード３３と第２の二重反転ファン１３２の第２のファンブレード３２とは、第１のファンダクト１３８を横切って半径方向に配置される。周方向に間隔をおいて配置された第１のファンステータベーン３５の列は、第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の下流側でかつ第２の二重反転ファン１３２とファンバイパスダクト４０への第１のバイパス入口４２との軸方向間で、第１のファンダクト１３８を横切って半径方向に配置される。第１のファンダクト１３８内には、第１及び第２のファンブレード３３、３２を含む第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２と、周方向に間隔をおいて配置された第１のファンステータベーン３５の列とが含まれる。第１のファンステータベーン３５は、必要でない場合もある。コア駆動ファン３７のコア駆動ファンブレード３６の列は、環状の第２のファンダクト１４２を横切って半径方向に配置される。第２のファンダクト１４２は、第１のバイパス入口４２の軸方向後方で始まり、ファンバイパスダクト４０の半径方向内側に配置される。環状の第１の流れスプリッタ４５が、第１のバイパス入口４２と第２のファンダクト１４２との半径方向間に配置される。

全エンジン空気流１５は、ＦＬＡＤＥ入口８とファン入口１１との間で分割される。ファン空気流５０は、ファン入口１１を通過し、次に第１及び第２の反転可能ファン１３０、１３２を通過する。ファン空気流５０の第１のバイパス空気部分５２は、第１のバイパス入口４２内の前方可変面積バイパスインゼクタ（ＶＡＢＩ）ドア４４が開いている場合、ファンバイパスダクト４０の第１のバイパス入口４２を通過し、残りの空気部分５４がコア駆動ファン３７及びそのコア駆動ファンブレード３６の列を通過する。第２のファンダクト１４２内の周方向に間隔をおいて配置されたコア駆動ファンステータベーン３４の列は、第２のファンブレード３２の列とコア駆動ファン３７のコア駆動ファンブレード３６との軸方向間に配置される。コア駆動ファンステータベーン３４の列とコア駆動ファン３７のコア駆動ファンブレード３６とは、第２のファンダクト１４２を横切って半径方向に配置される。ベーンシュラウド１０６が、コア駆動ファンステータベーン３４を、それぞれ半径方向内側ベーンハブ部分８５と半径方向外側ベーン先端部分８４とに分割する。ファンシュラウド１０８が、コア駆動ファンブレード３６を、それぞれ半径方向内側ブレードハブ部分３９と半径方向外側ブレード先端部分３８とに分割する。

第２のバイパス空気流部分５６は、コア駆動ファンステータベーン３４のベーン先端部分８４とコア駆動ファンブレード３６のブレード先端部分３８とを横切るファン先端ダクト１４６を通って、ファンバイパスダクト４０に通じる第２のバイパスダクト５８の第２のバイパス入口４６内に導かれる。第２のバイパス入口４６を通ってファンバイパスダクト４０に至る流れを調整するために、第２のバイパスダクト５８の後方端部に、任意選択的な中間可変面積バイパスインゼクタ（ＶＡＢＩ）ドア８３を配置することができる。バイパス空気７８をコア吐出空気７０と混合するために、ファンバイパスダクト４０の後方端部には、後方可変面積バイパスインゼクタ（ＶＡＢＩ）ドア４９が配置される。図２〜図７の後方ＶＡＢＩドア４９は、中空のエンジンノズルセンタボデー７２を構造的に支持しかつ該中空のエンジンノズルセンタボデー７２に空気を流す中空のストラット２０８の周方向間に配置されており、従ってこれらの図面の平面外にあるものとして示されている。

ファン先端ダクト１４６は、ベーンシュラウド１０６と、ファンシュラウド１０８と、ベーンシュラウド１０６の前方端部における第２の流れスプリッタ５５とを含む。それぞれベーンハブ部分８５及びベーン先端部分８４の流れ面積を独立して変えるために、第１の変更手段９１及び第２の変更手段９２が設けられる。例示的な第１及び第２の変更手段９１、９２は、それぞれ独立して可変のベーンハブ部分８５とベーン先端部分８４とを含む（米国特許第５８０６３０３号参照）。独立して可変のベーンハブ部分８５及びベーン先端部分８４の設計は、ベーンハブ部分８５及びベーン先端部分８４の全体を独立してピボット動可能にすることを含むことができる。その他の可能な設計が、米国特許第５８０９７７２号及び特開平１０−００８９１５号に開示されている。

独立して可変のベーンハブ部分８５及びベーン先端部分８４の別の実施形態は、図１に示すような独立して可変のベーンハブ部分８５及びベーン先端部分８４のピボット動可能な後縁ハブフラップ８６及び後縁先端フラップ８８を含む。第１及び第２の変更手段９１、９２は、独立してピボット動するフラップを含むことができる。ピボット動不能のファンステータベーン設計における別の変更手段は、軸方向に運動するユニゾンリングと、ジェットエンジンにおける機械的クリアランス調整のための公知の変更手段（すなわち、異なる熱膨張及び収縮率にも拘らずクリアランスを一定に維持するために、周方向に取り巻くシュラウドセグメントを、ロータブレード先端の列に対して半径方向に遠近するように機械的に移動させる）とを含む。ピボット動不能のファンステータベーン設計におけるさらに別のそのような変更手段には、航空機などにおける翼フラップを伸展及び後退させるような公知の手段が含まれる。

図１に示す例示的な第１及び第２の変更手段９１、９２は、外側シャフト９６内に同軸に配置された内側シャフト９４を含む。内側シャフト９４は、第１のユニゾンリング１００により作動される第１のレバーアーム９８によって回転させられる。外側シャフト９６は、第２のユニゾンリング１０４により作動される第２のレバーアーム１０２によって回転させられる。内側シャフト９４は、ファンステータベーン３４のベーンハブ部分８５のピボット動可能な後縁ハブフラップ８６に取り付けられる。外側シャフト９６は、ファンステータベーン３４のベーン先端部分８４のピボット動可能な後縁先端フラップ８８に取り付けられる。レバーアーム９８、１０２とユニゾンリング１００、１０４とは、全てファンステータベーン３４の半径方向外側に配置されることに注目されたい。その他のそのようなピボット動手段には、ジェットエンジン等における高圧圧縮機のピボット動する可変ステータベーンのための公知の手段が含まれる。

ＦＬＡＤＥファンブレード５の列は、第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の一つの半径方向外側に配置され、該第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の一つに対して作動可能に結合され、かつ該第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２の一つによって駆動される。図１〜図３に示すエンジン１の実施形態は、第２の二重反転ファン１３２に結合されかつ該第２の二重反転ファン１３２によって駆動されるＦＬＡＤＥファンブレード５を有する。可変の第１のＦＬＡＤＥベーン６の軸方向前方列は、ＦＬＡＤＥ入口８及びＦＬＡＤＥダクト３内に入ることができるＦＬＡＤＥ空気流８０の量を調整するために使用される。エンジン１の部分出力推力設定時に第１のＦＬＡＤＥベーン６を開閉することによりＦＬＡＤＥダクト３を開閉することは、高度及び飛行マッハ数のような亜音速飛行周囲条件の任意の設定における比較的広い推力範囲にわたって、エンジンが本質的に一定の入口空気流量を維持し同時にスピレージ抗力を回避することを可能にし、また飛行条件の範囲全体にわたってそのようにすることを可能にする。この性能は、特に亜音速部分出力エンジン作動状態にとって必要とされる。エンジンの所定の全出力推力設定において、ベーンは本質的に閉じられる。さらに、ＦＬＡＤＥ入口の環状の面積は、この面積がファン入口１１から溢れるスピレージ空気の所定の最大量を受け入れるのに十分であるように、ファン入口１１の環状のファン入口面積の一部となるような寸法にされる。ＦＬＡＤＥファンブレード及対応する可変のＦＬＡＤＥベーンの付加的な列も、本発明では考えられていることに注目されたい。

高圧タービン２３は、燃焼器２２からの流れを高圧タービンブレード２４の列に向ける高圧タービン（ＨＰＴ）ノズルステータベーン１１０の列を含む。高圧タービンブレード２４の列からの流れは、次にそれぞれ互いに逆方向回転可能な（二重反転する）第２及び第１の低圧タービン２１、１９並びに低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列に向けられる。図１〜図３に示すエンジン１の例示的な実施形態は、低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列間に低圧ステータベーン６６の列を含む。図１に示すエンジン1の例示的な実施形態では、低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列間に固定低圧ステータベーン６６の列が組み込まれている。図２及び図３に示すエンジン1の例示的な実施形態では、低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列間に可変低圧ステータベーン６６の列が組み込まれている。第１の低圧タービン１９及びその低圧タービンブレード２８の第１の列は、高圧タービンブレード２４の列に対して逆方向回転可能である。第１の低圧タービン１９及びその低圧タービンブレード２８の第前記の列は、第２の低圧タービン２１及びその低圧タービンブレード２９の第２の列に対して逆方向回転可能である。

第２の二重反転低圧タービン２１及びファンバイパスダクト４０の下流側かつ軸方向後方には、可変スロート面積エンジンノズル２１８が設けられる。エンジンノズル２１８は、センタボデー７２上の半径方向及び軸方向に固定された環状の内側壁２２２から半径方向外側に間隔をおいて配置された軸方向に移動可能な半径方向外側の環状の収束／発散壁２２０を含む。移動可能な半径方向外側の環状の収束／発散壁２２０は、該外側の環状の収束／発散壁２２０と半径方向及び軸方向に固定された環状の内側壁２２２との間のスロート面積Ａ８を制御する。移動可能な半径方向外側の環状の収束／発散壁２２０はまた、エンジンノズル２１８のノズル出口面積Ａ９も制御する。これに代えて、特開平０７−１９７８５３号に開示されたようにフラップ付き可変スロート面積エンジンノズルを使用することもできる。

複数の周方向に配置された中空のストラット２０８は、ＦＬＡＤＥダクト３と流体連通しかつ該ＦＬＡＤＥダクト３から空気を受けるように作動可能である。中空のストラット２０８は、実質的に中空であるセンタボデー７２を構造的に支持しかつ該センタボデー７２に空気を流す。可変面積ｆｌａｄｅ空気ノズル２１３は、軸方向に移動可能なプラグ１７２を含み、このプラグ１７２は、センタボデー７２の半径方向外側に配置された固定ノズルカウリング１７４と協働して、中空ストラット２０８から受けたＦＬＡＤＥ空気流８０を排出し、推力の形態で仕事をエンジンに返す。任意選択的に、後方ＦＬＡＤＥ可変面積バイパスインゼクタドア１４４を通してＦＬＡＤＥ空気流８０の第２の部分を排気流１２２内に噴出させてもよい。

二重反転ファン式エンジンの主たる目標は、エンジンファンセクション内のステータベーンを排除することである。第２の目標は、タービン内のノズル又はベーンの数を最少化することである。第３のスプール、すなわち第１及び第２の二重反転低圧スプールの１つを付加する複雑さと引き換えに、ファンステータベーンを取り除くことによる重量及びコストの削減が得られる。二重反転ファン式エンジンは、典型的には第１の二重反転ファン１３０のホイール速度よりも幾分低い第２の二重反転ファン１３２のホイール速度を有する。これが、その上にＦＬＡＤＥファンブレード５の列を取り付けるのに第２の二重反転ファン１３２を選ぶ１つの理由である。そのホイール速度が低いことが、第２の二重反転ファン１３２を高い相対マッハ数にする理由であり、この高い相対マッハ数は第１の二重反転ファン１３０によって与えられる逆方向渦流の結果として生じる。第２の二重反転ファン１３２の低いホイール速度は、正味ファンロータトルクを均一化するために第２の二重反転ファン１３２における仕事部分が少なくてよいことを意味している。このように第２の二重反転ファン１３２からの出口渦流は十分に小さいので、下流において何らの渦流矯正ベーンも必要でない。第１の二重反転ファン１３０に対する第２の二重反転ファン１３２の１つの例示的な速度比（ロータ２の速度／ロータ１の速度）は、０．７５であって、これは２つのファンの仕事比でもある。得られた仕事の分割は、第１の二重反転ファン１３０が５７．５％、第２の二重反転ファン１３２が残りの４２．５％である。現在の研究は、ＦＬＡＤＥファンブレード５の列の所要エネルギーが、ファンの全エネルギーの１５〜３０％の範囲にあることを示している。

二重反転ファンについての１つの問題は、第１の低圧タービン１９における面積比要件である。慎重な設計手法は、タービンロータの軸方向移動によるタービンブレード先端クリアランスの変動を減らすためには、タービンロータ上の外側の傾斜を小さくするか皆無にすることを示唆している。設計手法はまた、タービンブレードハブの領域における過度の空気力学的損失を回避するために、タービンブレードハブの傾斜を約３０°よりも小さくすることを制約している。約１．４５を超えるロータ圧力比を有する第１の低圧タービンは、避けることが望ましい。タービンロータ圧力比は、タービンブレード入口圧力をタービンブレード出口圧力で除算したものと定義される。先行技術による二重反転ファン式エンジン設計は、第１の低圧タービンが約１．９の圧力比を有することを示している。これは、望ましいものよりも遥かに大きい。

第２の低圧スプール２４２における全仕事は、第２の二重反転ファン１３２によって行われる仕事とＦＬＡＤＥファンブレード5によって行われる仕事との和である。第２の二重反転ファン１３２に駆動結合された第１の低圧タービン１９によって取り出される全仕事は、タービンノズルの無い構成における上記限界値を遙かに超えた第１の低圧タービン１９圧力比を必要とする。この問題に対する解決策は、第２の二重反転ファン１３２の仕事要件を、第１の低圧タービン１９が約１．４５の圧力比と一致する点まで低減することである。第２の二重反転ファン１３２の仕事を低減することは、次に第１の二重反転ファン１３０に要求される仕事に加算され、それによってファンの全仕事を回復させる。修正した段圧力比要件によって、適切なファン失速マージンが保たれなくてはならない。第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２のロータ速度は、それらそれぞれの圧力比要件によって決まる。第２の二重反転ファン１３２のロータ速度は、その圧力比要件又はそれに代えてＦＬＡＤＥファンブレード５の圧力比要件によって決まる。図１〜図３に示すエンジンの第２の二重反転ファン１３２における得られた仕事比は、約０．４３であり、その速度比は、約０．７３である。

離陸作動状態において騒音を低減し又は飛行中にエンジン入口空気流量を整合させるように最大エンジン空気流量性能を得るために、第１のＦＬＡＤＥベーン６を用いてＦＬＡＤＥ空気流量８０を調整することができる。超音速巡航状態においては、到達可能な最高比推力を可能にするように、ｆｌａｄｅ空気流をその最少エネルギー吸収空気流量にまで減少させることができる。ｆｌａｄｅ空気流量の調整は、第２の低圧スプール２４２の第１の低圧タービン１９の仕事要件を変えることになる。しかしながら、第１の低圧タービン１９及びその低圧タービンブレード２８の第１の列は、高圧タービン２３の高圧タービンブレード２４の列と第２の低圧タービン２１及びその低圧タービンブレード２９の第２の列との間に位置している。第１の低圧タービン１９の入口流量機能は、その定常状態作動域全体にわたり比較的一定に保たれることが期待される。第２の低圧タービン２１の入口流量機能もまた、その定常状態作動域全体にわたり比較的一定を保たれることが期待される。従って、第１の低圧タービン１９の圧力比は、比較的一定に保たれることが期待される。一定の圧力比において、第１の低圧タービン１９の仕事出力は、比較的一定に保たれることになる。可変の第１のＦＬＡＤＥベーン６及びＦＬＡＤＥファンブレード５の列を閉じることによって、第１の低圧スプール２４０の低減した仕事入力要件と組み合わさった第１の低圧タービン１９のこの一定の仕事出力は、トルク不均衡を生み出して低圧スプール２４０を加速することになる。第１の低圧タービン１９の圧力比は、この過度なトルクを防止するために調整されなくてはならない。この調整は、低圧タービンブレード２８、２９の第１及び第２の列間で可変低圧ステータベーン６６の列を変化させて低圧タービンブレード２９の第２の列に対する入口流量を調整することによって達成される。可変スロート面積Ａ８は、第２の低圧タービン２１による過度な取り出しを回避するのを助ける。

図４に示すのは、第１の二重反転ファン１３０の第１のファンブレード３３に取り付けられたＦＬＡＤＥファンブレード５を有する例示的な第２の別のＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン１である。固定ステータベーン６７の列が、高圧タービンブレード２４の列と低圧タービンブレード２８の第１の列との間に配置される。それぞれ第２及び第１の二重反転低圧タービン２１、１９の低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列間には、何らの固定又は可変ベーンも存在しない。

第１の二重反転ファン１３０の第１のファンブレード３３にＦＬＡＤＥファンブレード５を取り付けることは、低圧タービンブレード２９の第２の列への入口流量を調整するために、低圧タービンブレード２８、２９の第１及び第２の列間に可変低圧ステータベーン６６を配置する必要性を排除することを可能にする。ＦＬＡＤＥファンブレード５のエネルギー要件を調整することが、第２の低圧スプール２４２から取り除かれて、第１の低圧スプール２４０に課せられる。この設計により、作動流量−圧力比要件を変更することは、可変スロート面積エンジンノズル２１８によって全体として対処することができる。可変スロート面積ノズルは、通常のエンジン作動にとって必要である。従って、エンジンのこの実施形態は、既に必要である特徴形状の利点を利用している。図４に示す構成は、第１の低圧タービン１９の直ぐ上流に位置するベーンの列を持つベーン付きの第１の低圧タービン１９と、第２の低圧タービン２１の直ぐ上流に位置するベーンの列を持たないベーンレス型の第２の低圧タービン２１とを示している。さらに別の構成では、ベーンレス型の第１の低圧タービン１９とベーンレス型の第２の低圧タービン２１とにすることができる。そのような構成では、ロータ圧力比を調整することが望ましい場合がある。

第１の二重反転ファン１３０の第１のファンブレード３３にＦＬＡＤＥファンブレード５を取り付けることは、第１の二重反転ファン１３０の第１のファンの入口半径比と第１及び第２の二重反転ファン１３０、１３２間の仕事の分割とを調整するために、これらのファンの再設定を必要とする。第１のファンの入口半径比は、ＦＬＡＤＥファンブレード５を考慮に入れた場合には、第１の低圧スプール２４０の全ファン半径比が約０．３よりも小さくならないように、大きな値に調整される必要がある。この調整は、機械的健全性を保つためのものである。第２の低圧スプールからｆｌａｄｅを取り除いた場合、第１の低圧タービン１９の圧力比が、ベーンレス型の二重反転低圧タービン構成、つまり二重反転低圧タービン間にベーンが無い構成におけるその限界値１．４５に近づくか到達するまで、そのファンロータの圧力比を増大させることができる。これに応じて全設計ファン圧力比を保つために、第２の二重反転ファン１３２の圧力比を減少させることができる。

第１の二重反転ファン１３０の先端速度は、その圧力比要件が低減したため、図２に示すそのレベルから低下する。しかしながら、ＦＬＡＤＥファンブレード５を第１の二重反転ファン１３０から外向きに突出させた場合には、ＦＬＡＤＥファンブレードの先端速度は、許容できないレベルまで上昇する可能性がある。鳥の衝突に耐えるこのようなブレード設計は、良くいっても非常に困難である。高い先端速度は、ＦＬＡＤＥファンブレード５にとっては必要でない。実際、ＦＬＡＤＥファンブレード５の圧力比要件は、そのような先端速度に対しては多分あまり大きくない筈である。第１の二重反転ファン１３０の先端速度を低下させることは、その圧力比要件を低下させることを必要とする。このことは、次ぎに第２の二重反転ファン１３２の圧力比要件を増大させることを必要とする。第２の二重反転ファン１３２の圧力比は、ノズル無しの第１の低圧タービン１９構成の面積比（すなわち、圧力比）の制約条件によって設定される。

図５に示すのは、第２の二重反転ファン１３２の第２のファンブレード３２の列に取り付けられかつ該第２のファンブレード３２の列から半径方向外向きに延びるＦＬＡＤＥファンブレード５を有する例示的な第３の別のＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン１である。固定ステータベーン６７の列が、高圧タービンブレード２４の列と低圧タービンブレード２８の第１の列との間に配置される。それぞれ第２及び第１の二重反転低圧タービン２１、１９の低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列間には、何らの固定又は可変ベーンも存在しない。

図６に示すのは、第２の二重反転ファン１３２が、それぞれ第１及び第２段ブレード２５０、２５２の列として示した軸方向に間隔をおいて配置されたファンブレードの２つの段又は列とそれらの間の第２段ファンベーン２５４の列とを有する例示的な第４の別のＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン１である。ＦＬＡＤＥファンブレード５は、第２の二重反転ファン１３２の第２段ブレード２５２に取り付けられかつ該第２段ブレード２５２から半径方向外向きに延びる。固定ステータベーン６７の列が、高圧タービンブレード２４の列と低圧タービンブレード２８の第１の列との間に配置される。それぞれ第２及び第１の二重反転低圧タービン２１、１９の低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列間には、何らの固定又は可変ベーンも存在しない。

図７に示すのは、第２の二重反転ファン１３２が、それぞれ第１及び第２段ブレード２５０、２５２として示したファンブレードの２つの段又は列を有する例示的な第５の別のＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン１である。ＦＬＡＤＥファンブレード５は、第２の二重反転ファン１３２の第２のファンブレード３２の列に取り付けられかつ該第２のファンブレード３２の列から半径方向外向きに延びる。可変低圧ステータベーン６６の列が、低圧タービンブレード２９、２８の第２及び第１の列の軸方向間に配置される。高圧タービンブレード２４の列と低圧タービンブレード２８の第１の列との間には、何らの固定又は可変ベーンも存在しない。

本明細書では本発明の好ましい例示的な実施形態であると考えられるものについて説明してきたが、本明細書の教示から本発明のその他の変更が当業者には明らかであろう。従って、全てのそのような変更が本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれるものとして特許請求の範囲で保護されることが望まれる。特許請求の範囲に示す参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めるためのものではなく、それらを容易に理解するためのものである。

二重反転ファンを備えたＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンの第１の例示的な実施形態の概略断面図。第１及び第２の二重反転ファンと高出力作動のための配列になっている移動ノズルカウルを有する可変排気ノズルとを備えたＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンの第２の例示的な実施形態の概略断面図。低出力作動のための配列になっている、図２のエンジンの概略断面図。ＦＬＡＤＥファンブレードの列を有する第１のファンと高圧タービン及び第１の低圧タービン間の固定ベーンの列とを備えたＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンの第３の例示的な実施形態の概略断面図。ＦＬＡＤＥファンブレードの列を有する第２のファンと高圧タービン及び第１の低圧タービン間の固定ベーンの列とを備えたＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンの第４の例示的な実施形態の概略断面図。ＦＬＡＤＥファンブレードの列を有する第２のファンの第２ファン段と高圧タービン及び第１の低圧タービン間の固定ベーンの列とを備えたＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンの第５の例示的な実施形態の概略断面図。ＦＬＡＤＥファンブレードの列を有する第２のファンの第２ファン段と第１及び第２の二重反転低圧タービン間の可変ベーンの列とを備えたＦＬＡＤＥ航空機ガスタービンエンジンの第６の例示的な実施形態の概略断面図。

符号の説明

１ＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン
２ＦＬＡＤＥファン
３ＦＬＡＤＥダクト
５ＦＬＡＤＥファンブレード
６第１のＦＬＡＤＥベーン
７第２のＦＬＡＤＥベーン
１８コアエンジン
１９第１の低圧タービン
２０高圧圧縮機
２１第２の低圧タービン
２２燃焼器
２３高圧タービン
３７コア駆動ファン
４０ファンバイパスダクト
５８第２のバイパスダクト
７２エンジンノズルセンタボデー
１３０第１の二重反転ファン
１３２第２の二重反転ファン
１７２プラグ
１７４ノズルカウリング
２０８中空のストラット
２１３可変面積ｆｌａｄｅ空気ノズル
２１８可変スロート面積エンジンノズル
２２０外側の環状の収束／発散壁

Claims

軸方向に間隔をおいて配置された第１及び第２の二重反転ファン（１３０、１３２）と、
前記第１及び第２の二重反転ファン（１３０、１３２）の１つの半径方向外側に配置されかつ該第１及び第２の二重反転ファンの１つに駆動結合されたＦＬＡＤＥファンブレード（５）の少なくとも１つの列と、
前記第１の二重反転ファン（１３０）に駆動結合された第２の二重反転低圧タービン（２１）の下流側かつ軸方向後方に配置された可変スロート面積エンジンノズル（２１８）と
を含み、
前記可変スロート面積エンジンノズル（２１８）は、軸方向に移動可能な環状の収束／発散壁（２２０）を含み、
前記収束／発散壁（２２０）は、
前記可変スロート面積エンジンノズル（２１８）のセンタボデー（７２）上の半径方向及び軸方向に固定された環状の内側壁（２２２）から半径方向外側に間隔をおいて配置され、
該収束／発散壁（２２０）と前記半径方向及び軸方向に固定された環状の内側壁（２２２）との間のスロート面積（Ａ８）を調整するように作動可能であり、
前記エンジンノズル（２１８）のノズル出口面積（Ａ９）を調整するように作動可能である
ことを特徴とする、ＦＬＡＤＥ二重反転ファン式航空機ガスタービンエンジン（１）。
前記第２の二重反転ファン（１３２）に駆動結合された第１の低圧タービン（１９）とをさらに含む、請求項１記載のエンジン（１）。
前記第１及び第２の二重反転ファン（１３０、１３２）の下流側かつ軸方向後方に配置されたコアエンジン（１８）と、
前記第１及び第２の二重反転ファン（１３０、１３２）の下流側かつ軸方向後方に配置され、かつ前記コアエンジン（１８）を囲むファンバイパスダクト（４０）と、
をさらに含み、
前記ＦＬＡＤＥファンブレード（５）の列が、前記第１及び第２の二重反転ファン（１３０、１３２）並びにファンバイパスダクト（４０）を囲むＦＬＡＤＥダクト（３）を横切って半径方向に延びている、
請求項１記載のエンジン（１）。
前記ＦＬＡＤＥファンブレード（５）の列が、可変の第１のＦＬＡＤＥベーン（６）の軸方向前方列と第２のＦＬＡＤＥベーン（７）の軸方向後方列との間で前記ＦＬＡＤＥダクト（３）内に配置されている、請求項３記載のエンジン（１）。
前記第２の二重反転ファン（１３２）に駆動結合された第１の低圧タービン（１９）と、前記第１の二重反転ファン（１３０）に駆動結合された第２の低圧タービン（２１）とをさらに含む、請求項３記載のエンジン（１）。
直列の流れ関係で、コア駆動ファンステータベーン（３４）の列と、コア駆動ファンブレード（３６）の少なくとも１つの列を備えたコア駆動ファン（３７）と、高圧圧縮機（２０）と、燃焼器（２２）と、前記コア駆動ファン（３７）に駆動結合された高圧タービン（２３）とを有するコアエンジン（１８）をさらに含み、
前記第１及び第２の二重反転ファン（１３０、１３２）が、環状の第１のファンダクト（１３８）を横切って半径方向に配置され、前記コア駆動ファン（３７）が、環状の第２のファンダクト（１４２）を横切って半径方向に配置され、
ベーンシュラウド（１０６）が、前記コア駆動ファンステータベーン（３４）を半径方向内側ベーンハブ部分（８５）と半径方向外側ベーン先端部分（８４）とに分割し、
ファンシュラウド（１０８）が、前記コア駆動ファンブレード（３６）を半径方向内側ブレードハブ部分（３９）と半径方向外側ブレード先端部分（３８）とに分割し、
ファンバイパスダクト（４０）への第１のバイパス入口（４２）が、前記第２の二重反転ファン（１３２）と前記コアエンジン（１８）への環状のコアエンジン入口（１７）との軸方向間に配置され、
前記コア駆動ファンステータベーン（３４）のベーン先端部分（８４）を横切りかつ前記コア駆動ファンブレード（３６）のブレード先端部分（３８）を横切るファン先端ダクト（１４６）が、前記ファンバイパスダクト（４０）への第２のバイパス入口（４６）まで延び、
前記ベーン先端部分（８４）の流れ面積を独立して変えるための第１の変更手段（９１）が設けられている、
請求項２記載のエンジン（１）。
前記ベーンハブ部分（８５）の流れ面積を独立して変えるための第２の変更手段（９２）をさらに含む、請求項６記載のエンジン（１）。
前記第１及び第２の変更手段（９１、９２）が、それぞれ独立して変化するベーン先端部分（８４）と独立して変化するベーンハブ部分（８５）とを含む、請求項７記載のエンジン（１）。
前記第１のバイパス入口（４２）内に前方可変面積バイパスインゼクタドア（４４）をさらに含む、請求項８記載のエンジン（１）。
前記第１及び第２の変更手段（９１、９２）が、
前記ベーンハブ部分（８５）のピボット動可能な後縁ハブフラップ（８６）に取り付けられた内側シャフト（９４）と、
前記ベーン先端部分（８４）のピボット動可能な後縁先端フラップ（８８）に取り付けられた外側シャフト（９６）と、を含み、
前記内側シャフト（９４）が、前記ファンステータベーン（３４）の外側シャフト（９６）内に同軸に配置され、
第１のユニゾンリング（１００）が、第１のレバーアーム（９８）に対して作動関係で結合され、該第１のレバーアーム（９８）が前記内側シャフト（９４）に対して回転可能な作動関係で結合され、
第２のユニゾンリング（１０４）が、第２のレバーアーム（１０２）に対して作動関係で結合され、該第２のレバーアームが前記外側シャフト（９６）に対して回転可能な作動関係で結合されている、
請求項８記載のエンジン（１）。