JP4890478B2 - ガスタービンエンジンおよびファンノズル出口面積を変化させる方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ファンノズル出口面積と、エンジン推力ベクトルの方向とを対称および非対称に制御する、回転移動可能な軸上駆動リングを有するターボファンエンジンに関する。

一般的なガスタービンエンジンは通常、ファン部分およびコアエンジンを有し、ファン部分は、コアエンジンの直径よりも大きい直径を有する。ファン部分およびコアエンジンは長手方向軸を中心として配置され、エンジンナセルアッセンブリ内に封入される。

燃焼ガスは、コアエンジンからコア排気ノズルを通って放出されるが、主空気流路の半径方向外側に配置された環状のファン流れは、外側ファンナセルと内側コアナセルとの間に画定された環状のファン排気ノズルを通って放出される。大部分の推力は、ファン排気ノズルから放出される加圧ファン空気によって発生し、残りの推力は、コア排気ノズルから放出される燃焼ガスによって発生する。

一般的なガスタービンエンジンのファンノズルは固定された形状を有する。固定された形状のファンノズルは、巡航状態に適するだけでなく、離着陸状態にも適した折衷案としたものである。ガスタービンエンジンには、面積可変ファンノズルを実装したものがある。面積可変ファンノズルでは、巡航状態中にファンノズル出口面積がより小さくなり、離着陸状態中にファンノズル出口面積がより大きくなる。既存の面積可変ファンノズルは通常、比較的複雑な機構を利用しており、この複雑な機構により、高くなった燃料効率を打ち消す程度までエンジン全体の重量が増加する。

したがって、推力偏向能力を備えた、有効で軽量のガスタービンエンジン用の面積可変ファンノズルを提供することが望ましい。

本発明による面積可変ファンノズル（ＦＶＡＮ）は、ファンノズル出口面積を変えるフラップアッセンブリを有する。フラップアッセンブリは、後縁を備えるようにファンナセルの端部セグメントに組み込まれる。

フラップアッセンブリは通常、複数のフラップ、フラップリンク機構およびアクチュエータシステムを有する。アクチュエータシステムは、カム駆動リングを回転方向に並進させ、このカム駆動リングは、各フラップのフラップリンク機構を駆動して、ファンノズル出口面積を対称に変化させる。

運転中、複数のアクチュエータはカム駆動リングを回転させ、これにより、フラップリンク機構の従動部がカム面に追従して、面積可変ファンノズルが対称に広がるように各フラップを枢動させる。カム駆動リングの回転により、ファンノズル出口面積全体の拡大が対称的な態様で調整される。

別の実施形態では、カム駆動リングは、各フラップのフラップリンク機構の従動部と係合する複数の移動可能なカムを有する。複数の移動可能なカムの特定のものが枢動すると、面積可変ファンノズルの排気方向が変わる。

したがって、本発明は、ガスタービンエンジン用の有効かつ軽量な面積可変ファンノズルおよび推力偏向システムを提示する。

図１Ａは、エンジンナセルアッセンブリＮ内でエンジンパイロンＰから吊された、亜音速運転用に設計された航空機の典型例であるガスタービンエンジン１０の概略的な部分図を示している。

ターボファンエンジン１０は、低スプール１４および高スプール２４を収容するコアナセル１２内にコアエンジンを有する。低スプール１４は、低圧コンプレッサ１６および低圧タービン１８を有する。ギア付きターボファンと呼ばれる図示したエンジン構成では、低スプール１４は、ギア列２２を介してファン２０を駆動する。高スプール２４は、高圧コンプレッサ２６および高圧タービン２８を有する。燃焼器３０は、高圧コンプレッサ２６と高圧タービン２８との間にある。低スプール１４および高スプール２４は、エンジン回転軸Ａを中心に独立して回転する。

エンジン１０は、高バイパスギア付きターボファン航空機エンジンであるのが好ましい。エンジン１０のバイパス比は１０より大きく、ターボファンの直径は、低圧コンプレッサ１６の直径よりはるかに大きく、低圧タービン１８は、５より大きい圧力比を有するのが好ましい。ギア列２２は、２．５より大きいギア減速比を備えた遊星ギアシステムなどの遊星ギア列や他のギアシステムであるのが好ましい。しかし、上記のパラメータは、開示したギア付きターボファンエンジンに対する単なる例示であり、本発明は、ファンが低スプールに直結された直接駆動のファンを含む他のガスタービンエンジンにも同様に適用できることを理解されたい。

空気流は、コアナセル１２の長さの少なくとも一部に沿ってこのコアナセル１２を囲むファンナセル３４に入る。ファン２０は、空気流をコアエンジンに送り、低圧コンプレッサ１６と高圧コンプレッサ２６で圧縮する。低圧コンプレッサ１６および高圧コンプレッサ２６によって圧縮されたコア空気流は、燃焼器３０内で燃料と混合されて点火される。この結果生じた燃焼生成物は、高圧タービン２８および低圧タービン１８を通って膨張する。タービン２８，１８は、それぞれのスプール２４，１４に回転可能に連結されており、燃焼生成物の膨張とともにコンプレッサ２６，１６を回転駆動し、ギア列２２を介してファン２０を回転駆動する。コアエンジン排気流Ｅは、コアナセル１２とテールコーン３２との間に画定されたコアノズル４３を通ってコアナセル１２から出る。

コアナセル１２は、一般的には上下のバイファケーション（ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ）といわれる構造体３６によってファンナセル３４内に支持されている。バイパス流路４０は、コアナセル１２とファンナセル３４との間において環状に画定される。エンジン１０は、高バイパスエンジンであり、この高バイパスエンジンでは、ファンナセル３４に入る空気流の約８０％は、コア流路ではなくバイパス流路４０に入るバイパス流Ｂである。バイパス流Ｂは、概ね環状のバイパス流路４０を通り、面積可変ファンノズル（ＦＶＡＮ）４２（図１Ｂにも示す）を通ってエンジン１０から放出される。この面積可変ファンノズルは、ファンナセル３４とコアナセル１２との間にファンノズル出口面積４４を画定する。

推力は、密度、速度および面積の関数である。バイパス流Ｂによって発生する推力の大きさおよび方向を変えるために、１つまたは複数のこれらパラメータを操作することができる。面積可変ファンノズル４２は、物理的な面積および形状を変えて、バイパス流Ｂによって発生する推力を操作する。しかし、構造上の変更以外の方法、例えば、境界層を変えることによって、ファンノズル出口面積４４を効果的に変えることもできることを理解されたい。さらに、ファンノズル出口面積４４を効果的に変えるのは、ファンナセル３４の出口に近接した物理的な位置で行うことに限定されず、他の位置でバイパス流Ｂを変えることを含めることができることを理解されたい。

面積可変ファンノズル４２は、上流に位置するファン２０によって加圧されたファンバイパス流Ｂを軸方向に放出するファンノズル出口面積４４を画定する。高バイパス比のために、大量の推力がバイパス流Ｂによって発生する。エンジン１０のファン２０は、特定の飛行状態、通常は、マッハ数が約０．８、高度が約３５，０００フィートでの巡航用に設計されるのが好ましい。

ファン２０は、巡航状態で効率が高くなるように設計されるので、面積可変ファンノズル４２は、着陸および離陸などの他の飛行状態で効率のよいエンジン運転を行うために、ファンノズル出口面積４４を変えるように操作され、かつ騒音レベルなどの他の運転パラメータを満たすように操作される。好ましくは、面積可変ファンノズル４２は、ファンノズル出口面積４４に対して収縮した公称巡航位置を画定し、回転により該面積に対して開いて、他の飛行状態用の拡散位置を画定する。面積可変ファンノズル４２は、ファンノズル出口面積４４を約２０％変化させるのが好ましい。面積可変ファンノズル４２の幾つかの円周方向セクタが他の円周方向セクタに対して収縮または拡散する他の構成、基本的に無数の中間位置および推力偏向位置が、本発明で同様に使用できることを理解されたい。

運転時、面積可変ファンノズル４２は、コントローラＣなどに接続されて、ファンノズル出口面積４４を対称または非対称の態様で調整する。エンジンコントローラや飛行制御システムを含めた他の制御システムも同様に、本発明で使用することができる。すべてのセクタが一様に移動するように、面積可変ファンノズル４２の外側周縁部全体を対称に調整することによって、各飛行状態中に推力効率および燃料の節約を最大化する。面積可変ファンノズル４２の各フラップ５０を個別に調整して、ファンノズル出口面積４４を非対称にすることにより、エンジンファンバイパス流は選択的に偏向されて、例えば、トリムバランス、推力を制御した操縦、改良された地上動作および短滑走路性能などをもたらす。

図２を参照すると、面積可変ファンノズル４２は通常、ファンノズル出口面積４４を変化させるフラップアッセンブリ４８を有する。フラップアッセンブリ４８は、後縁３４Ｔを画定するようにファンナセル３４に組み込まれるのが好ましい。フラップアッセンブリ４８は通常、複数のフラップ５０と、それぞれ対応する複数のフラップリンク機構５２と、アクチュエータシステム５４と、を有する。

アクチュエータシステム５４は、ファンナセル３４などの固定構造体に取り付けられるか、または固定構造体に隣接した複数のアクチュエータ６２を有する。各アクチュエータ６２は、各自の枢動可能なアクチュエータ取付具６６Ａでカム駆動リングに取り付けられている。また、各アクチュエータ６２は、各自の枢動可能なアクチュエータ取付具６８Ｂでファンナセル３４に取り付けられている。複数のアクチュエータ６２は、コントローラＣに応答して作動して、カム駆動リング５８をエンジン軸Ａに対して回転位置決めし、ファン空気Ｂが内部を通って放出される、面積可変ファンノズル４２によって画定されるファンノズル出口面積４４を変化させる。

各フラップ５０は、ヒンジ５６によってファンナセル３４に枢動可能に取り付けられている。フラップ５０は、付勢されてカム駆動リング５８と接触する各自のフラップリンク機構５２によって、カム駆動リング５８に連結されている。フラップリンク機構５２は、フラップ５０とカム駆動リング５８との間に延びており、ファンナセルセグメント３４Ｓに対してフラップ５０をヒンジ５６によって画定されたヒンジ線７４を中心に移動させる。ヒンジ線７４は、面積可変ファンノズル４２の外周のまわりに画定されている。各ヒンジ５６は、一般的に知られているように、ベアリング、ブシュまたは屈曲体を有することができる。また、各フラップ５０は、追従シール構成を含むことができ、各フラップ５０は、隣接するフラップ５０と係合し、かつオーバラップし、非対称動作用の重複フラップでシールする円周方向の追従シールを形成する。

図３Ａを参照すると、カム駆動リング５８は、後面５８Ａに沿って、複数のカム７６（図３Ｂ）を有する。複数のカム７６は、カム駆動リング５８内に直接加工されてもよいし、製造と修理を容易にするために、概ね環状のリングの開口部７７（図４）に挿入された、取り外し可能な部品であってもよい。

複数のカム７６はそれぞれ、付勢されて当接した関係で、各フラップ５０のフラップリンク機構５２と係合している。フラップリンク機構５２は、ボール、ローラ、ベアリング、スライダ、ローリング（ｒｏｌｌｉｎｇ）または同様の接触体などの従動部７８を有し、この従動部は付勢されて、カム面８０に沿って複数のカム７６のそれぞれと接触している。すなわち、フラップリンク機構５２は、対応するカム面８０との接触を維持するために、付勢部材８２（概略的に図示する）によって付勢されている。従動部７８は、この従動部７８が、カム駆動リング５８の回転に応じてカム７６のカム面８０に沿って動くように、フラップリンク機構５２と対応するカム７６との間の摩擦を最小化する。

フラップリンク機構５２は、各フラップ５０の各従動部７８と各複数のカム面８０との間の接触を維持するために付勢されている（図３Ｃ、図３Ｄ）。様々な構成を本発明で利用できるので、フラップリンク機構５２および付勢部材８２は、概略的に図示されていることを理解されたい。

運転時、複数のアクチュエータ６２は、エンジン長手方向軸Ａを中心にカム駆動リング５８を回転させる。カム駆動リング５８が回転すると、従動部７８はカム面８０に追従して、フラップリンク機構５２を介して各フラップ５０を枢動させるので、フラップアッセンブリ４８は、円周方向のヒンジ線７４を中心に枢動する。カム駆動リング５８の回転により、ファンノズル出口面積４４全体が、対称的な態様で調整される。

図５Ａを参照すると、別のカム駆動リング５８’は、カム７６と同様に、カム駆動リング５８’から延びる複数の移動可能なカム８４を有する。さらに、複数の移動可能なカム８４はそれぞれ、カム駆動リング５８’内に画定されたカムピボット８８を中心に枢動する。各フラップリンク機構５２の各従動部７８は、上記のように、付勢されて当接した関係で各移動可能カム８４のカム面８６と係合している。

カム面８６は、円周方向に円周カムプロフィール８６Ｃを画定し（図５Ａ）、かつフラップ５０に対して垂直な方向に垂直カムプロフィール８６Ｎを画定する（図５Ｂ）、複合カム面であるのが好ましい。カム駆動リング５８’が回転すると、従動部７８は、円周方向に沿ってカム面８６Ｃに追従して、フラップリンク機構５２を介して各フラップ５０を枢動させるので、フラップアッセンブリ４８は、円周方向のヒンジ線７４を回転中心として広がる。カム駆動リング５８’の回転により、ファンノズル出口面積４４が対称的な態様で調整される。

複数の移動可能カム８４のうち特定の数のカムを各カムピボット８８を中心に枢動させると、面積可変ファンノズル４２の排気方向が変わる。すなわち、複数の移動可能カム８４はそれぞれ、カム駆動システム９０に応答して、カム駆動リング５８’に対して概ね垂直な基本カム軸Ｃから外れたカムピボット８８を中心に選択的に枢動することができる。各種の駆動システム９０は、移動可能な基本カム軸Ｃに対して移動可能なカム８４を選択的に位置決めする磁気システム（図６）を含めて、ここで利用され得る。様々な他の電気機械式駆動システムを本発明で利用することができることを理解されたい。

ここで定義するように、エンジン軸Ａに向かう移動可能カム８４の移動は正（＋）の移動であり、エンジン軸Ａから離れる移動可能カム８４の移動は負（−）の移動であるとする。移動可能カム８４が正の方向に移動すると、フラップ５０が基本位置から開き、移動可能カム８４が負の移動をすると、基本位置からエンジン軸Ａに向かってフラップ５０が閉じる。言い換えると、移動可能カム８４の回転移動は、面積可変ファンノズル４２の排気方向の変化に係わる。単なる例として、すべての移動可能カム８４が同じ方向（＋または−）および同じ角度で移動されると、推力ベクトルの方向は何ら変わることなく、ノズル面積が対称的に変化し、これは、移動可能カム８４が固定位置に維持されて、カム駆動リング５８’が軸Ａを中心に回転するだけの場合とほぼ同じである。

反対に、０°の位置にある移動可能カム８４が（＋）方向に移動し、１８０°の位置にある移動可能カム８４が（−）の方向に移動すると、面積可変ファンノズル４２の上側セクタが開き、下側セクタは閉じる。１つの図示した実施例（図７）では、移動可能カム８４は、面積可変ファンノズル４２の方向を最大の「上向き」方向に非対称に変えるように枢動されている（図５Ｃの図式と、図５Ｄの表でも示す）。０°の位置にある移動可能カム８４がエンジン軸Ａに向かって正の方向に移動して、フラップリンク機構５２が前方に移動し（例えば、５単位、リンク矢印Ｌ＋）、フラップアッセンブリ４８が、エンジン中心線Ａから離れる方向に、円周方向のヒンジ線７４を中心に枢動する（図７）。反対に、１８０°の位置にある移動可能カム８４が、エンジン軸Ａから離れる負の方向に移動して、フラップリンク機構５２が後方に移動し（−５単位、リンク矢印Ｌ−）、フラップアッセンブリ４８が、エンジン中心線Ａに向かって円周方向のヒンジ線７４を中心に枢動する（図７）。９０°の位置と２７０°の位置にある移動可能カム８４は枢動せず、移動可能な基本カム軸Ｃに沿ったままであるので、フラップリンク機構５２は移動しない（０単位、リンク矢印Ｌ−）で、９０°および２７０°の位置にあるフラップアッセンブリ４８は、基本位置のままである。中間位置（０°〜９０°、９０°〜１８０°、１８０°〜２７０°、２７０°〜３６０°の位置）にある移動可能カム８４は、徐々に増加または減少する数個の中間単位数だけ移動して（図５Ｃ、図５Ｄおよび図７Ｂ）、非対称に方向が変わった面積可変ファンノズル４２の外周を画定する。

本明細書で使用する「単位」は、単に例示する目的で提示され、実際の角度可変性能は、垂直カムプロフィール８６Ｎ（図５Ｂ）によって決まり、実際の対称的な角度可変性能は、円周方向カムプロフィール８６Ｃによって決まることを理解されたい。

すなわち、０°および１８０°の位置にあるフラップ５０は、最大の「上向き」位置に枢動され、９０°および２７０°の位置にあるフラップ５０は枢動せず、下側の半円にあるフラップ５０は、９０°〜１８０°線に対して枢動位置が漸次変化し、さらに、上側の半円にあるフラップ５０は漸次枢動する（図７）。

面積可変ファンノズル４２を調整することによって、各飛行状態時に、エンジン推力および燃料の節約が最大化される。好ましくは、アクチュエータシステム５４は、エンジンコントローラなどに接続されて、面積可変ファンノズル４２の位置を最適に調整する。しかし、飛行制御システムを含めた他の制御システムも同様に、本発明で使用することができる。

上記の説明は、範囲を限定するものではなくて例示するものである。上記の教示を踏まえて、本発明に関する多数の修正および変更が可能である。本発明の実施形態が開示されたが、当業者ならば、特定の修正が本発明の範囲内であると分かるであろう。したがって、添付の請求項の範囲内において、具体的に説明されたものとは別の方法で本発明を実施することができることを理解されたい。こういう理由から、添付の特許請求の範囲が本発明の真の範囲および内容を究明するために検討されるべきである。

本発明で使用する例示的なガスタービンエンジンの実施形態の概略的な部分図である。 エンジンの部分斜視図である。 面積可変ファンノズルの部分斜視図である。 面積可変ファンノズルの概略的な長手方向の断面図である。 カム駆動リングの概略図である。 図３Ｂの線３Ｃ−３Ｃに沿って切り取った、カム駆動リングにあるカムの断面図である。 図３Ｂの線３Ｄ−３Ｄに沿って切り取った、カム駆動リングにあるカムの断面図である。 別のカム駆動リングの概略的な部分図である。 カム駆動リングの別の実施形態の断面図である。 垂直カム面を示したカム駆動リングの概略図である。 面積可変ファンノズルの「上向き」運転の図式表示である。 回転方向に並進された「上向き」位置にあるカム駆動リングの表である。 移動可能カム駆動システムを示すカム駆動リングの概略図である。 推力を「上向き」方向に向けるように配置された移動可能カムに対応した面積可変ファンノズルの概略図である。 推力を「上向き」方向に向けるように配置された移動可能カムに対応した面積可変ファンノズルの図式表示である。

Claims (15)

1. 軸のまわりに画定されたコア構造体と、
   前記コア構造体を囲むファン構造体と、
   カム駆動リングと、
   前記ファン構造体に枢動可能に取り付けられたフラップリンク機構と、
   アクチュエータシステムと、
   を備え、
   前記ファン構造体は面積可変ファンノズルを有し、該面積可変ファンノズルは、前記ファン構造体と前記コア構造体との間で少なくとも部分的にファンノズル出口面積を画定する少なくとも１つのフラップを有し、該少なくとも１つのフラップは、前記ファンノズル出口面積のまわりに画定された複数のフラップを含み、前記複数のフラップは、前記面積可変ファンノズルの後縁を画定し、
   前記フラップリンク機構は、前記少なくとも１つのフラップに取り付けられ、前記カム駆動リングと従動部で接触するように付勢され、
   前記アクチュエータシステムは、前記従動部が前記カム駆動リングを横断するのに伴って、前記面積可変ファンノズルによって画定された前記ファンノズル出口面積を変化させるように、前記カム駆動リングを前記軸を中心に回転させることができることを特徴とするガスタービンエンジン。
2. 前記カム駆動リングは複数のカムを有し、該複数のカムはそれぞれ、前記複数のフラップの１つに対応することを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
3. 前記複数のカムはそれぞれ、傾斜したプロフィールを画定することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
4. 前記複数のカムはそれぞれ、蛇行したプロフィールを画定することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
5. 前記複数のカムはそれぞれ、エンジン軸に対して円周方向のカムプロフィールと、該エンジン軸に対して垂直なカムプロフィールと、を画定し、前記円周方向のカムプロフィールは、前記従動部がその上を移動できるように、垂直カムプロフィールと交差し、かつ連続することを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
6. 前記複数のカムはそれぞれ、前記カム駆動リングに枢動可能に取り付けられることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン。
7. 前記複数のカムはそれぞれ、エンジン軸に対して円周方向のカムプロフィールと、該エンジン軸に対して垂直なカムプロフィールと、を画定し、前記円周方向のカムプロフィールは、前記従動部がその上を移動できるように、垂直カムプロフィールと交差し、かつ連続することを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン。
8. 前記従動部は、ボールを含むことを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン。
9. 軸のまわりに画定されたコアエンジンと、
   前記コアエンジンによって前記軸を中心に駆動されるファンと、
   前記コアエンジンのまわりに少なくとも部分的に画定されたコア構造体と、
   前記ファンのまわりに取り付けられ、前記コア構造体のまわりに少なくとも部分的に取り付けられたファン構造体と、
   複数のカムを画定するカム駆動リングと、
   前記ファン構造体に枢動可能に取り付けられた複数のフラップリンク機構と、
   アクチュエータシステムと、
   を備え、
   前記ファン構造体は面積可変ファンノズルを有し、該面積可変ファンノズルは、前記ファン構造体と前記コア構造体との間で、前記ファンの下流にファンノズル出口面積を画定する少なくとも１つのフラップを有し、該少なくとも１つのフラップは、前記ファンノズル出口面積のまわりに画定された複数のフラップを含み、前記複数のフラップは、前記面積可変ファンノズルの後縁を画定し、
   前記複数のフラップリンク機構はそれぞれ、前記少なくとも１つのフラップに取り付けられ、前記複数のカムの１つと従動部で接触するように付勢され、
   前記アクチュエータシステムは、前記複数の従動部がそれぞれ、前記カム駆動リングの前記複数のカムの１つを横断するのに伴って、前記面積可変ファンノズルによって画定された前記ファンノズル出口面積を変化させるように、前記カム駆動リングを前記軸を中心に回転させることができることを特徴とするガスタービンエンジン。
10. 前記従動部は、点接触を画定することを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
11. 前記複数のカムはそれぞれ、前記カム駆動リングに枢動可能に取り付けられることを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン。
12. 前記複数のカムはそれぞれ、前記従動部と接触する円周方向カムプロフィールおよび垂直カムプロフィールを画定することを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
13. 前記複数のカムのそれぞれを互いに独立して選択的に枢動させるカム駆動システムをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載のガスタービンエンジン。
14. 前記カム駆動システムは、電磁システムを有することを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン。
15. 前記カム駆動システムは、前記アクチュエータシステムから独立して動作することを特徴とする請求項１３に記載のガスタービンエンジン。

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