JP4981624B2 - ターボファンエンジンノズル組立体及びターボファンエンジン組立体 - Google Patents

ターボファンエンジンノズル組立体及びターボファンエンジン組立体 Download PDF

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Description

本発明は、総括的にはターボファンエンジンにおける空気流量に関し、より具体的には、ファンダクト面積を通って流れる空気流の調整に関する。
少なくとも1つの公知のターボファンエンジン組立体は、ファン組立体と環状コアカウル内に収納されたコアガスタービンエンジンとを含む。さらに、ファンナセルが、コアガスタービンエンジンの一部分を囲む。ノズル組立体は、コアカウル及びファンナセルの一部分を含みかつ一般にファンノズルダクト面積(A18)を形成する。ターボファンエンジン組立体を運転している間には、ファン組立体から流れる空気の一部分は、コアガスタービンエンジンを通って流れ、またその空気の他の部分は、ノズル組立体を通って流れる。
幾つかのターボファンエンジンノズル組立体では、ファンノズルダクト面積を操作して、エンジン性能を変更することができる。例えば、幾つかのターボファンエンジンは、ブロッカドアがない状態で本質的にファンノズルダクト面積を減少させることによって、平行移動式コアカウルを逆推力装置として利用している。
米国特許第5,221,048号公報 米国特許第5,251,435号公報 米国特許第5,833,140号公報 米国特許第5,853,148号公報 米国特許第6,546,716号公報 米国特許第6,820,410号公報 米国特許第6,938,408号公報
1つの態様では、ガスタービン航空機エンジン用のノズル組立体を提供する。本ノズル組立体は、ナセルと、ナセルとの間に環状バイパスダクトファンダクトを形成するように少なくとも部分的に該ナセルの内部に配置されたコアカウルとを含む。コアカウル及びナセルは、互いにほぼ同心に整列する。コアカウルは、ナセルの内部に配置された第1のカウル部分と、第1のカウル部分から下流方向に延びる分割カウル組立体とを含む。分割カウル組立体は、その各々がバイパスファンダクトの面積を変化させるように該バイパスファンダクトの内部で再配置可能になった一対のアーチ形部分を含む。
別の態様では、ターボファンエンジン組立体を提供する。本ターボファンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンと、ナセルと、ナセルとの間に環状バイパスダクトファンダクトを形成するように少なくとも部分的に該ナセルの内部に配置されたコアカウルとを含む。コアカウル及びナセルは、互いにほぼ同心に整列する。コアカウルは、ナセルの内部に配置された第1のカウル部分と、第1のカウル部分から下流方向に延びる分割カウル組立体とを含む。分割カウル組立体は、その各々がバイパスファンダクトの面積を変化させるように該バイパスファンダクトの内部で再配置可能になった一対のアーチ形部分を含む。
またここでは、コアガスタービンエンジンを含むターボファンエンジン組立体を運転する方法を提供する。本方法は、ターボファンエンジン組立体の運転速度を第1の運転速度から第2の運転速度に変更する段階を含む。本方法はまた、分割カウル組立体の第1のアーチ形部分及び第2のアーチ形部分を選択的に位置決めしてコアガスタービンエンジンの下流側に形成されたファンノズルダクトのスロート面積を変化させて、第2の運転速度でのエンジン効率を向上させるのを可能にする段階を含む。分割カウル組立体は、コアガスタービンエンジンの下流にかつファンノズルダクトの内部に位置する。
本発明は、ターボファンエンジン及びノズル組立体に関する。本明細書で使用する場合、「ノズル組立体」というのは、少なくとも後方部分を含み、さらにナセル、コアカウル並びにファン及び排出ダクトの一部分/セクションも含むターボファンエンジンの一部分を差している。
図1は、長手方向軸線/中心線44を有する例示的な航空機ターボファンエンジン組立体10の概略側面図である。ターボファンエンジン組立体10は、パイロン14を使用して航空機の主翼12に取り付けられる。この例示的な実施形態では、ターボファンエンジン組立体10は、コアガスタービンエンジン20を含み、コアガスタービンエンジン20は、高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービン(全て図示せず)を含む。ターボファンエンジン組立体10はまた、コアガスタービンエンジン20の軸方向下流に配置された低圧タービンと、コアガスタービンエンジン20の軸方向上流に配置されたファン組立体16とを含む。
この例示的な実施形態では、コアガスタービンエンジン20は、環状コアカウル22内に収納される。ナセル24は、ファン組立体16及びコアカウル22の一部分を囲む。ファンノズルダクト又は環状バイパスダクト26は、コアカウル22とナセル24の内面25との間に形成される。コアカウル22は、前方カウル部分21(又は、第1のカウル部分)と前方カウル部分21に対して下流に結合された分割カウル組立体23(第2のカウル部分とも呼ぶ)とを含む。分割カウル組立体23は、線100(図2及び図4に示す)によって定まる垂直面に沿ってほぼ対称なセクションに分割される。コアガスタービンエンジン20はさらに、該タービンエンジン20の後方端部部分に配置されたコアノズル36を含む。コアノズル36の外面は、ノズル組立体(後で説明する)が格納位置(図1及び図2に示す)にある時に分割カウル組立体23に隣接して位置しかつ該分割カウル組立体23によって囲まれる。
運転時に、周囲空気28は、ターボファンエンジン組立体10の入口に流入し、ファン組立体16を通過して流れる。空気28の燃焼部分32は、コアガスタービンエンジン20内に導かれ、加圧され、燃料と混合されかつ点火されて燃焼ガス34を発生する。燃焼ガス34は、コアノズル36と該コアノズル36内で長手方向軸線/中心線44の周りに同軸に又は同心に配置されたオプション中心プラグ42(図2にも示している)との間に形成された環状コアダクト41の出口40(図2にも示している)から吐出される。空気28のバイパス部分であるバイパス空気流38は、環状バイパスダクト26を通して下流方向に導かれ、該バイパスダクト26から出口46において吐出される。幾つかの実施形態では、ターボファンエンジン組立体10は、逆推力装置組立体(図示せず)を含む。
図2は、中心線44(図1に示す)の視野方向からのノズル組立体11の端面図を示す。1つの実施形態では、ノズル組立体11は分岐型ノズル組立体である。ノズル組立体11は、ナセル24と、分割カウル組立体23を含むコアカウル22(図2には図示せず)と、バイパスダクト26の出口46とを含む。この例示的な実施形態では、ナセル24及びコアカウル22は、パイロン14によって主翼12(図1に示す)に結合される。ノズル組立体11は、第1の部材50とそれと向かい合って位置した第2の部材54とを含む。部材50は、パイロン14とほぼ同一平面でありかつナセル24、バイパスダクト26、コアカウル22及びコアノズル36の上方部分を貫通して延びる。導管(図示せず)が、パイロン14及び部材50の内部に形成されかつそれらを貫通して延びる。導管は、航空機のエンジン組立体10と制御システムとの間の電気的通信を可能にする。図2には2つの部材50、54を示しているが、分割カウル組立体23が好適な使用のために再構成されるという条件であらゆる数の部材をノズル組立体11で使用することができる。
部材54は、ナセル24、コアノズル36及びコアカウル22の下方部分を貫通して延びかつパイロン14とほぼ同一平面である。幾つかの実施形態では、部材54は、ストラット又は支持部材を含む。図2に示すように、部材50、54は、線100によって定まる垂直面とほぼ整列している。線100によって定まる垂直面は中心線44を含み、また1つの実施形態では主翼12に対してほぼ垂直である。エンジン組立体10の一般的な据付は、図2に示す垂直面から変わらないが、本発明の他の実施形態が存在する。例えば、エンジン組立体10は、水平パイロンを使用して胴体上に取り付けることができる。分割カウル組立体23は、部材50及び54、ナセル24、バイパスダクト26、コアカウル22及びコアノズル36の少なくとも後方部分によって形成される(図2参照)。
部材50は、対向する側壁56、58を含み、また部材54は、対向する側壁60、62を含む。側壁56、58、60、62は、バイパスダクト26を貫通してエンジン組立体10の前方端部に向かって延びる。各部材50、54はさらに、それぞれ対向する側壁56、58及び60、62間に幅(図示せず)を形成する。1つの実施形態では、部材54の幅は部材50の幅よりも小さい。部材50、54の導管は、それぞれナセル24及びコアカウル22の分割カウル組立体23をほぼ対称なアーチ形ナセル部分64、66及びアーチ形カウル部分68、70に少なくとも部分的に分離する。幾つかの実施形態では、ナセル24のアーチ形ナセル部分64、66は、部材50にヒンジ結合される。部材50、54はさらに、バイパスダクト26を分割して、それぞれほぼ対称なダクト部分72及び74を形成する。対照なダクト部分72、74は、あらゆる従来型の構成を有することができる。1つの実施形態では、ダクト部分72は、アーチ形ナセル部分64の半径方向内面と、アーチ形カウル部分68の半径方向外面と、部材50の側壁58と、部材54の側壁62とによって形成される。同様に、1つの実施形態では、ダクト部分74は、アーチ形ナセル部分66の半径方向内面と、アーチ形カウル部分70の半径方向外面と、部材50の側壁56と、部材54の側壁60とによって形成される。
図3は、この例示的なノズル組立体11の側面図である。図4は、配備位置にあるノズル組立体11及び分割カウル組立体23の端面図である。図3に示すように、コアカウル22は、バイパスダクト26の輪郭に影響を与えるバルジ部分79を形成する。バルジ部分79は、高圧タービン及び低圧タービン(図示せず)を囲む。1つの実施形態では、部材50の各側壁56及び58(図示せず)は、線100によって定まる垂直面とほぼ平行である。各側壁56及び58は、部材50の端縁部51まで延びる。部材54の各側壁60及び62(図示せず)は、線100によって定まる垂直面とほぼ平行であり、また各側壁60及び62は、部材54の端縁部55まで延びる。1つの実施形態では、端縁部51は、端縁部55よりもさらに下流方向に延びる。さらに、1つの実施形態(図2に示すような)では、側壁60及び62の端縁部55は、端部部分57で収束する。同様に、側壁56及び58の端縁部51は、端部部分59で収束する。この例示的な実施形態では、端部部分57、59は、三角形状を有する。別の実施形態では、端部部分57、59は、あらゆる好適な形状を有する。
本発明の実施形態では、バイパス空気流38(図1に示す)用のバイパスダクト26のスロート面積が変化する。離陸又は下降のような特定の運転条件時においてファンノズルダクト面積を減少させることにより、ファン作動ラインを最高効率ラインにより近くなるように高めることによって燃料燃焼を向上させることができる。さらに、ファンウエーク/出口案内ベーン(OGV)相互作用の減少の結果として、騒音の減少が達成される。さらに、低高度のような特定の運転条件時においてファンノズルを開くことにより、噴射速度の低下の結果として騒音を軽減することもできる。ファンノズルを可変にすること(VFN)の騒音減少の利点はまた、ファン直径をさらに減少させかつそれに対応した燃料燃焼をさらに低下させることに利用することもできる。
分割カウル組立体23のアーチ形カウル部分68及び70は、前方カウル部分21にヒンジ結合される(図7及び図8に示す)。図4に示すように、ノズル組立体11が作動状態にある時に、アーチ形カウル部分68、70は、格納位置又は第1の作動位置130(図2、図5及び図8)から配備位置又は第2の作動位置132(図4、図6及び図7)に再配置される。カウル部分68、70は、線100によって定まる垂直面に対して再配置され、オプション中心プラグに対して半径方向外向き方向に開かれる(すなわち、線200によって定まる水平面に沿って移動する)。ダクト部分74、72の面積は、カウル部分68、70を再配置することによって減少させられる。従って、エンジンが離陸又は下降時のような空気力学的損失を受ける時には、アーチ形カウル部分68、70は、ファン作動ラインを最高効率ラインにより近くなるように高めることによって燃料燃焼を向上させるように再配置することができる。さらに、カウル部分68、70を再配置することにより、ファンウエーク/OGV相互作用を減少させることによって騒音を低下させることができる。
図2〜図4は、コアカウルを2つのアーチ形部分に分割した2つの部材50、54を示しているが、本発明の他の実施形態が存在する。例えば、エンジン組立体10は、コアカウルを4つのアーチ形部分に分割した4つの部材、すなわち垂直面内の2つと水平面内の2つとを含むことができる。
幾つかの実施形態では、アーチ形カウル部分68、70が再配置されている間に、各カウル部分の外面は、該アーチ形カウル部分が摺動可能であるが大量の空気流が導管(図示せず)のボリュームに流入することはできないほど十分に各部材の内側側壁端縁部に近接する。
図4に示すように、各ダクト部分72、74の出口46における面積は、アーチ形カウル部分68、70が再配置された時に減少する。1つの実施形態では、カウル部分68及び70が再配置された後に、出口46の面積は、30%ほど減少する。カウル部分68、70が再配置される時に、コアノズル36は、固定状態のままである。全角度θは、再配置された時にアーチ形カウル部分68、70によって形成される(線100によって定まる垂直面が角度θを二分した状態で)。幾つかの実施形態では、角度θは、12°よりも小さいか又は12°にほぼ等しい。図4は、説明の目的のために、角度θを誇張して示している。幾つかの実施形態では、アーチ形カウル部分68、70によって形成された角度θは、約8°である。
図5及び図6は、図3におけるC−Cの視野方向からのノズル組立体11の概要を示している。図5は、第1の作動位置130にあるノズル組立体11を示している。第1の作動位置130にある時、分割カウル組立体23は、コアノズル36に隣接するように完全に後退した位置にある。バルジ部分(或いは隆起部分)79の形状は、第1の面積A、第2の面積A及び第3の面積Aで示している。第1の面積Aは、ノズル組立体11の上流に定位し、第2の面積Aは、第1の面積Aの下流に位置決めし、第3の面積Aは、第2の面積Aの下流に位置決めする。この例示的な実施形態では、第1の面積A及び第3の面積Aは、第2の面積Aよりも小さい。
図6は、第2の作動位置132にあるノズル組立体11を示しており、この第2の作動位置において、カウル部分68、70は、コアノズル36から半径方向外向き方向に拡大している。図6に示すように、バルジ部分79は、第1の面積a、第2の面積a及び第3の面積aで示している。面積a、a、aは、面積A、A及びAがそれぞれ測定されたのとほぼ同じ位置でコアカウル22に沿って測定される。ノズル組立体11が配備されかつカウル部分68、70が第2の作動位置132に移動した時に、ダクト部分72、74の面積は減少する。図5及び図6を比較することによって理解することができるように、面積a、a、aは、対応する面積A、A及びAよりも大きい。
アーチ形カウル部分68、70の配備は一般に、リンク、アクチュエータ又は他の機構を使用することによって達成される。図7は、第2の作動位置132にある分割カウル組立体23を示している。図8は、第1の作動位置130にある分割カウル組立体23を示している。1つの実施形態では、各カウル部分68、70は、ヒンジ102によって前方カウル部分21に結合される。説明の目的のために、図7及び図8にはカウル部分68のみを示しているが、以下のことはまた、カウル部分70にも適用される。コアガスタービンエンジン20の各側面部は、アクチュエータ101を含み、アクチュエータ101は、少なくとも1つのモータ104を含みかつアーチ形カウル部分68、70を線200によって定まる水平面に対して半径方向外向きに移動させるために使用される。アクチュエータ101は、アーチ形部分を前方カウル部分21に対してある角度に選択的に移動させるのを可能にする。アクチュエータ101は、モータ104と、モータ及びリンク110にも結合された伸長ロッド106とを含む。リンク110は、対応するカウル部分をスロット108に接続して、モータに通電することにより、カウル部分を水平面に沿った外向き方向又は内向き方向のいずれかに移動させることが可能になるようになる。1つの実施形態では、アクチュエータ101は、電気的に、空気圧で又は油圧で駆動させて、対応するアーチ形部分を第1の作動位置と第2の作動位置と(例えば、格納位置と完全配備位置と)の間で移動させるのを可能にすることができる。
本発明はまた、コアガスタービンエンジンを含むターボファンエンジン組立体を運転する方法を含む。本方法は、ターボファンエンジン組立体の運転速度を第1の運転速度から第2の運転速度に変化させる段階を含む。本方法はまた、分割カウル組立体の第1のアーチ形部分及び第2のアーチ形部分をコアガスタービンエンジンの下流に形成されたファンノズルダクトのスロート面積を変化させるように選択的に位置決めして、第2の運転速度でエンジン効率を向上させるのを可能にする段階を含む。分割カウル組立体は、コアガスタービンエンジンの下流にかつファンノズルダクトの内部に位置する。
本明細書に記載しているのは、航空機に結合された多様なターボファンガスタービンエンジンで利用することができるノズル組立体である。具体的には、本明細書に記載した分割カウル組立体は、バイパスダクト寸法(すなわち、出口面積及びダクトボリューム)を減少させることによって特定の飛行条件時における燃料燃焼及びエンジン騒音を低減する。より具体的には、第2の作動位置にある間のアーチ形部分は、空気流が利用可能な空間を減少させる。このノズル組立体は、ターボファンエンジンに対する比較的低コスト及び低重量の変更である。ノズル組立体を用いて離陸及び下降時におけるエンジン効率を向上させることによって、本エンジンは、コアカウル及びナセル間に形成された寸法が一定である場合での他の公知のエンジンよりも燃料燃焼が約1.0%良好になる。
上記には、ガスタービンエンジン用のノズル組立体の例示的な実施形態を詳細に説明している。図示した組立体は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各組立体の構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品とは独立してかつ別個に利用することができる。
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することができることは当業者には明らかであろう。
例示的な航空機ターボファンエンジン組立体の概略側面図。 図1のタービンエンジンで使用される例示的なノズル組立体の端面図。 図2の例示的なノズル組立体の側面図。 分割カウル組立体が第2の作動位置に位置している状態における例示的なノズル組立体の別の端面図。 図3に示すノズル組立体の概要図。 図3に示すノズル組立体の概要図。 第2の作動位置における、図3に示すノズル組立体の部分概要図。 第1の作動位置における、図3に示すノズル組立体の部分概要図。
符号の説明
10 航空機ターボファンエンジン組立体
11 ノズル組立体
12 主翼
14 航空機で使用のパイロン
16 ファン組立体
20 コアガスタービンエンジン
21 前方カウル部分
22 コアカウル
23 分割カウル組立体又は第2のカウル部分
24 ナセル
25 内面
26 ファンノズルダクト又は環状バイパスダクト
28 周囲空気
30 入口
32 燃焼部分
34 燃焼ガス
36 コアノズル
38 バイパス空気流
40 出口
41 環状コアダクト
42 オプション中心プラグ
44 長手方向軸線/中心線
46 出口
50 第1の部材
51 端縁部
54 第2の部材
55 端縁部
56 第1の部材の側壁
57 端部部分
58 第1の部材の側壁
59 端部部分
60 第2の部材の側壁
62 第2の部材の側壁
64 アーチ形ナセル部分
66 アーチ形ナセル部分
68 アーチ形カウル部分
70 アーチ形カウル部分
72 ダクト部分
74 ダクト部分
79 バルジ部分
100 線によって定まる面
101 アクチュエータ
102 ヒンジ
104 モータ
106 伸長ロッド
108 スロット
110 リンク
130 第1の作動位置
132 第2の作動位置
200 線によって定まる面
ノズル組立体の上流の第1の面積
第1の面積の下流の第2の面積
第2の面積の下流の第3の面積
θ 全角度

Claims (10)

  1. ガスタービン航空機エンジン(10)用のノズル組立体(11)であって、
    ナセル(24)と、
    前記ナセルと共に互いにほぼ同心に整列しかつ該ナセルとの間に環状バイパスダクト(26)を形成するように少なくとも部分的に該ナセルの内部に配置されたコアカウル(22)と、
    を含み、前記コアカウルが、
    前記ナセルの内部に配置された第1のカウル部分(21)と、
    前記第1のカウル部分から下流方向に延びる分割カウル組立体(23)と、を含み、
    前記分割カウル組立体が、その各々が前記バイパスダクトの面積を変化させるように該バイパスダクトの内部で再配置可能になった一対のアーチ形部分(68、70)を含む、
    ノズル組立体(11)。
  2. 前記バイパスダクト(26)の内部に配置されかつ前記ナセル(24)に結合され、また対向する側壁(56、58)を含む第1の部材(50)と、
    前記バイパスダクトの内部に配置されかつ前記ナセルに結合され、また前記第1の部材と向かい合って位置しかつ対向する側壁(60、62)を含む第2の部材(54)と、
    をさらに含む、請求項1記載のノズル組立体(11)。
  3. 前記第1の部材(50)が、該第1の部材の側壁(56、58)間で測定した第1の幅を有し、前記第2の部材(54)が、該第2の部材の側壁(60、62)間で測定した第2の幅を有し、前記第2の幅が、前記第1の幅よりも狭い、請求項2記載のノズル組立体(11)。
  4. 前記第2の部材の側壁(60、62)が、該第2の部材(54)の後方端部を形成し、前記第2の部材の後方端部(57)が三角形状を有する、請求項2記載のノズル組立体(11)。
  5. 該ノズル組立体が、前記アーチ形部分(68、70)を再配置して角度θを形成するように構成される、請求項1記載のノズル組立体(11)。
  6. 1つのアーチ形部分(68、70)によって形成された前記角度θが、0°〜6°である、請求項5記載のノズル組立体(11)。
  7. 前記アーチ形部分(68、70)を再配置するように構成された複数のアクチュエータ(101)をさらに含み、前記複数のアクチュエータの各々が、前記アーチ形部分(68、70)のそれぞれの1つと前記コアカウル(22)の固定部分との間で延びる、請求項1記載のノズル組立体(11)。
  8. 前記複数のアクチュエータ(101)の各々が、半径方向外向き方向及び半径方向内向き方向の1つの方向に前記それぞれのアーチ形部分(68、70)を可変に位置決めするように構成された伸長ロッド(106)を含む、請求項7記載のノズル組立体(11)。
  9. コアガスタービンエンジン(20)と、
    ナセル(24)と、
    前記ナセルと共に互いにほぼ同心に整列しかつ該ナセルとの間に環状バイパスダクト(26)を形成するように少なくとも部分的に該ナセルの内部に配置されたコアカウル(22)と、
    を含み、前記コアカウルが、
    前記ナセルの内部に配置された第1のカウル部分(21)と、
    前記第1のカウル部分から下流方向に延びる分割カウル組立体(23)と、を含み、
    前記分割カウル組立体が、その各々が前記バイパスダクトの面積を変化させるように該バイパスダクトの内部で再配置可能になった一対のアーチ形部分(68、70)を含む、
    ターボファンエンジン組立体(10)。
  10. 前記バイパスダクト(26)の内部に配置されかつ前記ナセル(24)に結合され、また対向する側壁(56、58)を含む第1の部材(50)と、
    前記バイパスダクトの内部に配置されかつ前記ナセルに結合され、また前記第1の部材と向かい合って位置しかつ対向する側壁(60、62)を含む第2の部材(54)と、
    をさらに含む、請求項9記載のターボファンエンジン組立体(10)。
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