JP5150887B2 - 電気機械式アクチュエータを備える可変面積ファンノズル - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に、ファンナセル内に可変面積ファンノズル構造を有するターボファンガスタービンエンジンに関する。

従来のガスタービンエンジンは、ファン部とコアエンジンとを含み、ファン部の外径がコアエンジンの外径よりも大きい。ファン部とコアエンジンとは、長手方向軸を中心に順に配置され、ナセルに囲まれている。一次空気流の環状の流路が、ファン部とコアエンジンとを通って一次推力を発生させる。

燃焼ガスがコア排気ノズルを通してコアエンジンから排出されるとともに、一次空気流路の径方向外側に位置する環状のファン流れがファン部を通過し、コアエンジンを囲むナセルによって少なくとも部分的に画成される環状のファン排気ノズルを通して排出されてファン推力を発生させる。推進のための推力の大部分は、ファン排気ノズルから排出される加圧ファン空気によって発生し、推力の残りの部分は、コア排気ノズルから排出される燃焼ガスによって提供される。

従来のガスタービンエンジンのファンノズルは、固定形状を有する。固定形状のファンノズルは、巡航条件だけでなく離陸および着陸条件にも適していなければならない。しかし、離陸および着陸条件における必要条件は、巡航条件における必要条件とは異なる。航空機の異なる飛行条件におけるエンジンの最適性能は、特定の飛行条件に対してファン排気ノズルを調整することで達成可能である。

ガスタービンエンジンには、可変面積ファンノズルを設けたものがある。可変面積ファンノズルは、巡航条件において比較的小さいファンノズル出口直径を提供し、離陸および着陸条件において比較的大きいファンノズル出口直径を提供する。既存の可変面積ノズルは、一般に、比較的複雑な機構を利用しており、このような機構により、可変面積ファンノズルを採用したことによる燃料効率の向上の利益が帳消しになる程度までエンジンの重量が増加してしまう。

従って、効果的でかつ軽量のガスタービンエンジン用可変面積ファンノズルが求められている。

本発明の可変面積ファンノズル（ＦＶＡＮ）は、ファンノズル出口面積を画定するフラップアセンブリを含む。フラップは、ファンナセルの後縁を画定するようにファンナセルに組み込まれる。フラップアセンブリは、一般に、複数のフラップを含み、各々のフラップは、リンク機構とアクチュエータ装置とを有する。

アクチュエータ装置は、小型で高出力密度の電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ）を含む。各々のＥＭＡは、関連するフラップまたはフラップの組を収束位置と発散位置との間で関節式に移動させる。リンク機構は、電気機械式アクチュエータの回転運動を線形運動に変換して各々のフラップを直接駆動する。ＥＭＡが小型であることにより、ファンナセルの比較的薄い後縁に近接して難なく取り付けることができるにもかかわらず、ＦＶＡＮの所要動力に必要な出力密度を提供することができる。

よって、本発明は、ガスタービンエンジンのための効果的でかつ軽量の可変面積ファンノズルを提供する。

本発明に係る例示的なターボファンエンジンの実施例の全体的な概略図である。 エンジンの部分切り欠き概略図である。 エンジンの背面図である。 ＦＶＡＮの概略的な部分透視図である。 ＦＶＡＮの１つのフラップアセンブリの拡大図である。

図１Ａは、亜音速飛行のために設計された航空機で一般的なように、エンジンパイロンＰによりエンジンナセルアセンブリＮ内に吊り下げられたガスターボファンエンジン１０の部分切り欠き概略図である。

ターボファンエンジン１０は、低スプール１４と高スプール２４とを収容するコアナセル１２内に設けられたコアエンジンを含む。低スプール１４は、低圧コンプレッサ１６と低圧タービン１８とを含む。低スプール１４は、歯車列２２を介してファン部２０を駆動する。高スプール２４は、高圧コンプレッサ２６と高圧タービン２８とを含む。高圧コンプレッサ２６と高圧タービン２８との間に燃焼器３０が配置される。低スプール１４および高スプール２４は、エンジンの回転軸Ａを中心に回転する。

エンジン１０は、好ましくは高バイパスギア付ターボファン航空機エンジンである。好ましくは、エンジン１０のバイパス比は１０より大きく、ターボファン直径は低圧コンプレッサ１６の直径よりもかなり大きく、低圧タービンは５より大きい圧力比を有する。歯車列２２は、好ましくは、遊星歯車装置などの遊星歯車列またはギア減速比が２．５より大きい他の歯車装置である。しかし、上述のパラメータは、単に好ましいギア付ターボファンエンジンの例示的なものであり、本発明は他のガスタービンエンジンにも同様に適用可能である。

空気流は、少なくとも部分的にコアナセル１２を囲むファンナセル３４に流入する。ファン部２０は、低圧コンプレッサ１６と高圧コンプレッサ２６を作動させるためにコアナセル１２に空気流を連通させる。コア空気流は、低圧コンプレッサ１６および高圧コンプレッサ２６によって圧縮されるとともに、燃焼器で燃料と混合され、高圧タービン２８および低圧タービン１８にわたって膨張する。タービン２８，１８は、膨張に応じてコンプレッサ２６，１６を回転駆動するとともに歯車列２２を介してファン部２０を回転駆動するように、対応するスプール２４，１４と共に回転するよう連結される。コアエンジン排気Ｅが、コアナセル１２とテールコーン３２との間に画成されるコアノズル４３を通してコアナセル１２から排出される。

コアナセル１２は、上部および下部の分岐部（ｂｉｆｕｒｃａｔｉｏｎ）と一般に呼ばれる構造体３６によってファンナセル３４内に支持される。バイパス流路４０がコアナセル１２とファンナセル３４との間に画成される。エンジン１０は、ファンナセル３４に流入する空気流の約８０％がバイパス流れＢとなるバイパス比を有する高バイパス流れ装置を構成する。バイパス流れＢは、全体として環状のバイパス流路４０を通過し、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（図１Ｂにも図示された）可変面積ファンノズル（ＦＶＡＮ）４２を通してエンジン１０から排出される。

推力は、密度、速度および面積の関数である。これらのパラメータの１つまたはそれ以上を操作して、バイパス流れＢによって提供される推力の量と方向を変更することができる。ＦＶＡＮ４２は、バイパス流れＢによって提供される推力を操作するために物理的な面積および形状を変更する。しかし、ファンノズル出口面積４４は、構造的な変更以外の方法で効果的に変更することも可能である。さらに、ファンノズル出口面積４４の効果的な変更は、ファンナセル３４の端部に近い物理的位置に限定されるものではなく、むしろ他の位置におけるバイパス流れＢの変更を含みうる。

ＦＶＡＮ４２は、ターボファンエンジンの上流のファン部２０によって加圧されたファンバイパス流れＢが軸方向に排出されるファンノズル出口面積４４を画定する。高いバイパス比により、かなりの量の推力がバイパス流れＢによって提供される。エンジン１０のファン部２０は、典型的に０．８Ｍおよび３５，０００フィートの巡航を含む特定の飛行条件に対して設計されることが好ましい。ファン部２０は、効率的な巡航条件のために特定の固定された食違い角で設計されたファンブレードを含む。ＦＶＡＮ４２は、ファンバイパス空気流を調整するためにファンノズル出口面積４４を変更するように動作し、これにより、着陸や離陸などの他の飛行条件において、ファンブレードの迎え角すなわち入射角が設計入射角近くに維持され、飛行条件の範囲にわたって性能および騒音などの他の動作パラメータに関して最適なエンジン動作が可能となる。好ましくは、ＦＶＡＮ４２は、巡航および上昇飛行条件ではファンノズル出口面積４４のための公称の収束位置を画定し、他の飛行条件ではこれに対して径方向に広がって発散位置を画定する。ＦＶＡＮ４２は、好ましくは、ファンノズル出口面積４４を約２０％変化させる。本発明では、実質的に無限の中間位置およびＦＶＡＮ４２のいくつかの周方向セクタが他の発散した周方向セクタに対して収束する推力方向変更位置ならびに他の構成も同様に使用可能である。

ＦＶＡＮ４２は、少なくとも４つのセクタ４２Ａ〜４２Ｄ（図１Ｃ参照）に分割されることが好ましく、これらのセクタは、ファンノズル出口面積４４を非対称に変更して推力の方向を変更するようにそれぞれ独立して調整可能となっている。４つのセクタが例示されているが、選択的にあらゆる数のセクタを設けてもよい。

動作時には、ＦＶＡＮ４２は、ファンノズル出口面積４４を対称または非対称に調整するために制御器Ｃなどと通信する。エンジン制御器または航空機の操縦系統を含む他の制御装置も本発明で同様に使用可能である。全てのセクタを同様に移動させてＦＶＡＮ４２の周辺部全体を対称に調整することにより、それぞれの飛行条件における推力効率および燃費が最大化される。ＦＶＡＮ４２の周方向のセクタ４２Ａ〜４２Ｄを別々に調整して、非対称のファンノズル出口面積４４を提供することにより、エンジンバイパス流れが選択的に方向づけられ、トリムバランス、推力制御操縦、地上操縦および短距離離着陸能力の向上が得られる。

図２Ａを参照すると、ＦＶＡＮ４２は、ファンノズル出口面積４４を画定するフラップアセンブリ４８を一般に含む。フラップ４８は、ファンナセルの後縁３４Ｔを画定するようにファンナセル３４の端部４６に組み込まれていることが好ましい。フラップアセンブリ４８は、一般に、複数のフラップ５０を含み、各々のフラップは、対応するリンク機構５２およびアクチュエータ装置５４を含む。各々のフラップ５０またはフラップ５０の群は、リンク機構５２を介してアクチュエータ装置５４によって直接駆動される。

アクチュエータ装置５４は、ファンナセル３４の端部４６内に位置する小型で高出力密度の電気機械式アクチュエータ（ＥＭＡ）５６を含む。ＥＭＡ５６は、力、ストロークおよび速度が効率的に釣り合うように、ボールねじまたはローラねじを駆動するブラシレス直流モータ（ＢＬＤＣ）を含むことが好ましい。

各々のリンク機構５２は、収束位置と発散位置との間でフラップ５０の角度を調整するために各々のＥＭＡ５６によって駆動される。リンク機構５２は、好ましくは、ローラねじ、ボールねじまたは電気機械式アクチュエータの回転運動を直線運動に変換してフラップ５０を駆動する他の回転運動−直線運動変換装置と、直線運動の方向をＥＭＡ５６の位置に対して横方向に変換するベルクランクアセンブリなどのクランク装置６０と、を含む（図２Ｂ参照）。本発明と共に種々のリンク機構を使用することができる。

複数のＥＭＡ５６は、ファンナセル３４内でスパー６２（図２Ｂ参照）などの固定部品に取り付けられる。ＥＭＡ５６は、小型であるため比較的薄い後縁３４Ｔに近接してファンナセル３４内に難なく取り付けることができるにもかかわらず、主操縦系統の所要動力を満たすことができる。各々のＥＭＡ５６は、関連するフラップ５０またはフラップ５０の群の角度を集束位置と（仮想線で示した）発散位置との間で調整することが好ましい。４つのセクタが図示されているが、あらゆる数のセクタを選択的にまたは追加して設けることができる。また、単一のＥＭＡ５６によって、適切なリンク機構を介していくつのフラップ５０を制御してもよいが、一対一の対応関係が最大の非対称能力をＦＶＡＮ４２に与える。

上述の説明は例示的なものであり、記載された限定事項によって定められるものではない。上述の教示を参照すれば、本発明の多くの改良および変更が可能である。本発明の好適実施例を開示したが、当業者であれば特定の改良も本発明の範囲内であることが分かるであろう。よって、本発明は、請求項の範囲内であれば、具体的に説明した以外の方法で実施可能である。従って、本発明の真の範囲および内容を判断するためには、以下の請求項の検討が必要である。

Claims (8)

1. 軸を中心に画成されたコアナセルと、
   少なくとも部分的に前記コアナセルの周囲に取り付けられるとともに、前記コアナセルとの間にファンノズル出口面積を画定する複数のフラップを有する可変面積ファンノズルを備えるファンナセルと、
   前記ファンナセルの内部で回転軸がそれぞれ前記コアナセルの接線方向に配向されるように設けられた複数の電気機械式アクチュエータと、
   前記複数のフラップをそれぞれ独立して駆動して前記可変面積ファンノズルを調整するために、前記複数の電気機械式アクチュエータのそれぞれの回転運動を前記コアナセルの軸方向の直線運動に変換するリンク機構と、を有することを特徴とするガスタービンエンジンのナセルアセンブリ。
2. 前記電気機械式アクチュエータは、ブラシレス直流モータを含むことを特徴とする請求項１記載のナセルアセンブリ。
3. ローラねじをさらに有し、このローラねじは、前記可変面積ファンノズルを駆動するために前記複数の電気機械式アクチュエータのそれぞれの前記回転運動を前記直線運動に変換することを特徴とする請求項２記載のナセルアセンブリ。
4. ボールねじをさらに有し、このボールねじは、前記可変面積ファンノズルを駆動するために前記複数の電気機械式アクチュエータのそれぞれの前記回転運動を前記直線運動に変換することを特徴とする請求項２記載のナセルアセンブリ。
5. 前記複数のフラップは、前記可変面積ファンノズルが非対称および対称に調整可能となるように、それぞれ対応する電気機械式アクチュエータによって独立して駆動されていることを特徴とする請求項１記載のナセルアセンブリ。
6. 前記複数のフラップは、前記可変面積ファンノズルが非対称に調整可能となるように、それぞれ対応する電気機械式アクチュエータによって独立して駆動されていることを特徴とする請求項１記載のナセルアセンブリ。
7. 前記複数のフラップは、前記可変面積ファンノズルが対称に調整可能となるように、それぞれ対応する電気機械式アクチュエータによって独立して駆動されていることを特徴とする請求項１記載のナセルアセンブリ。
8. 軸を中心に画成されたコアエンジンと、
   前記コアエンジンによって駆動される歯車装置と、
   前記軸を中心に前記歯車装置によって駆動されるファンと、
   少なくとも部分的に前記コアエンジンの周囲に画成されたコアナセルと、
   少なくとも部分的に前記コアナセルの周囲に取り付けられ、前記コアナセルとの間にファンノズル出口面積を画定する複数のフラップを有する可変面積ファンノズルを備えるファンナセルと、
   前記ファンナセル内で回転軸がそれぞれ前記コアエンジンの接線方向に配向されるように設けられた複数の電気機械式アクチュエータと、
   前記複数のフラップを独立して駆動して前記可変面積ファンノズルを調整するために、前記複数の電気機械式アクチュエータのそれぞれの回転運動を前記コアエンジンの軸方向の直線運動に変換するリンク機構と、を有することを特徴とするガスタービンエンジン。

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