JP5264742B2 - 摺動作動装置を備えるガスタービンエンジンファンナセル用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、摺動する駆動リングを備えるＦＶＡＮを有するターボファンエンジンに関する。

従来のガスタービンエンジンは、一般に、ファン部とコアエンジンとを含み、ファン部の直径がコアエンジンの直径よりも大きい。ファン部とコアエンジンとは、長手方向軸を中心に配置され、エンジンナセルアセンブリに囲まれている。

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ナセルとコアナセルとの間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る。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た折衷物である。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もある。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。既存の可変面積ファンノズルは、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が帳消しになる程度までエンジンの全体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変更するフラップアセンブリを含む。このフラップアセンブリは、ファンナセルの後縁を含むようにファンナセルの端部セグメントに組み込まれる。

フラップアセンブリは、一般に、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装置を含む。アクチュエータ装置は、ファンナセルに取り付けられた複数の摺動レールに対して摺動する駆動リングを駆動する。駆動リングの摺動動作は、対応するフラップリンク機構を介してフラップアセンブリの各々のフラップを駆動し、周方向のフラップヒンジ線を中心にフラップアセンブリの回転動作を生じさせる。周方向のフラップヒンジ線を中心とするフラップアセンブリの回転動作は、ファンナセルとコアナセルとの間の環状のファンノズル出口面積の直径を変更する。ＦＶＡＮを調整することにより、各々の飛行条件においてエンジンの推力および燃費が最大化される。

ＦＶＡＮは、アクチュエータ装置の関連するアクチュエータによってそれぞれ独立して調整可能な複数のセクタに分割し、推力の方向を変更する非対称のファンノズル出口面積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ガスタービンエンジンの実施例の部分切り欠き概略図である。 エンジンの部分切り欠き斜視図である。 エンジンの背面図である。 ＦＶＡＮの部分透視図である。 線形のアクチュエータを有するＦＶＡＮの断面図である。

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を介してターボファン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。ターボファン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を介してターボファン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、境界層の変更などの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の出口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、上流のターボファン２０によって加圧されたファンバイパス流れＢが軸方向に放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のターボファン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。

ターボファン２０は、巡航条件の特定の固定範囲に対して効率的に設計されているため、ＦＶＡＮ４２は、着陸や離陸などの他の飛行条件における効率的なエンジン動作および騒音レベルなどの他の動作パラメータを満たすためにファンノズル出口面積４４を変更するように動作する。好ましくは、ＦＶＡＮ４２は、ファンノズル出口面積４４のための公称の巡航用収束位置を画定し、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、ファン出口ノズル面積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周方向セクタに対して収束または発散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、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つのセグメントが例示されているが、選択的にまたは追加してあらゆる数のセグメントを設けてもよい。

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、トリムバランスや推力制御操縦、地上操縦や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を変更するフラップアセンブリ４８を一般に含む。このフラップアセンブリ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、対応する複数のフラップリンク機構５２およびアクチュエータ装置５４を含む。

アクチュエータ装置は、ファンナセル３４に固定された複数のアクチュエータ６２を含む。各々のアクチュエータ６２は、対応する回転式アクチュエータ連結部６６においてプッシュロッド、ピッチリンク、玉継手または他の間接式リンクなどを介して駆動リング５８に取り付けられている。

図２Ｂを参照すると、各々のフラップ５０は、ヒンジ５６においてファンナセル３４に取り付けられており、対応するフラップリンク機構５２を介して駆動リング５８に連結されている。フラップアセンブリ４８の各々のフラップ５０は、フラップコア６８、上側フラップ外板７０Ｕおよび下側フラップ外板７０Ｌを一般に含む。コア６８は、フラップリンク機構５２に取り付けられるとともに、ヒンジ点７２でファンナセルセグメント３４Ｓに回転可能に取り付けられるヒンジ５６を画成する。フラップアセンブリ４８の複数のヒンジ点７２は、ＦＶＡＮ４２の周方向のヒンジ線７４を画定する。各々のヒンジ５６は、一般的であるように、軸受、ブシュおよび屈曲部を有しうる。各々のフラップ５０は、さらに、フラップが組み立てられた状態で入れ子状になるように入れ子式のさねはぎ構造を含む（図２Ａ参照）。すなわち、各々のフラップ５０の外板７０は、好ましくは隣接するフラップと部分的に重なるように係合し、重なりあったフラップ−シール周方向境界面シールを提供する。

アクチュエータ６２は、フラップアセンブリ４８を調整し、ＦＶＡＮ２８が画定するファン空気Ｆが排出される面積を変更するように、ファンナセル３４に取り付けられた複数の摺動レール６０に対して駆動リング５８を軸方向に摺動させる。

駆動リング５８は、実質的に長手方向エンジン軸Ａに沿って複数の摺動レール６０に対して摺動する。摺動レール６０は、下側摺動レール６０Ｌと上側摺動レール６０Ｕとを含みうる。上側摺動レール６０Ｕは、ファンナセル３４とフラップアセンブリ４８との間の境界面でテーパ状になったファンナセルセグメント３４Ｓ内に取り付けるためウェッジ形状とすることができる。摺動レール６０Ｕ，６０Ｌは、好ましくは、ファンナセルセグメント３４Ｓ内にはめ込まれるような形状を有する。

フラップリンク機構５２は、コア６８から延在し、フラップ−リング回転軸７６で駆動リング５８に取り付けられる。フラップ−リング回転軸７６は、フラップアセンブリ４８の周方向のフラップヒンジ線７４を画定する各々のフラップ５０のフラップヒンジ点から径方向にオフセットされる。好ましくは、フラップ−リング回転軸７６は、エンジンの回転軸Ａに対して各々のフラップヒンジ点７２の径方向外側に位置する。

動作時には、アクチュエータ６２は、実質的に長手方向エンジン軸Ａに沿って駆動リング５８を複数の摺動レール６０に対して摺動させる。駆動リング５８の摺動動作は、フラップリンク機構５２を介して各々のフラップ５０を駆動し、周方向のヒンジ線７４を中心とするフラップアセンブリ４８の回転動作を引き起こす。フラップヒンジ線７４を中心とするフラップアセンブリ４８の回転動作によって、ファンナセル３４とコアナセル１２との間の環状のファンノズル出口面積の直径４４が変化する。

ＦＶＡＮ４２を調整することによって、各々の飛行条件においてエンジンの推力および燃費が最大化される。好ましくは、アクチュエータアセンブリ４８は、ＦＶＡＮ４２の位置を調整するためにエンジン制御器などと通信を行う。しかし、操縦系統を含む他の制御装置も同様に本発明と共に使用してもよい。

駆動リング５８は、関連するフラップの組が非対称の動作を提供するように独立して移動可能となるよう複数のセクタに分割可能である。すなわち、駆動リング５８は、ＦＶＡＮ４２からの推力の方向を変更するように各々のセクタが独立して移動可能となるようセクタに分割できる（図１Ｃ参照）。

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 (11)

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、該コアナセルの周囲に画成された可変面積ファンノズルを有するファンナセルであって、前記可変面積ファンノズルが該ファンナセルの後縁を画定する複数のフラップを備える、ファンナセルと、
   前記ファンナセルの内部で該ファンナセルに取り付けられた摺動レールと、
   前記ファンナセルの内部で前記摺動レールに沿って摺動可能な駆動リングと、
   前記複数の各フラップと前記駆動リングとを連結するフラップリンク機構と、
   前記複数の各フラップと前記ファンナセルとを連結するヒンジと、
   前記ファンナセルの内部に配置され、かつ前記軸に沿って前記駆動リングを駆動し、前記可変面積ファンノズルによって画定されるファンノズル出口面積を変更するアクチュエータと、を有し、
   前記ヒンジは、周方向のヒンジ線を画定し、前記フラップリンク機構は、前記周方向のヒンジ線から径方向にオフセットされたフラップ−リング回転軸を含み、
   前記駆動リングは、複数の駆動リングセグメントに分割されており、各々のセグメントは、前記複数のフラップのうち独立して移動可能な１組のフラップをそれぞれ含むことを特徴とするガスタービンエンジン用のナセルアセンブリ。
2. 前記アクチュエータは、複数のリニアアクチュエ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. 前記周方向のヒンジ線は、前記フラップ−リング回転軸の径方向内側に画定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。
4. 前記ファンノズル出口面積は、前記ファンナセルと前記コアナセルとの間に少なくとも部分的に環状のファンノズル出口面積を画定し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。
5. 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、
   前記ファンの周囲でかつ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、前記ファンの下流で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可変面積ファンノズルを有するファンナセルであって、前記可変面積ファンノズルが該ファンナセルの後縁を画定する複数のフラップを備える、ファンナセルと、
   前記ファンナセルの内部で該ファンナセルに取り付けられた摺動レールと、
   前記ファンナセルの内部で前記摺動レールに沿って摺動可能な駆動リングと、
   前記複数の各フラップと前記駆動リングとを連結するフラップリンク機構と、
   前記複数の各フラップと前記ファンナセルとを連結するヒンジと、
   前記ファンナセルの内部に配置され、かつ前記軸に沿って前記駆動リングを駆動し、前記可変面積ファンノズルによって画定されるファンノズル出口面積を変更するアクチュエータと、を有し、
   前記ヒンジは、周方向のヒンジ線を画定し、前記フラップリンク機構は、前記周方向のヒンジ線から径方向にオフセットされたフラップ−リング回転軸を含み、
   前記駆動リングは、複数の駆動リングセグメントに分割されており、各々の駆動リングセグメントは、前記軸に沿って前記駆動リングセグメントを駆動して前記可変面積ファンノズルのセグメントを変更するために、複数のフラップを含む独立して移動可能な１組のフラップと、前記アクチュエータと、をそれぞれ含むことを特徴とするガスタービンエンジン。
6. 請求項１に記載のガスタービンエンジン用のナセルアセンブリのファンノズル出口面積の変更方法であって、
   （Ａ）前記ファンナセルと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前記可変面積ファンノズルを設置し、
   （Ｂ）前記駆動リングを軸方向に摺動させ、
   （Ｃ）ステップ（Ｂ）に応じてファンノズル出口面積の少なくとも１つのセクタを変更するために、第１の位置と第２の位置との間で前記可変面積ファンノズルのフラップアセンブリの角度を調整するステップをそれぞれ含むことを特徴とするガスタービンエンジンのファンノズル出口面積の変更方法。
7. ステップ（Ｃ）は、
   （ａ）離陸時にファンノズル出口面積を増加させることをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
8. ステップ（Ｂ）は、
   （ａ）前記ファンナセル内で前記駆動リングを前記摺動レールに沿って摺動させることをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
9. ステップ（Ｃ）は、
   （ａ）前記可変面積ファンノズルと前記ファンナセルとの間に画定される前記周方向のヒンジ線を中心に前記フラップアセンブリを回転させることをさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。
10. ステップ（Ａ）は、
    （ａ）前記可変面積ファンノズルを前記ファンナセルの最も後方部分に設置することをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
11. ステップ（Ｂ）は、
    （ａ）少なくとも第１のセグメントおよび第２のセグメントを含むように前記駆動リングを構成し、前記ファンナセル内で前記駆動リングの第１のセグメントを第２のセグメントに対して軸方向に移動し、
    （ｂ）前記可変面積ファンノズルによって推力の方向を変更するように、ファンノズル出口面積を非対称に調整することをさらに含むことを特徴とする請求項９記載の方法。

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