JP5416786B2 - ダクトなしのプロペラを備えた航空機エンジンの空気取入口 - Google Patents

Description

本発明は、航空機エンジンの空気取入口に関し、特に、ダクトなしのプッシャプロペラ（別名「オープンロータプッシャ」または「ダクトなしのプッシャファン」）を有する航空機エンジンに関する。

そのタイプのエンジンは、２つの逆回転タービンを有し、それぞれは、エンジンのナセルの外側に位置するプロペラで回転するように制限され、２つのプロペラはエンジンの下流端で共通軸に前後に配置されている。

エンジンは、エンジンの長手方向軸に対して実質的に半径方向に延び、かつ、その半径方向の内端部がエンジンのナセルの上流端、すなわちエンジンの空気取入口に接続されているパイロンを介して、航空機に接続されている。

パイロンは、特に空気力学的理由のために、プロペラおよび空気取入口の上流端または前縁から十分な軸方向距離になければならない。先行技術において、パイロンを空気取入口およびエンジンに接続可能にするために、エンジンの空気取入口を軸方向に延ばす必要があり、そのことによって、ナセルの重量と、それが作動中に発生する抗力とが有意に増加することになる。

先行技術において、ダクトなしのプッシャプロペラを有するエンジンの空気取入口は、全体として軸対称である、すなわち、その前縁がエンジン軸に対して直角な面にある。軸対称の空気取入口は、その周縁部にわたりすべて一定の比率Ｌ／Ｄを有する。但し、Ｌは、前縁の先端とエンジンの上流側ロータに位置する平面との間でエンジン軸に対して平行に測定された空気取入口の局所的長さであり、Ｄは、前記上流側ロータの位置における空気取入口の内径である。

空気取入口が軸対称でない場合、その前縁は、ほぼ平坦であり、「捕捉」部（別名「ハイライト（ｈｉｌｉｔｅ）」、または「ハイライト（ｈｉｇｈ ｌｉｇｈｔ）」）と呼ばれる表面を画定する。そのタイプの空気取入口は、エンジンの上流側ロータの横断面と空気取入口の捕捉面およびエンジン軸の交点との距離と等しい画定された空気取入口の全長を有する。

たとえば、面取りをした（または「そぎ落とされた」）タイプの航空機エンジンの空気取入口が知られている。ここでは、捕捉面は、エンジンの長手方向軸に対して顕著な傾斜角を呈しており、空気取入口の底部はその頂部に対して軸方向に上流側に突出している。そのタイプの空気取入口は、「全体的」Ｌ／Ｄ比（直径で割った全体的長さ）によって画定され、空気取入口の周縁部まわりで線形に変化する「局所的」Ｌ／Ｄ比（直径で割った局所的長さ）を示す。

空気取入口のその特有の面取り形状は、本質的に、上流側でエンジンによって地面に向かって放たれる騒音を制限するのに役立つ。面取りした空気取入口の長い底部は、エンジンが作動している間にエンジンによって上流側で放たれる騒音の大部分を反射して上方へ偏向させるのに役立つ。そのタイプのエンジンは、一般に、空気取入口にその短い頂部を介して接続されているパイロンを用いて、航空機の翼の下で接続されている。

本発明の特定の目的は、ダクトなしのプッシャプロペラを有する航空機エンジンの空気取入口をパイロンに結合することに伴う前述の問題に対する、簡潔で、効果的で、かつ廉価である解決案を提案することである。

この目的のために、本発明は、ダクトなしのプッシャプロペラを有するタイプの航空機エンジンの空気取入口を提案する。エンジンはパイロンを介して航空機の胴体に接続されており、空気取入口は、空気取入口の前縁の先端とエンジン用圧縮機の上流側ロータと同じレベルに位置する横断面との間で、エンジン軸に対して平行に測定される空気取入口の局所的長さが、パイロンに接続されている空気取入口の領域で長く、パイロンと反対側の空気取入口の領域で短いことを特徴とする。

面取りした空気取入口の短い頂部が接続用パイロンに接続されている先行技術と異なり、本発明の空気取入口の局所的長さは、空気取入口の周縁部まわりで変化し、パイロンに接続されている領域で最大となり、反対側の領域で最小となる。パイロンに接続されている空気取入口の領域の形状および寸法は、パイロンを寸法決めに応じて最適化されるのに対して、空気取入口の残りの寸法および形状は、空気取入口の重量とエンジンナセルによって作動中に発生する抗力とを制限するように、パイロンとは無関係に最適化される。

空気取入口の局所的長さの変化は、空気取入口の周縁部まわりで非線形である。先行技術と異なり、空気取入口の捕捉部は平坦ではなく、「全体的な」Ｌ／Ｄ比を用いて本発明の空気取入口の長さを画定するのは不可能である。

本発明の空気取入口の「局所的な」Ｌ／Ｄ比は、パイロンに接続されている領域と空気取入口の反対側の領域との間で、好ましくは約２．５から０．９の範囲内にある。但し、Ｌは空気取入口の局所的長さであり、Ｄはその内径であり、ＬおよびＤは上述通りに測定される。

有利には、空気取入口の前縁が、パイロン軸およびエンジン軸を含む中央面に対して垂直な方向に、実質的に上反角の形をした輪郭を有する。一例として、上反角の頂部の角度が、約９０度から１７５度の範囲内にある。上反角の頂部は、上反角の開口部のそばが凹状の丸い形状を呈していてもよい。上反角の両面は、実質的に直線的であってもよく、またはこれらは湾曲していてもよく、凹状もしくは凸状である。

好ましくは、空気取入口は、パイロン軸およびエンジン軸を含む中央面に関して対称である。ついで、本発明の空気取入口の前縁は、その中央面の両側に位置し、互いに丸い部分を介して接続されている２つの上反角を画定する。

それらの２つの上反角の上流側は、エンジン軸に対して傾斜している第１の空気取入口の平面にあり、上反角の下流側は、エンジン軸に対してより大きな角度で傾斜している第２の空気取入口の平面にある。それらの２つの平面は交差し、それらの２つの平面間の交線は実質的に上反角の頂部を通っている。したがって、本発明の空気取入口は、先行技術における単一の空気取入口の平面とは異なり、２つの空気取入口の平面によって画定される。

本発明の別の一態様では、空気取入口が軸方向突起を含み、パイロンは、空気取入口の前記突起からエンジン軸に対して実質的に軸方向かつ半径方向に延びるように設計されている。この突起の形状および寸法は、パイロンの形状および寸法に応じて決定される。この突起はまた、エンジンの他のかさ高い装置を設置するのに使用されてもよい。

パイロンの前縁および／または後縁は、横断面に対して約１０度から３５度の範囲内のある角度で傾斜していてもよい。

本発明はまた、ダクトなしのプッシャプロペラを有する航空機エンジンを提供し、エンジンは上述のような空気取入口を含んでいる。

最後に、エンジンはまた、上述のタイプの２つ以上のエンジンを有し、エンジンは航空機の胴体の後部にパイロンを用いてその両側で接続されていることを特徴とする航空機を提供する。航空機が２つのエンジンを有する場合、各エンジンの接続用パイロンは、胴体に接続されているパイロンの端部を実質的に通る水平面に対して、好ましくは５度から４５度の範囲内のある角度、たとえば約２０度に傾斜している。航空機がさらなるエンジンを有する場合、そのエンジンを接続しているパイロンは、実質的に垂直な平面にあってもよい。第３のエンジンは、航空機の胴体の上に位置していてもよい。

非限定的な例として与えられている以下の記載を読み、添付の図面を参照すると、本発明をより十分に理解することができ、その他の詳細、特徴、および利点がより明らかになる。

ダクトなしのプッシャプロペラを有するエンジンの軸方向の概略断面図である。 ダクトなしのプッシャプロペラを有する本発明の２つのエンジンを取付けた航空機の概略斜視図である。 図２のエンジンのうちの１つをより大きく拡大した図である。 図３のエンジンのナセルのおよびパイロンの概略斜視図である。 図４のナセルおよびパイロンのより大きく拡大した部分概略側面図である。 本発明の変形例である。

最初に図１を参照する。図１はダクトなしのプッシャファンを有する航空機エンジン１０を示しており、エンジン１０は、空気取入口１３を形成する上流端を有する実質的に軸対称のナセル１２によって取り囲まれるターボ機械を備える。

エンジンを通るガスの流れ方向の上流側から下流側まで、ターボ機械が、圧縮機１４と、燃焼室１６と、上流側の高圧タービン１８と、２つの逆回転式の低圧下流側タービン２０および２２、すなわち、エンジンの長手方向軸Ａを中心として反対方向に回転するタービンとを備える。

各下流側タービン２０、２２は、ナセル１２の外側で実質的に半径方向に延びる外部のプロペラ２４、２６で回転するよう拘束される。

空気取入口１３に進入する空気流２８は、圧縮機１４を通過し、ここで空気流２８は圧縮され、ついで燃料を混合されて燃焼室１６で燃焼し、ついで、プロペラ２６、２８を回転式に駆動させるために燃焼ガスがタービンに注入され、このプロペラはエンジンからの推力の大部分を提供する。エンジンからの推力を増大させるために、タービン２０、２２を出る燃焼ガス３０は、ついで、下流側ノズル３２を通って排出される。

プロペラ２４、２６は、エンジンの下流端近くに位置しており、エンジンから上流側に位置するプラープロペラと言われるであろう外部のプロペラとは対照的に、これらはプッシャプロペラまたは推進プロペラと言われる。

このタイプのエンジンは、航空機の一部、たとえばその胴体に、パイロン３４を用いて接続されている。このパイロンは、軸Ａに対して実質的に半径方向にナセル１２の外側で延びており、特に空気力学的理由のために、上流側プロペラ２４のブレードの前縁から十分な軸方向距離Ｘ１にあり、空気取入口の前縁３８から十分な軸方向距離Ｘ２にあることが必要である。したがって、先行技術においては、エンジンのパイロン３４を結合することができるようにするため、軸方向に空気取入口１３を延ばすことが必要とされている。

図１の例において、実線で描かれている空気取入口１３は、特に空気を圧縮機１６に流すのに最適な最小長さを呈する一方で、不連続線で描かれている空気取入口１３’は、パイロン３４をエンジン１０に結合することができるように延びている。それにもかかわらず、空気取入口を延ばすことによって、エンジンの重量と、飛行中にエンジンが発生させる抗力とが著しく増加する。

エンジンの空気取入口１３は特殊輪郭形状であり、空気を引き込むその上流端部、すなわち前縁３８は、凸状の丸い形状の断面を呈する。

航空機エンジンの空気取入口は、特に、示されている例では空気取入口の周縁部全体にわたって一定である「局所的」Ｌ／Ｄ比によって画定されてもよい。Ｄは、第１のロータ、すなわち圧縮機１４の上流側ロータと同じレベルで測定された空気取入口１３の内径であり、Ｌは、前縁３８の先端と圧縮機１４の上流側ロータと同じレベルに位置する横断面Ｐとの間で、軸Ａに対して平行に測定された前記空気取入口の局所的長さである。この例では、空気取入口１３は軸対称であり、前縁３８の先端はすべて、その捕捉面または捕捉断面と呼ばれる同じ横断面Ｐ１（または空気取入口１３’のＰ２）に位置する。

実線で描かれている空気取入口１３は、（ＰとＰ１との間で測定された）長さＬ１を有し、比Ｌ１／Ｄによって画定される。不連続線で描かれている空気取入口１３’は、（ＰとＰ２との間で測定された）長さＬ２を有し、比Ｌ２／Ｄによって画定される。

本発明は、比Ｌ／Ｄが一定でなく空気取入口の周縁部まわりで非線形に変化する空気取入口であって、最大長さを有する空気取入口の領域はパイロンに接続されている空気取入口を用いて、エンジンの空気取入口を延ばすことに伴う前述の問題を改善することが可能である。

図２から図５は、本発明の好ましい実施形態を示しており、図１を参照しつつ上述した要素には、同じ参照符号に１００を足して与えられている。

図１に示されている航空機１４０は、ダクトなしのプッシャプロペラを有する２つのエンジン１１０が装着されており、これらのエンジンはパイロン１３４によって航空機の胴体１４１の後部にその両側で接続されている。

各エンジン１１０のナセル１１２は、その上流端に、パイロン１３４と接続するための軸方向の突起１４２を有する本発明の空気取入口１１３を含む。パイロン１３４は、エンジン軸Ａに対して実質的に半径方向に、空気取入口の突起１４２から航空機の胴体１４１まで外側に延びる。したがって、空気取入口の突起１４２は、航空機の胴体１４１のそばに位置する。パイロン１３４は、胴体１４１に接続されているパイロン１３４の端部を実質的に通る水平面に対して、５度から４５度の範囲内にある、たとえば約２０度の角度αで傾斜している。

突起１４２の形状は、その頂部、すなわち上流側に位置する小さな基部と、下流側に位置するその（大きな）基部で、全体として三角形または台形である。突起１４２の下流側の基部は、軸Ａまわりに約１８０度以下の角度にわたり角度的に延びている。

この突起１４２は、最大軸長を有する空気入口領域を形成し、前述の平面Ｐおよび突起の上流端を通過する横断面Ｐ２’で測定されるその長さは、Ｌｍａｘで示される。この長さＬｍａｘは、図１の空気取入口１３’の長さＬ２と実質的に等しく、この空気取入口１３’は、パイロン３４をエンジンと結合することができるように延びている。

長さＬｍａｘは、Ｌｍａｘ／Ｄと等しく、たとえば値が約２．５である空気取入口の比Ｌ／Ｄの最大値を計算するのに役立つ。

突起１４２は、軸Ａまわりに延び、空気取入口の最も短い領域を画定する、空気取入口の実質的に環状の部分１４４に接続されている。この部分１４４は、突起１４２の正反対にある。この部分１４４の長さは、平面Ｐと前記部分の下流端を通過する横断面Ｐ１’との間で測定されるが、Ｌｍｉｎで示される（部分１４４の下流端は突起１４２の上流端部の正反対にある）。この長さＬｍｉｎは、パイロンとは無関係に決定されるように、図１の空気取入口１３の長さＬ１、すなわち前記空気取入口に最適な最小値と実質的に等しい。

長さＬｍｉｎは、空気取入口の比Ｌ／Ｄの最小値を計算するのに役立ち、その比はＬｍｉｎ／Ｄと等しく、たとえば値が約０．９である。

図５に示すように、空気取入口１１３を側面から、すなわちエンジン軸Ａおよびパイロン１３４の軸を通る中央面に対して垂直方向に見た場合、前縁１３８は、比較的大きな角度β、すなわち９０度よりも大きな角度を呈する上反角を、軸Ａの両側に画定する。この角度βは、示されている例では、約１２０度から１５０度である。

したがって、空気取入口の前縁１３８は、中央面の両側に、ＬｍｉｎからＬｍａｘの範囲にある複数の異なる空気取入口の長さＬ’、Ｌ’’を画定する。これらの長さによって、空気取入口の比Ｌ／Ｄをその周縁部すべてにわたって変化させることができる。先行技術とは異なり、この比の変化は線形ではなく（前縁が単一の傾斜した空気入口面に延びることになっている場合はそうであろうが）、むしろ非線形であり、たとえば、ほぼ双曲線または放物線状である。前縁１３８のこの特有の構造によって、少なくとも２つの空気取入口の平面を画定することが可能となる。

図５の例では、空気取入口の前縁１３８は、軸Ａに対して傾斜している２つの交面Ｐ３、Ｐ４を画定する。上流側の第１の平面Ｐ３は、突起１４２の前縁の部分（すなわち前述の上反角の上流側）によって画定され、約１５度から５０度の範囲内のある角度で軸Ａに対して傾斜している。下流側の第２の平面Ｐ４は、空気取入口の部分１４４の前縁の部分（すなわち上反角の下流側）によって画定され、約７０度から９０度の範囲内のある角度で軸Ａに対して傾斜している。これらの２つの平面Ｐ３、Ｐ４は、空気取入口の突起１４２と環状部分１４４との連結領域において、実質的に交差する。

また図５において理解されるように、空気取入口１１３とパイロン１３４の前縁との連結領域１４６は、横断面Ｐ１’とＰ２’との間で延びる横断面に位置する。

図６に示される変形例では、空気取入口２１３の前縁２３８は、軸Ａの両側に、たとえば約９０度から１７５度の範囲内のある角度β’を有する上反角を画定する。示されている例では、この角度β’は約１７０度である。

この例では、パイロン２３４の前縁２５０が、エンジン軸Ａに直角な面に対して、約１０度から３５度の範囲内にあり、好ましくは２０度の角度γで傾斜している。パイロン２３４の後縁２５２もまた、エンジン軸Ａに直角な面に対して、約１０度から３５度の範囲内にあり、好ましくは２０度の角度γ’で傾斜している。角度γおよびγ’の値は、等しくてもよいし、異なっていてもよい。

エンジンを航空機に接続するパイロンは、エンジン軸を介して通る径方向面に対して傾斜していてもよい。

本発明の一変形例において、空気取入口の軸方向突起によって、嵩のはるエンジンの装置をパイロン以外に結合することができるようになる。

Claims (11)

1. ダクトなしのプッシャプロペラを有するタイプの航空機エンジンの空気取入口（１１３）であって、エンジンがパイロン（１３４）を介して航空機の胴体（１４１）に接続されており、空気取入口の前縁（１３８）の先端とエンジン用圧縮機の上流側ロータと同じレベルに位置する横断面（Ｐ）との間で、エンジン軸（Ａ）に対して平行に測定される空気取入口の局所的長さが、パイロンに接続されている空気取入口の領域（１４２）で長く、パイロンと反対側の空気取入口の領域で短いことを特徴とする、空気取入口（１１３）。
2. 比Ｌ／Ｄが、パイロン（１３４）に接続されている空気取入口の領域（１４２）と空気取入口の反対側の領域との間で、約２．５から０．９の範囲内にあり、Ｌが空気取入口の局所的長さであり、Ｄがエンジン用圧縮機の上流側ロータと同じレベルに測定されるその内径であることを特徴とする、請求項１に記載の空気取入口。
3. 空気取入口の前縁（１３８）が、パイロン（１３４）の軸およびエンジン軸（Ａ）を含む中央面に対して垂直な方向に、実質的に上反角の形をした輪郭を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の空気取入口。
4. 上反角の頂部の角度（β、β’）が、９０度から１７５度の範囲内にあることを特徴とする、請求項３に記載の空気取入口。
5. 上反角の頂部は、上反角の開口側のそばが凹状の丸い形状を有することを特徴とする、請求項３または４に記載の空気取入口。
6. 上流側に突出する軸方向突起（１４２）を含み、パイロン（１３４）が、前記突起からエンジン軸（Ａ）に対して実質的に半径方向に延びるように設計されていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の空気取入口。
7. パイロン（１３４）の軸およびエンジン軸（Ａ）を含む中央面に関して対称であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の空気取入口。
8. パイロン（２３４）の前縁（２５０）および／または後縁（２５２）が、横断面に対して約１０度から３５度の範囲内のある角度（γ）で傾斜していることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の空気取入口。
9. ダクトなしのプッシャプロペラを有する航空機エンジン（１１０）であって、請求項１から８のいずれか一項に記載の空気取入口（１１３）を含むことを特徴とする、航空機エンジン（１１０）。
10. 航空機（１４０）であって、請求項９に記載の少なくとも２つのエンジンを含み、それら２つのエンジン（１１０）がパイロン（１３４）によって航空機の胴体（１４１）の後部にその両側で接続されていることを特徴とする、航空機（１４０）。
11. パイロンを介して航空機の胴体の後部に接続される第３のエンジンを含み、パイロンが胴体の上で実質的に垂直に延びていることを特徴とする、請求項１０に記載の航空機。

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