JP5673405B2 - ジェットエンジンの可変排気ノズル - Google Patents

Description

本発明は、排気口の口径を可変するジェットエンジンの可変排気ノズルに関する。

従来、特許文献１に示されるように、飛行状況等に応じてジェットエンジンの排気口の口径を可変する可変排気ノズルが知られている。こうした排気ノズルからは高温の排気ジェットが噴出されるとともに、高温の排気ジェットによって排気ノズルの表面が高温となる。このように、高温となった排気ノズルや排気ジェットは、赤外線放射強度レベルが高いことから、赤外線の探知によって飛行状況等の機密情報が外部に流出する可能性がある。

そこで、例えば特許文献２、３に示されるように、排気ノズルや排気ジェットの冷却効率を向上して、赤外線放射強度レベルを低下させる種々の機構を備えたジェットエンジンの排気ノズルが開発されている。

特開２００３−３０７１５６号公報 特開平５−１４１３１０号公報 特開２００５−２７３５０２号公報

しかしながら、従来のジェットエンジンにおいては、排気ジェットに起因する赤外線放射強度レベルを低減するための構造が複雑であり、製造コストが上昇するばかりか、メンテナンスが煩雑になってしまうおそれがあった。

本発明は、簡易な構成でありながらも、赤外線放射強度レベルを確実に低下させることができるジェットエンジンの可変排気ノズルを提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明のジェットエンジンの可変排気ノズルは、環状に配列されて排気口を構成する複数のシールと、シールよりも排気口の径方向外方に環状に配列され、隣接するシール間を跨いで位置する複数のフラップと、複数のフラップよりも排気口の径方向外方に環状に配列されて、複数のフラップおよびシールの外面を被覆する複数のフェアリング部材と、を備え、シール、フラップおよびフェアリング部材が排気口の径方向に変位することにより排気口の口径が可変するジェットエンジンの可変排気ノズルであって、シールおよびフラップのいずれか一方または双方には、先端に向かうにしたがって排気口の径方向内方に深くなるノッチが設けられ、フェアリング部材の先端には、ノッチを排気口の径方向外方に露出させる切り欠きが設けられていることを特徴とする。

また、本発明のジェットエンジンの可変排気ノズルは、シールまたはフラップの先端に、排気口の径方向内方に突出する突起部を設け、当該突起部にノッチを設けることとしてもよい。

また、本発明のジェットエンジンの可変排気ノズルは、突起部の高さを、排気口の最小径の２．５〜５．０％とするとよい。

また、本発明のジェットエンジンの可変排気ノズルは、フェアリング部材が、シールおよびフラップの外面を被覆するとともに先端に切り欠きが設けられた本体部と、本体部から排気口の周方向に突出するとともに、排気口が最小径状態にあるときに、隣接するフェアリング部材の本体部の内方に進入し、排気口が広がると、隣接するフェアリング部材の本体部の間に露出する導入部と、を備え、導入部には、フェアリング部材の外方を流れる外気が導かれる導入溝が設けられ、導入溝は、排気口が広がって導入部が隣接する本体部の間に露出したとき、当該導入溝の先端がノッチに対向して位置することとしてもよい。

また、本発明のジェットエンジンの可変排気ノズルは、フェアリング部材の外面に、基端側から先端に向けて延伸するとともに切り欠きに連続する外部導入溝を設けてもよい。

本発明によれば、簡易な構成でありながらも、赤外線放射強度レベルを確実に低下させることができる。

最小径状態にある可変排気ノズルの分解斜視図である。 開状態にある可変排気ノズルの分解斜視図である。 シールおよびフラップの斜視図である。 図１の部分拡大図であり、排気口の最小径状態におけるシールおよびフラップを示す斜視図である。 最小径状態にある外部フェアリングの斜視図である。 フェアリング部材の斜視図である。 最小径状態にある外部フェアリングの先端断面図である。 外部フェアリングの開状態を示す斜視図である。 開状態にある外部フェアリングの先端断面図である。 最小径状態にある可変排気ノズルの斜視図である。 図１０の部分拡大図である。 開状態にある可変排気ノズルの斜視図である。 図１２の部分拡大図である。 本実施形態の可変排気ノズルおよび従来の可変排気ノズルの排気ジェット混合率を示す実験データである。 変形例の外部フェアリングの斜視図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、最小径状態にある可変排気ノズルの分解斜視図であり、図２は、開状態にある可変排気ノズルの分解斜視図である。可変排気ノズル１は、ジェットエンジンの燃焼室で生成される排気ジェットを噴出する排気口２を備えている。この排気口２は、環状に配列された複数のシール１０およびフラップ２０によって構成されている。

詳しい説明は省略するが、これら複数のシール１０およびフラップ２０は、アクチュエータ３によって可動するフラップ可動リング４に連結されており、フラップ可動リング４が作動すると、各シール１０およびフラップ２０が排気口２の径方向に放射状に変位する。これにより、各シール１０およびフラップ２０は、図１に示す最小径状態から図２に示す開状態となり、排気口２の口径が可変することとなる。

また、シール１０およびフラップ２０よりも排気口２の径方向外方には、外部フェアリング３０が設けられており、この外部フェアリング３０によって、シール１０およびフラップ２０が覆われている。なお、この外部フェアリング３０は、環状に配列された複数のフェアリング部材３１によって構成されており、シール１０およびフラップ２０と同様に、排気口２の径方向に変位するように構成されている。以下に、シール１０、フラップ２０および外部フェアリング３０の構成について詳細に説明する。

図３は、シール１０およびフラップ２０の斜視図である。なお、本実施形態においては、シール１０およびフラップ２０が同一の部材で構成されているので、ここではシール１０について説明することとする。

図３に示すように、シール１０は、コンバージェントシール１１とダイバージェントシール１２とが、ヒンジ部１３を介して連結された板状部材で構成されている。コンバージェントシール１１およびダイバージェントシール１２は、ヒンジ部１３において所定角度で屈曲しており、コンバージェントシール１１が可変排気ノズル１の上流側に、ダイバージェントシール１２が可変排気ノズル１の下流側に位置して環状に配列されることとなる（図１、図２参照）。

また、ダイバージェントシール１２の先端（可変排気ノズル１の下流側に位置する端部）には、排気口２の径方向内方に突出する突起部１４が設けられており、この突起部１４には、ダイバージェントシール１２の先端に向かうにしたがって、排気口２の径方向内方に深く、かつ、排気口２の周方向に幅広になるノッチ１５が設けられている。なお、突起部１４およびノッチ１５は、ダイバージェントシール１２の幅方向中央に設けられており、突起部１４の高さは、排気口２の最小径の２．５〜５．０％になるように構成されている。また、ノッチ１５の高さや幅は適宜設定可能であるが、高さ：幅＝１：０．５〜２程度が望ましく、より効果的には１：１．５〜２程度である。なお、ダイバージェントシール１２の先端側縁の角には、面取り部１６が設けられている。

ここでは、シール１０を用いて説明したが、本実施形態においては、シール１０とフラップ２０とを同一の部材で構成している。具体的には、フラップ２０は、コンバージェントシール１１と同様のコンバージェントフラップ２１と、ダイバージェントシール１２と同様のダイバージェントフラップ２２とが、ヒンジ部２３を介して連結されている。そして、ダイバージェントフラップ２２の先端には、ノッチ２５が形成された突起部２４が設けられており、先端側縁の角には面取り部２６が設けられている。

図４は、図１の部分拡大図であり、排気口２の最小径状態におけるシール１０およびフラップ２０を示す斜視図である。この図に示すように、複数のシール１０は、排気口２の最小径状態において、隣接するシール１０間に空隙を維持して環状に配列されている。また、複数のフラップ２０は、シール１０よりも排気口２の径方向外方において、隣接するフラップ２０間に空隙を維持して環状に配列されており、このとき、各フラップ２０がシール１０間の空隙を覆うように、隣接するシール１０を跨いで位置している。

また、シール１０とフラップ２０とは、その先端が面一となる関係を維持しており、シール１０のノッチ１５と、フラップ２０のノッチ２５とが、排気口２の周方向に交互に配置されている。なお、フラップ２０のダイバージェントフラップ２２に設けられた面取り部２６は、シール１０のダイバージェントシール１２に設けられたノッチ１５との干渉を防ぐものであり、面取り部２６を設けることによって、ノッチ１５が排気口２の径方向外方に露出するようになっている。また、シール１０のダイバージェントシール１２に設けられた面取り部１６は、フラップ２０のダイバージェントフラップ２２に設けられた突起部２４との干渉を防ぐものとして機能している。

そして、上記の構成からなるシール１０およびフラップ２０の外周には、外部フェアリング３０が設けられ、この外部フェアリング３０によって、シール１０およびフラップ２０の外面が被覆される。以下に、図５〜図９を用いて外部フェアリング３０について詳細に説明する。

図５は、最小径状態にある外部フェアリング３０の斜視図である。この図に示すように、外部フェアリング３０は、環状に配列された複数のフェアリング部材３１によって構成されており、最小径状態にあるときに、隣接するフェアリング部材３１の側面が互いに接触する寸法関係を維持している。

図６は、フェアリング部材３１の斜視図である。この図に示すように、フェアリング部材３１は、内面側から外面側に向けて凸状に緩やかに湾曲する本体部３２を備えており、この本体部３２の幅が、基端部３２ａから先端部３２ｂに向かうにしたがって徐々に幅狭になるように構成されている。

そして、本体部３２には、当該本体部３２の側面から、当該本体部３２の幅方向に突出する導入部３３が一体的に設けられている。この導入部３３は、排気口２の径方向外方に臨む導入溝３３ａを備えており、この導入溝３３ａによって、フェアリング部材３１の外周に流れる外気が、可変排気ノズル１の上流側から下流側へと導かれることとなる。導入溝３３ａは、本体部３２の基端部３２ａ側から先端部３２ｂ側に向かうにしたがって、徐々に幅広となり、かつ、排気口２の径方向内方に徐々に深くなるように構成されている。なお、本体部３２は、図示のとおり、導入部３３よりも先端が突出した寸法関係を維持している。換言すれば、導入部３３の先端は、本体部３２の先端よりも外部フェアリング３０の基端側に位置することとなる。

また、本体部３２の先端部３２ｂには、その厚さ方向に貫通する切り欠き３４が設けられており、先端側縁の角には、切り欠き３５ａ、３５ｂが設けられている。この切り欠き３５ａ、３５ｂは、図５に示すように、外部フェアリング３０の最小径状態において、隣接する一対の本体部３２のうち、一方の本体部３２に設けられた切り欠き３５ａと、他方の本体部３２に設けられた切り欠き３５ｂと、によって１つの切り欠き３５を構成することとなる。

図７は、最小径状態にある外部フェアリング３０の先端断面図である。この図に示すように、導入部３３は、本体部３２よりも外部フェアリング３０（排気口２）の径方向内方に設けられており、これによって、外部フェアリング３０の最小径状態においては、導入部３３が、隣接するフェアリング部材３１の本体部３２と径方向の位置が重なるように、当該本体部３２の内方に進入することとなる。これにより、外部フェアリング３０の最小径状態において、導入部３３が隣接するフェアリング部材３１の本体部３２と干渉しないようになっている。

図８は、外部フェアリング３０の開状態を示す斜視図であり、図９は、開状態にある外部フェアリング３０の先端断面図である。これらの図に示すように、各フェアリング部材３１が上記の最小径状態から排気口２の径方向に放射状に広がって、外部フェアリング３０が開状態になると、隣接するフェアリング部材３１の本体部３２が離間する。このとき、隣接する本体部３２の間から、外部フェアリング３０の径方向外方に導入部３３が露出することとなる。以下に、シール１０、フラップ２０および外部フェアリング３０の相互関係について詳細に説明する。

図１０は、最小径状態にある可変排気ノズル１の斜視図であり、図１１は、図１０の部分拡大図である。図１０に示すように、排気口２が最小径状態にあるときには、隣接するフェアリング部材３１の本体部３２の側面が互いに接触状態にあり、外部フェアリング３０が、排気口２の周方向において完全に閉塞されて、シール１０およびフラップ２０が被覆されている。

また、フェアリング部材３１は、フラップ２０と同数設けられており、フェアリング部材３１およびフラップ２０は、その幅方向の中心が、排気口２の周方向位置を一致させて配列されている。したがって、排気口２が最小径状態にあるときには、図１１に示すように、フェアリング部材３１の先端に設けられた切り欠き３４が、フラップ２０の先端に設けられたノッチ２５に対向して位置している。これにより、ノッチ２５は、切り欠き３４を介して、排気口２の径方向外方に露出することとなる。

また、このとき、隣接するフェアリング部材３１の本体部３２によって構成される切り欠き３５は、シール１０の先端に設けられたノッチ１５に対向して位置しており、これによって、ノッチ１５が、切り欠き３５を介して排気口２の径方向外方に露出することとなる。

これにより、排気口２の最小径状態においては、フェアリング部材３１の外周において、排気口２の上流側から下流側に流れる外気が、切り欠き３４、３５を介してノッチ１５、２５に導かれ、こうした外気によってシール１０およびフラップ２０の先端が冷却されることとなる。また、このとき、ノッチ１５、２５は、先端に向かうにしたがって徐々に排気口２の径方向内方に深くなるように形成されており、ノッチ１５、２５に導かれた外気は、排気口２の径方向内方に向かって流れることとなる。これにより、排気口２から噴出する高温の排気ジェットと、冷たい外気との混合が促進され、排気ジェットの冷却効率が向上される。

図１２は、開状態にある可変排気ノズル１の斜視図であり、図１３は、図１２の部分拡大図である。図１２および図１３に示すように、シール１０、フラップ２０およびフェアリング部材３１の先端が放射状に広がって排気口２の径が大きくなると、隣接するフェアリング部材３１の本体部３２が離間するとともに、隣接する本体部３２間に導入部３３が露出する。

このとき、フラップ２０およびフェアリング部材３１の先端は、排気口２に対して同一方向に変位し、図示のように、排気口２の開状態においても、ノッチ２５は切り欠き３４を介して排気口２の径方向外方に露出することとなる。したがって、排気口２の開状態においても、排気口２の上流側から下流側に流れる外気が、切り欠き３４を介してノッチ２５に導かれ、フラップ２０が冷却されることとなる。

また、導入部３３の導入溝３３ａとシール１０のノッチ１５とは、排気口２の開状態において、当該排気口２の周方向位置が一致する関係を維持しており、さらに、導入部３３は、本体部３２よりも先端が排気口２の上流側にずれて位置している。これにより、排気口２の開状態においては、排気口２の上流側から下流側に流れる外気が、導入溝３３ａに沿って排気口２の先端側に導かれるとともに、当該外気がノッチ１５に導かれることとなる。これにより、排気口２の開状態においては、導入溝３３ａに導かれた外気がノッチ１５に導かれ、シール１０が冷却されることとなる。なお、この場合においても、ノッチ１５、２５に導かれた外気は、排気口２の径方向内方に向かって流れるため、上記と同様に、排気ジェットの冷却効率が向上されることとなる。

図１４は、本実施形態の可変排気ノズル１および従来の可変排気ノズルの排気ジェット混合率を示す実験データである。図中横軸は、排気口からの距離を示し、図中縦軸は、排気ジェットと大気との混合率を示している。また、本実施形態の可変排気ノズル１の実験データを図中実線で示し、従来の可変排気ノズルの実験データを図中破線で示している。なお、従来の可変排気ノズルは、ノッチ１５、２５および切り欠き３４、３５が設けられていない点のみが、本実施形態の可変排気ノズル１と異なり、その他の構成は本実施形態の可変排気ノズル１と同じである。

この図からも明らかなように、本実施形態の可変排気ノズル１によれば、ノッチ１５、２５によって排気口２の径方向内方に外気が導かれるため、従来の可変排気ノズルに比べて、より排気口２に近い位置での大気と排気ジェットとの混合が促進される。このように、より排気口２に近い位置で排気ジェットが大気と混合されるので、赤外線放射強度レベルが低減され、赤外線探知によって機密情報が外部に流出するおそれを低減することができる。また、上記のように排気ジェットの混合が促進されることにより、排気ジェットの噴出によってもたらされる騒音をも低減することができる。

なお、上記実施形態においては、フェアリング部材３１に切り欠き３４が設けられているが、図１５に示す変形例のように、フェアリング部材３１の基端側から先端に向けて延伸するとともに、先端に形成される切り欠き３４に連続する外部導入溝３６を設ければ、フラップ２０のノッチ２５への外気の導入効率を一層促進することができる。また、排気口２が最小径状態にあるときに、隣接するフェアリング部材３１によって、切り欠き３５に連続する外部導入溝（不図示）が構成されるようにすることも可能である。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、排気口の口径を可変するジェットエンジンの可変排気ノズルに適用することができる。

１ …可変排気ノズル
２ …排気口
１０ …シール
１４ …突起部
１５ …ノッチ
２０ …フラップ
２４ …突起部
２５ …ノッチ
３０ …外部フェアリング
３１ …フェアリング部材
３２ …本体部
３３ …導入部
３３ａ …導入溝
３４、３５、３５ａ、３５ｂ …切り欠き
３６ …外部導入溝

Claims (5)

1. 環状に配列されて排気口を構成する複数のシールと、
   前記シールよりも前記排気口の径方向外方に環状に配列され、隣接する前記シール間を跨いで位置する複数のフラップと、
   前記フラップよりも前記排気口の径方向外方に環状に配列されて、前記複数のフラップおよびシールの外面を被覆する複数のフェアリング部材と、を備え、
   前記シール、フラップおよびフェアリング部材が前記排気口の径方向に変位することにより前記排気口の口径が可変するジェットエンジンの可変排気ノズルであって、
   前記シールおよびフラップのいずれか一方または双方には、先端に向かうにしたがって前記排気口の径方向内方に深くなるノッチが設けられ、
   前記フェアリング部材の先端には、前記ノッチを前記排気口の径方向外方に露出させる切り欠きが設けられていることを特徴とするジェットエンジンの可変排気ノズル。
2. 前記シールまたはフラップの先端には、前記排気口の径方向内方に突出する突起部が設けられ、当該突起部に前記ノッチが設けられていることを特徴とする請求項１記載のジェットエンジンの可変排気ノズル。
3. 前記突起部の高さは、前記排気口の最小径の２．５〜５．０％であることを特徴とする請求項２記載のジェットエンジンの可変排気ノズル。
4. 前記フェアリング部材は、
   前記シールおよびフラップの外面を被覆するとともに先端に前記切り欠きが設けられた本体部と、
   前記本体部から前記排気口の周方向に突出するとともに、前記排気口が最小径状態にあるときに、隣接するフェアリング部材の本体部の内方に進入し、前記排気口が広がると、隣接するフェアリング部材の本体部の間に露出する導入部と、を備え、
   前記導入部には、前記フェアリング部材の外方を流れる外気が導かれる導入溝が設けられ、
   前記導入溝は、前記排気口が広がって前記導入部が隣接する本体部の間に露出したとき、当該導入溝の先端が前記ノッチに対向して位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のジェットエンジンの可変排気ノズル。
5. 前記フェアリング部材の外面には、
   基端側から先端に向けて延伸するとともに前記切り欠きに連続する外部導入溝が設けられていることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のジェットエンジンの可変排気ノズル。

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