JP6082960B2 - タービンエンジン用コンバージェントダイバージェントノズル - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンノズルの一般的分野に関する。より正確には、本発明は、コンバージェントダイバージェントタイプのノズルの幾何学的輪郭に関する。

本願は、航空機のバイパスターボジェットおよびターボプロップに適用される。

周知の形では、バイパスターボジェットのノズルは、中心体と、中心体と協働して高温流のための主流路を画定するように中心体の周囲に同軸状に配置される主キャップと、主キャップと協働して低温流のための副流路を画定するように主キャップの周囲に同軸状に配置される副キャップとを備える。該ノズルがコンバージェントダイバージェントタイプである場合、ノズルは、下流側端部で大きくなる前に下流側に向かって小さくなる主流路および／または副流路の断面を有する。

同様に、ターボプロップのノズルは、中心体と、中心体と協働してターボプロップからの高温流のための環状流路を画定するように中心体の周囲に同軸状に配置される環状キャップとを備える。該ノズルがコンバージェントダイバージェントタイプのノズルである場合、流路は下流側端部で大きくなる前に下流側に向かって小さくなる断面を有する。

このタイプのコンバージェントダイバージェントノズルは、ノズル（例えば、バイパスターボジェットのノズル内のファン）に空気を送る圧縮機の動作性を向上させるものである。具体的には、コンバージェントダイバージェントノズルにより、所定のスロート部では、単なるコンバージェントタイプのノズルの場合よりも離陸時における流量を大きくすることができる。

しかし、コンバージェントダイバージェントタイプのノズルの設計は、難しくて複雑な作業であり、ノズルの幾何学的形状の設計不良がエンジンの動作性（すなわち、タービンエンジンの２つの動作点間でノズルを通過する流量の制御性）を向上させることができずに空気力学的性能を著しく低下させてしまう可能性がある。

本発明の主な目的は、コンバージェントダイバージェントタイプのノズルに関して、ノズルの空気力学的性能を向上させると同時にエンジンの動作性を維持することができる特殊な形状を提案することによって、上述の欠点を克服することである。

上述の目的は、環状中心要素と、中心要素と協働してエンジンからのガス流のための環状流路を画定するように中心要素の周囲に同軸状に配置される環状キャップとを備えるタービンエンジン用コンバージェントダイバージェントノズルであって、本発明によれば、ノズルのスロート部と噴射部との間で、中心要素とキャップは、絶対値が等しい曲率半径をそれぞれ有する曲線でモデル化された長手方向断面の内側輪郭をそれぞれ有する、コンバージェントダイバージェントノズルによって達成される。

本出願者は、先行技術のコンバージェントダイバージェントノズルと比べて、ノズルの中心要素（例えば、バイパスターボジェットの主キャップ）とキャップ（例えば、バイパスターボジェットの副キャップ）のそれぞれの内側輪郭をモデル化する曲線の曲率半径（絶対値）を等しくすることで、ノズルの空気力学的性能およびエンジンの動作性が大幅に向上することがわかった。

好ましくは、中心要素およびキャップのそれぞれの長手方向断面の内側輪郭は、対称軸に関して対称である。

このような条件下で、対称軸はエンジンの長手方向軸に対して傾斜しており、５°から２０°の角度を成してもよい。

本発明はさらに、上述したようなコンバージェントダイバージェントノズルを含むバイパスターボジェットを提供する。

本発明はさらに、上述したようなコンバージェントダイバージェントノズルを含むターボプロップを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、非限定的な特徴を有する一実施形態を示した添付図面を参照しながら後述される以下の説明から明らかになるであろう。

本発明のノズルが取り付けられたバイパスターボジェットの片側長手方向断面図である。 図１のノズルを構成する要素のそれぞれの内側輪郭を示した図１の拡大図である。 図２Ａのノズルのそれぞれの内側輪郭の一実施形態を示した図である。

本発明は、タービンエンジン、特に、図１に示されているようなバイパスターボジェット１０に取り付けられる任意のコンバージェントダイバージェントタイプのノズルに適用される。

図１では、バイパスターボジェット１０は、長手方向軸１２を有し、ガスタービンコア部１４と、軸１２を中心としてコアの周囲に同軸状に配置される環状ナセル１６とを備える。

エンジンを通過する空気流の流れ方向の上流側から下流側に向かって、コア１４は、吸気口１８、ファン２０、低圧圧縮機２２、高圧圧縮機２４、燃焼室２６、高圧タービン２８、および低圧タービン３０を有し、これらの各要素はそれぞれ長手方向軸１２に沿って配置される。

該エンジンによって生成されたガスを噴射するためのノズル３２は、エンジンの長手方向軸１２を中心とした環状中心体３４と、同軸状に中心体を囲撓して中心体と協働することで主環状流路３８を画定する環状主キャップ３６と、同軸状に主キャップを囲撓して主キャップと協働することで主流路と同軸の副環状流路４２を画定する環状副キャップ４０とで構成される（図１の実施形態では、ターボジェットのナセル１６とノズルの副キャップ４０は同一部品で構成されている）。

ノズル３２は、コンバージェントダイバージェントタイプのノズルである、すなわち、下流側端部で大きくなる前に下流側に向かって小さくなる主流路３８の断面および／または副流路４２の断面を有する。図１および図２に示されている例では、これは、下流側端部で大きくなる前に下流側に向かって小さくなる断面を有する副流路４２に適用されている。

さらに、以下の説明において、スロート部４４は、ノズルの長さに沿って副流路４２の最も小さい断面として定義される。同様に、噴射部４６は、ノズルの下流側端部である副流路の断面として定義される。

本発明において、ノズルのスロート部４４と噴射部４６との間では、主キャップ３６および副キャップ４０それぞれの長手方向断面の内側輪郭は、絶対値が等しい曲率半径γ_３６およびγ_４０をそれぞれ有する曲線Ｃ_３６およびＣ_４０でモデル化された内側輪郭を有する。

図２Ａは、ノズルのより詳細な長手方向面（すなわち、ターボジェットの長手方向軸を含む面）の断面図である。

図２Ａでは、主キャップ３６は、ノズルのスロート部４４と噴射部４６との間で、直交座標系のｙ（ｘ）の方程式の形とすることができる曲線Ｃ_３６でモデル化された内側輪郭を有する。同じことが、副キャップ４０の内側輪郭をモデル化する曲線Ｃ_４０にも言える。

スロート部と噴射部との間にある主キャップおよび副キャップの長手方向断面の内側輪郭を示す曲線の曲率半径γ_３６およびγ_４０はそれぞれ、これらの曲線Ｃ_３６、Ｃ_４０に沿った軸方向位置ｘに対する曲線Ｃ_３６、Ｃ_４０の縦座標ｙの二次導関数から適切に求められる。すなわち、

である。

本発明において、これらの曲率半径γ_３６およびγ_４０は絶対値が等しい（一方が正で他方が負である）。

図２Ｂは、それぞれの曲率半径γ_３６およびγ_４０が等しい条件を満たした図２Ａのノズルの主キャップおよび副キャップのそれぞれの内側輪郭の一実施形態を示した図である。

最初に、長手方向面において、ターボジェットの長手方向軸１２に対して角度αで直線Ｄが引かれる。この角度αが設計パラメータである。例えば、角度αは７５°から８０°である。

直線Ｄと主キャップ３６の内部被覆との交点が点Ａとなる。次に、主キャップ３６の内部被覆に接するように（すなわち、点Ａを通るように）直線Ｄ上にある中心Ｏの円Ωが描かれる。この円の直径および角度αは、エンジンを動作可能にするのに必要な広がり率に応じて選択される（用語「広がり率」はノズルのスロート部と噴射部との比を指すのに使用されている）。点Ｏを中心に点Ａに関して対称な点は、円Ω上にある点Ｂである。

次に、対称軸Δが引かれる。この軸は、直線Ｄに垂直であり、点Ｏを通る。次に、この対称軸に関して主キャップ３６の内側輪郭Ｃ_３６に対称な輪郭が描かれ、副キャップの内側輪郭Ｃ_４０が形成される。したがって、主キャップと副キャップのそれぞれの内側輪郭は（長手方向断面で）対称性を有するのが好ましい。

さらに、角度αは７５°から８０°であるので、対称軸Δはエンジンの長手方向軸１２に対して５°から２０°の角度を成す。

上述した方法で図２Ｂの長手方向輪郭において主キャップおよび副キャップの内側輪郭が描かれた後、これらの輪郭はエンジンの長手方向軸１２を中心として３６０°回転されて回転面が形成される。

上述の例では、ノズルは、副流路内のコンバージェントダイバージェントタイプのノズルである。当然、代替形態として、主流路内のコンバージェントダイバージェントタイプのノズルとすることも可能であり、この場合、曲率半径が等しい条件は、中心体の輪郭および中心体に対向する主キャップの輪郭に適用される。

Claims (5)

1. 環状中心要素（３６）と、中心要素と協働してエンジンからのガス流のための環状流路（４２）を画定するように中心要素の周囲に同軸状に配置される環状キャップ（４０）とを備えるタービンエンジン用コンバージェントダイバージェントノズルであって、ノズルのスロート部（４４）と噴射部（４６）との間で、中心要素とキャップは、曲線（Ｃ_３６、Ｃ_４０）によってモデル化された長手方向断面の内側輪郭をそれぞれ有し、それぞれの曲線に沿った軸方向位置に対する曲線の二次導関数が、絶対値が等しいそれぞれの半径を有することを特徴とする、ノズル。
2. 中心要素の長手方向断面の内側輪郭とキャップの長手方向断面の内側輪郭が、対称軸に関して対称である、請求項１に記載のノズル。
3. 対称軸が、エンジンの長手方向軸（１２）に対して傾斜しており、長手方向軸と５°から２０°の角度を成す、請求項２に記載のノズル。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のコンバージェントダイバージェントノズルを含む、バイパスターボジェット。
5. 請求項１から３のいずれか一項に記載のコンバージェントダイバージェントノズルを含む、ターボプロップ。

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