JPS6339781B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、ガスタービンエンジンの排気ノズ
ル、特に推力方向転換可能なタイプの推進系に関
する。

排気ノズルによりガスタービンの排気ガスに高
速度を付与して、推進力の推力またはスラストを
得る。この推力は、ノズルから出る排気ガスの流
れ方向にほゞ反対向きである。ガスの排気作用の
反作用として、推力が得られるからである。この
結果、排気ガスの方向を変えれば、これに応じて
推進スラストの方向が変わる。

代表的には、航空機ガスタービンエンジンは軸
線方向に固定されたノズルが設けられており、航
空機運動および揚力は機体制御表面（フラツプ）
のみによつて制御される。即ち、これらフラツプ
を上下して、航空機運動を行いまた揚力を発生す
る。従つて、翼自体が航空機の揚力を担つてい
る。進歩した航空機飛行形態では、ガスタービン
エンジン推力を選択的に偏向または方向転換
（vectoring）して航空機性能を高めるとともに、
航空機にこれまで実行できないと考えられていた
運航特性を与えることが期待され、また必要とさ
えされている。例えば、通常航空機に塔載されて
いるタービンエンジンの排気を後向きよりもむし
ろ下向きに、エンジン長さ方向軸線にほぼ直交す
る方向に向けると、その結果得られる上向き推力
により航空機に直接揚力が与えられ、この上向き
推力を適切に制御すれば、垂直または短距離離着
陸能力が得られる。同様に、飛行中の推力方向転
換により航空機の運動性を著しく増加することが
できる。その理由は、推力により航空機制御表面
の運動力を増すことができるからである。

かゝる推力方向転換を実現するために、ガスタ
ービンエンジン排気ノズルの排気ガスの方向を効
率よくかつ実用的に変更する装置が必要とされて
いる。推力方向転換を達成する目的で、多数の装
置が開発されており、当業者に周知である。これ
らの装置の１例に、上フラツプと下フラツプを用
いた排気ノズルがあり、これら上下フラツプを同
時に傾斜させて、排気ガスを上向きまたは下向き
にそらせる。両フラツプの角度を増加すると、排
気ガス流に与えられる方向転換の大きさが増加す
る。実際には両フラツプを、飛行中の運動の目的
には約20゜程度の比較的小さい角度傾斜させ、他
方短距離離着陸（STOL）の目的には40〜70゜程
度の大きな角度傾斜させる。この従来システムに
より推力方向転換可能なノズルが提供されている
が、ノズルの最小流路面積、即ちスロートの位置
が原因でノズル内に流体流れに関して問題があつ
た。従来の装置では、スロートがノズルの固定ダ
クト部分内に配置されており、このスロートは、
排気ガスが亜音速から超音速に加速する領域であ
る。推力方向転換用に用いられる上下フラツプ
は、ノズルのスロート区域より下流に配置され、
排気ガスが超音速に達した後に排気ガスを方向転
換する。この方式は、排気ガス方向転換モードと
して効率が悪いことを確かめた。この方式は、形
状によつては、二重スロートノズルを形成し、過
度衝撃状態を生成し、時にはノズル部品を傷つけ
る原因となる。超音速への加速前に排気ガス流を
方向転換するノズルが開発されているが、これら
のノズルは、排気ガス流を十分に方向転換して
STOL運転を実現することができないか、特に高
性能ジエツト戦闘機への適用の際に余りに重くま
た複雑であつた。

本発明の目的は、改良された排気ガス流方向転
換可能な排気ノズルを提供することにある。

簡単に説明すると、本発明の１例においては、
上記目的を上側および下側位置可変フラツプを有
する排気ノズルで達成する。上側の推力方向転換
用フラツプは固定ダクトの下流部分のまわりに枢
着されるが、この枢着個所は、ノズルが非方向転
換モードにあるときノズルスロート（流路断面積
が小さくなつた部分）を形成する領域の近傍であ
る。上側フラツプは枢動し、これにより排気ガス
流をエンジン軸線方向に対して選択角度に方向転
換するように構成される。下側の制御フラツプ
は、方向転換用フラツプの枢支点より上流に位置
する固定ダクトの部分に連結され、ノズルが推力
方向転換モードにあるとき、方向転換用フラツプ
と共働して次第に傾斜して、上下フラツプ間に位
置可変スロートを形成する。制御フラツプは、排
気ガス流が、超音速に達するスロートの位置を変
更して排気ガス流方向転換位置より下流に配置す
るように構成されている。

次に本発明を図面に従つて説明する。

第１図に従来の方向転換可能な排気ノズルの概
略を示す。方向転換していない位置のノズル部品
を実線で、推力方向転換位置のノズル部品を破線
で示す。非方向転換位置において、排気ガスはノ
ズル１０を通つて下流に流れ、スロート位置１４
に達する前に亜音速から加速され、スロート１４
でマツハ１に達し、スロートより下流で超音速ま
で加速する。排気ガスはノズルから実質的に無障
害態様で射出され、エンジン軸線に平行な方向に
前向き推力を生成する。

ここで第１図に破線で示すノズル部品の位置に
注目すると、推力方向転換モードを達成すべく、
上フラツプ１１を図示のように枢動して排気ガス
流を下向き方向に転回させ、これにより推力ベク
トルをエンジン軸線に対して傾斜させる。第１図
に示す従来の装置は排気ガス流を30度以下の方向
転換角度効果的に回す、即ち方向転換することが
できるが、試験によつて確かめたところでは、排
気ガスが超音速に達してから方向転換されるの
で、過剰な抗力が生じ、推力形成にロスが生じ
る。方向転換モードでは、ノズル１０内を流れる
排気ガスは位置１４で最小流路面積、即ちスロー
トを通り、この結果排気ガス流がマツハ１を超
え、位置１４より下流で超音速に達する。排気ガ
ス流はこの後上フラツプ１１により方向転換さ
れ、この間流れは超音速であるので、過剰な抗力
が生じる。従来のノズルでは、もつと重大な事態
が生じる例もある。即ち、排気ガス流がスロート
に基因する不安定な流れ状態に遭遇し、位置１４
から位置１６にそしてまた逆に急速にかつ繰返し
移動し、ノズル内に衝撃波を生成し、ノズル部品
に損傷を与える恐れがある。（即ち、ノズルスロ
ートが２つの位置の間を急速に移動する。これに
より、衝撃波がノズル内に発生するのである。） 第２図に本発明のノズルを非方向転換モードに
て示す。このノズル２０では、固定ダクト２２に
内部流路輪郭を形成する。この流路は下流端で長
方形内部輪郭に移行する。輪郭が移行するにつれ
て、固定ダクト２２の上部が内向きに流路領域内
に湾曲しているので、固定ダクト２２の内部流路
は面積が小さくなる。（即ち、固定ダクト２２は、
上流では円形断面を有し且つ下流では矩形断面を
有し、図で見て上側のダクト２２が下向きに湾曲
しているために流路断面積は下流に行くにしたが
つて小さくなつている。）固定ダクト２２の上部
は通常最小流路面積の領域２６まで延在し、下半
部は固定枢支点２８まで延在する。ノズル２０に
アフタバーナを設ける場合には、長方形輪郭への
移行が火災保持器３０を含む面付近で始まること
になろう。火災保持器３０の下流に内部保護冷却
ライナ３２を設けて、冷却空気を下流に排気ノズ
ルの高熱部分に導びく。

ノズル２０は、排気ガス流を方向転換する目的
およびノズルの内部流路内のスロート位置を変え
る目的で、２つの主要可動部品を有する。これら
の可動部品のうち第１のものは方向転換用フラツ
プ３６で、このフラツプ３６は排気ガス流の流路
を画成する上壁の下流部分に延在する関節型排気
流デフレクタを形成し、枢支点３７で固定ダクト
２２に作動連結される。第２の可動部品は排気流
デフレクタ手段、即ち制御フラツプ３８で、この
フラツプ３８は排気ガス流の流路を画成する下壁
の延長部をなし、枢支点２８で固定ダクト２２に
作動連結される。第２図に示すノズル２０の非方
向転換モードでは、排気ガスは２６で最小流路面
積の領域に遭遇し、ここで排気ガス流はマツハ１
に達し、その後領域２６より下流で膨張し続け超
音速に加速する。方向転換用フラツプ３６および
制御フラツプ３８は、排気ガスの膨張を実質的に
妨害しない相対位置にあり、流路を下流に連続さ
せ、エンジン軸線の方向に前向き推力を生成す
る。

排気ガス圧を制御する手段を設けるために、制
御フラツプ３８は排気ガス流の流路の下方領域を
画成する下表面４０および上表面４２よりなる圧
力容器を形成する。上表面４２と固定ダクト２２
との間に加圧空所を形成して、冷却空気流を冷却
ライナ３２からここに導入できるようにする。こ
の加圧空所により上表面４２に加えられる力は、
制御フラツプ３８の下表面４０に加えられる排気
ガス荷重をある程度まで相殺または中和する。こ
のことにより、制御フラツプ３８全体を減少し
た、即ち小さい作動力で枢動することができ、か
くして大きな厄介な作動機構の必要性を軽減す
る。

この加圧空所のシールを達成するために、制御
フラツプ３８の上表面４２を、ノズル２０の固定
ダクト２２に固定された２つの内壁４８および４
９間に配置する。内壁４８および４９に円弧形成
面を設け、これら円弧の共通中心点を枢支点２８
に合致させ、これにより制御フラツプ３８が枢支
点２８のまわりを移動する間終始内壁４８および
４９と上表面４２との間にシール関係を維持す
る。

第３図に制御フラツプ３８の横断面を示して、
制御フラツプ３８がどのように加圧容器を形成す
るかをわかり易く示す。排気ガスは制御フラツプ
３８の下方領域に形成された、下表面４０と固定
ダクト２２との間の空間を流れる。制御フラツプ
３８の上方領域では、固定ダクト２２と上表面４
２との間に加圧空所が形成される。排気ガスから
下表面４０に加えられる圧力の力が、どのように
加圧空所から上表面４２に加えられる圧力の力に
より相殺されるかは図面から明らかである。

再び第２図に戻つて、推力方向転換用フラツプ
３６は、最小流路面積の領域２６の近くに位置す
る枢支点３７で固定ダクト２２に枢着されてい
る。この方向転換用フラツプ３６は排気流を案内
する極めてゆつたり湾曲した表面および排気流を
囲い込む側壁４４を有する。方向転換用フラツプ
３６には平坦な上表面も設けて、エンジンを覆う
固定航空機頂面４６との間の界面を滑らかにす
る。

第４図に、側壁４４を含む方向転換用フラツプ
３６の横断面を示す。側壁４４が排気ガス流路を
囲い込む一助となることが、図面から明らかであ
る。

第５図にノズル２０をフラツプ３６および３８
が推力方向転換モードで展開された状態で示す。
推力方向転換用フラツプ３６を独立に作動させ
て、飛行運転条件下でのあらゆるエンジン動作設
定値について推力方向の制御を行う。その上、推
力方向転換用フラツプは、ノズルスロート面積と
は独立にノズル面積比の制御も行う。

推力方向転換用フラツプ３６の枢支点３７を非
方向転換モードでの最小流路面積の領域２６に位
置させることにより、従来の排気ノズル構造では
見られなかつた２つの主要利点が得られる。第１
に、枢支点３７のこの位置決めの結果、排気ガス
を排気ガス流が超音速に達する新しく移行したノ
ズルスロート５０より前で方向転換することによ
り、方向転換された推力運航中に高い性能を発揮
する装置が得られる。第５図に示すように、この
ことは排気ガスの内部流路をたどつて行けば自ず
と明らかである。排気ガスは最初固定ダクト２２
により、次いで方向転換用フラツプ３６により方
向を変えられる。最小流路面積の領域は移行して
新たにスロート５０の位置に来る。このスロート
５０の位置は、方向転換推力を得るために排気ガ
スを方向転換する領域より十分下流である。従つ
て排気ガスはスロート位置５０に達するまで亜音
速に留まり、排気ノズル２０から既に変更済みの
下向き方向に出て行くまで超音速に達しない。

枢支点３７の位置から導びき出される第２の利
点は、広い範囲の推力方向転換角度がノズル２０
に得られることである。第５図に示すように、排
気ガスはエンジン軸線に対して60゜の角度に方向
転換されている。この方向転換角度は垂直推力成
分を増し、航空機の短距離離着陸に有利である。

作動時には、推力方向転換用フラツプ３６を所
定角度に設定して所望の推力方向転換角度を実現
する。フラツプ３６の移動と共働して、制御フラ
ツプ３８を排気ガスの方向転換位置より下流の所
望位置に適切に排気ノズルスロート区域を定める
ように配置する。制御フラツプ３８と方向転換用
フラツプ３６とを組合せて共働させることによ
り、本発明のノズルは、飛行運動用排気ノズルと
してとともに、短距離離着陸用途に適当な推力方
向転換ノズルとしても使用でき、効率のよい軽量
ノズル構造が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の方向転換可能な排気ノズルの縦
断面図、第２図は本発明の排気ノズルの縦断面
図、第３図は第２図の３−３線方向に見た制御フ
ラツプの断面図、第４図は第２図の４−４線方向
に見た方向転換用フラツプの断面図、および第５
図は推力方向転換モードで使用した第２図と同じ
ノズルの縦断面図である。 ２０……ノズル、２２……固定ダクト、２６…
…最小流路面積領域、２８……枢支点、３６……
方向転換用フラツプ、３８……制御フラツプ、４
０……下表面、４２……上表面、４８，４９……
内壁、５０……方向転換モードでのスロート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ガスタービンエンジンの排気ガス流を方向転
   換する非軸対称排気ノズルにおいて、 排気ガス流の流路を部分的に画成する上壁と、 前記上壁の下流部分を形成する第１の関節型排
   気ガス流デフレクタ手段とを含み、 前記第１のデフレクタ手段は位置可変推力方向
   転換フラツプよりなり、該方向転換用フラツプ
   が、固定ダクトに沿つた内部流路面積が狭まつた
   位置にて、固定ダクトの下流部分のまわりに枢着
   され、エンジンの軸線方向に対して選定角度に排
   気ガス流を方向転換するよう構成され、さらに 前記上壁に実質的に向い合い、排気ガス流の流
   路を画成する下壁と、 前記下壁の下流部分を形成する第２の関節型排
   気ガス流デフレクタ手段とを含み、 前記第２のデフレクタ手段は固定ダクト部分に
   作動連結された位置可変制御フラツプよりなり、
   前記第１のデフレクタ手段と共働して相互間に位
   置可変スロートを形成し、かくして前記方向転換
   用フラツプが方向転換モードにあるとき、前記ス
   ロートが排気ガス流の方向転換位置より下流に配
   置され、さらに 排気ガス流の流路を画成する下表面を有する制
   御フラツプと、 加圧空所に露呈された上表面とを含み、該上表
   面に加わる圧力の力が排気ガス流から前記下表面
   に加えられる圧力の力を相殺し、かくして前記制
   御フラツプ内に圧力容器を形成した排気ノズル。 ２ 前記推力方向転換用フラツプおよび制御フラ
   ツプが相対運動可能に枢着され、排気ガス流のエ
   ンジン軸線方向からの方向転換が大きくなるにつ
   れて両フラツプ間のスロートが前記フラツプに対
   して下流方向に移動するようにした特許請求の範
   囲第１項記載の排気ノズル。 ３ 前記上表面が前記固定ダクト部分に固定され
   た２つの内壁の向い合う表面間に配置され、該内
   壁の対向表面が前記位置可変制御フラツプの枢支
   点に合致する共通中心点を有する円弧を形成して
   前記制御フラツプの移動中終始前記上表面と２つ
   の内壁との間にシール関係を維持する特許請求の
   範囲第１項記載の排気ノズル。 ４ 前記内部流路面積が、排気ガス流がその方向
   転換の間亜音速に留まり、排気ガス流の方向転換
   が実質的に完了した後スロート位置より下流で超
   音速に達するように適切に分布された特許請求の
   範囲第１項記載の排気ノズル。 ５ 前記制御フラツプが前記推力方向転換用フラ
   ツプより上流に位置する点のまわりに枢着され、
   これら両フラツプが排気ガス流をエンジン軸線方
   向に対して少くとも60゜まで方向転換するように
   移動し得る特許請求の範囲第１項記載の排気ノズ
   ル。 ６ 制御フラツプを含む前記第２のデフレクタ手
   段が前記下表面と前記上表面を連結する側壁に枢
   着され、該側壁が前記排気ガス流の流路の下流部
   分を形成する特許請求の範囲第４項記載の排気ノ
   ズル。