KR950001327B1 - 항공기용 가스터어빈 엔진의 배기 노즐용 냉각공기 이송장치 - Google Patents

항공기용 가스터어빈 엔진의 배기 노즐용 냉각공기 이송장치 Download PDF

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Abstract

내용없음.

Description

항공기용 가스터어빈 엔진의 배기 노즐용 냉각공기 이송장치
제1도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각공기의 이송 및 배출장치를 갖는 노즐의 플랩의 개략적인 단면도.
제2도는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉각공기의 이송 및 배출장치를 갖는 노즐의인터플랩 시일의 개략적인 단면도.
제3도는 제1도 및 제2도의 냉각공기의 이송 및 배출장치의 바람직한 실시예를 구비하는 노즐 플랩 조립체의 부분 절결사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
34 : 배기노즐 46 : 수렴형 플랩
50F : 피봇점 54 : 확산형 플랩
56,65 : 시일의 라이너 60C, 60D : 플랩의 라이너
70 : 냉각공기 이송수단 73 : 수렴형 플랩의 이송튜브
75 : 확산형 플랩의 이송튜브
본 발명은 항공기용 가스터어빈 엔진의 배기노즐의 냉각장치에 관한 것으로, 특시 냉각공기를 가변성 스로트 영역의 배기노즐의 피봇운동가능한 플랩과 시일의 냉각공기 통로로 전달하기 위한 수단에 관한 것이다.
항공기의 가스터어빈 엔진, 특히 터보젯 및 터보팬 유형의 엔진은 수납 부재, 즉 플랩과 시일을 갖는 배기노즐을 이용하는 바, 이 부재들은 고온의 배출 흐름을 수용하여 추력을 발생시킴으로써 항공기를 추진하기 위하여 이용되는 것이다. 노즐의 냉각은 노즐에 열적 보호를 제공하고 엔진에 휴식을 제공하기 위해서 자주 필요하다. 또한, 냉각은 엔진 및 항공기의 적외선 신호를 감소시키는 데에도 도움을 준다. 이것은 군용 항공기의 경우에 특히 중요하다.
군용 항공기의 가스터어빈 엔진은 피봇운동가능한 라이너 구비형 플랩 및 시일을 갖는 가변성 배기노즐을 이용하되, 박막 또는 대류냉각이나 양자의 조합에 의해 냉각되고 있는 경우가 자주 있다. 그러한 노즐 냉각 구성의 일예는 ＂Cooled Exhaust Nozzle Flaps＂라는 명칭의 와버턴(Warburton)의 미합중국 특허 제4,544,098호 및 ＂Finned Surface Cooled Nozzle＂라는 명칭의 서튼 등(Sutton et al.)의 미합중국 특허 제4,081,137호에 개시된 바 있다. 서튼의 특허에는 이중벽 사이의 통로로 냉각공기를 공급하여 그 사이를 관통하게 함으로써 고온의 벽을 대류 냉각시키는 이중벽 구성의 중공형 플랩을 갖는 수렴형/확산형 배기노즐이 개시되어 있다. 서튼의 특허에는 냉각공기를 경계층 내로 도입함으로써 고온벽의 박막 냉각을 제공하는 출구도 제공한다.
와버튼의 특허에는 축대칭 배기노즐의 확산형 플랩으로 냉각공기를 각기 공급하는 대류 냉각식 확산형 플랩이 개시되어 있다. 이 확산형 플랩은 수령형 플립을 대류 냉각하는데 이용되는 냉각공기에 의해 냉각된 박막이며, 이 냉각공기는 확산형 플랩의 고온 표면상으로 배출된다.
종래기술에 따른 노즐의 상술한 실시예로부터 알 수 있는 바와 같이, 수납용 부재는 대체로 중공형으로서, 대류 냉각 또는 박막 냉각용 수단을 홀로 이용하거나 또는 조합하여 이용하는 라이너를 갖는다. 이러한 라이너의 박막 냉각 수단은 전형적으로 슬롯을 이용하여 박막 냉각공기를 도입하는 바, 이 수단은 노즐 라이너의 다소 넓은 축방향 연장부인 경우가 자주 있다.
상술한 특허에 기술된 종래기술의 노즐 라이너의 냉각 개념과 관련된 일 문제점은 대류식 냉각도 박막 냉각용 슬롯수단도 고온의 라이너 표면을 냉각하는 아주 효율적인 방법은 아니라는 점이다. 보다 효율적인 냉각 방법은 엔진이 보다 적은 냉각공기를 이용할 수 있어서 중량, 비용 및 연료가 절약될 수 있고, 엔진이 보다 높은 레벨의 추력에서 동작할 수 있어야 할 것이다.
종래 기술의 라이너 냉각수단은 라이너 및 각각의 노즐부를 열적으로 보호하는데 보다 많은 양의 냉각공기가 필요하다는 점 외에, 축방향 냉각도 불균일 하고 라이너는 상류단으로 부터 하류단까지 점차 커지는 온도 그래디언트를 받으며, 특히 애프터버닝중 노즐의 수명을 감소시킬 수도 있는 응력이 발생된다.
엔진의 설계자는 추력 및 연료소모의 면에 있어서 비싼 냉각공기의 사용을 감소시키기 위한 수단을 항상 찾고 있으며 라이너를 냉각하기 위하여 이용되는 냉각공기의 양도 가급적 많이 감소시키려 노력하고 있다. 슬롯형의 박막 냉각은 본 발명과 비교해 볼 때 보다 많은 냉각공기를 이용한다.
이 목적을 달성하기 위하여, 중공형 수렴형 및 확산형 플랩 및 시일을 갖는 노즐이 1991년 11월 5자로 출원된 존 더블유. 도비아크 등(John W. et al.)의 ＂ COOLING APPARATUS FOR AIRCRAFTGAS TURBINE ENGINE NOOZZLES＂라는 명칭의 미합중국 특허 출원 제07/787,983호에 개시된 바와 같이 개발된 바, 이 특허는 본 출원인에게 양도되었으며 본원에 참조로 인용되고 있다.
본 발명은 각각의 중공형 수렴 및 확산형 플랩 및 시일과 같은 상대적으로 피봇운동가능한 중공형 흐름 수납 부재 사이로 냉각공기를 효율적으로 이송시키기 위한 수단을 제공한다. 또한, 본 발명은 보조의 냉각 공기 방출수단도 제공하며, 수납부재를 냉각하기 위한 엔진 노즐실로 부터 추가의 공기를 동반함으로써 값비싼 압출기나 팬 냉각용 공기를 절약한다.
본 발명은 상대적으로 피봇운동가능한 냉각유체공급부재와 수납부재 사이에 냉가유체 이송수단을 제공하되, 이들은 배기노즐에 있어서 중공형 수렴 및 확산형 플랩 및 시일형상의 상대적으로 피봇운동가능한 수용부재이다. 본 발명의 유체 이송장치는 본원에 기술되는 바와 같이, 미끄럼가능한 원형 연결장치를 경유하여 수렴형 플랩의 냉각공기 통로로부터 확산형 플랩의 냉각공기 통로로 냉각공기를 이송하기 위한 수단을 제공하는 바, 상기 연결장치는 일 플랩의 냉각공기 통로와 유체 연통 상태에 있는 제1의 원형 만곡 튜브와 또 다른 플랩의 냉각공기 통로와 유체 연통 상태에 있는 제2의 튜브를 구비하며, 상기 튜브중 하나는 또다른 튜브내에 미끄럼가능하게 수용되며, 양자의 튜브는 수렴형 및 확산형 플랩 간의 피봇선에 원점을 갖는 동일한 곡률반경을 갖는다.
또한, 본 발명은 수렴 및 확산형 플랩과 유사한 방식으로 중공형 배기노즐의 수렴 및 확산형 시일 사이에서 이송장치를 이용하려고 한다. 원형의 만곡 튜브는 냉각 유체의 흐름방향으로 원형의 단면 형사, 또는 직사각형과 같은 기타의 단면형상을 가질 수도 있다. 더욱이, 본 발명은 본원에 기재된 바와 같은 축대칭 노즐 뿐만 아니라 2차원 또는 다른 유형의 비-축대형 노즐내에서 이용될 수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 냉각공기의 방출수단을 제공하며, 엔진노즐실로부터의 냉각공기를 압축기 또는 엔진의 팬으로부터의 보조냉각 공기로 유인한다. 본원에 기술된 특히 바람직한 실시예에 있어서, 방출수단은 내측 튜브를 수용하기 위한 나팔꽃형 입구를 갖는 외측튜브를 구비한다. 이 나팔꽃형 입구는 그것과 이격져 있는 동심형 내측튜브와 함께 엔진의 노즐실로부터 냉각공기를 유인하기 위한 방출수단을 제공할 수 있을 만큼 크며 공기역학적 형상을 갖는다.
본 발명에 따른 냉각공기 이송 및 방출수단을 갖는 가스터어빈 엔진 노즐의 중공형 수렴형 플랩 및 시일은 서로 힌지결합되어 있는 상대적으로 피봇운동가능한 중공형 플랩과 시일사이로 냉각공기를 이송하기 위한 효과적이고 효율적인 수단을 제공한다. 냉각공기 이송장치의 방출수단은 비교적 비싼 냉각공기, 통상적으로는 노즐을 냉각하는데 이용되는 팬 공기 또는 압축 공기를 절약한다. 냉각공기의 사용량이 감소되면, 본 발명을 이용하는 엔진에 의해 가동된 항공기가 종래의 것보다 높은 추력 레벨에서 보다 긴 거리에 걸쳐서 보다 효율적으로 작동될 수 있다.
본 발명의 상술한 면 및 기타의 특징은 첨부도면과 관련된 이하의 상세한 설명에서 설명하고자 한다.
제1도에는 엔진 중심선(12)의 주변에 원주방향으로 배치되는 항공기용 가스터어빈 엔진의 애프터버닝 배기섹션(10)의 후미부가 도시된다. 이 배기섹션(10)은 환상 케이스(26)와 그것(26)의 반경방향 내측에 배치되는 환상의 애프터버너 라이너(28)를 구비하는 바, 이것들(26)(28)의 사이에는 고온의 배기가스가 흐름(32)을 수용하기 위한 애프터버너 냉각 흐름통로(29)가 형성되어 있다. 가변성 배기노즐(34)은 애프터버너 라이너(28)의 하류에 엔진중심선(12)의 둘레로 원주방향으로 배치되며, 애프터버너 냉각 흐름통로(29)로부터 냉각공기를 유입하도록 사용될 수 있다.
노즐(34)은 연속적인 흐름 관계로 볼 때 수렴섹션(38), 가변면적 스트로(40) 및 확산섹션(42)을 구비한다. 노즐(34)은 케이스(26)의 전방단(48)에서 피봇운동가능하게 연결되는 원주방향으로 배치된 복수개의 수렴형 중공형 플랩(26)을 구비한다. 수렴형 플랩(46)은 후미단의 플랩 피봇점(50F)에서 각각의 확산형 플랩(54)에 대하여 피봇운동가능하게 연결되어, 그 사이에 스로트(40)를 형성한다. 플랩들 사이의 원주방향 공간은 제2도에 도시된 인터플랩의 수렴 및 확산형 중공형 시일(55)(63)에 의해 밀봉된다.
제1도를 다시 참조하면, 노즐을 고온의 가스흐름으로 인한 열적 열화로부터 보호하기 위하여, 수렴 및 확산형 플랩(46)(54)은 수렴 및 확산형 플랩 냉각벽(43)(143)으로부터 떨어져 있는 플랩라이너(60C)(60D)를 각기 구비하여, 그 사이에 냉각 통로(64)(68)를 각기 형성하고 있다. 라이너(60C)(60D)는 다공질 박막의 냉각 구멍(80)으로 표시되는 다공질 박막의 냉각수단을 구비한다. 냉각공기는 애프터버너 냉각공기 흐름 통로(29)로 들어가서 수렴형 플랩의 냉각공기 흐름통로(64)로 공급된다. 그후 냉각공기는 70으로 일괄하여 표시된 냉각공기 이송수단을 통하여 확산형 플랩의 냉각공기 통로(68)로 공급된다. 본 발명의 바람직한 실시예는 제3도에 70'으로 나타낸 제2의 냉각공기 이송수단을 사용할 계획이다. 상술한 바와 같이, 사이에 냉각공기 통로를 갖는 플랩과 라이너의 조립체는 중공형 플랩으로 불리기도 하며 단일 부품으로 주조될 수도 있다. 수렴형 플랩의 냉각공기 통로(64)는 하류로의 냉각공기 흐름 방향으로 수렴하는 바, 이 방향은 고온의 배출가스 흐름(32) 방향과 동일한 방향이다.
제2도를 참조하면, 수렴형 및 확산형 시일(55)(63)은 수렴형 및 확산형 시일의 냉각벽(83)(183)으로부터 각기 이격져 있는 시일 라이너(56)(65)를 제각기 구비하는 바, 그것들의 사이에는 수렴형 및 확산형 시일의 냉각 통로(164)(168)가 각기 형성되어 있다. 냉각공기는 애프터버너 냉각공기 흐름 통로(29)로 유입되어, 제1도의 수렴형 및 확산형 플랩과 동일한 방식으로 시일을 박막 냉각하도록 이용된다.
제3도를 참조하면, 본 발명은 냉각공기 이송수단(70)을 제공하는 바, 이 수단 (70)은 제1도에 도시된 바와 같이 수렴형 플랩의 냉각공기 통로(64)로부터 냉각공기를 유입할 수 있도록 이용되며 확산형 플랩의 이송튜브(75)내에 미끄럼가능하게 결합되는 후미부(74)를 구비하므로, 냉각공기가 이 튜브(75)를 통하여 확산형 플랩의 냉각공기 통로(68)로 이송되게 된다. 수렴형 플랩의 이송튜브(73)와 확산형 플랩의 이송튜브(75)는 수렴형 및 확산형 플랩(46)(54) 사이에서 플랩의 피봇점(50F)을 중심으로 하여 그 주변에 각기 배치되는 바, 그것들의 공통적인 곡률반경(R)이 플랩의 피봇점(50F)과 일치하는 피봇선을 따라 원점을 갖도록 배치된다. 다시 말해서, 확산형 플랩(54)이 수렴형 플랩(46)에 관하여 피봇운동할 때, 수렴형 플랩의 이송튜브(73)는 확산형 플랩의 이송튜브(75)내에서 미끄러지게 되는 것이다. 양자의 튜브가 엔진의 중심선(12)과 직교하는 평면에 대하여 원형단면을 갖는 것이 전형적이기는 하지만, 축방향 대항 단면도 고려될 수 있을 것이다.
확산형 플랩의 이송튜브(75)는 이젝터류 입구(77)를 구비하며, 수렴형 플랩의 이송튜브(73)확산형 플랩를 미끄럼가능하게 수용하고 엔진의 노즐실(79)로부터 확산형 이송튜브(75)로 보조 냉각공기를 유인할 수 있을 정도로 수렴형 플랩의 이송튜브(73)의 외경보다 큰 내경을 갖는다. 이젝터류 입구(77)는 공기역학적 형상 또는 나팔꽃 형상을 가지므로, 그것의 동반수단이 노즐실(79)로 부터 냉각공기를 유인하는 기능이 향상된다. 이 노즐실(79)은 항공기 기관실의 공기와 유체연통상태에 있는 것이다.
동반수단은 나팔꽃 형상의 이젝터류 입구(77)와, 확산형 플랩의 이송튜브(75)와 수렴형 플랩의 이송튜브(73) 사이의 환상공간(A)를 포함하는, 수렴형 플랩의 이송튜브(73)로부터 방출되는 냉각공기에 대한 유체통로에 의해 제공된다. 동반수단은 노즐실(79)로부터 냉각을 유인하되, 수렴형 플랩의 냉각공기 통로(64)로부터 수렴형 플랩의 이송튜브(73)를 통하여 운반되는 냉각공기와 동반하여 운반한다. 유사한 냉각공기 이송수단(70) 및 관련 동반수단은 제2도에 도시된 바와 같은 시일에도 제공된다.
이상에서 본 발명의 원리를 설명하기 위하여 본 발명의 바람직한 실시예를 기술하였지만, 첨부된 청구 범위에 기술된 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않은채 각종 변경예 및 변형예를 만들 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (11)

  1. 상대적으로 피봇운동가능한 유체공급부재와 수납부재 사이에서 주 유체를 운반하기 위한 유체 이송장치에 있어서, 상기 유체공급부재에 피봇운동가능하게 부착되며 상기 유체공급부재로부터 상기 주 유체를 유입하여 운반하도록 이용되는 만곡형의 공급부재측 이송튜브와; 상기 유체 수납부재에 피봇운동가능하게 연결되는 만곡형의 수납부재측 이송튜브를 포함하며; 상기 수납부재측 유체 이송튜브는 상기 유체공급부재로부터 상기 유체 수납부재로 주 유체를 운반할 수 있도록 상기 유체공급부재측 이송튜브의 일부분에 미끄럼가능한 관계로 수용되며; 상기 이송튜브의 상대적으로 미끄럼가능한 부분은 상기 상대적으로 피봇운동가능한 유체공급부재와 수납부재 사이에서 상대적 피봇점을 중심으로 동심형으로 만곡지는 유체 이송장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수납부재측 이송튜브의 입구에 보조의 유체 동반수단을 추가로 구비함으로써, 보조 유체를 상기 수납부재측 이송튜브로 동반하여 상기 수납부재로 공급하되, 상기 수납부재측 이송튜브는 상기 입구를 통하여 상기 공급부재측 이송튜브의 상기 부분내에 미끄럼가능하게 수용되는 유체 이송장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 수납부재측 튜브의 입구는 보조유체를 유인하기 위한 효율적인 동반수단을 제공할 수 있을 만큼 크고 공기역학적 형상의 단면을 갖는 유체 이송장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 수납부재측 튜브의 입구는 원형의 단면을 갖는 유체 이송장치.
  5. 피봇운동가능하게 연결되어 있는 수렴형 및 확산형 중공형 플랩의 냉각공기 통로 사이로 냉각공기를 이송하기 위한 인터플랩의 냉각공기 이송장치에 있어서, 상기 수렴형 플랩의 냉각공기 통로로부터 냉각공기를 유입하도록 이용되는 수렴형 플랩의 이송튜브 ; 상기 냉각공기를 상기 확산형 플랩의 냉각공기 통로로 운반하기 위한 것으로, 상기 수렴형 플랩의 이송튜브의 일부에 미끄럼가능한 관계로 수용되는 확산형 플랩의 이송튜브를 포함하고 ; 상기 튜브들의 상대적으로 미끄럼가능한 부분은 상기 수렴형 플랩과 확산형 플랩의 사이에서 피봇점을 중심으로 동심형으로 만곡지는 인터플랩의 냉각공기 이송장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 플랩 외부의 냉각공기를 유인하기 위한 것으로, 상기 확산형 플랩의 이송튜브의 입구에 배치되는 동반수단을 추가로 포함하는 인터플랩의 냉각공기 이송장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 동반수단은 상기 수렴형 플랩의 이송튜브의 상당한 부분내에 미끄럼가능한 관계로 상기 확산형 플랩의 이송튜브 상에 수용되며 보조냉각공기를 상기 확산형 플랩의 이송튜브내로 유인할 수 있도록 된 공기역학적 형상을 갖는 나팔꽃형 입구를 포함하는 인터플랩의 냉각공기 이송장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 동반수단과 유체연통 상태에 있는 보조 냉각공기의 노즐실 공급원을 추가로 포함하는 인터플랩의 냉각공기 이송장치.
  9. 항공기용 가스터어빈 엔진의 냉각시 노즐 플랩 조립체에 있어서, 상기 엔진에 피봇운동가능하게 연결되는 수렴형 플랩과 ; 상기 수렴형 플랩과의 사이에 수렴형 냉각공기 통로를 형성할 수 있도록 상기 수렴형 플랩으로부터 이격져서 그것에 부착되며, 고온의 측면과 저온의 측면을 갖는 냉각가능한 벽을 구비하는 냉각가능한 라이너와 ; 상기 고온의 표면을 냉가하기 위하여 상시 냉각가능한 벽상에 배치되며, 상기 저온측면으로부터 상기 고온측면으로의 하류방향으로 예리하게 경사져 있는 적어도 일 패턴의 밀접하게 이격진 박막 냉각용 소형구멍을 구비하는 다공질 박막냉각수단과 ; 상기 수렴형 플랩에 피봇운동가능하게 연결되는 확산형 플랩과 ; 상기 확산형 플랩과의 사이에 확산형 냉각공기 통로를 형성할 수 있도록 상기 확산형 플랩으로부터 이격져서 그것에 부착되며, 제2의고온의 측면과 제2의 저온의 측면을 갖는 제2의 냉각가능한 벽을 구비하는 확산형 플랩의 냉각가능한 라이너와 ; 상기 제2의 고온의 표면을 냉각하기 위하여 상기 제2의 냉각가능한 벽상에 배치되며, 상기 저온측면으로부터 상기 고온측면의 하류방향으로 예리하게 경사져 있는 적어도 일 패턴의 밀접하게 이격진 박막 냉각용 소형 구멍을 구비하는 다공질 박막냉각수단과 ; 상기 플랩들 사이에 유체 이송가능한연통상태로 비치되는 인터플랩의 냉각공기 이송장치, 상기 인터플랩의 냉각공기 이송장치는 ; 상기 수렴형 플랩의 냉각공기 통로로부터 냉각공기를 유입하도록 이용되는 수렴형 플랩의 이송튜브와 : 상기 냉각공기를 상기 확산형 플랩의 냉각공기 통로로 운반하기 위한 것으로, 상기 수렴형 플랩의 이송튜브의 일부에 미끄럼가능한 관계로 수용되며, 상기 상대적으로 미끄럼가능한 부분은 상기 수렴형 플랩과 확산형 플랩의 사이에서 피봇점을 중심으로 동심형으로 만곡지는 확산형 플랩의 이송튜브와 ; 상기 플랩 외부의 냉각공기를 유인하기 위한 것으로, 상기 확산형 플랩의 이송튜브의 입구에 배치되는 동반수단을 구비하는 냉각식 노즐 플랩 조립체.
  10. 제9항에 있어서, 상기 동반수단은 상기 수렴형 플랩의 이송튜브의 상당한 부분내에 미끄럼가능한 관계로 상기 관계로 상기 확산형 플랩의 이송튜브상에 수용되며 냉각공기를 상기 확산형 플랩의 이송튜브내로 유인할 수 있도록 된 공기역학적 형상을 갖는 나팔꽃형 입구를 포함하는 냉각식 노즐 플랩 조립체.
  11. 제10항에 있어서, 상기 동반수단은 노즐실로부터 냉각공기를 유인할 수 있도록 이용되는 냉각식 노즐 플랩 조립체.
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