JP2000002155A - タ―ボファンエンジン - Google Patents
タ―ボファンエンジンInfo
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Abstract
型のファンを減速回転させファン効率やタービン効率を
良好な状態に維持したままバイパス比を上げることがで
きるターボファンエンジンを提供すること。 【解決手段】タービン部分に結合して回転するファンの
後方に風車を回転自在に設け、ファンと風車の組み合わ
せによるトルクコンバータ形式の流体減速装置を形成す
るとともに、風車の外周側に、ファンの外径よりも大き
な外径を有する低速ファンを延設し、ファンの回転で生
じる空気流によって風車を減速回転させ、低速ファンの
回転によって主なるバイパス推力を発生させる。
Description
る航空機、特に旅客機に広く採用されているターボファ
ンエンジンに関するものである。
は、ターボファンエンジンが広く採用されており、この
ようなターボファンエンジンの中に、図9に示したもの
がある。
ビン6を回転軸10を介してファン9に直接つなぎファ
ン9を回転させている。ファン9による空気流はバイパ
ス流となってエンジンに推力を与えるほか、一部は低圧
コンプレッサ11、高圧コンプレッサ7により圧縮され
て燃焼室3への流入空気となる。燃焼室3から吐き出さ
れる高温ガス流は高圧タービン5と低圧タービン6へ回
転エネルギーを与え、さらに残存エネルギーはそのまま
後方へ排出されエンジン推力の一部となる。
ジンにおいて、バイパス比をあげることによって性能向
上ができるが、ファンの外径を大きくしてバイパス比を
上げようとすると、ファンの周速が過大となり推進効率
が低下する。一方、ファンの外径を大きくしたまま周速
を下げると、ファンとタービンが回転軸を介して直接的
に接続されているためタービン周速が過小となりタービ
ン効率が低下するという問題が生じる。
歯車減速機を設け、ファンを減速回転させる技術が提案
されている。これによって、タービンの回転軸の回転数
を下げずタービン効率を良好に維持したままファンの回
転を減速し、ファン効率も良好にすることができるとい
うものである。この場合、上記のような減速装置は、極
めて軽量であることと、絶対的な信頼性が要求される。
スを実現できる構造設計を要することから、現在の歯車
技術においては、この用途に使用可能な軽量かつ高信頼
性の歯車は一部の小型エンジンでの実用にとどめ、大型
エンジンにおいては未だ実用化されていない。さらに、
歯車以外の機構でこの用途に適切な減速機構も現在まで
に実用に供するものはない。
たもので、複雑な歯車式減速機構を用いることなく、フ
ァンと風車の組み合わせによるトルクコンバータ形式の
流体減速装置を用いて、ファン効率やタービン効率を良
好な状態に維持したままバイパス比を大幅に上げエンジ
ン性能を向上させることのできるターボファンエンジン
の提供をその目的とする。
め、この発明は、タービン部分に結合して回転するファ
ンの後方に風車を回転自在に設け、ファンと風車の組み
合わせによるトルクコンバータ形式の流体減速装置を形
成するとともに、風車の外周側に、ファンの外径よりも
大きな外径を有する低速ファンを延設し、ファンの回転
で生じる空気流によって風車を減速回転させ、低速ファ
ンの回転によって主なるバイパス推力を発生させるとい
う構成をとる。
よる空気流は風車に回転エネルギーを与えた後一部はバ
イパス流に加えられエンジン推力に寄与するほか、一部
は低圧コンプレッサおよび高圧コンプレッサにより圧縮
されて燃焼室への流入空気となる。燃焼室から吐き出さ
れる高温ガス流は高圧タービンと低圧タービンへ回転エ
ネルギーを与えた後残存エネルギーはそのまま後方へ排
出されエンジン推力の一部となる。また、風車は、その
外周に延設された低速ファンでの推進効率が最適になる
ように減速回転される。
する空気流と、低速ファンを通過する空気流を仕切るた
め、ファンと風車の外周部に筒状のダクトを設ける構造
とする。
ネルギー伝達効率を最適化するため、ファンと風車の双
方またはそのいずれか一方が複数個設けられた、または
風車の各段間に一段または複数段の静翼を設ける多段減
速機を構成することもできる。また、風車および低速フ
ァン効率を最適化するため、二重反転構成とすることも
できる。
ジンを図面を用いて説明する。
よるターボファンエンジン20を示している。このター
ボファンエンジン20は、後部側は、図9に示したター
ボファンエンジン1と略同様の構成になっており、前部
側に、ダクト21を挟んで風車(エアータービン)22
と低速ファン23が設けられている点が最大の特徴であ
る。以下、これを詳しく説明する。
接的に接続されているファン38は、低圧タービン33
の効率を良好に維持する回転数で回転される。このファ
ン38とその後方に回転自在に位置する風車22はトル
クコンバータをなし、ファン38からの空気流は風車2
2に回転トルクを与える。風車22はその外周に延設さ
れた低速ファン23の効率を最適化するように適当な回
転数で減速回転する。従って、ファン38と風車22は
減速装置をなしているともいえる。
置を通過する空気流と、低速ファン23を通過する空気
流を仕切るため、ファン38と風車22の外周部に筒状
のダクト21が設けられている。図1では、ダクト21
は風車22に連結されているが、ファン38またはカウ
ル42に連結する構造とすることもできる。
44bで軸方向へと整流され、バイパス流となって主な
るエンジン推力を与える。一方、ファン38による空気
流は風車22に回転トルクを与えた後、一部はバイパス
流となってエンジン推力に寄与するほか、一部は低圧コ
ンプレッサ46及び高圧コンプレッサ47により圧縮さ
れて燃焼室25への流入空気となる。
に位置する筒状の仕切45と、仕切45の後端部に可動
的に付属する可動部45aが設けられている。可動部4
5aは、低速ファン23からの空気流と風車22からの
空気流の干渉による損失を防止するように調節される。
すなわち、風車22を通過してバイパス流に加えられる
空気速度を低速ファン23によるバイパス流速に近づけ
るように調節される。
ターボファンエンジン1と同様に簡略化した図を図2に
示す。この図2のA−A’面におけるファン38,風車
22および整流翼44aの各前縁1、3、5および各後
縁2、4,6における流体の速度三角形を図3に示す。
また、図2のB−B’面における低速ファン23および
整流翼44bの各前縁j1、j3および各後縁j2、j4
におけるによる流体の速度三角形を図4に示す。
ン38は周速U1、U2(但し、U 1=U2)で回転し
ているところ、前方から流入速度V1(ファン38側か
ら見るとW1の速度で)の流入空気がファン38の前縁
1に入る。そして、ファン38で圧縮・加速されて、そ
の後縁2では、速度V2(ファン38側から見るとW 2
の速度で)で流出する。風車22が周速U3、U4(但
し、U3=U4)で回転しているところ、風車22の前
縁3にV2より若干小の速度V3(風車22側から見る
とW3の速度)で入る。そして、風車22に回転トルク
を付与して、速度V4(風車22側から見るとW4の速
度)で流出する。そして、整流翼44aで周方向(図3
の上下方向)の成分を0とした上、その後縁6から速度
Vm6で流出する。
る。低速ファン23は周速Uj1、U j2(但し、U
j1=Uj2>U3)で回転しているところ、前方から
流入速度Vj1(低速ファン23側から見るとWj1の
速度で)の流入空気が低速ファン23の前縁j1に入
る。そして、低速ファン23で増速されて、その後縁j
2では、速度Vj2(低速ファン23側から見るとV
j2の速度で)で流出する。そして、整流翼44aで周
方向(図4の上下方向)の成分を0とした上、その後縁
j4から速度Vj4で流出する。なお、可動部45aの
向きを調整することにより、速度Vj4を速度Vm6に
近づけ、低速ファン23からの空気流と風車38からの
空気流の干渉による損失を減少させることができる。
40を介して躯体部分50に回転自在に取り付けられ
る。風車22の軸方向荷重は低速ファン23のそれと逆
方向でバランスしているため、ベアリング39,40は
軸方向への過度の負荷を考慮する必要はない。このた
め、このターボファンエンジン20を製造する際に、特
殊な材料や技術は特に必要とせず、従来からの技術で十
分に対応することができる。
ーボファンエンジン51を示している。このターボファ
ンエンジン51は、図2に示したターボファンエンジン
20における風車22とファン38の間に、さらに別の
風車52およびファン53を加えた構成になっている。
この場合、ファン53は回転軸34に固定され、風車5
2はダクト21に固定されている。
ァンエンジン54を示している。このターボファンエン
ジン54では、図2に示したターボファンエンジン20
における風車22と整流翼44aの間に、さらに別の整
流翼55と風車56が設けられている。それ以外の部分
の構成については、ターボファンエンジン20と同様で
あり、同一部分に同一符号を記している。
ファンエンジン60を示している。このターボファンエ
ンジン60では、風車および低速ファン効率を最適化す
るため、二段の風車61,62および低速ファン63,
64を設けて、互に逆転するように設けられている。
ァンエンジン70を示している。このターボファンエン
ジン70は、回転軸34に固定された3段のファン71
の回転により生じる空気流をこれらファン71間に配置
された2段の風車72で受け、風車72に回転トルクを
減速して付与している。よって、これらファン71と風
車72の組み合わせによりトルクコンバータ式の流体減
速装置をなす。更に、これらファン71と風車72の組
み合わせは流入空気を圧縮する機能も有する。即ち、前
記流入空気は上記ファン71や風車72を通過する間、
ダクト21で仕切られた空間内で順次圧縮されるのであ
る。その一部は高圧コンプレッサー47へ導かれ、高圧
コンプレッサー47で更に圧縮されて燃焼室25へ導か
れる。その残部は膨張タービンへ導かれる。
3、および動翼74からなり、上流側の動翼76はその
内周部に円環状のサブダクト21aが固設され、更にこ
のサブダクト21aの内周部に翼75が固設されてい
る。サブダクト21aは高圧コンプレッサー47へ導く
べく圧縮された流入空気が膨張タービン側へ逃げるのを
防止する機能を有する。また、翼75はファン71から
高圧コンプレッサー47へ流入すべく空気流の障害にな
らない様に、形状や向きが設定されている。
入空気が、順次減圧されながら2段の動翼76、74に
回転トルクを付与する。そして、この流入空気は、整流
翼44aを通って整流された上、低速ファン23による
空気流と合流し推力の一部となる。なお、本実施形態で
は、低圧コンプレッサー47を構成する風車72が低速
ファン23と一緒に回転する構造であるので、その迎角
の可変が困難である。しかし、出口側の膨張タービンの
静翼73や可動部45aの向きを可変制御することによ
り、低圧コンプレッサーとしての圧縮比を安定して確保
できるとともに流体減速装置としての減速比の適切化が
図れる。
ァンエンジンは構成されているため、低速ファンの回転
によって大量のバイパス空気流を得るとともに、トルク
コンバータの作動流体として風車を駆動したあとの空気
流もバイパス空気流の一部として加えられる。この結
果、バイパス比を大幅に増加させることができ、性能向
上が可能になる。従来技術による大型大出力のコアエン
ジンを用いても、例えば、10:1以上の超高バイパス
比を有するターボファンエンジンが実現できるようにな
る。
数で低圧タービンを回転させることができるので、低圧
タービン段数の低圧タービン径の減少が可能となり、エ
ンジンの重量軽減と保守作業の簡易化や、さらに運行費
用の低減にもつながるようになる。また、従来の低圧コ
ンプレッサーを省くことが可能となり、あるいは高圧コ
ンプレッサーの段数を減ずることも可能となる。
ジンを示す一部切り欠き断面図。
す説明図。
ンを示す説明図。
す説明図。
す説明図。
図。
Claims (10)
- 【請求項1】タービン部分に結合して回転するファンの
後方に風車を回転自在に設け、ファンと風車の組み合わ
せによるトルクコンバータ形式の流体減速装置を形成す
るとともに、風車の外周側に、ファンの外径よりも大き
な外径を有する低速ファンを延設し、ファンの回転で生
じる空気流によって風車を減速回転させ、低速ファンの
回転によって主なるバイパス推力を発生させることを特
徴とするターボファンエンジン。 - 【請求項2】上記ファンと風車の外周部に筒状のダクト
を設け、ファンと風車からなる流体減速装置を通過する
空気流と低速ファンを通過する空気流を仕切る構造を持
つ請求項1に記載のターボファンエンジン。 - 【請求項3】上記流体減速装置にファンと風車の双方、
またはそのいずれか一方が複数個設けられ多段減速機を
構成する請求項1または2に記載のターボファンエンジ
ン。 - 【請求項4】上記風車の各段間に一段または複数段の静
翼を設ける請求項3に記載のターボファンエンジン。 - 【請求項5】風車および低速ファンを二重としそれぞれ
逆回転させる構成とした請求項1に記載のターボファン
エンジン。 - 【請求項6】風車および低速ファンを二重としそれぞれ
を逆回転させる構成とした上記ターボファンエンジンに
おいて、ファンと風車の双方またはそのいずれか一方が
複数個設けられた、または風車の各段間に一段または複
数段の静翼を設ける請求項5に記載のターボファンエン
ジン。 - 【請求項7】ファンと風車の外周部に筒状のダクトを設
けた請求項2に記載のターボファンエンジンにおいて、
ダクトに連続して設けられた仕切の後端部に可動部を設
け減速装置内を通過した空気の速度を低速ファンによる
バイパス流速に近づけるように調節可能な構造を持つタ
ーボファンエンジン。 - 【請求項8】前記請求項1から7までのターボファンエ
ンジンにおいて、減速装置と低速ファンをコアエンジン
の後方に配置したターボファンエンジン。 - 【請求項9】前記請求項1から7までのターボファンエ
ンジンにおいて、前記ファンと風車の組み合せにより前
記流体減速装置を構成すると共に高圧コンプレッサーへ
圧縮空気を供給するための低圧コンプレサーをも構成し
てなるターボファンエンジン。 - 【請求項10】上記流体減速装置を通過した空気流の一
部を膨張タービンを介して前記低速ファンを通過した空
気流と合流させることにより前記バイパス推力の一部と
してなる請求項9に記載したターボファンエンジン。
Priority Applications (3)
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JP10317999A JP4174131B2 (ja) | 1998-04-13 | 1999-04-09 | ターボファンエンジン |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JP4174131B2 JP4174131B2 (ja) | 2008-10-29 |
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Family Applications (1)
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---|---|---|---|
JP10317999A Expired - Fee Related JP4174131B2 (ja) | 1998-04-13 | 1999-04-09 | ターボファンエンジン |
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Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4174131B2 (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008019862A (ja) * | 2007-06-27 | 2008-01-31 | Matsuura Matsue | 低圧タービン駆動方法とその低圧タービン駆動装置 |
WO2010089880A1 (ja) * | 2009-02-06 | 2010-08-12 | トヨタ自動車株式会社 | ターボファンエンジン |
CN112727635A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-30 | 中国航空发动机研究院 | 一种双外涵发动机 |
-
1999
- 1999-04-09 JP JP10317999A patent/JP4174131B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP5287873B2 (ja) * | 2009-02-06 | 2013-09-11 | トヨタ自動車株式会社 | ターボファンエンジン |
CN112727635A (zh) * | 2020-12-31 | 2021-04-30 | 中国航空发动机研究院 | 一种双外涵发动机 |
CN112727635B (zh) * | 2020-12-31 | 2022-04-26 | 中国航空发动机研究院 | 一种双外涵发动机 |
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---|---|
JP4174131B2 (ja) | 2008-10-29 |
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