JP2000002155A

JP2000002155A - タ―ボファンエンジン

Info

Publication number: JP2000002155A
Application number: JP10317999A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Ito; 孝彦伊東; Hideo Takeda; 秀夫武田
Original assignee: Nikkiso Co Ltd
Current assignee: Nikkiso Co Ltd
Priority date: 1998-04-13
Filing date: 1999-04-09
Publication date: 2000-01-07
Anticipated expiration: 2019-04-09
Also published as: JP4174131B2

Abstract

(57)【要約】【課題】複雑な構造の減速機構等を用いることなく、大
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

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、亜音速で航行す
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。

【０００２】

【従来の技術】従来から、亜音速で航行する航空機に
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。

【０００３】このターボファンエンジン１は、低圧ター
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。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記ターボファンエン
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。

【０００５】そこで、ファンが連結される回転軸に遊星
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。

【０００６】しかしながら、材料の問題や微妙なバラン
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。

【０００７】この発明は、このような事情に鑑みなされ
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。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
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。

【０００９】このターボファンエンジンでは、ファンに
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。

【００１０】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。

【００１１】ファンと風車からなる流体減速装置でのエ
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。

【００１２】つぎに、この発明によるターボファンエン
ジンを図面を用いて説明する。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の一実施形態に
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。

【００１４】回転軸３４を介して低圧タービン３３に直
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。

【００１５】ファン３８と風車２２からなる流体減速装
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。

【００１６】低速ファン２３からの旋回空気流は整流翼
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。

【００１７】ダクト２１の後方に接続はしないで連続的
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。

【００１８】図１のターボファンエンジン２０を図９の
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j_１、j_３および各後縁j_２、ｊ_４
におけるによる流体の速度三角形を図４に示す。

【００１９】図３を用いて速度三角形を説明する。ファ
ン３８は周速Ｕ_１、Ｕ_２（但し、Ｕ _１＝Ｕ_２）で回転し
ているところ、前方から流入速度Ｖ_１（ファン３８側か
ら見るとＷ_１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Ｖ_２（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Ｕ_３、Ｕ_４（但
し、Ｕ_３＝Ｕ_４）で回転しているところ、風車２２の前
縁３にＶ_２より若干小の速度Ｖ_３（風車２２側から見る
とＷ_３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Ｖ_４（風車２２側から見るとＷ_４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
Ｖ_ｍ６で流出する。

【００２０】同様に図４を用いて速度三角形を説明す
る。低速ファン２３は周速Ｕ_ｊ１、Ｕ _ｊ２（但し、Ｕ
_ｊ１＝Ｕ_ｊ２＞Ｕ_３）で回転しているところ、前方から
流入速度Ｖ_ｊ１（低速ファン２３側から見るとＷ_ｊ１の
速度で）の流入空気が低速ファン２３の前縁ｊ_１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Ｖ_ｊ２（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
ｊ_４から速度Ｖ_ｊ４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Ｖ_ｊ４を速度Ｖ_ｍ６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。

【００２１】風車２２の軸部４１は、ベアリング３９，
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。

【００２２】図５は、この発明の他の実施形態によるタ
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。

【００２３】また、図６も他の実施形態によるターボフ
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。

【００２４】さらに、図７も他の実施形態によるターボ
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。

【００２５】更に、図８は他の実施形態によるターボフ
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。

【００２６】なお、膨張タービンは動翼７６、静翼７
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。

【００２７】しかして、膨張タービンでは、昇圧した流
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。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、この発明によるターボフ
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。

【００２９】また、タービン効率を良好に維持する回転
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。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の一実施形態によるターボファンエン
ジンを示す一部切り欠き断面図。

【図２】図１を簡略化した説明図。

【図３】図２のＡ−Ａ’での速度三角形による説明図。

【図４】図２のＢ−Ｂ’での速度三角形による説明図。

【図５】他の実施形態によるターボファンエンジンを示
す説明図。

【図６】さらに他の実施形態によるターボファンエンジ
ンを示す説明図。

【図７】他の実施形態によるターボファンエンジンを示
す説明図。

【図８】他の実施形態によるターボファンエンジンを示
す説明図。

【図９】従来技術によるターボファンエンジンの説明
図。

【符号の説明】

２０，５１，５４，６０…ターボファンエンジン２１…ダクト２１ａ…サブダクト２２，５２，５６，７２…風車２３…低速ファン２５…燃焼室２６…高圧タービン３３…低圧タービン３４…回転軸３８，５３，７１・・・ファン７５・・・翼７３・・・膨張タービンの静翼７４，７６・・・膨張タービンの動翼７７・・・軸受

Claims

【特許請求の範囲】

【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。