JP4920228B2

JP4920228B2 - ガスタービンエンジンを組み立てるための方法及び装置

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Publication number: JP4920228B2
Application number: JP2005283188A
Authority: JP
Inventors: ジェイムズ・エドワード・ジョンソン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: EP1643114A2; US20060064961A1; JP2006105138A; US7188467B2; CA2520471C; CA2520471A1

Description

本発明は、総括的にはガスタービンエンジンに関し、より具体的にはフレード式エンジンを組み立てるための方法及び装置に関する。

例えば高い比スラスト及び低い燃料消費量のような相反する目標を達成する努力をしながら亜音速から超音速までの高性能航空機に動力を供給するための可変サイクルエンジンが、従来から知られている。言い換えれば、理想的な航空機ジェットエンジンは、燃料消費量を最小にしながら様々なスラスト及び速度要件のモードにわたって作動するように努力されている。

公知の可変サイクルエンジンは一般的に、作動条件の範囲全体にわたって作動可能である。具体的には、ターボジェット又はターボファンとラムジェットとの従来型の複合可変サイクルエンジンは一般的に、低亜音速マッハ数から約マッハ６の高超音速マッハ数までの作動範囲において作動するように努力されている。しかしながら、このようなターボファン・ラムジェットエンジンは、比較的複雑であり、一般的に様々な欠点を含む。例えば、少なくとも１つの公知のターボファン・ラムジェットエンジンは、コアエンジンの周りを包むラムバーナを含み、従って望ましくない大直径のエンジンを形成する。

別の公知の可変サイクルエンジンは、同軸環状可変排気ノズルを含み、この同軸環状可変排気ノズルはその流路面積をスケジュールするのが比較的複雑かつ困難である。さらに、これらの公知のエンジンは、排気ノズルと関連した高レベルのベースドラグを有する。さらに、他の公知の可変サイクルエンジンは、同軸環状入口を備えた同軸環状の別個の流路を含み、この流路は、望ましくない大径の入口を形成し、また一般的に入口空気流を選択的に流すための入口切換弁を必要とする。これらの公知のエンジンでは、エンジン入口の周りで高レベルの空気流出が生じる可能性がある。その他の公知のエンジンは、このような望ましくない構造の１つ又はそれ以上を含み、従って比較的複雑であり、重量があり、大型でありかつ非効率であるエンジンになる可能性がある。
特開２００１−３５５５１５号公報

１つの態様では、ガスタービンエンジンを作動させる方法を提供する。本方法は、コアエンジンを設ける段階と、フレードダクト内に配置したフレードストリーム・オーグメンタを備えたフレードシステムを設ける段階とを含む。本方法はさらに、コアエンジンを通して空気流を流してエンジンスラストを発生させる段階と、フレードダクトを通して空気流を流してエンジンスラストを発生させる段階と、フレードストリーム・オーグメンタを使用してフレードダクトを通って流れる空気流の一部分を燃焼させてフレードシステムによって発生するスラストの量を増大させる段階とを含む。

別の態様では、ガスタービンエンジン用のフレードシステムを提供する。ガスタービンエンジンは、その一部分を通して空気流を流すための内側ファンダクトと、内側ファンダクト内に配置された少なくとも１つの列の内側ファンブレードを有する少なくとも１つの内側ファンセクションとを備えたコアエンジンを含む。エンジンはまた、フレードシステムを含み、このフレードシステムは、内側ファンダクトを囲みかつフレードストリームを形成するフレードダクトと、内側ファンセクションの半径方向外側に位置しかつ内側ファンセクションによって駆動されるように該内側ファンセクションに結合された少なくとも１つの列のフレード式ファンブレードを含む、フレードダクト内に配置されかつフレードストリーム空気流を生成する少なくとも１つのフレード式ファンと、フレードダクト内に配置されたフレードストリーム・オーグメンタとを含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジンを提供する。本ガスタービンエンジンは、その一部分を通して空気流を流すための内側ファンダクトと、内側ファンダクト内に配置された少なくとも１つの列の内側ファンブレードを有する少なくとも１つの内側ファンセクションとを備えたコアエンジンを含む。本エンジンはまた、コアエンジンを囲みかつフレードストリームを形成するフレードダクトと、内側ファンセクションの半径方向外側に位置しかつ内側ファンセクションによって駆動されるように該内側ファンセクションに結合された少なくとも１つの列のフレード式ファンブレードを含む、フレードダクト内に配置されかつフレードストリーム空気流を生成する少なくとも１つのフレード式ファンと、フレードダクト内に配置されたフレードストリーム・オーグメンタとを備えたフレードシステムを含む。

図１は、複数のエンジン１２及び複数のノズル組立体１４を備えたジェット航空機１０の概略図である。航空機１０は、エンジン１２に向かって空気流を流すための航空機入口１６を含む。

図２は、軸方向に向いたエンジン中心軸線１８を有する例示的な「ファン・オン・ブレード」すなわちフレード式のエンジン１２の概略図である。エンジン１２は、エンジン作動中にそれを通してエンジン入口空気流２４が流入するフレード入口２０及び内側ファン入口２２を含む。この例示的な実施形態では、フレード入口２０に流入した空気流２４は、フレードダクト２６に沿って流れ、また内側ファン入口２２に流入した空気流２４は、内側ファンダクト２８に沿って流れる。フレード入口２０は、そうでなければエンジン１２の周りで流出してエンジン１２に流出ドラグ損失を招くことになる付加的空気流２４を捕捉するのを可能にする。従って、フレード入口２０によって捕捉した空気流は、エンジン１２を通って流れて付加的排気によりスラストを増大させることによってエンジン１２の性能を向上させる。さらに、フレード入口２０によって捕捉した空気流は、フレードダクト２６によって導かれてエンジン１２の一部分を冷却するのを可能にする。

この例示的な実施形態では、ファンダクト２８は、ファン入口２２から中心軸線１８に沿ってコアエンジンの周りで円周方向に延びるファンケーシング３０によって形成される。ファンケーシング３０は、ファンダクト２８とフレードダクト２６とを分離する。従って、フレードダクト２６は、ファンケーシング３０と該ファンケーシング３０の半径方向外側に配置されたフレードケーシング３２とによって形成される。ファンダクト２８及びフレードダクト２６は、ファン組立体３４を通して空気流２４を流し、このファン組立体内において空気流２４は加圧されかつフレード吐出空気流３６及びファン吐出空気流３８として下流方向に吐出される。吐出空気流３６及び３８は、エンジン１２に動力を供給するスラストを発生するのを可能にする。

ファン組立体３４は、複数のファンブレード４０を含む。各ファンブレード４０は、前縁及び後縁を含みかつ根元と先端との間で半径方向に延びる。この例示的な実施形態では、ファンブレード４０は、ファン組立体３４が、円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレード４０の第１の列５２を有する第１のファン段５０と、円周方向に間隔を置いて配置されたファンブレード４０の第２の列５６を有する第２のファン段５４とを含むような２段構成で配置される。別の実施形態では、ファン組立体３４は、２つよりも多い又は少ないファン段を含み、またファンブレードの２つよりも多い又は少ない列を含む。

シュラウド６０は、第２段５４内の各ファンブレード先端の周りで円周方向に延びかつ該各ファンブレード先端に結合される。１つの実施形態では、シュラウド６０は、第２段５４内の各ファンブレード先端に結合された単一の環状部材である。別の実施形態では、ファン組立体３４は、シュラウド６０が複数のアーチ形部材を含むようになった複数の先端シュラウド付き翼形部を含み、複数のアーチ形部材は各々、該アーチ形部材が第２段５４の周りで円周方向に延びるように少なくとも１つのファンブレード先端に結合されている。具体的には、各アーチ形部材は、他のアーチ形部材に隣接して配置されてフレードストリーム２６とファンダクト２８との間での空気移動量を低減するのを可能にする。シュラウド６０は、ファンダクト２８からフレードダクト２６に又はその逆に流れる空気流を防止するのを可能にする。別の実施形態では、シュラウド６０は、例えば第１段５０のような別の段に結合される。

この例示的な実施形態では、ファン組立体３４は、第１段５０が第１のシャフト７０に回転可能に結合されかつ該第１のシャフトによって駆動されまた第２段５４が第２のシャフト７２に回転可能に結合されかつ該第２のシャフトによって駆動されるような二重反転式ファン組立体である。第１及び第２のシャフト７０及び７２は互いに独立して作動し、第１のシャフト７０が第２のシャフト７２の第２の回転速度とは異なる第１の回転速度で作動するようにする。従って、第１段５０及び第２段５４は、異なる作動速度を有する。この例示的な実施形態では、第２のシャフト７２は、第１のシャフト７０とは異なる方向に回転する。別の実施形態では、第１段５０及び第２段５４は、同一の回転方向に作動する。

ファンストリーム７４は、ファンダクト２８を通って流れる。具体的には、ファンストリーム７４は、ファン入口２２でエンジン１２に流入し、ファンケーシング３０とロータハブ７６との間を流れる。作動中、ファンストリーム７４は、ファンケーシング３０とハブ７６との間で複数の入口ガイドベーン７８を通って第１段５０に向かって流れる。ファンストリーム７４が、ファンブレード４０の第１の列５２を通って流れると、ファンストリーム７４の密度が増大する。ファンストリーム７４は次ぎに、ファンブレード４０の第２の列５６を通って流れて、そこでファンストリューム７４の密度がさらに増大する。ファンストリーム７４がファン組立体３４を通って流れた時点で、空気流は、スプリッタ８０によってコアストリーム８２とバイパスストリーム８４とに分割される。より具体的には、スプリッタ８０は、ファン組立体３４の下流でファンストリーム７４を分割するのを可能にするように配向されて、エンジン１２がスラスト及び空気流圧力比に関するエンジン全体性能要件に適合するのを可能にする。コアストリーム８２は、コアエンジンを通ってファンダクト２８の下流端部８６に向かって流れ続ける。さらに、バイパスストリーム８４は、ファンダクト２８を通って下流端部８６に向かって流れ続ける。この例示的な実施形態では、コア及びバイパスストリーム８２及び８４は、下流端部８６の上流で互いに混合された後に、燃料を添加されて混合気となる。燃料空気混合気は次ぎに、複数のオーグメンタ８７によって燃焼させた後に、下流端部８６を通して排出される。

この例示的な実施形態では、ファン組立体３４はまた、フレードダクト２６内に配置された複数のフレード式ロータブレード９０を備えたフレード式ファン組立体８８を含む。各フレード式ブレード９０は、前縁と後縁とを含みかつ根元と先端との間で半径方向に延びる。この例示的な実施形態では、フレード式ブレード９０は、シュラウド６０の周りで円周方向に延びる列として配置される。フレード式ブレード９０は、フレードダクト２６を通って流れるフレード吐出空気流３６を生成する。

各フレード式ブレード９０は、ブレード根元９６でシュラウド６０に駆動的に結合されかつシュラウド６０から半径方向外向きに延びる。１つの実施形態では、各フレード式ブレード９０は、例えば、それに限定されないが、誘導溶接法のような溶接法によりシュラウド６０に結合される。別の実施形態では、フレード式ブレード９０は、シュラウ６０と共に単体構造に形成される。フレード式ブレード９０は、ブレード根元とブレード先端９８との間で延びる半径方向高さを有し、この半径方向高さは、先端速度制約条件を超えるリスクを低減しながらフレードストリーム７４の有効度潜在能力を向上させるのを可能にするように選択される。

円周方向に間隔を置いて配置された可変面積入口ガイドベーン１０４の列が、フレード式ブレード９０の上流においてフレードダクト２６内に配置される。入口ガイドベーンは、空気流をフレード式ブレード９０に向かって流しかつフレードストリーム２６に流入する空気流の量を調量するように作動可能である。空気流がフレード式ブレード９０を通って流れると、空気流は加圧される。フレード式ブレード９０から吐出された空気流は、円周方向に間隔を置いて配置された出口ガイドベーン１０８の列１０６を通って流れ、この出口ガイドベーン１０８は、空気流の回転速度成分を減少させるのを可能にするように空気流の方向を変える。フレードストリーム７４は次ぎに、フレードダクト２６を通って下流方向に流れた後に、排出される。従ってフレードストリーム７４は、利用できる高圧空気流の量を増大させ、従ってエンジン１２の全体性能及び／又はスラストを高めるのを可能にする。

この例示的な実施形態では、エンジン１２は、エンジン１２のスラスト出力、従って全体性能を高めるのを可能にするフレードストリーム・オーグメンタ１１０を含む。オーグメンタ１１０は、フレードストリーム７４の一部分を燃料と混合し、燃焼させ、次ぎにオーグメンタ１１０から下流方向に排出するようにフレードダクト２６内に配置される。具体的には、フレードストリーム７４は、エンジン１２の下流端部に配置されたノズル組立体１１２内に排出される。さらに、ファンダクト２８からの吐出空気流は、ノズル組立体１１２内に排出される。従って、フレード及びファンダクト２６及び２８からの吐出空気は、ノズル組立体１１２内で混合されてエンジン１２から排出される。この例示的な実施形態では、ノズル組立体１１２は、上部ノズルセクション１１４及び下部ノズルセクション１１６を含む。スロート面積１１８は、上部及び下部ノズルセクション１１４及び１１６間でノズルライナ１２０の内面によって定まる。さらに、前方フラップ１２２及び後方フラップ１２４は、下部ノズルセクション１１６に結合されかつスロート面積１１８を可変にするように移動可能である。具体的には、スロート面積１１８は、エンジン１２の作動モード及び／又は要求スラスト出力に応じて増大及び／又は減少する。

フレードダクト２６は、下部フレードセクション１３２から上部フレードセクション１３４にフレードストリーム７４の一部分を流すフレードダクト・スクロール１３０を含む。フレードダクト２６の一部分は、その一部分におけるフレードストリーム７４がエンジン１２の下流端部に近接したファンケーシング３０及び／又はノズル組立体１１２を冷却するのを可能にするようにフレードダクト・スクロール１３０の下流に連続している。１つの実施形態では、単なる実施例としてであるが、フレードストリーム７４の約２０％〜３０％が、対応するフレードダクト２６内のフレードダクト・スクロール１３０の下流に連続している。他の実施形態では、フレードストリーム７４のより多い又はより少ないものが、フレードダクト・スクロール１３０の下流に連続してフレードダクト２６の冷却潜在能力を向上させるのを可能にする。この例示的な実施形態では、フレードダクト・スクロール１３０は、上部フレードセクション１３４まで延びかつオーグメンタ１１０の上流に配置される。具体的には、フレードダクト・スクロール１３０は、オーグメンタ１１０の上流にフレードストリーム７４を流して燃焼のためにオーグメンタ１１０に流入するフレードストリーム７４空気流の量を増大させるのを可能にする。従って、エンジン１２の全体的スラスト潜在能力が高められる。

オーグメンタ１１０は、燃料噴霧バー１４０、複数のバーナ１４２及びバーナ１４２から下流方向に延びるバーナ空洞１４４を含む。入口１４６は、オーグメンタ１１０の上流端部１４８に配置され、内側バーナ空洞ライナ１５０及び外側バーナ空洞ライナ１５２によって形成される。外側ライナ１５２は、内側ライナ１５０の半径方向外側に配置され、それらのライナ間にバーナ空洞１４４を形成する。さらに、内側フレードバイパスダクト１５４が、内側ライナ１５０とファンケーシング３０との間に延び、また外側フレードバイパスダクト１５６が、外側ライナ１５２とフレードケーシング３２との間に延びる。フレードバイパスダクト１５４及び１５６は、過剰のフレードストリーム７４空気流をオーグメンタ１１０の周りに流すのを可能にする。さらに、フレードバイパスダクト１５４及び１５６は、フレードストリームの一部分をオーグメンタ１１０の周りに流してバーナ空洞１４４及び／又はファンダクト２８を冷却するのを可能にする。

この例示的な実施形態では、燃料噴霧バー１４０は、燃料をオーグメンタ１１０に供給してフレードストリーム７４内の空気と混合する。具体的には、燃料は、オーグメンタ入口１４６に流入するフレードストリーム７４の一部分と混合される。バーナ１４２は、噴霧バー１４０の下流に配置され、燃料空気混合気を燃焼させ及び／又は燃焼を維持するのを可能にする。一旦燃焼すると、燃料空気混合気は膨張しかつその温度が上昇して、エンジン１２が発生する全体スラストを増大させるのを可能にする。発生した高温ガスは、フレードバーナスロート１６０を通ってノズル組立体１１２内に流入する。具体的には、高温ガスは、共通の二次ノズルシステム内に流れてノズルベース領域を満たしかつノズルベースドラグを低減するのを可能にする。

１つの実施形態では、冷却空洞１６２は、フレードケーシング３２と半径方向外側エンジンケーシング１６４との間に形成される。フレードケーシング３２は、エンジンケーシング１６４とフレードケーシング３２との間で延びるストラット１６６によって支持される。この例示的な実施形態では、ストラット１６６は、フレードバーナスロート１６０によって定まる面積を制御する。フレードケーシング３２はまた、支持部材１６８によって支持される。この例示的な実施形態では、支持部材１６８は、エンジンケーシング１６４とファンケーシング３０との間で延びて、ファンケーシング３０、内側ライナ１５０、外側ライナ１５２及びフレードケーシング３２を支持するのを可能にする。１つの実施形態では、バーナ１４２は、内側及び外側バーナ空洞ライナ１５０及び１５２間の支持部材１６８に結合される。

上述のフレード式エンジンは、費用効果がありかつ高い信頼性がある。本フレード式エンジンは、ファン入口の周りで流出した空気流の一部分を捕捉するフレードストリームを含む。エンジンを通る空気流を増加させることにより、エンジンによって発生されるスラストの量が増大する。さらに、本エンジンは、フレードストリーム・オーグメンタの上流に空気流の大きな部分を流すためのフレードダクト・スクロールを含む。その結果、フレードストリームの一部分を燃焼させて、エンジンによる付加的スラスト発生をもたらし、それによりエンジン全体性能を高める。

以上、フレード式エンジンの例示的な実施形態を詳細に説明している。フレード式エンジンは、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、各フレード式エンジンの構成部品は、本明細書に記載した他の構成部品から独立してかつ別個に利用することができる。例えば、各フレード式エンジン構成部品はまた、本明細書に記載した他のフレード式エンジン構成部品と組合せて使用することもできる。

本発明を様々な特定の実施形態に関して説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

例示的なエンジンを含む航空機のエンド・ビュー。図１に示す航空機に使用することができる例示的なフレード式エンジンの概略図。

符号の説明

１２エンジン
２０フレード入口
２２ファン入口
２６フレードダクト
２８ファンダクト
３０ファンケーシング
３２フレードケーシング
３４ファン組立体
４０ファンブレード
６０シュラウド
７４フレードストリーム
８６ファンダクトの下流端部
８８フレード式ファン組立体
９０フレード式ロータブレード
１１０フレードストリーム・オーグメンタ
１１２ノズル組立体
１３０フレードダクト・スクロール
１４０燃料噴霧バー
１４２バーナ
１４４バーナ空洞

Claims

その一部分を通して空気流を流すための内側ファンダクト（２８）と、前記内側ファンダクト内に配置された少なくとも１つの列の内側ファンブレード（４０）を有する少なくとも１つの内側ファンセクション（３４）とを備えたコアエンジンを含むガスタービンエンジン（１２）用のフレードシステムであって、
前記内側ファンダクトを囲みかつフレードストリーム（２６）を形成するフレードダクト（２６）と、
前記内側ファンセクションの半径方向外側に位置しかつ前記内側ファンセクションによって駆動されるように該内側ファンセクションに結合された少なくとも１つの列のフレード式ファンブレード（９０）を含む、前記フレードダクト内に配置されかつフレードストリーム空気流（７４）を生成する少なくとも１つのフレード式ファン（８８）と、
前記フレードダクト内に配置されたフレードストリーム・オーグメンタ（１１０）と、
前記フレードストリーム空気流（７４）の一部分を前記フレードストリーム・オーグメンタ（１１０）の上流に流すためのフレードダクト・スクロール（１３０）と
を含み、
前記フレードストリーム・オーグメンタ（１１０）が、燃料噴霧バー（１４０）、バーナ（１４２）及び前記バーナの下流に位置するバーナ空洞（１４４）を含み、
前記エンジン（１２）が、前記バーナ空洞の面積の拡大及び縮小を行うことが可能なストラット（１６６）を含む
ことを特徴とする、フレードシステム。
前記フレードダクト（２６）が、前記内側ファンダクト（２８）の周りに流れた空気流流出の少なくとも一部分を捕捉するように構成されている、請求項１記載のフレードシステム。
前記フレードストリーム・オーグメンタ（１１０）が、前記フレードストリーム空気流（７４）の一部分を燃焼させることによって前記エンジン（１２）のスラストを増大させるのを可能にする、請求項１記載のフレードシステム。
前記エンジン（１２）が、前記コアエンジンの下流に配置された排気ノズル組立体（１１２）を含み、該フレードシステムが、前記フレードストリーム（７４）の一部分が前記排気ノズルを通って排出されるように該排気ノズルと流れ連通状態になっている、請求項１記載のフレードシステム。
前記フレードストリーム・オーグメンタ（１１０）が、前記フレードストリーム（７４）内部の温度上昇を引き起こして前記エンジン（１２）のノズルベースドラグを低減するのを可能にするように構成されている、請求項１記載のフレードシステム。
前記フレードダクト（２６）は、上部セクション（１３４）及び下部セクション（１３２）を含み、前記フレードダクト・スクロール（１３０）が、前記上部及び下部セクションの一方から他方に向けて前記フレードストリーム空気流（７４）の２０〜３０％を流すことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のフレードシステム。
その一部分を通して空気流を流すための内側ファンダクト（２８）と、前記内側ファンダクト内に配置された少なくとも１つの列の内側ファンブレード（４０）を有する少なくとも１つの内側ファンセクション（３４）とを備えたコアエンジンと、
フレードシステムと
を含むガスタービンエンジン（１２）であって、
前記フレードシステムは、
前記コアエンジンを囲みかつフレードストリーム（７４）を形成するフレードダクト（２６）と、
前記内側ファンセクションの半径方向外側に位置しかつ前記内側ファンセクションによって駆動されるように該内側ファンセクションに結合された少なくとも１つの列のフレード式ファンブレード（９０）を含む、前記フレードダクト内に配置されかつフレードストリーム空気流を生成する少なくとも１つのフレード式ファン（８８）と、
前記フレードダクト内に配置されたフレードストリーム・オーグメンタ（１１０）と、
前記フレードストリーム空気流（７４）の一部分を前記フレードストリーム・オーグメンタ（１１０）の上流に流すためのフレードダクト・スクロール（１３０）と
を含み、
前記フレードストリーム・オーグメンタ（１１０）が、燃料噴霧バー（１４０）、バーナ（１４２）及び前記バーナの下流に位置するバーナ空洞（１４４）を含み、
前記エンジン（１２）が、前記バーナ空洞の面積の拡大及び縮小を行うことが可能なストラット（１６６）を含む
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン（１２）。
前記フレードダクト（２６）は、上部セクション（１３４）及び下部セクション（１３２）を含み、前記フレードダクト・スクロール（１３０）が、前記上部及び下部セクションの一方から他方に向けて前記フレードストリーム空気流（７４）の２０〜３０％を流すことを特徴とする、請求項７記載のガスタービンエンジン（１２）。