JP4974006B2 - ターボファンエンジン - Google Patents

Description

発明の背景

発明の技術分野

発明は、バイパス比が高く低燃費化と低騒音化が可能なターボファンエンジンに関する。

関連技術の説明

図１は航空機エンジン５１（ターボジェットエンジン）の模式的構成図である。この図に示すようにターボジェットエンジンは、空気を取り入れるファン５２、取り入れた空気を圧縮する圧縮機５３、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器５４、燃焼器５４の燃焼ガスによりファン５２及び圧縮機５３を駆動するタービン５５、推力増大のため再燃焼させるアフタバーナ５６等を備えている。

アフタバーナ５６は、三角形断面等を有し下流に循環領域を形成して保炎を行なうフレームホルダ（保炎器）５７、燃料を噴出させるための燃料ノズル５８、点火栓５９等からなり、アウターダクト６０の内側のライナ６１内を通して排気ノズル６２から噴出させ、推力を増大させるようになっている。

上述したターボジェットエンジンにおいて、空気を取り入れるファン５２を大型にし、バイパス比を大きくしたものを「ターボファンエンジン」と呼ぶ。バイパス比は、コアエンジン（上述した圧縮機５３、燃焼器５４及びタービン５５）に流入する空気流（コア流れ）に対するこれらをバイパスするバイパス流れの流量比（バイパス流れ／コア流れ）であり、これが大きいほど排気ジェットの流速を下げ、騒音低減と燃料消費率の低減に効果がある。なお、ジェットエンジンに関する先行技術は、例えば日本国公開特許公報である下記特許文献１、２に開示されている。

特開平８−１８９４１９号公報 特開平１１−２２４８６号公報

しかし上述したターボファンエンジンでは、バイパス比を大きくするとファン１段動翼（最前列のファン）とこれを囲むケーシング内径が大きくなり、エンジンの重量が増してしまう問題点があった。

すなわちターボファンエンジンのスピンナー６３に埋め込まれた構造のファン１段動翼５２ａは、埋め込み構造のため、ある程度のハブ／チップ比（入口ハブ径／入口チップ径）が必要となり、スピンナーの面積分だけファン入口面積は狭くなる。
そのため低燃費、低騒音を達成するためバイパス比を増やそうとすると、ファン径及びケーシング内径はさらに広げなくてはならず、エンジンの重量が増えることになる。

発明の要約

本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、ファン径及びケーシング内径を大きくすることなくファン１段動翼の吸込み空気流量を増大させることができ、これによりバイパス比を高め、低燃費化と低騒音化を達成するとともにエンジン重量を削減することができるターボファンエンジンを提供することにある。

本発明の目的を達成するために、第１の発明によれば、空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、前記渦巻翼の後縁端とこれの最近傍位置に配置されたファン１段動翼の前縁端との間に形成される同半径位置での分離領域は、エンジン中心線に垂直な面に対して半径方向外方に向かってエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されている、ことを特徴とするターボファンエンジンが提供される。

本発明の目的を達成するために、第２の発明によれば、空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、前記渦巻翼の後縁端とこれの最近傍位置に配置されたファン１段動翼の前縁端との間に形成される同半径位置での分離領域は、そのハブ側通路面に対して９０度又はその近傍角度の方向に延びるように形成されている、ことを特徴とするターボファンエンジンが提供される。

第３の発明は、第２の発明の好ましい実施形態であり、第３の発明において、前記分離領域は、そのハブ側通路面に対して９０度よりエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されている。

本発明の目的を達成するために、第４の発明によれば、空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、前記渦巻翼のうち前記分離領域の根元より半径方向外側の部位において、エンジン中心線に平行な方向の翼弦の長さが、ハブ側からチップ側に向かうにつれて減少し、チップでは限りなくゼロに近づき、前記渦巻翼のうち前記分離領域の径方向外方端部に当たる位置に前記チップが形成されており、前記ファン１段動翼の前縁部のうち前記分離領域の径方向外方端部に当たる位置に渦巻翼側に凸になる部分が形成されており、前記渦巻翼における前記チップと前記ファン１段動翼における前記凸になる部分は、曲面形状をなしている、ことを特徴とするターボファンエンジンが提供される。

本発明の目的を達成するために、第５の発明によれば、空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、前記渦巻翼の枚数は、ファン１段動翼枚数の半数である、ことを特徴とするターボファンエンジンが提供される。

第６の発明は、第５の発明の好ましい実施形態であり、第６の発明において、前記渦巻翼は、ファン１段動翼に対し１枚置きに配置されている。

本発明の目的を達成するために、第７の発明によれば、空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は、前記渦巻翼のハブ側のウェークが前記ファン１段動翼の背側に当たり、前記渦巻翼のチップ側のウェークが前記ファン１段動翼の腹側に当たるように形状及び配置が設定されている、ことを特徴とするターボファンエンジンが提供される。

第８の発明は、第１〜第７の発明の好ましい実施形態であり、第８の発明において、前記渦巻翼は、その軸心から半径方向外方に延びている。
第９の発明は、第１〜第８の発明の好ましい実施形態であり、第９の発明において、前記渦巻翼の先端部は、スピンナー先端より下流側に位置する。
第１０の発明は、第１〜第９の発明の好ましい実施形態であり、第１０の発明において、前記渦巻翼は、ファン１段動翼の背側に周方向に位相をずらして配置されている。

第１〜第１０の発明によれば、スピンナーが、その軸心から半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有するので、スピンナー前面からも空気を吸込みこれを圧縮してファン１段動翼に供給することができる。従って、エンジン前方の全面積がそのままファン１段動翼の空気流入面積になるのでファン径を小さくすることができ、エンジン重量の削減が可能となる。
また、渦巻翼とファン１段動翼は分離しているので、ファンの製造が容易である。

第１の発明によれば、分離領域は、エンジン中心線に垂直な面に対して半径方向外方に向かってエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されているので、分離領域がエンジン中心線に対して垂直方向に形成されている場合と比較して、渦巻翼のチップ側のコード長が短くなることによりチップ側での流れに対する仕事量が減少する。このため、第１の発明によれば、分離領域がエンジン中心線に対して垂直方向に形成されている場合と比較して、チップ側の外部流れと接する箇所での圧力勾配が緩やかになり、渦の発生が大幅に抑制される。このため、渦巻翼とファン１段動翼を分離しても、ファンの空力性能を低下させることがない。

第２の発明によれば、分離領域での圧力勾配が少なくなり、この部分での渦の巻き上がりが抑制され、これにより渦巻翼で生成される渦が減少する。このため、渦巻翼とファン１段動翼を分離しても、ファンの空力性能を低下させることがない。
第３の発明によれば、分離領域での圧力勾配が緩やかになる効果に、渦巻翼のチップ側の外部流れと接する箇所での圧力勾配が緩やかになる効果がプラスされるので、渦の発生の抑制効果がより高まる。
第４の発明によれば、渦巻翼のチップ側、およびファン１段動翼の凸となる部分での渦の発生を抑制することができるため、渦巻翼とファン１段動翼を分離しても、ファンの空力性能を低下させることがない。

第５と第６の発明によれば、渦巻翼の枚数が半分になるため、渦巻翼の総重量は半減し、エンジンの軽量化を図ることができるとともに、コストを削減することができる。

第７の発明によれば、渦巻翼のハブ側のウェークによりファン1段動翼の背側の境界層の発達を抑制することによりファン１段動翼後縁部での流れの剥離を小さくすると同時に、渦巻翼のチップ側で発生した渦はファン１段動翼が壁となってその広がりが阻止される。したがって、そのような剥離や渦の拡大に起因する圧力損失を大幅に低減できるため、エンジンの高効率化に寄与できる。
第９の発明によれば、渦巻翼先端部の翼間のピッチが広がるため着氷しにくくなる。また、渦巻翼自体が小型化され重量が減るため、エンジンの軽量化を図ることができる。
第１０の発明によれば、ファン１段動翼の背側に周方向に位相をずらして配置することにより、ファン１段動翼の背側の境界層を吹き飛ばす効果が期待でき、圧力損失を低減させエンジン性能を向上させることができる。

従来のターボファンエンジンの構成図である。 参考例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。 従来のターボファンエンジンの部分的構成図である。 参考例のターボファンエンジンの説明図である。 参考例のターボファンエンジンの説明図である。 参考例のターボファンエンジンの説明図である。 本発明の第１実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。 分離領域を軸中心線に対して垂直方向とした場合のターボファンエンジンの部分的構成図である。 図４におけるＡ部拡大図である。 図４におけるＡ−Ａ線断面での圧力損失についての数値解析結果を示す図である。 本発明の第２実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。 図８におけるＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第３実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。 本発明の第４実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。 図１１におけるＣ−Ｃ線断面図である。 図１１におけるＤ−Ｄ線断面図である。 ＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。 ＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。 渦巻翼のハブ側のウェークがファン１段動翼の腹側に当たるように設定した場合の図である。 ＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。 ＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。 渦巻翼のチップ側のウェークがファン１段動翼の背側に当たるように設定した場合の図である。

好ましい実施例の説明

以下本発明の好ましい実施例について、図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図２Ａは、参考例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。また図２Ｂは従来例である。各図において、Ｚ−Ｚはエンジン中心線、１２、１２’はケーシング内径、１３は流入空気の流れ、１４はコア流れ、１５はバイパス流れである。

図２Ａに示すように、ターボファンエンジンは、空気を取り入れるためのファン１段動翼２と、ファン１段動翼２を回転駆動するスピンナー４とを備える。また、このスピンナー４は、その前面に渦巻翼６を有する。渦巻翼６は、スピンナー４の軸心Ｚから半径方向外方に螺旋状に延び、スピンナー前面から空気を吸込み、これを圧縮しファン１段動翼２に供給するようになっている。
渦巻翼６の形状は、例えば斜流圧縮機または半径流圧縮機のインペラー形状と同様の螺旋翼であるのがよい。

また、ファン１段動翼２とスピンナー４は、好ましくは一体に連結され、渦巻翼６とファン１段動翼２は、それぞれの翼表面が滑らかに繋がるように形成されている。

図２Ａと図２Ｂに示した構成の従来と参考例を用いて、参考例の性能確認のための解析を行った。図２Ｂに示した従来型に比べ図２Ａに示した参考例ではエンジン中心線Ｚから動翼（渦巻翼６とファン１段動翼２）が付いており、エンジンの外径（１２、１２’）は、従来型１２’に比べ参考例１２では５％程度小さく設定している。またここでの解析はファン１段動翼２、５２ａの後方での全圧分布及び全温分布を同一にして解析を行った。

図３Ａ〜Ｃはその解析結果のファン１段動翼の速度三角形を３断面（ハブ、ミッド、チップ）で示している。図中のＡＢＳ１、ＡＢＳ２は流入空気と流出空気の絶対速度、ＲＥＬ１、ＲＥＬ２は流入空気と流出空気の相対速度を示している。

図３Ａ〜Ｃからわかるように、ミッドおよびチップの速度三角形は従来型、参考例でほぼ等しいといえる。しかし、ハブの速度三角形には相違が見られ、流れを曲げる転向角θ、θ’（入口と出口の相対流れ角の差）が参考例の方が明らかに小さくなっている。すなわち、従来例では転向角θ’は約５０°であるのに対し、参考例では転向角θは約２０°にすぎない。
従って、参考例では、従来型よりも翼にかかる負荷は軽く、このような翼を実現することは容易であることがわかる。また、スピンナー部の仕事を増やし、スピンナー部に流入する流れの軸速をあげて流量を増やすことができれば、エンジン外径をさらに小さくできる。

上述した参考例の構成によれば、スピンナー４が、その軸心Ｚから半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼２に供給する渦巻翼６を有するので、スピンナー前面からも空気を吸込みこれを圧縮してファン１段動翼２に供給することができる。

従って、エンジン前方の全面積がそのままファン１段動翼２の空気流入面積になるので、ファン径及びケーシング内径を従来より小さくしても、ファン１段動翼の吸込み空気流量を増大させることができ、これによりバイパス比を高め、低燃費化と低騒音化を達成するとともにエンジン重量を削減することができる。

図４は、本発明の第１実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。この図に示すように、本実施例では、渦巻翼６は、ファン１段動翼２から分離しており、ファン１段動翼２の上流側にファン１段動翼２と同数配置されている。

渦巻翼６とファン１段動翼２は、回転運動による遠心力により半径方向に歪みが生じるが、両者の形状の相違からそれぞれその歪みは異なる。このため、参考例のように渦巻翼６とファン１段動翼２が連結される場合には、この歪みの違いにより有害な応力が発生することが考えられる。また、各部材の製作誤差等により、渦巻翼６とファン１段動翼２の連結が困難となることも考えられる。しかし、本発明の第１実施例によれば、渦巻翼６とファン１段動翼２は分離しているので、これらの問題を生じることが無く、ファンの製造が容易であるという優れた効果が得られる。

また、図４に示すように、渦巻翼６の後縁部と、ファン１段動翼２の前縁部のうち渦巻翼６の後縁部に対応する部分は、エンジン中心線Ｚに垂直な面に対して半径方向外方に向かってエンジン前方側に傾斜する方向に延びており、その間に分離領域Ｓを形成している。このため、第１実施例では、渦巻翼６の後縁端とこれの最近傍位置に配置されたファン1段動翼２の前縁端との間に形成される同半径位置での分離領域Ｓは、エンジン中心線Ｚに垂直な面に対して半径方向外方に向かってエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されている。

図５は、分離領域Ｓが軸中心線Ｚに対して垂直方向に延びている場合（これを便宜的に「垂直分離」と呼ぶ）を示している。このような垂直分離の場合、渦巻翼のチップ側でコード長が長くなり流れに対する仕事量が多くなり過ぎてしまい、そのために、仕事がなされない外部流れと渦巻翼６のチップ側とが接する箇所での圧力勾配が大きくなる。このため、渦巻翼６のチップ側で渦が発生しやすくなる。ここで、上記「コード長」とは、エンジン前後方向（エンジン中心線Ｚに平行な方向）の翼弦の長さをいう。

これに対し、本発明では図４に示すように、分離領域Ｓは、エンジン中心線Ｚに垂直な面に対して半径方向外方に向かってエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されている。
この図４における渦巻翼６とファン1段動翼２とを合わせた全体の翼形状が図５に示したものと同一であり、且つ図４に示した分離領域Ｓの根元（半径方向内方端部）の前後位置が図５に示したものと同一である場合、図４の実施例では、図５に示したような垂直分離の場合と比較して、渦巻翼６のチップ側のコード長が短くなることによりチップ側での流れに対する仕事量が減少する。このため、垂直分離と比較して、チップ側の外部流れと接する箇所での圧力勾配が緩やかになり、渦の発生が大幅に抑制される。したがって、渦巻翼６とファン１段動翼２を分離しても、ファンの空力性能を低下させることがない。

また、分離領域Ｓの傾斜角度は、以下に示す範囲で設定するのが好ましい。すなわち、図４に示すように、分離領域Ｓは、ハブ側通路面に対して９０度又はその近傍角度（前後１０度程度）の方向に延びて形成されることが好ましい。分離領域Ｓの周囲の流線方向はハブ側通路面に対し平行となり、この流線方向に対して垂直方向に等圧力線が分布する。つまり、分離領域Ｓは、等圧力線に沿った方向に延びているのが好ましい。

図５に示した垂直分離の場合、分離領域Ｓは等圧力線に対して交差する方向に延びているため、分離領域Ｓの径方向外側と内側とで圧力の高い領域と低い領域が存在することになり、圧力勾配が大きい。このため、分離領域Ｓで径方向外側方向の速度成分が生じ、この図に示す流れＦ２のように渦が半径方向外方に巻き上がる。しかし、本発明の第１実施例によれば、渦巻翼６とファン１段動翼２との間に形成される分離領域Ｓは、そのハブ側通路面に対して９０度又はその近傍角度の方向（等圧力線に沿った方向）に延びているので、分離領域Ｓでの圧力勾配が少なくなり、図４に示す流れＦ１のように渦の巻き上がりが抑制され、これにより渦巻翼６で生成される渦が減少する。このため、渦巻翼６とファン１段動翼２を分離しても、ファンの空力性能を低下させることがない。

このように、分離領域Ｓが、そのハブ側通路面に対して９０度又はその近傍角度の方向に延びるように形成されると、先に述べた渦巻翼６のチップ側の外部流れと接する箇所での圧力勾配を緩やかにするという効果と、分離領域Ｓでの圧力勾配を緩やかにするという効果とが合わさることにより、渦発生の抑制効果が高まる。

また、先に述べた渦巻翼６のチップ側の外部流れと接する箇所での圧力勾配を緩やかにするという効果を考慮すると、分離領域Ｓは、そのハブ側通路面に対して９０度よりエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されていることが、より好ましい。このような分離領域Ｓを形成することで、分離領域Ｓの傾斜角度を圧力勾配が少ない角度範囲に保持しつつ、渦巻翼６のチップ側のコード長をなるべく短くすることにより、効果的に渦の発生を抑制することができる。

また、図４に示すように、渦巻翼６のうち分離領域Ｓの根元（半径方向内方端部）より半径方向外側の部位において、ハブ側からチップ側に向かうにつれてコード長が減少し、チップではコード長が限りなくゼロに近づく形状となっている。渦巻翼６のうち分離領域Ｓの径方向外方端部に当たる位置にチップが形成されている。ファン１段動翼２の前縁部のうち分離領域Ｓの径方向外方端部に当たる位置に渦巻翼６側に凸になる部分が形成されている。

図６は、図４におけるＡ部拡大図である。図６に示すように、渦巻翼６におけるチップＰ１と前記ファン1段動翼２における前記の凸になる部分Ｐ２は、曲面形状をなしている。この曲面形状は円弧面、楕円面に限られず、その他の２次曲線によって規定される曲面であっても良い。また、Ｐ１、Ｐ２を曲面形状とせず、鋭角形状とした場合を仮想線で示す。この仮想線のように渦巻翼６のチップＰ１とファン１段動翼２における前記の凸になる部分Ｐ２が鋭角形状である場合は、流れＦ４のように渦が発生してしまう。その理由は、Ｐ１が鋭角形状である場合、その部分で流れに対して仕事をするために渦が発生しやすく、Ｐ２が鋭角形状である場合、その部分に流れが衝突したときに乱れが生じやすいからである。

これに対し、本発明の第１実施例では、渦巻翼６のチップＰ１が曲面形状であり、仮想線で示した鋭角形状に相当する翼が無い分、流れに対して仕事をしないので、渦が発生しにくい。また、ファン１段動翼２における前記の凸になる部分Ｐ２が曲面形状であり、仮想線で示した鋭角形状の翼部分が無いので流れの乱れが生じにくい。したがって、本発明の第１実施例によれば、図６に示す流れＦ３のように渦巻翼６のチップＰ１、およびファン１段動翼２の凸となる部分Ｐ２での渦の発生を抑制することができる。

図７は、図４におけるＡ−Ａ線断面での圧力損失についての数値解析結果を示す図である。図７において、縦軸はハブ側通路面を０％としエンジン外径１２を１００％としたときの流路における位置であり、横軸は圧力損失である。図７から、本発明によれば、Ｐ１、Ｐ２を鋭角形状とした場合と比較して、圧力損失を大幅に低減できることが分かる。したがって、本発明の第１実施例によれば、渦巻翼６とファン１段動翼２を分離しても、ファンの空力性能を低下させることがない。

なお、上述した第１実施例では、渦巻翼６とファン1段動翼２を軸方向に離間させてその間に分離領域Ｓを形成したが、本発明はこれに限られず、渦巻翼６の後縁端とファン1段動翼２の前縁端の位相を周方向にずらすことにより、その渦巻翼６の後縁端とファン1段動翼２の前縁端との間に分離領域Ｓを形成するようにしてもよい。また、渦巻翼６の後縁端とファン1段動翼２の前縁端の位相を周方向にずらす場合、渦巻翼と６の後縁部分とファン1段動翼２の前縁部分とが軸方向に関して重なるように配置されてもよい。

また、上述した第１実施例では、分離領域Ｓの間隔はほぼ平行であり且つ直線状に延びる形状であるが、本発明はこれに限られず、分離領域Ｓの間隔が平行でなくてもよく、また、曲線状、折れ線状などの形状であってもよい。

図８は、本発明の第２実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。図８において符号３はファン１段動翼２の下流側に配置された静翼である。図９は、図８におけるＢ−Ｂ線断面図である。図９に示すように、渦巻翼６は、ファン１段動翼２の背側に周方向に位相をずらして配置されている。また、渦巻翼６の枚数は、ファン１段動翼２の半数に設定されている。また、渦巻翼６は、ファン１段動翼２に対し１枚置きに等間隔に配置されている。その他の部分は第１実施例と同様の構成を有している。

通常の翼列では背側に境界層が発達しやすく、その部分で圧力損失を生じる。しかし、本発明の第２実施例では、渦巻翼６をファン１段動翼２の背側に周方向に位相をずらして配置することにより、ファン１段動翼２の背側の境界層を吹き飛ばす効果が期待でき、圧力損失を低減させエンジン性能を向上させることができる。なお、渦巻翼６の位相をファン１段動翼２の腹側にずらすと、流れを乱すことになり逆効果となる。

また、ファンは、その構造上、回転時にはファン１段動翼２に周方向及び軸方向の変形が生じるため、エンジンを運転する回転領域で渦巻翼６とファン１段動翼２が接触しないようにする必要がある。本発明の第２実施例では、渦巻翼６をファン１段動翼２に対し周方向に位相をずらして配置したので、エンジンを運転する領域で渦巻翼６とファン1段動翼２との接触を防止することができる。この周方向の位相のズレは、エンジンの運転回転数の全領域でズレが腹側になるように設定される。

また、本発明の第２実施例では、渦巻翼６とファン１段動翼２との間には軸方向のクリアランスｃが設けられているが、このような配置に代えて、渦巻翼の後縁部分と６とファン1段動翼２の前縁部分とが軸方向に関して重なるように配置されてもよい。ただし、本実施例のように軸方向のクリアランスｃを設けることで、渦巻翼６とファン1段動翼２との接触を効果的に防止できる。

ファン１段動翼２とその下流側に配置された静翼３の干渉騒音は、静翼枚数／動翼枚数（動翼のウェーク数）が大きいほど小さく、静翼３の枚数は通常はファン動翼枚数の２倍以上であることが多い。渦巻翼６をファン１段動翼２と同数に設定した場合、ファン１段動翼２で発生するウェークは１種類であり、これによる干渉騒音はある周波数帯域をもつ。これに対し、本発明の第２実施例のように渦巻翼６をファン１段動翼２の半数にした場合、図９に示すように、ウェークＡとウェークＢのような２種類のウェークが発生し、これによる干渉騒音の周波数は２つの周波数帯域に分散され、騒音低減効果が期待できる。また、渦巻翼６の枚数が半分になるため、渦巻翼６の総重量は半減し、エンジンの軽量化を図ることができるとともに、コストを削減することができる。

図１０は、本発明の第３実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。この図に示すように、渦巻翼６先端部は、スピンナー４先端より下流側に位置している。その他の部分は、第３実施例では、上述した第１実施例または第２実施例と同一の構成を有しており、別の参考例では、上述した参考例と同一の構成を有している。ここで、ボス比を式（１）のように定義する。
ボス比＝Ｒｈ（渦巻翼先端部半径）／Ｒｔ（ファン入口チップ半径）・・・（１）

ボス比＝０の場合、図１０において仮想線で示すように、渦巻翼６先端部がスピンナー４先端に位置するから、渦巻翼６先端部での隣接する翼間のピッチが狭くなる。このため、渦巻翼６の先端部で着氷し易い。そこで、本発明の第３実施例では、図１０の実線で示す渦巻翼６のように、渦巻翼６の先端部がスピンナー４先端より下流側に位置するように渦巻翼６を形成する。この例では、渦巻翼６の後縁部ハブ側は、ボス比＝０．３に相当する位置にある。つまり、ボス比（Ｒｈ／Ｒｔ）が、０＜Ｒｈ／Ｒｔ＜０．４の範囲となるように渦巻翼先端部の位置を設定する。これにより、スピンナー４は下流側に向かって外周の径が漸増しているから、渦巻翼６先端部をスピンナー４先端より下流側に位置させることにより、渦巻翼６先端部の翼間のピッチが広がることになる。

本発明の第３実施例によれば、このように渦巻翼６を形成するため、渦巻翼６先端部の翼間のピッチが広がるため着氷しにくくなる。また、渦巻翼６自体が小型化され重量が減るため、エンジンの軽量化を図ることができる。

図１１は、本発明の第４実施例によるターボファンエンジンの部分的構成図である。本実施例においても、渦巻翼６はファン１段動翼２から分離し、その間に分離領域Ｓが形成されている。また、渦巻翼は６、ファン１段動翼２の上流側にファン１段動翼２と同数配置されている。ただし、上述した第２実施例と同様に、渦巻翼６をファン１段動翼２の半数にしてもよい。また本発明の第４実施例においても、上述した第１〜第３実施例の特徴を備えたものとするのが好ましい。

図１２Ａは、図１１におけるＣ−Ｃ線断面図である。図１２Ｂは、図１１におけるＤ−Ｄ線断面図である。図１２Ａ及び図１２Ｂに示すように、渦巻翼６とファン1段動翼６は、渦巻翼６のハブ側のウェークがファン１段動翼２の背側（負圧面）に当たり、渦巻翼６のチップ側のウェークがファン１段動翼２の腹側（正圧面）に当たるように形状及び配置が設定されている。

図１３Ａは、渦巻翼６のハブ側のウェークがファン１段動翼２の背側に当たるように設定した場合のＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。図１３Ｂは、本発明とは逆に、図１４に示すように渦巻翼６のハブ側のウェークがファン１段動翼２の腹側に当たるように設定した場合のＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。図１３Ｂから、渦巻翼６のハブ側のウェークがファン１段動翼２の腹側に当たるように設定した場合、ファン１段動翼後縁部での流れの剥離が大きいことが分かる。一方、図１３Ａから、本発明のように渦巻翼６のハブ側のウェークがファン１段動翼２の背側に当たるように設定した場合、渦巻翼６のハブ側のウェークによりファン1段動翼２の背側の境界層の発達が抑制され、ファン１段動翼後縁部での流れの剥離を小さくすることができることがわかる。

図１５Ａは、渦巻翼６のチップ側のウェークがファン１段動翼２の腹側に当たるように設定した場合（図１２Ｂの場合）における、ファン１段動翼２の後方側位置におけるエンジン中心線Ｚに垂直な断面をエンジン後方から見たときのＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。図１５Ｂは、本発明とは逆に、図１６に示すように渦巻翼６のチップ側のウェークがファン１段動翼２の背側に当たるように設定した場合における、ファン１段動翼２の後方側位置におけるエンジン中心線Ｚに垂直な断面をエンジン後方から見たときのＣＦＤ解析結果を示すマッハ数コンター図である。

図１６に示すように渦巻翼６のチップ側のウェークがファン１段動翼２の背側に当たるように設定した場合、渦巻翼６のチップ側のウェークとほぼ同じ方向に発生する渦が移動し、拡大していく。この結果、図１５Ｂに示すように、損失生成領域が発生する。一方、図１２Ｂに示すように渦巻翼６のチップ側のウェークがファン１段動翼２の腹側に当たるように設定すると、渦巻翼６のチップ側で発生した渦はファン１段動翼２が障壁となってその広がりが阻止される。このため、図１５Ａにおいては図１５Ｂのような損失生成領域が発生していないことが分かる。

以上のことから本発明の第４実施例によれば、上記のような剥離や渦の拡大に起因する圧力損失を大幅に低減できるため、エンジンの高効率化に寄与できる。

上述したように、本発明のターボファンエンジンは、ファン径及びケーシング内径を大きくすることなくファン１段動翼の吸込み空気流量を増大させることができ、これによりバイパス比を高め、低燃費化と低騒音化を達成するとともにエンジン重量を削減することができる、等の優れた効果を有する。

なお、本発明のターボファンエンジンをいくつかの好ましい実施例により説明したが、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施例に限定されないことが理解されよう。反対に、本発明の権利範囲は、添付の請求の範囲に含まれるすべての改良、修正及び均等物を含むものである。

Claims (10)

1. 空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、
   前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、
   前記渦巻翼の後縁端とこれの最近傍位置に配置されたファン１段動翼の前縁端との間に形成される同半径位置での分離領域は、エンジン中心線に垂直な面に対して半径方向外方に向かってエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されている、ことを特徴とするターボファンエンジン。
2. 空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、
   前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、
   前記渦巻翼の後縁端とこれの最近傍位置に配置されたファン１段動翼の前縁端との間に形成される同半径位置での分離領域は、そのハブ側通路面に対して９０度又はその近傍角度の方向に延びるように形成されている、ことを特徴とするターボファンエンジン。
3. 前記分離領域は、そのハブ側通路面に対して９０度よりエンジン前方側に傾斜する方向に延びるように形成されている、ことを特徴とする請求項２に記載のターボファンエンジン。
4. 空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、
   前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、
   前記渦巻翼のうち前記分離領域の根元より半径方向外側の部位において、エンジン中心線に平行な方向の翼弦の長さが、ハブ側からチップ側に向かうにつれて減少し、チップでは限りなくゼロに近づき、
   前記渦巻翼のうち前記分離領域の径方向外方端部に当たる位置に前記チップが形成されており、
   前記ファン１段動翼の前縁部のうち前記分離領域の径方向外方端部に当たる位置に渦巻翼側に凸になる部分が形成されており、
   前記渦巻翼における前記チップと前記ファン１段動翼における前記凸になる部分は、曲面形状をなしている、ことを特徴とするターボファンエンジン。
5. 空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、
   前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、
   前記渦巻翼の枚数は、ファン１段動翼枚数の半数である、ことを特徴とするターボファンエンジン。
6. 前記渦巻翼は、ファン１段動翼に対し１枚置きに配置されている、ことを特徴とする請求項５に記載のターボファンエンジン。
7. 空気を取り入れるためのファン１段動翼と、該ファン１段動翼を回転駆動するスピンナーとを備え、該スピンナーは、半径方向外方に螺旋状に延びスピンナー前面から空気を吸込みファン１段動翼に供給する渦巻翼を有し、
   前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は分離しており、
   前記渦巻翼と前記ファン１段動翼は、前記渦巻翼のハブ側のウェークが前記ファン１段動翼の背側に当たり、前記渦巻翼のチップ側のウェークが前記ファン１段動翼の腹側に当たるように形状及び配置が設定されている、ことを特徴とするターボファンエンジン。
8. 前記渦巻翼は、その軸心から半径方向外方に延びている、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のターボファンエンジン。
9. 前記渦巻翼の先端部は、スピンナー先端より下流側に位置する、ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載のターボファンエンジン。
10. 前記渦巻翼は、ファン１段動翼の背側に周方向に位相をずらして配置されている、ことを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載のターボファンエンジン。