JPS6024300B2 - ガスタ−ボファン機関 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本願発明は、逆推力ガスターボフアン機関に関し、具体
的には、当該機関に使用する出口案内羽根装置に関する
。

将来のガスターポフアン機関の主な特徴は、ファン通過
流の方向を逆にすることによってファン推力の方向を変
えることが可能なことだろう。

これは、可変ピッチファンとして知られているものを組
み込むことによって達成される。しかし、従来技術によ
る現在のガスタービンコアェンジンに可変ピッチファン
を単に付加する以上に、更に多くのことがこのような概
念に含まれるということが明らかになりつつある。当該
産業界が直面している捕捉しがたい問題の一つに、コア
ェンジンに動力流体流、典型的には空気、を前方及び逆
の両推力モードにおいて効率良く供給する方法を見出す
ことがある。特に、このような最新の機関では、可変ピ
ッチファンが前方推力モードで稼動しているときには、
従来のターボファン機関とほとんど同じ方法で多量の空
気を圧縮するように可変ピッチファンを使用することが
考えられている。

典型的には、この空気の大部分が、コアェンジン周囲の
バイパスダクトを通過して、機関の前方推力の大部分を
供給する。残りの空気は内側コアダクトを通ってコアエ
ンジンに入り、コアエンジンがタービンと髄の結合を介
してファンを駆動する。逆推力モードでは、機関推力の
方向が逆になって、例えば航空機制動の助けとなる。こ
のモードでは、空気が反対方向に（ファンの回転方向は
不変のままで）バイパスダクトを通って逆に引込まれる
ように、ファン羽根のピッチを設定する。空気の大部分
が、通常は機関の入口であるところから放出される。し
かし、コアェンジンがファンを駆動しつつけるためには
、逆推力モーＮこあっても続けて動力流体源がなければ
らない。従って、バイパスダクト流の一部を抽出して、
基本的には１８００転向して、コアェンジンダクトに入
るようにする。バイパス部分における前方推力を最大に
し且つコアェンジンに入る轍方向流をもたらすために、
ファンによる圧縮の後、流れの絶対角（旋回）を軸方向
に戻すように回す為に、ガスターボフアン機関には通常
案内羽根が設けられている。逆推力モードにおいて問題
を生むのは、これらの不可欠な案内羽根の存在なのであ
る。考慮されるいくつかの逆推力機関では、流れが、コ
アェンジンへの回り略を通る間、外側案内羽根と内側案
内羽根とを合計２度通過することが必要である。

まず、案内羽根又は案内羽根のバイパスダクトと関連す
る部分を逆方向へ横切る必要があり、それからこれら案
内羽根又はそのコアェンジンダクトと関連する部分を順
方向へ藤切る必要がある。後者の場合案内羽根のそりが
逆モードの間では間違った方向にある（幾何学的に可変
の案内羽根が無い）であろうから、圧力損失が大きくコ
アェンジンの機能に有害な結果があると予想される。フ
ァンの圧力比が大きいほど（空気力学的負荷が大きいほ
ど）前方推力モ−ド‘こおける流れを真っ直ぐにするた
めに案内羽根が必要とするそりが大きく、そして逆推力
モード‘こおける問題が一層厳しい。他に考慮される逆
推力機関では、ファンによるェネルギの半径方向分配が
不定であるため、案内羽根に失速状態を起こすようなフ
ァン案内羽根装置があり、また更に他の装置では大きい
損失が付随する非常に大きい案内羽根のそりを必要とす
る。

これらの事柄に対する懸念がこの問題に対する解決のた
めの研究を必要とした。従って、本発明の目的は、ガス
ターボファン機関の機能を逆推力モード‘こおいて改良
した案内羽根の改良構造体、更に具体的には逆推力モー
ドに於て案内羽根による動力流体の圧力損失を減少する
構造体を堤供すことである。

これらの目的や利点は、以下の記載と図面によって一層
はっきりとなるであろうが、明細書、図面に記載された
実施例は本願発明の範囲を制限するものではない。

概略すると、一例では、流れをバイパス部分とコアェン
ジン部分に分割するように働く流れスプリッタと可変ピ
ッチファンの間に環状の孤立構造体を配魔することによ
って上述の目的を達成する。

第一段の案内羽根（内側案内羽根）が孤立構造体の下に
配置され、コアェンジンに入るファン流の当該部分が空
気力学的影響を受ける。第二段の案内羽根（外側案内羽
根）がバイパスダクトを機切って配置され、バイパス流
の旋回を減少する。孤立構造体は、スプリッタから軸万
向にずれていて、その間にすきまが存在する。逆推力モ
ードでは、全ての流れがバイパス案内羽根を通過する。
一部が、内側案内羽根を通過せずに、すきまを通ってコ
ァェンジンに引き込まれて、圧力損失を減少する。孤立
構造体の半径方向高さの適切な選択によって、前方推力
モードであろうと逆推力モードであろうと動力流体の流
れは案内羽根のいずれかの段を通過しさえすればよいと
いうことが明白となる。本願発明の一実施態様によれば
、孤立構造体はスプリッタと半径方向に整合して位置決
めすることができ、その結果前方推力モードでは内側案
内羽根を通過した略全ての流れがコアェンジンに流入す
る（特許請求の範囲第３項が対応する）。

本願発明によれば、逆推力モードでは外側案内羽根を通
過する流れの一部は、すきまを通って（内側案内羽根を
通過せずに）コアェンジンに引込まれるので、内側案内
羽根による圧力損失を考慮する必要がない。このため、
本願発明における、他の実施態様では、内側案内羽根の
そりの程度を大きくし、前方推力モードでの流れを真っ
直ぐにすることができる（同第４項が対応する）。更に
本願発明の他の実施態様によれば、孤立構造体をスプリ
ッタより半径方向外側に位置決めすることができ、この
結果内側案内羽根を通過した流れの一部が外側案内羽根
に達する。この部分の外側案内羽根のそりは、一旦内側
案内羽根板を通過した流れを受けるので、他の部分にべ
少なくて済み、逆推力モードでの悪影響が更に軽減され
る（同第５項が対応する）。図面においては、同じ要素
に同じ数字を付してあるが、まず、第１図には、本願発
明を採用している機関全体１０を略図で示してある。

当該機関は一般にコアェンジン１２とファン集成体１４
からなり、ファン集成体１４が１段の可変ピッチファン
羽根１５とファンピッチ作動機構１６を含むものと考え
られる。機関は、軸１８によってファン集成体１４に相
互接続されたファンタービン１７を含む。コアェンジン
１２は、ロータ２２を有する圧縮機２０を含む。空気は
ファンダクト２５の入口２４に入り、最初にファン集成
体１４によって圧縮される。この圧縮された空気の第一
の部分が、コアェンジン１２とその周囲のファンナセル
２８によって部分的に形成されるファンバイパスダクト
２６に入り、そしてファンノズル３０から排出される。
圧縮空気の第二の部分はコアェンジン入口３２に入り、
圧縮機２０‘こよって更に圧縮されて燃焼器３４に排出
される。そこでは、燃料が燃焼して、タービン３６を駆
動するェネルギの高い燃焼ガスを発生する。次に、ター
ビン３６が、ガスタービン機関の従来方法により軸３８
を介してロータ２２を駆動する。高温の燃焼ガスがファ
ンタービン１７を通過して、それを駆動し、ファンター
ビン１７が次にファン集成体１４駆動する。ファンノズ
ル３０を介してバイパスダクト２６から空気を排出する
ファン集成体１４の作用と、プラグ４２によって一部が
形成されているコアェンジンノズル４０からの燃焼ガス
の排出とによって推力が得られる。上述のものは今日の
多くのガスタービン機関の典型であって、本願発明の一
応用例を示したにすぎず、本願発明を制限するほのでは
ない。第２図に示した本願発明の実施例では、流れを真
っ直ぐにする装置が設けられ、前方推力モードで稼動し
ているときに、可変、ピッチファン１５を出る流れの絶
対角（旋回）を減少すことがわかる。

流れを真っ直ぐにする装置は、一部に、バイパスダクト
２６内の１段のそり付きバイパス案内羽根（外側羽根装
置）４４を含む。ファン羽根１５のハブ部のすぐ後に、
環状リング又は孤立構造体４６の形でファンダクト分割
装置がある。

孤立構造体４６の下側とファンダクト内壁５０の間にあ
る環状空間に、１段のそり付き内側案内羽根（内側羽根
装置）４８が配置してある。孤立構造体４６と内側案内
羽根４８が、流れを真っ直ぐにする装置の残りの部分で
ある。軸方向すきま５２が周方向に間断なく伸びていて
、スプリッタ５４の前緑から孤立構造体４６を隔ててお
り、スプリツタ５４がコアエンジン入口３２とバイパス
ダクト２６を隔てて、こうして流れをコア部分とバイパ
ス部分に分ける。軸方向すきま５２をを図示したが、複
数の孔、例えばみそ一穴、が或用途には同様に作用する
ことが予想できる。孤立構造体の形状によって、逆ピッ
チ（逆推力）運転の間コア流が軸方向すきま５２を通過
するので内側案内羽根によりその圧力を大きく低下せず
に、前方ピッチ（前方推力）運転に対して内側案内羽根
のそりの程度を大きくすることができるので、スーパー
チャージのハブ部圧力比を大きくすることができる。前
方推力モードの運転では、孤立構造体の下の流れにある
渦が、全部と）のわないまでも、ほとんど内側案内羽根
４８によって除去されるので、旋回角が不連続になった
形で、孤立構造体４６の後緑から渦層が離れていく。孤
立構造体の頂部（バイパス流）の全圧は、内側案内羽根
４８によって生ずる全圧損だけ、孤立構造体の下（コア
流）の全圧と異なる。従って、両流れのマッハ数はほと
んど等しい。或る市販の航空用ガスターボフアン機関で
は、固定ピッチファンと共に孤立構造体を組込んである
が、バイパス案内羽根が孤立構造体の頂部にあって、孤
立構造体の後縁において、バイパス流に旋回がない。（
このような形状は、米国特許第３４９４１２叫号対応日
本特公昭４８−４２０８５号）に記載されている。）そ
こでも、渦層が孤立構造体の後緑から離れる。しかし、
この渦層は、速度の大きさの不連続の形である。孤立構
造体の頂部と下側の両方で旋回角が零であるが、全圧は
、孤立構造体の下に配置された圧縮機羽根の回転段によ
って達成される仕事入量だけ異なる。将来のガスターボ
フアン機関の一大特徴は、ファンを通過する流れの方向
を逆にすることによって、推力の方向を変更できること
であろう。

この流れの逆転は、コアェンジンへの圧力水準（従って
コアェンジンの動力発生能力）に２通りの影響を与える
。第一に、前方推力モードのファンハプ部圧力比の大き
さに明らかに関係するファンハフ部（半径方向内側部分
）のスーパーチャージの圧力（ファンハブ部による禍給
式スターボフアン機関のコア流圧力）が直接に損失する
ことである。第二に、案内羽根やスプリッタ前緑のよう
な損失発生機構を通過してコアェンジン２０‘こ流れを
導くことに関連する損失がある。第３図には、ガスター
ボフアン機関の一部を図示してあるが、従釆の固定ピッ
チファンの代りに可変ピッチファンの形状を設けたこと
を示している。

従って、従来技術ではないが、本願発明の利点を明らか
にするため用いる参考図である。当該機関には本願発明
のものと類似のバイパス案内羽根４４が組込まれ、そし
てコアダクト３２内のコアェンジン１２の直前に１段の
内側案内羽根５６が組込まれているのが示されている。
流れ方向を矢印で示す逆推力モードでは、コアェンジン
に入るいかなる流れもまず２段の案内羽根４４及び５６
）を通過してそしてその間のスプリッタ５４の前線を通
り越さねばならないことが明らかである。前述した第二
の圧力損失は、前方推力モードのファンハブ部圧力比が
案内羽根５６のそりの程度を決定する決定的要因である
から、この圧力比の大きさにも関係する。

逆推力モードで運転するとき、案内羽根５６のそりが、
効率良い空気力学的機能のためには、間違った方向にあ
り、そして前方推力モードにおけるファンハプ部のスー
パーチャージが大きいほど、逆推力モード‘こおけるそ
りの悪影響も大きい。第６及び第７図には、従釆推奨さ
れた逆推力ファンの形状を略図で示してある。

第６図の装置では、案内羽根６４がバイパスダクト２６
にのみ配置されている。第６図における障害は、ファン
ハブ部の低負荷が使用されている場合に機能しうるにす
ぎないということである。ファンハブ部負荷が大きいと
、過度に大きい旋回角を生じて、コアェンジンに通じる
ダクトにおける損失を大きくする。第７図の装置に組込
まれているのは、ファン羽根１５とスプリツタ５４の前
縁の間にあるファンダクト２５全体を横切って配置され
た１段の案内羽根６６である。このようなな形状では、
ファン尖端の圧力比がファンハブ部より通常大きいから
案内羽根６６の後に均一な高い背圧（高い静圧）を生じ
るであろう。これが案内羽根の失速を生じる結果となる
であろう。本願発明の一実施例を示す第２図のバイパス
案内羽根４４を孤立構造体４６の頂部に配置した構成を
第４図に示す。

従って第４図に示す構成は従来技術ではなく、本願発明
の利点を説明する参考図である。第４図の形状は、第７
図で述べたジレンマを解決していない。

図示の様に、孤立構造体５８が本質的に同０の外側案内
羽根６０と内側案内羽根６２の間に配遣されている。そ
して、第７図で述べたのと同じ本質的な問題が存在して
おり、案内羽根の失速の原因となる外側並びに内側の両
案内羽根の後に均一な高い背圧を生じる。本発明の利点
は、例えば第１及び第２図に示したように、流れが、孤
立構造体４６とスプリッタ５４の間の軸方向すきま５２
を通ってコア圧縮機２０‘こ入ることができ、従って内
側案内羽根４８の有害な方向へ向いたそりの問題を避け
ることができることである。

明らかに、この遍路は、非常に障害（例えば案内羽根）
の少ないものである。更に、もし前述の鞠方向すきまが
無かったらスプリッタの前縁となるであろう孤立構造体
４６の前緑と比べて、スプリッタ５４の前線がとがって
いないから、流れのコア部分の軸方向成分をバイパスダ
クト２６中の前方向からコアダクト３２内の後方向へ逆
転することに、関連する損失を最小にするようにできる
。第５図には、本願発明の他の実施例を図示してある。

第１図及び第２図における孤立構造体の下を通過した流
れの全てがコアダクト３２に入るように半径方向に整え
られた孤立構造体４６の代りに、半径方向外方へ更にず
れた孤立構造体がある。その結果、点線Ａ−Ａは孤立構
造体４６′でさえぎられる流体の流れ線を示し、鎖線Ｂ
−Ｂはスプリッタ５４の前緑でさえぎられる流体の流れ
線を図示している。ここで、流れ線Ａ−Ａ及びＢ−Ｂの
間の流体を「第２の部分」といい、流れ糠Ｂ−Ｂとファ
ンダクト内壁５０の間の流体を「第１の部分Ｊという。
このような形状では、孤立構造体４６′の下（流れ線Ａ
−Ａ及びＢ−Ｂの間）を通過してバイパスダクト２６に
流入する第２の部分が十分にあり、バイパス案内羽根４
４′に局部的に（流れ線Ａ−Ａとスブリッタ５４の間）
小さいそりを使用することを好ましくし、４・ごい旋回
角の内側案内羽根４８′と一層合うものとする。案内羽
根４４′における４・さし、そりに、アンがが逆モード
で稼動しているとき案内羽根４４′を通過しコアェンジ
ン１２に入る流れに加えれる好ましくない旋回を少なく
する利点がある。ここに記載した発明をその範囲を逸脱
しないようにして変形しうろことは、当業者にとって明
らかであろう。例えば、前述のようにある応用例では、
すきま５２の代りに複数の関口を置いてもよい。冗長な
ハードウェアを除くのに実際的な場合には、案内羽根を
枠構造体に組み込むことができる。特許請求の範囲はこ
れらの変更を含むものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本願発明の一実施例を採用したガスターボフ
アン機関の部分断面略図、第２図は、第１図のガスター
ボファン機関の一部の拡大図、第３図は、第２図と同様
に、別のガスターボフアン機関の一部を拡大した図であ
って、本願発明の利点を説明するために用いている。 第４図は、第２図と同機に、更に別のガスターボファン
機関の一部を拡大した図であって、本願発明の利点を説
明するために用いている。第５図は、本願発明の他の実
施例を採用したガスターボフアン機関の一部を第２図と
同様に拡大した図、第６図は、従来技術のガスターボフ
アン機関を第２図と同様に示す図、第７図は、別の従来
技術のガスターボフアン機関を第２図と同様に示す図。
４４：バイパス案内羽根（外側羽根装置）、４６：孤立
構造体（環状リング装置）、４８：内側案内羽根（内側
羽根装瞳）。 モ；亘・ ｔ；亘２ モ三百３ 五百４ 口車白 モ三亘日 ≠三百７

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ コアエンジンと、内側壁及び外側壁を有する実質的
   に環状のフアンダクトと、前記フアンダクト内に配置さ
   れ且つ前方推力モード及び逆推力モードの動力流体を加
   圧するようになつている可変ピツチフアンと、前記フア
   ンダクト内に配置され且つ前記動力流体のコア流部分を
   受け取るコアエンジンダクトおよびその周囲のバイパス
   ダクトを部分的に形成するようになつている流れスプリ
   ツタ装置と、フアンダクト内で前記流れスプリツタ装置
   より軸方向前方に配置されて前記流れスプリツタ装置と
   の間に周方向に配置された開口を形成する孤立構造体と
   、バイパスダクト内に配置された、前方推力モードにお
   いて前記可変ピツチフアンを出たバイパス流部分の旋回
   を減少する外側羽根装置と、そして、前記開口の前方で
   前記孤立構造体の半径方向内側に配置された、前記推力
   モードにおいて前記可変ピツチフアンを出た前記コア流
   部分の旋回を減少する内側羽根装置とを含むガスターボ
   フアン機関。 ２ 流れスプリツタ装置の軸方向前方に配置された前記
   孤立構造体が周方向環状リング装置であつて、周方向に
   配置された前記開口が軸方向すきまであつて、逆推力モ
   ードにおいて流れの一部が通過する、特許請求の範囲第
   １項記載のガスターボフアン機関。 ３ 前方推力モードにおいては、コア流部分の実質的に
   全てが前記内側羽根装置を通過するように、前記孤立構
   造体を前記流れスプリツタ装置と半径方向に整合して位
   置づけている、特許請求の範囲第２項記載のガスターボ
   フアン機関。 ４ 前方推力モードにおいては、流れの旋回を基本的に
   零にするように、前記内側羽根装置のそりの程度を大き
   くしている、特許請求の範囲第３項記載のガスターボフ
   アン機関。 ５ 前方推力モードにおいては、前記内側羽根装置を通
   過する流体の第１の部分がコア流部分であつて、コアダ
   クトに入るようになつており、前記内側羽根装置を通過
   する流体の第２の部分がバイパスダクトに入るように、
   前記孤立構造体を前記流れスプリツタ装置より半径方向
   外側に位置づけている、特許請求の範囲第２項記載のガ
   スターボフアン機関。