(57)【要約】【課題】従来の空気弁アッセンブリと置き換え可能な、ガスタービンエンジンのノズルの冷却空気の流量を制御するための空気弁アッセンブリを提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンの空気弁アッセンブリは、第１と第２の弁体を有する。第２の弁体は、第１の弁体に相対して、第１の軸を中心に回転可能である。回転により、第１と第２の弁体を通る空気の流量が制御される。アクチュエータは、連結装置によって第２の弁体に接続される。連結装置は、アクチュエータに接続される第１の部分を有するスピンドルを備え、それにより、スピンドルは第２の軸を中心に回転することができる。案内球面軸受けにより、スピンドルの第２の部分と第２の弁体を接続する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の弁体と、
第２の弁体であって、第１の弁体と第２の弁体を通る空気の流量を制御するよう、第１の弁体に相対して第１の軸を中心に回転可能な第２の弁体と、
アクチュエータと、
第１の向きと第２の向きの間で第２の弁体を回転させるよう、アクチュエータと第２の弁体を連結する連結装置、
を含んでなり、
前記連結装置は、スピンドルと球面軸受けを含み、このスピンドルは、第２の軸を中心にスピンドルを回転させるようアクチュエータに接続される第１の部分と、第２の部分を有し、前記球面軸受けは、該第２の部分を第２の弁体に接続させることを特徴とする、ガスタービンエンジン用空気弁アッセンブリ。
【請求項２】
前記球面軸受けが軸受けの中心軸を有し、かつ、前記スピンドルの第２の部分に接続されることにより、前記第２の軸を中心とする前記スピンドルの回転が、前記軸受けの中心軸をスピンドルの軸を中心に回転させることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項３】
前記球面軸受けが軸受けの中心軸を有することと、
前記球面軸受けが、Ｕリンクピンによって前記スピンドルの第２の部分と前記第２の弁体のいずれか一方に取り付けられることと、
前記球面軸受けが、前記Ｕリンクピンに沿った、ゼロではない動作範囲を有することと、
前記スピンドルの第２の部分と前記第２の弁体の他方上の従動部材が前記球面軸受けに摺動的に係合していることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項４】
前記第１の軸が、エンジンの中心線に対して少なくとも局部的に平行であることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項５】
前記第２の軸が、前記第１の軸に対して平行でないことを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項６】
前記第２の弁体が、前記エンジンの中心線を完全に取り囲むことを特徴とする、請求項１記載のアセンブリ。
【請求項７】
前記第２の弁体が、周方向に配列した調節アパーチャを備えることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項８】
前記スピンドルの第１の部分が、前記スピンドルの第２の部分の径方向外側であることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項９】
前記スピンドルが、前記スピンドルの第１の部分と第２の部分の間に第３の部分を有することにより、前記スピンドルを、前記第２の軸を中心に回転可能なように取り付け可能であることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項１０】
前記スピンドルがスピンドル軸を含むことと、
前記スピンドルの第１の部分が、前記スピンドル軸と一体的な、第１の対のＵリンクアームを含むことと、
前記スピンドルの第２の部分が、スプラインされた嵌合により前記スピンドル軸に対して非破壊的に可動的に取り付けられること、
を特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項１１】
前記ガスタービンエンジンと組み合わされて、空気流がエンジンのノズルを冷却するよう配置されることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項１２】
前記ガスタービンエンジンと組み合わされて、空気流が副流であるよう配置されることを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項１３】
前記第２の弁体の、前記第１と第２の向きの間における回転が、本質的に平行移動ではないことを特徴とする、請求項１記載のアッセンブリ。
【請求項１４】
第１の弁体と、
第２の弁体であって、第１の弁体と第２の弁体を通る空気の流量を制御するよう、第１の弁体に相対して第１の軸を中心に回転可能な第２の弁体と、
第１と第２の向きの間で第２の弁体を回転させるための手段、
を含んでなり、
前記手段は、スピンドルと軸受けと従動部材とを含み、
前記スピンドルは、第２の軸を中心として該スピンドルを回転させるための駆動部分と、被駆動部分を有することと、
前記軸受けは軸受けの中心軸を有し、かつ、前記スピンドルの駆動部分に接続されることにより、前記第２の軸を中心とする前記スピンドルの回転が、前記軸受けの中心軸を前記スピンドルの軸を中心にして回転させることと、
前記従動部材は、前記軸受けを前記第２の弁体に接続して、前記スピンドルの回転が、前記第２の弁体に相対して前記軸受けの中心軸を移動させることを可能にすることを特徴とする、ガスタービンエンジン用空気弁アッセンブリ。
【請求項１５】
前記ガスタービンエンジンと組み合わされて、空気流がエンジンのノズルを冷却するよう配置されることを特徴とする、請求項１４記載のアッセンブリ。
【請求項１６】
前記ガスタービンエンジンと組み合わされて、空気流が副流であるよう配置されることを特徴とする、請求項１４記載のアッセンブリ。
【請求項１７】
前記軸受けが球面軸受けであることを特徴とする、請求項１４記載のアッセンブリ。
【請求項１８】
第１の空気弁アッセンブリを少なくとも部分的に取り除くことと、
任意に１つ又はより多くの部品が第１の弁アッセンブリと共通である第２の弁アッセンブリを導入すること、
を含んでなり、
前記第２の空気弁アッセンブリは、請求項１記載の空気弁アッセンブリであり、かつ第１の空気弁アッセンブリは、請求項１記載の空気弁アッセンブリではないことを特徴とする、基本的な構成からエンジン構成を再設計するか、あるいは、当初基本的な構成を有していたエンジンを再生するための方法。
【請求項１９】
前記第２の空気弁アッセンブリの第２の弁体が、本質的に第１の軸を中心とする回転のみからなる動作範囲を有するゲートであり、かつ、前記第１の空気弁アッセンブリが、回転と平行移動の組み合わせを含む動作範囲を有するゲートを含んでなることを特徴とする、請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、米国海軍からの契約番号Ｎ０００１９−０２−Ｃ３００３に基づいて、米国政府によってなされたものである。従って、本発明の権利は米国政府が所有するものであることは明白である。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、ガスタービンエンジンの弁アッセンブリに関する。より詳細には、本発明は、ガスタービンエンジンのノズルに供給される、冷却空気量を制御する弁アッセンブリに関する。
【０００３】
通常のガスタービンエンジンの主要な構成部材には（上流端、即ち、インレットにおける）圧縮機セクション、バーナ（燃焼器）セクション、タービンセクション、及びノズルセクションが含まれる。そのようなエンジンは、タービンセクションとノズルセクションの間にアフタバーナセクションを有する場合もある。
【０００４】
エンジンがターボファンである場合、圧縮機セクションは、通常上流端にファンセクションを備える。ファンセクションを通った後、ターボファンエンジンにより、空気は２つの流路に分割される。主流（コアエンジン・フローとも称す）は、圧縮機の残りの部分に入り、燃料と混合されて、バーナセクションで燃焼される。ガスはタービンセクションに動力を与えるために、バーナセクションから出る。
【０００５】
副流（バイパス・フローとも称す）は、圧縮機セクションの残部、バーナセクション及びタービンセクションを回避する。そして、代わりに、副流は、ダクトを介してタービンセクションの下流の位置に向かって流れる。副流は、タービンセクションの下流で主流と混合する。
【０００６】
アフタバーナセクションは、タービンセクションの下流で追加燃料に点火することによってエンジンの推力を増強させることができる。流れ（フロー）は、その後、ノズルを通ってエンジンから出る。
【０００７】
エンジンは、ノズルの構成部材を高温排気から保護するためにノズルに冷却空気を供給することができる。通常、エンジンは、ノズルセクションを冷却するために副流をファンセクションからそらす。
【０００８】
ノズルセクションへの冷却空気は、アフタバーナが作動するときに最も大量に必要となる。例として、パイロットは、通常の離着陸（ＣＴＯＬ）の場合、エンジンを最大推力で（アフタバーナの作動を伴って）操作する。ＣＴＯＬ操作には、通常、ノズルのために大量の冷却空気を必要する。
【０００９】
エンジンの特定の非増強操作（即ち、アフタバーナの作動のない操作）も又、冷却空気を必要とする。しかしながら、その際必要な冷却空気の量は、通常、増強操作の場合よりも少ない量である。例として、短距離垂直離着陸（ＳＴＯＶＬ）操作の場合、通常、エンジンからの最大非増強推力が必要とされる。非増強の場合の排気は、高温ではあるが、通常、増強操作における温度よりも低い温度を呈する。従って、ＳＴＯＶＬ操作においては、ノズルへ供給される冷却空気量が少なくても許容される。
【００１０】
冷却空気の流量は、１つ又はより多くの弁で制御することができる。代表的な弁構造は、米国特許第６，６９４，７２３号明細書において示されており、その内容は全て参照として本明細書に組み入れられる。
【特許文献１】米国特許第６，６９４，７２３号明細書
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第一の態様は、第１と第２の弁体を有する、ガスタービンエンジンの空気弁アッセンブリに関する。第２の弁体は、第１の軸を中心に第１の弁体に相対して回転可能である。回転により、第１と第２の弁体を通る空気の流量が制御される。アクチュエータは、連結装置によって第２の弁体へ接続される。連結装置は、アクチュエータに接続される第１の部分を有するスピンドルを備え、それにより、スピンドルは第２の軸を中心に回転することができる。軸受けは、球面軸受けであってよい。案内球面軸受けにより、スピンドルの第２の部分と第２の弁体を接続する。回転は、平行移動を伴わないものであってよい。アッセンブリは、再設計、又は再生時に設けることができる。
【００１２】
本発明の１つ又はより多くの実施態様の詳細を、添付の図面と以下の説明において説明する。本発明のその他の特徴、目的並びに利点は、その説明及び図面、並びに特許請求の範囲の記載から明らかなるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
それぞれの図面において、同様の符号及び名称は同様の構成要素を示す。
【００１４】
図１と図２は、２つの異なる形態にある、代表的なエンジン１００を示している。図１は、従来の離着陸（ＣＴＯＬ）型などの、第１の形態にあるエンジン１００を示している。図２は、短距離垂直離着陸（ＳＴＯＶＬ）型などの、第２の形態にあるエンジン１００を示している。図２は又、破線で示すように、ＣＴＯＬ形態とＳＴＯＶＬ形態の間を移行するエンジン１００を示している。
【００１５】
エンジン１００は、インレット１０１、圧縮機セクション１０３、バーナセクション１０７、タービンセクション１０９、アフタバーナセクション１１１及びノズルセクション１１３を有する。圧縮機セクション１０３は、その上流端においてファンセクション１０５を備える。エンジン１００は又、空気の副流のためのバイパスダクト１１５を備える。空気は、矢印Ｆで示す方向において、エンジン１００を通って流れる。エンジンスプール又はロータは、中心線５０２と少なくとも部分的に一致する軸５００を中心に回転する。ＳＴＯＶＬ形態においては、中心線５０２は、ロータの下流において、軸５００から外れる。
【００１６】
ノズルセクション１１３は、アフタバーナセクション１１１に固定される３軸受スイベルダクトと、ダクトの下流にあるノズルを備える。３軸受スイベルダクトは、３つのセクション１１７、１１９及び１２１を有する。第１のセクション１１７は、アフタバーナセクション１１１に回転可能に実装される。第2のセクション１１９は、第１のセクション１１７に回転可能に実装される。最後に、第３のセクション１２１は、第２のセクション１１９に回転可能に実装される。従来のモータ（図示せず）により、図１に示す第１の形態と図２に示す第２の形態の間で所望の排気通路へと、セクション１１７、１１９及び１２１を回転させることができる。
【００１７】
ノズルは、従来のフラップ型の中細ノズル１２３、あるいは、他の適切なノズルであってよい。ノズル１２３は、スイベルダクトの第３のセクション１２１に固定される。
【００１８】
ノズルセクション１１３は、ライナー（図示せず）を備える。ライナーは、ノズルセクション１１３の外部構造を、ノズルセクションを通って送出される高温排気ガスから隔てる。ノズルセクション１１３のライナーと外部構造１２６は、環状チャンバ１２７（図３）を形成する。エンジン１００は、ライナーを冷却するために環状チャンバを介して冷却空気を分配する。ライナーを冷却した後、冷却空気は下流へと流れてノズルフラップを冷却する。ブリード（図示せず）は、従来の技術を用いて、バイパスダクト１１５から冷却空気をノズルセクション１１３に供給する。
【００１９】
図３の弁アッセンブリ２００は、ノズルフラップに供給される冷却空気量を制御する。代表的な弁アッセンブリは、エンジンの局部的な中心線５０２（図２）を中心に回転し得る環状の回転ゲート２０２を備える。ゲート２０２は、周方向に配列したアパーチャ２０４を有する。アパーチャ２０４は、ゲート２０２と接合接触する固定要素２０８中のアパーチャ２０６と重なり合う程度の大きさであってよい。第１と第２の向きの間におけるゲート２０２の回転により、アパーチャの重なりの程度が決定される（このため、非閉塞である）。それにより、最低値と最大値の間で、弁を介した効率的な流れ（フロー）面積が決定される。最小値は、ゼロ（例えば、完全に閉塞する場合）か、それよりある程度大きい値であってよい。例えば、図３の状態は、概ね半分塞がれた状態であり、かつ最小流れ面積状態を示す。図４は、本質的に、全く塞がっておらず、そのため、最大流れ面積状態を示している。
【００２０】
第１と第２の配置間におけるゲートの回転は、連結装置２２２を介して作用するアクチュエータ２２０によって達成することができる。代表的な連結装置２２２は、軸５２０（例えば、エンジンの中心線と直交する径方向軸）で回転するよう保持されるスピンドル２２４を備える。アクチュエータ２２０は、第１と第２のゲートの向き／状態に対応する第１と第２の向きの間でスピンドル２２４を回転させることができる。アクチュエータ２２０は、空気圧式、油圧式、電気式、電子機械式、あるいはその他の適当な型式のものであってよい。例えば、アクチュエータ２２０は、米国特許第６，６９４，７２３号明細書（‘７２３号特許）に記載されているものと同様に構成してもよい。
【００２１】
図３と図４は、弁アッセンブリ２００をさらに詳細に示している。図示される固定要素２０８は、ノズル１２３の外部構造体１２６と一体的に形成されており、その基部／上流部から径方向内側に延在している。代表的なゲート２０２は、要素２０８のすぐ前方／上流にあって、ゲート２０２の下流側の面は、要素２０８の上流側の面に面している。ゲート２０２は、（図示しない）支持手段により、回転するように保持される。代表的な支持手段は、回転支持構造体からなり、ゲート２０２を、回転可能であるが、長手方向における平行移動や径方向への移動は妨げられる。代替の手段としては、留め具を包含することができ、これはゲート２０２か要素２０８のいずれか一方に固定され、他方における（例えば、周方向のスロットに沿った）動きは制限される。そのようなシステムにおいて、スロット端は停止部として機能することができる。さらに別の代替手段には、‘７２３号特許におけるような、回転を長手方向における移動と組み合わせた通路を提供する、アイドラクランクアレイを包含することができる。
【００２２】
図５と図６は、連結装置２２２をさらに詳細に示している。スピンドル２２４は、シャフト２４０の中間部分が、ブシュ２４２（例えば、ツーピースブシュ）内に収容される。ブシュ２４２は、エンジンの固定構造体（例えば、図４の代表的な第３のダクトセクション１２１）中のアパーチャ内に固定することができる。そのため、シャフト２４０は、軸５２０を中心に回転するよう、ブシュ２４２で保持される。スピンドルシャフト２４０の外側部分には、インプット／駆動Ｕリンク２４４が具備されている。代表的なＵリンク２４４は、（例えば、溶接によって）シャフトの外側部分に固定されるアーム２４６，２４８で形成される。インプット／駆動ピン２５０は、アーム２４６と２４８の間にわたっており、軸５２０に平行でかつ離間した軸５２２を有する。ピン２５０は、アクチュエータにより、スピンドル２２４を、軸５２０を中心にして回転させるよう係合される。スピンドルの内側端は、アウトプット／被駆動Ｕリンク２６０を備える。代表的なＵリンク２６０は、スピンドルシャフトとは別個に形成されるＵリンク体２６２を有し、かつ補助スプラインによってそのスピンドルシャフトに取り付けられる。代表的なスプラインは、スピンドルシャフトの内側部分に沿った外部スプライン２６４（図６）と、Ｕリンク体２６２内の内部スプライン２６６を具備する。ボルト又は他の留め具２６８は、移動に対抗してシャフト２４０にＵリンク体２６２を固定するよう、拡張スロットにわたるＵリンク体２６２を介して延在させてもよい。
【００２３】
Ｕリンク体２６２は、アーム２７０，２７２を具備する。被駆動／アウトプットＵリンクピン２７４は、それらアームを差し渡しており、軸５２０に平行でかつ離間した軸５２４を有する。あるいは又、軸５２２及び／又は５２４は、非平行（例えば、軸５２０に直交するか、あるいは軸５２０に対して斜めの軸）であってもよい。アーム２７０と２７２の間の球状の軸受け２７６は、ピン２７４のシャフトを収容する内部ボアを有する。代表的な実施態様において、軸受け２７６とシャフトは協働することにより、軸受け２７２がゼロを含まない範囲で軸５２４に沿って移動でき、かつ軸５２４を中心に回転可能となる。
【００２４】
軸受け２７６は、従動ブラケット２８２のスロット２８０内に受容される。代表的なブラケット２８２は、ゲート２０２に取り付けるためのベース２８４を備える。一対のアーム２８６，２８８は、それらの間にスロット２８０を画定するよう、ベース２８４から前方に向かって延びている。アーム２８６，２８８の内面２９０は、軸受け２７６の外側面の凸面と相補的な凹面を有する。代表的な内面２９０は、軸受け２７６がスロットに沿ってその基部の根元から先端まで移動できるよう、独特の凹面を有する。代表的な実施態様において、ベース２８４は、内側フランジと外側フランジの間のゲート２０２のウエブ３００の前方／上流側の面に対抗して固定される。その固定は留め具３０２（例えば、リベットなど）によって行ってよい。ベースは、ウエブ３００の相補的なアパーチャ、即ちソケット３０４と嵌合させるために、位置合わせ突部（図示せず）をさらに具備してもよい。
【００２５】
動作において、アクチュエータの作用により、スピンドル２２４が軸５２０を中心に回転する。その回転により、次いで軸５２４が軸５２０を中心に回転するようになる。軸５２０を中心とする軸５２４の回転により、軸受け２７６が従動部材２８２に続いてゲート２０２に、接線力、即ち、（エンジンの中心線の周囲の）トルクを伝達する。このトルクにより、アパーチャの重なり合いの程度を制御して、弁を通る流量を制御するよう、エンジンの中心線を中心にゲートが回転する。
【００２６】
ゲートの回転中、軸５２４は長手方向（例えば、ゲートに向かう方向、あるいはゲートから離れる方向）に移動する傾向がある。この移動は、軸受け２７６を、スロット２８０内において長手方向に、かつ、ピン２７４を中心として径方向に摺動的に相互作用させることによって調整する。この摺動的な相互作用は、軸５２４の長手方向における動きを、ゲート２０２の長手方向における動きから切り離す。例えば、ゲート２０２は回転に限定されるものであってもよい。あるいは又、ゲート２０２は、ゲートとリングの間における摺動による摩擦を防ぐよう、比較的小さい平行移動量を有する（例えば、許容された平行移動によって、ゲートとリング２０８の間の封止が開くよう、アイドラクランクで取り付けられる場合）。
【００２７】
代表的な弁アッセンブリ２００は、基本的なエンジンの再生、あるいは、基本的なエンジン構成の再設計において設けることができる。基本的なエンジンには、そのような弁アッセンブリがない場合がある。例えば、金本的なエンジンは、‘７２３号特許のような別の弁アッセンブリを有する場合がある。これは、回転だけのゲート動作が有利な場合、’７２３号特許のアイドラクランク取付け部材の取り外しを包含する再設計の場合には特に適切であろう。
【００２８】
本発明の１つ以上の実施態様を説明してきたが、本発明の要旨並びに範囲から逸脱することなく、様々な変更が実施可能であることは理解されよう。例えば、既存のエンジンやエンジン構成の再設計や再生において適用する場合、既存のエンジンや構成の細部は、特定の実施態様の細部に影響を与える場合がある。さらに、弁をその他の箇所に配置することもできるであろう（例えば、ブリードプレナムにおいて比較的上流）。従って、その他の実施態様は、特許請求の範囲の記載範囲内である。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】第１の状態／形態にある代表的なガスタービンエンジンの概略的な破断図である。
【図２】第２の状態／形態にある、図１のエンジンの図である。
【図３】第１の向きにある、図１のエンジンのノズル冷却弁の、長手方向部分図である。
【図４】第２の向きにある、図１のエンジンのノズル冷却弁の、長手方向部分図である。
【図５】図３の弁の連結機構の図である。
【図６】図５の連結機構の分解組立図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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