(57)【要約】      （修正有）【課題】負荷需要の大幅な変化に迅速に反応する高い動力取り出し能力を提供できる動力抽出システムを有するガスタービンエンジンを提供する。【解決手段】空気流１を加圧するように構成された前部ファン段５２と、前部ファン段５２からの加圧空気流２の第１の部分３を加圧するように構成された翼端ファン７０を有する後部ファン段６０であって、加圧空気流２の第２の部分４によって駆動される後部ファン段６０と、後部ファン段６０から動力を供給するように構成された動力駆動システム２１０とを備える動力抽出システム２００とする。【選択図】図１
2011127598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流（１）を加圧するように構成された前部ファン段（５２）と、
前記前部ファン段（５２）の軸方向後方に位置し、前記前部ファン段（５２）からの加圧空気流（２）の第１の部分（３）を加圧するように構成された翼端ファン（７０）を有する後部ファン段（６０）であって、前記加圧空気流（２）の第２の部分（４）によって駆動される後部ファン段（６０）と、
前記後部ファン段（６０）から動力を供給するように構成された動力駆動システム（２１０）と、を備える動力抽出システム（２００）。
【請求項２】
前記後部ファン段（６０）は前記前部ファン段（５２）とは独立して回転する、請求項１に記載の動力抽出システム。
【請求項３】
前記動力駆動システム（２１０）は前記後部ファン段（６０）によって駆動されるシャフト（２０４）を備える、請求項１に記載の動力抽出システム。
【請求項４】
前記シャフト（２０４）は動力出力シャフト（２０２）を駆動するように構成される、請求項３に記載の動力抽出システム。
【請求項５】
前記動力出力シャフト（２０２）を駆動するように構成された１組のギヤ（２０３、２０６）を有するギヤボックス（２０１）を更に備える、請求項４に記載の動力抽出システム。
【請求項６】
前記動力抽出手段（２１０）は、前記後部ファン段（６０）によって駆動される発電機である、請求項１に記載の動力抽出システム。
【請求項７】
前記後部ファン段（６０）は後部ファンブレード（６２）の周囲方向列を備え、各々の後部ファンブレード（６２）は空気タービンブレード（８２）として駆動されるように構成された内側部分（６３）を有する、請求項１に記載の動力抽出システム。
【請求項８】
空気流（１）を加圧するように構成された前部ファン段（１５２）と、
圧縮機（１１８）と、
前記前部ファン段（１５２）の軸方向後方に位置し、前記圧縮機（１１８）の軸方向前方に位置する後部ファン段（１６０）から動力を供給するように構成された動力抽出システム（２５０）であって、前記後部ファン段（１６０）は前記前部ファン段（１５２）からの加圧空気流（２）の第１の部分（３）を加圧するように構成された翼端ファンブレード（１７２）の周囲方向列を有し、前記後部ファン段（１６０）は前記加圧空気流（２）の第２の部分（４）によって駆動される動力抽出システムと、を備えるガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項９】
前記後部ファン段（６０）は前記前部ファン段（５２）とは独立して回転する、請求項８に記載のガスタービンエンジン（１１０）。
【請求項１０】
ガスタービンエンジン（１１０）の動作方法であって、
前部ファン段（１５２）を利用して空気流（１）を加圧し、加圧空気流（６２）を生成するステップと、
前記加圧空気流（２）の第１の部分（３）を後部ファン段（１６０）の翼端ファン（７０）の方向に向けるステップと、
前記後部ファン段（１６０）の空気タービンブレード（８２）の周囲方向列内の加圧空気流（２）の第２の部分（４）を膨張させることによって、前記後部ファン段（１６０）を駆動するステップと、
前記後部ファン段（１６０）によって生成された動力の一部を抽出して外部負荷（２０５）を駆動させるステップと、を含む方法。
【請求項１１】
前記後部ファン段（６０）は前記前部ファン段（５２）とは独立して回転する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記翼端ファン（７０）に流入する空気流（６）を入口案内翼（１７４）によって調整するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、特に加圧空気流によって駆動されるブレードを有する中圧ファン段を含む動力抽出システムを備えたガスタービンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機のターボファンガスタービンエンジンの動作中、空気はファンモジュール、任意のブースタモジュール及び圧縮モジュール内で加圧される。ファンモジュールを通過する空気の一部はバイパス流に送られ、航行中の航空機を推進するために必要な推力を発生するのに利用される。任意のブースタモジュールと圧縮モジュールを通った空気は燃焼器内で燃料と混合し、点火されて高温燃焼ガスを生成し、これがタービン段を通って流れ、タービン段は高温燃焼ガスからファン、ブースタ及び圧縮機ロータに動力を供給するエネルギを抽出する。ファン、ブースタ及び圧縮モジュールは、一連のロータ段とステータ段とを有する。ファン及びブースタロータは、典型的には低圧タービン（ＬＰＴ）によって駆動され、圧縮機ロータは高圧タービン（ＨＰＴ）によって駆動される。ファン及びブースタロータは圧縮機ロータに空気力学的に結合されるが、ファンロータと圧縮機ロータは通常は異なる機械的速度で動作する。
【０００３】
ファン圧力比がより高い低バイパス比エンジンの構成ブロックとして、民間航空機用高バイパスエンジン、又はファン圧力比が中程度のバイパスエンジンから圧縮機、燃焼器、高圧タービン（ＨＰＴ）及び低圧タービン（ＬＰＴ）を備えたエンジンコアを使用することが望ましい場合が多い。高圧圧縮機（ＨＰＣ）に入るブースト圧及び温度は、通常は、高バイパス・オリジナルエンジンの場合よりも低バイパスの派生型エンジンの場合のほうがかなり高い。そのため、コアの物理的最大速度及び／又はコアの圧縮機最高吐出温度範囲に機械的制約があるので、一般的にはコア内の最大動作空気流が設計修正された空気流の全容量未満に制限される必要がある。オリジナルのエンジンコア空気流をその全潜在力で動作させる方法を見出し、さらにバイパスの流れに対するファン圧力比を大幅に高めて、派生型エンジンの潜在推力を最大限にすることが望まれる。
【０００４】
従来の軍用及び民間用航空機のガスタービンエンジンは、タワーシャフト及び付属ギヤボックスを通る排気によって、高圧スプールから外部動力の抽出を行う。従来の航空機ガスタービンエンジンに必要な一般的な動力は、ピーク過渡負荷がおよそ５００馬力（ｈｐ）の場合、２００ｈｐ未満である。従来の航空機ガスタービンエンジンでは通常、別個の動力装置又は補助電力装置（ＡＰＵ）を使用して１メガワット（ＭＷ）以上の所要外部電力が満たされるであろう。電力負荷が極めて大きい場合、従来の船舶用及び工業用ガスタービンエンジンは、ガス発生器に更にタービン段を追加し、ガス発生器スプールから負荷を駆動する。他の従来のガスタービンエンジンは、ガス発生器の後ろに別個の出力タービンを追加して外部負荷を駆動する。
【０００５】
新型の航空機とその任務には、従来のガスタービンエンジンが従来の方法を用いて供給できるよりも大幅に大きい外部電力が供給される必要がある。新型の航空機では外部用途に１〜５ＭＷの範囲の電力が必要な場合もある。場合によっては、このような高い電力負荷には、エンジンの操作性を保ちつつこれらの負荷を支えるために、推進エンジンの設計に大幅な妥協が必要なことがある。ある航空機及び任務の用途では、外部負荷需要の大幅な変化に極めて迅速に反応する必要があるが、エンジンロータの慣性、及び追加動力を供給するために必要なスプール速度の変化により、従来の動力取り出し構造に順応することが困難である。高い動力を必要とするある外部システムは、推進システムからの動力供給における速度変化を最小限にする必要があり、又はそうすることが好ましい。従来の低圧スプールでは、エンジンスロットルの設定に伴いファン速度が大きく変化することがある。従来の高圧スプールは、そこからの外部動力需要が急激に変化すると所望の速度変化よりも大きい速度変化を生ずることがある。従って、外部使用のための低圧スプール又は高圧スプールからの高い動力を抽出することは、場合によっては望ましくないことがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、負荷需要の大幅な変化に迅速に反応する高い動力取り出し能力を提供できる動力抽出システムを有するガスタービンエンジンであることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の要求は、空気流を加圧するように構成された前部ファン段と、前部ファン段からの加圧空気流の第１の部分を加圧するように構成された翼端ファンを有し、加圧空気流の第２の部分によって駆動される後部ファン段と、後部ファン段から動力を供給するように構成された動力駆動システムとを有する動力抽出システムを備える例示的実施形態によって満たされる。
【０００８】
本発明の一態様では、後部ファン段は前部ファン段とは独立して回転する。
【０００９】
本発明の別の態様では、後部ファン段は加圧空気流からエネルギを抽出するように構成されたタービンエアフォイルと、空気流を加圧するように構成された翼端ファンブレードとを備えたエアタービンブレードを有する。
【００１０】
本発明の別の態様では、動力抽出システムは、後部ファン段によって駆動されるシャフトを有する動力駆動システムを備える。
【００１１】
例示的実施形態では、動力抽出システムは、後部ファン段によって駆動される発電機である。
【００１２】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結びの部分で具体的に挙げられ、明確に請求される。しかし、本発明は、添付図面と併せた以下の説明を参照することにより、最大限に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による動力抽出システムの例示的実施形態を有するガスタービンエンジンの一部の概略断面図である。
【図２】中間ファン段から動力を抽出するシステムの例示的実施形態を有する本発明による例示的ガスタービンエンジンの概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面全体を通して同一の参照番号は同一の要素を示す。図面を参照すると、図１は本発明の例示的実施形態を組み込んだ例示的ターボファンガスタービンエンジン１０を示す。例示的ガスタービンエンジン１０は、エンジンの中心軸１１と、周囲空気１の流入を受けるファン１２と、任意のブースタ又は低圧圧縮機（ＬＰＣ）（図１には図示せず）と、高圧圧縮機（ＨＰＣ）１８と、高圧タービン（ＨＰＴ）２２を通って下流に流れる燃焼ガスを発生するためにＨＰＣ１８によって加圧される空気と燃料とを混合する燃焼器２０と、燃焼ガスが吐出されてエンジン１０から排出される低圧タービン（ＬＰＴ）２４とを備える。ＨＰＴ２２はＨＰＴシャフト２３を介してＨＰＣ１８に結合され、実質的に高圧ロータ２９を形成する。低圧シャフト２５は、ＬＰＴ２４をファン１２（及び存在する場合は任意のブースタ）に連結して、実質的に低圧ロータ２８を形成する。第２のシャフト、すなわち低圧シャフト２５は高圧ロータ２９と同軸に、且つその径方向内側に回転自在に配置される。低圧ロータ２８及び高圧ロータ２９は空気力学的に結合されるが、機械的には結合されていないので独立して回転する。
【００１５】
コアを通って流れる空気を加圧するＨＰＣ１８は、縦の中心軸１１を中心として回転するロータ１９を有する。ＨＰＣシステムは、縦の中心軸１１の周囲の円周方向に配置された複数の入口案内翼（ＩＧＶ）３０と複数の静翼３１とを含む。ＨＰＣ１８は更に、ロータハブ３９から径方向外側に延在する対応する動翼４０、又は従来の態様の別個の円板、一体型ブリスク又は環状ドラムの形状の対応するロータを有する複数のロータ段１９を含む。高圧ロータ２９は、適当な軸受を使用する周知の支持方法を用いてエンジンの固定フレーム内に支持される。
【００１６】
周囲方向に離隔された複数の静翼３１を備える対応するステータ段が、各ロータ段１９と連動する。軸流高圧圧縮機１８の静翼と動翼の例示的構成を図１に示す。動翼４０と静翼３１とは、軸方向段内でコアの空気流８を連続的に加圧するための対応する空気力学的形状又は輪郭を有するエアフォイルを画定する。動翼４０は動翼の先端を囲む環状ケーシング３８内で回転する。動作時には、コア空気流８の圧力は空気が減速すると上昇し、ステータ及びロータのエアフォイルを通って拡散する。
【００１７】
図１は、空気流１を加圧する前部ファン段５２を備えたファンシステム５０を示す。加圧空気流２は前部ファン段５２から軸方向後方に流出する。中心軸１１と同軸の固定環状スプリッタ４６は前部ファン段５２から軸方向後方に位置する。図１に示すように、環状スプリッタ４６は、加圧空気流２を第１の部分３と第２の部分４とに分割する。
【００１８】
ファンシステム５０は、環状スプリッタ４６から軸方向後方に位置する後部ファン段６０（本明細書では中圧ファン段、すなわちＩＰＦＳとも呼ぶ）を有する。後部ファン段６０は後部ファンロータ６１を備え、後部ファンブレード６２の周囲方向列を有する。後部ファン段６０は中心軸１１を中心に回転するが、高圧圧縮機１８又は前部ファン段５２とは機械的に結合されない。後部ファン段６０はエンジン１０の動作中に前部ファン段５２及び高圧圧縮機１８の前部段に空気力学的に結合されるが、後部ファン段６０は低圧ロータ２８及び高圧ロータ２９とは機械的に独立して回転する。従って、後部ファン段６０は、その上流に位置する前部ファン段５２とは独立して回転する。
【００１９】
図１に示すように、後部ファン段６０は縦軸１１の周りの周囲方向に配置された後部ファンブレード６２の列を備える。各々の後部ファンブレード６２は径方向内側の部分６３と、外側の部分６４とを有する。後部ファン段ブレード６２の径方向内側部分６３は、内側部分６３に流入する加圧空気流７からエネルギを抽出できる空気タービンブレード８２として駆動されるように構成される。後部ファンブレード６２の内側部分６３を構成するには周知の空気タービンエアフォイルの形状を用いることができる。空気が内側部分６３を越えて流れると、空気は膨張して低圧で低温の空気の流出部分５７を形成し、後部ファン段６０を駆動するエネルギを後部ファンブレード６２に付与する。
【００２０】
図１に示すように、各後部ファンブレード６２は、外側部分６４と、内側部分６３及び外側部分６４の間のアーチ状シュラウド６５とを有する。後部ファンブレード６２の外側部分６４は、流入空気６を加圧できる翼端ファンブレード７２として構成される。アーチ状シュラウド６５は翼端ファンブレード７２を支持する。後部ファンブレード６２の外側部分６４は、流入空気６を加圧できるファンブレードの周知のエアフォイルの形状を有する。後部ファン段６０の組立て状態では、各ブレード６２のアーチ状シュラウド６５は、周囲方向で隣接するファンブレード６２のアーチ状シュラウドに当接して、環状プラットフォームと、翼端ファンブレード７２を備える翼端ファン７０とを形成する。一実施形態では、各後部ファンブレード６２はアーチ状シュラウド６５によって支持される１つの翼端ファンブレード７２を有する。代替実施形態では、各後部ファンブレード６２は、アーチ状シュラウド６５によって支持される複数の翼端ファンブレード７２（図２の項目１６５）を有しても良い。
【００２１】
図１に示すように、後部ファン段６０は、前部ファン段５２からの加圧空気流２の第１の部分３を加圧するように構成された翼端ファン７０を有する。翼端ファン７０は、空気タービンブレード８２として作用する後部ブレードの内側部分６３によって駆動される。翼端ファン７０を有する後部ファン段６０は、加圧空気流２の第２の部分４によって駆動される。後部ファンブレード６２の内側部分６３は、加圧空気流からエネルギを抽出できる空気タービンブレードとして動作するように構成され、一方、後部ファンブレード６２の外側部分６４は、空気流を加圧できる圧縮型エアフォイルとして構成される。内側部分６３は、加圧空気流からエネルギを抽出するように構成されたタービンエアフォイル８４を有する空気タービンブレード８２である。後部ファンブレード６２の外側部分６４は、本明細書では翼端ファンブレード７２とも呼ぶ。翼端ファンブレード７２は空気流６を加圧して、加圧された翼端流れ５６（図１を参照）を生成できる。
【００２２】
図１に示すように、ファンシステム５０は更に、後部ファン段６０の翼端ファン７０の軸方向前方に位置する入口案内翼（ＩＧＶ）７４の周囲方向列を備える。ＩＧＶ７４は、更なる加圧のために翼端ファン７０に適宜流入する流入空気流３の方向を転換できる周知のエアフォイル形状を有する。ＩＧＶ７４は内部ケーシング６８（図１を参照）及び／又はスプリッタ４６によって適宜支持される。後部ファン段６０の動作制御を強化するために、ファンシステム５０は、翼端ファン７０への空気流６を修正するように構成された可変ベーンを有する入口案内翼７４を有しても良い。翼端ファン７０に向けられる空気流６の量や方向は、公知のアクチュエータ７５を用いてＩＧＶ７４の一部を適宜動かしてジグザグ配置の取り付け角度を変更することによって、変更できる。
【００２３】
本明細書に記載のように、中圧ファン段（ＩＰＦＳ）６０、１６０（図１及び２を参照）は、別個のスプールであり、低圧タービン２４を備える低圧スプール、及び高圧タービン２２を備える高圧スプールから機械的に独立する。ＩＰＦＳ６０、１６０はその径方向外側の流路の翼端ファン７０、１７０と、径方向内側の流路内の空気駆動タービン段とを組み込む。ＩＰＦＳのスプールは、前部ファン段５２とＨＰＣ１８との間に位置する。前部ファン段５２からの空気２の一部はＩＰＦＳの翼端に供給され、そこで空気圧がＩＰＦＳによって高められ、次いでバイパス通路４２に送られる（図１を参照）。前部ファン段５２の内側部分４はＩＰＦＳ６０、１６０の内側部分にある空気駆動タービン段の空気タービンブレード８２、１８２に送られ、そこで膨張して翼端ファン７０、１７０及び例えば発電機２０５、２５５などの外部負荷を駆動する動力を提供する。外部負荷の需要条件が変化するとＩＰＦＳのスプール速度を制御するように修正できる可変ＩＧＶ７４、１７４が備えられる。
【００２４】
図１は、後部ファン段６０から動力を供給するように構成された動力駆動システム２１０に結合された後部ファン段６０を備えた動力抽出システム２００の例示的実施形態を示す。動力駆動システム２１０は、図示のように、ギヤ２０６、２０７を有するシャフト２０４を備える。図１に示す例示的実施形態では、後部ファン段６０は後部ファンロータ６１と共回転し、シャフト２０４上のギヤと噛み合ってシャフト２０４を駆動するギヤ２０８を有する。シャフト２０４の他端に位置するギヤ２０６はギヤボックス２０１内の他のギヤ２０３と噛み合い、動力出力シャフト２０２を駆動する。図１及び２に示す例示的実施形態では、動力出力シャフト２０２は、外部負荷を駆動する電力出力２０９を供給する発電機２０５を駆動する。例えば油圧ポンプを使用するなど、出力シャフト２０２からの動力を利用する他の適当な方法を利用できることは当業者には理解されよう。
【００２５】
エンジン１０の動作中、高い動力の抽出時にＩＰＦＳの翼端ファン７０からの空気流６（図１参照）は、ＩＧＶ７４を閉じてＩＰＦＳの翼端ファン７０から空気タービンブレード８２にかかる負荷を最小限にすることによって減少する。これによって後部ファン段６０からの動力の大部分が、例えば発電機２０５などの外部負荷に供給される。外部動力需要がより少ない場合は、翼端ファン７０のＩＧＶ７４が開かれて（空気流６が更に加圧されるため）翼端ファン７０からの空気流負荷が増大し、ＩＰＦＳのハブ空気タービンへの全負荷がほぼ一定に保たれ、且つＩＰＦＳロータ６１の回転速度がほぼ一定に保たれる。
【００２６】
ＩＰＦＳの翼端ファン７０の動作ラインを修正し、主前部ファン５２の排気流５とＩＰＦＳの翼端ファン７０の加圧排気流５６との圧力平衡を制御するために、後部可変領域バイパスインジェクタ（ＶＡＢＩ）９４を使用しても良い。そのために、当分野で公知である従来のＶＡＢＩを使用しても良い。前部バイパスブロッカドア４５及び前部ミキサ、すなわちＶＡＢＩ４８を使用して、ＩＰＦＳのスプール速度の付加的な制御、及び主ファンシステム５０の動作ラインの制御が行われる。そのために、当分野で公知である従来のミキサ又はＶＡＢＩを使用しても良い。公知の方法を用いた分析的なサイクル研究の結果、ガスタービンエンジンシステム１０には、推力に及ぼす影響が最小限で、しかもＩＰＦＳのスプール速度をほぼ一定に保ちつつ、所定のエンジンスロットル設定で広範囲の外部動力を供給する能力があることが判明している。動力抽出能力の大きさと範囲は、エンジンスロットルの設定に応じて変化する。後部ＶＡＢＩ９４を使用すれば、ＩＰＦＳのスプール及びファンシステム５０の動作ラインの制御を強化することが可能である。そのために、当分野で公知である従来のＶＡＢＩを使用しても良い。
【００２７】
図２は、空気流１を加圧するように構成された複数の前部ファン段１５２を有する多段ファン１１２を備えたガスタービンエンジン１１０の例示的実施形態を示す。図２に示す例示的エンジン１１０には３つの前部ファン段１５２を示すが、特定用途向けに適当な数の前部ファン段を選択できる。前部ファン段は、ファンに流入する空気流１を加圧して、加圧空気流２を生成する。前部ファン段は低圧タービン１２４と低圧タービンシャフト１２５とを有する低圧ロータ１２８によって駆動される。ガスタービンエンジン１１０は更に、高圧タービン１１２と高圧シャフト１２３とを有する高圧ロータ１２９によって駆動される圧縮機１１８を備える。ＨＰＣ１１８は、縦の中心軸１１を中心に回転し、コアを通って流れる空気８を加圧するロータ１９を有する。ＨＰＣシステムは、縦の中心軸１１の周囲方向に配置された複数の静翼を含む（例えば図１を参照）。ＨＰＣ１１８は更に、ロータハブ１３９から径方向外側に延在する対応する動翼１４０、又は従来の態様の別個の円板、一体型ブリスク又は環状ドラムの形状の対応するロータを有する複数のロータ段１１８を含む。高圧ロータ１２９は適当な軸受を使用する周知の支持方法を用いてエンジンの固定フレーム内に支持される。高圧タービン１２２及び低圧タービン１２４は、高温排気流９２として流出する、燃焼器１２０内で生成される燃焼ガスによって駆動される。
【００２８】
ガスタービンエンジン１１０の例示的実施形態は、軸方向の最後の前部ファン段１５２の軸方向後方に位置する環状スプリッタ１４６（図２を参照）を備える。スプリッタ１４６は、前部ファン段１５２から加圧空気流２を分岐させて加圧空気流２の第１の部分３と第２の部分４とを形成するように構成される。
【００２９】
ガスタービンエンジン１１０の例示的実施形態は、図２に示すように、スプリッタ１４６の軸方向後方で、圧縮機１１８の軸方向前方に位置する後部ファン段１６０を備える。図２に示すように、後部ファン段１６０は、前部ファン段１５２からの加圧空気流２の第１の部分３を加圧するように構成された翼端ファン１７０を有する。翼端ファン１７０は、空気タービンブレード１８２として作用する後部ブレードの内側部分１６３によって駆動される。後部ファン段１６０は、翼端ファン１７０と共に加圧空気流２の第２の部分４によって駆動される。後部ファンブレード１６２の内側部分１６３は、加圧空気流からエネルギを抽出できる空気タービンブレードとして動作するように構成され、一方、後部ファンブレード１６２の外側部分１６４は、空気流を加圧できる圧縮型エアフォイルとして構成される。内側部分１６３は加圧空気流からエネルギを抽出するように構成されたタービンエアフォイル１８４を有する空気タービンブレード１８２である。後部ファンブレード１６２の外側部分は、本明細書では翼端ファンブレード１７２とも呼ぶ。翼端ファンブレード１７２は空気流６を加圧して、加圧された翼端流れ５６（例えば図１を参照）を生成できる。後部ファン段１６０は、後部ファン段１６０を駆動する加圧空気流の圧力と温度を低減する。公知の空気タービンのエアフォイルの形状、材料及び製造方法を用いて、後部ファンブレード１６２の内側部分１６３を構成できる。空気が内側部分１６３を越えて流れると、空気は膨張して低圧で低温の空気の流出部分５７を形成し、後部ファン段１６０を駆動するエネルギを後部ファンブレード１６２に付与する。
【００３０】
図２に示す例示的ガスタービンエンジン１１０は更に、翼端ファンブレード１７２の軸方向前方に位置する入口案内翼（ＩＧＶ）１７４の周囲方向列を備える。公知のエアフォイルの形状、材料及び製造方法を用いて、ＩＧＶ１７４を構成できる。ＩＧＶ１７４は、図１に示した構成と同様に翼端ファン１７０に流入する空気の容積を制御する。翼端ファン１７０への空気流の制御を強化するために、入口案内翼１７４は、翼端ファン７０への空気流を調整するように構成された可変ベーンである。翼端ファン１７０に向けられる空気流の量と向きは、公知のアクチュエータ１７５を用いてＩＧＶ１７４の一部を適宜動かしてジグザグ配置の取り付け角度を変更することによって、変更できる。
【００３１】
本発明の一態様では、図２（及び図１）に示す例示的ガスタービンエンジン１１０は更に、内側バイパス流５６を流すように構成された環状の内側バイパス通路１４２と、外側バイパス流５を流すように構成された環状の外側バイパス通路１４４とを備える。外側のバイパス流５は外側のバイパス通路１４４を通過し、翼端ファン１７０によって加圧されない。内側バイパス流６（図１を参照）は翼端ファン１７０によって加圧され、加圧された翼端の流れ５６として流出する。後部ファン段１６０の下流側に位置する前部ミキサ１４８は、より高圧の内側バイパス流５６とより低圧の外側バイパス流５との混合を強化して混合バイパス流９を形成し、静圧の平衡を図るために備えられる。ミキサ１４８には、公知のミキサ（当分野では可変領域バイパスインジェクタ、すなわちＶＡＢＩとしても知られる）を使用できる。外側のバイパス通路１４４の前部領域の近傍に位置する公知のブロッカドア１４５を用いることによって、外側のバイパス通路１４４への逆流を防止できる。エンジンの動作中、可変ＩＧＶ１４４が開かれるとブロッカドアが閉鎖方向に動作して、翼端ファン１７０による更なる加圧を生じさせる。ガスタービンエンジン１１０は更に、低圧タービン２４からの高温排気９２と相対的に低温のバイパス空気流９１との混合を強化するように構成された、低圧タービン２４の下流に位置する後部ミキサ９４（当分野では可変面積バイパスインジェクタ、すなわちＶＡＢＩとしても知られる）を備える。この目的のために公知のミキサ（ＶＡＢＩ）を使用できる。エンジンの動作中、前部ファン段１５２と後部ファン段１６０の操作性は、必要に応じて、公知の方法を用いて可変ＩＧＶ１４４、ブロッカドア１４５、前部ミキサ１４８及び後部ＶＡＢＩ１９４の動作スケジュールを適当に設定することによって制御できる。
【００３２】
図１及び２に示すように、後部ファン段６０、１６０（本明細書では中圧ファン段、すなわちＩＰＦＳとも呼ぶ）は、当分野で知られるコアスプールに結合されたコア駆動ファン段とは異なり、翼端ファン７０、１７０を組み込んだ別個の、独立して回転するスプールである。更に、本明細書に記載のように、ＩＰＦＳはその外側部分に翼端ファンブレード７２、１７２を、又、内側部分に空気タービンブレード８２、１８２を有する。ＩＰＦＳスプールは前部ファン５２、１５２とＨＰＣ１８、１１８との間に配置され、それによりファン空気の一部がＩＰＦＳの翼端に送られ、そこでＩＰＦＳの翼端ファンブレード７２、１７２によって空気圧が更に上昇し、次いで内側バイパス通路４２、１４２に送られる。前部ファン流２の内側部分４は、ＩＰＦＳの内側部分内のタービンブレード８２、１８２に送られ、そこで空気流は膨張してファンの翼端を駆動する動力を供給する。タービンの出口からの流れはＨＰＣ１８、１１８の入口に送られる。ＩＰＦＳタービンブレード８２、１８２によるエネルギの抽出は、ＨＰＣ１８、１１８に流れる空気のブースト圧及び温度を前部ファンの出口５２、１５２での圧力及び温度未満に低減する。前部ファン５２、１５２とＩＰＦＳの翼端ファン７０、１７０の圧力比を適切に選択することによって、高圧圧縮機１８、１１８への流入状態を本来の（基本ライン）エンジン設計状態に適応させることができ、派生型エンジンによるコア流れ能力を最大限にすることができる。同時に、前部ファン５２、１５２及びＩＰＦＳ６０、１６０は、バイパス流９の所望のより高いバイパス空気圧をもたらす。
【００３３】
サイクル研究の結果、同サイズのファンの空気流で混合型ターボファンの派生型よりも既存のコアの潜在推力を最大２０％増大させることが可能であることが判明した。ＨＰＣへの温度レベルはオリジナルのハードウエア設計に容易に適合させることができ、オリジナルのコアの機械的な設計上の限度内で修正された流れ容量を最大限利用することが可能である。当業者であれば、ＩＰＦＳの必要な搭載構造、及びファン翼端やタービンハブの空気力学的設計の特性を確立するために、公知の方法を用いて流路構成の研究を行うことができることは理解されよう。図２に示す例示的実施形態では、ＩＰＦＳは好ましくはファンのフレーム構造内に実装されるので、追加のスプールを取り付けるための追加の主エンジンフレームは必要ない。
【００３４】
図２は、後部ファン段１６０から動力を供給するように構成された動力駆動システム２６０に結合された後部ファン段１６０を備えた動力抽出システム２５０を有する例示的ガスタービンエンジンを示す。動力駆動システム２６０は、図示のようにギヤ２５６、２５７を有するシャフト２５４を備える。図２に示す例示的実施形態では、後部ファン段１６０は後部ファンロータ１６１と共回転し、シャフト２５４上のギヤと噛み合ってシャフト２５４を駆動するギヤ２５８を有する。シャフト２５４の他端に位置するギヤ２５６はギヤボックス２５１内の他のギヤ２５３と噛み合い、動力出力シャフト２５２を駆動する。図２に示す例示的実施形態では、動力出力シャフト２５２は、外部負荷を駆動する動力出力２５９を供給する発電機２５５を駆動する。例えば油圧ポンプを使用するなど、出力シャフト２５２からの動力を利用する他の適当な方法を利用できることは当業者には理解されよう。
【００３５】
エンジン１１０の動作中、高い動力の抽出時にＩＰＦＳの翼端ファン１７０からの空気流６（図２参照）は、ＩＧＶ１７４を閉じてＩＰＦＳの翼端ファン１７０から空気タービンブレード１８２にかかる負荷を最小限にすることによって減少する。これによって後部ファン段１６０からの動力の大部分が、例えば発電機２５５などの外部負荷に供給される。外部動力需要がより少ない場合は、翼端ファン１７０のＩＧＶ１７４が開かれて（空気流６が更に加圧されるため）翼端ファン１７０からの空気流負荷が増大し、ＩＰＦＳのハブ空気タービンへの全負荷がほぼ一定に保たれ、且つＩＰＦＳロータ１６１の回転速度がほぼ一定に保たれる。
【００３６】
ＩＰＦＳの翼端ファン１７０の動作ラインを修正し、主前部ファン１５２の排気流５とＩＰＦＳの翼端ファン１７０の加圧排気流５６との圧力平衡を制御するために、更に後部可変領域バイパスインジェクタ（ＶＡＢＩ）１９４を使用しても良い。そのために、当分野で公知である従来のＶＡＢＩを使用しても良い。前部バイパスブロッカドア１４５及び前部ミキサ、すなわちＶＡＢＩ１４８を使用して、ＩＰＦＳのスプール速度の付加的な制御、及び主ファンシステム１５０の動作ラインの制御が行われる。そのために、当分野で公知である従来のミキサ又はＶＡＢＩを使用しても良い。公知の方法を用いた分析的なサイクル研究の結果、ガスタービンエンジンシステム１１０には、推力に及ぼす影響が最小限で、しかもＩＰＦＳのスプール速度をほぼ一定に保ちつつ、所定のエンジンスロットル設定で広範囲の外部動力を供給する能力があることが判明している。動力抽出能力の大きさと範囲は、エンジンスロットルの設定に応じて変化する。後部ＶＡＢＩ９４を使用すれば、ＩＰＦＳのスプール及びファンシステム１５０の動作ラインの制御を強化することが可能である。そのために、当分野で公知である従来のＶＡＢＩを使用しても良い。
【００３７】
図１及び２を参照すると、ガスタービンエンジン１０、１１０からの動力抽出の例示的方法は以下のステップを含む。ファンシステム５０、１５０に流入する空気流１は前部ファン段５２、１５２内で加圧され、前部ファン段から流出する加圧空気流２を生成する。加圧空気流２は、適当な手段を用いて、例えば環状スプリッタ４６、１４６を用いて第１の部分３と第２の部分４に分岐される。次いで加圧空気流２の第１の部分３は、後部ファン段６０の翼端ファン７０の方向に向けられる。加圧空気流２の一部は外側のバイパス通路４４、１４４を通って流れ、外側のバイパス流５を生成する。後部ファン段６０は前部ファン段５２とは独立して回転する。加圧空気流２の第２の部分４は、後部ファン段６０が加圧空気流によって駆動されるように後部ファン段６０の空気タービンブレード８２の周囲方向列の方向に向けられる。この時点で、後部ファン段６０の内側部分６３、１６３に流入するより高圧の流入空気７は膨張して、より低圧の流出空気流５７になる。この膨張中に、後部段６０、１６０の内側部分６３、１６３内の膨張した空気流の温度は低下する。従って、圧縮機１８、１１８に流入するコア流８の温度と圧力は低下する。
【００３８】
動力を抽出する例示的方法は、外部負荷２０５を駆動するために後部ファン段６０、１６０によって生成された動力の一部を抽出するステップを含む。動力駆動システム２１０、２６０は、図１及び２に示すように、後部ファン段６０、１６０を利用して外部負荷２０５を駆動するために使用される。本明細書に記載の例示的方法は、後部ファン段６０、１６０を利用して動力取り出しシャフト２０４、２５４を駆動するステップを含む。ある用途では、方法は更に外部負荷に結合された動力出力シャフト２０２を駆動するステップを含む。例えば図１及び２に図示したように、動力出力シャフト２０２の駆動はギヤボックス２０１、２５１内の１組のギヤ２０３、２０６を使用して行われる。方法の一例示的実施形態では、外部負荷２０５、２５５は電力出力２０９、２５９を供給する発電機である。別の例示的実施形態では、外部負荷は油圧ポンプ、又は後部ファン段６０、１６０から抽出された動力を利用するその他の適当な方法でも良い。
【００３９】
例示的方法は更に、翼端ファン７０、１７０に流入する空気流６を加圧して、加圧された翼端流れ５６を生成するステップを含む（図１及び２を参照）。翼端ファン７０に流入する空気流６は、入口案内翼７４、１７４で調整される。具体的には、翼端ファン７０、１７０を通って流れる空気の量は、入口案内翼７４、１７４によって別々に制御される。より具体的には、ファンの圧力比、エンジン１０、１１０の推力及び性能要件、及び外部動力の需要に基づいて翼端ファン７０、１７０を通って流れる空気流の量を選択的に制御するように、入口案内翼７４、１７４のジグザグ配置が変更される。実質的にゼロである空気流と最大排出空気流との空気６の調整は、入口案内翼７４、１７４のジグザグ配置を変更することによって必要に応じて行われる。例えば、外部動力の需要が高い状態の間は（項目２０９、２５９を参照）、入口案内翼７４、１７４は実質的に閉じられた翼端ファン７０、１７０に流入する空気量を制限し、ブロッカドア４５、１４５を開く。動力需要が低い状態の間は、入口案内翼７４、１７４はより多くの空気流が翼端ファン７０、１７０に流入できるように開かれ、後部ファンロータ６１、１６１からの動力を利用して翼端ファン流れ６を加圧し、加圧空気流５６を生成する。前述のようにＩＧＶ７４、１７４を使用することによって、後部ファン段６０、１６０はほぼ一定の回転速度で動作する。このことは、発電機を駆動する際に特に有利であることが当業者には理解されよう。更に、高圧スプール及び低圧スプール又は高い慣性を有するコア駆動ファンを使用する従来の動力抽出方法とは異なり、独立して回転する後部ファン段６０、１６０を使用すると慣性は比較的低く、外部動力の需要２０９、２５９の急激な変化により迅速に反応する。例示的実施形態では、入口案内翼７４、１７４は公知のアクチュエータ７５、１７５によって機械的に作動し、公知の主エンジン制御システム（図示せず）によって動作する。代替実施形態では、入口案内翼７４、１７４はいずれかの適当な機構によって動作する。更に、例示的方法は、外側の環状バイパス通路４４、１４４内の外側のバイパス流５を、内側バイパス通路４２、１４２内の翼端ファン７０、１７０からの翼端流れ５６と混合して、混合バイパス流れ９を生成するステップを含む。外側のバイパス通路４４、１４４の近傍に位置するブロッカドア４５、１４５は、これを部分的に閉じた位置とほぼ完全に開いた位置との間で調整して外側のバイパス通路１４４への逆流を防止するように動作する。本明細書に示した例示的実施形態では、公知の主エンジン制御システム（図示せず）によって作動する機械的アクチュエータを使用する。本明細書に記載の方法は任意に、外側のバイパス流５と翼端流れ５６との混合を制御し、適切な静圧平衡を達成するために、公知の種類の前部ミキサ４８、１４８を動作させるステップを含む。更に、方法は、前部ファン段１５２と後部ファン段１６０の動作特性、及びエンジン１０、１１０の性能を制御するために公知の種類の後部ミキサ９４、１９４を動作させるステップを含む。前部ミキサ４８、１４８、後部ミキサ９４、１９４、ブロッカドア４５、１４５及び入口案内翼７４、１７４は、エンジン１０、１１０の動作特性と性能、並びに外部動力需要２０９、２５９を最適なものにするために、エンジン制御システム（図示せず）を使用して制御された方法で動作する。
【００４０】
本明細書は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、更に当業者が本発明を製作且つ使用できるようにする。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到するその他の実施例を含む。このようなその他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又はそれらが特許請求の範囲の文言と本質的でない相違を有する同等な構造的要素を含む場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することを意図している。
【図１】
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【図２】
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