(57)【要約】コンバーチブルファンシステムを有するガスタービンエンジン（５７６）が開示されており、低圧タービン（５８３）に連結された前段ファンロータ（５０６）及び後方ファンロータ（５４２）と、高圧タービン（５８１）に連結された圧縮機（５７９）を有するコア（５７８）と、環状内側バイパス通路（５７１）及び環状外側バイパス通路（５７２）とを備えたファンシステム（５０１）を有している。後方ファンロータ（５４２）は、内側流路（５７３）及び外側流路（５７４）の一部を形成する弓形スプリッタ（５４７）を有する後方ファンブレード（５４４）の列を有しており、後方ファンブレード（５４４）が内側流（５６３）及び外側流（５６４）を加圧し、前段ファンロータ（５０６）への空気流をほぼ一定に保ちながらファン先端圧力比を変化させることができる。コンバーチブルファンシステムを有するガスタービンエンジン（５７６）の運転方法も開示されている。  【選択図】図２
2013506081.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハブ（１４５）から半径方向に延在し、長手方向軸（１１）の周囲に円周方向に配設された複数のファンブレード（１４４）であって、各々のブレードが前記ハブから半径方向外側に配置荒れた弓形スプリッタ（１４７）を有しており、前記弓形スプリッタは内側流路（１７３）及び外側流路（１７４）の一部を形成し、前記ファンブレード（１４４）の内側部分（１４６）は前記内側流路（１７３）内の内側流（１６３）を加圧し、前記ファンブレード（１４４）の外側部分（１４８）は前記外側流路（１７３）内の外側流（１６４）を加圧する前記複数のファンブレードを有するコンバーチブルファンロータ（１４２と、
前記コンバーチブルファンロータ（１４２）から軸方向前方に配置されたベーンシステム（１５０）であって、前記内側流路（１７３）及び前記外側流路（１７４）の流量を変化させることができるように構成されて、前記ファンシステム（１４０）の圧力比を変化させることができるようになっている前記ベーンシステム（１５０）とを備える、
コンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項２】
前記コンバーチブルファンロータ（１４２）に連結され、そこから軸方向前方に配置された前方ファン段（１０２）を更に備える、請求項１に記載のコンバーチブルファンシステム１４０。
【請求項３】
前記コンバーチブルファンロータ（１４２）から軸方向前方に配置されたスプリッタ（１５１）を更に備えており、前記コンバーチブルファンロータ（１４２）への流れストリーム（１６０）が分岐して前記内側流路（１７３）内の前記内側流（１６３）及び前記外側流路（１７４）内の前記外側流（１６４）を形成する、請求項１に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項４】
前記ベーンシステム（１５０）が前記スプリッタ（１５１）から半径方向外側に配置された外側ベーン（１５４）を備える、請求項３に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項５】
前記外側ベーン（１５４）の一部がアクチュエータ（１５５）によって動かせる、請求項４に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項６】
前記ベーンシステム（１５０）が前記スプリッタ（１５１）から半径方向内側に配置された内側ベーン（１５２）を備える、請求項３に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項７】
前記内側ベーン（１５２）の一部がアクチュエータ（１５３）によって動かせる、請求項６に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項８】
前記コンバーチブルファンロータ（１４２）の下流に配置された出口案内翼（１５７）を更に備える、請求項３に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項９】
前記ファンブレード（１４４）の前記内側部分（１４６）によって加圧された前記内側流（１６３）の一部分がコア流（５）を形成する、請求項３に記載のコンバーチブルファンシステム１４０。
【請求項１０】
コアバイパス流（１５９）を制御するように構成されたバイパスドア（１５８）を更に備える、請求項３に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項１１】
外側バイパス通路（１７２）及び内側バイパス通路（１７１）を更に備える、請求項２に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項１２】
前記外側バイパス通路（１７２）における逆流を防止するように構成されたブロッカドア（１５６）を更に備える、請求項１１に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項１３】
前記前方ファン段（１０３）が、複数のファンブレード（１２２）から半径方向外側に配置され、前記ファンブレード（１２２）と共に回転して外側流路（１１７）内の外側流ストリーム（３）を加圧するように構成された複数の外側ファンブレード（１３２）を有する外側ファンシステム（１３０）を備える、請求項２に記載のコンバーチブルファンシステム（１４０）。
【請求項１４】
前段ファンロータ（５０６）と、前記前段ファンロータ（５０６）から軸方向後方に配置された後方ファンロータ（５４２）とを有するファンシステム（５０１）と、
高圧タービン（５８１）に連結された圧縮機（５７９）を備えるコア（５７８）と、
前記後方ファンロータ（５４２）に連結された低圧タービン（５８３）と、
前記ファンシステム（５０１）からの内側バイパス流（５６１）を流すように構成された、エンジン軸（１１）の周囲の環状内側バイパス通路（５７１）と、
前記ファンシステム（５０１）からの外側バイパス流（５６２）を流すように構成された、前記エンジン軸（１１）の周囲の環状外側バイパス通路（５７２）とを備えており、
前記後方ファンロータ（５４２）は、前記エンジン軸（１１）の周囲に円周方向に配設された後方ファンブレード（５４４）の列と、内側流路（５７３）及び外側流路（５７４）の一部を形成する弓形スプリッタ（５４７）とを有し、前記後方ファンブレード（５４４）の内側部分（５４６）はハブ圧力比を得るように前記内側流路（５７３）内の内側流（５６３）を加圧し、前記後方ファンブレード（５４４）の外側部分（５４８）は先端圧力比を得るように前記外側流路（５７４）内の外側流（５６４）を加圧し、前記前段ファンロータ（５０６）への空気流をほぼ一定に保ちながら前記先端圧力比及びハブ圧力比を変化させることができる、
ガスタービンエンジン（５７６）。
【請求項１５】
前記後方ファンロータ（５４２）から軸方向前方に配置されたベーンシステム（５５０）であって、前記内側流路（５７３）及び前記外側流路（５７４）の流量を変化させることができるように構成されて、前記ファンシステム（５０１）の圧力比を変化させることができるようになっているベーンシステム（１５０）を更に備える、請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１６】
後方ファンロータ（５４２）によって加圧された前記外側流（５６４）が前記内側バイパス通路（５７１）に流れ込む、請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
前記ファンブレード（５４４）の前記内側部分（５４６）によって加圧された前記内側流（５６３）の少なくとも一部分が前記圧縮機（５７９）へのコア流（５）を形成する、請求項１４に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
エンジン軸（１１）の周囲に円周方向に配設され、空気（２）の流入を受け入れるように構成されたファンブレード（５１８）の円周方向列を有する前段ファンロータ（５０６）と、
前記前段ファンロータ（５０６）から半径方向外側に配置され、前記ファンブレード（５１８と共に回転して外側流路（５１７）内の外側流ストリーム（３）を加圧するように構成された、外側ファンブレード（５３２）の円周方向列を有する外側ファンシステム（５３０）と、
前記前段ファンロータ（５０６）から軸方向後方に配置され、前記エンジン軸（１１）の周囲に円周方向に配設された後方ファンブレード（５４４）の列を有する後方ファンロータ（５４２）と、
高圧タービン（５８１）に連結された圧縮機（５７９）を備えるコア（５７８）と、
前記後方ファンロータ（５４２）に連結された低圧タービン（５８３）と、
前記ファンシステム（５０１）からの内側バイパス流（５６１）を流すように構成された、前記エンジン軸（１１）の周囲の環状内側バイパス通路（５７１）と、
前記ファンシステム（５０１）からの外側バイパス流（５６２）を流すように構成された、前記エンジン軸（１１）の周囲の環状外側バイパス通路（５７２）とを備えており、
前記後方ファンロータ（５４２）は、内側流路（５７３）及び外側流路（５７４）の一部を形成する弓形スプリッタ（５４７）を有し、前記後方ファンブレード（５４４）の内側部分（５４６）はハブ圧力比を得るように前記内側流路（５７３）内の内側流（５６３）を加圧し、前記後方ファンブレード（５４４）の外側部分（５４８）は先端圧力比を得るように前記外側流路（５７４）内の外側流（５６４）を加圧し、前記前段ファンロータ（５０６）への空気流をほぼ一定に保ちながら前記先端圧力比及びハブ圧力比を変化させることができる、
ガスタービンエンジン（５７６）。
【請求項１９】
第１運転出力レベルを選択するステップと、
最大運転出力レベルに対応して選択されたファン流量「Ｗ１」（７０１）、ファン速度「Ｓ１」（７０３）、及び前方ファン段（５０２）の圧力比「Ｐ１」（７０５）で空気流２を前方ファン段（５０２）に案内するステップと、
前記前方ファン段（５０２）から軸方向後方に配置された後方ファンロータ（５４２）において前記前方ファン段（５０２）からの流れの一部分（５６４）を、第１先端圧力比「Ｐ３」（７３５）まで加圧して第１全ファン圧力比「Ａ」を生じさせると共に、内側バイパス通路（５７１）に吐出するステップと、
前記前方ファン段（５０２）からの流れの一部分（５６５）を圧縮機（５７９）に案内すると共に、前記圧縮機（５７９）を用いてコア流（５）を加圧するステップと、
前記第１運転出力レベルよりも低い第２運転出力レベルを選択するステップと、
前記後方ファンロータ（５４２）における流量を減少させると共に、前記前方ファン段（５０２）の前記流量「Ｗ１」をほぼ一定に保ちながら第２先端圧力比「Ｐ４」（７３７）に加圧して前記第１全ファン圧力比「Ａ」よりも実質的に低い第２全圧力比「Ｂ」を生じさせるステップとを備える、
ガスタービンエンジン（５７６）の運転方法。
【請求項２０】
前記前方ファン段（５０２）からの流れの一部分（５６２）が外側バイパス通路（５７２）に流れ込むように少なくとも部分的にブロッカドア（５５６）を開くステップを更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記後方ファンロータ（５４２）の内側部分（５４６）において前記前方ファン段（５０２からの流れの一部分（５６３）を前記第１運転出力レベルの第１ハブ圧力比Ｐ６まで加圧するステップを更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２２】
バイパスドア（５５８）を開いてコアバイパス流（５５９）を形成することによって前記コア流（５）を制御するステップを更に備える、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前方ファン段ロータ（５０６）上に配置された外側ファン（５３２）を用いて外側流路（５１７）内の外側流ストリーム（３）を加圧するステップを更に備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
第１運転出力レベルを選択するステップと、
最大運転出力レベルに対応して選択されたファン流量「Ｗ１」（７０１）、ファン速度「Ｓ１」（７０３）、及び前方ファン段（５０２）の圧力比「Ｐ１」（７０５）で空気流２を前方ファン段（５０２）に案内するステップと、
前記前方ファン段（５０２）から軸方向後方に配置された後方ファンロータ（５４２）において前記前方ファン段（５０２）からの流れの一部分５６４を、第１先端圧力比「Ｐ３」（７３５）まで加圧して第１全ファン圧力比「Ａ」を生じさせると共に、内側バイパス通路（５７１）に吐出するステップと、
前記後方ファンロータ（５４２）の内側部分（５４６）において前記前方ファン段（５０２）からの流れの一部分（５６３）を第１ハブ圧力比「Ｐ６」（７４９）まで加圧すると共に、コア流５を更に加圧する圧縮機（５７９）に流すステップと、
前記後方ファンロータ（５４２）の前記外側部分（５４８）における流量を減少させ、それによって前記前方ファン段（５０２）の圧力比をまず「Ｐ１」よりも高いレベルまで増加させることによって、前記第１運転出力レベルから前記第１運転出力レベルよりも低い第２運転出力レベルに移行するステップと、
前記前方ファン段（５０２）からの流れ（５６２）の一部分が外側バイパス通路（５７２）に流れ込むようにブロッカドア（５５６）を開くことによって、前方ファン段（５０２の圧力比を「Ｐ１」よりも低いレベル「Ｐ２」まで減少させて、前方ファン段（５０２）における流量をほぼ一定に保ちながら前記第２運転出力レベルでのエンジンの燃料消費率を減少させるステップとを備える、
ガスタービンエンジン（５７６）の運転方法。
【請求項２５】
前記移行中に前記後方ファンロータ（５４２）の前記内側部分（５４６）における流量を増加させるステップを更に備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記コア流（５）が前記第２運転出力レベルでの前記圧縮機（５７９）の能力に適合するように、前記移行後に前記後方ファンロータ（５４２）の前記内側部分における流量及び圧力比を減少させるステップを更に備える、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してジェット推進エンジンに関し、より詳細には、可変流動条件及び圧力比の下で作動することができるコンバーチブルファンシステムを有する汎用エンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
現行の多くの航空機及び将来型のほとんどの航空機は、多様な飛行条件において、且つ様々なミッションに対する多種多様な推力設定にわたって効果的に実装された推進システム実行能力を必要とする。現行のターボファンエンジンはこの種のミッション適応性能を提供する能力に限界があるが、これは大部分において、高レベルのファン流量を維持しながらファン圧力比を効率的に減少させる柔軟性に限界がある既存のファンシステムの基本的な作動特性によるものである。従来技術において、現行のターボファンエンジンは、エンジンが部分出力運転中に減速するとき、可変スロート排気ノズルシステムに加えてファンロータ速度減少を利用してファン圧力比及び空気流の両方を減少させることもある。この運転柔軟性の欠如によって、部分出力未実装燃料消費率レベルを完全に最適化する可能性が制限される。更に、現行のファンシステムの限界によって、部分出力実装燃料消費率レベルの大幅な増加を引き起こすスピレージ及びノズルクロージャ抗力損失の大幅な改善が著しく制限される。
【０００３】
将来型のミックストミッション・モーフィング航空機並びに高い値の離陸推力／離陸総重量、即ち０．８〜１．２カテゴリの推力荷重を有するより従来型のミックストミッション高性能軍用システムは、推進システムに対する多くの課題に直面している。それらは、多様な飛行速度及び高度において、また特に低出力設定時において、効率的な推進運転を必要とするが、従来型のエンジンは、このような低出力設定時において、非実装性能に関してもまた亜音速及び超音速入口に関連したスピレージ抗力損失の影響を含む完全実装性能では一層大きな程度に関しても非効率的な設計外条件で運転される。
【０００４】
ミックストミッション用途のための従来型のエンジンサイクル及び構成を決定する場合に、適度な寸法のエンジンが亜音速及び超音速飛行条件の両方において効率的に運転されるのを可能にするためには、ファン圧力比、バイパス比、及び総圧力比の選択において妥協しなければならない。特に、戦闘操縦及び超音速作動に必要な推力を発生することができる適度な寸法のエンジンを得るのに必要なファン圧力比及び関連のバイパス比の選択は、効率的な低出力亜音速飛行には最適ではない。基本的な非実装亜音速エンジン性能は悪化し、完全実装性能は、低出力設定において発生する入口／エンジン流量不整合のために更に劣化する。
【０００５】
従来技術において、コンバーチブルエンジンに用いられるコア概念は、複雑な配管及び弁を必要とする多重コアを有し、極めて複雑である。エンジンの現行の従来型ブレードコアは、コア流量が減少すると、一定又はほぼ一定の作動圧力比を維持することができない。現行の従来型ブレードファンロータは、高レベルのファン流量を維持しながらファン圧力比を効率的に減少させる柔軟性がない。この運転柔軟性の欠如によって、部分出力未実装燃料消費率レベルを完全に最適化する可能性が制限される。これにより、周知の可変バイパスコンバーチブルエンジン概念によって提供される潜在的な燃料消費率（ＳＦＣ）効果が著しく制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第１８９５１４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、例えば、巡航運転時に推力を低下させて航空機抗力に対抗する場合などの部分出力エンジン運転中に、一定又はほぼ一定の総入口流量を維持しながら推力有効全ファン圧力比を効率的に減少させることができるコンバーチブルファンシステムを有するエンジンを備えることが望ましいであろう。また、様々な飛行様式にわたってＳＦＣ効果を提供しながら可変流量及び圧力比設定条件の下でコンバーチブルファンを作動させる方法を有することが望ましいであろう。更にまた、様々な推力設定においてコンバーチブルファンエンジン及び低ＳＦＣの利点を組み合わせた適応型コアを有するコンバーチブルファンエンジンを備えることが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の要求は、ガスタービンエンジンを提供する本明細書に開示した実施例によって満たすことができ、ガスタービンエンジンは、低圧タービンに連結された前段ファンロータ及び後方ファンロータと、高圧タービンに連結された圧縮機を有するコアと、環状内側バイパス通路及び環状外側バイパス通路とを備えたファンシステムを有する。後方ファンロータは、内側流路及び外側流路の一部を形成する弓形スプリッタを有する後方ファンブレードの列を有しており、後方ファンブレードが内側流及び外側流を加圧し、前段ファンロータへの空気流をほぼ一定に保ちながらファン先端圧力比を変化させることができる。
【０００９】
本発明の一態様では、ガスタービンエンジンは、外側バイパス通路及び内側バイパス通路を有するコンバーチブルファンシステムを有する。本発明の別の態様では、ガスタービンエンジンは、コアバイパス流を制御するように構成されたバイパスドアを有する。本発明の別の態様では、ガスタービンエンジンは、外側バイパス通路における逆流を防止するように構成されたブロッカドアを有する。本発明の別の態様では、ガスタービンエンジンは、内側バイパス流及び外側バイパス流の混合を強化するように構成された前方ミキサを有する。本発明の別の態様では、ガスタービンエンジンは、前段ファンロータから半径方向外側に配置され、ファンブレードと共に回転して外側流路内の外側流ストリームを加圧するように構成された外側ファンブレードの円周方向列を有する外側ファンシステムを有する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
本発明と見なされる主題は、本明細書の結びの部分の特許請求の範囲において具体的に指摘され明確に請求されている。しかしながら、本発明は、添付図面に関連してなされる以下の説明を参照することによって最も良く理解することができるであろう。
【図１】本発明の実施例に従った汎用ガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】本発明の実施例に従ったコンバーチブルファンシステムの概略断面図である。
【図３】本発明の別の実施例に従ったコンバーチブルファンシステムの概略断面図である。
【図４】本発明の別の実施例に従ったコンバーチブルファンシステムの概略断面図である。
【図５】本発明の別の実施例に従った汎用ガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図６】図２，５及び９に示すコンバーチブルファンシステムの前ブロックのファン作動特性の一例である。
【図７】図２，５及び９に示すコンバーチブルファンシステムの後方ファンの外側部分のファン作動特性の一例である。
【図８】図２，５及び９に示すコンバーチブルファンシステムの後方ファンの内側部分のファン作動特性の一例である。
【図９】本発明の別の実施例に従った適応型コアを有する例示的な汎用ガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図１０】図９の示す例示的な汎用ガスタービンエンジンの圧縮機の作動特性の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
様々な図を通して同じ参照番号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１は、本発明の実施例に従った適応型汎用ガスタービンエンジン１０の概略断面図である。ガスタービンエンジン１０は、ファン１４と、高圧タービン（ＨＰＴ）１６の軸２４によって駆動される圧縮機１３を含むコア１２とを有する。ファン１４は、長手方向軸１１を有するコンバーチブルファンシステム４０を備え、低圧タービン（ＬＰＴ）１８の軸２８によって駆動される。ＨＰＴ１６及びＬＰＴ２８は、燃焼器１５からの高温燃焼ガスによって駆動される。一部の応用例では、エンジン１０は、外側流ストリーム３を受け入れる外側流路４と、本明細書において後述するような外側ファンシステムとを任意選択で有してもよい。入口空気流ストリーム１は、エンジン１０の前部に入る。ファン流ストリーム２は、ファン１４によって加圧され、１つ以上のバイパス流ストリーム６とコア流ストリーム５に分かれる。１つ以上のバイパス流ストリーム６は、エンジンのコア１２をバイパスし、排気システム２２に入る。コア流ストリーム５は、エンジンのコア１２に入り、燃焼器１５に入る前に圧縮機１３によって更に圧縮される。コアバイパス流とＬＰＴからの排気は混合されて内側排気ストリーム９を形成し、これが主エンジン排気流ストリーム２３を形成する可変スロート領域排気システム２２内で更に膨張する。
【００１２】
図１〜５及び９に示し、様々な実施例で本明細書において説明するように、エンジン１０は、例えば、図１における項目４０のようなコンバーチブルファンシステムを備えており、これはエンジン中心線軸１１と同軸であり、支柱３５のような周知の枠組構造によって支持されたコンバーチブルファンケーシング３３の内部に配置される。図１に示すコンバーチブルファンシステム４０は、複数のコンバーチブルファンブレード３４と、一組以上の可変ベーン３８，３９とを備えて、後述するように空気量及び圧力比を制御する。図１に示す実施例では、コンバーチブルファンロータは、ＬＰＴ軸２８に連結されたコンバーチブルファン軸３６によって駆動される。
【００１３】
外側流路４が存在する場合、外側流ストリーム４は、外側ファンシステムによって更に加圧され、外側排気ストリーム８を形成する。外側ファンは、本明細書において代替的に「Ｆａｎ  ｔｉｐ  ｏｎ  ＢＬＡＤＥ（ブレード上のファン先端）」の頭字語である用語「ＦＬＡＤＥ（フレード）（登録商標）」で呼ばれる。本明細書で用いられる用語フレード（登録商標）は、半径方向内側ファンに連結された外側ファンを特徴とする。フレード（登録商標）は、内側ファンダクトとほぼ共環状であってこれを囲む外側ファンにフレード（登録商標）空気ストリーム８を吐出する。本明細書に開示した本発明の一部の実施例では、熱交換器システム６８（例えば、図１参照）が設けられており、この熱交換器システムは空気ストリーム８を用いてエンジン冷却空気を冷却することができる。一部の実施形態では、熱交換器システム６８は、航空機システムの廃熱エネルギーを収集及び回収するために使用することもできる。更に、本明細書に開示した本発明の実施例では、可変スロート領域６９（例えば、図１参照）がエンジン排気システム２２内に設けられており、主排気ノズルスロート領域は、例えば、エンジン推力が低下した場合にスロート領域を開くことによって、必要に応じて変化させることができる。
【００１４】
図２は、本発明の好適な実施形態に従ったコンバーチブルファンシステム（「ＣＦ」）１４０の概略断面図である。図５及び９は、例えば、図２に示すようなコンバーチブルファンシステムを有するガスタービンエンジン５７６，６７６の実施例を示す。図２，５及び９に示すように、コンバーチブルファンシステム１４０，５４０，６４０は、ハブ１４５，５４５，６４５から半径方向に延在し、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設された複数のＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４（本明細書において代替的に「後方ファンブレード」と呼ばれる）を有するコンバーチブル（ＣＦ）ファンロータ１４２，５４２，６４２（本明細書において代替的に「後方ファンロータ」と呼ばれる）を備えている。各々のＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４は、ハブから半径方向外側に配置された弓形シュラウド１４７，５４７，６４７（本明細書において代替的に「弓形スプリッタ」と呼ばれる）を有する。ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２の組み立てられた状態において、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の弓形シュラウドは、円周方向に隣接するＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の弓形シュラウドに当接して、ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２内で環状スプリッタを形成する。本発明の代替的実施形態では、ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２を単一部品（「ＢＬＩＳＫ（ＢＬＡＤＥ＋ＤＩＳＫ）（ブリスク）」として代替的に知られる）として、周知のブリスク製造方法を用いて製造してもよい。他の代替的実施形態では、１つ以上の前方ファン段をブリスクとして製造してもよい。本明細書に示すファンブレード及びロータは部品の組立体として記載されることもあるが、本明細書に記載した特徴を有するブリスクを用いたファンシステムも本発明の技術的範囲内にある。ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２は、ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２を円周方向に囲むＣＦファンケーシング１３３，５３３，６３３内で半径方向に配置され、ケーシング１３３，５３３，６３３とＣＦファンブレード先端との間に小さなクリアランスを有している。組み立てられた状態において、弓形シュラウド１４７，５４７，６４７は、環状スプリッタとＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２のハブとの間の内側流路１７３，５７３，６７３と、環状スプリッタとケーシング１３３，５３３，６３３との間の外側流路１７４，５７４，６７４とを形成する。ＣＦファンシステム１４０，５４０，６４０の動作中、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の内側部分１４６，５４６，６４６は内側流路１７３，５７３，６７３内の内側流１６３，５６３，６６３を加圧し、ファンブレード１４４，５４４，６４４の外側部分１４８，５４８，６４８は外側流路１７４，５７４，６７４内の外側流１６４，５６４，６６４を加圧する。
【００１５】
図２，５及び９に示す例示的なコンバーチブルファンシステム１４０，５４０，６４０は、コンバーチブルファンロータ１４２，５４２，６４２から軸方向前方に配置されたベーンシステム１５０，５５０，６５０を備えている。図２，５及び９に示す例示的なベーンシステム１５０，５５０，６５０は、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設され、且つファンブレード１４４，５４４，６４４の外側部分１４８，５４８，６４８から軸方向前方に配置された複数の外側ベーン１５４，５５４，６５４を有する。外側ベーン１５４，５５４，６５４は、周知の方法を用いて、例えばＣＦファンケーシング１３３，５３３，６３３のような静的構造によって適切に支持される。図２，５及び９に示す例示的なコンバーチブルファンシステム１４０，５４０，６４０は、流入するＣＦ流ストリーム１６０，５６０，６６０を半径方向外側流１６４，５６４，６６４及び半径方向内側流１６３，５６３，６６３に分ける静的環状流スプリッタ１５１，５５１，６５１を備えている。静的環状流スプリッタ１５１，５５１，６５１は、ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２から軸方向前方に配置される。静的ＣＦ流スプリッタ１５１，５５１，６５１は、外側ベーン１５４，５５４，６５４がＣＦファン外側流１６４，５６４，６６４をＣＦファンブレード外側部分１４８，５４８，６４８に案内するように、ＣＦブレード１４４，５４４，６４４上の弓形スプリッタ１４７，５４７，６４７の半径方向位置に対応して半径方向に配置される。外側ベーン１５４，５５４，６５４は、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４及び外側流路１７４，５７４，６７４に入る流れの容量及び方向を変化させることができるような可変ベーンであって、ファンシステム１４０，５４０，６４０のファン先端圧力比を変化させることができるようになっている。可変外側ベーン１５４，５５４，６５４は、周知の外側ベーンアクチュエータ１５５，５５５，６５５を用いて約０度（開放）と約９０度（閉鎖）との間で外側ベーンの食い違い角を変化させるために、周知の方法によって作動させられる。
【００１６】
図２，５及び９に示す例示的なベーンシステム１５０，５５０，６５０はまた、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設され、且つファンブレード１４４，５４４，６４４の内側部分１４６，５４６，６４６から軸方向前方に配置された複数の半径方向内側ベーン１５２，５５２，６５２を備えている。内側ベーン１５２，５５２，６５２は、周知の方法を用いて、例えば環状スプリッタ１５１，５５１，６５１及びＣＦファンケーシング１３３，５３３，６３３のような静的構造によって適切に支持される。内側ベーン１５２，５５２，６５２は、ＣＦファン内側流１６３，５６３，６６３をＣＦファンブレード内側部分１４６，５４６，６４６に案内する。内側ベーン１５２，５５２，６５２は、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４及び内側流路１７３，５７３，６７３に入る流れの容量及び方向を変化させることができるような可変ベーンであって、ファンシステム１４０，５４０，６４０のファンハブ圧力比を変化させることができるようになっている。可変内側ベーン１５２，５５２，６５２は、周知の内側ベーンアクチュエータ１５３，５５３，６５３を用いて約０度（開放）と約４０〜５０度（部分閉鎖）との間で内側ベーンの食い違い角を変化させるために、周知の方法によって作動させられる。一部の応用例では、内側ベーン１５２，５５２，６５２は、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の内側部分１４６，５４６，６４６に対する適切なレベルのＣＦファンハブ失速マージンを維持するために、始動及び低出力動作中に任意選択で使用される。
【００１７】
ＣＦファンシステム１４０，５４０，６４０の動作中、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の外側部分１４８，５４８，６４８によって加圧される外側流ストリーム１６４，５６４，６６４は、内側バイパス通路１７１，５７１，６７１に入るようにＣＦファン出口案内翼（ＯＧＶ）１５７，５５７，６５７の円周配列によって案内される。ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の内側部分１４６，５４６，６４６によって加圧される内側流ストリーム１６３，５６３，６６３は、内側通路に入るようにＣＦファン出口案内翼の円周配列によって案内され、エンジンコアに入るコア流ストリーム５を形成する。本発明の一態様では、コンバーチブルファンシステム１４０，５４０，６４０は、図２，５及び９のコアバイパス流１５９，５５９，６５９として示すコア流５の一部が内側バイパス通路１７１，５７１，６７１に吹き込まれるように、周知の方法を用いて選択的に開放することができるバイパス抽気ドア１５８，５５８，６５８を有するハブ抽気システムを任意選択で備えている。一部の応用例では、バイパスドア１５８，５５８，６５８を用いたハブ抽気システムは、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の内側部分１４６，５４６，６４６に対する適切なレベルのＣＦファンハブ失速マージンを維持するために、始動及び低出力動作中に任意選択で使用される。
【００１８】
例示的なコンバーチブルファンシステム１４０は、環状後方内側ケーシング１２５，５２５，６２５と環状外側ケーシング１０７，５０７，６０７との間に形成された外側バイパス通路１７２，５７２，６７２を更に備えている。環状外側バイパス流１６２，５６２，６６２は、外側バイパス通路１７２，５７２，６７２内を流れる。外側バイパス流１６２，５６２，６６２と、内側バイパス通路１７１，５７１，６７１内の内側バイパス流１６１，５６１，６６１とは、コンバーチブルファンシステム１４０，５４０，６４０の下流で混合する。周知の空力設計を用いて適切に成形された任意選択の可変ミキサ１６５，５６５，６６５は内側ケーシング１３３，５３３，６３３の後方端で使用されて、外側バイパス流１６２，５６２，６６２と内側バイパス流１６１，５６１，６６１との混合を強化して適切な静圧平衡を達成し、ＣＦファンブレード１４４，５４４，６４４の外側部分１４８，５４８，６４８に対する適切なレベルのＣＦファン失速マージンを維持する。例示的なコンバーチブルファンシステム１４０，５４０，６４０は、外側バイパス通路１７２，５７２，６７２の入口部分付近に配置されたブロッカドア１５６，５５６，６５６を備えていて、これは外側バイパス流１６２，５６２，６６２の量を制御するために周知の作動方法を用いて制御可能に開閉されるようになっている。ブロッカドア１５６，５５６，６５６は、ＣＦファンロータ１４２，５４２，６４２の下流の高い圧力によって生じることがある、外側バイパス流１７２，５７２，６７２の逆流を防止するために必要に応じて閉じるように調整される。ブロッカドア１５６，５５６，６５６は、後方内側ケーシング１２５，５２５，６２５又はフレームのような静的構造によって適切に支持される。
【００１９】
図２は、前方ファンシステム１００及び後方ファンシステム１３９を有する多段ファンシステム１０１を示す。図示の後方ファンシステム１３９は、本明細書において前述したコンバーチブルファンシステム１４０である。前方ファンシステム１０１は、第１ファン段１０２及び第２ファン段１０３を備えている。本発明の代替的実施形態では、前方ファンシステム１０１は、例えば図５に示すような１段のみを備えていてもよい。図２に示すように、第１ファン段１０２は、ハブ１１９から半径方向に延在し、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設された複数の第１段ファンブレード１１８を有する第１段ファンロータ１０６を備えている。ファン入口案内翼１１１（ファンＩＧＶ）の円周配列は、第１ファン段１０２から軸方向前方に配置される。ファンＩＧＶ１１１は、周知の型式のアクチュエータ１１３によって作動する可変ベーン１１２部分を有してもよい。第１段ファンブレード１１８は、ファン内側流路１１６の一部を形成する環状前方内側ケーシング１１５の内部に配置される。内側ケーシング１１５は、例えば支柱１０８のような静的構造によって適切に支持される。図２に示す一実施形態では、第１段ファンブレード１１８によって加圧された後にファン流ストリーム２を再配向するために、ベーン１２７の円周配列が第１段ファンロータ１０６から軸方向後方に配置される。
【００２０】
第２ファン段１０３は、第１ファン段１０２から軸方向後方に配置され、駆動軸１０４のような適切な手段によって連結される。図２に示すように、第２ファン段１０３は、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設された複数の第２段ファンブレード１２２を有する第２段ファンロータ１２０を備えている。図２に示す実施例では、第２段ファンブレード１２２は、ブレード１２２の先端に配置された弓形プラットホーム１２４に連結される。弓形プラットホーム１２４は、ファンブレード１２２によって支持される隣接プラットホームセグメントの円周配列を組み立てることによって適切に形成することができる。代替的実施形態では、他の前方ファン段の１つ以上も上述のように弓形プラットホーム（例えば、図５参照）を有してもよい。
【００２１】
図２に示すように、コンバーチブルファンシステム１４０は、弓形プラットホーム１２４によって支持され、第２ファン段１０３によって駆動される外側ファンブレード１３２（フレード（登録商標）ブレード）の円周方向列を有する外側ファンシステム１３０を備えている。外側ファンシステム１３０は、外側ケーシング１０７と、内側ケーシング１１５、弓形プラットホーム１２４及び後方内側ケーシング１２５との間に形成された外側流路１１７に配置される。外側ファンシステム１３０は、上流に配置され、周知のアクチュエータ１３６によって作動する可変食い違い角形状を有する外側ファン入口案内翼１３５の円周方向列を備えている。外側ファン出口案内翼（ＯＧＶ）１３７の円周方向列は、外側ファンブレード１３２の下流に配置される。動作中、外側ファンブレード１３２は、外側流ストリーム３を加圧し、加圧された外側排気ストリーム８（本明細書において代替的にフレード（登録商標）ストリームと呼ばれる）を形成する。加圧された外側排気ストリーム８は、例えば、エンジン排気ノズルシステムの冷却、温度管理、又は翼吹出しのような様々な目的に使用することができる。例えば図１における項目６８のような熱交換器システムは、冷却及び／又は温度管理に使用することができる。
【００２２】
図３は、本発明の別の実施例に従ったコンバーチブルファンシステム２４０の概略断面図を示す。コンバーチブルファンシステム２４０は、内側部分２４６及び外側部分２４８を形成する弓形シュラウド２４７を備えたコンバーチブルファンブレード２４４を有するコンバーチブルファンロータ２４２を備えている。例示的なコンバーチブルファンシステム２４０は、コンバーチブルファンロータ２４２から軸方向前方に配置されたベーンシステム２５０を更に備えている。図３に示す例示的なベーンシステム２５０は、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設され、ファンブレード２４４の外側部分２４８から軸方向前方に配置された複数の外側ベーン２５４を有する。静的環状流スプリッタ２５１が設けられ（図３参照）、流入するＣＦ流ストリーム２６０を半径方向外側流２６４及び半径方向内側流２６３に分ける。静的環状流スプリッタ２５１は、ＣＦファンロータ２４２から軸方向前方に配置される。静的ＣＦ流スプリッタ２５１は、外側ベーン２５４がＣＦファン外側流２６４をＣＦファンブレード外側部分２４８に案内するように、ＣＦブレード２４４上の弓形スプリッタの半径方向位置に対応して半径方向に配置される。外側ベーン２５０は、ＣＦファンブレード２４４及び外側流路２７４に入る流れの容量及び方向を変化させることができるような可変食い違い角を有する可変ベーンであって、ファンシステム２４０のファン先端圧力比を変化させることができるようになっている。可変外側ベーン２５４は、周知の外側ベーンアクチュエータ２５５を用いて周知の方法によって作動させられる。図２に示す実施例とは違って、図３に示す実施例は、流れ２６３をファンブレード２４６の内側部分に案内するための可変ベーンシステムを有していない。コア流５の制御及び最適化は、バイパスドア２５８を作動させてコアバイパス流２５９（ハブ抽気流）を生成及び制御することによって行なわれる。バイパスドア２５８の作動によって、始動及び低出力動作中のファンハブ失速マージンの改善が促進される。図３に示すその他の特徴、それらの構造及びそれらの機能は、実質的に、対応する項目番号によって図２において示し説明した実施形態に関して本明細書において前述した通りである。
【００２３】
図４は、本発明の別の実施例に従ったコンバーチブルファンシステム３４０の概略断面図を示す。コンバーチブルファンシステム３４０は、後方ファンブレード３４４の円周方向列を有する後方ファンロータ３４２を備えている。例示的ファンシステム３４０は、後方ファンロータ３４２から軸方向前方に配置されたベーンシステム３５０を更に備えている。図４に示す例示的なベーンシステム３５０は、長手方向軸１１の周囲に円周方向に配設され、ファンブレード３４４から軸方向前方に配置された複数のベーン３５４を有する。図４に示す実施例では、図３に示すような静的環状流スプリッタ２５１及び弓形シュラウド２４７は排除される。流入するＣＦ流ストリーム３６０は、後方ファンロータブレード３４４によって加圧され、後方ファンロータ３４２から軸方向後方に配置されたスプリッタ３２６に向かって吐出される。スプリッタ３２６は、後方ファンロータ３４２から吐出された加圧流を半径方向外側流３６１及び半径方向内側コア流５に分ける。ベーンシステム３５０は、後方ファン流入流３６０をファンブレード３４４に案内する。ベーン３５４は、後方ファンブレード３４４に入る流れの容量及び方向を変化させることができるような可変食い違い角を有する可変ベーンであって、ファンシステム３４０の全ファン圧力比を変化させることができるようになっている。可変ベーン３５４は、周知のアクチュエータ３５５を用いた周知の方法によって作動させられる。図３に示す実施例とは違って、図４に示す実施例は、流れ３６０をファンブレード３４４のほぼ全スパンに案内する可変ベーンシステム３５０を有する。コア流５の制御及び最適化は、任意選択のバイパスドア（図４には図示せず）を作動させることによって行なわれる。図４に示すように、ファンシステム３４０は、第２ファン段３０３によって支持されて駆動される外側ファンブレード３３２（フレード（登録商標）ブレード）の円周方向列を有する外側ファンシステム３３０を備えている。外側ファンシステム３３０は、外側ケーシング３０７と、内側ケーシング３１５、弓形プラットホーム３２４及び後方内側ケーシング３２５との間に形成された外側流路３１７に配置される。外側ファンシステム３３０は、上流に配置され、周知のアクチュエータ３３６によって作動する可変食い違い角形状を有する外側ファン入口案内翼３３５の円周方向列を備えている。図４に示すフレード（登録商標）システム３３０，３３２の使用は、後方ファン先端及びハブ作動圧力レベルを独立して直接制御するのではないが、ファンシステム３４０に運転柔軟性を与える。図４に示すその他の特徴、それらの構造及びそれらの機能は、実質的に、対応する項目番号によって図３において示し説明した実施形態に関して本明細書において前述した通りである。
【００２４】
図５は、コンバーチブルファンシステム５４０を組み込んだ本発明の実施例に従った適応型汎用ガスタービンエンジン５７６の概略断面図である。図９は、本発明の別の実施例に従ったコンバーチブルファンシステム６４０及び適応型コア６７８を組み込んだ適応型汎用ガスタービンエンジン６７６の別の実施例を概略断面図で示す。図５及び９に示すように、ガスタービンエンジン５７６，６７６は、軸方向前方（「ＦＷＤ」）ファンシステム５００，６００と、ＦＷＤファンシステムから軸方向後方に配置された後方（「ＡＦＴ」）ファンシステム５４０，６４０（本明細書において代替的にコンバーチブルファンシステムと呼ばれる）とを有する多段ファンシステム５０１，６０１を備えている。図５に示す実施例のＦＷＤファンシステム５００は単一の前段ファンロータ５０６を備えて示されているが、本発明はこのように制限されるものではない。多段ＦＷＤファンシステムもまた使用することができる。例えば、図９の実施例に示すＦＷＤファンシステム６００は、第１段ファンロータ６０６及び第２段ファンロータ６２０を有する多段ＦＷＤファンシステムである。図５及び９に示す実施例では、ガスタービンエンジンは、前段ファンロータ５０６，６０６から軸方向後方に配置された後方ファンロータ５４２，６４２（本明細書において代替的にコンバーチブルファンロータ又はＣＦファンロータと呼ばれる）を有するＡＦＴファンシステム５４０，６４０を備えている。圧縮機５７９，６７９を備えたコア５７８，６７８は、高圧タービン５８１，６８１（ＨＰＴ）に連結されてそれによって駆動される。後方ファンロータ５４２，６４２は、低圧タービン５８３，６８３（ＬＰＴ）によって、ＬＰＴ軸５２８，６２８を用いて駆動される。ＦＷＤファンシステムもまた、図５及び９に示すように、ＬＰＴによって駆動される。代替的には、ＦＷＤファンシステム５００，６００は他の別個のＬＰＴ（図示せず）によって駆動されてもよい。
【００２５】
例示的なコンバーチブルファンシステム５４０，６４０は、図２に示し本明細書において先に詳述した例示的なコンバーチブルファンシステムと構造及び機能において実質的に同様である。コンバーチブルファンの特徴、それらの構造及びそれらの機能は、実質的に、対応する項目番号によって図２において示し説明した実施形態に関して本明細書において前述した通りである。後方ファンロータ５４２，６４２は、エンジン軸１１の周囲に円周方向に配設された後方ファンブレード５４４，６４４（本明細書において代替的にコンバーチブルファンブレード又はＣＦファンブレードと呼ばれる）の列を有する。弓形スプリッタ５４７，６４７（本明細書において代替的に弓形シュラウドと呼ばれる）は、ファンブレード５４４，６４４上に配置される。後方ファンロータの組み立てられた状態において、弓形シュラウド５４７，６４７は、内側流路５７３，６７３及び外側流路５７４，６７４の一部を形成する。エンジンの運転中、後方ファンブレード５４４，６４４の内側部分５４６，６４６は、内側流路５７３，６７３内の内側流５６３，６６３を加圧してハブ圧力比を得る。後方ファンブレード５４４，６４４の外側部分５４８，６４８は、外側流路５７４，６７４内の外側流５６４，６６４を加圧して先端圧力比を得る。本発明の一態様では、前段ファンロータ５０６，６０６への空気流２（図５及び９参照）がほぼ一定に保たれている時でも、後方ファンシステム５４０，６４０におけるファン先端圧力比及びファンハブ圧力比は変化させることができる。本発明の別の態様では、ガスタービンエンジン５７６，６７６は、エンジン軸１１の周囲に環状内側バイパス通路５７１，６７１を備え、内側バイパス流５６１，６６１がファンシステム５０１，６０１から流れるようになっている。ガスタービンエンジン５７６，６７６は、エンジン軸１１の周囲に環状外側バイパス通路５７２，６７２を更に備え、外側バイパス流５６２，６６２がファンシステム５０１，６０１から流れるようになっている。後方ファンロータ５４２，６４２によって加圧された外側流５６４，６６４は、内側バイパス通路５７１，６７１に流れ込む。ファンブレード５４４，６４４の内側部分５４６，６４６によって加圧された内側流５６３，６６３の少なくとも一部は、圧縮機５７９，６７９へのコア流５を形成する。コアバイパス流５５９，６５９を制御するように構成されたコアバイパスドア５５８，６５８を設けてもよい（図５，９参照）。本明細書において前述したように外側バイパス通路５７２，６７２における逆流を防止するように構成されたブロッカドア５５６，６５６を、図５及び９に示すように使用することもできる。
【００２６】
本発明の一態様では、エンジン５７６，６７６は、後方ファンロータ５４２，６４２から軸方向前方に配置された静的環状スプリッタ５５１，６５１を有しており、後方ファンロータ５４２，６４２への流れストリーム５６０，６６０が分岐して内側流路５７３，６７３内の内側流５６３，６６３及び外側流路５７４，６７４内の外側流５６４，６６４を形成する。本発明の別の態様では、図５及び９に示すようなガスタービンエンジン５７６，６７６は、後方ファンロータ５４２，６４２から軸方向前方に配置されたベーンシステム５５０，６５０を有する。ベーンシステム５５０，６５０は、内側流路５７３，６７３及び外側流路５７４，６７４内の流量を変化させることができるように周知の方法を用いて構成されて、エンジン運転中にファンシステム５０１，６０１の全圧力比を必要に応じて変化させることができるようになっている。ベーンシステム５５０，６５０は、スプリッタ５５１，６５１から半径方向外側に配置された外側ベーン５５４，６５４を有する。後方ファンロータへの流量及び方向を変化させるために、外側ベーン５５４，６５４の一部をアクチュエータ５５５，６５５によって動かせるようになっていてベーン食い違い角を変化させることができる。周知の可変ベーンアクチュエータをこの目的のために使用してもよい。一実施形態（図５及び９に示す）では、ベーンシステム５０１，６０１は、スプリッタ５５１，６５１から半径方向内側に配置された内側ベーン５５２，６５２を更に備え、周知のアクチュエータ５５３，６５３によって動かせるようになっている。これらの特徴を用いたエンジン５７６，６７６の運転方法を本明細書において後述する。
【００２７】
本発明の一態様では、ガスタービンエンジン５７６，６７６は、後方ファンロータ５４２，６４２の下流に配置された前方ミキサ５６５，６６５（本明細書において代替的に可変面積バイパスインジェクタ又は「ＶＡＢＩ」と呼ばれる）を有する。前方ＶＡＢＩは、周知の構造方法を用いて内側バイパス流５６１，６６１及び外側バイパス流５６２，６６２の混合を強化して、混合バイパス流５６６，６６６を形成するようになっている。内側バイパス流及び外側バイパス流は、異なる圧力レベル及び流量を有してもよい。ファンシステムの下流の混合圧力損失を最小限にするために、それらの混合が前方ＶＡＢＩによって行なわれる。ガスタービンエンジン５７６，６７６はまた、低圧タービン５８３，６８３からのコアストリーム５６７，６６７（高温排気ストリーム）と、比較的低温の混合バイパス流５６６，６６６との混合を強化するために、低圧タービン５８３，６８３の下流に配置された後方ミキサ５８４，６８４（後方ＶＡＢＩ）を有してもよい。周知のＶＡＢＩシステムを使用してもよい。本発明の代替的実施形態では、前方ＶＡＢＩミキサ５６５，６６５及び／又は後方ＶＡＢＩミキサ５８４，６８４は、可変型式であっても固定型式であってもよい。可変である場合、それらは、エンジン５７６，６７６の特定の作動限界を満たすと共に、混合損失を最小限にする（即ち、性能を最大限にする）ようにスケジューリングされる。それらが固定である場合、それらは流れ混合プロセスを向上させて性能を向上させる働きをする。一部の応用例では、ガスタービンエンジン５７６，６７６は、前方ファン段ファンロータ５０６，６０６から軸方向前方に配置された可変入口案内翼５１１，６１１（ＩＧＶ）の円周方向列を有することもできる。周知のアクチュエータを用いて作動するＩＧＶを使用して、前段ファンロータ５０６，６０６への空気流２を制御することができる。
【００２８】
本発明の別の態様では、ガスタービンエンジン５７６，６７６は、エンジン軸１１の周囲に円周方向に配設されて、外側ファン５３０，６３０（本明細書において代替的にフレード（登録商標）ファンと呼ばれる）を支持及び駆動するファンブレード５１８，６２２の円周方向列を有する前段ファンロータ５０６，６２０を有する。図５は、前段ファンロータ５０６から半径方向外側に配置された外側ファンブレード５３２（フレード（登録商標）ブレード）の円周方向列を有する外側ファンシステム５３０を示す。図９に示す実施形態では、外側ファンシステム６３０は、第２段ファンロータ６２０によって支持及び駆動される外側ファンブレード６３２の円周方向列を有する。フレード（登録商標）ブレード５３２，６３２は、ファンブレード５１８，６２２と共に回転して外側流路５１７，６１７内の外側流ストリーム３を加圧するように構成される。外側ファンシステム５３０，６３０は、外側流路５１７，６１７内の外側流ストリーム３を制御するように構成された複数の外側ファン入口案内翼５３５，６３５を更に備えていてもよい。一実施形態（図５及び９参照）では、ガスタービンエンジン５７６，６７６は、抽気導管５８５，６８５及び抽気ドア５８６，６８６を備え、必要に応じて外側流路５１７内の流れ８の一部を取り出して、例えば翼吹出しに利用するようになっている。実施例では、流れストリーム８は、例えば、排気ノズル（図１参照）のようなエンジン５７６の一部を冷却するのに利用される。
【００２９】
本明細書において示した様々な図及び説明は、従来型のファンシステム及びエンジンが提供することができない運転柔軟性を提供するコンバーチブルファンシステム及び適応型エンジンを示している。本明細書に開示したように、コンバーチブルファンシステムと、そのようなファンシステムを有するエンジンは、本明細書に示したようなロータを介して、環状スプリッタを有する特有の後方ファンロータに連結された前方ファンロータにおいて、フレード（登録商標）システムのような開示した外側ファンシステムを用いて更なる利点を提供することができる。従来型のファンシステムとは違って、本明細書に開示したコンバーチブルファンシステムの使用によって、異なる先端及びハブ設計のファン圧力比レベルが可能になる。更に、本明細書に示す更なるシステム及び特徴、例えば、可変形状を有する先端入口案内翼（ＩＧＶ）１５４，２５４，５５４，６５４、バイパスドア１５８，２５８，５５８，６５８、短い外側バイパス通路（ダクト）１７２，２７２，５７２，６７２、前方可変面積バイパスインジェクタ（「ＶＡＢＩ」）１６５，２６５，３６５，５６５，６６５システム、後方ＶＡＢＩ５８４，６８４システムなどの使用によって、コンバーチブルファンロータ１４２，２４２，３４２，５４２，６４２における先端圧力比及び流量を部分出力（即ち、最大出力／推力から低下した）エンジン運転中に大幅に低下させることが可能になる。従来型のガスタービンエンジンとは違って、エンジン推力が部分出力運転のために５０〜６０％に低下する場合であっても、前方ファンシステム１００，２００，３００，５００，６００の前段における主ファン流２を一定又はほぼ一定の設計流量レベルに維持することができる。これは、バイパスダクト１７１，２７１，３７１，５７１，６７１における効果的なファン圧力比レベル（及び前方ＶＡＢＩ１６５，２６５，３６５，５６５，６６５付近の静的圧力平衡面）を減少させることができ、それによってコンバーチブルエンジン５７６，６７６のコア５７８，６７８を減速させてコアストリーム５６７，６６７の出口圧力及び温度を低下させることができるので、本明細書に記載したコンバーチブルエンジンの特徴を利用することによって可能となる。本明細書に記載したように、フレード（登録商標）ストリーム３の圧力及び流量は、フレード（登録商標）可変ＩＧＶシステム１３５，１３６，２３５，２３６，３３５，３３６，５３５，５３６を用いて調整して、非実装及び実装燃料消費率（ＳＦＣ）レベルの両方を最小化するために総作動空気流及び全推力有効ファンシステム圧力レベルを更に最適化することができる。
【００３０】
図６，７及び８は、図２に示し、且つ図５及び９に示す例示的なエンジンで実行された好適な実施形態の可変先端及びハブＩＧＶが、ファン先端及びファンハブの両方の全ファン圧力比及び圧力比の両方を調整するためにどのように使用されるかを説明している。前ブロックファン段１０２，１０３は、エンジン出力及び／又は推力が４０〜５０％に低下する場合であっても、一定の流量で維持することができる。二段前ブロックファンが図３に示されているが、一部のファンシステム設計は、例えば図５に示すような１つの単段前方ファン５０６のみを有することがある。ＣＦファンシステム１４０，２４０，５４０，６４０の先端ＩＧＶ１５４，２５４，５５４，６５４（本明細書において代替的に外側ベーンと呼ばれる）は、エンジン推力が一定のファン流量に減少した場合に閉じて全先端圧力比を減少させる。フレード（登録商標）外側ファンセクション流３及び作動圧力比は、主ファンシステム１４０，２４０，５４０，６４０から独立していて、そのＩＧＶ１３５，２３５，３３５，５３５，６３５の適切なスケジューリングによって必要に応じて調整することができる。
【００３１】
最終段の独立した可変ハブＩＧＶは、全てのエンジン出力／推力設定においてコアストリーム流５を最適化するために使用することができ、一部の応用例では、ハブ抽気システムの必要性さえも排除することができる。また、主前方ファン流を一定に保ちながら、単一バイパスモード（即ち、最大ファン先端圧力）から二重バイパスモード（即ち、最小ファン先端圧力）への移行中に前ブロック作動ラインを制御するのに役立つように寸法決め／スケジューリングすることもできる。単一バイパスから二重バイパスへのスムーズな移行は、可変ＩＧＶ、バイパスドア、ブロッカドア、前方ＶＡＢＩ、及び後方ＶＡＢＩの適切なスケジューリングによって可能となる。このスケジューリングシステムは、圧力調整バイパスドアシステムを用いて自己作動させることも可能である。
【００３２】
実施例のコンバーチブルファンシステムを有する例示的なガスタービンエンジン５７６を図５に示す。本発明の実施例に従ったガスタービンエンジンの運転方法を、図６，７及び８を参照して以下に説明する。本方法では、第１運転出力レベルが選択される。この出力レベルは、例えば、最大出力レベルに対応することになる。この出力レベルは、エンジンの最大推力レベルにも対応することになる。「最大出力レベル」及び「最大推力レベル」という表現は、本明細書において置き換え可能に使用され、本発明の説明の必要上同じ意味を有する。図６は、例えば図５における項目５０２のような前ブロックファンシステムのファン作動特性の一例である。空気流２は、エンジン５７６の前部付近に配置された前方ファン段５０２に案内される。図６を参照すると、選択された最大出力レベルに対応する質量流量が「Ｗ１」７０１として示されている。選択された最大出力レベルに対応するファン速度は「Ｓ１」７０３として示され、選択された最大出力レベルに対応する前方ファン段５０２の圧縮比は「Ｐ１」７０５として示されている。本発明の実施例では、「Ｗ１」は前段ファン５０２の１００％修正流量であり、「Ｓ１」は前方ファン段５０２の１００％修正速度であり、前段ファン５０２の圧力比「Ｐ１」は約２．９である。
【００３３】
前方ファン段５０２からの流れ５６０の一部分５６４（図５参照）は、前方ファン段５０２から軸方向後方に配置された後方ファンロータ５４２に案内される。図７は、コンバーチブルファンシステムの後方ファンロータ５４２の外側部分のファン作動特性の一例である。空気流の一部分５６４は、修正流量が「Ｗ２」７３１である（図７参照）時、後方ファンロータ５４２によって第１先端圧力比「Ｐ３」７３５まで加圧される。実施例では、「Ｗ２」は後方ファン外側部分５４８の１００％修正流量であり、外側部分５４８の圧力比「Ｐ３」は約１．４８であり、対応する後方ファンロータ５４２の修正速度は約１００％である。前方ファンシステム及び後方ファンによる加圧を合わせた結果、エンジンにおいて第１の全ファン圧力比「Ａ」が生じることになる。上記の実施例に関しては、「Ａ」は約４．３（＝２．９×１．４８）である。空気流の一部分５６３は、修正流が「Ｗ３」７５１である（図８参照）時、後方ファンハブ５４６によって第１ハブ圧力比「Ｐ５」７５５まで加圧される。実施例では、「Ｗ３」は後方ファンハブ部分５４６に対する１００％修正流量であり、内側部分５４６の圧力比「Ｐ５」は約１．４８であり、対応する後方ファンロータ５４２の修正速度は約１００％である。前方ファンシステム及び後方ファンによる加圧を合わせた結果、エンジンにおいて第１の全ファンハブ圧力比「ＡＡ」が生じることになる。上記の実施例に関しては、「ＡＡ」は約４．３（２．９×１．４８）である。
【００３４】
前方ファン段５０２からの空気流の一部分５６３（図５参照）は、加圧されて内側バイパス通路５７１（図５参照）に吐出される。この加圧流の別の部分は、圧縮機５７９に案内されてコア流５を形成する。抽気ドア５５８が開くと、流れ５６３の一部分５５９が内側バイパスダクト５７１に入り、コア流５の量が減少する。コア流５は、コア入口通路の圧縮機５７９に向かって流れ、燃焼器５８０における燃焼の前に圧縮機５７９を用いて圧縮される。
【００３５】
エンジンの運転方法は、第１運転出力レベルよりも低い第２運転出力レベルを選択するステップを更に備えている。この低出力／推力設定の対応するファンマップを、図６〜８に破線で示す。この低出力／推力設定において、前方ファン段５０２の流量はおよそ「Ｗ１」且つ修正速度（図６参照）でほぼ一定に保たれ、前方ファン段圧力は「Ｐ２」に低下する。本明細書において用いられる例では、Ｐ２は約２．５の値を有する。更に、後方ファンロータ５４２の外側部分５４８の流量は、例えば可変入口案内翼５５４を閉じることによって減少する。外側部分５４８の減少した流量は、低出力／推力レベル（図７参照）に対応して「Ｗ４」７３３で示される。後方ファンロータ５４２の外側部分５４８の流れは、第２先端圧力比「Ｐ４」７３７（図７参照）まで加圧される。これにより、前方ファン段５０２の流量「Ｗ１」がほぼ一定に保たれている時でも、第１の全ファン圧力比「Ａ」（高出力／推力設定時）よりも実質的に低い第２の全圧力比「Ｂ」（低出力／推力設定時）が生じる。上記の実施例では、圧力比「Ｐ４」は約１．０５であり、全圧力比「Ｂ」は約２．６３（＝２．５×１．０５）である。エンジンの低出力／推力設定は通常は最も多く使用されるエンジン運転サイクルの一部に選択され、圧力比及び移行運転プロセスは低出力設定時の燃料消費率を最小限にするように選択される。
【００３６】
本明細書に示す実施例では、後方ファンロータ５４２における流量を減少させるステップは、周知のアクチュエータ５５５によって作動する可変入口案内翼５５４を部分的に閉じることによって実行される。後方ファンロータの外側部分の流量が減少すると、前方ファン段５０２からの流れの一部分５６２が外側バイパス通路５７２に流れ込むようにブロッカドア５５６が少なくとも部分的に開かれる。後方ファン５４２の下流に配置されたミキサ５６５は、内側バイパス流５６１及び外側バイパス流５６２が、後方ファンロータ５４２の下流で混合した時に実質的な圧力平衡が得られるように連動する。一部の運転条件では、本明細書に記載した方法は、バイパスドア５５８を開いて、コア圧縮機特性により適合するようにコア流５を制御するためにコアバイパス流５５９を形成するステップを更に備えている。
【００３７】
本発明の実施例では、本方法は、後方ファンロータ５４２の内側部分５４６の前方ファン段５０２からの流れの一部分５６３を第１運転出力レベル（本例の最大出力／推力設定）の第１ハブ圧力比Ｐ６まで加圧するステップを更に備えている。図８参照。コア流５は、後方ファンロータ５４２の内側部分５４６の上流の可変入口案内翼（ＩＧＶ）５５２を開くことによって制御することができる。本明細書に記載した例では、「Ｐ６」は約１．３８の値を有し、ＩＧＶは約１５度に閉じられる。低出力設定では、ＩＧＶ５５２は、圧縮機５７９の要件に適合するように必要に応じて適切な角度（例えば４０〜５０度）まで閉じることができる。一部の応用例、例えば図５に示す実施例では、前方ファン段５０２への空気流２は、周知のアクチュエータ５１３を用いて前方ファン段５０２から軸方向前方に配置された可変入口案内翼５１１を作動させることによって制御される。
【００３８】
一部の応用例、例えば図５に示す実施例では、外側流路５１７を通る外側流ストリーム３は、前方ファン段ロータ５０６上に配置された外側ファン５３２を用いて圧縮される。これらの外側ファンは、本明細書に前述したように、代替的にはフレード（登録商標）としても知られている。外側流ストリーム３の制御は、周知のアクチュエータ５３６を用いて外側ファン５３２の上流に配置された可変入口案内翼５３５を開くことによって実行される。
【００３９】
図５に示すガスタービンエンジンの別の例示的な運転方法では、前方ファン段５０２の圧力比が高レベルの「Ｐ１」（図６参照）からレベル「Ｐ２」に低下する、高出力／推力設定から低出力／推力設定への移行を促進するために、前方ファン段の圧力比は「Ｐ１」よりも高レベル（項目番号７０６によって示された動作点を参照）まで上昇させることができる。これは、ブロッカドア５５６が開かれる直前に起こる（それによって、前方ファン段５０２からの流れ５６２の一部分が外側バイパス通路５７２に流れ込む）。前方ファン段及び後方ファン段の流れの連続性を維持するために、コンバーチブルファン外側入口案内翼５５４は、前方ファン段５５２のほぼ一定のファン流を維持しながら全ファン先端圧力比を減少させるプロセスを開始するために閉じ始める。この移行中、コンバーチブルファン内側案内翼５５２は、より多くのコア流５がエンジンシステム５７６の動作を最適化することができるように開かれることになる（図７の項目７３６を参照）。コア流５は、バイパスドア５５８を開き、それによってコアバイパス流５５９を形成することによって更に微調整することができる。図５に示すエンジンシステム５７６の実施例では、可変スロート領域（図５には示さないが、図１に示す項目６９と実質的に同様である）がエンジン排気システムに設けられており、主排気ノズルスロート領域は、例えば、エンジン推力が減少した場合にスロート領域を開くことによって、必要に応じて変化させることができる。
【００４０】
図９は、本発明の実施例に従った適応型コア６７８を有する例示的な汎用ガスタービンエンジン６７６の概略断面図を示す。例示的な汎用ガスタービンエンジン６７６は、コンバーチブルファンシステム６４０への空気流をほぼ一定の状態に維持しながら可変ファン圧力比を有するように構成されたコンバーチブルファンシステム６４０を備えている。図９に示す例示的な汎用ガスタービンエンジン６７６は、コア空気流５の流量を様々な飛行条件の下で効率的なエンジン運転が可能になるように変化させながら、ほぼ一定のコア圧力比を維持することができる圧縮機６７９を有する適応型コア６７８を更に備えている。コンバーチブルファンシステム、例えば図９の項目６４０とその動作については、本明細書において前述した。コンバーチブルファンシステムは、コンバーチブルファンシステム６４０からの内側バイパス流６６１を流すように構成された、エンジン軸１１の周囲の環状内側バイパス通路６７１と、コンバーチブルファンシステム６４０からの外側バイパス流６６２を流すように構成された、エンジン軸１１の周囲の環状外側バイパス通路６７２とを備えている。例示的なコンバーチブルファンシステム６４０は、前段ファンロータ６２２と、前段ファンロータ６２２から軸方向後方に配置され、エンジン軸１１の周囲に円周方向に配設された後方ファンブレード６４４の列を有する後方ファンロータ６４２とを有する。後方ファンロータ６４２は、ファンブレード６４４上に、内側流路６７３及び外側流路６７４の一部を形成する弓形スプリッタ６４７を有する。後方ファンブレード６４４の内側部分６４６は、内側流路６７３内の内側流６６３を加圧してハブ圧力比を得る。後方ファンブレード６４４の外側部分６４８は、外側流路６７３内の外側流６６４を加圧して先端圧力比を得る。コンバーチブルファンシステム６４０は、後方ファンロータ６４２から軸方向前方に配置されたベーンシステム６５０を有する。ベーンシステム６５０は、後方ファンブレード６４４における流量を変化させることができるように構成された可変ベーンを有し、ファンシステム６４０の全圧力比を必要に応じて変化させて様々な飛行出力／推力条件に対して柔軟且つ効率的なエンジン運転を達成することができるようになっている。コンバーチブルファンシステム６４０の使用によって、エンジン６７６は、コンバーチブルファンシステム６４０への空気流２をほぼ一定の状態に維持しながら可変ファン圧力比を得ることができる。後方ファンロータ６４２によって加圧された外側流６６４は、環状内側バイパス通路６７１に流れ込む。ファンブレード６４４の内側部分６４６によって加圧された内側流６６３の一部分は、圧縮機６７９に流れ込むコア流５を形成する。例示的なエンジン６７６は、コアバイパス流６５９を制御するように構成されたコアバイパスドア６５８（図９参照）を有する。外側バイパス流６６２を制御すると共に、下流の圧力が高い場合に外側バイパス通路６７２における逆流を防止するために、外側バイパス通路６７２においてブロッカドア６５６を使用してもよい。
【００４１】
図９は、本発明の実施例に従った汎用適応型エンジン６７６における例示的な適応型コア６７８を示す。例示的な適応型コア６７８は、前ブロック圧縮機６９１及び後ブロック圧縮機６９２を有しており、圧縮機を駆動するタービン６８１に連結されている。図９において、前ブロック圧縮機６９１は多段軸流圧縮機として示されており、後ブロック圧縮機６９２は遠心圧縮機として示されている。代替的には、後ブロック圧縮機６９２もまた軸流圧縮機であってもよい。図９に示すような適応型コア６７８において２ブロック圧縮機システムを使用することによって、定流量でコア圧力を調整して最大圧縮機吐出温度及び圧力レベルを制御すると共に、更に圧縮機へのコア空気流５の流量が低下している間、例えば、エンジン６７６の低出力又は低推力運転時にほぼ一定のコア圧縮機圧力比を維持する汎用能力が圧縮機システムに与えられる。このことは、図１０に示す圧縮機動作マップに示し、本明細書において後述する。図９に示す２ブロック圧縮機の前ブロックへの流量制御は、前ブロック圧縮機６９１への流量を変化させることができる前ブロック入口案内翼６８９を開くことによって行なわれる。２ブロック圧縮機の後ブロックへの流量制御は、後ブロック圧縮機６９２への流量を変化させることができる後ブロック入口案内翼６９４を開くことによって行なわれる。適応型コア６７８は、後ブロックＩＧＶ６９４が部分的又は完全に閉じている場合に環状ブロック間通路６９６からの流れを受け入れることができる後ブロックバイパス通路６９３を有する。環状ブロック間通路６９６は、前ブロック圧縮機６９１と後ブロック圧縮機６９２との間に配置される。可変面積燃焼器ディフューザシステム６９９は、エンジン運転の「後ブロックオン」モードと「後ブロックオフ」モードの間の移行を助けるために使用することができる。例示的なガスタービンエンジン６７２は、図９に概略的に示すような可変高圧タービンノズルシステム６９７及び／又は可変低圧タービンノズルシステム６９８を任意選択で有することができる。可変タービンノズル６９７，６９８を周知の手段によって作動させて、エンジン６７６の運転中にタービン流量と機能の整合を得ることができる。例示的なガスタービンエンジン６７６は、内側バイパス流６６１及び外側バイパス流６６２の混合を強化して混合バイパス流６６６（図９参照）を形成するように構成された前方ミキサ６６５（代替的に「前方ＶＡＢＩ」としても知られる）を更に備えている。低圧タービン６８３の下流に配置された後方ミキサ６８４（代替的に「後方ＶＡＢＩ」として知られる）は、混合バイパス流６６６と低圧タービン６８３からの高温排気の混合を強化するために使用することができる。可変面積バイパスインジェクタ（「ＶＡＢＩ」）は従来技術において周知である。図９に示すエンジンシステム６７６の実施例では、可変スロート領域（図９には示さないが、図１に示す項目６９と実質的に同様である）がエンジン排気システムに設けられており、主排気ノズルスロート領域は、例えば、エンジン推力が減少した場合にスロート領域を開くことによって、必要に応じて変化させることができる。
【００４２】
例示的な汎用ガスタービンエンジン６７６は、図９に示すように、外側ファンシステム６３０を任意選択で備えている。外側ファンシステム６３０は、前段ファンロータ６２０から半径方向外側に配置された外側ファンブレード６３２（本明細書において代替的にフレード（登録商標）ブレードと呼ばれる）の円周方向列を備えている。外側ファンブレード６３２は、前段ファンロータ、例えば図９の第２段ファンロータ６２０によって担持される。外側ファンブレード６３２は前段ファンロータ６２０と共に回転して、外側流路６１７内の外側流ストリーム３を加圧する。加圧された外側流ストリーム８は、様々な目的に使用することができる。例えば、図９に示す例示的なガスタービンエンジンは抽気導管６８５を有し、外側流路６１７内の流れ８の一部分を取り出してエンジンの外側で、例えば翼吹出しに利用するようになっている。外側流路６１７内の流れ８の一部分は、エンジン６７６の一部、例えば、図１に概略的に示すような排気ノズルを冷却するのに利用することができる。
【００４３】
図１０は、例えば図９に示す、２ブロック適応型圧縮機６９０の動作マップ上の異なる飛行条件に対しての、図９に示す例示的なエンジンの使用法を示す。２つの動作マップ、１つは「後ブロックオフ」のもの、１つは「後ブロックオン」のものを図１０に示す。後ブロック圧縮機６９２は、周知のアクチュエータ６９５を用いて後ブロック可変入口案内翼（ＩＧＶ）６９４を閉じることによって後ブロック圧縮機６９２への流れが実質的に遮断される場合に「オフ」になる。項目番号８００は、速度線（図１０に示す１００％、９８％、９６％のような％速度）を表す。「後ブロックオフ」（例えば、エンジン６７６の離陸運転中）の作動ラインを項目８１４として示し、対応する失速ラインを項目８１１として示す。項目番号８１３，８０３等は、一定の効率の輪郭線を表す。「後ブロックオフ」の適応型コア６７８の圧力比は１００％速度における項目８１２として示し、例えば、前ブロック圧縮機に関する設計圧力比を表すことができる。汎用適応型エンジン６７６の別の運転モード中、例えば巡航運転中、例えば動作点項目８１２から動作点項目８０８に流れが減少することになる。「後ブロックオン」（例えば、エンジン６７６の巡航運転中）の作動ラインを項目８０２として示し、対応する失速ラインを項目８１０として示す。「後ブロックオン」は、後ブロックＩＧＶ６９４を開いて前ブロック圧縮機６９１から後ブロック圧縮機６９２流への流れの一部分を許可することによって行なわれる。「後ブロックオン」に切り換えることによって、修正流量が低出力／推力条件で減少した時（項目８１２及び８０８参照）であっても、適応型コア６７８の圧力比（項目８０８参照）を前とほぼ同じレベル（項目８１２参照）で維持することができる。代替的には、その他のエンジン運転様式に関して、コア流量及び修正速度（項目８００）をほぼ一定にして、例えば項目８１２から項目８０４までの高い圧力比を得るようにエンジンを作動させることができる。
【００４４】
本明細書は、本発明を開示すると共に、当業者であれば誰でも本発明を製造し使用することができるように、最良の形態を含む例を用いている。本発明の特許性を有する範囲は、特許請求項によって定義され、当業者が想到し得る他の例も包含する。かかる他の例は、特許請求項の文言と相違しない構成要素を有する場合、或いは特許請求項の文言と実質的な差異のない同等の構成要素を含む場合、特許請求の範囲に属するものとする。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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