(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボファンエンジンの軸の周りに、アウタケーシングとインナケーシングとの間に画定されて、低圧コンプレッサからの圧縮気をバイパスする、バイパスダクトに設置されるフェアリングであって、
前記バイパスダクトの入口において前記インナケーシングから後方に延び、前記アウタケーシングの内面に沿う前方部と、
前記前方部から連続して後方に延び、後方に向けて流路の面積を増大するべく前記内面から離れる方向に湾曲した後方部であって、その全体が湾曲している後方部と、
を備えたフェアリング。
【請求項２】
請求項１のフェアリングであって、前記後方部は円弧に沿って湾曲している、フェアリング。
【請求項３】
請求項２のフェアリングであって、前記後方部は前記円弧を前記軸の周りに回転した円環面に沿う、フェアリング。
【請求項４】
請求項１ないし３の何れか１項のフェアリングであって、前記後方部は前記軸に平行な後端において終端となる、フェアリング。
【請求項５】
請求項１ないし３の何れか１項のフェアリングであって、前記後方部が延長されて前記インナケーシングに連結し、以って前記インナケーシングの外面上の構造を覆う、フェアリング。
【請求項６】
請求項４のフェアリングであって、前記後端における流路面積の前記入口における流路面積に対する比は１．５ないし２．０である、フェアリング。
【請求項７】
請求項４のフェアリングであって、フェアリングの前端から前記後端までの長さは、前記バイパスダクトの全長の０．２５〜０．５倍である、フェアリング。
【請求項８】
請求項１ないし７の何れか１項のフェアリングを備えたターボファンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、バイパスダクトに設置されるフェアリングに関し、特に、低バイパス比ターボファンエンジンにおいてバイパス流を整流するためにバイパスダクトに設置されるフェアリングおよびそれを備えたターボファンエンジンに関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボジェットエンジンにおいて、燃焼器が生ずる高温ガスをそのまま後方に噴出すると、その速度は飛行速度に対して過大であり、それゆえ外気との間で多大な空気抵抗が生じ、特に低速飛行において高い推進効率が期待できない。かかる問題を解決するために、ファンないしコンプレッサが生み出す空気流の一部を、コアエンジンを迂回してバイパスダクトに導き、後方に噴出させることがある。かかる形式のエンジンはターボファンエンジンと呼ばれ、外気に対して適切な速度のバイパス流が推進効率を著しく改善することで広く知られている。
【０００３】
コアエンジンに流入する空気量に対するバイパスダクトに流入する空気量の比率は、バイパス比と呼ばれる。亜音速までの飛行に供するエンジンにおいては、バイパス比が４以上の、いわゆる高バイパス比が選択される。バイパス比を増大するほどに燃費の改善が期待できるため、近年ではバイパス比が８を越えるものが実用化されている。エネルギ損失を小さくするために、バイパスダクトは短く、バイパス流を直接に外気に噴出する構造が、通常選択される。
【０００４】
一方、超音速飛行を重視する場合においては、高速流を必要とするために、バイパス比が２未満に抑えられた低バイパス比ターボファンエンジンが利用される。高バイパス比のものと異なり、バイパス流は長いバイパスダクトを通ってタービン直後にまで導かれ、そこで高温ガスと混合された後にノズルから噴出される。すなわち一般的には、低バイパス比ターボファンエンジンは、高バイパス比のものと比較して、バイパス比の相違に留まらない構造上の本質的な相違点を有する。
【０００５】
特許文献１，２は、低バイパス比ターボファンエンジンに関する技術を開示する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５４−２７６１３号
【特許文献２】特開２００５−１１３９１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
低バイパス比ターボファンエンジンにおいて、バイパス比を下げ、バイパス流を高速化することは、高速飛行性能の改善に寄与する。ところがバイパスダクトが狭く、かつバイパス流が高速になるほど、バイパスダクトにおけるエネルギ損失は増大するので、燃費の悪化が見込まれる。超音速機は一般に余分な燃料を積載する余地に乏しいので、必然的に航続距離を犠牲にしなければならない問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明はかかる問題に鑑みて為されたものであって、その一の局面によれば、ターボファンエンジンの軸の周りに、アウタケーシングとインナケーシングとの間に画定されて、低圧コンプレッサからの圧縮気をバイパスする、バイパスダクトに設置されるフェアリングは、前記バイパスダクトの入口において前記インナケーシングから後方に延び、前記アウタケーシングの内面に沿う前方部と、前記前方部から連続して後方に延び、後方に向けて流路の面積を増大するべく前記内面から離れる方向に湾曲した後方部であって、その全体が湾曲している後方部と、を備える。
【０００９】
好ましくは、前記後方部は円弧に沿って湾曲している。また好ましくは、前記後方部は前記円弧を前記軸の周りに回転した円環面に沿う湾曲部を含む。さらに好ましくは、前記後方部は前記軸に平行な後端において終端となる。あるいは、前記後方部は前記バイパスダクトの後端にまで延長されて前記インナケーシングに連結し、以って前記インナケーシングの外面上の構造を覆う。また好ましくは、前記後端における流路面積の前記入口における流路面積に対する比は１．５ないし２．０である。あるいは好ましくは、前記前端から前記後端までの長さは、前記バイパスダクトの全長の０．２５〜０．５倍である。またターボファンエンジンは、かかるフェアリングを備える。
【発明の効果】
【００１０】
高速なバイパス流がフェアリングに沿って流れることにより、バイパスダクト内における低速な空気と混合することによる圧力損失を抑制し、以ってエネルギ損失を抑制する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による低バイパス比ターボファンエンジンの立面部分断面図である。
【図２】図２は、バイパスダクトを主に見せる拡大立面断面図である。
【図３】図３は、アウタケーシング、フェアリングおよびインナケーシングの間の関係を模式的に表す立面断面図である。
【図４】図４は、圧力損失の分布を表すグラフである。
【図５】図５は、他の例によるバイパスダクトを図示する立面断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明の幾つかの実施形態を添付の図面を参照して以下に説明する。図面は必ずしも正確な縮尺により示されておらず、従って相互の寸法関係は図示されたものに限られないことに特に注意を要する。
【００１３】
図１及び２を参照するに、低バイパス比ターボファンエンジンは、その機首から機尾に向けた順に、低圧コンプレッサ１と、高圧コンプレッサ３と、燃焼器５と、高圧タービン７と、低圧タービン９とを備える。これらの全てがアウタケーシング１７に格納されており、さらに低圧コンプレッサ１を除きインナケーシング１９に格納されている。アウタケーシング１７とインナケーシング１９との間にはバイパスダクト２１が画定され、その入口Ｉは低圧コンプレッサ１の直後に開口し、その出口Ｏはタービン出口１１に開口している。
【００１４】
低圧タービン９の動翼と低圧コンプレッサ１の動翼とは、インナドライブシャフト１３により連結しており、これはベアリングを介してアウタケーシング１７ないしインナケーシング１９に回転可能に支持される。高圧タービン７の動翼と高圧コンプレッサ３の動翼とは、アウタドライブシャフト１５により連結しており、これはベアリングを介してインナドライブシャフト１３に回転可能に支持される。あるいはアウタケーシング１７ないしインナケーシング１９に支持されていてもよい。インナドライブシャフト１３とアウタドライブシャフト１５は、エンジンの軸の周りに同軸であり、かつその周りにそれぞれ回転可能である。
【００１５】
燃料が燃焼器５において燃焼することにより、機尾に向けた高温ガスの流れが生じ、高圧タービン７がこれからエネルギの一部を取り出して高圧コンプレッサ３を駆動し、低圧タービン９が残りのエネルギの一部を取り出して低圧コンプレッサ１を駆動する。低圧コンプレッサ１はかかる駆動力により空気を圧縮して後方に噴出する。
【００１６】
バイパスダクト２１の入口Ｉにおいて、圧縮気は主流Ｍとバイパス流Ｂ１とに分岐し、主流Ｍは高圧コンプレッサ３に流れ、高圧コンプレッサ３がこれをさらに圧縮して燃焼器５に供給する。バイパス流Ｂ１は高圧コンプレッサ３および燃焼器５を迂回してバイパスダクト２１に流れる。
【００１７】
バイパスダクト２１はインナケーシング１９を隔てて高圧コンプレッサ３や燃焼器５と隣接している。それゆえそれらを稼働させるための構造、例えばベーン２３，２５を開閉するための可変装置３１、燃焼器５に燃料を供給するノズル３３、イグナイター３５、また高圧コンプレッサ３から圧縮気の一部を抽出する抽気配管３７等が、インナケーシング１９の外面上において、バイパスダクト２１内に露出している。
【００１８】
バイパス流Ｂ１を整流するべく、バイパスダクト２１の入口Ｉにフェアリング４１が設けられる。各図において、エンジンの軸を通るフェアリング４１の断面のみを示すが、フェアリング４１はかかる軸の周りの回転体である。軸の周りに連続する回転体であってもよく、あるいは部分的に切欠きや他の構造が付加されていてもよい。
【００１９】
フェアリング４１は、インナケーシング１９から後方に延び、またアウタケーシング１７の内面に沿っている。以ってバイパス流Ｂ１は、アウタケーシング１７の内面に沿って流れる（バイパス流Ｂ２）ように整流される。これは高速なバイパス流が上述の構造３１，３３，３５，３７に直接に当たることを防止し、以って圧力損失を低減するのに役立つ。
【００２０】
図２に組み合わせて図３を参照するに、フェアリング４１の、少なくともその前方部４１ｆは、アウタケーシング１７の内面と平行にすることができる。ここで平行は、厳密である必要はなく、例えば数度程度の角度をなしていてもよい。また前方部４１ｆの全体が平行でもよく、あるいは一部のみが平行でもよい。平行な部分においては流路の面積Ａ１は略一定であって、バイパス流Ｂ１に減速や圧力低下を起こすことを予定していない。
【００２１】
フェアリング４１は、後方に向けて徐々に流路の面積を増大し、以ってバイパス流Ｂ１を減速する構造を備える。例えば前方部４１ｆから連続して後方に延びた後方部４１ａは、アウタケーシング１７の内面から離れる方向に湾曲している。空気抵抗が生ずるのを防止する観点から湾曲は滑らかなほうがよく、例えば円弧に沿ったものとすることができる。円弧に沿う場合、かかる湾曲部は、かかる円弧をエンジンの軸の周りに回転した円環面とすることができる。空気抵抗を減ずる観点から湾曲部の曲率半径Ｒは大きいほうが有利であり、例えば１ｍの程度とすることができる。後方部４１ａは、その全体が湾曲部であってもよく、また一部に限られていてもよい。さらに前方部４１ｆも湾曲していてもよく、その曲率半径は後方部４１ａと同一でもよく、あるいは異なってもよい。
【００２２】
後方部４１ａの後端はバイパスダクト２１内の中途の位置において終端とすることができる。かかる後端において、後方部４１ａはエンジンの軸と平行であってもよい。その後端において流路の面積Ａ２は入口における面積Ａ１より大きく、以ってバイパス流Ｂ１は減速される。詳しくは後述するが、バイパスダクト２１内の遅い空気流Ｓは、高速なバイパス流と混合するときに抵抗を生じ、以って圧力損失の大きな要因になりうる。本実施形態によれば、バイパス流Ｂ１と遅い空気流Ｓとの速度差が小さくなるために、抵抗が小さくなり、以って圧力損失が低減される。面積比Ａ２／Ａ１が大きければ圧力損失を抑制する効果が大きくなるが、面積比が過大になれば高速飛行性能を改善する効果が減ぜられるので、例えば面積比Ａ２／Ａ１は１．５ないし２．０である。
【００２３】
フェアリング４１の前端から後端までの長さは、短すぎればもちろん効果が減じられるが、過度に長くしても整流作用の観点からは効果が飽和する。そこでバイパスダクト２１の全長（入口Ｉから出口Ｏまでの長さ）をＬとすると、前端から後端までの長さは、例えば０．２５〜０．５Ｌの程度である。
【００２４】
あるいは後方部４１ａは、上述のごとく中途の位置において終端せずに、図５に示すごとくインナケーシング１９に連結し、フェアリング４１’が可変装置３１等の構造を遮蔽していてもよい。また図５においては構造３３，３５，３７はバイパスダクト２１内に露出しているように描かれているが、フェアリング４１’がバイパスダクト２１の出口にまで延長され、これらの構造を遮蔽していてもよい。インナケーシング１９の外面上の構造３１，３３，３５，３７が遮蔽されていれば、これらが圧力損失の原因となることが防止される。
【００２５】
バイパスダクト２１は、その出口Ｏにおいて、タービン出口１１に合流している。出口Ｏに達したバイパス流Ｂ３は、タービン出口１１において高温ガスと混合し、図外の排気ノズルから後方に噴出する。
【００２６】
図４を参照して本実施形態がもたらす効果を説明する。図４は、実機における寸法と流速とを前提としたＣＦＤ解析結果の例であって、横軸は入口Ｉを基準とした軸方向の距離Ｄであり、縦軸は百分率で表した圧力損失Ｌである。従来例は、本実施形態によるフェアリングに代わり、湾曲部のない真直な整流板を設けた例である。実施例１は、曲率半径１ｍで湾曲した後方部を有し、長さ０．２５Ｌである、本実施形態によるフェアリングを設けた例である。実施例２は、図５に示すごとくフェアリングが延長されてインナケーシングの外面上の構造を覆った例である。
【００２７】
従来例において、バイパスダクトの入口から０．３Ｌ程度の範囲において、３％に近い圧力損失が生じる。これは主に、高速なバイパス流が、バイパスダクト内における遅い空気流と混合することによる。その後方においてさらに圧力損失は増大し、バイパスダクトの出口においては３％を超える。
【００２８】
これと比べ、実施例１においては、バイパスダクトの入口から０．３Ｌ程度の範囲において、圧力損失は１％未満に抑制され、バイパスダクトの出口においても１％の程度である。すなわち従来例と比較して圧力損失は１／３以下に低減されている。さらにフェアリングが延長された実施例２においては、圧力損失は０．５％の程度であり、さらに圧力損失が低減されている。
【００２９】
以上の通り、本実施形態が圧力損失を低減する効果は明らかである。従来の技術常識によれば、バイパスダクト内の構造を避けるようにバイパス流を整流することが、圧力損失を低減するのに最も重要な要素と考えられていた。かかる考えに則れば、整流板はアウタケーシングの内面に向けられるべきである。本実施形態によれば、かかる技術常識に反し、アウタケーシングの内面から離れる方向に湾曲するフェアリングを採用し、圧力損失を低減することに成功している。
【００３０】
従来例のグラフより理解される通り、圧力損失の大部分は、バイパスダクトの入口付近における遅い空気流との混合によるものである。本実施形態は、かかる事実の発見に基づき、混合による圧力損失を低減するべく、バイパス流を僅かに減速する構成を採用することにより、想到し得たものである。
【００３１】
また圧力損失の大部分が入口付近で生じていることから、本実施形態によるフェアリングの長さを０．２５〜０．５Ｌの程度とすることも妥当と言える。もちろんフェアリングをバイパスダクトの全長にまで延長すれば、圧力損失をさらに抑制できることが明らかである。
【００３２】
本実施形態によれば、圧力損失を低減することによりバイパス流のエネルギを有効に利用することができ、燃費の向上が期待できる。あるいは、圧力損失が増大しない分、バイパスダクトを狭めることができ、バイパス比をさらに低減して高速飛行性能を向上することができる。
【００３３】
好適な実施形態により本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記開示内容に基づき、当該技術分野の通常の技術を有する者が、実施形態の修正ないし変形により本発明を実施することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
バイパスダクト内における圧力損失の低減に寄与するフェアリングが提供される。
【符号の説明】
【００３５】
１  低圧コンプレッサ
３  高圧コンプレッサ
５  燃焼器
７  高圧タービン
９  低圧タービン
１１  タービン出口
１３  インナドライブシャフト
１５  アウタドライブシャフト
１７  アウタケーシング
１９  インナケーシング
２１  バイパスダクト
４１，４１’  フェアリング
４１ｆ  前方部
４１ａ  後方部
Ａ１  入口面積
Ａ２  出口面積
Ｂ１  バイパス流
Ｂ２  バイパス流
Ｂ３  バイパス流
Ｉ  バイパスダクト入口
Ｏ  バイパスダクト出口
Ｒ  曲率半径
Ｓ  遅い空気流
【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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