(57)【要約】【課題】最小限の重量、コスト、および複雑さで、縮小拡大排出ノズルの拡大フラップを効果的に冷却する。【解決手段】可変寸法排出ノズル（１０）は、縮小フラップ（１２）と拡大フラップ（１８）とを含み、これらのフラップは、ガス流路（２６）を囲むとともに、スロート部（３４）を間に有する縮小ノズル部と拡大ノズル部とを画成する。拡大フラップ（１８）に設けられた突出部（５６）が、スロート部（３４）の前方でかつノズル（１０）から径方向内向きに延在する。ノズル（１０）は、さらに、ノズルの内部空間（４４）を含む冷媒流路と、この内部空間に冷媒を取り入れる取入開口部（５８）と、この取入開口部の後方で内部空間から冷媒を排出する冷媒排出ポート（６０）と、を含む。取入開口部（５８）は、スロート部（３４）の前方に設けられる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ後方端部を有するとともに、ある角度範囲にわたって位置づけることができる複数の縮小フラップと、
前記縮小フラップの後方端部に回転可能に連結されるとともに、ある角度領域にわたって位置づけることができる複数の拡大フラップと、を有し、
前記フラップは、ガス流路を囲むとともに、スロート部を間に有する縮小ノズル部と拡大ノズル部とを画成し、前記角度範囲および前記角度領域の少なくとも一部において、前記ノズルのスロート部の前方でかつ該ノズルから径方向内向きに突出部が延在しており、
さらに、前記ノズルの内部空間に冷媒を取り入れるとともに、前記スロート部よりも後方とならない位置にある冷媒取入口と、
前記取入口の後方に位置するとともに、取り入れた冷媒を前記内部空間から排出する冷媒排出口と、を有することを特徴とする可変寸法排出ノズル。
【請求項２】
前記突出部は、前記拡大フラップの前方端部と、前記縮小フラップおよび前記拡大フラップの角度によって定められることを特徴とする請求項１記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項３】
前記取入口は、前記拡大フラップに設けられたスクーパであることを特徴とする請求項１記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項４】
前記取入口は、前記拡大フラップを貫通する一組の開口部であることを特徴とする請求項１記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項５】
前記排出口は、
ａ）前記拡大部の後方端部に設けられた１つまたは複数の排出開口部と、
ｂ）前記内部空間と前記ガス流路とを流体的に連通させるように前記拡大フラップを貫通する１つまたは複数の排出ポートと、の少なくとも一方であることを特徴とする請求項１記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項６】
前記拡大フラップは、長さを有し、前記排出ポートは、前記拡大フラップの長さの約５０％の位置より後方でこのフラップを貫通していることを特徴とする請求項５記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項７】
前記排出ポートは、前記フラップの長さの約５０％の位置より後方の領域の実質的に全体にわたって設けられていることを特徴とする請求項６記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項８】
前記ノズルに沿って冷媒が流れており、前記取入口は、流体の流れの局部的な方向に平行でない平面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項９】
前記突出部は、前記ノズルを通って流れる流体に局部的な圧力上昇を引き起こすことを特徴とする請求項１記載の可変寸法排出ノズル。
【請求項１０】
それぞれ後方端部を有するとともにフレームに回転可能に連結された複数の縮小フラップを有し、これらの縮小フラップは、ある角度範囲にわたって回転可能に設けられているとともに、ガス流路の一部を囲んでおり、
内部空間を間に画成するようにスペーサによって分離された内側外板と外側外板とをそれぞれ有する複数の拡大フラップを有し、各々の拡大フラップは、さらに前方端部を有し、これらの前方端部は、前記縮小フラップの後方端部に回転可能に連結されているとともに、ある角度領域にわたって回転可能に設けられており、前記フラップは、ノズルのスロート部を画成し、前記拡大フラップは、前記角度範囲および前記角度領域の少なくとも一部において、前記ガス流路内に径方向内側に延在する突出部を提供するように形状づけられており、前記拡大フラップには、前記スロート部より後方とならない位置に複数の取入開口部が貫通しており、前記拡大フラップは、さらに、前記取入開口部の後方に位置する排出ポートを有し、前記取入開口部と前記排出ポートとは、前記内部空間と共同して冷媒流路を構成しており、
前記フラップに沿って冷媒のフィルムが流れており、前記突出部は、前記冷媒のフィルムの流れの一部を前記冷媒流路内に分流することを特徴とする可変寸法排出ノズル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、タービンエンジン用の冷却される可変寸法排気ノズルに関し、特に、可変寸法の縮小拡大ノズル（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ　ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ　ｎｏｚｚｌｅ）の拡大部の内部に冷媒を供給する単純でかつ効果的な装置に関する。
【０００２】
本発明は、米国政府との契約に基づいてなされたものであり、米国政府が権利を一部有している。
【０００３】
【従来の技術】
高性能の軍事用航空機のための典型的なガスタービンエンジンは、多くの場合アフタバーナと縮小拡大（ＣＤ）排気ノズルを用いている。このノズルは、軸方向に延在するエンジン中心線を囲むとともに、エンジンの主要ガス流路の最も後方部分を径方向で境界づける。高温でガス状の燃焼生成物の流れが、ノズルを軸方向に通過して航空機に動力を与える推力を発生させる。ＣＤノズルは、ガスの流れの方向に沿って断面積が縮小していく縮小部と、ガス流れの方向に沿って断面積が拡大していく拡大部と、を含む。これらの縮小部および拡大部は、ノズルの断面積が最小になるスロート部を画成するように連続して設けられている。拡大部の後方端部は、ノズルの排出面とこれに対応する排出面積とを定める。
【０００４】
燃焼ガスの熱からノズルを保護するために、ノズルの冷却が必要な場合が多い。効果的な冷却技術の１つには、フィルム冷却がある。フィルム冷却は、ガスに直接さらされる面であるノズルの径方向内側面に沿って冷媒のフィルムを流すことを含む。冷媒のフィルムは、冷却される面に沿って流れるに従って高温の燃焼ガスと混ざるので、残念ながら効果が徐々に薄れる。従って、特に長いノズルや極度の高温にさらされるノズルでは、フィルム冷却だけでは充分でないおそれがある。このようなノズルでは、ノズルの内部空間を通って冷媒が流れる内部対流冷却によってフィルム冷却を補助する。
【０００５】
多くのＣＤノズルは、可変寸法ノズルである。可変寸法ノズルは、前方端部でエンジンケースに回転可能に連結された一組の縮小フラップと、縮小フラップの後方端部に回転可能に連結された一組の拡大フラップとを含む。これらのフラップは、一体構造とすることができ、またはスペーサによって分離された径方向内側および径方向外側の外板によって構成してもよい。フラップの角度、すなわちノズルの寸法は、自動制御装置と関連するアクチュエータおよび機械的リンク機構を含む制御装置によって制御される。この制御装置は、エンジンの動作時に、ケースに対して縮小フラップを回転させるとともに、縮小フラップとの連結部を中心に拡大フラップを回転させる。制御装置は、フラップの角度を制御することによって、スロート部およびノズル排出面積を調整する。
【０００６】
可変寸法ノズルは、スロート部および排出面積が調整可能であることによって広い動作条件の範囲にわたって性能が最適化される点で固定寸法ノズルよりも優れている。しかし、可変寸法ノズルは、固定寸法ノズルに比べて難点もある。このような難点の１つは、ガス流路にさらされる面のフィルム冷却を補助するために、拡大フラップの外板の間の内部空間に対流冷媒を採用するのが困難なことである。過去の実施例では、各々の拡大フラップが、前方端部に設けられた取入開口部と、取入開口部の後方に設けられた排出開口部と、を含む。取入開口部および排出開口部は、フラップの外板の間の内部空間と共同して対流冷媒流路を画成する。動作時には、取入開口部が、ノズルの径方向内側面に沿って流れるフィルム冷媒の一部を捕捉する。捕捉された冷媒は、フラップの内部を流れてから、燃焼ガスの流れに戻るように排出開口部から排出される。この装置は、用途によっては充分なものであるが、少なくとも２つの理由でその効果が制限されるおそれがある。第一に、取入開口部は、必然的にノズルのスロート部の後方に位置する拡大フラップに設けられる。燃焼ガスの圧力は、ガスがスロート部を横切って流れるに従って急に落ちるので、対流冷媒流路を通って充分な対流冷媒が流れるようにするには、取入開口部から排出開口部までの圧力勾配が小さすぎるおそれがある。第２に、開口部自体がフィルム冷媒の流れの方向に実質的に平行な平面に設けられているので、冷媒のフィルムの一部を捕捉するには向きが良好でない。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
より効果的な対流冷却を達成するための可能な方法の１つは、燃焼ガス圧力が比較的高いスロート部の前方の位置でフィルム冷媒の一部を捕捉し、捕捉した冷媒を縮小フラップと拡大フラップとの間の連結部を横切るように導くことである。しかし、この方法では、連結部を跨いで延在する漏れのない冷媒流路を形成する必要がある。このような冷媒流路は、縮小フラップと拡大フラップとの間の相対運動に適応する必要があり、このため、望ましくない重量、コスト、および複雑さが生じてしまう。
【０００８】
よって、排出ノズルの拡大フラップの内部に冷媒を効果的に導く単純化された装置が求められている。
【０００９】
従って、本発明の目的は、最小限の重量、コスト、および複雑さで、縮小拡大排出ノズルの拡大フラップを効果的に冷却することである。本発明の他の目的は、拡大フラップの内部に対流冷媒を導く単純な方法を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明では、可変寸法排出ノズルは、縮小フラップと拡大フラップとを含み、これらのフラップは、ガス流路を囲むとともに、スロート部を間に有する縮小ノズル部と拡大ノズル部とを画成する。理想的には拡大フラップに設けられている突出部が、スロート部の前方でかつノズルから径方向内向きに延在する。ノズルは、さらに、ノズルの内部空間を含む冷媒流路と、この内部空間に冷媒を取り入れる取入口と、この取入口の後方で内部空間から冷媒を排出する冷媒排出口と、を含む。取入口は、スロート部の前方に設けられる。動作時には、冷媒のフィルムがノズルの径方向内側面に沿って流れる。突出部は、ノズルを対流冷却するように、冷媒のフィルムの一部が冷媒流路に流入してこの流路を通って流れるように促す。スロート部の前方に取入口が位置することによって、局部的に高いガス流路の圧力を利用して、充分な量の冷媒が確実に冷媒流路に流入するとともにこの流路を通って流れるようになる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１，図２は、高性能の軍事用航空機のための可変寸法の縮小拡大排出ノズル１０を示している。この図は、アフタバーナの作動時に使用される開位置（実線）と、アフタバーナの非作動時に使用される閉位置（仮想線）の両方でノズル１０を示している。ノズル１０は、フラップ１２に代表される周方向に配置された複数の縮小フラップを含み、これらの縮小フラップ１２は、それぞれ固定フレーム１４に回転可能に連結されており、各々の縮小フラップ１２には、シートメタル製のライナパネル１６が固定されている。ノズル１０は、さらに、フラップ１８に代表される周方向に配置された複数の拡大フラップを含み、これらの拡大フラップ１８は、それぞれ長さＬを有している。拡大フラップ１８は、連結部２０において縮小フラップ１２の後方端部に回転可能に連結されている。複数のシール（図示省略）が、各々の拡大フラップ１８の周方向中間に設けられている。縮小フラップ１２、拡大フラップ１８、およびフラップ間のシールは、共同して、軸方向に延びるエンジン中心線２４を囲むとともに、ガス流路２６の径方向外側境界を定める。各々のライナパネル１６は、縮小フラップ１２と共同して環状の冷媒流路２８を画成するライナを構成する。この流路２８は、縮小フラップ１２の径方向内側面に沿って冷媒のフィルムを導く。
【００１２】
フラップ１２，１８は、スロート部３４を間に有するノズル１０の縮小部３０および拡大部３２を画成する。スロート部３４で、ノズル１０の断面積が最小となる。図示のように、縮小部３０は、縮小フラップ１２と拡大フラップ１８の前方端部によって定められる。拡大部３２は、拡大フラップ１８の残りの部分によって定められる。
【００１３】
さらに図３を参照すると、各々の拡大フラップ１８は、リブ４２より構成されるトラス４０に固定された径方向内側および径方向外側の外板３６，３８を有する。トラス４０は、フラップに構造的な剛性を与えるとともに、外板３６，３８を分離して内部空間４４を画成するスペーサとして機能する。図示の実施例では、リブ４２は、内部空間４４を一連のチャネル４６に分割している。各々の拡大フラップ１８の前方端部は、リップ部４８として形状づけられている。拡大フラップ１８の後方端部は、対応するノズル排出面積を有するノズル排出面５０を定めている。
【００１４】
ノズル１０用の制御装置は、自動制御装置（図示省略）と、アクチュエータおよび関連する機械的リンク機構と、を有する。制御装置は、動作時に縮小フラップ１２および拡大フラップ１８の角度（ａｎｇｕｌａｒ　ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）を制御して、ノズル１０のスロート面積および排出面積を調整する。縮小フラップ１２は、角度範囲αにわたって位置づけることができ、拡大フラップ１８は、同様に対応する角度領域βにわたって位置づけることができる。
【００１５】
ノズル１０は、突出部５６（図１参照）を含み、この突出部５６は、拡大フラップ１８から径方向内向きにガス流路２６内に延在する。突出部５６は、リップ部４８と、縮小フラップ１２と拡大フラップ１８との相対的な角度によって形成される。一般に、突出部５６は、フラップの全ての角度範囲および角度領域において存在することができる。しかし、図示の実施例では、リップ部４８は、突出部５６が角度範囲および角度領域の一部のみにおいて存在するように形状づけられている。図示のノズル１０では、突出部５６は、ノズル１０の開位置で明確に存在し、この位置で径方向寸法Ｐ（図２参照）を有しており、閉位置では存在しない。図２で最も明瞭に示されているように、突出部５６は、約９０〜１５０°のランプ角δによって定められるランプと考えることができる。
【００１６】
ノズル１０は、内部空間４４を含む冷媒流路と、取入口と、排出口と、を含む。図１，図２，図４に示されている取入口は、各々の拡大フラップ１８の径方向内側外板３６を貫通する一組の開口部５８を有する。冷媒取入口は、連結部２０の後方に位置するが、ノズル１０のスロート部３４よりも後方には設けられない。図示の冷媒排出口は、取入口の後方で内側外板３６を貫通する一組の排出ポート６０である。また、排出口は、拡大部３２の後方端部に設けられた１つまたは複数の排出開口部６４とすることもできる。さらに、排出口は、排出ポート６０および排出開口部６４の組み合わせとしてもよい。図示の排出ポートは、拡大フラップ１８の長さＬの約５０％の位置より後方で内側外板３６を貫通するとともに、フラップ１８の長さＬの約５０％の位置より後方の領域の実質的に全体にわたって設けられている。ポート６０は、小さい開口部として図示されているが、周方向に延びるスロットなどの他の形態とすることもできる。
【００１７】
動作時には、燃焼ガスの流れが方向Ｆでノズル１０を通って流れるとともに、航空機に動力を与える推力を発生させるために大気中に排出される。同時に、冷媒Ｃのフィルムがフラップの径方向内側面に沿って流れる。冷媒のフィルムは、燃焼ガスの高熱からフラップを保護するのを助ける。典型的には、冷媒Ｃは、エンジン圧縮器から抽出された比較的低温の加圧空気である。この冷媒は、ノズル１０のスロート部３４の上流すなわち前方の取入開口部５８に接近する。取入開口部５８は、取入口５８、内部空間４４、および排出口６０，６４によって画成される対流冷媒流路を通るように冷媒の一部を分流する。冷媒の分流されない部分は、フィルム冷却を提供するように、ノズル１０の径方向内側面に沿って引き続き流れる。
【００１８】
本発明のノズルの利点は、ノズルに沿った軸方向距離の関数として燃焼ガスの圧力を概略的に示した図５に最もよく表されている。（仮想線で示す）従来技術のノズルでは、冷媒取入口５８’がスロート部３４の後方にあり、実際には、拡大フラップの前方端部から小さい距離ｄだけずれている。このため、ノズルの径方向内側面に沿って流れるフィルム冷媒は、燃焼ガス圧力がかなり減少した後で取入口５８’に接近する。従って、対流冷媒流路を通って冷媒を導く圧力勾配ΔＰ１は小さい。対称すると、（実線で示す）本発明のノズル１０の径方向内側面に沿って流れるフィルム冷媒は、スロート部３４の上流すなわち前方で取入口５８に接近し、ここでは、圧力勾配ΔＰ２が比較的高い。このように高い圧力勾配により、対流冷媒流路を通る冷媒の流れが促進される。
【００１９】
ノズル１０が開位置にあるときのように、突出部５６が存在する場合にさらなる利点が得られる。突出部５６は、冷媒のフィルムの前進を部分的に妨害して、取入開口部５８の近傍で局部的な圧力上昇ΔＰ３を引き起こす。局部的な圧力上昇ΔＰ３は、圧力勾配ΔＰ２に貢献する。加えて、取入開口部５８は、流体流れの局部的な方向に平行でない平面ＰＩ（図２参照）に設けられているので、冷媒を取り入れるために良好に方向づけられている。
【００２０】
ノズルの設計者は、縮小フラップ１２および拡大フラップ１８の角度α，βに関連して突出部の正確な形状を定めることができ、また、燃焼ガスの圧力に関連して開口部５８の正確な位置を定めることができる。これにより、設計者は、フラップの所定の角度において突出部５６がガス流路内に延在するか否かを指定するとともに、流体流れの局部的な方向に対する開口部５８の方向づけを調整する。この結果、設計者は、種々のフラップ角度において対流冷媒流路を通って分流される冷媒Ｃの割合を制御することができる。
【００２１】
突出部５６は、図示の形状を有していなくてもよい。ガス流路内に突出し、かつ（空力損失の最小化や生産コスト目標の達成などの）他の関連する条件を満たす形状であれば、図示の形状と少なくとも同程度に良好でありうる。
【００２２】
図３は、取入口がスクーパ６６である本発明の他の実施例を示している。スクーパ６６の開口部は、取入開口部５８と同様にノズル１０のスロート部３４よりも後方には設けられない。このスクーパ６６は、ノズル１０の径方向内側面に沿って流れるフィルム冷媒のかなりの割合を捕捉する。
【００２３】
詳細な実施例を参照して、本発明を開示および説明したが、当業者であれば分かるように、請求項に記載の本発明から逸脱せずに形態および詳細に種々の変更を加えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ノズルの開位置と閉位置を示す、本発明の可変寸法排出ノズルの横断面図である。
【図２】図１のノズルの拡大フラップの前方端部を示す、拡大横断面図である。
【図３】内部の特徴部を示すようにフラップの後方端部を切断し、フラップの前方端部の近傍に他の冷媒取入口を示す、図１のノズルの拡大フラップの斜視図である。
【図４】冷媒排出口を示す、図１のノズルの拡大フラップの斜視図である。
【図５】本発明の動作と従来の可変寸法ノズルの動作とを対比したガス圧力対距離のグラフである。
【符号の説明】
１０…ノズル
１２…縮小フラップ
１４…固定フレーム
１６…ライナパネル
１８…拡大フラップ
２０…連結部
２６…ガス流路
２８…環状の冷媒流路
３０…縮小部
３２…拡大部
３４…スロート部
４４…内部空間
４８…リップ部
５０…ノズル排出面
５６…突出部
５８…取入開口部
６０…排出ポート
【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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