(57)【要約】【課題】周囲空気の流れを用いて排気プルームと推力との調整を行う、エンジン用の軸方向発散セクションスロットノズルを提供する。【解決手段】本発明のノズルは、間隔を置いて配置された複数の発散フラップ１２と、スロート領域におけるノズル断面積を変化させるように発散フラップ１２を移動させる少なくとも１つの装置と、隣接するフラップ同士の中間に配置されたブリッジ部材２０と、を有している。ブリッジ部材２０は、ブリッジブラケット２１６と、ブリッジブラケットに結合されたシールエレメント２０４と、を有している。シールエレメントは上面２２６を有している。ブリッジブラケットは、シールエレメントの上面２２６に対し広がっていく下面２２２，２２４を有している。好適な態様において、ブリッジブラケットは、ノズルスロートジェット領域に応じて可変スロット寸法を付与する形状を有している。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隔を置いて配置された複数の発散フラップと、
前記発散フラップを移動させるための手段と、
前記発散フラップのうちの隣接するフラップ同士の中間に配置されたブリッジ部材と、
を備え、かつ、
前記ブリッジ部材の各々が、ブリッジブラケットと、該ブリッジブラケットに結合されたシールエレメントと、を有しており、
前記シールエレメントは上面を有しており、
前記ブリッジブラケットは、前記シールエレメントの前記上面に対し広がっていく下面を有することを特徴とするエンジン用の軸方向発散セクションスロットノズル。
【請求項２】
第１のノズルスロート領域を有する前記ノズルの過剰膨張条件において、前記シールエレメントの前記上面と前記フラップの下面との間に第１のスロットが形成されるように、前記発散フラップが前記下面に対して移動することを特徴とする請求項１記載の軸方向発散セクションスロットノズル。
【請求項３】
前記第１のノズルスロート領域よりも小さな第２のノズルスロート領域を有する前記ノズルの過剰膨張条件において、前記シールエレメントの前記上面と前記フラップの前記下面との間に、前記第１のスロットよりも小さな第２のスロットが形成されるように、前記発散フラップが前記下面に対して移動することを特徴とする請求項２記載の軸方向発散セクションスロットノズル。
【請求項４】
前記シールエレメントを前記ブリッジブラケットに結合するための手段をさらに備え、かつ、前記ブリッジブラケットがノズルスロートジェット領域に応じて可変スロット寸法を付与するように成形されていることを特徴とする請求項１記載の軸方向発散セクションスロットノズル。
【請求項５】
ノズル表面積を画定する複数の前記発散フラップをさらに備え、かつ、前記フラップが、前記ノズルスロート表面積の３．０％〜３０％に相当する間隙によって離間していることを特徴とする請求項１記載の軸方向発散セクションスロットノズル。
【請求項６】
前記発散フラップが、前記ノズルスロート表面積の８．０％〜１２．０％に相当する間隙によって離間していることを特徴とする請求項５記載の軸方向発散セクションスロットノズル。
【請求項７】
ブリッジブラケットと、
前記ブリッジブラケットに結合されたシールエレメントと、
を備え、かつ、
該シールエレメントは上面を有しており、
前記ブリッジブラケットは、前記シールエレメントの前記上面に対し広がっていく下面を有していることを特徴とするエジェクタノズルブリッジ部材。
【請求項８】
前記シールエレメントが、中央部分と、該中央部分に対して傾斜した端部とを有していることを特徴とする請求項７記載のエジェクタノズルブリッジ部材。
【請求項９】
前記シールエレメントに取り付けられたバックボーン支持体と、
前記ブリッジブラケットを前記バックボーン支持体に固定するための手段と、
を備え、かつ、
前記ブリッジブラケットが前記バックボーン支持体に嵌め合わされており、
前記ブリッジブラケットが、ノズルスロートジェット領域に応じて可変スロット寸法を付与する形状を有していることを特徴とする請求項７記載のエジェクタノズルブリッジ部材。
【請求項１０】
発散ゾーンを形成する可動式のフラップを有するノズルを備えたエンジンを提供するステップと、
前記フラップのうちの隣接するフラップ同士の間にブリッジ部材を提供するステップと、
前記ノズル内に過剰膨張条件を生成するように前記エンジンと前記フラップとを作動させるステップと、
周方向に均一に分布する流れを有するように前記ノズルからの排気プルームを調整するために前記フラップを位置決めするステップと、
を含んだエンジンの排気プルームを調整するための方法。
【請求項１１】
前記フラップを位置決めするステップは、周囲空気を前記排気ノズルに流入させるスロットを形成するために前記隣接するフラップを前記ブリッジ部材に対して移動させることを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記エンジンを作動させるステップが、前記エンジン及び前記ノズルがＳＴＯＶＬ条件で動作している間に前記過剰膨張条件を生成させることを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記フラップを位置決めするステップが、前記ノズルの表面積の３．０％〜３０％を占める間隙が前記フラップのうちの隣接するフラップの間に形成されるように前記フラップを位置決めすることを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
前記フラップを位置決めするステップが、前記ノズルの表面積の８．０％〜１２％を占める間隙が前記フラップのうちの隣接するフラップの間に形成されるように前記フラップを位置決めすることを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１５】
前記ブリッジ部材を提供するステップが、シールエレメントと、該シールエレメントの上面に対し広がっていく下面を有するブリッジブラケットと、を有するブリッジ部材を提供することを含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
【請求項１６】
前記ブリッジ部材を提供するステップが、さらに、菱形楔形状を有するブリッジブラケットを提供することを含むことを特徴とする請求項１５記載の方法。
【請求項１７】
間隔を置いて配置された複数の発散フラップを有するノズルを提供するステップと、
前記発散フラップのうちの隣接する発散フラップの間の間隙を閉鎖するシールエレメントを有する複数のブリッジ部材を提供するステップと、
前記ノズルを過剰膨張条件において作動させ、これにより圧力勾配を形成することによって、前記ノズルを包囲する周囲空気が前記ノズルに流入するように前記間隙を開放するステップと、
を含んだ軸方向発散セクションスロットノズルによって生ずる推力を増大させる方法。
【請求項１８】
前記ブリッジ部材を提供するステップが、複数のブリッジ部材を提供することを含み、かつ、それぞれのブリッジ部材が、１対の前記フラップのガス側に接触したシールエレメントと、該シールエレメントに結合された前記フラップの空気側に配置されたブリッジブラケットと、を有していることを特徴とする請求項１７記載の方法。
【請求項１９】
前記ブリッジを提供するステップが、さらに、ノズルスロートジェット領域に応じて可変スロット寸法を付与するように成形されたブリッジブラケットを提供することを含むことを特徴とする請求項１８記載の方法。
【請求項２０】
前記開放するステップが、前記シールエレメントの各々が前記発散フラップのうちの前記隣接する発散フラップと接触しないように圧力差を発生させることを含むことを特徴とする請求項１７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、周囲空気の流れによってノズルからの排気プルーム（火炎）と推力との調整を行う、ジェットエンジン用の軸方向発散セクションスロットノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのガスタービンエンジン用の収束／発散（Convergent／Divergent 以下Ｃ／Ｄと呼ぶ。）排気ノズルが存在し、これらは、刊行物に開示され、また、ある動作モードの間にエンジン性能を改善するようにノズルのスロート構造の変更を行うジェットエンジン及びターボジェットエンジンにおいて利用されている。これは特に、オーグメンタを備えたガスタービンエンジンによって動力が供給される航空機における場合である。排気ノズルは、二次元的又は三次元的に構成されており、排気ガスを方向転換（ベクタリング）させることができるものやできないものもある。ベクタリングノズルの目的は、航空機の方向転換を実施すること、又は航空機を制動するために推力を反転させることである。
【０００３】
長年の間、エンジニア及び科学者たちは、短距離離陸及び垂直着陸（ＳＴＯＶＬ）動作の可能なガスタービンエンジンの設計及び製造に努めてきた。排気ノズルが、ベクタリング能力を提供するために枢着された位置決めフラップを有することもよく知られている。その他には、ベクタリング能力を得るために、エンジン排気ノズル全体が、Yakovlevin Aircraftによって製造されたロシア製YAK-141航空機において使用されたもののように、回動可能な連結ダクトによって枢着されているものもある。
【０００４】
Wardに対して発行された特許文献１には、コンパクトな軸対称のＣ／Ｄ排気ノズルが記載されており、この排気ノズルは、短距離離陸及び垂直着陸航空機等の構造のガスタービンエンジンにおいて利用され、フラップを同期させ、かつ組み合わされた圧力平衡ピストン及び同期リングを案内する。
【０００５】
Maddenらに対して発行された特許文献２には、軸方向に並進可能なユニゾンリングに旋回可能に連結されたフラップの上流端部を有する可変面積ノズルが記載されている。装置はフラップに関連しており、ユニゾンリングが並進させられてフラップが回転するとノズルの面積が変化する。ユニゾンリングは、このユニゾンリングに対して固定されたバランス面を有しており、このバランス面は、下流方向で正味圧力荷重（net pressure load）を受け、これにより、アクチュエータがユニゾンリングを移動させるため又はユニゾンリングを定位置に保持するために加えなければならない力を低減させる。
【０００６】
Barczaに対して発行された特許文献３は、ベクタリングＣ／Ｄノズルの発散フラップの間にシールを配置するシール調整及び拘束装置に関する。装置は、２つの隣接する発散フラップの間に延びた拘束バーを有している。この拘束バーは、シールの空気側に旋回可能に、かつスライダによって隣接する発散フラップ上のトラックに摺動可能に取り付けられており、これにより、隣接する発散フラップをシールとスライダとの間に挟んでいる。２つの隣接する発散フラップを接続する位置決めリンク装置は、全てのノズル動作条件においてシールの位置決めを行う。
【０００７】
これらの収束／発散ノズルが存在するにも拘わらず、性能を改良するノズル設計が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第５，７９７，５４４号明細書
【特許文献２】米国特許第４，４４０，３４７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，２８５，６３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、航空機入口への高温ガス摂取を低減するように収束／発散ノズルの排気プルームを調整する方法を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、過剰膨張条件におけるノズル動作の推力を増大させる方法を提供することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、収束／発散ノズルを有するエンジンに使用するための新規なブリッジ部材設計の一例を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的は本発明によって達成される。
【００１２】
本発明によれば、エンジン用の軸方向発散セクションスロットノズルが提供される。ノズルは、広くいえば、間隔を置いて配置された複数のフラップと、隣接するフラップの間の間隙を埋める複数のシールと、ノズルの断面積を変化させるようにフラップを移動させる手段と、隣接するフラップの中間にシールを位置決めするためのブリッジ部材と、を有している。ブリッジ部材は、ブリッジブラケットと、ブリッジブラケットに連結されたシールエレメントとを有している。シールエレメントは上面を有しており、ブリッジブラケットはシールエレメントの上面に対し広がっていく下面を有している。本発明の好適な実施形態において、ブリッジブラケットは菱形の楔等の形状を有しており、この形状は、ノズルスロートジェット面積に応じて可変のスロット寸法を付与する。
【００１３】
また、本発明によれば、エンジンの排気プルームを調整するための方法が提供される。本方法は、可動なフラップと、ノズルに発散ゾーンを形成するシールエレメントを有する可動なブリッジ部材と、を備えたノズルをエンジンに提供するステップと、発散ゾーンに過剰膨張条件を形成するようにエンジンを運転するステップと、ノズルからの排気プルームを調整するためにフラップ及びブリッジ部材を位置決めするステップと、を含んでいる。好適な態様において、排気プルームは、その流れが周方向に均一に分布するように調整される。
【００１４】
また、本発明によれば、推力を増大するための方法が提供される。本方法は、軸方向発散セクションスロットノズルが過剰膨張条件において動作しているときに軸方向スロットつまり間隙を開放するステップを含んでおり、これにより、周囲空気を連行する好適な圧力勾配を形成し、ひいては、推力を発生し、コア流れが理想状態よりも膨張することを防止する。
【００１５】
本発明の軸方向発散セクションスロットノズルのその他の詳細、及び本発明に付随するその他の利点及び目的は、以下の詳細な説明と添付図面とに示されており、添付図面において同一の参照符号は同一の要素を表している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、収束フラップ１１と細長い発散フラップ１２とを組み込んだ収束／発散ノズル１０を示している。これらの発散フラップ１２は、発散フラップ１２の前縁１５に設けられた発散フラップヒンジ１４によって、収束フラップ１１の後縁１３に旋回可能に取り付けられている。収束／発散フラップアセンブリはフラップヒンジシール１６を有している。フラップヒンジシール１６は、ヒンジ１４におけるガスタービンエンジンからの排気ガスの逃げを防止するようにヒンジ１４を覆っている。各発散フラップ１２は、ガス側１７と空気側１８とを有している。ここで使用されているように、“ガス側”という用語は、エンジンの排気ガスに晒される個々の構成部材の表面を意味し、“空気側”という用語は、ガス側とは反対側の構成部材の表面を意味する。
【００１７】
収束シール１９が、収束フラップ１１の各対の間に配置されている。シールエレメント２０４を有するブリッジ部材２０は、隣接する発散フラップ１２の各対の間に配置されている。各シールエレメント２０４の前縁は、シールヒンジ２３によって該前縁のすぐ上流において個々の収束シール１９の後縁２２に旋回可能に結合されている。シールヒンジ２３における排気ガスの逃げを防止するように、シール２８がシールヒンジ２３を覆っている。
【００１８】
シールエレメント２０４の後縁と発散フラップ１２の後縁２５とが、ノズル１０の排気面積の境界２６を画定している。
【００１９】
ノズル１０のスロート面積は、“バランスビーム（平衡部材）”装置を介して収束フラップ１１によって制御される。このバランスビームは、この分野において知られており、米国特許第５，０８２，１８２号明細書に開示されている。この米国特許明細書は引用により本明細書に記載されたものとする。排気面積は以下のように制御される。
【００２０】
各発散フラップ１２は同期リングリンケージ３１に旋回可能に結合されており、同期リングリンケージ自体は、同期リング３２に旋回可能に結合されている。３つのアクチュエータ３３が１２０゜の間隔を置きながらエンジンケース３４に取り付けられている。各アクチュエータ３３のアーム３５は同期リングブラケット３６に旋回可能に連結されており、この同期リングブラケット３６は、エンジンケース３４に定置に固定されたガイド３７内に摺動可能に収容されている。前記説明から、当業者はこれらのアクチュエータ３３が同期リング３２に対称的に作用すれば、同期リング３２がノズル１０の軸に沿って並進し、これにより、ノズル１０の排気面積が増減することを認識するであろう。
【００２１】
ここで図２を参照すると、シールエレメント２０４を備えた各ブリッジ部材２０は、２つの隣接する発散フラップ１２の間の空間２０２に亘って延びている。各シールエレメント２０４は、中央部分２０６と、傾斜した端部２０８とを有している。エンジンが非過剰膨張状態において運転している場合、端部２０８の上面２１０は、隣接する発散フラップ１２のガス側１７に接触する。シールエレメント２０４は空間２０２を通る排気ガスの流れを妨害する。なぜならば、ノズル１０における圧力は周囲空気圧よりも高いからである。
【００２２】
また、各ブリッジ部材２０は、中央部分２０６の中央にバックボーン支持体２１２をも有している。バックボーン支持体２１２は拘束取付けポスト２１４を有しており、この拘束取付けポスト２１４にはブリッジブラケット２１６が取り付けられている。このブリッジブラケット２１６は、前記ポスト２１４の一部に嵌め合わされ、雌ねじ山（図示せず）を有するナット２１８によって所定の位置に保持されている。ナット２１８の雌ねじ山は、ポスト２１４に設けられた合致するねじ山（図示せず）に係合し、これにより、ブリッジブラケット２１６をポスト２１４上に保持している。好適な実施形態において、ブリッジブラケット２１６はポスト２１４に対して回転することができる。
【００２３】
図２に示したように、ブリッジブラケット２１６は発散フラップ１２の空気側１８を部分的に覆っている。ブリッジブラケット２１６は、菱形の楔等の形状を有しており、この形状は、ノズルスロートジェット領域に応じた可変スロット寸法を付与する。好適には、ブリッジブラケット２１６は、シールエレメント２０４の中央部分２０８の上面２２６に対して傾斜した下面２２２及び２２４を有しており、これにより、下面２２２及び２２４は前記上面２２６に対し広がっている。
【００２４】
エンジンのＳＴＯＶＬ運転中には過剰膨張条件においても、ノズル１０は動作し得る。このような状態において、発散フラップ１２は、互いに間隔を置いて配置され、複数の空間つまり間隙２０２を形成する。具体的なノズルスロートジェット領域条件に応じて、空間２０２は、より小さくなったり、より大きくなったりする。フラップ１２及び空間２０２により、フラップ１２の後縁に向かってノズル１０の断面積が膨張する。
【００２５】
過剰膨張条件は、ノズルの動作条件（ノズル圧力比（ＮＰＲ））によって与えられる。１つの理想的な膨張条件があり、この膨張条件においては、周囲空気圧力は、流れが出口まで理想的に膨張する場合に存在する圧力に等しい。このＮＰＲよりも低いと、ノズルは過剰膨張し、好適な圧力勾配が形成される。本発明は、過剰膨張したノズルの特性を利用して、理想状態に近付けるように有効面積比を低減しつつ、流れを発散セクション内に引き入れる。このことは、排気プルーム特性を変化させ、所定の条件における推力を、本発明なしに生じるであろう推力よりも増大させる。流れは、本発明を使用することにより、理想状態よりも膨張することはない。なぜならば、周囲空気が導入されるときに、圧力が増大し、駆動圧力勾配がゼロになるからである。
【００２６】
ここで図３を参照すると、ノズル１０のスロートにおける第１のジェット面積条件が示されている。過剰膨張条件では、ノズル１０内の圧力は周囲圧力よりも低い。圧力差又は圧力勾配が形成され、これがフラップ１２とシールエレメント２０４との間の空間２０２を開放する。これにより、周囲空気は、各空間２０２と、発散フラップ１２のガス側１７と各シールエレメント２０４の端部２０８との間に形成された各スロット２３０と、を通過する。図３に示されているように、隣接するフラップの間の空間２０２はかなり大きくてよく、スロット２３０も大きくてよい。
【００２７】
ここで図４を参照すると、ノズル１０のスロートにおける第２のジェット面積条件が示されており、この条件では空間２０２は図３に示された空間２０２よりも小さくなる。この状態では、極めて僅かな周囲空気が依然として空間２０２及びより小さな間隙２３０′を通過することができる。
【００２８】
本発明のブリッジ部材２０を使用することにより、ノズル１０が過剰膨張状態にある場合に、発散フラップ１２の間の空間つまり間隙２０２がノズル１０のスロートにおけるノズル表面積の３．０％〜３０％を占めている場合に排気プルーム（火炎）の調整が可能である。本発明のブリッジ部材２０は、発散フラップ１２の間の空間２０２がノズルスロート表面積の８．０％〜１２．０％を占めている場合に特に有効であることが確認されている。
【００２９】
前記のように、過剰膨張条件におけるエンジンの運転中に前記の方法で周囲空気をノズル１０に流入させることは、プルームの調整を可能にし、推力を増大する点で好都合である。本発明のブリッジ部材を使用することは、ハードウェアに対する負荷を好適に軽減し、重量を減じる。本発明のさらに別の利点は、航空機入口への高温ガス摂取を減じるために排気プルームを調整することができる点である。
【００３０】
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）は、本発明のブリッジ部材の使用によって得られる利点を示している。図５（Ａ）は、発散セクションにおける間隙を備えないＳＴＯＶＬノズルの場合（ノズル圧力比（ＮＰＲ）＝２．３６５、ホバリング時）のマッハ曲線を示している。この図は、ノズル出口の外側で強い衝撃があることを示している。図５（Ｂ）は、本発明のブリッジ部材を使用し、発散セクションにスロートにおける表面積の１０％を占める間隙２０２を有するＳＴＯＶＬノズルの場合（ＮＰＲ＝２．３６５、ホバリング時）のマッハ曲線を示している。この図はノズル出口の外側で弱い衝撃のあることを示している。
【００３１】
図６（Ａ）及び図６（Ｂ）は、地面の近くの排気プルームにおける全圧力のコンター（等圧線）及び運動量ベクトルを示している。図６（Ａ）に示されているように、発散セクションに間隙を備えないノズルは、航空機入口に向かって前方に偏った流れを示す。一方、図６（Ｂ）は、本発明のブリッジ部材を用いた１０％の間隙率を有するノズルは、周方向に均一に分布した流れを備えた排気プルームを有することを示している。
【００３２】
上述した利点は、間隙２０２及びスロット２３０又は２３０′の存在が過剰膨張を弱め、ひいてはプルーム形状を変化させることにより達せられる。
【００３３】
本発明のブリッジ部材を用いたノズルは、軍用航空機用や超音速ビジネスジェット用のエンジン、やパルスデトネーションエンジンに使用可能である。
【００３４】
本発明によれば、前記の目的、手段及び利点を完全に満足する軸方向発散セクションスロットノズルが提供されることが明らかである。本発明は、具体的な実施形態に関連して記載されているが、その他の代替、改良及び変更が、前記説明を読んだ当業者に明らかになるであろう。したがって、本発明は、添付の請求項の広い範囲に該当するこれらの代替、改良及び変更を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明のブリッジブラケットを組み込んだ収束／発散ノズルの部分的等角図である。
【図２】本発明によるブリッジ部材の側面図である。
【図３】第１のジェット面積設定条件におけるブリッジ部材の側面図である。
【図４】第２のジェット面積設定条件におけるブリッジ部材の側面図である。
【図５】（Ａ）は、発散セクションに間隙を備えないＳＴＯＶＬノズルの場合（ＮＰＲ＝２．３６５、ホバリング時）のマッハ曲線を示している。（Ｂ）は、発散セクションにおける１０％の間隙率を備えたＳＴＯＶＬノズルの場合（ＮＰＲ＝２．３６５、ホバリング時）のマッハ曲線を示している。
【図６】（Ａ）は、図５（Ａ）のノズルにおける地面の近くの排気プルームにおける全圧力のコンター及び運動量ベクトルを示している。（Ｂ）は、図５（Ｂ）のノズルにおける地面の近くの排気プルームにおける全圧力のコンター及び運動量ベクトルを示している。
【符号の説明】
【００３６】
１０…収束／発散ノズル
１１…収束フラップ
１２…発散フラップ
１３…収束フラップの後縁
１４…発散フラップヒンジ
１５…発散フラップの前縁
１６…フラップヒンジシール
１７…発散フラップのガス側
１８…発散フラップの空気側
１９…収束シール
２０…ブリッジ部材
２３…シールヒンジ
２５…発散フラップの後縁
２６…境界
２８…シール
３１…同期リングリンケージ
３２…同期リング
３３…アクチュエータ
３４…エンジンケース
３５…アーム
３６…同期リングブラケット
３７…ガイド
２０２…空間
２０４…シールエレメント
２０６…中央部分
２０８…傾斜した端部
２１０…端部の上面
２１２…バックボーン支持体
２１４…ポスト
２１６…ブリッジブラケット
２１８…ナット
２２２，２２４…ブリッジブラケットの下面
２２６…中央部分の上面
２３０，２３０’…スロット
【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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【図６】
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