(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアエンジンまわりをファンからのバイパス流が流れ、バイパス流はファンノズルから後方に流出するターボファンエンジンにおいて、ファンノズル出口付近の周面に１または２以上の孔を穿設し、その孔から内部に向って出没するノズル面積調整板を設け、ノズル面積調整板は通常はファンノズル内面から内側に突出していてファンノズル出口面積を絞っており、ストールが発生する可能性がある状態になると引っ込めてファンノズル出口面積を大きくしてストールマージンを増すようにしたことを特徴とするターボファンエンジンのスト−ルマ−ジン制御装置。
【請求項２】
上記ノズル面積調整板の出没は電磁ソノレイドにより行う請求項１記載のターボファンエンジンのストールマージンの制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はタ−ボファンエンジンのスト−ルマ−ジンを簡単な方法で制御することができるタ−ボファンエンジンのスト−ルマージン制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６はターボファンエンジンの断面図である。図において、１はターボファンエンジン、２はコアエンジンである。ターボファンエンジン１はファン３（低圧圧縮機で１または２段以上で構成される。）で圧縮された空気の大半を燃焼させずにそのままバイパス流９としてコアエンジン２のまわりを流し、エンジン後方に排出させる。その結果、排気ガスの平均噴出速度が遅く、亜音速（マッハ数で０．６〜０．９程度）における推進効率が向上し、燃料消費率が下がる。また、排気ガスの噴出速度が遅いため排気騒音も少ない。
コアエンジン２は高圧圧縮機４、燃料器５、タービン６からなる。タービン６は高圧タービン６ａと低圧タービン６ｂからなる。７はファンノズル、８はメインノズルで、それぞれバイパス流９、タービン排気１０を後方に噴出させる。
【０００３】
ファン３や高圧圧縮機４は軸流圧縮機である。軸流圧縮機で、圧力比を高めて行くと、次第に安定運転範囲が狭くなり、始動性や加速性が低下し、遂には頻繁にストール（Stall ＝失速）現象を起こすようになる。ストールが発生すると、エンジン出力が急激に失われるのみならず、運転継続が不能となったり、場合によっては異常燃焼によるタービン動翼、静翼の焼損や、圧縮機動翼の折損と云った重大故障に発展することもある。このストールの発生現象は、圧縮機の動翼を飛行機の翼に見立て、説明することができる。飛行機の翼の揚力は、翼の迎え角が大きくなる程増大し、ある角度で最大に達し、それを超えると翼の上面に沿った空気の流れが剥離（背面剥離）を起こし、揚力が急速に失なわれる。圧縮機の場合も同様に、各動翼に流入する空気の迎え角が大きくなるに従って効率が良くなり、ある角度で最大効率に達し、それを超えると空気流が剥離を起こして失速を生ずるとともに、効率は急激に低下する。
【０００４】
軸流圧縮機では、図７に示すように、修正回転数Ｎc が一定で、修正吸入空気流量Ｗacを減少させて行くと、圧力比γが最大の点でストールを起こす。このストール発生の直前で、圧縮機の効率ηc 最大の点を各回転数についてプロットし、これを結んだ線を、通常、圧縮機の作動ライン（Operating Line）と呼び、圧縮機の運転には、この作動ラインが使用される。この作動ライン上で特に圧縮機の効率が最高となる区域を設定点と呼ぶが、通常、常用回転数（巡航出力）がこの設計点に来るよう設定される。
図８に示すように、エンジン作動線とストール限界線との距離をストールマージンというが、ストールマージンが少なくなるとストールを起こすおそれが大きくなる。ストールマージンを減少させる要因としては、図に示すように、（１）エンジンのよごれなどによるエンジン劣化の影響でエンジン作動線がストール限界線に近づくこと。（２）エンジン加速時のエンジン作動線は、アイドル出力と最大出力との間でサインカーブ状の動きをするので、特にアイドル状態から加速するときにストールマージンが減少すること。（３）ストール限界線がファンのチップクリアランスの影響でエンジン作動線に近づくこと。などにある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
スト−ルの発生を防止する構造としては、軸流圧縮機の入り口案内翼および静翼の取付角を可変構造にし、流入空気の流量変化に応じて動翼に対する迎え角を常に一定に保つようにした可変静翼構造や、ファンのストール防止のため、ファンノズルの開口面積を可変とし、ファンの圧縮比をコントロールする可変排気ノズル構造などがある。
しかし、このようなストール防止構造をエンジンに組み込むとエンジンの部品点数が増えて構造が複雑化し、大型の高性能エンジンである場合はともかく、小型エンジンではエンジン重量の増大や整備性および信頼性の低下につながる。
【０００６】
図９および図１０は小型エンジンのストール防止装置の説明図である。エンジンは組立完了後テストセルでテストを行い、ストールマージンを適当な値にするよようにファンノズル７の内面にセグメント１０を取り付ける。セグメントは通常８分の１円弧状の板材でファンノズルの出口付近の内面にスクリュー・ワッシャ・ナットにより取り付ける。セグメント１０を取り付けることにより、ファンノズル出口面積（ファンノズル７の内径とメインノズル８の外径の間の隙間の面積をいう。）が絞られて、ファン３の圧力比が高くなり、排気の速度が大きくなるので、推進効率が高くなるが、ストールマージンが低下する。エンジン組立後に、テストセルでテストし、ストールマージンが適当な値になるように、セグメント１０の取り付け枚数を決定する。取り付け枚数が決まると、図１０の示すように、１〜８枚の間でできるだけ等間隔になるように取り付ける。
【０００７】
しかし、このような固定式のファンノズルでは、たとえば、図８のＡ部に示すような場合にも十分なストールマージンが残っているように取付けセグメント１０の枚数を決めているので、通常の運転時にはストールマージンの値が大きすぎてエンジン性能が十分発揮されていない。
【０００８】
本発明は従来技術のかかる問題点に鑑み案出されたもので、簡易な構造で運転中にストールマージンを制御することができるターボファンエンジンのストールマージン制御装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明のターボファンエンジンのストールマ−ジン制御装置は、コアエンジンまわりをファンからのバイパス流が流れ、バイパス流はファンノズルから後方に流出するターボファンエンジンにおいて、ファンノズル出口付近の周面に１または２以上の孔を穿設し、その孔から内部に向って出没するノズル面積調整板を設け、ノズル面積調整板は通常はファンノズル内面から内側に突出していてファンノズル出口面積を絞っており、ストールが発生する可能性がある状態になると引っ込めてファンノズル出口面積を大きくしてストールマージンを増すようにしたものである。
上記ノズル面積調整板の出没は電磁ソレノイドにより行ってもよいが、油圧シリンダなどを使用してもよい。
次に、本発明の作用を説明する。ノズル面積調整板はファンノズル内面から突出した状態か、内面と面一の状態かの２位置で制御されており、その中間位置で制御することはない。エンジンの通常の運転状態ではノズル面積調整板はファンノズル内面から突出しているので、ファンノズル出口面積は絞られており、エンジン性能は向上している。ストールが発生する可能性がある状態、たとえば、図８のＡ部に示すように、アイドル状態からエンジンを加速して行くときには加速時のエンジン作動線は通常のエンジン作動線よりも上方に膨らんでいてストール限界線に近づくので、ノズル面積調整板は引っ込めてファンノズル内面と面一にする。そうするとファンノズル出口面積は大きくなり、ファンの圧力比が減少するので、ストールマージンは増加し、スト−ルの起る可能性は減少する。
【００１０】
【発明実施の形態】
以下、本発明の１実施形態について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明のターボファンエンジンのストールマージン制御装置の正面断面図である。図２はストッパの斜視図である。図３はノズル面積調整板の斜視図である。図４はソレノイドサポートの斜視図である。図５はストレージマージン制御装置の取り付け状態をエンジン後方より見た図面である。これらの図において、従来技術として図６ないし図１０を用いて説明したものに共通する部分は同一の符号を用いている。
【００１１】
図１において、１１はストールマージン制御装置である。ストールマージン制御装置１１は図５に示すように、ファンノズル７の出口付近に、エンジンの中心の対称位置に２個設けられている。なお、本図では２個として示したが、１個または３個以上であってもよい。さらに、図５には示していないが、ストールマージン制御装置に加えて、１または２枚以上のセグメント１０を併用してもよい。７ａはファンノズル７の出口付近に穿設した孔で、ノズル面積調整板１５が出没するようになっている。１２はソレノイドサポ−トであり、底部が開口した箱形をしており、上面にソレノイド１３が取り付けられている。１３ａはソレノイドロッドで、先端にノズル面積調整板１５がロッド１３ａの先端の雄ネジに螺合するナット１３ｂにより固着されている。１４はコイルバネである。ノズル面積調整板１５は長方形の上部１５ａと、上部１５ａから垂下して設けられ幅が上部１５ａよりも狭い長方形の下部１５ｂとからなり、上部１５ａと下部１５ｂとの間に段差１５ｇがある。ノズル面積調整板１５の平面視中央の上面にはソレノイドロッド１３が挿入される穴１５ｄが穿設されており、下面にはナット１３ｂを収容する穴１５ｅが穿設されていて、穴１５ｄと穴１５ｅの間の平面部をソレノイドロッド１３ａとナット１３ｂとにより絞め付けて、ソレノイドロッド１３ａにノズル面積調整板１５を固定している。ノズル面積調整板１５の底面１５ｃの上流側は滑らかな曲面１５ｆになっていて、ファンノズル７内を流れるバイパス流９に大きな乱れが起きないようにしている。
【００１２】
１６はストッパであり、円弧状の長方形の板で中央部にノズル面積調整板１５の下部１５ｂが貫通する孔１６ａが穿設されている。ストッパ１６とノズル面積調整板１５の段差１５ｇを当接させることにより、ノズル面積調整板１５がファンノズル内面から突出する量が画定される。１７はストッパ１６を挟んでソレノイドサポ−ト１２をファンノズル７に絞め付けるボルトである。
【００１３】
次に、本実施形態の作用を説明する。ノズル面積調整板１５はファンノズル７内面から突出した状態か、内面と面一の状態かの２位置で制御されており、その中間位置で制御することはない。エンジンの通常の運転状態では、ソレノイド１３はオフの状態でノズル面積調整板１５は、バネ１４によってストッパ１６に押し付けられて、図１の点線で示すように、下部１５ｂがファンノズル７内面から突出している。したがって、ファンノズル７の出口面積は絞られており、エンジン性能は向上している。ストールが発生する可能性がある状態、たとえば、図８のＡ部に示すように、アイドル状態からエンジンを加速して行くときには加速時のエンジン作動線は通常のエンジン作動線よりも上方に膨らんでいてストール限界線に近づくので、ソレノイド１３はオンの状態となり、ノズル面積調整板１５はバネ１４に抗して引っ込み、ファンノズル７内面と面一になる。そうするとファンノズル７の出口面積は大きくなり、ファンの圧力比が減少するので、スト−ルマージンは増加し、ストールの起こる可能性は減少する。
【００１４】
ノズル面積調整板１５の位置決め制御は、ファン３の回転数、ファン３の圧力比およびスロットルレバー操作等の信号の関数を求め、その値が所定の範囲になるとソレノイド１３を作動させて行う。
【００１５】
本発明は以上述べた実施形態に限定されるものではなく、発明要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００１６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のターボファンエンジンのストールマージン制御装置は簡単な講造で運転中にストールマージンを制御することができるので、エンジン全体の重量や価格を大幅にアップすることなく、通常運転時の推進効率を向上させ、燃料消費率を低下させることができるなどの優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のターボファンエンジンのストールマージン制御装置の正面断面図である。
【図２】ストッパの斜視図である。
【図３】ノズル面積調整板の斜視図である。
【図４】ソレノイドサポートの斜視図である。
【図５】ストールマージン制御装置の取付図である。
【図６】ターボファンエンジンの断面図である。
【図７】軸流圧縮機の作動特性を示すグラフである。
【図８】ストールマージンの説明用のグラフである。
【図９】ファンノズルにセグメントを取り付けた状態を示す斜視図である。
【図１０】ファンノズルにセグメントを取り付けた状態を示す背面図である。
【符号の説明】
１    ターボファンエンジン
２    コア−エンジン
３    ファン
７    ファンノズル
７a   孔
１３  ソレノイド
１５  ノズル面積調整版
【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】
0004501300.tif 000008
【図８】
0004501300.tif 000009
【図９】
0004501300.tif 000010
【図１０】
0004501300.tif 000011