(57)【要約】【課題】低コストで構造を簡略化したターボファンエンジン用のスラスト増強装置を提供する。【解決手段】混合排気流ターボファンエンジン１０用のスラスト増強装置１２は、オグメンタダクト３４と、燃焼装置と、固定した面積の排気ノズル２６と、を備える。オグメンタダクト３４が、ターボファンエンジン１０の１次空気及び２次空気を受け取るとともに、該ターボファンエンジン１０の排気ケースと同軸上に配置される。燃焼装置により、ターボファンエンジン１０の混合排気流によって発生したスラストが増加する。固定した面積の排気ノズル２６は、非増強時のスラストが最大になるスロート面積より大きいスロート面積を有する。これにより、本発明のスラスト増強装置１２によって、スラストが効率的に増強される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合排気流を有するターボファンエンジン用のスラスト増強装置であって、
上記ターボファンエンジンの排気ケースと同軸上に配置され、該エンジンの１次空気及び２次空気を受け取るオグメンタダクトと、
上記ターボファンエンジンの混合排気流によって発生したスラストを増加させる燃焼装置と、
非増強時の最大スラストに対し要求されるスロート面積より大きいスロート面積を有する固定面積の排気ノズルと、を備えることを特徴とするスラスト増強装置。
【請求項２】
上記の固定面積排気ノズルは、非増強時の最大スラストに対し要求されるスロート面積より約２０％〜約３０％大きいスロート面積を有することを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項３】
上記燃焼装置は、上記の固定面積排気ノズルのスロート面積においてスラストが最大になるように作動することを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項４】
上記の固定面積排気ノズルは、非増強時のスラストが最大になる作動状態に対応した大きさのスロート部を有する排気ノズルの燃料効率と同様の燃料効率を生み出すことを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項５】
上記の固定面積排気ノズルは、非円形断面を有することを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項６】
上記燃焼装置によって、非増強時の最大スラストが約２０％〜約３０％増加することを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項７】
上記燃焼装置は、上記のノズルスロート面積が、上記ターボファンエンジン内でストール状態を発生させる大幅な圧力増加を引き起こさないように、スラストを増大させることを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項８】
上記燃焼装置は、
燃料噴射装置と、
点火装置と、
フレームホルダと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のスラスト増強装置。
【請求項９】
上記燃料噴射装置は、１段式の燃料噴射バーもしくは噴射リングを備えることを特徴とする請求項８に記載のスラスト増強装置。
【請求項１０】
上記燃料噴射装置は、上記１次空気中に位置することを特徴とする請求項８に記載のスラスト増強装置。
【請求項１１】
上記スラスト増強装置は、上記オグメンタダクトを防護し、駆動ファンを安定させるオグメンタダクトライナを備えることを特徴とする請求項８に記載のスラスト増強装置。
【請求項１２】
混合排気流を有するターボファンエンジンのスラストを増強する方法であって、
燃料を上記混合排気流に噴射し、
上記混合排気流によって発生したスラストを増加させるように上記燃料をこの混合排気流中で燃焼させ、
非増強時の最大スラストに対し要求されるスロート面積より大きい固定したスロート面積を有する排気ノズルを経て、上記混合排気流を通すことを特徴とするスラスト増強方法。
【請求項１３】
上記排気ノズルは、非増強時の最大スラストに対し要求されるスロート面積より約２０％〜約３０％大きい固定スロート面積を有することを特徴とする請求項１２に記載のスラスト増強方法。
【請求項１４】
上記の燃料を上記混合排気流に噴射するステップは、燃料噴射を１段で行うことを特徴とする請求項１２に記載のスラスト増強方法。
【請求項１５】
上記の燃料を上記混合排気流中で燃焼させるステップは、燃料を上記混合排気流の１次空気中のみで燃焼させることを特徴とする請求項１２に記載のスラスト増強方法。
【請求項１６】
上記の燃料を噴射するステップは、この燃料を上記混合排気流中で燃焼させることによって、該混合排気流のスラストを約２０％〜約３０％増加させる量の燃料を噴射することを特徴とする請求項１２に記載のスラスト増強方法。
【請求項１７】
スラスト増強装置を有する混合排気流ターボファンエンジンに用いる排気ノズルであって、
上記ターボファンエンジンのスラスト増強性能を最適化する大きさの固定したスロート面積を有することを特徴とする排気ノズル。
【請求項１８】
上記の固定したスロート面積は、非増強時の最大スラストに対し要求されるスロート面積より約２０％〜約３０％大きいことを特徴とする請求項１７に記載の排気ノズル。
【請求項１９】
上記スラスト増強装置によって、非増強時の最大スラストが約２０％〜約３０％増加することを特徴とする請求項１７に記載の排気ノズル。
【請求項２０】
上記の固定スロート面積の大きさは、上記排気ノズルが、上記ターボファンエンジン内でストール状態を発生させる大幅な圧力増加を引き起こさないように、上記スラスト増強装置によって発生したスラストに対応することを特徴とする請求項１７に記載の排気ノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンに関し、特に混合流ターボファンエンジン用のスラスト増強装置（オグメンタ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボファンエンジンは、駆動ファンを動かす付加的なタービンを回転させるために、主タービンエンジンによって発生した排出ガスを用いる。このように、ターボファンエンジンによって、スラスト（推力）を発生させるように用いられる２つの空気流（主タービンエンジン内での燃焼によって生じる１次空気流及び駆動ファンによって加速された２次空気流）が生み出される。混合流ターボファンエンジンにおいては、１次空気流（高温空気）及び２次空気流（バイパス空気）が、排気ノズルを同時に通り抜けるように、排気ダクト内で混合する。排気ノズルによって、混合流の排気がさらに加速される。
【０００３】
更なるスラストを、アフターバーナもしくはリヒータとしても知られているスラスト増強装置（オグメンタ）を用いてターボファンエンジン内で発生させることができる。スラスト増強装置によって、混合流の排気が、排気空気中に残っている酸素ならびに２次燃焼過程を行うように噴射された燃料流を用いてさらに加速される。混合流のスラスト増強は、１次空気流または２次空気流中のいずれにおいても行うことができる。通常、オグメンタは、離陸中や迎撃ミッションなどの戦闘時の操縦を行うときなど、補助的なスラストが必要なときに、短時間用いられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般的に、スラスト増強装置を備えたターボファンエンジンは、ファンや低圧圧縮機のサージを防止するために、スラストが増強された作動状態においてノズルスロート面積を大きくする必要がある。圧力脈動が前方へ伝搬してファンや低圧圧縮機に入ると、エアフォイルや末端壁でのストールによって、不安定となる。また、不安定な圧力脈動を低減し、かつオグメンタの燃料噴射と排気ノズル面積の増加との同調を改善するために、スラスト増強中に燃料流量を調節するように、多段式のオグメンタを用いることができる。しかしながら、これらの解決法の双方は、コストを増大させるとともに、タービンエンジンを複雑にする。
【０００５】
ある用途においては、固定排気ノズルを有する非スラスト増強型の混合流ターボファンエンジンが、コスト及びエンジンの複雑性を低減するのに好ましい。従って、混合流ターボファンエンジンにおいては、スラスト増強とともに可変排気ノズルを用いるか、もしくは、スラスト増強なしに固定ノズルを用いることが現時点での最新技術である。故に、混合流ターボファンエンジン用の固定したノズル面積を有するスラスト増強装置が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
混合排気流ターボファンエンジン用のスラスト増強装置は、オグメンタダクトと、燃焼装置と、固定した面積の排気ノズルと、を備える。オグメンタダクトが、ターボファンエンジンの１次空気及び２次空気を受け取るとともに、該ターボファンエンジンの排気ケースと同軸上に配置される。燃焼装置により、ターボファンエンジンの混合排気流によって発生したスラストが増加する。固定した面積の排気ノズルは、非増強時のスラストが最大になるスロート面積より大きいスロート面積を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明のスラスト増強装置１２を有する混合流ターボファンエンジン１０の断面図を示している。ターボファンエンジン１０は、スラスト増強装置１２と、ファンダクト１４と、駆動ファン１５（ブレード１６ａ〜１６ｃを含む）と、低圧圧縮機１７と、高圧圧縮機１８と、燃焼器２０と、高圧タービン２２と、低圧タービン２４と、排気ノズル２６と、を備える。駆動ファン１５ならびに低圧圧縮機１７は、シャフト２７を用いて低圧タービン２４によって駆動される。高圧圧縮機１８は、シャフト２８を用いて高圧タービン２２によって駆動される。高圧圧縮機１８、燃焼器２０、高圧タービン２２及びシャフト２８は、高エネルギの空気流を発生させるガス発生器２９の主要部分であるターボファンエンジン１０のコアをなしている。この高エネルギの空気流は、低圧タービン２４を駆動するように最終的に用いられ、かつ２次空気流及び１次空気流の双方を介してスラストを発生させる高圧流をもたらす。スラスト増強装置１２は、燃料噴射バー３０と、ライナ３１と、フレームホルダ３２と、点火装置３３と、オグメンタダクト３４と、を備える。排気ノズル２６は、固定したスロート面積ｔfを有しており、スラストを増強していないときの最大スラストにおける理論的なスロート面積ｔoならびに、スラストを十分に増強したときの最大スラストにおける理論的なスロート面積ｔaも図示されている。
【０００８】
外気ＡAmbientが、エンジン１０の入口３６に入って駆動ファン１５を通る。駆動ファン１５は、外気ＡAmbientを加速させるように低圧タービン２４によって回転し、これによりエンジン１０のスラスト出力の大部分が発生する。加速した外気ＡAmbientは、２つの空気流（１次空気ＡP及び２次空気ＡS）に分かれる。バイパス空気としても知られる２次空気ＡSが、ファン出口ガイドベーン３８を通ってファンダクト１４内を通過し、スラスト増強部１２に入る。従って、２次空気ＡSの主な作用は、駆動ファン１５からのスラストの発生である。高温空気としても知られる１次空気ＡPは、低圧圧縮機１７に最初に案内され、その後高圧圧縮機１８に案内される空気流である。１次空気ＡPに対する２次空気ＡSの比率、及び駆動ファン１５によって生み出されるスラスト量は、所望の設計パラメータ及び選択したバイパス比によって決まる。図１は、ファン−低圧−高圧構造と呼ばれる低圧圧縮機１７及び高圧圧縮機１８を有する二軸式圧縮機を示している。低圧圧縮機１７及び高圧圧縮機１８は、これらの圧縮機１７、１８が異なる駆動シャフトによって駆動されるので、独立して作動するものの、１次空気ＡPの圧力を増加させ、かつ体積を減少させるように連繋して機能する。ファン−高圧構造と呼ばれる別の実施例においては、駆動ファン１５及び高圧圧縮機１８のみが用いられる。加圧された１次空気ＡPは、その後、燃焼器２０へと通り、燃料供給されて燃料と混合し、点火されて、高圧タービン２２及び低圧タービン２４の回転に用いられる高エネルギのガスを発生させる。高圧タービン２２が、シャフト２８により高圧圧縮機１８を駆動すると同時に、低圧タービン２４が、シャフト２７により低圧圧縮機１７及び駆動ファン１５を駆動する。燃焼した１次空気ＡP及び２次空気ＡSが、オグメンタダクト３４へ入る。スラストの増強を、１次空気ＡP、２次空気ＡS、或いは双方の空気ＡP、ＡSについて行うことができる。ダクト部４２によって、１次空気流及び２次空気流の双方においてオグメンタ内での燃焼のために所望の流速がもたらされる。多数の実施例では、このダクト部４２は、特に低圧タービン２４を出る速度が安定した効率的な燃焼を行うのには過度に高速である１次空気流に対して、燃焼過程に入る空気の速度を減速させるディフューザとして機能する。
【０００９】
１次空気ＡP及び２次空気ＡSは、ダクト部４２からオグメンタダクト３４を通ってスラスト増強装置１２に移動する。エンジン１０は、非スラスト増強モード及びスラスト増強モードで作動させることができる。非スラスト増強モードにおいては、オグメンタダクト３４が、排気ダクトとして機能する。スラスト増強モードにおいては、スラスト増強装置１２が、１次空気ＡPや２次空気ＡSによって発生したスラストを一時的にさらに増加させる。オグメンタダクト３４の総断面積は、スラスト増強後の排気ガスの速度が、圧力損失が過剰になるとともに燃焼効率が過度に低下するところまで増加しない、十分なものとする必要がある。
【００１０】
本発明の一実施例においては、スラスト増強装置１２によって１次空気ＡPに対し、２次燃焼過程が行われ、１次空気ＡPの速度及び質量をさらに増加させる。燃料噴射バー３０によって、燃料流が１次空気ＡP中に噴射され、点火装置３３がこの燃料流に点火する。本発明の一実施例では、スラスト増強装置１２が、離陸などの低高度での用途のみに用いられ、燃料噴射装置及び安定装置を、フレームホルダ３２の閉塞ならびにこれに対応する圧力損失を低減させるようにさらに簡略化することができる。また、スラスト増強装置１２が低高度でのみ用いられる場合には、広範囲な燃料流量での燃料噴射に必要なバルブ及び配管の使用を最小限にすることができる。従って、１段式の燃料噴射バー３０が用いられる（別の実施例では、この噴射バー３０の代わりに１段式の燃料噴射リングを用いることができる）。別の実施例においては、多段式の燃料噴射バーもしくは他の燃料噴射装置が、種々の高度や圧力にスラスト増強プロセスを適合させるために用いられる。燃料は、空気中の酸素とともに燃焼し、これによってこの空気の速度及び質量がさらに増加する。燃焼器２０内での燃焼後、十分な酸素の量が、さらにスラストを増強させる燃焼を持続させるように１次空気ＡP中に残存している。フレームホルダ３２によって、燃料噴射バー３０の下流側に局部的な乱流が発生し、火炎が安定する。スラストの増強を１次空気ＡP中のみで行うことによって、ライナ及び他の耐熱装置を用いる必要性が低減される。スラストの増強が、１次空気ＡP中のみで行われるので、より低温の２次空気ＡSは、１次空気ＡP及び２次空気ＡSが混合する間に、保護層として機能してオグメンタダクト３４の熱損傷を防止する。別の実施例においては、スラスト増強装置１２は、スラスト増強用ライナ３１と、該増強装置１２及びエンジン１０の熱損傷を防止する他の保護遮蔽体と、を備える。
【００１１】
スラスト増強モードでの運転または非スラスト増強モードでの運転中のいずれにおいても、排気ノズル２６によって、スラスト増強した空気ＡAUG（加熱された１次空気ＡP）もしくは非スラスト増強時の空気ＡNAが収集されて直線化され、その速度が向上し、これにより、これらの空気がエンジン１０を出るときの速度が最終的に向上する。本発明の別の実施例においては、排気ノズル２６を、正方形や楕円形などの非円形断面とし、航空機とより適切に一体化するようにノズル装置の構造を最適化することができる。
【００１２】
図２は、可変スロート排気ノズルを有する代表的なスラスト増強型ターボファンエンジンのノズルスロート面積[ｉｎ2（平方インチ）]と正味スラスト[ｌｂ（ポンド）]の関係を示すグラフを示している。図２は、１４，０４３ｌｂ（６２，４６６．４Ｎ）の非増強時のスラスト及び４２８ｉｎ2（２，７６１．３ｃｍ2）の非スラスト増強時のノズルスロート面積を有するエンジン構造に基づいて得られたグラフである。図２に示すように、スラスト増強によりスラストを増加させていくと、付加的な体積流量の通過が必要となるので、スロート面積を次第に大きくしていく必要がある。点Ａなどの低いスラスト増強レベルにおいては、スラスト増加に対するスロート面積の概ね１対１の関係が存在する。スラストを２０％増加させるには、スロート面積を２０％大きくする必要がある。しかしながら、点Ｂなどの高いスラスト増強レベルにおいては、スロート面積の増加幅を、スラスト増加幅より大きくしなければならない。スラストを６８％増加させるには、スロート面積を７７％大きくする必要がある。いずれにせよ、スラスト増強により更なるスラストを得るにはスロート面積をさらに拡大する必要があり、スラストのより効率的な増加は、より小さなスロート面積の増加において得られる。
【００１３】
可変スロート排気ノズルを有する代表的なスラスト増強型ターボファンエンジンにおいては、スロート面積を、非スラスト増強モードでの運転時の最大スラストに対応した面積ｔoに設定することができる。スラストの増強が離陸時に用いられると想定した場合、スロート面積が、離陸時に最大面積ｔAになり、その後、スラスト増強の停止に伴って面積ｔoに縮小し、さらに、エンジン出力が巡航速度時のスラスト状態になるように減少すると、背圧を最小限にし、かつエンジン性能を最適化するために、面積ｔfに最適化される。
【００１４】
固定した排気用のスロート面積を有する代表的な非スラスト増強型エンジンにおいては、スロート面積を、高出力時のスラストに最適化し、例えば、スロート面積ｔoに近い面積にしてもよく、或いは、巡航速度時の燃料効率や圧縮装置（例えば、ファン１５、低圧圧縮機１７、及び高圧圧縮機１８）の安定化に最適化し、例えば、スロート面積ｔoより大きい面積にしてもよい。また、スロート面積を、これらの２つの状態における最適な面積の間に設定することもできる。しかしながら、これらの設定によって、エンジンが生み出すことが可能な最大スラスト量が発生することはなく、また、ノズルスロート面積が過度に大きいので、エンジンのフルスロットルもしくは非巡航運転時において、最適な燃料効率で作動することもない。これは、図３に示されている。
【００１５】
図３は、非スラスト増強型ターボファンエンジンの３つのノズルスロート面積ｔ0、ｔ0+10、ｔ0+20、におけるスラスト比燃料消費率[ｌｂ／ｌｂ*ｈ]に対してプロットされた正味スラスト[ｌｂ]を示している。ノズルスロート面積ｔ0、ｔ0+10、ｔ0+20は、あるエンジン／航空機の構造における非スラスト増強型の別のスロート面積を示している。スラスト比燃料消費率は、エンジンの燃料消費率（ｌｂ／ｈ）を正味スラストで除算することによって示され、これはエンジンの燃料効率を示している。点Ｃ1〜点Ｃ3に示すように、スロート面積ｔ0を有することによって、最適な燃料消費率となるエンジンの大部分のスラストが生み出される。スロート面積が広くなるにつれて、燃料消費量が増加すると同時にスラストが低下する。
【００１６】
また、図３は、ノズルスロート面積を、巡航速度時の燃料効率を犠牲にすることなく実質的に拡大させることが時として可能であることを示している。領域Ｄは、あるエンジン／航空機の構造に必要な巡航速度時のスラストを示している。各スロート面積ｔ0、ｔ0+10、ｔ0+20のプロットが、点Ｅに近接する領域Ｄの中心で交差しており、各スロート面積において、スラスト比燃料消費率が、このスラストの設定においてほぼ同一になることが示される。従って、拡大したスロート面積が、巡航速度またはほぼ巡航速度の時のスラスト要求における燃料効率に悪影響を及ぼさない。このように、一般的な固定ノズルを有する非スラスト増強型エンジンでは、巡航速度時の最適な燃料効率を得るとともに圧縮装置の安定性のマージンがもたらされるように、面積ｔ0より大きいスロート面積が用いられる。
【００１７】
故に、ターボファンエンジン１０の固定排気ノズル２６のスロート面積を、巡航時の燃料効率を犠牲にすることなく、ノズルスロート面積（及びスラスト増強時のエンジンの総スラスト）を最大にし、かつ圧縮装置が安定するように選択することができる。本発明の代表的な実施例においては、スロート面積ｔfが、スロート面積ｔ0より約２０％大きい。このようにスロート面積を選択することにより、本発明のスラスト増強装置１２を用いるときに、特にスラストの増加について、種々の利点が存在する。１つの利点は、非スラスト増強型ターボファンエンジンと比較してスラストが２０％増加する。図２に示すように、２０％拡大したスロート面積を有することによって、増強装置によりスラストを２０％増加させることができる。別の利点は、非スラスト増強時のスロート面積が過度に大きいときに、損失したスラストを回収する点である。上述のように、非スラスト増強型ターボファンエンジンは、巡航時の燃料効率を最適化し、かつ圧縮装置を安定させるために、ほぼ面積ｔfのスロート面積を時として用いる。しかしながら、図３の点Ｃ1〜点Ｃ3に示すように、ノズル面積が過度に大きいので、スラストが最大のときに、このスラストが犠牲になってしまう。従って、エンジン１０は、図３の点Ｃ1から点Ｃ2に低下している損失したスラストを確保する更なる利点を有する。スラストが増強された作動状態のときに、エンジン１０は、図３の点Ｃ1における非スラスト増強型エンジンの動作のように、スラストが最大でかつ最適な燃料効率で、但しスロート面積が２０％大きい状態で作動する。
【００１８】
スラスト増強性能を最良にするために、ノズル２６のスロート面積ｔfが、非増強時のスラストが最大になるスロート面積ｔ0から約２０〜３０％拡大される。上述のように巡航時のスラストにおいて燃料効率を犠牲にしてしまうより大きなノズル面積の必要性を回避するために、ノズル面積がほぼこの範囲になるスラスト増強の値を選択することが望ましい。さらに、このスロート面積においては、スラスト増強装置１２によって、２０〜３０％のスラスト増加（図２）が発生すると同時に、排気装置の圧力の不安定な増加が回避される。非増強時のスラストが最大になるスロート面積に対して２０〜３０％拡大されたスロート面積ｔfを選択する別の利点は、特に低高度でスラストを増強するスラスト増強装置１２の簡略化された設計及び構造を含む。選択したスロート面積が、最大限にスラストを増強した時の燃料流量と整合するので、燃料噴射を同調させ、かつ可変ノズルの位置を調整する必要が無くなる。本発明では、エンジン１０は、圧縮装置が安定する燃料流量以下で常時作動する。別の実施例では、より高いサージの危険性や低下した燃料効率が許容される特定の運転目的において、上述した２０〜３０％の範囲外にスロート面積ｔfの大きさを変更することが検討される。スラスト増強装置１２及びスロート面積ｔfの正確な設計は、多様であるとともに、エンジン１０用に選択された特定の性能要求に基づいて選択される。
【００１９】
本発明を好ましい実施例を参照して説明したが、当業者であれば、本発明の精神や範囲から逸脱することなく形状や詳細の変更が可能であることを理解できよう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明のスラスト増強装置を有する混合流ターボファンエンジンの断面図。
【図２】一般的な可変ノズルを有するスラスト増強型ターボファンエンジンのノズルスロート面積に対する正味スラストの増加を示すグラフ。
【図３】３つのノズルスロート面積の正味スラストに対するスラスト比燃料消費率を示すグラフ。
【符号の説明】
【００２１】
１０…ターボファンエンジン
１２…スラスト増強装置
１４…ファンダクト
１５…駆動ファン
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ…ブレード
１７…低圧圧縮機
１８…高圧圧縮機
２０…燃焼器
２２…高圧タービン
２４…低圧タービン
２６…排気ノズル
２７、２８…シャフト
２９…ガス発生器
３０…燃料噴射バー
３１…ライナ
３２…フレームホルダ
３３…点火装置
３４…オグメンタダクト
３６…入口
３８…ファン出口ガイドベーン
４２…ダクト部
【図１】
2007182873.tif 000003
【図２】
2007182873.tif 000004
【図３】
2007182873.tif 000005