(57)【要約】      （修正有）【課題】コア駆動ファン段の動作効率が高いガスタービンを提供する。【解決手段】コアエンジン４０と、空気を加圧 するファンアセンブリ１６と、コア流れ導管４６と、内側バイパス導管６０と、外側バイパス導管５８とを含む。ガスタービンエンジン１０では、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第１の部分がコアガスタービンエンジンを通過するように第１の部分が誘導され、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第２の部分がコアガスタービンエンジンをバイパスし、内側バイパス導管を通過するように第２の部分を誘導され、コアガスタービンエンジンの排気と空気のうちの第２の部分とが混合され、混合空気がコアエンジンノズル１１０を通過するように混合空気が誘導され、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第３の部分がバイパスノズル１１２を通過するように第３の部分が誘導される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コアガスタービンエンジン（４０）と；
空気を加圧するファンアセンブリ（１６）と；
前記ファンアセンブリと流体連通し、前記ファンアセンブリから排出される空気のうちの第１の部分を受け入れるように構成されたコア流れ導管（４６）と；
前記ファンアセンブリと流体連通し、前記コアガスタービンエンジンから半径方向外側に配置され、前記ファンアセンブリから排出される空気のうちの第２の部分を受け入れるように構成された内側バイパス導管（６０）と；
前記ファンアセンブリと流体連通し、前記内側バイパス導管から半径方向外側に配置され、前記ファンアセンブリから排出される空気のうちの第３の部分を受け入れるように構成された外側バイパス導管（５８）と
を有するガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記コアガスタービンエンジン（４０）からの排気と、前記ファンアセンブリ（１６）から排出される空気のうちの前記第２の部分とを混合するように構成された可変面積バイパス噴射器（１０２）を更に有する請求項１記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項３】
コアエンジンノズル（１１０）を備え、
前記コアエンジンノズルが、前記可変面積バイパス噴射器（１０２）から排出される空気の量を調整するのを助けるために移動自在である請求項２記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項４】
前記コアエンジンノズル（１１０）は、前記可変面積バイパス噴射器（１０２）から排出される空気の量を調整するのを助けるために、前進方向（１２４）及び後退方向（１２６）のうちの少なくとも一方へ移動自在である請求項３記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項５】
前記可変面積バイパス噴射器（１０２）は、前記コア排気とファン排出空気のうちの前記第２の部分との圧力比を調整するために移動自在であり、前記コアエンジンノズル（１１０）は、前記可変面積バイパス噴射器から排出される空気の量を調整するのを助けるために移動自在である請求項４記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項６】
前記外側バイパス導管（５８）は、前記内側バイパス導管（６０）から半径方向外側に配置される請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項７】
前記ファンアセンブリ（１６）から排出される空気のうちの前記第３の部分を受け入れるように構成され、前記空気のうちの第３の部分を、前記可変面積バイパス噴射器（１０２）から排出される空気の部分から実質的に分離された状態で排出するために、前記第３の部分を誘導するように構成されたほぼ中空の支柱（１０４）を更に有する請求項６記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項８】
バイパスノズル（１１２）を備え、
前記バイパスノズルが、前記ファンアセンブリ（１６）から排出される空気の量を調整するのを助けるための可変スロート領域（１３４）を有する請求項７記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項９】
前記バイパスノズル（１１２）は、前記ファンアセンブリ（１６）から排出される空気の量を調整するのを助けるために、前進方向（１２４）及び後退方向（１２６）のうちの少なくとも一方へ移動自在である請求項８記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【請求項１０】
前記バイパスノズル（１１２）は、エンジン中央本体（１３２）に移動自在に結合され、前記ファンアセンブリ（１６）から排出される空気の量を調整するのを助けるために、前進方向（１２４）及び後退方向（１２６）のうちの少なくとも一方へ移動自在である請求項９記載のガスタービンエンジンアセンブリ（１０）。
【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、ガスタービンエンジンのバイパス気流を制御する方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、前方ファンアセンブリと、コア駆動ファンアセンブリと、エンジンを通って流れる空気を加圧する高圧圧縮機と、混合物が点火されるように燃料を圧縮空気と混合する燃焼器と、高圧圧縮機に動力を供給する高圧タービンと、ファンアセンブリに動力を供給する低圧タービンとを含み、それらの構成要素は直流配列で配置される。高圧圧縮機、燃焼器及び高圧タービンは、併せてコアエンジンと呼ばれる場合がある。動作中、コアエンジンは燃焼ガスを生成する。燃焼ガスは、下流側の低圧タービンへ排出され、低圧タービンは、前方ファンアセンブリに動力を供給するために燃焼ガスからエネルギーを抽出する。
【０００３】
超音速輸送機（ＳＳＢＪ）において使用するために、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは開発された。従って、そのようなガスタービンエンジンは、騒音、重量及び性能に関する厳格な条件に適合するように設計されなければならない。そのようなエンジンの１つは、ダブルバイパスモードで動作するように構成可能である可変サイクルエンジン（ＶＣＥ）である。特に、コアバイパス空気を２つの部分に分割することにより、流れ変調能力は増加される。各々の流れは、コアエンジンを取り囲む別個の同心バイパス導管と流体連通し、一方の導管は、コア駆動圧縮機／ファン段（ＣＤＦＳ）を含む。動作中、ＣＤＦＳをバイパスするか又はＣＤＦＳを通って流れるように選択的に空気を制御することにより、バイパス比、すなわち、コアエンジンをバイパスする気流の量と、コアエンジンを通過する気流の量との比を変化させる。
【０００４】
ＣＤＦＳ排気をバイパス導管流れと混合することにより、コア駆動ファン段（ＣＤＦＳ）の動作ラインの制御能力を制限してもよい。従って、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンの動作能力及び失速の問題が起こる確率を低くするのを助けるために、可変面積バイパス噴射器装置を含む。しかし、可変面積バイパス噴射器装置は、コア駆動ファン段の動作効率を低下させるおそれがある。例えば、可変サイクルエンジンが「シングルバイパス」モードで動作される場合、エンジンは、相対的に大きなダンプ圧力損失を生じることがある。更に、相対的に過酷な音響上の条件を課される用途においては、少なくとも１つの周知のガスタービンエンジンは、相対的に大きな排気ノズルの変異を受け入れるように設計された排気ノズルを含む。そのため、排気ノズルは、相対的に重くなり、設計も複雑になる。
【特許文献１】米国特許第３，８４１，０９１号公報
【特許文献２】米国特許第４，０１０，６０８号公報
【特許文献３】米国特許第４，０４３，１２１号公報
【特許文献４】米国特許第４，０７２，００８号公報
【特許文献５】米国特許第４，１７５，３８４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の従来の課題を解決することを目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
１つの側面においては、コアエンジンと、空気を加圧するファンアセンブリと、コア流れ導管と、内側バイパス導管と、空気を加圧するコア駆動ファンアセンブリ（ＣＤＦＳ）と、外側バイパス導管とを含むガスタービンエンジンを動作させる方法が提供される。方法は、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第１の部分がコアガスタービンエンジンを通過するように第１の部分を誘導することと、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第２の部分が可変入口ガイドベーン（ＶＩＧＶ）を含むＣＤＦＳを通過し、コアガスタービンエンジンをバイパスして内側バイパス導管に流入するように第２の部分を誘導することと、コアガスタービンエンジン排気と空気のうちの第２の部分とを混合することと、混合空気がコアエンジンノズルを通過するように混合空気を誘導することと、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第３の部分がバイパスノズルを通過するように第３の部分を誘導することとを含む。
【０００７】
別の側面においては、ガスタービンエンジンアセンブリが提供される。ガスタービンエンジンアセンブリは、コアガスタービンエンジンと、空気を加圧するファンアセンブリと、ファンアセンブリと流体連通し、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第１の部分を受け入れるように構成されたコア流れ導管と、ファンアセンブリと流体連通するＣＤＦＳ／内側バイパス導管であって、内側バイパス導管がコアガスタービンエンジンから半径方向外側に配置され、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第２の部分を受け入れるように構成され、ファンアセンブリにより供給される空気に対して更に加圧を実行する目的でＣＤＦＳを含むＣＤＦＳ／内側バイパス導管アセンブリと、ファンアセンブリと流体連通し、内側バイパス導管から半径方向外側に配置され、ファンアセンブリから排出される空気のうちの第３の部分を受け入れるように構成された外側バイパス導管とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、ガスタービンエンジン１０の一例の一部分の横断面図である。ガスタービンエンジン１０は、外側ケーシング又はナセル１２を含み、外側ケーシング１２の上流側端部は、エンジン１０に所定量の気流を供給するような大きさに規定された入口１４を形成する。入口１４の内部には、入口１４により送り出される気流を受け入れ、圧縮するためのファン１６が配置される。
【０００９】
ガスタービンエンジン１０は、ファン１６の下流側に配置されたコアエンジン４０を更に含む。この実施形態においては、コアエンジン４０は、回転子４４を有する軸流圧縮機４２を含み、圧縮機の第１段にある延出された先端部は、ＣＤＦＳ３４として動作する。
【００１０】
動作中、ファン１６により圧縮された空気は、コアエンジン入口導管４６を通過するように誘導され、軸流圧縮機４２により更に圧縮される。その後、圧縮空気は、燃焼器４８に排出され、そこで燃料が燃焼されて、コアエンジンタービン５０を駆動するための高エネルギー燃焼ガスを生成する。タービン５０は、ガスタービンエンジンの通常の動作方式に従って、軸５２を介して回転子４４を駆動する。高温燃焼ガスは、低圧タービン５４に供給され、低圧タービン５４を駆動する。タービン５４は、軸５６を介してファン１６を駆動する。
【００１１】
この実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、２つのバイパス導管を更に含む。特に、ファン気流の一部がコアエンジン４０の周囲をバイパスするのを助けるために、ガスタービンエンジン１０は、外側ケーシング１２の半径方向内側にある外側バイパス導管５８と、外側バイパス導管５８の半径方向内側に配置された内側バイパス導管６０とを含む。この実施形態では、外側バイパス導管５８及び内側バイパス導管６０は、コアガスタービンエンジン１０をほぼ包囲する。
【００１２】
動作中、この実施形態においては、空気は、ファン１６から軸方向空間２２を通過するように誘導される。この空間２２において、気流は複数の流路に分離される。特に、気流の第１の部分は、外側バイパス導管５８を通過するように誘導され、後方のノズルアセンブリ１００に向かって流れる。空気のうちの第２の部分は、ＣＤＦＳ３４とスプリッタ７０の半径方向外側にある内側バイパス導管６０とを通過するように誘導され、後方の可変面積バイパス噴射器（ＶＡＢＩ）１０２に向かって流れる。空気のうちの第３の部分は、コアガスタービンエンジン４０へ誘導される。従って、ここで説明されるように、ファン１６から供給される空気は、ガスタービンエンジン１０の内部で３つの別個の流路に分離される。
【００１３】
この実施形態においては、内側バイパス導管６０を通って誘導された気流は、ＶＡＢＩ１０２を利用して、低圧タービン５４から出たコアエンジン燃焼ガスと組み合わせられ且つ／又は混合される。更に、外側バイパス導管５８を通って誘導された気流は、排気ノズル支持支柱１０４を通過するように誘導される。支柱１０４は、コアガスタービンエンジン１０の半径方向後方に結合される。
【００１４】
従って、この実施形態においては、ガスタービンエンジン１０は、ＶＡＢＩ１０２から誘導される燃焼空気の量を調整するように構成されたコアノズルアセンブリ１１０、すなわち、コアノズルフラップと、外側バイパス導管５８から誘導される気流の量を調整するように構成されたバイパスノズルアセンブリ１１２、すなわち、バイパスノズルフラップとを更に含む。
【００１５】
この実施形態においては、コアノズルアセンブリ１１０は、外側ケーシング１２に結合されたコアノズル弁１２０、すなわち、プラグを含む。一実施形態では、コアノズルアセンブリ１１０は、可変面積コアノズルアセンブリであり、スロート領域１２２の大きさを変化させるために、種々の機械装置を使用して作動が実行される。例えば、コアノズル弁１２０は、ヒンジ（図示せず）を使用して作動されるフラップであってもよい。この実施形態においては、コアノズル弁１２０は、軸方向前進方向１２４及び軸方向後退方向１２６に並進運動自在である。別の実施形態では、コアノズル弁１２０は、外側ケーシング１２に固定結合される。
【００１６】
使用中、コアノズル弁１２０は、スロート領域１２２を通って誘導される空気の量を調整するのを助けるために、スロート領域１２２の大きさを制御する。特に、この実施形態においては、スロート領域１２２を通って誘導される気流の量を増加するのを助けるために、コアノズル弁１２０は、前進方向１２４へ並進運動される。あるいは、スロート領域１２２を通って誘導される気流の量を減少するのを助けるために、コアノズル弁１２０は、後退方向１２６へ並進運動される。従って、コアノズルアセンブリ１１０は、ＶＡＢＩ１０２から排気口へ誘導される気流の量を調整するのを助ける。
【００１７】
この実施形態においては、バイパスノズルアセンブリ１１２は、例えば、エンジン中央本体１３２に結合されたバイパスノズル弁１３０、すなわち、プラグを含む。一実施形態では、バイパスノズルアセンブリ１１２は、可変面積バイパスノズルであり、スロート領域１３４の大きさを変化させるために、種々の機械装置を使用して作動が実行される。例えば、バイパスノズル弁１３０は、ヒンジ（図示せず）を使用して作動されるフラップであってもよい。この実施形態においては、バイパスノズル弁１３０は、軸方向前進方向１２４及び軸方向後退方向１２６に並進運動自在である。別の実施形態では、バイパスノズル弁１３０は、中央本体１３２に固定結合される。
【００１８】
使用中、この実施形態においては、バイパスノズル弁１３０は、スロート領域１３４を通って誘導される気流の量の調整及び／又は変化を助けるために移動自在である。特に、この実施形態では、スロート領域１３４を通って誘導される気流の量を増加するのを助けるために、バイパスノズル弁１３０は、前進方向１２４へ並進運動される。あるいは、スロート領域１３４を通って誘導される気流の量を減少するのを助けるために、バイパスノズル弁１３０は、後退方向１２６へ並進運動される。従って、可変面積ノズルアセンブリ１２０は、外側バイパス導管５８から排気口へ誘導される気流をガスタービン排気と混合することなく、気流の量を調整するのを助ける。
【００１９】
図２は、第１の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。この実施形態においては、ＶＡＢＩ１０２及びコアノズルアセンブリ１１０は、固定位置に維持されているが、スロート領域１３４の大きさを変化させるのを助けるために、バイパスノズルアセンブリ１１２は移動自在である。
【００２０】
図３は、第２の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。この実施形態においては、ミキサ入口領域１６０、コアスロート領域１２２及びバイパススロート領域１３４の大きさをそれぞれ変化させるのを助けるために、ＶＡＢＩ１０２、コアノズルアセンブリ１１０及びバイパスノズルアセンブリ１１２は、全て移動自在である。
【００２１】
図４は、第３の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。この実施形態においては、ＶＡＢＩ１０２は、固定位置に維持されているが、スロート領域１２２及びスロート領域１３４の大きさをそれぞれ変化させるのを助けるために、コアノズルアセンブリ１１０及びバイパスノズルアセンブリ１１２は移動自在である。
【００２２】
図５は、第４の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。この実施形態においては、コアノズルアセンブリ１１０は、固定位置に維持されているが、ミキサ入口領域１６０及びスロート領域１３４の大きさをそれぞれ変化させるのを助けるために、ＶＡＢＩ１０２及びバイパスノズルアセンブリ１１２は移動自在である。
【００２３】
これらの動作構成は、幾何学的位置関係の可変特性をそれぞれ異なる形で組み合わせたものである。一般に、バイパスノズルアセンブリ１１２は、ファンアセンブリ１６の動作圧力比を制御するために使用され、コアノズルアセンブリ１１０は、ＣＤＦＳアセンブリ３４の動作圧力比を制御するために使用され、ＶＡＢＩ１０２は、コアエンジンアセンブリ４０のガスエネルギー抽出を制御するために使用される。それらの特徴を利用することの必要度は、本発明の適用用途によって異なる。例えば、超音速ビジネスジェットに適用される場合、高温によって、コアエンジン４０の流量容量が制限されるため、ファン排気流れは、外側バイパス導管５８に配分され、コアノズルのスロート領域を拡大する必要なく、増加した流量を受け入れるために可変バイパスノズルアセンブリ１１０のスロート領域は拡大される。
【００２４】
ここで説明されるガスタービンエンジンアセンブリは、ファンアセンブリにより発生される空気を３つの別個の気流、すなわち、コア流れ、内側バイパス流れ及び外側バイパス流れに分割するのを助ける。ファン先端流れ、すなわち外側バイパス空気は、専用導管の中へ誘導され、可変面積ノズルを通って流出する。一方、ファンハブにより発生された空気及びピッチ流れは、コアガスタービンエンジンを通り、その周囲を通過するように誘導され、ＶＡＢＩを利用して混合される。特に、ハブ流れは、コアガスタービンエンジンの内部へ誘導され、ピッチ流れは、可変入口ガイドベーンを含めたＣＤＦＳ段を通って誘導される。次に、ＣＤＦＳ流れは、タービン出口においてコア排気流れと混合される。その後、混合コア流れは、別個の排気ノズルを通って誘導される。この実施形態においては、可変面積バイパスノズルは、バイパスノズルの半径方向内側では、相対的に低い圧力及び遅いジェット速度を維持し、バイパスノズルの半径方向外側では、相対的に高いジェット速度を維持し、それにより、ガスタービンエンジンの音響シグナチュアを減少するのを助ける逆流ノズルである。
【００２５】
従って、ここで説明されるガスタービンエンジンは、ファンの動作ライン及びＣＤＦＳの動作ラインを同時に個別に指定し、それにより、標準の混流ターボファンサイクルに匹敵する性能レベルで、単位気流当たりのスラストを増加できる能力を提供するのに好都合である。加えて、ＣＤＦＳを通って誘導される相対的に少量の流れにより、可変面積ミキサ及び可変コア排気ノズルに課される条件を軽減でき、状況によっては、それらの条件を排除できる。更に、ファン先端流れに対して別個のノズルを利用することにより、フレード（Flade：fan-on-blade）式サイクルエンジンと関連する利点の多くが組み込まれると共に、エンジンの総重量は減少される。その結果、フレード適応サイクルエンジン及び／又はＶＣＥと比較して、単位重量当たりのエンジンスラストは増加する。
【００２６】
本発明を種々の特定の実施形態に関して説明したが、特許請求の範囲の趣旨の範囲内で、変形を伴って本発明を実施できることは、当業者には理解される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】ガスタービンエンジンの一例の概略図である。
【図２】第１の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。
【図３】第２の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。
【図４】第３の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。
【図５】第４の動作構成にある図１に示されたガスタービンエンジンの概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０…ガスタービンエンジン、１６…ファン、４０…コアエンジン、４６…コアエンジン入口導管、５８…外側バイパス導管、６０…内側バイパス導管、１０２…可変面積バイパス噴射器、１０４…中空支柱、１１０…コアノズルアセンブリ、１２４…前進方向、１２６…後退方向、１３２…エンジン中央本体、１３４…スロート領域
【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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