(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機ガスタービンエンジンノズル（１４）のフラップ（５０）を同時に枢動する中空作動リング（８６）であって、
軸方向に相隔たる同軸の前壁（１１０）と後壁（１１４）を有する中空の概して環状の構造体と、
継手（９６）により前記環状の構造体に連結されて該環状の構造体を前記エンジンノズル（１４）に支持する手段と、
前記前壁（１１０）と前記後壁（１１４）との間に軸方向に延在し、前記継手（９６）部位に位置して両壁を構造的に連結している複数の連結支柱（１１８）とを含み、そして
前記前壁（１１０）と前記後壁（１１４）の少なくとも一方の隣り合う継手（９６）間の有効リング曲げ長さ（Ｌ）を減らすリング補強Ａフレーム（１３０）を備え、
前記Ａフレーム（１３０）は、前記連結支柱（１１８）と前記前壁（１１０）と前記後壁（１１４）の少なくとも一方との間に形成され、
前記Ａフレーム（１３０）は、前記連結支柱（１１８）から前記前壁（１１０）と前記後壁（１１４）の一方に伝達される荷重を拡散する手段を含む
ことを特徴とする中空作動リング（８６）。
【請求項２】
前記Ａフレーム（１３０）は、各連結支柱（１１８）と前記前壁（１１０）と前記後壁（１１４）の一方との間に斜めに延在する少なくとも一つの構造ブレース（１３２）を含む、請求項１記載の中空作動リング（８６）。
【請求項３】
前記Ａフレームは隅肉付き内部コーナ（１３６）を有する請求項１又は２に記載の中空作動リング（８６）。
【請求項４】
前記前壁（１１０）および後壁（１１４）のそれぞれの半径方向内端（１５４）および外端（１５６）と、前記連結支柱（１１８）と前記リング補強手段（１２４）とに構造的に結合された環状の内側および外側カバー（１５０、１５２）をさらに含む請求項１乃至３のいずれか１項に記載の中空作動リング（８６）。
【請求項５】
前記環状内側および外側カバー（１５０、１５２）は前記前壁（１１０）および後壁（１１４）と前記連結支柱（１１８）と前記リング補強手段（１２４）とともに一体構造体として一体に形成されている請求項４記載の中空作動リング（８６）。
【請求項６】
前記構造体の前記後壁（１１４）の周囲に周方向に配設されかつ同壁に構造的に結合されたフラップ連結手段と、前記連結支柱（１１８）に構造的に結合された作動器継手手段とをさらに含む請求項５記載の中空作動リング（８６）。
【請求項７】
前記前壁（１１０）と前記後壁（１１４）との間に軸方向に延在しそして両壁を構造的に連結している補強支柱（３００）に形成された彫設外形部（１８０）をさらに含む請求項６記載の中空作動リング（８６）。
【請求項８】
前記補強支柱（３００）に彫設された円錐溝（１８０）をそれぞれが貫通する作動棒（９３）を有するノズル（１４）に配置された請求項９記載の中空作動リング（８６）。
【請求項９】
前記継手（９６）は、２つの周方向に相隔たるフランジ（１６６）を有するヒンジブラケット（１６４）により作動棒（９３）を前記連結支柱（１１８）の基部（１２０）に連結している請求項１乃至８のいずれか１項に記載の中空作動リング（８６）。
【請求項１０】
前記フランジ（１６６）の両方は、２つの周方向に相隔たるねじ（１６８）により前記連結支柱（１１８）の基部（１２０）に取り付けられている請求項９に記載の中空作動リング（８６）。
【発明の詳細な説明】
発明の背景
米国政府は、米国空軍省によって与えられた契約第Ｆ３３６５７−９１−Ｄ−２０８４号に基づいて本発明における権利を有する。
発明の分野
本発明は一般的には軸対称形可変ノズル用の作動リングに関し、特に、ノズル排気流と推力を転向させるノズルフラップの枢動に用いる中空作動リングと装置に関する。
関連技術の説明
軍用航空機の用途に関し、空対空戦闘用と複雑な地上攻撃用の航空機の運動性を高める必要がある。航空機設計者は、フラップと補助翼のような従来の空力面を使用する代わりにあるいはその使用を増強するために、航空機を駆動するガスタービンエンジンの排気流と推力を転向させる転向自在ノズルを用いることに努めている。参照のためここに示すハウア(Hauer)の米国特許第４９９４６６０号には軸対称形転向排気ノズルが開示されており、ノズルの末広フラップを非対称的に自在に枢動することにより、換言すれば、末広フラップを、転向しない場合のノズルの中心線に対して半径方向と接線方向に枢動することにより軸対称中細ノズルの推力を転向させる手段として働く。フラップは作動リングにより枢動され、作動リングは軸方向に直動されかつその水平および垂直軸線に対して限られた範囲にわたってジンバルされる、すなわち、傾けられる（実質的にその姿勢が調整される）ことが可能である。従来、２次元ノズルが、比較的平らなフラップを用いてエンジン推力の縦揺れ（ピッチ）または片揺れ（ヨー）方向を制御する推力転向手段を使用している。
転向推力によりサイドロードと呼ばれる接線方向および半径方向荷重が発生し、フラップから様々な荷重経路により作動リングを逆にたどり作動器を経てエンジンケーシングに伝達される。これらの非常に大きな荷重は、荷重と、特に、推力転向により作動器軸にかかる曲げモーメントとを吸収する重い作動器を必要とする。ノズルにより作動器に伝達されるサイドロードと、作動器が半径方向荷重によって受ける曲げモーメントとを最小または皆無にする手段を提供するために様々な設計が開発されている。参照のためここに示すリップマイア(Lippmeier)等の米国特許第５１７４５０２号はこのような設計を開示しているが、他の設計におけると同様に、その作動リングはやはり半径方向と軸方向の大きな荷重と曲げモーメントとを受ける。作動リングは、推力係数損失と、転向角度能力の減少と、不安定になる可能性とをもたらし得る転向用荷重による装置のゆがみを防止するために剛性である必要がある。作動リングのたわみ性は、リングがノズル転向荷重によりたわみそしてゆがむことを可能にするので、剛性運動系に関して達成される転向を減らす。この問題は、ノズルの転向に使用される比較的少数、望ましい３個の作動器によりさらに悪化する。このゆがみは結局総合的な転向能力の低下をもたらす。
ねじり剛性と曲げ剛性の増大に努める設計者が直面する一つの問題は、作動リングに利用し得る空間が、一般に、航空機とエンジン内部流路とノズル構造体と先細作動装置とにより限定されることである。これは、ＡＶＥＮノズルを用いて既存の航空機ガスタービンエンジン排気ノズル装置を改造する時、特に厄介である。なぜなら、無転向の原設計では作動リングに対する備えも考慮もなされなかったからである。リングに利用し得る空間は、比較的たわみ得るリングを設けやすくする。
先行設計においてリング剛性に影響を与える２つの主要パラメータは、作動器間の距離（立方効果）と、リング断面特性である。３個の作動器と、限定されたリング周辺空間およびリング直径とを仮定すると、リング材料の厚さを増すことは、リングの剛性の増大に用いられる方法であるが、それと関連して重量が増加する。
発明の概要
簡単に述べると、本発明の一態様によれば、作動荷重を少数（好ましくは３個）の作動器から、推力を転向させかつノズルの出口面積を変えるように作用し得る比較的多数の枢動末広フラップ部材に伝達することにより、航空機ガスタービンエンジン転向ノズルのフラップを作動および（または）転向させる中空作動リングと装置が設けられる。
作動リングは、軸方向に相隔たる同軸の前壁と後壁を含む概して中空の環状構造体と、前壁と後壁との間に軸方向に延在し両壁を構造的に連結する複数の支柱と、支柱間で前壁と後壁の少なくとも一方の実効リング曲げおよびねじり長さを減らすリング補強手段とを有する。一実施例では、支柱から前壁と後壁の一方に伝達される荷重を拡散する手段を有する補強手段を設ける。他の実施例では、支柱と前後両壁の少なくとも一方との間に形成されたＡフレーム、そして代替的に、各支柱と前後両壁の一方との間に斜めに延在する少なくとも一つの構造ブレースを有する補強手段を設ける。Ａフレームは隅肉付き内部コーナを有し得る。本発明のさらに詳細な実施例では、前記構造体の後部リングの周囲に周方向に配設されかつそれに構造的に結合されたフラップ作動リンク機構と、支柱に構造的に結合された作動器継手手段とを設ける。フラップ作動リンク
機構と作動器継手手段は好ましくは球面継手要素を含む。
他のさらに特定の実施例では、前壁と後壁との間に軸方向に延在しそしてさらに両壁を構造的に連結する補強支柱に形成された彫設外形部を設ける。好ましくは、環状の内側および外側カバーが前後両壁と支柱とリング補強手段と補強支柱とともに一体構造体として一体に形成される。代替的に、両環状カバーの一方を別に形成しそして一体構造体に結合してもよい。本発明の一実施例は複数の作動棒を有するノズルを含み、各作動棒は補強支柱に彫設された円錐溝を貫通する。他の実施例は複数の球面継手を含み、各球面継手は補強支柱に彫設された半筒形切欠きに装着される。
後述の図面には好適実施例を示すが、これに対し、本発明の真の精神と範囲から逸脱することなく様々な他の改変と代替構成をなすことができる。
利点
本発明の作動リングとノズル作動装置によりもたらされる利点は、例えば、先行設計の関連した重量の増加なしに作動荷重を少数の作動器からそれより多数の枢動末広フラップ部材に伝達し得る比較的剛性の作動リングである。本発明はまた、先行設計の関連した重量の増加なしに、比較的限られた周辺空間内で適用し得る比較的よくたわみ得る比較的小形の作動リングの設計を可能にする。本発明による作動リングは、比較的小さな半径方向高さを含む比較的小さな輪郭をもつように設計され得るので、ノズル作動装置全体とノズル自体をよりコンパクトにし得る。
本発明の他の目的は、ノズル排気流を転向させるノズルフラップの枢動に使用される剛性の中空作動リングを提供することである。他の目的は、比較的限られた周辺空間内で適用し得る剛性作動リングを提供することである。本発明の他の目的は、従来使用されたものより軽量でありかつノズル装置の寸法と重量を最少にする助けとなる中空作動リングを提供することである。
これらの目的と他の特徴および利点は添付図面と関連する以下の説明からさらに明白となろう。
【図面の簡単な説明】
本発明の前述の態様と他の特徴は、添付図面と関連する以下の記述において説明されている。
図１は本発明の好適実施例による作動リングと装置を備えたガスタービンエンジン軸対称形転向排気ノズルの部分切除斜視図である。
図２は図１における作動リングの一部分の部分切除拡大斜視図で、本発明の補強手段の実施例を示す。
図２Ａは図１における作動リングの一部分の部分切除拡大斜視図で、本発明の好適実施例による一体補強リング装置を示す。
図３は図１に示した作動リングを後ろから前方に見た立面図である。
図４は図３に示した作動リングを前から後方に見た立面図である。
図５は図１における作動リングの一部分の他の部分切除拡大斜視図である。
好適実施例の説明
本発明は図１に総括的に例示されており、作動リング８６を含み、この作動リングは航空機ガスタービンエンジンの排気部１０における軸対称形転向ノズル１４用の転向リングとして作用する。排気部１０は、アフタバーナライナ１２を含む定面積ダクトまたはエンジンケーシング１１と、ハウア(Hauer)の前記米国特許に記載されているような中細型の軸対称形転向ノズル１４の可変面積下流部１３とを含み、定面積ダクトまたはケーシング１１と可変面積下流部１３は直流関係にある。図１を参照するに、ノズル１４は直流関係にある先細部３４とのど部４０と末広部４８からなる。先細部３４は、エンジン中心線８の周りに周方向に配置された複数の先細または１次フラップ５０およびそれらと重なり合う１次シール５１を含み、１次シール５１は、周方向に隣り合う１次フラップ５０の半径方向内向き表面間に同表面と密封係合をなすように配置されている。１次フラップ５０は前端が第１ピボット継手またはクレビス継手５２によりケーシング１１に枢着されている。末広または２次フラップ５４の前端５３が、２自由度（２ＤＯＦ）自在継手装置５６により１次フラップ５０の後端に枢着されており、この枢着は、ノズル１４内ののど４０とほぼ合致する軸方向位置でなされている。２次フラップ５４はエンジン中心線８の周りにほぼ周方向に配置され、また、それらと重なり合う末広または２次シール５５が、周方向に隣り合う２次フラップ５４の半径方向内向き表面間に同表面と密封係合をなすように配置されている。のど４０はそれと関連する面積として通常Ａ８で表されるのど面積を有し、そしてノズル出口４４はほぼ２次フラップ５４の端部に存在し、それと関連する面積として通常Ａ９で表される出口面積を有する。
複数のカムローラ６２が１次リング６６内に配置され、このリングは複数の１次作動器７０により前後に直動する。好適実施例では４個の作動器７０が存在する。可変のど面積Ａ８は、１次フラップ５０の背面に形成したカム面６０上のカムローラ６２の作用により制御される。運転中、ノズル内の排気の高圧が１次フラップ５０と２次フラップ５４を半径方向外方に押圧してカム面６０をカムローラ６２の一つと接触した状態に保つ。円錐形環状作動器支持体７６がその狭い前端においてエンジンケーシング１１に装着されており、そして１次作動器７０は作動器支持体７６の広い後端に自在玉継手７４により枢着されている。１次作動器７０は作動棒７３を有し、この棒は球面継手６８により１次リング６６に連結されている。
複数の転向作動器９０、好適実施例では３個の転向作動器９０が、ケーシング１１の周りに周方向に等角度で配置されそして作動器７０と同様に自在玉継手９４により作動器支持体７６に装着されている。作動リング８６が転向作動器９０に転向作動棒９３の後端において球面継手９６により連結されている。これにより、作動リング８６を軸方向に直動しそして中心線８に対して傾けてその姿勢を制御し得る。作動リング８６は２次フラップ５４の位置づけまたは枢動を制御する。２次フラップ５４は、自由度２の自在継手装置５６により１次フラップ５０に枢動され、そして制御アーム５８ａ、５８ｂを有する複数のそれぞれのＹフレーム５９により多自由度の態様で制御されて枢動する。制御アーム５８ａ、５８ｂは２次作動リング８６を２次フラップ５４に作動自在に連結している。外側フラップ６４がＹフレーム５９により少なくとも部分的に支持されそしてノズルの外部に沿ってきれいで円滑な空力形状をもたらす。
制御アーム５８ａ、５８ｂは自由度３の球面継手８２により作動リング８６に連結され、また、球面継手８４により２次フラップ５４の後端に連結されている。このリンク機構は作動リング８６の姿勢変化を２次フラップ５４の多自由度の枢動変化または軌道運動に変換するように作用し得るもので、これにより各２次フラップは異なる角度だけ枢動し得る。球面継手８２を用いて制御アーム５８ａ、５８ｂを取付けることは、Ｙフレーム５９のクレビス型枢動をもたらすとともに、どちらかの制御アーム５８ａまたは５８ｂにかかるかもしれないねじり荷重が作動リング８６に逆伝達されることを防ぐ。バックボーン９２が２次フラップ５４の保持に役立ち、またその両端において継手８４、５６を支持する。
作動リング８６は、ケーシング１１の周囲に周方向に等角度で配置された少なくともそして好ましくは３つの軸方向に調節し得る作動リング支持手段１００により支持され、この支持手段により、作動リング８６は転向作動器９０によって軸方向に直動しかつジンバルされ得る。軸方向直動Ａフレーム２１０が、自由度３の球面継手２０６により作動リング８６を支持する。Ａフレーム２１０はアーム２１１ａ、２１１ｂの端における球面継手の形態のクレビス型ヒンジ手段２０８でスライダ２２０に枢着されている。アーム２１１ａ、２１１ｂの端で球面継手を用いることは、Ａフレーム２１０のクレビス型枢動をもたらすとともに、両アームにかかるかもしれないねじり荷重の伝達を無くする。スライダ２２０は中空スライダバー２２６に沿って滑動自在であり、このバーは前側ブラケット２３０と後ろ側ブラケット２３６によりエンジンケーシング１１に取付けられている。作動リング支持手段１００により作動リング８６は軸方向前後に直動するとともにその姿勢を変えるように傾斜し得る。作動リング支持手段１００のさらに詳細な説明は、リップマイア(Lippmeier)等による「直動ノズル転向リング用の支持装置」と題した米国特許第５１７４５０２号に見られ、この米国特許は参照のためここに示す。
次に図２について説明すると、中空作動リング８６は、軸方向に相隔たる同軸の前壁１１０と後壁１１４を有する中空の概して環状の構造体である。複数の連結支柱１１８が前壁１１０と後壁１１４との間に軸方向に延在しそして両壁を構造的に連結している。作動棒９３は支柱１１８の基部１２０で球面継手９６により作動リング８６に取付けられている。総体的に１２４で示されたリング補強手段が、隣合う支柱１１８間で後壁１１４の有効リング曲げおよびねじり長さＬ（図３も参照）を減らすために設けられている。これは、支柱１１８から後壁１１４に伝達される荷重を拡散することにより達成される。Ａフレーム１３０が各支柱１１８と後壁１１４との間に形成されている。Ａフレーム１３０は各支柱１１８と後壁１１４との間に斜めに延在する構造ブレース１３２をなしている。Ａフレームには好ましくは隅肉付き内部コーナ１３４が設けられる。基部１２０に最も近い隅肉付き内部コーナ１３４は、スペーサ部１３８を加えて有効内部鋭角コーナ１３６を形成することにより改変され、コーナ１３６はその副コーナ１４４に２つの隅肉１４０を有するということに注意されたい。
環状の内側カバー１５０と外側カバー１５２が、対応する前壁と後壁の半径方向内端１５４および外端１５６に構造的に結合され、こうして中空作動リング８６の外側構造部を完成している。環状の内側カバー１５０と外側カバー１５２はまたリング補強手段１２４にも構造的に結合されている。好適実施例では、内側カバー１５０と外側カバー１５２と構造ブレース１３２と支柱１１８と前壁１１０と後壁１１４は全て、図２Ａに示すように鋳造またはなんらかの他の手段により実質的に一体の構造体として一体に形成される。当業界において周知のロストワックスまたはインベストメント鋳造法を用い得る。代替的に、内側カバー１５０と外側カバー１５２の一方と構造ブレース１３２と支柱１１８と前壁１１０と後壁１１４とを全て、鋳造またはなんらかの他の手段により一体物として一体に形成してもよく、その際、内側カバー１５０と外側カバー１５２の他方は別に形成され次いでこれらの部分に溶接、ろう付け、拡散接合またはなんらかの他の接合手段により接合される。球面継手９６は、２つの周方向に相隔たるフランジ１６６を有するヒンジブラケット１６４の使用により、作動棒９３を支柱１１８の基部１２０に連結しており、両フランジ１６６は２つの周方向に相隔たるねじ１６８により支柱の基部に取付けられている。
図１に示したように制御アーム５８ａ、５８ｂを作動リング８６に連結する球面継手８２はフラップ作動リンク機構として働き、このリンク機構は図３においてラグマウント１７６の合わせ対１７４によってさらに詳細に例示されており、各ラグマウントは、対をなしてそれから突出している平行ラグ１７８を有する。ラグマウント１７６は後壁１１４の周囲に周方向に配設されかつそれに構造的に結合されており、それらのラグ１７８は全て、中心線８から延在しかつラグマウント１７６間の平均角度Ａを二分する半径Ｒに平行であり、平均角度Ａはその原点を中心線に有する。各合わせ対のラグマウント１７６は制御アーム５８ａ、５８ｂの対応するものを作動リング８６に連結する。
図５は、円錐溝１８０と半筒形切欠き１８２とによって例示される作動リング８６に形成した彫設外形部の位置を示す。円錐溝１８０は１次作動器７０（図１に示してある）の作動棒７３用の間隙として役立つ。作動棒７３は図５にさらに詳細に例示されている。半筒形切欠き１８２は、図２にさらに詳細に例示した作動リング８６にＡフレーム２１０を連結する球面継手２０６を装着する場所となる。補強支柱３００がこれらの彫設外形部の周方向位置において前壁１１０と後壁１１４との間に軸方向に延在する。円錐溝１８０と半筒形切欠き１８２のような彫設外形部は好ましくは補強支柱３００自体に形成される。補強支柱３００は、これらの彫設外形部が通常作動リング強度を減らす所で、作動リング８６を構造的に強化する助けとなり、そしてノズルを比較的小さな直径をもつように設計することを可能にする。作動リングは、比較的小さな輪郭と比較的小さな半径方向高さをもつように設計され得るので、ノズル作動装置全体とノズル自体をよりコンパクトにし得る。補強支柱３００は好ましくは、内側カバー１５０と構造ブレース１３２と支柱１１８と前壁１１０と後壁１１４とともに、鋳造またはなんらかの他の手段により一体物として一体に形成される。
本発明の原理を説明するために本発明の好適実施例を十分説明したが、請求の範囲に記載した本発明の範囲から逸脱することなく好適実施例に対して様々な改変または変更をなし得ることはもちろんである。
【図１】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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