(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボファンエンジンのファン出口に設けられ前縁がエンジン軸線Ｚを中心とする円に外接する軸を中心に揺動可能な複数の揺動フラップと、該複数の揺動フラップを前記軸のまわりに同期して揺動させる揺動装置と、ターボファンエンジンのファン出口に設けられた複数の固定フラップとを備え、
該固定フラップと前記揺動フラップは、ファン出口に沿って周方向に交互に配置され、揺動フラップがファン出口のノズル面積を増大する位置に揺動したときに揺動フラップと固定フラップによりファン流と外部流の混合を促進するミキサを構成する、ことを特徴とする可変ファンノズル装置。
【請求項２】
前記揺動装置は、前記軸を揺動可能に支持するカウルと、該カウル内に設けられ複数の揺動フラップを同期して揺動させるリンク機構と、駆動ロッドを有しその軸方向移動により前記リンク機構を作動させる直動アクチュエータと、揺動フラップの揺動範囲を制限するストッパとを備える、ことを特徴とする請求項１記載の可変ファンノズル装置。
【請求項３】
前記カウルは、ターボファンエンジンのファンナセルに隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能な移動カウルであり、前記直動アクチュエータは、前記ファンナセルに取り付けられ、前記駆動ロッドはファンナセルから移動カウル内に延びており、更に駆動ロッドに一端が支持され、揺動フラップの揺動範囲において、移動カウルをファンナセル側に付勢する圧縮バネを備える、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の可変ファンノズル装置。
【請求項４】
ターボファンエンジンのファン出口に設けられ前縁がエンジン軸線Ｚを中心とする円に外接する軸を中心に揺動可能な複数の揺動フラップと、該複数の揺動フラップを前記軸のまわりに同期して揺動させる揺動装置とを備え、
前記揺動装置は、前記軸を揺動可能に支持するカウルと、該カウル内に設けられ複数の揺動フラップを同期して揺動させるリンク機構と、駆動ロッドを有しその軸方向移動により前記リンク機構を作動させる直動アクチュエータと、揺動フラップの揺動範囲を制限するストッパとを備え、
前記カウルは、ターボファンエンジンのファンナセルに隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能な移動カウルであり、前記直動アクチュエータは、前記ファンナセルに取り付けられ、前記駆動ロッドはファンナセルから移動カウル内に延びており、更に駆動ロッドに一端が支持され、揺動フラップの揺動範囲において、移動カウルをファンナセル側に付勢する圧縮バネを備える、ことを特徴とする可変ファンノズル装置。
【請求項５】
前記直動アクチュエータは、前記揺動フラップの揺動範囲を超えるストロークを有し、揺動フラップの揺動範囲内では前記リンク機構を作動させ、揺動範囲を超えるストロークによりカウルを通常位置Ｆからリバース位置Ｒまで下流側に移動させ、これに連動する推力リバーサ機構を作動させる、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の可変ファンノズル装置。
【請求項６】
前記推力リバーサ機構は、前記ファンナセルに固定されファン流を外部上流側に案内するカスケードと、移動カウルに固定され通常位置Ｆにおいて前記カスケードを覆うカスケードカバーと、移動カウルに揺動可能に取付けられたブロックドアと、カウルの通常位置Ｆにおいて該ブロックドアをファン出口を全開する位置に位置決めし、カウルのリバース位置Ｒにおいてブロックドアをファン出口を全閉する位置に位置決めするリンク機構とを備える、ことを特徴とする請求項５に記載の可変ファンノズル装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ターボファンエンジンに係わり、更に詳しくは、ターボファンエンジン用の可変ファンノズル装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ターボファンエンジンは、圧縮機、燃焼器、および圧縮機を駆動する圧縮機タービンからなるコアエンジンの前後にそれぞれファンおよびファンを駆動するファンタービンを追加したものである。
【０００３】
ターボファンエンジンでは、コアエンジンの前側に取り付けられたファンで圧縮された空気は、その一部がコアエンジンに入り、残りはバイパス空気流となる。このバイパス空気流量とコアエンジンを通り燃焼に関与する空気流量との比をバイパス比という。バイパス比の大きいターボファンエンジンは、燃料経済性と低騒音性の両方に優れており、これらを重視する大形の旅客機や輸送機では、高バイパス比（４．５〜８）の高バイパス比ターボファンエンジンが採用される動向にある。
【０００４】
高バイパス比ターボファンエンジンでは、バイパス空気をコアエンジンの排気とは分離して直接大気に排出する形式が主である。この場合、バイパス空気用のノズル（ファンノズルと呼ぶ）は従来は一定面積の固定ノズルであったが、ファンノズルの性能向上のため、ノズル面積を可変にした可変面積ファンエキゾーストノズルが創案され出願されている（特開平９−１９５８５３号）。
【０００５】
図５は、特開平９−１９５８５３号の「可変面積ファンエキゾーストノズル」の構成図であり、（Ａ）は全体断面図であり、（Ｂ）は主要部の拡大図である。
【０００６】
図５（Ａ）において、１はガスタービンエンジン、２はコアエンジン、３はファン、４は中心軸、５は環状ナセル、６は外側ナセル、７は上流部分、８は下流部分、９はコアカウル、１０はダクト、１１はエキゾーストノズル、１２は外側ナセル後縁である。
【０００７】
図５（Ｂ）に示すように、このガスタービンエンジン１は、変位スリーブ１３を有しており、この変位スリーブ１３は外側ナセル６の下流側に位置している。エキゾーストノズル１１は、変位スリーブ１３の後縁と円錐形のコアカウル９の間に形成される。変位スリーブ１３は、下流側へと変位して、径が減少するコアカウル９と協働して、エキゾーストノズル１１の面積を増加させるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし上述した可変面積ファンエキゾーストノズル（可変ファンノズル装置）では、推力リバーサ機構用の推力リバーサアクチュエータ１４とは別に、変位スリーブ用の変位スリーブアクチュエータ１５を備える必要があり、その付加デバイスのため、重量的に増大してしまい、トータルとしての採用メリットは少なかった。
【０００９】
また、変位スリーブ１３を下流側に位置し、エキゾーストノズル１１の面積を増加させた場合でも、ノズル形状はドーナツ状を保持しているため、ファン流と外部流との混合促進効果が少なく、ファンノイズの低減効果が少なかった。
【００１０】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、（１）ノズル面積を増加させた場合に、ファン流と外部流との混合促進効果が高く、ファンノイズを効果的に低減することができ、（２）ノズル面積を減少させた場合に、外部抵抗を最小限度に抑えることができ、（３）推力リバーサアクチュエータのみで、推力リバーサと可変ファンノズルの両方を随時駆動することができる可変ファンノズル装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、ターボファンエンジンのファン出口に設けられ前縁がエンジン軸線Ｚを中心とする円に外接する軸を中心に揺動可能な複数の揺動フラップと、該複数の揺動フラップを前記軸のまわりに同期して揺動させる揺動装置と、ターボファンエンジンのファン出口に設けられた複数の固定フラップとを備え、該固定フラップと前記揺動フラップは、ファン出口に沿って周方向に交互に配置され、揺動フラップがファン出口のノズル面積を増大する位置に揺動したときに揺動フラップと固定フラップによりファン流と外部流の混合を促進するミキサを構成する、ことを特徴とする可変ファンノズル装置が提供される。
【００１２】
この構成によれば、揺動装置（２４）により複数の揺動フラップ（２２）をエンジン軸線Ｚを中心とする円に外接する軸（２１）のまわりに同期して揺動させることにより、揺動フラップ（２２）の後縁で構成されるファンノズルのノズル面積を可変にできる。
【００１３】
また、固定フラップに対して揺動フラップが揺動してノズル面積を増加させた場合に、ファン出口が凸凹状になり、この凸凹により、ファン流と外部流の混合を促進して、ファン流によるファンノイズを効果的に低減することができる。
【００１４】
前記揺動装置は、前記軸を揺動可能に支持するカウルと、該カウル内に設けられ複数の揺動フラップを同期して揺動させるリンク機構と、駆動ロッドを有しその軸方向移動により前記リンク機構を作動させる直動アクチュエータと、揺動フラップの揺動範囲を制限するストッパとを備える。この構成により、直動アクチュエータの駆動ロッドを軸方向移動して、カウル内に設けられたリンク機構を作動させ、揺動フラップを同期して揺動させることができる。また、ストッパにより、揺動フラップの揺動範囲以上の移動を機械的に制限できる。
【００１５】
前記カウルは、ターボファンエンジンのファンナセルに隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能な移動カウルであり、前記直動アクチュエータは、前記ファンナセルに取り付けられ、前記駆動ロッドはファンナセルから移動カウル内に延びており、更に駆動ロッドに一端が支持され、揺動フラップの揺動範囲において、移動カウルをファンナセル側に付勢する圧縮バネを備える。この構成により、ファンナセルに隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能な移動カウルを、駆動ロッドに一端が支持された圧縮バネでファンナセル側に付勢し保持したままで、揺動フラップをその揺動範囲において揺動させることができる。
また、本発明によれば、ターボファンエンジンのファン出口に設けられ前縁がエンジン軸線Ｚを中心とする円に外接する軸を中心に揺動可能な複数の揺動フラップと、該複数の揺動フラップを前記軸のまわりに同期して揺動させる揺動装置とを備え、前記揺動装置は、前記軸を揺動可能に支持するカウルと、該カウル内に設けられ複数の揺動フラップを同期して揺動させるリンク機構と、駆動ロッドを有しその軸方向移動により前記リンク機構を作動させる直動アクチュエータと、揺動フラップの揺動範囲を制限するストッパとを備え、前記カウルは、ターボファンエンジンのファンナセルに隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能な移動カウルであり、前記直動アクチュエータは、前記ファンナセルに取り付けられ、前記駆動ロッドはファンナセルから移動カウル内に延びており、更に駆動ロッドに一端が支持され、揺動フラップの揺動範囲において、移動カウルをファンナセル側に付勢する圧縮バネを備える、ことを特徴とする可変ファンノズル装置が提供される。
【００１６】
前記直動アクチュエータ（２７）は、前記揺動フラップの揺動範囲を超えるストロークを有し、揺動フラップの揺動範囲内では前記リンク機構を作動させ、揺動範囲を超えるストロークによりカウル（２５）を通常位置Ｆからリバース位置Ｒまで下流側に移動させ、これに連動する推力リバーサ機構（３０）を作動させる。
この構成により、揺動フラップがその揺動範囲を超えストッパ（２８）により機械的に移動できないまま、直動アクチュエータ（２７）を作動させると、そのストロークによりカウル（２５）を通常位置Ｆからリバース位置Ｒまで下流側に移動させ、これに連動する推力リバーサ機構（３０）を作動させることができる。
【００１７】
前記推力リバーサ機構（３０）は、前記ファンナセル（１６）に固定されファン流を外部上流側に案内するカスケード（３２）と、移動カウルに固定され通常位置Ｆにおいて前記カスケード（３２）を覆うカスケードカバー（３３）と、移動カウルに揺動可能に取付けられたブロックドア（３４）と、カウルの通常位置Ｆにおいて該ブロックドアをファン出口を全開する位置に位置決めし、カウルのリバース位置Ｒにおいてブロックドアをファン出口を全閉する位置に位置決めするリンク機構（３５）とを備える。
【００１８】
この構成により、カウル（２５）の通常位置Ｆでは、カスケード（３２）をカスケードカバー（３３）で覆い、ブロックドア（３４）をリンク機構（３５）によりファン出口を全開する位置に位置決めして、バイパス空気をファン出口から後方に排気できる。また、カウル（２５）がリバース位置Ｒに移動すると、移動カウルに固定されたカスケードカバー（３３）も後方に移動し、カスケード（３２）が露出する。同時に、リンク機構（３５）によりブロックドア（３４）がファン出口を全閉する位置に位置決めし、バイパス空気はカスケード（３２）を通って外部上流側に案内されてリバース作動を行うことができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００２０】
図１及び図２は、本発明による可変ファンノズル装置の構成図であり、図１は巡航状態、図２は離着陸時を示している。図１及び図２において、本発明の可変ファンノズル装置２０は、複数の揺動フラップ２２、揺動装置２４及び固定フラップ２３（図２）を備える。
【００２１】
複数の揺動フラップ２２は、ターボファンエンジンのファン出口に設けられ、その前縁がエンジン軸線Ｚを中心とする円に外接する軸２１を中心に揺動可能に構成されている。また、図２に示すように、複数の固定フラップ２３も同様にターボファンエンジンのファン出口に設けられている。しかし、固定フラップ２３は、後述するカウル２５と一体に成形され、揺動はできない構成となっている。揺動フラップ２２と固定フラップ２３は、図に示すように、下流側が徐々に薄くなった平板状部材である。また、揺動フラップ２２と固定フラップ２３は、ファン出口に沿って周方向に交互に配置されている。
【００２２】
揺動装置２４は、複数の揺動フラップを軸２１のまわりに同期して揺動させるようになっている。この例において、揺動装置２４は、カウル２５、リンク機構２６、直動アクチュエータ２７及びストッパ２８からなる。
【００２３】
カウル２５は、ターボファンエンジンのファン出口部分を構成する外部ナセルの一部であり、その後端部に揺動フラップ２２の前縁に固定された軸２１を揺動可能に支持する。
【００２４】
リンク機構２６は、カウル２５内に設けられたリンク部材２６ａ，２６ｂからなり、リンク部材２６ｂの一端（図で下端）を前後（図で左右）に移動することにより、軸２１に連結されたリンク部材２６ａを軸２１を中心に揺動させ、揺動フラップ２２を軸２１を中心に揺動させるようになっている。複数の揺動フラップ２２の軸２１、或いは、リンク部材２６ｂの一端部が互いに連結されており、複数の揺動フラップ２２は互い同期して作動する。
【００２５】
直動アクチュエータ２７は、駆動ロッド２７ａを有する。駆動ロッド２７ａの先端部（図で右端部）は、リンク部材２６ｂの一端部に連結されており、その軸方向移動によりリンク機構２６を作動させるようになっている。
【００２６】
ストッパ２８は、この例ではリンク部材２６ａの揺動範囲を制限する機械的なストパ材である、揺動フラップ２２の揺動範囲を使用範囲に制限する。なおストッパ２８はこの形態に限定されず、例えば、駆動ロッド２７ａに設けられた鍔部材２７ｂのカウル２５内での相対的な移動範囲を制限するようにカウルに設けてもよい。
【００２７】
図３はリバーサ使用時の本発明による可変ファンノズル装置の構成図である。図１乃至図３において、本発明の可変ファンノズル装置２０では、カウル２５が移動カウルであり、ターボファンエンジンのファンナセル１６に隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能に構成されている。
【００２８】
また、直動アクチュエータ２７は、ファンナセル１６に本体側が取り付けられ、駆動ロッド２７ａはファンナセル１６から移動カウル内に延びている。この直動アクチュエータ２７は、液圧シリンダ又はガス圧シリンダであるのが好ましいが、電動シリンダ、ボールネジ、その他であってもよい。
またこの直動アクチュエータ２７は、図２に示すように、アクチュエータ位置センサ３６、演算機３７、及びファン状態量センサ３８を備え、ファン状態量に応じてアクチュエータ位置を制御するようになっている。アクチュエータ位置センサ３６は、例えば、ポテンショメータ、リニアエンコーダ、等を備える。
【００２９】
更に本発明の可変ファンノズル装置２０は、駆動ロッド２７ａの鍔部材２７ｂに一端が支持された圧縮バネ２９を備える。この圧縮バネ２９は、揺動フラップ２２の揺動範囲において、移動カウル２５をファンナセル側に付勢するようになっている。
【００３０】
図１乃至図３において、直動アクチュエータ２７は、揺動フラップ２２の揺動範囲を超えるストロークを有する。従って、揺動フラップ２２の揺動範囲内では圧縮バネ２９で移動カウル２５をファンナセル側（通常位置Ｆ）に付勢したままで、駆動ロッド２７ａに移動によりリンク機構２６を作動させる。また、リンク機構２６が開き側のストッパ２８で機械的に固定されると、揺動範囲を超えるストロークによりカウル２５を通常位置Ｆからリバース位置Ｒまで下流側に移動させ、これに連動する推力リバーサ機構３０を作動させるようになっている。
【００３１】
図１乃至図３において、推力リバーサ機構３０は、カスケード３２、カスケードカバー３３、ブロックドア３４およびリンク機構３５からなる。
【００３２】
カスケード３２は、ファンナセル１６の下流側に固定されており、ファン流を内部から外部上流側に案内してリバース作動を行うようになっている。
【００３３】
カスケードカバー３３は、移動カウル２５の上流側に固定されており、通常位置Ｆにおいてカスケード３２を覆ってその作動を抑制し、カウルのリバース位置Ｒにおいてカスケードカバー３３も後方に移動し、カスケード３２が露出して作動可能にする。
【００３４】
ブロックドア３４は、移動カウル２５のリンク部材３５ａに揺動可能に取付けられている。
【００３５】
リンク機構３５は、リンク部材３５ａ，３５ｂからなり、カウル２５の通常位置Ｆにおいてブロックドア３４をファン出口を全開する位置に位置決めし、カウル２５のリバース位置Ｒにおいてブロックドア３４をファン出口を全閉する位置に位置決めする。
【００３６】
上述した本発明の構成によれば、揺動装置２４により複数の揺動フラップ２２を軸２１のまわりに同期して揺動させることにより、揺動フラップ２２の後縁とコアカウル１７の間に構成されるファンノズルのノズル面積を可変にできる。
【００３７】
また、固定フラップ２３に対して揺動フラップ２２が揺動してノズル面積を増加させた場合に、ファン出口が凸凹状になり、この凸凹により、ファン流と外部流の混合を促進して、ファン流によるファンノイズを効果的に低減することができる。
【００３８】
更に、直動アクチュエータ２７の駆動ロッド２７ａを軸方向移動して、カウル２５内に設けられたリンク機構２６を作動させ、揺動フラップを同期して揺動させることができる。また、ストッパ２８により、揺動フラップの揺動範囲以上の移動を機械的に制限できる。
【００３９】
また、ファンナセル１６に隣接して位置する通常位置Ｆから軸線Ｚに沿って下流側のリバース位置Ｒまで移動可能な移動カウル２５を、駆動ロッド２７ａに一端が支持された圧縮バネ２９でファンナセル側に付勢し保持したままで、揺動フラップをその揺動範囲において揺動させることができる。
【００４０】
更に、揺動フラップがその揺動範囲を超えストッパ２８により機械的に移動できないまま、直動アクチュエータ２７を作動させると、そのストロークによりカウル２５を通常位置Ｆからリバース位置Ｒまで下流側に移動させ、これに連動する推力リバーサ機構３０を作動させることができる。
【００４１】
また、カウル２５の通常位置Ｆでは、カスケード３２をカスケードカバー３３で覆い、ブロックドア３４をリンク機構３５によりファン出口を全開する位置に位置決めして、バイパス空気をファン出口から後方に排気できる。また、カウル２５がリバース位置Ｒに移動すると、移動カウルに固定されたカスケードカバー３３も後方に移動し、カスケード３２が露出する。同時に、リンク機構３５によりブロックドア３４がファン出口を全閉する位置に位置決めし、バイパス空気はカスケード３２を通って外部上流側に案内されてリバース作動を行うことができる。
【００４２】
図４は、本発明による可変ファンノズル装置の作動特性を示す図である。この図において、（Ａ）は可変機構をもたない従来のファンの圧力−流量特性、（Ｂ）は可変機構を備えた本発明のファンの圧力−流量特性を示している。
【００４３】
図４（Ａ）において、図中の等高線はファン効率の等高線であり、２つの丸印は離着陸時の作動点と巡航時の作動点を示している。従来は、離着陸時のサージを防止するために、ファンノズルをやや広く設定せざるを得ず、その結果、効率最高点から外れるためその分燃費が悪化していた。
【００４４】
これに対して図４（Ｂ）の本発明では、ファンノズルを効率最高点側に離着陸時に開き、巡航時に効率最高点側に閉じることにより、常にファン効率の最高点での運転が可能となる。従って、（１）巡航時の燃費向上と、（２）離着陸時の推力増大の両方を達成できる。
【００４５】
また、離着陸時には、図４（Ｂ）に示すように、圧力が下がり、流量が増大して見掛けの体積が増大するが、ファンノズルを広くので、推力を保ったままで排気速度が減速し、（３）空港騒音が軽減される。
【００４６】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。
【００４７】
【発明の効果】
上述したように、本発明の可変ファンノズル装置は、以下の特徴を有する。
（１）ファン出口のエッジ部を凸凹状とすることにより、ファン流と外部流の混合を促進するため、ファン流によるジェット騒音の低減が可能。
（２）移動カウルを閉じた時には本来の固定ノズル（ナセル）形状と変化はないため、外部抵抗の増大はない。
【００４８】
従って、本発明の可変ファンノズル装置は、（１）ノズル面積を増加させた場合に、ファン流と外部流との混合促進効果が高く、ファンノイズを効果的に低減することができ、（２）ノズル面積を減少させた場合に、外部抵抗を最小限度に抑えることができ、（３）推力リバーサアクチュエータのみで、推力リバーサと可変ファンノズルの両方を随時駆動することができる、等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】巡航状態の本発明による可変ファンノズル装置の構成図である。
【図２】離着陸時の本発明による可変ファンノズル装置の構成図である。
【図３】リバーサ使用時の本発明による可変ファンノズル装置の構成図である。
【図４】本発明による可変ファンノズル装置の作動特性を示す図である。
【図５】従来の可変ファンノズル装置の構成図である。
【符号の説明】
１  ガスタービンエンジン、２  コアエンジン、３  ファン、
４  中心軸、５  環状ナセル、６  外側ナセル、７  上流部分、
８  下流部分、９  コアカウル、１０  ダクト、
１１  エキゾーストノズル、１２  外側ナセル後縁、
１３  変位スリーブ、１４  推力リバーサアクチュエータ、
１５  変位スリーブアクチュエータ、１６  ファンナセル、
１７  コアカウル、
２０  可変ファンノズル装置、２１  揺動軸、
２２  揺動フラップ、２３  固定フラップ、
２４  揺動装置、２５  カウル（移動カウル）、
２６  リンク機構、２７  直動アクチュエータ、
２７ａ  駆動ロッド、２７ｂ  鍔部材、２８  ストッパ、
２９  圧縮バネ、３０  推力リバーサ機構、
３２  カスケード、３２  カスケードカバー、
３４  ブロックドア、３５  リンク機構、
３６  アクチュエータ位置センサ、３７  演算機、
３８  ファン状態量センサ
【図１】
0004140049.tif 000002
【図２】
0004140049.tif 000003
【図３】
0004140049.tif 000004
【図４】
0004140049.tif 000005
【図５】
0004140049.tif 000006