JP2005201265A - 排気ノズルフラップに冷却空気を供給する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発散フラップに冷却空気が直接供給される冷却装置を提供する。
【解決手段】ガスタービン内の排気ノズル１のフラップ２１に冷却空気を供給する本発明の装置は、フラップ２１を冷却空気源３１に連結する管３０を備える。管３０は、少なくとも１つの伸縮部３２と１つのボールジョイント接続部３３、３４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ターボジェットエンジン内の排気ノズルフラップに冷却空気を供給する装置に関する。

タービンの下流側に、ターボジェットエンジンは、排気ハウジング及び排気ノズルを含む排気チャネルを備える。排気チャネルの役割は、タービンから出る残留圧力のエネルギーを、燃焼ガスの膨張によって運動エネルギーに変換することである。

多くの場合に、可変断面排気ノズルが使用され、可変断面排気ノズルの断面をエンジン運転に適応させる。可変断面排気ノズルは、再熱の有無とは無関係にターボジェットエンジンに使用される。再熱すなわち後燃焼は、燃料を排気チャネルに注入し、タービンから取り出された、依然として酸素を含有するガスの燃焼を生じさせることにより行われ、これにより、ターボジェットエンジンの推力を増加させる。

可変断面排気ノズルは、種々のタイプを含み、特に、軸対称タイプ、二次元タイプ、またはピボットタイプである。本発明は、すべてのタイプの排気ノズルに適用され、特に、後燃焼を伴うターボジェットエンジン用の収束発散（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｔ−ｄｉｖｅｒｇｅｎｔ）軸対称排気ノズル、すなわち上流側部分が収束し、下流側部分が発散する排気ノズルに適用される。

収束発散軸対称排気ノズルは、超音速用途のために使用され、超音速ガスの速度が、発散排気ノズルで増加する。収束発散軸対称排気ノズルは、複数のフラップにより構成され、これらのフラップは、全体的に円形断面が得られるよう環状に配置され、かつ互いに部分的に重なり合う。あらゆる２枚のフラップのうちの一方は、制御フラップと呼ばれ、ジャッキにより作動され、２枚の制御フラップの間には、制御フラップによって駆動されるサーボフラップがある。

後燃焼中に、ガスの温度は約２０００℃に達する。排気ノズルフラップの冷却は、したがって、第一に排気ノズルフラップの耐用期間を延長し、第二に軍事用途では最小限に抑えるべきである排気ノズルの赤外線熱シグネチャ（ｓｉｇｎａｔｕｒｅ）を減少させるために必要である。

従来技術、特に、米国特許第５，２５５，８４９号明細書及び米国特許第５，７７５，５８９号明細書は、中空であるフラップの内壁に沿って空気を循環させる冷却装置を提案する。発散フラップへの空気供給源は、半円形管を備え、一方の半円形管が、排気ノズルの収束部のフラップの外側へ突出し、もう一方の半円形管が、排気ノズルの発散部のフラップの外側へ突出し、かつ関係しているフラップの空洞が連通するように、最初の半円形管に係合される。ターボジェットエンジンの二次流れから取り出される冷却空気は、したがって、上記の管を用いて、最初に収束フラップを冷却し、次に発散フラップを冷却するため使用される。管は、同一の中心及び曲率半径を有するので、ジャッキが作動されたときに、排気ノズルの２つの部分の間の角度変化を相殺するように互いで摺動可能である。

しかし、この冷却装置では、発散フラップ用の冷却空気は、収束フラップから取り出されるので、収束フラップを冷却するために既に使用されている。効率を高めるように、発散フラップに冷却空気を直接的に供給することが好ましい。しかし、発散フラップと収束フラップではないエンジンの一部分との間には、単なる回転運動ではない動きが存在するため、一方が発散フラップから外側に突出し、他方が二次流れの冷却空気が供給されるエンジンの空洞の外である、上記のタイプの管を使用することは不可能である。その上、必要とされる容積領域は、空間が限定されているエンジンの一部分において非常に大きくなるであろう。
米国特許第５，２５５，８４９号明細書 米国特許第５，７７５，５８９号明細書

本発明は、これらの欠点を解決することを目的とする。

この目的のため、本発明は、フラップを冷却空気源に連結する管を備え、ターボジェットエンジンの排気ノズルフラップに冷却空気を供給する装置であって、管が、少なくとも１つの伸縮部及びボールジョイント接続部を備えることを特徴とする、装置に関する。

ボールジョイントとは、回転の自由度だけを有する機械接続部である。好ましくは、ボールジョイント接続部は、回転の自由度が３であるが、任意に、１または２の自由度だけを有するように構成されることができる。

好ましくは、管は、２つのボールジョイント接続部及び１つの伸縮部を備える。

有利には、伸縮部は、ポンプとしても機能する。

特に、冷却空気源は、排気チャネルハウジングの周囲に管を備え、ターボジェットエンジンの二次流れからの空気を運ぶ。

本発明によれば、フラップが連結された冷却空気源と無関係に、運転時の機械的制約を伴うことなく、排気ノズルの発散フラップに冷却空気を容易に供給することが可能である。

供給装置は、また、あらゆるタイプの排気ノズルに適合する。供給装置は、特に、収束軸対称排気ノズルのフラップ、収束発散軸対称排気ノズルの収束フラップ若しくは発散フラップ、二次元式排気ノズルのフラップ、またはピボット式排気ノズルのフラップに、冷却空気を供給することが可能である。本発明の供給装置の実装及び製造の両方に関して、多数の利点があり、その製造は、あらゆるタイプの排気ノズルに対して標準化可能である。特に、本発明の供給装置を用いることにより、引用した従来技術のように、収束発散排気ノズルの収束フラップをその発散フラップに連結することも可能であるが、従来技術よりも簡単な形で連結可能である。その理由は、あらゆる応力または摩擦を防止するために、中心及び曲率半径を厳密に一致させなければならない場合よりも、部品の機械加工に要求される精度が低いからである。

さらに、本発明の供給装置の管は、その構造のゆえに、ターボジェットエンジンの運転に関連した振動及び膨張の応力を吸収する。

本発明は、添付図面を参照して、以下の本発明の供給装置の好ましい実施形態の説明によって、さらに容易に理解されるであろう。

図１を参照すると、本発明の供給装置は、その好ましい実施形態において、後燃焼を伴うターボジェットエンジンの軸対称の収束発散排気ノズル１に配置される。排気ノズル１は、ターボジェットエンジンの排気チャネルのハウジング２の下流側部分に取り付けられる。排気ノズル１は、制御フラップ１０またはサーボ制御フラップ１１のいずれかである収束フラップと、制御フラップ２０またはサーボ制御フラップ２１のいずれかである発散フラップとを備える。

収束フラップ１０、１１は、上流側で、それぞれ蝶番１０’、１１’によってハウジング２に接合され、収束フラップは、蝶番の周りで旋回可能であり、各蝶番１０’、１１’は、排気ノズル１の軸に直交する軸に沿って延びる。下流側で、収束フラップは、それぞれ蝶番１０”、１１”によって発散フラップ２０、２１に接合される。下流側の各蝶番１０”、１１”は、各蝶番が属するフラップ１０、１１の平面内で、対応した上流側の蝶番１０’、１１’と平行である。

収束フラップ１０、１１は、全体的に円形断面を形成するように、排気ノズル１の軸の周りに環状に設置され、制御フラップ１０及びサーボフラップ１１が、環の円周に沿って交互に配置される。各制御フラップ１０は、ロッド１２によって制御され、フラップ１０を、その上流側の蝶番１０’の軸の周りに旋回させるように作動される。ロッド１２が作動されるとき、制御フラップ１０は旋回し、それらと共にサーボ制御フラップ１１を旋回するように駆動し、各サーボ制御フラップ１１は、２枚の制御フラップ１０によって囲まれている。

発散フラップ２０、２１は、またタービンの軸の周りに環状に配置され、上流側で蝶番１０”、１１”によって収束フラップ１０、１１に接合される。各制御発散フラップ２０は、制御収束フラップ１０に連結され、各サーボ制御発散フラップ２１は、サーボ制御収束フラップ１１に連結される。収束フラップの環と同様に、発散フラップの環は、交互に並べられた制御フラップ２０とサーボフラップ２１とにより構成される。

制御発散フラップ２０は、当業者によく知られた方法で、ロッド２２によって制御される。各サーボ制御発散フラップ２１は、２枚の制御発散フラップ２０の間に位置し、制御フラップ２０によって加えられる動きに追従する。発散フラップ２０、２１の動きは、単純な旋回運動ではなく、蝶番１０”、１１”周りの旋回運動と蝶番１０’、１１’周りの回転運動との組み合わせである。

図示された本発明の実施形態において、サーボ制御発散フラップ２１は、中空であり、これに対して制御発散フラップ２０は中実である。前記構造が選択される理由は、制御発散フラップ２０が、排気ノズル１の所望の断面に対して、サーボ制御発散フラップ２１と部分的または完全に重なり合うからであり、したがって、決定的であるのはサーボ制御発散フラップ２１の冷却である。しかし、本発明が、サーボ制御発散フラップを冷却するために使用される管にこの場合に適用されるならば、本発明が、排気ノズルのタイプまたはフラップ制御のタイプとは無関係に、制御発散、収束、またはその他のタイプのあらゆる種類のフラップに適用されることは明らかである。典型例として、具体的な一実施形態によれば、制御発散フラップ２０は中空であり、制御収束フラップ１０を制御するロッド１２によって冷却空気が供給され、このとき、各ロッドは中空であるように構成され、上流側部分で冷却源に連結され、下流側部分で制御収束フラップ１０に固定され、制御収束フラップ１０を作動し、制御発散フラップ２０に冷却空気を供給するため、制御発散フラップ２０の上流側部分に導くように配置される。

図２を参照すると、管３０は、各サーボ制御発散フラップ２１へ通じる。この管は、フラップ２１の厚さの中に設けられた空洞２３に、冷却空気を供給するため使用される。この空気は、本発明の管３０を用いることによって、エンジンの様々な上流側部分、たとえば、コンプレッサから取り出される。ターボジェットエンジンの周囲にあるチュービングシステム３１は、排気ノズル１の端の所であると考えられるポイントから冷却空気を案内可能であり、このノズルの冷却空気源３１を形成する。これらの冷却空気源３１は、排気ノズル１の近傍に導かれ、より詳細には、本例では、サーボ制御発散フラップ１１と直角に導かれる。空気源３１は、管３０を用いて、サーボ制御発散フラップ２１の内側空洞２３と連通状態で設置され、管３０は、排気ノズル１のハウジング２に対して固定された管３１に対するフラップのあらゆる動きに追従することができる。これらの動きは、様々な基本運動の合成であるので複雑である。

この場合に、収束フラップ１０、１１の近傍にある冷却空気源３１は、冷却空気の一部を収束フラップ１０、１１の方へ向けることができる分離ノズルを備え、冷却は、これらのフラップ１０、１１の近傍の開口によって確保されるだけであり、この開口を通して、空気が、これらのフラップ１０、１１の内面を冷却可能になり、空気の別の部分は、サーボ制御発散フラップ２１に導く管３０の方へ向けられる。

制御収束フラップ１０を作動するロッド１２を用いて、制御発散フラップ２０に冷却空気が供給される具体的な実施形態によれば、これらのロッド１２は、また、上流側で冷却空気源３１に導かれ、このポイントで冷却空気は、最初にロッド１２の方へ向けられ、次に上述した方法と同様の方法で制御収束フラップ１０の方へ向けられる。

したがって、これらはあらゆる動きに追従可能であり、各管３０は、伸縮部３２及び２つのボールジョイント接続部３３、３４を備え、一方のボールジョイント接続部３３は、管３０を冷却空気源３１に連結し、他方のボールジョイント接続部は、フラップ２１の平面の外側に突出する管部分３５を介して、管３０をサーボ制御発散フラップ２１の内部空洞２３に連結する。伸縮部３２は、２つのボールジョイント接続部３３、３４の間に位置する。

伸縮部３２は、一端で互いに摺動可能である２つの管部品３２Ａ、３２Ｂにより形成される。もう一方の端で、各管部品３２Ａ、３２Ｂは、球状外表面３２Ａ’、３２Ｂ’を備えた部分を有するヘッドを備える。ヘッド３２Ａ’は、管状要素３１に挿入される。この管状要素３１は、ヘッド３２Ａ’が収容される球状内表面３１’を備えた端部を備える。部分３１’と球状ヘッド３２Ａ’は、一体としてボールジョイント３３を形成する。管は軸方向に保持されるが、要素３１に対して旋回可能である。ヘッド３２Ｂ’は、管状要素３５に挿入される。この管状要素３５は、ヘッド３２Ｂ’が収容される球状内表面３５’を備えた端部を備える。部分３５’と球状ヘッド３２Ｂ’は、一体としてボールジョイント接続部３４を形成する。管は軸方向に保持されるが、要素３５に対して旋回可能である。

図３において、管３０は、ロッド１２、２２による作動後に別の位置にあり、したがって、フラップ１０、１１、２０、２１の位置における変化の後に別の位置にある。冷却空気源３１とフラップ２１の外側に突出する管状要素３５の部分との間の連通状態を維持するため、管３０は、空気源３１に対するフラップ２１の新しい位置に適応し、ボールジョイント３３、３４周りの回転による動きに追従し、本例では、伸縮部３２でその長さを延ばす。

本発明の別の実施形態において、上流側のヘッド３２Ａ’は、上記の方法と同様に、３の自由度を有するボールジョイントの形成に加わり、上流側によって管状要素３１すなわち管３１の球状内面３１’を備えた端部に嵌め込まれ、これにより、管に対して軸方向に保持される。下流側のヘッド３２Ｂ’は、下流側のヘッド３２Ｂ’及び管状要素３５を通って延びる、ターボジェットエンジンの軸に対して横断方向のピンを用いて、管状要素３５すなわち管３５の球状内面部３５’と相互依存の関係で、発散フラップ２１と一体的に作られる。したがって、下流側のヘッド３２Ｂ’は、このピンによって軸方向に保持され、このピンの周りに旋回可能である。本例では、ボールジョイント接続部３４は、１の自由度しかもたない。

管３０のサイズは、その伸縮部３２が延びることができる長さの範囲、及びボールジョイント接続部３３、３４が取ることができる角度の範囲が、フラップによって取られ得るすべての位置に追従するために十分足りるように決められる。

図２及び図３において、矢印は、空気源３１からフラップ２１までの冷却空気の経路を例示する。

冷却空気の排気は、様々な方法で行われることができ、空気は、たとえばフラップ２１の後縁を介して排気され、または、これらのフラップの高温、すなわち内側の表面上の穿孔を介して排気され、ガス流にそのまま再注入される。排気は図示されていない。

伸縮部３２は、ポンプとしても機能するように配置されてもよく、すなわち、伸縮部は、伸縮管の間に存在する隙間を通して空気を引き込み、この結果として、管３０の外側の空気の一部が運ばれ、管３０内を循環する冷却空気と混合されることができる。

図４及び図５は、図２及び図３の２つの位置の斜視図である。図４及び図５は、本発明の好ましい実施形態において、サーボ制御発散フラップだけが管３０と共に配置される理由をより明らかに示す図であり、その理由は、第一に、制御フラップ２０がサーボ制御フラップ２１と重なるとき、サーボ制御フラップは、制御フラップと高温ガス流との間にスクリーンを形成するためであり、第二に、空間上の理由として、管３０はロッド１２によって制御されない収束フラップ１１の上に配置する方が容易だからである。

しかし、本発明の管３０は、全てのタイプの排気ノズルフラップに適用され得ることに注意する必要がある。

本発明の供給装置の好ましい一実施形態を備えた、ターボジェットエンジンの排気ノズルの正面斜視図である。 図１の供給装置の第１の位置における縦断面図である。 図２の供給装置の第２の位置における縦断面図である。 図２の供給装置の斜視図である。 図３の供給装置の斜視図である。

符号の説明

１ 排気ノズル
２ ハウジング
１０、１１ 収束フラップ
１０’、１１’、１０”、１１” 蝶番
２０、２１ 発散フラップ
２１ フラップ
３０ 管
３１ 冷却空気源
３２ 伸縮部
３３、３４ ボールジョイント接続部

Claims (8)

1. フラップ（２１）を冷却空気源（３１）に連結する管（３０）を備える、ターボジェットエンジン排気ノズル（１）のフラップ（２１）に冷却空気を供給する装置であって、管（３０）が、少なくとも１つの伸縮部（３２）及び１つのボールジョイント接続部（３３、３４）を備えることを特徴とする装置。
2. フラップ（２１）が、収束発散排気ノズルのサーボ制御発散フラップ（２１）である、請求項１に記載の装置。
3. 管（３０）が、２つのボールジョイント接続部（３３、３４）及び伸縮部（３２）を備える、請求項１または２に記載の装置。
4. 伸縮部（３２）が、２つのボールジョイント接続部（３３、３４）の間に位置する、請求項３に記載の装置。
5. 伸縮部（３２）が、ポンプとしても機能する、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 冷却空気源が、ターボジェットエンジンの二次流れからの空気を運ぶ管（３１）を、ターボジェットエンジンの排気チャネルのハウジング（２）の周囲に備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の冷却空気供給装置（３０）を備えた、可変断面排気ノズル（１）を備える、ターボジェットエンジン。
8. 排気ノズルが、収束排気ノズルと、収束発散排気ノズルと、二次元排気ノズルと、ピボット式排気ノズルとを含む、排気ノズルのグループのうちの一つに属する、請求項７に記載のターボジェットエンジン。

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