JP2000506579A - コンバーチブル・エゼクタ冷却式ノズル - Google Patents

コンバーチブル・エゼクタ冷却式ノズル

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Abstract

(57)【要約】 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末広ノズル部(48)内に高温排気ガス流路(4)を画成するために長手方向に延在し且つ円周方向に隣接した末広形排気流拘束要素(54,55)を選択的に冷却すると共に、軸対称ベクターリング・ノズル(14)内の末広フラップ(54)およびシール(55)に旋回能力を与えるノズル冷却装置(2)が提供される。該装置は、末広形排気流拘束要素(典型的には、フラップおよびシールと呼ばれる)の内の少なくとも1つの要素の軸方向に隣接した前側および後側部分(49F,49A)であって、それぞれ前側および後側内部高温面(47F,47A)を持つ前側および後側部分、並びに後側部分を少なくとも2つの配置位置の内の1つにおいて前側部分に取り付ける取付け手段(56)を含む。これらの2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前側および後側部分は両部分の間にギャップ(106)を形成するように離間され、このギャップは冷却空気(102)を後側内部高温面ヘ流れさせる。また、これらの2つの配置位置の内の第2の配置位置では、前側および後側部分は、冷却空気が後側内部高温面へ流れるのを実質的に防止するように密な接触関係に置かれる。

Description

【発明の詳細な説明】 コンバーチブル・エゼクタ冷却式ノズル 発明の分野 本発明は一般にガスタービン・エンジン排気ノズルの冷却に関するものであり 、更に詳しくはノズル・フラップおよび/またはシールに対するコンバーチブル ・エゼクタ冷却手段に関するものである。 発明の背景 高温のノズルは赤外線(IR)を放射し、これは戦闘機に取って非常に望まし くない。末細および末広フラップ並びにシールが高温排気流を拘束し、これらは 典型的にはのど面積および出口面積が可変のノズルを構成する為に使用される。 これらの排気流拘束要素は高温になり、末広ノイズおよびシールがエンジンおよ び航空機の表示となる不所望な赤外線(IR)サインを生じる。ガスタービン・ エンジンからの赤外線は通常、エンジンの高温の金属構造を遮蔽し冷却すること によって抑制される。ノズルはまた、構造上の理由から冷却を必要とする。冷却 空気が通常はガスタービン・エンジンのファン部分または圧縮機部分から引き入 れられるが、これは燃料およびパワー消費の面で費用を高くする。ゼネラル・エ レクトリック社のJ79型エンジンのような冷却空気射出を用いるノズルは、ス ロット型エゼクタを用いて、大気から周囲冷却空気を導入して、エンジン供給冷 却空気を補い、もってより高価なエンジン空気の使用量を低減している。このよ うな射出式ノズルは可変ノズルのど部に対して効率的な冷却を提供したが、2D OFの旋回フラップおよびシールを持つ軸対称ベクターリング(vectori ng)排気ノズルのようなスラスト・ベクターリング・ノズルを冷却するために 適応させることは容易でない。「軸対称ベクターリング排気ノズル熱遮蔽体」と 云う発明の名称の米国特許出願第08/072,678号明細書には、軸対称ベ クターリング排気ノズルを効率的に冷却し且つ該ノズルを赤外線の放射から遮蔽 するための遮蔽手段及びノズル冷却手段が開示されている。 従来の1つの形式のガスタービン・エンジン排気ノズルは、中細排気ノズルを 画成するように配列された一次および二次排気フラップを含む。排気ノズルは一 般に軸対称すなわち環状であり、排気流はそれぞれ互いに周方向に隣接して配置 された複数の一次すなわち末細フラップと複数の二次すなわち末広フラップとに よって拘束される。 末広フラップは、例えば、最小流れ面積ののど部を画成する前端部、およびの ど部から下流へ延在する末広ノズルを画成するために一層大きい流れ面積を持つ 後端部を有する。末広フラップは可変である。これは、末広フラップが小さい半 径位置から大きい半径位置へ動くときに末広フラップ相互間の間隔が必然的に増 加しなければならないことを意味する。従って、排気流を拘束し且つ末広フラッ プ相互間からの排気流の漏洩を防止するために、従来の排気ノズルではシールが 隣り合う末広フラップ相互間に適切に固定されている。 改良型軸対称ベクターリング・ノズルすなわちAVEN(登録商標)ノズルが 、発明者ハウア(Hauer)によって開発され、米国特許第4,994,66 0号として特許されている。軸対称ベクターリング・ノズルは、その末広フラッ プを非対称に例外なく旋回させることによって、言い換えると非ベクターリング ・ノズルの中心線に対して半径方向および接線方向に末広フラップを旋回させる ことによって軸対称末細/末広ノズルのスラストを変向する手段を提供する。 ベクターリング・ノズル、特に上記米国特許に開示された軸対称ベクターリン グ排気ノズルは位置決め可能な末広フラップを提供する。これらの末広フラップ は排気ノズルの長手方向中心線に対して非対称に位置決め可能であるばかりでな く、ピッチ・ベクターリング(pitch vectoring)およびヨー・ ベクターリング(yaw vectoring)を得るためにそれに対して非対 称に位置決め可能である。典型的なスラスト・ベクターリング・ノズルは3つの ベクターリング・アクチュエータを使用し、これによりベクターリング・リング を平行移動および傾動させて、末広フラップを所定の位置に配置させる。ベクタ ーリング・リングの傾動角および傾動方向がノズルのベクトル角およびベクトル 方向をそれぞれ設定する。ベクターリング・リングの軸方向平行移動が、所与の のど部面積(しばしば、A8と呼ばれる)に対する出口面積(しばしば、A9と 呼ばれる)を設定する。 軸対称ノズルのためにフラップおよび隣接のシールを所定位置に保持すること は非常に困難である。というのは、スラスト変向のためにノズルを非対称操作す る際にフラップおよびシールの間のゆがみ(skewness)の程度が変化す るからである。シールは、フラップ・シールが隣接のフラップから引き剥がされ ないように、ノズルの中心線に対して半径方向に且つ円周方向に保持しなければ ならない。シールおよびフラップの間の半径方向保持手段が、「ベクターリング 排気ノズルのシールおよびフラップ保持装置」と云う発明の名称の米国特許第5 ,269,467号明細書に開示されていて、これはシールおよびフラップの半 径方向外側の面の圧力が半径方向内側の面よりも高くなったときに生じる逆排気 圧力に対抗するように開発された。 現代の多任務航空機は、動作要件を満足させる為に末細/末広ノズルを持つエ ンジン、例えばGE F110エンジンを用いている。末細/末広ノズルは、直 列の流れ関係で、末細ノズル部および末広ノズル部を有する。このようなノズル はノズルのど部およびノズル出口の両方において可変面積手段を用いていること を特徴とする。これは、所望の出口対のど部面積比を保つことにより、ノズルの 操作に対して効率的な制御を可能にする手段を提供する。ノズルの操作は、エン ジンの設計サイクルにとって最適化され且つ理想的には低い亜音速状態および高 い超音速状態の両方において効率的な制御を行うはずであるノズル出口/のど部 面積(A9/A8)計画を提供するように設計されている。このような形式のノ ズルは、典型的には可変操作を行うために空気圧または流体圧アクチュエータを 使用する。典型的には、出口およびのど部領域は、ノズルのど部面積(A8)の 関数である面積比(A9/A8)計画を生じるように互いに機械的に結合される 。この面積比計画は典型的には広範なエンジン状態ににわたって効率的なエンジ ン運転を行うように予め決定されているが、特定のエンジン状態での最適な性能 はエンジン運転範囲全体にわたって適切な効率を達成する為に幾分犠牲にされる 。スラスト・ベクターリング・ノズルは、典型的には、出口面積およびのど部面 積を独立に制御する能力を有し、これによりエンジンが広範なエンジン運転状態 にわたって高レベルの性能を達成できるようにする。出口面積とのど部面積との 独立の制御による別の利点は、末広ノズル系をその最適な面積比を越えて過拡張 で きることであり、これにより、周囲の圧力よりも低い末広ノズル系静壁圧を生じ させて、より低い温度の周囲空気をノズル内に引き込んで、この空気を末広ノズ ル系構成部品の冷却に使用できる。全てに周囲状態と同様に、周囲圧力は航空機 の外側の自由流れ状態に関係する。周囲状態はまた一般に、加圧されていないノ ズル・ベイ(bay)内にも見出され、すなわち外側のフラップの内部あるいは ノズル・フラップを囲むエンジンまたは他のケーシングの内部に位置する末細フ ラップおよび末広フラップを囲む領域内にも見出される。 戦闘機の性能の良否は、一部には、飛行中に地上または空中発射ミサイルのよ うな地上または機上兵器の赤外線センサによって検出されない能力に依存する。 高温のエンジン排気ガス並びに高温のガスに直接接触する高温の金属タービン部 品および高温の金属壁によって、エンジンから高レベルの赤外線が放射される。 戦闘に係わる軍用航空機は、高機能の赤外線センサを用いる対空ミサイルに攻撃 されやすい。 ガスタービン・エンジンからの赤外線放射を低減するために多数の装置が設計 されている。各種の設計では、空気力学、熱伝達および幾何形状を組み合わせて 、ガスタービン・エンジンに対する重量およびパワーの影響が最も少ない効果的 な赤外線抑制装置を得ようと努力されている。その内の1つの形式の幾何形状は 環状のダクト内に同心の中心体を利用することである。この抑制装置の幾何形状 はプラグまたは中心体抑制装置と呼ばれており、その例が米国特許第4,214 ,441号明細書、同第4,044,555号明細書、同第3,970,252 号明細書等に示されている。フラップの高温排気路側に冷却空気を流すことによ るフラップ冷却が、米国特許第4,544,098号のような幾つかの特許にお いて提案されている。これらの中空の中心体プラグ抑制装置およびフラップ冷却 設計は、費用の高いファンおよび圧縮機空気ならびにエンジン・パワーを消費し 、その結果としてエンジン効率および戦闘操作半径が低減する。 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズルを、第1種の戦闘任務の際に赤外 線サインを抑制するための末広ノズル部の内部高温面のエゼクタ冷却モードと、 第2種の戦闘任務の際の最大エンジンおよび航空機性能を得るための非エゼクタ 冷却モードとの間で転換する装置に対する必要性が存在する。 発明の概要 本発明の一面によれば、航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズルの末広ノ ズル部内に高温排気ガス流路を画成するために長手方向に延在し且つ円周方向に 隣接した末広形排気流拘束要素を選択的に冷却すると共に、軸対称ベクターリン グ・ノズル内の末広フラップおよびシールに旋回能力を与える装置が提供される 。該装置は、末広形排気流拘束要素(典型的には、フラップおよびシールと呼ば れる)の内の少なくとも1つの要素の軸方向に隣接した前側および後側部分であ って、それぞれ前側および後側内部高温面を持つ前側および後側部分、並びに後 側部分を少なくとも2つの配置位置の内の1つにおいて前側部分に取り付ける取 付け手段を含む。これらの2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前側およ び後側部分は両部分の間にギャップを形成するように離間され、このギャップは 冷却空気を後側内部高温面へ流れさせる。また、これらの2つの配置位置の内の 第2の配置位置では、前側および後側部分は、冷却空気が後側内部高温面へ流れ るのを実質的に防止するように密な接触関係に置かれる。本発明の特定の態様で は、フラップ・ピン・ヒンジを備えた取付け手段が提供される。フラップ・ピン ・ヒンジは、後側部分に取り付けられていて、少なくとも2つの後側胴突起を持 つ第1の後側胴、および前側部分に取り付けられていて、少なくとも2つの前側 胴突起を持つ第1の前側胴を有する。前側および後側胴突起は、相互に入り組ん で配置されていて、整列し得る開口を持ち、該開口には着脱可能な第1のヒンジ ・ピンが配置されている。着脱可能な第1のヒンジ・ピンは後側内部高温面に対 して実質的に垂直である。旋回継手が前側部分をノズルののど部に接続し、この 旋回継手は第1のヒンジ・ピンに対して横方向である少なくとも1つの回転軸を 持ち、また第2のピン・ヒンジであってよい。第2のピン・ヒンジは、前側部分 に取り付けられた第2の後側胴、および航空機用ガスタービン・エンジン排気ノ ズルの末細ノズル部内に高温排気ガス流路を画成する末細形排気流拘束要素の後 端部にのど部において取り付けられた第2の前側胴を有する。第2のヒンジ・ピ ンが、第2の後側および前側胴に設けられた開口に配置される。 本発明の典型的な態様では、末細および末広要素が末細および末広フラップお よびシールであり且つ末細要素と末広要素との間にのど部が画成されている航空 機用ガスタービン・エンジン排気ノズルで末広ノズル部内に高温排気ガス流路を 画成するために長手方向に延在し且つ円周方向に交互に隣接した末広フラップお よびシールを選択的に冷却すると装置が提供される。別の態様では、末広フラッ プおよびシールの間を保持するための保持装置が提供される。この保持装置は、 末広フラップに取り付けられた横方向に延在するチャネル壁を持つチャネル、シ ールによって支持されてチャネル内に移動可能に配置された保持突起、および対 応するチャネル内で対応するフラップに対して2の自由度の動きを保持突起に与 える位置決め装置を含む。位置決め装置は、対向して配置された第1および第2 の旋回可能なアームならびに対応する第1および第2の突起末端部を持つ旋回可 能な棒を含むものでよい。各々の突起末端部は、1つのチャネル内に1つの保持 突起を支持する。旋回可能な棒は、両アームがシール上の柱体で合わさる箇所で 旋回可能に支持されている。 発明の利点 現在のノズル設計に対する本発明の利点は、航空機用ガスタービン・エンジン 排気ノズルの構成形状を素早く変更できる能力を提供し、これにより赤外線サイ ンの放射を戦闘性能が一層良好になる程度に低減して、航空機が2つの明確に異 なる種類の戦闘任務で飛行できるようにすることである。これは、ある種の航空 機が広範な任務で飛行できることによりコストの面で有利である。本発明の別の 利点は、既存のノズルに対する取付け装置の共通性であり、これにより本発明に 従って設計されたノズルを従来のAVENノズル設計よりも容易に且つ安価にエ ンジンの改修に使用し得る。本発明はまた、末広フラップおよびシールの寿命を かなり延長させるノズル・エゼクタを設けるために使用される(軸対称ノズルで スラスト・ベクターリングを達成するために必要な)継手を提供する。本発明の ノズルは、流れの半径方向平面外の転向がのど部の後側で行われて、のど部の動 作にとって重要である流れの歪みやのど部の動作に対する影響を避けるので、従 来のAVENノズルよりも一層効率的に動作する。これはまた、のど部の動作を 一層予測可能にして、航空機およびエンジン設計者にとってエンジンおよび航空 機により高い能力を設計する自由さが与えられるようにする。 本発明に固有のものと信じられる新規な特徴は、請求の範囲に記載してある。 本発明は、その他の目的および利点と共に、添付の図面を参照してより具体的に 説明される。 図面の簡単な説明 図1は、本発明の一実施態様によるエゼクタ冷却装置を例示する軸対称ベクタ ーリング排気ノズルの斜視図である。 図2は、図1中のベクターリング排気ノズル内のエゼクタ冷却装置の拡大図で ある。 図3は、図1に例示した本発明の一実施態様に従ってエゼクタ・モードに配置 されているフラップの一部分の側面図である。 図4は、図1に例示した本発明の一実施態様に従って非エゼクタ・モードに配 置されているフラップの一部分の側面図である。 図5は、図1に例示した本発明の一実施態様に従ってエゼクタ・モードに配置 されているシールの一部分の側面図である。 図6は、図1に例示した本発明の一実施態様に従って非エゼクタ・モードに配 置されているシールの一部分の側面図である。 詳しい説明 本発明の一実施態様が、図1に、航空機用ガスタービン・エンジン(その全体 は図示していない)の排気部分10の軸対称スラスト・ベクターリング・ノズル 14用のノズル冷却システム2として示されている。ノズル冷却システム2は、 ノズル14の末広ノズル部48内に高温排気流4を拘束するための末広フラップ 54およびシール55の長手方向に延在する内部高温面Sに対して冷却空気を流 して、赤外線抑制のためにノズル14の末広ノズル部48を冷却するコンバーチ ブル手段を有する。冷却空気はエンジン・ノズル・ベイ6から引き込まれ、これ は内部高温面Sよりも遥かに低い温度のほぼ周囲状態にある。排気部分10は、 直列流れ関係で、アフターバーナーのライナ12の半径方向外側に隔たって配置 された固定面積のダクトまたはエンジン・ケーシング11、並びに末細/末広型 の軸対称スラスト・ベクターリング・ノズル14を有する。 図1を続けて参照すると、ノズル14は、直列流れ関係で、末細ノズル部34 、可変面積ののど部40および末広ノズル部48を有する。末細ノズル部34は 、 エンジン中心線8の周りに円周方向に配列された複数の一次すなわち末細フラッ プ50を含むと共に、これらの円周方向に隣接する末細フラップ50の半径方向 内向きの面の間に且つそれらと封止係合して配置されたオーバーラップする一次 すなわち末細シール51を含む。各々の末細フラップ50は、その前端部で第1 の旋回継手またはUリンク継手52によってケーシング11に旋回可能に取り付 けられている。末広フラップ54は、その前端部53で、ノズル14内ののど部 40と大体一致する軸方向位置にあるノズル・ピン・ヒンジ56の形態の第1の 回転自由度(DOF)継手手段によって末細フラップ50の後端部188に旋回 可能に取り付けられている。末広フラップ54はエンジン中心線8の周りに円周 方向に配列されており、オーバーラップする末広シール55が円周方向に隣接す る末広フラップ54の半径方向内向きの面の間に且つそれらと封止係合して配置 されている。末広シール55は、ノズル圧力すなわちフラップおよびシールの半 径方向内側の圧力がノズルの外側の圧力、典型的には周囲空気またはノズル・ベ イ圧力よりも正常に大きくなっているノズル運転中に、末広フラップ54に対し て封止するように設計されている。のど部40の面積は通常はA8と表示され、 末広フラップ54の端部おけるノズル出口44の面積は通常はA9と表示される 。 選択的に軸対称スラスト変向を行えるように末広フラップ54およびシール5 5を末細フラップ50およびシール51に取り付けるために使用される装置が、 図2により詳しく示されている。ノズル・ピン・ヒンジ56は、末広フラップ5 4がヒンジ軸180を中心として、図1のエンジン中心線8に対して半径方向に 旋回できるようにする。ノズル・ピン・ヒンジ56は、末広フラップ54の前側 部分49Fに取り付けられた多数の突起付き後側胴182、およびのど部40の 所で末細フラップ50の後側端部188に取り付けられた多数の突起付き前側胴 184を有する。多数の突起付き後側胴182および多数の突起付き前側胴18 4は、整列し得る開口187を持つ、相互に入り組んで配置された多数の突起1 89、および該開口に通された着脱可能な前側ヒンジ・ピン183を有する。こ れは、ノズル14の比較的に固定されたのど部40に対して末広フラップ54の 前側部分49Fを接続する旋回継手を構成する。 図2にはまた、末広フラップおよびシールのエゼクタ膜冷却を行うコンバーチ ブルまたは選択的手段も示されている。末広フラップ54およびシール55の各 々は、軸方向に隣接した前側部分49Fおよび後側部分49Aに分割されており 、それぞれの前側部分49Fは前側内部高温面47Fを持ち、それぞれの後側部 分49Aは後側内部高温面47Aを持つ。後側部分49Aは、取付け手段によっ て前側部分49Fに取り付けられている。取付け手段は、後側部分を少なくとも 2つの配置位置の内の1つにおいて前側部分に対して取り付けることが出来るよ うにする。これらの2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前側および後側 部分は両部分の間に環状の距離Dのギャップ106を形成するように離間され、 このギャップ106は冷却空気102を後側内部高温面47Aへ流れさせる。ま た、これらの2つの配置位置の内の第2の配置位置では、前側および後側部分は 、冷却空気102が後側内部高温面へ流れるのを実質的に防止するように密な接 触関係に置かれる。ギャップ106は、実質的に、前側部分49Fおよび後側部 分49Aのオーバーラップする端部107の間にノズル14の円周に沿った環状 のスロットを形成する。このスロットは後側内部高温面47A上に冷却空気10 2を保つのに役立ち、特に赤外線サインの低減のためのエゼクタ・モードの冷却 を更に向上させる。この構成により、ノズルは、ギャップ106が開いているエ ゼクタ冷却モードまたはギャップが実質的に閉じている非エゼクタ冷却モードの 何れかに置くことが出来る。 末細シール51に対する末広シール55の円周方向センタリングは、軸方向セ ンタリング手段160によって達成される。軸方向センタリング手段160は、 末細シール51の後面161からそれに垂直に外向きに延在する細長のピン16 2を含む。このピン162は、末広シール55の湾曲したリップ172に取り付 けられたセンタリング突起168の広く且つ大体軸方向に細長のスロット164 内に配置される。リップ172は末細シール51と重なり合って、末細シールと 接触封止を行うが、ノズル14の変向に対処するために末細シールが半径方向に 旋回し且つ円周方向に幾分か摺動することを可能にする。前掲の米国特許第4, 994,660号明細書に記載されたノズルは、末細フラップ50と末広フラッ プ54との間に自在継手を有している。本発明では、ノズル14内の2つの別々 の軸方向位置で同じ程度の半径方向および円周方向の旋回を行う。本発明では、 のど部の更に下流で末広フラップ54を円周方向に動かすことによって、流れの 半径方向平面外の転向がのど部の後側で行われ、これにより流れの歪みやのど部 の動作に対する他の不所望な影響を避ける。これはまた、のど部の動作を予測可 能にして、航空機およびエンジン設計者にとって一層大きな飛行エンベロープな らびに/またはエンジンおよび航空機に一層積極的な能力を設計する自由さが与 えられるようにする。 図3は、第1の配置位置にある末広フラップ54の前側部分49Fおよび後側 部分49Aをそれぞれ示し、この場合、ノズル14はエゼクタ冷却モードにある 。また図4は、第2の配置位置にある末広フラップ54の前側部分49Fおよび 後側部分49Aをそれぞれ示し、この場合、ノズルは非エゼクタ冷却モードにあ る。図5は、第1の配置位置にある末広シール55の前側部分49Fおよび後側 部分49Aをそれぞれ示し、この場合、ノズル14はエゼクタ冷却モードにある 。また図6は、第2の配置位置にある末広シール55の前側部分49Fおよび後 側部分49Aをそれぞれ示し、この場合、ノズルは非エゼクタ冷却モードにある 。 図2乃至6に、フラップ・ピン・ヒンジ110の形態の取付け手段が示されて いる。フラップ・ピン・ヒンジ110は、後側部分49Aに取り付けられていて 、少なくとも2つの後側胴突起113Aを持つ第1の後側胴111、および前側 部分49Fに取り付けられていて、少なくとも2つの前側胴突起113Fを持つ 第1の前側胴112を有する。前側および後側胴突起は、相互に入り組んで配置 されていて、整列し得る開口116を持ち、該開口には着脱可能な第1のヒンジ ・ピン119が配置されている。着脱可能な第1のヒンジ・ピン119は後側内 部高温面47Aおよびヒンジ軸180に対して実質的に垂直である。ヒンジ軸1 80は第1のヒンジ・ピン119に対して横方向の回転軸である。第1のヒンジ ・ピン119は、末広フラップ54の後側部分49Aをのど部およびエンジン中 心線8に対して大体円周方向に旋回可能にする。この旋回は、末広フラップ54 の前側部分49Fの旋回と組み合わさって、高温排気流4を変向または方向付け することによって、エンジンのスラストを変向する。後側部分49Aは前側部分 49Fに取付け手段によって取り付けられている。この取付け手段は、2つの後 側胴突起113Aが対応する前側胴突起113Fより上側または下側にあるかど う かによって決定される少なくとも2つの配置位置の内の1つに後側部分が前側部 分に対して取り付けられるようにする。 隣接した末広フラップ54およびシール55は、エンジン中心線8と一致する 非ベクターリング・ノズルの中心線の周りに通常はオーバーラップ封止関係に配 置される。シール55は、隣接のフラップの半径方向内側に配置されて、ノズル 圧力すなわち末広フラップ54およびシール55の半径方向内側の圧力がノズル ・ベイ6内の圧力よりも大きくなる正常なノズル運転時に、フラップに対して封 止を行うように設計されている。前側末広シール保持手段120および後側末広 シール保持手段124(図1にも示されている)が、スラスト・ベクターリング の際にベイ6内の圧力がノズル14の末広ノズル部内の圧力より高くなったとき に、末広シールを末広フラップに押し付けるように保持する。ノズル14は、末 広フラップ54およびシール55を中心線8に対して非対称に、従ってその半径 方向および円周方向位置並びに姿勢を非対称に位置決めすることによって、スラ ストを変向する。このために、前側および後側保持手段120および124がそ れぞれ、前に述べたような逆圧力勾配の際にシール55をフラップ54に押し付 けて保持するように設けられている。これらは、米国特許第5,269,467 号明細書に開示されているシール・フラップ間保持手段と同様なものである。 複数のカムころ62が一次リング66内に配置されており、一次リングは複数 (好ましい実施態様では4つ)の一次アクチュエータ70によって前後に平行移 動させられる。可変ののど部の面積A8が、末細フラップ50の背部に形成され ているカム面60に対するカムころ62の作用により制御される。運転中、ノズ ル内の排気ガスの高い圧力により、末細フラップ50および末広フラップ54は 半径方向外向きに押されて、カム面60をカムころ62と接触状態に保つ。環状 アクチュエータ支持体76がエンジン・ケーシング11に取り付けられ、一次ア クチュエータ70が自在玉継手74によってアクチュエータ支持体に旋回可能に 取り付けられている。一次アクチュエータ70は、球面継手68によって一次リ ング66に接続されたアクチュエータ・ロッド73を持つ。 複数(好ましい実施態様では3つ)のベクターリング・アクチュエータ90が 、ケーシング11の周りに円周方向に等間隔で配置されて、アクチュエータ70 と 同様に自在玉継手94によってアクチュエータ支持体76に取り付けられている 。作動リング86が、球面継手96によってアクチュエータ・ロッド73の後端 部でベクターリング・アクチュエータ90に接続されている。これにより、作動 リング86を、軸方向に平行移動させ且つその姿勢を制御するために中心線8の 周りに傾動させることが出来る。作動リング86は、末広フラップ54の位置決 めまたは旋回を制御する。 ノズル・ピン・ヒンジ56およびフラップ・ピン・ヒンジ110は、末広フラ ップ54の前側部分49Fがエンジン中心線8に対して半径方向に旋回できるよ うにし、また末広フラップの後側部分49Aがのど部およびエンジン中心線8に 対して大体円周方向に旋回できるようにする。これは、実効的に、末広フラップ 54の後側部分49Aが半径方向および円周方向の両方向に旋回して、高温排気 流4を変向または方向付けすることによりエンジンのスラストを変向できるよう にする。末広フラップ54の前側部分49Fおよび後側部分49Aの旋回は、複 数のそれぞれのYフレーム59によって複数の自由度で制御される。Yフレーム 59は、作動リング86を末広フラップ54の前側部分49Fに作動接続する制 御アーム58aおよび58bを有する。外側フラップ64がYフレーム59によ って少なくとも部分的に支持され、外側フラップはノズルの外面に沿ってきれい な滑らかな空気力学的形状を構成する。 制御アーム58aおよび58bは3自由度の球面継手82によって作動リング 86に接続され、球面継手82はYフレーム59のUリンク型の旋回を行わせ、 Yフレームは球面継手84によって末広フラップ54の前端部に接続されている 。このリンク機構は、作動リング86の姿勢変更を末広フラップ54の複数の自 由度の旋回変更または軌道運動に変換させるように動作でき、これによって各々 の末広フラップは異なる角度に旋回し得る。制御アーム58aおよび58bの取 り付けに球面継手82を使用することにより、何れかの制御アーム58aまたは 58bに加えられ得るねじり荷重が作動リング86へ伝達されるのを防止しなが ら、Yフレーム59のUリンク型の旋回を行うことが出来る。バックボーン92 が、末広フラップ54に対する取付け部を構成すると共に、継手84並びにその 対向する2つの端部にある第1の後側胴111および第1の前側胴112に対す る支 持体を構成する。 作動リング86は、ケーシング11の周りに円周方向に等角度で配置された3 つの軸方向に調節可能な作動リング支持手段100によって支持されている。作 動リング支持手段100は、ベクターリング・アクチュエータ90によって作動 リング86を軸方向に平行移動させ且つジンバル動作させることが出来るように する。軸方向に平行移動するAフレーム210が、3自由度の球面継手206に よって作動リング86を支持する。Aフレーム210は、アーム211aおよび 211bの端部にある球面継手の形態のUリンク型ヒンジ手段208によって摺 動体220に旋回可能に取り付けられている。アーム211aおよび211bの 端部に球面継手を使用することにより、Aフレーム210がUリンク型の旋回を 行うことができ、またこれらのアームへ加えられ得るねじり荷重の伝達を無くす ことが出来る。摺動体220は、前側ブラケット230および後側ブラケット2 36によってエンジン・ケーシング11に取り付けられた中空の摺動棒226に 沿って摺動し得る。作動リング支持手段100により、作動リング86は軸方向 に平行移動し且つその姿勢を変えるように傾動することが可能になる。作動リン グ支持手段100についてのより詳しい説明が、例えば、ここに引用するリップ メイヤー等による「平行移動ノズル・ベクターリング・リングに対する支持」と 云う発明の名称の米国特許第5,174,502号明細書に見出される。 スラスト・ベクターリング・ノズルは、末広フラップ54およびシール55を 中心線8に対して非対称に位置決めし、従って末広フラップおよびシールの半径 方向および円周方向位置並びに姿勢を非対称に位置決めすることによって、スラ ストを変向する。作動ベクターリング・リング86は、少なくとも3つのベクタ ーリング・アクチュエータ90によって軸方向に平行移動させられ且つ中心線8 の周りにジンバル動作させられる。ベクターリング・アクチュエータ90はまた 、作動リングを平行移動させて可変出口面積A9を調節および/または制御し且 つ出口面積対のど部面積比A9/A8を設定するために使用される。可変のど部 面積A8は、一次アクチュエータ70によって一次リング66を平行移動させる ことにより独立に設定することが出来る。この代わりに、アクチュエータおよび リングの両方の設定を組み合わせて使用することにより、出口面積対のど部面積 比 A9/A8を設定することが出来る。 図2は前側保持手段120をより詳しく示しており、前側保持手段120はフ ラップ54の背部に取り付けられた前側チャネル壁128を含む横方向に延在す る前側チャネル126を持つ。球形状の前側保持突起130が、前側アーム13 2の端部でシール55から支持されて、前側チャネル126内に移動可能に配置 されている。 前側チャネル126の狭い幅により、前側保持突起130の移動が拘束されて 、前側保持突起130には軸方向に対して横方向に1の自由度(1DOF)の移 動しか与えられないが、該突起は前側チャネル内で自由に回転し得る。旋回可能 な棒140が、その中心141において、前側柱体142の周りに旋回可能に取 り付けられている。前側柱体142は、好ましくシール55と共に鋳造されて、 シール55の背部の前側位置から半径方向外向きに延在する。旋回可能な棒14 0は、前側柱体142に固定される。前側柱体142の頂部にネジ山を設け、こ の前側柱体のネジ山付き頂部にナットで固定した旋回可能な棒140を旋回可能 に支持するために機械加工したフランジ・ブッシングを使用することが出来る。 球形状の前側保持突起130は、トレーラー係合ボールのような外観を有し且つ それと同じように作用する。保持突起は、排気ノズルのベクターリングを行うと きに末広フラップ前側チャネル内に接触を維持するために必要である。このこと が、米国特許第5,269,467号明細書に、バネ荷重をかけた球形状前側保 持突起130を持つ代わりの前側保持手段として明瞭に示されており、これらの 突起の各々はシャフト133に取り付けられ、シャフト133は旋回可能な棒1 40の前側アーム132の各々に設けた貫通する孔(図示せず)内に摺動可能に 配置されている。 後側保持手段124は、末広フラップ54の背部に取り付けられた後側チャネ ル壁148を含む横方向に延在する後側チャネル146を持つ。後側保持突起1 50が、後側アーム152の端部で末広シール55から支持されて、後側チャネ ル146内に移動可能に配置されている。隣接した末広フラップ54および末広 シール55の位置決めに役立つ後側位置決め手段が設けられ、この後側位置決め 手段は、隣接した末広フラップ54および末広シール55を動かすとき、特にス ラスト変向の際に互いに対してそれらの姿勢を変更するとき、後側保持突起15 0を後側チャネル146内に位置決めする。後側位置決め手段は、後側チャネル 146に対して比較的広い幅を提供し、これにより後側保持突起150がフラッ プ54に対して横方向および長手方向に2の自由度で移動できるようになる。シ ール55とフラップ54との間の離脱を防止するために、後側アーム152の突 起支持端部にフックを設け、また後側チャネルの端に円周方向保持手段を設けて もよい。これについての詳しい説明が米国特許第5,269,467号明細書に 記載されている。 本発明の原理を説明するために本発明の好ましい実施態様について詳述したが 、請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく好ましい実施態様 に対して種々の変更および置換をなし得ることが理解されよう。
【手続補正書】特許法第184条の8第1項 【提出日】1997年9月2日(1997.9.2) 【補正内容】 補正書の翻訳文 (1)明細書の第3頁(英文)の記載(明細書の翻訳文の第2頁第9行〜第3頁 第2行の記載「排気流を拘束し・・・・は非常に困難である。」に対応)を下記 の記載に置き換える。 記 『 排気流を拘束し且つ末広フラップ相互間からの排気流の漏洩を防止するため に、従来の排気ノズルではシールが隣り合う末広フラップ相互間に適切に固定さ れている。 改良型軸対称ベクターリング・ノズルすなわちAVEN(登録商標)ノズルが 、発明者ハウア(Hauer)によって開発され、米国特許第4,994,66 0号として特許されている。軸対称ベクターリング・ノズルは、その末広フラッ プを非対称に例外なく旋回させることによって、言い換えると非ベクターリング ・ノズルの中心線に対して半径方向および接線方向に末広フラップを旋回させる ことによって軸対称末細/末広ノズルのスラストを変向する手段を提供する。 欧州特許出願第0518598A1号明細書には、軸対称ベクターリング・ノ ズルに対する熱遮蔽装置が開示されており、該装置では予め位置決めされたエゼ クタ・スロットが排気流拘束要素内に形成されている。 ベクターリング・ノズル、特に上記米国特許に開示された軸対称ベクターリン グ排気ノズルは位置決め可能な末広フラップを提供する。これらの末広フラップ は排気ノズルの長手方向中心線に対して非対称に位置決め可能であるばかりでな く、ピッチ・ベクターリング(pitch vectoring)およびヨー・ ベクターリング(yaw vectoring)を得るためにそれに対して非対 称に位置決め可能である。典型的なスラスト・ベクターリング・ノズルは3つの ベクターリング・アクチュエータを使用し、これによりベクターリング・リング を平行移動および傾動させて、末広フラップを所定の位置に配置させる。ベクタ ーリング・リングの傾動角および傾動方向がノズルのベクトル角およびベクトル 方向をそれぞれ設定する。ベクターリング・リングの軸方向平行移動が、所与の のど部面積(しばしば、A8と呼ばれる)に対する出口面積(しばしば、A9と 呼ばれる)を設定する。 軸対称ノズルのためにフラップおよび隣接のシールを所定位置に保持すること は非常に困難である。 』 (2)請求の範囲の記載を下記の記載に置き換える。 記 『 請 求 の 範 囲 1. 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末広ノズル部( 48)内に高温排気ガス流路(4)を画成する、選択的に冷却可能な、長手方向 に延在し且つ円周方向に隣接した末広形排気流拘束要素(54,55)において 、 前記排気流拘束要素(54,55)の内の少なくとも1つの要素の軸方向に隣 接した前側および後側部分(49F,49A)であって、それぞれ前側および後 側内部高温面(47F,47A)を持つ前側および後側部分(49F,49A) 、並びに 前記後側部分(49A)を少なくとも2つの配置位置の内の1つにおいて前記 前側部分(49F)に取り付ける取付け手段を含み、 前記2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前記前側および後側部分が、 冷却空気(102)を前記後側内部高温面(47A)へ流れさせることの出来る ギャッブ(106)を両部分の間に形成するように離間され、また 前記2つの配置位置の内の第2の配置位置では、冷却空気(102)が前記後 側内部高温面(47A)へ流れるのを実質的に防止するように前記前側および後 側部分が密な接触関係に置かれ、 前記取付け手段(56)がフラップ・ピン・ヒンジ(110)であり、該フラ ップ・ピン・ヒンジが、前記後側部分(49A)に取り付けられた、少なくとも 2つの後側突起(113A)を持つ第1の後側胴(111)、および前記前側部 分(49F)に取り付けられた、少なくとも2つの前側突起(113F)を持つ 第1の前側胴(112)を有し、 前記後側および前側突起(113A,113F)が、相互に入り組んで配置さ れていて、整列し得る開口(116)を持ち、該開口には着脱可能な第1のヒン ジ・ピン(119)が配置され、前記着脱可能な第1のヒンジ・ピン(119) は前記後側内部高温面(47A)に対して実質的に垂直であること、 を特徴とする排気流拘束要素。 2. 更に、前記前側部分(49F)と前記ノズル(14)ののど部(40) との間に旋回継手(56)を有し、該旋回継手は前記フラップ・ヒンジ・ピン( 110)に対して横方向である少なくとも1つの回転軸(180)を持っている 、請求項1記載の排気流拘束要素。 3. 前記旋回継手(56)が、 前記前側部分(49F)に取り付けられた第2の後側胴(182)を持つ第2 のピン・ヒンジ(183)、 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末細ノズル部(34) 内に高温排気ガス流路(4)を画成する複数の末細形排気流拘束要素(50,5 1)の内の1つの要素(50)の後端部(188)に前記のど部(40)におい て取り付けられた第2の前側胴(184)、および 前記第2の後側および前側胴(113A,113F)に設けられた開口(18 7)に通された第2のヒンジ・ピン(183) を有している、請求項2記載の排気流拘束要素。 4. 前記排気流拘束要素がフラップ(54)およびシールを含んでおり、更 に、前記フラップ(54)および前記シール(55)の間を保持するための保持 装置(120)を有し、該保持装置(120)は、 前記フラップ(54)に取り付けられた横方向に延在するチャネル壁(128 )を持つチャネル(126)、 前記シール(55)から支持されて前記チャネル(126)内に移動可能に配 置された保持突起(130)、および 前記チャネル(126)の内の対応する1つのチャネル内で対応するフラップ に対して2の自由度の動きを前記保持突起(130)に与える位置決め手段装置 を含んでいる、請求項3記載の排気流拘束要素。 5. 前記位置決め装置は、対向して配置された第1および第2の旋回可能な アーム(132,152)ならびに対応する第1および第2の突起末端部(13 0,150)を持つ旋回可能な棒(140)を有し、 前記突起末端部の各々は前記チャネル(126)の1つの中に前記保持突起( 130)の1つを支持し、前記旋回可能な棒(140)は、前記アーム(211 a,211b)が前記シール上の柱体で合わさる箇所(141)で旋回可能に支 持されている、請求項4記載の排気流拘束要素。』
───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 は、冷却空気が後側内部高温面へ流れるのを実質的に防 止するように密な接触関係に置かれる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1. 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末広ノズル部 (48)内に高温排気ガス流路(4)を画成している長手方向に延在し且つ円周 方向に隣接した末広形排気流拘束要素(54,55)を選択的に冷却する装置 (2)において、 前記排気流拘束要素(54,55)の内の少なくとも1つの要素の軸方向に隣 接した前側および後側部分(49F,49A)であって、それぞれ前側および後 側内部高温面(47F,47A)を持つ前側および後側部分(49F,49A) 、並びに 前記後側部分(49A)を少なくとも2つの配置位置の内の1つにおいて前記 前側部分(49F)に取り付ける取付け手段(56)を含み、 前記2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前記前側および後側部分が、 冷却空気(102)を前記後側内部高温面(47A)へ流れさせることの出来る ギャップ(106)を両部分の間に形成するように離間され、また 前記2つの配置位置の内の第2の配置位置では、前記前側および後側部分が密 な接触関係に置かれて、冷却空気(102)が前記後側内部高温面(47A)へ 流れるのを実質的に防止すること、 を特徴とする装置(2)。 2. 前記取付け手段(56)がフラップ・ピン・ヒンジ(110)であり、 該フラップ・ピン・ヒンジが、 前記後側部分(49A)に取り付けられた、少なくとも2つの後側突起(11 3A)を持つ第1の後側胴(111)、および 前記前側部分(49F)に取り付けられた、少なくとも2つの前側突起(11 3F)を持つ第1の前側胴(112)を有し、 前記前側および後側突起(113F,113A)は、相互に入り組んで配置さ れていて、整列し得る開口(116)を持ち、該開口には着脱可能な第1のヒン ジ・ピン(119)が配置され、前記着脱可能な第1のヒンジ・ピン(119) は後側内部高温面(47A)に対して実質的に垂直である、請求項1記載の装置 (2)。 3. 更に、前記ノズル(14)の前記前側部分(49F)とのど部(40) との間に旋回継手(56)を有し、該旋回継手は前記フラップ・ヒンジ・ピン( 110)に対して横方向である少なくとも1つの回転軸(180)を持っている 、請求項2記載の装置(2)。 4. 前記旋回継手(56)が、 前記前側部分(49F)に取り付けられた第2の後側胴(182)を持つ第2 のピン・ヒンジ(183)、 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末細ノズル部(34) 内に高温排気ガス流路(4)を画成する複数の末細形排気流拘束要素(50,5 1)の内の1つの要素(50)の後端部(188)に前記のど部(40)におい て取り付けられた第2の前側胴(184)、および 前記第2の後側および前側胴(113A,113F)に設けられた開口(18 7)に配置された第2のヒンジ・ピン(183) を有している請求項3記載の装置(2)。 5. 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末広ノズル部 (48)内に高温排気ガス流路(4)を画成している長手方向に延在し且つ円周 方向に交互に隣接した末広フラップ(54)およびシール(55)を選択的に冷 却する装置(2)において、 前記フラップ(50)およびシール(51)の各々の軸方向に隣接した前側お よび後側部分(49F,49A)であって、それぞれ前側および後側内部高温面 (47F,47A)を持つ前側および後側部分(49F,49A)、並びに 前記後側部分(49A)を少なくとも2つの配置位置の内の1つにおいて前記 前側部分(49F)に取り付ける取付け手段(56)を含み、 前記2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前記前側および後側部分(4 9F,49A)が、冷却空気(102)を前記後側内部高温面(47A)へ流れ させることの出来るギャップ(106)を両部分の間に形成するように離間され 、また 前記2つの配置位置の内の第2の配置位置では、前記前側および後側部分(4 9F,49A)が密な接触関係に置かれて、冷却空気(102)が前記後側内部 高温面(47A)へ流れるのを実質的に防止すること、 を特徴とする装置(2)。 6. 前記取付け手段(56)がフラップ・ピン・ヒンジ(110)であり、 該フラップ・ピン・ヒンジが、 前記後側部分(49A)に取り付けられた、少なくとも2つの後側突起(11 3A)を持つ第1の後側胴(111)、および 前記前側部分(49F)に取り付けられた、少なくとも2つの前側突起(11 3F)を持つ第1の前側胴(112)を有し、 前記前側および後側突起(113F,113A)は、相互に入り組んで配置さ れていて、整列し得る開口(116)を持ち、該開口には着脱可能な第1のヒン ジ・ピン(119)が配置され、前記着脱可能な第1のヒンジ・ピン(119) は後側内部高温面(47A)に対して実質的に垂直であり、 更に、前記ノズル(14)の前記前側部分(49F)とのど部(40)との間 に旋回継手(56)を有し、該旋回継手は、前記フラップ・ヒンジ・ピン(11 0)に対して横方向である少なくとも1つの回転軸(180)を持ち、 前記前側部分に取り付けられた第2の後側胴を持つ第2のピン・ヒンジ(18 3)、 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズルの末細ノズル部(51)内に高温 排気ガス流路(4)を画成する末細形排気流拘束要素(50)の後端部(188 )に前記のど部(40)において取り付けられた第2の前側胴(184)、およ び 前記第2の後側および前側胴(182,184)に設けられた開口(187) に配置された第2のヒンジ・ピン(183)であって、前記回転軸と同じ線上に ある第2のヒンジ・ピン(183)を有している、請求項5記載の装置(2)。 7. 更に、前記フラップ(54)および前記シール(55)の間を保持する ための保持装置(120)を有し、該保持装置(120)は、 前記フラップ(54)に取り付けられた横方向に延在するチャネル壁(128 )を持つチャネル(126)、 前記シール(55)によって支持されて前記チャネル(126)内に移動可能 に配置された保持突起(130)、および 前記チャネル(126)の内の対応する1つのチャネル内で対応するフラップ に対して2の自由度の動きを前記保持突起(130)に与える位置決め手段装置 を含んでいる、請求項6記載の装置(2)。 8. 前記位置決め装置は、対向して配置された第1および第2の旋回可能な アーム(132,152)ならびに対応する第1および第2の突起末端部(13 0,150)を持つ旋回可能な棒(140)を有し、 前記突起末端部の各々は、前記チャネル(126)の1つの中に前記保持突起 (130)の1つを支持し、 前記旋回可能な棒(140)は、前記アーム(211a,211b)が前記シ ール上の柱体で合わさる箇所(141)で旋回可能に支持されている、請求項7 記載の装置(2)。 9. 航空機用ガスタービン・エンジン可変軸対称ベクターリング排気ノズル (14)において、 該ノズル(14)の末広ノズル部(48)内に高温排気ガス流路(4)を画成 している長手方向に延在し且つ円周方向に交互に隣接した末広フラップ(54) およびシール(55)、 前記フラップ(50)およびシール(51)の各々の軸方向に隣接した前側お よび後側部分(49F,49A)であって、それぞれ前側および後側内部高温面 (47F,47A)を持つ前側および後側部分(49F,49A)、並びに 前記後側部分(49A)を少なくとも2つの配置位置の内の1つにおいて前記 前側部分(49F)に取り付ける取付け手段(56)を含み、 前記2つの配置位置の内の第1の配置位置では、前記前側および後側部分(4 9F,49A)が、冷却空気(102)を前記後側内部高温面(47A)へ流れ させることの出来るギャップ(106)を両部分の間に形成するように離間され 、また 前記2つの配置位置の内の第2の配置位置では、前記前側および後側部分(4 9F,49A)が密な接触関係に置かれて、冷却空気(102)が前記後側内部 高温面(47A)へ流れるのを実質的に防止すること、 を特徴とする航空機用ガスタービン・エンジン可変軸対称ベクターリング排気ノ ズル(14)。 10. 前記取付け手段(56)がフラップ・ピン・ヒンジ(110)であり 、該フラップ・ピン・ヒンジが、 前記後側部分(49A)に取り付けられた、少なくとも2つの後側突起(11 3A)を持つ第1の後側胴(111)、および 前記前側部分(49F)に取り付けられた、少なくとも2つの前側突起(11 3F)を持つ第1の前側胴(112)を有し、 前記前側および後側突起(113F,113A)は、相互に入り組んで配置さ れていて、整列し得る開口(116)を持ち、該開口には着脱可能な第1のヒン ジ・ピン(119)が配置され、前記着脱可能な第1のヒンジ・ピン(119) は後側内部高温面(47A)に対して実質的に垂直であり、 更に、前記ノズル(14)の前記前側部分(49F)とのど部(40)との間 に旋回継手(56)を有し、該旋回継手(56)は、前記フラップ・ヒンジ・ピ ン(110)に対して横方向である少なくとも1つの回転軸(180)を持ち、 前記前側部分に取り付けられた第2の後側胴を持つ第2のピン・ヒンジ(18 3)、 航空機用ガスタービン・エンジン排気ノズル(14)の末細ノズル部(34) 内に高温排気ガス流路(4)を画成する末細形排気流拘束要素(50)の後端部 (188)に前記のど部(40)において取り付けられた第2の前側胴(184 )、および 前記第2の後側および前側胴(113A,113F)に設けられた開口(18 7)に配置された第2のヒンジ・ピン(183)であって、前記回転軸と同じ線 上にある第2のヒンジ・ピン(183)を有している、請求項9記載のノズル( 14)。
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