JP4736271B2 - ジェットエンジン用排気ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、エンジンからの排気ガスの流路を形成する複数のフラップを備えるジェットエンジン用排気ノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音速航空機など用いられるジェットエンジン用排気ノズルでは、一般に、複数のフラップを作動して排気ガスの流路を所望の状態に変化させることにより、排気ガスの速度を制御している。
【０００３】
複数のフラップを作動して排気ガスの流路を変化させる排気ノズルとしては、例えば、特開平２−２７５０５０号公報、米国特許第５，４３７，４１１号などに記載された技術が知られている。
【０００４】
上記排気ノズルでは、周方向に並べて配置される複数のフラップを、軸方向（排気ガスの流れの方向の後端側を径方向内側にして傾斜させることにより、排気ガスの流路に絞り部（convergent）を形成する。さらに、その複数のフラップの後端に連結される他の複数のフラップを、軸方向の後端側を径方向外側にして傾斜させることにより、排気ガスの流路に拡散部（divergent）を形成する。これにより、排気ガスの流路断面積を変化させ、排気ガスの速度を制御し、所望の推力を得る。
【０００５】
また、上記排気ノズルでは、周方向に並べて配置される複数のフラップを、軸対称の配列状態から非対称な配列状態に変化させることにより、排気ノズルの開口の向きを変えることが可能となっている。例えば、複数のフラップの前端を軸対称に配置した状態で、後端を非対称の配列状態、すなわち後端の開口中心を軸からずらして配置することにより、開口の向きを軸方向から傾けることができる。このように、排気ノズルの開口の向きを変化させることにより、エンジンの推力方向を任意の方向に変化させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記した複数のフラップを備える排気ノズルでは、複数のフラップを作動させるために、複数のフラップを環状のリングに連結するとともに、この環状のリングに作動用のアクチュエータを連結している場合が多い。この場合、リングの移動を所定の方向に案内するガイド機構が必要となる。
【０００７】
ところが、従来の排気ノズルでは、上記ガイド機構が十分な自由度を有していない、または複雑な機構となっている。
例えば、上述した特開平２−２７５０５０号公報に記載の排気ノズルでは、ガイド機構は１自由度しか有していない。すなわち、上記ガイド機構は、リングの中心軸方向にのみリングを案内する構成となっている。この場合、リングを介して複数のフラップを軸対称に変化させることは可能であっても、リングを介して複数のフラップを、軸対称の配列状態から非対称な配列状態に変化させるのは難しい。
【０００８】
また、従来より、リングのガイド機構において、リングを移動させるアクチュエータに加えて別のアクチュエータをダミーとして配設し、これにより、２自由度を確保する構成がしばしば用いられる。しかしながら、この場合、構成が複雑になりやすく、しかもコスト高を招きやすい。また、複数のフラップを、軸対称の配列状態から非対称な配列状態に変化させるのには、２自由度では不十分である場合が多い。
【０００９】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、複数のフラップを所望の方向に確実に作動させることができ、しかもその作動に用いられるリングを案内するガイド機構を簡潔に構成できるジェットエンジン用排気ノズルを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、エンジンからの排気ガスの流路を形成する複数のフラップを備えるジェットエンジン用排気ノズルであって、前記複数のフラップに連結される環状のリングと、前記リングに連結され、該リングを介して前記複数のフラップを作動させる複数のアクチュエータと、前記リングの移動を案内するガイド機構とを備え、前記ガイド機構は、前記リングの中心軸方向と、前記リングの径方向と、前記リングの径方向を中心とする回転方向とのそれぞれの方向に、前記リングを案内することを特徴とする。
このジェットエンジン用排気ノズルでは、ガイド機構が、リングの中心軸方向と、リングの径方向と、リングの径方向を中心とする回転方向とのそれぞれの方向に、リングを案内することから、リングの移動方向として３自由度が確保される。そのため、リングを介して複数のフラップを、軸対称の配列状態から非対称な配列状態に確実に変化させることができる。
【００１１】
この場合において、前記ガイド機構は、前記リングの中心軸方向に延在する溝が形成された部材と、前記溝に少なくとも一部が収容され、前記溝の内部で前記溝の延在方向に摺動自在かつ回転自在に配されるガイドピンと、前記リングの径方向に高さが変化する曲面が形成された部材と、前記曲面に当接されるガイドローラとを有してもよい。
この場合、上記溝の内部で溝の延在方向にガイドピンが摺動することにより、リングの中心軸方向にリングが案内される。また、上記溝の内部でガイドピンが回転することにより、リングの径方向を中心とする回転方向にリングが案内される。さらに、上記曲面に沿ってガイドローラが移動することにより、リングの径方向にリングが案内される。したがって、簡潔なガイド機構でありながら、リングの移動方向として３自由度が確保される。
【００１２】
また、前記ガイド機構は、前記リングの中心軸方向、及び前記リングの径方向に前記リングを案内するリンク機構を有し、前記リンク機構には、前記リングの径方向に回転自在な連結部が設けられていてもよい。
この場合、リンク機構により、リングの中心軸方向、及びリングの径方向にリングが案内される。また、連結部での回転運動により、リングの径方向を中心とする回転方向にリングが案内される。したがって、簡潔なガイド機構でありながら、リングの移動方向として３自由度が確保される。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るジェットエンジン用排気ノズルの実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、超音速航空機などの航空機に用いられるジェットエンジン用排気ノズルの一実施形態の全体構成を模式的に示す図であり、排気ノズル１０は、エンジン（不図示）の後端部に設置される。エンジンからの排気ガス（主流）は、排気ノズル１０の導入ダクト１１を経た後、絞り・発散部（convergent-divergent）１２で加速されて、エンジン外部に排出される。
【００１４】
絞り・発散部１２は、絞り部（流れ方向に向かって断面積が縮小する流路）を主に形成する複数のコンバージェントフラップ２０と、発散部（流れ方向に向かって断面積が拡大する流路）を主に形成する複数のダイバージェントフラップ２１とを含む。コンバージェントフラップ２０、及びダイバージェントフラップ２１はそれぞれ、複数が周方向に並べて配置されている。また、コンバージェントフラップ２０とダイバージェントフラップ２１とは、排気ダクトの軸方向に並べて配置されている。コンバージェントフラップ２０は、軸方向の一端が導入ダクト１１に連結され、他端がダイバージェントフラップ２１の一端に連結されている。
【００１５】
ダイバージェントフラップ２１の他端にはリンク部材２２が連結され、このリンク部材２２は、複数（ここでは３ケ）のアクチュエータ（第１アクチュエータ２３）が連結された円環状の第１リング２４に連結されている。一方、コンバージェントフラップ２０の背面には、所定の曲面を有するトラックレール２５が設けられており、このトラックレール２５の曲面と接するように、複数（ここでは３ケ）のアクチュエータ（第２アクチュエータ２６）が連結された円環状の第２リング２７が軸方向等に移動自在に配設されている。なお、複数の第１アクチュエータ２３、及び複数の第２アクチュエータ２６はそれぞれ、周方向に等間隔に配置されている。
【００１６】
図２は、絞り・発散部１２を部分的に拡大した模式的な断面図である。
図２において、第２リング２７に連結された複数の第２アクチュエータ２６は、トラックレール２５を介して、コンバージェントフラップ２０を作動させ、絞り型の流路の断面積（ノズルスロートＮＳの断面積）を変化させる。また、第１リング２４に連結された複数の第１アクチュエータ２３は、第１リング２４及びリンク部材２２を介して、ダイバージェントフラップ２１を作動させ、発散型の流路の断面積（排気ノズル１０の後端部の開口面積）を変化させる。なお、図２（ａ）は排気ノズル１０の開口を狭くした状態、図２（ｂ）は開口を拡散状態にした様子を示す。また、排気ノズル１０の流路断面積は、適正な推力が得られるように、エンジンの燃料流量に応じて制御される。
【００１７】
また、この排気ノズル１０では、第１リング２４に連結された複数の第１アクチュエータ２３の作動距離に差を設けることにより、第１リング２４を傾け、図３に示すように、ダイバージェントフラップ２１を軸対称の配列状態から非対称な配列状態に変化させることができる。この場合、複数の第１アクチュエータ２３の各作動距離を周期的に変化させることにより、排気ノズル１０の開口の向きを旋回させることが可能となる。このように、この排気ノズル１０では、開口の向きを変化させることにより、エンジンの推力方向を任意の方向に制御できる。なお、ダイバージェントフラップ２１は、上記第１リング２４（図２参照）に連結される複数のマスターフラップ２１ａと、マスターフラップ２１ａ同士の隙間を覆うように配される複数のシールフラップ２１ｂとを含み、両者は位置決め機構２９によって連結されている。位置決め機構２９は、隣合うマスターフラップ２１ａのほぼ中間にシールフラップ２１ｂが位置するように、マスターフラップ２１ａに対するシールフラップ２１ｂの相対的な位置を位置決めするように構成されている。
【００１８】
図４は、上述した第１リング２４の移動を案内するガイド機構３０の一例を示す斜視図である。ガイド機構３０は、図４の矢印に示すように、第１リング２４の中心軸方向（矢印ａ）と、第１リング２４の径方向（矢印ｂ）と、第１リング２４の径方向を中心とする回転方向（矢印ｃ）とのそれぞれに、第１リング２４を移動自在に案内するように構成されている。
【００１９】
具体的には、ガイド機構３０は、図５、及び図６に示すように、第１リング２４の中心軸方向（矢印ａ方向）に延在する溝３１と、この溝３１に少なくとも一部が収容され、溝３１の内部で溝３１の延在方向（矢印ａ方向）に摺動自在かつ回転自在に配されるガイドピン３３と、第１リング２４の径方向（矢印ｂ方向）に高さが変化する曲面３４と、その曲面３４に当接されるガイドローラ３６とを有している。なお、上記溝３１及び曲面３４は、前述した導入ダクト１１または第２リング２７の周面またはそれらに取り付けられた部材に設けられている。本実施形態では、上記溝３１及び曲面３４は、前述した導入ダクト１１の外周面に設けられている。
【００２０】
図５及び図６に示す構成の場合、ガイド機構３０において、溝３１の内部で溝３１の延在方向にガイドピン３３が摺動することにより、第１リング２４の中心軸方向に第１リング２４が案内される。また、溝３１の内部でガイドピン３３が回転することにより、第１リング２４の径方向を中心とする回転方向に第１リング２４が案内される。さらに、曲面３４に沿ってガイドローラ３６が移動することにより、第１リング２４の径方向に第１リング２４が案内される。これにより、このガイド機構３０では、第１リング２４の移動方向として３自由度が確保される。特に、このガイド機構３０では、溝３１とガイドピン３３とによって第１リング２４の上記軸方向の移動を案内しつつ、上記径方向の回転方向にも、第１リング２４を案内するので、簡潔な構成で複数の自由度を確保できる。
【００２１】
このように、本例の排気ノズル１０では、ダイバージェントフラップ２１の作動に用いられる第１リング２４を案内するガイド機構３０が３自由度を確保する。そのため、ダイバージェントフラップ２１を、軸対称に変化させるとともに、軸対称の配列状態から非対称な配列状態に確実に変化させることができる。
【００２２】
なお、図５及び図６に示す例では、固定側の導入ダクト１１に溝３１や曲面３４を設け、移動する側の第１リング２４にガイドピン３３及びガイドローラ３６を設けているが、固定側にガイドピンやガイドローラを設け、移動側に溝や曲面等を設けてもよい。また、上記構成部材の材質として、セラミック系複合材料やＡｌ系金属間化合物などの軽量の材料を用いることで軽量化を図ることが可能となる。さらに、ガイド機構は、第１リングの移動方向として３自由度を確保すればよく、ガイド機構の構成は上述したものに限らない。
【００２３】
図７及び図８は、第１リング２４の移動を案内するガイド機構の他の例（ガイド機構４０）を示す図である。
この構成においても、ガイド機構４０は、第１リング２４の中心軸方向（矢印ａ）と、第１リング２４の径方向（矢印ｂ）と、第１リング２４の径方向を中心とする回転方向（矢印ｃ）とのそれぞれに、第１リング２４を移動自在に案内するように構成されている。
【００２４】
具体的には、ガイド機構４０は、第１リング２４の中心軸方向（矢印ａ方向）、及び第１リング２４の径方向（矢印ｂ方向）に第１リング２４を案内するリンク機構４１を有している。そして、リンク機構４１には、第１リング２４の径方向に回転自在な連結部４２が設けられている。上記回転自在な連結部４２としては、例えば球面座を有するスフェリカル・ベアリングを用いた機構を用いることができる。
【００２５】
図７及び図８に示す構成の場合、ガイド機構４０において、リンク機構４１により、第１リング２４の中心軸方向、及び第１リング２４の径方向に第１リング２４が案内される。また、連結部４２での回転運動により、第１リング２４の径方向を中心とする回転方向に第１リング２４が案内される。これにより、このガイド機構４０においても、第１リング２４の移動方向として３自由度が確保される。特に、このガイド機構４０では、回転自在な連結部４２が設けられたリンク機構４１を用いることにより、簡潔な構成で複数の自由度を確保できる。
【００２６】
以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るジェットエンジン用排気ノズルによれば、複数のフラッパの作動に用いられるリングを案内するガイド機構が３自由度を確保することから、複数のフラッパを所望の方向に確実に作動させることができる。また、ダミーのアクチュエータを用いることなく、ガイド機構を簡潔に構成でき、低コスト化を図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るジェットエンジン用排気ノズルの一実施形態の全体構成を模式的に示す図である。
【図２】 図１の排気ノズルの絞り・発散部を部分的に拡大した模式的な断面図である。
【図３】 ダイバージェントフラップを軸対称の配列状態から非対称な配列状態に変化させた様子を模式的に示す図である。
【図４】 ガイド機構の一例を示す斜視図である。
【図５】 図４のガイド機構をリングの軸方向に見た図である。
【図６】 図４のガイド機構をリングの径方向に見た図である。
【図７】 ガイド機構の他の例を示す図であり、リングの軸方向に見た図である。
【図８】 図７のガイド機構の一部を拡大して示す図であり、（ａ）はリングの径方向に見た図、（ｂ）は図７に示すＡ−Ａ断面図である。
【符号の説明】
１０ 排気ノズル
１１ 導入ダクト
１２ 絞り・発散部
２０ コンバージェントフラップ
２１ ダイバージェントフラップ
２２ リンク部材
２４ 第１リング
２３ 第１アクチュエータ
２５ トラックレール
２６ 第２アクチュエータ
２７ 第２リング
３０，４０ ガイド機構
３１ 溝
３３ ガイドピン
３４ 曲面
３６ ガイドローラ
４１ リンク機構
４２ 連結部

Claims (1)

1. エンジンからの排気ガスの流路を形成する複数のフラップを備えるジェットエンジン用排気ノズルであって、
   前記複数のフラップに連結される環状のリングと、
   前記リングに連結され、該リングを介して前記複数のフラップを作動させる複数のアクチュエータと、
   前記リングの移動を案内するガイド機構とを備え、
   前記ガイド機構は、前記リングの中心軸方向と、前記リングの径方向と、前記リングの径方向を中心とする回転方向とのそれぞれの方向に、前記リングを案内し、
   また、前記ガイド機構は、前記リングの中心軸方向に延在する溝が形成された部材と、前記溝に少なくとも一部が収容され、前記溝の内部で前記溝の延在方向に摺動自在かつ回転自在に配されるガイドピンと、前記リングの径方向に高さが変化する曲面が形成された部材と、前記曲面に当接されるガイドローラとを有する
   ことを特徴とするジェットエンジン用排気ノズル。

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