JP6340918B2 - 推力増強装置 - Google Patents

Description

本発明は、推力増強装置に関するものである。

推力増強装置は、例えば特許文献１や特許文献２に示すように、ジェットエンジンに搭載され、ジェット噴流に対して燃料を供給し、再び燃焼させることにより推力を得る。このような推力増強装置は、ジェット噴流に対して燃料を噴出する燃料噴射器と、燃料噴射器の下流に配置される着火装置と、燃焼領域を囲う筒状のダクトと、ダクト内に配置される保炎器とを備える。

特開２０１１−４３２９７号公報 米国特許第５１２９２２６号明細書

ところで、推力増強装置は、高速のジェット噴流中で十分に燃焼反応を完結させるために、十分に長い燃焼器内滞在時間を確保する必要があった。このため、ジェット噴流の流れ方向に十分に長い燃焼器を用意することが一般的である。このような燃焼器は、推力増強装置における燃焼領域を囲うダクトの内部に設けられている。したがって、従来のジェットエンジンでは、推力増強装置のダクトが長くなり、これによってエンジン全体の重量が増加し、エンジン性能（推重比）を引き下げることになる。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、推力増強装置において燃焼領域を囲うダクトの長さ短くし、ジェットエンジンの軽量化を図ることを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、ジェット噴流に対して燃料を噴出する燃料噴射器と、燃料噴射器の下流に配置される着火装置と、燃焼領域を囲う筒状のダクトと、前記ダクト内に配置される保炎器とを備える推力増強装置であって、前記ダクトの軸方向から見て、前記ダクトの内部の半径方向外側領域において前記ジェット噴流の軸方向への流れを維持し、前記ダクトの内部の半径方向内側領域において前記ジェット噴流を前記ダクトの軸が中心となる旋回流とする旋回流形成手段を備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記旋回流形成手段が、前記ダクトの軸を中心として環状に配列されると共に、各々が前記ダクトの軸方向から見て前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けて空気を噴射する複数のラジアルガッタからなるという構成を採用する。

第３の発明は、上記第２の発明において、前記ラジアルガッタが、前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けて空気を噴射する管部を備えるという構成を採用する。

第４の発明は、上記第３の発明において、前記管部の軸が前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けられているという構成を採用する。

第５の発明は、上記第３の発明において、前記管部の噴射開口が前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けられて傾斜されているという構成を採用する。

第６の発明は、上記第２の発明において、前記ラジアルガッタが、前記ダクトの軸に向けられると共に空気を噴射する管部と、前記管部の噴射開口に取り付けられると共に前記管部から噴射される空気を偏らせて前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向かわせる蓋部とを備えるという構成を採用する。

本発明によれば、旋回流形成手段によって、ダクトの内部に旋回流を形成する。このような旋回流が形成されることによって、ジェット噴流と燃料との混合速度が速まる。これによって、短時間で燃料を燃焼させることができ、燃焼領域が短くなる。したがって、本発明によれば、推力増強装置において燃焼領域を囲うダクトの長さ短くし、ジェットエンジンの軽量化を図ることができる。

本発明の一実施形態である推力増強装置を備えるジェットエンジンを模式的に示す断面図である。 図１のＡ−Ａ線矢視図である。 本発明の一実施形態である推力増強装置が有するラジアルガッタによって形成される旋回流について説明するための模式図であり、（ａ）が推力増強装置を含む縦断面の拡大図であり、（ｂ）がダクト及びライナを軸方向から見た模式図である。 本発明の一実施形態である推力増強装置の変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る推力増強装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

図１は、本実施形態の推力増強装置１０を備えるジェットエンジン１を模式的に示す断面図である。この図に示すように、ジェットエンジン１は、軸Ｌを中心とする略回転対称形状を有しており、ケーシング２と、ファン３と、低圧圧縮機４と、高圧圧縮機５と、燃焼器６と、高圧タービン７と、低圧タービン８と、シャフト９と、推力増強装置１０と、可変排気ノズル１１（ノズル）と、ライナ１２とを備えたターボファンエンジンである。

ケーシング２は、ファン３、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、燃焼器６、高圧タービン７、低圧タービン８、シャフト９及び推力増強装置１０を収容する円筒部材である。このケーシング２は、一端側（図１で示す前側）の開口がジェットエンジン１の内部に空気を取り込むためのインテーク２ａとされており、他端側（図１で示す後側）に可変排気ノズル１１が設けられている。このケーシング２の下流側の一部の領域は、推力増強装置１０のダクト１０ａとして機能する。

また、ケーシング２の内部には、ケーシング２の半径方向内側に設けられる流路であるコア流路２ｂと、半径方向外側に設けられる流路であるバイパス流路２ｃとが形成されている。コア流路２ｂ及びバイパス流路２ｃは、図１に示すように、ファン３の下流側においてケーシング２の内部が半径方向に区画されることにより設けられている。コア流路２ｂは、燃焼器６に空気を案内すると共に燃焼器６から排出される燃焼ガスを高圧タービン７及び低圧タービン８を介して推力増強装置１０に向けて案内する流路である。バイパス流路２ｃは、ファン３から圧送される空気を、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、燃焼器６、高圧タービン７及び低圧タービン８をバイパスして推力増強装置１０に向けて案内する流路である。

ファン３は、ケーシング２の内部における最も上流側に配置されている。このファン３は、シャフト９の後述する低圧軸９ａに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング２に固定される静翼からなる静翼例が複数段に交互に配列されてなる。このようなファン３は、シャフト９の回転に伴って動翼が回転され、インテーク２ａから取り込まれた空気を下流側に圧送する。

低圧圧縮機４は、コア流路２ｂにおいて最も上流側に配置されている。この低圧圧縮機４は、シャフト９の低圧軸９ａに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング２に固定される静翼からなる静翼列が複数段に交互に配列されてなる。このような低圧圧縮機４は、シャフト９の回転に伴って動翼が回転され、コア流路２ｂに取り込まれた空気を静翼で整流しつつ動翼で圧縮する。

高圧圧縮機５は、コア流路２ｂにおいて低圧圧縮機４の下流に配置されている。この高圧圧縮機５は、シャフト９の後述する高圧軸９ｂに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング２に固定される静翼からなる静翼列が複数段に交互に配列されてなる。このような高圧圧縮機５は、シャフト９の回転に伴って動翼が回転され、低圧圧縮機４で圧縮された空気を静翼で整流しつつ動翼でさらに圧縮する。

燃焼器６は、コア流路２ｂにおいて高圧圧縮機５の下流に配置されている。この燃焼器６は、不図示の燃料ノズル及び着火装置を備えており、高圧圧縮機５で生成された圧縮空気と燃料とからなる混合気を燃焼することによって燃焼ガスを生成する。

高圧タービン７は、コア流路２ｂにおいて燃焼器６の下流に配置されている。この高圧タービン７は、シャフト９の高圧軸９ｂに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング２に固定される静翼からなる静翼列とが複数段に交互に配列されてなる。このような高圧タービン７は、燃焼器６で生成された燃焼ガスを静翼で整流しつつ動翼で受けることによって動翼が回転し、これによってシャフト９の高圧軸９ｂを回転させる。

低圧タービン８は、コア流路２ｂにおいて高圧タービン７の下流に配置されている。この低圧タービン８は、シャフト９の低圧軸９ａに固定される動翼からなる動翼列と、ケーシング２に固定される静翼からなる静翼列とが複数段に交互に配列されてなる。このような低圧タービン８は、高圧タービン７を通過した燃焼ガスを静翼で整流しつつ動翼で受けることによって動翼が回転し、これによってシャフト９の低圧軸９ａを回転させる。

シャフト９は、半径方向内側の低圧軸９ａと、半径方向外側の高圧軸９ｂとを備え、これらの低圧軸９ａと高圧軸９ｂとが個別に同軸回転可能な二重軸構造を有している。低圧軸９ａには、低圧タービン８の動翼と、低圧圧縮機４の動翼と、ファン３の動翼とが固定されている。このような低圧軸９ａは、低圧タービン８の動翼が燃焼ガスを受けて回転されることによって生成される回転動力を低圧圧縮機４の動翼と及びファン３の動翼に伝達し、これらの低圧圧縮機４の動翼と及びファン３の動翼を回転させる。高圧軸９ｂには、高圧タービン７の動翼と、高圧圧縮機５の動翼とが固定されている。このような高圧軸９ｂは、高圧タービン７の動翼が燃焼ガスを受けて回転されることによって生成される回転動力を高圧圧縮機５の動翼に伝達し、この高圧圧縮機５の動翼を回転させる。

推力増強装置１０は、低圧タービン８の下流に配置されている。この推力増強装置１０は、低圧タービン８を通過した燃焼ガス、及び、バイパス流路２ｃを通過した空気の混合気に含まれる酸素を用いて燃料を再燃焼させることにより推力を増強させるものであり、ダクト１０ａ、燃料噴射装置１０ｂ、着火装置１０ｃ、及び保炎器１０ｄ等を備えている。

ダクト１０ａは、ケーシング２と一体化されており、推力増強装置１０における燃焼領域を囲む筒状の部位である。このダクト１０ａの軸は、ジェットエンジン１の軸Ｌと一致されている。燃料噴射装置１０ｂは、ダクト１０ａ内において、低圧タービン８の下流側に設けられており、低圧タービン８を通過したジェット噴流に対して燃料を噴射する。着火装置１０ｃは、ダクト１０ａ内において、燃料噴射装置１０ｂの下流側に設けられており、燃料とジェット噴流とが混合された混合気に対して着火を行う。

保炎器１０ｄは、ダクト１０ａ内において燃料噴射装置１０ｂの下流側に配置されており、軸Ｌの延在方向において、着火装置１０ｃとほぼ同位置に設けられている。この保炎器１０ｄは、ダクト１０ａ内において火炎を維持する。この保炎器１０ｄについては、後に説明する。

可変排気ノズル１１は、ケーシング２の下流側の端部に設けられており、コア流路２ｂから排気される燃焼ガスと、バイパス流路２ｃから排気される空気流とをジェットエンジン１の後方に噴射する。この可変排気ノズル１１は、燃焼ガス及び空気流を噴射するノズル開口端１１ａと、このノズル開口端１１ａの開口面積を変化させる可動部１１ｂ（流体抵抗調整手段、開口面積可変機構）とを備えている。この可動部１１ｂは、ノズル開口端１１ａの周方向に配列されたフラップや当該フラップの角度を調整するアクチュエータ等を備えており、ノズル開口端１１ａの開口面積を変化させることによってノズル開口端１１ａにおける流体抵抗の調整を行う。

ライナ１２は、推力増強装置１０のダクト１０ａ内に設けられた円筒状の隔壁であり、バイパス流路２ｃから燃料が混合されずかつ圧縮されていない低温の空気が流れる流路を形成する。

図２は、図１のＡ−Ａ線矢視図であり、本実施形態の推力増強装置１０の保炎器１０ｄを示している。保炎器１０ｄは、軸Ｌを中心として放射状に配置される複数のラジアルガッタ１０ｄ１を備えている。各ラジアルガッタ１０ｄ１は、一端がライナ１２とダクト１０ａとの間の隙間に配置され、他端がダクト１０ａ内に配置される管部からなる。このラジアルガッタ１０ｄ１は、ライナ１２とダクト１０ａとの間の隙間を流れる低温の空気が冷却空気として内部を流れることにより冷却される。

また、本実施形態においては、図２に示すように、ラジアルガッタ１０ｄ１は、ダクト１０ａの軸Ｌを中心として環状に配列されると共に、自らの中心線Ｌａ（管部の軸）がダクト１０ａの軸方向から見てダクト１０ａの軸Ｌから同一距離変位した箇所に向けられた管部からなる。これらのラジアルガッタ１０ｄ１は、各々がダクト１０ａの軸方向から見てダクトの軸Ｌから同一距離変位した箇所に向けて空気を噴射する。このようなラジアルガッタ１０ｄ１の先端から、空気が噴射されることによって、ラジアルガッタ１０ｄ１の中央部に軸Ｌを中心とする旋回流Ｒ１が形成される。

図３は、ラジアルガッタ１０ｄ１によって形成される旋回流Ｒ１について説明するための模式図であり、（ａ）が推力増強装置１０を含む縦断面の拡大図であり、（ｂ）がダクト１０ａ及びライナ１２を軸方向から見た模式図である。これらの図に示すように、本実施形態においては、各ラジアルガッタ１０ｄ１から空気が噴射されることで形成される旋回流Ｒ１は、ダクト１０ａの半径方向内側領域のみに形成される。この結果、ダクト１０ａの半径方向外側領域の流れは軸流Ｒ２となる。

つまり、本実施形態においては、複数のラジアルガッタ１０ｄ１は、ダクト１０ａの軸方向から見て、ダクト１０ａの内部の半径方向外側領域においてジェット噴流の軸方向への流れを維持し、ダクト１０ａの内部の半径方向内側領域においてジェット噴流をダクト１０ａの軸Ｌを中心とする旋回流とする。すなわち、本実施形態においては、複数のラジアルガッタ１０ｄ１は、本発明の旋回流形成手段として機能する。

このようなジェットエンジン１では、ファン３の駆動によってケーシング２のインテーク２ａを通じて外部から空気が取り込まれ、取り込まれた空気がコア流路２ｂと、バイパス流路２ｃとに分配される。コア流路２ｂを流れる空気は、低圧圧縮機４及び高圧圧縮機５によって圧縮されてから燃焼器６に供給され、燃料と共に燃焼される。これによって燃焼ガスが生成され、この燃焼ガスがコア流路２ｂを流れて可変排気ノズル１１から噴出される。また、バイパス流路２ｃを流れる空気は、低圧圧縮機４、高圧圧縮機５、燃焼器６、高圧タービン７及び低圧タービン８をバイパスして流れ、可変排気ノズル１１から燃焼ガスと共に噴射される。このように可変排気ノズル１１から燃焼ガス及びバイパス流路２ｃを流れる空気が噴出されることによって推力が得られる。

なお、コア流路２ｂを流れる燃焼ガスが高圧タービン７を通過するときに、高圧タービン７の動翼が回転駆動されて回転動力が生成される。この回転動力がシャフト９の高圧軸９ｂを通じて高圧圧縮機５に伝達され、これによって高圧圧縮機５の動翼が回転する。また、コア流路２ｂを流れる燃焼ガスが低圧タービン８を通過するときに、低圧タービン８の動翼が回転駆動されて回転動力が生成される。

また、大きな推力が必要な場合には、推力増強装置１０が、高圧タービン７及び低圧タービン８を通過した燃焼ガスに対して燃料を供給すると共に再燃焼させ、これによって推力の増強が図られる。このときは、燃焼ガスの再燃焼により排気の体積流量が増加するため、ノズル開口端１１ａにおける流体抵抗が増加しないように、可動部１１ｂによってノズル開口端１１ａの開口面積が広げられる。

以上のような本実施形態の推力増強装置１０によれば、複数のラジアルガッタ１０ｄ１によって、ダクト１０ａの内部に旋回流Ｒ１を形成する。このような旋回流Ｒ１が形成されることによって、ジェット噴流と燃料噴射装置１０ｂから噴射された燃料との混合速度が速まる。これによって、短時間で燃料を燃焼させることができ、燃焼領域を短くすることができる。したがって、推力増強装置１０の長さを短くすることができ、ジェットエンジン１の軽量化を図ることができる。

また、複数のラジアルガッタ１０ｄ１は、従来から保炎器１０ｄの構成要素として設置されているものである。このため、このようなラジアルガッタ１０ｄ１によって旋回流Ｒ１を形成することにより、新たな機構を追加することなく旋回流Ｒ１を形成することができる。

さらに、本実施形態の推力増強装置１０においては、ラジアルガッタ１０ｄ１が、中心線Ｌａがダクト１０ａの軸Ｌから同一距離変位した箇所に向けられた管部からなっている。このため、ラジアルガッタ１０ｄ１を単純な直線状とすることができ、安価な推力増強装置１０とすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態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、本発明の趣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。

例えば、上記実施形態においては、ラジアルガッタ１０ｄ１が、中心線Ｌａがダクト１０ａの軸Ｌから同一距離変位した箇所に向けられた管部からなっているという構成を採用した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、図４（ａ）及び（ｂ）に示すように、ダクト１０ａの軸Ｌに向けられると共に空気を噴射する管部１０ｄ３と、管部１０ｄ３の噴射開口に取り付けられると共に管部１０ｄ３から噴射される空気を偏らせてダクト１０ａの軸Ｌから同一距離変位した箇所に向かわせる蓋部１０ｄ４とを有するラジアルガッタ１０ｄ２を備える構成とすることも可能である。また、上記管部１０ｄ３の噴射開口１０ｄ５が軸Ｌから同一距離変位した箇所に空気を向かわせるように傾斜された構成を採用することも可能である。このような構成を採用する場合にも、上記実施形態と同様の旋回流Ｒ１を形成することができる。

また、上記実施形態においては、複数のラジアルガッタ１０ｄ１によって旋回流Ｒ１を形成する構成について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、保炎器１０ｄとは別に旋回流形成手段を設ける構成を採用することも可能である。

１……ジェットエンジン、２……ケーシング、２ａ……インテーク、２ｂ……コア流路、２ｃ……バイパス流路、３……ファン、４……低圧圧縮機、５……高圧圧縮機、６……燃焼器、７……高圧タービン、８……低圧タービン、９……シャフト、９ａ……低圧軸、９ｂ……高圧軸、１０……推力増強装置、１０ａ……ダクト、１０ｂ……燃料噴射装置、１０ｃ……着火装置、１０ｄ……保炎器、１０ｄ１……ラジアルガッタ、１０ｄ２……ラジアルガッタ、１０ｄ３……管部、１０ｄ４……蓋部、１０ｄ５……噴射開口、１１……可変排気ノズル、１１ａ……ノズル開口端、１１ｂ……可動部、１２……ライナ、Ｌ……軸、Ｌａ……ラジアルガッタの中心線、Ｒ１……旋回流、Ｒ２……軸流

Claims (5)

1. ジェット噴流に対して燃料を噴出する燃料噴射器と、燃料噴射器の下流に配置される着火装置と、燃焼領域を囲う筒状のダクトと、前記ダクト内に配置される保炎器とを備える推力増強装置であって、
   前記ダクトの軸方向から見て、前記ダクトの内部の半径方向外側領域において前記ジェット噴流の軸方向への流れを維持し、前記ダクトの内部の半径方向内側領域において前記ジェット噴流を前記ダクトの軸が中心となる旋回流とする旋回流形成手段を備え、
   前記旋回流形成手段は、
   前記ダクトの軸を中心として環状に配列されると共に、各々が前記ダクトの軸方向から見て前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けて空気を噴射する複数のラジアルガッタからなる
   ことを特徴とする推力増強装置。
2. 前記ラジアルガッタは、
   前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けて空気を噴射する管部を備えることを特徴とする請求項１記載の推力増強装置。
3. 前記管部の軸が前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けられていることを特徴とする請求項２記載の推力増強装置。
4. 前記管部の噴射開口が前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向けられて傾斜されていることを特徴とする請求項２記載の推力増強装置。
5. 前記ラジアルガッタは、
   前記ダクトの軸に向けられると共に空気を噴射する管部と、
   前記管部の噴射開口に取り付けられると共に前記管部から噴射される空気を偏らせて前記ダクトの軸から同一距離変位した箇所に向かわせる蓋部と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の推力増強装置。

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