特開 2024-179346 ガスタービンエンジン

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024179346

(43)【公開日】2024-12-26

(54)【発明の名称】ガスタービンエンジン

(51)【国際特許分類】

   F02K 1/09 20060101AFI20241219BHJP

   B64D 33/04 20060101ALI20241219BHJP

【ＦＩ】

F02K1/09

B64D33/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023098111

(22)【出願日】2023-06-14

(71)【出願人】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】弁理士法人有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新井 篤典

(72)【発明者】

【氏名】大▲桑▼ 達也

(57)【要約】

【課題】
簡易な構造の排気ノズルでありながら、排気ガス流路の断面積を変更可能なガスタービンエンジンを提供する。
【解決手段】
本開示の一態様に係るガスタービンエンジンは、テールコーンと、前記テールコーンを径方向外側から覆って前記テールコーンとの間で排気ガス流路を形成する排気ノズルと、前記排気ノズルよりも上流側に位置し、前記排気ノズルを前後方向に移動可能に支持する筒状の支持ケーシングと、前記排気ノズル又は前記支持ケーシングに取り付けられ、前記排気ノズルを前記テールコーンに対して前後方向に移動させることにより、前記排気ガス流路の断面積を変化させるアクチュエータと、を備えている。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

テールコーンと、
前記テールコーンを径方向外側から覆って前記テールコーンとの間で排気ガス流路を形成する排気ノズルと、
前記排気ノズルよりも上流側に位置し、前記排気ノズルを前後方向に移動可能に支持する筒状の支持ケーシングと、
前記排気ノズル又は前記支持ケーシングに取り付けられ、前記排気ノズルを前記テールコーンに対して前後方向に移動させることにより、前記排気ガス流路の断面積を変化させるアクチュエータと、を備えている、ガスタービンエンジン。

【請求項2】

上流側端部が前記支持ケーシングに固定され、下流側端部が前記排気ノズルに固定され、前後方向に伸縮可能な伸縮シールを備えている、請求項１に記載のガスタービンエンジン。

【請求項3】

前記アクチュエータ、前記伸縮シール、前記排気ノズルの前記伸縮シールが固定される第１固定部、並びに、前記支持ケーシングの前記アクチュエータ及び前記伸縮シールが固定される第２固定部を含む可変ノズル機構は、前記排気ガス流路よりも径方向外側に位置している、請求項２に記載のガスタービンエンジン。

【請求項4】

前記可変ノズル機構は、当該ガスタービンエンジンを前方から見たとき、当該ガスタービンエンジンの前記可変ノズル機構を除く部分の外縁よりも内側に位置している、請求項３に記載のガスタービンエンジン。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスタービンエンジンに関する。

【背景技術】

【0002】

下記の特許文献１には、排気面積を調整可能な可変排気ノズルを備えたガスタービンエンジンが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開平１０－１７６６０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載のガスタービンエンジンは、可変排気ノズルを変形させることで排気面積を調整するため、構造が複雑であった。そこで、本開示の一態様は、簡易な構造の排気ノズルでありながら、排気ガス流路の断面積を変更可能なガスタービンエンジンを提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一態様に係るガスタービンエンジンは、テールコーンと、前記テールコーンを径方向外側から覆って前記テールコーンとの間で排気ガス流路を形成する排気ノズルと、前記排気ノズルよりも上流側に位置し、前記排気ノズルを前後方向に移動可能に支持する筒状の支持ケーシングと、前記排気ノズル又は前記支持ケーシングに取り付けられ、前記排気ノズルを前記テールコーンに対して前後方向に移動させることにより、前記排気ガス流路の断面積を変化させるアクチュエータと、を備えている。

【発明の効果】

【0006】

本開示の一態様によれば、簡易な構造の排気ノズルでありながら、排気ガス流路の断面積を変更することができる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

【図1】図１はガスタービンエンジンの概略図である。

【図2】図２は排気ガス流路付近の拡大図であって、排気ノズルが通常位置にある状態を示した図である。

【図3】図３は排気ガス流路付近の拡大図であって、排気ノズルが通常位置及び移動位置にある状態を示した図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

（ガスタービンエンジンの概要）
以下、実施形態について説明する。はじめに、実施形態に係るガスタービンエンジン（以下、単に「エンジン」と称する）１００の概要を説明する。図１は、本実施形態に係るエンジン１００の概略図である。図１の紙面左方がエンジン１００の前方であり、図１の紙面右方がエンジン１００の後方である。以下では、エンジン１００の前方を単に「前方」、エンジン１００の後方を単に「後方」、エンジン１００の軸心方向を「軸方向」、エンジン１００の軸心周りの方向を「周方向」、エンジン１００の径方向を単に「径方向」と称する。

【0009】

本実施形態のエンジン１００は、航空機用の２軸式のターボファンエンジンである。ただし、エンジン１００の用途及び形式は限定されない。エンジン１００は、ファン１０で取り込んだ空気を低圧圧縮機１１に供給するとともに、低圧圧縮機１１よりも径方向外側に位置するバイパス流路１３に供給する。低圧圧縮機１１に供給された空気は、低圧圧縮機１１で圧縮され、さらに高圧圧縮機１２で圧縮された後、燃焼器１４に供給される。燃焼器１４では、圧縮された空気に燃料を噴霧して燃焼させ、高温高圧の燃焼ガスを生成する。

【0010】

燃焼器１４で生成した燃焼ガスは、高圧タービン１５及び低圧タービン１６に供給され、高圧タービン１５及び低圧タービン１６を回転駆動する。高圧タービン１５は、外部シャフト１７を介して高圧圧縮機１２に接続されている。そのため、高圧タービン１５の回転駆動に伴って高圧圧縮機１２が回転する。また、低圧タービン１６は、内部シャフト１８を介して低圧圧縮機１１及びファン１０に接続されている。そのため、低圧タービン１６の回転駆動に伴って低圧圧縮機１１及びファン１０が回転する。

【0011】

高圧タービン１５及び低圧タービン１６を通過した燃焼ガスは、バイパス流路１３を通過した空気と合流し、排気ガス流路１９を通って排気ガスとして後方に排出される。本実施形態に係るエンジン１００は、この排気ガス流路１９の断面積を変化させることができる。排気ガス流路１９の断面積を変化させる目的は限定されないが、例えば、エンジン１００の推力調整などである。

【0012】

（排気ガス流路の断面積を変化させる機構）
次に、排気ガス流路１９の断面積を変化させる機構について説明する。図２は、図１に示す排気ガス流路１９付近の拡大図である。本実施形態に係るエンジン１００は、テールコーン２１と、排気ノズル２２と、支持ケーシング２３と、可変ノズル機構２４と、を備えている。以下、これらの構成要素について順に説明する。

【0013】

＜テールコーン＞
図１に示すように、テールコーン２１は、高圧タービン１５及び低圧タービン１６よりも燃焼ガスの流れ方向下流に位置し、高圧タービン１５及び低圧タービン１６を通過した排気ガスを後方に案内する部材である。テールコーン２１は、前方部分よりも後方部分の外径が小さい円錐状の形状を有している。ただし、テールコーン２１は、先端が半球状であるなど厳密な円錐でなくてもよく、テールコーン２１の形状は特に限定されない。

【0014】

＜排気ノズル＞
排気ノズル２２は、テールコーン２１の一部を径方向外側から覆う部材である。排気ノズル２２は、テールコーン２１との間で排気ガス流路１９を形成する。本実施形態の排気ノズル２２は、テールコーン２１の一部を径方向外側から覆うが、テールコーン２１の全部を径方向外側から覆ってもよい。また、本実施形態では、排気ノズル２２の後方端部がテールコーン２１の後方端部よりも前方に位置している。ただし、排気ノズル２２の後方端部がテールコーン２１の後方端部よりも後方に位置していてもよいし、テールコーン２１の後方端部と同じ軸方向位置に位置していてもよい。

【0015】

図２に示すように、本実施形態の排気ノズル２２は、ノズル本体３１と、第１固定部３２と、を含んでいる。ノズル本体３１は、後方に進むにしたがって断面積が小さくなる筒状の形状を有している。さらに言えば、ノズル本体３１は、前方部分の内径が後方部分の内径よりも大きい円錐台状の形状を有している。ただし、ノズル本体３１は、後方端部が円形でないなど厳密な円錐台でなくてもよく、ノズル本体３１の形状は特に限定されない。一方、第１固定部３２は、円環状であって、排気ノズル２２の先端部分に位置し、断面視においてノズル本体３１の前方端部から径方向外方に延びている。ただし、第１固定部３２の形状は、円環状以外の形状を有していてもよい。

【0016】

＜支持ケーシング＞
支持ケーシング２３は、排気ノズル２２を支持する部材である。図１に示すように、本実施形態では、バイパス流路１３を形成するケーシングが、支持ケーシング２３として機能する。支持ケーシング２３は、排気ノズル２２よりも排気ガスの流れ方向上流側に位置し、筒状の形状を有している。また、図２に示すように、支持ケーシング２３は、後方部分に位置する第２固定部３６を含んでいる。第２固定部３６は、円環状であって、径方向外方に突出している。ただし、第２固定部３６の形状は、円環状以外の形状を有していてもよい。

【0017】

また、支持ケーシング２３は、排気ノズル２２を前後方向に移動可能に支持する。本開示でいう「前後方向」は、軸方向のみならず軸方向に対してわずかに傾斜する方向も含む。本実施形態の支持ケーシング２３は、後述するアクチュエータ２５を介して排気ノズル２２を前後方向に移動可能に支持する。本実施形態に係るエンジン１００は、更に、排気ノズル２２の第１固定部３２に形成された複数の貫通孔と、支持ケーシング２３の第２固定部３６から後方に向かって延び前記貫通孔を通る複数の棒状部材とを有していてもよい。この構成によれば、支持ケーシング２３は、アクチュエータ２５に加え、棒状部材を介して排気ノズル２２を前後方向に移動可能に支持することができる。なお、排気ノズル２２を前後方向に移動可能に支持する機構は、本実施形態の構成に限定されない。

【0018】

＜可変ノズル機構＞
可変ノズル機構２４は、排気ノズル２２の第１固定部３２と、支持ケーシング２３の第２固定部３６と、アクチュエータ２５と、伸縮シール２６と、を含む。このうち、排気ノズル２２の第１固定部３２及び支持ケーシング２３の第２固定部３６は上述した通りであるから、以下ではアクチュエータ２５及び伸縮シール２６について説明する。

【0019】

アクチュエータ２５は、排気ノズル２２をテールコーン２１に対して前後方向に移動させる装置である。アクチュエータ２５の形式は限定されず、例えば、電動式であってもよく、油圧式であってもよい。また、本実施形態のエンジン１００は、異なる周方向位置に位置する複数のアクチュエータ２５を備えている。ただし、エンジン１００が備えるアクチュエータ２５の数は限定されない。

【0020】

図２に示すように、本実施形態のアクチュエータ２５は、アクチュエータ本体４１と、アクチュエータ本体４１に対して前後方向に移動するロッド４２とを有している。アクチュエータ本体４１は、支持ケーシング２３の第２固定部３６に固定されている。一方、ロッド４２は、先端部分が排気ノズル２２の第１固定部３２に固定されている。そのため、ロッド４２がアクチュエータ本体４１に対して前後方向に移動することにより、排気ノズル２２は支持ケーシング２３に対して前後方向に移動し、さらに排気ノズル２２はテールコーン２１に対して前後方向に移動する。

【0021】

なお、本実施形態のアクチュエータ２５は、支持ケーシング２３に取り付けられているが、排気ノズル２２に取り付けられていてもよい。この場合、例えば、排気ノズル２２の第１固定部３２にアクチュエータ本体４１が固定され、支持ケーシング２３の第２固定部３６にロッド４２が固定されていてもよい。

【0022】

また、本実施形態では、可変ノズル機構２４は、排気ガス流路１９よりも径方向外側に位置している。そのため、可変ノズル機構２４が排気ガス流路１９を通過する排気ガスの流れを妨げることはない。また、アクチュエータ２５が高温の排気ガスに晒されないので、アクチュエータ２５が劣化しにくい。

【0023】

さらに、可変ノズル機構２４は、エンジン１００を前方から見たとき、エンジン１００の可変ノズル機構２４を除く部分の外縁（図１の二点鎖線参照）よりも内側に位置している。そのため、エンジン１００の前方投影面積が拡大するのを抑制することができる。本実施形態では、支持ケーシング２３の最も外径の大きい部分は、可変ノズル機構２４の最も径方向外側に位置する部分よりも径方向外側に位置している。なお、例えば、エンジン１００の径方向外側部分に機器が設けられている場合、「エンジン１００の可変ノズル機構２４を除く部分」にはその機器も含まれる。

【0024】

伸縮シール２６は、排気ノズル２２と支持ケーシング２３の間に位置するシールである。伸縮シール２６は、排気ノズル２２と支持ケーシング２３の境界に沿って周方向に連続する円環状の形状を有している。ただし、伸縮シール２６は円環状以外の形状を有していてもよい。例えば、伸縮シール２６は、周方向に不連続であってもよい。

【0025】

本実施形態では、伸縮シール２６の前方端部、つまり排気ガスの流れ方向上流側端部は、支持ケーシング２３の第２固定部３６に固定されている。ただし、伸縮シール２６の前方端部は、支持ケーシング２３の第２固定部３６以外の部分に固定されていてもよい。また、伸縮シール２６の後方端部、つまり排気ガスの流れ方向下流側端部は、排気ノズル２２の第１固定部３２に固定されている。ただし、伸縮シール２６の後方端部は、排気ノズル２２の第１固定部３２以外の部分に固定されていてもよい。

【0026】

また、本実施形態の伸縮シール２６は前後方向に伸縮可能である。伸縮シール２６は、例えばベローズシールであってもよい。本実施形態の伸縮シール２６は前後方向に伸縮可能であるため、排気ノズル２２の前後方向の移動に追随して変形することができる。そのため、排気ノズル２２が前後方向に移動しても、排気ノズル２２と支持ケーシング２３の隙間をシールし、その隙間から排気ガスが漏れるのを防ぐことができる。

【0027】

＜排気ガス流路の断面積の変化＞
続いて、排気ガス流路１９の断面積の変化について説明する。本実施形態では、排気ノズル２２がテールコーン２１に対して前後方向に移動することにより、排気ガス流路１９の断面積が変化する。ここで、排気ガス流路１９の断面積とは、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置における軸方向に対して垂直な断面の面積である。排気ガス流路１９の所定の軸方向位置は、例えば、テールコーン２１の軸方向の中央にあたる位置であってもよく、排気ガス流路１９の断面積が最も小さくなる軸方向の位置であってもよい。

【0028】

図３は、排気ノズル２２が通常位置及び移動位置にある状態を示した図である。以下では、図３の一点鎖線で示す排気ノズル２２の位置を「通常位置」と称し、実線で示す排気ノズル２２の位置を「移動位置」と称する。さらに、図３では、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置を符号Ｘで示す。そうすると、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置Ｘにおいて、排気ノズル２２が移動位置にあるときの排気ノズル２２の内径Ｒ２は、排気ノズル２２が通常位置にあるときの排気ノズル２２の内径Ｒ１よりも大きい。

【0029】

排気ガス流路１９は、排気ノズル２２とテールコーン２１との間で形成された流路であるから、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置Ｘにおける排気ガス流路１９の断面積は、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置Ｘにおけるテールコーン２１の外径と排気ノズル２２の内径によって決まる。したがって、排気ノズル２２がテールコーン２１に対して後方に移動する場合、すなわち排気ノズル２２が通常位置から移動位置へ移動する場合、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置Ｘにおける排気ノズル２２の内径が大きくなるので、排気ガス流路１９の断面積は大きくなる。

【0030】

そして、排気ノズル２２が移動位置よりも後方に移動すると、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置Ｘにおける排気ノズル２２の内径が更に大きくなるので、排気ガス流路１９の断面積は更に大きくなる。一方で、排気ノズル２２が移動位置よりも前方に移動すると、排気ガス流路１９の所定の軸方向位置Ｘにおける排気ノズル２２の内径が小さくなるので、排気ガス流路１９の断面積は小さくなる。

【0031】

以上のとおり、本実施形態ではアクチュエータ２５により排気ノズル２２をテールコーン２１に対して前後方向に移動させることにより、排気ガス流路１９の断面積を変化させることができる。よって、本実施形態に係るエンジン１００によれば、簡易な構成の排気ノズル２２であっても、排気ガス流路１９の断面積を変化させることができる。

【0032】

（まとめ）
本明細書で開示する第１の項目は、テールコーンと、前記テールコーンを径方向外側から覆って前記テールコーンとの間で排気ガス流路を形成する排気ノズルと、前記排気ノズルよりも上流側に位置し、前記排気ノズルを前後方向に移動可能に支持する筒状の支持ケーシングと、前記排気ノズル又は前記支持ケーシングに取り付けられ、前記排気ノズルを前記テールコーンに対して前後方向に移動させることにより、前記排気ガス流路の断面積を変化させるアクチュエータと、を備えている、ガスタービンエンジンである。

【0033】

この構成によれば、簡易な構造の排気ノズルでありながら、排気ガス流路の断面積を変更することができる。

【0034】

本明細書で開示する第２の項目は、上流側端部が前記支持ケーシングに固定され、下流側端部が前記排気ノズルに固定され、前後方向に伸縮可能な伸縮シールを備えている、第１の項目に記載のガスタービンエンジンである。

【0035】

この構成によれば、排気ノズルが前後方向に移動しても、排気ノズルと支持ケーシングの隙間から排気ガスが漏れるのを防ぐことができる。

【0036】

本明細書で開示する第３の項目は、前記アクチュエータ、前記伸縮シール、前記排気ノズルの前記伸縮シールが固定される第１固定部、並びに、前記支持ケーシングの前記アクチュエータ及び前記伸縮シールが固定される第２固定部を含む可変ノズル機構は、前記排気ガス流路よりも径方向外側に位置している、第２の項目に記載のガスタービンエンジンである。

【0037】

この構成によれば、可変ノズル機構が排気ガス流路を通過する排気ガスの流れを妨げることはない。

【0038】

本明細書で開示する第４の項目は、前記可変ノズル機構は、当該ガスタービンエンジンを前方から見たとき、当該ガスタービンエンジンの前記可変ノズル機構を除く部分の外縁よりも内側に位置している、第３の項目に記載のガスタービンエンジンである。

【0039】

この構成によれば、エンジンの前方投影面積が拡大するのを抑制することができる。

【符号の説明】

【0040】

２１ テールコーン
２２ 排気ノズル
２３ 支持ケーシング
２４ 可変ノズル機構
２５ アクチュエータ
２６ 伸縮シール
３２ 第１固定部
３６ 第２固定部
１００ ガスタービンエンジン

【図1】

【図2】

【図3】