JP4740249B2 - セパレートストリームノズル用のミキサー - Google Patents

Description

本発明は、航空機ターボジェットに嵌合したノズルの全体的な分野に関する。より詳細には、ストリームミキサーで嵌合したセパレートストリームノズルに関し、これは、エンジンの性能を改良しながら、ノズルを離れるジェットによって放たれるノイズを減少するように作用する。

より正確には、ターボジェットのセパレートストリームノズルは一般に、燃焼室から来る１次ストリーム（またはホットストリーム）の流れ用の第１の環状チャネルを画定する１次カバーと、ファンから来る２次ストリーム（またはコールドストリーム）の流れ用の第２の環状チャネルを画定するように１次カバーのまわりに同心的に配置されている２次カバーと、を含む合流流れナセルによって、構成されている。

そのようなノズルから出口で生じたジェットのノイズを減少するために、ターボジェットから来る１次ストリームと２次ストリームとの間の混合を促進するための特別設計を有するミキサーを使用することが既知である。現在、民間ターボジェットで広く使用されている設計の１つは、ローブミキサーを備える。ローブミキサーは、１次ストリームと２次ストリームとの間に半径方向剪断を得るように作用し、それによってこれらのストリームの間の混合を促進する。セパレートストリームノズル用のローブミキサーの実施形態は、特に下記の文献に記載されており、すなわち、欧州特許第１１４１５３４号、米国特許第５７５５０９２号および米国特許第５９２４６３２号である。

それにもかかわらず、この種類のミキサーはセパレートストリームノズルを有するターボジェットの能率および音性能を改良するように作用するが、必然的にノズルの重量を増加し、それによって、全体としてエンジンの、および、ワイヤリングパイロンとの接続の、動力学に影響を与える。ローブミキサーは従来、金属から、典型的にインコネル（Ｉｎｃｏｎｅｌ）（登録商標）６２５から、作られる。

この結果として、これは、エンジンから一端が飛び出している無視できない余分な重量を表し、特に、ブレードの損失とともに発生する極端なまたは制限的な荷重の場合にまたは不平衡に応答して、ノズル排出ケーシングのフランジにかかる機械的荷重の増加を招く。この追加重量はまた、エンジンからパイロンのインタフェースで力の増加も生じる。
欧州特許第１１４１５３４号 米国特許第５９２４６３２号 米国特許第５７５５０９２号

本発明の目的は、ノズルの出口にこのような重量が存在することによって生じた機械的荷重を減少するように作用するセパレートストリームノズル用のローブミキサーの新規設計を提案することである。

本発明にしたがって、この目的は、ミキサーが、２つの部分、すなわち、ミキサーをノズルの排出ケーシングに接続する締結シュラウドと、ターボジェットから来るストリームを混合するローブ構造物とから作られるという事実、および、ローブ構造物がセラミックマトリックス複合材料から作られ、構造物のローブの少なくともいくつかの間の接続する手段を含むという事実によって、達成される。

したがって、本発明のミキサーの主要部分、すなわちローブ構造物は、セラミックマトリックス複合材料から作られ、それによって、ミキサーの重量を大幅に減少し、この結果として、ノズルの重量を約３０％〜約５０％減少する。

加えて、ローブ構造物は熱構造複合材料から作られるため、高温で維持するという良好な機械的特性を有する。

ローブの間になされた接続は、ローブ構造物を全体として補剛し、この結果として補強するように作用し、それによって、全体が金属で作られたミキサーのものと少なくとも同じほど良好である機械的挙動を与える。

「セラミックマトリックス複合」（ＣＭＣ）材料という用語は、少なくとも部分的にはセラミックであるマトリックスによって緻密にされた耐火繊維（炭素繊維またはセラミック繊維）の補強から作られた材料を示すように使用される。ＣＭＣ材料は特に、Ｃ／ＳｉＣ複合材料（炭素繊維補強および炭化ケイ素マトリックス）；Ｃ／Ｃ−ＳｉＣ複合材料（炭素繊維補強、および、一般に繊維により近い炭素相および炭化ケイ素相の両方を備えているマトリックス）；ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料（補強繊維および炭化ケイ素のマトリックスの両方）；および、酸化物／酸化物複合材料である。

ローブ構造物は、単一片として作られてもよく、または、複数の一緒に組み立てられたセクターから作られてもよく、したがって、状況によっては、ローブ構造物の製作を容易にし交換コストを減少することを可能にする。

本発明の態様において、ローブ構造物は、端に近接した内側ローブに留められる補剛リングを含む。このリングは、金属材料から作られてもよく、または、セラミックマトリックス複合材料から作られてもよい。これは、ボルト接続によって内側ローブに留められてもよく、リングは次いで、空力的損失を制限し且つリングが座屈荷重に耐えるのを保証するように各接続を一体化するためのストリームライニング手段を有する。

ミキサーの金属締結シュラウドとセラミックマトリックス複合材料から作られたローブ構造物との間の異なる膨張を補償するために、柔軟な締結タブを使用して、ローブ構造物を締結シュラウドに取り付ける。

同様に、ターボジェットの燃焼室から熱風のストリームを主に受け取る内側シュラウドによって受け取られたものよりも低い温度でバイパスストリームを主に受け取る外側カバーは、これら２つの部品の間の異なる膨張を補償するように、柔軟な締結タブによって内側シュラウドに留められてもよい。

本発明はまた、セパレートストリームノズルが上記に定義されたようなミキサーを含むターボジェットも提供する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照して、非限定的な例として与えられた本発明の特定の実施形態の下記の記載から明らかである。

図１は、本発明の実施形態を構成するセパレートストリームターボマシンノズル用のミキサーを示す。ミキサーは、長手方向軸Ｘ−Ｘ’に沿って延出し、第１に、ミキサーをターボジェットノズル（図示せず）の排出ケーシングに接続するために金属（例えば、インコネル（登録商標）６２５）から作られた締結シュラウド１０と、第２に、ローブ構造物２０と、を備え、ローブ構造物２０の端で、ミキサーの内部を流れるターボジェットの燃焼室からの内側気体ストリーム（ホットストリームまたは１次ストリームとも称される）と、例えば、ミキサーの外部を流れる上流ファンから来る外側ストリーム（コールドストリームまたは２次ストリームとも称される）との間に混合が発生する。

ミキサーを離れる２つのストリームの合流点で生じるノイズを制限するために、構造物１００は、ミキサーの長手方向軸Ｘ−Ｘ’のまわりに円周的に配置された複数の外側および内側のローブ２１および２２を形成する一連の起伏を呈する。周知の方法で、１次ストリームおよび２次ストリームミキサーを有するノズルにこのようなローブ構造物を使用することは、ターボジェットの性能を改良し、これによって発せられるノイズを減少するような方法で、２つのストリームの間の混合を制御するように作用する。

本発明にしたがって、ローブ構造物２０は、従来、金属から、典型的にインコネル６２５（登録商標）から作られてきたが、現在は、セラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から作られ、すなわち、少なくとも部分的にはセラミックによって構成されているマトリックスによって緻密にされた（炭素またはセラミックの）耐火補強繊維から作られた材料である。

本発明のローブ構造物を製作するために、作られるべきローブ構造物の形状を実質的に有する（炭素またはセラミックの）耐火繊維のファイバプリフォームが作られる。次いで、プリフォームは、周知の方法で、液体および／または気体状技術を使用して、緻密にされる。

液体緻密化は、マトリックスの材料用の前駆物質を含む液体組成でプリフォームをいっぱいに満たすことにある。前駆物質は、通常、ポリマーの形態であり、例えば樹脂であり、溶媒で稀釈されることもある。前駆物質は、溶媒を排除しポリマーをクロスリンクした後に、熱処理によってセラミックに変質される。所望の程度の緻密化を達成するために、複数の連続した含浸サイクルが行われてもよい。例として、炭素の液体前駆物質は、比較的高いコークス含有量を有する樹脂であってもよく、例えば、フェノール樹脂であり、一方、セラミックの液体前駆物質、特にＳｉＣは、ポリカルボシラン（ＰＣＳ）の樹脂またはポリチタノカルボシラン（ＰＴＣＳ）タイプの樹脂であってもよい。

気体状技術は、化学気相浸透法にある。作られるべき構造物に対応するファイバプリフォームは、反応ガスが入る炉に置かれる。炉内の圧力および温度、および、気体の組成は、気体分解の構成要素の結果として、または、複数の構成要素の間の反応の結果として、繊維に接触する固体材料を蒸着することによって、マトリックスを形成するために、プリフォームの孔内に気体が拡散することができるような方法で選択される。例として、炭素の気体状前駆物質は、熱分解によって炭素を与える炭化水素、例えばメタンおよび／またはプロパン等の炭化水素であってもよく、セラミック特にＳｉＣの気体状前駆物質は、ＭＴＳの分解によってＳｉＣを与えるメチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）であってもよい。

また、液体および気体状技術の両方を使用する組み合わされた方法も存在する。

本発明のローブ構造物は、下記のセラミックマトリックス複合材料（ＣＭＣ）から作ることができる。すなわち、Ｃ／ＳｉＣ複合材料（炭素繊維補強、および、炭化ケイ素マトリックス）；Ｃ／Ｃ−ＳｉＣ複合材料（炭素繊維補強、および、一般に繊維により近い炭素相および炭化ケイ素相の両方を備えているマトリックス）；ＳｉＣ／ＳｉＣ複合材料（補強繊維、および、炭化ケイ素の両方のマトリックス）；酸化物／酸化物複合材料である。

本発明の構造物は、単一片として直接形成されてもよい。しかし、ローブ構造物はまた、一緒に組み立てられる複数のセクターから作られてもよく、これは、特に、作られるべき構造物の複雑な形状のため、一定の環境では有利であり得る。

セクターのローブ構造物の実施形態は、図７Ａ〜７Ｃに示される。図７Ａに示されるように、ローブ構造物２００は、上述の製作方法を使用して、セラミックマトリックス複合材料から作られた３つのセクター２１０、２２０、２３０を一緒に組み立てることによって作られる。各セクターは別個に作られ（すなわち、ファイバプリフォームおよび緻密化）、したがって、製作におよび維持により大きな柔軟性を提供する。製作中に、製造手段の能力に適合したセクターのサイズを画定することが可能である。例えば、セクターのサイズは、緻密化中に熱処理を実行するために使用された炉の積載能力の関数として規定されてもよく、この炉は、典型的に、１０００ミリメートル（ｍｍ）の直径を有する。加えて、繊維補強のために使用されたファブリックのタイプに依存して、使用されたファブリックテクスチャの形状に適合する寸法のセクターにファイバプリフォームを細分化することが有利であり得る。さらに、製作中に問題がある場合には（すなわち、損傷、衝撃、摩耗・・・）、または、ローブ構造物の稼働中使用の場合には、関与するセクター（単／複）のみを変える必要がある。

ひとたび作られると、セクターは、図７Ｂに示されるようにユニットローブ構造物２００を形成するように、端を経由して一緒に接続される。実施形態において、セクターは、リベット接合によって互いに組み立てられてもよい。図７Ｃに示されるように、２つの隣接するセクター２１０および２３０のそれぞれの端２１１および２３１は重なり合い、各端２１１および２３１はそれぞれの複数のオリフィス２１１０および２３１０を含み、これらは、ひとたび２つの端が重なり合うと、互いと協働する。その後、リベット２４０は、２つの協働オリフィス２１１０および２３１０によって形成された各通路を通って進み、それによってセクターを一緒に保持する。当然、セクターを一緒に組み立てるために、他の締結手段（例えば、ボルトによる接続、蝋付け・・・）を使用することができる。

本発明にしたがったミキサーのローブ構造物用にセラミックマトリックス複合材料を使用することは、全体として金属から作られるミキサーに嵌合した従来のノズルを比較して、有意な方法でノズルの重量を減少することを可能にする。金属の代わりにセラミックマトリックス複合材料のローブ構造物を使用することは、ノズルの重量を３０％から５０％減少することを可能にする。加えて、セラミックマトリックス複合材料は、これらの良好な機械的特性および高温でこれらの特性を保存する能力のため、既知である。この結果として、本発明のローブ構造物は、ターボマシンの上流に生成されたストリームの温度に、特に燃焼室から来る熱風（１次ストリーム）の温度に、耐えるように特によく適合されている材料から作られる。

それにもかかわらず、セラミックマトリックス複合材料から作られたローブ構造物の機械的能力および剛性を上げるために、構造物はまた、補剛手段も含む。図１に示された実施形態において、補剛リング３０が、構造物２０の内側ローブ２２の各々に、これの端に近接して、固定される。したがって、ローブ構造物２０は、ターボジェットから来るストリームの流れによって生じた荷重に対して増加した機械的強さを呈する。より正確には、各内側ローブ端がリングに固定されるため、ストリームが内側ストリームであるか外側ストリームであるかに関係なく、ローブ構造物をストリームの流れによって変形することはできない。リング３０は、金属から、または、セラミックマトリックス複合材料から作られてもよい。本発明の変形例において、リング３０の代わりに、エンジンの排気コーンを使用して、ローブ構造物を補剛する手段を構成することができる。そのような状況下で、構造物の内側ローブは排気コーンに直接対接し、これは、補剛材として作用する。

各内側ローブは、ボルト接続４０を経由してリングに留められる。リングが座屈荷重によく耐えるのを保証するために、且つ、空力的損失を制限するために、ボルト接続は、ストリームライニング要素に一体化される。より正確に、且つ図２および３に示されるように、スペーサー４４がローブの頂部部分上に使用され、このスペーサーは、外側ストリームＦ_extの流れを乱すのを制限するように、流線型にされる。スペーサー４４は、接続４０のねじ４２の頭部を受け取るために、４４１で皿穴を開けられる。図３に示されるように、これは、ねじ４２がローブ２２の頂部部分から突出するのを防止する。同様に、リング３０に載置するローブ２２の底部側で、ボルト接続４０は、リング３０に留められた流線型フェアリング３１に一体化される。フェアリング３１は、内側ストリームＦ_intの流れに対する接続４０の影響を最小限にするために、空気力学的形状を呈する。フェアリング３１は、接続４０のナット４１のまわりに締付ねじを留めるために開口３１ａを有する。フェアリングは、座屈荷重に耐える能力をリングに与えるのに貢献する。

次に図４を参照すると、これは、本発明のミキサーの実施形態にしたがって、第１にローブ構造物２０を締結シュラウド１０に留めるために、第２に外側カバー１１を内側シュラウド１２に留めるために、使用された接続装置を示す。

ローブ構造物２０が構成されているセラミックマトリックス複合材料の特徴の１つは、ミキサーの他の部品、特にローブ構造物２０が取り付けられている内側シュラウド１２等が作られる金属材料と比較して、低い熱膨張係数を呈することである。これらの部品は、エンジンからの燃焼気体によって生じた大きな温度上昇を受ける。したがって、セラミックマトリックス複合材料から作られたローブ構造物と金属材料から作られた内側シュラウド１２との間の異なる膨張を補償するために、柔軟な金属締結タブ１３を使用して、これらの膨張差を補償し、ローブ構造物に誘発される機械的荷重を制限する。図５Ａおよび５Ｂに示されるように、タブ１３の頂部部分は、ボルト接続１３２を通すために、ローブ構造物のオリフィス２０ａと協働するオリフィス１３ｃを含む。タブ１３の底部部分は、内側シュラウド１２のオリフィス１２ａと協働するオリフィス１３ｂを含み、ボルト接続１３１はこれらの２つの部品の間に締結を提供する。柔軟なタブ１３はまた、締結具を締めるためのキーを通すための開口１３ａも含む。

同様に、それぞれ異なる温度のストリーム（１次ストリームおよび２次ストリーム）を受け取る外側カバー１１と内側シュラウド１２との間の異なる膨張を補償するために、第１にボルト接続１４１によって内側シュラウド１２に留められ、第２にリベット１４２によって外側カバー１１に留められる柔軟な金属固定タブ１４を使用する（図６Ａおよび６Ｂ）。

このようにして、本発明のミキサーの設計によって、一端が飛び出している重量を減少することが可能であり、それによって、例えばブレードの損失の結果として高い荷重が生じている場合に、または、不平衡の場合に、ノズルの排出ケーシングのフランジにかかる機械的荷重を潜在的に制限する。この減少した重量によって、本発明のミキサーはまた、エンジンとこのパイロンとの間のインタフェースで力を減少することが可能になる。

本発明の一実施形態におけるターボジェットのノズル用のミキサーの斜視図である。 図１のミキサーの部分ＩＩの拡大図である。 図２の断面ＩＩＩにおける断面図である。 図１のＩＶに沿って見る面図である。 図４の断面Ａにおける断面図である。 図５Ａの固定タブの斜視図である。 図４の断面Ｂにおける断面図である。 図６Ａの固定タブの斜視図である。 本発明の別の実施形態にしたがったローブ構造物を形成するために使用される複数のセクターの斜視図である。 図７Ａのセクターを組み立てた後に得られたローブ構造物の斜視図である。 図７ＢのＶＩＩＣに沿って見る拡大断面図である。

Claims (10)

1. セパレートストリームターボジェットノズル用のミキサーであって、
   前記ミキサーは、長手方向軸（Ｘ−Ｘ’）に沿って、前記ミキサーを前記ノズルの排出ケーシングに接続する締結シュラウド（１０）と、ターボジェットから来るストリームを混合するローブ構造物（２０）と、の両方を備え、前記構造物は、前記ミキサーの前記長手方向軸（Ｘ−Ｘ’）のまわりに円周的に配置されている一連の内側および外側のローブ（２２および２１）を呈し、
   前記ローブ構造物（２０）はセラミックマトリックス複合材料から作られ、且つ、前記構造物のローブの少なくともいくつかの間に接続を形成する手段をさらに備え、
   前記ローブ構造物（２０）の前記内側ローブ（２２）の端に近接して留められた補剛リング（３０）を含み、
   前記補剛リング（３０）はボルト接続（４０）によって前記内側ローブ（２２）に留められ、前記リングは、空力的損失を制限するような方法で各接続（４０）を一体化するために、且つ、座屈荷重に対する強さを前記リングに提供するために、ストリームライニング手段をさらに備える、
   ことを特徴とするミキサー。
2. 前記ローブ構造物（２０）は、下記の複合材料すなわち、Ｃ／ＳｉＣ；Ｃ／Ｃ−ＳｉＣ；ＳｉＣ／ＳｉＣ；および、酸化物／酸化物から選択されるセラミックマトリックス複合材料から作られることを特徴とする、請求項１に記載のミキサー。
3. 前記補剛リング（３０）は、金属材料またはセラミックマトリックス複合材料から作られることを特徴とする、請求項１または２に記載のミキサー。
4. 前記補剛リング（３０）は、前記補剛リング内部に突出する各ボルト接続（４０）の部分を一体化するために、それぞれの流線型フェアリング（３１）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のミキサー。
5. 各ボルト接続（４０）は、前記内側ローブから突出する前記ボルト接続の部分（４２）を一体化するために前記内側ローブ（２２）に配置されている流線型スペーサー（４４）を含むことを特徴とする、請求項１または４に記載のミキサー。
6. 前記ローブ構造物（２００）は、複数の一緒に組み立てられたセクター（２１０、２２０、２３０）から作られることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のミキサー。
7. 前記ローブ構造物は単一片として作られることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のミキサー。
8. 前記ミキサーの前記締結シュラウド（１０）は金属材料から作られ、前記ローブ構造物（２０）は、セラミックマトリックス複合材料から作られ、前記締結シュラウドと前記ローブ構造物との間の異なる膨張を補償するような方法で柔軟な締結タブ（１３）を経由して前記締結リングに取り付けられることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載のミキサー。
9. 前記締結シュラウド（１０）は、前記ターボジェットの燃焼室から来る熱風のストリームを主に受け取る内側シュラウド（１２）と、バイパスストリームを主に受け取る外側カバー（１１）と、を備え、前記外側カバーは、これら２つの部品の間の異なる膨張を補償するために、柔軟な締結タブ（１４）を経由して前記内側シュラウド内に取り付けられることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のミキサー。
10. セパレートストリームノズルを有するターボジェットであって、前記ノズルは請求項１〜９のいずれか１項に記載のミキサーに嵌合されていることを特徴とするターボジェット。

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