JP2000080958A - ジェット騒音低減用のタブ付きノズル - Google Patents
ジェット騒音低減用のタブ付きノズルInfo
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Abstract
る。 【解決手段】 インナ排気ノズル20の出口側端部の周
縁部に、径方向外方へ延びるタブ44と、ノズル20に
沿って延設されたタブ48と、径方向内方へ延びるタブ
52と、このタブ52に連なるタブ45と、の一連のタ
ブ列40を、全周にわたって反復して連設する。これら
のタブにより渦が形成され、このような渦により、コア
流れ及びファン流れとが互いに引き寄せられて良好に混
合する。これにより混合度が向上し、ジェット騒音が低
減される。
Description
ジンのノズルに関し、特に、ジェット騒音を抑制するノ
ズル構造に関する。
いてなされており、米国政府はこれを了承している。
される高速なエンジンガスの乱流混合によってジェット
騒音が生じる問題がある。このような乱流混合は、高速
なガス同士や、高速なガスと大気との間に生じる。上記
の高速な排気ガスは、一般的に、2つの流れの源、つま
りタービンのコア流(1次流れの源)内で燃料を燃焼す
ることにより生じる高温ガスと、ファン・バイパス・ダ
クト(2次流れの源)から排出される低温空気と、が混
合されている。一般的に、コア流の速度が1600ft
/sec程度であるのに対し、ファン・バイパス流は1
000ft/sec程度である。これら2つの流れが十
分に混合した場合、混合ジェット速度は、一般的に約1
200ft/secとなる。下流側の混合流とファン排
気流,ファン排気流と大気,及びコア流と大気のよう
な、異なる流れの境界部つまり剪断部に存在する速度勾
配によって、流れの乱れが生じる。このような流れの乱
れ即ち乱流によって、ジェット騒音が生じる。高速ガス
と周囲の空気との剪断部における乱流によって、民間の
空港で利用される航空機としては好ましくない高レベル
の騒音成分が生じてしまう。
抑制するために、多くの国及び空港では、空港における
騒音の規制範囲をますます厳しく課している。現在の米
国では、連邦航空局(FAA)によって厳正な騒音の規
制値が課されている。加えて、それぞれの空港では、違
反に対して罰金及び空港使用の全面禁止を含む使用制限
を課している。これらの制限によって、現在の民間航空
線に利用されている所定の形式の航空機では、その耐用
寿命が確実に短くなってしまうことから、その騒音を有
効かつ能率的に低減することが特に必要である。
バイパス流の比に基づいて、低バイパス比又は高バイパ
ス比のタイプに分類される。ジェット騒音は、良く知ら
れているように、低バイパス比のエンジンで特に問題と
なる。一般的に、低バイパス比のジェットエンジンで
は、コア部及びファンバイパス通路から排出される排気
ガスが、エンジンの排気ノズルの出口部の手前で混合
し、これにより高速のプルーム(plume)が生じ
る。このプルームが遅い大気に対して剥離あるいはずれ
るようにして乱流が生成され、これによりジェット騒音
が生じることとなる。
バイパスエンジンに比してジェット騒音が低い(けれど
もまだ大きい)レベルの高バイパスエンジンとなってい
る。特にバイパス比の高いエンジンでは、分割フロー式
の排気ノズルシステムが用いられている。ここで、高バ
イパス比のエンジンは、ファン流の割合が大きく、エン
ジンの総流量が低バイパス比エンジンに比して大きくな
る。このため、低バイパス比のエンジンに比して、流量
に比例してより大きなスラスト力を得ることができると
ともに、ジェット速度をより低く抑制できる。このよう
にジェット速度を低くすることにより、上記の高バイパ
ス比のエンジンでは、低バイパス比のエンジンに比し
て、ジェット騒音量が低減される。
ンで、特に高エンジン出力で運転中には、ジェット騒音
がやはり大きな問題として残されている。一般的に、エ
ンジンが高スラスト力を生じるとともに高速の排気を生
じる航空機の離陸の場面で、高エンジン出力となる。上
記FAAでは、高出力時における厳正な騒音の規制値を
課している。現在の高バイパス比エンジンでは、航空機
の離陸時の総重量がより大きい高性能な次世代機の出力
に対応した、より高いスラスト力が要求される。この結
果、現在の高バイパス比エンジンでは、より高いジェッ
ト温度及び圧縮比で運転が行われるとともに、より大き
いジェット速度を生じ、これにより、旧モデルの高バイ
パス比エンジンに比して、ジェット騒音レベルがより大
きくなってしまう。
騒音を低減する様々な構成が提案されている。例えば、
ローブ型ミキサーの技術が長尺なダクトを通過するもの
に適用され、これはPratt&Whitney社のJ
T8D型のエンジンにも用いられているように、一般的
な排気系統に適用されている。
人による米国特許4,401,269号及び5,63
8,675号が挙げられる。Eilerによる上記の特
許4,401,269号及びZysman他による上記
の特許5,638,675号では、ガスタービンエンジ
ンのローブ型ミキサーが示されている。このローブ型ミ
キサーは、軸方向及び径方向に延びる複数のシュートを
有している。このシュートは、相対的に低温,低速のフ
ァン流をシュートへ案内した後に、相対的に高温,高速
のコアガス流へ向けて案内するガス導管として機能す
る。これにより、ローブ型ミキサーでは、コア・ガスと
ファン・バイパスガスとの混合度が増加する。
記の特許4,401,269号及び5,638,675
号に示されたJT8D型のエンジンの排気ノズルによっ
て示されているような一般的な従来技術の排気系統は、
航空分野では長期にわたって商業的に受け入れられてき
たが、本発明の出願人等は、特に高出力レベルでのエン
ジン運転中に、ガスタービンエンジンの分割フロー式の
排気ノズル・システムの確実な改善を図っている。ノズ
ルの出口部にタブを配置することによる効果及び物理現
象を理解するべく、タブの概念を含む他の研究やノズル
構成が提案及び検討されてきた。しかしながら、ジェッ
ト騒音を低減する目的でタブを組み込んだノズル構成
は、これまでに商業的に製造されていない。ノズルタブ
を用いたジェット騒音の低減化に際しては、軽量性,経
済性,及び製造及び現在のガスタービンエンジンへの組
込の容易性を必要とする。更に、タブを組み込んだノズ
ルがエンジンのスラスト力や性能に悪影響を及ばさない
ものが望ましい。
特に高出力レベルでエンジン運転中に、ジェット騒音の
低減化を図ることにある。
質的な増加を招くことなく、ジェット騒音の低減化を図
ることにある。
ンの重量増加を最小限に抑制し得るジェット騒音の低減
システムを提供することにある。
タービンエンジンの排気ノズルは、ノズルタブの配列部
を有し、これらのタブは、排気ガス流れと周囲の空気の
流れとの混合効率を増加させるように、径方向内方及び
径方向外方に延設されている。上記のノズルタブは、排
気ノズルの出口部の周縁部に配設されている。本発明の
好適な実施形態では、排気ノズルから径方向外方へ延び
るタブと、排気ノズルダクトから滑らかに連続的に延び
るタブと、排気ノズルへ向けて径方向内方へ延び、上記
排気ノズルダクトから滑らかに連続的に延びるタブへと
連なるタブと、が互い違いに配置された一連のタブ列が
設けられている。このような一連のタブ列が、ノズル出
口部の全周にわたって反復的に連設されている。ノズル
タブは、特定の形状に限定されるものではなく、例えば
三角形状や略円形状のような種々の形状をとり得る。
ズルによる流れと周囲の空気流れとの間に渦が生じ、こ
の渦によって、騒音を生じることとなる流れの乱れが改
善される。すなわち、上記の渦によって、ファン流れが
コア流へ向けて径方向内方へ引き寄せられ、あるいはコ
ア流れがファン流へ向けて径方向外方へ引き寄せられ
て、コア流とファン流との混合が促進され、この結果、
混合効率が向上する。本発明に係るノズルタブは、タブ
と排気ノズルとの間に所定の角部ができるように形成さ
れている。流れに対して径方向内方又は外方に突出する
タブの角度は、所定の消音レベルが得られる範囲で、ス
ラスト損失が最小限となるように設定されている。タブ
の高さ及び個数は、ノズルの形状に応じて設定される。
性能への悪影響を最小限に抑制しつつ、ジェット騒音を
低減することができる。本発明によれば、排気ノズル近
傍における流れの乱れを改善することによって、エンジ
ンの出口側端部近傍のジェット騒音が低減される。更に
本発明によれば、ガスタービンエンジンの重量の増加が
最小限に抑制される。
成及び効果は、本発明に係る最適な実施例としての後述
する詳細な説明や、本発明の実施形態を図示した添付図
面によって、更に明らかとなるであろう。
ファン・エンジン10は、長手方向に延びる中心軸を有
し、エンジンの上流側端部より空気が流入される。当業
者なら周知なので、ここでは図示していないが、空気
は、ジェットエンジンの前方より入り、ファンを通過
し、1次流つまりコア流と、2次流つまりバイパス流
と、に分かれる。1次流は、先ず低圧縮機に入り、それ
から高圧縮機に導入される。次に、その空気が燃焼室内
で燃料と混合され、この混合気が点火,燃焼されて、そ
の圧力及び温度を増加させる。このように高温,高圧と
なった燃焼ガスが高圧タービン及び低圧タービンへ流
れ、この燃焼ガスからファン及び圧縮機を回動するため
のエネルギーが回収される。次に、このガスは、有効な
スラスト力を得るために、インナ排気ノズル20を通し
て拡散される。バイパス流は、ファンにより圧縮され
て、コアエンジンと同軸状に配置された環状ダクトを通
してエンジンのコア部の外側を流れ、追加的な有効スラ
スト力を得るように、アウタ排気ノズル30を通して排
気される。これら2つの同軸状の流れは、エンジンのタ
ービン排気部の下流側で合流する。そして、これら2つ
の流れは、後述するように、互いに混合するとともに、
周囲の大気流と混合することとなる。
な実施形態では、互い違いに形成された一連のタブ列4
0が設けられている。この一連のタブ列は、径方向外方
へ向けて延び、ファン流れを拡散させるタブ44と、排
気ノズルダクト20から滑らかに連続的に延設されたタ
ブ48と、径方向内方へ向けて延び、コア流れを拡散さ
せるタブ52と、を有し、このタブ52に続いて上記の
排気ノズルダクト20から滑らかに連続的に延設された
タブ48が設けられている。このような一連のタブ列
が、ノズル20出口部の全周にわたって反復して連設さ
れている。
ア流れ及びファン流れに対応して径方向外方及び内方を
指向するタブ44,52は、ノズル20,30を通って
排出されるガス流れに対して傾斜している。これらのタ
ブは、所定の角度で、コア流又はファン流の流れる方向
へ突き出している。ノズルタブの突き出し方向は、エン
ジンスラストへの悪影響が最小となるように設定されて
いる。一例として本発明の一実施形態では、突き出し角
度が0から45°の範囲に設定されている。45°を越
えると、エンジンスラストに悪影響を及ぼしてしまう。
のタブにより生成される渦56によって、コア流れとフ
ァン流れとが互いに混合するように引き寄せられる。径
方向外方を指向するとともにファン流が流れる方向へ延
びるタブ44により渦が生じ、この渦により、インナ排
気ノズル20から排出されるコア流が、拡散されて、ア
ウタ排気ノズル30から排出される2次流の側へ引き寄
せられる。径方向内方を指向するとともにコア流の側へ
延びるタブ52により渦が生じ、この渦により、ファン
流がコア流の側へ浸入つまり引き寄せられる。排気ノズ
ルから連続的に延設されたタブにより、外方及び内方を
指向するコア流及びファン流が互いに干渉,衝突するこ
とが適宜に抑制されている。
る各タブ44によって、互いに逆向きに回転する一対の
渦流が生成される。これらの渦流により、コア流とファ
ン流とが適宜に混合される。これら2つの流れの効果的
な混合により、コア流とファン流との干渉部分で流れが
効果的に乱され、この結果、ジェットノイズが減衰され
る。タブ44の右端部70によって、反時計方向の流れ
を有する渦が生成される。この渦により、コア流の外側
がファン流の側へ引き寄せられる。タブ44の左端部7
8により、時計方向の流れを有する渦が生成される。こ
の後者の渦により、コア流の外側がファン流の側へ引き
寄せられる。
によって、互いに逆向きに回転する一対の渦流が生成さ
れる。このようにタブ52によって生じた渦によって、
ファン流の径方向内側がコア流の側へ引き寄せられ、こ
の結果、ファン流とコア流とが互いに混合される。
定義される混合度とほぼ等しい。
り、”h”はタブの高さであり、アルファ(α)は流れ
に対して径方向内方又は外方へ突き出した部分の角度で
ある。
流れの速度差,流れへ向けて突出するタブの突出部の高
さ及び流れに対して内側又は外側へ突出するタブの突出
部の角度の正接、に基づいている。流れの内側へ突出す
る突出部の角度は、好ましくは0〜45度(45°)の
範囲とする。45°を越える角度の場合、ノズルの性能
に悪影響を及ぼす一部の流れによって、かなりのスラス
ト損失を招く虞がある。タブの突出角度は0〜45°の
範囲でもよいが、確実に効果が得られるのは、突出角度
が0〜30°の範囲である。
をなしている場合、タブの周方向寸法に基づいてタブの
高さが設定される。三角形状のタブの最大高さは、次式
により表すことができる。
はノズル出口部の周縁部に配置されたタブの個数であ
る。
する実質的な騒音は、実行知覚騒音レベル,EPNdB
で表され、つまりデシベルで表される。混合度が大きく
なる毎分1200フィート(1200ft/sec)の
範囲のジェット速度で、本発明により達成されるジェッ
ト騒音の低減量は3EPNdB(3EPNdB)以上と
なる。このように、本発明によれば、エンジンが高出力
レベルで運転されている状態で、要求される所期のジェ
ット騒音の低減量を得ることができる。
ノズルのみを有するエンジンと同様に、1次コアノズル
及び2次ファンノズルの双方を備えたエンジンにも好適
に用いられる。バイパスエンジンにおいて、本発明のタ
ブの配列部は、1次及び2次ノズルの双方の出口側端
部、あるいは2つのノズルの一方に配置することができ
る。
セットする所定の突出部を備え、径方向内方及び外方へ
延びる任意の個数のタブの配列として、様々なものが実
施可能である。上述したように、複数のタブによって、
好ましくは上記のように一連のタブ列が形成され、ある
いは径方向へ延びるタブとノズルの表面に沿うタブとの
組み合わせの異なるタブ列が形成される。他の組み合わ
せとして、例えば、径方向内方を指向する複数のタブ
が、径方向外方を指向する複数のタブと隣設して配列さ
れる。
ており、あるいは互いに隣設している。ここではタブが
三角形状で説明及び図示されている。この三角形状は単
に一例に過ぎず、他の形状も容易に適用できることは、
上記の説明に基づいて理解できるであろう。
ノズルの寸法及び形状に応じて適用されていることは、
当業者であれば容易に理解できるであろう。つまり、タ
ブの個数は、それぞれのノズルに対して適宜に調整され
るものである。
表しており、これらは本発明の要件、つまり、ジェット
騒音を抑制するガスタービンエンジンの排気ノズルが、
排気流れと外部の空気とを混合するように、径方向内方
及び外方へ向けて延設されたノズルのタブ配列部を有す
る、という要件を満たしている。
本発明を図示説明しているが、本発明の請求項の趣旨及
び範囲を逸脱することなく、様々な形状や細部の変更が
できることは、当業者であれば容易に理解できるであろ
う。
騒音を低減するガスタービンエンジンの排気ノズルに関
する。このノズルは、径方向内方及び外方へ向けて延び
るタブの配列部を有する。これらのタブにより渦部が形
成され、この渦部により、コア及びファンダクトより導
入される排気ガスの流れと外部の空気とが互いに混合す
るように引き寄せられる。加えて、細部構成の一例とし
て、タブの配列部が、径方向内方及び外方へ延びたタブ
と、これらタブの間でノズルダクトから連続して延びる
タブとを有している。
ンエンジンの出口側端部の斜視図。
発明のタブ配列を示す端面図;図2(A)は、図2の2
A−2A線に沿う断面図;図2(B)は、図2の2B−
2B線に沿う断面図;図2(C)は、図2の2C−2C
線に沿う断面図。
との相互関係を示す図2と同様の図。
のガス流れの相互関係の詳細を示す排気ノズルの出口側
端部の、一部分かつ一部を破断した概略図。
Claims (8)
- 【請求項1】 長手方向に延びる中心軸と、エンジンを
流れるインナ流れ及びアウタ流れを案内するインナ流れ
通路及びアウタ流れ通路と、インナ流れ及びアウタ流れ
を外部へ噴出するインナノズル及びアウタノズルと、を
有し、ジェット騒音を低減するガスタービンエンジンの
排気ノズルシステムであって、 上記ノズルの少なくとも一方が、径方向内方及び外方へ
向けて延設されたタブの配列部を有し、上記タブはノズ
ルの周囲に周方向に沿って設けられ、これらのタブによ
り、ノズル流れと周囲の空気の一部とを互いに混合する
ように引き寄せる渦が生成されることを特徴とするガス
タービンエンジンの排気ノズルシステム。 - 【請求項2】 上記タブの配列部が、一連のタブ列の繰
り返し部を有し、上記タブ列が、排気ノズルから径方向
外方へ延びるタブと、排気ノズルから径方向内方へ延び
るタブと、これらのタブに連続して形成されたノズルの
延設部と、を有することを特徴とする請求項1に記載の
ガスタービンエンジンの排気ノズルシステム。 - 【請求項3】 上記径方向内方及び外方へ延びるタブ
が、互いにオフセットする所定の突起部を有しているこ
とを特徴とする請求項2に記載のガスタービンエンジン
の排気ノズルシステム。 - 【請求項4】 上記径方向内方及び外方へ延びるタブ
は、45度(45°)までの角度でノズル流れに対して
内側又は外側へ突出していることを特徴とする請求項3
に記載のガスタービンエンジンの排気ノズルシステム。 - 【請求項5】 上記タブが、三角形状をなしていること
を特徴とする請求項1に記載のガスタービンエンジンの
排気ノズルシステム。 - 【請求項6】 所定の周方向寸法を有する上記三角形状
のタブの配列部では、流れの混合度が最大となるように
タブの方向が設定されており、上記流れの混合度は、イ
ンナ流れとアウタ流れとの速度差,流れに対して内側又
は外側へ延びるタブの突起部の角度の正接及びタブの高
さに基づいていることを特徴とする請求項5に記載のガ
スタービンエンジンの排気ノズルシステム。 - 【請求項7】 上記タブの高さは、ノズルに設けられる
タブの個数及びタブの周方向寸法に応じて制限される最
大寸法を有していることを特徴とする請求項6に記載の
ガスタービンエンジンの排気ノズルシステム。 - 【請求項8】 ジェット騒音を低減するガスタービンエ
ンジンの出口側端部に設けられたノズルであって、 径方向外方へ延び、ノズルの出口側端部に設けられたタ
ブと、 径方向内方へ延び、ノズルの出口側端部に設けられたタ
ブと、 これらのタブの間で、ノズルの出口部端部から連続的に
延設されたタブと、を有し、 このような一連のタブ列が、ノズルの出口側端部の周囲
に周方向に沿って設けられ、かつ、これらのタブによっ
て、ノズル流れと周囲の空気の一部とを互いに混合する
ように引き寄せる渦が生成されることを特徴とするガス
タービンエンジンのノズル。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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