JP2000500211A - ジェット・エンジンの騒音抑制システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ジェット・エンジンのための騒音抑制システムであって、同システムは、開口セル材料より形成される基質と、同基質の一方の表面の少なくとも一部を覆う微細孔材料の層と、同基質の他方の表面の少なくとも一部を覆うほぼ無孔性材料の層と、圧縮空気を基質に供給するための圧縮空気源とを含む。基質、微細孔材料及び無孔性材料がジェット・エンジンの取入口の内側面を形成するように構成される。圧縮空気が、取入口の内側面に沿ってより乱れの少ない気流の層を提供するように基質から微細孔材料を介して取入口へと流通され、それにより騒音発生を軽減する。

Description

【発明の詳細な説明】 ジェット・エンジンの騒音抑制システム 発明の分野 本発明は騒音抑制に関し、より詳細には、乱れた空気の流れをその取入口にて 軽減するとともにエンジン取入口に近接する圧縮機タービンによって発生する騒 音を吸収するジェット・エンジンのための騒音抑制システムに関する。 発明の背景 ジェット・エンジンにより発生する騒音を軽減するために、騒音吸収材料によ りジェット・エンジンの取入口及び排気ダクト壁を形成することは周知である。 このことは、商業用の旅客機においては、同旅客機が政府による厳格な騒音規制 に適合すべき必要性から、特に望ましい。商業用旅客機における騒音抑制はまた 、同旅客機の乗客の乗り心地を向上させるためにも望ましい。 更に、多くの空港では、近隣の住民を悩ます騒音を回避するために、航空機が 発生する騒音を量を制限する騒音規制がなされている。このことは、時として、 特定の空港を使用できる航空機の種類を制限する。更に、航空機においてその他 の望ましくない手続き上の制限をしばしば課することになる。例えば、航空機は 、特定の地域では、所定の最少高度以上にて飛行することが要求される。そのよ うな最少高度における飛行は、燃料の消費を増大させ、エンジンの摩耗を加速す るので好ましいことではない（特に、最少高度を離陸直後に達成する必要がある 場合）。 現在の方法によると、ＤＹＮＡＲＯＨＲ（Ｒohr Ｉndustries社の登録商標） の名称にて市販されている騒音抑制材料がこの目的にて広く使用されている。 ＤＹＮＡＲＯＨＲ製品は、米国特許第４，３７９，１９１号に開示されるハニカ ム材料より形成されており、同特許の内容は参考文献として本明細書において引 用 されている。このハニカム材料は外側の孔を有しない層と内側の孔を有する層と の間に挟まれた複数の開口セルを含むコアを備える。内側の孔を有する層は、ハ ニカム材料の開口セルに流体を連通する。微細に織られたステンレルスチール製 の布から形成されるような微細孔シート材料を孔を有するシート上に貼って、ジ ェット・エンジンの取入口ダクトの内側面の一部を形成する。 ジェット・エンジンの層流特性を改善するための試みとして、同エンジンの取 入口ダクト付近の乱流境界層から空気を吸引することも周知である。ジェット・ エンジンにより生ずる騒音を軽減するためのこのような新しい方法は、来国特許 第４，７４９，１５０号に開示されており、同特許の内容は本明細書においては 参考文献として引用されている。 非対称な断面を有する複数の通路からなる音軽減構造を形成することも周知で あり、同構造のフレア状の入口と出口は、それらの間に形成されるより小さな径 を有する首部を備える。このような構造は、米国特許第４，５３９，２４５号に 開示されており、同特許の内容は本明細書においては参考文献として引用されて いる。 上述の音を抑制する材料及び技術は意図された目的において有用であることは 証明されてはいるものの、現在のところ、そのような材料がジェット・エンジン において使用された場合に所望の程度の騒音抑制を得るに至ってはいない。従っ て、政府の規制に容易に適合し、しかも、乗客の快適さを高めるとともに空港付 近に居住する住民の不快を低減するために、ジェット・エンジンにより生ずる騒 音を実質的に軽減する構造を提供することは有効である。 発明の概要 本発明は、従来技術に関連する上述の欠点に取り組み、同欠点を解決すること を目的とする。より詳細には、本発明は、開口セル材料から形成される基質と、 同基質の一方の面の少なくとも一部を覆う微細孔（microporous）材料の層と、 同基質の相対向する面の少なくとも一部を覆うほぼ無孔性（non-porous）材料の 層（無孔性材料は同材料中に空気の流れに望ましい開口部を備え得るが）とを含 む、ジェット・エンジンのための騒音抑制システムを備える。圧縮空気が微細孔 材料の層を通過して流れるように、圧縮された空気源は圧縮空気を基質に供給す る。 基質、微細孔材料及び無孔性材料は、ジェット・エンジンの取入口の一部を形 成するように構成され、同取入口は内側面を有する。圧縮空気は、ジェット・エ ンジンの取入口の内側面に沿った、乱れの小さい、ほぼ層流の層を提供するため に、基質から微細孔材料を通過してジェット・エンジン取入口まで流通され、そ れにより、ジェット・エンジンからの騒音発生を実質的に軽減する。 本発明の好ましい実施形態によると、基質は、複合ハニカム材料からなる。当 業者は、種々のその他の開口セル材料、特に高温ポリマーが同様に適切であるこ とを理解できるであろう。 微細孔材料は、好ましくは金属シートからなり、望ましい製造性と防音効果を 有することが明らかにされているニッケルシートが好ましい。 微細孔材料は、空気を基質からジェット・エンジンの取入口まで連通する通路 を備える。通路は、フレア状の通路入口とフレア状の通路出口を備える。くびれ た首部は各通路において入口と出口との中間地点に形成されている。 通路の大きさは、以下に詳細に示すように、騒音吸収特性を最適化するように 、特別に選択されている。 ほぼ無孔性材料の層は、好ましくは金属シートより形成され、アルミニウムシ ートが好ましい。 圧縮空気源は、基質の一部全体に圧縮空気を分配するために、少なくとも一つ のヘッダを含むことが好ましい。ヘッダの使用は、ハニカム材料からなる基質が 使用される場合、圧縮空気が同ハニカム構造の各セルに適切に分配されるために 特に好ましいことは、当業者に理解されるであろう。そのようなヘッダは、ハニ カム材料が使用される場合は通常必要である。なぜならば、ハニカム構造の個々 のセルは、通常互いに対する流体経路を備えていないからである。更に、当業者 に理解されるように、ヘッダは圧縮空気を良好に分配するように任意の望ましい 構造とすることができる。種々のそのような構造が適切であることは当業者に理 解できるであろう。 基質がほぼ相互連結される、又は開口したセルを有する材料からなり、それに より圧縮空気が基質の僅かの部分へ適用される場合、圧縮空気がほぼ全体にわた って連通されるので、そのようなヘッダの使用はあまり重要ではない。圧縮空気 源は、圧縮空気を所望に応じてヘッダを介して基質へ分配するために少なくとも 一つのマニホールドを備えることが好ましい。 本発明の別の実施形態によると、複数の微細孔材料が、通常対応する複数の基 質に対して交互に層状に並置されるように形成され、それにより、微細孔材料と 基質との交互にサンドイッチ状になった構造物が提供される。内層、即ち取入口 の内側面に沿った層は微細孔材料からなり、外層、即ち相対向する層は、ほぼ無 孔性材料からなる。当業者に理解されるように、そのような交互に層をなす構造 物はより効果的な騒音の低減を提供する。更に、基質と微細孔材料の単一層はジ ェット・エンジンの取入口内の一部の位置において使用可能であり、一方、微細 孔材料と基質とが交互になる複数の層は同取入口の他の部分にて使用され得る。 従って、本発明の構造物は、所望に応じて、望ましい騒音抑制、構造強度及び経 済的な構造の少なくとも一つを提供するために、設計され、又は最適化される。 図面の簡単な説明 図１は、本発明の操作環境を示す、従来技術によるジェット・エンジンの側部 断面図である。 図２は、図１の線２に沿った、ジェット・エンジンの取入口ダクト下方部の側 部断面図であり、同ダクトにより発生する乱れた空気の流れを示す。 図３は、本発明の騒音抑制システムを示すジェット・エンジン取入口ダクトの 下方部分の断面図であり、同システムからダクトの内側面を横切って層流に近い 空気の流れが発生することを示す。 図４は、図３の線４に沿った騒音抑制システムの一部の側部拡大断面図である 。 図５は、図３の線５に沿った騒音抑制システムの側部断面図であり、２つのハ ニカム基質層を示し、各ハニカム基質層は同基質の内側面上に形成される微細孔 材料のカバー及び層状をなすアセンブリの外側面上に形成されるほぼ無孔性のカ バーを有する。 図６は、図４及び５に示されるような代表的な微細孔層の側部拡大断面図であ り、図４の線６に沿ったものである。好適な実施形態の詳細な説明 添付された図面とともに以下に記載された発明の詳細な説明は、本発明の現在 の好適な実施形態を記載するものとして意図されており、本発明が構成される、 又は使用される唯一の形態を示すことを意図するものではない。記載は、図示さ れた実施形態に関連する本発明を構成及び動作するための機能及び工程順を述べ たものである。しかしながら、同一の、又は同等の機能及び工程順が、本発明の 精神及び範囲内に包含されるべく意図されている別の実施形態によっても達成可 能であることを理解されたい。 本発明の騒音抑制システムは、本発明の現在の好適な実施形態を示す図３〜６ に示されている。図１は本発明が機能的に作用している環境を示し、図２は従来 技術のエンジンの取入口を示し、同取入口の内側面に沿って乱れた空気の流れが 発生している。 図１を参照すると、最新のターボファン・ジェット・エンジン１０は前縁１３ 、内側面１４及び外側面１５を有する取入口ダクト１２を含む。 図２に示すように、騒音抑制システムが存在しないと、入射した気流１６が取 入口ダクト１２の前縁１３によって分岐されて、内側気流１８及び外側気流２０ となる。内側気流１８は内側の乱れた流れ１９中へと分散され、同様に、外側気 流２０は外側の乱れた空気の流れ２１中へと分散される。当業者に理解されるよ うに、そのような乱れた流れはジェット・エンジン１０によって発生する騒音を 増大させるとともに、動作性能に幾らかの衝撃を与える。 図３〜６を参照すると、本発明の好適な実施形態に従って、ジェット・エンジ ンの取入口ダクト１２の内側面１４は騒音抑制システムを備え、同システムは、 同システムの内側面上に形成される微細孔材料の層３０及び同システムの外面に 沿って形成されるほぼ無孔性材料の層１７を有する開口セル材料、好ましくはハ ニカム材料２６から形成される基質を含み、これらの基質、層により騒音抑制シ ステムの単一な層２２（図４）が形成される。 選択的に、騒音抑制システムの二重層２４（図５）が所望に応じて形成され得 、好ましくは、同システムの単一層２２（図３）の機尾に形成される。当業者に よって理解されるように、そのような騒音抑制システムの二重層２４はジェット ・エンジンにより発生する騒音をより効果的に抑制すると共に、より大きな乱れ が発生する傾向にある取入口の空気の流れに沿ってより有効な下方流となる。 特に図３を参照すると、従来技術に示すように、気流１６はジェット・エンジ ン取入口１２の前縁１３によって分岐され、内側気流１８及び外側気流２０とな る。更に従来技術に示すように、外側気流２０は分岐して乱れた気流２１に分散 される。しかしながら、図２に示す従来技術の内側気流１８とは異なり、本発明 に従う内側気流１８は乱れた気流に分散されず、むしろ、ジェット・エンジンの 取入口ダクト１２の内側面１４上に層流に近い空気の流れ２３を形成する。 圧縮空気源（図示しない）から空気が注入され、好ましくはマニホールド４１ ，４３及びヘッダ２５，２７を介して開口セル材料、又はハニカム２６へと流れ る。当業者に理解されるように、コンプレッサ、圧縮空気コンテナ、又はジェト ・エンジン自身の種々の部分からの圧縮空気のような種々の圧縮空気源が適して いる。従って、空気は、ハニカム２６，２９及び微細孔材料３０，３２を流れる 。 従って、取入口ダクト１２の内側面１４に沿って直ちに供給される空気３５の クッションは、内側気流１８を、取入口ダクト１２の内側面１４に生来的である 荒さ、惹いては、同内側面１４の摩擦効果から分離しようとし、それにより、ほ ぼ滑らかな、即ち層状の空気の流れ２３が実質的に空気のダクト１２の内側面１ ４に沿って維持される。このようにして、ジェット・エンジンにより発生する騒 音の主な原因となる乱れが実質的に軽減されると共に、ジェット・エンジンの動 作性能が向上する。 無孔性材料の層１７は、圧縮空気が単一層２２のハニカム２６、あるいは二重 層２４のハニカム２６，２９から漏洩するという好ましくない状態を回避する。 無孔性材料の層１７は、好ましくはアルミニウムである金属シートよりなること が好ましい。その結果、圧縮空気は、ハニカム材料２６の開口セル３１を介して 単一層２２の微細孔材料の層３０及び二重層２４の微細孔材料３０，３２の二つ の層へと流通される。 圧縮空気は、微細孔層３０，３２に形成されたほぼ漏刻型の細孔、即ち通路３ ６を介して押し進められ（図６）、それにより、既に述べたように、空気の乱れ を低減すると共に、層状の空気の流れを促進すべく、空気の境界層が騒音抑制シ ステムの内側面１４に沿って形成される。 当業者に理解されるように、ハニカム材料２６，２９の層は、個々の開口セル ３１を互いに分離する複数の壁部、即ち分離部２８から形成される。開口セル３ １は、同セル３１の端部に形成される開口部を有し、それにより、空気が容易に その内部を流通する。当業者によって更に理解されるように、そのようなハニカ ム材料の使用は、圧縮空気を開口セル３１の各々へ適用するために、ヘッダ２５ ，２７の使用を通常必要とする。そのような空気の分配は、ほぼ無孔性材料１７ 内部に孔を提供することによって、個々のセル３１の内部に相互連結路を提供す ることによって、あるいは、ほぼ無孔性材料１７とハニカム材料２６との間にお いて、その間における空気の流れを促進するために僅かな間隙を提供することに よって達成され得る。これに代えて、圧縮空気が個々のセル３１間を容易に伝達 されるように、同セル３１は、互いに対して流体を連通することが可能である。 これは、無孔性材料１７による気密性を回避するように、分離部２８を介す る開口部を形成すること、又は、分離部２８の外面に刻み目をつける、もしくは 荒くすることにより達成され得る。 これに代えて、空気がセルのほぼ全てに容易に流通するように、無孔性材料１ ７はハニカム材料２６，２９の分離部２８の一部あるいは全てと接触しないよう に適用され得る。これに代えて、ヘッダはその内部に空気の通路を形成すること により、無孔性材料１７と一体的に形成され得る。ヘッダ２５，２７は、もし使 用されれば、圧縮空気の流れがハニカム材料２６の開口セル３１のほぼ全てに流 れることを確実にする。 いずれにおいても、本発明は、圧縮空気がハニカム材料２６，２９の開口セル ３１のほぼ全てに供給されるとともに、通路３６のほぼ全てを介して容易に流通 するように形成される。当業者に理解されるように、開口セル３１及び／又は無 孔性材料１７の種々の異なる形状がそのような機能を達成するために適している 。 ジェット・エンジン取入口１２より空気が高速にて流入することにより生来的 に発生する騒音は、本発明の騒音抑制システムの単一層２２及び二重層２４によ ってほぼ吸収される。従って、本発明に従う騒音抑制は、主として二つの異なる ファクタに起因する。第一に、エンジン取入口１２の内側面１４に沿った乱れた 空気の流れは低減され、それによりそのような乱れによる騒音発生が軽減される 。第二に、ジェット・エンジンの取入口付近にて同エンジンにて生ずる騒音は微 細孔材料３０，３２及びハニカム材料２６，２９によって吸収される傾向にある 。 本発明の騒音抑制システムの多重層は、複数の基質、即ちハニカム材料２６， ２９を、微細孔材料３０，３２の層の数にほぼ対応して、サンドイッチ状に交互 に層状に重ね合わせることにより形成され得る。層の数は、所望に応じた消音減 衰及び構造強度特性に依存する。図５に示されるように、二つのそのような層が 提供される。当業者に理解されるように、要望に応じた層の数を同様に提供する ことができる。 特に図６を参照すると、微細孔材料３０，３２は、同材料３０，３２の内部を 連通するように形成される複数の微細孔、又は通路３６を有する金属シートから なり、それにより、音が同通路３６によって容易に吸収されるとともに空気が同 通路の間を容易に通過する。微細孔層３０，３２は、望ましい消音特性及び製造 特性の得られることから、好ましくはニッケルである金属シートが好ましい。各 通路３６はほぼ漏刻形状を有するように形成されることが好ましく、同形状はそ の内面では比較的急激に細くなっているのに対しその外面では比較的緩やかに細 くなっている。したがって、各通路３６は、通路入口３９と、通路出口３８と、 同入口３９と出口３８との中間に形成されると共に、それらより実質的に小さい 径を有する首部４２を備えると好ましい。首部４２の直径、即ち、大きさＡは、 金属シート３４の厚み、即ち、第１微細孔カバー３０及び第２の微細孔カバー３ ２が形成される大きさＢより本質的に小さいことが好ましい。 より詳細には、首部４２における通路の直径、即ち大きさＡは、好ましくは約 ０．００２インチ（約０．００５ｃｍ）であり、微細孔の層３０，３２が形成さ れる金属シートの厚み、即ち、大きさＢは、好ましくは約０．０１２インチ（約 ０．０３０ｃｍ）から０．０３５インチ（約０．０８９ｃｍ）の間であり、約０ ．０１１８インチ（約０．０３００ｃｍ）であることが好ましく、各通路の入口 の直径、即ち大きさＣは、約０．０１０インチ（約０．０２５ｃｍ）であること が好ましく、隣接する開口部間の距離、即ち大きさＤは、約０．０１０インチ（ 約０．０２５ｃｍ）であることが好ましく、各通路の出口の直径、即ち大きさＥ は、約０．００６５インチ（約０．０１６５ｃｍ）であることが好ましく、首部 の最も狭い部分の内側面からの距離、即ち大きさＦは、約０．００８７６インチ （約０．０２２２５ｃｍ）であることが好ましく、首部４２の最も狭い部分から 出口面までの距離、即ち大きさＧは、約０．００３０５インチ（約０．００７７ ５ｃｍ）であることが好ましい。 微細孔材料３０は、好ましくは約３から８％の間、好ましくは約３．１４％の 空隙率及び約１２５のメッシュサイズを有するように、微細孔を有するニッケル より形成されると好ましい。首部の直径のシートの厚みに対する比率は約３、又 はそれ以上であることが好ましい。 このように、本発明に従って、ジェット・エンジンによって生ずる騒音がほぼ 低減されると共に、エンジンの性能が向上する。騒音の軽減は、エンジンの取入 口を横切る空気の乱れを軽減することによって達成される。乱れの軽減はそれに より引き起こされる生来的な騒音を減少するとともに、圧縮機タービンに当たる 空気の流れによって発生する騒音の量も減少する。圧縮機タービンに当たる滑ら かな、即ち層状の空気は、圧縮機タービンに当たる乱れた空気の流れよりは、実 質的に騒音の発生を低減する。更に、圧縮機タービンによって発生する生来的な 騒音は微細孔層及び基質によって吸収される。取入口を横切る乱れを低減するこ とによって、同エンジンの取入口を通過するより有効な空気の流れが提供される のでジェット・エンジンの性能が向上する。 本明細書中に記載されるとともに図面にて示されたジェット・エンジンの騒音 を抑制するための例示された方法は、本発明の現在好適である実施形態を示した にすぎないことは理解されるであろう。実際には、発明の精神及び範囲から逸脱 することなく種々の修正及び追加がなされるであろう。例えば、開口セル材料と 微細孔材料とを交互に重ね合わせた層を所望に応じて多数使用することも可能で あることは当業者に理解されるであろう。更に、通路、又は微細孔の種々の異な る形状及び構成が考えられる。更には、本発明は、ジェット・エンジンの排気口 ダクトにおいても同様に使用可能であると考えられる。 従って、これらの、あるいは更なる修正及び追加は当業者には自明であり、多 岐にわたる適用において使用するために、本発明を適用することができる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．ジェット・エンジンのための騒音抑制システムであって、 前記システムは、 ａ）開口セル材料より形成される基質と、 ｂ）前記基質の一方の表面の少なくとも一部を覆う微細孔材料の層と、前記微 細孔材料は空気を取入口に流通させる通路を備えることと、前記通路の各々がフ レア状の通路入口と、フレア状の通路出口と、前記通路入口と前記通路出口との 間に形成されたくびれた首部とを備えることと、 ｉ）前記首部の直径が約０．００２インチ（約０．００５ｃｍ）であることと 、 ii）前記微細孔材料の層の厚みが約０．０１１８インチ（約０．０３００ｃｍ ）であることと、 iii）前記フレア状の通路入口の直径が約０．０１０インチ（約０．０２５ｃ ｍ）であることと、 iv）隣接する通路間の距離が約０．０１０インチ（約０．０２５ｃｍ）である ことと、 ｖ）前記フレア状の通路出口の直径が約０．００６５インチ（約０．０１６５ ｃｍ）であることと、 vi）前記微細孔材料の層の入口側から前記首部までの距離が約０．００８７６ インチ（約０．０２２２５ｃｍ）であることと、 vii）前記微細孔材料の層の出口側から前記首部までの距離が約０．００３０ ５インチ（約０．００７７５ｃｍ）であることと、 ｃ）前記基質の他方の表面の少なくとも一部を覆う無孔性材料の層と、 ｄ）圧縮空気を少なくとも一つのマニホールドを介して前記基質に供給するた めの圧縮空気源とを備え、 ｅ）前記基質、微細孔材料及び無孔性材料がジェット・エンジンの取入口の少 なくとも内側面を形成するように構成され、前記圧縮空気が、前記取入口の内側 面に沿ってより乱れの少ない気流の層を提供するように前記基質から微細孔材料 を介して取入口へと流通され、それにより騒音発生を軽減する騒音抑制システム 。 ２．前記基質がハニカム材料を含む請求項１に記載のジェット・エンジンのため の騒音抑制システム。 ３．前記基質が複合ハニカム材料を含む請求項１に記載のジェット・エンジンの ための騒音抑制システム。 ４．前記微細孔材料が金属シートを含む請求項１に記載のジェット・エンジンの ための騒音抑制システム。 ５．前記微細孔材料がニッケルを含む請求項１に記載のジェット・エンジンのた めの騒音抑制システム。 ６．前記微細孔材料の層の厚みの各通路の首部の直径に対する比率が３より小さ い請求項１に記載のジェット・エンジンのための騒音抑制システム。 ７．前記ほぼ無孔性材料の層が金属シートを含む請求項１に記載のジェット・エ ンジンのための騒音抑制システム。 ８．前記圧縮空気源は圧縮空気を基質全体に分配するために少なくとも一つのヘ ッダを含む請求項１に記載のジェット・エンジンのための騒音抑制システム。 ９．前記圧縮空気源は圧縮空気を基質全体に分配するために少なくとも一つのマ ニホールドを含む請求項１に記載のジェット・エンジンのための騒音抑制システ ム。 １０．前記微細孔材料の層の空隙率が約３％から約８％の間である請求項１に記 載のジェット・エンジンのための騒音抑制システム。