JP2006189030A - オーグメンター・ライナー - Google Patents

Abstract

【課題】 望ましくないスクリーチ音の影響を受けにくいオーグメンター・ライナーを提供する。
【解決手段】 第１の壁部と第２の壁部の間に配置される環と、複数のバッフルを備えるオーグメンター・ライナーである。第１の壁部は、第２の壁部の径方向内側に配置される。複数のバッフルは、隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において、ある距離だけ相互に離間する。隣接するバッフル間の距離は、環の室内に入る音波が第１の壁部と第２の壁部の間で、周方向成分よりも十分に大きい径方向成分を有する方向において移動するような距離である。バッフル間の距離は又、音波の周方向成分が実質的に減衰され、それにより望ましくないスクリーチ音にそれほど関与しないような距離である。
【選択図】 図３

Description

本発明は、米国空軍との契約番号第Ｆ３３６５７−９９−Ｄ−２０５１−Ｄ．Ｏ．０００８に基づいて、米国政府の支持によってなされたものである。従って、本発明について米国政府は明白な権利を有する。

本発明は、概して、オーグメント・ガスタービン・エンジンに関し、より詳細には、オーグメンター・ライナーに関する。

高性能の用途の多くに採用されるガスタービン・エンジンの効率は、オン・デマンドで補助推進力を生じるオーグメンターによって、大幅に改善されている。エンジンのタービン部分から排出されるガス流とバイパス空気流は、合わさって（この組み合わせを「コア・ガス流」と称す）オーグメンター・ライナーからなる通路内を通る。オーグメンターが作動状態にあるとき、燃料がコア・ガス流に導入されて点火される。燃焼生成物と残余のコア・ガス流は続いて可変面積ノズルを介して大気中に排出される。

そのオーグメンターの作動性を著しく妨げているのが、熱音響的不安定性であるスクリーチ音の発生であり、そのメカニズムは以下のように理解されている。オーグメンターの内部容積は共振器として作用し、多重音響モードに対する耐性を有する。それら音響モードに伴う時間的な圧力変動により、炎により放出された熱に変動が生じる。そのような過渡的な熱発生は、次いで圧力変動を引き起こす。非定常的な圧力や熱発生が適切に同調されるとき、抑制されない場合には、変動は大きな振幅に成長して、過剰に大きな振動負荷並びに熱負荷が誘発するために構造的及び／又は熱的な破損が生じる結果となり得る。オーグメンターにおけるスクリーチ音の発生は、たいてい、軸方向における定常波挙動及び径方向における進行波挙動を呈するオーグメンター・システムの単一音響モードに関連する。

従って、そのような望ましくないスクリーチ音の影響を受けにくいオーグメンター構成が必要とされている。

本発明の目的は、望ましくないスクリーチ音の影響を受けにくいオーグメンター・ライナーを提供することにある。

本発明の第１の態様は、
第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
それぞれが環内に延在し、かつ軸方向において相互に離間し、第１の壁部と第２の壁部に取り付けられ、かつ第１の壁部と第２の壁部の間の相対的変位に適応するよう動作可能な、径方向において膨張可能な複数のバンドと、
隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において、ある距離だけ相互に離間する複数のバッフル、
を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置され、隣接するバッフル間の距離は、環の室内に入る音波が第１の壁部と第２の壁部の間で、周方向成分よりも十分に大きい径方向成分を有する方向において移動することを特徴とする、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナーである。ここで、複数のバンドは内部にスロットを備え、バッフルがそのスロット内に配置され得る。また、バッフルは、前記軸方向中心線に対して実質的に平行に長手方向に延在してよく、バッフルとバンドを、実質的に相互に直交するよう配置してよい。また、隣接するバッフル間の距離は一定であってもよく、バッフルは、軸方向からそれた方向、あるいは、第１と第２の壁部間で、径方向からそれた方向で延在させることもできる。バッフルは透過性材料で作製してよい。

本発明の第２の態様は、
第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
それぞれが環内に延在し、かつ、軸方向において相互に離間し、第１の壁部と第２の壁部に取り付けられ、かつ、第１の壁部と第２の壁部の間の相対的変位に適応するよう動作可能な複数のバンドと、
隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において実質的に一定距離だけ相互に離間し、その数が、周方向モードの次数の２倍又は８倍、あるいは２と８の間のいずれかの数の倍数に等しい、複数のバッフル、
を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置されることを特徴とする、作動中にスクリーチ音を発生させる、周方向モードの次数を有する音圧波に適応するよう動作可能な、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナーである。ここで、各構成部材は、上述の第１の態様における形態を取り得る。

本発明の第２の態様は、
第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において、ある距離だけ相互に離間する複数のバッフル、
を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置され、隣接するバッフル間の距離は、環の室内に入る音波が第１の壁部と第２の壁部の間で、周方向成分よりも十分に大きい径方向成分を有する方向において移動することを特徴とする、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナーである。ここで、各構成部材は、上述の第１の態様における形態を取り得る。

本発明の第３の態様は、
第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
それぞれが環内に延在し、かつ軸方向において相互に離間し、第１の壁部と第２の壁部に取り付けられる複数のバンドと、
それぞれがある厚さを有し、隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、実質的に全てが音圧波を減衰するよう動作可能な伸長された１つ又はより多くの通路を備える、複数のバッフル、
を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置されることを特徴とする、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナーである。ここで、各構成部材は、上述の第１の態様における形態を取り得る。

本発明によれば、オーグメンター・ライナーが提供される。本発明のライナーは、第１の壁部と第２の壁部の間に配置される環と、複数のバッフルを備える。第１の壁部は、第２の壁部の径方向内側に配置される。複数のバッフルは、第１の壁部と第２の壁部の間で高さ方向に延在しており、周方向においてある距離を空けて相互に離間している。隣接するバッフル間の距離は、環の室内に入る音波が第１の壁部と第２の壁部の間で、周方向成分より十分に大きい径方向成分を有する方向に移動するような距離である。つまりは、隣接するバッフル間の距離は、環の室内を移動する音波の周方向成分が減衰され、それによりスクリーチ音に著しく関与しないような距離であると説明できる。

本発明は、望ましくないスクリーチ音を最小限にするか、あるいは排除することを特徴とする。スクリーチ音を発生させる音圧波は、本発明のオーグメンター・ライナーによって減衰される。その結果、望ましくないスクリーチ音が最小限となるか、あるいは排除される。

本発明のこれら及びその他の目的、特徴並びに利点は、以下の図面に例示されるような本発明の最良の実施形態に関する詳細な説明を鑑みることによって明らかとなろう。

本発明のオーグメンター・ライナー１０は、種々の異なる型のオーグメンター内で使用することができる。図１と図２において、実施態様であるオーグメンター・ライナー１０は、進路誘導タービン排気ノズル内に採用されるものとして示されている。ノズルは、前方セクション１２、中間セクション１４及び後方セクション１６を備える。図１に示す第１の形状において、ノズルセクション１２，１４，１６は、タービン排気ノズルが実質的に直線となるように配置される。図２に示す第２の形状において、前方及び後方セクション１２，１６は、中間セクション１４に対しておおよそ１８０°回転している。そのため、タービン排気ノズルはほぼ９０°回転する。

図１と図２に示す実施態様のオーグメンター・ライナー１０は、実質的に円筒形である。このオーグメンター・ライナー１０の説明を容易にするため、オーグメンター・ライナー１０は円筒形であるものとして説明する。しかしながら、本発明のオーグメンター・ライナー１０は円筒形状に限定されるものではない。

図３及び図４を参照すると、オーグメンター・ライナー１０は、相互に離間することにより、環状領域２２を形成する第１の壁部１８と第２の壁部２０を備え、環状領域２２は、第１の壁部１８と第２の壁部２０の間の内部領域である。第１の壁部１８は、第２の壁部２０の径方向内側に配置される。第１の壁部１８と第２の壁部２０のそれぞれは、環２２に入ってそこから出て行く冷却空気の通路のための複数のアパーチャ２４を備える。

次に図３から図５を参照すると、本発明のいくつかの実施態様において、ライナー１０は、それぞれが環２２内で周方向に延在する複数の径方向に膨張可能なバンド２６を備える。バンド２６は、軸方向において相互に離間している。バンド２６は、第１の壁部１８と第２の壁部２０の間の変動に適応するように構成されている。いくつかの場合において、例えば、第１の壁部１８は、第１の壁部２０と比較して非常に高い伝熱作用を受ける場合がある。そのような場合、第１の壁部１８は、径方向において、第２の壁部２０よりも大きく熱膨張可能である。径方向に膨張可能なバンド２６は、第１と第２の壁部１８，２０の径方向における相対的変位に適応する。好ましい形状において、各バンド２６は、第１の壁部１８に取り付けられる第１の部分２８、第２の壁部に取り付けられる第２の部分３０、及び第１と第２の部分２８，３０を連結する中間部分３２を有する。中間部分３２は、第１の部分２８の平面と第２の部分３０の平面と実質的に交差する平面に沿って設けられる。例えば、その形状は、概ね「Ｚ」字形であるか、あるいは中間部分３２が第１の部分２８と第２の部分３０のいずれか一方、又は両方に対して実質的に垂直であるか、などであってよい（例えば、中間部分３２は、軸方向の中心線に対してほぼ平行な方向に延びていてよい）。好ましい形状は、壁部１８，２０の径方向及び軸方向における相対的な移動に適応するものである。

バンド２６は、環２２内の軸方向における冷却空気の移動を妨害する周方向に延在する室部を形成する。周方向に延在する室部は、ダクトの外周部の全部又は一部に沿って延在させてよい。図１及び図２に示す実施態様において、前方、中間及び後方ノズルセクション１２，１４及び１６内において周方向に延在する室部は、ライナー１０周囲の一部に沿って延在する。

図３から図６を参照すると、環は、隣接するバンド２６の間で延在するバッフル３４を用いてさらに細かく仕切られる。バッフル３４は、第１と第２の壁部１８，２０の間で高さ方向に延在し、かつ隣接するバンド２６の間で長手方向に延在する。いくつかの実施態様においては、各バッフル３４は、第１の壁部１８と第２の壁部２０のいずれか一方に取り付けられる。図５に示す実施態様において、バッフル３４は、複数のバンド２６を横切って長手方向に延在し、バンド２６中のスロット３６に入れ子されている。この実施態様では、バンド２６とバッフル３４は実質的に相互に直交して配置される。バッフル３４の変動は、実質的にバンド２６によって防止される。いくつかの場合において、バッフル３４は、バッフル３４の長手方向における強度を増大させる、長手方向に延在するフィーチャー３８（例えば、リブ、波形（ｃｏｒｒｕｇａｔｉｏｎ）など形状）を備えることができる（図４参照）。ライナーの環２２内に形成される環状ライナーの室は、第１の壁部１８、第２の壁部２０、隣接するバッフル３４及び隣接するバンド２６の間に延在する。上述のバンド２６とバッフル３４が相互に直交するよう配置された態様の代替としての特定の実施態様において、バッフル３４は、例えばらせん形態となるように軸方向からそれた方向で延びていてもよい。バッフル３４は又、第１の壁部１８と第２の壁部２０の間で、径方向からそれた方向に延在させてもよい。

バッフル３４の周方向における空隙（即ち、周方向における隣接するバッフル３４間の距離）は、作動中にオーグメンター内で発生する音圧波を有利に減衰するよう選択される。具体的には、隣接するバッフル３４間の距離４０は、正常な作動条件下において環状ライナー室に入る音圧波分が、第１の壁部１８と第２の壁部２０の間で、周方向成分よりも十分大きな径方向成分を有する方向において移動するように選択される。図６は、そのような方向でライナー室内を移動する音圧波４２を概略的に示している。波４２は、好ましく減衰され、それにより、望ましくないスクリーチ音の原因となる圧力の乱れの程度が小さくなる。即ち、バッフル間の空隙は、音波の周方向成分を十分に減衰し、それにより、音波の周方向成分が望ましくないスクリーチ音に著しく関与しないようにするものである。

オーグメンター内に存在する音圧波は、軸方向成分及びアジマス（ａｚｉｍｕｔｈａｌ）成分を含む、進行波又は回転波の形態を有する。この波は、ライナー周囲において周期的なものであり、数学的に以下のように示すことができる。
Ｃｏｓ（ωｔ＋ｍθ）
（式中、θはアジマス座標を意味し、ωは周波数を意味し、かつｍは周方向モードの次数（ｏｒｄｅｒ）を意味する）。スクリーチ音モードに関して、このモードの次数の値（ｍ）は、周方向における波長が大きくなるよう、通常１から３である。

隣接するバッフル３４間の具体的な空隙は、手近な用途に基づいて選択される。本発明者等は、望ましい音圧波の減衰が、周方向において周方向モードの次数の値の少なくとも２倍の数のバッフル３４を提供することによって達成できることを見いだした。例えば、オーグメンター・アプリケーションが、周方向モードの次数の値が２である、望ましくない音圧波の影響を受けた場合、望ましい音波の減衰は、オーグメンター・ライナー１０の周囲で間隔を空けて配置される少なくとも４つのバッフル３４を提供することによって達成され得る。しかしながら、本発明者等のこの好ましい発見は、周方向モードの次数の２倍よりも多い数のバッフル３４を有することが好ましいことを示している。しかしながら、バッフル３４の数は、通常、バッフル３４の追加に伴う重量と経費により制限される。バッフル３４の数を周方向モードの次数の２〜８倍の範囲とすることによって、不利な結果を最小限に抑えた、有利な音波減衰が得られる。オーグメンター・ライナー１０の周囲におけるバッフル間の空隙は、用途に応じて均一であっても非均一であってもよい。

次に図７を参照すると、いくつかの実施態様において、バッフル３４が配置される隣接する室部間に、伸長された通路４４を備えることによって得られる、補足的な音波減衰が示されている。図７では、例えば、伸長された通路４４はバッフル３４を通って延在し、隣接する環状ライナー室同士を連結するよう示されている。周方向における移動成分を有する音圧波は、その伸長された通路４４に入り、そこを通過する間に減衰される。その結果、伸長された通路４４を通って移動する音圧は、スクリーチ音の振幅に関与するとしてもそれほどではなくなる。伸長された通路４４の長さは、考慮中の用途に合わせて変更することができるが、全ての場合において、そこを通って移動する音圧波が減衰するのに十分な長さである。

いくつかの実施態様において、透過性のバッフル３４を使用することによって補足的な音波減衰が得られる。周方向における移動成分を有する音圧波は、この透過性のバッフル３４を通過して減衰される。その結果、伸長された通路を通って移動する音圧波は、その他の場合と比較してもスクリーチ音の振幅にそれほど関与しない。

本発明を、前述の実施態様に関して説明したが、本発明の趣旨並びに範囲から逸脱することなく、それら実施態様における様々な変更がなし得ることは当業者等には理解されよう。例えば、周方向に延在するバンド２６とそれらの間で延在するバッフル３４を備えるものとして本発明を説明する。いくつかの用途において、バッフル３４が上述の態様における数及び周方向の空隙を有するものであれば、バンド２６がなくともバッフル３４を使用すれば十分な場合もある。

直線形状のオーグメンター・ライナーを備える、進路誘導タービンの排気ノズルの概略図である。 角度を有する形状のオーグメンター・ライナーを備える、進路誘導タービンの排気ノズルの概略図である。 バッフルを示すために部分的に破損させたオーグメンター・ライナーセグメントの概略的な透視図である。 オーグメンター・ライナーセグメントの端面から見た概略的な構造図（エンド・ビュー）である。 壁部を取り除いたオーグメンター・ライナーセグメントの概略的な透視図である。 ライナー室中を移動する音圧波が示されている、ライナー室の概略図である。 バッフルを通る伸長された通路を示す概略図である。

符号の説明

１０…オーグメンター・ライナー
１８…第１の壁部
２０…第２の壁部
２４…アパーチャ
２６…膨張可能なバンド
３４…バッフル
４４…通路

Claims (17)

1. 第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
   それぞれが環内に延在し、かつ軸方向において相互に離間し、第１の壁部と第２の壁部に取り付けられ、かつ第１の壁部と第２の壁部の間の相対的変位に適応するよう動作可能な、径方向において膨張可能な複数のバンドと、
   隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において、ある距離だけ相互に離間する複数のバッフル、
   を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置され、隣接するバッフル間の距離は、環の室内に入る音波が第１の壁部と第２の壁部の間で、周方向成分よりも十分に大きい径方向成分を有する方向において移動するような距離であることを特徴とする、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナー。
2. 前記複数のバンドがスロットを備え、前記バッフルが該スロット内に配置されることを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー
3. 前記バッフルが、前記軸方向中心線に対して実質的に平行に長手方向に延在することを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー。
4. 前記バッフルとバンドが、実質的に相互に直交するよう配置されることを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー。
5. 前記複数のバッフル間の距離が一定であることを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー。
6. 前記バッフルが、軸方向からそれた方向で延在することを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー。
7. 前記バッフルが、第１の壁部と第２の壁部の間で、径方向からそれた方向で延在することを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー。
8. 前記バッフルが透過性材料からなることを特徴とする、請求項１記載のオーグメンター・ライナー。
9. 第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
   それぞれが環内に延在し、かつ、軸方向において相互に離間し、第１の壁部と第２の壁部に取り付けられ、かつ、第１の壁部と第２の壁部の間の相対的変位に適応するよう動作可能な複数のバンドと、
   隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において実質的に一定距離だけ相互に離間し、その数が、周方向モードの次数の２倍又は８倍、あるいは２と８の間のいずれかの数の倍数に等しい、複数のバッフル、
   を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置されることを特徴とする、作動中にスクリーチ音を発生させる、周方向モードの次数を有する音圧波に適応するよう動作可能な、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナー。
10. 前記バッフルが、前記ライナーの軸方向中心線に対して実質的に平行に長手方向に延在することを特徴とする、請求項９記載のオーグメンター・ライナー。
11. 前記バッフルとバンドが、実質的に相互に直交するよう配置されることを特徴とする、請求項９記載のオーグメンター・ライナー。
12. 前記複数のバッフル間の距離が一定であることを特徴とする、請求項９記載のオーグメンター・ライナー。
13. 前記バッフルが、軸方向からそれた方向で延在することを特徴とする、請求項９記載のオーグメンター・ライナー。
14. 前記バッフルが、第１の壁部と第２の壁部の間で、径方向からそれた方向で延在することを特徴とする、請求項９記載のオーグメンター・ライナー。
15. 前記バッフルが透過性材料からなることを特徴とする、請求項９記載のオーグメンター・ライナー。
16. 第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
    第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、周方向において、ある距離だけ相互に離間する複数のバッフル、
    を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置され、隣接するバッフル間の距離は、環の室内に入る音波が第１の壁部と第２の壁部の間で、周方向成分よりも十分に大きい径方向成分を有する方向において移動するような距離であることを特徴とする、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナー。
17. 第１の壁部と第２の壁部の間に配置され、オーグメンター・ライナーの軸方向中心線に沿って延在する環と、
    それぞれが環内に延在し、かつ軸方向において相互に離間し、第１の壁部と第２の壁部に取り付けられる複数のバンドと、
    それぞれがある厚さを有し、隣接するバンドの間で長手方向において、かつ第１の壁部と第２の間で高さ方向において延在し、実質的に全てが音圧波を減衰するよう動作可能な伸長された１つ又はより多くの通路を備える、複数のバッフル、
    を含んでなり、第１の壁部は第２の壁部の径方向内側に配置されることを特徴とする、軸方向中心線と外周を有するオーグメンター・ライナー。

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