JP2012233429A - ジェットエンジン - Google Patents
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Abstract
【解決手段】騒音低減構造1の設置位置に配置されると共に当該騒音低減構造1がおこすジェット噴流の流れ場の変化を助長する体積力を発生するプラズマアクチュエータ70を備える。
【選択図】図3
Description
このような騒音低減構造を有するジェットエンジンによれば、例えば、騒音低減構造によってジェット噴流と外部流との混合が助長され、これによって騒音の低減が図られる。
このため、騒音低減構造を備えるノズルにおけるエンジンスロート面や出口有効面積が、騒音低減構造を備えないノズルと著しく異なることとなり、流量係数が低減してしまう。よって、当該流量係数の低減をカバーするためには、ノズルの開口径を大きくする必要が生じ、ジェットエンジンの重量増加を招く。
また、騒音低減構造の形状が複雑となるほど、設計点以外でのノズル性能の悪化が顕著となって推力が低減するため、騒音低減構造を備えないノズルと同程度の推力を得ようとした場合には、エンジン出力を従来よりも増大させる必要が生じる。
また、騒音の低減は、特に地表面に近いクライム時(停止から加速して巡航状態に至るまでの)において行えれば良いが、従来の騒音低減構造は、巡航時であってもジェット噴流の流れ中に配置される。このため、騒音の低減が必要とされない巡航時における推力も意図せずに低下してしまう。
つまり、騒音低減構造を設けることによって、騒音の低減が図れるものの、推力の低下等に起因して必要とされる燃料が増大し、燃費の悪化につながる。
このような騒音低減構造であっても、混合層を湾曲させるために騒音低減構造がジェット噴流の流れ中に配置されるため、同様の問題が生じる。
このため、例えば、騒音低減構造が小さくなって騒音低減構造のみではジェット噴流の流れ場の変化が十分でない場合であっても、プラズマアクチュエータが発生する体積力によってジェット噴流の流れ場の変化を助長させることで、大きな騒音低減効果を得ることができる。
つまり、本発明によれば、プラズマアクチュエータを備えることによって、騒音低減構造の大きさを小さくすることができ、ジェット噴流を遮る領域を低減することができる。この結果、上述した、ジェットエンジンの重量増加、エンジン出力の増大、及び巡航時における推力低下を抑制することができる。
したがって、本発明によれば、ジェット噴流ノズルの開口周りに騒音低減構造を備えるジェットエンジンにおいて、騒音を低減させつつ燃費の向上を図ることが可能となる。
図1は、本実施形態のジェットエンジン10の概略構成を模式的に示す断面図である。
この図に示すように、本実施形態のジェットエンジン10は、ファン20と、圧縮機30と、燃焼器40と、タービン50と、ジェット噴流ノズル60と、プラズマアクチュエータ70(図3参照)とを備えている。
なお、これらのファン20と、圧縮機30と、燃焼器40と、タービン50と、ジェット噴流ノズル60とが空気の流れ方向に配列されている。
圧縮機30は、ファン20によって取り込まれた空気を圧縮するものであり、ファン20と同様に後段に配置されるタービン50から動力が伝達されることによって駆動される。
燃焼器40は、圧縮機30によって圧縮された空気と燃料とを燃焼することによって高温高圧ガスを生成するものである。
タービン50は、燃焼器40から供給される高温高圧ガスのエネルギの一部を回転動力に変換するものであり、ファン20及び圧縮機30に物理的に接続されている。
ジェット噴流ノズル60は、タービン50を介して供給される高温高圧ガスをジェット噴流として外部に噴射するものである。
そして、本実施形態におけるジェット噴流ノズル60は、ノズル出口端61周りに等間隔で複数設けられた突起部1を備えるノッチノズルとされている。
より詳細には、突起部1が存在しない場合には、混合層の形状は、ノズル出口端61と同様に円形となるが、突起部1が存在することによって、突起部1周り部位が当該円周から円形の内側に入り込むように湾曲する。突起部1によって混合層が湾曲されることによって、ジェット噴流が噴出される側から見た混合層が見かけ上厚くなる。このようにジェット噴流が噴出される側から見た混合層が厚くなることにより、突起部1が存在せずに混合層が湾曲しない場合と比較して、混合層における速度勾配が緩やかとなり速度勾配が大きくなることを妨げることとなり、混合層における剪断力が低減する。
この結果、ジェット噴流と外部流とが混合する際の騒音を低減させることができる。つまり、本実施形態においては、突起部1が本発明における騒音低減構造に相当する。
また、本実施形態におけるジェット噴流ノズル60は、図2(b)に示すように、円筒隔壁の外側に各突起部1に合わせて、ノズル出口端61まで連続して到達する溝部2を備えている。つまり、溝部2は、ノズル出口端61の半径方向において、突起部1の外側(すなわちジェット噴流ノズル60の外壁面)に設けられている。
つまり、本実施形態においては、プラズマアクチュエータ70は、突起部1ごとに設けられており、ジェット噴流ノズル60の外壁面に配置されている。
そして、図4に示すように、第1電極板72と第2電極板73とが、絶縁層71の厚さ方向から見て変位して配置された構成を有している。
このようなプラズマアクチュエータ70の第1電極板72と第2電極板73とに交流電源100に接続して電力を供給すると、第2電極板72の側方であって絶縁層71の厚さ方向から見て第2電極板73と重なる領域にプラズマが生成される。この結果、プラズマが生成された領域の空気がイオン化されて体積力が発生し、矢印で示す空気流が形成される。
ここで、図5に示すように、突起部1の存在によって、突起部1の先端と根元において大きな圧力差が生じる。この圧力差によって生じる縦渦が強いほど混合層を湾曲させる作用が大きく働く。
そして、本実施形態では、プラズマアクチュエータ70にて形成された渦流Bによって、突起部1における圧力差を増大させて上記縦渦を強くすることができ、突起部1によって形成される混合層の湾曲を助長することができる。
ここで、周辺環境に配慮し、特に騒音を低減させる必要があるのは、航空機が停止状態から加速を開始し、上昇が完了して巡航状態に至るまでである。
したがって、本実施形態のジェットエンジン10においては、当該ジェットエンジン10が搭載される航空機が停止状態から加速して巡航状態に至るまでの間のみ作動される。
そして、本実施形態のジェットエンジン10においては、当該余剰電力が供給されて作動する。
このため、エキサイタに接続される配線を分岐して各プラズマアクチュエータ70と接続し、当該配線を介してプラズマアクチュエータ70に電力を供給することができる。
このため、例えば、突起部1が小さくなって突起部1のみではジェット噴流の流れ場の変化が十分でない場合であっても、プラズマアクチュエータ70が発生する体積力によってジェット噴流の流れ場の変化を助長させることで、大きな騒音低減効果を得ることができる。
つまり、本実施形態のジェットエンジン10によれば、プラズマアクチュエータ70を備えることによって、突起部1の大きさを小さくすることができ、ジェット噴流を遮る領域を低減することができる。この結果、ジェットエンジンの重量増加、エンジン出力の増大、及び巡航時における推力低下を抑制することができる。
したがって、本実施形態のジェットエンジン10によれば、騒音を低減させつつ燃費の向上を図ることが可能となる。
このため、プラズマアクチュエータ70がジェット噴流ノズル60の開口面積を狭める要因となることを防止することができる。
また、プラズマアクチュエータ70がジェット噴流中に晒されることがないため、プラズマアクチュエータ70の経時劣化を遅らせることができる。
このため、プラズマアクチュエータ70を作動するための電源を別途備える必要がなく、低コストにてプラズマアクチュエータ70の設置が可能となる。
このため、本実施形態のジェットエンジン10によれば、騒音の低減が必要とされる航空機が停止状態から加速して巡航状態に至るまでの間において騒音が低減され、騒音の低減があまり必要とされない巡航状態では混合層の湾曲の程度が緩和されて推力の向上が図られる。
したがって、本実施形態のジェットエンジン10によれば、必要とされる場合のみ騒音の低減を図ることによって、効率的に燃費の向上を図ることができる。
しかしながら、例えば、図6及び図7に示すように、突起部1の外壁面(ジェット噴流ノズル60の内壁面)にプラズマアクチュエータ70を設置しても良い。
このように、プラズマアクチュエータ70をジェット噴流ノズル60の内壁面に設置することによって、プラズマアクチュエータ70によって形成される渦流Bのジェット噴流に与える変化が大きくなり、突起部1によって形成される混合層の湾曲を強く助長することができる。
なお、効率的に渦流Bを形成するために、プラズマアクチュエータ70によって形成される流れ方向を図6及び図7の矢印Cに示すように、ジェット噴流と反対側に向く方向であることが好ましい。
ただし、混合層の湾曲が助長されすぎると、ジェットエンジン10の推力低下が大きくなるため、これを回避するために、図7に示すように、プラズマアクチュエータ70を突起部1の根元側に配置しても良い。
この場合、図8(a)に示すように、ジェット噴流ノズル60の内壁面にプラズマアクチュエータ70を設置することによって、プラズマアクチュエータ70によって形成される渦流のジェット噴流に与える変化が大きくなり、突起部1によって形成される混合層の湾曲を強く助長することができる。
また、図8(b)に示すように、ジェット噴流ノズル60の外壁面にプラズマアクチュエータ70を設置することによって、プラズマアクチュエータ70がジェット噴流ノズル60の開口面積を狭める要因となることを防止することができ、プラズマアクチュエータ70の経時劣化を遅らせることができる。
このとき、プラズマアクチュエータ70の電極板は、突起部へ向かう渦流を形成するように配置される。プラズマアクチュエータ70自体を渦流の方向に向けても良いし、電極板をプラズマアクチュエータ70内で対角線上に配置しても良い。
次に、本発明の第2実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第1実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
この図に示すように、本実施形態のジェットエンジン10Aは、上記第1実施形態のジェットエンジン10が備えたジェット噴流ノズル60に換えてジェット噴流ノズル80を備えている。
そして、本実施形態のジェット噴流ノズル80は、ノズル出口端81(噴射開口)を形成する縁部に等間隔で三角形状の切欠き3を複数備えるシェブロンノズルとされている。
つまり、本実施形態においては、切欠き3が本発明における騒音低減構造に相当する。
そして、本実施形態のジェットエンジン10Aにおいても、図10及び図11に示すように、切欠き3に応じてプラズマアクチュエータ70を設置することによって、上記第1実施形態と同様に上記縦渦を強め、これによって境界領域におけるジェット噴流と外部気流とミキシング効果をより高められる。
このため、例えば、切欠き3が小さくなって切欠き3のみではジェット噴流の流れ場の変化が十分でない場合であっても、プラズマアクチュエータ70が発生する体積力によってジェット噴流の流れ場の変化を助長させることで、大きな騒音低減効果を得ることができる。
つまり、本実施形態のジェットエンジン10Aによれば、プラズマアクチュエータ70を備えることによって、切欠き3の大きさを小さくすることができ、巡航時における境界領域でのジェット噴流と外部気流とミキシング効果を低減し、エンジン出力の増大、及び巡航時における推力低下を抑制することができる。
したがって、本実施形態のジェットエンジン10Aによれば、騒音を低減させつつ燃費の向上を図ることが可能となる。
また、図11に示すように、ジェット噴流ノズル80の外壁面にプラズマアクチュエータ70を設置することによって、プラズマアクチュエータ70がジェット噴流ノズル80の開口面積を狭める要因となることを防止することができ、プラズマアクチュエータ70の経時劣化を遅らせることができる。
この場合、プラズマアクチュエータ及び騒音低減構造は、燃焼器から排出されるコア流を噴射するコアノズル及びバイパス流を噴射するバイパスノズルとのいずれかあるいは両方に設置される。
なお、コアノズルにプラズマアクチュエータ及び騒音低減構造を設ける場合には、上記実施形態のジェット噴流をコア流、外部流をバイパス流として捉えることによって、上記実施形態と同様の説明を行うことができる。
また、バイパスノズルにはプラズマアクチュエータ及び騒音低減構造を設ける場合には、上記実施形態のジェット噴流をバイパス流、外部流をバイパスノズルの外側の空気流れとして捉えることによって、上記実施形態と同様の説明を行うことができる。
つまり、本発明におけるジェット噴流は、バイパス流も含む概念である。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、一部の騒音低減構造に対応してプラズマアクチュエータを設置することも可能である。
Claims (5)
- ジェット噴流を外部に噴射するジェット噴流ノズルの噴射開口周りの壁面に騒音低減構造を有するジェットエンジンであって、
前記騒音低減構造の設置位置にプラズマアクチュエータを備えることを特徴とするジェットエンジン。 - 前記ジェット噴流ノズルは、前記騒音低減構造として前記噴射開口中心に向けて突出する突起部を複数備えるノッチノズルであることを特徴とする請求項1記載のジェットエンジン。
- 前記ジェット噴流ノズルは、前記騒音低減構造として、噴射開口を形成する縁部に形成された三角形状の切欠きを複数備えるシェブロンノズルであることを特徴とする請求項1記載のジェットエンジン。
- 前記プラズマアクチュエータは、前記ジェットエンジンで発生する余剰電力にて作動されることを特徴とする請求項1〜3いずれかに記載のジェットエンジン。
- 前記プラズマアクチュエータは、前記ジェットエンジンが搭載される航空機が停止状態から加速して巡航状態に至るまでの間のみ作動されることを特徴とする請求項1〜4いずれかに記載のジェットエンジン。
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