JP2012502214A

JP2012502214A - 航空エンジンのファン用の試験装置

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Publication number: JP2012502214A
Application number: JP2011525480A
Authority: JP
Inventors: サンドステファン; アーラースエドムント; ヘイドーンカルステン; ダウムカルステン; シュタインボルンアンドレ; ホブソンイアン; リーペアクセル
Original assignee: アネコムエアロテストゲーエムベーハー
Priority date: 2008-09-09
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2012-01-26
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: EP2326822A2; JP5016141B2; WO2010028881A2; US20110219862A1; DE102008041916B3; ES2555541T3; CN102203401B; US8327698B2; RU2011108643A; RU2470281C2; EP2326822B1; CN102203401A; WO2010028881A3

Abstract

異なる設計のファンにおける、送風ダクト内に配置される内部コンポーネントと併せた音響的および空力的効果の調査を、異なるファン構成の現実に近づけ且つ構造的な経費をほとんど伴わずに行い、騒音放射を低減したエンジンを開発することを可能にすることを目的とする。
試験装置を、試験台の壁から突出し、試験対象のファンのための駆動シャフト１３を収容する定置の内側基本構造体（１、７から１１）と、ファンおよび取付け部品によって要求される性能データならびに空力的および音響的条件を判定するための、モジュール式遠隔測定ユニットに接続される交換可能な測定装置（３８から４０）に加え、接続された光学要素（３２、３３）を用いて互いに関して位置合わせできる可動式の交換可能な外部筐体モジュール（１８から２４）と、空気を導き騒音を低減するための交換可能な取付け部品（４１から４４、４８）とで構築することから成る。

Description

本発明は、航空エンジンのファン用の、音響的および空力的挙動および性能データを判定するための試験装置であって、試験台壁に端側で取り付けられ、ファンおよび該ファンに接続される駆動シャフトを受けるように意図される外側筐体と、測定手段とを含む、試験装置に関する。

航空エンジンの開発および製作における不可欠の目的は、騒音放射を低減するという目的である。エンジン推力の相当部分を発生するエンジンファンは、同時に、エンジンの主たる騒音源の１つであり、それ故、騒音放射の低減に向けた調査は、ファンおよびその動作の挙動ならびに音響効果に焦点が当てられる。ファンによって生み出される騒音は、まずファン筐体上の吸気口を介して、次にバイパスダクトの排気口を介して外へ放たれ、ファンの下流の送風ダクト内に配置される内部コンポーネント、特に案内翼、との相互作用によって生じ、ファンの下流で発生される騒音放射の大きな原因となる。

ファンから生じる騒音放射を確かめるための調査は通例、試験台の壁に固定して据え付けられ特定のファンに適合された外側筐体を有する試験装置を用いて実施される。駆動部に接続されるファン駆動シャフトは外側筐体上の複数の軸受けに支持される。この形式の試験設備は、支持構造体として設計される外側筐体であるために音響の調査が概ねファンの上流でしか実施できない場合、不利である。しかし、異なるエンジンファン構成の効果を送風ダクトの、ファンの上流に位置するその部分内で調査できるようにし、そこからエンジンの開発において騒音を低減する具体的な方策を導出できるようにするためにさえ大幅な改造の方策が必要となる。さらに多くの場合、例えば異なるエンジンのファンの場合、試験設備を全く新規に構築することまでも必要とる。そして、前記方策および構築は時間およびコストに関して高い経費を伴うものになる。流れの方向においてファンの下流に位置し支持構造体の役割を果たす外側筐体の送風ダクトは、エンジン内の実際の状況に対応するようには設計されておらず、従って音響の調査には適していない。しかし、一方、ファンの下流に位置する送風ダクト、ならびに前記送風ダクト内の内部コンポーネント、例えば案内翼ならびに音響および空力ライナ、の設計のような、通例のファンジェットエンジン内に実際に提供される設計は、これまでは無視されていたが、騒音放射を調査し低減するための重要な出発点となる。

本発明は、異なる設計のファンにおける、送風ダクト内に配置される内部コンポーネントと併せた音響的および空力的効果の調査を、異なるファン構成の現実に近づけ且つ構造的な経費をほとんど伴わずに行い、騒音放射を低減したエンジンを開発することを可能にする、航空エンジンのファン用の試験装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、前記目的は、請求項１の特徴に従って設計される試験装置によって達成される。本発明のさらなる特徴および好都合な改良が従属請求項の主題となっている。

本発明の基本コンセプトは、試験装置を、試験台壁から突出し試験対象のファンの駆動シャフトが搭載される定置の内側基本構造体と、接続された光学的手段によって互いに位置合わせさせることができる可動式且つ交換可能な外側筐体モジュール、空気を導き騒音を低減するための交換可能な内部コンポーネント、ならびにモジュール式設計の遠隔測定ユニットに接続され、性能データ、ならびにファンおよび内部コンポーネントによって生じる空力的および音響的挙動を判定するように意図された交換可能な測定手段とで設計することにある。これに基づいて形成された試験装置を用いれば、ファン、および送風ダクト内でファンの下流に位置する内部コンポーネントの構成によって影響を受けるさまざまなデータを、構造的に比較的少ない経費で検出することができ、さらに前記データから、騒音放射の低減、ファンおよび内部コンポーネントの最適な空力的構成ならびに性能の向上に関する結論を導き出すことができる。

調査中のファンの駆動シャフトをいずれの場合にも支持する定置の基本構造体は、試験台壁に締結される支持筐体であって、同心状に配置される３つの支持リングから成り、さらに２つの内側の支持リング上に突出するように保持されるとともに自由端が支持翼によって互いに接続され軸受構造体によって延在する外側および内側支持管を有する、支持筐体を含む。ファンの駆動シャフトは軸受を介して前記軸受構造体上に支持されるとともに内側支持管上に位置する軸受軌道輪上に支持される。

試験装置の可動式の交換可能な部分は、密閉して且つ解放可能に互いに接続される複数の外側筐体モジュールであって、ファンを取り囲むファン筐体モジュールと、測定要素が設けられた少なくとも１つの測定用筐体モジュールと、測定用筐体モジュールの間、あるいは測定用筐体モジュール、および支持筐体の、試験台壁に固定接続される外側支持リングの間に配置される送風ダクトモジュール群とから成る、外側筐体モジュールを含む。

交換可能な測定要素は、センサであって、測定用筐体モジュール内に配置される枢転可能なドラムに取り付けられ、好ましくはレーキ上に保持され、騒音放射および他の流れに関連するデータを検出するように意図される、センサである。ファンによって発生される空気流を分配し移送するために、ファン筐体モジュールに隣接する外側筐体モジュールには、バイパス空気流のための案内翼と、コア送風ダクトを形成するための、案内翼を有する２つの同心状に配置される管要素とが交換可能に取り付けられる。従って、案内翼は、ロータの搭載とは独立に外側筐体にのみ締結される非支持構造体となっている。

ファン筐体モジュールの、ファンの下流に位置するその部分内、および隣接するバイパス送風ダクト内に（第２の測定用筐体モジュールの、マイクロホンが備えられるその部分を除き）音響または空力ライナを交換可能に配置することができる。ライナは、擾乱のない空気流が確保にされるように互いに連結される半シェルの形態で設計されるのが望ましい。この形式のライナが、ファン筐体モジュールの内周表面上の、ファンの上流側にも設けられることができる。

可動式外側筐体モジュールの正確な同心状配置および位置合わせを確実にするために、ファン筐体モジュール、ならびにファンと支持筐体との間に配置される測定用筐体モジュール群は、レール内で変位可能に配置される軸受柱上にＸ、ＹおよびＺ方向に調節可能に締結される。ここで、調節可能な外側筐体モジュールの精密な同軸位置合わせは、ファン筐体モジュールに締結された精密望遠鏡群、ならびに測定用筐体モジュールの前方および後方フランジおよび定置の支持筐体に取り付けられた光学レンズ群を用いて行われる。光学レンズ群および精密望遠鏡群は、２つ１組で互いに対して或る角度ずらして取り付けられるのが望ましい。

温度によって生じる軸方向および径方向の膨張を補償するために、測定用筐体モジュールに隣接する送風ダクトモジュールは、ばねの元応力によって伸長するシール要素を有する摺動台座内に搭載される。

本発明は、異なる設計のファンにおける、送風ダクト内に配置される内部コンポーネントと併せた音響的および空力的効果の調査を、異なるファン構成の現実に近づけ且つ構造的な経費をほとんど伴わずに行い、騒音放射を低減したエンジンを開発することを可能にする、という優れた効果を有する。

本発明の実施形態に係るエンジンファン用の試験装置の部分的に断面で再現された概略図である。

図面を参照しながら本発明の例示的実施形態がより詳細に説明される。図は１つであるが、これは、モジュール式に設計された、エンジンファン用の試験装置の部分的に断面で再現された概略図を示している。

試験装置はまず、試験台の垂直壁上に保持される基本構造体であって、音響および空力測定、ならびにファンの下流に位置する送風ダクトにおける性能の検出にはほとんど重要性を持たず、さらに、異なる試験条件下でファンを試験する場合でも、および同様にファンの異なる構成の場合でも実質的に不変のままである、基本構造体から成る。前記定置の基本構造体は、リブ２を介して接続される同心状に配置された３つの支持リング３から５から成る支持筐体１を含み、外側の支持リング３を介して垂直試験台壁６に固定接続される。中央の支持リング４には外側支持管７が締結され、内側の支持リング５には内側支持管８が締結される。外側および内側支持管７、８は、多数の支持翼９、および内側支持管８に隣接する軸受軌道輪１０を介して自由端側で互いに接続される。内側支持管８の内周には前方および後方領域においてそれぞれの軸受軌道輪１１が取り付けられている。軸受１２内に支持され、ファンホイール１４に解放可能に接続されるとともに後端において駆動部（不図示）に接続される駆動シャフト１３が上述の支持構造体内に同心状に配置される。

ファンホイール１４は、それに締結されるファン翼１５、および吸込コーン１６とともに、試験装置の可動式または交換可能な構造体の一部であるファン１７を形成しており、ファンの下流に隣接する送風ダクト、特にバイパス送風ダクト４５およびそれに配される内部コンポーネント、と併せてファン１７の音響的および空力的挙動が試験される。

試験装置の交換可能な部分は、試験対象のファンにいずれの場合にも対応するとともに、要求される異なる試験条件にいずれの場合にも対応するように設計され、従って、基本構造体が不変であるおかげで、異なるファン構成を或る条件の下で比較的少ない経費で試験することができる。試験装置の前記個々に設計される部分は、シール要素２７、５０を介して互いに密閉接続される複数の可動式外側筐体モジュールであって、（送風の方向に軸方向に１列に配置される）ファン１７の領域内に配置されるファン筐体モジュール１８、ファンに隣接する送風ダクトの案内翼領域内に配置される第１の測定用筐体モジュール１９、第１から第３の連続した、円錐状に広がる送風ダクトモジュール２０、２１および２２、第２の測定用筐体モジュール２３ならびに第４の円錐状に広がる送風ダクトモジュール２４を含む、可動式外側筐体モジュールから成る。ファン筐体モジュール１８ならびに第１の測定用筐体モジュール１９および第２の測定用筐体モジュール２３は、支持筐体１に一体的に接続されるガイドレール２６内の軸方向に変位可能に保持される軸受柱２５上に（Ｘ、ＹおよびＺ方向に調節可能に）保持される。第１から第３の送風ダクトモジュール２０から２２は、互いにおよび第１の測定用筐体モジュール１９に螺合される。第４の送風ダクトモジュール２４は、試験台の壁６上に固定して据え付けられて定置の外側筐体セクションを形成する支持筐体１に螺合され、シール要素２７（Ｏリング）によって前記支持筐体から密閉される。膨張を補償するために（補償は温度変動のために必要となる）、第３および第４の送風ダクトモジュール２２および２４が、摺動台座および台座ならびに専用のシール要素５０を介して第２の測定用筐体モジュール２３上に浮動的に搭載される。シール要素５０は断面がＣ形状のシールリング５０ａであり、シールリング５０ａは、その内部に配置さればねのプレストレスのために伸長する渦巻ばね５０ｂを有しており、それ故、シールリング５０ａは、温度により生じる外側筐体の径方向の膨張に追随することができる。

第１の測定用筐体モジュール１９および第２の測定用筐体モジュール２３は各々前方および後方フランジ２８から３１を有し、それらの上方外縁部にはそれぞれ、互いに対して１２０°角度がずらされ照準線を各々有する１対の光学レンズ３２が配設されている。フランジ５１でファン筐体モジュール１８に締結された精密望遠鏡３３の正反対側の定置の支持筐体１の同じ位置に２つのさらなる光学レンズ３２が取り付けられている。（精密望遠鏡および光学レンズの１２０°ずれた配置は図面に示されていない。）支持筐体１上に設けられた精密望遠鏡３３および光学レンズ３２の助けにより、まず、軸受柱２５上でＸ、ＹおよびＺ方向に調節可能なファン筐体モジュール１８が中心軸３４および駆動シャフト１３に関して同心状に位置合わせされる。続いて、軸受柱２５上に保持されて調節可能であり、光学レンズ３２が取り付けられた他の外側筐体モジュールも光軸３５に沿って同軸上に位置合わせされ、従って、試験装置の交換可能な部分は試験装置の定置の基本構造体に関して同心状に高精度で位置合わせされる。

第１の測定用筐体モジュール１９および第２の測定用筐体モジュール２３は、音響放射を測定するために音響放射測定用マイクロホンを備えたレーキ３８、３９が交換可能に取り付けられたそれぞれの枢転可能なドラム３６、３７を有する。さらなるマイクロホン４０が測定用筐体モジュール２３の枢転可能なドラム３７に締結されている。

第１の測定用筐体モジュール１９上には第１および第２のコア送風案内翼４２を介して外側および内側管要素４３、４４に接続されるバイパス送風案内翼４１が保持されており、それによって、ファン１７の下流に位置する送風ダクトは、バイパス送風ダクト４５（外側筐体と外側管要素４３および外側支持管７とによって境界が定められる）と、外側および内側管要素４３、４４によってならびに支持管７、８によって形成されるコア送風ダクト４６とに分けられる。外側および内側管要素４３、４４は、軸方向および径方向の間隙にシールリング４７を介して、支持翼９に接続された軸受構造体１０上に密閉して且つ解放可能に保持され、（バイパス送風およびコア送風案内翼４１、４２とともに）特定の用途のために設計される可動式の交換可能な試験装置コンポーネントを形成する。つまり、バイパス送風およびコア送風案内翼４１、４２は、定置の基本構造体および駆動シャフト１３とは独立に外側筐体上にのみ保持され、自由に構成および交換されることができる。

さらに、異なる使用状態のために交換可能な可変コンポーネントが、バイパス送風ダクト４５内に配置される音響ライナ４８である。音響ライナの代わりにまたはそれと組み合わせて、空力的調査のために空力ライナが設けられることもできる。モジュール式に設計される外側筐体のおかげで、これらのコンポーネントも比較的少ない経費で交換されることができる。音響ライナ４８は半シェルの形態のライナセグメント群から成り、円周方向および流れ方向に連続し互いに対して面一に配置されるライナセグメントは、ピンおよびソケットの組み合わせ（不図示）によって互いに接続される。このおかげで音響ライナ４８の迅速且つ簡単な取り替えが可能となり、音響ライナの表面上に存在する欠陥は、ライナセグメントの間に軸方向に延びる、周縁の接合継ぎ目に限られる。本実施形態では、ライナセグメントはバイパス送風ダクト４５の外周に接着結合され、その内周上にアダプタ要素４９を介して支持されている。ファン筐体モジュール１８の内周面上にも、ファン１７の上流および下流において、交換可能なライナセグメント群で形成される音響ライナ４８が設けられている。

バイパス送風ダクト４５内で検出される測定値は、モジュール式（差込み式）システムとして同様に設計される遠隔測定ユニット（不図示）を用いて伝送される。

ファン１７を駆動する駆動シャフト１３を支持する定置の基本構造体と、交換可能な内部コンポーネントを有する可動式の外側筐体モジュールとでモジュール式に形成される上述の試験装置を用いれば、ファンと、ファンの下流に存在する送風ダクトの構造とに関連する性能および音響放射に関する調査が、構造的に比較的少ない経費で、すなわち構造を変更するだけで可能となる。内部コンポーネントを取り替えること、ならびに軸受柱上でＸ、ＹおよびＺ方向に調節でき光学系によって互いに対して精密に配向させることができる外側筐体モジュールを再組み立てすることの方が、新規に構築することに比べれば伴う時間的な経費が比較的少なくてすむ。同様に、外側筐体モジュールを、新規に製作された外側筐体モジュールと交換する方が、試験装置を全面的に改造するよりも伴う経費が大幅に少なくてすむ。

１支持筐体
２１のリブ
３１の支持リング
４１の支持リング
５１の支持リング
６試験台壁
７外側支持管
８内側支持管
９支持翼
１０軸受構造体
１１軸受軌道輪
１２軸受
１３駆動シャフト
１４ファンホイール
１５ファン翼
１６吸込コーン
１７ファン
１８ファン筐体モジュール
１９第１の測定用筐体モジュール
２０第１の送風ダクトモジュール
２１第２の送風ダクトモジュール
２２第３の送風ダクトモジュール
２３第２の測定用筐体モジュール
２４第４の送風ダクトモジュール
２５軸受柱
２６ガイドレール
２７シール要素
２８１９の前方フランジ
２９１９の後方フランジ
３０２３の前方フランジ
３１２３の後方フランジ
３２光学レンズ
３３精密望遠鏡
３４中心軸
３５光軸
３６枢転可能なドラム
３７枢転可能なドラム
３８レーキ
３９レーキ
４０マイクロホン
４１バイパス送風案内翼
４２コア送風案内翼
４３外側管要素
４４内側管要素
４５バイパス送風ダクト
４６コア送風ダクト
４７シールリング
４８音響ライナ
４９アダプタ要素
５０専用シール要素
５０ａＣ形状のシールリング
５０ｂ渦巻きばね
５１１８のフランジ

Claims

航空エンジンのファン用の、音響的および空力的挙動および性能データを判定するための試験装置であって、前記試験装置は、試験台壁（６）に端側で取り付けられ前記ファン（１７）および該ファンに接続される駆動シャフト（１３）を受けるように意図される外側筐体を含む、試験装置であって、
前記試験台壁（６）上に保持される片持ち梁支持体として設計され、前記駆動シャフト（１３）を支持するように意図される定置の内側基本構造体（１、７から１１）と、
解放可能に且つ密閉して互いに接続される複数の可動式且つ交換可能な外側筐体モジュール（１８から２４）であって、前記外側筐体モジュール（１８から２４）のうちのいくつかが床上に支持され、前記外側筐体モジュール（１８から２４）がＸ、ＹおよびＺ方向に調節可能であり光学装置を用いて互いに対して同軸上に位置合わせさせることができる、外側筐体モジュール（１８から２４）と、
前記外側筐体モジュールの内部に交換可能に配置される内部コンポーネント（４１から４４）であって、前記ファン（１７）によって発生される空気流をバイパスおよびコア送風ダクト（４５、４６）に移送するように意図され、前記バイパス送風ダクト（４５）の音響および／または空力ライナ（４８）として意図される内部コンポーネント（４１から４４）と、
前記バイパス送風ダクト（４５）内に交換可能に配置され、モジュール式設計の遠隔測定ユニットに接続される測定装置（３８から４０）と、
によって特徴付けられる試験装置。
前記定置の基本構造体は、
支持筐体（１）であって、３つの同心状に配置される支持リング（３から５）から成り、前記試験台壁（６）に締結され、さらに前記支持筐体の前記内側の支持リング（４、５）から突出する外側支持管（７）および内側支持管（８）を有する、支持筐体（１）と、
軸受構造体（１０）および軸受軌道輪（１１）さらに軸受（１２）を介して前記内側支持管（８）上に支持される前記駆動シャフト（１３）と
を含み、前記支持管（７、８）の自由端は支持翼（９）を介して互いにおよび前記軸受構造体（１０）に接続され、さらに前記支持筐体（１）の前記外側の支持リング（３）は前記外側筐体の定置部分を形成することを特徴とする、請求項１に記載の試験装置。
前記外側筐体の前記可動部分が、ファン筐体モジュール（１８）と、下流に隣接する前記内部コンポーネントと併せて前記ファン（１７）の前記音響的および空力的挙動および前記性能を検出するための測定手段が設けられる、少なくとも１つの測定用筐体モジュール（１９、２３）とを含み、前記測定用筐体モジュール（１９、２３）は軸受柱（２５）にＸ、ＹおよびＺ方向に調節可能に締結され、さらに、前記測定用筐体モジュール（１９、２３）と前記支持筐体（１）との間において前記ファンに直接締結される送風ダクトモジュール（２０から２２、２４）も含み、膨張を補償するために少なくとも１つの送風ダクトモジュールは摺動台座内に密閉して搭載されることを特徴とする、請求項１に記載の試験装置。
前記軸受柱（２５）が、前記試験台の前記支持躯体（１）に一体的に取り付けられるガイドレール（２６）内に変位可能に配置されることを特徴とする、請求項３に記載の試験装置。
前記ファン筐体モジュール（１８）に隣接する第１の測定用筐体モジュール（１９）によって、ならびに前記測定用筐体モジュール群の間に配置される第１から第３の送風ダクトモジュール（２０から２２）、および前記第２の測定用筐体モジュール（２３）と前記支持筐体（１）との間に配置される第４の送風ダクトモジュール（２４）を有する第２の測定用筐体モジュール（２３）によって特徴付けられ、ただし、前記第３および第４の送風ダクトモジュール（２３、２４）は、膨張を補償するために、内部渦巻きばね（５０ｂ）を有するＣ形状のシールリング（５０ａ）を介して密閉される摺動台座内で前記第２の測定用筐体モジュール（２３）上に保持される、請求項３に記載の試験装置。
前記測定用筐体モジュール（１９、２３）上のフランジ群（２８から３１）の間に各々枢支されることができるドラム（３６、３７）に、前記ドラムに交換可能に取り付けられるとともにセンサが備えられたレーキ（３８、３９）およびマイクロホン（４０）が設けられることを特徴とする、請求項３に記載の試験装置。
前記外側筐体の内部に配置される前記内部コンポーネントが、バイパス送風案内翼（４１）を含み、前記バイパス送風案内翼は、前記第１の測定用筐体モジュール（１９）上に保持され、外側管要素（４３）に接続され、コア送風案内翼（４２）を介して内側管要素（４４）に接続され、前記バイパス送風案内翼（４１）および前記コア送風案内翼（４２）は前記ロータの搭載とは独立に前記外側筐体にのみ取り付けられる非支持構造体であることを特徴とする、請求項１に記載の試験装置。
前記支持翼（９）上および前記軸受構造体（１０）上に支持される前記管要素（４３、４４）が、前記定置の基本構造体の前記支持管（７、８）とともにコア送風ダクト（４６）を形成し、さらに、前記外側の管要素（４３）および前記隣接する外側の支持管（７）を一方とし、前記測定用筐体モジュール（１９、２３）、前記送風ダクトモジュール（２０から２２、２４）および前記支持筐体（１）の内側表面を他方とし、それら両方の間にバイパス送風ダクト（４５）が形成されることを特徴とする、請求項７に記載の試験装置。
前記音響および／または空力ライナ（４８）が、前記バイパス送風ダクト（４５）の内周および外周上に配設されるライナセグメント群から成り、前記ライナセグメント群は、半シェルの形態とされ、互いに対して面一に接合されるように互いに接続されることを特徴とする、請求項１に記載の試験装置。
前記音響および／または空力ライナ（４８）のための前記ライナセグメント群が前記ファン（１７）の上流および下流で前記ファン筐体モジュール（１８）の内側表面に取り付けられることを特徴とする、請求項９に記載の試験装置。
前記ファン筐体モジュール（１８）の外周に２台の精密望遠鏡（３３）が取り付けられ、前記精密望遠鏡は、中心軸（３４）に平行なそれぞれの光軸（３５）を調節するために互いに対して或る角度ずらされ、前記支持筐体（１）の同じ位置に取り付けられる光学レンズ（３２）と各々位置合わせされることと、前記測定用筐体モジュール（１９、２３）を前記光軸（３５）に沿って位置合わせできるようにするために、円周方向に同角度ずらされた２枚の光学レンズ（３２）が各々同様に、床側で前記軸受柱（２５）上に調節可能に支持される前記測定用筐体モジュール（１９、２３）の前記前方および後方フランジ（２８、２９、３０、３１）に取り付けられることと、を特徴とする、請求項１に記載の試験装置。