JP2012527567A - ジェット騒音を低減するための側方フィンを備えたパターンを有するターボ機械ノズルカウル - Google Patents

Abstract

本発明は、ターボ機械ノズル（１０）用の環状カウル（１４）であって、カウルの後縁（１４ａ）に延在し互いに円周方向に離隔するように設計された複数のパターン（２６）を含むカウルに関する。各パターンは、略多角形の輪郭を有し、カウルの後縁の一部によって形成される底辺（２６ａ）と、底辺から下流側に離隔し側辺（２６ｃ）によって底辺に接続される少なくとも１つの頂点（２６ｂ）とを有し、その側辺のそれぞれに、各パターンは少なくとも１つのフィン（２８）を含み、各フィンは半径方向に対して０°〜４５°の角度で傾斜した平面内でパターンに対して半径方向に傾斜する。

Description

本発明は、ターボ機械ノズルからの出口におけるジェット騒音低減の一般的な分野に関する。本発明は、特に、ジェット騒音を低減するパターンを備えるセパレートストリーム式のターボ機械ノズルのカウルに関する。

近年、ターボ機械の音響害にますます直面しているエンジン製造業者にとっては、騒音公害は大きな懸案事項になっている。ターボ機械の騒音源は多数あるが、ノズルからの出口におけるジェット騒音が航空機の離陸時の主要な騒音であることがわかっている。認証機関のターボ機械からの音放出に関する要求がますます厳しくなっているので、エンジン製造業者は、ターボ機械からの騒音の低減が求められており、特に、ノズルの出口におけるジェット騒音の低減が求められている。

一般に、ターボ機械のセパレートストリーム式ノズルは、ターボ機械の長手方向軸を中心とする一次カウルと、外側ストリーム（または低温ストリーム）が流れる第１の環状チャネルを画定するように一次カウルの周囲に同心円状に配置される二次カウルと、内側ストリーム（または高温ストリーム）が流れる第２の環状チャネルを画定するように一次カウル内部に同心円状に配置される中心体とを有し、一次カウルは二次カウルを越えて延在する。

このノズルの場合、ジェット騒音は、高温流と低温流との間および低温流とノズルを囲む外側空気との間の両方で生じる混合が原因である。この騒音は、広い周波数帯域を占める騒音であり、２つの種類の音源、つまり、２つのストリームの混合の小さな乱流構造による高周波騒音であり、基本的には、ノズルに近い時に認められる高周波騒音と、ジェットから離れた場所に見られる大きな渦構造による低周波騒音とによって生じる。

ジェット騒音を低減するために、使用される手段の１つは、ストリームの混合の効率を高めるものでなければならない。上述の目的を達成するために、カウルの後縁の周囲全体にわたって配置される複数の反復パターンを有する少なくとも１つのノズルカウルを備えることが知られている。このようなパターンをノズルのカウルの後縁に設置することで、ノズル近くで乱流（または渦）を形成して運動エネルギーを消散することでストリームの混合が達成され、その結果、騒音の主な原因である大きな渦の乱流強度を低減する。

例として、米国特許第６５３２７２９号明細書は、ノズルの一次カウルおよび二次カウルの後縁に、複数の三角形の反復パターン（シェブロンと呼ばれる）で、これらのパターンの両側を流れるストリームの混合を高める働きをするパターンを取り付けることを記載している。

このようなパターンは、特に、ジェット騒音の低周波成分を低減することでストリームの混合を高める働きをする。この低周波成分は、大きく低減される必要があるが、ノズルの効率が劣るのでターボ機械の性能を犠牲にして得られることになる。

米国特許第６５３２７２９号明細書

本発明の主な目的は、ジェット騒音低減のための特定の幾何学的形状のパターンを提案して、ジェット騒音をさらに低減する同時に、パターンのノズルの空気力学的性能への影響を抑えながら、上記の欠点を軽減することである。

上述の目的は、ターボ機械用ノズルの環状カウルで、カウルの後縁に延在し互いに円周方向に離隔した複数のパターンを含み、各パターンはカウルの後縁の一部によって形成される底辺と底辺から下流側に離隔して側辺によって底辺に接続される少なくとも１つの頂点とを有する略多角形の輪郭を有するカウルによって達成され、本発明によれば、各パターンは、それぞれの側辺に、少なくとも１つのフィンを含み、各フィンは、半径方向に対して０°〜４５°の角度で傾斜した平面内でパターンに対して半径方向に傾斜することによって達成される。

騒音低減のための多角形パターンの側辺にフィンがあることで、これらのパターンのカウルの両側を流れるストリームを混合する源である乱流を発生させる能力を高めることができる。三角形パターンに対して半径方向に傾斜したこれらのフィンは、ストリームの流れを巻き上げてストリームの混合を高める段階を形成する。

有利な条件では、各フィンは、パターンの底辺と頂点との間隔の少なくとも１５％に相当する間隔だけパターンの底辺から離隔したパターンの側辺に接続された上流側端部と、パターンの底辺と頂点との間隔の少なくとも１５％に相当する間隔だけパターンの頂点から離隔したパターンの側辺に接続する下流側端部とを有する。（三角形パターンの底辺および頂点に対する）フィンのこの特定の配置により、パターンからの出口におけるストリームの流れのための開口部が形成されて、それによりフィンの抗力を抑え、ひいてはノズルの空気力学的性能への影響を抑える。

別な有利な条件によれば、パターンの対応する側辺から最も遠い各フィンの端部は、パターンの底辺と頂点との間隔の少なくとも３０％に相当する間隔だけパターンから離隔される。

それぞれの多角形パターンは、略三角形の輪郭を有することができる。同様に、各フィンは、略三角形の輪郭を有し、パターンの側辺の一部により形成される底辺と、底辺から離隔され側辺によって底辺に接続される頂点とを有する。このような条件下で、各フィンの側辺は、有利には、頂点が丸い曲線輪郭を有する。

同様に、各パターンの側辺は、有利には、頂点が丸い曲線輪郭を有する。

一実施形態では、各パターンは、その側辺のそれぞれに、２つのフィンを含み、フィンの一方は、パターンに対して半径方向内側に傾斜し、他方はパターンに対して半径方向外側に傾斜している。

本発明はさらに、一次カウルおよび／または二次カウルが上述のカウルであるターボ機械ノズルを提供する。

本発明はさらに、上述の少なくとも１つのカウルを含むターボ機械を提供する。

本発明の他の特徴および利点は、限定的でない実施形態を示した添付図面を参照して考察された以下の説明から明らかになる。

本発明の一実施形態のカウルが取り付けられたターボ機械ノズルの斜視図である。 図１のカウルのジェット騒音低減パターンの拡大図である。 図２のパターンの側面図である。 図２のパターンの正面図である。 本発明の別の実施形態のカウルの騒音低減パターンの輪郭図である。 本発明の別の実施形態のカウルの騒音低減パターンの側面図である。

図１は、ターボ機械のセパレートストリーム式ノズル１０の高度に略示された斜視図である。

ノズル１０は、長手方向軸Ｘ−Ｘを中心とした軸方向に対称な形状であり、一般には、一次カウル１４と二次カウル１６と中心体１８とで形成され、これら３つ全てがノズルの長手方向軸Ｘ−Ｘを中心とする。

一次カウル１４は、略円筒状または円錐台形状であり、ノズルの長手方向軸Ｘ−Ｘに沿って延在する。中心体１８は、一次カウル１４の内側に同心円状に配置され、略円錐状部で終端する。

二次カウル１６もまた、略円筒状または円錐台形状で、一次カウル１４を囲撓すると同時に一次カウル１４と同心円状にあり、またノズルの長手方向軸Ｘ−Ｘに沿って延在する。一次カウル１４は、二次カウル１６を越えて長手方向下流側に延在する。

図１の実施形態では、ノズル１０の中心体１８は外部式である、すなわち、中心体１８が一次カウル１４の後縁１４ａを越えて長手方向に延在することがわかる。

しかしながら、本発明は、同様に一次カウルの後縁が中心体を完全に覆うように中心体を越えて長手方向に延在する内部式のセパレートストリームノズルにも適用できる。同様に、本発明は、二次カウルの後縁が一次カウルの後縁を越えて長手方向に延在する、いわゆる「混合ストリーム」ノズルにも適用できる。

このように定義されるセパレートストリーム式ノズルは、ノズルの二次カウル１６に係合し、一次カウル１４の所まで二次カウルの内部へと延在する支持パイロン２０によって、航空機翼（図示せず）の真下に固定される。

ノズル１０の要素の同心円状アセンブリによって、まず、一次カウル１４と二次カウル１６との間に、二次ストリームまたは低温ストリームと呼ばれるターボ機械からの空気流のための第１の環状チャネル２２を画定し、次に、一次カウル１４と中心体１８との間に、一次ストリームまたは高温ストリームとも呼ばれるターボ機械からの内部ガスストリームの流れのための第２の環状チャネル２４を画定することができる。

これら２つの環状チャネル２２、２４を流れる一次ストリームと二次ストリームとは、一次カウル１４の後縁１４ａで混ざり合う。同様に、二次ストリームは、二次カウル１６の後縁１６ａより上でノズルを取り巻いて流れる外気ストリームと混ざる。

ノズル１０の２つのカウル１４、１６のうちの少なくとも一方は、ノズルからの出口におけるジェット騒音を低減するための複数の反復パターン２６を有する。

図１の実施形態では、ジェット騒音低減パターン２６は、一次カウル１４に配置されている。しかしながら、ジェット騒音低減パターン２６は同様に、二次カウル１６にのみ配置されてもよいし、ノズルの一次カウルおよび二次カウルの両方に配置されてもよい。

ジェット騒音低減パターン２６は、一次カウル１４の後縁１４ａを引き延ばすように設計され、円周方向に互いに一定間隔離隔される。ジェット騒音低減パターン２６は、一次カウルの外周全体にわたって配置されてもよいし、その外周の一部にのみ配置されてもよい。

また、各パターンは、全体が略多角形の輪郭を有し、カウル１４の後縁１４ａの一部によって形成される底辺と、底辺から下流側に離隔され２つの側辺によって底辺に接続される少なくとも１つの頂点とを有する。

したがって、図１から図６の実施形態では、各パターン２６は、底辺２６ａと底辺２６ａから下流側に離隔され２つの側辺２６ｃによって底辺に接続された頂点２６ｂとを有する略三角形の輪郭を有する。

当然、パターン２６の輪郭は他の多角形も可能である。したがって、底辺と、側辺によって底辺に接続される２つの頂点とを有する台形の輪郭を有することができる。

図２で詳細に示されるように、各パターン２６の側辺２６ｃは、有利には、曲線輪郭を有し、好ましくは、その頂点２６ｂは丸い。

本発明によれば、騒音低減パターン２６のそれぞれは、その側辺２６ｃのそれぞれに、パターンに対して半径方向に傾斜した少なくとも１つのフィン２８を含む。

図３に示されるように、騒音低減パターン２６は、一次カウル１４を軸方向に引き延ばすように設計されるが、フィン２８は一次カウルの内側に向かって半径方向に傾斜している、すなわち、フィン２８は高温ストリームが流れる第２のチャネル２４に入り込む。当然、フィンも同様に一次カウルの外側に向かって半径方向に傾斜してもよい、すなわち、フィンは低温ストリームが流れる第１のチャネル２２に入り込んでもよい。

したがって、図４に示されるように、騒音低減パターンのフィン２８のそれぞれは、好ましくは、半径方向δに対して０°〜４５°の角度αで傾斜した平面Ｐ内に含まれる。したがって、フィン２８は、隆線（または突起角）に沿ってパターンの側辺に接続される。

騒音低減パターン２６のフィン２８は、いくつかの幾何学的特性を有する。特に、また有利には、各フィンは、パターンの底辺２６ａと頂点２６ｂとの間隔Ｄの少なくとも１５％に相当する間隔ｄ１だけパターンの底辺２６ａから離隔したパターンの対応する側辺２６ｃに接続する上流側端部３０ａと、パターンの底辺と頂点との間隔Ｄの少なくとも１５％に相当する間隔ｄ２だけパターンの頂点から離隔したパターンの側辺に接続する下流側端部３０ｂとを有する。

すなわち、騒音低減パターンの側辺２６ｃの幾何学的輪郭は、まず、パターンの底辺２６ａから始まり、間隔Ｄの少なくとも１５％に相当する間隔にわたって軸方向下流側に延在する領域と、次に、パターンの頂点２６ｂから始まり、同じ間隔Ｄの少なくとも１５％に相当する間隔にわたって軸方向上流側に延在する領域とでは変化がない。したがって、騒音低減パターンの側辺にフィン２８が存在することで、抗力が大幅に増加することはないので、ノズルの空気力学的性能への影響を抑えることができる。

好ましくは、各フィン２８自体は、略三角形の輪郭を有し、パターンの側辺２６ｃの一部によって形成される底辺２８ａと、底辺から離隔し側辺２８ｃによって底辺に接続される頂点２８ｂとを有する。このような条件下で、騒音低減パターン２６の輪郭に対して、フィンの側辺２８ｃは、有利には、それぞれ曲線輪郭を有し、好ましくは、各フィンの頂点２８ｂは丸い。当然、フィンは、他の幾何学的形状も可能である。。したがって、フィンは、代替として、長方形としてもよい。

本発明の別の有利な特徴によれば、パターン２６の対応する側辺２６ｃから最も遠い各フィン２８の端部（すなわち、フィンが三角形状である場合、フィンの頂点２８ｂ）は、パターンの底辺２６ａと頂点２６ｂとの間隔Ｄの少なくとも３０％に相当する間隔ｄ３だけパターンから離隔される。

図５、図６を参照して、ターボ機械ノズルのカウルの別の実施形態の騒音低減パターン２６’について説明する。

この騒音低減パターン２６’は、それぞれの側辺２６’ｃに２つのフィン２８’を有するという点で上述の形態とは異なり、２つのフィンは共にパターンに対して半径方向に傾斜している。

より詳細には、これらのフィン２８’の一方は、カウル１４の内側に向かって半径方向に傾斜し（すなわち、高温ストリームが流れる第２のチャネル２４に入り込み）、他方のフィンは同じカウルの外側に向かって半径方向に傾斜している（すなわち、低温ストリームが流れる第１のチャネル２２に入り込む）。

また、上述した他の実施形態のように、これらのフィン２８’は、騒音低減パターンの各側辺２６’ｃの幾何学的輪郭が、まず、各パターンの底辺２６’ａから始まり、間隔Ｄの少なくとも１５％に相当する間隔にわたって軸方向下流側に延在する領域と、次に、パターンの頂点２６’ｂから始まり、間隔Ｄの少なくとも１５％に相当する間隔にわたって軸方向上流側に延在する領域とでは変化しないように設計される。

最後に、他の実施形態を参照して説明した騒音低減パターンの利点は、同様にこの実施形態のパターンにもあてはまる。

Claims (9)

1. ターボ機械ノズル（１０）用の環状カウル（１４、１６）にして、前記カウルの後縁（１４ａ、１６ａ）に延在し互いに円周方向に離隔するように設計された複数のパターン（２６、２６’）を含み、各パターンがカウルの後縁の一部によって形成される底辺（２６ａ、２６’ａ）と底辺から最も遠く下流側に離隔した輪郭の点で２つの側辺（２６ｃ、２６’ｃ）によって底辺に接続される頂点（２６ｂ、２６’ｂ）とを有する略三角形の輪郭を有するカウルであって、各パターンが、それぞれの側辺に、少なくとも１つのフィン（２８、２８’）を含み、各フィンが、半径方向（δ）に対して０°〜４５°の角度で傾斜した平面（Ｐ）内でパターンに対して半径方向に傾斜することを特徴とするカウル。
2. 各フィンが、パターンの底辺と頂点との間隔（Ｄ）の少なくとも１５％に相当する間隔（ｄ１）だけパターンの底辺から離隔したパターンの側辺に接続される上流側端部（３０ａ）と、パターンの底辺と頂点との間隔（Ｄ）の少なくとも１５％に相当する間隔（ｄ２）だけパターンの頂点から離隔したパターンの側辺に接続する下流側端部（３０ｂ）とを有する、請求項１に記載のカウル。
3. パターン（２６、２６’）の対応する側辺（２６ｃ、２６’ｃ）から最も遠い各フィン（２８、２８’）の端部（２８ｂ）が、パターンの底辺と頂点との間隔（Ｄ）の少なくとも３０％に相当する間隔（ｄ３）だけパターンから離隔される、請求項１または２に記載のカウル。
4. 各フィン（２８、２８’）が、略三角形の輪郭を有し、パターン（２６、２６’）の側辺（２６ｃ、２６’ｃ）の一部によって形成される底辺（２８ａ）と、底辺から離隔し側辺（２８ｃ）によって底辺に接続される頂点（２８ｂ）とを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載のカウル。
5. 各フィン（２８、２８’）の側辺（２８ｃ）が、曲線輪郭を有し、その頂点（２８ｂ）が丸い、請求項４に記載のカウル。
6. 各パターン（２６、２６’）の側辺（２６ｃ、２６’ｃ）が、曲線輪郭を有し、その頂点（２６ｂ、２６’ｂ）が丸い、請求項１から５のいずれか一項に記載のカウル。
7. 各パターン（２６’）が、その側辺（２６’ｃ）のそれぞれに、２つのフィン（２８’）を含み、フィンの一方が、パターンに対して半径方向内側に傾斜し、他方のフィンがパターンに対して半径方向外側に傾斜している、請求項１から６のいずれか一項に記載のカウル。
8. ノズルの長手方向軸（Ｘ−Ｘ）に沿って配置される一次カウル（１４）と、一次カウル（１４）の周囲の同心円状に配置される二次カウル（１６）とを有するターボ機械ノズル（１０）であって、一次カウル（１４）および／または二次カウル（１６）が請求項１から７の記載のいずれか一項に記載のカウルであることを特徴とする、ノズル。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のカウル（１４、１６）を少なくとも１つ有するノズル（１０）を含む、ターボ機械。

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