JP3893173B2 - ターボファンエンジンの騒音低減方法及びミキサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスタービンエンジンのノイズ抑制システムに関し、より詳細には、ノイズ抑制のための、ローブ部即ち曲面を備えた突出部(lobe)を有する排気ミキサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェット航空機のエンジンの離着陸時に生成されるノイズは、重大な環境問題であり、世界の多くの地域で公的な問題となっている。ジェット航空機のエンジンは、多量の高速ガスを排気ノズルから排出す。多くの人々に不快感を与える高レベルの騒音の大部分は、高速ガスと周囲空気との間の剪断力が原因となっている。
【０００３】
上記騒音は、周囲環境に有害な衝撃を及ぼすことから、多くの国で、航空機に対して厳しい騒音低減基準を課している。米国では、連邦航空管理局（Federal Avitation Administration）によって、騒音低減が強く求められており、現在使用されている航空機にも厳しい動作制限が課せられる。これらの制限範囲は、罰金、航空機の運行制限から、航空機の運行禁止にまで至るものである。これらの制限によると、現在の商用航空路で用いられている、ある種の航空機は近い将来に運行不可能となることから、効率的で効果的な騒音減少という結果を出すことが必要とされている。この騒音低減システムに関する背景技術は、例えば米国特許第3,710,8904号、第4077,206号、第4,117,671号、第4,302,934号、第4,401,269号、第4,501,393号、第4,909,346号、第5,060,471号、第5,167,118号、第5,440875号等に記載されている。
【０００４】
音は、音源からの空気の圧力波によって生成される。生成される圧力レベルは、音の強度を決定し、この圧力レベルは適当な機器により測定可能である。聴取者が音に対して感じる騒がしさのレベルは、音の強度及び継続時間によって定まる。ターボファンエンジンの工業においては、人体に対するノイズの効果は、騒音強度のベル単位に基づいた実効知覚騒音強度レベル（ＥＰＮｄＢ：effective perceived noise intensity level）により表される。
【０００５】
概して、ターボファンエンジンにより生成されるジェットノイズの騒音源は、ファンまたはバイパスフロー、メインフローの二つが挙げられる。これら二つの音源は、エンジンの排気ノズルから軸流として流れ、有用なスラスト力を生成する同心成分となっている。
【０００６】
ターボファンエンジンは、バイパスフローのコアフローに対する比に基づいて、高バイパス比または低バイパス比のいずれかに分類される。空気は、ジットエンジンのフロントに流入する際に、ファンを通過してながれ、主フローとバイパスフローとに分離される。
【０００７】
主フローは、最初に低圧圧縮器に流入し、その後に高圧圧縮器に流入する。その後、空気は燃料と混合され、その混合物が燃焼されることによって、圧力及び温度が上昇して高圧タービン及び低圧タービンに流入し、エネルギーは、ファン及びコンプレッサを回すための仕事、及び排気として有用なスラスト力に変換される。
【０００８】
バイパスフローは、ファンによって生成され、エンジンのコアの外側をダクトを通じて流れ、有用なスラスト力として排出される。
【０００９】
通常、バイパス比が２以下のターボファンエンジンは、低バイパス比エンジンとして分類される。低バイパス比エンジンにおいては、コアフロー及びバイパスフローは、圧力はほぼ同じで、速度や温度は互いに異なる状態でエキゾーストに入る。ターボファンエンジンの特性として、騒音は、ファンとコアフローとの間の相対速度差が増加するにつれて増加し、この速度は、温度に比例する。バイパス比がほぼ２である通常のターボファンエンジンにおいては、所定の出力設定において、主ダクト内のフロー温度及び速度は、通常、それぞれ５０５℃及び２６２ｍ／ｓ程度であり、ファンダクト流温度及び速度は、同じ出力設定において、通常それぞれ１０５℃と１３５ｍ／ｓ程度である。
【００１０】
コアフローのジェット排気からのノイズは、コア及びファン排気ストリームの乱流混合によってエンジンの背後領域において生成され、また、高速ジェット排気も室温空気と混合される。ターボファン工業においては、経験則的に、二つの空気流を、これらがエキゾーストノズルを出る前に混合すると、知覚騒音レベルの低減に有益であることが知られている。バイパス比で定義されるように、低速で低温のファンフローの量は、高速で高温の主フローの量よりも多く、これら二つのフローを混合することで、混合空気の総合的な排気速度が低下し、従って、総合的な知覚騒音レベルも低下する。通常の低バイパス比ターボファンエンジンでは、二つのフローは、互いに混合を行わない限り、エンジンの排気ノズルから排出される際には、実質的に別個のフローとなっており、知覚騒音レベルは高いままとなる。通常、エンジンの排気ノズルから排気する前に、フローを均一化すると、混合フローの総合的な温度及び速度が低下し、従って、知覚騒音レベルが低下される。
【００１１】
エンジン内で強制混合を行うことの目的は、周囲空気との混合を行うに先立ってフローの総合的な速度を低下させ、周囲空気との排気ジット混合により生成される騒音を低減させることにある。強制混合を最適化するために、実験的に多くの手法が試験され、その結果、種々の幾何形状を有するミキサが提案されている。その一つとして、ローブ付きミキサが挙げられる。商用のローブ付きミキサのほとんどは、騒音が３．５〜４．５ＥＰＮｄＢに低減されている。１９６０年代初期から、米国特許３，０２７，７１０号に示されるように、低バイパス比ターボファンジェットエンジンの騒音を抑えるために、強制混合が行われている。
【００１２】
このような騒音低減のための強制混合では、いずれも、エンジンのタービン排気口付近で排気ノズルのすぐ上流に設けられたローブ付きミキサが用いられている。ローブ付きミキサは、通常、周方向に離間した多数のローブを有する。このローブの径方向高さは、軸方向下流側に向かって高くなっており、ローブ間にシュート即ち谷部が形成されるように配置されている。ファンからの空気は、ミキサ外表面のローブ間のシュートを通じて流れ、コアフローは、ミキサ内表面のローブ間に形成されるシュートを通じて流れる。これらシュート及びローブは、高温高速のコアフローを、該コアフローより多量の、低温低速のファンからの空気と混合するように作用する。従来のローブ付きミキサでは混合が不完全であり、ミキサの下流側には混合空気の多数の分離領域が生成されていた。分離領域の数は、ミキサ上のローブ数に等しく、これらの領域は、温度分布図と実質的に一致する。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
上記ローブ付きミキサの問題点は、各下流の上記領域内で温度が径方向に変化し、各ローブ位置の中心付近に局所的高温部が形成されることである。これら局所的高温部は、高温、高速のガスで形成されており、排気ダクト内の二つのストリームの混合が不完全なことが原因である。従来のローブ付きミキサでは、ローブ付きミキサの騒音低減装置としての効果を減少させずに上記高温点をなくすことは、事実上不可能であった。
【００１４】
強制混合は、Howaldらに付与された米国特許第３，０４８，３７６号等においてその他の目的に用いられている。Howald特許では、ミキサはファンフローとコアフローを混合したうえでガスをアフターバーナ内にいれ、これによってアフターバーナ内での燃焼効率を向上するために用いられている。この種の用途におけるミキサは、商用航空機における騒音減少のために用いられているミキサとは大きく異なる。
【００１５】
第一に、Howaldらは、ミキサをエンジンダクト内のアフターバーナの直前に配置し、排気ノズルの上流側とは相当の距離がある。また、ミキサは燃焼プロセスに組み込まれている。第二に、アフターバーナは、通常は、騒音レベルがあまり問題にされない軍用航空機に用いられる。第三に、Howaldらのミキサは、第二のローブがミキサの全長にわたって設けられて表面積が大きく増加しており、その結果商用においては許されないまでの圧力降下が生じている。最後に、ミキサがアフターバーナの上流側に設けられているので、混合されたガスには、実質的に燃料が含まれていてアフターバーナ内で着火され、さらにガスが加速されるので、最終的にエンジンの排気ノズルをでるときには、騒音レベルは非常に大きくなっている。何故なら、アフターバーナがないエンジンに比較して、アフターバーナを有するエンジンのガスは非常に高温で高速に流れ、従って、ミキサは騒音低減装置とはならないからである。
【００１６】
騒音低減化のための強制混合には必ずコストがかさむ。たいていの場合、騒音低減のために混合を促進すると、フロー損失が増加してしまい、その結果、効率が悪くなり、出力設定が同でも燃料効率が低下してしまう。例えば、商用航空機では、１％の効率低下が、最大２５海里（46.3km）の損失となり、運営コストの１．５％の上昇につながる。
【００１７】
ローブ付きミキサの目的は、二つのフローを最大限均一に混合したうえで、排気ノズルからの排出させる点にある。本業界における共通コンセプトは、ミキサのローブ数が増えると、混合ガスの均一性が増して、知覚ノイズが減少するということである。この技術では、排気ノズルの出口平面で、エンジン中心線の周囲に均一な混合を達成することを目的としている。しかし、ローブの数が増加すると、排気ノズルから排出するに先立って、ガスが流通する表面領域が増加する。この表面領域が増加すると、接触抵抗によって圧力損失が生じる。
【００１８】
その逆もまた真である。つまり、ミキサのローブ数が減少すると、圧力損失も小さく抑えられるが、混合時における均一性が失われて騒音低減効果は小さくなる。結局、従来は、効率的なローブ付きミキサの設計では、ローブ数の最適化を行うことで、騒音減少と圧力損失というトレードオフの関係の最適均衝点を求めていた。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、主に、実質的にターボファンエンジンの騒音レベルを低減するとともに、エンジン効率を落とすことのない、二重ローブ付きミキサに関する。本発明に係るミキサの主ローブは、従来のローブ付きミキサのものと同様の機能を有し、これら主ローブの間には主シュートが形成される。上記シュートは、ガスの流通管として作用し、低温、低速のファン空気がシュート内に流入して、高温高速のコア空気フローへと向けられ、均一で周方向に離間した混合空気領域が形成される。従来のローブ付きミキサで通常みられるように、上記形成された領域は、半径方向に向かって温度勾配を有する。本発明に係る補助ローブは、各主ローブ内に配置され、低温のファン空気を、混合された空気の各領域における最高温度部分へと導く補助シュートを形成する。その結果、混合された空気フローは、混合のレベルが高い状態で排出ノズルを出ることとなり、実質的に、総合的な速度が小さくなって騒音が低減される。
【００２０】
本発明に係る二重ローブ付きミキサは、最後の低タービンステージよりも後ろで、かつターボファンエンジンの後部に、従来の何らかの設置手法により設けられる。主ローブは、軸方向下流側に向かうにつれてその深さが増しており、かつ、ミキサの周方向に離間して配置されている。補助ローブの各ペアは、上記主ローブの径方向外側面を形成する。補助ローブは、主ローブの上流側端部の後方位置を始点として形成され、軸方向下流側に向かってのびるとともに、下流側に向かうにつれて深くなっている。
【００２１】
補助ローブは、その長さ及び深さが主ローブよりも小さく、その表面積は、主ローブの表面積よりも小さい。従って、補助ローブによる圧力損失は、主ローブによる圧力損失よりも小さい。補助ローブの高さ及び幾何形状によって、低温で定速のファンフローが、高温で高速のコアフローストリーム内の分離領域に向かう。本発明の実質的な効果は、排気ノズルからの排気に先立って、混合空気のピーク温度及び速度を低下させることで、空気の混合を促進する点にある。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１に、ナセル１を有するターボファンエンジンの後部端を示す。ナセル１の一部は省略されており、タービン２及び排出ノズル３が露出されるようになっている。通常、ターボファンエンジンでは、空気はエンジンの上流端から流入する。空気はジットエンジンの前部から流入し、ファンを通過して主フローとバイパスフローとに分離する。この点は、当業界での周知事項であり、図示は省略する。主フローは、最初に低圧コンプレッサに流入し、その後に高圧コンプレッサに流入する。空気はその後に燃料と混合され、この混合物は燃焼によりその圧力及び温度が増加して高圧タービン及び低圧タービンに流入し、そのエネルギーはファン及びコンプレッサを回転させるための仕事及び有用な排気のスラスト力に変換される。バイパスフローは、ファンによって生成され、ダクトを通じてエンジンのコアの外側を流通し、有用なスラスト力として排気される。二つのフローは、分離同心ストリームを形成し、エンジンのタービン排気エリアで再度一つの流れとなる。これら二つのフローは、排気ノズル３において、後述のように混合される。
【００２３】
図２は、ナセル１の部分断面図であり、本発明に係る二重ローブ付きミキサ７の、エンジンの中心軸を通る平面での断面が示される。ナセル１の内面はファンフロー４の境界を画定し、コアフロー６の境界を画定するプラグ５が示される。
【００２４】
ファンフロー４内のガス速度は、タービン内のコアフロー６の速度よりも非常に低い。上述したように、エンジンの後方でのこれら二つのストリームの乱流混合は、高速空気と周囲空気とのエンジン後方での混合とともに、ターボファンエンジンで生じる騒音の大きな原因となる。エンジンを出る前に二つのストリームを効率的に混合することで、ガスの総合的な速度が低下したうえで、ターボファンエンジンの排気ノズルからの排気がなされる。従って、ガスの総合的な速度が低下し、エンジンで発生する騒音の低減に効果的である。二つのフローストリームは、二重ローブ付きミキサ７で混合される。このミキサ７は、ファンフロー４の一部を中心方向に向け、コアフローの一部を外側に向ける。
【００２５】
図３の二重ローブ付きミキサ７は、中空のダクトであり、主ローブ、周方向に正弦曲線形状をなす本体、補助ローブ９、主シュート１０、補助シュート１１を形成している。各主ローブ８の径方向外方には、対をなす補助ローブ９が設けられている。各補助ローブ９の間には、補助シュート１１が形成される。主シュート１０及び補助シュート１１は、ともにファンフロー４を中心方向に向けて流すための管として作用し、各ローブの径方向内面は、コアフロー６を外側へと向けて、二つのフローが強制混合したうえで排気ノズル３から排出されるように作用する。図示される二重ローブ付きミキサ７には、主ローブ８が１６個形成されている。
【００２６】
二重ローブ付きミキサ７は、流れの分離及びそれに伴う圧力損失を防ぐ形状となっている。主ローブ８の高さ（参照符号１２で示す）及び幅（参照符号１３で示す）は、ともに軸方向下流側に向かうにつれて増加していく。主ローブ８の幅が増加していくことで、主シュート１０を流通するファンフロー４が加速され、従って圧力損失が最小限に抑えられる。
【００２７】
二つのフローストリームは、混合領域１４内で互いに混合し、相対的に周方向の速度が均一である混合領域１５を形成する。この混合領域１５の数は、ミキサの主ローブ８の数に等しい。従来のミキサにおけるローブは、図３に点線で示されており、この形状のローブは、各混合領域１５において、径方向における混合が不完全であり、局所的にコアフロー６が混合されない領域、即ち高温部１６が形成される。この高温部１６は、各混合領域１５中心付近に残されてしまう。
【００２８】
高温部１６は、一般に、主ローブ８の径方向外側の部分に発生し、従って、実用上可能な限界にまでに主ローブ８の数を増しても、高温部は小さくはなるが、その数も増加し、高温部をなくすことはできない。これら高温部におけるフローは、混合によりその速度が低速化されることはなく、コアフロー６のそのままの速度でエンジンから排出することとなり、従って騒音も大きくなる。
【００２９】
本発明の構成によれば、高温部１６の径方向及び周方向における位置が分析及び予測され、補助シュート１１が二つの補助ローブ９の間に配置されてファンフローのジェット流を、高温部の発生予測部位に向けて流す。この予測部位とは、補助シュート１１が設けられない場合における高温部の発生位置である。発生予測部位は、通常、各混合領域１５内での径方向外側に位置するので、補助ローブ９及び該ローブ間に形成される補助シュート１１は主ローブ８及び主シュート１０の高さ及び幅に近づくことはない。
【００３０】
以上のように、高温部１６の予測部位に対して向かうように、ファンフロー４を流す方向を意図的に決定したことで、混合が不完全な領域が発生することはなく、かつ、周方向及び径方向に速度が均一とされた混合領域を形成したうえで、エンジンからガスが排気されるようになる。二つのフローがより均一に混合される結果、エンジンで発生する騒音が大きく減少される。加えて、補助ローブ９及び補助シュート１１により増加する表面積は、主ローブ８及び主シュート１０の数を増加させた場合の表面積の増加量に比較して、非常に小さいので圧力損失も最低限に抑えられる。圧力損失を抑えて混合を促進することで、この二重ローブ付きミキサを、商用に耐え得る騒音抑制装置として用いることができる。
【００３１】
本発明はここに示し説明した実施形態に限定されるものではない。本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく種々の変形や修正が可能であることはいうまでもない。従って、本発明は、請求項によってのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る二重ローブ付きミキサの一部を示した、ターボファンエンジン説明図。
【図２】本発明に係る二重ローブ付きミキサの一部を示した、ターボファンエンジンの一部断面正面図。
【図３】図２の３−３断面図。
【符号の説明】
１…ナセル
２…タービン
３…排出ノズル
４…ファンフロー
５…プラグ
６…コアフロー
７…二重ローブ付きミキサ
８…主ローブ
９…補助ローブ
１０…主シュート
１１…補助シュート

Claims (4)

1. ターボファンエンジン内の同心の内側及び外側フローを混合するためのミキサ（７）であって、前記ミキサは、周方向に配置されて軸方向にのびる複数の主ローブ（８）を有し、各主ローブの径方向高さ（１２）は、下流側に向かうにつれて深くなり、前記主ローブにより、周方向に配置された複数の主シュート（１０）が画定されるものにおいて、
   各主ローブの径方向外側の周囲部分に形成された一対の補助ローブ（９）を有し、
   前記補助ローブの各々の径方向深さは、前記主ローブの径方向深さよりも浅く、
   前記補助ローブの各々は、前記主ローブの上流側端部の後方位置を始点として形成されており、
   前記一対の補助ローブの各々により、外側フローの一部を径方向に分離して内側フローに方向付ける補助シュート（１１）が画定されることを特徴とするミキサ。
2. 前記補助ローブ（９）の径方向最大深さは、前記主ローブ（８）の径方向最大深さの半分以下であることを特徴とする請求項１記載のミキサ。
3. 前記主ローブ（８）の設置数は１０〜２０であることを特徴とする請求項１記載のミキサ。
4. ターボファンエンジンの騒音を低減する方法において、前記エンジンは、長手方向に延びる中心軸と、前記エンジンを通流する内側および外側の流体流を導く同心の内側および外側の流路と、を備え、前記方法は、
   前記内側および外側の流体流を、円周方向に交互に並ぶ複数の内側および外側のセグメント領域に分割するステップであって、前記流体流の分割が、前記エンジン軸に沿った共通の位置において始まり、前記セグメント領域の半径方向の範囲が、下流側方向に向かって増大する分割ステップと、
   前記外側の流体流の付加的な部分を半径方向内側に分流させるステップであって、前記共通位置の軸方向下流側で、かつ各内側セグメント領域の周方向端部の中間位置において、前記付加的な部分が前記外側の流体流から分流される分流ステップと、
   前記付加的な部分が、高温部となる半径方向の特定位置に導かれるように、前記内側セグメント領域、前記外側セグメント領域および前記付加的な部分の流れを共通の流れとして混合するステップと、
   を含むターボファンエンジン騒音低減方法。

Images