JP4159519B2 - タービンエンジンの噴射ノイズの軽減装置 - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンに装備されるノズルの一般的分野に関するものである。本発明は、とりわけ、特に航空機の離陸段階において、航空機のタービンエンジンから分離された流束用ノズルの出口に生じる噴射ノイズを軽減することを対象とするものである。

民間航空機のタービンエンジンに装備されるノズルは、一般に、一次フードで囲まれた中央ボディで構成され、一次フードと中央ボディとの間に、一次流束の流出のための一次環状通路が形成される。また、二次フードが一次フードを取り囲み、二次流束の流出のための二次環状通路を形成する。ノズルのこれらエレメントのアセンブリは、一般に、軸対称の形状を有する。

本発明は、特に、一次および二次流束の噴射速度が遷音速となる（すなわちおよそ０．９マッハ）離陸段階中に、航空力学的性能が低下することなく、これらノズルの出口で噴射ノイズを軽減することができる装置を対象とする。

ノズルの出口で生じた噴射ノイズを軽減するためには、タービンエンジンから出る一次流束と二次流束との混合を促進する方法が知られている。たとえば、これら流束の混合を促進することができるように、一次流束と二次流束との間の径方向せん断（ｃｉｓａｉｌｌｅｍｅｎｔ ｒａｄｉａｌ）を得ることができる、ローブ（ｌｏｂｅ）をノズルの一次フードに備える方法がすでに提案されている。しかしながら、このローブ付きノズルタイプは、噴射ノイズの軽減に対してはほとんど効果がなく、流束の流出の遷音速の速度には適応しない。というのも、このような速度にとってはローブの勾配が大きすぎるので、流束が剥離してしまい、ノズルの航空力学的性能が低下するからである。

さらに、一次流束と二次流束との混合を促進するように山形部（ｃｈｅｖｒｏｎ）をノズルのフードに備える構成の欧州特許出願公開第１，１６０，４３９号が知られている。噴射ノイズは減少するものの、山形部の取付けもまた、ノズルの航空力学的性能を低下させる傾向がある。
欧州特許出願公開第１，１６０，４３９号明細書

したがって、本発明は、特に流束の流出遷速度において、噴射ノイズを著しく軽減することができ、それにもかかわらず、ノズルの航空力学的性能を低下させることはない、タービンエンジンのノズルのための装置を提案することによって、このような不都合を解消することを目的とする。

そのために、タービンエンジンの噴射ノイズ軽減装置であって、タービンエンジンは、長手軸を有し、ほぼ円筒形のノズルを備え、このノズルは、タービンエンジンの長手軸に沿って延在し、ノズルの内側および外側の気体の流束を混合するための下流端を有し、その装置は、ノズルの下流端の延長部分に配置された複数の波状部分（ｏｎｄｕｌａｔｉｏｎ）と、前記複数の波状部分の連続する２つの波状部分の間に配置された複数の切欠き部分（ｅｃｈａｎｃｒｕｒｅ）とを有し、複数の波状部分と複数の切欠き部分は、気体の流束間の二重反転効果（ｄｏｕｂｌｅ ｅｆｆｅｔ ｃｏｎｔｒａｒｏｔａｔｉｆ）を発生できるように、タービンエンジンの長手軸を通る少なくとも１つの放射平面に対して対称であることを特徴とする装置が提供される。

ねじれていると同時に三次元的であり、二重反転効果を有する波状部分の特殊な幾何形状によって、流束間の混合を増大させながら、航空力学的性能の低下なく噴射ノイズを効果的に軽減させることができる。というのも、この幾何形状によって、流束間の混合を増大させるように、径方向せん断に付加される、流束間の接線方向のせん断を生じさせることができるからである。

本発明はまた、ノズルの長手軸に沿って延在する一次フードを備えるタービンエンジンのノズルであって、前記一次フードの内側に同心的に配置した中央ボディと、一次フードを同心的に取り囲む二次フードとを備えるノズルを対象とし、そのノズルにおいては、一次フードおよび／または二次フードが、噴射ノイズの軽減装置を備える。

限定的な特徴を排した実施形態を示す添付の図面を参照して、以下に説明することで、本発明の他の特徴および利点が明らかになるだろう。

図１Ａは、本発明による噴射ノイズ軽減装置１２を備えたタービンエンジンのノズル１０を示す斜視図である。タービンエンジンの長手軸Ｘ−Ｘに対する軸対称形のノズル１０は、通常、一次フード１４、二次フード１６、および中央ボディ１８で形成される。ほぼ円筒形または円錐台形の一次フード１４は、長手軸Ｘ−Ｘに沿って延在する。中央ボディ１８は、一次フード１４の内側に同心的に配置され、ほぼ円錐形部分で終端する。

図１では、一次フード１４の下流端１４ａは、中央ボディ１８の円錐形部分を越えて延在する。同様にほぼ円筒形または円錐台形の二次フード１６は、同心的に一次フード１４を取り囲む。このように画定されたノズルは、サポートパイロン２０を介して航空機の翼（図示せず）の下に固定される。

ノズル１０のエレメントを同心的に組み立てることで、一方では、一次フード１４と中央ボディ１８との間で、タービンエンジンから出される気体流束（一次流束と呼ばれる）の流出のための第１の環状通路２２と、他方では、一次フード１４と二次フード１６との間で、タービンエンジンから出されるエア（二次流束と呼ばれる）の流出のための第２の環状通路２４とを画定することができる。これら２本の環状通路２２、２４から流れ出る気体流束は、一次フード１４の下流端１４ａにおいて、互いに混合される。

図１Ａでは、ノズル１０の中央ボディ１８が内部タイプであり、すなわち一次フード１４の下流端１４ａが、中央ボディの後縁を越えて縦方向に延在する。しかしながら、本発明による噴射ノイズ軽減装置は、中央ボディの後縁が一次フードの下流端を越えて延在する外部タイプノズルに適用することもできる。

本発明によれば、ノズル１０は、一次フード１４の下流端１４ａの延長部分に配置されている複数の波状部分２６と、タービンエンジンから出された一次流束および二次流束間の径方向せん断（ｃｉｓａｉｌｌｅｍｅｎｔ ｒａｄｉａｌ）と接線方向せん断（ｃｉｓａｉｌｌｅｍｅｎｔ ｔａｎｇｅｎｔｉｅｌ）を生じさせるように、複数の波状部分の連続する２つの波状部分の間に配置された複数の切欠き部分２８とで形成された、噴射ノイズ軽減装置１２を有する（図１Ｂ）。

一次フード１４の下流端１４ａに形成された波状部分２６は、タービンエンジンの長手軸Ｘ−Ｘに沿って延在する。図１Ｂに示した実施形態においては、波状部分は、一次フードの下流端１４ａに対して内側および外側に向かって径方向に延在するように、上流端と下流端との間で各々、ねじれる。切欠き部分２８は、連続する２つの波状部分２６間でほぼ縦方向に延在する切込み部または切断部の形をとる。

このようにして、波状部分２６と切欠き部分２８は、流束間の混合を増大させ、その結果、噴射ノイズを軽減できるように、一次流束と二次流束との間の径方向せん断と接線方向せん断の発生を可能にする。径方向せん断とは、一次フードのほぼ円筒形の形状に対して径方向に沿って行われるせん断を意味しなければならない。同様に、接線方向のせん断とは、一次フードのほぼ円筒形の形状に対して接線方向に沿って作用するせん断を意味しなければならない。

図２Ａは、この径方向および接線方向のせん断現象をはっきりと表している。この図では、ノズルの一次フード１４に適用された本発明による噴射ノイズ軽減装置１２の波状部分２６と切欠き部分２８が示されている。実線の矢印は、波状部分２６および切欠き部分２８の近傍に置かれた装置の内部流束の流出方向を示しており、点線の矢印は、これら同じ波状部分および切欠き部分の近傍における装置の外部流束の流出方向を概略的に示している。

波状部分２６のレベルで、波状部分の近傍を流出する内部流束は、外部流束と混合されるために、径方向（矢印Ｆ１）に沿ってと同時に、接線方向（矢印Ｆ２）に沿って、誘導される。内部流束の流出の径方向または接線方向は、波状部分が、一次フード１４に対して外側に向かって径方向にねじれているという事実によるものである。

同様に、切欠き部分２８のレベルで、切欠き部分の近傍を流出する外部流束は、内部流束と混合されるために、径方向（矢印Ｆ３）に沿ってと同時に、接線方向（矢印Ｆ４）に沿って、誘導される。このようにして、内部流束と外部流束との間の一次フードの下流端で、矢印Ｆ１とＦ３によって概略化された流出間の径方向せん断と、矢印Ｆ２とＦ４によって概略化された流出間の接線方向のせん断が行われる。

本発明の有利な特徴によれば、噴射のノイズ軽減装置１２の複数の波状部分２６および複数の切欠き部分２８は、噴射ノイズの軽減装置の内側と外側の流束間で二重の反転効果を発生させるように、タービンエンジンの長手軸Ｘ−Ｘを通る少なくとも１つの放射平面に対して対称である。

このようにして、図２Ｂにおいて、一次フードの波状部分２６と切欠き部分２８は、放射平面Ｙ−Ｙに対して対称である。こうした対称は、結果的に、内部および外部流束間の二重反転効果を発生させることができる。

実際に、放射平面Ｙ−Ｙの「左側」に位置する装置１２の部分に関しては、内部流束は、矢印３２ａによって図示されている方向において外部流束に混合される。この混合方向は、内部流束のために、時計の針の回転とは反対方向に全体的な回転Ｆ５をつくりだす。同様に、外部流束は、矢印３４ａで表された方向において内部流束に混合される。この混合方向は、外部流束のために、時計の針の回転と同じ方向に全体的な回転Ｆ６をつくりだす。したがって、噴射ノイズ軽減装置１２のこの左側半分では、内部および外部流束は反転型となる。

装置のもう一方の部分に関しては、内部流束は、矢印３２ｂによって示されている方向において外部流束に混合される。この混合方向は、内部流束のために、時計の針の回転方向に全体的な回転Ｆ７をつくりだす。外部流束に関しては、矢印３４ｂの方向で内部流束に混合される。この混合方向は、内部流束のために、時計の針の回転の逆方向、換言すれば内部流束の回転Ｆ７と逆方向に全体的な回転Ｆ８をつくりだす。噴射ノイズ軽減装置１２の第２の半分においては、内部流束と外部流束との間のこれらの逆転方向は、第２の反転効果を構成する。

さらに、噴射ノイズ軽減装置の波状部分と切欠き部分は、内部流束と外部流束との間の二重反転効果を倍増させるように、ノズルの長手軸Ｘ−Ｘを通る複数の放射平面に対して複数の対称を有すると考えることもできる。

さらに、本発明によるノイズ軽減装置の波状部分と切欠き部分の形状と数を、変化させることができる。特に、内部流束および外部流束に入り込む波状部分の高さは限定されていない。

図３Ａ、３Ｂ、および３Ｃは、本発明による噴射ノイズ軽減装置の他の実施形態の縦断面を示している。一般に、航空力学性能を低下させないためには、本発明による噴射ノイズ軽減装置の波状部分２６と切欠き部分２８は、丸みを帯びた穏やかな形状を保っていなければならず、内部流束および外部流束内にあまりに大きく入り込んではならないことに留意されたい。

図１Ａにおいては、本発明による噴射ノイズ軽減装置は、ノズル１０の一次フード１４に適用される。ただし、別の取り付け方も考えることができる。たとえば、図４は、二次フード１６がその下流端１６ａに、噴射ノイズ軽減装置１２を備えているタービンエンジン用ノズル１０を示している。

一次フードへの適用と同様に、この装置は、二次フード２６の下流端１６ａの延長部分に配置されている複数の波状部分２６と、連続する２つの波状部分の間に配置された複数の切欠き部分２８とから構成される。ただし、二次フードへのパイロン２０の固定ゾーンのレベルには、パイロン２０を固定することができるように、波状部分でも切欠き部分でもない間隔３０が備えられていることに留意されたい。

上述したのと同じ原理に従い、これらの波状部分２６と切欠き部分２８は、流束間の混合を増大させ、その結果噴射ノイズを軽減することができるように、タービンエンジンから出される二次流束と、二次フード１６の外壁１６ｂに沿って流出するエアの流束との間に、径方向せん断と接線方向せん断を発生させることができる。

さらに、本発明の適用の他の変形形態（図示せず）によれば、噴射ノイズ軽減装置は、一次フードと同時に二次フードに取り付けることができる。その場合、これらの装置は、一次流束と二次流束の間と同時に、二次流束と二次フードの外壁に沿って流出するエア流束との間の径方向せん断と接線方向せん断を発生させることもできる。

タービンエンジンのノズルに装備される本発明による噴射ノイズ軽減装置の斜視図である。 タービンエンジンのノズルに装備される本発明による噴射ノイズ軽減装置の斜視図である。 本発明による噴射ノイズ軽減装置によって生じるせん断効果および二重の反転効果を示す図である。 本発明による噴射ノイズ軽減装置によって生じるせん断効果および二重の反転効果を示す図である。 本発明の他の変形形態による噴射ノイズの軽減装置の縦断面図である。 本発明の他の変形形態による噴射ノイズの軽減装置の縦断面図である。 本発明の他の変形形態による噴射ノイズの軽減装置の縦断面図である。 本発明の一変形形態による噴射ノイズ軽減装置を備えたタービンエンジンのノズルの斜視図である。

符号の説明

１０ ノズル
１２ 噴射ノイズ軽減装置
１４ 一次フード
１６ 二次フード
１８ 中央ボディ
２０ サポートパイロン
２２ 第１環状通路
２４ 第２環状通路
２６ 波状部分
２８ 切欠き部分

Claims (4)

1. タービンエンジンの噴射ノイズ軽減装置であって、前記タービンエンジンは、長手軸（Ｘ−Ｘ）を有し、ほぼ円筒形のノズル（１０）を備え、該ノズルは、タービンエンジンの前記長手軸に沿って延在し、前記ノズルに内部および外部気体流束の混合のための下流端を有し、前記装置はまた、ノズル（１０）の下流端の延長部分に配置された複数の波状部分（２６）と、前記複数の波状部分（２６）の連続する２つの波状部分の間に配置された複数の切欠き部分（２８）とを備え、前記複数の波状部分と複数の切欠き部分が、前記気体流束間の二重反転効果を発生させることができるように、タービンエンジンの前記長手軸（Ｘ−Ｘ）を通る少なくとも１つの放射平面（Ｙ−Ｙ）に対して対称であり、各波状部分が、当該の波状部分の正中面である放射平面に対して非対称であり、各切欠き部分が、当該の切欠き部分の正中面である放射平面に対して非対称であることを特徴とする装置。
2. ノズルの長手軸（Ｘ−Ｘ）に沿って延在する一次フード（１４）と、
   一次フードと中央ボディ（１８）との間で、一次流束の流出のための第１の環状通路（２２）を画定できるように、前記一次フード（１４）の内側に同心的に配置された中央ボディ（１８）と、
   二次流束の流出のための第２の環状通路（２４）を画定できるように、前記一次フード（１４）を同心的に取り囲む二次フード（１６）とを備えるタービンエンジンのノズル（１０）であって、
   前記一次フード（１４）が、前記一次流束と二次流束との間で、径方向せん断と接線方向せん断を発生させるように、下流端（１４ａ）に、請求項１に記載のノイズ軽減装置（１２）を備えることを特徴とするノズル。
3. ノズルの長手軸（Ｘ−Ｘ）に沿って延在する一次フード（１４）と、
   一次フードと中央ボディ（１８）との間で、一次流束の流出のための第１の環状通路（２２）を画定できるように、前記一次フード（１４）の内側に同心的に配置された中央ボディ（１８）と、
   二次流束の流出のための第２の環状通路（２４）を画定できるように、前記一次フード（１４）を同心的に取り囲む二次フード（１６）とを備えるタービンエンジンのノズル（１０）であって、
   前記二次フード（１６）が、前記二次流束と、前記二次フード（１６）の外壁（１６ｂ）に沿って流出するエアの流束との間で、径方向せん断と接線方向せん断を発生させるように、下流端（１６ａ）に、請求項１に記載のノイズ軽減装置（１２）を備えることを特徴とするノズル。
4. ノズルの長手軸（Ｘ−Ｘ）に沿って延在する一次フード（１４）と、
   一次フードと中央ボディ（１８）との間で、一次流束の流出のための第１の環状通路（２２）を画定できるように、前記一次フード（１４）の内側に同心的に配置された中央ボディ（１８）と、
   二次流束の流出のための第２の環状通路（２４）を画定できるように、前記一次フード（１４）を同心的に取り囲む二次フード（１６）とを備えるタービンエンジンのノズル（１０）であって、
   前記一次フード（１４）および前記二次フード（１６）が、前記一次流束と二次流束との間、および前記二次流束と前記二次フード（１６）の外壁（１６ｂ）に沿って流出するエアの流束との間で、径方向のせん断と接線方向のせん断を発生させるように、各下流端（１４ａ、１６ａ）に、請求項１に記載のノイズ軽減装置（１２）を備えることを特徴とするノズル。

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