JP4168695B2

JP4168695B2 - ローブミキサ

Info

Publication number: JP4168695B2
Application number: JP2002234305A
Authority: JP
Inventors: 芳則大庭
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-08-12
Filing date: 2002-08-12
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2022-08-12
Also published as: JP2004076596A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はローブミキサにかかり、より詳細には、主としてジェット航空機のエンジンの騒音低減を目的としてエンジンに備えられるジェットエンジン用のローブミキサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェット航空機のエンジンの発生する騒音は重大な環境問題であり、その騒音低減が切に望まれている。ジェット騒音は、エンジンの排気と外部空気との速度差によって生じる乱流や衝撃波およびそれらの干渉が主な発生原因となっている。
【０００３】
図９に示すように、航空機エンジン９０（ジェットエンジン）は、空気を取り入れるファン９１、取り入れた空気を圧縮する圧縮機１２、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器１４、燃焼器１４の燃焼ガスによりファン９１および圧縮機１２を駆動するタービン１６等を備えている。
【０００４】
基本的にジェット騒音の音響出力はジェット速度［m/s］の８乗に比例するため、ジェット速度が大きくなるにつれて騒音が急激に大きくなる。そのためターボジェットエンジンでは、推力を生成するジェット流の発生する騒音が最も大きい騒音源であり、高バイパス比のターボファンエンジンでもファンの発生する騒音に次いで大きなものとなっている。
【０００５】
飛行時には排気（ジェット流）と外部空気との速度差が減じることなどにより全音響出力は低下するが、各方向の低下量は一様ではなく、排気軸方向では大きく低減する一方、前方に行くに従い低下量は少なくなる。ジェット騒音を減じる方法としては、ある程度のスラスト（推力）を犠牲にした分割ノズルや固体壁や高温ガスでジェットをシールドすることなどが考えられるが、最も効果があるのはジェット流の速度を減じることである。
【０００６】
図１０に同一排気量のターボファンエンジンにおける排気口から噴射されるジェット流の速度分布の相違に基づく周波数および音響出力（騒音）との関係を示した。
【０００７】
基準ジェット（ａ）は、主に排気口中心付近から噴射される高速のコア流と、主に排気口周付近から噴射される低速のバイパス流が同心成分となって有用なスラスト推力を生成する。
【０００８】
この図表からも明らかなように、基準ジェット（ａ）は特に低周波数領域において音響出力が大きいことが分かる。その一方、（ｃ）および（ｄ）に示す速度反転ジェットは中・高周波領域で音響出力が大きく、また、ジェット流の速度分布を反転させるための工夫が必要となる。したがって、（ｂ）に示す混合ジェットが全体として音響出力を小さくするためには望ましいものであるといえる。
【０００９】
そこで高速の１次流と低速の２次流との混合を促進することによって１次流のジェット速度を減じると同時に２次流の流速を増加させ、排気ノズルから噴射されるジェット流の速度分布を全体として均一化することによりジェット騒音を低減するミキサ（混合器）が従来から用いられている。
【００１０】
具体的には図９に示すように、ファン９１により取り入れた空気を、圧縮機１２、燃焼器１４およびタービン１６を通るコア流４ａ（１次流）と、これらをバイパスするバイパス流６ａ（２次流）とに分岐し、これを合流・混合して混合流４ｂとするミキサ２０ａや、この混合流４ｂをさらに大気中の空気６ｂと合流・混合するミキサ２０ｂなどが実用化されている。
【００１１】
このミキサは、薄板を用いて波形に形成された複数のローブ（Lobe）が連続して放射状に並んだ円筒形状をしており、ミキサの横断面形状は下流側の径が漸減する縮径部と漸増する拡径部が交互に連続して現れて全体として円形をなしている。
ミキサ２０ａ／２０ｂ（「ローブミキサ２０」という。）の下流では、高速の１次流４ａ／４ｂ（破線）と低速の２次流６ａ／６ｂ（実線）とが合流し、ローブミキサ２０の下流の循環域において１次流と２次流とが攪拌されることによって両者が混合される。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ジェットエンジンの高速の１次流と低速の２次流との混合によるジェット流の速度分布の均一化は騒音低減等のために重要であるが、図９に例示した従来のローブミキサ２０では、ローブミキサの内周側を流れる１次流とその外周側を流れる２次流との混合が未だ充分でなく高速に噴出してしまう１次流が存在する結果、ジェット速度に比例する騒音を十分に低減できていないといった問題があった。
【００１３】
本発明はかかる問題を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、ローブミキサの内周側を流れる高速の１次流とその外周側を流れる低速の２次流との混合を促進してジェット流の速度分布の均一化を図り、ジェット騒音のより一層の低減を達成するローブミキサを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決するため本発明は、下流側の径が漸減する縮径部（２ａ）と下流側の径が漸増する拡径部（２ｂ）が交互に連続して放射状に現れて全体として円形の横断面形状をなし、内周側を流れる高速の１次流と外周側を流れる低速の２次流との混合を促進するためのジェットエンジン用のローブミキサであって、
該ローブミキサ（１０）の内周側壁面には、１次流の乱れ度を増加させるため、複数の突起（８）が１次流の流れ方向に間隔を置いて設けられている、ことを特徴とするローブミキサを提供する。
【００１５】
本発明によれば、ローブミキサの内周側壁面に突起状に突出するタブ（突起）が複数取り付けられているため、この突起がローブミキサ内周側を流れる高速の１次流の流れを乱し、１次流の乱れ強度が増加した状態でローブミキサ下流側へ排気され、その周囲を流れる低速の２次流と混合・攪拌することにより、これまで不十分であった１次流と２次流との混合を促進し、その速度分布の均一化を図ることによってジェット騒音の低減を達成することができる。
【００１６】
ここで、前記１次流は圧縮機（１２）、燃焼器（１４）およびタービン（１６）を通るコア流（４ａ）であり、前記２次流は圧縮機、燃焼器およびタービンをバイパスするバイパス流（６ａ）である。
【００１７】
コア流とバイパス流とを混合して燃費向上およびジェット騒音低減を図るターボファンエンジンに本発明のローブミキサを適用し、コア流とバイパス流との混合を一層促進することにより、一層の騒音低減と燃費向上が達成される。
【００１８】
また、前記１次流は圧縮機（１２）、燃焼器（１４）およびタービン（１６）を通るコア流（４ａ）とこれらをバイパスするバイパス流（６ａ）との混合流（４ｂ）であり、前記２次流は外気から取り込んだ空気流（６ｂ）である。
【００１９】
本発明のローブミキサにより、コア流とバイパス流との混合流（１次流）を排気ノズル内部に取り込んだ外気と効率的に混合することによってもジェット騒音の低減を達成することができる。
【００２０】
【実施例】
以下、まず従来のローブミキサによるローブミキサ下流側のジェット流の速度分布状態について説明した後、本発明のローブミキサを適用した場合にローブミキサ下流側のジェット流の速度分布がどのように変化するかについて説明する。
【００２１】
図１は従来のローブミキサの斜視図（図１（ａ））およびそのＸ−Ｘ断面図（図１（ｂ））である。このローブミキサは下流側の径が漸減する縮径部２ａと下流側の径が漸増する拡径部２ｂとが交互に連続して放射状に現れて全体として円形の横断面形状をなし、その内周側にはコア流４ａとバイパス流６ａとの混合流４ｂ（１次流）が、その外周側には外気から取り込んだ空気６ｂ（２次流）が流れるようになっている。
【００２２】
混合流４ｂは拡径部２ｂの勾配に沿ってローブミキサの周方向外側へ導かれる一方、空気流６ｂは縮径部２ａの勾配に沿って周方向内側に導かれる。周方向に交互に連続して放射状に現れる縮径部と拡径部によって互い違いに噴出された混合流と空気流とは、ローブミキサ下流側の混合領域において混合される。
【００２３】
図２に従来のローブミキサ２０を用いて混合流４ｂと空気流６ｂとを混合した場合のローブミキサ下流域の速度分布状態を表した。この速度分布は、流れ場の空間フィルタ操作により空間的な低波数成分と高波数成分に分解し高波数成分のみをモデル化することにより計算負荷の減少と精度の向上を図った計算手法であるＬＥＳ（Large eddy simulation）による数値計算値に基づき輪郭線を用いて可視化している。
ここで図２（ａ）は、図に示したようにローブミキサの中心軸を含むＸ−Ｘ断面のローブミキサ下流側の速度分布を、図２（ｂ）はＸ−Ｘ断面をローブ部分外径Ｌの０．２９２倍の長さだけ平行にずらしたＹ−Ｙ断面のローブミキサ下流側の速度分布を表している。
【００２４】
図２（ａ）からも明らかなように、ローブミキサ中心から噴出するジェット流の流速が最も大きく、その周囲で流速が急激に小さくなり、そこからローブの拡径部の径方向外側に向かうにつれて徐々に流速が大きくなっていることが分かる。
また図２（ｂ）に示したように、ローブミキサの中心を外れたＹ−Ｙ面でも、拡径部の径方向外側に向かって徐々に流速が大きくなっていることが分かる。
【００２５】
図３に本発明のローブミキサ１０の断面図を示した。このローブミキサ１０は従来のローブミキサ２０と同様の外形を有しており、その内周側にはコア流とバイパス流との混合流４ｂ（１次流）が、その外周側には外気から取り込んだ空気６ｂ（２次流）が流れるようになっている。
また、ローブミキサのローブ部分の内周側壁面には、円柱形状の突起（タブ８）が均一な密度で複数個取り付けられている。
【００２６】
このタブ８によりローブミキサ１０の内周側を流れる高速の混合流４ｂはその流れを乱され、乱れ強度を増加してローブミキサ下流へ排出された混合流４ｂは、その周囲を流れる空気流６ｂを巻き込み、ローブミキサ下流側の混合領域で空気流（２次流）と十分に混合される。
混合流と空気流との混合促進によりジェット流の速度分布の均一化が図られ、騒音の低減が達成される。
【作用】
【００２７】
図４に、図２に示したローブミキサのローブ内周側壁面に円柱状のタブを取り付けた状態に相当する乱れをローブミキサ入口に与えた場合のローブミキサ下流域の速度分布状態を表した。この速度分布は上記ＬＥＳにより可視化したもので、図４（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図２（ａ）、（ｂ）と同一断面における速度分布である。
【００２８】
図２と図４とを比較すれば、Ｘ−Ｘ断面、Ｙ−Ｙ断面いずれの面においても、高速流を表す輪郭線の下流方向の長さが短くなっていることが分かる。すなわちローブミキサ下流域での高速の混合流４ｂ（１次流）の流速が従来に比べて短い時間で低下していることが分かる。
【００２９】
このＬＥＳによる数値計算値の信頼性を担保すべく、ＰＩＶ（Particle image velocimetry system）による実測値に基づくジェット流の速度分布を図５に示した。なお図５（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図４（ａ）、（ｂ）に対応している。ここでＰＩＶとは、測定流れ場中にシーディング粒子を混入しレーザ光の入射などにより発光させられた粒子の画像をＣＣＤカメラなどにより取得し解析処理を行うことにより流れ場の定量的・定性的情報を得る確立した周知の計測手法である。
【００３０】
また図６に図４（ａ）および図５（ａ）のＰ−Ｐ破線で表した位置の、すなわちローブ部分外径の長さＬ（図１参照）分だけ下流側位置における速度分布をＬＥＳおよびＰＩＶにより求めてグラフ化した。
【００３１】
図６を参照すればＬＥＳによって求めた速度分布（点線）とＰＩＶによって求めた速度分布（実線）とはよく一致しており、ＬＥＳによる数値計算値はその信頼性が高いことが分かる。
【００３２】
図７および図８に従来のローブミキサと本発明のローブミキサとジェット流の流速をＬＥＳにより求めて比較した。ここで図７はローブミキサの中心軸を含む断面のローブ部分外径Ｌの１／２の長さ分だけ下流側位置（図２、図４のＱ−Ｑ断面）の速度分布を、図８はローブ部分外径Ｌと同じ長さ分だけ下流側位置（図２、図４のＰ−Ｐ断面）の速度分布をグラフ化したもので、破線は従来のローブミキサによるもの、実線は本発明のローブミキサによるものである。
【００３３】
これらのグラフからも明らかなように、本発明のローブミキサを使用した場合にはローブミキサの内周側を流れるジェット流の流速が低減され、特にローブミキサ下流近傍でのジェット速度が顕著に低減されることが分かる（図７）。また、長さＬだけ下流側位置でのジェット速度は、ローブの拡径部の径方向外側の流速が顕著に低下していることが分かる。
【００３４】
以上より本発明のローブミキサによれば、高速の１次流とその外周側を流れる低速の２次流との混合が促進され、ジェット流の速度分布の均一化が図られ、これによりジェット騒音のより一層の低減を実現することができる。
【００３５】
上述した例では、本発明のローブミキサを混合流と空気流との混合促進に使用してジェット流の速度分布の計測を行ったが、上記の他に本発明のローブミキサをターボファンエンジンのバイパス流とコア流との混合促進に使用した場合にも、混合促進によって燃費向上およびジェット騒音低減が達成されるものと考えられる。
【００３６】
なお、本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。例えば、前述したタブの形状は円柱形状に限定されるものではなく、四角柱、三角柱等、１次流の乱れ強度を増加させることができる形状であれば、いかなる形状のものであってもよい。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明によれば、ローブミキサの内周側を流れる高速の１次流とその外周側を流れる低速の２次流との混合を促進してジェット流のジェット速度の低減、速度分布の均一化を図り、これによりジェット騒音のより一層の低減を達成することができるローブミキサを提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のローブミキサの斜視図（ａ）およびそのＸ−Ｘ断面図（ｂ）である。
【図２】従来のローブミキサによるローブミキサ下流域の速度分布状態をＬＥＳにより求めた図である。
【図３】本発明のローブミキサの断面図である。
【図４】本発明のローブミキサによるローブミキサ下流域の速度分布状態をＬＥＳにより求めた図である。
【図５】本発明のローブミキサによるローブミキサ下流域の速度分布状態をＰＩＶにより求めた図である。
【図６】本発明のＰ−Ｐ断面の速度分布をＬＥＳおよびＰＩＶにより求めて比較したグラフである。
【図７】従来のローブミキサと本発明のローブミキサとジェット流のＱ−Ｑ断面の流速をＬＥＳにより求めて比較したグラフである。
【図８】従来のローブミキサと本発明のローブミキサとジェット流のＰ−Ｐ断面の流速をＬＥＳにより求めて比較したグラフである。
【図９】航空機エンジンの内部構造を表した概略図である。
【図１０】噴射されるジェット流の速度分布の相違と基づく周波数と音響出力（騒音）との関係を示した図である。
【符号の説明】
２ａ縮径部
２ｂ拡径部
４ａコア流
４ｂ混合流
６ａバイパス流
６ｂ空気流
８タブ
１０ローブミキサ
１２圧縮機
１４燃焼器
１６タービン
２０ローブミキサ
２０ａ、２０ｂミキサ
９０航空機エンジン
９１ファン
Ｌローブ部分外径

Claims

下流側の径が漸減する縮径部（２ａ）と下流側の径が漸増する拡径部（２ｂ）が交互に連続して放射状に現れて全体として円形の横断面形状をなし、内周側を流れる高速の１次流と外周側を流れる低速の２次流との混合を促進するためのジェットエンジン用のローブミキサであって、
該ローブミキサ（１０）の内周側壁面には、１次流の乱れ度を増加させるため、複数の突起（８）が１次流の流れ方向に間隔を置いて設けられている、ことを特徴とするローブミキサ。
前記１次流は圧縮機（１２）、燃焼器（１４）およびタービン（１６）を通るコア流（４ａ）であり、前記２次流は圧縮機、燃焼器およびタービンをバイパスするバイパス流（６ａ）である、ことを特徴とする請求項１に記載のローブミキサ。
前記１次流は圧縮機（１２）、燃焼器（１４）およびタービン（１６）を通るコア流（４ａ）とこれらをバイパスするバイパス流（６ａ）との混合流（４ｂ）であり、前記２次流は外気から取り込んだ空気流（６ｂ）である、ことを特徴とする請求項１に記載のローブミキサ。