JP4724986B2 - ローブミキサ - Google Patents
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- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
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- Exhaust Silencers (AREA)
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ローブミキサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、排気ガスが高速で噴射されることによって、大きな騒音が生じることが知られている。この騒音を低減するためには、排出される気体速度を低下させるのが効果的である。ガスタービンエンジンの排気ガス流路には、排出される気体速度を低下させるために、高速の排気ガスと低速の外気とを混合させるミキサが設けられている。
【０００３】
ところで、前記ミキサの一種であるローブミキサは、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて環状に配置されている複数のローブによって構成されている。該ローブミキサは、その目的から薄肉の曲面板で構成されており、熱膨張およびローブ内外圧力差により変形しやすいという課題があった。
【０００４】
このため、前記ローブミキサの前記ローブ全ての開口部を円環状部材で連結する、または前記ローブの全ての対向する内壁部を連結部材で連結することにより必要な強度を確保する方法がとられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうしたローブミキサの構造は、円環状部材または連結部材が排気ガス流路を乱し、エンジン推力および、騒音低減効果を低下させていた。
【０００６】
また、排気ガス温度が径方向不均一であるために、各部材に周方向に高い熱応力が発生し、強度確保のために、円環状部材または連結部材の厚みを増大させる必要がある等の重量増加の問題があった。
【０００７】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない重量増加でローブミキサの変形をおさえるとともに、複数のローブにおけるローブ内流路容積の差異による各ローブ変形量を均一化し、流路に与える影響を小さくすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のローブミキサは、ガスタービンエンジンの排気ガス流路に設けられ、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて円環状に配置されている複数のローブを有するローブミキサにおいて、前記複数のローブのうち、特定のローブ内部の対向する内壁部を連結する連結部材を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、前記ローブミキサの特定ローブにおいて、対向するローブ内壁部を前記連結部材で連結したことにより、前記ローブ全ての開口部を円環状部材で連結する、または前記ローブの全ての対向する内壁部を連結部材で連結した場合に比して、前記連結部材に作用する周方向の応力が小さくなる。なぜなら、本発明の方法では、全ての変形を連結部材で連続的に拘束しようとする従来の方法に対して、変形の一部だけを連結部材によって部分的に拘束するので、各連結部材にかかる負担が減るからである。これにより、連結部材に必要な強度が下がった分軽量化することができる。
【００１０】
また、排気ガスの流れる方向の投影断面において、全面積に対する連結部材面積の占める割合が減ることにより、排気ガス流路に対する抵抗が減り、エンジン推力、および騒音低減効果の低下が抑えられる。
【００１１】
また、前記ローブによって形成されるローブ内流路容積の大きさはそれぞれ異なり、前記連結部材は、前記ローブ内流路容積の差異に基づいた変形量が大きいローブに取り付けられている場合には、各ローブの変形量は均一化される。
【００１２】
また、前記連結部材は断面視翼形状をなしている場合には、排気ガス流路に対する影響が小さくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係わるローブミキサの一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、ガスタービンエンジンにおけるローブミキサ前後の気体の流れを示す断面図、図２は、本発明に係わるガスタービンエンジンのローブミキサの斜視図、図３は、図２における矢印ＶＡの矢視図である。
【００１４】
図１において、前記ローブミキサ１のガスタービンエンジンにおける配置と各気体の流れとを示す。前記ローブミキサ１は、騒音を低減させることを目的として配置されており、ガスタービンエンジンのコア燃焼部２から排出された高温高速かつ高圧の排気ガス３が、外部から導入された低温低速の外気４と、前記ローブミキサ１によって混合され、排気ノズル５から比較的流速を抑えられたジェット流６として排出される。
【００１５】
図２において、ローブミキサ１は、排気ガス３が流れる方向の投影断面がＵ字型になるように曲面板によって構成されたローブ７、ローブ８を、Ｕ字型開口部が内側になるよう環状に連続して交互に配置したもので、全体として円環形状を構成している。ローブミキサ１は、２種類の前記ローブ７、ローブ８と、前記ローブ７、ローブ８の内側に位置し、ガスタービンエンジンからの高温高速かつ高圧の排気ガス３が通過するローブ内流路９と、前記ローブ内流路９と同様の排気ガス３が流れ、その流れる方向において円環形状の中心軸付近に位置し、前記ローブに周囲を囲まれた空間である主流路１０と、前記ローブ７、ローブ８の外側、各ローブ間の隙間で、外部から誘導された低温低速の外気４が通過する外気流路１１と、前記ローブ８の開口側で対向する内壁部を連結する断面視翼形状を持つ連結部材としての板状部材１２とを備えており、全体をして金属によって構成されている。また、排気ガス３は矢印Ａの方向に流れる。
【００１６】
前記ローブ７とローブ８との差異は、排気ガス３が流れる方向に垂直な方向での投影断面形状において、最外周部にあたるローブの曲面板の、ローブミキサ吸入側から終端側へ向かって広がっている角度が異なっている点である。この角度はローブ７の方が大きい。また、板状部材１２は、２種類のローブ７、ローブ８のうち、ローブ８の対向する内壁部にのみ取り付けられ、ローブ７の対向する内壁部には取り付けられない。
【００１７】
ところで、ガスタービンエンジンは、ジェット流６を噴出することによって推力を得ており、その推力の大きさはジェット流６の流速および流量の大きさに依存している。
【００１８】
ガスタービンエンジンのコアで燃焼を終えた高温高速かつ高圧の排気ガス３は、前記各ローブ内流路９および主流路１０を通過する。また、ローブミキサの外側、各ローブとローブとの間の外気流路１１を外部から導入された低温低速の外気４が通過し、ローブ終端部において前記排気ガス３と混合される。各々が混合されることにより、結果として噴出されるジェット流６の速度は相対的に低下し、騒音が低減されることとなる。
【００１９】
このように、ローブの内外を高低温の気体が通過するため、ローブミキサ内部は径方向に不均一な温度分布となり、各部材に熱応力が発生する。同時に、ローブ内流路９および主流路１０を高圧の排気ガス３が通過するため、ローブ内外の圧力差により各部材にローブミキサの径方向にふくらむ方向の応力が発生する。
【００２０】
これらの応力によって発生する各ローブの変形に対し、全ローブの対向する内壁部を板状部材１２によって連結することは周方向に対して高応力を発生することとなり、必要強度の関係から必要な板状部材１２のサイズ増大を伴うため、特定のローブの対向する内壁部を板状部材１２によって連結し、変形を抑制する。この際の板状部材１２の形状は、抵抗を極力小さくするために断面視翼形状を有するものとする。
【００２１】
ところで、前記ローブには形状の異なるものが２種存在するため、前記応力による各ローブの変形は、その形状の差異のために不均一なものとなる。
【００２２】
図４は、２種類のローブ形状が存在するときに、板状部材１２を用いていない条件での、排気ガス３の流れていく方向に見たローブミキサ投影断面図で、ローブの変形を示したものである。これはローブミキサ内各部に排気ガス３の圧力がかかった状態を有限要素法によってシミュレートした図であり、点線が変形前の形状を示し、実線が変形後の形状を示す。変形前後の各部の対応する距離が変形量を示すことになる。各ローブの変形量は不均一となっている。
【００２３】
このように、２種のローブにおいて不均一な変形が発生する際は、ローブのＵ字型開口部における変形量が大きい種類のローブに前記板状部材１２による連結を行い、各ローブ変形の均一化を図る。
【００２４】
以上、上述した本実施形態のローブミキサ１によれば、排気ガス３の温度と圧力に起因する各ローブの変形に対し、必要最低限の板状部材１２の使用によって対応でき、軽量化を図ることができる。それと同時に、２種のローブ間に生じる変形量の不均一も是正される。これらのことは、排気ガス流路の抵抗を減らすことにつながり、ガスタービンエンジンの推力に対する影響を小さくし、ローブミキサの騒音低減効果を向上させることとなる。
【００２５】
なお、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。本発明は、例えば以下のような変更をも含むものとする。
【００２６】
連結部材の形状は棒状部材であってもかまわないが、気体抵抗が少ない形状が望ましい。
【００２７】
ローブミキサの各ローブの形状種類は３種類以上となることがあり、形状差異は設計上の必要に応じてなされたものとする。この場合の連結部材取り付け位置は、２種以上のローブにまたがって取り付けられる場合もある。
【００２８】
ローブミキサを構成する材質は金属に限定されるものではなく、セラミック等、高温耐性があり、充分な強度を有する材料を用いてもかまわない。
【００２９】
ローブミキサの取り付け位置は、排気ノズル付近に限定されるわけではない。効果の得られる必要位置に配置されることとなる。
【００３０】
ローブミキサの特定ローブに取り付けられる連結部材の数は一つと限定するわけではない。同一ローブの対向する内壁部を二つ以上の複数の連結材で連結してもかまわない。また、連結部材の取り付け位置についても各ローブの開口部付近に限定するわけではない。必要強度の得られる場所に配置すればかまわない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のローブミキサの連結部材構造によれば、ガスタービンエンジンの排気ガス流路に設けられ、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて環状に配置されている複数のローブを有するローブミキサにおいて、前記複数のローブのうち、特定のローブ内部の対向する内壁部を連結する連結部材を備えていることと、前記ローブよって形成されるローブ内流路の容積の大きさはそれぞれ異なり、前記連結部材は、前記ローブ内流路容積の差異に基づいた変形量が大きいローブに取り付けられることと、前記連結部材は断面視翼形状を有していることとを備えたので、軽量で必要な強度を得られ、各ローブの変形が均一化され、排気ガス流路に与える影響が小さいローブミキサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる、ガスタービンエンジンにおけるローブミキサ近傍の気体の流れを示す断面図である。
【図２】 本発明に係わるローブミキサの概略構成を示す斜視図である。
【図３】 図２における矢印VAからの矢視図である。
【図４】 図３に示す各ローブの変形量を表したシミュレーション図である。
【符号の説明】
１ ローブミキサ全体
２ コア燃焼部
３ 排気ガス
４ 外気
５ 排気ノズル
６ ジェット流
７ ローブＡ
８ ローブＢ
９ ローブ内流路
１０ 主流路
１１ 外気流路
１２ 板状部材（連結部材）
【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ローブミキサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンでは、排気ガスが高速で噴射されることによって、大きな騒音が生じることが知られている。この騒音を低減するためには、排出される気体速度を低下させるのが効果的である。ガスタービンエンジンの排気ガス流路には、排出される気体速度を低下させるために、高速の排気ガスと低速の外気とを混合させるミキサが設けられている。
【０００３】
ところで、前記ミキサの一種であるローブミキサは、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて環状に配置されている複数のローブによって構成されている。該ローブミキサは、その目的から薄肉の曲面板で構成されており、熱膨張およびローブ内外圧力差により変形しやすいという課題があった。
【０００４】
このため、前記ローブミキサの前記ローブ全ての開口部を円環状部材で連結する、または前記ローブの全ての対向する内壁部を連結部材で連結することにより必要な強度を確保する方法がとられてきた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、こうしたローブミキサの構造は、円環状部材または連結部材が排気ガス流路を乱し、エンジン推力および、騒音低減効果を低下させていた。
【０００６】
また、排気ガス温度が径方向不均一であるために、各部材に周方向に高い熱応力が発生し、強度確保のために、円環状部材または連結部材の厚みを増大させる必要がある等の重量増加の問題があった。
【０００７】
本発明は、上述する事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、少ない重量増加でローブミキサの変形をおさえるとともに、複数のローブにおけるローブ内流路容積の差異による各ローブ変形量を均一化し、流路に与える影響を小さくすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明のローブミキサは、ガスタービンエンジンの排気ガス流路に設けられ、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて円環状に配置されている複数のローブを有するローブミキサにおいて、前記複数のローブのうち、特定のローブ内部の対向する内壁部を連結する連結部材を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によれば、前記ローブミキサの特定ローブにおいて、対向するローブ内壁部を前記連結部材で連結したことにより、前記ローブ全ての開口部を円環状部材で連結する、または前記ローブの全ての対向する内壁部を連結部材で連結した場合に比して、前記連結部材に作用する周方向の応力が小さくなる。なぜなら、本発明の方法では、全ての変形を連結部材で連続的に拘束しようとする従来の方法に対して、変形の一部だけを連結部材によって部分的に拘束するので、各連結部材にかかる負担が減るからである。これにより、連結部材に必要な強度が下がった分軽量化することができる。
【００１０】
また、排気ガスの流れる方向の投影断面において、全面積に対する連結部材面積の占める割合が減ることにより、排気ガス流路に対する抵抗が減り、エンジン推力、および騒音低減効果の低下が抑えられる。
【００１１】
また、前記ローブによって形成されるローブ内流路容積の大きさはそれぞれ異なり、前記連結部材は、前記ローブ内流路容積の差異に基づいた変形量が大きいローブに取り付けられている場合には、各ローブの変形量は均一化される。
【００１２】
また、前記連結部材は断面視翼形状をなしている場合には、排気ガス流路に対する影響が小さくなる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係わるローブミキサの一実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、ガスタービンエンジンにおけるローブミキサ前後の気体の流れを示す断面図、図２は、本発明に係わるガスタービンエンジンのローブミキサの斜視図、図３は、図２における矢印ＶＡの矢視図である。
【００１４】
図１において、前記ローブミキサ１のガスタービンエンジンにおける配置と各気体の流れとを示す。前記ローブミキサ１は、騒音を低減させることを目的として配置されており、ガスタービンエンジンのコア燃焼部２から排出された高温高速かつ高圧の排気ガス３が、外部から導入された低温低速の外気４と、前記ローブミキサ１によって混合され、排気ノズル５から比較的流速を抑えられたジェット流６として排出される。
【００１５】
図２において、ローブミキサ１は、排気ガス３が流れる方向の投影断面がＵ字型になるように曲面板によって構成されたローブ７、ローブ８を、Ｕ字型開口部が内側になるよう環状に連続して交互に配置したもので、全体として円環形状を構成している。ローブミキサ１は、２種類の前記ローブ７、ローブ８と、前記ローブ７、ローブ８の内側に位置し、ガスタービンエンジンからの高温高速かつ高圧の排気ガス３が通過するローブ内流路９と、前記ローブ内流路９と同様の排気ガス３が流れ、その流れる方向において円環形状の中心軸付近に位置し、前記ローブに周囲を囲まれた空間である主流路１０と、前記ローブ７、ローブ８の外側、各ローブ間の隙間で、外部から誘導された低温低速の外気４が通過する外気流路１１と、前記ローブ８の開口側で対向する内壁部を連結する断面視翼形状を持つ連結部材としての板状部材１２とを備えており、全体をして金属によって構成されている。また、排気ガス３は矢印Ａの方向に流れる。
【００１６】
前記ローブ７とローブ８との差異は、排気ガス３が流れる方向に垂直な方向での投影断面形状において、最外周部にあたるローブの曲面板の、ローブミキサ吸入側から終端側へ向かって広がっている角度が異なっている点である。この角度はローブ７の方が大きい。また、板状部材１２は、２種類のローブ７、ローブ８のうち、ローブ８の対向する内壁部にのみ取り付けられ、ローブ７の対向する内壁部には取り付けられない。
【００１７】
ところで、ガスタービンエンジンは、ジェット流６を噴出することによって推力を得ており、その推力の大きさはジェット流６の流速および流量の大きさに依存している。
【００１８】
ガスタービンエンジンのコアで燃焼を終えた高温高速かつ高圧の排気ガス３は、前記各ローブ内流路９および主流路１０を通過する。また、ローブミキサの外側、各ローブとローブとの間の外気流路１１を外部から導入された低温低速の外気４が通過し、ローブ終端部において前記排気ガス３と混合される。各々が混合されることにより、結果として噴出されるジェット流６の速度は相対的に低下し、騒音が低減されることとなる。
【００１９】
このように、ローブの内外を高低温の気体が通過するため、ローブミキサ内部は径方向に不均一な温度分布となり、各部材に熱応力が発生する。同時に、ローブ内流路９および主流路１０を高圧の排気ガス３が通過するため、ローブ内外の圧力差により各部材にローブミキサの径方向にふくらむ方向の応力が発生する。
【００２０】
これらの応力によって発生する各ローブの変形に対し、全ローブの対向する内壁部を板状部材１２によって連結することは周方向に対して高応力を発生することとなり、必要強度の関係から必要な板状部材１２のサイズ増大を伴うため、特定のローブの対向する内壁部を板状部材１２によって連結し、変形を抑制する。この際の板状部材１２の形状は、抵抗を極力小さくするために断面視翼形状を有するものとする。
【００２１】
ところで、前記ローブには形状の異なるものが２種存在するため、前記応力による各ローブの変形は、その形状の差異のために不均一なものとなる。
【００２２】
図４は、２種類のローブ形状が存在するときに、板状部材１２を用いていない条件での、排気ガス３の流れていく方向に見たローブミキサ投影断面図で、ローブの変形を示したものである。これはローブミキサ内各部に排気ガス３の圧力がかかった状態を有限要素法によってシミュレートした図であり、点線が変形前の形状を示し、実線が変形後の形状を示す。変形前後の各部の対応する距離が変形量を示すことになる。各ローブの変形量は不均一となっている。
【００２３】
このように、２種のローブにおいて不均一な変形が発生する際は、ローブのＵ字型開口部における変形量が大きい種類のローブに前記板状部材１２による連結を行い、各ローブ変形の均一化を図る。
【００２４】
以上、上述した本実施形態のローブミキサ１によれば、排気ガス３の温度と圧力に起因する各ローブの変形に対し、必要最低限の板状部材１２の使用によって対応でき、軽量化を図ることができる。それと同時に、２種のローブ間に生じる変形量の不均一も是正される。これらのことは、排気ガス流路の抵抗を減らすことにつながり、ガスタービンエンジンの推力に対する影響を小さくし、ローブミキサの騒音低減効果を向上させることとなる。
【００２５】
なお、上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。本発明は、例えば以下のような変更をも含むものとする。
【００２６】
連結部材の形状は棒状部材であってもかまわないが、気体抵抗が少ない形状が望ましい。
【００２７】
ローブミキサの各ローブの形状種類は３種類以上となることがあり、形状差異は設計上の必要に応じてなされたものとする。この場合の連結部材取り付け位置は、２種以上のローブにまたがって取り付けられる場合もある。
【００２８】
ローブミキサを構成する材質は金属に限定されるものではなく、セラミック等、高温耐性があり、充分な強度を有する材料を用いてもかまわない。
【００２９】
ローブミキサの取り付け位置は、排気ノズル付近に限定されるわけではない。効果の得られる必要位置に配置されることとなる。
【００３０】
ローブミキサの特定ローブに取り付けられる連結部材の数は一つと限定するわけではない。同一ローブの対向する内壁部を二つ以上の複数の連結材で連結してもかまわない。また、連結部材の取り付け位置についても各ローブの開口部付近に限定するわけではない。必要強度の得られる場所に配置すればかまわない。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のローブミキサの連結部材構造によれば、ガスタービンエンジンの排気ガス流路に設けられ、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて環状に配置されている複数のローブを有するローブミキサにおいて、前記複数のローブのうち、特定のローブ内部の対向する内壁部を連結する連結部材を備えていることと、前記ローブよって形成されるローブ内流路の容積の大きさはそれぞれ異なり、前記連結部材は、前記ローブ内流路容積の差異に基づいた変形量が大きいローブに取り付けられることと、前記連結部材は断面視翼形状を有していることとを備えたので、軽量で必要な強度を得られ、各ローブの変形が均一化され、排気ガス流路に与える影響が小さいローブミキサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わる、ガスタービンエンジンにおけるローブミキサ近傍の気体の流れを示す断面図である。
【図２】 本発明に係わるローブミキサの概略構成を示す斜視図である。
【図３】 図２における矢印VAからの矢視図である。
【図４】 図３に示す各ローブの変形量を表したシミュレーション図である。
【符号の説明】
１ ローブミキサ全体
２ コア燃焼部
３ 排気ガス
４ 外気
５ 排気ノズル
６ ジェット流
７ ローブＡ
８ ローブＢ
９ ローブ内流路
１０ 主流路
１１ 外気流路
１２ 板状部材（連結部材）
Claims (2)
- ガスタービンエンジンの排気ガス流路に設けられ、前記排気ガスの流れる方向の投影断面がそれぞれＵ字型に形成され、このＵ字型開口側を内側に向けて環状に配置されている複数のローブを有するローブミキサにおいて、
前記複数のローブのうち、一部のローブ内部の対向する内壁部を連結する連結部材を備え、
前記ローブよって形成されるローブ内流路の容積の大きさはそれぞれ異なり、
前記連結部材は、前記ローブ内流路容積の差異に基づいた変形量が大きいローブに取り付けられることを特徴とするローブミキサ。 - 前記連結部材は断面視翼形状を有していることを特徴とする請求項１記載のローブミキサ。
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| JP2001260342A JP4724986B2 (ja) | 2001-08-29 | 2001-08-29 | ローブミキサ |
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|---|---|---|---|
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