JP4862961B2 - 騒音低減装置及びジェット推進システム - Google Patents

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Description

本発明は、ジェットエンジン用の騒音低減装置及びジェット推進システムに関する。
本願は、２００８年２月２５日に日本国に出願された特願２００８−４２６５６号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
航空機のジェットエンジンは、空気を取り入れるファンと、前記ファンが取り入れた空気の一部を取り込んで圧縮する圧縮機と、前記圧縮機が圧縮した空気と燃料とを混合させて燃焼させる燃焼器と、前記燃焼器の燃焼ガスにより前記ファン及び前記圧縮機を駆動するタービンとが順次配列されて構成されている。
圧縮機、燃焼器及びタービンは、筒状隔壁内に配設され、ファンは、筒状隔壁の上流側に配設されている。ファンが取り入れた空気の大部分は、上記筒状隔壁の外周を覆うケーシングとの間に設けられたバイパス流路を通る。このバイパス流路を通った空気（バイパス流）は、タービンの排気（コア流）の外周を囲むように排出されて、コア流と合流する。
このコア流とバイパス流とが合流する領域が騒音発生源となって騒音が発生する。この騒音を低減させるために、筒状隔壁の下流端部に配設されて、高速のコア流と低速のバイパス流との一部を互い違いの方向へ案内し、筒状隔壁の内側及び外側を流れる流体を効率よく混合させる複数の三角錐体が提案されている（例えば、特許文献１，非特許文献１参照。）。これによれば、渦の発生によってコア流とバイパス流とが好適に混合され、騒音を低減することができる。
しかし、三角錐体が筒状隔壁に常に固定されているので、離陸時だけでなく巡航時にもコア流とバイパス流とを必要以上に混合してしまい、巡航時推力が低下してしまう問題がある。そこで、筒状隔壁にノズルを配設し、コア流とバイパス流との合流部に向けて空気を適宜噴射することによって、混合状態を調節するものが提案されている（例えば、非特許文献２参照。）。
ところで、ジェットエンジンは、パイロンを介して航空機の翼に取り付けられている。
このパイロンの下流領域では、図６に示すように、バイパス流Ｙに乱れが生じてコア流Ｘが偏向し、コア流Ｘと、バイパス流Ｙのさらに外側の低速の外気流Ｚとが接近する。この際、コア流Ｘと外気流Ｚとの速度差が大きいので、境界付近に急激に速度変化している高せん断応力領域が発生し、上記騒音発生源とは別の新たな騒音発生源となる。
特開２００３−１７２２０５号公報 Steven J.Massey et al.，Computational Analyses of PropulsionAeroacoustics for Mixed Flow Nozzle Pylon Installation at Takeoff，NASA/CR-2001-211-56，September 2001 Brenton Greska et al.，The Effects of Microjet Injection On an F404 Jet Engine，AIAA2005-3047，11th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (26thAIAA Aeroacoustics Conference), 23-25 May 2005
従って、上記非特許文献２に記載のノズルでは、上記の新たな騒音発生源からの騒音を低減することができず、騒音低減効果が不十分である。
本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、パイロンを介して航空機の翼にジェットエンジンが接続されることによって生じる騒音を低減することができるジェットエンジン用の騒音低減装置及びジェット推進システムを提供することを目的とする。
本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る騒音低減装置は、筒状のケーシングと、前記ケーシングの後縁から一部が突出して内挿される筒状隔壁と、前記筒状隔壁内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、を有し、前記筒状隔壁内が高流速空気のコア流が流れる流路とされ、かつ、前記筒状隔壁と前記ケーシングとの間が低流速空気のバイパス流が流れる流路とされ、前記ケーシングよりも前記コア流及び前記バイパス流の下流側に延びる突出部を有するパイロンによって航空機の翼と接続されるジェットエンジンにおける騒音低減装置であって、前記パイロンのコア流下流側であって、前記バイパス流の外側に生じる外気流と前記コア流とが接近して生じる騒音発生源に向かって流体を噴射するノズルを備えている。
この発明は、パイロンの下流で速度差の大きいコア流と外気流とが接近して生じる騒音発生源となる混合層に向かって、ノズルから流体を噴射することができ、混合層の乱れを拡散させ、混合層における乱流起因の騒音を低減することができる。
また、本発明に係る騒音低減装置は、前記ノズルが、前記パイロンの前記突出部の下流側端部に配置されている。
この発明は、パイロンの突出部の下流側端部に近い位置に発生する騒音発生源に、流体を確実に噴射することができ、より好適に混合層を拡散することができる。
また、本発明に係る騒音低減装置は、前記ノズルが、前記パイロンの前記突出部におけるエンジン回転中心軸との対向部に配置されている。
この発明は、パイロンの突出部における上記対向部からでも、流体を確実に騒音発生源に噴射することができ、より好適に混合層を拡散することができる。
また、本発明に係る騒音低減装置は、前記ノズルが、前記パイロン近傍の前記筒状隔壁の下流側端部に配置されている。
この発明は、ノズルがパイロンに配されていなくても、筒状隔壁の下流側端部から流体を噴射することができ、混合層の乱れを拡散させることができる。
また、本発明に係る騒音低減装置は、前記ノズルから噴射される流体が、前記圧縮機から前記ノズルに供給される空気である。
この発明は、圧縮された空気を騒音発生源に噴射することができ、より好適に混合層を拡散させることができる。
本発明に係るジェット推進システムは、筒状のケーシングと、前記ケーシングの下流側端部から一部が突出して内挿される筒状隔壁と、前記筒状隔壁内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、を有し、前記筒状隔壁内が高速のコア流が流れる流路とされ、かつ前記筒状隔壁と前記ケーシングとの間が低速のバイパス流が流れる流路とされたジェットエンジンと、前記ケーシングよりも前記コア流及び前記バイパス流の下流側に延びる突出部を有して前記ケーシングと航空機の翼とを接続するパイロンと、本発明に係る騒音低減装置と、を備えている。
本発明によれば、パイロンを介して航空機の翼にジェットエンジンが接続されることによって生じる騒音を好適に低減することができる。
本発明の第１の実施形態に係るジェット推進システム及び騒音低減装置の概略構成を示す模式断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るジェット推進システム及び騒音低減装置と騒音発生源となる混合層との関係を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係るジェット推進システム及び騒音低減装置の概略構成を示す模式断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るジェット推進システム及び騒音低減装置の概略構成を示す模式断面図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 従来のジェットエンジンから排出されるコア流、バイパス流及び外気流を示す模式図である。 騒音発生源により発生した音圧レベルの差を表すグラフである。
符号の説明
１，２０，２２…ジェット推進システム
２…ケーシング
２ａ…後縁
３…筒状隔壁
４…圧縮機
５，６…流路
７…ジェットエンジン
８…パイロン
８Ａ…突出部
８ａ…下流側端部
８ｂ…対向部
１０，２１，２３…騒音低減装置
１５…マイクロジェットノズル
１６…パイロン起因騒音低減用ノズル（ノズル）
本発明に係る第１の実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
本実施形態に係るジェット推進システム１は、図１に示すように、筒状のケーシング２と、ケーシング２の後縁２ａから一部が突出して内挿される筒状隔壁３と、筒状隔壁３内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機４と、を有し、筒状隔壁３内が高速のコア流Ｘが流れる流路５とされ、かつ筒状隔壁３とケーシング２との間が低速のバイパス流Ｙが流れる流路６とされたジェットエンジン７と、ケーシング２よりもコア流Ｘ及びバイパス流Ｙの下流側に延びる突出部８Ａを有してケーシング２と図示しない航空機の翼とを接続するパイロン８と、騒音低減装置１０と、を備えている。
ジェットエンジン７は、上流側から下流側へ中心軸線Ｃ１に沿って順次配列された、ファン１１、圧縮機４、燃焼器１２及びタービン１３を備えている。
ケーシング２の上流側の開口は、空気Ａを取り入れる空気取入口２Ａとされている。
ケーシング２の下流側の開口は、バイパス流Ｙを排出するバイパス流排出口２Ｂとされている。バイパス流Ｙは、空気取入口２Ａから取り入れられた空気Ａのうち、圧縮機４に取り込まれなかった空気Ａであって、筒状隔壁３とケーシング２との間に流れる低速の流体である。
コア流Ｘは、タービン１３から排気されて筒状隔壁３内を流れる流体であって、バイパス流Ｙよりも高速の流体である。筒状隔壁３の下流側の開口は、このコア流Ｘを排出するコア流排出口３Ａとされている。外気流Ｚは、ケーシング２の外側を通ってバイパス流Ｙの外側を流れる低速の流体である。
ジェットエンジン７のケーシング２及び筒状隔壁３は何れも筒状の部材からなる。ケーシング２は、ジェットエンジン７の外形を形作ると共に、筒状隔壁３の外周を覆う。
筒状隔壁３は、ケーシング２に対して中心軸線Ｃ１方向に沿ってやや下流側にずれて配されており、コア流Ｘが流れる流路５とバイパス流Ｙが流れる流路６とを仕切っている。
ファン１１は、ケーシング２内の上流側端部近傍であって筒状隔壁３の上流に配されて、外部から空気Ａを取り入れる。圧縮機４は、筒状隔壁３内の上流側端部近傍に配設されて、ファン１１が取り入れた空気Ａの一部を取り込んで圧縮する。
燃焼器１２は、筒状隔壁３内における圧縮機４の下流側に配され、圧縮機４が圧縮した空気Ａに燃料を混合して燃焼させて、燃焼ガスを排出する。タービン１３は、筒状隔壁３内における燃焼器１２の下流側に配されて、燃焼器１２が排出する燃焼ガスによって、ファン１１及び圧縮機４を駆動する。
パイロン８は、ケーシング２及び筒状隔壁３の中心軸線Ｃ１と直交する方向に延在する部材であって、ケーシング２及び筒状隔壁３の各下流側端部を外側から支持している。パイロン８は、ケーシング２よりも下流側に延びる突出部８Ａを有しており、図示しない航空機の翼から下方に突出するように配され、ジェットエンジン７を吊り下げ支持している。
騒音低減装置１０は、筒状隔壁３の下流側端部３ａに配された複数のマイクロジェットノズル１５と、パイロン８の突出部８Ａの下流側端部８ａに配された複数のパイロン起因騒音低減用ノズル（ノズル）１６と、を備えている。
マイクロジェットノズル１５と圧縮機４とは、バルブ１７が途中に配された供給路１８によって連通されており、圧縮機４から排出される空気の一部が、マイクロジェットノズル１５から噴射される。マイクロジェットノズル１５は、コア流Ｘとバイパス流Ｙとが合流する領域に向けて空気を噴射するように、筒状隔壁３の下流側端部３ａに周方向に所定の間隔で離間した状態で複数配置されている。
パイロン起因騒音低減用ノズル１６もマイクロジェットノズル１５と同様に、圧縮機４と連通された図示しない供給路と連通されており、圧縮機４から排出される空気の一部が噴射される。パイロン起因騒音低減用ノズル１６は、コア流Ｘとバイパス流Ｙの外側に生じる外気流Ｚとが接近して生じる、図２に示す混合層（騒音発生源）Ｓに向って空気を噴射するように、パイロン８の突出部８Ａの下流側端部８ａ近傍に複数配置されている。なお、上述の混合層（騒音発生源）Sとは、ジェットエンジン７がパイロン８を介して航空機の翼に取り付けられている場合、ジェットエンジン７の周辺で騒音レベル（音圧レベル）を周波数毎に測定した際、パイロン８が無い場合と比較して、所定レベル以上の音圧レベルの差を発生させている箇所である。図７は、ジェットエンジン７の周辺において、混合層（騒音発生源）Sの影響により、パイロン有りの場合（□）は、パイロン無しの場合（◆）と比較して、音圧レベルが４ｄB程度大きくなっていることを示す音圧レベル測定結果の一例である。
次に、本実施形態に係るジェット推進システム１及び騒音低減装置１０の作用について説明する。
航空機の離陸時には、まず、ファン１１を回転させて空気取入口２Ａから空気Ａを取り入れる。この空気Ａの一部は、圧縮機４にて圧縮され、燃焼器１２にて燃料と混合されて燃焼される。タービン１３では、燃焼器１２から排出された燃焼ガスによってファン１１及び圧縮機４の駆動力が発生する。以降は、タービン１３によって発生した駆動力によって、ファン１１が回転して空気Ａが取り込まれていく。
上記動作によって、筒状隔壁３内の流路５にコア流Ｘが流れ、コア流排出口３Ａから排出される。また、筒状隔壁３とケーシング２との間の流路６にバイパス流Ｙが流れ、バイパス流排出口２Ｂから排出される。このとき推進力が得られて航空機が離陸する。
この際、バルブ１７を開いてマイクロジェットノズル１５及びパイロン起因騒音低減用ノズル１６からそれぞれ空気を噴射する。マイクロジェットノズル１５から噴射された空気は、排出されたコア流Ｘとバイパス流Ｙとが合流する領域に到達して両者を好適に混合させる。こうして、コア流Ｘとバイパス流Ｙとの合流によって生じる騒音が低減される。
一方、パイロン起因騒音低減用ノズル１６から噴射された空気は、パイロン８の突出部８Ａの下流側端部８ａから混合層Ｓに到達して混合層Ｓの乱れを拡散させる。この際、ジェットエンジン７の運転状況に応じて、適宜、バルブ１７にて空気量を調節する。こうして、混合層Ｓにおける乱流起因の騒音を低減する。
航空機が所定の高度に達した場合には、バルブ１７を閉じてマイクロジェットノズル１５及びパイロン起因騒音低減用ノズル１６からの空気の噴射を停止して、所定の巡航状態を確保する。
このジェット推進システム１及び騒音低減装置１０によれば、パイロン８の下流で速度差の大きいコア流Ｘと外気流Ｚとが接近して生じる騒音発生源となる混合層Ｓに向かって、パイロン起因騒音低減用ノズル１６から空気を噴射するので、混合層Ｓの乱れを拡散させ、混合層Ｓにおける乱流起因の騒音を低減することができる。したがって、パイロン８を介して航空機の翼にジェットエンジン７が接続されることによって生じる騒音を好適に低減することができる。
特に、パイロン起因騒音低減用ノズル１６が、パイロン８の突出部８Ａの下流側端部８ａに配置されているので、パイロン８の突出部８Ａの下流側端部８ａに近い位置に発生する騒音発生源となる混合層Ｓに空気を確実に噴射することができ、より好適に混合層Ｓを拡散することができる。
また、パイロン起因騒音低減用ノズル１６から噴射される空気が圧縮機４から供給されるので、圧縮された空気を騒音発生源となる混合層Ｓに噴射することができ、より好適に混合層Ｓを拡散させることができる。
次に、第２の実施形態について図３を参照しながら説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係るジェット推進システム２０及び騒音低減装置２１のパイロン起因騒音低減用ノズル１６が、パイロン８の突出部８Ａにおける筒状隔壁３（エンジン回転中心軸）との対向部８ｂに配置されているとした点である。
パイロン起因騒音低減用ノズル１６の先端は、対向部８ｂから第１の実施形態と同様に混合層Ｓに向けられている。
このジェット推進システム２０及び騒音低減装置２１によれば、パイロン８の突出部８Ａにおける上記対向部８ｂからでも、空気を確実に騒音発生源となる混合層Ｓに噴射することができ、より好適に混合層Ｓを拡散することができる。
次に、第３の実施形態について図４及び図５を参照しながら説明する。
なお、上述した他の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第３の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係るジェット推進システム２２及び騒音低減装置２３のパイロン起因騒音低減用ノズル１６が、パイロン８ではなくパイロン８近傍の筒状隔壁３の下流側端部３ａに配置されているとした点である。
すなわち、パイロン起因騒音低減用ノズル１６は、パイロン８近傍に集中するようにして、ケーシング２及び筒状隔壁３の中心軸線Ｃ１と直交する軸線Ｃ２方向を中心とした対称位置に、マイクロジェットノズル１５とともに配置されている。ただし、パイロン起因騒音低減用ノズル１６の向きは、マイクロジェットノズル１５とは異なり、他の実施形態と同様に混合層Ｓに向けられている。
このジェット推進システム２２及び騒音低減装置２３によれば、パイロン起因騒音低減用ノズル１６がパイロン８に配されていなくても、筒状隔壁３の下流側端部３ａから空気を混合層Ｓに向かって噴射することにより、混合層Ｓの乱れを拡散させることができる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、騒音低減装置がマイクロジェットノズル１５を備えたものとしているが、コア流Ｘとバイパス流Ｙとが合流することで発生する騒音を低減させるものであれば、他の手段のものでも構わない。また、圧縮機４から排出された空気の一部を噴射しているが、他の供給手段から空気を供給してもよく、さらには、空気に限らず、水のような液体でも構わない。
また、マイクロジェットノズル１５及びパイロン起因騒音低減用ノズル１６への空気供給は、個別の供給路であっても途中で分岐された供給路であっても構わない。さらに、マイクロジェットノズル１５及びパイロン起因騒音低減用ノズル１６へ個別に空気を供給する際、噴射のタイミングをずらしても構わない。
また、パイロンは、航空機の翼の下方に限らず、水平方向、上方向に突出して配されていても構わない。
本発明によれば、 パイロンを介して航空機の翼にジェットエンジンが接続されることによって生じる騒音を好適に低減することができる。

Claims (4)

  1. 筒状のケーシングと、前記ケーシングの後縁から一部が突出して内挿される筒状隔壁と、前記筒状隔壁内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、を有し、前記筒状隔壁内が高流速空気のコア流が流れる流路とされ、かつ、前記筒状隔壁と前記ケーシングとの間が低流速空気のバイパス流が流れる流路とされ、前記ケーシングよりも前記コア流及び前記バイパス流の下流側に延びる突出部を有するパイロンによって航空機の翼と接続されるジェットエンジンにおける騒音低減装置であって、
    前記パイロンのコア流下流側であって、前記バイパス流の外側に生じる外気流と前記コア流とが接近して生じる騒音発生源に向かって流体を噴射するノズルを備えており、
    前記ノズルは、前記パイロンの前記突出部の下流側端部に配置されている騒音低減装置。
  2. 筒状のケーシングと、前記ケーシングの後縁から一部が突出して内挿される筒状隔壁と、前記筒状隔壁内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、を有し、前記筒状隔壁内が高流速空気のコア流が流れる流路とされ、かつ、前記筒状隔壁と前記ケーシングとの間が低流速空気のバイパス流が流れる流路とされ、前記ケーシングよりも前記コア流及び前記バイパス流の下流側に延びる突出部を有するパイロンによって航空機の翼と接続されるジェットエンジンにおける騒音低減装置であって、
    前記パイロンのコア流下流側であって、前記バイパス流の外側に生じる外気流と前記コア流とが接近して生じる騒音発生源に向かって流体を噴射するノズルを備えており、
    前記ノズルは、前記パイロンの前記突出部におけるエンジン回転中心軸との対向部に配置されている騒音低減装置。
  3. 前記ノズルから噴射される流体は、前記圧縮機から前記ノズルに供給される空気である請求項１または２に記載の騒音低減装置。
  4. 筒状のケーシングと、前記ケーシングの下流側端部から一部が突出して内挿される筒状隔壁と、前記筒状隔壁内に取り込んだ空気を圧縮する圧縮機と、を有し、前記筒状隔壁内が高速のコア流が流れる流路とされ、かつ前記筒状隔壁と前記ケーシングとの間が低速のバイパス流が流れる流路とされたジェットエンジンと、
    前記ケーシングよりも前記コア流及び前記バイパス流の下流側に延びる突出部を有して前記ケーシングと航空機の翼とを接続するパイロンと、
    請求項１から３の何れか一つに記載の騒音低減装置と、
    を備えているジェット推進システム。
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