JP4926988B2 - 超音速機用複流ターボジェットの可変断面フローミキサ - Google Patents

Description

本発明は、超音速機用の低バイパス比の複流ターボジェットの可変断面フローミキサの全体分野に関する。

超音速機用の低バイパス比の複流ターボジェットは、基本的には、複流ガス発生器（低温の流れおよび高温の流れを生成する）をガス排出チャネルを画定するノズルによって延長して備える。

民間の輸送において使用される超音速機に取り付けられる低バイパス比の複流ターボジェットは、２つの要件を満たす必要がある。第１に、遷音速および超音速の巡航の段階において抵抗が可能な限り小さくなければならず、第２に、航空機の離陸時の騒音が容認可能な水準でなければならず、民間機のターボジェットからの騒音の発散に関して、認証機関がますます厳しい要件を課すようになってきている。

残念なことに、これら２つの要件は両立しない。第１の要件が、小さな直径のターボジェットの設計につながる一方で、第２の要件は、ガスの質量流量を増すことによって推力を大きくすることを必要とし、ファンの直径を大きくする（したがって、ターボジェットの直径が大きくなる）ことにつながる。

これらの要件を満たすための１つの公知の解決策は、可変断面のフローミキサを使用することにある。そのようなミキサは、航空機の離陸段階において、ターボジェットの外気の流れをターボジェットへと導入し、ガス発生器から来るガスの流れと混ぜ合わせることを可能にする。外気をガス発生器から来るガス流と混ぜ合わせるためのミキサは、ターボジェットによって生み出されるガスの合計の質量流量を大きくするように機能する。したがって、推力が同じであれば、ミキサを有さない複流ターボジェットと比べて、ガスの排出の速度を下げることができる。ジェット騒音はガスの排出速度とともに増加するため、この速度の低減により、離陸時の騒音レベルを大きく下げることができる。

実務においては、外気は、ガス発生器の下流において、ノズルの全周を巡って分布した開口を介してターボジェットへ導入される。この方法で導入された空気が、ガス流排出チャネルを半径方向に横切って延びるガイドの助けによって、ガス発生器から来るガスの流れと混ぜ合わせられる。これらのガイドは、（航空機の離陸段階において）開口から離れて混合の発生を可能にする位置と、他の飛行段階のために開口を塞ぐもう１つの位置との間で可動である。

上記の解決策は、満足できるものではあるが、外気の流れとガス発生器から来るガスの流れとの間の混合を促進するために、ターボジェットを大幅に長くする必要があるという欠点を呈している。残念ながら、ターボジェットを長くすることは、重量の不利益なしでは不可能である。さらに、最も迷惑な可聴周波数を吸収するために、ターボジェットの排出ノズルの内壁の音響被覆に頼ることが、通常は必要である。

また、ガイドがローブであって、ローブが開放位置にあるときにターボジェットへと導入される外気に旋回運動を付与するために、すべてのローブが同じ方向のアジマス成分を呈しているミキサが、本出願人による仏国特許出願第０６／５０１２７号（ＦＲ２８９６２７４として公開されている）から知られている。

この解決策は、小型の様相でありながら、離陸時のターボジェットのジェット騒音のレベルの低減に有効であるが、ローブが開放位置にあるときにターボジェットへと導入される外気の旋回に起因して、推力が損なわれることになる。
仏国特許出願公開第２８９６２７４号明細書

本発明の主たる目的は、離陸時のターボジェットからのジェット騒音のレベルを小型な様相で低減でき、かつそれによってターボジェットからの推力が減少することがない可変断面フローミキサを提案することによって、このような欠点を軽減することにある。

本目的は、長手軸を中心とする中央の環状の本体と、中央の本体を同軸に囲み、中央の本体と協働して環状の一次チャネルを画定している環状の一次カバーと、一次カバーを同軸に囲み、一次カバーと協働して一次チャネルと同軸な環状の二次チャネルを画定している環状の二次カバーと、長手軸に中心を有し、長手方向において二次カバーに整列して位置している環状のノズルとを備え、ノズルが、ノズルの全周を巡って分布して、一次および二次チャネルから来る流れの間の集合領域へと開いている複数の外気導入用の開口を有し、開口に、２つの異なる位置、すなわちノズルの開口を塞ぐ閉鎖位置、および上記開口から離れてノズルの中へと半径方向に展開され、外気の集合領域への進入を可能にする展開位置の間で可動であるローブが取り付けられ、ローブがすべて、ローブが第２の位置にあるときに集合領域へと進入する外気に旋回運動を付与するために、共通の方向の共通のアジマス成分を呈している超音速機用複流ターボジェットの可変断面フローミキサであって、中央の本体の少なくとも一部分を占める複数の長手方向の溝をさらに備え、溝がすべて、ローブのアジマス成分の方向と反対である共通の方向の共通のアジマス成分を呈しているミキサによって達成される。

アジマス成分を有するローブを使用することで、ターボジェットの外気の流れと一次および二次チャネルから来るガスの流れとの間の混合が、外部からの空気に旋回運動を付与することによって大いに促進される。中央の本体に溝が存在することで、このガスの流れの間の混合がさらに増す。加えて、すべての溝が、ローブのアジマス成分の方向と反対の方向のアジマス成分を呈していることで、ローブによって旋回させられた空気の流れを反対方向に回転させることによって「真っ直ぐ」にすることができる。結果として、ターボジェットからの推力が、ミキサのローブのアジマス成分によって付与される旋回の影響によって損なわれることがない。

有利には、ミキサは、ローブと同数の溝を有する。

好ましくは、溝のアジマス成分の大きさが、ローブのアジマス成分の大きさと同一である。

さらに本発明は、上述の可変断面フローミキサを含む超音速機用ターボジェットを提供する。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照しつつ行われる以下の説明から明らかになる。添付の図面は、一実施形態を示しているが、本発明がこの実施形態に限られるわけではない。

図１から図６は、本発明の可変断面フローミキサを示している。このミキサは、特には、超音速機用の低バイパス比の複流ターボジェットへと取り付けられるように意図されている。

ミキサ２は、主として、中央の環状の本体４、一次環状カバー６、および二次環状カバー８を備え、これらの構成要素のすべてが、ターボジェットの長手軸１０に中心を有する。

一次カバー６が、中央の本体４を同軸に囲み、本体４と協働してターボジェットからの高温のガス流を通すための環状の一次チャネル１２を画定している。

二次カバー８は、一次カバー６を同軸に囲み、一次チャネルの周囲に同軸に、ターボジェットから来る低温の空気の流れを通すように機能する環状の二次チャネル１４を、一次カバー６と協働して画定している。

さらにミキサは、ガスを排出するための環状のノズル１６を、長手軸１０に中心を位置させ、長手方向において二次カバー８に整列させて含む。ターボジェットからの低温および高温の流れが、このノズル１６の内側の集合領域１８（図１）において混ざり合う。

ノズル１６は、外気を進入させるための複数の長手方向の開口２０を有し、これらの開口が、ノズルの全周を巡って（好ましくは、規則的に）分布している。これらの開口２０は、ターボジェットの外部へと開くとともに、ノズルの内部へと実質的に低温および高温の流れの間の混合領域１８につながっている。

ターボジェットの中央の本体４が、開口２０が実質的に中央の本体に面して開くよう、ノズルの内側において一次カバー６および二次カバー８を超えて長手方向に延びていることを理解すべきである。

開口２０のそれぞれに、チャネル断面のローブの形態である空気ガイド２２が、２つの異なる位置、すなわち「閉鎖」位置と称され、ローブによって対応する開口が塞がれる第１の位置（図１、図３、および図４）と、「展開」位置と称され、ローブが対応する開口から離れてノズル１６の内側へと半径方向に展開される第２の位置（図２および図６）との間で可動に取り付けられている。

ローブ２２の閉鎖位置は、ターボジェットが取り付けられた超音速機において、離陸段階を除くすべての飛行段階に対応する（例えば、超音速での巡航の段階に対応する）。この位置においては、ローブがノズル１６の構造へと引き込まれ、開口２０を塞いでいる。結果として、ターボジェットの外気がノズルへと進入することがない。

ローブ２２の展開位置は、ターボジェットが取り付けられた超音速機の離陸中の段階に対応する。この位置においては、ローブがノズルによって形成される排出チャネルを半径方向に横切って延びるように展開されている（すなわち、それぞれのローブの軸が長手軸１０に対して傾けられている）。この結果、ローブがガイドとして機能し、ターボジェットの外気を開口２０を介してノズル１６へと進入させて、低温および高温の流れと混合させることができるようにする。この追加の外気によって、航空機の離陸時にターボジェットによって生み出されるガスの流量が大きくなる。

さらに、図１および図２に示されているように、外気導入用の開口２０のそれぞれに、スコップ２４が固定のピボット２６を中心として枢動するように適切に取り付けられている。さらに、それぞれのスコップ２４が、外気導入用の開口に対応するローブ２２へとリンク２８によって接続されている。

このようにして、ローブ２２が開放位置（図２）へと展開されるとき、スコップ２４がローブとともに枢動し、外気がノズルへと進入できるようにする。同様に、ローブが閉じられるとき（図１）、スコップがローブと一緒に反対方向に枢動して開口２０を隠し、外気のノズルへの進入を防止する。

ローブ２２は、上流側の端部においてピボット３０を介してノズル１６にヒンジ付けされ、少なくとの１つのアクチュエータ３２（例えば、油圧式、空気式、または電気式のアクチュエータ）によって２つの位置へと駆動される。図３に示されているように、ローブの変位を、例えばすべてのアクチュエータ３２を互いに接続する同期ケーブル３４によって同期させることができる。

さらに、ローブ２２は、すべて同じ方向のアジマス成分を呈している。ローブは、下流側の端部がローブのピボットの面（ラジアル面）から離れるように湾曲している場合に、アジマス成分を有すると称される。

図５に示されているように、展開図において、それぞれのローブ２２が、ノズル１６において長手軸１０に対して同じように変化する傾きθを有する。目安として、傾きθは、約２０°にも達し得る。

当然ながら、ローブ２２が取り付けられるノズル１６の開口２０そのものも、ローブの投影に対して相補的な形状であり、すなわちそれぞれのローブのノズルへの投影が、やはり長手軸１０に対する傾きを呈している。

さらに、アジマス成分は、ローブ２２のそれぞれについて同じ方向に向けられている。したがって、ローブ２２はすべて同じ方向の「ねじり」を有し、ローブが展開位置にあるときに集合領域１８へと進入する外気に旋回運動を付与する。

本発明によれば、さらにミキサが、中央の本体４の少なくとも一部分を延びる複数の長手溝（または、凹部）３６を有し、これらの溝のすべてが、ローブのアジマス成分の方向と反対である同じ方向に、同じアジマス成分を呈している。

すなわち、図５の展開図において、それぞれの溝３６が、ノズル１６において長手軸１０に対して同じように変化する傾きθ’を呈し、この傾きθ’が、ローブ２２の傾きθに対して反対の方向であって、好ましくは上記傾きθと（絶対値が）同一であることを見て取ることができる。

中央の本体４は、好ましくはローブ２２と同数の溝３６を呈している。すなわち、図６の実施形態においては、ミキサが、１６個のローブおよび１６個の溝を有する。溝３６は、中央の本体の少なくとも一部分を長手方向に延びている。

さらに、図４に示されているように、それぞれの溝３６が、ローブ２２の幅と実質的に同等の幅を呈している。より正確には、それぞれの溝３６が、好ましくは、対応するローブ２２が内接する角度の開き３８に内接している。

図６に示されているように、ミキサの中央の本体４に溝３６が存在することで、溝の低温および高温の流れから来る気体混合物に、ローブ２２によってノズルへと導入される外気の旋回運動と反対の方向の旋回運動を付与することができる。これが、第１に低温および高温の流れと、第２にローブによって導入される外気との間に、より良好な混合をもたらす。これが、離陸時の溝からのジェット騒音を少なくする。さらに、低温および高温の流れの間の混合物にこのような旋回運動が存在することが、ローブによって旋回させられた外気の流れを反対方向に回転させて「真っ直ぐ」にするように機能する。結果として、ターボジェットからの推力が、このローブの特有の形状によって減少することがない。

閉鎖位置に示されている本発明のミキサが取り付けられたターボジェットを示す長手方向の半断面図である。 展開位置に示されている本発明のミキサが取り付けられたターボジェットを示す長手方向の半断面図である。 展開位置にある図１のミキサの一部分の斜視図である。 図１のＩＶ−ＩＶにおける断面図である。 図１から図４のミキサのローブおよび溝の展開図である。 図２のミキサの端面図である。

符号の説明

２ ミキサ
４ 環状の本体
６ 一次環状カバー
８ 二次環状カバー
１０ ターボジェットの長手軸
１２ 一次チャネル
１４ 二次チャネル
１６ ノズル
１８ 集合領域
２０ 開口
２２ 空気ガイド（ローブ）
２４ スコップ
２６、３０ ピボット
２８ リンク
３２ アクチュエータ
３４ 同期ケーブル
３６ 長手溝（凹部）
３８ 角度の開き

Claims (4)

1. 長手軸（１０）を中心とする中央の環状の本体（４）、
   中央の本体を同軸に囲み、中央の本体と協働して環状の一次チャネル（１２）を画定している環状の一次カバー（６）、
   一次カバーを同軸に囲み、一次カバーと協働して一次チャネルと同軸な環状の二次チャネル（１４）を画定している環状の二次カバー（８）、および
   長手軸（１０）に中心を有し、長手方向において二次カバー（８）に整列して位置している環状のノズル（１６）
   を備え、
   ノズル（１６）が、ノズル（１６）の全周を巡って分布して、一次および二次チャネルから来る流れの間の集合領域（１８）へと開いている複数の外気導入用の開口（２０）を有し、
   開口（２０）に、２つの異なる位置、すなわちノズルの開口（２０）を塞ぐ閉鎖位置、および前記開口から離れてノズルの中へと半径方向に展開され、外気の集合領域（１８）への進入を可能にする展開位置の間で可動であるローブ（２２）が取り付けられ、
   ローブ（２２）がすべて、ローブが第２の位置にあるときに集合領域へと進入する外気に旋回運動を付与するために、共通の方向の共通のアジマス成分を呈している
   超音速機用複流ターボジェットの可変断面フローミキサ（２）であって、
   中央の本体（４）の少なくとも一部分を占める複数の長手方向の溝（３６）をさらに含み、溝がすべて、ローブのアジマス成分の方向と反対である共通の方向の共通のアジマス成分を呈していることを特徴とする、ミキサ。
2. ローブ（２２）と同数の溝（３６）を有する、請求項１に記載のミキサ。
3. 溝（３６）のアジマス成分の大きさが、ローブ（２２）のアジマス成分の大きさと同一である、請求項１または２に記載のミキサ。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の可変断面フローミキサ（２）を含むことを特徴とする、超音速機用ターボジェット。

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