JP5226329B2 - ターボジェットエンジンのファンケーシング用音響整流器 - Google Patents

Description

本発明は、バイパスターボジェットエンジンの分野に関し、エンジンによって放出された騒音、特にファンによって放出された騒音を減衰することを目的としている。

輸送機の推進力のためのバイパスターボエンジンは、一般に上流側にファンを備える。このファンは環状のエアフローを配送するが、環状エアフローは、ファンを駆動するエンジンに空気を供給する１次中央環状部と、大気に排出されることによってスラストの大きな部分をもたらす２次外部環状部とを備える。ファンは、２次フローまたはバイパスフローの境界を画定するケーシングの内側に含まれている。中間ケーシングとして知られているエンジンの構造要素が、様々なロータ同士を連結しているシャフトを支持しているハブと、外側環状ケーシングと、これらのケーシングを一緒に連結している放射状連結アームとを備える。これらの放射状アームは、エンジンとその支持体との間にある力の一部を伝える。現在では通常、２次フローをエンジンの軸線に沿って整えるために、エンジン内で、ファンロータと中間ケーシングのアームとの間にリング状案内翼が装着されている。これらの案内翼は、Ｏｕｔｌｅｔ Ｇｕｉｄｅ Ｖａｎｅ（出口案内翼）を表す略語ＯＧＶで一般に知られている。

最近では、連結アームがファン下流のフローを整える整流器として働くエンジンが開発されている。この整流機能の意味するところは、ファンロータに１８枚から２４枚のブレードを備えたバイパスエンジンでは、３０本から５０本程度の多数のアームおよびＯＧＶ、したがって最大厚みが比較的小さなアームおよびＯＧＶが存在しなければならないということである。この例では、これらのＯＧＶの最大厚みは１０から１５ｍｍである。ある種のアームでは、１００ｍｍを超える場合がある。この構成では、整流翼がロータブレードから離しておかれることによって、ファン効率を、高バイパス率を有するエンジンの場合に１ポイントの０．３から０．４程度分高めることも可能であるが、この構成は、フローと案内翼の翼列との相互作用のメカニズムの大きさに好ましい効果を有する。この翼列において、速度と翼に掛かる圧力との変動のインパクトの結果としての騒音が生じるが、こうした変動は不安定なフローによって引き起こされる。また、整流翼の数の選択は、既に設計段階で、源で騒音を減衰することを目的として適用された音響基準によって導かれていることも強調されるべきである。この基準によって、ロータブレードの少なくとも２倍の数のステータ翼が存在するようになる。これは、ロータブレードの掃引周波数（ｓｗｅｅｐ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）の、ロータからの後流とステータとの相互作用によって生じた音響モードを取り除く除くことを可能にするためである。この推奨事項は、どのようなファンの設計にも極めて体系的に適用される。

本出願人は、この最後の構成の文脈において、ファンによって放出された騒音の減衰を高めるという目的を自らに定めた。本出願人は、詳しくは、ファンの騒音を減衰すると同時に、質量を増やさずに空気力学的性能と機械的完全性を維持することが可能な装置を開発するという目的を自らに定めた。

これの目的は、本発明によって、ファンロータの下流で整流器としても働くターボエンジンファンケーシングの構造的または非構造的連結アームを使用して達成されるが、このアームの際立った特徴は、これが音響減衰器を形成するように構築されているということである。より詳しくは、このアームは、一方の面に、ヘルムホルツ共鳴器を形成するように両端部で閉鎖された空洞と穿孔とを備え、空洞は、ファンケーシングを取り囲むナセルに収容されたポケットの形態の中空要素によって延長され、あるいは空洞は、１次フローの本体のケーシングの内側に収容された中空要素によって延長されている。

本発明の構成は、空洞の容積を必要に応じて微調整するのを可能にするが、これは、空洞を、ファンケーシングを越えて２次流路の外側に延長する簡単なポケットまたはなんらかの他の中空要素を使用して行う。

本発明によって、中間ケーシングの一部を形成するものなどの構造的または非構造的アームの少なくともいくつかを音響処理することによって、大幅な騒音の減衰という目的を達成することが可能となる。

詳しくは、本発明の解決法は、音響的証明のために使用された３つの測定点にわたって組み合わされた許容誤差内で、０．５ＥＰＮｄＢから１ＥＰＮｄＢで推定有意音響性能を有する２０００Ｈｚから３０００Ｈｚの範囲の中間周波数でエンジンの騒音を軽減することを可能にする。この解決法は詳しくは、流路に放射状に配置されることによって、壁側の音響処理によって消散することのできない音響エネルギーの一部を「閉じ込める（ｔｒａｐ）」ことが可能である。

本発明の解決法は、これを実施する際に特定の予防措置が取られれば、ファンの空気力学的性能に対して極僅かなインパクトしか及ぼさないという利点も有する。したがって、摩擦損失を制限するために、穿孔はアームの内輪（ｉｎｔｒａｄｏｓ）に位置することになり、ここではフロー速度が低くなり、同時に穿孔のオリフィス直径を最小限度にしてｄ＜１ｍｍになるようにする。またアームの内側で空気が再循環するのを防止することも極めて重要である。これは穿孔された領域を、アームの高さ全体にわたる静圧プロファイルを考慮して位置決めする必要があることを意味する。

本発明の解決法は、極めて低重量の不利益しか担持しないというさらなる利点を有する。この質量は、未処理の中空アームを備えたケーシングの質量と同様である。

本発明の解決策は、構成要素の従来の機械的構造を維持するというさらなる利点も有する。これは、くり貫かれているが音響的に処理されていない製造によるアームとは僅かにしか異ならない。この特徴はまた、製造コストおよび工業化コストが、大量生産が想定可能であるようなものであることも意味している。

今日のファンケーシングに設けられている内蔵型整流器によって既に実行されている機能、つまり一方が連結機能、おそらくは構造的機能であり、他方が空気力学的機能であるこれらの機能に音響機能を加えることによって、アーム内側の利用可能な小さな容積を前提として、音響効率と質量と製造の行い易さとの間で妥協点を見出すことが必要になる。

他の特徴によると、穿孔は連結アームの内輪面に形成され、より詳しくは、騒音強度が最大であるアームの上方部に形成される。

有利には、穿孔は１ｍｍよりも小さな直径を有し、詳しくは穿孔は０．５ｍｍよりも小さな直径を有する。

他の特徴によると、穿孔された領域内の穿孔の程度は５％から１０％の間である。

アームが、例えばセクション部片の形態の補強材などの内部補強要素を少なくとも１つ備える場合、補強材は広範囲に保持される。

次に本発明の非限定的実施形態を、図面を参照して述べる。

ファンが前部に位置付けられたバイパスターボファンエンジン１は、下流端部でタービン（図示せず）に連結されたシャフト５の前端部に取り付けられファンロータ３を備える。このファンは空気を吸い込み、これを環状の２重ストリーム、即ちエンジンの軸線ＸＸに最も近い１次フローＰと、これと同心の２次フローＳとに圧縮する。１次フローＰは連続した圧縮段階を経て行くが、それらのうちの最初の３１および３２しか図１では見ることができない。１次フローＰはこのように圧縮され、燃焼室まで案内される。燃焼で生じたガスはタービンロータに向けて送られ、ここでエネルギーが回収される。この低圧タービンはＬＰシャフト５によってファンロータ３に連結されている。ＬＰシャフト５の上流端部を図で見ることができる。２次フローＳは１次フローに対する本体のフェアリング６と外部ファンケーシング７との間で下流を案内され、中間ケーシング８によって形成されたインペラを通過する。この中間ケーシング８はハブ８Ａを備え、ここをエンジンのＬＰシャフト５が通過し、これがＨＰおよびＬＰシャフトの前軸受を支持している。外側シュラウド８Ｃはファンケーシング７のシュラウドを支持している。連結アームとして知られている放射状アーム８Ｂは、ハブ８Ａを外部シュラウド８Ｃに連結している。このアセンブリが中間ケーシング８を形成し、これを介して力が伝達される限り構造的役割を果たす。特に、エンジンを航空機の前方の構造に取り付ける手段が中間ケーシング８に固定されている。

これは、１部片の単一部品からも、一次部品同士の溶接またはボルト締めアセンブリからもなることができる。本発明の構成の放射状アーム８Ｂは、構造的機能と空気力学的整流機能とを有する場合もあるが、空気力学的機能しか有さない場合もある。これらのアームは空気力学的外形を有し、その数は、ファンロータ３からの２次エアフローをエンジンの軸線に沿って整えるのに充分である。

航空機でどのように配置されるかによって、２次フローＳは、１次フローとは別のフローの形態で、中間ケーシングの下流で直接大気中に排出されるか、あるいは１次フローのガスと下流で混合されて混合フローとなる。

本発明は、可能な代替的形態の構成、即ち別個の１次フローと２次フローという構成、または一緒に混合された２つのフローという構成のいずれにも同等の優先度で適用される。初期世代のエンジンと比較すると、これらの放射状アームは上述の２つの機能を実行する。この構成はそれ自体が知られている。放射状アームと整流機能を組み合わせた構成はまた、整流を隔てることによって騒音の発生に対して好ましい効果を有することも知られている。

他の情報源からは、環状のファンダクトの壁を、騒音減衰要素を使用して音響処理することも知られている。１つの知られている方法によると、音響減衰は、ｎ自由度（一般にｎ＝１または２）のヘルムホルツ共鳴器を使用して達成される。

ヘルムホルツ共鳴器は、中実の非多孔性層と、ハニカム状構造の形態で作成される場合の多い、この層に対して垂直の１つまたは複数の隔壁と、１つまたは複数の多孔性層とからなり、このようにして全体が１つまたは複数の空洞を構成していることを想起されたい。この中実の層によって、壁に対して音響速度ゼロの条件を与えることが可能になる。隔壁は音波を案内するが、これは、波長の空洞の横方向寸法に対する大きな割合を前提とすると平面波の形態で伝播される。

パネルを主体とするヘルムホルツ共鳴器は一般に、これらの優れた機械的および音響的特性から、ターボジェットエンジンの管に使用されている。

放射状アーム８Ｂの少なくともいくつかは音響処理がなされている。補助器具が通過する放射状アームには、補助器具内で利用可能な自由空間が無くなることから、音響処理をしないことが好ましいことに留意されたい。

他のアームは一般に中空である。本発明によると、これらのアームの内側で利用可能な空気の体積を利用して、ヘルムホルツ共鳴器を形成する。図２は、このようにして処理された放射状連結アーム８Ｂの径方向軸線に対して直角をなす断面を表している。このアームは、内輪面８Ｂｉｎと外輪面８Ｂｅｘを備えた空気力学的形状を有し、それらの面は前縁８Ｂａｔと後縁８Ｂｆｕとの間に延在している。本実施例では、断面図の形態の補強材８１および８２が、アーム８Ｂの構造を統合するように、２つの面８Ｂｉｎと８Ｂｅｘとの間に位置決めされている。しかし、アームはこれらを有さなくてもよい。これらの補強材には穴８１’および８２’が開けられている。一方または両方の面８Ｂｉｎおよび／または８Ｂｅｘに穿孔８３が設けられている。これらの補強材を、アームの軸線方向断面図を示している図１でも見ることができる。

これらの２つの面の間に形成された閉鎖ボリュームは、穿孔と組み合わされてヘルムホルツ共鳴器を形成する。このようにして形成された共鳴器の1つまたは複数の同調周波数は、粘性熱的なメカニズムによって穿孔から音響エネルギーを消散させるように調整される。

穿孔８３は、空気力学的摩擦の損失とアーム内側の空気の再循環とを回避するように、局部的に、好ましくは内輪の上方部分に形成されている。

しかし、特定の一実施形態によると、圧力変動を軽減する目的で、共鳴器のいくつかの外輪に穿孔が形成されている。この圧力変動は後流に関連付けられ、前縁付近の領域で特に大きい。この現象がファンの騒音の大きな部分を引き起こすことが知られている。この場合使用される構成は、音響的利点と発生される空気力学的損失との間の妥協点となる。

穿孔８３は、１ｍｍの最大直径、好ましくは０．５ｍｍより小さな直径を有し、有利に円形である。直径が１ｍｍを超えると、空気力学的損失が顕著になる。これらの穿孔は、アームの内側に形成された空洞と連通するように配置されてヘルムホルツ共鳴器を構成する。ここではこれらの穿孔で発生された粘性熱的な損失によって音響消散が実行される。

空洞容積が固定されていることが制約となっているこの消散システムでは、周波数の同調は主に、共鳴器の「ネック」として働く１つまたは複数の穿孔された領域の寸法を変更することによって実行される。

２０００Ｈｚから３０００Ｈｚの範囲の対象周波数の騒音を吸収するために、一方で、内輪表面の約半分が穿孔され、他方で内部補強材に穴が開けられて、アームに含まれた空気の容積全体を共鳴するように設定する。孔隙率に関して述べると、１つまたは複数の穿孔された領域の穿孔程度は、５％から１０％の範囲の値に設定されることが好ましい。

穿孔８３が外輪と内輪の全体に分布する解決方法では、穿孔された領域は翼の濡れ表面の約４分の１を占める。これらの穿孔は、シュラウド８Ｃと同じ端部で上方半分にあることが好ましい。

音響レベルが向上されても、エンジンの性能にはなんら不利益がなく、工業化の点でも製造の点でも実施コストは妥当であり、全体の質量は実際上影響を受けない。

こうした放射状整流アームを得るために使用することができる材料および方法に関しては、類似の部品で既に適用されている解決法などの、然るべき数の可能な工業的解決法が存在する。これらは、一次機械部品の溶接、ロウ付け、またはボルト締めアセンブリを含む解決法、あるいは挿入物を備えた鋳造物または鍛造物としての１部片の部品を得ることを含む解決法である。

他の解決法は、有機マトリックスまたは金属マトリックスを備えた複合材料を含む。

有機マトリックスを得ることを含む解決法は、炭素繊維および／またはエポキシ樹脂を備えたガラス繊維を使用して実行される。この部品は２Ｄプリプレグの束から、またはＲＴＭ成形射出された２Ｄ繊維の束から、またはＲＴＭ成形射出された織プリフォームまたは編プリフォームから得られる。

共鳴空洞の容積は、断面で見ることができる、図１で表しているとおりのポケット１０の形態の追加の空洞を設けることによって変更される。この追加の空洞は、壁８Ｂｉｎと８Ｂｅｘとの間に画定された空洞を延長するものである。このポケット１０はファンケーシングを越えたエンジンナセルに位置決めされている。このポケットは放射状アーム８の空洞に通じている。このようにして、ポケットの適切な容積を選択することによって、ヘルムホルツ共鳴器を所望の減衰を実現するのに必要な周波数に簡単に調整することも可能となる。

他の特徴によると、空洞は１次フローの本体のケーシングの内側に収容された中空要素によって延長される。この容積は上記解決法の一方またはその両方の組み合わせによって得ることができる。

前部にファンを取り付けたターボファンエンジンの上流部の軸方向半断面部分図を示す。 図１のターボジェットエンジンの中間ケーシングに属する連結アームの、この径方向軸線に対して垂直のＩＩ−ＩＩによる断面図を示す。

符号の説明

１ バイパスターボファンエンジン
３ ファンロータ
５ シャフト
６ フェアリング
７ 外部ファンケーシング
８ 中間ケーシング
８Ａ ハブ
８Ｂ 放射状アーム
８Ｂｉｎ 内輪面
８Ｂｅｘ 外輪面
８Ｂａｔ 前縁
８Ｂｆｕ 後縁
８Ｃ 外側シュラウド
１０ ポケット
３１、３２ 圧縮段階
８１、８２ 補強材
８１’、８２’穴
８３ 穿孔

Claims (11)

1. ファンケーシングを取り囲むナセルとターボジェットエンジンの１次フローのための内側ケーシングとの間を延伸しており、ファンロータの下流で整流器として働く、ターボジェットエンジンのファンケーシングの連結アームであって、
   前記アームが、音響減衰器を形成するように構築されて、空洞を画定する外輪面および内輪面を備えており、
   外輪面および内輪面の少なくとも一方が、前記空洞の内部にヘルムホルツ共鳴器を形成するように、外輪面および内輪面の一方を貫通する複数の穿孔を画定しており、
   空洞が、ファンケーシングを取り囲むナセルに収容された閉鎖ポケットによって延長されており、
   前記閉鎖ポケットをなす要素が、前記空洞と連通する通路以外の開口を有していない、前記連結アーム。
2. アームの内輪面に穿孔が形成されている、請求項１に記載の連結アーム。
3. アームの先端側部分に穿孔が形成されている、請求項１または２に記載の連結アーム。
4. 穿孔が１ｍｍよりも小さな直径を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の連結アーム。
5. 穿孔が０．５ｍｍよりも小さな直径を有する、請求項４に記載の連結アーム。
6. 穿孔された領域の穿孔の程度が、アームの総面積の５％から１０％の間である、請求項１から５のいずれか一項に記載の連結アーム。
7. 穴を画定する少なくとも１つの内部補強要素を備えている、請求項１から６のいずれか一項に記載の連結アーム。
8. 少なくとも部分的に、請求項１から７のいずれか一項に記載の連結アームを備える、バイパスターボジェットエンジンの中間ケーシング。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載のファンと連結アームとを備える、ターボジェットエンジン。
10. アームが中間ケーシングの一部を形成している、請求項９に記載のターボジェットエンジン。
11. 前記ナセル内の前記閉鎖ポケットには、２次空気フローと連通する開口がない、請求項１から７のいずれか一項に記載の連結アーム。

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