JP5360835B2 - Jet noise prevention method and jet nozzle - Google Patents
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Description
本発明は、噴流騒音防止方法および噴流ノズルに係り、特に、噴流中に気流を噴射するために消費される気体量を低減できる噴流騒音防止方法および噴流ノズルに関する。 The present invention relates to a jet noise prevention method and a jet nozzle, and more particularly to a jet noise prevention method and a jet nozzle that can reduce the amount of gas consumed to inject an air flow into a jet.
ジェット騒音は、ジェットエンジンから排出される高速のジェット噴流と外気との間の摩擦によってジェット噴流と外気との間に渦が形成されることによって生じる。そして、ジェット騒音のパワーはジェット噴流の速度の8乗に比例することが知られている。 Jet noise is generated by the formation of a vortex between the jet jet and the outside air due to the friction between the high-speed jet jet discharged from the jet engine and the outside air. It is known that the power of jet noise is proportional to the eighth power of the jet jet velocity.
ジェット騒音を低減する方法としては、ジェット噴流を外気と急速に混合させてジェット噴流の速度を低下させる方法と、ジェット噴流内にタブと称する小片を挿入する方法と、ジェット噴流に向かって気流を噴射してジェット噴流と外気との間の渦を制御する方法とが主に検討されてきた。 Methods for reducing jet noise include a method in which the jet jet is rapidly mixed with the outside air to reduce the speed of the jet jet, a method in which small pieces called tabs are inserted into the jet jet, and an air flow toward the jet jet. The method of controlling the vortex between the jet jet and the outside air by jetting has been mainly studied.
ジェット噴流に向かって気流を噴射する方法は、亜音速ジェット噴流だけでなく、超音速ジェット噴流に対しても有効であることが近年判ってきた(日本機械学会論文集(B編) 第71巻707号(2005年7月発行)、日本機械学会論文集(B編) 第73巻726号(2007年2月発行))。 In recent years, it has been found that the method of injecting an air stream toward a jet jet is effective not only for a subsonic jet jet but also for a supersonic jet jet. 707 (issued in July 2005), JSME Proceedings (Part B), Volume 73, 726 (issued in February 2007)).
しかしながら、単にジェット噴流に向かって連続的に気流を噴射してジェット騒音を低減しようとすると、全音圧レベルを2.4dB低減させるのに主ジェット噴流の4%もの空気量が必要であることがわかった。 However, if it is attempted to reduce jet noise simply by continuously injecting airflow toward the jet, it may require as much as 4% of the main jet to reduce the total sound pressure level by 2.4 dB. all right.
ジェット噴流に向かって気流を噴射する方法を実用ジェットエンジンに適用しようとすると、前記気流の空気源をジェットエンジンのコンプレッサからの抽気に求める必要があるが、コンプレッサからの抽気が過大になると、ジェットエンジンの推力の低下が無視できなくなるという問題がある。 If the method of injecting an air stream toward a jet jet is to be applied to a practical jet engine, the air source of the air stream needs to be obtained from the air extracted from the compressor of the jet engine, but if the air extracted from the compressor becomes excessive, There is a problem that a drop in engine thrust cannot be ignored.
したがって、なるべく少ない流量の気流で効果的にジェット騒音を低減させることが求められている。 Therefore, it is required to effectively reduce jet noise with an air flow having as small a flow rate as possible.
本発明は、上記問題を解決すべく成されたものであり、従来と同様かそれ以上に効果的にジェット噴流などの噴流の騒音を低減できる上に、噴流中に気流を噴射するために消費される空気量が低減できる噴流騒音防止方法および噴流ノズルの提供を目的とする。 The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and can effectively reduce noise of jets such as jet jets as well as conventional ones, and is also consumed for injecting air currents into jets. An object of the present invention is to provide a jet noise prevention method and a jet nozzle that can reduce the amount of air that is generated.
請求項1に記載の発明は、騒音を低減しようとする噴流が噴射されるノズルの壁面または壁面端部近傍に形成され、前記噴流に沿った方向の寸法が前記粉粒に直交する方向の寸法よりも大きく、且つ前記粉粒の方向に沿って広がる形状に形成された開口部から前記噴流に向かって気流を噴射する噴流騒音低減方法に関する。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の噴射層慧遠低減方法において、前記開口部が前記ノズルの壁面または壁面端部近傍に開口した超音速ノズルの開口であり、前記超音速ノズルの開口から前記噴流に向かって気流が噴射される噴流騒音低減方法に関する。 According to a second aspect of the present invention, in the ejection layer distance reducing method according to the first aspect, the opening is an opening of a supersonic nozzle opened near a wall surface or an end of the wall surface of the nozzle, and the supersonic nozzle The present invention relates to a jet noise reduction method in which an air flow is jetted from an opening of the jet toward the jet.
請求項3に記載の発明は、請求項1または2に記載の噴流騒音低減方法において、前記気流を間歇的に噴射するものに関する。 A third aspect of the present invention relates to the jet noise reduction method according to the first or second aspect , wherein the airflow is jetted intermittently.
請求項4に記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載の噴流騒音低減方法において、前記噴流が亜音速噴流であり、前記気流は、前記亜音速噴流が噴射される亜音速ノズルの壁面における出口近傍、または前記亜音速ノズルの出口より後方における出口近傍において前記亜音速噴流に向かって噴射されるものに関する。 According to a fourth aspect of the present invention, in the jet noise reduction method according to any one of the first to third aspects, the jet is a subsonic jet, and the airflow is a subsonic jet injected with the subsonic jet. The present invention relates to what is jetted toward the subsonic jet near the outlet in the wall surface of the sonic nozzle or in the vicinity of the outlet behind the outlet of the subsonic nozzle.
請求項5に記載の発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載の噴流騒音低減方法において、前記噴流が超音速噴流であり、前記気流が、前記超音速噴流が噴射される超音速ノズルのスロート部よりも下流側において噴射されるものに関する。 According to a fifth aspect of the present invention, in the jet noise reduction method according to any one of the first to third aspects, the jet is a supersonic jet, and the airflow is a supersonic jet from which the supersonic jet is injected. The present invention relates to what is injected downstream of the throat portion of the sonic nozzle.
請求項6に記載の発明は、請求項5に載の噴流騒音低減方法において、前記超音速ノズルは矩形断面を有し、前記気流が噴射される開口部は前記超音速ノズルの壁面、または壁面端部近傍に形成されているものに関する。 According to a sixth aspect of the present invention, in the jet noise reduction method according to the fifth aspect , the supersonic nozzle has a rectangular cross section, and the opening through which the air current is injected is a wall surface of the supersonic nozzle, or a wall surface. It relates to what is formed near the end.
請求項7に記載の発明は、噴流が噴出される噴流ノズルであって、前記噴流に向かって気流を噴射する、前記粉粒に沿った方向の寸法が前記噴流に直交する方向の寸法よりも大きく、且つ前記粉粒の方向に沿って広がる形状に形成された開口部が壁面、または壁面端部近傍に形成された噴流ノズルに関する。
Invention of
請求項8に記載の発明は、請求項7に記載の噴流ノズルにおいて、前記気流が前記開口部から間歇的に噴射されるものに関する。
The invention according to
請求項9に記載の発明は、請求項7または8に記載の噴流ノズルにおいて、断面積がその前後よりも小さいスロート部を有する超音速ノズルであり、前記開口部は前記スロート部よりも下流側に形成されているものに関する。
Invention of Claim 9 is a supersonic nozzle which has a throat part whose cross-sectional area is smaller than the back and front in the jet nozzle of
請求項10に記載の発明は、請求項9に記載の噴流ノズルにおいて、矩形状の断面を有し、前記開口部が壁面または壁面端部近傍に形成されているものに関する。 A tenth aspect of the present invention relates to the jet nozzle according to the ninth aspect , wherein the jet nozzle has a rectangular cross section, and the opening is formed in the vicinity of a wall surface or a wall surface end.
請求項1の発明によれば、気流として噴出される気体の流量が同一であれば、真円形の開口部から気流を噴射する場合と比較して気流が噴流中により深く入り込むから、より高い騒音低減効果が得られる。したがって、同一の騒音低減効果を得るのに必要な気体流量が、前記開口部が真円形や噴流の方向に沿って縮小する形状に形成されている場合と比較してより少なくて済む噴流騒音低減方法が提供される。また、 According to the first aspect of the present invention, if the flow rate of the gas ejected as an air stream is the same, the air stream enters deeper into the jet as compared with the case where the air stream is ejected from the opening of the perfect circle. A reduction effect is obtained. Accordingly, the jet noise reduction that requires less gas flow than the case where the opening is formed in a perfect circle or a shape that shrinks along the direction of the jet is required to obtain the same noise reduction effect. A method is provided. Also,
請求項2の発明によれば、気流を噴射するノズルとして超音速ノズルを用い、噴流中に超音速で気流を噴射しているから、亜音速ノズルを用いて気流を噴射する場合と比較して気流が噴流中により深く入り込むから、より高い騒音低減効果が得られる。したがって、同一の騒音低減効果を得るのに必要な気体流量は、開口部が真円形の場合や、気流を亜音速ノズルから噴射した場合と比較して少なくて済む。
According to the invention of
請求項3の発明によれば、請求項1または2の発明において連続的に気流を噴射する場合と比較して噴流中に気流として噴射される空気などの気体の消費量を更に低減できる噴流騒音低減方法が提供される。
According to the invention of
請求項4の発明によれば、亜音速噴流に適用できる噴流騒音低減方法が提供される。
According to invention of
請求項5の発明によれば、超音速噴流に適用できる噴流騒音低減方法が提供される。
According to invention of
請求項6の発明によれば、極超音速機のジェット噴流に適用できる噴流騒音低減方法が提供される。
According to invention of
請求項7の発明によれば、気流を噴出する開口部が真円形や噴流の方向に沿って縮小する形状に形成されているものと比較してより少ない気体消費量で同等かそれ以上の噴流騒音低減効果が獲られる噴流ノズルが提供される。 According to the seventh aspect of the present invention, an equivalent or higher jet flow can be obtained with less gas consumption compared to a shape in which the opening for jetting the airflow is formed into a perfect circle or a shape that shrinks along the direction of the jet. A jet nozzle capable of obtaining a noise reduction effect is provided.
請求項8の発明によれば、開口部から連続的に気流を噴射するものと比較してより少ない気体消費量で同等かそれ以上の噴流騒音低減効果が獲られる噴流ノズルが提供される。 According to the eighth aspect of the present invention, there is provided a jet nozzle capable of obtaining an equivalent or higher jet noise reduction effect with a smaller amount of gas consumption compared to that in which an air flow is continuously jetted from an opening.
請求項9の発明によれば、極超音速機の噴流騒音を大幅に低減できる噴流ノズルが提供される。 According to invention of Claim 9, the jet nozzle which can reduce significantly the jet noise of a hypersonic machine is provided.
1.実施形態1
1.
以下、本発明の噴流ノズルに包含される超音速ノズルの一例について説明する。 Hereinafter, an example of a supersonic nozzle included in the jet nozzle of the present invention will be described.
実施形態1に係る超音速ノズル1は、図1〜図3に示すように、矢印aの方向にジェット噴流を排出するジェットノズルであって、矩形状の断面を有し、流路の天井面を形成するランプ2と、流路の底面を形成するカウル3と、ランプ2およびカウル3を結合する側壁4、5とを備える。
The
ランプ2は、超音速ノズル1の出口からジェット噴流aに沿って下流側に突出している。そして、超音速ノズル1の出口よりも上流側において、下面の高さが低く形成され、平板状のカウル3との間にスロート部6を形成している。したがって、超音速ノズル1の断面積は、スロート部6においてはその前後よりも小さい。
The
側壁4および5は平板な板状であって、ジェット噴流の方向aに沿って拡大する楔形の開口部7(7a)が形成されている。開口部7は、図1に示すように側壁4、5のみに設けてもよいし、図2および図3に示すように、側壁4、5に加えて符号7bで示すようにランプ2に設けてもよく、符号7cで示すようにカウル3に設けてもよい。但し、開口部7を側壁4、5、ランプ2、およびカウル3の何れに設ける場合においても、開口部7を設ける位置は、スロート部6よりも下流側である。更に、図2および図3において符号7dで示すように、超音速ノズル1の噴射口よりも下流側における側壁4、5の近傍に設けてもよい。ここで、本明細書において「ノズルの壁面または壁面端部近傍」とあるのは、符号7a、7b、7cで示すように、超音速ノズル1の側壁4、5やランプ2、カウル3のような壁面を貫通する位置、および符号7dで示すように、超音速ノズル1の噴射口の外側、ランプ2の側端および下流端の外側における壁面近傍の何れも含む意味である。
The
開口部7からは矢印bで示すようにジェット噴流aに向かって気流が噴射される。気流bとジェット噴流aとのなす角度φは、図4に示すように90度が最も好ましいがこれに限定されるものではない。
An air flow is ejected from the
開口部7の形状は、ジェット噴流aに沿った方向に投影した投影面積が同一の断面積を有する円形の開口部よりも小さな形状であれば、図1〜図3および図5の(a)に示すようなジェット噴流aに沿って拡大する楔形には限定されない。具体的には、図5の(b)に示すようなジェット噴流aの方向に長い菱形や、図5の(b)に示すような後縁が丸められた楔形、図5の(d)に示すようなジェット噴流aの方向に長い卵型、図5の(e)に示すような長径がジェット噴流aの方向と一致する楕円形、および図5の(f)に示すようなジェット噴流aの方向に長いスリット状などの形状がある。なお、これらの開口部7は、ジェット噴流aに沿った方向の寸法が、ジェット噴流aに直交する方向の寸法よりも大きいとも言い換えることができる。
As long as the shape of the
開口部7が図5において(a)〜(c)に示すように楔形または菱形の形状を有するときは、ジェット噴流aに対して上流側の頂角θは90度未満であり、好ましくは5〜60度であり、特に好ましくは10〜30度である。
When the
気流bとして噴出される気体は、通常は空気であるが、窒素ガスや炭酸ガス、燃焼ガスなど、空気以外の気体であってもよい。気流bは、開口部7から連続的に噴射してもよいが、間歇的に噴射すれば気体の消費量を更に削減できる。気流bを噴射する頻度は、10回/秒以上が好ましいが、100回/秒を超えても得られるジェット騒音低減効果は殆ど差がない。デューティ比は、図6に示すように1周期における気流bの噴射時間であるが、0.1〜0.9の範囲が好ましく、特に0.3〜0.8の範囲が好ましい。デューティ比が0.1未満のときはジェット噴流aと外気との間における渦の形成を抑制する効果が十分に獲られず、したがって、十分なジェット騒音低減効果が得られないことがあり、デューティ比が0.9を超えると連続噴射と殆ど差がなくなるから、気体消費量の削減効果が殆ど無い。
The gas ejected as the air flow b is normally air, but may be a gas other than air, such as nitrogen gas, carbon dioxide gas, or combustion gas. The air flow b may be continuously injected from the
(1)実施例1、2、参考例1〜4 (1) Examples 1 and 2 and Reference Examples 1 to 4
図1に示す形態の超音速ノズル1の側壁4、5に楔形(実施例1,2)、または円形(参考例1〜4)の開口部7を形成し、開口部7からジェット噴流aに直交する方向に気流bを噴射した。超音速ノズル1の流路の幅を20mmとし、スロート部6の高さHを2.8mmとした。そして、スロート部6よりも上流側を高さ7.5mmのストレートな流路とした。出口の高さを5.9mmとした。
A wedge-shaped (Examples 1 and 2) or circular (Reference Examples 1 to 4)
そして、ノズル入口全圧が0.27MPa(a)であり、ノズル出口静圧が大気圧であるという条件でノズル入口から出口に向かってジェット噴流aとして空気を噴射した。そして、超音速ノズル1の出口から120mm後方であってジェット噴流aからの距離が130mmの点においてジェット噴流aの音圧をマイクロフォン(Bruel & Kjaer社製、4939型)で測定した。
Then, air was jetted as a jet jet a from the nozzle inlet toward the outlet under the condition that the total pressure at the nozzle inlet was 0.27 MPa (a) and the static pressure at the nozzle outlet was atmospheric pressure. The sound pressure of the jet jet a was measured with a microphone (Bruel & Kjaer, Model 4939) at a
実施例1においては、開口部7の上流側の頂角θを14度とし、下流側における高さwを0.475mmとした。したがって、w/Hは0.19である。また、実施例2においては、開口部7の上流側の頂角θを27度とし、下流側における高さwを0.575mmとした。したがって、w/Hは0.23である。
In Example 1, the apex angle θ on the upstream side of the
一方、参考例1〜4においては、開口部7の直径dを0.3mm(参考例1)、0.5mm(参考例2)、0.8mm(参考例3)、1.0mm(参考例4)とした。したがって、d/Hは、夫々0.11、0.18、0.29、0.36となる。開口部7における気流bの全圧については、実施例1、2および参考例1〜4のいずれにおいても0.2MPa(a)から0.6MPa(a)の範囲に設定した。なお、気流噴射全圧は絶対圧力で記述されているため、0.1MPa(a)の場合には気流は噴射されないことになる。結果を図7に示す。
On the other hand, in Reference Examples 1 to 4, the diameter d of the
図7に示すように、開口部7が円形のときは、直径が0.3mm(d/H=0.11)および0.5mm(d/H=0.18)の場合は、開口部7における全圧が0.6MPaの場合においても0.2〜0.8dB程度とジェット騒音低減効果は小さかった。そして、直径が0.5mm(d/H=0.29)および1.0mm(d/H=0.36)のときに初めて3〜4dB(全圧=0.6MPa)と十分なジェット騒音低減効果が得られた。
As shown in FIG. 7, when the
これに対して実施例1および2においては、参考例1〜4のd/Hに相当するw/Hが0.19〜0.23と参考例3および4におけるd/Hよりも小さいにも拘らず、全圧0.6MPaで3dB程度と、参考例3および4と同等のジェット騒音低減効果が得られた。 On the other hand, in Examples 1 and 2, w / H corresponding to d / H in Reference Examples 1 to 4 is 0.19 to 0.23, which is smaller than d / H in Reference Examples 3 and 4. Regardless, a jet noise reduction effect equivalent to that of Reference Examples 3 and 4 was obtained at about 3 dB at a total pressure of 0.6 MPa.
また、図8に示すように、3dB程度のジェット騒音低減効果を得るために必要な気流bの流量とジェット噴流aの流量との比率である抽気%は、実施例1および2では2.5〜3%であったのに対し、参考例3および4では4%以上に達した。 Further, as shown in FIG. 8, the extraction%, which is the ratio between the flow rate of the air flow b and the flow rate of the jet jet a required to obtain the jet noise reduction effect of about 3 dB, is 2.5 in the first and second embodiments. It was 4% or more in Reference Examples 3 and 4 while it was ˜3%.
このことから、開口部7が楔形であれば、丸型の場合に比較してより少ない気体流量で同等のジェット騒音低減効果が獲られることが判る。
From this, it can be seen that if the
実施例1のジェットノズルを用いて全圧0.6MPa(a)の条件で開口部7から気流bを噴射したときは、図9に示すように、特に10kHz以上の高周波領域における音圧レベルが低くなっていることが判る。人間の可聴周波数は20Hz〜20kHzと言われているが、実施例では人間の可聴周波数よりも大きな周波数まで計測を行った。実施例で用いたジェット噴流のノズルの寸法は実機ジェットエンジンの1/100と小さいため、実施例で計測される騒音周波数は、実機ジェットエンジンで計測されるであろう騒音周波数の100倍程度になると考えられる。つまり、図9の10kHzは実機ジェットエンジンでの100Hz程度に相当する。
When the air flow b is injected from the
(2)実施例5〜7、参考例5 (2) Examples 5 to 7, Reference Example 5
開口部7が直径0.8mmの円形状である超音速ノズル1を用い、開口部7から連続噴射した場合(参考例5)、10回/秒の頻度で噴射した場合(実施例5)、50回/秒の頻度で噴射した場合(実施例6)、および100回/秒の頻度で噴射した場合(実施例7)について、抽気%と音圧減少量(dB)との関係を求めた。なお、デューティ比(DR)については、0.3、0.5、および0.8の3点に設定し、気流bの全圧は0.6MPa(a)とした。結果を図10に示す。
When the
図10に示すように、抽気%が1.66%および2%のときは、連続噴射の場合は夫々0.4dBおよび1dBの音圧減少量しか得られなかったのに対し、間歇噴射の場合は、2〜2.5dBの音圧減少量が得られた。そして、間歇噴射の頻度が10回/秒(f=10Hz)のときと50回/秒(f=50Hz)のときとでは、後者のほうが前者よりもより大きな音圧減少量が得られたのに対し、間歇噴射の頻度が50回/秒(f=50Hz)のときと100回/秒(f=100Hz)のときとでは、音圧減少量に殆ど差が無かった。 As shown in FIG. 10, when the bleed% is 1.66% and 2%, only the sound pressure reduction amount of 0.4 dB and 1 dB can be obtained in the case of continuous injection, whereas in the case of intermittent injection. The sound pressure reduction amount of 2 to 2.5 dB was obtained. When the frequency of intermittent injection was 10 times / second (f = 10 Hz) and 50 times / second (f = 50 Hz), the latter had a larger sound pressure reduction amount than the former. On the other hand, there was almost no difference in the amount of decrease in sound pressure when the frequency of intermittent injection was 50 times / second (f = 50 Hz) and 100 times / second (f = 100 Hz).
このことから、開口部7が円形の場合であっても、気流bを間歇噴射することによって連続噴射の場合と同等のジェット騒音低減効果を達成するのに必要な抽気%を減少させることができることが判る。また、気流bの噴射頻度は10回/秒以上が好ましいが、100回/秒を超えてもジェット騒音低減効果は殆ど向上しないことが判る。また、デューティ比は0.3〜0.8の範囲が好ましいことが判る。
From this, even if the
(3)実施例8〜10、参考例6 (3) Examples 8 to 10, Reference Example 6
実施例2で使用した超音速ノズル1を用い、頂角θが27度の開口部7から連続噴射した場合(参考例6)、10回/秒の頻度で噴射した場合(実施例8)、50回/秒の頻度で噴射した場合(実施例9)、および100回/秒の頻度で噴射した場合(実施例10)について、抽気%と音圧減少量(dB)との関係を求めた。なお、デューティ比(DR)については、0.3、0.5、および0.8の3点に設定し、気流bの全圧を0.6MPa(a)とした。結果を図11に示す。
When
図11に示すように、連続噴射の場合においても、3%と参考例5の4%よりも少ない抽気%で2.5dBと十分な音圧減少量が得られたが、間歇噴射の場合は、噴射頻度が50Hzおよび100Hzの場合には、高々1.5%の抽気%で連続噴射の場合とほぼ同等の音圧減少量が得られた。このことから、開口部7がジェット噴流の方向に沿って拡大する楔形の場合であっても、気流bを間歇噴射することによって気流bを噴射するのに必要な抽気%を更に減少させることが出来ることが判る。
As shown in FIG. 11, even in the case of continuous injection, a sufficient sound pressure reduction amount of 2.5 dB was obtained with 3% and a bleed air% less than 4% of Reference Example 5, but in the case of intermittent injection, When the injection frequency was 50 Hz and 100 Hz, a sound pressure reduction amount almost equivalent to that in the case of continuous injection was obtained with a bleed rate of 1.5% at most. From this, even if the
なお、これらの実施例においては、間歇噴射の頻度は10〜100回/秒が効果的なことが判ったが、間歇噴射の好適な頻度は超音速ノズルのような噴流ノズルのサイズによって変動するものであり、10〜100回/秒の範囲には限定されないと考えられる。 In these examples, it was found that the frequency of intermittent injection is 10 to 100 times / second, but the suitable frequency of intermittent injection varies depending on the size of the jet nozzle such as a supersonic nozzle. It is considered that the present invention is not limited to the range of 10 to 100 times / second.
本発明は、亜音速または超音速のジェット噴流以外に、風洞の排気騒音など、噴流と周囲の空気との間の摩擦によって生じる騒音を低減させるのに使用できる。 In addition to subsonic or supersonic jet jets, the present invention can be used to reduce noise caused by friction between the jet and surrounding air, such as wind tunnel exhaust noise.
1 超音速ノズル
2 ランプ
3 カウル
4 側壁
5 側壁
6 スロート部
7 開口部1
Claims (10)
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