JP5447920B2 - Aircraft exhaust nozzle - Google Patents

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Description

本発明は、航空機用排気ノズル、特に装置を大型化させずに離陸時の排気ジェット騒音を低減しつつ、高亜音速巡航時のエンジンの空気抵抗の増大を防止することが可能な航空機用排気ノズルに関するものである。   The present invention relates to an aircraft exhaust nozzle, particularly an aircraft exhaust capable of preventing an increase in engine air resistance during high subsonic cruising while reducing exhaust jet noise during takeoff without increasing the size of the apparatus. This relates to the nozzle.

航空エンジンの排気騒音は、静止空気中に高速の気流が吹き出される際に生じる大きな速度差の気流境界、いわゆるせん断層から周囲に放出される音波である。音の強さは、せん断層の強さと長さに依存することが知られている(例えば、非特許文献1を参照。)。
従って、その排気騒音を低減するには、排気速度自身を低く抑えることが最も直接的かつ効果的なアプローチである。そのため、航空機用ジェットエンジンでは早くからバイパスエンジンの概念が導入され、大幅な騒音低減を果たしてきた。これは、ジェット騒音のエネルギーレベルが排気流速の6乗〜8乗に概ね比例する経験則を考慮し、エンジンが吸入する空気の一部を迂回(バイパス)させて、高速流の周囲に強制的に低速流として導入することで、低速流を含めた排気流の平均速度を低下させることを狙った技術である。バイパスエンジンの構成は、通常のジェットエンジン(ターボジェットエンジン)をコアエンジンとし、コアエンジンの外側に低圧系を有している。そして、低圧タービン等の生み出す軸動力でコアエンジン前方部の低圧系及び大口径ファンを駆動する仕組みとなっている。エンジン前方部で流入する空気の一部は大口径ファンを通過した後、コアエンジンに流入せずに低速流としてエンジン後部から排出される。コアエンジンヘ流入する空気流量とバイパスして低速流として導入される空気流量の比(バイパス比)を大きくすることで、より一層のジェット騒音低減効果を得ることができることから、現在の亜音速商用航空機においては、エンジン形態の主流はバイパスエンジンであり、高バイパス比化へ向かう傾向にある。
バイパスエンジンの概念はエンジンシステムから騒音低減を達成しようとする視点に立ったものである。その一方、局部に着目した視点からは、高速流と周囲空気との混合を促進する装置に関する技術が存在する。例えば、ローブ状の混合装置(ローブミキサー)は、低速流をコアエンジンからの排気(高速流)に導入する流路と高速流を低速流側に導入する流路を交互に備え、装置がない場合に比べて、高速流と低速流の混合を短距離で促進する構造となっている。混合が促進される結果、平均速度の低下によって騒音のエネルギーレベルが低下するのみならず、大規模渦の分散によって騒音が高周波数帯域へ移行する効果が期待される。高周波数音ほど空気減衰の影響を受けやすく、長距離を伝播する騒音問題の対処には有効だからである(例えば、特許文献1および特許文献2を参照。)。
他方、混合装置としてタブを使用する技術も存在する。タブはノズル口径に比べて十分小さい突起物であるため、高速流を遮る割合(ブロッケージファクター)が小さく、圧力損失、推力損失を十分低く抑えることができる点で有利である。タブは、その両縁に対称渦を形成する。この対称渦が高速流を周囲へ運び、低速流を高速流側に引き込むことで高速流と低速流の境界面での運動量交換を活発化して、巨視的には混合を促進する働きをする。このようなタブミキサーとしては、ノズル端に形成された三角錐状のものが知られている(例えば、特許文献3を参照。)。三角錐はノズルの内側と外側に突き出しており、ノズル内外の流れの混合を促進しつつ、圧力損失による推力損失の抑制を狙っている。その他には、ローブ部分に小さなタブを複数設けて混合促進を狙ったローブミキサーが知られている(例えば、特許文献4を参照。)。
また、流路後端ではなく、流路内部に大小の捻り撹拝体を備え、主流を旋回させつつ分割することで、大規模渦を分割し且つ隣接する流路からの流れと混合させることで、騒音の抑制等を狙った低騒音化システムが知られている(例えば、特許文献5を参照。)。
The exhaust noise of an aero engine is a sound wave emitted to the surroundings from a so-called shear layer, which is a large velocity difference generated when a high-speed air current is blown into still air. It is known that the strength of sound depends on the strength and length of the shear layer (see, for example, Non-Patent Document 1).
Therefore, to reduce the exhaust noise, the most direct and effective approach is to keep the exhaust speed itself low. For this reason, the concept of a bypass engine has been introduced from early on in aircraft jet engines and has achieved significant noise reduction. This is based on an empirical rule that the energy level of the jet noise is roughly proportional to the 6th to 8th power of the exhaust flow velocity, bypassing a part of the air that the engine inhales and forcing around the high speed flow It is a technology aimed at reducing the average speed of exhaust flow including low-speed flow by introducing it as a low-speed flow. The bypass engine has a normal jet engine (turbo jet engine) as a core engine, and has a low-pressure system outside the core engine. And it is the mechanism which drives the low-pressure system and large-diameter fan in front of the core engine with shaft power generated by a low-pressure turbine or the like. A part of the air flowing in at the front part of the engine passes through the large-diameter fan and is discharged from the rear part of the engine as a low-speed flow without flowing into the core engine. By increasing the ratio of the air flow rate that flows into the core engine and the air flow rate that is bypassed and introduced as a low-speed flow (bypass ratio), a further jet noise reduction effect can be obtained. In an aircraft, the main type of engine form is a bypass engine, and there is a tendency toward higher bypass ratio.
The concept of the bypass engine is based on the viewpoint of achieving noise reduction from the engine system. On the other hand, from the viewpoint of focusing on the local area, there is a technique related to a device that promotes mixing of high-speed flow and ambient air. For example, a lobe-shaped mixing device (lobe mixer) has a flow path for introducing a low-speed flow into the exhaust from the core engine (high-speed flow) and a flow path for introducing a high-speed flow to the low-speed flow side, and there is no device. Compared to the case, it has a structure that promotes mixing of high speed flow and low speed flow at a short distance. As a result of promoting the mixing, not only the noise energy level decreases due to the decrease in the average speed, but also the effect that the noise moves to the high frequency band due to the dispersion of the large-scale vortex is expected. This is because higher frequency sound is more susceptible to air attenuation and is effective in dealing with noise problems that propagate over long distances (see, for example, Patent Document 1 and Patent Document 2).
On the other hand, there is a technology that uses a tab as a mixing device. Since the tab is a projection that is sufficiently smaller than the nozzle diameter, the ratio of blocking high-speed flow (blockage factor) is small, which is advantageous in that the pressure loss and thrust loss can be suppressed sufficiently low. The tab forms a symmetrical vortex on both edges. This symmetric vortex carries high-speed flow to the surroundings and draws low-speed flow to the high-speed flow side, thereby activating exchange of momentum at the interface between high-speed flow and low-speed flow and macroscopically promoting the mixing. As such a tab mixer, a triangular pyramid formed at the nozzle end is known (see, for example, Patent Document 3). The triangular pyramid protrudes from the inside and outside of the nozzle and aims to suppress thrust loss due to pressure loss while promoting mixing of the flow inside and outside the nozzle. In addition, there is known a lobe mixer that is provided with a plurality of small tabs in the lobe portion and aims to promote mixing (see, for example, Patent Document 4).
In addition, a large and small twisted stirring body is provided inside the flow path, not at the rear end of the flow path, and the main flow is divided while swirling to divide the large-scale vortex and mix it with the flow from the adjacent flow path. Therefore, a noise reduction system aimed at noise suppression or the like is known (see, for example, Patent Document 5).

特開2003−314368号公報JP 2003-314368 A 特開2002−317698号公報JP 2002-317698 A 特開2003−172205号公報JP 2003-172205 A 特開2004−76596号公報JP 2004-76596 A 特許第3673804号Patent No. 3673804 五十嵐壽一(他1名)共著、「騒音工学」コロナ社出版、1989年Co-authored by Keiichi Igarashi (and 1 other), “Noise Engineering”, Corona Publishing, 1989

現在、航空エンジンとして主流となっている高バイパス比のターボファンジェットエンジンでは、離陸時のジェット騒音低減および燃料消費率低減の観点から、バイパス比の大きなエンジンが実用化され、バイパス比が10を超えるエンジンも存在する。
しかし、そのような高バイパス比のエンジンの場合、離陸時と高亜音速巡航時の推力差が大きく、圧縮機の高圧力比化、燃焼温度の上昇による窒素酸化物排出の増加と耐熱材の寿命低下を招いている。
また、バイパス比の小さなターボファンジェットエンジンにおいては、離陸時のジェット騒音を低減するため、排気ノズルダクト部に花弁等のローブミキサーを付加し、ファン排気をコア排気に導入して混合させ、これにより排気ジェット速度を低減させ、排気ジェット騒音の低減を図る上記消音装置が実用化されているが、現在の騒音規制をクリアするだけの消音性能を得る技術水準までには到っていない。
また、ダクト表面に吸音機構を組み込んだり、排気ノズル後端にタブ又はシェブロン等と呼ばれる凹凸を設けて消音を図る上記消音装置においては、同様に極めて限定的なものであり消音性能を得る技術水準までには到っていない。また、推力損失も免れない。
また、排気ノズル出口の外側にダクトを配して、エジェクタ効果により、外部の空気を導入して騒音低減を図る案も容易に考えられるが、重量増加が甚だしく、しかも得られる消音効果は小さいという問題がある。
航空エンジンの騒音に対する規制は、年々厳しくなっており、上記従来の方法を適用すると、装置が大型になり、窒素酸化物排出の増加、耐熱材の寿命低下、重量増加、あるいは推力損失が避けられない。
そこで、本発明は、上記実情に鑑み創案されたものであって、その目的は、装置を大型化させずに離陸時の排気ジェット騒音を低減しつつ、高亜音速巡航時のエンジンの空気抵抗の増大を防止することが可能な航空機用排気ノズルを提供することである。
Among the high bypass ratio turbofan jet engines that are currently the mainstream as aero engines, engines with a large bypass ratio have been put into practical use from the viewpoint of jet noise reduction during takeoff and fuel consumption rate reduction. There are also engines that exceed.
However, in the case of such a high bypass ratio engine, the thrust difference between takeoff and high subsonic cruise is large, increasing the pressure ratio of the compressor, increasing the nitrogen oxide emission due to the increase in combustion temperature, and the heat resistant material Life is shortened.
In addition, in a turbofan jet engine with a small bypass ratio, a lobe mixer such as a petal is added to the exhaust nozzle duct to reduce jet noise during takeoff, and the fan exhaust is introduced into the core exhaust and mixed. Although the above-mentioned silencer for reducing the exhaust jet speed and reducing the exhaust jet noise has been put into practical use, it has not yet reached a technical level to obtain a silencing performance sufficient to satisfy the current noise regulations.
In addition, the above-mentioned silencer, which incorporates a sound absorbing mechanism on the duct surface, or provides an unevenness called a tab or chevron at the rear end of the exhaust nozzle to mute the sound, is also extremely limited and has a technical level to obtain a sound deadening performance. It has not reached. Also, thrust loss is inevitable.
In addition, it is possible to easily reduce the noise by introducing a duct to the outside of the exhaust nozzle outlet and introducing external air due to the ejector effect, but the weight increase is significant and the resulting noise reduction effect is small. There's a problem.
Aircraft engine noise regulations are becoming stricter year by year. When the above conventional methods are applied, the size of the equipment becomes large, increasing the emission of nitrogen oxides, reducing the life of heat-resistant materials, increasing the weight, or thrust loss. Absent.
Therefore, the present invention was devised in view of the above circumstances, and its purpose is to reduce the exhaust jet noise during take-off without increasing the size of the device, and to reduce the air resistance of the engine during high subsonic cruises. It is an object to provide an aircraft exhaust nozzle capable of preventing an increase in the amount of air.

前記目的を達成するために、請求項1に記載の航空機用排気ノズルは、気流を受けて回転する羽根車を、排気ノズル又はファンダクトに関して流速の相対的に大きいその内側および同小さい外側の双方の気流に対向し且つ双方の気流を交互に受ける形態で配置したことを特徴とする。
上記航空機用排気ノズルでは、上記構成とすることにより、排気ノズル内側から噴出する流速の相対的に大きい排気ジェットと、その外側の流速の相対的に小さい外部流との双方の気流が羽根車に当たり、羽根車を回転させながら後方に流れる。その際、排気ノズル内側の流速の相対的に大きい排気ジェット流に対向する羽根車(以下、「高速側羽根車」という。)はタービンとして機能・回転し、排気ノズル外側の流速の相対的に小さい外部流に対向する羽根車(以下、「低速側羽根車」という。)をファンとして機能・回転させる。低速側羽根車は高速側羽根車から仕事を受けながら低速の外部流を後方へ加速し排出する。その結果、離陸時においては、羽根車の下流において排気ジェット流と外部流との間の速度差が小さくなり排気ジェット騒音を好適に低減させる。同時に、羽根車のファン機能により実効的なバイパス比が増大するため、推力が増大し燃費も改善される。
他方、高亜音速巡航時においては、上記航空機用排気ノズルでは、排気ノズル外側の気流は速度が上昇して羽根車内を高速で通過するようになり、同様に排気ノズル内側の気流も羽根車内を高速で通過し、その結果、羽根車は空転状態になる。すると、高速側羽根車は排気ガスから仕事を吸収しなくなるため、実効的なバイパス比は小さくなり、推力不足に陥ることも無くなる。
また、上記航空機用排気ノズルは、従来の排気ノズル又はファンダクトに羽根車を付加した極めて簡素な機構であるため、装置の大型化および重量増加を抑えながら排気ジェット騒音を好適に低減することが可能となる。
In order to achieve the above object, an aircraft exhaust nozzle according to claim 1, wherein an impeller that rotates in response to an air current is connected to both the inside and the outside that have a relatively high flow velocity with respect to the exhaust nozzle or fan duct. It arrange | positions in the form which opposes the air current of 2 and receives both air currents alternately .
In the above-described aircraft exhaust nozzle, with the above-described configuration, the air flow of both the exhaust jet ejected from the inside of the exhaust nozzle and the external flow having a relatively small flow velocity and the external flow having a relatively small flow velocity outside the exhaust nozzle hits the impeller. , Flows backward while rotating the impeller. At that time, an impeller facing the exhaust jet flow having a relatively high flow velocity inside the exhaust nozzle (hereinafter referred to as “high-speed side impeller”) functions and rotates as a turbine, and the flow velocity outside the exhaust nozzle is relatively high. An impeller that faces a small external flow (hereinafter referred to as “low-speed impeller”) functions and rotates as a fan. The low speed side impeller accelerates and discharges the low speed external flow backward while receiving work from the high speed side impeller. As a result, at the time of takeoff, the speed difference between the exhaust jet flow and the external flow is reduced downstream of the impeller, and the exhaust jet noise is suitably reduced. At the same time, the effective bypass ratio is increased by the fan function of the impeller, so that thrust is increased and fuel efficiency is improved.
On the other hand, during high subsonic cruising, in the aircraft exhaust nozzle, the airflow outside the exhaust nozzle increases in speed and passes through the impeller at high speed. Similarly, the airflow inside the exhaust nozzle also passes through the impeller. As a result, the impeller is idling. Then, since the high speed side impeller does not absorb work from the exhaust gas, the effective bypass ratio becomes small and the thrust is not insufficient.
In addition, the aircraft exhaust nozzle is a very simple mechanism in which an impeller is added to a conventional exhaust nozzle or fan duct, so that it is possible to suitably reduce exhaust jet noise while suppressing increase in size and weight of the device. It becomes possible.

請求項2に記載の航空機用排気ノズルでは、前記羽根車は前記気流以外に他から動力を受けて回転可能であることを特徴とすることとした。
上述した通り、高速側羽根車は高速の排気ジェット流によってタービンとして機能・回転するため、そのタービン効率は回転数に依存する。従って、高速側羽根車が最適回転数範囲よりも低い範囲で作動している場合は、排気ジェット流から仕事を吸収しなくなるため、ファンとしての仕事量が小さくなり、その結果、排気ジェット騒音の低減効果も小さくなる。
そこで、このような場合に、上記航空機排気ノズルでは、外部から動力を供給し動力の不足分を補うことが可能となる。これにより、高速側羽根車を常に最適回転数範囲内において作動させることが可能となり、タービン効率の低下を防止し、排気ジェット騒音を好適に低減することが出来るようになる。
The aircraft exhaust nozzle according to claim 2 is characterized in that the impeller can be rotated by receiving power from other than the airflow.
As described above, since the high-speed impeller functions and rotates as a turbine by the high-speed exhaust jet flow, the turbine efficiency depends on the rotational speed. Therefore, when the high-speed impeller is operating in a range lower than the optimum rotational speed range, the work as a fan is reduced because work is not absorbed from the exhaust jet flow, and as a result, the exhaust jet noise is reduced. The reduction effect is also reduced.
In such a case, the aircraft exhaust nozzle can supply power from the outside to compensate for the shortage of power. As a result, the high-speed impeller can always be operated within the optimum rotational speed range, the turbine efficiency can be prevented from being lowered, and the exhaust jet noise can be suitably reduced.

請求項3に記載の航空機用排気ノズルでは、大きさが同じ又は異なる複数の羽根車を、前記排気ノズルの軸方向に直交した断面上で重なるか又は重ならないように配置したことを特徴とすることとした。
上記航空機用排気ノズルでは、上記構成とすることにより、離陸時の排気ジェット騒音の低減、ならびに高亜音速巡航時のエンジンの空気抵抗の低減に対する最適化を図ることが可能となる。
The aircraft exhaust nozzle according to claim 3, wherein a plurality of impellers having the same size or different sizes are arranged so as to overlap or not overlap on a cross section orthogonal to the axial direction of the exhaust nozzle. It was decided.
With the above-described configuration, the aircraft exhaust nozzle can be optimized to reduce exhaust jet noise during takeoff and to reduce engine air resistance during high subsonic cruise.

請求項4に記載の航空機用排気ノズルでは、前記羽根車は制動、固定または引き込み可能であることを特徴とすることとした。
上記航空機用排気ノズルでは、上記構成とすることにより、羽根車の寿命を延ばすとともにエンジンの空気抵抗が増大することを防止する。
The aircraft exhaust nozzle according to claim 4 is characterized in that the impeller can be braked, fixed, or retracted.
In the aircraft exhaust nozzle, by adopting the above-described configuration, the life of the impeller is extended and the air resistance of the engine is prevented from increasing.

請求項5に記載の航空機用排気ノズルでは、前記羽根車の回転軸は前記排気ノズル壁面からそれと交差する方向へオフセット可能であることを特徴とすることとした。
上記航空機用排気ノズルでは、上記構成とすることにより、羽根車のタービン作動とファン作動の割合を調整することが可能となる。
The aircraft exhaust nozzle according to claim 5 is characterized in that the rotation shaft of the impeller can be offset from the exhaust nozzle wall surface in a direction intersecting therewith.
In the aircraft exhaust nozzle, the ratio of the turbine operation and the fan operation of the impeller can be adjusted by adopting the above configuration.

請求項6に記載の航空機用排気ノズルでは、前記羽根車の回転軸のオフセット量は可変であることを特徴とすることとした。
上記航空機用排気ノズルでは、上記構成とすることにより、飛行状態に即した最適なタービン作動とファン作動の割合を得ることが可能となる。
The aircraft exhaust nozzle according to claim 6 is characterized in that the offset amount of the rotating shaft of the impeller is variable.
In the aircraft exhaust nozzle, with the above-described configuration, it is possible to obtain an optimum ratio of turbine operation and fan operation in accordance with the flight state.

請求項7に記載の航空機用排気ノズルでは、前記羽根車の外側に全周または部分的に覆いを設置することを特徴とすることとした。
上記航空機用排気ノズルでは、上記構成とすることにより、ファンの効率を高めるとともに外部への騒音放出を抑制する。
The aircraft exhaust nozzle according to claim 7 is characterized in that a cover is installed on the entire circumference or part of the outside of the impeller.
In the aircraft exhaust nozzle, the above-described configuration increases the fan efficiency and suppresses noise emission to the outside.

本発明の航空機用排気ノズルは上記のとおり構成されているので、以下の効果を有する。
(1)先ず、離陸時には、排気ノズル内側において排気ジェット流に対向する高速側羽根車は内側の排気ジェット流によってタービンとして機能・回転する。一方、排気ノズル外側において外気流に対向する低速側羽根車は、高速側羽根車によってファンとして機能・回転し空気を吸入し、後方に排出する。その結果、羽根車の下流において排気ジェット流とその周囲の外気流との速度差が小さくなり、排気ジェット騒音が好適に低減される。また、低速側羽根車のファン機能によって実効的なバイパス比が増大するため、離陸時における推力が増大し燃費も改善されることが期待される。
(2)次に亜音速巡航時には、機体が高速の飛行状態になると排気ノズル外側の気流速度が上昇して羽根車内を高速で通過するようになり、同様に排気ノズル内側の排気ジェット流も羽根車内を高速で通過するようになり、その結果、羽根車は空転状態になる。すると、羽根車は排気ガスから仕事を吸収しなくなるため、実効的なバイパス比は小さくなり、推力不足に陥ることも無くなる。
(3)更に、上記航空機用排気ノズルは、従来の排気ノズル又はファンダクトに上記羽根車を付加した極めて簡素な機構であるため、装置の大型化および重量増加を抑えながら排気ジェット騒音を好適に低減することが可能となる。
また、上記のことは、羽根車がファンダクト内側のバイパス流とその外側の外気流に跨る形態で配置されたファンダクトについても同様に当てはまる。
Since the aircraft exhaust nozzle of the present invention is configured as described above, it has the following effects.
(1) First, at the time of takeoff, the high-speed impeller that faces the exhaust jet flow inside the exhaust nozzle functions and rotates as a turbine by the exhaust jet flow inside. On the other hand, the low-speed impeller facing the external airflow outside the exhaust nozzle functions and rotates as a fan by the high-speed impeller, sucks air, and discharges it backward. As a result, the speed difference between the exhaust jet flow and the surrounding external airflow is reduced downstream of the impeller, and the exhaust jet noise is suitably reduced. In addition, since the effective bypass ratio is increased by the fan function of the low-speed impeller, it is expected that the thrust during takeoff increases and the fuel consumption is improved.
(2) Next, during subsonic cruising, when the aircraft enters a high-speed flight state, the airflow speed outside the exhaust nozzle rises and passes through the impeller at high speed. Similarly, the exhaust jet flow inside the exhaust nozzle Passing through the vehicle at high speed, the impeller is idled as a result. Then, since the impeller does not absorb work from the exhaust gas, the effective bypass ratio is reduced and the thrust is not insufficient.
(3) Further, since the aircraft exhaust nozzle is a very simple mechanism in which the impeller is added to a conventional exhaust nozzle or fan duct, the exhaust jet noise is suitably suppressed while suppressing the increase in size and weight of the device. It becomes possible to reduce.
The above also applies to the fan duct arranged in such a manner that the impeller straddles the bypass flow inside the fan duct and the external airflow outside the fan duct.

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to embodiments shown in the drawings. Note that the present invention is not limited thereby.

図1は、本発明の低騒音排気ノズル100を示す説明図である。
この低騒音排気ノズル100は、コアノズル(排気ノズル)1に関し内側の高速の排気ジェット流とその外側の低速のバイパス流の双方の気流を交互に受ける形態でコアノズル1の後端の周方向に沿って配設された複数の羽根車10と、ファンダクト2に関し内側のバイパス流とその外側の外気流の双方の気流を交互に受ける形態でファンダクト2の後端の周方向に沿って配設された複数の羽根車20とから構成されている。
FIG. 1 is an explanatory view showing a low noise exhaust nozzle 100 of the present invention.
The low-noise exhaust nozzle 100 is arranged along the circumferential direction of the rear end of the core nozzle 1 in such a manner that it alternately receives both the inner high-speed exhaust jet flow and the outer low-speed bypass flow with respect to the core nozzle (exhaust nozzle) 1. Are arranged along the circumferential direction of the rear end of the fan duct 2 in such a manner that the air flow of both the inner bypass flow and the outer external air flow are alternately received with respect to the plurality of impellers 10 and the fan duct 2. It is comprised from the several impeller 20 made.

詳細については図2−4を参照しながら後述するが、羽根車10,20をコアノズル1の後端およびファンダクト2の後端に配設することによって、離陸時において、内側の高速流に対向する高速側羽根車はタービンとして機能・回転し、その外側の低速流に対向する低速側羽根車はその高速羽根車によってファンとして機能・回転する。その結果、各羽根車の下流において内側の気流とその外側の気流との速度差が小さくなり、排気騒音が好適に低減される。また、実効的なバイパス比が増大するため、離陸時における推力が増大し燃費も改善される。
他方、亜音速巡航時において、各気流速度が上昇して各気流が羽根車内を高速で通過するようになり、羽根車は空転状態になる。すると、羽根車10,20は各高速流から仕事を吸収しなくなるため、実効的なバイパス比は小さくなり、推力不足に陥ることも無くなる。
The details will be described later with reference to FIG. 2-4. By arranging the impellers 10 and 20 at the rear end of the core nozzle 1 and the rear end of the fan duct 2, the inner high speed flow is opposed at takeoff. The high-speed impeller that functions and rotates as a turbine, and the low-speed impeller that faces the low-speed flow outside thereof functions and rotates as a fan by the high-speed impeller. As a result, the speed difference between the inner airflow and the outer airflow is reduced downstream of each impeller, and the exhaust noise is suitably reduced. In addition, since the effective bypass ratio increases, the thrust during takeoff increases and fuel efficiency is improved.
On the other hand, at the time of subsonic cruise, each air velocity increases so that each air flow passes through the impeller at high speed, and the impeller enters an idle state. Then, since the impellers 10 and 20 do not absorb work from each high-speed flow, the effective bypass ratio is reduced and the thrust is not insufficient.

また、羽根車10,20は、流体のエネルギーによって回転する公知の回転機械であり、気流以外に電動機等の動力源から外部動力を受けて回転することが出来るように構成されている。また、コアノズル壁面またはファンダクト壁面と交差する方向へ変位することが出来るようにも構成されている。これにより、羽根車10,20において、タービン作動時の効率(回転数制御)、並びにタービン作動およびファン作動の割合を調整することが可能になる。   The impellers 10 and 20 are known rotary machines that rotate by the energy of fluid, and are configured to be able to rotate by receiving external power from a power source such as an electric motor in addition to the airflow. Moreover, it is comprised so that it can displace to the direction which cross | intersects a core nozzle wall surface or a fan duct wall surface. Thereby, in the impellers 10 and 20, it becomes possible to adjust the efficiency (rotational speed control) at the time of turbine operation, and the ratio of turbine operation and fan operation.

また、羽根車10,20は上記タービン作動・ファン作動を停止するために、回転を抑制するブレーキ機構を備える。   In addition, the impellers 10 and 20 include a brake mechanism that suppresses rotation in order to stop the turbine operation and the fan operation.

また、羽根車10,20は、上記後端以外に、他の位置、例えばコアノズル1又はファンダクト2の中間位置に配置しても良い。   In addition to the rear end, the impellers 10 and 20 may be arranged at other positions, for example, at an intermediate position between the core nozzle 1 or the fan duct 2.

図2は、本発明に係る羽根車10を示す説明図である。なお、羽根車20についても構成は全く同様である。
この羽根車10は、気流を受けて仕事をする回転翼11と、回転翼11が等間隔に取り付けられるロータ部12と、回転動力を入出力する回転軸13と、その軸受け部14,14と、ロータ部12の回転数が低下する場合の外部動力源としてのモータ15及びその軸受け16,16と、ロータ部12に伝達するモータ15の回転動力を断続(ON/OFF)するクラッチ機構17と、回転翼11の垂直方向の位置を変える垂直位置可変機構18,18,18,18とから成る。なお、ここで言う「垂直方向」とはコアノズル壁面に対して垂直方向という意味である。また、回転翼11以外の機構は、コアノズル壁の内部に収納され、排気ジェット流およびバイパス流(外部流)に対し抵抗とならないようにしてある。
FIG. 2 is an explanatory view showing an impeller 10 according to the present invention. The configuration of the impeller 20 is exactly the same.
The impeller 10 includes a rotor blade 11 that receives airflow to work, a rotor portion 12 to which the rotor blades 11 are attached at equal intervals, a rotating shaft 13 that inputs and outputs rotational power, and bearing portions 14 and 14 thereof. A motor 15 and its bearings 16 and 16 as an external power source when the rotational speed of the rotor unit 12 decreases, and a clutch mechanism 17 for intermittently (ON / OFF) the rotational power of the motor 15 transmitted to the rotor unit 12 And vertical position variable mechanisms 18, 18, 18, 18 for changing the position of the rotary blade 11 in the vertical direction. The “vertical direction” here means a direction perpendicular to the wall surface of the core nozzle. In addition, the mechanisms other than the rotary blade 11 are housed inside the core nozzle wall so that they do not resist the exhaust jet flow and the bypass flow (external flow).

回転翼11の羽根枚数は、本実施例において8枚であるが、この枚数に限定されない。回転翼11の取付角度については、ベースとなるターボファンエンジンによって決定される。   The number of blades of the rotary blade 11 is eight in this embodiment, but is not limited to this number. The mounting angle of the rotor blade 11 is determined by the turbofan engine as a base.

上記全ての軸受け14,16は、例えば垂直位置可変機構18によって支持されている。また、上記全ての軸受け14,16は、回転抵抗の小さいベアリングで、例えばボールベアリングによって構成されている。   All the bearings 14 and 16 are supported by, for example, a vertical position variable mechanism 18. Further, all the bearings 14 and 16 are bearings having a small rotational resistance, and are constituted by, for example, ball bearings.

モータ15は、ロータ部12の回転数が低下する場合に、クラッチ機構17を介して羽根車10に回転動力を供給し、ロータ部12を所定の回転数で回転させる。また、羽根車を作動させたくない場合に、クラッチ機構17を繋なぐことにより、モータ15の制動トルクによって羽根車10を停止させる。すなわち、羽根車の回転動力がモータ15に伝達すると、モータ15においてこの羽根車の回転を打ち消す向きに逆起電力が発生し、誘導電流が流れる。その結果、その誘導電流によってこの回転を打ち消す制動トルクが発生し、その制動トルクによってモータ15と結合状態にある羽根車10を静止させる。或いは、モータ15の制動トルクを利用せずに、回転軸13の端部にブレーキ機構を取り付けても良い。或いは、羽根車10が小径の場合は、羽根車全体をケースに収容し、ケースの開口部に開閉機構を設け、羽根車10を作動させたくない場合に、その開閉機構を閉じて内側および外側の双方の気流を受けないようにすることにより、羽根車10の作動を停止させることが出来る。また、そのケースは、羽根車10の作動時において、外部への騒音放出を抑制する。   When the rotational speed of the rotor unit 12 decreases, the motor 15 supplies rotational power to the impeller 10 via the clutch mechanism 17 to rotate the rotor unit 12 at a predetermined rotational frequency. Further, when it is not desired to operate the impeller, the impeller 10 is stopped by the braking torque of the motor 15 by connecting the clutch mechanism 17. That is, when the rotational power of the impeller is transmitted to the motor 15, a counter electromotive force is generated in the motor 15 in a direction to cancel the rotation of the impeller, and an induced current flows. As a result, a braking torque that cancels the rotation is generated by the induced current, and the impeller 10 coupled to the motor 15 is stopped by the braking torque. Alternatively, a brake mechanism may be attached to the end of the rotating shaft 13 without using the braking torque of the motor 15. Alternatively, when the impeller 10 has a small diameter, the entire impeller is accommodated in a case, an opening / closing mechanism is provided at the opening of the case, and when the impeller 10 is not desired to be operated, the opening / closing mechanism is closed and the inside and outside Therefore, the impeller 10 can be stopped from operating. In addition, the case suppresses noise emission to the outside during the operation of the impeller 10.

クラッチ機構17は、例えば油圧クラッチであり、クラッチを繋ぐ場合は、図示しない油圧制御回路によってクラッチディスクがフライホイールに押しつけられ、モータ15の回転動力がロータ部12に伝達される。これにより、羽根車の回転数を所定の範囲に制御することが可能になり、上述した通り、羽根車10のタービンとしての効率を所定の範囲に制御することが可能となる。また、クラッチ機構は、上記油圧クラッチ以外に電磁クラッチ又は流体クラッチ等を採用することが可能である。   The clutch mechanism 17 is, for example, a hydraulic clutch. When the clutch is connected, the clutch disk is pressed against the flywheel by a hydraulic control circuit (not shown), and the rotational power of the motor 15 is transmitted to the rotor unit 12. As a result, the rotational speed of the impeller can be controlled within a predetermined range, and as described above, the efficiency of the impeller 10 as a turbine can be controlled within the predetermined range. The clutch mechanism can employ an electromagnetic clutch or a fluid clutch in addition to the hydraulic clutch.

垂直位置可変機構18は、例えば油圧式シリンダ又はリニアモータ等によって構成することが可能である。これにより、回転翼11は垂直方向に変位することが可能になり、上述した通り、タービン作動とファン作動の割合を所定の割合に制御することが可能となる。   The vertical position variable mechanism 18 can be configured by, for example, a hydraulic cylinder or a linear motor. Thereby, the rotary blade 11 can be displaced in the vertical direction, and as described above, the ratio of the turbine operation and the fan operation can be controlled to a predetermined ratio.

図3は、羽根車10のカウルスペースへの引き込みの例を示す説明図である。
図3(a)に示すように、羽根車10には、羽根車10を軸方向に伸縮させる伸縮機構30が結合され、その伸縮機構30の端部には伸縮機構30を回転させる回転機構40が結合されている。従って、羽根車10をカウルスペースへ収納させるには、先ず図3(b)に示すように、回転機構40が、羽根車10と伸縮機構30を回転させてコアノズル壁面に直立させる。その際、カウル3において、羽根車10を通過させるスリット開閉機構(図示せず)が開くことによって、羽根車10と伸縮機構30がカウル3に干渉せずに直立するようになる。そして、図3(c)に示すように、伸縮機構30が軸方向に縮み、次いで、図3(d)に示すように、回転機構40がスライド機構(図示せず)によってコアノズル内側に変位し、カウル3のスリット開閉機構が閉じて羽根車10のカウルスペースへの引き込みを完了する。
FIG. 3 is an explanatory view showing an example of drawing the impeller 10 into the cowl space.
As shown in FIG. 3 (a), the impeller 10 is coupled with an expansion / contraction mechanism 30 that expands / contracts the impeller 10 in the axial direction, and a rotation mechanism 40 that rotates the expansion / contraction mechanism 30 at an end of the expansion / contraction mechanism 30. Are combined. Accordingly, in order to store the impeller 10 in the cowl space, first, as shown in FIG. 3B, the rotating mechanism 40 rotates the impeller 10 and the telescopic mechanism 30 to stand upright on the core nozzle wall surface. At that time, a slit opening / closing mechanism (not shown) that allows the impeller 10 to pass through the cowl 3 opens, so that the impeller 10 and the telescopic mechanism 30 stand upright without interfering with the cowl 3. Then, as shown in FIG. 3 (c), the telescopic mechanism 30 is contracted in the axial direction, and then, as shown in FIG. 3 (d), the rotating mechanism 40 is displaced inside the core nozzle by the slide mechanism (not shown). The slit opening / closing mechanism of the cowl 3 is closed, and the drawing of the impeller 10 into the cowl space is completed.

なお、その他の羽根車10の引き込みの例として、図4に示すように、主翼内部のスペースに羽根車10を引き込む方法が考えられる。
このように、羽根車10に伸縮機構および回転機構を組み合わせることによって、エンジン内部またはその近傍に引き込みの形態で収納することが可能となる。
As another example of retracting the impeller 10, a method of retracting the impeller 10 into a space inside the main wing can be considered as shown in FIG.
In this manner, by combining the impeller 10 with the expansion / contraction mechanism and the rotation mechanism, the impeller 10 can be housed in the form of drawing in or near the engine.

図5は、本発明に係る羽根車10,20の配置の一例を示す説明図である。
これは、羽根車10をコアノズル1の後端の外周に沿って互いに90°の等間隔で配設し、羽根車20を羽根車10に対して位相差45°でファンダクト2の後端の外周に沿って互いに90°の等間隔で配設した例である。位相差は任意である。また、羽根車は単独で置かれても、他の羽根車と投影断面において重なるように置かれても良い。また、各羽根車の大きさは一様でなくても良い(全てが同一径の羽根車でなくても良い。)。また、各羽根車の枚数は一様でなくても良い。
FIG. 5 is an explanatory diagram showing an example of the arrangement of the impellers 10 and 20 according to the present invention.
This is because the impeller 10 is disposed at equal intervals of 90 ° along the outer periphery of the rear end of the core nozzle 1, and the impeller 20 is disposed at the rear end of the fan duct 2 with a phase difference of 45 ° with respect to the impeller 10. This is an example in which they are arranged at equal intervals of 90 ° along the outer periphery. The phase difference is arbitrary. Further, the impeller may be placed alone, or may be placed so as to overlap with other impellers in the projected cross section. Further, the size of each impeller may not be uniform (not all impellers having the same diameter). Moreover, the number of each impeller may not be uniform.

また、図6に示すように、回転方向の異なる2つの羽根車10,10'を重ねてコアノズル1又はファンダクト2の外周に配置した形態でも良い。   Further, as shown in FIG. 6, a configuration in which two impellers 10 and 10 ′ having different rotation directions are overlapped and arranged on the outer periphery of the core nozzle 1 or the fan duct 2 may be employed.

ここで、参考として、上記羽根車の性能推定モデルについて簡単に説明する。
図7に示すように、内径Dの円筒が上下に2等分されているとする。それぞれの領域をH,Lとし、全圧力をPtH,PtLとする。ただし、PtH>PtLとする。この円筒の端に回転翼列を置く。すると、翼列のひねり具合と両流路を流れるガスの速度により、翼列は仕事をしたり、或いは仕事をされたりする。
羽根車の空力特性を平均径rmにおける翼素のそれで代表させて全体の動作を見積もることにする。
速度三角形を図9のように定義する。
γはスタガー角、翼素のキャンバー角θは今のところ0とする。
流れは2次元的であると仮定し、流れ面は円筒面とする。
すなわち、U=U、ρ1V1a=ρ2V2aが成り立つ。
デビエーションを0とする。従って流れは平板翼素の出口角方向に流出するものとする。
(相対エネルギーからの観点)
定常回転する翼列に関しては、
DI/Dt=T・(Ds/Dt)+W・Fであり、非粘性によりF=0、断熱流れにより、Ds/Dt=0とすると、ロータルピーIは動翼前後で保存される。
ロータルピーI=H−Ω・r・Vθと定義されるので、全エンタルピH=h+V2/2 により
I=h1+(1/2)・(W1 2−U1 2)=h2+(1/2)・(W2 2−U2 2)
が動翼列前後で成り立つ。
今、円筒面を仮定しているので、r1=r2=rmであり、
h2−h1=(1/2)・(W1 2−W2 2)
となる。
H2−H1=Cp・(Tt2−Tt1)=U(V1sinα1−V2sinα2)
翼列上流で流れは軸方向を向いており、翼列方向に流出するとすれば、α1=0,β2=γであり、
H2−H1=Cp・(Tt2−Tt1)=−UV2sinα2
静止系から見た翼列出口の流出角が回転と同方向であれば全エンタルピHが増加する圧縮機となり、逆方向の場合、全エンタルピHが減少するタービンとなる。α2=0の時は、動翼で流れが変わらず、ウィンドミル状態になっている。また、U=0、すなわち、動翼が止まっていれば、全エンタルピHは増加せず、静翼の状態を表す。
一般に羽根車が定常回転している場合には、外力はゼロであるから、この羽根車の場合、全通過断面積においてバランスするため、
s2H2Va2−ρ1H1Va1)=0となっている。
図の場合、上下の通路を合わせてΣi=H,L2H2Va2−ρ1H1Va1]i=0が成り立ち、圧縮機仕事とタービン仕事がバランスすることになる。
2H2Va2−ρ1H1Va1]H=−[ρ2H2Va2−ρ1H1Va1]L
翼列前後でρVaは一定なので
(ρVa)H(H2−H1)H=−(ρVa)L(H2−H1)L
(ρVa)HCpU(−V2sinα2)H=−(ρVa)LCpU(−V2sinα2)L
ρVa=PMa(κ/RT)1/2=Pt(Ma/A)(κ/RTt)1/2、但し、A={1+(1/2)(κ−1)M2}(1/2)(κ+1)/(κ−1)
V2=M2[κRTt2/{1+(1/2)(κ−1)M2 2}]1/2
であるから、H側、L側の条件により、H側とL側の出口速度三角形はρV2、ほぼ、Ptの逆比になる、互いに逆向きの周方向速度を与える回転速度Uにおいて定常作動をすることになる。

出口状態は
Tt2=Tt1−UV2sinα2/Cp
等エントロピー流れを仮定しているので、
Pt2=Pt1(Tt2/Tt1)κ/(κ−1)=Pt1[1−UV2sinα2/(CpTt1)]κ/(κ−1)
出口におけるマッハ数は
M2=[2/(κ−1){(Pt2/P)(κ−1)/κ−1}]1/2
出口における速度は
V2=M2[κRTt2/{1+(1/2)(κ−1)M2 2}]1/2
これは繰り返し計算により求めることとなる。
等エントロピー流れの断面積とマッハ数との関係は
A/A*=(1/M)[{(κ−1)M2+2}/(κ+1)](1/2)(κ+1)/(κ−1)
である。ここでA*はチョーク面積である。
A*=1/(ρ*a*)={1+(κ−1)/2}1/(κ−1)/{Pt/(RTt)}・[1/{2κRTt/(κ+1)}1/2]={RTt(κ+1)/(2κ)}1/2/Pt・{1+(κ−1)/2}1/(κ−1)
M2>1となる条件において、翼列部で流れはチョークしている。チョークしている流れは、周囲の圧力まで膨張するが、円筒流れを仮定すると、軸方向にのみ加速が可能であり、流れ角は小さくなる。
典型的な例として、高バイパス比ターボファンについて考える。地上静止状態でバイパス比を6、ファン圧力比を1.5とすると、ファン出口温度は1.14倍の328Kとなる。
回転翼の取付け角度が10〜80度の羽根車をファン出口空気条件で回転させた場合のタービン仕事と、同じ羽根車が静止大気を吸い込んで加圧するファン仕事を、羽根車の回転速度をパラメータにプロットすると、図10のようになる。
同じ翼取付け角度のタービンとファンの仕事曲線が交わる点が、H,Lが定常回転する条件となる。この点を星印(☆)で表す。
Lighthillの亜音速ジェット理論における音響パワーの理論値は、四極子騒音
Pj=2πρ0ue 8D2/a0 5
であり、排気速度ueの8乗に比例する。
表1より、静止大気に269m/sで吹き出す排気ジェットに対し、騒音の程度は低減される。
Here, as a reference, the impeller performance estimation model will be briefly described.
As shown in FIG. 7, it is assumed that a cylinder with an inner diameter D is divided into two equal parts. The respective regions are H and L, and the total pressure is P tH and P tL . However, P tH > P tL . A rotating blade row is placed at the end of this cylinder. Then, depending on the twisting state of the blade row and the velocity of the gas flowing through both flow paths, the blade row performs work or is worked.
The aerodynamic characteristics of the impeller is represented by its blade element in the average diameter r m to be estimated the overall operation.
The speed triangle is defined as shown in FIG.
γ is the stagger angle, and the camber angle θ of the blade is 0 for now.
It is assumed that the flow is two-dimensional, and the flow surface is a cylindrical surface.
That is, U 1 = U 2 and ρ 1 V 1a = ρ 2 V 2a hold.
Set the deviation to 0. Therefore, the flow flows out in the direction of the exit angle of the flat blade element.
(Relative energy perspective)
For blades that rotate regularly,
When DI / Dt = T · (Ds / Dt) + W · F, F = 0 due to inviscidity and Ds / Dt = 0 due to adiabatic flow, the rotary rupee I is preserved before and after the blade.
Since it defined as Rotarupi I = H-Ω · r · V θ, the total enthalpy H = h + V 2/2
I = h 1 + (1/2) ・ (W 1 2 −U 1 2 ) = h 2 + (1/2) ・ (W 2 2 −U 2 2 )
Is established before and after the blade row.
Now assuming a cylindrical surface, r 1 = r 2 = r m ,
h 2 −h 1 = (1/2) ・ (W 1 2 −W 2 2 )
It becomes.
H 2 −H 1 = C p・ (T t2 −T t1 ) = U (V 1 sinα 1 −V 2 sinα 2 )
If the flow is in the axial direction upstream of the blade row and flows out in the blade row direction, α 1 = 0, β 2 = γ,
H 2 −H 1 = C p・ (T t2 −T t1 ) = − UV 2 sinα 2
When the outflow angle at the cascade outlet viewed from the stationary system is in the same direction as the rotation, the compressor will increase the total enthalpy H, and in the reverse direction, the turbine will decrease the total enthalpy H. When α 2 = 0, the flow is not changed by the moving blade, and it is in a windmill state. Further, if U = 0, that is, if the moving blade is stopped, the total enthalpy H does not increase and represents the state of the stationary blade.
In general, when the impeller is in steady rotation, the external force is zero, so in this impeller, in order to balance in the total cross-sectional area,
s2 H 2 V a2 −ρ 1 H 1 V a1 ) = 0.
In the case of the figure, Σ i = H, L2 H 2 V a2 −ρ 1 H 1 V a1 ] i = 0 holds when the upper and lower passages are combined, and the compressor work and the turbine work are balanced.
2 H 2 V a2 −ρ 1 H 1 V a1 ] H = − [ρ 2 H 2 V a2 −ρ 1 H 1 V a1 ] L
ΡV a is constant before and after the cascade
(ρV a ) H (H 2 −H 1 ) H = − (ρV a ) L (H 2 −H 1 ) L
(ρV a ) H C p U (−V 2 sinα 2 ) H = − (ρV a ) L C p U (−V 2 sinα 2 ) L
ρV a = PM a (κ / RT) 1/2 = P t (M a / A) (κ / RT t ) 1/2 , provided that A = {1+ (1/2) (κ−1) M 2 } (1/2) (κ + 1) / (κ−1)
V 2 = M 2 [κRT t2 / {1+ (1/2) (κ−1) M 2 2 }] 1/2
Therefore, depending on the conditions on the H side and the L side, the exit speed triangle on the H side and the L side is ρV 2 , which is almost the inverse ratio of P t , steady at the rotational speed U that gives the circumferential speeds in opposite directions. It will work.

Exit condition is
T t2 = T t1 −UV 2 sinα 2 / C p
Since isentropic flow is assumed,
P t2 = P t1 (T t2 / T t1 ) κ / (κ−1) = P t1 [1-UV 2 sinα 2 / (C p T t1 )] κ / (κ−1)
The Mach number at the exit is
M 2 = [2 / (κ−1) {(P t2 / P ) (κ−1) / κ −1}] 1/2
The speed at the exit is
V 2 = M 2 [κRT t2 / {1+ (1/2) (κ−1) M 2 2 }] 1/2
This is obtained by repeated calculation.
The relationship between the cross-sectional area of the isentropic flow and the Mach number is
A / A * = (1 / M) [{(κ−1) M 2 +2} / (κ + 1)] (1/2) (κ + 1) / (κ−1)
It is. Where A * is the choke area.
A * = 1 / (ρ * a * ) = {1+ (κ−1) / 2} 1 / (κ−1) / {P t / (RT t )} · [1 / {2κRT t / (κ +1)} 1/2 ] = {RT t (κ + 1) / (2κ)} 1/2 / P t · {1+ (κ−1) / 2} 1 / (κ−1)
Under the condition of M 2 > 1, the flow is choked at the cascade. The choking flow expands to ambient pressure, but assuming a cylindrical flow, it can be accelerated only in the axial direction and the flow angle is small.
As a typical example, consider a high bypass ratio turbofan. If the bypass ratio is 6 and the fan pressure ratio is 1.5 in a stationary state on the ground, the fan outlet temperature is 1.14 times 328K.
Turbine work when an impeller with a rotating blade mounting angle of 10 to 80 degrees is rotated under fan outlet air conditions, and fan work that the same impeller sucks static air and pressurizes, and the rotational speed of the impeller is a parameter Is plotted as shown in FIG.
The point at which the work curves of the turbine and the fan having the same blade attachment angle intersect with each other is a condition for steady rotation of H and L. This point is represented by an asterisk (☆).
The theoretical value of sound power in Lighthill's subsonic jet theory is the quadrupole noise.
P j = 2πρ 0 u e 8 D 2 / a 0 5
And is proportional to the eighth power of the exhaust velocity u e .
From Table 1, the degree of noise is reduced for the exhaust jet that blows into the static atmosphere at 269m / s.

図11は、実施例1に係る低騒音排気ノズル200を示す説明図である。
この低騒音ノズル200は、羽根車10とローブミキサー30を組み合わせることによって排気ジェット騒音を低減する。このように1又は複数の羽根車を排気ノズル(コアノズル1)と同軸上に配置する場合は、コア流とバイパス流またはコア流と外部流を混合するローブミキサー30の下流に配置することにより、羽根車に対し交互にエネルギーの異なる流れが当たるので、上記同様に、羽根車10のタービン作動・ファン作動によって排気ジェット騒音を好適に低減する。つまり、上記低騒音排気ノズル100では、羽根車は上下方向に双方の気流に跨った形態で配設されるが、本低騒音排気ノズル200では、周方向に沿って交互に双方の気流に跨った形態で配設される。この場合、本低騒音排気ノズル200からカウリング40を省略したとしても、排気ジェット騒音を好適に低減することが出来る。また、本実施例では、羽根車10の外径は、ローブミキサー30の外径より大きいが、これに限らず、小さい場合でも、排気ジェット騒音を好適に低減することが出来る。
FIG. 11 is an explanatory diagram illustrating the low noise exhaust nozzle 200 according to the first embodiment.
The low noise nozzle 200 reduces exhaust jet noise by combining the impeller 10 and the lobe mixer 30. When one or a plurality of impellers are arranged coaxially with the exhaust nozzle (core nozzle 1) in this way, by arranging them downstream of the lobe mixer 30 that mixes the core flow and the bypass flow or the core flow and the external flow, Since different flows of energy are alternately applied to the impeller, the exhaust jet noise is suitably reduced by the turbine operation and fan operation of the impeller 10 as described above. That is, in the low noise exhaust nozzle 100, the impeller is arranged in a form straddling both airflows in the vertical direction. However, in the low noise exhaust nozzle 200, the impellers straddle both airflows alternately along the circumferential direction. It is arranged in the form. In this case, even if the cowling 40 is omitted from the low noise exhaust nozzle 200, the exhaust jet noise can be suitably reduced. In this embodiment, the outer diameter of the impeller 10 is larger than the outer diameter of the lobe mixer 30, but the present invention is not limited to this, and the exhaust jet noise can be suitably reduced even when the impeller 10 is small.

以上の通り、本発明は、羽根車を流速の異なる二つの気流に跨って対向する形態で配設することにより、相対的に流速の大きい内側の気流に対向する羽根車がタービンとして機能・回転し、その外側の流速の小さい気流に対向する羽根車をファンとして機能・回転させる。これにより、離陸時においては、羽根車下流において、内側の排気ジェット流とその外側の外気流との速度差が小さくなり、排気ジェット騒音を低減させることが可能となる。また、羽根車の下流においては実効的なバイパス比が増大するため推力が増大し燃費も改善される。他方、亜音速巡航時においては、エンジン外側の気流速度が上昇して羽根車内を高速で通過するようになり、同様にエンジン内部の排気ジェット流も羽根車内を高速で通過するため、羽根車は空転状態となる。その結果、羽根車は排気ジェット流から仕事を吸収しなくなるため、実効上のバイパス比は小さくなり、推力不足に陥ることも無くなる。   As described above, according to the present invention, the impeller that faces the inner airflow having a relatively large flow velocity functions and rotates as a turbine by arranging the impeller across the two airflows having different flow velocities. Then, the impeller facing the air flow having a small flow velocity outside is functioned and rotated as a fan. Thereby, at the time of takeoff, the speed difference between the inner exhaust jet flow and the outer external air flow is reduced downstream of the impeller, and exhaust jet noise can be reduced. Further, since the effective bypass ratio increases downstream of the impeller, thrust is increased and fuel efficiency is improved. On the other hand, during subsonic cruising, the airflow speed outside the engine increases and passes through the impeller at high speed. Similarly, the exhaust jet flow inside the engine also passes through the impeller at high speed. It will be idle. As a result, since the impeller does not absorb work from the exhaust jet flow, the effective bypass ratio is reduced and the thrust is not insufficient.

本発明の航空機用排気ノズルは、ガスタービンを初めとする排気ガスを噴射する内燃機関および圧縮機に適用可能である。   The aircraft exhaust nozzle of the present invention is applicable to internal combustion engines and compressors that inject exhaust gas such as gas turbines.

本発明の低騒音排気ノズルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the low noise exhaust nozzle of this invention. 本発明に係る羽根車を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the impeller which concerns on this invention. 羽根車のカウルスペースへの引き込みの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of drawing in the cowl space of an impeller. 羽根車の翼内部スペースへの引き込みの例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of drawing in to the wing | blade internal space of an impeller. 本発明に係る羽根車の配置の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of arrangement | positioning of the impeller which concerns on this invention. 本発明に係る羽根車の配置の一例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows an example of arrangement | positioning of the impeller which concerns on this invention. 2つの流れにまたがる回転翼を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the rotary blade spanning two flows. 回転翼による流れの変化を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the change of the flow by a rotary blade. 回転翼前後の流れの状態を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the state of the flow before and behind a rotary blade. 本発明に係る羽根車の仕事を示すグラフである。It is a graph which shows the work of the impeller which concerns on this invention. 実施例1に係る低騒音排気ノズルを示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the low noise exhaust nozzle which concerns on Example 1. FIG.

1 コアノズル
2 ファンダクト
3 カウル
10,20 羽根車
11 回転翼
12 ロータ部
13 回転軸
14,16 軸受け
15 モータ
17 クラッチ機構
18 垂直位置可変機構
100,200 低騒音排気ノズル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Core nozzle 2 Fan duct 3 Cowl 10,20 Impeller 11 Rotating blade 12 Rotor part 13 Rotating shaft 14,16 Bearing 15 Motor 17 Clutch mechanism 18 Vertical position variable mechanism 100,200 Low noise exhaust nozzle

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Claims (7)

気流を受けて回転する羽根車を、排気ノズル又はファンダクトに関して流速の相対的に大きいその内側および同小さい外側の双方の気流に対向し且つ双方の気流を交互に受ける形態で配置したことを特徴とする航空機用排気ノズル。 The impeller that rotates in response to the airflow is arranged in a form that faces both the inner airflow and the outer airflow that have a relatively high flow velocity with respect to the exhaust nozzle or the fan duct and alternately receives both airflows. Aircraft exhaust nozzle. 前記羽根車は前記気流以外に他から動力を受けて回転可能であることを特徴とする請求項1に記載の航空機用排気ノズル。   The aircraft exhaust nozzle according to claim 1, wherein the impeller is rotatable by receiving power from other than the airflow. 大きさが同じ又は異なる複数の羽根車を、前記排気ノズルの軸方向に直交した断面上で重なるか又は重ならないように配置したことを特徴とする請求項1又は2に記載の航空機用排気ノズル。   3. The aircraft exhaust nozzle according to claim 1, wherein a plurality of impellers having the same size or different sizes are arranged so as to overlap or not overlap each other on a cross section orthogonal to an axial direction of the exhaust nozzle. . 前記羽根車は制動、固定または引き込み可能であることを特徴とする請求項1から3の何れかに記載の航空機用排気ノズル。   The exhaust nozzle for an aircraft according to any one of claims 1 to 3, wherein the impeller can be braked, fixed, or retracted. 前記羽根車の回転軸は前記排気ノズル壁からそれと交差する方向へオフセット可能であることを特徴とする請求項1に記載の航空機用排気ノズル。   2. The aircraft exhaust nozzle according to claim 1, wherein the rotation shaft of the impeller can be offset from the exhaust nozzle wall in a direction intersecting with the exhaust nozzle wall. 前記羽根車の回転軸のオフセット量は可変であることを特徴とする請求項5に記載の航空機用排気ノズル。   The aircraft exhaust nozzle according to claim 5, wherein an offset amount of the rotation shaft of the impeller is variable. 前記羽根車の外側に全周または部分的に覆いを設置することを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の航空機用排気ノズル。   The aircraft exhaust nozzle according to any one of claims 1 to 6, wherein a cover is installed on the entire circumference or part of the outside of the impeller.
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