JP5497070B2 - タービンエンジン用防音排気管 - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジン用の防音排気管に関する。本発明の特定の適用分野は、特にヘリコプタのガスタービンエンジンの排気による騒音処理の分野である。

ヘリコプタのロータブレードの回転により生じる雑音の低減が達成されるということは、ブレードを駆動するタービンからの雑音が発せられる全音量の実質的な成分となっていることを意味する。

したがって、タービンからの雑音を低減することが望ましい。

欧州特許第１０１０８８４号明細書

このために、欧州特許第１０１０８８４号明細書は、音エネルギー吸収コーティングを施したヘリコプタタービンの多チャネル排気ノズルの壁を備えることを提案している。コーティングは、関与する音周波数を考えると、比較的厚くなるために、重量および体積の問題が生じる。

本発明の目的は、効果的な防音効果があり、比較的軽量な構造を有するタービンエンジン用防音排気管を提案することである。

上述の目的は：
排気管の流路を画定する多孔内側シェルと、
中実外側シェルであって、内側シェルとの間に上流側端部と下流側端部とで閉鎖された空間を画定する外側シェルと、
内側シェルと外側シェルとの間にこれらのシェルから離間して伸び、互いに対して保持し合う中空ビーズから成る少なくとも１つの音エネルギー散逸層を含むコアと、
長手方向部材によって接続される上流側部分と下流側部分とを有するフレームであって、コアを支持し、そのコアを２つの多孔面間で保持される中空ビーズで充填された複数のボックスに分割するフレームとを備え、
フレームは、フレームの上流側部分および下流側部分の少なくとも一方によって外側シェルおよび内側シェルの少なくとも一方に固定される排気管によって達成される。

用語「上流側」および「下流側」は、本明細書では、排気管におけるガス流の流れ方向に対して使用される。

フレームは、内側シェルと外側シェルとの間でコアを保持する働きをし、コアは、知られているように、大幅な音エネルギーの散逸をもたらす中空ビーズから成る少なくとも１つの層を含む。したがって、軽量構造で効果的な防音効果が得られる。有利には、使用される中空ビーズは、微細孔多孔壁を有するセラミックビーズである。

一実施形態では、外側シェルは、フレームの上流側部分に固定される上流側端部を有する構造部品を構成し、フレームは外側シェルに対して長手方向に自由に動くフレームの下流側部分を有する。この場合、排気管の構造的機能は、外側シェルによって果たされる。外側シェルとフレームとの間の熱源の寸法変化差は、フレームがその下流側端部で長手方向に自由に動くことで調整される。

有利には、下流側部分では、フレームは、外側シェルに固定されたガイド内を摺動可能な長手方向突出フィンガを担持する。さらに、フレームの下流側部分と外側シェルとの間の間隙に可撓性封止リップが介挿され、そのことで雑音の伝播を防ぐことができる。

別の実施形態では、フレームは内側シェルと外側シェルとを担持する構造部品を構成する。この場合、排気管の構造的機能は、フレームによって果たされる。

このような状況で、外側シェルは、好ましくは、互いに向かって伸びるセグメントで、フレームの上流側部分に接続される上流側第１のセグメントと、フレームの下流側に接続される下流側セグメントとを備える。このことで、熱源の寸法変化が外側シェルとフレームとの間で生じるようになる。

有利には、いずれの実施形態においても、内側シェルはその上流側端部または下流側端部でフレームの上流側端部または下流側端部に固定され、その他端部はフレームに対して自由であり、このことで、内側シェルとフレームとの間の寸法変化を調整することができる。

さらに、いずれの実施形態においても、コアと内側シェルおよび外側シェルとの間の空間のそれぞれに横方向に伸びる少なくとも１つの中実隔壁が設けられて、これらの空間において長手方向に雑音が伝播するのを防ぐようにしてもよい。有利には、各隔壁は、隔壁が固定される内側シェルまたは外側シェルから、コアに接触せずにコアの近くまで伸びる。

本発明は、非限定的な例として添付図面を参照して考察された以下の説明を読むことでからより良く理解することができる。

本発明の一実施形態の防音排気管の長手方向断面図である。 図１の防音管のフレームの斜視図である。 図１の細部の拡大図である。 特に、図２のフレームによって支持され分割された音エネルギー散逸コアの部分を示した図である。 図４の面Ｖ−Ｖにおける部分断面図である。 図１の防音管フレームの変形形態の斜視図である。 本発明の別の実施形態の防音排気管の長手方向断面図である。 図７の防音管フレームの斜視図である。

図１から図５を参照して、本発明の防音排気管１０の第１の実施形態を説明する。図示されている排気管１０は、ヘリコプタのガスタービンエンジンのノズルであり、知られている形では、確実にタービンからのガスがヘリコプタの尾部から離れる方向にそれるように曲線形状である。

管１０は、中実外側シェル２０と、排気路１２を画定し外側シェル２０から離間した多孔内側シェル３０と、フレーム４０と、フレーム４０によって支持され分割された音エネルギー散逸コア６０とを備える。

この実施形態では、外側シェル２０が排気管の構造的機能を果たす。外側シェルは、金属板を使用して、例えば、ニッケル合金を使用して作られてもよいし、または耐熱チタン合金の超塑性成形によって得られてもよい。シェル２０は、排気管が組み立てられるように、２つの部分、つまり、上流側部分２０ａと下流側部分２０ｂとから成り、これらの部分は、例えば、ボルト締めまたはねじナットアセンブリ２２によって互いに締結される。

内側シェル３０は、音波透過性を有する。内側シェル３０は、例えば、耐熱ニッケル合金を使用した多孔金属板の形に作られる。コア６０を通過した後に外側シェル２０によって反射された音波を通すように、シェル３０には、その全長および全周にわたって、例えば、１ｍｍから数ｍｍの直径の穴が形成される。シェル３０の穿孔率は、例えば、１０％から３０％とすることができる。

外側シェル２０は、上流側端部では、（以下で説明するように）フレームの下流側部分が取り付けられる半径方向部分２０ｃを形成するように折り曲げられ、半径方向部分２０ｃは、内側シェル３０の上流側末端部分２０ｄに押圧される上流側末端部分で伸ばされる。

シェル２０の上流側末端部分とシェル３０の上流側末端部分とは、互いにエンジンのケーシングの隣接部分（図示せず）に、例えば、ねじまたはボルトで接続される。

外側シェル２０は、下流側端部では、斜め部分２０ｅを形成するように折り曲げられ、斜め部分２０ｅは、内側シェル３０の下流側末端部分に押圧される下流末端部分２０ｆで伸ばされる。

したがって、外側シェル２０と内側シェル３０との間の空間２５は、その空間の上流側端部と下流側端部とで音波不透過性の中実壁によって閉鎖される。

内側シェル３０は上流側部分のみで外側シェル２０に固定されるので、シェル２０の下流側末端部分およびシェル３０の下流側末端部分は、熱源の膨張差により互いに対して摺動することができ、内側シェル３０はタービンからのガスにさらされることに留意されたい。変形形態では、シェル３０は下流側部分のみで外側シェルに固定されるが、上流側端部は摺動できるようにする。

フレーム４０（図１および図２）は、例えば、半径方向リング４２の形の上流側部分と、例えば、リング４４の形の下流側部分と、リング４２、４４を互いに接続する長手方向部材４６と、場合により、さらにフレームに剛性を持たせるように長手方向部材間に伸びる半径方向スペーサ４８とを備える。長手方向部材４６は、その上流側端部および下流側端部では、タブ４５によって上流側リング４２と下流側リング４４とに固定され、例えば、ボルト締め、ねじ留め、または溶接によって固定される。スペーサ４８は、その両端部では、スペーサが伸びている間にある長手方向部材に同じ方法で固定される。フレームは、例えば、ニッケル合金またはチタンの耐熱金属板製にすることができる。

フレーム４０は、シェル２０の半径方向部分２０ｃの内側面に当接する上流側リング４２によって、ねじナット接続で外側シェル２０の上流側端部に締結され、ねじ４２ａはねじ頭がリング４２の内側面にろう付けされるか、またはねじ４２ａが前記内側面にろう付けまたは溶接されたカバーによって前記内側面に対して保持される。

フレーム４０は、その下流側端部は、フレーム４０と外側シェル２０との膨張差による移動を調整するように自由である。有利には、フレーム４０は、その下流側端部に、例えば、長手方向部材４６に沿って下流側リング４４から下流側に突出するフィンガ５０を担持する。図３でさらに詳細に示されるように、フィンガ５０は外側シェルの斜め部分２０ｅを貫通し、前記斜め部分２０ｅの外側に固定されたガイド５２に入る。金属ベアリング５４がガイド５２に挿入されて、膨張差による移動の間のフィンガ５０の摺動を容易にすることができる。また、フィンガ５０がガイド５２に係合することで、外側シェル２０に対する回転に対してフレーム４０を係止することができる。

膨張差の可能性を調整するために、フレーム４２の下流側リング４４と外側シェル２０の下流側端部の斜め部分２０ｅとの間に空間５６が残される。この空間に可撓性環状リップ５８が挿入されて、下流側リング４４の外側面（またはシェル２０の斜め部分２０ｅの内側面）に固定され、例えば、溶接され、シェル２０の斜め部分２０ｅの内側面（または下流側リング４４の外側面）に当接する。例として、リップ５８は、薄板金属製であり、コア６０から離れてシェル３０とシェル２０との間を通る音波を防ぐように防音効果をもたらす。

コア６０は、コア６０の２つの対向する多孔壁６０ａ、６０ｂ間で保持される中空ビーズ６２の層によって音エネルギーを散逸させ、壁６０ａおよび６０ｂは、例えば、グリッド、格子、金属網状に作られる。図１には、ビーズ６２の一部だけが示されている。ビーズ６２は、好ましくは、微細多孔壁を有し、平均直径が、例えば、１ｍｍから数ｍｍの中空セラミックビーズである。多孔壁と中実壁との間の空間の防音パネルのコアにあるこのようなビーズの層またはベッドを使用すること自体は知られている。特に、仏国特許出願第９８／０２３４６号明細書および仏国特許出願第０３／１３６４０号明細書を参照してもよい。

コア６０はフレーム４０によって支持され分割され、コアは、図４に示されるように、リング４２、４４と長手方向部材４６とスペーサ４８とによってボックス６４にさらに分割される（図面を見やすくするために、図４にはボックスのうちの数個のみ示されている）。コアの内部に位置する多孔壁６０ａは、単一部品として作られたグリッド、格子、または網状にして、例えば、マイクロスポット溶接によって長手方向部材４６およびスペーサ４８の内側縁部に固定されてもよい。外側に位置する多孔壁６０ｂは、各ボックス６４の個々のグリッド、格子、または金属網の要素６４ｂにさらに分割される。

各ボックス６４を充填するために、多孔壁６０ａが設置されて固定された後に、多孔壁要素６４ｂは、例えば、ボックス６４を画定する長手方向部材の内側縁部およびスペーサの内側縁部に、マイクロスポット溶接によって部分的に固定される。その後、ボックスは、ボックス内の空間の最大容量を占めるビーズ６２で充填される。ビーズは、密に充填された状態に保たれ、それと同時に多孔壁要素６４ｂの固定してしまう。ボックスは、有利には、周囲の多孔壁を弾性的に変形させながら充填されることにより、ボックスの熱膨張時に、ビーズ６２にかかる圧力を維持し、ビーズ間を密接に接触した状態に保つことができる。音エネルギーを十分に散逸させるのに、音波がビーズを通過するのを防ぐようにビーズ間のこのような接触を維持することがまさに望ましい。ボックスが受ける膨張の絶対値はそのボックスの寸法によるので、ボックスの限界サイズとフレームの限界重量（ひいては、長手方向部材およびスペーサの数）との間の妥協点が模索される。目安として、ボックスの面積は、１００ｃｍ^２から４００ｃｍ^２にしてもよい。

図６に示されるように、外側シェル２０と内側シェル３０との間の空間２５に半径方向または略半径方向隔壁が配置されて、この空間内で音波が長手方向に伝えられるのを防ぐ。

隔壁は、排気管の長手方向軸の周囲全体に伸びてもよいし、図示されるように、利用できる空間に応じて、前記軸の周囲の１つのセクタのみに伸びてもよい。

各隔壁は、２つの部分、すなわち、コア６０と外側シェル２０との間に伸びる外側部分２４ａと、コア６０と内側シェル３０との間に伸びる内側部分２４ｂとを備え、そのことにより、少し間隔を空けてフレーム４０を通すための間隙を残す。部分２４ａ、２４ｂは中実であり、すなわち、多孔壁でなく、金属製であり、好ましくは、フレーム４０を構成する金属と同じ金属から成る。

隔壁のそれぞれの外側部分２４ａは、外側シェル２０に固定するための外側リム２６ａを有し、隔壁の各内側部分２４ｂは、内側シェル３０に固定するための内側リム２６ｂを有するが、この場合、例えば、ボルト締め、ねじ留め、溶接、ろう付け、または接着によって固定される。

図７は、本発明の排気管１１０の第２の実施形態を示す図である。

管１１０は、中実外側シェル１２０と、排気路１１２を画定し外側シェル１２０から離間した多孔内側シェル１３０と、フレーム１４０と、フレーム１４０によって支持され分割された音エネルギー散逸コア１６０とを備える。

この第２の実施形態は、上述の形態とは、排気管１１０の構造的機能はフレーム１４０によって果たされるという点で異なる。フレーム１４０は、好ましくは、耐熱金属材料、例えば、ニッケル合金またはチタン合金製である。図１および図２のフレーム４０と同様に、フレーム１４０（図７および図８）は、スペーサ１４８によって互いに接続される長手方向部材１４６によって互いに接続される上流側リング１４２および下流側リング１４４を有し、フレームの構成部分は所望の構造的役割に影響を与えるように寸法決めされる。

外側シェル１２０は、２つの部分、すなわち、上流側部分１２０ａと下流側部分１２０ｂとを備える。上流側部分１２０ａは、その上流側端部で、半径方向部分１２０ｃを形成するように折り曲げられ、半径方向部分１２０ｃは、内側シェル１３０の上流側末端部分１２０ｄに押圧される上流側末端部分で伸ばされる。下流側部分１２０ｂは、下流側端部では、斜め部分１２０ｅを形成するように折り曲げられ、斜め部分１２０ｅは、内側シェル１３０の下流側末端部分１２０ｆに押圧される下流末端部分で伸ばされる。したがって、外側シェル１２０と内側シェル１３０との間の空間１２５は、その上流側端部と下流側端部とで音波不透過性の中実壁によって閉鎖される。

外側シェル１２０の上流側部分１２０ａは、フレーム１４０の上流側リング１４２と半径方向部分１２０ｃとの接続によってフレーム１４０に固定される。外側シェル１２０の下流側部分１２０ｂは、フレーム１４０の下流側リング１４４と斜め部分１２０ｅとの接続によってフレーム１４０に固定される。例として、接続はねじナットによって行われてもよく、ねじは、ねじ頭がリング１４２、１４４の内側面にろう付けされるか、またはねじが前記内側面にろう付けまたは溶接されたカバーで前記内側面に対して保持される。変形形態では、上流側リング１４２および／または下流側リング１４４は、シェル１２０の半径方向部分１２０ｃおよび／または斜め部分１２０ｅで構成されてもよく、この場合、長手方向部材１４６は半径方向部分１２０ｃおよび／または斜め部分１２０ｅに固定される。

上流側部分１２０ａの下流側端部および下流側部分１２０ｂの上流側端部は、フレーム１４０と外側シェル１２０との間の膨張差の影響による相対摺動を調整するために、互いに重なり合って接続される。

シェル１２０の上流側末端部分とシェル１３０の上流側末端部分とは、互いにエンジンのケーシングの隣接部分（図示せず）に、例えば、ねじ留めまたはボルト締めによって接続される。シェル１３０は、熱源の膨張差によるシェル１２０の下流側末端部分とシェル１３０の下流側末端部分との相対摺動を調整するために、上流側部分のみで外側シェル１２０に固定される。変形形態では、内側シェル１３０は、下流側部分のみで外側シェルに固定されるが、上流側部分で摺動できるようにする。

音エネルギーは、例えば、グリッド、格子、または金属網の２つの多孔壁１６０ａ、１６０ｂ間で保持された中空ビーズ１６２の層によってコア１６０で散逸される。コア１６０は、上述のコア６０と同じ方法で、フレーム１４０によって、ビーズ１６２で充填されたボックスにさらに分割される。

図６に示されたのと同じ方法で、空間１２５に半径方向または略半径方向隔壁が配置されて、この空間１２５内で音波が長手方向に伝えられるのを防ぐことに留意されたい。

エンジンの動作時に、音波は内側シェル３０または１３０を通って空間２５または１２５に入り込んで、コア６０または１６０を複数回通過し、外側シェル２０または１２０によって反射される。音エネルギーのかなりの部分が、コア内のビーズの層を通過する度に散逸される。

例として、平均直径１ｍｍから数ｍｍ、例えば、１ｍｍから３．５ｍｍのビーズ６２または１６２を使用する場合、タービンで発生した音の主波長の効果的な音減衰は、約５ｍｍから２０ｍｍの厚さのコアで達成される。この場合、排気管の壁の全厚さ（外側シェルと内側シェルとの距離）は、約５０ｍｍから２００ｍｍとすることができる。

上述の実施形態においては、１つのコア６０または１６０のみが設けられている。変形形態では、互いに離間し、外側シェル２０または１２０および内側シェル３０または１３０から離間した複数のコアを有することも可能であり、この場合、フレーム４０または１４０は、コアを支持し分割するために長手方向部材およびスペーサの複数の対応アセンブリで作られる。

Claims (9)

1. 排気管の流路（１２、１１２）を画定する多孔内側シェル（３０、１３０）と、
   中実外側シェル（２０、１２０）であって、内側シェルとの間に、上流側端部と下流側端部とで閉鎖された空間を画定する外側シェルと、
   内側シェルと外側シェルとの間の空間に配置される少なくとも１つの音エネルギー散逸層と
   を備えるターボ機械用の防音排気管であって、
   コア（６０、１６０）が、内側シェルと外側シェルとの間に、内側シェルおよび外側シェルから離間して伸び、互いに対して保持し合う中空ビーズ（６２、１６２）から成る少なくとも１つの音エネルギー散逸層を含むこと、
   少なくとも１つの中実隔壁（２４ａ、２４ｂ）が、コア（６０）と内側および外側シェル（３０、２０）との間の空間のそれぞれに横方向に伸びていること、および
   フレーム（４０、１４０）が、長手方向部材によって互いに接続される上流側部分と下流側部分とを有し、フレームがコアを支持して、コアを２つの多孔面（６０ａ、６０ｂ、１６０ａ、１６０ｂ）間で保持される中空ビーズで充填された複数のボックスに分割し、
   フレーム（４０、１４０）が、フレームの上流側部分および下流側部分のうちの少なくとも一方を介して外側シェル（２０、１２０）および／または内側シェル（３０、１３０）に固定されることを特徴とする、排気管。
2. 外側シェル（２０）が、フレーム（４０）の上流側部分に固定される上流側端部を有する構造部品を構成し、フレームが外側シェルに対して長手方向に自由に動くフレームの下流側部分を有することを特徴とする、請求項１に記載の排気管。
3. フレーム（４０）が、下流側部分では、外側シェル（２０）に固定されたガイド内を摺動可能な長手方向突出フィンガ（５０）を担持することを特徴とする、請求項２に記載の排気管。
4. フレーム（４０）の下流側部分と外側シェル（２０）との間の間隙に可撓性封止リップ（５８）が介挿されることを特徴とする、請求項２または３に記載の排気管。
5. フレーム（１４０）が、内側シェル（１３０）と外側シェル（１２０）とを担持する構造部品を構成することを特徴とする、請求項１に記載の排気管。
6. 外側シェル（１２０）が、互いに向かって伸びるセグメントで、フレーム（１４０）の上流側部分に接続される上流側第１のセグメント（１２０ａ）と、フレーム（１４０）の下流側に接続される下流側セグメント（１２０ｂ）とを備えることを特徴とする、請求項５に記載の排気管。
7. 内側シェル（３０、１３０）は、その上流側端部または下流側端部でフレーム（４０、１４０）の上流側端部または下流側端部に固定され、その他端部でフレームに対して自由であることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載に排気管。
8. 各隔壁（２４ａ、２４ｂ）が、隔壁が固定される内側シェルまたは外側シェルから、コア（６０）に接触せずにコアの近くまで伸びることを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の排気管。
9. 中空ビーズ（６２、１６２）が、微細多孔壁を有するセラミックビーズであることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の排気管。

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