JP5782833B2 - ファン騒音低減装置 - Google Patents

Description

本発明は、ファン騒音低減装置に関するものである。

ターボファンエンジンでは、ファン動翼の回転及び静翼の存在によって生じる音が繰り返し発生することによって音響波が生じ、この音響波がダクト内を伝播して外部に漏れることに起因する騒音が発生することが知られている。

例えば、非特許文献１には、ターボファンエンジンのダクトにスピーカを設置することによって、音響波を打ち消す方法が提案されている。
この方法では、スピーカから音響波と逆位相の音響波を発生させることによって、これらの音響波同士を打ち消し合わせ、これによって外部に漏出する音響波を低減させて騒音の低減を図っている。

Ulf Tapken and Roland Bauers, German Aerospace Center (DLR), Institute of Propulsion Technology, Berlin, Germany 他２名、「 Turbomachinery Exhaust Noise Radiation Experiments - Part 2: In-Duct and Far-Field Mode Analysis 」, 14th AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference (29th AIAA Aeroacoustics Conference), 5 - 7 May 2008, Vancouver, British Columbia Canada, AIAA 2008-2858

米国特許第５４７８１９９号明細書

しかしながら、ターボファンエンジンにスピーカを設置するとなると、当然ながらスピーカを設置するだけターボファンエンジンの重量増加及び大型化に繋がる。
一方、特許文献２には、小型のスピーカやピエゾデバイスを用いることによって、同様に音響波を打ち消す方法が提案されているが、これらの小型のスピーカやピエゾデバイスでは、出力される音量が小さく、十分に音響波を打ち消すことができない。

本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、ターボファンエンジンのダクトを伝播する音響波をより効果的に打ち消すことが可能なファン騒音低減装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。

第１の発明は、ファン騒音低減装置であって、ターボファンエンジンのダクト内に配置されると共に電圧が印加されることによって音を発するプラズマアクチュエータと、前記ダクト内の音響波と逆位相にて前記プラズマアクチュエータに音を発させる制御手段とを備えるという構成を採用する。

第２の発明は、上記第１の発明において、前記プラズマアクチュエータがファン動翼の上流側と下流側との両方に設置されているという構成を採用する。

第３の発明は、上記第１または第２の発明において、前記プラズマアクチュエータが前記ダクトの周方向に複数設置されているという構成を採用する。

第４の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、前記ダクト内の流速を計測する流速計測器と、ファン動翼の回転数を計測する回転数計測器とを備え、前記制御手段が、ダクト内の流速とファン動翼の回転数に関連付けて音響波の波形を予め記憶し、前記流速計測器での計測結果及び前記回転数計測器での計測結果に基づいて前記音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいて前記プラズマアクチュエータを駆動するという構成を採用する。なお、ここでいう波形とは、振幅および周期を指す。

第５の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、前記ファン動翼と前記プラズマアクチュエータとの間に配置される音響波計測器を備え、前記制御手段が、前記音響波計測器の計測結果に基づいて前記音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいて前記プラズマアクチュエータを駆動するという構成を採用する。

第６の発明は、上記第１〜第３いずれかの発明において、前記ファン動翼から見て前記プラズマアクチュエータの外側に配置される音響波計測器を備え、前記制御手段が、前記音響波計測器の計測結果に基づいて前記音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいて前記プラズマアクチュエータを駆動するという構成を採用する。

第７の発明は、上記第５または第６の発明において、前記音響波計測器が前記ダクトの周方向に複数設置されているという構成を採用する。

本発明によれば、ターボファンエンジンのダクト内に配置されるプラズマアクチュエータからダクトを伝播する音響波と逆位相で音を発することによって音響波を打ち消す。
また、このようなプラズマアクチュエータは、駆動されることによって体積力を発生して空気流れを形成する。このため、ダクト内のインピーダンスを変化させ、吸音材と同じようにプラズマアクチュエータを機能させることができる。
つまり、本発明によれば、プラズマアクチュエータが発する音と空気流れの両方で音響波を打ち消すことができる。
したがって、本発明によれば、ターボファンエンジンのダクトを伝播する音響波をより効果的に打ち消すことができ、小型ながら大きな消音効果を発揮することができる。このため、ターボファンエンジンの重量化及び大型化を招くことなく、騒音の低減を図ることができる。

本発明の第１実施形態におけるファン騒音低減装置が設置されるターボファンエンジンの概略構成を模式的に示す断面図である。 本発明の第１実施形態におけるファン騒音低減装置が備えるプラズマアクチュエータ２２の模式図である。 図１の紙面と直交する直交面での断面図であり、（ａ）が図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）が図１のＢ−Ｂ線断面図である。 本発明の第２実施形態におけるファン騒音低減装置がターボファンエンジンに設置された様子を模式的に示す概略断面図である。 本発明の第２実施形態におけるファン騒音低減装置の変形例を示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明に係るファン騒音低減装置の一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

（第１実施形態）
図１は、本実施形態のファン騒音低減装置２０が設置されるターボファンエンジンＳ１の概略構成を模式的に示す断面図である。

図１に示すように、ターボファンエンジンＳ１は、アウターカウル１と、インナーカウル２と、ファン３と、低圧圧縮機４と、高圧圧縮機５と、燃焼器６と、高圧タービン７と、低圧タービン８と、シャフト９と、主ノズル１０とを備えている。

アウターカウル１は、ターボファンエンジンＳ１のなかで最も上流側に配置された円筒形部材であり、空気の流れ方向の上流端及び下流端が開口端とされ、上流端が空気取込口として機能するものである。
そして、アウターカウル１は、図１に示すように、その内部にインナーカウル２の上流側及びファン３を収容している。

インナーカウル２は、アウターカウル１よりも小径の円筒形部材であり、アウターカウル１と同様に、空気の流れ方向の上流端及び下流端が開口端とされている。
このインナーカウル２は、ターボファンエンジンＳ１の主要部である低圧圧縮機４と、高圧圧縮機５と、燃焼器６と、高圧タービン７と、低圧タービン８と、シャフト９と、主ノズル１０等を内部に収容している。

そして、本実施形態においては、軸方向（図１の左右方向）においてインナーカウル２が存在しない領域ではアウターカウル１の内部空間が、軸方向においてインナーカウル２が存在する領域ではアウターカウル１とインナーカウル２で挟まれた空間が空気流の流れるダクト１１として機能する。

なお、インナーカウル２の内部は、アウターカウル１に取込まれた空気の一部及び燃焼器６で生成される高温ガスが通る流路（以下、コア流路と称する）とされている。
また、図１に示すように、アウターカウル１とインナーカウル２とは、空気の流れ方向から見て同心円状に配置されており、隙間を空けて配置されている。そして、アウターカウル１とインナーカウル２との隙間は、アウターカウル１内に取込まれた空気のうち、コア流路に流れこまない残部を外部に排出するバイパス流路とされている。
また、アウターカウル１及びインナーカウル２は、不図示のパイロンにより航空機の機体に取り付けられている。

ファン３は、アウターカウル１内に流れ込む空気流を形成するものであり、シャフト９に固定される複数のファン動翼３ａと、バイパス流路に配置される複数のファン静翼３ｂとを備えている。
なお、後に詳説するシャフト９は、空気の流れ方向から見て、半径方向に２つに分割されている。より詳細には、シャフト９は、芯部である中実の第１シャフト９ａと、第１シャフト９ａを囲って外側に配置される中空の第２シャフト９ｂとによって構成されている。
そして、ファン動翼３ａは、シャフト９の第１シャフト９ａに固定されている。

低圧圧縮機４は、図１に示すように、高圧圧縮機５よりも上流側に配置されており、ファン３によってコア流路に送り込まれた空気を圧縮するものである。
この低圧圧縮機４は、シャフト９の第１シャフト９ａに固定される動翼と、インナーカウル２の内壁に固定される静翼とを備えている。
なお、動翼４ａは、環状に等間隔で複数配列されて１つの動翼列を構成している。また、静翼４ｂも環状に等間隔で複数配列されて１つの静翼列を構成している。そして、低圧圧縮機４では、空気の流れ方向において、静翼列から始まり、静翼列と動翼列とが交互に複数配置されている。

高圧圧縮機５は、図１に示すように、低圧圧縮機４よりも下流側に配置されており、低圧圧縮機４から送り込まれた空気をさらに高圧に圧縮するものである。
この高圧圧縮機５は、シャフト９の第２シャフト９ｂに固定される動翼５ａと、インナーカウル２の内壁に固定される静翼５ｂとを備えている。
なお、低圧圧縮機４と同様に、動翼５ａは、環状に等間隔で複数配列されて１つの動翼列を構成している。また、静翼５ｂも環状に等間隔で複数配列されて１つの静翼列を構成している。そして、空気の流れ方向において、静翼列と動翼列とが交互に複数配置されている。

燃焼器６は、高圧圧縮機５の下流側に配置されており、高圧圧縮機５から送り込まれる圧縮空気と、不図示のインジェクタから供給される燃料との混合気を燃焼することによって高温ガスを生成するものである。

高圧タービン７は、燃焼器６の下流側に配置されており、燃焼器６から排出される高温ガスから回転動力を回収するものである。
この高圧タービン７は、シャフト９の第２シャフト９ｂに固定される複数のタービン動翼７ａと、コア流路に固定される複数のタービン静翼７ｂとを備えており、タービン静翼７ｂに整流された高温ガスをタービン動翼７ａで受けて第２シャフト９ｂを回転駆動する。

低圧タービン８は、高圧タービン７の下流側に配置されており、高圧タービン７を通過した高温ガスからさらに回転動力を回収するものである。
この低圧タービン８は、シャフト９の第１シャフト９ａに固定される複数のタービン動翼８ａと、コア流路に固定される複数のタービン静翼８ｂとを備えており、タービン静翼８ｂによって整流された高温ガスをタービン動翼８ａで受けて第１シャフト９ａを回転駆動する。

シャフト９は、空気の流れ方向に向いて配置される棒状部材であり、タービン（高圧タービン７及び低圧タービン８）にて回収された回転動力をファン３及び圧縮機（低圧圧縮機４及び高圧圧縮機５）に伝達するものである。
このシャフト９は、上述のように、半径方向に２つ分割されて、第１シャフト９ａと、第２シャフト９ｂとによって構成されている。
そして、第１シャフト９ａは、上流側に低圧圧縮機４の動翼４ａ及びファン３のファン動翼３ａが取り付けられ、下流側に低圧タービン８のタービン動翼８ａが取り付けられている。
また、第２シャフト９ｂは、上流側に高圧圧縮機５の動翼５ａが取り付けられ、下流側に高圧タービン７のタービン動翼７ａが取り付けられている。

主ノズル１０は、低圧タービン８のさらに下流側に設けられると共に、ターボファンエンジンＳ１の後方に向けて低圧タービン８を通過した高温ガスを噴射するものである。
そして、この主ノズル１０から高温ガスが噴射される際の反作用によってターボファンエンジンＳ１の推力が得られる。

このような構成を有するターボファンエンジンＳ１においては、定常状態では、ファン３の駆動によってアウターカウル１内に空気が取込まれ、その一部がコア流路に流入する。
コア流路に流入した空気は、低圧圧縮機４及び高圧圧縮機５によって順次圧縮され、燃焼器６に供給される。
燃焼器６に供給された圧縮空気は、燃料と混合されて混合気とされる。そして、当該混合気が燃焼器６によって燃焼されることによって高温ガスが生成される。
燃焼器６において生成された高温ガスは、高圧タービン７及び低圧タービン８を通過して主ノズル１０からターボファンエンジンＳ１の後方に噴射される。これによって推進力が得られる。

なお、高温ガスが高圧タービン７を通過する際に、高圧タービン７によって回転動力が回収され、第２シャフト９ｂを介して高圧圧縮機５の動翼５ａが回転駆動される。
また、高温ガスが低圧タービン８を通過する際に、低圧タービン８によって回転動力が回収され、第１シャフト９ａを介して低圧圧縮機４の動翼４ａ及びファン３のファン動翼３ａが回転駆動される。

このようなターボファンエンジンＳ１では、ファン動翼３ａが回転駆動されると、空気流が形成される。そして、この空気流れの中にファン動翼３ａと静翼３ｂとが存在によって、音が繰り返し発せられて、音響波が発生する。
この音響波は、ファン動翼の回転数とダクト１１内部の空気流速とに依存する周期にて繰り返される粗密波であり、ダクト１１内を伝播して外部に漏出することによって騒音となる。

そして、本実施形態のファン騒音低減装置２０は、上述のような音響波を打ち消すことによって、ファンの駆動が原因となる騒音（ファン騒音）を低減させるものである。
ファン騒音低減装置２０は、図１に示すように、流速計測器２１と、プラズマアクチュエータ２２と、回転数計測器２３と、制御器２４（制御手段）とを備えている。

流速計測器２１は、ダクト１１内の空気流の流速を計測するものであり、プラズマアクチュエータ２２及び回転数計測器２３に対して空気流の上流側に配置されており、本実施形態においては、ダクト１１内であって当該ダクト１１の入口端近傍に設置されている。

プラズマアクチュエータ２２は、ダクト１１内に配置されると共に電圧が印加されることによって音を発する。
図２は、プラズマアクチュエータ２２の模式図である。この図に示すように、プラズマアクチュエータ２２は、絶縁層３０と、絶縁層３０の上面に配置される第１電極板３２と、絶縁層３０の下面に配置される第２電極板３１とを備えている。
そして、図２に示すように、第１電極板３２と第２電極板３１とが、絶縁層３０の厚さ方向から見て変位して配置された構成を有している。
このようなプラズマアクチュエータ２２の第１電極板３２と第２電極板３１とに制御器２４の制御の下、電力を供給すると、第２電極板３２の側方であって絶縁層３０の厚さ方向から見て第２電極板３１と重なる領域にプラズマが生成される。この際、プラズマアクチュエータ２２から音が発せられる。また、プラズマが生成された領域の空気がイオン化されて体積力が発生し、矢印で示す空気流が形成される。

そして、図１に示すように、プラズマアクチュエータ２２は、ファン動翼３ａの上流側と下流側との両方に配置されている。なお、以下の説明においては、ファン動翼３ａの上流側に配置されるプラズマアクチュエータ２２を上流側プラズマアクチュエータ２２ａと称し、ファン動翼３ａの下流側に配置されるプラズマアクチュエータ２２を下流側プラズマアクチュエータ２２ｂと称する。

図３は、図１の紙面と直交する直交面での断面図であり、（ａ）が図１のＡ−Ａ線断面図であり、（ｂ）が図１のＢ−Ｂ線断面図である。
これらの図に示すように、上流側プラズマアクチュエータ２２ａ及び下流側プラズマアクチュエータ２２ｂは、ダクト１１の周方向に等間隔で複数設置されている。

図１に戻り、回転数計測器２３は、ファン動翼３ａの回転数を計測し、この測定結果を出力するものであり、
そして、本実施形態において回転数計測器２３は、図１に示すように、ファン動翼３ａのチップ側に配置されている。

制御器２４は、本実施形態のファン騒音低減装置２０の動作全体を制御するものであり、流速計測器２１と、プラズマアクチュエータ２２と、回転数計測器２３とに電気的に接続されている。
そして、本実施形態において制御器２４は、ダクト１１内を伝播する音響波の波形を取得するためのデータベースを予め記憶している。
ダクト１１内を伝播する音響波の波形は、ダクト１１内の流速とファン動翼３ａの回転数に依存して変化する。このため、制御器２４に予め記憶されるデータベースは、ダクト１１内の流速とファン動翼の回転数とに音響波の波形が関連付けられたものとなっている。

そして、制御器２４は、流速計測器２１の計測結果と回転数計測器２３の計測結果とをデータベースに照らし合わせてダクト１１内を伝播する音響波の波形を取得し、取得した音響波の波形に基づいてプラズマアクチュエータ２２を駆動する。
具体的には、制御器２４は、ダクト１１内を伝播する音響波と逆位相の音が発せられるようにプラズマアクチュエータ２２を駆動する。

なお、制御器２４には、上記データベースに換えて、ダクト１１内の流速とファン動翼の回転数とをパラメータとする音響波の波形の演算式を記憶させておくことも可能である。
この場合には、制御器２４は、流速計測器２１の計測結果と回転数計測器２３の計測結果とを演算式に代入して音響波の波形を算出（取得）し、この算出した音響波の波形に基づいてプラズマアクチュエータ２２を駆動する。

このような構成を有する本実施形態のファン騒音低減装置２０によれば、ターボファンエンジンＳ１のダクト１１内に配置されるプラズマアクチュエータ２２から、ダクト１１を伝播する音響波と逆位相で音を発することによって音響波を打ち消す。
また、このようなプラズマアクチュエータ２２は、駆動されることによって体積力を発生して空気流れを形成する。このため、ダクト１１内のインピーダンスを変化させ、プラズマアクチュエータ２２を吸音材と同じように機能させることができる。
つまり、本発明によれば、プラズマアクチュエータが発する音と空気流れの両方で音響波を打ち消すことができる。
したがって、本実施形態のファン騒音低減装置２０によれば、ターボファンエンジンＳ１のダクト１１を伝播する音響波をより効果的に打ち消すことができ、小型ながら大きな消音効果を発揮することができる。このため、ターボファンエンジンＳ１の重量化及び大型化を招くことなく、騒音の低減を図ることができる。

また、本実施形態のファン騒音低減装置２０においては、プラズマアクチュエータ２２がファン動翼３ａの上流側と下流側との両方に設置されている。
このため、ファン動翼３ａの上流側に伝播する音響波を上流側に配置されるプラズマアクチュエータ２２である上流側プラズマアクチュエータ２２ａによって打ち消することができ、ファン動翼３ａの下流側に伝播する音響波を下流側に配置されるプラズマアクチュエータ２２である下流側プラズマアクチュエータ２２ｂによって打ち消すことができる。
したがって、ダクト１１の入口側及び出口側の両方から音響波が外部に漏出することを防止することができ、よりファン騒音を低減させることができる。

また、本実施形態のファン騒音低減装置２０においては、プラズマアクチュエータ２２がダクト１１の周方向に複数設置されている。
このため、ダクト１１の全周に亘って音響波を打ち消すことができ、よりファン騒音を低減させることができる。

また、本実施形態のファン騒音低減装置２０においては、制御器２４が予めデータベースを記憶し、流速計測器２１での計測結果及び回転数計測器２３の計測結果に基づいて音響波の波形を取得した。このため、簡素な構成で音響波の波形を求めることができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態について説明する。なお、本実施形態の説明において、上記第１実施形態と同様の部分については、その説明を省略あるいは簡略化する。
図４は、本実施形態のファン騒音低減装置２０ＡがターボファンエンジンＳ１に設置された様子を模式的に示す概略断面図である。

この図に示すように、ファン騒音低減装置２０は、ファン動翼３ａとプラズマアクチュエータ２２との間に配置される音響波計測器２５を備え、制御器２４は、音響波計測器２５の計測結果に基づいて音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいてプラズマアクチュエータ２２を駆動する。

より詳細には、音響波計測器２５は、ファン動翼３ａの上流側と下流側との両方に配置されている。
そして、制御器２４は、ファン動翼３ａの上流側に配置された音響波計測器２５（以下、上流側音響波計測器２５ａと称する）によってファン動翼３ａの上流側に伝播する音響波の波形を取得し、上流側プラズマアクチュエータ２２ａを駆動する。
また、制御器２４は、ファン動翼３ａの下流側に配置された音響波計測器２５（以下、下流側音響波計測器２５ｂと称する）によってファン動翼３ａの下流側に伝播する音響波の波形を取得し、下流側プラズマアクチュエータ２２ｂを駆動する。

また、上流側音響波計測器２５ａは、上流側プラズマアクチュエータ２２ａと同様に、ダクト１１の周方向に等間隔で複数配置されている。
また、下流側音響波計測器２５ｂは、下流側プラズマアクチュエータ２２ｂと同様に、ダクト１１の周方向に等間隔で複数配置されている。

このような構成を有する本実施形態のファン騒音低減装置２０Ａによれば音響波計測器２５の計測結果から音響波の波形を取得し、これらの音響波の波形を用いてより正確な音響波の波形を取得する。
したがって、本実施形態のファン騒音低減装置２０Ａによれば、より確実に騒音の低減を図ることができる。

なお、本実施形態のファン騒音低減装置２０Ａでは、音響波計測器２５をプラズマアクチュエータ２２よりも音響波の音源側に配置することで、いわゆるフィードフォワード制御にてプラズマアクチュエータ２２を駆動する構成を採用した。
しかしながら、図５に示すように、音響波計測器２５をファン動翼３ａから見て前記プラズマアクチュエータ２２の外側に配置しても良い。このような場合には、音響波計測器２５で計測される音響波が小さくなるようにプラズマアクチュエータ２２を制御するフィードバック制御を行う。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されないことは言うまでもない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上記実施形態においては、プラズマアクチュエータ２２をダクト１１の周方向に等間隔で複数配置する構成について説明した。
しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、プラズマアクチュエータ２２をダクト１１の周方向に不等間隔で複数配置するようにしても良い。また、ダクト１１の周方向に配置されるプラズマアクチュエータ２２を空気の流れ方向にずらして配置して良い。また、ダクト１１の周方向に配置されるプラズマアクチュエータ２２の数は任意である。

２０，２０Ａ……ファン騒音低減装置、２１……流速計測器、２２……プラズマアクチュエータ、２３……回転計測器、２４……制御器（制御手段）、２５……音響波計測器、Ｓ１……ターボファンエンジン、１１……ダクト、３ａ……ファン動翼、３ｂ……ファン静翼

Claims (6)

1. ファン動翼を有するターボファンエンジンのダクト内に配置されると共に電圧が印加されることによって音を発するプラズマアクチュエータと、
   前記ダクト内の音響波と逆位相にて前記プラズマアクチュエータに音を発させる制御手段と
   を備え、
   前記プラズマアクチュエータが前記ダクトの周方向に不等間隔で複数設置されている
   ことを特徴とするファン騒音低減装置。
2. 前記プラズマアクチュエータがファン動翼の上流側と下流側との両方に設置されていることを特徴とする請求項１記載のファン騒音低減装置。
3. 前記ダクト内の流速を計測する流速計測器と、ファン動翼の回転数を計測する回転数計測器とを備え、
   前記制御手段は、ダクト内の流速とファン動翼の回転数に関連付けて音響波の波形を予め記憶し、前記流速計測器での計測結果及び前記回転数計測器での計測結果に基づいて前記音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいて前記プラズマアクチュエータを駆動する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のファン騒音低減装置。
4. 前記ファン動翼と前記プラズマアクチュエータとの間に配置される音響波計測器を備え、
   前記制御手段は、前記音響波計測器の計測結果に基づいて前記音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいて前記プラズマアクチュエータを駆動する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のファン騒音低減装置。
5. 前記ファン動翼から見て前記プラズマアクチュエータの外側に配置される音響波計測器を備え、
   前記制御手段は、前記音響波計測器の計測結果に基づいて前記音響波の波形を取得すると共に取得した波形に基づいて前記プラズマアクチュエータを駆動する
   ことを特徴とする請求項１または２記載のファン騒音低減装置。
6. 前記音響波計測器が前記ダクトの周方向に複数設置されていることを特徴とする請求項４または５記載のファン騒音低減装置。

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