JP5816633B2 - ガスタービンエンジンからガスを排出する装置及びガスタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、ガスタービンエンジンからの騒音を低減する分野に関する。

飛行機やヘリコプタなどの航空機用のガスタービンエンジンは、一般に、ガス流の方向を上流から下流に向かって、１つ又は複数のコンプレッサ段と、燃焼室と、１つ又は複数のタービン段と、ノズルなどのガスを排出する装置と、を有する。

エンジン製造者にとっての継続的な問題点は、騒音の低減にあり、これは、特に、乗客と、航空機の飛行経路の下方で生活している人々との快適さに起因する。特に、ヘリコプタは、人口密集エリアの近くを移動し、且つ、これらのヘリコプタの排気ノズルから放出される騒音は、これらのヘリコプタが生成する騒音全体の大きな部分を形成している。ノズルから放出される騒音の減衰は、ノズルの内壁と、従って、ガス流の外側包絡面と、を形成する音響減衰ケーシングを使用することによって実現してもよい。このようなケーシングは、例えば、１つ又は複数の共鳴空洞内に開口した穿孔された金属シートを有し、１つの空洞と１つ又は複数のオリフィスのそれぞれの組がヘルムホルツ共鳴器を形成している。これらの空洞は、例えば、ハニカムタイプの構造を有してもよく、或いは、単純に横断方向及び／又は長手方向の隔壁によって形成してもよい。

このような音響減衰又は音響処理用のケーシングは、一般に、例えば、２〜５ｋＨｚの範囲の所謂中間音響周波数を減衰させることができる。処理される音響周波数は、具体的には、この目的のために相応して寸法設定される共鳴空洞の深さによって左右される。

ガスタービンエンジンは、様々な周波数において騒音を生成する。ヘリコプタ用のガスタービンエンジンの場合には、騒音のピークは、一般に、０．５ｋＨｚ周辺の（低い）周波数の第１範囲と、２ｋＨｚ周辺の（中間）周波数の第２範囲と、において観察される。単純な方式によって共鳴空洞を寸法設定して第２周波数範囲の音響を減衰させることは可能であるが、第１周波数範囲の音響を減衰させることは、得られる容積の観点において過剰に深い空洞の使用を伴うことになるため、空間的な制約に起因して非常に困難である。更に詳しくは、前記低周波数の音響は、具体的には、ヘリコプタが離陸する際の不快な騒音の供給源である。

本発明の目的は、特に、低い及び中間の周波数におけるいくつかの周波数範囲の効率的な減衰を可能にするガスタービンエンジン用のノズルを提案することにある。

本発明は、ヘリコプタのガスタービンエンジン用のノズルからの騒音の減衰に特に密接に関係している。但し、本出願人の権利の範囲は、この１つの用途に限定されるものではなく、本発明は、更に一般的には、ガスタービンエンジンからのガスを排出する装置に関する。

従って、本発明は、ガスタービンエンジンからガスを排出する装置に関し、この装置は、ガス流の流れをその間に規定する外壁及び内壁であって、内壁は、内部空洞を規定する中央体を形成し、外壁は、穿孔されており、且つ、音響周波数の第１範囲内の騒音の減衰のための少なくとも１つの外部共鳴空洞との連通状態ある、外壁及び内壁を有し、更には、ガス流の流れを通じて延在する、外部及び内部空洞を流体連通状態に配置する手段であって、この結果、内部空洞は、音響周波数の第２範囲内の騒音の減衰のための共鳴空洞を形成する、手段を更に有する。本装置は、流体連通状態に配置する手段が、中央体の機械的保持の機能をも果たす半径方向のアームを有することを特徴としている。

本発明に起因し、ガス流の外側に配置された１つ又は複数の空洞の容積を増大させることなしに、音響周波数の２つの範囲の騒音を減衰させることができる。この結果、同一の容積により、これらの騒音を減衰させることが可能であり、これは、従来技術においては不可能であったであろう。最後に、本発明によれば、外部及び内部空洞は、音響周波数の複数の範囲を処理することができる単一の共鳴空洞を形成している。

好適な実施形態によれば、アームは、中空であり、且つ、外壁の領域内において外部共鳴空洞内に、且つ、内壁の領域内において内部共鳴空洞内に、開口している。

好適な実施形態によれば、内壁は、その内側に音響減衰ケーシングを有する。

好適な実施形態によれば、音響周波数の第１の範囲は、例えば、約２ｋＨｚを中心とする中間周波数に対応しており、且つ、音響周波数の第２の範囲は、例えば、約０．５ｋＨｚを中心とする低周波数に対応している。

この代わりに、外部及び内部空洞は、同一の音響周波数範囲を減衰させることも可能であり（減衰対象の周波数範囲は、完全に又は部分的に重畳している）、従って、本発明の目的は、この範囲にわたって減衰の効率を増大させることにあるという点に留意されたい。

好適な実施形態によれば、減衰対象の周波数を調節するために、内部空洞及び／又は外部空洞には、隔壁が設けられる。換言すれば、１つ又は複数の空洞は、１つ又は複数の隔壁を有し、且つ、隔壁の間に生成される容積は、同一であってもよく、或いは、異なってもよい。前記容積は、音響処理を提供することが望ましい周波数に従って、当業者には既知の方式によって寸法設定される。

一実施形態によれば、この場合には、隔壁は、構造的な機能をも果たす。

好適な一実施形態によれば、ガスを排出する装置は、ガスタービンエンジンのガス排出ノズルである。

又、本発明は、前述のガスを排出する装置を有するガスタービンエンジンにも関する。

本発明については、添付図面との関連において本発明の好適な実施形態に関する以下の説明を参照することにより、更に明瞭に理解することができよう。

本発明の好適な実施形態によるノズルを有するヘリコプタ用のガスタービンエンジンの概略断面図を示す。 図１のエンジンのノズルの軸方向の概略断面図である。 図２のノズルの下流側からの正面図である。

図１を参照すれば、且つ、既知の方式により、ヘリコプタのガスタービンエンジンは、環状の吸気口チャネル３によって外部空気が供給される（この場合には、遠心式であり、且つ、単一の段を有する）コンプレッサ２と、コンプレッサ２からの圧縮ガスの燃焼のために燃料を供給することができる（図示されてはいない）噴射器が設けられた（この場合には、逆方向の流れを有する）環状の燃焼室４と、を有する。燃焼ガスは、回転の際に両者を固定するシャフト６によってコンプレッサ２に接続された（この場合には、単一の段を有する）第１タービン５と、例えば、ヘリコプタのブレードを駆動するローターに接続された出力シャフト９に対してパワータービン７からの機械的エネルギーを伝達できるようにするギアユニットに対してシャフトによって接続された（この場合には、単一の段を有する）第２の所謂パワータービン７と、を駆動する。

パワータービン７の排出口において、エンジンは、この場合にはガス排出ノズル１０であるガス排出装置１０を有しており、この装置の機能は、ガス流の流れＶ又はガス流Ｖに沿って上流から下流に排気ガスをガイドするということにある。

ノズル１０（並びに、従って、その壁１１、１２）は、一般に、軸Ａに沿って延在している。以下の説明においては、特記されていない限り、長手方向、半径方向、横断方向、内部、又は外部という概念は、前記軸Ａを基準として使用されている。

ノズル１０は、外壁又は外部ハウジング１１（一般的に、円筒形を有する）と、内壁又は内部ハウジング１２と、を有する。長手方向において、内壁１２は、外壁１１よりも短く、且つ、従って、外壁１１の上流部分から垂直にのみ延在している。外壁１１は、ガス流Ｖの外側包絡面を規定しており、且つ、内壁１２は、（対応する上流部分において）ガス流Ｖの内側包絡面を規定している。

換言すれば、ガスは、内壁１２と外壁１１の間を流れている。外壁１１は、しばしば、「ディフューザ」と呼ばれている。

ノズル１０の内壁１２は、ノズル１０の中央体１２を形成している。これは、この場合には、ターボジェットの軸Ａを中心とした回転対称性を有する壁の形態であり、中央体１２は、形状が裁頭円錐形であり、且つ、その上流端部１２ａと、その下流端部１２ｂと、において、（図２において可視状態にある対応する壁によって）閉鎖されている。当業者は、しばしば、中央ノズル体を、その英語名称である「プラグ」と表記しており、且つ、中央体は、しばしば、一般的に裁頭円錐形の形状を有しているため、しばしば、「コーン」という用語によっても表記される。以下においては、内壁１２と中央体１２とを同様に参照するが、前記２つの概念は、相互交換可能である。中央体１２は、その内部容積に対応する内部容積Ｃを規定している。

又、ノズル１０は、外部空洞１３をも有しており、この外部空洞１３は、この場合には、環状の形状を有し、且つ、中央体１２から少なくとも部分的に垂直方向に位置したノズル１０の外壁１１の上流部分の周りに延在している。前記外部空洞１３は、上流壁１３ａ、外部壁１３ｂ、及び下流壁１３ｃにより、並びに、内側においては、外壁１１の前記上流部分により、規定されている。外壁１１は、複数のオリフィス１４（図１に概略的に示されている）によって穿孔されており、前記オリフィス１４は、騒音を減衰させるためにガスストリームＶを共鳴空洞１３との流体連通状態に配置するという機能を果たし、且つ、このために、前記オリフィスは、内壁１２の両側に開口しており、これらは、例えば、正方形の網状に分布しているが、任意のタイプの分布が考えられる。外壁１１は、この場合には、外部空洞１３に対応するその上流表面の全体にわたって穿孔されている。外部空洞１３及び穿孔された外壁１１は、４分の１波長共鳴器タイプの音響減衰ケーシングＲを形成している。前記ケーシングＲは、この場合には、ノズルの外側包絡面を直接的に形成している。

又、ノズル１０は、この場合には中央体１２の機械的保持の機能を果たしている半径方向のアーム１５をも有しており、前記アーム１５は、外壁１１と内壁１２の間に延在しており、且つ、例えば、溶接により、或いは、場合によっては、リベットにより、前記壁１１、１２のそれぞれに対して固定されている。半径方向のアーム１５は、この場合には、数が４つであって、均一な角度で分布しており、即ち、対をなして正反対に位置し、隣り合うアーム１５は、９０°だけ離隔している。更に一般的には、アーム１５の数は、好ましくは、３〜５の範囲であり、アームは、好ましくは、所定の角度において均一に分布している。

中央体１２の機械的保持というその機能とは別に、アーム１５は、外部空洞１３と内部空洞Ｃを相互流体連通状態に配置して音響の相互伝達を可能にし、これにより、その内部を伝播する音響を減衰させるための共鳴空洞を内部空洞Ｃが形成できるように構成されている。

更に詳しくは、これらのアーム１５は、中空であり、且つ、その外側において外部空洞１３内に、且つ、その内側において内部空洞Ｃ内に、開口している。これらは、この場合には、外側１５ａと、内側１５ｂと、の両方において完全に開口している、即ち、これらは、その半径方向の寸法を横断する方向のその部位の全体に沿って、その外部半径方向端部１５ａ及び内部半径方向端部１５ｂにおいて開口している。

図示されてはいない更なる実施形態によれば、アーム１５は、その外部端部１５ａ及び／又はその内部端部１５ｂにおいて部分的にのみ開口しており、例えば、アーム１５は、その外部端部１５ａ及び内部端部１５ｂの１つ及び／又は他方の領域内に、穿孔された金属シートを有してもよく、この金属シートは、アーム１５の内部容積を外部空洞１３及び／又は内部空洞Ｃから物理的に分離してはいるが、それにも拘わらず、対象の容積の間における流体連通を許容している。この結果、必要な場合に、このようにして生成された抵抗層により、音響処理を改善することができる。

その実施形態とは無関係に、音響は、矢印１６によって概略的に示されているように、外壁１１の穿孔１４を通じてガス流Ｖから外部共鳴空洞１３内に伝播する。外部空洞１３の深さは、（後述するように）、音響周波数の第１帯域を、この場合には、２〜２．５ｋＨｚを中心とする中間周波数範囲を、減衰させることができるように寸法設定されている。

外部空洞１３及び内部空洞Ｃを流体連通状態に配置するアーム１５に起因し、音響は、矢印１７によって概略的に示されているように、外部空洞１３から内部空洞Ｃ内へも伝播する。この結果、音響が外部空洞１３から半径方向のアーム１５を介してその内部を伝播する内部空洞Ｃによって形成された共鳴空洞内において音響周波数の第２帯域を減衰させることができる。

好ましくは、内部空洞Ｃのために中央体１２が規定することができる相対的に大きな容積に起因し、前記空洞は、例えば、０．３〜１ｋＨｚの範囲の低周波数範囲の減衰を許容してもよい。

中央体と、ノズル１０のものに類似した外部空洞と、を有するであろう従来技術のノズルとの関係において、ノズル１０の追加容積の使用を伴うことなしに、２つの周波数範囲の減衰が実行されており、更に詳しくは、この音響減衰のために使用される追加容積は、半径方向のアーム１５に起因して外部空洞１３を介して到達される中央体１２のものである。

ノズル１０の様々な構成要素は、好ましくは、例えば、ニッケル又はチタニウムベースの鋼からなる金属である。

ノズル１０によって処理される周波数範囲の調節は、具体的には、外部空洞１３及び内部空洞Ｃの容積に基づいている。

従って、外部音響減衰ケーシングの周波数の調節（即ち、減衰対象である主要周波数の決定）は、具体的には、外部空洞１３の容積を調節することにより、且つ、更に詳しくは、その半径方向の深さを調節することにより、実行される。更に詳しくは、音響減衰ケーシングＲは、所謂「４分の１波長」共鳴器の、即ち、深さが減衰対象の周波数の帯域の中心周波数の波長の４分の１に等しい共鳴器の、原理に従って機能している。従って、減衰させることが望ましい周波数が高いほど、空洞１３の半径方向の深さを小さくしなければならない。対照的に、減衰させることが望ましい周波数が低いほど、空洞１３の半径方向の深さを大きくしなければならない。減衰させる対象の周波数に応じて、空洞１３に隔壁を設けて複数の空洞に分割してもよく（隔壁は、長手方向又は横断方向のものであってよい）、この場合には、ハニカムタイプの構造を使用することも可能であり、隔壁は、機械的保持の機能を果たしてもよい。そして、空洞１３の長さＬ又は長手方向の寸法Ｌが、結果的に得られる音響減衰の比率又は効率に対して影響を及ぼす。

例えば、２ｋＨｚを中心とする周波数帯域を減衰させるためには、４ｃｍの半径方向の深さを有する単一の空洞１３を設けることが可能であり、外壁１１は、例えば、８％などのように、好ましくは、５〜１０％の気孔率（合計表面に対するオリフィス１４の累積表面の比率）を有する。

同様に、中央体１２の周波数の調節は、その容積を調節することによって実行される。その形状は、従って、通常は０．３又は０．５ｋＨｚを中心とする周波数の範囲である、減衰させることが望ましい最高周波数に対して適合される。又、半径方向のアーム１５の容積も音響減衰に対して寄与しており、従って、これを考慮してもよい。開示されている実施形態によれば、円錐は、１１〜２３ｃｍの長手方向の寸法と、６〜１２ｃｍの半径と、を有する。

図示されてはいない一実施形態によれば、内部空洞Ｃ及び／又は外部空洞１１は、減衰対象の騒音の周波数を調節するための少なくとも１つの隔壁によって仕切られている。又、前記１つ又は複数の隔壁は、１つ又は複数の補強材としての構造的機能を果たしてもよい。

図示されてはいない一実施形態によれば、中央体１２によって得られる音響減衰を更に改善するために、前記中央体は、内壁１２の内側に音響減衰ケーシングを有する。内部空洞Ｃが排気ガスの流れに直接的に晒されないことから、排気ガスに晒されるという条件に適合していないために従来は外部ノズル壁の処理に使用することができなかったケーシング材料をこの目的に使用することができるという点において、これは、特に有利である。

中央体１２は、裁頭円錐形であるものとして記述した。エンジン及びその空力的な制約に応じて、中央体は、回転対称性を有するその他の形状（例えば、円筒形の形状）を有してもよいことに留意されたい。又、ガスジェットの騒音を低減するために、又は、赤外線シグネチャを低減するために、中央体に回転対称性を付与しないことも可能であり、この場合には、中央体は、例えば、波形の、矩形の、又は楕円の断面を有してもよい。すべての形状の中央体は、ガス流Ｖを通じて延在する手段によってノズルの外部空洞に接続された共鳴空洞を規定することができるという点に鑑み、本発明は、すべての形状の中央体に対して適用される。

更には、特定のガスタービンエンジンにおいては、且つ、特に、航空機のターボジェットにおいては、中央体１２は、エンジンの脱ガス流をガイドするという更なる機能を果たしてもよいことに留意されたい。更に詳しくは、特定のエンジンにおいては、その中央シャフトの下流端部に脱ガスオリフィスが設けられており、これを通じて、油の蒸気や特定の冷却ガスなどの様々な流体が脱出する。一般に、これは、「油分離器」と呼ばれている。この場合には、流路による脱ガス流のガイダンスのために、脱ガス流をガイドするためのパイプが、中央体の内部において、その端部まで延在しているか、又は、パイプを設けることなしに、中央体がその内部表面によって脱ガス流のガイダンスを保証している。脱ガスは、一般に、吸引によって実行され、パイプ又は中央体内部の圧力は、ターボジェットのハウジング内の圧力よりも低い。この脱ガス流のガイダンス機能を本発明の共鳴空洞機能と組み合わせてもよい。

又、音響減衰を更に改善するために、外部空洞１３の下流に共鳴空洞を設けてもよいことに留意されたい。

又、排出器（ノズルに２次ガス流を供給するもの）をノズル内に設けてもよく、このような排出器の存在が本発明との適合性を有していることにも留意されたい。

これを必要とするエンジンの場合には、半径方向のアーム１５は、ケーブル又は電気ハーネスや流体搬送のためのダクトなどの補助装置の通過を許容してもよい。

本発明は、軸Ａに沿った矩形のノズルとの関係において開示したが、図示されてはいない一実施形態によれば、ノズルは、湾曲した形状を有してもよく、これは、ヘリコプタに対して適用された際に有用であり、このような実施形態は、本発明との適合性を有する。

Claims (8)

1. ガスタービンエンジンからガスを排出する装置にして、
   ガス流の流れ（Ｖ）をその間に規定する外壁（１１）及び内壁（１２）を有し、内壁（１２）は、内部空洞（Ｃ）を規定する中央体（１２）を形成しており、外壁（１１）は、穿孔され、且つ、音響周波数の第１範囲内の騒音の減衰のための少なくとも１つの外部共鳴空洞（１３）との連通状態にあり、且つ、
   ガス流の流れ（Ｖ）を通じて延在する、外部空洞（１３）及び内部空洞（Ｃ）を流体連通状態に配置する手段（１５）をも有し、この結果、内部空洞（Ｃ）は、音響周波数の第２範囲内の騒音の減衰のための共鳴空洞を形成する、装置であって、
   流体連通状態に配置する手段（１５）は、中央体（１２）の機械的保持の機能をも果たす半径方向のアーム（１５）を有することを特徴とする、装置。
2. アーム（１５）が、中空であり、且つ、外壁（１１）の領域内において外部共鳴空洞（１３）内に、且つ、内壁（１２）の領域内において内部共鳴空洞（Ｃ）内に、開口している、請求項１に記載のガスを排出する装置。
3. 内壁（１２）が、その内側に音響減衰ケーシングを有する、請求項１又は２に記載のガスを排出する装置。
4. 音響周波数の第１範囲が、例えば、２ｋＨｚを中心とする中間周波数に対応しており、且つ、音響周波数の第２範囲は、例えば、０．５ｋＨｚを中心とする低周波数に対応している、請求項１から３に記載のガスを排出する装置。
5. 内部空洞（Ｃ）及び／又は外部空洞（１３）が、減衰対象の騒音の周波数を調節するための少なくとも１つの隔壁を有する、請求項１から４のいずれかに記載のガスを排出する装置。
6. 隔壁が、構造的機能をも果たす、請求項５に記載のガスを排出する装置。
7. ガスタービンエンジンのガス排出ノズルである、請求項１から６のいずれかに記載のガスを排出する装置。
8. 請求項１から７のいずれかに記載のガスを排出する装置を有するガスタービンエンジン。

Images