JP6723994B2 - タービンエンジンのための熱交換および騒音低減用パネルならびにタービンエンジン - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジン用の熱交換および騒音低減パネルに関し、特に、航空機のタービンエンジン用の熱交換および騒音低減パネルに関する。

バイパスターボジェットエンジンなどのタービンエンジンは、従来はファンを有する空気入口を含み、吐出時の空気流は、エンジンに流入して高温流または一次流を形成する空気流と、エンジンの周囲を流れて低温流または二次流を形成する空気流とに分割される。

エンジンは、一般的に上流から下流へ向かって、ガス流の方向において、少なくとも１つの圧縮機、燃焼室、少なくとも１つのタービン、および、タービンを出て一次流を形成する燃焼ガスが二次流と混合される排気ノズルを含む。

タービンエンジンのファンは、タービンエンジンのナセルに一体化されたファンハウジングに囲まれている。ファンによって生じるノイズの伝播を制限するために、前記ハウジングの内面を吸音パネルで補強することが知られている。

ハウジングにはまた、表面空冷式油冷却器（ＳＡＣＯＣ）が設けられてもよい。この種の熱交換器は、二次空気流が通過し、かつフィンが位置するように意図された外面と、外面の下方に延在する少なくとも１つのオイル循環室と、を含む。外面は、オイルによって生じた熱エネルギーを排出するように意図されている。エンジンの設計に応じて、消散させるべきオイルからの熱エネルギーの量はかなりの量となる可能性があり、オイルが約１６０℃の温度に達する可能性がある。

いくつかのタービンエンジンは、長さ寸法が比較的短いナセルを有する。

したがって、装置、および、特にファンからの騒音を減衰させるために用いられる熱交換器および吸音パネルを設置するための空間がほとんどない。

したがって、装置の大きさおよび一体化は、特に二次流の流路における熱交換器および吸音パネルの設置に関して重要な問題となる。

米国特許第８５４４５３１号明細書は、単一の設置空間において２つの要件間でもはや全く競合しないように、空気／オイル交換器の機能および吸音処理の機能を装置の同じ部分に統合することを既に提案している。

米国特許第８５４４５３１号明細書

本発明は、この技術に対する改善を提案し、特に、単一の設置空間における空気／オイルの熱交換の機能および吸音処理の機能の設計および配置を最適化することを可能にする。

本発明は、特に航空機のタービンエンジンのための熱交換および騒音低減用パネルを提案しており、パネルは、
−空気流が通過するように意図される外面であって、フィンが好ましくは略垂直である、第１の所定の主方向および第２の所定の主方向にそれから延在する外面と、
−ヘルムホルツ共鳴器を形成し、かつ、空気通路の第１端部に接続される凹部であって、前記通路が実質的にフィンの第１方向に延在する前記ヘルムホルツ共鳴器のネック部を形成するように、第２端部が前記空気流に連通する凹部と、
−前記外面と前記少なくとも１つの凹部との間に延在し、かつ、オイルによって生成された熱エネルギーを排出するように意図された少なくとも１つのオイル循環室と、を含み、
前記外面、前記少なくとも１つの凹部および前記少なくとも１つの室からなる積層体は実質的に第１の所定方向に延在し、
前記通路は少なくとも部分的に前記フィンに形成されることを特徴とする。

本出願では、ヘルムホルツ共鳴器は、共鳴することが可能な、より大きな凹部に接続された一般的に小さなネック部を含む吸音システムを意味していると理解される。ネック部は、減衰させるべき音波および凹部が連通することを確実にする。一旦システムが最適化されると、ネック部は、粘性熱消散（摩擦によって音響エネルギーを消散させるネック部を介した音波の急速交互運動）をもたらす。減衰させるべき周波数に対するこれら最大速度の到達を可能にする周波数の同調すなわち最適化は、主に共鳴凹部の体積、すなわち共鳴凹部の寸法、特に共鳴凹部の高さによって行われる。なお、熱環境のため、システムを適切に最適化するために局所温度を考慮してもよいことを留意すべきである。

本発明はしたがって、空気／オイルの熱交換器の上述の機能および吸音処理の上述の機能を、パネルの形態で装置の同じ部分に組み合わせることを提案する。さらに、所定の同調周波数に対して、本発明は著しく長い通路の結果として共鳴器の空気凹部の大きさを低減することを可能にする。吸音に関して、所定の周波数でシステムの動作を最適化するために、共鳴器のネック部（通路）を長くすることで移動する空気の質量を増加させることができ、こうして共鳴凹部の低体積を補償することができる。また、共鳴凹部の体積の低減は装置に好影響を与える。実際に、オイル室内の通路によって生じる圧力損失を低減するために、装置の全体の大きさを縮小するかまたはオイル室の体積を増大させることが可能であろう。

本発明によるパネルは、１つ以上の以下の特徴を単独で、または互いに組み合わせて含むことができる。

−フィンは、外面に対して略垂直であるかまたは傾斜している。

−前記通路は、前記空気流から空気を抽気する開口部を形成するようにフィンの壁部に開口している。

−複数の通路は各フィンを通過する。

−通路は、実質的に長方形、円形または楕円形の断面を有する。

−パネルは、湾曲した一般的形状を有し、例えばタービンエンジンのナセルのための環状の熱交換および騒音低減用ケーシングの扇形部を形成するように設計される。

−通路は、前記凹部に向かって広がる一定の断面または一般的形状を有する。

−前記凹部の少なくともいくつかは互いに連通している。

−前記第１方向は、前記外面に対して略垂直であるか、または前記外面に対して傾斜している。

本発明はまた、特に航空機のタービンエンジンに関し、前記エンジンは上述の少なくとも１つのパネルを含むことを特徴とする。

非限定的な例による以下の説明を読むことにより、かつ、添付の図面を参照して本発明は良好に理解され、本発明の他の詳細、特徴および利点は明らかになるであろう。

本発明による熱交換および騒音低減用パネルの極めて概略的な斜視図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線による断面斜視図である。 図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線による断面図である。 図１のＩＶ−ＩＶ線による断面図である。 図１のパネルの平面図である。 本発明の他の変形例を示す、図４と同様の図である。 本発明の他の変形例を示す、図４と同様の図である。 本発明の他の変形例を示す、図４と同様の図である。 本発明の他の変形例を示す、図４と同様の図である。 本発明のさらなる変形例を示す、図５と同様の図である。 本発明のさらなる変形例を示す、図５と同様の図である。

まず、航空機のタービンエンジンのための本発明による熱交換および騒音低減パネル１０の実施例を示す図１から図５を参照する。

以下の説明では、「下方」、「下」、「上」、「上方」、「上側」、「下側」などの用語は、図の配向性に関して理解されるものである。同様に、寸法はこの図の配向性に基づいて示される。したがって、「高さ」は、垂直または下から上へ（またはその逆へ）延びる寸法を指し、「厚み」、「長さ」および「幅」、または「距離」でさえも、略水平面において測定された寸法を意味していると理解されるものである。

パネル１０は、３つの部分または重畳された層、すなわち、
−タービンエンジンの二次空気流などの冷却空気流に曝されるように意図された外側部分１２と、
−冷却すべきオイルを循環させる室１６を有する中間部分１４と、
−空気凹部２０を有する内側部分１８と、
を本質的に含む。

部分１２および１４はＳＡＣＯＣ表面熱交換器を形成し、部分１２、１４および１８はヘルムホルツ共鳴器を有する吸音パネルを形成する。

外側部分１２は、空気流２４が通過するように意図されかつフィン２６が位置する外面２２を含む。フィン２６は、表面２４から第１の主方向、この場合は垂直方向に延在し、かつ、第２の主方向、この場合は水平方向に延在する。第１方向および第２方向は略垂直である。第１方向および第２方向に対して垂直な水平方向を第３方向として定義する。フィン２６間の空気流は、特に空気と熱交換するための表面の表面積を増大させることが意図されている。図示の例では、フィン２６は好ましくは直線的で、平行でかつ独立しており、すなわち、相互に接続されていない。しかし、以下に説明するような他の構成も考えられる。図示の例では、Ａで示される領域または表面において実質的に正方形または長方形の形状を有する外面２２が示されている。表面２２は図面において平面として示されているが、特に、例えばパネル１０がタービンエンジンの環状ハウジングに容易に取り付けられるように湾曲している場合、前記表面は湾曲形状を有することもできる。湾曲した一般的形状を有するパネル１０は、例えばタービンエンジンのナセルのための環状の熱交換および騒音低減用ケーシングの扇形部を形成するように設計される。

フィン２６は、表面２２の実質的に全長または長手方向にわたって第２の方向である水平方向に延在する。フィンの数は、満たすべき交換条件に応じて既知の方法で定義される。

オイル循環室１６は、実質的に全範囲にわたって外面２２の下方に延在する。前記室は、図示されていないオイル入口およびオイル出口に接続される。室内のオイルの流動方向および流動配向は、表面２２の空気（矢印２８）の流動方向および流動配向のいずれかまたは両方と同一であってもよく、異なっていてもよい。

第３部分１８内の空気凹部２０は、オイル室１６の下方に位置する。前記凹部は好ましくは規則的に分布し、実質的に同一である。前記凹部は、実質的に表面２２と平行な同一平面内に並んで延在している。前記凹部２０は、空気通路３０の下側長手方向の端部に接続され、空気通路３０の上側長手方向の端部は、減衰させるべき音源に連通するための開口部３２を形成する。通路３０および凹部２０によって形成される組立体はヘルムホルツ共鳴器を形成し、通路はネック部を形成し、凹部は共鳴器の共鳴凹部を形成する。図７および図８に示すように、凹部２０の少なくともいくつかは互いに連通することができる。

本発明は、フィン２６の内側に形成される通路３０の少なくとも一部分のために大きさが縮小されたパネルを提案する。図示の例で分かるように、通路３０は略直線的かつ略垂直に配向され、かつ、オイル室１６内に延びる下側部分とフィン２６内に延びる上側部分とを含む。また、図示された特定の場合では、通路３０の上端はフィンの壁部、特にフィン２６の上部または上側自由端に開口しており、上述の連通開口部３２を形成している。図２では、複数の通路３０は各フィン２６を通過する。

通路３０は、好ましくはマトリクス状に分布している。したがって、通路３０は、オイル室２６内の行および列に分布している。図示の例では、各フィン２６は開口部３２の列を含む。

本発明によるパネル１０は、タービンエンジンの音響周波数、すなわち４００から２，０００Ｈｚの周波数を可能な限り減衰させるために最適化された以下の寸法を有することができる。

−フィン２６は、０．５から２ｍｍの厚みｅ（すなわち第３方向の寸法）を有し、（第３方向において）１から５ｍｍの距離ａだけ互いに離間している。

−オイル室１６は、（第１の垂直方向において）１から１０ｍｍの高さｃを有する。

−通路３０は、１から２ｍｍの平均直径ｄを有する。

−凹部２０は、（第１の垂直方向において）５から１５０ｍｍの高さｆを有する。

−前記外面の穿孔度合いσは５％から１０％である。この穿孔度合いは、外面２２と実質的に等しいと考えられる共鳴器の表面の面積Ａに対する開口部３２の累積断面の比（ｎ．π．（ｄ／２）^２，ｎは開口部３２または通路３０の数である）に等しい。外面の表面積と共鳴器の表面積との差はごくわずかである。共鳴器は、外面の表面積に対して共鳴器の表面積を縮小させる壁部によって分離されている。しかし、最初の近似では２つの表面は等しい。

「平均直径」は、前記通路が円筒形である場合の通路の直径、前記通路が均一でない円形断面を有する場合および前記通路が例えばフレア上または円錐台形状である場合の通路の直径の平均、および、前記通路が非円形で例えば長方形である場合の通路の断面と等しい円形断面の直径を意味していると理解される。

ヘルムホルツ共鳴器の同調周波数は、以下の式を用いて推定することができる。

同調周波数は、

である。

式中、
Ｃ：音速（ｍ／ｓ）
Ｓ：ネック部の断面（ｍ^２）
Ｖ：共鳴器の体積（ｍ^３）
ｌ’：補正後のネック部の長さ（ｍ）またはｌ’＝ｌ＋δである。

式中、
ｌ：幾何学的なネック部の長さ（ｍ）
δ：ネック部の補正値
である。

並列共鳴器に対して
ｒ：開口部の半径（ｍ）
σ：穿孔度合い
である。

この式では、ネック部の断面Ｓは開口部３２の上述の断面であり、共鳴器の体積Ｖは１つの凹部２０の体積であり、ネック部の長さｌまたはｌ’は、オイル室１６の厚みｃおよびフィン２６の高さｂの合計と実質的に等しい。

有利には、
−フィン２６は、（第１の垂直方向において）１０から２５ｍｍの高さｂを有し、
−同じ列の開口部３２は、（第２方向において）１．５７から３１．４２ｍｍの距離ｇだけ互いに離間している。２つの隣接する列の開口部間の間隔は、（第３方向において）２つの隣接するフィン２６間の間隔ａに等しい。

通路３０は、前記外面２２に対して略垂直であるかまたは前記外面２２に対して傾斜している縦軸を有する。図１から図５に示す例において、前記通路は断面が一定の、または平行六面体の柱筒状で縦長の一般的形状を有する。前記通路は異なる形状を有することができ、図６に示すように、例えば円錐台形状または凹部２０に向かって広がる。図６の通路３０’は、入口断面、すなわち通路３０が表面２２に開口している開口部３２で測定された断面を有し、入口断面は出口断面と呼ばれる対向断面よりも小さい。通路３０は、実質的に長方形、円形または楕円形の断面を有する。これは、特に通路３０’の長さ、すなわちオイル室１６の高さによって生じる減衰の周波数帯域幅の減少を制限することを可能にする。

また、図７および図８に示すように、熱交換を最適化するために吸音性能を損ないながら空気通路４０を共鳴凹部２０間に設けることができる。この選択もまた、凹部２０を画成する隔壁の拡張に関する問題を解消することを可能にする。これら空気通路は、凹部の上端の領域（図７）または凹部の下端の領域（図８）に位置することができる。

図８から図１０は、他の配置の変形例を示しており、その性能は直線的で平行かつ独立したフィンの性能と比較してわずかに不十分である。図８の変形例では、フィンは、もはや互いに独立していないが、その代わりに対をなして相互接続されている。各フィン２６’の上端は、材料のブリッジ４２によって隣接するフィン２６’の上端に接続される。図９の変形例では、フィン２６”は直線的であるが厳密に平行ではない。図１０の変形例では、フィン２６”は波状の（直線的ではない）一般的形状を有し、第２の延在方向において主に平行である。

本発明は、単一の設置空間において２つの要件間でもはや全く競合しないように、空気／オイル交換器の機能および吸音処理の機能を装置の同じ部分に統合する手段を見出す実際の必要性への解決法を提供する。

本発明は、特に上述の説明における航空機のタービンエンジンに関しているが、任意の種類のタービンエンジンにも関している。

Claims (10)

1. タービンエンジンのための熱交換および騒音低減用パネル（１０）であって、パネルは、
   −空気流が通過するように意図される外面（２２）であって、フィン（２６）が第１方向および前記第１方向に垂直な第２方向に外面から延在する、当該外面（２２）と、
   −ヘルムホルツ共鳴器を形成し、かつ、空気通路（３０）の第１端部に接続される凹部（２０）であって、前記空気通路がフィンの第１方向に延在する前記ヘルムホルツ共鳴器のネック部を形成するように第２端部が前記空気流に連通する凹部（２０）と、
   −前記外面と前記少なくとも１つの凹部との間に延在し、かつ、オイルによって生成された熱エネルギーを排出するように意図された少なくとも１つのオイル循環室（１６）と、を含み、
   前記外面、前記少なくとも１つの凹部および前記少なくとも１つの室からなる積層体は第１方向に延在し、
   前記空気通路は少なくとも部分的に前記フィンに形成されることを特徴とする、タービンエンジンのための熱交換および騒音低減用パネル（１０）。
2. フィン（２６）が、外面（２２）に対して垂直であるかまたは傾斜している、請求項１に記載のパネル（１０）。
3. 前記空気通路が、減衰させるべき音源に連通する開口部（３２）を形成するようにフィンの壁部に開口している、請求項１または２に記載のパネル（１０）。
4. 複数の前記空気通路（３０）が各フィン（２６）を通過する、請求項１から３のいずれか一項に記載のパネル（１０）。
5. 前記空気通路（３０）が、長方形、円形または楕円形の断面を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のパネル（１０）。
6. 前記パネルが湾曲形状を有し、環状の熱交換および騒音低減用ケーシングの扇形部を形成するように設計される、請求項１から５のいずれか一項に記載のパネル（１０）。
7. 前記空気通路（３０）が、前記凹部（２０）に向かって広がる形状または一定の断面を有する、請求項１から６のいずれか一項に記載のパネル（１０）。
8. 前記凹部（２０）の少なくともいくつかが互いに連通している、請求項１から７のいずれか一項に記載のパネル（１０）。
9. 前記空気通路（３０）が、前記外面（２２）に対して垂直であるか、または前記外面（２２）に対して傾斜している縦軸を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載のパネル（１０）。
10. タービンエンジンであって、前記タービンエンジンが、請求項１から９のいずれか一項に記載の少なくとも１つのパネル（１０）を含むことを特徴とする、タービンエンジン。

Images