JPH04294237A - 超音速風洞用の二次元ノズル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、超音速風洞用の二次元
ノズルに関し、詳細には、１０００℃を超える高温・高
圧のガスを用いて高速流を作り、マッハ数１を超える速
度環境下における各種測定・実験を行う超音速および極
超音速風洞用の二次元ノズルに関する。

【０００２】

【従来の技術】周知のように、超音速飛行体や宇宙航空
機などの研究・開発には、その機体やエンジン等がさら
される高度および速度条件を海面高度環境で作り出し、
各種の測定や実験を行うことが必至であり、近来では、
これら分野における研究・開発の進展に対応して、大型
モデルでの測定・実験を行えるマッハ数１を超える超音
速風洞をはじめ、マッハ数５を超える極超音速風洞が順
次開発されて実用に供されている。また、これら超音速
および極超音速風洞（以下、単に超音速風洞という）は
、一般に放流式が採用され、その概念説明図である〔図
３〕に示すように、高圧ガス供給源（３１）からの高圧
ガスを、絞って膨張させることで、所定の超音速流に形
成して測定部（３３）に送るノズル（３２）を備えてな
る。

【０００３】一方、風洞用のノズルは大別して軸対称ノ
ズル、二次元ノズルおよび三次元ノズルの３種類がある
が、比較的大型な超音速風洞では、その一部を切り欠い
た斜視図である〔図４〕に示すように、内面側に高圧ガ
ス流を絞るスロート部（４２）を備えた上下で対のノズ
ル本体（４１）を、その両側に配されたノズル側板（４
３）で挟持させて一体に組立てた構成の二次元ノズル（
４０）が、他の２形態のノズルに比較して構成が簡易な
ことから、最も多く採用されている。

【０００４】また、超音速風洞では、超音速流を形成す
るためにノズルで高圧ガスを極度に絞って膨張させるの
で、用いるガスが断熱膨張により温度低下する。このた
め、超音速風洞用のノズルには、測定部に送る高速ガス
流が所期の温度条件から極度に低くなったり、凍結した
りすることを防ぐために、通常、１０００℃を超える高
温（マッハ数にもよるが、１０００℃〜２０００℃の高
温）に加熱された高温・高圧ガスが導入される。従って
、超音速風洞用のノズルには、高温ガスの温度に対抗し
て構造強度を維持するための冷却手段を備えることが必
要となり、従来より、これらノズルの外側に水冷ジャケ
ットを設けたり、その内壁面沿いに複数の冷却水孔を設
けるなどの種々の冷却方法が講じられているが、超音速
風洞用の二次元ノズルにおいては通常、施工の容易性お
よび冷却効率の観点から、〔図４〕に示すように、ノズ
ル本体（４１）の内壁面沿いにガス流方向と直交する複
数の冷却水孔（４４）を並列させて設け、この冷却水孔
（４４）に冷却水を強制循環させてノズル本体（４１）
を冷却する方法が採用されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記構成の
二次元ノズルでは、そのスロート部において高温ガスか
らの流入熱量（熱流束）が最も高く、ガスに接する内表
面と冷却水孔の近傍との温度差が大きくなり、これらの
間の材料に高い熱応力が発生する。また、この熱応力は
材料の降伏応力を超えるものとなるため、使用を重ねる
と、スロート部の材料に低サイクル疲労によるヒートク
ラックが発生する。そしてまた、繰り返し使用によって
、スロート部に発生したヒートクラックが、その内表面
から冷却水孔まで伸びると、冷却水孔内の冷却水が高温
ガス中に流出し、流出した冷却水がノズル内で蒸気爆発
を起こして重大事故に繋がる。

【０００６】従って、従来の超音速風洞用の二次元ノズ
ルにおいては、特にスロート部の内表面におけるヒート
クラックの発生および進展状態を厳重に点検・管理し、
そのヒートクラックが冷却水孔に達するまでにノズル本
体を交換・破棄されていた。しかも、ヒートクラックは
複雑に進展し、また、その進展状態は主として内表面か
らの点検に依存するため、事故防止の観点からより安全
側の判定でノズル本体を早期に交換せざるを得なくなり
、結果、煩雑な点検・管理を強いられるにも関わらず、
高価なノズル本体の寿命を長く維持できないという問題
点があった。

【０００７】本発明は上記従来技術における課題を解決
するためになされたものであって、高温ガスからの流入
熱量が最も高くて過酷な温度条件下にさらされるスロー
ト部において生じる熱応力を分散・低下させ、熱応力に
起因する低サイクル疲労によるヒートクラックの発生を
抑制できて、その耐用寿命の延長を図ることができ、さ
らには、損耗の激しいスロート部のみの部分交換ができ
てノズル本体の主体部の寿命をより長く維持できる超音
速風洞用の二次元ノズルの提供を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明は以下の構成とされている。すなわち、本
発明に係る超音速風洞用の二次元ノズルは、上下で対向
して配され、対向する内面側に高温ガス流を絞るスロー
ト部を備えると共に、内部にガス流方向と直交する複数
の冷却水孔を並列させて設けた対のノズル本体を具備し
てなる超音速風洞用の二次元ノズルにおいて、上下で対
のノズル本体それぞれのスロート部が、その幅方向およ
びガス流方向に複数に分割され、かつ内部に少なくとも
１個の冷却水孔を設けた複数のセグメントで構成されて
なることを特徴とする。

【０００９】

【作用】本発明においては、上下で対のノズル本体それ
ぞれの内面側に備えられた高温ガス流を絞るスロート部
が、その幅方向およびガス流方向に複数に分割され、か
つ内部に少なくとも１個の冷却水孔を設けた複数のセグ
メントで構成されているので、高温ガスからの流入熱量
が最も高いスロート部を構成するセグメントそれぞれを
、各個の内部に設けた冷却水孔に冷却水を導入して冷却
し、高温ガスの熱に対抗してその構造強度を維持させる
ことができると共に、高温ガスに接する内表面と冷却水
孔の近傍との温度差から生じる熱応力を、個々のセグメ
ント内で発生する量にとどめて分散させ、その絶対量を
一体に構成された従来のノズル本体のスロート部に比べ
て大幅に低く抑えて、熱応力に起因する低サイクル疲労
によるヒートクラックの発生を抑制できる。

【００１０】さらには、各セグメンをノズル本体に嵌脱
可能に嵌装することで、ノズル本体を交換することなく
、最も過酷な温度条件下におかれて損耗の激しいスロー
ト部のみを交換可能とし、ノズル本体そのものの交換頻
度を低くすることができる。

【００１１】なお、スロート部において幅方向に連ねて
配する複数のセグメント同志の冷却水孔は互いに連結さ
せ、また、相互間の連結面部には圧縮応力を付加させて
おくことで高温下における冷却水孔間の水密を維持させ
る。

【００１２】

【実施例】以下に、本発明に係る超音速風洞用の二次元
ノズルの実施例を図面を参照して説明する。

【００１３】〔図１〕は本発明の１実施例の超音速風洞
用の二次元ノズルの概要構成を示す図であって、（ａ）
図は正断面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（
ｃ）図は（ｂ）図のイ部拡大断面図である。

【００１４】〔図１〕において、（１）　はノズル本体
であって、該ノズル本体（１）　は、上下で対向して対
をなして配され、対向する内面側の長手方向の一部を所
定の曲率にて内方に膨出させ、上下対で上下方向の間隔
を狭窄し、（ａ）図中に矢印で示す高温ガス流を二次元
方向に絞るスロート部（１ａ）を形成している。

【００１５】（２）　はノズル側板であって、該ノズル
側板（２）　は、対のノズル本体（１）　の両側に配さ
れ、ここでは図示を省略した締結手段にて対のノズル本
体（１）　を挟持し、上下で対のノズル本体（１）　を
所定の上下方向の間隔を隔てて保持すると共に、これら
ノズル本体（１）の両側を閉塞して一体化させる。

【００１６】（３）　は冷却水孔であって、該冷却水孔
（３）　は、ノズル本体（１）　の内面寄りの部位を幅
方向に貫通し、その長手方向に所定ピッチで並列させて
設けられている。また、これら冷却水孔（３）　は、ノ
ズル側板（２）　に設けられた冷却水入出管（２ａ）（
２ｂ）を介して、図外の冷却水循環供給手段に連結され
ている。

【００１７】翻って、（４）　はスロート部セグメント
であって、該スロート部セグメント（４）は、対のノズ
ル本体（１）　それぞれのスロート部（１ａ）形成部位
に、ノズル本体（１）の幅方向に複数個（本例では３個
）直列に連なって、かつ長手方向に複数列（本例では４
列）に並列して嵌装され、当該ノズル本体（１）　のス
ロート部（１ａ）を構成している。

【００１８】また、これらスロート部セグメント（４）
　は、それぞれの内部に少なくとも１個（本例では１個
）の冷却水孔（３）　を設けたものとされ、幅方向に連
なるスロート部セグメント（４）　同志の冷却水孔（３
）は、（ｂ）図に示すように互いに直列に連結されてい
る。また、幅方向に連なるスロート部セグメント（４）
　の冷却水孔（３）間の連結面部は、（ｃ）図に示すよ
うに、互いに半球状凹凸面で当接する球面管継手状に形
成され、この継手構成により隣接するスロート部セグメ
ント（４）　間に多少のズレが生じても冷却水孔（３）
　間の水密を維持できるものとされている。

【００１９】さらにまた、本実施例では、両側のノズル
側板（２）　を、その締結手段によって保定に必要な応
力以上の応力σで内方に向けて締め付け、各スロート部
セグメント（４）　間の連結面部の材料に常時一定の圧
縮応力を付加させておくことで、温度変化による各スロ
ート部セグメント（４）　の膨張・収縮に対応させ、高
温下における冷却水孔（３）　間の水密をより確実に維
持するものとした。

【００２０】また、各スロート部セグメント（４）　は
、長手方向に各列を挿脱可能に貫通する固定桿（５）　
を介してノズル本体（１）　に固定されてあり、必要に
応じてノズル本体（１）　に嵌脱して交換可能とされて
いる。

【００２１】本実施例の二次元ノズルは、上記構成のも
とで、〔図３〕に示したように超音速風洞の高圧ガス供
給源と測定部の間に配置され、高圧ガス供給源からの高
温な高圧ガスを、二次元方向に絞って膨張させることで
、所定の超音速流に形成して測定部に送る。

【００２２】ここで、この二次元ノズルには、前述した
ように、形成した超音速流の断熱膨張による温度低下を
補完するため、１０００℃を超える高温に加熱された高
温・高圧ガスが導入されので、この高温ガスの温度に対
抗して構造強度を維持するため、その冷却水孔（３）　
に冷却水を導入して冷却される。そして、このとき、高
温ガスに接する内表面と冷却水孔（３）　の近傍との温
度差が大きくなり、特に、高温ガス流を絞るスロート部
（１ａ）において高温ガスからの流入熱量が最も高くて
大きな温度差が生じ、高い熱応力が発生する。

【００２３】しかし、本実施例の二次元ノズルでは、高
温ガス流を絞るスロート部（１ａ）が、複数のスロート
部セグメント（４）　で構成されているので、高温ガス
に接する内表面と冷却水孔（３）　の近傍との温度差か
ら生じる熱応力を、個々のスロート部セグメント（４）
　内で発生する量にとどめて分散させ、その絶対量を一
体に構成された従来のノズル本体のスロート部に比べて
大幅に低く抑えて、熱応力に起因する低サイクル疲労に
よるヒートクラックの発生を抑制できる。

【００２４】また、本実施例の二次元ノズルでは、スロ
ート部（１ａ）を構成するスロート部セグメント（４）
　をノズル本体（１）　に交換可能に嵌装しているので
、ノズル本体（１）を交換することなく、最も過酷な温
度条件下におかれて損耗の激しいスロート部セグメント
（４）　のみを交換し、高価なノズル本体（１）　その
ものの交換頻度を低くすることができる。

【００２５】以上に述べたように、本実施例の二次元ノ
ズルでは、スロート部（１ａ）におけるヒートクラック
を抑制できることと、損耗したスロート部セグメント（
４）　のみの部分交換が可能であることより、その耐用
寿命を大幅に延長することができる。

【００２６】なお、本実施例においては、幅方向に隣接
するスロート部セグメント（４）　の冷却水孔（３）　
間の連結面部を球面管継手状に形成した継手構成により
、その冷却水孔（３）　間の水密を維持するものとした
が、これは１例であって、例えば、その別の実施態様を
説明するための部分断面図である〔図２〕に示すように
、幅方向に隣接するスロート部セグメント（４）　の冷
却水孔（３）　間に、比較的軟質な金属材料からなるレ
ンズリング（６）　を介装し、このレンズリング（６）
　に圧縮応力を付加することで、冷却水孔（３）　間の
水密を確保する管継手構成を採用する等、各スロート部
セグメント（４）　の膨張・収縮に対応し、かつ多少の
ズレを許容して水密を維持できるものであれば、他の形
態の継手構成を採用されても良い。

【００２７】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る超音
速風洞用の二次元ノズルでは、高温ガスからの流入熱量
が最も高くて過酷な温度条件下にさらされるスロート部
を、複数のセグメントに分割した構成とすることで、ス
ロート部において生じる熱応力を分散・低下させ、熱応
力に起因する低サイクル疲労によるヒートクラックの発
生を抑制できて、その耐用寿命の延長を図ることができ
、さらには、損耗の激しいスロート部のみの部分交換が
できて、高価なノズル本体の主体部の寿命をより長く維
持させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の超音速風洞用の二次元ノズ
ルの概要構成を示す図であって、（ａ）図は正断面図、
（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ断面図、（ｃ）図は（ｂ）
図のイ部拡大断面図である。

【図２】本発明の超音速風洞用の二次元ノズルの別の実
施態様を説明するための部分断面図である。

【図３】超音速風洞の概念説明図である。

【図４】従来の超音速風洞用の二次元ノズルの概要構成
を示す一部を切り欠いた斜視図である。

【符号の説明】

（１）　−−ノズル本体 （１ａ）−−スロート部 （２）　−−ノズル側板 （２ａ）（２ｂ）−−冷却水入出管 （３）　−−冷却水孔 （４）　−−スロート部セグメント （５）　−−固定桿

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　上下で対向して配され、対向する内面
   側に高温ガス流を絞るスロート部を備えると共に、内部
   にガス流方向と直交する複数の冷却水孔を並列させて設
   けた対のノズル本体を具備してなる超音速風洞用の二次
   元ノズルにおいて、上下で対のノズル本体それぞれのス
   ロート部が、その幅方向およびガス流方向に複数に分割
   され、かつ内部に少なくとも１個の冷却水孔を設けた複
   数のセグメントで構成されてなることを特徴とする超音
   速風洞用の二次元ノズル。