JPH06341919A

JPH06341919A - 翼周囲流れの解析実験装置

Info

Publication number: JPH06341919A
Application number: JP13090593A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Isomura; 浩介磯村
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 1993-06-01
Filing date: 1993-06-01
Publication date: 1994-12-13

Abstract

(57)【要約】【目的】翼周囲流れの解析実験装置に係り、供試翼列
まわりの流れ場の可視化と壁圧等の同時計測を可能とす
る。【構成】風洞ダクト２の一内壁面を形成する金属製の
平面鏡２１に片持ち梁状に植え込まれる翼列５と、平面
鏡２１に対向する透過部材４と、外部に配される光源６
から出射された放射光Ｌ₁を平行光Ｌ₂に変えかつ透過部
材の方向に偏向させる偏向部材８と、偏向部材８と光源
６との間に配置される半透明鏡９により反射された反射
光Ｌ₃の焦点位置Ｆに配されるスリット部材１０と、ス
リット部材１０を透過させられた反射光Ｌ₃を結像させ
る受像手段１１とを具備しており、風洞ダクト２内の超
音速空気流Ａの屈折率の変化を利用して翼周囲流れの圧
力変動を可視化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ジェットエンジンのフ
ァン動翼等の周囲に形成される超音速空気流を模擬的に
発生させて観察することにより、該超音速空気流の様相
を解析するための翼周囲流れの解析実験装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】ジェットエンジンのファン動翼等の周囲
には、機体の超音速航行時に超音速空気流が形成され、
衝撃波が発生する等の複雑な流れの様相を呈する。該衝
撃波は、その前後において大きな圧力差を生じるため、
近傍に配されるファン動翼等に過大な応力が発生して該
ファン動翼の健全性を損わせる可能性がある。したがっ
て、ジェットエンジンの設計にあたっては、ファン動翼
の周囲に発生する超音速空気流の様相を予め解析してお
く必要があり、該解析結果に基づくシミュレーション等
によって充分な安全率を確保しておく必要がある。

【０００３】ファン動翼の周囲に形成される超音速空気
流を解析する方法としては、従来より、シュリーレン法
による流れの可視化方法が採用されている。該シュリー
レン法は、流体の密度に変化が発生すると一定の法則性
をもって屈折率が変化させられることを利用した光学的
な流れの可視化方法である。

【０００４】該シュリーレン法を利用した解析実験装置
としては、図３に示す構造のものがある。該解析実験装
置１は、内部に超音速空気流Ａを形成する風洞ダクト２
と、該風洞ダクト２の対向する一対の壁面に配設された
ガラスよりなる平面鏡３および透過ガラス４と、該平面
鏡３および透過ガラス４を連結するように両持ち梁状に
配設される翼列５とを具備する。風洞ダクト２の外部に
は、例えば、アルゴンレーザ光Ｌ（以下、単にレーザ光
Ｌという。）を出射可能な光源６と、該光源６から出射
されたレーザ光Ｌを放射光Ｌ₁に変化させるビームエキ
スパンダ７と、放射光Ｌ₁を反射して平行光Ｌ₂に偏向す
る凹面鏡８とが設けられ、平行光Ｌ₂が前記透過ガラス
４を通して風洞ダクト２内に入射させられるようになっ
ている。前記凹面鏡８とビームエキスパンダ７との中間
位置には半透明鏡９が配設されており、ビームエキスパ
ンダ７からの放射光Ｌ₁のみ透過させ、凹面鏡８からの
反射光Ｌ₃は反射して、ビームエキスパンダ７とは異な
る方向に向かわせるようになっている。反射光Ｌ₃の焦
点位置Ｆには、該焦点位置Ｆにおいて集光される反射光
Ｌ₃のみを透過可能なスリット手段１０が設けられ、該
スリット手段１０の前方には、該スリット手段１０を挿
通させられた後の反射光Ｌ₃を撮影するビデオカメラ１
１が設けられている。

【０００５】このように構成された解析実験装置１によ
れば、光源６からレーザ光Ｌが出射させられると、該レ
ーザ光Ｌは、ビームエキスパンダ７によって放射光Ｌ₁
に変化させられる。そして、該放射光Ｌ₁は、凹面鏡８
によって反射されることにより平行光Ｌ₂に偏向させら
れて、風洞ダクト２内に透過ガラス４から入射させられ
る。風洞ダクト２内に入射させられた平行光Ｌ₂は、翼
５ａの周囲を挿通させられた後に透過ガラス４に対向す
る平面鏡３によって反射させられる。これにより、平行
光Ｌ₂は、透過ガラス４を再度透過させられて風洞ダク
ト２の外方に出射され、凹面鏡８によってビームエキス
パンダ７の方向に向かって縮小する反射光Ｌ₃に変化さ
せられる。凹面鏡８とビームエキスパンダ７との中間位
置には、半透明鏡９が配されているので、反射光Ｌ₃は
該半透明鏡９によってスリット手段１０の方向に反射さ
れ、スリット手段１０の位置で焦点を結んで該スリット
手段１０を透過した後に再度放射状の反射光Ｌ₃となっ
てビデオカメラ１１に撮影されることになる。

【０００６】この場合にあって、風洞ダクト２内に超音
速空気流Ａが形成されることにより、翼列５の周囲に衝
撃波が発生させられると、その前後の圧力差によって空
気の密度に疎密が発生し、その結果、屈折率が一定の法
則性をもって変化させられる。これにより、平行光Ｌ₂
が部分的に偏向され、風洞ダクト２に入射したときと異
なる経路で風洞ダクト２から出射させられることにな
る。このようにして経路を異ならせられたレーザ光Ｌ₂
は、その焦点位置Ｆをも変化させられるため、焦点位置
Ｆに配設されているスリット手段１０を透過することが
できず、ビデオカメラ１１まで到達しない。したがっ
て、空気の密度が変化させられた部分の翼５ａ周囲の流
れの様相は、レーザ光Ｌの到達しない映像、すなわち、
暗部として可視化され、密度の変化の度合いによって、
濃淡を有する映像としてビデオカメラ１１に結像するこ
とになる。

【０００７】また、上記解析実験装置１においては、可
視化された超音速空気流Ａの様相とともに、該超音速空
気流Ａが形成されている風洞ダクト２内の圧力変化等の
諸値を計測しておく必要がある。このため、例えば、風
洞ダクト２の内壁面である平面鏡３の表面近傍の圧力
（以下、壁圧という。）および各翼５ａの表面に沿う非
定常な圧力変動を計測することとしている。すなわち、
壁圧は、風洞ダクト２の壁面２ａを貫通する壁圧計測孔
１２を配設し、該壁圧計測孔１２に圧力計（図示略）を
接続することにより測定し、また、翼面に沿う圧力変動
は、翼５ａに圧力センサ１３を埋め込むことにより計測
することとしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来の解析実験装置１であると、翼列５を植込む平面
鏡３がガラス製であるために、機械的強度が不足し、翼
列５を平面鏡３と透過ガラス４との間に両持ち梁状に取
り付けなければならなかった。このため、翼列５を平面
鏡３と透過ガラス４との間に両持ち梁状に取り付けるこ
ととすると、その取付け部において平面鏡３の反射面積
および透過ガラス４の透過面積を狭めることになり、シ
ュリーレン法によって得られる情報量の低下を招くとい
う不都合があった。

【０００９】さらに、壁圧を測定する壁圧計測孔１２
は、精密に加工される必要があるが、ガラス製の平面鏡
３には精密な加工を実施することができない。したがっ
て、上記解析実験装置１においては、精密な壁圧計測孔
１２を穿孔した筒状の金属部材を埋め込むか、または、
平面鏡３から外れた翼列５の遠方位置に配設しなければ
ならない。しかしながら、前者の方法であると、上記と
同様にして平面鏡３の反射面積が狭められ、得られる情
報量が低下してしまうという問題点があり、また、後者
の方法であると、翼列５近傍の壁圧を計測できないため
に、撮影される超音速空気流Ａの様相との対応において
誤差が発生してしまうという不都合がある。

【００１０】本発明は、上述した事情に鑑みてなされた
ものであって、供試翼列まわりの流れ場の可視化と、壁
圧および翼面の非定常な圧力変動を同時計測することが
できる翼周囲流れの解析実験装置を提供することを目的
としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、次の３つの手段を提案している。第１の
手段は、風洞ダクトの一内壁面を形成する金属製の平面
鏡と、該平面鏡に片持ち梁状に植え込まれ風洞ダクト内
に突出させられる翼列と、前記平面鏡に対向する風洞ダ
クトの他の壁面を構成し外部から入射される光を風洞ダ
クト内に透過させる透過部材と、風洞ダクトの外部に配
される光源と、前記平面鏡に前記透過部材を挟んで対向
状態に配置され前記光源から出射された放射光を平行光
に変えかつ透過部材の方向に偏向させる偏向部材と、該
偏向部材と前記光源との間に配置され光源から偏向部材
に向かう放射光を透過しかつ偏向部材から光源に向かう
反射光を反射する半透明鏡と、該半透明鏡により反射さ
れた反射光の焦点位置に配置されるスリット部材と、該
スリット部材を透過させられた反射光を結像させる受像
手段とを具備している翼周囲流れの解析実験装置を提案
している。第２の手段は、第１の手段に係る解析実験装
置において、平面鏡が、鏡面研磨されたジュラルミンよ
りなる母材に、アルミニウムを蒸着させてなる翼周囲流
れの解析実験装置を提案している。第３の手段は、第１
または第２の手段に係る解析実験装置において、平面鏡
に、該平面鏡に沿う風洞ダクト内の圧力を計測する圧力
計測孔が配設されている翼周囲流れの解析実験装置を提
案している。

【００１２】

【作用】本発明の第１の手段に係る翼周囲流れの解析実
験装置によれば、風洞ダクト外部の光源から発せられた
放射光が、偏向部材によって平行光に偏向され、透過部
材を透過した後に風洞ダクト内に入射させられる。風洞
ダクト内に配された翼列は、充分な機械的強度を有する
金属製の平面鏡に片持ち梁状に植え込まれ、実機に近い
実験条件を成立させることが可能となる。平面鏡によっ
て反射された平行光は、翼列を支持していない透過部材
をなんら遮られることなく透過して風洞ダクトの外部に
出射させられる。そして、偏向部材によって光源の方向
に向かわせられ、その途中位置に配されている半透明鏡
によって反射された後に、スリット手段を通過して受像
手段に結像されることになる。第２の手段に係る翼周囲
流れの解析実験装置によれば、平面鏡の母材がジュラル
ミンで形成されていることにより、機械的強度が向上さ
れ、耐久的な実験を実施することが可能となる。しか
も、ジュラルミンは、アルミニウム合金であるため、そ
の表面にアルミニウムが確実に蒸着されることになる。
また、鏡面研磨されたジュラルミンにアルミニウムを蒸
着させることにより、反射率が高められ、翼周囲流れの
様相を細部まで可視化することが可能となる。第３の手
段に係る翼周囲流れの解析実験装置によれば、平面鏡に
圧力計測孔を設けることにより、翼列近傍の壁圧を計測
し得て、翼周囲流れの様相と対応した精度の高いな壁圧
データを得ることが可能となる。平面鏡は金属製または
ジュラルミンを母材として形成されているため、圧力計
測孔を精度良く穿孔することができ、壁圧データの計測
精度が向上されることになる。しかも、平面鏡に直接圧
力計測孔を穿孔するので、該圧力計測孔の穿孔によって
発生する情報量の低下が低減されることになる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明に係る翼周囲流れの解析実験装
置の一実施例を、図１ないし図２を参照して説明する。
これら各図において、符号２０は解析実験装置、２１は
平面鏡、２２は母材、２３は高純度アルミニウム、２４
は圧力センサ、２５はケーブル、２６は壁圧計測孔、２
７はニップル、２８はエアチューブ、２９はビームチョ
ッパ、３０はビームチョッパコントローラ、３１はタコ
メータである。なお、本実施例において、図３に示す従
来例と構成を共通とする箇所に同一符号を付して説明を
簡略化する。

【００１４】本実施例の解析実験装置２０も、シュリー
レン法を利用したものであって、対向する一対の壁面に
平面鏡２１および透過ガラス４を配設し、それらの間に
翼列５を配した構成の風洞ダクト２と、その外部に、レ
ーザ光Ｌを出射する光源６と、該光源６から出射された
レーザ光Ｌを放射光Ｌ₁に変化させるビームエキスパン
ダ７と、放射光Ｌ₁を反射して平行光Ｌ₂に偏向する凹面
鏡８と、該凹面鏡８とビームエキスパンダ７との間に配
される半透明鏡９と、該半透明鏡９からの反射光Ｌ₃の
焦点位置Ｆに配されるスリット手段１０と、該スリット
手段１０の前方に配されるビデオカメラ１１とを有して
いる点において、図３に示す従来例と共通している。し
かし、本実施例の解析実験装置２０は、風洞ダクト２の
平面鏡２１の構造において、従来例と相違している。

【００１５】本実施例の解析実験装置２０における平面
鏡２１は、図２に示すように、ジュラルミンよりなる板
材を旋削して円盤状に形成された母材２２の一面に、鏡
面研磨加工を施した後に、高純度アルミニウムを蒸着さ
せることによりアルミニウム被膜２３を形成したもので
ある。平面鏡２１には、ワイヤカットによって、貫通状
態の植込孔２１ａが形成されている。各植込孔２１ａ
は、翼形状に切り抜かれ、蒸着面の裏面から翼５ａが挿
入されるようになっている。

【００１６】該翼５ａは、例えば、その長手方向に、前
記植込孔２１ａの断面形状に填り合う断面形状を有する
柱状に形成されており、その挿入後端に配されるフラン
ジ部５ｂをボルト５ｃによって平面鏡２１の裏面に締結
することができるようになっている。翼面５ｄには、該
翼面５ｄに発生する圧力変動を計測するための圧力セン
サ２４が埋め込まれている。該圧力センサ２４は、翼５
ａの流体力学的特性を乱さないように、翼面５ｄと面一
状態に埋設されている。該圧力センサ２４に接続される
ケーブル２５は、翼５ａの挿入後端から外部に取り出さ
れ、図示しないデータ処理装置に接続されるようになっ
ている。

【００１７】前記平面鏡２１には、翼列５の上流側およ
び下流側に配される位置に、それぞれ板厚方向に貫通す
る複数の壁圧計測孔２６が配設されている。該壁圧計測
孔２６は、蒸着面に入射されるレーザ光Ｌの反射に影響
を与えない程度の極小径寸法に、かつ、圧力検出精度を
向上すべく精度良く穿孔されている。該壁圧計測孔２６
には、平面鏡２１の裏面側にニップル２７を介してエア
チューブ２８が接続されており、図示しない圧力変換器
に接続されている。

【００１８】本実施例の解析実験装置２０には、光源６
とビームエキスパンダ７との間にビームチョッパ２９が
配設されている。該ビームチョッパ２９は、ビームチョ
ッパコントローラ３０およびタコメータ３１に接続され
ており、光源６から出射されるレーザ光Ｌを翼５ａの振
動周波数に合わせて点滅させることができるようになっ
ている。そして、これにより、ストロボ同期状態を実現
し、翼５ａの動き方、発生する衝撃波の振動変位と翼５
ａの振動変位との位相関係等を目視することができるよ
うになっている。

【００１９】また、スリット手段１０は、例えば、半透
明鏡９からの反射光Ｌ₃の焦点位置Ｆに配される貫通孔
１０ａを有する板材であって、前記貫通孔１０ａは、そ
の内面がナイフエッジ状に形成されている。これによ
り、反射光Ｌ₃がスリット手段１０の板厚によって影響
を受けることなく貫通孔１０ａを通過することができる
ようになっているとともに、風洞ダクト２内で偏向され
前記焦点位置Ｆにおいて他の光束とともに焦点を形成す
ることのない経路のずれた反射光Ｌ₃を有効に遮ること
ができるようになっている。

【００２０】このように構成された解析実験装置２０に
よれば、翼列５が片持ち梁状に平面鏡２１に取り付けら
れているので、風洞ダクト２内において翼５ａの周囲に
形成される超音速空気流Ａを実機に即した条件で発生さ
せることができる。すなわち、翼５ａの自由端を形成す
ることにより、超音速空気流Ａによる翼５ａの振動を発
生させることができるとともに、自由端と透過ガラス４
との間に翼端間隙流れを発生させることができる等の点
において、より実機に近い実験条件を成立させることが
できるものである。

【００２１】上記のように、平面鏡２１に翼５ａを片持
ち梁状に取り付けることを可能としたのは、平面鏡２１
を機械的強度の高いジュラルミンを母材２２として構成
したためである。しかも、該母材２２の表面を鏡面研磨
した後に、高純度アルミニウムを蒸着させることによっ
て、従来のガラス製の平面鏡３と同等の反射率が達成さ
れている。これにより、平面鏡２１の機械的強度の向上
と、反射率の向上による流れの可視化精度の向上とを同
時に図ることが可能である。

【００２２】また、翼列５を平面鏡２１に片持ち梁状に
取り付けることにより、翼列５と透過ガラス４とが接触
しないので、該透過ガラス４を通して風洞ダクト２内に
入射され、あるいは、風洞ダクト２から出射される平行
光Ｌ₂が遮られることがない。このため、スリット手段
１０またはビデオカメラ１１に到達する反射光Ｌ₃を最
大限に確保して、情報量の低下を防止することができ
る。すなわち、ビデオカメラ１１に撮影される映像に不
必要な影部を形成することがないので、撮影された映像
が見易く、かつ、必要な部分の超音速空気流Ａの映像が
失われることがない。

【００２３】また、平面鏡２１に壁圧計測孔２６が配設
されているので、翼５ａの近傍において壁圧を測定する
ことが可能となり、可視化される超音速空気流Ａの様相
と対応させた壁圧データを計測することができる。さら
に、翼面５ｄに埋設された圧力センサ２４によって計測
される翼面５ｄの非定常な圧力変動をも、前記壁圧デー
タに対応づけて計測することが可能となり、測定データ
を加工することなく利用することができる。その結果、
翼５ａ周囲流れの解析の精度を向上することができるこ
とになる。

【００２４】なお、本発明に係る翼周囲流れの解析実験
装置２０にあっては、以下の技術を採用することができ
る。ジュラルミンを母材２２とし高純度のアルミニウム
被膜２３を蒸着させることにより平面鏡２１を構成した
が、これに代えて、充分な機械的強度を有しかつ反射率
の高いものであることを条件として、他の金属材料を使
用すること。透過部材として透過ガラス４を使用することとした
が、平行光Ｌ₂を透過しかつ充分な耐圧強度を有するも
のであることを条件として、他の任意の透過部材を採用
すること。光源６としてアルゴンレーザ光を発するものを採用
したが、これに代えて、他の光源６を採用すること。スリット部材１０として内面がナイフエッジ状に形
成された貫通孔１０ａを有する板材を採用したが、これ
に代えて、他の任意のスリット手段１０を採用するこ
と。受像手段としてビデオカメラ１１を採用したが、こ
れに代えて、スクリーン等の他の受像手段を採用するこ
と。母材２２の形状を旋削容易性より円盤状としたが、
これに代えて、任意の形状とすること。

【００２５】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明の第１の手
段に係る翼周囲流れの解析実験装置は、風洞ダクトの一
内壁面を形成する金属製の平面鏡に片持ち梁状に植え込
まれる翼列と、平面鏡に対向する透過部材と、外部に配
される光源から出射された放射光を平行光に変えかつ透
過部材の方向に偏向させる偏向部材と、偏向部材と光源
との間に配置される半透明鏡により反射された反射光の
焦点位置に配されるスリット部材と、スリット部材を透
過させられた反射光を結像させる受像手段とを具備して
いるので、以下の効果を奏する。翼列を片持ち梁状に支持することにより、実機に即
した実験条件を実現することができ、実機の設計にあた
っての実験データの利用性を向上することができる。翼列が透過部材に支持されないので、該透過部材を
透過する平行光が遮られることなく、最大限の情報量を
受像手段に伝達することができる。本発明の第２の手段
に係る翼周囲流れの解析実験装置は、平面鏡が、鏡面研
磨されたジュラルミンよりなる母材に、アルミニウムを
蒸着させることにより構成されているので、第１の手段
の効果に加えて、機械的強度の向上と、反射率の向上を
図ることにより、耐久的な解析実験を可能とするととも
に、鮮明な映像を受像手段に結像させることができると
いう効果を奏する。本発明の第３の手段に係る翼周囲流
れの解析実験装置は、平面鏡に、該平面鏡に沿う風洞ダ
クト内の圧力を計測する壁圧計測孔が配設されているの
で、上記効果に加えて、翼周囲流れの様相と翼近傍の壁
面に沿う圧力とを、同一条件下における計測データとし
て同時計測することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る翼周囲流れの解析実験装置の一実
施例を示す全体図である。

【図２】図１の解析実験装置の平面鏡と翼列とを示す斜
視図である。

【図３】翼周囲流れの解析実験装置の従来例を示す全体
図である。

【符号の説明】

Ａ超音速空気流Ｆ焦点位置Ｌレーザ光Ｌ₁ 放射光Ｌ₂ 平行光（光）Ｌ₃ 反射光２風洞ダクト４透過ガラス（透過部材）５翼列６光源７ビームエキスパンダ８凹面鏡（偏向部材）９半透明鏡１０スリット部材１１ビデオカメラ（受像手段）２０解析実験手段（翼周囲流れの解析実験装置）２１平面鏡２２母材２３アルミニウム被膜２６壁圧計測孔

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】風洞ダクトの一内壁面を形成する金属製
の平面鏡と、該平面鏡に片持ち梁状に植え込まれ風洞ダ
クト内に突出させられる翼列と、前記平面鏡に対向する
風洞ダクトの他の壁面を構成し外部から入射される光を
風洞ダクト内に透過させる透過部材と、風洞ダクトの外
部に配される光源と、前記平面鏡に前記透過部材を挟ん
で対向状態に配置され前記光源から出射された放射光を
平行光に変えかつ透過部材の方向に偏向させる偏向部材
と、該偏向部材と前記光源との間に配置され光源から偏
向部材に向かう放射光を透過しかつ偏向部材から光源に
向かう反射光を反射する半透明鏡と、該半透明鏡により
反射された反射光の焦点位置に配置されるスリット部材
と、該スリット部材を透過させられた反射光を結像させ
る受像手段とを具備していることを特徴とする翼周囲流
れの解析実験装置。
【請求項２】平面鏡が、鏡面研磨されたジュラルミン
よりなる母材に、アルミニウムを蒸着させてなることを
特徴とする請求項１記載の翼周囲流れの解析実験装置。
【請求項３】平面鏡に、該平面鏡に沿う風洞ダクト内
の圧力を計測する圧力計測孔が配設されていることを特
徴とする請求項１または請求項２記載の翼周囲流れの解
析実験装置。