(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主流体流れを制御するシステムにおいて、
制御流体の振動流れを搬送する第１の流体振動子（４）であって、第１のスロート（１２）と、前記第１のスロートに接続された第１の入力ポート（１４）と、前記第１のスロートに接続された第１の制御ポート（１６）及び第２の制御ポート（１８）と、前記第１のスロートから延出し、主流体流れと流体連通する第１の出力ポート（２２）及び第２の出力ポート（２４）と、前記第１の出力ポート及び前記第１の制御ポートに接続された第１の帰還ライン（２６）と、前記第２の出力ポート及び前記第２の制御ポートに接続された第２の帰還ライン（２８）とを具備する第１の流体振動子（４）と；
前記第１の流体振動子に前記制御流体を供給するために、前記第１の流体振動子の前記第１の入力ポートに接続されたプレナム（５２）と；
前記第１の出力ポートと前記第２の出力ポートとの間で振動流体運動を発生させるために、前記制御流体に対して複数の帰還流路を規定するように、前記第１の帰還ラインに沿って配置された第１の帰還チャンバ（２９）及び前記第２の帰還ラインに沿って配置された第２の帰還チャンバ（３１）であって、振動の所望の振動数を実現するために、前記第１の帰還チャンバの容積及び前記第２の帰還チャンバの容積を変化させることができる第１の帰還チャンバ（２９）及び第２の帰還チャンバ（３１）と、
を具備するシステム。
【請求項２】
前記第１の帰還チャンバの前記容積及び前記第２の帰還チャンバの前記容積は、一様に変化されてもよい請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１の帰還チャンバの前記容積が減少されるとき、前記振動数は増加し、前記第１の帰還チャンバの前記容積が増加されるとき、前記振動数は減少する請求項１記載のシステム。
【請求項４】
前記制御流体の振動流れを搬送する第２の流体振動子（６）であって、
第２のスロート（３２）と、
前記第２のスロートに接続された第２の入力ポート（３４）と、
前記第２のスロートに接続された第３の制御ポート（３６）及び第４の制御ポート（３８）と、
前記第２のスロートから延出する第３の出力ポート（４２）及び第４の出力ポート（４４）と、
前記第３の出力ポート及び前記第３の制御ポートに接続された第３の帰還ライン（４６）と、
前記第４の出力ポート及び前記第４の制御ポートに接続された第４の帰還ライン（４８）とを具備する第２の流体振動子（６）を更に具備し；
前記プレナムは、前記第２の流体振動子に前記制御流体を供給するために、前記第２の入力ポートに接続され；
前記第１の帰還チャンバは、前記第２の流体振動子に対して前記制御流体の帰還流路を規定するために、前記第３の帰還ラインに沿って更に配置され；
前記第１の流体振動子は、前記第１の帰還チャンバを介して前記第２の流体振動子と流体連通する請求項１記載のシステム。
【請求項５】
前記第１の出力ポート、前記第２の出力ポート、前記第３の出力ポート及び前記第４の出力ポートは、互いに振動数ロックされる請求項４記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の流体振動子及び前記第２の流体振動子は、前記主流体流れの境界層の分離を抑止するように構成される請求項４記載のシステム。
【請求項７】
主流体流れを制御する方法において、
制御流体の振動流れを搬送する第１の流体振動子であって、第１のスロートと、前記第１のスロートに接続された第１の入力ポートと、前記第１のスロートに接続された第１の制御ポート及び第２の制御ポートと、前記第１のスロートから延出する第１の出力ポート及び第２の出力ポートと、前記第１の出力ポート及び前記第１の制御ポートに接続された第１の帰還ラインと、前記第２の出力ポート及び前記第２の制御ポートに接続された第２の帰還ラインとを具備する第１の流体振動子を含む複数の流体振動子から成るアレイを位置決めすることと；
前記第１の流体振動子に前記制御流体を供給するために、前記第１の入力ポートにプレナムを接続することと；
前記第１の出力ポートと前記第２の出力ポートとの間で振動流体運動を発生させるために、前記制御流体に対して複数の帰還流路を規定するように、前記第１の帰還ラインに沿って第１の帰還チャンバを配置し且つ前記第２の帰還ラインに沿って第２の帰還チャンバを配置することと；
振動の所望の振動数を実現するために、前記第１の帰還チャンバの容積及び前記第２の帰還チャンバの容積を変化させることと
から成る方法。
【請求項８】
前記第１の帰還チャンバの前記容積を減少することにより、前記振動数を増加することと、前記第１の帰還チャンバの前記容積を増加することにより、前記振動数を減少することとを更に含む請求項７記載の方法。
【請求項９】
変化させることは、前記第１の帰還チャンバの前記容積及び前記第２の帰還チャンバの前期容積を一様に変化させることから成る請求項７記載の方法。
【請求項１０】
第２のスロートと、前記第２のスロートに接続された第２の入力ポートと、前記第２のスロートに接続された第３の制御ポート及び第４の制御ポートと、前記第２のスロートから延出する第３の出力ポート及び第４の出力ポートと、前記第３の出力ポート及び前記第３の制御ポートに接続された第３の帰還ラインと、前記第４の出力ポート及び前記第４の制御ポートに接続された第４の帰還ラインとを具備する、前記制御流体の振動流れを搬送する第２の流体振動子を位置決めすることと；
前記第２の流体振動子に前記制御流体を供給するために、前記第２の入力ポートに前記プレナムを接続することと；
前記第１の流体振動子が前記第１の帰還チャンバを介して前記第２の流体振動子と流体連通しているとき、前記第２の流体振動子に対して前記制御流体の帰還流路を規定するために、前記第１の帰還チャンバを前記第３の帰還ラインに沿って配置することと；
前記アレイに前記入力制御流体を分配するために、前記プレナムの中へ前記入力制御流体を吹き込むことと；
前記制御流体の前記出力流れを脈動させることとを更に含む、請求項７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
ガスタービンエンジンにおいて損失を発生する分離流れを除去するための手段としての定常境界層吹き付けは、十分に確立されている。吹き付け流れの供給源は、エンジンのより高圧の領域又は補助供給源である。この高圧流れを取り出すことにより、エンジン全体の性能及び効率が低下するという不都合か生じる。境界層分離の制御に関する従来技術の記載によれば、通常、非定常吹き付けを使用すると、定常吹き付けにより要求される質量の必要量が２分の１〜約１００分の１の範囲で減少する。吹き付け効率を改善する手段の１つは、流体振動子を介して非定常吹き付けを導入することである。流体振動子においては、機械式アクチュエータを使用せずに、分離ポイントの上流側の境界層の中に向かう流体の流れが脈動される。しかし、境界層制御のための非定常吹き付けを適正に適用するには、非定常性の振動数、振幅及び位相が極めて重要である。
【特許文献１】米国特許出願第２００４／００２０２０８号公報
【特許文献２】米国特許第６，８０５，１６４号公報
【特許文献３】米国特許第５，９０６，３１７号公報
【特許文献４】米国特許第５，８９３，３８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
従って、流体振動子を使用して、非定常境界層噴射を実現する方法が必要とされる。特に、流体動力学系全体のダイナミクスを考慮に入れて、非定常流体振動子を動作させる新たな技術が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
簡単に言うと、本発明の一実施形態によれば、主流体流れを制御するシステムが提供される。システムは、流体振動子のアレイを含む。流体振動子のアレイは、少なくとも１つの第１の流体振動子を含む。少なくとも１つの第１の流体振動子は、第１のスロートと、第１のスロートに接続された第１の入力ポートと、第１のスロートに接続された第１の制御ポート及び第２の制御ポートと、第１のスロートから延出する第１の出力ポート及び第２の出力ポートと、第１の出力ポート及び第１の制御ポートに接続された第１の帰還ラインと、第２の出力ポート及び第２の制御ポートに接続された第２の帰還ラインとを含む。システムは、少なくとも１つの流体振動子に制御流体を供給するために、少なくとも１つの流体振動子の第１の入力ポートに接続されたプレナムを更に含む。システムは、第１の出力ポートと第２の出力ポートとの間で振動流体運動を発生させるために、制御流体に対して帰還流路を規定するように、少なくとも１つの流体振動子の第１の帰還ラインに沿って配置された第１の帰還チャンバ及び少なくとも１つの流体振動子の第２の帰還ラインに沿って配置された第２の帰還チャンバを更に含む。
【０００４】
本発明の別の実施形態によれば、主流体流れを制御する方法が提供される。方法は、流体振動子のアレイを位置決めすることを含む。流体振動子のアレイは、流体の振動流れを搬送する少なくとも１つの流体振動子を含む。少なくとも１つの流体振動子は、第１のスロートと、第１のスロートに接続された第１の入力ポートと、第１のスロートに接続された第１の制御ポート及び第２の制御ポートと、第１のスロートから延出する第１の出力ポート及び第２の出力ポートと、第１の出力ポート及び第１の制御ポートに接続された第１の帰還ラインと、第２の出力ポート及び第２の制御ポートに接続された第２の帰還ラインとを含む。方法は、少なくとも１つの第１の流体振動子に制御流体を供給するために、少なくとも１つの流体振動子の第１の入力ポートにプレナムを接続することを更に含む。方法は、第１の出力ポートと第２の出力ポートとの間で振動流体運動を発生させるために、制御流体に対して帰還流路を規定するように、少なくとも１つの流体振動子の第１の帰還ラインに沿って第１の帰還チャンバを配置し且つ少なくとも１つの流体振動子の第２の帰還ラインに沿って第２の帰還チャンバを配置することを更に含む。
【０００５】
本発明の上記の利点及び特徴並びにその他の利点及び特徴は、添付の図面を参照して、以下の詳細な説明を読むことにより明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図１は、本発明の一実施形態に従ってガスタービンエンジン内部に位置決めされた流体振動子のアレイ２を示した概略図である。流体振動子のアレイ２の横断面は、ガスタービンエンジンの軸に沿っている。流体振動子のアレイ２は、第１の流体振動子４、第２の流体振動子６、第３の流体振動子８などを含む。図２には、２つの流体振動子４及び６の例が詳細に示される。
【０００７】
図２は、本発明の一実施形態に従ってガスタービンエンジン内部に位置決めされた第１の流体振動子４及び第２の流体振動子６の例を示した概略図である。ガスタービンエンジンは、主流体の流れを搬送し、第１の流体振動子４及び第２の流体振動子６は、それぞれ、制御流体の流れを搬送する。第１の流体振動子４は、第１のスロート１２、第１の入力ポート１４、第１の制御ポート１６及び第２の制御ポート１８を含み、第１の入力ポート１４、第１の制御ポート１６及び第２の制御ポート１８は、それぞれ、第１のスロート１２に接続される。第１の流体振動子４は、第１の出力流路２３により第１のスロート１２に接続された第１の出力ポート２２と、第２の出力流路２５により第１のスロート１２に接続された第２の出力ポート２４とを更に含む。第１の流体振動子４は、第１の出力流路２３を第１の帰還チャンバ２９と接続する第１の帰還ライン２６及び第２の出力流路２５を第２の帰還チャンバ３１と接続する第２の帰還ライン２８を更に含む。同様に、第２の流体振動子６は、第２のスロート３２、第２の入力ポート３４、第３の制御ポート３６及び第４の制御ポート３８を含み、第２の入力ポート３４、第３の制御ポート３６及び第４の制御ポート３８は、それぞれ、第２のスロート３２に接続される。第２の流体振動子６は、第３の出力流路４３により第２のスロート３２に接続された第３の出力ポート４２と、第４の出力流路４５により第２のスロート３２に接続された第４の出力ポート４４とを更に含む。第２の流体振動子６は、第３の出力流路４３を第３の帰還チャンバ４９と接続する第３の帰還ライン４６及び第４の出力流路４５を第４の帰還チャンバ５１と接続する第４の帰還ライン４８を更に含む。
【０００８】
第１の流体振動子４及び第２の流体振動子６に制御流体を供給するために、流体振動子のアレイ２は、第１の流体振動子４の第１の入力ポート１４及び第２の流体振動子６の第２の入力ポート３４に接続された共通のプレナム５２を更に含む。流体振動子のアレイ２は、第１の流体振動子４の第２の帰還チャンバ３１を第２の流体振動子６の第３の帰還チャンバ４９と融合することにより形成された共用帰還チャンバ５４を更に含む。この構成により、第１の流体振動子４の第２の帰還ライン２８及び第２の流体振動子６の第３の帰還ライン４６は、共用帰還チャンバ５４に制御流体を供給する。従って、共用帰還チャンバ５４は、第１の流体振動子４及び第２の流体振動子６に至る制御流体の帰還流路を規定し、それにより、第１の流体振動子４を第２の流体振動子６と流体連通させる。
【０００９】
図２に戻って説明すると、例示された流体振動子４は、構造上、流体フリップフロップダイバータ機構により構成される。制御流体は、二股に分岐した２つの出力流路２３及び２５の間に形成され且つ出力ポート２２及び２４を経てそれぞれ周囲環境に対して開放された楔形領域へ、第１の入力ポート１４から吹き付けられる。一般にコアンダ効果として知られる壁面付着現象によって、制御流体の流れは、２つの出力ポート２２及び２４のうちいずれか一方の出力ポートに向かって方向転換する。制御ポート１６及び１８に適正な圧力を加えることにより、制御流体の流れを他方の出力ポートに向かうように方向転換することができ、その逆も可能である。同様に、第２の流体振動子６の場合にも、制御ポート３６及び３８に適正な圧力を加えることにより、制御流体の流れをまず２つの出力ポート４２及び４４のうちいずれか一方の出力ポートに向かって進ませ、次に他方の出力ポートに向かうように流すことができる。流体振動子は対称であるので、定常状態にあるとき、各流体振動子の２つの出力ポートを通る制御流体流れの方向の変化は、何らかの振動数で持続される。流体振動子４、６、８などを適正に設計することにより、各出力ポートからある所望の振動数で交番流れパルスを放出させてもよい。
【００１０】
本発明の一実施形態においては、第１の流体振動子４の第２の帰還チャンバ３１を第２の流体振動子６の第３の帰還チャンバ４９と融合することにより、共用帰還チャンバ５４を形成すると、例えば、第１の流体振動子４の２つの出力ポート２２及び２４における制御流体の方向の変化は自ら持続される。同時に、第２の流体振動子６の２つの出力ポート４２及び４４における制御流体の方向の変化も自ら持続されるようにされてもよい。更に、流体振動子４及び６は、共用帰還チャンバ５４により互いに接続され、それぞれ対応する帰還ライン２６、２８及び４６、４８を介して共用帰還チャンバ５４と連通する。このように、流体振動子４及び６は、振動数ロック状態で動作し、第１の流体振動子４の出力ポート２２における制御流体の流れは、第２の流体振動子６の出力ポート４４における制御流体の流れと同期される。同様に、第１の流体振動子４の出力ポート２４及び第２の流体振動子６の出力ポート４２における制御流体の流れも同期される。更に精巧にするために、本発明の一実施形態においては、第１の出力ポート２２及び第４の出力ポート４４は同相で動作する。同様に、第２の出力ポート２４及び第３の出力ポート４２も同相で動作してもよい。更に、第１の出力ポート２２及び第４の出力ポート４４から成る第１の対は、第２の出力ポート２４及び第３の出力ポート４２から成る第２の対から所定の角度だけ位相を外れて動作してもよい。従って、流体振動子４及び６は、互いに対して所定の角度の位相差を伴って脈動する制御流体の２つのコヒーレントな出力流れを発生する。本発明の一実施形態においては、この所定の角度は１８０°であってもよい。
【００１１】
第２の流体振動子６及び第３の流体振動子８を合わせて考慮した場合、上記の動作論理は、それらの流体振動子の動作にも拡張される。従って、流体振動子４、６、８などから成るアレイ２は、動作という意味でフリップフロップ機構になり、出力ポート２２、４４及び２４、４２等の複数の組は、互いに対して所定の角度の位相差を伴って脈動する流れを発生する。図２を参照すると、個々の流体振動子４、６、８などの全ては、同一の共通プレナム５２から流体を供給され、図中符号５４により示されるような一連の共用帰還チャンバに直接接続される。従って、流体振動子４、６、８などの出力ポートから発出する脈動ジェットは、それらの脈動振動数をロックされた状態であるので、流体振動子は、複数のコヒーレントな流体振動子から成るアレイ２を形成する。
【００１２】
動作中、流体振動子のアレイ２は、ある場合には、主流体流れの境界層に第１の出力ポート２２、第２の出力ポート２４、第３の出力ポート４２、第４の出力ポート４４等からの制御流体の振動流れの運動量を加えることによって、ガスタービンエンジンにおける境界層流れを制御しようとする。本明細書を通して、「主流れ」及び「一次流れ」という用語は、流体振動子のアレイ２が安定させようとするガスタービン中の流体流れを表す用語として、互換性をもって使用される。
【００１３】
尚、この説明を通して、流体制御及び境界層分離の防止が重要である種々の用途と組み合わせて本発明を利用してもよい。限定的な意味を持たない例として、本発明は、ターボ機械の羽根及び流路又はエンジン部品又は流体論理回路に適用されてもよいものとして説明される。説明されるシステム、構体及び方法は、ガスタービンエンジンにおける流れの境界層分離の開始を未然に防止するために、境界層の中への高エネルギー空気の噴射を使用する。
【００１４】
典型的なガスタービンエンジンは、エンジンに流入する空気の流れを圧縮し、圧縮された気流に燃料を追加し、燃焼器において燃料／空気混合物を燃焼させ、次に、１つ以上のタービンを経て燃焼器からの流れを膨張させることにより動作する。そのようなガスタービンエンジンは、排気ガスの吐き出しを経て推力を提供するか、タービンの１つに結合された軸を回転させることにより機械動力を提供するか、又は推力と機械動力の組み合わせを提供するために使用されてもよい。例えば、エンジンの上流側にある圧縮機は、一般に、下流側に配置されたエンジンのタービン段のうち１つ以上の段により駆動される軸により動力を供給される。
【００１５】
図３は、本発明の一実施形態に従ってガスタービンエンジン６２の内部に配置された流体振動子のアレイ２を示した概略図である。複数の回転子６４は、ガスタービンエンジン６２の内壁６６により境界を規定された空間の内部に配置されている。主流体流れ７２がガスタービンエンジン６２を通過するとき、一例として図中符号６８により示された内壁６６上の１つのポイントにおいて、境界層が分離する可能性がある。本発明の一実施形態によれば、ガスタービンエンジン６２の主流体流れ７２における境界層の分離を抑止するために、先に説明した流体振動子４、６、８などを特別に配置することにより分離が起こる可能性があるポイント６８の上流側に制御流体の流れ７４を噴射してもよい。本発明の一実施形態においては、複数の穴８２、８４、８６及び８８が、周囲方向に沿ってガスタービンエンジン６２の内壁６６に形成されている。流体振動子４、６、８などは、各々の出力ポート２２、２４、４２、４４が１つの穴８２又は８４又は８６又は８８と一致するように配置される。従って、動作中、流体振動子４、６、８などは、共通プレナム５２において制御流体の定常流れ７４を典型的な補助流体源から受け取り、その後、穴８２、８４、８６、８８などを通してガスタービンエンジン６２の中へ制御流体７４を流し込む。従って、穴８２、８４、８６、８８などは、ガスタービンエンジン６２の主流体７２の境界層流れの中へ制御流体７４の脈動ジェットをコヒーレントに放出している穴のアレイを形成する。
【００１６】
本発明の一実施形態においては、流体振動子４、６又は８で使用される制御流体は空気であってもよく、通常、その空気は、圧縮機、タービン、タービンバイパス、補助ポンプなどのいくつかの補助供給源から供給される。更に、燃焼器において所定の空気対燃料比を実現するために、空気の供給源は、空気の流れを制御するように設計されてもよい。所定の空気対燃料比が実現されると、燃焼ゾーンにおける炎の希薄吹き消し炎温度を低下するのに好都合である。更に、本発明の一実施形態においては、所定の空気対燃料比は、ガスタービンエンジン６２からの排気における有毒物質の放出を低減するのにも好都合である。
【００１７】
図３を再度参照すると、第１の流体振動子４及び第２の流体振動子６は、ある例においては、ガスタービンエンジン６２における主流体流れ７２の境界層の分離を抑止する。特に、境界層の分離は、流体振動子の出力ポートを通って流出する制御流体７４の流れの追加及び振動出力ジェットにより発生される非定常混合によって発生する運動量が追加されることにより抑止される。本発明の一実施形態においては、制御流れの導入は、主流体流れの中のポイント６８で起こり、このポイント６８は、制御流れが加わらなければ、流体流れの分離が起こっていたと考えられる分離ポイントの上流側にある。
【００１８】
図３を参照すると、本発明の一実施形態においては、制御流体の振動の振動数は、共用帰還チャンバ５４を通る制御流体の体積流量との間に関数関係を有してもよい。流体振動子のこの構成においては、制御流体の振動の振動数は、共用帰還チャンバ５４の容積を変化させることにより制御されてもよい。帰還チャンバ５４の容積が減少されると、振動数は増加し、帰還チャンバの容積が増加されると、振動数は減少する。本発明の別の実施形態では、流体振動子４、６、８などにおける振動の振動数は、以下に説明するように、５４のような帰還チャンバの容積を変化させることにより、流体流れの分離境界層における渦の噴出周波数に同調されてもよい。流体振動子における振動の振動数は、既存の定常吹き付け用途により指示される必要条件に従って、種々の他の特定の用途に合わせて更に同調されてもよい。そのような用途のうち典型的な１つの用途においては、第１の振動子と第２の振動子との間の流体連通により、外部の制御流体流れ源からの供給圧力と、流体振動子における流体流れの振動の振動数との関数関係が制御されてもよい。
【００１９】
本発明の一実施形態においては、流体振動子４、６、８などが相対的に小型であるため、幅の狭い羽根及び流路で流体振動子を実現することが可能である。本発明の更に別の実施形態では、流体振動子は、ターボ機械のブレードに埋め込まれてもよい。図４は、本発明の一実施形態に従ってガスタービンエンジンのタービンブレード９４に配置された流体振動子のアレイを示した概略図９２である。図示されるブレード９４はタービンブレードである必要はなく、ガスタービンエンジン又は他のターボ機械において見られるような固定子ブレード、案内羽根、圧縮機ブレード又は他の同様の構造であってもよいことは、当業者には理解されるだろう。図示されるように、流体振動子４、６、８のアレイは、ブレード９４に沿ってスパン方向に配置されるが、本発明の趣旨から逸脱せずに、先に述べたように他の配列で配置されてもよい。
【００２０】
図３及び図４に示される実施形態に一例として示されるように、主流体流れ７２がガスタービンブレード９４を通過するときに、境界層の分離が起こりうるポイント６８が、タービンブレード９４の壁面に存在する。本発明の一実施形態によれば、ガスタービンブレード９４を通過するときの主流体流れ７２における境界層の分離を抑止するために、制御流体７４の流れは、先に説明したように流体振動子４、６、８などを特別に配置することにより分離が起こりうるポイント６８の上流側で噴射されてもよい。本発明の一実施形態においては、複数の穴８２、８４、８６及び８８が、周囲方向に沿ってガスタービンブレード９４の壁面に形成されている。流体振動子４、６、８などは、出力ポート２２、２４、４２、４４の各々が１つの穴８２又は８４又は８６又は８８と一致するように配置される。従って、動作中、流体振動子４、６、８などは、共通プレナム５２において制御流体７４の定常流れを典型的な補助供給源から受け取り、その後、穴８２、８４、８６、８８などを通してガスタービンブレード９４に向けて制御流体７４を流通させてもよい。従って、穴８２、８４、８６、８８などは、ガスタービンブレード９４における主流体７２の境界層流れの中へ制御流体７４の脈動ジェットをコヒーレントに放出している穴のアレイを形成する。
【００２１】
本発明の一実施形態においては、上述のガスタービンエンジンに適用する場合に使用される流体振動子４、６、８などは、受動振動子であってもよい。受動振動子については、以下に更に詳細に説明する。従来の振動子が適用される場合の定常境界層吹き付けは、流れの分離が起こりうるポイントで、高圧供給源から取り出された空気をその流れを搬送している内壁の中へ送り出す。ガスタービンエンジンに適用された場合、この高圧空気の取出しによって、エンジン全体の性能及び効率が低下するという結果を招く。従って、エンジン性能に実質的にプラスの影響を与えるためには、境界層噴射をできる限り効率よく実現すると共に、要求される流量を最小限にすることが必要である。噴射を効率よく改善するための手段は、非定常吹き付けである。非定常吹き付けにおいては、分離ポイントの上流側で空気が脈動しつつ、境界層の中へ送り込まれる。典型的な例では、境界層の分離を防止するために非定常吹きつけを使用することにより、定常吹き付けにより要求される質量の必要量が２分の１から約１００の１の範囲で減少することが判明している。
【００２２】
従来、非定常吹き付けを実行するために、回転弁、ソレノイド弁及びサイレン弁を使用できる。それらの弁は、能動振動子であり、通常、複数の可動部品を含む。エンジンに適用された場合、能動非定常振動子と関連する信頼性及び稼動性の問題があるため、それらの能動振動子は、十分な耐久性を持つとは言いがたい。これに対し、先に図１及び図２に関連して説明された複数のコヒーレント流体振動子４、６、８などは受動振動子である。前述のように、流体振動子４、６、８などは、可動部品を全く使用せずに、制御流体の脈動流れを発生することが可能であり、従って、能動振動子の多くと通常関連する信頼性及び稼動性に関わる多くの問題を回避する。運動部品を含まないことで、流体振動子４、６、８などにおける摩擦による流体流れの圧力損失も制限される。典型的な例では、流体振動子４、６、８などの出力ポートから発出する制御流体の出力速度は、理想の無損失オリフィス速度の約８０％になる。更に、従来の能動振動子は、低圧圧縮機の下流側にあるエンジンの高温領域において十分に機能しない場合がある。これは、構成部品が溶融するか又は機械特性を変化させてしまうか、あるいは運動部品が軸受などを拘束する可能性のある不均一な膨張のような高温に関連する問題を生じるためである。従って、従来の能動振動子はさほど頑丈ではなく、そのため、高温で振動の大きい環境において流れを安定させるという典型的な用途に非常に適しているとは言えないであろう。本発明の一実施形態に従って、ガスタービンエンジンにおいて受動流体振動子４、６、８などが配置される場合、流体振動子は、同一の耐熱材料を使用することにより、ガスタービンエンジンの動作中に高温になる流体流れ領域の中で耐え、動作するように設計されてもよい。
【００２３】
ここで説明される流体振動子のコヒーレントアレイは、個別の流体振動子から成る上述の構造に限定されない。本発明の一実施形態においては、流体振動子の全て又は一部は、個別に独立して動作可能且つ構成可能であってもよい。そのような１つの例では、典型的な独立流体振動子は、第１のスロートと、第１のスロートに接続された第１の入力ポートと、第１のスロートに接続された第１の制御ポート及び第２の制御ポートと、第１のスロートから延出する第１の出力ポート及び第２の出力ポートと、第１の出力ポート及び第１の制御ポートに接続された第１の帰還ラインと、第２の出力ポート及び第２の制御ポートに接続された第２の帰還ラインとを含む。以上説明した一般的構造に加えて、そのような典型的な１つの独立流体振動子は、制御流体を供給するために、第１の入力ポートに接続されたプレナムを更に含む。典型的な独立流体振動子は、第１の出力ポートと第２の出力ポートとの間で振動流体運動を発生させるために、制御流体に対して帰還流路を規定するように、２つの帰還ラインの各々に沿って配置された帰還チャンバを更に含む。制御流体の振動の振動数は、帰還チャンバの容積を変化させることにより制御されてもよい。
【００２４】
通常、導管からその周囲の別の流体の媒体へ排出される制御流体のジェットにおいて、質量流量が急激に増加すると、制御流体と周囲の主流体との間の境界を支配する明確な輪郭を有する渦が形成される。それらの渦は、長い距離にわたり運動量を再配分するのを助けるため、制御流体と主流体との間の乱流混合の速度は、それらの渦のダイナミクスとの間に関連性を有することになる。渦のダイナミクスを操作する方法の１つは、ジェットの瞬時質量流束を周期的に変調する方法である。このように、本発明の一実施形態においては、制御流体の駆動圧力により、制御流体の振動の振動数及び振幅に影響を及ぼしてもよい。最適の境界層制御を実行するために要求される振幅と振動数を提供するために、通常、制御流体の駆動圧力及び帰還チャンバの容積は互いに独立して変化されてもよい。
【００２５】
先に図１、図２、図３及び図４において説明された流体振動子の適用用途は、上述のガスタービンエンジンに限定されない。別の例においては、可燃性限界、不安定性及び効率などのガスタービンエンジンの典型的な密閉燃焼器の燃焼特性は、入口における燃料及び空気の流れのせん断流のダイナミクスと燃焼器の音響モードとの相互作用と密接に関連する。燃焼器の音響モードと気流のダイナミクスとが強力に相互作用する場合、燃焼は極めて不安定になるであろう。特に、燃焼器の音響モードが気流の不安定性モードと一致する場合に、不安定な燃焼が起こると考えられる。そのような条件の場合、燃焼器の上流側における気流渦の噴出は、燃焼チャンバの内部で音響共振を励起しようとする。この音響共振は、その後、共振振動数で更に多くの強力なコヒーレント渦の噴出を発生させる。そのような渦が継続して存在することは、燃焼処理を不安定にするかなり大きな原因となる。
【００２６】
ガスタービンに適用される場合の推力増強装置は、通常、航空機エンジンのターボ機械の下流側で追加推力を発生するために燃料を燃焼させる。自然燃焼処理は、動的処理であり、その場合、非定常熱放出は、燃焼処理の安定性を脅かす音響共振を発生する可能性がある。この非定常熱放出は、増強装置の疲労により、増強装置の壊滅的な故障を招くおそれがある。通常、燃焼が不安定になるのを回避するために、燃焼後の増強装置の動作は、そのような不安定燃焼が発生する可能性が低いエンジン条件の場合に限定される。そのように動作が限定されると、その結果、エンジン増強装置を採用する航空機の稼働率が低下する。従来の技術において一般に知られている燃料変調及びその他の技術は、十分な性能をもたらしてこなかった。しかし、既知の振動数で脈動する空気ジェットを燃焼後推力増強装置の燃焼領域の中へ追加するために、本発明の一実施形態において例示されるような流体振動子を使用することにより、燃焼の不安定性は減少し、その結果、エンジンの性能は向上する。更に、そのような振動数ロックされた脈動流れを燃焼ゾーンの付近で発生させると、燃焼処理は、流体振動子の脈動振動数に応じて決定されるある動作パラメータで安定するため、種々の不安定燃焼現象を抑制することができるであろう。更に特定すれば、このように燃焼ゾーンにおいて燃焼の不安定状態を抑制することにより、ガスタービンエンジンの種々のエンジン部品の稼働率が向上し、寿命が延びるであろう。
【００２７】
本発明の一実施形態においては、先に述べたような燃焼の不安定状態を抑制するために、航空機エンジンの燃焼後推力増強装置の火炎保持器で、流体振動子４、６、８などが使用されてもよい。構造上、既知の振動数で脈動する運動量の大きな空気のパルスを燃焼ゾーンの中へ導入するために、流体振動子のアレイ２は、増強装置の火炎保持器又は熱シールドの内部に配置されてもよい。本発明の別の実施形態では、流体振動子４、６、８などのアレイ２は、燃焼後推力増強装置の火炎保持器及び／又は熱シールドに埋め込まれてもよい。振動子の排気は、火炎保持器の背後の燃焼ゾーン又は熱シールドの背後の安定化領域にさらされてもよい。流体振動子４、６、８などの脈動の振動数は、燃焼を所望の一定の強さに制限し、それにより、望ましくない自然燃焼の不安定性を抑制するように設計されてもよい。
【００２８】
本発明の更に別の実施形態においては、各火炎保持器に配置され、増強装置の周囲に沿って又は種々の半径方向場所に位置決めされた振動子のアレイにより、局所静圧の変化を調整してもよい。局所静圧が変化すると、その結果、振動子を通る流れの局所流量が変化する。設計で規定された通りに、流体振動子をガスタービンエンジンの内側に半径方向及び周囲方向に配分した構造は、火炎圧力振動の複数の振動数で主流体の動圧振幅を制御自在に減少することにより、ガスタービンエンジンにおける周囲方向不安定性モード及び半径方向不安定性モードを自然に制御するための手段を形成する。
【００２９】
本発明の別の実施形態では、燃焼ゾーンの大きさ及び向きを調整するために、典型的なガスタービンエンジンにおける燃料対空気比は、制御自在の補助空気供給源を追加することにより制御されてもよい。流体振動子が適切に使用された場合、流体振動子は、空気と燃料との混合物のスパーク点火による周期火炎核の生成により、複数の個別の圧力パルスを発生する。そのようにして発生された火炎核は、外側下向きの方向に伝播し、その後、気流の中へ放出される。更に、火炎核は、燃焼チャンバに向かって伝播するにつれて、気流の中へ所定量のエネルギーを放出する。このエネルギー放出は、噴射される燃料の量、並びに流体振動子からのタイミング及びエネルギー入力に応じて異なる。その結果、一連の意図的に発生された大規模渦が燃焼チャンバの内部に生まれ、最終的には、それらの渦は空気と燃料との混合に影響を及ぼし、燃焼処理を変化させる。
【００３０】
先に説明したように、渦巻き上げの開始時並びに燃焼時に特定の場所で噴射される燃料と空気との混合物は、流体振動子の向き及び他の機械的設計パラメータを調整することにより制御されてもよい。更に、空気又は燃料の噴射のタイミングは、流体振動子によって燃料と空気との混合物を変調するか、又は燃料調整装置を流体振動子と同調することにより実現されてもよい。ガスタービンエンジンにおいて一般に使用される液体燃料に加えて、気体燃料がここで説明されている技術と組み合わせて使用されてもよい。このように、本発明の一実施形態においては、流体振動子の出力ポートの向きは、アフターバーナ又は推力増強装置の内部の燃焼ゾーンの場所を制御するように規定されてもよい。本発明の別の実施形態では、流体振動子の出力ポートの向きは、燃焼ゾーンの拡散の範囲を制御するように規定されてもよい。
【００３１】
先に述べた通り、燃焼の不安定さを制御するために流体振動子が使用される本発明の一実施形態においては、使用される制御流体は空気であってもよい。制御流体としての空気は、通常、圧縮機、タービン、タービンバイパス及び補助ポンプなどの補助供給源から供給されてもよい。通常、補助空気源は、流体振動子の入力ポートへ空気を送り出す。更に、補助空気源は、燃焼ゾーンにおいて所定の空気対燃料比を実現するために、空気の流れを制御するように設計されてもよい。この所定の空気対燃料比を維持することにより、燃焼ゾーンにおける炎の希薄吹き消しを容易に減少できる。更に、所定の空気対燃料比は、エンジンからの排気中の有毒物質の放出を低減するのにも好都合である。
【００３２】
本発明のいくつかの特徴のみを図示し、説明したが、多くの変形及び変更が、当業者により行なわれるであろう。従って、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の趣旨の範囲内に入るそのような全ての変形及び変更を含むことが意図されると理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】流体振動子のアレイを示した概略図である。
【図２】流体振動子のアレイの一部を形成する第１の流体振動子の一例及び第２の流体振動子の一例を示した概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に従ってガスタービンエンジンに配置された流体振動子のアレイを示した概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に従ってガスタービンブレードに配置された流体振動子のアレイを示した概略図である。
【符号の説明】
【００３４】
２…流体振動子のアレイ、４…第１の流体振動子、６…第２の流体振動子、８…第３の流体振動子、１２…第１のスロート、１４…第１の入力ポート、１６…第１の制御ポート、１８…第２の制御ポート、２２…第１の出力ポート、２４…第２の出力ポート、２６…第１の帰還ライン、２８…第２の帰還ライン、２９…第１の帰還チャンバ、３１…第２の帰還チャンバ、３２…第２のスロート、３４…第２の入力ポート、３６…第３の制御ポート、３８…第４の制御ポート、４２…第３の出力ポート、４４…第４の出力ポート、４６…第３の帰還ライン、４８…第４の帰還ライン、４９…第３の帰還チャンバ、５１…第４の帰還チャンバ、５２…共通プレナム、５４…共用帰還チャンバ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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