(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンジン排気部（１６）に結合された少なくとも１つの振動ジェット（１２）を含み、前記振動ジェット（１２）が、
その中に形成された正三角形状オリフィス（３６）を備えたノズル（２２）と、
その出口に設けられたリップ部（３８）を有する、前記ノズル（２２）に結合された排出管（２４）と、を含み、
ガス（２６）の流れが、前記三角形状オリフィス（３６）を通って流れて、振動流を有する状態で前記リップ部（３８）の円形開口を通って前記排出管（２４）から流出し、
前記排出管（２４）からのガス（２６）の少なくとも一部分が、前記エンジン排気部（１６）を通って流れるエンジン排気ガス（１４）と混合するようになっており、
ガス（２６）が前記円形開口から流出する前に、該ガスの流れ内に液体が加えられることを特徴とする、ジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの振動ジェット（１２）が、エンジン排気ガス（１４）が前記エンジン排気部（１６）から流出する位置の上流の位置においてガス（２６）の流れが該エンジン排気部（１６）に流入するように配置されている、請求項１記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項３】
前記振動ジェット（１２）が、エンジン排気ガス（１４）の流れに対して３０度の角度を有する、請求項１記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項４】
少なくとも１つのチャネル（２０）が、前記ノズル（２２）を前記エンジン排気部（１６）の上流に設置されたガス（２６）の供給源に結合し、前記ノズル（２２）の上流で前記チャネル（２０）内に配置されたガス用の流れ制御弁（２８）をさらに含む、請求項１記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項５】
前記振動ジェット（１２）は複数であり、該複数の振動ジェット（１２）が、前記エンジン排気部（１６）に対して対称に配置されている、請求項１記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項６】
エンジン排気部（１６）に結合された少なくとも１つのの振動ジェット（１２）を含み、前記振動ジェット（１２）が、
その中に形成された正三角形状オリフィス（３６）を備えたノズル（２２）と、
その出口に設けられたリップ部（３８）を有する、前記ノズル（２２）に結合された排出管（２４）と、を含み、
ガス（２６）の流れが、前記三角形状オリフィス（３６）を通って流れて、振動流を有する状態で前記リップ部（３８）の円形開口を通って前記排出管（２４）から流出し、
前記排出管（２４）からのガス（２６）の少なくとも一部分が、前記エンジン排気部（１６）を通って流れるエンジン排気ガス（１４）と混合するようになっており、
ガス（２６）が前記円形開口から流出する前に、該ガスの流れ内に固体粒子が加えられることを特徴とする、ジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項７】
前記少なくとも１つの振動ジェット（１２）が、エンジン排気ガス（１４）が前記エンジン排気部（１６）から流出する位置の上流の位置においてガス（２６）の流れが該エンジン排気部（１６）に流入するように配置されている、請求項６記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項８】
前記振動ジェット（１２）が、エンジン排気ガス（１４）の流れに対して３０度の角度を有する、請求項６記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項９】
少なくとも１つのチャネル（２０）が、前記ノズル（２２）を前記エンジン排気部（１６）の上流に設置されたガス（２６）の供給源に結合し、前記ノズル（２２）の上流で前記チャネル（２０）内に配置されたガス用の流れ制御弁（２８）をさらに含む、請求項６記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【請求項１０】
前記振動ジェット（１２）は複数であり、該複数の振動ジェット（１２）が、前記エンジン排気部（１６）に対して対称に配置されている、請求項６記載のジェットエンジン排気騒音を低減するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェットエンジン排気騒音を低減するための装置に関し、より具体的には、振動ジェットを使用してジェットエンジン排気騒音を低減することに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェット機エンジンによって発生されるエンジン騒音を低減することは、ジェットエンジン設計の重要な観点になっている。このことは、民間機及び軍用機の両用途に当てはまり、これら用途では、騒音の低減が明らかな利点となる。さらに、騒音の低減は、騒音がエンジン構成部品の摩耗及び音響疲労の一因となる可能性があるので、ジェットエンジン及びエンジン構成部品の稼動寿命を延ばす上で有益である。
【０００３】
ジェット機エンジン騒音を低減するために様々な方法が開発されてきた。しかしながら、それらの方法には欠点がなくもない。例えば、ジェットエンジン排気ガス流の混合を高めて騒音を低減するために、エンジン排気システムにおいてシェブロン及び他のジオメトリの改良が採用されてきた。しかしながら、これらの方法では、一般的に、推力の低下及び燃料消費率に対する悪影響を含む、エンジンの性能上の不利益が生じる。これらの不利益は、エンジンに対してコスト、重量及び複雑さを加える付加的な構成部品及び可動部品をこれらの機械的装置が必要とするという事実によって、一層ひどくなる。さらに、これらのシステムの多くは、エンジン排気システム内に永続的に存在し、それらが必要でない時に停止させるか又は別の方法で効力をなくすことができない。
【特許文献１】米国特許第６，５３２，７２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、如何なる付加的な可動部品又は複雑なシステムも必要とせずにジェットエンジン排気システムにおいて用いることができ、かつ騒音抑制が必要でない時には停止させることができるような流体装置が、望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態では、ジェットエンジン排気ガスの混合を高めるために、ジェット機エンジン排気ノズルの後縁リップ部に振動ジェットを配置する。フリップ・フロップジェットとも呼ばれることがある振動ジェットは、エンジン排気システムにおける受動システムである。振動ジェットは、混合するガスの流れがそれを通って流れる三角形状オリフィスと排出管とを備えたノズルを有する。振動ジェットは、ガスの振動流をエンジン排気ガス中に導入する。ガスの振動流は、ジェットエンジン排気ガスの剪断層と相互作用して、エンジン排気ガスの剪断層の混合を高める。この混合により流体シェブロンが形成され、この流体シェブロンにより、複雑な制御システム又は多数の可動部品の必要性を回避しながら、ジェットエンジン排気騒音が全体的に低減されるようになる。
【０００６】
ガスの振動流は、エンジンの上流ターボ機械装置から取り出した高圧ガスを使用することによって受動的に形成される。振動ジェットの、排出管と組合された三角形状オリフィスによって、如何なる余分の動力又は可動部品も必要とせずにガスの流れに振動を与える流れ不安定性を生じさせることができる。このガスの振動流は、エンジンの排気ノズルからのエンジン排気ガスの出口近くでエンジン排気ガス中に導入される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
本発明の利点、特性及び様々な他の特徴は、図に略図的に示した本発明の例示的な実施形態を検討することで一層完全に明らかになるであろう。
【０００８】
添付の図面を参照することによって本発明をさらに詳細に説明することにするが、添付の図面は、本発明の技術的範囲を決して限定するものではない。
【０００９】
図１は、本発明の実施形態に従って配置された振動ジェット１２を備えたジェット機エンジン１０の一部の側面断面図である。図２は、本発明の別の実施形態に従って配置された振動ジェット１２を備えたジェット機エンジン１０の一部の側面断面図である。図３は、流れ制御弁が振動ジェット１２の上流に設置されている、図１に示したものと同様のジェット機エンジン１０の一部の側面断面図である。図４は、エンジン１０の排気部１６に配置された振動ジェット１２を備えた航空機エンジン１０を示す。図５は、振動ジェット１２の非対称断面図であり、また図６は、振動ジェット１２の横断面図である。
【００１０】
ジェット機エンジン１０においては、ジェットエンジン排気ガス１４は、矢印で示した方向にエンジン排気部１６を通って流れて、ジェットエンジン排気部１６の後方リップ部１８を通過する。ジェットエンジン排気部１６の外面上には多数の振動ジェット１２が配置される。図１、図２及び図３には、分かり易くするために、ただ一つのジェットのみを示していることに留意されたい。
【００１１】
１つの実施形態では、振動ジェット１２は、ジェットエンジン排気部１６のリップ部１８の周辺部に沿って対称に配置される。他の実施形態は、振動ジェットを排気部１６に対して非対称に配置することを含む。振動ジェット１２は、エンジン部１６内の最高騒音位置での混合を高めるように配置される。さらに、エンジン１０の設計要件及び制約条件に従って、使用する振動ジェット１２の数が変化する。振動ジェット１２はさらに、最適な状態に混合を高めるように２つ又はそれ以上配列したクラスタとして配置することができる。
【００１２】
排気部１６の外面上に取付けた振動ジェット１２は、排気ガス１４の流れ方向に対して約１２０度〜約０度の範囲内の角度で配置される。１つの実施形態では、振動ジェットは、排気ガス１４の流れ方向に対して約３０度の角度で配置される。振動ジェット１２において選択した角度は、振動ジェット１２から流出する振動流がエンジン排気ガス１４及び剪断層と混合して流体シェブロンを形成するのを最適化する。
【００１３】
振動ジェット１２にはチャネル２０が結合され、チャネル２０は、振動ジェット１２に対して高圧ガスを導く。１つの実施形態では、高圧ガスは空気である。他の実施形態は、他の不燃性又は可燃性物質（液体及び固体）を添加した空気を含むことができる。振動ジェット１２にエネルギーを与えるすなわち振動ジェット１２を通って流れるのに必要とされる高圧ガスは、エンジン１０内においてエンジン排気部１６の上流に配置されたターボ機械構成部品から取り出される。これに代えて、高圧ガスは、必要に応じてこの目的ために使用する専用の装置によって供給することができる。
【００１４】
高圧ガスの圧力は、約５〜至約５００ＰＳＩの範囲内である。１つの実施形態では、高圧ガスの圧力は、約５０ＰＳＩである。高圧ガスの圧力は、高圧ガスが振動ジェット１２から流出するときにガス流の振動を持続してエンジン排気ガス１４との混合を行うのを保証するように選択される。
【００１５】
図２には、エンジン排気部１６の後方リップ部１８内に配置された振動ジェット１２を有する航空機エンジン１０の一部を示している。振動ジェット１２のためのチャネル２０が、排気部１６の構造体内に配置される。
【００１６】
図１及び図２の両方において、振動ジェット１２の出口開口は、振動ガスがエンジン排気部１６の後方リップ部１８の後方位置でエンジン排気ガス１４と接触し、すなわちエンジン排気ガス１４との混合が始まるように配置される。しかしながら、１つの実施形態では、振動ジェット１２の出口開口は、排気ガス１４がエンジン１０から流出する前に、振動ガスが排気ガス１４と混合し始めるようにリップ部１８の上流に配置される。このことは、図４に示している。１つの実施形態では、上記配置の組合せが使用され、振動ジェット１２の一部が、振動ガスがエンジンリップ部１８の後方でエンジン排気ガス１４と混合するように設置され、一方、他の振動ジェット１２は、それら振動ジェット１２がエンジンリップ部１８の前方に振動ガスを排出するように設置される。
【００１７】
図３は、図１に示したものと同様なエンジン１０の一部を示している。しかしながら、チャネル２０内において振動ジェット１２の上流に、振動ジェット１２に対するチャネル２０内の高圧ガスの流れを制御するように流れ制御弁２８が配置されている。この流れ制御弁２８は、流れ圧力、流速、流量又はそれらの任意の組合せのいずれか１つを制御する。この弁は、必要に応じて流れを停止することができることを含む、振動ジェット１２から流出する振動ガスの流れに関する多様な制御を提供する。この流れ制御弁２８の作動は、設計要件及び仕様に応じて手動又は自動、或いはその両方である。
【００１８】
図４は、エンジン１０の排気部１６の外面上に配置された多数の振動ジェット１２を備えた航空機エンジン１０を示す。振動ジェット１２は、それらのそれぞれのチャネル２０に対して結合される。図おいて、上部チャネル２０は、圧縮機段３０に結合されて、エンジン１０のこの段から振動ジェット１２に対して高圧空気を供給するようになっている。下部チャネル２０は、タービン段３４に結合されて、エンジン１０のこの段から振動ジェット１２に対して高圧空気を供給するようになっている。図示するように、下部振動ジェット１２は、振動ガスがリップ部１８の上流でエンジン排気ガス１４と混合するように配置される。
【００１９】
１つの実施形態では、チャネル２０の両方は、エンジン１０の同一段に結合されて、同一エンジン段から高圧ガスを得るようになっている。別の実施形態では、振動ジェット１２は、エンジン１０の排気部１６内で同一位置に配置されて、ジェット１２からの振動流をエンジン排気部１６内の同一平面においてエンジン排気ガス１４と混合させるようになっている。さらに、図４には、２つのみの振動ジェット１２を示しているが、別の実施形態では、２つ以上の振動ジェットがあることに留意されたい。
【００２０】
さらに別の実施形態では、チャネル２０はエンジンのバイパス空気部分（図示せず）に結合される。さらに、別の実施形態では、振動ジェット１２の全てが単一のチャネル２０を通して同一の高圧ガス供給源に結合される。
【００２１】
チャネル２０の各々内に、振動ジェット１２への高圧ガスの流れを制御するために流れ制御弁２８が設けられる。さらに、チャネル２０の各々内には、高圧ガスを安定させ、均一な流れを振動ジェット１２に供給するのを助けるために、流れ安定装置３２が設置される。ある実施形態では、流れ安定装置３２は取り除かれている。別の実施形態では、流れ安定装置３２は、流れ制御弁２８の上流に設置される。
【００２２】
別の実施形態では、振動ジェット１２に流入する前にガスの圧力及び温度を上昇させるために、燃焼器又は熱源４６が振動ジェット１２の上流に設置される。
【００２３】
さらに、本発明の別の実施形態では、ガスがジェット１２から流出する前に液体噴霧がガス内に導入される。１つの実施形態では、液体は水である。しかしながら、別の実施形態では、可燃性液体を含む他の液体が使用される。これらの液体噴霧を導入する主な目的は、振動流の混合及び振動特性を、それらがジェット流の混合を高めるのを改善するように調整することである。さらに、可燃性液体を使用してエンジンに付加的な推力を与えることができる。ガス及び可燃性液体の混合物が振動ジェット１２から流出すると、液体はエンジン排気ガスと接触することになり、着火される。どちらの実施形態でも、付加的な液体は、ジェット１２の上流又はジェット１２の構造体内でガスに添加することができる。ノズル１２を通って流れるガスに対して液体を添加することによって、ノズルから流出するガスの振動が排除されないようにすべきである。
【００２４】
さらに別の実施形態では、液体ではなくて微細な固体粒子が、ガスの流れに対して添加される。固体粒子は、固体推進薬物質で作られており、振動ジェット１２の内部又はジェット１２の上流の何れかのガス流内に噴射される。ガス流に添加される粒子の大きさ及び量は、ガスが振動ジェットから流出するときに該ガスの振動流が排除されないようなものにされる。
【００２５】
図５及び図６は、円筒形排出管２４に結合された三角形状オリフィス３６を備えたノズル２２を有する振動ジェット１２を示し、この振動ジェット１２から振動ガス２６が流出する。１つの実施形態では、三角形状オリフィス３６は正三角形である。排出管２４の出口部分には、リップ部３８が設けられており、該リップ部は、排出管２４の内面の直径ＤＥよりも小さい直径の開口ＤＬを有する。リップ部３８の開口は円形であり、面取りした縁部４４を有する。さらに、三角形状オリフィス３６は、該オリフィス３６の上流面で剥離した状態で高圧ガスが流れるのを助けるために、面取りした面４０を有する。１つの実施形態では、リップ部３８の開口の直径ＤＬは、排出管２４の内面の直径ＤＥと同一である。別の実施形態では、リップ部３８の直径ＤＬは、排出管２４の直径ＤＥの約９０％である。また、本発明の実施形態では、三角形状オリフィスの面取り４０は、流れ剥離を最適化しまた不安定性を制御するように、丸みを付けるか、直角にするか又は傾斜を付けるかにされる。
【００２６】
三角形オリフィス３６は、該オリフィス３６と同一面積を有する円の直径と等しい有効直径ＤＴＯを有する。ノズル２２は内径ＤＮを有し、また排出管２４は、オリフィス３６の上流面からリップ部３８の下流面までの全長Ｌを有する。オリフィスの有効直径ＤＴＯに対する排出管直径ＤＥの比は、約２〜約５の範囲内にある。排出管２４の直径ＤＥに対する排出管２４の全長Ｌの比は、約１．５〜約４の範囲内にある。これらの比の各々は、振動ジェット１２の操作パラメータに対して最適化される。
【００２７】
運転中、チャネル２０からの高圧ガスは、ノズル２２及び三角形オリフィス３６を通って流れ、排出管２４に流入する。ガス２６がリップ部３８を通過して排出管２４から流出したとき、ガスは振動しており、エンジン排気ガス１４と高圧ガス２６との混合及びエンジン排気ガスそれ自体内での混合を最大にするようになる。
【００２８】
具体的な実施形態によると、排出管２４の全長Ｌ及び直径ＤＥは、振動ガス２６の振動を最適化するように選択される。
【００２９】
ノズル２２、三角形オリフィス３６、排出管２４及びチャネル２０は、ジェット機エンジンにおいて使用する一般的な材料で作られる。具体的な実施形態によると、この材料は、ジェット１２の作動条件及び環境に基づいて最適化される。さらに、これらの構成部品は、エンジン１０の作動パラメータ及び圧力に耐えることができる、溶接、固締具又は他の適切な方法により各々に対して固定される。１つの実施形態では、少なくともノズル２２、オリフィス３６及びシリンダ２４は、互いに一体形に作られる。
【００３０】
別の実施形態では、三角形オリフィス３６は、様々の段においてまた様々な飛行パラメータの下で振動流を最適化するように変更することができる。別の実施形態では、排出管２４の全長Ｌは、様々の段においてまた様々な飛行パラメータの下で振動流を最適化するように調整することができる。どちらの実施形態でも、これらの変更又は調整は、様々な条件において振動流を最適化するように手動又は自動の何れかで行われる。
【００３１】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施できることは当業者には明らかであろう。特許請求の範囲に記載した参照符号は、本発明の技術的範囲を狭めようとするものではなく、それらを容易に理解するためのものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】エンジン排気部のノズルリップ部上に配置された振動ジェットを備えたジェット機エンジン排気部の概略図。
【図２】エンジン排気部のノズルリップ部内に配置された振動ジェットを備えたジェット機エンジンの排気部の概略図。
【図３】振動ジェットの上流に設置された流れ制御弁を有する、図１に示した振動ジェットと同様の振動ジェットを備えたエンジン排気部の概略図。
【図４】振動ジェットを備えた航空機ジェットエンジンの概略図。
【図５】振動ジェットの非対称断面図の概略図。
【図６】振動ジェットの横断面の概略図。
【符号の説明】
【００３３】
１０  ジェット機エンジン
１２  振動ジェット
１６  ジェットエンジン
１８  排気部の後方リップ部
２０  チャネル
２２  ノズル
２４  排出管
２６  振動流
２８  流れ制御弁
３０  圧縮機段
３２  流れ安定装置
３４  タービン段
３６  三角形オリフィス
３８  リップ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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