(57)【要約】圧力変動を低減する流体および燃料供給装置、およびそのような装置を含むエンジンが開示される。そのような装置は、圧力変動を減衰させる導管を使用する。好ましくは、導管は、流体の流れの中の圧力波の一部を反射し、それによって、流れの中の反射された圧力波が、流れの中の入射圧力波と干渉することで、圧力変動を低減することによって、圧力変動を減衰させる。一実施態様においては、そのような導管は、流体の流れに直列に、４分の１波スタブとして形成できる。有利なことには、本発明の例示として、エンジン内のフートノイズは、エンジンへの燃料供給装置内の圧力変動を減衰させることで低減できる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を供給するための導管を備える燃料供給装置であって、
前記導管は、前記燃料中の音響進行の速さが前記導管内の前記燃料中の音響進行の速さとは異なる第１の領域と第２の領域の間に延びる第１の端部と第２の端部を有し、
前記導管は、その導管内の前記燃料中の音響波の４分の１波長のほぼ奇数倍数に等しい長さを有し、それによって、前記波は、前記導管と前記第２の領域との境界から反射されて、前記第１の領域と前記導管との境界で入射波と破壊的に干渉し、それによって、前記燃料中の圧力変動を低減する、ことを特徴とする燃料供給装置。
【請求項２】
前記燃料を加圧するように前記第１の領域と連通するポンプをさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
【請求項３】
前記第２の領域は、エンジン燃料マニホールド内にあることを特徴とする請求項１記載の燃料供給装置。
【請求項４】
前記燃料マニホールドは、可変体積を有することを特徴とする請求項３記載の燃料供給装置。
【請求項５】
前記第１の領域は、前記燃料を加圧するポンプの出口を含むことを特徴とする請求項３記載の燃料供給装置。
【請求項６】
請求項１記載の燃料供給装置を備える航空機エンジン。
【請求項７】
第１の領域の間から第２の領域へ延びるとともにほぼ非圧縮性の流体を供給する導管を備える、流体供給装置であって、前記第１の領域と前記第２の領域内の前記流体中の音響進行の速さは、前記導管内の前記流体中の音響進行の速さとは異なり、前記導管は、その導管内の前記流体中の音響波の４分の１波長のほぼ奇数倍数に等しい長さを有し、それによって、前記波は、前記導管と前記第２の領域との境界から反射されて、前記第１の領域内の前記流体中の入射波と破壊的に干渉し、それによって、前記流体中の圧力変動を低減する、ことを特徴とする流体供給装置。
【請求項８】
航空機エンジンの燃料装置内の圧力変動を減衰させる方法であって、
前記エンジンの流体供給装置の共振周波数を決定し、
燃料中の圧力変動を低減するように、前記燃料中の前方進行圧力波を反射して前記燃料中の前記前方進行圧力波と破壊的に干渉するように適合された導管を、前記流体供給装置内に組み込む、
ことを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
前記導管は、前記燃料装置内の燃料通路から少なくとも部分的に横方向に延びる４分の１波長スタブであることを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
前記導管は、その導管内を流れる流体中の音響波のほぼ４分の１波長に等しい長さを有し、前記導管は、その導管と不整合になるインピーダンスを生成する前記燃料供給装置の領域内への出口を有し、それによって、前記前方進行波の少なくとも一部を反射することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１１】
第１の領域と第２の領域の間に延びる第１の端部と第２の端部を有するとともに前記第１の領域から前記第２の領域へ流体を供給する導管を備える流体供給装置であって、前記流体中の進行波の音響インピーダンスは、前記第１の領域、前記導管、および前記第２の領域の間で変化し、
前記導管は、その導管内の前記流体中の特定周波数の音響波の４分の１波長のほぼ奇数倍数に等しい、前記第１の端部と前記第２の端部の間の長さを有し、それによって、前記波は、前記導管と前記第２の領域との境界から反射されて、前記第１の領域と前記導管との境界で入射波と破壊的に干渉し、それによって、前記流体中の圧力変動を低減する、ことを特徴とする流体供給装置。
【請求項１２】
前記第２の領域は、エンジン燃料マニホールド内にあることを特徴とする請求項１１記載の流体供給装置。
【請求項１３】
前記燃料マニホールドは、可変体積を有することを特徴とする請求項１２記載の流体供給装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、流体輸送装置に関し、より詳細には、エンジン燃料供給装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのタービンエンジンは、その構成の結果として、望ましくないノイズを発生する。いくつかのエンジンでは、このノイズは、特性周波数を有する「フート（ｈｏｏｔ）」（ホーホー、ブーブーというような音）となって現れる成分を含み得る。このノイズを低減する明らかな解決策は、その発生源でそれを適切に覆って消音することである。しかしながら、これは、ノイズの根本原因を突きとめない限り一般に不可能である。
【０００３】
従って、特定された特性周波数でより小さなノイズを発生するように構成された改良されたエンジンが望ましい。同様に、そのような特性ノイズを低減できる方法および装置が望ましい。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明に従うと、エンジン内のフートノイズは、エンジンへの燃料供給装置内の圧力変動を減衰させることにより低減される。これは、そのような圧力変動を減衰させる導管を使用することを通して達成される。好ましくは、導管は、流体の流れの中の圧力波の一部を反射し、それによって、流れの中の反射された圧力波が、流れの中の入射圧力波と干渉することで、圧力変動を低減することによって、圧力変動を減衰させる。一実施態様においては、そのような導管は、流体の流れに直列に、４分の１波スタブとして形成できる。
【０００５】
本発明の態様に従うと、燃料供給装置は、燃料を供給するための導管を含む。導管は、燃料中の音響進行の速さが導管内の燃料中の音響進行の速さとは異なる第１の領域と第２の領域の間に延びる第１の端部と第２の端部を有する。導管の長さは、導管内の燃料中の音響波の４分の１波長のほぼ奇数倍数に等しく、それによって、波は、導管と第２の領域との境界から反射されて、第１の領域と導管との境界で入射波と破壊的に干渉し、それによって、燃料中の圧力変動を低減する。
【０００６】
本発明の別の態様に従うと、流体供給装置は、第１の領域の間から第２の領域へ延びるとともにほぼ非圧縮性の流体を供給する、導管を含み、第１の領域と第２の領域内の流体中の音響進行の速さは、導管内の流体中の音響進行の速さとは異なる。導管は、導管内の流体中の音響波の４分の１波長のほぼ奇数倍数に等しい長さを有し、それによって、波は、導管と第２の領域との境界から反射されて、第１の領域内の流体中の入射波と破壊的に干渉し、それによって、流体中の圧力変動を低減する。
【０００７】
本発明のさらに別の態様に従うと、航空機エンジンの燃料装置内の圧力変動を減衰させる方法は、エンジンの流体供給装置の共振周波数を決定し；燃料中の圧力変動を低減するように、燃料中の前方進行圧力波を反射して燃料中の前方進行圧力波と破壊的に干渉するように適合された導管を、流体供給装置内に組み込む、ことを含む。
【０００８】
本発明のさらなる態様に従うと、流体供給装置は、第１の領域と第２の領域の間に延びる第１の端部と第２の端部を有するとともに第１の領域から第２の領域へ流体を供給する、導管を含み、流体中の進行波の音響インピーダンスは、第１の領域、導管、および第２の領域の間で変化する。導管は、導管内の流体中の特定周波数の音響波の４分の１波長のほぼ奇数倍数に等しい、第１の端部と第２の端部の間の長さを有し、それによって、波は、導管と第２の領域との境界から反射されて、第１の領域と導管との境界で入射波と破壊的に干渉し、それによって、流体中の圧力変動を低減する。
【０００９】
本発明の他の態様、特徴は、添付の図面と関連させて本発明の具体的な実施態様の以下の説明を検討することで当業者には明らかになるであろう。
【００１０】
図面は、一例として、本発明の実施態様を例示する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
最新のエンジンの多くは、高圧での燃料供給を必要とする。上述したように、これらのエンジンのいくつかは、時々、共振周波数で「フート（ｈｏｏｔｉｎｇ）」ノイズを発生する。調査から、フートノイズは、これらのエンジンの少なくともいくつかにおいては、エンジンへの燃料供給での圧力変動が原因であり得ることが明らかとなった。この燃料圧力の変動によって、エンジンの燃焼室内の出力変動が生じ、燃料要求の変動となり、その次にはまた、燃料圧力変動が生じ、エンジンを特性周波数で共振させる。
【００１２】
この問題を理解するために、図１に、燃料供給装置１２を含む従来のエンジン１０を概略例示する。燃料供給装置１２は、エンジン１０による燃焼のための燃料を貯蔵する燃料供給タンク１４と連通する。理解されるように、タンク１４から供給される燃料は、ほぼ非圧縮性の流体である。燃料供給装置１２は、油圧機械装置（「ＨＭＵ」）１６、供給導管２２、燃料マニホールド１８、および複数の燃料ノズル２０を含む。ＨＭＵ１６は、航空機用途に使用される従来の燃料ポンプおよび燃料制御装置が好ましい。燃料マニホールド１８は、供給導管２２を通ってＨＭＵ１６と連通する。燃料ノズル２０は、例えば米国特許第６，１４１，９４８号に開示されている既知のガスタービンエンジンノズルとすることができ、この特許の内容は、参照することによってここに組み込まれる。燃料マニホールド１８は、シールを組み込んだ一連の剛性管から形成され、燃料ノズル２０のそれぞれと相互に接続されており、ノズルが取り付けられたケーシングの膨張および収縮を可能とするようになっている。導管２２は、必要な流量で流体を供給するのに適した従来の中空鋼管とすることができる。また、ノズル２０は、マニホールド１８から燃料を受け取るようにマニホールド１８と連通する。第１の導管２６は、ＨＭＵ１６の入力部とタンク１４の間の流体連通を与える。燃料供給装置１２は、タンク１４からエンジン１０の燃焼室２４へ燃料をポンプで輸送するためにＨＭＵ１６を用いる。エンジン１０は、航空機に動力を供給するのに使用されるガスタービンエンジンとすることができる。エンジン１０は、例えば、プラット・アンド・ホイットニー社（Ｐｒａｔｔ  ＆  Ｗｈｉｔｎｅｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から入手できる航空機用の従来のＰＷＣ３０６タービンエンジンとすることができる。
【００１３】
図２は、図１のエンジン１０の燃料供給装置１２の簡略化された模型のさらなる概略図である。例示するように、燃料供給装置１２の燃料マニホールド１８は、可変体積を有するような模型とすることができる。燃料マニホールド１８の可変体積は、そのケーシングの膨張および収縮を可能とする結合された一連の管の結果である。マニホールド１８の体積は、その中に運ばれる流体の圧力と共に、または温度と共に変化し得る。従って、理解されるように、マニホールド１８を通して供給される燃料中の圧力波は、マニホールド１８の体積変動も生じ得る。これは、マニホールド１８の機械共振周波数で特に顕著になり得る。これとは対照的に、導管２２は、固定体積を有するような模型とすることができる。
【００１４】
作動中は、ＨＭＵ１６は、タンク１４から導管２６（図１）によりＰｆへ供給される燃料の圧力を増加させ、図２に例示するように、その出力部においてＷｆの流量で燃料を供給する。燃料マニホールド１８の可変体積の結果として、マニホールドへ流入する燃料の圧力は、特性周波数を発生し得る。その結果、ノズル２０に到達する燃料は、圧力を有し、圧力Ｐ４を有する燃焼室内へ噴射される。
【００１５】
装置１２の圧力差Ｐｆ−Ｐ４（すなわち、ＨＭＵ１６およびノズル２０の出力部における燃料圧力）の、流れＷを伴う入射圧力波に対する測定されたステップ応答を、図３に例示する。例示するように、ステップ応答は、１／Δｔの周波数でリンギングを発生する。驚くには当たらないが、この周波数は、エンジンの観測されたフートの周波数に一致する。
【００１６】
従って、図４、図５に、本発明の実施態様の例示的な変更されたエンジン１０’を概略例示する。エンジン１０’は、本発明の実施態様の例示的な燃料供給装置１２’を含む。エンジン１０’は、エンジン１０（図１）のものと同一とすることができる、燃料タンク１４、導管２６、燃焼室２４を含む。燃料装置１２’は、燃料装置１２（図１）のものと同一とすることができる、ＨＭＵ１６、マニホールド１８、複数のノズル２０を含む。ＨＭＵ１６は、導管２６により燃料タンク１４に結合された取入れ口と、例示的な導管１００によりエンジン１０’の取入れ口マニホールドに結合された出口とを有する。
【００１７】
明確にするために、また、本発明の例示となるように、導管１００は、その長さが、変更なしの燃料装置の共振周波数（すなわち、図１の燃料装置１０の共振周波数）および観測されたフートノイズの共振周波数の４分の１波長のほぼ奇数倍数となるように、同調される。
【００１８】
上述したように、フートは、主として可変体積燃料マニホールド１８により生じる圧力変動によっておそらく生じるものである。理解されるように、燃料装置１２内の圧力変動は、実際は、流体中の進行波である。それで、波の速さは、燃料装置のさまざまな部分内で運ばれる流体の音響特性により影響されるものである。
【００１９】
さらに理解されるように、燃料装置１２’内で観測されたどのような圧力波の波長も、
λ＝ｆ／ｃ、
として計算でき、ここで、ｆは、圧力波の周波数、ｃは、波を運ぶ媒質中の波の音響速度である。流体内の進行圧力波の速さｃは、
ｃ2＝ｂ／ｓｇ、
によって近似でき、ここで、ｂは、流体の正味の体積弾性率であり、ｓｇは、その比重である。理解されるように、ｓｇとｂの両方とも温度と共に変化するとはいえ、これらの変化は、完全にではないが互い相殺する傾向がある。
【００２０】
都合のよいことに、導管１００を形成するのに選択された材料によって、導管１００内の流体は、エンジン１０’の燃料マニホールド１８内およびＨＭＵ１６の出力部における流体とは大幅に異なる音響特性を示す。これは、主として、ＨＭＵ１６の出力部、マニホールド１８、および導管１００を形成するのに使用される形状および材料の機械特性によって生じる。好ましい実施態様において、導管１００は、鋼で形成され、ＨＭＵ１６の出力部は、アルミニウムで形成され、燃料マニホールド１８は、膨張するように相互に接続されるアルミニウム管などから形成される。特に、マニホールド１８の可変体積は、マニホールド１８内の流体の体積弾性率（ｂ）を低減する。さらに、マニホールド１８は、マニホールド１８の共振周波数においてまたはその近くで圧力変動により励振可能である。その結果、導管１００内の音響波の速さは、約５８００ｍ／ｓであり、マニホールド１８内では、音響波の速さは、おそらく約１０００ｍ／ｓである。
【００２１】
図６は、導管１００の拡大図であり、ＨＭＵ１６および燃料マニホールド１８の一部を含み、導管１００内の進行波を例示する。ＨＭＵ１６から導管１００への移行部、および導管１００からマニホールド１８への移行部は、界面（１）、（２）として例示する。例示するように、導管１００は、共振周波数の４分の１波長の奇数倍数に等しい長さ（すなわち、（２ｎ＋１）／４＊λ、ｎε０、１、２…）を有する。ＨＭＵ１６、導管１００、およびマニホールド１８の機械特性を考慮すると、進行波の音響速度は、領域から領域へと変化する。それに従って、進行波の波長は、例示するように変化する。導管１００は、ＨＭＵ１６のものとは異なるので、導管１００内の流体中の音の速さは異なる。
【００２２】
界面（１）、（２）において、音響速度の変化は、ＨＭＵ１６からの進行波に対するインピーダンスの差として、効果的に明らかになる。理解されるように、進行波を運ぶ流体のインピーダンスは、流体の応力対ひずみ（ｓｔｒｅｓｓ  ｔｏ  ｓｔｒａｉｎ）の比を表す。波の速度は、この比と媒質の密度（この場合、ｂ／ｓｇ）によって記述される。
【００２３】
従って、当業者には理解されるように、界面（１）と（２）におけるインピーダンスの差は、導管により運ばれる流体中の進行波の部分反射になるものである。これは、界面（２）において最も顕著である。有利なことには、反射波は、反射位置において反転される。４分の１波長のほぼ奇整数倍数となるように導管の長さを選択することにより、反射波は、界面（１）に到達するときまでには、ＨＭＵ１６から出るどのような圧力波とも位相が約１８０度（πラジアン）食い違っている。有利なことには、これは、マニホールド１８において生じる波が、元の波と位相が１８０度食い違ってマニホールドへ戻るように反射されることになるので、マニホールド１８において生じる波についても当てはまる。効果的に、入射波は、ＨＭＵ１６の出力部を含む領域から、導管１００を通り、さらに、マニホールド１８の領域を通って進行する間に、さまざまなインピーダンスの領域を通って進行する。インピーダンスの境界では、波は反射される。
【００２４】
結果として、反射波は、境界において入射波と破壊的に干渉し、それによって、導管１００およびマニホールド１８の全体に亘って供給される燃料中のどのような圧力変動も減衰させ、それによって、共振周波数での圧力変動と、結果として生じるエンジン１０のフートとを低減する。それで、導管１００は、４分の１波スタブとして機能する。都合のよいことには、導管１００は、供給された燃料を運び、流体供給の経路に直列になっている。それで、例えば、米国特許第４，２３１，２２８号、第３，３２３，３０５号に開示されているような冷凍流体回路およびパワーステアリング流体回路などに使用されている既知の４分の１波スタブで可能なようには、導管１００は、空気を捕捉できない。
【００２５】
ＨＭＵ１６、マニホールド１８を含む本発明の実施態様の例示的な燃料装置１２’を、図７の斜視図にさらに例示する。例示の導管１００は、約２０ｐｓｉから約１２００ｐｓｉの範囲の圧力、約２５０  ｌｂｓ／ｈｒから約２０００  ｌｂｓ／ｈｒの流量で、燃料供給を可能とするように、約８ｍｍの内径で形成される。さらに、導管１００は、２５０Ｈｚの観測されたフートを低減するように、１．４５ｍの全長を有する。もちろん、他の形状でも、同じ周波数を減衰させることが可能である。同様に、他の長さを用いると、他の周波数に対して適切となるであろう。また、導管１００は、フートノイズを低減するように、既存のエンジンに容易に後付けできるであろう。これは、最初に、燃料装置の共振周波数を（例えば、装置のステップ応答を決定すること、あるいはその他によって）評価し、その後、共振周波数の波長の約４分の１（または、その奇数倍数）の長さを有する導管１００を作成することによって、行うことができるであろう。
【００２６】
図４〜図７に例示するように、４分の１波スタブとして機能する直線状に並んだ導管１００が、空気を捕捉できないので、好ましいとはいえ、それは、圧力変動を低減するために、燃料供給装置内で入射圧力波を反射させる唯一の可能な方法ではない。その代わりに、図８の概略図に例示するように、図２の流体供給導管１８から少なくとも部分的に横方向に延びるとともに閉じた一端を有する４分の１波長スタブ１０２を含むように、図１の燃料供給装置１２を変更できる。
【００２７】
もちろん、上述した実施態様は、例示のみを意図しており、決して限定を意図するものではない。本発明を実施する上述した実施態様は、形態、部品の配置、詳細および作動の順序など多くの変更の余地がある。本発明は、むしろ、特許請求の範囲により規定される本発明の範囲内のそのような全ての変更を含むことを意図する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のタービンエンジンを概略例示する。
【図２】図１のエンジンの燃料供給装置を形成する部分の模型を概略例示する。
【図３】図２の装置内の圧力を例示するグラフである。
【図４】本発明の実施態様の例示的なタービンエンジンを概略例示する。
【図５】図４のエンジンの燃料供給装置を概略例示する。
【図６】図５の燃料供給装置によって供給される燃料中の進行圧力波を概略例示する。
【図７】図６の燃料供給装置の実施態様の斜視図である。
【図８】さらなる燃料供給装置を概略例示する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004522033.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004522033.tif 000007
【図６】
2004522033.tif 000008
【図７】
2004522033.tif 000009
【図８】
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【国際公開パンフレット】
2004522033.tif 000011
2004522033.tif 000012
2004522033.tif 000013
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2004522033.tif 000017
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2004522033.tif 000020
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2004522033.tif 000022
2004522033.tif 000023
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2004522033.tif 000033
2004522033.tif 000034
2004522033.tif 000035
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004522033.tif 000036
【国際調査報告】
2004522033.tif 000037
2004522033.tif 000038
2004522033.tif 000039