(57)【要約】【課題】ガスタービンエンジンの排気ノズルの後縁部に鋸歯状の切れ込みや凹凸を入れることによって、排気ガスの騒音を低減する。【解決手段】ガスタービンエンジン１０用のノズルは、コア排気ノズル１４やファン排気ノズル１２に凹凸３４を備える。環状壁２８は、流体の流路を画定し、かつベース部分３０及び隣接する出口部分３２を備える。ベース部分３０は、通常、円錐台形状であり、また軸方向に弓形の輪郭を含む。出口部分３２は、後縁部をそれぞれ有するローブ３６及びトラフ３８を形成するほぼ半径方向の凹凸３４を備える。ローブ３６及びトラフ３８の一方の後縁部４０、４２は、他方のローブ３６及びトラフ３８の後縁部４０、４２からほぼ軸方向に凹んでいる。トラフ３８は、このトラフの後縁部４２に向かって軸方向に半径方向内側に延びている。これにより、エンジンの騒音が低減される。【選択図】図２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流路を画定するとともに、ベース部分及び隣接する出口部分を有する環状壁を備え、上記出口部分は、後縁部をそれぞれ有するローブ及びトラフを形成するほぼ半径方向の凹凸を備え、ローブ及びトラフの一方の後縁部は、他方のローブ及びトラフの後縁部からほぼ軸方向に凹んでおり、この他方のローブ及びトラフの後縁部によって、タブ上に頂部が形成され、上記トラフは、このトラフの後縁部に向かって軸方向に半径方向内側に延びていることを特徴とするノズル。
【請求項２】
上記トラフは、頂部を形成する後縁部を有するタブを備えることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項３】
上記ローブ後縁部は、弓形の凹部を含むことを特徴とする請求項２に記載のノズル。
【請求項４】
上記タブは、頂部を備える鋭利な先端部分を形成するようにＶ字形になっていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項５】
上記ベース部分の輪郭を軸方向に延ばした仮想面に対し、上記ローブは、上記仮想面の半径方向外側に延び、上記トラフは、上記仮想面の半径方向内側に延びていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項６】
上記ローブは、上記トラフからほぼ軸方向に凹んでいることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項７】
上記トラフは、上記ローブからほぼ軸方向に凹んでおり、上記ローブは、おおよそ０°〜２６°の間で半径方向外側に延びていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項８】
上記ローブは、仮想面からおおよそある高さで半径方向に間隔を空けて配置され、上記ローブによって上記仮想面が変化するとともにある距離を画定し、上記高さを幅で除算した比率が、おおよそ１以下であることを特徴とする請求項７に記載のノズル。
【請求項９】
平面は、ノズルの軸と、上記平面に位置する頂部の１つと、タブのエッジと、を含み、上記タブのエッジは、上記タブのプラットフォームを備える上記平面に対してある角度で上記頂部の１つを備えることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項１０】
ローブ及びトラフの一方の後縁部からほぼ軸方向に凹んでいる上記ローブ及び上記トラフの他方の後縁部は、弓形の輪郭を形成することを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項１１】
上記ローブ及び上記トラフによって、正弦曲線である円周の輪郭がもたらされることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項１２】
上記タブは、ほぼ軸方向にタブ輪郭を備え、また、上記タブ輪郭に対してタブ貫通角をもたらすように、上記頂部付近が半径方向内側に延びていることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項１３】
上記タブ輪郭は、放物線状であることを特徴とする請求項１２に記載のノズル。
【請求項１４】
上記ノズルは、約６〜１２個のタブと、約６〜１２個のローブと、を備えることを特徴とする請求項１に記載のノズル。
【請求項１５】
コア排気ノズルの周囲に配置されたファン排気ノズルと、
上記コア排気ノズル内に配置された中心体と、
を備えるガスタービンエンジンであって、
上記ノズルの一方は、流体の流路を画定するとともに、ベース部分及び隣接する出口部分を有する環状壁を備え、上記出口部分は、後縁部をそれぞれ有するローブ及びトラフを形成するほぼ半径方向の凹凸を備え、ローブ及びトラフの一方の後縁部は、他方のローブ及びトラフの後縁部からほぼ軸方向に凹んでおり、この他方のローブ及びトラフの後縁部によって、タブ上に頂部が形成され、上記トラフは、このトラフの後縁部に向かって軸方向に半径方向内側に延びていることを特徴とするガスタービンエンジン。
【請求項１６】
上記の一方のノズルは、上記コア排気ノズルであることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１７】
上記頂部は、上記ファン排気ノズルの終端部を越えて延びていることを特徴とする請求項１６に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１８】
上記の一方のノズルは、上記ファン排気ノズルであることを特徴とする請求項１５に記載のガスタービンエンジン。
【請求項１９】
他方のノズルは、第２の流体の流路を画定する第２の環状壁を含むとともに、この第２の環状壁は、第２のベース部分及び隣接する第２の出口部分を備え、上記第２の出口部分は、第２の後縁部をそれぞれ有する第２のローブ及び第２のトラフを形成するほぼ半径方向の第２の凹凸を備え、第２のローブ及び第２のトラフの一方の後縁部は、他方の第２のローブ及び第２のトラフの後縁部からほぼ軸方向に凹んでおり、この他方の第２のローブ及び第２のトラフの後縁部によって、第２のタブ上に第２の頂部が形成され、上記第２のトラフは、この第２のトラフの後縁部に向かって軸方向に半径方向内側に延びていることを特徴とする請求項１８に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２０】
上記タブ及び上記第２のタブの数は等しく、上記ローブならびに上記第２のローブは、互いに放射状に整列していることを特徴とする請求項１９に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、騒音を低減する鋸歯状の切れ込みや凹凸を有するガスタービンエンジンなどで使用される排気ノズルに関する。
【背景技術】
【０００２】
ジェット排気の乱れから発生する騒音は、亜音速旅客機に使用される低バイパス比エンジン及び中バイパス比エンジンにおいて、実用上重要な問題である。ジェット排気音は、エンジン全体の騒音の一部であり、特に、離陸やカットバック状態において重要である。高バイパス比エンジンにおいては、ジェット騒音の影響が低減されるものの、騒音抑制における規制を特に頻繁に受ける要因になる。
【０００３】
ジェット騒音低減に対する従来の取り組みは、主に排気流の混合を増大させることに依存してきた。その目的は、高速の１次流と低運動量である２次流（即ち、ファンバイパスやフライト時の外気流）との間の運動量の交換である。タブやシェブロン型の装置は、単一流れや分離流とする排気装置のために使用される。ローブ型ミキサは、混合流を排出するために使用される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述の混合装置における固有の欠点は、付随の高周波騒音を引き起こす傾向がある点である。従って、低周波騒音を、騒音周波数領域内で２〜４ｄＢ低減できるとはいえ、実効知覚騒音レベル（ＥＰＮＬ）などの騒音測定基準全体に対する騒音低減効果は、不十分である。いくらかの例においては、高周波騒音の不利な点によって、低周波騒音の低減された分が完全に相殺され、結果としてＥＰＮＬを増加させる。
【０００５】
外部噴流混合装置の第２の欠点は、空力性能（軸方向の推力）に悪影響を及ぼす点である。タブやシェブロンは、通常、燃料総消費率（ＴＳＦＣ）を増加させるとともに、飛行エンベロープ内の設計点から外れた地点におけるノズル排出特性に悪影響を及ぼす。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガスタービンエンジン用のノズルに関する。例えば、本発明の凹凸及び鋸歯状の切れ込みが、コア排気ノズルやファン排気ノズルの出口部分の構成に設けられる。環状壁は、流体の流路を画定するとともに、ベース部分及び隣接する出口部分を備える。ベース部分は、通常、円錐台形状であり、また軸方向に弓形の輪郭を含む。出口部分は、ほぼ半径方向の凹凸を含み、これにより、後縁部を有するローブ及びトラフが形成される。ローブ及びトラフの一方の後縁部は、他方のローブ及びトラフの後縁部からほぼ軸方向に凹んでいる。この他方のローブ及びトラフの後縁部によって、頂部がタブ上に形成される。トラフは、このトラフの後縁部に向かって軸方向に半径方向内側に延びている。
【０００７】
適切な種々のノズルの形状が、所望のレベルに騒音を低減させるように用いられ得る。本発明のノズルの形状は、特定の用途に応じて数学的モデルならびに実験に基づく手段を通じて決定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明は、ガスタービンエンジンの排気ガスからのジェット騒音の発生を低減する手段である。従来の適用例は、分離流を排出するファンノズル及びコアノズル（図１Ａ）の形状、ならびに混合流を排出する共通のテールパイプノズル（図１Ｂ）の形状を含む。ガスタービンエンジン１０は、ファン排気流路１６を形成するようにコア排気ノズル１４を囲むファン排気ノズル１２を備える。中心体１８は、コア排気流路２０を形成するようにコア排気ノズル１４内に配置される。中心体１８の先端２２は、コア排気ノズル１４の端部２４を越えて延びており（図１Ａ参照）、または奥に収容されている。図１Ａで見られるように、端部２４は、分離流が流れる構成となるようにファン排気ノズル１２の端部２６を越えて延びている。図１Ｂに示すように混合流が流れる構成においては、端部２４は、ファン排気ノズル１２の端部２６から奥に収容される。
【０００９】
図１Ｃを参照すると、分離流が流れる構成のコア排気ノズル１４に適用した本発明を示している。コア排気ノズル１４は、通常、円形断面でかつ側面から見たときに円錐台形状である環状壁２８を備える。環状壁２８は、ベース部分３０を含む。出口部分３２は、ベース部分３０に隣接するとともに、凹凸（ｕｎｄｕｌａｔｉｏｎ）３４を含む。より多数の凹凸を有する同様のノズルが、図２Ａ、２Ｂに示されている。
【００１０】
本発明によれば、ノズル後縁部は、このノズルの周囲にローブ３６及びトラフ３８の配列をもたらすように凹凸３４を備える。凹凸３４の形状は、所望の周波数帯域において騒音を低減するように選択される。いくらかの実施例での概念が、図３Ａ〜図７Ｃに図示されている。まず第一に、図１Ｃ、図２Ａ、図２Ｂにおいては、ローブ３６がトラフ３８から凹んでいるように示されているが、所望であれば逆にしてもよい。ローブ３６及びトラフ３８は、通常、図１Ｃ、図３Ｂ、図４Ｂ、図５Ｂ、図６Ｂ、図７Ｂで最もよく見られるように、環状壁２８におけるベース部分３０と同一の輪郭に沿って延びている仮想面Ｓの上方ならびに下方に延びている。
【００１１】
図１Ｄは、凹凸３４を有するファン排気ノズル１２ならびにコア排気ノズル１４を図示している。図示された実施例においては、ノズル１２、１４上の凹凸３４の数またはタブ４６の数が互いに等しくなる。ローブ３６は、音響性能特性を改善するために“クロック”つまり半径方向に互いに整列している。
【００１２】
特定の実施例におけるローブの形状及び後縁部の平面図形が、図３Ａ〜図７Ｃに示されている。図３Ａ〜図３Ｃで示されている一実施例においては、ローブ後縁部４０が、図２Ａ、図２Ｂと同様にトラフ後縁部４２に対して凹んでいる。図３Ａ、図３Ｂで見られるように、ローブ３６は、軸Ａから距離Ｒ半径方向に延びており、仮想面Ｓの上方に高さＨ１延びている。同様に、トラフ３８は、仮想面Ｓの下方に高さＨ２だけ半径方向に延びている。端面図（図３Ｂ）で見られるように、高さＨ１、Ｈ２は、後縁部４０、４２から測ると異なるが、この高さＨ１、Ｈ２は、図３Ａで最もよく見られるように、共通の軸方向位置においては、ほぼ等しくなる。しかしながら、ローブ３６及びトラフ３８の高さは多様であることを理解されたい。凹凸３４は、正弦曲線をなすとともに、間隔つまり幅Ｗを有する。高さ／幅の比率は、１以下であることが好ましい。
【００１３】
種々の幾何学的特性に関する表を、以下に示す。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
ローブ角αは、図２Ａに示される。ローブ後縁部４０上に定められる軸方向のローブ輪郭が、図３Ｃに示されるとともに、この輪郭は余弦形状をなしている。例えば、トラフ３８によってタブ４６（図３Ｃ）が設けられる構成の場合は、トラフ後縁部４２上に設けられるタブ４６の形状が、正弦関数であってもよい。タブの形状即ち頂角が、急であってもよく、これによって尖った先端部が形成される。適切なローブやトラフの数を定めてもよい。
【００１６】
図４Ａ〜図４Ｃで示される異なる第２の実施例においては、トラフ後縁部４２がローブ後縁部４０に対して凹んでいる。別の種類の実施例が図５Ａ〜図５Ｃに示されており、この実施例は、図３Ａ〜図４Ｃに示す形状と類似した終端部５０を有する湾曲した頂部４８を具備するタブ４６を含む。図６Ａ〜図７Ｃは、頂部において先端が鋭く尖っている三角形のようなタブ４６を有する。
【００１７】
タブ貫通角βは、図７Ａで最もよく示される。タブ輪郭５４は、望ましい流体の循環を得るために放物線状になってもよい。凹部４４に対するタブ４６の長さＬは、所望の長さに選択される。
【００１８】
作動原理としては、改良型のノズル後縁部が、円周方向の渦の向きを変えることによって、ジェット噴流内における軸方向の渦の成分を発生させる。軸方向の渦が、ジェット噴流の下流側に半径方向外側への動きを誘発し、巻込みを発生させるとともに、高速のジェット気流内に低運動量の外気流が混合される。これによって、噴流内の大規模な乱流が次第に分離かつ減ぜられ、低周波騒音を低減する。軸方向の渦やこれに関連する排気ノズルに近接する領域での流体の混合によって、通常、付随の高周波騒音が引き起こされ、ひいては全体的な騒音低減におけるメリットが損われる。軸方向の渦の成分の発生における別のデメリットは、非軸方向の速度成分による推力損失である。高周波騒音ならびに推力損失を最小限にするために、本発明は、ローブ及びタブの形状（３次元のノズル輪郭）を組み合わせることによって使用可能な追加の自由度を用いる。ノズル後縁部の輪郭を適切に設計することによって、高周波騒音及び推力損失を最小限にするような形で軸方向の渦の成分がもたらされる。優れた後縁部の形状によって、噴流内のガスを混合する誘発された軸方向の渦の、大きさ、強度、位置、間隔、ならびに配分を改良することができる。その結果、厄介な高周波騒音が低減されるとともに、より高い水準で全般的な騒音低減が実現する。さらに、ノズル後縁部の凹凸やタブのような機構によって、所望のノズル排出特性（チョークしたコンバージェントノズルやコンバージェント−ダイバージェントノズルなど）を実現するように、さらなる設計パラメータが与えられる。
【００１９】
図７Ａ〜図７Ｃで示す形状を参照すると、本発明の設計の特徴は、非垂直のローブ側壁、トラフのエッジの湾曲及び、トラフのベースつまり輪郭５４の湾曲である。輪郭、ローブ形状ならびに高さ／長さの比率は、ローブ及びトラフ領域からの渦の量を平衡させ、渦が多く集中するのを防止し、また有利な方法で渦の中心の位置や間隔を定めるように、選択される。形状や高さ／幅の比率などの好ましいローブ特性は、ローブ型ミキサにおける従来技術と異なり、側壁は、多くの渦の集中及び流体の混合を防止するように概ね非垂直であり、また高さ／幅の比率は、通常、１のオーダ或いはそれ以下であり、ローブ型ミキサの特性比率４〜６より極めて低い。この形状によって発生した軸方向の渦は、レイノルズ平均ナヴィエ・ストークス方程式を用いることによって得られる。
【００２０】
計算結果を比較すると、従来技術のシェブロン型三角タブによって、タブのベース領域内で局部的に渦の集中が発生することが見受けられるとともに、隣接するタブから反対側に流れる渦が、互いに流動する傾向がある。対照的に、本発明は、より分散した、より集中の少ない渦のパターンをもたらす。シミュレーションにより、渦の分配によって、１次剪断層での（幅ｗに比較して）小さな流れの形成に関連した騒音が低減されることが示される。
【００２１】
分離流を排出するためのコアノズルに適用した本発明の第２の実施例が、図１Ｃに示される。レイノルズ平均ナヴィエ・ストークス方程式は、分離流の排出において、１次剪断層及び２次剪断層の相互作用を遅らせることによって、所定の循環レベルにおいて高周波混合騒音が低減されることを示している。図１Ｃにおける凹凸の鋸歯状のノズルにおいては、乱流のレベルが高い位置は、タブ／シェブロンの場合と比較してより遠くの下流側となる。本発明で提案されたノズルからの流路を、渦（タブのような突起の近くに集中）を発生させ、混合流の半径方向内側への動きを発生させるように調整することができ、ひいてはコア−ファン及びファン−外気の剪断層の相互作用を遅らせることができる。
【００２２】
本発明は、高周波混合騒音による不利益を低減する。本発明により得られる更なる幾何学的パラメータによって、付随の混合騒音を緩和するために、渦の分配を調整することができる。その結果、より高い水準で全般的な騒音低減が実現する。特に、タブ／シェブロンベース部分の近くに集中した渦を有する従来のタブやシェブロンと比較すると、分離流の排出における１次剪断層において、先端部に集中した渦を発生させることにより、１次剪断層及び２次剪断層の相互作用を遅らせることによって、付随の混合騒音を低減することができる。
【００２３】
本発明は、所定のレベルの循環に対して、推力損失を低減する。図７Ａ〜図７Ｃで示される本発明の実施例においては、同様の平面図形及び同等の循環を有するタブに比較して推力損失が減少し得る。単純な三角形のタブやシェブロンと比較して、抗力が４２パーセント減少する。従って、本発明の概念は、軸方向の渦を生成し、或いは流体の混合をもたらすより効率的な方法を提供する。効率の向上は、タブのベース領域を効果的に使用することに基づく。ベース部分は広いので、循環流発生のポテンシャルが大きくなる。しかしながら、標準的なタブの設計においては、半径流は、隣接するタブの間の限られた面積により、この領域で制限される。この半径流の“閉塞”によって、抗力損失が発生する。本発明では、ローブ特性と一体になったトラフ（ローブ）エッジの輪郭によって、ベース領域内で半径流を増大させることを可能にし、抗力損失を増加させることなくさらなる循環を発生させる。さらに、ローブによって、排出する排気ガスの一部を軸方向に案内し、かつノズル出口における有効面積を調整する手段がもたらされる。このようにして、ノズルエッジの凹凸により、設計の余地が拡張され、推力損失を低減する最適なノズルの設計が可能になる。これらの利点は、外部プラグや内部プラグの設計に利用することができる。しかしながら、外部プラグがいくらかの圧力回復をもたらすので、このようなノズルの設計が、内部プラグにおいてより効果的となり得る。流体の混合ならびに騒音低減が同等のレベルにあるときの、本発明のノズルならびに従来のシェブロンに対する予想ノズルスラスト係数によって、スラスト係数のメリットのポテンシャルが示される。
【００２４】
本発明を、コンバージェント−ダイバージェントノズル流特性を必要とする排気システムに適用することができる。ノズル周囲のローブによって、流体の流れの拡散に対する領域がもたらされ、この領域は、所定のノズル面積分布に対応するように設計される。タブやシェブロンなどの従来技術からの設計では、流体の混合や騒音低減のレベルを犠牲にすることなしに、所定の目的を達成することはできない。
【００２５】
本発明における好ましい実施例が開示されたが、当業者であれば、特定の変更が本発明の範囲内であることを理解されよう。故に、添付の特許請求の範囲が、本発明の真の範囲及び内容を決定するために検討されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】分離流を排出する従来技術のガスタービンの断面図。
【図１Ｂ】混合流を排出する従来技術のガスタービンの断面図。
【図１Ｃ】コア排気ノズル上に本発明の凹凸を有する分離流を排出する実施例であるガスタービンの側面図。
【図１Ｄ】本発明の凹凸を有するコア排気ノズル及びファン排気ノズル双方の端面図。
【図２Ａ】本発明の排気ノズルの側面図。
【図２Ｂ】図２Ａで示す排気ノズルの斜視図。
【図３Ａ】トラフに対して凹んだローブの側面図。
【図３Ｂ】図３Ａで示すローブ及びトラフの端面図。
【図３Ｃ】図３Ａで示すローブ及びトラフの平面図。
【図４Ａ】ローブに対して凹んだトラフの側面図。
【図４Ｂ】図４Ａで示すローブ及びトラフの端面図。
【図４Ｃ】図４Ａで示すローブ及びトラフの平面図。
【図５Ａ】一実施例のローブ及びトラフの形状、ならびに後縁部の形状を示す側面図。
【図５Ｂ】図５Ａで示すローブ及びトラフの端面図。
【図５Ｃ】図５Ａで示すローブ及びトラフの平面図。
【図６Ａ】別の実施例のローブ及びトラフの形状、ならびに後縁部の形状を示す側面図。
【図６Ｂ】図６Ａで示すローブ及びトラフの端面図。
【図６Ｃ】図６Ａで示すローブ及びトラフの平面図。
【図７Ａ】さらに別の実施例のローブ及びトラフの形状、ならびに後縁部の形状を示す側面図。
【図７Ｂ】図７Ａで示すローブ及びトラフの端面図。
【図７Ｃ】図７Ａで示すローブ及びトラフの平面図。
【符号の説明】
【００２７】
２８…環状壁
３０…ベース部分
３２…出口部分
３４…凹凸
３６…ローブ
３８…トラフ
４０…ローブ後縁部
４２…トラフ後縁部
４４…凹部
４６…タブ
４８…頂部
５０…終端部
５４…タブ輪郭
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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