(57)【要約】【課題】ジェットエンジン用の排気ノズルの出口面積を制御することにより、エンジン性能の調節による推力の最適化を可能にする。【解決手段】末広がり部分を有する中細ノズルにより、ノズルの有効出口面積の制御システムが形成される。このノズルの末広がり部分の壁は、自由流れの方向から少なくとも１２度の所定の角度を有する。壁のほぼ対称に向かい合う位置にじょう乱発生器が配置されて、所定の壁角度を有する壁から流れの剥離を生じさせる。この所定の壁角度は、各じょう乱発生器の上流からノズルの喉部まで延びて、壁を加圧することによりノズル出口における噴流の有効面積を縮小するような流れの剥離を生じさせるものである。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルの出口面積の制御方法であって、
少なくとも１２度の発散角を有する中細ノズルを供給するステップと、
一対のじょう乱発生器を、ノズルの末広がり部分のほぼ対称に向かい合う所定の位置に配置するステップと、
じょう乱発生器によって生じたじょう乱の大きさを制御することにより、衝撃を生成することなく末広がり部分から流れの剥離を生じさせるステップと
を含む方法。
【請求項２】
じょう乱発生器の前記所定の位置が、概ねノズルの喉部からノズルの先端まで延びて必要なだけノズルの出口面積を縮小する流れの剥離ゾーンを生成するように決定される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
一対のじょう乱発生器を配置するステップが、末広がり部分の向かい合う壁に噴射流スロットを設けることを含み、
噴射流スロットを、ノズルの喉部からノズルの先端までの末広がり部分の長さの２５％〜７５％の間に、好ましくは少なくとも５０％の位置に配置し、
スロットから、全体の流れの０％〜１０％の間の流れを噴射する、
請求項１に記載の方法。
【請求項４】
じょう乱発生器を配置するステップが、末広がり部分の向かい合う壁に振動膜を配置することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
じょう乱発生器を配置するステップが、末広がり部分の向かい合う壁に音響的衝撃発生器を配置することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
ノズルの有効出口面積の制御システムであって、
流れに沿ったノズルの軸から少なくとも１２度の所定の角度を有する末広がり部分の壁を有する中細ノズルと、
末広がりの壁のほぼ対称に向かい合う位置に配置されて、末広がりの壁から流れの剥離を生じさせる少なくとも２つのじょう乱発生器と
を備えており、
前記所定の末広がりの壁の角度により、少なくとも２つのじょう乱発生器から概ねノズルの喉部まで上流に延びて、末広がり部分の壁を加圧することによりノズルの出口を通る流れの面積を縮小する流れの剥離を生じさせる、
ノズルの有効出口面積の制御システム。
【請求項７】
ノズルの先細部分が少なくとも１８度である所定の角度の壁を有している、請求項６に記載のノズルの有効出口面積の制御システム。
【請求項８】
じょう乱発生器が噴射流スロットであり、
噴射流スロットが、ノズルの喉部からノズルの出口までの末広がり部分の長さの２５％〜７５％の間に、好ましくは少なくとも５０％の位置に配置されており、且つ
噴射流スロットを通る噴射流が、全体の流れの０％〜１０％の間で制御される、
請求項６に記載のノズルの有効出口面積の制御システム。
【請求項９】
中細ノズルが２Ｄノズルであり、前記少なくとも２つのじょう乱発生器が、ノズル下部の末広がりの壁に設けられた第１の噴射流スロットと、ノズル上部の末広がりの壁に設けられた第２の噴射流スロットとからなっている、請求項８に記載のノズルの有効出口面積の制御システム。
【請求項１０】
中細ノズルが３Ｄノズルであり、前記少なくとも２つのじょう乱発生器が、ノズルの末広がり部分の周囲の円周上に配置された複数の噴射流スロットからなっている、請求項８に記載のノズルの有効出口面積の制御システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
ジェットエンジン用の排気ノズルの出口面積（Ａ９）を制御することにより、エンジン及び航空機の性能が向上する。近代のジェット機の操縦性及び性能を向上させるための要件の増大と、帰還性のための要件とにより、全体的な性能目標を達成するために、推力偏向方式を含む出口面積の制御を行う固定された形状寸法のノズルシステムが重要になっている。出口面積の制御により、エンジン性能の調節による推力の最適化が可能となる。機械系統には、多くの場合、ノズルの形状と面積とを物理的に変更するための偏向面が使用されている。喉面積の機械的な制御が以前から試みられており（Clarkらによる特許文献１（表題「Variable area convergent-divergent exhaust nozzle and control therefor」）参照）、これは確かに開口比を制御するが、結果としてノズルの流量に変化を生じさせる。
【背景技術】
【０００２】
流体系が使用されているが、一般的にノズルの喉面積に影響を及ぼすか、あるいは末広がりになった部分に衝撃を生成するので望ましくない。流体スロートの面積の制御は、Muellerによる特許文献２（表題「Fluidic throat exhaust nozzle」）に開示されているように実行されており、開口比を変化させるとノズル流量が変動するという同じ問題を有する。飛行中に燃え尽きることにより可変Ａ９を可能にする可燃材料の層により、Ａ９を制御することが試みられている。Hawkins及びMurdockによる特許文献３（表題「Combustible outgassing material lined altitude compensating rocket nozzle」）を参照されたい。しかしながら、ノズルの壁上で燃焼を生じさせることは、いつも望ましいわけではない。また、燃焼は一度しか使用できないため、一回の飛行の間に、燃焼により、周期的に変化する面積制御を行うことはできない。
【０００３】
Hausmannらによる特許文献４（表題「Variable-expansion nozzle」）に開示されているようなコンバインドシステムでは、末広がりになった部分に可燃混合物を吹き込んで流量範囲を可燃混合物で占めることにより、ノズルの全体的な出口面積を縮小する。この場合も、材料の制限により、ノズルの壁の近傍で可燃物を使用することはいつも可能ではない。
【０００４】
機械システムは、大きな操縦翼面及びアクチュエータの要件に起因して重量が大きい。流体系に大量の流れを噴射することは、噴射される大量の二次流れ（そうでなければ推力を生成するために使用されていた流れ）を供給し、エンジンに性能的影響を与えるので好ましくない。したがって、有効な出口面積制御を行うことにより、重量が大きいことが不利となる機械的ノズルの出口面積調整システムを使用しないことが望ましい。また、ノズルの喉面積に影響しない有効な出口面積制御を行うことにより、エンジンのマスフローが容易に維持されることが望ましい。加えて、実施が単純で、推力の損失を最小化する有効な出口面積の制御を行うことが望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２８４６８４３号明細書
【特許文献２】米国特許第５９９６９３６号明細書
【特許文献３】米国特許出願番号第０９／９４２２３８号明細書
【特許文献４】米国特許第３０１０２８０号明細書
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、一般に、ジェットエンジンのノズルからの排気面積の制御の分野に関し、具体的には、排気ノズルの末広がりの部分において流れの剥離を生じさせることにより、ノズルの壁の有効な発散角を対称に変更して、有効な出口面積を変更する実施形態に関する。
【０００７】
開示される実施形態により、流れに沿ったノズルの軸方向から少なくとも１２度の所定の角度で広がる壁を有する末広がりの部分を有するノズルが提供される。広がる壁上のほぼ対称に対向する位置にじょう乱発生器が配置されて、流れの剥離を生じさせる。この所定の壁の角度は、生じた流れの剥離がじょう乱発生器から概ねノズルの喉まで上流にまで延びるのに十分に大きい。これにより、広がる壁が加圧されて、ノズル出口において排気流の有効面積が縮小する。特定の例示的な実施形態では、中細ノズルの全体の角度は、１５０度以下である。
【０００８】
一実施形態によるじょう乱発生器は噴射流スロットであり、このスロットは、特定のエンジン及び空力的条件において、ノズルの喉からノズルの先端までの末広がり部分の長さの少なくとも５０％の位置か、或いは別の条件において末広がり部分の長さの２５％〜７５％の位置に配置できる。このノズルが十分な構造深さを有している場合、噴射は末広がり部分の長さの１００％又はほぼ１００％の位置で実施することができる。噴射スロットを通る噴射流は、有効面積が制御されるノズル内の噴流の全体の流れの０％〜４％の範囲で制御される。
【０００９】
特定の例示的実施形態では、中細ノズルは、ノズルの下側の壁に第１の噴射流スロットを、ノズルの上側の壁にそれと対称な噴射流スロットを、それぞれ有する矩形又は二次元（２Ｄ）のノズルである。
【００１０】
また別の実施形態では、中細ノズルは、ノズルの末広がり部分の周囲の円周上に配置された複数の噴射流スロットを有する三次元（３Ｄ）ノズルである。
【００１１】
作動中、実施形態は、全体の角度が１５０度未満であり、発散角が少なくとも１０度（幾つかのノズル動作条件では剥離効果が１０度の発散角でも得られることを考慮して）、好ましくは１２度以上の中細ノズルを設け、ノズルの末広がり部分の向かい合う表面上の所定の位置に配置された対称なじょう乱発生器を配置することにより、出口面積を縮小する方法を提供する。じょう乱発生器によって生成されるじょう乱の大きさを制御することにより、衝撃を伴うことなく、末広がり部分の壁から流れの剥離が生成される。じょう乱発生器の所定の位置は、概ねノズルの喉からノズルの先端まで延びる流れの剥離ゾーンを生成するように規定され、じょう乱の大きさは、有効な出口面積（ＡＥ９）を必要なだけ縮小させるのに十分な大きさの流れの剥離ゾーンを生成するように制御される。
【００１２】
上述の特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成することができるか、或いは他の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態の更なる詳細は、以下の説明及び添付図面にみることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は２Ｄノズルを有する例示的な一実施形態の側断面図である。
【図２】図２は、図１のノズルの先細部分と末広部分との角度的関係示す側面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、二次流れを有さない２Ｄノズルを使用した場合の数値流体力学（ＣＦＤ）に基づく流れの場を表わす側面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、２．６％の二次流れを有する２Ｄノズルを使用した場合の数値流体力学（ＣＦＤ）に基づく流れの場を表わす側面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、７．６％の二次流れを有する２Ｄノズルを使用した場合の数値流体力学（ＣＦＤ）に基づく流れの場を表わす側面図である。
【図４】図４は、図３Ａ〜３Ｃに示された２Ｄノズル内の噴射流によって生成される推力係数のグラフである。
【図５】図５は、例示的な３Ｄノズルの一実施形態の部分等角断面図である。
【図６】図６は、出口面積を制御する例示的なノズルの動作を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本明細書に記載される実施形態は、中細の断面を有するノズルを用いた有効な出口面積の制御を示す。末広がりの部分は、従来のノズル設計に通常使用されるものよりも勾配角度の大きい壁を含んでいる。この場合、急勾配の壁は、壁に対してじょう乱が導入されたとき、効率的に流れの剥離を生じさせるために利用される。ノズルの末広がりの部分に流れの剥離を生じさせると、二次元（２Ｄ）ノズルの壁又は三次元（３Ｄ）ノズルのそれに相当する構造の壁からの流れの発散角が流体的に変化する。これにより、ノズル内の末広がりの噴流の有効形状が壁から剥離して、排気流の面積が減少する。剥離を生じさせるじょう乱は、流体の噴流、パルス性噴流、又は合成噴流、例えば、正味質量を持たない流束による音響的衝撃、又は振動膜、或いは壁からの噴流の剥離を生じさせるじょう乱を生成するための他の方法とすることができる。壁の角度は、剥離がじょう乱（噴流）の上流から喉部のすぐ後方までに亘るように設計される。これにより壁全体が加圧されて、壁からの正味流れの剥離を引き起こし、それに相当してノズルの出口における排気流の有効面積が減少する。末広がりの部分には衝撃は発生せず、音速線は乱れず、喉面積は一定のままである。
【実施例】
【００１５】
ここで添付図面を参照する。図１は、先細の入口部分１２と、末広がりの出口部分１４とを有するノズル１０の側断面図に示される一実施形態を示している。図２に示されるように、先細の入口部分と末広がりの出口部分との間の全体の角度１６は１５０度以下である。矢印１８によって示される流れの方向に沿ったノズルの軸に対する入口部分の収束角（convergence angle）２０は１８度よりも大きく、出口部分の発散角（divergence angle）２２は１２度よりも大きい。正確な角度は、設計者が、ノズルに最小限必要な面積の変化と、所望の開口比及びマスフロー比とを考慮することにより選択される。発散角が大きくなる程、通常はノズル壁からの噴流の開きが大きくなり、ＡＥ９が大きく減少する。多くの実施形態では、収束角は発散角より勾配が大きい。概ね１２度未満の発散角は、噴射が実行されて、それが現行の実施形態に適切でないとき、典型的には衝撃波を生成する結果を招く。衝撃の始まりの正確な角度は、開口比及び圧力といった多数の要因によって変化し、本明細書に開示される実施形態に使用される値は典型的なものである。
【００１６】
再び図１を参照する。末広がりの出口部分１４における流れのじょう乱は、本実施形態では、流れスロット２４及び２６を介して下部ノズル表面２８及び上部ノズル表面３０にそれぞれ導入される流体の噴流（矢印２３で示す）を用いて生成される。スロット２６と、スロット２４とは、流れの方向に沿ったノズルの軸を中心として対称であり、壁から流れを対称に乖離させる。噴射流は、エンジンの抽気、又はエンジン３２からのその他の分岐流により、ダクト３４及び３６を介して供給される。スロット及びダクトの寸法は正確ではなく、明瞭に示すために誇張されている。噴射の位置は、特定のノズル構造に基づいて決定される。多くの実施形態では、噴射位置は、末広がりの出口部分の中間点３８と先端４０との間に位置する。幾つかの用途については噴射位置が更に上流に位置していると有利であり、最適な動作には、末広がり部分の長さの２５％〜７５％という公称範囲が予測される。しかしながら、必要な配管系を収容するための構造的深さがノズル内に存在する場合、末広がり部分の長さの１００％の位置で噴射を行うことができる。
【００１７】
開示される実施形態の動作を示す一実施例として、図３Ａ〜３Ｃは、本実施形態による２Ｄノズルの、数値流体学（ＣＦＤ）による解決法に基づく流れの場を表わしており、このノズルはノズル圧力比（ＮＲＰ）が５であり（このノズルの設計条件に近い）、変動する噴射流を有している。これについては後述で更に詳細に説明する。流れのマッハ（Mach）プロファイルを、流れの場を網掛けすることによりマッハ０．５〜２．０で表わされた等高線で示す。流体は、スロット２４及び２６から、末広がり部分の表面２８及び３０上に噴射されている。流れは喉部４２の後方で剥離し、流れの剥離ゾーン４４はノズル先端４０の出口孔まで続き、有効出口面積ＡＥ９を変化させている。剥離は、単一のマッハ数を有する喉部の直ぐ後方で始まるので、末広がりの壁用噴射器によるものを含めて衝撃は生成されない。このような考え方により、ノズルの発散角が有効に変更される。噴射流を増大させることにより有効出口面積の変化が大きくなる。この様子は、噴射流が最小の図３Ａから、噴射流が最大の図３まで、段階的に示されている。
【００１８】
図３Ａ〜３Ｃに関連して、図４は、ノズルを通る流れ全体のうちの割合（％）として噴射流を示しており、噴射流が無い場合、ノズルの出口面積Ａ９の推力係数は０．９３３となり、これは線５４上の点５２によって表わされ、図３Ａに示されている。スロット２４及び２６から２．６％の噴射流（両噴射器を合わせた噴射の総量）を導入すると、出口面積が縮小して推力係数が０．９５７となる。これは、点５６で表わされ、図３Ｂに示されている。噴射流を７．％まで増加すると、面積ＡＥ９は推力係数０．９６５まで変化する。これは、点５８で表わされ、図３Ｃに示されている。噴射の最適な量はノズルの構造によって変化し、噴射流の推力係数の傾向は非線形である。所望の性能範囲にＡＥ９を制御するには、０〜１０％の噴射流が予測される。
【００１９】
上述の実施例は２Ｄノズルに関するものであり、本装置と方法を使用した三次元（３Ｄ）ノズルは図５に示されている。ノズル６４の先細の入口部分６１と末広がりの出口部分６２との寸法関係は、１８度より大きな入口部分の収束角と、１２度より大きな出口部分の発散角とにより１５０度未満の全体角度が形成されることが記載された２Ｄの実施形態に対応している。付属の供給コンジット６８を有する複数の噴射口６６は、ノズルの末広がりの出口部分の周囲の円周上に設けられている。実施例として、４５度の間隔で配置された８つの噴射口が示されている。しかしながら、９０度の間隔で配置された４つの噴射口、又は噴流により壁からの剥離を精密に制御するための更に多くの噴射口が使用されてもよい。噴射口の複数の組が、噴流の状態を操作する複数の設計を収容するために、末広がりの出口部分の長さに沿って配置されてもよい。
【００２０】
本明細書に開示された実施形態の動作を図６にまとめた。ステップ６００において、所望の流れ性能を達成する所望の全体角度と収束角及び発散角とを仮に決定し、ステップ６０２において、そのような全体角度と収束角及び発散角とを有する先細の入口と末広がりの出口とを有するノズルを提供する。ステップ６０４では、ノズルの末広がりの出口部分に沿って所定の距離に、ほぼ対称に向かい合うように、入口流スロット、振動膜、又は音響的衝撃発生器のようなじょう乱発生器を配置する。ステップ６０６では、このような発生器によって生成されるじょう乱の大きさを制御することにより、衝撃を生成することなく末広がりの出口部分の壁から流れの剥離を生じさせる。これにより生成される剥離ゾーンは、概ねノズルの喉部からノズルの先端に亘り、ノズル出口における噴流の有効面積を縮小させるような大きさを有する。次いで、現在の出口流面積と、所望の有効出口流面積とを監視するために、フィードバック制御ループを実施する。このフィードバックコントローラは、噴射を増大／低減することにより、ノズルの有効出口流面積をそれぞれ増大／低減させる。
【００２１】
本発明の別の実施形態は、全体の角度が１５０度より大きな中細のノズルを備えたノズルの有効出口面積制御システムとして提供される。この実施形態では、ノズルの末広がり部分は、流れの方向に沿ったノズルの軸から少なくとも１２度の所定の角度を有する壁を有し、ノズルの末広がり部分に第１の噴射流スロットを、ノズルの末広がりの部分の軸をはさんで第１のスロットのほぼ反対側に第２の噴射流スロットを、それぞれ有しており、これら噴射流スロットの各々は、壁からの流れの剥離を生じさせるために、全体の流れの０％〜４％の間で制御される。更に、末広がり部分の壁の前記所定の角度は、第１及び第２の噴射流スロットの上流から概ねノズルの喉部までに亘り、末広がり部分の壁を加圧する流れの剥離を生じさせ、それによりノズルの出口を通る流れの面積を縮小する。
【００２２】
この実施形態の第１及び第２の噴射流スロットは、ノズルの喉部からノズルの先端までの末広がり部分の長さの、２５％〜７５％の間に、好ましくは少なくとも５０％の位置に、配置される。
【００２３】
本明細書では、特許法の要件に従って本発明の種々の実施形態を詳細に説明したが、当業者であれば、ここに開示された特定の実施形態の修正例及び変形例を認識するであろう。このような修正例は、特許請求の範囲に規定される本発明の範囲及び意図に含まれるものである。
【符号の説明】
【００２４】
１０    ノズル
１２    入口部分
１４    出口部分
１６    全体の角度
１８    流れ方向
２０    入口部分の収束角
２２    出口部分の発散角
２３    噴流の方向
２４、２６    流れスロット
２８    下部ノズル表面
３０    上部ノズル表面
３２    エンジン
３４、３６    ダクト
３８    末広がりの出口部分の中間点
４０    末広がりの出口部分の先端
４２    喉部
４４    剥離ゾーン
６１    先細の入口部分
６２    末広がりの出口部分
６６    噴射口
６８    供給コンジット
【図１】
2012127349.tif 000002
【図２】
2012127349.tif 000003
【図３Ａ】
2012127349.tif 000004
【図３Ｂ】
2012127349.tif 000005
【図３Ｃ】
2012127349.tif 000006
【図４】
2012127349.tif 000007
【図５】
2012127349.tif 000008
【図６】
2012127349.tif 000009
【外国語明細書】
2012127349000001.pdf
2012127349000002.pdf
2012127349000003.pdf
2012127349000004.pdf