(57)【要約】【課題】ジェットエンジンの排気プルームによって、発生する騒音を低減することを目的とする。【解決手段】ジェット騒音は、ジェット排気ガス流管（１４）の長手方向軸心（１３）における排気ガス流を調整することで、ジェット排気ガス流管（１４）のマッハコーン（１６）を弱めることによって低減される。これは、排気ノズル（２２）の中の可撓性多孔質管（２６）などのトランスピレーションエレメント（２４）をノズル（２２）の中心長手方向軸（２７）に沿って配備することによって実現され得る。あるものでは、トランスピレーションエレメント（２４）がノズルの収束部（３０）および発散部（２８）の両方のうちの一部を通ることで、ノズルの収束部（３０）を通る排気ガスが、トランスピレーションエレメント（２４）の中に吸収され、トランスピレーションエレメントからノズルの発散部（２８）の中に排出される。【選択図】図３
2013245686.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ジェット排気ガス流管（１４、１４’、１４”）の長手方向軸心（１３、１３’、１３”）において排気ガス流を調整することで前記排気ガス流管の中のマッハコーン（１６、１６’、１６”）を弱めることを特徴とするジェット騒音低減方法。
【請求項２】
排気ガス流を調整する前記ステップは、ジェット排気ノズル（２２）の発散部（２８）において前記排気ガス流管（１４）の前記長手方向軸心（１３）に沿って低エネルギー後流（３６）を発生させることで、前記低エネルギー後流が前記排気ガス流管（１４）の前記軸心を変位させ、それによって前記流管を環状構成に形成するようにすることを含む、請求項１に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項３】
低エネルギー後流（３６）を発生させる前記ステップは、前記ノズルの収束部（３０）および発散部（２８）両方の少なくとも一部を通る位置で、前記ノズル（２２）の中心長手方向軸（２７）に沿って前記排気ノズル（２２）の中にトランスピレーションエレメント（２４）を配備することで、前記ノズルの前記収束部（３０）を通る排気ガスが、前記トランスピレーションエレメント（２４）の中に吸収され、前記トランスピレーションエレメントから前記ノズルの前記発散部（２８）の中に排出されるようにすることを含む、請求項２に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項４】
低エネルギー後流（３６）を発生させる前記ステップは、
前記ノズルの前記発散部（２８）の中に少なくとも部分的に延在する位置に、前記ノズル（２２）の前記中心長手方向軸（２７）に沿って多孔質管（２６）を配備すること、
低エネルギー空気源（２９）から前記管の中に低エネルギー空気を送ることで、前記低エネルギー空気が前記管（２６）の孔（３４）を通って前記ノズル（２２）の前記発散部（２８）の中に排出されるようにすることを含む、請求項２に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項５】
排気ガス流を調整する前記ステップは、マッハコーン衝撃波を渡って圧力差を低減することによって、排気プルームのマッハコーン（１６’）受動的に弱めることを含む、請求項１に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項６】
圧力差を低減する前記ステップは、前記排気ガス流管（１４’）の前記長手方向軸心（１３’）に沿ってトランスピレーションエレメント（４０）を配備することを含む、請求項５に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項７】
流れを調整する前記ステップは、排気ガス流管（１４”）の中心長手方向軸（２７）に沿ってガス流を放出して、排気プルームのマッハコーン（１６”）を弱めるマッハコーン（６０）を有する第２の超音速プルーム（５８）を形成することよって、前記排気プルームのマッハコーンを弱めることを含む、請求項１に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項８】
ガス流を放出する前記ステップは、前記ジェットノズル（２２）の前記発散部（２８）に配置される２次サブノズル（５６）から前記ガス流を放出することを含む、請求項７に記載のジェット騒音低減方法。
【請求項９】
少なくとも一部をジェット排気ノズル（２２）の中心長手方向軸（２７）に沿って配備可能であり、前記ジェット排気ガス流管（１４、１４’、１４”）の長手方向軸心（１３、１３’、１３”）に沿ってガス流を調整することによって、ジェット排気流管のマッハコーン（１６、１６’、１６”）を弱めるように構成されている、ガス流調整器（１２、１２’、１２”）を備えることを特徴とするジェット騒音低減装置。
【請求項１０】
前記排気ガス流調整器（１２）は、前記ノズルの収束部（３０）および発散部（２８）の両方の少なくとも一部を通る前記ジェット排気ノズル（２２）の前記中心長手方向軸（２７）に沿って配備可能である可撓性多孔質管（２６）を含んでいて、前記多孔質管（２６）が前記ノズル（２２）の前記収束部（３０）で排気ガスを吸収して、前記吸収した排気ガスを前記ノズル（２２）の前記発散部（２８）の中に排出するように構成されている、請求項９に記載のジェット騒音低減装置。
【請求項１１】
前記多孔質管（２６）は、配列された孔（３４）を含んでいて、前記孔を通じて前記管が排気ガスを排出して後流（３６）を形成し、前記後流が、前記排気ガス流管（１４）をノズル出口面（３８）で理想的な膨張状態に匹敵する有効的な断面出口面積を有する環状形状にする、請求項１０に記載のジェット騒音低減装置。
【請求項１２】
前記排気ガス流調整器（１２’）は、トランスピレーションエレメント（４０）を含み、トランスピレーションエレメント（４０）は前記排気ガス流管（１４’）の前記長手方向軸心（１３’）に沿って配備可能であり、マッハコーン衝撃波を渡って圧力差を低減することによって、排気プルームのマッハコーン（１６’）受動的に弱めるように構成されている、請求項９に記載のジェット騒音低減装置。
【請求項１３】
前記トランスピレーションエレメント（４０）が、可撓性多孔質管（４２）を備えている、請求項１２に記載のジェット騒音低減装置。
【請求項１４】
前記排気ガス流調整器（１２”）は、サブノズル（５６）を含んでいて、前記サブノズルは、排気ガス流管の長手方向軸心（１３”）に沿ってガス流を放出し、前記排気プルームのマッハコーン（１６”）を弱めるマッハコーン（６０）を形成する第２の超音速プルーム（５８）を形成する、請求項９に記載のジェット騒音低減装置。
【請求項１５】
前記サブノズル（５６）が、ジェット排気ノズル（２２）の発散部（２８）の中に前記ガス流を放出するために配置されている、請求項１４に記載のジェット騒音低減装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音速ジェット排気によって発生する騒音を低減するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音速ジェット排気ノズルは、上流収束部および下流発散部を一般に含む。排気ガス流がノズルの幾何学的なスロート部として知られる最小断面積の位置で音速に到達するように、収束部は、亜音速の排気ガス流を膨張させ、加速する。ノズルの発散部は、スロート部から下流に位置し、さらに、排気ガス流を膨張させて、超音速まで加速する。
【０００３】
周囲空気団とノズル出口でノズルから出ていく超音速排気ガスとの間に圧力差があることで、圧縮および膨張の円錐形波、すなわち「マッハコーン（Mach cones）」を、ノズル出口の下流に形成される排気プルームに発生させる。プルームが周囲空気と均圧化するにつれて、マッハコーンは形成される。ジェット排気に生じるマッハコーンは、ジェット排気プルームに沿って下流に伝播される。マッハコーンは衝撃波を含んでおり、衝撃波は排気プルームと周囲空気との間の剪断層に影響を与え、かなりの騒音を発生させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、ジェットエンジンの排気プルームによって発生する騒音の大きさは、（他の要因の中でも）エンジンの排気ノズルの膨張状態によって、変化する可能性があり、それは、周囲空気団の圧力に対する排気プルームの圧力に決定的に影響を与える。ジェットエンジン排気ノズルは、理想的膨張状態、膨張不足状態、または過剰膨張状態の各状態をとり得る。膨張不足のノズルとは、ノズル出口面のジェットエンジン排気ガス圧が周囲大気圧より高くなるような形状のノズルである。対照的に、過剰膨張のノズルとは、ノズル出口面のジェットエンジンの排気ガス圧が、周囲大気圧より低くなるような形状のノズルである。完全に、または、理想的に膨張したノズルとは、ノズル出口面のジェットエンジンの排気ガス圧が周囲大気圧に等しくなるような形状のノズルであり、それによって、マッハコーンの形成を不可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
ジェット排気ガス流管におけるマッハコーンを弱めることによって、ジェット騒音を低減するための方法が提供される。マッハコーンは、排気ガス流管の長手方向軸心において、排気ガス流を調整することによって、弱められる。
【０００６】
さらに、ガス流調整器を備えたジェット騒音低減装置を提供しており、ガス流調整器の少なくとも一部は、ジェット排気ノズルの中心長手方向軸に沿って配置可能である。ガス流調整器は、ジェット排気ガス流管の長手方向軸心に沿ってガス流を調整することによって、ジェット排気ガス流管のマッハコーンを弱めるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】ジェット排気ノズルから出て、排気プルームを形成しているジェット排気ガス流の概略断面側図であり、発散部で生成し、ノズルの超音波部と排気プルームの中を下流に伝播するマッハコーンを示す。
【図２】図１に示すジェット排気ガス流とノズルの圧力勾配マップである。
【図３】排気ガス流の長手方向軸心に沿って、ノズルの発散部の中に圧縮空気を放出する多孔質管を備える、実質上プラグの形態をしたジェット騒音低減装置の例示的実施形態の概略断面側図である。
【図４】図３に示すジェット排気ガス流とノズルの圧力勾配マップである。
【図５】ジェット排気ガス流の長手方向軸心に沿って配備されるトランスピレーションエレメントが多孔質管の形態をしたジェット騒音低減装置の別の例示的実施形態の概略断面側図である。
【図６】図５に示すジェット排気ガス流とノズルの圧力勾配マップである。
【図７】ジェット排気ノズルの発散部に配置され、高エネルギーのガス流を排気ガスプルームの中心線に沿うように方向付ける２次的なサブノズルの形態をしたジェット騒音低減装置の別の例示的実施形態の概略断面側図である。
【図８】図７に示すジェット排気ガス流とノズルの圧力勾配マップである。
【図９】ジェット排気ガス流と２次サブノズルから出る高エネルギー流との間の相互作用を描写している図７で示す領域９の概略拡大図である。
【図１０】図５のジェット排気ガス流と、図５の多孔質管に出入りするトランスピレーション流（transpiration flow）との間の相互作用を描写している概略拡大図である。
【図１１】エンジンの排気ノズルの上流端でジェットエンジンのタービンハブコーンに取り付けられる図５のジェット騒音低減装置の切断図であり、タービンハブ内にある装置のリールに収納された多孔質管によるトランスピレーションエレメントを備えていることを示している。
【図１２】図１１で示す収納された多孔質管によるトランスピレーションエレメントの拡大切断図である。
【図１３】図５、図１１および図１２のジェットエンジン騒音低減装置の切断図であり、タービンハブの円錐の頂点にある開口部を通ってリールから配設される多孔質管のトランスピレーションエレメントを備える態様を示している。
【図１４】図１３の配備された多孔質管のトランスピレーションエレメントの拡大切断図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
前述の、および他の特徴並びに利点は、本発明の一つ以上の実施形態に関する以下で述べる詳細な説明および図面と関連づけることで、当業者には明らかになる。
【０００９】
図３および図４で符号１０が付されている装置は、ジェット排気プルーム内のマッハコーン衝撃波が排気プルームを囲む剪断層に影響を与えるときに発生される超音速の騒音を低減する装置である。第２の実施形態は、図５、図６および図１０から図１４において同装置が符号１０’と示されており、第３の実施形態は、図７から図９において同装置が１０”と示されている。符号（’）または二重符号（”）の記号の付いた参照番号は、他の実施形態に同様に現れる要素の代替構成を示す。特に明記しない限り、以下に示す説明の或る部分が図３および図４を参照するのに参照番号を使用している場合、説明の当該部分は、他の図の符号付きまたは二重符号付きの数字で示される要素に同様に適用される。
【００１０】
第１実施形態によれば、装置１０は、ジェット排気ガス流管１４の長手方向軸心領域１３に配置されることができるガス流調整器１２を含み得る。図３および図４に示すように、ガス流調整器１２は、図１から図４に示すような排気ガス流管１４の超音速部分に形成されるマッハコーン１６を弱めるような方法で、流管１４の長手方向軸心領域１３に沿ってガス流を調整するように配置され、構成され得る。マッハコーンは排気プルーム２０を囲む排気プルーム剪断層１８に影響を与えるので、マッハコーン１６を弱めることは、マッハコーン１６により発生される騒音の量を低減することになる。
【００１１】
本明細書では、用語「排気ガス流管」とは、ジェット排気ノズル２２を通って流管の排気ガスがノズル２２を出る所に形成された排気プルーム２０の中へ流れる排気ガス流を指す。図１および図２はそれぞれ、ガス流調整器１２のないジェット排気ノズル２２を出ている排気ガス流管１４の、視覚化した基準線および圧力画像を示す。
【００１２】
排気ガス流調整器１２は、トランスピレーションエレメント（transpiration element）２４を含んでいてもよく、トランスピレーションエレメント２４は、ジェット排気ノズル２２の中心長手方向軸２７に沿って配備されているので、ノズル２２の収束部３０および発散部２８両方のうちの少なくともそれぞれの部分を通過するようになっている。トランスピレーションエレメント２４は、流管１４がノズル２２の比較的高圧の収束部３０を通過する箇所である流管１４から、排出されるガスを受動的に吸収するように構成されることができ、さらに、流管１４がノズル２２の比較的低圧の発散部２８を通過する箇所である流管１４の中に、吸収した排気ガスを排出するように構成されることができる。
【００１３】
トランスピレーションエレメント２４は、可撓性を有する多孔質管２６を備えていてもよく、多孔質管２６は、ノズルの収束部３０の上流の孔３２を通って流管１４から排出されるガスを吸い込むことができ、吸い込んだ排気ガスをノズルの発散部２８の下流にある孔３４を経て流管１４の中に戻すように排出できる。あるいは、低エネルギー空気を、別の低エネルギー空気源２９から多孔質管２６の中に送り、多孔質管２６の下流にある孔３４に通すこともできる。この代替装置によれば、可撓性多孔質管２６の上流の孔３２は必要ではない。
【００１４】
いずれにせよ、可撓性多孔質管２６は、低エネルギー後流３６（換言すれば、周囲の排気プルーム２０より低いよどみ点圧を有する）を形成する様に下流の孔３４から排気ガスを排出することによって、「仮想プラグ」として働き得る。低エネルギー後流は、排気ガス流管１４が環状形状になるように排気ガス流管１４の軸心を変位させ、環形状部では排気ガス流管１４が排気ノズル２２の出口面３８を通過する。排気ノズル２２が過剰膨張である場合には、多孔質管２６は、低エネルギー後流３６を形成し空気を管の下流の孔３４から排出するように構成されていてもよく、低エネルギー後流３６が排気ガス流管１４を環状断面形状にする。環状断面形状は、ノズル出口面３８で理想的な膨張状態に匹敵する低効率断面出口面積、すなわち、理想的な膨張状態に十分に近い断面出口面積を有していて、所望する騒音水準の低減を実現できる程度にマッハコーンを弱める。可撓性多孔質管２６は、ＳｙｌｒａｍｉｃＴＭのＳｉＣファイバーまたは高温に耐えることができる他の任意の適切な可撓性材料を備えていてもよい。あるいは、多孔質管２６は、管を撓曲させることができる相互に接続されたセグメントに形成された任意の適切な非可撓性耐熱材料を備えていてもよい。
【００１５】
第２実施形態によれば、図５および図６に示すように、排気ガス流調整器１２’は、代替的にマッハコーンサイレンサ３９を含んでいてもよく、サイレンサ３９は、排気ガス流管１４’の長手方向軸心１３’に沿って展開可能である、より長いトランスピレーションエレメント（transpiration element）４０（すなわち、第１実施形態のトランスピレーションエレメント２４より長いトランスピレーションエレメント４０）を備えている。第１の実施形態における比較的短いトランスピレーションエレメント２４は、ノズルの中でのみガスを蒸散させるのに対し、長いトランスピレーションエレメント４０は、マッハコーン衝撃波１６を横切って（すなわち、対向する両側間の）圧力差を低減することによって、排気プルーム２０’でマッハコーン衝撃波１６を受動的に弱めるために、ノズル出口面３８を貫通し平面を越えて延在するように構成することができる。圧力差が低減されることで、ジェット排気プルーム２０’を囲む剪断層１８上における排気プルームマッハコーン１６の衝突の程度が対応して減少される。換言すれば、長いトランスピレーションエレメント４０は、いかなる入射波（圧縮または膨張）の反射強度も弱めるように構成される波形ロッドを模倣する方法でガスを受動的に吸入および排出し、それによって、排気プルームマッハコーン１６’を弱める。この実施形態は、膨張不足または過剰膨張のジェットプルームによる騒音を低減するために採用され得る。
【００１６】
図１０に最も良く示されているように、長いトランスピレーションエレメント４０は、排気ガス流管１４’の長手方向軸心１３’に沿って展開可能な長い可撓性多孔質管４２（すなわち、第１の実施形態の可撓性多孔質管２６より長い可撓性多孔質管４２）を備えていてもよい。長いトランスピレーションエレメント４０が長い多孔質管４２である場合には、プルーム排気ガスは、マッハコーン衝撃波１６’の比較的高い圧力部分５３に配置される管孔５２を通って長い多孔質管４２に引き込まれ得る。ガスは、マッハコーン衝撃波１６’の比較的低い圧力部分５５に配置される管孔５４を通って長い多孔質管から排気され得る。図１１から図１４に示すように、装置１０’は、リール４４を含んでいてもよく、リール４４は、エンジンタービンハブコーン４６の中に配置され、タービンハブコーン４６の頂点にある開口部４８を通して長い多孔質管４２を配備し、引き込むように構成され得る。図５、図６および図１３で最も良く示されているように、装置１０’は、ノズル出口面３８の後方におよそ３（２．５から４）のノズル直径で延在していれば好適である多孔質管４２を配備していてもよい。
【００１７】
第３実施形態によれば、また、図７から図９に示すように、排気ガス流調整器１２”は、多孔質管よりもむしろ２次的なサブノズル（secondary subjet）５６といった形態のマッハコーンサイレンサ３９”を含んでいてもよい。２次的なサブノズル５６は、排気ガス流管１４”の長手方向軸心１３”に沿ってジェット排気ノズル２２の発散部２８に高エネルギー（周囲の排気プルーム２０”より大きいよどみ点圧）で超音速の第２のガスプルーム５８を放出するように構成され得る。図９に最も良く示されているように、第２のガスプルーム５８に形成される第２のマッハコーン６０は、周囲の（主要な）排気プルーム２０”のマッハコーン１６”を弱め、主要なプルーム２０”を囲む剪断層１８”上での主要なプルームのマッハコーン１６”の衝突により騒音を低減する。
【００１８】
実際には、ジェット排気ガス流管１４の超音速流領域のマッハコーン衝撃波１６が流管１４のプルーム部を囲む剪断層１８に影響を与えるときに発生する騒音は、マッハコーン１６を弱める様に排気ガス流管１４の長手方向軸心領域の排気ガス流を調整することによって低減され得る。
【００１９】
図１および図２に示すように、排気プルームマッハコーン１６は、可撓性多孔質管２６などのトランスピレーションエレメント２４の形態をしたガス流調整器１２を配備することによって、形成の間受動的に弱められる、または排気ガスが中を流れている排気ノズル２２の中心長手方向軸２７に沿った位置に抑制される。トランスピレーションエレメント２４は、排気ノズル２２の収束（亜音速の）部３０からノズル２２の発散（超音速の）部２８の中に延在していて、受動的に、ノズル２２の収束部３０の流管１４から排気ガスを吸入して、ノズル出口面３８の上流でノズル２２の発散部２８に吸入したガスを排出するように構成されてもよい。ガスがトランスピレーションエレメント２４から排出されるようにすることで、低エネルギー後流３６または「仮想プラグ」がジェット排気ノズル２２の発散部２８の排気ガス流管１４の長手方向軸心１３に沿って発生する。低エネルギー後流３６が発生することで、後流が排気ガス流管１４の軸心１３を変位させ、排気ガス流管１４を、完全に膨張された状態の理想的な断面積に匹敵する低効率断面積を有する環状断面構成にさせる。完全に膨張された状態では、排気ガス流管１４が排気ノズル２２の出口面３８を通過する。
【００２０】
あるいは、図５、図６、および図１０から図１４に示すように、排気プルームマッハコーン１６’は、排気ガス流管１４’の長手方向軸心１３’に沿ってノズル出口面３８の後方におよそ３のノズル直径で延在していれば好適である長い可撓性多孔質管４２などの、より長いトランスピレーションエレメント４０を配備することによって、受動的に弱められてもよい。長いトランスピレーションエレメント４０は、マッハコーン衝撃波１６’を渡って圧力差を低減することによって、展開されている間、「マッハコーンサイレンサ」として働くように構成され得る。トランスピレーションエレメントは、ジェットエンジンが運転されていてかつジェット排気プルーム２０’が存在している間には配置されてもよく、排気ガス流管１４’によって支えられる場合にだけ、トランスピレーションエレメントが配置されるように、ジェットが運転停止される前に引き込まれてもよい。
【００２１】
図７から図９に示される代替物として、排気プルームのマッハコーン１６”は、ジェット排気ノズル２２の発散部２８に配置される、多孔質管ではなくサブノズル（subjet）５６の形態を有するマッハコーンサイレンサ３９”によって弱められてもよい。サブノズル５６は、排気ガス流管１４”の長手方向軸心１３”に沿って高エネルギーのガス流を放出して、主要な排気プルームマッハコーン１６”を弱めるサブノズルマッハコーン６０を有する幅の狭い第２の超音速プルーム５８を形成するように配置および構成されてもよい。
【００２２】
上述のように構成および採用されるジェット騒音低減装置は、ジェット排気プルームのマッハコーン形成によって発生する騒音を大幅に低減し、エンジン推力にはごくわずかな影響しか与えない。他の利点として、当該装置を装備するエンジンは、音低減装置を備えていない同じエンジンと比較して、所与の量の発生音に対してより多くの推力を発生させることができる。このように、騒音低減装置を備えている航空機は、騒音低減規制のある領域の未改良の航空機と比べてより良い性能のエンベロープを保持する。本開示の装置／方法を用いることによって、エンジンは、優れた性能のエンベロープを有するように設計されることができ、そうしない場合には、容認できない水準の騒音を発生させることになる。
【００２３】
本説明は、発明の制限事項を説明するものではなく、特許請求の範囲に記載されている本発明の実施形態を説明するものである。したがって、本説明の用語は、専ら記述的であって非限定的である。本発明を説明が教示するものから修正することが可能であることは明白である。特許請求の範囲内で、上記で説明したもの以外の本発明を実施することができる。
【図１】
2013245686.tif 000003
【図３】
2013245686.tif 000004
【図５】
2013245686.tif 000005
【図７】
2013245686.tif 000006
【図９】
2013245686.tif 000007
【図１０】
2013245686.tif 000008
【図１１】
2013245686.tif 000009
【図１２】
2013245686.tif 000010
【図１３】
2013245686.tif 000011
【図１４】
2013245686.tif 000012
【図２】
2013245686.tif 000013
【図４】
2013245686.tif 000014
【図６】
2013245686.tif 000015
【図８】
2013245686.tif 000016