(57)【要約】【課題】騒音低減のための突起部を有するジェット噴流ノズルにおいて、騒音低減効果を維持しつつプレス成形で形成可能とする。【解決手段】噴射端側の縁領域の一部がノズル中心に向けて突出されることにより形成される突起部を有する環状のジェット噴流ノズルであって、突起部は、ジェット噴流の流れ方向にて上流側から下流側に向かうに連れてノズル中心に近づく尾根部と、ジェット噴流ノズルの周方向にて突起部の外部領域と尾根部とを接続すると共に外部領域に対して湾曲して接続される側壁部と、を有し、ジェット噴流の流れ方向から見て、側壁部の外部領域との接続部分の曲率半径が噴射端から上流側に向かうに連れて増加する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
噴射端側の縁領域の一部がノズル中心に向けて突出されることにより形成される突起部を有する環状のジェット噴流ノズルであって、
前記突起部は、ジェット噴流の流れ方向にて上流側から下流側に向かうに連れて前記ノズル中心に近づく尾根部と、ジェット噴流ノズルの周方向にて前記突起部の外部領域と前記尾根部とを接続すると共に前記外部領域に対して湾曲して接続される側壁部と、を有し、
前記ジェット噴流の流れ方向から見て、前記側壁部の前記外部領域との接続部分の曲率半径が前記噴射端から前記上流側に向かうに連れて増加する
ことを特徴とするジェット噴流ノズル。
【請求項２】
前記ジェット噴流の流れ方向にて、前記尾根部の上流側端部と前記突起部の外部領域との間にも前記側壁部が設けられていることを特徴とする請求項１記載のジェット噴流ノズル。
【請求項３】
前記突起部は、ジェット噴流が噴射される側から見て、前記ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲することにより、ジェット噴流ノズルの径方向での前記混合層における流体の速度勾配を緩やかにすることを特徴とする請求項１または２記載のジェット噴流ノズル。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか一項に記載のジェット噴流ノズルを備えることを特徴とするジェットエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジェット噴流ノズル及びジェットエンジンに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、特許文献１や特許文献２に開示されているように、近年、ジェット噴流ノズルから噴射されるジェット噴流に起因する騒音を低減するため、周方向に複数の突起部が配列されたジェット噴流ノズルが用いられている。特許文献１には、ジェット噴流と外部気流との混合層を大きな突起部によって撹拌することによって、ジェット噴流と外部気流との混合を促進し、騒音の主たる原因となる大きな渦流の発生を抑制する構成が開示されている。また、特許文献２には、上記混合層を小さな突起部によって湾曲することによって、混合層の見かけ上の厚みを増やして混合層における流体の速度勾配を緩やかにし、渦流の成長を抑える構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１７２２０５号公報
【特許文献２】国際公開第２０１１／１２５２４８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１及び特許文献２における突起部は、ジェット噴流ノズルの噴射端側の縁領域の一部がノズル径方向に突出されることによって形成されている。また、これらの突起部は、突起部の周囲の面に対して屈曲して接続されている。このような突起部を有するジェット噴流ノズルを民間航空機等に用いる場合には、大量生産を行う必要から、プレス成形によって形成されることが望ましい。しかしながら、プレス成形でジェット噴流ノズルを形成しようとすると、急激な角度変化を生じる屈曲部を形成することは難しく、割れや歪みが生じやすくなるため、歩留まりが悪化することになる。一方で、急激な角度変化が生じないように突起部と周囲の面との接続箇所の全てを緩やかに湾曲させて接続すると、突起部の形状の自由度が低下し、騒音低減効果を図るために必要とされる形状を得られなくなる。
【０００５】
本発明は、上述する問題点に鑑みてなされたもので、騒音低減のための突起部を有するジェット噴流ノズルにおいて、騒音低減効果を維持しつつプレス成形で形成可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するための手段として、以下の構成を採用する。
【０００７】
第１の発明は、  噴射端側の縁領域の一部がノズル中心に向けて突出されることにより形成される突起部を有する環状のジェット噴流ノズルであって、上記突起部が、ジェット噴流の流れ方向にて上流側から下流側に向かうに連れて上記ノズル中心に近づく尾根部と、ジェット噴流ノズルの周方向にて上記突起部の外部領域と上記尾根部とを接続すると共に上記外部領域に対して湾曲して接続される側壁部と、を有し、上記ジェット噴流の流れ方向から見て、上記側壁部の上記外部領域との接続部分の曲率半径が上記噴射端から上記上流側に向かうに連れて増加するという構成を採用する。
【０００８】
第２の発明は、上記第１の発明において、上記ジェット噴流の流れ方向にて、上記尾根部の上流側端部と上記突起部の外部領域との間にも上記側壁部が設けられているという構成を採用する。
【０００９】
第３の発明は、上記第１または第２の発明において、上記突起部が、ジェット噴流が噴射される側から見て、上記ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲することにより、ジェット噴流ノズルの径方向での上記混合層における流体の速度勾配を緩やかにするという構成を採用する。
【００１０】
第４の発明は、ジェットエンジンであって、上記第１〜第３いずれかの発明であるジェット噴流ノズルを備えるという構成を採用する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、突起部が、噴射端に向けてノズル中心に近づく尾根部と、尾根部を突起部が形成されていない領域（外部領域）に接続する側壁部とを有している。さらに、側壁部が外部領域に対して湾曲して接続されると共に、側壁部の外部領域との接続部分の曲率半径が噴射端から上流側に向かうに連れて増加している。このような形状の突起部では、噴射端における側壁部の外部領域との接続部分の曲率半径が最も小さく設定されていることから、噴射端における突起部の突出量を十分に大きくすることができ、高い騒音低減効果を維持することができる。一方で、騒音低減への寄与が少なくなる噴射端よりも奥側（上流側）においては、側壁部の外部領域との接続部分の曲率半径が大きくなり、突起部と外部領域とを緩やかに湾曲して接続することができる。このため、プレス成形にて容易に突起部を形成することが可能となる。したがって、本発明によれば、騒音低減のための突起部を有するジェット噴流ノズルにおいて、騒音低減効果を維持しつつプレス成形で形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルを備えるジェットエンジンの概略構成を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルをジェット噴流が噴射される側から見た図であり、（ａ）がジェット噴流ノズルの全体を示す図であり、（ｂ）が（ａ）の領域Ａを拡大した拡大図である。
【図３】本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルが備える突起部の形状を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が平面図であり、（ｃ）が正面図である。
【図４】（ａ）が本発明の一実施形態におけるジェット噴流ノズルが備える突起部突起部の側断面図であり、（ｂ）が（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、（ｃ）が（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、（ｄ）が（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、図面を参照して、本発明に係るジェット噴流ノズル及びジェットエンジンの一実施形態について説明する。なお、以下の図面において、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００１４】
図１は、本実施形態のジェットエンジン１０の概略構成を示す断面図である。この図に示すように、本実施形態のジェットエンジン１０は、ファン２０と、圧縮機３０と、燃焼器４０と、タービン５０と、ジェット噴流ノズル６０とを備えている。これらのファン２０と、圧縮機３０と、燃焼器４０と、タービン５０と、ジェット噴流ノズル６０とが空気の流れ方向に配列されている。
【００１５】
ファン２０は、外部からジェットエンジン１０の内部に空気を取り込むためのものであり、後段に配置されるタービン５０から動力が伝達されることによって駆動される。圧縮機３０は、ファン２０によって取り込まれた空気を圧縮するものであり、ファン２０と同様に後段に配置されるタービン５０から動力が伝達されることによって駆動される。燃焼器４０は、圧縮機３０によって圧縮された空気と燃料とを燃焼することによって高温高圧ガスを生成するものである。タービン５０は、燃焼器４０から供給される高温高圧ガスのエネルギの一部を回転動力に変換するものであり、ファン２０及び圧縮機３０に物理的に接続されている。ジェット噴流ノズル６０は、タービン５０を介して供給される高温高圧ガスをジェット噴流として外部に噴射するものである。
【００１６】
図２は、ジェット噴流ノズル６０をジェット噴流が噴射される側から見た図であり、（ａ）がジェット噴流ノズル６０の全体を示す図であり、（ｂ）が（ａ）の領域Ａを拡大した拡大図である。また、図３は、ジェット噴流ノズル６０を含む拡大斜視図である。
【００１７】
図２（ａ）に示すように、本実施形態におけるジェット噴流ノズル６０は、ノズル出口端６１（噴射端）を有する円環状の部材であり、上流側がジェットエンジン１０のケーシングに固定されている。このジェット噴流ノズル６０の下流側の開口端がノズル出口端６１とされている。
【００１８】
このようなジェット噴流ノズル６０のノズル出口端６１側の縁領域には、当該縁領域の一部がノズル中心Ｏに向けて突出されることによって形成される突起部１が設けられている。この突起部１は、ノズル出口端６１の周方向に等間隔で複数配列されている。
【００１９】
突起部１は、ジェット噴流が噴射される側から見て、ジェット噴流と外部気流（ジェット噴流ノズル６０の外側から流れてくる外気の流れ）との境界領域に形成される混合層を湾曲（図４参照）することにより、混合層における流体の速度勾配が大きくなることを妨げるものである。より詳細には、突起部１が存在しない場合には、混合層の形状は、ノズル出口端６１と同様に円形となるが、突起部１が存在することによって、突起部１周り部位が当該円周から円形の内側に入り込むように湾曲する。突起部１によって混合層が湾曲されることによって、ジェット噴流が噴出される側から見た混合層が見かけ上厚くなる。このようにジェット噴流が噴出される側から見た混合層が厚くなることにより、突起部１が存在せずに混合層が湾曲しない場合と比較して、混合層における速度勾配が緩やかとなる。このように混合層における速度勾配が緩やかとなることによって、混合層における剪断力が低減し、騒音を低減することができる。
【００２０】
続いて、突起部１の形状について図３及び図４を参照して説明する。図３は、突起部１の形状を示す模式図であり、（ａ）が斜視図であり、（ｂ）が平面図であり、（ｃ）が正面図である。また、図４（ａ）は、突起部１の側断面図である。また、図４（ｂ）が図４（ａ）のＡ−Ａ断面図であり、図４（ｃ）が図４（ａ）のＢ−Ｂ断面図であり、図４（ｄ）が図４（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。
【００２１】
これらの図に示すように、突起部１は、尾根部１ａと、側壁部１ｂとを有する形状とされている。なお、図３において、尾根部１ａはグレー状に塗りつぶされた領域で示された部位ある。また、図３において、側壁部１ｂは、突起部１の形成範囲であって白抜きとされた領域で示された部位である。この突起部１の最も下流側の縁は、ジェット噴流ノズル６０の周方向から見て、ジェット噴流ノズル６０の下流端とジェットエンジン１０のセンターボディ（テールコーン）とを最短で繋ぐ面に沿って形成されている。
【００２２】
尾根部１ａは、ジェット噴流の流れ方向にて上流側から下流側に向かうに連れてノズル中心Ｏに近づく直線状の部位である。この尾根部１ａは、図４に示すように、突起部１の外部領域Ｍ（ジェット噴流ノズル６０の突起部１が設けられていない領域）に対して角度α（傾斜角度）で傾斜している。つまり、このような尾根部１ａは、ノズル出口端６１に近づくに連れて、外部領域Ｍからの突出量が増すように角度αにて傾斜されている。
【００２３】
側壁部１ｂは、ジェット噴流ノズル６０の周方向にて外部領域Ｍと尾根部１ａとを接続する部位である。この側壁部１ｂは、外部領域Ｍに接続される湾曲部１ｂ１と、湾曲部１ｂ１と尾根部１ａとを接続する平面部１ｂ２とを有している。
【００２４】
湾曲部１ｂ１は、側壁部１ｂの外部領域Ｍとの接続部分である。本実施形態において、湾曲部１ｂ１の曲率半径は、ノズル出口端６１から上流側に一定の距離に亘って、ノズル出口端６１から上流側に向かうに連れて増加する。つまり、本実施形態において湾曲部１ｂ１は、ノズル出口端６１から上流側に向かうに連れて、湾曲の程度が緩やかになっている。
【００２５】
また、例えば図４（ａ）に示すように、ジェット噴流の流れ方向にて、尾根部１ａの上流側端部と外部領域Ｍとの間にも、湾曲部１ｂ１が設けられている。つまり、本実施形態においては、尾根部１ａの上流側端部と外部領域Ｍとの間にも側壁部１ｂが設けられている。本実施形態においては、尾根部１ａの上流側端部と外部領域Ｍとの間に設けられた湾曲部１ｂ１の曲率半径が最も大きく、平面部１ｂ２が設けられている範囲では、湾曲部１ｂ１の曲率半径が一定とされている。また、平面部１ｂ２が設けられていない範囲では、湾曲部１ｂ１の曲率半径がノズル出口端６１に向かうに連れて連続的に減少していく。
【００２６】
また、図３及び図４に示すように、平面部１ｂ２は、ノズル出口端６１側においてのみ設けられており、尾根部１ａの上流側には設けられていない。これは、平面部１ｂ２が湾曲部１ｂ１と尾根部１ａとが直接接続できない場合のみに設けられる領域であるためである。つまり、本実施形態においては、上述のようにノズル出口端６１から上流側に向かうに連れて、湾曲部１ｂ１の湾曲の程度が緩やかになる。このため、ジェット噴流ノズル６０の周方向における湾曲部１ｂ１の長さが、ノズル出口端６１から上流側に向かうに連れて徐々に長くなり、尾根部１ａの上流側では湾曲部１ｂ１と尾根部１ａとを直接接続することができるようになる。
【００２７】
以上の本実施形態のジェットエンジン１０及びジェット噴流ノズル６０では、突起部１が、ノズル出口端６１に向けてノズル中心Ｏに近づく尾根部１ａと、尾根部１ａを突起部１が形成されていない領域（外部領域Ｍ）に接続する側壁部１ｂとを有している。さらに、側壁部１ｂが外部領域Ｍに対して湾曲して接続されると共に、側壁部１ｂの外部領域Ｍとの接続部分（湾曲部１ｂ１）の曲率半径がノズル出口端６１から上流側に向かうに連れて増加している。
【００２８】
このような形状の突起部１では、ノズル出口端６１における側壁部１ｂの外部領域Ｍとの接続部分の曲率半径が最も小さく設定されていることから、ノズル出口端６１における突起部１の突出量を十分に大きくすることができ、高い騒音低減効果を維持することができる。一方で、騒音低減への寄与が少なくなる奥側（上流側）においては、側壁部１ｂの外部領域Ｍとの接続部分の曲率半径が大きくなり、突起部１と外部領域Ｍとを緩やかに湾曲された湾曲面を介して接続することができる。このため、プレス成形にて容易に突起部１を形成することが可能となる。したがって、本実施形態のジェットエンジン１０及びジェット噴流ノズル６０によれば、騒音低減効果を維持しつつプレス成形で形成することができる。
【００２９】
また、本実施形態のジェットエンジン１０及びジェット噴流ノズル６０によれば、ジェット噴流の流れ方向にて、尾根部１ａの上流側端部と外部領域Ｍとの間にも側壁部１ｂが設けられている。このため、尾根部１ａと外部領域Ｍとを緩やかに湾曲する湾曲面を介して接続することができ、ジェット噴流ノズル６０をプレス成形で形成することがより容易となる。
【００３０】
また、本実施形態のジェットエンジン１０及びジェット噴流ノズル６０では、突起部１は、ジェット噴流が噴射される側から見て、ジェット噴流と外部気流との混合層を湾曲することにより、ジェット噴流ノズルの径方向での混合層における流体の速度勾配を緩やかにする。したがって、本実施形態のジェットエンジン１０及びジェット噴流ノズル６０によれば、プレス成形で形成することが可能な構造にて、混合層を湾曲させることにより騒音の低減を図ることができる。
【００３１】
なお、上述した突起部１の形状を設計する場合には、例えばノズル出口端６１での突起部１の形状は、ジェットエンジンの排気ノズル径や推力などから決定される。例えば、ノズル出口端６１の直径が６００ｍｍの場合を例示すると、突起部１のノズル出口端６１での高さ（突出量）は、ノズル出口端６１の直径の１．５％以上、３．５％以下であることが好ましく、さらには、２％以上、２．５％以下であることがより好ましい。尾根部１ａの外部領域Ｍに対する角度αは、１０°以上、２５°以下であることが好ましく、さらには、１５°以上、２０°以下であることがより好ましい。また、尾根部１ａの上流側端部を中心とする突起部１の開き角度（尾根部１ａの上流側端部とノズル出口端６１における突起部１と外部領域Ｍとの接続箇所の一方とを接続する線分と、尾根部１ａの上流側端部とノズル出口端６１における突起部１と外部領域Ｍとの接続箇所の他方とを接続する線分との角度）は、５０°以上、７０°以下であることが好ましく、さらには、５５°以上、６５°以下であることがより好ましい。
【００３２】
また、尾根部１ａの内側の曲率半径は、プレス加工時に素材が破断しない最小の値に設定する。具体的には、１ｍｍ以上、６ｍｍ以下であることが好ましい。また、ノズル出口端６１における湾曲部１ｂ１の曲率半径は、例えば、突起部１のノズル出口端６１での高さの３０％以上、５０％以下であることが好ましく、さらには３５％以上、４５％以下であることがより好ましい。
【００３３】
平面部１ｂ２が設けられている領域における湾曲部１ｂ１の曲率半径は、ノズル出口端６１から上流側に向かうにしたがって、ノズル出口端６１における湾曲部１ｂ１の曲率半径の４倍から７倍に徐々に拡大することが好ましく、さらには、５．５倍から６．５倍に徐々に拡大することがより好ましい。また、平面部１ｂ２が設けられている領域のジェット噴流の流れ方向における長さは、尾根部１ａの長さの４０％から６０％が好ましく、さらには、４５％から５５％であることがより好ましい。また、平面部１ｂ２が設けられていない領域での湾曲部１ｂ１の曲率半径は、平面部１ｂ２が設けられている領域における湾曲部１ｂ１の曲率半径よりも大きいことを前提として、ノズル出口端６１における湾曲部１ｂ１の曲率半径の４倍から７倍が好ましく、さらには、５．５倍から６．５倍であることが好ましい。
【００３４】
ジェット噴流ノズル６０の周方向から見て、ジェット噴流ノズル６０の下流端とジェットエンジン１０のセンターボディとを最短で繋ぐ面に沿って形成された突起部１の外部領域Ｍに対する傾斜角度は、例えば７０°以上、１００°以下であることが好ましく、さらには８０°以上、９０°以下であることがより好ましい。
【００３５】
以上、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。
【００３６】
例えば、上記実施形態における突起部１の数は一例であり、突起部１の数を変更することも可能である。また、上記実施形態では、突起部１によって混合層を湾曲することによって騒音の低減を図るジェット噴流ノズル６０に本発明を適用した例について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、混合層を撹拌することによって騒音の低減を図るジェット噴流ノズルに適用することも可能である。
【符号の説明】
【００３７】
１……突起部、１ａ……尾根部、１ｂ……側壁部、１ｂ１……湾曲部、１ｂ２……平面部、１０……ジェットエンジン、２０……ファン、３０……圧縮機、４０……燃焼器、５０……タービン、６０……ジェット噴流ノズル、６１……ノズル出口端、Ｍ……外部領域、Ｏ……ノズル中心
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図３】
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