(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
径方向内側を高速で流れる主流と径方向外側を低速で流れる二次流とを混合して排気ジェット騒音の低減を図るためのガスタービン用のローブミキサであって、
該ローブミキサは、横断面が波形形状のローブ部と、該ローブ部の上流端を支持する台座部と、を備え、
主流が流れ上流側から下流側に向かって径が漸増する主流流路部と二次流が流れる二次流流路部が周方向に交互に連続して円形をなし、
主流流路部の外周と前記台座部とを連結する流線形の補強材が設けられており、該補強材は、前記主流流路部の外周端を、該外周端の上流側端部から下流側端部にわたって覆い、且つ上流側から下流側に向かってローブミキサの中心軸方向に向かう勾配を有する成形板からなる、ことを特徴とするガスタービン用のローブミキサ。
【請求項２】
前記主流は圧縮機、燃焼器およびタービンを通るコア流であり、前記二次流はこれらをバイパスするバイパス流であって、前記ローブミキサは、タービンの出口下流側に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用のローブミキサ。
【請求項３】
前記主流は圧縮機、燃焼器およびタービンを通るコア流とこれらをバイパスするバイパス流との混合流であり、前記二次流は大気中から排気ノズル内部に取り入れた外気流であって、前記ローブミキサは、排気ノズル内部に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用のローブミキサ。
【請求項４】
前記主流は、圧縮機、燃焼器およびタービンを通る燃焼ガス流であり、前記二次流は大気中から排気ノズル内部に取り入れた外気流であって、前記ローブミキサは、排気ノズル内部に配置される、ことを特徴とする請求項１に記載のガスタービン用のローブミキサ。
【請求項５】
前記二次流は、該成形板の表面に沿って滑らかに流れる、ことを特徴とする請求項１乃至４に記載のローブミキサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ジェット航空機等のガスタービンに使用される排気ジェット騒音の低減を目的として用いられるガスタービン用のローブミキサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ジェット航空機等のガスタービンエンジンが発生する騒音は重大な環境問題であり、その低減が切に望まれている。排気ジェット騒音は、エンジンの排気と外部空気との速度差によって生じる乱流や衝撃波およびそれらの干渉が主な発生原因となっている。
【０００３】
基本的に排気ジェットによる騒音の音響出力は、ジェット速度［m/s］の８乗に比例するため、ジェット速度が大きくなるにつれて騒音が急激に大きくなる。そのため低バイパス比のガスタービンエンジンでは、推力を生成する排気ジェットの発生する騒音が最も大きい騒音源であり、高バイパス比のターボファンエンジンでもファンの発生する騒音に次いで大きなものとなっている。
【０００４】
飛行時には排気ジェットと外部空気との速度差が減じることなどにより全音響出力は低下するが、各方向の低下量は一様ではなく、排気軸方向では大きく低減する一方、前方に行くに従い低下量は少なくなる。ジェット騒音を減じる方法としては、ある程度のスラスト（推力）を犠牲にした分割ノズルや固体壁を用いる方法や高温ガスでジェットをシールドする方法なども考えられるが、最も効果があるのは排気ジェットの速度を減じる方法である。
【０００５】
そこでガスタービンなどでは、主流と二次流とを混合することによって主流速度を減じ、排気ノズルから噴射される排気ジェットの速度分布を全体として均一化することで排気ジェット騒音の低減を図るローブミキサ（混合器）を装備することが多い。
【０００６】
図４にターボファンエンジンのコア流（主流）とバイパス流（二次流）との混合を促進するために従来から用いられているローブミキサの具体的な形状を示した。このローブミキサ２０は、横断面が波形形状の薄板材からなるローブ部６とローブ部の上流端を支持する台座部８とを備えている。またローブ部６は、コア流を周方向外側へ導く下流側の径が漸増する主流流路部となる複数の拡径部１２ａと、バイパス流を周方向内側へ導く下流側の径が漸減する二次流流路部となる複数の縮径部１２ｂとを有し、かつ、拡径部および縮径部が交互に連続して現れて円形に形成されている。このローブミキサはタービン下流側のコア流とバイパス流との合流箇所に配置され、その下流の循環域においてバイパス流とコア流とを攪拌・混合し、コア流のジェット速度を減じて騒音の低減を図るようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述したローブミキサは、軽量化の目的から薄板材によって構成されているため、ローブ部に変形を生じやすいといった問題があった。すなわち、ローブ部には、熱膨張や温度分布の径方向不均一に起因する熱応力や、コア流とバイパス流との差圧が作用するため変形を生じやすかった。さらにローブ部はその形状から共振などの振動を伴いやすいといった問題があった。
これらの変形や振動の問題を解決すべく近年では、縮径部の内周端を連結する円環や、隣接する拡径部を連結するストラットなどの補強材を取り付けた補強構造を有するローブミキサも発案されている。
【０００８】
しかしながらこのような円環やストラットを用いた補強構造は、ローブ部の変形を防止する上では有効なものの、補強材がガス流を乱す結果エネルギの損失を招き、また、ローブミキサの騒音低減効果を低下させていた。さらに従来の補強構造では、ローブ部の温度分布の径方向不均一を解消することはできず、高い熱応力が未だにローブ部及び補強材に作用するといった問題があった。
【０００９】
本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、流体のエネルギ損失が少なく、ローブ部の変形の発生や共振現象も回避可能な補強材を用いたガスタービン用のローブミキサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、径方向内側を高速で流れる主流と径方向外側を低速で流れる二次流とを混合して排気ジェット騒音の低減を図るためのガスタービン用のローブミキサであって、
該ローブミキサは、横断面が波形形状のローブ部と、該ローブ部の上流端を支持する台座部と、を備え、主流が流れ上流側から下流側に向かって径が漸増する主流流路部と二次流が流れる二次流流路部が周方向に交互に連続して円形をなし、主流流路部の外周と前記台座部とを連結する流線形の補強材が設けられており、該補強材は、前記主流流路部の外周端を、該外周端の上流側端部から下流側端部にわたって覆い、且つ上流側から下流側に向かってローブミキサの中心軸方向に向かう勾配を有する成形板からなる、ことを特徴とするガスタービン用のローブミキサが提供される。なお、主流流路部とはローブ部の内周側に位置する空間を指し、二次流流路部とはローブ部の外周側に位置する空間を指すものである。
【００１２】
上記構成のローブミキサによれば、主流に対して速度の遅い二次流側に流線型の補強材を設けることで、薄板状のローブ部の剛性を高めてその変形を防止し、従来の円環やストラットを用いた補強構造と比して、ガス流に生じる乱れを減少させてエネルギの損失や騒音低減効果の低下を最小限に抑えることができる。さらに、補強材を設けることでローブ部の共振振動が発生する固有振動数領域を回避することが可能となるため、共振現象によるローブミキサの破損なども防止することができる。
また、成形板によって主流流路部の外周端を覆った状態でこれを支持することにより、高温の主流はローブ部内周側を流れ、低温の二次流は成形板の外周側を流れるため、従来のローブミキサで問題となっていたローブ部の内外周側の温度差による熱応力を低減することができる。
また、下流側の径が漸増する主流流路部の外周に上流側から下流側に向かって中心軸方向に向かう勾配を有する成形板を取り付けると、主流流路部と成形板との間には空気層が形成されるため、この空気層によってローブ部の温度分布をより一層均一化することができる。さらに、成形板により二次流はこの勾配に沿って中心軸方向に滑らかに導かれることで整流される。
【００１３】
ここで本発明のガスタービン用のローブミキサは、▲１▼タービンの出口下流側に配置され、コア流（高速、高圧）とバイパス流（中低速、中圧）とを混合するもの、▲２▼排気ノズル内部に配置され、コア流とバイパス流との混合流（高中速、高中圧）と大気中から排気ノズル内部に取り入れた外気流（低速、低圧）とを混合するもの、▲３▼排気ノズル内部に配置され、圧縮機、燃焼器およびタービンを通る燃焼ガス流（高速、高圧）と大気中から排気ノズル内部に取り入れた外気流（低速、低圧）とを混合するもの、のいずれとしても用いることができる。
【００１４】
ここで特に径方向内周側を流れる主流と径方向外周側を流れる二次流との差圧が大きい場合、すなわち上記▲２▼▲３▼の場合には、その差圧によって拡径部には径方向外側に拡大させようとする大きな力が作用する。そのため、補強材により拡径部を支持・補強することは、拡径部の変形を効果的に防止する上で非常に有用である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１９】
図１は第１実施例のガスタービンの縦断面図である。このガスタービン１は、空気を取り入れるファン２２、取り入れた空気を圧縮する圧縮機２３、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器２４、燃焼器の燃焼ガスによりファン２２および圧縮機２３を駆動するタービン２５、排気ノズル２６、等を備えている。
【００２０】
またガスタービンの内部は、径方向内側にコア流が、径方向外周側にバイパス流が流れるように、コア流とバイパス流の間が第１円筒状隔壁２７により仕切られている。
【００２１】
ファン２２によりガスタービン１の内部に取り入れられた空気は、圧縮機２３、燃焼器２４及びタービン２５を通るコア流２ａと、これらをバイパスするバイパス流４ａとに分岐される。コア流２ａは燃料と混合され燃焼器２４で燃焼されて高圧の燃焼ガスとなって下流側のタービン２５を駆動し、その後タービンの出口下流に位置する第１円筒状隔壁２７の下流端に設けられたローブミキサ１０（以下「第１ローブミキサ１０ａ」と呼ぶ。）においてバイパス流４ａと合流する。
【００２２】
図２に第１ローブミキサの製作段階における斜視図を示した。この第１ローブミキサ１０ａは、横断面が波形形状の薄板材からなるローブ部６と、ローブ部６の上流端を支持し第１円筒状隔壁２７（図１参照）に連結する台座部８等から構成されている。ローブ部６は、下流側の径が漸増する複数の拡径部１２ａ（主流流路部）と、下流側の径が漸減する複数の縮径部１２ｂ（二次流流路部）とからなり、拡径部１２ａおよび縮径部１２ｂは周方向に交互に連続して現れて円形をなしている。
【００２３】
かかる構成は従来のローブミキサと同様であり、拡径部１２ａと縮径部１２ｂによりコア流２ａとバイパス流４ａとを周方向に交互に噴出して混合することで、主流速度の低下による排気ジェット騒音の低減が図られる。
【００２４】
またこの第１ローブミキサ１０ａには、拡径部１２ａの外周端を覆い、拡径部と台座部８とを連結する成形板１８が補強材として取り付けられる。また図２に示すように成形板１８は、拡径部１２ａ（主流流路部）の外周端を、この外周端の上流側端部から下流側端部にわたって覆い、且つ上流側から下流側に向かってローブミキサの中心軸方向に向かう勾配を有する。なおこの図はローブミキサの製作段階を表しており、最終的にはすべての拡径部１２ａの外周端に成形板１８が取り付けられる。
【００２５】
成形板１８は、例えば溶接、ロウ付け、インローなどの方法によって拡径部１２ａの外周端にしっかりと取り付けられ、薄板状のローブ部の剛性を高めてその変形を防止する。また成形板１８は、その肉厚や大きさ等を適切に選択することでローブ部の固有振動数を変化させて、ガスタービン運転中の共振現象の発生を回避することができる。
【００２６】
なおこの成形板１８は、バイパス流４ａ側に設けられ、かつ、曲面板によって流線形に成形されていることから、流体に与える影響が非常に小さく、流体のエネルギ損失や騒音低減効果の低下も非常に少ない。
【００２７】
すなわちバイパス流はコア流に比べて速度が遅いため、バイパス流４ａ側に設けられた成形板１８は、従来の高速に流れるコア流中に露出したリングによる補強構造に比べて流体に与える影響が少ない。またこの成形板は、隣接するローブを単に連結するストラットによる補強構造のごとくガス流中に突出するものでもないため、ガス流にほとんど影響を与えることもない。
【００２８】
図３に第２実施例のガスタービンのタービン後方部分の縦断面図を示す。この図においてタービンの前方部分は図１に示したガスタービンと同様であるため省略してある。
【００２９】
本実施例に用いられるローブミキサ１０（以下「第２ローブミキサ１０ｂ」と呼ぶ。）は、排気ノズル２６内に配置され、タービン内部を流れる内部流（コア流２ａとバイパス流４ａとの混合流２ｂ）に、大気中から取り入れた外気流４ｂを混合するために用いられるものである。
【００３０】
図３に示したようにこのガスタービンには、ガスタービン外周面において開口し大気中の空気（外気流４ｂ）をガスタービン内部に取り入れる導入路３２が設けられている。また、第１ローブミキサ１０ａの下流近傍から排気ノズル２６入口までの間には、その内径を徐々に縮小する第２円筒状隔壁３４が形成されている。第２円筒隔壁３４は、内周側に混合流２ｂが、外周側に外気流４ｂが流れるようにガスタービン内部を仕切っている。
【００３１】
第２円筒状隔壁３４の下流端に設けられた第２ローブミキサは、既述の第１ローブミキサ１０ａと近似した形態を有しており、横断面が波形形状の薄板材からなるローブ部６と、ローブ部の上流端を支持し第２円筒状隔壁３４に連結する台座部８とから構成されている（図２参照）。
【００３２】
ローブ部６は、下流側の径が漸増する複数の拡径部１２ａと下流側の径が漸減する複数の縮径部１２ｂとからなり、拡径部１２ａおよび縮径部１２ｂは周方向に交互に連続して現れて円形をなしている。
さらに拡径部１２ａには、その外周端を覆い、拡径部と台座部とを連結する成形板１８が取り付けられている。
【００３３】
拡径部１２ａによって径方向外側へ導かれた混合流２ｂは、縮径部１２ｂによって径方向内側へ導かれて外気流４ｂと効率的に混合されるため、排気ジェット騒音の低減が達成される。
また第２ローブミキサ１０ｂの拡径部１２ａに取り付けられた成形板１８は拡径部を補強して、ローブミキサ１０ｂの変形を防ぐことができる。特に高圧の内部流と低圧の外気流の混合を目的とした本ローブミキサにおいては、ローブミキサ内周側と外周側との圧力差が大きく、拡径部１２ａに変形を生じやすいため成形板による補強は有効である。
【００３４】
ここで成形板１８は内部流に比して速度の遅い外気流側に設けられ、かつ、曲面板によって流線形に成形されていることから、流体に与える影響が非常に小さく、エネルギ損失や騒音低減効果の低下を最小限に抑えることができる。
さらに、成形板を取り付けることによって、ローブ部の固有振動数を変化させて、共振現象の発生を回避することができる。
【００３５】
なお、本実施例の第１ローブミキサおよび第２ローブミキサは、それぞれ単独で使用してもよいし、共に使用することもできる。
【００３６】
本発明は上述した実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。例えば、拡径部の外周端を部分的に覆い、拡径部の下流端から一定の距離を隔てた外周と台座部とを連結する補強材を用いることもできる。また、内部流と外部流とを混合するローブミキサにおいてはこのローブミキサを外部に露出して設置することもできる。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように本発明によれば、流体のエネルギ損失をほとんど伴うことなくローブ部を補強してその変形を防止し、またその共振現象の発生も回避可能なガスタービン用のローブミキサが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１実施例のローブミキサを備えたガスタービンの縦断面図である。
【図２】  本発明のガスタービン用のローブミキサの斜視図である。
【図３】  第２実施例のローブミキサを備えたガスタービンの部分縦断面図である。
【図４】  従来のガスタービン用のローブミキサの斜視図である。
【符号の説明】
１  ガスタービン
２  主流
２ａ  コア流
２ｂ  混合流
４  二次流
４ａ  バイパス流
４ｂ  外気流
６  ローブ部
８  台座部
１０  ローブミキサ
１０ａ  第１ローブミキサ
１０ｂ  第２ローブミキサ
１２ａ  拡径部（主流流路部）
１２ｂ  縮径部（二次流流路部）
１４  補強材
１８  成形板
２２  ファン
２３  圧縮機
２４  燃焼器
２５  タービン
２６  排気ノズル
２７  第１円筒状隔壁
３２  導入路
３４  第２円筒隔壁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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