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JP3747244B2 - エアインテーク、及びエアインテーク方法 - Google Patents

エアインテーク、及びエアインテーク方法 Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空宇宙産業において好適に用いることのできる、エアインテーク及びエアインテーク方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
エアインテークは、超音速空気吸い込み式エンジンなどにおいて、流入空気を減速及び圧縮する役割を担い、エンジン性能を左右する重要な構成要素である。エアインテークには、内部圧縮型、外部圧縮型、及び混合圧縮型などの種類があるが、特に混合圧縮型は、内部圧縮型及び外部圧縮型の中間的な性質を有するためバランスがとれている。
【0003】
図1は、従来の混合圧縮型のエアインテークの構造を概略的に示す断面図であり、図2は、前記エアインテークの先端部分を拡大して示す斜視図である。図1及び図2に示すエアインテーク10は、スパイクと呼ばれる中心体11と、その後方部を一定の空隙13を形成して囲むように設けられたカウル12とを具えている。スパイク11は円錐形状を呈しており、その側部の一部には多孔壁14が設けられている。
【0004】
図1及び図2に示すエアインテークが例えば超音速空気吸い込みエンジンなどに取り付けられると、流入した空気は、スパイク11の先端部11Aと衝突して衝撃波を発生する。この衝撃波を通過した前記流入空気の一部は、スパイク11及びカウル12で形成された空隙13内に導入されることなく、スピレージ流として外部に流失してしまい、捕獲流量が減少してしまう場合があった。前記衝撃波は、前記流入空気の流入速度が減少するにつれてカウルリップ12Aから離隔する傾向があるため、エアインテーク10の流入空気の設計速度値より、実際に流入する空気の速度が低下してくると、捕獲流量が減少するという問題があった。
【0005】
また、前記流入空気の流入速度が増大してくると、空隙13内部に前記衝撃波が直接的に流入し、強い逆圧力勾配の流れ場が形成される。このままの状態では、スパイク11やカウル12の壁面近傍に形成された比較的低い流速の境界層が剥離し、前記流入空気の流れが閉塞されて、エアインテーク10を始動させることができなくなる。かかる点に鑑み、図1及び図2に示すエアインテーク10は、スパイク11の側部の一部を多孔壁14から構成し、前記境界層を多孔壁14を介して抽気流路15内に流出させ、次いで、エアインテーク10の外部に抽気させるように構成している。しかしながら、前記境界層を抽気させることは、前記流入空気の一部を抽気させることになるので、結果的に流入した空気に対する捕獲流量が低下してしまうという問題があった。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、エアインテークにおいて、流入した空気の捕獲流量の低減を抑制することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成すべく、本発明は、
所定の中心軸、及びこの中心軸に対して略垂直であって前記中心軸に対して軸対称となるように設けられた複数の板状部材を含むスパイクと、
前記スパイクの後方部を一定の空隙を形成して囲むように設けられるとともに、前記スパイクの前記中心軸と略平行な内壁を有する円筒形状のカウルとを具え、
前記複数の板状部材は、隣接する板状部材間において形成された空間で発生した循環流と、流入した空気の主流との間にせん断層が形成されている状態で、前記せん断層が流入した空気に対して固体壁のように作用するような、空力的な圧縮面を形成するとともに、隣接する板状部材の距離を可変できるように構成され、
前記スパイクは、前記中心軸の先端部と前記カウルとの距離を可変できるように構成されていることを特徴とする、超音速空気吸い込み用のエアインテークに関する。
【0008】
本発明のエアインテークによれば、エアインテークを構成するスパイクを従来の円錐形状から、複数の板状部材を中心軸の回りに軸対称となるとともに、前記複数の板状部材の主面が前記中心軸と略垂直となるように固定して作製している。また、前記複数の板状部材の、隣接する部材間隔を可変に制御するとともに、前記スパイクの、前記中心軸の先端部と前記カウルとの距離を可変に制御するようにして構成している。また、前記複数の板状部材の隣接する部材間で空力的な圧縮面を構成するようにしている。
【0009】
したがって、前記エアインテーク内に空気が流入する際に、その空気の速度に応じて、前記隣接する部材間の距離及び/又は前記中心軸先端部と前記カウルとの距離を制御するようにすれば、前記流入空気の速度によらず、前記スパイク先端で発生した衝撃波は、前記空力的な圧縮面に沿ってカウルリップ先端に入射するようになる。その結果、前記流入速度の大小によらず、前記流入空気は、前記衝撃波を通過して前記スパイクと前記カウルとで形成される前記空隙内に流入するようになり、前記流入空気の捕獲流量を十分に確保することができるようになる。
【0010】
また、従来のようにスパイク側部に多孔壁や抽気流路を設けるような複雑な構成を採用することなく、前述のような距離制御を行うのみで、前記衝撃波が直接的にカウル内に流入するのを抑制することができる。さらに、前記スパイクを板状部材から構成しているため、エアインテークの全体を軽量化することができる。
【0011】
本発明のその他の特徴及び本発明のエアインテーク方法については、以下に詳述する。
【0012】
【発明の実施の形態】
図3は、本発明のエアインテークの先端部分を拡大して示す斜視図であり、図4及び図5は、前記エアインテークの動作状態を示す断面図である。
【0013】
図3に示されたエアインテーク20は、中心軸21に対して、その主面が略垂直であって軸対称となるように複数の円板状部材22が設けられるとともに、先端部において円錐形状の尖塔部材23が設けられたスパイク25を有している。スパイク25は中心軸21を固定する基部24を含んでいる。そして、スパイク25の基部24の外周を囲み、所定の空隙27を形成するようにしてカウル26が設けられている。
【0014】
円板状部材22は、中心軸21の先端部から後方部に向かってその面積が増大するとともに、隣接する部材間、すなわち空間28で空力的な圧縮面を形成するように設けられている。また、隣接する円板状部材22の距離は可変となるように構成されており、尖塔部材23の先端部とカウル26との間の距離も可変となるように構成されている。
【0015】
なお、「空力的な圧縮面を形成する」とは、図6に示すように、隣接する円板状部材22間に形成された空間28で発生した循環流と、流入した空気の主流との間にせん断層が形成されているような状態をいうものである。前記せん断層は、流入した空気に対して固体壁のように作用し、以下に示すように前記空気をカウルリップまで案内する役割を果たす。
【0016】
今、図3に示すエアインテーク20に対して、高速度の空気が流入してきた場合、図4に示すように、隣接する円板状部材22間の距離、すなわち空間28の中心軸の長さ方向の幅Lを増大させるとともに、尖塔部材23の先端部とカウル26との距離を増大させ、スパイク25全体を細長くする。すると、前記流入空気が尖塔部材23あるいは円板状部材22の端部に衝突して形成された衝撃波はカウルリップ26Aに入射するようになる。したがって、前記流入空気のスピレージによる損失を抑制し、前記流入空気の捕獲流量を十分に確保することができるようになる。
【0017】
また、隣接する円板状部材22間の距離及び尖塔部材23の先端部とカウル26との距離を適宜に制御することにより、前記衝撃波が空隙27すなわちカウル26内部に直接流入するのを抑制することができ、エアインテークの始動を良好に行うことができるようになる。なお、本発明においては、前述したような境界層の剥離を抑制するためにスパイク側部に多孔壁を設けたり、抽気流路を設けたりする必要がないので、エアインテーク全体の構造を簡易化することができる。
【0018】
一方、図3に示すエアインテーク20に対して、低速度の空気が流入してきた場合、図5に示すように、隣接する円板状部材22間の距離、すなわち空間28の中心軸の長さ方向の幅Lを減少させるとともに、尖塔部材23の先端部とカウル26との距離を減少させ、スパイク25の全体を短くする。すると、前記流入空気が尖塔部材23あるいは円板状部材22の端部に衝突して形成された衝撃波はカウルリップ26Aに入射するようになる。したがって、前記流入空気のスピレージによる損失を抑制し、前記流入空気の捕獲流量を十分に確保することができるようになる。
【0019】
以上のように、本発明に従ったエアインテーク20においては、流入空気の設計速度値によらず、隣接する円板状部材22間の距離及び尖塔部材23の先端部とカウル26との距離を制御するのみで、流入空気を十分に捕獲することができるようになる。
【0020】
なお、隣接する円板状部材22で形成される空間28の深さをD、中心軸21の長さ方向の幅をLとした場合において、L/D≦1なる関係を満足するようにすることが好ましい。エアインテーク20においては、複数の円板状部材22からスパイク25を構成するようにしているので、円板状部材22の端部で衝撃波が形成されることによって、流入した空気の圧力損失(全圧損失)が生じる場合がある。このとき、空間28を上記要件を満足するように構成すれば、円板状部材22端部での衝撃波の形成を抑制することができ、前記全圧損失を抑制することができる。
【0021】
なお、L/Dは約0.5に設定することが好ましい。これによって上述した円板状部材22端部での衝撃波形成をほとんど抑制することができ、全圧損失をほとんど抑制することができる。
【0022】
図7は、図3に示すエアインテークの変形例を示す側面図である。図7においては、特徴部分であるスパイク部分のみを示している。図7においては、隣接する円板状部材22間においてスペーサ29を設けている。これによって、隣接する円板状部材22間に形成された空間28それぞれの大きさを適宜に設定することができるようになり、前述したL/D値制御の自由度を増大させることができる。
【0023】
以上、具体例を挙げながら発明の実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明してきたが、本発明は上記内容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変形や変更が可能である。
【0024】
例えば、図3においては、複数の円板状部材22をカウル26の外方に配置したが、その少なくとも一部がカウル26内部に位置するように配置することもできる。但し、この場合においては、前記衝撃波をカウルリップ26Aに入射させることが困難になり、十分な捕獲流量を確保できない場合がある。また、スパイク25を円板状部材22から構成しているが、本発明の要件を満足する限り、他の形状の部材をも使用することができる。
【0025】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、流入した空気の捕獲流量の低減を抑制したエアインテーク及びエアインテーク方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 従来の混合圧縮型のエアインテークの構造を概略的に示す断面図である。
【図2】 図1に示すエアインテークの先端部分を拡大して示す斜視図である。
【図3】 本発明のエアインテークの先端部分を拡大して示す斜視図である。
【図4】 図3に示すエアインテークの動作状態を示す断面図である。
【図5】 同じく、 図3に示すエアインテークの動作状態を示す断面図である。
【図6】 本発明のエアインテークにおける、隣接板状部材間の空間内に形成される流れの状態を示した図である。
【図7】 図3に示すエアインテークの変形例を示す側面図である。
【符号の説明】
10、20 エアインテーク
11、25 スパイク
11A スパイク先端部
12、26 カウル
12A、26A カウルリップ
13、27 (スパイクとカウルとの間に形成された)空隙
14 多孔壁
15 抽気流路
21 中心軸
22 円板状部材
23 尖塔部材
24 基部
28 (隣接する円板状部材間に形成された)空間
29 スペーサ

Claims (20)

  1. 所定の中心軸、及びこの中心軸に対して略垂直であって前記中心軸に対して軸対称となるように設けられた複数の板状部材を含むスパイクと、
    前記スパイクの後方部を一定の空隙を形成して囲むように設けられるとともに、前記スパイクの前記中心軸と略平行な内壁を有する円筒形状のカウルとを具え、
    前記複数の板状部材は、隣接する板状部材間において形成された空間で発生した循環流と、流入した空気の主流との間にせん断層が形成されている状態で、前記せん断層が流入した空気に対して固体壁のように作用するような、空力的な圧縮面を形成するとともに、隣接する板状部材の距離を可変できるように構成され、
    前記スパイクは、前記中心軸の先端部と前記カウルとの距離を可変できるように構成されていることを特徴とする、超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  2. 前記複数の板状部材は、前記中心軸の、前記カウルと離隔した前方部から前記カウルに近接した後方部に向けて、その大きさが増大していることを特徴とする、請求項1に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  3. 空気の流入速度が増大した場合において、前記隣接する板状部材の前記距離を増大させるとともに、前記スパイクの、前記中心軸の先端部と前記カウルとの前記距離を増大させるようにして、前記空気が前記スパイクの先端部に衝突することによって発生した衝撃波が、前記スパイクと前記カウルとの間に形成された前記空隙内部に流入するように構成したことを特徴とする、請求項2に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  4. 空気の流入速度が減少した場合において、前記隣接する板状部材の前記距離を減少させるとともに、前記スパイクの、前記中心軸の先端部と前記カウルとの前記距離を減少させるようにして、前記空気が前記スパイクの先端部に衝突することによって発生した衝撃波が、前記スパイクと前記カウルとの間に形成された前記空隙内部に流入するように前記中心軸の前記先端部から発生する衝撃波が前記カウル内部に直接流入するのを防ぐようにし、前記流入した空気のスピレージによる損失を抑制するように構成したことを特徴とする、請求項2に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  5. 前記複数の板状部材の、前記隣接する部材間で形成される空間の深さをD、前記中心軸方向の幅をLとした場合において、L/D≦1なる関係を満足することを特徴とする、請求項1〜4のいずれか一に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  6. 前記複数の板状部材の、前記隣接する部材間で形成される空間の深さをD、前記中心軸方向の幅をLとした場合において、L/D≒0.5なる関係を満足することを特徴とする、請求項5に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  7. 前記スパイクの、前記複数の板状部材間においてスペーサを設けたことを特徴とする、請求項1〜6のいずれか一に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  8. 前記複数の板状部材は、前記カウルの外方に設けたことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  9. 前記スパイクの、前記中心軸の前記先端部において、円錐状部材を設けたことを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  10. 前記板状部材は円板状部材であることを特徴とする、請求項1〜9のいずれか一に記載の超音速空気吸い込み用のエアインテーク。
  11. 中心軸に対して略垂直であって前記中心軸に対して軸対称となり、隣接する板状部材間において形成された空間で発生した循環流と、流入した空気の主流との間にせん断層が形成されている状態で、前記せん断層が流入した空気に対して固体壁のように作用するような、空力的な圧縮面を形成する複数の板状部材を設けてスパイクを形成する工程と、
    前記スパイクの後方部を一定の空隙を形成して囲むとともに、前記スパイクの前記中心軸と略平行な内壁を有する円筒形状のカウルを形成する工程と、
    前記複数の板状部材の、隣接する板状部材間の距離を制御する工程と、
    前記スパイクの、前記中心軸の先端部と前記カウルとの距離を制御する工程と、
    を具えることを特徴とする、超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  12. 前記複数の板状部材は、前記中心軸の、前記カウルと離隔した前方部から前記カウルに近接した後方部に向けて、その大きさを増大させることを特徴とする、請求項11に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  13. 空気の流入速度が増大した場合において、前記隣接する板状部材の前記距離を増大させるとともに、前記スパイクの、前記中心軸の先端部と前記カウルとの前記距離を増大させて、前記空気が前記スパイクの先端部に衝突することによって発生した衝撃波が、前記スパイクと前記カウルとの間に形成された前記空隙内部に流入するようにしたことを特徴とする、請求項12に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  14. 空気の流入速度が減少した場合において、前記隣接する板状部材の前記距離を減少させるとともに、前記スパイクの、前記中心軸の先端部と前記カウルとの前記距離を減少させて、前記空気が前記スパイクの先端部に衝突することによって発生した衝撃波が、前記スパイクと前記カウルとの間に形成された前記空隙内部に流入するようにしたことを特徴とする、請求項12に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  15. 前記複数の板状部材の、前記隣接する部材間で形成される空間の深さをD、前記中心軸方向の幅をLとした場合において、L/D≦1なる関係を満足するようにし、流入した空気の全圧損失を抑制するようにしたことを特徴とする、請求項11〜14のいずれか一に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  16. 前記複数の板状部材の、前記隣接する部材間で形成される空間の深さをD、前記中心軸方向の幅をLとした場合において、L/D≒0.5なる関係を満足するようにし、流入した空気の全圧損失を抑制するようにしたことを特徴とする、請求項15に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  17. 前記スパイクの、前記複数の板状部材間においてスペーサを設け、前記L/D値を制御することを特徴とする、請求項15又は16に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  18. 前記複数の板状部材は、前記カウルの外方に設けることを特徴とする請求項11〜17のいずれか一に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  19. 前記スパイクの、前記中心軸の前記先端部において、円錐状部材を設けることを特徴とする、請求項11〜18のいずれか一に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
  20. 前記板状部材は円板状部材であることを特徴とする、請求項11〜19のいずれか一に記載の超音速空気吸い込みのためのエアインテーク方法。
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