JP3962981B2

JP3962981B2 - ジェット噴流用ミキサ

Info

Publication number: JP3962981B2
Application number: JP2001373833A
Authority: JP
Inventors: 勉大石
Original assignee: 石川島播磨重工業株式会社
Priority date: 2001-12-07
Filing date: 2001-12-07
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2021-12-07
Also published as: JP2003172205A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高速の内部流と低速の外部流を混合する流体混合装置（ミキサ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７に示すように、航空機エンジン１（ジェットエンジン）は、空気を取り入れるファン２、取り入れた空気を圧縮する圧縮機３、圧縮した空気により燃料を燃焼させる燃焼器４、燃焼器４の燃焼ガスによりファン２及び圧縮機３を駆動するタービン５、推力増大のため再燃焼させるアフタバーナ６等を備えている。
【０００３】
なお、この図で７はフレームホルダ（保炎器）、８は燃料ノズル、９は点火栓、１０はアウターダクト、１１は内側のライナ、１２は排気ノズル、１６はテールコーンである。
【０００４】
また、ファン２で取り入れられた空気は、圧縮機３、燃焼器４およびタービン５を通るコア流１４と、これらをバイパスするバイパス流１３（ファン流）とに分岐され、ミキサ（混合器）１５において合流する。
【０００５】
ミキサ１５は、図８に例示するように、横断面形状が波形形状の案内壁（隔壁）を有するとともに、この波形形状が下流ほど大きく成形され、この下流端で、ファン流１３（実線）とコア流１４（破線）が合流し、ミキサ１５の下流に循環域Ｘを形成して効率よく混合するようになっている。かかる構造のミキサは一般にローブミキサと呼ばれる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図８に例示したローブミキサは、エンジンの内部に設置される場合と外部に露出して設置される場合とがある。また、いずれの場合にも、コアエンジンの後方に離れて設置される場合もある。
【０００７】
上述したローブミキサは、コア流とファン流の両方の中に端部が突入しているので混合効果が大きい。しかし、反面、端部の突入に伴って性能損失を引き起こすため、ノズル重量が増加し、かつスラスト損失が大きい問題点がある。また、このローブミキサは、騒音低減効果を高めようとすると、後流端部に発生する渦流により起振されて振動が発生しやすく、最悪の事態では作動中に破損することもあった。
【０００８】
一方、ローブミキサと異なる構成のミキサーとして、特開平１１−１６６４５１号、特開２０００−８０９５８、等が提案されている。
【０００９】
特開平１１−１６６４５１号の「シェヴロン排気ノズル」は、図９に示すように、噴流を導く排気ダクト１７の後端部が三角形状のシェヴロン１８に構成されたものである。シェヴロン１８は、噴流内への突出が最小になるように排気ダクト１７と同延上に形成されている。
この構成のミキサーは、シェヴロン１８が排気ダクト１７と同延上に形成されているため、噴流内への突出が少なく、スラスト損失が少ない特徴があるが、その反面、シェヴロン１８を大きくしないと十分な混合効果が得られない欠点がある。また、シェヴロン１８を大きくすると、シェヴロン端部に発生する渦流により起振されて振動が発生しやすい問題点がある。
【００１０】
また、特開２０００−８０９５８の「ジェット騒音低減用のタブ付きノズル」は、図１０に示すように、インナーノズル１９又はアウターノズル２０が、径方向内方及び外方へ向けて延設されたタブ２１の配列部を有するものである。タブ２１は、ノズルから径方向外方に延びる（折り曲げられた）三角形状の外方タブ２１ａと、ノズルから径方向内方に延びる三角形状の内方タブ２１ｂとからなり、その間に形成されたノズルの延設部を有する。
この構成のミキサーは、三角形状の外方タブ２１ａ及び内方タブ２１ｂが、噴流内へ直接突出しているので、小さいタブで大きな混合効果が得られる。しかし、タブがノズルから径方向外方又は内方に折り曲げられた形状となっているので、噴流がタブ面に直接当たり、大きなスラスト損失が発生すると共に、タブ端部に発生する渦流によりタブが起振されて振動が発生しやすい問題点がある。
【００１１】
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、スラスト損失とノズルの重量増加を招くことなく、高速の内部流と低速の外部流を効率良く混合させてジェット騒音を低減することができ、かつ振動の発生を抑制することができるミキサーを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、高速の内部流と低速の外部流の間を仕切る筒状隔壁（２２）を有し、該隔壁の下流端（２２ａ）より下流側で内部流と外部流の流れが混合するジェット噴流用ミキサであって、前記筒状隔壁の下流端部に周方向に間隔を隔てて設けられ、内部流及び／又は外部流に突出し１つの稜線（２４ａ）が流れの上流側に向いた複数の三角錘体（２４）を有し、前記三角錘体（２４）は、前記稜線（２４ａ）を含む２つの上流側斜面（２５ａ）と、底辺が隔壁の下流端（２２ａ）に位置する下流側斜面（２５ｂ）と、底面（２５ｃ）とからなり、前記２つの上流側斜面（２５ａ）は、スラスト損失の実質的な増加を招かない緩い傾斜角に設定されており、前記下流側斜面（２５ｂ）は、内部流と外部流を効率良く混合させてジェット騒音を低減できる十分な大きさに設定されており、前記下流側斜面（２５ｂ）の大きさは、内部流の流路面積の約０．２５〜０．５％である、ことを特徴とするジェット噴流用ミキサが提供される。
【００１３】
本発明の構成によれば、筒状隔壁（２２）の下流端部に周方向に間隔を隔てて設けられた複数の三角錘体（２４）が、内部流及び／又は外部流に突出しているので、高速の内部流と低速の外部流を効率良く混合させてジェット騒音を低減することができる。また、この三角錘体（２４）の１つの稜線（２４ａ）が流れの上流側に向いているので、稜線を挟む斜面が流れに対して緩い傾斜面となり、スラスト損失の実質的な増加を防止することができる。
また、緩い傾斜角に設定された２つの上流側斜面（２５ａ）で、スラスト損失の実質的な増加を招かずに、流れを半径方向に向けることができる。また、下流側斜面（２５ｂ）を十分な大きさに設定しているので、半径方向に向いた流れにより渦を強制的に発生させて、内部流と外部流を効率良く混合し、ジェット騒音を低減することができる。
さらに、本発明の実施例から、三角錘体（２４）の下流側斜面（２５ｂ）の大きさを内部流の流路面積の約０．２５〜０．５％に設定することにより、スラスト損失の実質的な増加を招かずに、ジェット騒音を低減する効果が得られることが、試験結果により確認された。
【００１７】
本発明の好ましい一実施形態によれば、前記三角錘体（２４）は、少なくとも上流側斜面（２５ａ）と下流側斜面（２５ｂ）が一体成形され、筒状隔壁（２２）に固着されている。
この構成により、中実又は中空の三角錘体（２４）を一体成形により製作した後、溶接等で筒状隔壁（２２）に固着することにより、隔壁の下流端部の剛性を高め、渦流により起振されても振動の発生を抑制することができる。
【００１８】
また、本発明の好ましい別の実施形態によれば、前記三角錘体（２４）は、下流側斜面（２５ｂ）と底面（２５ｃ）が開口し、上流側斜面（２５ａ）が折り曲げ成形により筒状隔壁（２２）と一体に成形されている。
この構成により、折り曲げ成形された三角錘体（２４）により、隔壁の下流端部の剛性を高め、渦流により起振されても振動の発生を抑制することができる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態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、重複した説明を省略する。
【００２０】
図１は、本発明によるジェット噴流用ミキサの第１実施形態を示す図である。この図において、（Ａ）は全体斜視図であり、（Ｂ）はその部分拡大図である。図１（Ａ）に示すように、本発明のジェット噴流用ミキサは、高速の内部流ａと低速の外部流ｂの間を仕切る筒状隔壁２２を有し、隔壁２２の下流端２２ａより下流側で内部流ａと外部流ｂの流れが混合するようになっている。
【００２１】
高速の内部流ａは、例えばジェットエンジンの圧縮機、燃焼器およびタービンを通るコア流であり、低速の外部流ｂは、例えば、これらをバイパスするバイパス流である。なお、ジェット噴流を直接外気に噴射する場合には、内部流ａはジェット噴流であり、外部流ｂは外部の空気流である。
【００２２】
本発明のジェット噴流用ミキサは、更に、筒状隔壁２２の下流端部に周方向に間隔を隔てて設けられた複数の三角錘体２４を有する。この三角錘体２４は、内部流ａと外部流ｂの両方又は少なくとも一方に突出するように、隔壁２２の内面及び／又は外面に設けられる。
【００２３】
各三角錘体２４は、１つの稜線２４ａが流れの上流側に向いている。すなわち、この例では、三角錘体２４は、図１（Ｂ）に示すように、流れの上流側に向いた稜線２４ａを含む２つの上流側斜面２５ａと、底辺が隔壁の下流端２２ａに位置する下流側斜面２５ｂと、底面２５ｃとからなる。
【００２４】
また、２つの上流側斜面２５ａは、スラスト損失の実質的な増加を招かないように緩い傾斜角に設定されている。更に、下流側斜面２５ｂは、内部流ａと外部流ｂを効率良く混合させてジェット騒音を低減できる十分な大きさに設定されている。この下流側斜面２５ｂの大きさは、内部流の流路面積の約０．２５〜０．５％であるのがよく、稜線２４ａは隔壁２２に対して約１５〜３０°であるのがよい。約０．２５％未満では騒音低減効果が不十分であり、０．５％を超すとスラスト損失が明らかに増加する。また下流側斜面２５ｂは、突出した側の流れ（内部流ａ又は外部流ｂ）に対して、ほぼ直交するのが好ましいが、本発明はこれに限定されず、わずかに上流側に傾斜していてもよい。
【００２５】
図１の実施形態において、三角錘体２４は、少なくとも上流側斜面２５ａと下流側斜面２５ｂが一体成形され、筒状隔壁２２に固着されている。従って、この構成では、中実又は中空の三角錘体２４を一体成形により製作した後、溶接等で筒状隔壁２２に固着することができ、三角錘体２４が補強部材として作用して隔壁２２の下流端部の剛性を高め、渦流により起振されても振動の発生を抑制することができる。
【００２６】
また、図１の構成によれば、筒状隔壁２２の下流端部に周方向に間隔を隔てて設けられた複数の三角錘体２４が、内部流ａ及び／又は外部流ｂに突出しているので、内部流ａに突出した三角錘体２４で高速の内部流ａを半径内方に流れを向け、かつ外部流ｂに突出した三角錘体２４で低速の外部流ｂを半径外方に流れを向け、これにより半径方向の混合を促進してジェット騒音を低減することができる。また、この三角錘体２４の１つの稜線２４ａが流れの上流側に向いているので、稜線を挟む斜面（上流側斜面２５ａ）が流れに対して緩い傾斜面となり、スラスト損失の実質的な増加を防止することができる。
【００２７】
図２は、本発明によるジェット噴流用ミキサの第２実施形態を示す図である。この図において、（Ａ）は全体斜視図であり、（Ｂ）はその部分拡大図である。なお、その他の構成は、図１の第１実施形態と同様である。
この実施形態において、三角錘体２４は、下流側斜面２５ｂと底面２５ｃが開口し、上流側斜面２５ａが折り曲げ成形により筒状隔壁２２と一体に成形されている。従って、この構成のジェット噴流用ミキサでは、折り曲げ成形された三角錘体２４により、隔壁の下流端部の剛性を高め、渦流により起振されても振動の発生を抑制することができる。
【００２８】
また、図２の構成によれば、筒状隔壁２２の下流端部に周方向に間隔を隔てて設けられた複数の三角錘体２４が、内部流ａ及び／又は外部流ｂに突出しているので、内部流ａに突出した三角錘体２４で高速の内部流ａを半径内方に流れを向けると共に、下流側斜面２５ｂと底面２５ｃが開口しているので内部流ａに突出した三角錘体２４で低速の外部流ｂを半径内方に流れを向けることができる。また、同様に、外部流ｂに突出した三角錘体２４で低速の外部流ｂを半径外方に流れを向けると共に、下流側斜面２５ｂと底面２５ｃが開口しているので外部流ｂに突出した三角錘体２４で高速の内部流ａを半径外方に流れを向けることができる。従って高速の内部流ａと低速の外部流ｂを効率良く混合させてジェット騒音を低減することができる。
【００２９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を説明する。
図３及び図４は、ジェット噴流用ミキサがインターナルミキサ（エンジンの内部に設置されたミキサ）である場合の実施例であり、図３は、各インターナルミキサのディスプレイ上の中間画像であり、図４は各インターナルミキサの試験結果を示す周波数特性図である。
【００３０】
図３において、▲１▼は、基本（ベース）であり、通常の単純なノズルの場合である。▲２▼は、図９に示したシェヴロン排気ノズルである。また、▲４▼〜▲７▼は、本発明の例であり、▲４▼は三角錘体（タブ）が内側に大６つの場合、▲５▼は同様に大１２の場合、▲６▼は内外に大６つづつの場合、▲７▼は三角錘体（タブ）が内側に小１２の場合である。なお、ここで大きいタブは、内部流の流路面積の約０．５％であり、小さいタブは同約０．２５％である。また、この▲４▼〜▲７▼の例では、スラスト損失の実質的な増加を招かないことが試験的に確認されている。
【００３１】
図４において、横軸は周波数であり、縦軸は騒音レベルである。また図中の各数字は、図３の番号に対応している。この図から、▲１▼の基本（ベース）に対して、▲２▼のシェヴロン排気ノズル及び▲４▼〜▲７▼の本発明のジェット噴流用ミキサは明らかに騒音低減効果がほぼ全周波数範囲で認められることがわかる。
【００３２】
図５及び図６は、ジェット噴流用ミキサがエクスターナルミキサ（エンジンの外部に設置されたミキサ）である場合の実施例であり、図３は、各エクスターナルミキサのディスプレイ上の中間画像であり、図４は各エクスターナルミキサの試験結果を示す周波数特性図である。
【００３３】
図５において、▲１▼は、基本（ベース）であり、通常の単純なノズルの場合である。▲２▼は、図９に示したシェヴロン排気ノズルである。また、▲６▼は、本発明の例であり、三角錘体（タブ）が内外に大６つづつの場合である。
【００３４】
図６において、（Ａ）は騒音計測位置が前方から１２５°の場合、（Ｂ）は同１５０°の場合である。また、各図において、横軸は周波数であり、縦軸は騒音レベルである。また図中の各数字は、図５の番号に対応している。
この図から、本発明のジェット噴流用ミキサは、▲１▼の基本（ベース）及び▲２▼のシェヴロン排気ノズルと比較して、特に約３２００Ｈｚ以下の周波数領域において、騒音低減効果が大きいことがわかる。人間の耳に感じる耳障りな音は、主として約１０００〜３０００Ｈｚの範囲と言われている。また、５０００Ｈｚ以上の高周波音は、大気中の減衰効果が大きいため、高空ではほとんど問題とならない。従って、約３２００Ｈｚ以下の周波数領域における騒音低減効果が大きい本発明のジェット噴流用ミキサは、非常に効果的であるといえる。
【００３５】
また、本発明の構造から、上述したように、スラスト損失とノズルの重量増加を招くことなく、高速の内部流と低速の外部流を効率良く混合させてジェット騒音を低減することができる。
更に、隔壁の下流端部の剛性を高め、渦流により起振されても振動の発生を抑制することができる。
【００３６】
なお、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。
【００３７】
【発明の効果】
上述したように、本発明のジェット噴流用ミキサは、スラスト損失とノズルの重量増加を招くことなく、高速の内部流と低速の外部流を効率良く混合させてジェット騒音を低減することができ、かつ振動の発生を抑制することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるジェット噴流用ミキサの第１実施形態を示す図である。
【図２】本発明によるジェット噴流用ミキサの第２実施形態を示す図である。
【図３】本発明の実施例におけるインターナルミキサのディスプレイ上の中間画像である。
【図４】図３の各インターナルミキサの周波数特性図である。
【図５】本発明の実施例におけるエクスターナルミキサのディスプレイ上の中間画像である。
【図６】図５の各エクスターナルミキサの周波数特性図である。
【図７】従来のミキサを有するジェットエンジンの構成図である。
【図８】従来のミキサの部分斜視図である。
【図９】従来の別のジェット噴流用ミキサの構成図である。
【図１０】従来の更に別のジェット噴流用ミキサの構成図である。
【符号の説明】
１航空機エンジン（ジェットエンジン）、２ファン、
３圧縮機、４燃焼器、５タービン、６アフタバーナ、
７フレームホルダ、８燃料ノズル、９点火栓、
１０アウターダクト、１１ライナ、１２排気ノズル、
１３バイパス流（ファン流）、１４コア流、
１５ミキサ（混合器）、１６テールコーン、
１７排気ダクト、１８シェヴロン、
１９インナーノズル、２０アウターノズル、
２１タブ、２１ａ外方タブ、２１ｂ内方タブ
２２隔壁、２２ａ下流端、２４三角錘体、２４ａ稜線、
２５ａ上流側斜面、２５ｂ下流側斜面、２５ｃ底面

Claims

高速の内部流と低速の外部流の間を仕切る筒状隔壁（２２）を有し、該隔壁の下流端（２２ａ）より下流側で内部流と外部流の流れが混合するジェット噴流用ミキサであって、前記筒状隔壁の下流端部に周方向に間隔を隔てて設けられ、内部流及び／又は外部流に突出し１つの稜線（２４ａ）が流れの上流側に向いた複数の三角錘体（２４）を有し、
前記三角錘体（２４）は、前記稜線（２４ａ）を含む２つの上流側斜面（２５ａ）と、底辺が隔壁の下流端（２２ａ）に位置する下流側斜面（２５ｂ）と、底面（２５ｃ）とからなり、前記２つの上流側斜面（２５ａ）は、スラスト損失の実質的な増加を招かない緩い傾斜角に設定されており、前記下流側斜面（２５ｂ）は、内部流と外部流を効率良く混合させてジェット騒音を低減できる十分な大きさに設定されており、
前記下流側斜面（２５ｂ）の大きさは、内部流の流路面積の約０．２５〜０．５％である、ことを特徴とするジェット噴流用ミキサ。
前記三角錘体（２４）は、少なくとも上流側斜面（２５ａ）と下流側斜面（２５ｂ）が一体成形され、筒状隔壁（２２）に固着されている、ことを特徴とする請求項１に記載のジェット噴流用ミキサ。
前記三角錘体（２４）は、下流側斜面（２５ｂ）と底面（２５ｃ）が開口し、上流側斜面（２５ａ）が折り曲げ成形により筒状隔壁（２２）と一体に成形されている、ことを特徴とする請求項１に記載のジェット噴流用ミキサ。