柔軟体衝突の特性描写

【課題】ガスタービンエンジンの設計に関し、このようなエンジンが航空機に用いられるときに特に問題になる鳥衝突の特性描写に関する設計の方法を提供する。
【解決手段】所定角度でターゲットプレートに衝突した後の、鳥または鳥類似の柔軟体の破断片がモデル化され、柔軟体は、破断片とスラリーとの組み合わせにより表される。それらの相対的な比率は、衝突の厳しさおよび衝突角度に依存する。本方法は、特に、ガスタービンエンジンの隠れた吸気部の鳥衝突の挙動をモデル化するのに適している。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガスタービンエンジンの設計に関し、より詳細にはこのようなエンジンが航空機に用いられるときに特に問題になる鳥衝突の特性描写に関する。
【背景技術】
【０００２】
鳥衝突はガスタービンエンジンに損傷を与え得る。そして、衝突の後、一定期間安全に運転できるように、または、少なくとも航空機や乗客を危険にさらすことなく安全に運転停止できるように設計する必要がある。
【０００３】
ガスタービンエンジンにおいて鳥吸い込み試験を実施するための基本的な技術はよく知られており、ここで詳細に説明する必要はない。
【０００４】
このような試験において、柔軟体が、エンジンの入口上の既知の位置に投げ込まれる。柔軟体は死んだ鳥でもよいし、実際の鳥の衝突時の反応に類似するように設計された人工的な柔軟体でもよい。このような人工的な柔軟体はよく知られている。以下の説明において、「鳥」との語は、概ね、実際の鳥または実際の鳥の代わりに試験で用いられる人工的な柔軟体を参照するために用いられる。衝突する鳥が最初にエンジンの構造（静的構造または回転構造）に当たった後、これは破断する。損傷は、これらの破断片によりエンジンの下流部分で生じ得る。そして、破断片の寸法および軌道がこの損傷の程度を決定する。通常、破断は、最初の衝突の写真やビデオを観察することにより評価される。観察される破断は、エンジンの異なる部分の衝突の後の振る舞いをモデル化するために用いることができる。それにより、鳥衝突による損傷を最小化するたにエンジンを設計する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、エンジンが覆われた吸気部を備えるときに問題がある。このような吸気部は、軍事用のエンジンに一般に用いられ、吸気部の構造がエンジンの熱い部品を保護し、レーダやその他のシステムによる検出を防止する。問題は、入ってくる鳥が吸気部の表面を打ち破断するが、この破断片が吸気部内に隠れ、そのサイズや軌道を評価することができない、ということである。解析のための鳥の初期条件を得るために、各衝突条件のために別々の衝突試験をする必要がある。これは時間を消費しまたコスト高である。
【０００６】
以前は、衝突解析は、無傷の鳥、鳥の破片、または非確認スラリー（non-validated slurry）を用いて行われていた。
【０００７】
覆われた吸気部により保護されるエンジンの鳥衝突の解析のためには、解析に用いられる鳥の初期条件が現実を反映していることが重要である。吸気部への鳥の軽い衝突の後は、鳥は単一の破断片としてモデル化でき、その質量は最も大きい鳥の破断片の質量に対応する。厳しい衝突の後は、鳥はスラリーとしてモデル化できる。これらの２つの極端な衝突の間においては、鳥は破断片（１つまたは複数）およびスラリーの組み合わせとしてモデル化できる。
【０００８】
以前は、解析に用いる鳥の破断片の寸法、または、初期条件およびスラリーの状態を予測するには、実際に試験する以外に方法がなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、特許請求の範囲に記載されているように、表面に衝突の後の鳥の破断片の特性を表すための方法を提供する。この方法は、異なる条件下でどれだけの量の鳥が破断するかを予測することを可能にし、エンジンのモデル化が実行される前に、実際の鳥衝突試験をより少なくし、または完全に無くす。
【００１０】
本発明の実施形態が一例として以下に添付図面とともに説明される。添付図面は以下のとおりである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】試験装置を示す概略図である。
【図２】鳥の質量に対する、最大破断片の寸法を示すグラフである。
【図３】衝突角に対する、最大破断片の寸法を示すグラフである。
【図４】衝突速度に対する、最大破断片の寸法を示すグラフである。
【図５ａ】スラリーの計算モデルにおける球体の構成を示す概略図である。
【図５ｂ】スラリーの計算モデルにおける球体の構成を示す概略図である。
【図６】スラリーの初期計算モデルを示す図である。
【図７】スラリーの修正された計算モデルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
鳥衝突試験は、以前は、ターゲットプレート上への所定角度における衝突の後の鳥の挙動を表現するために行われていた。これらの試験およびその後のモデル化において、衝突の後、鳥はスラリーでモデル化できることが想定されていた。このアプローチは、ターゲットプレートに垂直な鳥の速度成分が大きい場合における、高速度での衝突の試験をモデル化するのに成功した。しかし、これらの試験の高速度ビデオ解析は、ターゲットプレートに垂直な鳥の速度が減少すると、鳥はますます無傷のままであることを示した。この鳥の挙動に対するスラリーモデルは明らかに十分でない。
【００１３】
そこで発明者らは、多数の鳥衝突試験を実施し、異なる条件下での破断の程度を決定した。破断片を損傷していない状態に回復できるように特別な装置が用いられた。そして、破断片の質量を決定できた。
【００１４】
図１は、試験装置１２の概略図である。公知の銃１４は、鳥（図示せず）を軌道１６に沿ってターゲット２０の表面１８に衝突させるように発射する。表面１８上での鳥の衝突角度はθである。鳥の破断片は表面１８で、柔軟体回収システム２２に向かって向きを変える。これは、２つの平行なロープ２６（１つだけ示す）に自由に吊り下がった多数の大きなプラスチック袋２４を有する。ロープ２６は端部が構造体２８に堅固に固定されている。この実施形態においては、１０個の袋１０が用いられているが、任意の数の袋を採用できる。袋２４は、鳥の破断片を損傷させることなく鳥の破断片のエネルギーを吸収し、それにより、床の上のシート３０上に鳥の破断片が落ちるようにし、これらを収集および解析することができる。
【００１５】
各試験を記録するのに高速度ビデオが用いられ、ターゲット２０の画像が各試験の後に撮影された。ターゲット上のはねかすの広がりは、衝突領域からの破断した鳥の破片の広がりの指標を与える。
【００１６】
各試験の後、鳥の破断片は集められて測定のために積まれた。最大破断片は、計量および測定され、破断片の数が数えられ、集められた総質量が測定された。
【００１７】
以下のパラメータを試験の間に変更し、鳥の破断片への効果を評価した。パラメータは、衝突角度（θは４度から５５度の間）；鳥の質量（約３．５ｏｚ（０．１ｋｇ）から約８ｌｂ（３．６ｋｇｋ）の間）；表面の剛性；および衝突速度（約５０ｋｎｏｔｓ（２５．７ｍ／ｓ）から５００ｋｎｏｔｓ（２５７．４ｍ／ｓ）の間）である。
【００１８】
これらの試験で２つの標準ターゲットプレートが用いられた。「可撓性」のプレートは、グレード３１６のステンレス鋼プレートであり、約４ｍｍの厚さ、支持部の間の寸法は５００ｍｍの幅および７００ｍｍの長さである。このプレートは、頂部３２および底部３４の縁だけで拘束され、側部の縁は拘束されないようにした。「剛性」のプレートは可鍛性鋼鉄であり、２５ｍｍの厚さ、１０００ｍｍの長さ、８００ｍｍの幅を備えるものとした。このプレートは、全体の周囲が重い支持部に堅固にクランプされた。
【００１９】
これらの異なるパラメータを、入力条件に対する破断片の特性をグラフ化することで、発明者らは、鳥の衝突後の破断を予測する数学的な関係を導き出した。
【００２０】
図２は、鳥の質量と、衝突後の最大破断片の寸法との関係を示している。試験は、質量が約３．５ｏｚ（０．１ｋｇ）から約８ｌｂ（３．６ｋｇ）までの鳥で行われ、鳥の質量に対する最大破断片の寸法（鳥の質量に対する百分率として）がグラフ化された。これらの試験は、衝突速度が約７８ｋｎｏｔｓ（４０ｍ／ｓ）から約４８６ｋｎｏｔｓ（２５０ｍ／ｓ）の間で行われた。鳥の質量の増加に対して、最大破断片の寸法が比例して増加するという一般的な傾向が観察された。
【００２１】
図３は、衝突角度と、衝突後の最大破断片の寸法との関係を示している。試験は、剛性ターゲットと可撓性ターゲットの両方で行われ、衝突角度は約５度から約５５度の間で行われ、衝突角度に対する最大破断片の寸法（鳥の質量の百分率として）がグラフ化された。これらの試験は、衝突速度が４０ｍ／ｓから２５０ｍ／ｓの間で行われた。可撓性ターゲットの場合は剛性ターゲットのときよりも鳥が破断しにくいという一般的な傾向があることが観察された。
【００２２】
図４は、衝突速度と、衝突後の最大破断片の寸法との間の関係を示している。試験は、異なる重量の鳥で行われ、異なる衝突角度および可撓性ターゲットと剛性ターゲットとの両方で行われた。試験は、衝突速度が約４０ｍ／ｓから約２５０ｍ／ｓまでの間で行われた。鳥は速度が大きくなるにつれて破断しやすいという一般的な傾向があることが観察された（つまり、衝突速度の増加とともに、最大破断片の比例寸法は減少することが観察された）。
【００２３】
これまでに示された情報は鳥の破断のモデル化に関係する。上記で概略を示したように、相対的に軽い衝突のためには、鳥の破断を、破断片に関して純粋にモデル化することが適切である。厳しい衝突のためには、スラリーの挙動をモデル化することが必要であり、これは以下でより詳細に説明される。
【００２４】
衝突試験は、鳥が所定角度のプレートに発射されるように行われた。このターゲットプレートは、側方にスライドするローラーレール上に搭載され、これにより、ターゲットプレートをほとんど摩擦なしに移動させることができる。使用に際して、鳥がターゲットプレートに衝突するとき、運動量の伝達によりターゲットプレートがローラーレールに沿って移動する。この移動距離およびターゲットプレートの運動の速度を測定することにより、伝達された運動量を測定できる。
【００２５】
この装置はまた、スプリッタ、およびエンジンのファンブレードを模すように設計された垂直プレートを含む。このスプリッタは、側方にスライドするローラーレールに搭載され、それにより、スプリッタを打つ任意の残骸の運動量の伝達を計算できる。同様に側方にスライドするローラーレールに搭載される捕獲ボックスが、各鳥の破断片を受け取るために提供された。
【００２６】
鳥がターゲットプレートに衝突した後、スラリーは、円錐形状の軌道で発散するようにプレートを離れる傾向がある。このスラリーは、ターゲットプレート上で、概ね、三角形の跡を残す。ターゲットプレートのビデオ映像が解析され、スラリーがプレートを離れるときのスラリーの発散角を計算するために三角法が用いられた。
【００２７】
この計算結果は、スプリッタおよび捕獲ボックスの計算モデルの境界条件を設定するために用いられた。商業的に入手可能な有限要素解析プログラムが計算モデルのために用いられた。このモデル化の意図は、実際の試験のときに観察されるスプリッタおよび捕獲ボックスの変位および速度を再現するスラリーモデルのための定義を見つけることである。
【００２８】
まず、スラリーモデルは、それぞれ約０．５ｇの多数の球体を有し、これらは、四角のマトリクスのいくつかの領域に配置される。図５ａはこのモデルの一部を示している。このモデルは、実際の試験において観察されるものよりも非常に小さいスプリッタ速度を与える。スプリッタが、２つの隣接するボールの行の間を通過することが可能であることが観察され、このモデルは、連続するボールの行が、図５ｂに示すように、オフセットするように調整された。これは、スプリッタの速度を増加させるが、実験で測定されたレベルまでは増加させなかった。
【００２９】
このモデルは、試験で観察されたスプリッタ速度を再現できるようにいくつかの方法で修正された。スラリーを小型にし、ボールを大きくし、中空でなく中実のボールが用いられた。
【００３０】
数値解析で観察された捕獲ボックス速度は、最初は、実際の試験で観察されたものよりもかなり大きかった。これは、２つの効果が原因であると結論付けられた。１つ目は、スプリッタ速度への適切な運動量の伝達を達成するスラリーの条件は、捕獲ボックスに、より大きな運動量を伝達する傾向があるということである。２つ目は、実際のスラリーは発散するが、一方、モデル化されているスラリーは発散せず、多くのスラリーが捕獲ボックスを打っていた、ということである。この問題を克服するため、まず、スラリーは、中心において８ｍｍからスラリーの縁で１ｍｍになるように、徐々に球体の直径を小さくするように修正された。
【００３１】
図６は、均一の寸法の球体７２によりモデル化されたスラリーを示しており、また、モデル化されたスプリッタ７４、捕獲ボックス７６を示している。
【００３２】
図７は、修正されたスラリーを示しており、スラリーの中心部８８から周辺部９０まで徐々に減少する寸法の球体８２でモデル化されている。
【００３３】
この修正は、捕獲ボックスの速度の精度を改善し、さらに、球体に発散軌道を与えることによりさらなる改善が得られた。
【００３４】
以上に述べられたものとは別に、本発明の代替実施形態が可能であることを理解されたい。
【００３５】
特に、本発明は、鳥または他の小さな柔軟体が静止表面に衝突し、衝突後のシステムの挙動を理解することが望まれるような任意の応用に用いることができる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面との衝突後の柔軟体の破断片の特性を表す方法であって、前記方法は、
前記柔軟体の質量および速度の値を得るステップと、
前記柔軟体の前記表面との衝突角度の値を得るステップと、
前記表面の剛性の値を得るステップと、
前記柔軟体の破断片の特性を表すパラメータを生成するために、得られた前記値を処理するステップと、
を有する方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、前記生成されたパラメータは、破断片の質量および少なくとも１つ破断片の初期軌道を有する、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、前記生成されたパラメータは、少なくとも１つの破断片および少なくとも１つのスラリーを画定する、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法であって、前記表面はガスタービンエンジの一部である、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、前記表面は、隠された吸気部の一部である、方法。
【請求項６】
請求項３に記載の方法であって、前記スラリーは複数の球体により画定される、方法。
【請求項７】
請求項６に記載の方法であって、前記スラリーの前記質量は、スラリー中心部付近に集中している、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、前記スラリーを画定する前記球体は、スラリーの中心部付近において大きく、スラリーの周辺部付近において小さい、方法。
【請求項９】
請求項６に記載の方法であって、前記スラリーを画定する前記球体は、異なる寸法の球体の層内に配置される、方法。
【請求項１０】
請求項６に記載の方法であって、前記スラリーを画定する前記球体は、発散する軌道を備える、方法。

【図１】