JP2003502546A - 燃焼器出口ダクト冷却の低減装置 - Google Patents

燃焼器出口ダクト冷却の低減装置

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JP2003502546A
JP2003502546A JP2001503776A JP2001503776A JP2003502546A JP 2003502546 A JP2003502546 A JP 2003502546A JP 2001503776 A JP2001503776 A JP 2001503776A JP 2001503776 A JP2001503776 A JP 2001503776A JP 2003502546 A JP2003502546 A JP 2003502546A
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duct
annular
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annular ring
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ジェイ． ゲイツ，ロジャー
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    • F01D9/00—Stators
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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Abstract

(57)【要約】 本発明は、別個のエンジン構成要素が、一体に鋳造されて、熱応力耐性が向上し、それによって、構成要素の構造上の完全性を維持するのに必要とされる冷却空気流の量が低減される、タービンエンジンに向けられる。逆空気流ダクトのダクト内壁（３４）は、タービンノズルを形成するステータベーン（３８）を取り囲む周方向に延びるシュラウド（４２）と一体に鋳造される。一体鋳造によって、ダクト内壁（３４）は、熱応力にいっそう耐えることができ、従って、必要とされる冷却空気流（４７）が少なくなる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は、タービンエンジン分野に関し、特に、別個のエンジン構成要素が、
一体に鋳造されて、熱応力耐性が向上し、それによって、エンジン構成要素を横
切る冷却流の必要性が低減される、タービンエンジンに関する。
【０００２】
【背景技術】
タービンエンジン、特にガスタービンエンジンは、一般に、ジェット推進用に
航空機に配備されている。ガスタービンエンジンは、従来のターボジェットエン
ジンの中核をなし得るものであり、あるいは、ジェット推進とプロペラ推進の両
方を組み合わせたターボプロップエンジンなどの従来のハイブリッド用途に使用
され得るものである。
【０００３】 ガスタービンエンジンにおいて生じる問題は、エンジン構成要素が、たいてい
の場合、燃焼過程で生じる高温気体に長時間、繰り返し曝されるのに耐えること
ができないことである。燃焼器出口ダクトなどのエンジン構成要素は、一般に、
鍛錬金属（ｗｒｏｕｇｈｔ ｍｅｔａｌ）の薄いシートから形成されており、エ
ンジン作動中に通常生じる高温のエンジン気体に長時間、繰り返し曝されるのに
耐えることができない。結果として、これらの構成要素には、エンジンの耐用期
間に亘ってこれらの構成要素の構造上の完全性を維持するために、何らかの冷却
機構が必要とされる。
【０００４】 近年、エンジン作動中にエンジン燃焼室構成要素を冷却する解決方法が開発さ
れている。提案された解決方法は、ホームズ（Ｈｏｌｍｅｓ）らに１９９３年１
２月２１日に付与された米国特許第５，２７１，２２０号、コッラド（Ｃｏｒｒ
ａｄｏ）らに１９９４年１月２５日に付与された米国特許第５，２８０，７０３
号に、詳細に述べられている。これらの特許には、燃焼室がケース壁で囲まれて
いる半径流ガスタービンエンジンが開示されている。エンジンの圧縮機段からの
相対的に低温の空気流が、ケース壁と燃焼室外壁との間から排出されて、エンジ
ン作動中に燃焼室の壁を冷却する。冷却空気流は、燃焼室の壁の周りに延びる。
冷却空気流は、最後に、燃焼室の中に排出されて、そこで、排気流の中に放出さ
れる。
【０００５】 第３の構成が、ウェラー（Ｗｅｌｌｅｒ）らに１９９４年４月３日に付与され
た米国特許第４，４３９，９８２号に開示されている。この発明では、空気流は
、燃焼過程で使用されるように吸気される間に、燃焼室の周りに向けられる。燃
焼生成物は、次に、逆流ダクトに向けられ、そこで、交互列のステータベーンと
タービンブレードを横断して流れる。燃焼室の周りに向けられた空気流は、エン
ジン作動中にステータベーンを冷却するために、ダクトを通ってステータベーン
の内部に排出される。ステータベーンの内部に供給される空気流は、次に、ステ
ータベーンの後縁近くの孔を通って排気流の中に放出される。
【０００６】 ホームズら、コッラドらは、半径流タービンに関するが、実際に関係するもの
ではない。上述した文献のそれぞれは、燃焼室の壁を冷却する空気流を提供し、
コッラドらの場合は、同様に、タービンノズルを冷却する。これらの構成要素を
冷却するのに必要な大容量の冷却流は、エンジン効率を実質的に低下させる。こ
の低下が起こるのは、圧縮機段により燃焼室に向けられる空気流の大部分が、燃
焼室によって使用されないからである。その代わりに、この空気流の大部分は、
燃焼室とそれに関連する構成要素から熱を移動し去るために使用される。これは
、圧縮機段からの空気流のうち、より多くの部分を冷却に使用する必要があり、
従って、より少量の空気流が燃焼に使用され得ることを、意味する。
【０００７】
【発明の開示】
従って、本発明の目的は、ガスタービンエンジン中の熱応力の掛かる構成要素
に向ける必要がある冷却空気流の容量を低減することである。
【０００８】 本発明の別の目的は、熱応力の掛かるエンジン構成要素に必要とされる冷却空
気流の容量を低減する装置を提供することである。
【０００９】 本発明のさらに別の目的は、より熱応力耐性があり、従って、設計作動温度に
維持するのに必要とされる冷却空気流の容量を低減するエンジン構成要素の製造
方法を提供することである。
【００１０】 本発明のさらなる目的は、ガスタービンエンジン中の燃焼室の壁の相対直径を
低減する方法を提供することである。
【００１１】 上述した目的に従って、本発明は、第１のダクト壁部を有する逆空気流ダクト
に接続された燃焼室を含むガスタービンエンジンを提供する。燃焼室は、燃焼室
に空気流を提供する環状通路によって囲まれている。装置は、燃焼室から空気流
を導く複数のエーロフォイルを含むエンジン構成要素から構成される。エンジン
構成要素は、内側リングと外側リングとを含む。内側リングは、固定支持部に接
続される。外側リングは、逆空気流ダクトの第２のダクト壁部と一体に鋳造され
周方向に延びるシュラウドを含む。
【００１２】 上述した目的に従って、本発明は、第１のダクト部分を有する逆空気流ダクト
を含むガスタービンエンジンに使用するためのエンジン構成要素の製造方法を提
供する。エンジン構成要素は、中央ハブ周りに周方向に延びる複数のエーロフォ
イルを含み、さらに、内側リングと外側リングとを形成する。方法は、逆空気流
ダクトの第２のダクト部分を、エンジン構成要素の径方向外端部上に形成された
周方向に延びるシュラウドと、一体に鋳造することを含む。
【００１３】 以上のように本発明の特徴を一般的に説明したので、次に本発明の好ましい実
施態様を図によって示している添付図面を参照する。
【００１４】
【発明を実施するための最良の形態】
本発明は、別個のエンジン構成要素を一体に鋳造して、熱応力耐性を向上させ
、それによって、冷却の必要性を低減する、という原理に関する。本発明で詳細
に述べられるこの原理は、１つの特定の適用に関して説明されるが、ガスタービ
ンエンジンの他の適用にも使用することができる。
【００１５】 図１には、流れを径方向外向きにディフューザ１７に向ける、圧縮セクション
の遠心インペラー段１５が例示される。空気流は、次に、ディフューザ管１９に
より軸方向に向けられ、このディフューザ管１９は、当業技術でよく知られるよ
うに、空気流の速度を低下させるとともに、空気流の圧力を増加させるように機
能する。このように、高圧空気流は、燃焼室２５を取り囲む環状通路２０に向け
られる。
【００１６】 図１において理解されるように、環状通路２０内の空気流は、燃焼室２５の周
り、一般に矢印２７の方向、に向けられる。燃焼室２５は、燃焼過程で、この空
気流の大部分を使用する。燃焼過程で生成した高温高圧の排気は、次に、ダクト
外壁３２とダクト内壁３４とを含む逆空気流ダクト３０に向けられる。排気は、
矢印３６によって示される流路を進み、ステータベーンブレード３８を横断して
、タービンディスクマウントブレード４０を含むタービン段の中へ、流れる。
【００１７】 燃焼過程を維持するために環状通路２０を通過する空気流の一部は、同様に、
矢印４７によって示される流路に沿って環状通路４５の中に向けられる。この空
気流は、次に、環状通路４５の末端壁４９に到達し、図２において最もよく理解
されるように、そこで、末端壁４９内の小孔を通るように向けられ、ダクト内壁
３４の内面に衝突する。環状通路４５の中を流れる空気流は、相対的に低温であ
り、従って、燃焼中に生成される排気に曝されるダクト内壁３４を冷却するのに
役立つ。これは、エンジン作動中にダクト内壁の構造上の完全性を維持するのに
役立つ。冷却空気流は、次に、図２に関してさらに説明される目的のために、ス
テータベーン３８の内部に排出される。
【００１８】 本発明の好ましい実施態様に従って、ダクト内壁３４は、ステータベーンブレ
ード３８の径方向外端部上に形成される周方向に延びるシュラウド４２の一体に
鋳造された延長部分として形成される。ダクト内壁３４と周方向に延びるシュラ
ウド４２とは、熱応力耐性の高い金属合金から形成される一体環状リングとして
一体に鋳造される。ニッケル、コバルトなどの材料を、金属合金に含ませること
ができるが、その他の熱応力耐性の高い金属合金も、本発明の範囲に含まれると
考えられる。
【００１９】 ダクト内壁３４を、周方向に延びるシュラウド３８と一体に鋳造する利点は、
そのような一体に鋳造された構造が、鍛造金属シートから形成される従来のダク
ト壁構造より、熱応力耐性に非常に優れているという事実にある。これは、一体
に鋳造されたダクト内壁が、金属シートから構成されるダクト壁のときに可能で
あるより、長期間より高温に耐えることができることを、意味する。結果として
、ダクト内壁３４は、その構造上の完全性を維持するためには、必要とされる環
状通路４５からの却空気流が少なくなる。これは、２つの主要な利点を与える。
第一に、ダクト内壁３４を冷却するのに必要とされる空気流が、少なくなるので
、より小さな環状通路４５でエンジンを設計でき、従って、より小さな直径で燃
焼器を構成することができる。その結果として、これによって、燃焼器を形成す
るのに必要とされる材料が少なくなるので、重量低減とともに、結果として、エ
ンジン全体の大きさの低減が可能となる。第二に、必要とされる冷却空気流の量
の低減は、圧縮セクションから由来する空気流のうち、より多くの部分を燃焼に
使用することができ、それによって、エンジン効率が向上することを、意味する
。
【００２０】 図２には、本発明の好ましい実施態様による一体ダクト構造の拡大断面図が例
示される。逆空気流ダクト３０は、ダクト外壁３２、ダクト内壁３４とともに例
示される。先に述べたように、ダクト内壁３４は、シュラウド４２の延長部分と
して形成されており、空気流ダクト３０の内壁を形成する。概略Ｕ字形の環状末
端壁４９は、図２に示されるように、シュラウド支持構造に取り付けられており
、燃焼器内壁５１の端部に形成された環状スロット４８とシールを形成するリッ
プ部４９ａを含む。さらに、末端壁４９には、ダクト内壁３４の外端部上に形成
された環状リム３４ａとシールを形成する、環状溝すなわち環状スロット５３が
設けられている。
【００２１】 さらに、末端壁４９には、冷却空気流を衝突ダクト５２の中に通過させる開口
部が設けられる。このように形成されるジェットと、結果として得られる衝突ダ
クト５２を通る空気流とは、ダクト内壁３４から熱を放散させる。環状通路４５
は、矢印４７によって示される経路に沿って相対的に低温の空気流を供給するよ
うに、例示される。衝突ダクト５２の中に向けられた空気流は、ステータブレー
ド３８に向かって導かれる。
【００２２】 衝突ダクト５２を通るステータブレード３８の中への空気流の経路は、矢印５
８によって示される。ステータブレードのそれぞれは、一般に中空であり、冷却
空気流を排気流の中に放出する複数の開口部６０を備える。開口部６０は、ブレ
ードの後縁に沿って配置されるのが好ましいが、熟練職人であれば、これらの開
口部が、ブレードのどのような部分に沿っても配置可能であることは、容易に理
解するであろう。結果として、衝突ダクト５２からの冷却空気流は、ステータベ
ーンエーロフォイル内で方向付けられ、開口部６０を通って放出される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ガスタービンエンジンの圧縮および燃焼セクションの部分軸断面図。
【図２】 本発明の好ましい実施態様による一体ダクト構成の部分拡大断面図。
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１３年８月９日（２００１．８．９）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】 近年、エンジン作動中にエンジン燃焼室構成要素を冷却する解決方法が開発さ
れている。提案された解決方法は、ホームズ（Ｈｏｌｍｅｓ）らに１９９３年１
２月２１日に付与された米国特許第５，２７１，２２０号、コッラド（Ｃｏｒｒ
ａｄｏ）らに１９９４年１月２５日に付与された米国特許第５，２８０，７０３
号に、詳細に述べられている。これらの特許には、燃焼室がケース壁で囲まれて
いる半径流ガスタービンエンジンが開示されている。エンジンの圧縮機段からの
相対的に低温の空気流が、ケース壁と燃焼室外壁との間から排出されて、エンジ
ン作動中に燃焼室の壁を冷却する。冷却空気流は、燃焼室の壁の周りに延びる。
冷却空気流は、最後に、燃焼室の中に排出されて、そこで、排気流の中に放出さ
れる。 クルーンステット（Ｃｒｏｎｓｔｅｄｔ）に１９７３年９月２５日に付与され
た米国特許第３，７６１，２０５号には、特に、容易に分解され保守整備される
ように構成されているガスタービンエンジンが開示されている。タービン入口ノ
ズルアッセンブリは、一連のノズルベーンの両端に第１および第２の径方向に延
びる壁を備え、環状タービンシュラウド要素が、第２の壁から延びており、ター
ビンブレードの周囲を取り囲んでいる。 シェクレトン（Ｓｈｅｋｌｅｔｏｎ）に１９９０年９月１１日に付与された米
国特許第４，９５５，１９２号には、半径流タービン用の格納リングの冷却が開
示されている。希釈空気が、希釈空気路の格納リングを冷却した後、タービン入
口ノズルの直ぐ上流で燃焼気体の中に流入する。 ウィルヘルム ジュニア（Ｗｉｌｈｅｌｍ，Ｊｒ．）に１９７２年３月２８日
に付与された米国特許第３，６５２，１８１号には、ガスタービントランスミッ
ション部材用の冷却スリーブが開示されており、この冷却スリーブは、衝突ダク
トを形成する。しかしながら、形成された衝突ダクトは、完全にトランスミッシ
ョン部材を取り囲んでおり、空気が一方側から衝突ダクトに流入し、トランスミ
ッション部材を冷却した後、他方側から燃焼気体路に流入する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】 図１において理解されるように、環状通路２０内の空気流は、燃焼室２５の周
り、一般に矢印２７の方向、に向けられる。燃焼室２５は、燃焼過程で、この空
気流の大部分を使用する。燃焼過程で生成した高温高圧の排気は、次に、ダクト
外壁３２とダクト内壁３４とを含む逆空気流移行ダクト３０に向けられる。排気
は、矢印３６によって示される流路を進み、ステータベーンブレード３８を横断
して、タービンディスクマウントブレード４０を含むタービン段の中へ、流れる
。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】 本発明の好ましい実施態様に従って、ダクト内壁３４は、ステータベーンブレ
ード３８の径方向外端部上に形成される周方向に延びる外側シュラウド４２の一
体に鋳造された延長部分として形成される。内側ステータベーンシュラウドは、
固定支持部に固定される。ダクト内壁３４と周方向に延びる外側シュラウド４２
とは、熱応力耐性の高い金属合金から形成される一体環状リングとして一体に鋳
造される。ニッケル、コバルトなどの材料を、金属合金に含ませることができる
が、その他の熱応力耐性の高い金属合金も、本発明の範囲に含まれると考えられ
る。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】 ダクト内壁３４を、周方向に延びる外側シュラウド４２と一体に鋳造する利点
は、そのような一体に鋳造された構造が、鍛造金属シートから形成される従来の
ダクト壁構造より、熱応力耐性に非常に優れているという事実にある。これは、
一体に鋳造されたダクト内壁が、金属シートから構成されるダクト壁のときに可
能であるより、長期間より高温に耐えることができることを、意味する。結果と
して、ダクト内壁３４は、その構造上の完全性を維持するためには、必要とされ
る環状通路４５からの却空気流が少なくなる。これは、２つの主要な利点を与え
る。第一に、ダクト内壁３４を冷却するのに必要とされる空気流が、少なくなる
ので、より小さな環状通路４５でエンジンを設計でき、従って、より小さな直径
で燃焼器を構成することができる。その結果として、これによって、燃焼器を形
成するのに必要とされる材料が少なくなるので、重量低減とともに、結果として
、エンジン全体の大きさの低減が可能となる。第二に、必要とされる冷却空気流
の量の低減は、圧縮セクションから由来する空気流のうち、より多くの部分を燃
焼に使用することができ、それによって、エンジン効率が向上することを、意味
する。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２０】 図２には、本発明の好ましい実施態様による一体ダクト構造の拡大断面図が例
示される。逆空気流ダクト３０は、ダクト外壁３２、ダクト内壁３４とともに例
示される。先に述べたように、ダクト内壁３４は、外側シュラウド４２の延長部
分として形成されており、空気流ダクト３０の内壁を形成する。概略Ｕ字形の環
状末端壁４９は、図２に示されるように、シュラウド支持構造に取り付けられて
おり、燃焼器内壁５１の端部に形成された環状スロット４８とシールを形成する
リップ部４９ａを含む。さらに、末端壁４９には、ダクト内壁３４の外端部上に
形成された環状リム３４ａとシールを形成する、環状溝すなわち環状スロット５
３が設けられている。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２２】 衝突ダクト５２を通るステータブレード３８の中への空気流の経路は、矢印５
８によって示される。ステータブレードのそれぞれは、一般に中空であり、冷却
空気流を排気流の中に放出する複数の開口部６０を備える。開口部６０は、ブレ
ードの後縁に沿って配置されるのが好ましいが、熟練者であれば、これらの開口
部が、ブレードのどのような部分に沿っても配置可能であることは、容易に理解
するであろう。結果として、衝突ダクト５２からの冷却空気流は、ステータベー
ンエーロフォイル内で方向付けられ、開口部６０を通って放出される。

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ガスタービンエンジンの燃焼器の出口ダクトの冷却の必要性を
    低減する装置であって、前記燃焼器は、少なくとも環状外壁と環状内壁とにより
    形成される燃焼室を含み、前記燃焼室は、ダクト外壁とダクト内壁とを有する第
    １のダクト部分を備える逆空気流ダクトと連通し、前記燃焼室は、冷却空気流を
    前記燃焼室の前記内壁と外壁とに供給する環状通路により囲まれており、前記装
    置は、 前記第１のダクト部分の下流で、タービンセクションの上流にある、エンジ
    ン構成要素を備え、 前記エンジン構成要素は、前記ガスタービンセクションを通して気体を導く
    複数のブレードを含み、前記エンジン構成要素は、内側リングと外側リングとを
    形成し、 前記エンジン構成要素の前記内側リングは、固定支持部に接続され、 前記エンジン構成要素の前記外側リングは、前記第１のダクト部分の前記ダ
    クト内壁の一部と一体に鋳造された周方向に延びるシュラウドを含む、 ことを特徴とする装置。
  2. 【請求項２】 前記第１のダクト部分は、前記ダクト内壁の外壁と内壁とを備
    えることを特徴とする請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記周方向に延びるシュラウドと前記ダクト内壁は、一体の環
    状リングを形成することを特徴とする請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記環状リングは、曲線部分と、この曲線部分に隣接する前記
    エンジン構成要素の外端部に一致する概略直線壁部分と、を含む断面形状を有す
    ることを特徴とする請求項３記載の装置。
  5. 【請求項５】 前記環状リングは、前記シュラウドと一体の一体鋳造要素であ
    り、外側環状リムを含み、前記燃焼器内壁は、この内壁の端部に形成された環状
    スロットを有しさらに軸方向構成要素を有し、シール手段が、前記環状リングの
    前記リムと前記燃焼器内壁の中に形成された前記スロットとの間に延びることを
    特徴とする請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 第２の環状リングが、前記シュラウドに取り付けられており、
    前記ダクト内壁を形成する前記環状リングと同延で平行しており、前記第２の環
    状リングは、前記ダクト内壁から離れて衝突ダクトを形成し、複数の開口部が、
    前記第２の環状リングを通って延びており、前記環状通路は、外側環状通路と内
    側環状通路とを含み、前記内側環状通路は、前記燃焼室の前記内壁と前記第２の
    環状リングとにより形成され、前記開口部は、前記内側環状通路を前記衝突ダク
    トと連通させ、それによって、冷却空気が、前記衝突ダクトの中に流入し前記ダ
    クト内壁から熱を放散させることができることを特徴とする請求項５記載の装置
    。
  7. 【請求項７】 前記第２の環状リングは、さらに、前記第１の環状リングの前
    記リムと前記燃焼室の前記内壁の中に形成された前記環状スロットとの間の前記
    シール手段を形成し、前記第２の環状リングは、前記燃焼室の前記環状内壁の前
    記スロットとシールを形成して係合するように適合されたリップ部を含み、さら
    に、前記第１の環状リングの前記環状リムを受け入れるための環状溝を備えるこ
    とを特徴とする請求項６記載の装置。
  8. 【請求項８】 ガスタービンエンジンに使用するためのエンジン構成要素の製
    造方法であって、前記ガスタービンエンジンは、燃焼室と、この燃焼室と連通す
    る逆空気流ダクトと、を有する燃焼器を含み、前記エンジン構成要素は、タービ
    ンノズルを形成し、さらに、このノズルを取り囲む環状シュラウドを含み、前記
    方法は、第１のダクト部分の壁の一部を形成するために、環状リング部分を前記
    シュラウドと一体に鋳造することを含むことを特徴とする方法。
  9. 【請求項９】 前記方法は、さらに、前記環状リングと前記シュラウド部分と
    を金属合金から鋳造することを含むことを特徴とする請求項８記載の方法。
  10. 【請求項１０】 前記合金は、ニッケル、コバルトからなる群より選択される
    元素を含むことを特徴とする請求項９記載の方法。
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