JP3903226B2 - ガスタービンエンジン用ノズル - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、一般には先細／末広ノズルを有するガスタービンエンジンに関し、より詳細には、ノズルを密封する装置に関する。
【０００２】
【発明の背景】
オグメンタを備えたガスタービンエンジンは、一般に、エンジン内に生じたスラストを最大限に利用するために幾つかの型式の下流ノズルを包含する。例えば、先細／末広ノズルが、ノズルの外形を多様に変えることができることから、しばしば用いられている。このような先細／末広ノズルにおいて、オグメンタの後部外周まわりに分配されている複数のフラップが先細部分及び末広部分を形成し、これらの先細及び末広部分はノズルと呼ばれている。また、隣接するフラップ間に設けられている複数のフラップシールが、先細部分及び末広部分における各フラップ間のガス漏れを最小にする。先細部分は、オグメンタと末広部分とにそれぞれ枢動可能に接続されている。末広部分は、先細部分と、末広フラップの外側に半径方向に設けられている外側フェアリングの複数の外側フラップの一端とに、それぞれ枢動可能に接続されている。これら外側フラップの他端は、ノズルの一部分を囲繞している固定外側ケーシングに枢動可能に接続されている。そして、外側ケーシングと、先細及び末広部分と、外側フェアリングとは、一緒になって、“ノズルプレナム”と呼ばれているプレナムを形成する。
【０００３】
オグメンタ及び燃焼器を出る中心ガスの温度は高いので、ノズルは、送風機から抽出されて温度がノズルを通過する中心ガス流れの温度よりも低いと共に圧力が中心ガス流れの圧力よりも高い空気で、冷却される。この冷却空気は、オグメンタを出てノズルに入り、ノズルフラップ及びフラップシールの一方の側、すなわち内側の表面に沿って進む冷却空気層を形成する。ノズルフラップ及びフラップシールの他方の側、すなわち外側の表面はノズルプレナム内の冷却空気によって冷却される。
【０００４】
しかしながら、以上述べたノズルの冷却方法の多くの実施には、一般に、２つの重大な欠点がある。すなわち、その第１の欠点は、オグメンタを出てノズルに入り、空気層を形成してノズルを通過する冷却空気が、オグメンタから離れる方向にしたがって温度を増大することである。そして、温度が増大すると同時に、空気層の幾何学的形状が損なわれ、冷却空気とノズルとの間の熱伝達が抑制される。その結果、冷却空気流れは、先細部分のためには十分であっても、末広部分のためには十分でなくなる。そして、このために、もし冷却空気流れが末広部分のために必要とされる最小量を満すように増大された場合には、過剰の量の冷却空気が先細部分を冷却するために用いられたことになる。第２の欠点は、現在使用可能な多くのノズルにおいて、ノズルプレナム内の冷却空気が外側フェアリングと末広部分との間の連結部から容易に逃げることである。したがって、他の方法で要求されるよりも多くの量の冷却空気をノズルプレナムに供給する必要がある。当業者であれば、ガスタービンエンジンに使用される抽出冷却空気の量を最小にすることは顕著な利益であることを認識されよう。
【０００５】
以上述べたことから、最小量の冷却空気を用いて先細及び末広部分を十分に冷却することができるノズルが要望されている。
【０００６】
【発明の開示】
本発明は、このような要望に応じてなされたものである。したがって、本発明の目的は、最小量の冷却空気を必要とするノズルを提供することにある。
【０００７】
本発明の他の目的は、末広フラップ及び末広フラップシールを十分に冷却するノズルを提供することにある。
【０００８】
本発明の更に他の目的は、多様のノズル姿勢に対して有効なノズル用密封装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の更に他の目的は、容易に製作されて実施される密封装置を提供することにある。
【００１０】
以上述べた目的を達成するために、本発明によれば、次に述べるようなガスタービンエンジン用ノズルが提供される。すなわち、ガスタービンエンジン用ノズルは、外側ケーシングと、先細部分と、末広部分と、外側フェアリングと、この外側フェアリングと末広部分との間を密封する装置とを包含する。先細部分は、その一端でオグメンタにまたその他端で末広部分の一端に、それぞれ連らなっている。末広部分の他端、すなわち先細部分に取付けられている端と反対側の端は外側フェアリングに枢動可能に取付けられている。末広部分は、周方向に間隔を置かれている複数の末広フラップと末広フラップシールとを包含する。外側フェアリングと末広部分との間を密封する装置は、末広フラップと末広フラップシールとに取付けられて、外側フェアリングと組合う。
【００１１】
そして、本発明の一態様によれば、各末広フラップは冷却空気が通過する放出スロットを包含する。これらスロットの方向は、冷却空気がノズルを通過する中心ガス流れに混合する前に、冷却空気がノズルプレナムから末広フラップの内部を通過し、空気層を形成しながら末広フラップの表面に沿って進むように、定められている。
【００１２】
また、本発明の他の態様によれば、各末広フラップシールは冷却空気が通過する放出スロットを包含する。これらスロットの方向は、冷却空気がノズルを通過する中心ガス流れに混合する前に、冷却空気がノズルプレナムから末広フラップシールの内部を通過し、空気層を形成しながら末広フラップシールの表面に沿って進むように、定められている。
【００１３】
以上述べた本発明のひとつの利益は、最小量の冷却空気を使用することである。すなわち、冷却空気は送風機又は圧縮機の段落から抽出されるか、若しくは航空機の外側フラップによって捕らえられて供給される。そして、前者の場合にあっては、送風機及び／又は圧縮機により仕事を与えられて圧力が増大した空気のうち、冷却空気として用いられる分はエンジンのスラスト発生のためには用いられず、したがってエンジンの効率を減少する。また、後者の場合にあっては、外側フラップが航空機に好ましくないドラグを生じさせる。したがって、必要とされる冷却空気の量を最小にすることは顕著な利益である。
【００１４】
本発明は、また、ノズルの末広部分のための改良した冷却を提供する。すなわち、多くの従来のノズル冷却方法は、オグメンタライナから放出される冷却空気を用いて下流側の先細及び末広部分（ノズル構成要素）の熱い側を冷却するようにしている。これに対し、本発明は、オグメンタライナから放出される冷却空気で先細及び末広部分の熱い側を冷却すると共に、末広部分の放出スロットを通過してこの末広部分を冷却する追加の空気を加えるようにしている。
【００１５】
本発明の以上述べた目的、特徴及び利益は添付図面を参照して詳述する下記の最良の実施の形態についての説明から一層明らかになるであろう。
【００１６】
【発明を実施するための最良の形態】
図１を参照するに、ガスタービンエンジン用ノズル１０は、外側ケーシング１２と、末広部分１４と、先細部分１６と、外側フェアリング１８とを包含する。オグメンタ２０の一部分が先細部分１６に隣接してノズル１０の前方に示されている。ノズル１０の先細部分１６は末広部分１４の前方に位置し、末広部分１４と先細部分１６との交差部は先細／末広ノズル１０ののど部を形成する。外側ケーシング１２は、オグメンタ２０及びノズル１０の一部分を囲繞する固定構造体である。
【００１７】
ノズル１０の先細部分１６は、オグメンタ２０の後部の外周まわりに分配された複数の先細フラップ２２と先細フラップシール（図示せず）とを包含する。各先細フラップ２２は、枢動可能なリンケージ２４に取付けられ、リンケージ２４は外側ケーシング１２に取付けられたブラケット２６に取付けられている。各リンケージ２４の枢動点２８は、オグメンタライナ３０と先細フラップ２２との交差部に隣接している。このリンケージ２４の枢動点２８の位置は、あたかも先細フラップ２２がオグメンタライナ３０に枢動可能に取付けられているように、先細フラップ２２がオグメンタライナ３０に関して枢動できるようにする。そして、フィンガシール３２がオグメンタライナ３０と先細フラップ２２との交差部をシールする。
【００１８】
次に、図１及び図５を参照するに、ノズル１０の末広部分１４は先細フラップ１６の後部の外周まわりに分配された複数の末広フラップ３４と末広フラップシール３６とを包含し、末広フラップ３４の一端は先細フラップ２２を支持するリンケージ２４に枢動可能に取付けられている。末広フラップ３４の他端は、外側フェアリング１８に枢動可能に取付けられている。各末広フラップ３４は、本体３８と、ホットシート４０と、後方延長部４２と、後方枢動部４４とを包含する。ホットシート４０は、本体３８の中心ガス流れにさらされる側に取付けられている。また、後方枢動部４４は本体３８の後部から延出している。更に、後方延長部４２は末広フラップ３４のホットシート４０から延出して後方枢動部４４のまわりに上向きにアーチ状に曲がっている。そして、本発明の一実施例によれば、各末広フラップ３４はそのホットシート４０に設けられた放出スロット５０を包含する。末広フラップ３４の本体３８を貫通する冷却空気通路５２は、冷却空気がこの放出スロット５０を通過できるようにする。
【００１９】
次に図１、図３及び図６を参照するに、複数の末広フラップシール３６は、末広フラップ３４間にかつ半径方向内向きにして周方向に分配されて、各隣接する末広フラップ３４の一部分とオーバラップしている。各末広フラップシール３６は、本体５４と、後方延長部５６とを包含する。この後方延長部５６は、末広フラップシール３６の本体５４から離れるように、末広フラップ３４の後方延長部４２と同様にアーチ状に曲がっているが、その曲率は末広フラップ３４の後方延長部４２の曲率よりも僅かに大きい。そして、本発明の一実施例によれば、各末広フラップシール３６は放出スロット５８を包含する。各末広フラップシール３６の本体５４を貫通する冷却空気通路６０は、冷却空気がこの放出スロット５８を通過できるようにする。
【００２０】
次に図１、図２及び図４を参照するに、外側フェアリング１８は、末広フラップ３２及び末広フラップシール３６と同様な方法で配置された複数の外側フラップ６２と外側フラップシール６４とを包含する。外側フラップ６２の後方端は、末広フラップ３４に枢動可能に取付けられている。外側フラップ６２の前方端は、外側ケーシング１２に枢動可能に取付けられている。そして、外側フェアリング１８と外側ケーシング１２との連結部に設けたフィンガシール６６が、外側フェアリング１８と外側ケーシング１２との間における冷却空気漏れを最小にする。
【００２１】
再び図１を参照するに、エンジンの作動において、温度が中心ガス流れ４６の温度よりも低いと共に圧力が中心ガス流れ４６の圧力も高い冷却空気が、送風機及び／又は圧縮機（ともに、図示せず）から抽出され、オグメンタライナ３０と外側ケーシング１２との間に形成されているアニュラス６８に入る。それから、この冷却空気の一部分がオグメンタライナ３０に設けられている穴を通してアニュラス６８から出て、オグメンタライナ３０と中心ガス流れ４６との間に空気層７０を形成する。この空気層７０は、下流側に連続して先細部分１６のフラップ２２を通り過ぎ、その進行に沿うオグメンタライナ３０及び先細部分１６から熱を運び去る。アニュラス６８内の残りの冷却空気は、先細部分１６と、末広部分１４と、外側ケーシング１２と、外側フェアリング１８とによって形成されているノズルプレナム７２に入る。
【００２２】
ノズル１０を冷却する場合において、ノズル１０を通過する冷却空気流れの量を最小にすることが要求されるものである。そして、この冷却空気の最小量には、熱伝達の目的のために必要とされる冷却空気量と、熱伝達のために必要とされる冷却空気を供給することに付随して生じる冷却空気の漏れ量とが含まれるものである。したがって、付随的な冷却空気の漏れを減少することは、ノズルに必要とされる最小の冷却空気量を減少することになる。この点、本発明によれば、末広フラップ３４及び末広フラップシール３６の各後方延長部４２，５６（図４を参照）が、末広部分１４と外側フェアリング１８との間を密封することにより、好ましくない付随的な冷却空気の漏れを最小にするのに役立つ。
【００２３】
図３及び図４を参照して更に詳述すれば、末広フラップ３４及び末広フラップシール３６の各後方延長部４２，５６は、末広部分１４の全周まわりに延びて、外側フラップ６２及び外側フラップシール６４と組合う連続する密封表面を提供することにより、冷却空気の漏れを最小にするのに役立つ。この連続する密封表面は、末広フラップシール３６の後方延長部５６に受入れられている末広フラップ３４の後方延長部４２によって形成される。すなわち、各末広フラップシール３６の後方延長部５６は、各隣接する末広フラップ３４の後方延長部４２の一部分を受入れる。末広部分１４の開閉は、それぞれ、末広フラップ３４の後方延長部４２を隣接する末広フラップシール３６の後方延長部５６に出入れするように滑動することにより、生じる。末広フラップ３４の後方延長部４２は、末広フラップシール３６の後方延長部５６に十分に受入れられ、末広部分１４の位置と無関係に、後方延長部４２，５６の一方が他方から外れるのを防止している。
【００２４】
再び図１を参照するに、末広部分１４に設けられた放出スロット５０，５８を包含する実施例によれば、ノズルプレナム７２内の冷却空気の一部分がこれらの放出スロット５０，５８を通して中心ガス流れ４６側に流入する。すなわち、この冷却空気は、末広フラップ３４及び末広フラップシール３６を出て、先細部分１６から下流に流れている空気層７０を増強し、これにより、末広部分１４からの熱の運び去りを増大する。
【００２５】
以上本発明をその実施例に関して図示し詳述してきたけれども、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、その形態及び詳部においてさまざまな変更ができることは当業者によって理解されるであろう。例えば、末広フラップ３４及び末広フラップシール３６の各後方延長部４２，５６は、最良の実施の幾何学的形状として、アーチ状に曲げられるものとして説明してきた。しかし、これに代えて、他の組合う幾何学的形状を用いることができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好適な実施例を示す、ガスタービンエンジン用ノズルの一部断面図である。
【図２】図１の２−２線に沿う上記ノズルの一部平面図である。
【図３】図２の３−３線に沿う上記ノズルの一部端面図であって、一部分を切欠して示している。
【図４】図１の一部を拡大して上記ノズルを詳細に示す図である。
【図５】図１中の末広フラップを拡大して詳細に示す図である。
【図６】図１中の末広フラップシールを拡大して詳細に示す図である。
【符号の説明】
１０ ガスタービンエンジン用ノズル
１２ 外側ケーシング
１４ 末広部分
１６ 先細部分
１８ 外側フェアリング
２０ オグメンタ
２２ 先細フラップ
２４ リンケージ
２６ ブラケット
２８ 枢動点
３０ オグメンタライナ
３２ フィンガシール
３４ 末広フラップ
３６ 末広フラップシール
３８ 本体
４０ ホットシート
４２ 後方延長部
４４ 後方枢動部
４６ 中心ガス流れ
５０ 放出スロット
５２ 冷却空気通路
５４ 本体
５６ 後方延長部
５８ 放出スロット
６０ 冷却空気通路
６２ 外側フラップ
６４ 外側フラップシール
６６ フィンガシール
６８ アニュラス
７０ 空気層
７２ ノズルプレナム

Claims (19)

1. ガスタービンエンジン用ノズルにおいて、外側ケーシングと、先細部分と、末広部分と、外側フェアリングとを包含し、前記末広部分が複数の末広フラップと複数の末広フラップシールとを有し、前記末広フラップの各々が前記先細部分に枢動可能に接続された前方端と、後方端と、この後方端から延出する後方延長部とを有し、また前記末広フラップシールの各々が前記先細部分に連らなる前方端と、後方端と、この後方端から延出する後方延長部とを有し、前記末広フラップが前記先細部分の外周まわりに間隔を置かれていると共に、前記末広フラップシールが末広フラップ間にかつ半径方向内向きにして周方向に設けられ、更に前記外側フェアリングが、その第１の端で前記末広フラップにまたその第２の端で前記外側ケーシングにそれぞれ枢動可能に接続されていると共に、前記末広部分の外側に半径方向に設けられ、前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの各後方延長部が前記外側フェアリングに連らなって、前記末広部分と前記外側フェアリングとの間を密封することを特徴とするガスタービンエンジン用ノズル。
2. 前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの一方の後方延長部が、前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの他方の後方延長部に滑動可能に受入れられている請求項１記載のノズル。
3. 前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの各後方延長部が、アーチ形の形状とされている請求項２記載のノズル。
4. 前記末広フラップの後方延長部が、前記末広フラップシールの後方延長部に受入れられている請求項３記載のノズル。
5. 前記末広フラップが、更に、その前方端と後方端との間に設けられて、冷却空気が通過する通路を形成する放出スロットを包含してなる請求項４記載のノズル。
6. 前記末広フラップシールが、更に、その前方端と後方端との間に設けられて、冷却空気が通過する通路を形成する放出スロットを包含してなる請求項５記載のノズル。
7. 前記外側フェアリングが、複数の外側フラップと、これらの外側フラップ間にかつ半径方向内向きにして周方向に設けられた複数の外側フラップシールとを包含してなる請求項２記載のノズル。
8. 前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの各後方延長部が、アーチ形の形状とされている請求項７記載のノズル。
9. 前記末広フラップの後方延長部が、前記末広フラップシールの後方延長部に受入れられている請求項８記載のノズル。
10. 前記末広フラップが、更に、その前方端と後方端との間に設けられて、冷却空気が通過する通路を形成する放出スロットを包含してなる請求項９記載のノズル。
11. 前記末広フラップシールが、更に、その前方端と後方端との間に設けられて、冷却空気が通過する通路を形成する放出スロットを包含してなる請求項１０記載のノズル。
12. 末広部分に枢動可能に取付けられた外側フェアリングを有するノズルを密封する装置において、前記末広部分の末広フラップに取付けられた第１の後方延長部と、前記末広部分の末広フラップシールに取付けられた第２の後方延長部とを包含し、前記第１及び第２の後方延長部が前記外側フェアリングに連らなって、前記末広部分と前記外側フェアリングとの間を密封することを特徴とする装置。
13. 前記第１及び第２の後方延長部の一方が、前記第１及び第２の後方延長部の他方に滑動可能に受入れられている請求項１２記載の装置。
14. 前記第１及び第２の後方延長部が、アーチ形の形状とされている請求項１３記載の装置。
15. 前記第１の後方延長部が、前記第２の後方延長部に受入れられている請求項１４記載の装置。
16. ガスタービンエンジン用ノズルにおいて、外側ケーシングと、末広部分と、外側フェアリングとを包含し、前記末広部分が複数の末広フラップと複数の末広フラップシールとを有し、前記末広フラップの各々が前記外側ケーシングに枢動可能に接続された前方端と、後方端と、この後方端から延出する後方延長部とを有し、また前記末広フラップシールの各々が前方端と、後方端と、この後方端から延出する後方延長部とを有し、前記末広フラップが前記外側ケーシングの外周まわりに間隔を置かれていると共に、前記末広フラップシールが末広フラップ間にかつ半径方向内向きにして周方向に設けられ、更に前記外側フェアリングが、その第１の端で前記末広フラップにまたその第２の端で前記外側ケーシングにそれぞれ枢動可能に接続されていると共に、前記末広部分の外側に半径方向に設けられ、前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの各後方延長部が前記外側フェアリングに連らなって、前記末広部分と前記外側フェアリングとの間を密封することを特徴とするガスタービンエンジン用ノズル。
17. 前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの一方の後方延長部が、前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの他方の後方延長部に滑動可能に受入れられている請求項１６記載のノズル。
18. 前記末広フラップ及び前記末広フラップシールの各後方延長部が、アーチ形の形状とされている請求項１７記載のノズル。
19. 前記末広フラップの後方延長部が、前記末広フラップシールの後方延長部に受入れられている請求項１８記載のノズル。

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