JPH063145B2 - タービンエンジン組立体 - Google Patents

タービンエンジン組立体

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JPH063145B2
JPH063145B2 JP1328557A JP32855789A JPH063145B2 JP H063145 B2 JPH063145 B2 JP H063145B2 JP 1328557 A JP1328557 A JP 1328557A JP 32855789 A JP32855789 A JP 32855789A JP H063145 B2 JPH063145 B2 JP H063145B2
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turbine engine
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ロイ・エルバート・モヤー
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    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D25/00—Component parts, details, or accessories, not provided for in, or of interest apart from, other groups
    • F01D25/16—Arrangement of bearings; Supporting or mounting bearings in casings
    • F01D25/162—Bearing supports
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Turbine Rotor Nozzle Sealing (AREA)
  • Structures Of Non-Positive Displacement Pumps (AREA)
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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 この発明は、一般にタービン組立体に関し、特に低圧ガ
スタービンから出てくる排気うずに対して方向を合わせ
て配列された薄い構造支持ストラットを有し、これらの
ストラットの後方に装着された排気ガスを整流する出口
案内ベーンの配列体を含むガスタービンエンジン組立
体。
従来技術 高温タービンエンジンの出現以来、単段の高エネルギー
抽出タービンエンジン設計への関心が高まっている。単
段のタービンエンジンは特に航空機用途に望ましい。単
段のタービンエンジンは、多段設計のものと比べて、重
量が軽く、維持が容易だからである。しかし、単段設計
には伝統的に、排気ガスにおけるうず（swirl）の量、
すなわちうず度が大きいことなど固有の問題がいくつか
ある。このうずは、ファンダクト質量流れ対主ダクト質
量流れの比が比較的高い中間および高バイパス比の設計
で特によく現れている。
バイパス比の高いタービンエンジンでは、低圧タービン
が大きな負荷を受け、その結果出口うずが大きくなる。
すなわち、低圧タービンから出てくる空気流は３０度以
上程度の比較的大きな接線方向速度を有する。スラスト
損失が大きくなるのを避けるためには、このうずをまっ
すぐに整流してから、高熱排気ガスを排気系から排出す
るようにしなければならない。
このうずを除き、まっすぐにする従来の方法では、１列
のうず除去（整流）又は出口案内ベーンを低圧タービン
ロータのすぐ後でかつ構造的支持ストラットおよびフェ
アリングの前または同一平面内に装着している。別の公
知の方法では、構造的支持ストラットと出口案内ベーン
とを組合わせて、限定された数の比較的長いエアーホイ
ル形部材を形成している。
低圧タービンからの排気ガスからうずを除くほかに、高
圧および低圧タービン軸受支持部材および関連する構造
的フレームを緊密に結合して、エンジンの寸法および重
量を小さくするとともに、低圧ロータの剛性（スチッフ
ネス）を増すことも望ましい。高圧および低圧タービン
軸受を緊密に支持または結合することにより、これらの
軸受間の軸線方向距離を小さくすることができ、寸法お
よび重量の縮小をはかることができる。さらに、低圧タ
ービンロータと後部軸受を支持する後部構造フレームと
の間の軸線方向距離を小さくすることも同様の理由で、
すなわちエンジンエンベロープ（外皮）を小さくし、重
量を軽くし、ロータの剛性を増す上で望ましい。
従来の単段タービンでは、出口案内ベーンの配列体を後
部軸受構造フレームの上流または前方に配置するか、出
口案内ベーンを後部軸受構造フレーム内に組み込むか組
合わせるかしている。いずれの方法にもそれぞれの欠点
がある。出口案内ベーンを後部軸受構造フレームの前方
に装着すると、ロータ系の軸線方向長さを増加しなけれ
ばならない。出口案内ベーンにより追加される軸線方向
距離に合わせて、後部軸受構造フレームをさらに後方に
配置しなければならないからである。出口案内ベーンを
後部軸受構造フレームと組合わせるには、長い半径方向
に延在する出口案内ベーンを多数設ける必要があり、こ
のようなベーンは冷却が困難である。この方法ではさら
に、構造的強度を得るために出口案内ベーンを幅広か肉
厚にする必要があり、この結果空気力学的旋回およびド
ラック（抗力）圧力損失が大きくなる。
タービンエンジンのスラスト出力を増加するために、オ
ーグメンタまたはアフターバーナを低圧タービンの下流
に、代表的にはエンジンの排気ダクト内に設けるのがよ
い。追加の燃料を排気ダクト内に噴射し、点火して、追
加の高エネルギーガス流を生成し、この追加のガス流を
ファンバイパス空気と混合してから、排気ノズル系を通
して排出し、こうしてエンジンから余分な高エルネギー
スラスト出力を得る。
アフターバーナに流入する高速のガスは、その前に出口
案内ベーンでまっすぐに、つまり整流されてうずを除か
れていることがもっとも重要であり、そうすればガスを
効果的に拡散できる。排気ガスの均一かつ完全な拡散
は、排気ガスがアフターバーナ中を流れる際にガス中に
含まれる酸素の燃焼を最大にするために必要である。
従来のタービンエンジン設計のあるものでは、出口案内
ベーンを排気流路を横切って、低圧タービン後部軸受を
支持する構造フレームの一部をなす機械的支持ストラッ
トの前方に配置している。これらの支持ストラットは後
部軸受および内部ロータシャフトを支持するだけでな
く、冷却用空気流およびエンジンオイルを支持ストラッ
ト中を通して半径方向に導く内部通路も構成している。
支持ストラットを覆うエアーホイル輪郭のシールドによ
り空気力学的抗力を低減し、拡散過程を助けている。出
口案内ベーンはうずを除くが、出口案内ベーンを装着し
た低圧タービン出口のすぐ近くに高マッハ数の流れが存
在するため、出口案内ベーンは大きなドラック作用を生
起する。
他の従来のタービンエンジン設計案では、排気ガスを整
流（うず除去）するのと同時に、機械的支持ストラット
をシールドするために反りのあるエアーホイルを用いて
いる。機械的支持のストラットには大きな断面が必要で
あるので、これらのシールド型設計には軸線方向長さが
長く比較的厚いシールドが必要であった。これらの設計
では、ドラック作用が大きく、うず除去が不完全であっ
た。実際、支持ストラットおよび／または出口案内ベー
ンが厚ければ厚いほど、流れの閉塞が大きくなり、圧力
損失が大きくなり、スラスト損失が大きくなる。
発明の要旨 この発明は上述した問題を解決するために開発されたも
ので、したがってその主要目的は、タービン後部軸受フ
レームの機械的支持ストラットの後方に装着された出口
案内ベーン組立体を提供することにある。この発明によ
れば、出口案内ベーンを低圧タービン出口から、従来の
設計よりさらに下流に配置し、この地点の領域のマッハ
数がより低いことをうまく利用し、うず除去に伴なう空
気力学的ドラッグ損失を軽減する。
別の目的は、出口案内ベーン組立体をディフュザ設計に
組み込んで排気流路内に均一かつ完全な拡散を達成する
ことにある。このことは、オーグメンタやアフターバー
ナを組み込んだ設計に特に望ましい。
他の目的は、支持ストラットの軸線方向延長部として作
用する出口案内ベーンを提供し、これにより比較的薄い
エアーホイル、すなわち厚さ対翼弦長の比が小さく、し
たがって空気力学的閉塞の小さいエアーホイルを設計す
ることを可能にする。
さらに他の目的は、排気ガスの流れに対して整列した反
りのない対称な断面のより薄く、より短いフェアリング
付きストラットを用いることを可能にする出口案内ベー
ン組立体を提供することにあり、これにより空気力学的
負荷を軽減し、空気力学的抗力（ドラッグ）を軽減す
る。
さらに他の目的は、低圧タービンロータの緊密な結合を
可能にする出口案内ベーン組立体を提供することにあ
る。この結果、ロータ系の重量が減少し、ロータ剛性が
増加し、回転振動特性および動特性が改良される。
さらに他の目的は、出口案内ベーン支持ストラットから
離してタンデムに着脱自在に装着した出口案内ベーン組
立体を提供することにあり、したがって出口案内ベーン
はその空気力学的整流荷重を支える強度が必要なだけで
ある。このため、セラミックまたは非金属複合材料の出
口案内ベーンまたは安価および／または低強度金属の出
口案内ベーンを用いることができる。
簡潔に説明すると、この発明は一般に、中間または高バ
イパス比のガスタービンエンジンの設計に関与し、この
設計では、薄いフェアリング（整形部材）付き構造支持
ストラットがエンジンの中心線に対して傾斜し、低圧タ
ービンから流れ出る出口うず流の方向に対して整列され
ている。薄い反りのある出口案内ベーンを支持ストラッ
トおよびフェアリングの後方または下流に装着して、う
ずを除去し、空気力学的閉塞を低減する一方、ストラッ
ト断面を面積調整して拡散を均一にする。出口案内ベー
ンは構造的フレーム部材として働かないので、これらの
ベーンを高温用途のセラミック材料のような非金属材料
から作製することができる。
上述した目的、特徴および効果は、以下に述べる図面を
参照したこの発明の好ましい実施例の説明から明らかに
なるであろう。
好ましい実施例の説明 以下にこの発明を図面に示す実施態様について説明する
が、図面において同一部分は同じ符号で示してある。
この発明を理解しやすくするために、出口案内ベーンを
装着したタービンフレーム組立体の位置と配置を特定す
ることによりガスタービンエンジンの主な特徴を簡単に
説明しておく。
第１図にガスタービンまたはターボファンエンジン１０
の一部を断面図にて示す。このエンジン１０は外側ケー
シング１２を含み、外側ケーシング１２はエンジン１０
の互いに反対側の端部に位置する入口１６と排気出口１
８との間に軸線方向に延在する環状流路１４を囲む。
エンジンの運転中、周囲空気を入口１６で吸入し、圧縮
機２０で高圧に圧縮し、この圧縮空気を圧縮機２０から
環状燃焼器２２に送り込み、そこで燃料を燃焼させて高
エルネギーの燃焼生成物を生成する。原動流体を燃焼器
２２からタービン２４に案内し、そこでそのエネルギー
の一部を抽出して圧縮機２０を駆動し、その後流体を排
気出口１８から高エルネギー流として排出する。
タービン２４から出る排気ガスを追加の空気（バイパス
空気）と既知の方法で混合し、オーグメンタまたはアフ
ターバーナ２６の領域に送る。アフターバーナ２６から
追加の燃料を排気流れに注入する。そしてこの燃料／空
気混合物を点火して追加の推進力を得、燃焼物は排気出
口１８を通って外に出る。
エンジンの種々の構成部分をその適正な相対的作動位置
に維持するために、静止ステータ構成部品を剛固に相互
連結するとともに、ロータの軸受支持を行なうエンジン
フレーム組立体が設けられる。具体的には、エンジン１
０は前部軸受３０を支持する前部フレーム組立体２８
と、後部軸受３８を支持するタービンフレーム３６とを
含む。ロータ４０はこれらの軸受３０および３８で回転
自在に装着されている。
フレーム組立体２８および３６はそれぞれ、複数個の半
径方向に延在する支持ストラット４２および４６を含
み、それらのストラット４２および４６は環状流路１４
を横切って突出して、フレーム組立体の内側および外側
フレーム部材を相互連結する。流路１４に流れる原動流
体の温度はエンジンの過渡的運転期間の間極めて急速に
変化するので、ストラットが内側および外側フレーム部
材とは著しく異なる速度で加熱および冷却するままにし
ておくと、剛固なフレーム組立体に大きな熱応力が生成
するおそれがある。このことは特にタービンフレーム組
立体３６に関してそうである。タービンフレーム組立体
３６を包囲する排出ガスに生じる作動温度の変化はもっ
とも急速かつ大きく、その結果大きな熱応力を生じるか
らである。
以上簡単に説明したガスタービンエンジン１０は現在の
多くのガスタービンおよびターボファンエンジンの全体
構成の代表的なもので、この発明を考える上での適切な
全体像を提供する目的で説明したものである。当業者に
明らかなように、この発明は他の型式のガスタービンお
よびターボファンエンジンにも適用でき、したがってエ
ンジン１０は単なる例示にすぎない。したがって、以下
に説明する出口案内ベーン組立体はタービンフレーム３
６に類似した変形タービンフレーム組立体と関連させて
図示してあるが、この発明は、温度変化が大きくかつ急
速な高速原動流体にさらされる他の剛固な組立体にも等
しく適用できる。
第２図にこの発明の出口案内ベーン組立体４８を、フェ
アリング５４の後縁５２に隣接して装着した出口案内ベ
ーン５０の環状配列体を含むものとして示す。第３図お
よび第４図からわかるように、各フェアリング５４は、
薄壁断面の内部半径方向支持ストラット４６を囲む薄壁
断面の対称なキャンバ（反り）なしエアーホイルとして
形成されている。フェアリング５４の中心線５６および
前縁５８を、低圧タービンブレード５９からの渦流れの
方向と一致させて、空気力学的トラッグ圧力損および流
路閉鎖を最小にする。中心線５６の好適な位置決めをガ
スタービンエンジン１０の長さ方向軸線、すなわち中心
線６０から約３２度として示してあるが、この角度は特
定の用途に応じて約２５度から約３５度までの範囲で変
えることができる。
第５図および第６図に示すように、フェアリング５４お
よび支持ストラット４６は個別のセグメント６２として
組立てている。代表的な設計では、８個のセグメント６
２を組合わせ、環状配置にてタービンエンジン１０に装
着し、フェアリング／ストラット組立体６４を構成す
る。このフェアリング／ストラット組立体６４は、半径
方向フランジ付き内側支持リング６６と半径方向フラン
ジ付き外側支持リング６８との間で環状流路１４の範囲
を定める。第２図に示す実施例では、８個の等間隔に配
置したフェアリング／ストラットセグメント６２を組合
わせて、内側支持リング６６と外側リング６８との間に
環状スポーク状配列体を形成している。
さらに第５図および第６図からわかるように、流路１４
は外側流路ライナ６５と内側流路ライナ６９との間に画
定されている。外側流路ライナ６５は各フェアリング５
４に面取したエルボ部材６３を介して連結され、一方エ
ルボ部材６３は各フェアリング５４の上側部分に固着さ
れている。上側流路ライナ６５および下側流路ライナ６
９は金属シートから形成し、所定位置に溶接またはろう
付けすればよい。
各フェアリング５４は第３図に示すようにフェアリング
半部シェル部材７０および７２から構成して、内側支持
ストラット４６のまわりにフェアリングを組立てること
ができるようにする。フェアリング／ストラット組立体
６４全体は既知の技術で作成でき、後述するフェアリン
グ／ストラット組立体６４と出口案内ベーン５０との相
対的軸線方向タンデム配置を除いては、既知の態様でエ
ンジン１０内に装着することができる。
第２図に戻ると、内側支持リング６６は後部軸受３８用
の支持部材としても作用する内側ケーシング７４を介し
てエンジン１０に固定し、一方外側支持リング６８はエ
ンジン外側フレーム部材７６に固定することができる。
第２(a)図に示すように、外側支持リング６８は外側フ
レーム部材７６から、クレビス７７内にピンで枢着され
たリンク部材７５を介して支持されている。フェアリン
グ／ストラット組立体６４は後部軸受３８（第１図）の
まわりで軸線方向に整列配置するのが好ましい。
第１図および第２図に示すファンバイパス空気７８を空
気スクープ８０の円周方向配列体により半径方向内方に
導く。各フェアリング／ストラックセグメント６２毎に
１つの空気スクープ８０を設けて、二重パスＵ字形冷却
材流路８２に沿って冷却空気を供給する。冷却空気は各
フェアリング／ストラックセグメント６２にその頂部、
すなわち半径方向外側から入り、内部バッフルにより冷
却材通路８２内を導かれ、排気ポート８６（第６図）を
通ってフェアリング５４の後縁５２から外に出る。この
まがりくねった冷却路により内部支持ストラット４６お
よびフェアリング５４を効率よく冷却することができ
る。
出口案内ベーン５０は内側支持リング６６または外側支
持リング６８いずれかの半径方向フランジにボルト止め
して、半径方向の熱膨張を自由に許すのがよい。第２，
７および８図に示した実施例では、内側支持リング６６
に内側環状装着フランジ８８を、また外側支持リング６
８に後部フランジ９０を有する外側環状装着チャンネル
８９をそれぞれ形成している。一方、出口案内ベーン５
０には、半径方向に延在する内側円弧状装着フランジ９
６を含む内側支持リング９２と、半径方向に延在する外
側円弧状装着フランジ９８を含む外側支持リング９４と
を形成している。第２図に示すように、環状チャンネル
８９とフランジ９８との間には軸線方向および半径方向
のクリアランス９９をとる。
出口案内ベーン５０は第７図および第８図に示すよう
に、１セグメント当り３個のベーンを有する個別のセグ
メントとして作製するのが好ましい。第２図に示すよう
に、ボルト１０２を装着フランジ９６の孔１００に通し
て出口案内ベーン５０をフェアリング／ストラット組立
体６４にボルト止めしたとき、出口案内ベーン５０はフ
ェアリング５４のすぐ後に整流用ベーンの環状配列体を
形成する。この装着組立体はさらに、ディフュザケーシ
ングまたはテイルコーン１０６の半径方向フランジ１０
４への連結部も含む。
複数個の出口案内ベーン５０をフェアリング／ストラッ
ト組立体６４の後に装着することにより、出口案内ベー
ン５０の軸線方向寸法をフェアリング５４および後部支
持ストラット４６より短くすることができる。好ましく
は出口案内ベーン５０が従来の出口案内ベーンより短い
ので、出口案内ベーン５０がもたらす空気力学的抗力も
小さくなる。さらに、出口案内ベーン５０は従来の設計
よりさらに下流にあり、この地点での排気ガスの速度は
約１５％低い。これにより空気力学的損失はさらに小さ
くなる。
排気ガスを整流する形状に設計された従来のフェアリン
グは、アフターバーナの作動に必要な流れの場の均一性
を確保するため、必然的に軸線方向の長さが長くなって
いた。出口案内ベーン５０をフェアリング５４の後に配
置することによって、軸線方向の長さが短いフェアリン
グを用いることが可能になる。その理由は、フェアリン
グが空気力学的整流の要求よりはむしろ機械的および構
造的要求のみを満足させればよいからである。
出口案内ベーン５０はフェアリング５４内に組み込まれ
たりその一部として構成されていないので、出口案内ベ
ーン５０は、従来の設計のように流路１４全体にわたっ
て延在する必要がない。すなわち、従来の設計では、支
持ストラットを高熱の排気ガスから保護するために、フ
ェアリングおよび出口案内ベーンが支持ストラットを完
全に囲み包みこむ必要があった。このような従来の設計
では、フェアリングと出口案内ベーンエアーホイルのエ
ンベロープがその内部に納めた支持ストラットの幅を覆
わなければならないので、組合わせたフェアリングおよ
び出口案内ベーンの幅がかなりおおきかった。この結
果、空気力学的閉塞と圧力損失が大きかった。
このような欠点は、第３，９および１０図に示すよう
に、フェアリング５４および支持ストラット４６を出口
案内ベーン５０から軸線方向に離すことによって回避さ
れる。フェアリング５４の前縁５８を出口うずと整列さ
せて空気力学的損失をさらに減少させる。さらに、出口
案内ベーン５０は中実であるので、その断面は従来の中
空な設計よりはるかに小さく、その結果空気力学的抗力
も流路の閉塞も小さくなる。
前述したように、排気ガスが低圧タービンブレード５９
から出、アフターバーナ２６に入る際に精密に制御され
た拡散速度を維持することが重要である。完全燃焼を実
現するには、排気ガスを均一に拡散させ、均一に分配ま
たは展開する必要がある。排気ガスを拡散させるために
は、その速度を減速しなければならない。このことは、
流路１４の断面を徐々に増加することによって達成され
る。しかし、断面の増加割合が急すぎると、すなわち流
路１４の壁があまりに急に拡がると、排気ガスが剥離
し、拡散は制御されない不均一な拡散となってしまう。
拡散を制御されたものとするには、従来の設計では、流
路を相当な軸線方向範囲にわたって発散させる必要があ
った。このため、タービンエンジンは軸線方向長さが長
くなり、それに応じて重量も重くなっていた。出口案内
ベーン５０をフェアリング５４のすぐ後または下流にタ
ンデム配置することにより、流れの剥離を生じることな
く、全体的な拡散速度をより短い軸線方向距離で一層速
くすることができる。
出口案内ベーン５０は、制御された量の閉塞を流路１４
内に付加して、拡散速度をゆっくりにするとともに、フ
ェアリング／ストラット組立体６４のすぐ後での流れの
剥離を防止する。すなわち、流路１４の断面は各フェア
リング５４の後縁８４で急激な面積変化率を呈し、簡単
に流れ剥離を生じる。この臨界点に出口案内ベーン５０
を配置することにより、面積変化率を減少させ、拡散を
制御して流れ剥離を回避する。実際、出口案内ベーン５
０をディフュザの設計に組み込んで拡散制御を容易にす
ることができる。
多数の、好ましくは４０ないし４８個の出口案内ベーン
５０は、拡散速度を減速する１列の小さい拡散コントロ
ーラとして作用し、しかも全体としては一層速い拡散速
度を維持することを可能にする。各出口案内ベーン５０
は拡散を制御するとともに、排気ガスの流れを方向転換
させるか整流する実質的な表面積を与える。したがっ
て、多数の軸線方向長さの短い小形出口案内ベーン５０
をフェアリング／ストラット組立体６４の後に設ける方
が、従来の設計におけるように出口案内ベーンの数を
８，１０または１２、すなわち機械的強度を得るのに必
要な支持ストラット４６の数に限定するよりも好まし
い。これらの従来の設計では、排気ガスを完全に方向転
換するか整流するのに十分な表面積が得られなかった。
多数の薄い出口案内ベーン５０をフェアリング／ストラ
ット組立体６４の後部に装着することの別の利点は、短
い軸線方向距離の間でより大きな全体量の拡散が生じる
ことである。この結果、軸線方向にコンパクトなディフ
ュザ断面となり、一層コンパクトかつ軽量なタービンエ
ンジンが可能となる。出口案内ベーンはディフュザ断面
をディフュザ長さの共通な複数個の小さなディフュザに
分割する。したがって、流路１４に出口案内ベーン５０
が存在することにより、拡散速度、すなわち軸線方向長
さの変化当りの流路断面積の変化が減少し、一方従来の
設計と比較してより大きい全体的面積変化を達成する。
拡散速度を便宜的に記述するのに、等価円錐ディフュザ
の挟角が尺度となる。等価円錐ディフュザは実際のディ
フュザと同じ入口および出口面積および同じ長さを有す
るが、円錐台の形態をとる。円錐ディフュザの円錐の側
面を頂点まで延長することにより画定される挟角が拡散
速度の尺度になる。一般に、１５度程度のディフュザ円
錐角度が許容範囲内の長さで効率よい拡散を達成するの
に好適である。
この発明にしたがって出口案内ベーンをディフュザ領域
に装着すると、ディフュザはディフュザ長さの共通な多
数の小さなディフュザに分割される。したがって、挟角
の大きさで測定した拡散速度は小さくなる。このため、
「ベーン」付きディフュザ設計では全体的面積変化が大
きくなり、その結果ベーンなしのディフュザ設計と比べ
て拡散が小さくなる。
したがって、出口案内ベーンをディフュザ設計に組み込
むことにより、制御された拡散速度を得るための面積調
整が容易になる。１つのベーンを付加するとディフュザ
は、円錐角度が（最初の角度） である２つの等価ディフュザに分割される。したがっ
て、ベーンが２つであれば、円錐角度は（最初の角度） になり、以下同様である。
低圧タービンブレード５９からの流れは、ひどい圧力損
失を引き起こし得る大きなエデイを伴なった高度のうず
（スウィール）を有する。出口案内ベーンがないと、こ
れらのエディはディフュザを通過するにつれて単純に大
きくなる。発散する壁により流路の断面積を増加するだ
けではこれらのエティやうずを除くのに十分でない。
完全燃焼をめざしてこの種の不均一な流れを均一に拡散
させるために、出口案内ベーンを「ねじり」（twist）
排気ガスの可変うず（swirl）角度に適合させることが
できる。したがって、各出口案内ベーン５０の前縁の入
射角は、拡散を均一にし、アフターバーナ２６に入る排
気ガスの流れを流線状にする半径の関数として変化す
る。整流効果を高めるために、フェアリング／ストラッ
ト組立体６４を同様に「ねじり」ことも可能である。
ここで第４図および第９図について説明すると、各フェ
アリング５４がタービンエンジン１０の中心線６０に対
して約３２度傾いているだけでなく、各出口案内ベーン
５０の前縁１０８も約３２度傾いて、直接渦巻排気流を
出むかえることがわかる。各出口案内ベーン５０を３２
度のキャンバ（反り）角に設定して排気ガスを方向転換
し、整流し、実質的に完全な軸線方向流れとする。した
がって、各出口案内ベーン５０の後縁１１０はタービン
エンジンの中心線６０と整列させる。
第４図に示す出口案内ベーン５０はそれぞれ厚さが均一
であるが、第９図に示す出口案内ベーン５０は、勾玉に
似た輪郭を画定する不均一な厚さを有する。第９図で
は、フェアリング５４を軸線方向に「分割」している。
すなわち軸線方向に離間した２つのエアーホイルとして
形成している。前部フェアリング１１２は支持ストラッ
ト４６を包囲し、後部「フェアリング」１１４は排気ガ
スを整流する出口案内ベーンとして作用する。前部フェ
アリング１１２を対称な輪郭に形成し、うず流と整列さ
せて空気力学的抗力を減少させる一方、後部の反りフェ
アリング１１４は幅を徐々に狭めて拡散過程を補助す
る。
後部フェアリング１１４の間には形状が後部フェアリン
グ１１４に似た１列の出口案内ベーン５０が整列されて
いる。これらの出口案内ベーン５０は第４図に示したベ
ーンほど後方遠くには配置していない。これらの出口案
内ベーンはフェアリングの後縁の後にではなく、フェア
リングの後方部分の間に配列されるからである。この設
計は第４図に示した設計よりわずかに大きな空気力学的
抗力を生じるが、この設計は拡散速度の極めて速い軸線
方向に極めてコンパクトなタービンエンジンとなる。す
なわち、第９図の実施例では第４図とほぼ同じ量の拡散
が達成されるが、それがより短い長さ（重量が減少）
で、わずかに高い圧力損失で達成される。
第１０図に示す実施例は第９図の実施例と同様である
が、フェアリング５４が一体部品構成であり、出口案内
ベーン５０の幅が均一である。この設計も、第４図の設
計と比べて、ある程度の重量低減と長さの短縮を達成す
る。
第９図の実施例の変形例を第１１図および第１２図に示
す。ここでは前部フェアリング１１２にその後縁１１８
に沿って円弧状の凹所１１６を形成する。後部フェアリ
ング１１４にはその前縁１２２に沿って、凹所１１６と
相補形状をなし凹所１１６に嵌合する円弧状突出部１２
０を形成する。前部および後部フェアリング１１２およ
び１１４は両方とも中空部材として形成して冷却空気１
２６を半径方向に流すための内部通路１２４を形成する
のが好ましい。
第１１図および第１２図からさらに明らかなように、出
口案内ベーン５０は中実部材として形成され、後部フェ
アリング１１４間に整列されている。冷却空気１２６前
部フェアリング１１２の後部高圧側面１３０に形成した
排気口１２８を通して排出される。前部フェアリング１
１２は、一連の個別の円弧状セグメントに装着し、これ
らのセグメントを一緒にリング１３２として締結するの
が好ましい。後部フェアリング１１４および出口案内ベ
ーン５０も個別の円弧状セグメントの上に形成し、これ
らのセグメントを一緒にもう１つのリング１３４として
締結するのが好ましい。
第１１図において、前部フェアリング１１２のリング１
３２にはその外周に半径方向装着フランジ１３６が設け
られ、そして後部フェアリング１１４および出口案内ベ
ーン５０のリング１３４にもその外周に半径方向装着フ
ランジ１３８が設けられている。これらの前部リング１
３２および後部リング１３４を１４０で個別の環状部材
としてボルト連結する。前部リング１３２および後部リ
ング１３４をその外周でのみボルト止めして、熱勾配に
より誘引される自由な半径方向膨張を許容するのが好ま
しい。半径方向段付き装着フランジ１４２を内側ケーシ
ング７４の延長として形成し、リング１３４の内周に形
成した半径方向フランジ１４２′に対して、その軸線方
向の拘束を行なうとともに、半径方向膨張を自由にする
ためのクリアランス１４４をとる。
各フェアリング／ストラット組立体６４を個別の組立体
として形成し、個別の取り外しの容易な出口案内ベーン
組立体４８に連結できるようにするのが好ましい。こう
すれば、出口案内ベーン５０を、機械的構造支持を考慮
することなく、特定のタービンエンジンの整流要求に合
うように変更できる。すなわち、出口案内ベーン５０は
タービンエンジンのフレーム３６になんら有意な支持を
しないので、いくつかの出口案内ベーン組立体のどれか
１つをフェアリング／ストラット組立体６４にボルト止
めすればよい。別々の装着構成配置とすることで、すべ
ての構造的支持が支持ストラット４６にまかせられるの
で、出口案内ベーン５０はそれらの空気力学的整流荷重
を支える強度を要求されるだけである。出口案内ベーン
５０は構造的支持または軸受支持を行なわないので、代
表的な超合金または軽量安価なセラミック材料の簡単な
中実非冷却ベーンとして形成することができる。
出口案内ベーン５０をフェアリング／ストラット組立体
６４から容易に分離できるので、タービンエンジンのロ
ータ系を分解することなく、種々の設計形状の出口案内
ベーンを互換することができる。このことは、排気ガス
のうず角度が種々のエンジン設計に応じて変化するにつ
れて、タービンエンジン中心線６０からの傾斜角または
オフセット角が異なる出口案内ベーン５０を選択的に装
着し、こうして出口案内ベーン５０の整流性能を最適に
することによって、エンジン設計の変更を許容する上で
特に重要である。この分離が容易であることから、アフ
ターバーナ２６をタービンエンジン１０から取り外す場
合など、すべての出口案内ベーンをエンジンから完全に
取り外すことさえ可能である。
別個に装着できる出口案内ベーン５０のさらに他の利点
は、フェアリング／ストラット組立体６４を含むタービ
ンフレーム３６を出口案内ベーン５０と平行にまたは同
時に製造できることである。このため、タービンエンジ
ン１０の組立は、出口案内ベーン５０ありでもなしでも
行なえる。
以上を要約すると、第１３図および第１４図に示すよう
に、出口案内ベーン５０をフェアリング／ストラット組
立体６４の後に配置することにより、従来の設計より効
率の向上したディフュザ部分を有する軸線方向の長さの
短いエンジン１０を設計することができる。さらに、こ
の発明では出口案内ベーン５０を危険性の低い環境に置
く、すなわちこの下流位置では排気ガスの速度がより遅
いので抗力損失が小さい。より多くの構造を流路１４内
で上流に配置することにより、整流が始まる前に拡散が
より多く起こる。
当業者にとっては、この発明の要旨を逸脱しない範囲内
で、この発明の構成の変更や上述したものとは大きく異
なる実施態様や用途が自明である。以上の説明は例示に
すぎず、いかなる意味でも限定的にとるべきではない。
【図面の簡単な説明】
第１図は、ガスタービンエンジンの線図的概略縦断面図
で、ガスタービンエンジンの全体的構造およびエンジン
フレームおよびアフターバーナの位置を示し、 第２図はこの発明の支持ストラットおよび出口案内ベー
ン組立体を断面にて示す立面図、 第２(a)図は第２図のＡ−Ａ線方向に見た、外側支持リ
ングと外側フレーム部材との連結部を示す正面図、 第３図は第２図のＢ−Ｂ線方向に見たフェアリング／ス
トラット組立体の断面図、 第４図は出口案内ベーン組立体の１例の配置図で、出口
案内ベーンをフェアリング／ストラット組立体の後方に
配置した配置を示し、 第５図はフェアリング／ストラット組立体の１セグメン
トの正面斜視図、 第６図は第５図のフェアリング／ストラット組立体の１
セグメントの裏面斜視図、 第７図は出口案内ベーン組立体の１セグメントの正面斜
視図、 第８図は第７図の出口案内ベーン組立体の１セグメント
の裏面斜視図、 第９図および第１０図はフェアリングおよび出口案内ベ
ーンの相対配列の異なる例を示す配置図、 第１１図はフェアリングおよび出口案内ベーンの装着配
置の別の例を示す側面図、 第１２図は第１１図の配置を上から見た図、 第１３図および第１４図はこの発明のフェアリング／ス
トラット組立体および出口案内ベーン組立体の全体を示
す正面図および裏面図である。 主な符号の説明 １０：ガスタービンエンジン、 １２：外側ケーシング、１４：流路、 １６：入口、１８：出口、 ２４：タービン、２６：アフターバーナ、 ２８：前部フレーム組立体、 ３６：タービンフレーム、 ４０：ロータ、 ４２，４６：支持ストラット、 ４８：出口案内ベーン組立体、 ５０：出口案内ベーン、 ５４：フェアリング、６０：タービン中心線、 ６２：セグメント、 ６４：フェアリング／ストラット組立体、 ６５：外側ライナ、 ６６：内側支持リング、６８：外側支持リング、 ６９：内側ライナ、 ７０，７２：シェル部材、 ７４：内側ケーシング、 ７６：外側フレーム部材、 ８８：装着フランジ、９０：後部フランジ、 ９２，９４：支持スリング、 ９６，９８：装着フランジ、 １０６：ディフュザケーシング、 １１２：前部フェアリング、 １１４：後部フェアリング、 １３２，１３４：リング、 １３６，１３８：装着フランジ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 デニス・クラーク・エバンズ アメリカ合衆国、マサチューセッツ州、ト ップスフィールド、パーキンス・サーク ル、７番 (56)参考文献 特公 昭50−19682（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭50−3852（ＪＰ，Ｙ１)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内側ケーシング、外側ケーシングおよび内
    側ケーシングと外側ケーシングとの間に配置された複数
    個の低圧タービンブレードを有するタービンエンジン組
    立体において、 上記低圧タービンブレードの後方で上記内側および外側
    ケーシングを相互連結する半径方向に延在する環状配列
    の支持ストラットと、 上記支持ストラットの後方で上記タービンエンジン内に
    装着され、上記低圧タービンブレードからの排気ガスを
    整流する複数個の半径方向延在出口案内ベーンとを備え
    るタービンエンジン組立体。
  2. 【請求項２】さらに、上記内側ケーシングと作動的に関
    連した第１内側環状支持部材と、上記外側ケーシングと
    作動的に関連した第１外側環状支持部材とを備え、上記
    複数の出口案内ベーンが上記第１内側環状支持部材と第
    １外側環状支持部材との間に装着されて出口案内ベーン
    組立体を形成した請求項１に記載のタービンエンジン組
    立体。
  3. 【請求項３】さらに、上記支持ストラットそれぞれのま
    わりに設けられたフェアリングと、第２内側環状支持部
    材と、第２外側環状支持部材とを備え、上記複数の支持
    ストラットが上記第２内側環状支持部材と第２外側環状
    支持部材との間に支持されてフェアリング／ストラット
    組立体を形成した請求項２に記載のタービンエンジン組
    立体。
  4. 【請求項４】上記出口案内ベーン組立体が上記フェアリ
    ング／ストラット組立体に着脱自在に装着された請求項
    ３に記載のタービンエンジン組立体。
  5. 【請求項５】さらに上記支持ストラットそれぞれのまわ
    りに装着されたフェアリングを備える請求項１に記載の
    タービンエンジン組立体。
  6. 【請求項６】上記支持ストラットが上記タービンエンジ
    ンの長さ方向中心線に対して傾斜している請求項５に記
    載のタービンエンジン組立体。
  7. 【請求項７】上記支持ストラットが上記タービンエンジ
    ンの中心線に対して２５〜３５度の範囲で傾斜している
    請求項６に記載のタービンエンジン組立体。
  8. 【請求項８】上記フェアリングが反りのない対称な断面
    を有する請求項５に記載のタービンエンジン組立体。
  9. 【請求項９】上記出口案内ベーンが上記フェアリングの
    後方部分と軸線方向同一範囲に延在するよう装着された
    請求項５に記載のタービンエンジン組立体。
  10. 【請求項１０】上記フェアリングが前部フェアリング部
    材およびこれとタンデムに軸線方向に間隔をあけて配置
    された後部フェアリング部材を含む請求項５に記載のタ
    ービンエンジン組立体。
  11. 【請求項１１】上記フェアリングが前部フェアリング部
    材およびその後方部分に嵌合する後部フェアリング部材
    を含む請求項５に記載のタービンエンジン組立体。
  12. 【請求項１２】上記出口案内ベーン組立体が上記フェア
    リング／ストラット組立体に上記第１および第２外側環
    状支持部材に沿ってのみ固定装着された請求項３に記載
    のタービンエンジン組立体。
  13. 【請求項１３】上記出口案内ベーン組立体が上記フェア
    リング／ストラット組立体に上記第１および第２内側環
    状支持部材に沿ってのみ固定装着された請求項３に記載
    のタービンエンジン組立体。
  14. 【請求項１４】上記出口案内ベーンが薄い均一断面の中
    実な非冷却ベーンとして形成された請求項１に記載のタ
    ービンエンジン組立体。
  15. 【請求項１５】さらに上記フレーム組立体と作動的に関
    連したアフターバーナ手段を備える請求項１に記載のタ
    ービンエンジン組立体。
  16. 【請求項１６】上記出口案内ベーンをねじり、半径方向
    に変化するうず角度を有する排気ガスに適合するように
    した請求項１に記載のタービンエンジン組立体。
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