(57)【要約】【課題】ガスタービン用の排気ノズルにおけるダイバージェントシールの側方端部領域を冷却するための装置を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジン用の軸対称ノズルは、その長手方向中心軸を中心に配置されたダイバージェントフラップ（１６）およびダイバージェントシール（１８）を有する。これらのダイバージェントフラップおよびダイバージェントシールは、上流部における冷却空気入口孔と、下流部における冷却空気出口孔（２６）と、内部に設けられ、かつ冷却空気を通過させるために第１の端部で入口孔と連通するとともに第２の端部で出口孔と連通する冷却空気チャネル（２８，３０）と、を定める内側面をそれぞれ有する。ダイバージェントシールの側方端部領域（３６）は、隣接するダイバージェントフラップの出口孔の少なくとも一部と重なる外側面を有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用の排気ノズルにおけるダイバージェントシールの側方端部領域を冷却する冷却装置であって、軸対称ノズルを有し、該軸対称ノズルは、
前記ノズルの長手方向中心軸を中心に配置された複数のダイバージェントフラップを含み、これらのダイバージェントフラップは、上流部における複数の冷却空気入口孔と、下流部における複数の冷却空気出口孔と、前記ダイバージェントフラップの内部に設けられ、かつ冷却空気を通過させるために第１の端部で該ダイバージェントフラップの入口孔と連通するとともに第２の端部で該ダイバージェントフラップの出口孔と連通する複数の冷却空気チャネルと、を定める内側面をそれぞれ有し、前記ダイバージェントフラップの出口孔の少なくとも一部は、該ダイバージェントフラップの側方端部領域に沿って配置されており、
前記長手方向中心軸を中心に配置された複数のダイバージェントシールを含み、これらの複数のダイバージェントシールは、隣接するダイバージェントフラップの間に配置されており、前記ダイバージェントシールは、上流部における複数の冷却空気入口孔と、下流部における複数の冷却空気出口孔と、前記ダイバージェントシールの内部に設けられ、かつ冷却空気を通過させるために第１の端部で該ダイバージェントシールの入口孔と連通するとともに第２の端部で該ダイバージェントシールの出口孔と連通する複数の冷却空気チャネルと、を定める内側面をそれぞれ有し、前記複数のダイバージェントシールは、これらのダイバージェントシールの出口孔を超えて側方に延在する側方端部領域をそれぞれ含み、各々のダイバージェントシールの側方端部領域は、隣接の関連するダイバージェントフラップに定められた出口孔の少なくとも一部と重なる外側面を有し、冷却空気が前記少なくとも一部の出口孔を通って関連するダイバージェントシールの側方端部領域を冷却していることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記複数のダイバージェントフラップは、３つの冷却空気チャネルをそれぞれ画成していることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項３】
前記複数のダイバージェントシールは、２つの冷却空気チャネルをそれぞれ画成していることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項４】
前記複数のダイバージェントフラップは、前記冷却空気チャネルを形成するために内部に配置されたシートメタル壁をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項５】
前記複数のダイバージェントシールは、前記冷却空気チャネルを形成するために内部に配置されたシートメタル壁をそれぞれ含むことを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項６】
前記複数のダイバージェントフラップは、少なくとも部分的にシートメタルでそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【請求項７】
前記複数のダイバージェントシールは、少なくとも部分的にシートメタルでそれぞれ形成されていることを特徴とする請求項１記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、主に、ガスタービン用の排気ノズルに関し、特に、排気ノズルのダイバージェントシールの側方端部領域を冷却するための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機用のガスタービンエンジンは、排気ノズルを通して高温ガス放出することで推力を得る。多目的用途における効率的な運転のためには、可変面積のコンバージェント／ダイバージェントノズル（先細／末広ノズル）を使用することが要求される。可変のコンバージェント／ダイバージェント構造は、軸対称のノズルでは複数の周方向に配列されたフラップの使用によって得られる。部分的に重なるシールが、隣接するフラップの間に配置される。各々のコンバージェントフラップまたはシールと各々のダイバージェントフラップまたはシールとの間には、ヒンジ機構を設ける必要がある。動作時に、スロート部および終端の排気口を変更することができる。
【０００３】
具体的には、このような航空機ガスタービンエンジン用の可変寸法排気ダクトは、排気ダクトの周縁部を定めるために隣接するフラップの軸対照配列を使用することが多い。部分的に重なるシール部材は、隣接するフラップの間でシールを提供するように機能する。フラップの中間横軸ヒンジおよび先細部と末広部との間に設けられるシール部材が、所望のコンバージェント／ダイバージェント装置を提供する。従って、ダクトは、最適なエンジン性能のために、特に推力を増加させるのにアフタバーナを使用する高速航空機装置で必要な可変のスロート領域および可変の出口領域を画成するように構成可能である。
【０００４】
コンバージェント／ダイバージェントフラップは、エンジン排気を案内する。ダイバージェントフラップに対して１対１で、ノズルを囲むようにノズルの外側に配置される外側フラップを設けることが一般的である。これにより、ノズルの内部機構が保護されるとともにより滑らかな外観が提供される。これはまた、適切な空力的外形を提供して、乱流を引き起こしうる亀裂や開口部を防止する。
【０００５】
ガスタービンエンジンの最大の推力および運転効率は、エンジン排気が排気ガスの膨張を制御する排気ノズルを通過する時に得られる。最大運転効率を得るためには、周囲の大気と実質的に同じ圧力で排気流れを排出するようにノズルを構成することが一般的に要求される。
【０００６】
航空機が亜音速および超音速の両方で運転されるので、排気ノズル圧力比は広い範囲で変動する。可変スロート部を有するコンバージェント／ダイバージェントノズルは、種々の運転条件において適切な動作を達成するために使用される。
【０００７】
末広部では、ガスタービンエンジンのノズルは周方向に配列された複数のダイバージェントフラップを含む。各々のダイバージェントフラップは、エンジンの排気ガスにさらされるダイバージェントフラップの表面である“ガス側面”と、ガス側面の反対側のダイバージェントフラップの表面である“空気側面”と、を有する。ダイバージェントフラップの間の間隙からの排気ガスの漏れを防ぐために、ダイバージェントシールが隣接するダイバージェントフラップの間でかつこれらと部分的に重なるように設けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
このようなガスタービンエンジンのノズルは、非常に高温のガスで動作するので、ノズル表面の冷却が要求される。周知の方法は、冷却空気の加圧流れをコンバージェントフラップおよびコンバージェントシールの両方の内側を覆うライナに通過させることを含む。この冷却流れは、続いて末広部をフィルム冷却するために末広部の表面に隣接するスロート部で放出される。残念ながら、この冷却流れは、従来の軸対称ノズル構造では一般にダイバージェントシールの側方端部を冷却することができない。
【０００９】
従って、本発明の目的は、上述の難点や不利点を克服するノズル構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一形態では、ガスタービンエンジンの排気ノズルにおけるダイバージェントシールの側方端部領域を冷却する装置は、ノズルの長手方向中心軸を中心に配置された複数のダイバージェントフラップを備える軸対称のノズルを含む。ダイバージェントフラップは、上流部における複数の冷却空気入口孔と、下流部における複数の冷却空気出口孔と、ダイバージェントフラップの内部に設けられ、かつ冷却空気を通過させるために第１の端部でダイバージェントフラップの入口孔と連通するとともに第２の端部でダイバージェントフラップの出口孔と連通する複数の冷却空気チャネルと、を定める内側面をそれぞれ有する。ダイバージェントフラップの出口孔の少なくとも一部は、ダイバージェントフラップの側方端部領域に沿って配置される。複数のダイバージェントシールが、長手方向中心軸を中心に配置される。これらの複数のダイバージェントシールは、隣接するダイバージェントフラップの間に配置されている。また、ダイバージェントシールは、上流部における複数の冷却空気入口孔と、下流部における複数の冷却空気出口孔と、ダイバージェントシールの内部に設けられ、かつ冷却空気を通過させるように第１の端部でダイバージェントシールの入口孔と連通するとともに第２の端部でダイバージェントシールの出口孔と連通する複数の冷却空気チャネルと、を定める内側面をそれぞれ有する。複数のダイバージェントシールは、これらのダイバージェントシールの出口孔を超えて側方に延在する側方端部領域をそれぞれ含む。各々のダイバージェントシールの側方端部領域は、隣接の関連するダイバージェントフラップに定められた出口孔の少なくとも一部と重なる外側面を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１を参照すると、ガスタービンエンジン用の軸対称ノズルの全体が符号１０によって示されている。ノズル１０は、ノズルの長手方向中心軸を中心に配置された複数のコンバージェントフラップ１２およびコンバージェントシール１４を備える。ノズル１０は、さらに、長手方向中心軸を中心に配置された複数のダイバージェントフラップ１６およびダイバージェントシール１８を備える。コンバージェントフラップ１２およびダイバージェントフラップ１６は、ノズル１０の内部に配置された駆動リンク機構２０によって移動可能に調節される。ノズル１０は、ダイバージェントフラップ１６に対して１対１でノズル１０を囲むようにノズル１０の外側に設けられた複数の外側フラップ２２を含む。外側フラップ２２は、ノズル１０の内部機構を保護するとともに滑らかな外観を提供する。外側フラップ２２は、さらに、適切な空力的外形を提供して、乱流を引き起こしうる亀裂や開口部を防止する。
【００１２】
図２は、隣接する２つのダイバージェントフラップ１６の間に配置されたダイバージェントシール１８をより詳細に示したノズル１０の部分拡大図である。ダイバージェントフラップ１６およびダイバージェントシール１８は、上流端における複数の冷却空気入口孔２４と下流端における複数の冷却空気出口孔２６とをそれぞれ定める。
【００１３】
図３に示すように、各々のダイバージェントフラップ１６は、複数の内部チャネル２８を定め、各々のダイバージェントシール１８は、複数の内部チャネル３０を定める。ダイバージェントフラップ１６およびダイバージェントシール１８と関連するチャネル２８，３０は、それぞれ第１の端部で入口孔２４の一部と連通するとともに、第２の端部で出口孔２６の一部と連通する。ノズルのコンバージェントライナ３４から放出される冷却空気３２の一部は、入口孔２４に分流され、ダイバージェントフラップ１６のチャネル２８およびダイバージェントシール１８のチャネル３０を通過するとともに出口孔２６から流出して、エンジンの推力増加時にダイバージェントフラップおよびダイバージェントシールのガス流路面をより効率的に冷却する。
【００１４】
従って、ダイバージェントフラップ１６およびダイバージェントシール１８の上流端に定められる入口孔２４と、ダイバージェントフラップおよびダイバージェントシールの下流端に定められる出口孔２６は、チャネル２８，３０を通って冷却空気を経路づける手段を提供し、この手段はこれらの部材のシートメタル構造によって構成されることが好ましい。チャネル２８，３０は、プレナムを形成し、ダイバージェントフラップ１６およびダイバージェントシール１８を構成する高温のシートに定められる入口孔２４および出口孔２６が、ガス通路面を積極的にフィルム冷却およびしみ出し冷却するためにこのプレナムからの冷却空気の放出を提供する。しかし、図４に示すように、ダイバージェントシール１８の側方端部領域３６にはプレナムが設けられていない。よって、これらの面を冷却された状態に保つ必要がある。
【００１５】
図５を参照すると、隣接するダイバージェントフラップ１６のチャネル２８を用いて、冷却空気がダイバージェントシール１８の側方端部領域３６を効果的に冷却するように経路づけられる。ダイバージェントフラップ１６は、その側方端部領域３８に隣接して配置された冷却空気出口孔２６を定める。ダイバージェントシール１８の側方端部領域３６は、ノズル１０の推力増加時の全動作範囲にわたって隣接の関連するダイバージェントフラップ１６に定められた冷却空気出口孔２６の少なくとも一部と重なる外側背面をそれぞれ有する。ダイバージェントフラップ１６の側方に配置された出口孔２６は、ダイバージェントシール１８の側方端部領域２６と整列すると、フラップ／シールの中間面において漏れる高温ガスを希薄化するとともにダイバージェントシール１８の側方端部領域３６の背面をフィルム冷却するように冷却空気を放出する。
【００１６】
図５に示すように、高温のコアガス４０の流れが、ダイバージェントフラップ１６とダイバージェントシール１８との重複部の間の間隙４２を通ってノズル１０の内部からその外部に流れる。具体的には、高温のコアガス４０は、端部境界ゾーン４４と希薄化ゾーン４６に沿って流れる。端部境界ゾーン４４は、出口孔２６が隣接するダイバージェントシール１８の側方端部に覆われておらず、側方端部を超えたダイバージェントフラップ１６の部分である。希薄化ゾーン４６は、出口孔２６が隣接するダイバージェントシール１８の側方端部領域によって覆われたダイバージェントフラップ１６の部分である。ダイバージェントフラップ１６のチャネル２８を通って流れる冷却空気の一部は、シールの側方端部領域を冷却するために、隣接するダイバージェントシール１８の側方端部領域と重複して希薄化ゾーン４６に設けられた出口孔２６から流出する。
【００１７】
シールの側方端部領域を冷却する他の方法に対する本発明の利点は、以下の通りである。
【００１８】
１．本発明の冷却装置および冷却方法では、対流冷却用の空気チャネルや他の冷却機構をアセンブリに形成することが要求されないので、ダイバージェントシール構造が比較的単純に保たれ、ノズルのコストおよび重量が共に最少化される。
【００１９】
２．本発明の冷却装置および冷却方法では、ダイバージェントフラップおよびダイバージェントシールのガス流路表面積を冷却するのに必要な冷却空気量を効果的に減少させることで、ノズル性能を最適化する。提案された方法でフラップを通って冷却空気を経路づけることにより、放出される空気はフラップのガス流路面およびシールの側方端部領域の両方を冷却するという２つの目的を達成する。さらに、これらの孔の選択的な配置によって、ノズルの推力増加動作時のみにおいてシールの側方端部領域が積極的に冷却されることを確実にし、ドライ出力動作時にノズルの末広部に分流される冷却空気の量を最少化する。
【００２０】
３．フラップおよびシール端部間の移動の全範囲にわたって冷却空気の量を最少化するために、マルチゾーンの端部冷却方法が実施される。第１のゾーンでは、フラップ冷却孔の全ての軸方向列がダイバージェントシールの側方端部領域によって覆われており、全ての列が間隙希薄化空気を直接的に提供する。第２のゾーンは、コア環境に露出した孔の軸方向列の一部と、ダイバージェントシールの側方端部領域によって覆われた孔の軸方向列の一部と、を含む。コアにさらされた覆われていない列は、端部境界のフィルム冷却を提供する。シール端部の覆われた軸方向列は、間隙希薄化空気を引き続き提供する。第３のゾーンでは、全ての軸方向列がダイバージェントシールの側方端部領域に覆われておらず、全ての軸方向列がコア条件にさらされる。これらの露出した軸方向列は、端部境界のフィルム冷却を向上させる。
【００２１】
当業者には明かなように、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の上述の実施例に種々の変更および代替が可能である。よって、本明細書は、限定的ではなく例示的なものとして解釈されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ガスタービンエンジンの軸対称ノズルの切欠き説明図である。
【図２】図１のノズルに関連する２つのダイバージェントフラップと間に設けられたダイバージェントシールの斜視図である。
【図３】図２の３−３線に沿った断面を示すダイバージェントシールおよびダイバージェントフラップの斜視図である。
【図４】図３の４−４線に沿ったダイバージェントシールの断面図である。
【図５】図３の５−５線に沿ったダイバージェントシールおよびダイバージェントフラップの断面図である。
【符号の説明】
【００２３】
１６…ダイバージェントフラップ
１８…ダイバージェントシール
２６…出口孔
２８，３０…内部チャネル
３６…シールの側方端部領域
３８…フラップの側方端部領域
４０…高温のコアガス
４２…間隙
４４…端部境界ゾーン
４６…希薄化ゾーン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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