(57)【要約】【課題】従来の欠点を緩和するノズル喉部断面を変更する装置を提案する。【解決手段】タービンノズルの喉部断面を変更する装置である。ノズル１０は、環状の外側プラットフォームと環状の内側プラットフォーム１８、２０との間に径方向に延びると共に、最小流れ断面を呈する喉部を規定するために互いに離間している、複数の固定翼１６で形成されている。この装置は、ノズルのプラットフォーム１８、２０の膨張率より小さい膨張率を有する環状要素２４を備え、環状要素２４は、外側プラットフォーム１８に固定されると共に、二つの位置をとるのに適しており、一方の位置は、環状要素が流路２２のプロファイルに連続性を提供する、プラットフォーム１８、２０が膨張していない状態に対応する位置であり、他方の位置は、環状要素がその断面を低減するように流路２２内に突出する、プラットフォーム１８、２０が膨張している状態に対応する位置である。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タービンノズルの喉部断面を変更する装置であり、ノズル（１０）が、タービンを通過する燃焼ガスのための流路（２２）を規定するように、互いに離間した環状の外側プラットフォームと環状の内側プラットフォーム（１８、２０）との間に径方向に延びる複数の固定翼（１６）で構成されており、固定翼（１６）が、最小流れ断面を呈する喉部を規定するために互いに離間している、装置であって、
装置が、ノズルのプラットフォーム（１８、２０）の膨張率より小さい膨張率を有する環状要素（２４）を備え、前記環状要素（２４）が、外側プラットフォーム（１８）に固定されると共に、二つの位置をとるのに適しており、一方の位置は、環状要素（２４）が流路（２２）のプロファイルに連続性を提供する、プラットフォーム（１８、２０）が膨張していない状態に対応する位置であり、他方の位置は、環状要素が流路の断面を低減するように流路（２２）内に突出する、プラットフォーム（１８、２０）が膨張形態にある状態に対応する位置であることを特徴とする、装置。
【請求項２】
環状要素（２４）は、ノズルプラットフォーム（１８、２０）が膨張していないときに、ノズルの外側プラットフォーム（１８）の環状溝（２６）内に軸方向に保持されており、プラットフォームが膨張しているときは、ノズルに対して径方向に移動するのに適していることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
環状要素（２４）が、少なくとも一つの径方向タブ（２８）を含み、該径方向タブ（２８）は、環状要素（２４）が前記外側プラットフォームに対して偏心しないように、外側プラットフォーム（１８）内のノッチ（３０）に受容されることを特徴とする、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
外側プラットフォーム（１８）に対して環状要素（２４）の径方向タブ（２８）を軸方向に保持する少なくとも一つの部材（３２）をさらに含むことを特徴とする、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
環状要素（２４）が、下流側から上流側へテーパ付けられた直角断面の上流側部を呈することを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
【請求項６】
環状要素（２４）が、ノズルの喉部の全長に亘って軸方向に延びていることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
【請求項７】
環状要素（２４）が、複合材料で作られていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項８】
環状要素（２４）が、セラミック材料で作られていることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
【請求項９】
タービンノズルの喉部の断面を変更する請求項１から８のいずれか一項に記載の装置を含むことを特徴とする、タービンノズル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンノズルの一般的な分野に関し、さらに詳細には、タービンノズルの喉部断面を変更することを可能にする装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ターボ機械から増加した推力を得るために、喉部として知られる、高圧または低圧タービンノズルの最小断面部におけるガス流断面の変更を利用することが知られている。ノズル喉部の断面を変更する目的は、ノズルを通過するガスの流量を、ターボ機械の異なる作動段階に応じて適合させることにある。特に、ターボ機械がアイドリング中、またはポンピングマージンを増加させ且つターボ機械の燃料消費率を低減するために断面低減中に、ノズル喉部の断面を増大させることができることが必要である。
【０００３】
知られている装置では、喉部断面は、ヒンジシステムによって変更される。このように、その喉部の近傍において、ノズルの固定翼間のガス流路の壁に設けられたフラップを有するシステムが知られている。これらのフラップは、旋回軸、クランク、および制御リングによってヒンジで軸支され、従って、その断面を低減するために、ガス流路に段差を提供することができる。翼の全てまたはいくつかが、その断面を低減するために、ガスの流路内で旋回することができる、ヒンジで軸支された翼システムがまた知られている。そのようなシステムは、同様に、旋回軸や他のヒンジ付きの部品を必要とする。
【０００４】
それらの種々の知られている装置は、サイズが小さいヒンジ部品に依存する欠点を呈する。ノズル領域における非常に熱い環境の故に、ヒンジの固着、損傷、および腐食の進展の危険性がある。加えて、そのような装置は、実施困難で高価である組み立ておよび保守に依存する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、本発明の主要な目的は、ノズルの喉部断面を変更する装置を提案することにより、上述の欠点を緩和することにある。この装置は、部品が少なく、組み立てが容易で、ノズルの高温環境において信頼性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
このため、本発明は、タービンノズルの喉部断面を変更する装置であって、ノズルは、タービンを通過する燃焼ガスのための流路を規定するように互いに離間した環状の外側プラットフォームと環状の内側プラットフォームとの間に、径方向に延びる複数の固定翼で構成されており、これらの固定翼は、最小流れ断面を呈する喉部を規定するために互いに離間している、装置であって、この装置は、ノズルのプラットフォームの膨張率より小さい膨張率を有する環状要素を備え、前記環状要素は、外側プラットフォームに固定されると共に、二つの位置をとるのに適しており、その一方の位置は、環状要素が流路のプロファイルに連続性を提供する、プラットフォームが膨張していない状態に対応する位置であり、他方の位置は、環状要素が流路の断面を低減するように流路内に突出する位置である、プラットフォームが膨張形態にある状態に対応する位置であることを特徴とする装置を提供する。
【０００７】
ノズルのプラットフォームの膨張率より小さい膨張率を有する環状要素が存在すると、ターボ機械のアイドリング段階とプラットフォームが膨張している機械作動の他の段階との間における、ノズルのプラットフォームの温度差を利用する働きをする。その結果、提案された装置は、部品が非常に少なく、ヒンジに依っておらず、従って、組み立て、保守、および信頼性に利点をもたらす。
【０００８】
本発明の特別な配置では、環状要素は、ノズルプラットフォームが膨張していないときに、ノズルの外側プラットフォームの環状溝内に軸方向に保持されており、プラットフォームが膨張しているときは、ノズルに対して径方向に移動するのに適している。
【０００９】
本発明の他の特別な配置では、環状要素は、環状要素が外側プラットフォームに対して偏心しないように、前記外側プラットフォーム内のノッチに受容される少なくとも一つのタブを含む。そのような状況において、この装置は、有利には、外側プラットフォームに対して環状要素のタブを軸方向に保持する少なくとも一つの部材をさらに含む。
【００１０】
本発明のさらに他の特別の配置では、環状要素は、下流側から上流側へテーパ付けられた直角部の上流側部を呈する。ノズルのプラットフォームが膨張しているときは、この特徴は、環状要素が流路内に非常に急激な段差を形成するのを回避するように働く。それが、ノズルの性能を低減する結果をもたらすからである。
【００１１】
環状要素は、複合材料で作られるか、セラミック材料を用いて得ることができる。
【００１２】
本発明は、また、その喉部の断面を変更する先に規定された装置を含むタービンノズルを提供する。
【００１３】
本発明の他の特徴および利点は、特性を制限しない実施形態を示す添付図面を参照する以下の説明から明らかにされる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１を参照すると、ターボ機械の高圧タービン１４の上流側において、ターボ機械の燃焼室１２の出口に高圧ノズル１０が取り付けられている。
【００１５】
もちろん、本発明を、そのようなターボ機械内の低圧ノズルに適用することもできる。
【００１６】
高圧ノズル１０は、環状の外側プラットフォーム１８と環状の内側プラットフォーム２０の間で径方向に延びている複数の固定（またはステータ）翼１６で構成されている。
【００１７】
プラットフォーム１８および２０は、径方向に互いに離間しており、ターボ機械（図示せず）の軸のまわりに同軸的に配置されている。用語「外側」プラットフォームは、ターボ機械の軸から最も離れたプラットフォームを意味するものとして使用される。
【００１８】
プラットフォームは、典型的には金属製である。それらは、夫々、単一のリングの形態であってもよく、または、複数、即ち端部同士が取り付けられたリングセグメントで組み立てられてもよい。プラットフォームは、それらの間に、燃焼室１２からのガスが流れる環状通路２２を規定する。
【００１９】
ノズルの翼１６は、プラットフォーム１８、２０に固定されており、それらプラットフォームの間で径方向に延びている。翼１６は、また、前縁１６ａと後縁１６ｂとの間で上流側から下流側に軸方向に延びている。
【００２０】
翼１６は、また、最小流れ断面を呈する喉部を規定するように、周方向に互いに離間している。従って、ノズルの喉部は、流れ断面が最も小さい通路２２の部分である。図３に示すように、この断面は、翼１６の後縁１６ｂと隣接する翼の凸面との間の最小距離ｄによって規定される。
【００２１】
本発明によれば、このように規定されたノズルは、その喉部の断面を変更する装置を備える。この装置は、特に、ノズルのプラットフォーム１８および２０の膨張率よりも小さな膨張率を有する環状要素２４を備える。
【００２２】
一例として、環状要素２４は、セラミックまたは複合材料製である。これらの材料は、実質的にゼロ、従って、ノズルのプラットフォーム１８および２０が作られる金属の膨張率より必然的に小さい膨張率を呈する特別な特性を有する。
【００２３】
もちろん、ノズルのプラットフォームの膨張率より小さい膨張率を呈する他の材料が、喉部の断面を変更する本発明の装置の環状要素を構成するために使用されることができる。
【００２４】
環状要素２４は、ノズルの外側プラットフォーム１８に固定された単一のリングである。それは、二つの位置をとることができるように配置されている。その一方の位置は、流路２２に連続プロファイルを提供する、プラットフォームが膨張していない状態に対応する位置であり、他方の位置は、リングが流路内に突出し、それによって流路の断面を低減する、プラットフォーム１８、２０が膨張形態にある状態に対応する位置である。
【００２５】
より正確には、環状要素２４は、その下流部において、ノズルの外側プラットフォーム１８に形成された環状溝２６内に受容される。外側プラットフォーム１８の環状溝２６は、プラットフォーム１８、２０が膨張していないときに、環状要素が流路２２に対して連続プロファイルを確保するように、環状要素２４の厚さとほぼ同じである深さ（径方向範囲）を呈する。
【００２６】
図３に示すように、環状要素２４は、ノズルの外側プラットフォーム１８の全周に亘って接線方向に、且つノズルの喉部のほぼ全長に亘って軸方向に延びている。このため、環状要素は、翼１６の形状に一致するが、起こり得る翼の膨張を収容するために、翼に対して若干量のスペース（図３中に図示せず）を残した切り欠きを有する。
【００２７】
図２において、環状要素２４は、また、径方向外側に延びる一つ以上のタブ２８を備えていることが分かる。各タブ２８（好ましくは、環状要素の周囲に一様に分配された三つのタブがある）は、ノズルの外側プラットフォーム１８の下流側縁に形成された一つ以上の対応ノッチ３０内に受容されることができる。
【００２８】
環状要素の各タブ２８は、タブ２８をノズルの外側プラットフォーム１８に保持するための軸方向保持器部材３２に結合されている。この保持器部材３２は、外側プラットフォーム１８内に形成された孔３８内に挿入された締め具ピン３６（例えば、プレート当たり二つのピン）を備えるプレート３４によって形成されてもよい。ピン３６によってこのように適当な位置に保持されるプレート３４は、環状要素２４が、外側プラットフォーム１８に対して軸方向に移動するのを防止する。
【００２９】
環状要素２４が、ノズルの外側プラットフォーム１８に取り付けられる方法は、上述の記載から明瞭に分かる。ノズルの全てのプラットフォームのセグメントが組み立てられると、環状要素２４は、外側プラットフォーム１８の溝２６内に導入され、そのタブ２８は、この目的のために設けられたノッチ３０内に受容される。環状要素２４は、次いで、それらのピン３６によって正しい位置に保持されるプレート３４によって軸方向に固定される。従って、タブ２８は、環状要素がターボ機械の軸に対して偏心位置をとらないように機能する。
【００３０】
そのような配置によって、環状要素２４は軸方向に保持されるが、環状要素と外側プラットフォーム１８との間の径方向変位が、径方向に可能であることが分かる。これらの部品間のこの径方向の相対的変位は、図４Ａおよび図４Ｂを参照して以下に説明するように、ノズルのプラットフォーム１８、２０が作動中に膨張するときに生起する。
【００３１】
図４Ａは、プラットフォーム１８および２０が膨張していないときにおけるノズルを示す。この状態は、例えば、ターボ機械のアイドリング中に対応する。
【００３２】
図４Ｂは、プラットフォームが膨張している同じノズルを示す。この状態は、ターボ機械のアイドリング以外の作動状態（例えば、フルスロットル時）に対応する。
【００３３】
ターボ機械のアイドリング中（図４Ａ）に対応する位置において、流路２２に沿って流れる燃焼ガスの（約７５０ケルビン（Ｋ）のオーダーの）温度は、ノズルの外側プラットフォーム１８および内側プラットフォーム２０を膨張させるほどに高くはない。そして、環状要素２４は、外側プラットフォーム１８の溝２６内に隠されたままである。それは、流路２２の部分を再構成し、従って、前記流路に沿って流れるガスの流れに干渉しない。ノズルの喉部断面における流路２２の高さは、寸法Ｈ０によって示される。
【００３４】
ターボ機械の他の作動状態に対応する位置では（図４Ｂ）、金属製のノズルの外側プラットフォーム１８および内側プラットフォーム２０は、流路２２内を流れる燃焼ガス（約１４００Ｋのオーダーの温度）によって与えられる高温の効果の下で膨張する傾向にある。ターボ機械のノズルの分野で知られている現象であるプラットフォームの膨張は、図４Ｂにおける矢印で示される。
【００３５】
反対に、環状要素２４が、プラットフォームの膨張率より小さい膨張率を有するときは、環状要素２４は、ほとんどまたは全く膨張しない（いずれにしろ、プラットフォームより少ない）。環状要素２４が、外側プラットフォーム１８に対して径方向に移動自在なので、環状要素２４は、流路２２内に突出することにより、ノズルの喉部の断面を低減する。この状態で、寸法Ｈ１で示される、ノズルの喉部における流路２２の高さは、Ｈ０より小さい。
【００３６】
本発明の有利な特徴によれば、上流部において、環状要素２４は、下流側から上流側に向かってテーパ付けられた直角断面を呈する。図４Ａおよび図４Ｂにより明瞭に示されているこの特徴は、ノズルのプラットフォームが膨張する場合に、環状要素が流路内にあまりにも突然の段差を形成しないように機能する。このような段差は、ノズルの性能を減少させる結果をもたらす。
【００３７】
従って、本発明は、ノズルの喉部の断面を変更するために、ターボ機械の種々の作動段階の間における、知られているノズルの膨張現象を利用するものである。ターボ機械がアイドリング以外の段階で作動しているときに減少する喉部の断面の程度は、例えば、４％のオーダーであり得、この値は、喉部断面を変更する装置が取り付けられたタービンの種類に応じる。
【００３８】
本発明は、数々の利点を呈する。それは、ノズルの膨張現象のみに依っているので、極めて簡単に且つ確実に作動する。加えて、喉部断面を変更する装置は、部品が大変少なく、ヒンジに依っておらず、その結果、組み立ておよび維持をより容易にし、従ってコストを低減する。
【００３９】
上述の実施の形態に加えて種々の変形を行うことができる。特に、喉部の断面の変更を、アイドリング以外のターボ機械の異なる作動段階に応じて制御することを想定することができる。このため、例えば、その膨張を低減するように、空気がノズルの外側プラットフォームを冷却する速度を制御して、従って、装置の外側プラットフォームと環状要素との間の相対的変位を制限する、空気流量コントローラを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の装置の位置を示すターボ機械の部分縦断面図である。
【図２】本発明の装置が取り付けられたノズルの部分分解斜視図である。
【図３】平らに展開されたときにおける図２のノズルを示す図である。
【図４Ａ】一方の作動位置における本発明の装置を示す図である。
【図４Ｂ】一方の作動位置における本発明の装置を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０  ノズル
１２  燃焼室
１４  高圧タービン
１６  翼
１６ａ  前縁
１６ｂ  後縁
１８  外側プラットフォーム
２０  内側プラットフォーム
２２  通路
２４  環状要素
２６  環状溝
２８  タブ
３０  ノッチ
３２  軸方向保持器部材
３４  プレート
３６  締め具ピン
３８  孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【外国語明細書】
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