(57)【要約】ガスタービンエンジンで使用される冷却排気ダクト（１０）を提供する。冷却排気ダクト（１０）は、軸方向中心線（１８）、円周、アニュラス（２０）、および、径方向に伸長可能な複数のバンド（２２）を含む。アニュラス（２０）は、第１壁（２４）と第２壁（２６）との間に配置され、軸方向中心線（１８）に沿って延在する。第１壁（２４）は、第２壁（２６）より径方向内側に配置される。径方向に伸長可能な複数の各バンド（２２）は、アニュラス（２０）内で周方向に延在する。バンド（２２）は、軸方向に互いに離れて配置される。各バンド（２２）は、第１壁（２４）に取り付けられた第１部分（３２）と、第２壁（２６）に取り付けられた第２部分（３４）と、第１部分と第２部分（３２，３４）とに結合された中間部分（３６）と、を含む。バンド（２２）が、周方向に延在するコンパートメントを形成し、この複数のコンパートメントが、アニュラス（２０）内で冷却空気が軸方向に移動することを妨げる。
2008522096.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向中心線と円周とを有する冷却排気ダクトにおいて、
第１壁と第２壁との間に配置され、かつ前記軸方向中心線に沿って延在するアニュラスを備え、前記第１壁は、前記第２壁の径方向内側に配置されており、さらに、
径方向に伸長可能な複数のバンドを備え、各バンドは前記アニュラス内で周方向に延在して、互いに軸方向に離れて配置され、かつ前記バンドは、前記第１壁と前記第２壁とに取り付けられ、前記第１壁と前記第２壁との間の相対的な位置変化を許容するように動作可能である
ことを特徴とする冷却排気ダクト。
【請求項２】
各バンドが、前記第１壁に取り付けられた第１部分と、前記第２壁に取り付けられた第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とに連結された中間部分と、を含むことを特徴とする請求項１に記載の冷却排気ダクト。
【請求項３】
前記中間部分が、前記軸方向中心線にほぼ平行に延在することを特徴とする請求項２に記載の冷却排気ダクト。
【請求項４】
径方向に伸長可能な隣り合うバンド間で長手方向に延在し、前記第１壁と前記第２壁との間で高さ方向に延在する複数のバッフルをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却排気ダクト。
【請求項５】
前記径方向に伸長可能なバンドがスロットを含み、前記バッフルが前記スロット内に配置されることを特徴とする請求項４に記載の冷却排気ダクト。
【請求項６】
前記バッフルが、前記軸方向中心線に実質的に平行で長手方向に延在することを特徴とする請求項５に記載の冷却排気ダクト。
【請求項７】
前記バッフルと前記バンドとが、実質的に直交して配置されることを特徴とする請求項４に記載の冷却排気ダクト。
【請求項８】
前記複数のバッフルのうち少なくとも１つが、補強のための形状を含むことを特徴とする請求項４に記載の冷却排気ダクト。
【請求項９】
前記複数のバッフルのうち少なくとも１つに、１つまたは複数の継手をさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の冷却排気ダクト。
【請求項１０】
軸方向中心線を有する冷却排気ダクトにおいて、
第１壁と第２壁との間に配置され、かつ前記軸方向中心線に沿って延在する内部領域を備え、前記第１壁は、前記第２壁の径方向内側に配置されており、さらに、
径方向に伸長可能な複数のバンドを備え、各バンドは前記内部領域内に延在して、互いに軸方向に離れて配置され、かつ前記バンドは、前記第１壁と前記第２壁とに取り付けられて、前記第１壁と前記第２壁との間の相対的な位置変化を許容するように動作可能であり、各バンドは、前記第１壁に取り付けられた第１部分と、前記第２壁に取り付けられた第２部分と、前記第１部分と前記第２部分とに連結された中間部分とを含み、さらに、
径方向に伸長可能な隣り合うバンド間で長手方向に延在し、前記第１壁と前記第２壁との間で高さ方向に延在する複数のバッフル
を備えることを特徴とする冷却排気ダクト。
【請求項１１】
前記径方向に伸長可能なバンドがスロットを含み、前記バッフルが前記スロット内に配置されることを特徴とする請求項１０に記載の冷却排気ダクト。
【請求項１２】
前記バッフルが、前記軸方向中心線に実質的に平行に長手方向に延在することを特徴とする請求項１１に記載の冷却排気ダクト。
【請求項１３】
前記バッフルと前記バンドとが、実質的に直交して配置されることを特徴とする請求項１０に記載の冷却排気ダクト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概してガスタービンエンジンにおいて有用なダクトに関し、詳細には冷却ダクトに関する。
【０００２】
なお本発明は、米国海軍との契約番号Ｎ０００１９−０２−Ｃ−３００３に基づき米国政府の支援の下になされたものであり、米国政府は所定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンの設計において、主な関心事の１つが効率である。これまで、効率を向上させる主な技術の１つは、エンジン内のガス通路温度を上げることであった。高温にすると、内部冷却部品や耐熱材料などを必要とする。タービンの下流（すなわち「後部」）のダクト通路は、ダクト通路を通るコアガス流よりも高圧で、かつコアガス流よりも低い温度の圧縮空気を用いて、冷却されることが通常である。高い圧力が、ダクトの壁を通って空気を押し出すのに必要なエネルギーを与える。 
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
圧縮機からブリードされた空気に与えられた仕事のかなりの割合が、冷却過程で失われる。失われた仕事は、エンジンの推進力に加えられないので、エンジン全体としての効率に不利な影響を与える。従って当業者であれば、高温のコアガス通路温度から得られる効率と、付随する部品を冷却する必要性と、その冷却を行うために抽気(bleeding air)から失われる効率と、の間に緊張関係があることが分かるであろう。従って、ダクト通路を冷却するために必要な冷却空気の量を最少にすることに大きな価値がある。
【０００５】
許容し得る量の冷却空気を提供するためには、冷却空気を、ダクト通路内に配されたコアガス流の圧力よりも大きい所定の圧力に維持することが必要である。コアガス流と冷却空気との間の圧力差は、一般に「逆流マージン」と呼ばれる。ダクト通路内のコアガス流は、温度も圧力も均一であることはほとんどない。例えば、ダクト通路内で、ある周方向部分を流れるコアガス流は、隣接する部分のコアガス流よりも高圧であることが通常あり得る。ダクト通路の全周にわたって十分に冷却され、望ましくない高熱のコアガスが流入しないように、従来のダクト通路の逆流マージンは、比較的大きくする必要があった。従って、望ましい効率的な冷却を促進するダクト通路が必要とされている。 
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、ガスタービンエンジンで使用する冷却排気ダクトを提供する。冷却排気ダクトは、軸方向中心線と、円周と、アニュラス(annulus)と、径方向に伸長可能な複数のバンドと、を含む。アニュラスは、第１壁と第２壁との間に配置され、軸方向中心線に沿って延在する。第１壁は、第２壁より径方向内側に配置される。径方向に伸長可能な複数の各バンドは、アニュラス内で周方向に延在する。バンドは軸方向に互いに離れて位置される。各バンドは、第１壁に取り付けられた第１部分と、第２壁に取り付けられた第２部分と、第１部分および第２部分に連結した中間部分と、を含む。バンドが、周方向に延在するコンポーネントを形成し、これらのコンポーネントは、アニュラス内で冷却空気が軸方向に移動することを妨げる。
【０００７】
冷却排気ダクトが、隣り合うバンド間に延在する複数のバッフルをさらに含んでいる実施例もある。これらのバッフルは、周方向に延在するコンパートメント内に配置されて、コンパートメントを複数のサブコンパートメントに区切り、サブコンパートメントは冷却空気流が周方向へ移動することを妨げる。
【０００８】
本発明の利点は、アニュラス内の望ましくない冷却空気流を防ぐ助けをすることである。ある用途においては、冷却排気ダクトは、ダクト内に、平均的なコアガス圧よりも大幅に高い（または低い）コアガス流の領域を有する。本発明を用いなければ、アニュラス内の冷却空気は、最も大きい圧力差が存在する領域に流されることになる。結果として、冷却空気に関連する熱伝達の均一性が不利な影響を受けることになる。本発明によって提供される区画化(compartmentalization)は、冷却空気流の均一性を向上させる。
【０００９】
本発明の別の利点は、アニュラスの熱膨張と熱収縮を可能にすることである。バンドの構成は、第１壁および第２壁の径方向および軸方向への位置変化を許容する。第１壁および第２壁にバンドを取り付けることによって、第１壁および第２壁の相対的な位置変化が可能になるのと同時に、コンパートメント間に望ましいシーリングを提供する。
【００１０】
本発明の別の利点は、互いに回転する複数のセグメントを有するダクトで使用できることである。
【００１１】
本発明の別の利点は、線形のバッフルが、防音機能(acoustic capability)を追加することである。
【００１２】
本発明のさまざまな目的、特徴、利点は、添付図面で示される本発明の最適実施例の詳述を考慮すると明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１，２を参照すると、ベクタリングタービン(vectoring turbine)排気ノズル８内に採用された、冷却排気ダクト１０の実施例が示されている。ノズル８は、前方部分１２、中間部分１４、および後方部分１６を含む。図１に示す第１の構成においては、ノズル部分１２，１４，１６は、タービン排気ノズル１０が、実質的に直線状になるように配置されている。図２に示す第２の構成においては、前方部分１２、後方部分１６が、中間部分１４に対して約１８０度（１８０°）回転されている。結果として、タービン排気ノズルは、約９０度（９０°）折れ曲がっている。
【００１４】
図１から図４を参照すると、冷却排気ダクト１０は、中心線１８と、円周と、アニュラス２０と、径方向に伸長可能な複数のバンド２２と、を含む。円形以外の構成では、ダクト１０は、厳密に言えば、円周を含まないことになる。アニュラス２０は、第１壁２４と第２壁２６との間に配置され、軸方向中心線１８に沿って延在する。第１壁２４は、第２壁２６より径方向内側に配置される。円形以外の構成では、「アニュラス」は、第１壁２４と第２壁２６との間の内部領域となる。第１壁２４および第２壁２４は、それぞれアニュラス２０に出入りする冷却空気を通過させる複数の開口２８，３０を含む。
【００１５】
図３から図５を参照すると、径方向に伸長可能な複数のバンド２２は、それぞれアニュラス２０内で周方向に延在している。バンド２２は、互いに軸方向に離れて配置される。バンド２２は、第１壁２４と第２壁２６との間の動きを許容するように構成される。ある例においては、第１壁２４は、第２壁２６より大幅に高い熱伝達を受けることがある。このような例においては、第１壁２４は、第２壁２６より大量に径方向に熱膨張する場合がある。径方向に伸長可能なバンド２２は、第１壁２４と第２壁２６との相対的な径方向の位置変化を許容する。好ましい構成においては、各バンドは、第１壁２４に取り付けられた第１部分３２と、第２壁２６に取り付けられた第２部分３４と、第１部分３２および第２部分３４に連結された中間部分３６と、を含む。中間部分３６は、第１部分３２の平面および第２部分３４の平面に交差する面に実質的に沿って配置される。この構成は、例えば「Ｚ字］型とみなしてもよく、あるいは中間部分３６は、第１部分３２および第２部分３４の片方または両方に実質的に垂直であってもよい（すなわち、中間部分３６は、軸方向中心線１８に、ほぼ平行となる方向に延在してもよい）。この好ましい構成は、壁２４，２６の径方向および軸方向への相対的な動きを許容する。
【００１６】
バンド２２は、周方向に延在するコンパートメント３８を形成し、このコンパートメント３８は、アニュラス２０内の軸方向への冷却空気の移動を妨げる。周方向に延在するコンパートメント３８は、ダクト１０の円周のすべてに延在してもよく、円周の一部に延在してもよい。図１，２に示す実施例においては、前方ノズル部１２、中間ノズル部１４、および後方ノズル部１６内の周方向に延在するコンパートメント３８は、ダクト１０の円周の一部に延在する。バンド２２によって形成され、周方向に延在するコンパートメント３８によって、ダクト１０内の冷却を、コンパートメントごとにカスタマイズすることができる。特定の周方向コンパートメント３８が、他のコンパートメントより大きい熱伝達を要する場合、そのコンパートメント３８の冷却特性は、その周方向コンパートメント３８への冷却空気の出入りを可能にする冷却開口２８，３０の数および大きさを変更することによって、カスタマイズすることができる。
【００１７】
図３，６を参照すると、ある実施例においては、アニュラス２０は、隣り合うバンド２２間に延在するバッフル４０を用いて、さらに区切られる。バッフル４０は、第１壁２４と第２壁２６との間で高さ方向に延在し、隣り合うバンド２２間で長手方向に延在する。ある実施例においては、各バッフル４０は、第１壁２４または第２壁２６の１つに取り付けられる。図３，５に示す実施例においては、バッフル４０は、複数のバンド２２を横切って長手方向に延在し、バンド２２内に配置されたスロット４２内に収められる。この実施例においては、バンド２２とバッフル４０とは、ほぼ直交して配置されている。バッフル４０の動きは、バンド２２によって実質的に妨げられる。別の例では、バッフル４０は、バッフル４０の長手方向の剛性を高める長手方向に延在する形状４４（例えば、リブ(rib)、コルゲーション(corrugation)など）を含むこともある（図４参照）。
【００１８】
図６を参照すると、ある実施例では、バッフル４０は、隣り合うバッフルセグメントをつなぐ１つまたは複数の継手４６を含む。図６に示す実施例では、各バッフル４０のセグメントは、Ｕ字部分４８を含み、Ｕ字部分は他のＵ字部分４８を受けとめて継手４６を形成する。バッフルの継手４６は、この実施例に限定されない。
【００１９】
バンド２２とバッフル４４とによって形成されるコンパートメントによって、ダクト１０内の冷却を、コンパートメントごとにさらにカスタマイズすることができる。特定の周方向コンパートメントが、特定周方向位置で、他のコンパートメントより大きい熱伝達を要する場合、そのコンパートメントの冷却特性は、その周方向コンパートメントへの冷却空気の出入りを可能にする冷却開口２８，３０の数および大きさを変更することによって、カスタマイズすることができる。
【００２０】
本発明では、運転中は、冷却空気は、第２壁２６より径方向外側に配され、高温コアガス流は、第１壁２４より径方向内側に配される。冷却空気は、コアガス流より温度が低く、圧力が高い。冷却空気とコアガス流との圧力差によって、冷却空気は、第２壁２６に配置された開口３０を通ってアニュラス２０に入り、第１壁２４に配置された開口２８を通ってアニュラス２０を出る。
【００２１】
アニュラス２０に入る冷却空気は、バンド２２によって形成された周方向に延在するコンパートメント３８の１つに入る。バンド２２間に延在する複数のバッフル４０を利用するこれらの実施例においては、冷却空気は、バンド２２およびバッフル４０によって形成された複数のコンパートメントに入ることになる。バンド２２およびバッフル４０は、アニュラス２０内の冷却空気が、コンパートメントからコンパートメントへ流れることを実質的に妨げる。結果的に、特定のコンパートメント３８に入る冷却空気の大部分は、第１壁２４に配置された開口２８を通って、同じコンパートメントから出る。上述のように、コンパートメント３８内の冷却空気流の特性は、コンパートメントの第１壁２４の開口２８および第２壁２６の開口３０の数および大きさを変更することによって、カスタマイズすることができる。
【００２２】
本発明を、その詳細な実施例に関して図示し、記述したが、本発明の意図、範囲を逸脱することなく、その形態および詳細を、さまざまに変更することができることを当業者は理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】直線的な構成で示された冷却排気ダクトを含むベクタリングタービン排気ノズルの図。
【図２】角のある構成で示された冷却排気ダクトを含むベクタリングタービン排気ノズルの図。
【図３】バッフルが見えるように部分的に壊した、冷却排気ダクトのセグメントの斜視図。
【図４】冷却排気ダクトのセグメントの端面図。
【図５】壁を取り除いた冷却排気ダクトのセグメントの斜視図。
【図６】バッフルの継手の実施例を含む、冷却排気ダクトのセグメントの部分斜視図。
【図１】
2008522096.tif 000003
【図２】
2008522096.tif 000004
【図３】
2008522096.tif 000005
【図４】
2008522096.tif 000006
【図５】
2008522096.tif 000007
【図６】
2008522096.tif 000008
【国際調査報告】
2008522096.tif 000009
2008522096.tif 000010
2008522096.tif 000011