(57)【要約】【課題】  非軸対称かつ非線形の形状を持つガスタービンエンジン排気系統は冷却ライナに不均一なコア圧力場を生じ、過大な冷却空気流が必要となる。【解決手段】  流量調節板３８がライナホットシート２６における等グリッドのリブ３４に取り付けられて、複数のサブチャンバ４０´を形成する。また流量調節板３８は複数の流量調節板孔４４を含み、ライナホットシート２６のリブ３４の間の面３６は複数のライナホットシート孔４６を含む。流量調節板孔４４の数とホットシート孔４６の数との比率を変化させることにより、各チャンバ内の圧力は、ライナホットシートを横切る最小圧力比が効果的に維持されるように調節される。また個々に分離したチャンバ化によってより効率的な冷却空気の利用が行われ、エンジン効率が向上する。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面から突出した複数のリブをもつ等グリッドと前記表面を貫通して形成された少なくとも一つのライナホットシート孔とを画定するライナホットシートと、
少なくとも一つの流量調節板孔を有する流量調節板であって、この流量調節板が前記複数のリブに取り付けられてこの流量調節板と前記ライナホットシートとの間に少なくとも一つのチャンバを画定し、前記少なくとも一つのライナホットシート孔が前記少なくとも一つの流量調節孔と連通する流量調節板と、
を備えてなるガスタービンエンジン排気系統の冷却ライナ。
【請求項２】
前記複数のリブと前記流量調節板との間に取り付けられて前記少なくとも一つのチャンバの外周を画定するシールをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却ライナ。
【請求項３】
前記複数のリブと前記流量調節板との間に取り付けられた複数のシールをさらに備えるとともに、この複数のシールの各々が前記流量調節板をさらに分ける複数のサブチャンバを画定することを特徴とする請求項１に記載の冷却ライナ。
【請求項４】
前記流量調節板を前記ライナホットシートに取り付ける留め具をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の冷却ライナ。
【請求項５】
前記留め具が、留め具スタッドと、前記流量調節板を間にサンドイッチ状にはさむ留め輪と、を含んでなることを特徴とする請求項４に記載の冷却ライナ。
【請求項６】
前記留め具が、補強材に取り付けられたスプリングブラケットを含むとともに、前記補強材がライナコールドシートと前記ライナホットシートとに取り付けられていることを特徴とする請求項４に記載の冷却ライナ。
【請求項７】
前記複数のリブおよび前記ライナホットシートの面の部分が構造上の完全性を保つような厚さをとることを特徴とする請求項１に記載の冷却ライナ。
【請求項８】
表面から突出した複数のリブをもつ等グリッドと前記表面を貫通して形成された少なくとも一つのライナホットシート孔とを画定するライナホットシートと、
ライナ外側圧力管と前記ライナホットシートとの間に取り付けられた補強材と、
前記複数のリブの所定の一部に沿ったシール経路を画定する少なくとも一つのシールと、
少なくとも一つの流量調節板孔を有する流量調節板であって、この流量調節板が前記少なくとも一つのシールに取り付けられて前記流量調節板と前記ライナホットシートとの間に少なくとも一つのチャンバを画定し、前記少なくとも一つのライナホットシート孔が前記少なくとも一つの流量調節板孔と連通する流量調節板と、
を備えてなるガスタービンエンジン排気系統の冷却ライナ。
【請求項９】
前記ライナホットシートが、自立した構造部材であることを特徴とする請求項８に記載の冷却ライナ。
【請求項１０】
前記ライナホットシートが、不支持部材であることを特徴とする請求項９に記載の冷却ライナ。
【請求項１１】
前記ライナホットシートの向かい側の前記ライナコールドシートに取り付けられたライナ補強材をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の冷却ライナ。
【請求項１２】
前記ライナ補強材が、機体構造体に取り付け可能であることを特徴とする請求項１０に記載の冷却ライナ。
【請求項１３】
前記ライナホットシートおよび前記ライナ外側圧力管が、非軸対称であることを特徴とする請求項８に記載の冷却ライナ。
【請求項１４】
前記ライナホットシートおよび前記ライナ外側圧力管が、軸対称であることを特徴とする請求項８に記載の冷却ライナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は米国政府の支持により契約番号ＭＤＡ９７２−００−９−０００６として考案された。したがって米国政府は本発明の一定の権利を有する。
【０００２】
本発明は二重壁冷却ライナをもつガスタービンエンジンに関し、特に非軸対称冷却ライナの排気ダクト冷却ライナに関する。
【背景技術】
【０００３】
ガスタービンエンジンの運転および性能を改良するため、排気ダクト冷却空気の利用は慎重に分配される。冷却空気は概ねエンジンファンの流れから抽出されるが、この抽出された冷却空気はエンジン全体の性能に不利益となる。現行のガスタービンエンジン排気ダクトでは、ライナはエンジンの作動ガス（排気ガス経路）とエンジン外側ケーシングあるいは機体の排気ダクトとの間に配置される。一般的にエンジンのコンプレッサから抽出される冷却空気はライナやダクト内に流されて排気ダクト末端に位置するノズルから排出される。様々な運転条件で排気ダクトを適切に冷却し冷却ライナが大きいコア圧力勾配を受けながらもこの冷却ライナ内の正圧を維持するようにかなりの量の冷却空気が必要とされる。
【０００４】
改良型ガスタービンエンジン排気系統は非軸対称の形状をとる傾向がある。こうした形状は低い可観測性やガスの方向変換（ｖｅｃｔｏｒｉｎｇ）の点で有利であるが冷却ライナに不均一なコア圧力場をうみだす。ライナはフィルム冷却されているため、高温コアガスがライナシステム内へ吸入されるのを防ぐべく局所的な最大コア圧力と冷却空気流供給圧力との最低圧力比を維持するのに、この不均一なコア圧力分布は著しく困難な課題をもたらす。冷却供給圧力を不均一なコア圧力場に適合させるように空間的に調節することができない場合は、冷却空気流は通常最も不都合な運転状況における最も不都合な圧力勾配をもとに基準線を設けているため、コア圧力比に対して最低冷却を達成するようにライナを冷却するために、必要以上の量の冷却空気が必要となる。非軸対称かつ非線形形状の排気ダクトは正圧勾配の安定した維持をさらに複雑化させる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現行の冷却ライナは効果的ではあるが、やはり非軸対称で非線形の冷却ライナの長さ全体にわたっての正圧勾配の維持に必要な区画化の忠実度が幾分不足している。この忠実度の不足は相対的に効率の悪い冷却空気利用をもたらし、少なくとも部分的にエンジン性能に不利益をもたらす。
【０００６】
したがって、大きいコア圧力勾配を受けながらも冷却ライナに沿って正圧を維持しつつ、冷却空気流を効率よく使用する非軸対称排気ダクトの効果的な冷却の供給が望まれる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の排気系統は、ライナコア流路（ホットシート）、流量調節板および外側圧力管を有する冷却ライナを含む。本発明は既存の構造的な等グリッド（ｉｓｏ−ｇｒｉｄ）のリブを利用して流量調節板を加え、ライナシステムの個別のチャンバ化により、効果的な流れ制御を達成する。ホットシートは比較的厚い等グリッド構造として形成され、この中に複数の等グリッドのリブを画定するように厚さを変化させてなるパターンが形成される。複数の流量調節板が直接ホットシートに取り付けられてライナホットシート表面を分散した複数の表面セクションに分割している。各々の流量調節板が等グリッドのリブに取り付けられることにより、複数の分散したチャンバを形成している。各々の形成された個々のチャンバが受ける空間的コア圧力勾配はライナ全体が受ける空間的コア圧力勾配よりも小さい。シールが等グリッドのリブに沿ったパターンに配置されて各々の流量調節板をさらに複数の別々のサブチャンバに分割している。
【０００８】
各々の流量調節板は複数の流量調節板孔を含み、ライナホットシートにおける等グリッドのリブの間の面は複数のホットシート孔を含む。冷却ライナ容積室からの冷却空気流は流量調節板孔を通過し、そしてホットシート孔を通過してフィルム冷却によりホットシートを冷却する。流量調節板孔の数とホットシート孔の数との比率を変化させることにより、各々のサブチャンバの圧力が、その領域におけるライナホットシートを横切る最低所要圧力比を必要以上の冷却空気流を浪費することなく効率よく維持するように決定される。チャンバを分散することにより、各々のチャンバの流れ領域が調節され、各々の局所的な圧力場が、大きいコア圧力勾配を受けたときも冷却ライナ内で正圧を維持することが可能となる。また個々に分離したチャンバ化によってエンジン効率を向上させるより効率的な冷却空気の利用が提供される。
【０００９】
取り付け構造の一例においては、流量調節板がライナホットシートの等グリッドにスタッド留め具を通して取り付けられており、このスタッド留め具がライナホットシートから流量調節板の対応する穴を通して延びて流量調節板をシール上に付勢している。そして留め輪が流量調節板をサンドイッチ状にはさむように各々のスタッド留め具に固定されている。別の取り付け構造の例においては、スプリングブラケットが冷却ライナ補強材に取り付けられて流量調節板をシール上に押し付けるように流量調節板に予荷重を加えている。
【００１０】
したがって本発明は大きいコア圧力勾配を受けながらも冷却ライナに沿って正圧を維持しつつ、冷却空気流を効率よく使用する非軸対称排気ダクトの効果的な冷却を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１はガスタービンエンジン（符号Ｅで概略的に示す）の排気ダクトアセンブリ２０の断面図を示す。排気ダクトアセンブリ２０は非軸対称かつ非線形の形態をとる。排気ダクトアセンブリ２０はエンジンＥからコア燃焼ガス流Ｆを受ける環状上流部（図１に最もよく示す）を含むとともに、このコア燃焼ガス流を一連の非線形の蛇行通路を通して案内し、その後このコア燃焼ガス流を概ね直線方向の排気ノズル２２（概略的に示す）を通して排出させる。
【００１２】
冷却ライナ２４（図２に示す）が機体構造体２５内部に取り付けられている。機体のほかにも、さまざまな取り付け構造が可能であり、本発明から利益を得られることを理解されたい。望ましくは冷却ライナ２４は、複数の冷却ライナ補強材３０（図３に示す）により外側圧力管２８から隔てられたライナホットシート２６を含んでなる。
【００１３】
例えばエンジンコンプレッサや外気口からの冷却空気流Ｃは、ライナホットシート２６と外側圧力管２８との間に画定された冷却ライナ容積室３２を通流する。容積室３２を横断する冷却空気流Ｃは対流によりライナ２４を冷却する。冷却空気流Ｃは通常ファンバイパス空気流や、コア燃焼ガス空気流とは異なるその他の空気流から供給される。
【００１４】
図２を参照すると、ライナホットシート２６（コア流路の等グリッド）自体がライナ２４にかなりの固有の構造的支持を提供している。ライナホットシート２６（コア流路の等グリッド）は比較的厚い等グリッド構造として形成され、この中に形成されるパターンは構造的な剛性のために厚さが変化している（図３Ａに示す）。ライナ冷却シート２８に取り付けられた複数の外部補強材３３は冷却ライナ２４の形状を維持し、機体構造体２５への取り付けを容易にする。もちろんあらゆる等グリッド型の冷却ライナが本発明において使用できることを理解されたい。また比較的に直線状の等グリッドの形状が図３Ａに示されるが、他の形状も本発明において使用できることを理解されたい。
【００１５】
図３Ａを参照すると、複数の流量調節板３８（一つだけ示す）が、望ましくはライナ補強材３０の間において、ライナホットシート２６に直接取り付けられる。任意の数の流量調節板３８がライナホットシート２６に取り付けられ、またこれがリニアホットシート２６全体に沿って配置される必要はないことを理解されたい。各々の流量調節板３８がライナホットシート２６の面を複数の別々の表面セクションに分割する。各々の流量調節板３８が等グリッドのリブ３４に取り付けられて、複数の個別のチャンバ４０を概ね一組のライナ補強材３０の間に形成する（図３Ｂに示す）。各々の形成された個別のチャンバが受ける空間的コア圧力勾配はライナ全体として受ける圧力勾配よりも小さい。望ましくはシール４２が等グリッドのリブ３４に沿ったパターンに配置されて各々の流量調節板３８をさらに複数の個別のサブチャンバ４０´に分割する。すなわち、等グリッドにおける特定の一部のリブ３４に沿った特定の経路に一つもしくは複数のシール４２を配置することにより、一つの流量調節板３８によって分割されたライナホットシート２６の各々の区画がさらに複数の個別のサブチャンバ４０´に分割される。
【００１６】
各々の流量調節板３８は複数の流量調節板孔４４を含み、ライナホットシート２６はリブ３４の間の面３６において複数のライナホットシート孔４６を含む（図３Ｂに示す）。用語「孔」は、等グリッドのリブ３４の間の全体を含む開口部はもちろん、あらゆる大きさと形状の開口部を含むことを理解されたい。冷却ライナ容積室３２からの冷却空気流Ｃは流量調節板孔４４を通過してホットシートのインピンジメント冷却を提供し、ライナホットシート孔４６を介したフィルム冷却によりライナホットシート２６を冷却する。
【００１７】
流量調節板孔４４とライナホットシート孔４６との冷却空気流の通流比率を変化させることにより、必要以上の冷却空気流Ｃを浪費することなくライナホットシート２６を横切る最低所要圧力比を効率よく維持するように、シール４２により画定される各々のサブチャンバ４０´内の圧力が予め定められる。サブチャンバ４０´を個々に分割することにより、それぞれのチャンバの流れの領域が調節され、その局所的なコア圧力場が大きいコア圧力勾配を受けながらも冷却ライナ内の正圧を維持することが可能となる。また個々に分離したチャンバ化によってより効率的な冷却空気の利用が行われ、エンジン効率が向上する。
【００１８】
各々の個別のサブチャンバ４０´内のコア圧力比に対して最低冷却を維持するように空間的コア圧力勾配を減少させることにより、効果的な冷却を確実なものにしつつ全所要冷却空気量が減少する。さらに、流量調節板孔４４のパターンおよび複数のライナホットシート孔４６のパターンによりライナホットシート２６のインピンジメント冷却が提供される。言い換えれば、流量調節板孔４４を通る冷却空気流が複数のライナホットシート孔４６を通過する前にライナホットシート２６に吹き付けられるように流量調節板孔４４および複数のライナホットシート孔４６を直接位置合わせする必要はない。
【００１９】
流量調節板３８のライナホットシート等グリッドへの取り付けはチャンバの区画化を達成するために必要であり、これはさまざまな取り付け構造により達成される。取り付け構造の一例はスタッド留め具４８を含み、これがライナホットシート２６から流量調節板３８の対応する穴５０を通して延びている。そして留め輪５２が流量調節板３８をサンドイッチ状にはさむようにスタッド留め具４８に固定されている。
【００２０】
図４Ａを参照すると、別の取り付けの例は冷却ライナ補強材３０に取り付けられたスプリングブラケット５４を含む。スプリングブラケット５４は、流量調節板３８をシール４２上に押し付けるように望ましくは流量調節板３８に予荷重を加えている。各々のスプリングブラケット５４は、関連するライナ補強材３０にリベットのような留め具Ｆによって取り付けられている（図４Ａ、４Ｂ）。流量調節板３８をライナホットシート２６上に維持する様々な取り付けが利用されうることを理解されたい。
【００２１】
特定のステップの順序について説明したが、特に指示がない限りこれらのステップはいかなる順序でも実施され、分割され、もしくは組み合わせることができ、本発明から利益を得られることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】排気系統の側面図。
【図２】排気系統の冷却ライナを部分的に透視した斜視図。
【図３Ａ】ライナコールドシートを取り除いたライナホットシートセクションの部分的な斜視図。
【図３Ｂ】図３Ａの直線３Ｂ−３Ｂに沿って切断した断面図。
【図４Ａ】ライナコールドシートを取り除いた別のライナホットシートセクションの部分的な斜視図。
【図４Ｂ】図４Ａの直線４Ｂ−４Ｂに沿って切断した断面図。
【図４Ｃ】図４Ａの直線４Ｃ−４Ｃに沿って切断した断面図。
【符号の説明】
【００２３】
２６…ライナホットシート
３０…冷却ライナ補強材
３４…リブ
３６…表面
４０´…サブチャンバ
４２…シール
４６…ライナホットシート孔
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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