(57)【要約】      （修正有）【課題】ベーンまたはエンジン部品を通過する冷却流体の流れから粒子を除去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ノズルアセンブリは、少なくとも一対の固定ベーン７２を含み、固定ベーン７２は粒子分離器を有する冷却回路を画成する内部チャンバ８２を有することができる。粒子分離器は、仮想インパクタ１２０を含むことができ、流路が内部チャンバ８２内に移動する大きな流れ１７４と、仮想インパクタ１２０内に画定された粒子収集器１３０内に移動する小さな流れ１７６とに分割されるように、仮想インパクタを通って移動する流体を加速するための加速器１２６を有することができる。加速器１２６は、流体内の粒子がその運動量によって小さな流れ１７６と共に粒子収集器１３０内に運ばれ、内部チャンバ８２内に移動する流体の大きな流れ１７４から粒子を除去するように流体を加速する。【選択図】図６
2017082775.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２２）と、燃焼器（３０）と、外側ケーシング内に収容されたタービン（３２）と、を有するガスタービンエンジン用ノズルアセンブリであって、前記タービン（３２）は、前記タービン（３２）の１つの段を画定するための、前記ノズルアセンブリを含む環状に配置された複数の回転ブレード（６８，７０）を有し、前記ノズルアセンブリは、
ノズル（１０８、１４４）を画定する少なくとも１つのベーン（７２，７４）であって、冷却回路入口流路および掃気流出口流路を備える内部チャンバ（８２）を有する少なくとも１つのベーン（７２，７４）と、
前記冷却回路入口流路に流体結合され、前記冷却回路入口流路を介してチャンバに冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れを供給する第１の部分（１２２）と、前記掃気流出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分（１２４）と、を有する冷却回路と、
前記チャンバ内に配置され、加速器入口（１２８）および前記加速器入口（１２８）よりも断面積が小さい加速器出口（１４２）を備える流れ加速器（１２６）と、収集器入口（１３４）および収集器出口（１３６）を有し、前記収集器入口（１３４）と前記収集器出口（１３６）との間に掃気導管（１３２）を画定する粒子収集器（１３０）と、を有し、前記収集器入口（１３４）は、前記加速器出口（１４２）に対して整列かつ離間して隙間（１４６）を画定し、前記収集器出口（１３６）は、前記掃気流流路に流体結合される、少なくとも１つの粒子分離器（８６）と、
前記隙間（１４６）の大きさおよび前記加速器出口（１４２）および前記収集器入口（１３４）の相対的な大きさは、前記加速器出口（１４２）から出る前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの第１の部分（１２２）が前記隙間（１４６）を介して流出し、かつ、前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの第２の部分（１２４）が前記加速器出口（１４２）から前記隙間（１４６）を横切って前記収集器入口（１３４）に直接流入し、掃気流体の流れ（１８２）を画定する前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの前記第２の部分（１２４）における運動量によって主として制約される粒子が前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの中に混入するように、選択される、ノズルアセンブリ。
【請求項２】
請求項１に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ加速器（１２６）は、流れ方向に減少する断面を有するノズル（１０８、１４４）を含む、ノズルアセンブリ。
【請求項３】
請求項２に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ加速器（１２６）の前記ノズル（１０８、１４４）は、円錐形状を有する、ノズルアセンブリ。
【請求項４】
請求項１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）は、前記収集器入口（１３４）を画定する流れ減速器を含む、ノズルアセンブリ。
【請求項５】
請求項４に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ減速器は、流れ方向に増加する断面を有するノズル（１０８、１４４）を含む、ノズルアセンブリ。
【請求項６】
請求項１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）は、前記粒子収集器（１３０）と前記ベーン（７２，７４）のうちの前記少なくとも１つとの間の断面積を縮小させるように、増加した断面積を有する少なくとも一部を含む、ノズルアセンブリ。
【請求項７】
請求項６に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）の前記少なくとも一部は、連続的に増加する断面積を有する、ノズルアセンブリ。
【請求項８】
請求項１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）および前記ベーン（７２，７４）のうちの前記少なくとも１つは、前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの前記第１の部分（１２２）の加速領域（１４０）を画定するために、前記粒子収集器（１３０）と前記ベーン（７２，７４）のうちの前記少なくとも１つとの間の断面積を縮小させるように成形される、ノズルアセンブリ。
【請求項９】
請求項８に記載のノズルアセンブリであって、前記断面積の縮小は、前記粒子収集器（１３０）の長さに沿って延在する、ノズルアセンブリ。
【請求項１０】
請求項１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子分離器（８６）は、仮想インパクタ（１２０）である、ノズルアセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジン用ノズルアセンブリに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジン、および特にガスもしくは燃焼タービンエンジンは、エンジンを通り複数の回転するタービンブレードを流れる燃焼ガスの流れからエネルギーを取り出すロータリーエンジンである。ガスタービンエンジンは、陸上および海上移動および発電のために用いられているが、例えばヘリコプターを含む航空機などの航空用途に最も一般的に用いられる。航空機では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進に用いられる。地上の用途では、タービンエンジンは、発電に使用されることが多い。
【０００３】
航空機用ガスタービンエンジンは、エンジン効率を最大にするために高温で動作するように設計されているので、高圧タービンおよび低圧タービンなどの特定のエンジン部品の冷却が必要となり得る。通常、冷却は、高圧および／または低圧圧縮機から冷却を必要とするエンジン部品へ冷却空気を導くことによって達成される。高圧タービン内の温度は約１０００℃〜２０００℃であり、圧縮機からの冷却空気は約５００℃〜７００℃である。圧縮機の空気は高温であるが、タービンの空気に対しては低温であり、タービンを冷却するのに使用することができる。タービンを冷却する際には、冷却空気を、タービンブレードおよびタービンシュラウドの内部を含む、様々なタービン部品に供給することができる。
【０００４】
冷却空気中のごみ、ほこり、砂、火山灰、および他の環境汚染物質などの粒子によって、冷却の損失および航空機環境の運用時間すなわち「タイム・オン・ウィング」の減少が生じる場合がある。この問題は、タービンエンジンがかなりの量の浮遊粒子に曝されている世界中の特定の動作環境において悪化している。タービン部品に供給される粒子が流れの流路および部品の表面を詰まらせたり、塞いだり、または覆ったりする場合があり、部品の寿命を短縮させるおそれがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第８９４３７９１号明細書
【発明の概要】
【０００６】
圧縮機と、燃焼器と、外側ケーシング内に収容されたタービンと、を有するガスタービンエンジン用ノズルアセンブリであって、タービンは、タービンの１つの段を画定するための、ノズルアセンブリを含む環状に配置された複数の回転ブレードを有する。ノズルアセンブリは、ノズルを画定する少なくとも１つのベーンであって、冷却回路入口流路および掃気流出口流路を備える内部チャンバを有する少なくとも１つのベーンを含む。ノズルアセンブリは、冷却回路入口流路に流体結合され、冷却回路入口流路を介してチャンバに冷却流体の流れを供給する第１の部分と、冷却回路出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分と、を有する冷却回路をさらに含む。ノズルアセンブリはさらに、チャンバ内に配置され、加速器入口および加速器入口よりも断面積が小さい加速器出口を備える流れ加速器と、収集器入口および収集器出口を有し、収集器入口と収集器出口との間に掃気導管を画定する粒子収集器と、を有する少なくとも１つの粒子分離器をさらに含み、収集器入口は、加速器出口に対して整列かつ離間して隙間を画定し、収集器出口は、掃気流流路に流体結合される。隙間の大きさおよび加速器出口および収集器入口の相対的な大きさは、加速器出口から出る冷却流体の流れの第１の部分が隙間を介して流出し、かつ、冷却流体の流れの第２の部分が加速器出口から隙間を横切って収集器入口に直接流入し、掃気流体の流れを画定する冷却流体の流れの第２の部分における運動量によって主として制約される粒子が冷却流体の流れの中に混入するように、選択される。
【０００７】
圧縮機と、燃焼器と、ケーシング内のタービンと、を有するタービンエンジン用部品であって、タービンは、タービンの１つの段を画定するための、ノズルを画定する環状に配置された複数の固定ベーンと、固定ベーンと対をなす環状に配置された複数の回転ブレードと、を有する。部品は、冷却回路入口流路および掃気流出口流路を有する内部チャンバを画定する本体と、冷却回路入口流路に流体結合され、冷却回路入口流路を介してチャンバに冷却流体の流れを供給する第１の部分と、冷却回路出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分と、を有する冷却回路と、チャンバ内に配置された仮想インパクタであって、仮想インパクタを流れる掃気粒子流体の流れ、および仮想インパクタの外側とチャンバ内を流れる低減粒子冷却流体の流れを画定する仮想インパクタと、を含む。仮想インパクタと部品との間の空間の少なくとも一部は、低減粒子冷却流体の流れを加速させるように縮小された断面積を有する。
【０００８】
圧縮機と、燃焼器と、ケーシング内のタービンと、を有するガスタービンエンジン用部品であって、部品は、冷却回路入口流路および掃気流出口流路を有する内部チャンバを画定する本体と、冷却回路入口流路に流体結合され、冷却回路入口流路を介して内部チャンバに冷却流体の流れを供給する第１の部分と、掃気流出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分と、を有する冷却回路と、を含む。仮想インパクタは、内部チャンバ内に配置され、仮想インパクタを流れる掃気粒子流体の流れ、および仮想インパクタの外側と内部チャンバ内とを流れる低減粒子冷却流体の流れを画定する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】航空機用ガスタービンエンジンの模式的な断面図である。
【図２】図１のエンジンの燃焼器および高圧タービンの側断面図である。
【図３】図２の翼形部アセンブリのうちの１つの一部分の斜視図である。
【図４】図３のベーンの断面図である。
【図５】図４の仮想インパクタの拡大図である。
【図６】図４のベーンの冷却流体の流れの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の記載した実施形態は、タービンブレードを対象とし、特にタービンブレードを冷却することを対象とする。説明の便宜上、本発明は、航空機ガスタービンエンジン用のタービンブレードについて説明する。しかし、本発明はそのように限定されず、例えば他の移動体用途、ならびに非移動体の工業用途、商業用途、および住宅用途などの非航空機用途において一般的に適用できることが理解されよう。それはまた、タービンエンジンの固定ベーンなどのブレード以外の翼形部にも適用することができる。
【００１１】
図１は、航空機用ガスタービンエンジン１０の模式的な断面図である。エンジン１０は、ほぼ長手方向に延びる軸線または前方１４から後方１６へ延びる中心線１２を有する。エンジン１０は、下流方向の直列の流れ関係で、ファン２０を含むファン部１８と、ブースタもしくは低圧（ＬＰ）圧縮機２４および高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機部２２と、燃焼器３０を含む燃焼部２８と、ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６を含むタービン部３２と、排気部３８と、を含む。
【００１２】
ファン部１８は、ファン２０を取り囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りで半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、およびＨＰタービン３４は、エンジン１０のコア４４を形成し、それは燃焼ガスを生成する。コア４４は、ファンケーシング４０と結合され得るコアケーシング４６により囲まれている。
【００１３】
エンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置されたＨＰシャフトまたはスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動連結する。ＬＰシャフトまたはスプール５０は、より大径の環状のＨＰスプール４８内にエンジン１０の中心線１２の周りに同軸に配置され、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４およびファン２０に駆動連結する。
【００１４】
ＬＰ圧縮機２４およびＨＰ圧縮機２６は、複数の圧縮機段５２、５４をそれぞれ含み、そこでは一組の圧縮機ブレード５６、５８が対応する一組の静止圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、その段を通過する流体の流れを圧縮または加圧する。単一の圧縮機段５２、５４では、複数の圧縮機ブレード５６、５８がリング状に設けられてもよく、ブレードプラットフォームからブレード先端部まで、中心線１２に対して半径方向外向きに延在することができ、一方、対応する静止圧縮機ベーン６０、６２は、回転ブレード５６、５８の下流側に隣接して配置される。図１に示すブレード、ベーン、および圧縮機段の数は、単に例示の目的でのみ選択されたものであって、他の数も可能であることに留意されたい。
【００１５】
ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６は、複数のタービン段６４、６６をそれぞれ含み、そこでは一組のタービンブレード６８、７０が対応する一組の静止タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、その段を通過する流体の流れからエネルギーを取り出す。単一のタービン段６４、６６では、複数のタービンブレード６８、７０がリング状に設けられてもよく、ブレードプラットフォームからブレード先端部まで、中心線１２に対して半径方向外向きに延在することができ、一方、対応する静止タービンベーン７２、７４は、回転ブレード６８、７０の上流側に隣接して配置される。図１に示すブレード、ベーン、およびタービン段の数は、単に例示の目的でのみ選択されたものであって、他の数も可能であることに留意されたい。
【００１６】
動作時には、回転するファン２０がＬＰ圧縮機２４に周囲空気を供給し、次にＬＰ圧縮機２４がＨＰ圧縮機２６に加圧された周囲空気を供給し、ＨＰ圧縮機２６が周囲空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧された空気は、燃焼器３０内で燃料と混合されて点火され、それによって燃焼ガスを発生する。いくらかの仕事がＨＰタービン３４によってこれらのガスから取り出されて、ＨＰタービン３４がＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスはＬＰタービン３６内に排出され、ＬＰタービン３６はＬＰ圧縮機２４を駆動するための追加の仕事を取り出し、排気ガスは最終的に排気部３８を経由してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６の駆動によって、ＬＰスプール５０を駆動し、ファン２０およびＬＰ圧縮機２４を回転させる。
【００１７】
ファン２０によって供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４を迂回して、エンジン１０の各部分、特に高温部分の冷却に使用することができ、および／または航空機の他の態様を冷却し、もしくはそれに動力を供給するために使用することができる。タービンエンジンの場面では、エンジンの高温部分は通常、燃焼器３０の下流、特にタービン部３２にあり、ＨＰタービン３４が燃焼部２８のすぐ下流にあるので最も高温の部分である。冷却流体の他の供給源は、限定はしないが、ＬＰ圧縮機２４またはＨＰ圧縮機２６から排出された流体であってもよい。
【００１８】
図２は、図１のエンジン１０の燃焼器３０およびＨＰタービン３４の側断面図である。燃焼器３０は、偏向器７６と燃焼器ライナ７８を含む。タービン３４のタービンブレード６８の軸方向に隣接して半径方向に離間した静止タービンベーン７２の組があり、隣接するベーン７２がそれらの間にノズルを形成する。タービン３４により最大のエネルギーが取り出せるように、ノズルが、回転ブレードにより良好に流入するように燃焼ガスの向きを変える。シュラウドアセンブリ８０は、タービン３４内の流れ損失を最小にするように回転ブレード６８に隣接する。同様のシュラウドアセンブリはまた、ＬＰタービン３６、ＬＰ圧縮機２４、またはＨＰ圧縮機２６と関連づけることができる。内部チャンバ８２は、ベーン７２の中空内部内に画定される。内部本体８４は、衝突インサートなどの内部チャンバ８２内に配置することができる。粒子分離器８６は、内部本体８４内に配置することができる。１つまたは複数の膜孔８８は、内部チャンバ８２をベーン７２の外面に流体結合することができる。
【００１９】
第１のバイパスチャネル９０ａおよび第２のバイパスチャネル９０ｂを含む一組のバイパスチャネルは、燃焼器３０の半径方向外側および内側に隣接してそれぞれ配置することができ、少なくとも１つの開口部９２を介して圧縮機部２２とタービン部３２との間の流体連通を提供し、燃焼器３０を迂回する。冷却回路は、一連のエンジン部品の流路により画定され、矢印９４で冷却回路内の冷却流体の流路を示す。第１の冷却流体９４ａは、第１のバイパスチャネル９０ａを通って燃焼器３０を迂回し、エンジン中心線に対してベーン７２の半径方向外側からベーン７２に供給され得る。あるいは、第２の冷却流体９４ｂは、第２のバイパスチャネル９０ｂを流れることができ、エンジン中心線に対してベーン７２の半径方向内側からベーン７２に供給され得る。冷却流体は、ベーン７２の１つまたは複数の膜孔８８から排出されてもよいし、あるいはシュラウドアセンブリ８０または他のエンジン部品を介して放出されてもよい。本明細書の説明は、第２の冷却流９４ｂに関して説明しているので、ベーン７２には半径方向外向きに冷却流体の流れが供給される。しかし、この流路は、限定するものとして理解するべきではなく、ベーン７２内の粒子分離器８６に供給される冷却流体の１つの流路の例示的なものである。
【００２０】
タービン部３２のベーン７２を通過する粒子分離器８６を有する冷却回路に関する説明は、例示的なものであることを理解されたい。粒子分離器８６を含む冷却回路は、ＬＰ圧縮機２４、ＨＰ圧縮機２６、ＨＰタービン３４、およびＬＰタービン３６のベーンに実装することができる。あるいは、冷却回路は、非限定的な例では圧縮機ブレード５６、５８、タービンブレード６８、７０、またはシュラウドアセンブリなどの追加のエンジン部品において画定することができる。
【００２１】
図３は、円周方向の列に配置され、円弧状の内側バンド９６および円弧状の外側バンド９８により支持された複数の静止ベーン７２を示す。内側冷却チャネル１００および外側冷却チャネル１０２は、内側バンド９６および外側バンド９８内にそれぞれ画定され得る。冷却チャネル１００、１０２は、ベーン７２の内部チャンバ８２を通して互いに流体連通することができる。ベーン７２は、前縁１０４および後縁１０６を含む。図３に示す円弧状部は、約３６度の扇形角度を有し、ベーン７２のノズル１０８の例示的なものである。代替的な実施形態では、各ノズルリング１０８を画定する任意の数のベーン７２があってもよい。ベーン７２、内側バンド９６、および外側バンド９８は、限定はしないが、チタン合金、ニッケル、セラミックマトリクス複合材、コバルト基合金を含む公知の材料から作製することができる。
【００２２】
図４を参照すると、内部本体８４は、ベーン７２の内部に取り付けるか、またはその一部として形成することもできるし、あるいは衝突インサートなどのベーン７２内に配置されたインサートをさらに含んでもよい。内部チャンバ８２は、冷却回路の一部を少なくとも部分的に画定することができ、それは内部チャンバ８２への入口１１０および出口１１２を有する。複数の内部開口部１１４が内部本体８４内に配置され、膜孔８８がベーン７２の壁を貫通して延在する。２つの内部開口部１１４および４つの膜孔８８のみを図示しているが、任意の数の内部開口部１１４および膜孔８８がベーン７２および内部本体８４内の任意の所望の位置で利用できることを理解されたい。
【００２３】
粒子分離器８６は、ベーン７２を通過する冷却回路を部分的に画定する仮想インパクタ１２０をさらに含むことができる。仮想インパクタ１２０は、粒子加速のための第１の部分１２２および粒子収集のための第２の部分１２４を含むことができる。第１の部分１２２は、入口１１０に隣接して取り付けられ、入口１１０と流体連通する。流れ加速器１２６は、円錐形の収束ノズルを含み、第１の部分１２２の収束する断面積を画定し、加速器入口１２８を形成する。
【００２４】
第２の部分１２４は、収集器入口１３４と収集器出口１３６との間に延在する内部掃気導管１３２を有する粒子収集器１３０を含み、収集器出口１３６は出口１１２に結合する。掃気導管１３２は、粒子収集器１３０の内部にあって、一定の断面に遷移する増大する断面を有する。収集器入口１３４は、第１の部分１２２の流れ加速器１２６と整列している。収集器出口１３６は、掃気導管１３２と出口１１２との間に配置される。粒子収集器１３０は、増大する外側断面積１３８をさらに含むことができ、粒子収集器１３０の断面は、収集器入口１３４から収集器出口１３６に向かって延びるにつれて増大する。
【００２５】
部分１２２、１２４の長さは、例示的なものであり、ベーン７２に対して任意の長さを含むことができることを理解されたい。さらに、流れ加速器１２６および収集器入口１３４は、図示するものと比べて短くまたは長くすることができる。さらに、収集器入口１３４の位置は、流れ加速器１２６により近くても、またはより遠くてもよく、第１および第２の部分１２２、１２４のそれぞれの長さに基づいて変更することができる。またさらに、仮想インパクタを利用する部品の大きさは、部分１２２、１２４の相対的な長さおよび大きさを決定することができる。
【００２６】
仮想インパクタの第１および第２の部分１２２、１２４は、他方の中心線に対して一方の中心線に、横方向に整列しているが、部分１２２、１２４はオフセットされてもよいことを理解されたい。例えば、第１の部分１２２を通る長手方向軸および第２の部分１２４を通る別の長手方向軸は、第１の部分１２２と第２の部分１２４との間に横方向のずれが存在するようにオフセットされてもよい。さらに、第１および第２の部分１２２、１２４の長手方向軸は、角度のずれによってオフセットされてもよく、２つの軸はある点で交差することができる。このような角度のずれは、任意の方向に２０度を越えないようにすることができる。またさらに、角度のずれを横方向のずれと組み合わせることができ、２つの軸が交差することがなく、エンジン中心線に対してある角度で横方向にずれている。
【００２７】
図５を参照すると、流れ加速器１２６の加速器入口１２８は、冷却空気が加速される加速領域１４０を含む。流れ加速器１２６は、加速器出口１４２に向かって収束する断面積を有し、加速器出口１４２においてノズル１４４を画定する。収集器入口１３４は、隙間１４６によって加速器出口１４２から離間している。環状延長部１４８は、隙間１４６内の収集器入口１３４に向かって収束部分を画定する。第２の隙間１５４は、環状延長部１４８の端部と流れ加速器の端部との間に画定される。チョーク１５０は、収束する環状延長部１４８の最小断面積によって画定される。チョーク１５０は、環状延長部１４８の最小断面積を示し、冷却流体の詰まった流れとして理解されることを意図していない。発散部１５２は、チョーク１５０と掃気導管１３２との間に配置され、チョーク１５０と掃気導管１３２との間の増大する断面積を含む。したがって、隙間１４６を通って加速された流体の任意の流れは、発散部１５２に入ると減速する。
【００２８】
示されているように、流れ加速器１２６、ノズル１４４、環状延長部１４８、チョーク１５０、隙間１４６、第２の隙間１５４、および発散部１５２の幾何学的形状は、図示するように例示的なものであることを理解されたい。上述した各要素の長さは変えることができ、直線状の要素は湾曲してもまたは曲がってもよく、要素は凸状または凹状の寸法を含んでもよい。さらに、隙間１４６は、チョーク１５０の直径に対して決定することができ、隙間１４６のチョーク１５０に対する比は、１：１〜１：４とすることができ、好ましくは１：１〜１：２である。
【００２９】
図６では、仮想インパクタ１２０は、ベーン７２内の冷却流体の流れから粒子を除去する。冷却流体の流れは、エンジン中心線に対して、実質的に半径方向外向き方向に移動するように示してあるが、仮想インパクタ１２０は、エンジン中心線に向かって逆方向移動する冷却流体の流れにおいて、あるいは任意の方向に冷却流体の流れを配向するエンジン部品内で利用することができることを理解されたい。冷却流体の入口の流れ１７０は、入口１１０および仮想インパクタ１２０の第１の部分１２２を通して供給される。入口の流れ１７０は、流れ加速器１２６に入ると、加速された流れ１７２に加速される。加速された流れ１７２は、仮想インパクタ１２０の第１の部分１２２から出て、大きな流れ１７４および小さな流れ１７６を含む２つの別々の流れに分離される。
【００３０】
仮想インパクタ１２０の入口を通って移動する大きな流れ１７４は、初期の入口の流れ１７０の約９０％を含むことができ、大きな流れ１７４として内部本体８４内に移動する。小さな流れ１７６は、初期の入口の流れ１７０の残りの約１０％を含むことができ、仮想インパクタ１２０の第２の部分１２４内の掃気導管１３２内に移動し、掃気流を画定する。内部チャンバ８２と掃気導管１３２との間の圧力差は、大きな流れ１７４と小さな流れ１７６との分離を、例えば大きな流れ１７４の小さな流れ１７６に対する比が９０％対１０％となるように維持することができる。あるいは、仮想インパクタ１２０の形状または冷却回路内で維持される圧力は、大きな流れ１７４と小さな流れ１７６との任意の比を提供するように適合させることができる。
【００３１】
ある量の粒子は、外部環境から移動して、冷却流体の初期の流れ１７０内に混入され得る。粒子は、冷却流体と共にエンジンシステムを通って移動する可能性のあるごみ、砂、ほこり、火山灰、または他の環境汚染物質などの物質を含む場合がある。仮想インパクタ１２０は、加速器入口１２８において入口の流れ１７０を加速された流れ１７２に加速し、冷却流体の流れの中に保持された粒子を加速する。冷却流体の流れが流れ加速器１２６から出る際に、運動量がチョーク１５０を通って粒子収集器１３０の中に粒子を運ぶ。粒子の質量は、チョーク１５０を通って掃気導管１３２内に粒子を運ぶ、粒子の運動量を規定する。冷却流体の大部分は、大きな流れ１７４に向きを変えて、第１の部分１２２を通り、内部チャンバ８２内に移動することができるが、粒子の運動量は大きな流れ１７４に向きを変えることができず、粒子収集器１３０に入るように拘束される。このように、仮想インパクタ１２０は、入口の流れ１７０からある量の粒子を除去し、清浄な流れ１７８になる大きな流れ１７４と、汚れた流れ１８０になる小さな流れ１７６と、に分離するように動作する。汚れた流れ１８０が掃気導管１３２を通って移動する際に、１０％の冷却流体は、エンジンまたは車両内の他の使用のために提供することができる掃気流体の流れ１８２として出口１１２を通して除去される。大きな流れ１７４は、清浄な流れ１７８であるが、粒子収集器１３０内に運ばれないある量の粒子を依然として含んでいる場合があることを理解されたい。
【００３２】
第２の部分１２４の増大する断面積１３８は、増大する断面積１３８の外面に沿って移動する清浄な流れ１７８が加速されて、内部本体８４の長さに沿った加速された流れ１８４になるように、内部本体８４内の収束空間を画定する。このようにして、冷却流体の有効な流れが内部開口部１１４を介して内部チャンバ８２に供給され、ベーン７２の外面上に冷却流体の膜を排出するための膜孔８８に冷却流体を供給する。あるいは、ベーン７２またはベーン７２の内部構造は、粒子収集器１３０に対して相対的に、連続的であり得る、減少する断面を有することができ、加速された流れ１８４を生成することができる。第２の部分１２４の増大する断面積１３８によって画定された内部本体８４内の収束する空間は、ベーン７２の構造に特有のものであり、仮想インパクタ１２０が異なるエンジン部品に実装される場合には、必要でない場合があることを理解されたい。
【００３３】
配向された粒子収集器は、例示的なものであって、エンジン部品内の冷却回路の少なくとも一部を画定するために、エンジンの中心線に対して半径方向、軸方向、前方、後方、またはこれらの任意の組み合わせなどの任意の方向に配向することができる。エンジン部品は、ベーンとして示されているが、これもまた例示的なものである。代替的なエンジン部品は、ハンガーブラケットもしくは関連する要素、またはベーンと同様の翼形部形状を有するエンジンブレードを含むことができる。
【００３４】
粒子分離器は、冷却流体の流れから粒子を除去するように動作することを理解されたい。システムは、弁別的であってもよく、粒子の大きさ、質量、またはこれらの組み合わせに基づいて粒子の大部分を除去することができる。したがって、大きな流れの中に残留する粒子は、膜孔などの冷却回路の残りの部分を通過する小さなサイズまたは質量を含むことができ、部品に対する関連する目詰まりや破損を低減することができる。
【００３５】
本明細書で説明した仮想インパクタは、ベーンまたはエンジン部品を通過する冷却流体の流れから粒子を除去するための理想的なものであることをさらに理解されたい。しかし、冷却流体の流れから粒子を分離しながら効果的な冷却回路を実現するために、種々の粒子分離器をシステム内で利用することができる。
【００３６】
この明細書は、本発明を開示するために実施例を用いており、最良の形態を含んでいる。また、いかなる当業者も本発明を実施することができるように実施例を用いており、任意のデバイスまたはシステムを製作し使用し、任意の組み込まれた方法を実行することを含んでいる。本発明の特許され得る範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者が想到する他の実施例を含むことができる。このような他の実施例が特許請求の範囲の文字通りの言葉と異ならない構造要素を有する場合、または、それらが特許請求の範囲の文字通りの言葉と実質的な差異がなく等価な構造要素を含む場合には、このような他の実施例は特許請求の範囲内であることを意図している。
［実施態様１］
圧縮機（２２）と、燃焼器（３０）と、外側ケーシング内に収容されたタービン（３２）と、を有するガスタービンエンジン用ノズルアセンブリであって、前記タービン（３２）は、前記タービン（３２）の１つの段を画定するための、前記ノズルアセンブリを含む環状に配置された複数の回転ブレード（６８，７０）を有し、前記ノズルアセンブリは、
ノズル（１０８、１４４）を画定する少なくとも１つのベーン（７２，７４）であって、冷却回路入口流路および掃気流出口流路を備える内部チャンバ（８２）を有する少なくとも１つのベーン（７２，７４）と、
前記冷却回路入口流路に流体結合され、前記冷却回路入口流路を介してチャンバに冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れを供給する第１の部分（１２２）と、前記掃気流出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分（１２４）と、を有する冷却回路と、
前記チャンバ内に配置され、加速器入口（１２８）および前記加速器入口（１２８）よりも断面積が小さい加速器出口（１４２）を備える流れ加速器（１２６）と、収集器入口（１３４）および収集器出口（１３６）を有し、前記収集器入口（１３４）と前記収集器出口（１３６）との間に掃気導管（１３２）を画定する粒子収集器（１３０）と、を有し、前記収集器入口（１３４）は、前記加速器出口（１４２）に対して整列かつ離間して隙間（１４６）を画定し、前記収集器出口（１３６）は、前記掃気流流路に流体結合される、少なくとも１つの粒子分離器（８６）と、
前記隙間（１４６）の大きさおよび前記加速器出口（１４２）および前記収集器入口（１３４）の相対的な大きさは、前記加速器出口（１４２）から出る前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの第１の部分（１２２）が前記隙間（１４６）を介して流出し、かつ、前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの第２の部分（１２４）が前記加速器出口（１４２）から前記隙間（１４６）を横切って前記収集器入口（１３４）に直接流入し、掃気流体の流れ（１８２）を画定する前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの前記第２の部分（１２４）における運動量によって主として制約される粒子が前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの中に混入するように、選択される、ノズルアセンブリ。
［実施態様２］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ加速器（１２６）は、流れ方向に減少する断面を有するノズル（１０８、１４４）を含む、ノズルアセンブリ。
［実施態様３］
実施態様２に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ加速器（１２６）の前記ノズル（１０８、１４４）は、円錐形状を有する、ノズルアセンブリ。
［実施態様４］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）は、前記収集器入口（１３４）を画定する流れ減速器を含む、ノズルアセンブリ。
［実施態様５］
実施態様４に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ減速器は、流れ方向に増加する断面を有するノズル（１０８、１４４）を含む、ノズルアセンブリ。
［実施態様６］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）は、前記粒子収集器（１３０）と前記ベーン（７２，７４）のうちの前記少なくとも１つとの間の断面積を縮小させるように、増加した断面積を有する少なくとも一部を含む、ノズルアセンブリ。
［実施態様７］
実施態様６に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）の前記少なくとも一部は、連続的に増加する断面積を有する、ノズルアセンブリ。
［実施態様８］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子収集器（１３０）および前記ベーン（７２，７４）のうちの前記少なくとも１つは、前記冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れの前記第１の部分（１２２）の加速領域（１４０）を画定するために、前記粒子収集器（１３０）と前記ベーン（７２，７４）のうちの前記少なくとも１つとの間の断面積を縮小させるように成形される、ノズルアセンブリ。
［実施態様９］
実施態様８に記載のノズルアセンブリであって、前記断面積の縮小は連続的である、ノズルアセンブリ。
［実施態様１０］
実施態様９に記載のノズルアセンブリであって、前記断面積の縮小は、前記粒子収集器（１３０）の長さに沿って延在する、ノズルアセンブリ。
［実施態様１１］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記収集器入口（１３４）は、前記粒子収集器（１３０）の最小断面積を画定するチョーク（１５０）をさらに含む、ノズルアセンブリ。
［実施態様１２］
実施態様１１に記載のノズルアセンブリであって、前記チョーク（１５０）の直径に対する前記隙間（１４６）の長さの比は、１：１から１：４の間である、ノズルアセンブリ。
［実施態様１３］
実施態様１２に記載のノズルアセンブリであって、前記チョーク（１５０）の直径に対する前記隙間（１４６）の長さの前記比は、１：１から１：２の間である、ノズルアセンブリ。
［実施態様１４］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記粒子分離器（８６）は、仮想インパクタ（１２０）である、ノズルアセンブリ。
［実施態様１５］
実施態様１に記載のノズルアセンブリであって、前記流れ加速器（１２６）は、前記流れ加速器（１２６）を通って長手方向に延びる第１の長手方向軸を規定し、前記粒子収集器（１３０）は、前記粒子収集器（１３０）を通って長手方向に延びる第２の長手方向軸を規定する、ノズルアセンブリ。
［実施態様１６］
実施態様１５に記載のノズルアセンブリであって、前記第１および第２の長手方向軸は、平行であるが、前記流れ加速器（１２６）および前記粒子収集器（１３０）がオフセットされるように横方向にずれている、ノズルアセンブリ。
［実施態様１７］
実施態様１５に記載のノズルアセンブリであって、前記第１および第２の長手方向軸は、エンジン中心線（１２）から半径方向に延びる軸に対して角度がずれている、ノズルアセンブリ。
［実施態様１８］
圧縮機（２２）と、燃焼器（３３）と、ケーシング内のタービン（３２）と、を有するタービンエンジン用部品であって、前記タービン（３２）は、前記タービン（３２）の１つの段を画定するための、ノズル（１０８、１４４）を画定する環状に配置された複数の固定ベーン（７２，７４）と、前記固定ベーン（７２，７４）と対をなす環状に配置された複数の回転ブレード（６８，７０）と、を有し、前記部品は、
冷却回路入口流路および掃気流出口流路を有する内部チャンバ（８２）を画定する本体（８４）と、
前記冷却回路入口流路に流体結合され、前記冷却回路入口流路を介して前記チャンバ（８２）に冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れを供給する第１の部分（１２２）と、前記掃気流出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分（１２４）と、を有する冷却回路と、
前記チャンバ（８２）内に配置された仮想インパクタ（１２０）であって、前記仮想インパクタ（１２０）を流れる掃気粒子流体の流れ、および前記仮想インパクタ（１２０）の外側と前記チャンバ内を流れる低減粒子冷却流体の流れを画定する仮想インパクタ（１２０）と、を含み、
前記仮想インパクタ（１２０）と前記部品との間の空間の少なくとも一部は、前記低減粒子冷却流体の流れを加速させるように縮小された断面積を有する、部品。
［実施態様１９］
実施態様１８に記載の部品であって、前記仮想インパクタ（１２０）は、前記低減粒子冷却流体の流れが排出される隙間（１４６）を有する、部品。
［実施態様２０］
実施態様１９に記載の部品であって、前記空間の前記縮小された断面積は、前記隙間（１４６）の下流側である、部品。
［実施態様２１］
実施態様２０に記載の部品であって、前記縮小された断面積は、前記仮想インパクタ（１２０）の長さに沿って延在する、部品。
［実施態様２２］
実施態様２１に記載の部品であって、前記縮小された断面積は連続的に縮小する、部品。
［実施態様２３］
実施態様２２に記載の部品であって、前記縮小された断面積は前記隙間（１４６）において開始する、部品。
［実施態様２４］
実施態様１８に記載の部品であって、前記縮小された断面積は連続的に縮小する、部品。
［実施態様２５］
実施態様１８に記載の部品であって、ブレード（６８，７０）およびベーン（７２，７４）の少なくとも一方を含む部品。
［実施態様２６］
圧縮機（２２）と、燃焼器（３０）と、ケーシング内のタービン（３２）と、を有するガスタービンエンジン用部品であって、前記部品は、
冷却回路入口流路および掃気流出口流路を有する内部チャンバ（８２）を画定する本体（８４）と、
前記冷却回路入口流路に流体結合され、前記冷却回路入口流路を介して前記内部チャンバ（８２）に冷却流体（９４ａ、９４ｂ）の流れを供給する第１の部分（１２２）と、前記掃気流出口流路に流体結合され、掃気流流路を画定する第２の部分（１２４）と、を有する冷却回路と、
前記内部チャンバ（８２）内に配置された仮想インパクタ（１２０）であって、前記仮想インパクタ（１２０）を流れる掃気粒子流体の流れ、および前記仮想インパクタ（１２０）の外側と前記チャンバ（８２）内とを流れる低減粒子冷却流体の流れを画定する仮想インパクタ（１２０）と、を含む部品。
【符号の説明】
【００３７】
１０  ガスタービンエンジン
１２  中心線
１８  ファン部
２０  ファン
２２  圧縮機部
２４  ＬＰ圧縮機
２６  ＨＰ圧縮機
２８  燃焼部
３０  燃焼器
３２  タービン部
３４  ＨＰタービン
３６  ＬＰタービン
３８  排気部
４０  ファンケーシング
４２  ファンブレード
４４  エンジンコア
４６  コアケーシング
４８  ＨＰシャフト／スプール
５０  ＬＰシャフト／スプール
５２、５４  圧縮機段
５６、５８  圧縮機ブレード、回転ブレード
６０、６２  静止圧縮機ベーン
６４、６６  タービン段
６８、７０  タービンブレード、回転ブレード
７２、７４  静止タービンベーン
７６  偏向器
７８  燃焼器ライナ
８０  シュラウドアセンブリ
８２  内部チャンバ
８４  内部本体
８６  粒子分離器
８８  膜孔
９０ａ  第１のバイパスチャネル
９０ｂ  第２のバイパスチャネル
９２  開口部
９４  矢印
９４ａ  第１の冷却流体
９４ｂ  第２の冷却流体、第２の冷却流
９６  内側バンド
９８  外側バンド
１００  内側冷却チャネル
１０２  外側冷却チャネル
１０４  前縁
１０６  後縁
１０８  ノズル、ノズルリング
１１０  入口
１１２  出口
１１４  内部開口部
１２０  仮想インパクタ
１２２  第１の部分
１２４  第２の部分
１２６  流れ加速器
１２８  加速器入口
１３０  粒子収集器
１３２  掃気導管
１３４  収集器入口
１３６  収集器出口
１３８  外側断面積
１４０  加速領域
１４２  加速器出口
１４４  ノズル
１４６  隙間
１４８  環状延長部
１５０  チョーク
１５２  発散部
１５４  第２の隙間
１７０  入口の流れ
１７２  加速された流れ
１７４  大きな流れ
１７６  小さな流れ
１７８  清浄な流れ
１８０  汚れた流れ
１８２  掃気流体の流れ
１８４  加速された流れ
【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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【図６】
2017082775.tif 000008
【外国語明細書】
2017082775000001.pdf