(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービン用のターボ機械において回転シャフトと該回転シャフトの回転軸線と一致する環状中心線を持つプレナムとの間のキャビティ（５８）に冷却空気を噴射するガス噴射システムであって、
外面（２６）をもつ、薄板金でできているプレナム壁（２４）と、前記外面（２６）に平行な局部接線方向（２８）と、前記外面（２６）に垂直な局部垂線方向（３０）とを有するプレナム（２２）と、
前記プレナム壁（２４）内のプレナム開口部（３４）と、
前記プレナム開口部（３４）に重なる位置に前記外面（２６）側から配設された噴射器（３６）と、を備え、
該噴射器（３６）は、前記プレナム壁（２４）に取り付けられた噴射器ブロック（３８）と、前記噴射器ブロック（３８）と前記プレナム壁（２４）との間の接合部（４０）と、前記噴射器ブロック（３８）を通って噴射器通路入口（４４）から噴射器通路出口（４６）へ延びる少なくとも一つの噴射器通路（４２）と、を含み、
各々の前記噴射器通路出口（４６）は、前記局部垂線方向（３０）から離れ前記局部接線方向（２８）に向かう０度より大きい噴射角度で配向されており、
前記噴射器ブロック（３８）のガス流方向（３３）上流側の前縁（４８）が先細りとなっており、前記噴射器通路（４２）が前記噴射器通路入口（４４）から噴射器通路出口（４６）に向かってまず収斂し次に拡開する
ことを特徴とするガス噴射器システム（２０）。
【請求項２】
ガスタービン用のターボ機械において回転シャフトと該回転シャフトの回転軸線と一致する環状中心線を持つプレナムとの間のキャビティ（５８）に冷却空気を噴射するガス噴射システムであって、
環状中心線（５６）と、
外面（２６）をもつ、薄板金でできているプレナム壁（２４）と、前記外面（２６）に平行な周方向の局部接線方向（２８）と、前記外面（２６）に垂直な局部垂線方向（３０）とを有する環状プレナム（５４）と、
前記環状プレナム（５４）の周方向バンド（５５）に沿って間隔を置いて配設された、前記環状プレナム（５４）の壁内の複数のプレナム開口部（３４）と、
各々が前記プレナム開口部（３４）の一つに重なる位置に前記外面（２６）側から配設されている複数の噴射器（３６）と、を含み、
各々の該噴射器（３６）は、前記プレナム壁（２４）に取り付けられた噴射器ブロック（３８）と、前記噴射器ブロック（３８）と前記プレナム壁（２４）との間の接合部（４０）と、前記噴射器ブロック（３８）を通って噴射器通路入口（４４）から噴射器通路出口（４６）へ延びる少なくとも一つの噴射器通路（４２）と、を含み、
各々の前記噴射器通路出口（４６）は、前記局部垂線方向（３０）から離れ前記周方向の局部接線方向（２８）に向かう０度より大きい噴射角度で配向されており、
前記噴射器ブロック（３８）のガス流方向（３３）上流側の前縁（４８）が先細りとなっており、前記噴射器通路（４２）は前記噴射器通路入口（４４）から噴射器通路出口（４６）に向かってまず収斂し次に拡開する
ことを特徴とするガス噴射器システム（２０）。
【請求項３】
前記噴射器通路（４２）は断面が円形であることを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のガス噴射器システム（２０）。
【請求項４】
噴射角度が５０度から７０度までであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のガス噴射器システム（２０）。
【請求項５】
接合部（４０）が蝋付けされた接合部（４０）であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のガス噴射器システム（２０）。
【請求項６】
前記プレナム開口部（３４）は、面積が前記噴射器通路入口（４４）より大きいことを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のガス噴射器システム（２０）。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、冷却空気のようなガスの傾斜噴射に関し、より具体的には、噴射装置及びその製造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄い壁のガスプレナムから比較的長い通路を通り、傾斜した噴射角度でガスを空間へ噴射することは時々必要である。例として、ガスタービンエンジンのターボ機械において、冷却空気は、環状プレナムから該プレナムと回転シャフトとの間のキャビティへ傾斜した噴射角度で噴射される。局部的ホットスポットにつながる乱流を避けるため、冷却空気は軸線方向に対して角度をもたせて噴射されねばならず、意図した方向へ安定した方法で流れることを保証するため、該空気は管を通って流れ出なければならない。
【０００３】
プレナム壁に単純に穴又はオリフィスを形成することは、望ましい傾斜した流れ方向及び流れの一様性を生み出さない。穴を開けた取付部品をプレナム壁に溶接することもできるが、取付部品の溶接には費用と時間がかかる。
【０００４】
噴射問題の別の手法では、プレナム壁は十分に厚く作られ、必要な場所と角度で傾斜した通路に穴あけする。この解決は実施可能であるが、厚い壁のプレナムを用いることが必要であり、構造に必要以上の重量を付加することになる。さらに別の手法では、必要な通路を穴あけされたリングが、プレナム壁に溶接され、該壁の一部を形成している。この手法は実施可能であるが、溶接が必要とされるため、実施するのに費用がかかり、また必要以上の重量を付加することになる。通路の大きさ及び配向の変更は困難であり、リングを取り替えることが必要になる。
【特許文献１】
米国特許４，７００，５４４公報
【０００５】
【発明の概要】
ガス噴射問題に対する従来の解決には完全に満足のいくものはなかった。プレナムからのガス噴射への改良された手法の必要性がある。本発明はこの必要性を満たし、更に関連する利点を提供する。
【０００６】
本発明はガス噴射器システムとその製造のための方法を提供する。ガス噴射器システムは、薄い壁のプレナムのようなプレナムを通して供給されるガスと共に作動する。ガス噴射器は、傾斜した噴射角度の細長いガス流通路を提供する。ガス流通路の多種多様な形状、大きさ、及び配置を利用し、製造することが可能である。ガス噴射器はプレナムとは別に製造され、それからプレナムに取り付けられる。また、必要ならばプレナムから取り外し、取り替えることもできる。
【０００７】
ガス噴射器システムは、外面をもつプレナム壁と、外面に平行な局部接線方向及び外面に垂直な局部垂線方向とを有するプレナムを含む。プレナムはどんな厚さであってもよいが、通常は比較的薄い板金である。プレナム壁にはプレナム開口部がある。噴射器は、プレナム開口部の上に重なる位置に配設される。噴射器は、プレナム壁に取り付けられた噴射器ブロックと、該噴射器ブロックとプレナム壁との間の接合部と、噴射器ブロックを通って噴射器通路入口から噴射器通路出口へ延びる噴射器通路とを含む。噴射器通路出口は、局部垂線方向から離れ局部接線方向に向かう０度より大きい噴射角度に配向される。噴射器入口はプレナム開口と整合する。典型的な実施形態では、プレナムは、プレナム壁内に複数の開口部と、該開口部の各々について一つの噴射器とを有する。
【０００８】
一つの形態では、噴射器通路は実質的にまっすぐであり、一定の直径からなる。しかしながら、他の形態では、噴射器通路は、湾曲し及び／又は一定でない直径、非円形の断面とすることができ、或いはノズルの形態であってもよい。噴射器ブロックには、一つ又はそれ以上の噴射器通路を設けることができる。噴射器通路（単数又は複数）から出るガスの噴射角度は、いかなる作動可能方向に配向されてもよく、典型的には、局部垂線方向から約５０度から約７０度である。接合部は、高温の用途には蝋付けされた接合部が、又は低温の用途には接着された接合部が好ましく、どちらも従来の手法で用いられる溶接より便利でかつより安価である。
【０００９】
本発明者にとって特に興味ある用途では、噴射器システムは、ガスプレナムと回転するターボ機械シャフトの間のキャビティ内に、回転方向に向かうようにガスを噴射する。この実施形態では、ガス噴射器システムは、環状中心線と、外面を有するプレナム壁と、外面に平行な周方向の局部接線方向と、外面に垂直な局部垂線方向とを有する環状プレナムを含む。環状プレナム壁には複数のプレナム開口部が形成され、該プレナム開口部は環状プレナムの周方向バンドに沿って間隔をおいて配設される。環状プレナムの周方向バンドは、典型的には、環状中心線に対して内向きに面している。噴射器システムは複数の噴射器を含み、各々の噴射器はプレナム開口部の一つの上に重なる位置に配設される。各々の噴射器は、プレナム壁に取り付けられた噴射器ブロックと、該噴射器ブロックとプレナム壁との間の接合部と、噴射器ブロックを通って噴射器通路入口から噴射器通路出口へ延びる噴射器通路とを含む。噴射器通路出口は、局部垂線方向から離れ周方向の局部接線方向に向かう０度より大きい噴射角度で配向される。
【００１０】
ガス噴射器システムは、噴射器ブロックを通って噴射器通路入口から噴射器通路出口へ延びる噴射器通路を有する噴射器ブロックを製造すること、外面を有するプレナム壁と、プレナム壁を貫通する開口部とを有するガスプレナムを設けること、及び、噴射器通路入口がプレナム壁を貫通する該開口部に整合するように噴射器ブロックをプレナム壁に取り付けることによって形成される。後に、望むならば噴射器ブロックを取り外し、異なる形状の噴射器通路（単数又は複数）を有する新たな噴射器ブロックをプレナム壁に取り付けることができる。噴射器ブロックは、該噴射器ブロック内に設けられた噴射通路と一緒に簡便に鋳造され、或いは、該噴射通路は噴射器ブロック内に機械加工することができる。一つ又はそれ以上の一体化した噴射通路を伴う噴射器ブロックを鋳造することで、該通路の形状、大きさ、及び形態の選択に大きな柔軟性が得られる。
【００１１】
本手法は、簡便かつ安価に製造されるガス噴射器システムを提供する。薄い壁のプレナムでさえも、プレナムから必要とされるようにガスを噴射することができる。本発明の他の特徴と利点は、例として本発明の本質を図示した添付図面と関連付けた、以下の好ましい実施形態のより詳細な説明から明らかになろう。しかしながら、本発明の範囲はこの好ましい実施形態に限定されるものではない。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、傾斜した角度でガスを噴射するガス噴射器システム２０を示す。ガス噴射器システム２０は、外面２６をもつプレナム壁２４を有する中空のガスプレナム２２を含む。プレナム壁２４は、いかなる作動可能な構造であってもよいが、通常の場合は比較的薄い板金である。ガスはガス源（図示せず）からプレナム２２へ供給される。ガス噴射器システム２０は、外面２６と平行な局部接線方向２８及び外面２６と垂直な局部垂線方向３０を参照して更に詳述される。局部接線方向２８は、噴射ベクトル３２の外面２６上へのベクトル投影であり、ガスがガス噴射器システム２０から流れる方向である。ガス噴射器システム２０を湾曲外面２６に関連して用いることができるため、用語「局部」は、外面２６上の特定の位置におけるこれらの方向２８及び方向３０を指して用いられる。局部接線方向２８は局部ガス流方向３３に平行であることが好ましく、通常よくあるとおり、そこには噴射器３６を通る周囲ガス流がある。プレナム２２はプレナム壁２４内にプレナム開口部３４を有する。
【００１３】
プレナム開口部３４の上に重なる位置に噴射器３６が配設される。噴射器３６は、噴射器ブロック３８とプレナム壁２４との間の接合部４０でプレナム壁２４に取り付けられた噴射器ブロック３８を含む。接合部４０は、ガス噴射器２０が高温で作動するときは、蝋付け接合であることが好ましく、或いはガス噴射器２０が室温又は中程度に上昇した温度で作動するときは、接着接合であることが好ましい。
【００１４】
噴射器通路４２は、噴射器ブロック３８内部を通って噴射器通路入口４４から噴射器通路出口４６へ延びる。製造中に噴射器通路入口４４とプレナム開口部３４の心ずれに幾らかの許容差があるようにするため、プレナム開口部３４の大きさ及び面積が、噴射器通路入口４４の大きさ及び面積より大きいことが好ましい。噴射器ブロック３８は、プレナム開口部３４の残りの部分を閉じ、密封する。噴射ベクトル３２は、噴射器通路出口４６からガスが進む方向である。噴射器通路４２を通るガス流を安定させるため、噴射器通路４２の直径Ｄに対する噴射器通路４２の長さＬの比Ｌ／Ｄが少なくとも２／１であるのが好ましく、更に２／１よりも大きい方が好ましい。
【００１５】
噴射器通路出口４６は、局部垂線方向３０と噴射ベクトル３２との間の噴射角度Ｉで配向されている。噴射角度Ｉは、局部垂線方向３０から０度より大きく離れ、局部接線方向２８の方向へ傾斜しており、噴射ベクトル３２は、通常は局部接線方向２８の上に投影される。噴射角度Ｉは約５０度から約７０度までであるのが好ましく、約６０度であるのが最も好ましい。ガス噴射器システムを組み込むシステムにおいてガス流の必要条件によって、所定の噴射角度Ｉが判断されるものであり、本手法は、あらゆる広範囲の噴射角度Ｉに適合する。必ずしも必要ではないが、典型的には、噴射器通路入口４４はプレナム開口部３４と整合する。
【００１６】
作動時には、ガスは、ガス源（図示せず）から流れ、プレナム２２を通り、プレナム開口部３４を通り、噴射器通路入口４４を通って噴射器通路４２へ入り、噴射器通路４２に沿って噴射器通路出口４６から噴射ベクトル３２の方向へ流出する。
【００１７】
図１及び図２に示す実施形態では、噴射器ブロック３８は、局部ガス流方向によって表わされるような局部ガス流内に突出する。噴射器ブロック３８の前縁４８は、図に示すように、噴射器ブロック３８によって引き起こされる空気流抵抗及び乱流の発生を減少させるように先細りにすることができる。
【００１８】
図３に示す別の実施形態では、噴射器ブロック３８は、外面２６と同一平面になるように埋め込まれる（或いは外面２６より下になってもよい）。この場合、接合部４０は、プレナム壁２４の内面４９に設けられる。噴射器ブロック３８を埋め込むことが、噴射器ブロックによって引き起こされる空気流抵抗と乱流の発生を排除する。図３において適切な場合には、同じ名称及び参照数字を用いて図１及び図２の実施形態と共通の構成部品を示し、ここに前述の説明を組み込む。
【００１９】
図１から図３は、まっすぐで、円形で、かつ、ほぼ一定の直径と断面の大きさをもった噴射器通路４２を図示する。噴射器通路は、いかなる作動可能な形態であってもよく、図４から図６の平面図において３つ他の作動可能な形態が示されており、そこでは内部の通路構造が点線で示されている。図４では、共通の噴射器通路入口４４と３つの別個の噴射器通路出口４６を有する３本の噴射器通路４２があり、該３本の噴射器通路は、互いに平行であっても、或いは平行でなくてもよい。噴射器通路４２は、断面において円形であっても、又は非円形であってもよい。図５では、噴射器通路４２は断面直径及び大きさが一定ではなく、この場合、該噴射器通路は、噴射器通路入口４４から噴射器通路出口４６に向けて拡がる拡開ノズルを形成しており、噴射器通路出口４６から出るガス流が拡がるようにする。図６では、噴射器通路４２は一定の断面直径及び大きさにつくられていず、該噴射器通路は、収斂−拡開ノズルを形成するように、噴射器通路入口４４から噴射器通路出口４６に向かってまず収斂し、次に拡がっていく形態を有する。噴射器通路４２を通るガスに特定の流れ特性を与えるように、これら及び他の形態の噴射器通路４２を選択することができる。
【００２０】
図７は、ガスタービンエンジンのターボ機械におけるガス噴射器システムの用途を示す。幾つかの要素は前述のガス噴射器システムと共通である。適切な場合には、図７の説明において同じ名称及び参照数字が用いられ、ここに前述の説明が組み込まれる。タービンディスク５０が回転シャフト５２に支持されている。環状プレナム５４が、シャフト５２の一部の周りに配設され、該プレナム５４はシャフト５２の回転軸線と一致する環状中心線５６を有する。噴射器ブロック３８の位置において、局部垂線方向３０は、プレナム５４の壁２４に垂直である。局部接線方向２８は、プレナム５４の表面沿いに位置する。複数の噴射器ブロック３８が、プレナム５４の壁２４上に形成される周方向バンド５５に沿って配置される。この場合、周方向バンド５５及び噴射器ブロック３８は、環状中心線５６に対し内向きに面しているが、他の状況では、他の配置を用いることができる。
【００２１】
作動時には、冷却空気はプレナム５４を通って流れ、図７では示されないが局部接線方向２８上に投影する噴射ベクトルに沿い、噴射器ブロック３８を通って流出する。噴射された冷却空気は、運動量の主要部分がシャフト５２の回転方向に平行になるような状態でシャフト５２とプレナム５４の間のキャビティ５８に流入する。この配置はキャビティ５８内での望ましくない乱流及び気擦効果を回避する。
【００２２】
図８は、ガス噴射器２０を製造する好ましい手法を示す。噴射器ブロック３８が製造される（符号７０）。噴射器ブロック３８は、いかなる作動可能な手法によっても製造される。好ましい手法では、噴射器ブロックは、噴射器通路４２が所定の位置に鋳造されるようにして、所要の大きさ及び形状に鋳造される。そのような鋳造をなすため、噴射器通路４２の大きさ及び形状の鋳型芯又は石英棒を鋳型に配置し、溶融した金属を鋳型に流し込み、硬化させる。鋳型芯又は石英棒を取り除くと、所定の位置に鋳造された噴射器通路を有する噴射器ブロック３８が得られる。代わりに、噴射器ブロック３８を、固形塊として鋳造、鍛造又は機械加工し、噴射器通路４２を噴射器ブロック３８内に機械加工してもよい。コストが低く、また図４から図６に示すような非円筒形の内部通路が形成できるので、適切な事例においては、鋳型芯を用いる鋳造手法は好ましいものである。噴射器ブロック３８には、ガス噴射の用途に適したどんな材料を用いてもよい。Ａｌｌｏｙ  Ｉｎｃｏ  ７１８、Ｒｅｎｅ  ７７、及びＡ２８６が、それぞれ、中温、高温、低温の用途に好ましいが、使用される材料の種類に制限はない。
【００２３】
ガス噴射が必要とされるすべての場所にプレナム開口部（単数又は複数）３４が機械加工されて、ガスプレナム（２２又は５４）が設けられる（符号７２）。プレナム開口部３４の位置はそのシステムのガス流必要条件によって決められるもので、これらの位置を定めることは本発明の範囲内ではない。
【００２４】
各々のプレナム開口部３４の上に重なるように、噴射器ブロック３８がガスプレナム（２２又は５４）に取り付けられる（符号７４）。前述のように、取付け工程７４の間、僅かな心ずれを許容できるように、各々の噴射器ブロック３８の噴射器通路入口４４に対してプレナム開口部３４が大きく作られることが好ましい。噴射器ブロックは、作動可能なあらゆる手法によって取り付けられる。図７のガスタービンエンジン用途のような高温での用途では、噴射器ブロック３８はプレナム壁２４に蝋付けされることが好ましい。蝋付け材料及び手法は、その他の用途のための技術において周知である。蝋付けは、薄板金で作られている通常のプレナムの比較的薄い壁に、噴射器ブロック３８が取り付られることを可能にする。蝋付けの代わりに、溶接や機械的締め具を用いることもできる。これらの技術は、薄い壁のプレナムに噴射器ブロック３８を取り付けるためには、全く適切ではないが、他の用途では選択肢に入る取付け方法である。
【００２５】
ガス噴射器は完成し、使用に供することができる。
【００２６】
本手法の利点は、蝋付け金属の融点を超える温度まで構造物を加熱し、また噴射器ブロック３８をプレナムから離して持ち上げることによって、噴射器ブロック３８を容易に取り外すことができることである（符号７６）。１つ又はそれ以上の噴射器ブロックを取り外すことは、噴射器ブロック３８（１つ又は複数）を修理するため、あるいは、第1のセットの噴射器ブロックを、異なるパターン又は形式の噴射器通路４２を有する噴射器ブロックの別のセットに交換するために必要となる場合がある。
【００２７】
本発明の特定の実施形態を例示の目的で詳述してきたが、本発明の技術思想と技術的範囲から外れることなく様々な修正及び改良をなすことができる。従って、本発明は特許請求の範囲による以外は限定されるべきでない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ガス噴射器システムの斜視図。
【図２】  線２−２による、図１のガス噴射器システムの概略断面図。
【図３】  別の実施形態を示す、図２と同様の断面図。
【図４】  噴射器通路の他の形状を示す、ガス噴射器システムの噴射器ブロックの他の実施形態の平面図。
【図５】  噴射器通路の他の形状を示す、ガス噴射器システムの噴射器ブロックの他の実施形態の平面図。
【図６】  噴射器通路の他の形状を示す、ガス噴射器システムの噴射器ブロックの他の実施形態の平面図。
【図７】  ガス噴射器システムの第２の実施形態の概略側面断面図。
【図８】  本発明を実施する好ましい手法のブロック流れ図。
【符号の説明】
２０  ガス噴射器システム
２２  プレナム
２６  外面
２８  局部接線方向
３０  局部垂線方向
３２  噴射ベクトル
３３  局部ガス流方向
３６  噴射器
３８  噴射器ブロック
４６  噴射器通路出口
４８  前縁
【図１】
0004101500.tif 000002
【図２】
0004101500.tif 000003
【図３】
0004101500.tif 000004
【図４】
0004101500.tif 000005
【図５】
0004101500.tif 000006
【図６】
0004101500.tif 000007
【図７】
0004101500.tif 000008
【図８】
0004101500.tif 000009