(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シェル（３２）を傾斜して貫通し冷却剤をそれから接線方向に吐出する複数の開口（３０）を含むことを特徴とするタービンノズル用のバッフル。
【請求項２】
前記開口（３０）の各々は、前記シェルの内部寄りに配置され冷却剤を受け入れる入口（３０ａ）と、前記シェルに沿って横方向に面して該シェルの外部寄りに配置され冷却剤を該シェルに沿って横方向に吐出する出口（３０ｂ）とを含むことを特徴とする、請求項１に記載のバッフル。
【請求項３】
前記シェル（３２）は管状であり、前記開口（３０）は前記シェルのスパンに沿って延びる列で配置されていることを特徴とする、請求項２に記載のバッフル。
【請求項４】
前記シェル（３２）は、前記開口（３０）の列のところで重なる複数のルーバ（３８）を更に含むことを特徴とする、請求項３に記載のバッフル。
【請求項５】
前記ルーバ（３８）は出口スロット（４０）のところで隣接しており、前記開口（３０）の列は、それぞれのルーバスロットと流体連通して配置され冷却剤をそれからまとめて吐出することを特徴とする、請求項４に記載のバッフル。
【請求項６】
前記開口（３０）は、前記隣接するルーバ（３８）の間に配置されたそれぞれの支柱（４２）により分離されていることを特徴とする、請求項５に記載のバッフル。
【請求項７】
前記開口入口（３０ａ）及び出口（３０ｂ）は、前記隣接するルーバ（３８）の間で垂直方向に延びていることを特徴とする、請求項６に記載のバッフル。
【請求項８】
前記ルーバ（３８）及び開口（３０）は、前記シェルの前方端と後方端との間で前記シェル（３２）の対向する側面に配置され、前記シェルの両側面の前記開口出口（３０ｂ）は前記シェルの後方端の方向に面していることを特徴とする、請求項６に記載のバッフル。
【請求項９】
前記シェルの後方端は、それを垂直方向に貫通する吐出孔（４４）の列を含み、
前記シェルの前方端は、それを垂直方向に貫通する吐出孔（４６）の複数の列を含むことを特徴とする、請求項８に記載のバッフル。
【請求項１０】
前記シェル（３２）は、前記開口（３０）に対応する複数のくぼみ（４８）を更に含んでおり、前記開口出口（３０ｂ）は前記くぼみの幅広端部において前記シェルから垂直方向外方に延びていることを特徴とする、請求項３に記載のバッフル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的にガスタービンエンジンに関し、より具体的には、エンジン内のタービンノズルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ガスタービンエンジンにおいては、空気が圧縮機内で加圧され、燃焼器内で燃料と混合され、高温の燃焼ガスを発生し、高温の燃焼ガスは該ガスからエネルギーを取り出す高圧及び低圧タービンを通って下流に流れる。高圧タービンは圧縮機に動力を与え、また低圧タービンは、一般的に典型的な航空機エンジン用途では圧縮機の上流に配置されるファンに動力を与える。
【０００３】
エンジン性能及び効率は、タービン内でエネルギーがそれから取り出される燃焼ガスの温度を上昇させることにより増大される。エンジン寿命や燃料節約を犠牲にして最大の性能が望まれる軍用ターボファンエンジンにとっては、このことは特に重要である。
【０００４】
燃焼ガスは最初に高圧タービンノズルを通して吐出され、高圧タービンノズルは、ガスからエネルギーを取り出すための高圧タービンベーンを通してガスを導き、ガスはエンジンを通って下流に流れるにつれて温度が低くなる。従って、高圧タービンノズルは、最大ガス温度を受けるので、高温のガス環境に耐えるように一般的に高強度の超合金材料で形成され、しかも圧縮機から抽気した空気を用いて冷却される。
【０００５】
しかしながら、高級技術水準の超合金金属材料は、その適当な寿命を保証するために温度性能を制限されてきた。また、タービンノズルを冷却する能力もまた、圧縮機から抽気する空気の冷却能力により制限される。
【０００６】
従って、先端技術水準の高性能航空機エンジンは、従来の超合金金属材料及びその冷却に対するなお一層の改良を必要とする。１つの有望な進歩は、セラミック材料固有の高温性能及び断熱性能を求めて、タービンノズル内でセラミック材料を使用することである。セラミック材料は、モノリシック又は一般にセラミックマトリクス複合材（ＣＭＣ）と呼ばれるセラミック繊維で強化されたもののいずれかにすることが可能である。このようなＣＭＣセラミック材料は、現在開発中であり、ＳｉＣの母材がＳｉＣ繊維で強化されている炭化ケイ素（ＳｉＣ）の典型的な形態で様々な供給元から市販されている。
【０００７】
しかしながら、セラミック材料は、脆弱でかつ延性に欠けるので、破損前の歪みにほとんど耐えることができない。
【０００８】
これに対応して、典型的なニッケル基超合金は、延性があり、大きな歪みに適応することができる。このことは、作動中に大きな熱歪みを生じる高温の燃焼ガス及び低温の冷却空気に曝されるタービンノズルの設計においては重要な意味を持つ。
【０００９】
従って、セラミックノズルの設計は、ノズル構成部品の機械的な組み立てと共にその冷却による熱に起因する歪みを最小限にするように適切に調整されなければならない。例えば、典型的な金属タービンノズルは、個々のノズルベーンの内部に多数のインピンジメント孔を有するインピンジメントバッフルを含み、インピンジメント孔により冷却空気をベーンの内面に対して垂直方向に導き、ベーンをインピンジメント冷却する。
【００１０】
インピンジメント冷却は熱を除去するのには非常に効果的であり、それに応じてベーン壁の比較的低温の内面とベーン壁の比較的高温の外面との間に大きな温度差を生じる。ベーン壁を横切るこの温度差による対応する熱歪みは、従来のタービンノズル中に用いられていた典型的なニッケル基超合金金属材料の延性により適応される。
【００１１】
セラミックタービンノズルは、セラミックが断熱材であるので、この問題を悪化させる。その場合、セラミックノズルベーンの壁は、高温のガスがベーンの外部にある状態でのベーンの内部におけるインピンジメント冷却により、壁を横切る更に大きな温度差を受けることになる。セラミックノズル壁を横切る温度差が増大すると、それに対応する熱歪みの増大を生じ、セラミックの脆弱性のためにノズルの耐用年数を著しく縮めることになる。
【特許文献１】
特開２０００−１３０７６０号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
従って、温度差によるノズル中の熱に起因する歪みを制限するように改良されたセラミックタービンノズルための冷却装置を提供することが望まれる。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
タービンノズル用のバッフルは、シェルを傾斜して貫通し、冷却剤をそれから接線方向に吐出する複数の開口を含む。バッフルは、ノズルベーン内部に配置され、接線方向に吐出された冷却剤は、ベーンの内面に沿ってほぼ平行に流れてベーンを対流冷却する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明を、好ましくかつ例示的な実施形態に従って、添付の図面に関連してなされる以下の詳細な説明により、その更なる目的及び利点と共に具体的に説明する。
【００１５】
図１に示すのは、航空機ターボファンガスタービンエンジン用の環状の高圧タービンノズル１０の一部である。ノズルは、高温の燃焼ガス１２をノズルに吐出する燃焼器（図示せず）の直ぐ下流に配置される。
【００１６】
好ましい実施形態において、ノズルは弓形の周方向セグメントで構成され、個々のノズルベーン１４は弓形の外側バンド１６と内側バンド１８の対応するセグメント中に支持される。複数のベーン及び対応するバンドは、リング状に配列されて、エンジン内に適切に取り付けられ、高温の燃焼ガスを対応する高圧タービンのロータブレードの列（図示せず）に向けて下流に流し、ロータブレードの列によりエネルギーを取り出す。
【００１７】
ベーン及びバンドは、燃焼ガスの温度能力を高め、また、その中でノズルが用いられるエンジンの性能を増大させるためにセラミックであるのが好ましい。上述のように、セラミック繊維がセラミックの母材中に埋め込まれるＳｉＣ−ＳｉＣ  ＣＭＣなどのモノリシック又は複合セラミックのような任意の適当なセラミック材料を用いることができる。
【００１８】
ノズルの周方向の連続性を断ち、作動中の熱により生じるノズルの膨張及び収縮差を減少させるように、個々のセラミックベーンは対応するバンドセグメント内に取り付けられるのが好ましい。バンドは、その端面に通常のスプラインシールを用いて互いに適切にシールされる。
【００１９】
図１に最初に示したように、各ベーン１４は、エンジンの圧縮機（図示せず）から抽気された冷却空気の形態の冷却剤２０をその中に流すために中空になっている。本発明によると、各ベーンはその中に適切に支持された１つ又はそれ以上の冷却剤分配バッフル２２を含み、このバッフル２２がまず冷却剤を受け入れ、その後ベーンの内面に沿って冷却剤を吐出する。バッフル２２は、従来の金属又はセラミックのどちらかで作ることができる。
【００２０】
図２及び図３に、より詳細に示すように、各ベーンは、ベーンの正圧及び負圧側壁の間で一体に延びるリブ又はブリッジ２８により分離された前方及び後方空洞２４、２６を含むのが好ましい。空洞の各々は、その中に配置されベーンの内面から間隔を置いて配置されたバッフルのそれぞれ１つを含むのが好ましい。２つの空洞は、ベーンの空気力学的な三日月形輪郭に対応するように構成され、また２つのバッフルは、バッフルとベーンの内面との間にほぼ均一な隙間を置いてベーンの中に嵌合されるような対応する形状になっている。後方空洞２６は、それに合わせて特別な形状にされた１つのバッフル２２を含み、また前方空洞２４は、前方空洞に合わせて特別な形状にされた、符号２２Ｂで示すバッフルの別の１つを含む。
【００２１】
図３及び図４は、バッフル２２、２２Ｂの好ましい実施形態をより詳細に示しており、バッフル２２、２２Ｂは、壁又はシェル３２を傾斜して貫通し、それから冷却剤２０をほぼ接線方向に吐出しベーンの内面に沿ってほぼ平行に流す複数の開口３０を含む。
【００２２】
開口３０の各々は、シェルの内部寄り又は内側に配置され冷却剤を受け入れるための入口３０ａと、シェルの外部寄り又は外側に配置されかつシェルに沿って横方向に面して冷却剤をシェルに沿って横方向に吐出する対向する出口３０ｂとを含む。冷却剤をノズルベーンの内面に対して垂直方向に吐出するようにインピンジメント孔がバッフル板を貫通している一般的なノズルベーンのインピンジメントバッフルとは対照的に、接線方向流バッフル２２は、ノズルベーンの内面とほぼ並行に流れるように冷却剤をバッフルの外面に沿って接線方向又は横方向に分配するように開口３０を構成される。
【００２３】
バッフル開口の好ましい構成は、冷却剤がベーン内面に対して直接衝突するのを最小限にするか又は避けることであり、代わりにその冷却剤をベーン内面とほぼ平行に導き内面の均一かつ拡散性の対流冷却を促進することである。このように、ベーンの内面は、それをインピンジメント冷却されることなく、ベーンの半径方向スパン全体にわたって選択的に冷却され、作動中にベーン側壁を横切る温度差を減少させることができる。
【００２４】
ベーンはセラミック材料で形成されるのが好ましいので、その材料は断熱材であり、それを横切る熱勾配を減少させそれに応じて熱により材料中に生じる歪みを減少させるためには、この断熱材は選択的に冷却される必要がある。
【００２５】
図２及び図３に示す前方空洞２４及び後方空洞２６は、ベーンの空気力学的輪郭により形成される包絡面の内部に、任意の適当な方法によりその大きさ及び形状で作られることができる。空洞は、その前縁及びその中間翼弦領域に沿ってベーンの全スパンにわたって延びる。
【００２６】
それに対応して、個々のバッフルシェル３２は、対応する空洞の内部に嵌合しかつバッフルとベーンの内面の間にほぼ均一な隙間を設けるようにほぼ管状である。バッフル開口３０は、ベーンの全スパンに沿って冷却剤を分配するようにバッフルシェル及びベーンのスパンに沿って延びる半径方向の列に配置されるのが好ましい。
【００２７】
図２に示すように、後方バッフル２２は、その中に冷却剤を受け入れるために上端で開き、また下端で閉じており、外側バンド１６を通して後方空洞の内部に支持されるように構成される。同様に、前方バッフル２２Ｂは、冷却剤を受け入れるために下端で開き、上端では閉じており、同様に前方空洞２４の内部に支持される。
【００２８】
このように、冷却剤は各バッフルに流入して、バッフルを通して横方向に分配され対応する開口３０を通して吐出する前に、バッフルの半径方向全スパンの内側を流れる。開口は、要望に応じてベーンを選択的に冷却するようにベーンの対応する空洞の内部に冷却剤を分配するために、バッフルのスパンにわたって、その大きさ、形状及び分布が定められる。
【００２９】
冷却剤２０は、バッフル開口を通して冷却剤を押し出すのに十分な圧力を有する状態で圧縮機から供給される。冷却剤は次にベーンの内面に沿って流れてベーンを対流冷却し、その後、例えば、ベーンの側壁を貫通して配置されたフィルム冷却孔３４の様々な列を通して、また後縁吐出孔３６を通してなどの任意の従来の方法でベーンから吐出される。
【００３０】
図３及び図４に示すように、バッフルシェルは、開口３０の対応する列のところで重なる複数の長手方向に真直ぐなスラット又はルーバ３８を有する金属薄板又はセラミックの形状となっている。ルーバは、ノズルベーンのスパンに対応するバッフルの大部分のスパン上に延び、横方向に間隔を置いて配置されて、共通の出口スロット４０を形成する。開口の各列は、冷却剤を開口の列からまとめて吐出するようにそれぞれルーバスロットと流体連通した状態で終わる。
【００３１】
図３及び図４に示す半径方向断面図において、ルーバは、ほぼＳ字形になっており、各空洞内のノズルベーンの内面から均一に間隔を置いて配置されたバッフルのほぼ同延の外面を形成する。ルーバの内部寄り部分は、バッフルのスパンに沿って長手方向に間隔を置いて配置された隔離体又は支柱４２の列によって隣接するルーバの外部寄り部分から間隔を置いて配置され、それらの間に個々の開口３０を形成する。支柱は、ルーバと一体の部分にするか又は、例えば、金属のろう付け或いはセラミックの溶融溶浸結合によりルーバに適切に取り付けられた別個のパッドにすることができる。
【００３２】
図４に示すルーバ３８のこのＳ字形構成において、開口は、ルーバの外板の背後においてバッフル内に隠され、外方に面するそれぞれのルーバスロット４０中に開放する。開口３０は、バッフルの外面にほぼ平行であり、入口３０ａ及び出口３０ｂが隣接するルーバの間で垂直方向に延びている。このように、冷却剤２０は、バッフルの内面にほぼ平行に開口から吐出されて、わずかに向きを変え、バッフルの外板に対してほぼ接線方向に共通のスロット４０を通して流出し、ベーン１４の内面にほぼ平行に流れて、従来のインピンジメントバッフルに見られるようなベーンの内面に対する直接的な衝突を減少又は無くす。
【００３３】
図２及び図３に示すように、開口及びルーバスロット４０の列は、バッフルの対向する側面に適切に分布され、それに応じてベーンの対向する正圧側面と負圧側面の内面を冷却する。バッフルは、その外板とベーン空洞の内面の間に冷却剤を分配するためにそれらの間にほぼ均一な隙間を維持する寸法に作られる。冷却剤は、加圧下でバッフルの中心を通って供給され、ベーンのスパン全体にわたって比較的低温の空気を供給するためにその半径方向スパン全体にわたって分配される。
【００３４】
冷却剤は、ルーバスロットを流出してバッフルとベーン側壁の間を流れ、制御可能な、均一な、拡散対流フィルムを生じ、ベーン側壁を冷却すると同時にベーン側壁を横切る温度差を制限する。上述の接線方向流バッフルは、ベーンの内面を冷却して、ベーンの内面にほぼ垂直方向に冷却剤を導く従来のインピンジメントバッフルを用いることにより得られるベーン側壁を横切る温度差低下よりかなり小さい温度差低下を生じさせるのに効果的である。ベーン側壁を通る温度勾配を減少させることにより、作動中の熱歪みを減少させ、セラミックの耐用年数を増大させる。
【００３５】
冷却剤は図３に示すバッフルからその外板に沿って横方向に吐出されるので、冷却剤は開口の向きに基づいて両方向に流されることが可能である。図示した好ましい実施形態において、ルーバ及び開口は、それぞれ図３の右側のベーンの前縁と図３の左側のベーンの後縁とに対応するその前方端と後方端の間でシェルの対向する側面に配置される。
【００３６】
また、バッフルシェルの両側面の開口出口３０ｂは、シェル後方端の方向に面するのが好ましい。このように、冷却剤は、ベーンの外側の燃焼ガスの流れに対応して前方から後方の方向にベーンの内側を流れ、次いでフィルム冷却孔３４と後縁孔３６とを通して吐出され、作動中のベーンを更に冷却する。
【００３７】
代わりに、開口は、冷却剤をベーンの内側で局部的に前方に向けるように前方に面することもできる。
【００３８】
図３に示すベーン翼形部は、前縁と後縁の間で先細になっているので、後方バッフル２２は、それに対応してブリッジ２８から後縁孔３６まで先細になっている。また、シェル後方端は、半径方向に間隔を置いて配置された支柱の間に形成される単一列の吐出孔４４を含み、吐出孔が冷却剤の一部を対応する後縁孔３６中に軸方向に吐出するようにバッフル後方端を垂直方向に貫通しているのが望ましい。
【００３９】
同様に、後方バッフルの前方端は、ブリッジ２８の横方向の広がりと対応して比較的幅広であり、バッフルを垂直方向に貫通する１つ又はそれ以上の列の吐出孔４６を含み、ブリッジ２８をベーンの対向する側壁に結合するフィレット領域をインピンジメント冷却する。ブリッジはベーンの内部形状であるので、ブリッジは、高温の燃焼ガスに直接曝されるベーンの側壁とは異なる冷却要件を有する。吐出孔４６は、所望の冷却要件に対応するように側面の開口３０とは異なるように適切に調整されることが可能である。しかしながら、必要に応じ、傾斜した開口３０を吐出孔４６の代わりに用いてもよい。
【００４０】
図３に示す前方バッフル２２Ｂは、ベーンの前縁の直ぐ後方の前方空洞２４の形状と一致するようなほぼ環状の形状を有している。後方バッフルと同様に、前方バッフルは、ベーンの対向する側面上のルーバにより形成される傾斜した開口３０の列を含み、この開口３０の列はベーンの共通の前縁領域から後方方向に冷却剤を吐出する。この実施形態においては、前方吐出孔４６はベーンの前縁のすぐ後方に設置されて、作動中にベーンの周りでそらされる外部の燃焼ガスからのより高温の熱流束によるベーンをインピンジメント冷却する。
【００４１】
従って、個々のバッフルは、ベーン内面の内部冷却をそれに応じて調整すると同時に作動中のベーン側壁を通る温度勾配を制限するように、特定のベーン空洞の固有の形状と位置に適するような構成にすることができる。各バッフルは、それを貫通する傾斜した開口のみを含むか、又は必要に応じ選択的に設置される従来のインピンジメント孔４６を随意的に含んでもよい。
【００４２】
図５は、例えば図３に示す後方空洞２６内に用いられるように構成された、符号２２Ｃで示すバッフルの別の実施形態を示す。この実施形態においては、くぼみ４８の形状のルーバが、全体として普通のチーズ削り器の形で傾斜した開口３０の各々と対応させて、シェル３２の外部表面に形成される。開口出口３０ｂは、くぼみの幅広端部においてシェルから垂直方向外方に延びて、図３に示す後方空洞内に用いられる場合にベーンの内面にほぼ平行なバッフルの外面から接線方向に冷却剤２０を吐出する。
【００４３】
くぼみの各々は、その下流端におけるその幅広端部から、開口入口３０ａのそれぞれ１つに隣接するするその上流端における対向する幅狭端部まで収束している。このように、個々のくぼみは、その下流方向に向かって発散しており、冷却剤がくぼみを通って流れ対応する出口３０ｂから吐出されるとき、冷却剤を発散させ吐出する。
【００４４】
図５に示す好ましい実施形態において、バッフルシェルは、積層された二重壁構成であり、外側シェル又は壁３２が内側シェル又は壁３２Ｂを覆っている。この２つのシェルは、例えば、金属の場合には締め加工、ろう付け、又はタック溶接、或いはセラミックの場合には溶融溶浸結合により機械的に互いに結合されることができる。
【００４５】
この構造においては、くぼみ４８は、外側壁に形成されてもよいし、また開口入口３０ａは内側壁に形成されてもよい。
【００４６】
入口３０ａは、開口を通る冷却剤を計量するために出口３０ｂより小さい寸法に作られるのが好ましい。このように、計量入口は、バッフルのスパンにわたる、かつその全周の周りの冷却剤の分配を制御するのに用いることができる。代わりに、出口３０ｂが計量に用いられてもよい。
【００４７】
図３に示す実施形態と同様に、図５に示すくぼみ４８及び開口３０は、バッフルの前方端と後方端との間でバッフルの対向する側面に同様に配置される。また、バッフルの両側面の開口出口３０ｂは、バッフルの後方端の方向に面するのが好ましい。このように、冷却剤２０は、ベーンの内側で横方向にかつベーンの内面にほぼ平行にバッフルから吐出されて、ベーン後縁に向かって後方方向に流れ図３に示す実施形態におけると同様にフィルム冷却孔と後縁孔を通して吐出される。
【００４８】
上述の接線方向流バッフルの２つのルーバになった形態とくぼみの付いた形態とは、ノズルベーンの内側に対流冷却を施すための意図した環境に適するように特別に作ることができる。従来のインピンジメントバッフルとは対照的に、接線方向流バッフルは、ベーン側壁を通る温度勾配を減少させる冷却作用は低く、延性が殆どなくまた熱歪みに対する適応性も殆どないセラミックベーンには特に有用である。しかしながら、接線方向流バッフルは、必要な場合には、他の用途にも用いることができる。
【００４９】
傾斜した開口のルーバ及びくぼみの形態は、その適する形態の実例である。傾斜した開口の様々な他の形態もまた、もしそれらが冷却剤のベーンの内面に対する直接的な垂直方向のインピンジメントを避けるものであれば、使用可能である。冷却剤をその外面から接線方向に吐出し、ベーン空洞の内側にほぼ平行に流す接線方向流バッフルは、ベーンを通る熱勾配を制限しながらベーン側壁を冷却するのに効果的な、制御可能な、均一な、また拡散する対流フィルム冷却をもたらす。
【００５０】
本明細書において本発明の好ましくかつ例示的な実施形態であると考えられるものを説明してきたが、本発明の他の変更も本明細書の教示から当業者には明らかであろう。従って、本発明の技術思想及び技術的範囲内に含まれる全てのかかる変更は添付の特許請求の範囲で保護されることが望まれる。特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の例示的な実施形態によるターボファンガスタービンエンジン用の環状の高圧タービンノズルの一部の斜視図。
【図２】  その中に１対のバッフルを有する図１に示すノズルベーンのうちの１つの軸方向断面図。
【図３】  図２に示すノズルベーンのほぼ線３−３に沿って切断した半径方向断面図。
【図４】  ノズルベーンの一部から間隔を置いて配置された、図３に示すバッフルの１つの一部の斜視図。
【図５】  本発明の別の実施形態による、図２に示すタービンノズルに用いるための別のバッフルの一部の部分断面斜視図。
【符号の説明】
２０  冷却剤
２２  後方バッフル
２２B  前方バッフル
２４  前方空洞
２６  後方空洞
２８  ブリッジ
３０  開口
３０ａ  開口入口
３０ｂ  開口出口
３２  シェル
３４  フィルム冷却孔
３６  後縁孔
４０  出口スロット
４２  支柱
４４、４６  インピンジメント孔
【図１】
0004052380.tif 000002
【図２】
0004052380.tif 000003
【図３】
0004052380.tif 000004
【図４】
0004052380.tif 000005
【図５】
0004052380.tif 000006