(57)【要約】  ガスタービンエンジンの耐久性を改善するためにホットストリークを整列させる方法は、  燃料ノズル（２６）を有する燃焼器（１６）において燃料及び空気を点火し、これにより燃焼ガスのホットストリーク（２３）を生成するステップと、ステータノズルベーン（４６）の前縁（５０）にホットストリークの照準を定めるステップと、前記前縁に隣接した前記ステータノズルベーン上に配置される１又はそれ以上の冷却孔を設けるステップと、前記前縁に隣接した前記ベーン及び前記１又はそれ以上の冷却孔に冷却空気を通過させるステップと、前記燃焼ガスと前記冷却空気を混合して、下流側の構成要素において前記燃焼ガスの温度を制限するステップと、を含むことができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジンの耐久性を改善するためにホットストリークを整列させる方法であって、
燃料ノズル（２６）を有する燃焼器（１６）において燃料及び空気を点火し、これにより燃焼ガスのホットストリーク（２３）を生成するステップと、
ステータノズルベーン（４６）の前縁（５０）にホットストリークの照準を定めるステップと、
前記前縁に隣接した前記ステータノズルベーン上に配置される１又はそれ以上の冷却孔を設けるステップと、
前記前縁に隣接した前記ベーン及び前記１又はそれ以上の冷却孔に冷却空気を通過させるステップと、
前記燃焼ガスと前記冷却空気を混合して、下流側の構成要素において前記燃焼ガスの温度を制限するステップと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記燃料ノズルに対する前記ベーンの比が少なくとも２：１であり、２：１の比において、前記ベーンは、整列したベーン（４６ａ）と非整列ベーン（４６ｂ）とから構成されるペアでステータノズル（４０）内に配置され、前記ホットストリークが、前記整列したベーンに直接照準設定され、前記非整列ベーンには直接照準設定されず、前記ベーンに前記冷却空気を通過させるステップが更に、前記整列したベーン及び前記非整列ベーンに前記冷却空気を通過させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記整列したステータノズルベーン上には、前記非整列ベーンよりも多くの冷却空気流を提供するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記整列したノズルベーン上には、前記非整列ベーンよりも多くの冷却孔を設けるステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記ホットストリークの中心点を前記前縁に配向するステップを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記ホットストリークの中心点が前記前縁の中心にある、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記ホットストリークの中心点が、前記前縁の中心から離間している、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記冷却空気を通過させるステップが更に、前記整列したステータノズルベーン及び前記非整列ステータノズルベーンの両方を通過し並びにそれらの上を移動する空気の薄膜を提供するステップを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記ステータノズルの選択的冷却の利用を実施するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
前記選択的冷却によって他のエンジン構成要素における冷却を増大させるステップを更に含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記選択的冷却によって前記非整列ベーンにおける冷却空気の使用を低減するステップを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記燃料ノズルを前記整列したベーンと半径方向に整列させるステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１３】
前記燃料ノズルを前記整列したベーンと円周方向に整列させるステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
前記整列したベーンに提供される前記冷却空気に対して前記非整列ベーンにおける前記冷却空気を低減するステップを更に含む、請求項２に記載の方法。
【請求項１５】
タービンエンジン（１０）であって、
環状に配列され且つ互いに離間して配置されたＮ個の燃料ノズル（２６）を有する燃焼器（１６）と、
前記燃焼器から下流側にあるステータノズル（４０）と、
を備え、前記ステータノズルが更に、前記Ｎ個の燃料ノズルと軸方向に整列された且つ下流側にあるＮ個のステータベーン（４６）を含み、
前記タービンエンジン（１０）が更に、前記ステータノズルの整列したステータベーン（４６ａ）の下流側に複数の第１段回転ブレード（３４）を備える、タービンエンジン（１０）。
【請求項１６】
前記燃焼器内で高温ガスが燃料ノズル（２６）から前記燃焼器の出口を通って流れて、これにより前記ステータノズルに衝突し、前記Ｎ個の整列したステータベーンの前縁がホットストリークを受け取る、請求項１５に記載のタービンエンジン。
【請求項１７】
Ｍ個の非整列ステータベーン（４６ｂ）が前記Ｎ個の整列したステータベーンに隣接し且つ各々の間に配置される、請求項１６に記載のタービンエンジン。
【請求項１８】
前記ホットストリークが前記Ｎ個の整列したステータベーンに衝突し、前記ホットストリークが、前記整列したベーンを通過する冷却空気と混合されて、これにより特定のステータノズルベーンを整列させる、請求項１５に記載のタービンエンジン。
【請求項１９】
前記特定のノズルベーンを整列させることにより、前記非整列ノズルベーンにおいて必要とされる冷却空気の量が減少することになる、請求項１８に記載のタービンエンジン。
【請求項２０】
Ｎ個の燃焼器（１６）内に配置されたＮ個の燃料ノズル（２６）とＮ個の整列した第１のタービンベーン（４６ａ）とを有するガスタービンエンジン（１０）においてベーンの耐久性を改善する方法であって、
前記Ｎ個の燃料ノズルと対向して円周方向及び軸方向に前記第１段ベーンの翼形部を整列させるステップと、
前記Ｎ個の整列した第１段ベーン（４６ａ）の前縁（５０）において前記燃焼器から流出する高温ガスのホットストリーク（２３）を冷却空気により緩和し、これによりＭ個の非整列の第１段ベーン（４６ｂ）に対する冷却空気を低減するステップと、
前記ガスタービンエンジンの交互する構成要素に対する冷却空気を増大させるステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、高温ガスを高圧タービン内に排出する燃焼器内に燃料ノズルを有するガスタービンエンジンに関する。より詳細には、本発明の実施形態は、１つおきの第１段ノズルベーンと円周方向に整列され且つ非整列ベーンにおいて冷却空気の使用量を少なくすることができる燃焼ガスホットストリークに関連するものを含む。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンにおいて、空気は、圧縮機において加圧されて燃料ノズルを有する燃焼器において燃料と混合され、これにより高温燃焼ガスを発生し、該燃焼ガスは、タービン段を通って下流側に流れる。これらのタービン段は、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。流れ方向で、高温ガスは、第１段ステータノズルと、ディスク及び複数のタービンブレードを含むロータ組立体とを備えた高圧タービンに流入する。更に詳細には、高圧タービンは、最初に、第１段ステータノズルにおいて燃焼器から高温燃焼ガスを受け取り、該第１段ステータノズルは、第１ロータディスクから半径方向外向きに延びる高圧タービンロータブレードの列を通って下流側に燃焼ガスを配向する。２段タービンにおいて、第２段ステータノズルは、第１段ブレードの下流側に位置付けられ、その後に、第２ロータディスクから半径方向外向きに延びる第２段タービンブレードの列が続く。ステータノズルは、隣接する下流側タービンブレードにおいて抽出を最大限にするように高温燃焼ガスを転回させる。
【０００３】
第１及び第２のロータディスクは、対応するロータシャフトによって圧縮機に接合され、作動中に圧縮機に動力を供給するようにする。タービンエンジンは、複数段のステータ及びロータを含むことができ、ここで、一般にベーンと呼ばれる固定翼形部が、一般にブレードと呼ばれる回転翼形部の間でエンジンの軸方向に間隔を置いて配置される。２段高圧タービンの後に多段低圧タービンが続き、該低圧タービンは通常、飛行中に航空機に動力を供給するための典型的なターボファン航空機構成において、圧縮機から上流側に配置されるファンに第２のシャフトにより接合される。
【０００４】
燃焼ガスがタービン段を通って下流側に流れると、そこからエネルギーが抽出されて、燃焼ガスの圧力が低下する。燃焼ガスは、発電及び船舶用途でタービン出力シャフトに動力を供給するため、又は航空機用途において推力を提供するのに使用される。
【０００５】
より具体的には、燃焼器は、燃料を送給して燃焼室において安定した火炎を得るような圧縮空気の混合手法を可能にするあらゆる数の燃焼器燃料ノズルを含む。燃焼ガスが流出する燃焼器出口において、温度プロファイルは、高温ゾーンと低温ゾーンとが存在することを示すことになる。高温ゾーンは、一般にホットストリークと呼ばれる。ホットストリークは通常、第１段高圧タービンノズルに対して燃焼器の周りに不規則に配列される。しかしながら、ホットストリークの照準設定は、燃料ノズルとステータベーンの整数比に対して行うことができる。このような配列において、ホットストリークは、ノズル構造を形成する材料に対する損傷を制限するようベーン間のノズルセグメントの開放領域に照準を定めることができる。このような損傷には、酸化、熱機械疲労、及び耐久性の相応の低下を挙げることができる。この耐久性の低下は、交換頻度の増大につながり、タービンエンジン運用者にとって高コストとなる。
【０００６】
一部のエンジンは、例えば、単一部品として形成された環状リングであるステータノズル組立体を含む。他のエンジンは、環状アレイで配列される複数のステータノズルセグメントによりアニュラスとして形成されたタービンステータノズル組立体を含む。ノズルセグメントは各々、内側バンド、外側バンド、及びこれらの間に延びるベーンを含む。ベーンは、中空であり、圧縮機から加圧空気の一部を受け、これは作動中にベーンを冷却するのに使用される。
【０００７】
従来技術に関して問題が２つある。第１に、ホットストリークがベーン間を遮られずに通過できる点であり、ホットストリークは、タービン冷却用に提供される空気と限定的にしか混合せずに、第１段ステータノズルの下流側にある構成要素に到達することになる。このことは、下流側の構成要素の損傷につながる可能性がある。第２に、現行の設計は、冷却空気に関する問題に対処しておらず、具体的には、冷却空気の使用量を低減すること、すなわち、タービンエンジンにおける冷却空気の使用に起因した制御損失を低減する継続的な要求に対処していないことである。
【０００８】
上記の段落で分かるように、第１段ノズルの下流側の構成要素に対する損傷を制限しながら、ホットストリークの混合を改善した設計に対する要求がある。加えて、第１段ステータノズル及びタービンブレードを含むタービン構成要素並びに多段組立体を含む実施形態の耐久性を向上させる必要性がある。
【０００９】
これまで、このような冷却空気の一部を利用して、ガスタービンエンジンのエミッション削減又は他の有利な機能を改善することができるように、ホットストリークが直接衝突しないベーンでの冷却ガスの使用量を低減する要求は満たされていない。本発明の実施形態は、これら全ての要求及びそれ以上に対処する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／２６６０８０Ａ１号明細書
【発明の概要】
【００１１】
本発明の実施形態の一部の態様によれば、タービンエンジン燃焼器から流出するホットストリークと交互する第１段タービンステータノズルとを整列させる方法が教示される。
【００１２】
本発明の実施形態の一部の態様によれば、ガスタービンエンジンが複数の燃焼器燃料ノズルを利用し、これに隣接して高圧タービンが複数の第１段ステータノズルを含む構造が教示される。燃焼器の燃料ノズル及び燃焼器出口は、交互する第１段ステータノズルベーンの前縁と整列され、その結果、１つおきの第１段ステータベーンにおける冷却空気とホットストリークの混合の増大が達成されるようになる。整列した第１段ステータノズルにおけるホットストリークガスと冷却空気との混合が増大すると、ホットストリークは、従来設計及び本発明の実施形態の構築前と比べて、多段タービンの下流側ブレード及びノズルベーンに対する悪影響が低減される。加えて、本発明の実施形態の構造により、第１段ステータノズルベーンに対する冷却空気の低減が可能となり、冷却空気の低減により、タービンエンジンにおける効率の向上、耐久性の改善、及び／又はエミッションの改善を可能とすることができる。
【００１３】
更に、代替の実施形態では、ステータノズルベーンの前縁に対するホットストリークを緩和して、冷却空気とホットストリークを混合することによって、第１段ステータノズルの冷却が向上した構造が提供される。
【００１４】
上記で概説した特徴の全ては、単に例証として理解すべきであり、本発明のより多くの特徴及び対象物が、本明細書の開示から得ることができる。従って、この発明の概要の非限定的な解釈は、本明細書、請求項、これらと共に含まれる図面全体をより詳細に読むことなく理解されるはずである。
【００１５】
本発明の上述した及び他の特徴及び利点、並びにこれらを実現する方法は、添付図面と共に以下の実施形態の説明を参照することによって明らかになり、ノズル特徴要素がより良好に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】ガスタービンエンジンの概略側断面図。
【図２】第１段タービンノズルを通過する高温の排出ガスの概略側面図。
【図３】例示的な第１段ステータノズルの斜視図。
【図４】第１段ノズルに向かって見た燃焼器ノズルにおけるガスタービンエンジンの軸方向断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、その１つ又はそれ以上の実施例が図面に例示されている提示された実施形態について詳細に説明する。各実施例は、説明の目的で提供され、本開示の実施形態を限定するものではない。実際に、本開示の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本実施形態において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、このような修正形態及び変形形態を添付の請求項及びその均等物の範囲内にあるものとして保護することが意図される。
【００１８】
本発明の実施形態は、例えば、航空、発電、産業、又は船舶用の燃焼器が燃料を燃焼させるガスタービンエンジンに適用される。具体的には、燃焼器の燃料ノズルは、燃料を吐出し、該燃料が燃焼器の前部で燃焼して、高温の燃焼ガスが燃焼から出て高圧タービンに流入する。本発明の構造及び方法は、ホットストリークを第１段ノズルベーンの前縁と整列させて、第１段ノズルにおいて冷却空気とのホットストリークの混合を改善し、隣接する非整列の第１段ノズルベーンにおける冷却空気の使用量を低減するようにする。結果として、第１段ノズル及び下流側のタービン構成要素における酸化及び熱機械疲労の問題が軽減される。本明細書で使用される場合、ホットストリーク又は複数のホットストリークは、ホットストリークの中心ゾーンが最も高温である高温のガスを指す。
【００１９】
図１〜４を参照すると、ガスタービンの耐久性のためのホットストリーク整列の実施形態の特定の特徴要素が図示され記載されている。本発明の実施形態は、ホットストリークを１つおきの第１段ステータノズルベーンの前縁と整列させる。加えて、ホットストリークを第１段ステータノズルの前縁と整列させて、非整列ノズルベーンでの冷却空気の使用量を低減し、その結果、冷却空気をガスタービンエンジンの他の場所で用いることを可能にする方法が教示される。
【００２０】
最初に、図１を参照すると、空気入口端部１２、圧縮機１４、燃焼器１６、及び多段タービン１８を有するガスタービンエンジン１０の概略側断面図が示される。ガスタービン１０は、航空機、発電、産業、船舶又は同様のものに用いることができる。ガスタービン１０は、エンジン軸線２４の周りに軸対称であり、種々の構成要素がその周りを回転するようになる。用途によっては、エンジン入口端部１２は、代替として、ファンではなく多段圧縮機を含むことができる。作動時には、空気がエンジン１０の空気入口１２を通って流入し、少なくとも１つの圧縮段を移動して、ここで空気圧が増大して燃焼器１６に送られる。圧縮された空気が燃料と混合され燃焼して、高温の燃焼ガスをもたらし、該燃焼ガスが、燃焼器から多段タービン１８に向けて流出する。多段タービン１８において、高温燃焼ガスからエネルギーが取り出されてタービン１８のブレードの回転を生じさせ、その結果、シャフトの回転が生じ、該シャフトは、エンジンの前方に向けて通過しており、タービン設計に応じて、１又はそれ以上の圧縮機段１４、ターボファン１８又は入口ファンブレードの回転を継続させる。
【００２１】
本開示は、燃焼器１６と多段タービン１８との間の相互接続を含む。高温燃焼ガスは、タービン１８を通って燃焼器１６の外に延びる矢印２２（図２を参照）で示される。高温燃焼ガスは、円周方向の流れにわたって均等な温度プロファイルを有することが望ましい。しかしながら、高温燃焼ガス２２は通常、ホットストリーク２３（図４を参照）を有し、多くの場合は燃焼ガス２２の領域の中心にある。このホットストリーク２３は、高温燃焼ガス２２の他の領域よりも高温である。ホットストリーク２３は、金属疲労及び同様のものなどのモードにより少なくとも高圧タービン構成要素に損傷を与える可能性がある。
【００２２】
図２を再度参照すると、燃焼器１６及びタービン第１段２０の概略側面図が示される。側面図において、環状アレイの燃焼器又は燃焼ゾーン１６のうちの１つが、中心軸線２４から離間して示されている。燃焼器１６は、燃料ノズル２６からの燃料入力部を含み、供給燃料を圧縮空気と混合したとき及び更に点火したときにここから火炎が放出される。
【００２３】
軸方向で燃焼器１６と対向して、ステータノズル４０及びロータ組立体３２を含む第１段タービン２０がある。ロータ組立体３２は、ロータ又はディスク３６に接続され且つそこから半径方向に延びる複数のブレード３４を含み、ロータ又はディスク３６は、中心軸シャフト２４の周りを回転する。例示的な実施形態は、ガスタービンエンジン１０の中心線２４の周りに環状アレイで燃焼器１６に対向して配置されたノズルセグメント４０から構成されるステータノズル４０を提供する。各タービンステータノズルセグメント４０は、外側バンド４２、内側バンド４４、及び外側バンド４２と内側バンド４４との間に延びる少なくとも１つのベーン４６を有する。例示の実施形態において、ステータノズルは、２つのベーン４６を含む１又はそれ以上のノズルセグメント４０から構成されている。内側及び外側バンド４４，４２は、湾曲して中心線２４の周りに弓形セグメントを形成し、複数のノズルセグメント４０が、環状リングを定め、これによりエンジン１０内で中心線２４の周りにステータノズルを形成するようになる。ベーン４６は、略半径方向に延びて湾曲し、第１段タービンブレード３４においてエネルギー抽出が最大となるよう高温燃焼ガス２２を配向する。
【００２４】
例示的な実施形態によれば、図３を参照し、高温燃焼ガス２２は、燃焼器１６から移動して、ノズルベーン４６の前縁５０に照準を定め、又は該前縁５０と整列される。ノズルベーン４６の各々は、冷却空気のフィルム層を生成して、ベーン並びに内側及び外側バンドに冷却を提供する複数の冷却孔を含む。冷却孔の使用により、高温ガス２２によるノズル４０に加わる高温及び他の応力作用に起因した固定ステータノズルの故障が抑制される。
【００２５】
ホットストリーク２３が少なくとも１つのベーン４６の前縁５０に照準が定められている場合、燃焼ガス２２は、ベーン４６と特異的に係合し、ステータノズル４０を通って、ノズルベーン４６におけるアパーチャを外向きに通過する冷却空気と混合されることになる。ノズルベーン４６の表面上で燃焼ガス２２と混合すると、高温燃焼ガス２２の下流側作用が低減され、下流側のステータノズル４０及び下流側のタービンブレード３４に対する材料損傷が制限される。
【００２６】
図３に示した例示的な実施形態の斜視図は、弓形内側バンド４４、弓形外側バンド４２、及びこれらの間に延びるベーン４６のペアを含む、ステータノズルセグメント４０を示している。前縁５０は、本明細書で記載される選択的整列によりホットストリーク２３を受けるステータノズル４０の部分を示すための基準として描かれている。各ノズルベーン４６は、中空であり、正圧側面５４、前縁５０、高湾曲セクション５６、及び正圧側面５４の反対側にある負圧側面５８を含む。正圧側面５４は、後縁６０まで延び、ここで正圧側面５４と負圧側面５８とが合一する。ステータノズルセグメント４０は、ベーン４６を含み、該ベーンは、並びに内側及び外側バンド４４，４２上に冷却空気のフィルム（薄膜）を生成する１又はそれ以上の冷却孔を有する。冷却空気は、ノズル４０の材料温度がシステムに恒久的損傷を生じることになるレベルまで上昇するのを抑制する。ノズルベーン４６の領域における冷却空気は、冷却空気孔の数を増減することにより、及び／又は冷却孔の流れ面積又は流量に関する大きさを変えることにより調整することができる。
【００２７】
図４を参照すると、ホットストリーク２３をノズルベーン４６の前縁５０と整列させることにより、第１段冷却空気は、ホットストリーク２３が隣接するベーン４６間を通過できるのではなく、ホットストリーク２３とより効率的に混合することになる。その結果、下流側構成要素に対するホットストリーク２３の衝突が低減されることになる。図４は、以下で記載される実施形態において区別されるものとしてベーン４６ａ及び４６ｂを示している点に留意されたい。ベーンが一般的に記載される際には、ベーン４６ａ及び４６ｂ全体としてベーン４６を構成する。
【００２８】
ノズルセグメント４０に関するより詳細について、各ノズルベーン４６は、高温燃焼ガス２２の流入路を定める前縁５０と、高温燃焼ガス２２の流出路を定める後縁６０とを有する。圧縮空気をノズル４０を通って外面に沿って配置された１又はそれ以上の冷却孔から外に流れるように圧送することにより、ベーン４６の外面に沿って冷却空気の層が生成される。この流れは、高温燃焼ガス２２の温度に対してノズルベーン４６の外面を冷却し、これによりノズル４０上の高温に起因した疲労損傷を抑制する。冷却空気はまた、燃焼器１６から生成されたホットストリーク２３を緩和する。
【００２９】
幾つかの実施形態は、第１段タービンノズルベーン４６の前縁５０がホットストリーク２３を分散させて、ノズル４０からの冷却空気の流れとの混合を生じさせるように、ホットストリーク２３が、前縁５０に照準を定め又は前縁５０と整列されるような実施形態を含む。代替の実施形態は、高温燃焼ガス２２が隣接するノズルベーン４６間を遮られずに通過するのを抑制され、これによりホットストリーク２３がガスタービン１０の下流側構成要素と直接係合するのが阻止されるような実施形態を含む。
【００３０】
図４を再度参照すると、ステータノズル４０の詳細部の斜視図が示される。図４の図面は、燃焼器１６から出る高温ガス２２の流れに対して示されている。限定ではなく例証の目的で、ステータノズルセグメント４０のペアが例示されており、ここではステータノズル４０を通って（図２を再度参照して）タービン１８のロータ組立体３２に向かって後方を見ている。例示的な実施形態は、２つのベーン４６ａ，４６ｂを提供し、各ベーンは、単一のステータノズルセグメント４０上に配置されている。以下の詳細な説明で分かるように、代替の実施形態は、ベーン４６ａ，４６ｂの他の配列及び物理量を提供する。燃焼器１６の燃料ノズル２６は、燃焼器１６（図２を参照）の流出口と連動して、第１のベーン４６ａに直接照準を定めることができ、或いは、第２のベーン４６ｂ又はこれらのベーンの間の任意の点に照準を定めることができ、このような照準設定は、何らかの特定の実施形態を生成する際に必要に応じてユーザにより選択される。図４に示された例示の第１のベーン４６ａは、ホットストリーク２３を受け入れ、整列ベーン４６ａと呼ばれる。ホットストリーク２３を受け入れない隣接するベーン４６ｂは、非整列ベーン４６ｂと呼ばれる。整列ベーン４６ａ及び非整列ベーン４６ｂの配列の結果として、非整列ベーン４６ｂは、ホットストリーク２３の直接流れ経路外に選択的に配置されるので、必要な冷却空気が少ない。このようにして提供される実施形態は、選択的冷却の実施形態と呼ばれる。これらの非整列ノズルベーン４６ｂにて必要とされる冷却空気の量を低減することにより、このような選択的冷却の実施形態の実施例は、本発明の実施形態を含まない従来設計に比べて、ガスタービンエンジン１０の他部品により多くの量の冷却空気を提供する。
【００３１】
より詳細には、ホットストリーク２３は、対向する第１段ステータノズル４０の選択された翼形部ベーン４６の前縁に照準設定される。整列は、整列ベーン４６ａの前縁５０上のホットストリーク２３（図４で点描で示される）の位置により示される。最高温度領域の最外端が整列ベーン４６ａと完全には重ならないこともあり得るが、実施形態は、ホットストリーク２３の中心点が整列した第１段ステータノズルベーン４６ａに配向されているような実施形態を含む。この整列ベーン４６ａにおいて、冷却空気は、ベーン４６ａを覆う冷却空気のフィルムを形成する。この冷却空気のフィルムは、ホットストリーク２３と混合されて、ホットストリーク２３の温度を低下させ、燃焼排出ガス２２の流れにわたってより均等な温度分布を生成する。
【００３２】
向きに関する更なる詳細事項として、ホットストリーク２３は、整列ベーン４６ａの中心にて半径方向に整列される。しかしながら、ホットストリーク２３の中心は、前縁５０の中心にある必要はなく、幅広い実施形態において、前縁５０に沿っているように選択された他の何れかの位置に存在することができる。加えて、代替形態では、ホットストリーク２３は、内側バンド及び外側バンド４４，４２が延びる方向として例示された円周方向に整列される。この円周方向の整列は、ノズルセグメント４０の数に対する燃焼器１６の燃料ノズル２６の数に基づいている。タービンエンジン１０は、必要とされる数の燃料ノズル２６を有することができる。例示的な実施形態では、総数が１２個の燃料ノズル２６が燃焼器１６内に配置され、エンジン１０の軸線２４に対して円周方向に離間して配置される。代替形態として、燃料ノズル２６がエンジン１０の周りに均一な間隔で配列されるものが挙げられる。１２個の燃料ノズル２６を含む上記の実施例において、合計３６０度をエンジンの周りに燃料ノズルの数（この実施例では１２個）で除算すると、燃料ノズル２６の均一な間隔において、１つの燃料ノズルがエンジンの周りに３０度毎になることが分かる。更に、本明細書の実施形態の説明に関連した、一般にはエンジン１０内での数学的計算について、燃料ノズル２６に対するベーン４６ａ，４６ｂの比を導出するために、燃料ノズル２６の総数をステータノズル４０のベーン４６の数で除算する実施形態が提供される。更なる詳細及びこの比の実施例については以下を参照されたい。燃料ノズル２６の軸方向の反対側には、ベーン４６の前縁５０がある。実施形態として、各燃焼器１６出口から流出する流れにより生じるホットストリーク２３が、対向する翼形部又はベーン４６に直接衝突する実施形態が挙げられる。
【００３３】
各燃焼器ノズル２６は、ノズルベーン４６と整列し、これにより整列したノズルベーン４６にわたる高温燃焼ガス２２の流れを提供する。実施形態の構成は、１又はそれ以上の非整列ベーン４６ｂが整列ベーン４６ａの間に配置されるものを含む。このような構成において、一部の高温燃焼ガス２２が非整列ノズル４６ｂの上を移動するが、このような燃焼ガス２２は、整列ベーン４６ａの上を移動するガス２２よりも低温である。従って、非整列ノズル４６ｂにて必要とされる冷却空気は少なくなる。このため、実施形態として、利用可能な冷却空気の総量及び本発明の実施形態を利用していない従来技術の設計に対して、ベーン４６ｂを冷却するために比例的に少ない量の空気が提供され、ベーン４６ａにおける冷却要求に適合するよう比例的により多くの量の空気を提供することが可能となる実施形態が挙げられる。
【００３４】
例示的な実施形態において、燃焼器１６の燃料ノズル２６を第１段タービンステータノズル４０の前縁５０と整列させて、ホットストリーク２３を前縁５０に直接照準設定することにより、疲労及び酸化が制限される構造が提供される。これらの前縁５０に角度が付けられたベーン４６ａ，４６ｂの表面は、複数のアパーチャを有し、該アパーチャは、冷却空気を提供して第１段ノズル４０においてホットストリーク２３と混合させ、下流側でのホットストリーク２３の起こり得る悪影響を更に制限する。結果として、実施形態では、下流側のタービン構成要素は、本発明の実施形態を利用していない従来設計に優る耐久性を有している。代替の実施形態では、整列ベーン４６ａの前縁５０に沿ったホットストリーク２３の連続した混合及び冷却が提供される。
【００３５】
ホットストリーク２３の事前整列は、数値流体力学（ＣＦＤ）を介して実施される。本発明によれば、限定ではないが、エンジン試験、リグ試験及び同様のものなどの実験的決定を含む、様々な技術を利用することができる。これらの何れかは、整列ベーン４６ａとのホットストリーク２３の円周方向整列を決定する際に役立つことができる。燃料及び空気の混合に起因して、ホットストリーク２３は、燃料ノズル又は燃焼器１６のノズル２６との直接整列している場合もあれば、又は整列していない場合もある。しかしながら、計算モデル及び解析を行うと、燃焼ガス２２のプロファイルのホットストリーク２３の最も高温の部分は、第１段ノズルの前縁５０と整列される。
【００３６】
一部の実施形態によれば、ホットストリーク２３は、ステータノズルベーン４６の前縁５０によって緩和される。限定ではなく実施例として、タービンエンジン１０は、環状に配列され且つ互いに離間して配置されたＮ個の燃料ノズル２６を有する燃焼器１６を含む。タービン１０は、Ｎ個の燃料ノズル２６から下流側で軸方向に整列されたＮ個の第１段固定ベーン４６を有するＮ個のステータノズル４０を含む。タービン１０は更に、第１段固定ベーン４６ａの下流側に複数の第１段回転ブレード３４を含む。Ｎ個の整列した第１段固定ベーン４６ａの前縁５０は、ガス２２の流れが第１段固定ベーン４６ａにあるステータノズル４０に到達したときに燃料ノズル２６及び燃焼器１６からホットストリーク２３を受け取る。加えて、Ｍ個の隣接する非整列ベーン４６ｂが、Ｎ個の整列した第１段固定ベーン４６ａの各々の間に配置される。ホットストリーク２３は、Ｎ個の整列した第１段固定ベーン４６ａに衝突し、Ｎ個の第１段固定ベーン４６ａを通過する冷却空気と混合する。特定のノズルベーン４６ａを整列させることによって、非整列ノズルベーン４６ｂにおいて減少した量の冷却空気を利用することができる。実施形態として、燃料ノズル２６に対する整列したベーン４６ａ及び非整列ベーン４６ｂの比でベーン４６が設けられる実施形態が挙げられる。これらの実施形態において、Ｎは、整列ベーン４６ａの総数を指し、Ｍは、非整列ベーン４６ｂの総数を指している。実施形態として、総数Ｎ個の整列ベーン４６ａが燃料ノズル２６の総数（同じＮ）に等しい実施形態が挙げられる。同時に、比は、燃料ノズル２６に対して（Ｎ＋Ｍ）：Ｎの形態で表される。限定ではなく実施例として、燃料ノズル２６に対するベーン４６ａ，４６ｂの比は、（Ｎ＋Ｍ）：Ｎが１：１、２：１、３：１又はそれ以上の整数比で表され、ここで更なる実施例において、各非整列ベーン４６ｂに対して１つの整列したベーン４６ａを有するエンジン１０は、整数比２：１を有することになる。
【００３７】
実施形態として、Ｎ個の燃料ノズル２６とＮ個の整列した第１段ベーン４６ａとを有するガスタービンエンジン１０においてベーン４６ａ，４６ｂの耐久性を改善する方法は、Ｎ個の燃料ノズル２６と対向して円周方向及び軸方向に第１段ベーン４６ａの翼形部を整列させるステップと、Ｎ個の第１段ベーン４６ａの前縁５０において冷却空気によりホットストリーク２３を緩和するステップと、Ｍ個の非整列第１段ベーン４６ｂに対する冷却空気を低減するステップと、ガスタービンエンジン１０の交互する構成要素に対する冷却空気を増大させるステップと、を含む、実施形態が挙げられる。上述のように、実施形態として、燃料ノズル２６に対する整列ベーン４６ａ及び非整列ベーン４６ｂの比でベーン４６ａ，４６ｂが設けられる実施形態が挙げられる。これらの実施形態において、Ｎは、整列ベーン４６ａの総数を指し、Ｍは、非整列ベーン４６ｂの総数を指している。実施形態として、総数Ｎ個の整列ベーン４６ａが燃料ノズル２６の総数（同じＮ）に等しい実施形態が挙げられる。同時に、比は、燃料ノズル２６に対して（Ｎ＋Ｍ）：Ｎの形態で表される。限定ではなく実施例として、燃料ノズル２６に対するベーン４６ａ，４６ｂの比は、（Ｎ＋Ｍ）：Ｎが１：１、２：１、３：１又はそれ以上の整数比で表される。
【００３８】
本発明の複数の実施形態を本明細書で説明し例示してきたが、当業者であれば、本明細書で記載される機能を実施し及び／又は本明細書で記載される結果及び／又は利点のうちの１又はそれ以上を得るために他の様々な手段及び／又は構造が想定され、このような変形及び／又は修正形態の各々は、本明細書で記載される実施形態の本発明の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、本明細書で記載される全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成は例証を意味しており、実際のパラメータ、寸法、材料、及び構成は、本発明の教示が利用される１又は複数の特定の用途によって決まることになることは当業者には容易に理解されるであろう。当業者であれば、単に通常の実験を利用して本明細書に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を認識又は確認することができるであろう。従って、上記の実施形態は単に例証として提示されており、本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で、具体的に記載され特許請求されたものとは別の方法で実施できることを理解すべきである。本開示の発明の実施形態は、本明細書に記載される個々の特徴、システム、製品、材料、キット及び／又は方法に向けられている。これに加えて、このような特徴、システム、製品、材料、キット及び／又は方法が互いに矛盾していない場合、２つ以上のこのような特徴、システム、製品、材料、キット及び／又は方法の何れかの組み合わせは、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【００３９】
実施例を用いて、最良の形態を含む実施形態を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む、本発明の装置及び／又は方法を実施することを可能にする。これらの実施例は、網羅的なものではなく、或いは、開示された厳密なステップ及び／又は形態に本開示を限定することを意図するものではなく、上述の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が実施可能である。本明細書で記載される特徴要素は、どのようにも組み合わせることができる。本明細書で記載される方法のステップは、物理的に実施可能なあらゆる順序で実施することができる。
【００４０】
本明細書で定義され使用される全ての定義は、辞書の定義、引用により組み込まれる文献における定義、及び／又は定義される用語の通常の意味に対して規定していると理解すべきである。本明細書及び特許請求の範囲において使用される不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、明示的にそうでないことを示していない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されたい。本明細書及び特許請求の範囲において使用される表現「及び／又は」は、そのように結合された要素の「何れか又は両方」、すなわちある場合では結合的に存在し、他の場合では選言的に存在する要素を意味するものと理解すべきである。
【００４１】
また、そうでないと明確に示されていない限り、１つよりも多いステップ又は行為を含む請求項に記載される何れの方法においても、本方法のステップ又は行為の順番は、方法のステップ又は行為が記載される順番に必ずしも限定されない点を理解されたい。
【００４２】
請求項並びに上述の明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「包含する」、「伴う」、「保持する」、「〜から構成される」などの全ての移行句は、オープンエンドであり、すなわちこれらを含むが限定されないことを意味するものと理解すべきである。「〜からなる」、「〜から基本的になる」という移行句のみが、それぞれクローズド又はセミクローズドの移行句とすべきである。
【符号の説明】
【００４３】
１０  ガスタービンエンジン
１２  空気入口端部
１４  圧縮機
１６  燃焼器
１８  多段タービン
２４  エンジン軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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