(57)【要約】【課題】  ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムを提供する。【解決手段】  本システムは、エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路を有する。これらの流路の経路は、両方とも、エンジンの燃焼器を迂回する。システムは、更に、二つの流路の端部で冷却空気を受け取り、冷却空気をエンジンの軸線に対して接線方向で渦にし、渦状冷却空気をタービンのロータに送出するためのプレスワーラーを有する。第１流路は熱交換器を経由し、熱交換器は、第１流路によって案内された冷却空気を第２流路によって案内された冷却空気に対して冷却する。【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タービンを冷却するための冷却システムであって、
前記エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、エンジンの燃焼器を迂回する、流路と、
前記二つの流路の端部で前記冷却空気を受け取り、前記冷却空気を前記エンジンの軸線に対して接線方向で渦にし、渦状冷却空気を前記タービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
前記第１流路は熱交換器を経由し、前記熱交換器は、前記第１流路によって案内された前記冷却空気を、前記第２流路によって案内された前記冷却空気に対して冷却し、
前記熱交換器と前記プレスワーラーとの間で、前記第１流路は、前記タービンのノズルガイドベーンを経由する、冷却システム。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却システムにおいて、
前記タービンノズルガイドベーンは、前記ロータの上流にある、冷却システム。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷却システムにおいて、
前記ノズルガイドベーンは、使用時に別の冷却空気の流れを受け入れる内部キャビティを夫々有し、
各ベーンは、更に、前記ベーンを経由する第１流路の経路を形成する一つ又はそれ以上の移送通路を有し、前記通路又は各通路は、夫々の内部キャビティを横切り、これによって、
前記通路又は各通路を通る前記第１流路に沿って流れる前記冷却空気が、前記内部キャビティによって受け取られた前記別の冷却空気の温度を低下させる、冷却システム。
【請求項４】
請求項３に記載の冷却システムにおいて、
前記移送通路又は各移送通路は、一つ又はそれ以上の放出穴を有し、該放出穴により、前記第１流路によって案内された前記冷却空気の一部が、前記別の冷却空気の流れに放出できる、冷却システム。
【請求項５】
請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記プレスワーラーは、両流路の前記冷却空気を受け入れる受け入れチャンバを含み、前記チャンバは、前記第２流路からの前記冷却空気が前記チャンバ内で渦をなし、その静圧を低下し、これによって、前記冷却空気を前記第１流路から前記チャンバ内に引き出すように構成されている、冷却システム。
【請求項６】
ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムであって、
前記エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、前記エンジンの前記燃焼器を迂回する、第１及び第２の流路と、
前記二つの流路の端部で前記冷却空気を受け取り、前記冷却空気を前記エンジンの軸線に対して接線方向で渦にし、渦状冷却空気を前記タービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
前記第１流路は熱交換器を経由し、前記熱交換器は、前記第１流路によって案内された前記冷却空気を、前記第２流路によって案内された前記冷却空気に対して冷却し、
前記プレスワーラーは、両流路の冷却空気を受け入れる受け入れチャンバを含み、前記チャンバは、前記第２流路からの前記冷却空気が前記チャンバ内で渦をなし、その静圧を低下し、これによって前記冷却空気を前記第１流路から前記チャンバ内に引き出すように構成されている、冷却システム。
【請求項７】
請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記プレスワーラーは、前記第１流路の前記冷却空気を受け入れる第１受け入れチャンバと、前記第２流路の前記冷却空気を受け入れる第２受け入れチャンバとを含み、これらのチャンバは、夫々、前記冷却空気を前記ロータに送出する出口ノズルを有する、冷却システム。
【請求項８】
ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムであって、
前記エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、前記エンジンの前記燃焼器を迂回する、第１及び第２の流路と、
前記二つの流路の端部で前記冷却空気を受け取り、前記冷却空気を前記エンジンの軸線に対して接線方向に渦にし、渦をなした冷却空気を前記タービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
前記第１流路は熱交換器を経由し、前記熱交換器は、前記第１流路によって案内された前記冷却空気を、前記第２流路によって案内された前記冷却空気に対して冷却し、
前記プレスワーラーは、前記第１流路の前記冷却空気を受け入れる第１受け入れチャンバと、前記第２流路の前記冷却空気を受け入れる第２受け入れチャンバとを含み、これらのチャンバは、夫々、前記冷却空気を前記ロータに送出する出口ノズルを有する、冷却システム。
【請求項９】
請求項５乃至８のうちのいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記受け入れチャンバ又は各受け入れチャンバは、前記エンジン軸線と同軸の環状通路である、冷却システム。
【請求項１０】
請求項１乃至９のうちのいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記エンジンはターボファンエンジンであり、前記第１流路によって案内された前記冷却空気は、前記エンジンの前記ファンから受け取ったバイパス空気によって、前記熱交換器で冷却される、冷却システム。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のうちのいずれか一項に記載の冷却システムにおいて、
前記熱交換器によって冷却された冷却空気の量は、前記第１及び第２の流路によって案内された冷却空気の総量に対し、制御可能である、冷却システム。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のうちのいずれか一項に記載の冷却システムを持つガスタービンエンジン。
【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のタービンを冷却するための冷却システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
エアロガスタービンエンジンの高圧タービン構成要素が、エンジンの最高温度部分に配置されている。約１６００℃では、ガス流の温度は、高圧タービンのノズルガイドベーン及びロータブレードの形成に代表的に使用されるニッケル基合金の融点よりも高い。
【０００３】
従って、通常は、高圧コンプレッサの出口から取り入れた冷却空気を使用してノズルガイドベーン及びロータブレードの内部を冷却する。燃焼器を迂回した冷却空気は、それにも関わらず、７００℃以上の温度である。ノズルガイドベーン及びロータブレードの内部を外部に連結する通路に冷却空気を通すことによって、これらの構成要素の夫々の外側を冷却できる。それによって、冷却空気がノズルガイドベーンやロータブレード等の構成要素の周囲に空気の薄膜を形成し、構成要素を高温のガス流から保護することができる。空気の薄膜を形成するため、構成要素内の冷却空気は、外部ガス流圧力に対して正の圧力を備えていなければならない。
【０００４】
ノズルガイドベーンは、静的な構成要素であるため、比較的簡単なダクト装置によって冷却空気を供給できる。冷却空気は、代表的には、ロータディスクの回転と適合する渦運動を冷却空気に加えるプレスワーラー(preswirler)を通過した後、ロータブレードに供給される。渦をなした冷却空気がロータディスクの半径方向外部分にぶつかってディスクを冷却し、ブレードの根部領域の入口穴を通ってロータブレードの内部キャビティに進入する。
【０００５】
タービンの構成要素を高温のガス流から保護する必要があるが、冷却空気をコンプレッサから取り出すとエンジンの効率に悪影響が及ぼされる。従って、冷却空気をできるだけ効果的に使用しなければならない。
【０００６】
米国特許第４，２５４，６１８号は、ターボファンエンジンのコンプレッサの排出部から冷却空気を放出し、冷却空気をファンダクトのディフューザー区分に配置された熱交換器に通すことを提案している。次いで、冷却済み冷却流は、コンプレッサの後フレームストラットを通ってイクスパンダーノズルに到り、次いでタービンに到達する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第４，２５４，６１８号
【発明の概要】
【０００８】
一般的には、本発明は、ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムにおいて、
エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、エンジンの燃焼器を迂回する、流路と、
二つの流路の端部で冷却空気を受け取り、冷却空気をエンジンの軸線に対して接線方向で渦にし、渦状冷却空気をタービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
第１流路は熱交換器を経由し、熱交換器は、第１流路によって案内された冷却空気を第２流路によって案内された冷却空気に対して冷却する、冷却システムを提供する。
【０００９】
このようにして、第１流路の冷却空気の温度を低下することによって、ロータを更に効果的に冷却でき、例えば使用される冷却空気が減少し、これによりエンジンの効率を向上できる。更に詳細には、ロータブレードの薄膜冷却量を減少でき、即ちロータブレードで使用される薄膜冷却穴の数を減らすことができる。確かに、温度の低下を非常に大きくすることによって、ロータブレードの薄膜冷却をなくすこともできる。
【００１０】
代表的には、第１流路は、燃焼器の半径方向外側を通る。代表的には、第２流路は、燃焼器の半径方向内側を通る。
【００１１】
冷却空気に対して二つの流路を使用することにより、システムの堅牢性を向上できる。詳細には、第１流路しか使用しない場合には、システムは、熱交換器の故障又は部分的な故障に対して無防備である。こうした故障は、ロータへの冷却空気の流れを減少する可能性があり、最悪の場合には冷却空気を完全になくしてしまう。これは、飛行中のロータブレード過加熱及び故障に繋がる。しかしながら、流路が二つあるため、熱交換器の故障又は部分的な故障が起こった場合でも、冷却空気が第２流路からタービンロータに達することができる。
【００１２】
代表的には、熱交換器は、並列に連結された複数の熱交換器モジュールを含む。かくして、一つのモジュールの故障により他のモジュールの作動の続行が妨げられることはない。
【００１３】
エンジンは、ターボファンエンジンであってもよい。便利には、第１流路によって案内された冷却空気を、エンジンのファンから受け取ったバイパス空気によって、熱交換器で冷却できる。例えば、高バイパスターボファンエンジンでは、熱交換器は、燃焼器と隣接してダクト内に配置されていてもよい。ダクトは、ファンから一定の割合（代表的には、比較的小さい割合）のバイパス空気を受け取る。他方、低バイパスエンジンでは、熱交換器は、エンジンのバイパスダクト内に直接的に配置されていてもよい。オープンロータエンジン即ちターボジェットエンジンについては、第１流路によって案内された冷却空気は、熱交換器内で、ナセル(nacelle)又は他の換気流によって、及び／又はコンプレッサブレード流によって冷却されてもよい。別の態様では、第１流路によって案内された冷却空気は、熱交換器内で、部分的に、又は専ら、エンジン燃料によって冷却されてもよい。
【００１４】
更に詳細には、本発明の第１の態様は、ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムにおいて、
エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、エンジンの燃焼器を迂回する、流路と、
二つの流路の端部で冷却空気を受け取り、冷却空気をエンジンの軸線に対して接線方向で渦にし、渦状冷却空気をタービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
第１流路は熱交換器を経由し、熱交換器は、第１流路によって案内された冷却空気を、第２流路によって案内された冷却空気に対して冷却し、
熱交換器とプレスワーラーとの間で、第１流路は、タービンのノズルガイドベーンを経由する、冷却システムを提供する。
【００１５】
第１流路がノズルガイドベーンを経由する態様では、冷却空気用に二つの流路を設けることによる利点は、第１流路によって案内される冷却空気についての流れ面積を、ベーンの外形に大幅な変更を加える必要なしに第１流路を収容するようにベーンを形成できるレベルまで減少できるということである。他方、全冷却流をベーンに通す場合には、冷却流を受け入れるため、例えば最適以下の広幅のコードのベーン設計を採用する必要がある。
【００１６】
ノズルガイドベーンは、好ましくは、ロータの上流にある。この場合、便利には、プレスワーラーは、ノズルガイドベーンの半径方向内側に且つロータの上流に配置されてもよい。
【００１７】
好ましくは、ノズルガイドベーンは、使用時に別の冷却空気の流れを受け入れる内部キャビティを夫々有し、
各ベーンは、更に、ベーンを経由する第１流路の経路を形成する一つ又はそれ以上の移送通路を有し、通路又は各通路は、通路又は各通路を通る第１流路に沿って流れる冷却空気が、内部キャビティによって受け取られた別の冷却空気の温度を低下するように、夫々の内部キャビティを横切る。
【００１８】
かくして、第１流路の冷却空気は、ロータに送出される冷却空気の温度を低下するばかりでなく、ベーンの別の冷却空気の温度を低下できる。通路又は各通路は、通路内の冷却空気とキャビティが受け取る別の冷却空気との間の熱伝達を高めるため、フィン又は他の特徴を備えていてもよい。
【００１９】
別の冷却空気の温度が低下することにより、当該流れの静圧が低下する。移送通路又は各移送通路は、一つ又はそれ以上の放出穴を備えていてもよく、これらの放出穴により、第１流路によって案内された冷却空気の一部を、別の冷却空気の流れに放出できる。このようにして、静圧損を補償するため、及びベーン冷却効果を向上するため、別の冷却空気を補足できる。それにも関わらず、冷却効果の向上により、ベーンへの冷却空気の質量流量が全体として減少し、これによりエンジンの効率が向上する。
【００２０】
確かに、第１流路によって案内された冷却空気がプレスワーラーに達する前に、第１流路によって案内された冷却空気の一部を他の冷却の目的で放出するのが望ましい場合がある。プレスワーラーは、両流路の冷却空気を受け入れる受け入れチャンバを含んでいてもよく、このチャンバは、第２流路からの冷却空気がチャンバ内で渦をなし、その静圧を低下し、これによって冷却空気を第１流路からチャンバ内に引き出すように構成されている。
【００２１】
一般的には、温度の低下のため、第１流路から到着した冷却空気の静圧は、第２流路から到着した冷却空気よりも低い。これは、例えば第１流路からの冷却空気を第２流路からの冷却空気と受け入れチャンバで同伴し又は混合するのが望ましい場合に困難を生じる。第２流路からの冷却空気を渦にしてその静圧を低下することにより、これらの困難を解決できる。
【００２２】
別の態様では、プレスワーラーは、第１流路の冷却空気を受け入れる第１受け入れチャンバ及び第２流路の冷却空気を受け入れる第２受け入れチャンバを備えていてもよく、これらのチャンバは、夫々、冷却空気をロータに送出する出口ノズルを備えている。
【００２３】
このような構成により、上文中に説明した同伴又は混合を行う上での困難をなくす。このような構成は、タービンロータの様々な部分の夫々の冷却要求が異なる場合に望ましい。次いで、一方の流路からの冷却空気を、他方の流路からの冷却空気と実質的に混合することなく、ロータの一つの部分に送出できる。
【００２４】
確かに、本発明の第２の態様は、ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムにおいて、
エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、エンジンの燃焼器を迂回する、流路と、
二つの流路の端部で冷却空気を受け取り、冷却空気をエンジンの軸線に対して接線方向で渦にし、渦状冷却空気をタービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
第１流路は熱交換器を経由し、熱交換器は、第１流路によって案内された冷却空気を、第２流路によって案内された冷却空気に対して冷却し、
プレスワーラーは、両流路の冷却空気を受け入れる受け入れチャンバを含み、このチャンバは、第２流路からの冷却空気がチャンバ内で渦をなし、その静圧を低下し、これによって冷却空気を第１流路からチャンバ内に引き出すように構成されている、
冷却システムを提供する。
【００２５】
更に、本発明の第３の態様は、ガスタービンエンジンのタービンを冷却するための冷却システムにおいて、
エンジンのコンプレッサから受け取った冷却空気を案内するための第１及び第２の流路であって、これらの流路の経路は、両方とも、エンジンの燃焼器を迂回する、流路と、
二つの流路の端部で冷却空気を受け取り、冷却空気をエンジンの軸線に対して接線方向に渦にし（スワールにし）、渦をなした冷却空気をタービンのロータに送出するためのプレスワーラーとを含み、
第１流路は、熱交換器を経由し、熱交換器は、第１流路によって案内された冷却空気を、第２流路によって案内された冷却空気に対して冷却し、
プレスワーラーは、第１流路の冷却空気を受け入れる第１受け入れチャンバと、第２流路の冷却空気を受け入れる第２受け入れチャンバとを含み、これらのチャンバは、夫々、冷却空気をロータに送出する出口ノズルを有する、冷却システムを提供する。
【００２６】
以下の随意の特徴は、適切であるように、本発明の第１、第２、及び第３の特徴のうちの任意の一つの特徴と関連する。
【００２７】
好ましくは、受け入れチャンバ又は各受け入れチャンバは、エンジン軸線と同軸の環状通路である。これにより、冷却空気をチャンバの周囲でエンジン軸線に対して接線方向（この方向は、好ましくは、ロータの回転方向と一致する）に渦にできる。好ましくは、受け入れチャンバ又は各受け入れチャンバは、冷却空気用の入口ノズルを有する。これらの入口ノズルは、受け入れチャンバ内で渦運動を発生するため、角度をなしている。これらの入口ノズルは、チャンバの周囲で周方向に間隔が隔てられている。好ましくは、受け入れチャンバ又は各受け入れチャンバは、冷却空気をタービンロータに送出する冷却空気用出口ノズルを有する。これらの出口ノズルは、チャンバの周囲で周方向に間隔が隔てられている。出口ノズルは、受け入れチャンバからタービンロータに送出された冷却空気の体積流量を決定する流れ計測調量ノズルであってもよい。この場合、受け入れチャンバが、冷却空気を両流路から受け取る場合、例えば第１流路に沿った流れが、故意にまたは意図せずに減少し又はブロックされた場合に、ロータへの冷却空気の全体積流量を維持できる。出口ノズルは、好ましくは、冷却空気をエンジン軸線に対して接線方向（この方向は、好ましくは、ロータの回転方向と一致する）で渦にするような角度をなしている。出口ノズルに角度を付けることにより、環状受け入れチャンバの周囲の流れの接線方向成分を、ロータに送出される冷却空気に効率的に伝達できる。
【００２８】
好ましくは、熱交換器によって冷却される冷却空気の量を、第１及び第２の流路によって案内される冷却空気の総量に対して制御できる。プレスワーラーが、両流路の冷却空気を受け入れて混合する受け入れチャンバを備えている場合、プレスワーラーによって送出される冷却空気の温度を制御下で変化できる。一般的には、エンジンが離陸作動条件にある場合にタービン冷却要求が最大であるのに対し、巡航作動条件では、冷却要求が低下する。しかしながら、ロータに送出される冷却空気の温度を、任意の特定の作動条件で必要とされよりも低下することは有利でない。これは、エンジンの効率を低下してしまうためである。かくして、プレスワーラーによって送出される冷却空気の温度を巡航時に上昇できるように、例えば、第１流路を制御下で熱交換器を迂回してもよく、第１流路を制御下で遮断してもよい。
【００２９】
本発明の別の特徴は、上文中に説明した特徴を備えた冷却システムを持つガスタービンエンジンを提供することである。
【００３０】
次に、本発明の実施例を、添付図面を参照して例として説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、エンジンのタービンを冷却するための冷却システムを持つターボファンエンジンの縦方向で破断した概略断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１の冷却システムのプレスワーラーの、エンジンの縦方向の平面での概略断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図３】図３は、別の実施例のプレスワーラーの概略断面図である。
【図４】図４は、更に別の実施例のプレスワーラーの概略断面図である。
【図５】図５（ａ）は、他の実施例のプレスワーラーの概略断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。
【図６】図６は、図５のプレスワーラーの変形例の概略断面図である。
【図７】図７は、プレスワーラーの別の実施例の一部を切除した部分斜視図である。
【図８】図８は、図７のプレスワーラーの変形例の一部を切除した部分斜視図である。
【図９】図９は、プレスワーラーの更に別の実施例の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は、ターボファンエンジンの概略縦断面図を示す。エンジンはエンジン軸線１を有し、流れ方向で、ファン２、コンプレッサー区分３、燃焼器４、及びタービン区分５を有する。タービン区分５は、ロータディスク８に取り付けられた一組のロータブレード７と一組のノズルガイドベーン６を持つ高圧タービンを含む。
【００３３】
エンジンは、高圧タービンを冷却するための冷却システムを有する。冷却空気は、コンプレッサー区分３の出口から取り出され、図１に矢印で示す二つの流路Ａ及びＢに沿って通過する。
【００３４】
第１流路Ａを考えると、冷却空気は、エンジンコアから、適当な導管に沿って、エンジンの周囲に間隔が隔てられた、有効性が高い複数の熱交換器モジュール９を通過する。熱交換器モジュールは、ファン１が発生したバイパス空気の一部を主バイパスダクト１０ａから逸らすダクト１０ｂに配置されている。
【００３５】
熱交換器モジュール９は、冷却空気の温度を低下する。冷却空気は、次いで、移送通路に沿ってノズルガイドベーン６を通り、環状受け入れチャンバを持つプレスワーラー(preswirler)１１に入る。環状受け入れチャンバは、ノズルガイドベーン６の半径方向内方でロータディスク８の直ぐ上流に配置されている。代表的には、各熱交換器モジュール９は、冷却空気を、例えば少なくとも１０枚又は１２枚のノズルガイドベーン６のセクタを通して分配する。
【００３６】
これとは対照的に、流路Ｂの冷却空気は、燃焼器４の半径方向内方を通り、プレスワーラー１１に比較的直接的に入る。かくして、流路Ａからプレスワーラー１１に入る冷却空気は、流路Ｂからプレスワーラー１１に入る冷却空気よりも低温である。
【００３７】
二つの空気流はプレスワーラー１１で混合され、ロータディスク８の回転方向で適度な渦運動を行う。冷却空気が、プレスワーラー１１の受け入れチャンバから、周方向に間隔が隔てられた流れ調量出力ノズル１２を通過し、ロータディスク８の半径方向外部分と衝突するとき、冷却空気に更に渦が加えられる。冷却空気は、ロータディスクを冷却し、ロータブレード７の根部の入口穴を通ってロータブレード７の内部キャビティに進入し、ブレード７を冷却する。出力ノズル１２の流路面積（流れ面積）が、プレスワーラー１１の受け入れチャンバからディスクへ出る冷却空気の体積流量を決定する。
【００３８】
随意であるが、冷却システムは、熱交換器モジュール９と直列に設けられた再圧縮機 (recompressor：レコンプレッサ)（図１には示さず）を有する。これは、流路Ａの空気が、プレスワーラー１１への入口のところで正しい圧力をとるようにするためである。しかしながら、好ましくは、このような再圧縮機は必要とされない。
【００３９】
混合後の冷却空気流は、コンプレッサー入口から直接取り入れられる、熱交換器を通過していない冷却空気流よりも、低温である。かくして、冷却空気流れはタービンを冷却する上で更に効果的であり、コア空気流から逸らす必要がある冷却空気の量が少なく、従って、エンジンの効率が向上する。
【００４０】
ロータブレード冷却設計（特に薄膜冷却設計）は、代表的には、クーラントの狭い流量範囲に亘って作動する。しかしながら、冷却システムは、熱交換器モジュールのうちの一つ又は幾つかが故障した場合、流路Ｂに沿って更に多くの流れを引き出すだけで、ロータブレードへの所要の冷却空気流を維持できる。かくして、システムは、熱交換器の故障に耐える上で十分に堅牢である。
【００４１】
更に、冷却システムは、巡航時の冷却調節(cooling modulation)（即ち冷却のオン又はオフ）を容易にする。このような調節は、特に大型の民用ターボファンについて、燃費について特定の利点を提供できる。例えば、流路Ａが熱交換器モジュールを迂回してもよく、又は熱交換器モジュールを遮断してもよく、又は流路Ａを完全に閉鎖し、タービン冷却流を流路Ｂからの空気だけで形成してもよい。
【００４２】
冷却システムの追加の利点は、流路Ａの流量がプレスワーラー１１に流入する総流量の一部に過ぎず、十分に低い値に設定でき、熱交換器モジュールを混合チャンバと連結する移送通路をベーンの内部に設けるために、ベーン６の外形を再設計する必要がないということである。確かに、熱交換器モジュール９を出る冷却済み空気は密度が高く、これにより所与の流れ面積についての流量及びマッハ数が高い。
【００４３】
次いで、ノズルガイドベーン６に焦点を絞ると、熱交換器モジュール９を出る流路Ａの冷却済み空気は、各ベーンの半径方向外端から半径方向内端まで延びる一つ又はそれ以上の移送通路に沿ってプレスワーラー１１に送られる。各ベーンには、ベーン冷却空気の流れを受け入れるため、一つ又はそれ以上の内部キャビティが形成されており、移送通路は、これらのキャビティを横切る。冷却済み空気は、キャビティを通って流れるベーン冷却空気と不可避的に熱交換する。確かに、移送通路の内部と外部との間の熱伝達率を高めるためのフィン又は他の特徴を追加することによって熱交換効果を高めることができる。
【００４４】
かくして、冷却済み空気を使用して、ベーン冷却空気の温度を有利に下げることができる。詳細には、高いコアガス温度から保護するのが最も困難なベーンの部分であるベーンの後縁は、後縁冷却流の温度の低下により大きな利点を受ける。後縁冷却流は、内部キャビティをベーン外部と連結する複数の通路に通されるベーン冷却空気の一部であり、これによって、後縁上に外空気薄膜(external air film)が形成される。しかしながら、温度の低下により、流れの静圧が低下するため、随意であるが、移送通路又は各移送通路を通って流れる冷却済み空気の一部を、例えば移送通路に設けられた一つ又はそれ以上の放出穴によって、ベーン冷却空気中に放出することによってこれを補足してもよい。放出された空気により、ベーン冷却空気の温度が更に低下する。更に、圧力に十分な余裕がある場合には、放出された空気の少なくとも幾分かがベーンの内部分に当たり、ベーンの一つ又はそれ以上のホットスポットをなくすのを補助するように、放出穴を配置してもよい。
【００４５】
ベーン後縁の冷却を改善することにより、更に薄い後縁形体を採用でき、これによりベーンの空力学的性能を改善できる。
【００４６】
移送通路は、必ずしも、ノズルガイドベーンと一体の単一の部品として鋳造されていなくてもよい。例えば、通路を別体のチューブ（管）として形成してもよい。これは、製造が容易であり、ベーンに対する通路の熱膨張差(differential thermal expansion)を良好に吸収できる。チューブ（管）は、高温剛性が比較的低く、加負荷後及び熱サイクル後に元の形状に戻る形状記憶合金や超塑性成形性合金(super-plastically formable alloys)から形成されていてもよい。別の態様では、チューブは、熱膨張率（熱膨張係数）が比較的高い材料で形成されていてもよい。この材料は、チューブが周囲ベーンの材料よりも低温であるため、ベーンと熱膨張が適合する。
【００４７】
流路Ａからの冷却済み空気が、プレスワーラー１１で流路Ｂからの未冷却空気と混合される。図２（ａ）は、縦方向で破断したエンジンのプレスワーラー１１の概略断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。プレスワーラー１１は、角度をなした入口渦ノズル１３を通して未冷却流を受け入れる受け入れチャンバ１６を有する。これにより、僅かに高圧の未冷却流の適度な渦（矢印Ｃで示す）をチャンバ内に形成し且つその静圧を低下する。この際、角度をなした噴出ノズル１４が、全圧力が比較的低い冷却済み冷却流を引き出す。この冷却済み冷却流は、入口ガイドベーン６を横切る移送通路１５から供給される。受け入れチャンバ１６内の渦の量は、未冷却冷却流の静圧を十分に低下するため、極めて高くてもよい。かくして、好ましくは、チャンバの内壁は、不要な抗力をなくすため、渦方向（周方向）で滑らかである。入口渦ノズルの角度及び噴出ノズルの角度を適切に設計することにより、冷却流及び未冷却流の混合を促し、適度に冷却された流れを発生する。これは、次いで、角度をなした流れ調量出力ノズル１２を（矢印Ｄで示すように）通って出て、渦の量を増大し、代表的には、冷却流をロータディスク８のバケット溝（ブレードの根部を受け入れて保持する、ディスクの周囲に形成されたスロットの未充填底部分）上に差し向ける。別の態様では、冷却空気は、ブレード保持バケット溝に達する前に、ディスクの他の部分又はディスクカバープレートに差し向けられていてもよい。
【００４８】
受け入れチャンバ１６から放出される体積流量は、流れ調量出力ノズル１２の流れ面積により調節される。かくして、流路Ａからの冷却空気の不足は、流路Ｂからの未冷却空気の増大によって補償され、熱交換器モジュールの上流が故障した場合にタービンのディスクリムに高温のガスが吸い込まれる危険を小さくする。
【００４９】
図２（ａ）及び図２（ｂ）の実施例では、噴出ノズル１４は、入口渦ノズル１３と同軸であり、これらのノズルは両方とも、受け入れチャンバ１６の上流壁を通ってチャンバ内に入る。しかしながら、この他の構成が可能である。例えば、図３は、噴出ノズル１４が、受け入れチャンバ１６の半径方向外壁を通って受け入れチャンバ１６に入る実施例のプレスワーラー１１の概略断面図である。これは、冷却済み冷却流Ａの風損の減少を補助する。図４は、別の実施例のプレスワーラー１１の概略断面図である。この実施例においては、噴出ノズル１４が、受け入れチャンバ１６の上流壁を通って受け入れチャンバ１６に入るが、噴出ノズル１４は、入口渦ノズル１３の半径方向外方を通ってチャンバ１６に入っている。図５（ａ）は、別の実施例のプレスワーラー１１の概略断面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＩ−Ｉ線に沿った断面図である。この実施例では、噴出ノズル１４は、入口渦ノズル１３に対して周方向に間隔が隔てられた位置で、受け入れチャンバ１６の上流壁を通って受け入れチャンバ１６に入る。図６は、図５のプレスワーラーの変形例の概略断面図である。この変形例では、冷却済み冷却流Ａは、受け入れチャンバ１６の上流壁でなく、受け入れチャンバ１６の半径方向外壁を通して導入される。
【００５０】
図７は、プレスワーラー１１の別の実施例の一部を切除した部分斜視図である。この実施例では、図５（ａ）及び図５（ｂ）の実施例と同様に、噴出ノズル１４は、入口渦ノズル１３に対して周方向に間隔が隔てられた位置で、環状受け入れチャンバ１６の上流壁を通って、受け入れチャンバ１６に入る。これらのノズル１３は、コンプレッサによって送出されチャンバに入る未冷却冷却流Ｂの接線方向速度を大幅に上昇し、その静圧を低下し、冷却済み冷却流Ａの同伴を可能にする。しかしながら、ノズル１３は、チャンバ１６の上流壁にノズル１４の半径方向外側に位置決めされている。この構成では、空気流がチャンバ内で幾分混合される。しかしながら、流れＢからの比較的高温の空気が、流れＡからの比較的低温の空気の半径方向外側にとどまる温度分布が、流れ内に生じる。これにより、これと対応するの温度分布が、角度をなした流れ調量出力ノズル１２から出る流れの中に生じる。このような分布は、比較的低温の冷却空気を高圧タービンディスクブレード及びブレードに供給できると同時に、比較的高温の空気をタービンディスクシールに供給できるため、有利である。図８は、図７のプレスワーラーの変形例の一部を切除した部分斜視図である。この変形例では、冷却済み冷却流Ａは、受け入れチャンバ１６の上流壁でなく、受け入れチャンバ１６の半径方向外壁を通して導入される。
【００５１】
図９は、プレスワーラー１１の別の実施例の概略断面図である。この実施例では、半径方向に間隔が隔てられた二つの環状受け入れチャンバ１６ａ、１６ｂが設けられており、壁１７がこれらのチャンバ間の流体連通を阻止する。未冷却冷却流Ｂは、角度をなした入口渦ノズル１３を通って半径方向外チャンバ１６ａに導入される。冷却済み冷却流Ａは、角度をなした入口渦ノズル１８（上述の実施例におけるように噴出ノズル１４でなく）を通って半径方向内チャンバ１６ｂに導入される。各チャンバで接線方向渦流が発生する。これらのチャンバからの夫々の角度をなした流れ調量出力ノズル１２ａ、１２ｂは、夫々、冷却流Ｄ’及びＤ’’を発生する。流れＤ’’は、流れＤ’よりも低温であり、高圧タービンディスク及びブレードに供給する上で良好に位置決めされている。これに対し流れＤ’は、タービンディスクシールに供給できる。
【００５２】
壁１７には、受け入れチャンバ１６ａ、１６ｂに連結する穴（図示せず）が設けられていてもよい。しかし、これらの穴は、通常の作動状態では、一方のチャンバから他方のチャンバに空気を通さないように形成されている。しかしながら、故障した場合、又はチャンバ１６ｂ内への冷却済み冷却流Ａが減少した場合には、これらの穴により、空気を未冷却冷却流Ｂからチャンバ１６ｂに入れることができる。そのとき、流路Ｂに沿ってより多くの流れを引き出すことによって、ローターブレードへの冷却用空気の流れを十分な量に維持することができる。
【００５３】
本発明を上述の例示の実施例と関連して説明したが、当業者には、本開示を検討することにより、多くの均等の変形及び変更が明らかになるであろう。例えば、冷却システムを航空機用ガスタービンエンジンに関して説明したが、航空機以外の用途のガスタービンにも適用できる。従って、上文中に説明した本発明の例示の実施例は、単なる例示であって限定ではないと考えられるべきである。上述の実施例に対し、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００５４】
６  入口ガイドベーン
８  ロータディスク
１１  プレスワーラー
１２  流れ調量出力ノズル
１３  入口渦ノズル
１４  噴出ノズル
１５  移送通路
１６  受け入れチャンバ
【図１】
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【図２（ａ）】
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【図２（ｂ）】
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【図３】
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【図４】
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【図５（ａ）】
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【図５（ｂ）】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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