| 【発明の名称】 |
センタボデー内の熱応力を最小化する方法と装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】ロバート・ポール・ザコル
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| 【要約】 |
【課題】センタボデー内の熱応力を最小化する方法と装置。
【解決手段】ガスタービンエンジン用センタボデーは、センタボデーと複数のスティフナとの間の熱応力を最小化する熱制御装置を備える。センタボデースティフナはセンタボデーシェルから半径方向内側に延在する。空洞が各センタボデースティフナ内に画定される。熱制御装置は、センタボデーの周囲に円周方向に配置された複数の開口部を備えている。各開口部はセンタボデーシェルを貫通して各空洞に通じる。開口部は、センタボデー空洞部内で円周方向の流れが生じるのを可能にする複数の対をなす入口開口部と出口開口部とを含んでいる。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 外板（１２４）、複数のスティフナ（８０）、及び熱制御装置（１４０）を備え、前記複数のスティフナが前記外板に取付けられ各スティフナ及び前記外板が空洞（１３８）を画定するように半径方向内側に延在しており、前記熱制御装置が複数の開口部（１４２）を備えているガスタービンエンジン排気センタボデー（１２０）を、該センタボデー内の熱応力を減少させるように製作する方法であって、開口部が前記排気センタボデー外板から前記スティフナと前記外板とで画定された各空洞まで通じ、前記開口部がガスタービンエンジン流路と流体連通するように、前記排気センタボデーの周囲に円周方向に複数の開口部を形成する段階を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】 前記複数の開口部（１４２）が、対をなす入口開口部（１４４）及び出口開口部（１４６）を含み、複数の開口部を形成する前記段階が、前記エンジン（１０）の運転時円周方向の空気流れが生成されるように、各入口開口部を円周方向に隣接する出口開口部の間に位置させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】 前記ガスタービンエンジン（１０）が前記センタボデー（１２０）の上流に複数のフレームストラット（１５０）を備え、複数の開口部（１４２）を形成する前記段階が、各入口開口部（１４４）をストラットの下流に位置させる段階と、各出口開口部（１４６）を円周方向に隣接する２つのストラットの間に位置させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】 前記排気センタボデー（１２０）が複数の入口スクープ（２９２）及び対応する複数の出口スクープ（２９４）をさらに含み、複数の開口部（１４２）を形成する前記段階が、各熱制御装置入口開口部（１４４）を各入口スクープに隣接して位置させる段階と、各熱制御装置出口開口部（１４６）を各出口スクープに隣接して位置させる段階と、をさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項５】 ガスタービンエンジン（１０）用排気センタボデー（１２０）であって、外板（１２４）と、前記外板に取付けられ、前記外板から半径方向内側に延在し、その各々と前記外板とで空洞（１３８）を画定する複数のスティフナ（８０）と、前記外板から前記空洞の各々まで通じる複数の開口部（１４２）と、を含むことを特徴とする排気センタボデー（１２０）。
【請求項６】 前記スティフナ（８０）が前記排気センタボデーの周囲に円周方向に配置され、前記複数の開口部（１４２）が前記センタボデーの周囲に円周方向に配置されることを特徴とする請求項５に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項７】 前記複数の開口部（１４２）が対をなす入口開口部（１４４）及び出口開口部（１４６）を含み、該出口開口部の各々が円周方向に隣接する入口開口部の間に配置されることを特徴とする請求項６に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項８】 前記ガスタービンエンジン（１０）が前記センタボデーの上流に複数のストラット（１５０）を含み、前記入口開口部（１４４）が前記ストラットのそれぞれの下流に配置されることを特徴とする請求項7に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項９】 前記出口開口部（１４６）の各々が円周方向に隣接する２つのストラット（１５０）の間に配置されることを特徴とする請求項８に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項１０】 前記排気センタボデーに取付けられた複数のスクープ（２９０）をさらに含むことを特徴とする請求項７に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項１１】 前記複数のスクープ（２９０）が対をなす入口スクープ（２９２）及び出口スクープ（２９４）を含むことを特徴とする請求項１０記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項１２】 前記複数のスクープ（２９０）が前記排気センタボデーから半径方向外側に延びていることを特徴とする請求項１１に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項１３】 前記複数のスクープ（２９０）が前記排気センタボデーから半径方向内側に延びていることを特徴とする請求項１０に記載の排気センタボデー（１２０）。
【請求項１４】 複数のステイフナ（８０）及び外板（１２４）を含み、前記複数のスティフナが、前記スティフナの各々と前記外板とが空洞（１３８）を画定するように、前記外板に取り付けられ前記外板から半径方向内側に延在している排気センタボデー（１２０）と、前記排気センタボデー内に配置され、前記排気センタボデー内の熱応力を最小化するように構成され、前記センタボデー外板から前記空洞の各々まで通じる複数の開口部（１４２）を含む熱制御装置（１４０）と、を含むことを特徴とするガスタービンエンジン（１０）。
【請求項１５】 前記スティフナ（８０）が前記排気センタボデー（１２０）を円周方向に取巻き、前記複数の熱制御装置開口部（１４２）が前記排気センタボデー（１２０）の周囲に円周方向に配置されて対をなす出口開口部（１４４）及び入口開口部（１４６）を含み、前記出口開口部の各々が前記円周方向に隣接する入口開口部の間に配置されることを特徴とする請求項１４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
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【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、より具体的には排気センタボデーを備えるガスタービンエンジンに関する。
【０００２】
【従来の技術】ガスタービンエンジンは、しばしばエンジンの全体性能を増大させるために排気オーグメンタを備え、オーグメンタに入る空気とガスの流れの速度を低下させるためにセンタボデーが用いられる。センタボデーは一般的にガスタービンエンジンの中心縦軸線と同軸に位置し、タービンコアから少なくとも部分的にオーグメンタ内に延在している。エンジン重量への配慮から、そのようなセンタボデーは薄い金属板から作られている。そのような薄いセンタボデーシェルは比較的低い固有振動数を有し、エンジン作動中に発生する損傷を与える可能性のある共振あるいは振動にさらされる可能性がある。
【０００３】そのような損傷を与える可能性のある振動がセンタボデーに悪影響を及ぼすことを防ぐものとして、センタボデーを構造的に支持するスティフナが用いられる。スティフナは、センタボデーシェルの内側表面に取付けられ半径方向内側に延在している。スティフナとセンタボデーシェルの間に空洞が画定される。運転中、センタボデーの過熱を防止するために、冷却空気がセンタボデー内でスティフナの周囲を導かれる。ガスタービンエンジンがアイドリング運転状態から増大出力状態に加速されるとき、センタボデーの外側表面は高温ガスの流れに曝される。熱移動及び冷却空気の結果として、センタボデーの外側表面はスティフナよりも遥かに高い温度に曝される。エンジンの減速時には、センタボデーの表面とスティフナの間にはその反対の結果が起きる。温度差の結果として、スティフナとセンタボデーシェルの間に熱応力が発生する。そのような熱応力は、しばしばセンタボデーの故障をもたらす。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
【課題を解決するための手段】例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン用センタボデーは、センタボデーとセンタボデースティフナの間の熱応力を最小化する熱制御装置を備えている。センタボデーは、センタボデーシェルに取付けられ半径方向内側に延在する複数のスティフナを備えている。各スティフナ及びセンタボデーシェルは空洞を画定する。熱制御装置はセンタボデーシェルを貫通して各空洞に通じる複数の開口部を備えている。開口部は、センタボデーの周囲に円周方向に配置され、複数の対の対応する入口開口部と出口開口部を含む。各入口開口部は各出口開口部から円周方向に離れて配置されている。
【０００６】この例示的な実施形態においては、各入口開口部はエンジンの各フレームストラットの下流に位置している。各出口開口部は円周方向に隣接する２つのフレームストラットの間に位置している。
【０００７】運転中、入口開口部はフレームストラットの下流に位置しているので、入口開口部は空気流れの伴流に曝される。対照的に、出口開口部は空気流れの流路中に直接位置する。その結果、入口開口部と出口開口部との間に圧力差が生じる。そのような圧力差が、空洞内に円周方向の流れを発生させる。その結果、スティフナとセンタボデーとの間に存在する温度差はより小さいものとなる。さらに、エンジンの運転出力レベルが変化するとき、スティフナの温度はより急激に上昇及び下降する。さらに、センタボデー内の円周方向の温度の変化が最小化される。その結果、センタボデーに生じる熱応力はより小さいものとなる。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１は、低圧圧縮機１２、高圧圧縮機１４、及び燃焼器１６を備えるガスタービンエンジン１０の概略図である。エンジン１０はまた、高圧タービン１８、低圧タービン２０、出力タービン２２、及び排気オーグメンタ２４を備えている。圧縮機１２とタービン２０は第1の軸２５で結合され、圧縮機１４とタービン１８は第２の軸２６で結合されている。エンジン１０は、エンジン１０の入口側３４から後方に向ってエンジン１０の排気側３６へ延びる対称軸線３２を持っている。
【０００９】排気オーグメンタ２４は、エンジン重量抑制のため薄い金属板から作られたシェル４４を含むセンタボデー４２を備えている。センタボデー４２は環状でありエンジンの対称軸線３２と同軸に配置され、エンジン１０のタービン２２から後方にノズル４６内へと延在している。ある実施形態では、排気センタボデー４２は約０．０２インチの厚さの金属板から作られている。
【００１０】運転中、空気はエンジン１０の入口側３４から低圧圧縮機１２を通って流れ、圧縮された空気が低圧圧縮機１２から高圧圧縮機１４に供給される。次ぎに高度に圧縮された空気が燃焼器１６に供給され、燃焼器１６からの空気流れがタービン１８、２０、及び２２を駆動する。空気流れは、タービン２２から及びバイパスダクト４８から排気オーグメンタ２４に入る。排気オーグメンタ２４は少なくとも1つの点火器(図１に示さず）で空気流れに再点火し、空気流れはセンタボデー４２の周囲からノズル４６を通ってガスタービンエンジン１０から排出される。
【００１１】図２は、センタボデーシェル４４を含むセンタボデー４２の部分概略側面図である。図３は、シェル４４を含むセンタボデー４２の概略横断面図である。センタボデー４２は中空であり、シェル４４は外側表面７４と内側表面７６とを備えている。複数のスティフナ８０が、シェルの内側表面７６に取付けられ、エンジンの対称軸線３２に向かって半径方向内側に延びている。ある実施形態では、スティフナ８０は、断面ハット形のスティフナで、曲面になった頂点８２を備える全体として円錐形をしている。スティフナ８０は環状で、センタボデーシェル４４に支持を与えるようにセンタボデー内に円周方向に取付けられている。
【００１２】空洞８４がスティフナ８０とセンタボデーシェル４４との間に形成されている。空洞８４は環状でセンタボデー４２内で円周方向に延びている。センタボデーシェル４４はまた、センタボデー４２内の熱応力の量を減少させるための熱制御装置８６を備えている。装置８６はセンタボデー４２内に配置され、空気流れ９１が空洞８４を通って流れることを可能にする複数のスクープ９０を備えている。スクープ９０は、センタボデーシェル外側表面７４から半径方向外側に延び、センタボデー４２の周囲に円周方向に間隔を置いて配置されている。ある実施形態では、スクープ９０はセンタボデーシェル４４と一体に形成されている。スクープ９０は、対応する対をなす入口スクープ９２と出口スクープ９４を含んでいる。各出口スクープ９４は、各対応する入口スクープ９２から円周方向に距離をおいて位置している。
【００１３】各スクープ９０は、センタボデーシェル４４の開口部９８に隣接して位置している。開口部９８は周辺部(図示せず）によって画定され、空気がセンタボデー空洞８４に流入するのを可能にしている。各開口部９８は上流側１００及び下流側１０２を含んでいる。各入口スクープ９２は、開口部周辺部から半径方向外側に延びており、各開口部９８の下流側１０２が入口スクープ９２によって境が定められるように位置している。各出口スクープ９４は、開口部周辺部から半径方向外側に延び、各開口部９８の上流側１００が出口スクープ９４によって境が定められるように位置している。従って、入口スクープ９２は空気流れ９１がセンタボデー空洞８４に流入するのを可能にし、出口スクープ９４は空気流れ９１がセンタボデー空洞８４から流出するのを可能にしている。ある実施形態では、センタボデーシェル４４は同数の入口スクープ９２と出口スクープ９４を備えている。さらに、各入口スクープ９２は上流に向いて空気流れ９１中に開口しており、各出口スクープ９４は反対方向に開口し、下流に向いて空気流れ９１から遠ざかるように開口している。
【００１４】ガスタービンエンジン１０(図1に示す）の運転中は、高温ガスがタービン２２（図１に示す）及びバイパスダクト４８(図1に示す）を出てオーグメンタ２４(図１に示す）の中へと導かれる。センタボデー４２は、高温ガスがオーグメンタ２４に入るとき、その速度を減少させるような形状になっている。追加の空気流れ１１０が、空気流れ９１の速度よりも低い速度でセンタボデー４２を通って導かれる。
【００１５】運転中、センタボデー入口スクープ９２は空気流れ９１の一部をセンタボデー４２の中へと導く。空気流れ９１はセンタボデー空洞８４を通って流れ、出口スクープ９４を通って空洞８４から流出する。入口スクープ９２は空気流れ９１に向って空気流れ９１の中に開いているので、入口スクープ９２は空気流れ９１の全圧力の衝撃を受ける。各出口スクープ９４は下流に向いて空気流れ９１から遠ざかるように開口しているので、各出口スクープ９４の近傍にはより低い静圧が発生する。この圧力の差が、センタボデー空洞８４内に円周方向の流れ１１２を生じさせる。空気流れ１１２の結果として、センタボデー４２とスティフナ８０との間に存在する温度の不一致が減少され、センタボデー４２内の熱応力が減少する。さらに、空気流れ１１２はセンタボデー４２内に存在する可能性がある円周方向の温度差を減少させ、これによってセンタボデー内の平均応力レベルを減少させる。その結果、センタボデー４２の耐振動応力性能が増大する。
【００１６】図4は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）に使用することができるセンタボデー１２０の別の実施形態の部分概略側面図である。図５はセンタボデー１２０の概略横断面図である。センタボデー１２０は中空でシェル１２２を含んでいる。シェル１２２は外側表面１２４と内側表面１２６とを備えている。スティフナ８０が、センタボデーシェル内側表面１２６に取付けられ、センタボデー対称軸線１２８に向かって半径方向内側に延びている。センタボデー対称軸線１２８はエンジンの対称軸線３２と同軸である。センタボデーシェル内側表面１２６及びスティフナ８０は空洞１３８を画定している。各空洞１３８は環状でセンタボデー１２０内で円周方向に延びている。
【００１７】センタボデー１２０は、センタボデー１２０内の熱応力を減少させる熱制御装置１４０を備えている。熱制御装置１４０は、空気流れ９１が空洞１３８を通って流れることを可能にする複数の開口部１４２を備えている。開口部１４２はセンタボデー１２０の周囲に円周方向に均等に間隔を置いて配置され、センタボデーシェル１２２を貫通して空洞１３８に通じている。開口部１４２は、対応する対をなす入口開口部１４４と出口開口部１４６を含んでいる。各出口開口部１４６は隣接する対応する入口開口部１４４の間に位置している。各入口開口部１４４はフレームストラット１５０の下流に位置している。各フレームストラット１５０は厚さ１５２を持ち、センタボデー１２０とオーグメンタ内側表面(図示せず）の間に延びている。各開口部１４２はフレームストラットの厚さ１５２よりも小さい直径１５４を持っている。従って、各入口開口部１４４は各フレームストラット１５０の下流に中心を置いている。
【００１８】２個の円周方向に隣接するフレームストラット１５０の間に環状体がある。各出口開口部１４６は各環状体１５６中に位置している。ある実施形態では、各出口開口部１４６は各環状形１５６の中に配置され隣接するフレームストラット１５０の間に中心が置かれている。
【００１９】ガスタービンエンジン１０（図１に示す）の運転中、高温ガスがタービン２２（図１に示す）及びバイパスダクト４８(図１に示す）から出てオーグメンタ２４(図１に示す）の中へと導かれ、センタボデー１２０は、高温ガスがオーグメンタ２４に入るとき、高温ガスの速度を減少させるような形状になっている。追加の空気流れ１１０が、センタボデー１２０を通って導かれる。空気流れ１１０は空気流れ９１よりも低い速度でセンタボデー１２０を通って導かれる。
【００２０】空気流れ９１が各フレームストラット１５０の周囲及び各環状体１５６の中を通過するとき、各フレームストラット１５０における空気力学的損失によって速度が減少し、空気流れ伴流(図示せず）を生成し、空気流れ伴流内の空気流れ９１の圧力を増大させる。入口開口部１４４は空気流れ伴流の中でフレームストラット１５０の後に整列されており、また出口開口部１４６はフレームストラット１５０の間の各環状体１５６中に配置されているので、入口開口部１４４と出口開口部１４６との間に圧力差が生じ各センタボデー空洞１３８内に円周方向の流れ１６０を生じさせる。空気流れ１６０の結果として、センタボデー空洞１３８とセンタボデー１２０との間に存在する温度差は低下する。従って、センタボデー１２０内の熱応力が減少する。さらに、空気流れ１６０はセンタボデー１２０内に存在する可能性がある円周方向の温度差を減少させ、これによってセンタボデー１２０内の平均応力レベルを減少させる。その結果、センタボデー１２０の耐振動応力性能が増大する。
【００２１】図６は、ガスタービンエンジン１０(図１に示す）に使用することができるセンタボデー２４２の別の実施形態の部分概略側面図である。図７は、センタボデーシェル２４４を含むセンタボデー２４２の概略横断面図である。センタボデー２４２は中空であり、シェル２４４は外側表面２７４と内側表面２７６とを備えている。複数のスティフナ２８０が、シェルの内側表面２７６に取付けられ、エンジンの対称軸線３２に向かって半径方向内側に延びている。ある実施形態では、スティフナ２８０は断面ハット形のスティフナで、曲面になった頂点２８２を備える全体として円錐形をしている。スティフナ２８０は環状で、センタボデーシェル２４４に支持を与えているようにセンタボデー２４２内に円周方向に取付けられている。
【００２２】空洞２８４がスティフナ２８０とセンタボデーシェル２４４との間に形成されている。空洞２８４は環状でセンタボデー２４２内で円周方向に延びている。センタボデーシェル２４４はまた、センタボデー２４２内の熱応力の量を減少させるための熱制御装置２８６を備えている。装置２８６はセンタボデー２４２内に配置され、空気流れ２９１が空洞２８４を通って流れることを可能にする複数のスクープ２９０を備えている。スクープ２９０はセンタボデーシェル内側表面２７６から半径方向内側に延び、センタボデー２４２の周囲に円周方向に間隔を置いて配置されている。ある実施形態では、スクープ２９０はセンタボデーシェル２４４と一体に形成されている。スクープ２９０は、対応する対をなす入口スクープ２９２と出口スクープ２９４とを含んでいる。各出口スクープ２９４は、各対応する入口スクープ２９２から円周方向に距離をおいて位置している。
【００２３】各スクープ２９０は、センタボデーシェル２４４の開口部２９８に隣接して配置している。開口部２９８は周辺部（図示せず）によって画定され、空気がセンタボデー空洞２８４に流入するのを可能にしている。各開口部２９８は上流側３００と下流側３０２とを含んでいる。スクープ２９０は、各開口部２９８の円周方向に約半分の位置に境界をもつ大きさになっている。各入口スクープ２９２は、開口部周辺部から半径方向内側に延びており、各開口部２９８の上流側３００が入口スクープ２９２によって境が定められるように位置している。各出口スクープ２９４は、開口部周辺部から半径方向内側に延びており、各開口部２９８の下流側３０２が出口スクープ２９４によって境が定められるように位置している。従って、入口スクープ２９２は空気流れ２９１がセンタボデー空洞２８４に流入するのを可能にし、出口スクープ２９４は空気流れ２９１がセンタボデー空洞２８４から流出するのを可能にしている。ある実施形態では、センタボデーシェルは同数の入口スクープ２９２と出口スクープ２９４を備えている。
【００２４】ガスタービンエンジン１０(図１に示す）の運転中、高温ガスはタービン２２(図１に示す）及びバイパスダクト４８(図１に示す）から出て、オーグメンタ２４(図１に示す）を通って導かれる。センタボデー２４２は、高温ガスがオーグメンタ２４に入るとき、その速度を減少させるような形状になっている。追加の空気流れ３１０が、空気流れ２９１よりも低い速度でセンタボデー２４２を通って導かれる。
【００２５】運転中は、空気流れ２９１はセンタボデー空洞の入口スクープ２９２によって空洞２８４に導かれ、出口スクープ２９４を通って空洞２８４から流出する。入口スクープ２９２は空気流れ２９１の全圧力の衝撃を受ける。各出口スクープ２９４の近傍にはより低い静圧が発生し、それがセンタボデー空洞２８４内に円周方向の流れ３１２を生じさせる。空気流れ３１２の結果として、センタボデー２４２とスティフナ２８０の間には温度の不一致が低下しセンタボデー２４２内の熱応力が減少する。さらに、空気流れ３１２はセンタボデー２４２内に存在する可能性がある円周方向の温度差を減少させ、これによってセンタボデー２４２内の平均応力レベルを減少させる。その結果、センタボデー２４２の耐振動応力性能が増大する。
【００２６】別の態様では、センタボデー２４２は、開口部１４２(図４に示す）と同様の開口部２９８、スクープ９０（図２に示す）及びスクープ２９０の組合せを含む。
【００２７】上記のセンタボデーはコスト効果が大きく信頼性が高い。センタボデーは、センタボデー内の熱応力の量を減少させるために熱制御装置を備えている。熱制御装置は、複数の対応する対をなす入口開口部と出口開口部を備えており、これらは、空気流れが複数のスティフナでセンタボデー内に画定される空洞を通して流れることを可能にする。その結果、対応するガスタービンエンジンが高い効率及び性能で運転され、同時にセンタボデー内に生じる熱応力を最小化することができるセンタボデーが提供される。
【００２８】本発明を種々の具体的な実施形態によって説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変形形態で実施できることは当業者には明らかであろう。
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| 【出願人】 |
【識別番号】３９００４１５４２
【氏名又は名称】ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
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| 【出願日】 |
平成１３年１月２３日（２００１．１．２３） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００９３９０８
【弁理士】
【氏名又は名称】松本 研一
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| 【公開番号】 |
特開２００１−２７１７０９（Ｐ２００１−２７１７０９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１０月５日（２００１．１０．５） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−１３９１１（Ｐ２００１−１３９１１） |
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