【技術分野】

【0001】

【背景技術】

【0002】

【0003】

【0004】

【発明の概要】

本発明の１つの態様によれば、タービン排気セクションを有するガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、同心状に間隔を置いて配置された一対のリングと、リングの間に半径方向に延び、リングを接続および支持した複数のストラット構造とを有する。ストラット構造は、回転ブレードの最終列の下流に支持されており、エンジンを通る軸方向ガス流の方向に延在した弦寸法を有する本体部分を有しており、本体部分の上流端部からストラット構造の下流端部に向かって下流方向へ延びる弦軸線を規定している。後縁フラップは、各本体部分の下流端部に配置されており、後縁フラップは第１および第２のスパン方向部分を有する。第１のスパン方向部分は、本体部分の弦軸線に対して所定の角度に流れを方向付けるように向けられており、第２のスパン方向部分は、第１のスパン方向部分の角度とは異なる角度の方向に流れを方向付けるように向けられている。 第１のスパン方向部分は、弦軸線の第１の側への方向でフラップ角を規定してよく、第２のスパン方向部分は、弦軸線の、第１の側とは反対の第２の側への方向でフラップ角を規定してよい。 第１のスパン方向部分のフラップ角の方向は、周方向で隣接する第１のスパン方向部分に関して交互になっていてもよく、第２のスパン方向部分のフラップ角の方向は、周方向で隣接する第２のスパン方向部分に関して交互になっていてもよい。 各第１のスパン方向部分のフラップ角の方向は、全て同じ方向に向けられてもよく、各第２のスパン方向部分のフラップ角の方向は、全て同じ方向に向けられてもよい。 第１のスパン方向部分は、スパン方向中間位置から、ストラット構造に沿ってリングのうちの内側のリングに向かって延びていてもよく、第２のスパン方向部分は、中間位置からリングのうちの外側のリングに向かって延びていてもよい。 スパン方向中間位置は、本体のスパン中央に位置してもよい。 ストラット構造は、翼形シールドによって包囲されたストラットを有してもよく、ストラット構造は、エンジン用の排気ディフューザの上流端部に配置されていてもよい。 第１および第２のスパン方向部分は、本体に対して可動であってもよく、第１のスパン方向部分は、第２のスパン方向部分から独立して可動であってもよい。 ストラット構造は、平坦なディバイダを含んでもよい。この平坦なディバイダは、第１および第２のスパン方向部分の間のスパン方向移行部と交差する軸方向および周方向に延びる平面に位置しており、第１および第２のスパン方向部分の間の半径方向流れを制限する。 本発明の別の態様によれば、排気ディフューザを有するガスタービンエンジンが提供される。ガスタービンエンジンは、環状ガス通路を形成する内側シュラウドおよび外側シュラウド、ならびに内側シュラウドを外側シュラウドに接続する複数のストラットを有する。ストラットは、回転ブレードの最終列の下流においてガス通路内に配置されている。翼形シールドはストラットを包囲しており、各シールドは、シールドの前縁から下流端部に向かって下流軸方向に延びる弦軸線を規定する、上流前縁を有する本体を含む。後縁フラップは、各シールドの下流端部に配置されており、後縁フラップは第１および第２のスパン方向部分を有する。第１のスパン方向部分は、本体の弦軸線に対して所定の角度に流れを方向付けるように向けられており、第２のスパン方向部分は、第１のスパン方向部分の角度とは異なる角度の方向に流れを方向付けるように向けられている。 各シールドのために、第１のスパン方向部分は、弦軸線の第１の側への方向でフラップ角を規定してよく、第２のスパン方向部分は、弦軸線の、第１の側とは反対の第２の側への方向でフラップ角を規定してよい。 第１のスパン方向部分のフラップ角の方向は、周方向で隣接する第１のスパン方向部分に関して交互になっていてよく、第２のスパン方向部分のフラップ角の方向は、周方向で隣接する第２のスパン方向部分に関して交互になっていてよい。 各第１のスパン方向部分のフラップ角の方向は、全て同じ方向に向けられていてもよく、各第２のスパン方向部分のフラップ角の方向は、全て同じ方向に向けられていてもよい。 第１のスパン方向部分は、スパン方向中間位置から、シールドに沿って内側シュラウドに向かって延びていてもよく、第２のスパン方向部分は、中間位置から外側シュラウドに向かって延びていてもよい。 スパン方向中間位置は、シールドのスパン中央に位置してもよい。 第１および第２のスパン方向部分は、弦軸線に対して可動であってもよい。 第２のスパン方向部分から独立した移動において第１のスパン方向部分を作動させるために、第１および第２のスパン方向部分にアクチュエータが接続されていてもよい。 ストラット構造は、平坦なディバイダを含んでもよく、この平坦なディバイダは、第１および第２のスパン方向部分の間のスパン方向移行部と交差する軸方向および周方向に延びる平面に位置しており、半径方向流れを制限しかつ第１および第２のスパン方向部分の間の機械的剛性を高める。 本明細書は、本発明を特に指摘し、かつ本発明を明瞭に請求する請求項によって完結するが、同じ参照符号が同じ要素を表している添付の図面に関連した以下の説明から、本発明はよりよく理解されると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】既知のタービンエンジンを部分的に断面で示した透視図である。

【図2】本発明の態様に従って構成されたタービンエンジンの排気ディフューザセクションの側面断面図である。

【図3】本発明の複数の態様を例示するストラット構造の拡大透視図である。

【図4】一列のストラット構造の第１の構成を示す透視図である。

【図5】一列のストラット構造の第２の構成を示す透視図である。

【図6】ストラット構造の後縁フラップに対する選択的な変更を示す透視図である。

【図7】ストラット構造の後縁フラップのための代替的な構成を示す透視図である。

【図8】本発明の１つの態様に従って生ぜしめられた流れパターンを示す、ディフューザの前から後への方向で見た概略端面図である。

【図9】ストラット構造の後縁の選択的な変更を示す、半径方向内向きに見た平面図である。

【発明を実施するための形態】

好適な実施の形態の以下の詳細な説明において、その一部を形成する添付の図面が参照され、図面には、例として、限定としてではなく、発明を実施可能な特定の好適な実施の形態が示されている。本発明の思想および範囲から逸脱することなく、その他の実施の形態が使用されてもよく、変更がなされてもよいことが理解されるべきである。

本発明の１つの態様によれば、ディフューザの半径方向内側および外側の領域の間の流速分布の均一性の改良を含む、ディフューザを通過する流れの半径方向の混合を増加させることによって、改良されたディフューザ性能を提供するディフューザ設計が説明される。本明細書において説明されるディフューザの典型的な適用において、ハブにおける強い速度分布の一般的な発生は、本発明によって、内側境界（ハブ）の近くのより高速の流れを外方へ移動させ、外側境界の近くのより低速の流れを内方へ移動させるスワール流を形成し、その結果、流れの混合を生ぜしめることによって、解決することができる。

図２は、本発明の態様に従って構成されたガスタービンエンジンの排気ディフューザ４０の一部を含む排気セクションを示している。排気ディフューザ４０は、図１に示されたエンジン１０のタービンセクション１６に対応してもよい、エンジンのタービンセクションの回転ブレードの最終列の下流にある。排気ディフューザ４０は、タービンセクションから出てくる排気流または排ガス４４を受け取ることができる入口４２を有する。排気ディフューザ４０は、内側リングを含んでもよい内側境界４６と、外側リングを含んでもよい外側境界４８とを有する。外側境界４８は、内側境界４６から半径方向に間隔を置いて配置されており、内側および外側境界４６，４８の間には流路５０が形成されている。流路５０は、略環状であってもよいし、またはあらゆるその他の適切な構成を有してもよい。

外側境界４８は、流路５０の外側境界４８を形成する、内側周囲表面５４を有するディフューザシェル５２を含むものとして示されている。ディフューザシェル５２は、排気ディフューザ４０の軸方向長さ（その一部のみが図２に示されている）を規定している。軸方向長さは、ディフューザシェル５２の上流端部５３から下流端部５５まで延びている。

内側境界４６は、ハブ５８とも呼ばれる中央ボディによって規定することができる。ハブ５８は、略円筒状であってもよく、上流端部６０および下流端部６２を有してもよい。「上流」および「下流」とは、排気ディフューザセクション４０を通る流体流れの方向に関する、これらの部分の概略的な位置を表す意図である。ハブ５８は、複数の半径方向に延びるストラット構造６４によって、ディフューザシェル５２に接続および支持されており、ストラット構造６４は、図３に示したように、ストラットライナまたはシールド６８によって包囲された構造的ストラット６６を含んでもよい。ストラット構造６４は、図８にストラット構造６４_Ａ〜６４_Ｆによって概略的に示されているように、一列で周方向に整列して配置されている。ストラット構造６４のうちの１つまたは複数は、例えばサービスラインなどの導管のための通路を提供してもよく、例えば、ハブ５８内のベアリングハウジング（図示せず）まで延びる典型的なオイルライン７０が示されている。

図２を参照すると、内側境界４６は、テールコーン７２によって規定されてもよい。テールコーン７２は、あらゆる適切な形式でハブ５８の下流端部６２に取り付けられた上流端部を有する。好適には、テールコーン７２は、下流方向へ延びるハブ５８の下流端部６２からテーパしている。ハブ５８およびテールコーン７２は、実質的にディフューザシェル５２と同心状であってよく、流路５０の中心軸線に対応する共通の長手方向軸線７１を共有することができる。ディフューザシェル５２の内面５４は、下流方向へ長手方向軸線７１から拡開するように向けられている。このため、流路５０の少なくとも一部は略円錐形である。

図３を参照すると、各ストラットシールド６８は、空力的翼形を備えて形成されていてもよい。例示されたストラットシールド６８は、本体部分を規定しており、上流端部７４における前縁と、下流端部７６における後縁と、上流および下流端部７４，７６の間に軸方向にすなわち流路５０を通るガス流の方向に延びる反対の側７８ａ，７８ｂと、を有している。弦軸線Ａ_Ｃは、上流端部７４から下流方向へ延びる反対の側７８ａ，７８ｂによって規定されている。弦軸線Ａ_Ｃの軸方向は、長手方向軸線７１に対して平行であってよいし、または長手方向軸線７１に対して傾斜していてもよいし、または排気セクションの特定の構造的および／または流れ特性によって決定されてもよい。

本発明の１つの態様によれば、後縁フラップ８０は、ストラットシールド６８の下流端部７６に配置されており、ほぼ平坦な第１のフラップ部分８０ａおよびほぼ平坦な第２のフラップ部分８０ｂを含む、第１および第２のスパン方向部分を有する。第１のフラップ部分８０ａは、中間位置８２からストラットシールド６８の半径方向スパンに沿ってハブ５８におけるまたはハブ５８に隣接した半径方向内側位置に向かって延びており、第２のフラップ部分８０ｂは、中間位置８２から、ディフューザシェル５２におけるまたはディフューザシェル５２に隣接した半径方向外側位置に向かって延びている。例示された構成における中間位置は、ストラットシールド６８のスパン中央に位置しているが、フラップ部分８０ａ，８０ｂの間の境界を規定する中間位置は、その他のスパン方向位置に選択されてもよいことが理解されるであろう。

第１および第２のフラップ部分８０ａ，８０ｂは、ディフューザ４０内へ進入しかつディフューザ４０を通過する排ガスの流れを変化させるように、独立して向けられる。特に、不均一な半径方向速度分布でディフューザに進入する排気流は、速度分布の均一性を高めるために後縁フラップ８０によって変化させられてもよく、第１および第２のフラップ部分８０ａ，８０ｂは、流路５０のスパンを横切る速度分布の変化を減じるために流れの半径方向混合を提供するように位置決めされてもよい。

第１のフラップ部分８０ａの向きは、ストラットシールド６８の下流端部７６における弦軸線Ａ_Ｃに対して平行な延長線Ａ_ＣＥによって示されているように、弦軸線Ａ_Ｃの延長に対する第１のフラップ部分８０ａのフラップ角度φによって図３に示されている。同様に、第２のフラップ部分８０ｂの向きは、ストラットシールド６８の下流端部７６における弦軸線Ａ_Ｃに対して平行な延長線Ａ_ＣＥによって示されているように、弦軸線Ａ_Ｃの延長に対する第２のフラップ部分８０ｂのフラップ角度θによって図３に示されている。第２のフラップ部分８０ｂの角度θは、第１のフラップ部分８０ａの周方向の向きとは異なる、第２のフラップ部分８０ｂの周方向の向きを示している。すなわち、第２のフラップ部分８０ｂは、流路５０におけるガス流を、第１のフラップ部分８０ａによって規定された流れ方向とは異なる周方向に方向付けるように向けられている。例えば、例示された構成では、第２のフラップ部分８０ｂは、弦軸線Ａ_Ｃの、第１のフラップ部分８０ａとは反対の側へ向けられている。

図４を参照すると、ストラット構造６４の構成は、本発明の１つの態様を示している。第１のフラップ部分８０ａのフラップ角θの周方向は、連続するストラット構造６４_Ａ〜６４_Ｆの第１のフラップ部分８０ａの位置を比較すれば分かるように、周方向で隣接する第１のフラップ部分８０ａに関して、交互になっているすなわち弦軸線Ａ_Ｃの反対側に位置している（図８も参照）。同様に、第１のフラップ部分８０ａに対して反対に向けられた第２のフラップ部分８０ｂのフラップ角φの周方向は、連続するストラット構造６４_Ａ〜６４_Ｆの第２のフラップ部分８０ｂの位置を比較すれば分かるように、周方向に隣接する第２のフラップ部分８０ｂに関して交互になっている（図８も参照）。

図８を参照すると、図４のストラット構造の構成のための第１および第２のフラップ８０ａ，８０ｂの配置は、ストラット構造６４の下流において旋回流、すなわち逆回転の渦を提供するように設計されており、ストラット構造６４は、流れ矢印８４_ＯＵＴによって示された半径方向外方への移動と、流れ矢印８４_ＩＮによって示された半径方向内方への移動とを生ぜしめ、その結果、流れの混合を生ぜしめ、速度分布をより均一にする。例えば、ディフューザシェル５２におけるよりもハブ５８においてより高い流速を有する、ハブにおける強い流れの場合、フラップ部分８０ａ，８０ｂによって提供される流れ混合は、より低速の流れをディフューザシェル５２から内方へ移動させ、より高速の流れをハブ５２から外方へ移動させて、ディフューザ４０を通過する流れにおける速度のばらつきを減じる。特に、前述の後縁フラップ８０は、ディフューザシェル５２への改良された付着、およびハブ５８に隣接した領域における強い流れの増大した外方への混合とともに、より強い外径流れ分布を提供するように、ハブにおける強い流れを変化させることができる。

図４の構成において、図８の構成のように、エンジンの前側から下流方向を見たときに、反時計回り方向に傾斜させられたフラップ８０ａ，８０ｂを、正の角度を有すると呼んでもよく、時計回り方向に傾斜させられたフラップ８０ａ，８０ｂを、負の角度を有すると呼んでもよい。正および負の角度についてのこの慣例は、エンジンの前側から見たときに、反時計回り方向に回転するロータを有するエンジンに関して行われる。

図５は、代替的な構成を示している。第１のフラップ部分８０ａのためのフラップ角φの周方向は、全て同じ（正の）方向に、弦軸線Ａ_Ｃに関して同じ角度で向けられており、第２のフラップ部分８０ｂのフラップ角θは、全て同じ（負の）方向に、弦軸線Ａ_Ｃに関して同じ角度で向けられている。例示された構成では、第１のフラップ部分８０ａは、弦軸線Ａ_Ｃの一方の側へ傾斜させられており、第２のフラップ部分８０ｂは、弦軸線Ａ_Ｃの反対側へ傾斜させられている。図５の構成は、図４について説明した構成よりも少ない半径方向混合を提供するかもしれないが、エンジンのタービンセクションから出てくる流れの特性に応じて、異なる混合効果が望ましい場合もあることが理解されるであろう。

さらに、の説明は、排ガスの典型的な、ハブにおける強い流れに関するものであるが、フラップ部分８０ａ，８０ｂの構成は、ハブ５８に隣接する排ガスのより弱い流れなど、その他の流れ条件に対応するように提供されてもよいことが理解されるであろう。

後縁フラップ８０は、ストラットシールド６８の上流端部７４における前縁から後縁フラップ８０の後縁までの、ストラットシールド６８および後縁フラップ８０が組み合わされた軸方向範囲の全長の実質的な部分を形成している。例えば、後縁フラップ８０は全長の約２０％〜４０％であってもよく、より好適には、全長の約２５％〜３０％であってもよい。

フラップ部分８０ａ，８０ｂの角度φ，θは、弦軸線Ａ_Ｃに関して反対方向に同じ値を有してもよいし、または異なる値を有してもよい。特に、周方向で隣接するストラット構造６４の間の間隔は、半径方向外方に向かって増大しているので、所望のスワール条件が、第２のフラップ部分８０ｂを第１のフラップ部分８０ａの角度φよりも大きな角度θに位置決めすることを必要とすることがある。さらに、フラップ部分８０ａ，８０ｂが両方とも、弦軸線Ａ_Ｃの同じ側へ、ただしフラップ部分８０ａ，８０ｂの位置が角度φ，θの異なる値を規定しながら延びていてもよいことが理解されるべきである。

また、フラップ部分８０ａ，８０ｂは、ストラットシールド６８の下流端部７６の内側および外側のスパンの部分のみに沿って形成されていてもよい。例えば、本発明の範囲において、各フラップ部分８０ａおよび８０ｂは、中間位置８２から半径方向に、それぞれハブ５８およびディフューザシェル５２に向かう距離の一部だけ延びていてもよい。

図６は、後縁フラップ８０に対する選択的な変更を示している。スプリッタプレート８６は、第１および第２のフラップ部分８０ａ，８０ｂの間の中間位置８２に設けられてもよい。スプリッタプレート８６は、ほぼ平坦なディバイダであり、軸方向および周方向に延びる平面に位置しており、半径方向流れを制限し、かつ第１および第２のフラップ部分８０ａ，８０ｂの間の機械的剛性を高める。スプリッタプレート８６の平面は、ストラットシールド６８のスパン方向または半径方向に対して垂直に延びている。加えて、スプリッタプレート８６は、フラップ部分８０ａ，８０ｂの角度位置にほぼ一致する外縁部８６ａ，８６ｂを有する三角形の構成を備えて形成されてもよく、好適には、溶接結合などによってフラップ部分８０ａ，８０ｂに取り付けられ、これによって後縁フラップ８０の剛性を増大させる。

図７は、後縁フラップ８０の代替的な構成を示している。後縁フラップ８０は、第１のフラップ部分８０ａおよび第２のフラップ部分８０ｂの双方を形成する連続的な材料ストリップ８８から形成されてもよい。特に、材料ストリップ８８は、第１のフラップ部分８０ａによって規定された角度から第２のフラップ部分８０ｂによって規定された角度への滑らかな移行部を規定する、中間位置８２における曲がった移行領域８０ｃを備えて形成されてもよい。

図９を参照すると、後縁フラップ８０に対する選択的な変更が示されており、この場合、フラップ部分８０ａ，８０ｂはストラットシールド６８に対して可動である。例示された実施の形態では、フラップ部分８０ａ，８０ｂは、回転軸Ａ_Ｐを中心として回転運動するように支持されている。各フラップ部分８０ａ，８０ｂは、図１に概略的に示されたアクチュエータ９０ａ，９０ｂによって示されているようなそれぞれのアクチュエータによって、回転運動するように作動させられてよい。アクチュエータ９０ａ，９０ｂは、ピボットリンク９２ａ，９２ｂによってフラップ部分８０ａ，８０ｂに接続されていてもよいし、１つの作動されるテールセクション用のアクチュエータを示している米国特許第６７９２７５８号明細書に示されているように、公知のアクチュエータおよびリンク構造を有してもよい。この特許は、引用によりその全体が本明細書に組み込まれる。フラップ部分８０ａ，８０ｂは、例えば、共通の回転軸Ａ_Ｐを中心とする回転運動のために、ストラットシールド６８の下流端部７６を半径方向に通って延びるそれぞれの同心状のピボットロッド９４ａ，９４ｂによって支持されているか、または別々の回転軸を有するピボットエレメントによって支持されていてもよい。第１のフラップ部分８０ａは全て、１つのアクチュエータによって同時に移動するようにリンクされていてもよいし、第２のフラップ部分８０ｂは全て、１つのアクチュエータによって同時に移動するようにリンクされていてもよいし、それぞれのフラップ部分８０ａ，８０ｂの間のリンクは、米国特許第６７９２７５８号明細書に示されたものと同様の形式で構成されていてもよい。

可動なフラップ部分８０ａ，８０ｂは、ディフューザ４０に流入する排ガスの効率的な混合を提供するために、エンジンの作動条件の変化に応答して作動させられてもよい。例えば、フラップ部分８０ａ，８０ｂは、ベース負荷運転の間は、ディフューザ４０を通る排ガスの効率的な膨張を提供する初期位置に配置されてよく、フラップ部分８０ａ，８０ｂは、エンジンの部分負荷運転の間または非設計周囲空気入口温度条件の間は、ディフューザ４０を通る排ガスの効率的な膨張を提供する第２の位置に配置転換されてもよい。

図９に示されたストラット構造６４の構成は、ストラットシールド６８の側部７８ａ，７８ｂによって形成された輪郭の続きとして形成されたフラップ部分８０ａ，８０ｂを示している。図３〜図５に関して説明されているような、所定の位置に永久に固定されたフラップ部分８０ａ，８０ｂを有するストラット構造６４は、ストラットシールド６８とフラップ部分８０ａ，８０ｂとの間に類似の連続的な輪郭を備えて形成されてもよいことにも注意すべきである。

本発明の特定の実施の形態について例示および説明してきたが、本発明の思想および範囲から逸脱することなく様々なその他の変更および改変をなし得ることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明の範囲内の全てのこのような変更および改変を添付の請求項に包含するように意図されている。