JP4948965B2 - タービンエンジンで使用するマルチスロットのインタータービンダクトアセンブリ - Google Patents

Description

本開示は、タービンエンジンに関し、より詳細には、タービンエンジンで使用する流量制御およびインタータービンダクトアセンブリに関する。

ガスタービンエンジンには、高圧タービンスプールの直径と低圧タービンスプールの直径の間に好ましい比率が存在する。具体的には、最適のエンジン性能を提供するために、低圧タービンスプールは、高圧タービンスプールよりも大きな直径を有する。この半径寸法の差により、高圧タービンと低圧タービンとを接合する遷移ダクトは、この変化を径方向に吸収する必要がある。

しかし、比較的短い距離の間でダクトの寸法を増加させると、ダクト内で流れが境界層剥離を招くおそれがあり、低圧タービン性能に悪影響を与えることになる。したがって、ガスタービンエンジンはしばしば、細長い遷移ダクト、または高圧タービン寸法と低圧タービン寸法の間で最適の比率を実現することのない遷移ダクトを有して設計される。

アグレッシブな高面積比のインタータービンダクトの壁に沿って境界層流れが剥離することを防ぐために、一般に拡散する遷移ダクトの入口に配置された単一のスロットからの流体の流れ制御が、高運動量流体を送出するのに使用されてきた。注入流れの全運動量が、境界層をダクトの全長に沿って付着した状態に保つのに十分である必要がある。しかし、全運動量が大きいことは、それが一般にエンジン（たとえばコンプレッサ）のその他の区域から抽気され、その性能を低下させるので、エンジンサイクルに損失を生じる。
米国特許出願１１／２０１，９１４ 米国特許第５，３５７，７４４号公報 米国特許第６，８５１，２６４Ｂ２号公報

それゆえ、アグレッシブな高面積比の遷移ダクトでの剥離を防止するのに必要な注入される流れの全運動量を最小に抑えることが有用である。

したがって、注入される流れの全運動量を最小に抑えるようなインタータービン遷移ダクトの設計がたゆまず向上する必要がある。

タービンエンジンと共に使用するインタータービンダクトアセンブリ、およびタービンエンジン内の流れを最適化する方法が本明細書に開示される。１つの実施形態では、インタータービンダクトアセンブリが、高圧タービンに流体的に連結された上流側の部分と低圧タービンに流体的に連結された下流側の部分とを有するダクトを備え、ダクトは、内側本体面と外側本体面を有し、高圧タービンと低圧タービンの間の主要な流体流路と、ダクトの外側本体面の高圧タービンの上流側に配置された吸入ポートと、高圧タービンの下流側のダクトの外側本体面に沿って配置された少なくとも２つの注入開口と、ポートおよび少なくとも２つの開口と流体連通するチャネルとを画成し、チャネルはポートと少なくとも２つの開口の間にバイパス流体流路を画成する。

別の実施形態では、インタータービンアセンブリが、高圧タービンに流体的に連結された上流側の部分と低圧タービンに流体的に連結された下流側の部分とを有するダクトを備え、ダクトは、内側本体面と外側本体面を有し、高圧タービンと低圧タービンの間に主要な流体流路と、高圧タービンの上流側で外側本体面に配置された複数の吸入ポートと、外側本体面に沿って横方向に配置された複数の注入開口と、複数のチャネルとを画成し、複数のチャネルのそれぞれが上流端および下流端を有し、複数のチャネルの上流端は、複数の吸入ポートおよび複数の注入開口のうちの選択された１つに流体的に連結されて、複数の吸入ポートと複数の注入開口の間に複数のバイパス流体流路を形成する。

タービンエンジン用のインタータービンダクトアセンブリ内で境界剥離を防止する方法は、ダクトの外側本体面に沿って横方向に配置された少なくとも２つの開口を通って境界剥離点（ｂｏｕｎｄａｒｙ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ）において、またはその前で流体を注入するステップを含む。

上記に説明された特徴、およびその他の特徴は、以下の詳細な説明および図によって例示される。

例示の図面を参照すると、同様の要素がいくつかの図面に同様に番号を付けられている。

タービンエンジンと共に使用するインタータービンダクトアセンブリおよびタービンエンジン内の流れを最適化する方法は一般に、ダクトアセンブリ内で境界剥離を防止する複数のスロットの制御スキームを備える。下記により詳細に説明するように、複数のスロットの流れ制御スキームは、主要な流れの境界層がアグレッシブなインタータービンダクト内で、より一般にはディフューザ内で剥離しないように保つのに必要な全ての流れの制御運動量（エネルギー）および質量流量を低下させる。二次的な空気が、従来技術でのように遠くの上流の１つの大きなスロットではなく、流れに順じた方向に沿って配置された、いくつかのスロット開口を通って吹き付けられる。したがって、ダクトに沿って流れが拡散すると、主要な流れの運動量が低下することから、下流側の各スロットは付着した境界層を所与の長さに沿って維持するために必要とする吹き付け運動量がより低くなるので、複数のスロットでは、境界層が剥離するのを防ぐために単一のスロットよりも必要とする全注入運動量が低くなり、したがってよりアグレッシブなインタータービン構成を提供すると同時に動作効率を向上させる。

以下の説明では、用語「軸方向」は概して、ガスタービンエンジンの回転構成要素がその周りを回転する軸に平行な方向を意味する。この軸はエンジンの前部からエンジンの背部に通っている。用語「径方向」は概して、ガスタービンエンジンの回転構成要素の回転軸に垂直であり、エンジンの軸に向かいまたはそこから離れて指し示す方向を意味する。所与の点での「円周」方向は、局部の径方向に垂直であり、同時に軸方向にも垂直である方向である。

「上流」方向は、局部的な流れが来る方向を意味し、「下流」方向は、局所的な流れが移動していく方向を意味する。最も一般的な認識では、エンジンを通過する流れは、前部から後部になる傾向があり、したがって「上流方向」は一般に、前方向を意味し、「下流方向」は、後ろ方向を意味する。

図１は、長手方向または軸方向の中心線軸１２を有する例示のガスタービンエンジン１０を示す。参照は例示のガスタービンに対するものであるが、複数のスロットの制御スキームを含むインタータービンダクトアセンブリは、それには限定されないが、蒸気タービン、ターボシャフトタービン（ｔｕｒｂｏｓｈａｆｔ ｔｕｒｂｉｎｅ）、水タービン、などを含むその他のタイプのタービンエンジンと共に使用する目的で適用できることが企図される。ガスタービンエンジン１０は一般に、直列の流れで連通したファン１４、ブースタコンプレッサ１６、高圧コンプレッサ１８、燃焼器２０、高圧タービン（ＨＰＴ）２２、および低圧タービン（ＬＰＴ）２４を備える。動作中には、周囲空気２６は第１にファン１４に入り、圧縮空気２８を燃焼器２０に供給するためのコンプレッサ１６および１８を通って圧縮され、次いで燃料と混合され高温の燃焼ガス３０を生成するために点火される。燃料／空気の混合物が燃焼器２０で燃焼されると、その温度が上昇し、流れが燃焼器の後部から高温で出る。次いで、燃焼された主要な流れは、エンジンのタービン段を相互連結するインタータービン遷移ダクトアセンブリ３２に入る。

このようなタービンエンジンは、排気ガスの放出による推力を提供するために、タービンの１つに連結されたシャフトを回転させることによって機械的な力を供給するために、またはスラストおよび機械的な力の組み合せを提供するために使用することができる。たとえば、エンジンの上流側のコンプレッサは一般に、エンジンの１つまたは複数のタービン段によって駆動される１つまたは複数のシャフトによって動力を与えられる。

図２は、インタータービン遷移ダクトアセンブリ３２をより詳細に示す。インタータービンダクトアセンブリ３２は、低圧タービン２４を備え、その低圧タービンは、タービン２２と２４の間の環状のディフューザとして動作するインタータービンダクト４０によって、ノズル３６および高圧タービンロータ３８を備える高圧タービン２２から分離されるノズル３４および低圧タービンロータ（図示せず）を備える。あわせて、低圧タービンノズル３４および低圧タービンロータは、低圧タービンスプール４２を形成し、高圧タービンノズル３６および高圧タービンロータ３８は、高圧タービンスプール４４を形成する。高圧タービンスプール４４が、インタータービンダクト４０の上流端４６に配置され、低圧タービンスプール４２がインタータービンダクト４０の下流端４８に配置される。集合的には、高圧タービンスプール４４、インタータービンダクト４０、および低圧タービンスプール４２は、一般にはガスタービンエンジンの燃焼チャンバから生じる、ガスタービンエンジンを通過する燃焼ガス３０の主要な流体流路からエネルギーを受け取り、取り出すために動作可能である。このエネルギーは、（飛行機、ヘリコプタ、戦車などの）乗り物、発電施設、またはアセンブリ、ガスタービンエンジンそれ自体などに動力を与えるのに使用できる。

上述のように、ガスタービンエンジンの（高圧タービンノズル３６および高圧タービンロータ３８を備える）高圧タービンスプール４４の高さ５０と（低圧タービンノズル３４および低圧タービンロータを備える）低圧タービンスプール４２の高さ５２との間には好ましい比率があり、低圧タービンスプール４２が高圧タービンスプール４４よりも比較的大きな直径を有する。その他の要因が等しければ、この比率は適切なガスタービンエンジンの性能をもたらす。しかし、この比率を実現するために、高圧タービンスプール４４と低圧タービンスプール４２を接合するインタータービンダクト４０の外側本体面５４の傾斜は、比較的急である必要がある。あるいは、インタータービンダクト４０の外側本体面５４（および関連する内側本体面５８）の長さ５６は、比較的長くなる可能性がある。

インタータービンダクト４０の外側本体面５４の傾斜が比較的急である場合、強い逆圧力勾配が外側本体面５４に沿って発生し、境界層剥離がインタータービンダクト４０に生じる可能性があることが当業者に知られている。その結果、ガスタービンエンジンの性能が低下する可能性がある。さらに、インタータービンダクト４０の外側本体面５４の長さ５６は、比較的長く、追加の重量がガスタービンエンジンに加えられ、ここでも同様に性能が低下する可能性がある。

出願人は、互い違いの配置関係で外側本体面５４の周りに円周方向に複数のスロット６０を使用することによって、ダクト４０の外側本体面に沿って境界層剥離の発生を先回りして阻止するために、ガスタービンエンジン内のインタータービン遷移ダクト４０を通る流れの境界層に高エネルギーの空気の注入がもたらされることを発見した。ダクト４０の外側本体面の上を流れる境界層にエネルギーを与えることによって、よりアグレッシブに広がるダクト４０が使用でき、よりコンパクトで同時により効果的なエンジン用タービンの設計が可能になる。遷移ダクト４０に注入される高エネルギーの空気が、高圧タービンの上流にある外側本体壁に沿った流れから抽気され、注入ノズルに向けて流される。適宜、高エネルギーの空気は、コンプレッサの下流端付近のどの場所からも流すことができる。圧力は、高圧タービンの上流側で高圧タービンの下流側の注入点のところより高いので、上流側吸入ポートと下流側注入ノズルの間の自然な圧力差によって、流体を押してチャネルを通すためのポンプを必要とせずに、流れが注入チャネルを通って移動するようになる。このように、高エネルギー空気の注入は自己吸引式である。

図３は、インタータービンダクトアセンブリ３２の１つの実施形態を示し、複数のスロット６０のそれぞれは、コンプレッサによって生成された高エネルギーの流体の流れを流体的に連通するために高圧タービン３８の上流側に配置された吸入ポート６４を備える単一のチャネル６２に流体的に連結されている。図示のように、吸入ポート６４が、ＨＰＴのステータ３６およびロータ３８の上流側に示されている。吸入ポート６４がＨＰＴタービン２２の直接の上流に示されているが、好ましいモードでは、吸入ポートは、異なる用途に対して所望される可能性があるようなコンプレッサの領域（図示せず）内などのさらに上流側と流体連通できることが企図される。本流の流れが剥離を防ぐのに十分に拡散することによって、下流側に進むにつれて軸方向ステーション（ａｘｉａｌ ｓｔａｔｉｏｎｓ）でマッハ数の比率を維持するために必要とされる注入のマッハ数がより少なくなることから、流れ制御スキームの効率が改善される（注入される流れの必要とされる全運動量が低減される）。注入が流れの剥離を防止するのに効果的になるように、制御流と本流の間に必要な最小のマッハ数の比率は約１．０である。この比率が得られると、境界層流れが注入位置から下流側の規定の距離の間、壁に付着したままになる。この距離は一般に、スロットを通って流れる運動量に依存する。外側本体面５９に沿って複数のスロットを使用することによって、境界層流れの剥離が外側本体面５９の長手方向に沿って効果的に防止できる。

スロット開口６０の数は、特定の数に限定されることは意図されず、それには限定されないが開口寸法、開口角度、ダクトの長さなどを含む多くの要因に依存する。たとえば、小さなスロットは、１．０のマッハ数の比率を実現するのに必要な運動量がより少なくなるが、注入位置の下流側の比較的短い距離に沿って剥離を防止するに過ぎない。しかし、主要な流れが拡散するので、主要な流れのマッハ数は下流側で減少していき、したがって下流側の注入スロット６０は、さらに上流側でスロットに必要とされる注入される運動量の使用をより少なくして、適切なマッハ数の比率を達成することができるようにする。

図４では、インタータービン遷移ダクトアセンブリ３２は、それぞれ複数のスロット開口６０のそれぞれに流体的に連結された独立のチャネル７０、７２、７４、７６を含む。チャネル７０、７２、７４、７６は、上述したようにＨＰＴタービンの上流側の位置で独立の吸入ポート７８、８０、８２、８４に流体的に連結されている。吸入ポート７８、８０、８２、８４はＨＰＴタービンの直接の上流にあるものとして示されているが、好ましいモードでは、吸入ポートは、異なる用途に対して所望される可能性があるようなコンプレッサの領域（図示せず）内などのさらに上流側で流体連通できることが企図される。さらに、エンジンサイクルの損失を最小限に抑えるために、各吸入ポートは、たとえば異なるコンプレッサ段の後ろに、異なる静圧の領域にアクセスするように配列できる。このようにして、ダクト５６の長手方向に沿って効率的に境界剥離を除くように注入が調整できる。

例示の実施形態では、燃焼からの主要な流れは、低圧タービン２４の第１のノズルに達する前に、遷移ダクトアセンブリ３２を通過する。吸入ポート（たとえば６４）とスロット（たとえば６０）との間の自然な静圧差は、チャネル（たとえば６２）を通過する流れに自己吸引を生じる。事実上、高圧タービン間の圧力降下は、注入スロットの流れを自己吸引モードで動かす。したがって、外側本体面５９に隣接する流れの部分がチャネル６２（または図４のチャネル７０、７２、７４、７６）に引き込まれ、注入スロット６０から排出される。インタータービン遷移ダクト３２の流れの境界層へのこの流体流れの注入は、境界層剥離を防止するのを助け、既存の設計と比較した場合、その外側本体面５９に対して比較的急な傾斜を有する遷移ダクト３２の製造および使用を可能にする。これは、比較的軸方向に短い遷移ダクト３２が使用され、最適な面積比を得ることを可能にする。剥離が遷移ダクト３２の設計を左右する制約要因である場合、これにより設計者がそれ以前には不可能であった様式で重量を最小に抑え、エンジン性能を最適化することも可能になる。たとえば、そのようなバイパスチャネルを使用する１つのシステムが、高圧タービンロータの高さの２倍より大きい長さと、４０°以上の傾斜とを有する遷移ダクト３２を有することができる。

便宜のために、次に図３を用いてダクトアセンブリ３２の動作を説明する。図４に提供された実施形態も同様に機能することに留意されたい。吸入ポート６４（取出しポートとも呼ばれる）が、吸入ポートとスロットの間の自然な静圧差の結果として、タービンエンジンを通る主要な流れの一部分をチャネル６２に引き込み、高圧タービン２２をバイパスするのに使用される。このようにして、バイパスの流れは高圧タービン６４の上流の外側本体面５９に沿って取り出される。

吸入ポート６４は、燃焼器からの高温のコア排気（ｃｏｒｅ ｅｘｈａｕｓｔ）の流れから引き込むのではなく、望ましくは主にクーラーコンプレッサの流れまたは燃焼器を冷却する流れ（コンプレッサ排気）から引き込むように構成される。コア排気の流れの温度は、チャネル６２が構築される材料の限界を超える傾向がある。チャネルの材料をそのような温度から保護するための能動的な冷却技術を使用することが可能であるが、これらの技術は、エンジン設計に複雑さと費用を付け加え、代わりに表面付近の一般的により冷たい空気を引き込むことで使用を回避することができる。

吸入ポート６４は、外側本体面５９に沿った流れの部分が高圧タービン間に存在する圧力差によってチャネル６２に引き込まれることを可能にする。１つの実施形態では、吸入ポート６４に対する適切な設計は、外側本体面５９のスロットである。様々な実施形態で、それぞれが前方領域の周囲の一部分の周りに延びる複数のスロットを備えることができる吸入ポート６４を使用することができる（図４参照）。別の実施形態では、単一の連続した環状のスロットが使用できる。別の実施形態では、スロットは、前方領域に沿って１つまたは複数の軸方向位置に配置できる。別の実施形態では、スロットは、穴、Ｖ形状、（ＮＡＣＡダクトなどの）へこんだスクープ（ｓｃｏｏｐ）、および当分野で知られたその他の形状などの環状のセグメント以外のその他の形状に形成することもできる。

別の実施形態では、多孔質材料を使用して前方通路６５の外側本体面５９の一部分が構築でき、そうすることで流れが多孔質材料を通ってチャネル６２内に抽気できるようにする。上述のスロットの場合と同様に、そのような多孔質の領域は、前方通路６５の軸方向部分を完全にまたは部分的に取り囲む１つまたは複数の環状のセグメントとして形成することができる。その他の実施形態では、穴、Ｖ形状、ＮＡＣＡダクト形状、または当分野で知られるようなその他の設計などの多孔質材料に対するその他の形状が、環状のセグメントの代わりに使用できる。

別の実施形態では、前方通路６５内で軸方向流れの一部分を物理的に回転させて、チャネル６２内への径方向流れにするために、吸入ポート６４が、前方通路６５内に延びる１つまたは複数のスクープまたはスクープ様の形状を含むことができる。そのようなスクープは、前方通路６５の外側本体面５９に沿った多孔質材料のスロットまたは領域に加えて、あるいはその代わりに使用することができる。スロットまたは多孔質材料の代わりに使用される場合、そのようなスクープは、それがスロットへの入口を形成するように第１のポート６４の端部に配置される。流れをそれ自体の圧力の下でチャネル６２に単に吹き付けることができるようにするのに加えて、スクープは、流れの動圧の一部分が捕らえられ、チャネル６２を通る流れを動かすのに使用できるようにもする。

チャネル６２の長手方向に沿った流れは、チャネル６２の第１の部分６４の上流端と複数のスロット６０との間の圧力差によって動かされる。高圧タービン３８の両側の間で圧力降下があるので、ダクトアセンブリ３２の圧力は、高圧タービンの上流で下流よりも大きい。チャネル６２の端部が高圧タービン３８の両側に配置された場合、この自然な圧力差によって、チャネル６２が自己吸引することが可能になり、すなわちチャネル６２を通る流れは、ダクトアセンブリ３２の両側の間の既存の圧力差以外のどのような動機づけも必要としない。

少なくとも２つの注入スロット６０（本明細書では注入ノズル、ポート、または開口とも呼ばれ、それらのうちで、その形状の限定が意図されるものは１つもない）がバイパス流を遷移ダクト４０の主要な流れに注入して戻すのに使用される。遷移ダクト４０の外側本体面５９に沿った境界層流れに最も効果的にエネルギーを与えるために、バイパス流が高速で遷移ダクトの表面に沿って注入される。１つの実施形態では、この注入された流れの速度は超音速である。

複数のスロット６０は、遷移ダクト４０の外側本体面５９に沿った境界層流れに最も効果的にエネルギーを与えるために、様々な方式で配置し、整列することができる。注入ノズルを特徴付けるパラメータのいくつかの例は、ノズルが外側本体面に対する接平面に対して配置されるヨー角（円周方向の角度）およびピッチ角（径方向の角度）、ノズル開口寸法、１つまたは複数のノズル形状および構成である。

１つの実施形態では、環状のセグメントが、複数のスロット６０のうちのそれぞれ、または選択された１つに関する幾何学的形状として使用できる。そのような環状のセグメントは、単一の連続的な出口、または遷移ダクト４０の円周の周りのいくつかの個別のスロットとして形成できる。別の実施形態では、様々な寸法および形状の分離した個別の穴が、複数のスロット６０の端部にある開口に対して使用できる。たとえば、開口は当分野で知られた円形、長円形、またはその他の形状であることができる。さらに、分離した穴は、吹き付ける流れの不安定な脈動を与える上流にあるデバイスに連結できる。そのデバイスは２００５年８月１０日に提出され、その全体が参照によって本明細書に組み込まれるＭｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｆｌｏｗ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｗｉｔｈ Ｆｌｕｉｄｉｃ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒｓという名称の米国特許出願１１／２０１，９１４に全体的に記載された、機械的なまたは受動的な流体振動子（ｆｌｕｉｄｉｃ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）であることができる。

１つの実施形態では、注入された流れの流れ方向は、外側本体面５９に対して同一直線上または平行であることができる。そのような配置は、コアンダ効果を利用するステップスロットインジェクション（ｓｔｅｐ ｓｌｏｔ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ）を使用する場合に効果的であることができる。開口６０の端部から開口の下流側の外側本体面５９に円滑に流れるように続く表面を使用することによって、流れは外側本体面５９において最小値を伴った圧力分布を有する傾向になる。これは、注入されたジェットが、外側本体面５９に付着したままになり、この表面に平行に流れ、ダクト４０を通る主要な流れと同一直線上になった流れと共に遷移ダクト４０を通る全体の流れに入るのを助ける。開口６０が、局部の外側本体面５９に対して末広がりになる小さなピッチ角で流れを注入するように、それらの開口を配置することも可能である。１つの実施形態では、そのような角度は３０°より小さくなる。ノズル出口が外側本体面の滑らかな輪郭に沿って機械加工される場合に、この配置は特に効果的である。

スロット開口６０の形状は、高エネルギーの空気の注入を行うために、所望されるように構成できる。たとえば、環状の形状のスロットが使用できる。スロット開口６０は、穴、Ｖ形状、（ＮＡＣＡダクトなどの）へこんだスクープ、および当分野で知られるその他の形状などの環状のセグメント以外のその他の形状に形成することもできる。さらに、スロット開口６０は多孔質材料から形成することができ、そうすることで流れが多孔質材料を通って抽気できるようにする。

上述のように、チャネル６２を通るように流れを動かすのは高圧タービン間の圧力差である。高圧タービンの上流側の圧力は、一般に高圧タービンの下流側の圧力の約４倍にすることができる。圧力降下は通常、吸入ポート６４、チャネル６２、および注入開口６０の配管および形状による損失を考慮しても、開口６０の出口において超音速の流れをもたらすのに十分である。チャネル６２を通る流れの運動量およびエネルギーを最大限に利用するために、１つの実施形態では開口６０に対する収縮−膨張（ｃｏｎｖｅｒｇｉｎｇ−ｄｉｖｅｒｇｉｎｇ）設計が最小の衝撃波損失を伴う完全に拡張した超音波流れをもたらすのに使用できる。

開口６０のそれぞれの断面領域は、ノズルを通る流れの速度を制御するためにその長手方向に変更できる。収縮−膨張の設計は、ノズルの断面領域がノズルのスロートにおいてその長手方向に最小寸法に縮小でき、次いでスロートの下流側で再び増加するものである。別の実施形態では、単に収縮する開口６０が、チャネル６２を通る流れを遷移ダクト４０を通る主要な流れに注入して戻すのに使用される。高圧タービン間の大きな圧力差に関しては、収縮−膨張の注入開口を使用することが、衝撃波による損失を最小限に抑え、流れが出口で絞られる簡単な収縮開口と比べてより大きな流れの運動量を保つ。

拡張されたもとにおける構成で収縮−膨張の超音速開口を使用することは、同様に絞られた収縮のみのノズルと比べて、注入される運動量において４０％までの増大を得ることができる。そのような拡張された状態での構成は、開口がチャネル６２の両端間の圧力のわずかな変化に対応して安定することも可能にする。さらに、それは隣接する開口６０の間をより大きく離隔させることを可能にする。

別の実施形態では、チャネル６２の長手方向の間の圧力変動を最小限に抑え、注入開口を通る流れを安定させるのを助けるのに様々な技術が使用できる。たとえば、１つの実施形態では、ガスタービンエンジンの動作中にチャネルに沿って伝わる可能性のある圧力の変化を円滑にする緩衝部分として作用できる空間（ｖｏｌｕｍｅ）を提供するために、チャネル６２の長手方向に沿ってプレナム（ｐｌｅｎｕｍ）を備えることができる。別の実施形態では、流体振動子の配列が使用できる。流体振動子の適切な配列が、上記に示す米国特許出願１１／２０１，９１４に記載されている。

遷移ダクト３２の外側本体面５９に沿って高速の流れを注入することによって、遷移ダクトを通る境界層流れがエネルギーを与えられ、急な外壁の曲がりを通り抜け、遷移ダクト３２の外側本体面５９を剥離せずにたどることがさらに改善できる。さらに、当業者は、外側本体面５９に沿った全ての点で剥離を効果的に阻止するためにモデリングによって、境界剥離点を判定し、複数のスロット開口の間隔ならびに構成を最適化することを容易に行うことができる。

外側本体面５９に沿った境界層の剥離を効果的に防止するために、予測される剥離点の前で境界層の流れにエネルギーを与えることが望ましい。したがって１つの実施形態では、複数の開口６０が、境界層の制御がない場合に剥離が起こることが予測される点の上流側に配置される。別の実施形態では、開口は予測される剥離点に配置できる。正確な剥離点は、ガスタービンエンジンの動作状態と共に変化する可能性があることが理解されるので、注入ノズルの開口をエンジンの予測される動作状態に対応して、予測される剥離点の最も上流側のわずかに上流側の点に配置することが望ましい可能性がある。

高エネルギーの空気を外壁の境界層に注入し、タービンダクト３２を通る流れの境界層の剥離を防止するような自己吸引式ダクトを備えるガスタービンエンジンを設計することによって、いくつかの利点がエンジンの動作および設計に実現できる。１つのそのような利点は、低圧タービン２４の向上された効率によってエンジンに固有の燃料消費が低減することである。低圧タービンの外側半径が従来の設計に関してよりも大きいので、低圧タービンロータによって取り出された仕事は、ブレードスパンに沿ってより効率的に分配できる。その結果、低圧タービンの全体の効率が向上する。

別の利点は、従来設計に対して、固定された面積比および径方向変位に関して遷移ダクト３２の長さがより短くなっていることである。これによって、より長い遷移ダクト４０に関連する重量、有害抗力、および支持ハードウエアの損失を回避される。高圧タービン３８をバイパスするそのような自己吸引式チャネル６２も、要素が比較的簡単であり、同じ領域に（すなわち高圧タービンの付近に）要素の全てが配置され、それによってエンジンの効率を向上させるためのコンパクトな、複雑度の低い技術をもたらす点で、遷移ダクト境界層にエネルギーを与えるためのその他の流体的なスキームよりも有利である。

流れ制御スキーム、およびそれに関連した取出しおよび注入開口が比較的コンパクトな性質であることにより、複雑さの増加を最小限に抑えてそのようなバイパスが既存のエンジンおよびエンジン設計に後付けされることも可能になる。一般に、上述された技術は、境界層制御によって可能になるインタータービン遷移ダクト３２のより短い長さ、および最適の面積比を利用する新しいエンジンの設計中に、または設計を可能な限り小さく変更しながらエンジンの効率を向上させるために既存のエンジンもしくはエンジン設計に後付けすることに適用することができる。説明したシステムおよび技術の最も重要な利点は、新しい設計に最も良く実現できることが理解されるが、遷移ダクトに境界層制御をもたらすためにこのようなコンパクトな流れ制御スキームを後付けすることが、現在、特定の動作状態の間に遷移ダクト４０の境界層剥離の欠点があるどのようなダクト設計にも特に有益であることができる。そのような設計に関して、これらの技術の使用することで、遷移ダクトそれ自体の長さまたは角度を変更することなしに動作の利点をもたらすことができる。

上述の構成および実施形態に加えて、本明細書に説明された技術および方法を実施するその他の方法が使用できる。たとえば、１つの変形では、共通の吸入ポート６４を使用する複数のチャネル６２、またはその代わりに複数の分離した個別の吸入ポート、またはその代わりに複数の分離した個別のノズルなど、複数のチャネルが遷移ダクト４０の周りに同心的に配置できる。適宜、自己吸引式の高面積比の遷移ダクトアセンブリは、複数の吸入ポートが使用される場合に、複数の吸入ポート６４のそれぞれに吸引力を分配するために動作可能であるマニホルドまたはプレナム（図示せず）を備えることもできる。

別の実施形態では、自己吸引式の高面積比の遷移ダクトは、上述した個別のチャネル６２の代わりに環状チャネルを備えることができる。環状チャネルは、前方通路６５から径方向外側に延びる第１の円盤部分を備える。環状チャネルの第１の円盤部分は、前方通路６５の外側本体面５９の上流端内に配置されたスロット、スクープ、または多孔質のプレートなどの環状の吸入ポートまたは複数のポート６４に連結することができる。適宜、環状の吸入ポートは、前方通路６５の外側本体面５９の一部分の中またはその周りに配置される多孔質のフィルタ様の要素を備えることができる。環状のチャネルは、ダクト４０の外側本体面５９と実質的に平行でかつ同心の関係に配置された第２の円筒形部分も備える。環状のチャネルはさらに、遷移ダクト３２に向かいその中に径方向内側に延びる第３の円盤部分を備える。少なくとも２つ以上の開口６０が環状チャネルの第３の円盤部分に連結される。

別の変形は、複数の取出しポート６４が単一の円筒形の連結チャネル６２を通って複数の注入ノズル６０に連結される実施形態を含む。別の実施形態では、プレナムがチャネル６２の長手方向に沿って配置可能であり、それによって１つのプレナムが全ての取出しおよび注入ポートを通じての圧力変動を軽減し、注入ポート６０を通り外側本体面５９に沿って境界層流れの中に入る流れを安定できるようにする。

別の実施形態では、バルブシステムまたは別の能動または受動システムが、チャネル６２内のバイパス流れの利用可能性またはチャネル６２を通る流れの容積を制御するためにチャネル内に配置できる。そのような実施形態では、開口６０と組み合わさったチャネル６２が、所望される場合に境界層制御を得るために使用することができ、そのような境界層の吹付けが所望されず、または必要でない状況の下でエンジンが動作している場合に、流れから全ての損失を排除するためにスイッチを切られる。別の実施形態では、チャネル６２を通る質量流量を制御するバルブが、遷移ダクトの剥離を十分に制御するために要求された流量だけを取り出すための境界層の吹付けの動作を最適化するのに使用できる。このようにして、エンジンの動作中に高圧タービンを通る主要な流れから失われる質量流量の総量が最小になる。

別の実施形態では、説明された原理は、高圧タービンスプールの直径と、関連する低圧タービンスプールの直径との間の比率を最適化し、および／またはガスタービンエンジンの長さを最適化することによってガスタービンエンジンの性能を最適化するための方法を実施するために使用できる。これは、ガスタービンエンジンのインタータービンダクトアセンブリ３２を通ってチャネル６２に入る主要な流体の流れの一部分を分流させることを含む。好ましくは、このバイパスの流体の流れは、前方通路６５の外壁に沿った流れから取られる。バイパスの流体の流れは、境界層剥離の発生が予期される場所の上流側の点に対して遷移ダクト３２に注入される。注入された流れは、複数の環状に配列された開口６０を通って遷移ダクト３２内に排出される。１つの実施形態では、これは、上述した収縮−膨張ノズルであることができる。

説明された設計が飛行機のエンジンに限定されず、エンジンの設計のコンパクト性を損なうことなくタービンの遷移ダクト４０の面積比および直径比を最適化することが望まれる全てのタービンエンジンであることも当業者によって理解されよう。そのような例示の実施形態には、限定されずに、機関車または戦車などの地上の乗り物に関する動力装置、発電システム、または飛行機の補助動力ユニットを含めることができる。

したがって、上述のガスタービンエンジンダクト用のバイパスチャネルの様々な実施形態は、性能の低下を生じる程度までタービンの間の遷移ダクトを長くすることなく、高圧タービンと低圧タービンの間のより最適な面積比および直径比を達成する方式を提供する。これらの技術およびシステムは、タービンエンジンの設計者がより軸方向にコンパクトな設計を使用する場合に直面する遷移ダクトの境界層の流れの剥離に関する性能の欠点に悩む必要なく、より最適な面積比および直径比を達成する遷移ダクトを設計することも可能にする。

当然のことながら、必ずしも特定の実施形態にしたがって上述したこのような全ての目的または利点が達成できる必要はないことが理解される。したがって、たとえば、当業者は、本明細書で説明されたシステムおよび技術は、本明細書で教示されまたは示唆できるようなその他の目的または利点を必ずしも達成することなく、本明細書に教示されるような１つの利点または利点の群を達成しまたは最適化する様式で実施または実行できることを理解するであろう。

さらに、当業者は、異なる実施形態から様々な特徴の互換性を理解するであろう。たとえば、１つの実施形態に対して説明された吸入ポートと関連したスクープの使用は、別の実施形態に対して説明された環状のチャネルと共に使用するために適合できる。同様に、説明された様々な特徴、ならびにそれぞれの特徴に対するその他の知られた等価物は、本開示の原理にしたがってダクトアセンブリを構築するために、当業者によって組み合せ、適合されることが可能である。

本開示によるインタータービン遷移ダクトアセンブリを備える例示のガスタービンエンジンの部分断面図である。 インタータービン遷移ダクトの断面図である。 １つの実施形態によるインタータービン遷移ダクトのバイパスダクトの断面図である。 別の実施形態によるインタータービン遷移ダクトのバイパスダクトの断面図である。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ 長手方向または軸方向の中心線軸
１４ ファン
１６ ブースタコンプレッサ
１８ 高圧コンプレッサ
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン（ＨＰＴ）
２４ 低圧タービン（ＬＰＴ）
２６ 周囲空気
２８ 圧縮された空気
３０ 高温燃焼ガス
３２ インタータービン遷移ダクトアセンブリ
３４ ノズル（ＬＰＴ）
３６ ノズル（ＨＰＴ）
３８ 高圧タービンロータ
４０ インタータービンダクト
４２ 低圧タービンスプール
４４ 高圧タービンスプール
４６ 上流端
４８ 下流端
５０ 高さ
５２ 高さ
５４ 外側本体面
５６ 長さ
５８ 内側本体面
５９ 外側本体面
６０ 複数のスロット
６２ 単一のチャネル
６４ 吸入ポート
６５ 前方通路
７０ 個別チャネル
７２ 個別チャネル
７４ 個別チャネル
７６ 個別チャネル
７８ 個別吸入ポート
８０ 個別吸入ポート
８２ 個別吸入ポート
８４ 個別吸入ポート

Claims (8)

1. タービンエンジン（１０）のためのインタータービンダクトアセンブリ（３２）であって、
   燃焼器（２０）の下流に位置する高圧タービン（２２）に流体的に連結された上流側部分（４６）、および低圧タービン（２４）に流体的に連結された下流側部分（４８）を有するダクト（４０）であって、内側本体面（５８）および外側本体面（５４、５９）を備え、前記ダクト（４０）が高圧と低圧のタービン（２２、２４）の間に主要な流体の流れを定めるダクト（４０）と、
   前記ダクトの前記外側本体面（５４、５９）の前記高圧タービン（２２）の上流側に配置された吸入ポート（６４）と、
   前記高圧タービンの下流側且つ前記低圧タービンの上流側で、前記ダクトの前記外側本体面（５４，５９）に沿って配置された少なくとも２つの注入開口（６０）と、
   前記吸入ポート（６４）および前記少なくとも２つの注入開口（６０）と流体連通するチャネル（６２）であって、前記吸入ポート（６４）と前記少なくとも２つの注入開口（６０）との間にバイパス流体流路を画成するチャネル（６２）とを備えるダクトアセンブリ。
2. 前記吸入ポート（６４）がコンプレッサと高圧タービン（２２）の中間の位置で主要な流路と流体連通する、請求項１記載のダクトアセンブリ（３２）。
3. 前記少なくとも２つの注入開口（６０）のそれぞれが境界剥離点においてまたはその前で前記ダクト（４０）の前記外側本体面（５４、５９）に沿って横方向に配置される、請求項１または２記載のダクトアセンブリ（３２）。
4. 前記ダクト（４０）が、高圧タービンロータの高さ（５０）の２倍より大きい長さ（５６）と、４０°以上の傾斜とを有する、請求項１乃至３のいずれか１項記載のダクトアセンブリ（３２）。
5. 前記少なくとも２つの注入開口（６０）のそれぞれが前記外側本体面（５４、５９）の周りに環状のスロットを備える、請求項１乃至４のいずれか１項記載のダクトアセンブリ（３２）。
6. 前記チャネル（６２）が流体振動子の配列をさらに備える、請求項１乃至５のいずれか１項記載のダクトアセンブリ（３２）。
7. 前記少なくとも２つの注入開口（６０）は、前記外側本体面（５４、５９）の周りに円周方向に配置されたスロットであることを特徴とする、請求項１に記載のダクトアセンブリ（３２）。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項記載の前記ダクトアセンブリ（３２）を備えるタービンエンジン（１０）。
   

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