JP2002201964A - ガス噴射器システム及びその製造 - Google Patents
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Abstract
(22)の壁にプレナム開口部(34)を有するプレナ
ム(22)を含む。噴射器(36)が、プレナム開口部
(34)の上に重なる位置に配設される。噴射器(3
6)は、プレナム壁(24)の外面(26)に取り付け
られた噴射器ブロック(38)と、噴射器ブロック(3
8)とプレナム壁(24)の間の接合部(40)と、噴
射器ブロック(38)を通って噴射器通路入口(44)
から噴射器通路出口(46)へ延びる、角度を持たせて
傾斜した噴射器通路(42)とを含む。噴射器ブロック
(38)は、プレナム壁(24)に、高温の用途では蝋
付けされるのが好ましく、低温の用途では接着されるの
が好ましい。
Description
ガスの傾斜噴射に関し、より具体的には、噴射装置及び
その製造に関する。
路を通り、傾斜した噴射角度でガスを空間へ噴射するこ
とは時々必要である。例として、ガスタービンエンジン
のターボ機械において、冷却空気は、環状プレナムから
該プレナムと回転シャフトとの間のキャビティへ傾斜し
た噴射角度で噴射される。局部的ホットスポットにつな
がる乱流を避けるため、冷却空気は軸線方向に対して角
度をもたせて噴射されねばならず、意図した方向へ安定
した方法で流れることを保証するため、該空気は管を通
って流れ出なければならない。
成することは、望ましい傾斜した流れ方向及び流れの一
様性を生み出さない。穴を開けた取付部品をプレナム壁
に溶接することもできるが、取付部品の溶接には費用と
時間がかかる。
分に厚く作られ、必要な場所と角度で傾斜した通路に穴
あけする。この解決は実施可能であるが、厚い壁のプレ
ナムを用いることが必要であり、構造に必要以上の重量
を付加することになる。さらに別の手法では、必要な通
路を穴あけされたリングが、プレナム壁に溶接され、該
壁の一部を形成している。この手法は実施可能である
が、溶接が必要とされるため、実施するのに費用がかか
り、また必要以上の重量を付加することになる。通路の
大きさ及び配向の変更は困難であり、リングを取り替え
ることが必要になる。
全に満足のいくものはなかった。プレナムからのガス噴
射への改良された手法の必要性がある。本発明はこの必
要性を満たし、更に関連する利点を提供する。
ための方法を提供する。ガス噴射器システムは、薄い壁
のプレナムのようなプレナムを通して供給されるガスと
共に作動する。ガス噴射器は、傾斜した噴射角度の細長
いガス流通路を提供する。ガス流通路の多種多様な形
状、大きさ、及び配置を利用し、製造することが可能で
ある。ガス噴射器はプレナムとは別に製造され、それか
らプレナムに取り付けられる。また、必要ならばプレナ
ムから取り外し、取り替えることもできる。
ム壁と、外面に平行な局部接線方向及び外面に垂直な局
部垂線方向とを有するプレナムを含む。プレナムはどん
な厚さであってもよいが、通常は比較的薄い板金であ
る。プレナム壁にはプレナム開口部がある。噴射器は、
プレナム開口部の上に重なる位置に配設される。噴射器
は、プレナム壁に取り付けられた噴射器ブロックと、該
噴射器ブロックとプレナム壁との間の接合部と、噴射器
ブロックを通って噴射器通路入口から噴射器通路出口へ
延びる噴射器通路とを含む。噴射器通路出口は、局部垂
線方向から離れ局部接線方向に向かう0度より大きい噴
射角度に配向される。噴射器入口はプレナム開口と整合
する。典型的な実施形態では、プレナムは、プレナム壁
内に複数の開口部と、該開口部の各々について一つの噴
射器とを有する。
っすぐであり、一定の直径からなる。しかしながら、他
の形態では、噴射器通路は、湾曲し及び/又は一定でな
い直径、非円形の断面とすることができ、或いはノズル
の形態であってもよい。噴射器ブロックには、一つ又は
それ以上の噴射器通路を設けることができる。噴射器通
路(単数又は複数)から出るガスの噴射角度は、いかな
る作動可能方向に配向されてもよく、典型的には、局部
垂線方向から約50度から約70度である。接合部は、
高温の用途には蝋付けされた接合部が、又は低温の用途
には接着された接合部が好ましく、どちらも従来の手法
で用いられる溶接より便利でかつより安価である。
噴射器システムは、ガスプレナムと回転するターボ機械
シャフトの間のキャビティ内に、回転方向に向かうよう
にガスを噴射する。この実施形態では、ガス噴射器シス
テムは、環状中心線と、外面を有するプレナム壁と、外
面に平行な周方向の局部接線方向と、外面に垂直な局部
垂線方向とを有する環状プレナムを含む。環状プレナム
壁には複数のプレナム開口部が形成され、該プレナム開
口部は環状プレナムの周方向バンドに沿って間隔をおい
て配設される。環状プレナムの周方向バンドは、典型的
には、環状中心線に対して内向きに面している。噴射器
システムは複数の噴射器を含み、各々の噴射器はプレナ
ム開口部の一つの上に重なる位置に配設される。各々の
噴射器は、プレナム壁に取り付けられた噴射器ブロック
と、該噴射器ブロックとプレナム壁との間の接合部と、
噴射器ブロックを通って噴射器通路入口から噴射器通路
出口へ延びる噴射器通路とを含む。噴射器通路出口は、
局部垂線方向から離れ周方向の局部接線方向に向かう0
度より大きい噴射角度で配向される。
通って噴射器通路入口から噴射器通路出口へ延びる噴射
器通路を有する噴射器ブロックを製造すること、外面を
有するプレナム壁と、プレナム壁を貫通する開口部とを
有するガスプレナムを設けること、及び、噴射器通路入
口がプレナム壁を貫通する該開口部に整合するように噴
射器ブロックをプレナム壁に取り付けることによって形
成される。後に、望むならば噴射器ブロックを取り外
し、異なる形状の噴射器通路(単数又は複数)を有する
新たな噴射器ブロックをプレナム壁に取り付けることが
できる。噴射器ブロックは、該噴射器ブロック内に設け
られた噴射通路と一緒に簡便に鋳造され、或いは、該噴
射通路は噴射器ブロック内に機械加工することができ
る。一つ又はそれ以上の一体化した噴射通路を伴う噴射
器ブロックを鋳造することで、該通路の形状、大きさ、
及び形態の選択に大きな柔軟性が得られる。
噴射器システムを提供する。薄い壁のプレナムでさえ
も、プレナムから必要とされるようにガスを噴射するこ
とができる。本発明の他の特徴と利点は、例として本発
明の本質を図示した添付図面と関連付けた、以下の好ま
しい実施形態のより詳細な説明から明らかになろう。し
かしながら、本発明の範囲はこの好ましい実施形態に限
定されるものではない。
ガスを噴射するガス噴射器システム20を示す。ガス噴
射器システム20は、外面26をもつプレナム壁24を
有する中空のガスプレナム22を含む。プレナム壁24
は、いかなる作動可能な構造であってもよいが、通常の
場合は比較的薄い板金である。ガスはガス源(図示せ
ず)からプレナム22へ供給される。ガス噴射器システ
ム20は、外面26と平行な局部接線方向28及び外面
26と垂直な局部垂線方向30を参照して更に詳述され
る。局部接線方向28は、噴射ベクトル32の外面26
上へのベクトル投影であり、ガスがガス噴射器システム
20から流れる方向である。ガス噴射器システム20を
湾曲外面26に関連して用いることができるため、用語
「局部」は、外面26上の特定の位置におけるこれらの
方向28及び方向30を指して用いられる。局部接線方
向28は局部ガス流方向33に平行であることが好まし
く、通常よくあるとおり、そこには噴射器36を通る周
囲ガス流がある。プレナム22はプレナム壁24内にプ
レナム開口部34を有する。
射器36が配設される。噴射器36は、噴射器ブロック
38とプレナム壁24との間の接合部40でプレナム壁
24に取り付けられた噴射器ブロック38を含む。接合
部40は、ガス噴射器20が高温で作動するときは、蝋
付け接合であることが好ましく、或いはガス噴射器20
が室温又は中程度に上昇した温度で作動するときは、接
着接合であることが好ましい。
部を通って噴射器通路入口44から噴射器通路出口46
へ延びる。製造中に噴射器通路入口44とプレナム開口
部34の心ずれに幾らかの許容差があるようにするた
め、プレナム開口部34の大きさ及び面積が、噴射器通
路入口44の大きさ及び面積より大きいことが好まし
い。噴射器ブロック38は、プレナム開口部34の残り
の部分を閉じ、密封する。噴射ベクトル32は、噴射器
通路出口46からガスが進む方向である。噴射器通路4
2を通るガス流を安定させるため、噴射器通路42の直
径Dに対する噴射器通路42の長さLの比L/Dが少な
くとも2/1であるのが好ましく、更に2/1よりも大
きい方が好ましい。
と噴射ベクトル32との間の噴射角度Iで配向されてい
る。噴射角度Iは、局部垂線方向30から0度より大き
く離れ、局部接線方向28の方向へ傾斜しており、噴射
ベクトル32は、通常は局部接線方向28の上に投影さ
れる。噴射角度Iは約50度から約70度までであるの
が好ましく、約60度であるのが最も好ましい。ガス噴
射器システムを組み込むシステムにおいてガス流の必要
条件によって、所定の噴射角度Iが判断されるものであ
り、本手法は、あらゆる広範囲の噴射角度Iに適合す
る。必ずしも必要ではないが、典型的には、噴射器通路
入口44はプレナム開口部34と整合する。
から流れ、プレナム22を通り、プレナム開口部34を
通り、噴射器通路入口44を通って噴射器通路42へ入
り、噴射器通路42に沿って噴射器通路出口46から噴
射ベクトル32の方向へ流出する。
ブロック38は、局部ガス流方向によって表わされるよ
うな局部ガス流内に突出する。噴射器ブロック38の前
縁48は、図に示すように、噴射器ブロック38によっ
て引き起こされる空気流抵抗及び乱流の発生を減少させ
るように先細りにすることができる。
ック38は、外面26と同一平面になるように埋め込ま
れる(或いは外面26より下になってもよい)。この場
合、接合部40は、プレナム壁24の内面49に設けら
れる。噴射器ブロック38を埋め込むことが、噴射器ブ
ロックによって引き起こされる空気流抵抗と乱流の発生
を排除する。図3において適切な場合には、同じ名称及
び参照数字を用いて図1及び図2の実施形態と共通の構
成部品を示し、ここに前述の説明を組み込む。
つ、ほぼ一定の直径と断面の大きさをもった噴射器通路
42を図示する。噴射器通路は、いかなる作動可能な形
態であってもよく、図4から図6の平面図において3つ
他の作動可能な形態が示されており、そこでは内部の通
路構造が点線で示されている。図4では、共通の噴射器
通路入口44と3つの別個の噴射器通路出口46を有す
る3本の噴射器通路42があり、該3本の噴射器通路
は、互いに平行であっても、或いは平行でなくてもよ
い。噴射器通路42は、断面において円形であっても、
又は非円形であってもよい。図5では、噴射器通路42
は断面直径及び大きさが一定ではなく、この場合、該噴
射器通路は、噴射器通路入口44から噴射器通路出口4
6に向けて拡がる拡開ノズルを形成しており、噴射器通
路出口46から出るガス流が拡がるようにする。図6で
は、噴射器通路42は一定の断面直径及び大きさにつく
られていず、該噴射器通路は、収斂−拡開ノズルを形成
するように、噴射器通路入口44から噴射器通路出口4
6に向かってまず収斂し、次に拡がっていく形態を有す
る。噴射器通路42を通るガスに特定の流れ特性を与え
るように、これら及び他の形態の噴射器通路42を選択
することができる。
械におけるガス噴射器システムの用途を示す。幾つかの
要素は前述のガス噴射器システムと共通である。適切な
場合には、図7の説明において同じ名称及び参照数字が
用いられ、ここに前述の説明が組み込まれる。タービン
ディスク50が回転シャフト52に支持されている。環
状プレナム54が、シャフト52の一部の周りに配設さ
れ、該プレナム54はシャフト52の回転軸線と一致す
る環状中心線56を有する。噴射器ブロック38の位置
において、局部垂線方向30は、プレナム54の壁24
に垂直である。局部接線方向28は、プレナム54の表
面沿いに位置する。複数の噴射器ブロック38が、プレ
ナム54の壁24上に形成される周方向バンド55に沿
って配置される。この場合、周方向バンド55及び噴射
器ブロック38は、環状中心線56に対し内向きに面し
ているが、他の状況では、他の配置を用いることができ
る。
って流れ、図7では示されないが局部接線方向28上に
投影する噴射ベクトルに沿い、噴射器ブロック38を通
って流出する。噴射された冷却空気は、運動量の主要部
分がシャフト52の回転方向に平行になるような状態で
シャフト52とプレナム54の間のキャビティ58に流
入する。この配置はキャビティ58内での望ましくない
乱流及び気擦効果を回避する。
い手法を示す。噴射器ブロック38が製造される(符号
70)。噴射器ブロック38は、いかなる作動可能な手
法によっても製造される。好ましい手法では、噴射器ブ
ロックは、噴射器通路42が所定の位置に鋳造されるよ
うにして、所要の大きさ及び形状に鋳造される。そのよ
うな鋳造をなすため、噴射器通路42の大きさ及び形状
の鋳型芯又は石英棒を鋳型に配置し、溶融した金属を鋳
型に流し込み、硬化させる。鋳型芯又は石英棒を取り除
くと、所定の位置に鋳造された噴射器通路を有する噴射
器ブロック38が得られる。代わりに、噴射器ブロック
38を、固形塊として鋳造、鍛造又は機械加工し、噴射
器通路42を噴射器ブロック38内に機械加工してもよ
い。コストが低く、また図4から図6に示すような非円
筒形の内部通路が形成できるので、適切な事例において
は、鋳型芯を用いる鋳造手法は好ましいものである。噴
射器ブロック38には、ガス噴射の用途に適したどんな
材料を用いてもよい。Alloy Inco 718、
Rene 77、及びA286が、それぞれ、中温、高
温、低温の用途に好ましいが、使用される材料の種類に
制限はない。
レナム開口部(単数又は複数)34が機械加工されて、
ガスプレナム(22又は54)が設けられる(符号7
2)。プレナム開口部34の位置はそのシステムのガス
流必要条件によって決められるもので、これらの位置を
定めることは本発明の範囲内ではない。
うに、噴射器ブロック38がガスプレナム(22又は5
4)に取り付けられる(符号74)。前述のように、取
付け工程74の間、僅かな心ずれを許容できるように、
各々の噴射器ブロック38の噴射器通路入口44に対し
てプレナム開口部34が大きく作られることが好まし
い。噴射器ブロックは、作動可能なあらゆる手法によっ
て取り付けられる。図7のガスタービンエンジン用途の
ような高温での用途では、噴射器ブロック38はプレナ
ム壁24に蝋付けされることが好ましい。蝋付け材料及
び手法は、その他の用途のための技術において周知であ
る。蝋付けは、薄板金で作られている通常のプレナムの
比較的薄い壁に、噴射器ブロック38が取り付られるこ
とを可能にする。蝋付けの代わりに、溶接や機械的締め
具を用いることもできる。これらの技術は、薄い壁のプ
レナムに噴射器ブロック38を取り付けるためには、全
く適切ではないが、他の用途では選択肢に入る取付け方
法である。
できる。
る温度まで構造物を加熱し、また噴射器ブロック38を
プレナムから離して持ち上げることによって、噴射器ブ
ロック38を容易に取り外すことができることである
(符号76)。1つ又はそれ以上の噴射器ブロックを取
り外すことは、噴射器ブロック38(1つ又は複数)を
修理するため、あるいは、第1のセットの噴射器ブロッ
クを、異なるパターン又は形式の噴射器通路42を有す
る噴射器ブロックの別のセットに交換するために必要と
なる場合がある。
述してきたが、本発明の技術思想と技術的範囲から外れ
ることなく様々な修正及び改良をなすことができる。従
って、本発明は特許請求の範囲による以外は限定される
べきでない。
の概略断面図。
ステムの噴射器ブロックの他の実施形態の平面図。
ステムの噴射器ブロックの他の実施形態の平面図。
ステムの噴射器ブロックの他の実施形態の平面図。
側面断面図。
れ図。
Claims (21)
- 【請求項1】 外面(26)をもつプレナム壁(24)
と、前記外面(26)に平行な局部接線方向(28)
と、前記外面(26)に垂直な局部垂線方向(30)と
を有するプレナム(22)と、 前記プレナム壁(24)内のプレナム開口部(34)
と、 前記プレナム開口部(34)に重なる位置に配設された
噴射器(36)と、を備え、該噴射器(36)は、 前記プレナム壁(24)に取り付けられた噴射器ブロッ
ク(38)と、 前記噴射器ブロック(38)と前記プレナム壁(24)
との間の接合部(40)と、 前記噴射器ブロック(38)を通って噴射器通路入口
(44)から噴射器通路出口(46)へ延びる少なくと
も一つの噴射器通路(42)と、を含み、 各々の前記噴射器通路出口(46)は、前記局部垂線方
向(30)から離れ前記局部接線方向(28)に向かう
0度より大きい噴射角度で配向されている、ことを特徴
とするガス噴射器システム(20)。 - 【請求項2】 前記プレナム(22)が薄板金でできて
いることを特徴とする、請求項1に記載のガス噴射器シ
ステム(20)。 - 【請求項3】 前記噴射器通路(42)が実質的にまっ
すぐであることを特徴とする、請求項1に記載のガス噴
射器システム(20)。 - 【請求項4】 前記噴射器通路(42)は断面が円形で
あることを特徴とする、請求項1に記載のガス噴射器シ
ステム(20)。 - 【請求項5】 前記噴射器通路(42)の断面の大きさ
が一定でないことを特徴とする、請求項1に記載のガス
噴射器システム(20)。 - 【請求項6】 噴射角度が約50度から約70度までで
あることを特徴とする、請求項1に記載のガス噴射器シ
ステム(20)。 - 【請求項7】 接合部(40)が蝋付けされた接合部
(40)であることを特徴とする、請求項1に記載のガ
ス噴射器システム(20)。 - 【請求項8】 前記プレナム開口部(34)は、面積が
前記噴射器通路入口(44)より大きいことを特徴とす
る、請求項1に記載のガス噴射器システム(20)。 - 【請求項9】 前記プレナム(22)が、前記プレナム
壁(24)内の複数の開口部(34)と、該開口部(3
4)の各々について各一つの噴射器ブロック(38)と
を有することを特徴とする、請求項1に記載のガス噴射
システム。 - 【請求項10】 噴射器ブロック(38)が鋳造構造で
あることを特徴とする、請求項1に記載のガス噴射器シ
ステム(20)。 - 【請求項11】 環状中心線(56)と、外面(26)
をもつプレナム壁(24)と、前記外面(26)に平行
な周方向の局部接線方向(28)と、前記外面(26)
に垂直な局部垂線方向(30)とを有する環状プレナム
(54)と、 前記環状プレナム(54)の周方向バンド(55)に沿
って間隔を置いて配設された、前記環状プレナム(5
4)の壁内の複数のプレナム開口部(34)と、各々が
前記プレナム開口部(34)の一つに重なる位置に配設
されている複数の噴射器(36)と、を含み、各々の該
噴射器(36)は、 前記プレナム壁(24)に取り付けられた噴射器ブロッ
ク(38)と、 前記噴射器ブロック(38)と前記プレナム壁(24)
との間の接合部(40)と、 前記噴射器ブロック(38)を通って噴射器通路入口
(44)から噴射器通路出口(46)へ延びる少なくと
も一つの噴射器通路(42)と、を含み、 各々の前記噴射器通路出口(46)は、前記局部垂線方
向(30)から離れ前記周方向の局部接線方向(28)
に向かう0度より大きい噴射角度で配向されている、こ
とを特徴とするガス噴射器システム(20)。 - 【請求項12】 環状プレナム(54)が薄板金ででき
ていることを特徴とする、請求項11に記載のガス噴射
器システム(20)。 - 【請求項13】 噴射角度が約50度から約70度まで
であることを特徴とする、請求項11に記載のガス噴射
器システム(20)。 - 【請求項14】 前記接合部(40)が蝋付けされた接
合部(40)であることを特徴とする、請求項11に記
載のガス噴射器システム(20)。 - 【請求項15】 前記プレナム開口部(34)は、面積
が噴射器通路入口(44)より大きいことを特徴とす
る、請求項11に記載のガス噴射器システム(20)。 - 【請求項16】 前記噴射器通路(42)の断面の大き
さが一定でないことを特徴とする、請求項11に記載の
ガス噴射器システム(20)。 - 【請求項17】 前記環状プレナム(54)に隣接して
回転するように配設されたターボ機械シャフト(52)
を更に含むことを特徴とする、請求項11に記載のガス
噴射器システム(20)。 - 【請求項18】 前記環状プレナム(54)の前記周方
向バンド(55)が前記環状中心線(56)に対して内
向きに面すること特徴とする、請求項11に記載のガス
噴射器システム(20)。 - 【請求項19】 ガス噴射器システム(20)を製造す
る方法であって、 噴射器通路入口(44)から噴射器通路出口(46)へ
貫通して延びる噴射器通路(42)を有する噴射器ブロ
ック(38)を製造する段階と、 外面(26)を有するプレナム壁(24)と、該プレナ
ム壁(24)を貫通するプレナム開口部(34)とを有
するガスプレナム(22)を設ける段階と、 前記噴射器ブロック(38)を、前記プレナム開口部
(34)の上に重なる位置で前記プレナム壁(24)に
取り付ける段階と、を含むことを特徴とする方法。 - 【請求項20】 前記製造する段階が、 内部に設けられた噴射器通路と共に噴射器ブロックを鋳
造する段階、を含むことを特徴とする、請求項19に記
載の方法。 - 【請求項21】 前記取り付ける段階が、 前記噴射器ブロック(38)を前記プレナム壁(24)
に蝋付けする段階、を含むことを特徴とする、請求項1
9に記載の方法。
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