JP2008002462A - ガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタおよびその寸法設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ブリードエアを適切に排出するブリードデフレクタの寸法設定方法を提供する。
【解決手段】バイパスダクトによる寸法制約条件を決定し（ステップ６０５）、最大ブリードエア流量およびバイパスダクトによる寸法制約条件から必要とされるデフレクタの数を決定し（ステップ６１０）、最大ブリードエア流量からデフレクタ当たりのスロット総面積を決定し（ステップ６１５）、バイパスダクトによる寸法制約条件からデフレクタ高さｈを決定し（ステップ６２０）、スロット総面積の２倍に基づいてフローコンパートメントセクション断面積を得て、フローコンパートメントセクション断面積からデフレクタ幅ｗを得て（ステップ６２５）、デフレクタ幅ｗからデフレクタ長さｌを得て（ステップ６３０）、スロット長さをフローコンパートメントセクション２０７の長さから決定し（ステップ６３５）、スロット高さをバイパスダクト空気流の流速プロファイルから決定する（ステップ６４０）。
【選択図】図６

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンの分野に関する。より詳細には、本発明は、効率的なスロット付きブリードデフレクタに関する。

従来の高圧圧縮機のブリードエアの排出設計は、高温のエンジンブリードエアをファンダクト内に誘導する管状デフレクタの設計、またはベーン付きデフレクタの設計からなる。これらの構成では、多くの場合、内部ファンダクト壁および外部ファンダクト壁に衝突したブリードエア噴流によって、ファンダクト壁の温度が温度限界を超える構造上の問題が生じる。排出ブリードエアは、一般に、約４２６〜５３７°C（８００〜１０００°Ｆ）の範囲にあり、一方、ファン空気は、公称約１１５°C（２４０°Ｆ）である。ダクト材料の温度限界は、約１４８〜１７６°C（３００〜３５０°Ｆ）程度である。

排気が急激に流れ出る排出口（ｆｌｕｓｈ ｏｕｔｌｅｔ）を使用する装置は、比較的低温のファン空気が直ちに排出口の下流に到達することができず、この装置からの高温排出流を希釈することができないため、ダクト内壁の焼損を引き起こすことが分かっている。

ダクト内壁の焼損の問題を回避するブリードデフレクタの開発が行われている。依然として、ブリードエアをガスタービンエンジンの圧縮機から効率よく排出するブリードデフレクタが求められている。

各種ブリードデフレクタがあるが、これらのデフレクタは、ガスタービンエンジンに関しては、不十分である。本発明者によって判明したのは、高温のブリードエアを、より低温のバイパス空気流内に十分に分散させる効率的なブリードデフレクタを有することにより、ダクト内壁またはダクト外壁に悪影響が生じないことである。

本発明の一態様は、ガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタを提供する。本発明のこの態様によるデフレクタは、ブリードエアをエンジンから受け取る吸込口部分と、そのブリードエアをバイパスダクト内に分配する本体と、を備えるとともに、この本体は、前縁セクションと、後縁セクションと、フローコンパートメントセクションと、を備え、かつこのフローコンパートメントセクションが、バイパスダクト内壁の上方でブリードエアを分配する。

本発明の他の態様は、最大ブリードエア流量およびバイパスダクト空気流の流速プロファイルを有するガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法である。この態様による方法は、バイパスダクトによる寸法制約条件を決定し、バイパスダクトによる寸法制約条件からデフレクタ高さｈを決定し、最大ブリードエア流量およびバイパスダクトによる寸法制約条件から必要とされるデフレクタの数を決定し、最大ブリードエア流量からデフレクタ当たりのスロット総面積を決定し、スロット総面積の２倍に基づいてフローコンパートメントセクション断面積を導出し、フローコンパートメントセクション断面積からデフレクタ幅ｗを導出し、デフレクタ幅ｗからデフレクタ長さｌを導出する。

本発明の実施形態については、同様の番号が全体にわたって同様の要素を表す添付の図面を参照して述べる。さらに、本明細書で使用されている表現および用語は説明するためのものであり、限定するものとみなすべきでないことを理解されたい。本明細書における「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、または「有する（ｈａｖｉｎｇ）」、およびそれらの変形形態の使用は、その後にリストされている項目とそれらの均等物、ならびに追加の項目を包含するものとする。「取り付けられる（ｍｏｕｎｔｅｄ）」、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」、および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」という用語は、広義に使用され、直接的な、および間接的な取付け、接続、結合を共に包含する。さらに、「接続される（ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）」および「結合される（ｃｏｕｐｌｅｄ）」は、物理的な、または機械的な接続または結合に制限されない。

図１〜図４を参照すると、本発明によるスロット付きブリードデフレクタ１０１が示されている。スロット付きブリードデフレクタ１０１は、ガスタービンエンジンの圧縮機段ブリードプレナム１０３からブリードエアを受け取る吸込口部分２０１を有する。スロット付きブリードデフレクタ１０１はさらに、ファンダクト３０１の内壁１０９の上方を流れる制御されたバイパス空気流に、ブリードエア１０５，１０７を分配する本体２０３を有する。

本体２０３は、抗力を最小限に抑えるとともに、バイパスエンジンファン（図示せず）によって生じた希釈空気が妨げられずに３つの露出表面を覆って流れるように、空気力学的形状をなしている。これにより、エンジンの低出力動作中および高出力動作中、または万が一ブリードバルブ（図示せず）の漏れがあった場合であっても、高温のブリードガス１０５，１０７が、ダクト内壁１０９と接触することがなくなる。

本体２０３は、３つのセクション、すなわち、前縁セクション２０５と、後縁セクション２０９と、高温のブリードエアを分配するフローコンパートメントセクション２０７と、を備える。好ましい実施形態では、フローコンパートメントセクション２０７は、前縁セクション２０５と後縁セクション２０９との間で延びる、弓形で非直線状の側面２１１，２１３を有する。他の実施形態では、フローコンパートメントセクション２０７は、前縁セクション２０５と後縁セクション２０９との間に延びる直線状の側面である。フローコンパートメントセクション２０７は、完全に中空であってもよく、両方の側面２１１，２１３の内部表面同士の間にかかる内部支え（ｂｒａｃｉｎｇ）を有する中空であってもよく、あるいはフローコンパートメントセクション２０７の高さに及ぶ内部チャネルを備えていてもよい。

ブリードエア流が、プレナム１０３を通り吸込口２０１を介してフローコンパートメントセクション２０７へと通過することができるように、フローコンパートメントセクション２０７は吸込口２０１に結合される。吸込口入口２２１が略円形である場合、その面積が略四角形である吸込口２０１の出口領域２２３の面積にほぼ等しくなるように、吸込口２０１は、寸法が決定される。吸込口２０１は、制限要素としては働かない。前縁２０５および後縁２０９の本体セクションの各々は、本体２０３と一体に形成または接合された底面２１７，２１９を備える。頂面２１５は、前縁セクション２０５、フローコンパートメントセクション２０７および後縁セクション２０９を覆う。デフレクタ１０１は、高品位ステンレス鋼から製造されることが好ましい。ブリードエア温度要件を満たす他の材料もまた、使用することができる。

本体２０３は、高さｈと、長さｌと、フローコンパートメントセクション２０７の長さｌ₁と、幅ｗと、高温のエンジンブリードエア１０５，１０７を分配し排気するためのフローコンパートメントセクション２０７の各側面に位置するスロットｓ₁，ｓ₂，ｓ₃，ｓ₄，ｓ₅，．．．ｓ_Nの数ｎと、を有する。各スロットｓ_nの面積ｓ_{n_area}は、ブリードエアがダクト内壁１０９と接触しないように予め決定される。

好ましい実施形態では、ブリードデフレクタ１０１は、ｎ＝５の場合、１０個のスロットを備える。５つのスロットが、フローコンパートメントセクション２０７の各々の側面に位置する。他の実施形態においては、両側面のスロットの数が等しくなくても良く、両側面で任意の数のスロットを使用することができる。ブリードデフレクタ１０１が端壁４０１，４０３付近に位置する場合、端壁４０１，４０３の表面を過熱するのを最小限に抑えるために、デフレクタの一方の側面は、スロットの数が他方の側面のスロットの数より少なくてもよく、あるいはスロットがなくてもよい。

スロット総面積ｓ_{total_area}は、そのデフレクタに対する最大ブリード流要件に基づくものである。ブリード流要件はエンジンのパラメータであり、エンジン用途に応じて使用されるデフレクタ１０１の数については、最大のブリード流ｆ_{bleed_max}と、使用可能なバイパスダクト空間と、を考慮する。スロットｓ_nの長さは、フローコンパートメントセクション２０７（側壁）の長さｌ₁に亘ってもよく、場合によっては、フローコンパートメントセクション２０７（側壁）の長さｌ₁に満たなくてもよい。フローコンパートメントセクション２０７のスロット同士の間の領域によって、ファン空気流が、デフレクタ１０１の後縁セクション２０９の側面を覆って、乱れることなくなめらかに流れることが可能となる。デフレクタ１０１から排気されるブリードエア１０５，１０７は、後縁セクション２０９を超えて流れ、後縁セクション２０９に接触しない。

各デフレクタ１０１の高さｈは、局所的なファン空気流の流速に比例する。大抵のガスタービンでは、ファン空気流の排出速度プロファイルは、図５に示されているように、ダクト内壁１０９付近から急速に増大する。

スロットの寸法設定では、開口の最も小さな（最も制限的な）スロットを、ファン空気流の流速が最も遅い場所に配置することによって、高温のブリードエアが低温のファン空気流３０３と混合するのを最大化する。通常、速度が最も遅いのは、バイパスファン流が最小であるダクト内壁１０９付近である。これにより、大量の高温ブリードエアが、混合を介してダクト内壁１０９の複合材料に衝突するのが防がれる。ダクト内壁１０９および支持用支柱１１１，１１３を含む、典型的なナセル内部固定構造物は、構造的安定性を失うおそれがあるので、約１４８°C（３００°Ｆ）までしか加熱することができない。ブリードエアは、約５３７°C（１０００°Ｆ）を超える可能性がある。複合体ナセルは金属ナセルより容易に焼損するので、スロット付きブリードデフレクタ１０１は、複合体ナセルに特に有用である。

本発明の方法が図６に示されている。所定のガスタービンエンジンの用途に応じてデフレクタ１０１を構成するために、エンジン動作パラメータに基づく最大ブリードエア流量ｆ_{bleed_max}が決定される（ステップ６０５）。最大ブリードエア流量およびバイパスダクトによる物理的な寸法の制約条件から、デフレクタの数が決定される（ステップ６１０）。典型的には、１つまたは２つのデフレクタ１０１で十分である。本発明の方法を用いた後で、デフレクタが大きすぎる場合には、数を増やすことができる。

高温のエンジンブリードエアは、デフレクタ１０１のブリードエア用スロットｓ_n部でせき止められることになる。スロット面積により、ブリード流の分配が制御される（ステップ６１５）。最大ブリードエア流量ｆ_{bleed_max}を所望のデフレクタの数で除したものに基づいて、デフレクタ１０１当たりの流量が決定され、スロットｓ_nを介して分配しなければならない流量がわかる。上述のように、デフレクタの高さｈは、バイパスダクトの寸法およびバイパスファン流の流速によって決定される。デフレクタ高さｈは、デフレクタ位置におけるファンダクト高さの約２０〜３０％の範囲内にある。デフレクタ１０１の高さｈは、２５％であることが好ましい（ステップ６２０）。

内部流動損失（制限）を可能な限り低く保つために、デフレクタ１０１の幅ｗは、スロット総面積ｓ_{total_area}の約２倍、すなわち
２ｓ_{total_area}≒（ｌ₁×ｗ） （１）
となるフローコンパートメントセクション２０７の断面積（ｌ₁×ｗ）、を考慮しなければならず、上式において、
ｓ_{total_area}≒２（ｓ_{1_area}＋ｓ_{2_area}＋ｓ_{3_area}＋ｓ_{4_area}＋ｓ_{5_area}） （２）
である。

この関係は、内部流動損失を最小に保つ（ステップ６２５）。

一般に、翼弦（ｃｈｏｒｄ）に対する最大厚さ（ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）の比ｔ／ｃは、１５％であることが好ましい。幅ｗ（つまり厚さ）が既知となった後で、長さｌ（つまり翼弦）が導出される。この長さｌは、前縁セクション２０５と、フローコンパートメントセクション２０７と、後縁セクション２０９と、を含む（ステップ６３０）。

スロット長さは、フローコンパートメントセクション２０７とほぼ同じ長さｌ₁である。好ましい実施形態においては、デフレクタ１０１は、フローコンパートメントセクション２０７の各々の側面２１１，２１３に５つのスロットを含む（ステップ６３５）。これらのスロットは、等間隔で配置されてもよく、あるいは他の実施形態では、スロット間隔は、任意のバイパスファンの流速プロファイルにおける点ｕ_nと一致するように対応させることができる。スロット高さは、任意の点ｕ_n部で、バイパスファン空気流の軸方向の流速に対して比例する（比例定数ｃ）。すなわち、
ｓ_{1_height}＝ｃｕ₁ （３）
ｓ_{2_height}＝ｃｕ₂ （４）
ｓ_{3_height}＝ｃｕ₃ （５）
ｓ_{4_height}＝ｃｕ₄ （６）
ｓ_{5_height}＝ｃｕ₅ （７）

上式で、ｕ_nは、ダクト内壁１０９における所定高さ位置でのファン流速である。ｃに関して解くと、

比例定数ｃによって、スロット総面積ｓ_{total_area}が上記流量要件を満たすことが保証される。従って、ダクト内壁１０９から高くなるにつれてスロット高さが増大する（ステップ６４０）。

共通のブリードエアプレナムに結合され、ダクト内壁に取り付けられた、本発明による２つのブリードデフレクタの斜視図。 本発明による例示的なブリードデフレクタの斜視図。 位置決めされたブリードデフレクタを示すファンダクト側面図。 本発明のブリードデフレクタを示すファンダクト断面図。 バイパスファンダクトにおける位置、対応するバイパスファン空気流の流速、デフレクタのスロット面積の決定方法を示す表。 本発明による例示的な方法のブロック図。

Claims (11)

1. ブリードエアを前記エンジンから受け取る吸込口部分と、
   前記ブリードエアをバイパスダクト内に分配する本体と、
   を備えるとともに、前記本体が、
   前縁セクションと、
   後縁セクションと、
   フローコンパートメントセクションと、
   を備え、かつ前記フローコンパートメントセクションが、前記バイパスダクトの内壁の上方で前記ブリードエアを分配する、
   ことを特徴とするガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタ。
2. バイパスダクト希釈空気流が３つの露出表面を覆うように、前記本体が形状化された支柱であることを特徴とする請求項１に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタ。
3. 前記フローコンパートメントセクションが、前記バイパスダクトの内壁からの所定高さ位置における、少なくとも１つのストリーム内への前記ブリードエアの分配を制御する分配制御手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタ。
4. 前記ブリードエア分配制御手段が、前記フローコンパートメントセクションの側面に位置する少なくとも１つの矩形開口部を備えることを特徴とする請求項３に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタ。
5. 前記少なくとも１つの矩形開口部の面積が、この少なくとも１つの矩形開口部が位置している、前記バイパスダクトの内壁からの所定高さ位置における、前記本体を流れるバイパス空気流の流速に従って決定されることを特徴とする請求項４に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタ。
6. 最大ブリードエア流量およびバイパスダクト空気流の流速プロファイルを有するガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法であって、
   バイパスダクトによる寸法制約条件を決定するステップと、
   前記バイパスダクトによる寸法制約条件からデフレクタ高さｈを決定するステップと、
   前記最大ブリードエア流量および前記バイパスダクトによる寸法制約条件から必要とされるデフレクタの数を決定するステップと、
   前記最大ブリードエア流量からデフレクタ当たりのスロット総面積を決定するステップと、
   前記スロット総面積の２倍に基づいてフローコンパートメントセクション断面積を導出するステップと、
   前記フローコンパートメントセクション断面積からデフレクタ幅ｗを導出するステップと、
   前記デフレクタ幅ｗからデフレクタ長さｌを導出するステップと、
   を備えることを特徴とするガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法。
7. スロット長さを、フローコンパートメントセクション長さから決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法。
8. スロットの数を、前記スロット総面積から決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法。
9. スロット高さを、前記バイパスダクト空気流の流速プロファイルから決定するステップをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法。
10. 前記スロット高さが、バイパスダクト壁からの各々の高さ位置での前記バイパスダクト空気流の流速に比例することを特徴とする請求項９に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法。
11. 前記スロット総面積および前記バイパスダクト壁からの所定高さ位置での前記バイパスダクト空気流の流速から、比例定数を導出するステップをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載のガスタービンエンジン用スロット付きブリードデフレクタの寸法設定方法。

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