JP2008032012A - ヒートパイプを用いたタービンエンジン用熱伝達装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 略半径方向に延在するストラット部材（２０）の列を自身内に配置されて有する環状ケーシング（１４）を含む種類のタービンエンジン用熱伝達装置を提供する。
【解決手段】 この熱伝達装置は、少なくとも部分的に所定の１個の前記ストラット部材（２０）の内側に配置される少なくとも１本の一次ヒートパイプ（３６）と；前記ファンケーシング（１４）の外側に配置されるとともに少なくとも１本の一次ヒートパイプ（３６）と熱源とに熱的に接続される少なくとも１本の二次ヒートパイプ（４８）とを含む。前記熱源からの熱は、前記二次ヒートパイプ（４８）を介して前記一次ヒートパイプ（３６）と前記所定のストラット部材（２０）とに伝達されうる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、一般にタービンエンジンに関し、特にガスタービンエンジン内においてヒートパイプを用いて熱を伝達する装置と方法とに関する。

ガスタービンエンジンでは、加圧油を用いて、さまざまな構成要素（たとえば軸受等）を潤滑し、かつ冷却する。この油は、その過程で、油の温度を許容限度内に維持するためには拒絶されなければならない有意な熱を取り込む。従来技術のガスタービンエンジンでは、しばしば熱交換器を使用して、ファンの排気等の相対的に低温の空気流を用いてエンジン油を冷却している。ターボファンエンジンにおいて、この熱交換器は、しばしば、ファンダクト流路内に配置される。この構成は、圧力損失を引き起こし、以って燃料燃焼面での不利益をもたらす。この種の構成に付随する燃料消費率（ＳＦＣ）の不利益は、１％もの高さになりうると見積もられた。さらにまた、この構成に付随する費用および重量の面での不利益がある。

加えて、一部のエンジンでは、出口案内羽根（ＯＧＶ）、ファンストラットまたはファンの下流のファンダクト内のその他のストラット状部材が、ある一定の環境条件下において氷結する。エンジン内および露出されたエンジン構造上における着氷は、有意となりうる。氷結は、ＯＧＶ通路の部分的遮断やファンの不安定性をもたらしうる。さらにまた、付着した氷は、エンジンの連続運転、例えばより低出力の運転からより高出力の運転へのスロットルの急開放または乱流もしくは非対称の着氷のいずれかによる振動によって、突然脱落しうる。

着氷防止のためのさまざまな従来技術の方法、たとえば運転温度を上昇させてエンジンを運転すること、エンジン圧縮機から露出面に高温のブリード空気を導くこと、運転前にエンジンに防氷液を噴霧することおよび電気抵抗加熱がある。しかし、これらのいずれの方法も、さまざまな欠点を有する。運転温度上昇およびブリード方式は、エンジンの性能を低下させうる。このような方式は、さらにまた、離陸時およびその他の高出力運転時においてエンジンを保護するために高温の空気流を遮断する弁を必要としうる。防氷液では、限られた時間にわたる保護が得られるだけである。電気加熱は、防氷動作を実行するために大量の電気を必要とするとともに、追加の発電機と電気回路と航空機のコンピュータとの間の複雑なインタラクション論理とを必要とし得、これに付随する費用および重量の増加と高性能化との面での不利益が生じる。
米国特許第６，９９０，７９７号公報 米国特許第６，３０８，５２４号公報 米国特許第５，９７９，２２０号公報 米国特許第５，９７５，８４１号公報 米国特許第５，９６４，２７９号公報 米国特許第５，８７８，８０８号公報 米国特許第５，４３９，３５１号公報 米国特許第５，１９２，１８６号公報 米国特許第５，１７８，５１４号公報 米国特許第５，０４６，９２０号公報 米国特許第４，４１９，０４４号公報 米国特許第４，２４０，２５７号公報 米国特許第４，２１８，１７９号公報 米国特許第４，２０７，０２７号公報 米国特許第４，１９９，３００号公報 米国特許第４，１８６，５５９号公報 米国特許第３，９６５，６８１号公報 英国特許第２，１３６，８８０号公報

本発明は、エンジン潤滑油から廃熱を除去するとともに、この熱を、たとえば着氷防止または防氷のために加熱を必要とするエンジン構成要素に伝達する熱伝達装置を提供することにより、従来技術の前記欠点に対処するものである。この熱は、軽量かつ密閉式かつ受動形のヒートパイプを用いて伝達され、いかなる弁またはポンプも必要としない。さらにまた、ヒートパイプには、不燃性の作動流体が用いられて、エンジン内において火災危険が創出されることが防がれる。

ひとつの態様によれば、本発明は、略半径方向に延在するストラット部材列を内部に配置させた環状ケーシングを含む種類のタービンエンジン用熱伝達装置を提供する。この熱伝達装置は、少なくとも部分的に１個の所定のストラット部材の内側に配置される少なくとも１本の一次ヒートパイプと；ファンケーシングの外側に配置されるとともに、前記少なくとも１本の一次ヒートパイプと熱源とに熱的に接続されて、前記熱源からの熱が自身を介して前記一次ヒートパイプと前記所定のストラット部材とに伝達されうるようにする少なくとも１本の二次ヒートパイプとを含む。

本発明のまた他の態様によれば、ガスタービンエンジンは、環状ファンケーシングと；前記ファンケーシング内に配置される、略半径方向に延在する案内羽根列であって、各案内羽根が、離間する前縁部と後縁部との間に延在する第１および第２の側部により形成されるエーロフォイル形断面を有する案内羽根列と；各々が少なくとも部分的に１個の前記案内羽根の内側に配置されて、第１の一次ヒートパイプ列を形成するようになっている複数個の一次ヒートパイプと；前記ファンケーシングの外側に配置されるとともに、前記第１の一次ヒートパイプ列と熱源とに熱的に接続されて、前記熱源からの熱が自身を介して前記一次ヒートパイプと前記案内羽根とに伝達されうるようにする二次ヒートパイプとを含む。

またここでは、略半径方向に延在する案内羽根列を自身内に配置されて有する環状ケーシングを有するタービンエンジンにおいて熱を伝達する方法が開示される。この方法は、各々が少なくとも部分的に１個の前記案内羽根の内側に配置される複数個の一次ヒートパイプを配設する段階と；前記ファンケーシングの外側に配置されるとともに、前記第１の一次ヒートパイプ列と熱源とに熱的に接続される二次ヒートパイプを配設する段階と；前記熱源からの熱を前記二次ヒートパイプにおいて受けるとともに、前記熱を前記一次ヒートパイプに伝達する段階と、前記二次ヒートパイプからの熱を前記一次ヒートパイプにおいて受けるとともに、前記熱を前記案内羽根に伝達する段階とを含む。

本発明は、添付図面とともに以下の説明を参照することにより、最もよく理解されうる。

さまざまな図を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１に、前向きのスプリッタ１２を有する内側ハウジング１０と、半径方向に延在するファンストラット２０の列により前記内側ハウジング１０に接続される、内面１６および外面１８を有する環状ファンケーシング１４とを含むガスタービンエンジンのファン部の一部分が図示されている。複数個の出口案内羽根（ＯＧＶ）２２は、内側ハウジング１０とファンケーシング１４との間に延在する。各々のＯＧＶ２２（図２にも図示）は、付根部２４と先端部２６と前縁部２８と後縁部３０と対向側部３２および３４とを有する。これらのＯＧＶ２２は、エーロフォイル形とされるとともに、上流のファン（図示せず）から出る空気流から接線方向の渦流を除去するように配置および配向される。図示されている実施例において、いずれも略半径方向に延在する「ストラット部材」であるファンストラット２０とＯＧＶ２２とは、異なる機能を有しており、ファンストラット２０が、構造的支持を提供する一方で、ＯＧＶ２２は、空力的目的を果たす。しかし、その他のエンジン構成においては、これらの機能が組み合わされて、単一の列をなす略半径方向に延在するストラット部材とされうる。

ＯＧＶ２２は、予想される運転荷重に耐えることができる適切な強度を有するとともに、所望の形状に形成されうるいかなる材料により構成されてもよい。図示された実施例において、ＯＧＶ２２は、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化炭素複合材料または炭素繊維強化エポキシ複合材料等の、強化用繊維を自身内に配合されて有するマトリックスを含む非金属複合材料により形成される。これらの材料は、高強度かつ軽量であるが、合金に比べて相対的に低い熱伝導率を有する。金属をＯＧＶ２２に用いることも可能である。適切な金属の例には、アルミニウム、鉄、ニッケルおよびチタンを基本とする合金が含まれる。

一次ヒートパイプ３６は、１個以上のＯＧＶ２２の内側に配置される。図示されている実施例では、一次ヒートパイプ３６は、個別のＯＧＶ２２の断面内において前縁部２８の近くに配置されるとともに、前記前縁部２８に対して平行に延在する。これらの前置一次ヒートパイプ３６は、集合的に一次ヒートパイプ３６の前側列３８を形成する（図３参照）。また他の一次ヒートパイプ３６が、さらにまた、ＯＧＶ２２の断面内においてＯＧＶ２２の後縁部３０により近い後側半分に配置されるとともに、積重ね軸「Ｓ」（この場合は半径方向から後方に延びる）に対して平行に延在する。これらの後置一次ヒートパイプ３６は、集合的に一次ヒートパイプ３６の後側列４０を形成する。図２に示されるように、ＯＧＶ２２内に位置する一次ヒートパイプ３６の部分は、楕円形、扁平形またはその他の非円形の断面形状に形成されて、所望の断面積を占める一方で、ＯＧＶ２２の厚さの範囲内に合わせられうる。図示されていないが、一次ヒートパイプ３６がＯＧＶ２２の側部３２または３４に形成される開放溝内に配置されうることも可能であり、その場合は、一次ヒートパイプ３６は、それぞれ側部３２または３４の面の一部分を形成することになる。さらにまた、所望の場合には、一次ヒートパイプ３６がファンストラット２０内に配置されうることも可能である。

各一次ヒートパイプ３６は、空洞部４４を形成する閉鎖端部を有する細長外壁４２を有する。ファンケーシング１４を貫通して突出する各一次ヒートパイプ３６の端部または端部付近の部分は、「高温」または「気化」部４５として示されている（図３参照）。ＯＧＶ２２内に配置される一次ヒートパイプ３６の部分は、「低温」または「凝縮」部４６として示されている（図１参照）。空洞部４４は、毛管構造またはウィック（図示せず）を用いて裏打ちされるとともに、作動流体を保有する。気体、水、有機物質および低融点金属等のさまざまな作動流体が、ヒートパイプに用いられるものとして周知である。作動流体は、ファンケーシング１４の領域に火災危険をもたらすことが回避されるように、不燃性とされうる。

一次ヒートパイプ３６は、熱の伝達において非常に効率的である。たとえば、その有効熱伝導率は、無垢の銅より数桁高い。一次ヒートパイプ３６の個数と長さと直径と形状と作動流体と毛管構造とその他の性能パラメータとは、エンジン運転時における所望の熱伝達度に基づいて選択される。一次ヒートパイプ３６の作用を以下により詳細に説明する。

１本以上の二次ヒートパイプ４８は、ファンケーシング１４の外面のまわりにおいて、一次ヒートパイプ３６に隣接して配置される。図示されている実施例では、第１の対をなす二次ヒートパイプ４８Ａが配設される。各二次ヒートパイプ４８Ａは、ファンケーシング１４のまわりにおいて、前側列３８の一次ヒートパイプ３６の外側の高温部４５に隣接して略１８０度の円弧を形成する。また他の対をなす二次ヒートパイプ４８Ｂも配設される。各二次ヒートパイプ４８Ｂは、ファンケーシング１４のまわりにおいて、後側列４０の一次ヒートパイプ３６の外側の高温部４５に隣接して略１８０度の円弧を形成する。前記二次ヒートパイプ４８Ａおよび４８Ｂが、それぞれファンケーシング１４の一部分を取り巻く多数の各円弧片（たとえばファンケーシング１４の全周を覆うために用いられる８、１２または１６個の円弧片）からなりうることも可能である。これらの円弧片の一部分を選択的に断熱することにより、周方向の熱分散を所望どおりに均等化することができる。

二次ヒートパイプ４８は、全般的な構造において、一次ヒートパイプ３６と同様である。図１に示されるように、各二次ヒートパイプ４８は、空洞部５２を形成する閉鎖端部を有する細長外壁５０を有する。各二次ヒートパイプ４８の終端部付近の一部分は、「高温」または「気化」部５４として示される一方で、その他の部分は、「低温」または「凝縮」端部または部５６として示される。「高温」、「気化」、「低温」および「凝縮」という用語は、一次および二次ヒートパイプ３６および４８に関して用いられる場合は、そのヒートパイプが相対的に高温または低温の領域内に配置されることを表し、ヒートパイプそのものの構造のいかなる特定の態様にも関連しないことに注意するべきである。空洞部５２は、毛管構造またはウィック（図示せず）を用いて裏打ちされるとともに、作動流体を内蔵する。気体、水、有機物質および低融点金属等のさまざまな作動流体が、ヒートパイプに用いられるものとして周知である。作動流体は、ファンケーシング１４の領域に火災危険をもたらすことが回避されるように、不燃性とされうる。

二次ヒートパイプ４８もまた、熱の伝達において非常に効率的である。たとえば、その有効熱伝導率は、無垢の銅より数桁高い。二次ヒートパイプ４８の個数と長さと直径と形状と作動流体とその他の性能パラメータとは、エンジン運転時における所望の熱伝達度に基づいて選択される。二次ヒートパイプ４８の作用を以下により詳細に説明する。

一次ヒートパイプ３６が二次ヒートパイプ４８と接する各位置において、一次ヒートパイプ３６は、接線方向に延在し、前記両者は、結合器５８を用いて互いに接合される。結合器５８は、相対的に高い熱伝導率を有する合金等の材料により製作されるとともに、一次および二次ヒートパイプ３６および４８のまわりにおいて組付け、接着、成形またはその他の方法により形成される。図１に示される実施例では、一次および二次ヒートパイプ３６および４８は、円形断面を有するとともに、本質的に結合器５８の長さに対して平行な線に沿って接線方向に互いに接触する。

一次および二次ヒートパイプ４８間における接合部は、数多くの方法で形成されて、熱伝達の効率が高められうる。たとえば、図４には、充填材６０が結合器５８の内側において２本のヒートパイプ間の間隙に配置される可能な構成が示されている。相対的に高い熱伝導率を有する金属、導体ペーストまたはプラスチック等のあらゆる材料が用いられうる。充填材６０を用いることにより、一次および二次ヒートパイプ３６および４８間における接触面が効果的に増加せしめられるとともに、以って熱伝達が高められる。

図５に、改変された一次および二次ヒートパイプ３６´および４８´を用いたまた他の可能な構成が示されている。少なくとも結合器５８の内側に内包される一次および二次ヒートパイプ３６および４８の部分は、相補的な非円形状に形成されて、一次および二次ヒートパイプ３６および４８が、実質的に合致して接触して熱伝達を高める当接壁６２および６４を有するようになっている。

図６に示されるように、二次ヒートパイプ４８の気化部または端部５４は、熱交換器６６の内側に配置される。この熱交換器６６は、単に、エンジン油が油導管６８を介して循環せしめられる開放内部を有するハウジングである。油導管６８に接続される油貯蔵、循環および分配装置の残りの部分は、ガスタービンエンジン技術において従来的であり、本明細書においては説明されない。

わかりやすくするために図示されていない断熱材は、着氷防止および油冷却装置内において、熱損失を防ぐことが望まれるいかなる部分にも設けられうる。たとえば、断熱材は、熱交換器６６の外面、二次ヒートパイプ４８の外面および一次ヒートパイプ３６と結合器５８との露出部分のまわりに配置されうる。

作用において、エンジンのさまざまな部分から熱を吸収した油が循環せしめられて、熱交換器６６内に流入して、前記熱交換器において、二次ヒートパイプ４８の高温または気化部５４を加熱する。熱が除去されることにより、前記油は許容可能な使用温度に冷却されて、エンジンを介して再循環せしめられうるようになる。二次ヒートパイプ４８内の作動流体は、この熱を吸収するとともに、気化する。発生した蒸気は、その後、空洞部５２を通って移動するとともに、二次ヒートパイプ４８の低温部５６において凝縮して、以って熱を結合器５８の内側において低温部５６に伝達する。二次ヒートパイプ４８の一方の端部から他方の端部まで延在するウィックは、凝縮した液体を毛管作用により再び高温部５４へと輸送して、以って回路が完成する。二次ヒートパイプ４８の低温部５６からの熱は、一次ヒートパイプ３６の高温部４５に伝達される。

一次ヒートパイプ３６内の作動流体は、この熱を吸収するとともに、気化する。発生した蒸気は、その後、空洞部４４を通って移動するとともに、一次ヒートパイプ３６の低温部４６において凝縮して、以ってＯＧＶ２２に熱が伝達される。一次ヒートパイプ３６内において他方の端部まで延在するウィックまたはその他の毛管構造は、凝縮した液体を毛管作用により再び高温部４５に輸送して、以って回路が完成する。ＯＧＶ２２への熱伝達は、加熱速度によって、氷結防止（すなわち着氷防止）および／またはＯＧＶ２２上に形成された氷の除去（すなわち除氷）に効果的である。必要に応じて、一次ヒートパイプ３６の特徴を変動させて、個別の配向に合わせることができる。たとえば、水平方向の一次ヒートパイプ３６、または高温部４５が最上部に位置する垂直方向の一次ヒートパイプ３６には、高温部４５を最下部に有する垂直方向の一次ヒートパイプ３６より強い毛管作用を達成して適切な凝縮液の返送を保証することができる設計が必要とされうる。

本明細書に記載の熱伝達装置は、受動形であるため、いかなる弁も必要とせず、かつ密閉される。一次および二次ヒートパイプ３６および４８の個数、大きさおよび位置を選択して、必要とされる除熱および熱伝達を達成することができる。正確にどのような構成を選択するかによって、装置性能を着氷防止または防氷のみ、または油の冷却のみ、または両方の目的に用いることができる。この熱伝達装置は、エンジンのある部分では不用な熱を利用するとともに、この熱を、それが必要とされるエンジンのまた他の部分において用いて、従来技術の冷却装置に付随する損失と、別途の着氷防止用熱源の必要性との両方を回避するものである。

本発明の特定の実施例を説明したが、当業者には、本発明の精神および範囲から逸脱することなしに、前記実施例のさまざまな改変が行なわれうることは自明であろう。したがって、本発明の好適な実施例の前記説明と本発明を実施するための最良の形態とは、単に例証のために示されたものであって、本発明を制限するものではなく、本発明は、特許請求の範囲によって限定される。

本発明のひとつの態様にしたがって構成される熱伝達装置を含むガスタービンエンジンのファン部の側断面図である。 図１の線２−２における出口案内羽根の図である。 図１のファン部の一部分の略斜視図である。 また他の構成の結合器内において接続される一対のヒートパイプの断面図である。 さらに他の構成の結合器内において接続される一対のヒートパイプの断面図である。 熱交換器のヒートパイプの接続を示す、図１のファン部の一部分の略斜視図である。

符号の説明

１０ 内側ハウジング
１２ スプリッタ
１４ 環状ファンケーシング
１６ 内面
１８ 外面
２０ ファンストラット
２２ 出口案内羽根
２４ 付根部
２６ 先端部
２８ 前縁部
３０ 後縁部
３２ 対向側部
３４ 対向側部
３６ 一次ヒートパイプ
３８ 前側ヒートパイプ列
４０ 後側ヒートパイプ列
４２ 外壁
４４ 空洞部
４５ 高温または気化部
４６ 低温または凝縮部
４８ 二次ヒートパイプ
４８Ａ 第１の対をなす二次ヒートパイプ
４８Ｂ 二次ヒートパイプ
５０ 外壁
５２ 空洞部
５４ 高温または気化部
５６ 低温または凝縮部
５８ 結合器
６０ 充填材
６２ 当接壁
６４ 当接壁
６６ 熱交換器
６８ 油導管

Claims (10)

1. 略半径方向に延在するストラット部材（２０）の列を内部に配置した環状ケーシング（１４）を含むタービンエンジン用熱伝達装置において：
   所定の前記ストラット部材（２０）の内側に少なくとも部分的に配置される少なくとも１本の一次ヒートパイプ（３６）と；
   前記ファンケーシングの外側に配置されるとともに前記少なくとも１本の一次ヒートパイプ（３６）と熱源とに熱的に接続された少なくとも１本の二次ヒートパイプ（４８）と
   を備え、
   前記熱源からの熱が前記二次ヒートパイプ（４８）を介して前記一次ヒートパイプ（３６）と前記所定のストラット部材（２０）とに伝達されうる熱伝達装置。
2. 前記所定のストラット部材（２０）は、離間する前縁および後縁部（２８、３０）間に延在する第１および第２の側部（３２、３４）により形成されるエーロフォイル形断面を有する案内羽根（２２）であり；
   前記一次ヒートパイプ（３６）は、前記エーロフォイル形断面内に内蔵される請求項１に記載の熱伝達装置。
3. 前記所定のストラット部材（２０）は、離間する前縁および後縁部（２８、３０）間に延在する第１および第２の側部（３２、３４）により形成されるエーロフォイル形断面を有する案内羽根（２２）であり；
   前記第１および第２の側部（３２、３４）の一方の少なくとも一部分は、前記一次ヒートパイプ（３６）の露出部分により形成される請求項１に記載の熱伝達装置。
4. 前記所定のストラット部材（２０）は、非金属材料からなる請求項１に記載の熱伝達装置。
5. 前記所定のストラット部材（２０）は、自身内に強化用繊維を配合されて有するマトリックスを含む非金属複合材料により構成される請求項１に記載の熱伝達装置。
6. 前記一次および二次ヒートパイプ（３６、４８）は、前記一次および二次ヒートパイプ（３６、４８）の少なくとも一部分を取り巻く熱伝導材料の結合器により互いに熱的に接続される請求項１に記載の熱伝達装置。
7. 前記一次および二次ヒートパイプ（３６、４８）は、前記結合器（５８）により互いに物理的接触状態に維持される請求項８に記載の熱伝達装置。
8. 前記結合器（５８）の内側かつ前記一次および二次ヒートパイプ（３６、４８）間に形成される空間は、熱伝導材料の充填材により占められる請求項１に記載の熱伝達装置。
9. 前記結合器（５８）の内側の前記一次および二次ヒートパイプ（３６、４８）の部分は、互いに相補的な非円形状を有するとともに、互いに実質的に合致して接触する状態に配置される請求項１に記載の熱伝達装置。
10. 第１の一次ヒートパイプ（３６）は、少なくとも部分的に前記所定のストラット部材（２０）の内側において、前記ストラット部材の前端部付近に配置され、
    第２の一次ヒートパイプは、少なくとも部分的に前記所定のストラット部材（２０）の内側において、前記第１の一次ヒートパイプ（３６）の後に配置される請求項１に記載の熱伝達装置。

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