JP2008057965A - ヒートパイプを使用したタービンエンジン用の熱伝達システム - Google Patents

Abstract

【課題】 環状吸気口カウリング（１４）を有するタイプのタービンエンジン用の熱伝達システムが提供される。
【解決手段】 該熱伝達システムは、該ケーシングの内部と接触して配置される少なくとも１本のヒートパイプ（２８）を含む。該ヒートパイプは、熱源と熱的に結合されることによって、該ヒートパイプ（２８）を通して該熱源からの熱を該吸気口カウリング（１４）へ伝達することができる。吸気口カウリング（１４）は略Ｕ字形断面を有することができ、また、ヒートパイプ（２８）は該吸気口カウリング（１４）内に配置される略Ｕ字形前方部分（３２）と、略軸方向延在後方部分（３０）と、該前方部分（３２）と該後方部分（３０）を相互接続する移行部分（３３）とを含むことができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、概してタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジン内の熱を伝達するためのヒートパイプを使用したシステムおよび方法に関する。

ガスタービンエンジンは、加圧オイルを使用してさまざまな部品（例えば、ベアリング等）を潤滑および冷却する。オイルは、そのプロセスで排除すべき深刻な熱を取り出して、油温を許容範囲内に維持する。従来技術のガスタービンエンジンは多くの場合、熱交換器を採用し、ファンの排気等の比較的冷たい気流を使用してエンジンオイルを冷却する。ターボファンエンジンでは、この熱交換器は多くの場合、ファンダクトの流路内に置かれる。この構造により、圧力損失、ひいては深刻な燃料燃焼の低下が起こる。このタイプの構造に伴う燃料消費率（ＳＦＣ）の低下は、１％もの高さになり得ると予測されてきた。また、この構造にはコストおよび重量に不利な条件も伴う。

加えて、いくつかのエンジンでは、ある環境条件下で吸気口カウリングのリップ等の露出部品に氷が付着する。エンジン内および露出したエンジン構造全体の氷の蓄積は深刻になり得る。付着した氷は、ファンの流路の部分的な遮断やファンの不安定性を招く可能性がある。蓄積した氷は、例えばエンジンの継続運転、低出力動作から高出力動作へのスロットル噴射、または乱流や固着した氷の非対称性による振動などによって、急速に取り除くこともできる。
米国特許第６，９９０，７９７Ｂ２号公報 米国特許第６，３０８，５２４Ｂ１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 英国公開特許第２１３６８８０Ａ号公報

従来技術には、さまざまな防氷方法が存在する。例えば、高い運転温度でのエンジンの稼働、エンジンの圧縮機から露出表面への高温の抽気案内、運転前のエンジンへの除氷溶液の噴霧、電気抵抗加熱などである。しかしながら、これらのすべての方法には欠点がある。運転温度が高いシステムや抽気システムは、エンジン性能を下げる可能性がある。また、そのようなシステムは、離陸時に高温空気流を止めるための弁や、エンジンを保護するための他の高出力動作を要することもある。解凍液は、一定時間だけ保護するものである。電気加熱は、除氷操作を行うために大量の電力を必要とし、さらなる発電機や電気回路、または航空機のコンピュータに複雑なインタラクションロジックを要する可能性もあり、結果的にコスト、重量および性能に不利な条件となる。

とりわけ、従来技術における上述の欠点は本発明によって解決され、本発明は、エンジンの潤滑油から廃熱を除去し、その熱を、例えば防氷または除氷するために加熱を要するエンジン部品に伝達する熱伝達システムを提供する。この熱は、軽量で密閉型かつ受動的であり、弁やポンプを必要としないヒートパイプを使用して伝達される。さらにまた、ヒートパイプは、エンジン内で火災の危険が発生するのを避けるため、不燃性の加工液を使用してもよい。

１つの態様によれば、本発明は吸気口カウリングを有するタービンエンジン用の熱伝達システムを提供する。該熱伝達システムは、少なくともその一部分が該吸気口カウリングの内部と接触して配置される少なくとも１本のヒートパイプであって、熱源と熱的に結合することによって、それを通して該熱源からの熱を該吸気口カウリングへ伝達することができる該ヒートパイプを含む。

別の態様によれば、ガスタービンエンジンは、吸気口カウリングと、複数本のヒートパイプであって、各ヒートパイプの少なくとも一部分が該吸気口カウリングの内面に接触して配置される該ヒートパイプと、該ヒートパイプと熱的に結合されることによって、該ヒートパイプを通してそこからの熱を該吸気口カウリングへ伝達することができる熱源とを含む。

別の態様によれば、吸気口カウリングを有するタービンエンジン内の熱を伝達する方法が提供される。該方法は、複数本のヒートパイプであって、各ヒートパイプの少なくとも一部分が該吸気口カウリングの内面に接触して配置される該ヒートパイプを設け、該ヒートパイプと熱源を熱的に結合し、該ヒートパイプ内で該熱源からの熱を受け取って、その熱を該吸気口カウリングへ伝達することを含む。

本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することにより最も良く理解することができる。

同一の参照番号がさまざまな図にわたって同じ要素を示す図面を参照すると、図１および図２は、回転ファン（図示せず）を取り囲む環状ファンケーシング１２を有する、ガスタービンエンジンのファンモジュール１０の一部分を示す。ファンケーシング１２はまた、明確にするために図示されていない環状ファンカウリングによって取り囲まれる。環状吸気口カウリング１４は、ファンケーシング１２の前方に配置される。吸気口カウリング１４は、吸気口リップ１６と、吸気口リップ１６の略軸方向後部に広がる内壁１８と、吸気口リップ１６の略軸方向後部に広がる外壁２０とを画定する湾曲部分をもつ略「Ｕ」字形断面を有する。内壁１８はファンケーシング１２に入る空気の流路を形成し、外壁は外気流に曝される。本発明は、例えば単純なターボジェットエンジンやターボプロップなど、ファンカウリングのない他のエンジン構造にも同様に適用可能である。

熱交換器２２は、ファンケーシング１２の外側に取り付けられる。熱交換器２２は、内部が開放された単純なハウジングであってよい。図示の例では、エンジンの潤滑システムからのオイルが排油管２４を通って熱交換器２２に入る。オイルは熱交換器２２を出た後、貯蔵タンク２５に運ばれ、必要となった時点で給油管２６を通ってエンジンの潤滑システムに戻される。排油管２４および給油管２６に接続される残りのオイル貯蔵・循環・分配システムは、従来のガスタービンエンジン技術の範囲内のものであり、ここでは論じない。熱交換器２２は必要に応じて、抽気管、電源、またはエンジン内の別の流体系等の別のタイプの熱源に接続することもできる。

複数本のヒートパイプ２８は、ファンケーシング１２の周囲に取り付けられる。各ヒートパイプ２８は、後方部分３０と、前方部分３２と、その間の移行部分３３とを含む。後方部分３０は、略軸方向に延在する。その長さは、熱交換器２２と吸気口カウリング１４との間の距離によって決まる。

図示のように、前方部分３２は吸気口カウリング１４内に円周配列で配置される。一般的に、前方部分３２が吸気口カウリングの形状に合った形状を有することが望ましいと考えられる。図４で示されるように、各前方部分３２は略「Ｕ」字形であり、内壁１８の内部に接触して位置する内部脚３４と、外壁２０の内部に接触して位置する外部脚３６と、吸気口リップ１６の内部に接触して位置する屈曲部３８とを有する。前方部分３２は、所望であれば、例えばブラケット、接着剤、溶接、留め具等によって、吸気口カウリング１４に対して定位置に固定してもよい。前方部分３２を、必要であれば吸気口カウリングに合わせて、またその一部分のみを加熱することが望まれる場合、脚３４および３６の相対長を変化させることにより、「Ｊ」または「Ｌ」字形で構成することも可能である。
必要であれば、ヒートパイプ２８、特にその前方部分３２の特性は、それらの個々の方向性に適合するように変化させてもよい。例えば、水平な前方部分３２を有するヒートパイプ２８や、吸気口カウリング１４の底部に垂直な前方部分３２を有するヒートパイプ３６は、適正な復水回収を保証するために、吸気口カウリング１４の頂部にその前方部分３２を有するヒートパイプ２８よりも強力な毛管作用を提供する設計を必要とする可能性がある。

移行部分３３は、後方部分３０と前方部分３２を相互接続する。そのサイズおよび形状は関連する前方部分３２の位置決めによって決まるが、移行部分３３の多くは円周方に向ある程度延びることになるであろう。例えば、ヒートパイプ２８Ａの前方部分３２Ａは、吸気口カウリング１４の底部すなわち「６時」位置付近に位置しているため、短い移行部分３３Ａのみを必要とする。対照的に、ヒートパイプ２８Ｂの前方部分３２Ｂは、吸気口カウリング１４の頂部すなわち「１２時」位置付近に位置しており、熱交換器２２の円周位置から離れている。したがって、移行部分３３は比較的長い弓状形状を有する。

各ヒートパイプ２８の大部分は、熱伝達を最小限にするために適切な種類の断熱材（図示せず）で覆われている。各前方部分３２、または少なくともその一部分は、断熱されていない。図２のハッチングは、典型的な非断熱部分３９が位置し得る場所を例示するものである。非断熱部分３９は、「低温」または「凝縮器」端４０と呼ばれる。なお、「高温」、「蒸発器」、「低温」および「凝縮器」という用語は、ヒートパイプ２８に関して使用する場合、ヒートパイプ２８を比較的高温または低温の領域に位置決めすることを表すものであり、ヒートパイプ２８自身の構造の特定の態様に関するものではない。

図５では円形で示されるが、ヒートパイプ２８のファンケーシング１２に接触して位置する部分は、所望の断面積に適合し、梱包容積や熱伝達が向上するように、楕円形や平面状、または他の非円形断面形状で形成してもよい。例えば、図６および図７は、吸気口カウリング１４’の内側に配置され、略楕円形断面を有する代替的なヒートパイプ２８’を示す。

各ヒートパイプ２８は端が閉じられた細長い外壁４２を有し、空洞４４を画定する。空洞４４は毛管構造すなわちウィック（図示せず）で囲まれており、加工液を保持する。ガス、水、有機物質および低融点金属等のさまざまな加工液をヒートパイプで使用することが知られている。加工液は、ヒートパイプ２８に液漏れや破損が生じた場合、ファンケーシング１２の領域に火災の危険が生じるのを回避するために、不燃性であってよい。

図３で最も良く見られるように、ヒートパイプ２８の一端は熱交換器２２の内側に配置される。この部分は、「高温」または「蒸発器」端４６と呼ばれる。

ヒートパイプ２８は、熱伝達の効率が高い。それらの効果的な熱伝導率は、例えば、純銅の熱伝導率よりも桁違いに高い。ヒートパイプの本数、長さ、直径、形状、加工液および他の性能パラメータは、エンジンの運転時に所望される熱伝達の程度に基づいて選択される。ヒートパイプ２８の働きは、以下に詳細に説明する。

明確にするために示されていないが、熱伝達システム内の熱損失を防ぐことが望まれる箇所にさらなる断熱材を設けてもよい。例えば、熱交換器２２の外部の周囲に断熱材を設置してもよい。

図８〜図１１は、代替構造のヒートパイプ１２８を描いている。ヒートパイプ１２８は、その全体形状、サイズおよび機能において実質的に同様のヒートパイプである。しかしながら、各ヒートパイプ１２８は複合型ヒートパイプであり、吸気口カウリング１４（図２参照）に担持される前方ヒートパイプ１３０と、ファンケーシング１２によって担持される後方ヒートパイプ１３２とを含む。前方ヒートパイプ１３０は形状およびサイズにおいて上記のヒートパイプ２８の前方部分３２と移行部分３３にほぼ対応しており、後方ヒートパイプ１３２は形状およびサイズにおいて上記のヒートパイプ２８の後方部分３０にほぼ対応している。前方ヒートパイプ１３０と後方ヒートパイプ１３２が交わるそれぞれの箇所において、両者は結合器１３４を使用して接合される。結合器１３４は金属合金等の比較的高い熱伝導率を有する材料で作られており、前方および後方ヒートパイプ１３０および１３２の周囲に、組立・接着・成形されるか、または他の方法で形成される。図９に示される例では、前方および後方ヒートパイプ１３０および１３２は円形断面を有し、実質的に結合器１３４の長さに平行な軸方向の線に沿って互いに接触する。この構造を用いることにより、前方ヒートパイプ１３０は後方ヒートパイプ１３２から、例えば結合器１３４でそれらを切り離すことによって分離させることができる。この構造は、複合型ヒートパイプ１２８を完全に取り外さずに、吸気口カウリング１４をファンケーシング１２から取り外すことになるので、維持と組立を簡単にするために使用される。

前方および後方ヒートパイプ１３０および１３２間の接合部は、熱伝達の効率を上げるべくさまざまな方法で形成される。例えば、図１０は実行可能な構造を描いており、結合器１３４の内側の２つのヒートパイプ間の空間にフィラー１３６が配置される。比較的高い熱伝導率を有する任意の材料、例えば金属、導体ペーストまたはプラスチックなどを使用することができる。フィラー１３６の使用により、前方および後方ヒートパイプ１３０および１３２間の表面積の密着性が効果的に高まり、結果的に熱伝達が向上する。

図１１は、改良した前方および後方ヒートパイプ１３０’および１３２’を使用した別の実行可能な構造を描いている。結合器１３４内に収容される前方および後方ヒートパイプ１３０’および１３２’の少なくとも一部分が相補的な非円形状に形成されることによって、前方および後方ヒートパイプ１３０’および１３２’は十分に適合接触する隣接壁１３８および１４０を有することになり、熱伝達が向上する。

運転時、エンジンのさまざまな部分から熱を吸収したオイルが循環して熱交換器２２に入り、ヒートパイプ２８の高温または蒸発器端４６を加熱する。オイルは熱除去により許容範囲の運転温度まで冷却されて、貯蔵タンク２５に運ばれ、その後エンジン内を再循環することができるようになる。ヒートパイプ２８内の加工液は熱を吸収し、蒸発する。その後、発生した蒸気が空洞４４を通過し、ヒートパイプ２８の低温部分４０で凝結することによって、熱を低温部分４０へ伝達する。ヒートパイプ２８の一端から他端へ延びるウィックまたは他の毛管構造が毛管作用によって凝縮液を高温端４６へ輸送することにより、循環が完了する。ヒートパイプ２８の方向性によって、毛管構造は必要でなくなることもある。複合型ヒートパイプ１２８が使用される場合、同様のプロセスが行われるが、熱は熱交換器２２から後方ヒートパイプ１３２へ、そして後方ヒートパイプ１３２から結合器１３４を通って前方ヒートパイプ１３０へと伝達される。どちらの場合も、熱はヒートパイプ２８または１２８から吸気口カウリング１４へ伝達される。その結果、吸気口カウリング１４へ伝達された熱は、加熱速度に応じて、氷生成の防止（すなわち防氷）および／または吸気口カウリング１４に形成された氷の除去（すなわち除氷）に効果的になる。

ここで説明した熱伝達システムは受動的であり、弁を必要とせず、密閉されている。ヒートパイプの本数、サイズおよび位置は、熱の除去や伝達を行うべく必要に応じて選択することができる。的確な構造を選択することによって、システム性能は防氷や除氷のみ、油冷のみ、または両方の目的で使用することができる。熱伝達システムはエンジンのある部分では望まれない熱を利用し、エンジンのその熱を必要とする別の部分で使用することによって、従来技術の冷却システムに伴う損失を避けるとともに、別個の防氷熱源を不要にする。

本発明の特定の実施形態を説明してきたが、本発明の精神および範囲を逸脱することなくさまざまな変更を加えることができることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の好適な実施形態および本発明を実施するための最良の形態に関する前述の説明は、制限するためではなく例示するためだけに提供されるものであり、本発明は特許請求の範囲によって定義される。

本発明の１つの態様にしたがって構成された熱伝達システムを有するガスタービンエンジンのファンモジュールの一部分の部分断面斜視図である。 図１のファンモジュールの一部分の拡大断面図である。 図１のファンモジュールに取り付けられた熱交換器の拡大斜視図である。 図１のファンモジュールの周辺に配置されたヒートパイプの構造の拡大斜視図である。 図４の１本のヒートパイプの断面形状を示す図である。 図１のファンモジュールの周辺に配置された代替構造のヒートパイプの拡大斜視図である。 図６の１本のヒートパイプの断面形状を示す図である。 図１のファンモジュールの一部分の斜視図であり、熱交換器に対する代替構造のヒートパイプを示す。 図８の線９に沿った断面図である。 代替構造の結合器に接続された一対のヒートパイプの断面図である。 別の代替構造の結合器に接続された一対のヒートパイプの断面図である。

符号の説明

１０ ファン
１２ ファンケーシング
１４ 吸気口カウリング
１６ 吸気口リップ
１８ 内壁
２０ 外壁
２２ 熱交換器
２４ 排油管
２６ 給油管
２８ 複数本のヒートパイプ
３０ 後方部分
３２ 前方部分
３３ 移行部分
３４ 内部脚
３６ 外部脚
３８ 屈曲部
４０ 凝縮器端
４２ 細長い外壁
４４ 空洞
４６ 蒸発器端
１２８ 複合型ヒートパイプ
１３０ 前方ヒートパイプ
１３２ 後方ヒートパイプ
１３４ 結合器
１３６ フィラー
１３８ 隣接壁
１４０ 隣接壁

Claims (10)

1. 吸気口カウリング（１４）を有するタービンエンジン用の熱伝達システムであって、
   少なくともその一部分が該吸気口カウリング（１４）の内部と接触して配置される少なくとも１本のヒートパイプ（２８）を含み、該ヒートパイプ（２８）が熱源と熱的に結合することによって、該ヒートパイプを通して該熱源からの熱を該吸気口カウリング（１４）へ伝達することができる熱伝達システム。
2. 該吸気口カウリング（１４）が略Ｕ字形断面を有し、
   該少なくとも１本のヒートパイプ（２８）が該吸気口カウリング（１４）内に配置される略Ｕ字形前方部分（３２）と、略軸方向延在後方部分（３０）と、該前方部分（３２）と該後方部分（３０）を相互接続する移行部分（３３）とを含む、請求項１に記載の熱伝達システム。
3. 該移行部分（３３）が少なくとも部分的に円周方向に延びる、請求項２に記載の熱伝達システム。
4. 該少なくとも１本のヒートパイプ（２８）の少なくとも一端部分が熱交換器（２２）の中空内部の内側に配置され、該熱交換器（２２）を通して加熱された流体の流れを受けるようになっている請求項１に記載の熱伝達システム。
5. 前記少なくとも１本のヒートパイプ（２８）が、
   熱交換器（２２）に接続され該熱交換器（２２）を通して加熱された流体の流れを受けるようになっている第一端と、
   該ヒートパイプ（２８）の遠心端に配置される非断熱部分（３９）と、
   該第一端と該非断熱部分（３９）の間に配置される断熱部分とを含む、請求項１に記載の熱伝達システム。
6. 該少なくとも１本のヒートパイプ（２８）が非円形断面形状を有する、請求項１に記載の熱伝達システム。
7. 該少なくとも１本のヒートパイプ（２８）が熱伝導性材料の結合器（１３４）によって互いに熱的に結合される前方ヒートパイプ（１３０）と後方ヒートパイプ（１３２）とを含む複合型ヒートパイプ（１２８）であり、該結合器が該前方および後方ヒートパイプ（１３０，１３２）の少なくとも一部分を取り囲む、請求項１に記載の熱伝達システム。
8. 該前方および後方ヒートパイプ（１３０，１３２）が該結合器（１３４）によって互いに物理的に接触して維持される、請求項７に記載の熱伝達システム。
9. 該結合器（１３４）内かつ該前方および後方ヒートパイプ（１３０，１３２）間に画定される空間が熱伝導性材料のフィラー（１３６）によって塞がれる、請求項８に記載の熱伝達システム。
10. 該一次および二次ヒートパイプ（１２８）の該結合器（１３４）内の部分が相互補完的な非円形形状を有し、互いに十分に適合接触して配置される、請求項８に記載の熱伝達システム。

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