JP2009013982A - タービンエンジン内で流体を冷却するための方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン（１０）用の熱交換器（１００）を提供する。
【解決手段】本熱交換器は、入口（１０２）及び出口（１０４）と、入口及び出口間で延びる曲線本体（１０５）とを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれた空気流（１１２）の圧力損失を減少させるように構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、タービンエンジン内で流体を冷却するための方法及びシステムに関する。

少なくとも幾つかの公知のタービンエンジンは、熱交換器を使用して、エンジン作動時に使用するオイルを冷却している。具体的には、エンジン又はその発電機からのオイルは、熱交換器のエレメントを通して送られ、またタービンファンからの空気は、熱交換器エレメントを通過して送られてオイルを冷却する。一般に、公知の熱交換器は、ディフューザを含む入口プレナムと、熱交換器エレメントを含む熱交換器ブロックと、複数の通路を含み、それら複数の通路が弁制御装置を備えることができる出口プレナムとを含む。作動時に、ファン空気は、入口プレナム内に送り込まれ、熱交換器ブロックを通って送られた後に、出口プレナムを通して吐出される。熱交換器エレメントを通って流れるオイルは、ファン空気によって冷却される。少なくとも幾つかの公知の航空機用タービンエンジンでは、熱交換器の入口プレナムは、ファンから吐出された高圧空気を受けるように配置され、また出口プレナムは、高圧空気を機外に排出するのを可能にするように配置される。他の公知の航空機用タービンエンジンでは、入口及び出口プレナムは両方共、エンジンケーシングに結合されて、ファンから吐出された高圧空気は熱交換器を通して送られた後にファン空気内又はエンジン室上に吐出されるようになっている。

公知のように、熱交換器の熱伝達能力は、高い熱伝達係数を有する領域において最大であり、この領域は、一般に熱交換器の内壁に沿って形成された局所的な高い静圧領域と大幅に重なり合っている。しかしながら、熱交換器内を通過する流れの全圧は、入口及び出口プレナムによって生じる抗力により、また熱交換器エレメント間に形成された通路により低下する可能性がある。従って、熱交換器内では、高い熱伝達能力区域は、利用することができず、従って熱伝達量が低下するおそれがある。
米国特許第７，２１３，３９１号公報 米国特許第６，９３１，８３４号公報 米国特許第６，５８４，７７８号公報 米国特許第６，５５７，３３７号公報 米国特許第６，５４６，７３６号公報 米国特許第６，２９５，８０３号公報 米国特許第５，９１８，４５８号公報 米国特許第５，４３８，８２３号公報 米国特許第５，３９２，６１４号公報 米国特許第５，３０５，６１６号公報

１つの実施形態では、タービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、曲線本体を有する熱交換器を準備するステップを含む。本方法はまた、熱交換器をタービンエンジンのファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合するステップを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれる空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。

別の実施形態では、タービンエンジン用の熱交換器を提供する。本熱交換器は、入口と、出口と、入口及び出口間で延びる曲線本体とを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれた空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。

さらに別の実施形態では、タービンエンジンを提供される。本タービンエンジンは、エンジンケーシングと、エンジンケーシングに結合されかつ該エンジンケーシングの半径方向外側に配置されたファンケーシングとを含む。本タービンエンジンはまた、ファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合されるように構成された熱交換器を含む。熱交換器は、入口と、出口と、入口及び出口間で延びる曲線本体とを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれた空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。

本発明は、タービンエンジン用の熱交換器を提供し、本熱交換器は、タービンエンジンのファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合される。この例示的な実施形態では、熱交換器は、曲線本体を含む。１つの実施形態では、熱交換器の入口は、内側ファンケーシングに対して結合され、また熱交換器の出口は、内側ファンケーシングの半径方向外側に設けられた外側ファンケーシングに対して結合される。別の実施形態では、熱交換器入口及び出口は、エンジンケーシングに対して結合される。

本発明は、高バイパス式タービンエンジン内で使用する熱交換器に関連して説明するが、当業者には解るように、本発明は高バイパス式タービンエンジンでの使用に限定さるものではないことに注目されたい。むしろ、本発明は、熱交換器を必要とするあらゆるエンジン及び／又は装置で使用することができる。簡単にするために、本明細書では、熱交換器を通って流れるオイルを冷却することに関連して本発明を説明する。しかしながら、当業者には分かるように、本発明は、オイルを冷却することに限定されるものではなく、むしろ本発明は、あらゆる流体を冷却するために使用することができる。

図１は、ファン組立体１２とコアエンジン１３とを含む例示的なガスタービンエンジン１０の概略図であり、コアエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６及び高圧タービン１８を含む。この例示的な実施形態では、エンジン１０はまた、低圧タービン２０及びブースタ２２を含む。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４の列を含む。エンジン１０は、吸気側２８及び排気側３０を有する。ファン組立体１２及びタービン２０は、第１のロータシャフト３１によって結合され、また圧縮機１４及びタービン１８は、第２のロータシャフト３２によって結合される。ファンケーシング５０は、ファン組立体１２の半径方向外側に結合され、かつ該ファン組立体１２の周りで円周方向に延びる。ファンケーシング５０は、半径方向内側ファンケーシング５２と半径方向外側ファンケーシング５４とを含む。さらに、エンジンケーシング５６は、コアエンジン１３に結合され、かつ該コアエンジン１３の周りで円周方向に延びる。

作動時に、空気は、中心軸線３４に沿ってファン組立体１２を通って流れ、加圧された空気が高圧圧縮機１４に供給される。高度に加圧された空気が、燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの空気流（図１には図示せず）は、タービン１８及び２０を駆動し、タービン２０は、シャフト３１によってファン組立体１２を駆動する。

図２は、内側ファンケーシング５２と外側ファンケーシング５４との間に結合された例示的な熱交換器１００を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。図３は、図２に示す熱交換器の実施形態の拡大概略図である。図４は、図２に示す熱交換器の別の実施形態の拡大概略図である。

この例示的な実施形態では、熱交換器１００は、入口１０２と、出口１０４と、入口１０２及び出口１０４間で延びる曲線本体１０５とを含む。具体的には、曲線本体１０５は、少なくとも１つの湾曲部分１０６が曲線本体１０５内に形成されるように入口１０２と出口１０４との間で延びる。図３に示す実施形態では、また他の公知の熱交換器とは異なり、入口１０２は、入口プレナムがない状態で内側ファンケーシング５２に直接結合され、また出口１０４は、出口プレナムがない状態で外側ファンケーシング５４に直接結合される。図４に示す実施形態では、また他の公知の熱交換器とは異なり、入口１０２は、入口プレナムがない状態で内側ファンケーシング５２に直接結合され、また出口１０４は、外側ファンケーシング５４に結合された曲線出口プレナム１０７に結合される。この例示的な実施形態では、入口プレナム及び／又は出口プレナムがない状態で熱交換器１００を製作することにより、他の公知の熱交換器の場合にそうであるようにはエンジン１０に大きな重量を加えずに、エンジン１０に対して熱交換器１００を結合することが可能になる。さらに、入口プレナム及び／又は出口プレナムがない状態で熱交換器１００を製作することにより、熱交換器１００内で抗力が発生するが、同時に熱交換器１００内で熱を交換することが可能になる。

当業者には分かるように、熱交換器１００の利点の多くは、曲線本体１０５によるものである。従って、１つの実施形態では、熱交換器１００は、本明細書に記載した利点の多くを維持しながら、入口プレナム及び出口プレナムの両方を備えるように製作することができる。具体的には、１つの実施形態では、熱交換器１００は、当業者には公知の方法を用いて入口プレナム及び出口プレナムを有するように製作することができる。

複数の曲線熱交換器エレメント１０８が、曲線本体１０５を貫通して延びる。より具体的には、熱交換器エレメント１０８は各々、入口１０２から出口１０４まで延び、従って複数の通路１１０が隣接する熱交換器エレメント１０８の対間に形成される。１つの実施形態では、熱交換器エレメント１０８及び通路１１０は各々、曲線本体１０５の曲線形状と実質的に同様な曲線形状が有するように形成される。別の実施形態では、各熱交換器エレメント１０８の寸法、配向及び相対位置の少なくとも１つは可変である。さらに、各実施形態では、熱交換器１００は、公知の熱交換器よりも小さいボリュームを有しており、従って隣接する熱交換器エレメント１０８の対は、公知の熱交換器におけるよりも互いに近接して配置される。従って、通路１１０は、公知の熱交換器におけるよりも狭い。

この例示的な実施形態では、作動時に、エンジン１０からのオイルは、熱交換器エレメント１０８を通して送られ、またファン組立体１２から吐出された空気流１１２は、熱交換器１００を通して送られる。別の実施形態では、空気流１１２は、機外又は周囲空気である。公知の熱交換器とは異なり、空気流１１２は、入口プレナム又はディフューザを通過せずに熱交換器１００内に直接送り込まれる。この例示的な実施形態では、空気流１１２は、入口１０２内に直接送り込まれまた通路１１０を通して送られて、オイルと空気流１１２との間の熱交換を可能にする。具体的には、オイルは、空気流１１２が通路１１０を通ってかつ熱交換器エレメント１０８を通過して流れる時に冷却されることが可能になる。図３に示す実施形態では、使用済み空気流１１２は、熱交換器１００から出口プレナムを通過せずに出口１０４を通して吐出される。使用済み空気流は、エンジン１０の外部の区域１１４に吐出される。図４に示す実施形態では、空気流１１２は、出口プレナム１０７を通して区域１１４に吐出される。

この例示的な実施形態では、空気流１１２が熱交換器１００を通して送られる時に、通路１１０は、空気流１１２とオイルとの間の熱交換量を増大させるのを可能にする。具体的には、通路１１０は狭く、従って、公知の熱交換器におけるよりも少量である熱交換のための空気流を必要としながら熱交換器エレメント１０８と空気流１１２との間のより大きな量の接触を可能にする。さらに、熱交換器１００の曲線形状は、空気流１１２が湾曲した通路１１０内を流れ、それによって空気流１１２と熱交換器エレメント１０８との間の接触をさらに増大させることを可能にする。加えて、空気流１１２は、熱交換器１００内に送り込まれる時に拡散される又は入口プレナムを通して送られることはない。従って、熱交換器１００内における空気流１１２の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失を減少させることが可能になる。具体的には、１つの実施形態では、空気流１１２の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失は、２０％ほども減少させることが可能になる。

従って、上に述べた理由により、熱交換器１００は、エンジン１０の効率を改善し、それによってエンジン１０を保守することに関連する時間及び／又はコストを低減するのを可能にする。

図５は、コアエンジンケーシング５６に結合された例示的な熱交換器２００を含むガスタービンエンジン１０の概略図である。図６は、熱交換器２００の拡大概略図である。この例示的な実施形態では、熱交換器２００は、エンジンケーシング５６と該エンジンケーシング５６に対して該熱交換器２００を保持する取付け装置２０１との間に結合される。

この例示的な実施形態では、熱交換器２００は、入口２０２と、出口２０４と、入口２０２及び出口２０４間で延びる曲線本体２０６とを含む。具体的には、曲線本体２０６は、該曲線本体２０６内に少なくとも１つの湾曲部分２０７が形成されるように入口２０２と出口２０４との間で延びる。この例示的な実施形態では、また他の公知の熱交換器とは異なり、入口２０２及び出口２０４は、入口プレナム又は出口プレナムがない状態でコアエンジンケーシング５６に結合される。この例示的な実施形態では、入口プレナム又は出口プレナムがない状態で熱交換器２００を製作することにより、他の公知の熱交換器の場合にそうであるようにはエンジン１０に大きな重量を加えずに、エンジン１０に対して熱交換器２００を結合することが可能になる。さらに、入口プレナム及び／又は出口プレナムがない状態で熱交換器２００を製作することにより、熱交換器２００内での抗力の量を低下させ、それによって熱交換器２００内での熱交換の量を増大させる。

複数の曲線熱交換器エレメント２０８が、曲線本体２０６を貫通して延びる。より具体的には、熱交換器エレメント２０８は各々、入口２０２から出口２０４まで延び、従って複数の通路２１０が隣接する熱交換器エレメント２０８の対間に形成される。１つの実施形態では、熱交換器エレメント２０８及び通路２１０は各々、曲線本体２０６の曲線形状と実質的に同様な曲線形状が有するように形成される。別の実施形態では、各熱交換器エレメント２０８の寸法、配向及び相対位置の少なくとも１つは可変である。さらに、各実施形態では、熱交換器２００は、公知の熱交換器よりも小さいボリュームを有しており、従って隣接する熱交換器エレメント２０８の対は、公知の熱交換器におけるよりも互いに近接して配置される。従って、通路２１０は、公知の熱交換器におけるよりも狭い。

この例示的な実施形態では、作動時に、エンジン１０からのオイルは、熱交換器エレメント２０８を通して送られ、またファン組立体１２から吐出された空気流２１２は、熱交換器２００を通して送られる。別の実施形態では、空気流２１２は、機外又は周囲空気である。公知の熱交換器とは異なり、空気流２１２は、入口プレナム又はディフューザを通過せずに熱交換器２００内に直接送り込まれる。この例示的な実施形態では、空気流２１２は、入口２０２内に直接送り込まれまた通路２１０を通して送られて、オイルと空気流２１２との間の熱交換を可能にする。具体的には、オイルは、空気流２１２が通路２１０を通ってかつ熱交換器エレメント２０８を通過して流れる時に冷却されることが可能になる。使用済み空気流２１２は、熱交換器２００から出口プレナムを通過せずに出口２０４を通して吐出され、コアエンジンケーシング５６上に吐出して戻される。

この例示的な実施形態では、空気流２１２が熱交換器２００を通して送られる時に、通路２１０は、空気流２１２とオイルとの間の熱交換量を増大させるのを可能にする。具体的には、通路２１０は狭く、従って、公知の熱交換器におけるよりも少量である熱交換のための空気流を必要としながら熱交換器エレメント２０８と空気流２１２との間のより大きな量の接触を可能にする。さらに、熱交換器２００の曲線形状は、空気流２１２が通路２１０内を流れ、それによって空気流２１２と熱交換器エレメント２０８との間の接触を増大させることを可能にする。加えて、空気流２１２は、熱交換器２００内に送り込まれる時に拡散される又は入口プレナムを通して送られることはない。従って、熱交換器２００内における空気流２１２の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失を減少させることが可能になる。具体的には、１つの実施形態では、空気流２１２の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失は、２０％ほども減少させることが可能になる。

従って、上に述べた理由により、熱交換器２００は、エンジン１０の効率を改善し、それによってエンジン１０を保守することに関連する時間及び／又はコストを低減するのを可能にする。

１つの実施形態では、タービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、曲線本体を有する熱交換器を準備するステップを含む。本方法はまた、熱交換器をタービンエンジンのファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合するステップを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれる空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。１つの実施形態では、熱交換器は、出口プレナムがない状態でファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合される。従って、空気流は、出口プレナムを通過せずに熱交換器から直接吐出される。別の実施形態では、熱交換器は、入口プレナムがない状態でタービンエンジンのファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合される。従って、空気流は、入口プレナムを通過せずに熱交換器内に直接送り込まれる。さらに別の実施形態では、熱交換器は、ディフューザがない状態でタービンエンジンのファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合される。従って、空気流は、ディフューザを通過せずに熱交換器内に送り込まれる。

１つの実施形態では、本方法はまた、曲線本体を貫通させて複数の曲線熱交換器エレメントを延ばすステップと、各熱交換器エレメントの寸法、配向及び相対位置の少なくとも１つを変化させるステップとを含む。１つの実施形態では、各熱交換器エレメントの寸法、配向及び相対位置の少なくとも１つを変化させるステップは、空気流と熱交換器エレメントとの間の接触量の増大させるのを可能にする。別の実施形態では、曲線本体を有する熱交換器を準備するステップは、熱交換器エレメントを通って流れるオイルを冷却するのに必要な空気量を減少させるのを可能にする。

上記のシステム及び方法は、タービンエンジン熱交換器内における熱伝達を増大させるのを可能にする。具体的には、熱伝達量は、熱交換器内に形成された曲線通路と入口プレナム及び／又は出口プレナムを欠いたこととの組合せにより増大する。入口プレナムを欠いたことにより、熱交換器内への空気流の拡散が少なくなり、従って熱交換器内における圧力損失が減少する。従って、これらの組合せは、熱交換器を貫通して延びる熱交換器エレメントに対して、より大量の空気流を接触状態にする。従って、上記の熱交換器は、公知の熱交換器よりも必要な材料及び重量を少なくしながら、より大量の熱交換を行う。従って、上記の熱交換器は、タービンエンジンの効率改善し、それによってそのタービンエンジンを保守するのに関連する時間及び／又はコストを低減するのを可能にする。

本明細書で使用する場合、数詞のない形で記載した要素又はステップは、そうではないことを明記していない限り、そのような要素又はステップが複数あることを除外するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「１つの実施形態」という表現は、記載した特徴をそれらもまた組み込んでいる付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。

以上、タービンエンジン内で熱を交換するためのシステム及び方法の例示的な実施形態を詳細に説明している。説明したシステム及び方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろシステムの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。さらに、方法に記載したステップは、本明細書に記載したその他のステップとは独立してかつ別個に利用することができる。

様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することは、当業者には分かるであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図。 内側ファンケーシングと外側ファンケーシングとの間に結合された例示的な熱交換器を含む、図１に示すガスタービンエンジンの概略図。 図２に示す熱交換器の実施形態の拡大概略図。 図２に示す熱交換器の別の実施形態の拡大概略図。 コアエンジンケーシングに結合された例示的な熱交換器を含む、図１に示すガスタービンエンジンの概略図。 図５に示す熱交換器の一部分の拡大概略図。

符号の説明

１０ ガスタービンエンジン
１２ ファン組立体
１３ コアエンジン
１４ 高圧圧縮機
１６ 燃焼器
１８ 高圧タービン
２０ 低圧タービン
２２ ブースタ
２４ ファンブレードの列
２６ ロータディスク
２８ 吸気側
３０ 排気側
３１ 第１のロータシャフト
３２ 第２のロータシャフト
３４ 中心軸線
５０ ファンケーシング
５２ 内側ファンケーシング
５４ 外側ファンケーシング
５６ エンジンケーシング
１００ 熱交換器
１０２ 入口
１０４ 出口
１０５ 曲線本体
１０６ 湾曲部分
１０７ 出口プレナム
１０８ 熱交換器エレメント
１１０ 通路
１１２ 空気流
１１４ 区域
２００ 熱交換器
２０１ 取付け装置
２０２ 入口
２０４ 出口
２０６ 曲線本体
２０７ 湾曲部分
２０８ 熱交換器エレメント
２１０ 通路
２１２ 空気流

Claims (10)

1. タービンエンジン（１０）用の熱交換器（１００）であって、
   入口（１０２）及び出口（１０４）と、
   前記入口及び出口間で延びる曲線本体（１０５）と、を含み、
   前記曲線本体が、該熱交換器内に送り込まれた空気流（１１２）の圧力損失を減少させるように構成される、
   熱交換器（１００）。
2. 前記熱交換器出口（１０４）が、出口プレナムがない状態で前記タービンエンジン（１０）のファンケーシング（５０）及びエンジンケーシング（５６）の少なくとも１つに結合されて、前記空気流（１１２）が前記出口プレナムを通過せずに該熱交換器から直接吐出されるように構成される、請求項１記載の熱交換器（１００）。
3. 前記熱交換器入口（１０２）が、入口プレナムがない状態で前記タービンエンジン（１０）のファンケーシング（５０）及びエンジンケーシング（５６）の少なくとも１つに結合されて、前記空気流（１１２）が前記入口プレナムを通過せずに該熱交換器内に直接送り込まれるように構成される、請求項１記載の熱交換器（１００）。
4. 前記曲線本体（１０５）を貫通して延びる複数の曲線熱交換器エレメント（１０８）をさらに含み、
   各前記熱交換器エレメントの寸法、配向及び相対位置の少なくとも１つが可変である、
   請求項１記載の熱交換器（１００）。
5. 各前記熱交換器エレメント（１０８）が、その寸法、配向及び相対位置が変化して前記空気流（１１２）と該熱交換器エレメントとの間の接触量を増大させるように構成される、請求項４記載の熱交換器（１００）。
6. 前記曲線本体（１０５）が、前記熱交換器エレメント（１０８）を通って流れるオイルを冷却するのに必要な空気量を減少させるように構成される、請求項４記載の熱交換器（１００）。
7. 該熱交換器が、ディフューザがない状態で前記タービンエンジン（１０）のファンケーシング（５０）及びエンジンケーシング（５６）の少なくとも１つに結合されて、前記空気流（１１２）が前記ディフューザを通過せずに該熱交換器内に送り込まれるように構成される、請求項１記載の熱交換器（１００）。
8. エンジンケーシング（５６）と、
   前記エンジンケーシングに結合されかつ該エンジンケーシングの半径方向外側に配置されたファンケーシング（５０）と、
   前記ファンケーシング及びエンジンケーシングの少なくとも１つに結合されるように構成された熱交換器（１００）と、
   を含み、前記熱交換器が、
   入口（１０２）及び出口（１０４）と、
   前記入口及び出口間で延びかつ該熱交換器内に送り込まれた空気流（１１２）の圧力損失を減少させるように構成された曲線本体（１０５）と、を含む、
   タービンエンジン（１０）。
9. 前記熱交換器出口（１０４）が、出口プレナムがない状態で前記ファンケーシング（５０）及びエンジンケーシング（５６）の少なくとも１つに結合されて、前記空気流（１１２）が前記出口プレナムを通過せずに前記熱交換器（１００）から直接吐出されるように構成される、請求項８記載のタービンエンジン（１０）。
10. 前記熱交換器入口（１０２）が、入口プレナムがない状態で前記ファンケーシング（５０）及びエンジンケーシング（５６）の少なくとも１つに結合されて、前記空気流（１１２）が前記入口プレナムを通過せずに前記熱交換器（１００）内に直接送り込まれるように構成される、
    請求項８記載のタービンエンジン（１０）。

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