JP2011236894A - ガスタービンエンジンのエーロフォイル一体型熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】一体的熱交換器装置を含む、ガスタービンエンジンのエーロフォイル構造を提供すること。
【解決手段】熱交換器装置は、（ａ）対向する正圧側面５４および負圧側面５２、根元部５０、先端部４８、ならびに離間した前縁４４および後縁４６を有するエーロフォイル４２と、（ｂ）循環作動流体流を受容するように構成されている、エーロフォイル４２の内部に一体的に形成されているプレナムと、（ｃ）プレナムおよびエーロフォイル４２の外側と連通している入口ポートおよび出口ポートとを含む。
【選択図】図３

Description

本発明は、全般的に、ガスタービンエンジンとそのようなエンジンにおけるオイル冷却のための方法とに関する。

ガスタービンエンジンには、一般的に、例えばベアリング、ギアボックス、発電機等の種々のエンジン構成要素を潤滑し冷却するための循環オイルシステムが設けられている。作動中、オイルは、オイルを許容可能な温度に維持するために外部環境へ退けなければならない相当量の熱を吸収する。発電機のオイル冷却では、通常、１つまたは複数の空気対オイル熱交換器（「空冷式オイルクーラ」または「ＡＣＯＣ：ａｉｒ ｃｏｏｌｅｄ ｏｉｌ ｃｏｏｌｅｒ」と呼ばれる）を、時には複雑な冷却ネットワークにおいて燃料対オイル熱交換器および燃料タンク戻りシステム（「ＦＲＴＴ：ｆｕｅｌ ｒｅｔｕｒｎ−ｔｏ−ｔａｎｋ ｓｙｓｔｅｍ」）と直列に、使用する。

航空機のガスタービンエンジンが、より厳密なデューティサイクルを伴う「より新しい」発電機および潤滑システムに進化してきている。より小さいエンジン、音響処理の必要性の増大、ならびにより多くのコントロールおよびアクセサリのハードウェアのため、大きなＡＣＯＣを物理的にパッケージングすることはより困難である。さらに、十分な冷却空気流の欠如のせいで、過渡動作モードが「ピンチポイント」を生じさせる可能性がある。何故なら、システムを冷却する空気が不十分な場合、新世代の始動発電機は、過渡始動モード中のオイルの冷却に関する特有の問題を生み出すからである。

先行技術のこれらおよび他の欠点は、一体的熱交換器装置を含む、ガスタービンエンジンのエーロフォイル構造を提供する本発明により対処される。

本発明の一態様によれば、熱交換器装置が、（ａ）対向する正圧側面（ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｉｄｅ）および負圧側面（ｓｕｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ）、根元部、先端部、ならびに離間した前縁および後縁を有するエーロフォイルと、（ｂ）循環作動流体流を受容するように構成されている、エーロフォイルの内部に一体的に形成されているプレナムと、（ｃ）プレナムおよびエーロフォイルの外側と連通している入口ポートおよび出口ポートとを含む。

本発明の別の態様によれば、ガスタービンエンジンのためのガイドベーン装置が、（ａ）対向する正圧側面および負圧側面、根元部、先端部、ならびに離間した前縁および後縁を有する固定エーロフォイルであり、先端部は固定環状ケーシングに結合されている、固定エーロフォイルと、（ｂ）循環作動流体流を受容するように構成されている、エーロフォイルの内部に一体的に形成されているプレナムと、（ｃ）プレナムおよびエーロフォイルの外側と連通している入口ポートおよび出口ポートとを含む。

本発明は、添付図面と併用されている以下の説明を参照することにより、最も良く理解される可能性がある。

本発明の態様に従って構成されている熱交換器システムを組み込んでいるガスタービンエンジンの概略横断面図である。 図１のガスタービンエンジンの部分の拡大図である。 本発明の態様に従って構成されている出口ガイドベーンの側面図である。 図３の線４−４に沿って取った横断面図である。 その内部構成を見せるためにカバーが除去された状態の、図３の出口ガイドベーンの斜視図である。 その内部構成を見せるためにカバーが除去された状態の、代替的出口ガイドベーンの斜視図である。 その内部構成を見せるためにカバーが除去された状態の、代替的出口ガイドベーンの斜視図である。 出口ガイドベーンおよび流体継手装置の部分断面斜視図である。

種々の図を通じて同一参照番号が同一要素を示す図面を参照して、図１および図２は、本発明の態様に従って構成されているＯＧＶ熱交換器装置を組み込んでいるガスタービンエンジン１０を示す。図示の例は高バイパスターボファンエンジンであるが、本発明の原理は、例えば低バイパス、ターボジェット等の他のタイプのエンジンにも適用可能である。エンジン１０は、長手方向中心線または長手方向中心軸Ａと、軸Ａを中心に同心円状にかつ軸Ａに沿って同軸上に配設されている外側固定環状ケーシング１２とを有する。エンジン１０は、直流関係に配置されているファン１４と、ブースタ１６と、圧縮機１８と、燃焼器２０と、高圧タービン２２と、低圧タービン２４とを有する。動作中、圧縮機１８からの圧搾空気が、燃焼器２０内で燃料と混合され、点火され、それにより燃焼ガスを生成する。外側シャフト２６を介して圧縮機１８を駆動する高圧タービン２２により、これらのガスから何らかの仕事が抽出される。燃焼ガスは、次いで、低圧タービン２４内に流入し、それにより内側シャフト２８を介してファン１４とブースタ１６とを駆動する。内側シャフト２８および外側シャフト２６は、それら自体がファンフレーム３２およびタービン後部フレーム３４に取り付けられているベアリング３０内に回転可能に取り付けられている。

ファンフレーム３２は、ファン流路を横断して延在している環状配列状の径方向に延在しているファン出口ガイドベーン（「ＯＧＶ」）４０により環状ファンケーシング３８に連結されている中心ハブ３６を有する。この例では、ＯＧＶ４０の各々は、空気旋回要素およびファンケーシング３８の構造支柱の両方である。他の構成では、空気力学的機能および構造機能のために別個の部材が設けられている。本発明の概念が、ＯＧＶ４０を例として用いて記載されるが、当然のことながら、それらの概念は、エンジン１０の内部のいずれの固定エーロフォイル型構造にも適用可能である。

エンジン１０内のファンＯＧＶ４０のいくつかまたは全ては、それらの構造内に一体化されている熱交換器を含む。図３〜図５は、ファンＯＧＶ４０の１つをより詳細に示している。ＯＧＶは、前縁４４と、後縁４６と、先端部４８と、根元部５０と、凸状負圧側面５２と、凹状正圧側面５４とを有するエーロフォイル４２を含む。弓形内部プラットフォーム５６が、エーロフォイル４２の根元部５０に配設されている。

エーロフォイル４２は、本体５８とカバー６０とから組み立てられている。本体５８とカバー６０とはどちらも、目的の用途に適切な強度特性および重量特性を備えた材料から作製されている。適切な合金の一例が、７０００系アルミニウム合金、特に７０７５アルミニウム合金である。本体５８は、例えば鋳造により製造されてもよい単一構成要素である。本体は、その正圧側面５４に形成されているポケットとして構成されているプレナム６２（図４参照）を組み込んでいる。あるいは、またはさらに、プレナム６２は、負圧側面５２に形成されているポケットを含むことができると考えられる。連続的棚状部６４が、カバー６０の外縁を受容するプレナム６２の外縁を巡って配設されている。カバー６０は、接着結合、融接、または摩擦攪拌溶接により生み出される固体接合（ｓｏｌｉｄ−ｓｔａｔｅ ｂｏｎｄ）などのしっかりした漏れのない接合を実現する任意の手段により、棚状部６４に固定されていてもよい。カバー６０は、エーロフォイル４２の内部に画定されている種々のチャネルおよび流路間の流体漏れを防止するために、プレナム６２の外辺部内のエーロフォイル４２の構造物（例えば、以下により詳細に記載されている壁、リブ等）にさらに固定されていてもよい。この棚状部６４は、カバー６０を貫通する完全溶込み溶接に十分な材料を依然として残しながら、軽量化および材料の節約のために可能な限り狭くなるように選択されている平均幅「Ｗ」を有する。図示の例では、幅Ｗは、約１．２７ｃｍ（０．５インチ）未満であり、好ましくは約０．８９ｃｍ（０．３５インチ）である。

カバー６０は、外面６５がエーロフォイル４２の正圧側面５４と実質的に同一面であるようにプレナム６２内に嵌合する内面および外面を含む単一構成要素である。カバー６０の外面６５は、エーロフォイル４２の正圧側面５４の部分を形成している。平面図では、カバー６０は、丸みの付いた角部を有する略長方形である。カバーは、空気力学的要素としてのみ機能し、比較的薄い厚さ、例えば約２ｍｍ（０．０８インチ）を有していてもよい。許容可能な溶接接合を実現するために、カバー６０の外縁は、小さい横方向公差「Ｌ」、例えば約０．１２７ｍｍ（０．００５インチ）を有するプレナム６２の外縁に嵌合される。

プレナム６２は、作動流体流、例えば潤滑油、のためにＯＧＶ４０の内部に空間を提供する。プレナム６２はＯＧＶ４０と一体的であり、または換言すれば、プレナム６２は、先行技術で使用されているフィルタ材料などの任意の中間体構造ではなく、ＯＧＶ４０自体の構造により画定されている。動作中、このことにより、結果として、伝熱率を最大にするように作動流体がＯＧＶ４０の外皮の内面に密接しているようになる。プレナム６２の内部、すなわちそのサイズ、形状、表面組織、および内壁または他の特徴の配置は、作動流体とＯＧＶ４０との間の伝熱の最大化、圧力損失の最小化等を実施するように構成されていてもよい。本明細書で使用されている用語「プレナム」は、それが単一空間として構成されているかいくつかのより小さい空間として構成されているかに関わらず、ＯＧＶ４０の内部で作動流体流に利用可能な全容積を指す。

例えば、図４および図５に示されている通り、プレナム６２の内部は、略径方向（すなわちスパン方向）に延びておりかつ壁またはリブにより分離されている複数の平行なチャネル６６として構成されている。チャネル６６の群（例えば５つ）が、６８と表示されている矢印で概略的に示されている蛇行「通路」に配置されていてもよい。４通路の配置が示されている。通路は、ＯＧＶ４０の内部に一体的に形成されているチャネルによりまたはＯＧＶ４０の外部の管もしくはヘッダ構造により画定されていてもよい。チャネル６６は、前述の通りカバー６０が取り付けられる前に、例えば機械加工により形成されていてもよい。図示の例では、チャネル６６の各々の幅は、約６．４ｍｍ（０．２５インチ）である。設計を簡略化するために、チャネル６６の数およびそれらの横断面設計は、各通路６８の流動面積（ｆｌｏｗ ａｒｅａ）が市販の管サイズに実質的に等しいように選択されてもよい。

図６は、代替的プレナム１６２を組み込んでいるＯＧＶ１４０を示す。プレナム１６２は、プレナム１６２の内部のおおよそ中央翼弦位置に略スパン方向に延びている中心隔壁１６４を含む。複数の内壁１６６が、隔壁１６４の長さに沿って間隔を置いて隔壁１６４から前後に延在している。複数の外壁１６８が、内壁１６６に対して交互のスパン方向位置で、プレナム１６２の外縁から内側に延在している。隔壁１６４ならびに内壁１６６および外壁１６８は共に、プレナム１６２を通る略「Ｕ」形の通路を辿る蛇行流路を画定している。

図７は、代替的プレナム２６２を組み込んでいるさらに別の代替的ＯＧＶ２４０を示す。配列状の第１の壁２６４が、第１の平面にあり、第１の鋭角でプレナムを横断して延在している。配列状の第２の壁２６６が、第１の壁２６４の下方に第２の平面にあり、第１の壁２６４に垂直にプレナム２６２を横断して延在している。作動流体が、第１の平面に導入され、その端部に到達するまで第１の壁２６４に平行に流動し、そこで、作動流体は第２の平面の方へ第２の壁２６６に平行に流動し、したがってクロスフロー作用をもたらす。

図８は、ＯＧＶ４０へかつそこから作動流体を移送するための構造を示す。その構造は、同一の構造が前述の代替的構成に適用可能であるという理解のもとに、図３〜図５に示されているＯＧＶ４０を参照して説明される。ＯＧＶ４０の先端部４８は、プレナム６２と連通している、中に形成されている入口ポート７２と出口ポート７４とを有する。入口ジャンプ管組立体７６が、入口ポート７２に連結されており、出口ジャンプ管組立体７８が、出口ポート７４に連結されている。ポート７２および７４は、構造上実質的に同一であり、したがって、入口ポート７２とそれに関連する入口ジャンプ管組立体７６のみを詳細に説明する。入口ポート７２は、ＯＧＶ４０の外層に配置されている開口部７９を有する。略円筒形のジャンプ管８０の内端部は、入口ポート７２内に受容されている。ジャンプ管８０は、ＯＧＶ４０の先端部４８とファンケーシング３８との間の径方向間隙に伸びており、ファンケーシング３８の開口部を通過している。ジャンプ管８０の外端部は、中空リテーナ８２内に受容されている。図示のＯリングなどのシール８４および８６が、ＯＧＶ４０とファンケーシング３８との間の何らかの関連する運動を可能にすると同時に、ジャンプ管−ＯＧＶの界面間およびジャンプ管−リテーナの界面間の漏れを防止する。リテーナ８２は、ファンケーシング３８の外面に固定されている。図示の例では、リテーナ８２は、ファンケーシング３８の穴部８８およびリテーナ８２の取付けフランジ９０を通過するボルト（図示せず）などの従来型のファスナを使用して、ファンケーシング３８に留め付けられている。リテーナ８２の外端部は、図示の例ではエルボである、中に装着されている流体継ぎ手９２を有する。流体継ぎ手９２は、供給管（図示せず）に接続されている。

動作中、エンジンからの高温作動流体（例えば、潤滑油またはアクセサリ冷却オイル）が、入口ジャンプ管組立体７６に移送される。作動流体は、プレナム６２を通って流動し、そこで、ＯＧＶを取り巻いている気流（この場合はファンバイパス流）への伝達により、熱が流体から除去される。加熱オイルは、次いで、出口ジャンプ管組立体７８を通って出て行き、オイルシステムの残りの部分へ戻る。ＯＧＶ４０を通るオイル循環流は、特定の用途によって並列または直列であってもよい。当然のことながら、オイルシステムは、加圧オイル流を供給する必要に応じて、ポンプ、フィルタ、ライン、バルブ、タンク、および他の機器を組み込んでいる。そのような構成要素は周知であり、したがって本明細書では説明されていない。

本明細書に記載されている概念を用いて、タービンエンジンＯＧＶは、空気旋回機能および構造機能に加えて、オイル冷却機能を組み込む。オイル冷却機能は、ベーンの周囲で実施されて、エーロフォイルの正圧側面および負圧側面に沿って熱交換を活用するので、本概念はいくつかの利点を有する。その中には、先行技術のＡＣＯＣより実質的に低いオイル圧力降下、ならびにより低いノイズレベル、ならびにＡＣＯＣおよび関連するエンジン「ＦＲＴＴ」の除去による大幅な軽量化がある。燃料消費率（「ＳＦＣ：ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｆｕｅｌ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ」）の著しい改善も期待される。

上記記述は、ガスタービンエンジンのための一体型熱交換器を備えたエーロフォイル構造およびその動作のための方法を記載した。本発明の特定の実施形態を記載したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、それに対して種々の修正を施すことができることは、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の上記記載および本発明を実践するための最良の形態が、単に例示目的で提供されている。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 環状ケーシング
１４ ファン
１６ ブースタ
１８ 圧縮機
２０ 燃焼器
２２ 高圧タービン
２４ 低圧タービン
２６ 外側シャフト
２８ 内側シャフト
３０ ベアリング
３２ ファンフレーム
３４ 後部フレーム
３６ 中心ハブ
３８ ファンケーシング
４０、１４０、２４０ 出口ガイドベーン（「ＯＧＶ」）
４２ エーロフォイル
４４ 前縁
４６ 後縁
４８ 先端部
５０ 根元部
５２ 凸状負圧側面
５４ 凹状正圧側面
５６ 内部プラットフォーム
５８ 本体
６０ カバー
６２、１６２、２６２ プレナム
６４ 棚状部
６５ 外面
６６ チャネル
６８ 通路
７２ 入口ポート
７４ 出口ポート
７６ 入口ジャンプ管組立体
７８ 出口ジャンプ管組立体
７９ 開口部
８０ ジャンプ管
８２ 中空リテーナ
８４、８６ シール
８８ 穴部
９０ 取付けフランジ
９２ 流体継ぎ手
１６４ 中心隔壁
１６６ 内壁
１６８ 外壁
２６４ 第１の壁
２６６ 第２の壁
Ａ 長手方向中心線／長手方向中心軸
Ｗ 平均幅
Ｌ 横方向公差

Claims (14)

1. 熱交換器装置であって、
   （ａ）対向する正圧側面（５４）および負圧側面（５２）、根元部（５０）、先端部（４８）、ならびに離間した前縁（４４）および後縁（４６）を有するエーロフォイル（４２）と、
   （ｂ）循環作動流体流を受容するように構成されている、前記エーロフォイル（４２）の内部に一体的に形成されているプレナム（６２、１６２、２６２）と、
   （ｃ）前記プレナム（６２）および前記エーロフォイル（４２）の外側と連通している入口ポート（７２）および出口ポート（７４）と
   を含む、熱交換器装置。
2. 前記エーロフォイル（４２）は、
   （ａ）前記対向する正圧側面（５４）および負圧側面（５２）、前記根元部（５０）、前記先端部（４８）、ならびに前記離間した前縁（４４）および後縁（４６）を有する金属本体（５８）であり、前記正圧側面（５４）および前記負圧側面（５２）の内の選択された１つに形成されている陥凹ポケットを有する、金属本体（５８）と、
   （ｂ）外縁端部、内面、および外面を有する金属カバー（６０）であり、前記外面は、前記正圧側面（５４）および前記負圧側面（５２）の内の前記選択された１つの少なくとも部分を画定しており、前記カバー（６０）は、前記本体（５８）に取り付けられている、金属カバー（６０）と
   を含み、
   （ｃ）前記ポケットおよび前記カバー（６０）は、前記プレナム（６２）の少なくとも部分を協働して画定している、請求項１記載の装置。
3. 前記カバー（６０）は、固体接合により前記本体（５８）に取り付けられている、請求項２記載の装置。
4. 前記プレナム（６２）は、前記エーロフォイル（４２）の略スパン方向に配置されている複数のチャネル（６６）を含む、請求項１記載の装置。
5. 前記チャネル（６６）の群は、一緒に配置されて作動流体のための２つ以上の並んだ通路を形成している、請求項４記載の装置。
6. 前記プレナム（１６２）は、
   （ａ）延在している複数の内壁（１６６）を有する、略スパン方向に配置された中心隔壁（１６４）と、
   （ｂ）前記内壁（１６６）間に配設されている複数の外壁（１６８）であり、前記中心隔壁（１６４）、前記内壁（１６６）、および前記外壁（１６８）は、蛇行流路を協働して画定している、複数の外壁（１６８）と、
   を含む、請求項１記載の装置。
7. 前記入口ポート（７２）および前記出口ポート（７４）の各々に連結されているジャンプ管組立体（７６）をさらに含み、前記ジャンプ管組立体（７６）は、
   （ａ）前記各ポートの内部に受容されている第１の端部を有するジャンプ管（８０）であり、前記エーロフォイル（４２）の前記先端部（４８）と前記ケーシング（３８）との間の径方向間隙に伸びておりかつ前記ケーシング（３８）の開口部を通過している、ジャンプ管（８０）と、
   （ｂ）前記ジャンプ管（８０）の第２の端部を受容しておりかつ前記ジャンプ管（８０）を定位置に保持している、前記ケーシング（３８）に取り付けられているリテーナ（８２）であり、前記ジャンプ管（８０）と流体連通している流体継ぎ手（９２）を含む、リテーナ（８２）と
   を含む、請求項１記載の装置。
8. ガスタービンエンジンのためのガイドベーン装置（４０）であって、
   （ａ）対向する正圧側面（５４）および負圧側面（５２）、根元部（５０）、先端部（４８）、ならびに離間した前縁（４４）および後縁（４６）を有する固定エーロフォイル（４２）であり、前記先端部（４８）は固定環状ケーシング（１２）に結合されている、固定エーロフォイル（４２）と、
   （ｂ）循環作動流体流を受容するように構成されている、前記エーロフォイル（４２）の内部に一体的に形成されているプレナム（６２）と、
   （ｃ）前記プレナム（６２）および前記エーロフォイル（４２）の外側と連通している入口ポート（７２）および出口ポート（７４）と
   を含む、ガイドベーン装置（４０）。
9. 前記エーロフォイル（４２）は、
   （ａ）前記対向する正圧側面（５４）および負圧側面（５２）、前記根元部（５０）、前記先端部（４８）、ならびに前記離間した前縁（４４）および後縁（４６）を有する金属本体（５８）であり、前記正圧側面（５４）および前記負圧側面（５２）の内の選択された１つに形成されている陥凹ポケットを有する、金属本体（５８）と、
   （ｂ）外縁端部、内面、および外面を有する金属カバー（６０）であり、前記外面は、前記正圧側面（５４）および前記負圧側面（５２）の内の前記選択された１つの少なくとも部分を画定しており、前記カバー（６０）は前記本体（５８）に取り付けられている、金属カバー（６０）と
   を含み、
   （ｃ）前記ポケットおよび前記カバー（６０）は、前記プレナム（６２）の少なくとも部分を協働して画定している、請求項８記載の装置。
10. 前記カバー（６０）は、固体接合により前記本体（５８）に取り付けられている、請求項９記載の装置。
11. 前記プレナム（６２）は、前記エーロフォイル（４２）の略スパン方向に配置されている複数のチャネル（６６）を含む、請求項８記載の装置。
12. 前記チャネル（６６）の群は、一緒に配置されて作動流体のための２つ以上の並んだ通路を形成している、請求項１１記載の装置。
13. 前記プレナム（１６２）は、
    （ａ）延在している複数の内壁（１６６）を有する略スパン方向に配置された中心隔壁（１６４）と、
    （ｂ）前記内壁（１６６）間に配設されている複数の外壁（１６８）であり、前記中心隔壁（１６４）、前記内壁（１６６）、および前記外壁（１６８）は、蛇行流路を協働して画定している、複数の外壁（１６８）と
    を含む、請求項８記載の装置。
14. 前記入口ポート（７２）および前記出口ポート（７４）の各々に連結されているジャンプ管組立体（７６）をさらに含み、前記ジャンプ管組立体（７６）は、
    （ａ）前記各ポートの内部に受容されている第１の端部を有するジャンプ管（８０）であり、前記エーロフォイル（４２）の前記先端部（４８）と前記ケーシング（３８）との間の径方向間隙に伸びておりかつ前記ケーシング（３８）の開口部を通過している、ジャンプ管（８０）と、
    （ｂ）前記ジャンプ管（８０）の第２の端部を受容しておりかつ前記ジャンプ管（８０）を定位置に保持している、前記ケーシング（３８）に取り付けられているリテーナ（８２）であり、前記ジャンプ管（８０）と流体連通している流体継ぎ手（９２）を含む、リテーナ（８２）と
    を含む、請求項８記載の装置。

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