JP2015098868A - 表面冷却器の支持機構 - Google Patents

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Abstract

【課題】複雑な取付システムを克服し、例えば、冷却器の円周方向での熱的増大を可能にしながらも、製造が容易で、設置が容易で、動作性に優れるシステムを提供する。加えて、表面冷却器構造によって可能である、高サイクル疲労の可能性を克服するシステムを提供する。【解決手段】熱交換器を所定位置に保持するために前方および後方ブラケットを利用する表面式熱交換器が提供される。表面式熱交換器は、複数のコア冷却チャネルと、ガスタービンエンジンを通じた空気流のために配置されるフィンとを含む。ブラケットは、低摩擦摩耗材料と、熱交換器に幾らかのバネ力をもたらす絶縁シートとを含む。【選択図】図1

Description

本実施形態は、概してガスタービンエンジンで利用される熱交換器に関する。特に、本実施形態は、限定されないが表面式熱交換器用の取付ブラケットに関する。
ガスタービンエンジンでは、空気が圧縮器で加圧され、タービン段を通じて下流方向に流れる高温燃焼ガスを発生させるために燃焼器で燃料と混合される。典型的なガスタービンエンジンは、一般に、前方端および後方端を有し、それらの間に軸方向にエンジンの幾つかのコアまたは推進部品が配置される。吸気口または空気入口は、エンジンの前方端に位置する。入口には、後方端に向けて順番に圧縮器、燃焼チャンバおよびタービンが続く。例えば、低圧および高圧圧縮器、低圧および高圧タービン等の追加部品がエンジンに含まれ得ることは、当業者にとって容易に明らかであろう。しかし、これは、限定的な列挙ではない。典型的なターボプロップガスタービンエンジン式の航空機では、タービン段は、ターボプロペラを回転させるために燃焼ガスからエネルギーを抽出する。幾つかの実施形態では、推進器は、幾つかの飛行機については1つ以上のターボプロペラ(以下、「ターボプロップ」)に動力を供給し得る。代替的な実施形態では、推進器は、ヘリコプターの動作のために、ロータとして具現化される1つ以上のターボプロペラを駆動し得る。
動作中、ガスタービンエンジンによる燃焼およびエネルギー抽出プロセスによって著しい発熱が生じる。エンジンを故障させ得る許容できないレベルまでエンジン温度を上昇させないように、エンジン内の発熱を管理する必要がある。熱を制御し、エンジン寿命を向上させる一方法は、エンジン部品を冷却流体で潤滑し、さらに潤滑流体を冷却することである。そのような熱交換の実施形態では、タービンエンジンの高温流体を冷却するために空気流が利用される。
米国特許出願公開第2013/0011246号明細書
表面冷却器用の従来技術の取付システムは、製造がさらに困難である重く複雑な取付システムを利用する。これらの取付システムは、表面冷却器の金属を時には撓ませ得る複合溶接を利用する。これらの複雑な取付システムを克服し、冷却器の例えば円周方向の熱的増大を許容しながらも、製造が容易で、設置が容易で、動作性に優れるシステムを提供することが望ましいであろう。加えて、表面冷却器構造によって可能である、高サイクル疲労の可能性を克服するシステムを提供することが望ましいであろう。
本実施形態によれば、熱交換器を所定位置に保持するために前方および後方ブラケットを利用する表面式熱交換器が提供される。表面式熱交換器は、複数のコア冷却チャネルと、ガスタービンエンジンを通じた空気流のために配置されるフィンとを含む。ブラケットは、低摩擦摩耗材料と、熱交換器に幾らかのバネ力をもたらす絶縁シートとを含む。
幾つかの実施形態によれば、表面冷却器の支持機構は、複数の冷却チャネルを有する本体と、複数の冷却チャネルに隣接して配置された複数の熱交換フィンと、本体の横方向縁部に沿って延在する対向する前方および後方冷却器リブを有する本体と、を含む熱交換器を備える。少なくとも1つの後方ブラケットは、後方ブラケット本体、および後方冷却器リブを受容するための第1の溝を有し、少なくとも1つの前方ブラケットは、前方ブラケット本体、および前方冷却器リブを受容するための第2の溝を有する。低摩擦摩耗材料は、第1の溝および第2の溝のそれぞれの内部に配置される。絶縁シートは、第1の溝および第2の溝のうちの少なくとも一方に配置される。
任意選択的に、絶縁シートは、バネ力をもたらし、圧縮可能であってもよい。絶縁シートは、高サイクル疲労に対する減衰をもたらす。第1の溝および第2の溝は、それぞれ支持面を有し、支持面が略水平であってもよい。支持面は、エンジン軸線に対して角度を有してもよい。低摩擦摩耗材料は、低摩擦係数を有してもよい。例えば、低摩擦摩耗材料は、PEEK材料であってもよい。低摩擦摩耗材料は、低摩擦摩耗材料を通じた前記前方および後方冷却器リブの円周方向の移動を許容してもよい。前方ブラケットおよび後方ブラケットは、円周方向に湾曲している。前方ブラケットおよび後方ブラケットは、軸線方向にずれていてもよく、軸線方向に整列していてもよい。前方ブラケットおよび後方ブラケットは、略C字状であってもよい。本体は、複数の非凝結チャネルをさらに備えてもよい。
概要を述べた上記特徴の全ては、例示としてのみ理解されるべきであり、表面冷却器の支持機構のさらに多くの特徴および目的は、ここの開示から収集され得る。したがって、この要約の限定解釈は、明細書、特許請求の範囲、およびここに含まれる図面の全体を解釈せずに理解されるべきではない。
添付図面と共に以下の実施形態の説明を参照することによって、これらの例示的な実施形態の上記および他の特徴および利点、ならびにこれらを実現する方法がさらに明らかになり、また、表面冷却器の支持機構がさらに理解されるであろう。
例示的なガスタービンエンジンの概略図である。 ガスタービンエンジンの入口部の例示的な側面図である。 内部に円周方向に配置された少なくとも1つの表面冷却器を有するファンケースの斜視図である。 複数の支持機構を含む表面冷却器の上部斜視図である。 表面式熱交換器を取り付ける前方および後方ブラケットを含む支持機構の断面図である。 前方ブラケットの斜視図である。 後方ブラケットの斜視図である。
つぎに、提供される実施形態を詳細に参照すると、そのうちの1つ以上の例が図面に図示されている。各例は、開示する実施形態の限定ではなく、説明として提供されている。実際、開示の範囲または主旨から逸脱せずに本実施形態に様々な修正および変形を施し得ることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、一実施形態の一部として図示され説明される特徴を他の実施形態で使用してさらなる実施形態を生じさせることができる。よって、本開示は、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等の範囲内にあるような修正および変形をカバーすることが意図される。
図1から図7を参照すると、航空機の熱交換器の様々な実施形態が示されている。熱交換器は、タービンエンジンの入口領域内または迂回流領域内の流路面で利用され得る。代わりに、熱交換器は、プロペラまたはロータブレードによるローターウォッシュが熱交換器上の空気を移動させて、非限定的な例として軸受油等のエンジン冷却流体を冷却する、飛行機またはヘリコプター等の航空機の外面で使用されてもよい。熱交換器は、熱交換器を所定位置に保持する前方および後方ブラケットを含む。ブラケットは、軸線方向の安定性をもたらす一方で、円周方向の熱膨張を許容する。ブラケットは、摩耗材料および絶縁もしくはバネ状の材料を含む。
ここでは、用語「軸線方向の」または「軸線方向に」は、エンジンの長手方向軸線に沿う寸法を意味する。「軸線方向の」または「軸線方向に」と共に使用される用語「前方」は、エンジンの入口に向かう方向に移動すること、または部品が他の部品と比べてエンジンの入口に相対的に近いことを意味する。「軸線方向の」または「軸線方向に」と共に使用される用語「後方」は、エンジンの出口に向かう方向に移動すること、または部品がエンジンの入口と比べて出口に相対的に近いことを意味する。
ここでは、用語「半径方向の」または「半径方向に」は、エンジンの中心長手方向軸線とエンジンの外周面との間に延在する寸法を意味する。用語「近くの」または「近くに」自体の使用または用語「半径方向の」または「半径方向に」との使用は、中心長手方向軸線に向かう方向の移動、または部品が他の部品と比べて中心長手方向軸線に相対的に近いことを意味する。用語「遠くの」または「遠くに」自体の使用または用語「半径方向の」または「半径方向に」との使用は、エンジンの外周面に向かう方向に移動すること、または部品が他の部品と比べてエンジンの外周面に相対的に近いことを意味する。
ここでは、用語「横方向の」または「横方向に」は、軸線方向および半径方向の寸法の両方と垂直な寸法を意味する。
まず図1を参照すると、ガスタービンエンジン10の概略側面図が示されており、ガスタービンエンジンは、複数段の高圧圧縮器14、燃焼器16および複数段の高圧タービン18によって概ね形成される推進器またはコア13に空気が進入する、エンジンの入口端12を有する。集合的に、推進器13は、エンジン10の動作のための動力を供給する。
ガスタービンエンジン10は、ファンアセンブリ28、低圧タービン20および低圧圧縮器もしくはブースタ22をさらに備える。ファンアセンブリ28は、26で概略示されるロータディスクから半径方向外側に延在するファンブレード24のアレイを含む。軸方向で入口側12の反対側には、排気側33がある。一実施形態では、エンジン10は、非限定的な例として、General Electric Aircraft Engines社(オハイオ州シンシナティ)から市販されているCT7エンジンである。ガスタービン10は、航空機の実施形態で示されているが、そのような例は、限定的に理解されるべきではなく、ガスタービン10は、航空機、発電、産業、船舶等に使用され得る。
動作中、空気は、エンジン10の空気入口端12を通じて進入し、圧縮器22、14の少なくとも1つの圧縮段を通じて移動し、圧縮段では、空気圧が増加して燃焼器16に導入される。圧縮空気は、燃料と混合されて燃焼され、高圧タービン18に向けて燃焼器16を出る高温燃焼ガスをもたらす。高圧タービン18では、高温燃焼ガスからエネルギーが抽出され、高圧シャフト25を回転させるタービンブレード32を回転させる。高圧シャフト25は、エンジンの前方へ通過して、1つ以上の圧縮器14の段を回転させ、動力供給サイクルを継続させる。低圧タービン20も、さらなるエネルギーを抽出し、追加の圧縮器段に動力供給するように利用され得る。ターボファン28は、低圧シャフト27によって低圧圧縮器22および低圧タービン20に接続される。ターボファン28は、タービンエンジン10のための推力を引き起こす。低圧および/または迂回空気は、エンジン部品の冷却を促すためにも使用され得る。
ガスタービン10は、エンジン軸線29の周りに軸対称であり、したがって、様々なエンジン部品が軸線の周りで回転する。軸対称の高圧シャフト25は、タービンエンジンの前方端を通じて後方端内に延在し、シャフト構造の区間に沿った軸受けによって軸支される。シャフト25は、エンジン10の軸線または中心線29の周りに回転する。高圧シャフト25は、高圧シャフト25の回転から独立した、内部での低圧タービンシャフト27の回転を許容するように中空であり得る。低圧シャフト27も、エンジンの中心線軸線29の周りに回転し得る。動作中、シャフトは、発電および産業または航空機の使用領域で使用される様々な形式のタービンのための動力または推力を引き起こすために、タービンのロータアセンブリ等、シャフトに接続された他の構造と共に回転する。
つぎに図2を参照すると、エンジン10の入口端12の側面図が示されている。入口12は、ロータディスク26およびディスク26から延在する複数のブレード24によって部分的に形成されたファンアセンブリ28を含む。ファンアセンブリ28の下流方向には、ファンケース17とコア13の間に延在する一組の出口ガイドベーンがある。出口ガイドベーン40は、ファンアセンブリ28を出て迂回ダクト42を通じて移動する空気流の向きを制御する。出口ガイドベーン40の後方には、少なくとも1つの表面冷却器150がある。一実施形態によれば、実質的にファンケース17の周囲の周りに延在するように2つの表面冷却器が利用され得る。加えて、表面冷却器150の周囲形状を規定するように1つ以上のセグメントが利用され得る。加えて、表面冷却器150は、出口ガイドベーン40の後方に示されている。しかし、他の実施形態によれば、表面冷却器150は、図1に示すように、ファンアセンブリ28の前方に配置されてもよい。さらに、表面冷却器150は、迂回ダクト42内へさらに後方に露出されてもよい。
つぎに図3を参照すると、エンジン10から取り除かれたファンケース17の斜視図が示されている。ファンケース17は、内面34を有する円形状である。内面34に沿って、第1および第2の表面冷却器150がある。表面冷却器150は、内面に沿って円周方向に延在し、略円形のアセンブリを形成する。前述したように、表面冷却器150は、周囲の一部または全体の周りに延在する1つのセグメントを含んでもよく、周囲形状を形成するように結合された2つ以上のセグメントから構成されてもよい。本実施形態では、2つの冷却器150のそれぞれは、ケースの一側に配置された入口マニホールド152と、ファンケース17の周りに半円状に延在する熱交換器本体とを含む。冷却器の反対側の端部には、帰還マニホールド154がある。これらの構造152、154は、移動されてもよく、示された端部位置に限定されない。
つぎに図4を参照すると、表面冷却器150の斜視図が示されている。冷却器150は、第1の端部に入口マニホールド152、第2の端部に帰還マニホールド154を含む。本体160は、入口マニホールド152と帰還マニホールド154の間に延在する。本体160およびマニホールド152、154は、一体に形成されてもよく、互いに接続可能であってもよい。本体160は、本体160の前方側に第1のリブ162、本体の後方側に後方リブ164を含む。リブ162、164は、円周方向に連続であってもよく、非連続であってもよく、本体160と接続するための前方および後方ブラケット用の位置を提供してもよい。リブ162、164に接続されるブラケット180、190は、連続であってもよく、重量を軽減するために図のように非連続であってもよい。ブラケット180、190は、軸線方向で互いに整列されてもよく、軸線方向で互いにずらされてもよい。
つぎに図5を参照すると、表面冷却器150の断面図が示されている。冷却器本体160は、概ね矩形状であり、前方および後方面165、167の間に延在する上面161および下面163を有する。第1のリブ162および第2のリブ164は、それぞれ前方および後方面165、167から前方向および後方向に延在する。
冷却器本体160の内部は、複数の冷却チャネル166を含み得る。これらのチャネル166は、マニホールド152から進入して冷却器本体160内に入り、帰還マニホールド154に向けて移動するエンジン冷却流体の流れを可能にする。下面163に沿って複数のフィン170がある。冷却チャネル166を通過中、冷却器本体160に接続されたフィン170を通過する空気は、流体が貯留リザーバに導入される前または例えば軸受サンプでの使用に戻される前に、熱交換をもたらし、エンジン流体の温度を低減させる。
断面図に示すように、リブ162、164は、溝182、192内に延在する。これによって、半径方向の外側および内側方向で冷却器本体160を捕捉する。装置は、前方および後方軸線方向でも本体160を捕捉する。
前方および後方ブラケット180、190のそれぞれは、ファンケース17の曲率に近似するように円周方向に湾曲している本体を有する。ブラケット本体のそれぞれは、冷却器本体160の対応する前方リブ162および後方リブ164を受容する溝182、192を含む。各溝182、192内には、低摩擦摩耗材料120がある。そのような材料は、概ねU字状であり、前方リブ162および後方リブ164の上、下および横面を取り囲む。低摩擦材料120の下方で溝182、192内に配置されて、絶縁シート130がある。絶縁シート130は、溝182、192内で半径方向外側にリブ162、164を押し付けるバネ力を冷却器本体160にもたらす。
つぎに図6を参照すると、前方ブラケット180の斜視図が示されている。ブラケット180は、ファンケース17(図1)との接続のための締結開口を有する上面181を含む。上面は、溝182への1つ以上の移行面183で下向きに延在する。1つ以上の移行面は、垂直に、または或る角度で、またはこれらの組合せで下向きに延在し得る。溝は、略水平またはエンジン軸線29(図1)と平行である座部184を含む。代わりに、座部184は、エンジン軸線29(図1)に対して或る角度で配置されてもよい。溝182は、上面185と、上面185と座部184の間に延在する溝奥面187とをさらに備える。溝182は、様々な形態を有し得る。本実施形態によれば、構造は、概ねU字状またはC字状である。しかし、座部および上面184、185は、エンジン軸線と平行でもよく、エンジン軸線に対して幾らかの角度を有してもよい。これらの面は、一方がエンジン軸線29と平行であるが、他方が平行であってもよく平行でなくてもよいように、独立して変化してもよい。奥面187は、低摩擦材料120が内部に延在し得る溝182内への距離を提供する。低摩擦材料120は、溝182の形状に一致してもよい。低摩擦材料120は、図のように、溝182内に延在可能な薄いシート材料である。材料120は、移行面183の少なくとも一部およびブラケットの下部内面186の一部に重なるような長さである。これによって、使用中の温度膨張の間に構造150が増大するにつれて、エンジン10の円周方向で冷却器本体160を増大させる。加えて、エンジンが冷却すると、本体160は、溝182を通じて円周方向にも収縮し得る。低摩擦摩耗材料120は、金属間接触を抑制し、所与の補修間隔でのエンジン改造中にさらに容易に交換され得る摩耗材料を提供する。低摩擦摩耗材料120は、幾つかの実施形態によれば、例えばA17B93A1または同等品の、PEEK材料であり得る。この材料は、溝182、192と冷却器リブ162、164の間に低摩擦面を提供する。加えて、材料120は、摩耗し得、計画された補修間隔中にさらに容易に交換され得る。
溝182内には、座面184上に絶縁シート130が配置される。絶縁シート130は、例えばAMS−3301または同等品から形成され得、半径方向でリブ162、164(図5)および低摩擦材料120のバネ付勢をもたらす。絶縁シート130は、座部184に配置されて示されているが、絶縁シート130が溝の上面185に配置されてもよい。
つぎに図7を参照すると、後方ブラケット190が斜視図に示されている。後方ブラケット190は、上面191と、例示的な実施形態によれば、概ね垂直であり、上面191に支持される移行面193とを含む。しかし、そのような構造は、完全に垂直である必要はなく、示されるように、前方ブラケット180に対して角度を付けられてもよく、ブラケット180に示されるように傾斜面と垂直面の両方を含んでもよい。溝192は、移行面193からブラケット190内に延在する。溝192は、上面195および座部194を含む。溝の深さは、示される実施形態では概ね垂直である面197によって規定される。座部194は、概ね水平であるが、代わりにエンジン軸線29に対して或る角度を有してもよい。従前の実施形態と同様に、座部194は、バネ付勢絶縁シート130と、溝192内に延在する低摩擦摩耗材料120とを含む。低摩擦摩耗材料120は、溝から突出し、下面196および上移行面193を少なくとも部分的に覆うような長さである。これによって、熱膨張または収縮中にブラケット190と本体160を結合させずに、円周方向での本体160の移動が可能になる。低摩擦材料120も、PEEKから構成されてもよいが、他の材料が使用されてもよい。同様に、絶縁シート130は、AMS−3301または同等品から形成されてもよい。
構造および方法の前述した説明は、図示を目的として提示されている。開示する正確な工程および/または形態に本発明を包括または限定することは意図されておらず、当然ながら、上記教示を考慮した多くの修正および変形が可能である。ここで説明する特徴は、任意の組合せで組み合わされてもよい。ここで説明する方法の工程は、物理的に可能な任意の順序で実施されてもよい。方法および材料の特定の実施形態が図示されて説明されているが、それらに限定されることはなく、むしろ添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるであろうことが理解される。
10 ガスタービンエンジン
12 空気入口端
13 コア推進器
14 高圧圧縮器
16 燃焼器
17 ファンケース
18 高圧タービン
20 低圧タービン
22 低圧圧縮器
24 ファンブレード
25 高圧シャフト
26 ロータディスク
27 低圧シャフト
28 ファンアセンブリ
29 エンジン軸線
32 タービンブレード
34 内面
40 出口ガイドベーン
42 迂回空気ダクト
120 摩耗材料
130 絶縁シート
150 表面冷却器
152 入口マニホールド
154 帰還マニホールド
160 本体
161 上面
162 第1のリブ
163 下面
164 後方リブ
165 前面
166 冷却チャネル
167 後面
170 フィン
180 前方ブラケット
181 上面
182 溝
183 移行面
184 座部
185 上面
186 下部内面
187 溝奥面
190 後方ブラケット
191 上面
192 溝
193 移行面
194 座部
195 上面
196 下面
197 溝奥面

Claims (15)

  1. 表面冷却器(150)の支持機構であって、
    複数の冷却チャネル(166)を有する本体(160)であって、該本体(160)の横方向縁部に沿って延在する対向する前方および後方冷却器リブ(162、164)を有する本体(160)と、
    前記複数の冷却チャネル(166)に隣接して配置された複数の熱交換フィン(170)と、
    後方ブラケット本体、および前記後方冷却器リブ(164)を受容するための第1の溝(192)を有する少なくとも1つの後方ブラケット(190)と、
    前方ブラケット本体、および前記前方冷却器リブ(162)を受容するための第2の溝(182)を有する少なくとも1つの前方ブラケット(180)と、
    前記第1の溝(192)および前記第2の溝(182)のそれぞれの内部に配置された低摩擦摩耗材料(120)と、
    前記第1の溝(192)および前記第2の溝(182)のうちの少なくとも一方に配置された絶縁シート(130)と、
    を含む熱交換器(166)を備える、表面冷却器(150)の支持機構。
  2. 前記絶縁シート(130)がバネ力をもたらす、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  3. 前記絶縁シート(130)が圧縮可能である、請求項2に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  4. 前記絶縁シート(130)が高サイクル疲労に対する減衰をもたらす、請求項3に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  5. 前記第1の溝(192)および前記第2の溝(182)がそれぞれ支持面(194、184)を有する、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  6. 前記支持面(194、184)が略水平である、請求項5に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  7. 前記支持面(194、184)がエンジン軸線(29)に対して角度を有する、請求項5に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  8. 前記低摩擦摩耗材料(120)が低摩擦係数を有する、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  9. 前記低摩擦摩耗材料(120)がPEEK材料である、請求項8に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  10. 前記低摩擦摩耗材料(120)が、前記低摩擦摩耗材料(120)を通じた前記前方および後方冷却器リブ(162、164)の円周方向の移動を許容する、請求項8に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  11. 前記前方ブラケット(180)および前記後方ブラケット(190)が円周方向に湾曲している、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  12. 前記前方ブラケット(180)および前記後方ブラケット(190)が軸線方向にずれている、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  13. 前記前方ブラケット(180)および前記後方ブラケット(190)が軸線方向に整列している、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  14. 前記前方ブラケット(180)および前記後方ブラケット(190)が略C字状である、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
  15. 前記本体(160)が複数の非凝結チャネルをさらに備える、請求項1に記載の表面冷却器(150)の支持機構。
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