JP2017082790A - エンジンの熱流量を管理する方法及びシステム - Google Patents

Abstract

【課題】エンジンの熱流量を管理する方法及びシステムを提供すること。
【解決手段】エンジン低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システム（２００）は、コアエンジン（１１２）のケーシング（１１６）の外部に位置付けられ、複数のエンジン補機システム（４１０）のうちの少なくとも１つに対するヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）と、コアエンジンケーシング（１１６）の内部に位置付けられ、サーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器（２２０，２４０，２６０）と、を含む。
【選択図】 図１

Description

本明細書は、ガス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における熱流量を管理するための低温冷却空気熱交換器システムに関する。

少なくとも一部の既知のガスタービンエンジンは、前方ファン、コアエンジン、及び出力タービンを含む。コアエンジンは、加圧空気を燃焼器に提供する少なくとも１つの圧縮機を含み、ここで空気が燃料と混合されて点火され、高温の燃焼ガスを生成するのに用いるようにする。生成された燃焼ガスは、１又はそれ以上のタービンに向けて下流側に流れ、該タービンが燃焼ガスからエネルギーを取り出し、圧縮機を作動させ、航空機に動力を供給するような有効な仕事を提供する。タービンセクションは、燃焼ガスをその下流側にあるタービンに送るため燃焼器の出口に位置付けられる固定タービンノズルを含むことができる。

ガスタービンエンジンにおける熱管理は、エンジン構成要素の耐用期間を延ばすのに重要である。少なくとも一部の既知の熱管理システムは、種々のエンジン補機システムとの間で熱を伝達するよう構成された複数の熱交換器を含む。熱交換器又は熱シンクがその熱管理能力に達すると、既存のシステムに追加の熱交換器又は熱管理構成要素が付加される場合がある。従って、少なくとも一部の既知の熱管理システムは、コアエンジンケーシングの周りに配置された複数の異種の構成要素の非標準的な統合であり、貴重なスペースを占有することに加えて、エンジンシステムに対して重量及び複雑さをもたらす可能性がある。更に、一部の熱管理システムは、コアエンジンケーシングを通じて燃料を冷却剤として送る。

米国特許第８，９５５，３３０号明細書

１つの態様において、エンジン低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムが提供される。ＣＣＡ熱交換器システムは、コアエンジンのケーシングの外部に位置付けられ、複数のエンジン補機システムに対するヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器と、コアエンジンケーシングの内部に位置付けられ、サーマルバス中間ループ熱交換器と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器と、を含む。

別の態様において、エンジンにける熱流を管理する方法が提供される。本方法は、コアエンジンのケーシングの内部に低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器を位置付けるステップと、ＣＣＡ熱交換器を通じて低温冷却空気をコアエンジンケーシングの外部に位置付けられたサーマルバス中間ループ熱交換器に送るステップと、を含む。

更に別の態様において、燃焼器を有するコアエンジンと、低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムとを含むガスタービンエンジンシステムが提供される。ＣＣＡ熱交換器システムは、コアエンジンのケーシングの外部に位置付けられ且つ複数のエンジン補機システムのためのヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器と、コアエンジンケーシングの内部に位置付けられ且つ上記サーマルバス中間ループ熱交換器と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器と、を含む。

本開示のこれら及び他の特徴、態様、並びに利点は、図面全体を通じて同様の参照符号が同様の要素を示す添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むと更に理解できるであろう。

例示的なタービンエンジン組立体の断面図。 例示的な低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムを含む、図１に示すエンジン組立体の一部の拡大断面図。 図１に示すＣＣＡ熱交換器システムの要素間の流れ連通を示した概略ブロック図。 図２及び３に示すＣＣＡ熱交換器システムの構成要素と外部のヒートシンクとの間の熱流を例示したブロック図。

種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。何れかの図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面の何れかの特徴と組み合わせて参照及び／又は請求項に記載することができる。

別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証するものとする。これらの特徴は、本開示の１又はそれ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムで適用可能であると考えられる。従って、図面は、本明細書で開示される実施形態の実施に必要とされる当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではない。

以下の明細書及び請求項において幾つかの用語を参照するが、これらは以下の意味を有すると定義される。

単数形態は、前後関係から明らかに別の意味を示さない限り、複数形態も含む。

「任意」又は「場合により」とは、それに続いて記載されている事象又は状況が起こってもよいし起こらなくてもよいことを意味し、その記載はその事象が起こる場合と起こらない場合を含む。

本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも一部の事例において、近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することができる。ここで及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は、前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別されここに包含される部分範囲全てを含む。

本開示の実施形態は、熱交換器システムに関する。より具体的には、本明細書で記載される低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムは、コアエンジンケーシング内で比較的高温の部位に位置付けられた少なくとも１つのＣＣＡ熱交換器と、少なくとも１つのＣＣＡ熱交換器からの熱を最終のヒートシンクに送るように構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器と、を含む。本明細書で使用される「比較的高温の部位」とは、熱交換器が冷却している要素に基づいて、熱交換器に機能的に最適な部位を指す。例えば、「比較的高温」の部位は、低温の状態で下流側に送られる前に、熱交換器によって冷却することができるガスの上流側の流れに近接した部位を指すことができる。別の実施例として、「比較的高温」の部位は、熱交換器による冷却により恩恵を受けることができる高温構成要素に近接した部位を指すことができる。ＣＣＡ熱交換器システムは、タービンエンジンにおける熱交換システムを集中化及び標準化するよう構成され、複雑さ並びに異種の熱交換構成要素によって占有される貴重なスペース量を低減できるようにする。

以下の説明は、添付図面を参照しており、該図面では、そうでないことの表現がない限り、異なる図面における同じ参照符号は同じ要素を示している。

図１は、長手方向軸線又は中心軸線１１１を有する例示的なタービンエンジン組立体１００の断面図を示す。図１は、航空機で使用するためのタービンエンジン組立体を示しているが、エンジン組立体１００は、限定ではないが、地上ベースのガスタービンエンジン組立体のような、本明細書で記載される作動を可能にする任意のタービンエンジンである。エンジン組立体１００は、コアタービンエンジン１１２と、該コアタービンエンジン１１２の上流側に位置付けられたファンセクション１１４とを含む。コアエンジン１１２は、環状入口１１８を定める略管状の外側ケーシング１１６を含む。外側ケーシング１１６は更に、コアエンジン１１２に流入する空気の圧力を高めるブースター圧縮機１２０を囲み支持する。高圧多段軸流高圧圧縮機１２１は、ブースター圧縮機１２０から加圧空気を受け取り、空気の圧力を更に高める。加圧空気は、燃焼ライナ１２３によって全体的に定められ且つミキサ組立体１２４を含む燃焼器１２２に流れ、ここで、燃料は、１又はそれ以上の燃料ノズル１２５を介して加圧空気ストリームに注入されて、加圧空気の温度及びエネルギーレベルを引き上げる。高エネルギー燃焼生成物は、燃焼器１２２から第１の（高圧）タービン１２６に流れて、第１の（高圧）駆動シャフト１２７を通じて高圧圧縮機１２１を駆動し、次いで、第２の（低圧）タービン１２８に流れて、第１の駆動シャフト１２７と同軸の第２の（低圧）駆動シャフト１２９を通じてブースター圧縮機１２０及びファンセクション１１４を駆動する。タービン１２６及び１２８の各々を駆動した後、燃焼生成物は、排気ノズル１３０を通じてコアエンジン１１２から離れ、推進ジェット推力を提供する。

図２及び３は、低温冷却空気（ＣＣＡ）ＣＣＡ熱交換器システム２００の１つの実施例を示す。より具体的には、図２は、ＣＣＡ熱交換器システム２００を含むタービンエンジン組立体１００（図１に示す）の一部の拡大断面図であり、図３は、ＣＣＡ熱交換器システム２００の要素間の流れ連通を例示した概略ブロック図である。例示的な実施形態において、熱交換器システム２００は、エンジン組立体１００の燃焼器１２２の周りに少なくとも部分的に配置される。

燃焼器１２２は、燃焼器空気が燃料と混合されて燃焼する燃焼室２０２を定める。燃焼器１２２は、外側面２０５を有する外側ライナ２０４と、外側面２０７を有する内側ライナ２０６とを含み、外側ライナ２０４と内側ライナ２０６が燃焼室２０２の境界を定める。燃焼器１２２は更に、燃料ノズル１２５を有する圧縮機吐出ノズル（ＣＤＮ）モジュール２１０を含む。エンジン組立体１００は更に、コアエンジンケーシング１１６の内部にあるノズル支持ケーシング２１２を含み、該ノズル支持ケーシングは内側面２１６を有する。コアエンジンケーシング１１６及びノズル支持ケーシング２１２は、燃焼器１２２の外側面２１４を定める。

ＣＣＡ熱交換器システム２００は、燃焼器１２２の周りの比較的高温の部位に位置付けられた１又はそれ以上のＣＣＡ熱交換器２２０，２４０，及び／又は２６０を含む。ＣＣＡ熱交換器システム２００はまた、サーマルバス中間熱交換ループ（「サーマルバスループ」）２８０を含む。

第１のＣＣＡ熱交換器２２０は、入口２２２、出口２２４、及びこれらの間に少なくとも１つの流路２２６を含む。１つの実施形態において、入口２２２は、冷却流体入口２２２Ａ及び作動流体入口２２２Ｂを含み、出口２２４は、冷却流体出口２２４Ａ及び作動流体出口２２４Ｂを含み、流路２２６は、冷却流体流路２２６Ａ及び該冷却流体流路２２６Ａに近接した作動流体流路２２６Ｂを含む。作動流体流路２２６Ｂは、作動流体入口２２２Ｂと作動流体出口２２４Ｂとの間を延び、作動流体をそこに送るように構成される。冷却流体流路２２６Ａは、冷却流体入口２２２Ａと冷却流体出口２２４Ａとの間に延び、ここを通じて低温冷却空気を送り、作動流体流路２２６Ｂにおいて作動流体から熱負荷を伝達するよう構成されている。他の実施形態において、入口２２２は、冷却流体入口２２２Ａのみを含み、出口２２４は、冷却流体出口２２４Ａのみを含み、流路２２６は、第１のＣＣＡ熱交換器２２０の外側面２３０に近接した冷却流体流路２２６Ａのみを含み、該流路２２６は、第１のＣＣＡ熱交換器２２０の近傍から冷却流体流路２２６Ａに熱負荷を伝達するように構成される。第１のＣＣＡ熱交換器２２０は、エンジンケーシング１１６内部で且つＣＤＮモジュール２１０の近傍のスペースに配列される。第１のＣＣＡ熱交換器２２０は、ノズル１２５から半径方向内向きでエンジン組立体１００に結合される。例えば、第１のＣＣＡ熱交換器２２０は、ノズル支持ケーシング２１２の内側面２１６に結合することができる。代替として、第１のＣＣＡ熱交換器２２０（及び／又は第２又は第３のＣＣＡ熱交換器２４０，２６０、もしくは追加のＣＣＡ熱交換器、図示せず）は、高圧圧縮機１２１のケーシングに位置付けることができる。

第２のＣＣＡ熱交換器２４０は、入口２４２、出口２４４、及びこれらの間に少なくとも１つの流路２４６を含む。１つの実施形態において、入口２４２は、冷却流体入口２４２Ａ及び作動流体入口２４２Ｂを含み、出口２４４は、冷却流体出口２４４Ａ及び作動流体出口２４４Ｂを含み、流路２４６は、冷却流体流路２４６Ａ及び該冷却流体流路２４６Ａに近接した作動流体流路２４６Ｂを含む。作動流体流路２４６Ｂは、作動流体入口２４２Ｂと作動流体出口２４４Ｂとの間を延び、作動流体をそこに送るように構成される。冷却流体流路２４６Ａは、冷却流体入口２４２Ａと冷却流体出口２４４Ａとの間に延び、ここを通じて低温冷却空気を送り、作動流体流路２４６Ｂにおいて作動流体から熱負荷を伝達するよう構成されている。他の実施形態において、入口２４２は、冷却流体入口２４２Ａのみを含み、出口２４４は、冷却流体出口２４４Ａのみを含み、流路２４６は、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の外側面２３０に近接した冷却流体流路２４６Ａのみを含み、該流路２４６は、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の近傍から低温冷却空気に熱負荷を伝達するように構成される。第２のＣＣＡ熱交換器２４０は、燃焼器１２２の外側面２１４に近接した比較的高温の部位に位置付けられる。より詳細には、例示的な実施形態において、第２のＣＣＡ熱交換器２４０は、コアエンジンケーシング１１６と外側ライナ２０４の外側面２０５との間のスペースに収容される。第２のＣＣＡ熱交換器２４０は、コアエンジンケーシング１１６、外側ライナ２０４、及び／又は代替の支持構造体（図示せず）に結合することができる。或いは、第２のＣＣＡ熱交換器２４０（及び／又は第３のＣＣＡ熱交換器２６０、又は別のＣＣＡ熱交換器、図示せず）は、高圧タービン１２６のケーシングに位置付けることができる。

第３のＣＣＡ熱交換器２６０は、入口２６２、出口２６４、及びこれらの間に少なくとも１つの流路２６６を含む。１つの実施形態において、入口２６２は、冷却流体入口２６２Ａ及び作動流体入口２６２Ｂを含み、出口２６４は、冷却流体出口２６４Ａ及び作動流体出口２６４Ｂを含み、流路２６６は、冷却流体流路２６６Ａ及び該冷却流体流路２６６Ａに近接した作動流体流路２６６Ｂを含む。作動流体流路２６６Ｂは、作動流体入口２６２Ｂと作動流体出口２６４Ｂとの間を延び、作動流体をそこに送るように構成される。冷却流体流路２６６Ａは、冷却流体入口２６２Ａと冷却流体出口２６４Ａとの間に延び、ここを通じて低温冷却空気を送り、作動流体流路２６６Ｂにおいて作動流体から熱負荷を伝達するよう構成されている。他の実施形態において、入口２６２は、冷却流体入口２６２Ａのみを含み、出口２６４は、冷却流体出口２６４Ａのみを含み、流路２６６は、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の外側面２７０に近接した冷却流体流路２６６Ａのみを含み、該流路２６６は、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の近傍から低温冷却空気に熱負荷を伝達するように構成される。第３のＣＣＡ熱交換器２６０は、燃焼器１２２の外側面２１４に近接した比較的高温の部位に位置付けられる。より詳細には、例示的な実施形態において、第３のＣＣＡ熱交換器２６０は、ノズル支持ケーシング２１２と内側ライナ２０６の外側面２０７との間のスペースに収容される。第３のＣＣＡ熱交換器２６０は、ノズル支持ケーシング２１２、内側ライナ２０６、コアエンジンケーシング１１６、及び／又は代替の支持構造体（図示せず）に結合することができる。

サーマルバスループ２８０は、例えば、周囲空気及び／又はラムエアなど、外部ヒートシンク４００（図４に示す）に近接してコアエンジンケーシング１１６の外部に位置付けられる。サーマルバスループ２８０は、ＣＣＡ熱交換器２２０，２４０，及び／又は２６０のうちの１又はそれ以上を含む、複数のエンジン補機システムのための熱伝達を提供するよう構成される。サーマルバスループ２８０は、入口２８２、出口２８４、及びこれらの間に少なくとも１つの流路２８６を含む。例示的な実施形態において、入口２８２は、「内部冷却流体入口」２８２Ａ及び「外部冷却流体入口」２８２Ｂを含み、出口２８４は、「内部冷却流体出口」２８４Ａ及び「外部冷却流体出口」２８４Ｂを含み、流路２８６は、「内部冷却流体流路」２８６Ａ及び該内部冷却流体流路２８６Ａに近接した「外部冷却流体流路」２８６Ｂを含み、これらの間に熱伝達を可能にする。ＣＣＡ熱交換器システム２００は、「内部導管システム」２９２を含み、該内部導管システムは、サーマルバスループ２８０の上述の「内部」構成要素と流れ連通し、空気（及び／又は他の何れかの好適な冷却流体）をサーマルバスループ２８０とＣＣＡ熱交換器２２０，２４０，及び／又は２６０のうちの１又はそれ以上との間で冷却流体として送るよう構成される。従って、内部導管システム２９２内に空気を送ることにより、冷却のため高温高圧の空気をＣＣＡ熱交換器システム２００の外部に受け入れる必要がなくなり（すなわち、コアエンジン１１２の外部に受け入れる必要がない）、圧力損失を低減することができる。ＣＣＡ熱交換器システム２００は更に、「外部導管システム」２９４を含むことができ、該外部導管システムは、上述の「外部」構成要素と流れ連通し、燃料、空気又は他の何れかの好適な冷却流体を含むことができる冷却流体をサーマルバスループ２８０と外部ヒートシンク４００との間で送るよう構成される。

代替の実施形態において、サーマルバスループ２８０は、内部導管システム２９２のみを含み（すなわち、追加の外部導管システム２９４を含まない）、内部導管システム２９２は、例えば、サーマルバスループ２８０の内部導管システム２９２の外側面２９０の少なくとも一部を通じて、外部ヒートシンク４００と直接的に熱連通しており、これにより外部ヒートシンク４００と、内部導管システム２９２内に送られる冷却流体との間で熱負荷を伝達するための追加の配管又はバルブ設置の必要性が低減又は排除される。内部導管システム２９２は更に、複数のエンジン補機システム４１０（図４に示す）から冷却流体を受けるよう構成された補機入口（図示せず）を含むことができる。ＣＣＡ熱交換器システム２００の構成要素間の流れ連通に関する本明細書での考察は、サーマルバスループ２８０のこの代替の実施形態にも容易に適用することができる点は理解されたい。

１つの実施形態において、作動中、第１のＣＣＡ熱交換器２２０の冷却流体入口２２２Ａは、圧縮機１２１（図１に示す）の１又はそれ以上の圧縮機段からのブリード（抽気）又は漏洩空気３０２を受けるように構成される。従って、冷却流体入口２２２Ａは、例えば、パイプ、管体、バルブ、及び／又はゲートを含む好適な導管を用いて１又はそれ以上の圧縮機段に結合することができる。冷却流体流路２２６Ａは、ここを通じてブリード空気３０２を冷却流体出口２２４Ａに送るよう構成される。第１のＣＣＡ熱交換器２２０は、ＣＤＮモジュール２１０から（例えば、ノズル１２５から）及び／又は高圧圧縮機１２１のロータ及び／又はステータから冷却流体流路２２６Ａにおいてブリード空気３０２に熱負荷を伝達するよう構成され、これによりＣＤＮモジュール２１０の温度を低下させ、ブリード空気３０２の温度を上昇させるようにする。一部の実施形態において、ブリード空気３０２は、好適な圧力を維持して、ＣＣＡ熱交換器２２０から下流側の部位、例えば、コアエンジンケーシング１１６内部の部位、又はタービン１２６，１２８の１又はそれ以上（例えば、タービン中央フレームパージ、タービン後方フレームパージ、低圧タービン１２６ロータパージ、その他）にてコアエンジン１１２内に再導入することができる。

１つの実施形態において、第１のＣＣＡ熱交換器２２０は、作動流体流路２２６Ｂを通じてＣＤＮモジュール２１０の近傍から作動流体入口２２２Ｂに比較的高温の空気３０４を送るよう構成される。作動流体流路２２６Ｂと冷却流体流路２２６Ａとの間の熱伝達により、高温空気３０４の温度を低下させ、これにより比較的低温の空気３０６が作動流体出口２２４Ｂから出力されて、ＣＤＮモジュール２１０の冷却を促進するようになる。比較的温暖なブリード空気３０８は、冷却流体出口２２４Ａから出力される。冷却流体出口２２４Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体入口２８２Ａと流れ連通している。内部導管システム２９２は、第１のＣＣＡ熱交換器２２０の冷却流体出口２２４Ａから出力された加熱されたブリード空気３０８を、サーマルバスループ２８０、第２のＣＣＡ熱交換器２４０、及び第３のＣＣＡ熱交換器２６０のうちの少なくとも１つに送るよう構成される。代替として、又はこれに加えて、冷却流体流路２２６Ａは、第１のＣＣＡ熱交換器２２０の外側面２３０に近接して配列され、これによりＣＤＮモジュール２１０の近傍間の熱伝達が第１のＣＣＡ熱交換器２２０の外側面２３０にわたって起こるようになる。冷却流体流路２２６Ａを通じて送られる冷却流体（例えば、冷却流体３０２）は、第１のＣＣＡ熱交換器２２０から冷却流体内に熱負荷を伝達する。

加えて、又は代替として、第１のＣＣＡ熱交換器２２０の冷却流体入口２２２Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体出口２８４Ａと流れ連通している。冷却流体入口２２２Ａは、サーマルバスループ２８０の内部冷却流体出口２８４Ａから低温冷却空気３１０を受けるように構成される。冷却流体流路２２６Ａは、ここを通って低温冷却空気３１０を送るよう構成される。冷却流体流路２２６Ａにおける低温冷却空気３１０は、ＣＤＮモジュール２１０から及び／又は高圧圧縮機１２１の最終段から冷却空気３１０に熱負荷を伝達するよう構成され、これによりＣＤＮモジュール２１０の温度を低下させ、冷却空気３１０の温度を上昇させるようにする。比較的温暖な冷却空気３０６は、冷却流体出口２２４Ａから出力される。冷却流体出口２２４Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体入口２８２Ａと流れ連通している。

例示的な実施形態において、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の冷却流体入口２４２Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体出口２８４Ａと流れ連通している。作動中、冷却流体入口２４２Ａは、サーマルバスループ２８０の内部冷却流体出口２８４Ａから低温冷却空気３１２を受けるように構成される。冷却流体流路２４６Ａは、ここを通じて低温冷却空気３１２を送るよう構成される。冷却流体流路２４６Ａにおける低温冷却空気３１２は、燃焼室２０２の外側ライナ２０４から熱負荷を伝達するよう構成され、これにより外側ライナ２０４の近傍における温度を低下させ、冷却空気３１２の温度を上昇させるようにする。比較的温暖な冷却空気３１４は、冷却流体出口２４４Ａから出力される。冷却流体出口２４４Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体入口２８２Ａと流れ連通している。内部導管システム２９２は、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の冷却流体出口２４４Ａから出力される加熱された冷却空気３１４を、冷却のためサーマルバスループ２８０の少なくとも１つ及び／又はタービン１２６，１２８のうちの少なくとも１つに送り、タービン１２６，１２８のうちの少なくとも１つのブレードを冷却するよう構成される。１つの実施形態において、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の冷却流体出口２４４Ａに近接した内部導管システム２９２は、第２のＣＣＡ熱交換器２４０からの加熱された冷却空気３１４の少なくとも一部をタービン１２６，１２８のうちの少なくとも１つに送り、第２のＣＣＡ熱交換器２４０からの加熱された冷却空気３１４の残りの部分をサーマルバスループ２８０にブリード又は送るように構成された１又はそれ以上のバルブ２５２を含む。

１つの実施形態において、第２のＣＣＡ熱交換器２４０は、作動流体流路２４６Ｂを通じて比較的高温の空気３１６を外側ライナ２０４の近傍から作動流体入口２４２Ｂに送るように構成される。作動流体流路２４６Ｂと冷却流体流路２４６Ａとの間の熱伝達により、高温空気３１６の温度を低下させ、これにより比較的低温の空気３１８が作動流体出口２４４Ｂから出力されて、外側ライナ２０４の冷却を促進するようになる。代替として、又はこれに加えて、冷却流体流路２４６Ａは、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の外側面２５０に近接して配列され、これにより外側ライナ２０４の近傍と冷却流体３１２との間の熱伝達が、第２のＣＣＡ熱交換器２４０の外側面２５０にわたって起こるようになる。冷却流体流路２４６Ａを通じて送られる低温冷却流体３１２は、第２のＣＣＡ熱交換器２４０から低温冷却空気３１２内に熱負荷を伝達する。

例示的な実施形態において、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の冷却流体入口２６２Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体出口２８４Ａと流れ連通している。作動中、冷却流体入口２６２Ａは、サーマルバスループ２８０から低温冷却空気３２０を受けるように構成される。冷却流体流路２６６Ａは、ここを通じて低温冷却空気３２０を送るよう構成される。冷却流体流路２６６Ａにおける低温冷却空気３２０は、燃焼室２０２の内側ライナ２０６から熱負荷を伝達するよう構成され、これにより内側ライナ２０６の近傍における温度を低下させ、冷却空気３２０の温度を上昇させるようにする。比較的温暖な冷却空気３２２は、冷却流体出口２６４Ａから出力される。冷却流体出口２６４Ａは、内部導管システム２９２を通じてサーマルバスループ２８０の内部冷却流体入口２８２Ａと流れ連通している。内部導管システム２９２は、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の冷却流体出口２６４Ａから出力される加熱された冷却空気３２２を、冷却のためサーマルバスループ２８０の少なくとも１つ及び／又はタービン１２６，１２８のうちの少なくとも１つに送り、タービン１２６，１２８のうちの少なくとも１つのブレードを冷却するよう構成される。１つの実施形態において、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の冷却流体出口２６４Ａに近接した内部導管システム２９２は、第３のＣＣＡ熱交換器２６０からの加熱された冷却空気３２２の少なくとも一部をタービン１２６，１２８のうちの少なくとも１つに送り、第３のＣＣＡ熱交換器２６０からの加熱された冷却空気３２２の残りの部分をサーマルバスループ２８０にブリード又は送るように構成された１又はそれ以上のバルブ２７２を含む。

１つの実施形態において、第３のＣＣＡ熱交換器２６０は、作動流体流路２６６Ｂを通じて比較的高温の空気３２４を内側ライナ２０６の近傍から作動流体入口２６２Ｂに送るように構成される。作動流体流路２６６Ｂと冷却流体流路２６６Ａとの間の熱伝達により、高温空気３２４の温度を低下させ、これにより比較的低温の空気３２６が作動流体出口２６４Ｂから出力されて、内側ライナ２０６を冷却するようになる。代替として、又はこれに加えて、冷却流体流路２６６Ａは、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の外側面２７０に近接して配列され、これにより内側ライナ２０６の近傍と冷却流体３２０との間の熱伝達が、第３のＣＣＡ熱交換器２６０の外側面２７０にわたって起こるようになる。冷却流体流路２６６Ａを通じて送られる低温冷却流体３２０は、第３のＣＣＡ熱交換器２６０から低温冷却空気３２０内に熱負荷を伝達する。

作動中、サーマルバスループ２８０の内部冷却流体入口２８２Ａは、内部導管システム２９２から、すなわち、第１、第２、及び第３のＣＣＡ熱交換器２２０，２４０，２６０のうちの１又はそれ以上から比較的温暖な冷却空気３０８，３１４、及び／又は３２２（総称して「温暖冷却空気３５０」を受ける。１つの実施形態において、サーマルバスループ２８０の外部冷却流体入口２８２Ｂは、外部導管システム２９４を通じて冷却流体３５２（例えば、燃料、空気）を受け取る。このような実施形態において、サーマルバスループ２８０の内部冷却流体流路２８６Ａは、外部冷却流体流路２８６Ｂに近接して位置付けられ、その結果、熱伝達が内部冷却流体流路２８６Ａと外部冷却流体流路２８６Ｂとの間で起こる。より具体的には、温暖な冷却空気３５０の温度は低下させることができ、冷却流体３５２の温度が上昇する。低温冷却空気３５４は、内部冷却流体出口２８４Ａから内部導管システム２９２に出力され、低温冷却空気３５４が、第１、第２、及び第３のＣＣＡ熱交換器２２０，２４０，２６０のうちの１又はそれ以上に送られるようになる。冷却空気３５０から伝達された熱負荷を有する比較的温暖な冷却流体３５６は、外部冷却流体出口２８４Ｂから外部導管システム２９４に出力され、その結果、温暖な冷却流体３５６が、熱伝達のための外部シンク４００に衝突することができる。

別の実施形態において、サーマルバスループ２８０は、外部冷却流体流路２８６Ｂを含まない。内部冷却流体流路２８６Ａは、サーマルバスループ２８０の外側面２９０に近接して位置付けられ、ここでサーマルバスループの外側面２９０の少なくとも一部が外部シンク４００と直接熱連通する。従って、冷却空気３５０から外部シンク４００への熱伝達は、内部冷却流体流路２８６Ａからサーマルバスループ２８０の外側面２９０にわたって起こる。

例示的な実施形態において、ＣＣＡ熱交換器２２０、２４０、２６０は、燃料ではなく空気を冷却流体として使用するよう構成される。サーマルバスループ２８０は、空気及び／又は流体などの何れかの好適な冷却流体を用いて、ＣＣＡ熱交換器２２０、２４０、２６０に提供される冷却空気を冷却するよう構成される。従って、ＣＣＡ熱交換器システム２００は、コアエンジンケーシング１１６の外部にある燃料のみを送る（すなわち、ＣＣＡ熱交換器２２０、２４０、２６０の何れか及び／又は内部導管システム２９２ではなく、サーマルバスループ２８０及び／又は外部導管システム２９４のみを通じて）ので、燃焼室２０２に近接して燃料を冷却流体として用いることに伴う漏洩のリスクを低減することができる。ＣＣＡ熱交換器システム２００に障害が起きた場合でも、コアエンジン１１２が依然として運転できることになる。

一部の実施形態において、コアエンジンケーシング１１６は、ＣＣＡ熱交換器２４０及び／又は２６０を収容するために半径方向に拡張される。種々の実施形態において、コアエンジンケーシング１１６は、ＣＣＡ熱交換器２４０及び／又は２６０を収容するためにあらゆる好適な量だけ（例えば、０．５インチ〜２．０インチの間）半径方向に拡張することができる。

図４は、ＣＣＡ熱交換器システム２００（図２及び図３に示す）の構成要素と外部ヒートシンク４００との間の熱の流れを例示したブロック図である。より具体的には、図４は、サーマルバスループ２８０と、コアエンジンケーシング１１６（図１及び図２に示す）の外部に配置される外部最終ヒートシンク４００との間の第１の流路４０２と、サーマルバスループ２８０と、ＣＣＡ熱交換器２２０、２４０、２６０を含む複数のエンジン補機システム４１０との間の第２の流路４０４と、を示している。第１の流路４０２は、内部導管システム２９２（図２及び図３に示す）を含むことができる第２の流路４０４と熱伝達連通して結合される。複数のエンジン補機システム４１０は、例えば、ＡＣＣ及びアンダーカウル冷却システム４１２、ＥＣＳ予冷却システム４１４、発電機潤滑部４１６、主エンジン潤滑システム４１８、電子システム４２０、圧縮機吐出プレナム（ＣＤＰ）４２２、及び／又はサーマルバスループ２８０がヒートシンクとして構成される追加の補機システム４２４のような熱源を含む。複数のエンジン補機システム４１０は更に、防氷又は除氷システム４２６及び／又は追加の補機システム４２４などの追加のヒートシンクを含むことができる。

外部ヒートシンク４００は、燃料、周囲空気、防氷面熱交換器、及び／又は他の何れかの好適なヒートシンクを含むことができる。図２及び図３に関して上述したように、外部ヒートシンク４００は、サーマルバスループ２８０の内部冷却流体流路２８６Ａにおいて内部冷却流体３５０又は冷却空気３５０から熱負荷を伝達する。次いで、サーマルバスループ２８０は、複数のエンジン補機システム４１０から低温冷却流体３５２に熱負荷を伝達し、これにより補機システム４１０及び／又は補機システム４１０に収容される冷却流体の温度を低下させるようにする。従って、サーマルバスループ２８０は、あらゆる数の補機システム４１０のための標準化及び集中化サーマルバスを提供して、既存の熱交換器システムと比べて、効率的な熱伝達をもたらし、複雑さを低減することができる。１つの実施形態において、サーマルバスループ２８０は、能動的シンク選択機能を含み、サーマルバスループ２８０が、全ての利用可能なヒートシンク４００，４２６，４２４の使用を最適化し、これによりＣＣＡ熱交換器システム２００の冗長性を改善することができる。

特に詳細に説明してきた上記の実施形態は、単に例示的な又は可能性のある実施形態に過ぎず、包含することができる多くの他の組み合わせ、追加事項、又は代替形態が存在する点は理解されるであろう。

上述の熱交換器システムは、エンジン構成要素、標準中間サーマルバスループ、及び最終ヒートシンクの間で熱を送給及び伝達する効率的な方法を提供する。具体的には、上述のブリードシステムは、コアエンジンケーシング内で比較的高温の部位にてエンジン組立体に一体化され、且つエンジンを通る冷却空気を送るように構成された１又はそれ以上の低温冷却空気熱交換器を含む。従って、熱交換器システムは、アンダーカウルスペースを節減し、熱交換器システムの複雑さを低減して、十分に考慮されて配置されたＣＣＡ熱交換器が、加熱された流体をエンジンケーシングの外部に標準の集中化された中間サーマルバスループに送り、ここから最終の外部シンクに熱が伝達される。更に、ＣＣＡ熱交換器を例示のように比較的高温の部位に局所的に位置付けることにより、これら比較的高温の部位及びその付近での追加の配管又はバルブ設置を短縮又は排除することができる。コアエンジン内での熱交換器のかかる標準化は、コアエンジンの温度制御及び温度管理能力を改善し、その結果、航空機における燃料消費量を改善（すなわち、節減）することができる。

以上、低温冷却空気熱交換器システムの例示低名実施形態について詳細に説明した。熱交換器システム及びこのようなシステム及び装置を作動させる方法は、本明細書で記載される特定の実施形態に限定されず、むしろ、システムの構成要素及び／又は方法のステップは、本明細書で説明された他の構成要素及びステップと独立して別個に利用することができる。例えば、本方法は、熱交換器を必要とする他のシステムと組み合わせても用いることもでき、本明細書で記載されるシステム及び方法での実施に限定されない。むしろ、例示的な実施形態は、現在のところ熱交換器システムを受け入れて許容するよう構成された他の多くの機械用途と関連して実施及び利用することができる。

本発明の種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。本開示の原理によれば、図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面のあらゆる特徴と組み合わせて言及し及び／又は特許請求することができる。

本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本開示の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と差違のない構造要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、本発明の範囲内にあるものとする。

最後に、代表的な実施態様を以下に示す。
［実施態様１］
エンジン低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムであって、
コアエンジンのケーシングの外部に位置付けられ、複数のエンジン補機システムのうちの少なくとも１つに対するヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器と、
上記コアエンジンケーシングの内部に位置付けられ、上記サーマルバス中間ループ熱交換器と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器と、
を備える、熱交換器システム。
［実施態様２］
上記ＣＣＡ熱交換器が、エンジンケーシング圧縮機吐出ノズル（ＣＤＮ）モジュール内部のスペースに位置付けられる、実施態様１に記載の熱交換器システム。
［実施態様３］
上記ＣＣＡ熱交換器が、ＣＤＮモジュールの上流側にある高圧圧縮機から低温冷却空気を受け取る、実施態様２に記載の熱交換器システム。
［実施態様４］
上記ＣＣＡ熱交換器が、燃焼器の外側面に近接したスペースに位置付けられる、実施態様１に記載の熱交換器システム。
［実施態様５］
上記ＣＣＡ熱交換器が、燃焼器の内側及び外側ライナのうちの少なくとも一方の外側面に近接したスペースに位置付けられる、実施態様４に記載の熱交換器システム。
［実施態様６］
上記ＣＣＡ熱交換器が、上記燃焼器の内側ライナとノズル支持ケーシングとの間のスペース、及び上記燃焼器の外側ライナと上記コアエンジンケーシングとの間のスペースの少なくとも１つに位置付けられる、実施態様３に記載の熱交換器システム。
［実施態様７］
上記サーマルバス中間ループ熱交換器が、第２の流路と熱伝達連通して結合された第１の流路を含み、上記第１の流路が、上記コアエンジンケーシングの外部でヒートシンクと流れ連通して結合され、上記第２の流路が、上記複数のエンジン補機システムのうちの少なくとも一部と流れ連通して結合される、実施態様１に記載の熱交換器システム。
［実施態様８］
エンジンにける熱流を管理する方法であって、
コアエンジンのケーシングの内部に低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器を位置付けるステップと、
上記ＣＣＡ熱交換器を通じて低温冷却空気を上記コアエンジンケーシングの外部に位置付けられたサーマルバス中間ループ熱交換器に送るステップと、
を含む、方法。
［実施態様９］
上記コアエンジンのケーシングの内部に低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器を位置付けるステップが、エンジンケーシング圧縮機吐出ノズル（ＣＤＮ）モジュールの内部のスペースにＣＣＡ熱交換器を位置付けるステップを含む、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１０］
上記ＣＤＮモジュールの上流側で高圧圧縮機の段から上記ＣＣＡ熱交換器に低温冷却空気を送るステップを更に含む、実施態様９に記載の方法。
［実施態様１１］
コアエンジンのケーシングの内部に低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器を位置付けるステップが、燃焼器の外側面に近接したスペースにＣＣＡ熱交換器を位置付けるステップを含む、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１２］
燃焼器の外側面に近接したスペースにＣＣＡ熱交換器を位置付けるステップが、燃焼器の内側及び外側ライナのうちの少なくとも一方の外側面に近接したスペースにＣＣＡ熱交換器を位置付けるステップを含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１３］
燃焼器の外側面に近接したスペースにＣＣＡ熱交換器を位置付けるステップが、上記燃焼器の内側ライナとノズル支持ケーシングとの間のスペース、及び上記燃焼器の外側ライナと上記コアエンジンケーシングとの間のスペースの少なくとも１つにＣＣＡ熱交換器を位置付けるステップを含む、実施態様１１に記載の方法。
［実施態様１４］
上記サーマルバス中間ループ熱交換器の外側面に近接して上記サーマルバス中間ループ熱交換器の第１の流路の少なくとも一部を位置付けるステップを更に含み、
上記外側面の一部が、上記コアエンジンケーシングの外部でヒートシンクと直接熱伝達しており、
上記方法が更に、
上記サーマルバス中間ループ熱交換器の第１の流路を上記サーマルバス中間ループ熱交換器の第２の流路と熱伝達連通して結合するステップと、
上記第２の流路を上記複数のエンジン補機システムの少なくとも一部と流れ連通して結合するステップと、
を含む、実施態様８に記載の方法。
［実施態様１５］
ガスタービンエンジンシステムであって、
燃焼器を含むコアエンジンと、
低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムと、
を備え、上記低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システムが、
上記コアエンジンのケーシングの外部に位置付けられ、複数のエンジン補機システムのうちの少なくとも１つに対するヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器と、
上記コアエンジンケーシングの内部に位置付けられ、上記サーマルバス中間ループ熱交換器と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器と、
を含む、ガスタービンエンジンシステム。
［実施態様１６］
上記ＣＣＡ熱交換器が、エンジンケーシング圧縮機吐出ノズル（ＣＤＮ）モジュール内部のスペースに位置付けられる、実施態様１５に記載のガスタービンエンジンシステム。
［実施態様１７］
上記ＣＣＡ熱交換器が、燃焼器の外側面に近接したスペースに位置付けられる、実施態様１５に記載のガスタービンエンジンシステム。
［実施態様１８］
上記ＣＣＡ熱交換器が、燃焼器の内側及び外側ライナのうちの少なくとも一方の外側面に近接したスペースに位置付けられる、実施態様１７に記載のガスタービンエンジンシステム。
［実施態様１９］
上記ＣＣＡ熱交換器が、上記燃焼器の内側ライナの外側面とノズル支持ケーシングとの間のスペース、及び上記燃焼器の外側ライナの外側面と上記コアエンジンケーシングとの間のスペースの少なくとも１つに位置付けられる、実施態様１８に記載のガスタービンエンジンシステム。
［実施態様２０］
上記サーマルバス中間ループ熱交換器が、第２の流路と熱伝達連通して結合された第１の流路を含み、上記第１の流路が、上記コアエンジンケーシングの外部でヒートシンクと流れ連通して結合され、上記第２の流路が、上記複数のエンジン補機システムのうちの少なくとも一部と流れ連通して結合される、実施態様１５に記載のガスタービンエンジンシステム。

２２０ 第１のＣＣＡ熱交換器
２２２ 入口
２２２Ａ 冷却流体入口
２２２Ｂ 作動流体入口
２２４ 出口
２２４Ａ 冷却流体出口
２２４Ｂ 作動流体出口
２２６ 流路
２２６Ａ 冷却流体流路
２２６Ｂ 作動流体流路
２３０ 外側面
２４０ 第２のＣＣＡ熱交換器
２４２ 入口
２４２Ａ 冷却流体入口
２４２Ｂ 作動流体入口
２４４ 出口
２４４Ａ 冷却流体出口
２４４Ｂ 作動流体出口
２４６ 流路
２４６Ａ 冷却流体流路
２４６Ｂ 作動流体流路
２５０ 外側面
２５２ バルブ
２６０ 第３のＣＣＡ熱交換器
２６２ 入口
２６２Ａ 冷却流体入口
２６２Ｂ 作動流体入口
２６４ 出口
２６４Ａ 冷却流体出口
２６４Ｂ 作動流体出口
２６６ 流路

Claims (10)

1. エンジン低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システム（２００）であって、
   コアエンジン（１１２）のケーシング（１１６）の外部に位置付けられ、複数のエンジン補機システム（４１０）のうちの少なくとも１つに対するヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）と、
   前記コアエンジンケーシング（１１６）の内部に位置付けられ、前記サーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器（２２０，２４０，２６０）と、
   を備える、熱交換器システム（２００）。
2. 前記ＣＣＡ熱交換器（２２０）が、エンジンケーシング圧縮機吐出ノズル（ＣＤＮ）モジュール（２１０）内部のスペースに位置付けられる、請求項１に記載の熱交換器システム（２００）。
3. 前記ＣＣＡ熱交換器（２２０，２４０，２６０）が、燃焼器（１２２）の外側面（２１４）に近接したスペースに位置付けられる、請求項１に記載の熱交換器システム（２００）。
4. 前記ＣＣＡ熱交換器（２４０，２６０）が、前記燃焼器（１２２）の内側ライナ（２０６）の外側面（２０７）とノズル支持ケーシング（２１２）との間のスペース、及び前記燃焼器（１２２）の外側ライナ（２０４）の外側面（２０５）と前記コアエンジンケーシング（１１６）との間のスペースの少なくとも１つに位置付けられる、請求項３に記載の熱交換器システム（２００）。
5. 前記サーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）が、第２の流路（４０４）と熱伝達連通して結合された第１の流路（４０２）を含み、前記第１の流路（４０２）が、前記コアエンジンケーシング（１１６）の外部でヒートシンク（４００）と流れ連通して結合され、前記第２の流路（４０４）が、前記複数のエンジン補機システム（４１０）のうちの少なくとも一部と流れ連通して結合される、請求項１に記載の熱交換器システム（２００）。
6. ガスタービンエンジンシステム（１００）であって、
   燃焼器（１２２）を含むコアエンジン（１１２）と、
   低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システム（２００）と、
   を備え、前記低温冷却空気（ＣＣＡ）熱交換器システム（２００）が、
   前記コアエンジン（１１２）のケーシング（１１６）の外部に位置付けられ、複数のエンジン補機システム（４１０）のうちの少なくとも１つに対するヒートシンクを提供するよう構成されたサーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）と、
   前記コアエンジンケーシング（１１６）の内部に位置付けられ、前記サーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）と流れ連通して結合されたＣＣＡ熱交換器（２２０，２４０，２６０）と、
   を含む、ガスタービンエンジンシステム（１００）。
7. 前記ＣＣＡ熱交換器（２２０）が、エンジンケーシング圧縮機吐出ノズル（ＣＤＮ）モジュール（２１０）内部のスペースに位置付けられる、請求項６に記載のガスタービンエンジンシステム（１００）。
8. 前記ＣＣＡ熱交換器（２２０，２４０，２６０）が、燃焼器（１２２）の外側面（２１４）に近接したスペースに位置付けられる、請求項６に記載のガスタービンエンジンシステム（１００）。
9. 前記ＣＣＡ熱交換器（２４０，２６０）が、前記燃焼器（１２２）の内側ライナ（２０６）の外側面（２０７）とノズル支持ケーシング（２１２）との間のスペース、及び前記燃焼器（１２２）の外側ライナ（２０４）の外側面（２０５）と前記コアエンジンケーシング（１１６）との間のスペースの少なくとも１つに位置付けられる、請求項８に記載のガスタービンエンジンシステム（１００）。
10. 前記サーマルバス中間ループ熱交換器（２８０）が、第２の流路（４０４）と熱伝達連通して結合された第１の流路（４０２）を含み、前記第１の流路（４０２）が、前記コアエンジンケーシング（１１６）の外部でヒートシンク（４００）と流れ連通して結合され、前記第２の流路（４０４）が、前記複数のエンジン補機システム（４１０）のうちの少なくとも一部と流れ連通して結合される、請求項６に記載のガスタービンエンジンシステム（１００）。