JP2017082792A - タービンエンジン用サイクロン分離器 - Google Patents

Abstract

【課題】タービンエンジン内の冷却用空気流から粒子を除去する、システム、方法を提供する。【解決手段】ガスタービンエンジンは、圧縮機セクションとタービンセクションとの間の流体連通をもたらすサイクロン分離器１０２を備える。サイクロン分離器は、入口１１０からの冷却流体の流れを受け入れる環状容積１５０を備え、空気流を清浄空気出口１６４及び排出出口１６２に分ける。冷却用流体の流れは、環状容積の接線方向でサイクロン分離器に供給され、冷却用流体のサイクロン流は、環状容積の中を移動して、空気流の中に取り込まれた粒子を遠心力で環状容積の半径方向外側領域に分離し、排出出口から除去して清浄空気を清浄空気出口に供給する。【選択図】図４

Description

本発明は、タービンエンジン内に粒子を除去する、詳細にはタービンエンジン内の冷却用空気流から粒子を除去する、システム、方法、及び他のデバイスに関連する。

タービンエンジン、特にガス又は燃焼タービンエンジンは、多数のタービンブレード上でエンジンを通過する燃焼ガスからエネルギを抽出する回転式エンジンである。ガスタービンエンジンは、地上及び海上移動並びに発電用に使用されていが、最も一般的には、ヘリコプタを含む航空機等の航空用途で使用される。航空機において、ガスタービンエンジンは、航空機の推進のために使用される。地上用途では、タービンエンジンは発電のために使用される場合が多い。

航空機用ガスタービンエンジンは、エンジン効率を最大にするために高温で作動するので、高圧タービン及び低圧タービン等の特定のエンジン構成要素の冷却が必要となる可能性がある。一般に、冷却は、高圧及び／又は低圧圧縮機から、冷却を必要とするエンジン構成要素へ冷却用空気をダクトで送ることで実現される。高圧タービンの温度は約１０００°Ｃから２０００°Ｃであり、圧縮機からの冷却用空気は約５００°Ｃから７００°Ｃである。圧縮機空気は高温であるが、これはタービン空気に比べると低く、タービンを冷却するために使用することができる。タービンを冷却する場合、冷却用空気は、タービンブレードの内部及びタービンシュラウドを含む種々のタービン構成要素に供給することができる。

冷却用空気中の埃、塵埃、砂、火山灰、及び他の環境汚染物質といった粒子は、航空機環境に関して、冷却損失をもたらし、動作時間すなわち「翼上時間」の減少を引き起こす場合がある。この問題は、タービンエンジンが相当量の浮遊粒子にさらされる地球周りの特定の動作環境において悪化する。タービン構成要素に供給された粒子は、流れ通路及び構成要素の表面を詰まらせる、遮る、又は覆う可能性があり、これによって構成要素の耐用期間が短くなる場合がある

米国特許第７８７９１２３号明細書

ガスタービンエンジンは、軸方向流れ配列で、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及びタービンセクションを有するエンジンコアを備える。ガスタービンエンジンは、さらに圧縮機セクションをタービンセクションに流体接続する冷却用空気回路とサイクロン分離器とを備える。サイクロン分離器は、内部を定めるハウジングと、内部の中に配置される中心本体であって、ハウジングの中に中心本体とハウジングとの間の環状容積を定め、環状サイクロン分離チャンバを形成するようになった中心本体と、環状容積を冷却用空気回路に対して接線方向に接続する入口と、環状容積を入口の下流の冷却用空気回路に接続する清浄空気出口と、環状容積に流体接続した排出出口と、を備え。

ガスタービンエンジンのためのインデューサー組立体は、入口及び出口を含みかつ流れ流線を規定する転向通路を有する複数の円周方向に配置されたインデューサーを備えるディスクと、インデューサーとペアになる複数のサイクロン分離器とを備える。サイクロン分離器は、空気入口、清浄空気出口、及び排出出口を備えかつアニュラス中心線を規定する環状サイクロン分離チャンバを有する。空気入口は、環状分離チャンバの接線方向にあり、清浄空気出口は、インデューサー入口に接続して清浄空気出口流線を規定し、清浄空気出口は、清浄空気出口流線がインデューサー流線に整列するようにインデューサー入口に接続する。

ガスタービンエンジンは、エンジン中心線と、エンジン中心線の周りで円周方向に配置された少なくとも１つのサイクロン分離器とを有し、少なくとも１つのサイクロン分離器は、空気入口、清浄空気出口、及び排出出口を有しかつアニュラス中心線を規定する環状サイクロン分離チャンバを含む。空気入口は、環状分離チャンバの接線方向にある。

航空機用ガスタービンエンジンの概略断面図。 サイクロン分離器を有する冷却用空気回路の概略断面図。 サイクロン分離器を示す図２の断面図。 図３のサイクロン分離器の断面図。 図３のサイクロン分離器の入口の斜視図。 接線方向噴出導管を示す図３のサイクロン分離器の半径方向断面図。 サイクロン分離器の中の流路を示す図３の断面図。 図１のエンジンに組み込むことができるインデューサーセクションに結合したサイクロン分離器を示す斜視図。 サイクロン分離器を通ってインデューサーセクションに流入する流体流れを示す、図８のインデューサーセクションの一部の拡大図。

本発明の開示された実施形態は、特にタービンエンジン内に粒子を除去する、詳細にはタービンエンジン内の冷却用空気流から粒子を除去する、システム、方法、及び他のデバイスに関連する。例示目的で、本発明は、航空機ガスタービンエンジンを参照して説明される。しかしながら、本発明は、これに限定されるものではなく、他の移動体用途、非移動体の産業、商業、住宅用途などの非航空機用途に一般的に適用できる。

本明細書で使用される場合、用語「軸方向」又は「軸方向に」は、エンジンの長手方向軸線に沿った寸法、又はエンジンの中に配置された構成要素の長手方向軸線に沿った寸法を意味する。「軸方向」及び「軸方向に」と併せて使用される用語「前方」とは、エンジン入口に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジン入口により近接していることを意味する。軸方向」及び「軸方向に」と併せて使用される用語「後方」とは、エンジン中心線に対してエンジンの後部又は出口に向かう方向を意味する。

本明細書で使用される場合、用語「半径方向」及び「半径方向に」は、エンジンの長手方向軸線と、エンジン外周もしくはエンジン内に配置された円形又は環状構成要素との間に延びる寸法を意味する。単独で又は用語「半径方向」又は「半径方向に」と併せて使用される用語「近位方向」又は「近位方向に」とは、中心長手方向軸線に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較して中心長手方向軸線により近接していることを意味する。

本明細書で使用される場合、用語「接線方向」又は「接線方向に」は、エンジンの長手方向軸線又はエンジン内に配置された構成要素の長手方向軸線に対する半径方向線に直交して延びる寸法を意味する。

全ての方向性の言及（例えば、半径方向、軸方向、上側、下側、上向き、下向き、左、右、横、前、後、上部、底部、上方、下方、垂直、水平、時計回り、反時計回り）は、読み手の本発明の理解を助けるために識別の目的で使用しているに過ぎず、特に位置、向き、又は本発明の用途に関して限定するものではない。接続に関する言及（例えば、取り付け、結合、接続、及び接合）は、広義に解釈すべきであり、別途指示されていない限り、一群の要素間の中間部材及び要素間の相対移動を含むことができる。従って、接続に関する言及は、必ずしも２つの要素が互いに固定関係で直接接続されることを示唆するものではない。例示的な図面は、単に例証の目的のものであり、本明細書に添付される図面中に示されている寸法、位置、順序及び相対サイズは変えることができる。

本開示は、タービンブレードに関し、詳細にはタービンブレードの冷却に関する。例示目的で、本発明は、航空機ガスタービンエンジン用のタービンブレードに関して説明される。しかしながら、本発明はこれに限定されず、航空機用途以外の他の移動体用途、移動体以外の工業、商業、及び住宅用途にも適用できることを理解されたい。また、タービンエンジン内の固定ベーンといったブレード以外の翼形部にも適用可能である。

図１は、航空機用のガスタービンエンジン１０の概略断面図である。エンジン１０は、概して長手方向に延びる軸又は中心線１２を有し、これは前方１４から後方１６に延びる。エンジン１０は、下流への直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８、ブースタ又は低圧（ＬＰ）圧縮機２４及び高圧（ＨＰ）圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８、ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２、及び排出セクション３８を備える。

ファンセクション１８は、ファン２０を取り囲むファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２の周りで半径方向に配置された複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０、及びＨＰタービン３４は、エンジン１０のコア４４を形成し、コア４４は燃焼ガスを発生する。コア４４は、コアケーシング４６で取り囲まれており、コアケーシング４６は、ファンケーシング４０と結合することができる。

エンジン１０の中心線１２の周りで同軸に配置されたＨＰシャフト又はスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６に駆動結合する。大径の環状ＨＰスプール４８の中でエンジン１０の中心線１２の周りで同軸に配置されたＬＰシャフト又はスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４及びファン２０に駆動結合する。スプール４８、５０の一方又は両方に対して取り付けられて一緒に回転するエンジン１０の各部分は、個別に又は集合的にロータ５１と呼ばれる。

ＬＰ圧縮機２４及びＨＰ圧縮機２６は、それぞれ複数の圧縮機段５２、５４を含み、ここでは圧縮機ブレード５６、５８のセットが、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、段を通過する流体の流れを圧縮又は加圧する。単一の圧縮機段５２、５４において、複数の圧縮機ブレード５６、５８は、リング状に設けることができ、中心線１２に対してブレードプラットフォームからブレード先端まで半径方向外向きに延びることができるが、対応する固定圧縮機ベーン６０、６２は、回転ブレード５６、５８の下流側でこれに隣接して配置される。図１に示すブレード、ベーン、及び圧縮機段の数は単に例示目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。圧縮機段のためのブレード５６、５８は、ディスク５３に取り付けることができ、ディスク５３は、ＨＰ及びＬＰスプール４８、５０のうちの対応する１つに取り付けられており、各段は自らのディスクを有する。ベーン６０、６２は、ロータ５１の周りの円周方向構成でもってコアケーシング４６に取り付けられる。

ＨＰタービン３４及びＬＰタービン３６は、それぞれ複数のタービン段６４、６６を含み、ここではタービンブレード６８、７０のセットが、対応する固定タービンベーン７２、７４（ノズルとも呼ばれる）に対して回転して、段を通過する流体の流れからエネルギを抽出する。単一のタービン段６４、６６において、複数のタービンブレード６８、７０は、リング状に設けることができ、中心線１２に対してブレードプラットフォームからブレード先端まで半径方向外向きに延びることができるが、対応する固定タービンベーン７２、７４は、回転ブレード６８、７０の上流側でこれに隣接して配置される。図１に示すブレード、ベーン、及びタービン段の数は単に例示目的で選択されたものであり、他の数も可能であることに留意されたい。

作動時、回転ファン２０は周囲空気をＬＰ圧縮機２４に供給し、ＬＰ圧縮機２４は加圧した周囲空気をＨＰ圧縮機２６に供給し。ＨＰ圧縮機２６は周囲空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの加圧空気は、燃焼器３０の中で燃料と混合及び点火され、結果的に燃焼ガスが発生する。一部の仕事は、このガスからＨＰタービン３４によって抽出され、ＨＰタービン３４はＨＰ圧縮機２６を駆動する。燃焼ガスはＬＰタービン３６に吐出し、ＬＰタービン３６は追加の仕事を抽出してＬＰ圧縮機２４を駆動し、最終的に排出ガスが排出セクション３８を通ってエンジン１０から放出される。ＬＰタービン３６は、ＬＰスプール５０を駆動してファン２０及びＬＰ圧縮機２４を回転させる。

ファン２０から供給される周囲空気の一部は、エンジンコア４４をバイパスすることができ、エンジン１０の一部、特に高温部を冷却するために使用すること、及び／又は航空機の他の特徴要素を冷却するか又は作動させるために使用することができる。タービンエンジンとの関連において、エンジンの高温部は、通常、燃焼器３０の下流、特にタービンセクション３２の下流であり、ＨＰタービン３４は、燃焼セクション２８の直下流にあるので最も高温の部分である。他の冷却用流体の供給源は、限定されるものではないが、ＬＰ圧縮機２４又はＨＰ圧縮機２６から吐出される流体である。

従って、空気の流れは、エンジン中心線１２に対して燃焼器３０の半径方向内側又は外側に配置されたバイパスセクション７６を経由して燃焼器３０をバイパスすることができる。インデューサーセクション７８は、バイパスセクション７６からの空気を利用して、下流のエンジン構成要素、例えばベーン、ブレード、又はシュラウド組立体を冷却するための空気流を供給することができる。空気流は、燃焼器３０から発生した空気流の温度に比べて温度が低い冷却用空気流として利用される。

図２は、図１の燃焼器セクション２８とタービンセクション３２との間の接合部の近くのエンジン１０の１つのセクションの概略図であり、インデューサーセクション１０４に接続したサイクロン分離器１０２を示す。サイクロン分離器１０２には、冷却用流体の流れを送り込むことができ、燃焼器３０の半径方向内側で燃焼器セクション２８をバイパスする冷却回路９８を定めるようになっている。従って、圧縮機セクション２２からのバイパス空気流は、例えば、出口ガイドベーン１１８を通してサイクロン分離器１０２に送ることができ、サイクロン分離器１０２は、インデューサーセクション１０４と流体連通する。インデューサーセクション１０４から、冷却回路９８は、タービンセクション３４及びその中の構成要素、ブレード６８、ベーン７２、ディスク５３、又はシール（図示せず）に空気を送り込むことができる。図２に示す出口ガイドベーン１１８は例示的であり、限定するものではないことをさらに理解されたい。

図３は、図２のエンジン１０のセクション１００の概略図であり、サイクロン分離器１０２の下流に配置されたインデューサーセクション１０４と統合されたサイクロン分離器１０２を示す。サイクロン分離器１０２は、環状内部１０８を定めるハウジング１０６を備える。内部１０８は、空気入口１１０を介してエンジンセクション１００と流体連通することができ、さらに第１の出口１１２及び第２の出口１１４を介して冷却用流体を排出することができる。第２の出口１１４は、さらにインデューサーセクション１０４と流体連通することができる。さらに、冷却回路９８は、例えば、出口ガイドベーン１１８からエンジンセクション１００に導入された冷却用流体の流れで定めることができる。従って、冷却回路９８の冷却用流体の流れは、入口１１０を通ってサイクロン分離器１０２に流入し、内部１０８を通過し、出口１１２、１１４を通ってインデューサーセクショ１０４に排出され、インデューサーセクショ１０４で冷却用流体はタービンセクション３２に流入する。従って、冷却回路９８は、冷却用流体の流れを、燃焼器セクション２８をバイパスして、圧縮機セクション２２から、サイクロン分離器１０２を通り、さらにインデューサーセクション１０４を通ってタービンセクション３２に案内するように構成される。

図４において、入口導管１４０は、入口１１０を介してサイクロン分離器１０２の外部から内部１０８への流体連通を可能にする。入口１１０及び入口導管１４０は、アーチ形断面の環状とすることができる。入口導管１４０は、接線方向噴出領域１４２で内部１０８と流体連通する。リブ１４４は、入口導管１４０と内部１０８との間で部分的に配置され、冷却用流体の流れを内部１０８の一側面に案内する。後壁１４６は、内部１０８の中に配置され、内部１０８の中心を通って長手方向に延びる環状中心本体１４８に結合する。中心本体１４８は、エンジン中心線１２に軸方向で平行に配置すること、又はエンジン中心線１２に沿って角度オフセットすることができる。環状容積１５０は、中心本体１４８によって規定され、ハウジング１０６の内部１０８の中に配置されて接線方向噴出領域１４２と第２の出口１１４との間に延びる、環状サイクロン分離チャンバを形成する。環状容積１５０の長手方向延長部は、中心本体１４８の配置に関係するか又は無関係な、エンジン中心線１２に対して平行な又はエンジン中心線１２に対して角度オフセットすることができる、アニュラス中心線又はサイクロン中心線を規定することができる。さらに、アニュラス中心線又はサイクロン中心線は、軸方向及び半径方向次元を有する合成角で角度オフセットすることができ、アニュラス中心線は、合成角だけエンジン中心線に対してオフセットする。

環状容積１５０は、それぞれ接線方向噴出領域１４２及び第１の出口１１２の近くで縮小断面領域１５２及び拡大断面領域１５４を含むことができる。縮小及び拡大断面領域１５２、１５４は、連続的に縮小及び拡大することができる。冷却用空気の流れを加速するための縮小断面領域１５２によって加速部が形成され、冷却用空気の流れを減速するための拡大断面領域１５４によって減速領域が形成される。それぞれの部分は、縮小及び拡大断面領域１５２、１５４の断面積に比例して空気流を加速及び減速することができる。さらに、拡大断面領域１５４は、内部１０８に配置された環状出口導管１５６のための空間を提供する。環状出口導管１５６は、環状容積１５０を半径方向外側容積１５８と半径方向内側容積１６０とに分ける。半径方向外側容積１５８は、第１の出口１１２を含む排出出口１６２への流体連通をもたらし、半径方向内側容積１６０は、デスワーラ（ｄｅｓｗｉｒｌｅｒ）１６６として示される旋回要素を通る、第２の出口１１４を含む清浄空気出口１６４への流体連通をもたす。デスワーラ１６６は随意的であり、サイクロン分離器はデスワーラ１６６無しで設けることができることを理解されたい。排出出口１６２は、環状容積１５０に対して接線方向に配置することができる。排出出口１６２は、環状容積１５０と排出出口１６２との間の接合部に空気入口１６１をさらに定めることができる。空気入口１６１は、排出出口１６２に流入する空気の流れを加速するための縮小断面領域を備えることができる。半径方向外側容積１５８は、環状排出容積１６８で終端するので、半径方向外側容積１５８の中にある何らかの冷却用流体は、環状出口導管１５６の周りの排出出口１６２に供給することができる。

図５は、環状帯体１７０に取り付けられたサイクロン分離器１０２の入口１１０を示す。取付け部１７２は、複数のファスナー１７４で入口１１０をサイクロン分離器１０２に締結する。移送軸１７６は、エンジン中心線１２に対して平行に取付け部１７２の中心を軸方向に通るように示される。移送軸１７６に対して、入口１１０は、冷却用流体の流れ実質的に軸方向に受け取り、アーチ形入口導管１４０によって、冷却用流体の流れを環状容積１５０に流入する際にサイクロン分離器１０２の軸方向に対して半径方向に方向付けする（矢印１７８で示す）。

図示の入口１１０は例示的であることを理解されたい。入口１１０は、エンジン中心線１２に対して概して軸方向の空気流を受け取るように示されているが、入口１１０は、複数の方向に向きを定めることができ、例えば、部分的に上向き又は下向きに又は一方側に角度付けされて複数の方向から空気流を受け取る。

図６は、接線方向噴出領域１４２での入口１１０の半径方向断面図を示す。入口導管１４０は、接線方向噴出領域１４２を介してリブ１４４の半径方向外側表面１８２とハウジング１０６内に定められた側壁１８４との間に定められた接線方向入口１８０において、環状容積１５０と流体連通する。

入口１１０に流入する冷却用流体の流れは、エンジン中心線１２に対して実質的に軸方向から、半径方向及び軸方向の両方になるように入口導管１４０の中で方向を変え、図５に示すように半径方向内向きに移動する（矢印１７８）。入口導管１４０からの冷却用流体の流れ（矢印１８６）は、リブ１４４によって側壁１８４の方向に向けられ、冷却用流体の流れ（矢印１８８）及び冷却用流体の流れ（矢印１８６）は、側壁１８４で案内されて環状容積１５０に流入する際に、環状容積１５０の環状方向に対して接線方向になる。従って、接線方向噴出領域１４２は、冷却用流体の流れを環状容積１５０の中に接線方向で向かわせるので、冷却用流体の流れ（矢印１９０）は、環状容積１５０の内部の中心本体１４８の周りで、サイクロン様式で旋回することができ、サイクロン分離器１０２を通って軸方向後方向に移動する。

図７において、サイクロン分離器を通る冷却用流体の流れ全体を理解することができる。冷却用流体の流れ（矢印２００）は、入口１１０に流入し、入口導管１４０によってサイクロン分離器１０２に流入する際に軸方向及び半径方向の両方向となる（矢印２０２）。接線方向噴出領域１４２において、冷却用流体の流れは側壁１８４に向けられ、冷却用流体は、環状容積１５０の中に接線方向で噴出する。冷却用流体の接線方向噴出によって、冷却用流体は、冷却用流体がサイクロン分離器１０２を通過する際に中心本体１４８の周りでらせん状に旋回する。サイクロン分離器１０２の中の冷却用流体は、サイクロン空気流２０４を成すことができ、冷却用流体の中に取り込まれた埃、塵埃、砂、灰などの粒子状物質は、遠心力によってハウジング１０６に隣接した環状容積１５０の半径方向外周に向かって移動する。外周に沿った粒子状物質は、環状容積１５０の半径方向外側容積１５８に移行することができ、排出空気流（矢印２０６）は、粒子を排出出口１６２に移送して、第１の出口１１２を通って排出することができる。排出空気流２０６を含まない残りの冷却用流体は、清浄空気流２０８として半径方向内側容積１６０を通過することができる。清浄空気流２０８は、空気流のらせん規模（ｈｅｌｉｃａｌ ｍａｇｎｉｔｕｄｅ）を変えるデスワーラ１６６を通過して、軸方向空気流になる。清浄空気流２０８は、第２の出口１１４で清浄空気出口１６４を通過することができる。第１及び第２の出口１１２、１１４は、環状容積１５０に対して接線方向に配置することができるので、冷却用流体の接線方向排出によりサイクロン空気流２０４をデスワールする必要がない。

デスワーラ１６６は随意的であることを理解されたい。サイクロン空気流は、デスワーラ１６６によってデスワールすることができる。さらに、一般的なサイクロン分離器の低圧中心セクションに関する圧力損失は、中心本体１４８によって解消され、空気流が清浄空気出口１６４を通って流出する前に空気流をデスワールする必要性が低減するか又は無くなる。

サイクロン分離器１０２は、冷却用流体の流れを接線方向に噴出することができ、サイクロン分離器１０２の中にらせん又はサイクロン空気流を生成するようになっていることを理解されたい。サイクロン空気流は、遠心力を利用して空気流の中に取り込まれた粒子状物質をサイクロン分離器１０２の外周に推し進め、流れを、半径方向外側の汚染流と、サイクロン流によって引き起こされた遠心力によって所定量の粒子状物質が除去された半径方向内側の清浄空気流とに分離する。半径方向内側及び外側空気流への分離は、冷却回路の中の冷却用流体の流れから大量の粒子状物質を除去するように機能するので、冷却用流体の中の粒子状物質に関連する問題は、冷却回路の冷却用流体を利用するエンジン構成要素内で軽減される。

図８を参照すると、エンジン１０に組み込むことができるインデューサーセクション１０４の１つの実施例を示す斜視図である。インデューサーセクション１０４は、複数のサイクロン分離器１０２及び複数のインデューサー２２０を備えたリング状ディスク２１８を有するリング状帯体１７０を含み、インデューサー２２０は、リング状帯体１７０及びディスク２１８と一体的に形成又は成形することができる。帯体１７０及びディスク２１８は、エンジン中心線１２と同軸に整列したディスク中心線を規定することができる。相補的なインデューサー２２０を備えたサイクロン分離器１０２の数は例示的であり、特定のエンジン１０に基づいて多くの又は少ない数のサイクロン分離器１０２を含むことができることを理解されたい。加えて、１又は２以上のサイクロン分離器１０２から入口１１０を取り除くことができ、冷却用流体はサイクロン分離器１０２に半径方向に導入されるようになっており、入口導管１４０において軸方向から半径方向及び軸方向を有する流れに転向させることを必要としない。

図９は、図８のインデューサーセクション１０４の一部の拡大図であり、作動時にインデューサーセクション１０４を通り、排出出口１６２及び清浄空気出口１６４の幾何形状を接線方向に出る流体流れを示す。サイクロン分離器１０２の清浄空気出口１６４は、インデューサー２２０の上流に設けられ、インデューサー２２０の入口２３０と流体連通することができるので、インデューサー２２０に供給される流体流は、その中の取り込まれた粒子状物質の量が低減された清浄空気流２０８である。さらに、インデューサー２２０は、転向通路２２２を備えることができる。図示のように、清浄空気出口１６４の下流部は、インデューサー２２０に関する流れ通路を形成するので、清浄空気出口１６４は、インデューサー流２２４として清浄空気流２０８を加速してＨＰタービン３４に向かう転向通路２２２に転向させる。転向通路２２２の出口２２６は、サイクロン分離器１０２の反対側のリング状ディスク２１８の側面２２８の開口によって定めることができる。

清浄空気出口１６４及び転向通路２２２の各々は、長手方向中心線を規定することができ、それぞれの中心線は整列して清浄空気流２０８を環状容積１５０に対して接線方向に移動させる。加えて、清浄空気出口１６４及び転向通路２２２は、中心線に沿った流れ流線を規定することができ、各流線は整列する。加えて、清浄空気出口１６４は、インデューサー入口２３０に接続することができ、清浄空気流線を規定するようになっており、清浄空気流線は流れ流線に整列することができる。

サイクロン分離器は、１又は２以上のエンジン構成要素によって定められる冷却回路の中を移動する冷却用流体の流れからの大量の粒子状物質を除去するのに好都合であることを理解されたい。タービンエンジン内に使用される典型的なサイクロン又は遠心式分離器は、スワーラ又はスワーラベーンと組み合わせて半径方向又は軸方向入口から空気を導入して、遠心分離のためのサイクロン空気流を生成する。接線方向噴出領域により、スワーラ、スワーラベーン、又はデフレクタが必要なくなり、サイクロン分離器の幾何形状に基づいてサイクロン空気流を生成する。さらに、排出流れに起因するシステム内の圧力損失を最小に維持しながら、通常の粒子分離器に比べて小さな粒子状物質を除去することができる。一般の分離器に比べて小径のサイクロン分離器により、小さな粒子状物質を除去する利点はさらに高くなる。加えて、サイクロン分離器の製造が簡単になりコストを抑えることができる。

本明細書に記載のサイクロン分離器は小型でありタービンエンジンでの使用に適していることをさらに理解されたい。接線方向噴出及び出口幾何形状により、サイクロン空気流をデスワールするためのスワーラベーンは不要になる。中心本体を追加することで、環状容積の低圧中心領域が取り除かれ、環状容積の中心に捕らえられた粒子を遠心分離する必要がなくなり、分離器の全体性能が高くなる。加えて、サイクロン分離器の単純化によって、除去する粒子状物質の所望のサイズに基づいて、入口又は出口セクションを拡大する並びに幾何形状を定めるための調整が容易になる。

インデューサー入口と組み合わせて清浄空気出口は、インデューサー組立体に清浄空気を供給し、これはインデューサー効率を最大にすることをさらに理解されたい。サイクロン分離器は、高いインデューサー効率を保持することで、最大１００％の粒子除去が可能になる。除去した粒子は、保持チャンバに向けること、又は取り込まれた粒子状物質で作動する交互のエンジン構成要素に向けられる排出流れに含めることができる。

本明細書に記載の発明に関連するシステム、方法、及び他のデバイスの種々の実施形態は、特にタービンエンジンにおいて改善された粒子分離を可能にする。開示されたシステムの一部の実施形態の実施によって実現される１つの利点は、本明細書に記載のシステム、方法、及び他のデバイスを、単独で又は組み合わせてタービンエンジン内の冷却用空気流から粒子を除去するために使用できることである。冷却用空気の中の粒子を低減することで、冷却性及びエンジン構成要素の耐久性を改善することができる。航空機エンジンの耐用期間は、タービン冷却通路の粒子蓄積で制限される場合が多いので、粒子蓄積をなくすか又は著しく低減すると、エンジンの保守整備の間の動作耐用期間が長くなる。

本明細書は、開示される主題の実施例を用いて、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む本発明を実施することを可能にする。本発明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、或いは、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］
軸方向流れ配列で、圧縮機セクション、燃焼器セクション、及びタービンセクションを有するエンジンコアと、
上記圧縮機セクションを上記タービンセクションに流体接続する冷却用空気回路と、
サイクロン分離器と、
を備えるガスタービンエンジンであって、
上記サイクロン分離器は、
内部を定めるハウジングと、
上記内部の中に配置される中心本体であって、上記ハウジングの中に上記中心本体と上記ハウジングとの間の環状容積を定め、環状サイクロン分離チャンバを形成するようになった、中心本体と、
上記環状容積を上記冷却用空気回路に対して接線方向に接続する入口と、
上記環状容積を上記入口の下流の冷却用空気回路に接続する清浄空気出口と、
上記環状容積に流体接続した排出出口と、
を備える、ガスタービンエンジン
［実施態様２］
上記タービンセクションの軸方向上流で、上記サイクロン分離器の清浄空気出口に接続された入口と上記タービンセクションに流体接続された出口とを有する転向通路を含む、少なくとも１つのインデューサーを含むインデューサーセクションをさらに備える、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様３］
上記転向通路及び上記清浄空気出口は、整列した中心線を有する、実施態様２に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様４］
上記サイクロン分離器入口は、上記冷却用空気を加速させるための縮小断面領域の部分を有する、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様５］
上記部分は連続的に縮小する断面領域を有する、実施態様４に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様６］
上記サイクロン分離器は、上記環状容積の中に配置された旋回要素を備える、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様７］
上記排出出口は、上記環状容積の接線方向にある、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様８］
上記コアはエンジン中心線を規定し、上記サイクロン分離器はサイクロン中心線を規定し、上記エンジン中心線及び上記サイクロン中心線は平行である、実施態様１に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様９］
ガスタービンエンジンのためのインデューサー組立体であって、
入口及び出口を含みかつ流れ流線を規定する転向通路を有する複数の円周方向に配置されたインデューサーを備えるディスクと、
上記インデューサーとペアになり、空気入口、清浄空気出口、及び排出出口を備えかつアニュラス中心線を規定する環状サイクロン分離チャンバを有する、複数のサイクロン分離器と、
を備え、
上記空気入口は、上記環状分離チャンバの接線方向にあり、上記清浄空気出口は、上記インデューサー入口に接続して清浄空気出口流線を規定し、上記清浄空気出口は、上記清浄空気出口流線が上記インデューサー流線に整列するように上記インデューサー入口に接続する、インデューサー組立体
［実施態様１０］
上記サイクロン分離器空気入口は、上記冷却用空気を加速させるための縮小断面領域の部分を有する、実施態様９に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１１］
上記部分は連続的に縮小する断面領域を有する、実施態様１０に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１２］
上記サイクロン分離器は、上記環状分離チャンバの中に配置された旋回要素を備える、実施態様９に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１３］
上記排出出口は、環状容積の接線方向にある、実施態様９に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１４］
上記ディスクはディスク中心線を規定し、上記サイクロン分離器はサイクロン中心線を規定し、上記ディスク中心線及び上記サイクロン中心線は平行であるか又は角度オフセットする、実施態様９に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１５］
上記サイクロン中心線は、ディスク中心線に対して軸方向及び半径方向の両方の成分を有する合成角によって、ディスク中心線から角度オフセットする、実施態様１４に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１６］
上記サイクロン分離器は、上記ディスク中心線の周りで円周方向に配置される、実施態様１５に記載のインデューサー組立体。
［実施態様１７］
エンジン中心線と、上記エンジン中心線の周りで円周方向に配置された少なくとも１つのサイクロン分離器とを有するガスタービンエンジンであって、上記少なくとも１つのサイクロン分離器は、空気入口、清浄空気出口、及び排出出口を有しかつアニュラス中心線を規定する環状サイクロン分離チャンバを含み、上記空気入口は、上記環状分離チャンバの接線方向にある、ガスタービンエンジン。
［実施態様１８］
上記少なくとも１つのサイクロン分離器は、複数のサイクロン分離器を備える、実施態様１７に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様１９］
上記サイクロン分離器は、内部を定めるハウジングと、上記内部の中に配置されて上記ハウジングの中に環状容積を定める中心本体とを備え、上記環状容積は、上記環状サイクロン分離チャンバを形成する、実施態様１７に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様２０］
上記エンジン中心線の周りで円周方向に配置された複数のインデューサーを有するインデューサーをさらに備え、上記インデューサーは、入口及び出口を有しかつ流れ流線を定める転向通路を有し、上記清浄空気出口は、上記インデューサー入口に接続されかつ清浄空気出口流線を定め、上記清浄空気出口は、上記清浄空気出口流線が上記インデューサー流線に整列するように上記インデューサー入口に接続する、実施態様１７に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様２１］
上記インデューサー入口上流の上記アニュラスの中に配置された旋回要素をさらに備える、実施態様１７に記載のガスタービンエンジン。
［実施態様２２］
上記排出出口は、上記アニュラスの接線方向にある、実施態様１７に記載のガスタービンエンジン。

１０ ガスタービンエンジン
１２ 長手方向軸線（中心線）
１４ 前方
１６ 後方
１８ ファンセクション
２０ ファン
２２ 圧縮機セクション
２４ 低圧（ＬＰ）圧縮機
２６ 高圧（ＨＰ）圧縮機
２８ 燃焼セクション
３０ 燃焼器
３２ タービンセクション
３４ ＨＰタービン
３６ ＬＰタービン
３８ 排出セクション
４０ ファンケーシング
４２ ファンブレード
４４ コア
４６ コアケーシング
４８ ＨＰシャフト／ＨＰスプール
５０ ＬＰシャフト／ＬＰスプール
５２ 圧縮機段
５４ 圧縮機段
５６ 圧縮機ブレード
５８ 圧縮機ブレード
６０ 圧縮機ベーン（ノズル）
６２ 圧縮機ベーン（ノズル）
６４ タービン段
６６ タービン段
６８ タービンブレード
７０ タービンブレード
７２ タービンベーン
７４ タービンベーン
９８ 冷却回路
１００ セクション
１０２ サイクロン分離器
１０４ インデューサーセクション
１０６ ハウジング
１０８ 内部
１１０ 入口
１１２ 第１の出口
１１４ 第２の出口
１１６ 矢印
１１８ ベーン
１２０ 矢印
１４０ 入口導管
１４２ 接線方向噴出領域
１４４ リブ
１４６ 後壁
１４８ 中心本体
１５０ 環状容積
１５２ 縮小断面領域
１５４ 拡大断面領域
１５６ 環状出口導管
１５８ 半径方向外側容積
１６０ 半径方向内側容積
１６２ 排出出口
１６４ 清浄空気出口
１６６ スワーラ
１６８ 排出容積
１７０ 帯体
１７２ 取付け部
１７４ ファスナー
１７６ 移送軸
１７８ 矢印
１８０ 接線方向入口
１８２ 外面
１８４ 側壁
１８６ 矢印
１８８ 矢印
１９０ 矢印
２００ 矢印
２０２ 矢印
２０４ 矢印
２０６ 排出流
２０８ 清浄空気流
２１８ ディスク
２２０ インデューサー
２２２ 転向通路
２２４ インデューサー流
２２６ 出口
２２８ 開口
２２８ 側面
２３０ 入口

Claims (10)

1. 軸方向流れ配列で、圧縮機セクション（２２）、燃焼器セクション（２８）、及びタービンセクション（３２）を有するエンジンコア（４４）と、
   前記圧縮機セクション（２２）を前記タービンセクション（３２）に流体接続する冷却用空気回路（９８）と、
   サイクロン分離器（１０２）と、
   を備えるガスタービンエンジン（１０）であって、
   前記サイクロン分離器（１０２）は、
   内部（１０８）を定めるハウジング（１０６）と、
   前記内部（１０８）の中に配置される中心本体（１４８）であって、前記ハウジング（１０６）の中に前記中心本体（１４８）と前記ハウジング（１０６）との間の環状容積（１５０）を定め、環状サイクロン分離チャンバを形成するようになった、中心本体（１４８）と、
   前記環状容積（１５０）を前記冷却用空気回路（９８）に対して接線方向に接続する入口（１１０）と、
   前記環状容積（１５０）を前記入口（１１０）の下流の冷却用空気回路（９８）に接続する清浄空気出口（１６４）と、
   前記環状容積（１５０）に流体接続した排出出口（１６２）と、
   を備える、ガスタービンエンジン（１０）。
2. 前記タービンセクション（３２）の軸方向上流で、前記サイクロン分離器（１０２）の清浄空気出口（１６４）に接続された入口（１１０）と前記タービンセクション（３２）に流体接続された出口とを有する転向通路（２２２）を含む、少なくとも１つのインデューサー（２２０）を含むインデューサーセクション（１０４）をさらに備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
3. 前記転向通路（２２２）及び前記清浄空気出口（１６４）は、整列した中心線を有する、請求項２に記載のガスタービンエンジン（１０）。
4. 前記サイクロン分離器入口（１１０）は、前記冷却用空気を加速させるための縮小断面領域（１５２）の部分を有する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
5. 前記部分は連続的に縮小する断面領域（１５２）を有する、請求項４に記載のガスタービンエンジン（１０）。
6. 前記サイクロン分離器（１０２）は、前記環状容積（１５０）の中に配置された旋回要素（１６６）を備える、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
7. 前記排出出口（１６２）は、前記環状容積（１５０）の接線方向にある、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
8. 前記清浄空気出口（１６４）は、前記環状容積（１５０）の接線方向にある、請求項７に記載のガスタービンエンジン（１０）。
9. 前記コア（４４）はエンジン中心線（１２）を規定し、前記サイクロン分離器（１０２）はサイクロン中心線を規定し、前記エンジン中心線（１２）及び前記サイクロン中心線は平行である、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。
10. 前記冷却用空気回路（９８）を通過する冷却用空気は、前記サイクロン分離器（１０２）の入口（１１０）に入り、前記空気流に取り込まれた粒子は、遠心力によって前記環状容積（１５０）の外周に移動し、前記環状容積（１５０）の前記外周に隣接する排出空気流と、前記排出空気流の半径方向内側の清浄空気流とを形成し、前記排出空気流は、前記排出出口（１６２）から流出し、前記清浄空気流は、前記清浄空気出口（１６４）から流出する、請求項１に記載のガスタービンエンジン（１０）。