JP2017122434A

JP2017122434A - エンジン組み込み用の熱交換器

Info

Publication number: JP2017122434A
Application number: JP2016212425A
Authority: JP
Inventors: マシュー・ロバート・サーニー; Matthew Robertcerny Cerny; ジェフリー・レイモンド・メナード; Raymond Menard Jeffrey; トーマス・クピゼウスキ; Kupiszewski Thomas; ジョナサン・ペグラム; Pegram Johnathen
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-01-08
Filing date: 2016-10-31
Publication date: 2017-07-13
Also published as: EP3190271A1; US10126062B2; CA2947473A1; US20170198974A1; CN106959034B; CN106959034A

Abstract

【課題】エンジン組み込み用の熱交換器を提供する。
【解決手段】ガスタービンエンジン用の環状の熱交換器（１２）が提供される。環状の熱交換器（１２）は、複数のダクト横断部分（２０）によって定められた第１の本管（２００）を備える第１の環状リング（１４）と、複数のダクト横断部分（２０）によって定められた第２の本管（２００）を備える第２の環状リング（１６）と、第１の本管（２００）のダクト横断部分（２０）及び第２の本管（２００）のダクト横断部分（２０）に流体連通した１以上のチャネル（１１０）を内部に定めている曲線プレート（１００）とを備えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、広くには、ガスタービンエンジンに関し、より詳しくは、高圧高温の抽気を冷却するためのガスタービンエンジンのファンダクトにおける熱交換設備に関する。

多数の市販の航空機用ガスタービンエンジンは、機上の種々のシステムによる使用のために、コアエンジン圧縮機からの高圧高温の抽気を利用する。特に、高圧の空気が、防氷及び客室の冷却などの機上のさまざまな目的によって必要とされる。しかしながら、空気の使用に先立って、空気の温度を、各々の具体的な目的の要件に従った妥当なレベルへと下げなければならない。

高圧の圧縮機の抽気を冷却する１つの現在の方法は、エンジンケースに埋め込まれたエンジンファンダクトから空気を取り出し、或いは抽出することである。次いで、ファンダクトからのより低温の抽気と、コアエンジン圧縮機からの高圧かつより高温の抽気とが、熱交換器に通され、熱交換器において、より高温かつ高圧の空気が、自身の熱エネルギの一部を、より低温のファンダクト抽気へと引き渡す。

熱交換プロセスの使用は必須であるが、熱伝達を達成するための現在のシステムは、極度に複雑である。或るシステムにおいては、高圧の抽気を航空機へと通し、より低温のファンダクト抽気を熱交換器の場所まで導くために、配管の手の込んだ配置が使用される。より低温のファンダクト抽気は、熱交換器に到達して冷却の仕事を実行するときまでに、配管の種々の屈曲及び湾曲に起因する摩擦損失ゆえに、自身の圧力（推力として利用できる）の大部分を失ってしまう。熱交換器から出た後で、ファンダクト抽気は、航空機の構造体から外部へと排出されるが、推力の恩恵を無視できるほどしかもたらさない。エンジンの燃料消費率において、ファンダクト抽気による推力が失われる影響は著しい。さらに、過度に複雑な抽気の配管は、航空機の重量を著しく増やす。

したがって、熱伝達の働きを実行するための設備において、先行技術において直面されるファンダクト抽気の損失を回避する改善について、ニーズが依然として存在する。

国際公開第２０１５／１６０４０３号

本発明の態様及び利点は、一部は以下の説明において述べられ、或いは明細書から自明であってよく、もしくは本発明の実施を通じて習得可能であってよい。

曲線プレート（ｃｕｒｖｉｌｉｎｅａｒｐｌａｔｅ）が、一般的に提供される。一実施形態では、曲線プレートは、複数の第１の溝を定める内側プレートと、複数の第２の溝を定める外側プレートとを備える。外側プレートは、複数の第１の溝及び複数の第２の溝を両者の間に複数のチャネルが定められるように実質的に整列させつつ、内側プレートへと取り付けられる。各々のチャネルは、曲線プレートの第１の端部の第１の部分に位置する第１の開口から第１の端部の第２の部分に位置する第２の開口まで延在する。

曲線プレートを形成するための方法も、一般的に提供される。一実施形態では、本方法は、金属の第１の薄板をプレスして複数の第１の溝を定める第１のプレートを形成すること、金属の第２の薄板をプレスして複数の第２の溝を定める第２のプレートを形成すること、及びその後に複数の第１の溝及び複数の第２の溝が実質的に整列して間に複数のチャネルを定めるように、第１の薄板を第２の薄板へと積層して曲線プレートを形成することを含む。各々のチャネルは、曲線プレートの第１の端部の第１の部分に位置する第１の開口から、各々のチャネルに定められた湾曲部を通り、第１の端部の第２の部分に位置する第２の開口まで延在する。

さらに、ダクト横断部分（ｔｒａｎｓｄｕｃｔｓｅｇｍｅｎｔ）が、一般的に提供される。一実施形態では、ダクト横断部分は、第１の端部から第２の端部まで延在して中空の通路を定める本管と、本管内に定められた開口の第１の側において本管の外面に取り付けられた下側プラットフォームと、開口の第１の側とは反対側の第２の側において本管の外面に取り付けられた上側プラットフォームとを含む。上側プラットフォームは、間に供給チャネルを定めるように下側プラットフォームと一体であり、供給チャネルは、本管によって定められた開口を通じて本管の中空の通路に流体連通している。下側プラットフォーム及び上側プラットフォームは、本管によって定められた中空の通路に流体連通した複数のチャネルを定めるインターフェイスを定めている。

一実施形態では、ガスタービンエンジン用の環状の熱交換器が、一般的に提供される。環状の熱交換器は、複数のダクト横断部分によって定められる第１の本管を備える第１の環状リングと、複数のダクト横断部分（上述のものなど）によって定められる第２の本管を備える第２の環状リングと、第１の本管のダクト横断部分及び第２の本管のダクト横断部分に流体連通した１以上のチャネルを内部に定める曲線プレートとを備えることができる。

ガスタービンエンジンの環状のダクトにおいて高温流体を冷却する方法も、一般的に提供される。一実施形態では、本方法は、熱伝達領域を定めるために環状のダクト内で半径方向に積層された複数の冷却チャネルを通って高温流体を導くこと、及び冷却用流体を半径方向に積層された複数の冷却チャネルの間を通過するように環状のダクトに通すことを含む。これに加え、或いはこれに代えて、本方法は、熱伝達領域を定めるために環状のダクト内で半径方向に積層された複数の冷却チャネルを通って高温流体を導くこと、及び冷却用流体を半径方向に積層された複数の冷却チャネルの間を通過するように環状のダクトに通すことを含むことができる。これに加え、或いはこれに代えて、本方法は、高温流体を第１の内側ラジアル管（ｒａｄｉａｌｔｕｂｅ）へと通し、環状のダクトにおいて半径方向に積層された複数の曲線プレート内に定められた複数の冷却チャネルに通し、さらに第２の内側ラジアル管へと通すこと、及び冷却用流体を環状のダクトに通すことを含むことができる。

本発明のこれらの特徴、態様、及び利点、並びに他の特徴、態様、及び利点が、以下の説明及び添付の特許請求の範囲を参照して、よりよく理解されるであろう。本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付の図面は、本発明の実施形態を示しており、明細書と協働して本発明の原理を説明する役に立つ。

当業者へと向けられた本発明の最良の態様を含む本発明の充分かつ本発明を実施可能にする開示が、添付の図面を参照して、明細書において説明される。

ガスタービンエンジン用の一実施形態による典型的な環状の熱交換器を示している。図１の典型的な環状の熱交換器の半径方向の断面図を示している。図１の典型的な環状の熱交換器の周方向の断面図を示している。内側から見た図２の典型的な環状の熱交換器の半径方向の断面図を示している。曲線プレートの端部に取り付けられたダクト横断部分のインターフェイスの拡大図を示している。本管によって互いに流体連通した典型的なダクト横断部分の周方向の断面図を示している。本管及びインターフェイスを定めている典型的なダクト横断部分を示している。図７の典型的なダクト横断部分の周方向の断面図を示している。図７のとおりの複数のダクト横断部分を示しており、隣り合うダクト横断部分が本管によって流体連通している。典型的な曲線プレートを示しており、曲線プレートが、曲線プレートの第１の端部の第１の部分に位置する第１の開口から、各々のチャネルに定められた湾曲部を通り、第１の端部の第２の部分に位置する第２の開口まで延在する複数のチャネルを定めている。図１０の典型的な曲線プレートの別の図を示している。図１０及び１１の典型的な曲線プレートの第１の端部の一部分の拡大図を示している。一実施形態による典型的な環状の熱交換器を備えることができるガスタービンエンジンの一実施形態の断面図を示している。

本明細書及び図面における参照符号の繰り返しの使用は、本発明の同じ又は類似の特徴又は構成要素を表すように意図されている。

次に、本発明の実施形態を詳しく参照するが、それら実施形態の１つ以上の実施例が図面に示されている。各々の例は、本発明の説明の目的で提示されており、本発明を限定するものではない。実際、本発明において、本発明の技術的範囲及び技術的思想から離れることなく、種々の変更及び変形が可能であることは、当業者にとって明らかであろう。例えば、或る実施形態の一部として例示又は説明される特徴を、別の実施形態では使用して、またさらなる実施形態をもたらすことが可能である。このように、本発明は、添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の技術的範囲に含まれるような変更及び変形を包含するように意図される。

本明細書において使用されるとき、用語「第１」、「第２」、及び「第３」は、或る構成要素を別の構成要素から区別するために入れ換え可能に使用することができ、個々の構成要素の場所又は重要性を意味するものではない。

用語「上流」及び「下流」は、流路における流体の流れに対する相対的な方向を指す。例えば、「上流」は、流体が流れてくる方向を指し、「下流」は、流体が流れていく方向を指す。

本明細書において使用されるとき、「流体」は、気体又は液体であってよい。本手法は、使用される流体の種類に限定されない。好ましい用途において、冷却用流体は、ファン空気であり、被冷却流体は、抽気である。しかしながら、本手法は、他の種類の液体及び気体の流体にも使用可能であり、被冷却流体及び冷却用流体は、同じ流体又は異なる流体である。被冷却流体及び冷却用流体の他の例として、空気、油圧流体、燃焼ガス、冷媒、冷媒混合物、航空電子機器又は他の航空機の電子システムを冷却するための絶縁性流体、水、水系の化合物、凍結防止の添加物（例えば、アルコール又はグリコール化合物）が混ぜられた水、並びに高温又は低温において持続的に熱を運ぶことができる任意の他の有機又は無機の熱伝達流体又は流体混合物が挙げられる。

付加製造によって実際の実現が容易化される性能を向上させる形状を備える熱交換器が、一般的に提供される。本明細書に記載の熱交換器システムは、複数の種類の流体が関与するさまざまな熱交換器の用途に広く適用可能であるが、本明細書においては、ガスタービンエンジンにおけるファン空気（例えば、低温流）による抽気（例えば、高温流）のきわめて効果的な冷却に関して説明される。今回の説明は、高バイパスのタービンエンジンに使用される熱交換器に関するが、この説明が高バイパスのタービンエンジンにおける使用に限られないことを、当業者であれば理解できると考えられることに、注意すべきである。むしろ、提示される熱交換器は、熱交換を必要とする任意のエンジン及び／又は装置に使用可能である。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一方に結合したタービンエンジン用熱交換器が、一般的に提供される。典型的な実施形態では、熱交換器は、環状に形作られた本体を備える。

図１〜４を参照すると、環状のジェットエンジン空気ダクト１０が、ターボファン、ターボプロップ、及びターボジェットエンジンなどのガスタービンエンジンに関して示されている。環状のジェットエンジン空気ダクト１０は、第１の環状リング１４と、第２の環状リング１６と、第１の環状リング１４を第２の環状リング１６に流体連通させる複数の曲線プレート１００とで形成された環状の熱交換器１２を備える。第１の環状リング１４は、複数のダクト横断部分２０によって定められた第１の本管１５を有しており、ダクト横断部分２０は、隣り合うダクト横断部分２０の少なくとも一部分が第１の本管１５に沿って流体連通するように、互いに直列に接続されている。同様に、第２の環状リング１６は、複数のダクト横断部分２０によって定められた第２の本管１７を有している。曲線プレート１００が、第１の本管１５のダクト横断部分２０及び第２の本管１７のダクト横断部分２０に流体連通した１以上のチャネル１１０を定めている。高温の流体（例えば、抽気）が、曲線プレート１００の上方を通過する冷却用流体との熱伝達のために、曲線プレート１００の１以上のチャネル１０２を通過することができる。図示のとおり、曲線プレート１００は、半径方向内側へと向けられた湾曲した表面を定めている。しかしながら、代案の実施形態では、曲線プレート１００は、半径方向外側へと向けられた湾曲を定めることができる。

複数の曲線プレート１００は、隣り合う曲線プレート１００の間に冷却用流体（例えば、ファン空気）を軸方向に流すことができる間隙が定められるように、半径方向に重ねられている。一実施形態では、複数の曲線プレート１００は、一般に、冷却用流体の流れが（曲線プレート１００を通じた熱伝達のために）曲線プレート１００への衝突を強いられ、意味のある代替の経路を決して見つけることがないように、環状のダクトを周状に巡って一様なやり方で配置される。このようにして、高温流体の大部分が、環状のダクトのこの熱伝達領域を通って（すなわち、半径方向に重ねられたプレートが位置している内側の帯と外側の帯との間の間隙を）流れる。例えば、少なくとも９５％（例えば、少なくとも９９％）など、冷却用流体の少なくとも９０％が、環状のダクトの熱伝達領域を通って流れる。したがって、冷却用流体の流れの捕捉率が最大化され、熱伝達率の効率が高められる。

図示のとおり、第１の環状リング１４は、一般に、第２の環状リング１６に隣接し、第２の環状リング１６に平行である。しかしながら、他の実施形態では、第１の環状リング１４及び第２の環状リング１６は、互いに異なる形状とされてよく、さらには／或いは非平行なやり方で配置されてよい。

図示の実施形態では、第１の環状リング１４の第１の本管１５及び第２の環状リング１６の第２の本管１７の各々が、それぞれ複数の独立部分２２、２３へと分割されている。独立部分２２、２３の各々は、第１の本管１５及び第２の本管１７のそれぞれを通る個々の空洞を形成している複数のダクト横断部分２０から形成されている。独立部分２２、２３は、複数の独立部分２２、２３の端部のダクト横断部分２０内の境界壁２４において隔てられている。各々のダクト横断部分２０は、特定の実施形態では、環状リング１４、１６の周長のうちの約５°〜約２０°に及ぶ。しかしながら、ダクト横断部分２０を、任意の所望の長さ及び／又は形状に形成することができる。

供給管２６が、流体を供給するために、第１の本管１５及び第２の本管１７のそれぞれの各部分２２、２３に示されている。例えば、流体は、冷却のための圧縮された空気（例えば、エンジンからの抽気）であってよい。図示の実施形態では、供給流体３０（例えば、高温空気）が、入り口供給管２８を通って第２の環状リング１６へと導入され、第２の本管１７から（後述される）曲線プレート１００のチャネル１１０を通って第１の本管１５へと渡され、冷却された流体３４として出口管３２を通って出る。具体的には、冷却用流体３６（例えば、ファン空気）が、環状リング１４、１６と半径方向外側の壁４０との間の空気ダクト１００を通過する。いずれの流体の流れの方向も、所望に応じて変更可能であることを、理解すべきである。

さらに詳しく後述されるように、曲線プレート１００は、曲線プレート１００内のより高温かつより高圧の流体と、ダクトを通過するより低温かつより低圧の流体との間の熱伝達を可能にする。この熱伝達は、熱伝達に利用することができる表面積を増加させた曲線プレート１００の形状によって強化される。

図６〜９にさらに詳しく示されるとおり、各々のダクト横断部分２０は、一般に、第１の端部２０２から第２の端部２０４まで延在して中空の通路２０６を定めている本管２００を備える。隣り合うダクト横断部分２０は、本管２００のそれぞれの端部における取り付けによって、本管２００に沿って互いに流体連通する。すなわち、或る１つのダクト横断部分２０の第１の端部２０２が、隣のダクト横断部分２０の第２の端部２０４へと取り付けられる。図８により詳しく示されるとおり、雄のインサート２４０が第２の端部２０４によって定められ、雌の凹所が第１の端部２０２内に定められ、隣り合うダクト横断部分２０の間の雄−雌の接続を可能にする。しかしながら、任意の他の適切な接続機構（例えば、ろう付け、溶接、Ｏリング、ボルト、など）を利用することができる。

さらに、本管２００は、供給チャネル２１０に流体連通する１以上の開口２０８を定めており、ここで供給チャネル２１０は、開口２０８の第１の側２１６において本管２００の外面２１４へと取り付けられた下側プラットフォーム２１２と、開口２０８の第１の側２１６とは反対側の第２の側２２０において本管２００の外面２１４へと取り付けられた上側プラットフォーム２１８との間に定められている。したがって、供給チャネル２１０は、本管２００によって定められた開口２０８を通じて本管２００の中空の通路２０６に流体連通している。複数の開口２０８が、環状の方向に細長い形状にて本管２００に定められて図示されている。すなわち、開口２０８は、環状の方向に対して垂直な方向（すなわち、軸方向）の最大幅よりも大きい環状の方向の（すなわち、本管の第１の端部から本管の第２の端部まで延在する）最大長さを有することができる。

図示の実施形態では、本管２００は、第１の端部２０２及び第２の端部２０４の両方において楕円形の断面を定めている。例えば、楕円形の断面は、最大高さの約１．５倍〜約２０倍の最大幅を有することができる。そのような楕円形は、ダクト１００を通過する冷却用流体（例えば、ファン空気）に対して最小限の抵抗を可能にする。しかしながら、本管は、所望に応じて他の断面形状を有することができる。

一実施形態では、上側プラットフォーム２１８は下側プラットフォーム２１２と一体であり、両者の間に供給チャネル２１０を定めている。さらに、上側プラットフォーム２１８及び下側プラットフォーム２１２は、単一の分割できない部品を形成するように本管２００と一体であってよい。例えば、ダクト横断部分２０は、付加製造プロセスによって全体が一体的に形成されてよく、これらに限られるわけではないが、チタニウム、チタニウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、及びニッケル−クロム系の超合金（例えば、ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）という名称で入手できる）などのオーステナイト合金、などの付加材料から形成されてよい。

下側プラットフォーム２１２及び上側プラットフォーム２１８は、末端２２１（本管２００に位置する開口２０８の反対側）に、本管２００によって定められた中空の通路２０６に流体連通した複数のチャネル２２４を定めるインターフェイス２２２を定めている。一実施形態では、分岐角度θが、本管２００の外面２１４の第２の端部２０４から延在する最も上方の接線２２６と、下側プラットフォーム２１２の内面２１３から延在する接線２２８との間に定められ、ここで分岐角度は、約１０°〜約３０°である。

図示の実施形態では、下側プラットフォーム２１２の内面２３０は、インターフェイス２２２において複数の下側溝２３２を定めており、上側プラットフォーム２１８の内面２３４が、インターフェイス２２２において複数の上側溝２３６を定めている。複数の下側溝２３２は、複数のチャネル２２４を定めるように複数の上側溝２３６におおむね整列している。さらに、スロット２３８が、インターフェイス２２２において下側プラットフォーム２１２の内面２３０と上側プラットフォーム２１８の内面２３４との間に定められている。図示のとおり、スロット２３８は、図５にさらに詳しく示されるように、曲線プレート１００の第１の端部１２４を受け入れるように上側プラットフォーム２１８と下側プラットフォーム２１２との間に定められた複数のチャネル２２４を通って延在している。一実施形態では、曲線プレート１００の第１の端部１２４は、ろう付け、溶接、又は任意の他の適切な取り付け機構によってスロットにおいてインターフェイスへと配置されて取り付けられる。図示の実施形態では、ダクト横断部分２０のインターフェイス２２２に定められた各々のチャネル２３４は、さらに詳しく後述されるように、曲線プレート１００のそれぞれのチャネル１１０に流体連通する。

図８を参照すると、内部梁２４２が図示のように存在でき、複数の通路２４４を定めるように上側プラットフォーム２１８と下側プラットフォーム２１２との間に位置して供給チャネル２１０からインターフェイス２２２へと延在することができ、ここで複数の通路２４４は、各々の通路２４４がチャネル１１０のうちの１つに流体連通するように、インターフェイス２２２において曲線プレート１００のそれぞれのチャネル１１０に対応する。さらに、梁２４２は、上側プラットフォーム２１８と下側プラットフォーム２１２との間の構造的な支持をもたらすことができる。一実施形態では、本管２００は、それぞれの通路２４４に流体連通し、したがって曲線プレート１００のそれぞれのチャネル１１０に流体連通する複数の開口２０８を定める。

図２及び４を参照すると、ダクト横断部分２０は、本管２００の第１の側２５１から延在し、エンジンのフレーム（図示せず）へと取り付けられるように構成された第１のウイング２５２をさらに備えることができる。また、ダクト横断部分は、本管２００の第１の側２５１の反対側の第２の側２５３から延在する第２のウイング２５４をさらに備え、第２のウイング２５４は、隣接するダクト横断部分２０のウイング２５４へと取り付けられるように構成される。このようにして、第１のウイング２５２及び第２のウイング２５４は、楕円形の断面の最大幅の軸方向に延在し、隣り合うリング１４、１６を一体に接続して環状の熱交換器１２を形成することを可能にする。隣接するダクト横断部分２０の第２のウイング２５４は、互いに一体であってよく、或いは取り付け機構（例えば、ねじ、ボルト、溶接、ろう付け、など）によって互いに接続されてよい。

図１０〜１２が、複数の第１の溝１０４を定める内側プレート１０２と、複数の第２の溝１０８を定める外側プレート１０６とを含む典型的な曲線プレート１００を示している。一般に、内側プレート１０２は、複数の第１の溝１０４及び複数の第２の溝１０８を両者の間に複数のチャネル１１０が定められるように実質的に整列させつつ、外側プレート１０６へと取り付けられる。図１１の実施形態は、各々のチャネル１１０が内部に第１の通路１１４及び第２の通路１１６を定めるように、内側プレート１０２と外側プレート１０６との間に位置する随意による一体壁１１２を備えている。

一実施形態では、内側プレート１０２及び外側プレート１０６は、随意による一体壁１１２とともに、ろう付け又は他の溶接部を存在させることなく、拡散接合によって互いに接合される。しかしながら、これらに限られるわけではないが接着剤による結合、溶接、ろう付け、など、任意の適切な取り付けを、内側プレート１０２及び外側プレート１０６の接合に利用することができる。

図示の実施形態では、各々のチャネル１１２は、曲線プレート１００の第１の端部１２４の第１の部分１２２に位置する第１の開口１２０から、各々のチャネル１１２に定められた湾曲部１２６を通り、第１の端部１２４の第２の部分１３０に位置する第２の開口１２８まで延在している。したがって、各々のチャネル１１２を通過する流体は、第１の部分１２２の第１の開口１２０から、湾曲部１２６を巡り、第２の部分１３０の第２の開口１２８から出るように（或いは、反対に、第２の開口１２８から第１の開口１２０へと逆方向に）曲線プレートを通って導かれる。このように、各々のチャネル１１２は、第１の開口１２０から第２の開口１２８まで延在する１以上の湾曲部１２６を有する非直線の経路を定めている。

図１２が、実質的に楕円形のチャネル１１０を定めるように実質的に半楕円形の形状を有している第１の溝１０４及び第２の溝１０８の各々を示している。この形状は、チャネル１１０における熱伝達のための表面積を増やすことができるだけでなく、第１の溝１０４及び第２の溝１０８を薄板（例えば、金属薄板）のプレス加工から形成することも可能にする。図示の実施形態では、第１の溝１０４の各々は、最大弦長（ｃｈｏｒｄｌｅｎｇｔｈ）の約１．５〜約２０倍の最大断面弧長（ａｒｃｌｅｎｇｔｈ）を有する。同様に、第２の溝１０８の各々は、最大弦長の約１．５〜約２０倍の最大断面弧長を有する。しかしながら、他の形状も、所望に応じて利用可能である。

一実施形態では、第１の溝１０４及び／又は第２の溝１０８は、チャネル１１０内の流体の流れを攪拌するとともに、熱伝達のための表面積を増加させるための複数のくぼみ又は他の表面造作を定めることができる。

曲線プレート１００は、一般に、第１の端部１２４から第２の端部１３２までの湾曲した（すなわち、非平面の）経路を定める。図示の実施形態では、湾曲は、円の弧長を定めるようにおおむね一定である。しかしながら、他の実施形態では、曲線プレート１００は、外側プレート１２６を横切って変化し、曲線、屈曲、ジョイント、平坦部分、などを含んでよい一様（すなわち、一定）でない湾曲を有することができる。特定の断面形状にかかわらず、外側プレート１２６は、第１の端部１２４から第２の端部１３２までの最短距離として測定される弦長を定め、外側プレート１２６は、第１の端部１２４から第２の端部１３２まで外側プレート１２６の外面１２７を横断して測定される弧長を定める。（弦長及び弧長について）同じ始点及び終点を使用して、弧長は、弦長の約１０５％〜約１５０％である。すなわち、弧長は、弦長の約１．０５倍〜約１．５倍である。このように、曲線プレート１００の湾曲は、平坦なプレートにおいて存在したと考えられるよりも広い熱伝達のための表面積を可能にする。

図１０及び１１に示される実施形態では、スロット１３４が、第１の端部１２４において曲線プレート１００に第１の部分１２２と第２の部分１３０との間に定められている。一般に、スロット１３４は、ダクト横断部分２０のそれぞれのインターフェイス２２２へと取り付けられた第１の部分１２２及び第２の部分１３０の間の曲線プレート１００の撓みを可能にする。実質的にＵ字形を有するものとして図示されているが、スロット１３４は、任意の所望の形状を有することができる。同様に、各々のチャネル１１０は、第１の端部１２４の第１の部分１２２に位置する第１の開口１２０から、曲線プレート１００に定められたスロット１３４を巡り、第１の端部１２４の第２の部分１３０に位置する第２の開口１２８まで、実質的にＵ字形に延在するものとして図示されている。しかしながら、チャネル１１０は、曲線プレート１００において任意の所望の経路をとることができる。

内側プレート１０２及び外側プレート１０６を、所望の熱伝達特性を有する任意の適切な材料から形成することができる。例えば、内側プレート１０２及び外側プレート１０６を、チタニウム、チタニウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、及びニッケル−クロム系の超合金（例えば、ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）という名称で入手できる）などのオーステナイト合金から構成することができる。

同様に、存在するのであれば、一体壁１１２も、任意の適切な材料で製造することができる。一実施形態では、一体壁１１２は、チャネル１１０内の第１の通路１１４と第２の通路１１６との間の熱伝達を促進するために、比較的高い熱伝導性の材料から製造される。例えば、一体壁を、めっきした銅、チタニウム、チタニウム合金、アルミニウム、アルミニウム合金、及びニッケル−クロム系の超合金（例えば、ＳｐｅｃｉａｌＭｅｔａｌｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＩｎｃｏｎｅｌ（登録商標）という名称で入手できる）などのオーステナイト合金で製造することができる。多くの実施形態では、内側プレート１０２及び外側プレート１０６は、各々のそれぞれの表面を横切って実質的に等しい厚さを有するが、それぞれの溝１０４、１０８は、平坦な部分よりもわずかに薄くてよい。多くの実施形態では、内側プレート１０２及び外側プレート１０６は、単独で約４００μｍ〜約８００μｍの厚さを有する。存在する場合、一体壁１１２は、約４００μｍ〜約８００μｍの厚さを有することができる。

一体壁１１２は、特定の実施形態では、チャネル１１０における第１の通路１１４と第２の通路１１６との間の流体の流れを可能にするために、複数の穴（例えば、スロット又は他の開口）を定めることができる。これに代え、或いはこれに加えて、一体壁１１２は、チャネル１１０内の第１の通路１１４及び第２の通路１１６における流体の流れを攪拌するとともに、両者の間の熱伝達のための表面積を増加させるための複数のくぼみ又は他の表面造作を定めることができる。

図１０及び１１に示されるとおり、内側プレート１０２及び外側プレート１０６の少なくとも一方（或いは、両方）は、第１の端部１２４の反対側の第２の端部１３２から延在する１以上のタブ１４０を備える。図３を参照すると、タブ１４０は、環状の熱交換器１２のケーシング４４内に定められたスロット４２へと延在する。ケーシング４４は、一般に、構造支持体４６及び半径方向外側の壁４０を備える。したがって、各々の曲線プレート１００は、環状のダクトに対する各々の曲線プレート１００の熱膨張が少なくとも一方向において拘束されないように構造的に支持される。すなわち、各々の曲線プレート１００を、それぞれのダクト横断部分２０から遠ざかるように延在している曲線プレート１００の長さに沿った熱膨張を許すと同時に、両者の間のスロットによって軸方向の撓みも許すように、第１の端部１２４の第１及び第２の部分１２２、１３０においてのみ取り付けることができる。タブ１４０は、おおむねその場にとどまりながらわずかな移動及び／又は膨張を許し、そのような移動及び／又は膨張を制限することがない。

図示の実施形態では、構造支持体４６は、第１の環状リング４７と、第１の環状リング４７に平行な第２の環状リング４９と、第１の環状リング４７を第２の環状リング４９へと接続する複数の横棒５１とを備える。横棒５１は、１以上のタブ１４０を受け入れるための空洞５３を定めることができる。

図示の実施形態では、タブ１４０のうちの少なくとも１つは、第２の端部１３２を取り付け片（例えば、ボルト、ねじ、ピン、又は他の取り付け部材）によって構造支持体４６へと固定するために、取り付け片（図示せず）を受け入れるための開口１４２を定める。いくつかの実施形態では、タブ１４０のうちの少なくとも１つを、ケーシング４４の構造支持体４６に定められた該当のスロット４２にスライド可能に位置させることができる。例えば、取り付け片は、タブ１４０をスロット４２内に或る程度の移動を許容しつつ固定することができる（例えば、細長い開口が、開口のより長い方向の移動を有すことができる。例えば、スライド可能に配置されるタブ１４０と固定されるタブ１４０との組合せを、曲線プレート１００の第２の端部１３２を実質的に動かぬように保ちつつ曲線プレート１００の第２の端部１３２の撓み及び／又はわずかな移動を許すために、利用することができる。

このようにして、曲線プレート１００がケーシングに対して移動して、熱膨張、撓み、振動運動、又は使用時の他のわずかな運動を許すことができる。図１０が、各々のタブ１４０が取り付け片を受け入れるための開口１４２を定めている実施形態を示している一方で、図１１は、中央のタブ１４０だけが開口１４２を定めており、外側のタブ１４２は固定用の取り付け片を有することなくスロットに配置されるように構成されている実施形態を示していることに、注意すべきである。

上述のように、曲線プレート１００は、プレス加工によって形成することができる。一実施形態では、曲線プレート１００を、金属の第１の薄板をプレスして複数の第１の溝を定める第１のプレートを形成し、金属の第２の薄板をプレスして複数の第２の溝を定める第２のプレートを形成し、その後に複数の第１の溝及び複数の第２の溝が実質的に整列して間に複数のチャネルを定めるように、第１の薄板を第２の薄板へと積層して曲線プレートを形成することによって、形成することができる。一実施形態では、積層に先立って、一体壁を、各々のチャネルが内部に第１の通路及び第２の通路を定めるように、第１の薄板と第２の薄板との間に配置することができる。

一実施形態では、環状のダクトは、ガスタービンエンジンの高温流体を冷却する方法において使用される。熱伝達領域を定めるために環状のダクト内で半径方向に積層された複数の冷却チャネルを通って高温流体が導かれ、冷却用流体が、半径方向に積層された複数の冷却チャネルの間を通過するように環状のダクトに通される。例えば、冷却用流体は、おおむねガスタービンエンジンの軸方向に環状のダクトを通って流れる。

例えば、図１３が、１つ以上の環状のジェットエンジン空気ダクト１０を備えるガスタービンエンジン３１０の一実施形態の断面図を示している。環状の熱交換器の一は、所望に応じてさまざまであってよいが、特定の実施形態では、コアエンジン３１４の内部である。例えば、環状の熱交換器は、冷却用流体としてファン空気３５４を（直接、又は環状のダクトへと導いて）利用することができ、高温流体は、ガスタービンエンジンのコアからの抽気であってよい。ガスタービンエンジンを、本発明の主題のいくつかの態様に従って航空機において利用することができ、エンジン３１０が、参照の目的でエンジン３１０を貫いて延在している長手方向又は軸方向の中心軸線３１２を有して図示されている。

一般に、エンジン３１０は、コアガスタービンエンジン（全体が参照番号３１４によって示されている）と、その上流に位置するファン部分３１６とを備えることができる。コアエンジン３１４は、一般に、環状の取り入れ口３２０を定める実質的に筒状の外ケーシング３１８を備えることができる。加えて、外ケーシング３１８は、コアエンジン３１４に進入する空気の圧力を第１の圧力レベルへと高めるためのブースタ圧縮機３２２をさらに囲み、支持することができる。次いで、高圧多段軸流圧縮機３２４が、ブースタ圧縮機３２２から加圧された空気を受け取り、そのような空気の圧力をさらに高めることができる。次いで、高圧圧縮機３２４から出る加圧された空気は、燃焼器３２６へと流れることができ、燃焼器３２６において、燃料が加圧された空気の流れへと注入され、得られる混合物が燃焼器３２６において燃やされる。高エネルギの燃焼生成物が、燃焼器３２６からエンジン３１０の高温ガス経路に沿って第１の（高圧）駆動シャフト３３０を介して高圧圧縮機３２４を駆動する第１の（高圧）タービン３２８へと導かれ、次いで第１の駆動シャフト３３０におおむね同軸な第２の（低圧）駆動シャフト３３４を介してブースタ圧縮機３２２及びファン部分３１６を駆動する第２の（低圧）タービン３３２へと導かれる。各々のタービン３２８及び３３２を駆動した後で、燃焼生成物を、推進用のジェット推力をもたらすべく排気ノズル３３６を介してコアエンジン３１４から吐き出すことができる。

各々の圧縮機３２２、３２４が、複数の圧縮機段を備えることができ、各々の段が、固定の圧縮機ベーンの環状のアレイ及び圧縮機ベーンのすぐ下流に配置された回転する圧縮機ブレードの環状のアレイの両方を備えることを、理解すべきである。同様に、各々のタービン３２８、３３２が、複数のタービン段を備えることができ、各々の段が、固定のノズルベーンの環状のアレイ及びノズルベーンのすぐ下流に配置された回転するタービンブレードの環状のアレイの両方を備える。

さらに、図１３に示されるとおり、エンジン３１０のファン部分３１６は、一般に、環状のファンケーシング３４０によって囲まれるように構成された回転可能な軸流ファンロータアセンブリ３３８を備えることができる。ファンケーシング３４０を、複数の実質的に放射状に延在している周方向に間隔を空けて配置された出口案内羽根３４２によってコアエンジン３１４に対して支持されるように構成できることを、当業者であれば理解すべきである。したがって、ファンケーシング３４０は、ファンロータアセンブリ３３８及びその対応するファンロータブレード３４４を囲むことができる。さらに、ファンケーシング３４０の下流部分３４６が、さらなる推進用のジェット推力をもたらす第２の（或いは、バイパス）気流路３４８を定めるように、コアエンジン３１４の外側部分を覆って延在することができる。

いくつかの実施形態では、第２の（低圧）駆動シャフト３３４をファンロータアセンブリ３３８へと直接結合させ、直接駆動の構成をもたらすことができることを、理解すべきである。或いは、第２の駆動シャフト３３４を、減速装置３３７（例えば、減速歯車又はギアボックス）を介してファンロータアセンブリ３３８へと結合させ、間接駆動又は歯車駆動の構成をもたらすことができる。そのような減速装置を、所望又は必要に応じて、エンジン３１０内の任意の他の適切なシャフト及び／又はスプールの間にも設けることができる。

エンジン３１０の動作の際に、初期の気流（矢印３５０によって示されている）がファンケーシング３４０の関連の取り入れ口３５２を通ってエンジン３１０に進入できることを、理解すべきである。次いで、気流３５０は、ファンブレード３４４を通過し、通路３４８を通って移動する第１の圧縮された気流（矢印３５４によって示されている）及びブースタ圧縮機３２２に進入する第２の圧縮された気流（矢印３５６によって示されている）へと分かれる。次いで、第２の圧縮された気流３５６の圧力が高められ、（矢印３５８によって示されるように）高圧圧縮機３２４に進入する。燃料と混ぜ合わせられて燃焼器３２６において燃やされた後に、燃焼生成物３６０が燃焼器３２６から出、第１のタービン３２８を通って流れる。その後に、燃焼生成物３６０は、第２のタービン３３２を通って流れ、排気ノズル３３６から出てエンジン３１０に推力をもたらす。

上述のように、高温流体（例えば、抽気）を、本明細書に記載した装置及び方法によって、ガスタービンエンジンの環状のダクトにおいて冷却することができる。一実施形態では、高温流体を、熱伝達領域を定めるために環状のダクト内で半径方向に積層された（例えば、上述のとおりに複数の積層された曲線プレートの内部に定められた）複数の冷却チャネルを通って導くことができ、冷却用流体を、半径方向に積層された複数の冷却チャネルの間を通過するように環状のダクトに通すことができる。

本明細書においては、本発明を最良の態様を含めて開示するとともに、あらゆる装置又はシステムの製造及び使用並びにあらゆる関連の方法の実行を含む本発明の実施を当業者にとって可能にするために、いくつかの実施例を使用している。本発明の特許可能な技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められ、当業者にとって想到される他の実施例も含むことができる。そのような他の実施例は、それらが特許請求の範囲の文言から相違しない構造要素を有しており、或いは特許請求の範囲の文言から実質的には相違しない同等の構造要素を含む場合、特許請求の範囲の技術的範囲に包含される。

１０ジェットエンジン空気ダクト
１２環状の熱交換器
１４第１の環状リング
１５第１の本管
１６第２の環状リング
１７第２の本管
２０ダクト横断部分
２２独立部分
２３独立部分
２４境界壁
２６供給管
２８入り口供給管
３０供給流体
３２出口管
３４冷却された流体
３６冷却用流体
４０半径方向外側の壁
４２スロット
４４ケーシング
４６構造支持体
４７第１の環状リング
４９第２の環状リング
５１横棒
５３空洞
１００曲線プレート、空気ダクト
１０２内側プレート、チャネル
１０４第１の溝
１０６外側プレート
１０８第２の溝
１１０チャネル
１１２一体壁、チャネル
１１４第１の通路
１１６第２の通路
１２０第１の開口
１２２第１の部分
１２４第１の端部
１２６湾曲部
１２７外面
１２８第２の開口
１３０第２の部分
１３２第２の端部
１３４スロット
１４０タブ
１４２タブ、開口
２００本管
２０２第１の端部
２０４第２の端部
２０６通路
２０８開口
２１０供給チャネル
２１２下側プラットフォーム
２１３内面
２１４外面
２１６第１の側
２１８上側プラットフォーム
２２０第２の側
２２１末端
２２２インターフェイス
２２４チャネル
２２６接線
２２８接線
２３０内面
２３２下側溝
２３４内面、チャネル
２３６上側溝
２３８スロット
２４０雄のインサート
２４２内部梁
２４４通路
２５１第１の側
２５２第１のウイング
２５３第２の側
２５４第２のウイング
３１０ガスタービンエンジン
３１２中心軸線
３１４コアエンジン
３１６ファン部分
３１８外ケーシング
３２０取り入れ口
３２２ブースタ圧縮機
３２４高圧多段軸流圧縮機
３２６燃焼器
３２８第１のタービン
３３０第１の駆動シャフト
３３２第２のタービン
３３４第２の駆動シャフト
３３６排気ノズル
３３７減速装置
３３８軸流ファンロータアセンブリ
３４０ファンケーシング
３４２出口案内羽根
３４４ファンロータブレード
３４６下流部分
３４８気流路、通路
３５０気流
３５２取り入れ口
３５４ファン空気
３５６気流
３６０燃焼生成物
Ｈ高温ガスの流れ
Ｃ冷却用流体

Claims

複数のダクト横断部分（２０）によって定められた第１の本管（２００）を備える第１の環状リング（１４）と、
複数のダクト横断部分（２０）によって定められた第２の本管（２００）を備える第２の環状リング（１６）と、
１以上のチャネル（１１０）を内部に定めており、該１以上のチャネル（１１０）は、第１の本管（２００）のダクト横断部分（２０）及び第２の本管（２００）のダクト横断部分（２０）に流体連通している曲線プレート（１００）と
を備えており、
第１の本管（２００）及び第２の本管（２００）の各々のダクト横断部分（２０）は、
第１の端部（２０２）から第２の端部（２０４）まで延在し、中空の通路（２０６）を定めており、さらに開口（２０８）を定めている本管（２００）と、
開口（２０８）の第１の側（２１６）において本管（２００）の外面（２１４）へと取り付けられた下側プラットフォーム（２１２）と、
開口（２０８）の第１の側（２１６）とは反対側の第２の側（２２０）において本管（２００）の外面（２１４）へと取り付けられた上側プラットフォーム（２１８）と
を備え、
さらに、隣同士のダクト横断部分（２０）の少なくとも一部分は、本管（２００）に沿って流体連通することができるように接続され、
上側プラットフォーム（２１８）は、間に供給チャネル（１１０）を定めるように下側プラットフォーム（２１２）と一体であり、供給チャネル（１１０）は、本管（２００）によって定められた開口（２０８）を通じて本管（２００）の中空の通路（２０６）に流体連通し、下側プラットフォーム（２１２）及び上側プラットフォーム（２１８）は、本管（２００）によって定められた中空の通路（２０６）に流体連通した複数のチャネル（１１０）を定めるインターフェイス（２２２）を定めている、ガスタービンエンジン用の環状の熱交換器（１２）。
曲線プレート（１００）は、第１の端部（１２４）から第２の端部（１３２）までの最短距離として測定される弦長を定め、曲線プレート（１００）は、第１の端部（１２４）から第２の端部（１３２）まで該曲線プレート（１００）の外面を横切って測定される弧長を定め、さらに、弧長は弦長の約１０５％〜約１５０％であり、
曲線プレート（１００）は、半径方向内側へと向けられた湾曲を定め、或いは曲線プレート（１００）は、半径方向外側へと向けられた湾曲を定めている、請求項１に記載の環状の熱交換器（１２）。
曲線プレート（１００）は、
複数の第１の溝（１０４）を定めている内側プレート（１０２）と、
複数の第２の溝（１０８）を定めている外側プレート（１０６）と
を備え、
外側プレート（１０６）は、複数の第１の溝（１０４）と複数の第２の溝（１０８）とを間に複数のチャネル（１１０）を定めるように実質的に整列させて内側プレート（１０２）へと取り付けられ、各々のチャネル（１１０）は、曲線プレート（１００）の第１の端部（１２４）の第１の部分（１２２）に位置し、第１の本管（２００）のダクト横断部分（２０）に流体連通する第１の開口（１２０）から、各々のチャネル（１１０）に定められた湾曲部（１２６）を通り、第１の端部（１２４）の第２の部分（１３０）に位置し、第２の本管（２００）のダクト横断部分（２０）に流体連通する第２の開口（１２８）まで延在している、請求項１に記載の環状の熱交換器（１２）。
曲線プレート（１００）に第１の端部（１２４）において第１の部分（１２２）と第２の部分（１３０）との間にスロット（１３４）が定められている、請求項５に記載の環状の熱交換器（１２）。
各々チャネル（１１０）が内部に第１の通路（１１４）及び第２の通路（１１６）を定めるように内側プレート（１０２）と外側プレート（１０６）との間に位置する一体壁（１１２）
をさらに備える、請求項５に記載の環状の熱交換器（１２）。
曲線プレート（１００）は、該曲線プレート（１００）の第１の端部（１２４）の反対側の第２の端部（１３２）から延在する１以上のタブ（１４０）を備え、当該環状の熱交換器（１２）は、曲線プレート（１００）の１以上のタブ（１４０）に結合する支持構造体（４６）をさらに備える、請求項５に記載の環状の熱交換器（１２）。
支持構造体（４６）は、軸方向の移動を許すように曲線プレート（１００）の１以上のタブ（１４０）にスライド可能に取り付けられる、請求項６に記載の環状の熱交換器（１２）。
支持構造体（４６）は、
第１の環状リング（４７）と、
第１の環状リング（４７）に平行な第２の環状リング（４９）と、
第１の環状リング（４７）を第２の環状リング（４９）へと接続する複数の横棒（５１）と
を備える、請求項６に記載の環状の熱交換器（１２）。
第１の環状リング（１４）の第１の本管（２００）は、複数の部分へと分割され、第２の環状リング（１６）の第２の本管（２００）は、複数の部分へと分割され、第１の環状リング（１４）の第１の本管（２００）の各々の部分に入り口（２８）が定められ、第２の環状リング（１６）の第２の本管（２００）の各々の部分に出口（３２）が定められている、請求項１に記載の環状の熱交換器（１２）。
下側プラットフォーム（２１２）の内面（２３０）は、インターフェイス（２２２）において複数の下側溝（２３２）を定め、上側プラットフォーム（２１８）の内面（２３４）は、複数のチャネル（１１０）を定めるように複数の上側溝に整列した複数の上側溝（２３６）をインターフェイス（２２２）において定めており、さらに、下側プラットフォーム（２１２）及び上側プラットフォーム（２１８）によってインターフェイス（２２２）に定められた各々のチャネル（１１０）は、曲線プレート（１００）のチャネル（１１０）に整列して該チャネル（１１０）に流体連通している、請求項１に記載の環状の熱交換器（１２）。