JP2017125491A - エンジン組み込み用の熱交換器:曲線プレート - Google Patents

エンジン組み込み用の熱交換器:曲線プレート Download PDF

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Abstract

【課題】エンジン組み込み用の熱交換器:曲線プレートを提供する。
【解決手段】熱交換器用の曲線プレート(100)が提供される。曲線プレート(100)は、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)とを備えることができる。外側プレート(106)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、内側プレート(102)へと取り付けられる。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)に位置する第1の開口から第1の端部(124)の第2の部分(130)に位置する第2の開口まで延在する。曲線プレート(100)を形成するための方法も、一般的に提供される。
【選択図】図11

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(curvilinear plate)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(transduct segment)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(radial tube)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、Special Metals Corporation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(chord length)の約1.5〜約20倍の最大断面弧長(arc length)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、Special Metals Corporation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、Special Metals Corporation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。
[実施態様1]
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
を備える曲線プレート(100)であって、
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、当該曲線プレート(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、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、曲線プレート(100)。
[実施態様2]
チャネル(110)は、第1の開口(120)から当該曲線プレート(100)を通って第2の開口(128)まで延在している1以上の湾曲部(126)を有する非直線の経路を定めている、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様3]
外側プレート(106)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(106)は、第1の端部(124)から第2の端部(132)まで該外側プレート(106)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%である、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様4]
当該曲線プレート(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、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様5]
スロット(134)は、実質的にU字形を有し、各々のチャネル(110)は、当該曲線プレート(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、当該曲線プレート(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字形に延在している、実施態様4に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様6]
内側プレート(102)及び外側プレート(106)の少なくとも一方は、第1の端部(124)の反対側の第2の端部(132)から延在するタブ(140)を備えている、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様7]
タブ(140)は、開口(142)を定めている、実施態様6に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様8]
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、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様9]
一体壁(112)は、チャネルにおいて第1の通路(114)と第2の通路(116)との間の流体の流れが可能となるように複数の穴を定めている、実施態様8に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様10]
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)において流体の流れが攪拌されるように複数のくぼみを定めている、実施態様8に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様11]
一体壁(112)は、銅、銀、チタニウム、チタニウム合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金から作られている、実施態様8に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様12]
内側プレート(102)は、約400μm〜約800μmの厚さを有する、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様13]
外側プレート(106)は、約400μm〜約800μmの厚さを有する、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様14]
内側プレート(102)及び外側プレート(106)は、チタニウム、アルミニウム、又はオーステナイト合金から作られている、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様15]
複数のくぼみが、内側プレート(102)によって複数の第1の溝(104)に沿って定められている、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様16]
複数のくぼみが、外側プレート(106)によって複数の第2の溝(108)に沿って定められている、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様17]
第1の溝(104)の各々は、該溝の最大弦長の約1.5〜約20倍の最大断面弧長を有し、第2の溝(108)の各々は、該溝の最大弦長の約1.5〜約20倍の最大断面弧長を有する、実施態様1に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様18]
第1の溝(104)の各々及び第2の溝(108)の各々は、半楕円形を有する、実施態様17に記載の曲線プレート(100)。
[実施態様19]
曲線プレート(100)を形成するための方法であって、
金属の第1の薄板をプレスして複数の第1の溝(104)を定める第1のプレート(102)を形成するステップと、
金属の第2の薄板をプレスして複数の第2の溝(108)を定める第2のプレート(106)を形成するステップと、
その後に複数の第1の溝(104)と複数の第2の溝(108)とが実質的に整列して間に複数のチャネル(110)を定めるように第1の薄板(102)を第2の薄板(106)へと積層して曲線プレート(100)を形成するステップと
を含んでおり、
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)に位置する第2の開口(128)まで延在している、方法。
[実施態様20]
積層に先立って、一体壁(112)を、各々のチャネル(110)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(102)と第2の薄板(106)との間に配置するステップ
をさらに含む実施態様19に記載の方法。
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 (12)

  1. 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
    を備える曲線プレート(100)であって、
    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、当該曲線プレート(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、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、曲線プレート(100)。
  2. チャネル(110)は、第1の開口(120)から当該曲線プレート(100)を通って第2の開口(128)まで延在している1以上の湾曲部(126)を有する非直線の経路を定めており、
    外側プレート(106)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(106)は、第1の端部(124)から第2の端部(132)まで該外側プレート(106)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%である、
    請求項1に記載の曲線プレート(100)。
  3. 当該曲線プレート(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1に記載の曲線プレート(100)。
  4. スロット(134)は、実質的にU字形を有し、各々のチャネル(110)は、当該曲線プレート(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、当該曲線プレート(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字形に延在している、請求項3に記載の曲線プレート(100)。
  5. 内側プレート(102)及び外側プレート(106)の少なくとも一方は、第1の端部(124)の反対側の第2の端部(132)から延在するタブ(140)を備えている、請求項1に記載の曲線プレート(100)。
  6. 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1に記載の曲線プレート(100)。
  7. 一体壁(112)は、チャネルにおいて第1の通路(114)と第2の通路(116)との間の流体の流れが可能となるように複数の穴を定めており、及び/又は
    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)において流体の流れが攪拌されるように複数のくぼみを定めており、及び/又は
    一体壁(112)は、銅、銀、チタニウム、チタニウム合金、アルミニウム、又はアルミニウム合金から作られている、
    請求項6に記載の曲線プレート(100)。
  8. 内側プレート(102)は、約400μm〜約800μmの厚さを有し、
    外側プレート(106)は、約400μm〜約800μmの厚さを有し、
    内側プレート(102)及び外側プレート(106)は、チタニウム、アルミニウム、又はオーステナイト合金から作られている、
    請求項1に記載の曲線プレート(100)。
  9. 複数のくぼみが、内側プレート(102)によって複数の第1の溝(104)に沿って定められており、及び/又は
    複数のくぼみが、外側プレート(106)によって複数の第2の溝(108)に沿って定められている、請求項1に記載の曲線プレート(100)。
  10. 第1の溝(104)の各々は、該溝の最大弦長の約1.5〜約20倍の最大断面弧長を有し、第2の溝(108)の各々は、該溝の最大弦長の約1.5〜約20倍の最大断面弧長を有する、請求項1に記載の曲線プレート(100)。
  11. 曲線プレート(100)を形成するための方法であって、
    金属の第1の薄板をプレスして複数の第1の溝(104)を定める第1のプレート(102)を形成するステップと、
    金属の第2の薄板をプレスして複数の第2の溝(108)を定める第2のプレート(106)を形成するステップと、
    その後に複数の第1の溝(104)と複数の第2の溝(108)とが実質的に整列して間に複数のチャネル(110)を定めるように第1の薄板(102)を第2の薄板(106)へと積層して曲線プレート(100)を形成するステップと
    を含んでおり、
    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)に位置する第2の開口(128)まで延在している、方法。
  12. 積層に先立って、一体壁(112)を、各々のチャネル(110)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(102)と第2の薄板(106)との間に配置するステップ
    をさらに含む請求項11に記載の方法。
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