JP5009603B2

JP5009603B2 - ガスタービンエンジン及びガスタービンエンジン部品

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Publication number: JP5009603B2
Application number: JP2006342207A
Authority: JP
Inventors: スティーブン・クレイグ・ミッチェル
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: CN101025167A; US20070140860A1; CN101025167B; US7429166B2; CA2571652C; CA2571652A1; EP1801390A2; EP1801390A3; EP1801390B1; JP2007170387A

Description

本発明は、一般にガスタービンエンジンに関し、より具体的にはガスタービンエンジンを作動させる方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンは通常、吸気口、ファン、低圧および高圧圧縮機、燃焼器、ならびに少なくとも１つのタービンを有している。圧縮機は空気を圧縮し、空気は燃焼器に送られ、そこで燃料と混合される。混合気は次いで、高温の燃焼ガスを生成するために点火される。燃焼ガスはタービンに送られ、タービンは、圧縮機に動力を供給し、さらには飛行中の航空機を推進させたり、発電機などの負荷装置（ｌｏａｄ）に動力供給したりするのに便利な仕事を生み出すために、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。

エンジンが、着氷状態（ｉｃｉｎｇｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ）において、すなわち過冷却水滴の雲にさらされて作動するとき、露出したエンジン構造に氷が集積することがある。より具体的には、エンジンが長期間にわたって低出力で着氷状態で作動される場合、エンジン内および露出したエンジン上の氷の集積は著しいものとなることがある。やがて、エンジンの継続的作動、低出力作動から高出力作動へのスロットルバースト（ｔｈｒｏｔｔｌｅｂｕｒｓｔ）、および／または、乱流によるかもしくは氷が非対称に成長することによる振動が原因で、集積した氷の塊（ｂｕｉｌｄ−ｕｐ）は高圧圧縮機に吸い込まれることがある。氷の剥離（ｉｃｅｓｈｅｄ）として知られるかかる状態は、圧縮機の吐出し温度が突然低下する原因となることがある。圧縮機の吐出し温度が突然低下するのに応答して、修正コア速度（ｃｏｒｒｅｃｔｅｄｃｏｒｅｓｐｅｅｄ）が高圧圧縮機の後段において増大する。このように後段において修正コア速度が突然増加することによって、圧縮機の失速マージンが悪影響を受けることがある。場合によっては、これはさらに、エンジンのフレームアウトにつながることもある。
米国特許第４０７９９０３号明細書

エンジン内およびエンジンに隣接する露出表面上における氷の成長を防止するのを容易にするために、少なくとも一部の既知のエンジンは、ガスタービンストラット上で氷が集積するのを軽減する除氷装置を有している。しかしながら、ガスタービンエンジン部品が複合材料を使用して作成される場合、複合材料の横方向の熱伝導率が低いため、複合材料を介して送られる加熱空気を使用して部品の凍結を防止することは比較的困難である。結果として、部品を除氷するには比較的高温の空気が必要となり、したがって全体的なエンジン効率が犠牲となる。

ここでは、タービンエンジン部品を製造する方法が開示される。この方法は、第１の側部および相対する第２の側部を有するように部品を形成するステップと、第１および第２の側部のうちの少なくとも１つの外面に隣接して少なくとも１つの毛細管を配置するステップと、少なくとも１つのその毛細管を少なくとも１つの複合材層で部品に固定するステップとを有している。

ひとつの態様において、タービンエンジン部品が提供される。このタービンエンジン部品は、第１の側部と、相対する第２の側部と、前記第１および第２の側部のうちの少なくとも１つの外面に隣接して配置された少なくとも１つの毛細管と、少なくとも１つの前記毛細管を前記部品に固定する複合材層とを有している。

さらなる態様においては、ガスタービンエンジンが提供される。このガスタービンエンジンは、第１の側部および相対する第２の側部を有する少なくとも１つのエーロフォイルと、少なくとも１つの前記エーロフォイルの外面に隣接して配置された少なくとも１つの毛細管と、少なくとも１つの前記毛細管を少なくとも１つの前記エーロフォイルに固定する複合材層とを有している。

図１は例示的なガスタービンエンジン１０の側断面図であり、このガスタービンエンジン１０は、概ね長手方向に延びている軸、すなわち順方向１４および後部方向１６に延びている中心線１２を有している。エンジン１０は、複数のブレード２３を有する高圧圧縮機２２と、燃焼器２４と、複数のブレード２７を有する高圧タービン２６と、複数のブレード２９を有する出力タービンすなわち低圧タービン２８とを有するコアエンジン２０を有しており、これら高圧圧縮機２２、燃焼器２４、高圧タービン２６、低圧タービン２８はすべて、連続した軸流の関係に配置されている。別の実施形態において、コアエンジン２０は、圧縮機、デトネーションチャンバ、およびタービンを有しており、それらは連続した軸流の関係に配置されている。エンジン１０はまたバイパスダクト３２を有しており、このバイパスダクト３２は、コアエンジン２０を囲み、流体流れをコアエンジン２０を介さずにコアエンジン２０から下流へと送ることを可能にする。例示的実施形態において、エンジン１０はまた、高圧圧縮機２２の軸方向上流にある低圧圧縮機３４を有している。より具体的には、低圧圧縮機３４は、複数のブレード３５を有しかつナセル３６内に収容されており、このナセル３６は、円周方向に離隔された複数のストラット３８によって支持されている。

作動中、気流は、ストラット３８を介してエンジン１０に入り、低圧圧縮機３４を介して送られ、この低圧圧縮機３４において圧縮空気はコアエンジン２０へと導かれる。空気と燃料はコアエンジン２０内で混合されかつ点火されて、高温の燃焼ガスを生成する。具体的には、高圧圧縮機２２からの加圧空気が、燃焼器２４内で燃料と混合され、また点火され、それによって燃焼ガスを生成する。かかる燃焼ガスは高圧タービン２６を駆動し、この高圧タービン２６は高圧圧縮機２２を駆動する。燃焼ガスは、高圧タービン２６から低圧タービン２８内へと放出される。コアの気流は、低圧タービン２８から放出され、排出ノズル４０に向かって後方へ方向付けられる。

図２は、図１に示すガスタービンエンジンと共に使用することができる例示的なエーロフォイル５０の斜視図である。図３は、図２に示すエーロフォイル５０の部分断面立面図である。一実施形態において、エーロフォイル５０は、例えば図２および３に示すストラット３８など、固定部品の一部として形成される。他の実施形態において、エーロフォイル５０は、例えば回転する圧縮機のブレード３５など、回転部品の一部として形成される。

一例として、図４は、例示的なストラット３８の一部として製造されたエーロフォイル５０を示している。したがって、エーロフォイル５０は、前縁６０と、軸方向で相対する後縁６２と、半径方向内方の翼付根（不図示）と、相対する半径方向外方の先端部（不図示）と、それらの間に延びている円周方向で相対する第１および第２の側部６４および６６とを有している。一実施形態において、ストラット３８は、流れの妨害を最小にする概ね対称の涙滴形状にて、空気力学的な流線形になされている。任意選択で、ストラット３８は涙滴形状ではない。

他の例として、本明細書で説明する方法によって製造することができる圧縮機ブレード３５の１つを図５に示す。したがって、圧縮機ブレード３５は、第１の異形（ｃｏｎｔｏｕｒｅｄ）側壁７０と第２の異形側壁７２とを有するエーロフォイル５０を有している。第１の側壁７０は凸形であり、エーロフォイル５０の吸込み側を画定しており、第２の側壁７２は凹形であり、エーロフォイル５０の圧力側を画定している。側壁７０および７２は、エーロフォイル５０の前縁７４と軸方向に離間した後縁７６とで接合されている。より具体的には、エーロフォイルの後縁７６は、翼弦方向にかつエーロフォイルの前縁７４から下流側に離間している。第１および第２の側壁７０および７２はそれぞれ、ダブテール（不図示）に隣接して配置されている翼付根（不図示）からエーロフォイルの先端（不図示）まで、翼幅において長手方向にまたは半径方向外方に延びている。

したがって、エーロフォイル５０は、エーロフォイル５０を回転円板に結合することが可能となるように、プラットフォームおよびダブテールを有するように製作してもよく、またエーロフォイル５０は、散在する取外し可能なダブテールのないブリスクと一般に呼ばれるディスクと一体に形成してもよい。任意選択で、エーロフォイル５０は、ストラット３８などの固定部品と共に用いられてもよい。

図６は、回転ブレードまたは固定ストラットの一部分として成形することができるエーロフォイル５０の上断面図である。例示的実施形態において、エーロフォイル５０は、第１の側部および第２の側部を有するように製作される。より具体的には、エーロフォイル５０は、互いに結合されてエーロフォイル５０の部分８２を形成する複数の複合材層８０を有している。例示的実施形態において、複合材層は、互いに結合されてエーロフォイル５０の部分８２を形成するカーボンまたはガラスの複合材料を使用して製作される。

エーロフォイル５０はまた、部分８２の外面に結合される少なくとも１つの毛細管８４を有している。本明細書で使用する毛細管は、毛細管を貫いて延びる比較的小さな開口部を有する管を表している。例示的実施形態において、エーロフォイル５０は複数の毛細管８４を有しており、毛細管８４はそれぞれ、それを通じて延びている開口部８６を有しており、その開口部８６は、それを介して加熱気流を受けるように寸法が定められており、またその加熱気流は、エーロフォイル５０の外面８８における氷の形成を軽減するかまたはなくすのに十分なものである。

図６に示すように、複数の毛細管８４は、部分８２と外側の複合材層９０との間に配置されており、この外側の複合材層９０は、複数の毛細管８４を部分８２に固定するために用いられている。より具体的には、毛細管８４は、開口部８６が部分８２の外面に沿って半径方向に延びるように配置されている。したがって、図３に示すように、加熱気流９８は、圧縮機の抽気などの吹出しから、例えばエーロフォイル５０の半径方向外方の端部１００へと、開口部８６を介して送られ、次いで加熱空気は、エーロフォイル５０の半径方向内方の端部１０２を介して放出される。

再び図６を参照すると、例示的実施形態において、各毛細管８４は実質的に円筒形の本体を有しており、この本体は、開口部８６を画定する内面１１０と外面１１２とを有している。例示的実施形態において、毛細管８４は、各毛細管８４の外面１１２が隣接する毛細管８４の外面１１２に近接するように、部分８２と外側の複合材層９０との間で結合されている。したがって、第１の数量の毛細管８４は、毛細管８４を介して送られる加熱気流の量を最大にするのを支援し、したがって加熱されるエーロフォイルの外側表面積を最大にするのを支援するように、エーロフォイル５０に結合される。例示的実施形態において、毛細管８４は、限定はしないが例えば石英などのガラス材料を使用して製作される。

毛細管８４がエーロフォイル部分８２に隣接して配置された後、複合材層９０でエーロフォイル部分８２が覆われる。エーロフォイル部分８２、毛細管８４、および複合材層９０を有するエーロフォイルアセンブリは次いで熱処理され、仕上げ処理が施されたエーロフォイル５０を形成する。

図７は、回転ブレードまたは固定ストラットの一部分として形成することができるエーロフォイル５０の上断面図である。図７に示すように、エーロフォイル５０は、互いに結合されてエーロフォイル５０の部分８２を形成する複数の複合材層８０を有している。エーロフォイル５０はまた、複数の毛細管８４を有するシート１５０を有しており、この複数の毛細管８４は、それぞれ複合材料１５２と共に織り合わせられてシート１５０を形成している。例示的実施形態において、毛細管８４は、毛細管のシート１５０の形成を容易にするために、複合材料１５２と共に織り合わせられている。

より具体的には、シート１５０は、編み上げ工程（ｂｒａｉｄｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓ）を使用して形成され、複数の一体形中空毛細管８４を有する単一の編み上げスリーブ、すなわちシート１５０が提供される。例示的実施形態において、シート１５０は、エーロフォイル５０の全領域または選択された領域を覆う一方向の毛細管を含むように、二軸式で編み合わせられる。毛細管８４はエーロフォイル５０の端部を抜け出し、空気を流入および流出させるためのマニホールド領域を形成する。したがって、シート１５０によって、作業者は、毛細管８４を部分８２に取り付けるためのより効率的な手段を得ることができる。したがって、エーロフォイル８２を製作する時間が削減される。

図７に示すように、毛細管８４を有しているシート１６０は、部分８２と外側の複合材層９０との間に配置されており、この外側の複合材層９０は、毛細管のシート１６０を部分８２に固定するために用いられている。より具体的には、毛細管８４は、開口部８６が部分８２の外面に沿って半径方向に延びるように配置されている。したがって、図３に示すように、加熱気流９８は、圧縮機の抽気などの吹出しから、例えばエーロフォイル５０の半径方向外方の端部１００へと、開口部８６を介して送られ、次いで加熱空気は、エーロフォイル５０の半径方向内方の端部１０２を介して放出される。毛細管１６０がエーロフォイル部分８２に隣接して配置された後、複合材層９０でエーロフォイル部分８２が覆われる。エーロフォイル部分８２、毛細管８４、および複合材層９０を有するエーロフォイルアセンブリは次いで熱処理され、仕上げ処理が施されたエーロフォイル５０を形成する。

図８は、回転ブレードまたは固定ストラットの一部分として形成することができるエーロフォイル５０の上断面図である。図８に示すように、エーロフォイル５０は、互いに結合されてエーロフォイル５０の部分８２を形成する複数の複合材層８０を有している。エーロフォイル５０はまた、複数の毛細管８４を有するシート１６０を有しており、この複数の毛細管８４は、それぞれ複合材料１５２と共に織り合わせられてシート１６０を形成している。例示的実施形態において、毛細管８４は、毛細管のシート１６０の形成を容易にするために、複合材料１５２と共に織り合わせられている。したがって、シート１６０によって、作業者は、毛細管８４を部分８２に取り付けるためのより効率的な手段を得ることができる。したがって、エーロフォイル８２を製作する時間が削減される。

シート１６０はまた、実質的に中実の円筒形のガラス材料を使用して製作されている複数のスペーサ１６２を有している。例示的実施形態において、隣接する毛細管８４の間の距離を増すことを容易にするために、単一のスペーサ１６２が２つの隣接する毛細管８４の間に配置されている。したがって、各スペーサ１６２は、隣接する毛細管８４を所定の距離だけ分離するように寸法決めされた外径１６４を有している。具体的には、シート１６０は、毛細管８４を介して送られる加熱気流の量を減少させることを容易にし、したがって加熱されるエーロフォイルの外側の表面積を減少させることを容易にするために、図６に示す毛細管の第１の数量よりも少ない第２の数量の毛細管８４を有している。例えば、図６に示すように、毛細管８４はそれぞれ互いに隣接して配置されているため、エーロフォイル５０のほぼ全表面が加熱される。しかしながら、作動環境において、エーロフォイル５０の着氷を軽減するか、またはなくすことを容易にするために、エーロフォイル５０の外面に対して加熱の程度を低減することが要求される場合には、スペーサ１６２を含めたシート１６０を用いて、エーロフォイル５０の表面に十分な熱を供給することができる。シート１６０がエーロフォイル部分８２に隣接して配置された後、複合材層９０でシート１６０が覆われる。エーロフォイル部分８２、シート１６０、および複合材層９０を有するエーロフォイルアセンブリは次いで熱処理され、仕上げ処理が施されたエーロフォイル５０を形成する。

エーロフォイル５０の外面に加えられる熱の量をさらに減少させるために、シート１７０を用いてもよい。図９に示すように、シート１７０は実質的にシート１６０に類似しており、隣接する毛細管８４の間に形成される少なくとも２つのスペーサを有している。例示的実施形態において、シート１６０と比較して、隣接する毛細管８４の間の距離をさらに増すことを容易にするために、少なくとも２つのスペーサ１６２が隣接する毛細管８４の間に配置されている。例示的実施形態において、シート１６０とシート１７０の双方は、エーロフォイル５０の全領域または選択された領域を加熱することを容易にするために、一方向の毛細管８４およびスペーサを含むように二軸式で編み合わせられている。

シート１７０がエーロフォイル部分８２に隣接して配置された後、複合材層９０でシート１７０が覆われ、毛細管８４がエーロフォイル部分８２に固定される。エーロフォイル部分８２、シート１７０、および複合材層９０を有するエーロフォイルアセンブリは次いで熱処理され、仕上げ処理が施されたエーロフォイル５０を形成する。

上述のエーロフォイルは、ガスタービンエンジンブレードまたはガスタービンエンジンストラットと共に用いてもよい。例示的実施形態において、ガスタービンエンジンの選択された部分における氷の形成を軽減しかつ／またはなくすことを容易にするために、複数のエーロフォイルがガスタービンエンジン内で用いられる。上述のエーロフォイルは費用効率が高く、また、エンジンの露出表面に沿う氷の集積の防止を支援する上で信頼性が高い。より具体的には、本明細書において説明したエーロフォイルは、エーロフォイル壁内へ一体に編み合わせられた非常に小さい毛細管を有する、一体形の最小単位のエーロフォイルである。本発明は、編み上げ工程の独特な特質および特徴を活用して、一体形中空毛細管を有する単一の編み上げスリーブを提供する。スリーブ、すなわちシート１６０および１７０はそれぞれ、エーロフォイルの全領域または選択された領域を覆う一方向の毛細管を含むように、二軸式で編み合わせられる。管はエーロフォイルの端部を抜け出し、空気を流入および流出させるためのマニホールド領域を形成する。

結果として、本明細書で説明したエーロフォイルは、高温の空気をエーロフォイルの表面へまたはエーロフォイルの表面付近へ直接導くことによって、横方向の熱伝導率が低いという欠点をなくしている。熱伝達が改善されることによって、エーロフォイルは１つまたは２つの利点を有する。第１の利点は、より高性能でない圧縮機の抽気を使用することであり、第２の利点は、より低温でかつより低コストな樹脂系を使用してエーロフォイルを製作できることである。加えて、毛細管のシート全体を、様々な樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）、トウプレグまたは等価な技法を用いて成形することができる。

ガスタービンエンジンエーロフォイルの例示的実施形態について、先に詳細に説明した。エーロフォイルは、本明細書で説明した特定の実施形態に限定されず、むしろ、エーロフォイルは、氷の剥離を容易にするために、いかなる既知のタービンと共に用いられてもよい。

本発明について、様々な特定の実施形態の点から説明したが、本発明は特許請求の精神および範囲内で修正を加えて実施できることを、当業者は理解するであろう。

例示的なガスタービンエンジンの概略図である。図１に示すファンダクトを通じた概ね線２−２における部分断面立面図である。図２に示すエーロフォイルの断面図である。例示的なエーロフォイルの上断面図である。例示的なエーロフォイルの上断面図である。複数の毛細管を有するエーロフォイルの上断面図である。複数の毛細管を有するエーロフォイルの上断面図である。複数の毛細管を有するエーロフォイルの上断面図である。複数の毛細管を有するエーロフォイルの上断面図である。

符号の説明

１０エンジン
１２軸または中心線
１４順方向
１６後部方向
２０コアエンジン
２２高圧圧縮機
２３ブレード
２４燃焼器
２６高圧タービン
２７ブレード
２８低圧タービン
２９ブレード
３２バイパスダクト
３４低圧圧縮機
３５ブレード
３６ナセル
３８ストラット
４０排出ノズル
５０エーロフォイル
６０前縁
６２後縁
６４第１および第２の側部
６６第２の側部
７０第１の異形側壁
７２第２の異形側壁
７４前縁
７６後縁
８０複合材層
８２エーロフォイル部
８３毛細管
８４毛細管
８６開口部
８８外面
９０複合材層
９８加熱気流
１００半径方向外方の端部
１０２半径方向内方の端部
１１０内面
１１２外面
１５０シート
１５２複合材料
１６０シート
１６２スペーサ
１６４外径
１７０シート

Claims

ガスタービンエンジン部品であって、
第１の側部（６４）と、
相対する第２の側部（６６）と、
前記第１および第２の側部のうちの少なくとも１つの外面（８８）に隣接して配置された少なくとも１つの毛細管（８４）と、
少なくとも１つの前記毛細管を前記部品に固定する複合材層（９０）と、
を備え、
前記少なくとも１つの前記毛細管（８４）が、複合材料と共に二軸式で編み合わせられて毛細管のシートを形成する複数の毛細管（８４）をさらに備えており、
前記複数の毛細管（８４）の隣接する毛細管の間に、スペーサ（１６２）が設けられている
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン部品。
前記部品がガスタービンエンジンエーロフォイル（５０）を備えている、請求項１記載のガスタービンエンジン部品。
前記エーロフォイル（５０）がガスタービンエンジンストラット（３８）を備えている、請求項２記載のガスタービンエンジン部品。
前記エーロフォイル（５０）がガスタービンエンジンブレード（２３）を備えている、請求項２記載のガスタービンエンジン部品。
前記エーロフォイル（５０）が、
互いに結合されて前記第１および第２の側部（６４、６６）を形成する複数の複合材層（８０）を備えている、請求項２記載のガスタービンエンジン部品。
前記少なくとも１つの毛細管（８４）は複数であり、
前記毛細管のそれぞれは、該毛細管（８４）を貫いて延びる開口部（８６）を備え、
前記開口部（８６）は、前記エーロフォイル（５０）における氷の形成を軽減するか又はなくすのに十分な加熱気流（９８）を該開口部（８６）を介して受けるように寸法が定められている、請求項２記載のガスタービンエンジン部品。
前記少なくとも１つの毛細管（８４）は複数であり、
前記毛細管のそれぞれが、該毛細管を貫いて伸びる開口部を備え、
前記開口部は、前記エーロフォイルにおける氷の形成を軽減するか又はなくすに十分な加熱気流（９０）を該開口部を介して受けるように寸法が定められている、請求項２記載のガスタービンエンジン部品。
ガスタービンエンジン（１０）であって、
第１の側部（６４）および相対する第２の側部（６６）を有する少なくとも１つのエーロフォイル（５０）と、
少なくとも１つの前記エーロフォイルの外面（８８）に隣接して配置された少なくとも１つの毛細管（８４）と、
少なくとも１つの前記毛細管を少なくとも１つの前記エーロフォイルに固定する複合材層（９０）と、
を備え、
前記少なくとも１つの前記毛細管（８４）が、複合材料と共に二軸式で編み合わせられて毛細管のシートを形成する複数の毛細管（８４）をさらに備えており、
前記複数の毛細管（８４）の隣接する毛細管の間に、スペーサ（１６２）が設けられている
ことを特徴とする、ガスタービンエンジン（１０）。
前記エーロフォイル（５０）が、ガスタービンエンジンストラット（３８）とガスタービンエンジンブレード（２３）のうちの少なくとも１つを備えている、請求項８記載のガスタービンエンジン（１０）。