JP5036433B2 - ヒートパイプを使用したタービンエンジンのための熱伝達システム - Google Patents

Description

本発明は、総括的にはタービンエンジンに関し、より具体的には、ヒートパイプを使用した、ガスタービンエンジン内で熱を伝達するためのシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジンは、様々な構成要素（例えば、軸受など）を潤滑しかつ冷却するために加圧オイルを使用する。オイルは、その過程で大量の熱を吸収し、この熱は、オイル温度を許容限界値の範囲内に維持するために廃棄されなくてはならない。先行技術のガスタービンエンジンは、多くの場合、ファン吐出空気のような比較的低温の空気ストリームを用いる熱交換器を使用して、エンジンオイルを冷却している。ターボファンエンジンでは、この熱交換器は、ファンダクト流路内に設置されることが多い。この構成では、圧力損失、従って大きな燃料燃焼の増量が生じる。このタイプの構成に関連した燃料消費率（ＳＦＣ）の増加は、１％ほども高くなる可能性があると推定される。この構成に関連したコスト及び重量の増加も生じる。

さらに、幾つかのエンジンでは、ファンの下流のファンダクト内に位置する出口案内ベーン（ＯＧＶ）、ファンストラット又はその他のストラット状部材は、特定の環境条件下で着氷する。エンジン内及び露出したエンジン構造体上での氷の堆積は、重大な問題である。着氷した氷は、ＯＧＶ通路の部分的な閉塞及びファンの不安定性を招くおそれがある。堆積した氷はまた、例えばエンジンの連続運転、低出力運転から高出力運転へのスロットルバースト、或いは乱流又は着氷の非対称性のいずれかに起因した振動により、突然剥げ落ちる可能性がある。

着氷防止のための様々な先行技術の方法が存在し、それらには、例えば高い作動温度でエンジンを運転すること、エンジン圧縮機から露出表面に高温ブリード空気を導くこと、運転に先立ってエンジンに除氷液を噴霧すること、及び電気抵抗加熱することがある。しかしながら、これらの方法の全ては、様々な欠点を有する。高作動温度及びブリードシステムは、エンジン性能を低下させるおそれがある。そのようなシステムはまた、離陸及びその他の高出力運転中にエンジンを保護するために、高温空気の流れを止める弁を必要とする可能性がある。除氷流体は、限られた時間の間のみ保護を与えるだけである。電気加熱は、除氷作用を行うために大量の電気を必要とし、また付加的な発電機、電気回路、及び航空機のコンピュータとの複雑な相互関係論理を必要とし、これはコスト及び重量の増大並びに性能の低下を伴う可能性がある。
米国特許第６，９９０，７９７Ｂ２号公報 米国特許第６，３０８，５２４Ｂ１号公報 米国特許第５，９７９，２２０号公報 米国特許第５，９７５，８４１号公報 米国特許第５，９６４，２７９号公報 米国特許第５，８７８，８０８号公報 米国特許第５，４３９，３５１号公報 米国特許第５，１９２，１８６号公報 米国特許第５，１７８，５１４号公報 米国特許第５，０４６，９２０号公報 米国特許第４，４１９，０４４号公報 米国特許第４，２４０，２５７号公報 米国特許第４，２１８，１７９号公報 米国特許第４，２０７，０２７号公報 米国特許第４，１９９，３００号公報 米国特許第４，１８６，５５９号公報 米国特許第３，９６５，６８１号公報 英国特許出願公開第２１３６８８０Ａ号公報

先行技術における特に上記の欠点は本発明によって解決され、本発明は、エンジン潤滑オイルから廃熱を除去しかつその熱を例えば着氷防止又は除氷の目的で加熱を必要とするエンジン構成要素に伝達する熱伝達システムを提供する。この熱は、軽量で、密封されかつ受動的であるヒートパイプを使用して伝達され、何らの弁又はポンプも必要としない。さらに、ヒートパイプは、エンジン内における火災発生の危険を回避するために不燃性の作動流体を使用することができる。

１つの態様によると、本発明は、その中に配置されたほぼ半径方向に延びる熱伝導性ストラット部材の配列を備えた環状のケーシングを含むタイプのタービンエンジンのための熱伝達システムを提供する。本熱伝達システムは、ケーシングの外表面に接触した状態で配置されかつ熱源に対して熱的に結合された少なくとも１つの弓形のヒートパイプを含み、熱源からの熱をヒートパイプ及びケーシングを通してストラット部材に伝達することができるようになっている。

また、ここで開示されるガスタービンエンジンは、環状のファンケーシングと、間隔を置いて配置された前縁及び後縁間で延びる第１及び第２の側面によって形成された翼形断面をその各々が有する、その中に配置されたほぼ半径方向に延びる案内ベーンの配列と、その各々の少なくとも一部分が案内ベーンの軸方向範囲の前方及び後方限界内でファンケーシングの外表面に対して配置された複数の弓形のヒートパイプと、ヒートパイプに対して熱的に結合されて、それからの熱をヒートパイプ及びファンケーシングを通して案内ベーンに伝達することができるようになった熱源とを含む。

またここでは、その中に配置されたほぼ半径方向に延びる案内ベーンの配列を備えた環状のケーシングを有するタービンエンジン内で熱を伝達する方法が開示される。この方法は、その各々の少なくとも一部分がケーシングの外部表面に対してかつ案内ベーンの軸方向範囲の前方及び後方限界内に配置された複数の弓形のヒートパイプを設ける段階と、ヒートパイプを熱源に対して熱的に結合する段階と、熱源からの熱をヒートパイプ内に受けて、その熱をケーシングを通して案内ベーンに伝達する段階とを含む。

本発明は、添付図面の図に関連させて以下の説明を参照することによって最も良く理解することができるであろう。

様々な図全体を通して同一の参照符号が同じ要素を示す図面を参照すると、図１〜図３は、環状のファンケーシング１０を含むガスタービンエンジンのファンモジュールの一部分を示している。複数の出口案内ベーン（ＯＧＶ）１２が、ファンケーシング１０に連結されかつ該ファンケーシング１０内に配置される。ＯＧＶ１２（図２にも示す）の各々は、根元１４、先端１６、前縁１８、後縁２０、並びに対向する側面２２及び２４を有する。ＯＧＶ１２は、翼形形状であって、上流ファン（図示せず）から流出した空気流から接線方向旋回成分を除去するように位置決めされかつ配向される。この図示した実施例では、ＯＧＶはまた、ファンケーシングを内側ハウジング２６に連結する構造部材（「ファンストラット」と呼ぶこともある）としての働きもする。しかしながら、他のエンジン構成では、これらの機能は、別個の構成要素によって果たすことができる。本明細書に記載した熱伝達システムは、ＯＧＶ、ファンストラット、及び他の全てのタイプのほぼ半径方向に延びる「ストラット部材」に対して同様に適用可能である。

ＯＧＶ１２は、予測運転荷重に耐える十分な強度を有しかつ所望の形状として形成することのできるあらゆる材料で製作することができる。熱伝達を高めるためには、ＯＧＶは、熱伝導性であることが好ましい。好適な材料の実施例には、アルミニウム基、鉄基、ニッケル基又はチタン基合金のような金属合金類がある。

熱交換器２８が、ファンケーシング１０の外側に取り付けられる。熱交換器２８は、単に開口した内部を有するハウジングとすることができる。この図示した実施例では、エンジンの潤滑システムからのオイルは、排油管３０を通って熱交換器２８に流入する。オイルは、熱交換器２８から流出した後に、必要になるまで貯蔵タンク３２内に送られ、必要になった時には、給油管３４を通してエンジンの潤滑システムに還流される。排油管及び給油管３０及び３４に連結されたオイル貯蔵、循環及び分配システムのその他の部分は、ガスタービンエンジン技術において通常通りであり、ここでは説明しない。必要に応じて、熱交換器２８は、ブリード空気管、電源、又はエンジン内の別の流体システムのような他のタイプの熱源に連結することもできる。

複数のヒートパイプ３６が、ファンケーシング１０の外部の周りにその外表面３８に接触した状態で配置され、かつＯＧＶ１２の軸方向範囲により定まる前方及び後方限界内に位置決めされる。図２では円形として示しているが、ファンケーシング１０に当接して位置するヒートパイプ３６の一部分は、楕円形、平形又はその他の非円形断面形状に形成して、ボリュームパッキング又は熱伝達を向上させながら所望の断面積に適応させることができる。

各ヒートパイプ３６は、空洞４２を形成した閉鎖端部を備えた細長い外壁４０を有する。空洞４２は、毛管構造体又はウィック（図示せず）で内張りされ、作動流体を保持する。ヒートパイプ内で使用するのに、ガス、水、有機物質及び低融点金属のような様々な作動流体が知られている。ヒートパイプ３６に漏れ又は破断が生じた場合にファンケーシング１０の区域内に火災原因が生じるのを回避するために、作動流体は非可燃性とすることができる。

各ヒートパイプ３６の一端部は、熱交換器２８の内部に配置される。この部分は、「高温」又は「蒸発器」端部４４と呼ばれる。

ヒートパイプ３６は、熱を伝達するのに極めて有効である。例えば、それらの有効熱伝導率は、中実銅の有効熱伝導率よりも数倍のオーダほど高い。ヒートパイプの数、長さ、直径、形状、作動流体及びその他の性能パラメータは、エンジン運転中における所望の熱伝達度に基づいて選択される。ヒートパイプ３６の作用については、以下に一層詳しく説明する。

図４は、ファンケーシング１０の周辺部に対する熱伝達を行うために、ヒートパイプ３６をどのように配置することができるかの一例を概略的に示している。図４では、ヒートパイプ３６は半径方向に間隔を置いて配置した又は「積み重ねた」ものとして示していることに注目されたい。これは単に、ヒートパイプ３６がファンケーシング１０の周りでどのように延びるかを明瞭に示すことを目的としたものである。図４は、必ずしも図１〜図３に示すヒートパイプ３６の実際の物理的設置を表したものではない。垂直方向中心線の各側において、弓形の第１のヒートパイプ３６Ａが、熱交換器２８に連結されかつファンケーシング１０の周りで約３０°延びる。第１のヒートパイプ３６Ａの各々の全体範囲は、図においてハッチングパターンで示すように、非断熱状態である。

垂直方向中心線「Ｃ」の各側において、弓形の第２のヒートパイプ３６Ｂが、熱交換器２８に連結されかつファンケーシング１０の周りで約６０°延びる。第２のヒートパイプ３６Ｂの各々の最初の３０°のスパンは、適切なタイプの断熱材（図示せず）で覆われて熱伝達を最少にしている。第２のヒートパイプ３６Ｂの各々の遠位端部セグメント（約３０°のスパン）は、図においてハッチングパターンで示すように、非断熱状態である。ヒートパイプ３６の非断熱部分は、「低温」又は「凝縮器」端部４６と呼ばれる。「高温」、「蒸発器」、「低温」、「凝縮器」という用語は、ヒートパイプ３６に関連して使用する場合には、比較的高温又は低温区域内へのヒートパイプ３６の位置決めを記述しており、ヒートパイプ３６自体の構造のいかなる特定の態様にも関連するものではない。

このパターンは、弓形の第３のヒートパイプ３６Ｃ、第４のヒートパイプ３６Ｄ、第５のヒートパイプ３６Ｅ、及び第６のヒートパイプ３６Ｆの対を使用して続けられる。ヒートパイプ３６の各対は、前の対よりも約３０°遠方に延び、またヒートパイプ３６の各対の遠位端部セグメント（約３０°のスパン）は、非断熱状態である。ヒートパイプ３６は、このように断熱されて、熱をファンケーシング１０の周辺部の周りで大きな距離にわたって伝達することができるようになる。非断熱セグメントのパターンは、ファンケーシングの実質的に３６０°の範囲にわたって形成される。図４は、単に概略的に示したものであり、また実際の実施においては、各ヒートパイプ３６の非断熱部分は、ファンケーシング１０に直接接触した状態で配置されることになるに注目されたい。言い換えると、ファンケーシング１０の円周方向範囲のあらゆる所定の部分は、ヒートパイプ３６の非断熱セグメントの本質的に１つだけと直接接触した状態になる。

ヒートパイプ３６の数、各ヒートパイプ３６の円周方向範囲、及び非断熱状態になった各ヒートパイプ３６のパーセンテージは、特定の用途に適合するように変化させることができる。例えば、その各々がより大きい非断熱セグメントを有するより少い数のヒートパイプ３６を使用することができ、或いはその各々がより小さい非断熱セグメントを有するより多い数のヒートパイプ３６を使用することもできる。

明瞭化のために図示していないが、熱損失の防止が望ましい場合にはいつでも熱伝達システム内に付加的な断熱材を設けることができる。例えば、断熱材は、熱交換器２８の外表面の周りに配置することができる。

運転中、エンジンの様々な部品から熱を吸収したオイルは、熱交換器２８内に循環され、熱交換器２８において、オイルはヒートパイプ３６の高温又は蒸発器端部４４を加熱する。熱を除去することにより、オイルは許容作動温度まで冷却されて、オイルは、貯蔵タンク３２内に送り込まれ、その後エンジンを通して再循環することができるようになる。ヒートパイプ３６内の作動流体は、その熱を吸収して蒸発する。発生した蒸気は次に、空洞４２を通って移動し、ヒートパイプ３６の低温部分４６において凝縮し、それによって熱を低温部分４６に伝達する。ヒートパイプ３６の一端部から他端部まで延びるウィック又はその他の毛管構造体は、凝縮した液体を毛管作用によって高温部分４４に戻し、それによって回路を完成する。ＯＧＶ１２への熱伝達は、氷の形成を防止（つまり、着氷防止）する及び／又は加熱速度に応じてＯＧＶ１２上に形成された氷を除去（つまり、除氷）するのに有効である。

本明細書に記載した熱伝達システムは、受動的であり、何らの弁も必要とせず、また密封されている。ヒートパイプ３６の数、サイズ及び位置は、必要とされる熱の除去及び伝達を提供するように選択することができる。選択した的確な構成に応じて、システム性能は、着氷防止又は除氷のためにのみに、或いはオイル冷却のためにのみに、或いは両方の目的のために使用することができる。熱伝達システムは、エンジンの１つの部分においては望ましくない熱を利用して、熱を必要とするエンジンの他の部分内でその熱を使用し、先行技術の冷却システムに関連した損失と別個の着氷防止用熱源の必要性との両方を回避する。

本発明の具体的な実施形態について説明してきたが、本発明の技術思想及び技術的範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に対して様々な変更を加えることができることは、当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び本発明を実施するための最良の形態に関する以上の説明は、限定の目的ではなくて説明の目的だけで示したものであり、本発明は特許請求の範囲によって定まる。

本発明の態様により構成された熱伝達システムを含むガスタービンエンジンのファンモジュールの一部分の斜視図（後方から前方を見た）。 図１のファンモジュールの一部分の拡大破断図。 図１のファンモジュールに取り付けられた熱交換器の拡大斜視図。 図１のファンモジュールの周辺部の周りに配置されたヒートパイプの構成を示す概略図。

符号の説明

１０ ファンケーシング
１２ 出口案内ベーン
１４ 根元
１６ 先端
１８ 前縁
２０ 後縁
２２ 対向する側面
２４ 対向する側面
２６ 内側ハウジング
２８ 熱交換器
３０ 排油管
３２ 貯蔵タンク
３４ 給油管
３６ ヒートパイプ
３６Ａ 第１のヒートパイプ
３６Ｂ 第２のヒートパイプ
３６Ｃ 第３のヒートパイプ
３６Ｄ 第４のヒートパイプ
３６Ｅ 第５のヒートパイプ
３６Ｆ 第６のヒートパイプ
３８ 外表面
４０ 外壁
４２ 空洞
４４ 蒸発器端部
４６ 凝縮器端部
Ｃ 垂直方向中心線

Claims (8)

1. その中に配置されたほぼ半径方向に延びるストラット部材の配列を備えた環状のケーシング（１０）を含むタービンエンジンのための熱伝達システムであって、
   複数の弓形のヒートパイプ（３６）を含み、
   各前記ヒートパイプは、前記ケーシング（１０）の外表面（３８）の円周方向部分に熱的に接触した状態で配置された非断熱セグメントを備えかつ熱源に対して熱的に結合され、
   前記熱源からの熱を前記ヒートパイプ及びケーシング（１０）を通して前記ストラット部材に伝達することができるようになっており、
   前記ケーシング（１０）の前記外表面（３８）の各前記円周方向部分は、前記非断熱セグメントの１つのみに熱的に接触するように配置されて円周方向に重複せず、
   各前記ヒートパイプ（３６）は、前記ケーシングの周囲を同じ円周方向に延び、互いに異なる長さを有する
   ことを特徴とする、熱伝達システム。
2. 前記少なくとも１つのヒートパイプ（３６）が、前記ストラット部材の軸方向範囲の前方及び後方限界内に配置される、請求項１記載の熱伝達システム。
3. 各ストラット部材が、間隔を置いて配置された前縁及び後縁間で延びる第１及び第２の側面によって形成された翼形断面を有する案内ベーンである、請求項１記載の熱伝達システム。
4. 各ヒートパイプの少なくとも端部部分（４４）が、それを通して加熱流体の流れを受けるようになった熱交換器（２８）の中空内部内に配置される、請求項１記載の熱伝達システム。
5. 各ヒートパイプ（３６）が、前記熱源に対して熱的に結合された第１の端部（４４）と、前記第１の端部（４４）から遠位にある第２の端部（４６）とを有し、前記非断熱部分（３６Ａ）が該第２の端部に配置されている、請求項１記載の熱伝達システム。
6. 各ヒートパイプ（３６）が、
   熱交換器（２８）に連結された第１の端部（４４）と、
   前記非断熱部分が配置された、前記ヒートパイプ（３６）の遠位端部と、
   前記第１の端部（４４）と前記非断熱部分（３６Ａ）との間に配置された断熱部分（３６Ｂ）と、を含む、
   請求項１記載の熱伝達システム。
7. 前記選択したストラット部材が、金属を含む、請求項１記載の熱伝達システム。
8. 前記ストラット部材が、アルミニウム、鉄、ニッケル又はチタンの合金で構成される、請求項１記載の熱伝達システム。
   

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