JP5227013B2 - ヒートパイプを用いるタービンエンジン用の熱伝達システム - Google Patents

Description

本発明は、タービンエンジンに関し、さらに詳しくは、ガスタービンエンジン内の熱伝達用としてヒートパイプを用いるシステム及び方法に関する。

ガスタービンエンジン、特にハイバイパス型タービンエンジンにおいて、スプリッタノーズとブースタ吸入案内羽根（ＩＧＶ）の先端のように露出した構成部品の先端には、運転中に氷が蓄積される。エンジン内部及び露出したエンジン構造上への氷の蓄積は、問題となる。蓄積された氷は、ファンの流動経路を部分的に遮断することがあり、これによって、ファンを不安定にする。また、蓄積された氷は、例えば、エンジンの連続的な運転や、低出力運転から高出力運転へのスロットルの急激な増加、または乱流や蓄積された氷の非対称性に起因する振動などによって急に落とされる場合がある。

エンジンの運転中に氷の蓄積を制限するために多様な従来の技術における方法、例えば、運転温度を高めてエンジンを稼働させる、エンジンコンプレッサから排出される高温の空気を露出した表面に向ける、運転前に除氷液をエンジンに噴霧する、および電気抵抗を利用した加熱法を用いて表面を加熱するなどのような方法がある。しかし、これらすべての方法は、様々なデメリットがあった。運転温度を上げるシステム及び排出空気を利用するシステムは、エンジンの効率を減少させる。また、このようなシステムは、エンジンを保護するために離陸中に及び他の高出力運転の時には、高温の空気が流動することを遮断するための高コストで高信頼性のバルブを必要とすることがある。排出空気に係わる燃費（ＳＦＣ）のペナルティは、１％まで高くなる。解凍液は、制限された時間のみ保護する。電気加熱法は、氷を除去するために大量の電気を必要としており、更に発電機、電気回路及び航空機内のコンピュータで用いられる複合相互作用論理体系を要することがあって、これによる付加的なコストの増加、重量増加及び効率の面で不利である。
米国特許第６，９９０，７９７号公報 米国特許第６，３０８，５２４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 英国公開特許第２１３６８８０Ａ号公報

前述した従来技術でのデメリットは、少なくともその一部がカウリング構造の内面と接触して配置された少なくとも一つのヒートパイプを備えるタービンエンジン用の熱伝達システムを提供する本発明によって解決される。ヒートパイプは、熱源に熱的に連結されており、これによって熱源からの熱がヒートパイプを通じてカウリング構造に伝達される。

これらの態様によると、本発明は、弓状断面のノーズ部を有する環状カウリング構造を備えたタービンエンジン用の熱伝達システムを提供する。熱伝達システムは、少なくともその一部がカウリング構造の内面と接触して配置された少なくとも一つのヒートパイプを備えている。ヒートパイプは、振動からこのヒートパイプを隔離するためのダンピング部材を含む装着部によって固定されており、ここにおいて、ヒートパイプは、熱源に熱的に連結され、この熱源からの熱がヒートパイプを通じてカウリング構造に伝達される。

本発明の他の態様によると、ガスタービンエンジンは、弓状断面のノーズ部を有する環状カウリング構造と、少なくとも一部がそれぞれカウリング構造の内面に配置され、振動からヒートパイプを隔離するダンピング部材を含む装着部で固定されている複数のヒートパイプと、ヒートパイプに熱的に連結されており、これによって熱源からの熱がヒートパイプを通じてカウリング構造に伝達される熱源を備えている。

図面において同一参照符号は、同一部材を示す。

図面を参照すると、図１は、前方に向けるスプリッタ１２を有する内部ハウジング１０と、半径方向に延在しているファン支柱１６の配列によって内部ハウジング１０に連結されている環状ファンケーシング１４と、コア内部流動経路１８とを備えるガスタービンエンジンのファン部の一部の断面図を示している。スプリッタ１２は、通常“Ｆ”で示すファンを迂回する空気の流動経路と、通常“Ｃ”で示すコアエンジンの空気流動経路を分離する環状構造である。複数の吸入案内羽根（ＩＧＶ）２０は、スプリッタ１２とコア内側流動経路１８との間に延在している。本発明は、弓状“ノーズ”部を有するカウリング構造を備えた他のエンジン構造、例えば、従来のファンカウリングまたはスプリッタを有しない純粋なターボジェットエンジンにも等しく適用できる。本発明で用いられるように、用語の“カウリング構造”とは、通常弓状断面のノーズ部を有する任意の静的環状エンジン構造を指す。

図２に示したように、環状ブースタケーシング２２は、スプリッタ１２の半径方向内面を形成し、且つ回転するブースタブレード（図示せず）を含むように機能している。連続的または不連続的な環状リップ２４は、ブースタケーシング２２と協動してスプリッタ１２の中空先端または“ノーズ”２６を形成している。本発明は、またスプリッタ１２がより多いまたはより少ない構成部品からなる構成にも用いることができる。複数のヒートパイプ２８は、ブースタケーシング２２の周囲に装着されている。それぞれのヒートパイプ２８は、後部３０と、前部３２と、これらの間の遷移部３３とを備えている。フランジ３４でブースタケーシング２２の各部分を共に連結するのに用いられる既存のボルトは、装着部３６の固定にも用いることができ、また弾性ゴム内にヒートパイプ２８を有するこの装着部は、ダンピングを提供している。それぞれのヒートパイプの大部分は、適切な断熱材４０（図２では、一部だけ示す）で覆われていて熱伝達を最小限にしている。各前部３２、または少なくともその一部は、非断熱となっている。この非断熱部は、“冷却端”または“凝縮端”に該当され、対向端部は、“加熱端”または“蒸発端”（図示せず）に該当されている。“加熱端”、“蒸発端”、“冷却端”及び“凝縮端”などの用語は、ヒートパイプ２８に係って用いられる場合に、ヒートパイプ２８の相対的に高温または低温の領域での位置を説明しているだけであって、ヒートパイプ２８そのものの構造の特定の側面には係っていない。

ヒートパイプ２８の前部３２は、外周方向の配列でスプリッタノーズ２６内に配置されている。各前部３２の形状は、通常ブースタケーシング２２の曲線に沿ったアーク状であり且つ通常外周方向に延在している。それぞれの前部３２は、スプリッタノーズ２６内に装着されていて、流動経路面に良好な熱伝導性をなし、それと同時に振動及び破裂を回避している。図３に示した例において、前部３２は、ブースタケーシング２２に溶接、螺合、リベット連結、または他の方法によって取り付けられた一ヶ所以上の曲げられた且つ弾性のあるスプリングクリップ４２で分割リップ２４の内面に保持されている。断熱性を有するダンピング部材４４は、クリップ４２によって支持されているか、またはクリップ４２と前部３２との間に配置されていてもよい。ダンピング部材４４に好適な材料としては、高温シリコーンがある。更には、公知の種類のシリコーンペーストのような熱伝導性サーマルペーストを前部３２と分割リップ２４の内面４６との間に塗布して前方への熱流動を改善し、熱流動が前方に向けられるようにしてもよい。熱損失を最小限にするために前部３２の背面を覆うようにし、分割リップ２４内側に他の断熱材（図示せず）を配置してもよい。

図４に示した他の実施例において、ヒートパイプ２８と同様に、ヒートパイプの前部１３２は、図示したように、例えば、ボルト５０で分割リップ２４に取り付けられた一つ以上のブラケット４８によって分割リップ２４の内面に固定されている。断熱性を有しているダンピング部材５２は、ブラケット４８と前部１３２との間に配置されている。ダンピング部材５２に好適な材料の例としては、高温シリコーンがある。更には、公知の種類のシリコーンペーストのような熱伝導性サーマルペーストを前部１３２と分割リップ２４の内面との間に塗布して前方への熱流動を改善し、熱流動が前方に向けられるようにしてもよい。前部１３２の背面を覆うようにして熱損失を最小化するように分割リップ２４の内側に他の断熱材（図示せず）を配置してもよい。

図５に示した他の実施例において、ヒートパイプ２８と同様に、ヒートパイプの前部２３２は、分割リップ２４の内側に固定された一つ以上の相対的に薄いブラケット５４（例えば、金属板）によって分割リップ２４の内面に固定されている。断熱性を有しているダンピング部材５６は、ブラケット５４と前部２３２との間に配置されている。ダンピング部材５６に好適な材料の例としては、高温シリコーンがある。更には、公知の種類のシリコーンペーストのような熱伝導性サーマルペーストを前部２３２と分割リップ２４の内面との間に塗布して前方への熱流動を改善し、熱流動が前方に向けられるようにしてもよい。熱損失を最小限にするように前部２３２の背面を覆うようにし、分割リップ２４の内側に他の断熱材（図示せず）を配置してもよい。

再び、図２を参照すると、遷移部３３は、通常軸方向に延在しており、さらに後部３０と前部３２を互いに連結している。遷移部の大きさ及び形態は、係わる前部３２の位置によるが、遷移部３３の大部分は、ある程度は、外周方向に延在される。

ヒートパイプ２８の後部３０は、通常外周方向に延在している。これら後部は、適切な位置に装着されている熱交換器（図示せず）まで延在している。熱交換器は、単に内部開放部を有するハウジングであってもよい。エンジンの潤滑システムからのオイルは、適切な配管を通じて熱交換器内に流入され、熱をヒートパイプ２８に伝達し、以後、供給管を通じてエンジンの潤滑システムに向けて逆に流動する。熱交換器に連結されたオイルの貯蔵、循環、及び分配システムは、従来の技術におけるガスタービンエンジンの範囲内に入り、従って、本発明では説明を省略する。必要に応じて、熱交換器は、排気管、電源、またはエンジン内での他の流体システムのような異なる種類の熱源に連結されてもよい。

図３では、円形に示しているが、スプリッタノーズ２６の内側に位置するヒートパイプ２８の部分は、楕円形、平面形、または他の非円形断面形状で形成されて所望の断面領域を合わせて同時にパッケージング体積または熱伝達を改善してもよい。例えば、図４及び５は、断面が略楕円形であるヒートパイプを示している。

それぞれのヒートパイプ２８は、キャビティを共に形成する閉鎖端部を有する細長い外側壁を有している。キャビティには、毛細管構造またはウィック（図示せず）が重なっており、作動流体を保持している。ヒートパイプ内で用いられるものとしては、ガス、水、有機物質、及び低融点金属のような多様な作動流体が知られている。作動流体は、ヒートパイプ２８から漏れたりまたはヒートパイプが破裂する場合に、ファンケーシング１０の領域内に火災を起こさないようにするために不燃性であってもよい。

ヒートパイプ２８は、熱の伝達において極めて効率的である。例えば、ヒートパイプの熱伝導性は、固体銅の熱伝導性に比べてさらに高い。ヒートパイプの個数、長さ、直径、形状、作動流体、及び他の性能関連媒介変数などは、エンジンの運転中の所望の熱伝達水準に基づいて選択される。以下で、さらに詳しくヒートパイプ２８の運転について説明する。

必要に応じて、ヒートパイプ２８、特にヒートパイプの前部３２のは、これらヒートパイプの個別的な方向に好適に変形してもよい。例えば、実質的に水平である前部３２を有するヒートパイプ２８、または上向きに延在する垂直前部３２を有するヒートパイプ２８は、下向きに延在する前部３２を有するヒートパイプ２８とは別に、適切な凝縮物が確実に戻るように一層強い毛細管作用を提供するデザインであってもよい。

運転において、エンジンの多様な部分からの熱を吸収したオイルは、ヒートパイプ２８の高温端または蒸発端を加熱する熱交換器内に循環される。ヒートパイプ２８内の作動流体は、熱を吸収して蒸発する。その後、生成された蒸気は、キャビティを通って移動しつつ、ヒートパイプ２８の冷却部または冷却端で凝縮され、それによって熱を冷却部または冷却端に伝達する。ヒートパイプ２８の一端部から他端部に延在するウィックまたは他の毛細管構造は、毛細管作用によって凝縮された液体を高温部または高温端に伝送し、それによって回路が完成する。結果的に発生したスプリッタ１２への熱伝達は、加熱速度によって効果的にスプリッタ１２上での氷の形成を防止（すなわち、結氷防止）及び／またはスプリッタ上に形成された氷を除去（除氷）する。

本明細書で説明した熱伝達システムは、受動型であり、バルブが必要なく封止されている。ヒートパイプ２８の個数、大きさ、及び位置は、熱の除去及び伝達を提供するように必要に応じて選択できる。選択した構成によって、本発明のシステムは、結氷防止用にまたは除氷用のみに用いてもよい。本発明の熱伝達システムは、エンジンのある部分では不要である熱を用いてエンジンの他の部分で用いることによって、従来の技術における冷却システムに係わる損失及び別途の結氷防止用熱源に対する必要性の両方を回避する。

本発明の具体的な実施例について説明したが、本技術分野における通常の知識を有する者であれば、本発明の精神及び範囲から離脱せずに本発明について多様な変形を加えることができる。従って、本発明の好ましい実施例についての前述した説明及び本発明を実施するための最良の態様は、特許請求の範囲によって形成される本発明を例示するに過ぎず、制限するのではない。

本発明は、添付した図面に基づいて容易に理解することができる。

本発明の態様によって構成された熱伝達システムを備えるガスタービンエンジンのファンモジュールの一部を示す概略的な断面図。 図１に示したスプリッタの斜視図。 ヒートパイプが組み込まれた図２のスプリッタの断面図。 ヒートパイプの他の装着方法を示したスプリッタの断面図。 ヒートパイプが組み込まれた他の装着方法を示したスプリッタの断面図。

符号の説明

１０ 内部ハウジング
１２ スプリッタ
１４ 環状ファンケーシング
１６ ファン支柱
１８ コア内部流動経路
２０ 吸入案内羽根（ＩＧＶ）
２２ 環状ブースタケーシング
２４ 環状リップ
２６ スプリッタの中空先端（ノーズ）
２８ ヒートパイプ
３０ 後部
３２ 前部
３３ 遷移部
３４ フランジ
３６ 装着部
４０ 断熱材
４２ スプリングクリップ
４４ ダンピング部材
４６ スプリッタの内面
４８ ブラケット
５０ ボルト
５２ ダンピング部材
５４ ブラケット
５６ ダンピング部材
１３２ ヒートパイプの前部
２３２ ヒートパイプの前部

Claims (8)

1. 弓状断面のノーズ部（２６）を有する環状カウリング構造（１２）を備えたタービンエンジン用の熱伝達システムであって、
   少なくともその一部が前記カウリング構造（１２）の内面（１０）と接触して配置された複数のヒートパイプ（２８）を含み、
   前記複数のヒートパイプのそれぞれは、前記環状カウリング構造（１２）内に配置された外周方向に延在する前部（３２）と、外周方向に延在する後部（３０）と、前記前部（３２）と前記後部（３０）を互いに連結する遷移部（３３）とを備え、
   前記後部と前記遷移部は断熱材で覆われ、前記前部は非断熱であり、
   前記複数のヒートパイプ（２８）のそれぞれの前記前部は、振動から前記ヒートパイプ（２８）を隔離するダンピング部材を含む装着構造によって固定されており、
   前記ヒートパイプ（２８）は、熱源に熱的に連結され、前記熱源からの熱が前記ヒートパイプ（２８）を通じて前記カウリング構造（１２）に伝達できることを特徴とするタービンエンジン用の熱伝達システム。
2. 前記カウリング構造（１２）は、
   環状ケーシング（２２）、及び
   前記ケーシング（２２）の前端部に配置されて前記ケーシング（２２）と協動してスプリッタノーズ（２６）を形成する弓状断面形状を有する分割リップ（２４）を有することを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
3. 前記装着構造は、前記スプリッタノーズに取り付けられて前記スプリッタノーズの内面（１０）に前記ヒートパイプ（２８）を固定する少なくとも一つのブラケット（４８）を備えており、前記ブラケット（４８）は、前記ヒートパイプ（２８）と接触する前記ダンピング部材を有することを特徴とする請求項２に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
4. 前記カウリング構造（１２）の内面（１０）とヒートパイプ（２８）との間に配置された熱伝導性ペーストをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
5. 複数のヒートパイプ（２８）が、前記カウリング構造（１２）の内側と接触して配置されており、それぞれのヒートパイプ（２８）は、前記熱源と熱的に連結されていることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
6. 前記少なくとも一つのヒートパイプ（２８）は、
   前記熱源に連結された第１端部と、
   前記ヒートパイプ（２８）の遠心端に配置されている非断熱部と、
   前記第１端部と前記非断熱部との間に配置されている断熱部とを備えていることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
7. 前記熱伝達システムは、前記カウリング構造（１２）上の氷形成防止及び前記カウリング構造（１２）上に形成された除氷の中で少なくとも一つを促進させることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
8. 前記熱源は、前記タービンエンジンからのエンジンオイルであることを特徴とする請求項１に記載のタービンエンジン用の熱伝達システム。
   
   

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