JP5233037B2 - ガスタービンの空気取入口を除氷するための装置 - Google Patents

Description

本発明は、航空機および工業用の内燃機関の分野に関し、特に、ヘリコプタに取り付けられるタービンエンジンなどの航空機ガスタービンの分野に関するが、これに限られるわけではない。

より詳細には、本発明は、例えば、空気吸入口を含み、空気吸入口で、特に、上記空気取吸入口に配置されて異物がエンジン内に侵入するのを防ぐ機能を有する保護グリッド上で氷が形成され得る条件下で使用されるガスタービンなどの内燃機関に関する。

特定の気象条件下では、堆積した氷がガスタービンの空気取入口を部分的に塞いでしまうほどの量の氷がガスタービンの空気取入口に形成され、ガスタービンが全体的に、または部分的に損傷する恐れがあることが知られている。

ヘリコプタに関しては、この着氷現象は、特にヘリコプタが高湿度の冷たい大気中で、例えば、山越え、またはひらけた水面近くで操縦している時に発生する可能性がある。

着氷の危険性があれば、動力が損失する危険性または飛行中にエンジンが停止する危険性を避けるために飛行機を地上にとどまらせることになることは容易に理解できる。

したがって、本発明は、例えば、ヘリコプタのタービンエンジンの部分を形成するガスタービンなどの内燃機関の空気吸入口を除氷するための除氷装置に関する。

すでに知られている除氷装置の中でも、氷を溶かすためにガスタービンの圧縮段の出口から取り込まれる圧縮空気を使用する除氷装置について述べる。

そのような除氷装置において、除氷される必要のあるエンジンの領域、例えば、エンジンの空気吸入ダクトなどの固定部材、または通常はヒンジが取り付けられ、圧縮機ホイールのすぐ上流側に配置される予旋回ブレードなどの実際に可動する部材を加熱するために、加圧空気が圧縮段の出口から空気吸入口に取り込まれる。そのような除氷装置の主な欠点は、上記装置がガスタービンなどのエンジンの熱力学サイクルにより必要とされるエネルギーのうちかなりの割合を取り出すので、特に大量のエネルギーを消費し、エンジンの全体効率やそこから得られる動力の最大レベルを低下させてしまう点である。加熱動作は影響を受ける領域で空気が膨張した結果、望ましくない冷却を伴うため、このエネルギー取り出しの構造もあまり効率的とは言えない。

エンジンがガスタービンである場合、別の欠点は、ガスタービンがアイドリング中には除氷ができない点である。これは、除氷を実施可能にする圧力、温度、流量の十分な空気を、圧縮が吐出しないためである。したがって、このような条件では、着陸準備のアプローチ段階および着陸段階自体での除氷操作は効率が悪いことは理解できる。

本発明の目的は、上述の欠点を改善し、エネルギーをほとんど消費せず、タービンがアイドリング中であっても、または完全に停止している時にも作動可能である除氷装置を提供することである。

本発明は、本発明の除氷装置が上記エンジンに空気を入れるための本質的に金属性のエンクロージャを備え、上記エンクロージャは空気をエンクロージャに入れるための第１の開口部を有し、上記第１の開口部は本質的に金属性の第１のグリッドを備え、エンクロージャはさらにエンジンの吸入口の方に空気を向けるための第２の開口部を含み、上記装置はさらにエンクロージャ内で氷を溶かすのに最適な周波数の電磁波を発生させるための電磁波発生手段を含むことで、上述の目的を達成する。

好ましくは、エンジンはガスタービンであり、エンジン吸入口はガスタービンの圧縮段の吸入口で構成される。

本発明によれば、発生される電磁波はエンクロージャに送られて、氷を構成する水分子を励起させて氷の温度を上昇させ氷を溶かすことによりエンクロージャ内または第１のグリッド上にある氷を溶かす。

さらに、本質的に金属性の第１のグリッドに付着した氷も本質的に金属性のグリッドにより加熱される。これは、グリッドの温度が電磁波と本質的に金属性質の第１のグリッドとの間で発生する相互作用により上昇するためである。

用語「本質的に金属性」は、本発明の意味では、当該部品、特に、エンクロージャまたは第１のグリッドは複合材料などの絶縁材製であってもよいが、当該部品は金属ベースの表面被覆を有することを指定するために使用される。

これらの部品、すなわちエンクロージャおよびグリッドは、共に一様十分に金属材料製であるか、本質的に金属性を持つ材料としてもよい。

有利には、このような部品は装置の重量を低減し、同時にその性能を改善することができる。

表面被覆を構成する材料によって、エンクロージャの壁上、または少なくとも第１のグリッド上で、望まれる効果に応じて、反射するゾーン、吸収するゾーン、または部分的に反射し部分的に吸収するゾーンを画定することができる。

吸収材料の使用は、電磁エネルギーの吸収によって高温の壁の形成に寄与し、逆に、金などの電磁エネルギーを反射する材料の使用は、低温の壁の形成に寄与する。

電磁波の吸収および電流の誘導の両方を可能にする材料を選択することも可能である。この材料の特性は、そのような氷の形成を避けるために氷が形成されやすい壁の温度を上昇させる固有の利点を呈する。

吸収材料により吸収される電磁波による熱効果の結果および／または電磁波により励起された氷の水分子により、氷が溶け得るということになる。これらの電磁波は反射壁により反射され、および／またエバネッセント波で構成される。

したがって、本発明により、有利には予旋回ブレードの加熱を省くことが可能であり、これらのブレード用の特定の除氷装置を設ける必要がなくなり、エンジンの設計を簡略化することができる。

有利には、電磁波の周波数は水分子の共振周波数にほぼ等しい。

したがって、好ましくは電磁波はマイクロ波である。

マイクロ波は水分子の共振周波数にほぼ等しいので、氷を構成する水分子は振動して共振状態になり、マイクロ波により送達されたエネルギーのかなりの割合を吸収し、その結果、水分子の温度は少なくともその溶融温度の高さまで上昇し、氷を溶かす。

本発明により、空気吸入口を通る空気の量を加熱しなくても氷が溶ける。

好ましくは、発生される電磁波の周波数は、２．４５ギガヘルツ（ＧＨｚ）にほぼ等しい。

これは、加圧空気がガスタービンに流入する空気流を加熱する先行技術の装置に比べて、かなりのエネルギー節約になる。

さらに、本質的に金属性の第１のグリッドは、有利には除氷電磁シールドを形成し、同時に空気吸入口を通過する空気を濾過する。

したがって、マイクロ波は、本質的に金属性の第１のグリッド上に形成する恐れのある氷を溶かすのに最も有利に働く。

したがって本質的に金属性の第１のグリッドは、有利には電磁波の一部を反射し、このことによりエンクロージャ内に閉じ込められる電磁放射を発生させる。

言い換えれば、第１のグリッドの表面に付着した氷は、グリッドのメッシュを構成するストランドの表面で発生する電流により発せられた熱、グリッドの材料のグリッドにより吸収される電磁波エネルギー、グリッドの各ストランドからの放射により送達される電磁波エネルギー、およびグリッドの孔により放出される電磁波エネルギーにより一斉に加熱される。

この実施形態では、第１のグリッドとエンジンの空気吸入口、好ましくはガスタービンの圧縮段の空気吸入口との間に画定されたスペースは、内部をマイクロ波が伝播する閉じ込めゾーンを構成する。

好ましくは、必ずしもとは限らないが、マイクロ波を発生するための手段はさらに電磁波攪拌装置を含む。しかしながら、この時に、電磁波攪拌装置の機能がガスタービンの圧縮段の可動要素により果たせられれば、このような攪拌装置を省くことは可能である。可動要素はエンクロージャ内で電磁波を均一に分配する働きをする。別の有利な変形形態では、電磁波攪拌装置は、優先的に除氷を行うのが望まれる１つ以上のゾーンに電磁波を集中するために省かれている。

有利には、マイクロ波を発生するための手段は少なくとも１つのマグネトロン、クライストロン、またはこの機能を実行できる任意のタイプの器具を備え、装置は好ましくは導波管を介してエンクロージャに接続され、好ましくは導波管は単一の出口を介してエンクロージャに向かって開口する。

有利な変形形態では、導波管は環状形状のエンクロージャ内でマイクロ波を周方向に分配できるように環状形状である。

好ましくは、導波管の両端部のうち一方はさらに、異物が導波管に沿ってマグネトロンに入り込みマグネトロンの動作を妨げるのを防ぐように、マイクロ波透過性のプレート、好ましくは非磁性プレートを含む。

特に有利な変形形態では、第２の開口部は、好ましくはエンジンの圧縮段に対する電磁シールドとして機能すると同時に、エンジン内に侵入する空気の第２の濾過を行う本質的に金属性の第２のグリッドを備える。

この変形形態では、本質的に金属性の第１のグリッドと第２のグリッドとの間に画定されたスペースは有利にはマイクロ波が伝播することができる閉じ込めゾーンを形成する。

好ましくは、第２のグリッドはエンジンの圧縮段の軸を中心として環状に延びるように構成されるが、これに限られるわけではない。

好ましくは、エンクロージャはプレナムを形成する。

本発明の意味では、用語「プレナム」とは、Ｕ字型の外壁を有するハウジングとして理解される。上記ハウジングは、圧縮段のシャフトを中心として環状に配置する半径方向の空気吸入口を有する。

このことは、エンジンへの空気吸入口が環状である場合に特に有利であり、プレナムが流入空気ストリームを圧縮段の軸方向の吸入口へと案内する働きをする。

この変形形態では、プレナムはマイクロ波閉じ込めゾーンの一部を構成する。

ほとんどエネルギーを消費しないため有利である別の変形形態では、エンクロージャは各々のエッジで互いに取り付けられた第１のグリッドと第２のグリッドで構成され、エンクロージャは各々のエッジで接触する上記両グリッドで画定される。

本発明はさらに、本発明の除氷装置を含む空気吸入口を有するヘリコプタのタービンエンジンを提供する。

有利には、本発明の除氷装置はタービンエンジンの圧縮段から上流側に配置される。

以下の非限定的な例を挙げた実施形態の説明を読めば、本発明をより理解でき、本発明の利点がより明らかになる。以下の説明は１枚の添付図面を参照したものである。図面は、本発明の除氷装置を設けた空気吸入口を有するヘリコプタのタービンエンジンの断面図である。

上述したように、本発明は、任意のタイプの燃焼機関、特に、航空機のタービンエンジンのガスタービンや工業用タービンで使用することができる。

ヘリコプタタービンエンジン１０で構成される、ガス発生器１２およびフリータービン１４を備える内燃機関の部分断面図である。

ガス発生器１２は、圧縮段２０内部で遠心圧縮機ホイール１８が装着されたシャフト１６を有し、シャフト１６はタービンホイール２２も担持する。

知られている形で、タービンエンジンは空気吸入口２４を有し、その吸入口を通って外気の流入ストリームが圧縮段２０の方に向かって案内される。その後、圧縮された空気は、燃焼チャンバ２６へ送られる。

タービンエンジンの空気吸入口２４は複数のダクト２８を有し、外気の流入ストリームは各ダクト内に半径方向に侵入し、その後軸方向に圧縮段に流入するように案内される。

図面で示されたタービンエンジン１０は、タービンエンジンの空気吸入口２４を除氷する働きをする本発明の除氷装置５０を備える。

本発明によれば、除氷装置５０は、タービンエンジン１０の吸入ダクト２８に空気を入れるための本質的に金属性のエンクロージャ５２を備える。

好ましくは、エンクロージャはヘリコプタのケーシング３０に取り付けられる。

この実施例では、エンクロージャは、ガス発生器１２のシャフト１６の軸とほぼ一致する軸で、高さが少なくともダクト２８の軸方向の長さであるプレナム５２を形成する。

プレナム５２は、第１の半径方向の開口部５４を形成する一端部がタービンエンジン１０の外側に開口して半径方向に延びる部分を含む。その第１の半径方向の開口部５４を通って、外気が除氷装置５０内に流入する。

図面からわかるように、第１の開口部５４は、有利には、特にエンクロージャ５２内に流入する空気を濾過する働きの本質的に金属性の第１のグリッド５６を備える。

エンクロージャ５２はさらに、ダクト２８を介して外気を圧縮段２０の方に向けるための第２の開口部５８を含む。この実施例の第２の開口部５８は、ガス発生器１２のシャフト１６の軸を中心として環状に延びる。

図１に示された有利な変形形態では、第２の開口部５８は、同じように環状である本質的に金属性の第２のグリッド６０を備える。

以下で説明するように、本発明の除氷装置５０は、第２のグリッド６０が存在しないで動作可能である。

タービンエンジン１０の安全性をさらに改善するために、グリッド５６および６０は軸方向断面がキノコの頭の形状を呈するように規定することができる。これにより、電磁波発生器が停止した場合に半径方向の端部が氷で塞がってしまっても、空気が各々のグリッドの軸方向のエッジを通って侵入できる。

本発明によれば、除氷装置５０はさらに、本質的に金属性のエンクロージャ５２内に、より詳細には、本質的に金属性の第１のグリッドおよび第２のグリッドで画定されるスペースＡ内でマイクロ波を発生させるための手段６２を含む。

上記手段は、好ましくは導波管６４を設けたマグネトロン６２を備える。

本発明によれば、発生されるマイクロ波の周波数は水分子の共振周波数、つまり約２．４５ＧＨｚにほぼ等しい。

したがって、このスペースＡは、マイクロ波の閉じ込めゾーンを構成する。すなわち、マイクロ波はスペースＡのエッジで反射される。

タービンエンジン１０が着氷状態で動作している時、氷はゾーンＡで形成される傾向があることがわかっている。

氷が形成される範囲は、第１のグリッド５６上では大きく、第２のグリッド６０上ではそれより小さいことがわかる。

本発明によれば、スペースＡで発生されたマイクロ波は氷を構成する水分子を励起させ、その後、水分子が共振状態になる。このことが水分子をその溶融温度より高い温度まで加熱する効果があり、その結果氷が溶けることになる。

さらに、第１のグリッド５６および第２のグリッド６０が本質的に金属性であるため、マイクロ波はグリッドのメッシュにおける電磁波の種々の相互作用、特に、氷に電磁波を向け直す結果となる放射を引き起こす。さらに、グリッドのメッシュおよび／または上記グリッドを構成する材料における電磁波の相互作用、例えば、グリッド５６および６０のメッシュにおいて吸収される電磁波エネルギーおよび／またはメッシュ内を流れる誘導電流の発生は、メッシュの温度を上昇させる結果となり、その結果として、有利には、氷が第１のグリッド５６および第２のグリッド６０上で形成されるのを防ぎ、あるいは上記メッシュに付着する氷を溶かすことになる。本発明の主な利点は、スペースＡを通過する空気流全体を加熱する必要がなく、またこの空気流に曝される領域全体を加熱する必要もない点である。この加熱は、本発明のマグネトロン６２で供給されるよりもより多くのエネルギーを必要としてしまうためである。

マグネトロンは、圧縮段の出口からの圧縮空気を使用する場合と比べて、低いレベルのエントロピーを有するエネルギー源である。

本発明の別の利点は、従来から使用されているグリッドのメッシュよりも細かいメッシュのグリッドを使用できるようにすることで、流入する空気をより十分に濾過できる点である。従来は、小さいサイズのメッシュにすることが不可能であった。これは、グリッドが氷で塞がれる危険性が高く、当然、メッシュが小さいほど、対応してより速く塞がれるためである。

したがって、本発明を使用して、エンジンが停止している時またはアイドリング中の時でもタービンエンジン１０の空気吸入口２４を除氷することが可能であるが、従来技術の装置では、停止している時の除氷は手動で行う必要がある。

任意で、除氷装置が正常に動作しない場合にプラズマが形成される可能性から圧縮段を保護するために放電アンテナ（図示せず）を使用するのが有利である。特定の条件下では、圧縮機のブレードは、その基部と先端との間で電場が形成される可能性があるのでアンテナのように機能し、このことにより空気をイオン化して、したがってブレードの端部を損傷する恐れのあるプラズマを発生させる場合がある。

有利な変形形態では、流入空気の温度を測定するための温度プローブが放電アンテナとして機能する。

有利な変形形態では、除氷装置５０はさらに、除氷の要件に応じてその電力消費をサーボ機構で制御するようにマグネトロン６２を調整するためのシステムを含む。

別の実施形態では、本発明の除氷装置は、本質的に金属性の第２のグリッドを備えない。

このような条件では、マイクロ波閉じ込めゾーンは、本質的に金属性の第１のグリッド５６とタービンホイール１８、または圧縮段２０内に位置し、電磁シールドとして機能するのに最適な任意の他の要素との間で画定される。

さらに、タービンエンジン１０はさらに、ダクト２８の下流端部の圧縮機ホイール１８から上流側に配置されたすでに知られている予旋回ブレード７０、７２を含む。

知られている形で、これらの予旋回ブレードは、流入する空気のストリームを圧縮機ホイール１８へと向ける働きをする。

本発明の有利な態様によれば、予旋回ブレードおよびそれらのヒンジは、マイクロ波の影響を受ける容積や領域を増大するように本質的に電磁波透過性の材料製である。

用語「本質的に透過性」は、本発明の意味では、当該部品、特に予旋回ブレードおよびそれらのヒンジが、金属ベースの表面被覆などの反射金属部を含む複合材料などのマイクロ波透過性材料からなり得ることを示すのに使用されている。

したがって、本発明の利点は、通常、一部のタービンエンジンで見られるような内部通気に依存する特定の除氷装置を使用しなくても、予旋回ブレードを除氷可能である点である。

したがって、有利には、本発明を使用して、タービンエンジンの圧縮段の設計を簡略化すると同時に、氷の形成を防ぐことも可能である。

Claims (10)

1. ヘリコプタのタービンエンジンの部分を形成するガスタービン（１０）の空気吸入口（２４）を除氷するための除氷装置（５０）であって、装置が空気（２４）を前記エンジンに入れるための本質的に金属性のエンクロージャ（５２）を備え、前記エンクロージャが空気をエンクロージャ（２４）に入れるための第１の開口部（５４）を有し、前記第１の開口部（５４）が本質的に金属性の第１のグリッド（５６）を備え、エンクロージャがさらに空気をガスタービン（１０）の吸入口の方に向けるための第２の開口部（５８）を含み、前記装置がさらにエンクロージャ内で氷を溶かすのに適した周波数の電磁波を発生させるための電磁波発生器手段（６２、６４）を含み、
   第２の開口部（５８）が、本質的に金属性の第２のグリッド（６０）を備え、
   第１および第２のグリッド（５６、６０）が、除氷電磁シールドを形成することを特徴とする、除氷装置。
2. 電磁波の周波数が、水分子の共振周波数にほぼ等しいことを特徴とする、請求項１に記載の除氷装置。
3. 電磁波発生器手段が、マグネトロン（６２）を備えることを特徴とする、請求項１または２に記載の除氷装置。
4. 前記電磁波発生器手段が、電磁波発生器手段（６２）をエンクロージャ（５２）に接続する導波管（６４）をさらに含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の除氷装置。
5. エンクロージャ（５２）、第１のグリッド（５６）、および／または第２グリッド（６０）が、本質的に金属性の材料の層で被覆された材料からなることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の除氷装置。
6. エンクロージャ（５２）が、プレナムを形成することを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の除氷装置。
7. エンクロージャ（５２）が、電磁波の閉じ込めゾーンを構成することを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の除氷装置。
8. 除氷装置が、少なくとも１つの放電アンテナを含むことを特徴とする、請求項１から７のいずれか一項に記載の除氷装置。
9. 空気吸入口を備え、請求項１から８のいずれか一項に記載の除氷装置（５０）を含むことを特徴とする、ヘリコプタタービンエンジン（１０）。
10. 圧縮機ホイールから上流側に配置された予旋回ブレードをさらに含み、前記ブレードが本質的に電磁波透過性の材料からなることを特徴とする、請求項９に記載のヘリコプタタービンエンジン。

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