説明

タービンエンジン内で流体を冷却するための方法及びシステム

【課題】タービンエンジン(10)用の熱交換器(100)を提供する。
【解決手段】本熱交換器は、入口(102)及び出口(104)と、入口及び出口間で延びる曲線本体(105)とを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれた空気流(112)の圧力損失を減少させるように構成される。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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、タービンエンジン内で流体を冷却するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【0002】
少なくとも幾つかの公知のタービンエンジンは、熱交換器を使用して、エンジン作動時に使用するオイルを冷却している。具体的には、エンジン又はその発電機からのオイルは、熱交換器のエレメントを通して送られ、またタービンファンからの空気は、熱交換器エレメントを通過して送られてオイルを冷却する。一般に、公知の熱交換器は、ディフューザを含む入口プレナムと、熱交換器エレメントを含む熱交換器ブロックと、複数の通路を含み、それら複数の通路が弁制御装置を備えることができる出口プレナムとを含む。作動時に、ファン空気は、入口プレナム内に送り込まれ、熱交換器ブロックを通って送られた後に、出口プレナムを通して吐出される。熱交換器エレメントを通って流れるオイルは、ファン空気によって冷却される。少なくとも幾つかの公知の航空機用タービンエンジンでは、熱交換器の入口プレナムは、ファンから吐出された高圧空気を受けるように配置され、また出口プレナムは、高圧空気を機外に排出するのを可能にするように配置される。他の公知の航空機用タービンエンジンでは、入口及び出口プレナムは両方共、エンジンケーシングに結合されて、ファンから吐出された高圧空気は熱交換器を通して送られた後にファン空気内又はエンジン室上に吐出されるようになっている。
【0003】
公知のように、熱交換器の熱伝達能力は、高い熱伝達係数を有する領域において最大であり、この領域は、一般に熱交換器の内壁に沿って形成された局所的な高い静圧領域と大幅に重なり合っている。しかしながら、熱交換器内を通過する流れの全圧は、入口及び出口プレナムによって生じる抗力により、また熱交換器エレメント間に形成された通路により低下する可能性がある。従って、熱交換器内では、高い熱伝達能力区域は、利用することができず、従って熱伝達量が低下するおそれがある。
【特許文献1】米国特許第7,213,391号公報
【特許文献2】米国特許第6,931,834号公報
【特許文献3】米国特許第6,584,778号公報
【特許文献4】米国特許第6,557,337号公報
【特許文献5】米国特許第6,546,736号公報
【特許文献6】米国特許第6,295,803号公報
【特許文献7】米国特許第5,918,458号公報
【特許文献8】米国特許第5,438,823号公報
【特許文献9】米国特許第5,392,614号公報
【特許文献10】米国特許第5,305,616号公報
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【0004】
1つの実施形態では、タービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、曲線本体を有する熱交換器を準備するステップを含む。本方法はまた、熱交換器を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1つに結合するステップを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれる空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。
【0005】
別の実施形態では、タービンエンジン用の熱交換器を提供する。本熱交換器は、入口と、出口と、入口及び出口間で延びる曲線本体とを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれた空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。
【0006】
さらに別の実施形態では、タービンエンジンを提供される。本タービンエンジンは、エンジンケーシングと、エンジンケーシングに結合されかつ該エンジンケーシングの半径方向外側に配置されたファンケーシングとを含む。本タービンエンジンはまた、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1つに結合されるように構成された熱交換器を含む。熱交換器は、入口と、出口と、入口及び出口間で延びる曲線本体とを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれた空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。
【発明を実施するための最良の形態】
【0007】
本発明は、タービンエンジン用の熱交換器を提供し、本熱交換器は、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1つに結合される。この例示的な実施形態では、熱交換器は、曲線本体を含む。1つの実施形態では、熱交換器の入口は、内側ファンケーシングに対して結合され、また熱交換器の出口は、内側ファンケーシングの半径方向外側に設けられた外側ファンケーシングに対して結合される。別の実施形態では、熱交換器入口及び出口は、エンジンケーシングに対して結合される。
【0008】
本発明は、高バイパス式タービンエンジン内で使用する熱交換器に関連して説明するが、当業者には解るように、本発明は高バイパス式タービンエンジンでの使用に限定さるものではないことに注目されたい。むしろ、本発明は、熱交換器を必要とするあらゆるエンジン及び/又は装置で使用することができる。簡単にするために、本明細書では、熱交換器を通って流れるオイルを冷却することに関連して本発明を説明する。しかしながら、当業者には分かるように、本発明は、オイルを冷却することに限定されるものではなく、むしろ本発明は、あらゆる流体を冷却するために使用することができる。
【0009】
図1は、ファン組立体12とコアエンジン13とを含む例示的なガスタービンエンジン10の概略図であり、コアエンジン13は、高圧圧縮機14、燃焼器16及び高圧タービン18を含む。この例示的な実施形態では、エンジン10はまた、低圧タービン20及びブースタ22を含む。ファン組立体12は、ロータディスク26から半径方向外向きに延びるファンブレード24の列を含む。エンジン10は、吸気側28及び排気側30を有する。ファン組立体12及びタービン20は、第1のロータシャフト31によって結合され、また圧縮機14及びタービン18は、第2のロータシャフト32によって結合される。ファンケーシング50は、ファン組立体12の半径方向外側に結合され、かつ該ファン組立体12の周りで円周方向に延びる。ファンケーシング50は、半径方向内側ファンケーシング52と半径方向外側ファンケーシング54とを含む。さらに、エンジンケーシング56は、コアエンジン13に結合され、かつ該コアエンジン13の周りで円周方向に延びる。
【0010】
作動時に、空気は、中心軸線34に沿ってファン組立体12を通って流れ、加圧された空気が高圧圧縮機14に供給される。高度に加圧された空気が、燃焼器16に送給される。燃焼器16からの空気流(図1には図示せず)は、タービン18及び20を駆動し、タービン20は、シャフト31によってファン組立体12を駆動する。
【0011】
図2は、内側ファンケーシング52と外側ファンケーシング54との間に結合された例示的な熱交換器100を含むガスタービンエンジン10の概略図である。図3は、図2に示す熱交換器の実施形態の拡大概略図である。図4は、図2に示す熱交換器の別の実施形態の拡大概略図である。
【0012】
この例示的な実施形態では、熱交換器100は、入口102と、出口104と、入口102及び出口104間で延びる曲線本体105とを含む。具体的には、曲線本体105は、少なくとも1つの湾曲部分106が曲線本体105内に形成されるように入口102と出口104との間で延びる。図3に示す実施形態では、また他の公知の熱交換器とは異なり、入口102は、入口プレナムがない状態で内側ファンケーシング52に直接結合され、また出口104は、出口プレナムがない状態で外側ファンケーシング54に直接結合される。図4に示す実施形態では、また他の公知の熱交換器とは異なり、入口102は、入口プレナムがない状態で内側ファンケーシング52に直接結合され、また出口104は、外側ファンケーシング54に結合された曲線出口プレナム107に結合される。この例示的な実施形態では、入口プレナム及び/又は出口プレナムがない状態で熱交換器100を製作することにより、他の公知の熱交換器の場合にそうであるようにはエンジン10に大きな重量を加えずに、エンジン10に対して熱交換器100を結合することが可能になる。さらに、入口プレナム及び/又は出口プレナムがない状態で熱交換器100を製作することにより、熱交換器100内で抗力が発生するが、同時に熱交換器100内で熱を交換することが可能になる。
【0013】
当業者には分かるように、熱交換器100の利点の多くは、曲線本体105によるものである。従って、1つの実施形態では、熱交換器100は、本明細書に記載した利点の多くを維持しながら、入口プレナム及び出口プレナムの両方を備えるように製作することができる。具体的には、1つの実施形態では、熱交換器100は、当業者には公知の方法を用いて入口プレナム及び出口プレナムを有するように製作することができる。
【0014】
複数の曲線熱交換器エレメント108が、曲線本体105を貫通して延びる。より具体的には、熱交換器エレメント108は各々、入口102から出口104まで延び、従って複数の通路110が隣接する熱交換器エレメント108の対間に形成される。1つの実施形態では、熱交換器エレメント108及び通路110は各々、曲線本体105の曲線形状と実質的に同様な曲線形状が有するように形成される。別の実施形態では、各熱交換器エレメント108の寸法、配向及び相対位置の少なくとも1つは可変である。さらに、各実施形態では、熱交換器100は、公知の熱交換器よりも小さいボリュームを有しており、従って隣接する熱交換器エレメント108の対は、公知の熱交換器におけるよりも互いに近接して配置される。従って、通路110は、公知の熱交換器におけるよりも狭い。
【0015】
この例示的な実施形態では、作動時に、エンジン10からのオイルは、熱交換器エレメント108を通して送られ、またファン組立体12から吐出された空気流112は、熱交換器100を通して送られる。別の実施形態では、空気流112は、機外又は周囲空気である。公知の熱交換器とは異なり、空気流112は、入口プレナム又はディフューザを通過せずに熱交換器100内に直接送り込まれる。この例示的な実施形態では、空気流112は、入口102内に直接送り込まれまた通路110を通して送られて、オイルと空気流112との間の熱交換を可能にする。具体的には、オイルは、空気流112が通路110を通ってかつ熱交換器エレメント108を通過して流れる時に冷却されることが可能になる。図3に示す実施形態では、使用済み空気流112は、熱交換器100から出口プレナムを通過せずに出口104を通して吐出される。使用済み空気流は、エンジン10の外部の区域114に吐出される。図4に示す実施形態では、空気流112は、出口プレナム107を通して区域114に吐出される。
【0016】
この例示的な実施形態では、空気流112が熱交換器100を通して送られる時に、通路110は、空気流112とオイルとの間の熱交換量を増大させるのを可能にする。具体的には、通路110は狭く、従って、公知の熱交換器におけるよりも少量である熱交換のための空気流を必要としながら熱交換器エレメント108と空気流112との間のより大きな量の接触を可能にする。さらに、熱交換器100の曲線形状は、空気流112が湾曲した通路110内を流れ、それによって空気流112と熱交換器エレメント108との間の接触をさらに増大させることを可能にする。加えて、空気流112は、熱交換器100内に送り込まれる時に拡散される又は入口プレナムを通して送られることはない。従って、熱交換器100内における空気流112の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失を減少させることが可能になる。具体的には、1つの実施形態では、空気流112の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失は、20%ほども減少させることが可能になる。
【0017】
従って、上に述べた理由により、熱交換器100は、エンジン10の効率を改善し、それによってエンジン10を保守することに関連する時間及び/又はコストを低減するのを可能にする。
【0018】
図5は、コアエンジンケーシング56に結合された例示的な熱交換器200を含むガスタービンエンジン10の概略図である。図6は、熱交換器200の拡大概略図である。この例示的な実施形態では、熱交換器200は、エンジンケーシング56と該エンジンケーシング56に対して該熱交換器200を保持する取付け装置201との間に結合される。
【0019】
この例示的な実施形態では、熱交換器200は、入口202と、出口204と、入口202及び出口204間で延びる曲線本体206とを含む。具体的には、曲線本体206は、該曲線本体206内に少なくとも1つの湾曲部分207が形成されるように入口202と出口204との間で延びる。この例示的な実施形態では、また他の公知の熱交換器とは異なり、入口202及び出口204は、入口プレナム又は出口プレナムがない状態でコアエンジンケーシング56に結合される。この例示的な実施形態では、入口プレナム又は出口プレナムがない状態で熱交換器200を製作することにより、他の公知の熱交換器の場合にそうであるようにはエンジン10に大きな重量を加えずに、エンジン10に対して熱交換器200を結合することが可能になる。さらに、入口プレナム及び/又は出口プレナムがない状態で熱交換器200を製作することにより、熱交換器200内での抗力の量を低下させ、それによって熱交換器200内での熱交換の量を増大させる。
【0020】
複数の曲線熱交換器エレメント208が、曲線本体206を貫通して延びる。より具体的には、熱交換器エレメント208は各々、入口202から出口204まで延び、従って複数の通路210が隣接する熱交換器エレメント208の対間に形成される。1つの実施形態では、熱交換器エレメント208及び通路210は各々、曲線本体206の曲線形状と実質的に同様な曲線形状が有するように形成される。別の実施形態では、各熱交換器エレメント208の寸法、配向及び相対位置の少なくとも1つは可変である。さらに、各実施形態では、熱交換器200は、公知の熱交換器よりも小さいボリュームを有しており、従って隣接する熱交換器エレメント208の対は、公知の熱交換器におけるよりも互いに近接して配置される。従って、通路210は、公知の熱交換器におけるよりも狭い。
【0021】
この例示的な実施形態では、作動時に、エンジン10からのオイルは、熱交換器エレメント208を通して送られ、またファン組立体12から吐出された空気流212は、熱交換器200を通して送られる。別の実施形態では、空気流212は、機外又は周囲空気である。公知の熱交換器とは異なり、空気流212は、入口プレナム又はディフューザを通過せずに熱交換器200内に直接送り込まれる。この例示的な実施形態では、空気流212は、入口202内に直接送り込まれまた通路210を通して送られて、オイルと空気流212との間の熱交換を可能にする。具体的には、オイルは、空気流212が通路210を通ってかつ熱交換器エレメント208を通過して流れる時に冷却されることが可能になる。使用済み空気流212は、熱交換器200から出口プレナムを通過せずに出口204を通して吐出され、コアエンジンケーシング56上に吐出して戻される。
【0022】
この例示的な実施形態では、空気流212が熱交換器200を通して送られる時に、通路210は、空気流212とオイルとの間の熱交換量を増大させるのを可能にする。具体的には、通路210は狭く、従って、公知の熱交換器におけるよりも少量である熱交換のための空気流を必要としながら熱交換器エレメント208と空気流212との間のより大きな量の接触を可能にする。さらに、熱交換器200の曲線形状は、空気流212が通路210内を流れ、それによって空気流212と熱交換器エレメント208との間の接触を増大させることを可能にする。加えて、空気流212は、熱交換器200内に送り込まれる時に拡散される又は入口プレナムを通して送られることはない。従って、熱交換器200内における空気流212の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失を減少させることが可能になる。具体的には、1つの実施形態では、空気流212の逆流損失、空気力学的損失及び圧力損失は、20%ほども減少させることが可能になる。
【0023】
従って、上に述べた理由により、熱交換器200は、エンジン10の効率を改善し、それによってエンジン10を保守することに関連する時間及び/又はコストを低減するのを可能にする。
【0024】
1つの実施形態では、タービンエンジンを組立てる方法を提供する。本方法は、曲線本体を有する熱交換器を準備するステップを含む。本方法はまた、熱交換器を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1つに結合するステップを含む。曲線本体は、熱交換器内に送り込まれる空気流の圧力損失を減少させるのを可能にする。1つの実施形態では、熱交換器は、出口プレナムがない状態で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1つに結合される。従って、空気流は、出口プレナムを通過せずに熱交換器から直接吐出される。別の実施形態では、熱交換器は、入口プレナムがない状態で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1つに結合される。従って、空気流は、入口プレナムを通過せずに熱交換器内に直接送り込まれる。さらに別の実施形態では、熱交換器は、ディフューザがない状態で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1つに結合される。従って、空気流は、ディフューザを通過せずに熱交換器内に送り込まれる。
【0025】
1つの実施形態では、本方法はまた、曲線本体を貫通させて複数の曲線熱交換器エレメントを延ばすステップと、各熱交換器エレメントの寸法、配向及び相対位置の少なくとも1つを変化させるステップとを含む。1つの実施形態では、各熱交換器エレメントの寸法、配向及び相対位置の少なくとも1つを変化させるステップは、空気流と熱交換器エレメントとの間の接触量の増大させるのを可能にする。別の実施形態では、曲線本体を有する熱交換器を準備するステップは、熱交換器エレメントを通って流れるオイルを冷却するのに必要な空気量を減少させるのを可能にする。
【0026】
上記のシステム及び方法は、タービンエンジン熱交換器内における熱伝達を増大させるのを可能にする。具体的には、熱伝達量は、熱交換器内に形成された曲線通路と入口プレナム及び/又は出口プレナムを欠いたこととの組合せにより増大する。入口プレナムを欠いたことにより、熱交換器内への空気流の拡散が少なくなり、従って熱交換器内における圧力損失が減少する。従って、これらの組合せは、熱交換器を貫通して延びる熱交換器エレメントに対して、より大量の空気流を接触状態にする。従って、上記の熱交換器は、公知の熱交換器よりも必要な材料及び重量を少なくしながら、より大量の熱交換を行う。従って、上記の熱交換器は、タービンエンジンの効率改善し、それによってそのタービンエンジンを保守するのに関連する時間及び/又はコストを低減するのを可能にする。
【0027】
本明細書で使用する場合、数詞のない形で記載した要素又はステップは、そうではないことを明記していない限り、そのような要素又はステップが複数あることを除外するものではないことを理解されたい。さらに、本発明の「1つの実施形態」という表現は、記載した特徴をそれらもまた組み込んでいる付加的な実施形態の存在を排除するものとして解釈することを意図するものではない。
【0028】
以上、タービンエンジン内で熱を交換するためのシステム及び方法の例示的な実施形態を詳細に説明している。説明したシステム及び方法は、本明細書に記載した特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろシステムの構成要素は、本明細書に記載したその他の構成要素とは独立してかつ別個に利用することができる。さらに、方法に記載したステップは、本明細書に記載したその他のステップとは独立してかつ別個に利用することができる。
【0029】
様々な特定の実施形態に関して本発明を説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の技術思想及び技術的範囲内の変更で実施することは、当業者には分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0030】
【図1】例示的なガスタービンエンジンの概略図。
【図2】内側ファンケーシングと外側ファンケーシングとの間に結合された例示的な熱交換器を含む、図1に示すガスタービンエンジンの概略図。
【図3】図2に示す熱交換器の実施形態の拡大概略図。
【図4】図2に示す熱交換器の別の実施形態の拡大概略図。
【図5】コアエンジンケーシングに結合された例示的な熱交換器を含む、図1に示すガスタービンエンジンの概略図。
【図6】図5に示す熱交換器の一部分の拡大概略図。
【符号の説明】
【0031】
10 ガスタービンエンジン
12 ファン組立体
13 コアエンジン
14 高圧圧縮機
16 燃焼器
18 高圧タービン
20 低圧タービン
22 ブースタ
24 ファンブレードの列
26 ロータディスク
28 吸気側
30 排気側
31 第1のロータシャフト
32 第2のロータシャフト
34 中心軸線
50 ファンケーシング
52 内側ファンケーシング
54 外側ファンケーシング
56 エンジンケーシング
100 熱交換器
102 入口
104 出口
105 曲線本体
106 湾曲部分
107 出口プレナム
108 熱交換器エレメント
110 通路
112 空気流
114 区域
200 熱交換器
201 取付け装置
202 入口
204 出口
206 曲線本体
207 湾曲部分
208 熱交換器エレメント
210 通路
212 空気流

【特許請求の範囲】
【請求項1】
タービンエンジン(10)用の熱交換器(100)であって、
入口(102)及び出口(104)と、
前記入口及び出口間で延びる曲線本体(105)と、を含み、
前記曲線本体が、該熱交換器内に送り込まれた空気流(112)の圧力損失を減少させるように構成される、
熱交換器(100)。
【請求項2】
前記熱交換器出口(104)が、出口プレナムがない状態で前記タービンエンジン(10)のファンケーシング(50)及びエンジンケーシング(56)の少なくとも1つに結合されて、前記空気流(112)が前記出口プレナムを通過せずに該熱交換器から直接吐出されるように構成される、請求項1記載の熱交換器(100)。
【請求項3】
前記熱交換器入口(102)が、入口プレナムがない状態で前記タービンエンジン(10)のファンケーシング(50)及びエンジンケーシング(56)の少なくとも1つに結合されて、前記空気流(112)が前記入口プレナムを通過せずに該熱交換器内に直接送り込まれるように構成される、請求項1記載の熱交換器(100)。
【請求項4】
前記曲線本体(105)を貫通して延びる複数の曲線熱交換器エレメント(108)をさらに含み、
各前記熱交換器エレメントの寸法、配向及び相対位置の少なくとも1つが可変である、
請求項1記載の熱交換器(100)。
【請求項5】
各前記熱交換器エレメント(108)が、その寸法、配向及び相対位置が変化して前記空気流(112)と該熱交換器エレメントとの間の接触量を増大させるように構成される、請求項4記載の熱交換器(100)。
【請求項6】
前記曲線本体(105)が、前記熱交換器エレメント(108)を通って流れるオイルを冷却するのに必要な空気量を減少させるように構成される、請求項4記載の熱交換器(100)。
【請求項7】
該熱交換器が、ディフューザがない状態で前記タービンエンジン(10)のファンケーシング(50)及びエンジンケーシング(56)の少なくとも1つに結合されて、前記空気流(112)が前記ディフューザを通過せずに該熱交換器内に送り込まれるように構成される、請求項1記載の熱交換器(100)。
【請求項8】
エンジンケーシング(56)と、
前記エンジンケーシングに結合されかつ該エンジンケーシングの半径方向外側に配置されたファンケーシング(50)と、
前記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1つに結合されるように構成された熱交換器(100)と、
を含み、前記熱交換器が、
入口(102)及び出口(104)と、
前記入口及び出口間で延びかつ該熱交換器内に送り込まれた空気流(112)の圧力損失を減少させるように構成された曲線本体(105)と、を含む、
タービンエンジン(10)。
【請求項9】
前記熱交換器出口(104)が、出口プレナムがない状態で前記ファンケーシング(50)及びエンジンケーシング(56)の少なくとも1つに結合されて、前記空気流(112)が前記出口プレナムを通過せずに前記熱交換器(100)から直接吐出されるように構成される、請求項8記載のタービンエンジン(10)。
【請求項10】
前記熱交換器入口(102)が、入口プレナムがない状態で前記ファンケーシング(50)及びエンジンケーシング(56)の少なくとも1つに結合されて、前記空気流(112)が前記入口プレナムを通過せずに前記熱交換器(100)内に直接送り込まれるように構成される、
請求項8記載のタービンエンジン(10)。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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