ターボ機械用の複合型表面冷却器及び音響吸収器
【課題】ターボ機械用の表面冷却器（４４、４５）を提供する。
【解決手段】本表面冷却器（４４、４５）は、内側層（５２）と、内側層（５２）に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層（５４）とを含み、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。さらに、外側層（５４）は、複数のフィン（８０）を含み、複数のフィン（８０）は、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成され、また複数のフィン（８０）は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む。
【解決手段】本表面冷却器（４４、４５）は、内側層（５２）と、内側層（５２）に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層（５４）とを含み、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。さらに、外側層（５４）は、複数のフィン（８０）を含み、複数のフィン（８０）は、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成され、また複数のフィン（８０）は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械内で使用するための強化型表面冷却器の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機ガスタービンエンジン製造業者は、騒音を効果的に低減する新たな方法を開発している。よく知られているように、ジェットエンジンのナセルは、現在ではライナ又は音響パネルを利用して、ターボファン内のブレード及びベーン又はその他のターボ機械要素が発生した音を吸収している。これらのパネルは一般的に、ナセル壁上に設置される。加えて、同じ部位には、オイル、水及びその他の冷却媒体から熱を除去するためのヒートシンクを配置することが望ましい。都合の悪いことに、これらのヒートシンクは、そうでなければ更なる音響吸収のための音響パネル又はその他の材料を収容するために使用することができる空間を占有することになる。
【０００３】
現在使用可能な方法は一般的に、別個の熱交換器及び音響吸収器を使用して、ターボ機械の冷却及び騒音低減要求に対処している。例えば、ブリック型熱交換器を使用して、エンジンからの熱除去を可能にしている。しかしながら、これらのブリック型熱交換器は、熱負荷が高い場合には有効でない可能性がある。さらに、より最新の方法は、エンジンの全周にわたって延びた状態でバイパスダクトの外側壁内に埋め込まれた表面冷却器を採用し、それによって音響ライナのために使用できる表面積の量を減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，１１６，６１３ Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第５，７８２，０８２ Ａ号公報
【特許文献３】米国特許第７，１０５，１２７ Ｂ２号公報
【特許文献４】国際特許出願第２００１／０５３０２３号 Ａ１公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】WASSIM ELIAS AZZI; "A SYSTEMATIC STUDY ON THE MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF OPEN CELL METAL FOAMS FOR AEROSPACE APPLICATIONS"; A thesis submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science; 125pages
【非特許文献２】PONTUS NORDIN, SOHAN L. SARIN AND EDWARD R. RADEMAKER; "Development of New Liner Technology for Application in Hot Stream Areas of Aero-Engines", 2004 by Saab AB. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., with permission; 13pages.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、音響吸収と同時に熱交換のために使用することができる表面冷却器を開発することが望ましいことになる。より具体的には、音響吸収を強化しながら有効な冷却をも可能にするように構成された堅牢な表面冷却器を開発することが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に言えば、本技術の１つの態様によると、表面冷却器を提供する。本表面冷却器は、内側層と、内側層に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層とを含み、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。
【０００８】
本技術の別の態様によると、表面冷却器を提供する。本表面冷却器は、内側層と、内側層に隣接して配置されかつ複数のフィンを含む外側層とを含み、複数のフィンは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成され、また複数のフィンは、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む。
【０００９】
本技術のさらに別の態様によると、表面冷却器を形成する方法を提供する。本方法は、内側層を形成するステップと、内側層に隣接して外側層を形成するステップとを備え、この外側層を形成するステップにおいて、外側層は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含み、また金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。
【００１０】
本技術のさらに別の態様によると、エンジンを提供する。本エンジンは、コアエンジンと、表面冷却器とを含み、表面冷却器は、内側層と、内側層に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層とを含み、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。
【００１１】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより一層よく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本技術の態様によるエンジンの概略図。
【図２】本技術の態様による例示的な表面冷却器の円周方向断面の概略図。
【図３】本技術の態様による図２の表面冷却器の軸方向断面図。
【図４】本技術の態様による別の表面冷却器の円周方向断面の概略図。
【図５】本技術の態様による図４の表面冷却器の軸方向断面図。
【図６】本技術の態様によるさらに別の表面冷却器の円周方向断面の概略図。
【図７】本技術の態様による図６の表面冷却器の軸方向断面図。
【図８】本技術の態様による図７の表面冷却器の一部分の概略図。
【図９】本技術の態様による別の例示的な表面冷却器の一部分を示す概略図。
【図１０】本技術の態様によるフィンを示す表面冷却器の一部分の斜視図。
【図１１】本技術の態様による例示的なフィンの概略平面図。
【図１２】本技術の態様による別の例示的なフィンの概略図。
【図１３】本技術の態様による別の例示的なフィンの概略平面図。
【図１４】本技術の態様による前縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１５】本技術の態様による後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１６】本技術の態様による前縁部及び後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１７】本技術の態様による前縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１８】本技術の態様による後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１９】本技術の態様による前縁部及び後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、表面冷却器に関し、より具体的には、航空機エンジンのようなエンジンのナセル内で使用するための強化型表面冷却器に関する。この例示的な表面冷却器はまた、有効な冷却を行うと同時に音響吸収にも利用することができる。さらに、本明細書で使用する場合における「表面冷却器」という用語は、「熱交換器」という用語と互換可能に使用することができる。本明細書で使用するように、表面冷却器は、それに限定されないが、ターボジェット、ターボファン、ターボ推進エンジン、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン及び水力タービンのような様々なタイプのターボ機械装置に適用可能である。
【００１４】
図１は、本発明による例示的な航空機エンジン組立体１０の概略図である。参照符号１２により、中心軸線を表すことができる。この例示的な実施形態では、エンジン組立体１０は、ファン組立体１３、ブースタ圧縮機１４、コアガスタービンエンジン１６及び低圧タービン２６を含み、低圧タービン２６は、ファン組立体１３及びブースタ圧縮機１４に結合することができる。ファン組立体１３は、ファンロータディスク１５からほぼ半径方向外向きに延びる複数のロータファンブレード１１、並びにファンブレード１１の下流に配置することができる複数の出口案内ベーン２１を含む。コアガスタービンエンジン１６は、高圧圧縮機２２、燃焼器２４及び高圧タービン１８を含む。ブースタ圧縮機１４は、第１の駆動シャフト４２に結合された圧縮機ロータディスク２０からほぼ半径方向外向きに延びる複数のロータブレード４０を含む。圧縮機２２と高圧タービン１８とは、第２の駆動シャフト２９によって互いに結合される。エンジン組立体１０はまた、吸気側２８、コアエンジン排気側３０及びファン排気側３１を含む。
【００１５】
運転時に、ファン組立体１３は、吸気側２８を通ってエンジン１０に流入した空気を加圧する。ファン組立体１３から流出した空気流は、分割されて、空気流の一部分３５がブースタ圧縮機１４内に送られ、また空気流の残りの部分３６がブースタ圧縮機１４及びコアタービンエンジン１６を迂回してファン排気側３１を通ってエンジン１０から流出するようになる。このバイパス空気３６は、出口案内ベーン２１を通過して流れかつ該出口案内ベーン２１と相互作用して、音（響）波として放射される非定常圧力をステータ表面上に並びに周囲の空気流内に発生させる。音響ライナ４６は、ブレード及びベーン２１によってエンジン１０内で発生した音を吸収するように構成することができる。複数のロータブレード４０は、空気流を加圧しかつ加圧空気流３５をコアガスタービンエンジン１６に向けて送給する。さらに、空気流３５は、高圧圧縮機２２によってさらに加圧されかつ燃焼器２４に送給される。さらに、燃焼器２４からの加圧空気流３５は、回転タービン１８及び２６を駆動し、かつ排気側３０を通ってエンジン１０から流出する。
【００１６】
前述したように、一部の現在入手可能な民間用エンジンでは、別個の熱交換器及び音響吸収器が採用されている。さらに、高熱負荷により、一部の熱交換器の性能が最適以下になる可能性がある。加えて、一部のその他の熱交換器の使用は、音響吸収器のために使用可能な表面積を著しく減少させる。本技術の例示的な態様によると、表面冷却器及び音響吸収器として機能するように構成した複合型装置４４を提示する。より具体的には、この例示的な複合型装置４４は、例えば航空機エンジンのようなターボ機械の熱交換要件と音響吸収要求とに同時に対処するように構成することができる。以下において、「表面冷却器」という用語は、冷却及び音響吸収を可能にするように構成された複合型装置４４を意味するために使用することができる。
【００１７】
本技術の態様によると、この例示的な表面冷却器４４は、金属発泡体を含むことができる。別の実施形態では、表面冷却器は、炭素発泡体を含むことができる。一部のその他の実施形態では、例示的な表面冷却器は、高い熱伝導率を有する発泡体を含むことができることに留意されたい。一例として、発泡体は、約１５０Ｗ／ｍ*Ｋ〜約３９０Ｗ／ｍ*Ｋの範囲内の熱伝導率を有する炭素発泡体を含むことができる。別の実施形態では、金属発泡体は、約１８９Ｗ／ｍ*Ｋの熱伝導率を有するアルミニウム発泡体を含むことができる。理解されるように、金属発泡体は、大きな体積分率がガス入り細孔を含んでいる固体金属から成る細胞状（セル状）構造体である。細孔は、密封状（クローズドセル発泡体）にすることができ、或いはそれら細孔は、相互連結網目状（オープンセル発泡体）を形成することができる。一般的に、これらの金属発泡体は、非常に高い空隙率を有する。言い換えると、一般的には、体積の７５〜９５％が、空隙スペースから成る。金属発泡体の熱伝導率は、空隙率に応じてのみならず発泡体内で様々なセルを相互連結するウェブの完全性のより微細な細部にも応じて大きく変化する可能性があることに留意されたい。
【００１８】
本技術の実施形態によると、この例示的な表面冷却器４４は、ナセル壁つまり外側壁４８に沿って設置して、本発明の実施形態に従って熱伝達を可能にすると共に音響吸収を行うことができ、このことは、以下において一層詳細に説明する。
【００１９】
別の実施形態では、図１はまた、出口案内ベーン２１の底部を連結しているバイパス流３６の内側壁２３に沿って設置することができる表面冷却器４５及び音響ライナ４７を示している。
【００２０】
次に図２を参照すると、本発明の１つの態様による例示的な表面冷却器５０の軸方向断面の概略図を示している。図２に示すように、表面冷却器５０は、内側層５２と外側層５４とを含む。本技術の態様によると、内側層５２は、金属プレートで形成することができる。本技術の態様によると、内側層５２は、ナセル壁つまり外側壁４８（図１参照）に沿って設置することができることに留意されたい。さらに、外側層５４は、それに限定されないが、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せのような材料を含むことができる。それに代えて、内側層５２は、高い熱伝導率を有する金属発泡体を含むことができる。前述したように、金属発泡体は、大きな体積分率がガス入り細孔を含む固体金属から成る細胞状構造体である。一例として、内側層５２の厚さは、約０．５インチ〜約０．７５インチの範囲内で変化させることができる。さらに、外側層５４の厚さは、約０．５インチ〜約１．０インチの範囲内で変化させることができる。
【００２１】
本技術の態様によると、金属発泡体は、騒音低減を行うことに加えて熱伝達を増大させるために使用される。具体的には、金属発泡体は、該金属発泡体が熱伝導の強化と対流のための大きな表面積との良好な組合せをもたらすと同時にさらに比較的小さい質量を有するので、熱伝達／冷却を増大させるために使用することができる。加えて、多孔性金属発泡体はまた、エンジン１０内の様々な部品によって発生される騒音を吸収するように構成することができる。言い換えると、内側層５２の金属発泡体は、エンジン１０内の騒音を吸収することによって該エンジン１０内の騒音の低減を可能にするように構成することができる。その結果、金属発泡体は、１つの低質量パッケージ内で熱交換及び音響減衰を可能にする手段を提供するように構成することができる。
【００２２】
さらに、図示するように、この例示的な表面冷却器５０の内側層５２内には、少なくとも１つの、また一般的には複数のチューブ５６を配置することができる。１つの実施形態では、複数のチューブ５６を内側層５２内に埋込むことができる。複数のチューブ５６は、エンジンの様々な部品によって加熱される可能性がある流体を冷却するのを助けるように構成することができる。理解されるように、オイルのような流体は、軸受のようなエンジンの部品によって加熱される可能性がある。この加熱流体（オイル）は、チューブ５６を介して表面冷却器５０を通して送ることができる。流体からの熱は、チューブ５６の壁から伝達させかつ表面冷却器５０を介して空気流内に放散させることができる。この流体は次に、エンジン１０内の部品に運んで戻すことができる。１つの実施形態では、チューブの寸法は、その直径を約０．５インチとすることができる。より具体的には、チューブの寸法は一般的に、内側層５２の厚さよりも小さくすることができる。複数のチューブ５６は、それに限定されないが、アルミニウムのような材料で作ることができる。１つの実施形態では、流体としては、オイル又は水を含むことができる。
【００２３】
引続き図２を参照すると、参照符号５７は、ほぼｘ方向を表しており、他方、ｙ方向は、参照符号５８で表している。また、参照符号５９は、ｚ方向を表している。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２４】
上述したような金属発泡体を含む例示的な表面冷却器５０を実施することによって、表面冷却器５０の単位質量当りの除去熱を増大させることができる。加えて、表面冷却器５０内における金属発泡体の使用はまた、バイパス流れターボ機械要素からの騒音の低減を可能にすることができる。
【００２５】
図３は、図２の例示的な表面冷却器５０の円周方向断面６０を示している。上述したように、表面冷却器５０は、内側層５２と外側層５４とを含む。表面冷却器５０の内側層５２は、ターボエンジン１０（図１参照）のナセル壁つまり外側壁４８（図１参照）に沿って配置される。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２６】
次に図４を参照すると、本発明による表面冷却器６２の別の実施形態の軸方向断面を示している。表面冷却器６２は、内側層６６と外側層６８とを含む。本実施形態では、内側層６６及び外側層６８は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含むことができる。１つの実施形態では、内側層６６及び外側層６８の両方は、ほぼ同様な材料を含むことができる。言い換えると、内側及び外側層６６、６８は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含むことができる。それに代えて、内側層６６及び外側層６８は、異なる密度及び／又は空隙率を有する金属発泡体を含むことができる。一例として、内側層６６は、第１の密度を有する金属発泡体を含むことができ、他方、外側層６８は、第１の密度とは異なる第２の密度を有する金属発泡体を含むことができる。このことは、表面冷却器６２の熱伝達能力を増大させるのを助けることができる。さらに、内側及び外側層６６、６８内で異なる空隙率及び／又は密度を有する金属発泡体を使用することにより、表面冷却器６２の騒音吸収能力を高めることができる。本技術のさらに別の態様によると、金属発泡体の空隙率は変化させることができる。より具体的には、金属発泡体の空隙率は、異なる長さスケールを得るように意図的に変化させて、異なる音響波長の吸収を可能にすることができる。さらに、図４に示すように、内側層６６内には、複数のチューブ７０を配置することができ、その場合には、複数のチューブ７０が、エンジン１０の様々な部品によって加熱される可能性がある流体を冷却するのを助けるように構成することができる。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２７】
図５は、図４の例示的な表面冷却器６２の円周方向断面７２を示している。前述したように、表面冷却器の内側層６６は、エンジン１０（図１参照）のナセル壁つまり外側壁４８（図１参照）に沿って配置することができる。この場合にもまた、空気流はｚ方向５９である。
【００２８】
さらに、図６は、本技術の態様による表面冷却器７６のさらに別の実施形態の軸方向断面を示している。図６に示すように、表面冷却器７６は、内側層７８を含む。本技術の態様によると、内側層７８は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含むことができる。さらに、１つの態様では、内側層７８は、中実材料を含むことができる。さらに、内側層７８に隣接して、複数のフィン８０を配置することができる。１つの態様では、複数のフィン８０はまた、金属発泡体を含むことができる。より具体的には、金属発泡体は、複数の別個のフィン８０へと成形及び／又は機械加工することができる。１つの態様では、これらのフィン８０は、空気流３６（図１参照）のような主空気流と平行に配向することができる。それに代えて、フィン８０は、主空気流とほぼ平行に配向されることに留意されたい。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２９】
主空気流内に突出する発泡体フィン８０を実施することによって、熱伝達の面積を増大させ、それによって熱伝達を増大させることができる。さらに、フィン８０の表面積の増大は、音響吸収を強化するのを助けることができる。複数の発泡体フィン８０を形成することに加えて、金属発泡体はまた、熱伝達を効率的に増大させるように構成されたピン及び／又はその他の構造体へと機械加工及び／又は成形することができる。加えて、内側層７８内には、複数のチューブ８２を配置することができ、その場合には、チューブ８２が、表面冷却器に流体を送り、それによってエンジン１０の様々な部品によって加熱された流体を冷却するのを助けることを可能にするように構成される。
【００３０】
図７は、図６の例示的な表面冷却器７６の円周方向断面８４を示している。前述したように、表面冷却器の内側層７８は、エンジン１０（図１参照）の外側壁４８（図１参照）に沿って配置することができる。この場合にもまた、空気流の方向は。ｚ方向５９である。
【００３１】
次に図８を参照すると、図６の例示的な表面冷却器７６の一部分８６を示している。参照符号８８は、内側層を表している。内側層８８に隣接して、複数のフィン９０が配置される。さらに、内側層８８及びフィン９０は、金属発泡体又は炭素発泡体９２で形成することができる。さらに、内側層８８はまた、中実材料で形成することができる。
【００３２】
図９は、本発明の別の実施形態を示しており、この図では、複数のフィン９６を含む表面冷却器９４の一部分を示している。この図示した実施形態では、例示的な表面冷却器９４の内側層９８は、中実金属を含むことができる。さらに、複数のフィン９６はまた、それに限定されないが、中実金属のような材料で形成することができる。この図示した実施形態では、複数のフィン９６は、内側層９８の基部から突出し、かつ内側層９８を形成するために使用した材料を含むことができる。それに代えて、別の実施形態では、それに限定されないが、アルミニウムのような材料を使用して、内側層９８と複数のフィン９６とを形成することができる。本実施形態によると、複数のフィン９６間の空間は、炭素発泡体又は金属発泡体１００で充填することができる。炭素発泡体又は金属発泡体１００は、複数のフィン９６の周りに鋳型又は射出することができる。より具体的には、炭素又は金属発泡体１００は、フィン９６が炭素発泡体又は金属発泡体１００を越えて突出するように、該フィン９６の周りに鋳型又は射出することができる。１つの実施形態では、複数のフィン９６は、内側層９８に対して約７０°の角度で傾斜させることができる。本技術の幾つかの実施形態によると、フィン９６の上面に対して炭素又は金属発泡体１００を射出することができる深さは、それに限定されないが、金属及び発泡体の熱伝導率、発泡体の音響特性、フィン９６の間隔等々のような幾つかの要因に応じて決めることができる。本技術のさらに別の態様によると、金属発泡体の空隙率は、変化させることができる。より具体的には、金属発泡体の空隙率は、異なる長さスケール間で意図的に変化させて、異なる音響波長の吸収を可能にすることができる。さらに、フィンは、主要音を音響相殺させることによってターボ機械の相互作用騒音を最小にするような方法で構成することができる。
【００３３】
図１０は、内側層１０６上に配置された複数のフィン１０８を備えた例示的な表面冷却器１０４の斜視図１０２を示している。第１の端部１１２及び第２の端部１１４を備えたフィン１０８の分解図１１０を示している。本明細書で使用する場合に、「第１の端部」という用語は、そこに空気流が衝突するフィン１０８の面であり、他方、「第２の端部」という用語は、空気流から離れる方向に向いたフィン１０８の面である。前述したように、フィン８０（図６参照）、９０（図８参照）は、音響吸収の強化をもたらすことに加えて、熱伝達を強化するのを可能にするように構成される。本技術のさらに別の態様によると、フィンの熱伝達能力は、さらに強化させることができ、それらについては、図１１〜図１３を参照しながら一層詳細に説明する。
【００３４】
次に図１１に移ると、本技術の態様による例示的なフィン１１６の平面図を示している。フィン１１６は、金属発泡体１１７で形成することができる。さらに、中実熱伝導性材料又は中実金属ブレード１１８をフィン１１６内に配置して有効な熱伝導経路を形成し、それによって例示的な表面冷却器の内側層からフィン１１６の表面への熱の伝達を可能にすることができる。1つの実施形態では、中実金属ブレード１１８は、フィン１１６の中央部に配置することができる。また、1つの実施形態では、中実金属ブレード１１８は、それに限定されないが、熱分解黒鉛のような材料を含むことができる。さらに、参照符号１２０は、空気流を表している。本実施例では、空気流１２０は、フィン１１６と平行であることに留意されたい。
【００３５】
別の実施形態では、図１１の中実金属ブレード１１８は、図１２に示すように空気流に対して垂直に配置することができる。より具体的には、図１２は、空気流１３０に対してほぼ垂直になるようにフィン１２４内に配置された中実金属ブレード１２６を含む別の例示的なフィン１２４の平面図を示している。中実金属ブレード１２６の垂直な配向は、空気流１３０が強制的にフィン１２４の炭素発泡体又は金属発泡体１２８の周りを流れるようにする。
【００３６】
図１３は、例示的なフィン１３２のさらに別の実施形態の平面図を示している。本実施形態では、複数の中実金属ブレード１３４は、それら中実金属ブレード１３４が空気流１３６に対して垂直になるように、例示的なフィン１３２内に配置することができる。参照符号１３８は、炭素又は金属発泡体を表している。複数のブレード１３４を含むことによって、フィン１３２は、複数の区域に分割することができる。空気流１３６は、図に示すように強制的に金属発泡体の周りを流れて、フィンの熱伝達並びに空気力学的性能を最適にする。
【００３７】
図６に関連して前述したように、フィン８０は、金属発泡体を使用して形成される。一部の状況では、フィン８０は、発泡体の多孔性の性質のために空気力学的性能の低下を生じる可能性がある。従って、これらのフィンの空気力学的性能を強化することもまた、望ましいことになる。
【００３８】
次に図１４〜図１９を参照すると、複数のフィン１０８（図１０参照）の別の構造の平面図を示している。本技術の例示的な態様によると、複数のフィン１０８を通過する流れの空気力学的性能は、該フィン１０８の第１の端部１１２（図１０参照）及び第２の端部１１４（図１０参照）上に前縁部、後縁部又はそれらの組合せを形成することによって強化することができる。本技術の実施形態によると、後縁部及び／又は前縁部は、中実金属を使用して形成することができる。これらの中実金属端縁部は、過度な圧力低下を防止し、それによってフィン１０８の空気力学的性能を増大させるのを助けることができる。従って、フィン１０８の別の実施形態を提示している。これらの別の実施形態は、エンジンの空気力学的性能をさらに強化するように構成することができ、それらについては、図１４〜図１９に関して一層詳細に説明する。図１４は、空気力学的性能を強化するように構成されたフィン１４０の例示的な実施形態を示している。前述したように、フィン１４０は、金属発泡体を含むことができる。また、前述したように、参照符号１１２は、フィン１４０の第１の端部を表し、他方、参照符号１１４は、第２の端部を表している。本明細書で使用する場合に、「第１の端部」という用語は、そこにエンジン内の空気流が衝突するフィン１４０の端部を表し、他方、「第２の端部」という用語は、空気流から離れる方向に向いたフィン１４０の端部を表している。図１４に示すように、前縁部１４２は、第１の端部１１２上に形成することができる。それに代えて、図１５に示すように、後縁部１４４は、フィン１４６の第２の端部１１４上に形成することができる。前縁部、後縁部又はそれら両方は、中実金属を含むことができる。図１６は、さらに別の実施形態を示しており、この実施形態では、フィン１４８は、それぞれ第１の端部１１２及び第２の端部１１４上に配置された前縁部１４２及び後縁部１４４の両方を含む。
【００３９】
同様に、図１７は、第１の端部１１２を前縁部１５２によって部分的に覆うことができるフィン１５０を示している。別の実施形態では、フィン１５６（図１８参照）の第２の端部１１４は、後縁部１５４によって部分的に覆うことができる。図１９は、さらに別の実施形態を示しており、この実施形態は、第１の端部１１２及び第２の端部１１４の両方がそれぞれ前縁部１５２及び後縁部１５４によって部分的に覆われた状態になったフィン１５８の平面図を示している。
【００４０】
上述した例示的な表面冷却器の様々な実施形態では、熱伝達の増大及び音響吸収の向上が得られる。加えて、これらの例示的な表面冷却器は、ターボ機械の質量を低下させる。さらに、これらの例示的な表面冷却器はまた、バイパス流の損失に対する影響を減少させ、従ってより良好な燃料消費量を可能にする。
【００４１】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変形が想到されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変形を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４２】
１０ エンジン組立体
１１ ロータファンブレード
１２ 中心軸線
１３ ファン組立体
１４ ブースタ圧縮機
１５ ファンロータディスク
１６ コアガスタービンエンジン
１８ 高圧タービン
２０ 圧縮機ロータディスク
２１ 出口案内ベーン
２２ 高圧圧縮機
２３ 内側壁
２４ 燃焼器
２６ 低圧タービン
２８ 吸気側
２９ 第２の駆動シャフト
３０ コアエンジン排気側
３１ ファン排気側
３５ 空気流の一部分、加圧空気流
３６ 空気流の残りの部分、バイパス空気
４０ ロータブレード
４２ 第１の駆動シャフト
４４ 複合型装置、表面冷却器
４５ 表面冷却器
４６ 音響ライナ
４７ 音響ライナ
４８ 外側壁
５０ 表面冷却器
５２ 内側層
５４ 外側層
５６ チューブ
５７ ｘ方向
５８ ｙ方向
５９ ｚ方向
６０ 表面冷却器５０の円周方向断面
６２ 表面冷却器
６６ 内側層
６８ 外側層
７０ チューブ
７２ 表面冷却器６２の円周方向断面
７６ 表面冷却器
７８ 内側層
８０ フィン
８２ チューブ
８４ 表面冷却器７６の円周方向断面
８６ 表面冷却器７６の一部分
８８ 内側層
９０ フィン
９２ 金属発泡体又は炭素発泡体
９４ 表面冷却器
９６ フィン
９８ 内側層
１００ 炭素発泡体又は金属発泡体
１０２ 表面冷却器１０４の斜視図
１０４ 表面冷却器
１０６ 内側層
１０８ フィン
１１０ フィン１０８の分解図
１１２ 第１の端部
１１４ 第２の端部
１１６ フィン
１１７ 金属発泡体
１１８ 中実金属ブレード
１２０ 空気流
１２４ フィン
１２６ 中実金属ブレード
１２８ 炭素発泡体又は金属発泡体
１３０ 空気流
１３２ フィン
１３４ 中実金属ブレード
１３６ 空気流
１３８ 炭素又は金属発泡体
１４０ フィン
１４２ 前縁部
１４４ 後縁部
１４６ フィン
１４８ フィン
１５０ フィン
１５２ 前縁部
１５４ 後縁部
１５６ フィン
１５８ フィン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、総括的にはターボ機械に関し、より具体的には、ターボ機械内で使用するための強化型表面冷却器の設計に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機ガスタービンエンジン製造業者は、騒音を効果的に低減する新たな方法を開発している。よく知られているように、ジェットエンジンのナセルは、現在ではライナ又は音響パネルを利用して、ターボファン内のブレード及びベーン又はその他のターボ機械要素が発生した音を吸収している。これらのパネルは一般的に、ナセル壁上に設置される。加えて、同じ部位には、オイル、水及びその他の冷却媒体から熱を除去するためのヒートシンクを配置することが望ましい。都合の悪いことに、これらのヒートシンクは、そうでなければ更なる音響吸収のための音響パネル又はその他の材料を収容するために使用することができる空間を占有することになる。
【０００３】
現在使用可能な方法は一般的に、別個の熱交換器及び音響吸収器を使用して、ターボ機械の冷却及び騒音低減要求に対処している。例えば、ブリック型熱交換器を使用して、エンジンからの熱除去を可能にしている。しかしながら、これらのブリック型熱交換器は、熱負荷が高い場合には有効でない可能性がある。さらに、より最新の方法は、エンジンの全周にわたって延びた状態でバイパスダクトの外側壁内に埋め込まれた表面冷却器を採用し、それによって音響ライナのために使用できる表面積の量を減少させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第３，１１６，６１３ Ａ号公報
【特許文献２】米国特許第５，７８２，０８２ Ａ号公報
【特許文献３】米国特許第７，１０５，１２７ Ｂ２号公報
【特許文献４】国際特許出願第２００１／０５３０２３号 Ａ１公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】WASSIM ELIAS AZZI; "A SYSTEMATIC STUDY ON THE MECHANICAL AND THERMAL PROPERTIES OF OPEN CELL METAL FOAMS FOR AEROSPACE APPLICATIONS"; A thesis submitted to the Graduate Faculty of North Carolina State University in partial fulfillment of the requirements for the Degree of Master of Science; 125pages
【非特許文献２】PONTUS NORDIN, SOHAN L. SARIN AND EDWARD R. RADEMAKER; "Development of New Liner Technology for Application in Hot Stream Areas of Aero-Engines", 2004 by Saab AB. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronautics, Inc., with permission; 13pages.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、音響吸収と同時に熱交換のために使用することができる表面冷却器を開発することが望ましいことになる。より具体的には、音響吸収を強化しながら有効な冷却をも可能にするように構成された堅牢な表面冷却器を開発することが望ましいことになる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
簡潔に言えば、本技術の１つの態様によると、表面冷却器を提供する。本表面冷却器は、内側層と、内側層に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層とを含み、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。
【０００８】
本技術の別の態様によると、表面冷却器を提供する。本表面冷却器は、内側層と、内側層に隣接して配置されかつ複数のフィンを含む外側層とを含み、複数のフィンは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成され、また複数のフィンは、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む。
【０００９】
本技術のさらに別の態様によると、表面冷却器を形成する方法を提供する。本方法は、内側層を形成するステップと、内側層に隣接して外側層を形成するステップとを備え、この外側層を形成するステップにおいて、外側層は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含み、また金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。
【００１０】
本技術のさらに別の態様によると、エンジンを提供する。本エンジンは、コアエンジンと、表面冷却器とを含み、表面冷却器は、内側層と、内側層に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層とを含み、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せは、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される。
【００１１】
本発明のこれらの及びその他の特徴、態様及び利点は、図面全体を通して同じ参照符号が同様な部分を表している添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読むことにより一層よく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本技術の態様によるエンジンの概略図。
【図２】本技術の態様による例示的な表面冷却器の円周方向断面の概略図。
【図３】本技術の態様による図２の表面冷却器の軸方向断面図。
【図４】本技術の態様による別の表面冷却器の円周方向断面の概略図。
【図５】本技術の態様による図４の表面冷却器の軸方向断面図。
【図６】本技術の態様によるさらに別の表面冷却器の円周方向断面の概略図。
【図７】本技術の態様による図６の表面冷却器の軸方向断面図。
【図８】本技術の態様による図７の表面冷却器の一部分の概略図。
【図９】本技術の態様による別の例示的な表面冷却器の一部分を示す概略図。
【図１０】本技術の態様によるフィンを示す表面冷却器の一部分の斜視図。
【図１１】本技術の態様による例示的なフィンの概略平面図。
【図１２】本技術の態様による別の例示的なフィンの概略図。
【図１３】本技術の態様による別の例示的なフィンの概略平面図。
【図１４】本技術の態様による前縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１５】本技術の態様による後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１６】本技術の態様による前縁部及び後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１７】本技術の態様による前縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１８】本技術の態様による後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【図１９】本技術の態様による前縁部及び後縁部を示す例示的なフィンの平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施形態は、表面冷却器に関し、より具体的には、航空機エンジンのようなエンジンのナセル内で使用するための強化型表面冷却器に関する。この例示的な表面冷却器はまた、有効な冷却を行うと同時に音響吸収にも利用することができる。さらに、本明細書で使用する場合における「表面冷却器」という用語は、「熱交換器」という用語と互換可能に使用することができる。本明細書で使用するように、表面冷却器は、それに限定されないが、ターボジェット、ターボファン、ターボ推進エンジン、航空機エンジン、ガスタービン、蒸気タービン、風力タービン及び水力タービンのような様々なタイプのターボ機械装置に適用可能である。
【００１４】
図１は、本発明による例示的な航空機エンジン組立体１０の概略図である。参照符号１２により、中心軸線を表すことができる。この例示的な実施形態では、エンジン組立体１０は、ファン組立体１３、ブースタ圧縮機１４、コアガスタービンエンジン１６及び低圧タービン２６を含み、低圧タービン２６は、ファン組立体１３及びブースタ圧縮機１４に結合することができる。ファン組立体１３は、ファンロータディスク１５からほぼ半径方向外向きに延びる複数のロータファンブレード１１、並びにファンブレード１１の下流に配置することができる複数の出口案内ベーン２１を含む。コアガスタービンエンジン１６は、高圧圧縮機２２、燃焼器２４及び高圧タービン１８を含む。ブースタ圧縮機１４は、第１の駆動シャフト４２に結合された圧縮機ロータディスク２０からほぼ半径方向外向きに延びる複数のロータブレード４０を含む。圧縮機２２と高圧タービン１８とは、第２の駆動シャフト２９によって互いに結合される。エンジン組立体１０はまた、吸気側２８、コアエンジン排気側３０及びファン排気側３１を含む。
【００１５】
運転時に、ファン組立体１３は、吸気側２８を通ってエンジン１０に流入した空気を加圧する。ファン組立体１３から流出した空気流は、分割されて、空気流の一部分３５がブースタ圧縮機１４内に送られ、また空気流の残りの部分３６がブースタ圧縮機１４及びコアタービンエンジン１６を迂回してファン排気側３１を通ってエンジン１０から流出するようになる。このバイパス空気３６は、出口案内ベーン２１を通過して流れかつ該出口案内ベーン２１と相互作用して、音（響）波として放射される非定常圧力をステータ表面上に並びに周囲の空気流内に発生させる。音響ライナ４６は、ブレード及びベーン２１によってエンジン１０内で発生した音を吸収するように構成することができる。複数のロータブレード４０は、空気流を加圧しかつ加圧空気流３５をコアガスタービンエンジン１６に向けて送給する。さらに、空気流３５は、高圧圧縮機２２によってさらに加圧されかつ燃焼器２４に送給される。さらに、燃焼器２４からの加圧空気流３５は、回転タービン１８及び２６を駆動し、かつ排気側３０を通ってエンジン１０から流出する。
【００１６】
前述したように、一部の現在入手可能な民間用エンジンでは、別個の熱交換器及び音響吸収器が採用されている。さらに、高熱負荷により、一部の熱交換器の性能が最適以下になる可能性がある。加えて、一部のその他の熱交換器の使用は、音響吸収器のために使用可能な表面積を著しく減少させる。本技術の例示的な態様によると、表面冷却器及び音響吸収器として機能するように構成した複合型装置４４を提示する。より具体的には、この例示的な複合型装置４４は、例えば航空機エンジンのようなターボ機械の熱交換要件と音響吸収要求とに同時に対処するように構成することができる。以下において、「表面冷却器」という用語は、冷却及び音響吸収を可能にするように構成された複合型装置４４を意味するために使用することができる。
【００１７】
本技術の態様によると、この例示的な表面冷却器４４は、金属発泡体を含むことができる。別の実施形態では、表面冷却器は、炭素発泡体を含むことができる。一部のその他の実施形態では、例示的な表面冷却器は、高い熱伝導率を有する発泡体を含むことができることに留意されたい。一例として、発泡体は、約１５０Ｗ／ｍ*Ｋ〜約３９０Ｗ／ｍ*Ｋの範囲内の熱伝導率を有する炭素発泡体を含むことができる。別の実施形態では、金属発泡体は、約１８９Ｗ／ｍ*Ｋの熱伝導率を有するアルミニウム発泡体を含むことができる。理解されるように、金属発泡体は、大きな体積分率がガス入り細孔を含んでいる固体金属から成る細胞状（セル状）構造体である。細孔は、密封状（クローズドセル発泡体）にすることができ、或いはそれら細孔は、相互連結網目状（オープンセル発泡体）を形成することができる。一般的に、これらの金属発泡体は、非常に高い空隙率を有する。言い換えると、一般的には、体積の７５〜９５％が、空隙スペースから成る。金属発泡体の熱伝導率は、空隙率に応じてのみならず発泡体内で様々なセルを相互連結するウェブの完全性のより微細な細部にも応じて大きく変化する可能性があることに留意されたい。
【００１８】
本技術の実施形態によると、この例示的な表面冷却器４４は、ナセル壁つまり外側壁４８に沿って設置して、本発明の実施形態に従って熱伝達を可能にすると共に音響吸収を行うことができ、このことは、以下において一層詳細に説明する。
【００１９】
別の実施形態では、図１はまた、出口案内ベーン２１の底部を連結しているバイパス流３６の内側壁２３に沿って設置することができる表面冷却器４５及び音響ライナ４７を示している。
【００２０】
次に図２を参照すると、本発明の１つの態様による例示的な表面冷却器５０の軸方向断面の概略図を示している。図２に示すように、表面冷却器５０は、内側層５２と外側層５４とを含む。本技術の態様によると、内側層５２は、金属プレートで形成することができる。本技術の態様によると、内側層５２は、ナセル壁つまり外側壁４８（図１参照）に沿って設置することができることに留意されたい。さらに、外側層５４は、それに限定されないが、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せのような材料を含むことができる。それに代えて、内側層５２は、高い熱伝導率を有する金属発泡体を含むことができる。前述したように、金属発泡体は、大きな体積分率がガス入り細孔を含む固体金属から成る細胞状構造体である。一例として、内側層５２の厚さは、約０．５インチ〜約０．７５インチの範囲内で変化させることができる。さらに、外側層５４の厚さは、約０．５インチ〜約１．０インチの範囲内で変化させることができる。
【００２１】
本技術の態様によると、金属発泡体は、騒音低減を行うことに加えて熱伝達を増大させるために使用される。具体的には、金属発泡体は、該金属発泡体が熱伝導の強化と対流のための大きな表面積との良好な組合せをもたらすと同時にさらに比較的小さい質量を有するので、熱伝達／冷却を増大させるために使用することができる。加えて、多孔性金属発泡体はまた、エンジン１０内の様々な部品によって発生される騒音を吸収するように構成することができる。言い換えると、内側層５２の金属発泡体は、エンジン１０内の騒音を吸収することによって該エンジン１０内の騒音の低減を可能にするように構成することができる。その結果、金属発泡体は、１つの低質量パッケージ内で熱交換及び音響減衰を可能にする手段を提供するように構成することができる。
【００２２】
さらに、図示するように、この例示的な表面冷却器５０の内側層５２内には、少なくとも１つの、また一般的には複数のチューブ５６を配置することができる。１つの実施形態では、複数のチューブ５６を内側層５２内に埋込むことができる。複数のチューブ５６は、エンジンの様々な部品によって加熱される可能性がある流体を冷却するのを助けるように構成することができる。理解されるように、オイルのような流体は、軸受のようなエンジンの部品によって加熱される可能性がある。この加熱流体（オイル）は、チューブ５６を介して表面冷却器５０を通して送ることができる。流体からの熱は、チューブ５６の壁から伝達させかつ表面冷却器５０を介して空気流内に放散させることができる。この流体は次に、エンジン１０内の部品に運んで戻すことができる。１つの実施形態では、チューブの寸法は、その直径を約０．５インチとすることができる。より具体的には、チューブの寸法は一般的に、内側層５２の厚さよりも小さくすることができる。複数のチューブ５６は、それに限定されないが、アルミニウムのような材料で作ることができる。１つの実施形態では、流体としては、オイル又は水を含むことができる。
【００２３】
引続き図２を参照すると、参照符号５７は、ほぼｘ方向を表しており、他方、ｙ方向は、参照符号５８で表している。また、参照符号５９は、ｚ方向を表している。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２４】
上述したような金属発泡体を含む例示的な表面冷却器５０を実施することによって、表面冷却器５０の単位質量当りの除去熱を増大させることができる。加えて、表面冷却器５０内における金属発泡体の使用はまた、バイパス流れターボ機械要素からの騒音の低減を可能にすることができる。
【００２５】
図３は、図２の例示的な表面冷却器５０の円周方向断面６０を示している。上述したように、表面冷却器５０は、内側層５２と外側層５４とを含む。表面冷却器５０の内側層５２は、ターボエンジン１０（図１参照）のナセル壁つまり外側壁４８（図１参照）に沿って配置される。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２６】
次に図４を参照すると、本発明による表面冷却器６２の別の実施形態の軸方向断面を示している。表面冷却器６２は、内側層６６と外側層６８とを含む。本実施形態では、内側層６６及び外側層６８は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含むことができる。１つの実施形態では、内側層６６及び外側層６８の両方は、ほぼ同様な材料を含むことができる。言い換えると、内側及び外側層６６、６８は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含むことができる。それに代えて、内側層６６及び外側層６８は、異なる密度及び／又は空隙率を有する金属発泡体を含むことができる。一例として、内側層６６は、第１の密度を有する金属発泡体を含むことができ、他方、外側層６８は、第１の密度とは異なる第２の密度を有する金属発泡体を含むことができる。このことは、表面冷却器６２の熱伝達能力を増大させるのを助けることができる。さらに、内側及び外側層６６、６８内で異なる空隙率及び／又は密度を有する金属発泡体を使用することにより、表面冷却器６２の騒音吸収能力を高めることができる。本技術のさらに別の態様によると、金属発泡体の空隙率は変化させることができる。より具体的には、金属発泡体の空隙率は、異なる長さスケールを得るように意図的に変化させて、異なる音響波長の吸収を可能にすることができる。さらに、図４に示すように、内側層６６内には、複数のチューブ７０を配置することができ、その場合には、複数のチューブ７０が、エンジン１０の様々な部品によって加熱される可能性がある流体を冷却するのを助けるように構成することができる。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２７】
図５は、図４の例示的な表面冷却器６２の円周方向断面７２を示している。前述したように、表面冷却器の内側層６６は、エンジン１０（図１参照）のナセル壁つまり外側壁４８（図１参照）に沿って配置することができる。この場合にもまた、空気流はｚ方向５９である。
【００２８】
さらに、図６は、本技術の態様による表面冷却器７６のさらに別の実施形態の軸方向断面を示している。図６に示すように、表面冷却器７６は、内側層７８を含む。本技術の態様によると、内側層７８は、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含むことができる。さらに、１つの態様では、内側層７８は、中実材料を含むことができる。さらに、内側層７８に隣接して、複数のフィン８０を配置することができる。１つの態様では、複数のフィン８０はまた、金属発泡体を含むことができる。より具体的には、金属発泡体は、複数の別個のフィン８０へと成形及び／又は機械加工することができる。１つの態様では、これらのフィン８０は、空気流３６（図１参照）のような主空気流と平行に配向することができる。それに代えて、フィン８０は、主空気流とほぼ平行に配向されることに留意されたい。空気流は、ｚ方向５９であることに留意されたい。
【００２９】
主空気流内に突出する発泡体フィン８０を実施することによって、熱伝達の面積を増大させ、それによって熱伝達を増大させることができる。さらに、フィン８０の表面積の増大は、音響吸収を強化するのを助けることができる。複数の発泡体フィン８０を形成することに加えて、金属発泡体はまた、熱伝達を効率的に増大させるように構成されたピン及び／又はその他の構造体へと機械加工及び／又は成形することができる。加えて、内側層７８内には、複数のチューブ８２を配置することができ、その場合には、チューブ８２が、表面冷却器に流体を送り、それによってエンジン１０の様々な部品によって加熱された流体を冷却するのを助けることを可能にするように構成される。
【００３０】
図７は、図６の例示的な表面冷却器７６の円周方向断面８４を示している。前述したように、表面冷却器の内側層７８は、エンジン１０（図１参照）の外側壁４８（図１参照）に沿って配置することができる。この場合にもまた、空気流の方向は。ｚ方向５９である。
【００３１】
次に図８を参照すると、図６の例示的な表面冷却器７６の一部分８６を示している。参照符号８８は、内側層を表している。内側層８８に隣接して、複数のフィン９０が配置される。さらに、内側層８８及びフィン９０は、金属発泡体又は炭素発泡体９２で形成することができる。さらに、内側層８８はまた、中実材料で形成することができる。
【００３２】
図９は、本発明の別の実施形態を示しており、この図では、複数のフィン９６を含む表面冷却器９４の一部分を示している。この図示した実施形態では、例示的な表面冷却器９４の内側層９８は、中実金属を含むことができる。さらに、複数のフィン９６はまた、それに限定されないが、中実金属のような材料で形成することができる。この図示した実施形態では、複数のフィン９６は、内側層９８の基部から突出し、かつ内側層９８を形成するために使用した材料を含むことができる。それに代えて、別の実施形態では、それに限定されないが、アルミニウムのような材料を使用して、内側層９８と複数のフィン９６とを形成することができる。本実施形態によると、複数のフィン９６間の空間は、炭素発泡体又は金属発泡体１００で充填することができる。炭素発泡体又は金属発泡体１００は、複数のフィン９６の周りに鋳型又は射出することができる。より具体的には、炭素又は金属発泡体１００は、フィン９６が炭素発泡体又は金属発泡体１００を越えて突出するように、該フィン９６の周りに鋳型又は射出することができる。１つの実施形態では、複数のフィン９６は、内側層９８に対して約７０°の角度で傾斜させることができる。本技術の幾つかの実施形態によると、フィン９６の上面に対して炭素又は金属発泡体１００を射出することができる深さは、それに限定されないが、金属及び発泡体の熱伝導率、発泡体の音響特性、フィン９６の間隔等々のような幾つかの要因に応じて決めることができる。本技術のさらに別の態様によると、金属発泡体の空隙率は、変化させることができる。より具体的には、金属発泡体の空隙率は、異なる長さスケール間で意図的に変化させて、異なる音響波長の吸収を可能にすることができる。さらに、フィンは、主要音を音響相殺させることによってターボ機械の相互作用騒音を最小にするような方法で構成することができる。
【００３３】
図１０は、内側層１０６上に配置された複数のフィン１０８を備えた例示的な表面冷却器１０４の斜視図１０２を示している。第１の端部１１２及び第２の端部１１４を備えたフィン１０８の分解図１１０を示している。本明細書で使用する場合に、「第１の端部」という用語は、そこに空気流が衝突するフィン１０８の面であり、他方、「第２の端部」という用語は、空気流から離れる方向に向いたフィン１０８の面である。前述したように、フィン８０（図６参照）、９０（図８参照）は、音響吸収の強化をもたらすことに加えて、熱伝達を強化するのを可能にするように構成される。本技術のさらに別の態様によると、フィンの熱伝達能力は、さらに強化させることができ、それらについては、図１１〜図１３を参照しながら一層詳細に説明する。
【００３４】
次に図１１に移ると、本技術の態様による例示的なフィン１１６の平面図を示している。フィン１１６は、金属発泡体１１７で形成することができる。さらに、中実熱伝導性材料又は中実金属ブレード１１８をフィン１１６内に配置して有効な熱伝導経路を形成し、それによって例示的な表面冷却器の内側層からフィン１１６の表面への熱の伝達を可能にすることができる。1つの実施形態では、中実金属ブレード１１８は、フィン１１６の中央部に配置することができる。また、1つの実施形態では、中実金属ブレード１１８は、それに限定されないが、熱分解黒鉛のような材料を含むことができる。さらに、参照符号１２０は、空気流を表している。本実施例では、空気流１２０は、フィン１１６と平行であることに留意されたい。
【００３５】
別の実施形態では、図１１の中実金属ブレード１１８は、図１２に示すように空気流に対して垂直に配置することができる。より具体的には、図１２は、空気流１３０に対してほぼ垂直になるようにフィン１２４内に配置された中実金属ブレード１２６を含む別の例示的なフィン１２４の平面図を示している。中実金属ブレード１２６の垂直な配向は、空気流１３０が強制的にフィン１２４の炭素発泡体又は金属発泡体１２８の周りを流れるようにする。
【００３６】
図１３は、例示的なフィン１３２のさらに別の実施形態の平面図を示している。本実施形態では、複数の中実金属ブレード１３４は、それら中実金属ブレード１３４が空気流１３６に対して垂直になるように、例示的なフィン１３２内に配置することができる。参照符号１３８は、炭素又は金属発泡体を表している。複数のブレード１３４を含むことによって、フィン１３２は、複数の区域に分割することができる。空気流１３６は、図に示すように強制的に金属発泡体の周りを流れて、フィンの熱伝達並びに空気力学的性能を最適にする。
【００３７】
図６に関連して前述したように、フィン８０は、金属発泡体を使用して形成される。一部の状況では、フィン８０は、発泡体の多孔性の性質のために空気力学的性能の低下を生じる可能性がある。従って、これらのフィンの空気力学的性能を強化することもまた、望ましいことになる。
【００３８】
次に図１４〜図１９を参照すると、複数のフィン１０８（図１０参照）の別の構造の平面図を示している。本技術の例示的な態様によると、複数のフィン１０８を通過する流れの空気力学的性能は、該フィン１０８の第１の端部１１２（図１０参照）及び第２の端部１１４（図１０参照）上に前縁部、後縁部又はそれらの組合せを形成することによって強化することができる。本技術の実施形態によると、後縁部及び／又は前縁部は、中実金属を使用して形成することができる。これらの中実金属端縁部は、過度な圧力低下を防止し、それによってフィン１０８の空気力学的性能を増大させるのを助けることができる。従って、フィン１０８の別の実施形態を提示している。これらの別の実施形態は、エンジンの空気力学的性能をさらに強化するように構成することができ、それらについては、図１４〜図１９に関して一層詳細に説明する。図１４は、空気力学的性能を強化するように構成されたフィン１４０の例示的な実施形態を示している。前述したように、フィン１４０は、金属発泡体を含むことができる。また、前述したように、参照符号１１２は、フィン１４０の第１の端部を表し、他方、参照符号１１４は、第２の端部を表している。本明細書で使用する場合に、「第１の端部」という用語は、そこにエンジン内の空気流が衝突するフィン１４０の端部を表し、他方、「第２の端部」という用語は、空気流から離れる方向に向いたフィン１４０の端部を表している。図１４に示すように、前縁部１４２は、第１の端部１１２上に形成することができる。それに代えて、図１５に示すように、後縁部１４４は、フィン１４６の第２の端部１１４上に形成することができる。前縁部、後縁部又はそれら両方は、中実金属を含むことができる。図１６は、さらに別の実施形態を示しており、この実施形態では、フィン１４８は、それぞれ第１の端部１１２及び第２の端部１１４上に配置された前縁部１４２及び後縁部１４４の両方を含む。
【００３９】
同様に、図１７は、第１の端部１１２を前縁部１５２によって部分的に覆うことができるフィン１５０を示している。別の実施形態では、フィン１５６（図１８参照）の第２の端部１１４は、後縁部１５４によって部分的に覆うことができる。図１９は、さらに別の実施形態を示しており、この実施形態は、第１の端部１１２及び第２の端部１１４の両方がそれぞれ前縁部１５２及び後縁部１５４によって部分的に覆われた状態になったフィン１５８の平面図を示している。
【００４０】
上述した例示的な表面冷却器の様々な実施形態では、熱伝達の増大及び音響吸収の向上が得られる。加えて、これらの例示的な表面冷却器は、ターボ機械の質量を低下させる。さらに、これらの例示的な表面冷却器はまた、バイパス流の損失に対する影響を減少させ、従ってより良好な燃料消費量を可能にする。
【００４１】
本明細書では、本発明の一部の特徴のみを図示しかつ説明してきたが、当業者には多くの修正及び変形が想到されるであろう。従って、提出した特許請求の範囲は、全てのそのような修正及び変形を本発明の技術思想の範囲内に属するものとして保護することを意図していることを理解されたい。
【符号の説明】
【００４２】
１０ エンジン組立体
１１ ロータファンブレード
１２ 中心軸線
１３ ファン組立体
１４ ブースタ圧縮機
１５ ファンロータディスク
１６ コアガスタービンエンジン
１８ 高圧タービン
２０ 圧縮機ロータディスク
２１ 出口案内ベーン
２２ 高圧圧縮機
２３ 内側壁
２４ 燃焼器
２６ 低圧タービン
２８ 吸気側
２９ 第２の駆動シャフト
３０ コアエンジン排気側
３１ ファン排気側
３５ 空気流の一部分、加圧空気流
３６ 空気流の残りの部分、バイパス空気
４０ ロータブレード
４２ 第１の駆動シャフト
４４ 複合型装置、表面冷却器
４５ 表面冷却器
４６ 音響ライナ
４７ 音響ライナ
４８ 外側壁
５０ 表面冷却器
５２ 内側層
５４ 外側層
５６ チューブ
５７ ｘ方向
５８ ｙ方向
５９ ｚ方向
６０ 表面冷却器５０の円周方向断面
６２ 表面冷却器
６６ 内側層
６８ 外側層
７０ チューブ
７２ 表面冷却器６２の円周方向断面
７６ 表面冷却器
７８ 内側層
８０ フィン
８２ チューブ
８４ 表面冷却器７６の円周方向断面
８６ 表面冷却器７６の一部分
８８ 内側層
９０ フィン
９２ 金属発泡体又は炭素発泡体
９４ 表面冷却器
９６ フィン
９８ 内側層
１００ 炭素発泡体又は金属発泡体
１０２ 表面冷却器１０４の斜視図
１０４ 表面冷却器
１０６ 内側層
１０８ フィン
１１０ フィン１０８の分解図
１１２ 第１の端部
１１４ 第２の端部
１１６ フィン
１１７ 金属発泡体
１１８ 中実金属ブレード
１２０ 空気流
１２４ フィン
１２６ 中実金属ブレード
１２８ 炭素発泡体又は金属発泡体
１３０ 空気流
１３２ フィン
１３４ 中実金属ブレード
１３６ 空気流
１３８ 炭素又は金属発泡体
１４０ フィン
１４２ 前縁部
１４４ 後縁部
１４６ フィン
１４８ フィン
１５０ フィン
１５２ 前縁部
１５４ 後縁部
１５６ フィン
１５８ フィン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側層（５２）と、
前記内側層（５２）に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層（５４）と、を含み、
前記金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せが、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される、
表面冷却器（４４、４５）。
【請求項２】
前記内側層（５２）内に配置された複数のチューブ（５６）をさらに含み、
前記複数のチューブ（５６）が、冷却されることになる流体を運ぶように構成される、
請求項１記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項３】
前記内側層（５２）が、中実金属を含む、請求項１または２記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項４】
前記内側層（５２）が、金属発泡体、炭素発泡体体はそれらの組合せを含む、請求項１または２記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項５】
内側層（５２）と、
前記内側層（５２）に隣接して配置されかつ複数のフィン（８０）を含む外側層（５４）と、を含み、
前記複数のフィン（８０）が、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成され、
前記複数のフィン（８０）が、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む、
表面冷却器（４４、４５）。
【請求項６】
前記複数のフィン（８０、９６）の１つ又はそれ以上の端部上に配置された後縁部（１４４）、前縁部（１４２）又はそれらの組合せをさらに含み、
前記後縁部（１４４）、前縁部（１４２）又はそれらの組合せが、前記複数のフィンの端縁部の少なくとも一部分を覆うように構成され、
前記後縁部（１４４）、前縁部（１４２）又はそれらの組合せが、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される、
請求項５記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項７】
前記複数のフィン（８０、９６）が、前記金属発泡体内に配置された少なくとも１つの中実ブレード（１１８）をさらに含み、
前記中実ブレード（１１８）が、前記フィンの長さ全体にわたる熱伝達を増大させるように構成される、
請求項５または６記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項８】
コアエンジン（１６）と、
表面冷却器（４４、４５）と、
を含み、前記表面冷却器（４４、４５）が、
内側層（５２）と、
前記内側層（５２）に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層（５４）と、を含み、
前記金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せが、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される、
エンジン（１０）。
【請求項９】
前記表面冷却器（４４）が、前記エンジンのナセル壁（４８）に隣接して配置される、請求項８記載のエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記表面冷却器（４５）が、前記エンジンの内側壁（２３）に隣接して配置される、請求項８記載のエンジン（１０）。
【請求項１】
内側層（５２）と、
前記内側層（５２）に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層（５４）と、を含み、
前記金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せが、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される、
表面冷却器（４４、４５）。
【請求項２】
前記内側層（５２）内に配置された複数のチューブ（５６）をさらに含み、
前記複数のチューブ（５６）が、冷却されることになる流体を運ぶように構成される、
請求項１記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項３】
前記内側層（５２）が、中実金属を含む、請求項１または２記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項４】
前記内側層（５２）が、金属発泡体、炭素発泡体体はそれらの組合せを含む、請求項１または２記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項５】
内側層（５２）と、
前記内側層（５２）に隣接して配置されかつ複数のフィン（８０）を含む外側層（５４）と、を含み、
前記複数のフィン（８０）が、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成され、
前記複数のフィン（８０）が、金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む、
表面冷却器（４４、４５）。
【請求項６】
前記複数のフィン（８０、９６）の１つ又はそれ以上の端部上に配置された後縁部（１４４）、前縁部（１４２）又はそれらの組合せをさらに含み、
前記後縁部（１４４）、前縁部（１４２）又はそれらの組合せが、前記複数のフィンの端縁部の少なくとも一部分を覆うように構成され、
前記後縁部（１４４）、前縁部（１４２）又はそれらの組合せが、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される、
請求項５記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項７】
前記複数のフィン（８０、９６）が、前記金属発泡体内に配置された少なくとも１つの中実ブレード（１１８）をさらに含み、
前記中実ブレード（１１８）が、前記フィンの長さ全体にわたる熱伝達を増大させるように構成される、
請求項５または６記載の表面冷却器（４４、４５）。
【請求項８】
コアエンジン（１６）と、
表面冷却器（４４、４５）と、
を含み、前記表面冷却器（４４、４５）が、
内側層（５２）と、
前記内側層（５２）に隣接して配置されかつ金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せを含む外側層（５４）と、を含み、
前記金属発泡体、炭素発泡体又はそれらの組合せが、熱伝達を増大させかつ音響吸収を強化するように構成される、
エンジン（１０）。
【請求項９】
前記表面冷却器（４４）が、前記エンジンのナセル壁（４８）に隣接して配置される、請求項８記載のエンジン（１０）。
【請求項１０】
前記表面冷却器（４５）が、前記エンジンの内側壁（２３）に隣接して配置される、請求項８記載のエンジン（１０）。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−１５１１３１（Ｐ２０１０−１５１１３１Ａ）
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２８８５５６（Ｐ２００９−２８８５５６）
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１２月２１日（２００９．１２．２１）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【氏名又は名称原語表記】ＧＥＮＥＲＡＬ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＣＯＭＰＡＮＹ
【Ｆターム（参考）】
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