JPH11247667A - ガスタービンエンジンの冷却方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 複雑な制御弁やその制御手段を必要とせず
に、エンジンの効率やコストに優れた熱交換器システム
を提供する。 【解決手段】 熱交換器５４は、ファンダクト３２の２
次流路３４から吸入される冷却ガス（空気）によって冷
却される。熱交換器システム５２用の入口５８と出口６
２は、ファンダクト３２内において、通常の運転条件下
では不都合な静圧勾配となる位置にあるが、両者間で、
常に冷却空気が流される。熱交換器５４によって加熱さ
れた高温の冷却空気は、ファンダクト３２の作動媒体ガ
ス流に戻されるので、エンジンの効率が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスタービンエン
ジンの冷却方法に関し、特に、ファンダクト流路から冷
却空気を案内するための熱交換器システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】航空機用ガスタービンエンジンのような
軸流回転機械は、圧縮部、燃焼部及びタービン部を有す
る。典型的な固定翼航空機において、エンジンは、航空
機の翼に固定されたハウジング内に設けられている。ハ
ウジングは、通常、ナセルと言われる。ナセルは、航空
機に対してエンジンを支持するとともに位置決めもす
る。作動媒体ガス用の環状の一次流路がエンジン部を通
って軸方向に延びている。航空機装置においては、通
常、圧縮部はバイパスダクトを有するファン部を含む。
バイパスダクトは、一次流路の周囲に、後方へ延びる作
動媒体ガス用二次環状流路を構成している。

【０００３】ファン部内のファンロータアセンブリー
は、一次・二次流路を横切って外側へ延びるファンブレ
ード列を含む。複数のファン出口案内ベーンは、二次流
路の比較的低温の作動媒体ガスを受けるように、ファン
ダクト内のファンブレードの下流に配設されている。複
数のストラットは、ステータ構造体を支持しかつ荷重を
エンジンからその支持構造体に伝達するために、一般
に、ファン出口案内ベーンの下流に配置されている。

【０００４】運転中、作動媒体ガスは、一次流路に沿っ
て圧縮部内に引き込まれる。ガスはいくつかの圧縮ステ
ージを通過し、ガスの温度と圧力を上昇させる。ガスは
圧縮部内で燃料と混合され、燃焼されて高温の圧縮ガス
を形成する。これらのガスはエンジンへのエネルギ源で
あり、タービン部を通して膨張され、仕事を発生する。
この仕事の一部は圧縮部へ伝達されて、ファンロータア
センブリーとそのファンブレードを回転軸を中心に回動
する。

【０００５】ファンダクト内の作動媒体ガスは一次流路
内の質量流量の６〜８倍の質量流量を有するものである
が、圧力上昇は比較的小さく、温度上昇もわずかであ
る。

【０００６】発電装置や潤滑流体をエンジン内の回転部
品に供給するためのオイルシステムのようなエンジン内
の種々の部品が熱を発生する。これらの部品の作動温度
を許容範囲内に維持するために、油や他の液体媒体が、
熱を持ち去り、かつファンダクト内の冷却空気やエンジ
ン内の燃料等の他の適当な吸熱部へ放出させるように使
用される。

【０００７】熱を除去しそれを熱交換器へ放出するため
の手段として潤滑油を用いる構造がグリフィン等に付与
された「航空機エンジンアクセサリー用潤滑冷却システ
ム」と題する米国特許第４，１５１，７１０号に示され
ている。熱は、第１に、エンジンの二次流路内に延びる
熱交換器に放出され、第２に、燃焼室へ流れる燃料に連
通する熱交換器に放出される。

【０００８】冷却システムの他の例が、グリフィン等に
付与され「ターボファンガスタービンエンジンの発電装
置用冷却システム」と題する米国特許第４，４７４，０
０１号に示されている。２番目のグリフィンの文献にお
いては、冷却システムは、余分の熱を主熱交換器を通し
てエンジンの燃料へ放出し、また、低燃料流量のときに
は、ファンダクトから離れて設置されている副熱交換器
へ作動媒体流路から流されるファン空気へ、熱を補助的
に放出する。エンジンの運転条件に応じてファン空気の
（副）熱交換器への流れをオン・オフするために弁が用
いられる。

【０００９】更に他のアプローチは、２つの流体源、即
ち、低出力時にはエンジンの圧縮部に連通した高圧部、
高出力時にはファンバイパスダクトから流れるファン空
気、を流体源とし、これらから空気を受けるようにナセ
ルの室内に配設された熱交換器を備えることである。冷
却空気は、これらの位置から熱交換器に流されて機外へ
放出される。高出力時に高圧部からの流れを遮断し、低
出力時にファンダクトからの流れを遮断するために、そ
れぞれ弁が必要である。

【００１０】他のアプローチは、ファンダクト内の入口
からファンダクト内の下流位置の出口に延びる、コア室
内の熱交換器への流路を備えることである。上記出口
は、交換器の流路に対する上記入口の静圧よりも低い静
圧を有する位置にあるように、かなりの距離（数フィー
ト）下流に離間して配置されている。入口及び出口を、
このように離間することにより、ファンダクトの領域が
同静圧になることはなく、望ましくない（零又は小さな
負の）静圧勾配が生じることが回避している。

【００１１】上記入口は、内壁及び外壁から離間するよ
うに、ファンダクト内へ突出している。入口は、入って
くる流れに面しており、入口と出口の間の静圧に差があ
ることから、流路を通して熱交換器へ冷却空気を送り込
む。入口構造体は、エンジン内に吸入されてファンダク
トの内壁からファンダクトの内部へ遠心力で飛ばされる
氷や他の破片から異物損傷を受ける。このような破片
は、熱交換器への入口に衝突する。そして、これらの破
片は、下流の熱交換器へ運ばれ、そこでこの熱交換器に
当ってこれを塞ぐかも知れない。

【００１２】冷却空気は、熱交換器を通過するにつれ
て、この熱交換器によって冷却される部品から熱を受け
る。加熱された空気は、下流位置でファンダクト内へ吐
出される。熱交換器用流路の出口からの冷却空気の吐出
温度は、隣接した構造体の許容できないレベルに近づく
かも知れない。これは、入口と出口の間に距離があるた
めに静圧差が発生するとしても、熱負荷や冷却流のレベ
ルに起因するものである。そのため、金属シールドを排
気出口の下流側に設けることもある。このシールドが熱
を受け、シールドの半径方向内側にある複合構造体のよ
うな材料が高温排気から保護される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、複雑な弁の
切換や運転中のエンジンの能率低下を回避し得る確かな
冷却システムを提供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】熱交換器のようなコンポ
ーネントを冷却する本発明の方法は、ファンダクト冷却
システムを備えたガスタービンに用いられるもので、７
５パーセント以下の質量流量比特性でもってファンダク
トの内壁から入口を通して冷却システムへ冷却空気が流
れるようにするとともに、このファンダクトからの冷却
空気が、全てのエンジン運転条件の下で、不都合な静圧
勾配が生じるファンダクト内壁の２点間で、連続的に熱
交換器を通って流れるようにし、熱交換器において冷却
空気と熱交換するとともに、高温となった空気を作動媒
体流路へ戻し、作動媒体流路内の作動媒体ガスの推進エ
ネルギを増加させるようにする。

【００１５】本発明の一実施形態によれば、上記作動媒
体流路から連続的に上記作動媒体ガス（冷却空気）が流
れるようにするために、上記作動媒体ガスの上記熱交換
器を通る上記流路に沿った流れに対し、能動的な流れの
調整をしないようにしている。

【００１６】本発明の一実施形態によれば、上記ファン
バイパスダクトから上記熱交換器を通して連続的に冷却
空気が流れる際に、冷却空気が、上流位置から下流位置
まで流れ、かつ両者は、不都合な静圧勾配が存在するよ
うに近接している。

【００１７】本発明の一実施形態によれば、冷却空気を
流路に沿って流すに際して、上記熱交換器システムから
上記冷却空気を排出し、かつ、上記ファンダクト流路か
らの作動媒体ガスを半径方向内側へ方向付け、熱交換器
システムからの排出流へ向けることることによって、上
記ファンダクトからの作動媒体ガスと上記の排出空気
（この段階では熱交換器により加熱されている）とを、
混合させるようにする。

【００１８】本発明の一実施形態によれば、上記ファン
ダクト流路からの作動媒体ガスを、半径方向内側へ方向
付けて、熱交換器システムからの高温排出空気流へ向け
るに際して、熱交換器システムからの空気の動的水頭よ
りも大きな動的水頭を有するガスの流れとして、ファン
ダクトのガスを内壁に衝突させ、熱交換器からの空気が
内壁へ熱を伝えることを阻止するようにしている。

【００１９】本発明の他の一実施形態によれば、上記シ
ステムへ上記入口を通して冷却空気流を通過させるとき
に、冷却空気流の一部が上記入口の第１被覆部を通して
流れ、かつこの第１被覆部は、作動媒体流路の不乱流線
の半径方向内側に位置し、これにより、上記ファンダク
ト内の自由な流れならびに異物の流路に対する上記入口
の突出量が減少している。

【００２０】本発明の一実施形態によれば、上記システ
ムへ上記入口を通して冷却空気を通過させるに際して、
上記入口は、外壁によって境界付けられた第１被覆部を
有するとともに、上記外壁は、入口部から離れて傾斜し
た外壁面を有し、入口に流入したガスは、急激に下方へ
案内され、異物の吸入を防止するとともに、氷のような
異物が、流路を仕切る壁面や他の構造物に衝突して破砕
されるようにしている。

【００２１】本発明の主たる特徴は、不都合な静圧勾配
を有する２点間に冷却空気を流すことである。本発明の
他の特徴は、エンジンの全運転条件の下で、連続的に冷
却空気が熱交換器に流れることである。本発明の他の特
徴は、加熱された冷却空気を、作動媒体流路に戻し、作
動媒体流路内のガスの推進エネルギを増加させるように
していることである。本発明の他の特徴は、熱交換器か
らの高温排出空気を作動媒体ガスと混合させる際に、フ
ァンダクトからの作動媒体ガスを、半径方向内側へ方向
付けて、熱交換器からの高温空気流内へ向け、ファンダ
クト壁を高温空気から保護することである。一実施形態
における特徴としては、半径方向内側へ方向付けられた
ガスの動的水頭と、熱交換器からの排出ガスの動的水頭
と、の比率がある。

【００２２】本発明の主たる利点は、ファンダクトから
分流した流れに熱交換が行れ、かつ高温となった後にこ
の流れがファンダクトの流れに戻るため、エンジン効率
に優れることである。このように冷却流がファンダクト
のガスに混合することにより、燃焼サイクルにエネルギ
が付加される。他の利点は、システムが単純でコストの
点で有利なことである。これは、エンジンの全運転条件
の下で、冷却空気が熱交換器に連続的に流れるため、制
御弁やその制御手段が不要となるためである。本発明の
さらに他の利点は、通常の運転条件では不都合な静圧勾
配となるような２点間で流れを引き込み、かつ戻すこと
により、システムを小型化できることである。またさら
に他の利点は、不乱流線の半径方向内側の入口を通して
冷却空気を流すことにより、異物の吸入に対する耐性が
高まるとともに、抗力が許容し得るレベルとなってエン
ジン効率の上で有利なことである。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は、ガスタービンエンジン１
０のような軸流回転機械の側面図である。エンジンは、
一般にナセル１２と言われるハウジング内に配置され
る。ナセルはエンジンを取り巻いている。ナセルは、ナ
セルファン室１４及びナセルコア室１６のような付属装
置用の室を含む。ナセルはエンジン用の空気力学的ハウ
ジングを構成している。

【００２４】エンジンは回転軸Ａｒを有し、図１に相対
位置が示されているように、ファン部１８、圧縮部２
２、燃焼部２４及びタービン部２６を備えている。作動
媒体ガス用の一次流路２８は、エンジンのこれらの部分
を通って後方へ延びている。一次流路は、エンジンへの
入口の最も内側の部分でエンジン内に入る。ナセルコア
室１６はエンジンの円周方向へ延び、ナセルファン室１
４から半径方向内側へ離間され、それらの間にファンバ
イパスダクト３２が形成されている。作動媒体ガス用の
二次流路３４は、バイパスダクト３２を通して後側へ、
そして、自らの外側へ延びている。

【００２５】ファンバイパスダクト３２は内壁３６及び
外壁３８によって仕切られている。この内壁および外壁
は、エンジンの回転軸Ａｒを中心にして円周方向へ延び
ている。複数のファンブレード（図示せず）は、二次流
路内の作動媒体ガスを加圧するために、ファンバイパス
ダクトを横切って外側へ延びている。ファン出口案内ベ
ーン４２として代表されている複数のファン出口案内ベ
ーンが、内壁と外壁の間に延び、ファンブレードから吐
出される流れを受けるようになっている。ストラット４
４として代表されている複数のストラットが、ファン出
口案内ベーン４２の下流にある。ストラット４４は、内
壁３６と外壁３８の間を半径方向へ延び、エンジンの各
部分とナセルの構造的支持部を成すように、円周方向へ
離間して配置されている。

【００２６】ファンバイパスダクト３２は、ファン出口
案内ベーン４２の下流に吐出ファンダクト４６を有す
る。吐出ファンダクト４６は、流路に沿った全圧力の損
失が無視できる流路である特徴を有し、また、後方へ向
かった静圧勾配が実質的に零である（即ち、静圧が流路
に沿って実質的に等しくなっている）か、又は、流路の
形状によっては静圧が増加する、という特徴を有してい
る。ファン出口案内ベーン４２のかなり下流でかつファ
ンストラットより下流（数フィート下流）の位置４８に
おいて、流れは、狭まった通路によって加速され、逆方
向の圧力勾配が消失し、かつ正方向の勾配となる。熱交
換器５４と熱交換器用流路５６を有する熱交換器システ
ム５２が、コア室１６内に配置されている。

【００２７】図２は、図１に示されたエンジンの一部の
拡大図で、熱交換器システム５２を示す。熱交換器シス
テム５２は、ファン出口案内ベーン４２のベーン列の直
ぐ下流にあって、円周方向へ離間した１対のファンスト
ラット４４の間に配置されている。ファンストラット４
４は、内壁３６、外壁３８及び作動媒体ガス用の二次流
路３４に対する熱交換器システムの位置関係を明らかに
示すために、破断して示してある。二次流路はこのよう
な壁に沿って延びる流線を有し、これらの流線として
は、熱交換器システムによって乱された流線（乱流線）
Ｆｄと、熱交換器システムによって乱されない流線（不
乱流線）Ｆｕを含む。この熱交換器システムによって乱
されない流線は、各軸位置で厚さＢｕを持つ（軸対称流
の境界層と同様である）壁流特性を有するものである。

【００２８】熱交換器システムは、入口と出口を有す
る。ノイズ制御用複合ライナが、内壁において熱交換器
システムの出口に直ぐ隣接しており、かつ下流方向へ延
びている。両者間の間隔は、ファンダクトの内壁からの
熱交換器の高さより小さい。

【００２９】空洞部６６が、ナセルのコア室１６内に形
成されている。熱交換器５４がこの空洞部６６内に配設
されている。熱交換器５４は、冷却空気流路５６用の入
口６８及び出口７２を有する。冷却媒体流体用の流路７
４は、熱交換器５４に連通している。高温流体が、冷却
を必要とする部分と連通している。熱を熱交換器へ運ぶ
冷却媒体流体の例としては、この冷却媒体が通過する部
品から熱を受けるエンジン燃料あるいはエンジン潤滑油
である。なお、上記の熱交換器に代えて、各部品の周囲
を囲むプレナムを用いることもでき、あるいは、各部品
から冷却空気の流路へ熱交換し得る他の熱交換手段を用
いることもできる。

【００３０】熱交換器システムの冷却空気用の流路５６
は、熱交換器５４の入口及び出口を通って延びる。この
流路は弁の開閉によって閉塞されない。この「閉塞され
ない」という単語の意味は、流路が、エンジンのあらゆ
る運転条件において連続しているということである。な
お、容易に理解されるように、ここで開示されている構
成の多くの部分は、開閉される流路を持つシステムにも
有利に用いることが出来る。

【００３１】冷却空気用の流路５６は、熱交換器システ
ムへの入口６８を通じて、ファン吐出ダクト４６内の二
次作動媒体流路に連通している。入口ダクト７６は、入
口６８から延びて長さＬｄｉを有する。この入口ダクト
７６は、第１壁（内壁）７８と第２壁（外壁）７９を有
する。

【００３２】空洞部６６内において、第１の半径方向へ
延びる管路８０が、入口ダクト７６から熱交換器入口６
８まで延びており、この入口６８を入口ダクト７６に連
通させている。第１の管路８０は、熱交換器５４からこ
の管路８０の部分を横切って軸方向に延びた曲げベーン
８２を有し、かつこの曲げベーン８２は半径方向に離間
して複数設けられている。ここでは、第１の管路８０の
残りの軸方向部分は、熱交換器を通して軸方向となる実
質的に半径方向への作動媒体ガスの流れに対し開口した
ままとなっている。

【００３３】熱交換器システム５２の出口６２は、第２
の管路８４を含む。第２の管路８４は、半径方向へ延
び、熱交換器５４を通して、第１の管路８０と連通して
いる。出口６２は、排出路８６を含む。排出路８６は、
第２の管路８４と連通する第１部分８８を有する。第１
部分８８は、半径方向外側へ延びている。第２部分が軸
方向後方へ延びており、ローブ状混合部９２で終端とな
る。ローブ状混合部９２は、その端に、出口部９６を有
する。ローブ状混合部９２は、ファンダクト４６の内壁
３６において、不乱流線Ｆｕから半径方向高さＨｏだけ
外側へ離れている。従って、出口部９６は、その最も内
側の面が、該出口部９６から周方向へ離れた位置におけ
る不乱流線を位置決めする基準面となる。

【００３４】図３は、図２に示された熱交換器５２の一
部の拡大図である。熱交換器システムの入口５８は、内
壁９８と外壁１０２を有する。入口５８の内壁９８と入
口５８の外壁１０２は、それぞれ、入口５８に入る流れ
（流路５６）に直角な入口平面Ｐに沿って広がってい
る。入口５８の内壁９８および外壁１０２は、流れが外
側方向の壁（外壁）によって仕切られ、かつ内側方向の
壁（内壁）によって仕切られる位置にある。流れのこの
部分は、通常、流れの第１被覆部と呼ばれる。内壁９８
は、入口の幅分だけ円周方向へ延びている。内壁９８
は、ファンダクトの内壁３６における不乱流線Ｆｕより
も半径方向内側にある。この不乱流線Ｆｕは、内壁３６
に一致し、ファンダクトの外壁３８から距離Ｈｆｄだけ
半径方向へ離れている。

【００３５】外壁１０２つまり唇部は、内壁と同様に、
円周方向へ延びている。外壁１０２つまり唇部は、円周
方向へ延びかつ下流方向へ向かうに従ってエンジンの軸
Ａｒから半径方向へ拡散する第１外面１０４によって形
成されている。外壁（唇部）１０２は、円周方向へ延び
かつ下流方向へ向かうに従って軸Ａｒから半径方向に収
斂する第２内面１０６を有する。

【００３６】外壁１０２は、入口５８の内壁９８から入
口の半径方向高さＨｉだけ後方及び半径方向外側へ離間
されている。外壁１０２は、不乱流線Ｆｕから半径方向
距離Ｈｆだけ半径方向外側にある。入口の半径方向高さ
距離Ｈｉは、壁流特性の部分の厚さＢｕよりも大きい。
壁流特性は、軸対称流れにおける境界層特性に類似した
もので、内壁３６に隣接して三次元の相（aspect）を持
つ非定常流の領域をいう。流れの非定常性及び三次元相
は、熱交換器システム５２がファン出口案内ベーン４２
の直ぐ下流にあり、かつ隣接するストラット４４の間に
あるという位置に起因する。以下に述べるように、入口
の露出比、アスペクト比及び透過比は、熱交換器システ
ムが異物の損傷に曝される度合、および熱交換器システ
ムによる作動媒体流の乱れに関連した損失を評価するた
めの重要なパラメータである。

【００３７】図３に示されているように、入口は、流入
してくる流れ内の異物に対する露出比を有する。この露
出比は、入口の半径方向全体高さＨｉに対するファンダ
クト内壁（不乱流路Ｆｕ）からの入口の半径方向距離Ｈ
ｆの比である。この距離Ｈｆは、７０％以下である（Ｈ
ｆ／Ｈｉ≦０．７０）。透過比は、ファンダクトの高さ
Ｈｆｄに対する入口の露出した半径高さＨｆの比であ
り、これは１５％以下である（Ｈｆ／Ｈｆｄ≦０．１
５）。一実施形態では、１０％以下である（Ｈｆ／Ｈｆ
ｄ≦０．１０）。アスペクト比は、熱交換器の入口の幅
Ｗ（図４参照）を入口の外壁までの半径方向の高さＨｆ
で割った比であり、これは５０％よりも少なく、一実施
形態では、２０％よりも少ない。

【００３８】図４は、出入口モジュール１０８と呼ばれ
る熱交換器システム５２の部分の斜視図である。

【００３９】図３及び図４に示されているように、入口
５８は、出入口モジュール１０８と入口平面Ｐとが交差
している部分にある第１側面１１２と第２側面１１４を
含む。第１側壁１１６及び第２側壁１１８が、入口５８
の内壁９８と外壁１０２から延びている。側壁１１６，
１１８は、ファンダクト３２の内壁３６まで上流方向に
延びている。各側壁１１６，１１８は、ファンダクト３
２の内壁３６に達するまで上流方向へ向かって徐々に高
さが減少する。入口傾斜部１２２は、入口の内壁９８か
らファンダクト３２の内壁３６まで上流方向に延びる湾
曲した壁である。入口傾斜部１２２は、側壁１１６，１
１８の間で円周方向に延び、ファンダクトから入口内へ
と円滑に移行する部分を構成している。

【００４０】入口５８は、エンジンの全運転条件におい
て７５％以下の質量流量比特性ＭＦＲ（ＭＦＲ≦０．７
５）を有する。エンジンの特定の運転条件に対する質量
流量比特性は、第１被覆部における流入量に対して定義
されるものであり、第１被覆部を通して熱交換器の流路
へ流れる実際の流量を、自由な流れにおける密度と速度
との積に第１被覆部の面積を乗じた値で割ったものであ
る。一つの実施形態では、ＭＦＲはすべての運転条件で
約５０％であった。

【００４１】上述の通り、入口ダクト７６は入口５８か
ら延びている。入口ダクト７６の内壁は、入口の内壁９
８から延びている。入口ダクト７６の外壁は入口の外壁
１０２から延びている。この壁の各々は、別々に、軸Ａ
ｒの方へ半径方向下流方向に向かって収斂しており、作
動媒体ガスの不乱流線Ｆｕの下方へ急激な落ち込みが生
じるようになっている。

【００４２】出入口モジュール１０８は、側壁１１６，
１１８を有し、かつこれらは、該第１側壁及び第２側壁
の延長部となる後方へ延びた部分を有する。流路壁１２
４が側壁１１６，１１８間に延び、かつ第１被覆部にお
ける外壁１０２の外面１０４からローブ状混合部９４ま
で後方に延びている。入口は、内壁において側壁の間に
延びる幅Ｗを有し、かつこれは一定である。出入口モジ
ュール１０８は、第１側壁と第２側壁との間に延びる出
口６２側では、幅Ｗｏを有する。幅Ｗｏは幅Ｗよりも大
きい。出口６２のアスペクト比は、出口６２の高さＨｏ
を幅Ｗｏで割ったものであり、これは２５％より小さ
く、一実施形態では、２０％よりも小さい。第１周方向
延長面１２６が第１側壁１１６から延び、第２周方向延
長面１２８が第２側壁１１８から延び、これらは、ファ
ンストラット４４の間におけるファンバイパスダクト３
２の内壁９８を画定している。これらの面は、又、不乱
流線Ｆｕの基準になる。ストラット４４の形状は、図２
では明瞭化のために部分的に破断して示されているが、
出入口モジュールがファンストラットに当接係合するよ
うに、上記の周方向延長面に適合した形状となってい
る。

【００４３】図５に示すように、ローブ状混合部９４自
体の高さＨＩの、該混合部の内壁からの離間距離Ｈｐに
対する比は、１である。ローブ状混合部９４は、排出流
れ側からは凹んだ形となる複数のローブピーク部１３２
が形成されている。各ローブピーク部１３２は、互いに
円周方向に離間されている。複数のローブ谷部１３４
が、各ローブピーク部１３２の間にあり、かつローブピ
ーク部１３２に接続されている。ローブ谷部１３４は、
熱交換器システムの排出流路５６からは凸状になってお
り、作動媒体流線３４に関しては凹状になっている。各
ローブ谷部１３４は、１対のローブピーク部１３２間に
延びており、半径方向内側へ突出し、かつ軸方向へ延び
る複数のチャンネル１３６を構成している。熱交換器シ
ステムの排出流路側のチャンネル１３８は、単に軸方向
後方に延びている。

【００４４】図１に示されたガスタービンエンジン１０
の運転中、作動媒体ガスはそれらのガス用の一次流路２
８及び二次流路３４に沿って流される。熱は、種々の部
品から流路７４に沿って熱交換器５４へ流される冷却媒
体流体へ運ばれる。冷却空気は、エンジンの全運転条件
で連続的に、熱交換器を通してファンダクト４６から流
路５６を通して連続的に流される。熱交換器システム用
流路は、入口ダクト７６、第１管路８２、第２管路８
４、を含む入口５８を通して熱交換器へ延び、かつ、出
口６４を通して延びる。流路５６は全運転条件で遮られ
ることがない。流れを調整するために弁作用は不要であ
る。このことは、冷却用の簡単なシステムを提供し、こ
のような熱交換器システムに弁およびその制御手段を用
いる場合のコスト、複雑さ及び重量増加を避けることが
できる。

【００４５】運転条件下では、不乱流線Ｆｕを有するフ
ァンダクトの内壁３６の軸方向位置の間に、即ち、その
流れが熱交換器システム５２によって乱されない位置の
間に、望ましくない静圧勾配が生じる。冷却空気は、フ
ァンダクトの内壁において、入口５８を通過して交換器
システムへ達する。上述のように、入口は、この入口に
おける質量流量比ＭＦＲが、７５％以下（ＭＦＲ≦０．
７５）であり、一つの実施形態においては、５０％より
も僅かにすくない（ＭＦＲ≦５０％）。加えて、入口の
半径方向高さＨｉは、壁流特性の範囲Ｂｕよりも大き
い。その結果、熱交換器に入ってくる流れは、熱交換器
システムを通して流れを送るのに十分な静圧の上昇を受
けることになる。入口の高さＨｉが壁流特性の高さＢｕ
よりも大きいから、全圧力の回復は高くなる。入口７６
に長さＬｄｉがあるために、入口で生じるすべての分離
されていた流れが混合する。このことで、その位置で静
圧上昇という形での更なる圧力回復が可能になる。

【００４６】入口５８で静圧が上昇することによって、
熱交換器システム５２用の流路５６に沿って、捕捉され
たガスが動かされる。入口５８及び出口６２の間に、不
乱流線Ｆｕに沿ってファンダクト４６内に望ましくない
静圧勾配があったとしても、流れが生じ得る。このこと
は、ファンダクト内の不乱流線Ｆｕに沿って入口の軸方
向位置と出口の軸方向位置との間に静圧差を設けなけれ
ばならない（例えば数フィート離す）熱交換器システム
の場合に比較して、あるいは、作動媒体流路から吐出さ
れるガスの集積場所としての低圧力室を使用する構造に
比較して、熱交換器システムの構造を比較的短い長さ
（一実施形態では、約１フィート）にすることを可能と
する。加えて、入口傾斜部１２２の側壁１１６，１１８
は、該傾斜部からの側流を阻止し、入口５８の傾斜部１
２２で生じ始める静圧上昇を維持する。

【００４７】本発明のエンジンの設計及び運転方法の他
の利点は、作動媒体流路内に突出する熱交換器システム
によって生じる抗力（drag）のレベルにある。熱交換器
の入口のアスペクト比は、２０％以下であり、出口では
２５％以下である。加えて、熱交換器システムの流路内
への突出比は、作動媒体流路の高さの１０％以下であ
る。これによって、ファンバイパスダクト３２内の作動
媒体ガス３４が熱交換器システム５２の出入口モジュー
ル１０８によって掃引されるのに対し、許容し得るレベ
ルの抗力と、付随した小さなエネルギ損失を生じる。

【００４８】加えて、出入口モジュール１０８の低いア
スペクト比及び作動媒体流路３４への低い突出比によっ
て、異物によって損傷したり異物が侵入したりする可能
性が減少する。このことは、入口の突出比及びアスペク
ト比がより大きな設計のものに比べて、エンジンの作動
媒体流路内に侵入した氷や破片によって熱交換器が塞が
れる可能性を減少させる。傾斜部２２及び入口ダクト７
６は、入口５８において不乱流線Ｆｕより下方に急激に
沈む。これによって、入口に入る流れに隣接した主流れ
内の異物は、熱交換器の入口上を通過する。加えて、入
口はファンダクトの内壁３６に配置されている。異物
は、通常、遠心力作用で外側へ移動され、異物損傷は、
ファンダクト内へ入口が突出している１０％以内の領域
に比べて、突出量が１０％を越える領域で、大きな割合
で発生する。従って、入口は、その寸法が、壁流特性の
範囲Ｂｕよりも大きい一方で、殆どの異物が入口上を通
過するのに十分なように小さくなっている。

【００４９】航空機が高い高度を飛行している時あるい
は雹や氷の嵐を通過する時には、氷による特別な問題が
起こる。ファンダクト３２内への入口の突出量よりも大
きな直径を有する氷塊が、ファンダクトの導入口に当た
って、入口５８で砕ける。入口の外壁の領域は、その厚
さが、内側の壁の厚さの約４〜６倍に増加されている。

【００５０】エンジン１０を運転する方法としては、熱
交換器流路５６の冷却空気を、入口５８に通し、かつこ
の冷却空気を急激に下方へ案内して、上述のように異物
の侵入を阻止する工程を含む。それはまた、氷のような
異物を、壁７９と、流路を仕切るベーン８２のような他
の構造体とに衝突させ、入口ダクト７６の内部ならびに
熱交換器空洞部６６の第１管路８０内部で砕く。例え
ば、これらの粒子が、半径方向内側に動くにつれて熱交
換器の入口案内ベーン８２に衝突し、さらに、十分な運
動量を有している場合には、熱交換器の入口に当たる前
に空洞部の底部に衝突する。これにより、熱交換器のよ
り壊れ易い構造体への損傷を避けることができる。

【００５１】ダクトの軸方向長さに比較して流路を鋭く
内周側へそして鋭く外周側へ延ばすようにした構成の他
の利点は、熱交換器システムをコンパクトにできること
である。熱交換器の出入口モジュール１０８は、一実施
形態については、約１フィートの長さを持つ。熱交換器
システムの高さＨに対する長さＬの比は、約１（Ｌ／Ｈ
＝０．９〜１.1）である。

【００５２】冷却空気は熱交換器５４内で加熱され、そ
の後、この加熱空気は、第２管路を通して半径方向外側
へ流され、そして排出路８６内に流入する。第１部分８
８は半径方向外側へ延び、第２部分９２は下流方向軸方
向へ延び、排出ガスを熱交換器から後方へ向けるように
している。熱交換器の流路５６からの排出ガスは、ロー
ブ状混合部９４に流入する。エンジンの運転は、これら
の加熱排出ガス４６をファンダクトからのより冷たい作
動媒体ガスに混合することを含む。ローブ状混合部９４
は混合を促進し、ガスからのエネルギが、作動媒体の流
路に入り、隣接する構造物の有用な推力熱を増加させる
ことを確実にしている。熱は、ナセルの複合壁をシール
ドする金属板に伝達され、次いでエンジンの他の部分へ
伝達される。これらの加熱ガスは、ガスの流れのエネル
ギを増加し、そして、一つの実施形態では、ガスが熱交
換器の流路を通過することによって生じるエネルギ損失
を補償する。

【００５３】他の利点は、混合器９４のローブ谷部１３
６が半径方向内側へ向けられていることにより、下流構
造体６４は耐久性があるということである。ローブ谷部
１３６が案内する空気は、熱交換器システム５２から排
出される加熱空気５６の動的水頭（ダイナミックヘッ
ド）よりも遙かに大きな動的水頭もしくは速度水頭（密
度に速度の２乗を掛けたものの半分）を持つ。一つの構
造例では、作動媒体ガスのダイナミックヘッドは熱交換
器システムのガスのダイナミックヘッドの４倍である。
この結果、ガス流３４は、半径方向内側へ排出ガス流５
６内へ送られ、熱交換器システム５２の後方の構造体に
対し、冷却空気のスクリーンを形成する。この空気のス
クリーンは、壁に隣接した冷却空気のカーテンとなり、
熱交換器から出たガスが壁に接触することを防止する。
これによって、吸音構造体のような種々の隣接している
複合構造６４が過熱することがなくなり、このような構
造体を過熱状態から保護するために流路内に金属保護シ
ールドを設ける必要もなくなる。

【００５４】熱交換器の入口及び出口がモジュール構造
になっていることによる特別な利点は、出入口モジュー
ル１０８を迅速にかつ能率的に形成することが可能とな
ることである。出入口モジュール１０８は鋳物構造であ
る。鋳造技術を使用することで、鋳物の寸法を比較的小
さくすることができる。鋳物構造にすれば、薄いシート
メタルで製造され得るであろう従来の装置に比較して、
通路を正確な形状にできるし、臨界的な位置では頑丈な
構造にできる。加えて、鋳物では、流路と空気力学的入
口との間の関係を、空気力学的設計に確実に適合させる
ことができる。この設計によって、出入口モジュールに
損傷が生じた場合、容易に交換できる。

【００５５】出入口モジュールを鋳物として製造するこ
とには他の利点がある。例えば、時に応じて、複雑な形
状の流路が容易に形成される。このことによって、シー
トメタルの作業の場合に用いる、シートメタル部を複雑
な形状に形成してこれらを溶接するための多くの異なっ
た種類の加工装置を必要としなくなる。

【００５６】入口及び出口用の鋳物モジュールの他の利
点は、設計の強度−重量比にある。鋳物は、出入口モジ
ュールの異なった位置で必要な異なった厚さが得られ
る。従って、モジュールは、前端部あるいは入口壁、出
口壁、側壁等の他の必要位置では肉厚を厚くし、異物損
傷に抗するため又は他の条件による強度が特に必要でな
い位置では、リブ付きの薄い壁とすることができる。加
えて、鋳物は、多くの部片から構成されているものに比
べて全体の剛性が大きなものとなる一体物構造となる。

【００５７】一体物構造は、また、重量が軽く、パーツ
を付け合わせていくつかの部品（それらの部品が鋳造部
材であるか溶接メタルシートであるかに拘わらない）か
ら成る構造体にするのに必要なフランジが不要である。
部品間の段差や間隙をなくし、空気力学的な損失を抑制
することによって、空気力学的な効果が得られる。また
出口５８と入口６２間の臨界的な整合性が維持される。

【００５８】最後に、モジュール化した入口及び出口の
設計では、エンジン内に１個あるいは複数のモジュール
を容易に設置できる。例えば、エンジン構造のいくつか
の例では、第１熱交換器に連通する第１出入口モジュー
ルと、第２熱交換器に連通する第２出入口モジュール
と、を有する。これらのモジュールのいずれも、容易に
交換可能であり、また、エンジンが激しい雹嵐を通過し
た場合などに熱交換器の空洞部が閉塞されていないか異
物により損傷していないかを検査するために容易に取り
外し可能である。最後に、モジュールの取り付け及び取
り外しに際しての利点は、出口と入口間の整合性が保た
れる鋳物の一体物構造の設計でなされていることから、
モジュールの互換性があることである。

【００５９】本発明はその詳細な説明について示され説
明されてきたが、その形態及び詳細について種々の変更
が、請求項の発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく
なされ得ることを当業者が理解するべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】ファンバイパスダクトと連通している熱交換器
システムを示すために、一部を破断したガスタービンエ
ンジンの側面図である。

【図２】図１に示されたエンジンの一部の拡大図であ
る。

【図３】図２に示された熱交換器システムの一部の拡大
図である。

【図４】図２に示された熱交換器システム用の出入口モ
ジュールの斜視図である。

【図５】明瞭化するためにエンジンの一部を破断して熱
交換器システムの出口を示す図１の線５−５に沿う端面
図である。

【符号の説明】 １０…ガスタービンエンジン １２…ナセル １４…ナセルファン室 １６…ナセルコア室 ２８…一次流路 ３２…ファンバイパスダクト ３４…二次流路 ３６…内壁 ３８…外壁 ４２…ファン出口案内ベーン ４４…ストラット ４６…吐出ファンダクト ５２…熱交換器システム ５４…熱交換器 ５６…熱交換器用流路 ５８…入口 ６２…出口 ６６…空洞部 ７６…入口ダクト ８０…第１の管路 ８２…曲げベーン ８４…第２の管路 ８６…排出通路 ９２…ローブ状混合部 １０８…出入口モジュール １１６…第１側壁 １１８…第２側壁 １２２…入口傾斜部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 スティーヴェン ディー．サンダル アメリカ合衆国，コネチカット，グラスト ンベリー，ジョニー ケーク レーン ９ (72)発明者 スティーヴェン エイチ．ジスマン アメリカ合衆国，コネチカット，アムスト ン，コングレス ドライヴ 91

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱交換器を有する冷却システムを使用し
   てガスタービンエンジンのコンポーネントを冷却するた
   めの方法であって、上記エンジンは、回転軸Ａｒの周囲
   に配置されるとともに、該回転軸Ａｒの周囲に配置され
   た作動媒体ガス用の環状の一次流路と、該一次流路の周
   囲に配置された作動媒体ガス用の環状の二次流路を有
   し、該二次流路は内壁と、外壁と、該内壁，外壁間に延
   びる半径方向の二股状壁と、を含む壁によって仕切られ
   たファンダクトを有し、該二次流路は、更に、これら壁
   に沿って延びる流線を有し、これらの流線には、上記冷
   却システムによって乱される乱流線Ｆｄと該冷却システ
   ムによって乱されない不乱流線Ｆｕとが含まれ、上記不
   乱流線Ｆｕは、軸方向の各位置で厚みＢｕを有する壁流
   特性を有し、上記熱交換器システムは、冷却を要するコ
   ンポーネントを含み、該コンポーネントは、入口と、出
   口と、該コンポーネントの上記入口から上記出口を通じ
   て延びる冷却システム用の流路と、を有し、かつこの流
   路は、該システムの第１被覆部を有する入口と該システ
   ムの出口部を有する出口とを通じて、上記ファンダクト
   内の上記二次作動媒体流路と流体的に連通しているもの
   において、 上記ファンダクトの壁面における上記システムへの入口
   を通して冷却空気が通過するようにし、かつ、エンジン
   の全ての運転条件の下で上記第１被覆部を通して流れる
   流れの質量流量比特性を、７５パーセント以下とし、 エンジンの全ての運転条件の下で不都合な静圧勾配が生
   じる上記ファンダクトの壁面上の位置の間において、エ
   ンジンの全ての運転条件の下で、上記作動媒体流路から
   上記コンポーネントを通して冷却空気が連続的に流れる
   ようにし、、上記熱交換器内のガスとの間で熱交換をさ
   せ、 上記冷却システムから上記出口を通じて上記作動媒体ガ
   スを排出するとともに、作動媒体ガスを方向付けること
   によって上記ファンダクトからの作動媒体ガスと排出ガ
   スとを混合させ、 上記作動媒体流路から連続的に上記作動媒体ガスが流れ
   るようにするために、上記作動媒体ガスの上記熱交換器
   を通る上記流路に沿った流れに対し、能動的な流れの調
   整をしないことを特徴とし、 上記ファンダクトから上記熱交換器を通して連続的に冷
   却空気が流れるために、冷却空気が、不都合な静圧勾配
   が存在する第１位置から第２位置まで流れるようにし、 さらに、上記作動媒体流路内の作動媒体ガスの推進エネ
   ルギを増加させるために、加熱されたガスを、上記作動
   媒体流路に戻すようにしたガスタービンエンジンの冷却
   方法。
2. 【請求項２】 上記入口は、上記流路に沿って上記第１
   被覆部に向かって高さが増加した側壁によって境界づけ
   られた傾斜部を備え、 上記冷却空気が上記システムの上記入口を通して流れる
   ときに、上記第１被覆部の上流の上記傾斜部に沿って該
   冷却空気が流れるとともに、上記傾斜部から上記作動媒
   体流路への流れの損失を上記側壁によって阻止しつつ、
   その流れが進むにつれて該冷却空気の静圧が増加するよ
   うにしていることを特徴とする請求項１記載のガスター
   ビンエンジンの冷却方法。
3. 【請求項３】 上記システムへ上記入口を通して冷却空
   気流を通過させるときに、上記第１被覆部において上記
   流れの一部が上記不乱流線Ｆｕの内側となり、かつ該第
   １被覆部における壁流特性部分の厚さＢｕが上記第１被
   覆部の高さよりも低くなるように冷却空気を流し、上記
   入口の上記第１被覆部を通る冷却空気の流れを上記作動
   媒体流路の上記不乱流線の半径方向内側に流すことによ
   って、上記ファンダクト内の自由な流れならびに異物の
   流路に対する上記システムの突出量を減少させているこ
   とを特徴とする請求項１記載のガスタービンエンジンの
   冷却方法。
4. 【請求項４】 上記システムへ上記入口を通して冷却空
   気流を通過させるに際して、上記第１被覆部において上
   記流れの一部が上記不乱流線Ｆｕの内側となり、かつ該
   第１被覆部における壁流特性部分の厚さＢｕが上記第１
   被覆部の高さよりも低くなるように冷却空気を流し、上
   記のように上記入口の上記第１被覆部を通る冷却空気の
   流れを上記作動媒体流路の上記不乱流線の半径方向内側
   に流すことによって、上記ファンダクト内の自由な流れ
   ならびに異物の流路に対する上記システムの突出量を減
   少させていることを特徴とする請求項２記載のガスター
   ビンエンジンの冷却方法。
5. 【請求項５】 上記システムへ上記入口を通して冷却空
   気を通過させるに際して、上記第１被覆部の後方で上記
   入口の空気を急激に下方へ案内するとともに、主流の全
   圧力が増加するように分離した流れを主流に混合するよ
   うにし、上記のようにガスを急激に下方へ案内すること
   によって、異物の吸入を防止するとともに、氷等の異物
   が流路を仕切る壁面や他の構造物に衝突して破砕される
   ようにしたことを特徴とする請求項１記載のガスタービ
   ンエンジンの冷却方法。
6. 【請求項６】 上記冷却システムから上記出口を通じて
   上記作動媒体ガスを排出するに際して、上記ファンダク
   ト流路からの作動媒体ガスを、半径方向内側へ方向付け
   て、冷却システムからの排出ガス流へ向けることを特徴
   とする請求項１記載のガスタービンエンジンの冷却方
   法。
7. 【請求項７】 上記ファンダクト流路からの作動媒体ガ
   スを、半径方向内側へ方向付けて、冷却システムからの
   排出ガス流へ向けるに際して、熱交換器システムからの
   ガスの動的水頭よりも大きな動的水頭を有するガスの流
   れとして、ファンダクトのガスを内壁に衝突させて熱交
   換器からのガスが内壁へ熱を伝えることを阻止するよう
   にしたことを特徴とする請求項６記載のガスタービンエ
   ンジンの冷却方法。
8. 【請求項８】 ガスタービンエンジンの熱交換器システ
   ムにおける熱交換器を冷却するための方法であって、上
   記エンジンは、回転軸Ａｒの周囲に配置されるととも
   に、該回転軸Ａｒの周囲に配置された作動媒体ガス用の
   環状の一次流路と、該一次流路の周囲に配置された作動
   媒体ガス用の環状の二次流路を有し、該二次流路は内壁
   と、外壁と、該内壁，外壁間に延びる半径方向の二股状
   壁と、を含む壁によって仕切られたファンダクトを有
   し、該二次流路は、更に、これら壁に沿って延びる流線
   を有し、これらの流線には、上記熱交換器システムによ
   って乱される乱流線Ｆｄと該熱交換器システムによって
   乱されない不乱流線Ｆｕとが含まれ、上記不乱流線Ｆｕ
   は、軸方向の各位置で厚みＢｕを有する壁流特性を有
   し、上記熱交換器システムは、上記熱交換器を含み、該
   熱交換器は、入口と、出口と、該熱交換器の上記入口か
   ら上記出口を通じて延びる熱交換器システム用の流路
   と、を有し、かつこの流路は、該システムの第１被覆部
   および傾斜部を有する入口と該システムの出口部を有す
   る出口とを通じて、上記ファンダクト内の上記二次作動
   媒体流路と流体的に連通しており、上記傾斜部は上記流
   路に沿って上記第１被覆部に向かって高さが増加する側
   壁によって境界づけられているものにおいて、 上記ファンダクトの上記内壁における上記システムへの
   入口を通して冷却空気が通過するようにし、 上記冷却空気が上記システムの上記入口を通して流れる
   ときに、上記第１被覆部の上流の上記傾斜部に沿って該
   冷却空気を流すとともに、上記傾斜部から上記作動媒体
   流路への流れの損失を上記側壁によって阻止しつつ、流
   れが進むにつれて該冷却空気の静圧が増加するように
   し、 エンジンの全ての運転条件の下で上記第１被覆部を通し
   て流れる流れの質量流量比特性を、７５パーセント以下
   とし、 上記システムへ上記入口を通して冷却空気流を通過させ
   るときに、上記第１被覆部において上記流れの一部が上
   記不乱流線Ｆｕの内側となり、かつ該第１被覆部におけ
   る壁流特性部分の厚さＢｕが上記第１被覆部の高さより
   も低くなるように冷却空気を流し、 上記システムへ上記入口を通して冷却空気を通過させる
   に際して、上記第１被覆部の後方で上記冷却空気を急激
   に下方へ案内するとともに、主流の全圧力が増加するよ
   うに分離した流れを主流に混合するようにし、 エンジンの全ての運転条件の下で反対方向の静圧勾配が
   生じる上記ファンダクトの上記内壁の位置の間におい
   て、エンジンの全ての運転条件の下で、上記作動媒体流
   路から上記熱交換器を通して冷却空気が連続的に流れる
   ようにし、 上記熱交換器内で上記冷却空気へ熱交換を行い、 上記熱交換器システムから上記出口を通じて上記冷却空
   気を排出し、 上記ファンダクト流路からの作動媒体ガスを、半径方向
   内側へ方向付け、熱交換器システムからの排出流へ向け
   ることることによって、上記ファンダクトからの作動媒
   体ガスと排出された冷却空気とを混合させるとともに、
   上記ファンダクト流路からの作動媒体ガスを、熱交換器
   システムからの高温排出空気の動的水頭よりも大きな動
   的水頭を有するガスの流れとして流し、ファンダクトの
   ガスが内壁に衝突して熱交換器からの高温空気が内壁へ
   熱を伝えることを阻止するようにし、 上記作動媒体流路から連続的に上記作動媒体ガスが流れ
   るようにするために、上記作動媒体ガスの上記熱交換器
   を通る上記流路に沿った流れに対し、能動的な流れの調
   整をしないことを特徴とし、 上記ファンバイパスダクトから上記熱交換器を通して連
   続的に冷却空気が流れる際に、冷却空気が、上流位置か
   ら下流位置まで流れ、かつ両者は、不都合な静圧勾配が
   存在するように近接しており、 上記入口の上記第１被覆部を冷却空気が通るに際して、
   上記作動媒体流路の上記不乱流線の半径方向内側におい
   て一部の冷却空気が流入するようにして、上記ファンバ
   イパスダクト内の自由な流れならびに異物の流路に対す
   る上記システムの突出量を減少させ、 上記のように冷却空気を急激に下方へ案内することによ
   って、異物の吸入を防止するとともに、氷を含む砕け易
   い異物が流路を仕切る壁面や他の構造物に衝突して破砕
   される可能性を高め、 さらに、上記作動媒体流路内の作動媒体ガスの推進エネ
   ルギを増加させるために、加熱されたガスを、上記作動
   媒体流路に戻すようにしたガスタービンエンジンの冷却
   方法。