【誤訳訂正書】
【提出日】平成27年8月4日(2015.8.4)
【誤訳訂正１】
【訂正対象書類名】明細書
【訂正対象項目名】全文
【訂正方法】変更
【訂正の内容】
【発明の詳細な説明】
【発明の名称】タービンエンジンの排気管に組み込まれた熱交換機構
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タービンエンジンの排気アセンブリへの最適な組み込みを可能にするように設計された熱交換機構に関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジンは、本明細書において、シャフトにおいて出力をもたらすことができる航空用のガスエンジンと定義される。一般に、ターボシャフトエンジン（ヘリコプタ用エンジン、補助動力ユニットまたはＡＰＵ）およびターボプロップ（航空機、無人飛行物体）が、この分類に属する。
【０００３】
典型的には、航空機のタービンエンジンの基本的な構成は、回転対称を有する基本的な構成要素単位として、空気取り入れ口と、少なくとも１つの空気圧縮機と、ガス燃焼室と、高圧シャフトによって圧縮機を駆動する少なくとも１つの高圧タービンと、負荷を駆動すべく動力シャフトに噛合しており、燃焼からのエネルギを利用可能な機械的エネルギへと変換する少なくとも１つのフリータービンと、残余のガスを排気するアセンブリとを、同じ主線に沿って上流から下流へと順に並べて備えている。
【０００４】
排気アセンブリを構成する構造単位の形態は、タービンエンジンの構成に応じて決まり、タービンエンジンの構成は、出力の取り出しの位置に応じて決まる。以下の構成を目にすることができる：
貫通の動力シャフトを備えており、前部において出力が取り出されるタービンエンジン。
後部動力シャフトを備えており、外部のシャフトを介して前部において出力が取り出されるタービンエンジン。
後部動力シャフトを備えており、後部において出力が取り出されるタービンエンジン。
【０００５】
シャフトにおいて手に入れることができる出力を増やし、したがってエンジンの効率を高めるために、残余のエネルギを回収してタービンエンジンへと再入力するよう、高温ガスの排気のための構造単位に熱交換手段を組み込むことが好都合である。
【０００６】
航空用のタービンエンジンと同じ種類の構成を有するが、質量の制約が存在しない地上用のガスタービンのための熱交換器が存在する。さらに、これらのタービンにおいては、通常は部品の寿命が構成部品の効率に優先する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
地上用のタービンのためのこれらの熱交換器は、一般に閉塞式（ｏｂｓｔｒｕｃｔｉｖｅ−ｔｙｐｅ）であり、すべての排気ガスが熱交換器を通過して流れるように排気管へと配置される。このような熱交換器は、高温ガスの流れの出口におけるエネルギの回収を最大化することができる。しかしながら、この回収には、重量のかなりの増加および排気のかなりの圧力低下という不利益がつきまとう。したがって、これらの熱交換器を航空用のタービンエンジンにおいて使用することは不可能である。
【０００８】
本発明の目的は、タービンエンジンの排気のための熱交換機構であって、そのような機構の性能、重量、製造コスト、および運転コスト（消耗、保守）の間の全体としての妥協の最適化に適した熱交換機構を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の目的のため、本発明は、排気ガスの熱エネルギの一部分の最適な回収を目的として、排気ガスの高温の流れを強くは乱すことなく部分的に遮る熱交換機構を提供する。この手法は、全体としての妥協を最適化するために、交換機構のパラメータ（位置、多孔性、供給、圧力、空気力学的特性、など）を該当のタービンエンジンの構成に応じて調節することを可能にする。
【００１０】
さらに正確には、本発明の対象は、熱交換器をタービンエンジンの高温ガスの流れのための排気流路へと組み込んで備える機構であって、排気流路を構成するユニットのうちの１つに設置された熱交換要素が、高温ガスの流れを流すことができる構造を有している機構に関する。ガスの流れを実質的に阻害することなくタービンエンジンのシャフトにおいて入手することができる出力を増加させるべく、排気ガスの或る程度の残余の熱エネルギを回収するために、ガスの流れの部分的な閉塞が、これらのガスを全体的に拡散させる環境において、流れの一部が熱交換要素を通って流しつつ達成される。
【００１１】
特定の実施の形態によれば、
ガスの流れが乱れなく移動できるよう、熱交換要素が、連続的に発展する断面を有する構造を有し、
要素が、断面において、排気流路に関して限定された局所的な構造を有しており、熱交換要素によって引き起こされる排気ガスの流れの閉塞が少ないよう、流れのうちの該熱交換要素を通って流れる部分が少数部分であり、
熱交換要素が、断面において、排気流路に関して実質的に完全な構造を有しており、それでもなお排気ガスの流れの閉塞が依然として部分的であるように充分に高い多孔性または透過性を有し、ここで「完全な」とは、交換部分が排気流路の断面全体にわたって広がっているという意味であり、
熱交換要素の設置先である排気ユニットが、上流から下流への順で、中央コーンを構造アームで支持して備えるディフューザ、排気ノズル、延長ピース／偏向装置、および終端エジェクタのなかから選択され、
熱交換要素の構造が、とりわけ流れを一様にするために、環状の中間構造、放射状のプレートを備える流れを案内するための羽根アセンブリ／偏向装置の構造、好都合には高温ガスの流れの入り口において変化する多孔性を有する特に半径方向の流れ分割装置の構造、のなかから選択され、中間の形状または分割の形状は、排気の安定性および長さは同じままで流れの拡散を大きくすることを可能にし、あるいは同じ拡散のままで排気管を短くすることを可能にすることによって、拡散の特性に影響を有し、
各々の熱交換要素が、低温流体のための１つ以上の独立したチャネルを備え、その圧力は、複数の回路の場合においては互いに異なってもよく、
熱交換要素の構造および熱交換要素の設置先の排気ユニットの構造に応じて、熱交換要素が排気流路に配置され、排気流路の形状を有し、あるいは熱交換要素が離れており、すなわち排気流路の内部に位置し、
ノズルまたは延長ピース／偏向装置との接続部においてベンチュリ効果によるエジェクタの空気取り入れ能力が失われないように、離れた位置は、好都合には終端エジェクタのすぐ上流および／または終端エジェクタ内への設置と併せて選択され、離れた配置は、熱交換器の周囲に乱されることがない流れの薄い層を残すことを可能にし、
熱交換要素が、その構造および配置ゆえに、抵抗および空気力学的ノイズが大幅に減少するよう、防音面および音吸収材料を構成することができる。
【００１２】
本発明の他の態様、特徴、および利点が、添付の図面を参照する本発明を限定するものではないいくつかの特定の実施の形態に関する以下の説明において、それぞれ明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】タービンエンジンの排気アセンブリの構成ユニットの概略の断面図である。
【図２】タービンの貫通シャフトにおいて減速ギアを介して出力が取り出されるタービンエンジンに関し、タービンエンジンのエジェクタ内に環状の熱交換要素を備える構造の概略の断面図である。
【図３】後部において減速ギアを介してタービンシャフトに噛合した外部のプロペラシャフトにて前部において出力が取り出されるタービンエンジンに関し、熱交換要素がタービンエンジンの延長ピースの内側に合わせられた形状を有し、あるいはエジェクタ内に部分的に組み込まれている構造の概略の断面図である。
【図４】動力が後部において直接取り出されるタービンエンジンに関し、タービンエンジンのノズルまたはエジェクタの内側に合わせられた形状の熱交換要素を備える構造の概略の断面図である。
【図５】排気管の概略の断面図であり、湾曲したエジェクタの内側の熱交換要素の最適位置が示されている。
【図６ａ】ディフューザ／ノズルの内側に熱交換要素を備える構造であって、拡散の増加に適した熱交換要素の位置および排気ユニットの構造を有している構造の概略の断面図である。
【図６ｂ】ディフューザ／ノズルの内側に熱交換要素を備える構造であって、拡散の増加に適した熱交換要素の位置および排気ユニットの構造を有している構造の概略の断面図である。
【図６ｃ】ディフューザ／ノズルの内側に熱交換要素を備える構造であって、拡散の増加に適した熱交換要素の位置および排気ユニットの構造を有している構造の概略の断面図である。
【図７ａ】ディフューザ／ノズルの内側に二重プレートを有する環状の熱交換要素を備え、拡散の角度を大きくしている構造の概略の断面図である。
【図７ｂ】ディフューザ／ノズルの内側に二重プレートを有する環状の熱交換要素を備え、ノズルを短縮している構造の概略の透視の斜視図である。
【図７ｃ】ディフューザ／ノズルの内側に二重プレートを有する環状の熱交換要素を備え、拡散の角度を大きくしている構造の概略の断面図である。
【図７ｄ】ディフューザ／ノズルの内側に二重プレートを有する環状の熱交換要素を備え、ノズルを短縮している構造の概略の透視の斜視図である。
【図８】タービンエンジンのディフューザ／ノズルの内側の放射状のプレートを有する熱交換要素を備えている構造の透視の斜視図である。
【図９】ノズルの主線に沿った曲率を有する完全な半径方向のプレートとしての熱交換要素を備えている湾曲したノズルの構造の透視の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下の説明において、用語「上流」および「下流」（それぞれ、「前」および「後ろ」）は、直線的な主軸Ｘ’Ｘを有するタービンエンジンのガスの流れの方向に鑑みた位置に関する。さらに、すべての図において、同一の機能を有する同一または類似の構成要素は、同一または密接に関係した参照符号で特定されている。
【００１５】
図１を参照すると、タービンエンジンの排気流路１０の概略の断面図が、軸Ｘ’Ｘに関して上流から下流への方向に順につなぎ合わせられたユニット、すなわちディフューザ１１（ガスの流れ１のための拡散コーン１２を図示の例においては放射状であるアーム１３によって軸に沿って取り付けて備えている）と、ノズル１４と、延長ピース１５（ガスの流れ１をおおむね全体的に偏向させる）と、ガスエジェクタ１６（空気２を引き込むように開いた環状の接続部１７を備えている）とで構成されている。ディフューザ１１およびノズル１４が、単一のディフューザ−ノズルユニット１８を形成してもよい。
【００１６】
本発明による排気機構の熱交換要素は、任意の種類のタービンエンジンに設置可能であり、特に貫通の駆動シャフトにて前部において出力が取り出されるタービンエンジン、後部において噛合した外部の駆動シャフトにて前部において出力が取り出されるタービンエンジン、および後部のタービンエンジンシャフトにおいて出力が直接取り出されるタービンエンジンに設置可能である。図２から図４が、これらの種類のタービンエンジンの排気流路における熱交換要素の最適な配置を示している。
【００１７】
図２を参照すると、タービンエンジンが、典型的にはガス発生装置２２（この例においては遠心式である圧縮機２３と、ガス燃焼室２４と、高圧シャフト２６を介して圧縮機２３を駆動するための高圧タービン２５とからなる）とフリータービン２７とで構成されるターボシャフトエンジン２０である。ガス発生装置２２は、軸Ｘ’Ｘを中心とする回転対称を有する。フリータービン２７が、貫通の駆動シャフト２８および減速ギア２９を介して、負荷（プロペラロータ、補機）にとって利用可能な動力シャフト３０を駆動する。貫通シャフト２８および動力シャフト３０が、歯車Ｐ１およびＰ２を介して減速ギア２９に噛合している。
【００１８】
空気取り入れダクト４０を通って進入する空気１が、圧縮機２３によって圧縮され、燃料と混ざり合って燃焼を生じるように燃焼室２４に注入される。この燃焼が、燃焼室の出口においてガス１に高い運動エネルギをもたらし、フリータービン２７を回転駆動させる。残余のガス１が、ディフューザ／ノズル１８を通り、次いで開いた接続部１７を介してディフューザ／ノズル１８に組み合わせられた終端エジェクタ１６を通って排気される。
【００１９】
環状プレート６０の形態の熱交換器が、エジェクタ１６の軸対称な上流入り口部分に、任意の可能な周知の手段（スペーサ、アーム、など）によって設置されている。これらの設置手段は、後述される典型的な構成のすべてにおいても使用される。熱交換器は、入り口チャネル６１および出口チャネル６２をらせんまたは正弦曲線の形状へと巻かれた環状プレート６０内の中央チャネル６の入り口および出口へと接続して構成されている。チャネル６１および６２の他端は、タービンエンジンの全体としての効率を改善するためにエネルギを回収して再利用するための電気機械的または機械的な手段へと接続されている。エネルギは、熱交換要素を循環する低温の流体が、排出時の高温の残余のガス１からの熱の熱伝達によって中央チャネルにおいて加熱されることで回収される。
【００２０】
そのような伝達は、穴６３（図７ｂ、図７ｄ、図８、および図９に概念的に示されている）を形成することによって得られるプレート６０の透過性または多孔性によって達成される。これらの穴は、熱交換要素の位置および構造に合わせた一定または変化する直径および密度を有している。
【００２１】
図３の概略の断面図を参照すると、ターボシャフトエンジン２０ａの構成が、後部において減速ギア２９を介してタービン２７のシャフト３２に噛合した外部の動力シャフト３１における前部での出力の取り出しを有している。このターボシャフトエンジン２０ａの排気流路は、ディフューザ／ノズル１８、延長ピース１５、および軸対称なエジェクタ１６ａで構成されている。熱交換要素は、延長ピース１５の軸対称でない部分に設置されて入り口および出口チャネル６１および６２へと接続されたプレート６０ａで構成されている。プレート６０ａは、ほぼ環状であり、平行な外面６ｅおよび内面６ｉを有しており、延長ピース１５の対向面に合わせられ、好都合には延長ピース１５の対向面に平行な形態を有している。あるいは、熱交換要素のプレート６０ｂの一部分を延長ピースに設置し、一部分をエジェクタに設置してもよく、好ましくは大部分を軸対称なエジェクタ１６ａに配置することができる。その場合、プレート６０ｂは環状であり、円形の断面を有する面６’ｅおよび６’ｉを有する。
【００２２】
図４の概略の断面図に示されるように後部シャフト３２において出力が直接取り出され、すなわち減速ギアが使用されないターボシャフトエンジン２０ｂにおいては、排気の構成が、ディフューザ１１と、軸対称でない湾曲したノズル１４’と、軸対称なエジェクタ１６ａとを備える。熱交換要素は、面６ｅおよび６ｉをノズル１４’の形状に平行にしてノズル１４’の下流部分に設置されたほぼ環状のプレート６０ｃで構成されている。あるいは、面６’ｅおよび６’ｉが円形の断面を有している環状のプレート６０ｂを、エジェクタ１６ａに設置することができる。
【００２３】
上述のすべての配置（図２から図４）において、熱交換要素の環状またはほぼ環状のプレート６０または６０ａ〜６０ｃは、排気ユニットの面に近い領域に配置される。これらの状況において、このプレートにガス発生装置からの高温のガスが良好にもたらされ、それらのガスは、ガス流１の中央の大部分は邪魔されないままに、層の形態でプレートを通過して流れる。
【００２４】
排気ユニットが分離領域または低マッハの（ガスの速度が低い）領域を有する場合には、熱交換要素は、非環状の形状を好都合に有することができる。したがって、図５の概略の断面図は、湾曲したエジェクタ１６ｂを有する排気流路に関する。このエジェクタは、軸対称なディフューザ／ノズル１８ａに組み合わせられ、ガス流１がディフューザ／ノズル１８ａにおける軸方向の流れゆえに迂回する大きな曲率の分離領域Ｚ１を有している。熱交換要素が、ガス流１の良好な供給を受けるようにエジェクタ１６ｂの分離領域Ｚ１の反対側の低曲率の湾曲部に設置された管状のプレート６０ｄで構成されている。
【００２５】
熱交換器は、好都合には、ガス流の拡散の制御および最適化を、この拡散の空気力学的特性を改善することによって可能にする構造を有することができる。
【００２６】
図６ａから図６ｃが、ディフューザ／ノズルに環状の熱交換要素を備える構成であって、熱交換器の出口における静圧を下げることを可能にする構成の３つの概略の断面図を示している。図６ａを参照すると、熱交換要素が、下流方向へと開いた軸対称な円すい形のディフューザ／ノズル１８ａに設置された環状のプレート６０ｅと、入り口および出口チャネル６１および６２とで構成されている。プレート６０ｅが、ディフューザ／ノズルの内面１８ｉに当接して位置している。代案（図６ｂ）においては、ディフューザ／ノズル１８ａが、環状のプレート６０ｅが設置されるほぼ円柱形の部分１８ｃ、すなわち下流方向に向かってわずかに開いた部分を有している。したがって、ディフューザ／ノズル１８ａ（変更前の部分が破線で示されている）が、変更していないディフューザ／ノズル１８ａの外形に追いつくように、より広がった部分１８ｄを有している。
【００２７】
これら最初の２つの変種においては、熱交換器６０ｅの出口において、妨げられない流れの拡散がより少ないことで、圧力の静圧部分が小さくなる。したがって、プレート６０ｅを通過するガス流１の拡散が促進される。図６ｃに示した事例では、交換器の環状のプレート６０ｆのうちのディフューザ／ノズル１８ｅが設置される部分が、下流に向かって収束する円すい形を有している。したがって、ディフューザ／ノズル１８ａの部分１８ｅが狭くなるということから、妨げられないガス流が加速される。妨げられない流れのこの加速が、熱交換プレート６０ｆへの供給の流れを増幅させる。
【００２８】
拡散の特徴を改善するために、熱交換要素を、円すい形の環状プレートを同じ形状を有するノズルに組み合わせて構成することができる。図７ａから図７ｄが、ディフューザ／ノズル１８に２つの同心の環状プレート６０ｇおよび６０ｈを有するいわゆる「挿入（ｉｎｔｅｒｃａｌａｒｙ）」式の熱交換要素を備える構成の図を概略の断面図（図７ａおよび図７ｃ）ならびに透視の斜視図（図７ｂおよび図７ｄ）で示している。ノズル部１４ａが、変更されていないノズル１４（破線で示されている）の円錐度に一致するディフューザ部１１、１２（例えば、１３°）と比べ、より大きい角度（例えば、２５°）の円錐度を有している。同心な環状プレート６０ｇおよび６０ｈが、わずかに小さい角度（例えば、それぞれ２１および１５°）の円錐度を有している。
【００２９】
全体として、ノズル１４ａは、変更していないノズルと同じ長さを有している（図７ａ）。この操作は、拡散を大きく増加させ、結果として静圧回復係数が大きくなり、したがってターボシャフトエンジンの効率が高くなる。代案（図７ｃ）においては、ノズル１４ｂが、拡散が初期の水準と一致するように変更していないノズル１４と比べて短くされる。これらの条件では、同じ拡散において、ノズルが短縮されることによって重量の節約および体積の縮小が可能になる。
【００３０】
図７ｃおよび図７ｄが、それぞれ拡散の増大およびノズル１４ｂの短縮のために２つの同心の環状プレート６０ｇおよび６０ｈを有する環状の熱交換要素を備えているこの構成の透視の斜視図を示している。これらのプレートは、筒状の半径方向のアーム７によってノズル１４ａおよび１４ｂに設置されている。このアームが、プレート６０ｇおよび６０ｈの入り口および出口チャネル６１および６２を収容することができる。拡散コーン１２を半径方向のアーム１３によって保持して収容しているディフューザ部１１、残余の高温ガスを膨張させるフリータービン２７、およびプレートの下流側の断面において見て取ることができる気流穴６３を、図７ｂおよび図７ｄ（ならびに、後続の図８および図９）において見ることができる。
【００３１】
熱交換要素を、流れを案内するための羽根アセンブリの形式の熱交換器を形成するように、多数の放射状のプレートで構成することもできる。したがって、図８が、ディフューザ／ノズル１８のノズル部１４に任意の周知の固定手段（溶接、ねじ、またはリベット、あるいはタブ、アーム、またはスペーサでの固定、など）によってノズルの内面１４ｉに設置された８枚の放射状の平らなプレート９を備えている排気の構成の斜視の透視図を示している。放射状のプレート９は、タービン出口においてガス流１を案内することによってノズル１４の圧力回復係数を大きくすることを可能にする。
【００３２】
入り口および出口チャネル６１および６２が、１つのプレートから別のプレートへと直列に接続され、エネルギ回収手段へと接続されている。あるいは、個別の入力−出力チャネルならびに共通の供給および戻りモジュールによるプレートへの並列供給が可能である。すでに上述した他のユニット、すなわち拡散コーン１２を有するディフューザ部１１、半径方向のアーム１３、およびフリータービン２７も、この図に示されている。
【００３３】
流れ分割装置の構造を有する熱交換要素が、図９の湾曲したノズルを有する排気の構成の透視の斜視図に示されている。この構造は、ノズル１８およびエジェクタ１６の平均曲率に従った曲率を有する完全な半径方向のプレート６０ｉの形態を有している。すでに上述のユニット（入力−出力チャネル６１および６２、ディフューザ１１および拡散コーン１２、半径方向のアーム１３、フリータービン２７）も、この図に示されている。ノズルが真っ直ぐであるか、あるいは（図９のように）湾曲しているかにかかわらず、このような分割プレート構造は、拡散の特性に対して影響を有し、挿入のプレートと同様に、排気の同じ安定性および同じ長さにおいて流れの拡散を大きくすることができ、あるいは同じ拡散において排気管の短縮を可能にする。また、タービン出口においてガス流１を案内することによってノズル１８の圧力回復係数を大きくすることもできる。
【００３４】
ジェットの偏向機能を保証する湾曲したノズル（図９を参照）の場合に、このような分割プレート構造は、より良好なジェットの案内を保証することによって偏向にも関与する。
【００３５】
本発明は、上述および図示の例に限定されない。例えば、熱交換のためのプレートに、分割装置を形成するように十字形または星形の構造を与えることが可能である。また、排気流路をノズルに限ることができ、あるいは上述のさらなる排気ユニット、すなわちディフューザ、延長ピース、偏向装置、および／またはエジェクタのすべてまたは一部で構成することができる。さらに、各々の熱交換要素が、複数の回路の場合において圧力が互いに異なってもよい１つ以上の独立した低温流体循環チャネルを備えてもよい。