(57)【要約】      （修正有）【課題】境界層制御によって改善された粒子分離機を提供する。【解決手段】粒子分離機（１１０）は、内側壁（１１６）、外側壁（１１４）、およびスプリッタ（１１８）を備え、該内側および外側壁は、取入口通路（１２６）を画定し、該スプリッタは、該空気取入口通路に連結された掃気流通路（１２８）と、該取入口通路に連結された主気流通路（１３０）とを画定するように該内側と外側壁との間に配置されており、該取入口通路と該主気流通路との間に隆起形状部分（１４６）を有する該内側壁と、頂部（１５０）と、該頂部後ろの該内側壁の該隆起形状部分上の任意の点における約３０〜約６０度の湾曲度に対応する曲率半径とを有する該隆起形状部分と、該主気流通路内部および該頂部後ろの該内側壁に沿って能動境界層制御を設けるための境界層制御機構とを広く含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子分離機（１１０／２１０）であって、
内側壁（１１６／２１６）、外側壁（１１４／２１４）、およびスプリッタ（１１８／２１８）を有し、
前記内側（１１６／２１６）および外側（１１４／２１４）壁は、空気取入口通路（１２６／２２６）を画定し、前記スプリッタ（１１８／２１８）は、前記空気取入口通路（１２６／２２６）に連結された掃気流通路（１２８／２２８）と、前記取入口通路（１２６／２２６）に連結された主気流通路（１３０／２３０）とを画定するように前記内側（１１６／２１６）と外側（１１４／２１４）壁との間に配置されており、
前記内側壁（１１６／２１６）は、前記取入口通路（１２６／２２６）と前記主気流通路（１３０／２３０）との間に隆起形状部分（１４６／２４６）を有し、
前記隆起形状部分（１４６／２４６）は、頂部（１５０／２５０）と、前記頂部（１５０／２５０）後ろの前記内側壁（１１６／２１６）の前記隆起形状部分（１４６／２４６）上の任意の点における３０〜６０度の湾曲度に対応する曲率半径とを有し、
前記主気流通路（１３０／２３０）内部および前記頂部（１５０／２５０）後ろの前記内側壁（１１６／２１６）に沿って能動境界層制御を設けるための境界層制御機構（２９２／２９４、２９６／２９８）を有する、粒子分離機（１１０／２１０）。
【請求項２】
前記境界層制御機構は空気注入システム（２９６／２９８）を含むことを特徴とする請求項１記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項３】
前記空気注入システム（２９６／２９８）は、前記主気流通路（１３０／２３０）内部および前記頂部（１５０／２５０）後ろの前記内側壁（１１６／２１６）に沿ってコアエンジン入口気流（６０８／７０８）を注入領域（６１２／７１２）の中に注入することを特徴とする請求項２記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項４】
前記空気注入システム（２９６／２９８）は、前記主気流通路（１３０／２３０）内部および前記頂部（１５０／２５０）後ろの前記内側壁（１１６／２１６）に沿って圧縮機抽気流（７０８）を注入領域（７１２）の中に注入することを特徴とする請求項１および２のいずれか記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項５】
前記境界層制御機構は吸気システム（２９２／２９４）を含むことを特徴とする請求項１記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項６】
前記吸気システム（２９２／２９４）は、前記主気流通路（１３０／２３０）内部および前記頂部（１５０／２５０）後ろの前記内側壁（１１６／２１６）に沿って吸気領域（２９２）からコア気流（１４０／２４０）を取り除き、それによって前記境界層で吸引を引き起こすことを特徴とする請求項５記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項７】
前記頂部（１５０／２５０）と前記スプリッタ（１１８／２１８）との間で測定される１．８ｃｍ以上のスプリッタ隠蔽高さ（１７４／２７４、１７８／２７８）を有することを特徴とする請求項１〜６の中のいずれか記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項８】
前記頂部（１５０／２５０）と前記スプリッタ（１１８／２１８）との間で測定される１０度以上のスプリッタ角度（１７４／２７４、１８２／２８２）を有することを特徴とする請求項１〜７の中のいずれか記載の分離機（１１０／２１０）。
【請求項９】
前記頂部（１５０／２５０）と前記スプリッタ（１１８／２１８）との間で測定される１３度以上の前記スプリッタ角度（１７４／２７４、１８２／２８２）を有することを特徴とする請求項８記載の分離機（１１０／２１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広く、スプリッタ隠蔽高さを増し、隆起形状部分の頂部後ろの内側壁の隆起形状部分の曲率半径を減らし、主気流通路内部および該頂部後ろの内側壁に沿って能動境界層制御を設けることによって改善された粒子分離を備えるガスタービンエンジン用粒子分離機に関する。さらに本発明は広く、主気流通路内部および頂部後ろの内側壁に沿って該能動境界層制御を設けるための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機ガスタービンエンジンは、エンジンの吸気口内に取り込まれた異物により損傷を受けやすい可能性がある。このことは、石、砂、鳥、およびひょうなど比較的大きい異物に関して以前は最も深刻な問題であった。
【０００３】
ガスタービン駆動ヘリコプターおよび他の垂直離着陸航空機（ＶＴＯＬ）の登場により、主として該ＶＴＯＬ航空機が操縦される可能性のある状況に対して砂および塵などのより小さい異物の粒子がますます問題となってきた。ＶＴＯＬ機能の利点によって、該航空機は、従来の飛行場がない場所、たとえば、戦場および他の隔離された場所で特に役立つ。ＶＴＯＬ航空機は、特に陸および海の両方にわたって、ある一定の低空飛行任務にも適合する可能性がある。これらおよび他の類似の状況の下で、砂、塵などのかなりの量の小さい異物が、ガスタービンエンジンに供給される吸気内に取り込まれる可能性がある。これらの異物の一つ一つは、エンジンにあまり影響を与えないが、これらの異物は、大量にエンジンの中に取り込まれた場合非常に多大な損傷を引き起こす可能性がある。
【０００４】
たとえば、最近の経験では、砂漠環境で低空飛行中のヘリコプターのエンジンが、砂粒子、塵粒子などの吸込みに基づくエンジンブレードの侵食のために非常に急速に性能を失う可能性が示された。同様の問題が、海上での操縦時、タービン構造物の腐食および破壊的侵食の両方を引き起こす可能性がある海水飛沫の大量吸い込みによって起こる可能性がある。
【０００５】
ＶＴＯＬ航空機に使用されるエンジンを含むガスタービンエンジンは、エンジンに入る空気をすべて受け入れるための取入口と、エンジン圧縮機に入る空気を受け入れるための圧縮機入口とを含む場合が多い。各エンジンはさらに取入口から圧縮機入口へ進む空気のための主すなわち第１流路を画定する内側壁を含みうる。エンジンによる、砂、塵、塩などの異物の吸い込みを減らすために、異物をエンジン吸気から取り除くための粒子分離システムを圧縮機入口に採用するとよい。該分離システムは、たとえば、第１流路に対して適切に配置された環状仕切りすなわちスプリッタリップを含み、それによって、ガスタービンの動作中、圧縮機によって使用されようとしている空気がスプリッタリップの一方の側に沿って誘導されると同時に、取入口に入る空気によって運ばれた異物は、スプリッタリップの別の側（「掃気」通路または「掃気」流と呼ばれることが多い）に沿って誘導され、収集され次に除去される。たとえば、本願と同一譲受人に譲渡された１９７４年８月２７日に公布された特許文献２（Ｈｕｌｌ，  Ｊｒ．  ｅｔ  ａｌ．）、１９８１年５月５日に公布された特許文献４（Ｗｅｉｎｓｔｅｉｎ  ｅｔ  ａｌ．）、および１９８５年７月９日に公布された特許文献６（Ｌａｓｔｒｉｎａ  ｅｔ  ａｌ．）を参照されたい。
【特許文献１】米国特許第３，７６６，７１９号公報
【特許文献２】米国特許第３，８３２，０８６号公報
【特許文献３】米国特許第３，９７８，６５６号公報
【特許文献４】米国特許第４，２６５，６４６号公報
【特許文献５】米国特許第４，５０９，９６２号公報
【特許文献６】米国特許第４，５２７，３８７号公報
【特許文献７】米国特許第４，７０４，１４５号公報
【特許文献８】米国特許第４，９２８，４８０号公報
【特許文献９】米国特許第５，０３９，３１７号公報
【特許文献１０】米国特許第５，１３９，５４５号公報
【特許文献１１】米国特許第６，４９９，２８５号公報
【特許文献１２】米国特許第６，５０８，０５２号公報
【特許文献１３】米国特許第６，６９８，１８０号公報
【特許文献１４】米国特許出願公開第２００３／０１９６５４８号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、（１）粒子分離効率を改善する、（２）エンジン性能に好ましくない影響を与える可能性のある圧縮機への気流の影響を最小限にするまたは影響なしにする粒子分離システムを提供することが望まれている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、広く、以下を含む粒子分離機を対象としている。すなわち、
内側壁、外側壁、およびスプリッタであって、該内側および外側壁は空気取入口通路を画定し、該スプリッタは、該取入口通路に連結された掃気流通路と、該取入口通路に連結された主気流通路とを画定するように該内側と外側壁との間に配置されている、該内側壁、該外側壁、および該スプリッタと、
該取入口通路と該主気流通路との間に隆起形状部分を有する該内側壁と、
頂部と、該頂部後ろの該内側壁の該隆起形状部分の任意の点における約３０〜約６０度の湾曲度に対応する曲率半径とを有する該隆起形状部分と、
主気流通路内部および該頂部後ろの該内側壁に沿って能動境界層制御を設けるための境界層制御機構とである。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、広く以下のステップを含むことを目的としている。すなわち、
（ａ）内側壁、外側壁、およびスプリッタであって、該内側および外側壁は、空気取入口通路を画定し、および該スプリッタは、該取入口通路に連結された掃気流通路と該取入口通路に連結された主気流通路とを画定するように、該内側と外側壁との間に配置されている、該内側壁、外側壁、およびスプリッタと、該取入口通路と該主気流通路との間に隆起形状部分を有する該内側壁と、頂部と、該頂部後ろの該内側壁の該隆起形状部分上の任意の点において３０〜６０度の湾曲度に対応する曲率半径とを有する該隆起形状部分とを含む粒子分離機を設けるステップ、および
（ｂ）該主気流通路内および該頂部後ろの該内側壁に沿って能動境界層流量制御を設けるステップである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、境界層制御によって改善された粒子分離機を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本明細書で使用するとおり、用語「粒子分離機」は、たとえば、ガスタービンエンジン、その他のエンジン、工業装置などの入口気流から、たとえば、砂粒子、塵粒子、塩粒子などを取り除くための装置（たとえば、慣性粒子分離機）を指す。
【００１１】
本明細書で使用するとおり、「スプリッタ」（「スプリッタリップ」としても公知）は、たとえば、ガスタービンエンジン、その他のエンジン、工業装置などの入口気流から、さまざまな混入された異物、たとえば、砂粒子、塵粒子、塩粒子などを取り除き、分離し、該混入された異物のレベルを最小限にし低減された主すなわちコア気流を作り出す装置を指す。
【００１２】
本明細書で使用するとおり、用語「レインステップ」は、入口粒子分離機内側流路隆起形状部分の頂部の、たとえば比較的小さいへこみ、くぼみ、溝などを指し、このレインステップは、内側流路から一面に流れる水を、たとえば、排出する、はじく、除くために、たとえば小さい切れ目を設けるためのものである。
【００１３】
本明細書で使用するとおり、「流れ分離」は、この用語の従来の意味、すなわち、表面に沿った滑らかな流れが終わり、分離した流れおよび付随する渦流および乱流領域に分かれる流体の傾向を指す。
【００１４】
本明細書で使用するとおり、用語「流れ曲率」は、流れ場内の直線経路からの流線、流脈線などの平滑な偏差を指す。曲率半径は該流線の一例である。
【００１５】
本明細書で使用するとおり、用語「境界層」は、この用語の従来の意味、すなわち、表面近くの粘性支配流の領域を指す。
【００１６】
本明細書で使用するとおり、用語「能動境界層制御」は、境界層流の動きを改善するため、および境界層流分離を防ぎ、除き、最少にし、低下させ、減らすための、たとえば、流れ吸引、境界層への気流の注入などの手段、方法、機構、技法などの使用を指す。
【００１７】
本明細書で使用するとおり、用語「湾曲度」は、この用語の従来の意味、すなわち、頂部後ろの内側壁の隆起形状部分に沿った点に対する２つの曲率半径によって形成される中央角度であって、該２つの半径が湾曲の円の中央から湾曲の円上の第１点から第２点までの設定距離となる円弧の両端まで延在する該中央角度を指す。
【００１８】
本明細書で使用するとおり、「スプリッタ隠蔽高さ」は、内側壁の隆起形状部分の頂部とスプリッタの先端との間の距離を指す。
【００１９】
本明細書で使用するとおり、「隆起−スプリッタ角度」は、内側壁の隆起形状部分の頂部とスプリッタの先端との間の接線角度を指す。
【００２０】
本明細書で使用するとおり、用語「管幅」は、たとえば、環状または他の簡単な流路内の最小領域位置の大きさ、幅などを指す。
【００２１】
本明細書で使用するとおり、用語「吸気口平均角度」は、流路の入口セクションの内側と外側流路壁間の平均角度を指す。
【００２２】
本明細書で使用するとおり、「内側表面」は、径方向内側表面を指す。
【００２３】
本明細書で使用するとおり、「外側表面」は、径方向外側表面を指す。
【００２４】
本明細書で使用するとおり、「粒子リバウンド」または「粒子バウンド」は同義で、粒子分離機の表面、たとえば、内側壁、外側壁、スプリッタなどに衝突した後の粒子の反動を指す。
【００２５】
本明細書で使用するとおり、「コア損失」は、入口から内側またはコア流路までの総圧力損失を指す。
【００２６】
本明細書で使用するとおり、「バイパス損失」は、入口から外側、掃気またはバイパス流路までの総圧力損失を指す。
【００２７】
本明細書で使用するとおり、用語「掃気動力」は、掃気吸気システム、たとえば、ブロワーまたは排出装置の駆動に要する動力を指す。
【００２８】
本明細書で使用するとおり、用語「吹き込み動力」は、能動境界層制御（吹き込み）流の供給、活性化、促進、回復などに要する動力を指す。
【００２９】
本明細書で使用するとおり、用語「コア質量流」は、内側またはコア流路に入る質量流を指す。
【００３０】
本明細書で使用するとおり、用語「含む」は、本明細書で結合して採用しうるさまざまな動作、ステップ、データ、ステーション、コンポーネント、部品、装置、技術、パラメータなどを意味する。したがって、用語「含む」は、より限定的な用語「基本的に〜からなる」および「からなる」を包含する。
【００３１】
本発明の実施形態によれば、（１）粒子分離の効率を改善し、（２）エンジン性能に好ましくない影響を与える可能性がある圧縮機への気流の影響をなくし、最少化し、低減させることができる、ガスタービンエンジンで使われる粒子分離機の機能が提供される。かつてガスタービンエンジン粒子分離機には、取り込み気流から粒子の分離を達成するために従来の慣性力が使われた。そのことについて、全体として１０で示したガスタービンエンジン用の粒子分離機の従来構造を示す図１を参考にさらに説明する。図１は、点線１２で示したエンジン中心線に対して配置した粒子分離機１０を示す。粒子分離機１０は、外側壁１４（すなわち、エンジン中心線１２に対して）、内側壁１６、および全体として１８として示したスプリッタを含む。スプリッタ１８は、内側壁１６と外側壁１４との間に配置され、外側壁２０（すなわち、エンジン中心線１２に対して）および内側壁２２を含む。
【００３２】
粒子分離機１０は、全体として２４として示した空気取入口すなわち入口と、外側および内側壁１４および１６によって画定された全体として２６として示した空気取入口通路とを備えている。取入口通路２６の後部すなわち後方で、スプリッタ１８によって粒子分離機１０は、全体として２８によって示された掃気流通路と、全体として３０として示した主すなわちコア通路とに画定すなわち分割されている。主通路３０の後縁すなわち後方端は、ガスタービンエンジンの圧縮機セクション（不図示）につながる全体として３２として示したコアエンジンすなわち圧縮機入口通路である。
【００３３】
図１に示すとおり、吸気口２４に入る空気は、矢印３４の方向で示されかつ全体としてその方向へ移動する入口気流を最初に作りだす。入口気流３４は、取入口通路２６を通過しスプリッタ１８に到達するにつれて、掃気流通路２８を通過する矢印３８の方向で示されかつ全体としてその方向へ移動する掃気流と、主気流通路３０を通過する矢印４０の方向で示されかつ全体としてその方向へ移動する主すなわちコア気流とに分割される。主気流４０はコアエンジン通路３２に到達するにつれて、矢印４２の方向で示されかつ全体としてその方向へ移動するコアエンジンすなわち圧縮機入口気流となる。
【００３４】
さらに図１に示すとおり、吸気口２４は、外側壁１４に対して点線４４で全体として画定される平均吸気角度を有する。内側壁１６も４６で示される隆起形状部分を有する。隆起形状部分４６の頂部（「レインステップ」とも呼ばれる）は５０として示される。レインステップ５０においてまたはその近辺に５４で示される点線は、取入口通路２６の管幅を画定する。スプリッタ１８においてまたはその近辺に５８で示される点線は、掃気流通路２８の入口幅を画定する一方、６２で示される点線は、掃気流通路２８の出口幅を画定する。６６で示される点線は主通路３０の管幅を画定する一方、７０で示される点線はコアエンジン入口通路３２の入口幅を画定する。
【００３５】
さらに図１に示すとおり、レインステップ５０から延在する７４として示される点線と、スプリッタ１８の先端部から延在する７８として示される点線との間の距離は、スプリッタ隠蔽高さと呼ばれるものを画定する。レインステップ５０からスプリッタ１８へ延在する点線８２は、点線７４に対するスプリッタ角度を画定する。点線５４と６６との間は、内側壁１６の内側表面８６と呼ばれるものである。点線６６と７０との間は、内側壁１６の外側表面９０と呼ばれるものである。
【００３６】
本発明の粒子分離機の実施形態、ならびに本発明の方法の実施形態は、たとえば、従来の慣性力を使った従前の粒子分離機が、エンジン性能に望ましくない影響を与える可能性がある圧縮機への気流上の影響を最少化、低減化などするために設計されている図１の粒子分離機１０に示された構造のために、小さい粒子を効率的に分離できないという発見に基づいている。たとえば、従来の粒子分離機には、内側壁１６の内側表面８６からの境界層分離を制御するために、たとえば、レインステップ５０の後ろの反転角度および反転長さを制限する比較的控えめな設計が使われている。粒子分離機による非効率的なまたは低効率的な微粒子分離と境界層分離（たとえば、内側壁１６の内側表面８６に沿った）を防ぎ、最少化し、低減化することとの競合する課題によって、コアエンジン通路３２からガスタービンエンジンの圧縮機へのコア気流４０の角度を最大にし、さらに同時に、入口気流（たとえば、図１の入口気流３４）に引き込まれた微粒子の取り込みが原因のエンジン表面、コンポーネントなどの早すぎる侵食を防ぎ、最少化し、減らす粒子分離機の設計が困難になっている可能性がある。
【００３７】
本発明の粒子分離機の実施形態、ならびに本発明の方法の実施形態によれば、（２）たとえば、圧力損失を減らす（たとえば、コア気流４０の圧力を増大させる、最大にするなど）および／またはエンジンへの変形レベルに減らすことができる能動境界層制御（たとえば、内側壁１６の内側表面８６に沿った）と組み合わせて、（１）入口空気流（たとえば、入口気流２４）から、引き込まれた粒子を分離することによって、コア気流４０内の微粒子の存在をより効率的にかつ効果的に防ぎまたは少なくとも最少化し、減らすことができるように、たとえば、慣性力を増大させるさまざまな粒子分離機設計を使うことによってこれらの問題は解決される。本発明の実施形態の粒子分離機設計によれば、従来の粒子分離機設計に関係しうる境界層の流れ分離（たとえば、内側壁１６の内側表面８６から）を防止、または最少化、低減化などができる能動境界層制御を同時に使っている限りは、効果的なまたは効率的な粒子分離にとって必要である可能性がある流れ曲率の急変化が可能になる。本発明の粒子分離機設計または構造の実施形態では、潜在的流れ分離を防ぐために流量制御を採用しうるので、潜在的流れ分離（たとえば、境界層流れ分離）にかかわらず粒子分離機の適切に設計されたまたは構成された表面との衝突からリバウンドした粒子を強めることも可能である。能動境界層制御は、たとえば、境界層に吸引させることや、境界層の中に高速空気を注入することなどによるさまざまな手段、方法、機構、技術などを使って実現が可能である。
【００３８】
図１に示した粒子分離機は、本発明の改善された粒子分離機構造の実施形態を理解するための基礎線を提供または表わしている。能動境界層制御を設けるために、本発明の粒子分離機の実施形態、ならびに本発明の方法の実施形態を図２〜図５に示す。本発明の実施形態に有用な粒子分離機構造の実施形態を図２に示す。図２を参照すると、粒子分離機のこの実施形態は、全体として１１０として参照される。図２は、点線１２によって示されるエンジン中心線に対して配置された（分離機１０と同様）粒子分離機１１０を示す。粒子分離機１１０は、外側壁１１４および内側壁１１６であって、両方がエンジン中心線１２に対している該外側壁および内側壁と、全体として１１８として示されたスプリッタとを含む。スプリッタ１１８は、内側壁１１６と外側壁１１４の間に配置され、外側壁１２０および内側壁１２２であって、両方ともエンジン中心線１２に対している該外側壁および内側壁を含む。
【００３９】
粒子分離機１１０は、外側および内側壁１１４および１１６のそれぞれによって画定された全体として１２４として示された吸気口／空気取入口および全体として１２６として示された空気取入口通路を備えている。取入口通路１２６の後部すなわち後方で、スプリッタ１１８によって、粒子分離機１１０は、全体として１２８によって示された掃気流通路と全体として１３０によって示された主／コア通路とに画定すなわち分割される。主通路１３０の後方の端部には、ガスタービンエンジンの圧縮機セクション（不図示）につながる全体として１３２として示されたコアエンジン／圧縮機入口通路がある。
【００４０】
図２に示すとおり、空気が入る吸気口１２４は、全体として矢印１３４の方向に示されかつその方向に移動する入口気流を最初に供給する。入口気流１３４は、取入口通路１２６を通過し、スプリッタ１１８に到達し、該気流は、掃気流通路１２８を通過する矢印１３８の方向に全体として示されかつその方向に移動する掃気流と、主気流通路１３０を通過する矢印１４０の方向に全体として示されかつその方向に移動する主／コア気流とに分割される。主気流１４０は、コアエンジン通路１３２に達するにつれ、矢印１４２の方向に全体として示されかつ移動するコアエンジン／圧縮機入口気流となる。
【００４１】
さらに、図２に示すとおり、吸気口１２４は、外側壁１１４に対して点線１４４によって全体として画定される平均吸気角度を有する。内側壁１１６も１４６によって示される隆起形状部分を有する。隆起形状部分１４６の頂部（すなわち、「レインステップ」）は、１５０として示される。レインステップ１５０においてまたはその近傍で１５４によって示される点線は、取入口通路１２６の管幅を画定する。スプリッタ１１８においてまたはその近傍で１５８によって示される点線は、掃気流通路１２８の入口幅を画定する一方、１６２によって示される点線は、掃気流通路１２８の出口幅を画定する。１６６によって示される点線は、主通路１３０の管幅を画定する一方、１７０によって示される点線は、コアエンジン入口通路１３２の入口幅を画定する。
【００４２】
さらに図２に示すとおり、レインステップ１５０から延在する１７４として示される点線と、スプリッタ１１８の先端部から延在する１７８として示される点線との間の距離は、スプリッタ隠蔽高さを画定する。レインステップ１５０からスプリッタ１１８へ延在する点線１８２は、点線１７４に対するスプリッタ角度を画定する。点線１５４と１６６との間は、内側壁１１６の内側表面１８６である。点線１６６と１７０との間は、内側壁１１６の外側表面１９０である。
【００４３】
図２に示すとおり、内側壁１１６の隆起形状部分１４６の構造は、曲率半径が減少され、約３０〜約６０度の範囲の湾曲度に対応するように、および隆起形状部分１４６が、スプリッタ隠蔽高さ（線１７４と１７８との間を画定する）を増大させるように引き上げられ、したがって、粒子分離効率が向上するように、図１に示された基礎線構成に対して修正され、変更され、調節され、改変されている。隆起形状部分１４６は、たとえば、少なくとも約０．３インチ（約０．７５ｃｍ）、たとえば、基礎線高さ（図１に示された）に対して約０．３〜約０．５インチ（約０．７５〜約１．３ｃｍ）引き上げられうる。より一般的に言えば、隆起形状部分１４６は、基礎線高さに対して約０．４インチ（約１ｃｍ）引き上げられてよく、したがって、スプリッタ隠蔽高さ（線１７４と１７８との間の距離によって画定された）が、たとえば、約０．４５インチ（約１．１ｃｍ）の基礎線高さから約０．５インチ（約１．３ｃｍ）以上、たとえば、約０．７インチ（約１．８ｃｍ）以上、たとえば、約０．８インチ（約２ｃｍ）以上の高さに増加し、および、したがって、スプリッタ角度（線１８２と１７４との間で画定された）が、たとえば、約７．５度の基礎線から約８度以上（たとえば、約８度から約１４度）、たとえば、約１０度以上、たとえば、約１３度以上に増大する。隆起形状部分１４６が引き上げられることによって、少なくとも２つの好ましくない影響、すなわち、取入口通路１２６内の気流速度の上昇、ならびにコア気流１４０およびコアエンジン入口気流１４２の圧力損失の特性または性質の増大が、粒子分離機に付与される可能性がある。本発明の実施形態に境界層制御を加えることによって、たとえば、レインステップ１５０などにおいてまたは近傍で内側表面１８６に平行に少量の高速気流を注入することによって、内側表面１８６の領域のコア気流２４０を引き込む境界層吸引のかたちで、コア気流１３０内の流れ分離および増大した圧力損失を防止し、最少化し、低下させ、減らしなどすることが可能になる。したがって、本発明の実施形態によって、増加されたスプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線１７４と１７８との間の距離によって画定された）と、それゆえに、コア気流１４０およびコアエンジン入口気流１４２内の圧力損失を増大させることなく、増大された粒子分離効率とが提供される。
【００４４】
本発明の実施形態に有用な粒子分離機構造の別の実施形態を図３に示す。図３を参照すると、粒子分離機のこの実施形態は、全体として２１０として参照される。粒子分離機１０および１１０と同様に、粒子分離機２１０は、点線１２によって示されるエンジン中心線に対して配置される。粒子分離機２１０は、外側壁２１４および内側壁２１６であって、両方ともエンジン中心線１２に対している該外側壁および内側壁と、全体として２１８として示されるスプリッタとを含む。スプリッタ２１８は、内側壁２１６および外側壁２１４の間に配置され、外側壁２２０および内側壁２２２であって、両方ともエンジン中心線１２に対している該外側壁および内側壁を含む。
【００４５】
粒子分離機２１０は、外側および内側壁２１４および２１６のそれぞれによって画定された全体として２２４として示された吸気口／空気取入口および全体として２２６として示された空気取入口通路を備えている。取入口通路２２６の後部すなわち後方で、スプリッタ２１８によって、粒子分離機２１０は、全体として２２８によって示された掃気流通路と全体として２３０によって示された主／コア通路とに画定すなわち分割される。主通路２３０後方の端部には、ガスタービンエンジンの圧縮機セクション（不図示）につながる全体として２３２として示されたコアエンジン／圧縮機入口通路がある。
【００４６】
図３に示すとおり、空気が入る吸気口２２４は、全体として矢印２３４の方向に示されかつその方向に移動する入口気流を最初に供給する。入口気流２３４は、取入口通路２２６を通過し、スプリッタ２１８に到達し、該気流は、掃気流通路２２８を通過する矢印２３８の方向に全体として示されかつその方向に移動する掃気流と、主気流通路２３０を通過する矢印２４０の方向に全体として示されかつその方向に移動する主／コア気流とに分割される。主気流２４０は、コアエンジン通路２３２に達するにつれ、矢印２４２の方向に全体として示されかつ移動するコアエンジン／圧縮機入口気流となる。
【００４７】
さらに、図３に示すとおり、吸気口２２４は、外側壁２１４に対して点線２４４によって全体として画定される平均吸気角度を有する。内側壁２１６も２４６によって示される隆起形状部分を有する。隆起形状部分２４６の頂部（すなわち、「レインステップ」）は、２５０として示される。レインステップ２５０においてまたはその近傍で２５４によって示される点線は、取入口通路２２６の管幅を画定する。スプリッタ２１８においてまたはその近傍で２５８によって示される点線は、掃気流通路２２８の入口幅を画定する一方、２６２によって示される点線は、掃気流通路２２８の出口幅を画定する。２６６によって示される点線は、主通路２３０の管幅を画定する一方、２７０によって示される点線は、コアエンジン入口通路２３２の入口幅を画定する。
【００４８】
さらに図３に示すとおり、レインステップ２５０から延在する２７４として示される点線と、スプリッタ２１８の先端部から延在する２７８として示される点線との間の距離は、スプリッタ隠蔽高さと呼ばれるものを画定する。レインステップ２５０からスプリッタ２１８へ延在する点線２８２は、点線２７４に対するスプリッタ角度を画定する。点線２５４と２６６との間は、内側壁２１６の内側表面２８６である。点線２６６と２７０との間は、内側壁２１６の外側表面２９０である。
【００４９】
図３において、内側壁２１６の隆起形状部分２４６の構造は、曲率半径が減少され、約３０〜約６０度の範囲の湾曲度に対応するように、および隆起形状部分２４６が、スプリッタ隠蔽高さを増大させるように引き上げられたばかりでなく、該隆起形状部分２４６は後方または後部に移動され、従って、粒子分離効率が向上するように、図１に示された基礎線構造に対して、修正され、変更され、調節され、改変されている。隆起形状部分２４６は、図１に示された基礎線構造に対して、たとえば、少なくとも約０．３インチ（約０．７５ｃｍ）、たとえば、約０．３〜約０．５インチ（約０．７５〜約１．３ｃｍ）引き上げられるとよいばかりでなく、たとえば、少なくとも０．３インチ（０．７５ｃｍ）、たとえば、約０．３〜約０．５インチ（約０．７５〜約１．３ｃｍ）後部へ移動されるとよい。より一般的に言えば、隆起形状部分２４６は、図１の基礎線構造に対して、約０．４インチ（約１ｃｍ）引き上げ、および約０．４インチ（約１ｃｍ）後部へ移動させてもよく、したがって、スプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線２７４と２７８との間の距離によって画定された）が、たとえば、約０．４５インチ（約１．１ｃｍ）の基礎線高さから約０．５インチ（約１．３ｃｍ）以上、たとえば、約０．７インチ（約１．８ｃｍ）以上、たとえば、約０．８インチ（約２ｃｍ）以上に増大され、したがって、スプリッタ角度（すなわち、線２８２と２７４とで画定された）は、たとえば、約７．５度の基礎線から約１０度以上（たとえば、約１０〜１６度）、たとえば、約１３度以上、たとえば、約１５度以上に増大される。図２の分離機１１０を参照しながら説明したとおり、隆起２４６を引き上げおよび再位置付けすることによって、粒子分離機上の２つの好ましくない影響、すなわち、取入口通路２２６内の気流速度が増大することになると思われ、およびコア気流２４０およびコアエンジン入口気流２４２の圧力損失特性が増大することになると思われる。本発明の実施形態に境界層制御を加えることによって、たとえば、レインステップ２５０などにおいてまたは近傍で内側表面２８６に平行な少量の高速気流を注入することによって、内側表面２８６の領域のコア気流２４０を引き込む境界層吸引のかたちで、コア気流２４０内の流れ分離および増大した圧力損失が防止され、最少化され、低減され、減少されることができる。したがって、本発明の実施形態によれば、コア気流２４０およびコアエンジン入口気流２４２内の圧力損失を増大させることなく、増大されたスプリッタ隠蔽高さ（線２７４と２７８の間の距離によって画定される）およびそれゆえに増大された粒子分離効率が提供される。
【００５０】
能動境界層流量制御を備えた実施形態を図４に示す。図示する目的で、図４の能動境界層制御の実施形態には、図３の構造２１０の粒子分離機を参考として使用するが、図２の構造１１０の粒子分離機（適切な変更とともに）、ならびに、図１の粒子分離機１０に示された基礎線構造のレインステップ５０の後ろの曲率半径と、スプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線７４と７８との間の距離で画定されたとおり）とに対して、増大されたスプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線１７４／２７４と１７８／２７８との間の距離によって画定されたとおり）を備え、したがって、レインステップ１５０／２５０の後ろの曲率半径が減少された図２〜３に示した構造と類似または異なる構造を有する別の粒子分離機とを参考として使用することも可能であると思われる。
【００５１】
図４の実施形態では、内側表面２８６からの流れ分離を制御するために境界層吸引が使われる。コア気流２４０の一部が吸引システム（不図示）によって矢印２９４によって示されるように引き込まれ、したがって、境界層吸引を供給するように、コア気流２４０は、内側表面２８６において２９２として示された複数の、たとえば、穿孔、スロットなどを有する領域を通るコア流路から引き込まれることができる。境界層吸引の形で境界層制御を加えることによって、コア気流２４０内の不安定境界層は、この領域内で排除され、最少化されることができる。したがって、図４に示した本発明の実施形態では、増大されたスプリット隠蔽高さ（すなわち、線２７４と２７８との間の距離によって画定された）および減少された曲率半径と、それゆえに、コア気流２４０およびコアエンジン入口気流２４２内の圧力損失を増大させることなく、増大した粒子分離効率とが提供される。
【００５２】
能動境界層制御を備えた別の実施形態を図５に示す。図示する目的で、図５の能動境界層制御の実施形態には再び、図３の構造２１０の粒子分離機を参考として使用するが、図２の構造１１０の粒子分離機（適切な変更とともに）、ならびに、図１の粒子分離機１０に示された基礎線構造のレインステップ５０の後ろの曲率半径と、スプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線７４と７８との間の距離で画定されたとおり）とに対して、増大されたスプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線１７４／２７４と１７８／２７８との間の距離によって画定されたとおり）を備え、したがって、レインステップ１５０／２５０の後ろの曲率半径が減少された図２〜３に示した構造と類似または異なる構造を有する別の粒子分離機とを参考として使用することも可能であると思われる。
【００５３】
図５の実施形態では、内側表面２８６からの流れ分離を制御するために境界層注入が使われる。この実施形態において、レインステップ２５０においてまたは近傍で始まる内側表面に沿って配置された、たとえば、２９６として示された複数のルーバーの形状をした気流ガイドを通して、少量の高速空気が空気注入システム（不図示）によって注入される。次に、これらのルーバー２９６によって、活性化気流が、矢印２９６で示されるとおり、内側表面２８６に平行してまたは実質的に平行して誘導される。従ってこの領域の境界層を活性化する。（活性化気流２９８を供給するルーバー２９６を通して注入される気流によって与えられるとおり）空気注入の形で境界層制御を加えることによって、コア気流２４０内の流れ分離および増大される圧力損失は、防止され、最少化され、低減され、減少などされることができる。したがって、図５に示した本発明の実施形態によれば、増大されたスプリッタ隠蔽高さ（すなわち、線２７４と２７８との間の距離によって画定されるとおり）および減少された曲率半径と、それゆえに、コア気流２４０およびコアエンジン入口気流２４２内に増大する圧力損失なしで、増大した粒子分離効率とが提供される。
【００５４】
図５の実施形態による、たとえば、空気注入による能動境界層制御を備えるために、ガスタービンエンジンから可能な空気源を示したガスタービンエンジン設計の実施形態を図６に概略的に示し、全体として６００として示す。エンジン６００は、６０２として示された第１段圧縮機、６０４として示された第２段〜第６段圧縮機、および６０６として示されたコア気流出口を含む。この実施形態では、境界層注入流を供給するためにコア流路からの気流（たとえば、清浄気流）が使われる。この気流は、第１段圧縮機６０２の前、６０８として示された点でコア流路から取り出すことができ、その次に、単独駆動される空気ポンプ６１０によってより高く昇圧するとよい。それから、この清浄気流をレインステップ２５０付近、矢印６１２によって示される点で再注入するとよい。
【００５５】
図６のガスタービンエンジン設計の別の実施形態を図７に概略的に示し、全体として７００として示す。エンジン７００は、７０２として示された第１段圧縮機、７０４として示された第２〜第６段圧縮機、および７０６として示されたコア気流出口を含む。この実施形態では、境界層注入流を供給するために圧縮機抽気からの気流（たとえば、清浄気流）が使われる。この気流は、エンジン７００から、第１段圧縮機７０２の後、第２段〜第６段圧縮機７０４の前、７０８として示した点で得ることができる。該気流は、第１段圧縮機７０２を通過しているため、既により高圧になっているので、エンジン６００のように単独駆動ポンプは不要である。（圧縮機抽気流として）取り出されたこの清浄気流は、レインステップ２５０の付近、矢印７１２によって示されるように、再注入することができる。
【００５６】
本発明の実施形態は、参照することにより本明細書の一部となる２００６年９月２７日に出願された（代理人事件番号第１９９５９７号）同時係属中の米国非仮出願第１１／５２８２１９号、表題“ＡＤＡＰＴＩＶＥ  ＩＮＥＲＴＩＡＬ  ＰＡＲＴＩＣＬＥ  ＳＥＰＡＲＡＴＯＲＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＯＦ  ＵＳＥ”、（Ｈｉｇｇｉｎｓ  ｅｔ  ａｌ．）、に開示されている粒子分離機および方法とともに使用することができ、それは、能動境界層制御、たとえば、空気注入システム（たとえば、複数の流体出口スロット５６を内側表面に設けて境界層への活性化気流の返還を容易にするヒギンス（Ｈｉｇｇｉｎｓ）らの出願の図４参照）に対する手段、方法、機構、技術などが含まれており、本出願の図５ならびに図６〜図７の実施形態に示したような境界層、または本出願の図４の実施形態に示したような境界層吸引システム（たとえば、ヒギンス（Ｈｉｇｇｉｎｓ）らの出願の図４に示された複数の流体出口スロット５６を通して気流を逆戻りまたは吸引することによる）を活性化することができる。
【００５７】
本発明のシステムおよび方法について具体的な実施形態を説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義された本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に対するさまざまな改変が可能なことは、当業者には自明であろう。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】ガスタービンエンジン用粒子分離機の従来構造の断面略図である。
【図２】本発明の実施形態で使用されうる粒子分離機構造の断面略図である。
【図３】本発明の実施形態で使用されうる別の粒子分離機構造の断面略図である。
【図４】能動境界層制御を設けた本発明の実施形態を示す図２あるいは図３の粒子分離機構造の拡大部分図である。
【図５】能動境界層制御を設けた本発明の別の実施形態を示す図２あるいは図３の粒子分離機構造の拡大部分図である。
【図６】能動境界層制御を設けたガスタービンエンジンからの潜在的空気源を示すガスタービンエンジン設計の実施形態の略図である。
【図７】図６のガスタービンエンジン設計の別の実施形態の略図である。
【符号の説明】
【００５９】
１０  図１の粒子分離機
１２  エンジン中心線
１４  セパレータ１０の外側壁
１６  セパレータ１０の内側壁
１８  セパレータ１０のスプリッタ
２０  スプリッタ１８の外側壁
２２  スプリッタ１８の内側壁
２４  空気取入口
２６  空気取入通路
２８  掃気流通路
３０  主気流通路すなわちコア気流通路
３２  コアエンジン／圧縮機入口通路
３４  入口気流
３８  掃気流
４０  主気流すなわちコア気流
４２  コアエンジン／圧縮機入口気流
４４  外側壁１４の点線確定手段空気入口角
４６  内側壁１６の隆起形状部分
５０  隆起形状部分４６の頂部すなわちレインステップ
５４  空気取入口通路２６の点線画定管幅
５８  掃気流通路２８の点線画定入口幅
６２  掃気流通路２８の点線画定出口幅
６６  主すなわちコアエンジン通路の点線画定管幅
７０  コアエンジン／圧縮機入口通路３２の点線画定入口幅
７４および７８  スプリッタ隠蔽高さ画定線
８２  スプリッタ角画定線
８６  点線５４と６６との間の内側壁１６の内側表面
９０  点線６６と７０との間の内側壁１６の外側表面
１１０  図２の粒子分離機
１１４  セパレータ１１０の外側壁
１１６  セパレータ１１０の内側壁
１１８  セパレータ１１０のスプリッタ
１２０  スプリッタ１１８の外側壁
１２２  スプリッタ１１８の内側壁
１２４  空気取入口
１２６  空気取入通路
１２８  掃気流通路
１３０  主気流通路すなわちコア気流通路
１３２  コアエンジン／圧縮機入口通路
１３４  入口気流
１３８  掃気流
１４０  主気流すなわちコア気流
１４２  コアエンジン／圧縮機入口気流
１４４  外側壁１１４の点線確定手段空気入口角
１４６  内側壁１１６の隆起形状部分
１５０  隆起形状部分１４６の頂部すなわちレインステップ
１５４  空気取入口通路１２６の点線画定管幅
１５８  掃気流通路１２８の点線画定入口幅
１６２  掃気流通路１２８の点線画定出口幅
１６６  主すなわちコアエンジン通路の点線画定管幅
１７０  コアエンジン／圧縮機入口通路１３２の点線画定入口幅
１７４および１７８  スプリッタ隠蔽高さ画定線
１８２  スプリッタ角画定線
１８６  点線１５４と１６６との間の内側壁１６の内側表面
１９０  点線１６６と１７０との間の内側壁１６の外側表面
２１０  図３の粒子分離機
２１４  セパレータ２１０の外側壁
２１６  セパレータ２１０の内側壁
２１８  セパレータ２１０のスプリッタ
２２０  スプリッタ２１８の外側壁
２２２  スプリッタ２１８の内側壁
２２４  空気取入口
２２６  空気取入通路
２２８  掃気流通路
２３０  主気流通路すなわちコア気流通路
２３２  コアエンジン／圧縮機入口通路
２３４  入口気流
２３８  掃気流
２４０  主気流すなわちコア気流
２４２  コアエンジン／圧縮機入口気流
２４４  外側壁２１４の点線確定手段空気入口角
２４６  内側壁２１６の隆起形状部分
２５０  隆起形状部分２４６の頂部すなわちレインステップ
２５４  空気取入口通路２２６の点線画定管幅
２５８  掃気流通路２２８の点線画定入口幅
２６２  掃気流通路２２８の点線画定出口幅
２６６  主すなわちコアエンジン通路の点線画定管幅
２７０  コアエンジン／圧縮機入口通路２３２の点線画定入口幅
２７４および２７８  スプリッタ隠蔽高さ画定線
２８２  スプリッタ角画定線
２８６  点線２５４と２６６との間の内側壁１６の内側表面
２９０  点線２６６と２７０との間の内側壁１６の外側表面
２９２  吸引領域の穿孔／スロット
２９４  引き込み気流
２９６  空気注入領域のルーバー
２９８  ルーバー２９６により注入される高速気流
６００  図６のエンジン設計
６０２  空気をコア流路から取り出す圧縮機６０４の前の点
６０２  第一段圧縮機
６０４  第二〜第六段圧縮機
６０６  コア気流出口
６０８  清浄気流が得られる点
６１０  単独駆動ポンプすなわち圧縮機
６１２  清浄気流を注入する点
７００  図７のエンジン設計
７０２  第一段圧縮機
７０４  第二〜第六段圧縮機
７０６  コア気流出口
７０８  圧縮機抽気が得られる点
７１２  清浄気流を注入する点
７１２  コア気流出口
【図１】
2008169834.tif 000003
【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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【図７】
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