(57)【要約】【課題】実験的に測定した３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法を提供する。【解決手段】本方法は、磁気共鳴イメージング機械（１０）を準備するステップと、エンジン構成要素のモデル（１４）を準備するステップと、外部流体流れを加えるための流体流れ源（１８）を備えた状態で磁気共鳴イメージング機械（１０）内にモデル（１４）を配置するステップと、モデル（１４）に対して外部流体流れを加えるステップと、モデル（１４）の周りにおける外部流体流れに関するデータを収集するステップと、データを使用して構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップとを含む。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法であって、
磁気共鳴イメージング機械（１０）を準備するステップと、
エンジン構成要素のモデル（１４）を準備するステップと、
外部流体流れを加えるための流体流れ源（１８）を備えた状態で前記磁気共鳴イメージング機械（１０）内に前記モデル（１４）を配置するステップと、
前記モデル（１４）に対して前記外部流体流れを加えるステップと、
前記モデル（１４）の周りにおける前記外部流体流れに関するデータを収集するステップと、
前記データを使用して前記構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップと、を含む、
方法。
【請求項２】
実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法であって、
磁気共鳴イメージング機械（１０）を準備するステップと、
少なくとも１つの回転部品を有するエンジン構成要素のモデル（１４）を準備するステップと、
流体流れ源（１６、１８）を備えた状態で前記磁気共鳴イメージング機械（１０）内に前記モデル（１４）を配置するステップと、
前記モデル（１４）に対して前記流体流れを加えるステップと、
前記流体流れに関するデータを収集するステップと、
前記データを使用して前記構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップと、を含む、
方法。
【請求項３】
実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法であって、
磁気共鳴イメージング機械（１０）を準備するステップと、
少なくとも１つの回転部品を有するエンジン構成要素のモデル（１４）を準備するステップと、
外部流体流れを加えるための流体流れ源（１８）を備えた状態で前記磁気共鳴イメージング機械（１０）内に前記モデル（１４）を配置するステップと、
前記モデル（１４）に対して前記外部流体流れを加えるステップと、
前記モデル（１４）の周りにおける前記外部流体流れに関するデータを収集するステップと、
前記データを使用して前記構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップと、を含む、
方法。
【請求項４】
前記構成要素モデル（１４）内を通る流体流れが、約１０００〜約１０００００００のレイノルズ数を有する、請求項１、請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記構成要素のモデル（１４）に対して内部流体流れを加えるステップと、
前記モデル（１４）内を通る前記内部流体流れに関するデータを収集するステップと、をさらに含む、
請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記内部流体流れが、約５℃〜約２５０℃の温度を有する、請求項５記載の方法。
【請求項７】
前記モデル（１４）を、風、雨、氷及び砂嵐から成る群から選択したシミュレート条件、シミュレート高度変化、或いはアイドリング、着陸進入及び離陸から成る群から選択されたシミュレート飛行段階の少なくとも１つに置くステップと、
前記モデル（１４）に対する前記シミュレート条件、シミュレート高度変化又はシミュレート飛行段階の影響に関するデータを収集するステップと、をさらに含む、
請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６のいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
ステータベーンを閉じること、ステータベーンを開くこと、吸気口の可変面積バイパスインジェクタ角度を調節すること、アフタバーナの可変面積バイパスインジェクタ角度を調節すること、排気システムの可変面積バイパスインジェクタ角度を調節すること、及びそれらの組合せから成る群から選択された方法を使用して、前記内部流体流れを変化させるステップを含む、請求項５、請求項６又は請求項７のいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
前記最適化する作動パラメータが、高圧タービンブレード列と低圧タービンブレード列との間の軸方向間隔、高圧タービンブレード及び低圧タービンブレードの先端間隙、翼形部の数、翼形部角度、翼形部輪郭、エンジンシール間隙、エンジン空洞設計、冷却回路設計、冷却孔寸法、並びにそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７又は請求項８のいずれか１項記載の方法。
【請求項１０】
前記構成要素が、エンジン、エンジンモジュールシステム、該エンジンモジュールシステムの部品、及びそれらの組合せから成る群から選択される、請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６、請求項７、請求項８又は請求項９のいずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記述した実施形態は、総括的にはエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法に関する。より具体的には、本明細書における実施形態は、総括的には磁気共鳴イメージング機械によって生成された実験的測定３Ｄ流体流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法について記述する。
【背景技術】
【０００２】
航空機において利用されるようなガスタービンエンジンは、効率及び推力を最大にするために高温度で作動する。そのような温度は、エンジン、その様々なモジュール式（ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）システム及びその部品を、極めて大きな熱応力下に置く可能性があり、そのことは、疲労及び摩耗を生じさせ、場合によっては破損に至らせるおそれがある。
【０００３】
ガスタービンエンジンの内部及び外部流体速度は、個々の部品並びにシステム全体の効率に影響を与える可能性がある。しかしながら、複雑な内部通路を有する構成要素内の流体流れを測定することは、そのような装置が一般的には多数の流れ剥離領域及び強い二次流れを有するという事実により、込み入ったものになることが多い。これらの流れを完全に理解するためには、非常に多数のポイントについて３次元（３D）流体速度データを収集しなくてはならない。幾つかのエンジンテストでは、エンジンの完全な流体流れを適切に調べかつ特徴付けるのに十分なデータポイントを取得するために、数百の流れ測定機器が使用されることも稀ではない。しかしながら、この多数の機器は、それら機器を貫入したことによる流体流れ阻止のような技術的問題を招くおそれがある。
【０００４】
このデータを取得するための別の手段は、計算流体力学つまりＣＦＤである。不都合なことに、複雑な通路内を通る３Ｄ流体流れを定量化するために必要なコンピュータ資源要件及び境界条件の適合度が、多くの場合にその制約要因となる可能性がある。ガスタービンエンジンに関連して現在使用されているその他の流れ測定システムとしては一般的に、ピトー管、ホットワイヤ、レーザドップラ風速測定（ＬＤＡ）及び粒子画像速度測定（ＰＩＶ）のような２次元的方法が含まれるが、その各々にはそれぞれの問題がある。例えば、ピトー管及びホットワイヤ装置は、多くの場合に貫入的なものとなる可能性があり、得られた測定値は、流体流れ場全体を網羅するというよりもポイントごとになる。対照的に、ＬＤＡ及びＰＩＶの両方は、非貫入的方法とすることができるが、両者共に粒子シーディングを必要とし、粒子シーディングは、流体流れ内に置かれた粒子の経路を追跡するために光を使用し、また粒子が流体流れに追随することになるとの仮定に基づいて動作している。従って、流体測定法に対する改良の必要性が存在する。
【０００５】
最近、医療診断用途及び全身スキャンにおいて使用されるような４次元磁気共鳴速度測定法つまりＭＲＶについて、内部流体流れの測定におけるその有効性が調査された。Ｅｌｋｉｎｓ  Ｃ．Ｊ．他による「複合乱流における平均速度測定のための４次元磁気共鳴速度測定法」（Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｉｎ  Ｆｌｕｉｄｓ、３４（２００３）４９４−５０３頁）を参照されたい。ＭＲＶは、それが非貫入的なものでありまたこれまで高低両方のレイノルズ数研究のために使用されてきたものであるので、上述の方法に対する望ましい代替方法とすることができる。Ｅｌｋｉｎｓが引用しているＦｕｋｕｓｈｉｍａ  Ｅ．による「流れ研究のツールとしての核磁気共鳴法」（Ａｎｎｕａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  ｏｆ  Ｆｌｕｉｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ、３１（１９９９）、９５−１２３頁）を参照されたい。ＭＲＶは、複雑な内部幾何学形状内、特に固定タービンブレードの蛇行冷却通路内における乱流を研究するために、ステレオリソグラフィ及び溶融堆積加工のラピッドプロトタイピング法と組合されてきた。前掲の文献を参照されたい。
【０００６】
ＭＲＶは、４次元パルスシーケンスを利用することによって動作する。Ｅｌｋｉｎｓが引用しているＭａｒｋｌ  Ｍ．他による「時間分解３次元位相差ＭＲＩ（４次元流れ）」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｍａｇｉｎｇ（２００３））を参照されたい。一般に、ＭＲＶは、３Ｄシネシーケンス及び３方向速度コード化の両方を使用して、一連の時間分解３Ｄマグニチュード画像及び３成分速度情報を同時に生成することを含む。各ゲートサイクル内で、全ての取得時間フレームに対して、１つのｙ方向に沿った空間位相コード化ステップが使用される。３方向流れ情報のために必要な全ての速度測定値と選択可能な数のｚ方向に沿った空間コード化とが、インタリーブされる。最終結果は、画像の時間分解能と総取得時間との間の柔軟なトレードオフである。前掲の文献を参照されたい。
【０００７】
しかしながら、ＭＲＶは、それでもなお、対処する必要があるデータ誤差を発生する。例えば、流体流れと関係のない速度誤差を減少させるために、２つのスキャン、つまり１つは流れがある時のスキャン及びもう１つは流れがない時のスキャンを使用することができる。渦電流と勾配磁場関連システム不完全性のようなその他の非共鳴作用源とは、速度測定値における誤差を生じさせる可能性がある。これらの誤差を明らかにするために、流れはないがその他のパラメータは同一の状態にして全測定プロセスを繰り返すことができる。次に、速度情報を含むデータセットからの減算を使用して、累積速度誤差を排除することができる。Ｅｌｋｉｎｓが引用しているＭａｒｋｌ  Ｍ．他による「位相差ＭＲＩによる、速度測定における空間磁場歪みの影響の解析及び補正」（Ｐｒｏｃ．  ｏｆ  ｔｈｅ  １０ｔｈ  Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ  Ｍｅｅｔｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｆｏｒ  Ｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｉｎ  Ｍｅｄｉｃｉｎｅ、  米合衆国ホノルル、２００２年５月１８−２４日）を参照されたい。
【０００８】
加えて、速度をコード化するために使用する勾配磁場における非線形性は、速度マップ内に誤差を生じさせる可能性がある。そのような不完全性により、流れ又は運動をコード化するために使用する勾配モーメントが変化することによって、速度測定値に誤差が導入される可能性がある。理想的な局所勾配からのあらゆる変化は、勾配モーメント、従って速度コード化における同一のパーセンテージの変化として直接反映される可能性がある。しかしながら、勾配磁場の空間歪みは既知であるので、測定速度は、遡及的に補正することができる。前掲の文献を参照されたい。
【特許文献１】米国特許第６，４６２，５４４号公報
【非特許文献１】ELKINS, C.J. et al., 4D Magnetic resonance velocimetry for mean velocity measurements in complex turbulent flows, Experiments in Fluids, 34 (2003) pp. 494-503
【非特許文献２】FUKUSHIMA, E., Nuclear magnetic resonance as a tool to study flow, Annual Review of Fluid Mechanics, 31 (1999) pp. 95-123.
【非特許文献３】MARKL, M. et al. Time resolved three dimensional phase contrast MRI(4D-flow),Journal of Magnetic Resonance Imaging (2003).
【非特許文献４】MARKL, M. et al., Analysis and correction of the effect of spatial field distortions on velocity measurements with phase contrast MRI, Proc. Of the 10th Scientific Meeting of the International Society for Magnetic Resonance in Medicine, Honolulu, USA, May 18-24, 2002.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、現在のＭＲＶ実施法は、複雑な固定通路の内部流れ速度を調べることを可能にするが、それによってガスタービンエンジン全体並びに固定及び回転構成要素の両方を含むモジュール式エンジンシステム及びその部品の流体流れ経路を測定しかつ最適化する同様な非貫入的方法に対する必要性が依然として残っている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本明細書における実施形態は、総括的には実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法に関し、本方法は、磁気共鳴イメージング機械を準備するステップと、エンジン構成要素のモデルを準備するステップと、外部流体流れを加えるための流体流れ源を備えた状態で磁気共鳴イメージング機械内にモデルを配置するステップと、モデルに対して外部流体流れを加えるステップと、モデルの周りにおける外部流体流れに関するデータを収集するステップと、データを使用して構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップとを含む。
【００１１】
本明細書における実施形態はまた、総括的には実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法に関し、本方法は、磁気共鳴イメージング機械を準備するステップと、少なくとも１つの回転部品を有するエンジン構成要素のモデルを準備するステップと、流体流れ源を備えた状態で磁気共鳴イメージング機械内にモデルを配置するステップと、モデルに対して流体流れを加えるステップと、流体流れに関するデータを収集するステップと、データを使用して構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップとを含む。
【００１２】
本明細書における実施形態はまた、総括的には実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化する方法に関し、本方法は、磁気共鳴イメージング機械を準備するステップと、少なくとも１つの回転部品を有するエンジン構成要素のモデルを準備するステップと、外部流体流れを加えるための流体流れ源を備えた状態で磁気共鳴イメージング機械内にモデルを配置するステップと、モデルに対して外部流体流れを加えるステップと、モデルの周りにおける外部流体流れに関するデータを収集するステップと、データを使用して構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップとを含む。
【００１３】
これらの及びその他の特徴、態様及び利点は、以下の開示から当業者には明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本明細書は、本発明を具体的に指摘しかつ明確に特許請求している特許請求の範囲を伴っているが、本明細書に記載した実施形態は、同じ参照符号が同様な要素を示している添付図面と共に以下の説明からより良好に理解されるようになると思われる。
【００１５】
本明細書に記載した実施形態は、総括的にはガスタービンエンジン、モジュール式エンジンシステム及びその部品内の流体流れを最適化する方法に関する。一般に、そのような方法は、磁気共鳴イメージング機械を準備するステップと、少なくとも１つの回転部品を有することができるエンジン構成要素のモデルを準備するステップと、外部流体流れ及び／又は内部流体流れを加えるための流体流れ源を備えた状態で磁気共鳴イメージング機械内にモデルを配置するステップと、モデルに対して流体流れを加えるステップと、モデルの周りにおける流体流れに関するデータを収集するステップと、データを使用して構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化するステップとによって、実験的測定３Ｄ流れ場を使用してエンジン構成要素の少なくとも１つの作動パラメータを最適化することを含むことができる。
【００１６】
本明細書に記載した方法は、最初にその全体を図１に示すような磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）機械１０を準備するステップを含む。本明細書では、あらゆる従来型のＭＲＩ機械を使用することできるが、１つの実施例は、１．５Ｔ  ＧＥ  Ｓｉｇｎａ（登録商標）  ＣＶ／Ｉ  ＭＲＩスキャナ（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．）である。Ｍｃｋｉｎｎｏｎの米国特許第６，４６２，５４４号もまた参照されたい。ＭＲＩ機械１０は、本明細書において以下に述べるように、解析しようとする構成要素モデルをその中に配置することができる空洞１２を含むことができる。
【００１７】
次に、エンジン全体、モジュール式エンジンシステム或いは該モジュール式エンジンシステムの１つ又はそれ以上の部品のいずれかを含むことができる構成要素モデルを製作することができる。本明細書では、モデルを製作するために、ステレオリソグラフィ又は溶融堆積加工のような当業者に公知であるあらゆるラピッドプロトタイピング法の使用が許容可能である。その他の許容可能なモデル製作方法としては、現存エンジン構成要素上へのポリマー樹脂のオンシェイプ注型法、並びにポリマー又はその他の非金属材料を機械加工して所望の構成要素モデルを製造する従来型の加工法が含まれる。そのような方法は、それら方法が伝統的なテスト用プロトタイプの製造におけるよりも比較的迅速かつ低コストでエンジン、モジュール式エンジンシステム又はその部品を製作するのを可能にするので、望ましい。
【００１８】
上述したように、本明細書における方法は、エンジン全体、エンジンの様々なモジュール式システムのいずれか、及び少なくとも１つの回転部分（部品）を含むその部品に対する流体流れを解析するのに有用なものとすることができる。さらに、モジュール式エンジンシステムは、それに限定されないが、吸気システム、圧縮機システム、燃焼器システム、タービンシステム、排気システム、及びそれらの組合せを含むことができる。同様に、本明細書における方法を用いて調べることができるモジュール式エンジンシステムの部品には、排気管、ダクト、油だめ、油圧ポンプ、冷却回路、ナセルコンパートメント回路、エンジン歯車表面、上に列挙した部品の内部空洞、及びそれらの組合せを含むことができる。
【００１９】
モデル１４が製作されると、モデルは、図２に示すように、内部流体流れ源１６及び／又は外部流体流れ源１８を備えた状態でＭＲＩ機械１０の空洞１２内に配置することができる。本明細書で使用する場合に、「流体」というのは、液体又は気体のいずれかを意味することができる。より具体的には、ＭＲＩ機械１０の空洞１２内に配置する前に、構成要素モデル１４は、本明細書で以下に説明するように、多様な条件をシミュレートするように調整することができるテストチャンバ２０内に配置することができる。テストチャンバ２０は、それに限定されないが、繊維強化複合材、プラスチック、セラミック又は熱硬化性樹脂を含むあらゆる非鉄材料で製作することができ、またそれに限定されないが、開放端又は閉鎖端式シリンダ、ボックス又はドームのような多様な形状にすることができる。テストチャンバ２０は、構成要素モデル１４を収容することができるが、依然として機械空洞１２内に嵌合することができるあらゆる設計を有することができる。テストチャンバ２０は、図２に示すように、固定支持体又はローラ２２によって支持することができる非鉄のテストベッド２１に載せて機械空洞１２内に直接配置することができる。
【００２０】
内部流体流れというのは、例えばタービン翼形部の内部の流れのような、エンジン、モジュール式エンジンシステム又はその部品の内部の流れを意味している。内部流体流れ源１６としては、流体又は気体を含むことができるポンプ、タンク又はその他の同様な装置を含むことができ、また一般的にＭＲＩ機械１０の外部に設置されることになる。流体は、パイプ、チューブ、フィルタ又はその他の同様の装置３２のようなあらゆる従来型の導管を使用して、内部流体流れ源１６から制御ボリュームテスト環境調整装置つまりＣＶＴＥ２４に移送することができる。内部流体流れは、別の導管３２を使用して、ＣＶＴＥ２４からテストチャンバ２０に転送することができる。ＣＶＴＥ２４は、テストチャンバ２０から分離させるか又はテストチャンバ２０と一体形にするかのいずれかとすることができる。ＣＶＴＥ２４は、流体流れをテストチャンバ２０内に移送するのに先立って、所望のテストパラメータに従って内部流体流れを事前調整するために使用することができる。例えば、温度、圧力、速度及び流体密度は、所望に応じて変更することができる。加えて、ＣＶＴＥ２４は、実行される特定のテストの要求に応じて、色彩、ガドリニウムベースの薬剤のような画像コントラスト増強剤、又はその他の化学添加剤のような物を付加するために使用することができる。
【００２１】
水、水蒸気、或いはその他の同様な環境に安全な液体又は不活性ガスのような気体は、内部流体流れ源１６からテストチャンバ２０に供給する流体として利用することができる。流体の運動は、多様な方式で調整することができる。例えば、その運動は、図２に示しまた本明細書において以下に説明するように、テストチャンバ２０の内部にモデル１４を配置した状態で、付属電気モータ２６を使用して該モデル１４を回転させることによって調整することができる。この場合に、モデル１４自体の回転は、テストチャンバ２０及びモデル１４を同時に通って流体を移動させるポンプとして作用する。それに代えて、流体の運動はモデル１４の２つの端部又は側面間の真空差又は圧力差を使用することによって調整することができる。加える内部流体流れの温度は、本明細書で以下に説明するように変化させることができ、１つの実施形態では、内部流体流れは、テストチャンバ２０内への導入に先立ってＣＶＴＥ２４内で約５℃〜約２５０℃の温度に調整することができる。流体の温度がモデルの熱能力のみによって制限されることは、当業者には解るであろう。
【００２２】
外部流体流れというのは、モジュール式エンジンシステム又はその部品の周りにおける流れを意味しており、この流れは、圧縮機翼形部の外表面の周りを通過する流れのように、エンジンの構造体内で依然として発生している。外部流体流れ源１８を必要とする場合には、流体又は気体を含むことができるポンプ、タンク、又はその他の同様な装置が外部流体流れ源１８として働くことができ、また一般的にＭＲＩ機械１０の外部に設置されることになる。内部流体流れと同様に、水、水蒸気、又はその他の同様な環境に安全な流体は、図２に示すように外部流体流れ源１８によってテストチャンバ２０に供給することができる。外部流れの流体移動は、前述したように、外部流体流れ源１８から導管３２を通して事前調整用のＣＶＴＥ２４内に流体を噴射又はポンプ圧送することによって達成することができる。事前調整した外部流体流れは次に、別の導管３２を使用してＣＶＴＥ２４からテストチャンバ２０に移送することができる。それに代えて、外部流体は、テスト装置の様々な位置における及び／又はモデル１４とテストチャンバ２０との間の圧力差を用いて移動させることができる。内部流体流れと同様に、加える外部流体流れの温度は、変化させることができる。しかしながら、１つの実施形態では、外部流体流れは、テストチャンバ２０内への導入に先立ってＣＶＴＥ２４内で約５℃〜約２５０℃の温度に事前調整することができる。外部流体の温度がモデル１４の熱能力のみによって制限されることは、当業者には解るであろう。
【００２３】
内部流体流れ及び外部流体流れの両方を利用する場合には、図２において小さい矢印で示す内部流れ及び図２において大きい矢印で示す外部流れは、両方の流体が同じ物理特性を有することを望む場合には、同じＣＶＴＥを通って流れることができる。ＣＶＴＥは次に、図２に示すように事前調整した流体をモデル１４を通しての内部とまたモデル１４の周りにおける外部との両方に導くことができる。それに代えて、内部及び外部の両方の流体流れに対して同じ物理特性を望む場合には、単体構造の流体流れ源を使用して、流体を事前調整用のＣＶＴＥに供給することができる。この場合にもまた、ＣＶＴＥは次に、事前調整した流体をモデル１４を通して内部にまたモデル１４の周りで外部に導くことができる。しかしながら、内部流れと外部流れとが異なる物理特性を有するべきである場合には、事前調整した流体をテストチャンバに移送するのに先立って、別個のＣＶＴＥを使用して内部流れ及び外部流れの各々を事前調整することができる。
【００２４】
加えて、解析されるエンジン、モジュール式エンジンシステム又はその部品が何らかの回転部品を含んでいる場合には、モデル１４に対して外部モータ２６を取り付けて、使用時における回転部品の運動をシミュレートすることができる。このようにして、モータ２６を使用して、必要に応じて回転モデルを運動させること及び内部流体流れを調整することの両方を行うことができる。例えば、モータ２６は、非鉄シャフト２８を使用して構成要素モデル１４に結合して、作動時にモータ２６がシャフト２８と係合しかつ該シャフト２８を回転させ、それによって次に構成要素モデル１４を回転させるようにすることができる。本明細書での使用には、あらゆる従来型のモータが許容可能である。殆どの場合に、図２に示すようにモータ２６をＭＲＩ機械１０の外側に配置して、モータ２６がＭＲＩ機械１０の磁場と干渉するのを防止することが望ましいことになる。モータ２６及び／又はシャフト２８をＭＲＩ機械１０の外側の所定の位置に保持するために、任意選択的に支持体３０を使用することができる。
【００２５】
構成要素モデル１４に対して外部及び／又は内部流体流れを加えながら、従来型のＭＲＩスキャニング法を用いて、構成要素モデルに関するデータを収集することができる。より具体的には、また前述したように、測定は、例えばＧＥ  Ｓｉｇｎａ（登録商標）  ＭＲＩシステム（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｏ．）のようなあらゆる標準的なＭＲＩ機械上で行うことができる。完全発生した低レイノルズ数の乱流から高度に複雑なエンジン内部流れまでの外部／内部流体流れを調べるためのパラメータとしては、例えば以下のもののいずれかを含むことができ、それらには、無線周波数励起から磁気共鳴信号受信までの一般的に約１ｍｓ〜約１０ｍｓに設定することができる遅延時間、単一のデータ取得からの繰返し時間つまり連続した測定間の時間であって一般的に約２ｍｓ〜２０ｍｓに設定することができる時間、並びに一般的に約２０ｃｍ／秒〜５００ｃｍ／秒に設定することができる速度コード化係数がある。所望の画像ピクセル分解能及びデータ取得ゲート間隔は、必要はテスト時間及び画像データ品質の決定を助けることができるが、そのようなパラメータは、ある程度までハードウエアに依存することができる。
【００２６】
構成要素モデル１４を単純にスキャンすることにより有用なデータを得ることができるが、磁気共鳴を用いることの更なる利点は、磁気共鳴がエンジン性能に影響を与える可能性がある外的影響をシミュレートするのを可能にすることである。例えば、風、雨、氷及び砂嵐のような条件をシミュレートすることができる。風は、テストチャンバ２０に空気を供給するように配置した外部ファン又はブロワからの空気流速度、モータ速度、空気流の角度、及びそれらの組合せのいずれかを調整することによってシミュレートすることができる。より具体的には、空気流の角度を変更することにより、直進的、側部、頂部又は底部の流れ方向をシミュレートすることを可能にすることができる。雨及び氷は、所望の温度及び圧力設定下でノズルを使用してテストチャンバ２０内に水滴又は氷粒子を噴射することによってシミュレートすることができる。砂は、空気流をテストチャンバ２０内に導くのに先立って、ＣＶＴＥ２４内での事前調整の間に空気流に対して砂粒を付加することによってシミュレートすることができる。
【００２７】
また、高度変化は、テストチャンバ内の密度、温度、圧力、湿度及びそれらの組合せのような特性を変更することによってシミュレートすることができる。例えば、より高い高度は、テストチャンバ内の圧力及び水分含有量を減少させることによって、他方、より低い高度は、テストチャンバ内の圧力及び水分含有量を増加させることによってシミュレートすることができる。流体流れの物理特性に対するそのような変更は、テストチャンバ２０内への流体の移送に先立って、ＣＶＴＥ２４内で達成することができる。
【００２８】
同様に、アイドリング、着陸進入及び離陸を含む飛行段階は、前述した因子のいずれかを含む様々な因子の組合せを変更すること並びに異なるエンジン速度をシミュレートするために電気モータ２６の速度を変化させることによって、シミュレートすることができる。具体的には、飛行段階は、以下のもの、すなわちテストチャンバの圧力、温度及び密度、空気流の速度、湿度、空気流の角度、エンジンモデルベーン、並びにＶＡＢＩ設定値（つまり、ベーン角度を狭めることにより空気流及び速度が低下する）を単独にもしくは組合せとしてのいずれかで変更することによってシミュレートすることができる。
【００２９】
磁気共鳴を使用することのもう１つの利点は、内部流体流れを加える時に、構造体に対する流体の相互作用を調べるために、内部流体流れを変化させることができることである。言い換えると、流体流れが構成要素モデル全体を通過する仕方を解析することができ、次にその結果に基づいてモデル又はモデルの配置を最適化することができる。内部流体流れを変化させる数多くの方法があるが、幾つかの実施例としては、それに限定されないが、少なくとも１つのステータベーンを閉じること及び開くこと、吸気口の少なくとも１つの可変面積バイパスインジェクタ角度を調整すること、アフタバーナの少なくとも１つの可変面積バイパスインジェクタ角度を調整すること、排気システムの少なくとも１つの可変面積バイパスインジェクタ角度を調整すること、並びにそれらのいずれかの組合せを含むことができる。モデルは、前述した様々な態様をシミュレートする可動部品を含むように構成することができ、或いはそれに代えて異なる条件をシミュレートするために異なるモデルを使用することができることは、当業者には解るであろう。例えば、１つのモデルは、１つ又はそれ以上のステータベーンを開放位置にあるようにすることができ、他方、第２のモデルは、全てステータベーンを閉鎖した状態にすることができる。データは、各モデル及び比較した結果を使用して生成することができる。
【００３０】
別の実施例として、可変サイクルエンジンハイパーバーナの設計は、可変面積バイパスインジェクタ及び可変面積軸対称ノズルを使用することによって最適化することができる。離陸時に、ハイパーバーナに送給される空気の大部分は、エンジンコアを通って流入するが、より高いマッハ数においては、空気の大部分は、コアをバイパスし、ファンの外側領域を通って直接アフタバーナ内に移動する。本明細書に記載した方法を使用すると、バイパスインジェクタの可変面積及び長さは、流体流れの「滑らかさ」、つまり流れ場の乱れがより小さければ小さいほどバイパスインジェクタとノズルとの境界における流体剥離がより少なくなることを解析することによって最適化することができる。同様に、エンジン、モジュール式エンジンシステム、又はその部品の外側部分の周りにおける流体流れを調べかつ最適化するために、外部流体流れを変化させることができる。この場合でもまた、それに限定されないが、電気モータの回転速度を変更すること、吸気口案内ベーンの設定を変更すること、ＶＡＢＩ角度を変更すること、及びそれらの組合せを含む外部流体流れを変化させる様々な方法がある。例えば、電気モータの回転速度を増大させることは、該モータに対して結合されたモデルをも一層急速に回転させ、それによってモデルの周りにおける外部流体流れの速度を増大させることになる。
【００３１】
流体流れを調べるために磁気共鳴を使用することのさらにもう１つの利点は、１つの実施形態では、構成要素内を通る流体流れが、約１０００〜約１０００００００の範囲のレイノルズ数に有することができることである。そのような広範囲のレイノルズ数に適応することは、エンジン、モジュール式エンジンシステム、又は該モジュール式エンジンシステムの部品のより完全な解析を可能にする。流体流れが、例えばタービンブレード又は圧縮機ブレードのような構成要素と相互作用する時に、流れの速度は、ブレードの凸面形表面における高いレイノルズ数からブレードの凹面形表面における低いレイノルズ数まで変化する可能性がある。レイノルズ数によって反映された平均測定流体速度を調べかつそれに対する変化を流体流れ速度における変化と比較することができることは、構成要素モデルの最適化を可能にすることができる。同様に、層流は一般的に、低いレイノルズ数を有する可能性があるが、乱流は一般的に、高いレイノルズ数を有する可能性がある。乱流が減少することは、ノイズがより低下すること、流体誘発振動が低下すること、及び急速サイクル疲労がより減少することに等しい。タービンブレード又は圧縮機ブレードに関して考察した場合には、乱流の減少によりまた、ブレード及びその構造の高サイクル疲労寿命を一層長くすることができる。従って、本明細書に記載した方法により、反復タービンブレード設計サイクル時間を現在の数ヶ月の時間フレームから単に数日又は数時間まで短縮するのを可能にすることができる。実際に、理想的３Ｄレイノルズ数流体場を有する最適タービン翼形部モデルは一般的に、前述のステレオリソグラフィモデル製作法を用いて８時間よりも短い時間内で製作することができた。幾つかの場合には、テスト設定及びデータ取得プロセス全体を、２４時間よりも短い時間内に行うことができた。
【００３２】
前述の方法を使用することによって、エンジンの多様な作動パラメータを最適化することができる。例えば、１つの実施形態では、最適化する作動パラメータは、高圧タービンブレード列と低圧タービンブレード列との間の軸方向間隔、高圧タービンブレード及び低圧タービンブレードの先端間隙、翼形部の数、翼形部角度、翼形部輪郭、エンジンシール間隙、エンジン空洞設計、冷却回路設計、冷却孔寸法、並びにそれらの組合せから成る群から選択することができる。例えば、最適化した軸方向間隔及び翼形部チャンバの角度は、流れのより少ない乱流及びより少ない剥離を有する「滑らかな」３Ｄ流体流れ場を生成することになる。流体流れ画像の「滑らかさ」は、異なるモデル及び異なるテスト設定を使用してＭＲＩ機械から受ける平均流体流れ速度によって測定することができる。生成したＭＲＩデータによって反映された最小の乱流、最小の流れ剥離及び最大の「滑らかさ」は一般的に、その構成要素のための最終最適設計として選ばれることになる。以上の説明は、本明細書に記載した方法によって生成されかつ収集されたデータを使用して最適化することができる作動パラメータのほんの一例に過ぎないことは、当業者には解るであろう。
【００３３】
本書面の記述は、実施例を使用して、最良の形態を含む本発明を開示し、さらにあらゆる当業者が本発明を製造しまた使用するのを可能にしている。本発明の特許性がある技術的範囲は、特許請求の範囲によって定まり、また当業者が想到するその他の実施例を含むことができる。そのようなその他の実施例は、それらの実施例が特許請求の範囲の文言と相違しない構造的要素を有する場合には、或いはそれらの実施例が特許請求の範囲の文言と実体のない相違をもつ均等な構造的要素を有する場合には、特許請求の範囲の技術的範囲内に属することになることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本明細書の記述による従来型の磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）機械の１つの実施形態の概略図。
【図２】本明細書の記述によるＭＲＩ機械の空洞内に配置したテストチャンバ及び構成要素モデルを有する、図１の機械の１つの実施形態の概略断面図。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ＭＲＩ機械
１２  空洞
１４  構成要素モデル
１６  内部流体流れ源
１８  外部流体流れ源
２０  テストチャンバ
２１  テストベッド
２２  ローラ
２４  制御ボリュームテスト環境
２６  モータ
２８  モータのシャフト
３０  支持体（モータ及び／又はシャフト用の）
３２  導管
【図１】
2008281000.tif 000003
【図２】
2008281000.tif 000004