(57)【要約】【課題】損傷を受けやすい内部構成要素に到達する前に流入する空気から粒子状物質を効率的に分離し、この粒子状物質をエンジンから排出するようにすること。【解決手段】本発明の実施形態は、入口流路、排出流路、コア流路、及び排出流路とコア流路との間に配置されたフロースプリッターを有するガスタービンエンジン用の入口粒子分離装置を提供する。複数の溝を入口流路内でセパレータの壁の内側表面の周りに配置することができる。【選択図】      図１
2013130188.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒子分離装置であって、
第１の端部及び対向する第２の端部と、
前記第１の端部に隣接する入口流路、前記第２の端部に隣接する排出流路、及び前記第２の端部に隣接するコア流路と、
前記入口流路を少なくとも部分的に定める壁面と、
前記壁面の少なくとも一部に配置された１つ又はそれ以上の溝と、
を備える、粒子分離装置。
【請求項２】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、前記入口流路の長さに沿って軸方向に配置される、請求項１に記載の粒子分離装置。
【請求項３】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、シュラウド付き側壁及び露出側壁を含む、請求項１に記載の粒子分離装置。
【請求項４】
前記シュラウド付き側壁が、前記溝の根元を少なくとも部分的に隠し、前記根元が前記シュラウド付き側壁及び前記露出側壁の両方に接続される、請求項３に記載の粒子分離装置。
【請求項５】
前記シュラウド付き側壁及び露出側壁の一方又は両方が、非線形外形輪郭を有する、請求項３に記載の粒子分離装置。
【請求項６】
前記非線形外形輪郭が前記長さに沿って変化する、請求項７に記載の粒子分離装置。
【請求項７】
前記１つ又はそれ以上の溝が、底面寸法及び高さ寸法を含み、前記底面寸法と前記高さ寸法との間の比が前記１つ又はそれ以上の溝の長さに沿って変化する、請求項１に記載の粒子分離装置。
【請求項８】
前記入口流路が環状である、請求項１に記載の粒子分離装置。
【請求項９】
前記入口流路が非環状である、請求項１に記載の粒子分離装置。
【請求項１０】
粒子分離装置であって、
第１の端部及び対向する第２の端部と、
前記第１の端部から前記第２の端部に延びる第１の壁面及び前記第１の端部に隣接する第２の壁面と、
前記第１の端部に隣接する入口流路、前記第２の端部に隣接する排出流路、及び前記第２の端部に隣接するコア流路と、
前記排出流路と前記コア流路との間に配置されるスプリッターと、
前記入口流路ないに配置される１つ又はそれ以上の溝と、
を備え、前記入口流路が、前記第１の壁面の一部によって及び前記第２の壁面によって少なくとも部分的に定められる、粒子分離装置。
【請求項１１】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、前記入口流路の長さに沿って軸方向に配置される、請求項１０に記載の粒子分離装置。
【請求項１２】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、前記第１の壁面上に配置される、請求項１０に記載の粒子分離装置。
【請求項１３】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、非線形外形輪郭を有する側壁を含む、請求項１０に記載の粒子分離装置。
【請求項１４】
前記入口流路が環状である、請求項１０に記載の粒子分離装置。
【請求項１５】
前記入口流路が非環状である、請求項１０に記載の粒子分離装置。
【請求項１６】
粒子分離装置であって、
そこを貫通する長手方向軸線と、
外側円周方向面及び内側円周方向面によって少なくとも部分的に定められるほぼ環状の入口流路と、
ほぼ環状の排出流路及びほぼ環状のコア流路と、
前記排出流路及び前記コア流路間に配置されたほぼ円周方向のスプリッターと、
前記入口流路内に配置された複数の溝と、
を備える、粒子分離装置。
【請求項１７】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、前記外側円周方向面上に配置される、請求項１６に記載の粒子分離装置。
【請求項１８】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、軸方向に配置される、請求項１６に記載の粒子分離装置。
【請求項１９】
前記１つ又はそれ以上の溝の各々が、前記外側円周方向面上にアレイ状に軸方向に配置される、請求項１６に記載の粒子分離装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体的に、ガスタービンエンジンにおける流体流れの粒子分離装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは、幅広い環境で用いることができる。これらの環境の一部では、ガスタービンエンジンに入る空気が幾らかの量の粒子状物質を含有する場合がある。この粒子状物質は、例えば、砂、汚れ、埃、塩、又は水を含むことができる。この粒子状物質は、ガスタービンエンジンの内部構成要素に衝突してこれらの構成要素を損傷又は腐食させる恐れがあり、従って、当該エンジンの動作寿命を縮め、又は効率を低下させる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，９６７，５５４号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従って、請求項に記載される本発明の１つの態様は、損傷を受けやすい内部構成要素に到達する前に流入する空気から粒子状物質を効率的に分離し、この粒子状物質をエンジンから排出するようにすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の１つの実施形態は、圧縮機、燃焼器、及びタービンのようなエンジンコア構成要素の前方にある、ガスタービンエンジンの前方部分上に配置された入口粒子分離装置を提供する。分離装置は、粒子状物質を含有する流体流を吸い込む。分離装置は、内壁上に配置された複数の溝を有し、全てではないが吸い込まれた流体流内の粒子状物質の大部分が溝と衝突するようにする。溝と衝突することで、粒子状物質の跳ね返り速度及び跳ね返り角が小さくなり、これにより当該粒子状物質を主エンジン流体流から取り除いてこれを排気し、排出流路を介して主要エンジン構成要素を分流しやすくなり、エンジンコアをバイパスするようになる。存在する場合は僅かな粒子状物質を含有する吸い込まれた流体流の残りの部分は、コア流路によって取り込まれてエンジンコアに配向される。
【０００６】
排出システムの別の態様は、入口流路、環状排出流路、環状コア流路、及び排出流路とコア流路との間に配置された円周方向フロースプリッターを有することができるガスタービンエンジン用の粒子分離装置を提供する。粒子排出を助けるために、入口流路内の内側表面の周りに複数の溝を配置することができる。
【０００７】
排出システムの別の実施形態は、非環状の排出及び主流路を含むことができる。
【０００８】
排出システムの更に別の実施形態は、内側壁面上に位置付けられた溝を設け、溝の底面寸法と高さ寸法との間のアスペクト比を有する。このアスペクト比は、溝の長さに沿って変化することができる。
【０００９】
排出システムの更に別の実施形態は、内側壁面上に配置された溝を備え、該溝は、線形又は非線形側壁外形輪郭を有する内側側壁上に位置付けられる側壁を有する。これらの側壁外形輪郭は、溝の長さに沿って変わることができる。
【００１０】
更に別の態様は、内側壁面上に配置された溝を備え、該溝は、根元、第１の先端、第２の先端、根元と第１の先端との間に延びる第１の側壁、及び根元と第２の先端との間に延びる第２の側壁を有する。第１の先端及び／又は第１の側壁は、粒子状物質の流入する流れから根元を覆う又は隠すことができる。
【００１１】
本発明の実施形態が以下の例図において示される。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の粒子分離装置の１つの実施形態の断面斜視図。
【図２】本発明の粒子分離装置の１つの実施形態の側断面図。
【図３】本発明の実施形態で用いることができる溝の１つの実施形態の長手方向軸線に垂直な平面に沿った断面図。
【図４Ａ】本発明の実施形態で用いることができる溝の長手方向軸線に垂直な平面に沿った、溝の実施形態の断面図。
【図４Ｂ】本発明の実施形態で用いることができる溝の長手方向軸線に垂直な平面に沿った、溝の実施形態の断面図。
【図５Ａ】溝の実施形態の露出側壁を有することができる様々な外形輪郭を詳細に示す、ガスタービンエンジンの長手方向軸線に垂直な平面に沿った溝の実施形態の断面図。
【図５Ｂ】溝の実施形態の露出側壁を有することができる様々な外形輪郭を詳細に示す、ガスタービンエンジンの長手方向軸線に垂直な平面に沿った溝の実施形態の断面図。
【図６Ａ】溝の実施形態のシュラウド付き側壁を有することができる様々な外形輪郭を詳細に示す、ガスタービンエンジンの長手方向軸線に垂直な平面に沿った溝の実施形態の断面図。
【図６Ｂ】溝の実施形態のシュラウド付き側壁を有することができる様々な外形輪郭を詳細に示す、ガスタービンエンジンの長手方向軸線に垂直な平面に沿った溝の実施形態の断面図。
【図７】シュラウド付き側壁及び露出側壁の両方の異なる外形輪郭を示し且つこれらの外形輪郭が溝の根元の配置をどのように決定できるかを示した、ガスタービンエンジンの長手方向軸線に垂直な平面に沿った溝の実施形態の断面図。
【図８】非環状断面を有する本発明の粒子分離装置の１つの実施形態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
典型的なガスタービンエンジンは一般に、前端と後端とを有し、これらの間に直列に複数の構成要素が続く。空気入口又は吸気口は、エンジンの前端に位置し、そこに一体式の粒子分離装置を組み込むことができる。吸気口の後に、後端に向かって順に、圧縮機、燃焼室、タービン、及びエンジン後端においてノズルが続く。また、例えば、低圧及び高圧圧縮機、高圧及び低圧タービン、並びに外部シャフトなど、追加の構成要素をエンジンに含めることができる点は、当業者であれば理解されるであろう。しかしながら、これは網羅的な記載ではない。エンジンはまた、典型的には、エンジンの中心長手方向軸線を通って軸方向に配置された内部シャフトを有する。内部シャフトは、タービン及び空気圧縮機の両方に接続され、タービンが空気圧縮機に回転入力を提供して圧縮機ブレードを駆動するようにする。典型的なガスタービンエンジンはまた、通常は円筒形状であるので、外周を有すると考えることができる。
【００１４】
本明細書で使用される用語「軸方向」又は「軸方向に」とは、エンジンの長手方向軸線に沿った寸法を意味する。軸方向」又は「軸方向に」と併せて使用される用語「前方に」は、エンジン入口に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジン入口に相対的に近接していることを指す。
【００１５】
本明細書で使用される用語「半径方向」又は「半径方向に」とは、エンジンの中心長手方向軸線と外側エンジン周囲との間に延びる寸法を指す。単独で又は用語「半径方向」もしくは「半径方向に」と併せて使用される「近位」又は「近位方向」とは、中心長手方向軸線に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較して中心長手方向軸線に相対的に近接していることを意味する。単独で又は用語「半径方向に」もしくは「半径方向に」と併せて使用される「遠位」又は「遠位方向に」とは、外側エンジン周囲に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較して外側エンジン周囲に近接していることを意味する。
【００１６】
本明細書で使用される用語「横方向」又は「横方向に」とは、軸方向及び半径方向寸法の両方に垂直な寸法を意味する。
【００１７】
粒子分離装置１００の実施形態は、ほぼ環状の流路を提供することができる。環状流路は、ほぼ湾曲した閉鎖面である長手方向軸線に垂直な平面に沿った断面を有するようなほぼ円周方向の表面で定めることができる。これらの円周方向表面は、共通の中心長手方向軸線を共有し、これらの関連する断面は円形とすることができる。簡単にするため及び説明の目的で、図１及び２に示す粒子分離装置の実施形態は、共通の長手方向軸線を有して定める表面を備えたほぼ環状の流路を提供する。しかしながら、必ずしも全ての表面が厳密に円形であるか又は流路が環状断面である必要はなく、非円形又は非環状の形状であってもよい。例えば、図８は、非円周方向の表面及び非環状の経路を有する粒子分離装置を示している。加えて、円周方向表面及び環状流路は、共通の中心長手方向軸線を共有する必要はない。更に、本明細書で説明される流路は、複数のダクトに分けられ、最低限でも構造的要素又はベーンが内部に配置される点は理解されたい。その上、図３〜７に示す溝は、環状又は非環状構造を含む粒子分離装置の何れかの実施形態において及び他の表面上で利用することができる。
【００１８】
図１及び２を参照すると、粒子分離装置１００の１つの実施形態が提供される。粒子分離装置１００は、ある量の粒子状物質を含有する空気などの流動流を第１の端部１０１を通って入口流路１０２に吸い込むことになる。入口流路は、外側円周方向壁１０９の第１の内側表面１１０及び内側円周方向壁１１１の第２の内側表面１１２によって定めることができる。溝２００は、外側円周方向壁面１１０上に配置することができる。しかしながら、溝２００はまた、第２の内側表面１１２の前方部分上に配置することもできる。第２の内側壁表面１１２は、粒子状物質を含有する吸い込まれた流動流を第１の内側壁面１１０上の溝２００に向けて配向する。次いで、そこに配置される第１の内側壁面１１０及び溝２００は、粒子状物質を排出流路１０４に、及び清浄な流れをコア流路１０６に配向する。その結果、全部ではないが粒子状物質の大半は、溝の側壁２０６、２０８（図３〜７を参照）に１又は複数回衝突する。各衝突により粒子速度が低下して、跳ね返り角α２が小さくなり、複数の衝突によって、他の公知の入口粒子分離装置の滑らかな表面上への１回の衝突よりも速度及び跳ね返り角α２が大きな範囲まで小さくなる。第１の出口又は排出流路１０４は、第１の壁面１１０付近で且つ入口流路１０２及び分離装置の第２の端部１９９に隣接して配置される。排出流路１０４が入口流路１０２及び第１の壁面１１０に近接していることに起因して、分離装置１００を通る連続した流体流が緩慢な粒子状物質を排出流路１０４に運ぶ。排出流路１０４は、全部ではないが粒子分離装置１００に流入する粒子状物質の大半をエンジンから排出する。全部ではないが大半の粒子状物質から分離された残留する流動流は、第２の出口又はコア流路１０６に流れる。コア流路１０６は、この清浄化された流動流を粒子分離装置から外に配向し、圧縮機、燃焼器、及びタービンのようなエンジンコア構成要素内に流入させる。
【００１９】
ここで図１及び２を参照すると、ガスタービンエンジン用の粒子分離装置の１つの実施形態が提供される。エンジンは、その中心を通って軸方向に配置された長手方向軸線５１を有することができる。粒子分離装置１００は、好ましくは、ガスタービンエンジンの前方セクションに配置され、好ましくは、エンジンの吸気口（図示せず）と圧縮機（図示せず）との間に配置され、粒子分離装置１００がこれら両方と流体連通している。
【００２０】
粒子分離装置１００は、第１の端部１０１と、軸方向に配置された第２の端部１９９とを有する。第１の端部１０１は、Ｍａｒｍａｎクランプ又はタブのリングクランプと嵌合するための適切なフランジを備えることができる。この構造により、入口粒子分離装置１００を機体又は入口シュラウドなどの他の前方エンジン構成要素への装着が可能になる。分離装置はまた、第１の端部１０１に隣接する入口流路１０２と、第２の端部１９９に隣接する排出流路１０４と、第２の端部１９９に隣接するコア流路１０６とを有する。
【００２１】
フロースプリッター１１４は、排出流路１０４とコア流路１０６との間の第２の端部１９９に隣接して配置され、これにより流路１０４、１０６を分離することができる。フロースプリッター１１４は、ほぼ円周方向にあり、第１のスプリッター面１１６と第２のスプリッター面１１８とを備えることができる。第１のスプリッター面は、第２のスプリッター面１１８の半径方向の遠位にあるように図示される。スプリッター１１４はまた、排出流路１０４とコア流路１０６との間の流動流を分流する役割を果たす前縁１２０を有することができる。
【００２２】
入口流路１０２は、エンジン吸気口（図示せず）と流体連通している。入口流路１０２は、ほぼ環状であり、好ましくは、外側円周方向壁１０９の第１の内側円周方向壁面１１０の一部及び内側円周方向壁１１１の第２の内側円周方向壁面１１２の一部によって少なくとも部分的に定められ及び境界付けられることができる。第１の壁面１１０は、エンジン５０の長手方向軸線５１に対して第２の壁面１１２の半径方向遠位にある。しかしながら、入口流路１０２はまた、一連のダクトとすることができ、或いは、他の構造的要素を配置させることもできる。
【００２３】
排出流路１０４は、入口流路１０２と流体連通しており、また、エンジン出口（図示せず）とも流体連通している。このようなエンジン出口は、粒子状物質を含有した空気流を放出すべきであり、該空気流は、排出流路１０４に配向されてエンジンから排気され、エンジンコア（図示せず）をバイパスするようになる。排出流路１０４は、ほぼ環状であり、好ましくは、第１の壁面１１０の一部によって少なくとも部分的に定められ且つ境界付けられ、第１のスプリッター面１１６の少なくとも一部によって少なくとも部分的に定められ且つ境界付けられることができる。第１の外側円周方向面１１０は、第１のスプリッター面１１６の半径方向遠位にある。排出流路１０４はまた、一連のダクトとすることができ、或いは、排出ベーン１０５のような他の構造要素を配置させることもできる。これらの排出ベーン１０５は、粒子状物質含有流体流をエンジン出口に配向し、これをエンジンから排気するため、並びに構造的支持を提供するために設けることができる。
【００２４】
コア流路１０６は、入口流路１０２と流体連通しており、また、エンジンコアとも流体連通して、粒子状物質の無い空気をエンジンコアに提供するようにする。コア流路１０６は、ほぼ環状であり、好ましくは、第２の壁面１１２の一部によって少なくとも部分的に定められ且つ境界付けられ、第２のスプリッター面１１８の少なくとも一部によって少なくとも部分的に定められ且つ境界付けられることができる。或いは、コア流路１０６は、ほぼ円筒形であり、第２のスプリッター面１１８の少なくとも一部によって少なくとも部分的に定められ且つ境界付けられることができる。コア流路１０６はまた、一連のダクトであるか、コアストラット１０７のような他の構造要素を配置させることもできる。
【００２５】
入口流路１０２は、分離装置の第１の端部１０１で第１の半径方向位置から始まり、次いで半径方向外向きに進み、粒子状物質を含有する吸い込まれた流動流を第１の内側壁面１１０及びその関連する溝２００（本明細書で説明される）に配向するようにすることができる。分離装置の第１の端部１０１の入口流路１０２は、流れを第１の壁面１１０に配向するまで長手方向軸線５１に沿ってほぼ直線状とすることができる。この流れ方向を達成するためには、第２の壁面１１２は、分離装置１００の第１の端部１０１において第１の直径又は関連する周囲又は外周を有することができる。長手方向軸線５１に沿ったある点では、第２の壁面１１２の直径、周囲、又は外周は、軸方向後方に移動するにつれてサイズが増大する。スプリッター１１４の軸方向前方のある位置では、第２の壁面１１２が頂点１１３に達し、ここで第２の壁面１１２は最大直径、周囲、又は外周に達する。第２の壁の頂点１１３は、雨状ステップに位置することができる。この頂点１１３から軸方向後方に移動すると、第２の壁面１１２は、直径又は外周が減少し、コア流路１０６につながる。換言すると、第２の壁面１１２は、エンジン中心長手方向軸線５１に沿って断面から見たときにほぼ湾曲した又は丘状形の形状を有することができる。この湾曲形状は、粒子状物質を含有する吸い込まれた流動流を第１の壁面１１０及び関連する溝２００に配向するのを促進する。
【００２６】
種々の実施形態において、第１の壁面１１０は、第２の壁面１１２の幾何形状に似せることができる。第２の壁面１１２と同様に、第１の壁面１１０は、分離装置の第１の端部１０１において第１の直径又は関連する周囲もしくは外周を有することができる。長手方向軸線５１に沿って、第１の壁面１１０の直径、周囲、又は外周は軸方向後方に移動するにつれてサイズが増大する。スプリッター１１４の軸方向前方のある位置では、第１の壁面１１０が頂点に達し、ここで第１の壁面１１０は最大直径、周囲、又は外周に達する。この頂点から軸方向後方に移動すると、第１の壁面１１０は、直径又は外周が減少し、流入する空気流をスプリッター１１４並びに第１及びコア流路１０４、１０６に向けて配向する。換言すると、第１の壁面１１０は、エンジン中心長手方向軸線５１に沿って断面から見たときにほぼ湾曲した又は丘状形の形状を有することができる。
【００２７】
第１の壁面１１０及び第２の壁面１１２は両方ともほぼ丘状形であるが、これらは同一の外形を有することは必須ではない点は理解される。第１の壁面１１０及び第２の壁面１１２間の半径方向距離は変わることができる。従って、２つの面１１０、１１２の外周が増大し始める点は、セパレータ５０の軸方向寸法に沿って一致しない可能性があり、また、それぞれの頂点も必ずしも一致しないことになる。第１及び第２の壁面１１０、１１２は、第２の壁面１１２が第１の壁面１１０に向かって流れを配向するように協働して機能する。第１の壁面１１０は、フロースプリッター１１４の前方で且つ頂点１１３の後方にある流れ転回部内に流れを反射する。第１及び第２の壁面１１０、１１２の厳密な外形形状は、タービンの予想される動作環境、タービンの空気流れ要件、セパレータ１００の航空機への設置要件、及び入口制約に応じて決定することができる。
【００２８】
図１及び２に示すように、第１の壁面１１０は、好ましくは、円周方向外周に沿ってアレイ状に配置された複数の溝２００を有し、好ましくは、全ての溝２００が互いに実質的に同一で且つ第１の壁面１１０の周りに等角度に離間して配置される。各溝２００は、長手方向軸線に平行で軸方向に配置され、経路及びその後に続くあらゆる溝先端２０４が、長手方向軸線５１と一致する平面上に配置された経路に従うようになる。或いは、複数の溝２００は、湾曲、渦巻き状、又は螺旋状の外形輪郭を有することができる。このような外形輪郭は、僅かにねじ付きのパターンに相似した、又は僅かにコルクスクリュー状の溝２００を提供することができる。溝の曲率の程度は、流入する流動流中に存在するスワールの程度によって決定することができ、流動流内に軸方向及び接線方向の速度がどれくらい存在するかによって定義される。
【００２９】
図４を参照すると、各溝２００は、第１の端部Ｌ１と、軸方向に対向する第２の端部Ｌ２とを有し、これらの間にある長さを有する。溝の第１の端部Ｌ１は、入口流路１０２内に配置され、長手方向軸線５１に対して第１の壁面１１０の頂点の前方にある点にほぼ位置することができる。溝の第２の端部Ｌ２は、長手方向軸線５１に対してスプリッター前縁１２０付近にほぼ配置することができる。第１及び第２の端部Ｌ１、Ｌ２の厳密な位置及び向きは、タービンの予想される動作環境、タービンの空気流れ要件、セパレータ１００の航空機への設置要件、及び入口制約に応じて決定することができる。
【００３０】
ここで図３を参照すると、溝の１つの実施形態の全体外形が、溝２００の長手方向軸線に垂直な平面で取った断面として図示されている。各溝２００は、根元２０２、２つの先端２０４、第１の側壁２０６、及び第２の側壁２０８を備え、これら側壁間に溝流路２２０を有する。更に、各溝２００は、隣接する溝２０と先端２０４を共有している。各溝２０は、各先端２０４間に底面寸法ｂと、根元２０２と先端２０４との間に高さ寸法ｈとを有して定められる。
【００３１】
分析によって、溝２００に配向される粒子状物質は、溝流路２２０に入って、溝流路２２０から離れるまでに側壁２０６、２０８に複数回衝突することが分かった。粒子状物質が初期速度で溝流路２２０に入ると、側壁２０６、２０８との各衝突により粒子状物質の速度が低下する。従って、衝突回数がより多い程、より低い流出速度が生じる。流出速度が低い程、粒子状物質が排出流路内に運ばれてエンジン５０から流出し、エンジン構成要素に損傷を及ぼす恐れのあるエンジンコアへは到達しない可能性がより高くなる。粒子状物質と溝の衝突は、粒子状物質の材料、溝２００の材料、又は溝２００に施工される何らかのコーティング、もしくはこれらの組み合わせに応じて弾性又は非弾性とすることができる。
【００３２】
加えて、衝突回数が多い程、跳ね返り角α２（図２を参照）がより小さくなる。より小さな跳ね返り角α２で溝流路２２０から流出する粒子状物質は、第１の出口流路１０６に排出されてエンジンから流出し、エンジン構成要素に損傷を及ぼす恐れのあるエンジンコアへは到達しないことになる。一般に、衝突角α１（図２を参照）が大きくなる程、跳ね返り角α２は大きくなる。第２の壁面１１２の前方湾曲部分に衝突する粒子状物質は、より大きな衝突角α１で溝流路２２０に流入することになる。従って、この跳ね返り角α２を小さくするために、粒子状物質が溝の側壁２０６、２０８に多数回衝突することが好ましい。
【００３３】
各溝は、高さ寸法ｈに対する底面寸法ｂのアスペクト比を有する。ｂ／ｈ比をより小さくするには、相対的により大きなｂ／ｈ比に比べて粒子分離装置が側壁２０６、２０８により多くの回数衝突することが必要となる。例えば、ｂ／ｈ比が０．５である溝２００は、
ｂ／ｈ比が０．８である溝２００よりも流入粒子状物質が側壁２０６、２０８により多くの回数衝突する結果を示した。このｂ／ｈ比は、溝２００の長さに沿って変わることができる。再度図２を参照すると、第１の壁面１１０の一部はまた、溝の第１の端部Ｌ１と第２の端部Ｌ２との間の溝の根元２０２として示される。これらの点の間には溝２００の先端２０４を示す線がある。高さは、長手方向軸線５１に垂直な半径方向軸線に沿ったこれらの線２０２、２０４間の距離として計算することができる。理解できるように、溝の貴は、その長さに沿って可変である。同様に、底辺もまた溝の長さに沿って可変とすることができる。
【００３４】
簡単にするために、図３の溝は、互いにほぼ平面上に配置されて図示しており、その結果、全ての根元２０２が共通の平面に沿って配置されるようになる。しかしながら、この外形輪郭はまた、タービンエンジン５０で見られるような、ほぼ円周方向表面上で用いることもできる。図３の溝２００はまた、傾斜角０度を有し、これは、側壁２０６、２０８間の角度を二分する線が、根元２０２が配置される平面に垂直であることを意味する。図示の溝は、根元２０２及び先端２０４に比較的鋭利な点を有する。
【００３５】
ここで図４Ａ及び４Ｂを参照すると、代替の実施形態が図示される。図４Ａ及び４Ｂの溝は、図３に示すものと同じ構成要素を備えているが、僅かに再構成されている。例えば、図４Ａ及び４Ｂに示す溝２００は、図３に示す溝の鋭利な根元及び先端と比べて幅広のフィレットと丸みのある根元２０２及び先端２０４とを備える。図４Ａ及び４Ｂの溝はまた、非ゼロの傾斜角βを備える。図４Ａは、互いにほぼ平面上に配置された溝２００を示しており、全ての根元２０２が共通の線に沿って配置されている。図４Ｂは、ガスタービンエンジンで見られるような湾曲面上に配置された溝２００を示している。
【００３６】
溝２００は、半径により定められる丸みのある根元２０２を有することができ、各側壁２０６、２０８は、根元２０２にほぼ正接している。加えて、溝２００はまた、半径により定められる丸みのある先端２０４を有することができ、各側壁２０６、２０８は、先端２０４にほぼ正接している。先端２０４の半径は、根元２０４の半径よりも小さいのが好ましいが、必須ではない。実際には、先端２０４半径はできるだけ小さいことが有利とすることができ、これにより、粒子が先端２０４に衝突し、溝流路２２０に流入することなく主分離装置の流れに跳ね返ることになる可能性が低減される。
【００３７】
溝２００はまた、非ゼロの傾斜角βを有することができる。傾斜角βは、側壁２０６、２０８間の角度を二分する線２１０と、側壁２０６、２０８の線形外形輪郭から延びる線の交点を通過する長手方向軸線５１から延びる半径方向線５３との間の角度である。図４Ａにおいて、半径方向線５３は、根元２０２が配置される線に垂直な線として示される。
【００３８】
この構成は、溝２００のシュラウド付き側壁２０６及び露出側壁２０８をもたらす。シュラウド付き側壁２０６は、完全ではなくとも部分的に根元２０２を隠し、長手方向軸線５１から半径方向線５３に沿って移動する粒子が、最初に露出側壁２０８に衝突してこれから跳ね返ることなしには根元２０２に衝突することができないようにする。根元２０２が隠されることにより、半径方向軸線５３に沿って移動する粒子が、側壁２０６、２０８に衝突することなしに単に根元２０２に衝突して溝流路２２０から跳ね返るのが阻止される。線形のシュラウド付き側壁２０６の角度に起因して、露出側壁２０８は、半径方向線５３に沿って溝流路２２０に移動する粒子から全ての初期衝突を引き受けるべきである。この配列により、側壁２０６、２０８との複数回の衝突なしにどのような粒子も確実に溝２００から跳ね返ることがないようにすることができる。
【００３９】
ここで図５Ａ及び５Ｂを参照すると、露出側壁２０８についての様々な実施可能な外形輪郭が図示される。露出側壁２０８は、ほぼ凹面状の外形輪郭２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄ、線形の外形輪郭２０８、又はほぼ凸面状の外形輪郭２０８ｚを有することができる。図５Ｂに示すように、露出側壁はまた、３次元スプラインのような複雑な湾曲側壁２０８ｓを備えることができる。好ましくは、何れかの選択された外形輪郭２０８、２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄ、２０８ｓ、２０８ｚは、根元２０２及び先端２０５半径に正接している。
【００４０】
ここで図６Ａ及び６Ｂを参照すると、シュラウド付き側壁２０６についての様々な実施可能な外形輪郭が図示される。シュラウド付き側壁２０６は、ほぼ凹面状の外形輪郭２０６ａ、２０６ｂ、線形の外形輪郭２０６、又はほぼ凸面状の外形輪郭２０６ｚを有することができる。図６Ｂに示すように、シュラウド付き側壁はまた、３次元スプラインのような複雑な湾曲側壁２０６ｓを備えることができる。好ましくは、何れかの選択された外形輪郭２０６、２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｓ、２０６ｚは、根元２０２及び先端２０５半径に正接している。図６Ａ及び６Ｂの露出側壁２０８は、線形の外形輪郭を有して図示されているが、露出側壁２０８は、シュラウド付き側壁２０６の外形輪郭に関係なく、図５Ａ、５Ｂ、及び７に示すような数多くのあらゆる形状をとることができる。
【００４１】
ここで図７を参照すると、根元２０２を隠すための複数の側壁外形輪郭構成が示されている。ｂ／ｈアスペクト比が決定されると、先端２０４は、選択された底面寸法ｂに基づく隣接先端２０４に対して、及び選択された高さ寸法ｈに基づく隣接根元２０２に対して固定することができる。先端２０４が所定位置に設定されると、根元２０２の厳密な位置を選択しなければならない。根元２０２の配置は、シュラウド付き側壁２０６に必要とされる隠し角度と、シュラウド付き側壁２０６にとって望ましい外形輪郭とによって決定される。根元２０２を完全に隠すためにどのシュラウド付き側壁の外形輪郭２０６、２０６ｘ、２０６ｙ、２０６ｚが選択されるかに関係なく、半径方向軸線５３は、根元２０２と、溝流路２２０に延びるシュラウド付き側壁の最遠範囲上の点（これは湾曲側壁の外形輪郭上又は先端２０４半径上にあるものとすることができる）との両方と正接する必要がある。しかしながら、上述のように、根元２０２の配置は、所望の隠しレベルによって決まる。従って、根元２０２は、図７の右側の位置よりもより隠すことができる、図７の左に向かう位置で図示の半径方向軸線５３の何れかの側に配置することができる。
【００４２】
一例として、根元２０２を完全に隠すために、ほぼ線形の側壁外形輪郭２０６を利用できるとすると、根元は、左端の位置２０２ａにシフトしなければならない。例えば、右側の根元２０２を完全に隠すためには、湾曲したシュラウド付き側壁の外形輪郭２０６ｙを９利用する必要がある。シュラウド付き側壁２０６と根元２０２ａ、並びにシュラウド付き側壁２０６ｙと根元２０２ｂのこれら２つの組み合わせによって、長手方向軸線５１から半径方向線５３に沿って移動する粒子が、露出側壁２０８、２０８ａ、又は凸面状のシュラウド付き側壁２０６ｙの露出部分の何れかに最初に衝突してこれらから跳ね返ることなく、根元２０２ａ、２０２ｂに確実に衝突できないようになる。同様に、シュラウド付き側壁２０６ｘを用いて根元２０２を完全に隠すために、根元２０２は、図示の根元２０２ａと２０２ｂの間に配置されることになる。更に、シュラウド付き側壁２０６ｚを用いて根元２０２を完全に隠すために、根元２０２は、図示の根元２０２ｂの横方向右側に配置されることになる。シュラウド付き側壁２０６、２０６ｘ、２０６ｙ、２０６ｚ用に選択された外形輪郭、又は根元の配置２０２ａ、２０２ｂに関係なく、露出側壁は、一般に、あらゆる外形輪郭２０８、２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃをとることができる。図７には図示していないが、何れかの側壁２０６、２０８はまた、本明細書で検討されるスプライン外形輪郭を有することができる。
【００４３】
以上の説明は、ほぼ環状又は円周方向に配置された流路及び構成要素について説明してきたが、同じ全体的な流路及び構成要素はまた、部分的に環状の構成又は非環状の構成でも利用できる点は理解される。図８を参照すると、粒子分離装置１００が図示されており、流れ方向に垂直な平面に沿った何れかの断面は、実質的に矩形の流路をもたらすことになる。図８における全ての構成要素の参照符号は、他の場所で使用されている参照符号に対応しており、これらの構成要素は同じ機能を果たすことが想定される。図８と以前の実施形態との間の唯一の相違点は、図８に示す実施形態は環状ではないことである。
【００４４】
本明細書で開示される溝に関する全ての特徴要素は、それぞれの長さに沿って変わることができる。非網羅的で例示的なこれらの特徴要素の記載には、溝の端部配置、溝の長さ、溝の底面、溝の高さ、溝のｂ／ｈアスペクト比、根元配置、側壁の外部輪郭、並びに根元及び先端半径を含むことができる。これらの厳密な詳細内容及びどれ程変化するかを決定する際の考慮事項は、タービンの予想される動作環境、第１の壁面１１０の外形輪郭、第２の壁面の外形輪郭、スプリッターと第１及びコア流路の配置、並びに、タービンの空気流れ要件、セパレータ１００の航空機への設置要件、及び入口制約などの要因に依存することができる。
【００４５】
上述の構成及び方法に関する説明は、例証の目的で提示された。この説明は、本発明を網羅すること、又は本発明を開示された厳密なステップ及び／又は形態に限定することを意図したものではなく、上述の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が実施可能であることは明らかである。本明細書で記載される特徴要素は、どのようにも組み合わせることができる。本明細書で記載される方法のステップは、物理的に実施可能なあらゆる順序で実施することができる。粒子分離装置の特定の形態を例示し説明してきたが、本発明はこれに限定されるものではなく、添付の請求項によってのみ限定されることになる点を理解されたい。
【符号の説明】
【００４６】
１００  粒子分離装置
１０１  第１の端部
１０２  入口流路
１０４  排出流路
１０５  排出ベーン
１０６  コア流路
１０７  コアストラット
１０９  外側円周方向壁
１１０  第１の内側表面
１１２  第２の内側表面
１１３  頂点
１１４  スプリッター
１１６  第１のスプリッター面
１１８  第２のスプリッター面
１２０  前縁
１９９  第２の端部
２００  溝
【図１】
2013130188.tif 000003
【図２】
2013130188.tif 000004
【図３】
2013130188.tif 000005
【図４Ａ】
2013130188.tif 000006
【図４Ｂ】
2013130188.tif 000007
【図５Ａ】
2013130188.tif 000008
【図５Ｂ】
2013130188.tif 000009
【図６Ａ】
2013130188.tif 000010
【図６Ｂ】
2013130188.tif 000011
【図７】
2013130188.tif 000012
【図８】
2013130188.tif 000013