(57)【要約】【課題】円周方向ダクト熱交換器のための方法及びシステムを提供すること。【解決手段】熱交換器のための方法及びシステムが提供される。熱交換器は、複数の弓状熱交換器セグメントを含み、各々が、流体ダクトの内面の外周の少なくとも一部の周りに円周方向に延びるよう構成された第１のヘッダを含む。熱交換器はまた、流体ダクトを通過する流体流と反対の方向で第１のヘッダから軸方向に離間して配置された部分の周りに円周方向の延びるように構成された第２のヘッダと、第１のヘッダと第２のヘッダとの間に略軸方向に延びる第１の複数の熱交換器管体と、を含み、第１の複数の熱交換器管体が各々、第１の複数の熱交換器管体の他の何れかの熱交換器管体の第２の流路から分離された第１の流路を含み、第１の流路が、第１のヘッダから第２のヘッダまで流路に沿って方向が変化している。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の弓状熱交換器セグメント（２１２）を含む熱交換器（２０２）であって、
前記複数の弓状熱交換器セグメント（２１２）の各々が、
流体ダクト（４０）の内面（５４）の外周の少なくとも一部の周りに円周方向に延びるように構成された第１のヘッダ（２１６）と、
前記流体ダクトを通過する流体流と反対の方向で前記第１のヘッダから軸方向に離間して配置された部分の周りに円周方向の延びるように構成された第２のヘッダ（２２０）と、
前記第１のヘッダと前記第２のヘッダとの間に略軸方向に延びる第１の複数の熱交換器管体と、
を備え、前記第１の複数の熱交換器管体が各々、前記第１の複数の熱交換器管体の他の何れかの熱交換器管体の第２の流路から分離された第１の流路を含み、前記第１の流路が、前記第１のヘッダから前記第２のヘッダまで前記流路に沿って方向が変化している、熱交換器（２０２）。
【請求項２】
前記第１の複数の熱交換器管体の第１の流路が、前記第１のヘッダから前記第２のヘッダまで前記流路に沿った方向が漸次的に変化し且つ前記管体の単一の曲げ半径によって定められる弓形部分を含む、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項３】
前記第１の複数の熱交換器管体の第１の流路が、直線部分と弓形部分とを含み、該弓形部分が、流路に沿って前記弓形部分を通過する方向が漸次的に変化する前記管体の単一の曲げ半径により定められる、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項４】
前記複数の弓状熱交換器セグメントの第１のセグメントが、前記複数の弓状熱交換器セグメントの第２のセグメントに結合されるよう構成される、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項５】
前記複数の弓状熱交換器セグメントの第１のセグメントの第１のヘッダの端部が、前記複数の弓状熱交換器セグメントの第２のセグメントの第１のヘッダの相補的端部に結合されるよう構成される、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項６】
前記複数の弓状熱交換器セグメントの第１のセグメントの第２のヘッダの端部が、前記複数の弓状熱交換器セグメントの第２のセグメントの第２のヘッダの相補的端部に結合するよう構成されている、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項７】
前記第１のヘッダ及び前記第２のヘッダのうちの少なくとも１つが弓形マニホルドを含む、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項８】
前記流体ダクトを通過する流体流と反対の方向で前記第２のヘッダから軸方向に離間して配置された部分の周りに円周方向の延びるように構成された第３のヘッダと、
前記第２のヘッダと前記第３のヘッダとの間で略軸方向に延びる第２の複数の熱交換器管体と、
を更に備え、前記第２の複数の熱交換器管体が各々、前記第２の複数の熱交換器管体の何れか他の管体の第２の流路から分離された第１の流路を含み、前記第１の流路が、第２のヘッダから第３のヘッダまで前記流路に沿った方向で変化する、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項９】
前記第２の複数の熱交換器管体が、前記第２のヘッダと前記第３のヘッダとの間の半径方向平面に延びる、請求項８に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１０】
前記第１の複数の熱交換器管体が、前記第１のヘッダと前記第２のヘッダとの間の半径方向平面に延びる、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１１】
前記複数の弓状熱交換器セグメントが、少なくとも１つの中実ヘッダ間靱帯部、少なくとも１つの中空ヘッダ間靱帯部、又はこれらの組み合わせによって剛直にされた２又はそれ以上の円周方向分配ヘッダに接合、支持、及び通気されたＵ形曲げ管体アレイの直列カスケードを形成する、請求項１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１２】
前記円周方向分配ヘッダの少なくとも１つの断面寸法が外部流の方向で変化し、曲げ半径で除算した少なくとも１つのＵ形曲げ管体の直径の比が外部流の方向で変化し、又はこれらの組み合わせとなる、請求項１１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１３】
ファンダクトマニホルドが、２又はそれ以上の弓形セグメント、２又はそれ以上の直線状セグメント、又は直列接続されたこれらの組み合わせから構成される流体供給管体により円周方向に延びたヘッダに結合される、請求項１１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１４】
少なくとも１つの円周方向分配ヘッダが、長円、及び気密貫通横断通路を有する長円、楕円、半楕円、三日月形の断面形状、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１１に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１５】
少なくとも１つの円周方向分配ヘッダが、内部リブ、外部リブ、内部有孔隔壁、内部非有孔隔壁、又はこれらの組み合わせのうちの少なくとも１つにより剛直化される、請求項１４に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１６】
少なくとも１つの円周方向分配ヘッダが、外部フィン、内部フィン、又はこれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１７】
分配ヘッダのうちの少なくとも１つ及び分配ヘッダ外部フィンのうちの少なくとも１つが、熱伝達強化コーティングによってコーティングされる、請求項１６に記載の熱交換器（２０２）。
【請求項１８】
モジュール式管状ラジアルダクト熱交換器を組み立てる方法であって、
複数の直線状管状セグメントを複数の弓状管体セグメントに交互に結合して複数の蛇行熱交換器管体の少なくとも１つを形成して、各管体が管状ダクト内に設置されたときに半径方向平面で波状流体流路を含むようにすることによって各々を形成する、複数の蛇行熱交換器管体を形成するステップと、
前記複数の蛇行熱交換器管体の各々の入口端部を円周方向に延びる入口プレナムに結合するステップと、
前記複数の蛇行熱交換器管体の各々の出口端部を円周方向に延びる出口プレナムに結合するステップと、
前記各弓状熱交換器管体が前記各隣接する弓状熱交換器管体から軸方向にオフセットし、前記各弓状熱交換器管体が前記各隣接する弓状熱交換器管体から半径方向にオフセットしている、方法。
【請求項１９】
前記複数の弓状熱交換器管体の各々の入口端部を円周方向に延びる入口プレナムに結合するステップが、前記複数の弓状熱交換器管体の各々の入口端部を前記複数の弓状熱交換器管体から半径方向内向きに位置付けられた円周方向に延びる入口プレナムに結合するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記複数の弓状熱交換器管体の各々の出口端部を円周方向に延びる出口プレナムに結合するステップが、前記複数の弓状熱交換器管体の各々の出口端部を前記複数の弓状熱交換器管体から半径方向内向きに位置付けられた円周方向に延びる出口プレナムに結合するステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記複数の弓状管体セグメントの少なくとも一部を前記ダクトの表面に結合するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２２】
前記複数の弓状熱交換器管体のうちの１つの弓状熱交換器管体の複数の弓状管体セグメントの少なくとも一部を隣接する弓状熱交換器管体に結合するステップを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２３】
ガスタービンエンジンであって、
回転軸線を有するコアガスタービンエンジンと、
前記コアガスタービンエンジンを実質的に囲むファンケーシングと、
複数の弓状熱交換器セグメントを含む、前記ファンケーシング内に位置付けられる熱交換器組立体と、
を備え、
前記複数の熱交換器セグメントの各々が、
流体ダクトの内面の外周の少なくとも一部の周りに円周方向に延びるよう構成された第１のヘッダと、
前記流体ダクトを通る流体流と反対方向で前記第１のヘッダから軸方向に離間して配置された部分の周りに円周方向に延びるように構成された第２のヘッダと、
前記第１のヘッダと前記第２のヘッダとの間で略軸方向に延びる第１の複数の熱交換器管体と、
を含み、前記第１の複数の熱交換器管体が各々、前記第１の複数の熱交換器管体の他の何れかの第２の流路から分離された第１の流路を含み、前記流路の両方が前記第１のヘッダから前記第２のヘッダまで前記流路に沿って方向が変化している、ガスタービンエンジン。
【請求項２４】
前記第１の複数の熱交換器管体の第１の流路が、前記第１のヘッダから前記第２のヘッダまで前記流路に沿って方向が漸次的に変化し且つ前記管体の単一の曲げ半径によって定められる弓状部分を含む、請求項２３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２５】
前記第１の複数の熱交換器管体の第１の流路が、直線部分と弓形部分とを含み、該弓形部分が、流路に沿って前記弓形部分を通過する方向が漸次的に変化する前記管体の単一の曲げ半径により定められる、請求項２３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２６】
前記複数の弓状熱交換器セグメントの第１のセグメントが、前記複数の弓状熱交換器セグメントの第２のセグメントに結合されるように構成される、請求項２３に記載のガスタービンエンジン。
【請求項２７】
前記複数の弓状熱交換器セグメントの第１のセグメントの第１のヘッダの端部が、前記複数の弓状熱交換器セグメントの第２のセグメントの第１のヘッダの相補的端部に結合されるよう構成される、請求項２３に記載のガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱交換器に関し、より詳細には、円周方向ダクト熱交換器のための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスタービンエンジンは通常は、入口、ファン、低圧及び高圧圧縮機、燃焼器、及び少なくとも１つのタービンを含む。圧縮機は空気を加圧し、この加圧空気が燃焼器に送られて、ここで燃料と混合される。次いで、混合気が点火されて、高温の燃焼ガスを発生する。燃焼ガスは、１又は複数のタービンに送られ、タービンは、燃焼ガスからエネルギーを取り出して１又は複数の圧縮機に動力を供給すると同時に、飛行中の航空機を推進させる又は発電機などの負荷に動力を供給する有用な仕事を行う。
【０００３】
エンジン運転時には、エンジンシステムの温度を許容できないレベルにまで上昇させる相当な熱が生成される。ガスタービンエンジン内の構成要素の潤滑を可能にするために、潤滑システムが利用される。潤滑システムは、潤滑流体をガスタービンエンジン内の様々な軸受組立体に送るように構成される。運転時には、熱は、エンジン内の軸受及びシールのような構成要素の滑り摩擦及び転がり摩擦によって発生した熱により潤滑流体に伝達される。
【０００４】
ガスタービンエンジンは、ガスタービンエンジンにより駆動される航空機にて使用する他のシステムと併せて使用される場合が多い。これらのシステムの一部は、使い易さ又は作動性の改善を求めて、熱を除去するために冷却を必要とする。例えば、航空機の与圧キャビンは、多くの場合、居住性及び快適性を求めて、エンジンから送給されてキャビンに抽気される空気から熱を取り除く必要がある。
【０００５】
限定ではないが、潤滑流体及びブリード空気などの航空機流体の動作温度を低下させるのを可能にするために、少なくとも１つの既知のガスタービンエンジンは、インライン熱交換器の曲げ要素を利用し、該要素は、空気ストリーム内に配置され、上流側の要素の伴流により悪影響を受ける可能性がある。
【発明の概要】
【０００６】
１つの態様において、熱交換器は、複数の弓状熱交換器セグメントを含み、各々が、流体ダクトの内面の外周の少なくとも一部の周りに円周方向に延びるよう構成された第１のヘッダを含む。熱交換器はまた、流体ダクトを通過する流体流と反対の方向で第１のヘッダから軸方向に離間して配置された部分の周りに円周方向の延びるように構成された第２のヘッダと、第１のヘッダと第２のヘッダとの間に略軸方向に延びる第１の複数の熱交換器管体と、を含み、第１の複数の熱交換器管体が各々、第１の複数の熱交換器管体の他の何れかの熱交換器管体の第２の流路から分離された第１の流路を含み、第１の流路が、第１のヘッダから第２のヘッダまで流路に沿って方向が変化している。
【０００７】
別の態様において、ガスタービンエンジンは、回転軸線を有するコアガスタービンエンジンと、コアガスタービンエンジンを実質的に囲むファンケーシングと、ファンケーシング内に位置付けられる熱交換器組立体とを含む。熱交換器組立体は、複数の弓状熱交換器セグメントを含み、各弓状熱交換器セグメントが、流体ダクトの内面の外周の少なくとも一部の周りに円周方向に延びるよう構成された第１のヘッダと、流体ダクトを通る流体流と反対方向で第１のヘッダから軸方向に離間して配置された部分の周りに円周方向に延びるように構成された第２のヘッダと、第１のヘッダと第２のヘッダとの間で略軸方向に延びる第１の複数の熱交換器管体と、を含み、第１の複数の熱交換器管体が各々、第１の複数の熱交換器管体の他の何れかの第２の流路から分離された第１の流路を含み、両方の流路が前記第１のヘッダから前記第２のヘッダまで流路に沿って方向が変化している。
【０００８】
更に別の態様において、モジュール式管状ラジアルダクト熱交換器を組み立てる方法は、複数の直線状管状セグメントを複数の弓状管状セグメントに交互に結合して複数の弓状熱交換器管体の少なくとも１つを形成して、各管体が管状ダクト内に設置されたときに半径方向平面で波状流体流路を含むようにすることによって各々を形成する、複数の弓状熱交換器管体を形成するステップを含む。本方法はまた、複数の弓状熱交換器管体の各々の入口端部を円周方向に延びる入口プレナムに結合するステップと、複数の弓状熱交換器管体の各々の出口端部を円周方向に延びる出口プレナムに結合するステップと、を含む。各弓状熱交換器管体は、各隣接する弓状熱交換器管体から軸方向にオフセットし、各弓状熱交換器管体は、各隣接する弓状熱交換器管体から半径方向にオフセットしている。
【０００９】
各図は、本明細書で記載される方法及びシステムの例示的な実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】長手方向軸線を有する例示的なガスタービンエンジン組立体の概略図。
【図２】図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができる管状ラジアルダクト熱交換器の単一の管体グループの側面図。
【図３】図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができる管状ラジアルダクト熱交換器の単一の管体グループの別の構成の側面図。
【図４】図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができる管状ラジアルダクト熱交換器の単一の管体グループの別の構成の側面図。
【図５】図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができる管状ラジアルダクト熱交換器の単一の管体グループの代替の構成を示す図。
【図６】図２に示す管状ラジアルダクト熱交換器の管体を形成することができる別の構成を示す図。
【図７】図２に示す管状ラジアルダクト熱交換器の管体を形成することができる別の構成を示す図。
【図８】管状ラジアルダクト熱交換器の複数の管体グループのうちの１つを半径方向内向きに見た平面図。
【図９】管状ラジアルダクト熱交換器の複数の管体グループのうちの１つの管体グループの一部の別の実施形態に関する斜視図。
【図１０】図１に示すダクトと共に用いることができるモジュール式管状ラジアルダクト熱交換器を組み立てる方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
種々の実施形態の特定の特徴は一部の図面で示され、他の図面では示されない場合があるが、これは便宜上のことに過ぎない。何れかの図面の何れかの特徴は、他の何れかの図面の何れかの特徴と組み合わせて参照及び／又は請求項に記載することができる。
【００１２】
別途指示されていない限り、本明細書で示される図面は、本開示の実施形態の特徴を例証するものとする。これらの特徴は、本開示の１又はそれ以上の実施形態を含む幅広い種類のシステムで適用可能であると考えられる。従って、図面は、当業者には公知の従来の全ての特徴を含むことを意図するものではなく、本開示の実施形態の実施に必要とされることを意図している。
【００１３】
以下の詳細な説明は、限定ではなく例証として本開示の実施形態について例示している。本開示は、一般に、管状ラジアルダクト熱交換器を用いた熱管理の分析的及び系統的な実施形態に応用されることは企図される。
【００１４】
本開示の実施形態は、ダクト組立体の内部にある軽量の共形熱交換器を提供する。熱交換器は、リングマニホルドと熱交換のための半円管セグメント（「Ｕ」形曲げ部）の連続したカスケードを含む。Ｕ形曲げ部は、Ｕ形曲げ部の表面積当たりの外部対流熱伝達の比を高めるようなサイズにされる。Ｕ形曲げ管体の外径及び平均曲げ半径は、単一の分離されたＵ形曲げ熱伝達相関に部分的に基づいて選択され、この熱伝達相関は、Ｕ形曲げ管体の直径及び平均曲げ半径の最適選択に伴う流線軌跡及び流れ衝突により生じる熱伝達の増強をモデル化する。Ｕ形曲げ管体クリアランス選択及びＵ形曲げ交互配列は、当該相関の利点を活用している。熱交換器は、直列に並んだ複数のＵ形曲げ通路を含む。Ｕ形曲げ部は、Ｕ形曲げ支持、内部流れ分配、及び全体の熱伝達増強を可能にする円周方向ヘッダに組み込まれる。ヘッダは、内部リブ２６８及び外部リブ２７０（図５）のような追加の熱伝達用表面強化を有することができる。リブ２６８、２７０又は局所的壁厚肉領域は、構造的強化を提供する。直列のＵ形曲げ部は、ダクトの断面積の収縮を低減するよう、並びにＵ形曲げ通路の外面に沿った外部対流熱伝達強化を確保するよう交互配列される。
【００１５】
熱交換器設計では、流体分配システム並びに関連する構成要素の支持及び断熱材料を排除することによりエンジンに近接したベイ及び機体領域を簡素化し整理することが可能となる。分配システムを排除してスペースが付加されることによって、最適な配置及び外部アクセスが可能となり、機械設備が管理される。分割マニホルド構造の選択肢により、ろう付けに対する代替の接合法として溶接が可能となり、これにより生産コスト及び供用中コストを含むライフサイクルコストが低減される。
【００１６】
一部の実施形態において、熱交換器管体は、直線状セグメントを有さず、Ｕ形曲げ部のみを有する。Ｕ形曲げ部領域は、対流熱伝達率を高めるために、円周方向及び軸方向オフセットを用いて散乱が少なくされる。複数の丸みのある円周方向マニホルド又はヘッダが図示されているが、必須ではない。２つのマニホルドのみが使用される場合、全ての管体は、一定半径の逆曲げ部を備えた連続した弓状経路を辿り、ブラケットによって拘束される。マニホルド又はヘッダは、長円、三日月形、楕円形、半楕円形、又は他の空気力学的輪郭を有し、管体装着ボス並びに外部及び内部補強部を備える。ヘッダのサイズ又は直径は、流れ圧力低下を低減するよう選別することができる。更に、ヘッダは、管体−マニホルド接合のろう付けの代替手段として溶接を可能にするために半分に分割することができる。
【００１７】
種々の実施形態において、半円管体端部と円周方向ヘッダとの間に短い直線状セグメントが挿入され、全対流表面積を増大させるようにする。円周方向ヘッダ断面は、シンク側圧力低下を低減するために、長円形、三日月形、楕円形、半楕円形、又は他の何れかの空気力学的輪郭とすることができる。その上、円周方向ヘッダの前方から後方に延びる冷却フィン２５０（例えば、ピン又はリングタイプ）をヘッダに追加又は一体的に形成することができる。これらの冷却フィン２５０は、図５に示すようにマニホルドの外面又は内面上に配置することができる。或いは、円周方向ヘッダの外面は、凹状又は凸状のディンプルが形成され、対流熱伝達を改善することができる。円周方向ヘッドの下流側にウィングレットを立てて、下流側伴流領域の対流熱伝達を改善することができる。管体及びヘッダの特定部分又は外面全体にわたって塗装された高放射率コーティング２４０により、バイパス空気流５２への放射熱伝達が可能となる。
【００１８】
以下の説明では、添付図面を参照しており、ここでそうでない旨の表現がない場合、異なる図面での同じ符号波同じ要素を示している。
【００１９】
図１は、長手方向軸線１１を有する例示的なガスタービンエンジン組立体１０の概略図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２と、コアガスタービンエンジン１３とを含む。コアガスタービンエンジンは、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、及び高圧タービン１８を含む。例示的な実施形態において、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０を含むことができる。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から半径方向外向きに延びるファンブレード２４のアレイを含む。エンジン１０は、吸気側２８と排気側３０とを有する。
【００２０】
作動時には、空気は、ファン組立体１２を通って流れ、空気流分割器４４により第１の部分５０と第２の部分５２とに分割される。空気流の第１の部分５０は、圧縮機１４を通って送られ、ここで空気流が更に加圧されて燃焼器１６に送給される。燃焼器１６からの高温の燃焼生成物（図１には示さず）を利用して、タービン１８及び２０を駆動し、その結果としてエンジン推力を生成する。ガスタービンエンジン組立体１０はまた、バイパスダクト４０を含み、該ダクト４０を利用して、コアガスタービンエンジン１３の周りでファン組立体１２から放出された空気流の第２の部分５２をバイパスする。より具体的には、バイパスダクト４０は、ダクト内壁５４とダクト外壁５６との間に延びる。
【００２１】
例示的な実施形態において、バイパスダクト４０は、１又はそれ以上の管状ラジアルダクト熱交換器６０を含み、これらは、バイパスダクト４０の前方位置６２、中間位置６４、又は後方位置６６に位置付けることができる。
【００２２】
図２は、ガスタービンエンジン１０（図１に示す）と共に用いることができる管状ラジアルダクト熱交換器２０２の単一管体グループ２００の側面図である。例示的な実施形態において、管体グループ２００は、明確にするために４つの分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０で例示されている。分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０は、バイパスダクト４０内で軸方向に離間して配置される。複数のＵ形曲げ部熱交換器管体２１２は、隣接する分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０間に結合される。例示的な実施形態において、Ｕ形曲げ部熱交換器管体２１２の各々は、接続されるそれぞれの分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０間で約１８０度曲げられた単一の流路を含む。種々の実施形態において、他の熱交換器管体構成が使用される（図６及び７を参照）。軸方向後方の分配ヘッダ２１０は、直線状のラインヘッダ２１６を用いて内壁５４を貫通して延びるアパーチャ２１４に結合され、軸方向前方の分配ヘッダ２０４は、直線状のラインヘッダ２２０を用いて内壁５４を貫通して延びるアパーチャ２１８に結合される。分配ヘッダ２０４，２１０とプレナム２２２，２１１それぞれの間の流路は、直線状ラインヘッダ２２０，２１６をそれぞれ介することができる。或いは、この流路は、直線状ではない同一平面上又は非同一平面上の配列の３連軸方向熱膨張を可能にするように形成することができる。例えば、図５に示す同一平面ヘッダ２３２，２３４及び非同一平面ヘッダ２３６，２３８は、分配ヘッダとプレナムとの間の流れにおいてあらゆる組み合わせで用いることができる非限定的な実施例である。管状ラジアルダクト熱交換器２０２の有効性又は効率は、直列になった適切な数のＵ形曲げ部の列を有することによって得られる。
【００２３】
管体２１２、直線状ラインヘッダ２１６、及び直線状ラインヘッダ２２０は、同じ半径方向平面に位置するように配列される。しかしながら、同一平面性は、機能的要件でも設計上の制約事項でもない。従って、これらの構成要素は、代替として、非同一平面で配列することができる。図８で実証されるように、管体２１２のグループは、円周方向に交互配列することができる。分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０は、バイパスダクト４０内で円周方向に互いに並列に延びるように配列される。
【００２４】
作動時には、流体は、バイパスダクト４０の外部にある第１の流体プレナム２１１から分配ヘッダ２１０に流入し、分配ヘッダ２１０を通じて該分配ヘッダ２１０に接続されたＵ形曲げ部熱交換器管体２１２の何れかに円周方向に配向される。流体は、管体２１２を通じて分配ヘッダ２０８に送られ、ここで分配ヘッダ２０８に流入する他の流体と混合する。流体流は、ヘッダ２０４に到達するまで連続する各ヘッダと、該連続する各ヘッダ間に延びた管体２１２の各セクションとの間で継続し、ヘッダ２０４で流体は、ヘッダ２１０４から出口ヘッダ２２０を通じてバイパスダクト４０の外部にある第２の流体プレナム２２２に流出する。
【００２５】
図２は、ファン流の方向に沿った構成要素の寸法変化を示していないが、図３及び４はそれぞれ、ファン流の方向に沿った種々の幾何学的変動を示している。具体的には、図３は、円周方向分配ヘッダの間隔対サイズ比、弓状管体の液圧直径、及び曲げ半径は、全てファン流方向に沿った増大を示している。或いは、図４は、円周方向分配ヘッダの間隔対サイズ比、弓状管体の液圧直径、及び曲げ半径は、全てファン流方向に沿って減少した反対の傾向を示している。ヘッダの間隔対サイズ比、弓状管体の液圧直径、及び曲げ半径のあらゆる組み合わせを企図することができる。
【００２６】
図５は、図１に示すガスタービンエンジンと共に用いることができる管状ラジアルダクト熱交換器の代替の構成を示している。例えば、図５は、シンク側圧力低下を低減するために、長円２２４、三日月形２２６、楕円形２２８の円周方向ヘッダ断面を含む、マニホルド又はヘッダ成形の可能性のある選択肢の一部を示している。これらの実施例は限定を意味するものではない。シンク側圧力低下を低減する他の空気力学的輪郭もまた、本実施形態の範囲内にあるとみなされる。分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０は、図５に示した隔壁２６２，２６４を含むことも、又は含まなくてもよい。隔壁２６２は非有孔の隔壁であり、他方、隔壁２６４は、図５に示すように横断及び／又は衝突を可能にする流体流を許容するため有孔にされる。
【００２７】
図５は更に、システムの各端部上にある二重ヘッダを示す。より具体的には、エンジン抽気２５２からからの流体は、第１の流体プレナム２１１に流入する。流体は、第１の流体プレナム２１１から楕円マニホルド２２８に流れ、ここで流れが分割される。流体流れの一部は、有孔各壁２６４を通過して、非同一平面ヘッダ２３８を通って後方バイパスマニホルド２４４に続き、ウィング氷結防止部２４８用の抽気流れとして用いることができる。第１の流体プレナム２１１からの流体の別の部分は、有孔各壁２６４を通過して、Ｕ形曲げ部熱交換器管体２１２の上側弓形セクションに流入する。第１の流体プレナム２１１からの流体の更に別の部分は、Ｕ形曲げ部熱交換器管体２１２の下側弓形セクションを通って流れる。Ｕ形曲げ部熱交換器管体２１２の上側及び下側弓形セクションからの流体流れは、引き続き楕円形マニホルド２２４に流れる。次いで、流体は、貫通トンネル２６６の周囲を通り、Ｕ形曲げ部熱交換器管体２１２の上側及び下側弓形セクション、及び非有孔隔壁２６２によって分離された半楕円マニホルド２３０内に移動する。流体は、半楕円マニホルド２３０からＵ形曲げ部熱交換器管体２１２の上側及び下側弓形セクション又は中空のマニホルド間靱帯部５０５を通り、有孔隔壁２６４を含む楕円マニホルド２２８及び三日月形マニホルド２２６に流入することができる。流体は、楕円マニホルド２２８から三方に分割される。第１に、流体は、非同一平面ヘッダ２３６を通って前方バイパスマニホルドに流れ、ナセル氷結防止抽気流２４６として部分的に使用することができる。第２に、流体は、同一平面ヘッダ２３２を通って第２の流体プレナム２２２に流れ、流体戻り流れ部２５４から流出することができる。第３に、流体は、有孔隔壁２６４を通ってマニホルドの三日月形部分に流入して、有孔隔壁２６４に衝突して戻り、混合及び／又は上述した第１又は第２の方向への流れをもたらすようにすることができる。図５は更に、中空のマニホルド内（すなわち、貫通トンネル２５８の通過）の通路及び中空のマニホルド間（すなわち、マニホルド間靱帯部５０５の通過）の通路の使用を例示している。軸対称の密閉貫通路２５８は、例示のような長円マニホルド２２４の縮小拡大セクションとして想起される。図５にはまた、ボアスコープ又は工具アクセスポート２５６及びボアスコープ光軸２６０、並びにトンネル２５３の周りのマニホルド流２６６が示されている。別の実施例は、抽気流圧力低下を低減するためのシャント流路として中空マニホルド間靱帯部５０５を使用するものである。
【００２８】
図６は、管体２１２（図２に示す）を形成することができる別の構成を示す。例示的な実施形態において、管体２１２は、２つの直線状管体セクション３０２、３０４と、１８０度曲げ部セクション３０６とから形成される。直線状管体セクション３０２、３０４は、分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０（図２に示す）のそれぞれ（例えば、ヘッダ２０６と２０８）に結合される。
【００２９】
図７は、管体２１２（図２に示す）を形成することができる別の構成を示している。例示的な実施形態において、管体２１２は、２つの直線状管体セクション４０２、４０４と、２つの９０度曲げ部セクション４０６、４０８と、０度曲げ部セクション４０６及び４０８間に直列流れ配列で位置付けられた第３の直線状管体セクション４１０とから形成される。セクション４０２、４０４は、分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０（図２に示す）のそれぞれ（例えば、ヘッダ２０６と２０８）に結合される。Ｕ形曲げ部に関連する熱伝達増強の物理的特性の劣化を避けるために、直線状セクション４１０の長さは、Ｕ形曲げ管体の曲げ半径よりも必然的に実質的に短くなければならない。従って、直線状セクション４１０の目的とする機能は、対流熱伝達の表面積を増大させることなく、より剛性のある靱帯部又は他の非侵入的構造強化を付加する接合領域を提供することである。
【００３０】
図８は、管状ラジアルダクト熱交換器２０２の複数の管体グループ２０１のうちの１つを半径方向内向きに見た平面図である。例示的な実施形態において、ヘッダ２０４及びヘッダ２０６を接続する管体２１２は、ヘッダ２０６及びヘッダ２０８を接続する管体２１２から円周方向にオフセットしており、ヘッダ２０８及びヘッダ２１０を接続する管体２１２は、ヘッダ２０６及びヘッダ２０８を接続する管体２１２から円周方向にオフセットし、ヘッダ２０４及びヘッダ２０６を接続する管体２１２と軸方向に一致している。管体２１２の円周方向の交互配列により、ファン組立体１２から放出される空気流の第２の部分５２の乱流形成が増大する。乱流した空気流は、第２の部分５２と管体２１２を通る流体流との間のより大きな対流熱交換を可能にする。分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０間に結合された中実のマニホルド間靱帯部（もしくはウェブ）５０４又は中空のマニホルド間靱帯部５０５（図５）は、加圧時の撓みに抗して分配ヘッダ２０４，２０６，２０８，２１０を剛性化し、モード（共振）応答を改善する。加えて、このようなマニホルド間靱帯部（もしくはウェブ）５０４、５０５はまた、フィン２５０のように機能し、マニホルドからバイパス流５２の対流熱伝達の一部を改善する。当該ファン効果は、その熱伝導率が靱帯部を含む下にある基材材料の熱伝導率を遙かに上回る１又はそれ以上の材料で靱帯部の外面をコーティングすることにより強化することができる。このようなコーティング材料は、（限定ではないが）電気メッキ、粒子状噴霧、化学的蒸着、又はこれらの組み合わせによって堆積されるニッケル、アルミ青銅、及びダイアモンドを含むことができる。図６及び７を再度参照すると、追加の靱帯部３０８、４１２を管体３０２、３０４、４０２、及び４０４並びにこれらの間に取り付けて、モード（共振）応答を更に改善することができる。
【００３１】
図９は、管状ラジアルダクト熱交換器６０２の複数の管体グループ６００のうちの１つの一部に関する別の実施形態の斜視図である。例示的な実施形態において、中間ヘッダは使用されず、比較的長い弓形管体６０６が使用される。管体６０６は、半径方向に距離６０８だけオフセットされ、軸方向に距離６１０だけオフセットされる。入口６１２は、入口ヘッダ６１４を通って入口プレナム６１６に流れを配向する。入口プレナム６１６は、入口６１２に類似した複数の入口から入口流を受け取り、流れがそれぞれの管体６０６に配向される前に入口流の混合を可能にする。同様に、管体６０６の各々は、それぞれの出口プレナム６１８に流れを放出し、複数の出口ヘッダ６２０のうちの１つに配向され、次いで出口６２２を通って流れる。
【００３２】
図１０は、ダクト４０（図１に示す）と共に用いることができるモジュール式管状ラジアルダクト熱交換器を組み立てる方法７００のフローチャートである。例示的な実施形態において、方法７００は、複数の弓状熱交換器管体を形成するステップ７０２を含む。各熱交換器管体は、複数の直線状管体セグメントを複数の弓状管体セグメントに交互に結合して、複数の弓状熱交換器管体のうちの少なくとも１つを形成することにより形成される。各管体は、管状ダクト内に設置されたときに半径方向平面で波状の流体流路を含む。方法７００はまた、複数の弓状熱交換器管体の各々の入口端部を円周方向に延びる入口プレナムに結合するステップ、及び複数の蛇行熱交換器管体の各々の出口端部を円周方向に延びる出口プレナムに結合し、ここで各弓状熱交換器管体が各隣接する弓状熱交換器管体から軸方向にオフセットし、各弓状熱交換器管体が各隣接する弓状熱交換器管体から半径方向にオフセットしているようにするステップを含む。
【００３３】
方法７００はまた、任意選択的に、複数の弓状熱交換器管体の入口端部を該複数の弓状熱交換器管体から半径方向内向きに位置付けられた円周方向に延びる入口プレナムに結合するステップを含む。方法７００は更に、任意選択的に、複数の弓状熱交換器管体の各々の出口端部を複数の弓状熱交換器管体から半径方向内向きに位置付けられた円周方向に延びる出口プレナムに結合するステップを含む。方法７００は更に、任意選択的に、複数の弓状管体セグメントの少なくとも一部をダクトの表面に結合するステップ、及び複数の弓状熱交換器管体のうちの１つの弓状熱交換器管体の複数の弓状管体セグメントの少なくとも一部を隣接する弓状熱交換器管体に結合するステップを含む。
【００３４】
特に詳細に説明してきた上記の実施形態は、単に例示的な又は可能性のある実施形態に過ぎず、包含することができる多くの他の組み合わせ、追加事項、又は代替形態が存在する点は理解されるであろう。
【００３５】
本明細書及び請求項全体を通じてここで使用される近似表現は、関連する基本的機能の変更をもたらすことなく、許容範囲内で変わることのできるあらゆる定量的表現を修飾するのに適用することができる。従って、「約」及び「実質的に」などの１又は複数の用語により修飾される値は、指定される厳密な値に限定されるものではない。少なくとも一部の事例において、近似表現は、値を測定する計器の精度に対応することができる。ここで及び明細書及び請求項全体を通じて、範囲限界は組み合わせ及び／又は置き換えが可能であり、このような範囲は、前後関係又は表現がそうでないことを示していない限り、識別されここに包含される部分範囲全てを含む。
【００３６】
様々な特定の実施形態に関して本開示を説明してきたが、本開示は、請求項の技術的思想及び範囲内で修正を実施することができることは理解されるであろう。
【００３７】
本明細書で使用される場合の「弓状」は、その全体又は一部における流路を指し、その方向が少なくとも一回はＵ形様パターンで漸次的及び部分的に又は完全に反転され、通常は複数回波状パターンで反転されるものである。例えば、流路セグメント接合部間のチャンネルのＵ形様パターンは、単一の流路セグメントにおいて複数回繰り返すことができる。
【００３８】
管状ラジアルダクト熱交換器の方法及びシステムの上述の実施形態は、熱交換器の重量を低減するコスト効果があり信頼性のある手段を提供する。より具体的には、本明細書で記載される方法及びシステムは、管状熱交換器のサイズ及び重量を低減するためＵ形曲げ部熱伝達係数相関を組み込む。加えて、上述の方法及びシステムは、均一に分布した流体環境における熱交換の大きな表面のパッケージングを可能にする。更に、一連のＵ形曲げ管体は、対流を向上させるため交互配列にされる。その結果、本明細書で記載される方法及びシステムは、コスト効果があり信頼性のある方法で熱交換器性能を改善し、熱交換器に関連するコストを低減するのを可能にする。
【００３９】
本明細書は、最良の形態を含む実施例を用いて本発明を開示し、更に、本発明を当業者が実施及び利用することを可能にする。本発明の特許保護される範囲は、請求項によって定義され、当業者であれば想起される他の実施例を含むことができる。このような他の実施例は、請求項の文言と相違しない構造的要素を有する場合、又は請求項の文言と僅かな差違を有する均等な構造要素を含む場合には、請求項の範囲内にあるものとする。
【符号の説明】
【００４０】
１０  ガスタービンエンジン組立体（エンジン）
１１  長手方向軸線
１２  ファン組立体
１３  コアガスタービンエンジン
１４  高圧圧縮機
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２４  ファンブレード
２６  ロータディスク
２８  吸気側
３０  排気側
４０  流体ダクト
４４  空気流分割器
５０  空気流の第１の部分
５２  空気流の第２の部分
５４  ダクト内壁
５６  ダクト外壁
６０  管状ラジアルダクト熱交換器
６２  前方位置
６４  中間位置
６６  後方位置
【図１】
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【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【外国語明細書】
2016014521000001.pdf