(57)【要約】      （修正有）【課題】航空機用ガスタービンエンジンは、高温で作動してエンジン推力を最大化するように設計されているため、例えばギヤボックスまたは静翼であるような特定のエンジン構成要素は、作動中の冷却が必要である。圧縮機の熱容量を増大し、望ましいエンジンシステムの温度管理を行うことが要望されている。【解決手段】圧縮機セクション２２がポンプ８６を有する閉ループ冷却回路８４と、少なくとも１つの静翼６０、６２から延びる少なくとも１つのヒートパイプ９４と、バイパス空気流内に位置する熱交換器７６と、熱交換器を通り、且つ、ヒートパイプのそばを通る冷媒路９０を含む。ポンプは冷媒路を通る冷媒９８、１００、１１４を送り出し、ヒートパイプから熱を奪って熱せられた冷媒がその後熱交換器を通り抜け、そこで熱が冷媒からバイパス空気へ排除され、冷媒を冷却し、ヒートパイプへその後戻る回路を形成する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外側圧縮機（２４、２６）ケーシングおよび内側圧縮機（２４、２６）ケーシング間に位置し、軸方向に配置されて対をなす動翼（５６）および静翼（６０、６２）の段（５２、５４）を複数もつ圧縮機（２４、２６）を有する、ガスタービンエンジン（１０）を冷却する方法であって、前記方法は、ヒートパイプ（９４）をもつ少なくとも１つの前記静翼（６０、６２）から熱を奪うことと、該少なくとも１つのヒートパイプ（９４）を通して液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することにより、前記少なくとも１つのヒートパイプ（９４）から熱を奪い、熱せられた液体冷媒（１００）を形成することと、熱交換器（７６）を通るように前記熱せられた液体冷媒（１００）を経路決定することとによって圧縮機（２４、２６）を閉ループ冷却することと
を含む、方法。
【請求項２】
少なくとも１つの静翼（６０、６２）から前記熱を奪うことは、複数のヒートパイプ（９４）をもつ前記少なくとも１つの静翼（６０、６２）から前記熱を奪うことを含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの静翼（６０、６２）から前記熱を奪うことは、複数のヒートパイプ（９４）をもつ複数の静翼（６０、６２）から前記熱を奪うことを含む、請求項２記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも１つのヒートパイプ（９４）を通して液体冷媒を経路決定することは、前記少なくとも１つのヒートパイプ（９４）を包囲するマニホルドを通るように液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することを含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記少なくとも１つの静翼（６０、６２）から前記熱を奪うことは、可変静翼（６０、６２）から前記熱を奪うことを含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記ガスタービンエンジン（１０）内に位置する中間冷却器（８８）を通るように前記液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記中間冷却器（８８）を通るように前記液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することは、前記圧縮機（２４、２６）の上流に位置する表面冷却器を通るように前記液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記中間冷却器（８８）を通るように前記液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することは、前記圧縮機（２４、２６）の入口案内翼（５５）および出口案内翼（５７）のうちの少なくとも一方を通るように前記液体冷媒（９８、１００、１１４）を経路決定することを含む、請求項６記載の方法。
【請求項９】
冷却流体（７５）が前記熱交換器（７６）を通過することをさらに含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記冷却流体は、ガスタービンエンジン（１０）のファンセクション（１８）からの空気（７５）を含む、請求項９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスタービンエンジンのためのヒートパイプをもつ閉ループ冷却方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
タービンエンジン、特にガスまたは燃焼タービンエンジンは、動翼および静翼対を含む圧縮機段から燃焼器、その次の複数のタービン段への一連であるエンジンを通り抜けるガスの流れからエネルギーを抽出するロータリエンジンである。圧縮機段においては、静翼を固定子ケーシングに搭載しつつ、動翼は回転子から突出するポストに支持される。ガスタービンエンジンは、陸上および航海上の移動ならびに電力生成に用いられてきたが、例えばヘリコプターを含む飛行機である航空上の利用に通常用いられている。飛行機分野では、ガスタービンエンジンは、航空機の推進に用いられる。
【０００３】
航空機用ガスタービンエンジンは、高温で作動してエンジン推力を最大化するように設計されているため、例えばギヤボックスまたは静翼であるような特定のエンジン構成要素は、作動中の冷却が必要である。圧縮機の熱容量を増大し、望ましいエンジンシステムの温度管理を行うことが要望されている。
【発明の概要】
【０００４】
一態様においては、この発明の実施形態は、外側圧縮機ケーシングおよび内側圧縮機ケーシング間に位置し、軸方向に配置されて対をなす動翼および静翼の段を複数もつ圧縮機を有する、ガスタービンエンジンを冷却する方法に関する。上記方法は、ヒートパイプをもつ少なくとも１つの上記静翼から熱を奪うことと、該少なくとも１つのヒートパイプを通して液体冷媒を経路決定することにより、上記少なくとも１つのヒートパイプから熱を奪い、熱せられた液体冷媒を形成することと、熱交換器を通るように上記熱せられた液体冷媒を経路決定することとによって上記圧縮機を閉ループ冷却することと、を含む。
【０００５】
別の態様では、この発明の実施形態は、軸流方向に配置されてコアケーシング内に含まれる、圧縮機セクション、燃焼器セクションおよびタービンセクションをもつコアを含むガスタービンエンジンに関する。上記圧縮機セクションは、軸方向に配列されて対をなす動翼および静翼の段を複数有し、ファンセクションは、軸流方向配置で上記ファンセクションをもつ上記コアの上流にあり、上記コアケーシング周囲にバイパス空気流を提供する。上記圧縮機セクションは、ポンプと、少なくとも１つの上記静翼から延びる少なくとも１つのヒートパイプと、上記バイパス空気流内に位置する熱交換器と、上記ヒートパイプを通して上記ポンプを通り抜け、熱交換器を通過する冷媒路とを有する閉ループ冷却回路をさらに含む。上記ポンプは上記冷媒路を通る冷媒を送り出し、上記冷媒に入る上記ヒートパイプから熱を奪い、熱せられた冷媒を形成して、その後上記熱せられた冷媒が上記熱交換器を通り抜け、そこで上記熱が上記冷媒から上記バイパス空気へ排除されて上記冷媒を冷却し、上記ヒートパイプへその後戻る冷却された冷媒を形成する。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
図面は、以下のとおりである。
【図１】図１は、この発明の一実施形態によるガスタービンエンジンの概略断面図である。
【図２】図２は、いくつかの圧縮機段の中間冷却を伴う、図１のガスタービンエンジンの圧縮機セクションの概略である。
【図３】図３は、ヒートパイプの概略である。
【図４】図４はガスタービンセクションの冷却方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
記載される本発明の実施形態は、タービンエンジン内の空気流の経路決定に関するシステム、方法および他の装置を対象にする。説明を目的として、本発明は航空機のガスタービンエンジンに関して記載することとする。しかしながら、この発明は、それに限定されず、例えば他の移動体への応用および非移動体への工業的、商業的かつ居住的応用である、航空機以外の応用での通常の適応性を有しうることは理解されるであろう。
【０００８】
図１は、航空機用ガスタービンエンジン１０を含みうるガスタービンエンジンの概略断面図である。エンジン１０は、概して長手方向に延びる軸線または前方１４から後方１６へ延びる中心線１２を有する。エンジン１０は、下流への直列流れ関係で、ファン２０を含むファンセクション１８、ブースターまたは低圧（ＬＰ）圧縮機２４および高圧 (ＨＰ)圧縮機２６を含む圧縮機セクション２２、燃焼器３０を含む燃焼セクション２８、ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６を含むタービンセクション３２および排気セクション３８を含む。圧縮機セクション２２、燃焼セクション２８およびタービンセクション３２は、軸流方向に配置され、コアケーシング４６内に含まれる。
【０００９】
ファンセクション１８は、ファン２０を包囲するファンケーシング４０を含む。ファン２０は、中心線１２回りに放射状に配置される複数のファンブレード４２を含む。ＨＰ圧縮機２６、燃焼器３０およびＨＰタービン３４は、燃焼ガスを生成するエンジン１０のコア４４を形成する。コア４４は、ファンケーシング４０と一体となることが可能であるコアケーシング４６によって包囲される。ファンケーシング４０の少なくとも一部分が、コアケーシング４６を取り巻き、環状バイパスチャネル４７を規定する。
【００１０】
エンジン１０の中心線１２回りに同軸上に配置されるＨＰ駆動シャフトまたはスプール４８は、ＨＰタービン３４をＨＰ圧縮機２６と駆動的に連結する。大きい直径である環状のＨＰスプール４８内でエンジン１０の中心線１２回りに同軸上に配置されるＬＰ駆動シャフトまたはスプール５０は、ＬＰタービン３６をＬＰ圧縮機２４およびファン２０と駆動的に連結する。スプール４８、５０のいずれかまたは双方に搭載されて、共に回転するエンジン１０の部分を、個別にまたはまとめて回転子５１とも呼ぶ。
【００１１】
ＬＰ圧縮機２４およびＨＰ圧縮機２６は複数の圧縮機段５２、５４をそれぞれ含み、そこで圧縮機動翼５６、５８の集合が、各集合が対を含んで対応する静的な圧縮機静翼６０、６２（ノズルとも呼ばれる）の集合に対して回転して、上記段を通り抜ける流体の流れを圧縮または加圧する。１つの圧縮機段５２、５４において、多数の圧縮機動翼５６、５８を環内に設けることが可能であり、動翼プラットフォームから動翼先端まで、中心線１２に対して半径方向に外側に延びることが可能である一方で、対応する静的な圧縮機静翼６０、６２が、動翼５６、５８の下流且つ動翼５６、５８に隣接して位置する。図１に示す動翼、静翼および圧縮機段の数は、説明の目的のためだけに選択されたものであり、他の数が可能であることに留意されたい。ある圧縮機段の動翼５６、５８は、各段がその所有のディスクを有するＨＰおよびＬＰスプール４８、５０のうちの対応する一方に搭載されるディスク５３に搭載可能である。静翼６０、６２は、回転子５１回りの円周方向配置でコアケーシング４６に搭載される。圧縮機は、軸方向の向きに限定されず、軸方向に、半径方向に、または組み合わせた手法に合わせて配置することが可能である。
【００１２】
ＬＰ圧縮機２４およびＨＰ圧縮機２６は、圧縮機セクション２２の上流端に位置する入口案内翼５５および圧縮機セクション２２の下流端に位置する出口案内翼５７とすることが可能な少なくとも１つの案内翼をさらに含むことが可能である。該静翼は一種類に限定されず、例えば、非可変静翼または可変静翼とすることができる。
【００１３】
ＨＰタービン３４およびＬＰタービン３６は複数のタービン段６４、６６をそれぞれ含み、タービン動翼６８、７０の集合が、対応する静的なタービン静翼７２、７４（ノズルとも呼ばれる）の集合に対して回転して、上記段を通り抜ける流体の流れからエネルギーを抽出する。１つのタービン段６４、６６において、多数のタービン動翼６８、７０を環内に設けることが可能であり、動翼プラットフォームから動翼先端まで、中心線１２に対して半径方向に外側に延びることが可能である一方で、対応する静的なタービン静翼７２、７４が、動翼６８、７０の上流且つ動翼６８、７０に隣接して位置する。図１に示す動翼、静翼およびタービン段の数は、説明の目的のためだけに選択されたものであり、他の数が可能であることに留意されたい。
【００１４】
作動において、回転ファン２０がＬＰ圧縮機２４へ周辺空気を供給し、その後ＬＰ圧縮機２４が加圧された周辺空気をＨＰ圧縮機２６へ供給し、ＨＰ圧縮機２６が該周辺空気をさらに加圧する。ＨＰ圧縮機２６からの該加圧空気は、燃焼器３０において燃料と混合して点火され、それによって燃焼ガスを生成する。ある仕事量が、ＨＰ圧縮機２６を駆動するＨＰタービン３４によってこれらのガスから抽出される。燃焼ガスが、ＬＰ圧縮機２４を駆動する追加の仕事量を抽出するＬＰタービン３６へ流れ出て、排気ガスが、最終的に排気セクション３８を経由してエンジン１０から排出される。ＬＰタービン３６の駆動がＬＰスプール５０を駆動し、ファン２０およびＬＰ圧縮機２４を回転させる。
【００１５】
ファン２０によって供給されるいくつかの周辺空気は、バイパス空気流のようにエンジンコア４４を回避することが可能であり、エンジン１０の部分、特に高温部分の冷却に用いること、および／または他の態様の航空機の冷却もしくは動力に用いることが可能である。タービンエンジンの文脈において、エンジンにおける高温部分とは、通常、燃焼器３０の下流、特に燃焼セクション２８の直下流であるために最高温部分となるＨＰタービン３４をもつタービンセクション３２である。
【００１６】
エンジンの高温部分はまた、圧縮機セクション２２内にも存在するため、ファン２０によって供給される周辺空気または圧縮機からの冷却空気を、限定するものではないが、圧縮機セクション２２の部分を冷却することに利用することが可能である。バイパス空気流は、表面冷却器とすることが可能であって上記バイパスチャネル４７のバイパス空気流内で圧縮機２６の上流に位置する熱交換器７６を通過可能である。熱交換器７６の位置は、バイパスチャネル４７内と説明したが、バイパスチャネルに限定されず、例えば入口案内翼５５または出口案内翼５７近傍であるエンジン１０内の任意の好適な位置に置くことができる。
【００１７】
図２を参照すると、圧縮機セクション２２の概略が、回転子５１を含む内側圧縮機ケーシング８０およびコアケーシング４６内に配置される外側圧縮機ケーシング８２をさらに示す。軸方向に配置されて対をなす動翼５８および静翼６２の複数の段５２、５４が、外側圧縮機ケーシング８２および内側圧縮機ケーシング８０間に位置する。ポンプ８６、中間冷却器８８、熱交換器７６および冷媒路９０を有する閉ループ冷却回路８４が、圧縮機セクション２２直近に位置する。冷媒路９０は、ポンプ８６および熱交換器７６と流体的に連結され、マニホルド９２をさらに備える。少なくとも１つのヒートパイプ９４が、静翼６２内から軸方向に延びて、マニホルド９２によって包囲される点において、冷媒路９０は該少なくとも１つのヒートパイプ９４と一体である。複数のヒートパイプ９４が１つの静翼６２内に位置することが可能であり、複数の静翼６２が少なくとも１つのヒートパイプ９４を含むことが可能である。
【００１８】
閉ループ冷却回路８４は、熱交換器７６から中間冷却器８８へおよび熱交換器７６まで戻る冷媒路９０経由の連結を含む。中間冷却器８８および熱交換器７６は、任意の好適なタイプの熱交換器とすることが可能であり、限定するものではないが、表面冷却器を含む。さらに中間冷却器８８は、入口案内翼５５を含むことが可能であり、熱交換器７６は、出口案内翼５７を含むか、または出口案内翼５７に隣接して位置することが可能である。
【００１９】
ある実装では、エンジン１０は、ファンセクション１８のファン２０とコア４４のスプール４８、５０とを連結するようにエンジン１０内の任意の好適な位置に置くことが可能であるギヤボックス４５をさらに備えることが可能である。ギヤボックス４５は、ファンに対して、エンジンと異なるスピードで駆動することを許容する。閉ループ冷却回路８４は、熱交換器７６から中間冷却器８８へおよび熱交換器７６まで戻る冷媒路９０経由の連結を含むものであって、中間冷却器８８はギヤボックス４５上に設けられる。中間冷却器８８は、ギヤボックス４５およびコアケーシング４６上に配置されることが可能である。
【００２０】
中間冷却器８８への冷媒流をオン、オフのいずれかにすること、または作動状態に応じて調整することが可能であるように、限定するものではないが、例えば制御バルブである任意の流れ制御装置をループ内に含むことが可能である。
【００２１】
マニホルド９２は、ヒートパイプ９４を包囲する領域に冷媒ボリューム１１４を供給し、ヒートパイプ９４から冷媒１１４へ熱としてエネルギーを伝達することによるヒートパイプ９４内での伝熱媒体（図３）の凝縮を許容する。冷媒路９０は、ポンプ８６を利用して冷媒路９０を通る冷媒１１４を送り出すことによって閉ループ冷却回路８４内に流入する液体冷媒１１４のための経路を形成する。ヒートパイプ９４は、少なくとも１つの静翼６２をそれにより冷却する受動デバイスであり、少なくとも１つの静翼６２とマニホルド９２とを連結する。ヒートパイプ９４は、熱伝導性および相転移の双方を利用して、少なくとも１つの静翼６２からの熱をヒートパイプ９４を介して冷媒路９０内の液体冷媒１１４に伝達する任意の伝熱デバイスである。このエネルギー伝達を果たすマニホルド９２の正確な設計としては、多くの形態をとることが可能であることに留意されたい。例えば、複数の構成において、冷媒１１４は、ヒートパイプ９４の端部上を直接流れることが可能である。
【００２２】
図３は、ヒートパイプの外側表面を規定するハウジング１０２を含むヒートパイプ９４の一実施形態である。ハウジング１０２の内側に、蒸気空洞１０６を包囲する吸収性のウィック１０４が配置される。例えば水またはナトリウムまたは他の好適な物質である伝熱媒体１０８が、蒸気空洞１０６内に配置される。ヒートパイプが熱媒体１１４とともに作動して、ヒートパイプ９４の他端１１２から熱エネルギーを移動させるように、ヒートパイプの一端１１０が静翼６２内に配置され、ヒートパイプ９４の他端１１２が静翼６２から外側にマニホルド９２内へ延びる。伝熱媒体１０８は、静翼６２が作動下である温度範囲の際に蒸気状態にある。伝熱媒体１０８が蒸気状態１１６に蒸発するとき、それが静翼６２からの熱を吸収し、且つ、ヒートパイプ９４のマニホルド９２内にある部分へ移動して、そこで伝熱媒体が液体状態１１８に戻るように凝縮されて、その後冷媒路９０内の液体冷媒を熱する熱を放つ。
【００２３】
ここで図４もまた参照すると、フローチャートは、ヒートパイプ９４をもつ少なくとも１つの静翼６２から熱を奪うことと（２０２）、該少なくとも１つのヒートパイプ９４を通して液体冷媒を経路決定することにより、上記少なくとも１つのヒートパイプ９４から熱を奪い、熱せられた液体冷媒を形成することと（２０４）、最後に、熱交換器を通るように熱せられた液体冷媒を経路決定することと（２０６）によってガスタービンエンジン１０を冷却する方法２００を示す。圧縮機セクション２２を通って、ファン空気７５が冷却流体として熱交換器７６に導入される。このファン空気７５が、熱交換器７６周囲を通って液体冷媒を冷却し、熱交換器７６内で冷却された冷媒９８を形成する。冷却された冷媒９８は、ステップ２０４における液体冷媒であり、中間冷却器８８へ送り出されて中間冷却器を冷却することもまた可能である。液体冷媒が、少なくとも１つのヒートパイプ９４および中間冷却器８８から熱を奪い、熱せられた冷媒１００を形成する。熱せられた冷媒１００は、その後マニホルド９２から、コンプレッサを含むことが可能なポンプ８６へ流れ、その後熱交換器７６へ続き、そこでさらに熱が冷媒からバイパス空気へ排除され、冷媒を冷却し、冷却された冷媒９８を形成する。冷却された冷媒９８は、その後マニホルド９２および中間冷却器８８へ戻り、工程が繰り返される。冷却された冷媒９８を用いて、中間冷却器８８を介して、例えばギヤボックス４５である他の部品を冷却することが可能である。
【００２４】
液体、気体または二相混合物を動かす従来の手段を用いて、液体冷媒を送り出すことが可能である。上記ポンプは、例えばポンプまたはコンプレッサである圧力上昇装置である。上記ポンプまたはコンプレッサは、例えばシャフト上のギヤに連結してエンジンからの仕事量を用いるか、またはエンジンから生成される電力を用いて駆動することが可能である。
【００２５】
上記開示に記載した中間冷却器は、任意のタイプの熱交換器とすることが可能である機械的装置であって、圧縮機段または段の集合を冷却する、すなわち中間冷却である、熱力学サイクルと混同されるべきでないことに留意されたい。
【００２６】
記載したこの記述は、例を用いて、最良の形態を含むこの発明を開示して、且つ、いかなる当業者に対しても、任意の装置またはシステムを作成し用いることおよび任意の組み込まれた方法を実行することを含んだこの発明の実施をすることができるようにもする。特許を受けることができるこの発明の範囲は、特許請求の範囲によって規定され、当業者が想到する他の実施例を含みうる。そうした他の実施例は、特許請求の範囲の字義どおりの言葉と異なるものではない構造的要素を有する場合、または特許請求の範囲の字義どおりの言葉と実体のない差異をもつ同等の構造的要素を含む場合、特許請求の範囲の範囲内であることが意図される。
【符号の説明】
【００２７】
１０  エンジン
１２  中心線
１４  前方
１６  後方
１８  ファンセクション
２０  ファン
２２  圧縮機セクション
２４  低圧圧縮機
２６  高圧圧縮機
２８  燃焼セクション
３０  燃焼器
３２  タービンセクション
３４  高圧タービン
３６  低圧タービン
３８  排気セクション
４０  ファンケーシング
４２  ファンブレード
４４  コア
４６  コアケーシング
４７  バイパスチャネル
４８  高圧シャフト／スプール
５０  低圧シャフト／スプール
５１  回転子
５２  圧縮機段
５３  ディスク
５４  圧縮機段
５５  入口案内翼
５６  動翼
５７  出口案内翼
５８  動翼
６０  静翼
６２  静翼
６４  タービン段
６６  タービン段
６８  タービン動翼
７０  タービン動翼
７２  タービン静翼
７４  タービン静翼
７６  熱交換器
８０  内側圧縮機ケーシング
８２  外側圧縮機ケーシング
８４  閉ループ冷却回路
８６  ポンプ
８８  中間冷却器
９０  冷媒路
９２  マニホルド
９４  ヒートパイプ
９８  冷却された冷媒
１０  熱せられた冷媒
１０２  ハウジング
１０４  ウィック
１０６  蒸気空洞
１０８  伝熱媒体
１１０  一端
１１２  他端
１１４  冷媒
１１６  蒸気状態
１１８  液体状態
【図１】
2017106441.tif 000003
【図２】
2017106441.tif 000004
【図３】
2017106441.tif 000005
【図４】
2017106441.tif 000006
【外国語明細書】
2017106441000001.pdf