(57)【要約】  ターボ機械のための加熱式ガイドベーンが、縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有するガイドベーンと電気ヒータエレメントとを有し、電気ヒータエレメントがガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される。ターボ機械のための加熱式ガイドベーン組立体は、縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有する複数のガイドベーンと、少なくとも１つの電気ヒータエレメントとを備え、少なくとも１つの前記ガイドベーンが、前記少なくとも１つのガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される電気ヒータエレメントを有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ターボ機械のための加熱式ガイドベーンであって、
縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有するガイドベーンと、
電気ヒータエレメントと
を備え、
前記電気ヒータエレメントが前記ガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される、
加熱式ガイドベーン。
【請求項２】
前記ガイドベーンが入口ガイドベーンである、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項３】
前記ガイドベーンがその主要表面上に凹部を有し、前記ヒータエレメントが前記凹部内に装着される、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項４】
前記ヒータエレメントが前記表面と実質的に同一平面となるように装着される、請求項３記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項５】
前記ヒータエレメントが連続するマットであり、前記表面の大部分を覆うために前記凹部内で固定される、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項６】
前記ヒータエレメントが細長い条片であり、前記表面の周部領域を覆うように前記凹部内で固定される、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項７】
前記ガイドベーンが移動可能である、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項８】
前記ガイドベーンが可変入口ガイドベーンである、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項９】
前記ヒータエレメントが前記ガイドベーンに接着される、請求項１記載の加熱式ガイドベーン。
【請求項１０】
ターボ機械のための加熱式ガイドベーン組立体であって、
縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有する複数のガイドベーンと、
少なくとも１つの電気ヒータエレメントと
を備え、
少なくとも１つの前記ガイドベーンが、前記少なくとも１つのガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される電気ヒータエレメントを有する、
加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１１】
前記複数のガイドベーンが前記ターボ機械の中心線周りで径方向に配置される、請求項１０記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１２】
複数の前記ガイドベーンが、前記ガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される電気ヒータエレメントを有する、請求項１０記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１３】
前記少なくとも１つのヒータエレメントを選択的に通電させ、また電源から切断するための制御システムをさらに有する、請求項１０記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１４】
前記制御システムが、前記少なくとも１つのヒータエレメントを選択的に通電させ、また電源から切断するように周期サイクルで動作可能である、請求項１３記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１５】
前記制御システムが、少なくとも１つのヒータエレメントを選択的に通電させ、また実質的に同時に少なくとも１つのヒータエレメントを選択的に電源から切断するように動作可能である、請求項１３記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１６】
前記制御システムが、前記ターボ機械の中心線周りで対称に配置された複数のヒータエレメントを選択的に通電させるように動作可能である、請求項１５記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１７】
前記制御システムが、前記ターボ機械の中心線周りで対称に配置された複数のヒータエレメントを選択的に通電させ、また前記中心線周りで進むパターンで前記複数のヒータエレメントを選択的に順番に電源から切断するように動作可能である、請求項１６記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１８】
前記制御システムが、特定の時間間隔で前記少なくとも１つのヒータエレメントを通電させたり電源から切断したりするように動作可能である、請求項１３記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項１９】
前記ガイドベーンがその主要表面上に凹部を有し、前記ヒータエレメントが前記凹部内に装着される、請求項１５記載の加熱式ガイドベーン組立体。
【請求項２０】
中心回転軸および前記軸周りの規定された回転方向を有するガスタービンエンジンであって、
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の上流に配置され、複数のファンブレードを有するファン組立体と、
前記ファンブレードに関連付けられた少なくとも１つの加熱式ガイドベーンと
を備え、前記加熱式ガイドベーンが、
縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有するガイドベーンと、
電気ヒータエレメントとを備え、
前記電気ヒータエレメントが前記ガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される、
ガスタービンエンジン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に記載される技術は、概してターボ機械に関し、詳細にはガスタービンエンジンに関し、より詳細にはガスタービンエンジンのための加熱式ガイドベーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くのガスタービンエンジン組立体は、コアガスタービンエンジンの上流に載置されるファン組立体を有する。動作中、ファン組立体から放出される空気流れの一部はコアガスタービンエンジンまで下流に流れ、コアガスタービンエンジンで空気流れはさらに圧縮される。次いで、圧縮された空気流れは燃焼器に流れ込み、燃料と混合され、点火され、高温の燃焼ガスを生成する。次いで、燃焼ガスがタービンまで流れ、タービンは、圧縮機を駆動するために、また飛行中の航空機を推進させるのに有用な仕事をするように、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。ファン組立体から放出される空気流れの残りの部分はファンストリームノズルを通ってエンジンから出る。
【０００３】
空気流れがファン組立体まで流れるのを容易にするために、一部の知られているガスタービンエンジン組立体は、空気が所望の向きでファンブレードに向かうように誘導するのに使用される入口ガイドベーン組立体を有する。入口ガイドベーン（ｉｎｌｅｔ  ｇｕｉｄｅ  ｖａｎｅ（ＩＶＧ））は固定された向きで設置されることも、可変入口ガイドベーン構成として構築されることもある。可変入口ガイドベーン（ｖａｒｉａｂｌｅ  ｉｎｌｅｔ  ｇｕｉｄｅ  ｖａｎｅ  （ＶＩＧＶ））は、しばしば、軸を中心にガイドベーンを枢動させることにより、種々の動作条件および動作環境に合うように調節し、ファン組立体内に入る所望の空気流れ特性を得ることができる。ファンの空気流れを転向させることに加えて、入口ガイドベーン組立体はファンフレームに構造剛性をもたらすこともできる。より具体的には、入口ガイドベーン組立体は、一般に、ファンフレームに連結される複数の入口ガイドベーンを有する。
【０００４】
入口ガイドベーン組立体は、航空機および航空機エンジンの他の構造的要素と共に、特定の動作条件および環境条件において氷の蓄積物を形成しやすいものである。このような構造物上の氷の蓄積は、構造物の重量を増大させることに加えて、しばしば、氷が蓄積している要素の表面テクスチャおよび構造的形状を変化させることにより性能に悪影響を及ぼす。
【０００５】
氷が蓄積することに対処するための種々の手法が開発されており、これには、エンジンそれ自体内のより温かい加圧源などの供給源から供給される加熱空気を使用することが含まれる。しかし、氷が蓄積することに効率的かつ効果的に対処するための改良されたガイドベーンヒータが依然として必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】英国特許第２４０３７７８号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様では、ターボ機械のための加熱式ガイドベーンが、縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有するガイドベーンと電気ヒータエレメントとを有し、ここでは、電気ヒータエレメントはガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される。
【０００８】
別の態様では、中心回転軸およびその軸周りの規定された回転方向を有するガスタービンエンジンが、コアガスタービンエンジンと、コアガスタービンの上流に配置される、複数のファンブレードを含むファン組立体と、ファンブレードに関連付けられた少なくとも１つの加熱式ガイドベーンとを有する。加熱式ガイドベーンは、縁部によりその周部の周りに接合される２つの主要表面を有するガイドベーンと電気ヒータエレメントとを有し、ここでは、電気ヒータエレメントはガイドベーンの少なくとも１つの主要表面に固定される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】例示のガスタービンエンジン組立体を示す断面図である。
【図２】図１に示されるガスタービンエンジン組立体で使用されるのに適した入口ガイドベーンを示す立面図である。
【図３】ベーンとヒータメッシュエレメントとの関係を示す、図２のガイドベーンを示す分解斜視図である。
【図４】図３の入口ガイドベーンの斜視図である。
【図５】図２のガスタービンエンジン組立体で使用されるのに適したガイドベーンの別の実施形態を示す分解斜視図である。
【図６】図５の入口ガイドベーンの斜視図である。
【図７】ベーンとガスタービンエンジンの基準線および軸との関係を示す、ガスタービンエンジンの前部から後方を見た立面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、長手軸１１を有する例示のガスタービンエンジン組立体１０の概略断面図である。ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２およびコアガスタービンエンジン１３を有する。コアガスタービンエンジン１３は、高圧圧縮機１４、燃焼器１６、および、高圧タービン１８を有する。例示の実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０はまた、低圧タービン２０および多段昇圧圧縮機２２を有する。
【００１１】
ファン組立体１２は、ロータディスク２６から径方向外側に延在するファンブレード２４のアレイを有する。ガスタービンエンジン組立体１０は吸気側すなわち入口側２８および排気側３０を有する。ファン組立体１２、昇圧機２２およびタービン２０が第１のロータ軸３１により一体に連結され、圧縮機１４およびタービン１８が第２のロータ軸３２により一体に連結される。
【００１２】
動作中、空気がファン組立体１２および昇圧機２２を通って流れる。昇圧機２２から放出された圧縮空気が圧縮機１４を通るように流れ、そこで空気流れはさらに圧縮されて燃焼器１６に送られる。燃焼器１６からの燃焼の高温生成物（図１には図示されない）が、排気ダクト４２を通して排気される前にタービン１８および２０を駆動させるのに使用され、タービン２０が、軸３１を用いてファン組立体１２および昇圧機２２を駆動するのに使用される。ガスタービンエンジン組立体１０は、設計動作条件と設計外動作条件との間の一定範囲の動作条件において動作可能である。
【００１３】
径方向外側の取付フランジと径方向内側の取付フランジとの間で通常実質的に径方向に延在し、入口２８の周りで円周方向に離間される複数の入口ガイドベーン７０が、入ってくる空気流れ１４をファン組立体１２内に誘導する。種々の動作条件においてファン組立体１２に入るおよびファン組立体１２を通る所望の空気流れ特性を得るという空気力学的目的のために、入口ガイドベーン７０がファンブレード２４などの回転するブレードの上流において空気流れを旋回させるように機能する。出口ガイドベーン（図１に示されるが参照符号は付されない）、支持ストラット、および他の構造物が、構造的目的または空気力学的目的のためにファンブレード２４の上流および／または下流に設けられてもよい。
【００１４】
図２は、図１のガスタービンエンジン１０で使用されるのに適した入口ガイドベーン７０の立面図である。ガイドベーン７０は、前縁部７１、後縁部７２、内側縁部７３および外側縁部７４を有する。ガイドベーン７０は、示される実施形態では、縁部７１〜７４によってその周部の周りに接合される２つの主要表面を有するエーロフォイル形状の構造物である。ガイドベーン７０は、それぞれ内側取付具７５および外側取付具７６などの適切な取付特徴物により定位置で固定される。内側取付具７５および外側取付具７６などの取付特徴物は一度でまたは連続的にガイドベーン７０の向きを調節することができ、または、ガスタービンエンジン１０に対してガイドベーン７０を固定した位置で維持することができる。
【００１５】
図２に示されるように、入口ガイドベーン７０はまた、その主要表面上に設置されるヒータエレメント８０を有する。ヒータエレメント８０は、適切な電気接続部（見やすくするために図示されない）を介して電力供給され、また、それらの電気接続部を介して適切な電力供給源に接続される。ヒータエレメント８０は電気エネルギーを熱エネルギーに変換し、その後熱エネルギーは、ヒータエレメントの上に重なる、または、ヒータエレメント８０から熱を受け取る入口ガイドベーン７０の隣接する表面の上に重なる蓄積された氷に伝達され得る。
【００１６】
図３はヒータエレメント８０と入口ガイドベーン７０との関係をより詳細に示している。ヒータエレメント８０を設置するのに対応できるように、入口ガイドベーン７０は、ヒータエレメント８０を受けるのに適したサイズおよび形状であり同時に入口ガイドベーン７０の所望の空気力学的プロファイルを維持する凹部７７を有する。ヒータエレメント８０が入口ガイドベーン７０の主要表面の外側表面プロファイルと実質的に同一平面となる実質的に同一平面の設置を可能にするために、凹部は、ヒータエレメント８０の厚さ「ｔ」に相関される厚さ「ｄ」で構成され、これに加えて、ヒータエレメント８０を凹部７７内の定位置で固定するために接着剤または別の取付特徴物（図示せず）のために局部的または全体的な任意の追加の寸法が必要となる。例えば、ヒータエレメントおよびその結合剤を収容するために、０．０３０インチ（０．０７６ｃｍ）の凹部深さが使用され得る。
【００１７】
ヒータエレメント８０は、十分な発熱量を供給するのに適したサイズおよび形状であり、また、そのように構成され、種々の動作条件において入口ガイドベーン７０に氷が蓄積しにくくなるという所望の利点がもたらされる。図３に示される実施形態では、ヒータエレメント８０は入口ガイドベーン７０の１つ主要表面の大部分を覆う。図４は、ヒータエレメント８０が設置された完全に組み立てられた入口ガイドベーン７０を示している。
【００１８】
図５および６は加熱式ガイドベーン７０の別の実施形態を描いている。この実施形態では、ヒータエレメント８０は、ガイドベーン７０の主要表面の周部に沿った、対応するサイズおよび形状の凹部７７に固定されるサイズ、形状でありそのように適合される細長い条片の形態である。この構成は、ガイドベーン７０の主要表面の大部分を覆う図２〜４の実施形態のような連続したヒータエレメントを主に介してガイドベーン全体を加熱するのではなく、ヒータエレメントによって発生される熱をガイドベーン７０の特定の領域に集中させる。前の実施形態と同様に、図５は、深さ「ｄ」の凹部７７および厚さ「ｔ」のヒータエレメント８０を示している。この「ピクチャーフレーム」すなわち周辺構成は、熱をガイドベーンの周部の周りすなわち図２に示される縁部７１〜７４に集中させる。これにより発生する熱をより効果的に分配することができるようになり、ヒータエレメントのカバー範囲が小さくなり、所要電力が軽減される。
【００１９】
図７は、ベーン７０とガスタービンエンジン１０の基準線および軸との関係を示す、ガスタービンエンジンの前部から後方を見た立面図である。図３に示されるように、ガイドベーン７０は、ガスタービンエンジン１０の中心軸１１の周りで円周方向に分配される。選択的に共に通電されるようにまたは電源から切断されるように共通の制御下にあるガイドベーン７０のグループを特定するのに、１から６までの数字の記号が使用される。
【００２０】
示される構成では、１７個のガイドベーン７０さらにはノーズコーン１５が制御スキームに含まれる。例えば、数字１で特定される３つのガイドベーンに通電することができ、残りのガイドベーン７０およびノーズコーン１５の影付き領域６が電源から切断される。次いで、数字１で特定されるガイドベーン７０を電源から切断することができ、数字２で特定されるガイドベーン７０が通電され得る。このような例示の構成では、ガイドベーン７０を通電し、また電源から切断するパターンは、すべてのガイドベーン７０が同等の電力出力で同時に通電される場合より低いレベルで電力消費を制御しながら所望の性能を維持するように設定され得る。示される実施形態では、領域１〜５として番号付けされる３つのガイドベーンの順次的なセットがデューティサイクルの間通電され、その後切断され、次いで、残りの２つのガイドベーン７０の領域６およびノーズコーン１５の影付き領域６が通電され、その後電源から切断される。ここでは、このサイクルが、再び領域１から開始して所望の回数だけ繰り返されてもよい。
【００２１】
共通の制御下にある個別のガイドベーン７０またはガイドベーン７０のグループは、所望の種々のパターンまたは順番で通電され得る。必要に応じて、所望の性能を得るために、通電および非通電のそれぞれの時間も決定され得る。このような動作スキームは「デューティサイクル」と呼ばれることがあり、オフ時間と比較してオン時間を基準にしておよび／またはこのサイクルの周期的性質（それぞれの事象の間隔）を基準にして評価されてもよい。単に説明のための例示のデューティサイクルはオン時間が１０秒でオフ時間が５０秒であってもよく、この場合、所与のヒータエレメントに対する通電時間は非通電時間より短い。図７に示される６つの領域を有するような構成では、各領域は、６つのすべての領域が順番に加熱されるまで各領域が１０秒間通電され、その後、このサイクルは、連続する完全なサイクル間の全体の周期性が１分となるように繰り返される。所要電力が少なくともある程度同等となるようにすべての領域の大きさを決定することにより、電力需要をある程度一定のレベルにすることができる。
【００２２】
ガイドベーン７０と併せてすなわちガイドベーン７０との組み合わせで、ストラット、ノーズコーンなどの別の要素を加熱することができ、これらは、同時に加熱されても異なる加熱スキームで加熱されてもよい。例えば、一部の要素は長いデューディサイクルすなわち加熱サイクルを有してもよく、または、連続的に加熱されるように設定されてもよく、その間他の要素のサイクルがオンおよびオフとなる。図７に示される実施形態では、ノーズコーン１５の中心にある「Ｘ」が（その領域で氷が形成されるのを防止するために）アンチアイシング機能を実行するように通電され続けてもよく、その間、他の加熱領域は蓄積された氷を流すために周期的に動作する。
【００２３】
ガイドベーン７０は、所期の構成および動作環境に適した当技術分野で知られている任意適当な製造方法を使用して、任意適当な材料から製造されてもよい。ガイドベーン７０の数、厚さおよび幾何形状などの構成の詳細は、それらが設置されるターボ機械の所望の動作特性および性能特性を得るように決定および実施されてもよい。チタンおよびチタン合金などの金属材料が、単独で、または、他の非金属材料との組み合わせで使用されてもよい。ガイドベーン７０は一体に形成されてもよくまたは個別の構成要素から組み合わされてもよく、中実要素であっても、空の内部空間または軽量材料で充填される内部空間を有する中空構造であってもよい。
【００２４】
ヒータエレメント８０は、所望の熱出力および動作環境のために必要となる任意適当な材料または構成要素から製造されてもよい。ニッケルまたは別の導電性材料が、メッシュ、グリッドまたは別の電気伝導性ネットワークとなるように成形されてもよく、これは、電気抵抗または他のオペレーティングモダリティ（ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ｍｏｄａｌｉｔｙ）を介して熱を発生させることができる。熱出力および電力入力は、平方インチ当たりの電力を基準としてまたは他の好適な基準で適切に調整され得る。単に例であるが、３２Ｗ／平方インチ（４．９６Ｗ／ｃｍ2）または３５Ｗ／平方インチ（５．４３Ｗ／ｃｍ2）の電力出力密度が使用されてもよい。
【００２５】
加熱式ガイドベーン７０のための制御システムは、所期の物理的環境または動作環境に適した任意の形で動作するように位置され、構成され、プログラムされてもよい。また、一部の動作条件下では、エンジン組立体をさらに通過して可能性として後で再び凍結するような液体水を発生させるように氷を融解させるのではなく、一定期間の蓄積後に（まだ比較的薄く、小さく断片に分解可能である状態の）氷を割り落とすように加熱システムを設計して動作させることが望ましい場合がある。ヒータエレメントを動作させるための電力は、ヒータエレメントに関連付けられた、または関連付けられていないガスタービンエンジンにより駆動される発電機など電力供給源によって、または任意の他の好適な電源によって供給されてもよい。
【００２６】
本考察の大部分は加熱式ガイドベーンのための文脈として航空機用ガスタービンエンジンに焦点を当てているが、このようなヒータ設備は、風力タービンまたは蒸気タービンなど、ガイドベーンが回転ターボ機械に関連付けられている他の環境で使用されるのに適したものとなり得ることは予見可能である。
【００２７】
本発明を種々の特定の実施形態に関連させて説明してきたが、本発明が特許請求の範囲の精神および範囲内にある修正形態で実施され得ることを当業者であれば理解するであろう。
【符号の説明】
【００２８】
１０  ガスタービンエンジン組立体
１１  長手軸
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
１５  ノーズコーン
１６  燃焼器
１８  高圧タービン
２０  低圧タービン
２２  多段昇圧圧縮機
２４  ファンブレード
２６  ロータディスク
２８  吸気側、入口側
３０  排気側
３１  第１のロータ軸
３２  第２のロータ軸
４２  排気ダクト
７０  入口ガイドベーン
７１  前縁部
７２  後縁部
７３  内側縁部
７４  外側縁部
７５  内側取付具
７６  外側取付具
７７  凹部
８０  ヒータエレメント
【図１】
2012532265.tif 000003
【図２】
2012532265.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2012532265.tif 000008
【図７】
2012532265.tif 000009
【国際調査報告】
2012532265.tif 000010
2012532265.tif 000011
2012532265.tif 000012