JP2014111930A - ガスタービンエンジン熱交換器およびガスタービンエンジン熱交換器の組立方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の流体システムを組み合わせ、エンジンが氷点下の温度にさらされるときに流体の凝固を防止する熱交換器を提供すること。
【解決手段】熱交換器組立体（１３０）は、第１の流体回路（１００）と第２の流体回路（１０２）とを含む熱交換器本体（２０２）を備える。第１の流体回路は、第１の流体回路入口流路（２４８）と流体連通する第１のバイパス弁（１３６）を含む。また、第１の流体回路は、第１のバイパス弁と流体連通する複数の冷却流路（２３２）を含む。第１のバイパス弁は、第１の運転モード中に第１の流体を複数の冷却流路に送り、第１の流体の温度が低下しやすくなるように構成されている。第２の流体回路は、第１の運転モード中に、第２の流体が熱交換器本体の少なくとも一部を通って流れやすくなるように構成されている第２のバイパス弁（１３７）を含む。
【選択図】図１

Description

本明細書で説明される出願は、一般に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を運転するための方法および装置に関する。

ガスタービンエンジンは、一般に、入口部、ファン、低圧圧縮機、高圧圧縮機、燃焼器、および、少なくとも１つのタービンを備える。圧縮機は、燃焼器に導かれる空気を圧縮し、その燃焼器で、空気は燃料と混合される。次いで、混合物は、高温の燃焼ガスを生成するために点火される。燃焼ガスはタービンに導かれ、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する、または発電機など負荷を駆動するのに有用な仕事を生成するために、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。

エンジンの運転中は、かなり大きな熱が生成され、エンジンシステムの温度を許容されないレベルまで上昇させる。様々な潤滑システムが、ガスタービンエンジン内の部品の潤滑を容易にするために利用されている。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と、少なくとも１つの外部発電機とに導くように構成されている。運転中、熱は、エンジンおよび発電機内の軸受やシールなどの部品による摺動摩擦や回転摩擦によって発生した熱から、潤滑流体に伝わる。潤滑流体の作動温度が低下しやすくするために、少なくとも１つの公知のガスタービンエンジンは、内部で循環する流体を冷却するために、エンジン潤滑流体用に１つ、発電機潤滑流体用に１つの別々の熱交換器を利用する。

従来、両熱交換器は、ファン組立体を格納するシュラウドの内側に取り付けられていた。しかしながら、最新のエンジンおよび発電機の熱負荷が増加しているため、流体を十分に冷却するに十分な大きさの熱交換器は、シュラウド内の割り当てられた空間には、もはや収まらなくなっている。そのため、それらの熱交換器は分離され、その結果、一方はシュラウド内に配置することができるが、他方はエンジンコアに取り付けられる。

さらに、エンジンが、運転していない、または、氷点下の温度にさらされる状況で運転しているときは、エンジン潤滑流体の冷却は必要とされず、エンジン潤滑流体が熱交換器内を流れないようにするために、バイパス弁を作動させる。高温のエンジン流体が熱交換器を通過しないため、熱交換器は温度が低下し、内部に残っているエンジン流体が、粘性が増加して凝固し始めてくる。バイパス弁が解除されて、エンジン潤滑流体の流れが熱交換器を通過できるようになったとき、エンジン流体が熱交換器を温めて流れるようになる前に、熱交換器が低温であるためにエンジン流体の流れを凝固させてしまう。

したがって、複数の流体システムを組み合わせ、エンジンが氷点下の温度にさらされるときに、流体の凝固を防止する熱交換器が必要とされている。

米国特許第８３８７３６２号公報

一態様では、ガスタービンエンジンで使用するための熱交換器組立体において、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取り囲むファン筺体とを備える熱交換器組立体が提供される。熱交換器組立体は、第１の流体回路および第２の流体回路を含む熱交換器本体を備える。第１の流体回路は、第１の流体回路入口流路と流体連通する第１のバイパス弁を含む。また、第１の流体回路は、第１のバイパス弁と流体連通する複数の冷却流路を含む。第１のバイパス弁は、第１の運転モード中に第１の流体を複数の冷却流路に導き、第１の流体の温度が低下しやすくなるように構成されている。第２の流体回路は、第１の運転モード中に、第２の流体が熱交換器本体の少なくとも一部を通って流れやすくなるように構成されている第２のバイパス弁を含む。

別の態様では、回転軸線を含むガスタービンエンジンを組み立てる方法が提供される。その方法は、ガスタービンエンジンを実質的に取り囲むファン筺体を準備するステップと、熱交換器組立体を準備するステップと、熱交換器組立体をファン筺体に連結するステップとを含む。熱交換器組立体は、第１の流体回路および第２の流体回路を含む熱交換器本体を含む。第１の回路は、第１の流体回路入口流路と流体連通する第１のバイパス弁を含む。また、第１の流体回路は、第１のバイパス弁と流体連通する複数の冷却流路を含む。第１のバイパス弁は、第１の運転モード中に第１の流体を複数の冷却流路に導き、第１の流体の温度が低下しやすくなるように構成されている。第２の流体回路は、第１の運転モード中に、第２の流体が熱交換器本体の少なくとも一部を通って流れやすくなるように構成されている第２のバイパス弁を含む。

さらに別の態様では、ガスタービンエンジン組立体が提供される。ガスタービンエンジン組立体は、回転軸線を備え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取り囲むファン筺体と、ファン筺体内に配置された熱交換器組立体とを備える。熱交換器組立体は、第１の流体回路および第２の流体回路を含む熱交換器本体を備える。第１の回路は、第１の流体回路入口流路と流体連通する第１のバイパス弁を含む。また、第１の流体回路は、第１のバイパス弁と流体連通する複数の冷却流路を含む。第１のバイパス弁は、第１の運転モード中に第１の流体を複数の冷却流路に導き、第１の流体の温度が低下しやすくなるように構成されている。第２の流体回路は、第１の運転モード中に、第２の流体が熱交換器本体の少なくとも一部を通って流れやすくなるように構成されている第２のバイパス弁を含む。

例示的なガスタービンエンジンの概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンとともに利用することができる例示的な流体システムの概略図である。 図１に示すガスタービンエンジンとともに利用することができる例示的な弓形の熱交換器組立体の斜視図である。 図３に示す、線４−４における熱交換器組立体の断面斜視図である。 図３に示す熱交換器を通る、第１の運転モードの概略図である。 図３に示す熱交換器を通る、第２の運転モードの概略図である。

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と、燃焼器１６と、高圧タービン１８とを備える。例示的な実施形態では、ガスタービンエンジン組立体１０は、低圧タービン２０も備える。ファン組立体１２は、ロータディスク２６から径方向外向きに延びる一列のファンブレード２４を備える。エンジン１０は、吸入側２８と排出側３０とを有する。また、ガスタービンエンジン組立体１０は、例えば、ファン組立体１２、圧縮機１４、高圧タービン１８、および低圧タービン２０を回転方向および軸線方向で支持するために用いられる複数の軸受組立体（図１には示されていない）を備える。

運転中、空気は、ファン組立体１２を通過し、空気流スプリッタ４４によって、第１の部分５０と第２の部分５２とに分けられる。空気流の第１の部分５０は圧縮機１４を通るように導かれ、圧縮機１４では、空気流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には示されていない）は、タービン１８および２０を駆動することでエンジン推力を生成するために利用される。また、ガスタービンエンジン組立体１０は、ファン組立体１２から排出された空気流の第２の部分５２を、コアガスタービンエンジン１３の周囲にバイパスするように利用されるバイパスダクト４０を含む。より具体的には、バイパスダクト４０は、ファン筺体またはシュラウド４２の内側壁２０１とスプリッタ４４の外壁２０３との間で延びている。

図２は、ガスタービンエンジン１０とともに利用することができる例示的なエンジン流体システム１００、および、エンジン１０に連結された発電機１０１とともに利用することができる例示的な発電機流体システム１０２の概略図である。例示的な実施形態では、システム１００は、第１の流体供給源１２０と、エンジン潤滑流体を、エンジン１０の複数の軸受１０４、１０６、１０８を通して循環させる第１のポンプ１１０とを備えており、軸受１０４、１０６、１０８によって発生した熱は流体に伝えられる。エンジン潤滑流体は、エンジン流体システム１００内を流れ続けて、熱交換器組立体１３０を経由して第１の流体供給源１２０に戻ってくる。流体の温度は、流体が熱交換器組立体１３０内を流れるにつれて低下する。あるいは、凝縮する流体または沸騰する冷媒など、任意の流体が熱交換器組立体１３０を通るように導かれてもよい。例示的な実施形態では、熱交換器組立体１３０は、第１の入口ポート１３２と、第１の出口ポート１３４と、圧力制御、温度制御、または電気作動のいずれかが行われ得る第１のバイパス弁１３６とを含むことができる。あるいは、第１のバイパス弁は、本明細書で説明されるような熱交換器組立体１３０を運転しやすくする任意の方法で制御されてもよい。第１のバイパス弁１３６は、第１の運転モードまたは第２の運転モードのいずれかにより、潤滑流体の流れを、熱交換器組立体１３０を通過させるように構成されている。

発電機流体システム１０２は、第２の流体供給源１２１と、発電機潤滑流体を、発電機１０１の複数の軸受１０５、１０７を通して循環させ、高温の流体を、熱交換器組立体１３０を経由して第２の流体供給源１２１に戻す第２のポンプ１１２とを備える。同様に、発電機流体の温度は、流体が熱交換器組立体１３０内を流れるにつれて低下する。あるいは、凝縮する流体または沸騰する冷媒など、任意の流体が熱交換器組立体１３０を通るように導かれてもよい。タービン１８または２０の一方は軸７５に連結されており、その軸７５は発電機１０１にさらに連結されており、その結果、タービン１８または２０が回転すると、軸７５が発電機１０１の軸受１０５および１０７を回転させて電力を生成する。発電機１０１は、生成された電力を、消費するために、エンジン１０の外部の他のシステムに分配する。例示的な実施形態では、熱交換器組立体１３０は、第２の入口ポート１３８と、第２の出口ポート１４０と、圧力制御または電気作動のいずれかが行われ得る第２のバイパス弁１３７とを含むことができる。

例示的な実施形態では、熱交換器組立体１３０は、シュラウド４２内に配置された空気冷却式の熱交換器である。熱交換器組立体１３０は、エンジンにおける、または、エンジン以外における様々な用途で利用することができる。より具体的には、熱交換器組立体１３０は、エンジン潤滑流体が冷却を必要とする場合は第１の運転モード（図５参照）で運転し、エンジン潤滑流体が冷却を必要としない場合は第２の運転モード（図６参照）で運転する。

熱交換器組立体１３０は、エンジン軸受１０４、１０６、１０８、および、発電機軸受１０５、１０７への流体を冷却するように本明細書では説明されているが、代わりに、または同時に、他の流体を冷却してもよい。例えば、熱交換器組立体１３０は、エンジンで使用されるアクチュエータから熱を取り除くために用いられる流体を冷却してもよい。また、熱交換器組立体１３０は、エンジン制御機器などの電子装置から熱を取り除く流体を冷却するのに用いられてもよい。ガスタービンエンジン組立体によって利用される様々な流体の冷却に加えて、熱交換器組立体１３０、および本明細書で説明される方法は、熱交換器組立体１３０が、機体に取り付けられた、エンジンの一部ではない装置も冷却できることを例示することは理解されるべきである。他の用途では、熱交換器組立体１３０は、例えば、航空機の外表面上といった、ガスタービンエンジンから離れて取り付けられてもよい。また、エンジン流体の冷却が必要とされないとき、熱交換器組立体１３０を使用し、第１のバイパス弁１３６が作動された後に、熱交換器組立体１３０に残っているエンジン潤滑流体を融解してもよい。したがって、熱交換器組立体１３０は、エンジン流体の流れを通すために第１のバイパス弁１３６が再作動されるときエンジン流体が凝固していないほど、十分に暖かい温度のままである。

図１に示す例示的な実施形態では、熱交換器組立体１３０は、ファン組立体１２の上流側において、ファンシュラウド４２の内側壁２０１に結合されており、その結果、吸入側２８に導かれた空気は、まず、ファン組立体１２に供給される前に、熱交換器組立体１３０を通過するように導かれ、熱交換器組立体１３０を通るように導かれたエンジン流体および発電機流体の作動温度が低下しやすくなる。あるいは、熱交換器組立体１３０は、外側ガイドベーン２５とファン支柱１５０との間で内側壁２０１に結合されてもよい。一般的には、熱交換器組立体１３０は、ファン筺体４２の内側壁２０１の軸線方向の長さに沿ういずれかの位置、または、バイパスダクト４０内のスプリッタ４４の径方向外側面２０３に沿ういずれかの位置に配置されてもよい。例示的な実施形態では、熱交換器組立体１３０が、ファン組立体１２の直径が最も大きくなるエンジン吸入側２８に隣接して配置されたとき効率が高まる。エンジン流体システム１００および発電機流体システム１０２を１つの熱交換器組立体１３０に組み合わせることで、エンジン１０のコストおよび重量を低減することになるが、それは、１つの熱交換器組立体が、２つに分かれている熱交換器組立体よりも少ない部品しか必要としないためである。さらに、熱交換器組立体１３０がシュラウド４２の内側面２０１に結合されている場合、コアエンジン１３にアクセスすることができるが、それは、スプリッタ４４の近くでコア１３に一般的に結合される別の発電機熱交換器を、必要としないためである。

図３は、熱交換器組立体１３０の斜視図であり、図４は、図３に示す線４−４における熱交換器組立体１３０の断面斜視図である。例示的な実施形態では、組み立ての間、熱交換器組立体１３０は、シュラウド４２の少なくとも一部の周方向および軸線方向形状と実質的に同様の周方向および軸線方向形状を有するように形成される。より具体的には、図１に示されるように、熱交換器組立体１３０は、それが取り付けられる位置において、ファンシュラウド４２の内側面２０１の周方向および軸線方向形状に一致する、周方向および軸線方向形状を有するように形成されている。このようにして、熱交換器組立体１３０は、エンジン１０内の交互となる位置で、ファンシュラウド４２の内側面２０１に隣接して配置することができるように、実質的に弓形の形状となる。また、熱交換器組立体１３０は、スプリッタ４４の外側面２０３の周方向および軸線方向形状と実質的に同様の周方向および軸線方向形状を備えるように形成されてもよい。

図３に示すように、熱交換器組立体１３０は、シュラウド４２またはスプリッタ４４の一方の周囲の実質的にすべて（約３２０°）を端から端まで覆うように取り付けられた複数の分割部２０４によって形成されている。あるいは、熱交換器組立体１３０は、同じ周方向の長さを覆う単一の分割部２０４によって形成されてもよい。

再び図３および図４を参照すると、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４は、第１の端部２１０と、反対にある第２の端部２１２とを備える熱交換器本体部２０２を含む。また、本体部２０２は、径方向内側面２２０、径方向外側面２２２、上流側壁２２６、および反対にある下流側壁２２４を含む。また、本体部２０２は、径方向内側面２２０から径方向内向きに延びる複数の冷却フィン２３０を含んでもよい。任意で、熱交換器組立体１３０がファンシュラウド４２の外側面に隣接して配置される場合には、冷却フィン２３０は、図３および図４に示すように径方向内向きに延びてもよいし、もしくは、径方向外向きに延びてもよいし、または、本体部２０２から径方向内向きおよび径方向外向きの両方に延びるフィンを含んでもよい。また、熱交換器組立体１３０がスプリッタ４４の外側面２０３に隣接して配置される場合には、冷却フィン２３０は、図３および図４に示すように径方向内向きに延びてもよいし、もしくは、径方向外向きに延びてもよいし、または、本体部２０２から径方向内向きおよび径方向外向きの両方に延びるフィンを含んでもよい。

本体部２０２は、弓形の熱交換器組立体分割部２０４の各々の内部を通って長手方向に延びる複数の冷却流路２３２も含む。冷却流路２３２は、それを通って冷却されるエンジン流体を受け入れるように選択的に大きさが決められている。例示的な実施形態では、本体部２０２は、それを通って延びる１６本の冷却流路２３２を含む。任意で、本体部２０２は、所望の冷却低下に基づいて、１６本より多いまたは少ない数の冷却流路２３２を含んでもよい。例示的な実施形態では、冷却流路２３２は、実質的に長方形の断面形状を有している。あるいは、冷却流路２３２は、例えば、円形などの、長方形でない断面形状を有している。さらに、流路２３２は、すべてが同じ流体を流すことができる平行な流路であり、または、複数のグループに分け、各グループが、異なる冷却に使用される異なる冷却流体を流してもよい。例えば、あるグループは、軸受用の潤滑流体を流すことができ、別のグループは、エンジンにある電子装置用の別の冷却流体を流してもよい。

例示的な実施形態では、本体部２０２は、また、非凝固入口流路２４８と非凝固出口流路２５０とを含む。流路２４８および２５０は、熱交換器組立体１３０の弓形の各分割部２０４の内部を通って長手方向に延びており、それを通るエンジン流体を受け入れるように選択的に大きさが決められている。代替実施形態では、本体部２０２は、２つ以上の非凝固入口流路２４８と、２つ以上の非凝固出口流路２５０とを含んでいてもよい。例示的な実施形態では、流路２４８および２５０は、実質的に円形の断面形状を有している。あるいは、流路２４８および２５０は、例えば、角丸長方形などの、円形でない断面形状を有してもよい。例示的な実施形態では、流路２３２、２４８、および２５０は、エンジン１０と第１の流体供給源１２０との間でエンジン潤滑流体を流す（図２参照）。さらに、流路２４８および２５０は、すべてが同じ流体を流すことができる平行な流路であり、または、複数のグループに分け、各グループが、異なる冷却目的に使用される異なる冷却流体を流してもよい。例えば、あるグループは、軸受用の潤滑流体を流すことができ、別のグループは、エンジンにある電子装置用の別の冷却流体を流してもよい。例示的な実施形態では、熱交換器組立体は、冷却流路２３２が非凝固流路２４８および２５０に隣接して配置されるように形成されている。具体的には、冷却流路２３２は、非凝固入口流路２４８に隣接して配置されている。あるいは、冷却流路２３２は、非凝固出口流路２５０に隣接して配置されてもよい。

例示的な実施形態では、本体部２０２は、発電機流体入口流路２５２および発電機流体出口流路２５４をさらに含む。流路２５２および２５４は、熱交換器組立体１３０の弓形の各分割部２０４の内部を通って長手方向に延びており、それを通る発電機潤滑流体を受け入れるように選択的に大きさが決められている。代替実施形態では、本体部２０２は、２つ以上の発電機流体入口流路２５２と、２つ以上の発電機流体出口流路２５４とを含んでいてもよい。例示的な実施形態では、流路２５２および２５４は、実質的に長方形の断面形状を有している。あるいは、流路２５２および２５４は、例えば、円形などの、長方形でない断面形状を有してもよい。例示的な実施形態では、流路２５２および２５４は、発電機１０１と第２の流体供給源１２１との間で発電機潤滑流体を流す（図２参照）。さらに、流路２５２および２５４は、すべてが同じ流体を流すことができる平行な流路であり、または、複数のグループに分け、各グループが、異なる冷却目的に使用される異なる冷却流体を流してもよい。例えば、あるグループは、軸受用の潤滑流体を流すことができ、別のグループは、エンジンにある電子装置用の別の冷却流体を流してもよい。例示的な実施形態では、発電機流体流路２５２および２５４は、非凝固流路２４８および２５０に隣接して配置されている。あるいは、発電機流体流路２５２および２５４は、冷却流路２３２が、発電機流体流路２５２および２５４と、非凝固流路２４８および２５０との間に配置されるように、冷却流路２３２に隣接して配置されてもよい。

例示的な実施形態では、冷却フィン２３０は、任意の数の列のフィン２３０が形成されるように、上流側壁２２６と下流側壁２２４との間で本体部２０２の幅に沿って延びている。あるいは、フィン２３０は、図４に示すように、フィン２３０の少なくとも２列の間に間隙が形成されるように、本体部２０２に沿って間隔を置いて配置されてもよい。フィン２３０の各列は、エンジン流体および発電機流体の両方の温度を低下しやすくする、個々に形成された複数のフィン２３０から構成されている。各列における複数のフィン２３０は、フィン２３０を通過する冷却空気の体積が増加するので、より高効率の熱交換器組立体の助けとなる。タービンエンジン１０に設置されるため、フィン２３０は、中心軸線１１に沿って、空気流の方向と平行となって、軸線方向に延びており、ガスタービンエンジン１０の内側面または外側面の周りで径方向に配置されている。例示的な実施形態では、冷却フィン２３０は、各冷却フィン２３０が開口２３２と実質的に垂直になるように、かつ、流路２３２を通るように導かれる流体の方向が、冷却フィン２３０を通るように導かれる空気流の方向とほぼ垂直になるように、本体部２０２に結合されている。より具体的には、冷却フィン２３０は、ファン吸入部２８の内部または周囲に導かれる空気流が、まず、隣接する冷却フィン２３０の間に導かれるように、中心軸線１１と実質的に平行に並べられている。

一実施形態では、本体部２０２は、冷却フィン２３０が本体部２０２と一体的に形成されるように、押出工法を利用して形成される。次いで、例えば、フィン加工工法が、冷却フィン２３０を形成するために行われる。任意で、冷却フィン２３０は、例えば、溶接処理またはロウ付け処理を用いて、本体部２０２に結合されてもよい。例示的な実施形態では、本体部２０２および冷却フィン２３０は、アルミニウムなどの金属材料から作られている。

流体を、本体部２０２を通るように導きやすくするために、熱交換器組立体１３０は、少なくとも１つのエンジン流体入口接続部２４０、少なくとも１つのエンジン流体出口接続部２４２、少なくとも１つの発電機流体入口接続部２４４、少なくとも１つの発電機流体出口接続部２４６、第１のバイパス弁１３６、および第２のバイパス弁１３７も含む。接続部２４０および２４２は、第１のバイパス弁１３６と流体連通して結合されており、接続部２４４および２４６は、互いと流体連通し、かつ、第２のバイパス弁１３７と流体連通して結合されている。例示的な実施形態では、接続部２４０、２４２、２４４、２４６およびバイパス弁１３７は、それぞれ、分割部２０４の第１の端部２１０または第２の端部２１２のいずれかに、マニホールド２０６を介して結合されており、バイパス弁１３６は、反対の端部２１０または２１２で分割部２０４に連結されている。あるいは、バイパス弁１３６は、接続部２４０、２４２、２４４、２４６およびバイパス弁１３７と同じ端部である、端部２１０または２１２のいずれかに結合されてもよい。バイパス弁１３６および１３７は、分割部２０４に全く結合されていなくてもよく、分割部２０４と流体連通したままで離されてもよい。

例示的な実施形態では、ポート１３２および１３４を、所望の運転条件の間に、エンジン潤滑流体をシステム１００から熱交換器組立体１３０を通って導くように作動させることができるように、エンジン流体入口接続部２４０はポート１３２（図２に図示）に結合されてもよく、エンジン流体出口接続部２４２はポート１３４（図２に図示）に結合されてもよい。第１のバイパス弁１３６は、エンジン潤滑流体を、第１の運転モード中に冷却流路２３２を通して導くか、または、第２の運転モード中に非凝固出口流路２５０を通して導くように構成されており、以下でより詳細に説明する。同様に、ポート１３８および１４０を、ある運転条件の間に発電機潤滑流体をシステム１０２から熱交換器組立体１３０を通って導くように作動させることができるように、発電機流体入口接続部２４４はポート１３８（図２に図示）に結合されてもよいし、発電機流体出口接続部２４６はポート１４０（図２に図示）に結合されてもよい。第２のバイパス弁１３７は、発電機潤滑流体を、第１の運転モード中に流路２５２および２５４を通して導くか、または、流路２５２および２５４がパイパスされる第２の運転モード中に接続部２４４および２４６だけを通して導くように、構成されている。

熱交換器組立体１３０は、複数の流体回路を含むように構成されており、各回路は、入口接続部および出口接続部を備えている。これらの回路は、それぞれ、個別の明確な目的を有しており、異なる装置を冷却するために使用される非混合流体を流す。具体的には、入口２４０、出口２４２、流路２３２、２４８、２５０、およびバイパス弁１３６は、システム１００からのエンジン潤滑流体を流すように構成されており、入口２４４、出口２４６、流路２５２、２５４、およびバイパス弁１３７は、システム１０２からの発電機潤滑流体を流すように構成されている。

熱交換器組立体１３０をガスタービンエンジン組立体１０に固定しやすくするために、本体部２０２は、上流側壁２２６に結合される第１のタブ２９０と、下流側壁２２４に結合される第２のタブ２９２とを含む。例示的な実施形態では、タブ２９０および２９２は、それぞれ、本体部２０２と同じ金属材料から作られており、押出工法を利用して本体部２０２と一体に形成される。あるいは、タブ２９０および２９２は、例えば、溶接処理またはロウ付け処理を用いて本体部２０２に取り付けられる別の部品として形成される。

例示的な実施形態では、熱交換器組立体１３０は、ファンシュラウド４２の内側壁２０１が熱交換器組立体１３０の受け入れる凹部（図示せず）を含むように、ガスタービンエンジン組立体１０内に配置されている。熱交換器組立体１３０は、内側壁２０１の内側面がフィン２３０の基部において本体部２０２の径方向内側面２２０と面一となるように、シュラウド４２に結合されており、空気流の中にある熱交換器組立体１３０による圧力損失を低減または排除しやすくしている。より具体的には、熱交換器組立体１３０は、冷却フィン２３０だけが表面２０１から径方向内向きに延び出るように、ガスタービンエンジン組立体１０内に結合されている。このようにして、ファンシュラウド４２の内側壁２０１は、冷却空気流が冷却フィン２３０だけを通って導かれるように、本体部２０２を実質的に覆うために利用されている。

熱交換器組立体１３０は、ファン筺体内側面２０１またはスプリッタ外側面２０３の形状に実質的に一致する形状を含むように形成されている。そして、熱交換器組立体１３０は、前述のように、内側壁２０１の内側面が、フィン２３０の基部において、本体部２０２の径方向内側面２２０と面一となるように、ガスタービンエンジン組立体１０に結合されている。

図５は、図３に示す熱交換器組立体１３０を通る、実線で示した、第１の運転モードの概略図である。第１の運転モードは、熱交換器組立体１３０の通常の運転モードであり、その運転モードでは、高温の循環流体は、エンジン１０および発電機１０１の様々な部品から熱を奪い、熱交換器組立体１３０内を通る冷却を必要とする。第１の運転モード中、高温の循環流体は、ガスタービンエンジン１０から、入口接続部２４０を通って、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４に導かれる。次いで、高温のエンジン流体は、非凝固入口流路２４８を通って分割部２０４の長さだけ流れ、また、第１のバイパス弁１３６によって、冷却流路２３２を経由して分割部２０４の中を戻り、出口接続部２４２を通って熱交換器組立体１３０から流れ出ていくように向けて送られる。

第１の運転モード中、高温のエンジン潤滑流体は、冷却流路２３２の中を流れるにつれてフィン２３０を通る空気流によって冷却され、実質的により低い温度で第１の流体供給源１２０（図２に図示）に排出される。具体的には、エンジン潤滑流体は、ガスタービンエンジン１０内または周囲で、実質的に周方向に向くように導かれる。同時に、ファン吸入部２８の内部または周囲に供給された冷却空気流は、冷却フィン２３０を通るように導かれて、熱交換器組立体１３０の中を通るように導かれたエンジン潤滑流体の作動温度が低下しやすくなる。具体的には、第１の運転モード中、高温のエンジン潤滑流体は、開口２３２を通るように導かれ、そこで、流体は、その熱を、伝熱面、つまり、熱交換器組立体１３０の本体部２０２に、ひいては冷却フィン２３０に伝達する。入口部２８を介して供給される比較的冷たい空気は、冷却フィン２３０と交差して、および／または、冷却フィン２３０を通って導かれ、そこで、熱が、冷却フィン２３０から、ダクト４０を通るように導かれた空気流に伝達される。

さらに、第１の運転モード中、高温の発電機循環流体は、発電機１０１から、入口接続部２４４を通って、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４に導かれる。次いで、高温の発電機流体は、発電機流体入口流路２５２を通って分割部２０４の長さだけ流れ、発電機流体出口流路２５４を経由して分割部２０４の中を戻り、出口接続部２４６を通って熱交換器組立体１３０から流れ出ていく。バイパス弁１３７は、第１の運転モードでは解除されて、発電機流体は各分割部２０４の長さだけ流れることができる。高温の発電機潤滑流体は、流路２５２および２５４内を流れるにつれてフィン２３０を通る空気流によって冷却され、実質的により低い温度で第２の流体供給源１２１（図２に図示）に排出される。具体的には、比較的高温の発電機潤滑流体は、流路２５２および２５４を通るように導かれ、そこで、高温の流体は、その熱を、伝熱面、つまり、熱交換器組立体１３０の本体部２０２に、ひいては冷却フィン２３０に伝達する。入口部２８を介して供給される比較的冷たい空気は、冷却フィン２３０と交差して、および／または、冷却フィン２３０を通って導かれ、そこで、熱が、冷却フィン２３０から、ダクト４０を通るように導かれた空気流に伝達される。

図６は、熱交換器組立体１３０を通る、（実線で示した）第２の運転モードの概略図である。第２の運転モードは、熱交換器本体２０２の入口において計測された所定温度にエンジン潤滑流体が達するような低温の中にエンジン１０があるときに用いられる、非凝固モードである。このような所定温度において、エンジン潤滑流体は、粘度が高くなり過ぎて、冷却流路２３２内を容易に流れることができない。エンジン潤滑流体が、約華氏１００度の所定温度に達したときは、第１の運転モード（図６で点線で示される）のように、冷却流路２３２を通す冷却を必要とするほど高温ではなく、冷却流路２３２に残っている流体は、凝固し始める可能性がある。熱交換器組立体１３０は、流体が冷却を必要とするほど高温でないときは、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４にある流体を凝固させないように、十分に暖かくなっていなければならない。第２の運転モード中、エンジン潤滑流体は、冷却を必要としないが、エンジン１０で用いるため、いくらかの熱をなお保持している。

第２の運転モード中、エンジン循環流体は、ガスタービンエンジン１０から、入口接続部２４０を通って、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４に導かれる。次いで、エンジン流体は、非凝固入口流路２４８を通って分割部２０４の長さだけ流れ、第１のバイパス弁１３６は、流れを、第１の運転モードのように冷却流路２３２を通す代わりに、冷却流路２３２をバイパスし、非凝固出口流路２５０を経由して分割部２０４の中を戻るように向かわせる。そして、エンジン流体は、熱交換器組立体１３０から、出口接続部２４２を介して、液貯め１２０に排出される。あるいは、エンジン流体を利用可能な最大断面積で流して、熱交換器組立体１３０における圧力損失を低減するために、第２の運転モードは、エンジン潤滑流体の流れを、非凝固流路２５０および冷却流路２３２を経由して分割部２０４の中を戻るように向かわせることを含んでいてもよい。

第２の運転モード、つまり非凝固モード中、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４の全体の長さを、非凝固流路２４８および２５０を通って流れるエンジン流体は、熱を各分割部２０４の本体部２０２に伝達し、熱交換器組立体１３０は、伝熱によって加熱され、熱交換器組立体１３０を、その冷却流路２３２内のエンジン流体を凝固させることのない十分な温度で保持する。本体部２０２を加熱することで、冷却流路２３２内のいずれのエンジン流体も凝固することはなく、エンジン流体は冷却流路２３２を通って容易に流れる。１つの流路２３２にあるエンジン流体が凝固しない場合は、残りの流路２３２がその後すぐには凝固しないような十分な熱が伝達される。さらに、暖かいエンジン潤滑流体を含む非凝固入口流路２４８が冷却流路２３２に隣接していることで、熱がさらに伝達するため、凝固させないように分割部２０４を加熱するのに必要な時間が短くなる。そのため、本体部２０２の単一の壁によって各流路２３２が非凝固入口流路２４８から隔てられるように、流路２４８を流路２３２の近くに配置することは有益である。

熱交換器組立体１３０が、第２の運転モード中に流路２４８および２５０によって加熱されなかった場合、第１の運転モード中に冷却流路２３２を通るエンジン流体の流れは、低温の熱交換器組立体の中にある凝固したエンジン流体によって妨げられる可能性がある。また、エンジン流体を凝固させないように熱交換器組立体を温めるのに必要な時間は、第２の運転モード中に暖かいエンジン流体が常に流れる熱交換器組立体１３０の温度よりも最初は低い温度であるため、より長くなる可能性がある。

さらに、第２の運転モード中、バイパス弁１３７が、発電機潤滑流体が流路２５２および２５４を流れないようにするために係合される。発電機流体は、第１の運転モードと同じ方法で、発電機１０１から、入口接続部２４４を通って、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４に導かれる。次いで、流体は、バイパス弁１３７を通過して、出口接続部２４６を通って熱交換器組立体１３０から流れ出ていく。第２の運転モード中、発電機流体は、第１の運転モードのように冷却を必要としないため、熱交換器組立体１３０の各分割部２０４を通る流れは、バイパスされる。流路２４８および２５０を流れるエンジン流体の伝熱は、第２の運転モード中、熱交換器組立体１３０を温めるので、流路２５２および２５４に残っているいずれの発電機流体も凝固しない。具体的には、第２の運転モード中、非凝固入口２４８を流れるエンジン流体は、冷却流路２３２で凝固せず、非凝固出口流路２５０を通って流れるエンジン流体は、発電機流路２５２および２５４で凝固しない。

上記の熱交換器組立体１３０は、エンジン流体システム１００からの潤滑流体の導入と、発電機流体システム１０２からの発電機潤滑流体の導入とを、１つの熱交換器組立体１３０に組み合わせている。フィン２３０がより効率的であるため、熱交換器組立体１３０は、シュラウドにおいてより小さな空間しか必要とせず、そのため、システム１００および１０２を、１つの熱交換器組立体１３０に組み合わせることができる。エンジン流体システム１００および発電機流体システム１０２を１つの熱交換器組立体１３０に組み合わせることで、エンジン１０のコストおよび重量を低減することになるが、それは、１つの熱交換器組立体が、２つに分かれている熱交換器組立体よりも少ない部品しか必要としないためである。さらに、熱交換器組立体１３０がシュラウド４２の内側面２０１に結合されており、エンジンコア１３またはスプリッタ４４に結合されていないため、コアエンジン１３にアクセスすることができるが、それは、コア１３またはスプリッタ４４に一般的に結合される別の発電機熱交換器を、必要としないためである。

熱交換器組立体の例示的な実施形態は、上記で詳細に説明されている。熱交換器組立体は、本明細書で説明された具体的な実施形態に限定されることはなく、むしろ、各システムの部品は、本明細書で説明された他の部品から独立して、および、分離して利用されてもよい。例えば、各熱交換器組立体は、様々なガスタービンエンジンで利用されてもよく、ガスタービンエンジン内の様々な位置に配置されてもよい。また、本明細書で説明された熱交換器組立体は、望ましい場合には、ファンシュラウドの外表面に結合されてもよい。実用上、熱交換器組立体は、冷却を実現する空気流があるいずれの場所にも取り付けることができる。

本発明の様々な実施形態の具体的な特徴は、一部の図面には示され、他の図面には示されていないことがあるが、これは単に便宜的なものである。本発明の本質に従って、図面のいずれの特徴も、他のいずれの図面のいずれの特徴と組み合わされて、参照および／または特許請求されてもよい。

本書は、最良の形態を含めて本発明を開示するために、また、任意の装置またはシステムを製作および使用すること、および、組み入れられた任意の方法を実施することを含めて、当業者が本発明を実施できるように、例を用いている。本発明の特許性のある範囲は、特許請求の範囲によって定義され、当業者に思いつく他の例を含む可能性がある。このような他の例は、特許請求の範囲の文言と異ならない構成要素を備える場合、または、特許請求の範囲の文言と実質的に異ならない等価の構成要素を備える場合、特許請求の範囲内にあるものとする。

１０ ガスタービンエンジン組立体
１１ 回転軸線
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
２５ 外側ガイドベーン
２６ ロータディスク
２８ エンジン吸入側
３０ エンジン排出側
４０ バイパスダクト
４２ ファン筐体
４４ スプリッタ
５０ 第１の部分
５２ 第２の部分
７５ シャフト
１００ エンジン流体システム
１０１ 発電機
１０２ 発電機流体システム
１０４ 軸受
１０５ 軸受
１０６ 軸受
１０７ 軸受
１０８ 軸受
１１０ 第１のポンプ
１１２ 第２のポンプ
１２０ 第１の流体供給源
１２１ 第２の流体供給源
１３０ 熱交換器組立体
１３２ 第１の入口ポート
１３４ 第１の出口ポート
１３６ 第１のバイパス弁
１３７ 第２のバイパス弁
１３８ 第２の入口ポート
１４０ 第２の出口ポート
１５０ ファン支柱
２０１ 内側面
２０２ 熱交換器本体部
２０３ 径方向外側面
２０４ 分割部
２０６ マニホールド
２１０ 第１の端部
２１２ 第２の端部
２２０ 径方向内側面
２２２ 径方向外側面
２２４ 下流側壁
２２６ 上流側壁
２３０ 冷却フィン
２３２ 冷却流路
２４０ エンジン流体入口接続部
２４２ エンジン流体出口接続部
２４４ 発電機流体入口接続部
２４６ 発電機流体出口接続部
２４８ 非凝固入口流路
２５０ 非凝固出口流路
２５２ 発電機流体入口流路
２５４ 発電機流体出口流路
２９０ 第１のタブ
２９２ 第２のタブ

Claims (10)

1. 回転軸線（１１）とコアガスタービンエンジン（１３）を実質的に取り囲むファン筺体（４２）とを備えるコアガスタービンエンジン（１３）を含むガスタービンエンジン（１０）で使用するための熱交換器組立体（１３０）であって、
   熱交換器本体（２０２）を備えており、
   前記熱交換器本体は、第１の流体回路（１００）を含み、
   前記第１の流体回路は、
   第１のバイパス弁（１３６）と、
   前記第１のバイパス弁と流体連通する第１の流体回路入口流路（２４８）と、
   前記第１のバイパス弁と流体連通する複数の冷却流路（２３２）であって、前記第１のバイパス弁が、第１の運転モード中に第１の流体を該複数の冷却流路に送出し、前記第１の流体の温度を低下させるように構成されている、複数の冷却流路（２３２）と
   を備え、
   前記熱交換器本体はさらに、
   第２のバイパス弁（１３７）を含む第２の流体回路（１０２）であって、前記第２のバイパス弁が、前記第１の運転モード中に熱交換器本体の少なくとも一部を通る第２の流体の流れを促進するように構成されている、第２の流体回路（１０２）
   を含む、熱交換器組立体。
2. 前記第１の流体回路（１００）が、前記第１のバイパス弁（１３６）と流体連通する第１の流体回路出口流路（２５０）を含み、前記第１のバイパス弁が、第２の運転モード中に、前記第１の流体を前記第１の流体回路出口流路に送るように構成されている、請求項１記載の熱交換器組立体（１３０）。
3. 前記第１のバイパス弁（１３６）が、前記第１の流体が所定温度に達したときに、前記第１の流体を前記第１の流体回路出口流路（２５０）に送るように構成されている、請求項２記載の熱交換器組立体（１３０）。
4. 前記第２のバイパス弁（１３７）が、第２の運転モード中に、前記熱交換器本体（２０２）の少なくとも一部を通る前記第２の流体の流れを妨げるように構成されている、請求項１記載の熱交換器組立体（１３０）。
5. 前記第２の流体回路（１０２）が、
   前記第２のバイパス弁（１３７）と流体連通する第２の流体回路入口流路（２５２）と、
   前記第２のバイパス弁および前記第２の流体回路入口流路と流体連通する第２の流体回路出口流路（２５４）と
   を含む、請求項１記載の熱交換器組立体（１３０）。
6. 回転軸線（１１）を備えるコアガスタービンエンジン（１３）と、
   前記コアガスタービンエンジンを実質的に取り囲むファン筺体（４２）と、
   前記ファン筺体内に配置された熱交換器組立体（１３０）と
   を備えるガスタービンエンジン組立体（１０）であって、
   前記熱交換器組立体は、熱交換器本体（２０２）を備え、
   前記熱交換器本体は、第１の流体回路（１００）を含み、
   前記第１の流体回路は、
   第１のバイパス弁（１３６）と、
   前記第１のバイパス弁と流体連通する第１の流体回路入口流路（２４８）と、
   前記第１のバイパス弁と流体連通する複数の冷却流路（２３２）であって、前記第１のバイパス弁は、第１の運転モード中に第１の流体を前記複数の冷却流路に送出し、前記第１の流体の温度が低下しやすくなるように構成されている複数の冷却流路と
   を備え、
   前記熱交換器本体はさらに、
   第２のバイパス弁（１３７）を含む第２の流体回路（１０２）であって、前記第２のバイパス弁は、前記第１の運転モード中に、第２の流体が前記熱交換器本体の少なくとも一部を通って流れやすくなるように構成されている、第２の流体回路
   を含むガスタービンエンジン組立体。
7. 前記第１の流体回路（１００）が、前記第１のバイパス弁（１３６）と流体連通する第１の流体回路出口流路（２５０）を含み、前記第１のバイパス弁は、第２の運転モード中に、前記第１の流体を前記第１の流体回路出口流路に送るように構成されている、請求項６記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
8. 前記第１のバイパス弁（１３６）が、前記第１の流体が所定温度に達したときに、前記第１の流体を前記第１の流体回路出口流路（２５０）に送るように構成されている、請求項７記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
9. 前記第２のバイパス弁（１３７）が、第２の運転モード中に、前記熱交換器本体（２０２）の少なくとも一部を通る前記第２の流体の流れを妨げるように構成されている、請求項６記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。
10. 前記第２の流体回路（１０２）が、
    前記第２のバイパス弁（１３７）と流体連通する第２の流体回路入口流路（２５２）と、
    前記第２のバイパス弁および前記第２の流体回路入口流路と流体連通する第２の流体回路出口流路（２５４）と
    を含む、請求項６記載のガスタービンエンジン組立体（１０）。