JP6205107B2 - 入口粒子分離システム - Google Patents

Description

本発明は、一般に、入口粒子分離システムに関し、特に、流体装置を有する入口粒子分離システムを操作するシステムおよび方法に関する。

一般に、航空機エンジンは、その空気入口に導入される粒子状異物による損傷を受けやすい。多くの場合、ヘリコプターガスタービンエンジン等の垂直離着陸（ＶＴＯＬ）航空機エンジンは、砂や氷のような小さい粒子状物質により損傷を受けやすい。このようなＶＴＯＬ航空機は、ガスタービンエンジンに供給される吸気にかなりの量の砂や氷が混入し得る様々な状況で操縦され、大きな損傷を与えることがある。例えば、砂漠上の低高度で動作するヘリコプターエンジンは、砂や粉塵粒子が取り込まれることによって、エンジンブレードが腐食し、性能が急速に低下する。この問題を解決するために、種々の入口粒子分離（ＩＰＳ）システムが開発され、様々な種類のガスタービンエンジンで使用されている。

非常に効果的な分離を行う手段の１つは、粒子が混入した入口空気をエンジンのコアに入る前に遠心分離するエンジン入口を、送風機システムに取り付けることである。混入した粒子によって空気が高い遠心速度まで加速されると、遠心流の内部からコアエンジン自体に比較的清浄な空気が引き込まれる。異物自体は、その密度のために、空気ほど急速に半径方向内側に引き込まれることはなく、粒子が外径周りから収集チャンバへ至る本来の軌道をたどる傾向がある。また、機械式送風機を使用する適切に設計されたＩＰＳシステムは、９０％を超える分離効率（η_sep）を達成する。機械式送風機を通る空気流量は、エンジンコアを通る空気流量の１０〜３０％とすることができる。しかし、このような送風機システムを有するＩＰＳシステムは、より高い高度で粒子状物質がない場合でも、飛行中に常に動作しているため、重大な性能上の欠点を有する。ＩＰＳ送風機が常に運転されていると、高い高度での飛行中の電力消費が大きい。また、送風機を有するＩＰＳシステムにより、ＩＰＳシステムの重量に加えて全体的な費用が増加し、ガスタービンエンジンの性能に悪影響を与える。さらに、送風機システムの寿命は限られており、同一の性能、またはよりよい性能を発揮しつつ、メンテナンスを頻繁に、かつ場合によっては安価に行う必要がある。

したがって、送風機のない、より効率的で確実な入口粒子分離システムが必要とされている。

米国特許出願公開第２００９０１１４６０７号公報

本発明の実施形態によれば、入口粒子分離システムが提供される。システムは、エンジン入口から入る空気を、ほぼ汚染された第１の空気流と、ほぼ清浄な第２の空気流とに分離するための軸流分離機を備える。また、システムは、ほぼ汚染された第１の空気流を受けるための軸流分離機と流体連通する捕集サブシステムを備える。最後に、システムは、ほぼ汚染された第１の空気流と流体連通して配置された、捕集サブシステムおよびエンジン入口を通して空気を誘導するための流体装置を備える。

本発明の別の実施形態によれば、流体装置が提供される。流体装置は、ガスタービンエンジンのコンプレッサからの圧縮空気流を受けるための入口とチャンバとを備える。また、流体装置は、圧縮空気を入口粒子分離ダクト内に噴射するためのノズルを備え、入口粒子分離ダクトは、ほぼ汚染された空気流を供給する。さらに、流体装置は、入口に配置された、コンプレッサからの圧縮空気流を制御するための、１つまたは複数のバルブあるいは流量制御装置を備える。

本発明の別の実施形態によれば、入口粒子分離システムを操作する方法が提供される。方法は、ほぼ汚染された空気流を通す入口粒子分離ダクト上の所望の位置に流体装置を設けるステップを含む。また、本方法は、流体装置のノズルを通して圧縮空気を入口粒子分離ダクト内に供給するステップを含む。さらに、方法は、流体装置の動作中に、増幅した、ほぼ汚染された空気流を入口粒子分離ダクト内に誘導するステップを含む。最後に、方法は、エンジン入口空気中の粒子量に基づいて圧縮空気を供給するための流体装置の１つまたは複数の弁を制御するステップを含む。

本発明の前記その他の特徴、態様および利点は、添付図面を参照しながら以下の詳細な説明を読めば、よりよく理解できるだろう。図面全体を通して、同一の符号は同一の要素を示す。

本発明の実施形態による入口粒子分離システムの一部破断立面図である。 本発明の実施形態による流体装置の断面図である。 本発明の実施形態による入口粒子分離システムを操作する方法のフローチャートである。

本発明の種々の実施形態の要素を紹介するときに、冠詞「ａ」、「ａｎ」、「ｔｈｅ」および「ｓａｉｄ」は、１つまたは複数の要素があることを意味する。「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｈａｖｉｎｇ」という用語は、包括的であり、挙げられた要素以外の追加の要素が存在することを意味する。運転パラメータの例は、開示された実施形態の他のパラメータを除外するものではない。

図１は、本発明の実施形態による入口粒子分離システム１０を示す。入口粒子分離システム１０は、航空機エンジン（図示せず）の前端部に取り付けられるように設計されたユニットである。一実施形態では、入口粒子分離システム１０は完全に取り外し可能なユニットである。入口粒子分離機１０の機能は、エンジン入口空気から異物を分離し、これにより生じたほぼ清浄な空気をエンジンのコアに向けることである。図示したように、環状入口１２を通して外気を入口粒子分離機１０に引き込む。流入空気は、環状入口１２を通って吸気流路部１４を流れる。吸気流路部１４の外側境界は外側ケーシング１６により形成される。吸気流路部１４の内側境界は、ハブ部１８により形成される。図示したように、ハブ部１８の直径は、吸気流路部１４に沿って下流方向に徐々に増加する。非限定的な方法では、ハブ部１８の直径が吸気流路部１４を通って増加する程度は、いくらか変化しうる。

ハブ部１８の直径は、最大直径２０の点に達するまで徐々に増加し続けた後、急速に減少する。直径が減少する入口粒子分離機１０のこの部分を、分離部２２として説明する。分離部２２は、エンジン入口空気中の異物が物理的に分離されて、ほぼ汚染された第１の空気流と、最終的にエンジンのコア（図示せず）に入るほぼ清浄な第２の空気流とを形成する領域である。異物がこの領域で分離されるのは、入口空気がハブの最大直径２０の点を過ぎて急速に加速された後に、急速に半径方向内側に曲がってコンプレッサ入口２４へ向かうためである。エンジンのコンプレッサは、不要な詳細を避けるため図示しないが、その位置は、コンプレッサ入口２４の指定位置のすぐ下流である。

コンプレッサは、一般に、流れ効率を過度に低下させることなく、半径方向内側に空気を引き込む。一方、入口空気流に混入した異物は、固体粒子からなり、当然、混入されているガス流よりも密度が高い。異物は密度が高い（体積当たりの質量が大きい）ため、異物の運動量によって粒子が本来の流れ方向に流れ続ける傾向が大きく、空気のように最大ハブ直径２０の後に半径方向内側に急速に曲がることはない。したがって、異物は軸方向に流れ続ける傾向があり、通路またはダクト２６に入る。

分離部２２では、異物を構成する固体粒子の運動量により、粒子がほぼ清浄な第２の空気流とともに曲がることができず、通路またはダクト２６内のほぼ汚染された第１の空気流とともに流れ続ける。ほぼ汚染された第１の空気流は、ダクト２６内へ内側に引き込まれる前に捕集サブシステム２８に入る。さらに、スプリッタ先端３４により、流路が捕集システム２８とコアエンジン流路３６とに分離される。捕集サブシステム２８は、捕集羽根３０を備える。高い分離効率を得るために、入口粒子分離システム１０は、流入空気に混入された異物がコンプレッサ入口２４に入らないように設計された流路を有する。さらに、捕集サブシステム２８は、異物が捕集システム２８の構造要素に当たった後に前方に跳ね返ってコンプレッサ入口２４に入る可能性を減らすように設計される。

さらに、入口粒子分離システム１０は流体装置３２を備え、流体装置３２は、ほぼ汚染された空気の捕集サブシステム２８内への流れを促進する通路またはダクト２６上の所望の位置に配置される。一実施形態では、流体装置３２がコアンダ効果流量増幅器である。ダクト２６を通る流体流により、粒子が捕集サブシステム２８に入る可能性が高まる。一実施形態では、ダクト２６を通る流体の流速が、コアエンジン流路３６を通ってコンプレッサ入口に入る流体の流速に対する割合として表され、約５％〜約３０％とすることができる。また、９０％を超える分離効率（η_sep）を達成可能な機械式送風機を使用した適切な設計のＩＰＳシステムに匹敵する入口粒子分離システム１０により、９０％を超える分離効率を達成することができる。このようなＩＰＳシステムの機械式送風機を通る空気の流速は、エンジンコアを通る空気の流速の約１０〜約３０％とすることができる。

図２は、本発明の実施形態による流体装置５０の断面図を示す。流体装置５０は、ほぼ汚染された空気流のための通路またはダクト（図１に符号２６で示す）上の所望の位置に取り付けられる。一実施形態では、高い分離効率が得られるように、流体装置５０が通路またはダクト（図１に符号２６で示す）上の最適な位置に取り付けられる。図示したように、汚染された空気は、入口通路５２を通って流入、流体装置５０の出口５３から流出する。流体装置５０は、ガスタービンエンジンからの圧縮空気流を受けるための入口５４を備える。圧縮空気を、ガスタービンエンジンのコンプレッサまたは燃焼器の抽気口または防氷口から供給することができる。一実施形態では、入口５４が、コンプレッサの熱力学的に所望の位置に設けられた抽気口と連通する。あるいは、圧縮空気を、ガスタービンエンジンのタービン部から供給することもできる。さらに、圧縮空気はチャンバ５６に流入した後、高速でリングノズル５８を通って、ほぼ汚染された第１の空気流を通すダクトに流入することができる。一実施形態では、チャンバ５６が環状チャンバである。別の実施形態では、流体装置の入口５４を通る流体の流速が、流体装置の入口通路５２を通る流体流に対する割合として表され、約３％〜約３０％とすることができる。流体装置５０の流路内壁が、出口５３に向かうノズル５８近くにコアンダプロファイル６０を有することに注目すべきである。ノズル５８から流出する圧縮空気の噴流は、コアンダノズルプロファイル６０に付着する。これにより、入口通路５２の中心に低圧領域が生じて、出口５３に向かう圧縮空気の噴流とともに通路内の汚染された空気の加速流を誘導する。さらに、汚染された空気の加速流により、砂、塵、氷等の粒子が半径方向外側に送られ、収集チャンバ（図示せず）で収集される。一実施形態では、流体装置５０が、エンジン入口空気中の粒子状物質の量に基づいてダクトに流入する圧縮空気流を制御するための１つまたは複数の弁を備える。別の実施形態では、流体装置５０が、エンジン入口空気中の粒子状物質の量に基づいてダクトに流入する圧縮空気流を制御するための流量制御装置を備える。これは、エンジン入口空気中に粒子がほとんど、またはまったくないときに、入口粒子分離システム１０（図１に示す）を容易に遮断または調節することができるため、有利であり、これによりエンジン動作効率が向上する。一実施形態では、コンプレッサの抽気口に配置された抽気弁またはダンパを使用して、流体装置を作動または停止させことができる。

図３は、本発明の実施形態によるガスタービンエンジンの入口粒子分離システムを操作する方法１００のフローチャートである。ステップ１０２において、方法は、ほぼ汚染された空気流を通す入口粒子分離ダクト上の所望の位置に流体装置を設けるステップを含む。流体装置により、まず、ほぼ汚染された第１の空気流を通す入口粒子分離ダクトの捕集サブシステムを通して空気を誘導し、さらに空気を入口粒子分離ダクト内に誘導することができる。ステップ１０４において、方法は、流体装置のノズルを通して圧縮空気を入口粒子分離ダクト内に供給するステップを含む。さらに、ステップ１０６において、方法は、流体装置の動作中に、増幅した、ほぼ汚染された空気流を入口粒子分離ダクト内に誘導するステップを含む。最後に、ステップ１０８において、方法は、エンジン入口空気中の粒子量に基づいて圧縮空気を供給するための流体装置の１つまたは複数の弁を制御するステップを含む。一実施形態では、１つまたは複数の弁が、抽気口弁またはダンパ弁を備える。１つまたは複数の弁を制御するステップは、エンジン入口空気中に粒子が少量存在するか、または粒子状物質が存在しないかに応じて、弁を調節するステップ、あるいは流体装置を完全に遮断するステップを含む。

本方法およびシステムにより、エンジン入口空気中の汚染量に基づいて入口粒子分離システムを操作できることが有利である。したがって、高い高度にあり、異物がないときに、システムを調節、または容易に停止させて節電し、エンジン動作効率を高めることができる。さらに、入口粒子分離システムの流体装置によって、汚染された空気の加速流により半径方向外側に遠心分離される粒子状物質をさらに分離する。また、入口粒子分離システムに送風機ではなく流体装置を設けると、より経済的になりメンテナンスも少なくて済む。ブレードの摩耗の問題が生じる送風機とは異なり、流体装置は、通過する砂粒子に対してより高い耐性を持っているからである。さらに、本システムの重量はより軽く、航空機エンジンの効率に良い影響を与える。さらに、本発明の利点には、改良されたエンジンのパッケージングが含まれ、これにより、入口粒子分離システムは変速機から離して設置される。

さらに、当業者は、異なる実施形態の種々の特徴が入れ替え可能であることを理解するだろう。同様に、当業者は、前述した種々の方法ステップおよび特徴、このような方法及び特徴のそれぞれに対する他の公知の等価物を、本開示の原理に従って組み合わせ、対応させることにより、さらなるシステムおよび技術を構成することができる。もちろん、前述したこのような目的または利点のすべてが、必ずしも特定の実施形態により達成できるわけではないことを理解すべきである。したがって、例えば、当業者は、本明細書に記載されたシステム及び技術を、教示された１つまたは複数の利点を達成または最適化するような方法で、教示または提示された他の目的または利点を必ずしも達成することなく、具現化し実施することができる。

本発明のある特徴のみについて本明細書で図示し説明したが、当業者は多くの修正および変更に想到するだろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、このような修正および変更すべてを発明の真の精神に属するものとして含むことを理解すべきである。

１０ 入口粒子分離システム
１２ 環状入口
１４ 吸気流路部
１６ 外側ケーシング
１８ ハブ部
２２ 分離部
２４ コンプレッサ入口
２６ 通路またはダクト
２８ 捕集サブシステム
３０ 捕集羽根
３２ 流体装置
３４ スプリッタ先端
３６ コアエンジン流路
５０ 流体装置
５２ 入口通路
５３ 出口
５４ 入口
５６ チャンバ
５８ リングノズル
６０ コアンダプロファイル
１００ 方法

Claims (6)

1. 入口粒子分離システムであって、
   エンジン入口から入る空気を、ほぼ汚染された第１の空気流と、ほぼ清浄な第２の空気流とに分離するための軸流分離機を備え、
   前記軸流分離機（１０）は、外側ケーシング（１６）とハブ部（１８）とを備え、
   前記外側ケーシング（１６）及び前記ハブ部（１８）は、該ハブ部の直径が最大直径まで増加する吸気流路部（１４）と、該ハブの直径が減少する分離部（２２）とを備え、
   入口粒子分離システムは、さらに、
   前記外側ケーシング（１６）と前記ハブ部（１８）との間で前記分離部（２２）に隣接して設けられ、前記エンジン入口の空気を前記第１の空気流と第２の空気流とに分離するスプリッタ先端（３４）と、
   前記スプリッタ先端（３４）と前記外側ケーシングとの間の捕集羽根（３０）と、前記ほぼ汚染された第１の空気流のためのダクト（２６）とを備え、該ほぼ汚染された第１の空気流を受けるための前記軸流分離機と流体連通する捕集サブシステムと、
   前記ほぼ汚染された第１の空気流と流体連通して配置され、前記捕集サブシステムおよび前記エンジン入口を通る該ほぼ汚染された第１の空気流を加速させるための流体装置と
   を備え、
   前記流体装置が、コンプレッサ、燃焼器、またはガスタービンエンジンのタービンから前記ダクトに圧縮空気を供給し、
   前記流体装置が、前記圧縮空気流を受けるための入口（５４）と、前記ほぼ汚染された第１の空気流を受けるための入口通路（５２）と、前記ほぼ汚染された空気を前記圧縮空気とともに通すための出口通路と、前記圧縮空気流を受けるための環状チャンバ（５６）と、前記ほぼ汚染された第１の空気流のためのダクト内に前記圧縮空気を噴射させるためのリングノズル（５８）と、を備える、前記補修羽根（３０）の直ぐ下流に設けられたコアンダ効果流体増幅器である、入口粒子分離システム。
2. 前記流体装置が、前記ほぼ汚染された第１の空気流のための前記ダクト上の所望の位置に取り付けられる、請求項１記載のシステム。
3. 前記流体装置の前記入口が、前記タービン又は燃焼器の抽気口と連通する、請求項１又は２記載のシステム。
4. 前記流体装置の動作を調節するための１つまたは複数の制御弁をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項記載のシステム。
5. 前記流体装置の前記入口が、前記ほぼ汚染された第１の空気流のための前記ダクトに流入する前記圧縮空気流を制御するための１つまたは複数の弁あるいは流量制御装置を備える、請求項１記載のシステム。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の入口粒子分離システムを備えるガスタービン航空機エンジン。
   

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