CN100419235C - 涡扇发动机的内部防冰系统和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于防止在涡扇发动机(10)的内表面上结冰或从其上除冰的系统方法。识别出与涡扇发动机(10)的增压压缩机相关的分流器区域(18)。分流器区域(18)具有处于进气结冰条件下的位于涡扇发动机(10)内部的表面。沿分流器区域(18)的前缘模制树脂(26)，并将加热装置(24)安装在树脂(26)内，以在结冰条件期间防止在分流器区域(18)上结冰或者从分流器区域(18)上除冰。

Description

涡扇发动机的内部防冰系统和方法
技术领域
本发明涉及燃气涡轮发动机，更具体地涉及其中的除冰装置。
背景技术
在飞行和/或停飞期间，飞行器可能会遇到使飞行器的翼型和其它表面上结冰的大气条件。如果积聚的冰不被除去，它就会改变结冰部件的空气动力学轮廓，从而对发动机的空气动力学性能造成不利的影响。因此，要求飞行器的发动机具有可在结冰环境下工作的能力，以符合联邦航空局的要求。
通常通过将受影响的压缩机翼型设置成具有提高的强度以避免或降低由冰释放所带来的问题，从而进行冰积聚的处理。商用发动机已经能够减轻由冰积聚所引起的操作性问题，这是通过提高空中慢车或地面慢车速度同时不违反推力约束来实现的。然而，由于在技术上已经使得商用发动机达到越来越高的分流比，一些操作性问题变得比过去遇到的更严重，这是因为更多的发动机气流将相应地提高必须被处理的冰的积聚量。
此外，在现有技术中采用复合材料来设计可在较慢转速下工作的更大的风扇叶片。较慢的风扇转速使得在一定的结冰条件下会形成更多的冰积聚。
一种降低增压翼型上的冰积聚的方法是为进气导流叶片(IGV)提供热量，如共同转让的共同未决的美国专利申请No.09/932595所公开的那样。来自高压压缩机的热空气可流过中空的IGV。然而，中空的IGV通常具有较大的厚度。虽然这种构造的防冰系统可起到很好的作用，然而因这一较厚的中空IGV而带来了一定的性能损失。
使空气经进气导流叶片循环的另一方法是使用穿过歧管并通到分流器头部之外的压缩机排放空气来除冰，如共同转让的共同未决的美国专利申请No.09/932595所公开的那样。然而，必须考虑到用于对增压分流器的前缘进行除冰的排气压缩机的空气量对发动机循环造成的必要性能损失。这一损失是压缩机对环境大气做功以使其加压并因而从分流器头部上融化冰的结果，这部分功无法被涡轮机械部件用于产生推力。
因此，希望能够提供一种防冰技术，其能够有效地减少冰对飞行器的威胁，并且不会提高因中空IGV的厚度增大而导致的空气动力学的全面压力损耗。
发明内容
本发明可减少冰对飞行器发动机的内表面的威胁，不再需要中空进气导流叶片和/或使用内部的笨重且复杂的管道系统来去除增压分流器的前缘表面上的冰。本发明的另一优点是不再需要使用压缩机空气和会增加系统重量的体积较大的阀，并且消除了与这种空气使用有关的性能下降。本发明使用了结合到传统涡扇发动机的增压分流器凸缘的前缘附近中的电线圈，以便减少发动机内部表面上的冰积聚。
因此，本发明提供了一种用于防止在飞行器发动机的内表面上结冰或从其上除去冰的系统和方法。
具体地，提出一种用于防止在涡扇发动机的内表面上结冰或从其上除冰的系统，包括：
与所述涡扇发动机的增压压缩机相连接的分流器区域，所述分流器区域具有处于进气结冰条件下的所述涡扇发动机内部的表面；
沿所述分流器区域的前缘模制的树脂；和
电热器，其安装在所述树脂内以在结冰条件期间防止在所述分流器区域上结冰，或者从所述分流器区域上除冰。
电热器包括设置成基本上顺应所述分流器区域的结构的多个电线圈。
所述电热器夹在模制橡胶内。
所述电热器提供受控温度下的连续加热。
所述电热器提供受控温度下的间断性加热。
本发明提出一种用于防止在涡扇发动机的内表面上结冰或从其上除冰的方法，包括步骤：
识别出与所述涡扇发动机的增压压缩机相连接的分流器区域，所述分流器区域具有处于进气结冰条件下的所述涡扇发动机内部的表面；
沿所述分流器区域的前缘模制树脂；和
将电热器安装在所述树脂内，以在结冰条件期间防止在所述分流器区域上结冰或者从所述分流器区域上除冰。
安装所述电热器的步骤包括安装多个电线圈的步骤。
安装所述多个电线圈的步骤还包括将所述多个电线圈设置成基本上顺应所述分流器区域的结构的步骤。
所述电热器提供受控温度下的连续加热。
所述电热器提供受控温度下的间断性加热。
附图说明
在下述详细介绍中并结合附图，更具体地介绍了本发明的优选和代表性实施例，以及本发明的其它目的和优点，在附图中：
图1是通过用于在飞行中为飞行器提供动力的高分流式涡扇燃气涡轮发动机的一部分的轴向剖视图；
图2是通过图1所示的增压压缩机和风扇旁路管道之间的分流器的放大轴向剖视图，显示了根据本发明的作为除冰系统而缠绕在分流器头部上的加热线圈；和
图3是图2所示分流器头部的放大视图，显示了缠绕在分流器头部上的加热线圈。
各标号中的含义如下：10高分流式涡扇燃气涡轮发动机；12中心轴线；14环境大气；16风扇转子叶片；18环形分流器头部；20环形旁路管道；22低压或增压压缩机；24电线圈；26树脂；30进气导流叶片(IGV)；32环形冠部；34分流器壳体；36环形歧管；46阀；48热空气；60控制器；62声衬。
具体实施方式
参见图1，图中显示了高分流式涡扇燃气涡轮发动机10的一部分，发动机10构造成可在相应的飞行包线操作中在起飞、于一定高度下巡航、下降和着陆时为飞行器(未示出)提供动力。发动机围绕纵向或轴向中心轴线12形成轴对称，并包括位于其前端以接受环境大气14的进气口。环境大气14首先与一排风扇转子叶片16接合。从风扇叶片中排出的空气被环形分流器头部18同心地分开，从而分别流经围绕在分流器周围的环形旁路管道20和设于分流器内部的低压或增压压缩机22。
图1所示的基本发动机构造是常规的，虽然未应用本发明，但其已经在本国投入商用运行多年。旁路管道20被部分示出的传统整流罩所包围，由若干排撑杆所支撑，并旁通到排气导流叶片。
在一个代表性实施例中，可采用加热装置如电热器22来代替排气压缩机的防冰空气48，以作为针对涡扇发动机的内部表面的除冰装置。具体地说，提出了采用电线圈24来避免分流器表面中的冰积聚。电线圈可安装在树脂26内，其基本上模制在分流器前缘的形状中。
增压压缩机28包括一排进气导流叶片(IGV)30，在传统结构中，进气导流叶片30首先接受由风扇叶片排出的空气的内侧部分以进入到压缩机中。在本发明的结构中，不再需要中空的因此也是较厚的IGV，不需要使用压缩机空气来融化IGV表面或增压分流器前缘上的冰，采用电热器来避免冰在分流器表面上积聚，并且不会使空气动力学性能下降。
图2更具体地显示了增压压缩机的处于分流器头部18处的那一部分。分流器壳体34与分流器头部18整体地形成为一个单件，其限定了相互配合的冠部32和环形歧管36。IGV30最好固定地安装在周围的环形冠部32上并受其支撑，在此代表性实施例中叶片无法调节。IGV的径向内端适当地安装在内带上，如图1所示。电线圈24放置成基本上顺应分流器的结构，以融化任何形成于分流器上的冰。热空气的沟道效应可通过控制器60和用于将热空气48排放到分流器区域中的阀46来实现。
分流器头部18和IGV30的前缘在飞行包线中在一定的结冰条件下会因风扇空气14所携带的湿气而结冰。通常来说，结冰条件发生在海拔高度低于24000英尺且气温低于凝固点下。在这种工作条件下，如果不采用本发明的话，在分流器头部和IGV上会结冰并形成积聚。
更具体地说，在增压压缩机的分流器区域中引入了防冰系统和方法，以减少、消除或防止在发动机的飞行包线内在结冰条件下冰的形成或积聚。如图2和3所示，沿分流器头部18的所形成的前缘模制了树脂26。在一个典型实施例中，增压分流器的凸缘是三维的，其具有复杂的曲面以满足空气动力学的要求。根据本发明的一个优选实施例，采用了带有非金属蜂窝结构的可买到的高温环氧树脂混合增强系统。模制在净室条件下通过传统的手工铺叠成形技术进行，之后进行高压固化。由可买到的材料发展而来的树脂填充剂/硬化剂系统产生了高温工作性能。通常称为预浸渍件的树脂浸渍织物可采用特殊的无溶剂工艺来商业化制造，此工艺可提供对树脂配制、预浸渍件的制造和存储管理的完全控制。铺叠成形中的陶瓷纤维可提供能满足耐火要求的性能。因此，树脂能够耐受电线圈所产生的必要的热量。
在控制阀46产生故障时，热的排放空气不会损坏分流器组件，这是因为分流器壳体和头部可由能耐受热排放空气的预期温度的适当金属制成。设置在分流器壳体34之后的典型声衬或外层62可通过物理性隔离来免受排放空气的高温。
电线圈24安装在树脂26内以防止冰在分流器上积聚。电热器可由外形适于提供受控加热面积的电阻合金的冲压板制成。在各侧均具有模制橡胶的夹层构件可保护加热元件并保证与金属分流器凸缘的粘结。集成的防冰系统包括电子控制装置和带有集成加热器的复合结构。防冰系统可提供在受控温度下的连续加热，这可防止结冰，尤其是在容易结冰的分流器凸缘处防止发动机的冰吸入。加热元件由飞行器的辅助动力装置提供能量。融化的冰根据发动机的温度而作为液态水或流体流经增压器。可控制线圈24来为分流器的头部区域18提供用于防冰的连续加热，或者提供在受控温度下的用于除冰的间断性加热。由加热线圈提供的温度范围可以变化，并取决于进气气流和发动机的分流比。结冰的严重性将随空气速度和进气温度而变化，因此根据本发明，电线圈24的受控温度可在15到150华氏度之间变化，以提供必要的防冰或除冰能力。
此防冰和除冰系统及方法的一个特殊优点在于，IGV30可保持为具有空气动力学优点的较薄的和实心的，不需要使热排放空气从中径向地通过。因此，通过优化它们的空气动力学结构，就可得到IGV30的最大空气动力学效率，这通常需要较薄的轮廓或厚度。如果在IGV中设有内部通道以用于防冰目的，那么就不可能实现较薄轮廓的IGV。另外，不再需要排气压缩机来在增压分流器或IGV表面上融化冰以提高发动机的性能。
虽然已经参考优选的和代表性的实施例来介绍了本发明，然而本领域的技术人员可以理解，在不脱离本发明范围的前提下可进行各种变化，并用等效结构代替其中的一些部件。因此，本发明并不限于作为实施本发明的最佳方式而公开的此特定实施例，而是包括属于所附权利要求的精神实质和范围内的所有实施例和修改。

Claims (10)

1. 一种用于防止在涡扇发动机(10)的内表面上结冰或从其上除冰的系统，包括：
与所述涡扇发动机(10)的增压压缩机相连接的分流器区域(18)，所述分流器区域(18)具有处于进气结冰条件下的所述涡扇发动机(10)内部的表面；
沿所述分流器区域(18)的前缘模制的树脂(26)；和
电热器，其安装在所述树脂(26)内以在结冰条件期间防止在所述分流器区域(18)上结冰，或者从所述分流器区域(18)上除冰。
2. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，电热器包括设置成顺应所述分流器区域(18)的结构的多个电线圈。
3. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电热器夹在模制橡胶内。
4. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电热器提供受控温度下的连续加热。
5. 根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电热器提供受控温度下的间断性加热。
6. 一种用于防止在涡扇发动机(10)的内表面上结冰或从其上除冰的方法，包括步骤：
识别出与所述涡扇发动机(10)的增压压缩机相连接的分流器区域(18)，所述分流器区域(18)具有处于进气结冰条件下的所述涡扇发动机(10)内部的表面；
沿所述分流器区域(18)的前缘模制树脂(26)；和
将电热器安装在所述树脂(26)内，以在结冰条件期间防止在所述分流器区域(18)上结冰或者从所述分流器区域(18)上除冰。
7. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，安装所述电热器的步骤包括安装多个电线圈的步骤。
8. 根据权利要求7所述的方法，其特征在于，安装所述多个电线圈的步骤还包括将所述多个电线圈设置成顺应所述分流器区域(18)的结构的步骤。
9. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电热器提供受控温度下的连续加热。
10. 根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述电热器提供受控温度下的间断性加热。
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