CN101122260B - 用于利用热管的涡轮机引擎的热传递系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了一种用于涡轮机引擎的热传递系统，所述类型的涡轮机引擎包括环形壳体(14)，在所述环形壳体中设置有大体上沿径向延伸的支柱构件(20)的阵列。所述热传递系统包括至少部分地设置在所述支柱构件(20)中选定的一个支柱构件内部的至少一条主热管(36)；至少一条辅助热管(48)，所述至少一条辅助热管被设置在所述风机壳体(14)的外部并且被热联接至至少一条主热管(36)且被热联接至热源。来自所述热源的热量可通过所述辅助热管(48)被传递至所述主热管(36)且被传递至所述选定的支柱构件(20)。

Description

用于利用热管的涡轮机引擎的热传递系统和方法
技术领域
本发明主要涉及涡轮机引擎，且特别是，本发明涉及一种利用热管以传递燃气轮机引擎内的热量的系统和方法。
背景技术
燃气轮机引擎利用加压机油对各个部件(例如轴承等)进行润滑和冷却。机油在该过程中吸收了大量热量，该热量必须被去除以保持机油的温度处于可接受的界限内。现有技术的燃气轮机引擎通常采用热交换器以便利用相对较冷的空气流例如风机排出的空气对引擎的机油进行冷却。在涡轮风机引擎中，该热交换器通常被设置在风机管道(fan duct)的流径中。该构型导致产生压力损失且因此导致产生较大的燃料燃烧损失。已估计出与这类构型相关联的比燃料消耗量(SFC)损失可能高达1％。还存在与该构型相关联的成本和重量损失。
此外，在一些引擎中，出口导流叶片(OGVs)、风机支柱(fan strut)或位于风机下游的风机管道中的其它支柱状构件会在特定的环境条件下产生积冰现象。在引擎和过度暴露的引擎结构内可能产生严重的积冰现象。堆积的冰可能会导致出口导流叶片的通路发生局部堵塞且可能导致风机不稳定。积聚的冰还可例如在引擎连续运行的作用下、在从更低功率运行转向更高功率运行的过程中产生的节流阀爆裂的作用下、或者在由于积冰紊流或不对称而产生的振动作用下突然脱落。
现有技术中存在多种防止结冰的方法，例如在升高的运行温度下运行引擎、将来自引擎压缩机的高温排气引导至暴露表面、在运行之前用除冰溶液对引擎进行喷涂以及进行电阻加热。然而，所有这些方法存在多个缺点。升高的运行温度和排放系统可能降低引擎的性能。这种系统可能还需要阀以便在起飞和其它高功率运行过程中切断高温空气流从而保护引擎。除冰流体仅在有限时间内提供保护。电加热需要大量的电力以便实施除冰操作且可能需要附加的发电机、电路并且需要与飞机的计算机产生复杂相互作用的逻辑电路，这样就附加地增大了成本、重量和性能损失。
发明内容
本发明解决了现有技术中所存在的上述缺点，本发明提供了一种热传递系统，所述热传递系统去除来自引擎润滑油中的废热并且将该热量传递至需要加热的引擎部件，从而例如实现防止结冰或除冰的目的。利用热管传递该热量，而不需要阀或泵，所述热管是轻质、密封且被动的。此外，热管可使用工作流体，所述工作流体是不易燃的以避免在引擎内出现失火的危险。
根据一个方面，本发明提供了一种用于涡轮机引擎的热传递系统，所述类型的涡轮机引擎包括环形壳体，在所述环形壳体中设置有大体上沿径向延伸的支柱构件的阵列。所述热传递系统包括：至少部分地设置在所述支柱构件中选定的一个支柱构件内部的至少一条主热管；和至少一条辅助热管，所述至少一条辅助热管被设置在所述风机壳体外部并且被热联接至所述至少一条主热管且被热联接至热源，从而使得来自所述热源的热量可通过所述辅助热管被传递至所述主热管且被传递至所述选定的支柱构件。
根据本发明的另一方面，一种燃气轮机引擎包括：环形风机壳体；设置在所述环形风机壳体中的大体上沿径向延伸的导流叶片的阵列，每个导流叶片具有由在间隔开的前缘与后缘之间延伸的第一侧和第二侧限定出的翼面剖面；多条主热管，每条主热管被至少部分地设置在所述导流叶片中的一个导流叶片的内部，以便限定出第一主热管阵列；和辅助热管，所述辅助热管被设置在所述风机壳体外部并且被热联接至所述第一主热管阵列且被联接至热源，从而使得来自所述热源的热量可通过所述辅助热管被传递至所述主热管且被传递至所述导流叶片。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于传递涡轮机引擎中的热量的方法，所述涡轮机引擎具有环形壳体，在所述环形壳体中设置有大体上沿径向延伸的导流叶片的阵列。所述方法包括：提供多条主热管，每条主热管被至少部分地设置在所述导流叶片中的一个导流叶片的内部；提供辅助热管，所述辅助热管被设置在所述风机壳体外部并且被热联接至所述第一主热管阵列且被联接至热源；在所述辅助热管中接收来自所述热源的热量并将所述热量传递至所述主热管；并且在所述主热管中接收来自所述辅助热管的热量并将所述热量传递至所述导流叶片。
附图说明
通过以下描述并且结合附图可以最佳方式理解本发明。
图1是燃气轮机引擎的风机部段的侧剖视图，所述燃气轮机引擎包括根据本发明的一个方面构造出的热传递系统；
图2是沿图1所示的线2-2截取的出口导流叶片的视图；
图3是图1所示的风机部段的一部分的透视示意图；
图4是在联接器的另一可选构型中连接在一起的一对热管的剖视图；
图5是在联接器的又一可选构型中连接在一起的一对热管的剖视图；和
图6是图1所示的风机部段的一部分的透视示意图，图中示出了热管与热交换器之间的连接情况。
具体实施方式
参见附图，在所述附图中使用相同的附图标记表示相同的元件，图1示出了燃气轮机引擎的风机部段的一部分，所述燃气轮机引擎包括具有面向前方的分流器12的内部壳体10，和具有内表面16和外表面18的环形风机壳体14，所述环形风机壳体通过沿径向延伸的风机支柱的阵列20被连接至内部壳体10。多个出口导流叶片(OGVs)22在内部壳体10与风机壳体14之间进行延伸。出口导流叶片22中的每个出口导流叶片(同样如图2所示)具有叶根24、顶部26、前缘28、后缘30、以及相对的侧部32和34。出口导流叶片22具有翼面的形状且被定位和定向以便从被排出上游风机(未示出)的空气流中去除切向涡流分量。在图示实例中，风机支柱20和出口导流叶片22具有不同的功能，风机支柱20提供了结构支承，而出口导流叶片22则用于实现空气动力学的目的，所述风机支柱和出口导流叶片都是沿大体上径向的方向延伸的“支柱构件”。然而，在其它引擎构型中，这些功能可被结合在单排大体上沿径向延伸的支柱构件中。
出口导流叶片22可由任何材料构成，所述材料具有足够的强度以承受预计的作业载荷且可被成形为所需形状。在图示实例中，出口导流叶片22由非金属复合材料形成，所述非金属复合材料包括其中设置有增强纤维的基体，例如玻璃增强塑料、碳-碳材料或碳-环氧树脂材料。这些材料是坚固且轻质的，但与金属合金相比具有相对较低的热导率。金属也可被用于出口导流叶片22。适当金属的实例包括铝基、铁基、镍基或钛基合金。
主热管36被设置在出口导流叶片22中的一个或多个出口导流叶片的内部。在图示实施例中，主热管36被置于单个出口导流叶片22的剖面内的接近前缘28的位置处，并且以平行于前缘28的方式进行延伸。这些被置于前部的主热管36一起形成了主热管36的前部阵列38(参见图3)。另一主热管36也被置于出口导流叶片22的剖面内且位于出口导流叶片22的后半部中更接近后缘30的位置处，并且以平行于堆叠轴线“S”的方式进行延伸。这些被置于后部的主热管36一起形成了主热管36的后部阵列40。如图2所示，主热管36位于出口导流叶片22内的部分可被成形为椭圆形、平的或其它非圆形的剖面形状，以便在被装配在出口导流叶片22的厚度内时提供所需的剖面区域。尽管图中未示出，但主热管36还可能位于在出口导流叶片22的侧部32或34中形成的开口沟槽内，在所述情况下，主热管36将分别形成侧部32或34的表面的一部分。如果需要，主热管36还可能被置于风机支柱20内。
每条主热管36具有细长的外壁42，所述外壁具有限定出腔体44的封闭端部。位于每条主热管36伸出通过风机壳体14的端部处或接近所述端部的位置处的部分被称作“热”或“蒸发器”部分45(参见图3)。主热管36被置于出口导流叶片22内的部分被指定为“冷”或“冷凝器”部分46(参见图1)。腔体44装衬有毛细管结构或管芯(未示出)并保持工作流体。多种工作流体如气体、水、有机物质和低熔点金属已公知地可用于热管中。工作流体可以是不易燃的以便避免将失火的危险带入风机壳体14的区域内。
主热管36在传递热量方面是极为高效的。例如，其有效的热导率比固体铜的热导率高几个数量级。基于在引擎工作过程中所需的热传递程度而选择主热管36的数量、长度、直径、形状、工作流体、毛细管结构和其它性能参数。下面对主热管36的运行作更详细地描述。
一条或多条辅助热管48被设置在风机壳体14的外部周围且位于与主热管36邻近的位置处。在图示实例中，设置了第一对辅助热管48A。每条辅助热管48A在风机壳体14周围且与主热管36的前部阵列38的外部热部分45邻近的位置处形成了近180度的圆弧。还设置了另一对辅助热管48B。每条辅助热管48B在风机壳体14周围且与主热管36的后部阵列40的外部热部分45邻近的位置处形成了近180度的圆弧。辅助热管48A和48B还可能包括多个圆弧部段，每个所述圆弧部段围绕风机壳体14的一部分(例如利用8、12或16个部段覆盖风机壳体14的整个圆周)。通过选择性地使这些圆弧部段的多个部分绝缘，可根据需要平衡圆周的热分布。
辅助热管48的一般构造与主热管36相似。如图1所示，每条辅助热管48具有细长的外壁50，所述外壁具有限定出腔体52的封闭端部。位于接近每条辅助热管48的端子端部的位置处的一个部分被指定为“热”或“蒸发器”部分54，而其它部分被指定为“冷”或“冷凝器”端部或部分56。应当注意到，当结合主热管36和辅助热管48使用术语“热”、“蒸发器”、“冷”和“冷凝器”时，通过所述术语描述的是热管在相对高温或低温区域中的定位，且并不涉及热管本身的结构的任何特定方面。腔体52装衬有毛细管结构或管芯(未示出)并包含工作流体。多种工作流体如气体、水、有机物质和低熔点金属已公知地可用于热管中。工作流体可以是不易燃的以便避免将失火的危险带入风机壳体14的区域内。
辅助热管48在传递热量方面也是极为高效的。例如，其有效的热导率比固体铜的热导率高几个数量级。基于在引擎工作过程中所需的热传递程度而选择辅助热管48的数量、长度、直径、形状、工作流体和其它性能参数。下面对辅助热管48的工作进行更详细地描述。
在主热管36与辅助热管48相接的每个位置处，主热管36沿切线方向进行延伸，且二者通过联接器58被联接在一起。联接器58由具有相对较高热导率的材料例如金属合金制成并且被组装、连结、模制成型或以其它方式形成于主热管36和辅助热管48周围。在图1所示的实例中，主热管36和辅助热管48具有圆形剖面且大体上沿与沿切线方向的联接器58的长度平行的线彼此接触。
可通过多种方式形成主热管与辅助热管48之间的联接以便提高热传递的效率。例如，图4示出了一种可能的构型，其中填料60被置于联接器58内部且位于两种热管之间的空隙中。可利用具有相对较高热导率的任何材料，例如金属、传导糊剂或塑料。利用填料60有效地增加了主热管36与辅助热管48之间的接触表面面积且因此改善了热传递。
图5示出了利用变型的主热管36′和辅助热管48′的另一种可能的构型。主热管36和辅助热管48的至少被包含在联接器58内的部分被成形为互补的非圆形形状，以使得主热管36和辅助热管48具有邻接壁部62和64，所述邻接壁部以大体上相符的方式接触从而增强热传递。
如图6所示，辅助热管48的蒸发器部分或端部54被设置在热交换器66内部。热交换器66简单地为壳体，所述壳体具有开口的内部，引擎机油借助于机油导管68而循环通过所述开口的内部。被连接至机油导管68的机油贮存、循环和分配系统的其余部分在燃气轮机引擎的技术领域内是常规的，且在此不进行讨论。
热绝缘装置可被设置在防结冰和机油冷却系统内需要防止热损失的任何地方，为简要起见并未示出所述热绝缘装置。例如，绝缘装置可被置于热交换器66的外部、辅助热管48的外部、以及主热管36和联接器58的暴露部分的周围。
在工作中，已经从引擎的各个部分吸收热量的机油循环进入热交换器66内，在所述热交换器处，机油对辅助热管48的热或蒸发器部分54进行加热。热量的去除使得机油被冷却至可接受的工作温度，从而使得所述机油可再循环通过引擎。辅助热管48内的工作流体吸收热量并蒸发。所产生的蒸汽随后流过腔体52，并且在辅助热管48的冷部分56处冷凝，由此将热量传递至联接器58内部的冷部分56。从辅助热管48的一端延伸至另一端的管芯通过毛细管作用将经过冷凝的液体输送回热部分54，由此完成循环。来自辅助热管48的冷部分56的热量被传递至主热管36的热部分45。
主热管36内部的工作流体吸收该热量并蒸发。所产生的蒸汽随后流过腔体44，并且在主热管36的冷部分46处冷凝，由此将热量传递至出口导流叶片22。在主热管36内延伸至另一端(to the other)的管芯或其它毛细管结构通过毛细管作用将经过冷凝的液体输送回热部分45，由此完成循环。根据加热速率的不同，向出口导流叶片22进行的热传递可有效地防止成冰(即防止结冰)和/或去除已经在出口导流叶片22上形成的冰(即除冰)。如果需要，主热管36的特性可产生变化以便适应其各自的取向。例如，水平主热管36或者其中的热部分45位于顶部处的垂直主热管36可能需要进行设计，以便与热部分45位于底部处的垂直主热管36相比提供更强的毛细管作用，从而确保足够的冷凝物回流。
上述被动的热传递系统不需要阀且是密封的。主热管36和辅助热管48的数量、尺寸和位置可被选择以便根据需要提供除热和热传递。根据所选择的确切构型，系统性能可仅用于防止结冰或除冰，或仅用于进行机油冷却，或同时实现两种目的。热传递系统利用了在引擎的一个部分中不需要的热量，并且在引擎的另一个需要热量的部分中利用所述不需要的热量，从而既避免了与现有技术的冷却系统相关联的损失又消除了对于独立的防结冰热源的需要。
虽然已对本发明的特定实施例进行了描述，但本领域技术人员易于理解，可在不偏离本发明的精神和范围的情况下对本发明作出多种变型。因此，前面对本发明的优选实施例和用于实践本发明的最佳模式进行的描述仅旨在用于示例性的目的而不旨在用于限制性的目的，本发明的保护范围由所附权利要求书来限定。
零件表
  10   内部壳体
  12   分流器
  14   环形风机壳体
  16   内表面
  18   外表面
  20   风机支柱
  22   出口导流叶片
  24   叶根
  26   顶部
  28   前缘
  30   后缘
  32   相对的侧部
  34   相对的侧部
  36   主热管
  38   热管的前部阵列
  40   热管的后部阵列
  42   外壁
  44   腔体
  45   热或蒸发器部分
  46   冷或冷凝器部分
  48   辅助热管
  48A   第一对辅助热管
  48B   辅助热管
  50   外壁
  52   腔体
  54   热或蒸发器部分
  56   冷或冷凝器端部或部分
  58   联接器
  60   填料
  62   邻接壁部
  64   邻接壁部
  66   热交换器
  68   机油导管

Claims (10)

1.一种用于涡轮机引擎的热传递系统，所述涡轮机引擎包括环形壳体(14)，在所述环形壳体中设置有大体上沿径向延伸的支柱构件(20)的阵列，所述热传递系统包括：
至少一条主热管(36)，其具有细长的外壁和封闭端部，限定了包含第一流体的密封的第一腔体，所述主热管至少部分地设置在所述支柱构件(20)中的一个选定支柱构件内部；
至少一条辅助热管(48)，其具有细长的外壁和封闭端部，限定了独立于所述第一腔体而密封并包含第二流体的第二腔体，所述辅助热管被设置在所述环形壳体外部并且被热联接至所述至少一条主热管(36)且被热联接至热源，从而使得来自所述热源的热量可通过所述辅助热管(48)被传递至所述主热管(36)且被传递至所述选定的支柱构件(20)而不需要从所述主热管传递任何所述第一流体也不需要从所述第二热管传递任何所述第二流体。
2.根据权利要求1所述的热传递系统，其中：
所述选定的支柱构件(20)是具有由在间隔开的前缘与后缘(28、30)之间延伸的第一侧和第二侧(32、34)限定出的翼面剖面的导流叶片(22)；并且
所述主热管(36)被包含在所述翼面剖面内。
3.根据权利要求1所述的热传递系统，其中：
所述选定的支柱构件(20)是具有由在间隔开的前缘与后缘(28、30)之间延伸的第一侧和第二侧(32、34)限定出的翼面剖面的导流叶片(22)；并且
所述第一侧和第二侧(32、34)中的选定一侧的至少一部分由所述主热管(36)的暴露部分限定。
4.根据权利要求1所述的热传递系统，其中所述选定的支柱构件(20)包括非金属材料。
5.根据权利要求1所述的热传递系统，其中所述选定的支柱构件(20)由非金属复合材料构成，所述非金属复合材料包括其中设置有增强纤维的基体。
6.根据权利要求1所述的热传递系统，其中所述主热管和辅助热管(36、48)通过导热材料的联接器彼此热联接，所述联接器围绕所述主热管和辅助热管(36、48)的至少一部分。
7.根据权利要求6所述的热传递系统，其中通过所述联接器(58)使所述主热管和辅助热管(36、48)彼此保持物理接触。
8.根据权利要求1所述的热传递系统，其中在所述联接器(58)内且在所述主热管和辅助热管(36、48)之间限定出的空间由导热材料的填料占据。
9.根据权利要求1所述的热传递系统，其中所述主热管和辅助热管(36、48)位于所述联接器(58)内的多个部分具有相互互补的非圆形形状且被设置以大体上相符的方式彼此接触。
10.根据权利要求1所述的热传递系统，其中：
第一主热管(36)被至少部分地设置在所述选定的支柱构件(20)内部且接近所述构件的前端的位置处；并且
第二主热管被至少部分地设置在所述选定的支柱构件(20)内部且位于所述第一主热管(36)后部的位置处。
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