CN101338701B - 用于冷却涡轮发动机中的流体的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于冷却涡轮发动机中的流体的方法和系统，具体而言，提供了一种用于涡轮发动机(10)的热交换器(100)。该热交换器包括入口(102)和出口(104)以及在入口和出口之间延伸的曲线形主体(105)。该曲线形主体构造成可减少被引导至热交换器中的气流(112)的压力损失。

Description

用于冷却涡轮发动机中的流体的方法和系统
技术领域
本发明大致涉及涡轮发动机，更具体地说，涉及用于冷却涡轮发动机中的流体的方法和系统。
背景技术
至少某些已知的涡轮发动机使用热交换器来冷却在发动机运行期间所使用的油。具体地说，来自发动机或其发电机的油被引导穿过热交换器中的元件，并且来自涡轮风扇的空气被引导经过热交换器元件以冷却油。通常，已知的热交换器包括入口集气室(inletplenum)、热交换器块和出口集气室(outletplenum)，入口集气室包括扩散器，热交换器块包括热交换器元件，出口集气室可包括多个通道(其可包括阀门控制器)。在运行期间，风扇空气被引导进入入口集气室，并在通过出口集气室排出之前穿过热交换器块。流过热交换器元件的油由风扇空气冷却。至少在某些已知的涡轮航空发动机中，热交换器的入口集气室定位成接受从风扇排放的高压空气，而出口集气室定位成促进排出外侧的高压空气。在其它已知的涡轮航空发动机中，入口集气室和出口集气室都联接在发动机外壳上，使得从风扇排放的高压空气在被排放到风扇空气中或发动机机舱上之前被引导穿过热交换器。
众所周知，热交换器的热传递能力在具有高传热系数的区域是最大的，该区域通常与沿着热交换器的内壁而限定的局部高静压力区域具有明显的重叠。然而，穿过热交换器的总的流动压力可能由于入口集气室和出口集气室所产生的阻力，以及由于热交换器元件之间形成的通道而下降。因此，在热交换器中，高热传递能力的区域可能得不到利用(capitalized)，并因此可能减少热传递数量。
发明内容
在一个实施例中，提供了一种装配涡轮发动机的方法。该方法包括提供一种具有曲线形主体的热交换器。该方法还包括将热交换器联接到涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上。曲线形主体有助于减少被引导到热交换器中的气流的压力损失。
在另一实施例中，提供了一种用于涡轮发动机的热交换器。该热交换器包括入口、出口和在入口和出口之间延伸的曲线形主体。该曲线形主体构造成可减少引导到热交换器中的气流的压力损失。
在又一实施例中，提供了一种涡轮发动机。这种涡轮发动机包括发动机外壳和风扇外壳，风扇外壳联接在发动机外壳上，并且径向地定位在发动机外壳的外侧。该涡轮发动机还包括一种热交换器，其构造成可联接在风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上。该热交换器包括入口、出口和在入口和出口之间延伸的曲线形主体。该曲线形主体构造成可减少引导到热交换器中的气流的压力损失。
附图说明
图1是一种示范性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是图1中所示的燃气涡轮发动机的示意图，其包括联接在内侧风扇外壳和外侧风扇外壳之间的示范性热交换器；
图3是图2中所示的热交换器实施例的放大的示意图；
图4是图2中所示的热交换器的备选实施例的放大的示意图；
图5是图1中所示的燃气涡轮发动机的示意图，其包括联接在核心发动机外壳上的示范性热交换器；且
图6是图5中所示的热交换器一部分的放大的示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种用于涡轮发动机的热交换器，其联接在涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上。在示范性实施例中，该热交换器包括曲线形主体。在一个实施例中，热交换器的入口联接在内侧风扇外壳上，而热交换器的出口联接在外侧风扇外壳上，该外侧风扇外壳径向地位于内侧风扇外壳的外侧。在另一实施例中，热交换器入口和出口都联接在发动机外壳上。
应该注意虽然本发明是相对于用于高旁通(highby-pass)涡轮发动机的热交换器进行描述的，但是本领域的普通技术人员应该懂得，本发明并不局限于在高旁通涡轮发动机中使用。相反，本发明可用于需要热交换的任何发动机和/或设备中。出于简单起见，本文关于冷却流过热交换器的油来描述本发明。然而，本领域的普通技术人员应该明白，本发明并不局限于冷却油；相反，本发明可用于冷却任何流体。
图1是示范性燃气涡轮发动机10的示意图，其包括风扇组件12和核心发动机13，核心发动机13包括高压压缩机14、燃烧器16和高压涡轮18。在该示范性实施例中，发动机10还包括低压涡轮20和增压器22。风扇组件12包括径向地从转子盘26向外延伸的风扇叶片阵列24。发动机10具有进气侧28和排气侧30。风扇组件12和涡轮20通过第一转子轴31进行联接，而压缩机14和涡轮18通过第二转子轴32进行联接。风扇外壳50径向地联接在风扇组件12的外侧，并周向地围绕风扇组件12延伸。风扇外壳50包括径向内侧风扇外壳52和径向外侧风扇外壳54。此外，发动机外壳56联接在核心发动机13上，并周向地围绕核心发动机13而延伸。
在运行期间，气流沿着中心轴线34穿过风扇组件12，并且压缩空气被供给高压压缩机14。高度压缩的空气输送给燃烧器16。来自燃烧器16的气流(图1中未显示)驱动涡轮18和20，并且涡轮20通过轴31驱动风扇组件12。
图2是燃气涡轮发动机10的示意图，该燃气涡轮发动机10包括联接在内侧风扇外壳52和外侧风扇外壳54之间的示范性热交换器100。图3是图2中所示的热交换器实施例的放大的示意图。图4是图2中所示的热交换器的备选实施例的放大的示意图。
在该示范性实施例中，热交换器100包括入口102、出口104和在入口102和出口104之间延伸的曲线形主体105。具体地说，曲线形主体105在入口102和出口104之间延伸，使得在曲线形主体105中限定了至少一个弯曲部分106。在图3所示的实施例中，并与其它已知的热交换器相比，入口102直接联接在内侧风扇外壳52上而没有入口集气室，并且出口104直接联接在外侧风扇外壳54上而没有出口集气室。在图4所示的实施例中，并与其它已知的热交换器相比，入口102直接联接在内侧风扇外壳52上而没有入口集气室，并且出口104联接在曲线形出口集气室107上，出口集气室107则联接在外侧风扇外壳54上。在该示范性实施例中，制造没有入口集气室和/或出口集气室的热交换器100使热交换器100能够联接在发动机10上，而不像其它已知的热交换器那样给发动机10增加太多的重量。此外，制造没有入口集气室和/或出口集气室的热交换器100可使热交换器100中发生阻力，并同时在热交换器100中交换热量。
本领域普通技术人员应该明白，热交换器100的许多好处是曲线形主体105带来的结果。因此，在一个实施例中，可制造带有入口集气室和出口集气室，同时保留许多本文所述好处的热交换器100。具体地说，在一个实施例中，利用一种本领域技术人员已知的方法可制造带有入口集气室和出口集气室的热交换器100。
多个曲线形热交换器元件108延伸穿过曲线形主体105。更具体地说，热交换器元件108各从入口102延伸至出口104，并且同样地，在相邻的成对的热交换器元件108之间限定多个通道110。在一个实施例中，热交换器元件108和通道110各形成为具有曲线形状，该形状基本上类似于曲线形主体105的曲线形状。在另一实施例中，至少各热交换器元件108的尺寸、定向和相对位置中的一个是可变的。此外，在各个实施例中，热交换器100具有比已知的热交换器更小的体积，并且同样地，使相邻的成对的热交换器元件108比在已知的热交换器中定位成更靠近在一起。因此，通道110比已知的热交换器中的通道更窄。
在示范性实施例中，在运行期间，来自发动机10的油被引导穿过热交换器元件108，并且将从风扇组件12排放的气流112引导穿过热交换器100。在一个备选实施例中，气流112是外侧空气或周围空气。同已知的热交换器相比，气流112被直接引导至热交换器100中，而没有穿过入口集气室或扩散器。在示范性实施例中，气流112被直接引导至入口102中，并穿过通道110，以促进油和气流112之间的热交换。具体地说，当气流112穿过通道110并穿过热交换器元件108时，促进了油被冷却。在图3所示的实施例中，用过的气流112从热交换器100通过出口104排放出来，而没有穿过出口集气室。用过的气流被排放至发动机10外部的区域114中。在图4所示的实施例中，气流112通过出口集气室107而被排放至区域114中。
在示范性实施例中，当引导气流112穿过热交换器100时，通道110便于增加气流112和油之间的热交换量。具体地说，通道110是狭窄的，并因此使热交换器元件108能够和气流112之间发生更大量的接触，同时比已知的热交换器需要更少用于热交换的气流。此外，热交换器100的曲线形状使气流112能够在弯曲的通道110中流动，从而进一步增加了气流112和热交换器元件108之间的接触。另外，在将气流112引导至热交换器100中的同时，气流112并不被扩散或引导而穿过入口集气室。因此，便于在热交换器100中减少气流112的反向流动损失、空气动力损失和压力损失。具体地说，在一个实施例中，便于将气流112的反向流动损失、空气动力损失和压力损失减少差不多20％。
因此，出于上面给出的原因，热交换器100便于提高发动机10的效率，从而减少与维护发动机10相关联的时间和/或成本。
图5是燃气涡轮发动机10的示意图，该涡轮发动机10包括联接在核心发动机外壳56上的示范性热交换器200。图6是热交换器200的放大的示意图。在示范性实施例中，热交换器200联接在发动机外壳56和连接装置201之间，该连接装置201将热交换器200保持在发动机外壳56上。
在该示范性实施例中，热交换器200包括入口202、出口204和在入口202和出口204之间延伸的曲线形主体204。具体地说，曲线形主体206在入口202和出口204之间延伸，使得在曲线形主体207中限定了至少一个弯曲部分206。在该示范性实施例中，并且与其它已知的热交换器相比，入口202和出口204联接在核心发动机外壳56上，而没有入口集气室或出口集气室。在该示范性实施例中，制造没有入口集气室或出口集气室的热交换器200使热交换器200能够联接在发动机10上，而不像其它已知的热交换器那样给发动机10增加太多的重量。此外，制造没有入口集气室和/或出口集气室的热交换器200降低了热交换器200中的阻力的量，从而提高热交换器200中的热交换量。
多个曲线形热交换器元件208延伸穿过曲线形主体206。更具体地说，热交换器元件208各从入口202延伸至出口204，并且同样地，在相邻的成对的热交换器元件208之间限定多个通道210。在一个实施例中，热交换器元件208和通道210各形成曲线形状，该曲线形状基本上类似于曲线形主体206的曲线形状。在另一实施例中，至少各热交换器元件208的尺寸、定向和相对位置中的一个参数是可变的。此外，在各个实施例中，热交换器200具有比已知的热交换器更小的体积，并且同样地，使相邻的成对的热交换器元件208比在已知的热交换器中定位成更靠近在一起。因此，通道210比已知的热交换器中的通道更窄。
在示范性实施例中，在运行期间，来自发动机10的油被引导穿过热交换器元件208，并且将从风扇组件12所排放的气流212引导穿过热交换器200。在一个备选实施例中，气流112是外侧空气或周围空气。同已知的热交换器相比，气流212被直接引导至热交换器200中，而没有穿过入口集气室或扩散器。在示范性实施例中，气流212被直接引导至入口202中，并穿过通道210，以促进油和气流212之间的热交换。具体地说，当气流212穿过通道210并穿过热交换器元件208时，促进了油被冷却。用过的气流212从热交换器200通过出口204排放出来，而没有穿过出口集气室，并排放回核心发动机外壳56上。
在示范性实施例中，当引导气流212穿过热交换器200时，通道210便于增加气流212和油之间的热交换量。具体地说，通道210是狭窄的，并因此使热交换器元件208能够和气流212之间发生更大量的接触，同时比已知的热交换器需要更少用于热交换的气流。此外，热交换器200的曲线形状使气流212能够在通道210中流动，从而进一步增加了气流212和热交换器元件208之间的接触。另外，在将气流212引导至热交换器200中的同时，气流212并不被扩散或引导而穿过入口集气室。因此，便于在热交换器200中减少气流212的反向流动损失、空气动力损失和压力损失。具体地说，在一个实施例中，便于将气流212的反向流动损失、空气动力损失和压力损失减少差不多20％。
因此，出于上面给出的原因，热交换器200便于提高发动机10的效率，从而减少与维护发动机10相关联的时间和/或成本。
在一个实施例中，提供了一种装配涡轮发动机的方法。该方法包括提供具有曲线形主体的热交换器。该方法还包括将热交换器联接到涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上。曲线形主体便于减少被引导到热交换器中的气流的压力损失。在一个实施例中，热交换器联接在风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上，而没有出口集气室。因此，气流直接从热交换器中排出，而没有穿过出口集气室。在另一实施例中，热交换器联接在涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上，而没有入口集气室。因此，气流被直接引导至热交换器中，而没有穿过入口集气室。在又一实施例中，热交换器联接在涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个外壳上，而没有扩散器。因此，气流被引导至热交换器中，而没有穿过扩散器。
在一个实施例中，该方法还包括使多个曲线形热交换器元件延伸穿过曲线形主体；和改变各个热交换器元件的尺寸、定向和相对位置中的至少一个。在一个实施例中，改变各个热交换器元件的尺寸、定向和相对位置中的至少一个，便于增加在气流和热交换器元件之间的接触量。在另一实施例中，热交换器具有曲线形主体，该主体便于减少冷却流过热交换器元件的油所需要的空气量。
上述系统和方法便于增加涡轮发动机的热交换器中的热传递。具体地说，热传递数量因为在热交换器中形成的曲线形通道和缺乏入口集气室和/或出口集气室的组合而增加。因为缺乏入口集气室，进入热交换器的气流较少扩散，并且同样地，减少了热交换器中的压力损失。因此，这种组合导致更大量的气流与延伸穿过热交换器的热交换器元件相接触。同样地，上述热交换器提供了更大的热交换量，同时需要比已知的热交换器更少的材料和重量。因此，上述热交换器便于提高涡轮发动机的效率，从而减少与维护涡轮发动机相关联的时间和/或成本。
如本文所用，以单数形式引用，且前缀“一”或“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除所述元件或步骤的复数，除非明确地陈述了这种除外情形。此外，对本发明的“一个实施例”的引用不意图被解释为排除另外的也包含所陈述的特征的实施例的存在。
以上详细地描述了用于涡轮发动机中进行热交换的系统和方法的示范性实施例。所述系统和方法并不局限于本文所述的特定的实施例，相反该系统的构件可与本文所述的其它构件独立且分开地进行使用。此外，在方法中所描述的步骤可与本文所述的其它步骤独立且分开地进行使用。
虽然已经就各种特定的实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该认识到可利用在权利要求书的精神和范围内的变型来实践本发明。

Claims (20)

1.一种制造涡轮发动机的方法，所述方法包括：
提供具有曲线形主体、入口和出口的热交换器；以及
将多个热交换器元件延伸穿过所述曲线形主体，使得在相邻的热交换器元件之间限定曲线形气流通道，其中每个气流通道实质上平行于所述多个热交换器元件，其中每个热交换器元件从所述热交换器入口延伸至所述热交换器出口，并且包括至少一个弯曲部分；和
将所述热交换器联接到所述涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上，其中所述风扇外壳和发动机外壳中的至少一个各自包括形状实质上与所述曲线形主体类似的通道，所述曲线形主体延伸通过所述通道中的至少一个，其中，所述曲线形主体促进减少被引导至所述热交换器中的气流的压力损失。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热交换器的所述联接包括将所述热交换器联接到所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，而没有出口集气室，使得所述气流被直接从所述热交换器排出，而没有穿过出口集气室。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述热交换器联接到所述涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个上，而没有入口集气室，使得所述气流被直接引导至所述热交换器中，而没有穿过入口集气室。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
改变各热交换器元件的尺寸、定向以及相对位置中的至少一个。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，改变各热交换器元件的尺寸、定向以及相对位置中的至少一个促进增加所述气流和所述热交换器元件之间的接触量。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，提供具有曲线形主体的热交换器促进减少冷却流过所述热交换器元件的油所需的空气体积。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将所述热交换器联接到涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上，而没有扩散器，使得所述气流被引导至所述热交换器中，而没有穿过扩散器。
8.一种用于涡轮发动机的热交换器，所述热交换器包括：
入口和出口；和
在所述入口和所述出口之间延伸的曲线形主体，所述曲线形主体构造成减少被引导至所述热交换器中的气流的压力损失，其中，所述曲线形主体延伸通过在风扇外壳和发动机外壳的至少一个中限定的通道，所述曲线形主体的形状实质上类似于所述通道；和
多个热交换器元件，所述多个热交换器元件延伸穿过所述曲线形主体，使得在相邻的热交换器元件之间限定曲线形气流通道，其中每个气流通道实质上平行于所述多个热交换器元件，并且每个从所述热交换器入口延伸至所述热交换器出口，并且包括至少一个弯曲部分。
9.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器出口构造成联接在所述涡轮发动机的所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，而没有出口集气室，使得气流被直接从所述热交换器排出，而没有穿过出口集气室。
10.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器入口构造成联接在所述涡轮发动机的所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，而没有入口集气室，使得气流被直接引导至所述热交换器中，而没有穿过入口集气室。
11.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，各所述热交换器元件的尺寸、定向和相对位置中的至少一个是可变的。
12.根据权利要求11所述的热交换器，其特征在于，各所述热交换器元件构造成改变尺寸、定向和相对位置，从而增加在气流和所述热交换器元件之间的接触量。
13.根据权利要求11所述的热交换器，其特征在于，所述曲线形主体构造成减少冷却流过所述热交换器元件的油所需要的空气体积。
14.根据权利要求8所述的热交换器，其特征在于，所述热交换器构造成联接在所述涡轮发动机的所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，而没有扩散器，使得气流被引导至所述热交换器中，而没有穿过扩散器。
15.一种涡轮发动机，包括：
发动机外壳；
风扇外壳，其联接在所述发动机外壳上，并且径向地定位在所述发动机外壳的外侧，其中，所述发动机外壳和所述风扇外壳中的每一个包括在其中限定的通道；和
热交换器，其构造成联接在所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，所述热交换器包括：
入口和出口；和
在所述入口和所述出口之间延伸的曲线形主体，所述曲线形主体延伸通过所述通道中的至少一个，所述曲线形主体的形状实质上类似于所述通道中的至少一个，所述曲线形主体构造成减少引导至所述热交换器中的气流的压力损失；和
多个热交换器元件，所述多个热交换器元件延伸穿过所述曲线形主体，使得在相邻的所述热交换器元件之间限定曲线形气流通道(110；210)，其中所述曲线形气流通道(110；210)实质上平行于所述多个热交换器元件，其中每个热交换器元件从所述热交换器入口延伸至所述热交换器出口，并且包括至少一个弯曲部分。
16.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，所述热交换器出口构造成联接在所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，而没有出口集气室，使得气流被直接从所述热交换器中排出，而没有穿过出口集气室。
17.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，所述热交换器入口构造成联接在所述风扇外壳和所述发动机外壳中的至少一个之上，而没有入口集气室，使得气流被直接引导至所述热交换器中，而没有穿过入口集气室。
18.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，各所述热交换器元件的尺寸、定向和相对位置中的至少一个是可变的。
19.根据权利要求18所述的涡轮发动机，其特征在于，所述曲线形主体构造成减少冷却流过所述热交换器元件的油所需要的空气体积。
20.根据权利要求15所述的涡轮发动机，其特征在于，所述热交换器构造成联接在涡轮发动机的风扇外壳和发动机外壳中的至少一个之上，而没有扩散器，使得气流被引导至所述热交换器中，而没有穿过扩散器。
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