CN101641256B - 对燃气涡轮的进气口进行除冰的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于将对诸如直升机涡轮发动机之类的燃气涡轮(10)的进气口(24)除冰的除冰装置(50)。本发明的特征在于，所述除冰装置包括允许空气(24)进入所述涡轮机涡轮发动机的本质上为金属的罩子(52)，所述罩子具有允许空气进入所述罩子(24)中的第一开口(54)，所述第一开口(54)设置有本质上为金属的第一网栅(56)，所述罩子还包括朝向所述燃气涡轮的压缩级(20)引导空气的第二开口(58)，所述除冰罩子还包括用于以适于使冰融化的频率在所述罩子中产生电磁波的波发生器装置(62、64)。

Description

对燃气涡轮的进气口进行除冰的装置

技术领域

本发明涉及用于航空和工业应用的内燃发动机领域，具体地说不排除地涉及装配到直升机上的例如涡轮发动机等航空燃气涡轮领域。

更具体地说，本发明涉及这样一种内燃发动机，例如燃气涡轮等，其包括进气口并且用于冰在进气口中形成、尤其是冰在保护网栅上形成的条件下，其中，保护网栅布置在所述进气口中并且具有防止异物进入发动机的功能。

背景技术

众所周知，在一定气象条件下，会在燃气涡轮机的进气口中形成冰，所累积的冰的量会将燃气涡轮的进气口局部地堵塞，可能导致燃气涡轮完全或部分地损坏。

对于直升机，尤其在例如山脉上或靠近水域的寒冷且湿度高的环境下进行操作时会出现这种结冰现象。

容易理解到结冰风险的存在将飞行器限制在地面上以避免在飞行中出现失去动力或发动机停运的危险。

因此，本发明涉及用于对如下部件进行除冰的除冰装置：即诸如形成(例如)直升机涡轮发动机的一部分的燃气涡轮之类的内燃发动机的进气口。

在现有的这些除冰装置中，可以提及那些为了融化冰而从燃气涡轮的压缩级出口吸入压缩空气的装置。

在这种装置中，将受压空气从压缩级的出气口吸入到进气口中以对发动机的需要除冰的区域进行加热，例如，诸如发动机的进气管等静止构件、或者通常以铰链来安装并且位于压缩机转轮的紧上游的诸如预旋叶片之类的移动构件。这种装置的主要缺点在于因为它们占用诸如燃气涡轮之类的发动机的热力循环所需能量的极大部分，因此会消耗掉特别大量能量，从而极大地降低了发动机的总效率以及可用能量的最大水平。这种形式的能量占用也不是非常有效率，这是因为空气在所关注的区域中膨胀而使加热操作不期望地受到冷却。

当发动机是燃气涡轮时，另一个缺陷是当燃气涡轮空转时不可能进行除冰，这是因为此时的压缩不能提供足够的具有能够执行除冰操作的压力、温度和流量的空气。因此，在这种条件下，可以理解到在准备降落的进场阶段期间以及在降落阶段本身期间除冰操作效率极低。

发明内容

本发明提供了一种补救上述缺陷的除冰装置，该装置消耗很少能量并且即使在涡轮空转甚至停转时也能够启动。

本发明借助如下事实实现上述目的：即根据本发明的除冰装置包括允许空气进入所述发动机中的本质上为金属的罩子，所述罩子具有允许空气进入所述罩子中的第一开口，第一开口设置有本质上为金属的第一网栅，所述罩子还包括将空气导向发动机的入口的第二开口，所述装置还包括以适用于使冰融化的频率在罩子中产生电磁波的波发生器。

优选地，发动机是燃气涡轮，并且发动机入口由燃气涡轮的压缩级的入口构成。

根据本发明，向罩子提供所产生的波以通过激发构成冰的水分子而使容纳在罩子中或位于第一网栅上的冰融化从而升高冰的温度，使冰融化。

此外，附着在本质上为金属的第一网栅上的冰也由本质上为金属的网栅来加热，这是因为借助于在电磁波和第一网栅的本质上为金属的特性之间产生的相互作用来提高网栅的温度。

在本发明的意思中，术语“本质上为金属”被用来说明所讨论的部件(特别是罩子或第一网栅)可以由诸如复合材料等的绝缘材料制成，但是具有基于金属的表面涂层。

这些部件，即罩子和网栅同样可以由金属材料或本质上为金属的材料制成。

有益的是，这些部件能够在改善装置性能的同时降低装置的重量。

根据构成表面涂层的材料，可以根据所需获得的效果，在罩子的壁上或至少在第一网栅上限定反射区域、吸收区域、或部分反射部分吸收区域。

采用吸收材料用于构建因吸收电磁能而变热的壁，相反，采用诸如金之类的电磁能反射材料以构建冰冷的壁。

还可以选择既能够吸收波又能够感应出电流的材料。材料的这种特性具有如下具体优点：提高易于形成冰的壁的温度以避免形成冰。

结果，由于被吸收性材料吸收的电磁波的热效应和/或被电磁波激励的冰的水分子产生的热效应而使冰融化，这些波被反射壁反射和/或由倏逝波构成。

因此，借助于本发明，可以有益地省略对预旋转叶片进行加热，从而不必再提供用于这些叶片的具体除冰装置；这能够简化发动机的设计。

有益的是，波的频率大致等于水分子的共振频率。

因此，电磁波优选的是微波。

因为微波的频率大致等于水分子的共振频率，因此，构成冰的水分子振动并发生共振，从而使它们吸收由微波传递的大部分能量，它们温度因此上升到融化温度，从而使冰融化。

借助于本发明，在不对穿过进气口的一定量的空气进行加热的情况下融化冰。

优选地，所产生的波的频率大致等于2.45千兆赫(GHz)。

因此，与受压空气对进入燃气涡轮的气流进行加热的现有技术装置相比，这实现了显著的节能效果。

此外，本质上为金属的第一网栅有益地形成了除冰电磁屏蔽，同时还过滤渗透到进气口中的空气。

因此，微波最有益地用于使会在本质上为金属的第一网栅上形成的冰融化。

因此，本质上为金属的第一网栅有益地反射一部分电磁波从而产生被限制在罩子内的电磁辐射。

换句话说，附着在第一网栅的表面上的冰由以下能量同时加热：在构成网栅的网眼的股线的表面上形成的电流所发出的热量、在网栅材料中由网栅吸收的波能、从网栅的各个股线发出的辐射所提供的波能、以及由网栅中的孔发射的波能。

在该实施例中，限制于第一网栅与发动机的入口(优选地为燃气涡轮的压缩级的入口)之间的空间构成了微波在其中传播的限制区域。

优选但不必然的是，用于产生微波的装置还包括波搅拌器(wavestirrer)。然而，可以省略这种搅拌器，此时波搅拌器的功能由燃气涡轮的压缩级的移动元件来执行，这些元件用于使电磁波在罩子内均匀分布。在另一个优选变型中，省略波搅拌器以便将电磁波集中在需要优选地执行除冰的一个或多个区域中。

有益的是，用于产生微波的装置包括至少一个磁控管、速调管、或者其它任何类型的能够执行该功能的装置，该装置优选地经由波导与罩子连接，该波导优选地经由单个出口向罩子敞开。

在优选变型中，波导呈现圆周形形状以在呈现圆周形形状的罩子内在圆周上分布微波。

优选地，波导的端部之一还包括优选地为非磁性板的板，即可透过微波以防止异物沿波导进入磁控管中并干扰其操作。

在特别有利的变型中，第二开口设置有第二本质上为金属的网栅，该本质上为金属的第二网栅相对于发动机的压缩级优选地用作电磁屏蔽并同时对渗透到发动机中的空气执行第二过滤。

在该变型中，限定于本质上为金属的第一网栅与本质上为金属的第二网栅之间的空间有利地形成了微波可以在其中传播的限制区域。

优选但不排他的是，第二网栅构造成以环形方式围绕发动机的压缩级的轴线延伸。

优选地，罩子形成了压力通风空间(plenum)。

在本发明的意思中，术语“压力通风空间”应该被理解为外侧壁形成为U形形状的壳体，所述壳体具有以环形方式围绕压缩级的轴布置的径向进气口。

这在涡轮发动机的进气口是环形时是尤其有益的，这样，压力通风空间用于将流入气流导向压缩级的轴向入口。

在该变型中，该压力通风空间构成微波限制区域的一部分。

在因消耗很少能量而有利的另一个变型中，罩子由经由各自边缘而彼此附着在一起的第一网栅和第二网栅构成，此时罩子由经由其各自边缘而接合的所述两个网栅来限定。

本发明还提供了一种直升机涡轮发动机，其设置有包括根据本发明除冰装置的进气口。

有益的是，本发明的除冰装置布置在涡轮发动机的压缩级的上游。

可以更好地理解本发明，并且通过阅读由非限制性实例给出的实施例的以下描述来更好得理解本发明的优点。该描述参照单个附图，其构成直升机涡轮发动机的剖视图，其中，该直升机涡轮发动机设置有根据本发明除冰装置的进气口。

如上所述，本发明可以用于任何类型的内燃发动机，尤其是用于航空涡轮发动机和工业涡轮的燃气涡轮中的内燃发动机。

附图说明

图1是由直升机涡轮发动机10构成的内燃发动机的局部剖视图，该涡轮发动机包括气体发生器12和自由涡轮14。

实施例

气体发生器12具有在压缩级20内安装有离心压缩机叶轮18的轴16，轴16还支撑涡轮发动机叶轮22。

以已知的方式，涡轮发动机具有进气口24，通过该进气口将新鲜空气的流入流导向压缩级20。然后，朝向燃烧室26传输被压缩空气。

涡轮发动机的进气口24具有多个导管28，在沿着轴向被引导至进入压缩级20之前新鲜空气的流入流沿着径向穿透各个导管28。

附图所示的涡轮发动机10设置有根据本发明的除冰装置50，该除冰装置用于对涡轮发动机的进气口24除冰。

根据本发明，除冰装置50包括本质上为金属的罩子52，用于允许空气进入到涡轮发动机10的流入导管28中。

优选地，罩子被紧固到直升机的机壳30上。

在该实例中，罩子形成如下的压力通风空间52：其轴线与气体发生器12的轴16的轴线大致重合，并且具有不比导管28的轴向长度短的高度。

压力通风空间52包括沿端面径向延伸的部分，该端面形成了向涡轮发动机10的外部敞开的第一径向开口54，新鲜空气经由该开口进入除冰装置50中。

从附图中可以看出，第一开口54有益地设置有具体用于对进入罩子52中的空气进行过滤的本质上为金属的第一网栅56。

罩子52还包括第二开口58，用于经由导管28将新鲜空气导向压缩级20，该实例中的该第二开口58以环形方式围绕气体生成器12的轴16的轴线延伸。

在图1所示的有益变型中，第二开口58设置有同样为环形的本质上为金属的第二网栅60。

如下所述，本发明除冰装置50能够在不使用第二网栅60的情况下进行操作。

为了进一步改善涡轮发动机10的安全性，可以使网栅56和60在轴向剖面上呈现蘑菇头的形状，因此，即使在波发生器停止运转的情况下各个网栅的径向端部受到冰的堵塞，空气也穿过各个网栅的轴向边缘。

根据本发明，除冰装置50还包括装置62，该装置用于在本质上为金属的罩子52中产生微波，更具体地说在由本质上为金属的第一网栅和本质上为金属的第二网栅限定的空间A中产生微波。

所述装置优选地包括设置有波导64的磁控管62。

根据本发明，所产生的微波的频率大致等于水分子的共振频率，即大约2.45GHz。

因此，该空间A构成微波的限制区域，即，微波会在空间A的边缘上发生反射。

当涡轮发动机10在结冰条件下进行操作时，会发现冰易于在区域A中形成。

在较大程度上，可以发现，第一网栅56在很大程度上形成了冰，第二网栅60在较小的程度上形成了冰。

根据本发明，在空间A中产生的微波激励构成冰的水分子，然后水分子进入共振状态，从而具有将这些分子加热至高于融化点的温度的效果，因此冰融化。

此外，因为第一网栅56和第二网栅60是本质上为金属的，因此微波在网栅的网眼中产生电磁波的各种相互作用，具体地说微波产生具有将波重新导向冰的效果的辐射。此外，电磁波在网栅的网眼和/或构成所述网栅的材料中的相互作用，例如被吸收的电磁能和/或在网栅56和60的网眼中流动的感应电流的出现具有如下效果：即升高网眼的温度，从而有益地防止在第一网栅56和第二网栅60上形成冰或使附着在所述网眼上的任意冰融化。本发明的主要优点在于无须加热穿过空间A的全部气流，也不用加热暴露于该气流中的整个区域，该加热操作将需要比本发明的磁控管62所提供的能量多得多的能量。

与使用从压缩级的出口流出的压缩空气的情况相比，磁控管是熵的水平低的能量源。

本发明的另一个优点在于可以使用具有网眼的网栅，这些网眼比通常使用的网栅中的网眼更微细，从而能够更好地过滤流入空气。在过去，由于存在网栅被冰堵塞的高风险而不可能提供尺寸小的网眼，自然，随着网眼更小相应地更快地发生该堵塞现象。

因此，借助于本发明，即使在发动机停转或空转时也可以对涡轮发动机10的进气口24除冰，从而在现有技术的装置中停止运转时的除冰操作需要人工执行。

可选地，有益的是使用放电天线而在除冰装置发生故障时保护压缩级不受可能形成的等离子体的影响。在一定环境下，压缩机叶片可以像天线一样工作，采用压缩机叶片则可以在基部与前部之间产生电场，从而使空气电离并因此产生会损坏叶片端部的等离子体。

在有益变型中，用于测量流入气流温度的温度探测器用作放电天线。

在有益变型中，除冰装置50还包括调节磁控管62的系统，用以将它的电消耗伺服控制为用于除冰的需要的函数。

在另一个实施例中，本发明的除冰装置不具有本质上为金属的第二网栅。

在这种情况下，微波限制区域限定在本质上为金属的第一网栅56与涡轮发动机叶轮18或位于压缩级20中的适于用作电磁屏蔽的任意其它元件之间。

此外，涡轮发动机10还包括已知的预旋转叶片70和72，旋转前叶片设置在导管28的下游端并且位于压缩机叶轮18的上游。

以已知的方式，这些旋转前叶片用于调整流入气流进入压缩机叶轮18中的方向。

根据本发明的一个有益方面，预旋转叶片和它们的铰链由电磁波基本可穿透的材料制成从而增加受微波影响的体积和面积。

在本发明的意思中，术语“基本可穿透”被用来表示所讨论的部件，具体地说即预旋转叶片和它们的铰链，可以由诸如复合物之类的微波可穿透材料制成，包括诸如基于金属的表面涂层之类的反射金属部分。

因此，本发明的一个优点在于能够对预旋转叶片除冰，而无须使用依赖于内部通风装置(例如通常用于某些涡轮发动机的那些内部通风装置)的特定除冰装置。

因此，借助于本发明，可以在防止形成冰的同时有益地简化涡轮发动机的压缩级的设计。

Claims (12)

1.一种除冰装置(50)，其用于对内燃发动机的进气口(24)除冰，所述除冰装置的特征在于：

所述除冰装置包括允许空气(24)进入所述内燃机内燃发动机中的本质上为金属的外壳罩子(52)，所述外壳罩子具有允许所述空气进入所述外壳罩子(24)中的第一开口(54)，所述第一开口(54)设置有本质上为金属的第一网栅(56)，所述外壳罩子还包括朝向所述内燃机内燃发动机的入口引导空气的第二开口(58)，所述除冰装置还包括以适于使冰融化的频率在所述外壳罩子中产生电磁波的波发生装置(62、64)。

2.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：

所述波的频率大致等于水分子的共振频率。

3.根据权利要求1或2所述的除冰装置，其特征在于：

所述波发生装置包括磁控管(62)。

4.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：

所述波发生装置还包括将所述波发生装置(62)连接至所述罩子(52)的波导(64)。

5.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：

第二开口(58)设置有本质上为金属的第二网栅(60)。

6.根据权利要求5所述的除冰装置，其特征在于：

第一网栅(56)和第二网栅(60)形成除冰电磁屏蔽。

7.根据权利要求5或6所述的除冰装置，其特征在于：

所述外壳罩子(52)、所述第一网栅(56)和/或所述第二网栅(60)由涂覆有本质上为金属的材料层的材料制成。

8.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：

所述外壳罩子(52)形成高压室压力通风空间。

9.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：

所述外壳罩子(52)构成所述电磁波的限制区域。

10.根据权利要求1所述的除冰装置，其特征在于：

所述除冰装置包括至少一个放电天线。

11.一种直升机涡轮机涡轮发动机(10)，其设置有进气口并且特征在于：

所述直升机涡轮机涡轮发动机包括根据权利要求1至10中的任一项所述的除冰装置(50)。

12.根据权利要求11所述的直升机涡轮机涡轮发动机，其特征在于：

所述直升机涡轮机涡轮发动机还包括设置在压缩叶轮的上游的预旋转前叶片，并且

所述预旋转前叶片由所述电磁波基本可穿透的材料制成。

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