CN102007363A - 壁冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种冷却壁(10)的壁冷却装置，该壁带有一个经受热源的第一表面和一个外部冷却液以低于T的温度沿其流过第二表面，以便使所述壁的温度保持在大体等于温度T的温度。该装置包括至少一个带有紧固部分(14)和冷却部分(16)的冷却部件(12)，所述部件采用具有过渡温度T的导热形状记忆合金制成。紧固部分用于将所述装置紧紧固定在所述壁的第二表面(10b)上。冷却部分的形状是这样的，即在壁的温度低于所述温度T时，其占据了与所述壁大体相平行的第一位置，以及，其占据了第二位置，在这个位置，相对于与所述壁正切的平面，所述第二部分的平均平面形成了一个45°到90°范围的二面角。

Description

壁冷却装置

技术领域

本发明涉及一种用于冷却壁的冷却装置，尤其涉及一种用于冷却带有经受热源的第一面和第二面的壁的冷却装置，外部冷却液以低于壁的期望温度的温度沿着第二面流动，另外，本发明还涉及一种装备这种冷却装置的涡轮发动机。

背景技术

显然，在众多技术领域，都存在着壁的冷却问题。这种情况特别是在涡轮喷气发动机上，在这种发动机中，有些壁可以达到难以接受的温度，因此，必须使用一种冷却系统。

更具体地说，本发明涉及一种只需间断(即，当壁大体达到其临界温度时)产生冷却效果的壁冷却装置。

对于飞机涡轮喷气发动机来讲，这种壁或壳体的冷却目前通常都是通过带有成排孔的管来进行，这些管能够通过提供冷却液体来对壁进行冷却。

这种冷却系统的一个缺陷是，其需要特殊结构件，所述结构件与向其提供冷却液体的系统布置在一起。

发明内容

本发明的第一个目的是提供一种结构比较简单的壁冷却装置，这种壁冷却装置只有在需要冷却的壁达到其期望保持的温度时才会自动产生冷却效果。

根据本发明，为了实现这一目的，为了使得所述壁的温度保持在大体上等于温度T，壁冷却装置可冷却带有经受热源的第一面和第二面的壁，外部冷却液以低于T的温度沿着第二面流动，该装置的特征在于，其包括至少一个包含紧固部分和冷却部分的冷却部件，所述部件采用具有过渡温度T的导热形状记忆合金制成，所述紧固部分包括可将其紧紧固定在所述壁的第二面上的紧固装置，所述冷却部分的形状是这样的，在壁的温度低于所述温度T时，其占据了大体上平行于所述壁的第一位置，如果壁的温度至少等于T时，这样，其便占据了第二位置，在这个位置上，相对于与所述壁正切的面，所述第二部分的平均平面(mean plane)确定了一个45°到90°范围的二面角。

通过使用导热形状记忆合金制成的冷却部件，由于壁和冷却部件之间的热传导作用，只有在需要冷却的壁的温度大体上到达导热形状记忆合金的过渡温度时，才会产生冷却效果。如果未达到该温度，冷却部件的冷却部分会紧紧地贴在壁上，因此不会产生具体的冷却效果。相反，当达到所述温度时，冷却部件进入其第二状态，冷却部分相对于要冷却的壁而形成一个45°到90°范围的角度。

人们都知道，有许多不同的形状记忆合金符合各种过渡温度。另外，人们也知道，在初步成形或预成形阶段，可以使形状记忆材料制成的部件承受可使所述部件成形的条件，一旦达到其过渡温度，在所述部件被强行若干次之后，提前充分形成的修改形状。另外，人们还知道，所述部件的形状变化次数非常多，例如，五万多次。

另外，人们还知道，形状记忆合金部件恢复其初始形状时的温度通常相对于其过渡温度偏离大概20多度。为此，在调节壁的温度的同时，可避免拍击现象。

在第一实施例中，冷却部分的平均平面大体上与外部冷却液的流动方向相平行。

在冷却部分处于其第二位置的这种情况下时，所述部分会起到散热片的作用，从而增加壁和外部冷却液之间的热交换面积。

在第二实施例中，冷却部件的冷却部分的平均平面与外部冷却液的流动方向大体上成正交。

应该明白的是，在第二个实施例中，在工作位置的冷却部分会在需要冷却的壁附近引起外部冷却液的扰动，从而增加了所述冷却液流的雷诺系数，改善了冷却效果。

另外，不论预期采用哪种实施例，冷却装置优选包括多个在沿着至少一个垂直于外部冷却液流动方向的直线上大体上成一直线的冷却部件。

在另一个实施例中，需要冷却的壁大体上是一个旋转面，冷却装置包括多个大体上沿该旋转面的至少一个圆布置的冷却部件。

在又一个实施例中，冷却部件具有不同的过渡温度。

通过这种布置，可使冷却装置产生的冷却效果适应温度梯度的变化，这种温度梯度的存在是因为面向需要冷却壁的第一表面的热源的特性所致。

本发明的第二个目的是提供一种配备上述类型冷却装置的飞机涡轮发动机。

附图说明

通过阅读以非限制性示例给出的本发明几个实施例的如下说明，本发明的其它特性和优点会更好地显现出来。所述说明参照附图，附图如下：

图1A、1B和1C示出了本发明的原理，图1A示出了冷却部件休眠状态下的透视图，图1B为冷却部件工作位置示意图，图1C为沿图1A所示C-C线的剖面图；

图2为应用所述冷却装置的飞机涡轮喷气发动机的纵向剖面图；

图3为第一实施例中装有冷却装置的壁的垂直剖面图；

图4为该冷却装置的第二实施例的垂直剖面图；

图5为该冷却装置的第三实施例的垂直剖面图；

图6A是本发明的冷却装置的示意图，其包括多个冷却部件，所示部件处于休眠位置；

图6B类似于图6A，但冷却部件处于工作位置；

图7为图6A和图6B所示冷却装置的不同实施例的透视图；

图8为装有本发明冷却装置的圆柱形壁的透视图；

图9为图8所示示例中使用的冷却部件的一个实施例的透视图；

图10为图8所示冷却装置的一个不同实施例；

图11为处于工作位置的冷却部件的另一个不同实施例的透视图。

具体实施方式

首先参考图1A、图1B和图1C，下面结合一个冷却部件来介绍本发明的原理。在这些图中，所示壁10带有一个面向热源11的内表面10a和一个外表面10b，由箭头F表示的冷却液沿外表面10b流动。需要解决的问题是，使壁10的温度保持在大体上等于T的温度，人们都明白冷却液F的温度本身低于T。单个冷却部件12是由用于固定的第一部分14和用于冷却的第二部分16构成。所述两个部分通过折合带18连接到一起。

整个冷却部件12采用具有过渡温度的形状记忆材料制成，该过渡温度与保持壁10的较佳温度相匹配。形状记忆合金为人们所熟知，因此，在此就不再更详细赘述。诸如铜-铝-铍或者甚至是铜-铝-镍的形状记忆合金都为人们所熟知。至于过渡温度更高的形状记忆合金，则可描述铼-钯合金，该合金的过渡温度为1050℃左右。

众所周知，在初始阶段，采用形状记忆合金制成的部件12采用这样一种方式预先成形，即，其在过渡温度时会自然而然地呈现出图1B所示形状。换句话说，在该工作位置的冷却部件12的冷却部分16相对于壁10的平面形成一个角度。该角度优选在45°到90°的范围内。紧固部分14可通过任何合适的方法，诸如铆接20或通过焊接固定到壁10上。

操作所述冷却部件非常简单。当壁10的温度低于所期望的温度T的时候，冷却部分16与紧固部分14成一直线，即，大体上紧贴在壁10上。为此，冷却部件是不工作的。相反，当壁10因热传导而温度升高时，冷却部件12的温度会同样升高，且当其达到过渡温度T时，会呈现出图1B所示的形状，使得冷却部分16工作，因为所述部分与壁10形成角度。该角度优选在45°到90°的范围内。

不言而喻，当壁10回到低于T的温度时，冷却部件---更确切地说---其冷却部分16则返回到其初始位置。

更确切地说，应该指出的是，在过渡温度和形状记忆合金部件返回到其初始形状时的温度之间，存在着一个通常在20℃左右的温度范围。该温度差使得该系统能够以稳定方式工作，同时也可以避免拍击现象。

有必要强调的是，冷却部件从其非工作状态到其工作状态不需要使用任何额外的机械系统。

图2以简化方式示出了标准形状的飞机涡轮发动机。该图示出了由低压压缩机28和高压压缩机30构成的压缩装置的外壳体24和外壁26。穿过壁26和外壳体24之间的一部分气流FA1被引入压缩机装置。所述气流FA1的另一部分---图中参考号FA2---被引向与压缩机装置的壳体32相接触。所述气流FA2具体用来冷却所述壁32。图2是一个示意图，示出了冷却部件34的位置情况，下面将更详细介绍。现在，需要指出的是，所述冷却部件34始终处于休眠位置，与此同时，壁32的温度低于或等于用来制作冷却部件的形状记忆合金的过渡温度，且当壁32到达所述温度时该冷却部件会占据其工作位置。

图3、图4和图5是安装冷却部件12的各种可能的方式。

在图3所示实施例中，冷却部件12a是以这样一种方式固定到壁10上，即，当其冷却部分16处于工作位置时，所述部分与冷却液流F的流动方向并不平行。更确切地说，而且优选地，冷却部件的折合带18与冷却液流F的流动方向成正交。采用这种结构时，冷却部件12a首先以这样一种方式安装，即，处于升起位置的冷却部分16与壁构成了小于90°的角度，该角度优选地在45°到75°的范围内，并与冷却液流动方向F构成了大于90°的角度。

至于图5，安装方式则相反，冷却部件12b的冷却部分16与冷却液的流动方向构成了小于90°的角度。

关于图3和图5，当冷却部件12a和12b的冷却部分16处于其工作位置时，所述冷却部分会在冷却部件的上游或下游形成漩涡R或R′。壁10附近冷却液流动时的这种扰动会改变该区域的雷诺系数，并以众所周知的方式，使壁10的冷却得到改善。

在图4所示的实施方式中，冷却部件12c的折合带18与冷却液F流动方向平行，且优选地，冷却部件12c的冷却部分16在工作位置时与壁10成正交。当冷却部分16处于工作位置时，即离开壁10时，冷却部分16就等于是与壁10热连接的散热片。因此，所述散热片就可增加冷却液和壁10之间的热交换面积，从而改善了所述壁的冷却。更确切地说，考虑到壁10在休眠状态时冷却部分16覆盖的壁10的区域部分，在冷却部分16到达其工作位置时，所述同一区域会是原来的三倍，因为其两个表面都参与了热交换。

不言而喻，单个冷却部件通常不足以产生令人满意的冷却效果，而且，需要冷却的壁通常都是圆柱形壁，因此，冷却系统最好也是环形对称的。关于图6A和图6B，冷却装置40由多个冷却部件12a、12b、12c等构成。用于固定所述冷却部件的紧固部分14自然地直接固定到需要冷却的壁10上，同时在连续紧固部分之间留出一个间隙e。如图所示，冷却部分16覆盖了相邻冷却部件的大部分紧固部分14。更确切地说，在休眠位置时，每个冷却部件的折合带18是这样弯曲的，即紧固部分14和冷却部分16彼此相互平行，但又偏离一定距离，该距离大体上等于紧固部分的厚度。这样，就可以获得冷却部件的相当大的线性密度。在这个实施例中，冷却部件12a、12b等的折合带18与冷却液的流动方向F相平行。不言而喻，对于冷却部件的最初成形来讲，所述部件的形状是这样的，在休眠状态时，即低于其过渡温度T时，它们呈现的形状如图6A所示。如上所述，并且如图6B工作位置更清楚的所示，冷却部件12a、12b、12c等的冷却部分16与壁10成正交，且彼此相互平行。各个冷却部分16形成了冷却液流过的平行通道42。

如上所述，采用这种布置时，壁10和冷却液流之间的热交换面积在冷却部分16处于图6B所示工作位置时，会增加三倍。

图7示出了标号为44的冷却装置的另一个不同实施例。一般来讲，这个系统由“三层”冷却部件构成。每个部件12′a、12′b等都包括一个与上述紧固部分相同的紧固部分14，和一个冷却部分16′。该冷却部分16′通过一个折合带18连接到紧固部分14上。冷却部分16′包括第一阶梯46，第一冷却部分48，第二阶梯50和第二冷却部分52。所述两个阶梯46和50可以使冷却部分16′首先使冷却部件的紧固部分覆盖了两层，其次，在冷却部件的冷却部分的第一冷却部分上覆盖了一层。

每个冷却部件12′a、12′b等都初步成形，这样，冷却部分16′通过围绕折合带18枢转而与紧固部分14形成一个直角。根据这个实施例，在以冷却部分16′为平面这种方式，可以想象第二阶梯50在最终状态中而消失；或者保留该阶梯。

可以明白的是，这个实施例在需要冷却的壁10的单位面积内含有较高密度的冷却部件。更确切地说，如果S是紧固部分14的面积，那么可以知道热交换面积值是S的四倍。

图8和图10示出了固定到壁60上的冷却部件12，该壁是一种壳体，其呈圆柱形，或更确切地说，是截头圆锥体形。关于图8，在工作位置时，冷却部分与冷却液的流动方向F相平行。关于图10，所述同一冷却部件12带有折合带，与需要冷却的截头圆锥体形表面60的轴线X-X′构成了一个角度。

在图8和图10所示实施例中，冷却部件的折合带18彼此平行，因此，工作方式与散热片相同。然而，不言而喻，冷却部件可以以这样的方式固定，即，其折合带都布置在需要冷却的壁的圆周上。另外，还有多个冷却部件的“环”，这些环沿着壁的转动轴线形成分支。

图9给出了冷却部件70的一个示例，这些部件更特别适合固定到圆柱形或截头圆锥体形表面上。紧固部分14’的形状是带有一小部分圆柱形表面，通过铆钉72或螺栓或焊接固定到圆柱形表面上。冷却部分16与上述图所示冷却部分相同，折合带18’的形状是这样的，即折叠线L-L’实际上是直线性的，所述折合带18’在呈平面的冷却部分16和一部分圆柱形表面的表面14’之间提供了一种过渡。

图11示出了冷却部件的又一种不同的实施例80。在这个实施例中，紧固部分14与上述紧固部分相同，整个部件都是以这样的方式制成的，即，在工作位置时，冷却部分82呈现圆柱形表面部分形状，该圆柱形表面部分的母线与折合带18所形成的折叠线L-L’相平行。

Claims (13)

1.一种用于冷却壁(10)的壁冷却装置，该壁带有一个经受热源的第一表面和一个第二表面，低于温度T的外部冷却液以流过第二表面，以便使所述壁的温度保持在大体等于温度T，其特征在于，其包括至少一个带有紧固部分(14)和冷却部分(16)的冷却部件(12)，所述部件采用具有过渡温度T的导热形状记忆合金制成，所述紧固部分包括将其紧紧固定到所述壁的第二表面(10b)上的紧固装置，所述冷却部分的形状是这样的，即在壁的温度低于所述温度T时，其占据与所述壁大体平行的第一位置，如果壁的温度至少等于温度T时，其占据第二位置，在这个位置上，相对于与所述壁正切的面，所述第二部分的平均平面形成了一个45°到90°范围的二面角。

2.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却部分(16)在其第二位置时的平均平面与外部冷却液的流动方向(F)大体平行。

3.根据权利要求2所述的冷却装置，其特征在于，在其第二位置时，所述冷却部分(16)与相对于与所述壁(10)正切的平面构成了大体上等于90°的角度。

4.根据权利要求1所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却部分(16)在其第二位置时的平均平面与外部冷却液的流动方向(F)大体正交。

5.根据权利要求4所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却部分(16)在其第二位置时沿所述外部冷却液的流动方向(F)与所述部件下游沿切线方向的半平面形成了一个45°到75°范围的角度。

6.根据权利要求2或3所述的冷却装置，所述冷却装置大体上为平面壁，其特征在于，其包括在沿与外部液体流动方向相平行的至少一个直线上大体上对准的多个冷却部件(12a、12b、12c)。

7.根据权利要求4或5所述的冷却装置，所述冷却装置大体上为旋转面(60)的壁，其特征在于，其包括大体上沿所述旋转面的至少一个圆布置的多个部件(12)。

8.根据权利要求2或3所述的冷却装置，所述冷却装置大体上为平面壁，其特征在于，其包括沿在与外部冷却液流动方向大体正交的至少一个直线上布置的多个部件(12)。

9.根据权利要求2或权利要求3所述的冷却装置，所述冷却装置大体上为旋转面(60)的壁，其特征在于，其包括在包含所述壁的旋转轴线的平面上布置的多个部件(12)。

10.根据权利要求4或5所述的冷却装置，其特征在于，其包括布置在至少一个线上的多个冷却部件(12)。

11.根据权利要求6至10其中任何一项所述的冷却装置，其特征在于，所述冷却部件(12)具有不同的过渡温度T。

12.据权利要求7至9其中任何一项所述的冷却装置，其特征在于，每个冷却部件的紧固部分呈现一小部分圆柱形表面形状，该冷却部分大体上是平面的。

13.一种飞机涡轮发动机，其特征在于，压缩机组件的壁的外表面装有根据权利要求1至12中任何一项权利要求所述的冷却装置。

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