CN103502580A - 一体式可变几何限流器和换热器 - Google Patents

一体式可变几何限流器和换热器 Download PDF

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Abstract

一个或多个安装在管道(3)中的换热器(8)具有在其中的传热冷却通道(9)，并且可变几何限流器(2)与换热器(8)中的每一个成一体。可在管道(3)内轴向平移的环形滑阀(102)可操作以打开和关闭或改变在换热器(8)与界定管道(3)的内壳体和外壳体(36,34)中的一个之间的可变区域(4)，换热器(8)可围绕环形管道(3)周向分布并包括径向或周向弯曲的传热管(6)或静叶。

Description

一体式可变几何限流器和换热器
技术领域
本发明大体上涉及涡扇式燃气涡轮发动机中的换热器，并且更具体而言涉及换热器和调节发动机的风扇旁通管道中的流。
背景技术
至少一些已知的航空器燃气涡轮发动机包括风扇、压缩机、燃烧器、高压涡轮、低压涡轮、以及增压器或“后燃室”和排气喷嘴。压缩机、燃烧器、高压涡轮和低压涡轮统称为核心发动机或发动机核心。
进入风扇的空气流被压缩。离开风扇的空气流被分流，使得称为核心发动机流的一部分流被导入压缩机中，并且称为风扇旁通流的剩余部分的空气流被导入旁通管道或通道中，在此，空气流绕过压缩机、燃烧器、高压涡轮和低压涡轮。进入压缩机的空气流被压缩并引导至燃烧器，在此，空气流与燃料混合并点燃，产生用来驱动高压涡轮和低压涡轮两者的热燃烧气体。此外，至少一些已知的燃气涡轮发动机将风扇旁通流的一部分与离开低压涡轮的空气流结合，形成排气流。排气流可在经排气喷嘴离开之前在增压器中被进一步加热。
已设计出可变循环或可变旁通燃气涡轮发动机以将涡轮喷气发动机的高推力能力与涡扇式发动机的良好燃料效率相结合。通常，在可变循环发动机中，改变旁通的空气的量以适应航空器速度。
旁通空气常常出于各种原因而由各种装置调制或调节。为了调节供应至增压器的旁通空气的量，至少一些燃气涡轮发动机包括阀组件。更具体而言，在一些已知的燃气涡轮发动机中，基于航空器的飞行模式类型所需的具体排气衬套压力比要求来调节风扇旁通流。
已考虑在使用增压器(后燃室)在超音速下提供附加推力的典型军用发动机中使用可变循环系统。后燃涡扇式发动机通常利用混合器，其获取发动机旁通空气的一部分并将该空气混合或喷射到发动机后燃段中的核心发动机流中。通常，希望在干燥操作条件下增加总旁通流并在增压条件下减少旁通流。在干燥条件下，目的是改善具体的燃料消耗，而在增压条件期间，目的是提高推力。
后可变面积旁通喷射器(后VABI)用来在后燃室处喷射旁通空气，而前可变面积旁通喷射器(前VABI)用来喷射或控制流入风扇旁通管道中的旁通空气。此类VABI的一些示例在包括下列的多个美国专利中描述：美国专利No. 4,069,661；美国专利No. 4,064,692；美国专利No. 4,072,008；美国专利No. 4,010,608；美国专利No. 4,068,471和美国专利No. 4,175,384。
VABI和用来调节供应至增压器的旁通空气的量的其它类型阀可包括多个可调整或可变的折流门(blocker door)或可变静叶。设置在航空器高旁通燃气涡轮发动机和FLADE发动机的风扇管道中的可变静叶是这种设备的两个示例。公布于2010年7月10日的题为“FLADE Fan With Different Inner And Outer Airfoil Stagger Angles At A Shroud Therebetween”的美国专利No. 7,758,303公开了一种设置在围绕核心发动机的FLADE管道中的可变FLADE入口导向静叶。公布于1978年3月28日的题为“Modulating bypass variable cycle turbofan engine”的美国专利No. 4,080,785公开了在用于可变面积风扇喷嘴的风扇旁通管道的下游端处的折翼(flap)。公布于2010年5月25日的题为“Fan variable area nozzle for a gas turbine engine fan nacelle with cam drive ring actuation system”的美国专利No. 7,721,549公开了一种风扇可变面积喷嘴，其包括改变风扇喷嘴出口面积的折翼组件。公布于1981年10月6日的题为“Method and apparatus for increasing compressor inlet pressure”的美国专利No. 4,292,802公开了设置在旁通管道中以选择性地隔离旁通流并增加流入压缩机中的空气的流量和压力的多个折流门静叶。
在提交于2007年5月25日的题为“METHOD AND APPARATUS FOR REGULATING FLUID FLOW THROUGH A TURBINE ENGINE”的美国专利申请序列号No. 11/753,929和提交于2007年5月25日的题为“TURBINE ENGINE VALVE ASSEMBLY AND METHOD OF ASSEMBLING THE SAME”的美国专利申请序列号No. 11/753,907中公开了两种调节阀。这些调节阀包括联接到径向外管道壁的外整流罩(fairing)、联接到径向内管道壁的内整流罩以及可平移的环形滑阀。环形滑阀选择性地定位在整流罩之间，使得滑阀与整流罩之间的至少一个流通面积是可变的。VABI、可变静叶和其它类型的阀在本文中被称为可变几何(variable geometry)限流器。
现代燃气涡轮发动机和可变循环发动机需要用于诸如涡轮构件和航空器航空电子设备的热构件的冷却空气或其它流体。见于燃气涡轮发动机中的其它类型的换热器被用于冷却油、燃料和水。这些冷却空气或流体常常需要换热器以将能量传递到发动机的旁路中，且换热器常常位于旁通管道中，或者使用旁通管道空气流。可变循环发动机可在大范围功率要求上提供高效率和性能提升。已开发了用于涡扇式航空器发动机的文中一般称为旁通阀的VABI和阻挡器，以便利用这些益处。
旁通管道中的换热器和旁通阀常常彼此冲突，尤其是在它们使用相同空气时。换热器限制空气流并损害可变几何发动机(使用旁通阀的发动机)的发动机性能益处。可变几何常常在最需要的时候限制换热器流量。
因此，希望提供一种具有由风扇旁通流冷却的换热器和用于调节或限制风扇旁通流的旁通阀的燃气涡轮发动机。还希望在换热器与旁通阀之间具有低的或减少的性能冲突。
发明内容
一体式可变几何限流器和换热器系统(1)包括安装在管道(3)中的一个或多个换热器(8)、在换热器(8)中的每一个中的传热冷却通道(9)、以及与换热器(8)的每一个一体的可变几何限流器(2)。
该系统还可包括在换热器(8)与界定管道(3)的内壳体和外壳体(36, 34)中的一个之间的可变区域(4)和环形滑阀(102)，环形滑阀(102)可在管道(3)内且相对于换热器(8)轴向平移，并且可操作以打开和关闭或改变可变区域(4)。换热器(8)可安装到内壳体和外壳体(36, 34)中的一个。管道(3)可为环形的，环绕纵向中心线(11)，并且换热器(8)围绕管道(3)周向分布。换热器(8)可包括径向或周向弯曲的传热管(6)或静叶。
换热器(8)可包括环形上游排的管和翅片换热器(170)，其可相对于环形下游排的管和翅片换热器(172)旋转和/或轴向平移。环形上游和下游排的管和翅片换热器(170, 172)还分别包括径向延伸的上游和下游传热管(174, 176)。环形上游和下游排的管和翅片换热器(170, 172)可作为可变几何限流器(2)操作以用于打开和关闭在上游和下游传热管(174, 176)之间的可变区域(4)。管道(3)可为环形的且环绕纵向中心线(11)，并且环形上游和下游排的管和翅片换热器(170, 172)可为绕纵向中心线(11)设置的环形段。
换热器(8)还可包括中空静叶(182)的环形阵列(180)，并且可变几何限流器(2)可包括用于打开和关闭中空静叶(182)之间的可变区域(4)的可变前缘顶端(184)。
环绕纵向中心线(11)的燃气涡轮发动机(10)包括环形入口(12)，其后以轴向下游流关系接着风扇组件(16)、高压压缩机(20)、燃烧器(22)、高压涡轮(24)和低压涡轮(26)。与内壳体(36)径向间隔开的外壳体(34)限定两者间的旁通管道(40)。旁通管道(40)围绕高压压缩机(20)、燃烧器(22)、高压涡轮(24)和低压涡轮(26)且从它们径向向外定位。一体式可变几何限流器和换热器系统(1)包括安装在管道(40)中的一个或多个换热器(8)和与换热器(8)一体的可变几何限流器(2)。传热冷却通道(9)在换热器(8)中的每一个中。
可变几何限流器(2)可包括设置在旁通管道(40)中的至少一个滑阀组件(100)，并且传热冷却通道(9)可由滑阀组件(100)的一个或多个构件(102, 128, 130)承载。滑阀组件(100)的构件可包括内整流罩和外整流罩(128, 130)中的至少一个和在旁通管道(40)内的可轴向平移的环形滑阀(102)。滑阀(102)可操作以打开和关闭或改变由内整流罩和外整流罩(128, 130)中的一个界定的可变区域(4)。
可变区域(4)可包括在滑阀(102)与内整流罩(128)之间的内旁通横截面区域(150)以及在滑阀(102)与外整流罩(130)之间的外旁通横截面区域(160)。可在旁通管道(40)内且相对于换热器(8)平移的环形滑阀(102)可操作以打开和关闭或改变在换热器(8)与界定旁通管道(40)的内壳体和外壳体(36, 34)中的一个之间的可变区域(4)。
燃气涡轮发动机(410)可具有风扇(429)，其带有纵向最后排的大体上径向向外延伸的风扇叶片(430)，并且旁通管道(447)轴向向后且从风扇(429)向下游延伸至在风扇旁通管道(447)的纵向后端(439)处的风扇喷嘴(442)。环形排的中空可变间距风扇出口导向静叶(452)跨风扇(429)纵向后方的风扇旁通管道(447)径向设置。传热冷却通道(9)包括可操作以使冷却空气穿过其的中空可变间距风扇出口导向静叶(452)，并且可变几何限流器(2)包括可绕垂直于发动机中心线(412)的枢转轴线(453)枢转的中空可变间距风扇出口导向静叶(452)。可变间距风扇出口导向静叶(452)的静叶前缘或后缘(455, 457)可为可枢转的。
燃气涡轮发动机(410)可包括：风扇(429)，其具有在风扇组件(16)中的纵向最后排的大体上径向向外延伸的风扇叶片(430)；旁通管道(447)，其轴向向后且从风扇(429)向下游延伸至在风扇旁通管道(447)的纵向后端(439)处的风扇喷嘴(442)；可变几何限流器(2)，其包括设置在风扇喷嘴(442)中的周向排的可枢转折翼(473)；以及传热冷却通道(9)，其由周向排的可枢转折翼(473)承载。
燃气涡轮发动机(10)可具有：可变面积排气喷嘴(29)，其在低压涡轮(26)的轴向后方和下游；排气流路(555)，其由内壳体(36)径向围绕且从低压涡轮(26)向下游延伸；以及可变面积旁通喷射器(550)，其大体上径向定位在旁通管道(40)与排气流路(555)之间且轴向定位在低压涡轮(26)的后方和下游。可变面积旁通喷射器(550)的可变几何限流器(2)包括滑阀(560)，其可操作以选择性地覆盖在旁通管道(40)与排气流路(555)之间的内壳体(36)中的一个或多个开口(562)，并且传热冷却通道(9)包括设置在开口(562)中的每一个中的一个或多个传热管(6)。滑阀(560)中的冲击孔(570)或槽缝可旨在引导旁通管道(40)中的风扇旁通流(48)的喷射部分(553)以在滑阀(560)处于关闭位置时直接冲击到传热管(6)上。
附图说明
图1是在燃气涡轮发动机风扇旁通管道中的一体式可变几何限流器和换热器系统的轴向示意图，其中限流器处于打开位置。
图2是图1所示系统的轴向截面示意图，其中限流器处于关闭位置。
图3是在燃气涡轮发动机风扇旁通管道中的分段的一体式可变几何限流器和换热器系统的轴向截面示意图。
图3A是图3所示分段的一体式可变几何限流器和换热器系统的示意性平面图。
图4是图4所示带有径向传热管或静叶的换热器的轴向截面示意图。
图5是图4所示带有径向传热管或静叶的换热器的轴向截面示意图。
图6是带有图1所示一体式可变几何限流器和换热器系统的第一示例性实施例的示例性可变循环涡轮发动机的轴向截面示意图。
图7是处于打开位置的图6所示一体式可变几何限流器和换热器系统的放大轴向截面示意图。
图8是处于关闭位置的图6所示一体式可变几何限流器和换热器系统的放大轴向截面示意图。
图9是处于打开位置的一体式可变几何限流器和换热器系统的径向向内观察的平面示意图，其包括可相对于彼此旋转和/或轴向平移的上游和下游的管和翅片换热器。
图10是图9所示一体式可变几何限流器和换热器系统的径向向内观察的平面示意图，其中限流器处于关闭位置。
图11是处于打开位置的一体式可变几何限流器和换热器系统的径向向内观察的平面示意图，其包括带有可变前缘顶端的中空静叶。
图12是图11所示一体式可变几何限流器和换热器系统的径向向内观察的平面示意图，其中限流器处于关闭位置。
图13是带有可变间距风扇出口导向静叶的示例性高旁通涡扇式发动机的轴向截面示意图，其并入一体式可变几何限流器和换热器系统的另一示例性实施例。
图14是处于打开位置的图13中的静叶的径向向内观察的平面示意图。
图15是处于关闭位置的图13中的静叶的径向向内观察的平面示意图。
图16是带有包括可枢转折翼的风扇喷嘴的示例性高旁通涡扇式发动机的轴向截面示意图，其并入一体式可变几何限流器和换热器系统的另一示例性实施例。
图17是具有在后可变面积旁通喷射器(VABI)的出口中的传热管的一体式可变几何限流器和换热器系统的轴向截面示意图。
具体实施方式
图1和图2中示出了在环绕纵向中心线11的燃气涡轮发动机环形风扇旁通管道3中的一体式可变几何限流器和换热器系统1。与内壳体36径向间隔开的外壳体34界定风扇旁通管道3。图1和图2所示的一体式可变几何限流器和换热器系统1包括换热器8，其与可变几何限流器2一体且呈平行流关系。
换热器8在文中示出为安装在内壳体36上，但备选地可安装在外壳体34上或径向地在壳体之间。可变几何限流器2示出为在图1中处于打开位置且在图2中处于关闭位置。限流器2示出为包括环形滑阀102，其可相对于换热器8轴向平移且可操作以打开和关闭或改变在旁通管道3中换热器8与外壳体34之间的可变区域4。
文中示出的换热器8为用于将冷却空气冷却的空气至空气换热器。可设想其它类型的空气至流体换热器。此类空气至流体换热器包括用于冷却油、燃料和水的换热器。
换热器8提供了专门满足在高和低旁通操作下由换热器冷却的发动机构件的需求的良好传热性能。高和低旁通操作分别对应于处于如图1和图2中所示的打开位置和关闭位置的限流器2。换热器8在发动机的低功率和高旁通飞行操作条件期间也不过度限制旁通管道3中的旁通流5，从而相比现有设计允许更大旁通比、更高推力和更好的SFC。
如在现有技术中那样，当放置成与流量控制装置(即，可变旁通区域喷射器或限流器)串联时，换热器的效率将变化。在可变旁通可变循环发动机中，热交换效率常常在旁通比低时较低，而在旁通比高时较高。由于高流量下的高压力损耗，发动机性能以相反方式做出反应。这导致设计者在换热器效率对发动机性能方面做出折衷。
当发动机处于高功率时，风扇旁通流常常受限制。在高功率下，发动机和航空器需要最大冷却，而换热器的性能由于低风扇旁通流而较低。在低功率下，冷却要求最小，但换热器充当旁通流中的大限流器且用以降低发动机推力和性能。本文公开的燃气涡轮发动机环形风扇旁通管道3中的一体式可变几何限流器和换热器系统1避免了这些后果，因为可变几何限流器和换热器与风扇旁通管道3中的旁通流5呈平行流关系。
图3和图3A中示出四个换热器8和四个可变几何限流器2的示例性周向分布或布置，其可在用于上述一体式可变几何限流器和换热器系统1的燃气涡轮发动机环形风扇旁通管道3中使用。换热器8和可变几何限流器2成形为环形段。环形可变几何限流器2中的每一个周向设置在两个周向相邻的换热器8之间。
换热器的两个示例性实施例包括如图4中所示用于在换热器8中传热的周向弯曲的传热管6或静叶以及如图5中所示的径向传热管7或静叶。文中所示的管仅为可在换热器8中使用的传热冷却通道9的示例。
图6和图7中示出了具有纵向中心线11的示例性可变循环燃气涡轮发动机10。发动机10包括用于接收环境空气14的环形入口12，其后以轴向下游流关系接着风扇组件16、高压压缩机(HPC) 20、燃烧器22、高压涡轮(HPT) 24、低压涡轮(LPT) 26、增压器28和可变面积排气喷嘴29。HPT 24通过第一轴30为HPC 20提供动力。LPT 26通过第二轴32为风扇组件16提供动力。发动机10还包括与内壳体36径向间隔开从而限定两者间的旁通管道40的外壳体34，内壳体36包括内壳体36的前段38。增压器28包括衬套42。
设置在旁通管道40中的至少一个滑阀组件100充当可变几何限流器。阀组件100的一个或多个构件承载换热器传热管6并因此充当一体式可变几何限流器和换热器系统1中的换热器8。具体而言，发动机10包括周向定位在管道40内的多个阀组件100。更具体而言，阀组件100定位成便于将旁通管道40分离成径向内旁通管道44和径向外旁通管道46。
在发动机10的示例性实施例中，进入旁通管道40的风扇旁通流48被分成内空气流50和外空气流52。阀组件100便于调节被导引通过内旁通管道44的内空气流50的量和被导引通过外旁通管道46的外空气流52的量。发动机及其操作在Donald Michael Corsmeier等人于2007年5月25日提交的题为“TURBINE ENGINE VALVE ASSEMBLY AND METHOD OF ASSEMBLING THE SAME”的美国专利申请序列号No. 11/753,907中描述，该申请转让给该专利的受让人通用电气公司且以引用方式并入本文中。
进一步参照图7，文中示出的阀组件100的构件包括经由示例性曲柄组件200可滑动地联接在旁通管道40内的环形滑阀102。滑阀102包括径向内表面108和径向外表面110。径向内表面108从本文称为阀鼻部112的阀前端在下游方向上或向后逐渐会聚。径向外表面110从阀鼻部112在下游方向上或向后逐渐会聚。阀鼻部112被成形为便于分割风扇旁通流48，同时减少其分离。
阀组件100包括内整流罩128和定位在内整流罩128下游的外整流罩130。外整流罩130定位成径向靠近外壳体34，而内整流罩128定位成径向靠近内壳体36。滑阀102和内、外整流罩128、130中的一个或多个承载代表换热器8的换热器传热管6。所有三个构件在文中示出为承载换热器传热管6并因此充当可变几何限流器2。
在该示例性实施例中，外整流罩130和内整流罩128经由支柱158联接在一起且在外壳体34与内壳体36之间一起轴向平移。环形滑阀102在内整流罩128与外整流罩130之间延伸。此外，在该示例性实施例中，内整流罩128和外整流罩130均定轮廓成使得内旁通管道44和外旁通管道46各自具有可变横截面积。
内整流罩128和外整流罩130可操作以基本同时在旁通管道40内滑动。阀组件100联接到至少一个曲柄组件200，其控制滑阀102、外整流罩130、内整流罩128和支柱158的轴向平移。曲柄组件200使滑阀102和内、外整流罩128、130在第一操作位置300与第二操作位置302之间移动。第一操作位置300和第二操作位置302分别对应于如图7和图8所示打开和关闭的可变几何限流器。
当阀组件100处于第一位置300时，内旁通横截面区域150被限定在阀102与内整流罩128之间，且外旁通横截面区域160被限定在阀102与外整流罩130之间。阀102处于第一操作位置，使得基本所有风扇旁通流48被向下游导引至内旁通管道44和外旁通管道46中。风扇旁通流48被分离成内空气流50和外空气流52。内空气流50流动通过内旁通管道44，外空气流52流动通过外旁通管道46，并且内空气流50通过扩散器衬套42流入增压器28中。
当阀组件100朝位置304移动时，内旁通横截面区域150减小至内旁通管道横截面区域151，且外旁通横截面区域160减小至外旁通管道横截面区域161。减小每个管道44、46的横截面区域150、160减少了可被导引通过管道44、46的空气流的量且关闭了管道内的区域。具体而言，当阀组件100处于第二操作位置302时，相当大一部分风扇旁通流48被阻止进入内旁通管道44和/或外旁通管道46。这样，风扇旁通流48可被导引至其它出口(未示出)，例如便于航空器的垂直升起的滚转喷嘴(roll post nozzle)。剩余的风扇旁通流48被分成内空气流50和外空气流52。内空气流50被导引通过内旁通管道44，而外空气流52被导引通过外旁通管道46。在该示例性实施例中，内空气流50通过扩散器衬套4流入增压器28中。
在低功率下，发动机冷却要求最小，如当内空气流50通过扩散器衬套42流入增压器28中时通过换热器的冷却流51那样。在高功率下，发动机冷却要求显著更高，如例如在起飞和航空器的垂直升起期间通过换热器的冷却流51那样。
图9和图10中示出了位于风扇旁通管道3中的另一示例性的一体化可变几何限流器和换热器系统1。该系统包括可相对于彼此旋转和/或轴向平移的环形上游和下游排的管和翅片换热器170、172。环形上游和下游排的管和翅片换热器170、172分别包括径向延伸的上游和下游传热管174、176，其充当可变几何限流器2以打开和关闭在上游传热管174与下游传热管176之间的可变区域4。
虽然此处以平面图示出，但上游和下游排的管和翅片换热器170、172被成形为绕纵向中心线11的环形段，类似于图3所示的图。图9和图10分别示出处于打开位置和关闭位置的可变几何限流器2。
图11和图12中示出了示例性的一体化可变几何限流器和换热器系统1，其包括带有可变前缘顶端184的中空静叶182的环形阵列180，可变前缘顶端184绕风扇旁通管道3的纵向中心线11周向设置。前缘顶端184可操作地设置在风扇旁通管道3中，以绕纵向中心线11且相对于不可旋转的中空静叶182旋转。前缘顶端184充当可变几何限流器2，以打开和关闭在相邻中空静叶之间的可变区域4。冷却空气流通通过充当换热器的中空静叶182。带有可变前缘顶端184的中空静叶182可在环绕纵向中心线11的环形段中，类似于图3所示的图。
图13中示出了示例性旁通涡扇式燃气涡轮发动机410，其具有发动机中心线412且包括核心发动机414，核心发动机414具有均以串联轴向流关系布置的高压压缩机416、燃烧器418和高压涡轮420。低压或低功率涡轮424在核心发动机414下游并由其提供动力，并且驱动互连的低压压缩机428和风扇429。风扇429包括纵向最后排的大体径向向外延伸的风扇叶片430。
核心发动机414、低压涡轮424和低压压缩机428被纵向设置在风扇叶片430后方和下游的壳体或核心舱432围绕。核心舱432包括限定分流器434的纵向前端和限定核心排气喷嘴436的纵向后端。风扇舱438周向围绕风扇叶片430且沿核心舱432的至少一部分延伸。风扇舱438被诸如风扇框支柱440的多个支撑部件支撑在核心舱432周围。应当指出，叶片和静叶具有弧形的翼型形状，而支柱没有。
风扇舱438包括风扇喷嘴442、大体径向面向内的内部外表面444和大体径向面向外的外部外表面446。径向设置在风扇舱438与核心舱432之间的环形风扇旁通管道447轴向向后或从分流器434向下游延伸至风扇喷嘴442。风扇喷嘴442位于风扇旁通管道447的纵向后端439处。环形排的可变间距风扇出口导向静叶452跨风扇旁通管道447径向设置在风扇舱438与核心舱432之间且在分流器434的纵向后方。
如图14和图15中所示，可变间距风扇出口导向静叶452为中空的，并且可操作以使冷却空气穿过其，使得该排可变间距风扇出口导向静叶452充当换热器8。可变间距风扇出口导向静叶452在此处示出为可绕垂直于发动机中心线412的枢转轴线453枢转。备选地，可通过仅使可变间距风扇出口导向静叶452的静叶前缘455或静叶后缘457可枢转或以其它方式改变静叶的有效倾角而改变静叶间距，如本领域技术人员公知的。因此，该排可变间距风扇出口导向静叶452还充当可变几何限流器2，以用于打开和关闭在周向相邻的可变间距风扇出口导向静叶452之间的可变区域4。该排中空可变间距风扇出口导向静叶452充当一体式可变几何限流器和换热器系统1。图14和图15示出了分别处于打开位置和关闭位置的一体式可变几何限流器2，其为中空的可变间距风扇出口导向静叶452。
其它类型的可变间距静叶也可用作一体式可变几何限流器和换热器系统1。例如，在图6所示发动机10的高压压缩机20中使用的周向排的可变间距静叶462也可以是中空的且被构造成充当换热器8和可变几何限流器2。可变间距静叶462跨高压压缩机流路464在包括高压压缩机20的核心发动机的核心发动机管道466中径向延伸。周向排的中空可变间距静叶还可在图13所示发动机10的低压压缩机428中使用。可变间距静叶也可以是中空的且被构造成充当低压压缩机428中的换热器8和可变几何限流器2。
图16中示出了绕发动机中心线412设置的示例性旁通涡扇式燃气涡轮发动机410，其类似于图13所示的发动机，没有可变间距风扇出口导向静叶。风扇舱438周向地围绕风扇叶片430且沿核心舱432的至少一部分延伸。风扇舱438被诸如风扇框支柱440的多个支撑部件支撑在核心舱432周围。
可变面积风扇喷嘴442位于风扇舱438的纵向后端。风扇舱438具有大体径向面向内的内部外表面444和大体径向面向外的外部外表面446。径向设置在风扇舱438与核心舱432之间的环形风扇旁通管道447轴向向后或从分流器434向下游延伸至风扇喷嘴442。
风扇喷嘴442包括设置在风扇舱438或旁通管道447的后端处的周向排的可枢转折翼473。可枢转折翼473中的一个或多个承载换热器传热管6并因此充当换热器8。可枢转折翼473还充当可变几何限流器2以用于打开和关闭可变面积喷嘴442。换热器传热管6和可枢转折翼473的组合充当用于图16所示发动机10的一体式可变几何限流器和换热器系统1。作为可变面积喷嘴442的一体式可变几何限流器2在图16中分别用实线示出处于打开位置和用虚线示出处于关闭位置。
图17中示出了示例性的后可变面积混合装置或可变面积旁通喷射器(VABI) 550，其被设计用于在诸如图6所示发动机10的可变循环发动机中使用。文中所示的(VABI) 550被设计成选择性地打开和关闭和/或使来自旁通管道40的风扇旁通流48的喷射部分553选择性地流入由内壳体36径向围绕的排气流路555中。文中所示的(VABI) 550被设计成在类似于图6所示发动机10的发动机中轴向设置在低压涡轮(LPT) 26与增压器28或可变面积排气喷嘴29之间。旁通管道40限定在外壳体34与内壳体36之间。
文中所示的(VABI) 550是又一示例性的一体化可变几何限流器和换热器系统1，其包括可操作以选择性地覆盖内壳体36中的一个或多个开口562的滑阀560。滑阀560和开口562绕纵向中心线11周向设置，风扇旁通管道40环绕该纵向中心线11。一体式可变几何限流器和换热器系统1还包括设置在每一个开口562中的一个或多个传热管6。滑阀560还包括冲击孔570(或备选地槽缝)，其旨在引导风扇旁通流48的喷射部分553以在滑阀560关闭时直接冲击到传热管6上。滑阀560在文中示出为可轴向平移的环形套筒572，但备选地可为可旋转的，其中环形套筒572具有穿过其设置且沿径向刚好位于内壳体36外部的冲击孔570。
虽然已在本文中描述了被认为是本发明的优选的和示例性的实施例，但根据本文的教导，本发明的其它修改对于本领域技术人员而言应当显而易见，且因此希望在所附权利要求书中确保所有这些修改落入本发明的实际精神和范围内。因此，该美国专利的特许权希望保护在所附权利要求书限定和表述的发明。

Claims (26)

1. 一种一体式可变几何限流器和换热器系统(1)，包括：
安装在管道(3)中的一个或多个换热器(8)，
在所述换热器(8)中的每一个中的传热冷却通道(9)，以及
与所述换热器(8)中的每一个一体的可变几何限流器(2)。
2. 根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，还包括：
可变区域(4)，其在所述换热器(8)与界定所述管道(3)的内壳体和外壳体(36, 34)中的一个之间，以及
环形滑阀(102)，其可在所述管道(3)内且相对于所述换热器(8)轴向平移，并且可操作以打开和关闭或改变所述可变区域(4)。
3. 根据权利要求2所述的系统(1)，其特征在于，还包括：所述换热器(8)安装到所述内壳体和外壳体(36, 34)中的一个。
4. 根据权利要求3所述的系统(1)，其特征在于，还包括：所述管道(3)为环形的且环绕纵向中心线(11)，并且所述换热器(8)围绕所述管道(3)周向分布。
5. 根据权利要求4所述的系统(1)，其特征在于，还包括在所述换热器(8)中的周向弯曲的传热管(6)或静叶。
6. 根据权利要求4所述的系统(1)，其特征在于，还包括在所述换热器(8)中的径向传热管(6)或静叶。
7. 根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，还包括：
所述换热器(8)包括环形上游排的管和翅片换热器(170)，其可相对于环形下游排的管和翅片换热器(172)旋转和/或轴向平移，
所述环形上游和下游排的管和翅片换热器(170, 172)分别包括径向延伸的上游和下游传热管(174, 176)，并且
所述环形上游和下游排的管和翅片换热器(170, 172)可作为所述可变几何限流器(2)操作，以打开和关闭在所述上游和下游传热管(174, 176)之间的可变区域(4)。
8. 根据权利要求7所述的系统(1)，其特征在于，还包括：所述管道(3)为环形的且环绕纵向中心线(11)，并且所述环形上游和下游排的管和翅片换热器(170, 172)为绕所述纵向中心线(11)设置的环形段。
9. 根据权利要求1所述的系统(1)，其特征在于，还包括：所述换热器(8)包括中空静叶(182)的环形阵列(180)，并且所述可变几何限流器(2)包括用于打开和关闭所述中空静叶(182)之间的可变区域(4)的可变前缘顶端(184)。
10. 一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
纵向中心线(11)，所述发动机(10)环绕所述纵向中心线(11)；
环形入口(12)，其后以轴向下游流关系接着风扇组件(16)、高压压缩机(20)、燃烧器(22)、高压涡轮(24)和低压涡轮(26)；
外壳体(34)，其与内壳体(36)径向间隔开，从而限定两者间的旁通管道(40)；
所述旁通管道(40)围绕所述高压压缩机(20)、所述燃烧器(22)、所述高压涡轮(24)和所述低压涡轮(26)且从它们径向向外定位；
一体式可变几何限流器和换热器系统(1)，其包括安装在所述管道(40)中的一个或多个换热器(8)和与所述换热器(8)一体的可变几何限流器(2)；以及
传热冷却通道(9)，其在所述换热器(8)中的每一个中。
11. 根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：可变区域(4)，其在所述换热器(8)与界定所述旁通管道(40)的内壳体和外壳体(36, 34)中的一个之间；以及环形滑阀(102)，其可在所述旁通管道(40)内且相对于所述换热器(8)轴向平移，并且可操作以打开和关闭或改变所述可变区域(4)。
12. 根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：所述换热器(8)安装到所述内壳体和外壳体(36, 34)中的一个。
13. 根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：所述换热器(8)围绕所述管道(3)和所述换热器(8)中的周向弯曲的传热管(6)或周向弯曲的静叶或者所述换热器(8)中的径向传热管(6)或径向静叶而周向分布。
14. 根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：
所述可变几何限流器(2)包括设置在所述旁通管道(40)中的至少一个滑阀组件(100)，并且
所述换热器(8)包括由所述滑阀组件(100)的一个或多个构件(102, 128, 130)承载的所述传热冷却通道(9)。
15. 根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：
所述滑阀组件(100)的构件包括内整流罩和外整流罩(128, 130)中的至少一个和在所述旁通管道(40)内的可轴向平移的环形滑阀(102)，
所述可变几何限流器(2)包括所述内整流罩和外整流罩(128, 130)中的一个和所述滑阀(102)，
所述可变区域(4)由所述内整流罩和外整流罩(128, 130)中的一个界定，并且
所述滑阀(102)可操作以打开和关闭或改变所述可变区域(4)。
16. 根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：
所述可变区域(4)包括在所述滑阀(102)与所述内整流罩(128)之间的内旁通横截面区域(150)，以及
在所述滑阀(102)与所述外整流罩(130)之间的外旁通横截面区域(160)。
17. 根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：可变区域(4)，其在所述换热器(8)与界定所述旁通管道(40)的内壳体和外壳体(36, 34)中的一个之间；以及环形滑阀(102)，其可在所述旁通管道(40)内且相对于所述换热器(8)轴向平移，并且可操作以打开和关闭或改变所述可变区域(4)。
18. 根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机(410)，其特征在于，还包括：
风扇(429)，其包括在所述风扇组件(16)中的纵向最后排的大体径向向外延伸的风扇叶片(430)，
旁通管道(447)，其轴向向后且从所述风扇(429)向下游延伸至在所述风扇旁通管道(447)的纵向后端(439)处的风扇喷嘴(442)，
环形排的中空可变间距风扇出口导向静叶(452)，其跨所述风扇(429)的纵向后方的所述风扇旁通管道(447)径向设置，
所述传热冷却通道(9)包括可操作以使冷却空气穿过其的所述中空可变间距风扇出口导向静叶(452)，并且
所述可变几何限流器(2)包括可绕垂直于所述发动机中心线(412)的枢转轴线(453)枢转的所述中空可变间距风扇出口导向静叶(452)。
19. 根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机(410)，其特征在于，还包括：所述可变间距风扇出口导向静叶(452)的静叶前缘或后缘(455, 457)为可枢转的。
20. 根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机(410)，其特征在于，还包括：
风扇(429)，其包括在所述风扇组件(16)中的纵向最后排的大体径向向外延伸的风扇叶片(430)，
所述旁通管道(447)轴向向后且从所述风扇(429)向下游延伸至在所述风扇旁通管道(447)的纵向后端(439)处的风扇喷嘴(442)，
所述可变几何限流器(2)包括设置在所述风扇喷嘴(442)中的周向排的可枢转折翼(473)，并且
所述传热冷却通道(9)由所述周向排的可枢转折翼(473)承载。
21. 根据权利要求20所述的燃气涡轮发动机(410)，其特征在于，还包括：所述传热冷却通道(9)包括换热器传热管(6)。
22. 根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：
可变面积排气喷嘴(29)，其在所述低压涡轮(26)的轴向后方和下游，
排气流路(555)，其由所述内壳体(36)径向围绕且从所述低压涡轮(26)向下游延伸，
可变面积旁通喷射器(550)，其大体上径向定位在所述旁通管道(40)与所述排气流路(555)之间且轴向定位在所述低压涡轮(26)的后方和下游，
所述可变面积旁通喷射器(550)的可变几何限流器(2)包括滑阀(560)，其可操作以选择性地覆盖在所述旁通管道(40)与所述排气流路(555)之间的所述内壳体36中的一个或多个开口(562)，并且
所述传热冷却通道(9)包括设置在所述开口(562)中的每一个中的一个或多个传热管(6)。
23. 根据权利要求22所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括在所述滑阀(560)中的冲击孔(570)或槽缝，其旨在引导所述旁通管道(40)中的风扇旁通流(48)的喷射部分(553)以在所述滑阀(560)处于关闭位置时直接冲击到所述传热管(6)上。
24. 一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
纵向中心线(11)，所述发动机(10)环绕所述纵向中心线(11)；
环形入口(12)，其后以轴向下游流关系接着风扇组件(16)、高压压缩机(20)、燃烧器(22)、高压涡轮(24)和低压涡轮(26)；
核心发动机(414)，其包括所述高压压缩机(20)、所述燃烧器(22)、所述高压涡轮(24)和所述低压涡轮(26)；
所述核心发动机(414)的核心发动机管道(466)；
周向排的中空可变间距静叶(462)，其跨所述核心发动机管道(466)径向延伸；并且
所述中空可变间距叶片(462)可操作以使冷却流体穿过其。
25. 根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：所述周向排的中空可变间距静叶(462)位于所述发动机(10)的高压压缩机(20)中。
26. 根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于，还包括：所述周向排的中空可变间距静叶(462)位于所述发动机(10)的低压压缩机(428)中。
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