CN104747291A - 使用热管的用于涡轮发动机的传热系统 - Google Patents

使用热管的用于涡轮发动机的传热系统 Download PDF

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T.O.莫尼兹
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Abstract

本发明提供一种使用热管的用于涡轮发动机的传热系统，该类型的涡轮发动机包括环形入口整流罩(12)。传热系统包括至少一个热管(28)，安置成与外壳的内部(10)相接触。热管(28)热联接至热源，以使来自热源的热量可以通过热管(28)传输并进入入口整流罩(12)。

Description

使用热管的用于涡轮发动机的传热系统
本申请是于2007年12月27日提交的专利申请(中国国家申请号为200710307400.7，发明名称为“使用热管的用于涡轮发动机的传热系统”)的分案申请。
技术领域
本发明大体涉及涡轮发动机，及更具体地，涉及在燃气涡轮发动机内使用热管(heat pipes)传热的系统及方法。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，尤其是较多旁通的涡轮发动机，如分流器前部及助推器(booster)入口导向叶片(IGV)前缘(leading edge)这样的暴露构件可在操作期间堆积冰。发动机内及在暴露的发动机结构上的冰的堆积是有重大影响的。附着的冰可以部分地堵塞风扇流路，并使得风扇不稳定。堆积的冰还可能突然地脱落(例如，经由发动机的连续运行)，从发动机的低能量运行至高能量运行时引起节流阀爆裂，或由于冰堆积的扰流或者不对称引起振动。
发动机运行期间，已存在的用于限制冰堆积的各种现有技术的方法，例如，用增加的运行温度运转发动机，将高温度排气从发动机压缩机引导至暴露的表面，在运行之前用除冰的溶液喷射发动机，及用电阻加热器加热表面。然而，所有这些方法具有各种缺点。增加的操作温度及排气系统可能降低发动机性能。这种系统还需要昂贵的及重的阀门，以在起飞及其它高能量运行期间关闭高温度空气的流动，以保护发动机。已估算出与排气构造相关联的燃料消耗率(SFC)的损失可以高到1%。除冰的流体仅在有限的时间内提供保护。电加热要求大量的电量，以执行除冰操作，且可能需要额外的电机、飞机的计算机电路及复杂的交互逻辑，具有附带的增加的成本、重量和性能损失。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的前述缺点，本发明为涡轮发动机提供传热系统，包括至少一个热管，热管的其中至少一段安置为与整流罩(cowling)结构的内表面相接触。热管热联接至热源，以使来自热源的热量可以通过热管传输至整流罩结构。
根据一个方面，本发明为涡轮发动机提供传热系统，包括具有弓形截面的前部部分的环形整流罩结构。传热系统包括至少一个热管，热管的其中至少一段安置为与整流罩结构的内表面相接触。通过包括缓冲元件的装配结构固定热管，缓冲元件适于防止热管振动；其中，热管热联接至热源，以使来自热源的热量可以通过热管传输至整流罩结构。
根据本发明的另一方面，燃气涡轮发动机包括：具有弓形截面的前部部分的环形整流罩结构；多个热管，各个热管的至少一段安置成抵靠整流罩结构的内表面，通过包括缓冲元件的装配结构固定热管，缓冲元件适于防止热管振动；且热源热联接至热管，以使来自热源的热量可以通过热管传输至整流罩结构。
附图说明
与附图相结合，通过参考下面的描述，可更好地理解本发明，图中：
图1为燃气涡轮发动机的一部分风扇模组的截面示意图，包括根据本发明的一方面构造的传热系统；
图2为示于图1的分流器的透视图；
图3为图2的分流器的截面视图，示出了安置于其内的热管；
图4为分流器的截面图，示出了热管的可选的装配；及
图5为分流器的截面图，示出了其内热管的另一可选的装配。
具体实施方式
参照附图，其中在各种视图中所有相同的参考标号表示相同的元件，图1示出燃气涡轮发动机的一部分风扇段，包括具有朝前的分流器12的内壳体10、通过径向延伸的一排风扇支柱16连接至内壳体10的环形风扇外壳14、及核心内流路18。分流器12为环形结构，其分隔风扇旁通气流路径(大体表示在“Ｆ”处)，及核心发动机气流路径(大体表示在“Ｃ”处)。多个入口导向叶片(IGVs) 20延伸于分流器 12与核心内流路18之间。本发明同样适用于其它具有弓形“前部”部分的整流罩结构的发动机构造，例如，缺少传统风扇整流罩或分流器的纯涡轮喷气发动机。如此处所使用的，用语“整流罩结构”大体指任何具有弓形截面的前部(nose)部分的静态环形发动机结构。
如图2所示，环形助推器外壳22形成分流器12的径向内表面，并用于容纳旋转的助推器叶片(未示出)。环形边缘24可以为连续的或分段的，其与助推器外壳22联合限定分流器12的中空前缘或“前部”26。本发明还可使用于分流器12由更多或更少构件组成的构造中。多个热管28装配于助推器外壳22的周围。各个热管28包括后段30、及前段32、及后段30与前段32间的过渡段33。用于将助推器外壳22的段在凸缘34处连接在一起的现有的螺钉用于固定装配件36，装配件36在弹性垫圈(grommet)内依次承载热管28，以提供缓冲。各个热管的大多数用适当的隔热体40(图2中仅示出一部分)包装，以减小传热。各个前段32，或至少其一部分，是未隔绝的。未隔绝的部分指定为“冷”或“冷凝器”端，且相对端指定为“热”或“蒸发器”端(未示出)。应该注意，当相对于热管28使用时，术语“热”、“蒸发器”、“冷”、及“冷凝器”描述热管28在相对高或低的温度区域内的定位，并不涉及热管28其自身结构的任何特别方面。
热管28的前段32以周向的排列安置于分流器前部26之内。各个前段32大体为弓形的，以顺应助推器外壳22的曲面，并向大体周向方向延伸。各个前段32装配于分流器前部26中，以达到与流路表面的良好的热传导，而避免振动及破裂。在图3示出的例子中，通过一个或多个弯曲的、弹性弹簧夹42，前段32支撑抵靠分流器边缘(splitter lip)24的内部表面，弹簧夹42用焊接、螺钉连接、铆钉连接、或其它方式附接于助推器外壳22上。具有隔热特性的缓冲部件44由夹42承载，或安置于夹42与前段32之间。用于缓冲部件44的适合的材料的例子为高温硅树脂。可选地，如已知类型的硅树脂糊料(paste)的导热糊料可安置于前段32与分流器边缘24的内表面46之间，以增强并引导至前面的热流。另外的隔热体(未示出)可放置于分流器边缘24内，以覆盖前段32的后侧，并减小热损失。
在示于图4的可选例子中，类似于热管28，热管的前段132通过一个或多个托架48支撑抵靠分流器边缘24的内表面，例如用图5所示的螺钉50将托架48附接于分流器边缘24上。具有隔热特性的缓冲部件52可安置于托架48与前段132之间。用于缓冲部件52的适合的材料的例子为高温硅树脂。可选地，如已知类型的硅树脂糊料的导热糊料可安置于前段132与分流器边缘24的内表面之间，以增强并引导至前面的热流。另外的隔热体(未示出)可放置于分流器边缘24内部，以覆盖前段132的后侧，并减小热损失。
在示于图5的可选例子中，类似于热管28，热管的前段232通过一个或多个相对薄的托架54(如，金属片)支撑抵靠分流器边缘24的内表面，托架54锁位于分流器边缘24的内部。具有隔热特性的缓冲部件56可安置于托架54与前段232之间。用于缓冲部件56的适合的材料的例子为高温硅树脂。可选地，如已知类型的硅树脂糊料的导热糊料可安置于前段232与分流器边缘24的内表面之间，以增强并引导至前面的热流。另外的隔热体(未示出)可放置于分流器边缘24内，以覆盖前段232的后侧，并减小热损失。
再次参照图2，过渡段33大体轴向延伸，并与后段30和前段32相互连接。根据相关联的前段32的位置设定尺寸及形状，但是大多过渡段33将在周向方向上延伸至某种程度。
热管28的后段30大体周向地延伸。它们延伸至装配于方便位置上的热交换器(未示出)。热交换器可以简单地为内部具有开口的壳体。自发动机润滑系统的润滑油通过适当的管道进入热交换器，将热量传输至热管28，及然后通过补给线路流回至发动机润滑系统。连接至热交换器的润滑油存储、循环、及分配系统在燃气涡轮发动机技术中是现有的，此处不再讨论。如果希望，热交换器可以连接至另一种类型的热源，如排气线路、电源、或发动机内的另一流体系统。
虽然示于图3中的为圆形，置于分流器前部26内部的热管28的部分可以成形为椭圆形的、扁平的、或其它非圆形的截面形状，以提供希望得到的截面区域，而改进体积的包装或热传输。例如，图4及图5示出具有大体椭圆形截面的热管。
各个热管28具有细长的外壁，外壁具有封闭端，外壁和封闭端一起限定腔。腔沿着毛细结构或油绳(wick)(未示出)排列，并保持工作流体。已知道如气体、水、有机物质、及低熔点金属的各种工作流体可用于热管。工作流体可以为不易燃的，以避免在热管28的泄漏或破裂事件中将火灾引入风扇外壳10的区域内。
热管28在传热上是高效的。例如，它们有效的热传导高于固体铜几个数量级。在发动机运行中，基于希望得到的传热程度选择热管的数量、长度、直径、形状、工作流体、及其它性能参数。热管28的操作更详细地描述于下面。
如果必要，可改变热管28的特征，尤其是它们的前段32，以适应它们的个别方向。例如，具有基本水平的前段32的热管28，或具有向上延伸的垂直前段32的热管28，可以要求与具有向下延伸的前段32的热管28相比提供更强毛细作用的设计，以确保充分的冷凝物回流。
操作中，自发动机的各个部分已吸收热量的润滑油循环进入热交换机，其中，润滑油加热热管28的热端或蒸发器端。热管28内的工作流体吸收热量并蒸发。之后产生的蒸气通过腔，及在热管28的冷部分或冷端凝结，由此将热量传输至冷部分或冷端。通过毛细作用，自热管28的一端延伸至另一端的油绳或毛细结构将凝结液体传输回热部分或热端，由此完成循回。根据加热率，由此传输至分流器12的热量有效地阻止冰的形成(即，防冰)和/或移除形成于分流器12上的冰(即，除冰)。
本发明描述于此的热量传输系统，是被动的，不需要阀门，且是密封的。热管28的数量、尺寸、及位置是可以选择的，以按需要提供热量移除及传输。根据选择的确切结构，可仅为防冰或除冰而使用系统性能。热量传输系统利用在发动机的一部分内是不需要的热量，并使用在发动机的另一部分中需要的热量，避免了与现有技术的冷却系统相关联的损失及对单独的防冰热源的需要。
虽然已描述了本发明的特别实施例，对于本技术领域的那些技术人员来说显而易见的是，对其的各种改动不脱离本发明的精神和范围。因此，提供本发明优选实施例的前面的描述及执行本发明的最佳模式仅为举例说明的目的，并不为限制的目的，本发明由权利要求所限定。
部件列表
10　内壳体
12　分流器
14　环形风扇外壳
16　风扇支柱
18　核心内流路
20　入口导向叶片(IGV)
22　环形助推器外壳
24　环形边缘
26　分流器的中空前缘“前部”
28　热管
30　后段
32　前段
33　过渡段
34　凸缘
36　装配件
40　隔热体
42　弹簧夹
44　缓冲部件
46　分流器的内表面
48　托架
50　螺钉
52　缓冲部件
54　托架
56　缓冲部件
132 热管的前段
232 热管的后段

Claims (19)

1.一种用于涡轮发动机的传热系统，所述涡轮发动机包括具有弓形截面的前部部分的环形整流罩结构，所述传热系统包括：
多个热管，所述多个热管围绕所述整流罩结构的内表面以间隔开的关系周向地安装，所述多个热管中的每一个均包括后段、前段以及位于所述前段和后段之间的过渡段，其中，所述后段和所述过渡段被包装成隔热的而所述前段是未隔绝的，其中，所述多个热管中的每一个的前段以周向的排列布置在所述整流罩结构内并且热联接至所述整流罩结构，并且其中，每个热管的所述前段通过包括缓冲元件的装配结构装配到所述整流罩结构的内表面；
其中，所述多个热管热联接至热源，以使来自所述热源的热量能够通过所述热管传输至所述整流罩结构。
2.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述整流罩结构包括：
环形外壳；以及
具有弓形截面形状的分流器边缘，所述分流器边缘安置在所述外壳的前端以便限定与所述外壳配合的分流器前部。
3.如权利要求2所述的传热系统，其特征在于，所述装配结构包括至少一个托架，所述托架附接于所述外壳上并且将所述热管抵靠所述分流器前部的内表面而紧固，所述托架承载与所述热管相接触的所述缓冲元件。
4.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述传热系统还包括安置于所述热管与所述整流罩结构的内表面之间的导热糊料。
5.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述多个热管中的每一个的所述前段和所述后段相对于环形的所述整流罩结构大体周向地延伸，以及所述多个热管中的每一个的所述过渡段相对于环形的所述整流罩结构大体轴向地延伸。
6.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述多个热管与所述整流罩结构的内部相接触地安置，并且所述热管中的每一个均热联接至所述热源。
7.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述多个热管中的每一个均包括：
连接至所述热源的第一端；
未隔绝部分，其安置在所述热管的末端；以及
隔绝部分，其安置于所述第一端与所述未隔绝部分之间。
8.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述多个热管中的每一个均包括具有封闭端的细长外壁，其协作地限定容纳工作流体的腔。
9.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述传热系统促进下列中的至少一个：防止冰形成于所述整流罩结构上，以及移除已形成于所述整流罩结构上的冰。
10.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述热源为来自所述涡轮发动机的发动机润滑油。
11.如权利要求1所述的传热系统，其特征在于，所述多个热管种的每一个均具有非圆形的截面形状。
12.一种燃气涡轮发动机，包括：
具有弓形截面的前部部分的环形整流罩结构；
多个热管，所述多个热管围绕所述整流罩结构的内表面以间隔开的关系周向地安装，所述多个热管中的每一个均包括后段、前段以及位于所述前段和后段之间的过渡段，其中，所述后段和所述过渡段被包装成隔热的而所述前段是未隔绝的，其中，所述多个热管中的每一个的前段以周向的排列布置在所述整流罩结构内并且热联接至所述整流罩结构，并且其中，每个热管的所述前段通过包括缓冲元件的装配结构装配到所述整流罩结构的内表面；以及
热源，所述热源热联接至所述热管，以使来自所述热源的热量能够通过所述热管传输至所述整流罩结构。
13.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述整流罩结构包括：
环形外壳；以及
具有弓形截面形状的分流器边缘，所述分流器边缘安置在所述外壳的前端以便限定与所述外壳配合的分流器前部。
14.如权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述装配结构包括至少一个托架，所述托架附接于所述外壳上并且将所述热管抵靠所述分流器前部的内表面而紧固，所述托架承载与所述热管相接触的所述缓冲元件。
15.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机还包括安置于所述热管与所述整流罩结构的内表面之间的导热糊料。
16.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述多个热管中的每一个的所述前段和所述后段相对于环形的所述整流罩结构大体周向地延伸，以及所述多个热管中的每一个的所述过渡段相对于环形的所述整流罩结构大体轴向地延伸。
17.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，每个热管均包括：
连接至所述热源的第一端；
未隔绝部分，其安置在所述热管的末端；以及
隔绝部分，其安置于所述第一端与所述未隔绝部分之间。
18.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，每个热管均包括具有封闭端的细长外壁，其协作地限定容纳工作流体的腔。
19.如权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述热管促进下列中的至少一个：防止冰形成于所述整流罩结构上，以及移除已形成于所述整流罩结构上的冰。
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