CN106050425B - 用于燃气涡轮发动机的传热装置和设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的传热装置包括：构件(40)，其具有限定流边界表面的壁结构；室(60)，其形成于构件(40)中，室(60)包括芯吸结构(64)、蒸汽通道(66)以及工作流体。

Description

用于燃气涡轮发动机的传热装置和设备
技术领域
本发明大体上涉及用于燃气涡轮发动机和用于这样的发动机中的油冷却的方法。
背景技术
燃气涡轮发动机普遍地设置有循环油系统，以用于使诸如轴承、齿轮箱、发电机等的各种发动机构件润滑并冷却。在运行中，油吸收必须排出至外部环境，以便将油维持于可接受的温度的显著的热。随着发动机设计逐渐发展，将被排出的热的量日益增多。
已知的用于燃气涡轮发动机的油冷却系统典型地包括一个或更多个空气与油的换热器，该换热器被称为“空气冷却式油冷却器”或“ACOC”。这些换热器可能很重而具有高阻力，并且可能要求专用的入口导管和出口导管以及大而重的托架。有时，在复杂的冷却网络中，ACOC与燃料与油的换热器和燃料返回至罐的系统(“FRTT”)串联使用；然而，预期增加的热负荷将超越这样的系统的能力。
在现有技术中，提出了使流体直接地循环于诸如出口导叶(“OGV”)的流边界结构的内侧的方案。但是，对于诸如润滑油的飞行临界流体，受损的换热器成问题，因为受损的换热器可能导致火灾或临界油损耗。
因此，需要一种具有低阻力的燃气涡轮发动机换热器，其允许在通过冷却循环而维持强有力的热连接的同时，在物理上使油与换热器分离。
发明内容
通过本发明来解决这一需要，本发明提供包括整体式换热器装置的燃气涡轮发动机的流边界结构。
根据本发明的一个方面，用于燃气涡轮发动机的传热装置包括：构件，其具有限定流边界表面的壁结构；以及室，其形成于构件中，室包括芯吸结构、蒸汽通道和工作流体。
根据本发明的另一方面，室与壁结构整体地形成。
根据本发明的另一方面，壁结构从流边界表面处的固体结构过渡至内表面处的可渗透的结构。
根据本发明的另一方面，壁结构包括三维块，该三维块具有间隔开的互相垂直的孔的阵列，这些孔穿过该三维块。
根据本发明的另一方面，孔布置于两层或更多层中，各层的孔具有不同的直径。
根据本发明的另一方面，构件包括翼型件，该翼型件具有相对的压力侧壁和吸力侧壁、根部、尖端以及间隔开的前缘和后缘。
根据本发明的另一方面，室延伸越过翼型件的根部或尖端。
根据本发明的另一方面，芯吸结构横跨侧壁之间的空间；并且，一系列的顺翼展方向的蒸汽通道延伸穿过芯吸结构。
根据本发明的另一方面，芯吸结构横跨侧壁之间的空间；并且，具有翼型件形状的横截面的顺翼展方向的蒸汽通道延伸穿过芯吸结构的中心部分。
根据本发明的另一方面，多个支架在压力侧壁与吸力侧壁之间横向地延伸；并且，支架中的至少一个的至少一部分包括限定芯吸结构的一部分的可渗透的材料。
根据本发明的另一方面，室的一部分延伸越过构件的剩余部分；并且，油底壳包围室的延伸的部分，且配置成流体循环通过油底壳。
根据本发明的另一方面，室的一部分延伸越过构件的剩余部分；并且，流体管道安置成与室的延伸的部分接触。
根据本发明的另一方面，流体管道具有环形外壁；并且，室的延伸的部分具有与流体管道的外壁接触的凹形鞍状部。
根据本发明的另一方面，室的一部分延伸越过构件的剩余部分；并且，流体管道的残端部分形成为具有室的延伸的部分的单个单块式结构的一部分。
根据本发明的另一方面，一种用于燃气涡轮发动机的传热装置，包括：多个构件，其布置成围绕发动机的环，并且沿大体上径向的方向延伸，以便限定相对的内侧和外侧端，各个构件具有：壁结构，其限定流边界表面；以及室，其形成于构件中，室包括芯吸结构、蒸汽通道和工作流体，其中室包括蒸发器端和相对的冷凝器端；其中，对于一些室，蒸发器端定位于相对应的构件的内侧端，并且对于另一些室，蒸发器端定位于相对应的构件的外侧端。
根据本发明的另一方面，各室的蒸发器端定位使得对于发动机的预定的定向，重力将帮助流体流从冷凝器端流至蒸发器端。
根据本发明的另一方面，构件是导叶。
附图说明
可以通过参考与附图结合的下文的描述而最清楚地理解本发明，在附图中：
图1是并入根据本发明的方面而构建的换热器系统的燃气涡轮发动机的示意横截面图；
图2是无导管式风扇燃气涡轮发动机的示意横截面图；
图3是图1的燃气涡轮发动机的出口导叶的透视图；
图4是示出本发明的运行的方法的出口导叶的示意功能图；
图5是示出第一内部配置的翼型件的横截面图；
图6是示出备选的内部配置的翼型件的横截面图；
图7是示出另一备选的内部配置的翼型件的横截面图；
图8是具有整体式热管结构和油底壳的翼型件的示意截面图；
图9是联接至流体管道的翼型件的示意截面图；
图10是示出翼型件的环形阵列的示意图；
图11是示范性的热管结构的示意正视图；
图12是整体地联接至流体管道残端的蒸汽室的示意横向截面图；以及
图13是图12的蒸汽室和流体管道残端的示意纵向截面图。
零件列表
10 燃气涡轮发动机
12 外壳
14 风扇
16 增压器
18 压缩机
20 燃烧器
22 高压涡轮
24 低压涡轮
26 外轴
28 内轴
32 风扇框架
36 中心毂
38 风扇外壳
40 出口导叶
10' 燃气涡轮发动机
40' 导叶
42 翼型件
44 前缘
46 后缘
48 尖端
50 根部
52 吸力侧
54 压力侧
56 内平台
50 根部
58 外平台
60 封闭室
62 内腔
64 芯吸结构
66 蒸汽通道
142 翼型件
154 压力侧壁
152 吸力侧壁
160 室
162 腔
164 芯吸结构
166 蒸汽通道
242 翼型件
254 压力侧壁
252 吸力侧壁
260 室
262 腔
264 芯吸结构
266 蒸汽通道
342 翼型件
354 压力侧壁
352 吸力侧壁
360 室
362 腔
364 芯吸结构
366 蒸汽通道
368 支架
464 芯吸结构
466A 孔
466B 孔
468 金属侧
400 油底壳
402 入口管
404 出口管
406 流体管道
408 鞍状部
410 管联轴器。
具体实施方式
参考附图，其中，在所有的各种视图中，同一参考标号表示相同的元件，图1描绘燃气涡轮发动机10，燃气涡轮发动机10合并有根据本发明的方面而构建的换热器装置。虽然所图示的示例是高旁通涡扇发动机，但本发明的原理还可应用于其他类型的发动机，诸如低旁通涡扇发动机、涡轮喷气发动机等。发动机10具有纵向中心线或轴线A和外部固定式环形外壳12，外壳12围绕轴线A同中心地安置，并且沿着轴线A同轴地安置。发动机10具有按照顺序流动的关系布置的风扇14、增压器16、压缩机18、燃烧器20、高压涡轮22以及低压涡轮24。在运行中，使来自压缩机18的增压空气在燃烧器20中与燃料混合并点燃，从而生成燃气。通过高压涡轮22而从这些气体提取一些功，这些功经由外轴26而驱动压缩机18。然后，燃气流入低压涡轮24中，燃气经由内轴28而驱动风扇14和增压器16。
发动机10包括具有中心毂36的风扇框架32，中心毂36通过径向地延伸的风扇出口导叶(“OGV”)40的环形阵列而连接至环形风扇外壳38，OGV 40延伸跨过风扇流路。在本示例中，每个OGV 40不仅是航空转向元件，而且还是用于风扇外壳38的结构支架。在其他配置中，针对气动功能和结构功能而设置分离的部件。
虽然将作为示例而使用OGV 40来描述本发明的概念，但将理解到，那些概念可应用于发动机10内的配置成引导空气流且/或形成用于空气流的通道的全部或一部分的任何固定式结构。这样的结构在本文中通常被称为“流边界元件(flow bounding element)”，并且包括“流边界表面”。如本文中所使用的，术语“边界”包含“流引导元件”的常规的概念，诸如使空气流转向的翼型件，还包含仅仅在运行中暴露于空气流，并因此以某种方式引导或约束空气流的构件，诸如导管或舱的一部分。作为一个示例，图2图示具有“无导管式风扇”的燃气涡轮发动机10', 该无导管式风扇包括一排外部旋转风扇叶片14'和下游的一排固定式导叶40'。能够容易地将本发明的原理合并至导叶40'中。
发动机10中的一些风扇OGV 40或所有的风扇OGV 40可以包括集成至风扇OGV 40的结构中的换热器。图3更详细地图示风扇OGV 40中的一个。OGV包括翼型件42，翼型件42具有前缘44、后缘46、尖端48、根部50、凸形吸力侧52以及凹形压力侧54。弓状内平台56安置于翼型件42的根部50，并且外平台58安置于尖端48。吸力侧52、压力侧54、内平台56以及外平台58共同地限定OGV 40的“壁结构”，并且壁结构的外表面共同地限定“流边界表面”。
翼型件42由具有适合于预期的应用的强度特性和重量特性的材料制成。合适的合金的一个非限制性的示例是7000系列铝合金，具体地，7075铝合金。
OGV 40的内部配置成起热管的作用。如本文中所使用的，术语“热管”是指起热管的作用的任何结构，即，通过使用经历相变的流体来将热从一个位置传输至另一位置而起热管的作用的任何结构。不一定要求常规的管或管道形状。通常，如在图4中所看到的，OGV40包括封闭室60，封闭室60限定内腔62。如在下文中更详细地解释的，一些室60或所有的室60可以形成为OGV 40或其他流边界元件的整体部分。
内腔62以毛细管结构排列成行，该毛细管结构具有许多按照已知的原理而确定尺寸，以产生毛细管传输效应的小型通道、腔或孔隙。该结构在本文中与至少一个蒸汽通道66一起被称为“芯吸部(wick)”或“芯吸结构(wicking structure)”64，并且，该结构容纳工作流体。诸如水、氨、乙二醇、乙醇、有机物以及低熔点金属的各种工作流体是公知在热管中使用的。工作流体可以是不易燃的，以便于避免在室60中发生泄漏或断裂的事件中引入火灾。
室60的一端配置成在运行的期间与热流体(例如，发动机润滑油)接触。该部分被指定为以“H”标记的“热”端或“蒸发器”端。室60的另一端被指定为以“C”标记的“冷”端或“冷凝器”端，并且，在发动机运行的期间，该端暴露于相对较冷的流体流“F”，诸如风扇旁通空气。应当注意到，在关于室60而使用时，术语“热”、“蒸发器”、“冷”以及“冷凝器”描述室60在具有相对高的温度或相对低的温度的区域中的定位，并且与室60本身的结构的任何具体的方面无关。
在运行中，使已从发动机的各种零件吸收热的油循环至OGV 40中，在OGV 40中，该油对OGV 40的热端或蒸发器端H进行加热。热移除使油冷却至可接受的工作温度，使得油随后能够再循环穿过发动机10。通过对流而将所移除的热排出至外部流体流F。注意到，考虑到一连串的从油至外部流体流的传热过程，通过OGV的壁结构而进行的传导传热促成装置的总热阻的非常小的一部分(例如，小于10%)。因此，OGV 40作为换热器的有效性并非在很大程度上取决于用于壁结构的材料的选择。这在维持可接受的传热性能的同时，许可使用具有良好的机械性能的材料，诸如钛。
具体地，室60内的工作流体吸收该热而蒸发。然后，所生成的蒸汽穿过蒸汽通道66行进，并且在室60的冷端C处冷凝，由此将热传递至冷端C。芯吸部64通过毛细管作用而将冷凝后的液体工作流体传输回到热端H，由此使回路完整。取决于室60的定向，可能不需要毛细管结构。
能够在需要空气与液体传热的过程的其他情形下使用本文中所描述的热管结构。例如，在寒冷的气候下，热管结构能够配置有安置于空气流中的热端H和安置成与发动机油接触的冷端C。从空气流吸收的热将对油进行加热，并且能够用于使非常冷的粘性油去凝结。作为另一备选方案，热管结构能够用于冷却另一发动机流体，诸如燃料。还注意到，只要空气温度和流条件使将被排出的热充分地减少，本文中所描述的热管结构未必要求飞行中的条件。
可以将芯吸部64和蒸汽通道66以各种方式合并于室60中，目标在于使结构、热以及重量的考虑因素优化。图5-7图示一些可能的物理配置的示例。
图5示出翼型件142，翼型件142与OGV 40类似，具有压力侧壁154和吸力侧壁152，压力侧壁154和吸力侧壁152共同地构成室160，室160在其中具有腔162。芯吸结构164横跨侧壁154、152之间的空间。一系列的顺翼展方向的蒸汽通道166延伸穿过芯吸结构164。在所图示的示例中，蒸汽通道166具有圆形的横截面形状，并且定位于压力侧壁154与吸力侧壁152之间的大致中途。
图6示出翼型件242，翼型件242具有压力侧壁254和吸力侧壁252，压力侧壁254和吸力侧壁252共同地构成室260，室260在其中具有腔262。芯吸结构264横跨侧壁254、252之间的空间。具有翼型件状横截面的中心蒸汽通道266延伸穿过芯吸结构264的中心部分。
图7示出翼型件342，翼型件342具有压力侧壁354和吸力侧壁352，压力侧壁354和吸力侧壁352共同地构成室360，室360在其中具有腔362。芯吸结构364横跨侧壁354、352之间的空间。蒸汽通道366延伸过芯吸结构364的中心部分。支架368在压力侧壁354与吸力侧壁352之间横向地延伸。支架368可以是有效地将蒸汽通道366分成更小的部分的连续的横向隔板，或支架368可以是单个的销或柱。每个支架368可以包括固体材料或毛细管结构或两者的某种组合。此外，每个支架368具有不同的形状，诸如棱镜形状或沙漏形状。
所有的OGV 40或部分的OGV 40或OGV 40的部分可以是单个一体式、单件式或单块式构件的一部分，并且可以使用包含叠层构建或添加制备(与利用常规的加工过程来进行的材料去除截然相反)的制造过程来制造。这样的过程可以被称为“快速制造过程”和/或“添加制造过程”，术语“添加制造过程”在本文中通常是指这样的过程。添加制造过程包括但不限于：直接金属激光烧结(DMLS)、直接金属激光熔融(DMLM)、激光净成形制造(LNSM)、电子束烧结、选择性激光烧结(SLS)、诸如通过喷墨打印机和激光打印机而进行的3D打印、立体平版印刷(SLS)、电子束熔融(EBM)、激光工程化净成形(LENS)以及直接金属沉积(DMD)。
OGV 40往往可能具有高的长径比、遍及其跨度的相当大的扭转量以及小的壁厚。这些特性倾向于导致难以使用常规的方法来制造或不可能使用常规的方法来制造。因此，添加制造能够是用于实现制造OGV 40和本文中所描述的其他构件的技术。
芯吸结构64可以在其整个厚度上合并逐渐过渡部分。从外表面开始，OGV 40或其他流边界元件的壁厚的第一部分可以是固体。然后，向内移动，能够过渡成为配置成经由毛细管力而对液体进行芯吸的可渗透的表面。最后，可以存在开放式空隙区，其中，流体蒸汽移动于该区。芯吸结构还可能沿与壁表面垂直的方向变化。例如，可以在热区(蒸发器)中使用具有小的孔隙的细小的结构，以提供大量芯吸动力。但是，在液态冷凝物流回到蒸发器区的过渡段中，有利的是具有粗糙结构-因而使流体流阻力更低。
图11图示芯吸结构464的一种可能的配置的示例。芯吸结构464通常是三维块(three-dimensional mass)，该三维块具有间隔开的互相垂直的孔466A、466B的3D阵列，孔466A、466B穿过该三维块。在本示例中，第一组孔466A具有第一直径，且安置于与结构464的金属侧468相邻的层中。第二组孔466B具有比第一直径更小的第二直径，且安置成与第一层相邻。可以采用多层尺寸不同的孔。该结构464特别地适合于例如使用如上文中所注意到的添加制造过程来形成为流边界元件的壁的整体式或一体式零件。
在使用中，OGV 40或其他流边界结构将定位成与将被冷却的油或其他流体热接触。图8示出用于将OGV 40的室60联接至将被冷却的流体的一种可能的装置。油底壳(sump)400围绕室60的底部形成，室60的底部延伸经过OGV 40的根部50。将被冷却的流体“L”(在本示例中，为油)通过入口管402而流入油底壳400中，在油底壳400中，流体围绕室60流动，并且将热传递至室60。然后，流体流过出口管404。随后，流体可能路线选定成至相邻的OGV 40或发动机油系统的另一部分。
图9示出用于将OGV 40的室60联接至将被冷却的流体的另一种可能的装置。流体管道406在OGV 40的根部50附近选定路线。室60的伸出端形成为凹形鞍状部408，凹鞍状部408放置成与流体管道 406直接接触。任选地，室60的伸出端可以例如通过钎焊、焊接、粘接等联结至流体管道406。在使用中，将热通过流体管道406的壁而直接地传递至室60。备选地，流体管道的残端(stub)部分可以与室的一部分形成为整体式、一体式或单块式整体的一部分。例如，图12和图13图示室60'，室60'具有与流体管道部分406'的壁成为整体的壁。该配置使传热能力最大化，并且允许使用在图13中以410示出的已知的类型的管联轴器来将室60'与管路系统(未示出)连接。
图10是示出将安装于发动机10中时的OGV 40的环形阵列或环的图。供参考，以时钟位置标记环，即12点钟、3点钟、6点钟以及9点钟。在正常的发动机运行的期间，位于12点钟位置的OGV 40典型地定向成从发动机中心线竖直地“向上”延伸，即，远离地球而延伸，而位于6点钟位置的OGV从发动机中心线竖直地“向下”延伸，即，朝向地球而延伸。
对各个OGV 40内的工作流体起作用的力平衡将取决于OGV 40在环中的位置而变化。作用于工作流体上的重力始终向下，而期望的返回方向可能向上或向下，意味着重力可能与毛细管力相反地起作用。例如，如果上述的热端H定位于内侧，则重力将倾向于帮助位于环的上端的OGV 40，例如从稍高于9点钟的位置通过12点钟的位置而到达稍高于3点钟的位置的OGV 40的冷凝后的蒸汽的返回。由于在热端H定位于内侧时，重力将不利于从低于9点钟的位置通过6点钟的位置而到达低于3点钟的位置的冷凝后的蒸汽的返回，因而热端H能够备选地定位于OGV 40的外侧，其中，该OGV定位成从稍低于9点钟的位置通过6点钟的位置而到达稍低于3点钟的位置。因此，使用本文中所描述的设计允许将热端H定位于OGV 40的根部或尖端端部，因而实践者能够改变冷却体系结构，以提高排热能力。
本文中所描述的发明具有优先于现有技术的若干个优点。具有整体式热管的流边界元件能够传导相当大的热负荷。该配置防止油暴露于外物损伤(“FOD”)。与现有技术的ACOC相比，本发明排除将引起阻力的构件引入风扇流中，并且提供更高的可靠性，因为在可能发生油排放之前，热管将要求两个故障(即，壁使热管蒸发器与储油器分离和热管冷凝器壁使蒸汽室与空气流分离)，而当前的现有技术的ACOC可能在单个壁破裂之后出故障。本发明将结构功能、热功能以及气动功能结合至单个构件中。本发明允许以最小的阻力使更多的热耗散。即使在被冷却的流体更热时，本发明也有可能将构件温度保持于不那么昂贵的铝合金的可容许的范围，例如大约150°C(300°F)。本发明将减轻重量并减小阻力，从而导致较低的比燃料消耗率(“SFC”)。
前文描述了具有整体式热管结构的流边界元件。本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中所公开的所有的特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有的步骤可以以除了至少一些这样的特征和/或步骤互相排斥的组合之外的任何组合来组合。
本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中所公开的各个特征可以被用于相同的、等效的或类似的目的的备选的特征所取代，除非另外明确地规定。因而，除非另外明确地规定，否则所公开的各特征只是通用的一系列的等效的或类似的特征的一个示例。
本发明不限于前述的(多个)实施例的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要以及附图)中所公开的特征中的任何新颖特征或任何新组合，或扩展至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖步骤或任何新组合。

Claims (11)

1.一种用于燃气涡轮发动机的传热装置，包括：
构件，其具有限定流边界表面的壁结构；以及
室(60)，其形成于所述构件中，所述室(60)包括芯吸结构(64)、蒸汽通道(66)和工作流体，其中所述蒸汽通道延伸穿过所述芯吸结构，且其中所述工作流体与所述芯吸结构流连通且与所述蒸汽通道流连通，
其中所述壁结构包括三维块(464)，所述三维块构造成所述芯吸结构且具有经过所述三维块的间隔开的孔的阵列，其中所述孔布置在不同的层中且不同层中的孔具有不同的直径。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室(60)与所述壁结构整体地形成。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述壁结构从所述流边界表面处的固体结构过渡至内表面处的可渗透的结构。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述构件包括翼型件(42)，其具有相对的压力侧壁和吸力侧壁、根部(50)、尖端(48)以及间隔开的前缘(44)和后缘(46)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：
多个支架(368)在所述压力侧壁与所述吸力侧壁之间横向地延伸；以及
所述支架(368)中的至少一个的至少一部分包括限定所述芯吸结构(64)的一部分的可渗透的材料。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室(60)的延伸的部分延伸越过所述构件；以及
流体管道(406)安置成与所述室(60)的延伸的部分接触。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室(60)的延伸的部分延伸越过所述构件；并且流体管道的一部分与所述室(60)的延伸的部分形成为单个单块式结构的一部分。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述室(60)内的工作流体吸收热而蒸发，然后所生成的蒸汽穿过所述蒸汽通道(66)行进，并且在所述室(60)的冷端处冷凝且所述芯吸结构(64)将冷凝后的液态工作流体传输回到所述室(60)的热端。
9.一种用于燃气涡轮发动机的设备，包括：
根据权利要求1所述的装置，其中所述室(60)的延伸的部分延伸越过所述构件；以及
油底壳(400)，其包围所述室(60)的延伸的部分，且配置成用于流体穿过该油底壳(400)的循环。
10.一种用于燃气涡轮发动机(10)的传热装置，包括：
多个构件，其布置成围绕所述燃气涡轮发动机(10)的环，并且沿大体上径向的方向延伸，以便限定相对的内侧端和外侧端，各个构件具有：
壁结构，其限定流边界表面；以及
室(60)，其形成于所述构件中，所述室(60)包括芯吸结构(64)、蒸汽通道(66)和工作流体，其中所述室(60)包括蒸发器端和相对的冷凝器端；其中所述蒸汽通道延伸穿过所述芯吸结构，且其中所述工作流体与所述芯吸结构和所述蒸汽通道流连通，
其中，对于一些所述室(60)，所述蒸发器端定位于相对应的构件的内侧端，并且对于另一些所述室(60)，所述蒸发器端定位于相对应的构件的外侧端，
其中所述壁结构包括三维块(464)，所述三维块构造成所述芯吸结构且具有经过所述三维块的间隔开的孔的阵列，其中所述孔布置在不同的层中且不同层中的孔具有不同的直径。
11.根据权利要求10所述的传热装置，其特征在于，所述室(60)内的工作流体吸收热而蒸发，然后所生成的蒸汽穿过所述蒸汽通道(66)行进，并且在所述室(60)的冷凝器端处冷凝且所述芯吸结构(64)将冷凝后的液态工作流体传输回到所述室(60)的蒸发器端。
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