CN106555676B - 短舱冷却与进气道防冰的复合装置及涡扇发动机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种短舱冷却与进气道防冰的复合装置及涡扇发动机，其中，短舱冷却与进气道防冰的复合装置包括分布于进气道舱和短舱的循环管路，所述循环管路内预置有换热液，换热液在所述循环管路内流动，在所述短舱内吸热，降低所述短舱内的温度，在所述进气道舱内放热，防止进气道结冰。本发明既能够对进气道进行防冰，又能够对短舱进行冷却防火，且解决了传统进气道热气防冰过程中抽取发动机核心机热气源带来的发动机性能降低的问题，解决了传统短舱通风冷却抽取发动机外涵气体带来的发动机性能降低的问题，同时也不会增加发动机供电负载。

Description

短舱冷却与进气道防冰的复合装置及涡扇发动机

技术领域

本发明涉及涡扇发动机领域，尤其涉及一种短舱冷却与进气道防冰的复合装置及涡扇发动机。

背景技术

民用涡扇发动机设于短舱内，在结冰气象条件下工作时，由于空气在进气道中处于抽吸状态，气流减速增压，静温降低，使得该部件极易结冰。进气道结冰会改变进气系统的空气动力特性，降低发动机推力，增加流动阻力，使进气流场分布不均匀，增加流场畸变，严重时可能导致发动机喘振；进气道冰层脱落后将随气流被发动机吸入，不但会打伤压风扇和压气机叶片，甚至会对整台发动机造成破坏。同时，民用涡扇发动机短舱的核心机舱由于空间受限，并包容了发动机大量的成附件系统和燃油、滑油设备，其舱内温度较高，对核心机舱进行适当冷却可保证附件系统正常工作，并延长受热部件使用寿命。

目前，民用涡扇发动机进气道防冰主要采用电防冰与气防冰两种方式。

电防冰便于控制加热的热量，可根据发动机的运行状况，调节电加热器的功率，因而电加热器运行对于发动机功率的影响相对较小，且不会产生气流的冲击效应。采用电加热系统，可以根据不同部位的结冰形式、结冰环境而调节加热电量及加热频率，定向性更好。例如，现有技术中的一种进气道电防冰结构，其在进气道的内层设置了一个维修口，使得相关加热器的维修和安装非常方便。但由于电加热结构需要从发动机附件引入电源，增加了发动机供电负载，且在系统可靠性方面不如气防冰，因而目前在主流民用涡扇发动机中采用不多。

热气防冰系统一般采用引高压压气机的高温空气，通过调压活门或直接引气输送至进气道前缘，对需要防冰的部件加热以起到防冰的作用。气防冰的优点在于：热量的可控性好，结构简单，可靠性高，易于满足防冰要求，应用较广泛，相关的研究和专利也较多。例如，现有技术中的一种气防冰系统，其通过铺设一层与进气道壁具有类似型面的金属壁，形成一个较为狭窄的加热通道，在引气流量一定的情况下提高了气流速度即强化了换热效果，提高了防冰效率。还有一种带有蜂窝结构的进气道热气防冰设计，该设计能够实现气防冰的同时抑制进气道噪声。然而，热气防冰都必须从发动机核心机引气，这必然带来发动机性能的降低。

因此，寻找一种既无需热气源，又不会增加发动机供电负载，系统可靠性较高的进气道防冰系统是民用涡扇发动机防冰设计的目标之一。

发明内容

本发明的目的是提出一种短舱冷却与进气道防冰的复合装置及涡扇发动机，其既能够对进气道进行防冰，又能够对短舱进行冷却防火，且不会降低发动机性能，也不会增加发动机供电负载。

为实现上述目的，本发明提供了一种短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其包括分布于进气道舱和短舱的循环管路，所述循环管路内预置有换热液，换热液在所述循环管路内流动，在所述短舱内吸热，降低所述短舱内的温度，在所述进气道舱内放热，防止进气道结冰。

在一优选或可选实施例中，所述循环管路包括第一导管段，所述第一导管段连通位于所述进气道舱的管段和位于所述短舱的管段。

在一优选或可选实施例中，所述第一导管段上设有第一支管，所述第一支管上设有第一喷头和第一阀门，起火时，所述第一阀门用于控制所述第一喷头开启喷液。

在一优选或可选实施例中，所述第一喷头的喷射方向与所述短舱的中轴线方向平行和/或垂直。

在一优选或可选实施例中，所述短舱包括风扇舱，位于所述风扇舱内的所述循环管路围绕风扇机匣螺旋缠绕分布，为第一螺旋管段。

在一优选或可选实施例中，所述短舱包括核心机舱，位于所述核心机舱内的所述循环管路围绕核心机机匣螺旋缠绕分布，为第二螺旋管段。

在一优选或可选实施例中，所述短舱包括风扇舱和核心机舱，所述循环管路包括第二导管段，所述第二导管段连通分布于所述风扇舱的管段和分布于所述核心机舱的管段。

在一优选或可选实施例中，所述第二导管段上设有用于为换热液提供循环动力的驱动装置。

在一优选或可选实施例中，所述第二导管段位于所述核心机舱的部位设有第二支管，所述第二支管设有第二喷头和第二阀门，起火时，所述第二阀门用于控制所述第二喷头开启喷液。

在一优选或可选实施例中，所述第二喷头的喷射方向与所述核心机舱的中轴线方向平行和/或垂直。

在一优选或可选实施例中，所述循环管路包括回流导管段，所述回流导管段连通位于所述短舱的管段和位于所述进气道舱的管段。

在一优选或可选实施例中，所述循环管路位于所述进气道舱内的管段采用进气道唇口。

在一优选或可选实施例中，所述短舱包括风扇舱和核心机舱，所述循环管路覆盖风扇机匣50％以上的面积，所述循环管路覆盖核心机机匣50％以上的面积。

在一优选或可选实施例中，所述循环管路的横截面形状为半圆形或矩形。

在一优选或可选实施例中，所述换热液为水，水内添加有防冻剂和阻燃剂。

在一优选或可选实施例中，所述换热液在所述循环管路内循环一周的时间不大于10秒。

为实现上述目的，本发明还提供了一种涡扇发动机，其包括上述任一实施例中的短舱冷却与进气道防冰的复合装置。

基于上述技术方案，本发明至少具有以下有益效果：

本发明通过将其内预置有换热液的循环管路布置在短舱和进气道舱，换热液在循环管路内流动，且在短舱内吸热，降低短舱温度，在进气道舱内放热，防止进气道结冰，因此，本发明既能够对进气道进行防冰，又能够对短舱进行冷却防火，且解决了传统进气道热气防冰过程中抽取发动机核心机热气源带来的发动机性能降低的问题，解决了传统短舱通风冷却抽取发动机外涵气体带来的发动机性能降低的问题，同时也不会增加发动机供电负载。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的短舱冷却与进气道防冰的复合装置的结构示意图；

图2(a)、图2(b)、图2(c)为本发明提供的喷头的三种实施例的示意图，其中，图2(b)为图1中A处所示实施例的放大示意图；

图3(a)、图3(b)、图3(c)为本发明提供的循环管路的三种实施例的示意图，其中，图3(a)为图1中B处所示实施例的放大示意图。

附图中标号：

1-进气道唇口；2-进气道舱；3-第一导管段；4-第一支管；5-第一阀门；6-第一喷头；7-第一螺旋管段；8-风扇舱；9-反推舱；10-驱动装置；11-第二导管段；12-第二支管；13-第二阀门；14-第二喷头；15-核心机舱；16-第二螺旋管段；17-核心机机匣；18-回流导管段；19-风扇机匣；20-发动机核心机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，为本发明提供的短舱冷却与进气道防冰的复合装置的示意性实施例，在该示意性实施例中，短舱冷却与进气道防冰的复合装置包括分布于进气道舱2和短舱的循环管路，循环管路内预置有换热液，换热液在循环管路内流动，且在短舱内吸热，降低短舱温度，在进气道舱2内放热，防止进气道结冰。

上述实施例提供的短舱冷却与进气道防冰的复合装置包括内部含换热液的循环管路，循环管路可以分布于短舱的壁面和进气道舱2的易结冰部位，利用短舱内的热源加热循环管路及内部的换热液，既能够实现对短舱的冷却防火，又能够将加热后的循环管路和换热液对进气道舱2进行加热，防止进气道防冰，且消除了传统进气道热气防冰过程中抽取发动机核心机20热气源带来的发动机性能降低的问题，消除了传统短舱通风冷却抽取发动机外涵气体带来的发动机性能降低的问题，也不会增加发动机的供电负载，提升了发动机性能。

进一步地，上述实施例通过降低短舱温度，还能够延长受热部件的使用寿命，提高进气道防冰与短舱冷却的效率与可靠性。

上述实施例中的短舱包括风扇舱8、反推舱9和核心机舱15，反推舱9位于风扇舱8和核心机舱15之间，风扇舱8为风扇罩和风扇机匣19形成的空间，其与进气道舱2相邻，核心机舱15为核心机机匣17与核心机罩形成的空间，发动机核心机20位于核心机机匣17内。

循环管路主要分布于进气道舱2的易结冰部位、风扇舱8和核心机舱15的壁面。具体地，循环管路可以包括进气道管段、第一导管段3、第一螺旋管段7、第二导管段11、第二螺旋管段16和回流导管段18。

进气道管段位于进气道舱2内，第一导管段3连通进气道管段和第一螺旋管段7。第一螺旋管段7位于风扇舱8内，且围绕风扇机匣19螺旋缠绕分布。第二螺旋管段16位于核心机舱15内，且围绕核心机机匣17螺旋缠绕分布。第二导管段11连通分布于风扇舱8的第一螺旋管段7和分布于核心机舱15的第二螺旋管段16。回流导管段18连通位于核心机舱15的第二螺旋管段16和位于进气道舱2的进气道管段。其中，第二导管段11上可以设有用于为换热液提供循环动力的驱动装置10，该驱动装置10可以采用电动泵等。

在一优选或可选实施例中，进气道管段可以采用进气道唇口1，进气道唇口1为进气道的前缘部分，包括内壁和外壁。采用进气道唇口1作为循环管路位于进气道舱2内的进气道管段，换热液可以直接在进气道唇口1的内壁和外壁之间流动，能够有效对进气道进行防冰。

通过循环管路及其内部的换热液，将风扇舱8与核心机舱15内的热量输送至进气道唇口1等需要防冰的部位，实现了短舱冷却防火与进气道加热防冰的结合，减少或避免了进气道防冰和短舱通风冷却而消耗掉的发动机内涵和外涵气体，减少了发动机的引气量。

在上述示意性实施例的基础上，第一导管段3位于风扇舱8内的部位可以设有第一支管4，第一支管4上设有第一喷头6和第一阀门5，起火时，第一阀门5能够用于控制第一喷头6开启喷液，进行灭火。

在上述示意性实施例的基础上，第二导管段11位于核心机舱15的部位可以设有第二支管12，第二支管12上设有第二喷头14和第二阀门13，起火时，第二阀门13能够用于控制第二喷头14开启喷液，进行灭火。

在实现短舱冷却与进气道防冰的同时，利用循环管路上设置的用于灭火的支管，能够在短舱发生燃油泄漏或管路爆裂而发生火灾时，对舱内进行有效的灭火。风扇舱8和核心机舱15内的两个阀门可根据风扇舱8和核心机舱15的着火情况分别打开或同时打开。

为了覆盖更大的灭火范围，第一喷头6和第二喷头14均至少能够向沿机匣和垂直机匣两个方向喷水。如图2(a)、图2(b)、图2(c)所示，给出了图1中A位置的第二喷头14可以采用的三种实施例，分别为：

如图2(a)所示，第二喷头14的喷射方向可以与核心机舱15的中轴线方向平行，适用于火灾发生在舱中部的情况；如图2(b)所示，第二喷头14的喷射方向可以与核心机舱15的中轴线方向垂直，适用于火灾主要发生在舱后部的情况；如图2(c)所示，可以设置两个第二喷头14，两个第二喷头14的喷射方向可以分别对应与核心机舱15的中轴线方向平行和垂直，适用于火灾基本覆盖整个舱室的情况。

同理，第一喷头6的喷射方向可以与风扇舱8的中轴线方向平行，或者，第一喷头6的喷射方向可以与风扇舱8的中轴线方向垂直，又或者，可以设置两个第一喷头6，两个第一喷头6的喷射方向可以分别对应与风扇舱8的中轴线方向平行和垂直。

上述实施例中，根据短舱不同位置容易发生火灾，可以通过设计不同喷头进行灭火，改善了灭火效果。

上述各示意性实施例中，为保证风扇舱8、核心机舱15与循环管路的换热效果，循环管路至少可以覆盖风扇机匣50％以上的面积，循环管路至少可以覆盖核心机机匣50％以上的面积。通过循环管路辐射能够降低风扇舱8和核心机舱15内的温度，同时由于循环管路对高温发动机机匣实现了遮挡作用，降低了机匣的辐射换热，从而也有效降低了舱内附件的温度。

如图3(a)、图3(b)和图3(c)所示，为循环管路的三种实施例的截面结构，可以针对不同的情况，改变循环管路的几何截面形状，改善其换热效果，降低结构重量。如图3(a)所示，循环管路的横截面结构可以为半圆形，其容积较大，适用于舱内着火风险较大，需要更多水去灭火的情况；为降低循环管路重量且增强循环管路的换热效果，可将半圆形的管路改成矩形的环腔或矩形(如图3(b)和图3(c)所示)。当需要降低管路重量，增强管路流速时可以采用循环管路的第二实施例和第三实施例，若同时需要增加对机匣热辐射的遮挡作用、降低机匣对舱内辐射换热作用，则可以采用循环管路的第三实施例。

上述各个实施例中，循环管路内的换热液可以为水，为了防止在低温环境下循环管路内的水结冰而无法流动，可以在水中增加一定比例的防冻剂，为了增加灭火效果，可以在水中增加一定比例的阻燃剂。通过循环管路内循环水实现了短舱发生火灾时进行有效的灭火，且相对传统的哈龙灭火剂，水无毒无害，对人体和环境影响小，提升了动力装置的环保性。

为了保证舱内冷却与进气道防冰效果，换热液在循环管路内的流动应该有足够的循环速度，优选地，换热液在循环管路内循环一周的时间不大于10秒。

下面列举本发明提供的短舱冷却与进气道防冰的复合装置的一示意性实施例的具体工作过程：

将内部含水的循环管路排布在风扇舱8与核心机舱15内壁面及进气道易结冰部位，形成环路，当发动机运行时，驱动装置10开始运转，将进气道舱2中温度较低的水输送至排布在风扇机匣19的第一螺旋管段7，实现第一次的冷热交换，降低风扇舱8温度的同时，第一螺旋管段7及内部的水温度得到提高，在驱动装置10的作用下水从第一螺旋管段7经第二导管段11注入到第二螺旋管段16，由于核心机机匣17和核心机舱15的温度均远高于风扇机匣19和风扇舱8的温度，故第二螺旋管段16及管内水将进一步吸收核心机舱15内的热量，实现第二次冷热交换，被二次加温的管路和水经回流导管段18，被导回至进气道舱2内，通过回流水实现对进气道唇口1防冰加热，而水温被降低，实现第三次冷热交换，如此不断循环，实现风扇舱8和核心机舱15的持续冷却和进气道防冰。由于风扇舱8和核心机舱15是短舱的两个火区，容易发生火灾，当火灾发生时，位于风扇舱8内的第一阀门5和位于核心机舱15内的第二阀门13打开，分别经第一喷头6和第二喷头14喷水，实现对这两个舱的灭火。

综上所述，可以利用风扇舱8和核心机舱15加热循环管路及管内液态水，实现短舱冷却与进气道防冰的双重功用。此外，当风扇舱8和核心机舱15内发生火灾时，可以将布置在导管段上的灭火支管上的喷头打开，对舱内进行喷水灭火。

在本发明的描述中，需要理解的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对上述零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (17)

1.一种短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：包括分布于进气道舱(2)的易结冰部位和短舱的壁面的循环管路，所述循环管路内预置有换热液，换热液在所述循环管路内流动，在所述短舱内吸热，降低所述短舱内的温度，在所述进气道舱(2)内放热，防止进气道结冰。

2.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述循环管路包括第一导管段(3)，所述第一导管段(3)连通位于所述进气道舱(2)的管段和位于所述短舱的管段。

3.如权利要求2所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述第一导管段(3)上设有第一支管(4)，所述第一支管(4)上设有第一喷头(6)和第一阀门(5)，起火时，所述第一阀门(5)用于控制所述第一喷头(6)开启喷液。

4.如权利要求3所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述第一喷头(6)的喷射方向与所述短舱的中轴线方向平行和/或垂直。

5.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述短舱包括风扇舱(8)，位于所述风扇舱(8)内的所述循环管路围绕风扇机匣(19)螺旋缠绕分布，为第一螺旋管段(7)。

6.如权利要求1或5所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述短舱包括核心机舱(15)，位于所述核心机舱(15)内的所述循环管路围绕核心机机匣(17)螺旋缠绕分布，为第二螺旋管段(16)。

7.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述短舱包括风扇舱(8)和核心机舱(15)，所述循环管路包括第二导管段(11)，所述第二导管段(11)连通分布于所述风扇舱(8)的管段和分布于所述核心机舱(15)的管段。

8.如权利要求7所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述第二导管段(11)上设有用于为换热液提供循环动力的驱动装置(10)。

9.如权利要求7所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述第二导管段(11)位于所述核心机舱(15)的部位设有第二支管(12)，所述第二支管(12)设有第二喷头(14)和第二阀门(13)，起火时，所述第二阀门(13)用于控制所述第二喷头(14)开启喷液。

10.如权利要求9所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述第二喷头(14)的喷射方向与所述核心机舱(15)的中轴线方向平行和/或垂直。

11.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述循环管路包括回流导管段(18)，所述回流导管段(18)连通位于所述短舱的管段和位于所述进气道舱(2)的管段。

12.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述循环管路位于所述进气道舱(2)内的管段采用进气道唇口(1)。

13.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述短舱包括风扇舱(8)和核心机舱(15)，所述循环管路覆盖风扇机匣(19)50％以上的面积，所述循环管路覆盖核心机机匣(17)50％以上的面积。

14.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述循环管路的横截面形状为半圆形或矩形。

15.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述换热液为水，水内添加有防冻剂和阻燃剂。

16.如权利要求1所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置，其特征在于：所述换热液在所述循环管路内循环一周的时间不大于10秒。

17.一种涡扇发动机，其特征在于：包括如权利要求1-16任一所述的短舱冷却与进气道防冰的复合装置。