CN109415980B - 集成流体管道 - Google Patents

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Abstract

提供了一种集成流体管道，该集成流体管道具有两个或多个内部管道，内部管道的尺寸和形状被设计成基于系统的需要来优化每一个管道的液压直径。集成流体管道有利地根据使得离心和/或非同心内部管道的形成能够适于诸如用于飞机的燃气涡轮发动机的或之上的燃料输送系统或液压系统之类的需要转弯的特定应用的添加制造技术来制造。

Description

集成流体管道
技术领域
本发明涉及具有两个或多个内部流体管道的集成流体管道设计、以及期望的流体管道的外周几何形状或曲率，所述两个或多个内部流体管道具有特定内部横截面设计。本文中所描述的流体管道用于压降、压力能力、管道布线、和/或低周疲劳寿命属于设计变量的任何应用，例如喷气式飞机的燃料输送系统或液压系统。
背景技术
对于一些流体系统(管或导管系统)而言，多个管或导管根据需要用于分隔系统的各部分，以使系统运转。系统的单独流体部分的压力、流量、温度和流体类型可以发生变化。系统的多个管分别需要某些设计特征，例如支承设备和端部连接部。单独的特征和单独的管必须在操作期间保持特定间隙，以便进行安装和移除。
在用于喷气式飞机发动机的燃料系统的情况下，飞机发动机燃料歧管处于恶劣的环境下并且定位相对靠近燃烧器壳体。燃烧器壳体在发动机变暖时膨胀，但是歧管中燃料的温度保持相对较冷。与多个部件的不同材料膨胀速率相关联的温度差值在歧管上产生了热负荷。在传统的歧管中，安装点之间的管线的长度(即，喷嘴与喷嘴的距离)是固定的，以限制可供提供灵活性的管路的长度。
提供包括在不同的发动机操作状况期间使用的两个或多个燃料回路(例如，先导回路和主要回路)的“分级”燃料传输系统同样是众所周知的。在传统的燃料歧管中，每一个回路或级都需要不同的管路和连接部，从而增加重量、复杂性、和零件数。此外，在燃料不在特定回路中流动的时段期间，位于歧管和其它管路内的燃料通路经受不期望的剩余燃料的积碳(“焦化”)。
所获得的系统需要涡轮发动机内的一定体积、和一定量的材料和零件。必须通过罩来遮挡系统体积以提供光滑表面从而用于使外部空气流过其上。可以通过使系统不同部分之间所需的空间最小化以及组合支承结构和端部配件来减小零件的数量、体积、重量来对发动机和飞机性能进行改进。
在名称为“热联接燃料歧管(Thermally-coupled fuel manifold)”的2015年4月14日提交的共同待审的美国专利申请No.14/685,631中描述了一种集成燃料系统。如图1中所示，集成燃料供给导管具有先导初级流102、两个先导次级流101、和主要流动管线103。集成燃料供给导管被布置在图2中所示的喷气式飞机发动机的燃料供给系统中。一个或多个导管201、202可以具有用于三个流中的每一个并且与位于燃料喷嘴接口位置205的出口凸缘相匹配的入口端口203、204。当与具有环形导管/歧管(多个环形导管/歧管)和用于接近每一个燃料喷嘴的较小的龙头/抽头的早期燃料歧管构造相比，该系统获得显著的零件数减少并且大大简化系统组装/包装。该早期构造在名称为“流体管道(Fluid Conduit)”的2014年12月11日提交的美国专利申请No.US SN 14/407,400中有所描述。这些早期提交的专利申请的公开内容、特别是其对与流体管道设计不相关的喷气式飞机燃料歧管和输送系统方面的公开内容通过引用的方式全部结合到本文中。
在具有多个流的集成燃料供给导管系统中遇到的一个问题是摩擦损失。尽管较大的导管可以用于限制压降，但这不利地影响了系统重量和空间需求。例如，这种用于每一个流的具有较大液压直径的较大的导管导致更大、更硬和更笨重的集成导管，显著地降低防护/压力能力和低周疲劳寿命，并且影响包装。分离流所需的短互连肋可能增大部件中的应力并且还降低其压力能力和疲劳寿命。仍然需要限制摩擦损失同时满足对低周疲劳寿命和空间的需求的集成管道设计。
发明内容
本发明涉及一种集成流体管道。根据本发明的一个实施例的管道具有外周，该外周限定了流体管道的中心轴线。该流体管道包括第一内部管道，该第一内部管道的中心与流体管道的中心轴线偏置。提供与第一内部管道分开的至少第二内部流体管道，并且其它的内部流体管道是可选择的。流体管道包括至少一个弯曲部。流体管道的部段可以包括若干弯曲部。例如，一种示例性流体管道部段包括七个弯曲部并且可以用于连接喷气式飞机的燃气涡轮发动机中的集成燃料歧管/输送系统中的两个燃料喷嘴。其它的应用包括使用集成流体管道作为用于飞机的燃气涡轮发动机的液压系统的部分。
在另一个实施例中，集成流体管道可以具有两个或多个非同心内部流体管道。根据本发明的一个实施例的管道具有外周，该外周限定了流体管道的中心轴线。该流体管道包括第一内部管道和设置成与第一内部管道分开的至少第二内部流体管道。其它的内部流体管道是可选择的。第一内部流体管道和第二内部流体管道是非同心的。流体管道包括至少一个弯曲部。流体管道的部段可以包括若干弯曲部，使得其能够用于包括上述应用在内的多种应用。
本发明的集成流体管道可以被设计成具有圆形、或非圆形的外周。内部流体管道的形状可以是圆形或非圆形的。在一个实施例中，集成流体管道可以具有圆形的外周，同时具有两个或多个圆形或非圆形的内部管道。备选地，管道的外周可以具有非圆形外周，同时具有两个或多个圆形或非圆形内部管道。
附图说明
图1是用于喷气式发动机的燃料输送系统的集成流体管道的横截面图。
图2是利用图1的集成流体管道的集成燃料输送系统构造的示意图。
图3是根据本发明实施例的用于喷气式发动机的燃料输送系统的集成流体管道的横截面图。
图4是图3的集成流体管道，其中示出了多个弯曲部。
图5示出了利用图3和图4的集成流体管道的集成燃料歧管/输送系统。
图6是图5的特写视图，其中示出了图3和图4的集成流体管道如何连接到燃料输送喷嘴。
图7是根据本发明实施例的具有非圆形外部导管轮廓的集成流体管道的横截面图。
图8是包括液压管线的组装/安装于飞机的燃气涡轮发动机上的液压系统。
图9示出了单个集成管道如何能够替换图8中所示的液压系统中的液压管线的一部分。
具体实施方式
图3中示出了根据本发明的一个方面的集成流体管道。优化图3的集成流体管道300用于喷气式飞机的燃气涡轮发动机的燃料输送。如上文所讨论的，喷气式飞机的燃气涡轮发动机的燃料输送系统是需要特定设计约束条件的恶劣环境。管道包括先导次级管线301、先导初级管线302、和主要燃料管线303。图3的横截面策略上将高压流体置于圆形流型303中以使周向应力最小化，从而解决防护能力问题，并且将相对低压的通道置于剩余的非圆形流型301、302中，从而平衡集成导管300中的压力。寻找三个通路中每一个的流通面积、流速、和润湿外周之间的平衡点，以优化和改进液压直径并且限制摩擦损失。设定高压流的目标液压直径并且围绕其发展低压流通路，直到实现每一个流的目标液压直径。这使得形成了最佳横截面，从而解决了空间/包装问题，并且因此降低了重量。
可以通过使用对称并且足够长的导管400来改进低周疲劳寿命。如图4中所示，导管的每一个部段都包括降低弯曲刚度并且改进导管灵活性的七个弯曲部401、402、403、404、405、406、和407。流体导管中的弯曲部具有处于从小于流体管道直径的两倍到小于流体管道直径五倍的量级的较软弯曲部内的范围内的曲率半径。保持圆形外部导管轮廓，原因在于如果需要，这将允许之后在设计周期后期增加标准结构阻尼特征(例如夹子)，以降低振动响应并且实现所需的高周疲劳寿命。然而，为了进一步降低集成管道的重量，下文参照图7讨论的非圆形外部导管轮廓可以用于特定的较低发动机振动环境或者可使用备选阻尼方法/装置的情况。
如图5中所示，图4的集成导管400用于设计燃料输送歧管系统500，其中直接将燃料从集成导管502输送到燃料喷嘴501。通过图1的底线横截面，满足压降和耐压要求、同时仍然保持在所允许的重量和空间界限内具有挑战。所提出的图3的横截面300解决了燃料歧管理念的压降要求和防护能力。图6示出了图5中所示的燃料歧管系统的特写。导管601、602在燃料歧管系统600中的布置关于燃料喷嘴603、604交错。
在一个实施例中，图7中示出了能够降低导管重量的非圆形外部导管轮廓。图7中所示的非圆形集成导管提供了刚性管道，该刚性管道具有围绕管道的外周连续的外部表面。在该布置中，导管700的外部圆周连续，使得导管700内的单个管线701、702、和703彼此集成。该导管设计以较低重量布置提供了适用于特定的较低发动机振动环境或者可使用备选阻尼方法/装置的情况的刚性系列导管。在一个实施例中，本发明的集成流体管道可以用作如图9中所示的燃气涡轮机/喷气式发动机液压系统中的流体管道。在图8中所示的传统布置中，发动机驱动泵807安装于发动机壳体805上的辅助齿轮箱804上。吸入/返回管线801、壳体排放管线802、和压力/供给管线803从发动机驱动泵807被引导至飞机接口或挂架附接件806。通常，柔性软管和刚性管线的组合用于每一个液压管线，从而实现软管所提供的易于组装及其较高的重量和成本之间的平衡点。根据本发明该实施例的集成流体管道将三个液压管线——压力/供给管线803、吸入/返回管线801和壳体排放管线802中的刚性部段替换成单个集成流体管道。如图9中所示，先前分开的刚性/金属管线801、802和803被加固成集成管线909，该集成管线包括三个内部管道901、902、和903。集成管道909的设计可以具有上文所讨论的图3中所示的圆形外周。备选地，集成管道可以具有如图7中所示的非圆形外周。
图9中所示的集成管道简化了包装以及图8中所示的对支承支架808的需要，并且大幅降低了零件计数。该设计可以包括位于管道路径中的若干弯曲部，以允许在发动机驱动液压泵907至挂架906之间实现布线。该设计可以由于设计约束条件而包括液压泵907和挂架906之间的集成导管的若干连接件。例如，现有的添加制造工作站/平台(table)中可以构建长管道的空间有限。对于连续流体通道实施例而言，可能需要互连硬件。上文讨论的添加制造方法提供了将集成管道的每一个不同的流体通道/通路的入口和出口成型/模制成期望形状的灵活性。该期望形状允许与标准或非标准的流体配件/端件附接/接口。集成流体管道可以具有用于诸如流体配件/接头之类的标准接口硬件的基本圆形端部或者可以具有用于每一个通道/通路上的接口硬件的管道的延伸/布线中的入口/出口龙头，如图2中所示。
上述系统中的整个液压流体管道可以由单个集成管道、或者由单个部段形成。例如，需要管道的明显曲率的液压系统的部分可以优选地根据本发明制成。液压系统可以具有位于流体管道内的至少两个流体通路，但是可以根据设计要求备选地具有若干流体通路。此外，液压系统的一部分可以由具有一种特定几何形状的集成管道制成，而液压系统的其它部分由具有不同的横截面几何形状的集成管道制成。
可以根据添加打印技术来制造本发明的集成管道，其中包括选择性激光烧结(SLS)、直接金属激光烧结(DMLS)和三维打印(3DP)。材料能够包括不锈钢、铝、钛、Inconel625、Inconel 718、钴铬合金等其它的金属材料。在这些基于粉末的制造方法中的每一个中，粉末材料熔化或烧结以形成每一个零件层。例如，SLS工艺利用通过激光器逐层选择性烧结的粉末塑料材料。其它类型的添加制造技术包括3D打印，其中包括立体光刻(SLA)、喷射光聚合、或喷墨印刷。其它类型的添加打印包括基于固体的工艺，该等基于固体的工艺使用在彼此之上分层并且随后被切割的非粉末材料。这些方法包括叠层实体制造(LOM)或熔接沉积成型(FDM)。上述技术中的任何一种都可以用于形成具有用于特定应用的所需曲率的集成管道。上文详细地描述了流体管道及其制造方法的示例性实施例。所述方法和系统不限于本文中所描述的特定实施例，相反，方法和系统的组成部分可以相对于本文中所描述的其它组成部分彼此独立和单独使用。例如，本文中所描述的方法和系统可以具有其它的工业和/或消费者应用并且不限于仅通过如本文中所描述的燃气涡轮发动机来实施。相反，能够结合多种其它的工业来实施和利用本发明。
尽管已根据多个具体实施例描述了本发明，但是本领域技术人员将认识到，能够通过属于权利要求书的精神和范围内的改型来实施本发明。上述的详细描述通过举例而非限制的方式提出了集成流体管道及其制造方法。该等描述应当清楚地使本领域普通技术人员制造和使用集成流体管道，并且描述阐述了若干实施例、改造、变型、替换方式、和流体管道的用途，其中包括目前所认为的最佳模式。本文中将流体管道描述为应用于少数优选的实施例，即与喷气式飞机接口的燃气涡轮发动机上的液压系统和燃气涡轮发动机中的燃烧输送系统的燃料管道。然而，能够构想，除了燃气涡轮发动机的液压系统或燃料流之外，流体管道以及制造流体管道的方法通常可以应用于范围广泛的系统应用中和/或多种商业、工业、和/或消费者应用中。

Claims (20)

1.一种具有长度的流体管道，所述流体管道包括：
外周，所述外周限定了所述流体管道的中心轴线；
第一圆形内部流体管道，所述第一圆形内部流体管道的中心与所述流体管道的中心轴线偏置；和
第二内部流体管道，所述第二内部流体管道与所述第一圆形内部流体管道分开，
其中所述流体管道包括至少一个弯曲部并且所述流体管道与多个燃料输送喷嘴流体连通，所述多个燃料输送喷嘴中的每一个沿着所述流体管道的长度从所述流体管道的不同部分径向地延伸。
2.根据权利要求1所述的流体管道，其中，所述外周是圆形的。
3.根据权利要求2所述的流体管道，其中，所述流体管道还包括第三内部流体管道。
4.根据权利要求3所述的流体管道，其中，所述第二内部流体管道和所述第三内部流体管道是非圆形的并且与所述第一圆形内部流体管道共同占据所述流体管道体积的至少90％。
5.根据权利要求1所述的流体管道，其中，所述流体管道具有非圆形外周。
6.根据权利要求1所述的流体管道，其中，所述流体管道是将燃料输送至燃气涡轮发动机的燃料喷嘴的集成燃料管道。
7.根据权利要求5所述的流体管道，其中，所述第一圆形内部流体管道是主要燃料管线。
8.根据权利要求5所述的流体管道，其中，所述第二内部流体管道是先导次级燃料管线。
9.根据权利要求1所述的流体管道，其中，所述流体管道是集成液压流体管道。
10.根据权利要求9所述的流体管道，其中，所述集成液压流体管道是用于飞机的燃气涡轮发动机的液压系统的零件。
11.一种具有长度的流体管道，所述流体管道包括：
外周，所述外周限定了所述流体管道的中心轴线；
第一内部流体管道；和
第二内部流体管道，所述第二内部流体管道与所述第一内部流体管道分开，
其中所述第一内部流体管道和所述第二内部流体管道非同心，所述流体管道包括至少一个弯曲部，并且所述流体管道与多个燃料输送喷嘴流体连通，所述多个燃料输送喷嘴中的每一个沿着所述流体管道的长度从所述流体管道的不同部分径向地延伸。
12.根据权利要求11所述的流体管道，其中，所述外周是圆形的。
13.根据权利要求11所述的流体管道，其中，所述流体管道还包括第三内部流体管道。
14.根据权利要求13所述的流体管道，其中，所述第二内部流体管道和所述第三内部流体管道是非圆形的并且与所述第一内部流体管道共同占据所述流体管道的体积的至少90％。
15.根据权利要求11所述的流体管道，其中，所述流体管道具有非圆形外周。
16.根据权利要求11所述的流体管道，其中，所述流体管道是将燃料输送到燃气涡轮发动机的燃料喷嘴的集成燃料管道。
17.根据权利要求15所述的流体管道，其中，所述第一内部流体管道是主要燃料管线。
18.根据权利要求15所述的流体管道，其中，所述第二内部流体管道是先导次级燃料管线。
19.根据权利要求11所述的流体管道，其中，所述流体管道是集成液压流体管道。
20.根据权利要求19所述的流体管道，其中，所述集成液压流体管道是用于飞机的燃气涡轮发动机的液压系统的零件。
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