CN109996946A - 涡轮发动机及其冷却方法 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮发动机，其包括中心发动机罩和冷却系统，中心发动机罩包括隔室，冷却系统定位在隔室内。冷却系统包括冷却风扇、温度传感器和控制器，冷却风扇被构造成从隔室排放热量，温度传感器被构造成监控隔室内的温度，控制器与冷却风扇和温度传感器通信联接。控制器被构造成在温度比阈值大时致动冷却风扇。

Description

涡轮发动机及其冷却方法
技术领域
本公开大体上涉及涡轮发动机，更具体地，涉及用于在关闭之后冷却涡轮发动机的隔室和部件的冷却系统。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括作为发动机架构的一部分的下罩空间(undercowlspace)或发动机中心隔室。随着燃气涡轮发动机被改进以例如提供更高的飞行器速度或更低的特定燃料消耗(SFC)，风扇和压缩机的压力比以及内部温度预计大幅升高，导致更高的发动机中心隔室和部件的温度。发动机中心隔室部件包括电子器件和其他可更换线路单元(LRU)。此外，其他已知的电子器件(包括全权数字发动机控制(FADEC)系统)对于在燃气涡轮发动机操作期间的发动机中心隔室温度增加和作为发动机关闭之后的浸回(soak-back)结果的发动机中心隔室温度增加两者可以特别敏感。高温可以对下罩空间中的电气和电子部件具有不良影响并导致使用寿命减少。
发明内容
在一个方面，提供一种涡轮发动机。涡轮发动机包括包括隔室的中心发动机罩，和定位在隔室内的冷却系统。冷却系统包括冷却风扇、温度传感器和控制器，冷却风扇被构造成从隔室排放热量，温度传感器被构造成监控隔室内的温度，控制器与冷却风扇和温度传感器通信联接。控制器被构造成在温度比阈值大时致动冷却风扇。
在另一方面，提供一种用于在涡轮发动机的中心发动机罩内使用的冷却系统。冷却系统包括冷却风扇、温度传感器和控制器，冷却风扇被构造成从中心发动机罩的隔室排放热量，温度传感器被构造成监控隔室内的温度，控制器与冷却风扇和温度传感器通信联接。控制器被构造成在温度比阈值大时致动冷却风扇。
在又一方面，提供一种冷却涡轮发动机的方法。该方法包括监控涡轮发动机的中心发动机罩内的温度，以及致动被构造成从中心发动机罩排放热量的冷却风扇。冷却风扇定位在中心发动机罩内，并且当中心发动机罩内的温度比阈值大时致动冷却风扇。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，将会更好地理解本公开的这些及其他特征、方面和优点，附图中，类似的字符在所有附图中表示类似的部分，其中：
图1是示范性涡轮发动机的示意性图示；
图2是根据本公开的第一实施例的图1中所示出的涡轮发动机的一部分的示意性图示；以及
图3是根据本公开的第二实施例的图1中所示出的涡轮发动机的一部分的示意性图示。
除非另有指示，否则，文中提供的附图意指图示本公开的实施例的特征。相信这些特征适用于包含该公开的一个以上实施例的各种系统。这样，附图并不意指包括本领域普通技术人员已知的用于实践文中公开的实施例所需的所有常规特征。
具体实施方式
在以下说明书和权利要求书中，将参考诸多术语，术语应被限定为具有以下含义。
除非上下文另有清楚指示，否则，单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数指代。
“可选的”或“可选地”意指随后描述的事件或情况可能发生或可能不发生，并且该描述包括事件发生的实例和事件不发生的实例。
通篇说明书和权利要求书文中所使用的近似语言可以应用于修改任何定量表示，该表示可以允许变化而不造成其所涉及的基本功能的变更。由此，由一个或多个术语(诸如，“大约”，“近似”和“大致”)修饰的值不限于具体的精确值。在至少一些实例中，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及通篇说明书和权利要求书中，范围限制可以被组合和/或互换。除非上下文或语言另有指示，否则，这些范围被识别并包括其中含有的所有子范围。
如文中所使用的，术语“轴向的”和“轴向地”指代大致平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和取向。另外，术语“径向的”和“径向地”指代大致垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和取向。此外，如文中所使用的，术语“周向的”和“周向地”指代绕着涡轮发动机的中心线弧形地延伸的方向和取向。
本公开的实施例涉及用于在关闭之后冷却涡轮发动机的隔室和部件的冷却系统。更具体地，文中描述的冷却系统包括定位在涡轮发动机的中心发动机罩内的辅助风扇，有助于从其中排放热量。辅助冷却风扇经由独立的控制器致动，该控制器接收来自中心发动机罩内的温度反馈。如此，中心发动机罩，包括中心安装的附件和电子器件(诸如FADEC系统)，即使在发动机关闭之后的热浸回的存在下仍保持冷的，使得附件的使用寿命提高。
虽然在涡扇发动机的背景下描述了以下实施例，但是应当理解，文中描述的系统和方法还适用于涡轮桨发动机、涡轮轴发动机、涡轮喷气发动机、陆基涡轮发动机，和任何其他涡轮发动机或机器，其压缩工作流体并且在关闭之后期望冷却。
图1是示范性涡轮发动机10的示意性示图，其包括风扇组件12、低压或增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18。风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16和燃烧器组件18以流动连通的方式联接。涡轮发动机10还包括高压涡轮组件20，其与燃烧器组件18和低压涡轮组件22流动连通地联接。风扇组件12包括从转子盘26径向向外延伸的风扇叶片阵列24。低压涡轮组件22经过第一驱动轴28联接到风扇组件12和增压压缩机组件14，而高压涡轮组件20经过第二驱动轴30联接到高压压缩机组件16。涡轮发动机10具有进口32和排口34。涡轮发动机10进一步包括中心线36，风扇组件12、增压压缩机组件14、高压压缩机组件16以及涡轮组件20和22绕着中心线28旋转。
操作时，经过进口32进入涡轮发动机10的空气被朝向增压压缩机组件14引导通过风扇组件12。压缩空气从增压压缩机组件14朝向高压压缩机组件16排出。高度压缩的空气被从高压压缩机组件16朝向燃烧器组件18引导，与燃料混合，并且混合物在燃烧器组件18内燃烧。通过燃烧器组件18所产生的高温燃烧气体被朝向涡轮组件20和22引导。随后，燃烧气体经由排口34从涡轮发动机10排出。
图2是根据本公开的第一实施例的涡轮发动机10(图1中所示出)的一部分的示意性图示。在示范性实施例中，涡轮发动机10进一步包括具有中空隔室102的中心发动机罩100，中空隔室102在其中容纳一个以上的机械或电子部件。例如，在一个实施例中，冷却系统104定位在中空隔室102内。冷却系统104包括定位在中空隔室102内的至少一个冷却风扇106，以及与冷却风扇106通信联接的全权数字发动机控制(FADEC)系统108。FADEC系统108未与冷却系统104的一个以上的子系统或部件通信联接，使得冷却系统104独立于FADEC系统控制而操作，如下面将更详细地解释的。
在示范性实施例中，冷却风扇106定位在中空隔室102内，使得冷却气流110以有助于增强冷却气流110的冷却效率的方式在中空隔室102内循环。例如，中空隔室102包括轴向地相对中心线36的向前部112和向后部114。此外，中心发动机罩100包括限定在其中的通风口116，其排放热量，更具体地，来自中空隔室102的加热的气流118。通风口116定位在中空隔室102的向后部114处。在一个实施例中，冷却风扇106定位在中空隔室102的向前部112内，并且定向成朝向向后部114排出冷却气流110，使得加热的气流118从通风口116排放。当相对中心线36轴向地观察涡轮发动机10时，冷却风扇106还定位在中空隔室102内、在6点钟位置处，使得冷却风扇106被有效地定位用于补充中空隔室102内升高热量的动力。
另外，在一个实施例中，冷却风扇106进一步定向成使得从冷却风扇106排出的冷却气流110相对涡轮发动机10的中心线36螺旋地流动。更具体地，冷却风扇106相对中心线36在一个以上的维度上被倾斜地定向，使得冷却空气流110在作为加热气流118从通风口116排出之前从向前部112朝向向后部114绕着中心线36旋动。如此，冷却风扇106定位和定向成使得中空隔室102的容积能够利用位于中空隔室102内的固定位置的设备来冷却。在替换性实施例中，多于一个的冷却风扇106定位在中空隔室102内。
冷却系统104进一步包括温度传感器120和控制器122。温度传感器120定位在中空隔室102内，并监控中空隔室102内的温度。控制器122与冷却风扇106和温度传感器120通信联接。在操作中，当中空隔室102内的温度比阈值大时，控制器致动冷却风扇106。如此，例如，控制器122仅基于中空隔室102内的温度来控制冷却风扇106的操作，而不是基于FADEC系统控制。
在示范性实施例中，冷却系统104进一步包括动力供应部124，其在涡轮发动机关闭之后为冷却风扇106供给动力。更具体地，例如，动力供应部124是可再充电的，并且独立于涡轮发动机操作和相关联的机身操作。如此，动力供应部124有助于在涡轮发动机关闭之后操作冷却系统104，并且不消耗相关联机身的动力供应部。
在一个实施例中，动力供应部124在涡轮发动机10的操作期间被充电和再充电。例如，冷却系统104进一步包括在涡轮发动机操作期间操作的发电机126。更具体地，发电机轴128联接在第一驱动轴28和发电机126之间，使得当第一驱动轴28旋转时，旋转机械能被感应到发电机126。发电机126将旋转机械能转换为电能，并且动力供应部124存储从发电机126接收的电能。在替换性实施例中，发电机轴128联接到涡轮发动机10的任何旋转部件，其使冷却系统104能够如文中所述的作用。
在操作中，温度传感器120监控中心发动机罩100内的温度，并且当中心发动机罩100内的温度比预定阈值大时，控制器122致动冷却风扇106。基于在电子部件长期暴露之后可能被损坏的温度来确定预定阈值。例如，在一个实施例中，预定阈值限定在大约100℉。温度传感器120在冷却风扇106的操作期间继续监控中心发动机罩100内的温度，并且在一个实施例中，控制器122操作冷却风扇106，直到中心发动机罩100内的温度比预定阈值小。如此，中心发动机罩100内的温度维持在有助于延长容纳在中心发动机罩100内的机械或电子部件(诸如FADEC系统108)的使用寿命的温度。
如上所述，当中心发动机罩100内的温度比预定阈值大时，控制器122致动冷却风扇106。如此，不管涡轮发动机10的飞行状态或操作条件，冷却风扇106可操作。替换性地，冷却风扇106能够基于涡轮发动机10的飞行状态致动，使得冷却风扇106仅能够在涡轮发动机10不在飞行中时致动。例如，在这种实施例中，控制器122与FADEC系统108通信联接，并且控制器122在涡轮发动机10接收到完全停止命令之后致动冷却风扇106。
另外，如上所述，冷却风扇106独立于FADEC系统控制而操作。例如，在一个实施例中，当中心发动机罩100内的温度比预定阈值大时，控制器122将启动信号发送到冷却风扇106，而不是FADEC系统108发送启动信号。如上所述，温度传感器120在冷却风扇106的操作期间继续监控中心发动机罩100内的温度，并且当温度减小并且比预定阈值小时，控制器122将停止信号发送到冷却风扇106。替换性地，或者除了控制器停用之外，冷却风扇106在从控制器122接收到启动信号之后操作预设时间。这样，提供用于冷却风扇106的冗余关闭序列。
图3是根据本公开的第二实施例的涡轮发动机10(图1中所示出)的一部分的示意性图示。在示范性实施例中，冷却系统104进一步包括从冷却风扇106延伸的气流导管130。更具体地，发电机轴128包括入口132和排放出口134。气流导管130定向成使得冷却气流110在入口132处被接收，被引导经过气流导管130，并且朝向中心发动机罩100内的预定高温区域排出。例如，如上所述，中空隔室102在其中容纳一个以上的电子部件，诸如FADEC系统108。如此，在示范性实施例中，排放出口134定位成使得冷却气流110以更有效和直接的方式朝向FADEC系统108引导。在替换性实施例中，仅冷却气流110的从冷却风扇106排出的一部分被引导经过气流导管130，并且冷却气流110的剩余部分被排出，用于中空隔室102的总体冷却。
文中描述的系统及方法的示范性技术效果包括下述中的至少一个：(a)冷却涡轮发动机的中心发动机罩；(b)增加核心安装的发动机附件的使用寿命；(c)提供能够基于中心发动机罩内的温度操作的冷却系统。
上面详细描述了与涡轮发动机和涉及部件一起使用的冷却系统的示范性实施例。该系统不限于文中描述的具体实施例，而是，系统的部件和/或方法的步骤可以独立地并且与文中描述的其他部件和/或步骤分离地使用。例如，文中描述的部件的构造还可以与其他处理组合使用，不限于仅利用文中描述的涡扇组件和涉及方法来实践。而是，示范性实施例可以连同期望冷却中空隔室的许多应用一起来实施和运用。
尽管本公开的各种实施例的具体特征可以在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但是，这仅仅是为了方便。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可以与任何其他附图的任何特征组合地参考和/或要求。
该书面描述使用示例来公开本发明的各实施例，包括最佳模式，还使本领域的普通技术人员能够实践本发明的各实施例，包括制造和使用任何装置或系统，并施行任何并入的方法。文中描述的专利权范围由权利要求书来限定，可以包括本领域技术人员容易想到的其他示例。这种其他示例意在包括于权利要求书的范围内，如果该示例具备与权利要求书的文字语言并无不同的结构元件的话，或者，如果该示例包括与权利要求书的文字语言无实质不同的等效结构元件的话。

Claims (20)

1.一种涡轮发动机，其特征在于，包含：
中心发动机罩，所述中心发动机罩包含隔室；以及
冷却系统，所述冷却系统被定位在所述隔室内，所述冷却系统包含：
冷却风扇，所述冷却风扇被构造成从所述隔室排出热量；
温度传感器，所述温度传感器被构造成监控所述隔室内的温度；以及
控制器，所述控制器与所述冷却风扇和所述温度传感器通信联接，所述控制器被构造成在所述温度比阈值大时，致动所述冷却风扇。
2.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述冷却系统进一步包含动力供应部，所述动力供应部被构造成在涡轮发动机关闭之后，为所述冷却风扇供给动力。
3.如权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，进一步包含发电机，所述发电机被构造成在涡轮发动机操作期间操作，其中，所述动力供应部被构造成存储从所述发电机接收到的电能。
4.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述冷却风扇进一步被构造成独立于全权数字发动机控制(FADEC)系统控制而操作。
5.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述隔室被构造成在其中容纳FADEC系统，所述涡轮发动机进一步包含在所述冷却风扇和所述FADEC系统之间延伸的气流导管。
6.如权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述隔室包含向前部和向后部，所述冷却风扇被定位在所述向前部内并且被定向成使得气流从所述向前部朝向所述向后部被引导。
7.如权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述冷却风扇进一步被定向成使得所述气流相对所述涡轮发动机的中心线螺旋地流动。
8.如权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，其中，所述中心发动机罩包含限定在其中的通风口，所述通风口被构造成从所述隔室排放热量，所述通风口被定位在所述隔室的所述向后部处。
9.一种用于在涡轮发动机的中心发动机罩内使用的冷却系统，其特征在于，所述冷却系统包含：
冷却风扇，所述冷却风扇被构造成从所述中心发动机罩的隔室排放热量；
温度传感器，所述温度传感器被构造成监控所述隔室内的温度；以及
控制器，所述控制器与所述冷却风扇和所述温度传感器通信联接，所述控制器被构造成在所述温度比阈值大时，致动所述冷却风扇。
10.如权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，进一步包含气流导管，所述气流导管从所述冷却风扇延伸，所述气流导管被定向成朝向所述中心发动机罩内的预定高温区域引导来自所述冷却风扇的气流。
11.如权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，其中，所述冷却风扇进一步被构造成独立于全权数字发动机控制(FADEC)系统控制而操作。
12.如权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，进一步包含动力供应部，所述动力供应部被构造成在涡轮发动机关闭之后，为所述冷却风扇供给动力。
13.如权利要求12所述的冷却系统，其特征在于，进一步包含发电机，所述发电机被构造成在涡轮发动机操作期间操作，其中，所述动力供应部被构造成存储从所述发电机接收到的电能。
14.如权利要求9所述的冷却系统，其特征在于，其中，所述控制器进一步被构造成在所述涡轮发动机接收到完全停止命令之后，致动所述冷却风扇。
15.一种冷却涡轮发动机的方法，其特征在于，所述方法包含：
监控所述涡轮发动机的中心发动机罩内的温度；和
致动被构造成从所述中心发动机罩排放热量的冷却风扇，其中，所述冷却风扇被定位在所述中心发动机罩内，并且其中，在所述中心发动机罩内的所述温度比阈值大时，致动所述冷却风扇。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中，致动冷却风扇包含：操作所述冷却风扇，直到所述中心发动机罩内的所述温度比所述阈值小。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中，致动冷却风扇包含：在所述涡轮发动机已关闭之后，操作所述冷却风扇达预设时间。
18.如权利要求15所述的方法，其特征在于，其中，致动冷却风扇包含：将来自控制器的启动信号发送到所述冷却风扇，其中所述冷却风扇被构造成独立于全权数字发动机控制(FADEC)系统控制而操作。
19.如权利要求18所述的方法，其特征在于，其中，致动冷却风扇包含：在从所述控制器接收到所述启动信号后，使所述冷却风扇操作达预设时间。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包含：
在所述涡轮发动机的操作期间，将机械能转换为电能；
存储所述电能；以及
在所述涡轮发动机已关闭之后，使用所述电能来为所述冷却风扇供给动力。
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