CN110733647B - 防冰系统排气干扰器 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称为防冰系统排气干扰器。用于燃气涡轮发动机引气排气口(28)的气流干扰器(34、134、234)采用可旋转地安装在排气管(26)的排气口(28)上游的干扰器板(36)。致动器连接至干扰器板(36)并且适于响应于排气口(28)中的排气流(31)的温度将干扰器板(36)旋转到外部气流(29)中，由此外部气流(29)在排气口(28)的上游湍流化。

Description

防冰系统排气干扰器
背景信息
技术领域
本公开内容的实施一般地涉及用于飞行器的防冰系统领域，并且更具体地涉及用于防冰系统排出空气的空气动力学干扰和流动混合的系统。
技术背景
大型商用飞行器在飞行器的各种元件的前缘表面上采用防冰系统，包括机翼前缘，特别是发动机进气罩前缘。在许多防冰系统中，使用或产生非常高温的空气来温热前缘表面以防止结冰或除去前缘上的冰。高温空气通常在前缘的内部体积内循环，并且然后在前缘后部的机舱结构外部排出至下游外部气流。这会导致排气口下游的外表面的显著加热，该排气口可能需要特殊材料或增加的结构重量以适应加热效果。
发明内容
本文所公开的实施提供了用于燃气涡轮发动机引气排气口的气流干扰器，其具有可旋转地安装在排气管的排气口上游的干扰器板。致动器连接至干扰器板并适于响应于排气口中的排气流温度将干扰器板旋转到外部气流中，由此外部气流在排气口的上游湍流化。
公开的实施提供了用于控制防冰系统排气温度的方法。干扰器板在排气口的上游旋转，以在外部气流中产生湍流(turbulence)，从而提供湍流化流(turbulated flow)。来自排气口的排气流被夹带到湍流化流中，从而在撞击排气口后部的表面上之前冷却排气流。
附图说明
防冰系统排气气流干扰器的特征、功能和优点可以在本公开内容的各种实施中独立地实现，或者可以在又其他实施中组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图。
图1是商用飞行器的示意图，其显示了防冰系统排气干扰器的实施的布置；
图2是防冰系统排气干扰器的示例性实施的发动机机舱和入口的示意图；
图3是发动机机舱前缘的详细剖视图，其显示了前缘体积中的排气管，其中防冰系统提供加热的空气和排气出口；
图4是发动机机舱前缘的详细剖视图，其显示了处于关闭位置的防冰系统排气干扰器的第一实施。
图5A是发动机机舱前缘的详细剖视图，其显示了处于打开或运行位置的防冰系统排气干扰器在的第一实施；
图5B是第一实施中干扰器板的示意图；
图6是发动机机舱前缘的详细剖视图，其显示了具有另外的控制和运行特征的防冰系统排气干扰器的第二实施；
图7是发动机机舱前缘的详细剖视图，其显示了处于关闭位置的防冰系统排气干扰器的第三实施；
图8是发动机机舱前缘的详细剖视图，其显示了处于打开或运行位置的防冰系统排气干扰器的第三实施；
图9是防冰系统排气干扰器的控制系统的框图；和，
图10是防冰系统排气干扰器的实施的运行的流程图。
具体实施方式
本文公开的实施提供了用于燃气涡轮发动机引气排气口的气流干扰器，比如防冰系统中使用的气流干扰器。能动装置(active device)，比如门或板，安装在发动机防冰排气口的上游。能动装置优选地是温度激活或控制的。在运行中，当发动机防冰系统被激活时，板旋转到外部气流中，引起排气口上游的气流干扰。这种干扰引起离开排气口的排出的气流与外部气流混合，导致混合的气流具有降低的温度。在示例性实施中，温度传感器可以安装在防冰排气流中。此外，干扰器板可以是电动运行的。在运行中，当防冰系统排气流中的温度升高时，温度传感器将温度信号发送至控制器，然后控制器可以响应于感测到的温度激活致动器以打开和/或关闭门。
在第二实施中，能动装置包括直接连接至干扰器板的热致动器。热致动器可以直接安装在防冰排气管内，并且通过连杆(linkage)连接至干扰器板。在运行中，当防冰排气管内的温度升高时，热致动器移动连杆，其导致干扰器板打开。当温度降低时，热致动器使干扰器板以相反方向旋转至关闭。结果，干扰器板的位置与防冰排气管内的引气温度直接相关。
在第三实施中，能动装置进一步运行以引导来自外部气流的加压空气穿过打开干扰器板产生的开口进入充气室。充气室通过位于排气管内的主排放器喷嘴喷射加压空气，该加压空气夹带排气流并与其混合，排气管充当同心二级排放器喷嘴。排放器在从排气口排出之前的流中产生混合，从而进一步增强冷却。
在进一步的实施中，当发动机防冰系统被激活时，板可以被命令打开，并且当防冰系统被停用时，板可以被命令关闭。
参考附图，图1显示了飞行器10，其具有机身12、机翼14和以标准配置安装在机翼下方的用于燃气涡轮发动机的发动机机舱16。图2是端口发动机机舱16的近视图，其显示了其中可以采用防冰系统的前整流罩(nose cowl)18。显示了防冰系统排气干扰器的实施的示例性位置，并将参考图3对其进行详细描述。
如图3所见，前整流罩18并入由前缘蒙皮22和隔板(bulkhead)24围绕的内部体积20。来自防冰系统的高温空气流动通过内部体积20以加热前缘蒙皮22以防止飞行期间前缘蒙皮上结冰。相对于由箭头29表示的外部气流，由箭头25所表示，高温空气流通过排气管26离开内部体积20，该排气管26终止于前缘蒙皮22下游的风扇整流罩(fan cowl)19的蒙皮30中的排气口28。流动通过排气口28的由箭头31所表示的高温排气流被引导到由箭头29所表示的外部气流中，并且由箭头33所表示，撞击蒙皮30的外表面32，其形成机舱16的风扇整流罩19的一部分。
图4中显示了防冰系统排气气流干扰器34的第一实施。在图解的实施方式中，气流干扰器34包括干扰器板36，该干扰器板36用铰链38安装在排气口28的前方，铰链38使得干扰器板36能够从关闭位置旋转至打开位置，在关闭位置中干扰器板36基本上是与前缘蒙皮22和风扇整流罩外表面32的空气动力学模线(mold line)齐平。气流干扰器34还包括致动器40，其可以是电动机或螺线管，或液压或气压缸，其中关联的致动杆42连接至干扰器板36用于围绕铰链38旋转干扰器板36。
在第一实施中，铰链38位于干扰器板36的前边缘44处。在所显示的示例性实施中，铰链38邻近隔板24定位以用于结构支撑。然而，在可选的实施中，铰链38可以定位在隔板24的前面或后面。如图5A所见，致动器40的激活使干扰器板36围绕铰链38旋转到外部气流29中。外部气流撞击在干扰器板36上产生湍流，由箭头46所表示，从干扰器板36下游流过排气口28，夹带排气流31。然后湍流化流(turbulated flow)(本文所用的“湍流化(turbulated)”定义为夹带诱导的湍流并与其混合)，由箭头48表示，其比排气流31显著更冷，撞击在排气口28后面的蒙皮30的外表面32上。
如图5B中所见，干扰器板36可以包含比如穿孔50的特征或比如锯齿形后缘52的后缘处理，以增强由干扰器板36赋予外部气流的湍流。在将气流重新附着在排气口后部的外表面32上之前，另外的湍流可以诱导离开排气口28的排气的增强的冷却。
由防冰系统排气干扰器36产生的冷却流可允许在排气口28的下游使用较便宜且重量较轻的低温材料，以用于飞行器的潜在总成本和重量减轻。防冰系统排气干扰器36还可以减轻较短的发动机进气口所面临的问题——由于机舱较短防冰系统排气可能撞击机舱的较关键区域。
如随后关于图9所更详细描述的，防冰系统排气气流干扰器34的激活和干扰器板36的旋转程度是防冰系统排气温度的函数，依赖于自由流空气的过冷液态水含量、飞机的空速、外部空气温度和发动机运行参数——其确定供应至防冰系统的高温空气的温度，该防冰系统排气温度可在运行期间显著变化。致动器40可以适于提供致动杆42在一系列位置上的延伸，以使干扰器板36能够从完全关闭位置转换到完全打开位置，从而提供所需的湍流以使排气流充分混合至温度降低，而没有不必要地影响空气动力学性能。如图5A所见，控制信号54被提供至致动器40，用于控制干扰器板36的延伸范围。
图6中显示了防冰排气空气气流干扰器134的第二实施。如在第一实施中，干扰器板36附着在前边缘44处以围绕铰链38旋转。采用形状记忆合金(SMA)的热致动器140可以向并入致动元件142的连杆提供旋转或平移输入，该致动元件142连接至力倍增机构(forcemultiplying mechanism)56。驱动杆58连接在力倍增机构56和干扰器板36之间，用于旋转干扰器板。如果对于第一实施的致动器40需要另外的力学性能或从旋转运动至线性运动的转换，则可以采用包括力倍增器机构和驱动杆的类似的连杆。运行干扰器板36以在外部气流中产生用于夹带排气流31的湍流，以在排气口28的下游提供混合，这与第一实施基本相同。
将SMA致动器140放置在排气管26内可以允许响应于排气流31的变化温度而独立且自动地运行致动器；较高的温度导致致动器140中SMA的增加的旋转或伸展，并且较低的温度导致SMA缩回。比如线性可变差动变压器(LVDT)60或类似装置的位置传感器可用于通过致动元件142或驱动杆58的实际位置来感测干扰器板36的旋转量并且提供位置反馈信号62至控制和监测系统。可选地，可以采用铰链38中的旋转传感器。如在第一实施方式中，获得干扰器板36的一系列位置，用于提供所需的湍流，以使排气流充分混合至温度降低，而不会不必要地影响空气动力学性能。LVDT可以类似地在防冰系统排气气流干扰器34的第一实施中采用，以提供对致动器杆42的延伸范围的反馈。
图7中显示了防冰系统排气气流干扰器234的第三实施。防冰系统排气气流干扰器234采用如先前实施中的干扰器板36。然而，铰链38附着至干扰器板36的后边缘244。如图8所见，致动器40和致动器杆42的激活使干扰器板36围绕铰链38旋转，打开充气室64，以接收来自外部气流29的由箭头65表示的加压气流。如在先前的实施中，干扰器板36的旋转在排气口28上方的干扰器板下游的外部气流中产生湍流，伴随着相关的排出的排气流的混合。然而，充气室64另外并入了延伸到排气管26中的具有气流排出口导管66，其中该气流排出口提供排放器主喷嘴68，而同心排气管形成排放器二级喷嘴70。充气室中的加压的空气流65产生从排放器主喷嘴68喷出的冷喷射，由箭头69表示，其在排放器二级喷嘴70中夹带并混合由箭头71表示的排气流。排气口28现在提供排放器出口，并且由箭头231表示的产生的排气流被混合和冷却。然后通过干扰器板36在外部气流上的直接动作而产生的湍流化流进一步混合排气流231，以邻近下游表面32产生增强的冷却流。如在先前的实施中，干扰器板36通过从关闭位置至完全打开位置的一定范围内角度的旋转控制加压空气流65的入口流量以及干扰器板下游的外部气流29的湍流。
如图9所显示，可以实现对防冰系统排气气流干扰器34、134或234的实施的控制。放置温度传感器72以感测排气管26中或风扇整流罩19的外表面32上的温度，并向控制系统76提供温度信号74。响应于温度信号74指示温度高于阈值激活温度，然后控制系统76向致动器40提供致动信号78。在防冰系统排气气流干扰器34、234的第一和第三实施中，致动信号可以与超过阈值的温度成比例以通过致动器杆42提供干扰器板36的旋转，使得干扰器板36设置在完全关闭和完全打开之间的位置，以实现排气流31、71的必要冷却，如前所述。在防冰系统排气气流干扰器134的第二实施中，致动信号78可以仅仅是致动器40的通电信号，用于LVDT60的运行以向控制系统76提供实际位置反馈信号62；如前所述，SMA致动器140的操作自动与排气导管中的温度成比例。
作为干扰器板36的温度感测致动的替代，当防冰系统82被激活时，可以向控制系统76提供防冰系统激活信号80。然后可以由控制系统76发送致动信号78，以命令致动器40、240将干扰器板36旋转到打开位置。在防冰系统停用时，防冰系统激活信号80被移除，并且控制系统76命令致动器40、240将干扰器板36旋转到关闭位置。
防冰系统排气干扰器的各种实施提供了用于控制防冰系统排气温度的方法1000，如图10所显示。在排气管26中或在排气管后部的表面32上感测温度，步骤1002，和将温度信号74提供给控制系统76，步骤1004。控制系统76包括模块以监测温度信号74，步骤1006，和在达到阈值温度时，致动信号78被发送至致动器40、140、240，步骤1008。响应于第一和第三实施方式中的致动信号，致动器40、240旋转在排气口28上游的干扰器板36，步骤1010，以在排气口上游的外部气流29中产生湍流，步骤1012。在第二实施方式中，在达到阈值温度后激活热致动器140自动地旋转干扰器板36，步骤1013。来自排气口的排气流被夹带到湍流化流中，步骤1014，从而在撞击排气口后部的表面32上之前冷却排气流，步骤1016。可以向控制系统76提供位置反馈信号62，步骤1018，以通过响应于温度信号74和实际位置反馈信号62两者调节致动信号78来增强干扰器板位置控制。
进一步地，本公开内容包括根据以下条款的实施方式：
条款1.用于燃气涡轮发动机引气排气口的气流干扰器，气流干扰器包括：
干扰器板，其可旋转地安装在排气管的排气口上游；和，
连接至干扰器板的致动器，致动器适于响应于排气口中排气流的温度将干扰器板旋转到外部气流中，由此外部气流在排气口上游湍流化。
条款2.条款1所限定的气流干扰器，进一步包括温度传感器并且其中致动器可响应于来自温度传感器的温度信号运行。
条款3.条款2所限定的气流干扰器，进一步包括控制系统，其接收温度信号并且响应于温度信号超出阈值将致动信号发送至致动器。
条款4.条款3所限定的气流干扰器，其中致动信号与由温度信号所指示的超过阈值的温度成比例。
条款5.条款4所限定的气流干扰器，其中干扰器板响应于温度信号可在从完全关闭至完全打开的一系列位置上旋转。
条款6.条款1所限定的气流干扰器，其中干扰器板包含穿孔。
条款7.条款1所限定的气流干扰器，其中干扰器板包含后缘处理。
条款8.条款1所限定的气流干扰器，其中致动器是热致动器，所述热致动器定位在排气管内。
条款9.条款8所限定的气流干扰器，其中致动器采用形状记忆合金(SMA)。
条款10.条款9所限定的气流干扰器，其中致动器响应于排气管中排气流的变化温度，较高的温度导致致动器中SMA的增加的旋转或伸展，并且较低的温度导致SMA缩回。
条款11.条款5所限定的气流干扰器，进一步包括位置传感器，所述位置传感器适于感测干扰器板的旋转量并且提供位置反馈信号。
条款12.条款11所限定的气流干扰器，其中位置传感器包括线性可变差动变压器(LVDT)。
条款13.条款1所限定的气流干扰器，其中干扰器板可旋转地安装在干扰器板的后缘，并且进一步包括充气室，该充气室通过干扰器板的旋转而打开以从外部气流接收加压空气，所述充气室具有延伸到排气管中的具有气流排出口的导管，该气流排出口提供排放器主喷嘴，并且其中排气管与排放器主喷嘴同心以形成排放器二级喷嘴。
条款14.条款13所限定的气流干扰器，进一步包括温度传感器并且其中致动器可响应于来自温度传感器的温度信号运行。
条款15.条款14所限定的气流干扰器，进一步包括控制系统，其接收温度信号并且响应于超出阈值的温度信号将致动信号发送至致动器。
条款16.条款15所限定的气流干扰器，其中致动信号与由温度信号所指示的超过阈值的温度成比例。
条款17.条款16所限定的气流干扰器，其中干扰器板响应于温度信号可在从完全关闭至完全打开的一系列位置上旋转。
条款18.控制防冰系统排气温度的方法，其包括：
旋转排气口上游的干扰器板以在外部气流中产生湍流，从而提供湍流化流；和
将来自排气口的排气流夹带到湍流化流中，从而在撞击排气口后部的表面上之前冷却排气流。
条款19.条款18所限定的方法，进一步包括：
感测排气口中或排气口后部表面上的温度；
提供温度信号；和
监测温度信号，并且在达到阈值温度之后将致动信号发送至致动器。
条款20.条款18所限定的方法，进一步包括将热致动器安装在排气管中；并且其中旋转干扰器板的步骤包括在达到阈值温度之后致动热致动器。
现在已经根据专利法规的要求详细描述了本公开内容的各种实施，本领域技术人员将认识到对本文公开的具体实施的更改和替换。这些更改在如权利要求所限定的本公开内容的范围和意图内。

Claims (8)

1.一种防冰系统的用于燃气涡轮发动机引气排气口(28)的气流干扰器(34、134、234)，所述气流干扰器(34、134、234)包括：
干扰器板(36)，其可旋转地安装在排气管(26)的排气口(28)的上游；
连接至所述干扰器板(36)的致动器(40、140、240)，所述致动器(40、140、240)适于响应于所述排气口(28)中的排气流(31)的温度将所述干扰器板(36)旋转到外部气流(29)中，由此所述外部气流(29)在所述排气口(28)上游湍流化；
温度传感器(72)，其中所述温度传感器(72)被放置以感测所述排气管(26)中的温度，并且其中所述致动器(40、140、240)可响应于来自所述温度传感器(72)的温度信号(74)运行；和
控制系统(76)，其接收所述温度信号(74)并且响应于超出阈值的所述温度信号(74)将致动信号发送至所述致动器(40、140、240)，其中所述致动信号与由所述温度信号(74)指示的超过所述阈值的温度成比例。
2.根据权利要求1所述的气流干扰器(34、134、234)，其中所述干扰器板(36)包含穿孔(50)或后缘处理(52)。
3.根据权利要求1所述的气流干扰器(34、134、234)，其中所述致动器(40、140、240)是热致动器(140)，所述热致动器(140)定位在所述排气管(26)内，所述致动器(140)采用形状记忆合金(SMA)，并且其中所述致动器(140)响应于所述排气管(26)中排气流(31)的变化温度，较高的温度导致所述致动器(140)中SMA的增加的旋转或伸展并且较低的温度导致SMA的缩回。
4.根据权利要求3所述的气流干扰器(34、134、234)，进一步包括位置传感器(60)，所述位置传感器(60)适于感测所述干扰器板(36)的旋转量并且提供位置反馈信号，其中所述位置传感器(60)包括线性可变差动变压器(LVDT)。
5.根据权利要求1所述的气流干扰器(34、134、234)，其中所述干扰器板(36)可旋转地安装在所述干扰器板(36)的后缘(244)并且进一步包括充气室(64)，所述充气室通过所述干扰器板(36)的旋转而打开以从所述外部气流(29)接收加压空气，所述充气室(64)具有延伸到所述排气管(26)的具有气流排出口的导管(66)，所述气流排出口提供排放器主喷嘴(68)，并且其中所述排气管(26)与所述排放器主喷嘴(68)同心以形成排放器二级喷嘴(70)。
6.根据权利要求1所述的气流干扰器(34、134、234)，进一步包括温度传感器(72)，并且其中所述致动器(40、140、240)可响应于来自所述温度传感器(72)的温度信号(74)运行。
7.一种控制防冰系统排气温度的方法，其包括：
旋转在排气口(28)上游的干扰器板(36)以在外部气流(29)中产生湍流，从而提供湍流化流，所述干扰器板(36)响应于所述排气口(28)中的排气流(31)的温度旋转；
将来自所述排气口(28)的排气流(31)夹带到所述湍流化流，从而在撞击所述排气口(28)后部的表面上之前冷却所述排气流(31)；和
所述方法进一步包括：
感测排气管(26)中的温度；
提供温度信号(74)；和
监测所述温度信号(74)，并且在达到阈值温度之后将致动信号发送至致动器(40、140、240)，其中所述致动信号与由所述温度信号(74)指示的超过所述阈值的温度成比例。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括将热致动器(140)安装在排气管(26)中；并且其中旋转所述干扰器板(36)的所述步骤包括在达到所述阈值温度之后致动所述热致动器(140)。
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