CN111486130A

CN111486130A - 除冰系统

Info

Publication number: CN111486130A
Application number: CN202010009407.6A
Authority: CN
Inventors: 尼兰巴兰·卡拉普拉斯; 加雷思·弗兰德
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2020-01-06
Publication date: 2020-08-04
Also published as: GB201901172D0; EP3690198A1; US20200240289A1

Abstract

本发明题为“除冰系统”。本发明公开了一种用于气体涡轮引擎的一个或多个轮叶的除冰系统。该系统包括轮叶，该轮叶包括导电导热材料和多个磁体，该多个磁体围绕旋转轴周向定位并且被构造成能够在周向上由轴驱动以产生旋转磁场。轮叶具有复合结构，该复合结构包括位于钛、不锈钢或其合金的两个层合物层之间的导电材料的核心层合物层。导电材料的一部分位于旋转磁场内，使得导电材料通过电磁感应被直接加热。

Description

除冰系统

技术领域

本公开涉及用于气体涡轮引擎(特别是气体涡轮引擎的轮叶)的除冰系统。

背景技术

控制流动通过气体涡轮引擎的流体(例如气体)对于实现效率和性能而言是重要的。现有的气体涡轮引擎包括可变入口导向轮叶(VIGV)和可变定子轮叶，以引导和提供工作流体流，例如往返于引擎的压缩机和涡轮级。在一些情况下，每个轮叶包括翼型横截面，其具有集成主轴以允许旋转来改变多个轮叶引起的流体流动的进入角度。

可变入口导向轮叶和可变定子轮叶提供了冰积聚的潜在位置，这可破坏工作流体的流动或阻碍轮叶的运动，从而降低引擎的性能或导致压缩机失速或喘振。此外，形成在轮叶上的冰可在已知为“脱落”的过程中从轮叶脱离，这可能引起冰撞击，该冰撞击对引擎的后续级诸如轮叶下游的转子叶片造成损坏。

已经开发出许多系统来试图减少轮叶上冰的形成或使由冰从轮叶脱落所造成的损坏最小化。例如，已知将来自例如气体涡轮引擎的压缩机的高压热空气重新引导至轮叶自身，以通过对流来加热轮叶。然而，这通常需要在引擎壳体结构内提供通道网络，例如管道/风道，以将空气从热能源排放到轮叶的位置，这占据了引擎中的大量的空间并且增加了显著的重量。另外，轮叶通常被制造成具有引导高压空气的多个内部通道，这可能不利地影响轮叶的总体刚度并引入产生内部裂纹的风险。该系统还需要大量的维护以保持其处于正常运转状态，因为在引擎关闭后积聚在通道中的任何水都会有形成冰的风险，这可阻碍在引擎启动期间旨在对轮叶进行除冰的流动。

本公开寻求提供一种解决以上问题或至少提供有用的替代方案的除冰系统。

发明内容

根据第一方面，提供了一种用于气体涡轮引擎的一个或多个轮叶的除冰系统，该除冰系统包括：具有导电导热材料的轮叶；和多个磁体，该多个磁体围绕气体涡轮引擎的转子轴周向定位并且被构造成在周向上由转子轴驱动以在气体涡轮引擎内的空间中产生旋转磁场；其中轮叶具有复合结构，该复合结构包括位于钛、不锈钢或其合金的两个层合物层之间的导热材料的核心层合物层，并且导热材料的至少一部分位于空间内并且被构造成在旋转磁场内相对静止，以便通过电磁感应被加热以用于抑制冰在轮叶上的积聚。

这样，本文所述的技术直接从可邻近轮叶的空间中的旋转磁场在轮叶内产生热能。换句话讲，轴的旋转能量的一部分在轮叶处被直接转化为热量。这比其中热量从远程源经由易受热损失影响的通道传递到轮叶的假设的布置结构更有效。

将轴的旋转能量直接转换成轮叶处的热量也消除了对从远程源向轮叶供应热引气的通道网络的需求，从而提供了更省空间的系统。这可在例如壳体中为气体涡轮引擎内的其他部件提供附加空间。此外，与提供了用于向轮叶供应热引气以通过对流进行加热的通道网络的假设的布置结构相比，本文所述技术的除冰系统具有相对简单的构造。它还可提供需要较少维护的更可靠的系统。

另外，本文所述的技术降低了冰从轮叶脱落的程度，与其中转子区段被设计为承受大的冰撞击力的假设的布置结构相比，这允许减小后续转子区段的厚度和整体质量。因此，本文所述的技术提供了一种除冰系统，该除冰系统与常规系统相比允许减轻引擎的重量。这使得能够降低比燃料消耗率(SFC)，并因此提供改善的效率和改善的经济性，同时更加环保。

应当理解，术语“除冰”应被理解为首先有效地减少冰的形成/积聚并且在冰形成之后还有效地除去或减少冰的量。

轮叶可以是气体涡轮引擎的可变入口导向轮叶。另选地，轮叶可以是气体涡轮引擎的可变定子轮叶。

轮叶可包括(导电导热)材料的层合物层。

导电材料可以是铜或铝。这可用于增加轮叶的电导率和热导率。

在一些实施方案中，两个层合物层是钛。

轮叶可包括传热液体的贮存器。

多个磁体可以是永磁体。

多个磁体可在周向上通过交替极性来布置。

轴可以是气体涡轮引擎的高压轴或中压轴。

根据第二方面，提供了一种包括根据本文所包含的任一陈述的除冰系统的气体涡轮引擎。

根据第三方面，提供了一种用于气体涡轮引擎的一个或多个轮叶的除冰方法，该方法包括以下步骤：提供包括导电导热材料的轮叶；通过围绕气体涡轮引擎的旋转轴周向定位并由其驱动的多个磁体的旋转，在气体涡轮引擎内的空间中产生旋转磁场；以及将轮叶的导电材料的一部分保持在相对于旋转磁场相对静止的位置处的空间内，从而通过电磁感应加热该部分。

如本文其他地方所述，本公开涉及用于气体涡轮引擎的除冰系统。此类气体涡轮引擎可包括引擎核心，该引擎核心包括涡轮、燃烧器、压缩机和将该涡轮连接到该压缩机的芯轴。此类气体涡轮引擎可包括位于引擎核心的上游的(具有风扇叶片的)风扇。

本公开的布置结构可以特别但并非排他地有益于经由齿轮箱驱动的风扇。因此，该气体涡轮引擎可包括齿轮箱，该齿轮箱接收来自芯轴的输入并将驱动输出至风扇，以便以比芯轴低的旋转速度来驱动风扇。至齿轮箱的输入可直接来自芯轴或者间接地来自芯轴，例如经由正齿轮轴和/或齿轮。芯轴可将涡轮和压缩机刚性地连接，使得涡轮和压缩机以相同的速度旋转(其中，风扇以更低的速度旋转)。

如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何合适的通用架构。例如，气体涡轮引擎可具有将涡轮和压缩机连接的任何所需数量的轴，例如一个轴、两个轴或三个轴。仅以举例的方式，连接到芯轴的涡轮可以是第一涡轮，连接到芯轴的压缩机可以是第一压缩机，并且芯轴可以是第一芯轴。该引擎核心还可包括第二涡轮、第二压缩机和将第二涡轮连接到第二压缩机的第二芯轴。该第二涡轮、第二压缩机和第二芯轴可被布置成以比第一芯轴高的旋转速度旋转。

在此类布置结构中，第二压缩机可轴向定位在第一压缩机的下游。该第二压缩机可被布置成(例如直接接收，例如经由大致环形的管道)从第一压缩机接收流。

齿轮箱可被布置成由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如上述示例中的第一芯轴)来驱动。例如，该齿轮箱可被布置成仅由被构造成(例如在使用中)以最低旋转速度旋转的芯轴(例如，在上面的示例中，仅第一芯轴，而不是第二芯轴)来驱动。另选地，该齿轮箱可被布置成由任何一个或多个轴驱动，该任何一个或多个轴例如为上述示例中的第一轴和/或第二轴。

该齿轮箱可以是减速齿轮箱(因为风扇的输出比来自芯轴的输入的旋转速率低)。可以使用任何类型的齿轮箱。例如，齿轮箱可以是“行星式”或“恒星”齿轮箱，如本文别处更详细地描述。该齿轮箱可以具有任何期望的减速比(定义为输入轴的旋转速度除以输出轴的旋转速度)，例如大于2.5，例如在3到4.2、或3.2到3.8的范围内，例如，大约或至少3、3.1、3.2、3.3、3.4、3.5、3.6、3.7、3.8、3.9、4、4.1或4.2。例如，齿轮传动比可以介于前一句中的任何两个值之间。仅以举例的方式，齿轮箱可以是“恒星”齿轮箱，其具有在3.1或3.2到3.8的范围内的齿轮齿数比。在一些布置结构中，该齿轮传动比可在这些范围之外。

在如本文所述和/或所要求保护的任何气体涡轮引擎中，燃烧器可被轴向设置在风扇和一个或多个压缩机的下游。例如，在提供第二压缩机的情况下，燃烧器可直接位于第二压缩机的下游(例如在其出口处)。以另一个示例的方式，在提供第二涡轮的情况下，可将燃烧器出口处的流提供至第二涡轮的入口。该燃烧器可设置在一个或多个涡轮的上游。

该压缩机或每个压缩机(例如，如上所述的第一压缩机和第二压缩机)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶，该排定子轮叶可为可变定子轮叶(因为该排定子轮叶的入射角可以是可变的)。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。

该涡轮或每个涡轮(例如，如上所述的第一涡轮和第二涡轮)可包括任何数量的级，例如多个级。每一级可包括一排转子叶片和一排定子轮叶。该排转子叶片和该排定子轮叶可彼此轴向偏移。

每个风扇叶片可被限定为具有径向跨度，该径向跨度从径向内部气体洗涤位置或0％跨度位置处的根部(或毂部)延伸到100％跨度位置处的尖端。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可小于(或大约为)以下中的任何一个：0.4、0.39、0.38、0.37、0.36、0.35、0.34、0.33、0.32、0.31、0.3、0.29、0.28、0.27、0.26或0.25。该毂部处的风扇叶片的半径与尖端处的风扇叶片的半径的比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如，在0.28到0.32的范围内。这些比率通常可称为毂部-尖端比率。毂部处的半径和尖端处的半径都可以在叶片的前缘(或轴向最前)部分处测量。当然，毂部-尖端比率指的是风扇叶片的气体洗涤部分，即径向地在任何平台外部的部分。

可在引擎中心线和风扇叶片的前缘处的尖端之间测量该风扇的半径。风扇直径(可能只是风扇半径的两倍)可大于(或大约为)以下中的任何一个：220cm、230cm、240cm、250cm(约100英寸)、260cm、270cm(约105英寸)、280cm(约110英寸)、290cm(约115英寸)、300cm(约120英寸)、310cm、320cm(约125英寸)、330cm(约130英寸)、340cm(约135英寸)、350cm、360cm(约140英寸)、370cm(约145英寸)、380cm(约150英寸)、390cm(约155英寸)、400cm、410cm(约160英寸)或420cm(约165英寸)。风扇直径可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在240cm至280cm或330cm至380cm的范围内。

风扇的旋转速度可以在使用中变化。一般来讲，对于具有较大直径的风扇，旋转速度较低。仅以非限制性示例的方式，风扇在巡航条件下的旋转速度可小于2500rpm，例如小于2300rpm。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在220cm至300cm(例如240cm至280cm或250cm至270cm)范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1700rpm至2500rpm的范围内，例如在1800rpm至2300rpm的范围内，例如在1900rpm至2100rpm的范围内。仅以另外的非限制性示例的方式，对于风扇直径在330cm至380cm范围内的引擎，在巡航条件下风扇的旋转速度可在1200rpm至2000rpm的范围内，例如在1300rpm至1800rpm的范围内、例如在1400rpm至1800rpm的范围内。

在使用气体涡轮引擎时，(具有相关联的风扇叶片的)风扇围绕旋转轴线旋转。该旋转导致风扇叶片的尖端以速度U_尖端移动。风扇叶片13对流所做的功导致流的焓升dH。风扇尖端负载可被定义为dH/U_尖端 ²，其中dH是跨风扇的焓升(例如1-D平均焓升)，并且U_尖端是风扇尖端的(平移)速度，例如在尖端的前缘处(可被定义为前缘处的风扇尖端半径乘以角速度)。在巡航条件下的风扇尖端负载可大于(或大约为)以下中的任何一个：0.28、0.29、0.3、0.31、0.32、0.33、0.34、0.35、0.36、0.37、0.38、0.39或0.4(本段中的所有单位为Jkg^-1K^-1/(ms^-1)²)。风扇尖端负载可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在0.28至0.31或0.29至0.3的范围内。

根据本公开的气体涡轮引擎可具有任何期望的旁路比率，其中该旁路比率被定义为在巡航条件下穿过旁路管道的流的质量流率与穿过核心的流的质量流率的比率。在一些布置结构中，该旁路比率可大于(或大约为)以下中的任何一个：10、10.5、11、11.5、12、12.5、13、13.5、14、14.5、15、15.5、16、16.5、17、17.5、18、18.5、19、19.5或20。该旁路比率可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在13至16的范围、或13至15的范围、或13至14的范围内。该旁路管道可以是基本上环形的。该旁路管道可位于引擎核心的径向外侧。旁路管道的径向外表面可以由短舱和/或风扇壳体限定。

本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎的总压力比可被定义为风扇上游的滞止压力与最高压力压缩机出口处的滞止压力(进入燃烧器之前)之比。以非限制性示例的方式，如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎在巡航时的总压力比可大于(或大约为)以下中的任何一个：35、40、45、50、55、60、65、70、75。总压力比可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在50至70的范围内。

引擎的比推力可被定义为引擎的净推力除以穿过引擎的总质量流量。在巡航条件下，本文中描述和/或要求保护的引擎的比推力可小于(或大约为)以下中的任何一个：110Nkg^-1s、105Nkg^-1s、100Nkg^-1s、95Nkg^-1s、90Nkg^-1s、85Nkg^-1s或80Nkg^-1s。该比推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在80Nkg^-1s至100Nkg^-1s，或85Nkg^-1s至95Nkg^-1s的范围内。与传统的气体涡轮引擎相比，此类引擎可能特别高效。

如本文所述和/或所要求保护的气体涡轮引擎可具有任何期望的最大推力。仅以非限制性示例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可产生至少为(或大约为)以下中的任何一个的最大推力：160kN、170kN、180kN、190kN、200kN、250kN、300kN、350kN、400kN、450kN、500kN或550kN。最大推力可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。仅以举例的方式，如本文所述和/或受权利要求书保护的气体涡轮可能够产生在330kN至420kN，例如350kN至400kN范围内的最大推力。上面提到的推力可为在标准大气条件下、在海平面处、加上15℃(环境压力101.3kPa，温度30℃)、引擎静止时的最大净推力。

在使用中，高压涡轮的入口处的流的温度可能特别高。该温度，可被称为TET，可在燃烧器的出口处测量，例如紧接在可被称为喷嘴导向轮叶的第一涡轮轮叶的上游。在巡航时，该TET可至少为(或大约为)以下中的任何一个：1400K、1450K、1500K、1550K、1600K或1650K。巡航时的TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)。引擎在使用时的最大TET可以是，例如，至少为(或大约为)以下中的任何一个：1700K、1750K、1800K、1850K、1900K、1950K或2000K。最大TET可在由前一句中的任何两个值限定的包含范围内(即，这些值可形成上限或下限)，例如在1800K至1950K的范围内。可以例如在高推力条件下发生最大TET，例如在最大起飞(MTO)条件下发生最大TET。

本文中描述和/或要求保护的风扇叶片和/或风扇叶片的翼面部分可由任何合适的材料或材料组合来制造。例如，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可至少部分地由复合材料来制造，该复合材料为例如金属基质复合材料和/或有机基质复合材料，诸如碳纤维。以另外的示例的方式，风扇叶片和/或翼面的至少一部分可以至少部分地由金属来制造，该金属为诸如基于钛的金属或基于铝的材料(诸如铝锂合金)或基于钢的材料。风扇叶片可包括使用不同材料制造的至少两个区域。例如，风扇叶片可具有保护性前缘，该保护性前缘可使用比叶片的其余部分更好地抵抗(例如，来自鸟类、冰或其他材料的)冲击的材料来制造。此类前缘可以例如使用钛或基于钛的合金来制造。因此，仅以举例的方式，该风扇叶片可具有碳纤维或具有带钛前缘的基于铝的主体(诸如铝锂合金)。

如本文所述和/或所要求保护的风扇可包括中央部分，风扇叶片可从该中央部分例如在径向上延伸。该风扇叶片可以任何期望的方式附接到中央部分。例如，每个风扇叶片可包括固定件，该固定件可与毂部(或盘状部)中的对应狭槽接合。仅以举例的方式，此类固定件可以是燕尾形式的，其可以插入和/或接合毂部/盘状部中对应的狭槽，以便将风扇叶片固定到毂部/盘状部。以另外的示例的方式，该风扇叶片可与中央部分一体地形成。此类布置结构可以称为叶片盘状部或叶片环。可以使用任何合适的方法来制造此类叶片盘状部或叶片环。例如，风扇叶片的至少一部分可由块状物来加工而成，以及/或者风扇叶片的至少部分可通过焊接(诸如线性摩擦焊接)来附接到毂部/盘状部。

本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可能或可能不设有可变面积喷嘴(VAN)。此类可变面积喷嘴可允许旁路管道的出口面积在使用中变化。本公开的一般原理可应用于具有或不具有VAN的引擎。

如本文所述和/或要求保护的气体涡轮的风扇可具有任何期望数量的风扇叶片，例如14、16、18、20、22、24或26个风扇叶片。

如本文所用，巡航条件可指气体涡轮引擎所附接的飞行器的巡航条件。此类巡航条件通常可被定义为巡航中期的条件，例如飞行器和/或引擎在爬升顶点和下降起点之间的中点(就时间和/或距离而言)处所经历的条件。

仅以举例的方式，巡航条件下的前进速度可为从0.7马赫至0.9马赫的范围内的任何点，例如0.75至0.85、例如0.76至0.84、例如0.77至0.83、例如0.78至0.82、例如0.79至0.81、例如大约0.8马赫、大约0.85马赫或0.8至0.85的范围内。这些范围内的任何单一速度可以是巡航条件。对于某些飞行器，巡航条件可能超出这些范围，例如低于0.7马赫或高于0.9马赫。

仅以举例的方式，巡航条件可对应于在以下范围内的高度处的标准大气条件：10000m至15000m，例如在10000m至12000m的范围内，例如在10400m至11600m(约38000英尺)的范围内，例如在10500m至11500m的范围内，例如在10600m至11400m的范围内，例如在10700m(约35000英尺)至11300m的范围内，例如在10800m至11200m的范围内，例如在10900m至11100m的范围内，例如大约11000m。巡航条件可对应于这些范围内的任何给定高度处的标准大气条件。

仅以举例的方式，巡航条件可对应于：前进马赫数为0.8；压力23000Pa；以及温度-55℃。还仅以举例的方式，巡航条件可对应于：前进马赫数为0.85；压力24000Pa；以及温度为-54℃(其可为35000英尺下的标准大气条件)。

仅以举例的方式，巡航条件可对应于：前进马赫数为0.8；压力23000Pa；以及温度-55℃。

如本文中任何地方所用，“巡航”或“巡航条件”可指空气动力学设计点。此类空气动力学设计点(或ADP)可对应于风扇被设计用于操作的条件(包括例如马赫数、环境条件和推力要求中的一者或多者)。例如，这可能指风扇(或气体涡轮引擎)被设计成具有最佳效率的条件。

在使用中，本文中描述和/或要求保护的气体涡轮引擎可在本文别处定义的巡航条件下操作。此类巡航条件可通过飞行器的巡航条件(例如，巡航中期条件)来确定，至少一个(例如2个或4个)气体涡轮引擎可以安装在该飞行器上以提供推进推力。

本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。

附图说明

现在将参考附图仅以举例的方式来描述实施方案，其中：

图1是气体涡轮引擎的截面侧视图；

图2是气体涡轮引擎的上游部分的特写截面侧视图；

图3是用于气体涡轮引擎的齿轮箱的局部剖视图；

图4是根据本文所述技术的气体涡轮引擎的压缩机区段的特写截面侧视图；

图5示意性地示出了具有根据本文所述技术的复合结构的导向轮叶的剖视图；

图6示意性地示出了参照图4所述的盘状部和多个永磁体的特写截面前视图；并且

图7是示意性地示出了对气体涡轮引擎的导向轮叶除冰的方法的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图讨论本公开的方面和实施方案。其它方面和实施方案对于本领域的技术人员而言是显而易见的。

图1示出了具有主旋转轴线9(又名引擎轴线)的气体涡轮引擎10。引擎10包括进气口12和推进式风扇23，该推进式风扇23生成两股气流：核心气流A和旁路气流B。气体涡轮引擎10包括接收核心气流A的核心11。引擎核心11以轴流式串联包括低压压缩机14、高压压缩机15、燃烧设备16、高压涡轮17、低压涡轮19和核心排气喷嘴20。短舱21围绕气体涡轮引擎10并限定旁路管道22和旁路排气喷嘴18。旁路气流B流过旁路管道22。风扇23经由轴26和周转齿轮箱30附接到低压涡轮19并由该低压涡轮驱动。

在使用中，核心气流A由低压压缩机14加速和压缩，并被引导至高压压缩机15中以进行进一步的压缩。从高压压缩机15排出的压缩空气被引导至燃烧设备16中，在该燃烧设备中压缩空气与燃料混合，并且混合物被燃烧。然后，所得的热燃烧产物在通过核心排气喷嘴20排出之前通过高压涡轮17和低压涡轮19膨胀，从而驱动该高压涡轮17和该低压涡轮19以提供一些推进推力。高压涡轮17通过合适的互连轴27来驱动高压压缩机15。风扇23通常提供大部分推进推力。周转齿轮箱30是减速齿轮箱。

图2中示出了齿轮传动风扇气体涡轮引擎10的示例性布置结构。低压涡轮19(参见图1)驱动轴26，该轴26联接到周转齿轮布置结构30的太阳轮或太阳齿轮28。在太阳齿轮28的径向向外处并与该太阳齿轮相互啮合的是多个行星齿轮32，该多个行星齿轮通过行星架34联接在一起。行星架34约束行星齿轮32以同步地围绕太阳齿轮28进动，同时使每个行星齿轮32绕其自身轴线旋转。行星架34经由连杆36联接到风扇23，以便驱动该风扇围绕引擎轴线9旋转。在行星齿轮32的径向向外处并与该行星齿轮相互啮合的是齿圈或环形齿轮38，其经由连杆40联接到固定支撑结构24。

需注意，本文中使用的术语“低压涡轮”和“低压压缩机”可分别表示最低压力涡轮级和最低压力压缩机级(即，不包括风扇23)，和/或通过在引擎中具有最低旋转速度的互连轴26(即，不包括驱动风扇23的齿轮箱输出轴)连接在一起的涡轮级和压缩机级。在一些文献中，本文中提到的“低压涡轮”和“低压压缩机”可被另选地称为“中压涡轮”和“中压压缩机”。在使用此类另选命名的情况下，风扇23可被称为第一或最低压力的压缩级。

在图3中以举例的方式更详细地示出了周转齿轮箱30。太阳齿轮28、行星齿轮32和环形齿轮38中的每一者包括围绕其周边以用于与其他齿轮相互啮合的齿。然而，为清楚起见，图3中仅示出了齿的示例性部分。示出了四个行星齿轮32，但是对本领域的技术人员显而易见的是，可以在要求保护的发明的范围内提供更多或更少的行星齿轮32。行星式周转齿轮箱30的实际应用通常包括至少三个行星齿轮32。

在图2和图3中以举例的方式示出的周转齿轮箱30是行星式的，其中行星架34经由连杆36联接到输出轴，其中环形齿轮38被固定。然而，可使用任何其他合适类型的周转齿轮箱30。以另一个示例的方式，周转齿轮箱30可以是恒星布置结构，其中行星架34保持固定，允许环形齿轮(或齿圈)38旋转。在此类布置结构中，风扇23由环形齿轮38驱动。以另一个另选示例的方式，齿轮箱30可以是差速齿轮箱，其中环形齿轮38和行星架34均被允许旋转。

应当理解，图2和图3中所示的布置结构仅是示例性的，并且各种另选方案都在本公开的范围内。仅以举例的方式，可使用任何合适的布置结构来将齿轮箱30定位在引擎10中和/或用于将齿轮箱30连接到引擎10。以另一个示例的方式，齿轮箱30与引擎10的其他部件(诸如输入轴26、输出轴和固定结构24)之间的连接件(诸如图2示例中的连杆36、40)可具有任何期望程度的刚度或柔性。以另一个示例的方式，可使用引擎的旋转部件和固定部件之间(例如，在来自齿轮箱的输入轴和输出轴与固定结构诸如齿轮箱壳体之间)的轴承的任何合适的布置结构，并且本公开不限于图2的示例性布置结构。例如，在齿轮箱30具有恒星布置结构(如上所述)的情况下，技术人员将容易理解，输出连杆和支撑连杆以及轴承位置的布置结构通常不同于图2中以举例的方式示出的布置结构。

因此，本公开延伸到具有齿轮箱类型(例如恒星或行星齿轮)、支撑结构、输入和输出轴布置结构以及轴承位置中的任何布置结构的气体涡轮引擎。

可选地，齿轮箱可驱动附加的和/或另选的部件(例如，中压压缩机和/或增压压缩机)。

本公开可应用的其他气体涡轮引擎可具有另选配置。例如，此类引擎可具有另选数量的压缩机和/或涡轮和/或另选数量的互连轴。以另外的示例的方式，图1中所示的气体涡轮引擎具有分流喷嘴18、20，这意味着穿过旁路管道22的流具有自己的喷嘴18，该喷嘴与核心排气喷嘴20分开并沿径向位于该核心排气喷嘴的外部。然而，这不是限制性的，并且本公开的任何方面也可应用于如下引擎，在该引擎中，穿过旁路管道22的流和穿过核心11的流在可被称为混流喷嘴的单个喷嘴之前(或上游)混合或组合。一个或两个喷嘴(无论是混合的还是分流的)可具有固定的或可变的面积。虽然所描述的示例涉及涡轮风扇引擎，但是本公开可应用于例如任何类型的气体涡轮引擎，诸如开放式转子(其中风扇级未被短舱围绕)或例如涡轮螺旋桨引擎。在一些布置结构中，气体涡轮引擎10可不包括齿轮箱30。

气体涡轮引擎10的几何形状及其部件由传统的轴系限定，包括轴向(与旋转轴线9对准)、径向(在图1中从下到上的方向)和周向(垂直于图1视图中的页面)。轴向、径向和周向相互垂直。

图4为气体涡轮引擎的压缩机区段的特写截面侧视图，诸如参照图1和图2所述的低压压缩机14。

低压压缩机14包括径向内部壳体41和径向外部壳体42，该径向内部壳体和径向外部壳体为固定的，并且由固定支撑结构43在径向上保持分开。径向内部壳体41和径向外部壳体42在它们之间限定用于接收由低压压缩机14加速和压缩的核心气流A的流动路径44，如参照图1所述。

压缩机14还包括转子结构，该转子结构包括围绕主旋转轴线9居中的转子轴45和安装在其上(通过常规方法)以围绕主旋转轴线9旋转的盘状部46。沿盘状部46的径向外圆周附接的是多个在径向上延伸的压缩机叶片47，但为了清楚起见，此处仅示出了一个此类压缩机叶片47。在操作期间，转子结构以高速(例如，由低压涡轮(未示出))驱动，使得压缩机叶片47旋转并将能量赋予穿过压缩机14的气流。

如图4中可见，低压压缩机14包括设置在内部壳体41和外部壳体42之间的可变入口导向轮叶48，使得其翼面部分设置在流动路径44内。可变入口导向轮叶48具有前缘411和后缘412。尽管在图4中仅示出了单个导向轮叶48，但是应当理解，压缩机14将包括围绕内部壳体41周向布置的多个此类导向轮叶48。

导向轮叶48可围绕旋转轴线旋转，以用于控制流动路径44内的气流以实现高效的引擎和压缩机操作。例如，在低引擎速度下，可使可变入口导向轮叶48旋转，以使进入到压缩机叶片47上的气流角度减小至可容许的角度。为了实现此类旋转，轮叶48中的每一个轮叶被安装在内部壳体41中的衬套49和外部壳体42中的对应衬套49中。轮叶48还具有装配到其在外部壳体42的外侧上的外端的杆件417(或其他连杆)。多个可变入口导向轮叶48的杆件417可连接到共同的协调环(如在本领域中已知的)，使得当协调环旋转时，轮叶48也旋转。

可变入口导向轮叶48经常经受结冰条件，因此易于积聚冰。因此，提供了一种用于抑制冰的形成并且在导向轮叶48上形成冰之后减少冰的量的除冰系统。然而，与其中导向轮叶由从压缩机排放的热空气加热的常规系统相比，本文所述技术的系统通过电磁感应加热形成导向轮叶的一部分的导电导热材料来加热导向轮叶。

可变入口导向轮叶48具有实心(即非中空)三层复合结构。与在导向轮叶内引入内部通道以引导加热液体流通过其中的假设系统相比，该结构可具有增加导向轮叶的完整性和稳健性的效果。如图5中最佳所示，导向轮叶48包括夹置在第一外部层合物层51和第二外部层合物层53之间的导电导热材料52的核心层合物层。导电导热材料52的核心层合物层可以是铜或铝合金，并且第一外部层合物层51和第二外部层合物层53可以是钛、不锈钢或其合金(例如，得自Magellan Metals的Jethete^TM不锈钢合金或Custom 450不锈钢合金)。外部层合物层可用于增加导向轮叶的强度。然而，在其他实施方案中，可变入口导向轮叶48可包括导电材料的单件构造而不是复合构造。

重新参见图4，导向轮叶48的径向内侧处的导电材料52的一部分413从内部层合物层和外部层合物层延伸，并且从衬套49穿过内部壳体41中的孔418突起至待经受旋转磁场的空间419，以通过感应加热对突起部分413进行直接加热。如上所述，旋转磁场由多个永磁体415产生，在图4中仅示出了该多个永磁体中的第一永磁体，该多个永磁体围绕转子轴45周向定位并且被构造成由转子轴45在周向上驱动。该多个永磁体415经由用螺栓连接到转子轴45的盘状部416而被附接到转子结构的转子轴45。

多个永磁体415中的每一个永磁体包括具有两个极的铁磁芯，即在磁体415的第一端处的南极，以及在磁体415的与第一端相对的第二端处的北极。因此，可以说每个永磁体41在从南极到北极的方向上具有磁极性。

如图6最佳所示，多个永磁体415按以下布置结构固定在盘状部416的径向外表面上：其中每个永磁体415在其两个最近的相邻磁体415之间等距的位置处。应当理解，尽管图6仅示出了固定到盘状部416的四个永磁体415，但实际上该数目可能大得多。

盘状部416具有从转子轴45开始的径向延伸部，使得多个永磁体415设置在突起部分413的径向向内，并且使得突起部分413位于多个永磁体415的旋转平面内。另选地，多个永磁体可设置在例如与突起部分相同的径向位置处，但在轴向上从其偏移(即，从旋转平面偏移)，以更有效地利用空间。多个永磁体415产生的磁场的大小适于延伸跨过永磁体415与突起部分413之间的间隙(径向间隙或轴向间隙)。

多个永磁体415与突起部分413按面向布置结构布置，使得当每个永磁体415与突起部分413处于围绕转子轴45相同的角位置时，例如仅磁体的一个极将面向并面对突起部分415的对应表面62。对应表面62可具有与磁体415的限定所考虑的磁极的端面63相同的表面积。当处于相同的角度位置时，对应表面62和端面63可彼此平行。例如与其中磁体按非面向布置结构(其中磁体的磁极不面对突起部分413)布置的假设的布置结构相比，这种面向布置结构可增加在永磁体415旋转期间由突起部分413切割的每个磁体415的磁场线的数量。

多个磁体415中的第一永磁体415a被取向成使得其北极在垂直于主旋转轴线9的径向上面向并面对突起部分413。然而，在周向61上与第一永磁体415a相邻的第二永磁体415b被取向成使得其南极将在径向上面向并面对突起部分413。对于所有围绕转子轴45周向定位的多个永磁体，使具有面向突起部分413的交替北极和南极的永磁体的该模式重复。交替多个永磁体415的极性可使围绕转子轴45的圆周的磁场强度的变化最大化，以增加电磁感应的程度。

转到图7，上文参照图4至图6所述的除冰系统用于对气体涡轮引擎的一个或多个导向轮叶48进行除冰。

该方法在步骤71处通过在气体涡轮引擎中提供或组装除冰系统来开始。这包括提供具有导电导热材料52的轮叶。然后，除冰方法前进至步骤72，在该步骤处，转子轴45被驱动以绕轴线9旋转。该旋转继而驱动多个永磁体围绕轴线9旋转，从而使磁场在邻近导电材料52的一部分的空间419中旋转。在步骤73处，在转子轴45旋转期间，突起部分413在空间419内并因此在旋转磁场内保持在一定的位置，使得突起部分413在旋转磁场内保持相对静止。突起部分413相对于旋转磁场保持相对静止，因为其被固定到引擎的定子结构，诸如上文参照图4所述的内部壳体41和外部壳体42。这样，相对静止的突起部分413连续地切割旋转磁场的磁场线，使得突起部分413经受正磁场强度和负磁场强度的持续波动，从而在导电材料52中感应涡流，从而将其加热。

在导向轮叶48的突起部分413处产生的热量可通过选择具有足够高导热率的导电材料28诸如铜而被有效地均匀地传递穿过轮叶48。然而，通过在中空导向轮叶48内包括(非卤化物)传热液体的贮存器可进一步提高在导向轮叶48上的热传递。这可通过在已引入传热液体之后穿过导向轮叶48钻孔并对孔进行加盖来实现，以将液体密封在内部。

尽管上文已将图7的除冰方法描述为具有三个不同的步骤，但是应当理解，这些步骤可基本上同时进行。

还应当理解，尽管已经参照图4至图7将除冰系统描述为具有在周向上以交替极性布置的多个磁体，但这不是必需的。例如，有可能利用相对于突起部分具有共同极性的多个磁体来产生强度变化的磁场，以在导电材料中感应涡流。此外，多个磁体可根据海尔贝克(Halbach)阵列围绕轴周向布置。

还应当理解，尽管在图4至图7中多个磁体已被描述为要求与突起部分面向，但是多个磁体和突起部分可相对于彼此以任何期望的位置或取向布置，只要突起部分被构造成位于由多个磁体产生的旋转磁场内以在其中感应电流。

此外，尽管图4至图6示出了用于单个导向轮叶的除冰系统，但是应当理解，多个此类导向轮叶可具有相应的突起部分，该相应的突起部分被构造成在由转子轴45旋转的多个磁体产生的旋转磁场内保持(例如静止)，以用于以上述方式加热导向轮叶。此外，尽管已相对于可变入口导向轮叶描述了除冰系统，但本文所述的技术延伸至任何静态轮叶，诸如气体涡轮引擎的可变定子轮叶。

应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims

1.一种用于气体涡轮引擎的一个或多个轮叶的除冰系统，所述除冰系统包括：

轮叶，所述轮叶包括导电导热材料；和

多个磁体，所述多个磁体围绕所述气体涡轮引擎的转子轴周向定位，并且被构造成在周向上由所述转子轴驱动以在所述气体涡轮引擎内的空间中产生旋转磁场；

其中所述轮叶具有复合结构，所述复合结构包括位于钛、不锈钢或其合金的两个层合物层之间的所述导热材料的核心层合物层，并且所述导热材料的至少一部分位于所述空间内并且被构造成在所述旋转磁场内相对静止，以便通过电磁感应被加热以用于抑制冰在所述轮叶上的积聚。

2.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述轮叶是所述气体涡轮引擎的可变入口导向轮叶。

3.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述轮叶是所述气体涡轮引擎的可变定子轮叶。

4.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述导热材料是铜或铝。

5.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述两个层合物层是钛。

6.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述轮叶包括传热液体的贮存器。

7.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述多个磁体是永磁体。

8.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述多个磁体在所述周向上通过交替极性来布置。

9.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述转子轴是所述气体涡轮引擎的高压轴。

10.根据权利要求1所述的除冰系统，其中所述转子轴是所述气体涡轮引擎的中压轴。

11.一种包括根据权利要求1所述的除冰系统的气体涡轮引擎。

12.一种用于气体涡轮引擎的一个或多个轮叶的除冰方法，所述方法包括以下步骤：

提供包括导电导热材料的轮叶；

通过围绕所述气体涡轮引擎的旋转轴周向定位并由其驱动的多个磁体的旋转而在所述气体涡轮引擎内的空间中产生旋转磁场；以及

将所述轮叶的导热材料的一部分保持在相对于所述旋转磁场的相对静止的位置处的所述空间内，从而通过电磁感应加热所述部分。