CN112814786A - 用于燃气涡轮发动机或飞行器的带热总线的热管理系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种热管理系统，用于结合到燃气涡轮发动机或飞行器中的至少一个。热管理系统包括：具有流过其中的热交换流体的热传输总线，热传输总线还包括：第一流动回路，所述第一流动回路包括至少一个第一热源交换器、至少一个第一冷源交换器和使热交换流体移动通过第一流动回路的第一泵；和第二流动回路，所述第二流动回路包括至少一个第二热源交换器、至少一个第二冷源交换器和使所述热交换流体移动通过所述第二流动回路的第二泵；其中所述第一流动回路与所述第二流动回路隔离，并且其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器配置有公共热源。

Description

用于燃气涡轮发动机或飞行器的带热总线的热管理系统
技术领域
本主题一般涉及用于燃气涡轮发动机和/或飞行器的集成冷却系统。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括布置成彼此流动连通的风扇和核心。包括各种辅助系统，以确保风扇和/或核心按需操作。例如，主润滑系统向例如压缩机区段、涡轮区段和动力齿轮箱(如果设置)内的轴承和齿轮啮合提供润滑。除了提供给此类部件的润滑特性之外，主润滑系统还从这样的部件中排热，使得它们可以在期望的温度范围内操作。
燃气涡轮发动机的其它辅助系统，例如环境控制系统，在操作期间也需要排热。
因此，燃气涡轮发动机通常包括多个热交换器，其中每个热交换器专用于燃气涡轮发动机的单个辅助系统。燃气涡轮发动机的这些单独的辅助系统中的至少某些在燃气涡轮发动机运行循环的潜在不同阶段需要最大排热。然而，由于热交换器专用于单独的系统，每个热交换器的尺寸必须适应相应辅助系统所需的最大排热。这种配置可能导致热交换器的低效使用。例如，这种配置可能导致某些热交换器以最大容量操作，而其他热交换器以标称容量运行(或根本不运行)。
为了解决上述情况，美国专利NO.10260419描述了一种用于结合到燃气涡轮发动机或飞行器的热管理系统，该系统包括热传输总线和泵，热传输总线具有流经其中的热交换流体，泵用于在热传输总线中产生热交换流体的流动。在热传输总线中配置多个热源交换器，其中热交换流体从热交换器中排热。在热源交换器下游的热传输总线中还配置有冷源交换器，以从热交换流体中排热。
在美国的‘419专利中描述的热管理系统可以被称为“单回路”系统，因为热源交换器和一个或多个冷源交换器基本上以串联配置为单通道回路配置。也已知使用多个热源交换器，所述多个热源交换器被并联配置用于单回路系统内的单个热源。
然而，单回路系统的潜在风险是回路中的单点故障可能导致整个系统关闭。例如，在热源或冷源交换器之一中的系统的主侧(热交换流体侧)中的，或者在热源和冷源交换器之间的流体路径中的泄漏或破裂可能导致系统关闭。
因此，具有内置冗余的燃气涡轮发动机的容错热管理冷却系统将在工业中特别有用。
发明内容
本发明的方面和优点将在下面的描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过实施本发明来获知。
在本公开的一个示例性实施方式中，提供了一种用于结合到燃气涡轮发动机或飞行器中的至少一个的热管理系统。热管理系统包括：具有流过其中的热交换流体的热传输总线，热传输总线还包括：第一流动回路，第一流动回路包括至少一个第一热源交换器、至少一个第一冷源交换器和使热交换流体移动通过第一流动回路的第一泵；和第二流动回路，所述第二流动回路包括至少一个第二热源交换器、至少一个第二冷源交换器和使热交换流体移动通过第二流动回路的第二泵；其中所述第一流动回路与所述第二流动回路隔离，并且其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器配置有公共热源。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点。结合在本说明书并构成本说明书一部分的附图示出了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
本说明书参考附图阐述了针对本领域普通技术人员的本发明的完整且可行的公开，包括其最佳模式，如下：
图1是根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性横截面图。
图2是根据本公开的热管理系统的实施例的示意图。
图3是根据本公开的热管理系统的另一实施例的示意图。
图4是包括根据本公开的热管理系统的实施例的飞行器的简化视图。
图5是根据本公开的热管理系统的又一实施例的示意图。
图6是根据本公开的示例性方面的操作燃气涡轮发动机的热管理系统的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母名称来指代附图中的特征。在附图和说明书中的相似或类似标号被用于指本发明的相似或类似部分。如本文所使用的，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换地用于将一个部件与另一个部件区分开来，并且不旨在表示单个部件的位置或重要性。术语“上游”和“下游”是指相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体来流流动的方向，“下游”是指流体去流流动的方向。
现在参考附图，其中在整个附图中相同的数字表示相同的元件，图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性横截面图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁路涡轮风扇喷气发动机10，这里称为“涡轮风扇发动机10”。如图1所示，涡轮风扇发动机10限定轴向方向A(平行于供参考的纵向中心线12延伸)和径向方向R。通常，涡轮风扇发动机10包括风扇区段14和布置在风扇区段14下游的核心涡轮发动机16。
所描绘的示例性核心涡轮发动机16通常包括限定环形入口20的基本为管状的外壳18。外壳18以串流关系包围压缩机区段，该压缩机区段包括增压器或低压(LP)压缩机22和高压(HP)压缩机24；燃烧区段26；包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮区段；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或线轴34驱动地将HP涡轮28连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36驱动地将LP涡轮30连接到LP压缩机22。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括可变节距风扇38，该可变节距风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40通常沿着径向方向R从盘42向外延伸。由于风扇叶片40可操作地联接至适当的致动构件44，风扇叶片40可围绕节距轴线P相对于盘42旋转，适当的致动构件44构造成共同地改变风扇叶片40的节距。风扇叶片40、盘42和致动构件44通过LP轴36可绕纵轴12在动力齿轮箱46上旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，用于将LP轴36的旋转速度减速到更有效的旋转风扇速度。
仍参照图1的示例性实施例，盘42被可旋转的前轮毂48覆盖，前轮毂48在空气动力学上被成形以促进气流通过多个风扇叶片40。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外机舱50，环形风扇壳体或外机舱50周向地围绕风扇38和/或核心涡轮发动机16的至少一部分。应当理解，机舱50可构造成由多个周向间隔开的出口导向轮叶52相对于核心涡轮发动机16支撑。此外，机舱50的下游区段54可在核心涡轮发动机16的外部上方延伸，以在它们之间限定旁路气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联的入口60进入涡轮风扇10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，空气58的第一部分(由箭头62表示)被引导或导向进入旁路气流通道56，并且空气58的第二部分(由箭头64表示)被引导或导向进入LP压缩机22。第一部分空气62和第二部分空气64之间的比率通常称为旁路比。然后，当第二部分空气64被导向通过高压(HP)压缩机24并进入燃烧区段26时，第二部分空气64的压力升高，在燃烧区段26中，第二部分空气64与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。随后，燃烧气体664被导向通过HP涡轮28和LP涡轮30，其中从燃烧气体66提取一部分热能和/或动能。
然后，燃烧气体66被导向通过核心涡轮发动机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，随着第一部分空气62在从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前被导向通过旁路气流通道56，第一部分空气62的压力显著增加，也提供了推进推力。
此外，如示意性地描绘，示例性涡轮风扇发动机10还包括各种辅助系统以辅助涡轮风扇发动机10和/或包括涡轮风扇发动机10的飞行器的操作。例如，示例性涡轮风扇发动机10还包括主润滑系统78(在图1中示意性示出)，该主润滑系统78被配置为向例如压缩机区段(包括LP压缩机22和HP压缩机24)、涡轮区段(包括HP涡轮28和LP涡轮30)、HP线轴34、LP线轴36和动力齿轮箱46中的各种轴承和齿轮啮合提供润滑剂。由主润滑系统78提供的润滑剂可以增加这些部件的使用寿命，并且可以从这些部件中排出一定量的热量。另外，涡轮风扇发动机10包括压缩机冷却空气(CCA)系统80，用于将空气从HP压缩机24或LP压缩机22中的一个或两个提供给HP涡轮28或LP涡轮30中的一个或两个。此外，示例性涡轮风扇发动机10包括主动热间隙控制(ACC)系统82，用于冷却涡轮区段的壳体，以将各种涡轮转子叶片和涡轮壳体之间的间隙维持在贯穿各种发动机操作条件的期望范围内。此外，示例性涡轮风扇发动机10包括电机热系统84，用于向电机提供热管理益处，诸如电机的冷却/排热。电机热系统84可以是电机润滑油系统的一部分，或者可以是电机的专用热系统。电机可以是电子发电机，用于向例如涡轮风扇发动机10的启动电动机和/或涡轮风扇发动机10的各种其他电子部件和/或包括涡轮风扇发动机10的飞行器提供电力。
如还示意性描绘的，示例性涡轮风扇发动机10驱动或启用包括示例性涡轮风扇发动机10的飞行器的各种其他辅助系统。例如，示例性涡轮风扇发动机10将压缩空气从压缩机区段提供给环境控制系统(ECS)86。ECS 86可以向飞行器的机舱提供用于加压和热控制的空气供应。另外，可以从示例性涡轮风扇发动机10向电子冷却系统88提供空气，以将涡轮风扇发动机10的某些电子部件和/或飞行器的温度保持在期望范围内。
现有的涡轮风扇发动机包括用于这些辅助系统中的每一个的单独的热交换器，以从这些系统中的空气中排出热量和/或润滑。然而，本公开的方面包括热管理系统100(见图2)，用于从一些或所有这样的辅助系统传递热量以更有效地排出这样的热量。
然而，应当理解，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施方式中，本公开的方面可另外地或可替代地应用于任何其他合适的燃气涡轮发动机。例如，在其他示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可以是任何其他合适的航空燃气涡轮发动机，例如涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机等。另外，在其它示例性实施例中，示例性涡轮风扇发动机10可以包括任何其它合适的辅助系统或可操作地连接到任何其它合适的辅助系统。另外，或者可替代地，示例性涡轮风扇发动机10可以不包括或者不可操作地连接到上面讨论的一个或多个辅助系统。
现参考图2，提供根据本公开的示例性实施例的热管理系统100的示意性流程图，用于至少部分地结合到图1的示例性涡轮风扇发动机中。
如图所示，热管理系统100通常包括热传输总线102。热传输总线102包括流过其中的中间热交换流体，并且可以由一个或多个合适的流体导管形成。热交换流体可以是具有高温工作范围的不可压缩流体。例如，在某些实施例中，热交换流体可以是液体，例如水和乙醇混合物，或任何合适的介电流体。然而，在其它实施例中，热交换流体可以是任何其它合适的流体，例如具有相对较高温度工作范围的油、相变流体(配置成在例如跨越预期工作温度范围的液相和气相之间变化)、超临界热交换流体(例如超临界CO2)等。
仍参考图2，热传输总线102包括第一流动回路104，该第一流动回路104还包括至少一个第一热源交换器106a-c、至少一个第一冷源交换器108a-b和使热交换流体移动通过第一流动回路104的第一泵110。
热传输总线102还包括第二流动回路116，第二流动回路116还包括至少一个第二热源交换器118a-c、至少一个第二冷源交换器120a-b和使热交换流体移动通过第二流动回路116的第二泵122。泵110(第一流动回路104)和122(第二流动回路116)在各自流动回路内的热传输总线102中产生热交换流体的闭环流动。泵110、122可以是包括叶轮的旋转泵，或者可选地可以是任何其他合适的流体泵。另外，泵110、122可由电动马达驱动，或者可替代地，泵110、122可与涡轮风扇发动机的高压轴34或低压轴36机械连通，并且泵110、122可由涡轮风扇发动机的高压轴34或低压轴36提供动力。
如图2所示，第一热源交换器106a和第二热源交换器118a配置有公共热源140a，使得第一热源交换器106a和第二热源交换器118a中的每一个(经由热交换流体)向相同的公共热源140a提供独立和隔离的排热能力。公共热源140a可以是例如用于从主润滑系统78传递热量的主润滑系统热交换器；用于从CCA系统80传递热量的CCA系统热源交换器；用于从ACC系统82传递热量的ACC系统热源交换器；用于从电机热系统84传递热量的发电机润滑系统热源交换器；用于从ECS 86传递热量的ECS热交换器；以及用于从电子冷却系统88传递热量的电子冷却系统热交换器。
热传输总线102可以包括任意数量的第一和第二热源交换器，所述第一和第二热源交换器配置有相应的公共热源。例如，在图示的实施例中，附加的第一热源交换器106b和附加的第二热源交换器118b向相同的公共热源140b提供独立的和隔离的排热能力。同样地，另一个第一热源交换器106c和另一个第二热源交换器118c向同一个公共热源140c提供独立和隔离的排热能力。
第一流动回路104与第二流动回路116隔离，使得移动通过第一流动回路104的热交换流体不与移动通过第二流动回路116的热交换流体混合。例如，虽然第一热源交换器106a和第二热源交换器118被构造为排出来自相同的公共热源140a的热，但是热源交换器106a和118a在结构上是独立的并且流体隔离的，使得移动通过相应热源交换器106a和118a的热交换流体不混合。
在所描绘的实施例中，配置有公共热源140a-c中的相应一个的第一热源交换器106a-c和第二热源交换器118a-c被并联布置。热介质(图中标记为“H”)分流并且并行地流过热交换器，随后合并为单个冷介质流(图中标记为“C”)。特别是对于所示的实施例，公共热源140a包括输出/排放端口141a和输入端口143a。排放端口141a被构造成并行地向第一热源交换器106a和第二热源交换器118a提供热流体流，并且输入端口143a被构造成从第一热源交换器106a和第二热源交换器118a接收冷却流体。
然而，应当理解，在替代实施例中，第一热源交换器106a-c和第二热源交换器118a-c可以与每个公共热源140a-c串联布置。
如图2所示，可能需要用相应的旁路管线134和上游隔离阀136和下游隔离阀138来配置热源交换器106a-c和118a-c中的每一个。在发生故障(例如，泄漏或破裂)时，这为系统100提供了隔离配置有每个公共热源140a-c的两个热源交换器中的一个的能力。例如，如果第一热源交换器106a失效，则第一热源交换器106a可以在第一流动回路104内被隔离和旁路，留下第二热源交换器118a向公共热源140a提供排热能力。为此，上游隔离阀136可以是三通散热阀，该三通散热阀具有与热传输总线102流体连接的入口、与热传输总线102流体连接的第一出口和与旁路管线134流体连接的第二出口。同样地，如果第二热源交换器118c失效，则第二热源交换器118c可以在第二流动回路116内被隔离和旁路，留下第一热源交换器106c向公共热源140c提供排热能力。
第一流动回路104和第二流动回路116分别包括一个或多个专用冷源交换器108a-b和120a-b，它们位于多个热源交换器106a-c和118a-c的下游，用于将热量从热传输总线102中的热交换流体传递到例如大气、燃料、风扇流等等。例如，在某些实施例中，冷源交换器108a-b和120a-b可以包括RAM热交换器、燃料热交换器、风扇流热交换器或排气热交换器中的至少一个。RAM热交换器可以构造为集成到涡轮风扇发动机10或包括涡轮风扇发动机10的飞行器中的一个或两个中的“空气-热交换流体”热交换器。在操作期间，RAM热交换器可通过使一定量的RAM空气流过RAM热交换器而从其中的任何热交换流体中排出热量。另外，燃料热交换器是“液体-热交换流体”热交换器，其中来自热交换流体的热量被传递到涡轮风扇发动机10的液体燃料流。此外，风扇流热交换器通常是“空气热交换流体”热交换器，例如使旁路空气流过热交换流体，以从热交换流体排出热量。此外，排放空气热交换器通常是“空气-热交换流体”热交换器，例如使来自低压压缩机的排气流过热交换流体，以从热交换流体中排出热量。
对于图2的实施例，多个冷源交换器120a-b和108a-b在它们相应的流动回路116、104内串联配置。在其他实施例中，两个或更多个冷源交换器108a-b和120a-b可以在它们相应的流动回路104、116内以并行流动布置。
如图2中容易理解的，流过第一流动回路104中的第一冷源交换器108a-b的热交换流体不与流过第二流动回路116中的第二冷源交换器120a-b的热交换流体混合。
因此，利用上述根据图2的实施例的热管理系统100，容易理解的是，第一流动回路104和第二流动回路116向多个公共热源140a-c提供冗余和隔离的排热能力。
仍然参照图2的实施例，第一流动回路104中的多个冷源交换器108a-b和第二流动回路116中的多个冷源交换器120a-b可以被配置成在它们相应的流动回路内选择性激活它们的任何组合。为此，冷源交换器108a-b和120a-b中的每一个可设置有旁路管线134以及上游隔离阀136和下游隔离阀138。在特定实施例中，上游隔离阀136可以是三通散热阀，该三通散热阀具有与热传输总线102流体连接的入口、与热传输总线102流体连接的第一出口以及与旁路管线134流体连接的第二出口。三通散热阀136可各自为可变吞吐量三通阀，使得三通散热阀136可改变从入口到第一和/或第二出口的吞吐量。例如，三通散热阀136可构造成用于提供从入口到第一出口的零百分比(0％)和一百百分比(100％)之间任何百分比的热交换流体，并且类似地，三通散热阀136可构造成用于提供从入口到第二出口的零百分比(0％)和一百百分比(100％)之间任何百分比的热交换流体。
应当理解，尽管图2中描绘的示例性实施例包括用于绕过相应的第一热源交换器106a-c和第二热源交换器118a-c以及冷源交换器120a-b、108a-b的阀136、138，但是在其他实施例中，燃气涡轮发动机和/或热管理系统100可以具有用于绕过这些热交换器中的一个或多个的任何其他合适的配置。例如，在其他实施例中，热源和/或冷源交换器系统可以被配置成绕过热管理系统的热交换器。例如，当燃料是热联接到冷源交换器120a-b、108a-b中的一个的冷源时，燃料可以绕过与其另外流体联接的相应的冷源交换器120a-b、108a-b。类似地，例如，当润滑油系统是热联接到热源交换器106a-c、118a-c中的一个的热源时，润滑油可以绕过与其另外流体联接的相应的热源交换器106a-c、118a-c。以这种方式，可以调整飞行器发动机的热源系统和/或冷源系统，以确保飞行器安全，同时仍然允许热管理系统100的期望运行。例如，在热源管发生故障的情况下，可以关闭排放端口流(其可以是相对于热管理系统100的冷源系统)并使燃气涡轮发动机减速。当确定有必要或期望时，这可以提供更简单的绕过热交换器的方法。
值得注意的是，三通散热阀136可以与涡轮风扇发动机的控制器和/或包括涡轮风扇发动机的飞行器的控制器可操作地连通。控制器可以基于例如涡轮风扇发动机和/或飞行器的运行条件、热交换流体的温度和/或任何其他合适的变量来绕过第一流动回路104中的一个或多个冷源交换器108a-b和第二流动回路116中的冷源交换器120a-b。
图2的热管理系统100可以更有效地从涡轮风扇发动机10和/或飞行器的各种辅助系统排热。例如，各种辅助系统可根据涡轮风扇发动机10和/或飞行器的各种操作条件产生变化量的热。然而，并非所有辅助系统都定义了相同的加热模式(即，并非所有辅助系统都同时加热和冷却)。例如，在涡轮风扇发动机10的高负载状态期间，主润滑系统78可能需要最大量的排热。然而，相反，在高空飞行期间，ECS 86可能需要最大量的排热。因此，通过结合各种不同的辅助系统的排热，可能需要更少的热交换器排出期望的热量和/或可能需要更小的热交换器排出期望的热量。
此外，可以以更有效的方式从各种辅助系统排出热量。例如，当需要从热交换流体中排出相对较低量的热量时，可以利用第一流动回路104中的冷源交换器108a-b中的最有效的一个并且绕过其他冷源交换器。同样适用于第二流动回路116中的冷源交换器120a-b。然而，当需要从热交换流体中排出相对较高量的热量时，也可以利用附加的冷源交换器108a-b和120a-b。值得注意的是，这种构造可以允许使用燃料热交换器，而不会有将燃料加热到需要包括脱氧系统的点的风险。例如，当燃料的温度升高超过预定阈值(因此需要脱氧系统)时，现有的燃料热交换器在燃料系统内存在燃料结焦或沉积形成的风险。然而，由于对于所描绘的实施例的各种冷源交换器108a-b和120a-b的冗余和选择性配置，燃料热交换器的使用可在燃料达到这种预定阈值之前停止。
热管理系统100可另外配置成例如在寒冷条件下操作时或在启动飞行器和/或发动机时加热油。例如，在某些示例性实施例中，热管理系统100可绕过冷源交换器108a-b和120a-b的任何组合，使得来自热源交换器106a-c和118a-c之一的热量可用于加热来自不同热源之一的油。例如，来自热源交换器106a-c中的一个的热量可用于加热来自主润滑系统78的润滑油，以允许在动力齿轮箱46中具有适当的润滑油粘度。
仍参照图2，示例性热管理系统100可利用制冷循环以更有效地从流动回路104和116内的各种热源交换器106a-c和118a-c排出热量。具体地，第一流动回路104的泵110可构造为用于压缩气态热交换流体的第一压缩机，并且第一流动回路104还可包括用于使第一流动回路104中的热交换流体膨胀的第一膨胀装置114。类似地，第二流动回路116的泵122可构造为第二压缩机，并且第二流动回路116可进一步包括第二膨胀装置125。泵/压缩机110和122在它们相应的流动回路中位于热源交换器106a-c和118a-c的下游和冷源交换器108a-b和120a-b的上游。膨胀装置114和125在它们相应的流动回路中位于冷源交换器108a-b和120a-b的下游和热源交换器106a-c和118a-c的上游。泵/压缩机110和122各自由相应的驱动系统144提供动力。例如，泵/压缩机110和122可由例如电动马达驱动，或者可替代地，泵/压缩机110和122可与涡轮风扇发动机的旋转部件(例如高压轴34或低压轴36)机械连通并由涡轮风扇发动机的旋转部件(例如高压轴34或低压轴36)驱动。虽然描述了单独的驱动系统144，但是在其他实施例中，单个组合的驱动系统144(例如单个电动机)可用于泵/压缩机110和122。
利用这种构造，冷源交换器108a-b和120a-b用作冷凝器，而多个热源交换器106a-c和118a-c用作蒸发器，这可以提供从各种热源交换器的更有效的排热和到冷源交换器108a-b和120a-b的热传递。在某些示例性实施例中，膨胀装置114、125可被用作发电装置，该发电装置被配置为从通过其的热交换流体流产生旋转功率。
仍然参考图2的实施例，示例性热管理系统100可以包括用于对飞行器的某些部件除冰的特征。具体地，流动回路104、116中的一个或每个可分别包括除冰模块126、128，除冰模块126、128在流动回路中位于多个热源交换器的下游和冷源交换器的上游的位置处。除冰模块126、128可以被配置成利用来自热传输总线102中的热交换流体的热量来将飞行器易结冰的部件进行加热。根据例如飞行器和大气条件，冰可能容易形成在飞行器的机身、飞行器的机翼等上。因此，在某些实施例中，除冰模块126、128可包括与例如飞行器机身、飞行器机翼等的表面热连通地安装的一个或多个流体管线(未示出)。当使用时，除冰模块126、128的流体管线可在热传输总线102中提供热交换流体流，或者可替代地，除冰模块126、128的流体管线可具有使用例如除冰热交换器(未示出)从热交换流体传递热量的单独的除冰流体。
与上面讨论的各种部件一样，热管理系统100可以包括旁路管线和用于选择性地绕过或可变地致动除冰模块126、128的相关阀。
此外，流动回路104、116中的一个或每个可分别包括燃料冷却器130、132，燃料冷却器130、132位于多个热源交换器106a-c和118a-c的上游和冷源交换器108a-b、120a-b的下游。燃料冷却器130、132可以被构造成从涡轮风扇发动机10的燃料排出热量，以辅助将燃料维持在期望的温度范围内。与图2的热管理系统100的各种其它部件一样，旁路管线和隔离阀可设置有燃料冷却器130、132。
根据本公开的示例性实施例的热管理系统可以允许燃气涡轮发动机和包括这种燃气涡轮发动机的飞行器更有效地操作。更具体地，根据本公开的示例性实施方式的热管理系统的包括可允许燃气涡轮发动机的核心的体积减小，因为可能需要更少的热交换器和/或更小的热交换器来维持期望量的热排出。另外，使用根据本公开的示例性实施方式的热管理系统排出的热可允许将这种热重定向到需要热操作的一个或多个辅助系统。
现在参考图3，提供根据本公开的另一示例性实施例的热管理系统100。在图3中示意性示出的示例性热管理系统100可以以与上文参照图2描述的示例性热管理系统100基本相同的方式配置。在图3中使用了与图2的热管理系统100相同或类似的部件。
在图3的实施例中，其中用于第一流动回路104的第一热源交换器和用于第二流动回路116的第二热源交换器共享共同的热源交换器结构142a-c，而不是如在图2的实施例中的物理上分离的结构。例如，公共热源交换器结构142a-c可以构造成具有公共热交换器壳体，来自热源140a-c的加热介质(H)流过所述公共热交换器壳体。壳体可以是包围热交换器结构的刚性壳体，或者与热交换器结构整体形成。在公共热源交换器结构142a-c内，每个流动回路104、116具有一组专用且物理上分离的管道，使得第一流动回路104和第二流动回路116在公共热源交换器结构142a-c内在结构上分离。例如，第一流动回路104包括结构142a内的管道148(实线)，第二流动回路包括结构142a内的管道150(虚线)。为了上述目的，如图3所示，管道组148、150中的每一个可包括旁路管线和隔离阀。该实施例可能是期望的，因为与图2的实施例相比，实际热交换器的数量和系统100的复杂性减少。
仍然参考图3的实施例，用于第一流动回路104的第一冷源交换器和用于第二流动回路116的第二冷源交换器可以共享共同的冷源交换器结构152a-b，而不是图2的实施例中的物理上分离的结构。例如，公共冷源交换器结构152a-b可以通过冷却介质流配置有公共热交换器壳体。在公共冷源交换器交换结构152a-b内，每个流动回路104、116具有一组专用的物理上分离的管道，使得第一流动回路104和第二流动回路116在公共冷源交换器交换结构152a-b内在结构上分离。例如，第一流动回路104在公共结构152a内包括管道154(实线)，第二流动回路在公共结构152a内包括管道156(虚线)。为了上述目的，如图3所示，管道组154、156中的每一个可包括旁路管线和隔离阀。该实施例可能是期望的，因为与图2的实施例相比，实际热交换器的数量和系统100的复杂性减少。
在特定实施例中，图3还描绘了第一流动回路104中的第一压缩机112和第二流动回路116中的第二压缩机124由公共驱动器146驱动，而不是由图2的实施例中所示的分离驱动器驱动。该配置还可以降低整个热管理系统100的成本和复杂性
对于图4的实施例，热管理系统100结合到飞行器200中并且至少部分地结合到燃气涡轮发动机中。具体地，热管理系统100结合到飞行器200和第一涡轮风扇发动机202和/或第二涡轮风扇发动机204中。第一涡轮风扇发动机202和第二涡轮风扇发动机204可以基本上以与上文参考图1描述的示例性涡轮风扇发动机10一致的方式配置。
另外，如所描绘的，图4的示例性热管理系统100包括根据以上附图1和2讨论的热传输总线102的任何一个或组合的热传输总线。示例性热管理系统100可结合到飞行器200和涡轮风扇发动机202中。例如，在图3的示例性实施例中，第一热源交换器106和第二热源交换器118中的一个或多个可以位于涡轮风扇发动机202中，并且第一热源交换器106和第二热源交换器118中的一个或多个可以位于飞行器200中。类似地，第一冷源交换器108和第二冷源交换器交换120中的一个或多个可以位于涡轮风扇发动机202中，并且第一冷源交换器108和第二冷源交换器120中的一个或多个可以位于飞行器200中。
另外，上述示例性热管理系统100的其它元件可以定位在飞行器200内的任何适当位置。例如，图4的热管理系统100可包括在具有热管线206(以虚线示出)的一个或两个流动回路中的除冰模块，用于加热飞行器200的某些部件，例如防止或补救飞行器200的机翼210的前缘208上的结冰状况。
此外，现在参考图5，提供根据本公开的又一示例性实施例的热管理系统100。图5中示意性示出的示例性热管理系统100可以以与上文附图2和3描述的示例性热管理系统100基本相同的方式配置。在图5中使用了与图2和图3的热管理系统100相同或类似的部件。
在第5图的实施例中，热管理系统100还包括可与热管理系统的各个方面一起操作的控制系统300。特别地，将理解所描绘的控制系统300包括多个传感器302。多个传感器302可以包括多个压力传感器、温度传感器、流量传感器等。对于所示的实施例，多个传感器302可与第一冷源交换器108a上游以及第一热源交换器106a下游的第一流动回路104一起操作，用于感测指示通过第一流动回路104的热交换流体的数据，例如位置。此外，对于所示的实施例，多个传感器302可与第二冷源交换器120a上游以及第二热源交换器118a下游的第二流动回路116一起操作，用于感测指示通过第一流动回路104的热交换流体的数据，例如位置。尽管未示出，类似的传感器302可与任何其他热源交换器106、118、任何冷源交换器108、120、任何泵或膨胀装置等的上游和下游的第一流动回路104和第二流动回路116一起操作。此外，多个传感器302可以是独立传感器302，用于感测指示第一流动回路104和/或第二流动回路116内的一个或多个操作参数的数据。
如上所述，示例性控制系统300包括控制器304。控制器被配置成接收从一个或多个传感器302感测的数据，并且例如可以基于所接收的数据对热管理系统100做出控制决策。
在一个或多个示例性实施例中，图5中描绘的控制器304可以是用于热管理系统100的独立控制器，或者可选地，可以结合到用于与热管理系统100结合的燃气涡轮发动机的控制器、用于包括与热管理系统100结合的燃气涡轮发动机的飞行器的控制器等中的一个或多个中。
特别地参考控制器304的操作，在至少某些实施例中，控制器304可以包括一个或多个计算设备306。计算设备306可以包括一个或多个处理器306A和一个或多个存储设备306B。一个或多个处理器306A可以包括任何合适的处理设备，诸如微处理器、微控制器、集成电路、逻辑设备和/或其他合适的处理设备。一个或多个存储器设备306B可以包括一个或多个计算机可读介质，包括但不限于非瞬时性计算机可读介质、RAM、ROM、硬盘驱动器、闪存驱动器和/或其他存储器设备。
一个或多个存储设备306B可存储可由一个或多个处理器306A访问的信息，包括可由一个或多个处理器306A执行的计算机可读指令306C。指令306C可以是当由一个或多个处理器306A执行时使一个或多个处理器306A执行操作的任何指令集。在一些实施例中，指令306C可以由一个或多个处理器306A执行，以使得一个或多个处理器306A执行操作，诸如控制器304和/或计算设备306被配置的操作和功能中的任一个，用于操作热管理系统100的操作(例如，方法400)，如本文所述，和/或一个或多个计算设备306的任何其他操作或功能。指令306C可以是用任何合适的编程语言编写的软件或者可以在硬件中实现。另外，和/或可选地，指令306C可以在处理器306A上逻辑地和/或实际上分开的线程中执行。存储器装置306B还可存储可由处理器30A访问的数据306D。例如，数据306D可以包括指示功率流的数据、指示发动机/飞行器运行状况的数据和/或此处描述的任何其他数据和/或信息。
计算设备306还可以包括网络接口306E，用于例如与热管理系统100的其他部件、装有热管理系统100的燃气涡轮发动机、装有燃气涡轮发动机的飞行器等通信。例如，在所描绘的实施例中，如上所述，燃气涡轮发动机和/或热管理系统100包括用于感测指示燃气涡轮发动机、热管理系统100或两者的一个或多个参数的数据的一个或多个传感器302。热管理系统100的控制器304通过例如网络接口可操作地联接到一个或多个传感器302，使得控制器304可以在操作期间接收指示由一个或多个传感器302感测的各种操作参数的数据。此外，对于所示实施例，控制器304例如响应于例如由一个或多个传感器302感测的数据，可操作地联接到例如热管理系统100的各种旁路阀。
网络接口306E可以包括用于与一个或多个网络接口的任何适当组件，包括例如发射机、接收机、端口、控制器、天线和/或其他适当组件。例如，控制器304可以通过有线或无线(以虚线表示)通信网络通过网络接口306E可操作地连接到传感器302。
本文所讨论的技术参考基于计算机的系统和由基于计算机的系统所采取的行动以及发送到基于计算机的系统和从基于计算机的系统发送的信息。本领域普通技术人员将认识到，基于计算机的系统的固有灵活性允许各种可能的配置、组合以及在组件之间和组件之间的任务和功能的划分。例如，这里讨论的过程可以使用组合工作的单个计算设备或多个计算设备来实现。数据库、内存、指令和应用程序可以在单个系统上实现，也可以分布在多个系统上。分布式组件可以顺序或并行运行。
以这种方式，将理解，在至少某些示例性实施例中，控制系统300可基于从一个或多个传感器302接收的指示热管理系统100的一个或多个操作参数的数据来做出控制决策。例如，在至少某些示例性实施例中，控制系统300可以根据下面参照图6描述的示例性方面中的一个或多个来控制热管理系统100。
现在参考图6，提供了用于操作燃气涡轮发动机的热管理系统的方法400的流程图。方法400可与上述一个或多个热管理系统一起使用。因此，热管理系统通常可以包括热传输总线，该热传输总线具有第一流动回路、第二流动回路和从中流动的热交换流体。
如所描绘的，方法400通常包括在(402)，接收指示通过第一流动回路、第二流动回路或两者的热交换流体的流动参数的数据。接收的数据可以通过控制系统，例如通过可与热管理系统一起操作的一个或多个传感器。例如，传感器可以感测指示通过第一流动回路和/或第二流动回路的热交换流体的温度、压力、流量等中的一个或多个的数据。
方法400还包括在(404)，响应于所接收的指示通过第一流动回路、第二流动回路或两者的热交换流体的流动参数的数据，修改从公共热源传递到第一流动回路的热量相对于从公共热源传递到第二流动回路的热量的比率。
例如，在所描绘的示例性实施例中，在(402)接收指示通过第一流动回路、第二流动回路或两者的热交换流体的流动参数的数据包括在(406)接收指示与第一流动回路相关联的故障的数据。对于所描绘的示例性方面，在(406)接收指示与第一流动回路相关联的故障的数据包括在(408)接收指示以下的数据：通过第一流动回路的热交换流体的温度高于预定温度阈值、通过第一流动回路的热交换流体的压力低于预定压力阈值、第一流动回路的第一冷源交换器的温度升高超出预定温度范围、第一流动回路的第一冷源交换器的压力升高超出预定压力范围、或其组合。例如，当通过第一流动回路的热交换流体的温度和/或压力高于相应的预定阈值时，这可以指示第一流动回路没有正确地拒绝传递到热交换流体的热，相应的冷源没有正确地操作，第一流动回路接受的热量大于其具有的容量等。
仍参照图6的方法400。将进一步认识到，在(404)修改从公共热源传递到第一流动回路的热量相对于从公共热源传递到第二流动回路的热量的比率包括在(410)绕过第一流动回路的第一热源交换器。在某些示例性方面，在(404)修改从公共热源传递到第一流动回路的热量相对于从公共热源传递到第二流动回路的热量的比率可进一步包括在(412)该比率修改至大于50:50(至第一流动回路的热量相比于至第二流动回路的热量)、大于60:40、大于75:25或大于90:10。可选地，在(404)修改从公共热源传递到第一流动回路的热量相对于从公共热源传递到第二流动回路的热量的比率可进一步包括在(414)将该比率修改为小于50:50(至第一流动回路的热量相比于至第二流动回路的热量)、小于40:60、小于25:75或小于10:90。以这种方式，方法400可适于克服或适应热管理系统内的任何故障或可操作性限制。
应当理解，虽然方法400是关于第一流动回路描述的，但是在其他示例性方面，可以与第二流动回路一起采取相同或类似的控制步骤。此外，尽管方法400讨论了通过致动各种热源交换器和冷源交换器的旁路阀来控制第一流动回路和第二流动回路之间的热传递的比率，但是在其他示例性实施例中，方法400可以另外地或可选地修改一个或多个其他部件(例如，一个或多个泵、压缩机等)的操作。
该书面描述使用实例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使得本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其它示例包括与权利要求书的文字语言不存在差异的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的文字语言不存在实质性差异的等效结构元件，则这些其它示例旨在在权利要求书的范围内。
本发明的其它方面由以下条款的主题提供：
一种用于结合到燃气涡轮发动机或飞行器中的至少一个的热管理系统，其特征在于，包括：热传输总线，所述热传输总线具有流过其中的热交换流体，所述热传输总线还包括：第一流动回路，所述第一流动回路包括至少一个第一热源交换器、至少一个第一冷源交换器和使所述热交换流体移动通过所述第一流动回路的第一泵；和第二流动回路，所述第二流动回路包括至少一个第二热源交换器、至少一个第二冷源交换器和使所述热交换流体移动通过所述第二流动回路的第二泵；其中，所述第一流动回路与所述第二流动回路隔离，并且其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器配置有公共热源。
任何前述条款所述的热管理系统，其中，移动通过所述第一流动回路的所述热交换流体不与移动通过所述第二流动回路的所述热交换流体混合，并且其中，所述第一流动回路和所述第二流动回路向所述公共热源提供冗余且隔离的排热能力。
任何根据前述条款所述的热管理系统，其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器是与所述公共热源并行配置的物理上分离的热交换器。
任何前述条款所述的热管理系统，其中所述公共热源包括排放端口，所述排放端口流体地联接到所述至少一个第一热源交换器中的一个并且流体地联接到所述至少一个第二热源交换器中的一个。
任何前述条款所述的热管理系统，其中所述第一冷源交换器和所述第二冷源交换器是物理上分离的冷源交换器。
任何前述条款所述的热管理系统，其中，所述第一热源交换器和所述第二热源交换器共享公共热源交换器结构，其中，所述第一流动回路在所述公共热源交换器结构中与所述第二流动回路流体隔离。
任何前述条款所述的热管理系统，其中，所述第一热源交换器和所述第二热源交换器被配置用于在所述热传输总线中选择性地激活，并且所述第一冷源交换器和所述第二冷源交换器被配置用于在所述热传输总线中选择性地激活。
任何前述条款所述的热管理系统，其中所述第一泵被构造为第一压缩机，其中所述第二泵被构造为第二压缩机，其中所述第一流动回路进一步包括第一膨胀装置，并且其中所述第二流动回路进一步包括第二膨胀装置。
任何前述条款所述的热管理系统，还包括多个所述公共热源，其中每个所述公共热源包括与其一起配置的所述第一冷源交换器中的一个。
任何前述条款所述的热管理系统，其中所述公共热源包括环境控制系统、主润滑系统、电机热系统、电子冷却系统、压缩机冷却空气系统热或主动间隙控制系统的任何组合。
一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：热源；热管理系统，所述热管理系统还包括热传输总线，所述热传输总线具有流过其中的热交换流体，所述热传输总线包括：第一流动回路，所述第一流动回路包括至少一个第一热源交换器、至少一个第一冷源交换器和使所述热交换流体移动通过所述第一流动回路的第一泵；第二流动回路，所述第二流动回路包括至少一个第二热源交换器、至少一个第二冷源交换器和使所述热交换流体移动通过所述第二流动回路的第二泵；其中，所述第一流动回路与所述第二流动回路隔离，并且其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器配置有所述燃气涡轮发动机的所述热源。
任何前述条款所述的燃气涡轮发动机，其中，移动通过所述第一流动回路的所述热交换流体不与移动通过所述第二流动回路的所述热交换流体混合，并且其中，所述第一流动回路和所述第二流动回路向所述热源提供冗余且隔离的排热能力。
任何前述条款所述的燃气涡轮发动机，进一步包括：压缩机区段，所述压缩机区段通过一个或多个轴联接至涡轮区段，其中所述热源是主润滑系统，用于向位于所述压缩机区段或所述涡轮区段中的至少一个中的一个或多个部件提供润滑。
任何前述条款所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一热源交换器和所述第二热源交换器是配置有所述热源的物理上分离的热交换器。
任何前述条款所述的燃气涡轮发动机，其中，所述公共热源包括排放端口，所述排放端口流体地联接到所述至少一个第一热源交换器中的一个并且流体地联接到所述至少一个第二热源交换器中的一个。
任何前述条款所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第一热源交换器和所述第二热源交换器被配置成在所述热传输总线中选择性地激活，并且所述第一冷源交换器和所述第二冷源交换器被配置成在所述热传输总线中选择性地激活。
一种操作燃气涡轮发动机的热管理系统的方法，其特征在于，所述热管理系统包括具有第一流动回路、第二流动回路和流过其中的热交换流体的热传输总线，所述方法包括：接收指示通过所述第一流动回路、所述第二流动回路或两者的所述热交换流体的流动参数的数据；和响应于所接收的指示通过所述第一流动回路、所述第二流动回路或两者的所述热交换流体的所述流动参数的所述数据，修改从公共热源传递到所述第一流动回路的热量相对于从所述公共热源传递到所述第二流动回路的热量的比率。
任何前述条款所述的方法，其中，接收指示通过所述第一流动回路、所述第二流动回路或两者的所述热交换流体的所述流动参数的数据包括：接收指示与所述第一流动回路相关联的故障的数据。
任何前述条款所述的方法，其中，修改从所述公共热源传递到所述第一流动回路的热量相对于从所述公共热源传递到所述第二流动回路的热量的比率包括绕过所述第一流动回路的第一热源交换器。
任何前述条款所述的方法，其中，接收指示与所述第一流动回路相关联的所述故障的数据包括接收指示以下的数据：通过所述第一流动回路的所述热交换流体的温度高于预定温度阈值、通过所述第一流动回路的所述热交换流体的压力低于预定压力阈值、所述第一流动回路的第一冷源交换器上的温度升高超出预定温度范围、所述第一流动回路的所述第一冷源交换器上的压力升高超出预定压力范围、或其组合。

Claims (10)

1.一种用于结合到燃气涡轮发动机或飞行器中的至少一个的热管理系统，其特征在于，包括：
热传输总线，所述热传输总线具有流过其中的热交换流体，所述热传输总线还包括：
第一流动回路，所述第一流动回路包括至少一个第一热源交换器、至少一个第一散热交换器和使所述热交换流体移动通过所述第一流动回路的第一泵；和
第二流动回路，所述第二流动回路包括至少一个第二热源交换器、至少一个第二散热交换器和使所述热交换流体移动通过所述第二流动回路的第二泵；
其中，所述第一流动回路与所述第二流动回路隔离，并且其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器配置有公共热源。
2.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，其中，移动通过所述第一流动回路的所述热交换流体不与移动通过所述第二流动回路的所述热交换流体混合，并且其中，所述第一流动回路和所述第二流动回路向所述公共热源提供冗余且隔离的排热能力。
3.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，其中所述第一热源交换器和所述第二热源交换器是与所述公共热源并行配置的物理上分离的热交换器。
4.根据权利要求3所述的热管理系统，其特征在于，其中所述公共热源包括排放端口，所述排放端口流体地联接到所述至少一个第一热源交换器中的一个并且流体地联接到所述至少一个第二热源交换器中的一个。
5.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，其中所述第一散热交换器和所述第二散热交换器是物理上分离的散热交换器。
6.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，其中，所述第一热源交换器和所述第二热源交换器共享公共热源交换器结构，其中，所述第一流动回路在所述公共热源交换器结构中与所述第二流动回路流体隔离。
7.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，其中，所述第一热源交换器和所述第二热源交换器被配置用于在所述热传输总线中选择性地激活，并且所述第一散热交换器和所述第二散热交换器被配置用于在所述热传输总线中选择性地激活。
8.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，其中所述第一泵被构造为第一压缩机，其中所述第二泵被构造为第二压缩机，其中所述第一流动回路进一步包括第一膨胀装置，并且其中所述第二流动回路进一步包括第二膨胀装置。
9.根据权利要求1所述的热管理系统，其特征在于，还包括多个所述公共热源，其中每个所述公共热源包括与其一起配置的所述第一散热交换器中的一个。
10.根据权利要求8所述的热管理系统，其特征在于，其中所述公共热源包括环境控制系统、主润滑系统、电机热系统、电子冷却系统、压缩机冷却空气系统热或主动间隙控制系统的任何组合。
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