CN113374580A - 用于减轻焦化的燃气涡轮发动机反向抽吸 - Google Patents

用于减轻焦化的燃气涡轮发动机反向抽吸 Download PDF

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Abstract

一种涡轮发动机，包括：核心罩，核心在核心罩内，该核心包括具有抽吸端口的压缩机；罩下空间；冷却管道，该冷却管道至少部分地在罩下空间中且具有入口和出口，入口与冷却空气源连通，出口与压缩机抽吸端口连通；阀组件，该阀组件在冷却管道中；以及冷却吹送器，该冷却吹送器可操作成使气流从冷却管道的入口朝冷却管道的出口移动并进入压缩机抽吸端口。一种冷却发动机的方法，该发动机具有核心罩和压缩机、燃烧器和涡轮，该方法包括：操作发动机；使发动机停机；在发动机停机之后或期间，操作发动机罩内部的冷却吹送器，以迫使空气通过压缩机抽吸端口穿过压缩机。

Description

用于减轻焦化的燃气涡轮发动机反向抽吸
技术领域
该发明总体上涉及冷却燃气涡轮发动机，且更具体地涉及用于降低停机后发动机温度的方法和设备。
背景技术
在正常操作期间，通过将热量从构件传递到一个或多个散热器的多个冷却过程，将燃气涡轮发动机构件的温度保持在可允许的极限内。发动机停机后，大多数冷却系统将不再操作。某些发动机构件中的残余热量(即“回渗”)可使其它发动机构件的温度升高到允许范围之外。
特别令人关注的是，当碳氢燃料(液体或气体)在氧气存在下暴露于高温下时，在包括燃料喷嘴在内的燃料传送构件中会形成碳(或“焦炭”)沉积物。
缓解焦化的一些已知方法包括在发动机停机后旋转转子(即“机动”)或使用由辅助功率单元(“APU”)、地面功率单元(“GPU”)或空调单元在停机之后提供的强制空气来吹扫发动机。
这些方法的一个问题是它们需要的资源(如电功率、燃料、外部设备和/或后勤支持)可能不可用或不切实际。
发明内容
该问题通过可在燃气涡轮发动机内部的冷却设备解决。该设备迫使冷却空气通过发动机的抽吸(bleed)端口。
根据本文所述的技术的一个方面，一种燃气涡轮发动机包括：核心罩，核心包含在核心罩内，包括与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，该压缩机包括压缩机抽吸端口，其中罩下空间限定于核心罩与核心之间；冷却管道，其至少部分地设置在罩下空间中且具有入口和出口，其中入口与冷却空气源流体连通，且出口与压缩机抽吸端口流体连通；阀组件，其包括设置在冷却管道中的至少一个阀；以及冷却吹送器，其设置在发动机内，且可操作成使气流从冷却管道的入口朝冷却管道的出口移动并进入压缩机抽吸端口。
根据本文描述的技术的另一方面，一种方法包括：使用发动机，发动机包括罩、罩下空间、与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，其中压缩机包括压缩机抽吸端口；在发动机操作时，基本防止从抽吸端口到罩下空间的气流；在发动机停机时，允许从罩下空间到压缩机的气流，且操作位于罩内部的冷却吹送器，以促使空气从罩下空间流入压缩机抽吸端口。
根据本文描述的技术的另一方面，一种方法包括：使用发动机，该发动机包括核心罩、罩下空间以及与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，该压缩机具有压缩机抽吸端口；操作发动机；使发动机停机；在发动机停机之后或期间，操作核心罩内部的冷却吹送器，以迫使空气从冷却空气源通过压缩机抽吸端口穿过发动机的流径的至少一部分。
技术方案1. 一种燃气涡轮发动机，包括：
核心罩，
核心，所述核心包含在所述核心罩内，包括与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，所述压缩机包括压缩机抽吸端口，其中罩下空间限定于所述核心罩和所述核心之间；
冷却管道，所述冷却管道至少部分地设置在所述罩下空间中且具有入口和出口，其中所述入口与冷却空气源流体连通，且所述出口与所述压缩机抽吸端口流体连通；
阀组件，所述阀组件包括设置在所述冷却管道中的至少一个阀；以及
冷却吹送器，所述冷却吹送器设置在所述发动机内，且可操作成使气流从所述冷却管道的入口朝所述冷却管道的出口移动并进入所述压缩机抽吸端口。
技术方案2. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中旁通管道设置在所述压缩机的上游，且所述冷却管道的入口与所述旁通管道流体连通。
技术方案3. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述冷却管道的入口与所述罩下空间流体连通。
技术方案4. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述发动机还包括联接到所述压缩机抽吸端口的抽吸管道，其中所述冷却管道的出口联接到所述抽吸管道。
技术方案5. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述阀组件包括串联流体连通的第一阀和第二阀，所述第一阀更接近于所述冷却导管的出口。
技术方案6. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述阀中的至少一个是止回阀。
技术方案7. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述阀中的至少一个是流体压力响应式被动阀。
技术方案8. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述第一阀是止回阀，且所述第二阀是可控阀。
技术方案9. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中至少一个辅助管与所述阀组件流体连通地连接。
技术方案10. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中吹除管具有连接到所述第一阀与所述第二阀之间的所述阀组件的第一端，以及连接到低压接收器的第二端。
技术方案11. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中冷却管具有连接到所述第二阀与所述冷却管道的入口之间的所述阀组件的第一端。
技术方案12. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述冷却管具有连接到设置在所述压缩机上游的旁通管道的第二端。
技术方案13. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述冷却吹送器至少部分地设置在所述冷却管道内。
技术方案14. 根据任意前述技术方案所述的发动机，其中所述冷却吹送器是电动的。
技术方案15. 一种方法，包括：
使用发动机，所述发动机包括罩、罩下空间、与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，其中所述压缩机包括压缩机抽吸端口；
在所述发动机操作时，基本防止从所述抽吸端口到所述罩下空间的气流；
在所述发动机停机时，允许从所述罩下空间到所述压缩机的气流，且操作位于所述罩内部的冷却吹送器，以促使空气从所述罩下空间流入所述压缩机抽吸端口。
技术方案16. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中：
基本防止气流的步骤包括将一个或多个阀定位在关闭位置中；以及
允许气流的步骤包括将所述一个或多个阀定位在打开位置中。
技术方案17. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述一个或多个阀响应于在操作期间由所述发动机产生的流体压力来定位在关闭位置中，且所述一个或多个阀响应于不存在由所述发动机产生的流体压力来定位在打开位置中。
技术方案18. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述方法还包括：在操作所述冷却吹送器之前，参考与飞行器相关联的至少一个传感器信号来确定所述发动机停机。
技术方案19. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中在所述发动机停机之后，所述冷却吹送器操作达预定的时间量。
技术方案20. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中响应于至少一个传感器输入，使用所述发动机的电子发动机控制器来计算所述预定的时间量。
技术方案21. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中：
所述发动机安装在飞行器中；
所述预定的时间量从所述发动机控制器通信到所述飞行器的电子飞行器控制器；以及
响应于来自发动机控制器的通信，所述飞行器控制器在所述预定的时间量内向所述冷却吹送器提供功率。
技术方案22. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述方法还包括：当所述发动机操作时：
接纳发动机抽吸空气从所述压缩机抽吸端口进入所述冷却通道；
引导所述发动机抽吸空气中的一些远离所述一个或多个阀离开所述冷却管道，以便减小横跨所述阀中的至少一个的压差；以及
接纳冷却气流从冷却源进入在所述阀中的至少一个与所述冷却吹送器之间的冷却管道，并将所述冷却气流与所述抽吸空气混合，以便在所述发动机抽吸空气接触所述冷却吹送器之前降低所述发动机抽吸空气的温度。
技术方案23. 一种方法，包括：
使用发动机，所述发动机包括核心罩、罩下空间以及与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，所述压缩机具有压缩机抽吸端口；
操作所述发动机；
使所述发动机停机；以及
在发动机停机之后或期间，操作所述核心罩内部的冷却吹送器，以迫使空气通过所述压缩机抽吸端口穿过所述发动机的流径的至少一部分。
技术方案24. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中被迫穿过所述流径的所述空气还流过所述罩下空间。
技术方案25. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述冷却吹送器操作达预定的时间量，且响应于至少一个传感器输入，使用所述发动机的电子发动机控制器来计算所述预定的时间量。
技术方案26. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中：
所述发动机安装在飞行器中；
所述预定的时间量从所述发动机控制器通信到所述飞行器的电子飞行器控制器；以及
响应于来自发动机控制器的通信，所述飞行器控制器在所述预定的时间量内向所述冷却吹送器提供功率。
技术方案27. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中：
所述发动机安装在飞行器中；
冷却需求从所述发动机控制器通信到所述飞行器的电子飞行器控制器；以及
响应于来自发动机控制器的通信，所述飞行器控制器向所述冷却吹送器提供功率。
技术方案28. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述方法还包括：
在所述发动机操作时，将一个或多个阀定位在关闭位置中，以便阻挡所述冷却吹送器与所述压缩机抽吸端口之间的气流；
在所述发动机停机时，将所述一个或多个阀定位在打开位置中，以允许从所述冷却吹送器到所述压缩机抽吸端口的气流。
技术方案29. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述方法还包括：在操作所述冷却吹送器之前，参考与飞行器相关联的至少一个传感器信号来确定所述发动机停机且在地面上。
技术方案30. 根据任意前述技术方案所述的方法，其中所述一个或多个阀响应于在操作期间由所述发动机产生的流体压力来定位在关闭位置中，且所述一个或多个阀响应于不存在由所述发动机产生的流体压力来定位在打开位置中。
附图说明
本发明可连同附图参照以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1是现有技术的燃气涡轮发动机的横截面示意图；
图2是适用于图1的燃气涡轮发动机的反向抽吸设备的示例性实施例的示意性横截面视图；
图3是安装到飞行器的图1的燃气涡轮发动机的示意性透视图；以及
图4是适用于图1中的燃气涡轮发动机的反向抽吸设备的另一示例性实施例的示意性横截面视图。
具体实施方式
参看附图，其中相同的参考标号表示各种图各处的相同元件，图1绘出了示例性燃气涡轮发动机10。尽管所示的示例是高旁通涡扇发动机，但是本发明的原理还适用于其它类型的发动机，例如低旁通涡扇、涡轮喷气发动机、涡轮螺旋桨发动机、无导管风扇发动机或开放式转子发动机等，以及具有任何数量的压气机涡轮转轮的涡轮发动机。发动机10具有纵向中心线或轴线11。发动机10的操作可全部地或部分地由在13处示意性示出的电子发动机控制器来控制。这种电子发动机控制器13的一个示例是全权数字发动机控制(“FADEC”)。将理解的是，发动机控制器13可安装在任何方便的位置或发动机10中，包括但不限于风扇机舱内或罩下空间内(如下所述)。
注意，如本文使用的用语“轴向”和“纵向”两者是指平行于中心线轴线11的方向，而“径向”是指垂直于轴向方向的方向，且“切向”或“周向”是指相互垂直于轴向和径向方向的方向。如本文使用的用语“前方”或“前”是指穿过或围绕构件的气流中的相对上游的位置，且用语“后方”或“后”是指穿过或围绕构件的气流中的相对下游的位置。该流动方向由图1中的箭头“FL”示出。这些方向用语仅用于便于描述，且不需要由此描述的结构的特定定向。
发动机10具有以串流关系布置的风扇12、增压器14、高压压缩机或“HPC”16、燃烧器18、高压涡轮或“HPT”20以及低压涡轮或“LPT”22。风扇12、增压器14和LPT 22共同限定了发动机的低压系统或低压转轴。HPC 16、燃烧器18和HPT 20共同限定了发动机10的高压转轴，也称为“核心”或“核心发动机”。
在操作中，离开HPC 16的加压空气在燃烧器18中与燃料混合并被点燃，从而产生燃烧气体。HPT 20从这些气体中提取了一些功，该HPT通过外轴24驱动HPC 16。然后，燃烧气体流入LPT 22，LPT通过内轴26驱动风扇12和增压器14。如本文中所使用的，当燃料供应到燃烧器中且在燃烧器中燃烧时，发动机10认作是在“操作”，且所产生的燃烧气体正在驱动至少核心的旋转。如本文中所使用的，当燃料没有供应到燃烧器时，发动机10认作是“停机”。将理解的是，“操作”涵盖具有变化的转子速度和变化的推力和/或功率输出的许多操作状态。将理解的是，当不提供燃料时，发动机10的一个或多个转子可旋转。例如，这可能是由于在地面上流过发动机10的风，在飞行器飞行期间流过发动机的相对风(即“风磨”)或由于从起动机或类似设备施加的转矩而旋转所致。
HPC 16包括许多级的旋转叶片和静止轮叶，全部由压缩机壳28围绕。压缩机壳28结合有压缩机抽吸压室29，该压缩机抽吸压室与压缩机流径流体连通且通过至少一个压缩机抽吸端口30与压缩机壳28的外部流体连通。压缩机抽吸压室29可在压缩机壳28圆周的全部或一部分上延伸。将理解的是，不同的发动机可包括一个或多个抽吸端口，且特定的发动机可包括或可不包括所示类型的抽吸压室。如本文中所使用的，用语“压缩机抽吸端口”一般是指压缩机壳28或直接或间接与压缩机流径流体连通的其它类似结构中的端口、开口、压室或通路。用语“压缩机抽吸端口”可指发动机10内的现有结构，或是新增加的以容纳本文所述的反向引起设备的结构。
一个或多个抽吸管道32联接到压缩机抽吸端口30，且构造成引导所提取的气流远离HPC 16。为了控制压缩机的操作管线，可排出抽出的空气。备选地，它可用于诸如环境控制系统(“ECS”)、气动致动器、发动机热区段冷却和/或间隙控制系统的目的。抽吸管道32可包括排放控制阀34，排放控制阀可操作以在打开位置和关闭位置之间移动，从而控制通过压缩机抽吸端口30的流量。
发动机核心由限定在旁通流径38的内侧边界的核心罩36或核心机舱包围(即，包含在其中)，风扇旁通空气在该旁通流径38上流动。示出了管式涡扇，其包括由风扇机舱37围绕的风扇12，该风扇机舱远离核心罩36间隔且限定了旁通流径38的外侧边界。在该示例中，旁通流径38也可称为“风扇管道”。备选地，在开放式转子发动机的情况下，将不存在风扇机舱37，且旁通流径38将仅由核心罩36的外表面界定。核心罩36的内侧的空间称为“罩下空间”40。实际上，罩下空间40可例如通过通风口41(在图1中示意性地示出)排放到周围的外部环境“E”。为了本公开的目的，认为是发动机内部的事物是指位于由风扇机舱37或核心罩36包围的空间内的事物(风扇机舱37不存在的诸如开放式转子发动机的情况下)。
发动机10可选地结合用于控制增压器失速裕度的可抽吸阀(“VBV”)系统。VBV系统包括安装在风扇毂框架44内的一个或多个可变抽吸阀42。可变抽吸阀12在发动机10的低功率操作期间(例如在怠速时)打开，以放出一部分压缩空气。由于不再需要抽吸，因此在发动机10的大功率操作时，如在巡航或起飞期间，可变抽吸阀42关闭。当可变抽吸阀42打开时，空气从增压器流径通过风扇毂框架44并进入机舱37外部的旁通管道或更一般的旁通空间。在所示的示例中，发动机10包括至少一个旁通管道46，其限定了从风扇毂框架44到与旁通流径38连通的抽吸通风口48的空气流径。
燃烧器18包括多个燃料喷嘴50，多个燃料喷嘴在发动机操作期间供应有加压的液体燃料。燃料喷嘴50连接到燃料系统52，该燃料系统可操作成根据操作需要以变化的流速供应加压的液体燃料流。如示意性所示，燃料系统52通过联接到燃料导管56的燃料阀54供应燃料，燃料导管又联接到燃料喷嘴50。每个燃料喷嘴50可与通常位于燃料喷嘴杆的外部中的一个或多个压力响应燃料喷嘴阀51相关联。在一些实施例中，燃料喷嘴50和燃料系统52可实施一个以上的独立燃料流动回路(例如，先导回路和主回路)。
将理解，每个燃料喷嘴50大体上是包括大量小通路和孔口的金属块。当碳氢燃料在氧气的存在下暴露于高温时，燃料喷嘴50易于形成碳(或“焦炭”)沉积物。此过程称为“焦化”，且大体上在温度超过约1770℃(3500℉)时存在风险。
在发动机操作期间，燃料和压缩空气均流过燃料喷嘴50，且燃料喷嘴50浸入相对较冷的压缩机排出空气的外部流中。所有这些流从燃料喷嘴50带走热量，从而保持燃料温度相对较低。
当发动机操作停止时，一定量的燃料将继续滞留在燃料喷嘴50中，且可加热至焦化温度。干扰穿过这些孔口的燃料流的少量焦炭可产生燃料喷嘴性能的较大差异。最终，积碳的积聚可充分阻挡燃料通路，从而降低燃料喷嘴的性能，或阻止燃料喷嘴的预期操作到需要清洁或更换以防止对其它发动机热区段构件造成不利影响和/或恢复发动机循环性能的时间点。
发明人的分析和测试表明，如果以适当压力和流速的空气流通过压缩机抽吸端口30返回，则该流(“反向抽吸”)可优先流向HPC 16的下游，且向燃料喷嘴50提供冷却以便减少或防止燃料喷嘴结焦。
图2示出了可并入发动机10中且用于在发动机10停机时通过压缩机抽吸端口30向燃料喷嘴50供应冷却空气的设备。在本文中，这大体上称为“反向抽吸设备”60。
反向抽吸设备60包括设置在发动机10中的冷却管道62。其可例如全部或部分地安装在罩下空间40中(即，在罩下空间40的“内部”)。冷却管道具有设置成与冷却空气源流体连通的入口64和设置成与压缩机抽吸端口30流体连通的出口66。完整的冷却管道62可由诸如管、连接器、管接头等之类的构件构成。在图2的实施例中，入口64与现有的旁通管道46流体连通地连接。在图2的实施例中，出口66连接到现有的抽吸管道32，该抽吸管道又连接到压缩机抽吸端口30。
冷却管道62包含阀组件68，该阀组件包括可操作成控制入口64与出口66之间的气流的一个或多个阀。可使用两个或更多个阀来提供冗余，和/或基于发动机操作状态监测或控制通过管道62的气流。在该示例中，第一阀70和第二阀72串联使用，其中第一阀70最接近于出口66。换句话说，第一阀70和第二阀72处于“串联流体连通”，这意味着流体流在遇到另一个阀之前先通过一个阀。“串流连通”与“并流连通”不同。
在所示的示例中，第一阀70是止回阀，该止回阀通过弹簧、存储的流体压力、重量或其它合适的机构被动地偏压到打开位置，且布置成允许在从入口64朝出口66的方向上的气流，而阻挡相反方向上的气流。将理解的是，即使在关闭位置中，所有阀表现出一些流体泄漏。因此，除了固有的泄漏之外，在关闭位置中以阻挡气流的阀操作可描述为“基本阻止流动”。
在所示的示例中，第二阀72是可控阀，其具有可在打开位置和关闭位置之间移动的流量控制元件(例如，闸门或球)。在打开位置，第二阀72允许入口64和出口66之间的气流。在关闭位置，第二阀72阻挡入口64和出口66之间的气流。
可使用多种类型的可控阀。在一个示例中，可控阀可并入或联接到致动器74，该致动器为阀的流量控制元件提供动力。合适类型的致动器的示例包括气动、液压或电气装置。
在一个示例中，可控阀可为一种类型，在该类型中，弹簧或类似元件将可控阀推向打开位置，且流体压力与弹簧相反地作用，以将阀朝关闭位置移动。合适的流体可包括例如压缩空气、加压油或加压燃料。在一个示例中，可控阀可以在发动机操作期间向阀提供加压燃料的方式联接到上述燃料系统52(参见图1)。因此，当发动机10操作时，燃料压力趋于使阀保持关闭。这种类型的阀可称为流体压力响应式被动阀，例如“被动燃料阀”。
在该特定示例中，其中第一阀70和第二阀72中的一个是止回阀，而第一阀70和第二阀72中的另一个是可控阀，任一阀可置于相对于其它阀的上游或下游位置。然而，当承受更大的压差时，止回阀往往会更可靠地关闭。第一阀70将固有地暴露于较高气压，较接近于压缩机抽吸端口30。因此，第一阀70可有利地是止回阀。
冷却管道62包括位于阀组件68和入口64之间的冷却吹送器76。冷却吹送器76可为可操作成用于将冷却气流从入口64朝出口66吹送、泵送或移动的任何设备。在所示的示例中，冷却吹送器76包括带有多个风扇叶片的转子78。在备选方案中，吹送器76可位于入口64处、之内或附近，且在阀72,70的远侧。
用于操作冷却吹送器76的功率源可为机械的、液压的、气动的或电动的。在所示示例中，吹送器的转子78联接到电动马达80。在一个示例中，马达80可为AC感应马达或DC马达。
冷却吹送器76的尺寸可设置成在下面更详细描述的冷却过程提供足够的排出压力和流速。作为一个示例，冷却吹送器76的尺寸可设置成在约0.69kPa(0.1psi)至约6.9kPa(0.5psi)下产生约0.05kg/s(0.1lb/s)至约0.23kg/s(0.5lb/s)的气流。在一种示例性的最终用途中，冷却吹送器76的尺寸可设置为在约3.4kPa(0.5psi)下产生约0.12kg/s(0.25lb/s)的气流。
反向抽吸设备60的操作大体上如下。当发动机10运转时，反向抽吸设备60不工作。冷却空气管道62的一部分将由来自压缩机抽吸端口30的高温空气加压。阀组件68将阻挡从出口66流向入口64的大部分流量。如上所述，预计会发生一些阀泄漏。任何泄漏将通过冷却吹送器76、入口64，且在图2的示例中，通过旁通导管46和通风口48。
在发动机停机之后，开始发生回渗，这可能将燃料喷嘴50加热到不可接受的温度。反向抽吸设备60用于使冷却气流从入口64移动通过冷却管道62，通过出口66并进入压缩机抽吸端口30。随后，冷却空气可经过燃料喷嘴50和核心的其它部分，以降低它们各自的温度并减少或防止焦化。根本上，通过在发动机10停机时(1)操作冷却吹送器76以及(2)打开阀组件68的一个或多个阀来使用反向抽吸设备60。
作为可能的备选方案，反向抽吸设备60可用于使冷却气流从发动机10的下游部分移动通过压缩机抽吸端口30，通过出口66，通过冷却管道62并通过入口64。在这种意义上，所谓的“反向抽吸”设备60将用于促使空气通过抽吸端口的移动与飞行期间气流通过抽吸端口的方向相同。如上所述，这可通过确保所有阀都打开或另外配置为允许沿该方向流动且操作冷却吹送器76以使空气沿相反方向移动来实现。换句话说，冷却吹送器76可用于从发动机10“吸入”空气，而不是将其“吹”入发动机10。
用于反向抽吸设备60的控制和操作的许多布置是可能的。包括反向抽吸设备60的发动机10可安装在飞行器1(图3)中，该飞行器具有至少一个电功率源，如电池和逆变器2、辅助功率单元3、与地面功率单元4或其它基于地面的功率源的连接，或具有发电机的另一发动机10。
在一个示例中，飞行器1包括与上述发动机控制器13进行数据通信的电子飞行器控制器5，且还包括至冷却吹送器76的可控制的电功率连接6。飞行器控制器5可具有与各种输入的连接，如驾驶舱开关位置，和/或传感器，如外部空气温度(OAT)探头7或轮上重量传感器8。
在一种可能的方法中，发动机控制器13使用一个或多个数据输入(直接或来自飞行器控制器5)来确定发动机10是处于停机状态还是处于停机过程中。
例如，这些输入可包括轮上重量传感器状态、驾驶舱开关位置等。发动机控制器13可响应于发动机运行/停止开关位置处于“停止”位置以及轮上重量传感器的正指示来确认发动机10已经停机。
随后，发动机控制器13使用一个或多个输入来确定是否需要反向抽吸冷却。这些输入可包括例如发动机内部温度、OAT数据、软件传热模型等。发动机内部温度可例如使用T3传感器9(图2)来感测。
发动机控制器13可基于传热模型和外部温度来确定是否需要反向抽吸冷却。例如，如果将飞行器1停放在低环境温度下，则可能不需要额外的冷却，且冷却吹送器76在低温下的操作可促使对该单元的过度磨损或损坏。备选地，冷却吹送器76可在每次发动机停机时操作而无需考虑外部温度。
如果需要反向抽吸冷却，则发动机控制器13可使用一个或多个软件模型基于诸如可用冷却流率和入口空气温度的因素来计算冷却持续时间。在一个示例中，所需的冷却时间可为约15至60分钟。在另一个示例中，所需的冷却时间可为约30至40分钟。
通常，由于空气越过内部构件时的热量增加，冷却管道入口64处的空气温度将高于外部空气温度。然而，即使在“炎热的日子”，例如，外部空气温度超过38℃(100℉)，也可预期冷却管道入口64处的空气温度足够低以向燃料喷嘴50提供足够的冷却。例如，空气温度可在66℃(150℉)至149℃(300℉)的数量级上。
发动机控制器13可向飞行器控制器5发送命令以提供冷却功率，或在指定的时间量内提供冷却功率。作为响应，飞行器控制器5可编程为在指定的时间量内向冷却吹送器76提供电功率，且然后切断电功率。
在备选配置中，可向发动机控制器13提供对诸如电池和逆变器之类的电功率源、辅助功率单元、与地面功率单元的连接或具有发电机的另一发动机10的恒定访问。然后，发动机控制器13可直接或通过诸如继电器(未示出)之类的开关设备将电功率提供给冷却吹送器76。
在另一种备选配置中，发动机10可设有单独的控制设备(未示出)，该设备具有对诸如电池和逆变器之类的电功率源、辅助功率单元、与地面功率单元的连接或具有发电机的另一发动机10的恒定访问。单独的控制设备然后可直接或通过诸如继电器(未示出)之类的开关设备将电功率提供给冷却吹送器76。
在不存在抽吸空气的情况下，第一阀70(或其它止回阀)可偏置打开。如果可控阀(例如第二阀72)是上述被动类型的，则它将响应于没有燃料压力或其它“发动机运行”信号而自动打开。如果使用单独的致动器，则可由发动机控制器13或飞行器控制器5将其命令到打开位置。
图4示出了备选的反向抽吸设备160，其可并入到发动机10中，且用于在发动机10停机时通过压缩机抽吸端口30向燃料喷嘴50供应冷却空气。反向抽吸设备160的总体结构与设备60相似。
反向抽吸设备160包括设置在发动机10中的冷却管道162。可将其安装在例如罩下空间40中。冷却管道具有设置成与冷却空气源流体连通的入口164和设置成与压缩机抽吸端口30流体连通的出口166。完整的冷却管道162可由诸如管、连接器、管接头等之类的构件构成。在图2的实施例中，入口164物理定位在罩下空间40中并与罩下空间流体连通。在该特定实施例中，入口164不摄入诸如灰尘、水或冰之类的碎屑；因此，其可保护下游构件(例如阀、吹送器)免受此类碎屑的侵害。出口166连接到现有的抽吸管道32，抽吸管道又连接到压缩机的抽吸端口30。
冷却管道162包含阀组件168，该阀组件包括可操作成控制入口164与出口166之间的气流的一个或多个阀。在大多数方面，阀组件168可与上述阀组件68相同。在该示例中，第一阀170和第二阀172串联使用，其中第一阀170是最接近于出口166定位的止回阀。
在所示的示例中，第二阀172是可控阀，其具有可在打开位置和关闭位置之间移动的流量控制元件(例如，闸门或球)。如上所述，其可为被动燃料阀。
冷却管道162包括位于阀组件168和入口164之间的冷却吹送器176。冷却吹送器176可与上述的冷却吹送器76基本相同，且可包括带有风扇叶片阵列的转子178。
阀组件168与上述阀组件68的不同之处在于，其包括与阀组件168流体连通地联接的辅助管，且包括未构造为与旁通管道流体连通的入口164。
在所示的示例中，有两个辅助管。辅助管中的一个是管182，其具有在第一阀170和第二阀172之间的位置处与冷却管道162流体连通地联接的第一端184，以及在抽吸控制阀34下游的位置处与低压接收器沉如抽吸管道32流体连通地联接的第二端186。该管182可被称为“吹除管”。
另一根辅助管是管188，其具有在第二阀172和冷却吹送器176之间的位置处与冷却管道162流体连通地联接的第一端190，以及与罩下空间40外部的冷却空气源流体连通地联接的第二端192。在所示的示例中，第二端192连接到现有的旁通管道46。管188可称为“冷却管”。
反向抽吸设备160的操作大体与反向抽吸设备60的操作相似。
当发动机10运转时，反向抽吸设备160不工作。冷却空气管道162的一部分将加压或与来自压缩机抽吸端口30的高温空气热接触。阀组件168将阻挡从出口166流向入口164的大部分流量。如上所述，预计会发生一些阀泄漏。进入冷却空气管道162的抽吸空气处于高温和高压下，例如大约677℃(1250℉)和4mPa(600psi)。即使在冷却管道162中存在压力和温度损失，这也会使冷却吹送器176暴露于高温空气中，这可能会缩短其使用寿命。
在该实施例中，辅助管182和188以如下方式有效地降低了到达冷却吹送器176的泄漏流的温度和压力。吹除管182引导在关闭的第一阀170下游的气流远离第二阀172的上游侧。在一个示例中，第二阀172的上游侧上的压力可减小到大约413kPa(60psi)。横跨第二阀172的压差减小大约10倍(与横跨第一阀170的压差相比)导致横跨第二阀172的泄漏质量流速减小到横跨第一阀170的泄漏质量流速的约十分之一。在一个示例中，横跨第二阀172的泄漏流速可为大约0.002kg/s(0.005lb/s)的量级。该气体的温度可为大约480℃(900℉)的量级。
同时，冷却管188将冷却流引入到第二阀172下游的冷却管道162中，该冷却流与前述泄漏流混合。在从旁通管道46获得冷却流的示例中，冷却流的温度可为大约93℃(200℉)。分析表明，混合流的所得温度将很好地处于冷却吹送器176的极限内，以达到可接受的使用寿命。例如，冷却吹送器176处的泄漏流温度可为约135℃(275℉)的量级。包括混合流和吹除阀182的该实施例可大大提高阀170,172在降低泄漏流和通过吹送器176的气体温度方面的有效性。剩余的泄漏流将通过冷却吹送器176，入口164，且在图4的示例中，在最终排放到大气中之前进入罩下空间40。
图4的实施例的一个益处是，除了该冷却功能之外，当反向抽吸设备160用于在发动机停机之后或期间迫使冷却空气进入发动机核心时，反向抽吸设备160有效地提供罩下空间40的主动吹扫。该吹扫流除了流向和流过上述燃料喷嘴阀51和与其连接的燃料歧管之外，从发动机10的后通风口41吸入冷却空气，且促使冷却空气流过位于罩下空间40中的构件。
带有反向抽吸设备160的发动机10可基本如上文针对反向抽吸设备60所述那样安装在飞行器1(图3)中。反向抽吸设备160的使冷却气流从入口164移动通过冷却管道162通过出口166并进入压缩机抽吸端口30的操作与上述反向抽吸设备60基本相同，且可利用相同的功率和控制布置。主要区别在于，冷却气流的来源是罩下空间40。在反向抽吸设备160的操作期间，可预期的是，由冷却吹送器176产生的流中的一些将进入吹除管182和/或冷却管188。这些辅助管和冷却吹送器176的适当尺寸将确保在出口166处有足够的冷却流用于冷却燃料喷嘴50。在一个示例中，辅助管的外径可为约3.2mm(0.125英寸)至约12.7mm(0.5英寸)。
作为可能的备选方案，反向抽吸设备160可用于如上所述的在相反方向上移动冷却气流，即，将空气从发动机10“吸入”而不是“吹”入发动机10。在这种意义上，所谓的“反向抽吸”设备160将用于促使空气通过抽吸端口的移动与飞行期间气流通过抽吸端口的方向相同。
通过提供冷却气流源，本文公开的示例性实施例可显著减少或消除燃料喷嘴焦化，且因而可有效地减少或消除更换燃料喷嘴的需要。减少或消除燃料喷嘴的焦化将减缓或避免发动机性能随时间而下降。本文所述的内部反向抽吸系统可为简单且廉价的。此外，如本文所公开的，可根据需要在有或没有外部后勤支持或设备的情况下实施，如地面推车、维修人员、飞行器机组人员、系统或功率源。
前面已经描述了反向抽吸设备和方法。本说明书中公开的所有特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)和/或如此公开的任何方法或工艺的所有步骤可以以除了其中此类特征和/或步骤中的至少一些互斥的组合外的任何组合来组合。
本说明书中公开的每个特征(包括任何所附权利要求、摘要和附图)可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非明确另外指出。因此，除非明确另外指出，公开的每个特征仅为普通的一系列等同或类似特征的一个示例。
本发明不限于前述实施例的细节。本发明扩展至本说明书(包括任何所附权利要求、摘要和附图)中公开的新颖的一个特征或任何新颖的特征组合，或扩展至如此公开的任何方法或工艺的任何新颖的一个步骤或任何新颖的步骤组合。
本发明的其它方面由以下编号的条款的主题提供：
1. 一种燃气涡轮发动机包括：核心罩，核心包含在核心罩内，包括与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，该压缩机包括压缩机抽吸端口，其中罩下空间限定于核心罩与核心之间；冷却管道，其至少部分地设置在罩下空间中且具有入口和出口，其中入口与冷却空气源流体连通，且出口与压缩机抽吸端口流体连通；阀组件，其包括设置在冷却管道中的至少一个阀；以及冷却吹送器，其设置在发动机内，且可操作成使气流从冷却管道的入口朝冷却管道的出口移动并进入压缩机抽吸端口。
2. 任何前述条款所述的发动机，其中旁通管道设置在压缩机的上游，且冷却管道的入口与旁通管道流体连通。
3. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却管道的入口与罩下空间流体连通。
4. 任何前述条款所述的发动机，还包括联接到压缩机抽吸端口的抽吸管道，其中冷却管道的出口联接到抽吸管道。
5. 任何前述条款所述的发动机，其中阀组件包括串联流体连通的第一阀和第二阀，第一阀更接近于冷却导管的出口。
6. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是止回阀。
7. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是可控阀。
8. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是流体压力响应式被动阀。
9. 任何前述条款所述的发动机，其中第一阀是止回阀，且第二阀是可控阀。
10. 任何前述条款所述的发动机，其中至少一个辅助管与阀组件流体连通地连接。
11. 任何前述条款所述的发动机，其中吹除管具有连接到第一阀与第二阀之间的阀组件的第一端，以及连接到低压接收器的第二端。
12. 任何前述条款所述的发动机，其中低压接收器是抽吸管道，该抽吸管道包括联接到压缩机抽吸端口的抽吸控制阀。
13. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却管具有连接到第二阀与冷却管道的入口之间的阀组件的第一端。
14. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却管具有连接到设置在压缩机上游的旁通管道的第二端。
15. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器至少部分地设置在冷却管道内。
16. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器是电动的。
17. 任何前述条款所述的发动机，其中电功率源联接以向吹送器提供功率。
18. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器联接到电子控制器。
19. 一种燃气涡轮发动机，包括：核心罩，核心包含在核心罩内，且包括与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机；压缩机抽吸管道；位于压缩机抽吸管道上游的旁通管道；在核心和核心罩之间限定的罩下空间；冷却管道，其构造成提供从旁通管道通过压缩机抽吸管道进入压缩机的气流；阀组件，其包括设置在冷却管道中的至少一个阀；以及冷却吹送器，其设置在核心罩内，且构造成用于迫使源自旁通管道的空气通过冷却管道进入压缩机。
20. 任何前述条款所述的发动机，其中阀组件包括串联流体连通的第一阀和第二阀，第一阀更接近于冷却导管的出口。
21. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是止回阀。
22. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是可控阀。
23. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是流体压力响应式被动阀。
24. 任何前述条款所述的发动机，其中第一阀是止回阀，且第二阀是可控阀。
25. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器至少部分地设置在冷却管道内。
26. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器是电动的。
27. 一种燃气涡轮发动机，包括：核心罩，核心包含在核心罩内，且包括与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机；压缩机抽吸管道；罩下空间，其限定在核心与核心罩之间；冷却管道，其构造成提供从罩下空间通过压缩机抽吸管道进入压缩机的气流；至少一个阀，其设置在第一管道中；以及冷却吹送器，其设置在核心罩内，且构造成用于迫使占据罩下空间的空气通过冷却管道进入压缩机。
28. 任何前述条款所述的发动机，其中阀组件包括串联流体连通的第一阀和第二阀，第一阀更接近于冷却导管的出口。
29. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是止回阀。
30. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是可控阀。
31. 任何前述条款所述的发动机，其中阀中的至少一个是流体压力响应式被动阀。
32. 任何前述条款所述的发动机，其中第一阀是止回阀，且第二阀是可控阀。
33. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器至少部分地设置在冷却管道内。
34. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器是电动的。
35. 任何前述条款所述的发动机，其中电功率源联接以向冷却吹送器提供功率。
36. 任何前述条款所述的发动机，其中冷却吹送器联接到电子控制器。
37. 一种方法，包括：使用发动机，发动机包括罩下空间的、与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，以及在压缩机上游的旁通管道，其中压缩机包括压缩机抽吸端口；在发动机操作时，基本防止从压缩机抽吸端口到旁通管道的气流；在发动机停机时，允许从旁通管道到压缩机抽吸端口的气流，且操作罩内部的冷却吹送器以迫使空气从旁通管道流向压缩机抽吸端口。
38. 任何前述条款所述的方法，其中基本防止气流的步骤包括将一个或多个阀定位在关闭位置中；以及允许气流的步骤包括将一个或多个阀定位在打开位置中。
39. 任何前述条款所述的方法，还包括，在将一个或多个阀定位在打开位置且操作冷却吹送器之前，参考与飞行器相关联的至少一个传感器信号来确定发动机停机且在地面上。
40. 任何前述条款所述的方法，其中一个或多个阀响应于在操作期间由发动机产生的流体压力来定位在关闭位置中，且一个或多个阀响应于不存在由发动机产生的流体压力来定位在打开位置中。
41. 任何前述条款所述的方法，其中在发动机停机之后，冷却吹送器操作达预定的时间量。
42. 任何前述条款所述的方法，其中响应于至少一个传感器输入，使用发动机的电子发动机控制器来计算预定的时间量。
43. 任何前述条款所述的方法，其中发动机安装在飞行器上；预定的时间量从发动机控制器通信到飞行器的电子飞行器控制器；且响应于来自发动机控制器的通信，飞行器控制器在预定的时间量内向冷却吹送器提供功率。
44. 任何前述条款所述的方法，其中发动机安装在飞行器中；冷却需求从发动机控制器通信到飞行器的电子飞行器控制器；且响应于来自发动机控制器的通信，飞行器控制器向冷却吹送器提供功率。
45. 一种方法包括：使用发动机，发动机包括罩、罩下空间、与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，其中压缩机包括压缩机抽吸端口；在发动机操作时，基本防止从抽吸端口到罩下空间的气流；在发动机停机时，允许从罩下空间到压缩机的气流，且操作位于罩内部的冷却吹送器，以促使空气从罩下空间流入压缩机抽吸端口。
46. 任何前述条款所述的方法，其中基本防止气流的步骤包括将一个或多个阀定位在关闭位置中；以及允许气流的步骤包括将一个或多个阀定位在打开位置中。
47. 任何前述条款所述的方法，还包括，在将一个或多个阀定位在打开位置且操作冷却吹送器之前，参考与飞行器相关联的至少一个传感器信号来确定发动机停机。
48. 任何前述条款所述的方法，其中一个或多个阀响应于在操作期间由发动机产生的流体压力来定位在关闭位置中，且一个或多个阀响应于不存在由发动机产生的流体压力来定位在打开位置中。
49. 任何前述条款所述的方法，其中在发动机停机之后，冷却吹送器操作达预定的时间量。
50. 任何前述条款所述的方法，其中响应于至少一个传感器输入，使用发动机的电子发动机控制器来计算预定的时间量。
51. 任何前述条款所述的方法，其中发动机安装在飞行器上；预定的时间量从发动机控制器通信到飞行器的电子飞行器控制器；且响应于来自发动机控制器的通信，飞行器控制器在预定的时间量内向冷却吹送器提供功率。
52. 任何前述条款所述的方法，还包括：当发动机操作时：接纳发动机抽吸空气从压缩机抽吸端口进入冷却管道；引导发动机抽吸空气中的一些远离一个或多个阀离开冷却管道，以便减小横跨阀中的至少一个的压差；以及接纳冷却气流从冷却源进入在阀中的至少一个与冷却吹送器之间的冷却管道，并将冷却气流与抽吸空气混合，以便在发动机抽吸空气接触冷却吹送器之前降低发动机抽吸空气的温度。
53. 一种方法，包括：使用发动机，该发动机包括核心罩、罩下空间以及与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，该压缩机具有压缩机抽吸端口；操作发动机；使发动机停机；以及在发动机停机之后或期间，操作核心罩内部的冷却吹送器，以迫使空气通过压缩机抽吸端口穿过发动机的流径的至少一部分。
54. 任何前述条款所述的方法，其中在发动机停机之后，冷却吹送器操作达预定的时间量。
55. 任何前述条款所述的方法，其中响应于至少一个传感器输入，使用发动机的电子发动机控制器来计算预定的时间量。
56. 任何前述条款所述的方法，其中发动机安装在飞行器上；预定的时间量从发动机控制器通信到飞行器的电子飞行器控制器；且响应于来自发动机控制器的通信，飞行器控制器在预定的时间量内向冷却吹送器提供功率。
57. 任何前述条款所述的方法，其中发动机安装在飞行器中；冷却需求从发动机控制器通信到飞行器的电子飞行器控制器；且响应于来自发动机控制器的通信，飞行器控制器向冷却吹送器提供功率。
58. 任何前述条款所述的方法，还包括：在发动机操作时，将一个或多个阀定位在关闭位置中，以便阻挡冷却吹送器与压缩机抽吸端口之间的气流；在发动机停机时，将一个或多个阀定位在打开位置中，以允许从冷却吹送器到压缩机抽吸端口的气流。
59. 任何前述条款所述的方法，还包括，在将一个或多个阀定位在打开位置且操作冷却吹送器之前，参考与飞行器相关联的至少一个传感器信号来确定发动机停机且在地面上。
60. 任何前述条款所述的方法，其中一个或多个阀响应于在操作期间由发动机产生的流体压力来定位在关闭位置中，且一个或多个阀响应于不存在由发动机产生的流体压力来定位在打开位置中。
61. 一种方法，包括：使用发动机，该发动机包括核心罩、罩下空间以及与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，该压缩机具有压缩机抽吸端口；操作发动机；使发动机停机；以及在发动机停机之后或期间，操作发动机内部的冷却吹送器，以从压缩机下游的发动机部分抽出空气，并将空气压出压缩机抽吸端口。

Claims (10)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：
核心罩，
核心，所述核心包含在所述核心罩内，包括与下游燃烧器和涡轮流体连通的压缩机，所述压缩机包括压缩机抽吸端口，其中罩下空间限定于所述核心罩和所述核心之间；
冷却管道，所述冷却管道至少部分地设置在所述罩下空间中且具有入口和出口，其中所述入口与冷却空气源流体连通，且所述出口与所述压缩机抽吸端口流体连通；
阀组件，所述阀组件包括设置在所述冷却管道中的至少一个阀；以及
冷却吹送器，所述冷却吹送器设置在所述发动机内，且可操作成使气流从所述冷却管道的入口朝所述冷却管道的出口移动并进入所述压缩机抽吸端口。
2.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，旁通管道设置在所述压缩机的上游，且所述冷却管道的入口与所述旁通管道流体连通。
3.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述冷却管道的入口与所述罩下空间流体连通。
4.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述发动机还包括联接到所述压缩机抽吸端口的抽吸管道，其中所述冷却管道的出口联接到所述抽吸管道。
5.根据权利要求1所述的发动机，其特征在于，所述阀组件包括串联流体连通的第一阀和第二阀，所述第一阀更接近于所述冷却导管的出口。
6.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述阀中的至少一个是止回阀。
7.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述阀中的至少一个是流体压力响应式被动阀。
8.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，所述第一阀是止回阀，且所述第二阀是可控阀。
9.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，至少一个辅助管与所述阀组件流体连通地连接。
10.根据权利要求5所述的发动机，其特征在于，吹除管具有连接到所述第一阀与所述第二阀之间的所述阀组件的第一端，以及连接到低压接收器的第二端。
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