CN113882952B - 进气整流罩、燃气涡轮发动机以及热气防冰方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种进气整流罩、燃气涡轮发动机以及热气防冰方法。其中，所述进气整流罩包括。其中，所述进气整流罩包括内层蒙皮，外层蒙皮，以及旋流器，具有多个旋流器叶片。其中，所述内层蒙皮与所述外层蒙皮之间提供热气通道，所述多个旋流器叶片之间的间隙提供所述热气通道的第一进气部，所述旋流器叶片的后端连接于所述内层蒙皮的前端，旋流器叶片的前端连接有所述热气通道的第二进气部，所述外层蒙皮具有所述热气通道的出气部。

Description

进气整流罩、燃气涡轮发动机以及热气防冰方法

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机领域，尤其涉及一种进气整流罩、燃气涡轮发动机以及热气防冰方法。

背景技术

燃气涡轮发动机运行时由于低温会发生结冰现象。以航空发动机为例，由于云层中可能含有温度低于冰点的亚稳态过冷液态水，当飞行器穿越这些云层时，在飞行器的迎风部件表面很容易产生结冰现象。对于航空发动机进气部件，如进气整流罩、风扇叶片、进气支板及发动机分流环等，由于气流在受到发动机抽吸作用时会产生加速和降温，因此发生结冰现象的概率更大。结冰会使部件的启动性能恶化，同时引起转动件重心偏移而加剧振动，这些现象对于飞行安全都是非常不利的。因此，在现行服役的飞机及其发动机上，普遍配置了防冰系统。

现有技术中，热气防冰系统(hot air anti-icing system)是目前最为成熟，也是使用最为普遍的防冰系统，其主要从发动机空气系统引出热气，通过特定的管路和阀门输送至防冰部件内腔，从而达到提升防冰部件表面温度，防止部件表面结冰的目的。热气防冰系统通常由管路、阀门和防冰部件内部的防冰腔结构组成，航空发动机的防冰部件主要包括进气整流罩、风扇叶片、进气支板、发动机分流环、增压级进口导向叶片以及增压级第一、二级转静子叶片等。防冰引气通常在流出防冰腔之后汇入其他空气系统流路，或直接排出至外部大气及发动机主流道。

发动机进气整流罩处于发动机进气部件的最前端，是典型的防冰部件，其常见的防冰形式为热气防冰及结构防冰。当采用热气防冰时，现有技术的方案主要为热气汇入帽罩腔后，由帽罩表面的空或缝中直接排出。参考图1所示，采用了内层蒙皮100与外层蒙皮200提供换热通道300的双蒙皮结构来限制热气流通面积，从而提升热气流速以达到加强热气与整流罩间换热，但是流速增加的同时也会导致单位质量热气驻留罩内部时间的缩短，使得排气出口处的热气温度仍然维持在一个较高的水平，并不能将进入整流罩的热气能量(焓)高效地转化为防冰的能量，因此为了保证防冰效果，只能提高引气压力和温度，从而造成引气量增加，间接导致了引气的浪费。

现有技术中也有对图1的技术方案进行改进以提高换热效果，例如公开号为CN203753413U，名称为“一种航空发动机进口整流帽罩的防冰传热结构”的中国实用新型专利申请，其在内层蒙皮开设有射流孔将热气引入换热通道，但这种结构会增加气流沿程的压降，因此无法降低引气压力；另一方面由于热气需要先经过整流帽罩的前缘再进入换热通道，因此热气将在整流帽罩的前缘发生过多的能量损失，使得整流罩的部分区域只能通过固体导热来加热，从一定程度上降低了换热效率。

因此，本领域需要一种进气整流罩、燃气涡轮发动机以及热气防冰方法，以提高热气进气整流罩内的换热效果，提升其防冰性能，提高热气利用效率，减少引起流量，提高燃气涡轮发动机的性能。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种进气整流罩。

本发明的另一个目的在于提供一种燃气涡轮发动机。

本发明的再一个目的在于提供一种热气防冰方法。

根据本发明的一个方面的一种进气整流罩，包括内层蒙皮；外层蒙皮；旋流器，具有多个旋流器叶片；其中，所述内层蒙皮与所述外层蒙皮之间提供热气通道，所述多个旋流器叶片之间的间隙提供所述热气通道的第一进气部，所述旋流器叶片的后端连接于所述内层蒙皮的前端，旋流器叶片的前端连接有所述热气通道的第二进气部，所述外层蒙皮具有所述热气通道的出气部。

在所述进气整流罩的一个或多个实施例中，从所述旋流器的前端沿轴向延伸出所述第二进气部的进气通道。

在所述进气整流罩的一个或多个实施例中，所述旋流器的前端设置有端板，从所述端板的开口沿轴向延伸出所述第二进气部的进气通道。

在所述进气整流罩的一个或多个实施例中，所述端板与所述进气通道的延伸方向垂直。

在所述进气整流罩的一个或多个实施例中，所述旋流器后端的外轮廓线与所述内层蒙皮的前端轮廓线构成连续的轮廓。

在所述进气整流罩的一个或多个实施例中，所述出气部包括贯穿所述外层蒙皮的出气孔，所述出气孔的延伸方向为所述进气整流罩的径向方向。

在所述进气整流罩的一个或多个实施例中，所述热气通道的中后段还设置有导流叶片。

根据本发明的一个方面的一种燃气涡轮发动机，包括以上任意一项所述的进气整流罩。

根据本发明的一个方面的一种热气防冰方法，用于燃气涡轮发动机，包括：

在进气整流罩提供内层蒙皮、外层蒙皮，在内层蒙皮与外层蒙皮之间提供热气通道；

将热气的大部分导向形成周向旋流导入热气通道，热气在所述热气通道中具有周向流动；将热气的余下小部分形成轴向冲击外层蒙皮前缘。

在所述热气防冰方法的一个或多个实施例中，将导向形成周向旋流的热气的一部分滞止加压。

本发明的有益效果包括但不限于：

通过内层蒙皮的前端设置旋流器，热气流经旋流器后，一小部分气流继续维持轴向运动冲击整流罩前缘，对整流罩前缘区进行加热后流入双蒙皮结构提供的热气通道中，另外大部分气流沿径向经旋流器流入双蒙皮结构中，并在双蒙皮结构中周向运动。两股气流在双蒙皮结构中混合形成一股同时具有较大周向速度和较小轴向速度运动的气流，对整流帽罩进行加热，起到防冰效果。由于该方案中的防冰热气具有比传统方案更小的轴向速度，因此单位质量的热气能够更长时间地驻留在整流罩内部，这样也就起到了提升热气与整流罩间的换热效率的效果。另外，可以提高整流罩表面防冰热气相对于前缘的防冰热气的比例，更加合理地对防冰热气进行分配以及利用，提升热气与进气整流罩之间换热效率。

附图说明

本发明的上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变得更加明显，其中：

图1是现有技术的进气整流罩的结构示意图。

图2是一实施例的进气整流罩以及热气流动的示意图。

图3是图2的A-A向视图。

图4是一实施例的进气整流罩的内部结构图。

部分附图标记：

1-内层蒙皮

2-外层蒙皮

3-旋流器

31-旋流器叶片

11-热气通道

111-第一进气部

112-第二进气部

113-出气部

4-端板

5-导流叶片

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，在以下的描述中阐述了更多的细节以便于充分理解本发明，但是本发明显然能够以多种不同于此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下根据实际应用情况作类似推广、演绎，因此不应以此具体实施例的内容限制本发明的保护范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例，如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

需要注意的是，下述实施例中，轴向、周向为进气整流罩的轴向与周向，前、后为锥形整流罩的小端至大端的方向。

以下实施例介绍的进气整流罩，一般应用于燃气涡轮发动机，具体而言以涡轮风扇航空发动机(turbo fan aero-engine)的进气整流罩为例。

参考图2至图4，在一些实施例中，进气整流罩10包括内层蒙皮1、外层蒙皮2以及旋流器3，旋流器3具有多个旋流器叶片31。内层蒙皮1与外层蒙皮2之间提供热气通道11，多个旋流器叶片31之间的间隙g提供热气通道11的第一进气部111，旋流器叶片31的后端310连接于内层蒙皮1的前端101，旋流器叶片31的前端311连接有热气通道11的第二进气部112，外层蒙皮3具有热气通道11的出气部113。

如图2所示的，采用以上实施例介绍的进气整流罩10，将热气20从空气系统中引出，大部分热气201从旋流器叶片31之间的间隙g从热气通道11的第一进气部111进入热气通道11，热气201在热气通道11中具有环绕内层蒙皮2流动，使得单位质量的热气能够更长时间地驻留在整流罩内部，这样也就起到了提升热气与整流罩间的换热效率的效果。而小部分热气202从第二进气部112先冲击外层蒙皮2的前缘21，对进气整流罩10前缘区进行加热后流入热气通道11中，并且流入之前也会经过旋流器叶片31的引导，具有周向运动。热气201、热气202两股气流在热气通道11混合形成一股同时具有较大周向速度和较小轴向速度运动的气流，对进气整流罩10进行加热，起到防冰效果。由于以上实施例介绍的防冰热气具有比现有技术方案更小的轴向速度，因此单位质量的热气能够更长时间地驻留在整流罩内部，这样也就实现了提升热气与整流罩间的换热效率的效果。以上所定义的“大部分”为60％以上，小部分为40％以下，具体数值可以通过旋流器叶片的不同结构、数量、排布方式实现调整，不以图中公开的内容为限。另外，采用以上实施例的有益效果还包括，还可以实现对前缘区域和整流罩表面防冰热气的按需分配，可以更合理地对防冰热气进行利用，提升热气与整流罩的换热效率，从而减少从燃气涡轮发动机的空气系统的引气量，提升燃气涡轮发动机的性能。需要注意的是，旋流器叶片31的后端310连接于内层蒙皮1的前端101，以及旋流器叶片31的前端311连接有热气通道11的第二进气部112，两者的连接结构可以是通过凹槽搭接、焊接的形式，也可以是通过3D打印的方式一体成形地连接，以及其它连接结构，均不以此为限。

继续参考图2，第二进气部112的具体结构可以是，从旋流器3的前端沿轴向延伸第二进气部112的进气通道1120，如此更易于调整以及限制从第二进气部112进入热气通道11的热气的比例。优选地，旋流器3的前端设置有端板4，从端板4的开口沿轴向延伸出第二进气部112的进气通道1120，采用端板4的目的在于，第二进气部112与端板4之间的区域40形成流动滞止区，使得热气201的一部分在经过旋流器3具有周向运动之前具有足够的压力，如此将提高从第一进气部111进入热气通道11的热气的比例，以及使得热气的周向运动更为强烈。进一步地，端板4与进气通道1120的延伸方向相互垂直，如此进一步加强流动滞止效应，进一步增大此处的热气的压力。

继续参考图2，旋流器3与内层蒙皮1的连接，可以是旋流器3后端的外轮廓线与内层蒙皮1的前端轮廓线构成连续的轮廓，如此可以实现热气通道11的气动平滑，进一步提升热气在热气通道11的换热效率，减少热损失。

继续参考图2，出气部113的具体结构可以是包括贯穿外层蒙皮2的出气孔1130，出气孔1130的延伸方向为进气整流罩10的径向方向，如此可以使得在热气通道10中主要是周向旋转运动的热气在热气通道10的出气部更难以排出，从而可以部分滞留于热气通道10的出气端，减慢热气在热气通道10中的流动速度，进一步延长单位质量的热气能够驻留在进气整流罩10的内部的时间，从而进一步提升热气与进气整流罩10之间的换热效率。

继续参考图2，在一些实施例中，热气通道10的中间段或者后段还可以设置有导流叶片5，如此可以使得热气通道10的热气保持足够的周向旋转运动，防止在热气通道10的长度较长的情况下在热气通道10的后段热气的周向旋转不足，从而影响换热效率。

承上所述，在燃气涡轮发动机中的热气防冰的方法可以包括：

在进气整流罩10提供内层蒙皮1、外层蒙皮2，在内层蒙皮1与外层蒙皮2之间提供热气通道11；

将热气20的大部分，即热气201导向形成周向旋流导入热气通道11，热气在热气通道11中具有周向流动；将热气的余下小部分，即热气202形成轴向冲击外层蒙皮2的前缘21。

在一些实施例中，可以将导向形成周向旋流的热气的一部分滞止加压，例如在旋流器3的前端设置端板4，形成流动滞止区40，将导向形成周向旋流的热气201的一部分滞止加压，以增加周向旋转运动的热气201的比例，并且增加周向旋转的强度。

综上，采用以上实施例介绍的进气整流罩、燃气涡轮发动机以及热气防冰方法的有益效果包括但不限于，通过内层蒙皮的前端设置旋流器，热气流经旋流器后，一小部分气流继续维持轴向运动冲击整流罩前缘，对整流罩前缘区进行加热后流入双蒙皮结构提供的热气通道中，另外大部分气流沿径向经旋流器流入双蒙皮结构中，并在双蒙皮结构中周向运动。两股气流在双蒙皮结构中混合形成一股同时具有较大周向速度和较小轴向速度运动的气流，对整流帽罩进行加热，起到防冰效果。由于该方案中的防冰热气具有比传统方案更小的轴向速度，因此单位质量的热气能够更长时间地驻留在整流罩内部，这样也就起到了提升热气与整流罩间的换热效率的目的。另外，可以提高整流罩表面防冰热气相对于前缘的防冰热气的比例，更加合理地对防冰热气进行分配以及利用，提升热气与进气整流罩之间换热效率。同时，减少了对于燃气涡轮发动机的空气系统的引气量，提高了燃气涡轮发动机的整体性能。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化及修饰，均落入本发明权利要求所界定的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种进气整流罩，其特征在于，包括：

内层蒙皮；

外层蒙皮；

旋流器，具有多个旋流器叶片；

其中，所述内层蒙皮与所述外层蒙皮之间提供热气通道，所述多个旋流器叶片之间的间隙提供所述热气通道的第一进气部，所述旋流器叶片的后端连接于所述内层蒙皮的前端，旋流器叶片的前端连接有所述热气通道的第二进气部，所述外层蒙皮具有所述热气通道的出气部。

2.如权利要求1所述的进气整流罩，其特征在于，从所述旋流器的前端沿轴向延伸出所述第二进气部的进气通道。

3.如权利要求2所述的进气整流罩，其特征在于，所述旋流器的前端设置有端板，从所述端板的开口沿轴向延伸出所述第二进气部的进气通道。

4.如权利要求3所述的进气整流罩，其特征在于，所述端板与所述进气通道的延伸方向垂直。

5.如权利要求1所述的进气整流罩，其特征在于，所述旋流器后端的外轮廓线与所述内层蒙皮的前端轮廓线构成连续的轮廓。

6.如权利要求1所述的进气整流罩，其特征在于，所述出气部包括贯穿所述外层蒙皮的出气孔，所述出气孔的延伸方向为所述进气整流罩的径向方向。

7.如权利要求1所述的进气整流罩，其特征在于，所述热气通道的中后段还设置有导流叶片。

8.一种燃气涡轮发动机，其特征在于，包括如权利要求1-7任意一项所述的进气整流罩。

9.一种热气防冰方法，用于燃气涡轮发动机，其特征在于，包括：

采用权利要求1-7任意一项所述的进气整流罩；

将热气的大部分导向形成周向旋流导入热气通道，热气在所述热气通道中具有周向流动；将热气的余下小部分形成轴向冲击外层蒙皮前缘。

10.如权利要求9所述的热气防冰方法，其特征在于，将导向形成周向旋流的热气的一部分滞止加压。

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