CN114790945A - 传热系统 - Google Patents

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Abstract

传热系统包括至少部分地位于冷却剂流路内的热交换器。热交换器至少部分地限定第一流路和第二流路，第一流路被配置为与冷却剂流路流体连通，而第二流路被配置为接收动力流体流。传热系统还包括与热交换器的第二流路流体连通的节流装置。热交换器接收来自热交换器的动力流体流的至少一部分。节流装置还在热交换器的上游的位置处与冷却剂流路流体连通，用于在热交换器的上游的位置处向冷却剂流路提供动力流体流。

Description

传热系统
技术领域
本公开涉及一种传热系统，例如用于燃气涡轮发动机的传热系统。
背景技术
典型的飞行器推进系统包括一个或多个燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机通常包括涡轮机，涡轮机按串行流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。在操作中，空气被提供到压缩机区段的入口，在那里一个或多个轴向压缩机逐渐地压缩空气直到它到达燃烧区段。燃料与压缩空气混合并在燃烧区段内燃烧以提供燃烧气体。燃烧气体从燃烧区段输送到涡轮区段。通过涡轮区段的燃烧气体流驱动涡轮区段，然后通过排气区段被输送到例如大气中。
燃气涡轮发动机和飞行器的某些系统可能产生相对大量的热量并且需要冷却。例如，涡轮区段或辅助系统(例如润滑系统)可能需要冷却。可以提供传热系统来冷却这些系统。本公开的发明人提出了各种配置以改进当前已知的传热系统。
发明内容
本发明的方面和优点将在以下描述中部分阐述，或者可以从描述中显而易见，或者可以通过本发明的实践获知。
在本公开的一个示例性实施例中，提供一种传热系统。传热系统包括至少部分地位于冷却剂流路内的热交换器。热交换器至少部分地限定第一流路和第二流路，第一流路被配置为与冷却剂流路流体连通，并且第二流路被配置为接收动力流体(motive fluid)的流量。传热系统还包括与热交换器的第二流路流体连通的节流装置。热交换器接收来自热交换器的动力流体流的至少一部分。节流装置还在热交换器的上游的位置处与冷却剂流路流体连通，用于在热交换器的上游的位置处向冷却剂流路提供动力流体流。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段的涡轮机。燃气涡轮发动机还包括冷却气流通道和传热系统，传热系统定位成从压缩机区段、冷却气流通道或两者接收冷却剂流体。传热系统包括至少部分地位于冷却剂流路内的热交换器。热交换器至少部分地限定第一流路和第二流路，第一流路被配置为与冷却剂流路流体连通，并且第二流路被配置为接收动力流体流。传热系统还包括与热交换器的第二流路流体连通的节流装置。热交换器接收来自热交换器的动力流体流的至少一部分。节流装置还在热交换器的上游的位置处与冷却剂流路流体连通，用于在热交换器的上游的位置处向冷却剂流路提供动力流体流。
参考以下描述和所附权利要求，将更好地理解本主题的这些和其他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，并与描述一起解释了本发明的原理。
附图说明
在参考附图的说明书中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，其中：
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视图。
图2是根据本公开的示例性实施例的传热系统的示意图。
图3是根据本公开的示例性实施例的传热系统的示意图。
图4是根据本公开的示例性实施例的传热系统的示意图。
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标号来指代图中的特征。附图和描述中相同或相似的标号已用于指代本发明的相同或相似部分。
词语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或有利于其他实施方式。此外，除非另外特别指明，否则本文描述的所有实施例都应被视为示例性的。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用，以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载工具内的相对位置，并且指的是燃气涡轮发动机或运载工具的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
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”是指流体从其流出的方向，“下游”是指流体流向其的方向。
术语“流体”可以是气体或液体。术语“流体连通”是指流体能够在指定区域之间建立连接。
除非本文另有规定，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等指的是直接联接、固定或附接，以及通过一个或多个中间部件或特征间接联接、固定或附接。
除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代。
在本文整个说明书和权利要求书中所使用的近似语言被应用于修改可以允许变化而不导致与其相关的基本功能发生变化的任何定量表示。因此，由一个或多个术语(例如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值，不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或者用于配置或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在1％、2％、4％、10％、15％或20％的裕度内。这些近似裕度可以应用于单个值、限定数值范围的端点之一或两个，和/或端点之间的范围的裕度。
在此以及整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，这些范围被识别并包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另有指示。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
根据本文所述的一个或多个实施例，燃气涡轮发动机可配备一个或多个传热系统。可以提供传热系统以冷却燃气涡轮发动机或安装燃气涡轮发动机的飞行器的某些系统。例如，可以提供传热系统以冷却涡轮区段或辅助系统，例如润滑系统。传热系统可以通过冷却输送到这些系统的流体(例如空气或润滑剂)来冷却这些系统。
例如，在至少一个实施例中，传热系统可以包括至少部分地位于冷却剂流路内的热交换器，该热交换器至少部分地限定第一流路213和第二流路。冷却剂流路可以是例如气流路径，其被配置为从旁通通道接收环境空气或旁通空气以提供通过热交换器的第一流路213的相对冷的空气流。热交换器的第二流路可以被配置为接收被配置要冷却的流，从这里的讨论中可以理解，其可以被称为动力流体。
传热系统还可包括与热交换器的第二流路流体连通的节流装置，用于接收来自热交换器的动力流体流的至少一部分。节流装置还可在热交换器的上游的位置处与冷却剂流路流体连通，用于在热交换器的上游的位置处向冷却剂流路提供动力流体流。以这种方式，动力流体可以通过冷却剂流路产生额外的气流以增加热交换器可以实现的冷却量。此外，由于节流装置位于热交换器的上游，提供到冷却剂流路的相对冷的动力流体可进一步增加热交换器可以实现的冷却量。
可提供阀以控制提供到节流装置的流体量和用作燃气涡轮发动机内的冷却流体的流体量。附加地或替代地，热交换器可限定第三流路以冷却用于在燃气涡轮发动机内使用的空气，或冷却流过润滑系统的润滑剂。
本文描述了超出要求保护的传热系统的系统。应当理解，这些系统仅作为示例提供，并且要求保护的系统不限于使用这些其他系统或以其他方式结合这些其他系统的应用。本公开并非旨在进行限制。例如，应当理解，本文描述的一个或多个实施例可以被配置为独立地操作或者与本文描述的其他实施例组合操作。
现在参考附图，其中在所有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视图。更具体地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机是高旁通涡轮风扇喷气发动机，本文称为“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(平行于提供作为参考的纵向中心线12延伸)和径向方向R。通常，涡轮风扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14的下游的涡轮机16。
所示的示例性涡轮机16通常包括限定环形入口20的基本上管状的外壳18。外壳18以串行流动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；涡轮区段，该涡轮区段包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30；和喷射排气喷嘴区段32。高压(HP)轴或线轴34将HP涡轮28驱动地连接到HP压缩机24。低压(LP)轴或线轴36将LP涡轮30驱动地连接到LP压缩机22。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和喷嘴区段32一起限定核心空气流路37。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38，该风扇38具有以间隔开的方式联接到转子盘42的多个风扇叶片40。如图所示，风扇叶片40通常沿径向方向R从转子盘42向外延伸。盘42由可旋转的前轮毂48覆盖，其空气动力学轮廓可促进气流通过多个风扇叶片40。此外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳体或外机舱50，其周向围绕风扇38和/或涡轮机16的至少一部分。应当理解，机舱50可配置为由多个周向间隔的出口导向轮叶52相对于核心16支撑。此外，机舱50的下游区段54可以在涡轮机16的外部上方延伸，以便在它们之间限定旁通气流通道56。
在涡轮风扇发动机10的运行期间，一定体积的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联入口60进入涡轮风扇10。当一定体积的空气58通过风扇叶片40时，由箭头62所指示的空气58的第一部分被引导或路由(route)到旁通气流通道56中，并且如箭头64所指示的空气58的第二部分被引导或路由到核心空气流路37中，或更具体地，到LP压缩机22中。空气的第一部分62和空气的第二部分64之间的比率通常称为旁通比。当空气的第二部分64路由通过HP压缩机24并进入燃烧区段26时，其压力随后增加，在燃烧区段26中它与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体66。
燃烧气体66被路由通过HP涡轮28，其中来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分经由联接到外壳18的HP涡轮定子轮叶68和联接到HP轴或线轴34的HP涡轮转子叶片70的连续级被提取，从而使HP轴或线轴34旋转，从而支持HP压缩机24的运行。燃烧气体66然后被路由通过LP涡轮30，其中热能和动能的第二部分经由联接到外壳18的LP涡轮定子轮叶72和联接到LP轴或线轴36的LP涡轮转子叶片74的连续级从燃烧气体66提取，从而使LP轴或线轴36旋转，从而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被路由通过涡轮机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，因为空气的第一部分62在其从涡轮风扇10的风扇38的喷嘴排气区段76排出之前路由通过旁通气流通道56，空气的第一部分62的压力显著增加，也提供推进推力。HP涡轮28、LP涡轮30和喷射排气喷嘴区段32至少部分地限定用于使燃烧气体66路由通过涡轮机16的热气体路径78。
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例中，涡轮风扇发动机10可具有任何其他合适的配置。例如，在其他示例性实施例中，风扇38可以被配置为可变桨距风扇，其包括例如用于围绕各自的桨距轴线旋转多个风扇叶片的合适的致动组件，涡轮风扇发动机10可以被配置为齿轮传动涡轮风扇发动机，其例如具有在LP轴36和风扇区段14之间的减速齿轮箱等。还应当理解，在其他示例性实施例中，本公开的方面可以结合到任何其他合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其他示例性实施例中，本公开的方面可以结合到例如涡轮螺旋桨发动机。
现在还参考图2，示出根据本公开的示例性实施例的传热系统100的示意图。传热系统100包括热交换器200和节流装置300。传热系统100可以被配置为接收加压的动力流体120，通过热交换器200冷却它，然后在某些示例性实施例中将其膨胀到较低的压力以对其进一步冷却。
热交换器200可以至少部分地位于冷却剂流路130内。例如，热交换器200可以至少部分地位于燃气涡轮发动机的管道(例如旁通气流通道56)中，或勺(scoop)(例如勺400(图4))中。可替代地，热交换器200可至少部分地位于任何其他合适的冷却剂流路130(例如RAM空气流路、环境空气流路、引气流路(例如，从压缩机区段的前级)等)内，或以其他方式与其气流连通。
热交换器200至少部分地限定具有入口210和出口215的第一流路213以及具有入口220和出口225的第二流路223。第一流路213被配置为与流过冷却剂流路130的冷却剂流体110流体连通，并且第二流路223被配置为与动力流体120流体连通。第一流路213的入口210被配置为接收冷却剂流体流，并且入口220可以被配置为接收动力流体120的流量。
由入口220接收的动力流体120可以具有比由入口210接收的冷却剂流体110更高的压力。例如，由入口220接收的动力流体120的压力可以比由入口210接收的冷却剂流体110的压力高至少两倍，以磅每平方英寸绝对值(PSIA)为测量单位。例如，由入口220接收的动力流体120的压力可以比由入口210接收的冷却剂流体110的压力高至少四倍，例如高至少六倍，例如高至少八倍，并且比由入口210接收的冷却剂流体110的压力高达约20倍，例如高达约18倍，例如高达约16倍，例如高达约14倍。
仅作为示例，在一个示例实施例中，动力流体120的压力大约为500PSIA，而冷却剂流体的压力大约为50PSIA。在另一个示例中，由入口220接收的动力流体120的压力可以比由入口210接收的冷却剂流体110的压力高大约四到六倍，以PSIA为测量单位。在一个示例中，动力流体120的压力大约为375PSIA，而冷却剂流体的压力大约为75PSIA。
由入口220接收的动力流体120可以具有比由入口210接收的冷却剂流体110更高的温度。例如，入口220接收的动力流体120的温度可以比入口210接收的冷却剂流体110的温度高至少两倍，以华氏度(°F)为测量单位。例如，由入口220接收的动力流体120的温度可以比由入口210接收的冷却剂流体110的温度高至少四倍，例如至少六倍，例如至少八倍，并且比由入口210接收的冷却剂流体110的温度高达约20倍，例如高达约18倍，例如高达约16倍，例如高达约14倍。
仅作为示例，在一个示例实施例中，动力流体120的温度大约为1,000°F，而冷却剂流体的温度大约为270°F。在另一示例中，由入口220接收的动力流体120的温度可以比由入口210接收的冷却剂流体110的温度高大约五到六倍。在一个示例中，动力流体120的温度大约为1,100°F，而冷却剂流体的温度大约为200°F。
动力流体120的流量可以从排放管线供应，该排放管线从压缩机区段(例如燃气涡轮发动机的高压压缩机区段或低压压缩机区段，或风扇区段)抽取相对高压气体(例如空气)。动力流体120还可由泵或压缩机提供，例如用于燃气涡轮发动机的辅助系统中的泵或压缩机。此外，动力流体120可以由飞行器上的辅助动力单元提供。例如，动力流体120可以从这种辅助动力单元的压缩机级提取。
热交换器200可以起到使用从冷却剂流路130抽出的冷却剂流体110冷却流经它的动力流体120的作用。这是通过将第一流路213布置成与第二流路热连通来实现的。例如，第一流路213和第二流路223被布置成使得热量从第二流路223传递到第一流路213。
热交换器200的第一流路213和第二流路223流体地独立。换言之，第一流路213不与第二流路223流体连通。因此，动力流体120和冷却剂流体110在通过热交换器200时不流体地混合。
从本文的讨论将理解，热交换器200可以具有用于将热量从第二流路223传递到第一流路213的任何合适的配置。例如，在一些配置中，热交换器200可以安装在燃气涡轮发动机内，使得热交换器200的一侧与冷却剂流路130接触，而热交换器200的另一侧与发动机结构(例如风扇壳体或管道勺的内壁)接触。为了改善动力流体120和冷却剂空气之间的热传递，热交换器200可以包括延伸到冷却剂流路130中的翅片。
另外或替代地，热交换器200可包括挡板和延伸穿过挡板的多个管。管可以限定通过热交换器200的第一流路213，并且挡板之间的区域可以限定通过热交换器200的第二流路223。管可以定位成从冷却剂流路130接收冷却剂流体110以冷却在管的外部和在挡板之间以交叉流的方式通过的动力流体120。例如，热交换器200可以与美国专利号为9,835,380的热交换器10相同或相似，该专利通过引用并入本文。
在图2所示的示例性实施例中，热交换器200被配置为单程热交换器200，使得动力流体120进入热交换器200的一端并通过热交换器200的另一端离开。
然而，在其他示例性实施例中，热交换器200可替代地具有任何其他合适的配置。例如，在另一示例中，热交换器200可被配置为两程热交换器，使得动力流体120进入热交换器200的一端并被引导通过U形路径，从而使其从其进入的热交换器200的同一侧离开。应当理解，还可以设想用于热交换器200的其他配置。例如，热交换器200可以是三程、四程、五程热交换器200等，使得通过热交换器200的第二流路223是蛇形路径。在又一个示例中，热交换器200可以被配置为板翅热交换器200。
节流装置300与热交换器200的第二流路223流体连通并且从热交换器200接收动力流体120的流量的至少一部分。例如，在所示的实施例中，提供供应管线140以允许动力流体120从热交换器200的第二流路223的出口225流到节流装置300。
参照图2，传热系统100还包括阀170。在所示实施例中，阀170更具体地被配置为三通阀。然而，阀170可以替代地以任何其他合适的方式配置。
阀170位于第二流路223的出口225的下游，并且被配置为调节要输送到节流装置300的动力流体120的量。在该示例中，动力流体120的流量的一部分可以被输送到节流装置300，动力流体120的流量的另一部分可以作为冷却流体流从传热系统100排出。例如，排出的动力流体160可以提供到燃气涡轮发动机的另一位置以冷却燃气涡轮发动机的一个或多个其他部分。排出的动力流体160可以通过排出管线150提供到燃气涡轮发动机的另一个位置。
排出的动力流体160可以提供到燃气涡轮发动机的涡轮区段，例如低压涡轮区段或高压涡轮区段，以冷却涡轮部件。在另一个示例中，排出的动力流体160被提供到诸如润滑系统的辅助系统。
以这种方式，应当理解，虽然被热交换器210冷却的气流在本文中被称为“动力流体”，但气流也可以从传热系统100提供到燃气涡轮发动机以为燃气涡轮发动机提供冷却。
阀170可以部分地或完全地打开，以允许将可变量的动力流体120的流量提供到节流装置300。例如，阀170可以不允许将动力流体120或所有动力流体120提供到节流装置300，和/或阀170可以允许将动力流体120的一部分提供到节流装置300。在至少一个示例中，阀170允许将动力流体120的流量的10％至90％提供到节流装置300，而动力流体120的剩余量将从传热系统100排出。例如，阀170可以允许将至少10％，例如至少20％，例如至少40％的动力流体流提供到节流装置300，并且将高达大约70％，例如大约60％，例如大约50％，例如大约40％的动力流体流提供到节流装置300；动力流体120的剩余量从传热系统100排出。
要提供到节流装置300的动力流体120的量可以在燃气涡轮发动机的运行期间变化，并且可以基于发动机或飞行器参数来确定。例如，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以基于要提供到燃气涡轮发动机的另一位置的动力流体120的期望温度来确定。当确定要提供到燃气涡轮发动机的另一位置的动力流体120的温度需要降低时，阀170可以打开更多以允许更多的动力流体120提供到节流装置300，这可以使热交换器200更有效，如下文将更充分地描述的。要提供到节流装置300的动力流体120的量可以基于离开热交换器200的出口225的动力流体和离开节流装置300的动力流体之间的温度差来确定。例如，当温度差大约为50°F，例如在40°F到高达60°F之间，例如在30°F到高达70°F之间时，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以增加，例如从大约0％，例如从大约10％，例如从大约20％至大约30％，至大约40％，至大约50％的动力流体120可以提供到节流装置300。
在至少一个示例中，提供阀170以允许在动力流体120完全通过热交换器200之前将动力流体120提供到节流装置300。例如，热交换器200可以具有用于第二流路223的两个出口，使得提供到节流装置300的动力流体120仅部分地通过热交换器200，而提供到排出管线150的动力流体120完全通过热交换器200。仅作为一个示例，热交换器200可以是三程热交换器200并且阀170可以在第一程之后的位置处与热交换器200流体连通。因此，动力流体120的可变部分可在第一程之后离开热交换器200并提供到节流装置300，而剩余动力流体120可在离开传热系统100之前完全通过所有三程。
节流装置300沿着冷却剂流路130在热交换器200的上游的位置处与冷却剂流路130流体连通，用于在热交换器200的上游的位置处向冷却剂流路130提供动力流体120的流量。节流装置300可以是用于提供动力流体通过冷却剂流路130的动力流体120的流量以增加通过冷却剂流路130的冷却剂流体110的流的任何装置。例如，在某些示例性实施例中，节流装置300可以被配置为当动力流体120的流量被提供到冷却剂流路130时，允许动力流体120经历焦耳-汤姆逊效应。以这种方式，节流装置300可以被配置为当动力流体被提供到冷却剂流路130时，允许动力流体120从高压膨胀到低压，这使得动力流体120被冷却并且进一步诱导气流通过冷却剂流路130。
在该示例中，节流装置300包括一个或多个喷嘴310，节流装置300被配置为在大于流过冷却剂流路130的冷却剂流体110的压力和速度的压力和速度下，动力流体通过一个或多个喷嘴310将动力流体120喷射到冷却剂流路130中。高压动力流体120可以夹带周围的冷却剂流体110，从而使流过冷却剂流路130的冷却剂流体110的流加速。换言之，动力流体120在热交换器200的上游的位置处被喷射到冷却剂流路130中，以增加提供到热交换器200的冷却剂流体110的速度。这导致在节流装置300的下游的冷却剂流路130中流体的速度比其在节流装置300的上游更大。
节流装置300的一个或多个喷嘴310可各自包括一个或多个开口320。每个喷嘴310可接收高压动力流体120并加速动力流体120通过圆锥形的渐缩部分，以增加离开每个喷嘴310的开口320的动力流体120的速度。当高压动力流体120离开开口320时，动力流体120膨胀。
离开节流装置300的动力流体120迅速膨胀，这导致动力流体120被进一步冷却。例如，进入节流装置300的动力流体120的压力在其离开节流装置300时可降低大约85％至95％，这可导致动力流体120的温度在其离开节流装置300时降低大约75％至85％并膨胀。在一个示例中，进入节流装置300的动力流体120的压力可以是大约475PSIA，而当它离开节流装置300时可以膨胀到大约50PSIA，这可以大约与节流装置300的上游的冷却剂流体110的压力相关。这种从475PSIA到50PSIA的膨胀可以导致动力流体120的温度从大约650°F降低到大约130°F。
这样，将膨胀的动力流体120喷射到冷却剂流路130中，导致节流装置300的下游、热交换器200的上游的冷却剂流体110的温度比节流装置300的上游的冷却剂流体110的温度低。例如，节流装置300的下游的冷却剂流体110的温度可以比节流装置300的上游的冷却剂流体110的温度低大约百分之五到百分之十五。在一个示例中，节流装置300的上游的冷却剂流体110的温度为300°F，而节流装置300的下游的冷却剂流体110的温度为270°F。
在至少一个示例中，节流装置300被配置为喷射器。然而，在另一个示例中，节流装置300被配置为排泄器。在另一示例中，节流装置300可以包括一个或多个喷嘴310，这些喷嘴可以是可变面积的喷嘴310，使得可以改变动力流体120的膨胀量以及速度。在另一个示例中，节流装置300可以包括一个或多个膨胀阀来代替喷嘴310以膨胀提供到冷却剂流路130的动力流体120。在又一个示例中，节流装置300可以是膨胀涡轮。膨胀涡轮可包括由膨胀的动力流体120旋转的涡轮；可以从涡轮的旋转中提取并用于驱动压缩机的功。尽管术语“动力流体”是喷射器常用的术语，但不应暗示节流装置300总是被配置为喷射器。相反，应当理解，与术语“动力流体”一起使用的术语“原动”是一个方便的术语，并没有暗示任何特定的配置。
在节流装置300的下游的冷却剂流体110，其包括膨胀的动力流体120，进入热交换器200的第一流路213的入口210。随着冷却剂流体110通过热交换200的第一流路213，它从热交换器200的第二流路223吸收热量。然后冷却剂流体110离开热交换器200的第一流路213的出口215，在那里它离开传热系统100。
在一个示例中，热交换器200的第二流路223的入口220接收温度为大约1,000°F和大约500PSIA的动力流体120。节流装置300的上游的冷却剂流体110可以是大约300°F和50PSIA。如果热交换器200的效率大约为50％，热侧损失为5％，这导致离开热交换器200的第二流路223的出口225的动力流体120在大约650°F和大约475PSIA下。一旦动力流体120膨胀到节流装置300的下游的冷却剂流路130中，在大约50PSIA下，温度降低到大约130°F。如果节流装置300的上游的冷却剂流体110与膨胀的动力流体120的混合比大约为5∶1，则这导致进入热交换器200的第一流路213的冷却剂流体110的温度大约为270°F。
现在参考图3，示出根据本公开的另一个示例性实施例的传热系统100的示意图。图3的传热系统100可以以与上面参考图2描述的示例性热传递系统100类似的方式配置。
然而，对于图3的示例性实施例，热交换器200附加地至少部分地限定具有入口230和出口235的第三流路233。第三流路233可以被配置为接收待冷却的相对热的流体180。进入入口230的热流体180相对于进入入口210的冷却剂流体可以处于更高的温度。在一个示例中，热流体180是流过润滑回路的润滑剂，该润滑剂用于润滑或冷却移动的部件，如轴承或齿轮。附加地或替代地，热流体180可以是来自燃气涡轮发动机的压缩机区段的引气气流，或需要冷却的任何其他流体。应当理解，与术语“热流体”一起使用的术语“热”是一个方便的术语，并没有暗示用于热流体180的任何特定温度。
热交换器200可以起到冷却热流体180和动力流体120的作用，其中动力流体120与从冷却剂流路130抽出的冷却剂流体110一起通过热交换器200。这是通过将第二流路223和第三流路233布置成均与第一流路213热连通来实现的。例如，第一流路213、第二流路223和第三流路233被布置成使得热量从第二流路223和第三流路233传递到第一流路213。
通过热交换器200的第一流路213、第二流路223和第三流路233各自流体地独立于其他流路。换言之，第一流路213、第二流路223和第三流路233不与第一流路213、第二流路223或第三流路233中的另一个流体连通。因此，动力流体120、热流体180和冷却剂流体110在通过热交换器200时不流体地混合。
第三流路233可以被配置为与热交换器200的第二流路223相同或不同。例如，第三流路233可以被配置为使得热流体180可以单程通过热交换器200，并且第二流路223可以被配置为使得动力流体120可以单程通过热交换器200。相反，第三流路233可以被配置为使得热流体180可以三程通过热交换器200，并且第二流路223可以被配置为使得动力流体120可以单程通过热交换器200。应当理解，可以设想用于第二流路223和第三流路233的其他配置。
在该示例中，阀170，例如双向阀170，设置在热交换器200的第二流路223的入口220的上游，以调节要输送到节流装置300的动力流体120的量。在另一个示例中，阀170设置在第二流路223的出口225的下游。阀170可以部分地或完全地打开，以允许将可变量的动力流体120的流量提供到节流装置300。例如，阀170可以不允许将动力流体120或所有动力流体120提供到节流装置300，和/或阀170可以允许将动力流体120的一部分提供到节流装置300。在至少一个示例中，节流装置300允许将动力流体120的流量的10％至50％提供到节流装置300。要提供到节流装置300的动力流体120的量可以在燃气涡轮发动机的运行期间变化并且可以基于发动机参数来确定。
例如，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以基于要由热交换器200的第三流路233的出口235输出的相对热的流体180的期望温度确定。当确定要由热交换器200的第三流路233的出口235输出的相对热的流体180的温度需要降低时，阀170可以打开更多以允许更多的动力流体提供到节流装置300。在至少一个示例中，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以基于安装发动机的飞行器的运行阶段来确定。例如，当感测到飞行器处于地面闲置状态时，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以增加，例如动力流体从大约0％，例如从大约10％，例如从大约20％至大约30％，至大约40％，至大约50％的动力流体120可以提供到节流装置300。飞行器的运行阶段可以基于运载工具的速度和/或机轮承重传感器感测。例如，当运载工具的速度为零时，可以确定飞行器处于地面闲置状态。当发动机包括冲压勺管(ram scoopduct)时，该确定方法可能会有所帮助。在另一个示例中，当风扇速度低于阈值时，例如小于最大可能风扇速度的大约50％，例如在40％和60％之间，或小于设计的风扇速度的50％，例如在40％和60％之间，可以确定飞行器处于地面闲置状态。当发动机配置为涡轮风扇发动机时，该确定方法可能会有所帮助。
现在参考图4，示出根据本公开的又一示例性实施例的传热系统100的示意图。图4的传热系统100可以与图2或图3的传热系统100类似地操作。然而，在该示例中，传热系统100至少部分地位于燃气涡轮发动机的勺400内。勺入口410可以位于风扇区段或旁通流路中，例如围绕涡轮风扇发动机10的外壳18的旁通气流通道56，以排出冷却剂流体110并将其引导到勺400中，并朝向传热系统100。如该示例中所示，热交换器200被配置为两程热交换器，使得动力流体120进入热交换器200的一端并被引导通过U形路径，从而使其在其进入的热交换器200的同一端离开。然而，应当理解，可以设想用于热交换器200的其他配置。例如，热交换器200可以是单程、三程、四程热交换器等。
类似于图2和图3的示例传热系统100，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以在燃气涡轮发动机的运行期间变化并且可以基于发动机参数来确定。例如，发动机参数可以基于要由热交换器200的第三流路233的出口235输出的相对热的流体180的期望温度，基于离开热交换器200的出口225的动力流体和离开节流装置300的动力流体之间的温度差，或基于安装发动机的飞行器的运行阶段，如已经讨论的。在一些示例中，要提供到节流装置300的动力流体120的量可以基于两个或更多个发动机参数的组合来确定，例如离开热交换器200的出口225的动力流体和离开节流装置300的动力流体之间的温度差，以及安装发动机的飞行器的运行阶段。
应当理解，参考图1-4公开的实施例不意图是限制性的。此外，应当理解，本文描述的一个或多个实施例可以被配置成并入本文描述的其他实施例。例如，图4的传热系统可以结合具有如参考图3所公开的第三流路或如参考图2所公开的单程热交换器。作为另一个示例，图2和图4的传热系统可以结合如参考图3公开的在热交换器的上游的阀。作为又一个示例，图3和图4的传热系统可以结合如参考图1所公开的可变面积的喷嘴。预期所提供的实施例的任何合适的组合。
结合如参考图2-4描述的传热系统100可能有很多益处。例如，传热系统100提供改进的流体的冷却，例如排出的动力流体160或相对热的流体180，例如润滑剂。例如，冷却通过热交换器200的动力流体120并将动力流体120膨胀到冷却剂流路130中可以比仅使用冷却剂流体110产生更低的流入热交换器200的温度。换句话说，冷却和膨胀的动力流体120连同来自冷却剂流路130的冷却剂流体110可导致进入热交换器200的第一流路213的入口210的流体的温度低于仅使用来自冷却剂流路130的冷却剂流体110。
另外地或替代地，冷却通过热交换器200的动力流体120并且使动力流体120膨胀到热交换器200的上游的冷却剂流路130中，可以产生比如果动力流体120被膨胀到热交换器200的上游的冷却剂流路130中而没有被热交换器200初始化地冷却更低的流入热交换器200的温度。
另外或替代地，传热系统100通过允许在选择发动机运行状态下减小热交换器200的体积和调制冷却能力而允许功率密度优化。这可以通过例如指示阀170来减少要提供到热交换器200的动力流体120的量来实现。
该书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域的任何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合并的方法。本发明的可专利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。如果这些其他示例包括与权利要求书的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图在权利要求书的范围内。
本发明的进一步方面通过以下条项的主题提供：
1.一种传热系统，包括：热交换器，所述热交换器至少部分地位于冷却剂流路内，所述热交换器至少部分地限定第一流路和第二流路，所述第一流路被配置为与所述冷却剂流路流体连通，并且所述第二流路被配置为接收动力流体流；和节流装置，所述节流装置与所述热交换器的所述第二流路流体连通，用于接收来自所述热交换器的所述动力流体流的至少一部分，所述节流装置在所述热交换器的上游的位置处进一步与所述冷却剂流路流体连通，用于在所述热交换器的上游的所述位置处将所述动力流体流提供到所述冷却剂流路。
2.根据任何在前条项所述的传热系统，进一步包括阀，所述阀被配置为调节由所述节流装置从所述热交换器接收的所述动力流体流的量。
3.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述阀是三通阀，所述三通阀允许所述动力流体流的第一部分被所述节流装置接收并且允许所述动力流体流的第二部分作为冷却流体流从所述传热系统排出。
4.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述阀允许所述动力流体流的至少百分之十被所述节流装置接收并且允许所述动力流体的剩余量作为冷却流体流从所述传热系统排出。
5.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述热交换器进一步至少部分地限定被配置为接收热流体流的第三流路。
6.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述节流装置被配置为在大于通过所述冷却剂流路的冷却剂流体的压力的压力下向所述冷却剂流路提供所述动力流体流。
7.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述第二流路被配置为从燃气涡轮发动机的压缩机区段接收所述动力流体流。
8.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述节流装置包括具有开口的圆锥形喷嘴，所述开口被配置为在高于所述冷却剂流路中的冷却剂流体的速度的速度下向所述冷却剂流路提供动力流体流。
9.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述节流装置包括可变面积的喷嘴。
10.根据任何在前条项所述的传热系统，其中所述节流装置被配置为排泄器。
11.一种燃气涡轮发动机，包括：涡轮机，所述涡轮机具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段；冷却气流通道；传热系统，所述传热系统定位成从所述压缩机区段、所述冷却气流通道或两者接收冷却剂流体，所述传热系统包括：热交换器，所述热交换器至少部分地位于冷却剂流路内，所述热交换器至少部分地限定第一流路和第二流路，所述第一流路被配置为与所述冷却剂流路流体连通，并且所述第二流路被配置为接收动力流体流；和节流装置，所述节流装置与所述热交换器的所述第二流路流体连通，用于接收来自所述热交换器的所述动力流体流的至少一部分，所述节流装置在所述热交换器的上游的位置处进一步与所述冷却剂流路流体连通，用于在所述热交换器的上游的位置处将动力流体流提供到所述冷却剂流路。
12.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，进一步包括阀，所述阀被配置为调节由所述节流装置从所述热交换器接收的所述动力流体流的量。
13.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阀是三通阀，所述三通阀允许所述动力流体流的第一部分被所述节流装置接收并且允许所述动力流体流的第二部分作为冷却流体流从所述传热系统排出。
14.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述阀允许所述动力流体流的至少百分之十被所述节流装置接收并且允许所述动力流体的剩余量作为冷却流体流从所述传热系统排出。
15.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述热交换器进一步至少部分地限定被配置为接收热流体流的第三流路。
16.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述节流装置被配置为在大于通过所述冷却剂流路的冷却剂流体的压力的压力下向所述冷却剂流路提供动力流体流。
17.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述第二流路被配置为从燃气涡轮发动机的压缩机区段接收所述动力流体流。
18.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述节流装置包括具有开口的圆锥形喷嘴，所述开口被配置为在高于所述冷却剂流路中的冷却剂流体的速度的速度下向所述冷却剂流路提供动力流体流。
19.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述节流装置包括可变面积的喷嘴。
20.根据任何在前条项所述的燃气涡轮发动机，其中所述节流装置被配置为排泄器。

Claims (10)

1.一种传热系统，其特征在于，包括：
热交换器，所述热交换器至少部分地位于冷却剂流路内，所述热交换器至少部分地限定第一流路和第二流路，所述第一流路被配置为与所述冷却剂流路流体连通，并且所述第二流路被配置为接收动力流体流；和
节流装置，所述节流装置与所述热交换器的所述第二流路流体连通，用于接收来自所述热交换器的所述动力流体流的至少一部分，所述节流装置在所述热交换器的上游的位置处进一步与所述冷却剂流路流体连通，用于在所述热交换器的上游的所述位置处将所述动力流体流提供到所述冷却剂流路。
2.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，进一步包括阀，所述阀被配置为调节由所述节流装置从所述热交换器接收的所述动力流体流的量。
3.根据权利要求2所述的传热系统，其特征在于，其中所述阀是三通阀，所述三通阀允许所述动力流体流的第一部分被所述节流装置接收并且允许所述动力流体流的第二部分作为冷却流体流从所述传热系统排出。
4.根据权利要求3所述的传热系统，其特征在于，其中所述阀允许所述动力流体流的至少百分之十被所述节流装置接收并且允许所述动力流体的剩余量作为冷却流体流从所述传热系统排出。
5.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，其中所述热交换器进一步至少部分地限定被配置为接收热流体流的第三流路。
6.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，其中所述节流装置被配置为在大于通过所述冷却剂流路的冷却剂流体的压力的压力下向所述冷却剂流路提供所述动力流体流。
7.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，其中所述第二流路被配置为从燃气涡轮发动机的压缩机区段接收所述动力流体流。
8.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，其中所述节流装置包括具有开口的圆锥形喷嘴，所述开口被配置为在高于所述冷却剂流路中的冷却剂流体的速度的速度下向所述冷却剂流路提供动力流体流。
9.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，其中所述节流装置包括可变面积的喷嘴。
10.根据权利要求1所述的传热系统，其特征在于，其中所述节流装置被配置为排泄器。
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