CN114810356A - 热交换系统 - Google Patents

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CN114810356A CN202210054279.6A CN202210054279A CN114810356A CN 114810356 A CN114810356 A CN 114810356A CN 202210054279 A CN202210054279 A CN 202210054279A CN 114810356 A CN114810356 A CN 114810356A
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杰弗里·道格拉斯·兰博
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General Electric Co
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Abstract

一种用于燃气涡轮发动机的热交换系统，包括限定第一热源流动路径的第一热交换器、限定第二热源流动路径的第二热交换器和冷却剂流体回路。冷却剂流体回路限定延伸穿过第一热交换器并与第一热源流动路径热连通的第一冷却剂流动路径，以及延伸穿过第二热交换器并与第二热源流动路径热连通的第二冷却剂流动路径。第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。

Description

热交换系统
技术领域
本公开涉及一种热交换系统，例如用于燃气涡轮发动机的热交换系统。
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，涡轮机以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引导到例如大气中。
燃气涡轮发动机和飞行器的某些操作和系统可产生相对大量的热量。燃料已被确定为在操作期间接收至少一些这样的热量的有效散热器，这至少部分是由于其热容量和可能由燃烧较高温度燃料导致的燃烧操作中的增加的效率。其他流体已经被确定为在燃气涡轮发动机的操作期间接收至少一些这样的热量的有效散热器以。本公开的发明人提出了各种构造和装置以改进当前已知的热交换系统。
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，提供了一种用于燃气涡轮发动机的热交换系统。热交换系统包括限定第一热源流动路径的第一热交换器、限定第二热源流动路径的第二热交换器和冷却剂流体回路。冷却剂流体回路限定延伸穿过第一热交换器并与第一热源流动路径热连通的第一冷却剂流动路径，以及延伸穿过第二热交换器并与第二热源流动路径热连通的第二冷却剂流动路径。第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。
在本公开的另一个示例性实施例中，提供了一种具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机系统包括第一发热部件、第二发热部件和热交换系统。热交换系统包括限定第一热源流动路径的第一热交换器、限定第二热源流动路径的第二热交换器和冷却剂流体回路。冷却剂流体回路限定延伸穿过第一热交换器并与第一热源流动路径热连通的第一冷却剂流动路径，以及延伸穿过第二热交换器并与第二热源流动路径热连通的第二冷却剂流动路径。第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。
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他特征、方面和优点。包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图说明了本发明的实施例，并且与说明书一起用于解释本发明的原理。
附图说明
在说明书附图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方面的燃气涡轮发动机的横截面图。
图2是根据本公开的示例性方面的热交换系统的示意图。
图3是根据本公开的示例性方面的热交换系统的示意图。
图4是根据本公开的示例性方面的热交换系统的示意图。
图5是根据本公开的示例性方面的热交换系统的示意图。
图6是根据本公开的示例性方面的分流器的立体图。
图7是根据本公开的示例性方面的图6的分流器的鼓的立体图。
图8是根据本公开的示例性方面的图6的分流器的横截面俯视图。
图9A-9C是根据本公开的示例性方面的图6的分流器的不同操作模式的立体图。
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图中的特征。附图和描述中类似或相似的标号已用于指代本发明的类似或相似部分。
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首选或优于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，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“向前”和“向后”指的是燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且指的是燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，向前是指靠近发动机进气口的位置，而向后是指靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
术语“上游”和“下游”是指相对于流体通路中的流体流动的相对方向。例如，“上游”是指流体来流的方向，“下游”是指流体流向的方向。
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。
术语“热连通”是指热量能够在指定区域之间传递。
除非本文另有说明，否则术语“联接”、“固定”、“附接到”等既指直接联接、固定或附接，也指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”包括复数形式。
在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饰任何可以允许变化而不导致与其相关的基本功能发生变化的定量表示。因此，由一个或多个术语修饰的值，例如“约”、“大约”和“基本上”，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，或者用于构造或制造部件和/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％的余量内。这些近似余量可能应用于单个值、定义数值范围的任一个端点或两个端点，和/或端点之间的范围的余量。
在此以及在整个说明书和权利要求中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有指示，否则这样的范围被标识并且包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以彼此独立地组合。
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有一个或多个热交换系统。可以提供热交换系统以冷却燃气涡轮发动机或其上安装有燃气涡轮发动机的飞行器的某些系统。例如，可以提供热交换系统以冷却一个或多个发热部件，例如齿轮箱、轴承、泵、风扇叶片桨距改变机构或电动发电机，仅举几例。热交换系统可以通过用较冷的流体(例如燃料)冷却相对热的流体(例如输送到这些部件的润滑剂)来冷却这些部件。当使用燃料而不是其他冷却流体(例如超临界流体、介电流体、空气或合成传热流体)用作冷却流体时，热交换系统可以具有加热燃料的额外益处。加热燃气涡轮发动机的燃料可以通过减少实现所需燃烧器点火温度所需的燃料量来提高发动机的效率。此外，加热燃料可以提高燃气涡轮发动机的功率输出。
在至少一个实施例中，热交换系统包括冷却剂流体回路，该冷却剂流体回路具有延伸穿过第一热交换器的第一冷却剂流动路径和延伸穿过第二热交换器的第二冷却剂流动路径。每个冷却剂流动路径可以冷却流经热源流动路径的相对热的流体，热源流动路径流经其相应的热交换器。第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径可以布置成并行流动构造，而不是串联流动构造。从本文的讨论中可以理解，以并行流动构造布置冷却剂流动路径可以最小化冷却剂流体回路的压降。此外，当使用燃料用作冷却剂流体回路时，以并行流动构造布置冷却剂流动路径可以减少发动机的反应时间。
热交换系统可进一步包括多个阀或分流器，其可选择性地将至少一部分流提供到一个或多个冷却剂流动路径和/或旁通流动路径。如将更详细地解释的，包括分流器或多个阀，而不是单个双向阀或没有阀，可以允许优化提供给每个热交换器和/或旁通流动路径的冷却剂流的量。允许冷却剂流的优化可以允许最大量的冷却剂流体被提供到旁通流动路径，并且允许最小量的冷却剂流体被提供到冷却剂流动路径。仅允许将最少量的冷却剂流体提供给冷却剂流动路径减少了通过流体限制装置(例如热交换器)的流量，这会导致冷却剂流体回路的压力损失。当使用燃料用作冷却流体时，减少压力损失可以增加燃气涡轮发动机的效率或功率输出。当使用燃料用作冷却流体时，最大化输送到旁通流动路径的燃料量可以减少发动机的反应时间。
在至少一个实施例中，热交换系统的部件被布置为彼此紧邻和/或作为整体部件布置，而不是分开布置和/或彼此远离布置。当热交换系统的部件彼此紧邻布置和/或作为整体部件布置时，热量可以通过附近的传导材料在部件之间传递。以此方式，一个或多个热源流动路径可由被围绕它们的导电材料经由感应进一步冷却。
本文描述的系统超出要求保护的热交换系统。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构造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扇喷气发动机，本文称为“涡扇发动机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，涡扇10包括风扇区段14和设置在风扇区段14下游的涡轮机16。
所描绘的示例性涡轮机16通常包括限定环形入口20的基本管状外壳体18。外壳体18以串联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；包括高压(HP)涡轮28和低压(LP)涡轮30的涡轮区段；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32一起限定了核心空气流动路径37。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括风扇38，该风扇具有以间隔开的方式联接到转子盘42的多个风扇叶片40。如所描绘的，风扇叶片40大体沿径向R从转子盘42向外延伸。盘42被可旋转的前轮毂48覆盖，该前轮毂48具有空气动力学轮廓以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可构造成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的相关入口60进入涡扇10。当一定量的空气58穿过风扇叶片40时，由箭头62指示的空气58的第一部分被导向或引导进入旁通气流通道56中，并且如箭头64所指示的空气58的第二部分被导向或引导进入核心空气流动路径37中，或更具体地进入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通比。第二部分空气64的压力随后随着其通过HP压缩机24并进入燃烧区段26而增加，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被引导通过HP涡轮28，其中经由HP涡轮定子轮叶68和HP涡轮转子叶片70的连续级从燃烧气体66提取热能和/或动能的一部分，HP涡轮定子轮叶68联接到外壳体18，HP涡轮转子叶片70联接到HP轴或线轴34，从而使HP轴或线轴34旋转，进而支持HP压缩机24的操作。燃烧气体66然后被引导通过LP涡轮30，其中经由LP涡轮机定子轮叶72和LP涡轮机转子叶片74的连续级从燃烧气体66提取热能和动能的第二部分，LP涡轮机定子轮叶72联接到外壳体18，LP涡轮机转子叶片74联接到LP轴或线轴36，从而使LP轴或线轴36旋转，进而支持LP压缩机22的操作和/或风扇38的旋转。
燃烧气体66随后被引导通过涡轮机16的喷射排气喷嘴区段32以提供推进推力。同时，第一部分空气62的压力显着增加，因为第一部分空气62在其从涡扇10的风扇38喷嘴排气区段76排出之前通过旁通气流通道56，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至少部分地限定了用于引导燃烧气体66通过涡轮机16的热气路径78。
然而，应当理解，图1中描绘的示例性涡扇发动机10仅作为示例，并且在其他示例性实施例中，涡扇发动机10可具有任何其他合适的构造。例如，在其他示例性实施例中，风扇38可以构造为可变桨距风扇，其包括例如用于使多个风扇叶片围绕各自的桨距轴旋转的合适的致动组件，涡扇发动机10可以构造为齿轮传动涡扇发动机，其在LP轴36和风扇区段14等之间具有减速齿轮箱。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，本公开的方面可并入例如涡轮螺旋桨发动机中。
现在参考图2，示出了根据本公开的示例性实施例的热交换系统100的示意图。热交换系统100包括多个热交换器122a-c、多个热源流动路径120a-c，每个热源流动路径120a-c延伸穿过热交换器122，以及冷却剂流体回路110。冷却剂流体回路110包括多个冷却剂流动路径115a-c，每个都延伸通过热交换器122a-c。对于所示的实施例，冷却剂流体回路110包括不延伸通过热交换器122的旁通流动路径117。
流经冷却剂流体回路110的冷却剂流体可以是能够在热源流动路径120和冷却剂流动路径115之间传递热量的任何流体。例如，冷却剂流体可以是燃料、介电流体、空气，或传热流体，例如DOWTHERM或THERMINOL。
冷却剂流体回路110的冷却剂流动路径115和热交换器122布置成并行流动构造。每个冷却剂流动路径115具有流体流的共同入口，其是冷却剂流体回路110的输入111，并且具有流体流的共同出口，其是冷却剂流体回路110的输出119。此外，从输入111流出的冷却剂分支到多个冷却剂流动路径115中，然后进入相应的热交换器122。并行构造可以允许通过每个冷却剂流动路径115的冷却剂流体被独立地调整或中断，同时冷却剂流继续通过一个或多个其他冷却剂流动路径115。
旁通流动路径117还可以与冷却剂流动路径115以并行流构造布置，使得旁通流动路径117与冷却剂流动路径115具有共同的流体流源和流体流的共同出口与冷却剂流动路径115。
每个热源流动路径120可以是流动路径回路，例如油路，并且可以包括发热部件124。流过每个热源流动路径120的相对较热的流体可以提供给相应的发热部件124。发热部件124可以是齿轮箱、轴承、泵、风扇叶片桨距改变机构或电动发电机，仅举几例。此外，每个热源流动路径120彼此流体独立，使得它们不处于流体连通。而且，每个热源流动路径120与冷却剂流体回路110流体独立，使得每个热源流动路径120不与冷却剂流体回路110流体连通。
在该示例中，热交换系统100包括三个热交换器122a-c、三个热源流动路径120a-c和三个冷却剂流动路径115a-c。然而，应当理解，热交换系统100可以包括任意数量的热交换器122、热源流动路径120和冷却剂流动路径115。例如，两个、四个、五个、六个或更多个热交换器122、热源流动路径120和冷却剂流动路径115。
热交换系统100可包括多个阀113，其被构造为控制流体的流动。例如，每个阀113可以控制流过冷却剂流动路径115之一和/或通过旁通流动路径117的冷却剂流体(例如燃料)的流动。在该示例中，冷却剂流动路径115a和115b包括阀113以调节流过相应热交换器122的冷却剂流体的量。每个阀113可以选择性地打开和关闭，部分地或完全地，以控制流过它们相应的冷却剂流动路径115和相应的热交换器122中的每一个的冷却剂流体的量。冷却剂流动路径115c不包括阀113；然而，包括在热交换系统100中的其他阀113可以共同控制流过冷却剂流动路径115c的流量。例如，如果阀允许向冷却剂流动路径115a、115b和旁通流动路径117中的每一个提供百分之二十的流量，则为流动的百分之四十的剩余流量提供到冷却剂流动路径115c。然而，应当理解，在一些示例中，可以提供附加阀以直接控制提供给冷却剂流动路径115c的流动。
每个热交换器122被构造为冷却流过相应热源流动路径120的相对较热的流体并加热流过相应冷却剂流动路径115的冷却剂流体。这是通过将每个热源流动路径120布置成与相应的冷却剂流动路径115热连通来实现的。更具体地说，热源流动路径120的延伸穿过热交换器122的部分被布置为与冷却剂流动路径115之一的延伸穿过同一热交换器122的部分热连通。例如，第一热源流动路径120a的延伸穿过第一热交换器122a的部分与第一冷却剂流动路径115a的延伸穿过第一热交换器122a的部分热连通。
尽管流动路径120已被描述为热源流动路径，并且流动路径115和回路110已被描述为冷却剂流动路径和冷却剂回路，但应理解，可以设想其中回路110和流动路径115是热源流动路径和流动路径120是冷却剂源流动路径的构造。例如，流动路径115可以是热源流动路径并且彼此流体连通并且以并行构造布置，并且流动路径120可以是冷却剂流动路径并且以并行或串行构造布置。
现在参考图3，示出了根据本公开的示例性实施例的热交换系统100的示意图。图3的热交换系统100可以以与上面参照图2描述的示例性热交换系统100类似的方式构造。例如，该示例中的冷却剂流体回路110的冷却剂流动路径115a-c也布置成并行流动构造。
然而，对于图3的示例性实施例，热交换系统100包括分流器200，该分流器200被构造为将流体流分成两个或更多个分支并且可以进一步被构造为中断和/或节流进入两个或更多个分支中的每一个的流体流，例如作为冷却剂流动路径115。例如，分流器200可以是端口分流阀、旋转多端口阀或图4的分段分流器或图6的鼓分流器，这两者将在下面更详细地解释。
分流器200被构造为选择性地向一个或多个冷却剂流动路径115和/或旁通流动路径117提供流的至少一部分。在一个示例中，分流器200可以向每个冷却剂流动路径提供等量冷却剂流动路径115并且不向旁通流动路径117提供流动。在另一个示例中，分流器200可以向每个冷却剂流动路径115和旁通流动路径117提供相等的量。在另一个示例中，分流器200可以向两个或更多的冷却剂流动路径115和/或旁通流动路径117提供不相等的量。例如，冷却剂流动路径115之一可以接收比冷却剂流动路径115中的另一个冷却剂流动路径多一倍半的流量，如以磅每平方英寸(PSIA)测量的。例如，冷却剂流动路径115中的一个可接收的流量是冷却剂流动路径115中的另一个的流量的至少两倍，例如至少四倍，例如至少六倍，并且高达冷却剂流动路径15中的另一个的流量的大约十倍，例如大约八倍，例如大约六倍。尽管已经提供了几个示例，但是应当理解，可以设想关于冷却剂流动路径115的流量分流到冷却剂流动路径115和旁通流动路径117的许多其他变型。
现在参考图4和5，示出了根据本公开的附加示例性实施例的热交换系统100的示意图。像图2和3的示例，冷却剂流体回路110的冷却剂流动路径115a-d和热交换器122a-d布置成并行流动构造。因此，热交换系统100可以与以上参照图2和3描述的示例性热交换系统100类似的方式构造。例如，每个冷却剂流动路径115具有流体流的公共入口，其是冷却剂流体回路110的输入111，并且具有流体流的公共出口，其是冷却剂流体回路110的输出119。另外，从输入111流出的冷却剂分支到多个冷却剂流动路径115，然后进入相应的热交换器122。并行构造允许通过每个冷却剂流动路径115的冷却剂流被独立地调整或中断，同时流动冷却剂流体继续通过一个或多个其他冷却剂流动路径115。
在图4的例子中，热交换系统100不包括旁通流动路径117，而图5的热交换系统100包括与冷却剂流动路径115并行构造的旁通流动路径117。
每个热源流动路径120与冷却剂流体回路110流体独立，使得每个热源流动路径120不与冷却剂流体回路110流体连通。此外，每个热源流动路径120是流体独立于热交换系统100中的所有其他热源流动路径120，使得没有热源流动路径120彼此流体连通。
在该示例中，热交换系统100包括四个热交换器122a-d、四个热源流动路径120a-d和四个冷却剂流动路径115a-d。然而，应当理解，热交换系统100可以包括任意数量的热交换器122、热源流动路径120和冷却剂流动路径115。例如，两个、三个、五个、六个或更多个热交换器122、热源流动路径120和冷却剂流动路径115。
在一些未示出的示例中，一个或多个冷却剂流动路径115穿过多个热交换器122，每个热交换器122与不同的热源流动路径120相关联。这样，热交换器122布置在串并行回路中。
热交换系统100可包括分流器200，该分流器200被构造为将流体流分成两个或多个分支，并且可以进一步被构造为中断和/或节流进入两个或多个分支(例如冷却剂流动路径115)中的每一个的流体流。例如，分流器200可以是端口分流阀，旋转多端口阀，图6的鼓分流器，这两者将在下面更详细地解释，或者分段的分流器，如图所示。
如图所示，分段式分流器200被分隔成段201。段201之间的分隔件202可以包括窗口(未示出)，其允许来自输入111的冷却剂流体流动进入第一段201然后流动到相邻的段201。冷却剂流体可以从每个段201流入其相应的冷却剂流动路径115。分隔件可以包括滑动门(未示出)，该滑动门可以用于部分地或完全地关闭每个窗口以调整提供给每个段201的流量。
分流器200的非移动部分可以直接或间接地联接到一个或多个热交换器122，或者可以是具有一个或多个热交换器122的整体部件。分流器200可与每个热交换器122大致等距地定位和/或可以紧邻每个热交换器122布置。
分流器200的两个或更多个非移动部件、热交换器122、冷却剂流动路径115和每个热源流动路径120的一部分可以形成传热单元300，使得每个都与另一个热连通。传热单元300可以被构造为散热器以被动地传递热量。传热单元300可包括诸如翅片之类的特征，其增加其与可围绕其的较冷流体(例如空气)接触的表面积。
传热单元300的某些部件可以经由在部件之间延伸的导热材料310而彼此热连通。在某些示例性实施例中，导热材料310可以是金属材料。在此上下文中的术语“之间”不一定意味着导热材料310沿直线从一个部件直接延伸到另一个部件。相反，应当理解，热量可以通过在两个部件之间采用的曲折路径从一个部件传递到另一个部件。
在一些示例中，第一冷却剂流动路径115a经由第一冷却剂流动路径115a和第二热源流动路径120b之间的导热材料310与第二热源流动路径120b热连通。在一些示例中，第一热源流动路径120a经由第一热源流动路径120a和第二热交换器122b之间的导热材料310与第二热交换器122b热连通。在一些示例中，分流器200的非移动部件可以经由分流器200和热源流动路径120之间的导热材料310与热源流动路径120热连通。尽管已经提供了几个示例，应当理解，可以设想彼此热连通的热传递单元300的部件的许多组合。
传热单元300可以是单一部件。如本文所用，术语“单一部件”指的是一起形成或整体固定到彼此的部件的方面。通过用增材制造处理制造传热单元300，传热单元300可以形成为单一的、整体式部件。在另一示例中，传热单元300是组件并且传热单元300的部分联接在一起使得这些部分彼此热连通。这些部分可以通过增材制造或用其他常规方法制造，例如从铸件、锻件或棒料加工这些部分。无论哪种方式，每个热交换器122和/或热源流动路径120之间的导热材料310可以经由感应从热交换器122和/或热源流动路径120吸取热量以冷却传热单元300。值得注意的是，即使没有将冷却剂流体提供给冷却剂流动路径115中的一个，相应的热源流动路径120仍然可以由围绕热源流动路径120的金属材料经由感应冷却。
在操作中，冷却剂流体，例如燃料，通过输入111进入热交换系统100。冷却剂流体的流动可以被提供到分流器200，分流器200可以选择性地提供至少一部分流动到一个或多个冷却剂流动路径115(图4和图5)和/或旁通流动路径117(图5)。冷却剂流体流然后可以流过热交换器122，并从相应的热源流动路径120吸收热量，然后流向出口119，并离开热交换系统100。
在一个示例中，第一发热部件124a是用于润滑轴承的发动机润滑系统，第二发热部件124b是风扇桨距改变机构，第三发热部件124c是风扇齿轮箱，并且第四发热部件124d为嵌入式电动发电机。在该示例中，分流器200可以提供大约40％，例如在30％到50％之间的冷却剂流体流到第一冷却剂流动路径115a，以及大约20％，例如在10％到30％之间的冷却剂流体流向第二、第三和第四冷却剂流动路径115中的每一个。
在其他示例中，存在三个热交换器122、三个热源流动路径120和三个发热部件124。第一发热部件124是用于轴承的发动机润滑系统，第二发热部件124为多个伺服(servos)，第三发热部件124为嵌入式电动发电机。分流器200可以提供大约50％，例如40％到60％之间的冷却剂流体流到第一冷却剂流动路径115，以及大约25％，例如15％到35％之间的冷却剂流流体流向第二和第三冷却剂流动路径115中的每一个。然而，应该理解的是，范围的其他组合也是可以预期的，并且在发动机操作期间，流动的分布可以随时间而改变。
例如，可以基于一个或多个发动机参数选择性地调整提供给每个冷却剂流动路径115和/或旁通流动路径117的冷却剂流体的流量。发动机参数之一可以是一个或多个发热部件124的温度。当确定发热部件124的温度超过阈值或计算值时，分流器200可以增加要提供到相应的冷却剂流动路径115的冷却剂流体的流动。当确定发热部件124的温度小于阈值或计算值时，分流器200可以减少要提供给相应冷却剂流动路径115的冷却剂流体的流动。
其中一个发动机参数可以是流过热交换器122的冷却剂流体的量与流过相同的热交换器122的热流体的量的比例。当流过热交换器122的诸如燃料的冷却剂流体的量远大于流过热交换器122的诸如润滑剂的热流体的量时，例如二比一的比例、三比一的比例、四比一的比例，分流器200可允许更多的冷却剂流体被提供到旁通流动路径117以减小冷却剂流体回路110的压力损失。
发动机参数之一可以是发动机的请求功率水平。当请求增加功率水平时，燃料，在一些示例中为冷却剂流体，可以提供到旁通流动路径117。当请求增加功率水平时，将更多的燃料转移到旁通流动路径117可以减少发动机的反应时间。更具体地，当移动节流门以请求更多功率输出时，额外的燃料被供应到发动机的燃烧器。如果燃烧器的流动路径较短，则可以更快地将燃料提供给燃烧器。因此，通过旁通流动路径117的燃料可以比通过一个或多个热交换器122的燃料更快地供应到燃烧器。因此，当请求增加功率水平时，向旁通流动路径117提供燃料减少了发动机的反应时间。
发动机参数之一可以是飞行器当前所处的当前飞行阶段。在一些示例中，当安装有发动机的飞行器在飞行中时，一个发热部件124可能需要较多的冷却，而另一个发热部件124可能需要较少的冷却。相反，当飞行器在地面上时，冷却需求可以交换。例如，由于流动路径中的环境空气较冷，螺旋桨齿轮箱的润滑系统在飞行器飞行时可能需要较少的冷却，而附件齿轮箱或轴承系统的润滑系统在飞行器飞行时可能需要更多的冷却。
发动机参数之一可以是发动机的当前燃料消耗。例如，当前的燃料消耗量通常以加仑每小时(GPH)为单位，当飞行器在地面滑行或空转时最低，而在飞行器起飞或上升时最高。当燃料消耗低时，可以向旁通流动路径117提供较少的冷却剂流体，而作为总流量的百分比，可以向一个或多个冷却剂流动路径115提供更多的冷却剂流体。例如，当燃料消耗低时，例如在地面滑行或怠速时，没有冷却剂流体的流动可以提供到旁通流动路径，或可以将很小的百分比，例如高达百分之五，例如高达百分之十的冷却剂流体提供给旁通流动路径117。剩余量的冷却剂流体流可以提供给冷却剂流动路径115并基于其他发动机参数(例如在相应热源流动路径120中流动的流体的期望温度)分配给每个冷却剂流动路径。
在一些示例中，可以优化要提供给冷却剂流动路径115和热交换器122的冷却剂流体的流动，从而将最少量的冷却剂流体提供给每个冷却剂流动路径115，冷却剂流体的剩余部分被提供到旁通流动路径117。这允许最大量的冷却剂流体流被提供到旁通流动路径117并且不通过可能导致压力损失的任何流动限制装置，例如热交换器122。当请求附加功率输出时，绕过最大量的冷却剂流体流减少了从冷却剂流体回路110的输入111到冷却剂流体回路110的输出119所经历的压力损失，并且还减少了发动机的反应时间。
现在参考图6，示出了根据本公开的示例性实施例的分流器200的立体图。该示例中的分流器200包括鼓210和分支壳体220。分支壳体220中的每一个可以对应于冷却剂流动路径115。如图7所示，鼓210包括一个或多个窗口215。鼓210可被构造为在一轴线上旋转，使得一个或多个窗口215部分或完全地与分支壳体220的相应入口222对齐。每个分支壳体220还可包括可与热交换器122的一个或多个开口对齐的一个或多个开口224。如下文将更详细地解释，一个或多个或所有开口224可以是冷却剂流动路径115的出口226。其余开口224，如果有的话，可以是热源流动路径120的入口或出口。
现在参考图8，示出了根据本公开的示例性实施例的图6的分流器200的俯视图。在操作中，冷却剂流体可以从冷却剂流体回路110的输入111流到分流器200的鼓210。在这个示例中，冷却剂流体进入鼓210的顶部。当窗口215部分地或完全地与相应的分支壳体入口222对齐时，流体可以从鼓210通过一个或多个分支壳体入口222进入。冷却剂流体可以从分支壳体入口222流过分支壳体220直到它到达出口226。它可以从出口226进入相应的热交换器122。
一个或多个分支壳体220还可以具有作为热源入口228的开口和作为热源出口229的开口224。来自热源流动路径120的相对热的流体可以流入入口228，穿过分支壳体220，并流出出口229。延伸穿过分支壳体220的冷却剂流动路径115和热源流动路径120的部分可以热连通，使得冷却剂流动路径115从热源流动路径吸收热量。这样，分支壳体220可以是热交换器122的延伸，也以冷却流过热源流动路径120的相对热的流体。
现在参考图9A-9C，可以看到处于不同操作模式的图6的分流器200的立体图。如前所述，鼓210可以旋转，使得鼓210的窗口215与一个或多个分支壳体入口222完全或部分对齐。当窗口215与分支壳体入口222对齐时，冷却剂能够进入相应的冷却剂流动路径115。更具体地，图9A示出了鼓210，使得窗口215之一与第一分支壳体入口222a对齐，窗口215之一与第二分支壳体入口222b对齐，并且窗口215之一与第三分支壳体对齐入口222c。在该位置，由于鼓210上只有三个窗口215，因此窗口215不与第四分支壳体入口222d定位。相反，鼓210的壁覆盖第四分支壳体入口222d。在该模式中，冷却流体的流动被限制进入第四分支壳体入口222d，但被允许进入第一、第二和第三分支壳体入口222a、b、c及其相应的冷却剂流动路径115a、b、c。图9B中的鼓210的窗口逆时针旋转九十度，使得鼓210的壁与第三分支壳体入口222c对齐并且三个窗口215中的一个分别与第一、第二和第四分支壳体入口222a、b、d的每一个对齐。在该模式中，冷却流体的流动被限制进入第三分支壳体入口222c，但被允许进入第一、第二和第四分支壳体入口222a、b、d及其相应的冷却剂流动路径115a、b、d。图9C中的鼓210旋转了四十五度，使得没有一个窗口215与任何分支壳体入口222对齐。在这种模式下，冷却剂流体的流动被限制进入任何分支壳体入口222a-d。
代替鼓210旋转或者除了鼓210旋转之外，可以提供滑动门，其选择性地在向上和向下的方向上移动以控制和节流进入每个分支壳体入口222的冷却剂流体的量。另外，可以在鼓210中提供额外的开口或端口以允许冷却剂流体进入旁通流动路径117。
所描述的热交换系统100具有许多益处。首先，通过将冷却剂流动路径115和热交换器122布置成并行构造而不是串行，热交换系统100中的冷却剂流体的体积减少，因为冷却剂流体所采用的路径的长度减少了。因为一些冷却液，例如燃料，是可压缩和可膨胀的，当请求增加功率时，减少系统内的冷却液量会导致发动机反应时间缩短。
其次，通过将冷却剂流动路径115和热交换器122布置成并行构造而不是串行构造，冷却剂流体回路110从输入111到输出119的压降被减小。此外，可以提供旁通流动路径117以最小化从冷却剂流体回路110的输入111到输出119的压降。
第三，通过将冷却剂流动路径115和热交换器122布置成并行构造而不是串行，可以更准确地计算流量。通常，用于测量燃料流量、冷却剂流体的传感器位于热交换器122的上游。如果热交换器122为串行构造，则存在更多变量来计算进入发动机燃烧器的燃料流量，使得计算更复杂，更不可靠。然而，以并行构造布置热交换器122消除了许多变量并简化了计算，使其更可靠。
第四，通过将冷却剂流动路径115和热交换器122布置成并行构造而不是串行，可以优化进入每个冷却剂流动路径115的冷却剂流体的流动。更具体地，如果热交换器122串行布置，则一定流量的冷却剂流体必须进入每个热交换器122。然而，对于并行构造，可以根据当前需要选择性地分流和/或节流冷却剂流体。
第五，通过将热交换器122布置成彼此靠近(图4和图5)并构造为传热单元300，如前所述，可以通过感应实现额外的冷却。因此，即使当冷却剂流体没有被提供到冷却剂流动路径115之一时，各个热源流动路径120仍然可以通过围绕热源流动路径120的金属材料经由感应冷却。
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，则这些其他示例旨在权利要求的范围内。
进一步的方面由以下条款的主题提供：
1.一种用于燃气涡轮发动机的热交换系统，该热交换系统包括限定第一热源流动路径的第一热交换器、限定第二热源流动路径的第二热交换器和限定第一热源流动路径的冷却剂流体回路。延伸穿过第一热交换器并与第一热源流动路径热连通的冷却剂流动路径的第一冷却剂流动路径，以及延伸穿过第二热交换器并与第二热源流动路径热连通的第二冷却剂流动路径，其中第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径以并行流构造排列。
2.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中该热源流动路径是流体独立的。
3.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中通过该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径的冷却剂流是可独立调节的。
4.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中通过该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径的冷却剂流体可基于发动机参数独立地调节。
5.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中流过该冷却剂流体回路的冷却剂流体是燃料。
6.根据前述条款中任一项该的热交换系统，还包括分流器，该分流器被构造为将冷却剂流体分离到该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径中。
7.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中该第一热交换器、该第二热交换器、该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径形成被构造为散热器的传热单元。
8.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中该传热单元是单一部件。
9.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中该第一热交换器联接到该第二热交换器或与该第二热交换器一体形成，并且其中该第一热交换器与该第二热交换器热连通。
10.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中，该冷却剂流体回路进一步限定旁通流动路径，该旁通流动路径与该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。
11.根据前述条款中任一项该的热交换系统，其中该热交换系统还包括延伸穿过第三热交换器的第三热源流动路径，并且冷却剂流体回路还限定了第三冷却剂流动路径，该第三冷却剂流动路径延伸穿过第三热交换器并且与第三热源流动路径热连通。
12.一种具有压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段的燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括第一发热部件和第二发热部件，以及热交换系统，该热交换系统包括限定第一热源流动路径的第一热交换器，第一热源流动路径被构造为接收第一流体，第一流体与第一发热部件热连通，限定第二热源流动路径的第二热交换器，第二热源流动路径被构造为接收第二流体，第二流体与第二发热部件热连通、以及限定延伸穿过第一热交换器并与第一热源流动路径热连通的第一冷却剂流动路径的冷却剂流体回路，以及延伸穿过第二热交换器并与第二热源流动路径热连通的第二冷却剂流动路径，其中第一冷却剂流动路径和第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。
13.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中该热源流动路径是流体独立的。
14.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中通过该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径的冷却剂流是可独立调节的。
15.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中通过该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径的冷却剂的流动可基于发动机参数独立地调节。
16.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，还包括分流器，该分流器被构造为将冷却剂流体流分离到该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径中。
17.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中该第一热交换器、该第二热交换器、该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径形成构造为散热器的传热单元。
18.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中该第一热交换器联接至该第二热交换器或与该第二热交换器一体形成，并且其中该第一热交换器与该第二热交换器热连通。
19.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中该冷却剂流体回路进一步限定旁通流动路径，该旁通流动路径与该第一冷却剂流动路径和该第二冷却剂流动路径以并行流构造布置。
20.根据前述条款中任一项该的燃气涡轮发动机，其中该热交换系统还包括延伸穿过第三热交换器的第三热源流动路径，并且冷却剂流体回路还限定了第三冷却剂流动路径，该第三冷却剂流动路径延伸穿过第三热交换器并且与第三热源流动路径热连通。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的热交换系统，其特征在于，所述热交换系统包括：
第一热交换器，所述第一热交换器限定第一热源流动路径；
第二热交换器，所述第二热交换器限定第二热源流动路径；和
冷却剂流体回路，所述冷却剂流体回路限定：
第一冷却剂流动路径，所述第一冷却剂流动路径延伸穿过所述第一热交换器并与所述第一热源流动路径热连通；和
第二冷却剂流动路径，所述第二冷却剂流动路径延伸穿过所述第二热交换器并与所述第二热源流动路径热连通；
其中，所述第一冷却剂流动路径和所述第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。
2.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，其中所述热源流动路径是流体独立的。
3.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，其中通过所述第一冷却剂流动路径和所述第二冷却剂流动路径的冷却剂流是能够独立调节的。
4.根据权利要求3所述的热交换系统，其特征在于，其中通过所述第一冷却剂流动路径和所述第二冷却剂流动路径的所述冷却剂流能够基于发动机参数独立地调节。
5.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，其中流过所述冷却剂流体回路的冷却剂流体是燃料。
6.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，进一步包括分流器，所述分流器被构造为将冷却剂流体流分离到所述第一冷却剂流动路径和所述第二冷却剂流动路径中。
7.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，其中所述第一热交换器、所述第二热交换器、所述第一冷却剂流动路径和所述第二冷却剂流动路径形成被构造为散热器的热传递单元。
8.根据权利要求7所述的热交换系统，其特征在于，其中，所述热传递单元是单一部件。
9.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，所述第一热交换器联接到所述第二热交换器或与所述第二热交换器一体形成，并且其中所述第一热交换器与所述第二热交换器热连通。
10.根据权利要求1所述的热交换系统，其特征在于，其中，所述冷却剂流体回路进一步限定旁通流动路径，所述旁通流动路径与所述第一冷却剂流动路径和所述第二冷却剂流动路径以并行流动构造布置。
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