CN1924320B - 用于操作燃气涡轮发动机的方法及设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气涡轮发动机及用于燃气涡轮发动机的冰保护系统，包括：风扇组件(12)、该风扇组件下游的助推器(22)、该助推器下游的高压压缩机(14)以及外接该助推器的分流器(44)，该冰保护系统包括：耦接到该燃气涡轮发动机的歧管(102)，使得该歧管耦接成与热源热连通；耦接到该歧管的第一热管(100)，使得该第一热管以顺时针方向部分外接该燃气涡轮发动机；以及耦接到该歧管的第二热管，使得该第二热管以逆时针方向部分外接该燃气涡轮发动机，热源包括润滑油箱(162)，并且歧管(102)与油箱耦接，歧管(102)还包括与油箱流动连通的入口以及与油箱流动连通的出口，以使润滑流体能够从歧管中导引通过。

Description

用于操作燃气涡轮发动机的方法及设备
技术领域
本发明大致涉及燃气涡轮发动机，并且更具体涉及用于操作燃气涡轮发动机的方法及设备。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括入口、风扇、低压以及高压压缩机、燃烧室以及至少一个涡轮。压缩机压缩导引到燃烧室的空气，在燃烧室空气与燃料混合。然后，点燃混合物，以产生热燃烧气体。燃烧气体导引到涡轮，涡轮从燃烧气体提取能量以便为压缩机提供动力以及产生有用功来推进飞行中的航空器或为负载例如发电机提供动力。
当发动机在结冰条件下工作时，即受到超冷水滴云影响时，冰可能会积聚在外露的发动机结构上。更具体地，如果发动机以低功率在结冰条件下操作长时间间隔时，在发动机内以及在外露的发动机结构上积聚的冰可能相当严重。随着时间的过去，发动机的持续操作、从低功率操作到高功率操作的节气突进(throttle burst)以及/或者由于冰增长的不规则或不对称而产生的振动可以使积聚的冰堆积物被高压压缩机所吸入。这种条件(被称为冰脱落)可能使压缩机排气温度突然减小。响应这种压缩机排气温度的突然降低，高压压缩机的后段内的校正核心速度会增加。这种后段校正核心速度的突然增加可能有害地影响压缩机失速边际。在某些情况下，这还会导致发动机突然冒火。
为了便于防止发动机内以及发动机附近的外露表面上的冰增加，至少某些公知的发动机包括能够使发动机以增加的操作温度进行操作的控制系统并且可以包括从发动机压缩机导引高温放气以便向外露表面提供热量的子系统。然而，增加的操作温度以及放气系统可能降低发动机性能。这种系统可能还需要阀门，以便在起飞以及其他高功率操作过程中关闭高温气流以保护发动机。除了成本增加，这种阀门操作可能造成可靠性问题。同样，为了进一步便于防止冰积聚，至少某些公知的发动机在操作前喷涂除冰溶液。然而，在飞行过程中以及随着时间的过去，除冰溶液的效力降低。更具体的，在发动机操作过程中，蒸发冷却仍会在外部发动机表面上(例如，发动机的前框)引起冷凝以及冰积聚。传统的电加热是一种选择，但是它需要大量的电力来进行除冰操作并且可能需要附加的发电机、电路以及与飞机计算机的复杂交互作用逻辑电路，并且附带成本、重量增加并且性能损失。
发明内容
一方面，提供了一种用于组装涡轮发动机的方法以便于防止在发动机操作过程中在涡轮发动机上的冰积聚。该方法包括将歧管耦接到燃气涡轮发动机，以使该歧管耦接成与热源处于热连通，将第一热管耦接到歧管，以使该第一热管以顺时针方向部分外接燃气涡轮发动机，并且将第二热管耦接到歧管以使第二热管以逆时针方向部分外接燃气涡轮发动机。
另一方面，提供了一种燃气涡轮发动机的冰保护系统。该冰保护系统包括耦接到燃气涡轮发动机的歧管以使该歧管耦接成与热源处于热连通，耦接到歧管的第一热管以使第一热管以顺时针方向部分外接燃气涡轮发动机，以及耦接到歧管的第二热管以使第二热管以逆时针方向部分外接燃气涡轮发动机，热源包括润滑油箱，并且歧管与油箱耦接，歧管还包括与油箱流动连通的入口以及与油箱流动连通的出口，以使润滑流体能够从歧管中导引通过。
又一方面，提供一种燃气涡轮发动机。该燃气涡轮发动机包括、风扇组件、风扇组件下游的助推器、助推器下游的高压压缩机和外接助推器的分流器以及冰保护系统。该冰保护系统包括耦接到燃气涡轮发动机的歧管以使该歧管耦接成与热源处于热连通，耦接到歧管的第一热管以使第一热管部分以顺时针方向外接燃气涡轮发动机，以及耦接到歧管的第二热管以使第二热管以逆时针方向部分外接燃气涡轮发动机，热源包括润滑油箱，并且歧管与油箱耦接，歧管还包括与油箱流动连通的入口以及与油箱流动连通的出口，以使润滑流体能够从歧管中导引通过。
附图说明
图1是示范性燃气涡轮发动机的示意图；
图2是图1所示的包括第一示范性冰保护系统的燃气涡轮发动机的一部分的侧视图；
图3是图1所示的包括图2所示的冰保护系统的燃气涡轮发动机一部分的侧视图；
图4是图2所示的冰保护系统的侧视图；
图5是图2所示的冰保护系统的一部分的侧视图；
图6是图1所示的包括第二示范性冰保护系统的燃气涡轮发动机的一部分的示意图；以及
图7是图6所示的包括第二示范性冰保护系统的燃气涡轮发动机一部分的示意图。
元件列表：
10    燃气涡轮发动机
12    风扇组件
14    高压压缩机
16    燃烧室
18    高压涡轮
20    低压涡轮
22    助推器
24    风扇叶片
26    转子盘
28    进口侧
30     排出侧
31     第一转子轴
31     轴
32     第二转子轴
40     旁路管道
42     外壳
44     分流器
46     入口
50     分流器前沿
60     冰保护系统
100    热管
102    歧管
110    热管冷凝端
112    热管蒸发端
113    主体
114    空腔
115    毛细结构或毛细管
120    第一部分
122    第二部分
124    第三部分
130    分段环
132    内表面
140    距离
142    助推器前端
144    助推器后端
150    多个开口
152    空腔
160    入口
162    油箱
164    出口
170    入口管
171    第一风扇框架开口
173    出口管
174    第二风扇框架开口
180    第一热管
182    第二热管
200    冰保护系统
202    歧管
204    多个开口
210    入口
212    发动机回油管线
214    出口
216    排油管线
220    多个开口
222    风扇框架
具体实施方式
图1是包括风扇组件12、高压压缩机14以及燃烧室16的燃气涡轮发动机10的示意图。发动机10还包括高压涡轮18、低压涡轮20以及助推器22。风扇组件12包括从转子盘26向外径向延伸的风扇叶片24的阵列。发动机10具有进口侧28以及排出侧30。在一实施例中，燃气涡轮发动机是可从俄亥俄州辛辛那提市的通用电子公司购得的GE90。在备选实施例中，发动机10包括低压压缩机。风扇组件12、助推器22以及涡轮20由第一转子轴31耦接到一起，而压缩机14和涡轮18由第二转子轴32耦接到一起。
在操作时，空气流经风扇组件12，并且压缩空气经助推器22供应到高压压缩机14。助推器排气被进一步压缩并且输送到燃烧室16。来自燃烧室16的燃烧热产品(图1中未示)驱动涡轮18和20，并且涡轮20通过轴31驱动风扇组件12和助推器22。发动机10可在设计操作条件和非设计操作条件之间的一定范围的操作条件内进行操作。
在示范性实施例中，使用旁路管道40将来自风扇组件12的气流的一部分旁路绕过燃气涡轮发动机10。更具体地，旁路管道40限定在外壳42和基本外接助推器22的分流器44之间。因而，使用耦接到燃气涡轮发动机10上游的分流器44在旁路管道40和助推器22的入口46之间对由风扇组件12压缩的第一部分气流进行分流。
图2是图1所示的包括第一示范性冰保护系统60的燃气涡轮发动机10一部分的侧视图。图3是图1所示的包括冰保护系统60燃气涡轮发动机10一部分的侧视图。图4是冰保护系统60的侧视图。图5是冰保护系统60一部分的侧视图。具体说来，在示范性实施例中，冰保护系统60便于防止沿分流器前沿50冰增长并且/或者减轻冰形成。
在示范性实施例中，冰保护系统60包括多个热管100，热管100分别耦接到大约U型的歧管102，并且绕发动机10周向间隔。各热管100的有效导热率的大小比铜的导热率高大约几个数量级。更具体地，各热管100使用通过从热端吸热而蒸发的液体。所产生的蒸汽随后行进通过热管100的中央或通过形成在热管100内的通道，并在热管100的冷端冷凝，由此将热量传递到冷端。更具体地，各热管100包括从热管一端延伸到另一端以便通过毛细作用将冷凝液体传输回热端的毛细管(未图示)，由此完成回路。在示范性实施例中，各热管100使用水作为热管100内的工作流体。热管100绕助推器22轴向间隔。更具体地，热管100耦接到燃气涡轮发动机10以使多个热管100操作性定位在燃气涡轮发动机10和分流器44之间。
因而，各热管100具有冷凝端110、蒸发端112以及在其间延伸的主体113。主体113基本是中空的，以便在其间限定空腔114。主体113衬有由易挥发性或工作流体所浸透的毛细结构或毛细管115。在示范性实施例中，各热管蒸发端112耦接到歧管102，并且各热管冷凝端110耦接到分流器前沿50附近，以便于防止在分流器前沿50上和/或沿分流器前沿50的冰增长并且/或者减轻冰的形成。
在示范性实施例中，各热管100基本上是S型的并且包括至少一从上游端110延伸预定长度L1的第一部分120、从第一部分120延伸预定长度L2的第二部分122以及从第二部分122延伸预定长度L3到蒸发端112的第三部分124。在示范性实施例中，第一、第二以及第三部分120、122以及124一体制造以形成相应的热管100。例如，将热管100弯曲或通过其他方式成型，以便相应地形成第一、第二以及第三部分120、122和124。
在另一实施例中，各热管100由在相邻段之间带有接点的若干热管段120、122和124的串联组件形成，以便于冰保护系统60的组装和拆卸以及/或者替换。更具体地，各热管100包括一体形成的第一部分120、第二部分122和第三部分124，并且弯曲或形成为使多个第一部分120轴向定向，以限定与分流器44的径向内表面132基本外接的分段环130。此外，各相应的第一部分120形成为与各相应的第三部分124基本平行，并且相应的第二部分122形成为基本与相应的第一和第三部分120和124倾斜。
在示范性实施例中，基于分流器周长以及用于加热分流器前沿50的热管100的数量确定L1。更具体地，系统60耦接到燃气涡轮10，以使多个第一部分120基本外接分流器44的内周，即大约与分流器前沿50的周长相等。例如，假设分流器44的内周长为大约240英寸，并且系统60包括十二个热管100，即十二个第一部分120，各热管第一部分120的长度为L1，也就是长度为大约二十英寸(240÷12个第一部分)，以便当长度L1近似首尾相连地绕分流器44的内表面132定位时，热管100将便于增加分流器前沿50的操作温度，并且因而便于防止在分流器前沿50上和/或沿分流器前沿50的冰增长和/或减轻冰的形成。因而，并且在示范性实施例中，热管100耦接到燃气涡轮发动机10以使多个第一部分120绕分流器前沿50的内表面连续并且近似周向地定位。
在示范性实施例中，基于在助推器前端142和助推器后端144之间所限定的距离140确定L2。更具体地，L2的尺寸定为使各第二部分122从相应的第一部分120在基本向后的方向上朝第三部分124延伸。因而，并且在示范性实施例中，各第二部分122的长度L2基本等于其他各相应的第二部分的长度L2。
例如，假设助推器22的宽度为大约四十英寸，即助推器前端142和助推器后端144之间所限定的距离140为大约四十英寸，各第二部分122具有尺寸限定为使各第二部分122沿助推器22的外表面从相应的第一部分120延伸到相应的第三部分124的长度L2。在示范性实施例中，如本申请后续讨论的，距离L3限定在歧管102和各相应的第二部分122之间。
在示范性实施例中，歧管102包括尺寸分别限定为接收相应的热管蒸发端112从中通过以使各热管100至少部分延伸到通过歧管102所限定的空腔152的多个开口150。歧管102还包括与油箱或贮存器162流动连通的入口160以及与油箱162流动连通的出口164。更具体地，歧管102包括耦接到歧管入口160并延伸通过第一风扇框架开口171进入油箱162的入口管170以及耦接到歧管出口164并延伸通过第二风扇框架开口174进入油箱162的出口管173。因而，并且在示范性实施例中，使用燃气涡轮发动机润滑油作为热源并将其从燃气涡轮发动机回油管线导引经过入口管170并随后经过歧管102。
随着油导引通过歧管102，相对温暖的燃气涡轮回油与各相应的热管蒸发端112进行热接触，因而加热各热管100。结果，由于与相对温暖的油的热接触使各热管蒸发端112的操作温度增加，通过从蒸发端112(即热管100的热端)吸热，各热管内的液体蒸发。随后，产生的蒸汽运行通过各相应的热管100的中央并在热管冷凝端110处(即热管100的冷端)冷凝，由此将热量传递到冷凝端110。因而在示范性实施例中，使用燃气涡轮回油供应作为热源，以便于加热各热管蒸发端112并因而便于增加分流器前沿50的操作温度，并且因而便于防止在分流器前沿50上和/或沿分流器前沿50的冰增长和/或减轻冰的形成。此外，在外部从油箱162耦接歧管102便于允许维护人员通过对燃气涡轮发动机进行很小的改动就能在新的或在役的燃气涡轮发动机上改进系统60。
在组装过程中，歧管102耦接到燃气涡轮发动机10以使歧管102与热源(即油箱162)热连通。第一热管180耦接到歧管102以使第一热管180以顺时针方向部分外接燃气涡轮发动机10并且第二热管182耦接到歧管102以使第二热管182以逆时针方向部分外接燃气涡轮发动机10。更具体地，并且在示范性实施例中，系统60包括n个热管100，其中n/2个热管100定向在顺时针方向而n/2个热管定向在逆时针方向。此外，由于热管第一部分120配置为基本外接分流器44的内周，各相应的热管第三部分124的长度L3随相应的第一部分120定位得距歧管102更远而增加。
更具体地，距歧管102最远定位的热管的第三部分长度L3大于距歧管最近定位的第一部分120的第三部分长度L3。因而，各相应的第三部分124的长度L3在顺时针和逆时针方向都随着相应的第一部分120距歧管102定位得更远而逐渐增加。因而，第一部分120距歧管102定位最远的热管100的总长度大于第一部分最靠近歧管102的热管100。此外，由于总长度最大的热管100定位得更靠近分流器前沿50的上表面，使用重力将工作流体导引通过各相应的热管100。
图6是示范性冰保护系统200的示意图。冰保护系统200与图2-图5所示的冰保护系统60基本类似，并且在图6中使用图2和图3中所用的相同附图标记来标识与冰保护系统60的部件一致的冰保护系统200的部件。因而，冰保护系统200包括多个热管100。如上文所述，各热管100的有效导热率的大小比铜的导热率高若干数量级。
冰保护系统200还包括耦接到油箱162内的大致直的歧管202。歧管202包括尺寸分别限定为接收相应的热管蒸发端112从其通过的多个开口204，以使各热管100至少部分延伸到经歧管202所限定的空腔(未图示)内。歧管202还包括与燃气涡轮发动机回油管线212流动连通的入口210以及与燃气涡轮发动机排油管线216流动连通的出口214。此外，燃气涡轮发动机10包括延伸通过风扇框架222的多个开口220。例如，在示范性实施例中，系统200包括m个热管，因而燃气涡轮发动机10还包括m个开口220，以便于m个热管100路由通过风扇框架222。在另一实施例中，风扇框架222包括单个开口并且多个热管100路由通过该单个开口。因而，并且在示范性实施例中，例如，使用燃气涡轮发动机润滑油作为热源并从燃气涡轮发动机回油管线导引通过歧管202并从燃气涡轮发动机10经排油管线216排放到外部润滑油调节系统(未图示)。
随着油导引通过歧管202，相对温暖的燃气涡轮回油与各相应的热管蒸发端112进行热接触，因而加热各热管100。结果，由于与相对温暖的油的热接触，使各热管蒸发端112操作温度增加，通过从蒸发端112(即热管100的热端)吸热，各热管内的液体蒸发。随后，产生的蒸汽运行通过各相应的热管100的中央并且在热管冷凝端110(即热管100的冷端)冷凝，由此将热量从油箱162传递到冷凝端110。因而，在示范性实施例中，使用燃气涡轮回油供应作为热源，以便于加热各热管蒸发端112并且因而便于增加分流器前沿50的操作温度，并由此便于防止在分流器前沿50上和/或沿分流器前沿50的冰增长和/或减轻冰的形成。此外，将歧管202内部耦接在油箱162内便于改善润滑油和系统200的热传递。
上述的冰保护系统费用低廉，并且在便于防止沿发动机的外露表面的冰积聚方面是高度可靠的。更具体地，热管能够在发动机操作的任何时候并且不需要使用外部控制系统使热量从选定的热源传递到选定的部件。此外，利用上述的冰保护系统不需要热流的外部起动或调制。此外，因为不使用压缩机放气，本申请所描述的冰保护系统不会有害地影响发动机性能。结果，提供了当发动机在潜在结冰条件下操作时便于增强压缩机失速保护的冰保护系统，并且因而消除了随压缩机冰脱落事件出现的压缩机失速边际不足(stall margin shortfall)。通过不断的供应热量到容易积聚冰的区域，冰保护系统还便于避免明显的积聚。同样，通过供热到发动机表面和冰的交界面，弱化冰和发动机表面之间的结合力，因而便于在达到能够使发动机失速或突然起火的相当大的质量之间使冰脱落。
上文详细描述了冰保护系统的示范性实施例。该冰保护系统不限于本申请所描述的特定实施例，而是各系统的部件可以与本申请所描述的其他部件独立以及分开使用。例如，各冰保护系统部件还可以与其他冰保护系统部件以及与其他涡轮发动机组合使用。
尽管已经按照各种特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员应意识到在不脱离权利要求的精神和范围的情况下可以通过改变实施本发明。

Claims (8)

1.一种用于燃气涡轮发动机(10)的冰保护系统(60)，包括：风扇组件(12)、所述风扇组件下游的助推器(22)、所述助推器下游的高压压缩机(14)以及外接所述助推器的分流器(44)，所述冰保护系统包括：
耦接到所述燃气涡轮发动机的歧管(102)，使得所述歧管耦接成与热源热连通；
耦接到所述歧管的第一热管(100)，使得所述第一热管以顺时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机；以及
耦接到所述歧管的第二热管，使得所述第二热管以逆时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机；
其中，所述热源包括润滑油箱(162)，并且所述歧管(102)与所述油箱耦接，所述歧管(102)还包括与所述油箱流动连通的入口以及与油箱流动连通的出口，以使润滑流体能够从所述歧管中导引通过。
2.根据权利要求1所述的冰保护系统(60)，其特征在于：进一步包括：
耦接到所述歧管(102)的第三热管(100)，使得所述第三热管以顺时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机(10)，其中所述第三热管从冷凝端(110)到蒸发端(112)测量的长度大于所述第一热管的相应长度；以及
耦接到所述歧管的第四热管，使得所述第四热管以逆时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机，其中所述第四热管从冷凝端到蒸发端测量的长度大于所述第二热管的相应长度。
3.根据权利要求1所述的冰保护系统(60)，其特征在于：进一步包括耦接到所述燃气涡轮发动机(10)的多个热管(100)，其中各所述热管包括整体形成的第一部分(120)、第二部分(122)和第三部分(124)，以使所述多个第一部分轴向定向成限定基本外接所述分流器(44)的径向内表面(132)的分段环(130)。
4.根据权利要求1所述的冰保护系统(60)，其特征在于：进一步包括耦接到所述燃气涡轮发动机(10)的多个热管(100)，其中各所述热管包括整体形成的第一部分(120)、第二部分(122)和第三部分(124)，其中所述第一部分形成为基本平行所述第三部分，并且所述第二部分形成为基本倾斜于所述第一和第三部分。
5.根据权利要求1所述的冰保护系统(200)，其特征在于：进一步包括：
耦接到所述燃气涡轮发动机(10)的第一多个热管(180)，以使所述第一多个热管以顺时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机，其中各所述第一多个热管从各所述热管冷凝端(110)到蒸发端(112)测量的长度不同；以及
耦接到所述燃气涡轮发动机的第二多个热管(182)，以使所述第二多个热管以逆时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机，其中各所述第二多个热管从各所述热管冷凝端(110)到蒸发端(112)测量的长度不同。
6.一种燃气涡轮发动机(10)包括：
风扇组件(12)；
所述风扇组件下游的助推器(22)；
所述助推器下游的高压压缩机(14)；
外接所述助推器的分流器(44)；以及
冰保护系统(60)，包括：
耦接到所述燃气涡轮发动机的歧管(102)，以使所述歧管耦接为与热源热连通；
耦接到所述歧管的第一热管(100)，以使所述第一热管以顺时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机；以及
耦接到所述歧管的第二热管，以使所述第二热管以逆时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机；
其中，所述热源包括润滑油箱(162)，并且所述歧管(102)与所述油箱耦接，所述歧管(102)还包括与所述油箱流动连通的入口以及与油箱流动连通的出口，以使润滑流体能够从所述歧管中导引通过。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于：所述冰保护系统(60)进一步包括：
耦接到所述歧管(102)第三热管(100)以使所述第三热管以顺时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机，其中所述第三热管从冷凝端(110)到蒸发端(112)测量的长度大于所述第一热管的相应长度；以及
耦接到所述歧管的第四热管以使所述第四热管以逆时针方向部分外接所述燃气涡轮发动机，其中所述第四热管从冷凝端到蒸发端测量的长度大于所述第二热管的相应长度。
8.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机(10)，其特征在于：所述冰保护系统(60)进一步包括耦接到所述燃气涡轮发动机的多个热管(100)，其中各所述热管包括整体形成的第一部分(120)、第二部分(122)以及第三部分(124)，以使所述多个第一部分轴向定向为限定基本外接所述分流器(44)的径向内表面的分段环(130)。
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