CN101135268A - 用于涡轮发动机的使用热管的传热系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供用于包括环形进口罩(14)类型的涡轮发动机的传热系统。该传热系统包括布置成与该外壳的内部接触的至少一个热管(28)。该热管热联接到热源，使得来自该热源的热能够传递通过该热管(28)且进入该进口罩(14)。

Description

用于涡轮发动机的使用热管的传热系统和方法
技术领域
本发明一般地涉及涡轮发动机，且更特定地涉及在燃气涡轮发动机中使用热管用于传热的系统和方法。
背景技术
燃气涡轮发动机使用增压油润滑和冷却不同的部件(例如轴承等)。该油在过程中吸取显著的热，热必须被排出以维持油温在可接受的范围内。现有技术燃气涡轮发动机经常采用热交换器以使用相对冷的气流例如风扇排气冷却发动机油。在涡扇发动机中，这种热交换器经常定位在风扇通道流动路径中。这种构造导致压力损失和因此显著的燃料燃烧恶化。已估计与这种构造类型关联的燃料消耗率(SFC)恶化可能高达1％。也存在与这种构造关联的成本和重量恶化。
此外，在一些发动机中，暴露的部件例如进口罩的唇缘在某些环境条件下附有冰。发动机内和暴露的发动机结构上的冰积聚可能是显著的。附着的冰可以导致风扇流动路径的局部阻塞和风扇不稳定。积聚的冰也能够突然地脱落，例如通过发动机的连续运行，从较低功率运行到较高功率运行的节流阀暴发，或者由于紊乱或者冰附着的不对称的振动。
存在用于防冰的不同的现有技术方法，例如，以增加的运行温度运转发动机，从发动机压缩机引导高温放气至暴露的表面，在运行前用去冰溶液喷射发动机，和电阻加热。然而，所有这些方法具有不同的缺点。增加的运行温度和放气系统可能降低发动机性能。为了保护发动机，在起飞和其他高功率运行时，这种系统也可能需要阀切断高温空气的流动。去冰流体提供仅有限时间的保护。为了进行去冰运行，电加热需要大量的电，且可能要求附加的发电机、电路和与飞机计算机一起的复杂的交互逻辑，伴随增加的成本、重量和性能恶化。
发明内容
本发明解决尤其在现有技术中上述的缺点，其提供传热系统，该传热系统从发动机润滑油去除废热且传递该热至需要加热的发动机部件，例如用于防冰或者去冰的目的。热使用重量轻的、密封的、且被动的热管传递，而不需要阀或者泵。此外，热管可以使用不易燃的工作流体以避免在发动机内着火危险。
依据一方面，本发明提供用于包括进口罩的涡轮发动机的传热系统。该传热系统包括：具有与进口罩的内部接触布置的至少一段的至少一个热管，该热管热联接到热源，使得来自该热源的热能够通过该热管传递到该进口罩。
依据另一方面，燃气涡轮发动机包括：进口罩；多个热管，每个热管的至少一段靠着该进口罩的内部表面布置；和热联接到热管的热源，使得来自该热源的热能够通过该热管传递到该进口罩。
依据另一方面，提供用于在具有进口罩的涡轮发动机内传热的方法。该方法包括：提供多个热管，每个热管的至少部分靠着该进口罩的内部表面布置；热联接热管至热源；且从该热源接收热至该热管内且传递该热至该进口罩。
附图说明
通过参见如下的描述结合附随的图可以最好地理解本发明，其中：
图1为依据本发明的一方面构建的包括传热系统的燃气涡轮发动机的风扇模块的部分的透视、部分地剖视图；
图2为图1的风扇模块的部分的放大的剖视图；
图3为安装至图1的风扇模块的热交换器的放大的透视图；
图4为围绕图1的风扇模块的圆周布置的热管的构造的放大的透视图；
图5为显示图4的热管的一个的截面形状的图；
图6为围绕图1的风扇模块的圆周布置的热管的可替换的构造的放大的透视图；和
图7为显示图6的热管的一个的截面形状的图。
图8为图1的风扇模块的部分的透视图，其显示热管至热交换器的可替换的排列。
图9为沿着图8的线9取的截面图；
图10为连接到联接器的可替换的构造内的一对热管的截面图；和
图11为连接到联接器的另一可替换的构造内的一对热管的截面图；
具体实施方式
参见图，其中同一的附图标记贯穿不同的图代表相同的元件，图1和2图示燃气涡轮发动机的风扇模块10的部分，包括环绕旋转风扇(未显示)的环形风扇外壳12。该风扇外壳12也被环形风扇罩环绕，为了清楚其未显示。环形进口罩14布置在该风扇外壳12的前面。该进口罩14具有一般地“U”形截面，使得弯曲部分限定进口唇缘16，一般地轴向从进口唇缘16向后地延伸的内部壁18，和一般地轴向从进口唇缘16向后地延伸的外部壁20。该内部壁18形成用于空气进入该风扇外壳12的流动路径，且该外部壁暴露至外部空气流。本发明同样地可应用于缺少风扇罩的其他发动机构造，例如纯涡轮喷气发动机或者涡轮螺桨发动机。
热交换器22安装在该风扇外壳12的外侧。该热交换器22可以简单地为有开口内部的壳体。在该图示的示例中，油通过回油管线24从该发动机的润滑系统进入该热交换器22。在离开该热交换器22后，它进入储存罐25直至需要，此时它通过供应管线26流回至该发动机的润滑系统。连接至该回油和供应管线24和26的油储存、循环、和分配系统的其他部分在该燃气涡轮发动机领域内是常规的，且在此不讨论。如果希望，该热交换器22能够连接至另一类型的热源，例如放气管线、电源、或者该发动机内的另一流体系统。
多个热管28围绕该风扇外壳12安装。每个热管28包括后段30、和前段32，以及在其之间的过渡段33。该后段30一般地轴向延伸。其长度取决于该热交换器22和该进口罩14之间的距离。
根据图示，该前段32以圆周的阵列布置在该进口罩14内。一般地，认为该前段32具有与该进口罩的形状相符的形状是希望的。如图4中显示，每个前段32一般地为“U”形且具有靠着该内部壁18的内部放置的内部腿34，靠着该外部壁20的内部放置的外部腿36，和靠着该进口唇缘16的内部放置的弯管38。如果希望，该前段32可以靠着该进口罩14固定到位，例如通过支架、粘合剂、焊接、紧固件等。如果需要与该进口罩相符，或者如果希望加热其的仅部分，通过改变腿34和36的相对长度，该前段32构造成“J”或者“L”形也是可能的。
如果需要，该热管28的特征，特别是其前段32的特征，可以变换以适应其个别的定向。例如，在该进口罩14的底部有水平的前段32的热管28，或者有垂直的前段32的热管28，可以要求设计提供比在该进口罩14的顶部有前段32的热管28更强的毛细管作用以确保足够的冷凝物返回。
该过渡段33互相连接该后段30和该前段32。其尺寸和形状取决于该关联的前段32的定位，但是该过渡段33的大多数将一定程度地周向延伸。例如，热管28A的前段32A定位于该进口罩14的底部或者“6点”位置附近，因此仅要求短的过渡段33A。相反，热管28B的前段32B定位于该进口罩14的顶部或者“12点”位置附近，与该热交换器22的周向位置很远。因而，该过渡段33具有相对长的、弓形的形状。
该热管28的每个的大部分用合适类型的热绝缘件(未显示)覆盖以最小化传热。每个前段32，或者其中的至少部分为未绝缘的。图2中的阴影图示代表性的未绝缘部分39能够被定位的位置。该未绝缘部分39称为“冷”或者“冷凝器”端40。需要注意的是，涉及该热管28使用时，术语“热”、“蒸发器”、“冷”、和“冷凝器”描述该热管28在相对高或者低温度的区域内的定位，且不涉及该热管28本身结构的任何特定方面。
尽管在图5中显示为圆形，靠着该风扇外壳12放置的该热管28的该部分可以形成为椭圆形、平的、或者其他非圆形的截面形状以适应希望的截面区域同时改善容积包装或者传热。例如，图6和7图示布置在进口罩14’内侧且具有一般地椭圆形的截面的可替换的热管28’。
每个热管28具有带有限定腔44的封闭端的延长的外部壁42。该腔44衬有毛细管结构或者芯吸件(wick)(未显示)且保持工作流体。不同的工作流体，例如气体、水、有机物质、和低熔点金属已知用于热管中。该工作流体可以是不可燃的，以致在该热管28泄漏或者断裂时避免引入着火危险到该风扇外壳12的区域中。
如在图3中最清楚地看到，每个热管28的一端布置在该热交换器22的内部。该部分称为“热”或者“蒸发器”端46。
该热管在传热方面高度有效。例如，其有效热传导率比实心铜高几个数量级。该热管的数量、长度、直径、形状、工作流体、和其他的性能参数基于在发动机运行期间传热的希望的程度选择。该热管28的运行在下文更详细地描述。
附加的热绝缘件，其为了清楚未图示，可以提供在该传热系统内任一希望防止热损失的地方。例如，绝缘件可以围绕该热交换器22的外部放置。
图8-11描绘热管128的可替换排列。该热管128在其总体形状、尺寸、和功能方面与热管大致类似。然而，每个热管128为复合热管，其包括被该进口罩14(参见图2)支撑的前部热管130和被该风扇外壳12支撑的后部热管132。该前部热管130在形状和尺寸方面与上述热管28的前段32和过渡段33粗略地相应，后部热管132在形状和尺寸方面与上述热管28的后段30粗略地对应。在前部热管130相遇后部热管132的每个位置处，两个使用联接器134结合在一起。联接器134由具有相对地高的热传导率的材料制成，例如金属合金，且被组装、联结、模制、或者其他围绕该前部和后部热管130和132形成。在图9中显示的示例中，该前部和后部热管130和132为圆形截面且沿着轴向平行于该联接器的长度的线基本地互相接触。使用这种构造，该前部热管130能够从该后部热管132分离，例如通过在该联机器134处断开它们。这能够用于简化维持和组装，例如，通过允许该进口罩14从该风扇外壳12去除而不完全去除该复合热管128。
在该前部和后部热管130和132之间的接合处可以以多种方式形成以增加传热效率。例如，图19描绘可能的构造，其中在该联接器134内两个热管之间的空隙中布置填充物136。可以使用任何有相对地高的热传导率的材料，例如金属、导热胶、或者塑料。该填充物136的使用有效地增加在该前部和后部热管130和132之间的表面区域接触，从而改善传热。
图11描绘使用修改的前部和后部热管130’和132’的另一可能构造。该被包含在联接器134内的前部和后部热管130’和132’的至少部分形成互补的非圆形的形状，使得该前部和后部热管130’和132’具有带有大致相符的接触以提高传热的邻接壁138和140。
在运行中，从该发动机的不同部分吸取热的油循环进入该热交换器22，其中它加热该热管28的热或者蒸发器端46。该热去除冷却该油至可接受的工作温度，使得其能够流进该存储罐25且随后再循环通过该发动机。在该热管28内的工作流体吸取该热并蒸发。产生的蒸汽然后行进通过该腔44，且在该热管28的冷部分40处冷凝，从而传热至该冷部分40。从该热管28的一端延伸至其它端的芯吸件或者其他毛细管结构通过毛细作用传输该冷凝液体回到该热端46，从而完成回路。取决于该热管28的定向，该毛细管结构可以不是必需的。如果使用复合热管128，发生类似的过程，但是热从该热交换器22传至该后部热管132，然后通过该联接器134从该后部热管132传至该前部热管130。在任一情况下，热从该热管28或者128传至该进口罩14。取决于加热率，到进口罩14的传热有效地防止冰形成(也就是防冰)和/或者去除在该进口罩14上已经形成的冰(也就是去冰)。
这里描述的被动的传热系统不需要阀且为密封的。该热管的数量、尺寸和位置能够选择，以提供需要的热去除和传热。取决于选择的精确的构造，该系统性能可以用于仅防冰或者去冰、或者仅用于油冷却，或者用于两个目的。该传热系统利用在发动机的一个部分内不希望的热且在需要热的该发动机的另一部分使用该热，避免与现有技术冷却系统关联的损失和分离防冰热源的需要。
尽管已经描述本发明的特定的实施例，对本领域的技术人员显而易见的是，可以产生另外的不同的改动而不偏离本发明的精神和范围。因此，本发明的该优选的实施例的前述描述和用于实施本发明的最佳模式仅提供用于图示的目的而不用于限制的目的，本发明由权利要求书限定。
零件列表
风扇10
风扇外壳12
进口罩14
进口唇缘16
内部壁18
外部壁20
热交换器22
回油管线24
存储罐25
供应管线26
多个热管28
后段30
前段32
过渡段33
内部腿34
外部腿36
弯管38
未绝缘部分39
冷凝器端40
延长外部壁42
腔44
蒸发器端46
复合热管128
前部热管130
后部热管132
联接器134
填充物136
邻接壁138
邻接壁140

Claims (10)

1.一种用于包括进口罩(14)的涡轮发动机的传热系统，该传热系统包括：
具有与该进口罩(14)的内部接触布置的其至少一段的至少一个热管(28)，该热管(28)热联接到热源，使得来自该热源的热能够通过该热管(28)传至该进口罩(14)。
2.根据权利要求1所述的传热系统，其中：该进口罩(14)具有一般地U形的截面；且
该至少一个热管(28)包括布置在该进口罩(14)内的一般地U形的前段、一般地轴向延伸的后段(30)、和互相连接该前段(32)和该后段(30)的过渡段(33)。
3.根据权利要求2所述的传热系统，其中该过渡段(33)至少部分地周向延伸。
4.根据权利要求1所述的传热系统，其中该至少一个热管(28)的至少端部分布置在适于接收通过其的加热的流体的流动的热交换器(22)的中空内部。
5.根据权利要求1所述的传热系统，其中该至少一个热管(28)包括：
连接到适于接收通过其的加热的流体的流动的热交换器(22)的第一端；
布置在该热管(28)的远端处的未绝缘部分(39)；和
布置在该第一端和该未绝缘部分(39)之间的绝缘部分。
6.根据权利要求1所述的传热系统，其中所述的至少一个热管(28)具有非圆形截面形状。
7.根据权利要求1所述的传热系统，其中该至少一个热管(28)为复合热管(128)，该复合热管(128)包括前部热管(130)和后部热管(132)，其通过环绕该前部和后部热管(130，132)的至少部分的热传导材料的联接器(134)互相热联接。
8.根据权利要求7所述的传热系统，其中该前部和后部热管(130，132)通过该联接器(134)维持互相物理接触。
9.根据权利要求8所述的传热系统，其中在该联接器(134)内和该前部与后部热管(130，132)之间限定的空间被热传导材料的填充物(136)占据。
10.根据权利要求8所述的传热系统，其中在联接器(134)内的第一和第二热管(128)的部分具有相互互补的、非圆形的形状且布置成大致互相相符接触。
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