热交换器集成的制作方法

1.本发明涉及一种改进的齿轮传动涡扇发动机，特别是涉及这种发动机的前中心主体(fcb)。更具体地是，本发明涉及用于齿轮传动涡扇发动机的冷却布置。


背景技术：

2.与常规的燃气涡轮发动机相比，齿轮传动涡扇发动机能够提供更高的推进效率。这通过提供位于风扇(处在发动机前部)和发动机驱动轴(其本身由发动机后部处的涡轮驱动)之间的齿轮箱来实现。驱动轴的旋转引起齿轮箱的旋转，齿轮箱的旋转又引起风扇的旋转。
3.根据所使用的齿轮箱，可以选择齿轮比以匹配发动机的最佳转速和/或使风扇的转速最大化。例如，行星齿轮箱在紧凑的壳体内提供极高的齿轮比，并且通常用于齿轮传动涡扇设计中。
4.操作与燃气涡轮发动机的驱动轴联接的齿轮箱会导致极高的转速和随之产生的热量。尽管行星齿轮箱可以是高效的(效率大约在99.5％)，但是能量损失作为热量耗散。
5.为了冷却齿轮箱，常规的布置使用发动机的旁路通道中的冷空气来冷却齿轮箱，并移走和控制热量。这允许使用旁路通道中的冷空气方便地冷却齿轮箱。从齿轮箱到位于发动机的外部旁路通道附近的热交换器的油通道用于将来自齿轮箱中的油的热交换给通过旁路通道的冷空气。齿轮箱因此可以被冷却。
6.尽管这种布置增加了旁路通道的重量和复杂性，但有利地是，它允许使用高速穿过发动机的旁路通道的充足冷空气来方便地冷却齿轮箱。这种常规布置具有足够的冷却能力，以用来冷却甚至更大且更高比率的齿轮箱。
7.然而，本发明人已经建立了一种可以冷却这种发动机中的齿轮箱的违反直觉的方式。该布置允许以更紧凑且更有效的方式在更少的部件和复杂性的情况下来冷却齿轮箱(例如行星齿轮箱)。这种布置还允许减轻齿轮箱的冷却系统的重量，这也有利地减轻了发动机的总重量。


技术实现要素：

8.在所附权利要求书中阐述了本发明的各个方面。
9.从第一方面来看，提供了一种用于齿轮传动涡扇发动机的前中心主体(fcb)结构，该fcb包括中心叶毂和与所述叶毂间隔开的同轴的护罩，并且在叶毂和护罩之间限定用于将空气传送到压缩机的环形通路，该主体包括从叶毂跨过所述通路延伸到护罩的多个叶片，其中一个或多个叶片在叶片内设有流体通路，该流体通路从叶片的与叶毂相交的一部分延伸并返回到叶片的与叶毂相交的所述一部分。
10.叶片中的流体通路为冷却剂提供了流体路径，从而允许每个叶片起到热交换结构的作用，该热交换结构能够将热量消散到在叶片上和叶片周围通过的气流中。所述环形通路是低压压缩机的入口导管。
11.这种构造与燃气涡轮发动机设计的常规思维有很大的不同。众所周知的做法是将尽可能冷的空气引入到燃气涡轮的压缩机中。这最大化了压缩。根据本文所述的布置，有意地是将热量引入到压缩机的入口导管，这本身是违反直觉的。
12.有利地是，每个流体通路可以被包含在相应的叶片内。在这样做时，叶片不作为供管子仅仅通过的管道，而是作为热交换器，因为通路包含在叶片内，以消散热。
13.每个叶片可以在叶毂和护罩之间延伸，并且在叶片的相对径向端部处彼此相交。叶片可以围绕叶毂均匀地周向间隔开。有利地是，这通过每个叶片从叶毂径向地延伸通过进入压缩机的气流而允许围绕叶毂的周围进行热传递。
14.有利地是，每个叶片可以具有从叶毂到叶片的流体入口和从叶片到叶毂的流体出口。然后，流体通路可以布置用以在使用中将冷却剂从齿轮传动涡扇发动机的齿轮箱经由相应的入口和出口传送通过一个或多个叶片。因此，叶片内的每个通路为齿轮箱提供了冷却剂回路的一部分。冷却剂可以是齿轮箱油本身，或者冷却剂可以是辅助回路冷却剂，该辅助回路冷却剂已经通过齿轮箱中或齿轮箱上的合适的热交换布置从齿轮箱收集热量。
15.有利地是，叶片可以是中空的，以使重量最小化。每个叶片具有周边壁，该周边壁具有：外表面，空气被配置为顶着外表面流动；和相对的内表面，所述内表面面向中空叶片的内部。叶片用于将进入发动机的空气引导到压缩机内，并且因此高速空气冲击叶片的外表面，从而导致叶片温度降低。为了充分利用叶片壁的较低温度，流体通路可以布置成靠近叶片的内表面。因此，这最大化了从流体路径进入到经过叶片表面的气流的热消散。
16.流体通路可以在每个叶片内具有任何合适的路径。例如，路径可以以往复或蜿蜒形状在从叶毂朝向护罩的方向和从护罩朝向叶毂的方向上交替。这使得通路中的流体与较冷的叶片壁的接触最大化。
17.流体通路可以与叶片壁的内表面接触，以充分地使接触最大化并通过传导到叶片壁中引起热消散。此外，为了进一步优化热消散，流体通路可以布置在叶片的前缘处或朝向叶片的前缘布置。在前缘处，空气直接冲击叶片表面，从而沿着叶片的前缘产生冷区。因此，流体通路可以靠近叶片的前缘部分或者沿着叶片的前缘部分延伸。
18.可替代地是或另外地是，流体通路可以是布置在叶片的壁内的空腔的形式。例如，至少一个空腔可以设置在叶片的内表面和外表面之间，以在所述叶片内限定至少一个所述流体通路。这种布置提供了供冷却剂可以顶着流动的大表面积。有利地是，该空腔可以从叶片的前缘朝向叶片的尾缘延伸。这可应用于叶片的压力侧和/或吸力侧。实际上，叶片的任一侧表面都可以用作热交换表面。由于空气在飞行中不断冲击并流过叶片表面，因此这提供了高效的热传递表面。
19.为了进一步增强压缩机的入口导管的传热性能，叶毂表面和护罩表面也可以用作热交换表面。具体而言，护罩可设有在径向内壁和径向外壁之间延伸的周向空腔。该空腔可以沿着所述环形通路的轴向长度的全部或部分长度延伸。例如，空腔可以从入口导管的前缘朝向压缩机延伸到与叶片的尾缘相同的距离。
20.类似地是，叶毂可以设有在径向内壁和径向外壁之间延伸的周向空腔。同样，该空腔可以沿着所述环形通路的轴向长度的全部或部分长度延伸，例如从导管的入口延伸到叶片的尾缘。护罩中的空腔和/或叶毂中的空腔可以方便地在相邻的叶片之间延伸。
21.实际上，热交换器具有4个侧面，这4个侧面围封出低压压缩机的入口导管的两个
相邻叶片之间的空间。这优化了入口导向叶片结构的热传递特性。
22.根据齿轮箱的冷却需求以及叶毂和护罩的径向尺寸(叶毂/护罩的直径越大，择叶片的周围面积和径向长度越大)，叶片、护罩和叶毂表面的全部或子集可用于热传递。
23.冷却剂或流体可以在任何合适的位置处引入叶片。有利地是，冷却剂或流体可以在叶片的上游端引入，并且出口在叶片的下游端。因此，最热的冷却剂可以被引向叶片的前缘，以使热传递最大化。
24.有利地是，形成4个热传递区域的流体通路和空腔可以彼此流体连通，使得冷却剂可以流过每个通路/空腔以实现冷却。例如，冷却剂可以同时(或顺序)被引向每个叶片、叶毂和护罩的前缘。
25.另外地是或可替代地是，可以允许流体从一组4个冷却表面流动到周向地围绕叶毂的相邻一组。这可以通过分阶段冷却冷却剂来增强冷却剂的冷却。
26.从另一个方面来看，提供了一种齿轮传动涡扇发动机，其包括本文描述的结构。
27.从又一个方面来看，提供了一种齿轮传动涡扇发动机，其包括至少一个入口导管，该入口导管被布置用以在使用中将空气传送到低压压缩机，其中入口导管包括多个叶片，并且其中一个或多个叶片设有与所述发动机的齿轮箱热连通的内部热交换器。
28.从再一个方面来看，提供了一种对齿轮传动涡扇发动机中的齿轮箱进行冷却的方法，所述方法包括以下步骤：使冷却剂从发动机的齿轮箱中收集热量，并通过位于所述发动机的低压压缩机的入口中的至少一个叶片来消散热量。
29.如上所述，将压缩机入口用作热交换器本质上是违反直觉的。然而，本发明人已经确定，引入的热量的量虽然有损于压缩机的性能，但不会对性能造成灾难性影响。事实上，这种布置提供的显著优势超过了性能下降的缺点。
30.例如，本文描述的布置提供了许多优点，包括：
31.1.零件数量减少。可以减少传统上对齿轮传动涡扇发动机中的齿轮箱进行冷却所需的部件，包括减少将流体传送出到旁路通道并返回所需的管道。
32.2.紧凑的解决方案。这种布置充分利用了fcb的润湿表面区域(供空气顶着流动的表面)来实现热交换效果。
33.3.增加了功能。fcb具有集成的热交换功能。
34.4.减少油起泡。该紧凑的布置降低了空气和油混合在一起而在齿轮箱内产生“泡沫”的可能性。
35.5.减少了油量。该布置的尺寸减小使得冷却齿轮箱所需的油量减少。
36.本文所描述的冷却布置还可适合于与发动机的旁路通道中或周围的热交换器流体连通。靠近旁路通道内的气流的流体通道可以方便地将来自冷却流体的热量辐射到旁路通道内的高速气流中。通过将本文所描述的前中心主体热交换器与这种旁路通道布置流体连接，可以在极端温度下选择性地进行额外的冷却。这增强了本文描述的布置，以提供高容量的冷却布置。
37.本文描述的发明可以扩展至齿轮箱控制布置，在该齿轮箱控制布置中，流体控制阀能够操作，以响应于齿轮箱内或齿轮箱流体内的温度传感器来实现冷却。
附图说明
38.现在将仅通过示例的方式并参考以下附图来描述本发明的一个或多个实施例，在附图中：
39.图1示出了齿轮传动涡扇发动机的横截面；
40.图2示出了穿过齿轮传动涡扇发动机的横截面；
41.图3示出了穿过本文描述的热交换器布置的横截面；
42.图4示出了包含热交换管道的一对导向叶片；
43.图5示出了前中心主体的冷却区域；
44.图6示出了穿过与护罩和叶毂相交的单个叶片的流体通路；
45.图7示出了穿过护罩的壁的横截面；
46.图8示出了穿过叶片的横截面；
47.图9示出了流体路径的可替选的蜿蜒布置；
48.图10a、图10b和图10c示出了邻近叶片内表面的流体路径的布置；和
49.图11和图12涉及本文描述的热传递计算。
50.在本说明书中对现有技术文献的任何引用不被认为是承认这种现有技术是众所周知的或者形成本领域公知常识的一部分。如本说明书中所使用的是，词语“包括(comprises)”、“包括(comprising)”和类似词语不应被解释为排他性或穷举性的。换句话说，它们旨在表示“包括但不限于”。参考本文描述的示例进一步描述本发明。应当理解，所要求保护的本发明并不旨在以任何方式受到这些实施例的限制。还将认识到，本发明不仅覆盖各个单独的实施例，还覆盖本文描述的实施例的组合。
具体实施方式
51.图1示出了齿轮传动涡扇发动机1的横截面，该齿轮传动涡扇发动机1包括如下详细描述的根据本发明的导管。
52.技术人员将理解燃气涡轮发动机的主要部件及其操作。总之，发动机1包括进气口2，该进气口2允许空气流入发动机并流向位于发动机上游端的风扇3。所有部件都容纳在发动机机舱4内。
53.发动机包括位于风扇下游的旁路通道，和包含压缩机、燃烧室和涡轮的中央发动机核心。发动机的核心由第一低压压缩机5和第二高压压缩机6形成。这种多级压缩机布置将空气从环境压力和温度带到高温和高压。压缩空气然后被传送到燃烧室7，在燃烧室7中，燃料被喷射并且燃烧发生。
54.燃烧气体从燃烧室7的后部排出，并且首先冲击高压涡轮9，然后冲击第二低压涡轮，之后通过核心喷嘴11离开发动机的后部。来自发动机的推力由两股气流产生：第一股来自风扇喷嘴8(接收来自风扇的推力)，并且第二股来自核心喷嘴11的排气。
55.转向发动机的操作，齿轮传动涡扇(gtf)发动机与普通的燃气涡轮发动机不同，因为沿发动机长度延伸的居中定位的轴13在上游端联接到齿轮箱14。齿轮箱允许风扇以不同于压缩机的速度旋转，并允许风扇和压缩机的相对速度被优化。具体来说，传动比允许风扇以低于压缩机的较低速度旋转。
56.为了减轻重量，一种方便使用的齿轮箱是行星齿轮箱，即，具有居中定位的太阳齿
轮和多个(通常为3个)周向定位的行星齿轮的齿轮箱，这些行星齿轮与中心太阳齿轮啮合并且当太阳齿轮自身旋转(在这种情况下是通过压缩机轴13旋转)时相对于太阳齿轮旋转。
57.取决于齿轮箱是如何构造的(本领域技术人员将会很好地理解)，齿轮箱的输出可以连接到行星齿轮(通过齿轮架)，或者可替代地是，连接到围绕行星齿轮的环形齿轮(也与行星齿轮啮合)。
58.在当前情况下，齿轮箱的输出联接到包括多个风扇叶片3的风扇叶片叶毂15。在运行中，低压轴驱动齿轮箱，该齿轮箱又驱动风扇。然后，空气被驱动穿过发动机，穿过旁路通道8并穿过核心(包含压缩机和燃烧器)。
59.虽然gtf发动机效率很高，但其设计的一个缺点是齿轮箱会变得非常热，并且需要冷却。常规上，冷却是通过大型储油器、泵和冷却回路来实现的。冷却回路将齿轮箱的油槽(即包含冷却剂和润滑剂的齿轮箱主体)流体连接到热交换器，该热交换器可以从冷却剂(通常是油)中消散热量，并将冷却剂返回到齿轮箱。因此，结合泵使用这种冷却回路可以方便地冷却齿轮箱。热交换器可以方便地位于例如发动机的外表面上，以便受益于当齿轮箱以最大速度运行时发动机将在高处经受的冷气流。这额外地移走了发动机的热量，否则这些热量会增加发动机的整体运行温度。在gtf发动机中，需要从齿轮箱消散的热量比正常情况下高得多，从而需要旁路通道内的或旁路通道周围的额外的热交换能力。
60.根据本文描述的发明，使用了非常规的方法，其中冷却在发动机内部进行，特别是在用于向压缩机供应空气的管道内部进行。
61.如下所述，根据本发明，热量被交换到将空气引入发动机核心(或低压压缩机)的导管中。行业惯例认为对进入压缩机的空气进行加热对发动机性能是非常不利的。因此，常规的布置使用在旁路通道中以及在旁路通道周围可利用的方便充足的冷空气。
62.转向图2，示出了穿过齿轮传动涡扇发动机的横截面。
63.gtf发动机包括入口导管16，该入口导管16接收穿过叶片3的空气。入口导管16包括多个导向叶片17，如图2中阴影横截面17所示。应当理解，入口导管是围绕叶毂周向地延伸的环形通路并且被布置用以将空气传送到低压压缩机5，该低压压缩机5也围绕轴线13的周边延伸。空气通过导管16并经过多个径向延伸的导向叶片17而被吸入压缩机5。导向叶片是中空的，并且用于将气流朝向压缩机5引导。
64.常规的齿轮箱冷却通过使用旁路通道8中的冷空气来实现，在旁路通道8中，空气可以被转移到热交换器中。相比而言，本发明为发动机核心部分内的齿轮箱提供冷却，特别是在空气入口导向叶片17中提供冷却。
65.如图3示意性所示，冷却剂路径18布置在导向叶片17内。冷却剂18来自齿轮箱17，在齿轮箱17中，通过齿轮的旋转和啮合产生热量。润滑剂或冷却剂(例如油)用于收集齿轮箱14内的热量。然后，油直接地或通过主热交换器19被引导至冷却剂路径或通路18。冷却剂可布置成直接流到流动路径或通路18(由虚线示出)，或者可布置成流过热交换器(其操作将被本领域技术人员理解)。
66.如上所述，从齿轮箱直接或间接流到导向叶片17内的热交换布置的冷却剂流完全违反直觉。
67.图3还示出了护罩20和叶毂21。叶毂21的表面随着发动机旋转，并且护罩保持静止。叶毂和护罩之间的环形空间限定了压缩机5的入口导管16。该环形空间围绕发动机核心
周向地延伸。
68.图4示出了一对相邻的叶片22a、22b。叶片在叶毂21的外表面和护罩20的内表面之间延伸，该对叶片均与叶毂21的外表面相交，并且它们同样与护罩20的内表面相交。如图4所示，每个叶片22a、22b设有流体/冷却剂入口23a、23b和相关的流体/冷却剂出口24b(23b在图4中不可见)。每个叶片具有前缘24a、24b和尾缘25a、25b。前缘意味着在气流方面在前面。
69.如图4所示，有利地是，流体或冷却剂可以被引向叶片的前缘。因此，处于最高温度的流体/冷却剂在叶片的最冷区域(即前缘)被引入叶片。流体或冷却剂可例如从周向歧管26引入，该周向歧管26允许每个叶片与齿轮箱或齿轮箱热交换器流体连通。
70.当气流在相邻的叶片之间以及在叶毂21和护罩20之间通过时，导致空气冲击多个表面，从而使热交换最大化。这在图5中显示出来。
71.图5示出了只有4个叶片17的简化入口导管。可以顶着和沿着发生热传递的表面如下所示：
72.a
–
叶毂的外表面；
73.b
–
护罩的内表面；
74.c
–
叶片的压力侧；和
75.d
–
叶片的吸力侧。
76.因此，热交换可以发生在面向气流的导管的任何面上。
77.图6、图7和图8示出了在叶片和护罩/叶毂内的流体通路的一种布置。
78.图6示出了穿过与护罩20和叶毂21相交的单个叶片17的横截面。图6还示出了护罩空腔26和叶毂空腔27，护罩空腔26和叶毂空腔27形成在护罩的壁和叶毂的壁内，并且紧邻气流通道(导管)布置。如所示的是，这两个空腔沿着通道的长度延伸。
79.图6还示出了冷却剂入口28和冷却剂出口29。所述入口和出口允许冷却剂被引入空腔26、27，并沿着各空腔(邻近护罩和叶毂的壁)流向它们各自的出口。因此，这允许通过将热量从空腔中的冷却剂传导到气流通道内的气流来进行热交换。
80.转向图7，示出了穿过护罩21的横截面a-a’。如所示的是，空腔形成在护罩的内壁和外壁之间(或者护罩的靠近导管的部分)。该空腔接收冷却剂(例如油)，并将冷却剂从入口沿着空腔传送到出口。
81.图7还示出了多个翅片29，这些翅片29可以从护罩壁延伸到气流中。这可以显著增加护罩的导热性，从而增加冷却剂的散热。将会认识到，可以将类似的特征添加到叶毂表面(未示出)。
82.图8示出了穿过叶片17的横截面b-b’。如所示的是，叶片17包括与叶片的外表面或壁相邻的流体通路30。如箭头所示，流体通路布置用以将冷却剂从前缘24a沿着叶片的长度传送到尾缘25a。如所示的是，冷却剂可从齿轮箱通过入口31引入，并从出口32返回到齿轮箱。
83.图9示出了叶片17内的流体路径的可替代的蜿蜒布置。在这种布置中，冷却剂被配置为从叶毂到护罩以交替方向流过叶片，并且从前缘流向尾缘，在尾缘处，冷却剂从叶片流出，以返回齿轮箱。如上所述，有利地是，流体路径可以邻近叶片的内表面，以便最大化散热。
84.图10a、图10b和图10c示出了邻近叶片的内表面的流体路径的布置(与图8所示的空腔形成对比)。图10a对应于图9所示的布置。图10b和图10c示出了沿着叶片的内表面布置的流体路径的示例。
85.图11和图12涉及下文第15页讨论的热传递计算。
86.参考图11，为了移走由齿轮箱所产生的热量，使用了油系统。通过齿轮箱加热的油然后被重新引导通过fcb热交换器，在fcb热交换器中，核心中的冷空气被用作冷却介质。
87.为了检查这一构思的可行性，将所需的冷却能量(即齿轮箱传动损失的能量)与在fcb热交换器中可促进的量的可用能量进行比较。用于冷却的可用能量的量(preq)是表面积(afcb)、热传递系数(htceq)和冷侧与热侧之间的温差(toil
–
tgas)的函数。
88.p
req
＝p
fan
(1-η
gearbox
)
89.p
abailable
＝a
req
htc
eq
(t
oil-t
gas
)
[0090][0091]afcb
＝a
endwalls
a
struts
[0092]
现在的问题是：需要多大的表面积将油的温度保持为低于某个阈值。典型的油的合理最高温度估计为435k。热传递系数(htc)是热介质和冷介质的函数，并且估计为htcgas＝200，并且htcoil＝3000，因此等效htc变为：
[0093][0094]
风扇功率和核心温度取自代表性的齿轮传动涡扇发动机(vink，参见图1)，其中涵道比为15，总压力比为70，并且推力范围为84千磅力。
[0095]
p
req
＝p
fan
(1-η
gearbox
)＝15000(1-0.995)＝74.85kw
[0096]
t
gas
＝284k
[0097][0098]
为了评估所需的热交换器表面积是否可行，将其与vink发动机的初步布局进行比较。图12显示了可用的冷却表面积。假设vink发动机中的fcb具有19个支柱，总表面积足以使热交换器冷却齿轮箱：
[0099]ahub
＝0.793m2[0100]ashroud
＝0.852m2[0101]ablade
＝1.04m2[0102][0103]
本发明的各方面扩展至一种使用齿轮传动涡扇发动机的入口导管内的气流来冷却这种发动机的齿轮箱的方法。