热保护的热塑性管道和组件的制作方法

1.此发明大体上涉及燃气涡轮发动机，且特别地涉及流径结构，诸如燃气涡轮发动机内的冷却管道。


背景技术：

2.典型的燃气涡轮发动机包括涡轮机核心，其具有成串流关系的高压压缩机、燃烧器和高压涡轮。核心可以以已知的方式操作以生成初级气体流。在实际的应用中，核心典型地与其他元件（诸如动力涡轮、风扇、增压器等）结合，以产生用于特定应用（诸如转动螺旋桨、向飞行中的飞行器供能或驱动机械负载）的有用的发动机。
3.大体上，在燃气涡轮发动机内，用来包围热敏物品（诸如，引燃激励器和/或其他电子器件）的几个壳体定位在燃气涡轮发动机的“机罩下方”区域中。机罩下方区域中的温度可达到几百华氏度。例如，在风扇附近的燃气涡轮发动机的上游端部处，温度可为约149
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c（300
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f）。在燃烧器和/或涡轮附近的下游，温度可为约260
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c到371
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c（500
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f到700
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f）。这些是稳态操作温度。机罩下方温度在已关闭发动机之后的热浸条件期间甚至可能更高，因为已移除了冷却空气源。
4.结果，冷却管道或“送风管”用来使用来自相对冷的源的空气冷却这些壳体的内部。例如，用于涡轮风扇发动机的风扇排出空气典型地不超过121
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c（250
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f）且可用于冷却的目的。空气可通过诸如通风口或开口这样的合适器件从风扇放出，且然后被引导通过冷却管道。
5.冷却管道必须具有足够的结构强度以在操作期间支承它们自身的重量和任何气体压力负载。冷却管道还必须具有足够的温度能力，如此它们在操作期间暴露于相对高的温度时不失效。此外，冷却管道必须具有足够的隔离特性，使得来自外部环境的过量热量增益不进入冷却管道中，该热量将加热内部的空气且降低它的有效性或使它对于冷却目的无用。
6.一种已知的现有技术的燃烧使用利用诸如陶瓷纤维的覆盖物（其继而由片式钢箔屏障包绕）这样的常规隔热层（隔离物）隔离的金属管道（例如，不锈钢或镍）。一个已知的品牌在商品名min-k下销售。遗憾的是，此组合导致重的冷却管道。另一已知的现有技术的组合使用诸如环氧基体（固有地耐热）中的碳纤维这样的非金属复合材料。尽管比金属管道更轻，但生产很昂贵。


技术实现要素：

7.上文注意到的问题中的至少一个通过由热障材料包绕的低温可用的结构聚合材料形成的冷却装置来解决。
8.根据本文中描述的技术的一个方面，用于燃气涡轮发动机的冷却装置包括：限定空气流径的壁结构，该壁结构包括热塑性材料；以及包绕壁结构的热障层。
9.根据本文中描述的技术的另一个方面，燃气涡轮发动机包括：由壳包绕的涡轮机
核心；机罩，其包绕壳使得机罩下方区域限定在壳与机罩之间；以及设置在机罩下方区域中的冷却装置。冷却装置包括：限定空气流径的壁结构，该壁结构包括热塑性材料；以及包绕壁结构的热障层。
10.根据本文中描述的技术的另一个方面，用于燃气涡轮发动机的冷却组件包括：包括热塑性材料的内管；与内管流体连通连接且包括热塑性材料的壳体；以及包绕内管和壳体的热障层。
11.技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的冷却装置，包括：限定空气流径的壁结构，所述壁结构包括热塑性材料；以及包绕所述壁结构的热障层。
12.技术方案2. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述壁结构是管。
13.技术方案3. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述壁结构是包括多个面板的壳体。
14.技术方案4. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述热障层接触所述壁结构的外表面。
15.技术方案5. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述热障层与所述壁结构隔开以限定其间的气隙。
16.技术方案6. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述壁结构是热塑性复合物。
17.技术方案7. 根据技术方案6所述的装置，其中，所述热塑性复合物包括在聚醚醚酮的基体中固化的碳纤维。
18.技术方案8. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述热塑性材料包括聚醚醚酮。
19.技术方案9. 根据技术方案1所述的装置，其中，所述热障层是硅酮基材料。
20.技术方案10. 根据技术方案9所述的装置，其中，所述热障层呈围绕所述壁结构包绕的一个或多个片的形式。
21.技术方案11. 一种燃气涡轮发动机，包括：由壳包绕的涡轮机核心；机罩，其包绕所述壳使得机罩下方区域限定在所述壳与所述机罩之间；以及设置在所述机罩下方区域中的冷却装置，包括：限定空气流径的壁结构，所述壁结构包括热塑性材料；以及包绕所述壁结构的热障层。
22.技术方案12. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述冷却装置与所述机罩中的开口流体连通以从所述燃气涡轮发动机的风扇接收冷却空气。
23.技术方案13. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述冷却装置包括管。
24.技术方案14. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述冷却装置包括壳体，所述壳体包括多个面板。
25.技术方案15. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述壁结构为热塑性复合物，其具有在聚醚醚酮的基体中固化的碳纤维。
26.技术方案16. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热障层是硅酮基材料。
27.技术方案17. 一种用于燃气涡轮发动机的冷却装置，包括：包括热塑性材料的内管；壳体，包括多个面板，所述壳体与所述内管流体连通地连接且包括热塑性材料；以及包绕所述内管和壳体的热障层。
28.技术方案18. 根据技术方案17所述的装置，其中，热塑性复合物具有在聚醚醚酮的基体中固化的碳纤维。
29.技术方案19. 根据技术方案17所述的装置，其中，所述热障层是硅酮基材料。
30.技术方案20. 根据技术方案17所述的装置，其中，所述热障层与所述内管的外表面和所述壳体的外表面接触。
附图说明
31.参照连同附图进行的以下描述可最佳地理解本发明，在附图中：图1为包括示例性冷却管道和壳体的燃气涡轮发动机的示意性截面图；图2示出冷却管道的两件式构造；图3为图2的冷却管道的截面图；图4示出带有在两个件连接之后施加到连接点的热障的图2的冷却管道；图5为壳体的透视图；图6为沿着图5的线6-6截取的视图；以及图7为带有气隙的冷却管道的截面图。
32.零件列表10 燃气涡轮发动机11 中心线轴线12 壳14 风扇16 增压器18 高压压缩机20 燃烧器22 高压涡轮24 低压涡轮26 外轴28 内轴30 轴承32 风扇框架34 涡轮后部框架40 冷却管道41 核心机罩42 机罩下方区域44 冷却管道开口
46 壳体48 引燃器50 内管52 热障58 间隔物56 气隙60 线性管区段62 第二弯曲管区段64 紧固件70 内壳体72 前部74 后部76 左侧78 右侧80 底部82 顶部。
具体实施方式
33.参照附图（其中相同的参照标号表示贯穿各个视图的相同元件），图1绘出包括根据本发明的方面构造的冷却装置的燃气涡轮发动机10。尽管示出的示例是高旁通涡轮风扇发动机，但本发明的原理也可适用于其他类型的发动机（诸如低旁通涡轮风扇、涡轮喷气发动机、固定燃气涡轮等）。发动机10具有纵向中心线轴线11以及围绕中心线轴线11同心地设置且沿着中心线轴线11同轴地设置的外固定环状壳12。发动机10具有成串流关系布置的风扇14、增压器16、高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮22和低压涡轮24。高压压缩机18、燃烧器20、高压涡轮22限定涡轮机核心。在操作中，来自高压压缩机18的加压空气在燃烧器20中与燃料混合且被引燃，从而生成燃烧气体。通过经由外轴26驱动压缩机18的高压涡轮22从这些气体获得一些功。燃烧气体然后流入低压涡轮24，其经由内轴28驱动风扇14和增压器16。内轴28和外轴26可旋转地安装在轴承30中，轴承30自身安装在风扇框架32和涡轮后部框架34中。
34.要注意的是，如在本文中使用的那样，用语“轴向”和“纵向”两者是指与中心线轴线11平行的方向，而“径向”是指与轴向方向垂直的方向，且“切向”或“周向”是指与轴向方向和径向方向相互垂直的方向。如在本文中使用的那样，用语“前方”或“前部”是指在通过或围绕构件的空气流中相对上游的位置，且用语“后方”或“后部”是指在通过或围绕构件的空气流中相对下游的位置。此流的方向由图1中的箭头“f”示出。这些方向用语仅为了描述的方便而使用，且不需要由此所描述的结构的特殊定向。
35.核心机罩41包绕壳12，从而限定机罩下方区域42。如示出的那样，冷却管道40定位在机罩下方区域42中且连接在开口44与壳体46之间以向壳体46提供冷却空气。壳体46包含热敏构件和/或电子器件。例如，壳体46可包含引燃激励器（未示出），其用来向用于燃气涡轮发动机10的燃烧器20的引燃器48供能。如示出的那样，冷却管道40呈具有圆形截面的管
状管道的形式；然而，应了解的是，可使用其他合适的截面形状。单独地和共同地，冷却管道40和壳体46是“冷却装置”（如该用语在本文中所使用的那样）的示例。
36.开口44允许冷却空气从风扇14放出。应了解的是，其他空气转移结构（诸如通风口）可与开口44结合使用以将冷却空气转移到冷却管道40中。一旦将冷却空气引导到冷却管道40中，则将空气引导到壳体46的内部中以保持其中合适的温度。例如，在一些应用中，可期望保持大约120
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c（250
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f）的温度。
37.参照图2和图3，冷却管道40包括由结构上足够而低温可用的聚合材料形成的内管50，其由热障52（例如，隔离层）包绕。合适的热塑性塑料的非限制性示例包括聚醚醚酮（“peek”）、聚苯硫醚（“pps”）或聚醚酰亚胺（“pei”）。pei在商品名ultem下市售。可选地，内管50可由热塑性复合物（即，热塑性基体中的增强纤维）形成。基体可为上文所列举的热塑性聚合物中的一种。合适的增强纤维的非限制性示例包括玻璃纤维和碳纤维。合适的复合物系统的一个非限制性示例包括在聚醚醚酮（“peek”）的基体中固化的碳纤维织物（在商品名“as-4”下市售）。此类复合物的温度能力约为177
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c（350
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f）。此类构造导致比金属更轻且比碳纤维-环氧复合物更便宜的冷却管道40。聚合材料还可为非增强的。内管50为限定空气流径的壁结构的示例。如在本文中使用的那样，用语“空气流径”是指由对于包含或导引空气流有效的结构至少部分地定界的体积。此类流径可打开或可部分地或完全地关闭。
38.热障52保护内管50免受超过聚合材料（内管50由该聚合材料构造）的温度能力的温度。一种合适的材料是硅酮基材料。硅酮（也称为聚硅氧烷）是包括由硅氧烷的重复单元组成的任何惰性、合成化合物（其是通常与碳和/或氢结合的交错的硅原子和氧原子的链）的聚合物。
39.热障52可为同质、非增强的材料。可通过围绕内管50包绕热障52的片且然后使用粘合剂（诸如室温硫化（“rtv”）的硅酮材料）将热障附着于内管50来将热障52施加到内管50。热障52也可以以湿的状态喷射。可选地，如图7中示出的那样，间隔物58可用来在热障52与内管50之间产生气隙56。
40.聚合材料允许内管50形成为任何合适的流径和/或形状。如图2中示出的那样，内管50由通过紧固件64互连的第一线性管区段60和第二弯曲管区段62形成。备选地，内管50可具有整体构造。在多区段内管50的情况下，热障52可在第一管区段60和第二管区段62互连之前施加到第一管区段60和第二管区段62上，从而留下壁结构50的区段不带有热障52（图2），或在第一管区段60和第二管区段62已连接在一起之后施加。如果热障52在连接之前施加，则热障52可施加在裸露的内管50区段上，在该处，在连接第一管区段和第二管区段60, 62之后，第一管区段60和第二管区段62如图4中示出的那样连接在一起。
41.作为示例，内管50可具有约7.62cm到10.16cm（3到4英寸）的直径。热障52可很薄。例如，对于相同的8cm到10cm（3到4英寸）直径的管，热障52的壁厚可在大约10密耳（0.01英寸）到大约150密耳（0.150英寸）的范围中。
42.如上文所论述的那样，冷却管道40可连接至壳体46以向壳体46供应冷却空气。典型地，在现有技术中，壳体（如壳体46）由金属构造且然后将隔离材料附到其上。如图5和图6中示出的那样，壳体46还可使用与关于冷却管道40所描述的相同技术来构造。更特别地，壳体46可包括内壳体70，其具有限定前部72、后部74、左侧76、右侧78、底部80和顶部82的多个面板。如示出的那样，内壳体70完全地由上文所描述的聚合材料构造出；然而，应了解的是，
材料的混合可用来构造内壳体70。例如，前部72、后部74、左侧76、右侧78和底部80可由聚合材料构造，而顶部82由金属构造。内壳体70为限定空气流径的壁结构的示例。
43.一旦构造了内壳体70，可将热障52施加到内壳体70以将内壳体70与高于聚合材料的温度能力的过量温度隔离。应了解的是，冷却管道40和壳体46可在安装在机罩下方区域42中之前组装。还应了解的是，内管50可在施加热障52之前连接至内壳体70。一旦内管50和内壳体70已连接成组件，则热障52可同时施加至整个组件。
44.上文描述了用于燃气涡轮发动机的热保护的热塑性管道和组件。在此说明书（包括任何附随的权利要求、摘要和附图）中公开的所有特征和/或如此公开的任何方法或过程的所有步骤可以以任何组合（除了其中此类特征和/或步骤中的至少一些是相互排斥的组合外）来结合。
45.在此说明书（包括任何附随的权利要求、摘要和附图）中公开的每个特征可由用于相同、等同或类似目的的备选特征替换，除非另外明确地指出。因此，除非另外明确地指出，公开的每个特征仅为一般系列的等同或类似特征的一个示例。
46.本发明不限于上述实施例的细节。本发明延伸至在此说明书（包括任何附随的权利要求、摘要和附图）中公开的特征中的任何新颖的一个或任何新颖的组合，或延伸至如此公开的任何方法或过程的步骤中的任何新颖的一个或任何新颖的组合。