一體式可變幾何限流器和換熱器的制造方法
【專利摘要】一個或多個安裝在管道(3)中的換熱器(8)具有在其中的傳熱冷卻通道(9)，并且可變幾何限流器(2)與換熱器(8)中的每一個成一體。可在管道(3)內軸向平移的環形滑閥(102)可操作以打開和關閉或改變在換熱器(8)與界定管道(3)的內殼體和外殼體(36,34)中的一個之間的可變區域(4)，換熱器(8)可圍繞環形管道(3)周向分布并包括徑向或周向彎曲的傳熱管(6)或靜葉。
【專利說明】 —體式可變幾何限流器和換熱器
【技術領域】
[0001]本發明大體上涉及渦扇式燃氣渦輪發動機中的換熱器，并且更具體而言涉及換熱器和調節發動機的風扇旁通管道中的流。
【背景技術】
[0002]至少一些已知的航空器燃氣渦輪發動機包括風扇、壓縮機、燃燒器、高壓渦輪、低壓渦輪、以及增壓器或“后燃室”和排氣噴嘴。壓縮機、燃燒器、高壓渦輪和低壓渦輪統稱為核心發動機或發動機核心。
[0003]進入風扇的空氣流被壓縮。離開風扇的空氣流被分流，使得稱為核心發動機流的一部分流被導入壓縮機中，并且稱為風扇旁通流的剩余部分的空氣流被導入旁通管道或通道中，在此，空氣流繞過壓縮機、燃燒器、高壓渦輪和低壓渦輪。進入壓縮機的空氣流被壓縮并引導至燃燒器，在此，空氣流與燃料混合并點燃，產生用來驅動高壓渦輪和低壓渦輪兩者的熱燃燒氣體。此外，至少一些已知的燃氣渦輪發動機將風扇旁通流的一部分與離開低壓渦輪的空氣流結合，形成排氣流。排氣流可在經排氣噴嘴離開之前在增壓器中被進一步加熱。
[0004]已設計出可變循環或可變旁通燃氣渦輪發動機以將渦輪噴氣發動機的高推力能力與渦扇式發動機的良好燃料效率相結合。通常，在可變循環發動機中，改變旁通的空氣的量以適應航空器速度。
[0005]旁通空氣常常出于各種原因而由各種裝置調制或調節。為了調節供應至增壓器的旁通空氣的量，至少一些燃氣渦輪發動機包括閥組件。更具體而言，在一些已知的燃氣渦輪發動機中，基于航空器的飛行模式類型所需的具體排氣襯套壓力比要求來調節風扇旁通流。
[0006]已考慮在使用增壓器(后燃室)在超音速下提供附加推力的典型軍用發動機中使用可變循環系統。后燃渦扇式發動機通常利用混合器，其獲取發動機旁通空氣的一部分并將該空氣混合或噴射到發動機后燃段中的核心發動機流中。通常，希望在干燥操作條件下增加總旁通流并在增壓條件下減少旁通流。在干燥條件下，目的是改善具體的燃料消耗，而在增壓條件期間，目的是提高推力。
[0007]后可變面積旁通噴射器(后VABI)用來在后燃室處噴射旁通空氣，而前可變面積旁通噴射器(前VABI)用來噴射或控制流入風扇旁通管道中的旁通空氣。此類VABI的一些示例在包括下列的多個美國專利中描述:美國專利N0.4, 069,661 ;美國專利N0.4，064，692 ;美國專利 N0.4，072，008 ;美國專利 N0.4，010，608 ;美國專利 N0.4, 068, 471和美國專利N0.4,175,384。
[0008]VABI和用來調節供應至增壓器的旁通空氣的量的其它類型閥可包括多個可調整或可變的折流門(blocker door)或可變靜葉。設置在航空器高旁通燃氣渦輪發動機和FLADE發動機的風扇管道中的可變靜葉是這種設備的兩個示例。公布于2010年7月10日的題為 “FLADE Fan With Different Inner And Outer Airfoil Stagger Angles At AShroud Therebetween”的美國專利N0.7, 758, 303公開了一種設置在圍繞核心發動機的FLADE管道中的可變FLADE入口導向靜葉。公布于1978年3月28日的題為“Modulatingbypass variable cycle turbofan engine” 的美國專利 N0.4，080，785 公開了在用于可變面積風扇噴嘴的風扇旁通管道的下游端處的折翼(flap)。公布于2010年5月25日的題為 “Fan variable area nozzle for a gas turbine engine fan nacelle with camdrive ring actuation system”的美國專利N0.7, 721, 549公開了一種風扇可變面積噴嘴，其包括改變風扇噴嘴出口面積的折翼組件。公布于1981年10月6日的題為“Methodand apparatus for increasing compressor inlet pressure，，的美國專利N0.4, 292, 802公開了設置在旁通管道中以選擇性地隔離旁通流并增加流入壓縮機中的空氣的流量和壓力的多個折流門靜葉。
[0009]在提交于2007 年 5 月 25 日的題為 “METHOD AND APPARATUS FOR RE⑶LATINGFLUID FLOW THROUGH A TURBINE ENGINE” 的美國專利申請序列號 N0.11/753，929 和提交于 2007年 5 月 25 日的題為“TURBINE ENGINE VALVE ASSEMBLY AND METHOD OF ASSEMBLINGTHE SAME”的美國專利申請序列號N0.11/753，907中公開了兩種調節閥。這些調節閥包括聯接到徑向外管道壁的外整流罩(fairing)、聯接到徑向內管道壁的內整流罩以及可平移的環形滑閥。環形滑閥選擇性地定位在整流罩之間，使得滑閥與整流罩之間的至少一個流通面積是可變的。VAB1、可變靜葉和其它類型的閥在本文中被稱為可變幾何(variablegeometry)限流器。
[0010]現代燃氣渦輪發動機和可變循環發動機需要用于諸如渦輪構件和航空器航空電子設備的熱構件的冷卻空氣或其它流體。見于燃氣渦輪發動機中的其它類型的換熱器被用于冷卻油、燃料和水。這些冷卻空氣或流體常常需要換熱器以將能量傳遞到發動機的旁路中，且換熱器常常位于旁通管道中，或者使用旁通管道空氣流。可變循環發動機可在大范圍功率要求上提供高效率和性能提升。已開發了用于渦扇式航空器發動機的文中一般稱為旁通閥的VABI和阻擋器，以便利用這些益處。
[0011]旁通管道中的換熱器和旁通閥常常彼此沖突，尤其是在它們使用相同空氣時。換熱器限制空氣流并損害可變幾何發動機(使用旁通閥的發動機)的發動機性能益處。可變幾何常常在最需要的時候限制換熱器流量。
[0012]因此，希望提供一種具有由風扇旁通流冷卻的換熱器和用于調節或限制風扇旁通流的旁通閥的燃氣渦輪發動機。還希望在換熱器與旁通閥之間具有低的或減少的性能沖突。
【發明內容】
[0013]一體式可變幾何限流器和換熱器系統(I)包括安裝在管道(3)中的一個或多個換熱器(8)、在換熱器(8)中的每一個中的傳熱冷卻通道(9)、以及與換熱器(8)的每一個一體的可變幾何限流器(2)。
[0014]該系統還可包括在換熱器(8)與界定管道(3)的內殼體和外殼體(36，34)中的一個之間的可變區域(4)和環形滑閥(102)，環形滑閥(102)可在管道(3)內且相對于換熱器(8)軸向平移，并且可操作以打開和關閉或改變可變區域(4)。換熱器(8)可安裝到內殼體和外殼體(36，34)中的一個。管道(3)可為環形的，環繞縱向中心線(11)，并且換熱器(8)圍繞管道(3)周向分布。換熱器⑶可包括徑向或周向彎曲的傳熱管(6)或靜葉。
[0015]換熱器(8)可包括環形上游排的管和翅片換熱器(170)，其可相對于環形下游排的管和翅片換熱器(172)旋轉和/或軸向平移。環形上游和下游排的管和翅片換熱器(170，172)還分別包括徑向延伸的上游和下游傳熱管(174，176)。環形上游和下游排的管和翅片換熱器(170，172)可作為可變幾何限流器(2)操作以用于打開和關閉在上游和下游傳熱管(174，176)之間的可變區域(4)。管道(3)可為環形的且環繞縱向中心線(11)，并且環形上游和下游排的管和翅片換熱器(170，172)可為繞縱向中心線(11)設置的環形段。
[0016]換熱器⑶還可包括中空靜葉(182)的環形陣列(180)，并且可變幾何限流器(2)可包括用于打開和關閉中空靜葉(182)之間的可變區域(4)的可變前緣頂端(184)。
[0017]環繞縱向中心線(11)的燃氣渦輪發動機(10)包括環形入口(12)，其后以軸向下游流關系接著風扇組件(16)、高壓壓縮機(20)、燃燒器(22)、高壓渦輪(24)和低壓渦輪
(26)。與內殼體(36)徑向間隔開的外殼體(34)限定兩者間的旁通管道(40)。旁通管道(40)圍繞高壓壓縮機(20)、燃燒器(22)、高壓渦輪(24)和低壓渦輪(26)且從它們徑向向外定位。一體式可變幾何限流器和換熱器系統(I)包括安裝在管道(40)中的一個或多個換熱器(8)和與換熱器(8) —體的可變幾何限流器(2)。傳熱冷卻通道(9)在換熱器(8)中的每一個中。
[0018]可變幾何限流器(2)可包括設置在旁通管道(40)中的至少一個滑閥組件(100)，并且傳熱冷卻通道(9)可由滑閥組件(100)的一個或多個構件(102，128，130)承載。滑閥組件(100)的構件可包括內整流罩和外整流罩(128，130)中的至少一個和在旁通管道
(40)內的可軸向平移的環形滑閥(102)。滑閥(102)可操作以打開和關閉或改變由內整流罩和外整流罩(128，130)中的一個界定的可變區域(4)。
[0019]可變區域⑷可包括在滑閥(102)與內整流罩(128)之間的內旁通橫截面區域(150)以及在滑閥(102)與外整流罩(130)之間的外旁通橫截面區域(160)。可在旁通管道(40)內且相對于換熱器(8)平移的環形滑閥(102)可操作以打開和關閉或改變在換熱器(8)與界定旁通管道(40)的內殼體和外殼體(36，34)中的一個之間的可變區域(4)。
[0020]燃氣渦輪發動機(410)可具有風扇(429)，其帶有縱向最后排的大體上徑向向外延伸的風扇葉片(430)，并且旁通管道(447)軸向向后且從風扇(429)向下游延伸至在風扇旁通管道(447)的縱向后端(439)處的風扇噴嘴(442)。環形排的中空可變間距風扇出口導向靜葉(452)跨風扇(429)縱向后方的風扇旁通管道(447)徑向設置。傳熱冷卻通道
(9)包括可操作以使冷卻空氣穿過其的中空可變間距風扇出口導向靜葉(452)，并且可變幾何限流器(2)包括可繞垂直于發動機中心線(412)的樞轉軸線(453)樞轉的中空可變間距風扇出口導向靜葉(452)。可變間距風扇出口導向靜葉(452)的靜葉前緣或后緣(455，457)可為可樞轉的。
[0021]燃氣渦輪發動機(410)可包括:風扇(429)，其具有在風扇組件(16)中的縱向最后排的大體上徑向向外延伸的風扇葉片(430);旁通管道(447)，其軸向向后且從風扇(429)向下游延伸至在風扇旁通管道(447)的縱向后端(439)處的風扇噴嘴(442);可變幾何限流器(2)，其包括設置在風扇噴嘴(442)中的周向排的可樞轉折翼(473);以及傳熱冷卻通道(9)，其由周向排的可樞轉折翼(473)承載。
[0022]燃氣渦輪發動機(10)可具有:可變面積排氣噴嘴(29)，其在低壓渦輪(26)的軸向后方和下游；排氣流路(555)，其由內殼體(36)徑向圍繞且從低壓渦輪(26)向下游延伸；以及可變面積旁通噴射器(550)，其大體上徑向定位在旁通管道(40)與排氣流路(555)之間且軸向定位在低壓渦輪(26)的后方和下游。可變面積旁通噴射器(550)的可變幾何限流器(2)包括滑閥(560)，其可操作以選擇性地覆蓋在旁通管道(40)與排氣流路(555)之間的內殼體(36)中的一個或多個開口(562)，并且傳熱冷卻通道(9)包括設置在開口(562)中的每一個中的一個或多個傳熱管出)。滑閥(560)中的沖擊孔(570)或槽縫可旨在引導旁通管道(40)中的風扇旁通流(48)的噴射部分(553)以在滑閥(560)處于關閉位置時直接沖擊到傳熱管(6)上。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1是在燃氣渦輪發動機風扇旁通管道中的一體式可變幾何限流器和換熱器系統的軸向示意圖，其中限流器處于打開位置。
[0024]圖2是圖1所示系統的軸向截面示意圖，其中限流器處于關閉位置。
[0025]圖3是在燃氣渦輪發動機風扇旁通管道中的分段的一體式可變幾何限流器和換熱器系統的軸向截面示意圖。
[0026]圖3A是圖3所示分段的一體式可變幾何限流器和換熱器系統的示意性平面圖。
[0027]圖4是圖4所示帶有徑向傳熱管或靜葉的換熱器的軸向截面示意圖。
[0028]圖5是圖4所示帶有徑向傳熱管或靜葉的換熱器的軸向截面示意圖。
[0029]圖6是帶有圖1所示一體式可變幾何限流器和換熱器系統的第一示例性實施例的示例性可變循環渦輪發動機的軸向截面示意圖。
[0030]圖7是處于打開位置的圖6所示一體式可變幾何限流器和換熱器系統的放大軸向截面示意圖。
[0031]圖8是處于關閉位置的圖6所示一體式可變幾何限流器和換熱器系統的放大軸向截面示意圖。
[0032]圖9是處于打開位置的一體式可變幾何限流器和換熱器系統的徑向向內觀察的平面示意圖，其包括可相對于彼此旋轉和/或軸向平移的上游和下游的管和翅片換熱器。
[0033]圖10是圖9所示一體式可變幾何限流器和換熱器系統的徑向向內觀察的平面示意圖，其中限流器處于關閉位置。
[0034]圖11是處于打開位置的一體式可變幾何限流器和換熱器系統的徑向向內觀察的平面示意圖，其包括帶有可變前緣頂端的中空靜葉。
[0035]圖12是圖11所示一體式可變幾何限流器和換熱器系統的徑向向內觀察的平面示意圖，其中限流器處于關閉位置。
[0036]圖13是帶有可變間距風扇出口導向靜葉的示例性高旁通渦扇式發動機的軸向截面示意圖，其并入一體式可變幾何限流器和換熱器系統的另一示例性實施例。
[0037]圖14是處于打開位置的圖13中的靜葉的徑向向內觀察的平面示意圖。
[0038]圖15是處于關閉位置的圖13中的靜葉的徑向向內觀察的平面示意圖。
[0039]圖16是帶有包括可樞轉折翼的風扇噴嘴的示例性高旁通渦扇式發動機的軸向截面示意圖，其并入一體式可變幾何限流器和換熱器系統的另一示例性實施例。
[0040]圖17是具有在后可變面積旁通噴射器(VABI)的出口中的傳熱管的一體式可變幾 何限流器和換熱器系統的軸向截面示意圖。
【具體實施方式】
[0041]圖1和圖2中示出了在環繞縱向中心線11的燃氣渦輪發動機環形風扇旁通管道3中的一體式可變幾何限流器和換熱器系統I。與內殼體36徑向間隔開的外殼體34界定風扇旁通管道3。圖1和圖2所示的一體式可變幾何限流器和換熱器系統I包括換熱器8，其與可變幾何限流器2 —體且呈平行流關系。
[0042]換熱器8在文中示出為安裝在內殼體36上，但備選地可安裝在外殼體34上或徑向地在殼體之間。可變幾何限流器2示出為在圖1中處于打開位置且在圖2中處于關閉位置。限流器2示出為包括環形滑閥102，其可相對于換熱器8軸向平移且可操作以打開和關閉或改變在旁通管道3中換熱器8與外殼體34之間的可變區域4。
[0043]文中示出的換熱器8為用于將冷卻空氣冷卻的空氣至空氣換熱器。可設想其它類型的空氣至流體換熱器。此類空氣至流體換熱器包括用于冷卻油、燃料和水的換熱器。
[0044]換熱器8提供了專門滿足在高和低旁通操作下由換熱器冷卻的發動機構件的需求的良好傳熱性能。高和低旁通操作分別對應于處于如圖1和圖2中所示的打開位置和關閉位置的限流器2。換熱器8在發動機的低功率和高旁通飛行操作條件期間也不過度限制旁通管道3中的旁通流5，從而相比現有設計允許更大旁通比、更高推力和更好的SFC。
[0045]如在現有技術中那樣，當放置成與流量控制裝置(即，可變旁通區域噴射器或限流器)串聯時，換熱器的效率將變化。在可變旁通可變循環發動機中，熱交換效率常常在旁通比低時較低，而在旁通比高時較高。由于高流量下的高壓力損耗，發動機性能以相反方式做出反應。這導致設計者在換熱器效率對發動機性能方面做出折衷。
[0046]當發動機處于高功率時，風扇旁通流常常受限制。在高功率下，發動機和航空器需要最大冷卻，而換熱器的性能由于低風扇旁通流而較低。在低功率下，冷卻要求最小，但換熱器充當旁通流中的大限流器且用以降低發動機推力和性能。本文公開的燃氣渦輪發動機環形風扇旁通管道3中的一體式可變幾何限流器和換熱器系統I避免了這些后果，因為可變幾何限流器和換熱器與風扇旁通管道3中的旁通流5呈平行流關系。
[0047]圖3和圖3A中示出四個換熱器8和四個可變幾何限流器2的示例性周向分布或布置，其可在用于上述一體式可變幾何限流器和換熱器系統I的燃氣渦輪發動機環形風扇旁通管道3中使用。換熱器8和可變幾何限流器2成形為環形段。環形可變幾何限流器2中的每一個周向設置在兩個周向相鄰的換熱器8之間。
[0048]換熱器的兩個示例性實施例包括如圖4中所示用于在換熱器8中傳熱的周向彎曲的傳熱管6或靜葉以及如圖5中所示的徑向傳熱管7或靜葉。文中所示的管僅為可在換熱器8中使用的傳熱冷卻通道9的示例。
[0049]圖6和圖7中示出了具有縱向中心線11的示例性可變循環燃氣渦輪發動機10。發動機10包括用于接收環境空氣14的環形入口 12，其后以軸向下游流關系接著風扇組件
16、高壓壓縮機(HPC) 20、燃燒器22、高壓渦輪(HPT) 24、低壓渦輪(LPT) 26、增壓器28和可變面積排氣噴嘴29。HPT 24通過第一軸30為HPC 20提供動力。LPT 26通過第二軸32為風扇組件16提供動力。發動機10還包括與內殼體36徑向間隔開從而限定兩者間的旁通管道40的外殼體34，內殼體36包括內殼體36的前段38。增壓器28包括襯套42。[0050]設置在旁通管道40中的至少一個滑閥組件100充當可變幾何限流器。閥組件100的一個或多個構件承載換熱器傳熱管6并因此充當一體式可變幾何限流器和換熱器系統I中的換熱器8。具體而言，發動機10包括周向定位在管道40內的多個閥組件100。更具體而言，閥組件100定位成便于將旁通管道40分離成徑向內旁通管道44和徑向外旁通管道46。
[0051]在發動機10的示例性實施例中，進入旁通管道40的風扇旁通流48被分成內空氣流50和外空氣流52。閥組件100便于調節被導引通過內旁通管道44的內空氣流50的量和被導引通過外旁通管道46的外空氣流52的量。發動機及其操作在Donald MichaelCorsmeier 等人于 2007 年 5 月 25 日提交的題為 “TURBINE ENGINE VALVE ASSEMBLY ANDMETHOD OF ASSEMBLING THE SAME”的美國專利申請序列號N0.11/753，907中描述，該申請轉讓給該專利的受讓人通用電氣公司且以引用方式并入本文中。
[0052]進一步參照圖7，文中示出的閥組件100的構件包括經由示例性曲柄組件200可滑動地聯接在旁通管道40內的環形滑閥102。滑閥102包括徑向內表面108和徑向外表面110。徑向內表面108從本文稱為閥鼻部112的閥前端在下游方向上或向后逐漸會聚。徑向外表面110從閥鼻部112在下游方向上或向后逐漸會聚。閥鼻部112被成形為便于分割風扇旁通流48，同時減少其分離。
[0053]閥組件100包括內整流罩128和定位在內整流罩128下游的外整流罩130。外整流罩130定位成徑向靠近外殼體34，而內整流罩128定位成徑向靠近內殼體36。滑閥102和內、夕卜整流罩128、130中的一個或多個承載代表換熱器8的換熱器傳熱管6。所有三個構件在文中示出為承載換熱器傳熱管6并因此充當可變幾何限流器2。
[0054]在該示例性實施例中，外整流罩130和內整流罩128經由支柱158聯接在一起且在外殼體34與內殼體36之間一起軸向平移。環形滑閥102在內整流罩128與外整流罩130之間延伸。此外，在該示例性實施例中，內整流罩128和外整流罩130均定輪廓成使得內旁通管道44和外旁通管道46各自具有可變橫截面積。
[0055]內整流罩128和外整流罩130可操作以基本同時在旁通管道40內滑動。閥組件100聯接到至少一個曲柄組件200，其控制滑閥102、外整流罩130、內整流罩128和支柱158的軸向平移。曲柄組件200使滑閥102和內、外整流罩128、130在第一操作位置300與第二操作位置302之間移動。第一操作位置300和第二操作位置302分別對應于如圖7和圖8所示打開和關閉的可變幾何限流器。
[0056]當閥組件100處于第一位置300時，內旁通橫截面區域150被限定在閥102與內整流罩128之間，且外旁通橫截面區域160被限定在閥102與外整流罩130之間。閥102處于第一操作位置，使得基本所有風扇旁通流48被向下游導引至內旁通管道44和外旁通管道46中。風扇旁通流48被分離成內空氣流50和外空氣流52。內空氣流50流動通過內旁通管道44，外空氣流52流動通過外旁通管道46，并且內空氣流50通過擴散器襯套42流入增壓器28中。
[0057]當閥組件100朝位置304移動時，內旁通橫截面區域150減小至內旁通管道橫截面區域151，且外旁通橫截面區域160減小至外旁通管道橫截面區域161。減小每個管道44,46的橫截面區域150、160減少了可被導引通過管道44、46的空氣流的量且關閉了管道內的區域。具體而言，當閥組件100處于第二操作位置302時，相當大一部分風扇旁通流48被阻止進入內旁通管道44和/或外旁通管道46。這樣，風扇旁通流48可被導引至其它出口(未示出)，例如便于航空器的垂直升起的滾轉噴嘴(roll post nozzle)。剩余的風扇旁通流48被分成內空氣流50和外空氣流52。內空氣流50被導引通過內旁通管道44，而外空氣流52被導引通過外旁通管道46。在該示例性實施例中，內空氣流50通過擴散器襯套4流入增壓器28中。
[0058]在低功率下，發動機冷卻要求最小，如當內空氣流50通過擴散器襯套42流入增壓器28中時通過換熱器的冷卻流51那樣。在高功率下，發動機冷卻要求顯著更高，如例如在起飛和航空器的垂直升起期間通過換熱器的冷卻流51那樣。
[0059]圖9和圖10中示出了位于風扇旁通管道3中的另一示例性的一體化可變幾何限流器和換熱器系統I。該系統包括可相對于彼此旋轉和/或軸向平移的環形上游和下游排的管和翅片換熱器170、172。環形上游和下游排的管和翅片換熱器170、172分別包括徑向延伸的上游和下游傳熱管174、176，其充當可變幾何限流器2以打開和關閉在上游傳熱管174與下游傳熱管176之間的可變區域4。
[0060]雖然此處以平面圖示出，但上游和下游排的管和翅片換熱器170、172被成形為繞縱向中心線11的環形段，類似于圖3所示的圖。圖9和圖10分別示出處于打開位置和關閉位置的可變幾何限流器2。
[0061]圖11和圖12中示出了示例性的一體化可變幾何限流器和換熱器系統1，其包括帶有可變前緣頂端184的中空靜葉182的環形陣列180，可變前緣頂端184繞風扇旁通管道3的縱向中心線11周向設置。前緣頂端184可操作地設置在風扇旁通管道3中，以繞縱向中心線11且相對于不可旋轉的中空靜葉182旋轉。前緣頂端184充當可變幾何限流器2，以打開和關閉在相鄰中空靜葉之間的可變區域4。冷卻空氣流通通過充當換熱器的中空靜葉182。帶有可變前緣頂端184的中空靜葉182可在環繞縱向中心線11的環形段中，類似于圖3所示的圖。
[0062]圖13中示出了示例性旁通渦扇式燃氣渦輪發動機410，其具有發動機中心線412且包括核心發動機414，核心發動機414具有均以串聯軸向流關系布置的高壓壓縮機416、燃燒器418和高壓渦輪420。低壓或低功率渦輪424在核心發動機414下游并由其提供動力，并且驅動互連的低壓壓縮機428和風扇429。風扇429包括縱向最后排的大體徑向向外延伸的風扇葉片430。
[0063]核心發動機414、低壓渦輪424和低壓壓縮機428被縱向設置在風扇葉片430后方和下游的殼體或核心艙432圍繞。核心艙432包括限定分流器434的縱向前端和限定核心排氣噴嘴436的縱向后端。風扇艙438周向圍繞風扇葉片430且沿核心艙432的至少一部分延伸。風扇艙438被諸如風扇框支柱440的多個支撐部件支撐在核心艙432周圍。應當指出，葉片和靜葉具有弧形的翼型形狀，而支柱沒有。
[0064]風扇艙438包括風扇噴嘴442、大體徑向面向內的內部外表面444和大體徑向面向外的外部外表面446。徑向設置在風扇艙438與核心艙432之間的環形風扇旁通管道447軸向向后或從分流器434向下游延伸至風扇噴嘴442。風扇噴嘴442位于風扇旁通管道447的縱向后端439處。環形排的可變間距風扇出口導向靜葉452跨風扇旁通管道447徑向設置在風扇艙438與核心艙432之間且在分流器434的縱向后方。
[0065]如圖14和圖15中所示，可變間距風扇出口導向靜葉452為中空的，并且可操作以使冷卻空氣穿過其，使得該排可變間距風扇出口導向靜葉452充當換熱器8。可變間距風扇出口導向靜葉452在此處示出為可繞垂直于發動機中心線412的樞轉軸線453樞轉。備選地，可通過僅使可變間距風扇出口導向靜葉452的靜葉前緣455或靜葉后緣457可樞轉或以其它方式改變靜葉的有效傾角而改變靜葉間距，如本領域技術人員公知的。因此，該排可變間距風扇出口導向靜葉452還充當可變幾何限流器2，以用于打開和關閉在周向相鄰的可變間距風扇出口導向靜葉452之間的可變區域4。該排中空可變間距風扇出口導向靜葉452充當一體式可變幾何限流器和換熱器系統I。圖14和圖15示出了分別處于打開位置和關閉位置的一體式可變幾何限流器2，其為中空的可變間距風扇出口導向靜葉452。
[0066]其它類型的可變間距靜葉也可用作一體式可變幾何限流器和換熱器系統I。例如，在圖6所示發動機10的高壓壓縮機20中使用的周向排的可變間距靜葉462也可以是中空的且被構造成充當換熱器8和可變幾何限流器2。可變間距靜葉462跨高壓壓縮機流路464在包括高壓壓縮機20的核心發動機的核心發動機管道466中徑向延伸。周向排的中空可變間距靜葉還可在圖13所示發動機10的低壓壓縮機428中使用。可變間距靜葉也可以是中空的且被構造成充當低壓壓縮機428中的換熱器8和可變幾何限流器2。
[0067]圖16中示出了繞發動機中心線412設置的示例性旁通渦扇式燃氣渦輪發動機410，其類似于圖13所示的發動機，沒有可變間距風扇出口導向靜葉。風扇艙438周向地圍繞風扇葉片430且沿核心艙432的至少一部分延伸。風扇艙438被諸如風扇框支柱440的多個支撐部件支撐在核心艙432周圍。
[0068]可變面積風扇噴嘴442位于風扇艙438的縱向后端。風扇艙438具有大體徑向面向內的內部外表面444和大體徑向面向外的外部外表面446。徑向設置在風扇艙438與核心艙432之間的環形風扇旁通管道447軸向向后或從分流器434向下游延伸至風扇噴嘴442。
[0069]風扇噴嘴442包括設置在風扇艙438或旁通管道447的后端處的周向排的可樞轉折翼473。可樞轉折翼473中的一個或多個承載換熱器傳熱管6并因此充當換熱器8。可樞轉折翼473還充當可變幾何限流器2以用于打開和關閉可變面積噴嘴442。換熱器傳熱管6和可樞轉折翼473的組合充當用于圖16所示發動機10的一體式可變幾何限流器和換熱器系統I。作為可變面積噴嘴442的一體式可變幾何限流器2在圖16中分別用實線示出處于打開位置和用虛線示出處于關閉位置。
[0070]圖17中示出了示例性的后可變面積混合裝置或可變面積旁通噴射器(VABI)550，其被設計用于在諸如圖6所示發動機10的可變循環發動機中使用。文中所示的(VABI)550被設計成選擇性地打開和關閉和/或使來自旁通管道40的風扇旁通流48的噴射部分553選擇性地流入由內殼體36徑向圍繞的排氣流路555中。文中所示的(VABI) 550被設計成在類似于圖6所示發動機10的發動機中軸向設置在低壓渦輪(LPT) 26與增壓器28或可變面積排氣噴嘴29之間。旁通管道40限定在外殼體34與內殼體36之間。
[0071]文中所示的(VABI) 550是又一示例性的一體化可變幾何限流器和換熱器系統1，其包括可操作以選擇性地覆蓋內殼體36中的一個或多個開口 562的滑閥560。滑閥560和開口 562繞縱向中心線11周向設置，風扇旁通管道40環繞該縱向中心線11。一體式可變幾何限流器和換熱器系統I還包括設置在每一個開口 562中的一個或多個傳熱管6。滑閥560還包括沖擊孔570 (或備選地槽縫)，其旨在引導風扇旁通流48的噴射部分553以在滑閥560關閉時直接沖擊到傳熱管6上。滑閥560在文中示出為可軸向平移的環形套筒572，但備選地可為可旋轉的，其中環形套筒572具有穿過其設置且沿徑向剛好位于內殼體36外部的沖擊孔570。
[0072]雖然已在本文中描述了被認為是本發明的優選的和示例性的實施例，但根據本文的教導，本發明的其它修改對于本領域技術人員而言應當顯而易見，且因此希望在所附權利要求書中確保所有這些修改落入本發明的實際精神和范圍內。因此，該美國專利的特許權希望保護在所附權利要求書限定和表述的發明。
【權利要求】
1.一種一體式可變幾何限流器和換熱器系統(1)，包括: 安裝在管道(3)中的一個或多個換熱器(8)， 在所述換熱器(8)中的每一個中的傳熱冷卻通道(9)，以及 與所述換熱器(8)中的每一個一體的可變幾何限流器(2)。
2.根據權利要求1所述的系統(I)，其特征在于，還包括: 可變區域(4)，其在所述換熱器(8)與界定所述管道(3)的內殼體和外殼體(36，34)中的一個之間，以及 環形滑閥(102)，其可在所述管道(3)內且相對于所述換熱器(8)軸向平移，并且可操作以打開和關閉或改變所述可變區域(4)。
3.根據權利要求2所述的系統(I)，其特征在于，還包括:所述換熱器(8)安裝到所述內殼體和外殼體(36，34)中的一個。
4.根據權利要求3所述的系統(I)，其特征在于，還包括:所述管道(3)為環形的且環繞縱向中心線(11)，并且所述換熱器(8)圍繞所述管道(3)周向分布。
5.根據權利要求4所述的系統(I)，其特征在于，還包括在所述換熱器(8)中的周向彎曲的傳熱管(6)或靜葉。
6.根據權利要求4所述的系統(I)，其特征在于，還包括在所述換熱器(8)中的徑向傳熱管(6)或靜葉。`
7.根據權利要求1所述的系統(I)，其特征在于，還包括: 所述換熱器(8)包括環形上游排的管和翅片換熱器(170)，其可相對于環形下游排的管和翅片換熱器(172)旋轉和/或軸向平移， 所述環形上游和下游排的管和翅片換熱器(170，172)分別包括徑向延伸的上游和下游傳熱管(174，176)，并且 所述環形上游和下游排的管和翅片換熱器(170，172)可作為所述可變幾何限流器(2)操作，以打開和關閉在所述上游和下游傳熱管(174，176)之間的可變區域(4)。
8.根據權利要求7所述的系統(I)，其特征在于，還包括:所述管道(3)為環形的且環繞縱向中心線(11)，并且所述環形上游和下游排的管和翅片換熱器(170，172)為繞所述縱向中心線(11)設置的環形段。
9.根據權利要求1所述的系統(I)，其特征在于，還包括:所述換熱器(8)包括中空靜葉(182)的環形陣列(180)，并且所述可變幾何限流器⑵包括用于打開和關閉所述中空靜葉(182)之間的可變區域(4)的可變前緣頂端(184)。
10.一種燃氣渦輪發動機(10)，包括: 縱向中心線(11)，所述發動機(10)環繞所述縱向中心線(11)； 環形入口(12)，其后以軸向下游流關系接著風扇組件(16)、高壓壓縮機(20)、燃燒器(22)、高壓渦輪(24)和低壓渦輪(26)； 外殼體(34)，其與內殼體(36)徑向間隔開，從而限定兩者間的旁通管道(40)； 所述旁通管道(40)圍繞所述高壓壓縮機(20)、所述燃燒器(22)、所述高壓渦輪(24)和所述低壓渦輪(26)且從它們徑向向外定位； 一體式可變幾何限流器和換熱器系統(I)，其包括安裝在所述管道(40)中的一個或多個換熱器(8)和與所述換熱器(8) —體的可變幾何限流器(2);以及傳熱冷卻通道(9)，其在所述換熱器(8)中的每一個中。
11.根據權利要求10所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括:可變區域(4)，其在所述換熱器(8)與界定所述旁通管道(40)的內殼體和外殼體(36，34)中的一個之間；以及環形滑閥(102)，其可在所述旁通管道(40)內且相對于所述換熱器(8)軸向平移，并且可操作以打開和關閉或改變所述可變區域(4)。
12.根據權利要求11所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括:所述換熱器(8)安裝到所述內殼體和外殼體(36，34)中的一個。
13.根據權利要求12所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括:所述換熱器(8)圍繞所述管道(3)和所述換熱器⑶中的周向彎曲的傳熱管(6)或周向彎曲的靜葉或者所述換熱器(8)中的徑向傳熱管(6)或徑向靜葉而周向分布。
14.根據權利要求10所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括: 所述可變幾何限流器(2)包括設置在所述旁通管道(40)中的至少一個滑閥組件(100)，并且 所述換熱器(8)包括由所述滑閥組件(100)的一個或多個構件(102，128，130)承載的所述傳熱冷卻通道(9)。
15.根據權利要求14所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括: 所述滑閥組件(100)的構件包括內整流罩和外整流罩(128，130)中的至少一個和在所述旁通管道(40)內的可軸向平移的環形滑閥(102)， 所述可變幾何限流器(2)包括所述內整流罩和外整流罩(128，130)中的一個和所述滑閥(102)， 所述可變區域(4)由所述內整流罩和外整流罩(128，130)中的一個界定，并且 所述滑閥(102)可操作以打開和關閉或改變所述可變區域(4)。
16.根據權利要求15所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括: 所述可變區域(4)包括在所述滑閥(102)與所述內整流罩(128)之間的內旁通橫截面區域(150)，以及 在所述滑閥(102)與所述外整流罩(130)之間的外旁通橫截面區域(160)。
17.根據權利要求10所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括:可變區域(4)，其在所述換熱器(8)與界定所述旁通管道(40)的內殼體和外殼體(36，34)中的一個之間；以及環形滑閥(102)，其可在所述旁通管道(40)內且相對于所述換熱器(8)軸向平移，并且可操作以打開和關閉或改變所述可變區域(4)。
18.根據權利要求10所述的燃氣渦輪發動機(410)，其特征在于，還包括: 風扇(429),其包括在所述風扇組件(16)中的縱向最后排的大體徑向向外延伸的風扇葉片(430)， 旁通管道(447)，其軸向向后且從所述風扇(429)向下游延伸至在所述風扇旁通管道(447)的縱向后端(439)處的風扇噴嘴(442)， 環形排的中空可變間距風扇出口導向靜葉(452)，其跨所述風扇(429)的縱向后方的所述風扇旁通管道(447)徑向設置， 所述傳熱冷卻通道(9)包括可操作以使冷卻空氣穿過其的所述中空可變間距風扇出口導向靜葉(452)，并且所述可變幾何限流器(2)包括可繞垂直于所述發動機中心線(412)的樞轉軸線(453)樞轉的所述中空可變間距風扇出口導向靜葉(452)。
19.根據權利要求18所述的燃氣渦輪發動機(410)，其特征在于，還包括:所述可變間距風扇出口導向靜葉(452)的靜葉前緣或后緣(455，457)為可樞轉的。
20.根據權利要求10所述的燃氣渦輪發動機(410)，其特征在于，還包括: 風扇(429),其包括在所述風扇組件(16)中的縱向最后排的大體徑向向外延伸的風扇葉片(430)， 所述旁通管道(447)軸向向后且從所述風扇(429)向下游延伸至在所述風扇旁通管道(447)的縱向后端(439)處的風扇噴嘴(442)， 所述可變幾何限流器(2)包括設置在所述風扇噴嘴(442)中的周向排的可樞轉折翼(473)，并且 所述傳熱冷卻通道(9)由所述周向排的可樞轉折翼(473)承載。
21.根據權利要求20所述的燃氣渦輪發動機(410)，其特征在于，還包括:所述傳熱冷卻通道(9)包括換熱器傳熱管(6)。
22.根據權利要求10所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括: 可變面積排氣噴嘴(29)，其在所述低壓渦輪(26)的軸向后方和下游， 排氣流路(555)，其由所述內殼體(36)徑向圍繞且從所述低壓渦輪(26)向下游延伸，可變面積旁通噴射器(550)，其大體上徑向定位在所述旁通管道(40)與所述排氣流路(555)之間且軸向定位在所述低壓渦輪(26)的后方和下游， 所述可變面積旁通噴射器(550)的可變幾何限流器(2)包括滑閥(560)，其可操作以選擇性地覆蓋在所述旁通管道(40)與所述排氣流路(555)之間的所述內殼體36中的一個或多個開口(562)，并且 所述傳熱冷卻通道(9)包括設置在所述開口(562)中的每一個中的一個或多個傳熱管(6)。
23.根據權利要求22所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括在所述滑閥(560)中的沖擊孔(570)或槽縫，其旨在引導所述旁通管道(40)中的風扇旁通流(48)的噴射部分(553)以在所述滑閥(560)處于關閉位置時直接沖擊到所述傳熱管(6)上。
24.一種燃氣渦輪發動機(10)，包括: 縱向中心線(11)，所述發動機(10)環繞所述縱向中心線(11)； 環形入口(12)，其后以軸向下游流關系接著風扇組件(16)、高壓壓縮機(20)、燃燒器(22)、高壓渦輪(24)和低壓渦輪(26)； 核心發動機(414)，其包括所述高壓壓縮機(20)、所述燃燒器(22)、所述高壓渦輪(24)和所述低壓渦輪(26)； 所述核心發動機(414)的核心發動機管道(466)； 周向排的中空可變間距靜葉(462)，其跨所述核心發動機管道(466)徑向延伸；并且 所述中空可變間距葉片(462)可操作以使冷卻流體穿過其。
25.根據權利要求24所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括:所述周向排的中空可變間距靜葉(462)位于所述發動機(10)的高壓壓縮機(20)中。
26.根據權利要求24所述的燃氣渦輪發動機(10)，其特征在于，還包括:所述周向排的中空可變間距靜葉(462)位`于所述發動機(10)的低壓壓縮機(428)中。
【文檔編號】F02K1/06GK103502580SQ201180056087
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2011年11月8日 優先權日:2010年11月22日
【發明者】M.A.魯塞邁爾 申請人:通用電氣公司