CN105408589A - 防冰分流器头部 - Google Patents

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Abstract

公开了用于燃气涡轮发动机的分流器装置。示例分流器装置可包括：分流器，其包括环形的外壁，该大体上环形的外壁基本上限定凸出的前缘；环形的分流器支架，其径向地定位在该外壁内，且包括前端，该前端基本上靠着分流器内而配置；和环形的第一隔壁，其跨在该外壁与该分流器支架之间。该外壁、该分流器支架、和该第一隔壁可限定大体上环形的分流器气室。该分流器支架的前端可包括间隔开的、径向地定向的计量槽道。该外壁可包括内部分，该内部分从该分流器内表面径向在内地配置，朝后延伸，且包括间隔开的出口槽道。该分流器气室、该计量槽道、和该出口槽道可从该气室，靠着该分流器内表面通过该计量槽道，且通过该出口槽道引导空气流。

Description

防冰分流器头部
技术领域
本文中公开的主题涉及涡轮发动机结构，更具体而言，涉及用于改善此种结构的防冰特性的材料和设计。
背景技术
一种常见的飞机动力设备是涡扇发动机，其包括涡轮机核心，该涡轮机核心具有处于连续流动关系的高压压缩机、燃烧器、和高压涡轮。该核心能够以已知的方式操作，以生成推进气体流。由核心排出气体驱动的低压涡轮通过轴来驱动风扇，以生成推进旁通流。低压涡轮还驱动低压压缩机或“增压器”，它对去往高压压缩机的入口流增压。
某些飞行条件可能使冰在各种发动机结构(诸如发动机的风扇和增压器流路区域)的一些前缘上积聚。所关心的一种具体的前缘结构是发动机的增压器分流器。分流器可包括大体上环形的圈，该圈具有位于风扇轮叶后方的前缘。它作用为从旁通空气流分离用于燃烧(通过增压器)的空气流。
通常，可能期望在结冰条件期间减少并且/或者防止来自分流器的冰的积聚和脱落体积。这又可减少由于吸入的冰造成的压缩机停转和压缩机机械损伤的风险。某些增压器分流器可采用相对温的压缩机放气(bleedair)来加热，这可减少分流器头部(nose)上的冰积聚。
问题：使用压缩机放气进行的增压器分流器头部的防冰加热可能涉及对于增压器分流器强度和对增压器分流器头部的热传递能力之间的竞争要求。另外，过多的增压器分流器重量和/或压缩机放气的消耗可能在单位燃料消耗(SFC)方面不利地影响发动机的效率。
发明内容
前述(多个)问题的至少一个解决方案由本公开提供，本公开包括为了例示性教导而非限制性的示例实施例。
根据本公开至少一些方面的用于燃气涡轮发动机的示例分流器装置可包括：分流器，其包括大体上环形的外壁，该大体上环形的外壁在其前端处基本上限定凸出的前缘；大体上环形的分流器支架，其径向地定位在该外壁内，该分流器支架包括前端，该前端基本上靠着该外壁的分流器内表面而配置；和大体上环形的第一隔壁，其跨在该外壁与该分流器支架之间。该外壁、该分流器支架、和该第一隔壁可共同地基本上限定大体上环形的分流器气室。该分流器支架的前端可在其中包括多个周向地间隔开的、大体上径向地定向的计量槽道。该外壁可包括内部分，该内部分从该分流器内表面大体上径向在内地配置并大体上朝后延伸，该内部分包括多个间隔开的出口槽道。该分流器气室、该计量槽道、和该出口槽道可布置成从该气室，基本上靠着该分流器内表面通过该计量槽道，且通过该出口槽道引导空气流。
根据本公开至少一些方面的示例燃气涡轮发动机可包括：可旋转风扇；可旋转增压器，其设置在该风扇的后方；涡轮机核心，其设置在该增压器的后方，且能够操作以生成加压燃烧气体流；大体上环形的核心舱(corenacelle)，其设置成径向地围绕该增压器和该涡轮机核心；低压涡轮，其设置在该涡轮机核心的后方，且机械地联接到该增压器和该风扇；翼型件的径向阵列，其设置在该增压器的前方，且基本上被大体上环形的外环带包围；分流器，其设置在该核心舱的前端处且包围该外环带。该分流器可包括：大体上环形的外壁，其在其前端处基本上限定凸出弯曲的前缘；大体上环形的分流器支架，其径向地定位在该外壁内，该分流器支架包括前端，该前端与该外壁的分流器内表面接触地配置；和大体上环形的第一隔壁，其跨在该外壁与该分流器支架之间。该外壁、该分流器支架、和该第一隔壁可基本上限定大体上环形的分流器气室。该分流器支架的前端可在其中包括多个周向地间隔开的、大体上径向地定向的计量槽道。该外壁可包括内部分，该内部分从该分流器内表面大体上径向在内地配置并大体上朝后延伸，该内部分包括多个间隔开的出口槽道。该分流器气室、该计量槽道、和该出口槽道可布置成从该气室，基本上靠着该分流器内表面通过该计量槽道，且通过该出口槽道引导空气流。
附图说明
专利权利要求覆盖范围所要求的主题在本文中被具体地指出和要求保护。然而，本主题及其实施例可通过参考结合附图作出的以下描述来最佳地理解，在附图中：
图1是包括示例受热增压器分流器的燃气涡轮发动机的半剖视图；
图2是示例受热增压器分流器的细节剖视图；
图3是示例分流器支架的透视图；
图4是示例分流器外壁的细节局部切开透视图；且
图5是完全根据本公开的至少一些方面的示例防冰分流器受热空气***的示意图。
具体实施方式
在下面的详细描述中，参考构成该详细描述的一部分的附图。在附图中，相似的符号通常表示相似的构件，除非上下文不同地指出。在该详细描述、附图和权利要求中描述的例示性实施例不意图进行限制。可采用其他实施例，且可作出其他改变，而不脱离在此提出的主题的精神和范围。将容易明白的是，本公开的如在本文中大致描述的和在图中例示的方面可以以多种不同的构造来布置、置换、组合、和设计，所有这些都被清楚地构想且构成本公开的一部分。
本公开尤其包括涡轮发动机结构，且更具体而言，涉及用于改善此种结构的防冰特性的材料和设计。一般而言，根据本公开至少一些方面的一些示例实施例可构造成减少涡扇发动机的增压器分流器上的冰积累。
本公开构想，一些增压器分流器可利用压缩机放气而被加热，这可减少分流器头部上的冰积聚。参见美国专利No.6,561,760和美国专利申请公开No.2012/0192544，它们通过引用而全部并入本文中。
图1是根据本公开至少一些方面的包括示例受热增压器分流器38的燃气涡轮发动机16的示意半剖视图。发动机16具有纵轴线100并包括风扇24、共同被称为“低压***”的低压压缩机或“增压器”26和低压涡轮(“LPT”)28、以及共同被称为“燃气发生器”或“核心”的高压压缩机(“HPC”)30、燃烧器32、和高压涡轮(“HPT”)34。舱18的各种构件和发动机16的静止结构(包括核心舱36)协作，以限定用于核心空气流102的核心流路101和用于旁通流106的旁通管道104。
大体上环形的静止的增压器分流器38(或简称“分流器”)可定位在核心舱36的前端处，在旁通管道104与核心流路101之间。分流器38可为单个连续的圈或其可由多个大体上弧形的节段构成。多种合适的材料，诸如金属合金(钛合金)和/或复合材料，可用于构造分流器38。
大体上环形的歧管70可定位在增压器26的外侧，诸如环形风扇毂框架72的前方。支柱和/或风扇OGV73可从风扇毂框架72大体上径向向外地延伸，以连结舱18。供给管74的大体上环形的阵列(其可被热隔离)可从歧管70基本上轴向地向前方延伸到分流器38。如下所述，歧管70和/或供给管74可布置成供应一般更温暖的空气到分流器38，以减少其上的冰积聚。
图2是根据本公开的至少一些方面的示例受热增压器分流器38的详细剖视图。图3是根据本公开的至少一些方面的示例分流器支架54的透视图。图4是根据本公开的至少一些方面的示例分流器外壁40的详细局部切开透视图。
示例分流器38可包括限定流路表面42的具有凸出弯曲、锥形形状的大体上环形的外壁40。流路表面42可包括径向朝外的部分和径向朝内的部分；这两个部分可由分流器38前端处的空气动力凸出弯曲的前缘44划分。大体上径向对齐、大体上环形的后隔壁46可大体上设置在分流器38的后端附近。大体上径向对齐、大体上环形的前隔壁48可设置在后隔壁46与前缘44之间。外壁40和隔壁46和48可作为一个一体构件而构成。
分流器38和围绕分流器38且定位在分流器38附近的构件可由诸如金属合金(例如，钛合金)或复合材料(例如碳纤维环氧复合物)的材料制成。
大体上环形的、大体上轴向对齐的、朝后的槽可由在前缘44正后方的外壁40的分流器内表面50限定。大体上环形的分流器支架(也称为地板)54可在分流器内表面50与前隔壁48之间大体上轴向地延伸。更具体而言，分流器支架54的前缘45可被接收在槽50中，且分流器支架54的后端可诸如在其径向在内端附近联接到前隔壁48。在一些实施例中，分流器支架54的后端可被焊接到前隔壁48，且其他实施例可利用紧固件、硬焊、或粘接剂。在一些示例实施例中，由于分流器支架54的后端对前隔壁的附接，故分流器支架54的前缘45可被保持基本上与分流器内表面50接触，并且/或者分流器支架54的前端可不以其他方式连结(例如通过焊接、硬焊、紧固件或粘接剂)到槽50。一些实施例可被通过以下来构造：将分流器支架54的后端焊接到前隔壁48，同时沿大体上朝前的方向将分流器支架54预加载成与朝后的分流器内表面50接触。
在一些实施例中，通过使分流器支架54的前缘45被保持基本上与分流器内表面50相接触，跨过操作条件的范围，可观察到通过计量槽道68的流动面积的相对小的变化。因此，根据本公开的一些示例分流器可设计成比可能在操作条件期间经历热变化的其他构造使用更少的放气。例如，一些其他构造中的流动面积可能因为大体上在供给管74附近的热膨胀而变化，这可能需要更高的设计流速，以对分流器提供所需的热传递。
共同地，外壁40的前部、前隔壁48、以及分流器支架54可基本上限定大体上环形的分流器气室56。在一些示例实施例中，分流器气室56可包括基本上完全围绕环形分流器38延伸的一个腔。在一些实施例中，分流器气室56可包括由一个或更多个大体上径向地定向的壁分隔的多个腔。
示例分流器38可安装到环形外环带58，该环形外环带58包围翼型件形增压器入口引导叶片60的排(例如，径向阵列)。例如，外环带58可包括大体上环形的前轨59，该大体上环形的前轨59可设置在分流器支架54的径向内表面与外壁40的向后延伸的、径向内部分41之间。后隔壁46可靠着外环带58的径向延伸的环形凸缘64或邻近的静止结构并且/或者可例如使用螺栓或其他机械紧固件来固连至其。
弹性环形密封件66可设置在外环带58与分流器支架54之间，并可用于减轻分流器支架54与外环带58之间的空气流泄漏。在一些示例实施例中，密封件66可具有中空的剖面。
在一些示例实施例中，分流器支架54的前缘45可包括周向地间隔开的计量槽道68的阵列，这可允许靠着外壁40前缘45的内表面的空气流。例如，计量槽道68可形成来自分流器气室56的与外环带58的前轨59的前端流体地联通的大体上“U”形的路径。在一些示例实施例中，计量槽道68可以以间距71周向地间隔开，间距71可为基本不变的，或其可围绕分流器支架54的周围而变化。
一些示例实施例可包括具有不同宽度的计量槽道68。例如，一些示例实施例可包括在供给管74附近的大体上较窄的计量槽道68和距供给管74更远(例如离开大约45度)的大体上较宽的计量槽道68。一些示例实施例可包括周向地在较窄的计量槽道68与较宽的计量槽道68之间的大体上中间宽度的计量槽道68。在一些示例实施例中，大体上较宽的计量槽道68的宽度可以是大体上较窄的计量槽道68的大约两倍。在一些示例实施例中，大体上较窄的计量槽道68可设置为周向上比大体上较宽的计量槽道68更靠近单个的供给管74，这可促进穿过计量槽道68的更均匀的流动分布。
在一些示例实施例中，外壁40的向后延伸的、径向内部分41可包括大体上面朝分流器支架54的周向地间隔开的出口槽道69。大体上，出口槽道69可定位成接收来自一个或更多个计量槽道68的空气流。出口槽道69可布置成诸如以空气动力学上理想的角度和/或位置将空气流从计量槽道68引导到核心空气流102中。在一些示例实施例中，出口槽道69可周向地定位在入口引导叶片60之间。出口槽道69可以以间距75间隔开，间距75可围绕外壁40的周围而变化。
一些示例实施例可包括和出口槽道69的大约两倍一样多的计量槽道68。在一些此种实施例中，两个计量槽道68可与单个的出口槽道69关联。例如，一些实施例可包括大约168个计量槽道68和/或大约84个出口槽道69。
一些示例实施例可包括和出口槽道69的大约三倍一样多的计量槽道68。在一些此种实施例中，三个计量槽道68可与单个的出口槽道69关联。
一些示例实施例可包括和出口槽道69的大约四倍一样多的计量槽道68。在一些此种实施例中，四个计量槽道68可与单个的出口槽道69关联。
一些示例实施例可包括周向部分，在该周向部分中，与单个的出口槽道69关联的计量槽道68的数量周向地变化。例如，第一周向部分可包括与单个的出口槽道69关联的两个计量槽道68，且第二周向部分可包括与单个的出口槽道69关联的三个计量槽道68。
图5是根据本公开至少一些方面的防冰分流器受热空气***的示意图。发动机16可包括发动机防冰管道78，发动机防冰管道78可在压力调节截止阀80的控制下从高压压缩机30(例如从第七压缩机级)抽出大体上高温、加压的放气。可选地，空气可通过压力调节阀82输送到发动机的入口和/或其他结构。引出管道84可从防冰管道78分支到主动阀86，该主动阀86可控制通过分流器供给管道88的流。分流器供给管道88可行进穿过风扇轮毂框架72(例如通过凸起(boss)90)并且/或者可对歧管70和供给管74供给大体上更温暖的空气。一些示例实施例可包括四个供给管74，它们可基本上均匀地周向地间隔开。
主动阀86可根据合适的控制策略而受制，该控制策略可在某些条件下提供被加热的空气流。例如，一些实施例可与主动阀86结合地使用电动气动控制、液压(例如使用加压燃料)控制、和/或电子控制。
在一些示例实施例中，可选的冗余压力换能器92可设置在分流器供给管道88中，诸如在主动阀86的下游，并且/或者可用于验证主动阀86的操作。例如，如果主动阀86被命令“打开”，但换能器92没有感测到压力增大，则这可能表示主动阀86已未能实际上打开。
一些示例实施例可包括从各供给管74向前延伸的跨接管路组件76(参见图2)。单个的组件76可包括跨接管路94。跨接管路94的前端96可穿过前隔壁48延伸到分流器气室56中。跨接管路的后端98可延伸穿过后隔壁46并联接到供给管74。供给管74和跨接管路组件76可布置成对分流器气室56提供大体上周向地一致的空气流。
包括引出管道84、分流器供给管道88、歧管70、供给管74、以及跨接管路组件76的管道***的直径、长度、材料、表面光洁度和其他特性可根据已知的工程原则来选择，以提供防冰操作所需的供给分流器气室56的合适的压力、速度、和/或流率。
在操作中，发动机16可暴露于结冰条件，例如存在在接近水的凝固点的温度下的湿气。冰可能自然地倾向于在包括分流器38的前缘结构上形成。在冰块积聚时，它可能伸入空气流中并增大其上的空气动力(拖曳)力作用，这可能最终导致冰的部分从分流器38脱落。在某些情况下，机械振动(例如在发动机加速(spoolup)时)可能触发冰脱落。
当需要避免冰积聚或引起附着的冰的脱落时，阀80和86可打开，从而允许高温加压空气进入分流器供给管道88和歧管70。例如，防冰***可构造成在探测到可能的结冰条件时，诸如在探测到液体水、低温、和/或低风扇速度后，自动地开始操作。一些示例实施例可构造成基于从冰传感器接收的数据开始操作。阀86可用于根据需求来减少压力。被加热的空气可通过跨接管路组件76供给到分流器气室56中。空气可在分流器气室56内基本上自由地沿周向流动，从而加热外壁40，其中加热效果集中在前缘44附近，在此特别关注冰脱落。这可产生减少或防止冰积聚和/或导致已经附着的冰的脱落的效果。分流器气室56可以以如下方式被加热：防止冰的积累并且/或者使积累的冰可作为相对小的颗粒脱落，该相对小的颗粒具有影响发动机操作的降低的倾向。
用过的加热空气可通过计量槽道68和出口槽道69离开分流器气室56，这些槽道可以以使空气动力损失最小的方式引导空气，诸如通过大体上平行于流经入口引导叶片60的流线地喷射空气。以此方式，可减轻使用放气来加热分流器38的循环障碍。
根据本公开至少一些方面的一些示例实施例可包括比其他设计(例如，见美国专利申请公开No.2012/0192544)薄的外壁并且/或者可包括更小的空气供应管系。一般而言，一些示例实施例可提供期望的结构性能(例如考虑到吸气事件)和/或期望的热传递(例如以减少结冰)，同时与一些其他设计相比具有较低的重量并且/或者消耗更少的放气。
虽然本公开包括在涡扇发动机背景下的示例实施例的描述，但应当明白，所包含的原理可适用于其他类型的发动机，诸如涡轮喷气或涡轮轴发动机，以及其他可能对结冰敏感的前缘结构。
本书面说明使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且还使任何本领域技术人员能够实践本发明，包括制造并且使用任何器件或***，并执行任何合并的方法。本发明的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种用于燃气涡轮发动机的分流器装置，包括：
分流器，其具有大体上环形的外壁，所述大体上环形的外壁在其前端处基本上限定凸出的前缘；
大体上环形的分流器支架，其径向地定位在所述外壁内，所述分流器支架包括前端，所述前端基本上靠着所述外壁的分流器内表面而配置；和
大体上环形的第一隔壁，其跨在所述外壁与所述分流器支架之间，其中，所述外壁、所述分流器支架、和所述第一隔壁共同地基本上限定大体上环形的分流器气室；
其中，所述分流器支架的前端在其中包括多个周向地间隔开的、大体上径向地定向的计量槽道；
其中，所述外壁包括内部分，所述内部分从所述分流器内表面大体上径向在内地配置并大体上朝后延伸，所述内部分包括多个间隔开的出口槽道；且
其中，所述分流器气室、所述计量槽道、和所述出口槽道布置成从所述气室，基本上靠着所述分流器内表面通过所述计量槽道，且通过所述出口槽道引导空气流。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述分流器支架的前缘设置为基本上与所述分流器内表面接触，但不附接到所述分流器内表面。
3.根据权利要求1所述的装置，还包括设置在所述分流器的径向内部的大体上径向地定向的叶片，所述叶片安装到外环带，所述外环带包括径向地定位在所述分流器支架与所述外壁的内部分之间的向前延伸的前轨。
4.根据权利要求3所述的装置，还包括设置在所述外环带与所述分流器支架之间的大体上环形的、弹性的密封件。
5.根据权利要求1所述的装置，其中，计量槽道的数量是出口槽道的数量的大约两倍。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，计量槽道的数量是出口槽道的数量的大约三倍。
7.根据权利要求1所述的装置，其中，计量槽道的数量是出口槽道的数量的大约三倍。
8.根据权利要求1所述的装置，其中，与单个的出口槽道相关的计量槽道的数量周向地变化。
9.根据权利要求1所述的装置，其中，该多个计量槽道包括具有第一宽度和与所述第一宽度不同的第二宽度的计量槽道。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述计量槽道中的相邻计量槽道之间的间距围绕所述分流器支架周向地变化。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述计量槽道中的相邻计量槽道之间的间距围绕所述分流器支架在周向上基本上不变。
12.一种燃气涡轮发动机，包括：
可旋转风扇；
可旋转增压器，其设置在所述风扇的后方；
涡轮机核心，其设置在所述增压器的后方，且能够操作以生成加压燃烧气体流；
大体上环形的核心舱，其设置成径向地围绕所述增压器和所述涡轮机核心；
低压涡轮，其设置在所述涡轮机核心的后方，且机械地联接到所述增压器和所述风扇；
翼型件的径向阵列，其设置在所述增压器的前方，且基本上被大体上环形的外环带包围；
分流器，其设置在所述核心舱的前端处且包围所述外环带，所述分流器包括：
大体上环形的外壁，其在其前端处基本上限定凸出弯曲的前缘；
大体上环形的分流器支架，其径向地定位在所述外壁内，所述分流器支架包括前端，所述前端与所述外壁的分流器内表面接触地配置；和
大体上环形的第一隔壁，其跨在所述外壁与所述分流器支架之间，其中，所述外壁、所述分流器支架、和所述第一隔壁基本上限定大体上环形的分流器气室；
其中，所述分流器支架的前端在其中包括多个周向地间隔开的、大体上径向地定向的计量槽道；
其中，所述外壁包括内部分，所述内部分从所述分流器内表面大体上径向在内地配置并大体上朝后延伸，所述内部分包括多个间隔开的出口槽道；且
其中，所述分流器气室、所述计量槽道、和所述出口槽道布置成从所述气室，基本上靠着所述分流器内表面通过所述计量槽道，且通过所述出口槽道引导空气流。
13.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述外环带包括向前延伸的前轨，所述向前延伸的前轨径向地设置在所述分流器支架与所述外壁的内部分之间。
14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，还包括设置在所述外环带与所述分流器支架之间的密封件，所述密封件基本上阻止所述外环带与所述分流器支架之间的空气流。
14.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，
其中，所述外壁包括径向向内延伸的、大体上环形的后隔壁；
其中，所述外环带包括径向向外延伸的、大体上环形的凸缘；且
其中，所述外环带的凸缘联接到所述后隔壁。
15.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，该多个出口槽道中的单个的出口槽道是大体上半圆形的。
16.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述出口槽道中的相邻出口槽道之间的间距围绕所述外壁周向地变化。
17.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述出口槽道中的单个的出口槽道布置成接收来自所述计量槽道中的两个或更多个的空气流。
18.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述出口槽道中的单个的出口槽道布置成接收来自所述计量槽道中的三个或更多个的空气流。
19.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，该多个计量槽道包括具有第一宽度和与所述第一宽度不同的第二宽度的计量槽道。
20.根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其中，所述计量槽道中的相邻计量槽道之间的间距围绕所述分流器支架周向地变化。
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