CN106988887B - 燃气涡轮发动机流体冷却***及其组装方法 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及燃气涡轮发动机流体冷却***及其组装方法。其中，一种用于包括围绕核心燃气涡轮发动机的风扇壳的燃气涡轮发动机的流体冷却***，其包括构造成将热传递至热传递流体的热源，以及与热源流动连通联接的主换热器。主换热器构造成将热传递流体导送穿过其间，且联接到风扇壳上。流体冷却***还包括与主换热器流动连通联接的副换热器。副换热器构造成将热传递流体导送穿过其间，且联接到核心燃气涡轮发动机上。流体冷却***还包括与副换热器流动连通联接的旁通机构。旁通机构基于流体介质的温度可有选择地移动，以控制穿过副换热器的冷却空气流。

Description

燃气涡轮发动机流体冷却***及其组装方法
技术领域
本文所述的申请大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更具体地涉及用于燃气涡轮发动机的流体冷却***。
背景技术
燃气涡轮发动机通常包括入口、风扇、低压压缩机和高压压缩机、燃烧器和至少一个涡轮。压缩机压缩空气，空气被导送至其与燃料混合的燃烧器。混合物然后点燃来生成热燃烧气体。燃烧气体导送至涡轮，涡轮从燃烧气体获得能量来对压缩机供能，且产生有用功来推进飞行中的飞行器或对负载（如，发电机）供能。
在发动机操作期间，产生了大量热，其将发动机***的温度升高到不可接受的水平。各种润滑***用于便于润滑燃气涡轮发动机内的构件。润滑***构造成将润滑流体导送至燃气涡轮发动机内的各种轴承组件和至少一个外部发电机。在操作期间，由发动机和发电机内的构件（如轴承和密封件）生成的热传送至润滑流体。为了便于降低润滑流体的操作温度，至少一个已知的燃气涡轮发动机使用表面冷却器或砖形冷却器（brick cooler）中的一者来冷却在其内循环的流体。
至少一些已知的涡轮发动机包括表面冷却器，其设计和尺寸确定成在各种预定操作条件期间冷却发动机流体。具体而言，在用于飞行器发动机中时，至少一些表面冷却器设计成在标准天、热天和极热天操作期间操作，以确保发动机流体的适当冷却。大体上，发动机流体的温度越热，表面冷却器就必须越大以降低发动机流体温度。因此，相比于标准天或热天操作所需的表面的尺寸，极热天条件需要相对较大的表面冷却器。由于表面冷却器的尺寸不可变，故至少一些已知的涡轮发动机包括尺寸确定成在极热天条件期间将发动机流体温度降低至预定温度的表面冷却器。
然而，涡轮发动机操作时间的仅大约0.1%出现在极热天条件期间。因此，至少一些已知的涡轮发动机包括比绝大多数时间实际所需的更大的表面冷却器。此类过大容量增加了飞行器的重量，且因此降低了燃料效率。此外，大于所需的表面冷却器占据了可用于不同目的的涡轮发动机内的空间。
发明内容
一方面，提供了一种用于燃气涡轮发动机中的流体冷却***，燃气涡轮发动机包括具有旋转轴线的核心燃气涡轮发送机和大致围绕（circumscribing）核心燃气涡轮发动机的风扇壳。流体冷却***包括构造成将热传递至热传递流体的热源，以及与热源流动连通联接的主换热器（primary heat exchanger）。主换热器构造成将热传递流体导送穿过其间，且联接到风扇壳上。流体冷却***还包括与主换热器流动连通联接的副换热器（secondary heat exchanger）。副换热器构造成将热传递流体导送穿过其间，且联接到核心燃气涡轮发动机上。流体冷却***还包括与副换热器流动连通联接的旁通机构。旁通机构基于流体介质的温度可有选择地移动，以控制穿过副换热器的冷却空气流。
另一方面，提供了一种操作燃气涡轮发动机的方法。该方法包括将热从热源传递至热传递流体，且将热传递流体导送穿过与热源流动连通联接的主换热器。该方法还包括确定流体介质的温度，以及基于流体介质的温度控制旁通机构来有选择地将副换热器定位在冷却空气流中。
技术方案1. 一种用于燃气涡轮发动机的流体冷却***，所述燃气涡轮发动机包括具有旋转轴线的核心燃气涡轮发动机和大致围绕所述核心燃气涡轮发动机的风扇壳，所述流体冷却***包括：
构造成将热传递至热传递流体的热源；
与所述热源流动连通联接且构造成将所述热传递流体导送穿过其间的主换热器，所述主换热器联接到所述风扇壳上；
与所述主换热器流动连通联接且构造成将所述热传递流体导送穿过其间的副换热器，所述副换热器联接到所述核心燃气涡轮发动机上；
与所述副换热器流动连通联接的旁通机构，所述旁通机构基于流体介质的温度能有选择地移动来控制穿过所述副换热器的冷却空气流。
技术方案2. 根据技术方案1所述的流体冷却***，其中，所述旁通机构响应于所述流体介质的温度高于阈值温度而能有选择地移动以使所述副换热器暴露于所述冷却空气流。
技术方案3. 根据技术方案2所述的流体冷却***，其中，所述流体介质包括所述热传递流体和环境空气流中的至少一种。
技术方案4. 根据技术方案3所述的流体冷却***，其中，所述环境空气流的阈值温度为至少105°F（40.5℃）。
技术方案5. 根据技术方案1所述的流体冷却***，其中，所述主换热器包括联接在位于所述风扇壳的径向内表面中的凹口内的表面冷却器，且所述副换热器包括砖形冷却器。
技术方案6. 根据技术方案1所述的流体冷却***，其中，所述主换热器包括尺寸确定成用于包括标准操作和热天操作的操作条件的表面冷却器。
技术方案7. 根据技术方案1所述的流体冷却***，其中，所述旁通机构包括挡板，其基于所述流体介质的温度在第一位置与第二位置之间能有选择地移动。
技术方案8. 根据技术方案7所述的流体冷却***，其中，所述旁通机构在所述第一位置时使所述副换热器暴露于所述冷却空气流，且在所述第二位置时使所述副换热器与所述冷却空气流隔离。
技术方案9. 根据技术方案8所述的流体冷却***，其中，所述旁通机构在所述流体介质的温度高于阈值温度时处于所述第一位置，且所述旁通机构在所述流体介质的温度低于阈值温度时处于所述第二位置。
技术方案10. 根据技术方案1所述的流体冷却***，其中，所述流体冷却***还包括配置成确定所述流体介质的温度的传感器。
技术方案11. 根据技术方案1所述的流体冷却***，其中，所述流体冷却***还包括与所述热源、所述主换热器和所述副换热器流动连通联接的燃料冷却的换热器。
技术方案12. 一种操作燃气涡轮发动机的方法，所述方法包括：
将热从热源传递至热传递流体；
将所述热传递流体导送穿过与所述热源流动连通联接的主换热器；
确定流体介质的温度；以及
基于所述流体介质的温度控制旁通机构来将副换热器有选择地定位在冷却空气流中。
技术方案13. 根据技术方案12所述的方法，其中，控制所述旁通机构包括基于所述流体介质的温度使挡板在第一位置与第二位置之间有选择地移动。
技术方案14. 根据技术方案13所述的方法，其中，控制所述旁通机构包括在所述挡板处于所述第一位置时使所述副换热器暴露于所述冷却空气流，以及在所述挡板处于所述第二位置时将所述副换热器与所述冷却空气流隔离。
技术方案15. 根据技术方案14所述的方法，其中，使所述副换热器暴露于所述冷却空气流包括在所确定的流体介质温度大于阈值温度时使所述挡板移动到所述第一位置，且使所述副换热器与所述冷却空气流隔离包括在所确定的流体介质温度低于所述阈值温度时使所述挡板移动到所述第二位置。
技术方案16. 根据技术方案15所述的方法，其中，确定流体介质的温度包括确定环境空气流的温度，其中所述环境空气流的阈值温度为至少105°F（40.5℃）。
技术方案17. 根据技术方案12所述的方法，其中，控制所述旁通机构包括响应于流体介质温度高于预定阈值温度来使所述副换热器暴露于所述冷却空气流，其中所述流体介质的阈值温度为至少105°F（40.5℃）。
技术方案18. 根据技术方案12所述的方法，其中，所述方法还包括将所述主换热器联接到所述燃气涡轮发动机的风扇壳上，以及将所述副换热器联接到核心燃气涡轮发动机上。
技术方案19. 根据技术方案12所述的方法，其中，将所述热传递流体导送穿过所述主换热器包括将所述热传递流体导送穿过表面冷却器。
技术方案20. 根据技术方案12所述的方法，其中，控制旁通机构来将副换热器有选择地定位在冷却空气流中包括控制旁通挡板来将冷却空气流有选择地导送穿过砖形冷却器。
附图说明
图1为示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图2为可结合图1中所示的燃气涡轮发动机使用的示例性发动机流体冷却***的示意图。
图3为示出示例性砖形冷却器机构的图1中所示的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图。
图4为可结合图1中所示的燃气涡轮发送机使用的备选发动机流体冷却***的示意图。
图5为示出备选砖形冷却器机构的图1中所示的燃气涡轮发动机的一部分的放大视图。
零件清单：
10 燃气涡轮发动机组件
11 纵轴线
12 风扇组件
13 核心燃气涡轮发动机
14 高压压缩机
16 燃烧器
18 高压涡轮
20 低压涡轮
24 风扇叶片
26 转子盘
28 进气侧
40 旁通导管
42 风扇壳
43 内壁
44 分流器
45 外壁
48 入口空气流
50 第一部分
52 旁通空气流
100 冷却***
102 热源
104 换热器
106 表面冷却器
108 砖形冷却器
110 导管
112 温度传感器
114 旁通机构
116 第一部分
118 第二部分
120 冷却空气流
150 出口导叶
200 冷却***
210 发动机流体导管
212 温度传感器
214 旁通机构
216 旁通导管。
具体实施方式
现在将详细参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中示出。详细描述使用了数字和字母标号来表示附图中的特征。附图中相似或类似的标记用于表示本发明的相似或类似的部分。
单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数对象，除非上下文清楚地另外指出。
可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况，以及其不发生的情况。
如本文在说明书和权利要求书各处使用的近似语言可用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个用语如"大约"、"大概"和"大致"修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量值的器具的精度。这里和说明书和权利要求书各处，范围限制可组合和/或互换，此范围被识别且包括包含在其中的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。
如本文使用的用语"第一"、"第二"和"第三"可互换使用，以将一个构件与另一个区分开，且不旨在表示独立构件的位置或重要性。用语"上游"和"下游"是指相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，"上游"是指流体流自的方向，且"下游"指示流体流至的方向。
如本文使用的用语"轴向"和"轴向地"是指大致平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。此外，用语"径向"和"径向地"是指大致垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和定向。
本文所述的示例性***和方法涉及油冷却***，其克服用于冷却循环穿过燃气涡轮发动机的润滑油的已知***和方法的至少一些缺点。此外，本文所述的***和方法包括协作来冷却润滑油的表面冷却器和砖形冷却器两者。更具体而言，本文所述的表面冷却器设计成在达到和包括热天条件的发动机操作条件期间满足润滑流体的冷却要求。同样，当确定操作条件为极热天条件时，需要润滑油的进一步冷却。砖形冷却器定位在发动机的罩下方区域中，且在确定发动机的当前操作条件为极热天条件时启动。更具体而言，旁通机构基于流体介质的温度可有选择地移动，以控制穿过砖形冷却器的冷却空气流。
本文所述的油冷却***和方法的优点包括表面冷却器的尺寸减小导致发动机的总体重量减轻。此外，较小的表面冷却器具有发动机中的较小占地面积，且与对应较小量的入口空气相互作用。同样，不但较小的表面冷却器允许发动机内的更多空间用于附加构件，而且风扇空气的压力损失由于与较小的表面冷却器的较少空气相互作用而减小。重量减轻且压力损失也减小导致了改善的特定燃料消耗率，这提高了发动机的效率且降低了总体操作成本。
本文公开的实施例涉及表面冷却器，且更具体地涉及用于发动机（如飞行器发动机）的机舱中的增强的表面冷却器。示例性表面冷却器可用于提供有效的冷却。此外，如本文使用的用语"冷却器"可与用语"换热器"互换使用。如本文使用的表面冷却器可适用于各种类型的涡轮机应用，如但不限于涡轮喷气、涡轮风扇、涡轮推进发动机、飞行器发动机、燃气轮机、汽轮机、风轮机和水轮机。此外，如本文使用的单数形式如"一个"、"一种"和"该"包括复数项目，除非上下文清楚地另外指出。
图1为具有纵轴线11的示例性燃气涡轮发动机组件10的示意图。燃气涡轮发动机组件10包括风扇组件12和核心燃气涡轮发动机13。核心燃气涡轮发动机13包括高压压缩机14、燃烧器16和高压涡轮18。在示例性实施例中，燃气涡轮发动机组件10还可包括低压涡轮20。风扇组件12包括从转子盘26沿径向向外延伸的风扇叶片24的阵列。发动机10具有进气侧28和排气侧30。燃气涡轮发动机组件10还包括多个轴承组件（图1中未示出），其例如用于给风扇组件12、压缩机14、高压涡轮18和低压涡轮20提供旋转和轴向支承。
在操作中，空气流过风扇组件12，且由空气流分流器44分流成第一部分50和第二部分52。空气流的第一部分50导送穿过压缩机14，其中空气流进一步压缩且输送至燃烧器16。来自燃烧器16的燃烧的热产物（图1中未示出）用于驱动涡轮18和20，且因此产生发动机推力。燃气涡轮发动机组件10还包括旁通导管40，其用于使从风扇组件12排出的空气流的第二部分52围绕核心燃气涡轮发动机13旁通。更具体而言，旁通导管40在风扇壳或护罩42的内壁43与分流器44的外壁45之间延伸。
图2为可结合燃气涡轮发动机10（图1中所示）使用的示例性发动机流体冷却***100的示意图。在示例性实施例中，流体冷却***100包括所有都经由发动机流体导管110与彼此流动连通联接的热源102、燃料冷却空气-油冷却器（FCOC）换热器104、主空气-油冷却器（ACOC）换热器106，以及副空气-油冷却器（ACOC）换热器108。热源102包括核心燃气涡轮发动机13，其将热传递至发动机流体如润滑油。更具体而言，热源102包括核心燃气涡轮发动机13内的发电机、变速箱、泵或轴承中的任一个，其在操作期间生成热且需要润滑油来用于冷却目的。作为备选，***100中的热源102包括便于如上文所述的***100的操作的发动机10的任何构件。发动机润滑流体经由导管110流过***100，且返回热源102。润滑油在其流过换热器104、106和108时温度降低。
尽管冷却***100在本文中描述为冷却用于发动机10的润滑油，但其可作为备选或同时地冷却其它流体。例如，其可冷却用于从用在发动机上的促动器获得热的流体。其还可用于冷却从电子设备如发动机控制获得热的流体。除冷却由燃气涡轮发动机组件使用的多种流体之外，应当理解的是，冷却***100和本文所述的方法显示出冷却***100还可冷却安装在机身上和不是发动机的部分的设备。在其它实施例中，冷却***100可安装成远离燃气涡轮发动机10，例如，在飞行器的外表面上。
在示例性实施例中，燃料冷却的换热器104与热源102流动连通联接。换热器104包括流过其间的相对较冷的燃料的回路，其在其也流过换热器104时降低润滑油的温度。
在示例性实施例中，主换热器106包括定位在形成于风扇壳42的内表面43中的凹口内的空气冷却的表面冷却器。表面冷却器106包括多个翅片107，其热联接来从油接收热能量，且将能量传递至另一介质如空气。更具体而言，表面冷却器106齐平安装到风扇壳42上，使得翅片107延伸到发动机10的进气侧28内的入口空气流48中。表面冷却器106将来自油的热能传递到从油除去热的入口空气流48中。如下文进一步详细所述，冷却的油从表面冷却器106导送穿过导管110至副换热器108，以用于附加冷却（如果需要）。
如图1中所示，表面冷却器106联接到风扇组件12下游的风扇壳42的内壁43上，使得导送到进气侧28中的空气在供应到出口导叶150后方的表面冷却器106之前首先导送穿过风扇组件12，以便于降低导送穿过表面冷却器106的发动机流体的操作温度。大体上，表面冷却器106沿风扇壳42的内壁43的轴向长度或沿旁通导管40内的分流器44的径向外表面45定位在任何位置。在示例性实施例中，在表面冷却器106定位在发动机进气侧28附近时提高了效率，在该处，风扇组件12的直径最大。
通常，空气-油冷却器在环境温度为大约131°F的极热天条件下如表1中所示确定尺寸。在示例性实施例中，表面冷却器106尺寸小于针对极热天条件确定尺寸的常规表面冷却器。更具体而言，表面冷却器106基于如下表1中限定的流体介质的温度尺寸确定成用于达到和包括标准天操作或达到和包括热天操作条件的操作。尽管表1将流体介质描述为环境空气流，但在其它实施例中，流体介质可为润滑油自身。同样，较小尺寸的表面冷却器106满足达到和包括标准天操作或热天操作的操作条件期间的润滑油的冷却要求。
表1
操作条件 环境温度
极热天 131°F （55°C）
热天 105°F （40.5°C）
标准天 59°F （15°C）
冷天 34°F （1°C）
极冷天 -65°F （-54°C）
以上的表1描述了发动机10操作所处的可能的条件。如上文所述，已知的表面冷却器设计成在标准天、热天和极热天操作期间操作，以确保润滑油的适当冷却。大体上，环境温度越高，润滑油的温度越高，则表面冷却器就必须越大以降低润滑油温度。同样，相比于标准天或热天操作所需的表面的尺寸，极热天条件需要相对较大的表面冷却器。然而，涡轮发动机操作时间的仅大约0.1%出现在极热天条件期间。因此，至少一些已知的涡轮发动机包括比99.9%的时间的实际所需的更大。此类过大容量增加了飞行器的重量，且因此降低了燃料效率。此外，大于所需的表面冷却器占据了可用于不同目的的涡轮发动机内的空间。
在示例性实施例中，表面冷却器106尺寸确定成用于在如以下表1中限定的标准天或热天操作条件期间的操作。即，较小尺寸的表面冷却器106满足达到和包括标准天或热天操作的操作条件期间的润滑油的冷却要求。同样，当确定操作条件为极热天条件时，需要润滑油的进一步冷却。更具体而言，当表面冷却器106尺寸确定为用于标准天操作时，在发动机在热天条件或更高下操作时需要附加冷却来将润滑油冷却至期望的温度。类似地，当表面冷却器106尺寸确定成用于热天操作时，表面冷却器106提供针对标准天操作的足够冷却，但在发动机在极热天条件下操作时需要附加冷却来将润滑油冷却至期望的温度。
在示例性实施例中，副换热器108与表面冷却器106流动连通联接，使得润滑流体导送穿过其间且包括联接到核心涡轮发动机13上的砖形冷却器。更具体而言，砖形冷却器108联接到外表面45上，且基于发动机10的操作条件有选择地经历旁通流52。类似于表面冷却器106，砖形冷却器108尺寸也小于常规砖形冷却器。更具体而言，砖形冷却器108尺寸确定成与表面冷却器106组合操作，使得表面冷却器106和砖形冷却器108一起将流过其间的润滑油的温度降低至少与常规尺寸的表面冷却器或砖形冷却器一样多。如图2中所示，表面冷却器106和砖形冷却器108与彼此串联联接。在备选实施例中，表面冷却器106和砖形冷却器108并联联接（如图4中所示）。如本文所述，砖形冷却器108仅在极热天操作条件期间经历冷却空气流。
现在参看图2和3，冷却***100还包括温度传感器112和与砖形冷却器108流动连通联接的旁通机构114。在示例性实施例中，旁通机构114可基于如由传感器112测得的流体介质的温度有选择地在第一位置116与第二位置118（图3中的虚线所示）之间移动，以控制穿过砖形冷却器108的冷却空气流120。更具体而言，旁通机构114包括挡板（flap）或门，其可响应于流体介质的温度高于预定阈值温度而可有选择地移动以使砖形冷却器108暴露于冷却空气流120。甚至更具体而言，当超过如由传感器112测得的阈值温度时，指出了热天或极热天条件，旁通机构114被控制成移动到第一位置116来使砖形冷却器108暴露于冷却空气流120。类似地，当测得的温度低于阈值温度时，指出了操作条件不是热天或极热天条件，则旁通机构114被控制成移动到第二位置118来使砖形冷却器108与冷却空气流120隔离。
在示例性实施例中，旁通机构114包括挡板或门，其在超过阈值温度且确定了热天或极热天条件时延伸到旁通空气流54中。在此构造中，旁通机构114在将冷却空气流120导送回砖形冷却器108下游的旁通空气流52之前将旁通空气流52的一部分导送穿过砖形冷却器108作为冷却空气流120。尽管图2示出了传感器测量旁通机构114的位置所基于的作为流体介质的旁通空气流52的温度，但在另一个实施例中，测量的流体介质为入口流48或流过***100的导管110的润滑油自身中的一者。大体上，旁通机构114的位置所基于的流体介质包括表示如表1中指出的发动机10的操作条件的任何发动机流体。在示例性实施例中，环境空气流流体介质的阈值温度基于表面冷却器的尺寸。例如，当表面冷却器106尺寸确定为用于标准天操作时（指出了热天和极热天操作中的一者），阈值温度可为大约60°F（15.5℃），使得润滑流体在确定温度大于标准天条件时导送穿过砖形冷却器108。类似地，当表面冷却器106尺寸确定为用于热天操作时，则阈值温度可为大约105°F（40.5℃），使得润滑流体在确定温度高于热天条件时（指出极热天操作）导送穿过砖形冷却器108。作为备选，阈值温度可为便于如本文所述的***100的操作的任何温度。
在备选实施例中，机构114永久地在如图3中的实线所示的第一位置116，且旁通机构114包括附加挡板或门（未示出），其有选择地覆盖限定在旁通机构114与外壁45之间的入口。同样，挡板基于如由传感器112测得的流体介质的温度可有选择地移动，以控制穿过砖形冷却器108的冷却空气流120。
在示例性实施例中，润滑油在所有操作条件中导送穿过砖形冷却器108，包括在旁通机构处于第二位置且砖形冷却器108未暴露于冷却流时。作为备选，冷却***100包括润滑油旁通机构和相关联的润滑油旁通导管（都未示出），其操作成在某些操作条件期间围绕砖形冷却器108导送润滑油。更具体而言，当测得温度低于阈值温度时（指出了操作条件不是热天或极热天条件），则润滑油旁通机构和相关联的润滑油旁通导管在操作条件期间围绕砖形冷却器108导送润滑油。类似地，冷却***100包括第二润滑油旁通机构和相关联的第二润滑油旁通导管（都未示出），其操作成在某些操作条件期间围绕表面冷却器106导送润滑油。更具体而言，第二润滑油旁通机构和相关联的第二润滑油导管在润滑油不需要冷却时（如，极冷天条件）的操作条件期间围绕表面冷却器106导送润滑油。
在操作期间，热源102生成热，且将热能传递至润滑油，其然后经由导管110导送至燃料冷却的油冷却器来降低润滑油的温度。润滑油然后导送穿过联接到风扇壳42上的表面冷却器106。表面冷却器106暴露于入口空气流48，使得来自润滑油的热能传递至入口空气流。如本文所述，在示例性实施例中，表面冷却器106尺寸小于常规表面冷却器，且设计成满足达到和包括热天条件的发动机10的操作条件中的润滑油的冷却要求。传感器112然后测量流体介质的温度，如，空气流48或52或润滑油自身中的一者。流体介质的测得温度然后与同发动机10的操作条件相关联的预定阈值温度相比较。当测得的温度低于阈值温度时，发动机10未在热天或极热天条件的一者中操作，且旁通机构114定位在第二位置118中以允许旁通空气流51绕过砖形冷却器108。作为备选，当测得的温度处于或高于阈值温度时，发动机10在热天或极热天条件中的一者中操作，且旁通机构114定位在第一位置116来允许旁通空气流51的一部分（即，冷却空气流120）流过砖形冷却器108，且将热能从其中的润滑油传递至冷却空气流120。
图4为备选发动机流体冷却***200的示意图，其可结合燃气涡轮发动机10（图1中所示）使用。流体冷却***200包括与仅并联而非串联布置的冷却***100相同的构件。同样，图4使用了与***100中的那些相同的用于***200中的构件的相似参考标号。热源102、燃料冷却的空气-油冷却器（FCOC）、换热器104和主空气-油冷却器（ACOC）换热器106所有都经由发动机流体导管210与彼此流动连通。冷却***200包括旁通导管216，其联接与换热器106并联的副空气-油冷却器（ACOC）换热器108。发动机润滑流体经由导管210流过***200，且有选择地216，且返回热源102。润滑油在其流过换热器104、106和108时温度降低。
图5示出了与砖形冷却器108流动连通联接的备选的旁通机构414。类似于以上旁通机构114，旁通机构414可基于如由传感器112测得的流体介质的温度有选择地在第一位置416与第二位置418（图5中的虚线所示）之间移动，以控制穿过砖形冷却器108的冷却空气流120。更具体而言，旁通机构414包括两个挡板或门，其响应于流体介质的温度高于预定阈值温度而可有选择地移动以使砖形冷却器108暴露于冷却空气流120。甚至更具体而言，当超过如由传感器112测得的阈值温度时（指出了热天或极热天条件），旁通机构414控制成移动到第一位置416来使砖形冷却器108暴露于冷却空气流120。类似地，当测得的温度低于阈值温度时（指出了操作条件不是热天或极热天条件），则旁通机构414控制成移动到第二位置418来使砖形冷却器108与冷却空气流120隔离。
在一个实施例中，旁通机构414包括砖形冷却器108上游的一个挡板或门，以及砖形冷却器108下游的第二挡板或门。当超过阈值温度且确定热天或极热天条件时，挡板414移动来允许旁通空气流54变为穿过砖形冷却器108的冷却空气流120。在此构造中，旁通机构414在将冷却空气流120导送回砖形冷却器108下游的旁通空气流52之前将旁通空气流52的一部分导送穿过砖形冷却器108作为冷却空气流120。
尽管冷却***200在本文中描述为冷却用于发动机10的润滑流体，但其可作为备选或同时地冷却其它流体。例如，其可冷却用于从用于发动机上的促动器获得热的流体。其还可用于冷却从电子设备如发动机控制获得热的流体。除冷却由燃气涡轮发动机组件使用的多种流体之外，应当理解的是，冷却***200和本文所述的方法显示出冷却***200还可冷却安装在机身上和不是发动机的部分的设备。在其它应用中，冷却***200还可安装成远离燃气涡轮发动机10，例如，在飞行器的外表面上。
在示例性实施例中，燃料冷却的换热器104与热源102流动连通联接。换热器104包括流过其间的相对较冷的燃料的回路，其在其也流过换热器104时降低润滑油的温度。
在示例性实施例中，主换热器106包括定位在形成于风扇壳42的内表面43中的凹口内的空气冷却的表面冷却器。表面冷却器106包括多个翅片107，它们热联接来从油接收热能量，且将能量传递至另一介质如空气。更具体而言，表面冷却器106齐平安装到风扇壳42上，使得翅片107延伸到发动机10的进气侧28内的入口空气流48中。表面冷却器106将来自油的热能传递到从油除去热的入口空气流48中。
如图1中所示，表面冷却器106联接到风扇组件12下游的风扇壳42的内壁43上，使得导送到进气侧28中的空气在供应到出口导叶150后方的表面冷却器106之前首先导送穿过风扇组件12，以便于降低导送穿过表面冷却器106的发动机流体的操作温度。大体上，表面冷却器106沿风扇壳42的内壁43的轴向长度或沿旁通导管40内的分流器44的径向外表面45定位在任何位置。在示例性实施例中，在表面冷却器106定位在发动机进气侧28附近时提高了效率，在该处，风扇组件12的直径最大。
现在参看图4，冷却***200还包括温度传感器212和沿导管210联接的旁通机构214。旁通机构214基于如由传感器212测得的流体机构的温度可有选择地移动，以控制穿过砖形冷却器108的润滑油流。更具体而言，当超过如由传感器212测得的阈值温度时（指出了热天或极热天条件），则旁通机构114控制成移动来将润滑油导送穿过砖形冷却器108。类似地，当测得的温度低于阈值温度时（指出了操作条件不是热天或极热天条件），则旁通机构114控制成限制润滑油流仅穿过表面冷却器106。
在操作中，热源102生成热，且将热能传递至润滑油，其然后经由导管210导送至燃料冷却的油冷却器104来降低润滑油的温度。润滑油然后沿导管210导送，在该处，其到达传感器212和旁通机构214。传感器212确定润滑流体的温度，且基于温度确定来控制旁通机构214。在温度低于预定阈值的情况下，旁通机构214促动成导送所有润滑油穿过表面冷却器106且到热源102上。然而，在温度由传感器212确定为高于阈值时，则旁通机构214控制成使润滑油流分流，使得一部分导送穿过表面冷却器106，且一部分导送穿过砖形冷却器108。在润滑油流出冷却器106和108之后，其组合且导送至热源102来使用。
本文所述的示例性设备和方法克服了用于冷却穿过燃气涡轮发动机的润滑油的已知***和方法的至少一些缺点。此外，本文所述的***和方法包括协作来冷却润滑油的表面冷却器和砖形冷却器两者。更具体而言，本文所述的表面冷却器设计成在如以上表1中指定的达到和包括热天条件的发动机操作条件期间满足润滑流体的冷却要求。同样，当确定操作条件为极热天条件时，需要润滑油的进一步冷却。砖形冷却器定位在发动机的罩下方区域中，且在确定发动机的当前操作条件为极热天条件时启动。更具体而言，旁通机构基于流体介质的温度可有选择地移动，以控制穿过砖形冷却器的冷却空气流。
上述油冷却***的技术效果在于，表面冷却器尺寸减小导致发动机的总重量的减轻。此外，较小的表面冷却器具有发动机中的较小占地面积，且与对应较小量的入口空气相互作用。同样，不但较小的表面冷却器允许发动机内的更多空间用于附加构件，而且风扇空气的压力损失由于与较小的表面冷却器的较少空气相互作用而减小。重量减轻且压差也减小导致了改善的特定燃料消耗率，这提高了发动机的效率且降低了总体操作成本。
上文详细描述了油冷却***的示例性实施例。油冷却***和操作此***和装置的方法不限于本文所述的特定实施例，而是相反，***的构件和/或方法的步骤可独立地且与本文所述的其它构件和/或步骤分开使用。例如，方法还可与需要油冷却***的其它***组合，且不限于仅利用如本文所上的涡轮发动机***和方法来实施。
尽管本发明的各种实施例的特定特征可在一些图中示出且在其它图中未示出，但这仅是为了方便。根据本发明的原理，可与任何其它图的任何特征组合来参照和/或要求保护附图的任何特征。
本书面描述使用了实例来公开本发明，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或***，以及执行任何并入的方法。本发明的专利范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (19)

1.一种用于燃气涡轮发动机的流体冷却***，所述燃气涡轮发动机包括具有旋转轴线的核心燃气涡轮发动机和大致围绕所述核心燃气涡轮发动机的风扇壳，所述流体冷却***包括：
构造成将热传递至热传递流体的热源；
与所述热源流动连通联接且构造成将所述热传递流体导送穿过其间的主换热器，所述主换热器联接到所述风扇壳上；
与所述主换热器流动连通联接且构造成将所述热传递流体导送穿过其间的副换热器，所述副换热器联接到所述核心燃气涡轮发动机上；
与所述副换热器流动连通联接的旁通机构，所述旁通机构基于流体介质的温度能有选择地移动来控制穿过所述副换热器的冷却空气流。
2.根据权利要求1所述的流体冷却***，其特征在于，所述旁通机构响应于所述流体介质的温度高于阈值温度而能有选择地移动以使所述副换热器暴露于所述冷却空气流。
3.根据权利要求2所述的流体冷却***，其特征在于，所述流体介质包括所述热传递流体和环境空气流中的至少一种。
4.根据权利要求3所述的流体冷却***，其特征在于，所述环境空气流的阈值温度为至少40.5℃。
5.根据权利要求1所述的流体冷却***，其特征在于，所述主换热器包括联接在位于所述风扇壳的径向内表面中的凹口内的表面冷却器，且所述副换热器包括砖形冷却器。
6.根据权利要求1所述的流体冷却***，其特征在于，所述主换热器包括尺寸确定成用于包括标准操作和热天操作的操作条件的表面冷却器。
7.根据权利要求1所述的流体冷却***，其特征在于，所述旁通机构包括挡板，其基于所述流体介质的温度在第一位置与第二位置之间能有选择地移动。
8.根据权利要求7所述的流体冷却***，其特征在于，所述旁通机构在所述第一位置时使所述副换热器暴露于所述冷却空气流，且在所述第二位置时使所述副换热器与所述冷却空气流隔离。
9.根据权利要求8所述的流体冷却***，其特征在于，所述旁通机构在所述流体介质的温度高于阈值温度时处于所述第一位置，且所述旁通机构在所述流体介质的温度低于阈值温度时处于所述第二位置。
10.根据权利要求1所述的流体冷却***，其特征在于，所述流体冷却***还包括配置成确定所述流体介质的温度的传感器。
11.根据权利要求1所述的流体冷却***，其特征在于，所述流体冷却***还包括与所述热源、所述主换热器和所述副换热器流动连通联接的燃料冷却的换热器。
12.一种操作燃气涡轮发动机的方法，所述方法包括：
将热从热源传递至热传递流体；
将所述热传递流体导送穿过与所述热源流动连通联接的且联接到所述燃气涡轮发动机的风扇壳上的主换热器；
确定流体介质的温度；以及
基于所述流体介质的温度控制旁通机构来将联接到所述燃气涡轮发动机的核心燃气涡轮发动机上的副换热器有选择地定位在冷却空气流中。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，控制所述旁通机构包括基于所述流体介质的温度使挡板在第一位置与第二位置之间有选择地移动。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，控制所述旁通机构包括在所述挡板处于所述第一位置时使所述副换热器暴露于所述冷却空气流，以及在所述挡板处于所述第二位置时将所述副换热器与所述冷却空气流隔离。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，使所述副换热器暴露于所述冷却空气流包括在所确定的流体介质温度大于阈值温度时使所述挡板移动到所述第一位置，且使所述副换热器与所述冷却空气流隔离包括在所确定的流体介质温度低于所述阈值温度时使所述挡板移动到所述第二位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，确定流体介质的温度包括确定环境空气流的温度，其中所述环境空气流的阈值温度为至少40.5℃。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，控制所述旁通机构包括响应于流体介质温度高于预定阈值温度来使所述副换热器暴露于所述冷却空气流，其中所述流体介质的阈值温度为至少40.5℃。
18.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，将所述热传递流体导送穿过所述主换热器包括将所述热传递流体导送穿过表面冷却器。
19.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，控制旁通机构来将副换热器有选择地定位在冷却空气流中包括控制旁通挡板来将冷却空气流有选择地导送穿过砖形冷却器。
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