CN109154254B - 涡轮发动机冷却器组合件 - Google Patents

Abstract

一种用于涡轮发动机的风扇罩组合件，其包括具有环形风扇冷却器的罩。所述环形风扇冷却器包括第一和第二连接组合件以固定发动机操作期间所述风扇冷却器的移动，同时允许在不遭受高周疲劳的情况下所述风扇冷却器的周向热生长。

Description

涡轮发动机冷却器组合件

背景技术

在飞行器中使用的当代发动机产生大量的热量，必须将所述热量以一种方式或另一种方式传递使其远离发动机。热交换器提供将热量传递远离此类发动机的一种方式。举例来说，热交换器可布置于在发动机的一部分周围的环中。

所使用的一种类型的热交换器是安装到后风扇罩的表面冷却器。然而，发动机的此区中的空间受到限制，且当前设计利用几乎全部可用空间。因此，具有必须耗散的较多热量的较新发动机技术将归因于缺乏可用空间而热受限。该问题进一步加剧是因为，新的发动机设计变得更加空间受限，从而使当前类型的冷却器和其安装***的尺寸及重量过大。

另一问题是，热交换器经受相对高的温度而导致其热膨胀，尤其横向或沿切线方向，然而仍需要保持固定到发动机以防止由于发动机振动而发生高周疲劳。通常，此类热交换器不考虑产生疲劳的操作期间的热膨胀。因此，需要一种允许操作期间的热膨胀同时需要最小间隔的热交换器。

发明内容

在一个方面中，本发明的一实施例涉及一种风扇罩组合件，所述风扇罩组合件包括：罩，其具有周边壁；表面冷却器，其具有面对所述周边壁的第一表面且具有与第二端间隔开的第一端以及相对的前边缘和后边缘；第一连接组合件，其具有初级***，所述初级***被配置成将表面冷却器的所述第一端定位到所述罩且防止所述罩向前移动和向后移动；以及第二连接组合件，其具有次级***，所述次级***被配置成相对于所述罩定位表面冷却器的第二端，且其中所述次级***允许周向热生长。

在另一方面中，本发明的一实施例涉及一种风扇罩组合件，所述风扇罩组合件包括：罩，其具有周边壁；表面冷却器，其具有面对所述周边壁的第一表面且具有与第二端间隔开的第一端以及相对的前边缘和后边缘，其中所述表面冷却器经由表面冷却器的第一端处的第一连接以及经由表面冷却器的第二端处的第二连接安装到所述罩，且其中第二连接在周向方向上是自由的，使得表面冷却器可周向热生长。

在又一方面中，本发明的一实施例涉及一种风扇罩组合件，所述风扇罩组合件包括：罩，其具有周边壁；表面冷却器，其具有面对周边壁的第一表面且具有第一端和第二端；固定连接，其将表面冷却器的第一端安装到所述罩；以及浮动连接，其将表面冷却器的第二端安装到所述罩且被配置成允许热生长。

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的实施例具有表面冷却器和安装***的涡轮发动机组合件的示意部分剖视图。

图2是可包括在图1的涡轮发动机组合件中的罩的后部分、表面冷却器和安装件的透视图。

图3是图2的罩的具有自其分解的两个表面冷却器的部分的部分分解透视图。

图4是示出四个歧管的表面冷却器的轴向视图。

图5是具有歧管的图2的表面冷却器的一部分的放大透视图。

图6是图5的歧管的横截面图。

图7是具有次级***的图2的表面冷却器的另一部分的放大透视图。

图8是在图7的次级***处朝外看的径向内部视图。

图9是图7的次级***的横截面图。

图10是具有盖部分和底座部分的图7的次级***的分解视图。

图11是图10的托架安装件的底座部分的分解视图。

图12是图10的托架安装件的盖部分的分解视图。

具体实施方式

本文中所公开的实施例涉及表面冷却器，且更具体地说涉及用于互连例如飞行器发动机等发动机中的表面冷却器的元件的***。示范性表面冷却器可用于提供高效冷却。另外，如本文中所使用的术语“表面冷却器”可与术语“热交换器”互换地使用。如本文中所使用，表面冷却器适用于各种类型的应用，例如但不限于涡轮喷气发动机、涡轮风扇、涡轮推进发动机、飞行器发动机、燃气涡轮机、蒸汽涡轮机、风力涡轮机和水力涡轮机。

因此，参看图1，描述其中可使用本发明的实施例的环境的简要阐释。更具体地说，图1示出具有纵向轴线12的示范性涡轮发动机组合件10。涡轮发动机16、风扇组合件18和机舱20可包括在涡轮发动机组合件10中。涡轮发动机16可包括具有压缩机24、燃烧区段26、涡轮机28和排气口30的发动机核心22。内机罩32径向包围发动机核心22。

为了清楚起见，已切除机舱20的部分。机舱20环绕包括内机罩32的涡轮发动机16。以此方式，机舱20形成径向环绕内机罩32的外机罩34。外机罩34与内机罩32间隔开以在内机罩32和外机罩34之间形成环形通路36。环形通路36表征、形成或以其它方式限定喷嘴和大体上前后旁路气流路径。具有环形前罩38和后罩39的风扇罩组合件37可形成由机舱20形成的外机罩34的部分，或可经由支柱(未图示)从机舱20的部分悬挂。

在操作中，空气流过风扇组合件18，且气流的第一部分40经由压缩机24用通道输送，其中气流被进一步压缩且递送到燃烧区段26。来自燃烧区段26的燃烧的热产物(未图示)用以驱动涡轮机28，且因此产生发动机推进。环形通路36用以绕过从发动机核心22周围的风扇组合件18排出的气流的第二部分42。

涡轮发动机组合件10可造成独特的热管理难题，且热交换器***或表面冷却器50可附接到涡轮发动机组合件10以辅助热量的耗散。在示范性实施例中，表面冷却器50可以是环形风扇表面冷却器50，其可以可操作地联接到罩52，罩52具有形成外机罩34的内部部分的周边壁54(图2)。在非限制性示例中，罩52可以是风扇罩组合件37，或者前罩38或后罩39。应了解，罩52可以是任何罩区，使得罩围封作为由罩组合件52限定的环形管道的部分的任何结构硬件。因此，表面冷却器50可在沿着由罩组合件37限定的管道的任一位置处联接到罩52。图2示出风扇罩组合件37(图1)的罩52的一个示范性实施例。表面冷却器50可覆盖周边壁54的任何部分，且不限于如所示出的尺寸。将理解，可利用一组表面冷却器50来冷却单个涡轮发动机组合件10。将理解，如本文中所使用的“一组”可包括任何数目，包括仅一个。此一组可安置于沿着周边壁54的轴向布置中。罩52包括前边缘60和相对的后边缘62。风扇罩紧固件开口64通过周边壁54以及歧管开口76。多个罩安装件66可沿着罩52的外部安装以用于将罩52安装到外机罩34。此类罩安装件66可包括，但不限于，U形夹安装件。

表面冷却器50可包括，但不限于，定位于罩52上的空气冷却的热交换器。虽然表面冷却器50已示出为在风扇组合件18的下游，但还预期，表面冷却器50或者可在风扇组合件18的上游，或在沿着外机罩34的任何位置处。因而，将理解，表面冷却器50可定位在沿着环形通路36的轴向长度的任何地方。由此，环形罩52和表面冷却器50可形成风扇罩组合件48的一部分。

图3的部分分解图示出从罩52移除的表面冷却器50。表面冷却器50包括可在安装时面对周边壁54的第一表面56。在组合位置中，表面冷却器50的内表面70形成外机罩34(图1)的一部分。表面冷却器50包括与第二端83间隔开的第一端81，且具有前边缘72和相对的后边缘74。表面冷却器50可包括大体上类似于周边壁54的周向形状的周向和轴向环形形状，以便安装到周边壁54上。

罩52进一步包括紧固件开口64和歧管开口76。表面冷却器包括联接到主体68的多个安装托架78和冷却器歧管80。紧固件开口64和歧管开口76适于与安装到表面冷却器50上的安装托架78和冷却器歧管80对准，且分别接纳它们。紧固件开口64接纳安装托架78以用于将表面冷却器50安装到罩52。歧管开口76径向穿过罩52而接纳冷却器歧管80以用于接纳被提供到表面冷却器50的流体。虽然表面冷却器50示出为具有两个冷却器歧管80和多个安装托架78，但任何数目的冷却器歧管80和安装托架78都可用。冷却器歧管80可分离成单独的连接组合件，限定第一连接组合件90和第二连接组合件92。

图4示出向后看的表面冷却器50的轴向视图，其具有限定完整的环形风扇表面冷却器50的两个冷却器部分82。冷却器部分82可联接以形成大体上环形表面冷却器50。一组热交换器垫片88沿着表面冷却器50的内表面70安装。冷却器歧管80可将冷却流体流提供到热交换器垫片88以用于将热量转移远离发动机10。

表面冷却器50可经受六个自由度，包括三个旋转度和三个平移度。如所示出，三个平移自由度可以分别是X轴、Y轴和Z轴的线性平移。由此，在发动机操作期间，表面冷却器50可沿着X轴在第一平移自由度中左右移动，沿着Y轴在第二平移自由度中上下移动，且沿着Z轴在第三平移自由度中在轴向方向上移入或移出页面。类似地，所述三个旋转自由度可以分别是相对于X轴、Y轴和Z轴的旋转。由此，第一旋转自由度可围绕X轴旋转，第二旋转自由度可围绕Y轴旋转，且第三旋转自由度可围绕Z轴旋转。

第一连接组合件90可包括用于将表面冷却器安装到罩52的固定连接。第一连接组合件90防止表面冷却器50相对于罩52的移动。需要使第一连接组合件90相对于所有六个自由度在结构上固定。表面冷却器50的结构固定防止轴向移动，从而为前后相邻的硬件提供间隙。此类间隙确保表面冷却器50不会中断相邻的硬件的功能。因此，结构固定提供表面冷却器50的精确定位，以维持与前后相邻的硬件的间隙。

第二连接组合件92可包括浮动连接，从而允许表面冷却器50相对于罩52热膨胀。使第二连接组合件92相对于五个自由度在结构上固定，且相对于第三旋转自由度自由移动以围绕Z轴旋转。自由地围绕Z轴旋转使表面冷却器50能够归因于与发动机操作期间的温度差相关联的热生长而周向膨胀或收缩。此外，自由地围绕Z轴旋转能够减弱涡轮发动机组合件10的操作期间的高周疲劳振动。

如图5中较好地示出，第一连接组合件90沿着表面冷却器50的外表面100定位。第一连接组合件90包括至少一个紧固件104。紧固件104将歧管80联接到表面冷却器50。

现参看图6，示出沿着图5的截面VI-VI截取的区段，其示出第一连接组合件90的内部，包括安装到表面冷却器50的径向外部的罩52。表面冷却器50和罩52彼此间隔开，从而限定位于其间的空隙116。第一连接组合件90包括歧管110。歧管可包括至少一个喷嘴102、两个定位柱118、两个***123和两个凹口121。定位柱118可以是图5的紧固件104。

喷嘴102向热交换器88提供流体流。应理解，冷却器歧管80还可作为出口而非入口操作，从而相较于提供流体，实现例如空气等流体从热交换器88的移除。由此，多个冷却器歧管80可在表面冷却器50附近间隔开，以用于提供冷却流体的进入和外出。或者，流体流可以另一方式从表面冷却器50排出，例如排出到移动穿过外机罩34的流或空气。

定位柱118可以是精度机械加工的销，其具有安置于凹口121内的带螺纹***件120。带螺纹***件120定位在***123内以特定地定位所述定位柱118。带螺纹***件120可与歧管110成一体式。具有垫圈122和螺栓头部124的螺栓119可进一步包括在第一连接组合件90中。

第一连接90在歧管110处将表面冷却器50联接到罩52。更具体地说，定位柱118和螺栓119可被配置成使用***123将表面冷却器定位到罩52。螺栓119可***到带螺纹***件120中。可利用垫圈122抵靠着罩52紧固螺栓119，而不需要带螺纹***件120的头部124将罩52固持在定位柱118处。定位柱118防止罩52向前移动和向后移动。

第一连接组合件90并入有与罩52的紧密间隙配合，且限制所有六个自由度。这使用安置于***123内的螺纹孔口120来对准和附连定位柱118来实现。因此，利用定位柱118和螺栓119实现第一连接组合件90的六个自由度的结构固定。防止表面冷却器50向前或向后移动，从而维持前后相邻的硬件之间的间隙。

现参看图7，表面冷却器50的旋转视图示出第二连接组合件92。第二连接组合件92包括图8中示出的环管140和热交换器歧管141。图8示出径向朝外看，环管140和热交换器歧管141的底部的放大视图。热交换器歧管141在环管140处联接第二端83。热交换器歧管141包括延伸部142(以虚线部分示出)，缝隙144形成于延伸部142中。延伸部142从第二端83延伸到环管140以相对于环管140定位第二端83。应了解，第二连接组合件92不同于图5和6中描述的第一连接组合件90。具体地说，随第二连接组合件92包括的环管140在第一连接组合件90中不存在。

第二连接组合件92进一步包括位置***，作为具有磨损衰减器环管156的柱154。组合的柱154和磨损衰减器环管156适于可滑动地***在交换器歧管141的缝隙144中。

环管140包括托架盖板146和两个紧固件148。环管140的其余部分在跨越图8的截面IX-IX截取的图9的横截面图中最佳检视。盖板146在内部包括两个凹口166。两个磨损衰减器垫片168安置于盖板146的凹口166中且对接延伸部142。环管140进一步包括底座托架150。一组罩紧固件152将底座托架150安装到罩52，且两个紧固件148将底座托架150安装到盖板146。

底座托架150包括位置定位柱154，以及与盖板146的凹口166互补定位的两个凹口158。两个弹性垫片162和两个磨损衰减器垫片164安置于凹口158中。盖板146和底座托架150两者的磨损衰减器垫片164、168对接延伸部142以将延伸部142夹在中间。弹性垫片162是振动衰减器，且在一个非限制性示例中可由硅酮制成。弹性垫片162补偿衰减器垫片164、168的磨损，且进一步实现减弱高周疲劳期间环管140处的振动。磨损衰减器垫片164、168例如可由例如聚醚醚酮(PEEK)等低摩擦系数耐磨材料制成，同时类似的热塑性聚合物和其它耐磨材料也可用。磨损衰减器垫片164、168实现在无过多磨损的情况下热膨胀期间延伸部142相对于环管140的滑动移动。此外，磨损衰减器垫片164、168实现延伸部142和环管140的径向位置保持。

磨损衰减器环管156安置在位置定位柱154周围。安置在柱154周围的磨损衰减器156可以是中空的以接纳柱154。延伸部142定位在环管140内，柱154定位在缝隙144内。磨损衰减器环管可由与磨损衰减器垫片164、168类似的材料制成，例如低摩擦系数耐磨材料。磨损衰减器环管156在延伸部142沿着柱154滑动移动期间保护柱154，同时保持环管140的轴向位置。柱154被配置成相对于罩52定位表面冷却器50，从而相对于罩52固定表面冷却器50，同时允许围绕Z轴的旋转自由度中的热膨胀。借助于通过在缝隙144处将延伸部142滑入和滑出环管140使延伸部142相对于环管140可滑动移动而准许围绕Z轴的旋转自由度。

参看图10，环管140的分解视图较好地示出盖板146和底座托架150的安装设施。盖板146包括两个安装孔口174。底座托架150进一步包括凹入部分170、前端171和后端173。柱154和磨损衰减器垫片164安置于凹入部分170内。底座托架150可进一步包括两个安装孔口176，以及安置于端部171、173上的两组铆钉孔口180。凹入部分170提供用于交换器歧管141的延伸部142的***的空间。延伸部142搁置在磨损衰减器垫片164上，柱154安置于缝隙144中。紧固件148将盖板146安装到底座托架150以将延伸部142紧固在凹入部分170内。

环管140可进一步包括螺帽片178及两个铆钉182。紧固件148延伸穿过盖板146中的安装孔口174且穿过底座托架150中的安装孔口176以紧固到螺帽片178。铆钉182可延伸穿过螺帽片178并进入铆钉孔口180以将螺帽片178紧固到底座托架150。因此，延伸部142相对于五个自由度固定在环管140内，同时允许在Z轴旋转自由度中在缝隙144处交换器歧管141沿着位置定位柱154的可滑动移动。

现参看图11，底座托架150的分解视图示出底座托架板150的组装。底座托架150进一步包括两个安装凹口184，以及与安装凹口184互补成形的两个螺帽186。安装凹口184安置于凹入部分170中。螺帽186接受紧固件152(图9)的***以将底座托架150安装到罩52。螺帽186适于接纳在安装凹口184中以用于紧固件152的对准，同时防止可能由于直接接触导致的紧固件152对底座托架150的磨损。

现参看图12，盖板146包括柱凹口190，以及其它两个凹口166。柱凹口190提供用于柱154的径向延伸的空间。

应了解，用于表面冷却器50的第一和第二连接组合件90、92准许恰当的涡轮发动机表面冷却器50附接和轴向定位。第一连接组合件90在所有自由度中固定以确保表面冷却器50的精确定位从而防止移动到“禁止入内区(keep out zone)”中。第一连接组合件90包括与歧管110成一体式的定位柱118和带螺纹***件120。定位柱118是精度低间隙配合，其穿透罩52以允许发动机处的较低型面配合，同时将表面冷却器50的固定位置保持在所有六个自由度中。

第二连接组合件92固定在除围绕Z轴的旋转自由度以外的所有自由度中，从而允许发动机操作期间的热生长以使其自身分解。第二连接组合件92是独立的托架，其包括柱154从而允许表面冷却器50的周向膨胀。缝隙144提供用于热交换器歧管141在围绕Z轴旋转的第三旋转自由度中的可滑动移动的空间。因此，随着表面冷却器50在发动机操作期间热膨胀，热交换器歧管141可在缝隙144内滑动。此外，PEEK耐磨环管和垫片156、164、168以及弹性垫片162的使用准许交换器歧管141的延伸部142的热移动，同时使磨损最小化且减弱高周疲劳振动以延长组件寿命。此外，第二连接组合件92允许最大翅片面积、确定的表面冷却器安装运动学特性、精度位置，以及零件的磨损和机械截留的自行补偿。

上文所描述的实施例提供一种紧凑且简化的设计，其提供多个额外益处，包括容易组装和促进大范围热环境内的操作，以及延长零件寿命。此外，可实现轴向长度限制和径向长度限制。第一和第二连接组合件提供表面冷却器到后罩的安装。第一连接组合件在所有六个自由度中固定以防止高周疲劳振动期间的移动。第二连接组合件围绕轴向Z轴自由旋转，从而在温度改变期间自由移动、膨胀或收缩。

在尚未描述的程度上，各种实施方案的不同特征和结构可以根据需要彼此组合使用。一个特征未在所有实施例中示出并不意欲被解释为它不能这样，而是为了简化描述才这样。因此，必要时可以混合和匹配不同实施例的各种特征以形成新的实施例，无论是否已明确描述所述新的实施例。本公开涵盖本文所描述的特征的所有组合或排列。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使所属领域的技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或***以及执行任何并入的方法。本发明的可获专利的范围由权利要求书限定，并且可包括所属领域的技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例具有并非不同于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质差异的等效结构要素，那么它们既定在权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种风扇罩组合件，其包括：

罩，其具有周边壁；

环形风扇冷却器，其具有面对所述周边壁的第一表面，且具有与第二端间隔开的第一端以及相对的前边缘和后边缘；

第一连接组合件，其具有定位柱，所述定位柱被配置成将所述环形风扇冷却器的所述第一端定位到所述罩且防止所述罩向前移动和向后移动；以及

第二连接组合件，其具有位置***，所述位置***被配置成相对于所述罩定位所述环形风扇冷却器的所述第二端，且其中所述位置***允许周向热生长；

所述位置***包括托架，所述托架安装到所述罩的一部分且限制所述环形风扇冷却器的所述第二端的一部分；并且

所述托架包括柱，所述托架的所述柱接纳于位于所述环形风扇冷却器的所述第二端上的缝隙内。

2.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述托架包括限制所述环形风扇冷却器的歧管的边缘的前边缘和后边缘。

3.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：进一步包括定位在所述托架的所述柱周围的环管。

4.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述位置***进一步包括托架盖板，所述托架盖板安装到所述托架且保持所述环形风扇冷却器的所述第二端的一部分。

5.根据权利要求4所述的风扇罩组合件，其特征在于：进一步包括定位于所述托架盖板和所述环形风扇冷却器的所述第二端的所述部分之间的磨损衰减器。

6.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：进一步包括定位于所述托架和所述环形风扇冷却器的至少一部分之间的磨损衰减器。

7.根据权利要求6所述的风扇罩组合件，其特征在于：进一步包括定位于所述磨损衰减器和所述托架之间的振动衰减器，且其中所述磨损衰减器由低摩擦系数耐磨材料制成。

8.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述定位柱是具有带螺纹***件的精度机械加工销，所述带螺纹***件与所述环形风扇冷却器的歧管成一体式。

9.根据权利要求8所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述第一连接组合件进一步包括接纳在所述带螺纹***件和所述罩的一部分内的螺栓。

10.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述定位柱将所述环形风扇冷却器固定在所有自由度中。

11.根据权利要求1所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述位置***限制除周向方向之外的所有其它自由度。

12.一种风扇罩组合件，其包括：

罩，其具有周边壁；

环形风扇冷却器，其具有面对所述周边壁的第一表面，且具有与第二端间隔开的第一端以及相对的前边缘和后边缘；

第一连接组合件，其具有定位柱，所述定位柱被配置成将所述环形风扇冷却器的所述第一端定位到所述罩且防止所述罩向前移动和向后移动；

第二连接组合件，其具有位置***，所述位置***被配置成相对于所述罩定位所述环形风扇冷却器的所述第二端，且其中所述位置***允许周向热生长；

托架，所述托架形成所述位置***的至少一部分、安装到所述罩的一部分且限制所述环形风扇冷却器的所述第二端的一部分，所述托架包括柱，所述托架的所述柱接纳于位于所述环形风扇冷却器的所述第二端上的缝隙内。

13.根据权利要求12所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述第一连接组合件固定在所有自由度中。

14.根据权利要求12所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述第二连接组合件包括呈托架和托架盖板的形式的位置***，所述位置***能够直接安装到所述罩且可滑动地保持所述环形风扇冷却器的第二端的一部分。

15.根据权利要求12所述的风扇罩组合件，其特征在于：所述位置***限制除周向方向之外的所有其它自由度。

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