專利名稱：用于冷卻渦輪發(fā)動機中的流體的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大致涉及渦輪發(fā)動機，更具體地說，涉及用于冷卻渦輪發(fā) 動機中的流體的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
至少某些已知的渦輪發(fā)動機使用熱交換器來冷卻在發(fā)動機運行 期間所使用的油。具體地說，來自發(fā)動機或其發(fā)電機的油被引導穿過 熱交換器中的元件，并且來自渦輪風扇的空氣被引導經(jīng)過熱交換器元
件以冷卻油。通常，已知的熱交換器包括入口集氣室(inlet plenum)、 熱交換器塊和出口集氣室(outletplenum),入口集氣室包括擴散器，熱 交換器塊包括熱交換器元件，出口集氣室可包括多個通道(其可包括閥 門控制器)。在運行期間，風扇空氣^f皮引導進入入口集氣室，并在通過 出口集氣室排出之前穿過熱交換器塊。流過熱交換器元件的油由風扇 空氣冷卻。至少在某些已知的渦輪航空發(fā)動機中，熱交換器的入口集 氣室定位成接受從風扇排放的高壓空氣，而出口集氣室定位成促進排 出外側(cè)的高壓空氣。在其它已知的渦輪航空發(fā)動機中，入口集氣室和 出口集氣室都聯(lián)接在發(fā)動機外殼上，使得從風扇排放的高壓空氣在被 排放到風扇空氣中或發(fā)動機機艙上之前被引導穿過熱交換器。
眾所周知，熱交換器的熱傳遞能力在具有高傳熱系數(shù)的區(qū)域是最 大的，該區(qū)域通常與沿著熱交換器的內(nèi)壁而限定的局部高靜壓力區(qū)域 具有明顯的重疊。然而，穿過熱交換器的總的流動壓力可能由于入口 集氣室和出口集氣室所產(chǎn)生的阻力，以及由于熱交換器元件之間形成 的通道而下降。因此，在熱交換器中，高熱傳遞能力的區(qū)域可能得不 到利用(capitalized)，并因此可能減少熱傳遞數(shù)量。

發(fā)明內(nèi)容
在一個實施例中，提供了一種裝配渦輪發(fā)動機的方法。該方法包 括提供一種具有曲線形主體的熱交換器。該方法還包括將熱交換器聯(lián) 接到渦輪發(fā)動機的風扇外殼和發(fā)動機外殼中的至少 一個之上。曲線形 主體有助于減少被引導到熱交換器中的氣流的壓力損失。
在另一實施例中，提供了一種用于渦輪發(fā)動機的熱交換器。該熱 交換器包括入口 、出口和在入口和出口之間延伸的曲線形主體。該曲 線形主體構(gòu)造成可減少引導到熱交換器中的氣流的壓力損失。
在又一實施例中，提供了一種渦輪發(fā)動機。這種渦輪發(fā)動機包括 發(fā)動機外殼和風扇外殼，風扇外殼聯(lián)接在發(fā)動機外殼上，并且徑向地 定位在發(fā)動機外殼的外側(cè)。該渦輪發(fā)動機還包括一種熱交換器，其構(gòu) 造成可聯(lián)接在風扇外殼和發(fā)動機外殼中的至少 一個之上。該熱交換器 包括入口 、出口和在入口和出口之間延伸的曲線形主體。該曲線形主 體構(gòu)造成可減少引導到熱交換器中的氣流的壓力損失。


圖l是一種示范性燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖2是圖1中所示的燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖，其包括聯(lián)接在內(nèi)
側(cè)風扇外殼和外側(cè)風扇外殼之間的示范性熱交換器；
圖3是圖2中所示的熱交換器實施例的放大的示意圖4是圖2中所示的熱交換器的備選實施例的放大的示意圖5是圖1中所示的燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖，其包括聯(lián)接在核
心發(fā)動機外殼上的示范性熱交換器；且
圖6是圖5中所示的熱交換器一部分的放大的示意圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種用于渦輪發(fā)動機的熱交換器，其聯(lián)接在渦輪發(fā) 動機的風扇外殼和發(fā)動機外殼中的至少 一個之上。在示范性實施例 中，該熱交換器包括曲線形主體。在一個實施例中，熱交換器的入口 聯(lián)接在內(nèi)側(cè)風扇外殼上，而熱交換器的出口聯(lián)接在外側(cè)風扇外殼上， 該外側(cè)風扇外殼徑向地位于內(nèi)側(cè)風扇外殼的外側(cè)。在另一實施例中， 熱交換器入口和出口都聯(lián)接在發(fā)動機外殼上。
應(yīng)該注意雖然本發(fā)明是相對于用于高旁通(high by-pass)渦輪發(fā)動 機的熱交換器進行描述的，但是本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該懂得，本 發(fā)明并不局限于在高旁通渦輪發(fā)動機中使用。相反，本發(fā)明可用于需 要熱交換的任何發(fā)動機和/或設(shè)備中。出于簡單起見，本文關(guān)于冷卻流 過熱交換器的油來描述本發(fā)明。然而，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)該明 白，本發(fā)明并不局限于冷卻油；相反，本發(fā)明可用于冷卻任何流體。
圖1是示范性燃氣渦輪發(fā)動機10的示意圖，其包括風扇組件12 和核心發(fā)動機13,核心發(fā)動機13包括高壓壓縮機14、燃燒器16和 高壓渦輪18。在該示范性實施例中，發(fā)動機10還包括低壓渦輪20和 增壓器22。風扇組件12包括徑向地從轉(zhuǎn)子盤26向外延伸的風扇葉片 陣列24。發(fā)動機10具有進氣側(cè)28和排氣側(cè)30。風扇組件12和渦輪 20通過第一轉(zhuǎn)子軸31進行聯(lián)接，而壓縮機14和渦輪18通過第二轉(zhuǎn) 子軸32進行聯(lián)接。風扇外殼50徑向地聯(lián)接在風扇組件12的外側(cè)， 并周向地圍繞風扇組件12延伸。風扇外殼50包括徑向內(nèi)側(cè)風扇外殼 52和徑向外側(cè)風扇外殼54。此外，發(fā)動機外殼56聯(lián)接在核心發(fā)動機 13上，并周向地圍繞核心發(fā)動機13而延伸。
在運行期間，氣流沿著中心軸線34穿過風扇組件12，并且壓縮 空氣被供給高壓壓縮機14。高度壓縮的空氣輸送給燃燒器16。來自 燃燒器16的氣流(圖1中未顯示)驅(qū)動渦輪18和20,并且渦輪20通過 軸31驅(qū)動風扇組件12。
圖2是燃氣渦輪發(fā)動機10的示意圖，該燃氣渦輪發(fā)動機10包括 聯(lián)接在內(nèi)側(cè)風扇外殼52和外側(cè)風扇外殼54之間的示范性熱交換器 100。圖3是圖2中所示的熱交換器實施例的放大的示意圖。圖4是 圖2中所示的熱交換器的備選實施例的放大的示意圖。
在該示范性實施例中，熱交換器100包括入口 102、出口 104和 在入口 102和出口 104之間延伸的曲線形主體105。具體地說，曲線 形主體105在入口 102和出口 104之間延伸， -使得在曲線形主體105 中限定了至少一個彎曲部分106。在圖3所示的實施例中，并與其它 已知的熱交換器相比，入口 102直接聯(lián)接在內(nèi)側(cè)風扇外殼52上而沒 有入口集氣室，并且出口 104直接取:接在外側(cè)風扇外殼54上而沒有 出口集氣室。在圖4所示的實施例中，并與其它已知的熱交換器相比， 入口 102直接聯(lián)接在內(nèi)側(cè)風扇外殼52上而沒有入口集氣室，并且出 口 104聯(lián)接在曲線形出口集氣室107上，出口集氣室107則聯(lián)接在外 側(cè)風扇外殼54上。在該示范性實施例中，制造沒有入口集氣室和/或 出口集氣室的熱交換器IOO使熱交換器100能夠聯(lián)接在發(fā)動機10上， 而不像其它已知的熱交換器那樣給發(fā)動機10增加太多的重量。此外， 制造沒有入口集氣室和/或出口集氣室的熱交換器100可使熱交換器 IOO中發(fā)生阻力，并同時在熱交換器100中交換熱量。
本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)該明白，熱交換器IOO的許多好處是曲線 形主體105帶來的結(jié)果。因此，在一個實施例中，可制造帶有入口集 氣室和出口集氣室，同時保留許多本文所述好處的熱交換器100。具 體地說，在一個實施例中，利用一種本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的方法可制 造帶有入口集氣室和出口集氣室的熱交換器100。
多個曲線形熱交換器元件108延伸穿過曲線形主體105。更具體 地說，熱交換器元件108各從入口 102延伸至出口 104,并且同樣地， 在相鄰的成對的熱交換器元件108之間限定多個通道110。在一個實 施例中，熱交換器元件108和通道110各形成為具有曲線形狀，該形 狀基本上類似于曲線形主體105的曲線形狀。在另一實施例中，至少 各熱交換器元件108的尺寸、定向和相對位置中的一個是可變的。此 外，在各個實施例中，熱交換器IOO具有比已知的熱交換器更小的體 積，并且同樣地，使相鄰的成對的熱交換器元件108比在已知的熱交 換器中定位成更靠近在一起。因此，通道110比已知的熱交換器中的
通道更窄。
在示范性實施例中，在運行期間，來自發(fā)動機10的油被引導穿
過熱交換器元件108，并且將從風扇組件12排放的氣流112引導穿過 熱交換器100。在一個備選實施例中，氣流112是外側(cè)空氣或周圍空 氣。同已知的熱交換器相比，氣流112被直接引導至熱交換器100中， 而沒有穿過入口集氣室或擴散器。在示范性實施例中，氣流112被直 接引導至入口 102中，并穿過通道110,以促進油和氣流112之間的 熱交換。具體地說，當氣流112穿過通道110并穿過熱交換器元件108 時，促進了油被冷卻。在圖3所示的實施例中，用過的氣流112從熱 交換器IOO通過出口 104排放出來，而沒有穿過出口集氣室。用過的 氣流被排放至發(fā)動機10外部的區(qū)域114中。在圖4所示的實施例中， 氣流112通過出口集氣室107而被排放至區(qū)域114中。
在示范性實施例中，當引導氣流112穿過熱交換器IOO時，通道 IIO便于增加氣流112和油之間的熱交換量。具體地說，通道110是 狹窄的，并因此使熱交換器元件108能夠和氣流112之間發(fā)生更大量 的接觸，同時比已知的熱交換器需要更少用于熱交換的氣流。此外， 熱交換器100的曲線形狀使氣流112能夠在彎曲的通道110中流動， 從而進一步增加了氣流112和熱交換器元件108之間的接觸。另外， 在將氣流112引導至熱交換器100中的同時，氣流112并不被擴散或 引導而穿過入口集氣室。因此，便于在熱交換器100中減少氣流112 的反向流動損失、空氣動力損失和壓力損失。具體地說，在一個實施 例中，便于將氣流112的反向流動損失、空氣動力損失和壓力損失減 少差不多20%。
因此，出于上面給出的原因，熱交換器100便于提高發(fā)動機10 的效率，從而減少與維護發(fā)動機10相關(guān)聯(lián)的時間和/或成本。
圖5是燃氣渦輪發(fā)動機10的示意圖，該渦輪發(fā)動機10包括聯(lián)接 在核心發(fā)動機外殼56上的示范性熱交換器200。圖6是熱交換器200 的放大的示意圖。在示范性實施例中，熱交換器200聯(lián)接在發(fā)動機外
殼56和連接裝置201之間，該連接裝置201將熱交換器200保持在 發(fā)動機外殼56上。
在該示范性實施例中，熱交換器200包括入口 202、出口 204和 在入口 202和出口 204之間延伸的曲線形主體204。具體地說，曲線 形主體206在入口 202和出口 204之間延伸，使得在曲線形主體207 中限定了至少一個彎曲部分206。在該示范性實施例中，并且與其它 已知的熱交換器相比，入口 202和出口 204聯(lián)接在核心發(fā)動機外殼56 上，而沒有入口集氣室或出口集氣室。在該示范性實施例中，制造沒 有入口集氣室或出口集氣室的熱交換器200使熱交換器200能夠聯(lián)接 在發(fā)動機10上，而不像其它已知的熱交換器那樣給發(fā)動機10增加太 多的重量。此外，制造沒有入口集氣室和/或出口集氣室的熱交換器 200降低了熱交換器200中的阻力的量，從而提高熱交換器200中的 熱交4奐量。
多個曲線形熱交換器元件208延伸穿過曲線形主體206。更具體 地說，熱交換器元件208各從入口 202延伸至出口 204，并且同樣地， 在相鄰的成對的熱交換器元件208之間限定多個通道210。在一個實 施例中，熱交換器元件208和通道210各形成曲線形狀，該曲線形狀 基本上類似于曲線形主體206的曲線形狀。在另一實施例中，至少各 熱交換器元件208的尺寸、定向和相對位置中的一個參數(shù)是可變的。 此外，在各個實施例中，熱交換器200具有比已知的熱交換器更小的 體積，并且同樣地，使相鄰的成對的熱交換器元件208比在已知的熱 交換器中定位成更靠近在一起。因此，通道210比已知的熱交換器中 的通道更窄。
在示范性實施例中，在運行期間，來自發(fā)動機10的油被引導穿 過熱交換器元件208,并且將從風扇組件12所排放的氣流212引導穿 過熱交換器200。在一個備選實施例中，氣流112是外側(cè)空氣或周圍 空氣。同已知的熱交換器相比，氣流212被直接引導至熱交換器200 中，而沒有穿過入口集氣室或擴散器。在示范性實施例中，氣流212
被直接引導至入口 202中，并穿過通道210，以促進油和氣流212之 間的熱交換。具體地說，當氣流212穿過通道210并穿過熱交換器元 件208時，促進了油被冷卻。用過的氣流212從熱交換器200通過出 口 204排放出來，而沒有穿過出口集氣室，并排放回核心發(fā)動機外殼 56上。
在示范性實施例中，當引導氣流212穿過熱交換器200時，通道 210便于增加氣流212和油之間的熱交換量。具體地說，通道210是 狹窄的，并因此使熱交換器元件208能夠和氣流212之間發(fā)生更大量 的接觸，同時比已知的熱交換器需要更少用于熱交換的氣流。此外， 熱交換器200的曲線形狀使氣流212能夠在通道210中流動，從而進 一步增加了氣流212和熱交換器元件208之間的接觸。另外，在將氣 流212引導至熱交換器200中的同時，氣流212并不被擴散或引導而 穿過入口集氣室。因此，便于在熱交換器200中減少氣流212的反向 流動損失、空氣動力損失和壓力損失。具體地說，在一個實施例中， 便于將氣流212的反向流動損失、空氣動力損失和壓力損失減少差不 多20%。
因此，出于上面給出的原因，熱交換器200便于提高發(fā)動機10 的效率，從而減少與維護發(fā)動機10相關(guān)聯(lián)的時間和/或成本。
在一個實施例中，提供了一種裝配渦輪發(fā)動機的方法。該方法包 括提供具有曲線形主體的熱交換器。該方法還包括將熱交換器聯(lián)接到 渦輪發(fā)動機的風扇外殼和發(fā)動機外殼中的至少一個之上。曲線形主體 便于減少被引導到熱交換器中的氣流的壓力損失。在一個實施例中， 熱交換器聯(lián)接在風扇外殼和發(fā)動機外殼中的至少 一個之上，而沒有出 口集氣室。因此，氣流直接從熱交換器中排出，而沒有穿過出口集氣 室。在另一實施例中，熱交換器聯(lián)接在渦輪發(fā)動機的風扇外殼和發(fā)動 機外殼中的至少一個之上，而沒有入口集氣室。因此，氣流被直接引 導至熱交換器中，而沒有穿過入口集氣室。在又一實施例中，熱交換
而沒有擴散器。因此，氣流被引導至熱交換器中，而沒有穿過擴散器。 在一個實施例中，該方法還包括使多個曲線形熱交換器元件延伸 穿過曲線形主體；和改變各個熱交換器元件的尺寸、定向和相對位置 中的至少一個。在一個實施例中，改變各個熱交換器元件的尺寸、定 向和相對位置中的至少 一個，便于增加在氣流和熱交換器元件之間的 接觸量。在另一實施例中，熱交換器具有曲線形主體，該主體便于減 少冷卻流過熱交換器元件的油所需要的空氣量。
上述系統(tǒng)和方法^更于增加渦輪發(fā)動^L的熱交換器中的熱傳遞。具 體地說，熱傳遞數(shù)量因為在熱交換器中形成的曲線形通道和缺乏入口 集氣室和/或出口集氣室的組合而增加。因為缺乏入口集氣室，進入熱 交換器的氣流較少擴散，并且同樣地，減少了熱交換器中的壓力損失。 因此，這種組合導致更大量的氣流與延伸穿過熱交換器的熱交換器元 件相接觸。同樣地，上述熱交換器提供了更大的熱交換量，同時需要 比已知的熱交換器更少的材料和重量。因此，上述熱交換器便于提高 渦輪發(fā)動機的效率，從而減少與維護渦輪發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的時間和/或成 本。
如本文所用，以單數(shù)形式引用，且前綴"一"或"一個"的元件 或步驟應(yīng)該被理解為不排除所述元件或步驟的復數(shù)，除非明確地陳述 了這種除外情形。此外，對本發(fā)明的"一個實施例"的引用不意圖被 解釋為排除另外的也包含所陳述的特征的實施例的存在。
以上詳細地描述了用于渦輪發(fā)動機中進行熱交換的系統(tǒng)和方法 的示范性實施例。所述系統(tǒng)和方法并不局限于本文所述的特定的實施
用。此外，在方法中所描述的步驟可與本文所述的其它步驟獨立且分 開地進行使用。
雖然已經(jīng)就各種特定的實施例描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人 員應(yīng)該認識到可利用在權(quán)利要求書的精神和范圍內(nèi)的變型來實踐本 發(fā)明。
權(quán)利要求
1.一種用于渦輪發(fā)動機(10)的熱交換器(100)，所述熱交換器包括入口(102)和出口(104)；和在所述入口和所述出口之間延伸的曲線形主體(105)，所述曲線形主體構(gòu)造成可減少被引導至所述熱交換器中的氣流(112)的壓力損失。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器(IOO),其特征在于，所述熱動機外殼(56)中的至少一個之上，而沒有出口集氣室，使得氣流(112) 被直接從所述熱交換器排出，而沒有穿過出口集氣室。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器(IOO)，其特征在于，所述熱 交換器入口(102)構(gòu)造成可聯(lián)接在渦輪發(fā)動機(10)的風扇外殼(50)和發(fā) 動機外殼(56)中的至少一個之上，而沒有入口集氣室，使得氣流(112) 被直接引導至所述熱交換器中，而沒有穿過入口集氣室。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器(IOO),其特征在于，所述熱 交換器(100)還包括多個曲線形熱交換器元件(108)，所述熱交換器元件 (108)延伸穿過所述曲線形主體(105),其中各所述熱交換器元件的尺 寸、定向和相7于位置中的至少一個是可變的。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器(IOO)，其特征在于，各所述 熱交換器元件(108)構(gòu)造成可改變尺寸、定向和相對位置，從而增加在 氣流(112)和所述熱交換器元件之間的接觸量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的熱交換器(IOO)，其特征在于，所述曲 線形主體(105)構(gòu)造成可減少冷卻流過所述熱交換器元件(108)的油所 需要的空氣體積。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的熱交換器(IOO)，其特征在于，所述熱外殼(56)中的至少一個之上，而沒有擴散器，使得氣流(112)被引導至 所述熱交換器中，而沒有穿過擴散器。
8. —種渦4侖發(fā)動才幾(10),包括 發(fā)動機外殼(56);風扇外殼(50),其聯(lián)接在所述發(fā)動機外殼上，并且徑向地定位在 所述發(fā)動機外殼的外側(cè)；和熱交換器(IOO)，其構(gòu)造成可聯(lián)接在所述風扇外殼和所述發(fā)動機外 殼中的至少一個之上，所述熱交換器包括 入口(102)和出口(104);和在所述入口和所述出口之間延伸的曲線形主體(105)，所述 曲線形主體構(gòu)造成可減少引導至所述熱交換器中的氣流(112) 的壓力損失。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪發(fā)動機(IOO),其特征在于，所述 熱交換器出口(104)構(gòu)造成可聯(lián)接在所述風扇外殼(50)和所述發(fā)動機外 殼(56)中的至少一個之上，而沒有出口集氣室，使得氣流(112)被直接 從所述熱交換器(100)中排出，而沒有穿過出口集氣室。
10. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪發(fā)動機(100)，其特征在于，所述殼(56)中的至少一個之上，而沒有入口集氣室，使得氣流(112)被直接 引導至所述熱交換器(100)中，而沒有穿過入口集氣室。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于冷卻渦輪發(fā)動機中的流體的方法和系統(tǒng)，具體而言，提供了一種用于渦輪發(fā)動機(10)的熱交換器(100)。該熱交換器包括入口(102)和出口(104)以及在入口和出口之間延伸的曲線形主體(105)。該曲線形主體構(gòu)造成可減少被引導至熱交換器中的氣流(112)的壓力損失。
文檔編號F02C7/141GK101338701SQ20081013046
公開日2009年1月7日 申請日期2008年7月3日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者S·蘭加納坦 申請人:通用電氣公司