СИСТЕМА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
HEAT TRANSFER SYSTEM

Уровень техники
Настоящее изобретение относится, в общем, к газотурбинным двигателям, а более конкретно к системе и способу, использующим тепловые трубы для переноса тепла внутри газотурбинного двигателя.
Газотурбинные двигатели используют масло под давлением, чтобы смазывать и охлаждать различные компоненты (например, подшипники и т.д.). Масло захватывает значительную часть тепла в процессе, которое следует отводить, чтобы поддерживать температуру масла внутри приемлемых пределов. Газотурбинные двигатели предшествующего уровня техники часто используют теплообменники для охлаждения моторного масла, использующие относительно холодный воздушный поток, такой как воздух, нагнетаемый вентилятором. В турбовентиляторных двигателях такой теплообменник часто располагают на пути потока канала вентилятора. Эта конфигурация приводит к падению давления и, следовательно, к значительным проблемам сгорания топлива. Было оценено, что проблемы удельного расхода топлива (УРТ), связанные с этим типом конфигурации, могут достигать 1%. Также существуют проблемы стоимости и веса, связанные с этой конфигурацией.
Кроме того, в некоторых двигателях выходные направляющие лопатки (ВНЛ), стойки крепления вентилятора или другие подобные стойкам элементы в канале вентилятора, расположенные позади вентилятора, при некоторых условиях окружающей среды обрастают льдом. Нарастание льда внутри двигателя и поверх наружных конструкций двигателя может быть значительным. Обрастание льдом может приводить к частичному блокированию прохождений выходных направляющих лопаток и нестабильности вентилятора. Накопленный лед также может внезапно сбрасываться, например, во время непрерывной работы двигателя, из-за внезапного переключения рычага управления двигателем от работы на более низкой мощности к работе на более высокой мощности, или из-за вибраций или турбулентности, или из-за асимметрии обледенения.
Существуют различные способы предшествующего уровня техники для защиты от намерзания льда, например принуждение двигателя работать с увеличенной рабочей температурой, направление отбираемого от компрессора двигателя воздуха с высокой температурой к подверженным воздействию поверхностям, разбрызгивание на двигатель противообледенительного раствора перед работой и нагревание с помощью электрического сопротивления. Однако все эти способы имеют различные недостатки. Повышенная рабочая температура и системы отбора воздуха от компрессора могут снижать рабочие характеристики двигателя. Для таких систем также могут требоваться вентили, чтобы отключать поток воздуха с высокой температурой во время запуска и других действий с высокой мощностью для предохранения двигателя.
Химический антиобледенитель обеспечивает защиту только в течение ограниченного времени. Электрический нагрев требует больших количеств электричества для выполнения операции удаления льда и может нуждаться в дополнительных электрических генераторах, электрических схемах и сложной логике взаимодействия с компьютерами самолета с сопровождающим увеличением проблем стоимости, веса и эксплуатационных характеристик.
Наиболее близкими аналогами заявленного изобретения являются технические решения, описанные в заявке на патент США 2005/0050877 Al (F02C 7/047, 10.03.2005) и патенте США 4,921,041 (F28D 15/02, 01.05.1990).
В частности, в заявке на патент США 2005/0050877 А1 описаны способ и устройство для предотвращения накопления льда на газотурбинном двигателе во время его работы. Для этого тепловые трубы находятся в термическом сообщении с источником тепла и внешней поверхностью компонента двигателя, который расположен выше по потоку от источника тепла.
В патенте США 4,921,041 описана структура для теплопередачи, включающая в себя замкнутую тепловую трубу, в которой теплонесущая текучая среда, предпочтительно двухфазная неконденсируемая текучая среда, циркулирует в контуре при собственном давлении пара с высокой скоростью в удлиненной трубе для повторения испарения и конденсации, таким образом осуществляя теплопередачу.
Раскрытие изобретения
К вышеупомянутым недостаткам в предшествующем уровне техники среди прочего адресовано настоящее изобретение, обеспечивающее систему теплопередачи, которая удаляет отработанное тепло из моторного смазочного масла и переносит это тепло к компонентам двигателя, которые нуждаются в теплоснабжении, например, с целью защиты от намерзания льда или удаления льда. Это тепло переносится с использованием тепловых труб, которые являются облегченными, уплотненными и пассивными элементами, не требующими никаких вентилей или насосов. Кроме того, тепловые трубы могут использовать рабочую текучую среду, которая является невоспламеняющейся, чтобы избегать введения опасности возникновения пожара внутри двигателя.
Согласно одному объекту, изобретение обеспечивает систему теплопередачи для газотурбинного двигателя, содержащего кольцеобразный корпус с рядом теплопроводных, продолжающихся, по существу, в радиальном направлении элементов стойки, расположенных в нем. Система теплопередачи включает в себя по меньшей мере одну дугообразную тепловую трубу, расположенную в контакте с внешней поверхностью корпуса и термически связанную с источником тепла таким образом, что тепло от источника тепла может передаваться через тепловую трубу и корпус к элементам стойки.
По меньшей мере одна тепловая труба предпочтительно расположена в пределах осевой протяженности элементов стойки.
Каждый элемент стойки предпочтительно представляет собой направляющую лопатку, имеющую поперечное сечение аэродинамической поверхности, образованное первой и второй сторонами, проходящими между разнесенными передней и задней кромками.
По меньшей мере участок конца каждой тепловой трубы предпочтительно расположен внутри полой внутренней части теплообменника, выполненного с возможностью приема проходящего через него потока нагретой текучей среды.
Множество дугообразных тепловых труб предпочтительно расположены в контакте с внешней поверхностью корпуса в пределах осевой протяженности элемента стойки, при этом каждая из тепловых труб термически связана с источником тепла.
Каждая тепловая труба предпочтительно включает в себя неизолированный сегмент, причем неизолированные сегменты тепловых труб расположены ступенчато таким образом, что участок протяженности по окружности корпуса находится в прямом контакте, по существу, не больше чем с одним из неизолированных сегментов.
Каждая тепловая труба предпочтительно имеет первый конец, термически связанный с источником тепла, и неизолированный сегмент, расположенный у второго конца, отдаленного от первого конца.
Каждая тепловая труба предпочтительно включает в себя первый конец, соединенный с теплообменником, неизолированный сегмент, расположенный у отдаленного конца тепловой трубы, и изолированный участок, расположенный между первым концом и неизолированным сегментом.
Выбранный элемент стойки предпочтительно содержит металл.
Элементы стойки предпочтительно выполнены из сплава алюминия, железа, никеля или титана.
Согласно другому объекту изобретения, газотурбинный двигатель включает в себя кольцеобразной корпус вентилятора; ряд расположенных в нем продолжающихся, по существу, в радиальном направлении направляющих лопаток, причем каждая направляющая лопатка имеет поперечное сечение аэродинамической поверхности, образованной первой и второй сторонами, проходящими между разнесенными передней и задней кромками; множество дугообразных тепловых труб, причем по меньшей мере участок каждой тепловой трубы расположен напротив внешней поверхности корпуса вентилятора в пределах осевой протяженности направляющих лопаток; и источник тепла, термически связанный с тепловыми трубами таким образом, что тепло от источника тепла может передаваться через тепловые трубы и корпус вентилятора к направляющим лопаткам.
Согласно другому объекту изобретения, обеспечен способ переноса тепла в газотурбинном двигателе, имеющем кольцеобразный корпус с рядом расположенных в нем проходящих, по существу, в радиальном направлении направляющих лопаток. Способ включает в себя этапы, на которых: обеспечивают множество дугообразных тепловых труб, причем по меньшей мере участок каждой тепловой трубы расположен напротив внешней поверхности корпуса и в пределах осевой протяженности направляющих лопаток; термически связывают тепловые трубы с источником тепла; и получают тепло от источника тепла в тепловых трубах и переносят тепло к направляющим лопаткам через корпус.
Краткое описание чертежей
Изобретение можно лучше понять в отношении последующего описания, приведенного в связи с прилагаемыми чертежами, на которых:
Фиг.1 представляет собой вид в перспективе участка модуля вентилятора (хвостовая часть смотрит вперед) газотурбинного двигателя, включающего в себя систему теплопередачи, сконструированную в соответствии с объектом настоящего изобретения;
Фиг.2 представляет собой увеличенный вид выреза участка модуля вентилятора, показанного на Фиг.1;
Фиг.3 представляет собой увеличенный вид в перспективе теплообменника, установленного на модуле вентилятора, показанного на Фиг.1; и
Фиг.4 представляет собой схематическое изображение, показывающее конфигурацию тепловых труб, расположенных вокруг периферии модуля вентилятора, показанного на Фиг.1.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой чертежи, на которых идентичные ссылочные позиции обозначают одинаковые элементы на протяжении всех различных видов и где на Фиг.1-3 показан участок модуля вентилятора газотурбинного двигателя, включающего в себя кольцеобразной корпус 10 вентилятора. Множество выходных направляющих лопаток 12 соединены с корпусом 10 вентилятора и расположены внутри него. Каждая из выходных направляющих лопаток 12 (также показаны на Фиг.2) имеет хвостовик 14, вершину 16, переднюю кромку 18, заднюю кромку 20 и противоположные стороны 22 и 24. Выходные направляющие лопатки 12 имеют форму аэродинамической поверхности и установлены и ориентированы таким образом, чтобы удалять тангенциальную составляющую завихрения из воздушного потока, выходящего впереди вентилятора (не показано). В показанном примере выходные направляющие лопатки также служат в качестве конструктивных элементов (иногда упоминаемых как «стойки вентилятора»), которые соединяют корпус вентилятора с внутренним кожухом 26. Однако, в других конфигурациях двигателя, эти функции могут выполнять отдельные компоненты. Система теплопередачи, описанная здесь, в равной степени применима к выходным направляющим лопаткам, стойкам вентилятора и всем другим типам проходящих, по существу, в радиальном направлении «элементам стоек».
Выходные направляющие лопатки 12 могут быть выполнены из любого материала, который имеет адекватную прочность, чтобы выдерживать ожидаемые рабочие нагрузки, и который можно изготавливать в требуемой форме. Чтобы усиливать теплопередачу, предпочтительно, чтобы выходные направляющие лопатки были теплопроводными. Примерами подходящих материалов являются металлические сплавы, такие как сплавы на основе алюминия, железа, никеля или титана.
Теплообменник 28 установлен на внешней стороне корпуса 10 вентилятора. Теплообменником 28 может быть просто кожух с открытой внутренней частью. В показанном примере масло из системы смазки двигателя входит в теплообменник 28 через откачивающую линию 30. После выхода из теплообменника 28 оно проходит в бак-накопитель 32 до тех пор, пока оно потребуется, когда оно течет обратно в систему смазки двигателя через подводящую линию 34. Остальная часть системы хранения, циркуляции и распределения масла, подсоединенной к откачивающей и подводящей линиям 30 и 34, является стандартной для предшествующего уровня техники газотурбинных двигателей и в данном описании не обсуждается. При желании теплообменник 28 может быть связан с другим типом источника тепла, таким как выпускной воздухопровод, источник электроэнергии или другая система текучей среды внутри двигателя.
Множество тепловых труб 36 расположены вокруг внешней поверхности корпуса 10 вентилятора, в контакте с его внешней поверхностью 38, и позиционированы в пределах, образованных осевой протяженностью выходных направляющих лопаток 12. Хотя на Фиг.2 участок тепловых труб 36, который лежит напротив корпуса 10 вентилятора, показан как круглый, его можно образовывать с овальной, сглаженной или другой некруговой формой поперечного сечения, чтобы приспосабливать к желательной площади поперечного сечения, в то же время улучшая объемную компоновку или теплопередачу.
Каждая тепловая труба 36 имеет продолговатую внешнюю стенку 40 с закрытыми концами, которые образуют полость 42. Полость 42 выровнена с капиллярной конструкцией или фитилем (не показан) и удерживает рабочую текучую среду. Для использования в тепловых трубах известны различные рабочие текучие среды, такие как газы, вода, органические вещества и легкоплавкие металлы. Рабочая текучая среда может быть невоспламеняющейся, чтобы избежать опасности возникновения пожара в области корпуса 10 вентилятора в случае просачивания или прорыва тепловой трубы 36.
Один конец каждой тепловой трубы 36 расположен внутри теплообменника 28. Этот участок обозначен как "горячий" или "испарительный" конец 44.
Тепловые трубы 36 являются высокоэффективными при переносе тепла. Например, их эффективная теплопроводность по величине на несколько порядков выше, чем эффективная теплопроводность объемной меди. Количество, длина, диаметр, форма, рабочая текучая среда и другие эксплуатационные характеристики тепловых труб выбирают на основании необходимой степени теплопередачи во время работы двигателя. Работа тепловых труб 36 описана более подробно ниже.
На Фиг.4 схематично показан пример того, как могут быть расположены тепловые трубы 36 для обеспечения передачи тепла к периферии корпуса 10 вентилятора. Следует отметить, что на Фиг.4 тепловые трубы 36 показаны разнесенными в радиальном направлении, или "расположенными друг над другом". Это показано просто с целью более ясной иллюстрации того, как проходят тепловые трубы 36 вокруг корпуса 10 вентилятора. Фиг.4 не обязательно является отображающей фактический физический монтаж тепловых труб 36, которые показаны на Фиг.1-3. На каждой стороне от вертикальной средней линии дугообразная первая тепловая труба 36А подсоединена к теплообменнику 28 и проходит приблизительно на 30° вокруг корпуса 10 вентилятора. Полная протяженность каждой из первых тепловых труб 36А не изолирована, как показано на чертеже штриховыми линиями.
На каждой стороне от вертикальной средней линии «С» дугообразная вторая тепловая труба 36В подсоединена к теплообменнику 28 и проходит приблизительно на 60° вокруг корпуса 10 вентилятора. Первые 30° пролета каждой из вторых тепловых труб 36В закрыты соответствующим типом термоизоляции (не показана), чтобы снижать до минимума теплопередачу. Сегмент отдаленного от центра конца (приблизительно 30° пролета) каждой из вторых тепловых труб 36В не изолирован, как показано штриховыми линиями на чертеже. Этот неизолированный сегмент тепловой трубы 36 обозначен как «холодный» или «конденсаторный» конец 46. Следует отметить, что термины «горячий», «испарительный», «холодный» и «конденсаторный», когда используются относительно тепловых труб 36, описывают расположение тепловых труб 36 в зонах относительно высокой или низкой температуры и не связаны непосредственно с каким-либо конкретным объектом конструкции тепловых труб 36.
Эта конфигурация продолжается с использованием пар дугообразных третьих тепловых труб 36С, четвертых тепловых труб 36D, пятых тепловых труб 36Е и шестых тепловых труб 36F. Каждая пара тепловых труб 36 проходит приблизительно на 30° дальше, чем предыдущая пара, и сегмент отдаленного от центра конца (приблизительно 30° пролета) каждой пары тепловых труб 36 не изолирован. Тепловые трубы 36 изолированы таким образом, чтобы тепло могло переноситься на существенное расстояние вокруг периферии корпуса 10 вентилятора. Конфигурация неизолированных сегментов обеспечивает по существу перекрытие на 360° корпуса вентилятора. Следует отметить, что Фиг.4 является просто схематичной и что при фактическом выполнении на практике неизолированный сегмент каждой тепловой трубы 36 может быть помещен в прямом контакте с корпусом 10 вентилятора. Другими словами, любой участок протяженности по окружности корпуса 10 вентилятора находится в прямом контакте, по существу, не больше чем с одним из неизолированных сегментов тепловых труб 36.
Количество тепловых труб 36, протяженность по окружности каждой тепловой трубы 36 и процентное отношение каждой тепловой трубы 36, которая является неизолированной, могут варьироваться, чтобы приспосабливаться к конкретному применению. Например, можно использовать меньшее количество тепловых труб 36, каждую с большим неизолированным сегментом, или также можно использовать большее количество тепловых труб, каждую с меньшим неизолированным сегментом.
Дополнительную термоизоляцию, которая не показана для ясности, можно обеспечивать внутри системы теплопередачи везде, где это необходимо, чтобы предотвращать потери тепла. Например, можно располагать изоляцию вокруг внешней поверхности теплообменника 28.
При работе масло, которое имеет поглощенное тепло от различных элементов двигателя, циркулирует в теплообменнике 28, где оно нагревает горячие или испарительные концы 44 тепловых труб 36. Удаление тепла охлаждает масло до приемлемой рабочей температуры так, что оно может проходить в бак-накопитель 32 и впоследствии рециркулировать через двигатель. Рабочая текучая среда внутри тепловых труб 36 поглощает это тепло и испаряется. Произведенный пар затем перемещается через полости 42 и конденсируется на холодных участках 46 тепловых труб 36, тем самым перенося тепло к холодным участкам 46. Фитиль или другая капиллярная конструкция, которая проходит от одного конца тепловой трубы 36 к другому, переносит конденсированную жидкость назад к горячему участку 44 посредством капиллярного воздействия, тем самым завершая контур. Теплопередача к выходным направляющим лопаткам 12 является эффективной для предотвращения обледенения (то есть для защиты от намерзания льда) и/или удаления льда, который сформировался на выходных направляющих лопатках 12 (то есть для удаления льда), в зависимости от скорости нагревания.
Система теплопередачи, описанная в данном описании, является пассивной, не нуждается ни в каких вентилях и герметизирована. Количество, размер и местонахождение тепловых труб 36 можно выбирать таким образом, чтобы обеспечивать удаление и перенос тепла, как это необходимо. В зависимости от выбранной точной конфигурации рабочие характеристики системы могут использоваться только для защиты от намерзания льда, или для удаления льда, или только для масляного охлаждения, или для обеих целей. Система теплопередачи использует тепло, которое является нежелательным в одном участке двигателя, и использует это тепло там, где оно необходимо, в другом участке двигателя, избегая как потерь, связанных с системами охлаждения предшествующего уровня техники, так и потребности в отдельном источнике тепла для защиты от намерзания льда.
Хотя были описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники должно быть понятно, что могут быть выполнены различные модификации для них, не отступая при этом от сущности и объема изобретения. Соответственно, вышеизложенное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения и лучшего способа осуществления на практике настоящего изобретения приведены только с целью иллюстрации, а не ограничения, и изобретение определено формулой изобретения.