渦扇發動機的內部防冰裝置的製作方法

2023-08-05 10:21:31

專利名稱：渦扇發動機的內部防冰裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪發動機，更具體地涉及其中的除冰裝置。
背景技術：
在飛行和/或停飛期間，飛行器可能會遇到使飛行器的翼型和其它表面上結冰的大氣條件。如果積聚的冰不被除去，它就會改變結冰部件的空氣動力學輪廓，從而對發動機的空氣動力學性能造成不利的影響。因此，要求飛行器的發動機具有可在結冰環境下工作的能力，以符合聯邦航空局的要求。
通常通過將受影響的壓縮機翼型設置成具有提高的強度以避免或降低由冰釋放所帶來的問題，從而進行冰積聚的處理。商用發動機已經能夠減輕由冰積聚所引起的操作性問題，這是通過提高空中慢車或地面慢車速度同時不違反推力約束來實現的。然而，由於在技術上已經使得商用發動機達到越來越高的分流比，一些操作性問題變得比過去遇到的更嚴重，這是因為更多的發動機氣流將相應地提高必須被處理的冰的積聚量。
此外，在現有技術中採用複合材料來設計可在較慢轉速下工作的更大的風扇葉片。較慢的風扇轉速使得在一定的結冰條件下會形成更多的冰積聚。
一種降低增壓翼型上的冰積聚的方法是為進氣導流葉片(IGV)提供熱量，如共同轉讓的共同未決的美國專利申請No.09/932595所公開的那樣。來自高壓壓縮機的熱空氣可流過中空的IGV。然而，中空的IGV通常具有較大的厚度。雖然這種構造的防冰系統可起到很好的作用，然而因這一較厚的中空IGV而帶來了一定的性能損失。
使空氣經進氣導流葉片循環的另一方法是使用穿過歧管並通到分流器頭部之外的壓縮機排放空氣來除冰，如共同轉讓的共同未決的美國專利申請No.09/932595所公開的那樣。然而，必須考慮到用於對增壓分流器的前緣進行除冰的排氣壓縮機的空氣量對發動機循環造成的必要性能損失。這一損失是壓縮機對環境大氣做功以使其加壓並因而從分流器頭部上融化冰的結果，這部分功無法被渦輪機械部件用於產生推力。
因此，希望能夠提供一種防冰技術，其能夠有效地減少冰對飛行器的威脅，並且不會提高因中空IGV的厚度增大而導致的空氣動力學的全面壓力損耗。

發明內容
本發明可減少冰對飛行器發動機的內表面的威脅，不再需要中空進氣導流葉片和/或使用內部的笨重且複雜的管道系統來去除增壓分流器的前緣表面上的冰。本發明的另一優點是不再需要使用壓縮機空氣和會增加系統重量的體積較大的閥，並且消除了與這種空氣使用有關的性能下降。本發明使用了結合到傳統渦扇發動機的增壓分流器凸緣的前緣附近中的電線圈，以便減少發動機內部表面上的冰積聚。
因此，本發明提供了一種用於防止在飛行器發動機的內表面上結冰或從其上除去冰的系統和方法。


在下述詳細介紹中並結合附圖，更具體地介紹了本發明的優選和代表性實施例，以及本發明的其它目的和優點，在附圖中圖1是通過用於在飛行中為飛行器提供動力的高分流式渦扇燃氣渦輪發動機的一部分的軸向剖視圖；圖2是通過圖1所示的增壓壓縮機和風扇旁路管道之間的分流器的放大軸向剖視圖，顯示了根據本發明的作為除冰系統而纏繞在分流器頭部上的加熱線圈；和圖3是圖2所示分流器頭部的放大視圖，顯示了纏繞在分流器頭部上的加熱線圈。
各標號中的含義如下10高分流式渦扇燃氣渦輪發動機；12中心軸線；14環境大氣；16風扇轉子葉片；18環形分流器頭部；20環形旁路管道；22低壓或增壓壓縮機；24電線圈；26樹脂；30進氣導流葉片(IGV)；32環形冠部；34分流器殼體；36環形歧管；46閥；48熱空氣；60控制器；62聲襯。
具體實施例方式
參見圖1，圖中顯示了高分流式渦扇燃氣渦輪發動機10的一部分，發動機10構造成可在相應的飛行包線操作中在起飛、於一定高度下巡航、下降和著陸時為飛行器(未示出)提供動力。發動機圍繞縱向或軸向中心軸線12形成軸對稱，並包括位於其前端以接受環境大氣14的進氣口。環境大氣14首先與一排風扇轉子葉片16接合。從風扇葉片中排出的空氣被環形分流器頭部18同心地分開，從而分別流經圍繞在分流器周圍的環形旁路管道20和設於分流器內部的低壓或增壓壓縮機22。
圖1所示的基本發動機構造是常規的，雖然未應用本發明，但其已經在本國投入商用運行多年。旁路管道20被部分示出的傳統整流罩所包圍，由若干排撐杆所支撐，並旁通到排氣導流葉片。
在一個代表性實施例中，可採用加熱裝置如電熱器22來代替排氣壓縮機的防冰空氣48，以作為針對渦扇發動機的內部表面的除冰裝置。具體地說，提出了採用電線圈24來避免分流器表面中的冰積聚。電線圈可安裝在樹脂26內，其基本上模製在分流器前緣的形狀中。
增壓壓縮機28包括一排進氣導流葉片(IGV)30，在傳統結構中，進氣導流葉片30首先接受由風扇葉片排出的空氣的內側部分以進入到壓縮機中。在本發明的結構中，不再需要中空的因此也是較厚的IGV，不需要使用壓縮機空氣來融化IGV表面或增壓分流器前緣上的冰，採用電熱器來避免冰在分流器表面上積聚，並且不會使空氣動力學性能下降。
圖2更具體地顯示了增壓壓縮機的處於分流器頭部18處的那一部分。分流器殼體34與分流器頭部18整體地形成為一個單件，其限定了相互配合的冠部32和環形歧管36。IGV30最好固定地安裝在周圍的環形冠部32上並受其支撐，在此代表性實施例中葉片無法調節。IGV的徑向內端適當地安裝在內帶上，如圖1所示。電線圈24放置成基本上順應分流器的結構，以融化任何形成於分流器上的冰。熱空氣的溝道效應可通過控制器60和用於將熱空氣48排放到分流器區域中的閥46來實現。
分流器頭部18和IGV30的前緣在飛行包線中在一定的結冰條件下會因風扇空氣14所攜帶的溼氣而結冰。通常來說，結冰條件發生在海拔高度低於24000英尺且氣溫低於凝固點下。在這種工作條件下，如果不採用本發明的話，在分流器頭部和IGV上會結冰並形成積聚。
更具體地說，在增壓壓縮機的分流器區域中引入了防冰系統和方法，以減少、消除或防止在發動機的飛行包線內在結冰條件下冰的形成或積聚。如圖2和3所示，沿分流器頭部18的所形成的前緣模製了樹脂26。在一個典型實施例中，增壓分流器的凸緣是三維的，其具有複雜的曲面以滿足空氣動力學的要求。根據本發明的一個優選實施例，採用了帶有非金屬蜂窩結構的可買到的高溫環氧樹脂混合增強系統。模製在淨室條件下通過傳統的手工鋪疊成形技術進行，之後進行高壓固化。由可買到的材料發展而來的樹脂填充劑/硬化劑系統產生了高溫工作性能。通常稱為預浸漬件的樹脂浸漬織物可採用特殊的無溶劑工藝來商業化製造，此工藝可提供對樹脂配製、預浸漬件的製造和存儲管理的完全控制。鋪疊成形中的陶瓷纖維可提供能滿足耐火要求的性能。因此，樹脂能夠耐受電線圈所產生的必要的熱量。
在控制閥46產生故障時，熱的排放空氣不會損壞分流器組件，這是因為分流器殼體和頭部可由能耐受熱排放空氣的預期溫度的適當金屬製成。設置在分流器殼體34之後的典型聲襯或外層62可通過物理性隔離來免受排放空氣的高溫。
電線圈24安裝在樹脂26內以防止冰在分流器上積聚。電熱器可由外形適於提供受控加熱面積的電阻合金的衝壓板製成。在各側均具有模製橡膠的夾層構件可保護加熱元件並保證與金屬分流器凸緣的粘結。集成的防冰系統包括電子控制裝置和帶有集成加熱器的複合結構。防冰系統可提供在受控溫度下的連續加熱，這可防止結冰，尤其是在容易結冰的分流器凸緣處防止發動機的冰吸入。加熱元件由飛行器的輔助動力裝置提供能量。融化的冰根據發動機的溫度而作為液態水或流體流經增壓器。可控制線圈24來為分流器的頭部區域18提供用於防冰的連續加熱，或者提供在受控溫度下的用於除冰的間斷性加熱。由加熱線圈提供的溫度範圍可以變化，並取決於進氣氣流和發動機的分流比。結冰的嚴重性將隨空氣速度和進氣溫度而變化，因此根據本發明，電線圈24的受控溫度可在15到150華氏度之間變化，以提供必要的防冰或除冰能力。
此防冰和除冰系統及方法的一個特殊優點在於，IGV30可保持為具有空氣動力學優點的較薄的和實心的，不需要使熱排放空氣從中徑向地通過。因此，通過優化它們的空氣動力學結構，就可得到IGV30的最大空氣動力學效率，這通常需要較薄的輪廓或厚度。如果在IGV中設有內部通道以用於防冰目的，那麼就不可能實現較薄輪廓的IGV。另外，不再需要排氣壓縮機來在增壓分流器或IGV表面上融化冰以提高發動機的性能。
雖然已經參考優選的和代表性的實施例來介紹了本發明，然而本領域的技術人員可以理解，在不脫離本發明範圍的前提下可進行各種變化，並用等效結構代替其中的一些部件。因此，本發明並不限於作為實施本發明的最佳方式而公開的此特定實施例，而是包括屬於所附權利要求的精神實質和範圍內的所有實施例和修改。
權利要求
1.一種用於防止在渦扇發動機(10)的內表面上結冰或從其上除冰的系統，包括與所述渦扇發動機(10)的增壓壓縮機相關的分流器區域(18)，所述分流器區域(18)具有處於進氣結冰條件下的所述渦扇發動機(10)內部的表面；沿所述分流器區域(18)的前緣模製的樹脂(26)；和加熱裝置(24)，其安裝在所述樹脂(26)內以在結冰條件期間防止在所述分流器區域(18)上結冰，或者從所述分流器區域(18)上除冰。
2.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，多個電線圈(24)設置成基本上順應所述分流器區域(18)的結構。
3.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述加熱裝置(24)夾在模製橡膠內。
4.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述加熱裝置(24)可提供受控溫度下的連續加熱。
5.根據權利要求1所述的系統，其特徵在於，所述加熱裝置(24)可提供受控溫度下的間斷性加熱。
6.一種用於防止在渦扇發動機(10)的內表面上結冰或從其上除冰的方法，包括步驟識別出與所述渦扇發動機(10)的增壓壓縮機相關的分流器區域(18)，所述分流器區域(18)具有處於進氣結冰條件下的所述渦扇發動機(10)內部的表面；沿所述分流器區域(18)的前緣模製樹脂(26)；和將加熱裝置(24)安裝在所述樹脂(26)內，以在結冰條件期間防止在所述分流器區域(18)上結冰或者從所述分流器區域(18)上除冰。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，安裝所述加熱裝置(24)的步驟包括安裝多個電線圈(24)的步驟。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，安裝所述多個電線圈(24)的步驟還包括將所述多個電線圈(24)設置成基本上順應所述分流器區域(18)的結構的步驟。
9.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述加熱裝置(24)可提供受控溫度下的連續加熱。
10.根據權利要求6所述的方法，其特徵在於，所述加熱裝置(24)可提供受控溫度下的間斷性加熱。
全文摘要
公開了一種用於防止在渦扇發動機(10)的內表面上結冰或從其上除冰的系統方法。識別出與渦扇發動機(10)的增壓壓縮機相關的分流器區域(18)。分流器區域(18)具有處於進氣結冰條件下的位於渦扇發動機(10)內部的表面。沿分流器區域(18)的前緣模製樹脂(26)，並將加熱裝置(24)安裝在樹脂(26)內，以在結冰條件期間防止在分流器區域(18)上結冰或者從分流器區域(18)上除冰。
文檔編號F01D25/02GK1497133SQ20031010155
公開日2004年5月19日 申請日期2003年10月8日 優先權日2002年10月3日
發明者A·R·瓦迪亞, R·G·霍爾姆, A R 瓦迪亞, 霍爾姆 申請人:通用電氣公司