進氣道防冰裝置及民用渦扇發動的製造方法
2023-05-23 06:14:31
進氣道防冰裝置及民用渦扇發動的製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種進氣道防冰裝置及民用渦扇發動機，裝置包括：引氣結構、內部換熱結構、氣流加熱結構和排氣結構，引氣結構包括設置在風扇整流罩外壁的引氣口和引氣導管，內部換熱結構設置在風扇艙內，且與引氣導管相通，氣流加熱結構包括防冰導管和位於發動機的進氣道唇口的D形環腔，防冰導管分別與內部換熱結構和D形環腔相通，排氣結構包括設置在D形環腔的出口和設置在風扇整流罩外壁的排氣口，D形環腔的出口與排氣口相通。本發明利用引氣結構獲取外部的環境空氣，並通過內部換熱結構將低溫的環境空氣與風扇艙內的待換熱部件進行熱量交換，加熱後的空氣再被引入氣流加熱結構來對進氣道唇口進行加熱，從而滿足發動機進氣道的防冰需求。
【專利說明】進氣道防冰裝置及民用渦扇發動機
【技術領域】
[0001]本發明涉及航空發動機領域，尤其涉及一種進氣道防冰裝置及民用渦扇發動機。【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，人類的生活水平不斷提高，民用航空作為一種方便快捷的出行方式得到了蓬勃的發展。與此同時，人們對民用飛機的安全性、經濟性、舒適性提出了更高的要求。民用渦扇發動機作為目前大型民航客機的動力裝置，其進氣道結冰問題是影響整個動力裝置性能和安全性的關鍵因素之一。由於進氣道空氣處於抽吸狀態，氣流速度增加，靜溫降低，使得該部件極易結冰。而進氣道結冰會改變進氣系統的空氣動力特性，增加流動阻力，使進氣流場分布不均，甚至發生氣流畸變，影響發動機的工作穩定性，嚴重時可能導致熄火停車。進氣道結冰還可能會造成融化脫落的冰塊被發動機吸入，產生發動機外來物損傷的嚴重問題。因此，民用渦扇發動機的進氣道均須採用防冰設計。
[0003]現有的民用渦扇發動機的進氣道主要採用電防冰與氣防冰兩種方式。電防冰方式便於控制加熱的熱量，可根據發動機的運行狀況，調節電加熱器的功率，因而電加熱器運行對於發動機功率的影響相對較小，且不會產生氣流的衝擊效應。採用電加熱系統，可以根據不同部位的結冰形式、結冰環境不同而調節加熱電量及加熱頻率，定向性更好。US20060237582A1提出了 一種雙層壁的進氣道電防冰結構，該進氣道的內層設計了 一個維修口，使得相關加熱器的維修和安裝非常方便。由於電加熱結構需要從發動機附件引入電源，增加了發動機供電負載，且在系統可靠性方面不如氣防冰，因而目前在主流民用渦扇發動機中採用不多。
[0004]熱氣防冰系統一般採用引高壓壓氣機的高溫空氣，通過調壓活門或直接引氣輸送至進氣道前緣，對需要防冰的部件加熱以起到防冰的作用。氣防冰方式具有熱量的可控性好，結構簡單，可靠性好，易於滿足防冰要求，應用較廣泛等優點，相關的研究和專利也較多。如US4738416通過鋪設一層與進氣道壁具有類似型面的金屬壁，形成一個較為狹窄的加熱通道，在引氣流量一定的情況下提高了氣流速度即強化了換熱效果，提高了防冰效率。US20080179448A1提出了一種帶有蜂窩結構的進氣道熱氣防冰設計，該設計能夠實現氣防冰的同時抑制進氣道噪聲。
[0005]然而，熱氣防冰都必須從發動機核心機引氣(一般為高壓壓氣機引氣)，這必然帶來發動機性能的降低，因此如何在滿足發動機進氣道防冰需求的同時，最大限度提高防冰熱氣的利用率，儘量減少發動機引氣量是民用渦扇發動機氣防冰設計的關鍵。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是提出一種進氣道防冰結構及民用渦扇發動機，能夠在滿足發動機進氣道防冰需求的同時，儘量避免降低發動機性能。
[0007]為實現上述目的，本發明提供了一種進氣道防冰裝置，包括:引氣結構、內部換熱結構、氣流加熱結構和排氣結構，所述引氣結構包括設置在風扇整流罩外壁的引氣口和與所述引氣口相通的引氣導管，所述內部換熱結構設置在風扇艙內，且與所述引氣導管相通，所述氣流加熱結構包括防冰導管和位於發動機的進氣道唇口的D形環腔，所述防冰導管分別與所述內部換熱結構和所述D形環腔相通，所述排氣結構包括設置在所述D形環腔的出口和設置在所述風扇整流罩外壁的排氣口，所述D形環腔的出口與所述排氣口相通。
[0008]進一步的，所述D形環腔由所述發動機的進氣道唇口的內壁和外壁以及設置在所述風扇艙內的進氣道隔框形成。
[0009]進一步的，所述內部換熱結構為套設在待換熱部件外部的換熱盒和/或待換熱部件的內部換熱通道。
[0010]進一步的，所述待換熱部件為發動機附件，所述內部換熱結構為套設在所述發動機附件外部的換熱盒，通過所述發動機附件表面的金屬壁面與流過換熱盒的低溫空氣進行熱量交換。
[0011]進一步的，所述換熱盒的容積在所述發動機附件的體積和所述發動機附件的體積的1.5倍之間。
[0012]進一步的，所述待換熱部件為發動機電子控制器(Engine ElectronicController，簡稱EEC)，所述內部換熱結構為所述發動機電子控制器的內部換熱通道，通過所述發動機電子控制器的內部換熱通道與流過的低溫空氣進行熱量交換。
[0013]進一步的，所述引氣口為埋入式鏟形引氣口。
[0014]進一步的，所述防冰導管的出氣端位於所述D形環腔的前部。
[0015]進一步的，所述引氣導管和防冰導管的內圓截面積不小於所述引氣口的內圓面積的0.3倍，所述排氣口的內圓面積不小於所述弓丨氣口的內圓面積。
[0016]進一步的，所述引氣口設置在所述風扇整流罩的上部，所述排氣口設置在所述風扇整流罩的下部。
[0017]進一步的，所述引氣口包括第一引氣口和第二引氣口，所述排氣口包括第一排氣口和第二排氣口，所述引氣導管包括第一引氣導管和第二引氣導管，所述防冰導管包括第一防冰導管和第二防冰導管，在所述風扇艙內的待換熱部件包括發動機附件和發動機電子控制器，所述第一引氣口通過所述第一引氣導管連接到所述發動機附件外部的換熱盒，且所述換熱盒通過所述第一防冰導管連接到所述D形環腔的內部，所述第二引氣口通過所述第二引氣導管連接到所述發動機電子控制器的內部換熱通道，且所述內部換熱通道通過所述第二防冰導管連接到所述D形環腔的內部。
[0018]進一步的，所述第一防冰導管進入所述D形環腔的入口與所述D形環腔的出口的周向夾角不小於90度，所述第二防冰導管進入所述D形環腔的入口與所述D形環腔的出口的周向夾角不小於90度。
[0019]基於上述技術方案，本發明利用引氣結構獲取外部的環境空氣，並通過內部換熱結構將低溫的環境空氣與風扇艙內的待換熱部件進行熱量交換，加熱後的空氣再被引入氣流加熱結構來對進氣道唇口進行加熱，從而達到進氣道防冰的目的，滿足發動機進氣道的防冰需求，而且由於本發明的引氣結構不需要從發動機引氣，因此也不會對發動機的性能造成影響，再加上無需在發動機上設置防冰引氣管路，也相對減輕了發動機的重量；同時利用低溫的環境空氣在內部換熱結構與風扇艙內的待換熱部件進行熱量交換，實現了待換熱部件和風扇艙的冷卻，確保了待換熱部件和風扇艙的正常工作。[0020]在另一個實施例中，所述D形環腔由所述發動機的進氣道唇口的內壁和外壁以及設置在所述風扇艙內的進氣道隔框形成。D形環腔可以實現針對於進氣道唇口部位的集中加熱，達到更好的進氣道防冰效果。
[0021]在另一個實施例中，所述內部換熱結構為套設在待換熱部件外部的換熱盒和/或待換熱部件的內部換熱通道。內部換熱結構根據待換熱部件的不同而選擇外部或內部的換熱方式，例如當待換熱部件為發動機附件時，所述內部換熱結構為套設在所述發動機附件外部的換熱盒，通過所述發動機附件表面的金屬壁面與流過換熱盒的低溫空氣進行熱量交換；當待換熱部件為EEC時，所述內部換熱結構為所述EEC的內部換熱通道，通過所述EEC的內部換熱通道與流過的低溫空氣進行熱量交換。
[0022]對於待換熱部件為發動機附件，內部換熱結構為換熱盒，則優選換熱盒的容積在所述發動機附件的體積和所述發動機附件的體積的1.5倍之間，以便保證發動機附件對通過的低溫空氣的加熱效果。
[0023]在另一個實施例中，所述引氣口為埋入式鏟形引氣口，這種結構形式具有較低的迎風阻力，可以最大程度上降低對短艙起動性能的影響。
[0024]在另一個實施例中，所述防冰導管的出氣端位於所述D形環腔的前部，即靠近發動機進氣道的進口位置，以便保證來自內部換熱結構的高溫氣流充分的對D形環腔的加熱效果。
[0025]在另一個實施例中，所述引氣導管和防冰導管的內圓截面積不小於所述引氣口的內圓面積的0.3倍，所述排氣口的內圓面積不小於所述引氣口的內圓面積，以便減小氣流在風扇艙、D形環腔以及導管內的流動損失。
[0026]在另一個實施例中，所述引氣口設置在所述風扇整流罩的上部，所述排氣口設置在所述風扇整流罩的下部。這樣進排氣口的布置，能夠讓環境氣流在風扇艙內進行充分的熱交換，使得氣流能夠對風扇艙絕大部分的空間實施有效通風和冷卻。
[0027]在另一個實施例中，所述引氣口包括第一弓I氣口和第二引氣口，所述排氣口包括第一排氣口和第二排氣口，所述引氣導管包括第一引氣導管和第二引氣導管，所述防冰導管包括第一防冰導管和第二防冰導管，在所述風扇艙內的待換熱部件包括發動機附件和EEC，所述第一引氣口通過所述第一引氣導管連接到所述發動機附件外部的換熱盒，且所述換熱盒通過所述第一防冰導管連接到所述D形環腔的內部，所述第二引氣口通過所述第二引氣導管連接到所述EEC的內部換熱通道，且所述內部換熱通道通過所述第二防冰導管連接到所述D形環腔的內部。同時利用發動機附件和EEC進行空氣加熱，並將加熱後的高溫空氣引到D形環腔進行熱氣防冰，可以實現更好的防冰效果，也同時對發動機附件和EEC均實現了冷卻作用，確保了發動機附件和EEC的正常工作。
[0028]在另一個實施例中，所述第一防冰導管進入所述D形環腔的入口與所述D形環腔的出口的周向夾角不小於90度，所述第二防冰導管進入所述D形環腔的入口與所述D形環腔的出口的周向夾角不小於90度，以便保證來自內部換熱結構的高溫氣流充分的對D形環腔的加熱效果。
[0029]為實現上述目的，本發明提供了一種民用渦扇發動機，包括風扇和風扇艙，其中還包括前述的進氣道防冰裝置。
[0030]基於上述技術方案，本發明民用渦扇發動機由於採用了前述的進氣道防冰裝置，不僅可以達到進氣道防冰的目的，而且由於無需從發動機引氣，因此也不會對發動機的性能造成影響，再加上無需在發動機上設置防冰引氣管路，也相對減輕了發動機的重量；同時利用低溫的環境空氣在內部換熱結構與風扇艙內的待換熱部件進行熱量交換，實現了待換熱部件和風扇艙的冷卻，確保了待換熱部件和風扇艙的正常工作。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0031]此處所說明的附圖用來提供對本發明的進一步理解，構成本申請的一部分，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中:
[0032]圖1為本發明進氣道防冰裝置的一實施例的結構示意圖。
[0033]圖2為本發明進氣道防冰裝置的另一實施例的結構示意圖。
[0034]圖3為本發明進氣道防冰裝置實施例的D形環腔內的空氣周向流動示意圖。
【具體實施方式】
[0035]下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方案做進一步的詳細描述。
[0036]本發明的進氣道防冰裝置至少由引氣結構、內部換熱結構、氣流加熱結構和排氣結構四部分結構組成，引氣結構負責引入外部的環境空氣，內部換熱結構負責將風扇艙內的發熱部件所產生的熱量與引入的低溫空氣進行交換，使得環境空氣被加溫成高溫空氣，而高溫空氣被引入到氣流加熱結構來提高進氣道位置的溫度，抑制冰層的形成，而在氣流加熱結構中循環後變冷的空氣再通過排氣結構排出。
[0037]圖1和圖2分別為兩種進氣道防冰裝置的實施例，在這兩個實施例中，引氣結構包括設置在風扇整流罩外壁的引氣口和與引氣口相通的引氣導管，內部換熱結構設置在風扇艙12內，且與引氣導管相通。氣流加熱結構包括防冰導管和位於發動機的進氣道唇口的D形環腔17，防冰導管分別與內部換熱結構和D形環腔17相通，排氣結構包括設置在D形環腔17的出口 15和設置在風扇整流罩外壁2的排氣口 13，D形環腔的出口 15與排氣口相通。
[0038]內部換熱結構至少有兩種結構形式，一種是套設在待換熱部件外部的換熱盒，另一種是待換熱部件的內部換熱通道。在圖1實施例中，待換熱部件為發動機附件6，在發動機附件6外部套設有換熱盒7，通過發動機附件6表面的金屬壁面與流過換熱盒7的低溫空氣進行熱量交換。在圖2實施例中，待換熱部件為EEC22，內部換熱結構就是EEC的內部換熱通道(圖中未示出)，通過EEC22的內部換熱通道與流過的低溫空氣進行熱量交換。
[0039]引氣口可採用埋入式鏟形引氣口的結構形式，這種結構形式具有較低的迎風阻力，可以最大程度上降低對短艙起動性能的影響。
[0040]D形環腔17可由發動機的進氣道唇口的內壁I和外壁2以及設置在風扇艙12內的進氣道隔框16形成。從圖1和圖2中看，D形環腔17的截面類似於反寫的字母「D」，實際上這個空間是個基本封閉的環形腔體，只有防冰導管的插入口和進氣道隔框16上的出口可以分別與內部換熱結構和風扇艙12連通。這種基本封閉的D形環腔可以實現針對於進氣道唇口部位的集中加熱，達到更好的進氣道防冰效果。
[0041]如圖1和圖2所示，防冰導管的出氣端位於D形環腔17的前部即靠近發動機進氣道的進口位置，空氣流動的方向已在圖中已帶箭頭的曲線示意性的標出，以便保證來自內部換熱結構的高溫氣流充分的對D形環腔的加熱效果。
[0042]對於圖1實施例來說，較冷的外部環境空氣可以通過第一引氣口 3進入第一引氣導管5，再經過第一引氣導管5進入到換熱盒7，通過在換熱盒內的熱量交換從低溫空氣轉換為高溫空氣，高溫空氣通過第一防冰導管4進入到D形環腔17，高溫空氣在D形環腔17與D形環腔的外壁進行熱量交換，達到防冰的效果，並且變冷的空氣再從出口 15進入風扇艙12，再經過風扇艙12從第一排氣口 13排出。
[0043]圖2實施例與圖1實施例的原理類似，只是內部換熱結構存在區別，即較冷的外部環境空氣可以通過第二引氣口 19進入第二引氣導管21，再經過第二引氣導管21進入到EEC22，通過在EEC22的內部換熱通道從低溫空氣轉換為高溫空氣，高溫空氣通過第二防冰導管20進入到D形環腔17，高溫空氣在D形環腔17與D形環腔的外壁進行熱量交換，達到防冰的效果，並且變冷的空氣再從出口 15進入風扇艙12，再經過風扇艙12從第二排氣口23排出。
[0044]在圖1實施例中，換熱盒7的容積V7可以設置成在發動機附件6的體積V6和發動機附件6的體積V6的1.5倍之間，以便保證發動機附件對通過的低溫空氣的加熱效果。
[0045]為了減少氣流在風扇艙、D形環腔以及導管內的流動損失，引氣導管和防冰導管的內圓截面積St優選不小於引氣口的內圓面積Si的0.3倍，排氣口的內圓面積S。優選不小於引氣口的內圓面積S」
[0046]在引氣口和排氣口的位置設置上，為了讓環境氣流在風扇艙內進行充分的熱交換，使得氣流能夠對風扇艙絕大部分的空間實施有效通風和冷卻，可將引氣口設置在風扇整流罩的上部，排氣口設置在所述風扇整流罩的下部。
[0047]在另一個實施例中，可以有兩個以上的內部換熱結構，相應的，引氣口可以包括第一引氣口 3和第二引氣口 19，引氣導管可以包括第一引氣導管5和第二引氣導管21，防冰導管可以包括第一防冰導管4和第二防冰導管20，排氣口可以包括第一排氣口 13和第二排氣口 23。外部的環境空氣可以分別通過兩個通道進入到D形環腔中，再從D形環腔中排出。
[0048]這兩個內部換熱結構所採用的待換熱部件分別是在風扇艙12內的發動機附件6和EEC22，第一引氣口 3通過第一引氣導管5連接到發動機附件6外部的換熱盒7，且換熱盒7通過第一防冰導管4連接到D形環腔17的內部，第二引氣口 19通過第二引氣導管21連接到EEC22的內部換熱通道，且內部換熱通道通過第二防冰導管20連接到D形環腔17的內部。
[0049]圖3給出了本發明進氣道防冰裝置實施例的D形環腔內的空氣周向流動示意圖。圖3中的帶箭頭的短線和曲線代表氣流動的方向，由此可以看到從第一防冰導管4和第二防冰導管20中排出的高溫空氣在D形環腔內循環的情況，冷卻後的空氣再經過D形環腔的出口 15排出到風扇艙內。從圖3中可以看到第一防冰導管4進入D形環腔的入口與D形環腔的出口 15的周向夾角不小於90度，第二防冰導管20進入D形環腔的入口與D形環腔的出口的周向夾角不小於90度。
[0050]為保證環境空氣能夠進入風扇艙和D形環腔，第一引氣口 3的靜壓P3不應小於第一排氣口 13的靜壓P13的1.2倍，第二引氣口 19的靜壓P19不應小於第二排氣口 23的靜壓P23 的 1.2 倍。[0051]上述描述的幾個進氣道防冰裝置的實施例可以應用於各類有防冰需求的發動機中，尤其適合應用在民用渦扇發動機中，民用渦扇發動機包括風扇和風扇艙12，風扇由風扇帽罩11和風扇支板14構成,風扇艙12由風扇整流罩8、風扇艙防火牆9、風扇機匣10及進氣道隔框16組成，風扇設置在風扇機匣10內。發動機附件6和EEC22均設置在風扇艙12內。
[0052]通過前面描述的本發明進氣道防冰裝置以及民用渦扇發動機的實施例可以看出，本發明具有以下優點:
[0053]1、低溫的環境空氣進入風扇艙後，通過與發動機附件和/或EEC的熱量交換，將發動機附件和/或EEC的熱量用於加熱進氣道唇口的D形環腔，能夠實現進氣道防冰，滿足進氣道防冰的需求；
[0054]2、低溫的環境空氣進入風扇艙與發動機附件和/或EEC進行熱量交換，從而對發動機附件和/或EEC形成冷卻，降低了發動機附件和/或EEC以及風扇艙的溫度，保證了發動機附件和/或EEC以及風扇艙的正常工作；
[0055]3、相比於傳統的發動機引氣防冰，由於本發明不需要從發動機引氣，從而有效地避免了因防冰引氣而造成發動機性能降低；
[0056]4、從附件洩漏出的高溫燃滑油蒸汽經過進氣道唇口 D形腔的熱量交換後，燃滑油氣體溫度降低，從而有效降低燃滑油蒸汽在風扇艙著火的可能性。
[0057]最後應當說明的是:以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對其限制；儘管參照較佳實施例對本發明進行了詳細的說明，所屬領域的普通技術人員應當理解:依然可以對本發明的【具體實施方式】進行修改或者對部分技術特徵進行等同替換；而不脫離本發明技術方案的精神，其均應涵蓋在本發明請求保護的技術方案範圍當中。
【權利要求】
1.一種進氣道防冰裝置，其特徵在於，包括:引氣結構、內部換熱結構、氣流加熱結構和排氣結構，所述引氣結構包括設置在風扇整流罩外壁的引氣口和與所述引氣口相通的引氣導管，所述內部換熱結構設置在風扇艙內，且與所述引氣導管相通，所述氣流加熱結構包括防冰導管和位於發動機的進氣道唇口的D形環腔，所述防冰導管分別與所述內部換熱結構和所述D形環腔相通，所述排氣結構包括設置在所述D形環腔的出口和設置在所述風扇整流罩外壁的排氣口，所述D形環腔的出口與所述排氣口相通。
2.根據權利要求1所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述D形環腔由所述發動機的進氣道唇口的內壁和外壁以及設置在所述風扇艙內的進氣道隔框形成。
3.根據權利要求1所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述內部換熱結構為套設在待換熱部件外部的換熱盒和/或待換熱部件的內部換熱通道。
4.根據權利要求3所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述待換熱部件為發動機附件，所述內部換熱結構為套設在所述發動機附件外部的換熱盒，通過所述發動機附件表面的金屬壁面與流過換熱盒的低溫空氣進行熱量交換。
5.根據權利要求4所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述換熱盒的容積在所述發動機附件的體積和所述發動機附件的體積的1.5倍之間。
6.根據權利要求3所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述待換熱部件為發動機電子控制器，所述內部換熱結構為所述發動機電子控制器的內部換熱通道，通過所述發動機電子控制器的內部換熱通道與流過的低溫空氣進行熱量交換。
7.根據權利要求1所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述引氣口為埋入式鏟形引氣口。
8.根據權利要求1所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述防冰導管的出氣端位於所述D形環腔的前部。
9.根據權利要求1所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述引氣導管和防冰導管的內圓截面積不小於所述引氣口的內圓面積的0.3倍,所述排氣口的內圓面積不小於所述引氣口的內圓面積。
10.根據權利要求1所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述引氣口設置在所述風扇整流罩的上部，所述排氣口設置在所述風扇整流罩的下部。
11.根據權利要求10所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述引氣口包括第一引氣口和第二引氣口，所述排氣口包括第一排氣口和第二排氣口，所述引氣導管包括第一引氣導管和第二引氣導管，所述防冰導管包括第一防冰導管和第二防冰導管，在所述風扇艙內的待換熱部件包括發動機附件和發動機電子控制器，所述第一引氣口通過所述第一引氣導管連接到所述發動機附件外部的換熱盒，且所述換熱盒通過所述第一防冰導管連接到所述D形環腔的內部，所述第二引氣口通過所述第二引氣導管連接到所述發動機電子控制器的內部換熱通道，且所述內部換熱通道通過所述第二防冰導管連接到所述D形環腔的內部。
12.根據權利要求11所述的進氣道防冰裝置，其特徵在於，所述第一防冰導管進入所述D形環腔的入口與所述D形環腔的出口的周向夾角不小於90度，所述第二防冰導管進入所述D形環腔的入口與所述D形環腔的出口的周向夾角不小於90度。
13.一種民用渦扇發動機，包括風扇和風扇艙，其特徵在於，還包括權利要求f 12任一所述的進氣道防冰裝置。
【文檔編號】F02C7/047GK103850800SQ201210496822
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年11月29日 優先權日:2012年11月29日
【發明者】陳俊, 王維, 李永國, 張建東 申請人:中航商用航空發動機有限責任公司