Охлаждающее устройство газотурбинного двигателя
Охлаждающее устройство газотурбинного двигателя, содержащего обтекатель с наружной поверхностью, образованной обшивкой, открытой для потока наружного воздуха, содержит, по меньшей мере, одну тепловую трубу, имеющую первый конец, термически соединенный с наружной поверхностью обтекателя, и второй конец, термически соединенный с источником тепла, так что тепло из источника тепла может передаваться через тепловую трубу потоку наружного воздуха, и поддон. Поддон расположен внутри обтекателя и термически соединен с наружной поверхностью обтекателя. Первый конец, по меньшей мере, одной тепловой трубы расположен в поддоне, а теплопроводный наполнитель расположен внутри поддона и вокруг, по меньшей мере, одной тепловой трубы. Изобретение направлено на снижение веса, исключение опасности возгорания внутри двигателя. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.
Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение, в общем, относится к газотурбинным двигателям, в частности к охлаждающему устройству для отвода избыточного тепла от газотурбинного двигателя.
Уровень техники
В газотурбинных двигателях используют находящееся под давлением масло для смазки и охлаждения различных компонентов (например, подшипников и т.д.). Масло забирает при работе значительное количество тепла, которое должно быть отведено для поддержания температуры масла в приемлемых пределах. В газотурбинных двигателях, известных из уровня техники (см., например, заявку на патент США 2005050877, F02C 7/047, 10.03.2005), часто используются теплообменники для охлаждения масла двигателя с использованием относительно холодного потока воздуха, такого как воздух, выпускаемый вентилятором. В турбореактивных двигателях теплообменник часто расположен в пути прохождения потока в канале вентилятора. Такая конфигурация приводит к потере давления и тем самым к значительному увеличению расхода топлива. Установлено, что увеличение удельного расхода топлива, связанное с конфигурацией этого типа, может достигать 1%. Такая конфигурация приводит также к увеличению стоимости и веса.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение направлено на устранение вышеуказанных недостатков уровня техники и предлагает охлаждающее устройство, которое удаляет отходящее тепло из смазочного масла двигателя и отводит это тепло в окружающую среду. Это тепло отводится с использованием тепловых труб, которые имеют легкий вес, являются герметичными и пассивными, не требующими ни клапанов, ни насосов. Кроме того, в тепловых трубах можно использовать рабочую текучую среду, которая не воспламеняется для исключения опасности возгорания внутри двигателя.
Согласно одному варианту изобретения предлагается охлаждающее устройство для газотурбинного двигателя, включающего в себя обтекатель с наружной поверхностью, образованной обшивкой, открытой для потока наружного воздуха. Охлаждающее устройство включает в себя: по меньшей мере, одну тепловую трубу, расположенную в обтекателе, при этом тепловая труба имеет первый конец, термически соединенный с наружной поверхностью корпуса, и второй конец, термически соединенный с источником тепла, так что тепло из источника тепла может передаваться через тепловую трубу в поток наружного воздуха.
Согласно другому варианту изобретения газотурбинный двигатель включает в себя: корпус, обтекатель, окружающий корпус, при этом обтекатель включает в себя наружную поверхность, образованную обшивкой, открытой для потока наружного воздуха; и, по меньшей мере, одну тепловую трубу, расположенную в обтекателе, при этом тепловая труба имеет первый конец, термически соединенный с наружной поверхностью корпуса, и второй конец, термически соединенный с источником тепла, так что тепло из источника тепла может передаваться, по меньшей мере, через одну тепловую трубу в поток наружного воздуха.
Согласно другому варианту изобретения предлагается способ охлаждения текучей среды в газотурбинном двигателе, имеющем обтекатель, включающий наружную поверхность, образованную обшивкой, открытой для потока наружного воздуха. Способ включает: обеспечение, по меньшей мере, одной тепловой трубы, расположенной в обтекателе; соединение первого конца, по меньшей мере, одной тепловой трубы с наружной поверхностью; соединение второго конца, по меньшей мере, одной тепловой трубы с источником нагреваемой текучей среды внутри двигателя; и получение тепла из текучей среды, по меньшей мере, в одной тепловой трубе и передачу тепла через наружную поверхность в поток наружного воздуха.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания изобретения ниже приводится его подробное описание со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 представляет собой вид в перспективе части газотурбинного двигателя, включающего гондолу двигателя и второй контур, выполненные согласно одному варианту настоящего изобретения, в изометрической проекции;
фиг.2 представляет собой вид в перспективе охлаждающего устройства, выполненного согласно одному варианту изобретения, установленного внутри двигателя, согласно фиг.1;
фиг.3 представляет собой поперечный разрез охлаждающего устройства по линии 3-3 на фиг.2; и
фиг.4 представляет собой поперечный разрез охлаждающего устройства, выполненного согласно другому варианту изобретения.
Подробное описание изобретения
Со ссылкой на чертежи, на которых одинаковыми ссылочными позициями обозначены одинаковые элементы на всех видах, при этом на фиг.1 и 2 показана гондола 10 двигателя, которая окружает газотурбинный двигатель. В приведенном примере гондола 10 включает в себя обтекатель 14 вентилятора, имеющий наружную обшивку 15 (смотри фиг.3), которая образует наружную поверхность 17 обтекателя 14 вентилятора, открытую для потока наружного воздуха. Обтекатель 14 вентилятора окружает корпус 16 вентилятора, который, в свою очередь, окружает вращающийся вентилятор (не показан). Обтекатель 14 вентилятора обеспечивает путь прохождения потока для части воздуха, выбрасываемого вентилятором, который не входит внутрь двигателя. Настоящее изобретение одинаково применимо для других конфигураций двигателя, например для чисто турбореактивных двигателей, не имеющих обтекателя вентилятора. Охлаждающее устройство 18 расположено в обтекателе 14 вентилятора в тепловом контакте с наружным потоком над обтекателем 14 вентилятора. На фиг.1 компоненты охлаждающего устройства 18 открыты с целью иллюстрации, однако при использовании охлаждающее устройство покрыто наружной обшивкой, которая является аэродинамически гладкой для потока воздуха, как описано ниже.
На фиг.2 и 3 показаны элементы конструкции охлаждающего устройства 18 и его соединение с масляной системой двигателя. Охлаждающее устройство 18 включает множество тепловых труб 20. В показанном примере тепловые трубы 20 расположены бок о бок в виде параллельного ряда внутри открытого поддона 22, который имеет внутреннюю панель 24 и периферийную стенку 26, образующую отверстие 27. Следует отметить, что осевая и радиальная длины охлаждающего устройства 18 могут изменяться в зависимости от конкретного применения. Например, можно использовать большее количество тепловых труб 20, так что охлаждающее устройство 18 проходит по наибольшей части окружности обтекателя 14 вентилятора. Концы или части тепловых труб 20, расположенные внутри поддона 22, называются «холодными» или «конденсаторными» концами 29 и термически соединены с наружной поверхностью 17 обтекателя 14 вентилятора.
Каждая тепловая труба 20 имеет удлиненную наружную стенку 28 с закрытыми концами, которая образует полость 30. Полость 30 футерована фитильной или другой капиллярной структурой (не показана) и удерживает рабочую текучую среду. Для использования в тепловых трубах известны различные рабочие текучие среды, такие как газы, вода, органические вещества и металлы с низкой точкой плавления. Рабочая текучая среда может быть невоспламеняемой для исключения опасности возгорания в зоне корпуса 16 вентилятора в случае протечки или разрушения тепловой трубы 20.
Тепловые трубы 20 могут быть заключены в наполнитель 32, расположенный внутри поддона 22. Для ясности наполнитель 32 показан лишь на фиг.3 и не показан на фиг.2. Можно использовать любые материалы, которые сохраняют свою форму и которые имеют относительно высокую теплопроводность, такие как металлы, проводящие пасты или пластмассы. Наполнитель 32 предназначен для удерживания тепловых труб 20 в требуемом положении и на желаемом расстоянии друг от друга. Наружная поверхность 34 наполнителя 32 имеет форму, соответствующую поверхности, образованной наружной обшивкой 15 обтекателя 14 вентилятора, и обеспечивает путь переноса тепла из тепловых труб 20 в поток наружного воздуха.
Тепловые трубы 20 являются высокоэффективными при переносе тепла. Например, их эффективная теплопроводность на несколько порядков превосходит теплопроводность сплошной меди. Количество, длина, диаметр, форма, рабочая текучая среда и другие рабочие параметры тепловых труб 20 выбираются для обеспечения требуемой степени переноса тепла во время работы двигателя. Ниже приводится подробное описание работы тепловых труб 20.
Хотя часть тепловых труб 20, которая заключена в поддоне 22, показана круглой на фиг.3, она может иметь овальную, плоскую или другую форму поперечного сечения для согласования с желаемой площадью поперечного сечения при одновременном улучшении объемной упаковки или переноса тепла. Например, на фиг.4 показано слегка отличающееся охлаждающее устройство 18', включающее в себя поддон 22', тепловые трубы 20' и наполнитель 32'. В этом варианте выполнения обшивка 15 обтекателя 14 вентилятора проходит над наполнителем 32'. Тепловые трубы 20' расположены напротив внутренней поверхности обшивки 15 и сплющены в овальную форму для улучшения переноса тепла в обшивку 15. При использовании этой конфигурации сохраняется без прерывания наружный аэродинамический профиль обтекателя 14 вентилятора.
Как показано на фиг.2, теплообменник 38 установлен снаружи корпуса 16 вентилятора. Теплообменник 38 может быть просто корпусом с открытым внутренним пространством. В показанном примере масло из системы смазки двигателя входит в теплообменник 38 через линию 40 откачки. После выхода из теплообменника 38 масло проходит в бак-накопитель 42, пока оно не потребуется, и тогда оно снова протекает обратно в систему смазки двигателя. Остальная система хранения, циркуляции и распределения является обычной для газотурбинных двигателей и не требует пояснений. При желании охлаждающее устройство 18 можно использовать для удаления тепла из другого источника тепла, например, посредством его соединения с другой системой текучей среды внутри двигателя.
Один конец каждой тепловой трубы 20 расположен внутри теплообменника 38. Эта часть называется «горячим» или «испарительным» концом 44 тепловой трубы 20. Следует отметить, что понятия «горячий», «испарительный», «холодный» и «конденсаторный» при использовании относительно тепловых труб 20 описывают расположение тепловых труб 20 в зонах относительно высокой или низкой температуры и не относятся к какому-либо конкретному аспекту структуры самих тепловых труб 20.
Теплоизоляция, которая для ясности не показана, может быть предусмотрена внутри охлаждающего устройства и связанной с ним структуры, когда она необходима для предотвращения потери тепла. Например, теплоизоляция может быть расположена вокруг наружной стороны поддона 22, вокруг открытых частей тепловых труб 20 и вокруг теплообменника 38.
Во время работы масло, которое абсорбировало тепло из различных частей двигателя, циркулирует в теплообменнике 38, где оно нагревает горячие или испарительные концы 44 тепловых труб 20. Удаление тепла охлаждает масло до приемлемой рабочей температуры, так что его можно направлять в бак-накопитель 42, а затем рециркулировать через двигатель. Рабочая текучая среда внутри тепловых труб 20 поглощает тепло и испаряется. Затем образованный пар проходит через полости 30 и конденсируется на холодных концах 29 тепловых труб 20, перенося тем самым тепло в холодные концы 29. Фитильная или другая капиллярная структура, которая проходит от одного конца тепловой трубы 20 до другого конца, транспортирует конденсированную жидкость обратно в горячий конец 44, например, посредством капиллярного действия, замыкая тем самым контур. Тепло в холодных концах 29 переносится в наружный поток воздуха через наполнитель 32 и/или обшивку 15 обтекателя 14 вентилятора.
Описанное охлаждающее устройство 18, будучи пассивным, не требует клапанов и является герметичным. Количество, размер и расположение тепловых труб 20 можно выбирать для обеспечения необходимого удаления и переноса тепла. Эта конфигурация устраняет необходимость теплообменника внутри пути прохождения потока в канале вентилятора, согласно уровню техники, и обеспечивает преимущество улучшенного удельного расхода топлива.
Опасность повреждения посторонними предметами также меньше по сравнению с уровнем техники, поскольку отсутствуют открытые части теплообменника, которые могут подвергаться ударам внутри пути прохождения потока в канале вентилятора. Кроме того, в качестве рабочей текучей среды тепловых труб можно использовать воду, что обеспечивает нетоксичную и невоспламеняющуюся конструкцию.
Хотя было приведено описание конкретных вариантов осуществления настоящего изобретения, специалистам в данной области техники станет очевидно, что возможны различные изменения, не отступая от сущности и объема изобретения. В соответствии с этим приведенное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения и наилучшего режима осуществления изобретения на практике приведены лишь с целью иллюстрации и не должны ограничивать изобретение, которое определено в формуле изобретения.
1. Охлаждающее устройство (18) газотурбинного двигателя, содержащего обтекатель (14) с наружной поверхностью (17), образованной обшивкой (15), открытой для потока наружного воздуха, при этом охлаждающее устройство (18) содержит: по меньшей мере, одну тепловую трубу (20), имеющую первый конец (29), термически соединенный с наружной поверхностью (17) обтекателя, и второй конец (44), термически соединенный с источником тепла, так что тепло из источника тепла может передаваться через тепловую трубу (20) потоку наружного воздуха, и поддон (22), расположенный внутри обтекателя и термически соединенный с наружной поверхностью (17) обтекателя (14), при этом первый конец (29), по меньшей мере, одной тепловой трубы (20) расположен в поддоне (22), а теплопроводный наполнитель (32) расположен внутри поддона (22) и вокруг, по меньшей мере, одной тепловой трубы (20).
2. Устройство (18) по п.1, в котором поддон (22) содержит внутреннюю панель (24) и периферийную стенку (26), образующую отверстие (27), при этом отверстие (27) расположено в тепловом сообщении с наружной поверхностью (17), причем первый конец (29) каждой, по меньшей мере, одной тепловой трубы (20) расположен в поддоне (22).
3. Устройство (18) по п.1, в котором второй конец (44), по меньшей мере, одной тепловой трубы (20) расположен внутри полого внутреннего пространства теплообменника, выполненного с возможностью пропускания через него потока нагретой текучей среды.
4. Устройство (18) по п.1, в котором первый конец (29), по меньшей мере, одной тепловой трубы (20) внутри поддона (22) имеет некруглую форму поперечного сечения.
5. Устройство (18) по п.1, в котором наружная поверхность наполнителя (32) имеет форму для образования части наружной поверхности (17) обтекателя (14).
6. Устройство (18) по п.1, в котором обшивка (15) обтекателя (14) проходит над отверстием поддона (22).
7. Устройство (18) по п.1, в котором, по меньшей мере, одна тепловая труба (20) расположена у внутренней поверхности обшивки (15).
8. Устройство (18) по п.1, в котором каждая тепловая труба (20) включает удлиненную наружную стенку (28) с закрытыми концами, образующую полость (30), вмещающую рабочую текучую среду.
9. Устройство (18) по п.1, в котором источником тепла является смазочное масло из газотурбинного двигателя, а охлаждающее устройство (18) способствует поддержанию приемлемой рабочей температуры смазочного масла.
