管热耦合组件的制作方法

本公开的领域通常涉及一种燃气涡轮发动机并且更特别地涉及一种用于热耦合流组件(thermallycouplingflowassembly)的方法和系统。

背景技术：

因为燃气涡轮发动机变得更加高效和大功率的，控制发动机的各种构件的温度变得更关键然而变得更困难。在发动机系统中，燃料歧管是关键的构件，因为该燃料歧管负责将燃料递送到核心发动机以用于燃烧。然而，在至少一些已知的发动机系统中，燃料歧管邻近核心发动机定位，并且照此因而遭受通过辐射和对流引起的来自核心发动机的热传递。这样的热传递导致在燃料歧管中的燃料导管以及燃料自身温度增加，这导致在燃料歧管中和/或在燃料喷嘴中的燃料焦炭堆积(fuelcokeaccumulation)。该堆积继而引起降低的发动机燃烧效率以及增加的流体耦合动态特性问题，以及更短的发动机保养间隔。

技术实现要素：

在一方面，提供了热耦合组件。热耦合组件包括热传导元件、绝热包裹件(wrap)以及罩套。热传导元件包括构造成接合热源的表面的第一端部壁、构造成接合吸热器(heatsink)的表面的第二端部壁以及包括热导体的主体。绝热包裹件至少部分地围绕热传导元件、热源以及吸热器。罩套至少部分地围绕绝热包裹件、热传导元件、热源以及吸热器中的至少一个。

在另一方面，提供了将热源和吸热器热耦合的方法。方法包括将热传导元件联结到热源和吸热器。热传导元件包括构造成接合热源的表面的第一端部壁、构造成接合吸热器的表面的第二端部壁以及包括热导体的主体。方法还包括在热传导元件、热源以及吸热器周围用绝热部件进行包裹，并且将绝热部件、热传导元件、热源以及吸热器包入在罩套中。

在再另一方面，提供了涡轮风扇发动机，该涡轮风扇发动机包括核心发动机、构造成将燃料提供到核心发动机的燃料管理系统以及联结到燃料管理系统的热耦合组件。热耦合组件包括热传导元件、绝热包裹件以及罩套。热传导元件包括构造成接合燃料管理系统的热源的表面的第一端部壁、构造成接合燃料管理系统的吸热器的表面的第二端部壁以及包括热导体的主体。绝热包裹件至少部分地围绕热传导元件、热源以及吸热器。罩套至少部分地围绕绝热包裹件、热传导元件、热源以及吸热器中的至少一个。

实施方案1.一种热耦合组件，包含：

热传导元件，该热传导元件包含：

构造成接合热源的表面的第一端部壁；

构造成接合吸热器的表面的第二端部壁；以及

包含热导体的主体；

绝热包裹件，该绝热包裹件至少部分地围绕所述热传导元件、所述热源以及所述吸热器；以及

罩套，该罩套至少部分地围绕所述绝热包裹件、所述热传导元件、所述热源以及所述吸热器中的至少一个。

实施方案2.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述热源和所述吸热器包含伸长的部件，所述伸长的部件平行地延伸预定的距离。

实施方案3.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述主体包含具有凹的横截面的相反的侧壁对。

实施方案4.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述罩套包含具有凹的横截面的相反的侧壁对。

实施方案5.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述第一端部壁包含互补于所述热源的表面的表面，并且所述第二端部壁包含互补于所述吸热器的表面的表面。

实施方案6.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述热源和所述吸热器中的至少一个包含管道部件。

实施方案7.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述主体包含具有近似1950w/mk的热导率的金属泡沫。

实施方案8.根据实施方案1所述的组件，其特征在于，所述罩套包含具有在0.1和0.45之间的发射率的抛光金属绝热罩套。

实施方案9.一种将热源和吸热器热耦合的方法，所述方法包含：

将热传导元件联结到所述热源和所述吸热器，所述热传导元件包括构造成接合所述热源的表面的第一端部壁、构造成接合所述吸热器的表面的第二端部壁以及包括热导体的主体；

在所述热传导元件、所述热源以及所述吸热器周围用绝热部件进行包裹；并且

将所述绝热部件、所述热传导元件、所述热源以及所述吸热器包入在罩套中。

实施方案10.根据实施方案9所述的方法，其特征在于，将所述热传导元件联结到所述热源和所述吸热器包含将所述热传导元件联结到包含平行地延伸预定的距离的伸长的部件的所述热源和所述吸热器。

实施方案11.根据实施方案10所述的方法，其特征在于，将所述热传导元件联结到所述热源和所述吸热器包含将所述热传导元件联结到包含管道部件的所述热源和所述吸热器。

实施方案12.根据实施方案9所述的方法，此外包含提供包括具有互补于所述热源的表面的表面的所述第一端部壁以及具有互补于所述吸热器的表面的表面的所述第二端部壁的所述热传导元件。

实施方案13.根据实施方案9所述的方法，此外包含：

提供所述热传导元件，所述热传导元件包括所述主体，所述主体具有相反的侧壁对，该相反的侧壁对具有凹的横截面；并且

提供所述罩套，所述罩套具有相反的侧壁对，该相反的侧壁对具有凹的横截面。

实施方案14.一种涡轮风扇发动机，包含：

核心发动机；

构造成将燃料提供到所述核心发动机的燃料管理系统；以及

联结到所述燃料管理系统的热耦合组件，所述热耦合组件包含：

热传导元件，该热传导元件包含：

构造成接合所述燃料管理系统的热源的表面的第一端部壁；

构造成接合所述管理系统的吸热器的表面的第二端部壁；以及

包含热导体的主体；

绝热包裹件，该绝热包裹件至少部分地围绕所述热传导元件、所述热源以及所述吸热器；以及

罩套，该罩套至少部分地围绕所述绝热包裹件、所述热传导元件、所述热源以及所述吸热器中的至少一个。

实施方案15.根据实施方案14所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述热源和所述吸热器包含伸长的部件，该伸长的部件平行地延伸预定的距离。

实施方案16.根据实施方案15所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述热源和所述吸热器包含所述燃料管理系统的管道部件。

实施方案17.根据实施方案14所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述主体包含具有凹的横截面的相反的侧壁对。

实施方案18.根据实施方案14所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述罩套包含具有凹的横截面的相反的侧壁对。

实施方案19.根据实施方案14所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述第一端部壁包含互补于所述热源的表面的表面，并且所述第二端部壁包含互补于所述吸热器的表面的表面。

实施方案20.根据实施方案14所述的涡轮风扇发动机，其特征在于，所述主体包含具有近似1950w/mk的热导率的金属泡沫，并且其中所述罩套包含具有在0.1和0.45之间的发射率的抛光金属绝热罩套。

附图说明

当参考附图阅读下面的详细的描述时，本公开的这些和其他的特征、方面以及优点将变得更好理解，在该附图中相似的符号贯穿图代表相似的部件，在其中：

图1是根据本公开的示例实施例的示例性的燃气涡轮发动机的示意图；

图2是包括热耦合组件的在图1中示出的燃气涡轮发动机的燃料管理系统的透视图；

图3是在图2中示出的包括热耦合组件的燃料管理系统的第一横截面视图；并且

图4是在图2和3中示出的包括热耦合组件的燃料管理系统的第二横截面视图。

除非另外指出，在本文中提供的图意在示出本公开的实施例的特征。这些特征被相信可在包含本公开的一个或多个实施例的系统的广泛的变型中应用。同样地，图不意在包括为了在本文中公开的实施例的实践而需要的由本领域的普通技术人员已知的所有常规的特征。

参考符号列表

100燃气涡轮发动机

102风扇系统

104核心系统

106排气系统

108压缩机组件

110燃烧组件

112高压涡轮组件

114低压涡轮组件

200燃料管理系统

202第一燃料导管

204第二燃料导管

210热耦合组件

212热传导元件

214绝热部件

216罩套

218子组件

220外部表面

222第一端部壁

224第二端部壁

226第一侧壁

228第二侧壁

230主体

232外部表面

234外部表面

236第一侧壁

238第二侧壁

240第一端部部分

242第二端部部分

244第一侧壁

246第二侧壁

250第二端部部分

252连结构件。

具体实施方式

在以下说明书和权利要求中，将参照多个用语，它们应当限定为具有以下意义。

单数形式"一个"、"一种"和"该"包括复数参照，除非上下文清楚地另外指出。

"可选"或"可选地"意思是随后描述的事件或情形可发生或可不发生，且描述包括事件发生的情况以及其不发生的情况。

近似的语言如在本文中贯穿说明书和权利要求使用的那样可被应用于修饰可允许在不导致其涉及的基本功能的变化的情况下改变的任何数量表达。因此，由一个或多个用语诸如"大约"、"大概"和"大致"修饰的值不限于指定的准确值。在至少一些情况中，近似语言可对应于用于测量该值的器具的精度。这里且贯穿说明书和权利要求，范围极限可组合和/或互换；这样的范围被确定且包括其中包含的所有子范围，除非上下文或语言另外指出。

在本文中描述的热耦合组件的实施例提供了一种用于促进在热源和吸热器之间的热传递的有效的方法。更特别地，在本文中描述的一种实施例中，热耦合组件提供了在燃料导管之间的热传递以降低在导管和被引导穿过导管的燃料之间的温度差。降低该温度差降低了在燃料导管中的燃料焦炭形成(build-up，有时称为积聚)，这改善了发动机性能并且延长了对于燃料导管和燃料喷嘴的保养间隔。热耦合组件包括构造成在导管之间传递热量的热传导元件、构造成降低来自在导管周围的热环境的热传递的绝热包裹件以及构造成将热耦合组件保持在一起并且降低来自在导管周围的热环境的辐射的热传递的罩套。

图1是示例性的燃气涡轮发动机100的示意图。燃气涡轮发动机100包括以彼此处于轴向的流联通中的方式布置的风扇系统102、核心系统104以及排气系统106。核心系统104包括压缩机组件108、燃烧组件110、高压涡轮组件112以及低压涡轮组件114。在运行期间，空气被导引到压缩机组件108中，并且空气被压缩并且然后被导引到燃烧组件110中。在燃烧组件110内，被压缩的空气与燃料混合并且被点燃以产生燃烧气体，并且燃烧气体随后被导引穿过高压涡轮组件112和低压涡轮组件114以用于经由排气系统106排出到周围的空气中。在其他的实施例中，燃气涡轮发动机100可包括以任何适当的方式构造的任何适当的风扇系统、核心系统和/或排气系统。

图2-4分别示出了燃烧组件110的燃料管理系统200的透视图和两个横截面视图。特别地，燃料管理系统200包括彼此平行延伸的第一和第二燃料导管202,204，该第一和第二燃料导管202,204构造成将燃料引导到核心发动机(未具体地示出)。应理解的是尽管示出了两个燃料导管，但本公开可适用于包括任何数量的燃料导管(例如三个燃料导管)的燃料管理系统。此外，尽管示例实施例针对燃料系统，但应理解的是本公开可容易地适用于备选的系统，例如机油系统(oilsystem)。第一燃料导管202具有第一直径d1，并且第二燃料导管204具有第二直径d2。在示出的实施例中，直径d2大于直径d1，从而在给定量的时间中更多的燃料可被引导穿过第二燃料导管204。基于在直径和燃料流动速率方面的这些差别，在第一燃料导管202和第二燃料导管204(以及被引导穿过其的燃料)之间存在温度差。在备选的实施例中，d2等于或小于d1。燃料导管202和/或204中的一个或两个可由适当的导管材料制造，例如铝、钢、钛、合成橡胶、特氟龙®(teflon®)、合金或其组合，和/或任何其他的适当的导管材料(teflon是特拉华州威尔明顿市科慕公司(thechemourscompanyfc,llc,wilmington,de)的注册商标)。应理解的是不同的材料适合用于燃料导管202,204的不同的温度环境、应用以及其他的特性。

在燃料导管202,204之间的温度差可沿燃料导管202,204的长度变化。例如，燃料导管202,204从相同的来源(例如燃料箱)但以不同的速率抽吸燃料。因此，在靠近来源的位置处，在燃料导管202,204之间的温度差可为相对小的。当离来源的距离增大时，在燃料导管202,204之间的温度差增加，因为在直径和/或燃料流动速率方面的一个或多个差别对此产生贡献。当温度差增加时，燃料的燃烧的效率降低。因此，在被引导穿过燃料导管202,204的燃料到达核心发动机时，温度差处于相对的最大值，并且核心发动机的效率降低。此外，燃料导管202,204的温度可通过来自邻近的、相对热的(与燃料导管202,204相比)发动机构件(例如核心发动机、压缩机排出喷嘴、高压涡轮等等)的对流和/或辐射增加。

如在本文中详细地描述的那样，联结到第一和第二燃料导管202,204的热耦合组件210通过将第一和第二燃料导管202,204彼此热耦合促进减少在第一和第二燃料导管202,204之间沿其长度的温度差。换句话说，燃料导管202,204中的一个构造为热源并且燃料导管202,204中的另一个构造为吸热器。另外，热耦合组件210促进保护燃料导管202,204免于来自其他的发动机构件的热传递。在示出的实施例中，热耦合组件210包括热传导元件212、绝热部件214(在本文中也称为“绝热包裹件”)以及罩套216。从广义上讲，热传导元件212构造成在相对热的第一燃料导管202到相对冷的第二燃料导管204之间传递热量；绝热包裹件214构造成减少到附加的发动机构件和来自附加的发动机构件的热传递；并且罩套216构造成维持热耦合组件210和燃料导管202,204的布局，以及降低了来自围绕热耦合组件210的发动机环境的辐射。

在一种实施例中，热传导元件212包括金属泡沫，例如铝、铜、或钢泡沫，或合金泡沫，例如石墨泡沫(例如pocofoam®(pocofoam是德克萨斯州迪凯特市poco石墨有限公司(pocographite,inc.,decatur,tx)的注册商标))。金属或合金泡沫不仅是高度地热传导的而且是相对轻量的或低密度，从而热传导元件212不将实质量的重量添加到发动机100。附加地，这些泡沫材料表现出对于其重量相对高的刚度和高的强度，这改善了衰减和控制燃料导管202,204的振动以及通过燃料导管202,204引起的振动。因此，热传导元件212不仅向燃料管理系统200提供了热方面的益处而且也提供了机械方面的益处，降低了或消除了为了控制燃料导管202,204的振动对于托架或夹具的需要。因而，在一些情况中，与这些托架或夹具相关的重量和/或费用可降低。尽管在示出的实施例中热传导元件212具有相对高的热导率以及相对低的密度，但是热传导元件212可包括附加的或其他的适当的材料。特别地，热传导元件212可包括带有在燃料导管202和/或204的材料的热导率到大约1950w/m·k(或大约13520btu·in/(hr·ft²·f)；大约铜的热导率的五倍)之间的热导率的任何适当的材料，从而热传导元件212构造成在燃料导管202,204之间传递热量。应理解的是热导率(也称为为λ(lambda))意指这样的速率，即热量以该速率经过材料，以对于针对每米厚度的1开尔文的温度梯度每平方米表面面积的瓦特为单位或以w/mk为单位测量。此外，在示例实施例中，热传导元件212具有大于直径d1的一半的宽度。热传导元件212可具有备选的宽度，例如小于或等于直径d1的一半，或小于，或等于，或大于直径d2的一半。

在一种实施例中，热传导元件212包括包含相变材料的核心(未示出)。核心构造成在接近燃料管理系统200的工作温度的温度下变相。这样的相变因此从热耦合组件210(例如从热传导元件212、第一燃料导管202和/或第二燃料导管204)抽取能量。附加地或备选地，核心构造成在相变期间贮藏热能。

在一种实施例中，绝热包裹件214包括具有相对低的热导率的绝热的材料，从而远离燃料导管202,204和热传导元件212的子组件218的热传递最小化。此外，绝热包裹件214降低了从其他的发动机构件(例如核心系统104)到子组件218尤其地燃料导管202,204中的热传递。绝热包裹件214也用来维持燃料导管202,204和热传导元件212的相对位置，防止了其相对的运动。绝热包裹件214可包括适当地绝热的材料，例如织造硅石(wovensilica)、玄武岩、玻璃纤维、陶瓷、硅酮、橡胶、树脂、凯夫拉®(kevlar®)、超级棉®(superwool®)等等(kevlar是特拉华州威尔明顿市杜邦股份有限公司(e.i.dupontdenemoursandcompangy,wilmington,de)的注册商标；superwool是英国伯克郡摩根先进材料有限公司(morganadvancedmaterialsplc,berkshire,uk)的注册商标)。此外，绝热包裹件214可先于应用被预形成(例如作为衬套)或可在应用期间形成(例如作为喷射材料(sprayed-onmaterial)或涂覆材料(coated-onmaterial))。在一种实施例中，绝热包裹件214可包括带有大约0.02w/m·k(或大约0.2btu·in/(hr·ft²·f))到小于大约10w/m·k(或大约70btubtu·in/(hr·ft²·f))的热导率的任何适当的材料，从而绝热包裹件214构造成降低到燃料导管202,204和热传导元件212的子组件218热传递和来自燃料导管202,204和热传导元件212的子属组件218的热传递。在一些实施例中，绝热包裹件214的热导率随在其周围的热环境的温度而改变。

罩套216构造成围绕并且保持燃料导管202,204、热传导元件212以及绝热包裹件214在罩套216中并且防止其相对运动，这如在上面描述的那样改善了燃料导管202,204的振动的降低。另外，罩套216构造成降低来自围绕热耦合组件210的热环境的辐射。特别地，罩套216具有表现出低的表面发射率的高反射的表面220。在一种实施例中，罩套216是抛光金属片，例如钢、铝、其他的金属片、和/或合金或其组合。在示例实施例中，罩套216具有大约0.003英寸的厚度。在其他的实施例中，罩套216具有比0.003英寸更大的厚度或更小的厚度。附加地，在一种实施例中，罩套216具有在大约0.1到大约0.45之间的表面发射率。

在一种实施例中，热耦合组件210可沿燃料导管202,204的一个或多个长度在任何地方联结到燃料导管202,204，其中燃料导管202,204彼此平行地延伸预定的距离(例如延伸了热耦合组件210的长度)。在其他的实施例中，热耦合组件210构造成将两个非平行伸长的部件热耦合，例如通过提供带有适当的一个或多个角度和/或一个或多个弯曲的热传导元件212、绝热包裹件214以及罩套216以将非平行伸长的部件热耦合。此外，多个热耦合组件210可联结到燃料导管202,204以在燃料管理系统200上局部地并且越过系统200增强热耦合组件210的热的和机械的益处。备选地，单个的热耦合组件210可构造成沿燃料管理系统200的一部分或实质上沿燃料管理系统200的整个长度延伸。

在示出的实施例中，热传导元件212包括第一端部壁222、第二端部壁224、第一侧壁226、第二侧壁228以及在第一端部壁222和第二端部壁224之间并且在第一侧壁226和第二侧壁228之间延伸的主体230。第一端部壁222构造成接合第一燃料导管202的外部表面232，并且第二端部壁224构造成接合第二燃料导管204的外部表面234。热传导元件212可先于热耦合组件210的装配预形成，从而第一端部壁222预形成以互补于外部表面232并且第二端部壁224预形成以互补于外部表面234。备选地，热传导元件212在热耦合组件的装配期间形成(例如被喷射或被模制)，从而端部壁222,224分别自动地呈现出互补于外部表面232和234的形状。

绝热部件214包括第一侧壁236和第二侧壁238，以及第一端部部分240和第二端部部分242。在一种实施例中，第一侧壁236、第一端部部分240、第二侧壁238以及第二端部部分242连续地串联地连接，从而绝热部件214是单个的连续的构件。备选地，一个或多个接缝、铰接件、密封件和/或焊缝(总称“连结构件”)可在绝热部件214中形成，从而绝热部件214包括两个或更多个联结在一起的分离的部分。

类似地，罩套216包括第一侧壁244、第二侧壁246、第一端部部分248以及第二端部部分250。在图4的示出的实施例中，在罩套216中限定有连结构件252。连结构件252示出为公母榫类型(mortiseandtenon-type)的连结构件252；然而，应理解的是连结构件252可包括任何其他的元件，例如接缝、铰链件、焊缝和/或密封件。罩套216包括连结构件252以使热耦合组件210在燃料导管202,204上的安装简化。在示例实施例中，热耦合组件210“在现场”安装在燃料管理系统200中或联结到燃料管理系统200，或换句话说，热耦合组件210是便携的和/或可重复使用的组件210。安装是相对简单的，因为安装者仅仅需要将热传导元件212定位在燃料导管202和204之间，在子组件218周围用绝热部件214进行包裹(或以其他方式安装绝热部件214)，并且在其周围附接罩套216。

在示出的实施例中，罩套216的第一和第二侧壁244和246包括凹的横截面。该凹度以及外部表面220的最小化的表面面积改善了穿过罩套216的外部表面220的热辐射传递的降低。绝热部件214的第一和第二侧壁236和238也包括带有近似与罩套216的凹度一致的凹度的凹的横截面。另外，热传导部件212的第一和第二侧壁226和228包括带有近似与绝热部件214的凹度一致(并且因此近似与罩套216的凹度一致)的凹度的凹的横截面。

上面描述的热耦合组件提供用于在热源和吸热器之间的热传递的有效的方法。具体地，上面描述的热耦合组件包括构造成提供在第一燃料导管的相对热的外部表面和第二燃料导管的相对冷的外部表面之间的热传递的热传导元件。这样的热传递降低了在燃料导管之间的温度差，这不仅改善发动机性能而且延长了用于燃料导管和燃料喷嘴的保养间隔。热耦合组件也包括绝热包裹件，该绝热包裹件降低了或消除了对于更厚的和/或更重的绝热材料的需要，从而使燃料导管绝热的重量和/或费用可减少。此外，绝热包裹件和在绝热包裹件周围被用于进行包裹的罩套降低了燃料导管的振动，降低了或消除了对于额外的托架或夹具的需要。因此，除由热耦合组件提供的机械的益处之外，可实现附加的重量节约和/或费用节约。上面描述的热耦合组件构造成是便携的并且简单地安装在发动机的燃料歧管上，并且可适用于各种发动机系统。

在上面详细地描述了热耦合组件的示例性的实施例。热耦合组件以及运行这样的组件和构件装置的方法不限于在本文中描述的具体的实施例，而是系统的构件和/或方法的步骤可与在本文中描述的构件和/或步骤独立地且分离地被利用。例如，热耦合组件的实施例可被使用以促进在任何两个伸长的部件(包括管道、导管和/或任何其他的伸长的结构(例如航空器机油系统))之间的热传递。因此，尽管热耦合组件关于航空器发动机被描述，但是热耦合组件的实施例能够结合许多其他的应用和系统实施和使用，该许多其他的应用和系统具有其伸长的可彼此热耦合的构件。

尽管本公开的各种实施例的具体的特征可在一些图中被示出并且在其他的图纸中不示出，但这仅仅是为了方便起见。根据本公开的原理，图的任何特征可结合任何其他的图的任何特征被参考和/或被要求保护。

本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何装置或系统，以及实行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求的字面语言无实质性差异的等效结构要素，则它们意于处在权利要求的范围之内。