进气道防冰装置及民用涡扇发动的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种进气道防冰装置及民用涡扇发动机，装置包括：引气结构、内部换热结构、气流加热结构和排气结构，引气结构包括设置在风扇整流罩外壁的引气口和引气导管，内部换热结构设置在风扇舱内，且与引气导管相通，气流加热结构包括防冰导管和位于发动机的进气道唇口的D形环腔，防冰导管分别与内部换热结构和D形环腔相通，排气结构包括设置在D形环腔的出口和设置在风扇整流罩外壁的排气口，D形环腔的出口与排气口相通。本发明利用引气结构获取外部的环境空气，并通过内部换热结构将低温的环境空气与风扇舱内的待换热部件进行热量交换，加热后的空气再被引入气流加热结构来对进气道唇口进行加热，从而满足发动机进气道的防冰需求。
【专利说明】进气道防冰装置及民用涡扇发动机
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空发动机领域，尤其涉及一种进气道防冰装置及民用涡扇发动机。【背景技术】
[0002]随着社会的发展，人类的生活水平不断提高，民用航空作为一种方便快捷的出行方式得到了蓬勃的发展。与此同时，人们对民用飞机的安全性、经济性、舒适性提出了更高的要求。民用涡扇发动机作为目前大型民航客机的动力装置，其进气道结冰问题是影响整个动力装置性能和安全性的关键因素之一。由于进气道空气处于抽吸状态，气流速度增加，静温降低，使得该部件极易结冰。而进气道结冰会改变进气系统的空气动力特性，增加流动阻力，使进气流场分布不均，甚至发生气流畸变，影响发动机的工作稳定性，严重时可能导致熄火停车。进气道结冰还可能会造成融化脱落的冰块被发动机吸入，产生发动机外来物损伤的严重问题。因此，民用涡扇发动机的进气道均须采用防冰设计。
[0003]现有的民用涡扇发动机的进气道主要采用电防冰与气防冰两种方式。电防冰方式便于控制加热的热量，可根据发动机的运行状况，调节电加热器的功率，因而电加热器运行对于发动机功率的影响相对较小，且不会产生气流的冲击效应。采用电加热系统，可以根据不同部位的结冰形式、结冰环境不同而调节加热电量及加热频率，定向性更好。US20060237582A1提出了 一种双层壁的进气道电防冰结构，该进气道的内层设计了 一个维修口，使得相关加热器的维修和安装非常方便。由于电加热结构需要从发动机附件引入电源，增加了发动机供电负载，且在系统可靠性方面不如气防冰，因而目前在主流民用涡扇发动机中采用不多。
[0004]热气防冰系统一般采用引高压压气机的高温空气，通过调压活门或直接引气输送至进气道前缘，对需要防冰的部件加热以起到防冰的作用。气防冰方式具有热量的可控性好，结构简单，可靠性好，易于满足防冰要求，应用较广泛等优点，相关的研究和专利也较多。如US4738416通过铺设一层与进气道壁具有类似型面的金属壁，形成一个较为狭窄的加热通道，在引气流量一定的情况下提高了气流速度即强化了换热效果，提高了防冰效率。US20080179448A1提出了一种带有蜂窝结构的进气道热气防冰设计，该设计能够实现气防冰的同时抑制进气道噪声。
[0005]然而，热气防冰都必须从发动机核心机引气(一般为高压压气机引气)，这必然带来发动机性能的降低，因此如何在满足发动机进气道防冰需求的同时，最大限度提高防冰热气的利用率，尽量减少发动机引气量是民用涡扇发动机气防冰设计的关键。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提出一种进气道防冰结构及民用涡扇发动机，能够在满足发动机进气道防冰需求的同时，尽量避免降低发动机性能。
[0007]为实现上述目的，本发明提供了一种进气道防冰装置，包括:引气结构、内部换热结构、气流加热结构和排气结构，所述引气结构包括设置在风扇整流罩外壁的引气口和与所述引气口相通的引气导管，所述内部换热结构设置在风扇舱内，且与所述引气导管相通，所述气流加热结构包括防冰导管和位于发动机的进气道唇口的D形环腔，所述防冰导管分别与所述内部换热结构和所述D形环腔相通，所述排气结构包括设置在所述D形环腔的出口和设置在所述风扇整流罩外壁的排气口，所述D形环腔的出口与所述排气口相通。
[0008]进一步的，所述D形环腔由所述发动机的进气道唇口的内壁和外壁以及设置在所述风扇舱内的进气道隔框形成。
[0009]进一步的，所述内部换热结构为套设在待换热部件外部的换热盒和/或待换热部件的内部换热通道。
[0010]进一步的，所述待换热部件为发动机附件，所述内部换热结构为套设在所述发动机附件外部的换热盒，通过所述发动机附件表面的金属壁面与流过换热盒的低温空气进行热量交换。
[0011]进一步的，所述换热盒的容积在所述发动机附件的体积和所述发动机附件的体积的1.5倍之间。
[0012]进一步的，所述待换热部件为发动机电子控制器(Engine ElectronicController，简称EEC)，所述内部换热结构为所述发动机电子控制器的内部换热通道，通过所述发动机电子控制器的内部换热通道与流过的低温空气进行热量交换。
[0013]进一步的，所述引气口为埋入式铲形引气口。
[0014]进一步的，所述防冰导管的出气端位于所述D形环腔的前部。
[0015]进一步的，所述引气导管和防冰导管的内圆截面积不小于所述引气口的内圆面积的0.3倍，所述排气口的内圆面积不小于所述弓丨气口的内圆面积。
[0016]进一步的，所述引气口设置在所述风扇整流罩的上部，所述排气口设置在所述风扇整流罩的下部。
[0017]进一步的，所述引气口包括第一引气口和第二引气口，所述排气口包括第一排气口和第二排气口，所述引气导管包括第一引气导管和第二引气导管，所述防冰导管包括第一防冰导管和第二防冰导管，在所述风扇舱内的待换热部件包括发动机附件和发动机电子控制器，所述第一引气口通过所述第一引气导管连接到所述发动机附件外部的换热盒，且所述换热盒通过所述第一防冰导管连接到所述D形环腔的内部，所述第二引气口通过所述第二引气导管连接到所述发动机电子控制器的内部换热通道，且所述内部换热通道通过所述第二防冰导管连接到所述D形环腔的内部。
[0018]进一步的，所述第一防冰导管进入所述D形环腔的入口与所述D形环腔的出口的周向夹角不小于90度，所述第二防冰导管进入所述D形环腔的入口与所述D形环腔的出口的周向夹角不小于90度。
[0019]基于上述技术方案，本发明利用引气结构获取外部的环境空气，并通过内部换热结构将低温的环境空气与风扇舱内的待换热部件进行热量交换，加热后的空气再被引入气流加热结构来对进气道唇口进行加热，从而达到进气道防冰的目的，满足发动机进气道的防冰需求，而且由于本发明的引气结构不需要从发动机引气，因此也不会对发动机的性能造成影响，再加上无需在发动机上设置防冰引气管路，也相对减轻了发动机的重量；同时利用低温的环境空气在内部换热结构与风扇舱内的待换热部件进行热量交换，实现了待换热部件和风扇舱的冷却，确保了待换热部件和风扇舱的正常工作。[0020]在另一个实施例中，所述D形环腔由所述发动机的进气道唇口的内壁和外壁以及设置在所述风扇舱内的进气道隔框形成。D形环腔可以实现针对于进气道唇口部位的集中加热，达到更好的进气道防冰效果。
[0021]在另一个实施例中，所述内部换热结构为套设在待换热部件外部的换热盒和/或待换热部件的内部换热通道。内部换热结构根据待换热部件的不同而选择外部或内部的换热方式，例如当待换热部件为发动机附件时，所述内部换热结构为套设在所述发动机附件外部的换热盒，通过所述发动机附件表面的金属壁面与流过换热盒的低温空气进行热量交换；当待换热部件为EEC时，所述内部换热结构为所述EEC的内部换热通道，通过所述EEC的内部换热通道与流过的低温空气进行热量交换。
[0022]对于待换热部件为发动机附件，内部换热结构为换热盒，则优选换热盒的容积在所述发动机附件的体积和所述发动机附件的体积的1.5倍之间，以便保证发动机附件对通过的低温空气的加热效果。
[0023]在另一个实施例中，所述引气口为埋入式铲形引气口，这种结构形式具有较低的迎风阻力，可以最大程度上降低对短舱起动性能的影响。
[0024]在另一个实施例中，所述防冰导管的出气端位于所述D形环腔的前部，即靠近发动机进气道的进口位置，以便保证来自内部换热结构的高温气流充分的对D形环腔的加热效果。
[0025]在另一个实施例中，所述引气导管和防冰导管的内圆截面积不小于所述引气口的内圆面积的0.3倍，所述排气口的内圆面积不小于所述引气口的内圆面积，以便减小气流在风扇舱、D形环腔以及导管内的流动损失。
[0026]在另一个实施例中，所述引气口设置在所述风扇整流罩的上部，所述排气口设置在所述风扇整流罩的下部。这样进排气口的布置，能够让环境气流在风扇舱内进行充分的热交换，使得气流能够对风扇舱绝大部分的空间实施有效通风和冷却。
[0027]在另一个实施例中，所述引气口包括第一弓I气口和第二引气口，所述排气口包括第一排气口和第二排气口，所述引气导管包括第一引气导管和第二引气导管，所述防冰导管包括第一防冰导管和第二防冰导管，在所述风扇舱内的待换热部件包括发动机附件和EEC，所述第一引气口通过所述第一引气导管连接到所述发动机附件外部的换热盒，且所述换热盒通过所述第一防冰导管连接到所述D形环腔的内部，所述第二引气口通过所述第二引气导管连接到所述EEC的内部换热通道，且所述内部换热通道通过所述第二防冰导管连接到所述D形环腔的内部。同时利用发动机附件和EEC进行空气加热，并将加热后的高温空气引到D形环腔进行热气防冰，可以实现更好的防冰效果，也同时对发动机附件和EEC均实现了冷却作用，确保了发动机附件和EEC的正常工作。
[0028]在另一个实施例中，所述第一防冰导管进入所述D形环腔的入口与所述D形环腔的出口的周向夹角不小于90度，所述第二防冰导管进入所述D形环腔的入口与所述D形环腔的出口的周向夹角不小于90度，以便保证来自内部换热结构的高温气流充分的对D形环腔的加热效果。
[0029]为实现上述目的，本发明提供了一种民用涡扇发动机，包括风扇和风扇舱，其中还包括前述的进气道防冰装置。
[0030]基于上述技术方案，本发明民用涡扇发动机由于采用了前述的进气道防冰装置，不仅可以达到进气道防冰的目的，而且由于无需从发动机引气，因此也不会对发动机的性能造成影响，再加上无需在发动机上设置防冰引气管路，也相对减轻了发动机的重量；同时利用低温的环境空气在内部换热结构与风扇舱内的待换热部件进行热量交换，实现了待换热部件和风扇舱的冷却，确保了待换热部件和风扇舱的正常工作。
【专利附图】
【附图说明】
[0031]此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
[0032]图1为本发明进气道防冰装置的一实施例的结构示意图。
[0033]图2为本发明进气道防冰装置的另一实施例的结构示意图。
[0034]图3为本发明进气道防冰装置实施例的D形环腔内的空气周向流动示意图。
【具体实施方式】
[0035]下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
[0036]本发明的进气道防冰装置至少由引气结构、内部换热结构、气流加热结构和排气结构四部分结构组成，引气结构负责引入外部的环境空气，内部换热结构负责将风扇舱内的发热部件所产生的热量与引入的低温空气进行交换，使得环境空气被加温成高温空气，而高温空气被引入到气流加热结构来提高进气道位置的温度，抑制冰层的形成，而在气流加热结构中循环后变冷的空气再通过排气结构排出。
[0037]图1和图2分别为两种进气道防冰装置的实施例，在这两个实施例中，引气结构包括设置在风扇整流罩外壁的引气口和与引气口相通的引气导管，内部换热结构设置在风扇舱12内，且与引气导管相通。气流加热结构包括防冰导管和位于发动机的进气道唇口的D形环腔17，防冰导管分别与内部换热结构和D形环腔17相通，排气结构包括设置在D形环腔17的出口 15和设置在风扇整流罩外壁2的排气口 13，D形环腔的出口 15与排气口相通。
[0038]内部换热结构至少有两种结构形式，一种是套设在待换热部件外部的换热盒，另一种是待换热部件的内部换热通道。在图1实施例中，待换热部件为发动机附件6，在发动机附件6外部套设有换热盒7，通过发动机附件6表面的金属壁面与流过换热盒7的低温空气进行热量交换。在图2实施例中，待换热部件为EEC22，内部换热结构就是EEC的内部换热通道(图中未示出)，通过EEC22的内部换热通道与流过的低温空气进行热量交换。
[0039]引气口可采用埋入式铲形引气口的结构形式，这种结构形式具有较低的迎风阻力，可以最大程度上降低对短舱起动性能的影响。
[0040]D形环腔17可由发动机的进气道唇口的内壁I和外壁2以及设置在风扇舱12内的进气道隔框16形成。从图1和图2中看，D形环腔17的截面类似于反写的字母“D”，实际上这个空间是个基本封闭的环形腔体，只有防冰导管的插入口和进气道隔框16上的出口可以分别与内部换热结构和风扇舱12连通。这种基本封闭的D形环腔可以实现针对于进气道唇口部位的集中加热，达到更好的进气道防冰效果。
[0041]如图1和图2所示，防冰导管的出气端位于D形环腔17的前部即靠近发动机进气道的进口位置，空气流动的方向已在图中已带箭头的曲线示意性的标出，以便保证来自内部换热结构的高温气流充分的对D形环腔的加热效果。
[0042]对于图1实施例来说，较冷的外部环境空气可以通过第一引气口 3进入第一引气导管5，再经过第一引气导管5进入到换热盒7，通过在换热盒内的热量交换从低温空气转换为高温空气，高温空气通过第一防冰导管4进入到D形环腔17，高温空气在D形环腔17与D形环腔的外壁进行热量交换，达到防冰的效果，并且变冷的空气再从出口 15进入风扇舱12，再经过风扇舱12从第一排气口 13排出。
[0043]图2实施例与图1实施例的原理类似，只是内部换热结构存在区别，即较冷的外部环境空气可以通过第二引气口 19进入第二引气导管21，再经过第二引气导管21进入到EEC22，通过在EEC22的内部换热通道从低温空气转换为高温空气，高温空气通过第二防冰导管20进入到D形环腔17，高温空气在D形环腔17与D形环腔的外壁进行热量交换，达到防冰的效果，并且变冷的空气再从出口 15进入风扇舱12，再经过风扇舱12从第二排气口23排出。
[0044]在图1实施例中，换热盒7的容积V7可以设置成在发动机附件6的体积V6和发动机附件6的体积V6的1.5倍之间，以便保证发动机附件对通过的低温空气的加热效果。
[0045]为了减少气流在风扇舱、D形环腔以及导管内的流动损失，引气导管和防冰导管的内圆截面积St优选不小于引气口的内圆面积Si的0.3倍，排气口的内圆面积S。优选不小于引气口的内圆面积S”
[0046]在引气口和排气口的位置设置上，为了让环境气流在风扇舱内进行充分的热交换，使得气流能够对风扇舱绝大部分的空间实施有效通风和冷却，可将引气口设置在风扇整流罩的上部，排气口设置在所述风扇整流罩的下部。
[0047]在另一个实施例中，可以有两个以上的内部换热结构，相应的，引气口可以包括第一引气口 3和第二引气口 19，引气导管可以包括第一引气导管5和第二引气导管21，防冰导管可以包括第一防冰导管4和第二防冰导管20，排气口可以包括第一排气口 13和第二排气口 23。外部的环境空气可以分别通过两个通道进入到D形环腔中，再从D形环腔中排出。
[0048]这两个内部换热结构所采用的待换热部件分别是在风扇舱12内的发动机附件6和EEC22，第一引气口 3通过第一引气导管5连接到发动机附件6外部的换热盒7，且换热盒7通过第一防冰导管4连接到D形环腔17的内部，第二引气口 19通过第二引气导管21连接到EEC22的内部换热通道，且内部换热通道通过第二防冰导管20连接到D形环腔17的内部。
[0049]图3给出了本发明进气道防冰装置实施例的D形环腔内的空气周向流动示意图。图3中的带箭头的短线和曲线代表气流动的方向，由此可以看到从第一防冰导管4和第二防冰导管20中排出的高温空气在D形环腔内循环的情况，冷却后的空气再经过D形环腔的出口 15排出到风扇舱内。从图3中可以看到第一防冰导管4进入D形环腔的入口与D形环腔的出口 15的周向夹角不小于90度，第二防冰导管20进入D形环腔的入口与D形环腔的出口的周向夹角不小于90度。
[0050]为保证环境空气能够进入风扇舱和D形环腔，第一引气口 3的静压P3不应小于第一排气口 13的静压P13的1.2倍，第二引气口 19的静压P19不应小于第二排气口 23的静压P23 的 1.2 倍。[0051]上述描述的几个进气道防冰装置的实施例可以应用于各类有防冰需求的发动机中，尤其适合应用在民用涡扇发动机中，民用涡扇发动机包括风扇和风扇舱12，风扇由风扇帽罩11和风扇支板14构成,风扇舱12由风扇整流罩8、风扇舱防火墙9、风扇机匣10及进气道隔框16组成，风扇设置在风扇机匣10内。发动机附件6和EEC22均设置在风扇舱12内。
[0052]通过前面描述的本发明进气道防冰装置以及民用涡扇发动机的实施例可以看出，本发明具有以下优点:
[0053]1、低温的环境空气进入风扇舱后，通过与发动机附件和/或EEC的热量交换，将发动机附件和/或EEC的热量用于加热进气道唇口的D形环腔，能够实现进气道防冰，满足进气道防冰的需求；
[0054]2、低温的环境空气进入风扇舱与发动机附件和/或EEC进行热量交换，从而对发动机附件和/或EEC形成冷却，降低了发动机附件和/或EEC以及风扇舱的温度，保证了发动机附件和/或EEC以及风扇舱的正常工作；
[0055]3、相比于传统的发动机引气防冰，由于本发明不需要从发动机引气，从而有效地避免了因防冰引气而造成发动机性能降低；
[0056]4、从附件泄漏出的高温燃滑油蒸汽经过进气道唇口 D形腔的热量交换后，燃滑油气体温度降低，从而有效降低燃滑油蒸汽在风扇舱着火的可能性。
[0057]最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
【权利要求】
1.一种进气道防冰装置，其特征在于，包括:引气结构、内部换热结构、气流加热结构和排气结构，所述引气结构包括设置在风扇整流罩外壁的引气口和与所述引气口相通的引气导管，所述内部换热结构设置在风扇舱内，且与所述引气导管相通，所述气流加热结构包括防冰导管和位于发动机的进气道唇口的D形环腔，所述防冰导管分别与所述内部换热结构和所述D形环腔相通，所述排气结构包括设置在所述D形环腔的出口和设置在所述风扇整流罩外壁的排气口，所述D形环腔的出口与所述排气口相通。
2.根据权利要求1所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述D形环腔由所述发动机的进气道唇口的内壁和外壁以及设置在所述风扇舱内的进气道隔框形成。
3.根据权利要求1所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述内部换热结构为套设在待换热部件外部的换热盒和/或待换热部件的内部换热通道。
4.根据权利要求3所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述待换热部件为发动机附件，所述内部换热结构为套设在所述发动机附件外部的换热盒，通过所述发动机附件表面的金属壁面与流过换热盒的低温空气进行热量交换。
5.根据权利要求4所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述换热盒的容积在所述发动机附件的体积和所述发动机附件的体积的1.5倍之间。
6.根据权利要求3所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述待换热部件为发动机电子控制器，所述内部换热结构为所述发动机电子控制器的内部换热通道，通过所述发动机电子控制器的内部换热通道与流过的低温空气进行热量交换。
7.根据权利要求1所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述引气口为埋入式铲形引气口。
8.根据权利要求1所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述防冰导管的出气端位于所述D形环腔的前部。
9.根据权利要求1所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述引气导管和防冰导管的内圆截面积不小于所述引气口的内圆面积的0.3倍,所述排气口的内圆面积不小于所述引气口的内圆面积。
10.根据权利要求1所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述引气口设置在所述风扇整流罩的上部，所述排气口设置在所述风扇整流罩的下部。
11.根据权利要求10所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述引气口包括第一引气口和第二引气口，所述排气口包括第一排气口和第二排气口，所述引气导管包括第一引气导管和第二引气导管，所述防冰导管包括第一防冰导管和第二防冰导管，在所述风扇舱内的待换热部件包括发动机附件和发动机电子控制器，所述第一引气口通过所述第一引气导管连接到所述发动机附件外部的换热盒，且所述换热盒通过所述第一防冰导管连接到所述D形环腔的内部，所述第二引气口通过所述第二引气导管连接到所述发动机电子控制器的内部换热通道，且所述内部换热通道通过所述第二防冰导管连接到所述D形环腔的内部。
12.根据权利要求11所述的进气道防冰装置，其特征在于，所述第一防冰导管进入所述D形环腔的入口与所述D形环腔的出口的周向夹角不小于90度，所述第二防冰导管进入所述D形环腔的入口与所述D形环腔的出口的周向夹角不小于90度。
13.一种民用涡扇发动机，包括风扇和风扇舱，其特征在于，还包括权利要求f 12任一所述的进气道防冰装置。
【文档编号】F02C7/047GK103850800SQ201210496822
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2012年11月29日 优先权日:2012年11月29日
【发明者】陈俊, 王维, 李永国, 张建东 申请人:中航商用航空发动机有限责任公司