具有位于环形管道中的热交换器的燃气涡轮发动机的制作方法

1.本主题大体涉及用于燃气涡轮发动机的热交换器。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机通常包括风扇和涡轮机。涡轮机通常包括入口、一个或多个压缩机、燃烧器和至少一个涡轮。压缩机压缩空气，空气被引导到燃烧器，在燃烧器中空气与燃料混合。然后点燃混合物以生成热燃烧气体。燃烧气体被引导到涡轮，涡轮从燃烧气体中提取能量以为压缩机提供动力，并产生有用功来推动飞行中的飞行器或为负载(例如发电机)提供动力。
3.在燃气涡轮发动机的操作期间，各种系统可能生成相对大的热量。例如，在推力生成系统、润滑系统、电动机和/或发电机、液压系统或其他系统的操作期间可能会生成大量热量。因此，用于消散由各种系统生成的热量的装置在本领域中将是有利的。
附图说明
4.在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且可行的公开，包括其最佳模式，其中：
5.图1是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意横截面视图。
6.图2是根据本公开的示例性实施例的三流发动机的示意横截面视图。
7.图3是根据本公开的示例性实施例的热交换器和流动路径的示意横截面视图。
8.图4是根据本公开的另一个示例性实施例的热交换器和流动路径的示意横截面视图。
9.图5是根据本公开的另一个示例性实施例的热交换器的分解立体图。
10.图6是根据本公开的示例性实施例的流动路径中的图5的示例性热交换器的示意横截面视图。
11.图7是根据本公开的又一示例性实施例的热交换器的示意立体图。
12.图8是根据本公开的又一示例性实施例的热交换器的示意立体图。
13.图9是根据本公开的又一示例性实施例的热交换器的示意立体图。
14.图10是根据本公开的又一示例性实施例的热交换器的示意立体图。
15.图11是根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器的曲线图，示出了低质量流率的etl和ua之间的关系。
16.图12提供了包括对应于图11中绘制的若干etl值的数值的表。
17.图13是根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器的曲线图，示出了中质量流率的etl和ua之间的关系。
18.图14提供了包括对应于图13中绘制的若干etl值的数值的表。
19.图15是根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器的曲线图，示出了高质量流率的etl和ua之间的关系。
20.图16提供了包括对应于图15中绘制的若干etl值的数值的表。
具体实施方式
21.现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代本公开的相似或类似部分。
22.本文使用词语“示例性”来表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不一定被解释为优于或好于其他实施方式。此外，除非另有明确说明，否则本文描述的所有实施例都应视为示例性的。
23.如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以将一个部件与另一个部件区分开，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。
24.术语“前”和“后”是指燃气涡轮发动机或运载器内的相对位置，并且是指燃气涡轮发动机或运载器的正常操作姿态。例如，对于燃气涡轮发动机，前是指更靠近发动机入口的位置，而后是指更靠近发动机喷嘴或排气口的位置。
25.术语“上游”和“下游”是指相对于路径中的流动的相对方向。例如，对于流体流动，“上游”是指流体从其流动的方向，“下游”是指流体向其流动的方向。然而，本文使用的术语“上游”和“下游”也可以指电流。
26.术语“流体”可以是气体或液体。术语“流体连通”是指流体能够在指定区域之间建立连接。
27.除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一种”和“该”包括复数引用。
28.如在整个说明书和权利要求书中使用的，近似语言被应用于修饰可以允许变化而不会导致与其相关的基本功能发生改变的任何定量表示。因此，由诸如“约”、“大约”、“大致”和“基本上”的术语修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造部件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可以指在单个值、值范围和/或限定值范围的端点的1％、2％、4％、5％、10％、15％或20％的裕度内。在此以及在整个说明书和权利要求书中，范围限制被组合和互换，除非上下文或语言另有说明，否则此类范围被识别并包括其中包含的所有子范围。例如，本文公开的所有范围都包括端点，并且端点可以相互独立地组合。
29.对于管道或流动路径(例如其中定位有热交换器的管道或流动路径)，“基本上环形”是指完全环形(即，仅除热交换器外在周向方向上连续且不间断地延伸)，或除热交换器外具有至少50％的空隙体积百分比(除热交换器外例如至少60％，例如至少70％，例如至少80％，例如至少90％的空隙体积百分比)的部分环形的管道或流动路径。例如，在某些实施例中，管道或流动路径可以包括延伸通过其中的支柱或其他类似结构，从而形成部分环形管道。
30.如本文所用，“传输损耗”或“tl”是指当来自声源的声音穿过声学屏障时声级降低的测量值。tl以分贝(db)为单位表示，并且指示当产生声音的压力波遇到结构或声学屏障(例如位于环形流动路径内的热交换器)时声音强度(在给定频率下)的降低。
31.燃气涡轮发动机的部件的“有效传输损耗”或“etl”是指在指定操作条件期间燃气涡轮发动机的部件预期的tl量。etl在下面更详细地限定。所公开的实施例的etl和tl更具体地分别表示为频率带宽上(例如1,000赫兹(“hz”)和5,000hz之间)的平均etl或tl，或者如果文本指示，则分别表示为特定频率处的etl或tl。根据本公开，etl和tl的范围至少为1db且小于5db。
32.如本文所用，“ua”是指热交换器的暴露于通过其中定位有热交换器的流动路径的流体(例如，空气)的部分的总热传递系数(u)与定位在流动路径内的热交换器的总表面面积(a)的乘积。单位可以表示为英热单位每小时每华氏度(btu/(hr-℉))。热交换器的该部分向流体排放热量或从流体接受热量的能力与形成暴露于流体的该部分的材料(例如铝、钢、金属合金等)的热传递特性有关，或更具体地，与暴露于流体的热交换器的该部分的总热传递系数(cte)和该部分的表面面积有关。参数“ua”表示cte和暴露于流体的表面面积的影响。
33.如本文所用，“孔隙率”是指定位在流动路径内的热交换器的空隙率。例如，热交换器可以在一个位置限定流动区域并且流动路径可以在相同位置限定流动区域(即，没有热交换器的流动区域)。热交换器的孔隙率是在该位置处热交换器的流动区域与流动路径的流动区域之比。
34.如本文所用，“风扇频率”或“风扇通过频率”是指旋转速率(以每分钟转数或rpm为单位)与风扇叶片数量的乘积。风扇通过频率的单位是千赫兹(khz)。风扇可以指涡轮机外部的风扇(例如，位于涡轮风扇的管道内的风扇，例如图1的风扇组件14)，或涡轮机内部的风扇，例如位于涡轮机入口的下游和涡轮机的至少一个压缩机的上游的风扇(例如，图2的风扇184)。
35.如本文所用，“质量流量”或“质量流率”是指通过热交换器的流体的质量流的速率、通过热交换器上游或下游的管道的质量流量、或通过封闭区域体积的质量流量。单位是磅质量每秒(lbm/sec.)。
36.跨障碍物的“压降”是指当流体通过障碍物时发生的流体压力变化。压降是指紧邻障碍物上游的流体静压减去紧邻障碍物下游的流体静压除以紧邻障碍物上游的流体静压，并以百分比表示。
37.本公开提供了多种热交换器的示例，热交换器的示例包括“板翅式”热交换器、“管式”热交换器、“逆流式”热交换器、“洋葱式”热交换器、以及用于热交换的“任何专用沟道”。
38.如本文所用，术语“基于翅片的”热交换器是指使用一个或多个翅片的热交换器，该一个或多个翅片延伸到冷却流体流或加热流体流中以增加暴露于冷却或加热流体流的表面面积，从而提高热交换器的效率。基于翅片的热交换器的示例包括板翅式热交换器和针翅式热交换器。
39.如本文所用，“板翅式”热交换器是指具有表面的热交换器，该表面具有从其延伸的翅片，该翅片被构造为增加表面与经过翅片的流体之间的热传递。下面参考图5描述这种类型的热交换器的示例。
40.如本文所用，“针翅式”热交换器是指具有第一表面和第二表面的热交换器。翅片和针从第一表面、第二表面或两个表面延伸以增加第一和/或第二表面与经过翅片和针的流体之间的热传递。
41.如本文所用，“管式”热交换器是指包括延伸通过流体流动路径的一个或多个管或其他导管的热交换器。这种热交换器可以促进通过管或其他导管的流体和通过流体流动路径的流体的热传递。参考图4描述了这种类型的热交换器的示例。
42.如本文所用，“管板式”热交换器是指具有多个管和带多个孔的板的热交换器，多个管延伸通过该多个孔。
[0043]“管壳式”热交换器是指包括容纳大量管的外壳的热交换器。参考图8至10描述了这种类型的热交换器的示例。
[0044]
如本文所用，“逆流式”热交换器是指其中一种工作流体的流动方向与另一种工作流体的流动方向相反的热交换器。
[0045]
如本文所用，“洋葱式”热交换器是指具有会聚和发散区段的热交换器，其中热交换特征延伸通过这些区段。这种类型的热交换器的示例可以在2017年12月29日提交的，并以美国专利申请公开号2019/0204010(
“‘
453申请”)公布的美国专利申请号15/858,453中看到，出于所有目的该申请通过引用整体并入本文。例如，这种类型的热交换器的实施例可以在
‘
453申请的图2至8中看到，并且更具体地，在例如图2至4(在例如第[0024]-[0040]段中描述)、图5(在例如第[0047]-[0050]段中描述)、图6(在例如第[0041]-[0044]段中描述)、图7(在例如第[0041]段中描述)以及图8(在例如第[0051]-[0054]段中描述)中看到。
[0046]
如本文所用，术语“任何专用沟道”热交换器是指为交换热能而专门创建用于输送流体的任何沟道。
[0047]
如本文关于热交换器所用的术语“长度”是指在通过热交换器从热交换器的最上游边缘到热交换器的最下游边缘的平均流体流动方向上的测量值，该热交换器定位在流体流动路径内。
[0048]
术语“中功率操作条件”是指飞行阶段的发动机的操作条件，该飞行阶段发生在飞行器爬升到设定高度之后并且飞行器开始下降之前保持水平时(即，巡航操作条件)。此外，中功率操作条件可以指下降操作条件。
[0049]
短语“低功率操作条件”是指小于巡航操作条件期间的巡航功率水平的功率水平下的发动机的操作条件。例如，低功率操作条件可以指飞行怠速操作条件、地面怠速操作条件、进近怠速操作条件等，其中发动机以小于发动机额定功率的约85％(例如小于发动机额定功率的约80％)的功率水平操作。
[0050]
短语“高功率操作条件”是指大于巡航操作条件期间的巡航功率水平的功率水平下的发动机的操作条件。例如，高功率操作条件可以指起飞操作条件、爬升操作条件等。
[0051]
如本文所用，术语“第一流”和“第二流”分别是指穿过涡轮机的核心(高压压缩机、燃烧器和高压涡轮)的涡轮机的工作气体流动路径和风扇流或旁通流。
[0052]
如本文所用，“第三流”是指能够增加流体能量以产生少量总推进系统推力的非主气流。第三流的压力比高于主推进流(例如，旁通或螺旋桨驱动的推进流)的压力比。推力可以通过专用喷嘴或通过将通过第三流的气流与例如进入公共喷嘴的主推进流或核心气流混合来产生。
[0053]
在某些示例性实施例中，通过第三流的气流的操作温度可以低于发动机的最大压缩机排放温度，并且更具体地，可以低于350华氏度(例如低于300华氏度，例如低于250华氏度，例如低于200华氏度，并且至少与环境温度一样高)。在某些示例性实施例中，这些操作
温度可以促进热传递至通过第三流和单独的流体流的气流或从通过第三流和单独的流体流的气流传递热量。此外，在某些示例性实施例中，在起飞条件下，或更具体地，在以海平面额定起飞功率、静态飞行速度、86华氏度环境温度操作条件下操作时，通过第三流的气流可以贡献少于总发动机推力的50％(并且至少例如总发动机推力的2％)。
[0054]
此外，在某些示例性实施例中，通过第三流的气流方面(例如，气流、混合或排气特性)，并且由此对总推力的上述示例性百分比贡献，可以通过使用发动机控制特征(例如燃料流动、电机功率、可变定子、可变入口导向轮叶、阀、可变排气口几何形状或流体特征)在发动机操作期间被动地调整或有目的地修改，以在广泛的潜在操作条件下调整或优化整体系统性能。
[0055]
提及“噪声”、“噪声水平”或“感知噪声”或其变型应理解为包括机身外的声压水平(spl)、机身外部噪声水平、感知噪声水平、有效感知噪声水平(epnl)、瞬时感知噪声水平(pnl(k))或音调校正感知噪声水平(pnlt(k))，或一个或多个持续时间校正因子、音调校正因子或其他适用因子，如由美国联邦航空管理局(faa)、欧盟航空安全局(easa)、国际民航组织(icao)、瑞士联邦民航局(foca)或其委员会，或其他同等监管或管理机构限定的。在本文中提供了某些范围的噪声水平(例如，以分贝或db为单位)的情况下，应当理解，本领域技术人员将理解用于测量和确定这种水平而不会产生歧义或过度实验的方法。由本领域技术人员以合理的确定性且无需过度实验来测量和确定本文所提供的一种或多种噪声水平的方法包括但不限于理解测量系统、发动机和/或飞行器相对于测量系统或其他感知体之间的参考系(包括但不限于距离、位置、角度等)、或大气条件(包括但不限于温度、湿度、露点、风速和矢量、以及用于其测量的参考点)，如可以由faa、easa、icao、foca或其他监管或管理机构限定的。
[0056]
如本文所用，术语“社区噪声”是指在起飞或着陆期间在地面上(通常在机场周围的社区中)观察到的由发动机和/或飞行器产生的噪声量。
[0057]
如本文所提供的，本文包括的发动机的实施例限定低于icao附件16第1卷第14章噪声标准5分贝(db)至10db之间的噪声水平，该噪声标准在2017年12月31日当天或之后可适用于最大起飞重量至少为55吨的飞机。附加地或替代地，本文提供的发动机的实施例可以衰减低频噪声，例如当发动机处于巡航高度时可能传播到地面的那些噪声，或者可以被称为航路噪声或社区噪声。
[0058]
在本公开的某些示例性实施例中，提供了限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机通常可以包括涡轮机和转子组件。转子组件可以由涡轮机驱动。涡轮机、转子组件或两者可以相对于燃气涡轮发动机的中心线限定基本上环形的流动路径。燃气涡轮发动机包括热交换器，该热交换器定位在流动路径内并沿周向方向延伸，例如沿周向方向基本上连续地延伸。热交换器可以是完全环形的，意味着完成环形结构，或者是部分环形的，使得通过管道的一部分流体将不通过热交换器流的流动区域，而其他部分将通过热交换器流动区域。
[0059]
例如在包括燃气涡轮发动机的飞行器的下降期间，用于燃气涡轮发动机的热交换器设计可被设计用于飞行怠速条件。在设计热交换器时，该目标通常可以表述为满足从热流体到冷流体的最小热传递能力，以获得跨热交换器的可接受压降量。要考虑的关键因素包括在飞行怠速条件下通过管道的质量流率，以及所选热交换器的类型或特性。
[0060]
然而，针对飞行怠速条件优化的热交换器可能在其他飞行条件期间(例如在可能需要最大推力的高功率操作条件(例如，起飞、爬升、下降期间的转弯等)期间)被证明是不可接受的。在这样的时间段期间，针对飞行怠速优化的热交换器可以允许通过其衰减不可接受的噪声量，无论是机舱噪声还是社区噪声。鉴于声音通过流体传播的复杂性质，迄今为止，标准工程实践一直是评估所选热交换器或针对具有可接受压降的最大热传递而优化的热交换器的不同飞行条件下的声学环境。并且如果预期选定的热交换器(即针对压降和流体之间的热传递优化的热交换器)在空气通过热交换器的管道和内表面时不能提供期望的噪声降低量，那么热交换器可能需要重新设计，以便在飞行条件(例如起飞)期间产生更少的噪声。因此，标准做法是针对飞行怠速优化热交换器，评估该热交换器是否在整个飞行包线内产生可接受的噪声水平(或者更确切地说，允许跨热交换器衰减可接受的噪声量)，如果没有，则重新设计，即基本上重新开始并重新优化热交换器，以减少在受影响的飞行条件期间产生的噪声量，同时仍然满足热传递和/或最大压降要求。最好在开始时为热交换器建立初始设计或设计要求，以避免这种迭代处理；也就是说，考虑可接受的压降、通过环形管道的空气的期望传输损耗以及飞行怠速时的热传递要求，在热交换器上建立满足发动机结构要求的条件或限制。
[0061]
在几种不同类型的涡轮机(例如图1和图2中所示的那些)的设计期间，发明人的实践已经以设计热交换器、修改热交换器和重新设计热交换器以满足声学要求，然后再次检查声学响应等的方式进行。在这些设计迭代(即热交换器优化与产生的声学环境)中考虑的热交换器类型包括使用“基于翅片的”热交换器、“板翅式”热交换器、“管壳式”热交换器、“逆流式”热交换器、“洋葱式”热交换器、“任何专用沟道”热交换器等中的一种或多种的热交换器设计。以下是发明人开发的涡轮机发动机和热交换器类型的示例。
[0062]
现在参考附图，图1是可以结合本公开的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机10的示意局部横截面侧视图。发动机10可以被构造为用于飞行器的燃气涡轮发动机。尽管本文进一步描述为涡轮风扇发动机或非管道式发动机(图2)，但参考包括发动机10和100的若干示例，本说明书中阐述的原理可以替代地适用于根据本公开的涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机或涡轮喷气燃气涡轮发动机。
[0063]
如图1所示，发动机10具有延伸通过其中的纵向或轴向中心线12，以供参考。轴向方向a与轴向中心线12同向延伸以供参考。发动机10进一步限定上游端99(或前端)和下游端98(或后端)以供参考。通常，发动机10包括风扇组件14和设置在风扇组件14下游的涡轮机16。作为参考，发动机10限定轴向方向a、径向方向r和周向方向c。通常，轴向方向a平行于轴向中心线12延伸，径向方向r在垂直于轴向方向a的方向上从轴向中心线12向外延伸以及向内朝向轴向中心线12延伸，并且周向方向围绕轴向中心线12延伸三百六十度(360
°
)。
[0064]
涡轮机16包括基本上管状的外壳18，其限定涡轮机16的环形入口20。外壳18以串行流动关系包围或至少部分地形成：压缩机区段，其具有增压或低压(lp)压缩机22、高压(hp)压缩机24；热添加系统26；膨胀区段或涡轮区段，其包括高压(hp)涡轮28和低压(lp)涡轮30；以及喷射排气喷嘴区段32。高压(hp)转子轴34将hp涡轮28驱动地连接到hp压缩机24。低压(lp)转子轴36将lp涡轮30驱动地连接到lp压缩机22。lp转子轴36也可以连接到风扇组件14的风扇轴38。在特定实施例中，如图1所示，例如在间接驱动或齿轮驱动构造中，lp转子轴36经由减速齿轮40连接到风扇轴38。
[0065]
如图1所示，风扇组件14包括多个风扇叶片42，多个风扇叶片42联接到风扇轴38并从风扇轴38径向向外延伸。环形风扇壳或机舱44周向地围绕风扇组件14和/或涡轮机16的至少一部分。应当理解，机舱44被构造为通过多个周向间隔开的出口导向轮叶或支柱46相对于涡轮机16被支撑。此外，所描绘机舱44的至少一部分在涡轮机16的外部分上延伸，以便在其间限定第一流或风扇流动通道48。
[0066]
在发动机10的操作期间，由箭头74示意性示出的空气流进入由风扇壳或机舱44限定的发动机10的入口76。由箭头80示意性示出的一部分空气通过至少部分地由外壳18限定的入口20进入涡轮机16。通过压缩机、热添加系统26和膨胀区段以串行流动提供空气流。特别地，对于所示实施例，涡轮机16，并且更具体地，压缩机区段、热添加区段26和涡轮区段，一起至少部分地限定工作气体流动路径70或第二流。当空气流80流过压缩机22、24的连续级时(例如箭头82示意性地示出)，空气流80被越来越多地压缩。压缩空气82进入热添加系统26并且与液体和/或气体燃料混合并被点燃，以产生燃烧气体86。应当理解，热添加系统26可以包括用于生成燃烧气体的任何合适的系统，包括但不限于爆燃或爆震燃烧系统，或其组合。热添加系统26可以包括环形、罐式、罐式环形、驻涡、渐开线或涡旋、富燃、稀燃、旋转爆震或脉冲爆震构造，或其组合。
[0067]
燃烧气体86在从喷射排气喷嘴区段32排出之前释放能量，以驱动hp涡轮28和轴34以及lp涡轮30和轴36的旋转。来自燃烧气体86的能量释放进一步驱动风扇组件14(包括风扇叶片42)的旋转。一部分空气74绕过涡轮机16并流过风扇流动通道48，如箭头78示意性所示。
[0068]
应当理解，图1描绘并描述了具有风扇流动通道48(第一流)和涡轮机流动路径70(第二流)的双流发动机。图1中描绘的实施例具有围绕风扇叶片42的机舱44，以便提供噪声衰减、叶片脱落保护和用于机舱的已知其他益处，并且其在本文中可以被称为“管道式风扇”，或整个发动机10可以被称为“管道式发动机”。
[0069]
值得注意的是，在所示实施例中，发动机10还在第二流/旁通通道48中包括热交换器200。如将理解的，旁通流48是相对于中心线12的环形流动路径。热交换器200定位在旁通流48中并在流动路径48内沿周向方向c延伸(尽管为了清楚起见仅在顶部示意性地描绘)。
[0070]
然而，在附加或替代实施例中，热交换器200可以定位在任何其他环形或基本环形通道中，例如在排气区段32内，如虚线所示，例如废热回收热交换器。排气区段32中的热交换器200也可以是环形热交换器，并且可以被构造为从气流86接收热量。
[0071]
以这种方式，应当理解，在这些示例实施例中的一个或多个中，交换器200可以在流动路径内沿周向方向c延伸环形或基本环形通道的至少约30度，例如至少90度，例如至少150度，例如至少180度，例如至少240度，例如至少300度，例如至少330度。附加地或替代地，在某些示例性实施例中，交换器200可以在流动路径内沿周向方向c基本连续地延伸(例如，环形或基本环形通道的至少约345度)，或在流动路径内沿周向方向c连续地延伸(例如，环形通道的360度)。
[0072]
现在参考图2，提供了根据本公开的另一个示例实施例的燃气涡轮发动机的示意横截面视图。特别地，图2提供了具有转子组件的发动机，该转子组件具有单级非管道式转子叶片。以这种方式，转子组件在本文中可以被称为“非管道式风扇”，或整个发动机100可以被称为“非管道式发动机”。此外，图2的发动机包括从压缩机区段延伸到涡轮机上的转子
组件流动路径的第三流，这将在下面更详细地解释。
[0073]
作为参考，发动机100限定轴向方向a、径向方向r和周向方向c。此外，发动机100限定沿轴向方向a延伸的轴向中心线或纵向轴线112。一般来说，轴向方向a平行于纵向轴线112延伸，径向方向r在垂直于轴向方向a的方向上从纵向轴线112向外延伸和向内朝向纵向轴线112延伸，并且周向方向围绕纵向轴线112延伸三百六十度(360
°
)。发动机100例如沿轴向方向a在前端114和后端116之间延伸。
[0074]
发动机100包括涡轮机120和定位在其上游的转子组件，也称为风扇区段150。通常，涡轮机120以串行流动顺序包括压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。特别地，如图2所示，涡轮机120包括限定环形核心入口124的核心罩122。核心罩122进一步至少部分地包围低压系统和高压系统。例如，所示的核心罩122至少部分地包围和支撑增压或低压(“lp”)压缩机126，增压或低压(“lp”)压缩机126用于对通过核心入口124进入涡轮机120的空气加压。高压(“hp”)多级轴流式压缩机128从lp压缩机126接收加压空气，并进一步增加空气的压力。加压气流向下游流动到燃烧区段的燃烧器130，在燃烧器130中燃料被注入到加压气流中，并被点燃以提高加压空气的温度和能量水平。
[0075]
应当理解，如本文所用，术语“高/低速”和“高/低压”相对于高压/高速系统和低压/低速系统可互换地使用。此外，应当理解，术语“高”和“低”在同一上下文中用于区分这两个系统，并不意味着暗示任何绝对速度和/或压力值。
[0076]
高能燃烧产物从燃烧器130向下游流动到高压涡轮132。高压涡轮128通过高压轴136驱动高压压缩机128。在这点上，高压涡轮128与高压压缩机128驱动地联接。然后高能燃烧产物流向低压涡轮134。低压涡轮134通过低压轴138驱动低压压缩机126和风扇区段150的部件。在这点上，低压涡轮134与低压压缩机126和风扇区段150的部件驱动地联接。在该示例实施例中，lp轴138与hp轴136同轴。在驱动涡轮132、134中的每一个之后，燃烧产物通过涡轮机排气喷嘴140离开涡轮机120。
[0077]
因此，涡轮机120限定在核心入口124和涡轮机排气喷嘴140之间延伸的工作气体流动路径或核心管道142。核心管道142是沿径向方向r大致定位在核心罩122内侧的环形管道。核心管道142(例如，通过涡轮机120的工作气体流动路径)可以被称为第二流。
[0078]
风扇区段150包括风扇152，在本示例实施例中，风扇152是主风扇。对于图2所示的实施例，风扇152是开式转子或非管道式风扇152。如所描绘的，风扇152包括风扇叶片154的阵列(图2中仅示出一个)。风扇叶片154例如绕纵向轴线112是可旋转的。如上所述，风扇152经由lp轴138与低压涡轮134驱动地联接。例如，在直接驱动构造中，风扇152可以与lp轴138直接联接。然而，对于图2所示的实施例，例如在间接驱动或齿轮驱动构造中，风扇152经由减速齿轮箱155与lp轴138联接。
[0079]
此外，风扇叶片154可以围绕纵向轴线112以相等间距布置。每个叶片154具有根部和尖端，以及限定在它们之间的跨度。每个叶片154限定中心叶片轴线156。对于该实施例，风扇152的每个叶片154可绕它们各自的中心叶片轴线156例如彼此一致地旋转。提供一个或多个致动器158以促进这种旋转，并因此可用于改变叶片154绕它们各自的中心叶片轴线156的螺距。
[0080]
风扇区段150还包括风扇导向轮叶阵列160，该风扇导向轮叶阵列160包括围绕纵向轴线112设置的风扇导向轮叶162(图2中仅示出一个)。对于该实施例，风扇导向轮叶162
不能绕纵向轴线112旋转。每个风扇导向轮叶162具有根部和尖端，以及限定在它们之间的跨度。风扇导向轮叶162可以如图2所示不被遮盖，或者替代地，可以被例如沿径向方向r与风扇导向轮叶162的尖端向外间隔开或附接到风扇导向轮叶162的环形护罩遮盖。
[0081]
每个风扇导向轮叶162限定中心叶片轴线164。对于该实施例，风扇导向轮叶阵列160中的每个风扇导向轮叶162可绕它们各自的中心叶片轴线164例如彼此一致地旋转。提供一个或多个致动器166以促进这种旋转，并因此可用于改变风扇导向轮叶162绕它们各自的中心叶片轴线164的螺距。然而，在其他实施例中，每个风扇导向轮叶162可以固定或不能绕其中心叶片轴线164改变螺距。风扇导向轮叶162安装到风扇罩170。
[0082]
如图2所示，除了非管道式风扇152之外，在风扇152的后面还包括管道式风扇184，使得发动机100既包括管道式风扇也包括非管道式风扇，它们都用于在不通过涡轮机120的至少一部分(例如，所示实施例的hp压缩机128和燃烧区段)的情况下，通过空气的移动生成推力。所示的管道式风扇与风扇叶片154处于大约相同的轴向位置，并且在风扇叶片154的径向内侧。对于所示实施例，管道式风扇184由低压涡轮134驱动(例如，联接到lp轴138)。
[0083]
风扇罩170环形地包围核心罩122的至少一部分，并且大致沿径向方向r定位在核心罩122的至少一部分的外侧。特别地，风扇罩170的下游区段在核心罩122的前部分上延伸，以限定风扇流动路径或风扇管道172。风扇流动路径或风扇管道172可以被称为发动机100的第三流。
[0084]
进入的空气可以通过风扇管道入口176进入风扇管道172，并且可以通过风扇排气喷嘴178离开以产生推进推力。风扇管道172是沿径向方向r大致定位在核心管道142外侧的环形管道。风扇罩170和核心罩122连接在一起，并由多个基本上径向延伸、周向间隔开的静止支柱174(图2中仅示出一个)支撑。静止支柱174可以各自在空气动力学上成形为引导空气由此流动。除了静止支柱174之外的其他支柱可用于连接和支撑风扇罩170和/或核心罩122。在许多实施例中，风扇管道172和核心管道142可以在核心罩122的相对侧(例如，相对的径向侧)上至少部分地共同延伸(大致轴向地)。例如，风扇管道172和核心管道142可以各自直接从核心罩122的前缘144延伸，并且可以在核心罩的相对径向侧上大致轴向地部分地共同延伸。
[0085]
发动机100还限定或包括入口管道180。入口管道180在发动机入口182和核心入口124/风扇管道入口176之间延伸。发动机入口182大致限定在风扇罩170的前端，并且沿轴向方向a定位在风扇152和风扇导向轮叶阵列160之间。入口管道180是环形管道，其沿径向方向r定位在风扇罩170的内侧。沿入口管道180向下游流动的空气通过核心罩122的分流器或前缘144分流(不一定均匀)进入核心管道142和风扇管道172。入口管道180沿径向方向r比核心管道142宽。入口管道180沿径向方向r也比风扇管道172宽。
[0086]
在示例性实施例中，通过风扇管道172的空气可以比涡轮机120中使用的一个或多个流体相对更冷(例如，更低温度)。这样，一个或多个热交换器200可以设置在风扇管道172内，并用于冷却来自核心发动机的一个或多个流体(其中空气通过风扇管道172)，作为用于从流体(例如，压缩机引气、油或燃料)中去除热量的资源。
[0087]
尽管未描绘，但在某些示例性实施例中，发动机100还可以包括发动机100的其他环形管道或流动路径中(例如入口管道180中、涡轮机械流动路径/核心管道142中、涡轮区段和/或涡轮机排气喷嘴140内等)的一个或多个热交换器200。
[0088]
在至少某些示例性实施例中，图2(和图1)的热交换器200可以在周向方向c上延伸。例如，现在简要地参考图3，提供了图2的热交换器200的局部横截面视图，应当理解，热交换器200可以绕中心线112在周向方向c上基本连续地延伸，例如在周向方向c上延伸基本上360度。
[0089]
此外，仍然参考图3，应当理解，如上所述，其中定位有热交换器200的风扇管道172是环形管道，或者更确切地说是完全环形管道，因为它在周向方向c上连续地且不间断地延伸。然而，在其他实施例中，其中定位有热交换器200的风扇管道172或风扇管道172的一部分，或其中定位有热交换器200的另一个管道或流动路径，可以是部分环形管道。
[0090]
更具体地，现在还参考图4，提供了定位在流动路径302内的热交换器300的特写横截面视图。在至少某些示例性实施例中，热交换器300和流动路径302可以以与上面参考图1或图2描述的示例性热交换器200和流动路径(例如，流动路径172)类似的方式构造。
[0091]
对于图4的实施例，热交换器300被构造为基于管的热交换器300，包括延伸通过流动路径302的多个沟道或管304。热交换器300还包括多个歧管306，其中每个歧管306流体地联接到热流体管线308，该热流体管线308可以是供应管线或返回管线。以这种方式，热交换器300可以被构造为将热量从通过多个管304的热流体交换到通过流动路径302的气流。
[0092]
应当理解，管304、歧管306等的数量、尺寸和构造仅作为示例提供，并且在其他示例性实施例中，热交换器300可以具有任何其他合适的构造。此外，尽管图4中描绘的示例性热交换器300在周向方向c上连续地延伸，但是应当理解，在其他示例性实施例中，热交换器300可以是在周向方向c上布置的多个离散热交换器300。多个离散热交换器300可以共同地在周向方向c上基本连续地延伸，其中在相邻热交换器300之间只有相对小的间隙或间隔。通过这种构造，多个离散热交换器300可以在流动路径内沿周向方向c共同延伸环形或基本环形通道的至少约180度(例如至少240度，例如至少300度，例如至少330度，例如至少约345度)，或在流动路径内沿周向方向c连续地延伸(例如，环形通道的360度)。值得注意的是，本文所述和下文提供的孔隙率范围考虑了相邻热交换器300之间的任何小间隙或间距，以及热交换器300在周向方向c上以其他方式不完全延伸通过流动路径的布置。
[0093]
此外，尽管对于图4的实施例，单排沟道或管304被描绘为在周向方向c上延伸，但是应当理解，热交换器300可以在管304的每一层(例如对于图4中描绘的三层中的每一层)处包括沿轴向方向a布置的多个沟道或管304。此外，尽管在图4中沟道或管304被描绘为大致在周向方向c上延伸，但在其他实施例中，管304可以附加地或替代地沿轴向方向a延伸，使得热交换器300在每一层处包括沿周向方向c布置的多个管。热交换器300的特定层处的轴向延伸沟道的数量可以被称为热交换器300的沟道密度。
[0094]
还将理解，流动路径302限定流动路径流动面积af。流动路径流动面积af通常是指流动路径302的横截面面积，并且更具体地，是指热交换器300所在位置处的不包括热交换器300的流动路径302的横截面面积。对于完美环形流动路径302，流动路径流动面积af可以由(r22–
r12)xπ限定，其中r2是流动路径302的外半径，r1是流动路径302的内半径。此外，热交换器300限定热交换器流动面积ah。热交换器流动面积ah可以指通过热交换器300的开放路径的最小横截面面积。对于所示的实施例，热交换器流动面积ah可以计算为流动路径流动面积af减去图4中描绘的热交换器300的管304和歧管306中的每一个的横截面面积。热交换器流动面积ah与流动路径流动面积af之比通常可被称为热交换器300的孔隙率。
[0095]
然而，应当理解，在其他示例性实施例中，热交换器300可以具有任何其他合适的构造。例如，现在参考图5，提供了根据本公开的另一个示例性实施例的热交换器300的示意立体图。热交换器300限定轴向方向a、径向方向r和周向方向c。当安装在燃气涡轮发动机内时，热交换器的轴向方向a、径向方向r和周向方向c可以与燃气涡轮发动机的轴向方向a、径向方向r和周向方向c对准。如将从图5的实施例中理解的，在其他示例性实施例中，热交换器300可以是基于翅片的热交换器300。具体地，对于图5的实施例，热交换器300包括多个板310、在相邻板310之间延伸的第一多个翅片312、以及也在相邻板310之间延伸并且与第一多个翅片312相对板310中的一个的第二多个翅片314。第一流体流可以行进通过第一多个翅片312，第二流体流可以行进通过第二多个翅片314。热量可以从第一流体流通过第一多个翅片312、通过定位在第一多个翅片312和第二多个翅片314之间的板310行进到第二多个翅片314并行进到第二流体流(或替代地可以反向流动)。如图所示，可以有若干层第一多个翅片312和第二多个翅片314以及板210。
[0096]
现在还简要地参考图6，提供了沿发动机的中心线观察时定位在流动路径302内的图5的热交换器300的一层的示意图，应当理解，图5的热交换器300限定相对大的热交换器流动面积ah(至少与图4的示例性热交换器300相比)。图6中所示的层是第一多个翅片312。热交换器300还可以包括第二多个翅片314，第二多个翅片314与板310相对并且例如在流动路径外部。
[0097]
然而，返回参考图5，还应当理解，对于所示实施例，第一多个翅片312中的翅片可以沿轴向方向a在流动路径方向上限定相对长的长度。随着翅片314的长度增加，热交换器300的效率e通常也可以增加，因为长度的增加提供了更大的表面面积以促进与通过流动路径302的气流的热交换。
[0098]
然而，应当理解，在其他示例性实施例中，热交换器300还可以具有其他合适的构造。例如，在其他示例性实施例中，热交换器300可以是针翅式热交换器、管壳式热交换器、管板式热交换器或逆流式热交换器中的一种或多种。
[0099]
更具体地，参考图7，提供了根据本公开的另一个示例性实施例的热交换器300的立体局部视图，在其他示例性实施例中，热交换器300可以是针翅式热交换器300。通过这样的构造，热交换器300包括板316和从板316延伸的多个翅片318，多个翅片318沿周向方向c间隔开。然而，对于图7的示例性热交换器300，翅片318进一步分离成沿轴向方向a间隔开的离散“针320”。以这种方式，翅片318可以在通过热交换器300的气流中产生更多湍流，从而增加与通过热交换器300的气流的热交换量。
[0100]
参考图8至图10，提供了根据本公开的各种其他示例性实施例的三个单独的热交换器的示意图。更具体地，图8至图10的热交换器300均被构造为管壳式热交换器。这些热交换器300各自包括外壳322和定位在外壳322内的一个或多个管324。此外，热交换器300各自限定与外壳322的内部流动连通的第一流体入口326和第一流体出口328，以及与一个或多个管324流动连通的第二流体入口330和第二流体出口332。在图8中，热交换器300包括以“u形管”构造的一个或多个管324。在图9中，热交换器300包括以单通道构造的一个或多个管324。在图10中，热交换器300包括以双通道构造的一个或多个管324。
[0101]
以这种方式，应当理解，图8至图10的热交换器300可以布置成平行流动构造(其中第二流体在与第一流体相同的方向上流动(见例如图9))，布置成逆流构造(其中第二流体
在与第一流体相反的方向上流动)，或布置成平行和逆流构造的组合(见例如图8和图10)。
[0102]
还将理解，每个热交换器300被构造为将热量从加热流体(例如，排出热量的流体)传递到冷却流体(例如，接受热量的流体)。举例来说，当热交换器300被集成到图2的发动机100中(例如，在风扇管道172中作为热交换器200)时，冷却流体可以是通过风扇管道172的气流，并且加热流体可以是例如压缩机引气(空气对空气热交换器)、燃料(燃料对空气热交换器)或润滑油(油对空气热交换器)。
[0103]
如前所述，标准做法是针对飞行怠速(或其他条件)优化热交换器，然后在选择最佳热交换器之后，从热传递的角度验证它是否将跨飞行包线以可接受方式操作。此外，发明人已经发现，从当空气流过环形管道时产生的噪声的角度来验证它是否将跨飞行包线以可接受方式操作也是有益的。这可能是劳动和时间密集型过程，因为该过程是迭代的，并且涉及选择为飞行怠速而设计的热交换器，并体现具有可接受压降的热效率，然后评估在飞行中的其他时间(非飞行怠速)环形管道位置是否会产生不可接受的噪声水平，因此需要重新设计热交换器以增加通过环形管道的空气的传输损耗。也就是说，在找到满足所有三个关键要求(热传递、可接受压降和跨所有飞行条件的可接受噪声生成)的热交换器之前，根据尺寸、类型等选择热交换器。期望具有为满足任务要求的发动机架构限定的有限或缩小范围的实施例，这些要求包括在热交换器被选择并位于发动机内时的热传递、压力比和噪声传输水平要求。
[0104]
发明人在发动机设计过程期间(即设计热交换器并评估热交换器在非设计点处对声学环境的影响，这是刚刚描述的耗时的迭代过程)意外地发现，热交换器的预期噪声传输损耗(etl)与跨热交换器的给定压降水平的热传递能力之间的关系。压降被结合到参数ua中，因为它是孔隙率的函数，孔隙率是面积a的函数。利用这种关系，发明人发现，可以大大减少能够满足热传递要求和声学要求的定位在发动机的大致环形管道中的合适或可行的热交换器的数量，从而有助于在开发发动机时更快速地选择要考虑的设计。在充分开发特定技术、集成和系统要求之前，这种益处使得可以更深入地了解给定发动机的要求。它避免了后期的重新设计。并且它还提供了热交换器设计，考虑到飞行器的独特环境，该设计结合了飞行器的燃气涡轮发动机的声学和热交换器考虑。期望关系由有效传输损耗(“etl”)表示：
[0105]
等式(1)：
[0106]
其中c1、c2和c3是取决于通过环形管道的质量流率的常数。eoc说明了受发动机尺寸和操作条件影响的因素，下文将对此进行更详细的解释。常数c1、c2和c3以及eoc各自取决于飞行条件，并且更具体地，取决于通过由热交换器占据的环形管道的气流的质量流率(“w”)。etl表示对于给定的质量流率w和ua，可以从热交换器预期的传输损耗水平(以分贝为单位，db)。一旦更全面地限定发动机架构，稍后可能还需要更详细的流体模型，以便更准确地确定特定飞行条件下的传输损耗。出于etl的目的，感兴趣的质量流率被表征为低、中和高质量流率条件。最低质量流率可以对应于发动机的低功率操作条件(例如，地面怠速、飞行怠速)，中质量流率可以对应于中功率操作条件(例如，巡航或下降)，并且高质量流率可以对应于高功率操作条件(例如，起飞操作条件或爬升操作条件)。
[0107]
表1提供了三种飞行状态的c1、c2和c3以及eoc的值，根据通过热交换器所在的环形
管道的质量流率来限定：
[0108][0109]
c1、c2和c3以及eoc反映了在各种操作条件(通常是如上所述的低功率操作条件、中功率操作条件和高功率操作条件)期间，通过发动机的环形管道的质量流量的变化。eoc还说明了基于这些流动状态(低/中/高)中的每一个内的特定发动机操作条件的可变性。eoc说明了诸如在流动状态下操作的特定发动机类型、瞬态推力的预期变化、环境条件、公差和/或发动机循环或退化的因素，所有这些都可能对通过位于环形管道中的热交换器的流的传输损失产生一些影响。将认识到，基于本文的教导，对于表达的eoc范围，etl从热管理和声学角度提供适合满足任务要求的可用热交换器设计选项的良好近似。如果需要，稍后可以通过对声场进行完整的3d cfd分析来收集有关传输损耗的更准确知识。然而，当目的是在进行热交换器的优化之前评估非设计点处的声学环境时，可能不需要这种级别的分析。如上所述，etl在优化位于环形管道中的热交换器之前，在早期阶段消除了不可行的设计。因此，在一个方面，etl可以被视为在环形管道内进行热交换器优化之前，对流场进行全面3d cfd分析的替代方案。
[0110]
此外，应当理解，通过热交换器的传输损耗还受热交换器的长度、热交换器的孔隙率、跨热交换器的压降、通过其中定位有热交换器的环形管道的质量流率、以及紧邻热交换器上游的空气的功率谱密度(psd)分布的影响。
[0111]
例如，通常随着热交换器的长度增加，声传输损耗量也增加。该因素影响c2的值。热交换器的长度(有时也称为沟道长度)直接影响流体通过的体积(连同热交换器的面积)。随着体积的增加，传输损耗量通常也会增加。
[0112]
跨热交换器的压降通过ua参数被结合到等式1(etl)中，如上所述。etl设想最大压降为15％，例如高达10％和至少1％。通常，随着热交换器的面积增加(以及随着热交换器的孔隙率增加)，压降也会增加。通常，更高的压降也与更多的热传递相关联。然而，高于这些水平的压降可能会对通过管道的气流产生的推力产生太大的影响，从而无法证明热效益。
[0113]
更具体地，发现对于低功率操作条件(例如，对于小于或等于约50lbm/s的流率)，可以在相对低的压降(例如小于或等于约5％的压降，例如小于或等于约2.5％的压降)下实现1到5dbs之间的etl。还发现对于中功率操作条件(例如，对于大于或等于约50lbm/s且小于或等于约150lbm/s的流率)，可以在设计限制内(例如小于或等于约15％(且例如大于或等于约2％))的压降下实现1到5dbs之间的etl。进一步发现，对于高功率操作条件(例如，对于大于或等于约150lbm/s且小于或等于约300lbm/s的流率)，可以实现1到3dbs之间的etl同时保持压降小于约15％。如上所述，压降是ua的函数，因为它是热交换器的面积的函数。发现随着质量流率的增加，热交换器面积对压降的影响增加，与较低的质量流率相比，对于给定的etl量导致更大的压降。
[0114]
psd由上游风扇或涡轮特性(例如，图2中的热交换器200上游的中部风扇184，或图
2中的热交换器140上游的涡轮134)确定，并且具体地，那些上游特性在频带上产生psd分布，其中发现大部分噪声通常是在发动机任务段期间(例如，在起飞期间)产生的。与上游风扇相关联的噪声特性以风扇通过频率表示，该风扇通过频率限定为紧邻上游风扇或涡轮的每秒旋转数乘以涡轮级中的风扇叶片或转子叶片的数量。例如，参考图2所示的实施例，与位于第三流环形管道(或更确切地说风扇流动管道172)中的热交换器200相关联的噪声源的风扇通过频率将由风扇184的每秒旋转数乘以风扇184的叶片数得到。在另一个示例中，仍然参考图2中所示的实施例，与位于后框架中的热交换器140相关联的噪声源的风扇通过频率将由低压涡轮134的每秒旋转数乘以与低压涡轮134的最后级相关联的涡轮转子叶片的数量得到。
[0115]
通过热交换器的声音传输通常是声波和热交换器内表面之间的许多复杂相互作用的副产品，这通常需要对行进通过热交换器的空气进行详细流体建模，以充分评估特定飞行条件(例如起飞或全功率飞行条件)的声音传输环境，如前所述。此外，产生最大噪声的风扇或转子速度不一定会在发动机以全功率操作时出现。因此，噪声环境通常针对各种飞行条件建模，而不仅仅是在全功率条件下。尽管如此，发明人发现确实可以对热交换器在产生最多噪声的飞行的其他非飞行怠速期期间(针对飞行空闲条件优化)的可以预期的传输损耗水平作出假设。结果，可以找到用于给定发动机操作环境的热交换器的可行实施例，使用etl，同时满足热和声学要求。热交换器的这些实施例考虑了与传输损耗需求、最大可接受压降和热传递效率相关联的竞争利益。通过以这种方式限定的实施例，可以避免大量的热交换器重新设计，如前所述。例如，位于环形管道中的热交换器针对飞行怠速条件期间的发动机性能进行了优化。当稍后例如使用3d cfd分析评估发动机的声学性能时，发现当空气通过环形管道时，该构造不会产生足够量的传输损耗。然后需要重新设计这样的热交换器，因为生成太多的噪声。
[0116]
etl是通过评估对不同压降水平的传输损耗和总热交换器效率的影响、热交换器的几何结构及其与传输损耗的关系而发现的。基于这些关系，发现热交换器的etl可以很好地近似预测给定质量流率通过热交换器的预期传输损耗，作为ua和热交换器的一般特性的函数，ua和热交换器的一般特性如表2中阐述的，其限定用于获得etl的操作环境和热交换器特性。因此，对于位于环形管道中并限定在这些范围内的热交换器，etl可以针对规定的质量流率和ua预测来自热交换器的传输损耗。
[0117][0118]
图11至图16示出了根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器，示出了etl和ua之间的关系。特别地，图11是根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器的曲线图，示出了低质量流率的etl和ua之间的关系，并且图12提供了包括对应于图11中绘制的etl值中的若干个的数值的表。图13是根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器的曲线图，示出了中质量流率的etl和ua之间的关系，并且图14提供了包括对应于图13中绘制的etl值中的若干个的数值的表。图15是根据本公开的一个或多个示例性实施例的热交换器的曲线图，示出了高质量流率的etl和ua之间的关系，并且图16提供了包括对应于图15中绘制的etl值中的若干个的数值的表。
[0119]
在图11、13和15中的每一个中，包围实施例的实线表示tl和ua的范围，如由可变eoc的范围所提供的。tl范围是5分贝到1分贝。ua范围在低、中和高质量流率之间变化，但通常在7,500到45,000btu/(hr
‑°
f)之间。该范围内的实施例包括具有在3英寸到9英寸之间的长度(在流动方向上测量，其根据实施例对应于热交换器的冷流长度特性)和在23％到51％之间的热交换器孔隙率的热交换器的实施例。
[0120]
本公开不限于在图11至图16所示的实施例中的范围内的热交换器。例如，在其他实施例中，本公开的热交换器可以是例如高达15英寸的长度，并且可以限定高达80％的孔隙率。
[0121]
如将从本文的描述中理解的，提供了燃气涡轮发动机(例如非管道式单转子燃气涡轮发动机)的实施例。包括位于环形管道中并且被认为在本公开的范围内的热交换器的发动机的一些实施例可以进一步包括以下特性中的一个或多个。在巡航操作模式期间的巡航高度下，风扇(例如，风扇154)的阈值功率或盘负载可以在每平方英尺25马力(hp/ft2)或更大的范围内。在发动机的特定实施例中，在巡航操作模式期间的巡航高度下，本文提供的结构和方法生成在80hp/ft2和160hp/ft2之间或更高的功率负载，这取决于发动机是开式转子还是管道式发动机。在各种实施例中，发动机应用于巡航高度高达大约65,000ft的运载器。在某些实施例中，巡航高度在大约28,000ft和大约45,000ft之间。在又一些实施例中，巡航高度表示为基于海平面处的标准气压的飞行高度，其中巡航飞行条件在fl280和fl650之间。在另一个实施例中，巡航飞行条件在fl280和fl450之间。在又一些实施例中，巡航高度至少基于大气压力来限定，其中基于大约14.70psia的海平面压力和大约59华氏度的海平面温度，巡航高度在大约4.85psia和大约0.82psia之间。在另一个实施例中，巡航高度在大约4.85psia和大约2.14psia之间。应当理解，在某些实施例中，由压力限定的巡航高度范围可以基于不同的参考海平面压力和/或海平面温度来调整。
[0122]
此外，在某些示例性实施例中，转子组件可以限定至少10英尺(例如至少11英尺、例如至少12英尺、例如至少13英尺、例如至少15英尺、例如至少17英尺、例如高达28英尺、例如高达26英尺、例如高达24英尺、例如高达18英尺)的转子直径(或风扇直径)。此外，关于图2的实施例，比r1/r2可以在约1和6、或2和4、或约1.5到3之间，其中在图2中r1是从风扇叶片154的根部到尖端的跨度，r2是从风扇184的根部到尖端的跨度。
[0123]
应当理解，发动机(例如本文描绘和描述的单非管道式转子发动机)的各种实施例可以允许等于或高于0.5马赫的正常亚音速飞行器巡航高度操作。在某些实施例中，发动机允许在巡航高度在0.55马赫和0.85马赫之间的正常飞行器操作。在仍然特定实施例中，发动机允许在0.75马赫和0.85马赫之间的正常飞行器操作。在某些实施例中，发动机允许转子叶片尖端速度等于或小于750英尺/秒(fps)。
[0124]
更进一步，基于本文提供的结构，本文提供的发动机的某些实施例可以允许等于或高于0.5马赫，或高于0.75马赫的正常亚音速飞行器巡航高度操作。在某些实施例中，发动机允许在巡航高度在0.55马赫和0.85马赫之间，或在0.75马赫到0.85马赫之间的正常飞行器操作。在某些实施例中，发动机允许转子叶片尖端速度等于或小于750英尺/秒(fps)。仍然特定的实施例可以提供这样的益处，其中借助于位于发动机的环形管道中的结构，叶片组件和轮叶组件之间的相互作用噪声降低，和/或由发动机生成的总噪声降低。此外，应当理解，功率负载和/或转子叶片尖端速度的范围可以对应于某些结构、核心尺寸、推力输出等，或核心发动机和转子组件处的其他结构。然而，如前所述，在本文提供的一个或多个结构在本领域中可能已知的情况下，应当理解，至少由于部分基于利益与损失的冲突、期望操作模式或本领域中的其他形式的教导的原因，本公开可以包括先前不知道组合的结构的组合。
[0125]
该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使本领域的任何技术人员能够实践本公开，包括制造和使用任何装置或系统以及进行任何结合的方法。本公开的专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言没有区别的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的
字面语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例意图落入权利要求的范围内。
[0126]
进一步方面由以下条项的主题提供：
[0127]
一种限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段；转子组件，所述转子组件由所述涡轮机驱动，所述转子组件、所述涡轮机或两者包括相对于所述燃气涡轮发动机的所述中心线的基本环形管道，所述基本环形管道限定流动路径；热交换器，所述热交换器定位在所述环形管道内并且沿所述周向方向基本连续地延伸，所述热交换器包括限定暴露于所述流动路径的热交换表面的第一材料，其中所述第一材料限定热交换系数，并且其中所述热交换表面限定表面面积(a)，其中所述热交换系数和所述表面面积的乘积ua在7500英热单位每小时每华氏度(btu/(hr-℉))和45000btu/(hr-℉)之间；其中，对于操作条件，定位在所述环形管道内的所述热交换器的有效传输损耗(etl)在5分贝和1分贝之间，所述操作条件是低功率操作条件、中功率操作条件或高功率操作条件中的一个，其中etl等于
[0128][0129]
其中，当所述操作条件是所述低功率操作条件时，c1等于19.22，c2等于0.222，c3等于956.3，并且eoc在41,467和19,965之间；其中，当所述操作条件是所述中功率操作条件时，c1等于19.64，c2等于0.67，c3等于298，并且eoc在52,809和16,677之间；并且其中，当所述操作条件是所述高功率操作条件时，c1等于21.02，c2等于0.027，c3等于107，并且eoc在50,347和12,587之间。
[0130]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器限定3英寸和15英寸之间的长度以及20％和80％之间的孔隙率，其中所述燃气涡轮发动机限定所述涡轮机、所述转子组件或两者内的风扇通过频率，在所述操作条件期间所述风扇通过频率在1khz和5khz之间。
[0131]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器的所述长度在4英寸和9英寸之间。
[0132]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器在所述燃气涡轮发动机的操作期间限定15％或更少的压降。
[0133]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机限定在所述低功率操作条件期间通过所述热交换器的质量流率小于或等于50lbm/s，并且其中etl等于：其中eoc在41,467和19,965之间。
[0134]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机限定在所述中功率操作条件期间通过所述热交换器的质量流率大于或等于50磅质量/秒(lbm/s)且小于或等于150lbm/s，并且其中etl等于：其中eoc在52,809和16,677之间。
[0135]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机限定在所述高功率操作条件期间通过所述热交换器的质量流率大于或等于150磅质量/秒(lbm/s)且小于或等于300lbm/s，并且其中etl等于：其中eoc在50,
347和12,587之间。
[0136]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述环形管道是由所述涡轮机限定并且包括入口的第三流，其中所述压缩机区段包括位于所述第三流的所述入口上游的风扇，其中所述燃气涡轮发动机限定所述涡轮机内的风扇通过频率，其中所述风扇通过频率是中部风扇的，并且其中所述热交换器定位在所述第三流内。
[0137]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机的所述转子组件被构造为包括单级转子叶片的非管道式转子组件。
[0138]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述单级转子叶片限定的叶片直径大于或等于10英尺且小于或等于28英尺，可选地小于18英尺，可选地小于15英尺。
[0139]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器具有以下架构中的一种：基于翅片的、针翅式、管式、管壳式、管板式、逆流式或其组合。
[0140]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机的所述转子组件被构造为管道式转子组件。
[0141]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器在所述流动路径内基本连续地延伸。
[0142]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述流动路径是涡轮机流动路径，并且其中，所述管道至少部分地定位在所述压缩机区段、所述燃烧区段、所述涡轮区段或其组合中。
[0143]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器是废热回收热交换器。
[0144]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述转子组件在所述操作条件期间将风扇通过频率限定在1khz和5khz之间，并且其中，所述热交换器位于所述转子组件的下游。
[0145]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机在所述操作条件期间将所述涡轮机内的风扇通过频率限定在1khz和5khz之间，并且其中，所述热交换器位于所述涡轮机内。
[0146]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器在所述操作条件期间具有5分贝和1分贝之间的etl。
[0147]
一种限定中心线和周向方向的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：涡轮机，所述涡轮机包括以串行流动顺序布置的压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段；转子组件，所述转子组件由所述涡轮机驱动，所述转子组件、所述涡轮机或两者包括相对于所述燃气涡轮发动机的所述中心线的基本环形管道，所述环形管道限定流动路径；热交换器，所述热交换器定位在所述环形管道内并且沿所述周向方向基本连续地延伸，所述热交换器限定3英寸和15英寸之间的长度以及20％和80％之间的孔隙率，所述热交换器包括限定暴露于所述流动路径的热交换表面的第一材料，其中所述第一材料限定热交换系数，并且其中所述热交换表面限定表面面积(a)，其中所述热交换系数和所述表面面积的乘积ua在7500英热单位每小时每华氏度(btu/(hr-℉))和45000btu/(hr-℉)之间，其中所述燃气涡轮发动机在操作条件期间将所述涡轮机、所述转子组件或两者内的风扇通过频率限定在1khz和5khz
之间，并且其中，对于所述操作条件，所述热交换器具有5分贝和1分贝之间的有效传输损耗(etl)。
[0148]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，etl等于：
[0149][0150]
其中，当所述操作条件是低功率操作条件时，c1等于19.22，c2等于0.222，c3等于956.3，并且eoc在41,467和19,965之间；其中，当所述操作条件是中功率操作条件时，c1等于19.64，c2等于0.67，c3等于298，并且eoc在52,809和16,677之间；并且其中，当所述操作条件是高功率操作条件时，c1等于21.02，c2等于0.027，c3等于107，并且eoc在50,347和12,587之间。
[0151]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，当所述操作条件是低功率操作条件时，ua大于7500btu/(hr
‑°
f)且小于45000btu/(hr
‑°
f)，例如大于10000btu/(hr
‑°
f)且小于35000btu/(hr
‑°
f)，当所述操作条件是中功率操作条件时，ua例如大于14000btu/(hr
‑°
f)且小于5000btu/(hr
‑°
f)，或者当所述操作条件是高功率操作条件时，ua大于15000btu/(hr
‑°
f)且小于44000btu/(hr
‑°
f)。
[0152]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述压降小于15％，例如小于10％，例如小于8％，例如大于1％。
[0153]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，当所述操作条件是低功率操作条件时，所述压降小于或等于约5％，例如小于或等于约2.5％。
[0154]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，当所述操作条件是中功率操作条件时，所述压降小于或等于约15％。
[0155]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述压降小于或等于约15％，其中所述etl在1和3db之间，并且其中所述操作条件是高功率操作条件。
[0156]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器的所述长度在3英寸和15英寸之间，例如在4英寸和9英寸之间。
[0157]
根据这些条项中的一个或多个所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热交换器的所述孔隙率为20％到80％，例如30％到55％。