CN101893154A - 涉及通过通路输送流体的装置、方法和/或系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涉及通过通路输送流体的装置、方法和/或系统。一种工业机器中的空心通路(30)，空心通路(30)构造成以便使流体冷却剂传送通过在操作期间处于比流体冷却剂的期望温度高得多的温度的空间，该空心通路(30)包括大体具有小于约0.1的辐射系数的外表面。空心通路(30)可包括由壁(34)界定的内通道(32)，以及覆盖壁(34)的外表面的、用提供大体具有小于约0.1的辐射系数的外表面的材料形成的外表面涂层(36)。

Description

涉及通过通路输送流体的装置、方法和/或系统
技术领域
本申请大体涉及关于在工业应用和其它应用中通过管道或通路的改进的流体输送的装置、方法和/或系统。更具体地但不作为限制，本申请涉及关于流态气体通过具有低辐射率特性、使得以较低的相对温度来输送流的通路的改进的输送的装置、方法和/或系统
背景技术
在许多工业应用中，机器部件暴露于高温。通常，通过空心通路将诸如水或空气的流体冷却剂以管道输送到该部件，且在到达该部件之后，引导流体冷却剂，使流体冷却剂流经或流过该部件，并且由此冷却该部件。就流体冷却剂在较低温度处到达部件而言，冷却剂在冷却部件方面更有效。但是，为了在工业应用中到达许多部件位置，例如诸如燃气涡轮发动机中的热气路径部件，冷却剂常常必须流过横穿高温区域的通路。通常，这些区域会对冷却剂流过其中的通路或管道赋予很大量的热，这又会对冷却剂赋予很大量的热。这使得冷却剂的温度水平升高，并且从而降低在冷却剂到达其打算冷却的特定机器部件时该冷却剂的有效性。因此，需要改进了流体冷却剂通过通路的输送、使得在不吸收来自通路的周围环境的热的情况下输送冷却剂流的装置、方法和/或系统。本发明满足此需要，且还提供了如在下面详细地论述的有关优点。
发明内容
因此本申请描述了构造成以便引导流体流的空心通路，该空心通路包括大体具有低辐射系数的外表面。
本申请进一步描述了工业机器中的这样的空心通路：该空心通路构造成以便使流体冷却剂传送通过在操作期间处于比流体冷却剂的期望温度高得多的温度的空间，其中该空心通路包括大体具有小于约0.1的辐射系数的外表面。
本申请进一步描述了构造工业机器以使得在操作中以降低的温度来输送通过空心通路的流体冷却剂供应的方法，该方法包括以下步骤：a)标识使或意图使流体冷却剂传送通过处于比流体冷却剂的期望温度高得多的温度的空间的空心通路的至少一部分；以及b)通过使流体冷却剂传送通过处于比流体冷却剂的期望温度高得多的温度的空间的空心通路的至少大部分被标识的部分，将空心通路构造成使得空心通路的外表面具有小于约0.1的辐射系数。
当结合附图和权利要求书研究对优选实施例的以下详细描述后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
附图说明
通过仔细研究结合附图得到的对本发明的示例性实施例的以下更加详细的描述，将更加完全地明白和理解本发明的这些和其它目标和优点，在附图中：
图1是根据本申请的一个示例性实施例的示例性通路或管道的示意性表示；
图2是可在其中使用本发明的实施例的应用的涡轮发动机的截面图；以及
图3是可用于图2所示的涡轮发动机的涡轮部分中的涡轮定子叶片的视图。部件列表：通路30内通道32壁34外表面涂层36燃气涡轮发动机100压缩机106涡轮110燃烧器112定子叶片140吹扫空气输送管144
具体实施方式
常写作“ε”的材料辐射率是由特定材料辐射的能量与处于相同温度的黑体所辐射的能量的比。材料辐射率是材料辐射被吸收的能量的能力的量度。真正的黑体将具有ε＝1，而任何实物将具有ε＜1。常表示为“辐射系数”的辐射率是无量纲量(即没有单位)。大体上，材料越暗淡及越黑，其辐射系数就越接近1。反之，材料越有反射性，其辐射系数就越低。
本领域已知的是，可将低辐射率涂层的使用应用于暴露于高温的机器部件的表面上。这样，就可减少由该部件吸收的热量。因此，例如，如果用冷却空气流来冷却部件的相对地设置的表面，则该部件所达到的最大温度将由从受热的表面进入部件的热量和由流经被冷却的表面的冷却空气移除的热量之间的平衡来确定。以这种方式冷却部件和限制(用低辐射率涂层)所吸收的热的组合会产生以较低温度操作的部件，这大体上允许该部件更有效地操作和/或具有更长寿命。
本申请的发明涉及使用具有相对低的辐射系数的材料来构造传送流体的通路或管道的外涂层，或者作为传送流体的通路或管道的外涂层来使用，从而使得通路吸收较少的能量，并且从而使得流体在传送期间吸收较少能量。也就是说，根据本发明，用具有低辐射系数的材料形成通路的外表面，从而使得流过该通路的流体从包围该通路的空间中吸收比其在用具有更高辐射系数的材料形成通路的外表面的情况下将会吸收的更少的能量。
在本申请的一些实施例中，具有“低”辐射系数的材料可定义为具有小于约0.1的辐射系数的任何材料。在其它更优选的实施例中，“低”辐射系数可定义为具有小于约0.06的辐射系数的任何材料。在其它更理想的实施例中，“低”辐射系数可定义为具有小于约0.03的辐射系数的任何材料。注意，如本文所用，“辐射率”或“辐射系数”是与来自具有辐射系数ε＝1的理想“黑体”的热辐射相比的、根据Stefan-Boltzmann定律的来自“灰体”的热辐射。另外，因为一些材料的辐射系数随温度变化，所以本文所标识的辐射系数基于300K的温度处的辐射率。
典型地，如本领域普通技术人员将理解的，将流体传送或引导通过高温区域的工业应用使用形成有钢或不锈钢外层的通路。钢和不锈钢的辐射系数的范围大体介于0.1(如果经高度抛光)和0.8之间。虽然钢和不锈钢的辐射系数在被抛光时相对较低，但是在实践中，使用这种钢或不锈钢不会长期呈现低辐射率值。也就是说，随着使用，钢或不锈钢受到侵蚀，这会使得其辐射系数朝向以上引用的范围的较高端急剧升高。
与本申请的实施例相符，可形成具有由具有低辐射系数的材料制成的外表面或涂层的通路。例如，图1示出了与本申请相符的通路30的截面图。通路30可具有冷却剂可流过其中的内通道32。内通道32可由壁34界定，壁34的外表面则可由形成外表面涂层36的材料覆盖。如所描述的，可用具有小于约0.1的辐射系数的材料形成外表面涂层36。因此，在本发明的一个示例性实施例中，可用镉(其大体具有约0.02的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用铬(其大体具有约0.07的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用抛光铜(其大体具有约0.03的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用铜镍合金(其大体具有约0.06的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用电镀镍(其大体具有约0.03的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用抛光镍(其大体具有约0.07的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用铂(其大体具有约0.05的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用银(其大体具有约0.06的辐射系数，而且当经抛光时，其具有约0.03的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用未氧化的锡(其大体具有约0.04的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用抛光钨(其大体具有约0.04的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。在本发明的另一个示例性实施例中，可用金(其大体具有约0.03的辐射系数)涂层来形成外表面涂层36。
将理解的是，可用任何之前列出的低辐射率材料形成壁34，而在这样的情况下就不需要外表面涂层36。考虑到一些低辐射率材料的总体费用及其不良的强度特性，最小限度地将这些材料用作外表面涂层可能会更有成本效率。
如所陈述的，本申请的发明可用于许多工业应用中。为了说明，将对示例性应用进行描述。此应用涉及使冷却剂(在这种情况下是压缩空气)传送通过燃气涡轮发动机，以冷却部件，部件的位置要求传送通路穿过极端温度区域。这种类型的应用对许多工业应用来说是普遍的。参照图2，示出了燃气涡轮发动机100的示意性表示。大体上，如本领域普通技术人员将理解的，燃气涡轮发动机通过从由燃料在压缩空气流中燃烧所产生的加压热气流中提取能量来操作。燃气涡轮发动机100可构造有通过公用轴或转子以机械的方式联接到下游涡轮部分或涡轮110上的轴流式压缩机106，以及定位在压缩机106和涡轮110之间的燃烧器112。注意，如所陈述的，本申请的发明可用于所有类型的工业应用和其它类型的使用中，包括燃气涡轮发动机、飞行器发动机及其它。在下文中，将关于燃气涡轮发动机来描述本发明。此描述仅是示例性的且不意图作为限制。
如图所示，压缩机106可包括多个级。各个级可包括一排压缩机转子叶片，后面是一排压缩机定子叶片。因此，第一级可包括绕着中心轴旋转的一排压缩机转子叶片，后面是在操作期间保持固定的一排压缩机定子叶片。压缩机定子叶片大体上彼此周向地隔开，且绕着旋转轴线固定。压缩机转子叶片周向地隔开，且附连到轴上，使得当轴在操作期间旋转时，压缩机转子叶片120绕着该轴旋转。压缩机转子叶片120构造成使得当绕着轴旋转时，压缩机转子叶片120对流过压缩机106的空气或工作流体赋予动能。
涡轮110也可包括多个级。如图所示，级可包括在操作期间绕着轴旋转的多个涡轮轮叶或涡轮转子叶片，以及在操作期间保持固定的多个喷嘴或涡轮定子叶片。涡轮定子叶片大体上彼此周向地隔开，且绕着旋转轴线固定。涡轮转子叶片可安装在涡轮叶轮上以便绕着轴旋转。将理解的是，涡轮定子叶片和涡轮转子叶片位于涡轮的热气路径中。
在使用中，压缩机转子叶片在轴流式压缩机106内旋转可压缩空气流。在燃烧器112中，当压缩空气与燃料混合且被点燃时，可释放能量。然后来自燃烧器112的所得到的热气流可被引导越过涡轮110中的涡轮转子叶片，这可导致涡轮转子叶片绕着轴旋转，从而将热气流的能量转换成旋转叶片的机械能，而且由于转子叶片和轴之间的连接，轴旋转。然后可使用轴的机械能来驱动压缩机转子叶片的旋转，从而产生必要的压缩空气供应，以及例如还驱动发电机发电。
本领域技术人员将理解，压缩空气通常从压缩机106中放出，且被导引到涡轮110内的区域。在一个这种应用中，如由箭头132所描绘，可从压缩机的后面的级中放出吹扫空气，且通过涡轮壳体外部的通路或管道将吹扫空气引导到涡轮110的第三级的定子叶片。在此位置处，如由箭头134进一步指示，可将吹扫空气引导回涡轮壳体中，且沿径向向内的方向将其用管道输送到(对于一部分距离，使用通过涡轮定子叶片的通道)需要进行吹扫的转子轮和轴附近的位置。
图3示出了示例性定子叶片140和可在上述系统中以将吹扫空气从压缩机106输送到定子叶片140的沿径向向内的位置的吹扫空气输送管144的定向。如图所示，吹扫空气输送管144可包括从沿径向向外的位置(其可位于包围涡轮的涡轮壳体附近)延伸到定子叶片140的初始部分。然后吹扫空气可流过定子叶片140(在图3中未显示用于它的通路)，且沿径向向内的方向继续流过吹扫空气输送管144的第二部分。吹扫空气输送管144的第二部分可将吹扫空气从定子叶片140引导到定子叶片140的沿径向向内的位置，在此处可释放吹扫空气。如本领域普通技术人员将理解的，一旦输送了吹扫空气，其就可冷却涡轮110的转子轮和轴两者，且可产生有助于阻止工作流体的热气到达那个内部径向位置的、流过那个空间的正压流。吹扫空气在输送时越冷，它在执行这些功能时就越有效。
将理解，只要吹扫空气输送管144在涡轮壳体内部，吹扫空气输送管144就横穿这样的空间：在该空间中，吹扫空气输送管144由极端温度包围。在传统的系统中，吹扫空气输送管144用钢或不锈钢来构造，且从而具有约0.5至0.8的辐射系数。因此，很大量的热在极热的周围区域和冷却剂(即流过其中的压缩空气)之间传递通过吹扫空气输送管144。按照本申请的实施例，吹扫空气输送管144可由具有低辐射系数的材料(即具有小于约0.1或更优选地小于约0.06或理想地小于约0.03的辐射系数的材料)构造，或者具有由该材料制成的涂层。测试数据证实，针对吹扫空气输送管144以这种性质和量级来减小辐射系数，对降低吹扫空气在其释放点处的温度有显著的影响。
根据对本发明的优选实施例的以上描述，本领域熟练技术人员将认识到改进、改变和修改。在本领的技术内的这种改进、改变和修改意图由所附的权利要求书覆盖。另外，将显而易见的是，前述内容仅涉及本申请的所描述的实施例，且可在不偏离由所附的权利要求书及其等效物限定的本申请的精神和范围的情况下在本文中做出许多改变和修改。

Claims (10)

1.一种工业机器中的、构造成以便使流体冷却剂传送通过在操作期间处于比所述流体冷却剂的期望温度高得多的温度的空间的空心通路(30)，所述空心通路(30)包括大体具有小于约0.1的辐射系数的外表面。
2.根据权利要求1所述的空心通路(30)，其特征在于，所述外表面大体具有小于约0.06的辐射系数。
3.根据权利要求1所述的空心通路(30)，其特征在于，所述外表面大体具有小于约0.03的辐射系数。
4.根据权利要求1所述的空心通路(30)，其特征在于，所述空心通路(30)包括由壁(34)界定的内通道(32)，以及覆盖所述壁(34)的外表面的、用提供大体具有小于约0.1的辐射系数的所述外表面的材料形成的外表面涂层(36)。
5.根据权利要求2所述的空心通路(30)，其特征在于，所述空心通路(30)包括由壁(34)界定的内通道(32)，以及覆盖所述壁(34)的外表面的、用提供大体具有小于约0.06的辐射系数的所述外表面的材料形成的外表面涂层(36)。
6.根据权利要求5所述的空心通路(30)，其特征在于，所述外表面涂层(36)包含镉、铬、抛光铜、铜镍合金、电镀镍、抛光镍、铂、银、抛光银、未氧化的锡、抛光钨以及金中的一种。
7.根据权利要求3所述的空心通路(30)，其特征在于，所述空心通路(30)包括由壁(34)界定的内通道(32)，以及覆盖所述壁(34)的外表面的、用提供大体具有小于约0.03的辐射系数的所述外表面的材料形成的外表面涂层(36)。
8.根据权利要求7所述的空心通路(30)，其特征在于，所述外表面涂层(36)包含镉、铬、抛光铜、铜镍合金、电镀镍、抛光镍、铂、银、抛光银、未氧化的锡、抛光钨以及金中的一种。
9.根据权利要求1所述的空心通路(30)，其特征在于：
所述工业机器是燃气涡轮发动机(100)；以及
所述空心通路(30)构造成以便使从所述压缩机(106)抽取的压缩空气传送到所述涡轮(110)中的位置。
10.根据权利要求9所述的空心通路(30)，其特征在于，所述空心通路(30)包括吹扫空气输送管(144)。
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