CN102052156A - 用于涡轮发动机冷却的装置和方法 - Google Patents

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CN102052156A CN2010105384832A CN201010538483A CN102052156A CN 102052156 A CN102052156 A CN 102052156A CN 2010105384832 A CN2010105384832 A CN 2010105384832A CN 201010538483 A CN201010538483 A CN 201010538483A CN 102052156 A CN102052156 A CN 102052156A
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Abstract

本发明涉及用于涡轮发动机冷却的装置和方法。一种涡轮发动机(10)包括：涡轮壳体(40)；设置在涡轮壳体中的涡轮(16)，其构造成以便接收热的燃烧气体(20)；经受来自热的燃烧气体的热能的涡轮构件(22)；以及设置在涡轮壳体的外部且具有设置在其中的冷却介质(99)的冷却系统(92)。热管(72，74)具有与涡轮构件连通的高温端和伸出涡轮壳体的低温端，该低温端与冷却系统中的冷却介质连通，以将热能从构件传递到冷却介质。

Description

用于涡轮发动机冷却的装置和方法
技术领域
本文公开的主题涉及燃气涡轮发动机，并且更具体而言涉及其中的温度和性能管理。
背景技术
在燃气涡轮发动机中，空气在压缩机中被加压，并且在燃烧器中与燃料混合以产生热的燃烧气体，热的燃烧气体向下游流过一个或多个涡轮级。涡轮级包括具有定子导叶的固定式喷嘴，定子导叶引导燃烧气体通过下游的涡轮转子叶片排。涡轮转子叶片从支承转子沿径向向外延伸，通过从气体中提取能量来对支承转子供以动力。
第一级涡轮喷嘴接收来自燃烧器的热的燃烧气体，并且将其引导到第一级涡轮转子叶片，以从该热的燃烧气体中提取能量。第二级涡轮喷嘴可设置在第一级涡轮转子叶片的下游，并且后面有一排第二级涡轮转子叶片，第二级涡轮转子叶片从燃烧气体中提取额外的能量。第二级涡轮转子叶片的下游可设置涡轮喷嘴和涡轮转子叶片的额外的级。
当从燃烧气体中提取能量时，气体的温度相应地降低。但是，由于气体温度相对较高，所以涡轮级典型地由冷却剂(比如压缩空气，其从压缩机转移出来，并且被转移通过空心的导叶和叶片翼型件，以冷却涡轮的这些内部构件)冷却。但是，由于是从燃烧器的使用中转移出冷却空气的，所以从压缩机中提取的冷却空气的量对发动机的整体效率具有直接影响。
因此，期望提高从涡轮级中移除热量的效率，而没有与压缩机冷却空气相关联的花费，以便由此提高涡轮发动机的效率。
发明内容
根据本发明的一方面，一种涡轮发动机包括涡轮壳体、设置在涡轮壳体中且构造成以便接收热的燃烧气体的涡轮、经受来自热的燃烧气体的热能的涡轮构件，以及设置在涡轮壳体的外部且其中设置有冷却介质的冷却系统。热管具有与涡轮构件连通的高温端，以及伸出涡轮壳体的低温端，低温端与冷却系统中的冷却介质连通，以将热能从构件传递到冷却介质。
根据本发明的另一方面，一种涡轮发动机包括涡轮壳体、设置在涡轮壳体中且构造成以便接收热的燃烧气体的涡轮、从可旋转的轮毂组件沿径向向外延伸且经受来自热的燃烧气体的热能的涡轮翼型件，以及设置在可旋转的轮毂组件中且其中设置有冷却介质的冷却系统。热管具有与涡轮翼型件连通的高温端，以及低温端，该低温端沿径向向内延伸，以便以与可旋转的轮毂组件中的冷却系统的冷却介质连通的方式终止，以将热能从涡轮翼型件传递到冷却介质。
根据本发明的又一方面，燃气涡轮发动机包括涡轮、用于将热的燃烧气体输送到涡轮的燃烧器，以及具有喷嘴翼型件且构造成以便接收来自燃烧器的热的燃烧气体的喷嘴组件。喷嘴组件安装在涡轮发动机壳体内，并且相对于涡轮发动机壳体固定。多个固态超导热管与喷嘴翼型件相关联，并且具有与喷嘴翼型件连通的高温端和在涡轮发动机壳体的外部延伸的低温端。冷却系统(包含设置成在其中进行循环的冷却介质)位于涡轮发动机壳体的外部，并且构造成以便接收该多个固态超导热管的低温端，其中，通过从热管的高温端到低温端的传热将来自热的燃烧气体的热能从喷嘴翼型件传递到冷却系统。
根据结合附图得到的以下描述，这些和其它优点和特征将变得更加显而易见。
附图说明
在说明书结论部分处的权利要求书中特别指出和明确要求保护了被视为本发明的主题。根据结合附图得到的以下详细描述，本发明的前述和其它特征和优点是显而易见的，在附图中：
图1是根据本发明的一个实施例的、通过示例性燃气涡轮发动机的一部分的局部示意性的轴向截面图；
图2是通过图1的燃气涡轮发动机的一部分的放大截面图；
图3是图1的燃气涡轮发动机的一个示例性涡轮构件的放大视图；
图4是图1的燃气涡轮发动机的热管的一个示例性实施例的示意性截面图；以及
图5是图1的燃气涡轮发动机的热管的另一个示例性实施例的示意性截面图。
详细描述参照附图以实例的方式对本发明的实施例以及优点和特征进行了阐述。
具体实施方式
图1和2中所示出的是燃气涡轮发动机10的一部分。该发动机关于纵向或轴向中心线轴线轴对称，并且以串联流动连通的方式包括多级轴向压缩机12、燃烧器14和多级涡轮16。
在燃气涡轮发动机10的操作期间，来自压缩机12的压缩空气18流到燃烧器14，燃烧器14操作，以便燃烧燃料与压缩空气，以产生热的燃烧气体20。热的燃烧气体20向下游流过多级涡轮16，多级涡轮16从热的燃烧气体20中提取能量。
如图2详细地显示，多级轴向涡轮16的一个实例可构造成具有沿轴向设置成彼此直接按序排列的六排翼型件22、24、26、28、30、32的三个级，用来引导热的燃烧气体20通过其中，且用来从热的燃烧气体20中提取能量。
翼型件22构造成第一级喷嘴导叶翼型件。这些翼型件彼此沿周向隔开，并且在内部导叶侧壁34和外部导叶侧壁36之间沿径向延伸，以限定第一级喷嘴组件38。喷嘴组件38在涡轮壳体40内是固定的，并且操作以便接收和引导来自燃烧器14的热的燃烧气体20。翼型件24从第一支承盘42的周边沿径向向外延伸而在第一级固定式涡轮转子护罩44的附近终止。翼型件24、支承盘42和第一级固定式涡轮转子护罩44限定第一级涡轮转子组件46，第一级涡轮转子组件46接收来自第一级喷嘴组件38的热的燃烧气体20，以使该第一级涡轮转子组件46旋转，从而从热的燃烧气体中提取能量。
翼型件26构造成第二级喷嘴导叶翼型件。这些翼型件彼此沿周向隔开，并且在内部导叶侧壁48和外部导叶侧壁50之间沿径向延伸，以限定第二级喷嘴组件52。第二级喷嘴组件52在涡轮壳体40内是固定的，并且操作以便接收来自第一级涡轮转子组件46的热的燃烧气体20。翼型件28从第二支承盘54沿径向向外延伸而在第二级固定式涡轮转子护罩56的附近终止。翼型件28、支承盘54和第二级固定式涡轮转子护罩56限定第二级涡轮转子组件58，以直接接收来自第二级喷嘴组件52的热的燃烧气体20，以另外从热的燃烧气体20中提取能量。
类似地，翼型件30构造成第三级喷嘴导叶翼型件，这些翼型件彼此沿周向隔开，并且在内部导叶侧壁60和外部导叶侧壁62之间沿径向延伸，以限定第三级喷嘴组件64。第三级喷嘴组件64在涡轮壳体40内是固定的，并且操作以便接收来自第二级涡轮转子组件58的热的燃烧气体20。翼型件32从第三支承盘66沿径向向外延伸而在第三级固定式涡轮转子护罩68的附近终止。翼型件32、支承盘66和第三级固定式涡轮转子护罩68限定第三级涡轮转子组件70，以直接接收来自第三级喷嘴组件64的热的燃烧气体20，以另外从热的燃烧气体20中提取能量。在多级涡轮16中使用的级的数量可取决于燃气涡轮发动机10的具体应用而变化。
如所指示的那样，第一级喷嘴组件38、第二级喷嘴组件52和第三级喷嘴组件64相对于涡轮壳体40是固定的，而涡轮转子组件46、58和70安装成以便在它们之中旋转。涡轮翼型件和固定式涡轮转子护罩在涡轮发动机10的操作期间暴露于热的燃烧气体20和来自热的燃烧气体20的热能，其中最热的构件最接近燃烧器14的出口。为了确保这种内部构件的期望耐用性，典型地对它们进行冷却。如图2和3详细地示出的那样，诸如喷嘴翼型件热管72、涡轮翼型件热管74和固定式涡轮转子护罩热管75的热管可用来从诸如翼型件22、24、26、28、30、32和固定式涡轮转子护罩44、56、68的内部涡轮构件中有效地移除热量，同时降低或消除对冷却剂介质(比如转移的压缩机空气)的需要。
在图4中示意性地显示的热管72的一个示例性实施例中，各个热管构造成以便从诸如翼型件22的涡轮构件中移除热能，并且将热能传递到冷却介质。热管72包括限定热管的外表面的外壳76。外壳76是密封的，以便限定内部真空腔室。设置在外壳76的内部的是吸收剂芯78，吸收剂芯78包围蒸气腔体80。诸如水、钠或其它适当的材料的传热流体82设置在蒸气腔体80中。热管72的高温端84嵌在喷嘴翼型件22的主体86中，附连到该主体86上，或者以别的方式在物理上与该主体86相关联。为了改进来自喷嘴翼型件的主体的传热，热管72的高温端84可具有由涡轮构件的形状限定的构造，以便增大在其中与高温端84相接触的翼型件表面积。这种构造的一个示例性实施例由图3中的高温端84的盘管式端部部分88显示。
热管72的低温端90设置在喷嘴翼型件22的主体86的外部，并且与冷却系统92相关联。在热管72的高温端84处，来自翼型件22的主体86的热能传递到热管，导致高温端84处的吸收剂芯78中的传热流体82在蒸气腔体80中蒸发成蒸气94。该蒸气移动到低温端90、冷凝并且由吸收剂芯78重新吸收，从而释放热能。当传热流体82通过吸收剂芯78移动回到高温端84时，冷却系统92从热管72中移除热能，在高温端84中重复该传热过程。
在图5所示的另一个示例性实施例中，热管72可为固态构造，其中，来自翼型件22的主体86的热能由设置在外壳76(例如固态超导热管)的内壁77上的高导热性无机固态传热介质96吸收。以三个基本层将示例性的固态传热介质96施用到内壁77上。由暴露于外壳76的内壁77的溶液来制备前二层。最初，主要以离子的形式包含钠、铍、诸如锰或铝的金属、钙、硼和重铬酸根的各种组合的第一层被吸收到外壳76的内壁77中达0.008mm至0.012mm的深度。随后，主要以离子形式包含钴、锰、铍、锶、铑、铜、B-钛、钾、硼、钙、诸如铝的金属和重铬酸根的各种组合的第二层建立在第一层的顶上，并且在外壳76的内壁77上形成具有0.008mm至0.012mm的厚度的膜。最后，第三层是包含氧化铑、重铬酸钾、氧化镭、重铬酸钠、重铬酸银、单晶硅、氧化铍、铬酸锶、氧化硼、B-钛和诸如重铬酸锰或重铬酸铝的金属重铬酸盐的各种组合的粉末，该粉末本身均匀地分布在内壁77上。将这三个层施用到外壳76上，然后热极化这三个层，以形成超导热管72，超导热管72在很少或没有净热损耗的情况下传递热能。用来构造热管72的过程可为任何适当的方法，比如例如2000年10月17日授权的名称为“Superconducting Heat Transfer Medium(超导传热介质)”的美国专利6,132,823中描述的方法。
在这种应用中使用的无机化合物在空气中典型地是不稳定的，但是在真空中具有高的导热性。来自翼型件22的热能通过固态传热介质96从热管72的高温端84移动到热管72的低温端90，在低温端90中，冷却系统92从热管中移除热能。
再次参看图2，喷嘴翼型件热管72(示意性地显示)可设置在喷嘴翼型件22、26和30的主体86内，而固定式涡轮转子护罩热管75(示意性地显示)可设置在固定式涡轮转子护罩44、56、68内。热管可作为涡轮构件的制造过程的一部分形成就位(例如铸造就位)，或者可在构造之后以机械的方式安装(例如焊接、结合)。各个热管沿径向向其相应的喷嘴翼型件或涡轮转子护罩的外部延伸，并且通过涡轮壳体40。在一个示例性实施例中，接收热管72的低温端90的冷却系统92(示意性地显示)位于涡轮壳体的外部。诸如水110或其它适当的冷却剂的冷却介质循环通过冷却系统92，且操作以便从低温端90中移除热能。
在另一个实施例中，涡轮翼型件热管74(示意性地显示)可设置在涡轮翼型件24、28和32(在涡轮翼型件32中未显示)的主体100内。热管74的高温端102暴露于翼型件主体100，并且从该翼型件主体100中移除热能。涡轮翼型件热管74的低温端103沿径向向内延伸，以与涡轮转子冷却系统104连通。该涡轮转子冷却系统可包括冷却介质供应和返回导管106和108(分别)，供应和返回导管106和108构造成以便循环冷却介质，比如水110。各个涡轮翼型件热管74的低温端103与由涡轮转子冷却系统104(示意性地显示)供应的冷却介质110相关联，涡轮转子冷却系统104构造成且操作为以便从低温端103中移除热能，并且因此从涡轮翼型件主体100中移除热能。使用涡轮翼型件热管74来从涡轮翼型件中移除热能可消除或降低对为了冷却涡轮构件而转移压缩机空气的需要，从而导致燃气涡轮发动机10的效率提高。
虽然针对主要涉及多级涡轮的涡轮和喷嘴翼型件以及固定式涡轮转子护罩的应用对本发明的示例性实施例进行了描述，但是该描述仅是为了简明的目的，而且本发明的范围不意在限于那些特定的应用。所描述的本发明的应用可应用于类似的涡轮发动机组件和遍及各个级的构件。
本书面描述使用实例来公开本发明，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，以及执行任何结合的方法。本发明的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果这种其它实例具有不异于权利要求书的字面语言的结构元素，或者如果这种其它实例包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等效结构元素，则这种其它实例意图处于权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机(10)，包括：
涡轮壳体(40)；
涡轮(16)，设置在所述涡轮壳体中且构造成以便接收热的燃烧气体(20)；
涡轮构件(22)，经受来自所述热的燃烧气体的热能；
冷却系统(92)，设置在所述涡轮壳体的外部且具有设置在该冷却系统(92)中的冷却介质(99)；以及
热管(72)，具有与所述涡轮构件连通的高温端(84)和伸出所述涡轮壳体的低温端(50)，所述低温端与所述冷却系统中的所述冷却介质连通，以将热能从所述构件传递到所述冷却介质。
2.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述热管进一步包括：
外壳(76)，限定了真空密封的内部腔室(80)；以及
传热介质(82，96)，设置在所述外壳的所述真空密封的内部腔室内，并且构造成以便将热能从所述热管的高温端传递到所述热管的低温端，以将热能释放到所述冷却介质。
3.根据权利要求2所述的涡轮发动机，其特征在于，所述传热介质包括施用到所述外壳的内壁(77)上的一个或多个固体层(96)。
4.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮构件是固定式涡轮喷嘴(22)。
5.根据权利要求1所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮构件是从可旋转的轮毂组件(46)沿径向向外延伸的涡轮翼型件(24)，所述涡轮翼型件包含与其连通的热管(74)的高温端(102)，且所述热管的低温端(103)沿径向向内延伸而在所述可旋转的轮毂组件中终止。
6.根据权利要求5所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机进一步包括：
冷却系统(104)，设置在所述可旋转的轮毂组件中，具有设置在其中的冷却介质(110)，并且与所述热管的低温端连通。
7.根据权利要求6所述的涡轮发动机，其特征在于，所述涡轮发动机进一步包括：
循环系统(106，108)，与设置在所述可旋转的轮毂组件中的所述冷却系统相关联，并且构造成以便使所述冷却介质循环通过所述冷却系统，以有利于将热能从所述热管传递到所述冷却介质。
8.一种燃气涡轮发动机(10)，包括：
涡轮(16)；
燃烧器(14)，用于将热的燃烧气体(20)输送到所述涡轮；
喷嘴组件(38)，具有喷嘴翼型件(22)，并且构造成以便接收来自所述燃烧器的所述热的燃烧气体，所述喷嘴组件安装在涡轮发动机壳体(40)内，并且相对于所述涡轮发动机壳体(40)固定；
多个固态超导热管(72)，与所述喷嘴翼型件相关联，并且具有与所述喷嘴翼型件连通的高温端(84)和在所述涡轮发动机壳体的外部延伸的低温端(90)；以及
冷却系统(92)，包括设置成在其中进行循环的冷却介质(110)、位于所述涡轮发动机壳体的外部并且构造成以便接收所述多个固态超导热管的低温端，其中，通过从所述热管的高温端到所述热管的低温端的传热将来自所述热的燃烧气体的热能从所述喷嘴翼型件传递到所述冷却系统。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机进一步包括：
转子组件(46)，设置成以便在所述涡轮壳体中旋转；
涡轮翼型件(24)，从所述转子组件沿径向向外延伸，并且构造成以便接收来自所述喷嘴组件(38)的所述热的燃烧气体(20)；
固态超导热管(74)，与所述涡轮翼型件相关联，并且具有与所述涡轮翼型件连通的高温端(102)和从所述涡轮翼型件沿径向向内延伸的低温端(103)；以及
转子组件冷却系统(104)，包括用于在其中进行循环的冷却介质(110)，构造成以便接收所述固态超导热管的所述低温端，其中，通过从所述热管的高温端到所述热管的低温端的传热将来自所述热的燃烧气体的热能从所述涡轮翼型件传递到所述转子组件冷却系统。
10.根据权利要求8所述的燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机进一步包括：
固定式涡轮转子护罩(44)，构造成以便接收来自所述燃烧器(14)的所述热的燃烧气体(20)，所述固定式涡轮转子护罩安装在所述涡轮壳体(40)内，并且相对于所述涡轮壳体(40)固定；
固态超导热管(74)，与所述固定式涡轮转子护罩相关联，并且具有与所述固定式涡轮转子护罩连通的高温端和在所述涡轮发动机外壳的外部延伸的低温端；以及
冷却系统(92)，包括设置成在其中以便进行循环的冷却介质(110)，位于所述涡轮发动机外壳的外部并且构造成以便接收所述热管的低温端，其中，通过从所述热管的高温端到所述热管的低温端的传热将来自所述热的燃烧气体的热能从所述固定式涡轮转子护罩传递到所述冷却系统。
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PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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