CN102345513A - 涡轮中间冷却器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及涡轮中间冷却器。中间冷却器(10)包括具有入口(16a)和出口(16b)的外壳(16)。外壳(16)限定第一腔室(20)。中间冷却器(10)还包括多个细长传导部件(26)。每个传导部件(26)包括第一端段(26a)和第二端段(26b)，并设置成使得每个第一端段(26a)在外壳(16)的第一腔室(20)内，并使得每个第二端段(26b)设置在外壳(16)外。每个第二端段(26b)设置在至少一种冷却介质的流动路径中，以便经历蒸发冷却。

Description

涡轮中间冷却器

技术领域

本发明大体上涉及中间冷却器，更具体地涉及具有设置在压缩气态流体的流动路径中的成组传导部件的中间冷却器。

背景技术

涡轮中的中间冷却器设置成冷却空气，该空气在其引导至高压压缩机之前在低压压缩机中压缩。在它们的传统结构中，中间冷却器在难于接近进行维护或更换的内部区域中经历退化。因此，期望具有较易于维持或固定并且更有效的替代性结构的中间冷却器。

发明内容

以下的摘要提出简化的摘要，以便提供在此讨论的系统和/或方法的某些方面的基本理解。该摘要不是在此讨论的系统和/或方法的全面综述。不意图识别重要/关键性元件或者描述这种系统和/或方法的范围。该摘要仅有的目的是作为稍后提出的更详细的说明的前奏，以简化的形式提出某些概念。

根据一个方面，本发明提供一种包括外壳的中间冷却器，该外壳具有入口和出口。外壳限定第一腔室。中间冷却器还包括多个细长传导部件。每个传导部件包括第一端段和第二端段，并设置成使得每个第一端段在外壳的第一腔室内，并使得每个第二端段设置在外壳外。每个第二端段设置在至少一种冷却介质的流动路径中，以便经历蒸发冷却。

根据另一方面，本发明提供一种中间冷却器，该中间冷却器包括限定第一腔室的外壳和多个细长传导部件。每个传导部件包括第一端段和第二端段，并设置成使得每个第一端段在外壳的第一腔室内，并使得每个第二端段朝彼此会聚。每个第二端段设置在至少一种冷却介质的流动路径中，以便经历蒸发冷却。

根据又一方面，本发明提供一种冷却压缩气态流体的方法，包括步骤：将多个细长传导部件的每个第一端段设置在压缩气态流体的流动路径中，使得通过传导朝传导部件的第二端段传递来自压缩气态流体的热；将传导部件的每个第二端段设置在至少一种冷却介质的流动路径中；和产生朝第二端段移动的至少一种冷却介质的流动，使得来自第二端段的热传递至冷却介质。

附图说明

本发明的前述及其它方面在阅读以下参考附图的说明时将对本发明所涉及的领域的技术人员变得显而易见，其中：

图1示出涡轮机的一部分的示意图；

图2示出中间冷却器的第一示例实施例；

图3示出中间冷却器的第一示例实施例的变型；

图4是中间冷却器的第二示例实施例；

图5示出形成在传导部件上的翅片的第一示例；

图6示出形成在传导部件上的翅片的第二示例；以及

图7示出传导部件的布置样式的示例。

图8示出传导部件的替代性实施例的示例。

部件列表：

10   中间冷却器

11   气体

12   低压压缩机(LPC)

14   高压压缩机(HPC)

16   引导管

16a  入口

16b  出口

18   冷却器

18a  塔式冷却器

20   腔室

22   壳体

26   传导部件

26a  端段

26a  第一端段

26b  第二端段

28   排出器

30   芯吸(wick)元件

32   鼓风机

33   冷却气体

34   开口

35   冷却液

36   通风孔

38   容器

40   再循环系统

42   控制系统

44   翅片

44a  作为翅片的圆形凸缘

44b  矩形凸缘

46   邻近子集

具体实施方式

结合本发明的一个或多个方面的实施例的示例描述并图示于附图中。这些图示的示例不意图作为本发明的限制。例如，本发明的一个或多个方面可用于其它实施例，甚至可用于其它类型的装置。

转向图1的示出示例，诸如燃气涡轮发动机的涡轮机的示意图部分地图示，并示出中间冷却器10、低压压缩机12(LPC)和高压压缩机14(HPC)。在LPC12处压缩的流体11引导至中间冷却器10，在该中间冷却器10处，压缩气态流体11的温度在压缩气态流体11向下游引导至HPC14之前降低。

图2和3以示意性方式示出中间冷却器10的第一示例实施例的变型。中间冷却器10包括外壳16和冷却器18。外壳16包括与LPC12流体连通的入口16a和与HPC14流体连通的出口16b。外壳16形成与LPC12和HPC14流体连通的第一腔室20，使得压缩气态流体11引导通过第一腔室20。冷却器18可包括形成周向壁的壳体22，该周向壁限定用于提供冷却的各种特征如以下将描述地位于其中的第二腔室24。

如图2和3所示，外壳16和冷却器18由多个细长传导部件26连接，多个细长传导部件26中的每个均包括第一端段26a和第二端段26b。传导部件26可以是圆柱形的管状结构，并且足够细长以连接外壳16和冷却器18，使得第一端段26a设置在外壳16的第一腔室20中，而第二端段26b设置在冷却器18的第二腔室24中。细长传导部件26可由如下金属形成，该金属具有足够传导性，使得第一端段26a能从外壳16中的气体汲取热，并将这种热传导至能在冷却器18内冷却的第二端段26b。例如，传导部件26可由铜、不锈钢、碳钢或其它金属或合金形成。在又一示例中，传导部件26可以是超导的，并且这种超导部件的示例可在美国专利No.6,132,823、6,811,720、6,911,231和6,916,430中找到。

传导部件26在第一腔室20内的布置为使得非常高效的传热可围绕传导部件26纵向地出现，并使得第一腔室20中的压降小，从而改善涡轮效率。

在图2和3的实施例中，第二端段26b可设置在冷却介质的路径中以实现冷却。因此，冷却器18的第二腔室24可包括排出器28，该排出器28朝第二端段26b释放作为一种冷却介质的冷却液35(例如水)，但释放的冷却液35在排出之后可能或可能不接触第二端段。在一个示例中，排出器28可实现为喷雾器，其如图2-3所示从冷却器18内的升高区域释放冷却液35。另外，第二端段26b可嵌入芯吸元件30，该芯吸元件30设置在排出器28下面，以便通过毛细作用吸收并保持一些冷却液35。芯吸元件30可由为耐用的非溶解材料的各种材料形成，该材料能够具有经由表面张力的芯吸效应、能够保持水，并且能够当暴露于流动气体时允许保持在芯吸元件中的水的蒸发。例如，芯吸元件30可实现为海绵或一束编织纤维或塑料，其能够通过毛细作用保持冷却液，并且具有足够的尺寸，使得大量的第二端段26b能嵌入其中。由芯吸元件30保持的冷却液35保持接近第二端段26b较长一段时间，而不是简单地经过传导部件26，使得延长可出现传热的时间。

另外，冷却器18可包括诸如轴流风扇、离心风扇或吸气装置的鼓风机32，该鼓风机32产生空气33横过传导部件26或芯吸元件30的移动，从而将传导部件26放置在另一冷却介质的流动路径中。在图2-3所示的实施例中，空气33的移动在冷却器18内沿向上的方向，但空气33的流动路径可改变。在这些实施例中，冷却器18的壳体22配置有由靠近基部的百叶窗形成的开口34，以允许周围空气再充填由已离开冷却器18的第二腔室24的空气留下的间隙。开口34可包括过滤器，以防止周围空气中的污染物进入冷却器18。鼓风机32可位于冷却器18的顶部处，该冷却器18还可包括可由靠近鼓风机32的格栅或过滤器覆盖的通风孔36。

此外，容器38可设置在冷却器18的基部处，以回收从排出器28掉下并且没有由芯吸元件30保持的冷却液35。此外，回收的冷却液35可经由可包括泵45的再循环系统40重新发送至排出器28，以便其后从排出器28再次释放。再循环系统40可包括控制系统42，用于根据大气条件控制冷却流体35回到排出器28的循环或者匹配冷却流体35的供应。控制系统42可响应于操作条件调节再循环系统40，诸如根据例如中间冷却器10位于其中的环境的周围温度的多个条件变更冷却度或者再循环冷却液35的体积流量。在从排出器28掉下时从传导部件26吸收热的冷却液35可被由鼓风机32产生的空气33的逆流冷却。此外，鼓风机32可产生捕获在芯吸元件30中的冷却液35(例如水)的蒸发，使得传导部件26由冷却液35的潜热特性冷却。再循环系统40可包括过滤器，以防止冷却液35中的污染物穿过再循环系统40。在无再循环系统40的情况下，排出器28可简单地连接至冷却液35的源，并且容器38可简单地通往排泄系统。

一些第二端段26b或第二端段26b的一些部分可设置在芯吸元件30外，并且可仅经历通过由鼓风机32产生的气流的强制对流冷却而不是蒸发冷却。

冷却器18的壳体22可以以各种形状和布置实现。例如，壳体22可直立取向，并且形状可像箱、圆柱、截头圆锥体等。如果冷却器18是大致直立的圆柱结构，则冷却器18可描述成塔式冷却器18a。外壳16同样可以以各种形状和布置实现。例如，外壳16可以以大致直立(图2)或水平(图3和4)的方式取向，并且形状可像箱、圆柱(图2和3)、环(图4)等。如图2所示，能够利用外壳16和冷却器18的竖直布置减小由中间冷却器10的底脚占用的区域。此外，外壳16相对于冷却器18的布置可影响连接二者的传导部件26的数量。具体地，如果传导部件26是直的，则传导部件26只可设置在外壳16和冷却器18的部分直接侧向相邻的有限区域中。然而，即使外壳16和冷却器18的部分直接侧向相邻的区域小，也能够变更传导部件26的形状，并提供连接外壳16与冷却器18的传导部件26。

在图4的替代性实施例中，外壳16布置成围绕或大致环绕塔式冷却器18a，其中入口和出口沿围绕塔式冷却器18a的一个径向方向设置。从外壳16的第一腔室20延伸至冷却器的内部的传导部件26相对于塔式冷却器18a沿多个径向方向设置，使得第一端段26a处于压缩气态流体11的流动路径中，而第二端段26b处于至少一种冷却介质的路径中。从图4省略了在图2-3的冷却器中示出的多个特征，以便图示传导部件26的布置。因此，图4的塔式冷却器可包括鼓风机、过滤器、芯吸元件、容器、再循环系统、热交换器或类似地如图2-3所示的其它特征。

图5和6示出传导部件26的示例实施例。传导部件26的截面可以是圆形的，使得经过传导部件26的流体可经历更流线型的流动，并可均匀地分布在传导部件26之间的空间中。为了增强热交换，第一端段26a或第二端段26b可配置有翅片44，如图5和6所示，该翅片44可沿传导部件26的纵向轴线以规则的间隔设置。翅片44可遍及传导部件26纵向地设置，或可设置在传导部件26的纵向部分内。例如，翅片44可仅设置在第一端段26a上。翅片44用于增大当空气33在翅片44之间移动时在传导部件26与冷却介质之间可出现热交换的表面积。翅片44之间的纵向间隔不按比例绘制，并且翅片44彼此可比图5或6所示的实施例靠近或分开，以便改变传导部件26的端段26a、26b处的传热系数。例如，翅片44可彼此靠近，以便提供比翅片44的厚度小的间隙。如图5-6的实施例所示，翅片44可实现为圆形凸缘44a、矩形凸缘44b或其它多边形或不规则的形状，但还可以以影响传热效率的各种几何形状实现。例如，矩形凸缘44b可在角部处朝传导部件26的两个纵向端稍微弯曲，并且角部弯曲的方向如图6所示可交替。

由于多个传导部件26设置在中间冷却器10中，所以布置传导部件26的样式同样可影响冷却介质与传导部件26之间的传热系数。图7部分地示出通过传导部件26的布置的压缩气态流体11的流动路径，其中第一端段26a配置有翅片44a。如图7所示，在所有的传导部件26彼此平行的样式中，样式可分成平行且竖直对齐的传导部件26的多个子集46。在图7的样式中，尽管每个子集46均包括平行且竖直对齐的传导部件26，但两个邻近子集46彼此相对水平地偏移或交错，使得与邻近子集46也水平对齐的样式对比，冷却介质的流动路径遭遇较大数量的传导部件26，从而在压缩气态流体11与第一端段26a之间产生增强的热交换。即使所有的传导部件26由于子集46的径向布置而彼此不平行，对于图4的实施例也可实现邻近子集46之间这种水平偏移。类似地，在这种构造中，子集46包括平行且竖直对齐的传导部件26，但邻近子集46水平偏移。

在此描述的中间冷却器10提供用于从压缩气态流体11去除热的设备，该压缩气态流体11从LPC向HPC移动。传导部件26的第一端段26a从压缩气态流体11带走热，并将热传导至第二端段26b。第一端段26a可配置有翅片44，以增强压缩气态流体11与第一端段26a之间的热交换。第二端段26b可设置在一种或多种冷却介质(例如冷却液35和/或空气33)的流动路径中，以增强从第二端段26b到大气的热损失。通过将第二端段26b设置在芯吸元件30中，冷却液35可通过对流冷却(即由鼓风机32产生的空气33的向上移动与向下落下的冷却液35逆流)或蒸发冷却(即冷却液35的气化从芯吸元件30中的邻近的冷却液35带走热)来冷却。在冷却液35的情况下，冷却液35可在朝第二端段26b释放之后回收，并且可在朝第二端段26b再次释放之前再循环用于冷却。

在图4的实施例中，大致环绕塔式冷却器18a的环形外壳16允许压缩气态流体11在不面临阻塞的情况下平稳地穿过，使得压缩气态流体11经历低的压降，并且燃气涡轮的总效率得到改善。例如U形的为气流提供平稳的弯曲路径的其它外壳形状产生类似的低压降的益处。

图8示出传导部件26的替代性实施例。图8仅示出传导部件26的第一端段26a或第二端段26b中的一个，但相同的构造可在另一端段上实现。在该实施例中，多个传导部件26的每端均包括类似于图5-6具有翅片的子部件50。子部件50过渡至集管(header)52，该集管52包括在每端处的过渡段54和在过渡段54之间的捆扎段56。在捆扎段56延伸通过外壳16或壳体22时，过渡段54和子部件50位于外壳16或壳体22内，因而将在外壳16或壳体22上形成的孔的数量减少至一个。

以上已参考示例实施例描述了本发明。技术人员在阅读和理解该说明书之后可想到变型和变更。结合本发明的一个或多个方面的示例实施例意图包括所有这种变型和变更，直至它们归入所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种中间冷却器(10)，包括具有入口(16a)和出口(16b)的外壳(16)，所述外壳(16)限定第一腔室(20)，所述中间冷却器(10)还包括多个细长传导部件(26)，每个所述传导部件(26)包括第一端段(26a)和第二端段(26b)，每个所述传导部件(26)设置成使得每个所述第一端段(26a)在所述外壳(16)的第一腔室(20)内，并使得每个所述第二端段(26b)设置在所述外壳(16)外，每个所述第二端段(26b)设置在至少一种冷却介质的流动路径中，以便经历蒸发冷却。

2.根据权利要求1所述的中间冷却器(10)，其特征在于，压缩气态流体(11)适于通过所述第一腔室(20)从所述入口(16a)移动至所述出口(16b)，所述第一端段(26a)设置在所述压缩气态流体(11)的流动路径中。

3.根据权利要求1所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述多个细长传导部件(26)包括具有第一端和第二端的集管(52)，所述集管(52)分别在所述第一端处过渡至第一组子部件(50)和在所述第二端处过渡至第二组子部件(50)，所述第一端位于所述外壳(16)内，所述第二端位于所述外壳(16)外。

4.根据权利要求1所述的中间冷却器(10)，其特征在于，还包括限定第二腔室(24)的冷却器(18)，每个所述第二端段(26b)设置在所述第二腔室(24)内，所述至少一种冷却介质适于穿过所述第二腔室(24)。

5.根据权利要求4所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述冷却器(18)还包括用于将作为所述至少一种冷却介质的冷却液(35)供应至所述第二端段(26b)的排出器(28)。

6.根据权利要求5所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述冷却器(18)包括芯吸元件(30)，每个所述第二端段(26b)嵌入在所述芯吸元件(30)中，所述芯吸元件(30)构造成通过毛细作用保持所述冷却液(35)。

7.根据权利要求6所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述冷却器(18)包括设置在所述冷却器(18)的基部处的容器(38)，以回收未保持在所述芯吸元件(30)中的所述冷却液(35)。

8.根据权利要求6所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述冷却器(18)还包括产生空气(33)的移动的鼓风机(32)，所述芯吸元件(30)设置在所述空气(33)的流动路径中。

9.根据权利要求1所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述中间冷却器(10)适于与燃气涡轮发动机一起使用，所述燃气涡轮发动机包括低压压缩机和高压压缩机，所述外壳(16)位于所述低压压缩机与所述高压压缩机之间，所述第一腔室(20)与所述低压压缩机和所述高压压缩机处于流体(11)连通，压缩气态流体(11)从所述低压压缩机移动至所述高压压缩机。

10.一种中间冷却器(10)，包括：

外壳(16)，其限定第一腔室(20)；以及

多个细长传导部件(26)，每个所述传导部件(26)包括第一端段(26a)和第二端段(26b)，每个所述传导部件(26)设置成使得每个所述第一端段(26a)在所述外壳(16)的第一腔室(20)内，并且使得每个所述第二端段(26b)朝彼此会聚，每个所述第二端段(26b)设置在至少一种冷却介质的流动路径中，以便经历蒸发冷却。

11.根据权利要求10所述的中间冷却器(10)，其特征在于，压缩气态流体(11)适于穿过所述第一腔室(20)，并且至少一种冷却介质适于穿过所述第二腔室(24)，每个所述第一端段(26a)设置在穿过所述燃气涡轮发动机的所述压缩气态流体(11)的流动路径中。

12.根据权利要求10所述的中间冷却器(10)，其特征在于，还包括冷却器(18)，所述冷却器(18)包括限定第二腔室(24)的周向壁，所述周向壁由所述外壳(16)围绕。

13.根据权利要求12所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述外壳(16)布置成大致环绕所述冷却器(18)。

14.根据权利要求12所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述传导部件(26)围绕所述冷却器(18)径向地设置。

15.根据权利要求12所述的中间冷却器(10)，其特征在于，所述冷却器(18)还包括用于将作为所述至少一种冷却介质的冷却液(35)供应至所述第二端段(26b)的排出器(28)。

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