CN103256147A - 涡轮发动机喷嘴中的热电发生器 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是涡轮发动机喷嘴中的热电发生器。在一个实施方式中，燃气涡轮发动机组件包括绕纵轴放置的发动机组件；与发动机组件相邻放置的中心喷嘴，用于引导发动机组件产生的中心流；围绕至少一部分中心喷嘴的风扇喷嘴，用于引导风扇流，其中中心喷嘴限定压力通风系统，用于从中心喷嘴接收一部分中心流流量；以及位于压力通风系统中的热电发生器组件。可以描述其它实施方式。

Description

涡轮发动机喷嘴中的热电发生器
技术领域
本文所述的主题涉及燃气涡轮发动机，更具体而言涉及用于燃气涡轮发动机的喷嘴结构。
背景技术
热电发生器(TEG)是当在装置上施加温差(temperature differential)时可发电的一种装置。TEG装置通常是正方形或矩形，其中上端盖和下端盖具有相同的尺寸，并且由TEG产生的电力通常经由一组电力线传输。TEG装置通常薄(例如，几毫米厚的量级)、小(例如，几平方厘米)、平坦且易碎。因此，TEG装置可能难以单独操作，特别是应用在交通工具中，比如汽车、航空器等等。此外，这些装置可经受严酷的环境条件，比如振动、恒温变化以及其它严酷条件。由于其大小以及每个TEG装置仅产生少量电力的事实，所以将许多TEG装置捆扎在一起，以便产生有用量的电力。而且，TEG装置一般在高温差时提供更高的能量转换效率。这可造成材料中相对大的热膨胀。由于热梯度以及与不同材料相关的不同热膨胀系数，可能产生热感应应力。
TEG装置的效率一般随温差——即，通常称作TEG装置热源(热侧)和热沉(heat sink)(冷侧)的两个相对侧之间的Δ温度——变大而增加。同样，对于仅引导热流通过TEG装置而没有任何热能泄露通过周围结构材料或缝隙的任何装置，能量转换效率最大化。
因此，使用TEG装置的技术可以找到实用性。
发明内容
在各方面中，提供了燃气涡轮发动机结构。通过举例的方式，燃气涡轮发动机可适合于并入一个或多个热电发生器组件，以由燃气涡轮发动机中的热量差(heat differentials)发电。在一些实施方式中，一部分来自中心(core)的气流可转移入压力通风系统中，在那里其流经热电发生器组件的第一表面。在进一步的实施方式中，一部分来自风扇(fan)的空气流可转移入压力通风系统中，在那里其流经热电发生器组件的第二表面。热电发生器组件响应来自中心的气流和来自风扇的空气流之间的温差发电。
因此，在一个方面中，提供了用于燃气涡轮发动机的中心喷嘴，其包括中心喷嘴壁，其限定了中心流流动通过的中心；与中心喷嘴壁连接的整流罩组件，其中中心喷嘴壁和整流罩组件限定压力通风系统，用于从中心喷嘴接收一部分中心流流量；以及位于压力通风系统中的热电发生器组件。
在另一个方面中，提供了燃气涡轮发动机组件。在一个实施方式中，该组件包括发动机组件；与发动机组件相邻放置的中心喷嘴，用于引导发动机组件产生的中心流；围绕至少一部分中心喷嘴的风扇喷嘴，用于引导风扇流，其中中心喷嘴限定压力通风系统，用于从中心喷嘴接收一部分中心流流量；以及位于压力通风系统中的热电发生器组件。
在另一个方面中，提供了在燃气涡轮发动机中发电的方法，包括在燃气涡轮发动机中产生中心流流量，将来自置于燃气涡轮发动机下游的中心喷嘴的一部分中心流流量重新导入中心喷嘴限定的压力通风系统中，并且使重新导入压力通风系统的一部分中心流流量经过热电发生器组件的第一表面上方。
在又另一个方面中，提供了用于燃气涡轮发动机的中心喷嘴，包括：中心喷嘴壁，其限定了中心流流动通过的中心；与中心喷嘴壁连接的整流罩组件，其中中心喷嘴壁和整流罩组件限定压力通风系统，用于从中心喷嘴接收一部分中心流流量；以及位于压力通风系统中的热电发生器组件。
中心喷嘴进一步包括：位于压力通风系统内的第一传热翅片(fin)，用于将热量从来自中心喷嘴的一部分中心流流量传递至热电发生器组件；位于压力通风系统内的第二传热翅片，用于将热量从热电发生器组件传递至来自风扇喷嘴的一部分风扇流流量；其中：第一传热翅片包括表面进口或斗式进口(scoop inlet)的至少一个；并且第二传热翅片包括表面进口或斗式进口的至少一个；其中：热电发生器组件具有与中心流流量相邻放置的第一表面以及与风扇流流量相邻放置的第二表面；其中热电发生器组件包括凸起的三维表面或波形的三维表面的至少一个；并且其中热电发生器组件包括：框架；安装在框架上的多个热电发生器装置；以及电力总线，用于输送热电发生器装置产生的能量。
在又另一个方面中，提供了燃气涡轮发动机组件，包括：发动机组件；与发动机组件相邻放置的中心喷嘴，用于引导发动机组件产生的中心流流量；围绕至少一部分中心喷嘴的风扇喷嘴，用于引导风扇流流量；其中中心喷嘴限定压力通风系统，用于从中心喷嘴接收一部分中心流流量；以及位于压力通风系统中的热电发生器组件。
燃气涡轮发动机组件进一步包括：位于压力通风系统内的第一传热翅片，用于将热量从来自中心喷嘴的一部分中心流流量传递至热电发生器组件；位于压力通风系统内的第二传热翅片，用于将热量从热电发生器组件传递至来自风扇喷嘴的一部分风扇流流量；其中：第一传热翅片包括表面进口或斗式进口的至少一个；并且第二传热翅片包括表面进口或斗式进口的至少一个；其中：热电发生器组件具有与中心流流量相邻放置的第一表面以及与风扇流流量相邻放置的第二表面；其中热电发生器组件包括凸起的三维表面或波形的三维表面的至少一个；其中热电发生器组件包括：框架；安装在框架上的多个热电发生器装置；以及电力总线，用于输送热电发生器装置产生的能量。
在又另一个方面中，提供了在燃气涡轮发动机中发电的方法，包括：在燃气涡轮发动机中产生中心流流量；将来自置于燃气涡轮发动机下游的中心喷嘴的一部分中心流流量重新导入中心喷嘴限定的压力通风系统中；并且使重新导入压力通风系统的一部分中心流流量经过热电发生器组件的第一表面上方。
该方法进一步包括：产生风扇流流量；将来自风扇喷嘴的一部分风扇流流量重新导入中心喷嘴限定的压力通风系统中；并且使重新导入压力通风系统的一部分风扇流流量经过热电发生器组件的第二表面上方；其中压力通风系统由中心喷嘴的中心喷嘴壁和整流罩组件限定，并且其中一个或多个传热翅片在压力通风系统中传递热量；其中压力通风系统中的气流速度不同于中心流中的气流速度；并且进一步包括将重新导入压力通风系统的一部分中心流流量从压力通风系统喷射到风扇流流量中；在电力总线上输送来自热电发生器组件的电。
本文讨论的特征、功能和优势可以单独地在本文描述的各个实施方式中实现，或可以在另外其它实施方式中组合，其进一步的细节参考下面的描述和附图可见。
附图简述
参考附图描述具体实施方式。
图1-3是根据实施方式的其中可以安装热电发生器的燃气涡轮发动机结构的示意性截面图。
图4是根据实施方式的其中已经安装热电发生器的燃气涡轮发动机的示意性截面图。
图5是根据实施方式的热电发生器组件的示意性俯视图。
图6-11是根据实施方式的安装在燃气涡轮发动机上的热电发生器组件的示意性透视图。
图12是根据实施方式的流程图，其图示说明在燃气涡轮发动机中发电的方法中的操作。
图13是根据实施方式的航空器的示意图，所述航空器可并入一个或多个适合包括热电发生器组件的燃气涡轮发动机组件。
具体实施方式
本文描述了示例性燃气涡轮发动机喷嘴结构和操作燃气涡轮发动机的方法，以及并入这种喷嘴的航空器。在一些实施方式中，燃气涡轮发动机中心喷嘴包括限定压力通风系统的壳。可以在压力通风系统中放置一个或多个热电发生器装置。将来自发动机中心的一部分气流转移入压力通风系统中，在那里其流经热电发生器的第一表面以在热电发生器上产生温差。在一些实施方式中，可将一部分风扇流导入压力通风系统中，在那里其流经热电发生器的第二表面。热电发生器产生的电可经由电力总线输送。
在下面的描述中，提出了许多特定细节以提供各个实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解没有特定细节也可实践各个实施方式。在其它情况下，没有详细说明或描述众所周知的方法、过程、部件和电路，以便不混淆具体实施方式。
在一些实施方式中，热电发生器可以在燃气涡轮航空器发动机中实施。最普遍的现代航空器喷气发动机是涡轮喷气发动机或涡轮风扇发动机。在涡轮喷气发动机中，空气通过压缩机经进口抽入发动机中，压缩，与燃料混合，并且燃烧以产生高温和高压气流。通过涡轮抽取高压气体中的部分能量以运行压缩机并提供用于航空器系统的动力。在涡轮阶段之后，高压气体通过喷嘴加速并排放到大气中以产生推力。发动机的该部分通常称作发动机的中心(核心，core)或气体发生器。用于中心气流的物理通道通常称作中心管道，并且中心管道的外部硬件称作中心整流罩。用于热中心排气流的喷嘴称作中心喷嘴。
在涡轮风扇发动机中，进口下游的一部分空气流绕开中心并且被转动的叶片压缩。该空气流不与燃料混合和燃烧，因此由于来自叶片的能量添加，所以仅比大气略热。高压空气随后通过风扇喷嘴加速以产生推力。发动机的该部分通常称作风扇。用于风扇流的物理通道通常称作风扇管道，并且风扇管道的外部硬件通常称为风扇整流罩。用于冷风扇排气流的喷嘴通常称作风扇喷嘴。
每个气流产生的推力由发动机设计以及旁路或风扇流与中心流中的空气流量的比——有时称作发动机的旁通比——确定。
图1-3是根据实施方式的其中可以安装热电发生器的燃气涡轮发动机结构的示意性截面图。参考图1，燃气涡轮发动机结构包括发动机110、风扇112、从发动机向下游延伸的中心喷嘴120以及围绕至少一部分中心喷嘴120的风扇喷嘴130。如上所述，在操作中，发动机110产生中心气流，其经由中心喷嘴120排出。发动机110还驱动风扇112，其叶片114压缩称作风扇流的旁通空气流通过风扇喷嘴130。
图2和3是与图1描绘的结构类似的燃气涡轮发动机结构的示意性截面图。图1-3中描绘的实施方式之间的主要差别涉及风扇喷嘴130相对于中心喷嘴120的长度。在图1中，风扇喷嘴130终止在略短于中心喷嘴120终端的点。相比之下，在图2中，风扇喷嘴130终止在显著短于中心喷嘴120终端的点，使得风扇流和中心流以分开流排出。而在图3中，风扇喷嘴130终止在中心喷嘴120终端之后。
在一些实施方式中，中心喷嘴120适合于限定在其中可以安装热电发生器组件的压力通风系统。图4中描述了一个这样的实施方式。参考图4，在一些实施方式中，中心喷嘴120包括中心喷嘴壁122，其限定了中心流流动通过的中心。该中心喷嘴进一步包括与中心喷嘴壁120连接的整流罩组件124。中心喷嘴壁122和整流罩组件124一起限定压力通风系统140，用于接收来自中心喷嘴120的一部分中心流流量。
在一些实施方式中，第一传热翅片142位于压力通风系统内，用于将热量从来自中心喷嘴120的一部分中心流流量传递至热电发生器组件150。类似地，在一些实施方式中，第二传热翅片144可位于压力通风系统内，用于将热量从热电发生器组件150传递至来自风扇喷嘴130的一部分风扇流流量。在图4描绘的实施方式中，气体经由表面进口146流动到第一传热翅片142，该进口有时称作埋入式进口，其是由浅斜面(shallow ramp)组成的进口设计，其中弯曲壁凹入流线型主体的暴露表面，其允许空气流入压力通风系统140。相比之下，空气经由斗式进口148流动到第二传热翅片144，该进口是具有开口或铲斗的进口，其置于流动流中，开口面向到来的流。本领域技术人员将意识到第一传热翅片142和第二传热翅片144可分别通过各自的表面进口146或斗式进口148进入。
热电发生器组件150置于压力通风系统140内。在一些实施方式中，热电发生器组件150具有与中心流流量相邻放置的第一表面152和与风扇流流量相邻放置的第二表面154。压力通风系统140中的气体被排入风扇喷嘴130中的风扇流中，以便获取气体的推进值。
实际上，压力通风系统140可以限定足够大的体积，使得压力通风系统140中的气流速度可以不同于中心流中的气流速度。在操作中，来自中心流气体的热量在热电发生器组件150上产生温差，其又使得热电发生器组件150产生电流。
在一些实施方式中，基本上可以依据共同转让和共同未决的Kwok等人的名称为Thermoelectric Generator Assembly and System(热电发生器组件及系统)的美国专利公开号2011/0108080和Kwok等人的名称为Thermoelectric Generation System(热电发生系统)的美国专利公开号2009/0159110中描述的一个或多个实施方式构造热电发生器组件150。图5是适用于本文的热电发生器组件150的简化示意性图。参考图5，在一些实施方式中，热电发生器组件150包括框架156、安装在该框架上的多个热电发生器装置158以及用于输送热电发生器装置产生的能量的电力总线160。
图6-11是根据实施方式的安装在燃气涡轮发动机上的热电发生器组件的示意性透视图。在图6-11中描绘的实施方式中，将风扇喷嘴截去以显示中心喷嘴120，置于压力通风系统140中的热电发生器组件150的一部分。首先参考图6-7，在一些实施方式中，压力通风系统140可以沿着中心喷嘴120长度的绝大部分延伸。可以在压力通风系统140中放置多个热电发生器组件150的框架156，以便如上所述发电。图8-9图示说明第二个实施方式，其中框架布置在压力通风系统140中以限定凸起的三维表面。图10-11图示说明第二个实施方式，其中TEG框架布置在压力通风系统140中以限定波形的三维表面。
图12是根据实施方式的流程图，其图示说明在燃气涡轮发动机中发电的方法中的操作。参考图12，在操作1210，产生中心流流量，并且在操作1215，产生风扇流流量。在一些实施方式中，当启动发动机时，可以通过燃气涡轮发动机比如喷气发动机执行操作1210和1215。
在操作1220，例如，通过使用如上所述的传热翅片142，一部分中心流流量从中心喷嘴被重新导入通过压力通风系统。类似地，在操作1225，例如，通过使用如上所述的传热翅片144，一部分风扇流流量被重新导入通过压力通风系统。
在操作1230，使重新导入的一部分中心流流量经过热电发生器组件150的第一表面上方，并且在操作1235，使重新导入的一部分风扇流流量经过热电发生器组件150的第二表面上方。在操作1240，热电发生器组件150由热电发生器组件150的第一表面和第二表面之间的温差产生电。在操作1245，流从压力通风系统排出到风扇流中。
图13是具有根据实施方式构造的喷嘴的航空器1300的示意图。参考图13，航空器1300包括机翼1302、机身1301和推进系统1304。图示的推进系统1304包括至少一个燃气涡轮发动机，其可实施为由机翼1302携带的涡轮风扇发动机。可如上所述，实施一个或多个推进系统1304，以包括一个或多个热电发生器组件150。
因此，本文描述了燃气涡轮发动机组件的实施方式，该组件放出(bleed off)小部分中心气流以发电。当能量从航空器发动机内的两股流动流中任意一股永久除去时，发动机的整体性能可能降低。但是当热能从中心流中抽取并回到风扇流中时——如在本文所述的实施方式中，发动机性能不会受损。实际上，整体发动机性能可能增加。这是为什么涡轮风扇发动机在效率上胜过涡轮喷气发动机的原因。在涡轮风扇发动机中，通过涡轮将能量从发动机中心中的热气内抽取出来。通过机械轴，涡轮驱动风扇以使风扇流中的空气移动。风扇流中的能量增加，增加的量为通过涡轮从中心流中抽取的能量减去系统机械失效(inefficiency)的能量。风扇的推进效率高于中心的推进效率。因此整体性能增加。
如本文所述，在一些实施方式中，中心流中相对少量的热气在中心喷嘴壁放出。热气中的一部分热量被抽取并转移通过热电发生器组件150。通过热电发生器组件150产生电力。通过热电发生器组件150的剩余的热能流通过冷风扇空气流冷却，该冷空气也类似地在中心整流罩处放出(bleed)。现在较暖的冷却空气在风扇喷嘴出口之前返回风扇流。用于发电的能量是抽取到TEG中的能量以及热电发生器组件150的效率的乘积，即对于20%有效的热电发生器组件150，用于发电的能量是抽取并且流入热电发生器组件150中的能量的20%；80%未使用的抽取的能量通过冷却空气进入风扇流中，并且返回发动机的控制体积内。
放出用于发电的剩余热气——其现在较冷——进入风扇流中，再次，返回到发动机的控制体积内。在风扇流中添加质量流直接提高来自风扇流的推力输出量。在风扇流中添加能量提高该流中的内能，其也增加来自风扇流的推力。对于非粘性(无摩擦的)系统，可见，由从中心流到风扇流中的质量和能量转移获得的推力大于中心流中相同质量减损损失的推力。在实际系统中，推力平衡是装置性能效率的结果。
说明书中提到的“一个实施方式”、“一些实施方式”指的是：关于该实施方式描述的具体特征、结构或特性被包括在至少一种执行方式中。说明书中各位置出现的短语“在一个实施方式中”可以指或可以不指相同的实施方式。
虽然已经以针对结构特征和/或方法行动的语言描述了实施方式，但应当理解要求保护的主题可不限于所述的具体特征或行动。相反，具体特征或行动被公开作为执行要求保护的主题的样本形式。

Claims (13)

1.用于燃气涡轮发动机的中心喷嘴，包括：
中心喷嘴壁，其限定了中心流流动通过的中心；和
整流罩组件，其与所述中心喷嘴壁连接，其中所述中心喷嘴壁和所述整流罩组件限定压力通风系统，用于从所述中心喷嘴接收一部分中心流流量；以及
热电发生器组件，其位于所述压力通风系统内。
2.权利要求1所述的中心喷嘴，进一步包括：
第一传热翅片，其位于所述压力通风系统内，用于将热量从来自所述中心喷嘴的一部分所述中心流流量传递至所述热电发生器组件。
3.权利要求2所述的中心喷嘴，进一步包括：
第二传热翅片，其位于所述压力通风系统内，用于将热量从所述热电发生器组件传递至来自风扇喷嘴的一部分风扇流流量。
4.权利要求3所述的中心喷嘴，其中：
所述第一传热翅片包括表面进口或斗式进口的至少一个；并且
所述第二传热翅片包括表面进口或斗式进口的至少一个。
5.权利要求4所述的中心喷嘴，其中：
所述热电发生器组件具有与所述中心流流量相邻放置的第一表面以及与所述风扇流流量相邻放置的第二表面。
6.前述权利要求中任一项所述的中心喷嘴，其中所述热电发生器组件包括凸起的三维表面或波形的三维表面的至少一个。
7.前述权利要求中任一项所述的中心喷嘴，其中所述热电发生器组件包括：
框架；
多个热电发生器装置，其安装在所述框架上；和
电力总线，用于输送所述热电发生器装置产生的能量。
8.在燃气涡轮发动机中发电的方法，包括：
在所述燃气涡轮发动机中产生中心流流量；
将来自置于所述燃气涡轮发动机下游的中心喷嘴的一部分所述中心流流量重新导入所述中心喷嘴限定的压力通风系统中；和
使重新导入所述压力通风系统的所述一部分中心流流量经过热电发生器组件的第一表面上方。
9.权利要求8所述的方法，进一步包括：
产生风扇流流量；
将来自风扇喷嘴的一部分所述风扇流流量重新导入所述中心喷嘴限定的所述压力通风系统中；并且
使重新导入所述压力通风系统的所述一部分风扇流流量经过热电发生器组件的第二表面上方。
10.权利要求9所述的方法，其中所述压力通风系统由所述中心喷嘴的中心喷嘴壁和整流罩组件限定，并且其中一个或多个传热翅片在所述压力通风系统中传递热量；
11.权利要求10所述的方法，其中所述压力通风系统中的气流速度不同于所述中心流中的气流速度。
12.权利要求9至11中任一项所述的方法，进一步包括将重新导入所述压力通风系统的所述一部分中心流流量从所述压力通风系统喷射到所述风扇流流量中。
13.权利要求8至12中任一项所述的方法，进一步包括在电力总线上输送来自所述热电发生器组件的电。
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