CN106414904B - 具有液态金属冷却的燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气涡轮发动机，其具有闭环液态金属冷却流体系统，用来冷却在涡轮内的定子静叶，其中定子静叶由不与液态金属冷却流体起反应的金属材料制成。定子静叶可以由典型金属材料诸如含铁金属合金、镍合金或钴(Co)合金制成，并且由钼或钽制成的插件或衬套可以放置于内侧以保护外静叶材料免于和液态金属诸如铋、铅(Pb)、铟或其合金混合物起反应。在液态冷却剂是铋的情况下，液态铋可以从冷却系统净化，之后流体冷却并且凝固，使得已经凝固的铋并不膨胀而使静叶破裂。

Description

具有液态金属冷却的燃气涡轮发动机

技术领域

本发明大体而言是涉及一种燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及一种用于工业燃气涡轮发动机的涡轮的闭环液态金属冷却回路。

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2014年5月14日提交的名称为“液态金属冷却系统(LIQUIDMETAL COOLING SYSTEM)”美国序列号No.61/993,048的权益、在2012年10月18日提交的名称为“具有液态金属冷却的燃气涡轮发动机(GAS TURBINE ENGINE WITH LIQUID METALCOOLING)”的美国序列号No.61/715,364、和在2013年10月18日提交的名称为“具有液态金属冷却的燃气涡轮发动(GAS TURBINE ENGINE WITH LIQUID METAL COOLING)”的美国序列号No.14/056,992的权益，所有这些申请的内容以引用的方式并入到本文中。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压气机以压缩空气，压缩空气被传递到燃烧室内并且与燃料燃烧以产生热气体流。这种热气体流然后通过涡轮，涡轮通常包括四级定子静叶(vane)和转子叶片(blade)中的三级，以从热气体流动提取能量，从而驱动压气机并且在工业燃气涡轮(IGT)发动机的情况下驱动发电机。

可以通过使较高温度气流传递到涡轮内而提高发动机的效率。用于发动机的典型涡轮入口温度是3000℉，其高到足以熔化第一级翼型件。为了使涡轮零件耐受这种极端温度环境，通过使冷却空气通过形成于翼型件内的复杂冷却回路而冷却翼型件。从压气机吹出压缩空气，压缩空气通过翼型件以进行冷却。大约20％的压气机出口空气用于冷却各种涡轮翼型件。然而，由于冷却空气并不在发动机中起到任何作用，这是能量损失。

已知将燃气涡轮发动机的压气机部段中产生的压缩空气的一部分排出用作发动机的涡轮部分中的冷却介质。压缩空气可以喷射到燃烧气体流内以在涡轮表面上提供绝缘薄膜，或者其可以以闭合冷却系统经过热涡轮零件中形成的内冷却通路。这种现有技术装置的示例在1998年7月21日授予Huber等人的美国专利No.5,782,076中示出，美国专利No.5,782,076以引用的方式并入到本文中。

使用闭环冷却系统来改进发动机的冷却效果使得无需来自压气机的压缩空气。在2001年10月2日授予Bancalari的美国专利No.6,295,803(以引用的方式并入到本文中)公开了一种燃气涡轮发动机，其具有闭环冷却回路以从热涡轮部段向压气机部段所产生的压缩空气传热。闭环冷却系统包括安置于压缩空气的流动路径中在压气机部段的出口与燃烧室的入口之间的热交换器。冷却流体可以由位于发动机壳体外侧上的泵或者由安装于转子轴上的泵来驱动。冷却回路可以包括孔口以造成冷却流体从液态变成气态，从而提高了冷却回路的传热能力。Bancalari专利公开了冷却流体可以是蒸汽、空气、乙二醇、液态金属或其它冷却介质。

本发明的申请人发现了液态金属特别适合用作闭环涡轮冷却系统的这种类型的冷却流体；然而，大部分液态金属与涡轮中使用的金属材料诸如构成静叶和叶片的金属会发生很强烈的反应。例如，现代发动机通常包括由铁、镍、铌和/或钴基合金制成的涡轮转子叶片和定子静叶。铋，用于传热过程的良好的液态金属，与镍或钴基合金快速起反应使得两种材料在数分钟内破坏。因此需要彼此不起反应的涡轮材料与液态金属的组合。

发明内容

本发明有利地提供用于燃气涡轮发动机的闭环冷却回路，其中涡轮翼型件和冷却回路的部分由不与液态金属冷却流体起反应的材料组成。一种这样的组合可以是能用作翼型件金属的钼(Mo)、钼合金或钽(Ta)合金，液态金属冷却流体为铋、铅或其组合，包括铋和/或铅与铟(In)的组合。液态金属冷却流体可以经过暴露于高温气流的发动机零件，诸如定子静叶或燃烧室面板，以向这些零件提供冷却。例如，涡轮定子静叶可以包括镍基超合金，并且其中可以包括冷却通路，冷却通路在冷却通路的内表面上由钽(Ta)和/或钼制成插件或衬套加衬或限定，并且其中铋(Bi)液态金属冷却流体可以用来冷却定子静叶。定子静叶可以由标准镍(Ni)基合金或者由钼或另一种金属形成。即使在在冷却流体暴露于燃气涡轮发动机的涡轮的很高温度时，液态铋与钽或钼也只具有有限的反应性。例如，钼加衬的通道可以分隔液态金属与镍基合金。即，加衬的通道可以隔离腐蚀性流体流动，并且防止腐蚀性流体流动侵蚀静叶的金属材料。

在本发明的另一实施例中，涡轮定子静叶可以由典型金属材料诸如含铁金属合金、镍合金或钴(Co)合金制成，并且由钼或钽制成的插件或衬套可以放置于内侧以保护外静叶材料免于和液态金属诸如铋、铅(Pb)、铟或其合金混合物起反应。插件或衬套可以分隔液态金属与主要静叶材料，并且允许热量从主要静叶材料传导至经过插件流动的液态金属冷却剂。用于静叶材料的其它涂层可以包括氧化物涂层或者玻璃、碳化硅或氮化硅的薄涂层。

液态金属运输管可以连接到形成于静叶上的开口以将液态金属运送进出静叶。连接件可以包括钼座与形成于管和静叶上的钼涂层或层的压缩圆锥形配件表面，以便防止钼暴露于空气中。配件可以包括柔顺的铂(Pt)盘形密封件，以允许在配件与静叶开口之间的热膨胀，确保气密牢固的配合，从而防止氧气污染钼。

可以通过围绕预成型的钼液态金属冷却通道来铸造镍基合金以形成静叶。配件(诸如圆锥形配件)然后可以形成于静叶内的液态金属通路的开口上以连接到外部液态金属管路或管。在另一实施例中，静叶可以这样形成，即，铸造镍基合金并且然后在镍基合金中形成螺纹通路用于插入镍封装的钼管以运输液态金属。

在另一实施例中，定子静叶可以由绕用于运输液态金属的钼冷却通道衬套铸造的镍基合金形成，其中静叶包括液态金属冷却通道和在静叶的薄尾边缘部段中的冷却空气冷却通道，静叶的薄尾边缘部段具有尾边缘冷却空气排放孔，使得冷却空气可以用于冷却薄部段并且然后从静叶排放。薄钠层定位于翼型件与液态金属冷却剂通道之间，液态金属冷却剂通道保持传热介质，即使在翼型件相对于液态金属冷却剂通道的热膨胀改变该间距时也行。

附图说明

当结合附图考虑时，参考下文的详细描述，将更易于更全面地理解本发明和本发明附带的优点和特点，在附图中：

图1示出了根据本发明用于燃气涡轮发动机的闭环冷却回路的第一实施例的示意图；

图2示出了根据本发明用于燃气涡轮发动机的闭环冷却回路的第二实施例的示意图；

图3示出了根据本发明用于燃气涡轮发动机的闭环冷却回路的第三实施例的示意图；

图4示出了根据本发明用于向高温流体流暴露的热交换器中的闭环液态金属冷却回路的示意图；

图5示出了涡轮定子静叶的截面图，该涡轮定子静叶具有固定于内侧的金属插件以使用液态金属来冷却静叶；

图6示出了液态金属冷却管的第一实施例的截面图；

图7示出了液态金属冷却管的第二实施例的截面图；

图8示出了具有液态金属冷却通路的涡轮叶片的透视图；

图9示出了液态金属冷却管连接设计的截面图；

图10示出了图9中示出的管的一个部段的特写视图；

图11示出了用于冷却管的两种金属之间的接口的第一实施例的截面图；

图12示出了用于冷却管的两种金属之间的接口的第三实施例的截面图；

图13示出了从用于液态金属冷却中的材料之一形成突出部的过程的第一实施例的图示；

图14示出了从用于液态金属冷却管中的材料之一形成突出部的过程的第二实施例的图示；

图15示出了具有铸造于静叶材料内的液态金属冷却管的静叶的截面图；

图16示出了具有液态金属冷却管的静叶的截面图，该冷却管具有外管连接件；

图17示出了具有液态金属冷却回路和压缩空气冷却回路的静叶的透视图；

图18示出了沿着静叶冷却回路的第一实施例的翼展方向的截面图；

图19示出了沿着静叶冷却回路的第二实施例的翼展方向的截面图；

图20示出了用来形成冷却的静叶的液态金属冷却元件的透视图；

图21示出了可以用来形成冷却的静叶的个别液态金属冷却通路元件；

图22示出了形成静叶的过程的第一步骤，在该静叶中具有液态金属冷却通路；

图23示出了形成静叶的过程的第二步骤，该静叶中具有液态金属冷却通路；

图24示出了形成静叶的过程的第三步骤，该静叶中具有液态金属冷却通路；

图25示出了可以用于闭环液态金属冷却系统的气体净化的流体连接件的截面图；以及

图26示出了由液态钠腔室包围的定子静叶和液态金属冷却管的截面图。

具体实施方式

现参考图1和图2，示出了用于燃气涡轮发动机的闭环冷却系统的截面图。该闭环系统可以包括：压气机11，其由转子轴12可旋转地连接到涡轮13；位于压气机11与涡轮13之间的燃烧室14；两级定子静叶15和转子叶片16；热交换器17；冷却流体泵18；以及，冷却流体管线19，其与被冷却的定子静叶15形成闭环冷却流体通路。

热交换器17可以位于发动机芯内侧(如在Bancalari专利中那样)或者可以位于外侧(如图1所示)。热交换器17可以从定子静叶15向进入燃烧室14的压缩空气传热。从压气机11排放的压缩空气可以通过热交换器17并且然后进入到燃烧室14内。闭环冷却回路可以包括从泵18进入到一级或多级定子静叶15的冷却回路内，通过热交换器17，然后回到泵18的流体流动路径。图1所示的系统可以大体上与图2所示的系统相同，但是出于说明目的，在图1中示出了额外的定子静叶15和转子静叶16。

具有内冷却通路的定子静叶15可以由不与液态金属冷却流体起反应的材料组成。在一实施例中，定子静叶15可以由含铁合金、镍合金和/或钴合金制成。因此，液态金属冷却流体可以是铋或铅、铋与铅的组合或者铋和/或铅与铟的组合，并且衬套或管件可以由钼或钽形成从而避免在液态金属冷却流体与静叶材料之间的反应。具有内冷却流体通路的定子静叶15可以认为是热交换器。热交换器，例如图1至图3中示出的热交换器17或者具有内冷却通路的定子静叶15暴露于液体冷却回路中的最高温度。例如，外部热气体温度可以为大约2500℉，其中定子静叶15具有大约1500℉的金属温度，并且液态金属冷却流体具有大约1000℉的温度。

如果在发动机停机之前或者在发动机零件冷却之前，可以从冷却系统净化冷却流体，钼可以与铋一起用作冷却流体。随着液态铋冷却，其在凝固时膨胀，这可能会造成中空部分，液态金属流入到中空部分从而造成开裂或破裂。实验室测试确定了液态铋与钼和其合金具有有限的反应性，特别是在与燃气涡轮发动机操作一致的升高温度下。液态铋将特别适合于用作液态金属冷却流体，但是其会与用于燃气涡轮发动机的翼型件的现代材料剧烈反应，这些现代材料通常为镍、钴或铁基。在不存在氧的情况下，钼是耐高温材料，但是并不用于翼型件中，因为这种材料不能铸造为翼型件形状，这归因于其高熔化温度。

在铋用作液态金属冷却流体的实施例中，涡轮定子静叶15可以由标准镍基合金或超合金制成，但是冷却流体通路利用钽和/或钼加衬或涂布或者具有钽和/或钼制成的插件。液态金属铋并不与钽和/或钼起反应，并且向静叶15提供充分冷却。液态铋的改进的冷却能力可以提供充分的额外冷却使得标准镍基合金或超合金仍可以使用，即使是在较高气流温度下也行。

在来自燃烧室14的热气体流进入涡轮并且绕定子静叶15传递时，液态金属冷却流体可以通过闭环冷却回路泵送以远离静叶15向冷却流体内传热。受热的冷却流体然后可以通过热交换器17，以向进入燃烧室14的压缩空气添加额外热量。由于这种系统，可不需要将来自压气机11的压缩空气用于冷却第一级定子静叶或第二级定子静叶，只要第一级定子静叶或第二级定子静叶由液态金属冷却流体冷却即可。第一级转子叶片16仍可使用来自压气机11的压缩空气来冷却，如在现有技术中那样。从压气机11排放的压缩空气的温度通常为大约1100℉，这对于冷却流体特别对于第一级静叶而言较高。因此，利用本发明的冷却回路，并不需要来自压气机11的压缩空气用于冷却，并且因此，由于使用从压气机排出的压缩空气造成的系统效率损失并不浪费(即，提高了系统效率)。液态金属冷却剂流体管线19可以由钼或钽制成或者利用钼或钽加衬以便向诸如铋的液态金属冷却剂提供非反应性表面。

现参考图3，示出了用于燃气涡轮发动机的闭环冷却回路的第三实施例的示意图。该闭环液态金属冷却回路可以包括下面这样的构造：其中压气机出口空气的一部分在进入燃烧室14之前通过热交换器17。如在图1和图2中所示，所有压气机出口空气可以通过热交换器17，由于热交换器压降，热交换器17可以产生大约4％的压力损失(ΔP损失)。在图3的实施例中，压气机11出口空气的一部分可以直接传递到燃烧室14内，而其余压气机出口空气可以通过热交换器17，以从通过热交换器17的液态金属流体取得热。受热的压气机出口空气然后可以传递到燃烧室14内以与未受热的压气机出口空气合并并且在燃烧室14内燃烧。通过热交换器17的压气机出口空气的量(在图2中表示为“x”)可以在大约15％与大约30％之间。由马达22驱动的压气机21可以将流入到热交换器17内的压气机11出口空气的压力增加大约15％ΔP，以便减少用于大部分压气机11排放的压气机做功。

在图1至图3中示出的系统可以用于冷却在发动机的涡轮13内的定子静叶15(第一级或者第一级与第二级静叶)。然而，也能使用本发明的闭环液态金属冷却回路来冷却向高温气体流动暴露的发动机的其它零件，其中热交换器17可以由不与液态金属冷却流体起反应的材料制成。例如，燃烧室14可以包括向热气体流暴露的镍基或钴基衬套，该衬套可以包括由诸如钼等材料制成的内热交换器通路，内热交换器通路具有液态金属流体冷却通路，可以通过液态金属流体冷却通路传递液态金属(诸如铋或铅或者铋与铅的组合，和可选地铟)以向燃烧室面板提供冷却。连接到热交换器17的冷却流体管线19可以由相同的耐高温材料制成，诸如钼或钽，只要液态金属冷却剂温度高得足以准许使用相同材料。热交换器17可以向高温暴露并且因此可以由诸如钼或钽等材料制成，这种材料将不与诸如铋或铅等液态金属冷却流体起反应。液态金属冷却剂管线19可以由钼或钽形成或者利用钼或钽加衬，以便向诸如铋或铅等液态金属冷却剂提供非反应性表面。诸如铋等液态金属冷却剂的温度可以沿着整个液态金属冷却管线19变化大约200℉，这归因于这些液态金属冷却剂能提供的高水平的传热能力。

铋可以是最佳地适合于燃气涡轮发动机中使用的高温液态金属冷却流体。钽是耐火金属，具有5425℉的高熔点和高耐腐蚀性。在测试中，液态铋在远高于1200℉的温度表现出与钽有限的反应。

如果在静叶内的液态金属冷却通路和将静叶连接到热交换器的管或管路由诸如钼等材料组成，这种材料能耐高温并且将不与液态金属冷却流体(诸如铋)起反应，那么钼必须受到保护以防止暴露于空气，因为在空气内的氧含量将与钼起反应，即，使钼氧化。因此，钼可以被涂布不会与氧气起反应但能耐受用于燃气涡轮发动机中的高温的材料。例如，钼液态金属冷却通路可以通过镀镍(例如镍基超合金)而覆盖或者用其它耐氧化结合涂层或铸造的钢、镍或钴基合金(包括不锈钢)而覆盖。另外，可以使用钼的覆层或高等静压(HIP)结合。利用这种结构，钼通路可以在很高的温度(关于燃气涡轮发动机)运输腐蚀性流体而不会造成腐蚀性侵蚀。

在钼与例如不锈钢或镍基合金之间形成的结合必须是牢固的连接，以便抵抗裂纹形成。这可以使用多种方法来实现，包括电镀、表面制备或铸造封装。在图18中，向初始镍部件镀上镍、铝化物或MCrAlY或其它合适材料的结合涂层可以确保该壳的研磨(whetting ofthe case)或者进一步电镀封装。另外，钼的外表面可以利用粗糙化制剂处理以促进机械结合接口。

可使用具有本发明的闭环液态金属冷却回路的热交换器的一个示例性系统是太阳能聚集接收器，其可以用来从太阳光线发电。在这种系统中，太阳能光可以从镜面反射并且聚集在较小区域，使得高温可以施加到流体。作为一非限制性实施例，这种系统在图4中示出。太阳能聚集器可以包括第一热交换器31，第一热交换器31内具有闭环冷却流体回路以从聚集的太阳光线吸热并且将热传输到液态金属冷却流体。受热的液态金属冷却流体然后可以通过第二热交换器32，第二热交换器32用来从液态金属流体向空气或水传热以产生热气体流，诸如热空气是来自热水的蒸汽。这种热气体流然后通过涡轮以驱动发电机产生电能。在图4示出的系统中，第一热交换器31可以利用不与液态金属冷却流体起反应的材料诸如钼和/或钽来加衬，而液态金属可以是铋、铅或其组合，包括与铟的组合。第二热交换器32可以不像在第一热交换器31中那样向高温暴露，并且因此可以由常规含铁材料制成。另外，第二热交换器32可以用来加热第二流体诸如水，以产生用于蒸汽涡轮中的蒸汽或空气。液态金属冷却流体泵18也可以用于图4所示的实施例中以泵送冷却流体通过闭环系统。

现参考图5，定子静叶15可以由典型涡轮翼型件材料诸如含铁合金、镍合金或钴合金制成，但是可以包括在冷却流动通路内的插件或衬套34，插件或衬套34由与用于冷却静叶的液态金属冷却剂具有有限反应的材料制成。图5示出了定子静叶15，具有由诸如镍合金等材料制成的主体33和诸如钼或钽等材料的插件34或涂层来保护主体33的材料，以避免诸如铋等液态冷却金属材料的影响。插件34可以由例如钼和/或钽制成，并且可以固定到翼型件主体33内，而无需结合到翼型件，但是仍允许热从静叶金属通过插件34传导至液态金属冷却剂。例如，液态金属冷却剂可以是铋或铅，或者其合金混合物，包括与铟的混合物。铋是当其凝固时膨胀(类似于水)的稀有材料，并且向铋添加足量的铅可限制液态金属冷却剂合金凝固时的膨胀。将钼和/或钽用于插件可以在冷却的涡轮定子静叶15的温度范围与液态金属冷却剂具有有限的反应性。具有液态金属冷却插件的定子静叶15可以用于不旋转的翼型件中，诸如定子静叶15并且不用于转子叶片16，因为涉及到高离心力和密封旋转零件方面的困难。

作为包括插件34的替代，在静叶33内的通路可以被涂布诸如钽和/或钼等材料。替代地，可以使用氧化物涂层、碳化硅涂层、氮化硅涂层或者薄层玻璃。例如，包括薄层玻璃的构造可以优化热导率，从而允许在向液态金属有效传热的同时向基体金属提供保护。

参考图6和图7，示出了液态金属冷却管。在液态金属通路的主体之间的连接可以是压缩圆锥形配装接口，其中一个元件的钼安放到连接元件的钼上，并且一个元件的封装材料(例如，镍基合金)与连接元件的相同材料安放在一起。铂的圆锥形密封件可以放置于两个镍座之间，使得座的任何粗糙度将由相对更软的铂密封件来补偿，相对更软的铂密封件也具有耐高温性。钼－钼座也可以密封液体，并且在镍接口上的铂密封件可以同时形成柔顺的气密密封。

图6示出了具有钼内部段42的液态金属冷却管40，钼内部段42具有通路44，液态金属冷却剂可以通过通路44流动。钼内部段42可以由抗氧化材料诸如镍基合金封装，这种材料用作涡轮定子静叶15和转子叶片16的材料。在钼元件42与镍基合金元件46之间的接口可以是螺纹连接。例如，静叶15可以形成有多个通路44，每个通路44具有形成于表面上的螺纹孔48，使得各个钼元件42可以旋拧到静叶15内的适当位置。图8示出了具有四个螺纹通路48的静叶15，四个单独钼元件42可以固定到四个螺纹通路48内。然而，如果另一联结过程诸如钎焊足够强地将两个元件保持在一起，也可以不形成该接口。镍基合金元件46可以形成静叶结构。

图7示出了其中钼元件42可以包括向外延伸的突出部50的另一实施例，向外延伸的突出部50形成冷却翅片以从镍基合金元件46向钼元件42的内部传热。在图7所示的实施例中，镍基合金元件46可以铸造在钼元件42上。

现参考图9和图10，示出了液态金属冷却管连接的截面图。具体而言，图9示出了在静叶15与外管路或管52之间的连接，外管路或管52输送液态金属进出静叶15。钼元件42可以由镍基合金元件46封装以在静叶15内形成液态金属冷却通路44。外管路或管52也可以形成为具有钼内元件54，钼内元件54由镍基合金外元件56封装。螺纹开口可以形成为在底部具有圆锥形座58，如在图9中的圆圈区域和在图10中相对应的特写图中所示。这可以允许外管路或管52以牢固方式安放于静叶液态金属通路44。在两个元件中，钼42、54可以抵靠彼此安放，从而形成由钼组成的闭合路径用于使液态金属流动通过。即，一旦外管路52抵靠静叶冷却管40安放，静叶冷却管40的通路44就可以延伸到外管路52内，使得液态金属可以容易地从静叶15流到外管路52。例如，外管路或管52可以螺接到静叶15的螺纹开口内。图10示出了铂圆锥形密封件60，铂圆锥形密封件60可以用于外管路52的圆锥形座58的镍基接口与静叶冷却管40的钼42之间以防止任何空间形成于镍部件之间，通过所形成的空间，空气(包含氧气)可能接近钼。铂具有很高熔化温度并且足够软以压缩于两个座之间,并且当在两个座之间发生任何移动时膨胀，两个座之间的移动可能会允许空气进入到接口内。

现参考图11至图14，示出了在冷却管中两种金属之间的接口和用于形成接口的方法。钼层42可以通过多种工艺固定到镍基合金垫物46上。例如，图11示出了其中钼元件42可螺接到镍基合金元件46内的工艺，因为螺纹接口4形成于两个元件内。在此实施例中，镍基合金元件46可以在将钼元件42固定到它上之前铸造。图12示出了形成于钼元件42的外表面上的多个燕尾形凹槽62，其中镍基合金元件46铸造在钼元件42上。

可以通过切割成角度的凹槽而将形成于钼元件42上的凹槽机械加工到表面内，如图13所示。图14示出了其中可以通过切割(例如，利用EDM过程)以形成具有平坦顶部和平坦侧部的直凹槽而形成台阶64从而形成凹槽的另一工艺。然后，诸如辊的装置可以用于压平台阶64的平坦顶部而形成较短但较宽的突出部66，在压平的突出部66之间具有燕尾形凹槽62。燕尾形凹槽62可以提供更强的结合结构以保持镍基合金在钼表面上。

现参考图15和图16，示出了铸造于静叶材料内的液态金属冷却管的截面图。具有液态金属冷却通道的定子静叶15可以通过将镍基合金静叶结构46铸造于钼液态金属冷却管路或管42上而形成。图15示出了一个钼液态金属冷却管42，该钼液态金属冷却管42为U形，外表面上形成有齿或其它脊以形成用于铸造的镍基合金46的结合表面。蜡模可以形成于钼管42上以表示用于熔模铸造过程中的静叶15的形状。然后可以使用蜡模绕钼管42熔模铸造镍基合金46以形成静叶15。钼管42的端部68然后可以被切掉以形成用于螺纹的更宽开口，形成将外钼管52固定到静叶15上的螺纹附连端，如图9和图16所示。外管52可以包括铸造于钼内元件54上的镍基合金元件56。外管52可以运送液态金属冷却剂经过闭合液态金属路径通过冷却回路和热交换器17。钼座的接口可以类似于图9和图10示出和描述的接口，并且可以包括铂圆锥形密封件以防止氧气与钼起反应。

现参考图17至图19，示出了具有液态金属冷却回路和压缩空气冷却回路的静叶。图17示出了定子静叶15，定子静叶15具有用于液态金属冷却剂的第一冷却回路和用于第二冷却流体诸如空气的第二冷却回路。第一冷却回路和第二冷却回路可以是分开的。静叶15可以包括如上文所描述的液态金属冷却通路40以传递液态金属冷却剂来冷却静叶15，其中，可以由形成静叶结构15的镍基合金封装的钼来形成通路。液态金属冷却通路40可以形成于翼型件内，翼型件的厚度或宽度足以容纳通路40。图18示出了具有四个液态金属冷却通路40的静叶15的翼型件的截面图，冷却通路40在静叶15的前边缘区域17朝向静叶15的窄尾边缘区域72之间间隔开。第一冷却回路可以包括液态金属冷却通路40，而第二冷却回路可以包括冷却空气供应通道74和多个引出孔76。冷却空气供应通道74可以沿着尾边缘区域72延伸，以向在尾边缘72上开放的一行引出孔76供应冷却空气，从而从翼型件排放冷却空气并且冷却尾边缘区域72。冷却空气回路可以用于太窄不能装配较大液态金属冷却通路40的翼型件的部段中。图19示出了一个翼型件，其中，冷却空气回路也用于前边缘区域70中。第二冷却空气供应通道74可以用来向沿着前边缘区域70间隔开的薄膜冷却孔76的喷淋头型配置供应冷却空气，从而排放薄膜冷却空气层并且冷却静叶15的前边缘70。

现参考图20和图21，示出了液态金属冷却通路元件。图20示出了其中静叶15可以由钼液态金属冷却通道42和绕钼液态金属冷却通道42铸造的镍基合金46形成的实施例。例如，钼元件42可以包括在内侧上的四个液态金属冷却通路40和在翼弦向方向上沿着翼型件从外表面延伸出来的一系列脊或冷却翅片78。翅片78可以提高从绕翅片78铸造的镍基合金46向穿过冷却通路44的液态金属冷却剂的传热率。在图20中示出的实施例中，冷却管40的钼元件42可以一起形成为单个元件。

图21示出了形成静叶15的另一工艺，其中，每个液态金属冷却通路40可以由单独钼元件42形成，单独钼元件42具有向外延伸的翅片78。每个元件42可以在模具中堆叠在一起以形成图20中示出的完整的钼元件。镍基合金46可以绕多个钼元件42铸造以形成复合静叶15，其中钼冷却通路44形成于镍基合金翼型件15中。然后可以形成带螺纹的较宽开口，使得外液态金属冷却管52可以固定到静叶通路44上。

现参考图22至图24，示出了形成静叶的工艺，在静叶中形成液态金属冷却通路。例如，图22至图24示出了形成复合定子静叶15的过程，其中钼42由镍基合金46封装。没有冷却通路的钼元件42可以固定到模具内并且镍基合金46可以绕钼元件42铸造，如图22所示。在凝固时，液态金属冷却通路44可以由诸如电火花加工(EDM)的工艺形成于钼元件42内，如图23所示。然后，较宽并且带螺纹的开口可以形成于冷却通路44的端部中(如图24所示)，使得外冷却管52可以螺接到静叶冷却通路44内。座可以形成于钼冷却通路44的端部上，因此形成不透流体的密封从而防止氧气接触钼材料。如在上文中所描述，可以使用铂圆锥形密封件来保持密封，即使在发生座略微偏移或移动时也行，这种略微偏移或移动原本会形成小间隙以使氧气到达钼。

而且，如上文所描述，钼可以用于液态金属冷却通路44并且镍基合金46可以用于铸造在钼上以封装钼并且形成静叶形状。然而，也可以使用其它材料作为镍基合金的替代，而不偏离本发明的精神和范围。由于钼高度耐热，可以使用钼。然而，钼可能会被氧气氧化，并且因此必须由不与氧起反应并且也耐受燃气涡轮发动机的涡轮中遇到的高温的另一种材料封装。替代地，可以使用其它耐火材料诸如钨或铌来代替钼。

现参考图25，示出了可以用于闭环金属冷却系统中的气体净化流体连接的截面图。具体而言，图25示出了在可以运送液态金属冷却剂诸如铋的两个钼管42与54之间的连接，其中，可以绕该连接形成净化腔室80。例如，连接可以是在冷却管的钼内层42与外管52的钼内层54之间。净化腔室80可以被填充气体诸如氩气(Ar)或氮气(N)以防止氧气与钼起反应。管40、52的钼(或者例如钽或钨)内层42、54可以由外抗氧化部分46、56形成，外抗氧化部分46、56例如由不锈钢或镍基合金形成以防止氧气与钼管件起反应。冷却管40和外管52可以各具有倾斜或成角度的端部以形成紧密配合。螺纹48可以用于管40、52的两端上以将端部连接在一起。上凸缘82和下凸缘84可以固定到镍基合金部分46、56上，并且可以与波纹管密封组件86一起封闭净化腔室80，并且被填充不与钼起反应的净化惰性气体诸如氩气或氮气。加压净化气体源可以通过惰性气体填充端口88连接到净化腔室80。压力检测端口90也可以通向外侧以连接压力传感器，压力传感器感测净化惰性气体的压力。柔性波纹管组件86可以例如由例如不锈钢或镍基合金形成，并且可以允许不锈钢或镍基合金管46、56相对于钼管42、54热膨胀，同时维持腔室80内充分的净化气体压力。

现参考图26，示出了由液态钠腔室包围的定子静叶和液态金属冷却管的截面图。液态金属冷却管40的钼内部42和外管52的钼内部54可以由抗氧化部分46、56(包括例如不锈钢或镍基合金)包住以防止钼氧化。例如，图16示出了定子静叶15，其中冷却剂管40进出静叶15。液态金属冷却管40和外管52的端部可以成角度以在螺接在一起时形成紧密配合。连接器92和波纹管组件94可以形成波纹管腔室96，波纹管腔室96保持诸如钠的液态金属，这种液态金属用来从热静叶壁46向钼管42传热。图26示出了形成于静叶壁46与钼管42之间可填充液态钠的小间隙98。可以由外壳104封闭的第二波纹管组件102形成第二波纹管腔室100，其中偏压弹簧106迫使液态钠填充间隙98，因此，在发动机操作期间静叶15向热气体暴露而静叶壁材料46膨胀大于钼管42时，并不形成空隙。固持环108可以焊接到静叶15的端壁110和波纹管组件94上，波纹管组件94的一端固定到端壁110上。另一焊焊112可以将波纹管组件94的顶端固定到连接器92上。通路114可以形成于连接器92中以利用液态钠填充波纹管腔室96。在用于具有钼管的工业燃气涡轮发动机中的定子静叶的液态金属冷却回路的此实施例中，液态金属可以是铋。

除了用于燃气涡轮发动机中之外，本发明的液态金属冷却回路可以用于其它装置中。例如，具有蒸汽发生器的核电厂也可以使用该液态金属冷却回路。另外，太阳能收集器和电厂也可使用该液态金属冷却回路来提供冷却或者提取热以用于系统中的其它地方。

本领域技术人员应意识到，本发明并不限于在上文中特别地示出和描述的那些。此外，除非上文明确提到相反的情况，应当指出的是所有附图未必按照比例绘制。鉴于上述教导内容，多种修改和变型是可能的，而不偏离受权利要求限制的本发明的范围和精神。

Claims (9)

1.一种用于发电的工业燃气涡轮发动机，包括：

压气机，其用于向燃烧室供应压缩空气；

涡轮，其可旋转地连接到所述压气机，所述涡轮定位成接收在所述燃烧室中产生的热气流；

在所述涡轮内的第一级定子静叶行，所述第一级定子静叶行由基体金属形成；

冷却流体通路，其形成于所述第一级定子静叶行内；

液态金属冷却剂，其通过所述第一级定子静叶行的所述冷却流体通路以向所述第一级定子静叶行提供冷却，所述液态金属冷却剂会与所述第一级定子静叶行的基体金属起反应；

在所述第一级定子静叶行的冷却流体通路内的衬套，其用于防止金属冷却剂与第一级定子静叶行的基体金属起反应，所述衬套由不与所述第一级定子静叶行的基体金属和所述液态金属冷却剂起反应的材料形成。

2.根据权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述液态金属冷却剂是铋或铅。

3.根据权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述液态金属冷却剂是铋与铅的组合。

4.根据权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述液态金属冷却剂是铋、铅和铟的组合。

5.根据权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述第一级定子静叶行的基体金属是含铁金属合金、镍合金和钴合金之一。

6.根据权利要求1所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述衬套材料是钼或钽。

7.一种用于发电的工业燃气涡轮发动机，包括：

具有定子静叶的涡轮，所述涡轮驱动发电机产生电力，所述定子静叶由基体金属形成并且其中具有冷却剂通路，所述基体金属是含铁金属合金、镍合金和钴合金之一；

液态金属冷却剂回路，其通过形成于所述定子静叶内的所述冷却剂通路，所述液态金属冷却剂会与所述定子静叶的所述基体金属起反应，所述液态金属冷却剂包括铋和铅中的至少一种；

固定于所述定子静叶的冷却剂通路内的衬套，其用于防止所述液态金属冷却剂与所述定子静叶的所述基体金属起反应，所述衬套由不与所述定子静叶的所述基体金属或所述液态金属冷却剂起反应的材料形成，所述材料是钽和钼之一。

8.根据权利要求7所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述液态金属冷却剂是铋与铅的组合。

9.根据权利要求7所述的工业燃气涡轮发动机，其中，所述液态金属冷却剂是铋、铅和铟的组合。