CN111120109A - 用于燃气涡轮发动机中护罩冷却的系统和方法 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机中护罩冷却的系统和方法 Download PDF

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本杰明·保罗·拉西
托马斯·詹姆斯·布伦特
詹森·雷·格雷格
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Abstract

本发明题为“用于燃气涡轮发动机中护罩冷却的系统和方法”。本发明提供了一种旋转机器(10)，该旋转机器包括可旋转构件(18)和在可旋转构件(18)之上周向延伸的壳体(36)。壳体(36)包括第一目标冲击表面和第二目标冲击表面(104)。冷却系统(100)包括第一冲击板和第二冲击板(128)。第一冲击板(126)定位在第一目标冲击表面(102)和第二目标冲击表面(104)的至少一部分之上。第一冲击板(126)限定多个第一冲击孔(200)，该多个第一冲击孔被配置为将第一冷却流体流(134)朝向第一目标冲击表面(102)引导。第二冲击板(128)定位在第二目标冲击表面(104)之上。第二冲击板(128)限定多个第二冲击孔(200)，该多个第二冲击孔被配置为将第二冷却流体流(136)朝向第二目标冲击表面(104)引导。壳体(36)在第一目标冲击表面(102)中的厚度(120)不同于壳体(36)在第二目标冲击表面(104)中的厚度(122)。

Description

用于燃气涡轮发动机中护罩冷却的系统和方法
背景技术
本公开的领域整体涉及用于燃气涡轮发动机的冷却系统，并且更具体地，涉及用于冷却燃气涡轮发动机内护罩上局部区域的冷却系统。
至少一些已知的燃气涡轮发动机包括护罩，该护罩围绕高压压缩机、低压压缩机、燃烧室和涡轮中一者或多者。当燃气涡轮发动机变得功率更大时，在燃气涡轮发动机内产生的温度会升高。燃气涡轮发动机内温度的升高可能导致护罩的局部区域相较于小功率的燃气涡轮发动机中可能的膨胀更大程度地膨胀和收缩。具体地，护罩中邻近旋转涡轮叶片的那些区域可能暴露于较高的温度，该温度可能导致护罩膨胀并增大限定在护罩和涡轮叶片之间的尖端间隙。增大的尖端间隙可能增大尖端渗漏并降低涡轮效率。
此外，为刀片尖端和护罩间隙保持紧密间隙所需的附加冷却流动的量针对护罩上的不同区域而变化。例如，根据护罩在该位置处的厚度和在该位置处的护罩的温度，至少一些区域可能需要附加的冷却。对于至少一些已知的燃气涡轮发动机，向整个护罩提供增加量的冷却流体降低了燃气涡轮发动机的工作效率。因此，期望能够设计一种对护罩局部冷却的系统，以利于提高燃气涡轮发动机的效率。
发明内容
在一个方面，提供了一种用于旋转机器的冷却系统。旋转机器包括限定旋转轴线的至少一个可旋转构件和在可旋转构件的至少一部分之上周向延伸的壳体。壳体包括具有第一目标冲击表面和第二目标冲击表面的径向外表面。冷却系统包括第一冲击板和第二冲击板。第一冲击板定位在壳体的第一目标冲击表面和壳体的第二目标冲击表面的至少一部分之上。第一冲击板限定多个第一冲击孔，该多个第一冲击孔被配置为将第一冷却流体流朝向第一目标冲击表面引导。第二冲击板定位在壳体的第二目标冲击表面之上。第二冲击板限定多个第二冲击孔，该多个第二冲击孔被配置为将第二冷却流体流朝向第二目标冲击表面引导。壳体在第一目标冲击表面中的厚度不同于壳体在第二目标冲击表面中的厚度。
在另一方面，提供了一种冷却壳体的方法。该方法包括将来自冷却流体源的第一冷却流体流引导通过限定在第一冲击板中的多个第一冲击孔至壳体的第一区域。壳体的第一区域具有第一厚度。该方法还包括将来自冷却流体源的第二冷却流体流引导通过限定在第二冲击板中的多个第二冲击孔至壳体的第二区域。壳体的第二区域具有第二厚度。第一厚度不同于第二厚度。
在另一方面，提供了一种旋转机器。该旋转机器包括节段、壳体和冷却系统。节段定义了旋转轴线。壳体围绕节段并且包括具有第一目标冲击表面和第二目标冲击表面的径向外表面。冷却系统定位在壳体之上并且包括第一冲击板和第二冲击板。第一冲击板定位在壳体的第一目标冲击表面和壳体的第二目标冲击表面的至少一部分之上。第一冲击板限定多个第一冲击孔，该多个第一冲击孔被配置为将第一冷却流体流朝向第一目标冲击表面引导。第二冲击板定位在壳体的第二目标冲击表面之上。第二冲击板限定多个第二冲击孔，该多个第二冲击孔被配置为将第二冷却流体流朝向第二目标冲击表面引导。壳体在第一目标冲击表面中的厚度不同于壳体在第二目标冲击表面中的厚度。
附图说明
图1为示例性旋转机器的示意图；
图2为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的冷却系统的放大示意图；
图3为也具有图2所示的壳体冷却系统的第一冲击板和第二冲击板的示意性顶视图；
图4为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的另一个冷却系统的放大示意图；
图5为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的另一个冷却系统的放大示意图；
图6为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的另一个冷却系统的放大示意图；
图7为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的另一个冷却系统的放大示意图；
图8为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的另一个冷却系统的放大示意图；
图9为定位在图1所示的旋转机器的壳体的外表面上的另一个冷却系统的放大示意图；并且
图10为冷却图1所示的旋转机器的壳体的方法的示例性实施方案的流程图。
具体实施方式
本文所述的示例性壳体冷却系统和方法有利于提高旋转机器的效率、减少旋转机器的重量和冷却旋转机器的壳体。本文所述的壳体冷却系统的实施方案包括定位在第一目标冲击表面之上的第一冲击板和定位在第二目标冲击表面之上的第二冲击板。第一冲击板和第二冲击板各自包括多个冲击孔，该多个冲击孔被配置为分别将冲击空气流引导到第一目标冲击表面和第二目标冲击表面。第一目标冲击表面和第二目标冲击表面位于旋转机器的壳体的外表面上。第二目标冲击表面定位在具有升高的温度的壳体区域之上，并且因此具有比第一目标冲击表面高的工作温度。壳体在第二目标冲击表面处的厚度不同于壳体在第一目标冲击表面处的厚度。因此，在给定冷却流下，冲击空气和目标冲击表面之间的热传递效能在第二目标冲击表面处比在第一目标冲击表面处高。
在每个实施方案中，第一冲击空气流被第一冲击板引导到第一目标冲击表面，并且在从第一目标冲击表面吸收热量之后，变成比第一冲击空气流暖的第二冲击空气流。随后，第二冲击空气流经由第二冲击板被引导到第二目标冲击表面，并且从第二目标冲击表面吸收热量。因此，在每个实施方案中，第一目标冲击表面和第二目标冲击表面被单个冲击空气流冷却，从而提高旋转机器的效率。
除非另外指示，否则如本文所使用的近似语言，诸如“大致地”、“基本上”和“约”指示如本领域普通技术人员将认识到的，如此修饰的术语可以仅适用于近似程度，而不是绝对或完美程度。近似语言可以用于修改可以允许变化的任何定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或多个术语(诸如“约”、“大约”和“基本上”)修饰的值不限于指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。这里以及整个说明书和权利要求书中，可以识别范围限制。除非上下文或语言另有指示，否则这些范围可以组合和/或互换，并且包括其中包含的所有子范围。
附加地，除非另外指示，否则术语“第一”、“第二”等在本文中仅用作标记，并且不旨在对这些术语所涉及的项目施加顺序、位置或分级要求。此外，例如，对“第二”项目的引用不要求或排除存在例如“第一”或较低编号的项目或“第三”或较高编号的项目。
图1为可以与本公开的实施方案一起使用的示例性旋转机器10的示意图。在示例性实施方案中，旋转机器10为燃气涡轮，该燃气涡轮包括进气部分12、在进气部分12下游联接的压缩机部分14、在压缩机部分14下游联接的燃烧室部分16、在燃烧室部分16下游联接的涡轮部分18，以及在涡轮机部分18下游联接的排气部分20。大致管状壳体36至少部分地包封进气部分12、压缩机部分14、燃烧室部分16、涡轮部分18以及排气部分20中的一者或多者。壳体冷却系统100定位在壳体36的外表面38上并且被配置为冷却壳体36的一定区域。在示例性实施方案中，壳体冷却系统100定位在靠近涡轮部分18的外表面38上。在另选的实施方案中，壳体冷却系统100定位在使得旋转机器10能够如本文所述操作的任何位置处的外表面38上。在另选的实施方案中，旋转机器10为具有转子叶片的任何机器，其中，本公开的实施方案能够如本文所述起作用。
在示例性实施方案中，涡轮部分18经由转子轴22联接到压缩机部分14。应当注意，如本文所用，术语“联接”不限于部件之间的直接机械、电气和/或通信连接，但也可以包括多个部件之间的间接机械、电气和/或通信连接。
在燃气涡轮10的操作期间，进气部分12将空气朝向压缩机部分14引导。压缩机部分14将空气压缩至较高的压力和温度。更具体地，转子轴22向联接到压缩机部分14内的转子轴22的至少一周向排压缩机叶片40施予旋转能。在示例性实施方案中，每排压缩机叶片40之前是一周向排从壳体36径向向内延伸的压缩机定子叶片42，该压缩机定子叶片将空气流导向压缩机叶片40中。压缩机叶片40的旋转能增加空气的压力和温度。压缩机部分14向燃烧室部分16排放压缩空气。
在燃烧室部分16中，压缩空气与燃料混合并被点燃以产生朝向涡轮部分18引导的燃烧气体。更具体地，燃烧室部分16包括至少一个燃烧室24，其中燃料(例如，天然气和/或燃料油)被注入到空气流中，并且燃料空气混合物被点燃以产生朝向涡轮部分18引导的高温燃烧气体。
涡轮部分18将来自燃烧气体流的热能转换为机械旋转能。更具体地，燃烧气体向联接到涡轮部分18内的转子轴22的至少一周向排转子叶片70施予旋转能。在示例性实施方案中，每排转子叶片70之前是一周向排从壳体36径向向内延伸的涡轮定子叶片72，其将燃烧气体导向转子叶片70中。转子轴22可以联接至负载(未示出)，诸如但不限于发电机和/或机械驱动应用。排出的燃烧气体从涡轮部分18下游流入排气部分20中。旋转机器10的热气体路径中的旋转机器10的部件(诸如但不限于转子叶片70)因暴露于高温气体而经受磨损和/或损坏。
图2为壳体冷却系统100的放大示意图，该壳体冷却系统100定位在与旋转机器10的涡轮部分18相邻的壳体外表面38上(图1中示出)。具体地，在示例性实施方案中，壳体冷却系统100被定位成邻近一周向排转子叶片70。另选地，壳体冷却系统100可以定位在旋转机器10的使旋转机器10能够如本文所述操作的任何部分之上。例如，壳体冷却系统100可以定位在壳体36的暴露于高温和/或高速气体的任何部分之上，诸如但不限于1级涡轮喷嘴。壳体外表面38包括各自至少部分地围绕壳体36的第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104。壳体36还包括围绕旋转机器10的内表面106。在示例性实施方案中，内表面106围绕涡轮部分18的转子叶片70。在另选的实施方案中，内表面106可以围绕旋转机器10的使旋转机器10能够如本文所述操作的任何部分。涂层108被涂覆到内表面106以有利于保护壳体36免受高温高速度气体的影响。具体地，在示例性实施方案中，涂层108为热障涂层。另选地，涂层108可以为使旋转机器10能够如本文所述操作的任何类型的涂层。
在示例性实施方案中，壳体36包括第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104。尽管图2中示出了两个目标冲击表面102和104，但是另选地，壳体36可以包括能够使旋转机器10如本文所述操作的多个目标冲击表面，包括但不限于三个、四个或五个目标冲击表面。壳体36通常包括通过多个周向壳体钩或护罩钩116和118彼此联接的多个周向部分110、112和114。在示例性实施方案中，第一周向部分110通过第一壳体钩116联接到第二周向部分112，并且第二周向部分112通过第二壳体钩118联接到第三周向部分114。
如图2所示，第二周向部分114包括第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104。第一目标冲击表面102具有第一目标冲击表面厚度120，并且第二目标冲击表面104具有第二目标冲击表面厚度122。相似地，第一周向部分110具有第一周向部分厚度124，并且第三周向部分114具有第三周向部分厚度125。如下所述，厚度120至125被选定为向旋转机器10提供机械支撑，同时能够通过周向部分110、112和114进行热传递。
壳体冷却系统100包括第一冲击板126和第二冲击板128。在示例性实施方案中，第一冲击板126联接到第一壳体钩116和第二壳体钩118，使得第一冲击板126定位在第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104之上。在另选的实施方案中，第一冲击板126可以仅定位在第一目标冲击表面102之上，或者第一冲击板126可以定位在第一目标冲击表面102之上并且仅部分地在第二目标冲击表面104之上。在示例性实施方案中，第二冲击板128仅定位在第二目标冲击表面104之上。在另选的实施方案中，第二冲击板128可以定位在第二目标冲击表面104之上并且部分地在第一目标冲击表面102之上。另外，在示例性实施方案中，第二冲击板128联接到第二圆周部分112，使得第一冲击板126定位在第二冲击板128的之上。在另选的实施方案中，第一冲击板126可以不定位在第二冲击板128之上，或者第一冲击板126可仅部分地定位在第二冲击板128之上。
在示例性实施方案中，第一冲击板126、第二冲击板128、第一壳体钩116、第二壳体钩118和第一目标冲击表面102限定第一冲击区130。第二冲击板128和第二目标冲击表面104限定第二冲击区132。第一冲击区130围绕壳体36周向延伸，并且在壳体36周围引导冷却流体流，以冷却第一目标冲击表面102。相似地，第二冲击区132围绕壳体36周向延伸，并且在壳体36周围引导冷却流体流，以冷却第二目标冲击表面104。在示例性实施方案中，冷却流体流是冲击空气流。然而，冷却流体流可以是使壳体冷却系统100能够如本文所述操作的任何类型的冷却流体。
图3为第一冲击板126和第二冲击板128的示意性顶视图。第一冲击板126和第二冲击板128各自包括延伸穿过其中的多个冲击孔200。冲击孔200被组织和尺寸设计为将冲击空气流引导到第一冲击区130和/或第二冲击区132中，以有利于冷却第一目标冲击表面102和/或第二目标冲击表面104。每个冲击孔200包括形心202和冲击孔直径204。图3所示的冲击孔200被组织成具有限定在相邻冲击孔200的形心202之间的冲击孔距离206。在第一冲击板126和第二冲击板128中限定的冲击孔200按照冲击孔密度图案208进行组织。在示例性实施方案中，冲击孔距离206为所有冲击孔200之间的常数，使得冲击孔密度图案208为恒定冲击孔密度图案208。在另选的实施方案中，冲击孔距离206可在相邻冲击孔200之间变化，使得冲击孔密度图案208为变化的冲击孔密度图案208。
限定在第一冲击板126和第二冲击板128的局部区域内的冲击孔密度图案208是确定流率、速度、压降、雷诺数，以及最终确定冲击空气流的热传递系数的主要参数之一。该参数组合确定了沿第一目标冲击表面102和/或第二目标冲击表面104的最终热传递系数和热传递速率。
调整限定在第一目标冲击表面102和/或第二目标冲击表面104的局部区域内的冲击孔密度图案208，以及将冷却区分成第一冲击区130和第二冲击区132，有利于调谐流率、速度、压降、雷诺数，以及最终调节沿第一目标冲击表面102和/或第二目标冲击表面104的热传递系数。根据局部要求调节热传递系数使得壳体冷却系统100能够有效地冷却壳体36。
参见图2，在操作期间，由箭头134指示的第一冲击空气流被引导到壳体冷却系统100中。在示例性实施方案中，第一冲击空气流134从压缩机部分14(图1中所示)引导到壳体冷却系统100。第一冲击空气流134可源自使壳体冷却系统100能够如本文所述操作的任何空气源。第一冲击空气流134处于第一温度。第一冲击板126内的冲击孔200将第一冲击空气流134引导到第一冲击区130内朝向第一目标冲击表面102。第一冲击空气流134吸收来自第一目标冲击表面102的热量，使得第一冲击空气流134的工作温度从第一温度增至第二温度，同时第一目标冲击表面102的温度降低并且第一冲击空气流134变成具有较高工作温度的(由箭头136所指示的)第二冲击空气流。第一冲击空气流134中的一些或全部变成第二冲击空气流136。例如，第一冲击空气流134中的一些可在进入第二冲击区132之前通过多个冷却出口孔(未示出)离开第一冲击区130。另外，第一冲击空气流134中的一些可在进入第二冲击区132之前通过第一冲击板126内的冲击孔200离开第一冲击区130。因此，第一冲击空气流134中的一些可离开第一冲击板126内的多个冷却出口孔或冲击孔200，而第一冲击空气流134中的一些通过第二冲击板128内的冲击孔200进入第二冲击区132。另选地，第一冲击空气流134中的全部可变成第二冲击空气流136并流入第二冲击区132中。第二冲击空气流136随后通过第二冲击板128内的冲击孔200引导到第二冲击区132内朝向第二目标冲击表面104。第二冲击空气流136吸收来自第二目标冲击表面104的附加热量，使得第二冲击空气流136的温度从第二温度升高至第三温度，同时第二目标冲击表面104的温度降低。因此，在示例性实施方案中，第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104通过源自第一冲击空气流134的单个冲击空气流得到冷却。由于第二冲击空气流136源自第一冲击空气流134，因此第二冲击空气流136的流速小于或等于第一冲击空气流134的流速。相反，第一冲击空气流134的流速大于或等于第二冲击空气流136的流速。
如图2所示，第二目标冲击表面104直接定位在周向排的转子叶片70之上。在周向排的转子叶片70(第二目标冲击表面104)正上方的壳体36的区域相比于不在周向排的转子叶片70(第一目标冲击表面102)正上方的壳体36的区域暴露于较高的温度。因此，第一目标冲击表面102的温度通常小于第二目标冲击表面104的温度。然而，第一目标冲击表面102的温度可以大于或等于第二目标冲击表面104的温度。除其他因素之外，冲击空气流134和136与目标冲击表面102和104之间的温差部分地确定冲击空气流134和136与目标冲击表面102和104之间的总体热传递速率。在示例性实施方案中，冲击空气流134比冲击空气流136冷，因为冲击空气流136已经吸收了来自第一冲击表面102的热量。第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的足够温差驱动从第二目标冲击表面104到第二冲击空气流136的热传递。另外，重复利用第一冲击空气流134作为第二冲击空气流136有利于提高旋转机器10的效率，因为不需要专用的附加冷却流来冷却第二目标冲击表面104。
另外，第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的热传递效能部分地确定了第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的总体热传递速率。热传递效能部分地由第二目标冲击表面厚度122确定。具体地，第一目标冲击表面厚度120不同于第二目标冲击表面厚度122。在示例性实施方案中，减小第二目标冲击表面厚度122使得第二冲击空气流136更靠近热负载(即，周向排的转子叶片70)并且使得第一目标冲击表面厚度120比第二目标冲击表面厚度122厚。因此，减小第二目标冲击表面厚度122有利于增大第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的热传递效能，并且有利于增大第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的总体热传递速率。增大第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的总体热传递速率有利于提高旋转机器10的效率。此外，减小第二目标冲击表面厚度122还可减小旋转机器10的重量。
然而，虽然减小第二目标冲击表面厚度122有利于提高旋转机器10的热效率，但是减小第二目标冲击表面厚度122也可能有利于增大壳体36邻近第二目标冲击表面104的机械应力。因此，壳体36的厚度仅在其中最高热负荷沿着壳体36定位的区域(即，在周向排的转子叶片70之上的第二目标冲击表面104)中减小。另外，第二冲击板128直接定位在第二目标冲击表面104之上，以为第二目标冲击表面104周围的壳体36提供机械支撑。因此，第二冲击板128还提供能够减小由减小第二目标冲击表面厚度122而引起的机械应力的机械优点。此外，可增加第一周向部分厚度124和第三周向部分厚度125以提供能够减小由减小第二目标冲击表面厚度122而引起的机械应力的机械优点。
另外，如上所述，可通过改变第一冲击板126和第二冲击板128内冲击空200的冲击孔距离206、冲击孔直径204和冲击孔密度图案208来调节第二冲击空气流136的流率、速度、压降、雷诺数，以及最终调节热传递系数。另外，可通过改变第一冲击板126和第一目标冲击表面102之间的距离来调节第二冲击空气流136的流率、速度、压降、雷诺数，以及最终调节热传递系数。因此，第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的热传递系数可在第二目标冲击表面104的局部区域中增大或减小，以有利于提高旋转机器10的效率。
图2所示的示例性实施方案仅包括两个冲击区，第一冲击区130和第二冲击区132。然而，壳体冷却系统100可包括任何数量的冲击区，包括但不限于使壳体冷却系统100能够如本文所述操作的三个、四个或更多个冲击区。此外，虽然壳体冷却系统100仅包括两个目标冲击表面，第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104，但壳体冷却系统100可包括使壳体冷却系统100能够如本文所述操作的任何数量的目标表面，包括但不限于三个、四个或更多个目标表面。即，壳体冷却系统100可包括多于两个的冲击区，其重复使用冲击空气多于一次来冷却多于两个的目标表面。
因此，图2和图3所示的示例性实施方案通过冷却在周向排的转子70正上方的第二目标冲击表面104并重复利用第一冲击空气流134以冷却第二目标冲击表面104来提高旋转机器10的效率。
图4为壳体冷却系统400的放大示意图，该壳体冷却系统400定位在壳体36的外表面38上，靠近旋转机器10的涡轮部分18(图1中所示)。壳体冷却系统400基本上类似于壳体冷却系统100，不同的是壳体冷却系统400包括第二冲击区管道402，该第二冲击区管道被配置为将由箭头404指示的第三冲击空气流引导到第二冲击区132中。在操作期间，第三冲击空气流404从压缩机部分14(图1中所示)引导到壳体冷却系统400。第三冲击空气流404与第二冲击区132内的第二冲击空气流136混合，并且合并成由箭头406所指示的导向第二目标冲击表面104的第四冲击空气流。即，一旦第三冲击空气流404和第二冲击空气流136已进入第二冲击区132，则第三冲击空气流404与第二冲击空气流136混合从而变成第四冲击空气流406。因此，第三冲击空气流404的温度低于第二冲击空气流136的温度，并且第三冲击空气流404降低了第二冲击空气流136的温度，从而使得第四冲击空气流406的温度低于第二冲击空气流136的温度。因此，第四冲击空气流406和第二目标冲击表面104之间的温差增大，并且第四冲击空气流406和第二目标冲击表面104之间的总体热传递也增加。因此，将第二冲击空气流136与第三冲击空气流404混合有利于增加从第二目标冲击表面104的总体热传递。
图5为壳体冷却系统500的放大示意图，该壳体冷却系统定位在壳体36的外表面38上，靠近旋转机器10的涡轮部分18(图1中所示)。壳体冷却系统500基本上类似于壳体冷却系统100，不同的是壳体冷却系统500包括第二冲击区管道502，该第二冲击区管道被配置为将由箭头504指示的第五冲击空气流引导到第二冲击区132中。另外，第二冲击板128不包括任何冲击孔200(图3中所示)，并且因此，第二冲击空气流136并未被引导到第二冲击区132中。在操作期间，第五冲击空气流504从压缩机部分14(图1中所示)引导到壳体冷却系统500并且被导向第二目标冲击表面104。因此，第五冲击空气流504的温度低于第二冲击空气流136的温度。因此，第五冲击空气流504和第二目标冲击表面104之间的温差增大，并且第五冲击空气流504和第二目标冲击表面104之间的总体热传递也增加。因此，将较凉的第五冲击空气流504而非较暖的第二冲击空气流136导向第二目标冲击表面104有利于增加从第二目标冲击表面104的总体热传递。
图6为壳体冷却系统600的放大示意图，该壳体冷却系统600定位在壳体36的外表面38上，靠近旋转机器10的涡轮部分18(图1中所示)。壳体冷却系统600基本上类似于壳体冷却系统100，不同的是壳体冷却系统400包括被配置为冷却第二冲击空气流136的第二冲击板热交换器602。在示例性实施方案中，第二冲击板热交换器602为板和框架热交换器，该框架热交换器包括被配置为冷却第二冲击空气流136的多个通道604。第二冲击板热交换器602可以被附加地制造为包括通道604或者可通过使第二冲击板热交换器602能够如本文所述操作的任何方法来制造。在操作期间，将第二冲击空气流136引导通过第二冲击板热交换器602的通道604，使得第二冲击空气流136的温度降低，从而变成由箭头606所指示的第六冲击空气流。因此，第六冲击空气流606的温度低于第二冲击空气流136的温度。第六冲击空气流606和第二目标冲击表面104之间的温差增大，并且第六冲击空气流606和第二目标冲击表面104之间的总体热传递也增加。因此，将较凉的第六冲击空气流606而非较暖的第二冲击空气流136导向第二目标冲击表面104有利于增加从第二目标冲击表面104的总体热传递。
图7为壳体冷却系统700的放大示意图，该壳体冷却系统700定位在壳体36的外表面38上，靠近旋转机器10的涡轮部分18(图1中所示)。壳体冷却系统700基本上类似于壳体冷却系统100，不同的是壳体冷却系统700包括第一壳体钩702和第二壳体钩704，其各自包括多个通道706，该多个通道被配置为冷却第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136。即，第一壳体钩702和第二壳体钩704为热交换器，该热交换器被配置成冷却第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136。在示例性实施方案中，第一壳体钩702和第二壳体钩704被附加地制造成包括通道706，或者可通过使第一壳体钩702和第二壳体钩704能够如本文所述操作的任何方法来制造。在操作期间，第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136被引导通过第一壳体钩702和第二壳体钩704的通道706，使得第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136的温度降低。较冷的第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136被引导回第一冲击区130和/或第二冲击区132，以降低第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136的温度。因此，第一冲击空气流134和第一目标冲击表面102和/或第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的温度差增大，并且也增加了第一冲击空气流134和第一目标冲击表面102和/或第二冲击空气流136和第二目标冲击表面104之间的总体热传递。因此，降低第一冲击空气流134和/或第二冲击空气流136的温度有利于增加从第二目标冲击表面104的总体热传递。
图8为壳体冷却系统800的放大示意图，该壳体冷却系统定位在壳体36的外表面38上，靠近旋转机器10的涡轮部分18(图1中所示)。壳体冷却系统800基本上类似于壳体冷却系统100，不同的是壳体冷却系统800包括具有与第一冲击板126和第二冲击板128不同的结构特征的第一冲击板802和第二冲击板804。例如，第一冲击板802限定凹陷806，并且因此更靠近第一目标冲击表面102。凹陷806减小了第一冲击板802和第一目标冲击表面102之间的距离，并且因此可改善第一冲击板802和第一目标冲击表面102之间的热传递效能。第二冲击板804包括附加的中间冲击区壁808，使得第二冲击板804限定中间冲击区810。中间冲击区810控制冲击空气从第一冲击区130到第二冲击区132的压降。中间冲击区壁808包括多个冲击孔200(图3中所示)，该多个冲击孔被配置为将冲击空气导向第二目标冲击表面104。在操作期间，第一冲击空气流134被引导到第一目标冲击表面102并且吸收来自第一目标冲击表面102的热量从而成为第二冲击空气流136。第二冲击空气流136随后被引导到第二冲击板804内的中间冲击区810。第二冲击空气流136随后通过中间冲击区壁808内的冲击孔200引导到第二冲击区132内至第二目标冲击表面104。第二冲击空气流136吸收来自第二目标冲击表面104的附加热量，使得第二目标冲击表面104的温度降低。因此，在示例性实施方案中，第一目标冲击表面102和第二目标冲击表面104被单个冲击空气流冷却。
图9为壳体冷却系统900的放大示意图，该壳体冷却系统900定位在壳体36的外表面38上，靠近旋转机器10的涡轮部分18(图1中所示)。壳体冷却系统900基本上类似于壳体冷却系统800，不同的是壳体冷却系统900包括具有第二冲击区管道906的第二冲击板904，该第二冲击区管道906被配置为将由箭头908所指示的第七冲击空气流引导到中间冲击区810中。在操作期间，第七冲击空气流908从压缩机部分14(图1中所示)引导到壳体冷却系统900。第七冲击空气流908与第二冲击空气流136混合，并且在中间冲击区810内合并成由箭头910所指示的第八冲击空气流。第八冲击空气流910随后通过中间冲击区壁808内的冲击孔200引导到第二冲击区132内至第二目标冲击表面104。第八冲击空气流910吸收来自第二目标冲击表面104的附加热量，使得第二目标冲击表面104的温度降低。因此，第七冲击空气流908的温度低于第二冲击空气流136的温度，并且第七冲击空气流908降低了第二冲击空气流136的温度，从而使得第八冲击空气流910的温度低于第二冲击空气流136的温度。因此，第八冲击空气流910和第二目标冲击表面104之间的温差增大，并且第八冲击空气流910和第二目标冲击表面104之间的总体热传递也增加。因此，将第二冲击空气流136与第七冲击空气流908混合有利于增加从第二目标冲击表面104的总体热传递。
如图9所示，第二周向部分114包括第三目标冲击表面912和第四目标冲击表面914。第三目标冲击表面912具有第三目标冲击表面厚度916，并且第四目标冲击表面914具有第四目标冲击表面厚度918。如图2和图4至图8所示，第一目标冲击表面厚度120不同于第二目标冲击表面厚度122。具体地，第一目标冲击表面厚度120大于第二目标冲击表面厚度122。然而，可改变目标冲击表面厚度120、122、916和918，使得目标冲击表面102、104、912和914的总体热传递速率和热传递效能根据旋转机器10的要求得到调整。例如，如图9所示，第三目标冲击表面厚度916小于第四目标冲击表面厚度918。在示例性实施方案中，第三目标冲击表面厚度916被减小，使得第一冲击空气流134更靠近第三目标冲击表面912下方的热负荷。因此，减小第三目标冲击表面厚度916有利于增大第一冲击空气流134和第三目标冲击表面912之间的热传递效能，并且有利于增大第一冲击空气流134和第三目标冲击表面912之间的总体热传递速率。增大第一冲击空气流134和第三目标冲击表面912之间的总体热传递速率有利于提高旋转机器10的效率。此外，减小第三目标冲击表面厚度916还可减小旋转机器10的重量。另外，第一冲击空气流134和第三目标冲击表面912之间的热传递效能部分地确定了第一冲击空气流134和第三目标冲击表面912之间的总体热传递速率。热传递效能部分地由第三目标冲击表面厚度916确定。
图10是冷却壳体36的方法1000的示例性实施方案的流程图。方法1000包括将来自冷却流体源(压缩机部分14)的第一冷却流体流引导1002通过限定在第一冲击板126中的多个第一冲击孔200至壳体36的第一区域102。壳体的第一区域102具有第一厚度120。该方法还包括将来自冷却流体源(压缩机部分14)的第二冷却流体流引导1004通过限定在第二冲击板128中的多个第二冲击孔200至壳体36的第二区域104。壳体36的第二区域104具有第二厚度122。第一厚度120大于第二厚度122。
本文所述的壳体冷却系统和方法的示例性实施方案有利于提高旋转机器的效率、减少旋转机器的重量和冷却旋转机器的壳体。本文所述的壳体冷却系统的实施方案包括定位在第一目标冲击表面之上的第一冲击板和定位在第二目标冲击表面之上的第二冲击板。第一冲击板和第二冲击板各自包括多个冲击孔，该多个冲击孔被配置为分别将冲击空气流引导到第一目标冲击表面和第二目标冲击表面。第一目标冲击表面和第二目标冲击表面位于旋转机器的壳体的外表面上。第二目标冲击表面定位在具有升高的温度的壳体区域之上，并且因此具有比第一目标冲击表面高的温度。在第二目标冲击表面处壳体的厚度比在第一目标冲击表面处壳体的厚度薄。因此，冲击空气和目标冲击表面之间的热传递系数在第二目标冲击表面处比在第一目标冲击表面处高。由第一冲击板引导到第一目标冲击表面的第一冲击空气流吸收来自第一目标冲击表面的热量，并且变成比第一冲击空气流暖的第二冲击空气流。随后，第二冲击空气流经由第二冲击板被引导到第二目标冲击表面，并且从第二目标冲击表面吸收热量。因此，第一目标冲击表面和第二目标冲击表面被单个冲击空气流冷却，这有利于提高旋转机器的效率。
本文所述的方法、设备和系统不限于本文所述的具体实施方案。例如，每个设备或系统的部件和/或每个方法的步骤可独立于本文所述的其他部件和/或步骤使用和/或实践。此外，每个部件和/或步骤也可与其他组件和方法一起使用和/或实践。
虽然已根据各种具体实施方案描述了本发明，但本领域的技术人员将认识到，可在权利要求书的实质和范围内通过修改来实践本发明。尽管本公开的各种实施方案的具体特征可能在一些附图中示出而在其他附图中未示出，但这仅是为了方便。此外，在以上描述中对“一个实施方案”的引用不旨在被解释为排除也包含所述特征的附加实施方案的存在。根据本公开的原理，可以结合任何其他附图的任何特征来引用和/或要求保护附图的任何特征。

Claims (10)

1.一种冷却系统(100)，所述冷却系统用于旋转机器(10)，所述旋转机器(10)包括限定旋转轴线的至少一个可旋转构件(18)和在所述可旋转构件(18)的至少一部分之上周向延伸的壳体(36)，所述壳体(36)包括具有第一目标冲击表面(102)和第二目标冲击表面(104)的径向外表面(102，104)，所述冷却系统(100)包括：
第一冲击板(126)，所述第一冲击板定位在所述壳体(36)的所述第一目标冲击表面(102)和所述壳体(36)的所述第二目标冲击表面(104)的至少一部分之上，所述第一冲击板(126)限定多个第一冲击孔(200)，所述多个第一冲击孔被配置为将第一冷却流体流(134)朝向所述第一目标冲击表面(102)引导；和
第二冲击板(128)，所述第二冲击板定位在所述壳体(36)的所述第二目标冲击表面(104)之上，所述第二冲击板(128)限定多个第二冲击孔(200)，所述多个第二冲击孔被配置为将第二冷却流体流(136)朝向所述第二目标冲击表面(104)引导，其中，所述壳体(36)在所述第一目标冲击表面(102)中的厚度(120)不同于所述壳体(36)在所述第二目标冲击表面(104)中的厚度(122)。
2.根据权利要求1所述的冷却系统(100)，其中，所述壳体(36)在所述第一目标冲击表面(102)中的所述厚度(120)比所述壳体(36)在所述第二目标冲击表面(104)中的所述厚度(122)厚。
3.根据权利要求1所述的冷却系统(100)，其中，所述第一冲击板(126)、所述第二冲击板(128)和所述第一目标冲击表面(102)限定第一冲击区(130)，所述第一冲击板(126)被配置为将所述第一冷却流体流(134)引导到所述第一冲击区(130)中，并且其中，所述第二冲击板(128)和所述第二目标冲击表面(104)限定第二冲击区(132)，所述第二冲击板(128)被配置为将所述第二冷却流体流(136)引导到所述第二冲击区(132)中。
4.根据权利要求1所述的冷却系统(100)，其中，所述第一冷却流体流(134)吸收来自所述第一目标冲击表面(102)的热量并且被再循环作为所述第二冷却流体流(136)，并且其中，所述第二冲击板(128)包括第二冲击板管道(402)，所述第二冲击板管道被配置为将第三冷却流体流(404)朝向所述第二目标冲击表面(104)引导，其中，所述第三冷却流体流(404)与所述第二冷却流体流(136)混合。
5.根据权利要求1所述的冷却系统(100)，其中，所述第二冲击板(128)包括第二冲击板热交换器(602)，所述第二冲击板热交换器被配置为冷却所述第二冷却流体流(136)，其中，所述第二冲击板热交换器(602)包括板和框架热交换器，所述框架热交换器定位在所述第二冲击板(128)上。
6.一种旋转机器(10)，包括：
节段(18)，所述节段限定旋转轴线；
壳体(36)，所述壳体围绕所述节段，所述壳体(36)包括具有第一目标冲击表面(102)和第二目标冲击表面(104)的径向外表面(102，104)，所述壳体(36)具有壳体厚度(124，125)；和
冷却系统(100)，所述冷却系统定位在所述壳体(36)上，所述冷却系统(100)包括：
第一冲击板(126)，所述第一冲击板定位在所述壳体(36)的所述第一目标冲击表面(102)和所述壳体(36)的所述第二目标冲击表面(104)的至少一部分之上，所述第一冲击板(126)限定多个第一冲击孔(200)，所述多个第一冲击孔被配置为将第一冷却流体流(134)朝向所述第一目标冲击表面(102)引导；和
第二冲击板(128)，所述第二冲击板定位在所述壳体(36)的所述第二目标冲击表面(104)之上，所述第二冲击板(128)限定多个第二冲击孔(200)，所述多个第二冲击孔被配置为将第二冷却流体流(136)朝向所述第二目标冲击表面(104)引导，其中，所述壳体(36)在所述第一目标冲击表面(102)中的厚度不同于所述壳体(36)在所述第二目标冲击表面(104)中的厚度。
7.根据权利要求6所述的旋转机器(10)，其中，所述壳体(36)在所述第一目标冲击表面(102)中的所述厚度比所述壳体(36)在所述第二目标冲击表面(104)中的所述厚度厚。
8.根据权利要求6所述的旋转机器(10)，其中，所述第一冲击板(126)、所述第二冲击板(128)和所述第一目标冲击表面(102)限定第一冲击区(130)，其中，所述第一冲击板(126)被配置为将所述第一冷却流体流(134)引导到所述第一冲击区(130)中。
9.根据权利要求6所述的旋转机器(10)，其中，所述第二冲击板(128)和所述第二目标冲击表面(104)限定第二冲击区(132)，其中，所述第二冲击板(128)被配置为将所述第二冷却流体流(136)引导到所述第二冲击区(132)中。
10.根据权利要求6所述的旋转机器(10)，其中，所述第二冲击板(128)包括第二冲击板管道(402)，所述第二冲击板管道被配置为将第三冷却流体流(404)朝向所述第二目标冲击表面(104)引导，其中，所述第三冷却流体流(404)与所述第二冷却流体流(136)混合。
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