CN117662260A - 燃气涡轮发动机的闭环冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃气涡轮发动机的闭环冷却系统，包括：泵，泵具有泵入口和泵出口；第一多个定子轮叶，第一多个定子轮叶在其中限定第一冷却腔；和第二多个定子轮叶，在其中限定第二冷却腔，其中泵从泵出口驱动工作流体，通过第一多个定子轮叶的第一冷却腔、通过第二多个定子轮叶的冷却腔并且返回到泵入口。
Description
技术领域
本公开涉及一种燃气涡轮发动机，并且更具体地，涉及一种用于燃气涡轮发动机的闭环冷却系统。
背景技术
燃气涡轮发动机，诸如涡轮风扇发动机，可用于飞行器推进。燃气涡轮发动机在极高的内部温度下操作。燃气涡轮发动机的某些热气体路径部件，诸如压缩机和涡轮定子轮叶以及转子叶片，被暴露于极高的工作气体温度，这影响了这些部件的总体预期寿命。
附图说明
在参考附图的说明书中阐述了针对本领域普通技术人员的本公开的完整且使能的公开，包括其最佳模式，其中：
图1是根据本公开的示例性方面的示例性飞行器的立体图。
图2是根据本公开的示例性方面的并且可以在图1的飞行器上使用的示例性燃气涡轮发动机的示意图。
图3是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的定子轮叶组件的示意图。
图4是如图3所示的定子轮叶组件的一部分的示意图。
图5是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的定子轮叶组件的示意图。
图6是如图5所示的定子轮叶组件的一部分的示意图。
图7是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的用于冷却燃气涡轮发动机的定子轮叶的闭环冷却系统的示意图图示。
图8是根据本公开的示例性实施例的定子轮叶组件的一部分的示意图。
图9是根据本公开的示例性实施例的定子轮叶组件的一部分的示意图。
图10是根据本公开的示例性实施例的示例性定子轮叶组件的一部分的示意图。
图11是根据本公开的示例性实施例的示例性定子轮叶组件的一部分的示意图。
图12是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的闭环冷却系统的示意图。
图13是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的闭环冷却系统的示意图。
图14是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的闭环冷却系统的示意图。
图15是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的闭环冷却系统的示意图。
图16是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的闭环冷却系统的示意图。
图17是根据本公开的示例性实施例的并且可以在图1的飞行器上使用的联接器和喷嘴的示意图。
图18是根据本公开的示例性实施例的联接器和喷嘴的示意图。
在本说明书和附图中重复使用附图标记旨在表示本公开的相同或相似的特征或元件。
具体实施方式
现在将详细参考本公开的当前实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细描述使用数字和字母标号来指代附图中的特征。附图和描述中的相似或类似的标号已用于指代本公开的相似或类似的部分。
本文使用“示例性”一词来表示“用作示例、实例或图示”。本文描述为“示例性”的任何实施方式不必被解释为比其他实施方式更优选或有利。附加地，除非另外特别指明，否则本文描述的所有实施例都应当被认为是示例性的。单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数指代，除非上下文另有明确规定。在例如“A、B和C中的至少一个”的上下文中，术语“至少一个”是指仅A，仅B，仅C，或A、B和C的任意组合。
如本文所用，术语“第一”、“第二”和“第三”可以互换使用以区分一个部件与另一个部件，并且不旨在表示各个部件的位置或重要性。此外，术语“上游”和“下游”指的是相对于流体路径中的流体流动的相对方向。例如，“上游”指流体从其流动的方向，并且“下游”指流体向其流动的方向。
术语“涡轮机”或“涡轮机械”是指包括一起产生扭矩输出的一个或多个压缩机、发热区段(例如，燃烧区段)以及一个或多个涡轮的机器。术语“燃气涡轮发动机”是指具有涡轮机作为其全部或一部分动力源的发动机。示例燃气涡轮发动机包括涡轮风扇发动机、涡轮螺旋桨发动机、涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机，以及这些发动机中的一种或多种的混合电动版本。
为了燃气涡轮发动机的有效操作，需要燃气涡轮发动机的气体流动路径内的极端压缩机空气和燃烧气体温度。然而，在确定各种热气体路径部件(诸如发动机的压缩机和涡轮区段中的定子轮叶和转子叶片)的总体预期寿命时，这些极端温度是限制因素。
本公开大体上涉及一种用于冷却设置在燃气涡轮发动机的气体路径内的定子轮叶的闭环冷却系统。闭环冷却系统经由工作流体将热负荷从暴露于第一气体温度的第一级定子轮叶传递到暴露于低于闭环或回路中的第一温度的第二气体温度的第二级定子轮叶。
在某些配置中，系统包括例如旁通回路上的热交换器(具有诸如LH2、燃料或空气的散热流体)以进一步实现受控的高冷却负载能力。
现在参考附图，图1是可并入本公开的至少一个示例性实施例的示例性飞行器10的立体图。如图1所示，飞行器10具有机身12、附接到机身12的机翼14、以及尾翼16。飞行器10进一步包括推进系统18，该推进系统18在飞行中、滑行操作等期间产生推进推力以推进飞行器10。虽然推进系统18被示出为附接到机翼14，但在其他实施例中，其可以附加地或替代地包括联接到飞行器10的其他部分(诸如尾翼16、机身12或两者)的一个或多个方面。推进系统18包括至少一个发动机。在所示的示例性实施例中，飞行器10包括一对燃气涡轮发动机20。每个燃气涡轮发动机20都以翼下配置安装到飞行器10。每个燃气涡轮发动机20能够选择性地产生用于飞行器10的推进推力。燃气涡轮发动机20可配置成燃烧各种形式的燃料，包括但不限于，除非另外提供，喷气燃料/航空涡轮燃料和氢燃料。
图2是根据本公开的示例性实施例的燃气涡轮发动机20的示意图。更特别地，对于图2的实施例，燃气涡轮发动机20是多线轴、高旁通涡轮风扇喷气发动机，有时也称为“涡轮风扇发动机”。如图2所示，燃气涡轮发动机20限定轴向方向A(平行于提供作为参考的纵向中心线22延伸)、径向方向R和绕轴向或纵向中心线22延伸的周向方向C。一般来说，燃气涡轮发动机20包括风扇区段24和设置在风扇区段24下游的涡轮机26。
所示的示例性涡轮机26通常包括限定环形压缩机或核心入口30的发动机壳体28。发动机壳体28以串联流动关系至少部分地包围压缩机区段32，其包括增压器或低压压缩机34和高压压缩机36；燃烧区段38；涡轮区段40，其包括高压涡轮42和低压涡轮44；以及喷射排气喷嘴46。
高压轴48将高压涡轮42驱动地连接到高压压缩机36。低压轴50将低压涡轮44驱动地连接到低压压缩机34。压缩机区段32、燃烧区段38、涡轮区段40以及喷射排气喷嘴46一起限定通过燃气涡轮发动机20的工作气体流动路径52。
对于所示的实施例，风扇区段24包括风扇54，风扇54具有以周向间隔开的方式联接到盘58的多个风扇叶片56。如图所示，风扇叶片56通常沿着径向方向R从盘58径向向外延伸。燃气涡轮发动机20进一步包括动力齿轮箱60。动力齿轮箱60包括用于相对于低压轴50的旋转速度调节风扇54的旋转速度的多个齿轮，使得风扇54和低压轴50可以以更有效的相对速度旋转。
示例性风扇区段24包括环形风扇壳体或外机舱62，其周向围绕风扇54和/或涡轮机26的至少一部分。在所示实施例中，机舱62相对于涡轮机26由多个周向间隔开的支柱或旁通导向轮叶64支撑。此外，机舱62的下游区段66在涡轮机26的外部分上方延伸以在其间限定旁通气流通道68。
然而，应当理解的是，图2所示的示例性燃气涡轮发动机20可以仅以示例的方式提供，并且在其他示例性实施例中，燃气涡轮发动机20可具有其他配置。例如，虽然所示的燃气涡轮发动机20被配置为管道式燃气涡轮发动机(即，包括外机舱62)，但在其他实施例中，燃气涡轮发动机20可以是无管道式或非管道式燃气涡轮发动机(使得风扇54是无管道式风扇，并且旁通导向轮叶64从发动机壳体28悬臂伸出)。
附加地或替代地，虽然所示的燃气涡轮发动机20配置为齿轮式燃气涡轮发动机(即，包括动力齿轮箱60)，但在其他实施例中，燃气涡轮发动机20可配置为直接驱动燃气涡轮发动机(使得低压轴50以与风扇54相同的速度旋转)。还应当理解的是，在另外的示例性实施例中，本公开的各方面可并入任何其他合适的燃气涡轮发动机中。例如，在其他示例性实施例中，本公开的各方面可(视情况而定)并入例如涡轮螺旋桨燃气涡轮发动机、涡轮轴燃气涡轮发动机或涡轮喷气燃气涡轮发动机中。
在燃气涡轮发动机20的操作期间，一定体积的空气70通过机舱62和风扇区段24的相关入口72进入燃气涡轮发动机20。随着一定体积的空气70穿过风扇叶片56，空气的第一部分74被导向或引导到旁通气流通道68中。空气的第二部分76被导向或引导到工作气体流动路径52中，或者更具体地进入压缩机区段32中，在压缩机区段32中，空气的第二部分76经过低压压缩机34的定子轮叶78和转子叶片80的交替排，以及高压压缩机36的定子轮叶82和转子叶片84的交替排。空气的第二部分76的压力在其被引导通过压缩机区段32时依次地增加。压缩的空气的第二部分76被引导到燃烧区段38中，在燃烧区段38中其与燃料混合并燃烧以提供燃烧气体86。
燃烧气体86被引导通过涡轮区段40，首先进入高压涡轮42，其中来自燃烧气体86的热能和/或动能的一部分经由定子轮叶88和联接到高压轴48的转子叶片90的交替排被提取，因此引起高压轴48旋转，从而支持高压压缩机36的操作。然后燃烧气体86被引导通过低压涡轮44，其中热能和动能的第二部分经由定子轮叶92和联接到低压轴50的涡轮转子叶片94的连续级从燃烧气体86提取，因此引起低压轴50旋转，从而支持低压压缩机34的操作和/或风扇54的旋转。
随后燃烧气体86被引导通过涡轮机26的喷射排气喷嘴46以提供推进推力。同时，随着空气的第一部分74在从燃气涡轮发动机20的风扇排气喷嘴区段96排出之前被引导通过旁通气流通道68，空气的第一部分74的压力显著增加，也提供推进推力。高压涡轮42、低压涡轮44和风扇排气喷嘴区段96至少部分地限定用于引导燃烧气体86通过涡轮机26的热气体路径98。
随着空气的第二部分76被引导通过燃烧区段38上游的压缩机区段32，空气的第二部分76的压缩升高了空气的温度。热能被传递到低压压缩机34和高压压缩机36中的定子轮叶78、82。此外，燃烧气体86将热能传递到高压涡轮42的定子轮叶88和低压涡轮44的定子轮叶92。随着时间的推移，传递的热能将影响定子轮叶的预期使用寿命。因此，需要对这些气体流动路径部件进行冷却。
图3提供了根据本公开的各个实施例的示例性定子轮叶组件100的示意图。图4提供了如图3所示的定子轮叶组件100的一部分的示意图。如图3所示，定子轮叶组件100包括多个定子轮叶102。应当理解的是，图3所示的定子轮叶102的数量可以不是限制性的，并且定子轮叶组件100可包括比所示更多的定子轮叶102或更少的定子轮叶102。
如图3和图4共同所示，每个定子轮叶102包括限定在其中的冷却腔104。应当理解的是，情况不必如此，任何数量和合适配置的定子轮叶102可包括对应的冷却腔104。在示例性实施例中，每个定子轮叶102在内环歧管106和外环歧管108之间径向延伸。内环歧管106包括开口110，用于允许流体流入或流出内环歧管106。外环歧管108包括开口112，用于允许流体流入或流出外环歧管108。每个冷却腔104与内环歧管106和外环歧管108流体连通。冷却腔104可由限定在相应定子轮叶102内的一个或多个通道、狭槽、腔室等形成，其允许冷却流体在内环歧管106和外环歧管108之间流动。
在示例性实施例中，如图3和图4共同所示，每个定子轮叶102包括相对于径向方向R和轴向中心线22的径向外部部分114，其刚性地连接到外环歧管108的内表面116。每个定子轮叶102还包括相对于径向方向R和轴向中心线22的径向内部部分118，其刚性地连接到内环歧管106的外表面120。
图5提供了根据本公开的示例性实施例的示例性定子轮叶组件100的示意图。图6提供了如图5所示的定子轮叶组件100的一部分的示意图。在某些实施例中，如图5和图6共同所示，每个定子轮叶102'的径向外部部分114'刚性地连接到外环歧管108'的内表面116'。径向内部部分118'由联接器122流体地联接到内环歧管106'。联接器122与从内环歧管106'的外表面120'径向向外延伸的对应的接头或喷嘴124配合。
喷嘴124和联接器122提供用于内环歧管106'和多个定子轮叶102'中的相应定子轮叶102'的冷却腔104'之间的流体连通。如图5所示，定子轮叶组件100'包括沿着内环歧管106'的外表面120'周向间隔开的多个喷嘴124，使得每个喷嘴124与相应的定子轮叶102'对准。喷嘴124可用于适当地对准定子轮叶组件100'内的每个定子轮叶102'。在特定实施例中，密封件(未示出)可设置在每个定子轮叶102'的径向内部部分118'和内环歧管106'的外表面120'之间。
现在返回参考图2，图3、4、5和6中详细描述的定子轮叶组件100的示例性实施例可集成到燃气涡轮发动机20的压缩机区段32(低压压缩机34和高压压缩机36)和涡轮区段40(高压涡轮42和低压涡轮44)中。
图7是根据本公开的示例性实施例的用于冷却燃气涡轮发动机的定子轮叶的闭环冷却系统200或“系统”的示意图。如图7所示，闭环冷却系统200通常包括具有泵入口302和泵出口304的泵300、包括第一多个定子轮叶102(a)的第一定子轮叶组件100(a)，其中第一多个定子轮叶102(a)中的每个定子轮叶102(a)具有限定在其中的冷却腔104(a)。闭环冷却系统200进一步包括第二定子轮叶组件100(b)，其包括第一多个定子轮叶102(b)，其中第一多个定子轮叶102(b)中的每个定子轮叶102(b)具有限定在其中的冷却腔104(b)。在操作中，泵300从泵出口304驱动工作流体306，通过第一多个定子轮叶102(a)中的定子轮叶102(a)的冷却腔104(a)、通过第一多个定子轮叶102(b)中的定子轮叶102(a)的冷却腔104(b)并且返回到泵入口302，从而形成闭环冷却回路。在该配置中，第一定子轮叶组件100(a)充当热源并且第二定子轮叶组件100(b)充当散热器。
在示例性实施例中，第一多个定子轮叶102(a)中的定子轮叶102(a)在第一定子轮叶组件100(a)的第一内环歧管106(a)和第一外环歧管108(a)之间径向延伸。第一多个定子轮叶102(a)中的定子轮叶102(a)的每个冷却腔104(a)与第一内环歧管106(a)和第一外环歧管108(a)流体连通。第一内环歧管106(a)包括开口110(a)。开口110(a)经由管道、导管等流体地联接到泵出口304。第一外环歧管108(a)的开口112(a)提供用于第一多个定子轮叶102(a)中的定子轮叶102(a)的冷却腔104(a)与第一多个定子轮叶102(b)中的定子轮叶102(b)的冷却腔104(b)之间的流体连通。在示例性实施例中，第一定子轮叶组件100(a)设置在燃气涡轮发动机20的涡轮区段40中，并且第二定子轮叶组件100(b)设置在燃气涡轮发动机20的压缩机区段32中。在其他实施例中，第一定子轮叶组件100(a)设置在燃气涡轮发动机20的高压压缩机36中，并且第二定子轮叶组件100(b)设置在燃气涡轮发动机20的低压压缩机34中。在其他实施例中，第一定子轮叶组件100(a)设置在燃气涡轮发动机20的高压涡轮42中，并且第二定子轮叶组件100(b)设置在燃气涡轮发动机20的低压涡轮44中。
在示例性实施例中，第一多个定子轮叶102(b)中的定子轮叶102(b)在第二定子轮叶组件100(b)的第二内环歧管106(b)和第二外环歧管108(a)之间径向延伸。第一多个定子轮叶102(b)中的定子轮叶102(b)的每个冷却腔104(b)与第二内环歧管106(b)和第二外环歧管108(b)流体连通。第二内环歧管106(b)包括开口110(b)。开口110(b)经由管道、导管等流体地联接到泵入口302。第二外环歧管108(b)的开口112(b)提供用于第一多个定子轮叶102(a)中的定子轮叶102(a)的冷却腔104(a)与第二多个定子轮叶102(b)中的定子轮叶102(b)的冷却腔104(b)之间的流体连通。更特别地，开口112(a)和112(b)提供用于第一外环歧管108(a)和第二外环歧管108(b)之间的流体连通，并且经由管道、导管等彼此流体地联接。
图8和图9提供了根据本公开的示例性实施例的第一定子轮叶组件100(a)的一部分的示意图。在示例性实施例中，如图8所示，定子轮叶102(a)的径向内部部分118(a)和径向外部部分114(a)分别刚性地连接到第一内环歧管106(a)的外表面120(a)和第一外环歧管108(a)的内表面116(a)。在替代实施例中，如图9所示，定子轮叶102(a)'的径向外部部分114(a)'刚性地连接到第一外环歧管108(a)'的内表面116(a)'，并且径向内部部分118(a)'经由喷嘴124(a)和联接器122(a)流体地连接到第一内环歧管106(a)'。
参见图10和图11提供了根据本公开的示例性实施例的第二定子轮叶组件100(b)的一部分的示意图。在示例性实施例中，如图10所示，定子轮叶102(b)的径向内部部分118(b)和径向外部部分114(b)分别刚性地连接到第二内环歧管106(b)的外表面120(b)和第二外环歧管108(b)的内表面116(b)。在替代实施例中，如图11所示，定子轮叶102(b)'的径向外部部分114(b)'刚性地连接到第二外环歧管108(b)'的内表面116(b)'，并且径向内部部分118(b)'经由喷嘴124(b)和联接器122(b)流体地连接到第二内环歧管106(b)'。
图12提供了根据本公开的示例性实施例的闭环冷却系统200的示意图。在一个实施例中，用作热源的第一定子轮叶组件100(a)被集成到燃气涡轮发动机20的高压涡轮42中，并且用作散热器的第二定子轮叶组件100(b)被集成到燃气涡轮发动机20的高压压缩机36中。
图13提供了根据本公开的示例性实施例的闭环冷却系统200的示意图。在一个实施例中，用作热源的第一定子轮叶组件100(a)被集成到燃气涡轮发动机20的低压涡轮44中，并且用作散热器的第二定子轮叶组件100(b)被集成到燃气涡轮发动机20的低压压缩机34中。
图14提供了根据本公开的示例性实施例的闭环冷却系统200的示意图。如图14所示，闭环冷却系统200可包括与示例性定子轮叶组件100(或者更特别地，第一定子轮叶组件100(a)和第二定子轮叶组件100(b))类似或相同地配置的附加定子轮叶组件。例如，在示例性实施例中，闭环冷却系统200包括设置在高压涡轮42中的第一定子轮叶组件100(a)、设置在高压压缩机36中的第二定子轮叶组件100(b)、设置在低压涡轮44中的第三定子轮叶组件100(c)以及设置在低压压缩机34中的第四定子轮叶组件100(d)。
如图14所示，泵出口304流体地联接到第一定子轮叶组件100(a)的第一内环歧管106(a)，并且流体地联接到第三定子轮叶组件100(c)的第三内环歧管106(c)。第一外环歧管108(a)流体地联接到第二外环歧管108(b)，并且第三定子轮叶组件100(c)的外环歧管108(c)流体地联接到第四定子轮叶组件100(d)的外环歧管108(d)。第二内环歧管106(b)和第四定子轮叶组件100(d)的第四内环歧管流体地联接到泵入口302。
在该配置中，泵300将工作流体306的第一部分从泵出口304驱动到第一内环歧管106(a)，通过每个定子轮叶102(a)的冷却腔104(a)并进入第一外环歧管108(a)。然后，工作流体306流到第二外环歧管108(b)，通过冷却腔104(b)，进入第二内环歧管106(b)并且返回到泵入口302。
工作流体306的第二部分流入第三内环歧管106(c)，通过第三多个定子轮叶102(c)中的每个定子轮叶102(c)的冷却腔104(c)并进入第三外环歧管108(c)。然后，工作流体306的第二部分流到第四外环歧管108(d)，通过第四多个定子轮叶102(d)中的定子轮叶102(d)的冷却腔104(d)，进入第四内环歧管106(d)并且以闭环方式返回到泵入口302。
在附加的实施例中，如图14所示，闭环冷却系统200可以进一步包括至少一个热交换器400，以实现更高的冷却负载并向热源(例如涡轮区段40)下游和泵入口302上游的工作流体306提供受控冷却。在特定实施例中，至少一个热交换器400(a)设置在第一外环歧管108(a)和第二外环歧管108(b)之间。在特定实施例中，至少一个热交换器400(b)设置在第三外环歧管108(c)和第四外环歧管108(d)之间。
图15提供了根据本公开的示例性实施例的闭环冷却系统200的示意图。在一个实施例中，用作热源的第一定子轮叶组件100(a)被集成到燃气涡轮发动机20的高压压缩机36中，并且用作散热器的第二定子轮叶组件100(b)被集成到燃气涡轮发动机20的低压压缩机34中。
图16提供了根据本公开的示例性实施例的闭环冷却系统200的示意图。在一个实施例中，用作热源的第一定子轮叶组件100(a)被集成到燃气涡轮发动机20的高压涡轮42中，并且用作散热器的第二定子轮叶组件100(b)被集成到燃气涡轮发动机20的低压涡轮44中。
在其他实施例(未示出)中，至少一个热交换器400设置在高压压缩机36中的第一定子轮叶组件100(a)和低压压缩机34中的第二定子轮叶组件100(b)之间。在其他实施例(未示出)中，至少一个热交换器400设置在高压涡轮42中的第一定子轮叶组件100(a)和低压涡轮44中的第二定子轮叶组件100(b)之间。热交换器400、400(a-b)可以使用各种散热流体，例如但不限于环境空气、燃料、氢燃料、油或任何其他合适的流体。闭环冷却系统可以使用工作流体，例如但不限于水、空气或任何其他合适的工作流体。
图17是根据本公开的示例性实施例的联接器122和喷嘴124的示意图。如图17所示，联接器122配合或安置在喷嘴124中。在示例性实施例中，密封件或垫圈126可设置在喷嘴124和联接器122的配合表面之间。在示例性实施例中，径向间隙或间距128可设置在联接器122和喷嘴124之间，以允许在燃气涡轮发动机的操作期间实现部件的轴向热膨胀。在某些实施例中，一个或多个可膨胀管道夹130用于在喷嘴124和联接器122之间提供夹紧或密封力。管道夹130使得能够径向联接联接器122和喷嘴124，同时仍允许径向热膨胀。诸如螺栓和螺母的多个紧固件132可用于实现联接器/歧管区段的轴向联接。
在特定实施例中，联接器122的配合部分134形成狭槽136，用于与喷嘴124的互补配合部分138配合或互锁。喷嘴124的互补配合部分138也可形成为狭槽140。由于涡轮区段和压缩机区段的高温操作，联接器122和喷嘴124应由抗塑性变形和蠕变的材料形成。这些材料应具有可恢复的转变应变水平并具有长期稳定性。用于联接器122和喷嘴124材料的示例性材料包括但不限于高温形状记忆合金，诸如Ti-Ni-Pd、Ti-Ni-Pt、Ru-Ta、Ru-Nb和Mn-Pd。
如图17所示，喷嘴124可固定到内环歧管106以在内环歧管开口110'周围形成气密密封。联接器122固定到定子轮叶102'的径向内部部分118'。联接器122与喷嘴124配合以在其间形成气密密封。
图18是根据本公开的示例性实施例的联接器122和喷嘴124的示意图。如图18所示，喷嘴124可固定到外环歧管108'以在外环歧管开口112'周围形成气密密封。联接器122流体地联接到一个或多个管道或导管142，其提供用于从外环歧管108'到泵300的流体连通，或者在替代实施例中，从第一外环歧管108(a)'到流体地联接到泵300的第二外环歧管108(b)'的流体连通。在示例性实施例中，联接器122与喷嘴124配合以在外环歧管108'与一个或多个管道或导管142之间形成气密密封。
从本文的描述中将理解，本公开可进一步包括操作飞行器或更具体地操作燃气涡轮发动机的一种或多种方法。例如，在一个示例性方面，提供了一种操作具有包括闭环冷却系统的燃气涡轮发动机的飞行器的方法。该方法可以与上述的一个或多个部件一起使用。
该方法包括使工作流体从泵流过限定在设置在热源(例如燃气涡轮发动机的涡轮区段)中的第一多个定子轮叶中的第一多个冷却腔。使工作流体从第一多个冷却腔流到限定在设置在散热器(例如燃气涡轮发动机的压缩机区段)中的第二多个定子轮叶中的第二多个冷却腔。该方法还可以包括使工作流体在来自压缩机区段的两级的第一多个定子轮叶和第二多个定子轮叶之间流动，例如在高压压缩机(热源)和低压压缩机(散热器)之间，或者在涡轮区段的两级之间，例如在高压涡轮(热源)和低压涡轮(散热器)之间流动。该方法进一步包括使工作流体从第二多个冷却腔流到泵的入口。该方法可以进一步包括使工作流体经过在第一多个冷却腔的下游和第二多个冷却腔的上游的热交换器。
如本文所公开的闭环冷却系统确保来自涡轮或压缩机定子轮叶的特定级的第一多个冷却腔中的每一个的热负载被分配到诸如压缩机的定子轮叶或涡轮定子轮叶的一个或多个级的第二多个冷却腔。当第二多个定子轮叶定位在压缩机内时，闭环冷却系统将冷却第一多个定子轮叶，同时还逐渐增加核心空气温度，这可以减少维持等效燃烧效率所需的燃料量。添加一个或多个热交换器允许对第二多个冷却腔上游的工作流体进行热管理。
本文公开的闭环冷却系统能够实现更高的发动机操作温度，这提高了发动机效率。此外，闭环冷却系统可以通过减少对大量高压涡轮和低压涡轮级的需要来潜在地减小发动机尺寸，并提供受控的高冷却负载能力，这将减少轮叶上的高温引起的应力并延长轮叶的使用寿命。此外，受控的高冷却能力还可以减少高压和低压涡轮定子轮叶对昂贵的高温金属合金的需要。
进一步的方面由以下条项的主题提供：
一种用于燃气涡轮发动机的闭环冷却系统，包括：泵，泵具有泵入口和泵出口；第一多个定子轮叶，第一多个定子轮叶在其中限定第一冷却腔；和第二多个定子轮叶，第二多个定子轮叶在其中限定第二冷却腔，其中泵从泵出口驱动工作流体，通过第一多个定子轮叶的第一冷却腔、通过第二多个定子轮叶的冷却腔并且返回到泵入口。
根据前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的涡轮区段内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的压缩机区段内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压涡轮区段内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压压缩机区段内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压涡轮区段内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压压缩机区段内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括：第三多个定子轮叶，第三多个定子轮叶在其中限定第三冷却腔；和第四多个定子轮叶，第四多个定子轮叶在其中限定第四冷却腔，其中泵入口和泵出口流体地联接到第三冷却腔和第四冷却腔。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中燃气涡轮发动机包括低压压缩机、高压压缩机、高压涡轮和低压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，第二多个定子轮叶设置在高压压缩机内，第三多个定子轮叶设置在低压涡轮中，并且第四多个定子轮叶设置在低压压缩机中。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压压缩机内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压涡轮内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压涡轮内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括热交换器，其中热交换器流体地联接到泵入口和泵出口，并且其中热交换器设置在第一冷却腔的下游和第二冷却腔的上游。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括：第一内环歧管和第一外环歧管，其中第一多个定子轮叶在第一内环歧管和第一外环歧管之间径向延伸，其中泵和第一冷却腔流体地联接到第一内环歧管和第一外环歧管。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶中的每一个进一步包括径向外部部分和径向内部部分，并且其中径向外部部分刚性地连接到第一外环歧管的内表面，并且径向内部部分由联接器和喷嘴流体地联接到第一内环歧管。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括喷嘴和联接器，其中喷嘴固定到第一外环歧管并且联接器流体地联接到管道，其中管道将第一外环歧管流体地联接到泵入口，其中联接器和喷嘴的配合部分各自形成互补槽，互补槽连接以在其间形成互锁气密接头。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括第二内环歧管和第二外环歧管，其中第二多个定子轮叶在第二内环歧管和第二外环歧管之间径向延伸，其中泵和第二冷却腔流体地联接到第二内环歧管和第二外环歧管。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第二多个定子轮叶中的每一个进一步包括刚性地连接到第二外环歧管的内表面的径向外部部分，以及由联接器流体地联接到第二内环歧管的径向内部部分，其中联接器提供第二内环歧管与第二冷却腔中的相应一个之间的流体连通。
一种燃气涡轮发动机，包括：压缩机区段；涡轮区段和闭环冷却系统，该闭环冷却系统包括：泵，泵具有泵入口和泵出口；第一多个定子轮叶，第一多个定子轮叶在其中限定第一冷却腔；和第二多个定子轮叶，第二多个定子轮叶在其中限定第二冷却腔，其中，泵从泵出口驱动工作流体，通过第一多个定子轮叶的第一冷却腔、通过第二多个定子轮叶的冷却腔并且返回到泵入口。
根据前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的压缩机区段包括高压压缩机，并且涡轮区段包括高压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在高压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的压缩机区段包括低压压缩机，并且涡轮区段包括低压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在低压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在低压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中闭环冷却系统进一步包括第三多个定子轮叶和第四多个定子轮叶，第三多个定子轮叶限定第三多个冷却腔、设置在涡轮区段内，以及第四多个定子轮叶限定第四多个冷却腔、设置在压缩机区段内；其中，泵从泵入口驱动工作流体，通过第三多个定子轮叶的第一多个冷却腔到达第四多个定子轮叶的第四多个冷却腔并且返回到泵入口。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的压缩机区段包括低压压缩机和高压压缩机，其中第一多个定子轮叶设置在高压压缩机中，并且第二多个定子轮叶设置在低压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在低压涡轮中。
一种用于燃气涡轮发动机的闭环冷却系统，包括：泵，泵具有泵入口和泵出口；第一多个定子轮叶，第一多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔；和第二多个定子轮叶。第二多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔。其中泵从泵出口驱动工作流体，通过第一多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔、通过第二多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔并且返回到泵入口。
根据前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的涡轮区段内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的压缩机区段内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压涡轮区段内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压压缩机区段内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压涡轮区段内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压压缩机区段内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括：第三多个定子轮叶，其中第三多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的第三冷却腔；和第四多个定子轮叶。第四多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔。其中泵入口和泵出口流体地联接到第三多个定子轮叶和第四多个定子轮叶的冷却腔。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中燃气涡轮发动机包括低压压缩机、高压压缩机、高压涡轮和低压涡轮。其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，第二多个定子轮叶设置在高压压缩机内，第三多个定子轮叶设置在低压涡轮中，并且第四多个定子轮叶设置在低压压缩机中。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压压缩机内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的高压涡轮内，并且第二多个定子轮叶设置在燃气涡轮发动机的低压涡轮内。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括热交换器，其中热交换器流体地联接到泵入口和泵出口，并且其中热交换器设置在第一多个定子轮叶的冷却腔的下游和第二多个定子轮叶的冷却腔的上游。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括第一内环歧管和第一外环歧管。其中第一多个定子轮叶中的定子轮叶在第一内环歧管和第一外环歧管之间径向延伸，其中泵和第一多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔流体地联接到第一内环歧管和第一外环歧管。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第一多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括刚性地连接到第一外环歧管的内表面的径向外部部分，以及由联接到内环歧管的联接器和喷嘴流体地联接到第一内环歧管的径向内部部分，其中喷嘴和联接器提供第一内环歧管和第一多个定子轮叶中的相应定子轮叶的冷却腔之间的流体连通，并且其中，联接器和喷嘴的配合部分各自形成互补槽，互补槽连接以在其间形成互锁气密接头。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括喷嘴和联接器，其中喷嘴固定到外环歧管，并且联接器流体地联接到管道，其中管道流体地联接到泵入口，其中联接器和喷嘴的配合部分各自形成互补槽，互补槽连接以在其间形成互锁气密接头。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，进一步包括第二内环歧管和第二外环歧管，其中第二多个定子轮叶中的定子轮叶在第二内环歧管和第二外环歧管之间径向延伸，其中泵和第二多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔流体地联接到第二内环歧管和第二外环歧管。
根据任一项前述条项所述的闭环冷却系统，其中第二多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括刚性地连接到第二外环歧管的内表面的径向外部部分，以及由联接器流体地联接到第二内环歧管的径向内部部分，其中联接器提供第二内环歧管和第二多个定子轮叶中的相应定子轮叶的冷却腔之间的流体连通。
一种燃气涡轮发动机，包括压缩机区段、涡轮区段和闭环冷却系统。该系统包括泵，泵具有泵入口和泵出口；第一多个定子轮叶，第一多个定子轮叶设置在涡轮区段内，其中第一多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔；和第二多个定子轮叶，第二多个定子轮叶设置在压缩机区段内，其中第二多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔。其中泵从泵出口驱动工作流体，通过第一多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔、通过第二多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔并且返回到泵入口。
根据前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的压缩机区段包括高压压缩机，并且涡轮区段包括高压涡轮。其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在高压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的压缩机区段包括低压压缩机，并且涡轮区段包括低压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在低压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在低压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中闭环冷却系统进一步包括设置在涡轮区段内的第三多个定子轮叶，第三多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔；以及设置在压缩机区段内的第四多个定子轮叶，第四多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括限定在其中的冷却腔。其中泵从泵入口驱动工作流体，通过第三多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔到达第四多个定子轮叶中的定子轮叶的冷却腔并且返回到泵入口。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的压缩机区段包括低压压缩机和高压压缩机，其中第一多个定子轮叶设置在高压压缩机中，并且第二多个定子轮叶设置在低压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在低压涡轮中。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中第一多个定子轮叶中的每个定子轮叶包括刚性地连接到第一外环歧管的内表面的径向外部部分，以及由联接器流体地联接到第一内环歧管的径向内部部分，其中联接器提供第一内环歧管和第一多个定子轮叶中的相应定子轮叶的冷却腔之间的流体连通。
根据任一项前述条项所述的燃气涡轮发动机，其中燃气涡轮发动机的涡轮区段包括高压涡轮和低压涡轮，其中第一多个定子轮叶设置在高压涡轮中，并且第二多个定子轮叶设置在低压涡轮中。
一种用于操作具有燃气涡轮发动机的飞行器的方法，包括使工作流体从泵流过限定在设置在燃气涡轮发动机的涡轮区段中的第一多个定子轮叶中的第一多个冷却腔，使工作流体从第一多个冷却腔流到限定在设置在燃气涡轮发动机的压缩机区段中的第二多个定子轮叶中的第二多个冷却腔，以及使工作流体从第二多个冷却腔流到泵的入口。
根据前述条项所述的方法，进一步包括使工作流体经过在第一多个冷却腔的下游和第二多个冷却腔的上游的热交换器。
根据任一项前述条项所述的方法，进一步包括使工作流体经过在第二多个冷却腔的下游的热交换器。
根据任一项前述条项所述的方法，其中第一多个定子轮叶设置在涡轮区段的高压涡轮中，第二多个定子轮叶设置在压缩机区段的高压压缩机内。
根据任一项前述条项所述的方法，进一步包括使工作流体从泵流过限定在设置在涡轮区段中的第三多个定子轮叶中的第三多个冷却腔，使工作流体从第三多个冷却腔流到限定在设置在燃气涡轮发动机的压缩机区段中的第四多个定子轮叶中的第四多个冷却腔，以及使工作流体从第四多个冷却腔流到泵的入口。
根据任一项前述条项所述的方法，其中第三多个定子轮叶设置在涡轮区段的低压涡轮中，并且第四多个定子轮叶设置在压缩机区段的低压压缩机内。
该书面描述使用示例来公开本公开，包括最佳模式，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本公开，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。本公开的可专利范围由权利要求限定，并且可以包括本领域技术人员想到的其他示例。如果这些其他示例包括与权利要求的文字语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括与权利要求的文字语言没有实质性差异的等效结构元件，则这些其他示例旨在落入权利要求的范围内。
Claims (10)
1.一种用于燃气涡轮发动机的闭环冷却系统，其特征在于，包括：
泵，所述泵具有泵入口和泵出口；
第一多个定子轮叶，所述第一多个定子轮叶在其中限定第一冷却腔；和
第二多个定子轮叶，所述第二多个定子轮叶在其中限定第二冷却腔，其中所述泵从所述泵出口驱动工作流体，通过所述第一多个定子轮叶的所述第一冷却腔、通过所述第二多个定子轮叶的所述冷却腔并且返回到所述泵入口。
2.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，其中所述第一多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的涡轮区段内，并且所述第二多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的压缩机区段内。
3.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，其中所述第一多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的高压涡轮区段内，并且所述第二多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的高压压缩机区段内。
4.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，其中所述第一多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的低压涡轮区段内，并且所述第二多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的低压压缩机区段内。
5.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，进一步包括：
第三多个定子轮叶，所述第三多个定子轮叶在其中限定第三冷却腔；和
第四多个定子轮叶，所述第四多个定子轮叶在其中限定第四冷却腔，其中所述泵入口和所述泵出口流体地联接到所述第三冷却腔和所述第四冷却腔。
6.根据权利要求5所述的闭环冷却系统，其特征在于，其中所述燃气涡轮发动机包括低压压缩机、高压压缩机、高压涡轮和低压涡轮，其中所述第一多个定子轮叶设置在所述高压涡轮中，所述第二多个定子轮叶设置在所述高压压缩机内，所述第三多个定子轮叶设置在所述低压涡轮中，并且所述第四多个定子轮叶设置在所述低压压缩机中。
7.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，其中所述第一多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的高压压缩机内，并且所述第二多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的低压压缩机内。
8.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，其中所述第一多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的高压涡轮内，并且所述第二多个定子轮叶设置在所述燃气涡轮发动机的低压涡轮内。
9.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，进一步包括热交换器，其中所述热交换器流体地联接到所述泵入口和所述泵出口，并且其中所述热交换器设置在所述第一冷却腔的下游和所述第二冷却腔的上游。
10.根据权利要求1所述的闭环冷却系统，其特征在于，进一步包括：
第一内环歧管和第一外环歧管，其中所述第一多个定子轮叶在所述第一内环歧管和所述第一外环歧管之间径向延伸，其中所述泵和所述第一冷却腔流体地联接到所述第一内环歧管和所述第一外环歧管。
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