CN1648428A - 燃气轮机冷却系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于燃气轮机引擎的冷却系统，包括用于增加燃料冷却能力的燃料脱氧器。燃料脱氧器从燃料中除去溶解气体以防止形成不溶性沉积物。防止不溶性沉积物的形成增强了燃料的有效冷却能力。经过脱氧的燃料的冷却能力的增强为用于保护引擎构件的冷却空气提供了更好的散热性。冷却空气冷却能力的增强提高了引擎的工作温度，进而提高了引擎的整体效率。
Description
技术领域
本发明主要涉及一种燃气轮机引擎的冷却系统，特别是涉及一种包括燃料脱氧器的冷却系统，以增加冷却冷却空气所用燃料的有效热量吸收能力。
背景技术
燃气轮机引擎通常包括压缩机、燃烧器和涡轮机。进入压缩机的空气受到压缩并流向燃烧器。在燃烧器内，燃料与高压空气混合并被点燃。燃烧器中产生的燃烧气体驱动涡轮机。高引擎温度提供了更好的燃料燃烧速率和更高的引擎效率，所述更高的引擎效率延长了航空器的航程。高的引擎和燃烧气体的温度高于引擎的金属部件通常所能承受的温度。通常情况下，来自压缩机的一部分空气被排放掉，并流经引擎部件，以形成将暴露表面和热燃烧气体相隔离的冷却边界层。
来自压缩机的引气的冷却允许引擎可以在燃烧气体温度增加的条件下工作，同时保持引擎构件的温度相同。使用燃料作为冷却介质以冷却来自压缩机的空气是已公知的。燃料的有效冷却能力受到由燃料内溶解氧参与的氧化反应导致的焦炭生成的限制。这些反应导致形成被称为“焦炭”或“结炭”的不溶性物质。焦炭沉积物会导致燃料输送能力的下降。因此，燃料的有效冷却能力受到燃料内溶解氧量的限制。更进一步地，燃料的有效冷却能力又限制了可由引擎冷却空气传递的热量，进而也限制了可保持的引擎工作温度。
因此，所希望的是发明一种具有增强的冷却能力的引擎冷却系统，以便从冷却空气中吸收更多的热量。
发明内容
本发明为一种包括燃料脱氧器的引擎冷却系统，所述燃料脱氧器用于除去燃料中的溶解氧以提高用于冷却引擎冷却空气的燃料的有效冷却能力。
燃气轮机引擎包括将空气压缩至高压的压缩机。高压空气与燃料在燃烧器内混合并被点燃，生成热燃烧气体。热燃烧气体驱动涡轮机。涡轮机被从压缩机中排出的空气冷却。来自压缩机的冷却空气在燃料/空气热交换器内被冷却。去除燃料脱氧器内基本上所有的溶解氧通过增加焦炭沉积物的形成温度，从而增强了燃料的有效冷却能力。
燃料冷却能力的提高增加了可以从冷却空气中吸收的热量，进而也提高了引擎的工作温度。值得注意的是，较高的引擎温度导致了较高的引擎效率，进而也导致了有利的性能提高。
因此，本发明的引擎冷却系统提高了用于冷却引擎冷却空气的燃料的有效冷却能力。
附图说明
本领域的技术人员通过对当前优选实施方式的以下详细描述并结合附图易于理解本发明的各种特征和优点。其中：
图1是根据本发明所述的燃气轮机引擎和冷却空气系统的示意图；
图2是根据本发明所述的燃料脱氧器的示意图；
图3是根据本发明所述的另一种脱氧器的示意图；和
图4是渗透膜和燃料脱氧器的多孔衬底的截面图。
具体实施方式
参见图1，燃气轮机引擎组件10包括压缩机12、燃烧器14和涡轮机16。进入压缩机12的空气流26被压缩至高压，并被引导进入燃烧器14。在燃烧器14中，燃料22与高压空气混合并被点燃。由此产生的热燃烧气体15被排出以驱动涡轮机16。
被排出以驱动涡轮机16的热燃烧气体15通常具有能够对引擎10的金属构件产生潜在危害的温度。从压缩机12引出的空气通道19将高压空气18供应至涡轮机16。高压空气18形成将金属构件与流过涡轮机16的热燃烧气体15隔离的边界层。
空气通道19内冷却涡轮机16的空气18必须处于给涡轮机16提供所需冷却效果的温度。流经涡轮机16的空气温度越高，所需空气流量越大。来自压缩机12的更大流量降低了引擎的整体效率。为此，空气通道19内的空气18首先应流经燃料/空气热交换器20。空气通道19内的空气18处于热接触状态，以将热量传递给燃料/空气热交换器20内的燃料22。
燃料22的有效冷却能力通过除去溶解氧得以提高。燃料中溶解氧的存在使得大多数航空器燃料在温度高于约250°F时发生分解。燃料的分解导致不溶性焦炭沉积物在燃料通道23内的构件和燃烧器14上形成。不合需要的焦炭沉积物的形成导致引擎效率的降低和/或需要进行额外的维护。燃料系统包括用于除去燃料22中的溶解氧的燃料脱氧器24。
参见图2，图中示出了根据本发明的燃料脱氧器24′的示意图，且燃料脱氧器24′包括设置在外壳36内的多条管道34。燃料22围绕管道34从入口38流至出口40。管道34包括吸收溶解在燃料22内的氧分子的复合渗透膜30。流经管道34的带状气体32产生穿过复合渗透膜30的局部压差，在所述局部压差作用下溶解氧从燃料22中被吸入管道34，并随带状气体32流出。然后将氧从带状气体32中除去，从而从系统中排出氧。然后带状气体32再循环通过燃料脱氧器24′。脱氧后的燃料从出口40排出，并进入燃料/空气热交换器20，用于吸收冷却空气18的热量。
参见图3，图中示出了燃料脱氧器24″的另一种实施方式，且燃料脱氧器24″包括一个叠在另一个顶部上的一系列燃料板42。每个燃料板42上包括复合渗透膜30以限定出燃料通道46的一部分。燃料由入口48进入，由出口50排出。开口49对真空源56是打开的。燃料22通过由叠置的燃料板42所限定出的燃料通道46。燃料板42设置在外壳44内，所述外壳44限定出入口48和出口50。燃料板42的使用通过增加或减少燃料板42从而使燃料脱氧器24″适用于各种应用情况。尽管燃料脱氧器的实施方式已被示出和被描述，但是得益于本申请的本领域的技术人员应当理解，具有其它结构的燃料脱氧器也在本发明的考虑范围之内。
参见图4，图中示出了复合渗透膜30的截面图，所述复合渗透膜优选包括设置在多孔衬里51上的渗透层52。多孔衬里51为渗透层52提供所需支承结构，同时仍然允许从燃料扩散出最多的氧。渗透层52被涂覆在多孔衬底51上，且二者之间形成了机械结合。渗透层52优选在0.005英寸厚的聚偏氟乙烯(PVDF)多孔衬里51上的0.5-20μm厚的Teflon AF 2400涂层，所述多孔衬里中的孔隙尺寸为0.25μm。也可以使用具有所需强度和开放性的不同材料、不同厚度和不同孔隙尺寸的其它支承结构。尽管渗透层52优选杜邦Teflon AF无定形含氟聚合物，但是为本领域的技术人员所公知的其它材料也在本发明的考虑范围之内，例如Solvay Hyflon AD全氟化玻璃状聚合物以及AsahiGlass CYTOP聚全氟丁烯基乙烯醚。每个复合渗透膜30支承在多孔衬底54上。多孔衬底54与真空源56相连，以便产生穿过复合渗透膜30的氧的局部压差。
操作过程中，真空源56使得复合渗透膜30无燃料侧55和燃料侧57之间产生局部压差。箭头58表示的氧自燃料22扩散出来，穿过复合渗透膜30，进入多孔衬底54。氧气58自多孔衬底54脱出，并排出燃料系统。
燃气轮机引擎的效率与引擎能达到的温度相关。较高的引擎温度提供了更好的燃料燃烧性能，进而又延长了航空器的航程。流经燃料/空气热交换器20的来自压缩机12的经过冷却的冷却空气18使增加温度成为可能。值得注意的是，排出压缩机12的空气降低了引擎10的效率。由脱氧燃料增强的散热能力所导致的从压缩机12中排出空气的减少提高了引擎的整体工作效率。
前述说明是示例性的，而不仅仅是明细说明。本发明已经以示例性的方式进行描述，而且应被理解的是，所使用的术语旨在对用语本质的描述而非限制。根据以上的教导，本发明的多种变化和变型是可能的。尽管已披露了本发明的优选实施方式，但是本领域的普通技术人员应该意识到这些变化在本发明的范围内。应理解，在所附技术方案的范围内，本发明还可能以不同于在此所述的其它方式实施。因此应该研究下列技术方案以确定本发明的真正范围和内容。
Claims (19)
1、一种燃气轮机引擎组件，包括：
压缩机，所述压缩机用以压缩吸入的空气；
燃烧器，所述燃烧器用以燃烧带有经压缩的吸入空气的燃料；
涡轮机部分，其包括与所述燃烧器保持流动连通的旋转涡轮机；
自所述压缩机至所述涡轮机的空气通道，所述空气通道用于向所述涡轮机供给冷却空气；
燃料空气热交换器，所述燃料空气热交换器用于将所述空气通道内的空气中的热量传递给燃料通道内的燃料；和
燃料脱氧器，所述燃料脱氧器用于除去所述燃料中的溶解气体。
2、根据权利要求1所述的组件，其中所述燃料脱氧器包括与流经所述燃料通道的燃料相接触的渗透膜。
3、根据权利要求2所述的组件，包括设置在所述渗透膜燃料侧上的聚四氟乙烯涂层。
4、根据权利要求2所述的组件，包括在所述无燃料侧上支承所述渗透膜的多孔衬底。
5、根据权利要求4所述的组件，包括与所述多孔衬底连通的真空源，以便在所述渗透膜燃料侧和无燃料侧之间产生局部压差，从而通过所述燃料通道将溶解气体从燃料中吸出。
6、根据权利要求4所述的组件，包括与所述多孔衬底连通的带状气体通道，以便在所述渗透膜燃料侧和无燃料侧之间产生局部压差，从而在所述燃料通道内将溶解气体从燃料中吸出。
7、一种用于燃气轮机引擎的冷却系统，包括：
热交换器组件，所述热交换器组件包括与燃料的燃料通道热连通的用于冷却空气的空气通道；和
燃料脱氧器，所述燃料脱氧器用于从所述燃料中除去溶解气体以增加燃料的热吸收能力。
8、根据权利要求7所述的系统，包括通过所述空气通道供应空气流的压缩机。
9、根据权利要求7所述的系统，其中所述燃料通道内的燃料温度高于325°F。
10、根据权利要求7所述的系统，其中燃料脱氧器包括与流经所述燃料通道的燃料相接触的渗透膜。
11、根据权利要求10所述的组件，包括设置在所述渗透膜燃料侧上的聚四氟乙烯涂层。
12、根据权利要求11所述的组件，包括在所述无燃料侧上支承所述渗透膜的多孔衬底。
13、根据权利要求12所述的组件，包括与所述多孔衬底连通的真空源，以便在所述渗透膜燃料侧和无燃料侧之间产生局部压差，从而通过所述燃料通道将溶解气体从燃料中吸出。
14、根据权利要求12所述的组件，包括与所述多孔衬底连通的带状气体，以便在所述渗透膜燃料侧和无燃料侧之间产生局部压差，从而在所述燃料通道内将溶解气体从燃料中吸出。
15、一种冷却燃气轮机引擎的方法，包括以下步骤：
a)引导来自压缩机的空气通过空气通道；
b)从流经燃料通道的燃料内除去溶解气体；
c)将所述空气通道内的所述空气的热量传递给流经所述燃料通道内的燃料，以产生冷却空气；和
d)使经过冷却的空气流过引擎。
16、根据权利要求15所述的方法，包括使燃料流经渗透膜附近。
17、根据权利要求16所述的方法，包括通过多孔衬底在无燃料侧上支承所述渗透膜以及在所述渗透膜燃料侧和无燃料侧之间产生局部压差，从而从燃料内排出扩散气体。
18、根据权利要求17所述的方法，包括通过与所述多孔衬底连通的真空源产生所述局部压差。
19、根据权利要求17所述的方法，包括通过使与所述多孔衬底连通的带状气体流动产生所述局部压差。
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