緊湊熱交換器基座排列的傳熱增加的製作方法
2023-05-04 13:13:26 2
專利名稱：緊湊熱交換器基座排列的傳熱增加的製作方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種緊湊熱交換器基座排列，可增加熱部件的傳熱，具體地，涉及增加燃氣渦輪發動機的熱部件的傳熱。
背景技術：
燃氣渦輪發動機的內部件可暴露於排氣流溫度下，該溫度超過形成該部件的金屬合金的熔化溫度。這些部件包括燃燒室，渦輪，和噴嘴。增加這些部件傳熱的內部冷卻迴路已經存在。例如，2002年6月11日授權給Kvasnak等人的美國專利No.6,402,470公開了一種冷卻迴路，設置在燃氣渦輪發動機的壁的第一壁部分和第二壁部分之間，包括一個或多個入口孔，和一個或多個出口孔。入口孔提供了進入冷卻迴路的冷卻空氣流道，出口孔提供了離開冷卻迴路的冷卻空氣流道。冷卻迴路包括多個第一基座，在第一壁部分和第二壁部分之間延伸。
希望增加從加熱部件的傳熱，同時減小要求的冷卻流體的數量，從而使得發動機的性能最好。本公開涉及一種改進的緊湊熱交換器。
發明內容
根據本發明的一個方面，提出一種緊湊熱交換器，可增加設有熱部件的裝置內部的傳熱，緊湊熱交換器包括具有第一表面和第二表面的壁。壁的第一表面一般暴露於加熱流體的流道。壁的第二表面部分形成了冷卻流體的流道。
多個基座從壁的第二表面延伸。至少一個湍流片在冷卻微迴路中相鄰位置的基座之間延伸。緊湊熱交換器包括至少一個入口，允許冷卻流體流過基座和湍流片。緊湊熱交換器還包括至少一個出口，使得冷卻流體離開。湍流片和基座幹擾冷卻流體流，造成湍流混合，增加了從壁到冷卻流體的傳熱。
根據本發明的另一方面，提出一種燃氣渦輪發動機的部件，具有可增加傳熱的內部結構，包括具有第一和第二表面的壁。所述壁的第一表面面對加熱流體的流道，第二表面部分形成冷卻流體的流道。多個基座從所述壁的第二表面延伸；至少一個湍流片，在相鄰位置的基座之間延伸。湍流片的高度基本上小於基座的高度。設置了至少一個入口允許冷卻流體流過基座和湍流片，和至少一個出口，使得冷卻流體可從冷卻流體通道排出。
根據本發明的另一方面，提出了一種增加燃氣渦輪發動機內部傳熱的方法。該方法包括形成冷卻流體的流道。所述流道包括具有第一表面和第二表面的壁，所述第一表面面對熱流體的流道，第二表面面對冷卻流體的流道。壁的第二表面上形成多個基座，至少一個湍流片位於相鄰的基座之間。
根據本發明的另一方面，提出了一種用於冷卻熱壁的緊湊熱交換器，包括壁，具有暴露於熱流體的外表面和暴露於冷卻流體的內表面。至少一個基座從內表面延伸，基座具有第一預定高度。至少一個湍流片以相對所述冷卻流體流道成傾斜的角度從各基座延伸，所述湍流片具有第二預定高度，其小於基座的第一預定高度。
通過結合附圖閱讀下面對本發明的優選實施例的介紹，所屬領域的技術人員可清楚了解本發明的其他應用。
圖1是根據目前公開的燃氣渦輪發動機的截面2是顯示圖1發動機的渦輪葉片和葉片外空氣密封的部分放大截面圖；圖3是緊湊熱交換器基座排列的頂視圖，還顯示出產生的流體流線；圖4是圖3的緊湊熱交換器基座排列的側視圖；圖5顯示了渦輪葉片，壁的一部分切開顯示出微迴路基座排列；圖6是圖5所示渦輪葉片的的截面圖；圖7是圖6所示的圓圈部分的放大圖，更清楚地顯示了微迴路基座排列；圖8是葉片外空氣密封的透視圖；和圖9是圖8的葉片外空氣密封的切開視圖。
儘管下面公開的內容可進行各種的改進和具有另外的結構，其某些說明性的實施例在附圖中顯示，下面將進行詳細的介紹。應當指出，這些實施例不是用來限制公開內容於特定形式，而相反，本發明覆蓋所有的改進，可選擇的結構，及等同體；這些都屬於所附權利要求限定的範圍和精神。
具體實施例方式
本發明提出了一種緊湊熱交換器的基座排列，以增加熱部件，如燃氣渦輪發動機的部件，的傳熱。這些部件包括但不限於，燃燒室襯裡，渦輪葉片，渦輪翼片，葉片外空氣密封，噴嘴件，和其他暴露於熱排放氣體的部件。
現在參考圖1，顯示了普通的燃氣渦輪發動機10的截面圖。燃氣渦輪發動機10包括外殼12，容納內部渦輪機部件，並將發動機10連接到宇航飛行器(未顯示)。燃氣渦輪發動機10包括轉子14，其包括軸15，從發動機的前部延伸到發動機的後部。殼體12形成入口18，通過入口的空氣經過頭錐16進入發動機10。轉子可包括軸流壓縮機20，其具有至少一個壓縮級。壓縮機20可壓縮空氣，將壓縮的空氣送到燃燒室22。燃料與壓縮空氣混合，在燃燒室22內點燃。燃燒的空氣混合物膨脹以很高的速度通過渦輪24。渦輪24也可以具有多個級。渦輪定子25位於各個渦輪轉子級之間，以清除不穩定的旋渦和非正式的流動模式，提供預定速度的氣流，然後進入渦輪24的下一級。噴嘴26將從渦輪24流出的流體加速，提高質量流的速度，並產生所要求的推力推動宇航飛行器。
參考圖2，顯示了渦輪轉子葉片30和葉片外空氣密封36的部分放大圖。渦輪轉子葉片30以較高的轉速轉動並在渦輪葉片端34和葉片外空氣密封36之間保持很小的間隙區32。渦輪葉片30是轉動件，葉片外空氣密封36是靜止件，但是，這兩個部件都暴露於加熱的排放空氣流，其通常沿圖中箭頭38的方向移動。
現在參考圖3和圖4，緊湊熱交換器基座排列10分別用頂視圖和側視圖顯示。緊湊熱交換器基座排列10可增加暴露於熱排放氣體的部件的傳熱，如前面介紹的渦輪葉片30和葉片外空氣密封36。緊湊熱交換器基座排列10包括多個間隔開的基座40，在整個內部冷卻流道中間隔設置。多個湍流片42從各個基座40延伸。湍流片42和基座40至少部分嵌入流體流線中，如圖3和圖4的曲線44中。局部阻擋流體流線44，幹擾了冷卻流體，使得冷卻流體出現湍流混合。湍流混合增加了從壁46的第一表面48的傳熱，壁由於暴露於加熱的排放氣體而被加熱。冷卻流體直接接觸壁46的第二表面50的一部分。這在圖4中示意地顯示，下面會進一步介紹實際硬體。
緊湊熱交換器基座排列10包括至少一個入口52，用箭頭52顯示，允許冷卻流體流過基座40和湍流片42。緊湊熱交換器基座排列10還包括至少一個出口，用箭頭54表示。湍流片42的高度H1基本上小於基座40的高度H2。湍流片42還顯示出相對冷卻流體的總流動路徑成一定角度，使得湍流片42至少部分引導冷卻流體朝向就在湍流片42下遊的基座40。相對於只使用基座40，湍流片42的傾斜設置可提高冷卻流體的混合。因此，湍流片42增加了壁46和冷卻流體之間的傳熱係數。
在一個實施例中，基座40各連接4個湍流片42，但這個數目可大可小，取決於部件的內部幾何形狀的設計和複雜程度。湍流片42可直接位於壁46的第二表面50的附近，或者，可包括預定的分隔，使得希望數量的冷卻流體可通過湍流片42和壁46的第二表面50之間。在燃氣渦輪發動機中，冷卻流體一般是壓縮的環境空氣，但是也可以使用乙二醇，丙二醇，蒸汽或類似氣體於其他的應用場合，如內燃機，蒸汽渦輪機和熱交換器等。
緊湊熱交換器基座排列10可用於任何數量的具有較薄壁厚和較小整體形狀的的加熱部件。緊湊熱交換器基座排列10最好用於具有非常小的冷卻流道的部件。緊湊熱交換器基座排列10的湍流片42還可以具有大約為0.005到0.010英寸的較小高度，和大約為0.010到0.020英寸的寬度。基座的直徑可大約為0.015到0.030英寸。基座的高度可大約為0.012到0.025英寸。應當知道，這些尺寸只是示例性的，基座40和湍流片42的尺寸可根據設計應用來變化。
現在參考圖5，6和7，渦輪葉片30或其一部分顯示出其中形成的緊湊熱交換器基座排列10。緊湊熱交換器基座排列10顯示出位於外壁46的附近，如圖7清楚顯示。各個基座40可在壁46的內部或第二表面50和相對的內表面60之間延伸。冷卻通道62由外壁46的第二表面50和內壁66的相對表面60形成。具體參考圖5，冷卻流體通過箭頭67表示的入口進入渦輪葉片30。冷卻流體經過基座排列10流動，並通過箭頭69表示的出口排出。
現在參考圖8，顯示了葉片外空氣密封36的一部分。冷卻流體入口70穿過葉片外空氣密封36的表面71。冷卻流體出口72可在葉片外空氣密封36的側壁74形成。葉片外空氣密封36的底壁46暴露於高溫排放氣體流。緊湊熱交換器基座排列10可在葉片外空氣密封36上形成，對底壁46進行冷卻。
圖9顯示了葉片外空氣密封36的切開視圖。部分73顯示出具有設置其上的微迴路基座排列10。當部件上的傳熱要求不同時可形成多個部分。出口72在這個視圖中可清楚看到，出口72允許冷卻流體通過微迴路基座排列10。入口埠70未在圖中顯示。
儘管前面的內容詳細地介紹了多個本發明不同實施例，應當指出，本發明的法律範圍由本發明所附的權利要求來限定。詳細的介紹只是示例性的，不能介紹本發明的各個可能實施例，對本發明的各個可能實施例都進行介紹時不實際，或是沒有可能性。許多可選實施例的實施可使用現有技術或本發明的申請日後開發出的技術，這些都屬於限定本發明的權利要求的範圍內。
權利要求
1.一種用於冷卻的緊湊熱交換器，可增加裝置中加熱的部件的傳熱，包括具有第一表面和第二表面的壁，所述第一表面面對加熱的流體流道，所述第二表面部分形成冷卻流體的流道；多個基座，從所述壁的第二表面延伸；和至少一個湍流片，在相鄰的基座之間延伸。
2.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，還包括至少一個入口，允許冷卻流體流過所述基座和湍流片。
3.根據權利要求1所述的熱緊湊熱交換器，其特徵在於，還包括至少一個出口，允許冷卻流體排出。
4.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述湍流片和基座幹擾所述冷卻流體流，造成湍流混合，並增加從所述壁到冷卻流體的傳熱。
5.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述湍流片的高度小於所述基座的高度。
6.根據權利要求5所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述湍流片的高度小於所述基座高度的一半。
7.根據權利要求5所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述湍流片的高度在大約0.005到0.010英寸之間。
8.根據權利要求5所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述基座的高度在大約0.012和0.025英寸之間。
9.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述湍流片的位置相對冷卻流體流的方向成一定角度。
10.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述各湍流片至少部分引導冷卻流體流向位於所述湍流片下遊的基座。
11.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述基座各連接4個湍流片。
12.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，還包括兩個會聚的湍流片，連接到各基座的上遊側，和兩個分叉的湍流片，連接到各基座的下遊側。
13.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述湍流片位於所述壁的第二表面附近。
14.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述冷卻流體是空氣。
15.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，還包括內部相對的壁，形成了冷卻通道並提供了適合與基座接合的表面。
16.根據權利要求1所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述各基座包括圓形截面。
17.一種燃氣渦輪發動機的部件，具有可增加傳熱的內部結構，包括具有第一和第二表面的第一壁，所述第一表面面對加熱的流體流道，所述第二表面一部分形成冷卻流體的流道；多個基座，從所述第一壁的第二表面延伸到第二壁的相對表面；和至少一個湍流片，在相鄰的基座之間延伸。
18.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，還包括至少一個入口，允許冷卻流體流過所述基座和湍流片。
19.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，還包括至少一個出口，允許冷卻流體從所述冷卻流道排出。
20.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述湍流片和基座幹擾所述冷卻流體流，造成湍流混合，並增加從所述壁到冷卻流體的傳熱。
21.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述湍流片的高度小於所述基座的高度。
22.根據權利要求21所述的部件，其特徵在於，所述湍流片的高度小於所述基座的高度的一半。
23.根據權利要求21所述的部件，其特徵在於，所述湍流片的高度在大約0.005到0.010英寸之間。
24.根據權利要求21所述的部件，其特徵在於，所述湍流片的高度在大約0.012到0.025英寸之間。
25.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述湍流片的位置相對冷卻流體流的方向成一定角度。
26.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述各湍流片至少部分引導冷卻流體流向位於所述湍流片下遊的基座。
27.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述各基座連接到4個湍流片。
28.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，還包括兩個會聚的湍流片，連接到各基座的上遊側，和兩個分叉的湍流片，連接到各基座的下遊側。
29.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述湍流片位於所述第一壁的第二表面附近。
30.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，內部結構形成於渦輪葉片。
31.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述內部結構形成於渦輪翼片。
32.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述內部結構形成於渦輪葉片外空氣密封。
33.根據權利要求17所述的部件，其特徵在於，所述內部結構形成於燃燒室襯裡。
34.一種增加燃氣渦輪發動機內部傳熱的方法，包括步驟形成冷卻流體的流道，所述流道包括具有第一表面和第二表面的壁，所述第一表面面對加熱流體的流道，所述第二表面面對冷卻流體的流道；在所述壁的第二表面上形成多個基座；和在相鄰的基座之間形成至少一個湍流片。
35.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，還包括使冷卻流體流過至少一個入口並通過所述基座和湍流片。
36.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，還包括使冷卻流體流過至少一個出口。
37.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，還包括通過所述基座和湍流片湍流混合所述冷卻流體流，使得從所述壁到所述冷卻流體的傳熱增加。
38.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，還包括通過湍流片至少部分引導所述冷卻流體流向所述各基座的上遊前緣。
39.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，還包括連接兩個會聚的湍流片到各基座的上遊側，連接兩個分叉的湍流片到各基座的下遊側。
40.根據權利要求34所述的方法，其特徵在於，包括定位所述壁的第二表面附近的湍流片。
41.一種用於冷卻熱壁的緊湊熱交換器，包括壁，具有暴露於加熱的流體的外表面，和暴露於冷卻流體的內表面；至少一個基座，從所述內表面延伸，所述基座具有第一預定高度；至少一個湍流片，以相對所述冷卻流體流道成傾斜的角度從各基座延伸，所述湍流片具有第二預定高度，其小於所述基座的第一預定高度。
42.根據權利要求41所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述基座各包括從基座延伸的兩個湍流片。
43.根據權利要求41所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，各湍流片在兩個基座之間延伸。
44.根據權利要求41所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，各湍流片的高度小於各基座的高度的一半。
45.根據權利要求41所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，壁位於燃氣渦輪發動機的部件上。
46.根據權利要求45所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述部件是渦輪葉片。
47.根據權利要求45所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述部件是葉片外空氣密封。
48.根據權利要求45所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述部件是渦輪翼片。
49.根據權利要求45所述的緊湊熱交換器，其特徵在於，所述部件是壓縮機下遊的任何部件。
全文摘要
公開了一種緊湊熱交換器基座排列，可增加裝置中的熱交換。緊湊熱交換器基座排列包括具有第一表面和第二表面的壁。第一表面面對加熱流體的流道，第二表面一部分形成冷卻流體的流道。多個基座從壁的第二表面延伸。至少一個湍流片在相鄰的基座之間延伸。湍流片和基座使冷卻流體混合，增加從壁到冷卻流體的傳熱。
文檔編號F01D5/18GK1752415SQ20051008749
公開日2006年3月29日 申請日期2005年7月19日 優先權日2004年9月20日
發明者C·R·喬, P·M·盧特延 申請人:聯合工藝公司