利用熱管用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻方法和系統與流程

2023-05-22 21:06:31 2

渦輪發動機且尤其是燃氣或燃燒渦輪發動機為從氣體流中提取能量的旋轉發動機，該氣體流貫穿發動機傳送到一系列的壓縮機級（包括成對的旋轉葉片和靜止翼片（vane））中、穿過燃燒器且然後到達多個渦輪級上。在壓縮機級中，葉片由從轉子伸出的柱支承而翼片安裝至定子殼體。燃氣渦輪發動機已用於陸地和海上移動以及動力生成，但最常見的是用於航空應用，例如用於飛機，包括直升機。在飛機中，燃氣渦輪發動機用於航空器的推進。

用於航空器的燃氣渦輪發動機設計成在高溫下操作以最大化發動機推力，因此在操作期間需要冷卻某些發動機構件，例如齒輪箱或翼片。期望的是提高壓縮機的熱容量以對發動機系統進行期望的熱管理。

技術實現要素：

在一個方面，本發明的實施例涉及一種冷卻具有壓縮機的燃氣渦輪發動機的方法，該壓縮機具有位於外壓縮機殼體和內壓縮機殼體之間的成對的旋轉葉片和靜止翼片的多個軸向布置的級。該方法包括通過如下方式閉環冷卻壓縮機，也即利用熱管從翼片的至少之一中汲取熱，通過由至少一個熱管導送液體冷卻劑以形成加熱的液體冷卻劑來從該至少一個熱管汲取熱，以及導送加熱的液體冷卻劑穿過熱交換器。

在另一方面，本發明的實施例涉及包括核心的燃氣渦輪發動機，該核心具有成軸向流動地布置且包封在核心殼體內的壓縮機區段、燃燒器區段，以及渦輪區段。壓縮機區段具有成對的旋轉葉片和靜止翼片的多個軸向布置的級，風扇區段成軸向流動布置並且在核心的上遊，其中風扇區段提供圍繞核心殼體的旁通空氣流。壓縮機區段還包括閉環冷卻迴路，其具有泵、從靜止翼片中的至少之一延伸的至少一個熱管、位於旁通空氣流內的熱交換器，以及傳送穿過泵、經過熱管並且穿過熱交換器的冷卻劑導管。泵泵送冷卻劑穿過冷卻劑導管以從熱管中汲取熱到冷卻劑中來形成加熱的冷卻劑，該加熱的冷卻劑然後傳送經過熱交換器，其中，從冷卻劑除去熱到旁通空氣以使冷卻劑冷卻來形成冷卻的冷卻劑，該冷卻的冷卻劑然後返回至熱管。

具體地，本發明還提供了以下技術方案。

技術方案1. 一種冷卻具有壓縮機的燃氣渦輪發動機的方法，所述壓縮機具有位於外壓縮機殼體和內壓縮機殼體之間的成對的旋轉葉片和靜止翼片的多個軸向布置的級，所述方法包括通過以下方式閉環冷卻所述壓縮機，也即利用熱管從所述翼片的至少之一中汲取熱，通過由至少一個熱管導送液體冷卻劑以形成加熱的液體冷卻劑來從所述至少一個熱管汲取熱，以及導送所述加熱的液體冷卻劑經過熱交換器。

技術方案2. 根據技術方案1所述的方法，其特徵在於，從至少一個翼片汲取熱包括利用多個熱管從所述至少一個翼片汲取熱。

技術方案3. 根據技術方案2所述的方法，其特徵在於，從至少一個翼片汲取熱包括利用多個熱管從多個翼片汲取熱。

技術方案4. 根據技術方案1所述的方法，其特徵在於，由所述至少一個熱管導送液體包括導送液體冷卻劑經過圍繞所述至少一個熱管的歧管。

技術方案5. 根據技術方案1所述的方法，其特徵在於，從所述至少一個翼片汲取熱包括從可變定子翼片汲取熱。

技術方案6. 根據技術方案1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括導送所述液體冷卻劑經過位於所述燃氣渦輪發動機內的中間冷卻器。

技術方案7. 根據技術方案6所述的方法，其特徵在於，導送所述液體冷卻劑經過所述中間冷卻器包括導送所述液體冷卻劑經過位於所述壓縮機上遊的表面冷卻器。

技術方案8. 根據技術方案6所述的方法，其特徵在於，導送所述液體冷卻劑經過中間冷卻器包括導送所述液體冷卻劑經過用於所述壓縮機的入口導向葉片和出口導向翼片中的至少之一。

技術方案9. 根據技術方案1所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括傳送冷卻流體經過所述熱交換器。

技術方案10. 根據技術方案9所述的方法，其特徵在於，所述冷卻流體包括來自所述燃氣渦輪發動機的風扇區段的空氣。

技術方案11. 一種燃氣渦輪發動機，包括：

核心，所述核心包括成軸向流動地布置並且包封在核心殼體內的壓縮機區段、燃燒器區段以及渦輪區段，其中，所述壓縮機區段具有成對的旋轉葉片和靜止翼片的多個軸向布置的級；

成軸向流動布置並且在所述核心的上遊的風扇區段，所述風扇區段提供圍繞所述核心殼體的旁通空氣流；以及

閉環冷卻迴路，所述閉環冷卻迴路具有泵、從所述靜止翼片中的至少之一延伸的至少一個熱管、位於所述旁通空氣流中的熱交換器，以及流體地聯接至所述泵、聯接至所述熱交換器並且與所述熱管形成一體的冷卻劑導管；

其中，所述泵泵送冷卻劑穿過所述冷卻劑導管以從所述熱管中汲取熱到所述冷卻劑中來形成加熱的冷卻劑，所述加熱的冷卻劑然後傳送經過所述熱交換器，其中，從所述冷卻劑除去熱到所述旁通空氣以冷卻所述冷卻劑來形成冷卻的冷卻劑，所述冷卻的冷卻劑然後返回至所述熱管。

技術方案12. 根據技術方案11所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述靜止翼片為可變靜止翼片。

技術方案13. 根據技術方案11所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述閉環冷卻迴路還包括中間冷卻器。

技術方案14. 根據技術方案13所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述中間冷卻器位於所述核心殼體上。

技術方案15. 根據技術方案14所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述中間冷卻器為表面冷卻器。

技術方案16. 根據技術方案13所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述中間冷卻器包括通向所述壓縮機區段的入口導向翼片。

技術方案17. 根據技術方案13所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述燃氣渦輪發動機還包括將所述風扇區段的風扇連接至所述核心的驅動軸的齒輪箱，並且所述中間冷卻器冷卻所述齒輪箱。

技術方案18. 根據技術方案17所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述中間冷卻器為提供在所述齒輪箱上的表面冷卻器。

技術方案19. 根據技術方案11所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述至少一個熱管包括多個熱管。

技術方案20. 根據技術方案19所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述冷卻劑導管包括歧管，所述歧管用於所述多個熱管以供給液體冷卻劑經過所述歧管來從所述熱管汲取熱至所述液體冷卻劑。

技術方案21. 根據技術方案20所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述至少一個靜止翼片包括具有多個熱管的多個靜止翼片。

技術方案22. 根據技術方案11所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述風扇殼體的至少一部分環繞所述核心殼體以限定環形旁通通道，並且所述熱交換器位於所述旁通通道內。

技術方案23. 根據技術方案11所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，閉環冷卻迴路還包括壓縮機。

技術方案24. 根據技術方案23所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述冷卻劑包括兩相混合物。

技術方案25. 根據技術方案11所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述熱交換器包括表面冷卻器。

技術方案26. 根據技術方案25所述的燃氣渦輪發動機，其特徵在於，所述壓縮機包括出口導向翼片，並且所述熱交換器定位成鄰近所述出口導向翼片。

附圖說明

在附圖中：

圖1為根據本發明的一個實施例的燃氣渦輪發動機的示意性截面視圖。

圖2為圖1中的燃氣渦輪發動機的壓縮區段的示意圖，其中對壓縮機級中的一些進行中間冷卻。

圖3為熱管的示意圖。

圖4為描述冷卻燃氣渦輪區段的方法的流程圖。

具體實施方式

本發明的所述實施例涉及有關在渦輪發動機中導送空氣流的系統、方法以及其它裝置。為例證目的，本發明將關於航空器燃氣渦輪發動機來描述。然而，將應理解的是，本發明並不如此受限並且可在非航空器應用中具有一般的適用性，例如其它可動應用和不可動的工業、商業和居住應用。

圖1為用於航空器的燃氣渦輪發動機的示意性截面圖，該燃氣渦輪發動機可包括燃氣渦輪發動機10。發動機10具有從前14向後16延伸的大體縱向延伸軸線或中心線12。發動機10以向下遊串行流動關係地包括：風扇區段18，其包括風扇20；壓縮機區段22，其包括增壓器或低壓（LP）壓縮機24和高壓（HP）壓縮機26；燃燒區段28，其包括燃燒器30；渦輪區段32，其包括HP渦輪34和LP渦輪36；以及排出區段38。壓縮機區段22、燃燒區段28和渦輪區段32成軸向流動地布置並且包封在核心殼體46內。

風扇區段18包括圍繞風扇20的風扇殼體40。風扇20包括圍繞中心線12徑向地設置的多個風扇葉片42。HP壓縮機26、燃燒器30和HP渦輪34形成發動機10的核心44，其生成燃燒氣體。核心44由核心殼體46圍繞，該核心殼體可與風扇殼體40相聯接。風扇殼體40的至少一部分環繞核心殼體46以限定環形旁通通道47。

關於發動機10的中心線12同軸地設置的HP驅動軸或捲軸（spool）48將HP渦輪34驅動地連接至HP壓縮機26。LP驅動軸或捲軸50關於發動機10的中心線12同軸地設置在較大直徑的環形HP捲軸48內，將LP渦輪36驅動地連接至LP壓縮機24和風扇20。發動機10的、安裝至捲軸48、50中的任一者或兩者上並且與其一起旋轉的部分也單獨地或共同地稱為轉子51。

LP壓縮機24和HP壓縮機26分別包括多個壓縮機級52、54，在其中一組壓縮機葉片56、58相對於對應組的靜止壓縮機翼片60、62（也稱為噴嘴）旋轉，每一組均包括一對，以壓縮傳送經過級的流體流或對其加壓。在單個的壓縮機級52、54中，多個壓縮機葉片56、58可提供成環並且可相對於中心線12沿徑向向外從葉片平臺延伸至葉片末端，而對應的靜止壓縮機翼片60、62定位在旋轉葉片56、58的下遊並且與其鄰近。注意的是，圖1中所示葉片、翼片和壓縮機級的數目僅是為例示目的而選擇，並且其它數目也是可能的。用於壓縮機的級的葉片56、58可安裝至盤53，該盤安裝至HP和LP捲軸48、50中的對應之一上，其中每個級均具有其特有的盤。翼片60、62以圍繞轉子51的環向布置安裝至核心殼體46。壓縮機不限於軸向定向而是可軸向地、徑向地或以結合的方式定向。

LP壓縮機24和HP壓縮機26還可包括至少一個導向翼片，其可為定位在壓縮機區段22的上遊端上的入口導向翼片55和定位在壓縮機區段22的下遊端上的出口導向翼片57。翼片不限於一種類型而是可例如為不可變定子翼片或者定子翼片。

HP渦輪34和LP渦輪36分別包括多個渦輪級64、66，在其中一組渦輪葉片68、70相對於對應組的靜止渦輪翼片72、74（也稱為噴嘴）旋轉以從傳送經過級的流體流中提取能量。在單個的渦輪級64、66中，多個渦輪葉片68、70可提供成環並且可相對於中心線12沿徑向向外從葉片平臺延伸至葉片末端，而對應的靜止渦輪翼片72、74定位在旋轉葉片68、70的上遊並且與其鄰近。注意的是，圖1中所示葉片、翼片和渦輪級的數目僅是為例示目的而選擇，並且其它數目也是可能的。

在操作中，旋轉風扇20供給環境空氣至LP壓縮機24，該LP壓縮機然後供給加壓的環境空氣至HP壓縮機26，該HP壓縮機對環境空氣進一步地加壓。來自HP壓縮機26的加壓空氣與燃燒器30中的燃料混合併且點燃，從而生成燃燒氣體。通過HP渦輪34從這些氣體中提取一些功，其驅動HP壓縮機26。燃燒氣體排出到LP渦輪36中，該LP渦輪提取附加的功來驅動LP壓縮機24，並且排出氣體最終經由排出區段38從發動機10排出。LP渦輪36的驅動驅動LP捲軸50以旋轉風扇20和LP壓縮機24。

由風扇20供給的一些環境空氣可繞過發動機核心44作為旁通空氣流並且用於冷卻發送機10的部分、尤其是熱部分，和/或用於冷卻航空器的其它方面或對其提供動力。在渦輪發動機的情況下，發動機的熱部分通常位於燃燒器30的下遊、尤其是渦輪區段32，其中HP渦輪34是最熱的部分，因為其直接地在燃燒區段28的下遊。

發動機的熱部分也存在於壓縮機區段22內且因此由風扇20供給的環境空氣或者來自壓縮機的較冷空氣可被利用，但不限於壓縮機區段22的冷卻部分。旁通空氣流可越過在壓縮機26的上遊定位在旁通通道47的旁通空氣流中的熱交換器76，該熱交換器可為表面冷卻器。熱交換器76的位置儘管顯示在旁通通道47內，但不限於該旁通通道並且可定位在發動機10內的任何適合位置處，例如鄰近入口或出口導向葉片55。

參看圖2，壓縮機區段22的示意圖進一步地顯示包括轉子51的內壓縮機殼體80，以及設置在核心殼體46內的外壓縮機殼體82。成對的旋轉葉片58和靜止翼片62的多個、軸向布置的級52、54定位在外壓縮機殼體82和內壓縮機殼體80之間。具有泵86、中間冷卻器88、熱交換器76和冷卻劑導管90的閉環冷卻迴路84定位成緊接壓縮機區段22。冷卻劑導管90流體地聯接至泵86和熱交換器76，並且還包括歧管92。冷卻劑導管90與至少一個熱管94是一體的，因為該至少一個熱管94從翼片62內軸向地延伸並且由歧管92圍繞。多個熱管94可位於一個翼片62內並且多個翼片62可包括至少一個熱管94。

閉環冷卻迴路84包括經由冷卻劑導管90從熱交換器76至中間冷卻器88並回到熱交換器76的連接。中間冷卻器88和熱交換器76可為任何適合類型的熱交換器，包括但不限於表面冷卻器。此外，中間冷卻器88可包括入口導向翼片55以及熱交換器76可包括出口導向翼片57或定位成與其鄰近。

在一個實施方案中，發動機10還可包括齒輪箱45，該齒輪箱可定位在發動機10內的任何適合位置處，使得其將風扇區段18的風扇20連接至核心44的捲軸48、50。齒輪箱45容許風扇相比於發動機以不同的速度運行。閉環冷卻迴路84包括經由冷卻劑導管90從熱交換器76至中間冷卻器88並且回到熱交換器76的連接，其中中間冷卻器88提供在齒輪箱45上。中間冷卻器88可設置在齒輪箱45和核心殼體46上。

任選的流動控制裝置，例如但不限於控制閥，可包括在環路中，使得通向中間冷卻器88的冷卻劑流可根據操作條件接通、斷開，或者調節。

歧管92供給冷卻劑體積114至圍繞熱管94的區域，該區域通過將作為熱的能量從熱管94傳遞至冷卻劑114而容許熱管94內的熱傳遞介質（圖3）冷凝。冷卻劑導管90通過利用泵86來泵送冷卻劑114穿過冷卻劑導管90而產生用於液體冷卻劑114在閉環冷卻迴路84中流動的路徑。熱管94為利用其連接至少一個翼片62和歧管92以冷卻該至少一個翼片62的被動裝置。熱管94為任何熱傳遞裝置，其利用熱導性和相變二者來從至少一個翼片62經由熱管94傳遞熱至冷卻劑導管90中的液體冷卻劑114。應注意的是，歧管92的確切設計可採用許多形式來實現這種能量傳遞。例如，在許多構造中冷卻劑114可直接地流過熱管94的端部。

圖3為熱管94的示例性實施例，該熱管包括限定熱管外表面的外殼（housing）102。設置在外殼102內部的是吸收性芯吸件104，其圍繞蒸氣腔106。熱傳遞介質108，例如水或鈉或其它適合材料，設置在蒸氣腔106內。熱管的第一端110設置在翼片62內以及熱管94的第二端112從翼片62向外延伸到歧管92中，使得熱管利用熱介質114操作以從熱管94的第二端112移除熱能。熱傳遞介質108當在低於翼片62操作的溫度範圍時處於蒸氣狀態。當熱傳遞介質108蒸發至蒸氣狀態116時，其從翼片62吸收熱並且移動至熱管94在歧管92內的部分，在其中熱傳遞介質冷凝回到液體形式118並且釋放熱，該熱繼而加熱冷卻劑導管90內的液體冷卻劑。

現在還參看圖4，一流程圖顯示通過以下方式冷卻燃氣渦輪發動機10的方法200，也即利用熱管94從翼片62的至少之一中汲取熱202，通過由至少一個熱管94導送液體冷卻劑來從該至少一個熱管94汲取熱204以形成加熱的液體冷卻劑，以及最後導送206加熱的液體冷卻劑穿過熱交換器。藉助於壓縮機區段22，風扇空氣75作為冷卻流體導入至熱交換器76。該風扇空氣75圍繞熱交換器76傳送以冷卻液體冷卻劑來在熱交換器76內形成冷卻的冷卻劑98。冷卻的冷卻劑98為步驟204中的液體冷卻劑並且也可泵送至中間冷卻器88來冷卻該中間冷卻器。液體冷卻劑從至少一個熱管94和中間冷卻器88汲取熱，從而形成加熱的冷卻劑100。隨後，加熱的冷卻劑100從歧管92流動至可包括壓縮機的泵86，且之後繼續流動至熱交換器76，在其中熱進一步地從冷卻劑除去至旁通空氣以使冷卻劑冷卻來形成冷卻的冷卻劑98。冷卻的冷卻劑98然後返回至歧管92和返回至中間冷卻器88並且該過程重複。冷卻的冷卻劑98可用於經由中間冷卻器88冷卻其它部件，例如齒輪箱45。

移動液體、氣體或兩相混合物的常規器件可用於泵送液體冷卻劑。泵為壓力提升裝置，例如泵或壓縮機。泵或壓縮機可使用來自發動機（例如，軸上的連接齒輪）的功或者使用由發動機生成的電力來驅動。

應注意的是，在本公開內容中如上所述的中間冷卻器是一種可為任何類型的熱交換器的機械裝置並且不應與冷卻壓縮機級或級組的熱力學循環（也即中間冷卻）相混淆。

本書面描述採用實例來公開包括最佳方式的本發明，並且還使得本領域普通技術人員能夠實施本發明，包括製作和使用任何裝置或系統以及執行任何所併入的方法。本發明可取得專利的範圍由權利要求限定，並且可包括本領域技術人員想到的其它實例。如果此類其它實例具有與權利要求的字面語言並無不同的結構元件或者如果此類其它實例包括與權利要求的字面語言並無實質差異的同等結構元件，則認為它們處在權利要求的範圍內。

零件標號列表

10 發動機 12 中心線 14 前 16 後 18 風扇區段 20 風扇 22 壓縮機區段 24 低壓壓縮機 26 高壓壓縮機 28 燃燒區段 30 燃燒器 32 渦輪區段 34 高壓渦輪 36 低壓渦輪 38 排出區段 40 風扇殼體 42 風扇葉片 44 核心 46 核心殼體 47 旁通通道 48 高壓軸/捲軸 50 低壓軸/捲軸 51 轉子 52 壓縮機級 53 盤 54 壓縮機級 55 入口導向翼片 56 旋轉葉片 57 出口導向翼片 58 旋轉葉片 60 翼片 62 翼片 64 渦輪級 66 渦輪級 68 渦輪葉片 70 渦輪葉片 72 渦輪翼片 74 渦輪翼片 76 熱交換器 80 內壓縮機殼體 82 外壓縮機殼體 84 閉環冷卻迴路 86 泵 88 中間冷卻器 90 冷卻劑導管 92 歧管 94 熱管 98 冷卻的冷卻劑 100 加熱的冷卻劑 102 外殼 104 芯吸件 106 蒸氣腔 108 熱傳遞介質 110 第一端 112 第二端 114 冷卻劑 116 蒸氣狀態 118 液體形式