具有液態金屬冷卻的燃氣渦輪發動機的製作方法

2024-01-26 06:48:15 3

本發明大體而言是涉及一種燃氣渦輪發動機，並且更具體而言，涉及一種用於工業燃氣渦輪發動機的渦輪的閉環液態金屬冷卻迴路。

相關申請的交叉引用

本申請要求保護在2014年5月14日提交的名稱為「液態金屬冷卻系統(LIQUID METAL COOLING SYSTEM)」美國序列號No.61/993,048的權益、在2012年10月18日提交的名稱為「具有液態金屬冷卻的燃氣渦輪發動機(GAS TURBINE ENGINE WITH LIQUID METAL COOLING)」的美國序列號No.61/715,364、和在2013年10月18日提交的名稱為「具有液態金屬冷卻的燃氣渦輪發動(GAS TURBINE ENGINE WITH LIQUID METAL COOLING)」的美國序列號No.14/056,992的權益，所有這些申請的內容以引用的方式併入到本文中。

背景技術：

燃氣渦輪發動機通常包括壓氣機以壓縮空氣，壓縮空氣被傳遞到燃燒室內並且與燃料燃燒以產生熱氣體流。這種熱氣體流然後通過渦輪，渦輪通常包括四級定子靜葉(vane)和轉子葉片(blade)中的三級，以從熱氣體流動提取能量，從而驅動壓氣機並且在工業燃氣渦輪(IGT)發動機的情況下驅動發電機。

可以通過使較高溫度氣流傳遞到渦輪內而提高發動機的效率。用於發動機的典型渦輪入口溫度是3000℉，其高到足以熔化第一級翼型件。為了使渦輪零件耐受這種極端溫度環境，通過使冷卻空氣通過形成於翼型件內的複雜冷卻迴路而冷卻翼型件。從壓氣機吹出壓縮空氣，壓縮空氣通過翼型件以進行冷卻。大約20％的壓氣機出口空氣用於冷卻各種渦輪翼型件。然而，由於冷卻空氣並不在發動機中起到任何作用，這是能量損失。

已知將燃氣渦輪發動機的壓氣機部段中產生的壓縮空氣的一部分排出用作發動機的渦輪部分中的冷卻介質。壓縮空氣可以噴射到燃燒氣體流內以在渦輪表面上提供絕緣薄膜，或者其可以以閉合冷卻系統經過熱渦輪零件中形成的內冷卻通路。這種現有技術裝置的示例在1998年7月21日授予Huber等人的美國專利No.5,782,076中示出，美國專利No.5,782,076以引用的方式併入到本文中。

使用閉環冷卻系統來改進發動機的冷卻效果使得無需來自壓氣機的壓縮空氣。在2001年10月2日授予Bancalari的美國專利No.6,295,803(以引用的方式併入到本文中)公開了一種燃氣渦輪發動機，其具有閉環冷卻迴路以從熱渦輪部段向壓氣機部段所產生的壓縮空氣傳熱。閉環冷卻系統包括安置於壓縮空氣的流動路徑中在壓氣機部段的出口與燃燒室的入口之間的熱交換器。冷卻流體可以由位於發動機殼體外側上的泵或者由安裝於轉子軸上的泵來驅動。冷卻迴路可以包括孔口以造成冷卻流體從液態變成氣態，從而提高了冷卻迴路的傳熱能力。Bancalari專利公開了冷卻流體可以是蒸汽、空氣、乙二醇、液態金屬或其它冷卻介質。

本發明的申請人發現了液態金屬特別適合用作閉環渦輪冷卻系統的這種類型的冷卻流體；然而，大部分液態金屬與渦輪中使用的金屬材料諸如構成靜葉和葉片的金屬會發生很強烈的反應。例如，現代發動機通常包括由鐵、鎳、鈮和/或鈷基合金製成的渦輪轉子葉片和定子靜葉。鉍，用於傳熱過程的良好的液態金屬，與鎳或鈷基合金快速起反應使得兩種材料在數分鐘內破壞。因此需要彼此不起反應的渦輪材料與液態金屬的組合。

技術實現要素：

本發明有利地提供用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻迴路，其中渦輪翼型件和冷卻迴路的部分由不與液態金屬冷卻流體起反應的材料組成。一種這樣的組合可以是能用作翼型件金屬的鉬(Mo)、鉬合金或鉭(Ta)合金，液態金屬冷卻流體為鉍、鉛或其組合，包括鉍和/或鉛與銦(In)的組合。液態金屬冷卻流體可以經過暴露於高溫氣流的發動機零件，諸如定子靜葉或燃燒室面板，以向這些零件提供冷卻。例如，渦輪定子靜葉可以包括鎳基超合金，並且其中可以包括冷卻通路，冷卻通路在冷卻通路的內表面上由鉭(Ta)和/或鉬製成插件或襯套加襯或限定，並且其中鉍(Bi)液態金屬冷卻流體可以用來冷卻定子靜葉。定子靜葉可以由標準鎳(Ni)基合金或者由鉬或另一種金屬形成。即使在在冷卻流體暴露於燃氣渦輪發動機的渦輪的很高溫度時，液態鉍與鉭或鉬也只具有有限的反應性。例如，鉬加襯的通道可以分隔液態金屬與鎳基合金。即，加襯的通道可以隔離腐蝕性流體流動，並且防止腐蝕性流體流動侵蝕靜葉的金屬材料。

在本發明的另一實施例中，渦輪定子靜葉可以由典型金屬材料諸如含鐵金屬合金、鎳合金或鈷(Co)合金製成，並且由鉬或鉭製成的插件或襯套可以放置於內側以保護外靜葉材料免於和液態金屬諸如鉍、鉛(Pb)、銦或其合金混合物起反應。插件或襯套可以分隔液態金屬與主要靜葉材料，並且允許熱量從主要靜葉材料傳導至經過插件流動的液態金屬冷卻劑。用於靜葉材料的其它塗層可以包括氧化物塗層或者玻璃、碳化矽或氮化矽的薄塗層。

液態金屬運輸管可以連接到形成於靜葉上的開口以將液態金屬運送進出靜葉。連接件可以包括鉬座與形成於管和靜葉上的鉬塗層或層的壓縮圓錐形配件表面，以便防止鉬暴露於空氣中。配件可以包括柔順的鉑(Pt)盤形密封件，以允許在配件與靜葉開口之間的熱膨脹，確保氣密牢固的配合，從而防止氧氣汙染鉬。

可以通過圍繞預成型的鉬液態金屬冷卻通道來鑄造鎳基合金以形成靜葉。配件(諸如圓錐形配件)然後可以形成於靜葉內的液態金屬通路的開口上以連接到外部液態金屬管路或管。在另一實施例中，靜葉可以這樣形成，即，鑄造鎳基合金並且然後在鎳基合金中形成螺紋通路用於插入鎳封裝的鉬管以運輸液態金屬。

在另一實施例中，定子靜葉可以由繞用於運輸液態金屬的鉬冷卻通道襯套鑄造的鎳基合金形成，其中靜葉包括液態金屬冷卻通道和在靜葉的薄尾邊緣部段中的冷卻空氣冷卻通道，靜葉的薄尾邊緣部段具有尾邊緣冷卻空氣排放孔，使得冷卻空氣可以用於冷卻薄部段並且然後從靜葉排放。薄鈉層定位於翼型件與液態金屬冷卻劑通道之間，液態金屬冷卻劑通道保持傳熱介質，即使在翼型件相對於液態金屬冷卻劑通道的熱膨脹改變該間距時也行。

附圖說明

當結合附圖考慮時，參考下文的詳細描述，將更易於更全面地理解本發明和本發明附帶的優點和特點，在附圖中：

圖1示出了根據本發明用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻迴路的第一實施例的示意圖；

圖2示出了根據本發明用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻迴路的第二實施例的示意圖；

圖3示出了根據本發明用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻迴路的第三實施例的示意圖；

圖4示出了根據本發明用於向高溫流體流暴露的熱交換器中的閉環液態金屬冷卻迴路的示意圖；

圖5示出了渦輪定子靜葉的截面圖，該渦輪定子靜葉具有固定於內側的金屬插件以使用液態金屬來冷卻靜葉；

圖6示出了液態金屬冷卻管的第一實施例的截面圖；

圖7示出了液態金屬冷卻管的第二實施例的截面圖；

圖8示出了具有液態金屬冷卻通路的渦輪葉片的透視圖；

圖9示出了液態金屬冷卻管連接設計的截面圖；

圖10示出了圖9中示出的管的一個部段的特寫視圖；

圖11示出了用於冷卻管的兩種金屬之間的接口的第一實施例的截面圖；

圖12示出了用於冷卻管的兩種金屬之間的接口的第三實施例的截面圖；

圖13示出了從用於液態金屬冷卻中的材料之一形成突出部的過程的第一實施例的圖示；

圖14示出了從用於液態金屬冷卻管中的材料之一形成突出部的過程的第二實施例的圖示；

圖15示出了具有鑄造於靜葉材料內的液態金屬冷卻管的靜葉的截面圖；

圖16示出了具有液態金屬冷卻管的靜葉的截面圖，該冷卻管具有外管連接件；

圖17示出了具有液態金屬冷卻迴路和壓縮空氣冷卻迴路的靜葉的透視圖；

圖18示出了沿著靜葉冷卻迴路的第一實施例的翼展方向的截面圖；

圖19示出了沿著靜葉冷卻迴路的第二實施例的翼展方向的截面圖；

圖20示出了用來形成冷卻的靜葉的液態金屬冷卻元件的透視圖；

圖21示出了可以用來形成冷卻的靜葉的個別液態金屬冷卻通路元件；

圖22示出了形成靜葉的過程的第一步驟，在該靜葉中具有液態金屬冷卻通路；

圖23示出了形成靜葉的過程的第二步驟，該靜葉中具有液態金屬冷卻通路；

圖24示出了形成靜葉的過程的第三步驟，該靜葉中具有液態金屬冷卻通路；

圖25示出了可以用於閉環液態金屬冷卻系統的氣體淨化的流體連接件的截面圖；以及

圖26示出了由液態鈉腔室包圍的定子靜葉和液態金屬冷卻管的截面圖。

具體實施方式

現參考圖1和圖2，示出了用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻系統的截面圖。該閉環系統可以包括：壓氣機11，其由轉子軸12可旋轉地連接到渦輪13；位於壓氣機11與渦輪13之間的燃燒室14；兩級定子靜葉15和轉子葉片16；熱交換器17；冷卻流體泵18；以及，冷卻流體管線19，其與被冷卻的定子靜葉15形成閉環冷卻流體通路。

熱交換器17可以位於發動機芯內側(如在Bancalari專利中那樣)或者可以位於外側(如圖1所示)。熱交換器17可以從定子靜葉15向進入燃燒室14的壓縮空氣傳熱。從壓氣機11排放的壓縮空氣可以通過熱交換器17並且然後進入到燃燒室14內。閉環冷卻迴路可以包括從泵18進入到一級或多級定子靜葉15的冷卻迴路內，通過熱交換器17，然後回到泵18的流體流動路徑。圖1所示的系統可以大體上與圖2所示的系統相同，但是出於說明目的，在圖1中示出了額外的定子靜葉15和轉子靜葉16。

具有內冷卻通路的定子靜葉15可以由不與液態金屬冷卻流體起反應的材料組成。在一實施例中，定子靜葉15可以由含鐵合金、鎳合金和/或鈷合金製成。因此，液態金屬冷卻流體可以是鉍或鉛、鉍與鉛的組合或者鉍和/或鉛與銦的組合，並且襯套或管件可以由鉬或鉭形成從而避免在液態金屬冷卻流體與靜葉材料之間的反應。具有內冷卻流體通路的定子靜葉15可以認為是熱交換器。熱交換器，例如圖1至圖3中示出的熱交換器17或者具有內冷卻通路的定子靜葉15暴露於液體冷卻迴路中的最高溫度。例如，外部熱氣體溫度可以為大約2500℉，其中定子靜葉15具有大約1500℉的金屬溫度，並且液態金屬冷卻流體具有大約1000℉的溫度。

如果在發動機停機之前或者在發動機零件冷卻之前，可以從冷卻系統淨化冷卻流體，鉬可以與鉍一起用作冷卻流體。隨著液態鉍冷卻，其在凝固時膨脹，這可能會造成中空部分，液態金屬流入到中空部分從而造成開裂或破裂。實驗室測試確定了液態鉍與鉬和其合金具有有限的反應性，特別是在與燃氣渦輪發動機操作一致的升高溫度下。液態鉍將特別適合於用作液態金屬冷卻流體，但是其會與用於燃氣渦輪發動機的翼型件的現代材料劇烈反應，這些現代材料通常為鎳、鈷或鐵基。在不存在氧的情況下，鉬是耐高溫材料，但是並不用於翼型件中，因為這種材料不能鑄造為翼型件形狀，這歸因於其高熔化溫度。

在鉍用作液態金屬冷卻流體的實施例中，渦輪定子靜葉15可以由標準鎳基合金或超合金製成，但是冷卻流體通路利用鉭和/或鉬加襯或塗布或者具有鉭和/或鉬製成的插件。液態金屬鉍並不與鉭和/或鉬起反應，並且向靜葉15提供充分冷卻。液態鉍的改進的冷卻能力可以提供充分的額外冷卻使得標準鎳基合金或超合金仍可以使用，即使是在較高氣流溫度下也行。

在來自燃燒室14的熱氣體流進入渦輪並且繞定子靜葉15傳遞時，液態金屬冷卻流體可以通過閉環冷卻迴路泵送以遠離靜葉15向冷卻流體內傳熱。受熱的冷卻流體然後可以通過熱交換器17，以向進入燃燒室14的壓縮空氣添加額外熱量。由於這種系統，可不需要將來自壓氣機11的壓縮空氣用於冷卻第一級定子靜葉或第二級定子靜葉，只要第一級定子靜葉或第二級定子靜葉由液態金屬冷卻流體冷卻即可。第一級轉子葉片16仍可使用來自壓氣機11的壓縮空氣來冷卻，如在現有技術中那樣。從壓氣機11排放的壓縮空氣的溫度通常為大約1100℉，這對於冷卻流體特別對於第一級靜葉而言較高。因此，利用本發明的冷卻迴路，並不需要來自壓氣機11的壓縮空氣用於冷卻，並且因此，由於使用從壓氣機排出的壓縮空氣造成的系統效率損失並不浪費(即，提高了系統效率)。液態金屬冷卻劑流體管線19可以由鉬或鉭製成或者利用鉬或鉭加襯以便向諸如鉍的液態金屬冷卻劑提供非反應性表面。

現參考圖3，示出了用於燃氣渦輪發動機的閉環冷卻迴路的第三實施例的示意圖。該閉環液態金屬冷卻迴路可以包括下面這樣的構造：其中壓氣機出口空氣的一部分在進入燃燒室14之前通過熱交換器17。如在圖1和圖2中所示，所有壓氣機出口空氣可以通過熱交換器17，由於熱交換器壓降，熱交換器17可以產生大約4％的壓力損失(ΔP損失)。在圖3的實施例中，壓氣機11出口空氣的一部分可以直接傳遞到燃燒室14內，而其餘壓氣機出口空氣可以通過熱交換器17，以從通過熱交換器17的液態金屬流體取得熱。受熱的壓氣機出口空氣然後可以傳遞到燃燒室14內以與未受熱的壓氣機出口空氣合併並且在燃燒室14內燃燒。通過熱交換器17的壓氣機出口空氣的量(在圖2中表示為「x」)可以在大約15％與大約30％之間。由馬達22驅動的壓氣機21可以將流入到熱交換器17內的壓氣機11出口空氣的壓力增加大約15％ΔP，以便減少用於大部分壓氣機11排放的壓氣機做功。

在圖1至圖3中示出的系統可以用於冷卻在發動機的渦輪13內的定子靜葉15(第一級或者第一級與第二級靜葉)。然而，也能使用本發明的閉環液態金屬冷卻迴路來冷卻向高溫氣體流動暴露的發動機的其它零件，其中熱交換器17可以由不與液態金屬冷卻流體起反應的材料製成。例如，燃燒室14可以包括向熱氣體流暴露的鎳基或鈷基襯套，該襯套可以包括由諸如鉬等材料製成的內熱交換器通路，內熱交換器通路具有液態金屬流體冷卻通路，可以通過液態金屬流體冷卻通路傳遞液態金屬(諸如鉍或鉛或者鉍與鉛的組合，和可選地銦)以向燃燒室面板提供冷卻。連接到熱交換器17的冷卻流體管線19可以由相同的耐高溫材料製成，諸如鉬或鉭，只要液態金屬冷卻劑溫度高得足以準許使用相同材料。熱交換器17可以向高溫暴露並且因此可以由諸如鉬或鉭等材料製成，這種材料將不與諸如鉍或鉛等液態金屬冷卻流體起反應。液態金屬冷卻劑管線19可以由鉬或鉭形成或者利用鉬或鉭加襯，以便向諸如鉍或鉛等液態金屬冷卻劑提供非反應性表面。諸如鉍等液態金屬冷卻劑的溫度可以沿著整個液態金屬冷卻管線19變化大約200℉，這歸因於這些液態金屬冷卻劑能提供的高水平的傳熱能力。

鉍可以是最佳地適合於燃氣渦輪發動機中使用的高溫液態金屬冷卻流體。鉭是耐火金屬，具有5425℉的高熔點和高耐腐蝕性。在測試中，液態鉍在遠高於1200℉的溫度表現出與鉭有限的反應。

如果在靜葉內的液態金屬冷卻通路和將靜葉連接到熱交換器的管或管路由諸如鉬等材料組成，這種材料能耐高溫並且將不與液態金屬冷卻流體(諸如鉍)起反應，那麼鉬必須受到保護以防止暴露於空氣，因為在空氣內的氧含量將與鉬起反應，即，使鉬氧化。因此，鉬可以被塗布不會與氧氣起反應但能耐受用於燃氣渦輪發動機中的高溫的材料。例如，鉬液態金屬冷卻通路可以通過鍍鎳(例如鎳基超合金)而覆蓋或者用其它耐氧化結合塗層或鑄造的鋼、鎳或鈷基合金(包括不鏽鋼)而覆蓋。另外，可以使用鉬的覆層或高等靜壓(HIP)結合。利用這種結構，鉬通路可以在很高的溫度(關於燃氣渦輪發動機)運輸腐蝕性流體而不會造成腐蝕性侵蝕。

在鉬與例如不鏽鋼或鎳基合金之間形成的結合必須是牢固的連接，以便抵抗裂紋形成。這可以使用多種方法來實現，包括電鍍、表面製備或鑄造封裝。在圖18中，向初始鎳部件鍍上鎳、鋁化物或MCrAlY或其它合適材料的結合塗層可以確保該殼的研磨(whetting of the case)或者進一步電鍍封裝。另外，鉬的外表面可以利用粗糙化製劑處理以促進機械結合接口。

可使用具有本發明的閉環液態金屬冷卻迴路的熱交換器的一個示例性系統是太陽能聚集接收器，其可以用來從太陽光線發電。在這種系統中，太陽能光可以從鏡面反射並且聚集在較小區域，使得高溫可以施加到流體。作為一非限制性實施例，這種系統在圖4中示出。太陽能聚集器可以包括第一熱交換器31，第一熱交換器31內具有閉環冷卻流體迴路以從聚集的太陽光線吸熱並且將熱傳輸到液態金屬冷卻流體。受熱的液態金屬冷卻流體然後可以通過第二熱交換器32，第二熱交換器32用來從液態金屬流體向空氣或水傳熱以產生熱氣體流，諸如熱空氣是來自熱水的蒸汽。這種熱氣體流然後通過渦輪以驅動發電機產生電能。在圖4示出的系統中，第一熱交換器31可以利用不與液態金屬冷卻流體起反應的材料諸如鉬和/或鉭來加襯，而液態金屬可以是鉍、鉛或其組合，包括與銦的組合。第二熱交換器32可以不像在第一熱交換器31中那樣向高溫暴露，並且因此可以由常規含鐵材料製成。另外，第二熱交換器32可以用來加熱第二流體諸如水，以產生用於蒸汽渦輪中的蒸汽或空氣。液態金屬冷卻流體泵18也可以用於圖4所示的實施例中以泵送冷卻流體通過閉環系統。

現參考圖5，定子靜葉15可以由典型渦輪翼型件材料諸如含鐵合金、鎳合金或鈷合金製成，但是可以包括在冷卻流動通路內的插件或襯套34，插件或襯套34由與用於冷卻靜葉的液態金屬冷卻劑具有有限反應的材料製成。圖5示出了定子靜葉15，具有由諸如鎳合金等材料製成的主體33和諸如鉬或鉭等材料的插件34或塗層來保護主體33的材料，以避免諸如鉍等液態冷卻金屬材料的影響。插件34可以由例如鉬和/或鉭製成，並且可以固定到翼型件主體33內，而無需結合到翼型件，但是仍允許熱從靜葉金屬通過插件34傳導至液態金屬冷卻劑。例如，液態金屬冷卻劑可以是鉍或鉛，或者其合金混合物，包括與銦的混合物。鉍是當其凝固時膨脹(類似於水)的稀有材料，並且向鉍添加足量的鉛可限制液態金屬冷卻劑合金凝固時的膨脹。將鉬和/或鉭用於插件可以在冷卻的渦輪定子靜葉15的溫度範圍與液態金屬冷卻劑具有有限的反應性。具有液態金屬冷卻插件的定子靜葉15可以用於不旋轉的翼型件中，諸如定子靜葉15並且不用於轉子葉片16，因為涉及到高離心力和密封旋轉零件方面的困難。

作為包括插件34的替代，在靜葉33內的通路可以被塗布諸如鉭和/或鉬等材料。替代地，可以使用氧化物塗層、碳化矽塗層、氮化矽塗層或者薄層玻璃。例如，包括薄層玻璃的構造可以優化熱導率，從而允許在向液態金屬有效傳熱的同時向基體金屬提供保護。

參考圖6和圖7，示出了液態金屬冷卻管。在液態金屬通路的主體之間的連接可以是壓縮圓錐形配裝接口，其中一個元件的鉬安放到連接元件的鉬上，並且一個元件的封裝材料(例如，鎳基合金)與連接元件的相同材料安放在一起。鉑的圓錐形密封件可以放置於兩個鎳座之間，使得座的任何粗糙度將由相對更軟的鉑密封件來補償，相對更軟的鉑密封件也具有耐高溫性。鉬－鉬座也可以密封液體，並且在鎳接口上的鉑密封件可以同時形成柔順的氣密密封。

圖6示出了具有鉬內部段42的液態金屬冷卻管40，鉬內部段42具有通路44，液態金屬冷卻劑可以通過通路44流動。鉬內部段42可以由抗氧化材料諸如鎳基合金封裝，這種材料用作渦輪定子靜葉15和轉子葉片16的材料。在鉬元件42與鎳基合金元件46之間的接口可以是螺紋連接。例如，靜葉15可以形成有多個通路44，每個通路44具有形成於表面上的螺紋孔48，使得各個鉬元件42可以旋擰到靜葉15內的適當位置。圖8示出了具有四個螺紋通路48的靜葉15，四個單獨鉬元件42可以固定到四個螺紋通路48內。然而，如果另一聯結過程諸如釺焊足夠強地將兩個元件保持在一起，也可以不形成該接口。鎳基合金元件46可以形成靜葉結構。

圖7示出了其中鉬元件42可以包括向外延伸的突出部50的另一實施例，向外延伸的突出部50形成冷卻翅片以從鎳基合金元件46向鉬元件42的內部傳熱。在圖7所示的實施例中，鎳基合金元件46可以鑄造在鉬元件42上。

現參考圖9和圖10，示出了液態金屬冷卻管連接的截面圖。具體而言，圖9示出了在靜葉15與外管路或管52之間的連接，外管路或管52輸送液態金屬進出靜葉15。鉬元件42可以由鎳基合金元件46封裝以在靜葉15內形成液態金屬冷卻通路44。外管路或管52也可以形成為具有鉬內元件54，鉬內元件54由鎳基合金外元件56封裝。螺紋開口可以形成為在底部具有圓錐形座58，如在圖9中的圓圈區域和在圖10中相對應的特寫圖中所示。這可以允許外管路或管52以牢固方式安放於靜葉液態金屬通路44。在兩個元件中，鉬42、54可以抵靠彼此安放，從而形成由鉬組成的閉合路徑用於使液態金屬流動通過。即，一旦外管路52抵靠靜葉冷卻管40安放，靜葉冷卻管40的通路44就可以延伸到外管路52內，使得液態金屬可以容易地從靜葉15流到外管路52。例如，外管路或管52可以螺接到靜葉15的螺紋開口內。圖10示出了鉑圓錐形密封件60，鉑圓錐形密封件60可以用於外管路52的圓錐形座58的鎳基接口與靜葉冷卻管40的鉬42之間以防止任何空間形成於鎳部件之間，通過所形成的空間，空氣(包含氧氣)可能接近鉬。鉑具有很高熔化溫度並且足夠軟以壓縮於兩個座之間,並且當在兩個座之間發生任何移動時膨脹，兩個座之間的移動可能會允許空氣進入到接口內。

現參考圖11至圖14，示出了在冷卻管中兩種金屬之間的接口和用於形成接口的方法。鉬層42可以通過多種工藝固定到鎳基合金墊物46上。例如，圖11示出了其中鉬元件42可螺接到鎳基合金元件46內的工藝，因為螺紋接口4形成於兩個元件內。在此實施例中，鎳基合金元件46可以在將鉬元件42固定到它上之前鑄造。圖12示出了形成於鉬元件42的外表面上的多個燕尾形凹槽62，其中鎳基合金元件46鑄造在鉬元件42上。

可以通過切割成角度的凹槽而將形成於鉬元件42上的凹槽機械加工到表面內，如圖13所示。圖14示出了其中可以通過切割(例如，利用EDM過程)以形成具有平坦頂部和平坦側部的直凹槽而形成臺階64從而形成凹槽的另一工藝。然後，諸如輥的裝置可以用於壓平臺階64的平坦頂部而形成較短但較寬的突出部66，在壓平的突出部66之間具有燕尾形凹槽62。燕尾形凹槽62可以提供更強的結合結構以保持鎳基合金在鉬表面上。

現參考圖15和圖16，示出了鑄造於靜葉材料內的液態金屬冷卻管的截面圖。具有液態金屬冷卻通道的定子靜葉15可以通過將鎳基合金靜葉結構46鑄造於鉬液態金屬冷卻管路或管42上而形成。圖15示出了一個鉬液態金屬冷卻管42，該鉬液態金屬冷卻管42為U形，外表面上形成有齒或其它脊以形成用於鑄造的鎳基合金46的結合表面。蠟模可以形成於鉬管42上以表示用於熔模鑄造過程中的靜葉15的形狀。然後可以使用蠟模繞鉬管42熔模鑄造鎳基合金46以形成靜葉15。鉬管42的端部68然後可以被切掉以形成用於螺紋的更寬開口，形成將外鉬管52固定到靜葉15上的螺紋附連端，如圖9和圖16所示。外管52可以包括鑄造於鉬內元件54上的鎳基合金元件56。外管52可以運送液態金屬冷卻劑經過閉合液態金屬路徑通過冷卻迴路和熱交換器17。鉬座的接口可以類似於圖9和圖10示出和描述的接口，並且可以包括鉑圓錐形密封件以防止氧氣與鉬起反應。

現參考圖17至圖19，示出了具有液態金屬冷卻迴路和壓縮空氣冷卻迴路的靜葉。圖17示出了定子靜葉15，定子靜葉15具有用於液態金屬冷卻劑的第一冷卻迴路和用於第二冷卻流體諸如空氣的第二冷卻迴路。第一冷卻迴路和第二冷卻迴路可以是分開的。靜葉15可以包括如上文所描述的液態金屬冷卻通路40以傳遞液態金屬冷卻劑來冷卻靜葉15，其中，可以由形成靜葉結構15的鎳基合金封裝的鉬來形成通路。液態金屬冷卻通路40可以形成於翼型件內，翼型件的厚度或寬度足以容納通路40。圖18示出了具有四個液態金屬冷卻通路40的靜葉15的翼型件的截面圖，冷卻通路40在靜葉15的前邊緣區域17朝向靜葉15的窄尾邊緣區域72之間間隔開。第一冷卻迴路可以包括液態金屬冷卻通路40，而第二冷卻迴路可以包括冷卻空氣供應通道74和多個引出孔76。冷卻空氣供應通道74可以沿著尾邊緣區域72延伸，以向在尾邊緣72上開放的一行引出孔76供應冷卻空氣，從而從翼型件排放冷卻空氣並且冷卻尾邊緣區域72。冷卻空氣迴路可以用於太窄不能裝配較大液態金屬冷卻通路40的翼型件的部段中。圖19示出了一個翼型件，其中，冷卻空氣迴路也用於前邊緣區域70中。第二冷卻空氣供應通道74可以用來向沿著前邊緣區域70間隔開的薄膜冷卻孔76的噴淋頭型配置供應冷卻空氣，從而排放薄膜冷卻空氣層並且冷卻靜葉15的前邊緣70。

現參考圖20和圖21，示出了液態金屬冷卻通路元件。圖20示出了其中靜葉15可以由鉬液態金屬冷卻通道42和繞鉬液態金屬冷卻通道42鑄造的鎳基合金46形成的實施例。例如，鉬元件42可以包括在內側上的四個液態金屬冷卻通路40和在翼弦向方向上沿著翼型件從外表面延伸出來的一系列脊或冷卻翅片78。翅片78可以提高從繞翅片78鑄造的鎳基合金46向穿過冷卻通路44的液態金屬冷卻劑的傳熱率。在圖20中示出的實施例中，冷卻管40的鉬元件42可以一起形成為單個元件。

圖21示出了形成靜葉15的另一工藝，其中，每個液態金屬冷卻通路40可以由單獨鉬元件42形成，單獨鉬元件42具有向外延伸的翅片78。每個元件42可以在模具中堆疊在一起以形成圖20中示出的完整的鉬元件。鎳基合金46可以繞多個鉬元件42鑄造以形成複合靜葉15，其中鉬冷卻通路44形成於鎳基合金翼型件15中。然後可以形成帶螺紋的較寬開口，使得外液態金屬冷卻管52可以固定到靜葉通路44上。

現參考圖22至圖24，示出了形成靜葉的工藝，在靜葉中形成液態金屬冷卻通路。例如，圖22至圖24示出了形成複合定子靜葉15的過程，其中鉬42由鎳基合金46封裝。沒有冷卻通路的鉬元件42可以固定到模具內並且鎳基合金46可以繞鉬元件42鑄造，如圖22所示。在凝固時，液態金屬冷卻通路44可以由諸如電火花加工(EDM)的工藝形成於鉬元件42內，如圖23所示。然後，較寬並且帶螺紋的開口可以形成於冷卻通路44的端部中(如圖24所示)，使得外冷卻管52可以螺接到靜葉冷卻通路44內。座可以形成於鉬冷卻通路44的端部上，因此形成不透流體的密封從而防止氧氣接觸鉬材料。如在上文中所描述，可以使用鉑圓錐形密封件來保持密封，即使在發生座略微偏移或移動時也行，這種略微偏移或移動原本會形成小間隙以使氧氣到達鉬。

而且，如上文所描述，鉬可以用於液態金屬冷卻通路44並且鎳基合金46可以用於鑄造在鉬上以封裝鉬並且形成靜葉形狀。然而，也可以使用其它材料作為鎳基合金的替代，而不偏離本發明的精神和範圍。由於鉬高度耐熱，可以使用鉬。然而，鉬可能會被氧氣氧化，並且因此必須由不與氧起反應並且也耐受燃氣渦輪發動機的渦輪中遇到的高溫的另一種材料封裝。替代地，可以使用其它耐火材料諸如鎢或鈮來代替鉬。

現參考圖25，示出了可以用於閉環金屬冷卻系統中的氣體淨化流體連接的截面圖。具體而言，圖25示出了在可以運送液態金屬冷卻劑諸如鉍的兩個鉬管42與54之間的連接，其中，可以繞該連接形成淨化腔室80。例如，連接可以是在冷卻管的鉬內層42與外管52的鉬內層54之間。淨化腔室80可以被填充氣體諸如氬氣(Ar)或氮氣(N)以防止氧氣與鉬起反應。管40、52的鉬(或者例如鉭或鎢)內層42、54可以由外抗氧化部分46、56形成，外抗氧化部分46、56例如由不鏽鋼或鎳基合金形成以防止氧氣與鉬管件起反應。冷卻管40和外管52可以各具有傾斜或成角度的端部以形成緊密配合。螺紋48可以用於管40、52的兩端上以將端部連接在一起。上凸緣82和下凸緣84可以固定到鎳基合金部分46、56上，並且可以與波紋管密封組件86一起封閉淨化腔室80，並且被填充不與鉬起反應的淨化惰性氣體諸如氬氣或氮氣。加壓淨化氣體源可以通過惰性氣體填充埠88連接到淨化腔室80。壓力檢測埠90也可以通向外側以連接壓力傳感器，壓力傳感器感測淨化惰性氣體的壓力。柔性波紋管組件86可以例如由例如不鏽鋼或鎳基合金形成，並且可以允許不鏽鋼或鎳基合金管46、56相對於鉬管42、54熱膨脹，同時維持腔室80內充分的淨化氣體壓力。

現參考圖26，示出了由液態鈉腔室包圍的定子靜葉和液態金屬冷卻管的截面圖。液態金屬冷卻管40的鉬內部42和外管52的鉬內部54可以由抗氧化部分46、56(包括例如不鏽鋼或鎳基合金)包住以防止鉬氧化。例如，圖16示出了定子靜葉15，其中冷卻劑管40進出靜葉15。液態金屬冷卻管40和外管52的端部可以成角度以在螺接在一起時形成緊密配合。連接器92和波紋管組件94可以形成波紋管腔室96，波紋管腔室96保持諸如鈉的液態金屬，這種液態金屬用來從熱靜葉壁46向鉬管42傳熱。圖26示出了形成於靜葉壁46與鉬管42之間可填充液態鈉的小間隙98。可以由外殼104封閉的第二波紋管組件102形成第二波紋管腔室100，其中偏壓彈簧106迫使液態鈉填充間隙98，因此，在發動機操作期間靜葉15向熱氣體暴露而靜葉壁材料46膨脹大於鉬管42時，並不形成空隙。固持環108可以焊接到靜葉15的端壁110和波紋管組件94上，波紋管組件94的一端固定到端壁110上。另一焊焊112可以將波紋管組件94的頂端固定到連接器92上。通路114可以形成於連接器92中以利用液態鈉填充波紋管腔室96。在用於具有鉬管的工業燃氣渦輪發動機中的定子靜葉的液態金屬冷卻迴路的此實施例中，液態金屬可以是鉍。

除了用於燃氣渦輪發動機中之外，本發明的液態金屬冷卻迴路可以用於其它裝置中。例如，具有蒸汽發生器的核電廠也可以使用該液態金屬冷卻迴路。另外，太陽能收集器和電廠也可使用該液態金屬冷卻迴路來提供冷卻或者提取熱以用於系統中的其它地方。

本領域技術人員應意識到，本發明並不限於在上文中特別地示出和描述的那些。此外，除非上文明確提到相反的情況，應當指出的是所有附圖未必按照比例繪製。鑑於上述教導內容，多種修改和變型是可能的，而不偏離受權利要求限制的本發明的範圍和精神。