利用热管用于燃气涡轮发动机的闭环冷却方法和系统与流程

涡轮发动机且尤其是燃气或燃烧涡轮发动机为从气体流中提取能量的旋转发动机，该气体流贯穿发动机传送到一系列的压缩机级（包括成对的旋转叶片和静止翼片（vane））中、穿过燃烧器且然后到达多个涡轮级上。在压缩机级中，叶片由从转子伸出的柱支承而翼片安装至定子壳体。燃气涡轮发动机已用于陆地和海上移动以及动力生成，但最常见的是用于航空应用，例如用于飞机，包括直升机。在飞机中，燃气涡轮发动机用于航空器的推进。

用于航空器的燃气涡轮发动机设计成在高温下操作以最大化发动机推力，因此在操作期间需要冷却某些发动机构件，例如齿轮箱或翼片。期望的是提高压缩机的热容量以对发动机系统进行期望的热管理。

技术实现要素：

在一个方面，本发明的实施例涉及一种冷却具有压缩机的燃气涡轮发动机的方法，该压缩机具有位于外压缩机壳体和内压缩机壳体之间的成对的旋转叶片和静止翼片的多个轴向布置的级。该方法包括通过如下方式闭环冷却压缩机，也即利用热管从翼片的至少之一中汲取热，通过由至少一个热管导送液体冷却剂以形成加热的液体冷却剂来从该至少一个热管汲取热，以及导送加热的液体冷却剂穿过热交换器。

在另一方面，本发明的实施例涉及包括核心的燃气涡轮发动机，该核心具有成轴向流动地布置且包封在核心壳体内的压缩机区段、燃烧器区段，以及涡轮区段。压缩机区段具有成对的旋转叶片和静止翼片的多个轴向布置的级，风扇区段成轴向流动布置并且在核心的上游，其中风扇区段提供围绕核心壳体的旁通空气流。压缩机区段还包括闭环冷却回路，其具有泵、从静止翼片中的至少之一延伸的至少一个热管、位于旁通空气流内的热交换器，以及传送穿过泵、经过热管并且穿过热交换器的冷却剂导管。泵泵送冷却剂穿过冷却剂导管以从热管中汲取热到冷却剂中来形成加热的冷却剂，该加热的冷却剂然后传送经过热交换器，其中，从冷却剂除去热到旁通空气以使冷却剂冷却来形成冷却的冷却剂，该冷却的冷却剂然后返回至热管。

具体地，本发明还提供了以下技术方案。

技术方案1. 一种冷却具有压缩机的燃气涡轮发动机的方法，所述压缩机具有位于外压缩机壳体和内压缩机壳体之间的成对的旋转叶片和静止翼片的多个轴向布置的级，所述方法包括通过以下方式闭环冷却所述压缩机，也即利用热管从所述翼片的至少之一中汲取热，通过由至少一个热管导送液体冷却剂以形成加热的液体冷却剂来从所述至少一个热管汲取热，以及导送所述加热的液体冷却剂经过热交换器。

技术方案2. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，从至少一个翼片汲取热包括利用多个热管从所述至少一个翼片汲取热。

技术方案3. 根据技术方案2所述的方法，其特征在于，从至少一个翼片汲取热包括利用多个热管从多个翼片汲取热。

技术方案4. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，由所述至少一个热管导送液体包括导送液体冷却剂经过围绕所述至少一个热管的歧管。

技术方案5. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，从所述至少一个翼片汲取热包括从可变定子翼片汲取热。

技术方案6. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括导送所述液体冷却剂经过位于所述燃气涡轮发动机内的中间冷却器。

技术方案7. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，导送所述液体冷却剂经过所述中间冷却器包括导送所述液体冷却剂经过位于所述压缩机上游的表面冷却器。

技术方案8. 根据技术方案6所述的方法，其特征在于，导送所述液体冷却剂经过中间冷却器包括导送所述液体冷却剂经过用于所述压缩机的入口导向叶片和出口导向翼片中的至少之一。

技术方案9. 根据技术方案1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括传送冷却流体经过所述热交换器。

技术方案10. 根据技术方案9所述的方法，其特征在于，所述冷却流体包括来自所述燃气涡轮发动机的风扇区段的空气。

技术方案11. 一种燃气涡轮发动机，包括：

核心，所述核心包括成轴向流动地布置并且包封在核心壳体内的压缩机区段、燃烧器区段以及涡轮区段，其中，所述压缩机区段具有成对的旋转叶片和静止翼片的多个轴向布置的级；

成轴向流动布置并且在所述核心的上游的风扇区段，所述风扇区段提供围绕所述核心壳体的旁通空气流；以及

闭环冷却回路，所述闭环冷却回路具有泵、从所述静止翼片中的至少之一延伸的至少一个热管、位于所述旁通空气流中的热交换器，以及流体地联接至所述泵、联接至所述热交换器并且与所述热管形成一体的冷却剂导管；

其中，所述泵泵送冷却剂穿过所述冷却剂导管以从所述热管中汲取热到所述冷却剂中来形成加热的冷却剂，所述加热的冷却剂然后传送经过所述热交换器，其中，从所述冷却剂除去热到所述旁通空气以冷却所述冷却剂来形成冷却的冷却剂，所述冷却的冷却剂然后返回至所述热管。

技术方案12. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述静止翼片为可变静止翼片。

技术方案13. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述闭环冷却回路还包括中间冷却器。

技术方案14. 根据技术方案13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述中间冷却器位于所述核心壳体上。

技术方案15. 根据技术方案14所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述中间冷却器为表面冷却器。

技术方案16. 根据技术方案13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述中间冷却器包括通向所述压缩机区段的入口导向翼片。

技术方案17. 根据技术方案13所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃气涡轮发动机还包括将所述风扇区段的风扇连接至所述核心的驱动轴的齿轮箱，并且所述中间冷却器冷却所述齿轮箱。

技术方案18. 根据技术方案17所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述中间冷却器为提供在所述齿轮箱上的表面冷却器。

技术方案19. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述至少一个热管包括多个热管。

技术方案20. 根据技术方案19所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述冷却剂导管包括歧管，所述歧管用于所述多个热管以供给液体冷却剂经过所述歧管来从所述热管汲取热至所述液体冷却剂。

技术方案21. 根据技术方案20所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述至少一个静止翼片包括具有多个热管的多个静止翼片。

技术方案22. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述风扇壳体的至少一部分环绕所述核心壳体以限定环形旁通通道，并且所述热交换器位于所述旁通通道内。

技术方案23. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，闭环冷却回路还包括压缩机。

技术方案24. 根据技术方案23所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述冷却剂包括两相混合物。

技术方案25. 根据技术方案11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述热交换器包括表面冷却器。

技术方案26. 根据技术方案25所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述压缩机包括出口导向翼片，并且所述热交换器定位成邻近所述出口导向翼片。

附图说明

在附图中：

图1为根据本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面视图。

图2为图1中的燃气涡轮发动机的压缩区段的示意图，其中对压缩机级中的一些进行中间冷却。

图3为热管的示意图。

图4为描述冷却燃气涡轮区段的方法的流程图。

具体实施方式

本发明的所述实施例涉及有关在涡轮发动机中导送空气流的系统、方法以及其它装置。为例证目的，本发明将关于航空器燃气涡轮发动机来描述。然而，将应理解的是，本发明并不如此受限并且可在非航空器应用中具有一般的适用性，例如其它可动应用和不可动的工业、商业和居住应用。

图1为用于航空器的燃气涡轮发动机的示意性截面图，该燃气涡轮发动机可包括燃气涡轮发动机10。发动机10具有从前14向后16延伸的大体纵向延伸轴线或中心线12。发动机10以向下游串行流动关系地包括：风扇区段18，其包括风扇20；压缩机区段22，其包括增压器或低压（LP）压缩机24和高压（HP）压缩机26；燃烧区段28，其包括燃烧器30；涡轮区段32，其包括HP涡轮34和LP涡轮36；以及排出区段38。压缩机区段22、燃烧区段28和涡轮区段32成轴向流动地布置并且包封在核心壳体46内。

风扇区段18包括围绕风扇20的风扇壳体40。风扇20包括围绕中心线12径向地设置的多个风扇叶片42。HP压缩机26、燃烧器30和HP涡轮34形成发动机10的核心44，其生成燃烧气体。核心44由核心壳体46围绕，该核心壳体可与风扇壳体40相联接。风扇壳体40的至少一部分环绕核心壳体46以限定环形旁通通道47。

关于发动机10的中心线12同轴地设置的HP驱动轴或卷轴（spool）48将HP涡轮34驱动地连接至HP压缩机26。LP驱动轴或卷轴50关于发动机10的中心线12同轴地设置在较大直径的环形HP卷轴48内，将LP涡轮36驱动地连接至LP压缩机24和风扇20。发动机10的、安装至卷轴48、50中的任一者或两者上并且与其一起旋转的部分也单独地或共同地称为转子51。

LP压缩机24和HP压缩机26分别包括多个压缩机级52、54，在其中一组压缩机叶片56、58相对于对应组的静止压缩机翼片60、62（也称为喷嘴）旋转，每一组均包括一对，以压缩传送经过级的流体流或对其加压。在单个的压缩机级52、54中，多个压缩机叶片56、58可提供成环并且可相对于中心线12沿径向向外从叶片平台延伸至叶片末端，而对应的静止压缩机翼片60、62定位在旋转叶片56、58的下游并且与其邻近。注意的是，图1中所示叶片、翼片和压缩机级的数目仅是为例示目的而选择，并且其它数目也是可能的。用于压缩机的级的叶片56、58可安装至盘53，该盘安装至HP和LP卷轴48、50中的对应之一上，其中每个级均具有其特有的盘。翼片60、62以围绕转子51的环向布置安装至核心壳体46。压缩机不限于轴向定向而是可轴向地、径向地或以结合的方式定向。

LP压缩机24和HP压缩机26还可包括至少一个导向翼片，其可为定位在压缩机区段22的上游端上的入口导向翼片55和定位在压缩机区段22的下游端上的出口导向翼片57。翼片不限于一种类型而是可例如为不可变定子翼片或者定子翼片。

HP涡轮34和LP涡轮36分别包括多个涡轮级64、66，在其中一组涡轮叶片68、70相对于对应组的静止涡轮翼片72、74（也称为喷嘴）旋转以从传送经过级的流体流中提取能量。在单个的涡轮级64、66中，多个涡轮叶片68、70可提供成环并且可相对于中心线12沿径向向外从叶片平台延伸至叶片末端，而对应的静止涡轮翼片72、74定位在旋转叶片68、70的上游并且与其邻近。注意的是，图1中所示叶片、翼片和涡轮级的数目仅是为例示目的而选择，并且其它数目也是可能的。

在操作中，旋转风扇20供给环境空气至LP压缩机24，该LP压缩机然后供给加压的环境空气至HP压缩机26，该HP压缩机对环境空气进一步地加压。来自HP压缩机26的加压空气与燃烧器30中的燃料混合并且点燃，从而生成燃烧气体。通过HP涡轮34从这些气体中提取一些功，其驱动HP压缩机26。燃烧气体排出到LP涡轮36中，该LP涡轮提取附加的功来驱动LP压缩机24，并且排出气体最终经由排出区段38从发动机10排出。LP涡轮36的驱动驱动LP卷轴50以旋转风扇20和LP压缩机24。

由风扇20供给的一些环境空气可绕过发动机核心44作为旁通空气流并且用于冷却发送机10的部分、尤其是热部分，和/或用于冷却航空器的其它方面或对其提供动力。在涡轮发动机的情况下，发动机的热部分通常位于燃烧器30的下游、尤其是涡轮区段32，其中HP涡轮34是最热的部分，因为其直接地在燃烧区段28的下游。

发动机的热部分也存在于压缩机区段22内且因此由风扇20供给的环境空气或者来自压缩机的较冷空气可被利用，但不限于压缩机区段22的冷却部分。旁通空气流可越过在压缩机26的上游定位在旁通通道47的旁通空气流中的热交换器76，该热交换器可为表面冷却器。热交换器76的位置尽管显示在旁通通道47内，但不限于该旁通通道并且可定位在发动机10内的任何适合位置处，例如邻近入口或出口导向叶片55。

参看图2，压缩机区段22的示意图进一步地显示包括转子51的内压缩机壳体80，以及设置在核心壳体46内的外压缩机壳体82。成对的旋转叶片58和静止翼片62的多个、轴向布置的级52、54定位在外压缩机壳体82和内压缩机壳体80之间。具有泵86、中间冷却器88、热交换器76和冷却剂导管90的闭环冷却回路84定位成紧接压缩机区段22。冷却剂导管90流体地联接至泵86和热交换器76，并且还包括歧管92。冷却剂导管90与至少一个热管94是一体的，因为该至少一个热管94从翼片62内轴向地延伸并且由歧管92围绕。多个热管94可位于一个翼片62内并且多个翼片62可包括至少一个热管94。

闭环冷却回路84包括经由冷却剂导管90从热交换器76至中间冷却器88并回到热交换器76的连接。中间冷却器88和热交换器76可为任何适合类型的热交换器，包括但不限于表面冷却器。此外，中间冷却器88可包括入口导向翼片55以及热交换器76可包括出口导向翼片57或定位成与其邻近。

在一个实施方案中，发动机10还可包括齿轮箱45，该齿轮箱可定位在发动机10内的任何适合位置处，使得其将风扇区段18的风扇20连接至核心44的卷轴48、50。齿轮箱45容许风扇相比于发动机以不同的速度运行。闭环冷却回路84包括经由冷却剂导管90从热交换器76至中间冷却器88并且回到热交换器76的连接，其中中间冷却器88提供在齿轮箱45上。中间冷却器88可设置在齿轮箱45和核心壳体46上。

任选的流动控制装置，例如但不限于控制阀，可包括在环路中，使得通向中间冷却器88的冷却剂流可根据操作条件接通、断开，或者调节。

歧管92供给冷却剂体积114至围绕热管94的区域，该区域通过将作为热的能量从热管94传递至冷却剂114而容许热管94内的热传递介质（图3）冷凝。冷却剂导管90通过利用泵86来泵送冷却剂114穿过冷却剂导管90而产生用于液体冷却剂114在闭环冷却回路84中流动的路径。热管94为利用其连接至少一个翼片62和歧管92以冷却该至少一个翼片62的被动装置。热管94为任何热传递装置，其利用热导性和相变二者来从至少一个翼片62经由热管94传递热至冷却剂导管90中的液体冷却剂114。应注意的是，歧管92的确切设计可采用许多形式来实现这种能量传递。例如，在许多构造中冷却剂114可直接地流过热管94的端部。

图3为热管94的示例性实施例，该热管包括限定热管外表面的外壳（housing）102。设置在外壳102内部的是吸收性芯吸件104，其围绕蒸气腔106。热传递介质108，例如水或钠或其它适合材料，设置在蒸气腔106内。热管的第一端110设置在翼片62内以及热管94的第二端112从翼片62向外延伸到歧管92中，使得热管利用热介质114操作以从热管94的第二端112移除热能。热传递介质108当在低于翼片62操作的温度范围时处于蒸气状态。当热传递介质108蒸发至蒸气状态116时，其从翼片62吸收热并且移动至热管94在歧管92内的部分，在其中热传递介质冷凝回到液体形式118并且释放热，该热继而加热冷却剂导管90内的液体冷却剂。

现在还参看图4，一流程图显示通过以下方式冷却燃气涡轮发动机10的方法200，也即利用热管94从翼片62的至少之一中汲取热202，通过由至少一个热管94导送液体冷却剂来从该至少一个热管94汲取热204以形成加热的液体冷却剂，以及最后导送206加热的液体冷却剂穿过热交换器。借助于压缩机区段22，风扇空气75作为冷却流体导入至热交换器76。该风扇空气75围绕热交换器76传送以冷却液体冷却剂来在热交换器76内形成冷却的冷却剂98。冷却的冷却剂98为步骤204中的液体冷却剂并且也可泵送至中间冷却器88来冷却该中间冷却器。液体冷却剂从至少一个热管94和中间冷却器88汲取热，从而形成加热的冷却剂100。随后，加热的冷却剂100从歧管92流动至可包括压缩机的泵86，且之后继续流动至热交换器76，在其中热进一步地从冷却剂除去至旁通空气以使冷却剂冷却来形成冷却的冷却剂98。冷却的冷却剂98然后返回至歧管92和返回至中间冷却器88并且该过程重复。冷却的冷却剂98可用于经由中间冷却器88冷却其它部件，例如齿轮箱45。

移动液体、气体或两相混合物的常规器件可用于泵送液体冷却剂。泵为压力提升装置，例如泵或压缩机。泵或压缩机可使用来自发动机（例如，轴上的连接齿轮）的功或者使用由发动机生成的电力来驱动。

应注意的是，在本公开内容中如上所述的中间冷却器是一种可为任何类型的热交换器的机械装置并且不应与冷却压缩机级或级组的热力学循环（也即中间冷却）相混淆。

本书面描述采用实例来公开包括最佳方式的本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例具有与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件，则认为它们处在权利要求的范围内。

零件标号列表

10 发动机 12 中心线 14 前 16 后 18 风扇区段 20 风扇 22 压缩机区段 24 低压压缩机 26 高压压缩机 28 燃烧区段 30 燃烧器 32 涡轮区段 34 高压涡轮 36 低压涡轮 38 排出区段 40 风扇壳体 42 风扇叶片 44 核心 46 核心壳体 47 旁通通道 48 高压轴/卷轴 50 低压轴/卷轴 51 转子 52 压缩机级 53 盘 54 压缩机级 55 入口导向翼片 56 旋转叶片 57 出口导向翼片 58 旋转叶片 60 翼片 62 翼片 64 涡轮级 66 涡轮级 68 涡轮叶片 70 涡轮叶片 72 涡轮翼片 74 涡轮翼片 76 热交换器 80 内压缩机壳体 82 外压缩机壳体 84 闭环冷却回路 86 泵 88 中间冷却器 90 冷却剂导管 92 歧管 94 热管 98 冷却的冷却剂 100 加热的冷却剂 102 外壳 104 芯吸件 106 蒸气腔 108 热传递介质 110 第一端 112 第二端 114 冷却剂 116 蒸气状态 118 液体形式