[发明专利]具有液态金属冷却的燃气涡轮发动机

说明书

技术领域

本发明大体而言是涉及一种燃气涡轮发动机，并且更具体而言，涉及一种用于工业燃气涡轮发动机的涡轮的闭环液态金属冷却回路。

相关申请的交叉引用

本申请要求保护在2014年5月14日提交的名称为“液态金属冷却系统(LIQUID METAL COOLING SYSTEM)”美国序列号No.61/993,048的权益、在2012年10月18日提交的名称为“具有液态金属冷却的燃气涡轮发动机(GAS TURBINE ENGINE WITH LIQUID METAL COOLING)”的美国序列号No.61/715,364、和在2013年10月18日提交的名称为“具有液态金属冷却的燃气涡轮发动(GAS TURBINE ENGINE WITH LIQUID METAL COOLING)”的美国序列号No.14/056,992的权益，所有这些申请的内容以引用的方式并入到本文中。

背景技术

燃气涡轮发动机通常包括压气机以压缩空气，压缩空气被传递到燃烧室内并且与燃料燃烧以产生热气体流。这种热气体流然后通过涡轮，涡轮通常包括四级定子静叶(vane)和转子叶片(blade)中的三级，以从热气体流动提取能量，从而驱动压气机并且在工业燃气涡轮(IGT)发动机的情况下驱动发电机。

可以通过使较高温度气流传递到涡轮内而提高发动机的效率。用于发动机的典型涡轮入口温度是3000℉，其高到足以熔化第一级翼型件。为了使涡轮零件耐受这种极端温度环境，通过使冷却空气通过形成于翼型件内的复杂冷却回路而冷却翼型件。从压气机吹出压缩空气，压缩空气通过翼型件以进行冷却。大约20％的压气机出口空气用于冷却各种涡轮翼型件。然而，由于冷却空气并不在发动机中起到任何作用，这是能量损失。

已知将燃气涡轮发动机的压气机部段中产生的压缩空气的一部分排出用作发动机的涡轮部分中的冷却介质。压缩空气可以喷射到燃烧气体流内以在涡轮表面上提供绝缘薄膜，或者其可以以闭合冷却系统经过热涡轮零件中形成的内冷却通路。这种现有技术装置的示例在1998年7月21日授予Huber等人的美国专利No.5,782,076中示出，美国专利No.5,782,076以引用的方式并入到本文中。

使用闭环冷却系统来改进发动机的冷却效果使得无需来自压气机的压缩空气。在2001年10月2日授予Bancalari的美国专利No.6,295,803(以引用的方式并入到本文中)公开了一种燃气涡轮发动机，其具有闭环冷却回路以从热涡轮部段向压气机部段所产生的压缩空气传热。闭环冷却系统包括安置于压缩空气的流动路径中在压气机部段的出口与燃烧室的入口之间的热交换器。冷却流体可以由位于发动机壳体外侧上的泵或者由安装于转子轴上的泵来驱动。冷却回路可以包括孔口以造成冷却流体从液态变成气态，从而提高了冷却回路的传热能力。Bancalari专利公开了冷却流体可以是蒸汽、空气、乙二醇、液态金属或其它冷却介质。

本发明的申请人发现了液态金属特别适合用作闭环涡轮冷却系统的这种类型的冷却流体；然而，大部分液态金属与涡轮中使用的金属材料诸如构成静叶和叶片的金属会发生很强烈的反应。例如，现代发动机通常包括由铁、镍、铌和/或钴基合金制成的涡轮转子叶片和定子静叶。铋，用于传热过程的良好的液态金属，与镍或钴基合金快速起反应使得两种材料在数分钟内破坏。因此需要彼此不起反应的涡轮材料与液态金属的组合。

发明内容

本发明有利地提供用于燃气涡轮发动机的闭环冷却回路，其中涡轮翼型件和冷却回路的部分由不与液态金属冷却流体起反应的材料组成。一种这样的组合可以是能用作翼型件金属的钼(Mo)、钼合金或钽(Ta)合金，液态金属冷却流体为铋、铅或其组合，包括铋和/或铅与铟(In)的组合。液态金属冷却流体可以经过暴露于高温气流的发动机零件，诸如定子静叶或燃烧室面板，以向这些零件提供冷却。例如，涡轮定子静叶可以包括镍基超合金，并且其中可以包括冷却通路，冷却通路在冷却通路的内表面上由钽(Ta)和/或钼制成插件或衬套加衬或限定，并且其中铋(Bi)液态金属冷却流体可以用来冷却定子静叶。定子静叶可以由标准镍(Ni)基合金或者由钼或另一种金属形成。即使在在冷却流体暴露于燃气涡轮发动机的涡轮的很高温度时，液态铋与钽或钼也只具有有限的反应性。例如，钼加衬的通道可以分隔液态金属与镍基合金。即，加衬的通道可以隔离腐蚀性流体流动，并且防止腐蚀性流体流动侵蚀静叶的金属材料。