向冷却回路内的热腔提供冷却流体流的热阀、系统和方法与流程

本发明总体涉及热阀，并且更具体地涉及用于使用温敏热阀被动地向燃气涡轮发动机的冷却回路内的热腔提供一个或多个冷却流体流的系统和方法。

背景技术：

燃气涡轮发动机广泛用于工业和商业操作。典型的燃气涡轮发动机包括位于前部的压缩机、围绕中部的一个或多个燃烧器、和位于后部的涡轮。压缩机向工作流体(例如，空气)施加动能，以产生处于高能量状态的压缩工作流体。压缩工作流体离开压缩机并且流向燃烧器，在燃烧器处，压缩工作流体与燃料混合并且点燃，以产生具有高温和高压的燃烧气体。燃烧气体流向涡轮，在涡轮处，燃烧气体膨胀以做功。因此，燃气涡轮发动机的各个部件都可能由于燃烧气体而暴露于非常高的温度。结果是各个部件(例如护罩组件、转子组件、轮空间腔等)通常需要冷却并且/或者向其供给吹扫空气。因此，需要提供改进的燃气涡轮发动机冷却系统和方法。

技术实现要素：

可以通过本发明的某些实施例来解决一些或者所有上述的需要和/或问题。根据实施例，公开了一种热阀(thermal valve)。该热阀可以向燃气涡轮发动机的冷却回路(cooling circuit)内的热腔(hot cavity)提供一个或多个冷却流体流。该热阀可以包括温敏元件(temperature sensitive element)和与该温敏元件机械连通(mechanical communication)的阀组件(valve assembly)。该阀组件可以包括：至少一个入口，该至少一个入口与至少一个冷却流体源流体连通(in fluid communication)；至少一个出口，该至少一个出口与热腔流体连通；和至少一个阀，该至少一个阀与温敏元件机械连通。该至少一个阀可以被布置在至少一个入口和至少一个出口之间。温敏元件可以被配置成使至少一个阀在关闭位置与打开位置之间移动。

在较佳实施例中，所述至少一个入口包括第一入口和第二入口。

在更佳实施例中，所述第一入口与第一冷却流体源流体连通并且所述第二入口与第二冷却流体源流体连通。

在更佳实施例中，所述第一入口和所述第二入口与第一冷却流体源流体连通。

在更佳实施例中，所述至少一个出口包括与所述热腔流体连通的第一出口和第二出口。

在进一步的更佳实施例中，所述至少一个阀包括被布置在所述第一入口和所述第一出口之间的第一阀和被布置在所述第二入口和所述第二出口之间的第二阀。

在较佳实施例中，两个或更多个冷却流体流在被供给到所述热腔之前在所述阀组件中混合。

在较佳实施例中，两个或更多个冷却流体流被供给到所述热腔而不在所述阀组件中混合。

在较佳实施例中，所述温敏元件被布置在壳体内。

在另一个实施例中，公开了一种热阀。该热阀可以向燃气涡轮发动机的冷却回路内的热腔提供一个或多个冷却流体流。该热阀可以包括温敏元件和与该温敏元件机械连通的阀组件。该阀组件可以包括主体，该主体具有第一入口、第二入口、第一出口、和第二出口。该阀组件还可以包括第一阀，该第一阀在第一入口和第一出口之间被布置在主体内。该第一阀可以与温敏元件连通。该温敏元件可以被配置成使第一阀在关闭位置与打开位置之间移动。该阀组件还可以包括第二阀，该第二阀在第二入口与第二出口之间被布置在主体内。该第二阀可以与温敏元件连通。该温敏元件可以被配置成使第二阀在关闭位置 与打开位置之间移动。

根据又一个实施例，公开了一种系统，所述系统包括燃气涡轮发动机以及热阀。所述燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮；所述热阀用于向所述燃气涡轮发动机的冷却回路内的热腔提供一个或多个冷却流体流，所述热阀包括温敏元件和阀组件，所述阀组件与所述温敏元件机械连通。所述阀组件包括主体、第一阀和第二阀，所述主体具有第一入口、第二入口、第一出口和第二出口；所述第一阀在所述第一入口和所述第一出口之间被布置在所述主体内并且与所述温敏元件机械连通，其中所述温敏元件被配置成使所述第一阀在关闭位置与打开位置之间移动；所述第二阀在所述第二入口与所述第二出口之间被布置在所述主体内并且与所述温敏元件机械连通，其中所述温敏元件被配置成使所述第二阀在关闭位置与打开位置之间移动。

在较佳实施例中，所述温敏元件被布置在壳体内。

在较佳实施例中，所述第一出口和所述第二出口与所述热腔流体连通。

在较佳实施例中，所述第一入口和所述第二入口与第一冷却流体源流体连通。

在更佳实施例中，当所述第一阀和所述第二阀处于打开位置时，来自所述第一冷却流体源的第一冷却流体流被供给到所述热腔。

在较佳实施例中，所述第一入口与第一冷却流体源流体连通并且所述第二入口与第二冷却流体源流体连通。

在更佳实施例中，当所述第一阀处于打开位置时，来自所述第一冷却流体源的第一冷却流体流被供给到所述热腔，并且当所述第二阀处于打开位置时，来自所述第二冷却流体源的第二冷却流体流被供给到所述热腔。

在进一步的更佳实施例中，第一冷却流体流和第二冷却流体流在所述阀组件中混合。

在较佳实施例中，所述系统还包括被布置在所述第一阀和所述第 二阀之间的密封件。

在更佳实施例中，所述密封件防止第一冷却流体流在所述阀组件内与第二冷却流体流混合。

根据另一个实施例，公开了一种向燃气涡轮发动机的冷却回路内的热腔提供一个或多个冷却流体流的方法。该方法包括：围绕冷却回路提供温敏元件；至少部分地基于该温敏元件的温度打开与该温敏元件机械连通的至少一个阀；和向热腔供给冷却流体流。

通过以下的详细描述、附图、和所附权利要求，本发明其它的实施例、方面、和特征对本领域技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

现在将参照附图，附图不必成比例。

图1示意性地示出了根据实施例的燃气涡轮发动机。

图2示意性地示出了根据实施例的处于关闭位置的热阀。

图3示意性地示出了根据实施例的处于打开位置的热阀。

图4示意性地示出了根据实施例的处于打开位置的热阀。

图5示意性地示出了根据实施例的处于打开位置的热阀。

具体实施方式

下文现在将参照附图更完整地描述说明性的实施例，其中示出了一些而非所有的实施例。本发明可以多种不同的形式实施并且不应当被理解为限于本发明中所阐述的实施例。相似的附图标记在全文中表示相似的元件。

本发明中公开了热阀的实施例。热阀可以用于从一个或多个冷却流体源向燃气涡轮发动机的冷却回路内的热腔提供一个或多个冷却流体流。热阀可以控制通过冷却回路中的多个孔口(orifices)的流体流。在一些情况下，热阀可以包括可热膨胀材料(thermally expandable material)，例如温敏元件。可热膨胀材料在高达1300华氏度(°F)的操 作温度下可以是稳定的。可热膨胀材料在任何合适的操作温度(其中包括高于或低于1300华氏度的温度)下都可以是稳定的。

当围绕可热膨胀材料的温度升高时，可热膨胀材料可以膨胀，接着可以将一个或多个阀致动到打开位置，以使得一个或多个冷却流体流通过一个或多个孔口进入热腔。相反地，当围绕可热膨胀材料的温度冷却时，可热膨胀材料可以收缩，接着可以将一个或多个阀致动到关闭位置，由此阻止一个或多个冷却流体流进入热腔。此外，可热膨胀材料的膨胀和/或收缩可以增加或减少一个或多个冷却流体流。通过该方式，热阀可以提供冷却回路内的被动流调节。

热阀可以提供来自单个或多个冷却流源的一个或多个冷却流。在一些情况下，一个或多个冷却流可以在热阀内混合在一起。在其它情况下，一个或多个冷却流可以被提供到热腔而不在热阀内混合。

现在参照附图，其中相似的附图标记在全部若干附图中表示相似元件。图1示出了如可以在本发明中使用的燃气涡轮发动机10的示例性示意图。燃气涡轮发动机10可以包括压缩机12。压缩机12可以压缩进入气流(incoming flow of air)14。压缩机12可以将压缩气流传输到燃烧器16。燃烧器16可以将压缩气流与加压燃料流18混合并且点燃混合物以产生燃烧气体流20。尽管仅示出了单个燃烧器16，但是燃气涡轮发动机10可以包括任何数量的燃烧器16。燃烧气体流20可以被传输到涡轮22。燃烧气体流20可以驱动涡轮22，以便做机械功(produce mechanical work)。涡轮22中所做的机械功可以通过轴24驱动压缩机12和外部负载(load)26，例如发电机等。

燃气涡轮发动机10可以使用天然气、各种类型的合成气、以及/或者其它类型的燃料。燃气涡轮发动机10可以是由纽约斯卡奈塔第的通用电气公司提供的多种不同的燃气涡轮发动机中的任何一种，其中包括但不限于例如7系列或9系列重型燃气涡轮发动机等的那些燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机10可以具有不同的构造并且可以使用其它类型的部件。燃气涡轮发动机可以是航改(aeroderivative)燃 气涡轮机、工业燃气涡轮机、或者往复式发动机。本发明中还可以使用其它类型的燃气涡轮发动机。本发明中还可以一起使用多个燃气涡轮发动机、其它类型的涡轮机、以及其它类型的发电设备。

图2至图5示出了热阀100的一个或多个实施例。热阀100可以被布置在燃气涡轮发动机的冷却回路内。通过该方式，热阀100可以用于冷却燃气涡轮发动机的一个或多个部件。例如，热阀100可以与一个或多个冷却流流体连通，例如来自压缩机的放出空气(bleed air)。在一个示例性实施例中，热阀100可以与来自图1中的压缩机12的放出空气流体连通。热阀100可以与任何数量的冷却流体源流体连通。热阀100可以使得一个或多个冷却流体流通过一个或多个孔口进入热腔。

图2示出了处于关闭位置的热阀100。热阀100可以包括温敏元件102。在一些情况下，温敏元件102可以被布置在壳体(housing)104内。通过该方式，壳体104可以控制(或者约束)温敏元件102的热膨胀或收缩的方向。温敏元件102可以围绕冷却回路定位。例如，温敏元件可以被布置在燃气涡轮发动机的部件的热腔内或者与之相邻。温敏元件102可以围绕燃气涡轮发动机布置在任何位置处。

热阀100还可以包括阀组件106。阀组件106可以围绕冷却回路布置。如下文所讨论的，阀组件106可以与温敏元件102机械连通。阀组件106可以包括主体108。主体108在其中可以包括一个或多个腔/流体路径110。阀组件106还可以包括第一入口112、第二入口114、第一出口116、和第二出口118。本发明中可以使用任何数量的入口和/或出口。例如，阀组件可以包括两个、三个、四个、五个或者更多个入口和/或出口。使用两个入口和两个出口仅仅是为了说明目的并且不旨在构成限制。

第一阀(first valve)120可以沿第一入口112与第一出口116之间的路径(pathway)被布置在主体108内。第一阀120可以位于一个或多个腔/流体路径110内，以阻止(prevent)其间的流体流。在一些 情况下，如图2中所示，当阀关闭时，存在从114到116的流动路径。即，即使当阀关闭时，也可能存在通过入口114和出口116的一些量的固定、计量流。当阀移动打开时，存在通过所有出口的额外的调节流。第一阀120可以例如通过柄(stem)122与温敏元件102机械连通。通过该方式，温敏元件102可以被配置成在其膨胀和收缩时使第一阀120在关闭位置与打开位置之间移动。类似地，第二阀124可以沿第二入口114与第二出口118之间的路径被布置在主体108内。第二阀124可以位于一个或多个腔/流体路径110内，以阻止其间的流体流。第二阀124还可以通过柄122与温敏元件102机械连通。通过该方式，温敏元件102可以被配置成在其膨胀和收缩时使第二阀124在关闭位置与打开位置之间移动。本发明中可以使用任何数量的阀。例如，阀组件可以包括两个、三个、四个、五个、或更多个阀。使用两个阀仅仅是为了说明目的并且不旨在构成限制。

如图3中所示，第一出口116和第二出口118可以与热腔126流体连通。此外，第一入口112和第二入口114可以与第一冷却流体源128流体连通。通过该方式，当第一阀120和第二阀124处于打开位置时，来自第一冷却流体源128的第一冷却流体流130可以被供给到热腔126。此外，从第一入口112和第二入口114进入主体108的第一冷却流体流130可以在主体108内的一个或多个腔/流体路径110内混合并且排出第一出口116和第二出口118之外(exit out of)且进入热腔126中。

如图4中所示，第一入口112可以与第一冷却流体源132流体连通并且第二入口114可以与第二冷却流体源134流体连通。通过该方式，当第一阀120处于打开位置时，来自第一冷却流体源132的第一冷却流体流136可以被供给到热腔126。类似地，当第二阀124处于打开位置时，来自第二冷却流体源134的第二冷却流体流138可以被供给到热腔126。在一些情况下，第一冷却流体流136和第二冷却流体流138可以在主体108内的一个或多个腔/流体路径110内混合并且 排出第一出口116和第二出口118之外且进入热腔126中。

如图5中所示，热阀100可以包括被布置在第一阀120与第二阀124之间的密封件(seal)140。密封件140可以防止来自第一冷却流体源144的第一冷却流体流142在阀组件106内与来自第二冷却流体源148的第二冷却流体流146混合。即，密封件140可以将主体108内的一个或多个腔/流体路径110分开，使得第一冷却流体流142不与第二冷却流体流146混合。通过该方式，第一冷却流体流142可以通过第一入口112进入主体108并且通过第一出口116离开主体108。类似地，第二冷却流体流146可以通过第二入口114进入主体108并且通过第二出口118离开主体108。在一些情况下，第一入口112和第二入口114可以与相同的冷却流体源连通。

本发明中可以使用任何数量的入口、出口、腔/流动路径、冷却流体源、和/或冷却流体流。通过该方式，热阀100可以被配置成从一个或多个冷却流体源向多个燃气涡轮发动机热部件提供被动流调节(passive flow modulation)。

尽管已通过针对结构特征和/或方法动作的语言描述了实施例，但是应当理解，本发明不必限于所描述的特定特征或动作。相反，特定的特征和动作被公开作为实现实施例的说明性形式。