本主题大体上涉及用于燃气涡轮发动机的废热回收系统以及用于操作其的方法。
背景技术：
燃气涡轮发动机典型地包括风扇和涡轮机。涡轮机大体上包括入口、一个或多个压缩机、燃烧器和至少一个涡轮。压缩机压缩空气，该空气被引导到燃烧器，在该处它与燃料混合。混合物然后被点燃以用于生成热燃烧气体。燃烧气体被引导到(一个或多个)涡轮，该(一个或多个)涡轮从燃烧气体提取能量，以用于向(一个或多个)压缩机提供功率以及用于产生有用功来推进飞行中的飞行器和/或向负载(诸如发电机)提供功率。
在至少某些实施例中，涡轮机和风扇至少部分地由外机舱包绕。关于此类实施例，外机舱与涡轮机限定旁通空气流通路。另外，涡轮机相对于外机舱由一个或多个出口引导静叶/支柱支承。
在燃气涡轮发动机的操作期间，相对大量的热能通过由压缩机的压缩过程以及通过燃烧器内的燃烧过程来生成。虽然热能的相当大的部分通过一个或多个涡轮来提取，此类热能的一部分排出到大气。这样可导致燃气涡轮发动机的效率损失。因此，用于以增加燃气涡轮发动机的效率且减小排出到大气的废热量的方式操作燃气涡轮发动机的系统和/或方法将是有用的。
技术实现要素：
本发明的方面和优点将在以下描述中部分地阐述，或可从描述中清楚，或可通过实施本发明来学习。
在本公开内容的一个示例性实施例中，提供一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括成串流顺序且一起限定核心空气流径的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段，该压缩机区段限定下游端。燃气涡轮发动机还包括：燃料输送系统，该燃料输送系统用于向燃烧区段提供燃料流；以及废热回收系统。废热回收系统包括：热源交换器，该热源交换器与涡轮区段、排气区段或两者热连通；散热器交换器，该散热器交换器与燃料输送系统、在燃烧区段的上游的核心空气流径或两者热连通；热传递总线，该热传递总线包括热传递流体且从热源交换器延伸到散热器交换器；以及泵，该泵在热源交换器的下游和散热器交换器的上游与热传递总线流体连通，以用于增加热传递总线中的热传递流体的温度和压力。
在某些示例性实施例中，热传递总线为从散热器交换器进一步往回延伸到热源交换器的闭环热传递总线。
例如，在某些示例性实施例中，废热回收系统还包括扩张(expansion)装置，该扩张装置在散热器交换器的下游和热源交换器的上游与热传递总线流体连通。
在某些示例性实施例中，散热器交换器在压缩机区段的下游端处与压缩机区段热连通。
例如，在某些示例性实施例中，散热器交换器在压缩机区段的hp压缩机的出口处与压缩机区段热连通。
在某些示例性实施例中，热源交换器与排气区段热连通。
在某些示例性实施例中，散热器交换器在下游端处与压缩机区段热连通，其中压缩机区段的下游端限定在发动机操作速度下的散热器(sink)参考温度，其中热源交换器与排气区段热连通，其中排气区段限定在发动机操作速度下的源参考温度，且其中源参考温度小于散热器参考温度。
例如，在某些示例性实施例中，源参考温度比散热器参考温度小至少约百分之五。
例如，在某些示例性实施例中，发动机操作速度在发动机的最大额定速度的约百分之七十五与约百分之一百之间。
例如，在某些示例性实施例中，散热器交换器在压缩机区段的hp压缩机的出口处与压缩机区段热连通。
在某些示例性实施例中，燃气涡轮发动机限定至少约25的总压力比。
在本公开内容的另一个示例性实施例中，提供一种燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括：压缩机区段，该压缩机区段限定下游端，且该下游端限定在发动机操作速度下的散热器参考温度；燃烧区段；涡轮区段；排气区段，该排气区段与压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段成串流顺序布置且与压缩机区段、燃烧区段和涡轮区段限定核心空气流径，该排气区段进一步限定在发动机操作速度下的源参考温度，该源参考温度小于散热器参考温度；燃料输送系统，该燃料输送系统用于向燃烧区段提供燃料流；以及废热回收系统。废热回收系统包括：热源交换器，该热源交换器与排气区段热连通；散热器交换器，该散热器交换器在燃烧区段的上游与核心空气流径热连通；以及热传递总线，该热传递总线包括热传递流体且从热源交换器延伸到散热器交换器。
在某些示例性实施例中，废热回收系统还包括泵，该泵在热源交换器的下游和散热器交换器的上游与热传递总线流体连通，以用于增加热传递总线中的热传递流体的温度和压力。
在某些示例性实施例中，发动机操作速度在发动机的最大额定速度的约百分之七十五与约百分之一百之间。
在某些示例性实施例中，发动机操作速度在巡航发动机操作速度与起飞发动机操作速度之间。
在本公开内容的示例性方面，一种方法提供用于操作燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机包括燃料输送系统以及成串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。方法包括：使用燃气涡轮发动机的废热回收系统的热源交换器从排气区段、涡轮区段或两者提取热量；以及将提取的热量通过废热回收系统的热传递总线传递到在压缩机区段、燃料输送系统或两者的下游端附近与压缩机区段热连通的散热器交换器，其中将提取的热量通过热传递总线传递包括使用在热源交换器的下游和散热器交换器的上游的位置处的泵来增加热传递总线内的热传递流体的温度和压力。
在某些示例性方面，方法还包括将热量从散热器交换器传递到下游端附近的压缩机区段。
例如，在某些示例性方面，使用热源交换器从排气区段、涡轮区段或两者提取热量包括从限定源参考温度的排气区段、涡轮区段或两者内的位置提取热量，其中将热量从散热器交换器传递到下游端附近的压缩机区段包括将热量从散热器交换器传递到限定散热器参考温度的位置，且其中源参考温度小于散热器参考温度。
例如，在某些示例性方面，源参考温度比散热器参考温度小至少约百分之五。
在某些示例性方面，方法还包括从散热器交换器往回向热源交换器提供热传递流体。
技术方案1.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
成串流顺序且一起限定核心空气流径的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段，所述压缩机区段限定下游端；
燃料输送系统，所述燃料输送系统用于向所述燃烧区段提供燃料流；以及
废热回收系统，所述废热回收系统包括
热源交换器，所述热源交换器与所述涡轮区段、所述排气区段或两者热连通；
散热器交换器，所述散热器交换器与所述燃料输送系统、在所述燃烧区段的上游的所述核心空气流径或两者热连通；
热传递总线，所述热传递总线包括热传递流体且从所述热源交换器延伸到所述散热器交换器；以及
泵，所述泵在所述热源交换器的下游和所述散热器交换器的上游与所述热传递总线流体连通，以用于增加所述热传递总线中的所述热传递流体的温度和压力。
技术方案2.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热传递总线为从所述散热器交换器进一步往回延伸到所述热源交换器的闭环热传递总线。
技术方案3.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述废热回收系统还包括扩张装置，所述扩张装置在所述散热器交换器的下游和所述热源交换器的上游与热传递总线流体连通。
技术方案4.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述散热器交换器在所述压缩机区段的下游端处与所述压缩机区段热连通。
技术方案5.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述散热器交换器在所述压缩机区段的hp压缩机的出口处与所述压缩机区段热连通。
技术方案6.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述热源交换器与所述排气区段热连通。
技术方案7.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述散热器交换器在所述下游端处与所述压缩机区段热连通，其中所述压缩机区段的下游端限定在发动机操作速度下的散热器参考温度，其中所述热源交换器与所述排气区段热连通，其中所述排气区段限定在所述发动机操作速度下的源参考温度，且其中所述源参考温度小于所述散热器参考温度。
技术方案8.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述源参考温度比所述散热器参考温度小至少约百分之五。
技术方案9.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机操作速度在所述发动机的最大额定速度的约百分之七十五与约百分之一百之间。
技术方案10.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述散热器交换器在所述压缩机区段的hp压缩机的出口处与所述压缩机区段热连通。
技术方案11.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃气涡轮发动机限定至少约25的总压力比。
技术方案12.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
压缩机区段，所述压缩机区段限定下游端，且所述下游端限定在发动机操作速度下的散热器参考温度；
燃烧区段；
涡轮区段；
排气区段，所述排气区段与所述压缩机区段、所述燃烧区段和所述涡轮区段成串流顺序布置且与所述压缩机区段、所述燃烧区段和所述涡轮区段限定核心空气流径，所述排气区段进一步限定在所述发动机操作速度下的源参考温度，所述源参考温度小于所述散热器参考温度；
燃料输送系统，所述燃料输送系统用于向所述燃烧区段提供燃料流；以及
废热回收系统，所述废热回收系统包括
热源交换器，所述热源交换器与所述排气区段热连通；
散热器交换器，所述散热器交换器在所述燃烧区段的上游与所述核心空气流径热连通；以及
热传递总线，所述热传递总线包括热传递流体且从所述热源交换器延伸到所述散热器交换器。
技术方案13.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述废热回收系统还包括泵，所述泵在所述热源交换器的下游和所述散热器交换器的上游与所述热传递总线流体连通，以用于增加所述热传递总线中的热传递流体的温度和压力。
技术方案14.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机操作速度在所述发动机的最大额定速度的约百分之七十五与约百分之一百之间。
技术方案15.根据任意前述技术方案所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机操作速度在巡航发动机操作速度与起飞发动机操作速度之间。
技术方案16.一种用于操作燃气涡轮发动机的方法，所述燃气涡轮发动机包括燃料输送系统以及成串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段，所述方法包括：
使用所述燃气涡轮发动机的废热回收系统的热源交换器从所述排气区段、所述涡轮区段或两者提取热量；以及
将提取的热量通过所述废热回收系统的热传递总线传递到在所述压缩机区段、所述燃料输送系统或两者的下游端附近与所述压缩机区段热连通的散热器交换器，其中将所述提取的热量通过所述热传递总线传递包括使用在所述热源交换器的下游和所述散热器交换器的上游的位置处的泵来增加所述热传递总线内的热传递流体的温度和压力。
技术方案17.根据任意前述技术方案所述的方法，其中，所述方法还包括：
将热量从所述散热器交换器传递到所述下游端附近的所述压缩机区段。
技术方案18.根据任意前述技术方案所述的方法，其中，使用所述热源交换器从所述排气区段、所述涡轮区段或两者提取热量包括从限定源参考温度的所述排气区段、所述涡轮区段或两者内的位置提取热量，其中将热量从所述散热器交换器传递到所述下游端附近的所述压缩机区段包括将热量从所述散热器交换器传递到限定散热器参考温度的位置，且其中所述源参考温度小于所述散热器参考温度。
技术方案19.根据任意前述技术方案所述的方法，其中，所述源参考温度比所述散热器参考温度小至少约百分之五。
技术方案20.根据任意前述技术方案所述的方法，其中，所述方法还包括：
从所述散热器交换器往回向所述热源交换器提供所述热传递流体。
参照以下描述和所附权利要求书，本发明的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。结合在该说明书中且构成该说明书的一部分的附图示出本发明的实施例，且连同描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
针对本领域普通技术人员的包括其最佳模式的本发明的完整且开放(enabling)的公开内容在参照附图的说明书中阐述，在附图中：
图1是根据本主题的各种实施例的示例性燃气涡轮发动机的示意性截面图。
图2是根据本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机和废热回收系统的简化示意图。
图3是描绘在操作期间燃气涡轮发动机的热源和散热器处的参考温度的图。
图4是根据本公开内容的另一个示例性实施例的燃气涡轮发动机和废热回收系统的简化示意图。
图5是根据本公开内容的用于操作包括废热回收系统的燃气涡轮发动机的方法的流程图。
具体实施方式
现在将详细地参照本发明出现的实施例，其一个或多个示例在附图中示出。详细的描述使用数字和字母标记来表示图中的特征。图和描述中相似或类似的标记用来表示本发明的相似或类似的部分。
如本文中使用的，用语“第一”、“第二”和“第三”可互换使用以将一个构件与另一个区分开，且不意在表示各个构件的位置或重要性。
用语“前”和“后”表示燃气涡轮发动机或车辆内的相对位置，且表示燃气涡轮发动机或车辆的正常操作姿态。例如，关于燃气涡轮发动机，前表示更接近于发动机入口的位置，且后表示更接近于发动机喷嘴或排气的位置。
用语“上游”和“下游”表示相对于流体通路中的流体流的相对方向。例如，“上游”表示流体流自的方向，且“下游”表示流体流向的方向。
除非本文中另外指定，否则用语“联接”、“固定”、“附接到”等表示直接联接、固定或附接以及通过一个或多个中间构件或特征来间接联接、固定或附接。
除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数标记。
如本文中在说明书和权利要求书各处使用的，近似语言应用于修饰在不导致它所涉及的基本功能上改变的情况下可允许变化的任何数量表达。因此，由诸如“约”、“大约”和“大致”的一个或多个用语修饰的值不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可对应于用于测量值的仪器的精度，或用于构造或制造构件和/或系统的方法或机器的精度。例如，近似语言可表示在百分之10的裕度内。
这里以及在说明书和权利要求书各处，除非上下文或语言另外指示，否则范围限制被组合和互换，此类范围等同且包括包含于其中的所有子范围。例如，本文中公开的所有范围包括端点，且端点可彼此独立地组合。
现在参照图(其中相同的数字指示图各处相同的元件)，图1为根据本公开内容的示例性实施例的燃气涡轮发动机的示意性截面图。更特别地，对于图1的实施例，燃气涡轮发动机为高旁通涡轮风扇喷气发动机10，本文中称为“涡轮风扇发动机10”。如图1中示出的，涡轮风扇发动机10限定轴向方向a(平行于提供用于参考的纵向中心线12延伸)和径向方向r。大体上，涡轮风扇发动机10包括风扇区段14和从风扇区段14下游设置的涡轮机16。
所描绘的示例性涡轮机16大体上包括大致管形的外壳18，该外壳18限定环形入口20。外壳18包围(成串流关系)：压缩机区段，该压缩机区段包括增压器或低压(lp)压缩机22和高压(hp)压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，该涡轮区段包括高压(hp)涡轮28和低压(lp)涡轮30；以及喷气排气喷嘴区段32。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和排气喷嘴区段32一起至少部分地限定通过涡轮机16的核心空气流径37。高压(hp)轴或转轴34将hp涡轮28传动地连接到hp压缩机24。低压(lp)轴或转轴36将lp涡轮30传动地连接到lp压缩机22。
对于所描绘的实施例，风扇区段14包括可变桨距的风扇38，该风扇38具有以间隔开的方式联接到盘42的多个风扇叶片40。如描绘的，风扇叶片40从盘42大体上沿着径向方向r向外延伸。由于风扇叶片40操作地联接到合适的促动部件44，每个风扇叶片40可相对于盘42围绕俯仰轴线p旋转，该促动部件44构造成使风扇叶片40的桨距一致共同地变化。风扇叶片40、盘42和促动部件44可通过横跨动力齿轮箱46的lp轴36来围绕纵向轴线12一起旋转。动力齿轮箱46包括多个齿轮，该齿轮用于将lp轴36的旋转速度降低到更有效的旋转风扇速度。
仍参照图1的示例性实施例，盘42由可旋转的前毂48覆盖，该可旋转的前毂48使空气动力轮廓促进通过多个风扇叶片40的空气流。另外，示例性风扇区段14包括环形风扇壳或外机舱50，该环形风扇壳或外机舱50周向地包绕风扇38和/或涡轮机16的至少一部分。机舱50相对于涡轮机16由多个周向间隔的出口引导静叶52支承。而且，机舱50在涡轮机16的外部部分上延伸，以便限定它们之间的旁通空气流通路56。
在涡轮风扇发动机10的操作期间，一定量的空气58通过机舱50和/或风扇区段14的相关联的入口60进入涡轮风扇10。在该量的空气58横穿风扇叶片40时，如由箭头62指示的空气58的第一部分引导或传送到旁通空气流通路56中，且如由箭头64指示的空气58的第二部分引导或传送到lp压缩机22中。空气的第一部分62与空气的第二部分64之间的比通常称为旁通比。
然后在空气的第二部分64传送通过高压(hp)压缩机24且传送到燃烧区段26中时，空气的第二部分64的压力增加，在燃烧区段26中空气的第二部分64与燃料混合且焚烧以提供燃烧气体66。随后，燃烧气体66传送通过hp涡轮28和lp涡轮30，其中提取来自燃烧气体66的热能和/或动能的一部分。
燃烧气体66然后传送通过涡轮机16的喷气排气喷嘴区段32来提供推进推力。同时，在空气的第一部分62从涡轮风扇10的风扇喷嘴排气区段76排出之前它传送通过旁通空气流通路56时，空气的第一部分62的压力大致增加，还提供推进推力。
此外，示例性涡轮风扇发动机10包括燃料输送系统80，该燃料输送系统80向涡轮风扇发动机10的燃烧区段26提供燃料流。燃料输送系统80大体上包括燃料源82和多个燃料线路84。燃料源82例如可为定位在包括涡轮风扇发动机10的飞行器的机身或者一个或多个机翼内的燃料储箱。另外，一个或多个燃料线路84从燃料源82延伸到燃烧区段26内的一个或多个燃料喷嘴(未示出)。
还此外，所描绘的示例性涡轮风扇发动机10包括废热回收系统86。如下文将更详细地解释的，废热回收系统大体上可构造成从通过排气区段32(和/或通过涡轮区段的区段)的空气流提取热量以及将此类热量向燃料输送系统80(诸如通过一个或多个燃料线路84的燃料流)、压缩机区段(诸如hp压缩机24的下游端)或两者中的一者或两者提供。
然而，应了解的是，图1中描绘的示例性涡轮风扇发动机10仅作为示例，且在其它示例性实施例中，本公开内容的方面可另外或备选地应用于任何其它合适的燃气涡轮发动机。例如，在其它示例性实施例中，涡轮风扇发动机10可包括任何合适数量的压缩机、涡轮(诸如除了lp和hp涡轮之外的中间涡轮)、轴/转轴(例如，一个转轴、两个转轴、三个转轴)等。此外，在某些示例性实施例中，本公开内容的方面可进一步应用于任何其它合适的航空燃气涡轮发动机，诸如涡轮喷气发动机、涡轮轴发动机、涡轮螺旋桨发动机等。另外，在还有其它的示例性实施例中，示例性涡轮风扇发动机10可不构造为航空燃气涡轮发动机，且可改为构造为工业燃气涡轮发动机(例如，用于功率生成)、航海燃气涡轮发动机等。
现在参照图2，提供根据本公开内容的示例性方面的燃气涡轮发动机10的简化示意图。图2中描绘的示例性燃气涡轮发动机10可以以与上文参照图1描述的示例性涡轮风扇发动机10大致相同的方式构造。
例如，如示出的，燃气涡轮发动机10大体上包括风扇区段14和涡轮机16。涡轮机16包括(成串流顺序)：压缩机区段，该压缩机区段具有lp压缩机22和hp压缩机24；燃烧区段26；涡轮区段，该涡轮区段包括hp涡轮28和lp涡轮30；以及排气区段32。压缩机区段、燃烧区段26、涡轮区段和排气区段32大体上限定延伸通过其中的核心空气流径37。
还包括燃料输送系统80，该燃料输送系统80用于向燃气涡轮发动机10的燃烧区段26(且更特别地向燃烧区段26的燃烧室92)提供燃料流。例如，燃料输送系统80大体上包括多个燃料线路84和燃料喷嘴90。燃料喷嘴90可从多个燃料线路84接收燃料流，且还可从压缩机区段(例如，hp压缩机24)接收压缩空气。燃料喷嘴90因此可向燃烧室92提供压缩空气和燃料的混合物，其中压缩空气和燃料的此类混合物燃烧以生成燃烧气体。燃料输送系统80大体上还包括与一个或多个燃料线路84流体连通的泵88和燃料源82，该泵88构造成用于增加来自燃料源82且通过一个或多个燃料线路84的燃料流的压力。
而且，涡轮机16和风扇区段14至少部分地由外机舱50包绕，其中涡轮机16相对于外机舱50通过多个出口引导静叶52支承。外机舱50与涡轮机16限定旁通空气流通路56。来自风扇区段14的空气流的第一部分62作为核心空气流通过涡轮机16提供，且来自风扇区段14的空气流的第二部分64作为旁通空气流通过旁通空气流通路56提供。
另外，示例性燃气涡轮发动机10包括废热回收系统86。示例性废热回收系统86大体上构造成从热源(例如，未充分使用从其提取的热量的热源)提取热量，且将此类提取的热量传递到散热器，使得散热器可更有效地使用此类提取的热量。
特别地参照图2中描绘的示例性废热回收系统86，废热回收系统86大体上包括热源交换器94(即，构造成从发动机10的热源提取用于废热回收系统86的热量的热交换器)、散热器交换器96(即，构造成将热量从废热回收系统86传递到发动机10的散热器的热交换器)、热传递总线98和泵100。这些构件中的每个更详细地描述如下。
对于所示出的实施例，热源交换器94与热源热连通，该热源大体上可为涡轮区段、排气区段32或两者。特别地，对于图2的实施例，热源为燃气涡轮发动机10的排气区段32，使得热源交换器94与燃气涡轮发动机10的排气区段32热连通。例如，热源交换器94可集成到延伸通过排气区段32的支柱或至少部分地限定排气区段32的衬套中，或备选地可定位在与通过燃气涡轮发动机10的排气区段32的空气流/气体热连通的任何其它合适位置处。
而且，对于所描绘的示例性实施例，散热器交换器96与散热器热连通，该散热器大体上可为压缩机区段、燃料输送系统80或两者。更特别地，对于所描绘的实施例，散热器交换器96在压缩机区段的下游端附近的位置处与压缩机区段(或更特别地还与压缩机区段的hp压缩机24的下游端附近的位置)热连通。将了解的是，如本文中使用的，参照压缩机区段的用语“下游端附近”表示比通向压缩机区段的入口和燃烧室92的上游更接近于压缩机区段的出口的位置。类似地，如本文中使用的，参照hp压缩机24的用语“下游端附近”表示比通向hp压缩机24的入口104和燃烧室92的上游更接近于hp压缩机24的出口102的位置。例如，在某些实施例中，散热器交换器96可集成到定位在压缩机出口102处且在燃烧区段26的燃烧室92的上游的支柱或引导静叶(诸如扩散器)中或联接到该支柱或引导静叶。另外或备选地，散热器交换器96可集成到燃料输送系统80的一个或多个燃料喷嘴90中或联接到该一个或多个燃料喷嘴90。
还更特别地，对于所示出的实施例，散热器交换器96与燃气涡轮发动机10的hp压缩机24的出口102热连通。“压缩机出口”表示hp压缩机24的出口。以此类方式，散热器交换器96可将热量添加到通过核心空气流径37的空气流(在此类空气流进入燃烧室92之前)，导致更有效的燃气涡轮发动机10。
此外，如所指出的，废热回收系统86包括热传递总线98。热传递总线98包括热传递流体且从热源交换器94延伸到散热器交换器96。以此类方式，热总线构造成将热传递流体从热源交换器94(其中对于所示出的实施例，热传递流体接受了来自通过燃气涡轮发动机10的排气区段32的空气流的热量)传递到散热器交换器96(其中对于所示出的实施例，热传递流体将热量传递到通过hp压缩机24的压缩机出口102或燃烧室92的上游的其它位置的空气流)。热传递总线98可包括串联、并联或其某种组合布置的一个或多个管道、导管等。
值得注意地，在至少某些示例性实施例中，燃气涡轮发动机10可限定相对高的总压力比。如本文中使用的，用语总压力比表示在压缩机区段的出口(即，对于所示出的实施例，hp压缩机24的出口102)处通过涡轮机16的空气的压力与在压缩机区段的入口(即，对于所示出的实施例，lp压缩机22的入口106)处通过涡轮机16的空气的压力的比。在至少某些示例性实施例中，图2中描绘的燃气涡轮发动机10的总压力比可为至少约25。例如，在某些示例性实施例中，图2中描绘的燃气涡轮发动机10的总压力比可为至少约28，诸如至少约30，诸如至少约32，诸如最多达约75。给定所描绘的示例性燃气涡轮发动机10的相对高的总压力比，将了解的是，通过燃气涡轮发动机10的排气区段32的空气流的温度可小于通过压缩机区段的下游端(诸如hp压缩机24的下游端，诸如hp压缩机24的压缩机出口102)的空气流的温度。
例如，现在还简要地参照图3，提供描绘散热器参考温度110和源参考温度112相对于发动机操作速度且更特别为校正的发动机速度(其中100%为对于发动机10的最大额定速度)的图。将了解的是，压缩机区段的下游端可限定在操作期间的散热器参考温度110(其对于所示出的实施例为在hp压缩机24的出口102处的温度，有时也称为“t3”)。类似地，排气区段32可限定在操作期间的源参考温度112(即，通过排气区段32的空气流的温度，有时也称为“t5”)。对于所描绘的示例性实施例，源参考温度112小于散热器参考温度110。例如，源参考温度112可比散热器参考温度110小至少约百分之五(5)，诸如比散热器参考温度110小至少约百分之十(10)，诸如比散热器参考温度110小最多达约百分之五十(50)。在至少某些示例性实施例中，散热器参考温度110和源参考温度112可在对于发动机10的最大额定速度的80%与100%之间(诸如在对于发动机10的最大额定速度的70%与100%之间，诸如在对于发动机10的最大额定速度的60%与100%之间)的发动机操作速度下限定(具有上文所述的温度差)。另外或备选地，散热器参考温度110和源参考温度112可在巡航操作速度(即，在巡航操作模式期间发动机的典型速度)与爬升操作速度(即，在爬升操作模式期间发动机的典型速度)之间的发动机操作速度下限定(具有上文所述的温度差)。
因此，特别地往回参照图2，为了允许图2中描绘的示例性废热回收系统86将热量从热源/热源交换器94传递到散热器/散热器交换器96，示例性废热回收系统86还包括泵100，该泵100在热源交换器94的下游和散热器交换器96的上游与热传递总线98流体连通，以用于增加热传递总线98中的热传递流体的温度和压力。例如，在某些示例性实施例中，泵100可构造成在通过热传递总线98的热传递流体中提供至少约二十五磅每平方英寸(“psi”)的压力上升，诸如至少约五十psi的压力上升，诸如至少约一百psi的压力上升，诸如最多达约五千psi的压力上升，且类似地可构造成在通过热传递总线98的热传递流体中提供至少约一百五十(150)摄氏度的温度上升，诸如至少约二百五十(250)摄氏度的温度上升，以及最多达约一千(1000)摄氏度的温度上升。泵100可通过例如燃气涡轮发动机10的轴或转轴中的一个或多个来提供功率，或备选地可由电动马达、液压马达、气动马达或任何其它合适的功率源来提供功率。然而，将了解的是，在其它示例性实施例中，泵100可具有任何其它合适的构造。例如，在其它实施例中，泵100可构造成产生任何其它合适的温度和/或压力上升，或一些其它合适的装置或构造可提供以增加通过热传递总线98的热流体的温度和/或压力，且提供用于通过热传递总线98的热流体流。
仍参照图2，将了解的是，示例性热传递总线98为从散热器交换器96进一步往回延伸到热源交换器94的闭环热传递总线98。此外，对于所示出的实施例，示例性废热回收系统86还包括扩张装置，该扩张装置在散热器交换器96的下游和热源交换器94的上游与热传递总线98流体连通。扩张装置可为任何合适的扩张装置。例如，对于所示出的实施例，扩张装置构造为涡轮114，该涡轮114在散热器交换器96的下游和热源交换器94的上游与热传递总线98流体连通。关于此类实施例，涡轮114可从热传递流体提取额外的能量，增加废热回收系统86和燃气涡轮发动机10的效率。如将了解的是，包括扩张装置大体上可允许将热传递流体的温度减小到相对低的温度，使得热传递流体可通过热源交换器94从热源接受热量。例如，扩张装置可将热传递流体的温度减小至少约一百摄氏度，诸如至少约一百五十摄氏度，诸如最多达约1000摄氏度。
然而，在其它实施例中，扩张装置可不构造成从热传递流体提取额外的功，且可改为简单地构造成使热传递流体(例如，通过增加的截面积)扩张以减小热传递流体的温度和压力。此外，虽然扩张装置/涡轮114示意性地描绘成沿着图2的燃气涡轮发动机10的径向方向r在核心空气流径37的内部，在其它实施例中，扩张装置/涡轮114可改为定位成沿着径向方向r在核心空气流径37的外部以及在涡轮机16的整流罩80内(例如，见下文论述的图4的实施例)或在别处。
在一个或多个这些实施例中，热传递流体在废热回收系统86的操作期间可为单相热传递流体。以此类方式，在操作期间，热传递流体可大致保留在液相中。备选地，在废热回收系统86的操作期间，热传递流体可为相变热传递流体。例如，废热回收系统86大体上可对制冷循环操作，使得在废热回收系统86的操作期间热传递流体在液相与气相之间改变。另外或还备选地，在一个或多个这些构造中，在一个或多个操作阶段期间或在所有操作期间，热传递流体可在超临界相中。例如，在废热回收系统86的某些操作或所有操作期间，热传递流体可为超临界co2。
然而，将了解的是，图2中描绘的示例性燃气涡轮发动机10和废热回收系统86仅作为示例提供。在其它实施例中，废热回收系统86可具有任何其它合适的构造。例如，现在参照图4，描绘根据本公开内容的另一个示例性实施例的包括废热回收系统86的燃气涡轮发动机10。图4的示例性燃气涡轮发动机10和废热回收系统86可以以与图2的示例性燃气涡轮发动机10和废热回收系统86大致相同的方式构造。
例如，图4的示例性废热回收系统86大体上包括：热源交换器94；散热器交换器96；热传递总线98，该热传递总线98从热源交换器94延伸到散热器交换器96；以及泵100，该泵100与热传递总线98流体连通。然而，对于图4的示例性实施例，热源交换器94与燃气涡轮发动机10的涡轮区段和排气区段32热连通，且此外，散热器交换器96与燃气涡轮发动机10的燃料输送系统80热连通。
值得注意地，将了解的是，在某些示例性实施例中，燃料输送系统80可另外用作用于燃气涡轮发动机10的其它系统的散热器。因而，通过燃料输送系统80(或用作散热器的燃料输送系统80的其它构件)的燃料流在与废热回收系统86的散热器交换器96相互作用之前可已经处于相对高的温度。以此类方式，将了解的是，在至少某些示例性方面，燃料输送系统80可限定散热器交换器96热联接到燃料输送系统80所处的参考点，且可进一步限定在参考点处或紧接在参考点的上游的散热器参考温度。参考点可在燃料输送系统80的燃料线路84内、在燃料输送系统80的燃料喷嘴90上等。类似地，涡轮区段可限定在热源交换器94热联接到涡轮区段和排气区段32所在处的位置(对于所描绘的实施例在lp涡轮30内的位置)处或紧接在其上游的源参考温度。对于图4的实施例的源参考温度和散热器参考温度的关系可类似于对于上文参照图2和图3描述的实施例的源参考温度112与散热器参考温度110之间的关系。因此，对于所示出的实施例，源参考温度比散热器参考温度小(诸如小至少约5%，诸如小至少约10%)。然而，如同上文描述的实施例一样，给定热传递总线98中包括泵100，废热回收系统86仍可能够从涡轮区段和排气区段32提取热量且将此类热量传递到较高温度的位置，在该处可更有效地使用此类热量。
将进一步了解的是，在还有其它的示例性实施例中，可提供其它合适的构造。例如，在其它实施例中，热源交换器94从其提取热能的热源可为任何其它合适的热源。例如，在其它示例性实施例中，热源可为生成废热的任何其它合适的发动机系统。例如，在其它实施例中，热源可为燃气涡轮发动机的油系统，诸如发动机的润滑或齿轮油系统。关于此类构造，废热回收系统86可将热量在相对低的温度下从此类油系统提取到热传递流体且使用泵来增加此类热传递流体的温度和压力以使得能够在相对高的温度下向散热器提供此类热量。
现在参照图5，提供根据本公开内容的示例性方面的用于操作包括废热回收系统的燃气涡轮发动机的方法300。在某些示例性方面，方法300可用以上文描述的示例性燃气涡轮发动机中的一个或多个。以此类方式，将了解的是，示例性燃气涡轮发动机大体上可包括燃料输送系统以及成串流顺序的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段。
方法300包括：在(302)处使用燃气涡轮发动机的废热回收系统的热源交换器从排气区段、涡轮区段或两者提取热量。
方法300还包括：在(304)处将提取的热量通过废热回收系统的热传递总线传递到在压缩机区段、燃料输送系统或两者的下游端处与压缩机区段热连通的散热器交换器。对于所描绘的方面，在(304)处通过热传递总线传递提取的热量包括：在(306)处使用在热源交换器的下游和散热器交换器的上游的位置处的泵来增加热传递总线内的热传递流体的温度和压力。
此外，方法300包括：在(308)处，将(304)处传递到散热器交换器的热量从散热器交换器传递到压缩机区段、燃料输送系统或两者。
仍参照所描绘的示例性方法300，在(302)处使用热源交换器从排气区段、涡轮区段或两者提取热量包括：在(310)处从限定源参考温度的排气区段、涡轮区段或两者内的位置提取热量。类似地，对于所描绘的示例性方面，在(308)处将热量从散热器交换器传递到压缩机区段、燃料输送系统或两者包括：在(312)处将热量从散热器交换器、燃料输送系统或两者传递到限定散热器参考温度的压缩机区段或输送系统内的位置。对于所描绘的示例性方面，源参考温度比散热器参考温度小，诸如比散热器参考温度小至少约百分之五，诸如比散热器参考温度小至少约百分之十。
还此外，方法300还包括：在(314)处从散热器交换器往回向热源交换器提供热传递流体。更特别地，对于所描绘的示例性方面，在(314)处从散热器交换器往回向热源交换器提供热传递流体包括：在(316)处使热传递流体扩张。
包括根据这些实施例中的一个或多个的废热回收系统大体上可允许更有效的燃气涡轮发动机。更特别地，包括根据这些实施例中的一个或多个的废热回收系统大体上可允许使用“废热”(即，未用来为发动机提供功或未有效地用来为发动机提供功的热量)来增加发动机的效率。例如，包括根据这些实施例中的一个或多个的废热回收系统可允许使用保留在例如发动机的排气中的任何热量的至少一部分来加热向燃烧室提供的空气流或燃料(在此类空气流或燃料燃烧之前)。这样大体上可导致通过此类燃烧过程生成更大量的能量，这可允许发动机通过燃烧过程提取增加量的功(导致此类提取的热能更有效的使用以及更有效的燃气涡轮发动机)。例如，在某些示例性实施例中，包括根据这些实施例中的一个或多个的废热回收系统可导致效率上2%-5%的增加(如通过比燃料消耗所测量的)。
该书面描述使用示例来公开本发明(包括最佳模式)，且还使本领域的任何技术人员能够实施实施例，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何结合的方法。本发明的可取得专利的范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它示例。如果此类其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构元件，或如果它们包括带有与权利要求书的字面语言无实质的差异的等同结构元件，此类其它示例意在处于权利要求书的范围内。
1.一种燃气涡轮发动机，所述燃气涡轮发动机包括：
成串流顺序且一起限定核心空气流径的压缩机区段、燃烧区段、涡轮区段和排气区段，所述压缩机区段限定下游端；
燃料输送系统，所述燃料输送系统用于向所述燃烧区段提供燃料流；以及
废热回收系统，所述废热回收系统包括
热源交换器，所述热源交换器与所述涡轮区段、所述排气区段或两者热连通；
散热器交换器，所述散热器交换器与所述燃料输送系统、在所述燃烧区段的上游的所述核心空气流径或两者热连通；
热传递总线，所述热传递总线包括热传递流体且从所述热源交换器延伸到所述散热器交换器；以及
泵，所述泵在所述热源交换器的下游和所述散热器交换器的上游与所述热传递总线流体连通，以用于增加所述热传递总线中的所述热传递流体的温度和压力。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述热传递总线为从所述散热器交换器进一步往回延伸到所述热源交换器的闭环热传递总线。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述废热回收系统还包括扩张装置，所述扩张装置在所述散热器交换器的下游和所述热源交换器的上游与热传递总线流体连通。
4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述散热器交换器在所述压缩机区段的下游端处与所述压缩机区段热连通。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述散热器交换器在所述压缩机区段的hp压缩机的出口处与所述压缩机区段热连通。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述热源交换器与所述排气区段热连通。
7.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述散热器交换器在所述下游端处与所述压缩机区段热连通，其中所述压缩机区段的下游端限定在发动机操作速度下的散热器参考温度，其中所述热源交换器与所述排气区段热连通，其中所述排气区段限定在所述发动机操作速度下的源参考温度，且其中所述源参考温度小于所述散热器参考温度。
8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述源参考温度比所述散热器参考温度小至少约百分之五。
9.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述发动机操作速度在所述发动机的最大额定速度的约百分之七十五与约百分之一百之间。
10.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述散热器交换器在所述压缩机区段的hp压缩机的出口处与所述压缩机区段热连通。
技术总结