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1、10申请公布号CN102345490A43申请公布日20120208CN102345490ACN102345490A21申请号201110229114X22申请日2011080312/84951720100803USF01N5/02200601H01L35/32200601H01L35/3020060171申请人通用电气公司地址美国纽约州72发明人H森达拉姆MA肯尼KB莫里74专利代理机构中国专利代理香港有限公司72001代理人肖日松谭祐祥54发明名称用于利用从涡轮发动机生成的废热的热电元件的紊流布置57摘要公开了用于利用从涡轮发动机100生成的废热的热电元件200的紊流布置。热电元件200的。
2、紊流布置位于涡轮壳体155内在涡轮发动机100的热废气端145处。热电元件200的紊流布置将从涡轮发动机100生成的热废气转换成电能。在一个实施例中，从热电元件200的紊流布置生成的电能可用于给围绕涡轮发动机100布置的电气构件165供电。30优先权数据51INTCL19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书2页说明书5页附图2页CN102345510A1/2页21一种系统100，包括涡轮发动机100，其燃烧燃料并且生成热废气；位于所述涡轮发动机100内的热电模块150，其将从所述涡轮发动机100生成的热废气转换成电能，所述热电模块150包括电串联且热并联的多个热电元件200的。
3、紊流布置，所述多个热电元件200中的每个包括在热接头215和冷接头220处彼此联接的第一热电材料205和第二热电材料210，所述冷接头220涂覆有增加所述冷接头220处的抗传导性的热屏障225，从而降低所述冷接头220处的温度，所述热接头215和所述冷接头220热并联，其中，在所述热接头215与所述冷接头220之间产生温度梯度，其中，所生成的电能是在所述热接头215与所述冷接头220之间产生的所述温度梯度的函数。2根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，所述热电模块150位于所述涡轮发动机100的壳体155中的壁上。3根据权利要求2所述的系统100，其特征在于，所述热电模块150位于所述涡。
4、轮发动机100的热废气端145的壁上。4根据权利要求1所述的系统100，其特征在于，还包括围绕所述涡轮发动机100布置的多个电气构件165。5根据权利要求4所述的系统100，其特征在于，从所述热电模块150生成的电能用于为所述多个电气构件165供电。6一种涡轮发动机100，包括压缩机105；燃烧器120，其接收来自所述压缩机105的空气与燃料的混合物用于所述混合物的燃烧；涡轮115，其使来自所述压缩机105的空气与燃料的燃烧所生成的热气膨胀用于转换成机械旋转能；以及热电模块150，其将从所述涡轮100生成的热废气转换成热电能，所述热电模块150包括位于所述涡轮100的壳体155内在所述涡轮发动。
5、机的热废气端145处的多个热电元件200的紊流布置，所述多个热电元件200中的每个包括在热接头215和冷接头220处彼此联接的第一热电材料205和第二热电材料210，所述冷接头220涂覆有增加所述冷接头220处的抗传导性的热屏障225，从而降低所述冷接头220处的温度，其中，在所述热接头215与所述冷接头220之间产生温度梯度，其中，所生成的热电能是在所述热接头215与所述冷接头220之间产生的所述温度梯度的函数。7根据权利要求6所述的涡轮发动机100，其特征在于，所述热电能用于为围绕所述涡轮发动机100布置的多个电气构件165供电。8根据权利要求6所述的涡轮发动机100，其特征在于，所述多个。
6、热电元件200中的每个的紊流布置产生所述热废气的紊流，以确保生成高平均传热系数以能从所述热废气的热气俘获最多热，同时涂覆有所述热屏障225的所述冷接头220降低冷接头温度。9一种燃气涡轮发动机100，包括多个电气构件165；权利要求书CN102345490ACN102345510A2/2页3压缩机105；燃烧器120，其接收来自所述压缩机105的空气与燃料的混合物用于所述混合物的燃烧；涡轮115，其使来自所述压缩机105的空气与燃料的燃烧所生成的热气膨胀用于转换成机械旋转能；以及热电模块150，其将从所述涡轮115生成的热废气转换成热电能，所述热电模块150包括位于所述涡轮100的壳体155内。
7、在热废气端145处的多个热电元件200的紊流布置，所述多个热电元件200中的每个包括在热接头215和冷接头220处彼此联接的第一热电材料205和第二热电材料210，所述冷接头220涂覆有增加所述冷接头220处的抗传导性的热屏障225，从而降低所述冷接头220处的温度，其中，在所述热接头215与所述冷接头220之间产生温度梯度，其中，所生成的热电能是在所述热接头215与所述冷接头220之间产生的所述温度梯度的函数，其中，所述热电模块150使用所述热电能来为所述多个电气构件165供电。10根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机100，其特征在于，在每个热接头215的热输入和与涂覆有所述热屏障225的所。
8、述冷接头220相关的热输入之间的差异对应于导致在所述热接头215与所述冷接头220之间产生的温度梯度的热差，其中，所述热电模块150使用所述热差来生成热电电压。权利要求书CN102345490ACN102345510A1/5页4用于利用从涡轮发动机生成的废热的热电元件的紊流布置技术领域0001本发明大体涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及使用热电元件的紊流TURBULATED布置用于利用从涡轮发动机生成的废热。背景技术0002为了解决升高的燃料成本和对更高效、环保功率系统和工业设施增加需求的挑战，开发了废热回收技术，其将来自从燃气涡轮生成的废气流的废热转换成可用的电力。由热电元件形成的热电模块是一。
9、种用于从涡轮发动机生成的废热发电的方案。但是，大部分热电模块方案具有相对较低的转换效率。因此，这些类型的热电模块在发电中具有有限的应用。发明内容0003在本发明的一个实施例中，提供一种系统，其包括涡轮发动机和热电模块。在此实施例中，涡轮发动机燃烧燃料且生成热废气。热电模块位于涡轮发动机内且将从涡轮发动机生成的热废气转换成电能。热电模块包括串联且热并联的多个热电元件的紊流布置。多个热电元件中的每个包括在热接头和冷接头处彼此联接的第一热电材料和第二热电材料。冷接头涂覆有增加冷接头处的抗传导性CONDUCTIVERESISTANCE的热屏障，从而降低冷接头处的温度。热接头与冷接头热并联，其中在热接头。
10、与冷接头之间产生温度梯度。所生成的电能是在热接头与冷接头之间产生的温度梯度的函数。0004在本发明的另一实施例中，提供一种涡轮发动机。在本发明的此实施例中，该涡轮发动机包括压缩机；燃烧器，其接收来自压缩机的空气与燃料的混合物用于混合物的燃烧；以及涡轮，其使来自压缩机的空气与燃料的燃烧所生成的热气膨胀用于转换成机械旋转能。该涡轮发动机还包括热电模块，其将从涡轮生成的热废气转换成热电能。该热电模块包括位于涡轮的壳体内在涡轮发动机的热废气端处的多个热电元件的紊流布置。多个热电元件中的每个包括在热接头和冷接头处彼此联接的第一热电材料和第二热电材料。冷接头涂覆有增加冷接头处的抗传导性的热屏障，从而降低冷。
11、接头处的温度。在热接头与冷接头之间产生温度梯度，其中所生成的热电能是在热接头与冷接头之间产生的温度梯度的函数。0005在本发明的第三实施例中，提供一种燃气涡轮发动机。在本发明的此实施例中，该燃气涡轮发动机包括多个电气构件；压缩机；燃烧器，其接收来自压缩机的空气与燃料的混合物用于所述混合物的燃烧；以及涡轮，其使来自压缩机的空气与燃料的燃烧所生成的热气膨胀用于转换成机械旋转能。该燃气涡轮发动机还包括热电模块，其将从涡轮发动机生成的热废气转换成热电能。该热电模块包括位于涡轮发动机的壳体内在涡轮发动机的热废气端处的多个热电元件的紊流布置。多个热电元件中的每个包括在热接头和冷接头处彼此联接的第一热电材料。
12、和第二热电材料。冷接头涂覆有增加冷接头处的抗传导性的热屏障，从而降低冷接头处的温度。在热接头与冷接头之间产生温度梯度，其中所生成的热电能说明书CN102345490ACN102345510A2/5页5是在热接头与冷接头之间产生的温度梯度的函数。热电模块使用热电能来为多个电气构件供电。附图说明0006图1是根据本发明的一个实施例的燃气涡轮发动机的示图，其采用具有热电元件的紊流布置的热电模块；0007图2是根据本发明的一个实施例的图1所示的热电模块的热电元件的紊流布置相对于涡轮发动机的壳体在热废气端处的更详细视图。0008部件列表0009100燃气涡轮发动机0010105压缩机0011110轴00。
13、12115涡轮区段0013120燃烧器0014125压缩机转子叶片0015130压缩机定子叶片0016135涡轮转子叶片0017140涡轮定子叶片0018145热废气端0019150热电模块0020155涡轮壳体0021160热废气端壳体0022165电气构件0023200热电元件0024205第一热电材料0025210第二热电材料0026215热接头0027220冷接头0028225热屏障0029235热电电压具体实施方式0030参看附图，图1是燃气涡轮发动机100的示意图，其中可使用根据本发明的一个实施例的热电模块150。本领域技术人员应了解本发明的实施例并不限于用于燃气涡轮发动机。本发明。
14、的实施例可用于燃气涡轮发动机，诸如在发电和飞机中所用的发动机，蒸汽涡轮发动机和其它类型的旋转发动机和机电机器，其中需要从涡轮发动机生成的废热发电。0031如图1所示，燃气涡轮发动机100包括压缩机105和燃烧器120，压缩机115由共同轴或转子110机械地联接到下游涡轮区段或涡轮115，燃烧器120位于压缩机105与涡轮115之间。燃烧器120接收来自压缩机105的空气与添加到燃烧器的燃料的混合物用于混说明书CN102345490ACN102345510A3/5页6合物的燃烧。涡轮115使来自压缩机105的空气与燃料的燃烧所生成的热气膨胀用于转换成机械旋转能。0032压缩机105可包括多个级。。
15、每一级可包括由一排压缩机定子叶片130跟随的一排压缩机转子叶片125。因此，每一级可包括由在操作期间保持静止的一排压缩机定子叶片130跟随的绕轴110旋转的一排压缩机转子叶片125。压缩机定子叶片130通常彼此周向地间隔开且绕旋转轴线固定。压缩机转子叶片125周向地间隔开且附连到轴110。当轴110在操作期间旋转时，压缩机转子叶片125绕其旋转。如本领域普通技术人员应了解的，压缩机转子叶片125配置成使得当绕轴110自旋时，它们将动能赋予给流经压缩机105的空气或流体。0033如图1所示，涡轮115也可包括多个级。每一级包括在操作期间绕轴110旋转的多个涡轮动叶或涡轮转子叶片135和在操作期间。
16、保持静止的多个喷嘴或涡轮定子叶片140。涡轮定子叶片140通常彼此周向地间隔开且绕旋转轴线固定。涡轮转子叶片135可安装于涡轮叶轮未图示上以绕轴110旋转。应了解涡轮定子叶片140和涡轮转子叶片135位于涡轮115的热气体路径中。0034在使用中，在压缩机105内的压缩机转子叶片125的旋转可压缩从空气源例如，周围空气获得的空气流。在燃烧器120中，当压缩空气与从燃料源获得的燃料混合并点燃时可释放能量。从燃烧器120所产生的热气流可称作工作流体然后被导向经过涡轮转子叶片135。工作流体的流动引起涡轮转子叶片135绕轴110旋转。工作流体流动的能量转变成旋转叶片的机械能。因此，由于在转子叶片与轴。
17、之间的连接，轴110旋转。轴110的机械能然后可用于驱动压缩机转子叶片130的旋转，从而产生压缩空气的必需供应。而且，在一个实施例中，轴110的机械能可由发电机未图示使用以发电。0035如图1所示，燃气涡轮发动机100包括热废气端145，其接收从涡轮115生成的热废气。热电模块150位于涡轮115内。在一个实施例中，热电模块150可位于涡轮壳体155内在热废气端壳体160上的热废气端145处。热电模块150将从涡轮发动机生成的热废气转换成热电能。热电模块150及其操作的细节在下文给出并参考图2讨论。在本发明的一个实施例中，从热电模块150生成的热电能可用于为围绕燃气涡轮发动机100布置的多个电。
18、气构件165供电。在一个实施例中，多个电气构件可包括传感器例如，有线或无线传感器或涡轮的外围设备。使用热电模块150来为传感器例如，有线和无线传感器或涡轮115的外围设备供电使得这些系统为独立系统且作为涡轮的附加装置或升级而更具吸引力，这是因为它们不再是寄生的。图1示出仅三个电气构件在压缩机105、涡轮115和燃烧器120中各一个，但本领域技术人员应认识到，可存在额外构件且本发明的实施例不应限于任何特定数量。此外，本领域技术人员应认识到，从热电模块150生成的热电能可应用于远离燃气涡轮发动机100布置的其它构件。在另一实施例中，从热电模块150生成的热电能可用于增加从燃气涡轮发动机100生成的。
19、功率。0036图2示出相对于热废气端壳体160的热电模块150的更详细视图。如图所示，在图2中，热电模块150包括位于涡轮发动机壳体内在热废气端壳体160处的热电元件200的紊流布置。热电元件200电串联且热并联。每个热电元件200包括在热接头215和冷接头220处彼此联接的第一热电材料205和第二热电材料210。冷接头220涂覆有增加冷接头处的抗传导性的热屏障225，从而降低冷接头处的温度。在一个实施例中，第一热电材说明书CN102345490ACN102345510A4/5页7料205可为N型半导体材料，而第二热电材料210可为P型半导体材料。可用于热电模块150中的N型半导体材料和P型半。
20、导体材料的说明性但非限制性实例包括碲化铋，其为良好的电导体，但较差的热导体。其它实例可包括硅锗和碲化镉。热屏障225可为任何类型的隔离材料，其可增加冷接头220处的抗传导性。可适用于热电模块150的热屏障材料的说明性但非限制性实例包括热屏障涂层、聚碳酸酯带或陶瓷带。可用于本发明的实施例的热屏障涂层的说明性实例为氧化钇稳定氧化锆95Y2O352GD2O356YB2O3其余为ZRO2。市场上可购买到的由氧化铝制成的聚碳酸酯带或陶瓷带是可用于本发明的实施例的聚碳酸酯带或陶瓷带的一个实例。0037在操作中，当热废气的气流移动通过热废气端145，在热接头215与冷接头220之间产生温度梯度。热电模块15。
21、0使用温度梯度来生成热电电压235。由热电模块150生成热电电压235是基于塞贝克效应SEEBECKEFFECT，其指出如果不同材料诸如铜和铁的两根线在其端部连接在一起，从而形成两个接头且一个接头保持在比另一个接头更高的温度，则在两个接头之间将产生电压差。0038热电元件200的紊流布置使得热电模块150在热废气壳体160上的涡轮壳体内起作用即，为了获得足够的温度梯度来生成热电电压，其产生热电能用于预期目的例如，为了为电气设备供电，增加功率供应，与放置于燃气涡轮发动机外部相反。此外，热电元件200的紊流布置使得热电模块150起作用而不使用冷却模块，以获得足以生成足量热电电压以使热电模块150执。
22、行其预期功能例如，为电气设备供电，增加功率供应的必需温度梯度。因此，避免了与使用冷却泵相关的额外能量。此外，热电元件200的紊流布置也特别适合于能最大化利用来自废气的热能。这归因于与紊流器相关的高传热系数。0039在操作中，每个热电元件200的紊流布置产生热废气的紊流流动。热废气的紊流流动在热接头215处产生高的局部传热系数。尽管局部传热系数在冷接头220处更低，但是平均传热系数仍将足够高，从而升高在冷接头220处的温度。为了消除这种情况，抗传导件即，热屏障225放置于冷接头220顶部以抑制在冷接头处的热输入。这允许在热接头215与冷接头220之间形成温度梯度即，在热接头处的热输入与在冷接头处。
23、的热输入之间的热差。热电元件200的紊流布置然后可作为自运行单元，而无需外部冷却，如上所述。0040与热电元件200相关的其它参数，诸如长度、厚度和与其它元件的间距将影响温度梯度。本领域技术人员将易于了解到，如何改善这些参数以便获得最大热电电压温度梯度越高，所产生的热电电压就越高。热电模块150使用热差来生成热电电压235。本领域技术人员应认识到，与图2所示的样式相反，其它紊流布置样式可用于热电元件200。紊流布置的非限制性实例可涵盖“堆叠”、“轨道”和“锯齿形”配置。0041认为使用热电模块150来生成电能将帮助涡轮发动机添加更多功率给电网。例如，来自燃气涡轮的平均热气温度为大约1000华氏。
24、度F大约538摄氏度。如果利用热电模块150达成大约200F至大约300F大约93至大约149的温差，则热电模块150的效率将在大约20至大约30的范围，且功率输出可在数百伏的范围。如果从热电模块获得的功率输出为数伏，则这足以帮助照明该单元区域。这以与之相关的最小化资金成本给予低成本发电选择。而且，认为对于以简单循环模式操作的涡轮发动机，利用热废能可提供在增加总效率方面的益处。0042虽然结合本发明的优选实施例特别地示出和描述了本公开，但应了解本领域技术说明书CN102345490ACN102345510A5/5页8人员将想到变型和修改。因此应了解所附权利要求意图涵盖属于本公开的真实精神内的所有这些修改和变化。说明书CN102345490ACN102345510A1/2页9图1说明书附图CN102345490ACN102345510A2/2页10图2说明书附图CN102345490A。