具有改進的過渡部管道的向心式燃氣渦輪發(fā)動的制造方法
【專利摘要】一種燃氣渦輪發(fā)動機(10)，包括：具有向心式葉輪動葉(38)的渦輪機；圍繞向心式葉輪動葉(38)沿周向設(shè)置的改進過渡部燃燒室組件的陣列，并且該陣列具有鄰近燃燒氣體(40)的內(nèi)表面(34)。陣列的內(nèi)表面(34)構(gòu)造成加速和定向多股離散的燃燒氣體(40)流，以便將其直接地傳送到所述向心式葉輪動葉(38)上。陣列內(nèi)表面(34)限定各燃燒氣體流動軸線(20)。每個燃燒氣體流動軸線(20)從點火的點直到不再受陣列內(nèi)表面(34)限界都是筆直的，并且每個燃燒氣體流動軸線(20)與由向心式葉輪動葉(38)的掃掠限定的圓周上的唯一位置相交。
【專利說明】具有改進的過渡部管道的向心式燃氣渦輪發(fā)動機
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助開發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明的開發(fā)得到美國能源部予以的DE-FC26-05NT42644號合同的部分支持。因此，美國政府對本發(fā)明可以具有一定的權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及向心式燃氣渦輪發(fā)動機。特別地，本發(fā)明涉及利用改進的過渡部燃燒組件而不利用第一排渦輪導(dǎo)葉對燃燒氣體進行加速的向心式燃氣渦輪發(fā)動機。
【背景技術(shù)】
[0004]向心式燃氣渦輪發(fā)動機可以具有使用葉輪從燃燒器和相關(guān)的常規(guī)過渡部管道接收燃燒氣體的渦輪機。在葉輪將燃燒氣體的流動從徑向向內(nèi)的方向引導(dǎo)到軸向方向的同時，燃燒氣體使葉輪旋轉(zhuǎn)。由于燃燒室和常規(guī)過渡部的性質(zhì)，燃燒氣體可以通過布置在常規(guī)過渡部管道的出口和葉輪之間的第一排導(dǎo)葉適當(dāng)?shù)囟ㄏ?。第一排?dǎo)葉還可以將燃燒氣體加速到適當(dāng)?shù)乃俣?。這種帶有常規(guī)過渡部和第一排渦輪動葉的配置會增加成本、復(fù)雜性，并且降低發(fā)動機的效率。因此，在該領(lǐng)域內(nèi)仍存在改進的空間。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0005]在以下描述中考慮附圖對本發(fā)明進行說明，圖中顯示:
[0006]圖1示出了具有改進過渡部管道的向心式燃氣渦輪發(fā)動機。
[0007]圖2示出了圖1中的向心式燃氣渦輪發(fā)動機的近視圖。
[0008]圖3示出了沿圖2中的線A-A的橫截面。
[0009]圖4示出了圖3中被圈出的區(qū)域的近視圖。
【具體實施方式】
[0010]本
【發(fā)明者】已經(jīng)認(rèn)識到可以將改進的過渡部管道的理念應(yīng)用于向心式燃氣渦輪發(fā)動機，以提供可以比常規(guī)向心式發(fā)動機更緊湊(更短)、更高效并且可能成本更低的向心式發(fā)動機。應(yīng)用于徑向內(nèi)流的改進過渡部管道可以沿徑向定向，在徑向平面內(nèi)也可以被定向為使得在動葉圍繞燃氣渦輪發(fā)動機的中心軸旋轉(zhuǎn)時的某一時刻時氣體流動軸線還相切于渦輪動葉的沖擊表面。燃燒氣體的流動的適當(dāng)定向是通過幾何形狀部實現(xiàn)的，該幾何形狀部構(gòu)造成為每股燃燒氣體流產(chǎn)生從點火的點直到在沖擊第一排渦輪動葉緊之前離開過渡部管道都筆直的軸線。燃燒氣體的流動路徑在加速幾何形狀部沿著該筆直軸線變窄。該變窄使氣體的流動在流動路徑中不需要任何靜止導(dǎo)葉的情況下加速至適于傳送到第一排渦輪動葉的速度。在加速幾何形狀部和改進的過渡部管道的出口之間可以布置準(zhǔn)直幾何形狀部。準(zhǔn)直幾何形狀部產(chǎn)生均勻的氣流，使得氣流的全部量平行于氣體流動軸線流動。由于這種徑向定向，發(fā)動機沿著其中心軸線可以更短。這使得壓縮機能夠更靠近渦輪機，從而減少了現(xiàn)有技術(shù)的相對較長的軸所帶來的轉(zhuǎn)子動力學(xué)和軸振動問題。軸的長度更短，從而使軸承能夠靠得更緊密，這對于具有單一的葉輪式渦輪機的向心式發(fā)動機尤為重要。在這樣的發(fā)動機中葉輪通常很重。這樣就需要更重的軸，這種情況更容易受到轉(zhuǎn)子動力學(xué)和振動問題的影響。去除第一排的渦輪導(dǎo)葉也可以大大減少發(fā)動機的渦輪系統(tǒng)的成本，并且減少與第一排導(dǎo)葉相關(guān)的效率損失。
[0011]圖1描繪了一種向心式燃氣渦輪發(fā)動機10，該向心式燃氣渦輪發(fā)動機10具有單一的葉輪12、轉(zhuǎn)子軸14、壓縮機16(圖中示出軸向壓縮機，但是徑向壓縮機也是可預(yù)想到的)、燃燒室17和相關(guān)的改進過渡部管道18。每個改進過渡部管道18包括直的氣體流動軸線20，并且該氣體流動軸線20被布置在與燃氣渦輪發(fā)動機10的中心軸線24垂直的平面22內(nèi)。每個改進的過渡部管道18都可以具有加速幾何形狀部26和準(zhǔn)直幾何形狀部28。加速幾何形狀部26可以類似于圓錐體，該圓錐體使流動路徑32的橫截面尺寸在相對于燃燒氣體在改進的過渡部管道18內(nèi)的流動方向而言的下游方向上減小?？梢钥匆?，加速幾何形狀部至少在對應(yīng)于中心軸線24的方向上變窄。
[0012]多個改進過渡部管道18形成陣列(未圖示)，陣列的內(nèi)表面34形成每條流動路徑32。本文所使用的術(shù)語“內(nèi)”指的是與燃燒氣體40接觸的表面。每條流動路徑32可以由多個一起工作的改進過渡部管道18或單一的改進過渡部管道18的內(nèi)表面36限定。例如，第一改進過渡部管道18可以形成流動路徑32的一部分，上游和/或下游相鄰(相對于葉輪12和葉輪動葉38的行進方向而言)的改進過渡部管道(未圖示)可以形成流動路徑32的其余的部分。燃燒氣體40沿著氣體流動軸線20流動，在加速幾何形狀部26中被加速至適于傳送到葉輪動葉38的速度，并且可以在準(zhǔn)直幾何形狀部28中被適當(dāng)?shù)囟ㄏ?。燃燒氣體40沖擊葉輪動葉38，葉輪動葉38反過來使燃燒氣體40從徑向流動方向重新定向為軸向流動方向。
[0013]如圖2所示,每個改進過渡部管道18都可以在改進過渡部管道后側(cè)42上或改進過渡部管道前側(cè)44上被固定。在示出的實施方式中，改進過渡部管道后側(cè)42被固定在發(fā)動機的渦輪機部分的外殼46上。只在其中一側(cè)或另一側(cè)上對改進過渡部管道18進行固定使前后底座之間的熱驚(thermal fright)最少化或避免了前后底座之間的熱驚。還更詳細的示出了加速幾何形狀部26和準(zhǔn)直幾何形狀部28。
[0014]圖3描繪了在氣體流動軸線20所在的垂直平面22處的發(fā)動機10的局部橫截面A-A。改進過渡部管道18的陣列50的一部分是可見的。在該繪圖中，基準(zhǔn)改進過渡部管道52與上游相鄰的改進過渡部管道54周向地相鄰。該基準(zhǔn)改進過渡部管道52還與下游相鄰的改進過渡部管道56沿周向相鄰。與相鄰的改進過渡部管道一起使用的上游和下游是相對于葉輪12和葉輪動葉38的轉(zhuǎn)動方向58而言的。在所示的實施方式中，基準(zhǔn)改進過渡部管道52包括基準(zhǔn)管道內(nèi)表面60。上游相鄰改進過渡部管道54具有上游管道內(nèi)表面62，下游相鄰改進過渡部管道56具有下游管道內(nèi)表面64。
[0015]通常與每個改進過渡部管道18相關(guān)聯(lián)的是流動路徑32。然而，每個流動路徑32可以由一個或多于一個的改進過渡部管道的內(nèi)表面限定。在所示的實施方式中，基準(zhǔn)流動路徑66是由基準(zhǔn)管道內(nèi)表面60以及下游管道內(nèi)表面64限定的。同樣地，上游相鄰流動路徑68是由上游管道內(nèi)表面62和基準(zhǔn)管道內(nèi)表面60限定的。下游相鄰流動路徑70是由下游管道內(nèi)表面64和與其相鄰地布置在其下游的改進過渡部管道的內(nèi)表面限定的。
[0016]可以看出，在本實施方式中，加速區(qū)域26在周向方向上也變窄。軸向方向和周向方向都變窄能夠使燃燒氣體40顯著加速并且消除對第一排渦輪導(dǎo)葉的需求。在每個改進過渡部管道18中還具有準(zhǔn)直幾何形狀部28。盡管多于一個的表面可以限定準(zhǔn)直幾何形狀部28，但是在該區(qū)域中，流動路徑32完全地被基準(zhǔn)管道內(nèi)表面60限界。并且，在所描繪的實施方式中，每個流動路徑32內(nèi)都具有部分限界區(qū)域72，在該區(qū)域中，燃燒氣體40只是部分地被基準(zhǔn)管道內(nèi)表面60和下游管道內(nèi)表面64限界。因為假如氣流的全部量不是平行于氣體流動軸線20流動的話，部分限界的氣流會分散到大的多的程度，所以準(zhǔn)直幾何形狀部28相對于燃燒氣體40的流動處于部分限界區(qū)域72的上游。然而，由于在準(zhǔn)直之后氣流的全部量都平行于氣體流動軸線20流動，因此在離開流動路徑出口 74之后在向著葉輪12行進時，該氣流將會維持其橫截面形狀進一步向下游流動。由于這樣更嚴(yán)格地控制燃燒氣體40，使得更多的燃燒氣體40將會以所需的方式?jīng)_擊葉輪動葉38以傳遞最多的能量，從而使發(fā)動機更有效地運行。
[0017]流動路徑出口 74可以沿周向形成輪廓以匹配由葉輪動葉頂端78的徑向最外側(cè)點的掃掠76產(chǎn)生的外形。流動路徑出口 74還可以沿著中心軸線24形成輪廓以匹配葉輪動葉頂端78的軸向外形。
[0018]在所示的實施方式中，基準(zhǔn)流動路徑66的上游側(cè)面80鄰近上游相鄰流動路徑68的下游側(cè)面82。這些相鄰側(cè)面80、82相交于共同的幾何形狀部84。在本實施方式中，共同幾何形狀部84可以形成能夠空氣動力學(xué)地尖的邊緣。本文所使用的空氣動力學(xué)地尖指的是使相鄰氣體流動路徑66、68之間的容積一在此處一股股的燃燒氣體40可能會形成湍流一一消除或減少到微不足道的量的幾何形狀。另一方面，空氣動力學(xué)地鈍的幾何形狀可以是圓角，其會允許相鄰氣體流動路徑66、68之間發(fā)生湍流。有利地，空氣動力學(xué)地尖的幾何形狀還能夠使間隙86最小化。極小化的間隙86幾乎在燃燒氣體40離開流動路徑出口74緊之后直接將燃燒氣體40引導(dǎo)到葉輪動葉38上，從而減少了與更長的行進距離相關(guān)聯(lián)的能量損失。此外，由于基準(zhǔn)流動路徑66和上游相鄰流動路徑68相對于彼此成角度，因此兩者彼此匯聚。縮短到達葉輪動葉38的距離可以使相鄰燃燒氣流匯聚從而彼此互相干擾的量減少，這樣又會提高氣動效率。
[0019]圖4是形成邊緣的共同幾何形狀部84的近視圖。在該實施方式中，也是在該區(qū)域內(nèi)，相鄰改進過渡部管道18通過聯(lián)鎖幾何結(jié)構(gòu)88彼此固定。正是該固定使單個的相鄰改進過渡部管道18被鎖定成為陣列50?；鶞?zhǔn)改進過渡部管道52包括鉤狀幾何形狀部90，上游相鄰改進過渡部管道54包括接收鉤的幾何形狀部92?；鶞?zhǔn)管道內(nèi)表面60與上游管道內(nèi)表面62相交于內(nèi)表面結(jié)合部94。在該實施方式中，內(nèi)表面結(jié)合部94被布置在部分限界區(qū)域72內(nèi)，因此由于部分限界流更容易受到擾動，所以有益的是內(nèi)表面結(jié)合部94為空氣動力學(xué)光滑的。本文所使用的空氣動力學(xué)光滑的結(jié)合部不會給在內(nèi)表面結(jié)合部94上流動的燃燒氣體40增加流動擾動(例如，渦流和旋流)，或者給在內(nèi)表面結(jié)合部94上流動的燃燒氣體40增加微不足道的量的流動擾動(例如，渦流和旋流)。最佳地，內(nèi)表面結(jié)合部94可以維持燃燒氣體40內(nèi)的層流流動。
[0020]將改進過渡部管道應(yīng)用于向心式燃氣渦輪發(fā)動機中以及實現(xiàn)該應(yīng)用所需的新穎的和創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)使改進的技術(shù)能夠用于現(xiàn)有技術(shù)的發(fā)動機框架中。因此，可以實現(xiàn)更緊湊、更簡單、更高效、更便宜的向心式燃氣渦輪發(fā)動機。因此，這代表了該領(lǐng)域的進步。
[0021]雖然文中已示出和描述了本發(fā)明的多種實施方式，但是明顯的是這些實施方式僅作為示例提供。在不偏離文中本發(fā)明的情況下可以進行多種變型、改變和替換。因此，希望本發(fā)明僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍限定。
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣渦輪發(fā)動機，包括: 渦輪機，所述渦輪機包括向心式葉輪動葉；以及 圍繞所述向心式葉輪動葉沿周向設(shè)置的過渡部燃燒室組件的陣列，所述陣列包括鄰近燃燒氣體的陣列內(nèi)表面，其中所述陣列內(nèi)表面構(gòu)造成加速和定向多股離散的燃燒氣體流，以便將其直接地傳送到所述向心式葉輪動葉上； 其中，所述陣列內(nèi)表面限定各燃燒氣體流動軸線，其中每個燃燒氣體流動軸線從點火的點直到不再受所述陣列內(nèi)表面限界都是筆直的，并且其中每個燃燒氣體流動軸線與由所述向心式葉輪動葉的掃掠限定的圓周上的唯一位置相交。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，所述陣列內(nèi)表面在每個過渡部燃燒室組件中限定準(zhǔn)直長度，以有效地使相對于相應(yīng)的燃燒氣體流動軸線而言的加速區(qū)域下游的燃燒氣體準(zhǔn)直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，各個過渡部燃燒室組件的內(nèi)表面的垂直于相應(yīng)的過渡部燃燒室組件的縱向軸線截取的橫截面在相對于燃氣渦輪發(fā)動機的縱向軸線而言的下游方向上變窄，該變窄在使所述燃燒氣體加速方面至少部分有效。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，通往相鄰出口的相鄰側(cè)面的陣列內(nèi)表面匯聚，以在相鄰出口之間形成空氣動力學(xué)地尖的邊緣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，每個過渡部燃燒室組件均包括位于相對于燃燒氣體流動軸線而言的下游端部處的幾何結(jié)構(gòu)，每個過渡部燃燒室組件的位于相對于燃燒氣體流動軸線而言的下游端部處的幾何結(jié)構(gòu)與周向地相鄰的過渡部燃燒室組件的位于相對于燃燒氣體流動軸線而言的下游端部處的幾何結(jié)構(gòu)聯(lián)鎖，由此使所述過渡部燃燒室組件聯(lián)鎖成所述陣列。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，兩個相鄰的過渡部燃燒室組件的內(nèi)表面限定每個燃燒氣體流動軸線。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，相對于所述向心式葉輪動葉的旋轉(zhuǎn)方向處于上游的過渡部燃燒室組件的內(nèi)表面和下游的相鄰過渡部燃燒室組件的下游端部的聯(lián)鎖的幾何結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面限定相應(yīng)的燃燒氣體流動軸線。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，下游的相鄰過渡部燃燒室組件的下游端部的幾何結(jié)構(gòu)包括鉤狀部，所述鉤狀部將下游的相鄰過渡部燃燒室組件固定至上游的相鄰過渡部燃燒室組件。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的燃氣渦輪發(fā)動機，包括空氣動力學(xué)光滑的結(jié)合部，兩個周向地相鄰的過渡部燃燒室組件的內(nèi)表面相交于所述結(jié)合部處。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，所述空氣動力學(xué)光滑的結(jié)合部布置在沿著相應(yīng)的燃燒氣體流動縱向軸線的、所述陣列內(nèi)表面僅部分地圍繞所述燃燒氣體流動軸線的位置處。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，所述陣列僅在前側(cè)或后側(cè)被固定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，所述陣列的后側(cè)被固定至燃氣渦輪發(fā)動機外殼。
13.一種燃氣渦輪發(fā)動機,包括: 渦輪機，所述渦輪機包括多個向心式葉輪動葉；以及燃燒室組件，所述燃燒室組件包括燃燒室和過渡部，所述燃燒室組件構(gòu)造成使燃燒氣體加速和定向成直接到達所述向心式葉輪動葉上； 其中，所述燃燒氣體從所述燃燒室直至到達所述向心式葉輪動葉都沿著所述燃燒室組件內(nèi)的軸向筆直的流動路徑行進。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，每個流動路徑都變窄，并且，該變窄至少包括所述流動路徑的相對于燃氣渦輪發(fā)動機的縱向軸線而言的前后尺寸的變窄。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，每個流動路徑包括: 完全限界長度，所述完全限界長度位于所述變窄處的相對于燃燒氣體的流動而言的緊下游，其中各個流動路徑四周都被限界；以及 位于所述完全限界長度的下游的部分限界長度，其中各個流動路徑從在上游端部處四周都被限界朝向下游端部過渡至逐漸少地被限界。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，第一個部分限界長度的下游端部限定相對于所述向心式葉輪動葉的旋轉(zhuǎn)方向布置在下游的相鄰流動路徑的部分限界長度的上游端部的開端。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，每個燃燒室組件的下游端部設(shè)定成與所述向心式葉輪動葉徑向地間隔開一間隙，其中所述間隙的尺寸被構(gòu)造為不大于防止所述向心式葉輪動葉與相應(yīng)的燃燒室組件的下游端部之間互相干涉所必需的尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求1 5所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，每個處于所述部分限界長度內(nèi)的流動路徑在限界處包括空氣動力學(xué)光滑的壁。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的燃氣渦輪發(fā)動機，其中，所述燃燒室組件的后側(cè)被固定至渦輪機部分的外殼并且前側(cè)相對于鄰近所述前側(cè)的發(fā)動機部件自由地?zé)崤蛎浐蜔崾湛s。
20.一種燃氣渦輪發(fā)動機,包括: 渦輪機，所述渦輪機包括向心式葉輪動葉，其中所述葉輪動葉的旋轉(zhuǎn)頂端的掃掠限定環(huán)形掃掠形狀； 多個改進過渡部燃燒室組件，所述多個改進過渡部燃燒室組件圍繞所述環(huán)形掃掠形狀沿周向設(shè)置成陣列，所述陣列包括鄰近燃燒氣體的陣列內(nèi)表面，所述陣列內(nèi)表面限定多個燃燒氣體流動路徑，其中所述陣列內(nèi)表面構(gòu)造成使每個氣體流動路徑在相對于燃燒氣體在其中的流動而言的下游方向上變窄，以有效地使所述燃燒氣體加速從而將其直接地傳送到所述向心式葉輪動葉，并且所述陣列內(nèi)表面構(gòu)造成限定各個氣體流動路徑縱向軸線，所述氣體流動路徑縱向軸線從燃燒氣體點火的點直到燃燒氣體不受任何陣列內(nèi)表面限界都是筆直的，其中每個氣體流動路徑縱向軸線都位于垂直于燃氣渦輪發(fā)動機的縱向軸線的平面內(nèi)，并且其中所述陣列內(nèi)表面將燃燒氣體直接引導(dǎo)到所述環(huán)形掃掠形狀上； 其中，每個改進過渡部燃燒室組件均包括位于相對于相應(yīng)的氣體流動路徑縱向軸線而言的下游端部處的聯(lián)鎖鉤狀結(jié)構(gòu)，所述聯(lián)鎖鉤狀結(jié)構(gòu)與相鄰的改進過渡部燃燒室組件聯(lián)鎖以有效地使所述改進過渡部燃燒室組件聯(lián)鎖成所述陣列，其中所述聯(lián)鎖鉤狀結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面和相鄰的改進過渡部燃燒室組件的內(nèi)表面限定相應(yīng)的燃燒氣體流動路徑，以及 其中，所述陣列的后側(cè)被固定至渦輪機部分的外殼并且前側(cè)相對于鄰近所述前側(cè)的發(fā)動機部件自由地?zé)崤蛎浐蜔崾湛s。
【文檔編號】F02C3/14GK103998746SQ201280061718
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月15日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·J·維貝 申請人:西門子能源有限公司