專利名稱:雙面進(jìn)氣徑流式渦輪機(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的制作方法
本發(fā)明是關(guān)于采用離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪的高性能燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器，這類燃?xì)獍l(fā)生器從油耗率的觀點(diǎn)看具有高的效率。
在一些，例如車輛用和其他要求發(fā)動(dòng)機(jī)的體積小，重量輕、油耗率低的應(yīng)用領(lǐng)域中，對(duì)于作為柴油機(jī)的替換物的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的需要，得到證明。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，實(shí)體空間和重量減小是可以采用常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)來(lái)取得。然而，當(dāng)額定功率減小時(shí)，簡(jiǎn)單循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)的油耗率變壞已是被公認(rèn)的事實(shí)，并且是已有裝置的主要缺點(diǎn)。
過(guò)去試圖獲得燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)力裝置的辦法一直是采用許多配備離心和徑流部件的不同結(jié)構(gòu)。例如，眾所周知的燃?xì)廨啓C(jī)輔助動(dòng)力裝置包括一個(gè)雙面進(jìn)氣低壓離心式壓氣機(jī)和一個(gè)串接工作的單面進(jìn)氣高壓離心式壓氣機(jī)，以提供燃燒室內(nèi)燃油燃燒所需的壓縮空氣和外部使用的放氣。來(lái)自燃燒室的高溫燃?xì)馑偷津?qū)動(dòng)壓氣機(jī)和在某種意義上與單軸發(fā)動(dòng)機(jī)相一致為外部使用提供軸功率輸出的單級(jí)徑流式渦輪中。
上述不能按滿意的部件效率提供足夠壓比，一直歸結(jié)為油耗率明顯大于相同功率高速柴油機(jī)的低壓比(即小于12∶1)的小型動(dòng)力裝置。在為克服這些限制的努力中，在工業(yè)上典型地采用在最后離心式壓氣機(jī)或二個(gè)單面進(jìn)氣的離心級(jí)前采用一級(jí)或多級(jí)軸流式壓氣機(jī)，這些離心壓氣機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器的常規(guī)軸流式渦輪為一體。對(duì)于最好的具有這些結(jié)構(gòu)的任何一種的1000馬力的燃?xì)廨啓C(jī)。預(yù)計(jì)油耗率在壓比低于15∶1的情況下達(dá)到0.45左右。
由于上述常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種采用徑流式渦輪驅(qū)動(dòng)在同一軸上相匹配的離心式壓氣機(jī)部件的，高壓比的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器。
本發(fā)明的又一個(gè)目的是提供一種油耗率相當(dāng)于柴油機(jī)而保持簡(jiǎn)單的循環(huán)結(jié)構(gòu)(即無(wú)換熱室/蓄熱室)的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種特別適用于相對(duì)低的功率(一般低于4000馬力)和只采用二級(jí)壓氣機(jī)的高壓比的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器。
已有的小型燃?xì)廨啓C(jī)中，上面提到的油耗率變壞已經(jīng)得以改變。在小型燃?xì)廨啓C(jī)中，目前已具有大的發(fā)動(dòng)機(jī)效率(本發(fā)明在下面詳細(xì)加以討論)。因此，簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)在燃料消耗方面至少能與1000馬力的高速柴油機(jī)相比美。這樣一來(lái)，本發(fā)明對(duì)于所有燃?xì)廨啓C(jī)公司采用的常規(guī)結(jié)構(gòu)所表明的現(xiàn)有技術(shù)來(lái)說(shuō)，在開(kāi)拓新的發(fā)動(dòng)機(jī)方面起到了進(jìn)步的作用。
本發(fā)明大致包括一種燃?xì)廨喨細(xì)獍l(fā)生器的流道結(jié)構(gòu)，由下列部件按氣流順序來(lái)表征(見(jiàn)圖1)1.作為第一級(jí)的，基本上為徑流式的雙面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。
2.作為第二級(jí)的，單面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。
3.作為燃?xì)獍l(fā)生器渦輪的，徑流式渦輪。
根據(jù)本發(fā)明的循環(huán)采用明顯高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的壓比，具體地說(shuō)是在較低功率范圍，例如在4000馬力條件下施壓于發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)閴罕仁菍?duì)效率產(chǎn)生影響的主要因素之一，所以根據(jù)本發(fā)明的循環(huán)將會(huì)在較低功率范圍內(nèi)，提供比已有燃?xì)廨啓C(jī)更高的熱效率。
根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器的另一個(gè)主要特性是，通過(guò)部分地仔細(xì)調(diào)節(jié)第一和第二級(jí)之間壓比的分配，使第一和第二級(jí)壓氣機(jī)“匹配”利用徑流式渦輪定向驅(qū)動(dòng)“單面轉(zhuǎn)子”內(nèi)的這些已匹配的壓氣機(jī)，進(jìn)而使渦輪機(jī)、第一級(jí)壓氣機(jī)和第二級(jí)壓氣機(jī)均以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)，至少得到三個(gè)顯著的優(yōu)點(diǎn)第一，徑流式渦輪機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，依照使所有的壓氣機(jī)部件處于最佳狀態(tài)的比轉(zhuǎn)數(shù)，足以使每個(gè)離心壓氣機(jī)在接近最佳值的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，第二，在這些條件下工作的徑流式渦輪機(jī)在接近特有的最佳比轉(zhuǎn)數(shù)值條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)數(shù)使燃?xì)獍l(fā)生器處于最佳狀態(tài)。第三，徑流式渦輪得到的高圓周速度，導(dǎo)致沖擊在渦輪葉片上的高溫燃?xì)獾臏箿囟认陆?。結(jié)果，渦輪流入溫度能得以升高，以進(jìn)一步增大熱效率或使渦輪部件的工作壽命能得以延長(zhǎng)。
根據(jù)本發(fā)明，概括地加以敘述，這種結(jié)構(gòu)緊湊的高效率燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器包括能提供整個(gè)壓比大于15∶1的壓氣機(jī)裝置。這種壓氣機(jī)裝置包括一臺(tái)具有一對(duì)進(jìn)口和一個(gè)共用出口的第一級(jí)雙面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)，和一臺(tái)與第一級(jí)壓氣機(jī)鄰近配置且具有與第一級(jí)共用出口相通的進(jìn)氣口同時(shí)還有第二級(jí)出口的第二級(jí)單面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)。和一個(gè)能使第一和第二級(jí)呈機(jī)械式相互連接，能以相同的角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的軸組件。這種燃?xì)獍l(fā)生器還包括與第二級(jí)出口氣動(dòng)連接，以接收高壓空氣和利用高壓空氣使燃油燃燒以產(chǎn)生燃?xì)獾娜紵已b置。這種燃?xì)獍l(fā)生器仍然采用一臺(tái)具有進(jìn)口和出口的單級(jí)徑流式渦輪，該渦輪直接與軸組件驅(qū)動(dòng)裝置連接，而且還與在該渦輪機(jī)進(jìn)口處接收氣流的燃燒室裝置連接，燃燒氣體部分膨脹驅(qū)動(dòng)第一和第二級(jí)壓氣機(jī)。排氣裝置是與渦輪出口氣動(dòng)相連，以便輸送為進(jìn)一步膨脹作功已部分膨脹的燃?xì)狻５谝患?jí)壓氣機(jī)的壓比明顯大于第二級(jí)壓氣機(jī)壓比的二倍。第一級(jí)雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)的進(jìn)口馬赫數(shù)大于1.4，而第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)均接近于它們的最佳值且每個(gè)都大于0.60。
跨接第一和第二級(jí)壓縮機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器的整個(gè)壓比最好大于20∶1，并且當(dāng)?shù)诙?jí)壓氣機(jī)的壓比在2∶1和4∶1之間時(shí)，第一級(jí)壓氣機(jī)的壓比在6∶1和9∶1之間。
另一最佳方案是每個(gè)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.65-0.80，同時(shí)渦輪部件的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.5-0.75，從而壓氣機(jī)和渦輪的效率接近它們的峰值。
再一個(gè)最佳方案是在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，第一級(jí)輸出的所有的高壓空氣基本上由第二級(jí)壓氣機(jī)所接收，而第二級(jí)壓氣機(jī)輸出的所有高壓空氣基本上由燃燒室所接收。
還有，本發(fā)明的單面轉(zhuǎn)子，二級(jí)高性能壓氣機(jī)裝置，概括地包含一個(gè)雙面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)第一級(jí)。
單面進(jìn)氣離心壓氣機(jī)第二級(jí)，第二級(jí)壓氣機(jī)是氣動(dòng)連接第一級(jí)壓氣機(jī)以接收其輸出的氣體。
和一個(gè)使第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)均同軸安裝能以相同速度相依轉(zhuǎn)動(dòng)的軸組件。整個(gè)壓氣機(jī)裝置的所有壓比大于15∶1，第一級(jí)壓氣機(jī)的壓比大于第二級(jí)壓氣機(jī)的壓比約二倍，而第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)均大于0.60。
壓氣機(jī)裝置最好包括一個(gè)安裝在軸組件上，能以相同速度驅(qū)動(dòng)第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)的單級(jí)徑流式渦輪，該渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍為0.50-0.75。
在本說(shuō)明之中并構(gòu)成說(shuō)明書(shū)一部分的附圖顯示出了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，和說(shuō)明部分一起用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明的有關(guān)原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的橫截面示意圖。
圖2A和2B是效率改善的簡(jiǎn)圖，效率的改善是由于采用根據(jù)本發(fā)明制造的燃?xì)獍l(fā)生器中的壓氣機(jī)部件和渦輪機(jī)部件與這些部件的比轉(zhuǎn)數(shù)相匹配的結(jié)果。
現(xiàn)在，結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例作出詳盡地說(shuō)明。
本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器包括能提供整個(gè)壓比大于15∶1，并配備有一對(duì)進(jìn)口的和一個(gè)單一出口的雙面進(jìn)氣第一級(jí)離心式低壓壓氣機(jī)裝置。正如下面和圖1所描述的本發(fā)明實(shí)例，本發(fā)明的最佳實(shí)施例，是由10所示的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器，該發(fā)生器的壓氣機(jī)裝置12包第一級(jí)低壓壓氣機(jī)14。第一級(jí)壓氣機(jī)14包括有為使軸組件20轉(zhuǎn)動(dòng)而配置的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子18和成對(duì)軸向?qū)χ玫姆謩e由箭頭22、24所示的流動(dòng)通路的雙面進(jìn)氣的壓氣機(jī)外設(shè)組件16。第一級(jí)壓氣機(jī)14還包括周圍殼體26，它限定一對(duì)使空氣朝向轉(zhuǎn)子18上的壓氣機(jī)葉片組件32、34的對(duì)稱流動(dòng)，軸向?qū)χ玫倪M(jìn)口28、30。正在審理的申請(qǐng)案S·N577359公開(kāi)了一種特別適用于本申請(qǐng)的改進(jìn)的雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)。
雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)組件16有一個(gè)單獨(dú)的與擴(kuò)壓器組件38氣動(dòng)連接的環(huán)形徑向的壓氣機(jī)出口36。擴(kuò)壓器組件38接收從出口36出來(lái)的高速空氣并把高速空氣轉(zhuǎn)變成高壓低速空氣，以便最終傳送到高壓壓氣機(jī)40進(jìn)而送到燃燒室60。擴(kuò)壓器組件38可以用歧管組件(未表示出)置換，以保持一部分離開(kāi)出口36的空氣動(dòng)壓頭。正在審理的申請(qǐng)案S·N·577383公開(kāi)了一種可改變幾何形狀的擴(kuò)壓器裝置，該擴(kuò)壓器裝置可以有利地被采用于擴(kuò)壓器組件38中。
參照?qǐng)D1，擴(kuò)壓器組件38配置有一個(gè)收集已擴(kuò)壓了的空氣的環(huán)形進(jìn)氣增壓系統(tǒng)42。對(duì)于在圖1中所示的實(shí)施例，進(jìn)氣增壓系統(tǒng)42與跨越管道44氣動(dòng)連接，管道44依次與下面會(huì)詳盡討論的高壓壓氣機(jī)40的進(jìn)口進(jìn)氣增壓系統(tǒng)46氣動(dòng)連接。其它的跨越管道布置包括正在審理的申請(qǐng)案S·N·610580敘述的結(jié)構(gòu)是能被采用的，該種結(jié)構(gòu)提供了輔助結(jié)構(gòu)的和部件性能的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，壓氣機(jī)裝置還包括接近于第一級(jí)壓氣機(jī)且具有一個(gè)單獨(dú)進(jìn)口和一個(gè)單獨(dú)出口的第二級(jí)高壓離心式壓氣機(jī)。正如下面和圖1中所示的實(shí)施例，壓氣機(jī)裝置12進(jìn)一步包括具有限定壓氣機(jī)進(jìn)口50，以接收來(lái)自進(jìn)口進(jìn)氣增壓系統(tǒng)46的高壓空氣的殼體48的，單面進(jìn)氣徑流式壓氣機(jī)的高壓壓氣機(jī)40。該高壓壓氣機(jī)殼體48還限定著通過(guò)第二級(jí)擴(kuò)壓器組件56與燃燒室供給進(jìn)氣增壓系統(tǒng)54氣動(dòng)接通的第二級(jí)壓氣機(jī)出口。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子58配置在殼體48內(nèi)，并安裝在軸組件20上以便轉(zhuǎn)動(dòng)。因此壓縮空氣流動(dòng)通路從雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)外設(shè)組件16的收集進(jìn)氣增壓系統(tǒng)出發(fā)，經(jīng)跨越管道44到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)，通過(guò)高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子58進(jìn)入燃燒室供給進(jìn)口增壓系統(tǒng)54。
另外，根據(jù)本發(fā)明，第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)的壓比的選擇是在第一低壓級(jí)中的壓比大于第二高壓級(jí)壓比約二倍。此外，選擇第一級(jí)壓氣機(jī)的流動(dòng)通路的尺寸要提供如下面會(huì)詳細(xì)說(shuō)明的那樣，與上述級(jí)選擇的壓比相一致的合適比轉(zhuǎn)數(shù)。正如在該實(shí)施例中那樣，所有跨越第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的壓比約均大于15∶1，其第一級(jí)壓氣機(jī)14的壓比范圍約為6∶1至9∶1，第二級(jí)壓氣機(jī)40的壓比范圍約為2∶1至4∶1。相對(duì)低的第二級(jí)壓比力求保持第二級(jí)比轉(zhuǎn)數(shù)盡可能的高(見(jiàn)下面討論)。
這種典型的葉輪尖部的進(jìn)口馬赫數(shù)在第一級(jí)壓氣機(jī)進(jìn)口28、30處約為1.4或者更大一些，并在額定功率運(yùn)行時(shí)發(fā)生在葉片32、34前緣的外部葉尖處。雖然馬赫數(shù)大于1.0會(huì)在壓氣機(jī)進(jìn)口產(chǎn)生激波，但它們是相當(dāng)弱的斜激波，不會(huì)嚴(yán)重地影響所有性能。本發(fā)明的設(shè)計(jì)基本原理是，有關(guān)控制壓氣機(jī)部件的比轉(zhuǎn)數(shù)要比保持低進(jìn)口馬赫數(shù)更為重要，這是對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)設(shè)計(jì)實(shí)踐的一種改變。
泵，壓氣機(jī)和渦輪的部件效率很大程度上取決于最好比轉(zhuǎn)數(shù)的選擇。這是速度-流量-功的相互關(guān)系，這種關(guān)系在上述特殊部件中提供最有效的能量轉(zhuǎn)換。比轉(zhuǎn)數(shù)(NS)定義如下NS=ωQ〔 △ H 〕0.75]]>其中ω為轉(zhuǎn)動(dòng)速度 弧度/秒Q為容積流動(dòng)速率 m3/秒△H為比功率瓦特/公斤/秒已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，要滿足本發(fā)明高壓比條件下兩級(jí)壓氣機(jī)均合適的比轉(zhuǎn)數(shù)的要求，第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的壓比分配是關(guān)鍵。然而，這二個(gè)意外高的優(yōu)點(diǎn)在于，所有壓氣機(jī)部件特性能使徑流式渦輪部件處于接近其最佳比轉(zhuǎn)數(shù)條件下運(yùn)行。這種匹配無(wú)需采用單面轉(zhuǎn)子裝置而實(shí)現(xiàn)，使壓氣機(jī)14和40均由渦輪66直接驅(qū)動(dòng)。這些條件提供了一種如圖1所示的燃?xì)獍l(fā)生器那樣的高效率高性能的簡(jiǎn)單循環(huán)的燃?xì)獍l(fā)生器。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)獍l(fā)生器還包括燃燒室裝置，它與用來(lái)接收高壓空氣和利用高壓空氣產(chǎn)生燃燒氣體使燃油燃燒的第二級(jí)壓氣機(jī)的出口氣動(dòng)連接。正如本實(shí)施例那樣，二個(gè)燃燒室60通過(guò)雙壁渦輪進(jìn)口歧管62與進(jìn)氣增壓系統(tǒng)54氣動(dòng)接通(在圖1中僅示出一個(gè)燃燒室)。燃燒室的數(shù)量不限，如在正在審理的申請(qǐng)案S·N610585中采用多個(gè)無(wú)循環(huán)橫截面的燃燒室。在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，從第二級(jí)壓縮機(jī)40出來(lái)的所有高壓空氣，除用于冷卻或密封目的之外，最好經(jīng)進(jìn)氣增壓系統(tǒng)54和位于歧管62各壁之間，引向燃燒室60。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)獍l(fā)生器還進(jìn)一步包括一個(gè)具有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口的單級(jí)徑流式渦輪，該渦輪呈運(yùn)行連接，直接驅(qū)動(dòng)其上裝有壓氣機(jī)的軸組件，并與能在該渦輪進(jìn)口處接收部分膨脹的燃?xì)獾娜紵已b置呈氣動(dòng)連接。正如本實(shí)施例所指出的那樣，燃?xì)獍l(fā)生器10包括其渦輪轉(zhuǎn)子58具有葉尖70a的徑流式渦輪66。該渦輪機(jī)66接收從燃燒室60出來(lái)通過(guò)渦輪機(jī)進(jìn)口噴咀組件72經(jīng)渦輪進(jìn)口歧管62的高溫燃?xì)?。渦輪轉(zhuǎn)子68直接與軸組件20聯(lián)接，使高壓壓氣機(jī)40的轉(zhuǎn)子58和低壓壓氣機(jī)14的轉(zhuǎn)子18均轉(zhuǎn)動(dòng)。正在審理的申請(qǐng)案S·N610580提供了特別適用于軸組件20的裝置部件。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)獍l(fā)生器還包括排氣裝置，該排氣裝置與渦輪機(jī)的出口氣動(dòng)連接以便引導(dǎo)部分膨脹燃?xì)鈱?duì)外進(jìn)一步膨脹作功。正如本實(shí)施例所指出的那樣，燃?xì)獍l(fā)生器10包括呈運(yùn)行連接的歧管74，以便接收從渦輪出來(lái)的部分膨脹過(guò)的燃?xì)猓毓艿垒斔偷阶杂蓽u輪裝置90或自由噴射推進(jìn)裝置92(圖1A)，進(jìn)一步使渦輪機(jī)66出來(lái)的燃燒排氣作功膨脹。自由渦輪裝置90可以有一級(jí)或多級(jí)。(圖1中示出了二級(jí))。
在圖2中，示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的燃?xì)獍l(fā)生器的二級(jí)壓縮機(jī)和徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)曲線。這種燃?xì)獍l(fā)生器的所有壓比大于20∶1，采用壓比約為9∶1，其進(jìn)口馬赫數(shù)大于1.4的雙面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)，和壓比約為3.5∶1(即比第一級(jí)的壓比小50%)的第二級(jí)單面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。正如所看到的那樣，徑流式渦輪效率的峰值接近于二個(gè)壓氣機(jī)級(jí)同時(shí)在作為燃?xì)獍l(fā)生器組成部分的同一軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率的峰值。這在圖2中由“A”所指明的區(qū)域表示出來(lái)，該區(qū)域包括壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.65～0.85，而徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.50～0.75。
區(qū)域“B”標(biāo)明，由于假定的可供選擇的低壓“第一級(jí)”是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的高壓比燃?xì)獍l(fā)生器的啟示做成的，并接有一個(gè)或多個(gè)軸流級(jí)或一個(gè)單面進(jìn)氣離心壓縮機(jī)的第二級(jí)離心壓縮機(jī)，正好落在其最佳范圍之下。圖2還指示了徑流式燃?xì)獍l(fā)生器的渦輪如果它不得不與較低比轉(zhuǎn)數(shù)壓氣機(jī)相匹配，就會(huì)落在其最佳范圍之下。另外，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的所有燃?xì)獍l(fā)生器流動(dòng)通路的轉(zhuǎn)動(dòng)部件是在高的且最佳比轉(zhuǎn)數(shù)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，各轉(zhuǎn)子的實(shí)際尺寸變小而且造價(jià)便宜。還有，轉(zhuǎn)子組件慣性變小，會(huì)易于快速啟動(dòng)。
雙面進(jìn)氣第一級(jí)壓氣機(jī)將提供相當(dāng)于具有可比較尺寸的單面進(jìn)氣壓氣機(jī)的兩倍的流量。在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行條件下，當(dāng)空氣在第一級(jí)中被壓縮到設(shè)計(jì)量時(shí)，后者的流動(dòng)通路的幾何形狀會(huì)適應(yīng)整個(gè)第一級(jí)被壓縮氣體的流動(dòng)速率。然而，在起動(dòng)時(shí)和第一級(jí)容積流量減少到設(shè)計(jì)量之前，第二級(jí)壓氣機(jī)不會(huì)“耗盡”大于設(shè)計(jì)的容積流量。
因此，最好配備在起動(dòng)條件下抽吸來(lái)自第一級(jí)壓氣機(jī)的被壓縮的空氣的裝置，清除第二級(jí)壓氣機(jī)的被抽吸空氣。正如本實(shí)施例所指出的并在圖1中用筒圖繪出的那樣，抽吸管道76是與跨越管道44連接，當(dāng)閥門78在起動(dòng)時(shí)致動(dòng)時(shí)，接收來(lái)自第一級(jí)壓氣機(jī)14的被壓縮的空氣。所示的自動(dòng)控制器80和控制閥門78，而手動(dòng)裝置可以轉(zhuǎn)換控制器80。本技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員能夠容易地選擇適當(dāng)?shù)难b置，達(dá)到由本發(fā)明給定的控制器80的功能。被抽吸的空氣能簡(jiǎn)單地排放到如圖1所示的大氣中。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)之間存在奧妙的差異。本結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)預(yù)想不到的首次在低于1000馬力的燃?xì)廨啓C(jī)中獲得高于20∶1的壓比的可能，該結(jié)構(gòu)已通過(guò)一定范圍的比轉(zhuǎn)數(shù)、整個(gè)壓比以及另一個(gè)機(jī)械和氣動(dòng)相匹配的驅(qū)動(dòng)元件即徑流式燃?xì)獍l(fā)生器渦輪相連接的第一和第二級(jí)壓氣機(jī)之間描述了，這種可能一直是整個(gè)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)所監(jiān)視的，正如ROLLS Royce European Symposium發(fā)表的一篇文章中所證明的那樣，該篇文章的著者是PhilipG·Ruffles，題名為“小型發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)”，發(fā)表在Aeronautical Journal of the Royal Aeronautical Society，1984.1～2。其中對(duì)這種發(fā)動(dòng)機(jī)的最高予期的壓比為14∶1～16∶1。
由于徑流式渦輪的可能高的園周速度，例如本發(fā)明中為700米/秒，沖擊在渦輪葉尖70a上的燃?xì)獾臏箿囟群鸵虼硕哂械臏u輪金屬溫度比暴露于相同噴咀進(jìn)口溫度的軸流渦輪溫度要低很多(低100～200℃)。因此，本發(fā)明中徑流式渦輪的高的葉尖速度，由于受壓氣機(jī)要求的規(guī)定，實(shí)際上從較低的金屬溫度的觀點(diǎn)看，它給出了一種額外的優(yōu)點(diǎn)。這就能夠與本發(fā)明的高壓比組合一起采用較高的渦輪進(jìn)口溫度，得到很低的油耗率。本發(fā)明的高壓比循環(huán)能夠在工質(zhì)的燃燒溫度高達(dá)1200℃時(shí)獲得高的熱效率而無(wú)需在渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)配置冷卻系統(tǒng)。在這種溫度的條件下，所有的現(xiàn)有軸流式渦輪都是需要冷卻的。當(dāng)本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器的壓比在20∶1以上的，為使效率進(jìn)一步得到改善，希望對(duì)徑流式渦輪冷卻或采用非金屬的轉(zhuǎn)子材料，即使熱效率不會(huì)被改善，為了提高比功率也可以進(jìn)行冷卻。
正如現(xiàn)在所預(yù)料的那樣，在圖1中所敘述的燃?xì)獍l(fā)生器能理想地在整個(gè)壓比為20∶1的左右工作，在空氣流量為40磅/秒和渦輪進(jìn)口溫度高于2200°F的條件下，產(chǎn)生相當(dāng)于700馬力的軸功率，具有35%左右的熱效率和采用燃?xì)獍l(fā)生器渦輪膨脹比約為5.0∶1。渦輪轉(zhuǎn)子速度接近92000rpm，相當(dāng)于渦輪葉尖速度750米/秒左右。重要地是，這種被噴射的等效發(fā)動(dòng)機(jī)油耗率約為0.5～0.40磅/馬力/小時(shí)，該值相當(dāng)于現(xiàn)有技術(shù)換熱式燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器。采用該燃?xì)獍l(fā)生器的發(fā)動(dòng)機(jī)的比重量?jī)H約為可相比較的柴油機(jī)比重量的10%。
至此，上述熱效率只是在很大的(即＞30000馬力)采用軸流式燃?xì)廨喕蛟谳^小的采用較低壓比并使用換熱器/蓄熱器的動(dòng)力部件中得到的。當(dāng)然，低速柴油機(jī)會(huì)有較好的熱效率，但是，從尺寸和重量的觀點(diǎn)看是顯然不利的。
對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域：
的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然能夠在不背離本發(fā)明的構(gòu)思前提下對(duì)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器裝置作出各種不同的改型。
權(quán)利要求
1.一種高效率單轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器包括a)能提供整個(gè)壓比約大于15∶1的壓氣機(jī)裝置，該壓氣機(jī)裝置包括(1)具有一對(duì)進(jìn)口和一個(gè)共用出口的第一級(jí)雙面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)。(2)與第一級(jí)壓氣機(jī)相通配置的第二級(jí)離心式空氣壓氣機(jī)。該第二級(jí)離心式空氣壓氣機(jī)的一進(jìn)口是與第一級(jí)共用出口氣動(dòng)連接且具有一個(gè)第二級(jí)出口，(3)能使第一級(jí)和第二級(jí)相互呈機(jī)械式連接以相同角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的軸組件，b)與第二級(jí)出口呈氣動(dòng)方式連接以便接收壓縮空氣且利用壓縮空氣使燃油燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾娜紵已b置，c)一臺(tái)具有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口的單級(jí)徑流式渦輪，該渦輪直接與軸組件驅(qū)動(dòng)裝置呈運(yùn)行方式連接，且與能在該渦輪進(jìn)口接收部分膨脹的燃?xì)獾娜紵已b置氣動(dòng)連接，d)與為了引導(dǎo)部分膨脹的燃?xì)膺M(jìn)而外部作功膨脹的，上述渦輪出口氣動(dòng)連接的排氣裝置，其中，(1)所述第一級(jí)壓氣機(jī)的壓比約大于所述第二級(jí)壓氣機(jī)壓比的兩倍，(2)所述第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)各自接近于它們的最佳值且均約大于0.60。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)均落在約0.65和0.85之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中跨越第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的整個(gè)壓比約大于20∶1。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中第一級(jí)壓氣機(jī)的壓比在約6∶1和9∶1之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中第二級(jí)壓氣機(jī)的壓比約在2∶1和4∶1之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中從第二級(jí)壓氣機(jī)出來(lái)的所有壓縮空氣基本上被所述燃燒裝置所接收。
7.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中第一和第二級(jí)壓氣機(jī)是與所述徑流式渦輪共軸的，而所述的渦輪以約大于700米/秒的園周速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中所述的第一級(jí)雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)的相對(duì)葉輪葉尖進(jìn)口馬赫數(shù)約為1.4或最大。
9.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中包括能在各種起動(dòng)狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)流一部分從所述第一級(jí)壓氣機(jī)排出的壓縮空氣的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求
2所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中所述徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍約在0.50和0.75之間。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的包括燃?xì)獍l(fā)生器的燃?xì)廨啓C(jī)配有一臺(tái)自由渦輪。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中所述徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍約在0.5和0.75之間。
13.一種高效率單轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器包括a)能提供整個(gè)壓比約大于15∶1的壓氣機(jī)裝置，該壓氣機(jī)裝置包括，(1)具有一對(duì)進(jìn)口和一個(gè)共用出口的第一級(jí)雙面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)。(2)與第一級(jí)壓氣機(jī)相近配置的第二級(jí)離心式空氣壓氣機(jī)，該第二級(jí)離心式空氣壓氣機(jī)的一個(gè)進(jìn)口是與第一級(jí)共用出口氣動(dòng)連接，且具有一個(gè)第二級(jí)出口，(3)能使第一級(jí)和第二級(jí)相互呈機(jī)械式連接以相同角速度轉(zhuǎn)動(dòng)的軸組件，b)與第二級(jí)壓縮空氣的出口呈氣動(dòng)方式連接以便引導(dǎo)壓縮空氣且利用壓縮空氣使燃油燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾娜紵已b置，c)一臺(tái)具有一個(gè)進(jìn)口和一個(gè)出口的單級(jí)徑流式渦輪，該渦輪直接與軸組件驅(qū)動(dòng)裝置呈運(yùn)行方式連接且與能在該渦輪進(jìn)口接收部分膨脹燃?xì)獾娜紵覛鈩?dòng)連接，d)與能引導(dǎo)部分膨脹的燃?xì)膺M(jìn)而膨脹作功的上述渦輪出口氣動(dòng)連接的排氣裝置，其中，(1)所述第一級(jí)壓氣機(jī)的壓比約大于所述第二級(jí)壓氣機(jī)壓比的兩倍，(2)所述第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)各自接近于它們最佳值且均約在0.65和0.85之間，(3)所述徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)也接近于它們的最佳值且約在0.5和0.75之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中跨越所述第一和第二級(jí)壓氣機(jī)的所有壓比約大于20∶1。
15.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中第一級(jí)壓氣機(jī)壓比約在6∶1和9∶1之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求
13所述的燃?xì)獍l(fā)生器，其中所述第二級(jí)壓氣機(jī)壓比約在2∶1和4∶1之間。
17.一種單轉(zhuǎn)子二級(jí)高性能壓氣機(jī)裝置包括一個(gè)雙面進(jìn)氣離心壓氣機(jī)第一級(jí)，一個(gè)單面進(jìn)氣離心壓氣機(jī)第二級(jí)，該第二級(jí)壓氣機(jī)與接收來(lái)自所述第一級(jí)壓氣機(jī)的氣體以氣動(dòng)方式連接，一個(gè)能使第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)均共軸安裝以相同的速度依賴轉(zhuǎn)動(dòng)的軸組件，其中，(a)跨越壓氣機(jī)裝置的所有壓比約大于15∶1，(b)跨越所述第一級(jí)壓氣機(jī)的壓比約大于跨越所述第二級(jí)壓氣機(jī)壓比的兩倍。(c)所述第一和第二級(jí)壓氣機(jī)比轉(zhuǎn)數(shù)均約大于0.60。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的壓氣機(jī)裝置，其中每個(gè)比轉(zhuǎn)數(shù)是約在0.65左右到0.85左右的范圍。
19.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的壓氣機(jī)裝置，其中壓氣機(jī)裝置的所有壓比約大于20∶1。
20.根據(jù)權(quán)利要求
18所述的壓氣機(jī)裝置，其中壓氣機(jī)裝置的所有壓比約大于20∶1。
21.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的壓氣機(jī)裝置，包括對(duì)所述第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)均能驅(qū)動(dòng)的渦輪裝置，所述的渦輪驅(qū)動(dòng)裝置的比轉(zhuǎn)數(shù)約大于0.50。
22.根據(jù)權(quán)利要求
21所述的壓氣機(jī)裝置，其中所述渦輪裝置的比轉(zhuǎn)數(shù)約在0.5到0.75范圍內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利17所述的壓氣機(jī)還包括能對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)均能驅(qū)動(dòng)的渦輪裝置，所述的渦輪驅(qū)動(dòng)裝置是安裝在軸組件上，以所述的相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的壓氣機(jī)進(jìn)一步包括用于驅(qū)動(dòng)第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)的渦輪裝置，所述渦輪驅(qū)動(dòng)裝置安裝在所述的軸組件上，以所述的相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，其中壓氣機(jī)裝置進(jìn)一步包括一臺(tái)單級(jí)徑流式渦輪，該徑流式渦輪安裝在所述軸組件上，使第一級(jí)和第二級(jí)壓氣機(jī)均以所述的相同速度驅(qū)動(dòng)，所述渦輪機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)約在0.5至0.75的范圍內(nèi)。
25.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的一種具有燃?xì)獍l(fā)生器的噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)配有一個(gè)出口噴咀。
專利摘要
一種結(jié)構(gòu)緊湊高效率單轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器采用雙面進(jìn)氣離心式第一級(jí)壓氣機(jī)，單面進(jìn)氣離心式第二級(jí)壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)，達(dá)到整個(gè)壓比大于15∶1，第一級(jí)壓比大于第二級(jí)壓比的兩倍，第一級(jí)進(jìn)口馬赫數(shù)約大于1.4，每臺(tái)壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.65到0.85，渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.50到0.75。
文檔編號(hào)F02C3/00GK86105185SQ86105185
公開(kāi)日1988年2月17日 申請(qǐng)日期1986年8月4日
發(fā)明者R·簡(jiǎn)·莫威爾 申請(qǐng)人:孔斯堡兵器制造公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan