CN101532431B - 单级双进口离心式压缩机、径流式涡轮机燃气发生器 - Google Patents

单级双进口离心式压缩机、径流式涡轮机燃气发生器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种使用高压力比双进口单级离心式压缩机、罐式燃烧室和径流式涡轮机的小型单轴燃气轮机燃气发生器，所述压缩机构造成达到为约12∶1或更大的总压力比和小于或等于约1.4的马赫数。径流式涡轮机构造成在做功的发动机构型中提供为约4∶1到约5∶1的膨胀比、为自由涡轮机或膨胀喷嘴提供部分膨胀的燃烧气体。压缩机前面的滚珠轴承组件与推力活塞组件共同用于承受涡轮机推力负荷，而在涡轮机前面使用径向倾斜式衬垫轴承组件。带有涡形扇段部分的集气管收集来自环形叶片扩压器的压缩空气，而相应的跨接管把收集的扩压压缩空气从每个扇段部分引导到增压进料罐式燃烧室。每个压缩机入口处的抽气系统提供增加的扩压器稳定性范围。配置有上述燃气发生器的燃气轮机发动机在约4MW或更小的额定功率范围内可提供30％或更大的热效率。

Description

单级双进口离心式压缩机、径流式涡轮机燃气发生器
技术领域
本发明涉及燃气轮机燃气发生器，更具体地涉及利用离心式压缩机和径流式涡轮机(radial inflow turbine)的结构上紧凑的高性能燃气轮机燃气发生器。本发明还涉及利用这种燃气发生器的燃气轮机发动机。 
背景技术
对作为柴油发动机的替代物的燃气轮机动力装置有持续的需求，例如用于车辆及其它需要小型、轻重量发动机的应用。实践经验已经表明，利用常规的燃气轮机可以显著节省空间和重量。然而，现有的在小/中功率范围内、比如约4兆瓦(“Mw”)或更小的燃气轮机发动机通常具有小于30％的热效率。迄今为止，仅高于约4 Mw的轴流式压缩机-轴流式涡轮机类型的发动机可实现30％或更高的效率，因为发动机越大，相对损失越小。 
另外，尽管已知具有径流式涡轮机(inflow turbine)的径流式燃气轮机发动机，但通常需要多个压缩机级以便达到可接受的热效率。然而，在现有简单循环发动机中利用多压缩机级的相对复杂性和其它限制一直以来是现有技术装置、尤其是小/中功率范围内装置的主要缺点，在上述小/中功率范围内简单性是最重要的。 
例如，已知的燃气轮机辅助动力装置(APU)包括串联工作的双重进口(常常称之为“双进口”)、第一级离心式压缩机和单进口第二级离心式压缩机，以便提供用于在燃烧室中与燃料一起燃烧的压缩空气和放气以用于外部应用。来自燃烧室的热气体被送到单级径流式涡轮机，所述径流式涡轮机驱动两个压缩机，并且以与单轴发动机一致的方式提供轴动力供外部使用。 
另外，在以前的专利(U.S.4641495和U.S.4704861)中，本发明人公开了节约燃料的简单循环燃气轮机燃气发生器，所述燃气轮机燃气发生器在单轴配置中将双进口第一级离心式压缩机和单进口第二级离心式压缩机与径流式涡轮机一起使用。在这些燃气发生器中，总共使用三个转子部件及三个轴承组件来将轴组件安装到燃气发生器外壳上，其中一个轴承组件定位于涡轮机部分中。对于涡轮机部分中的轴承组件来说，在这种布置的复杂性增加情况下所产生的问题由更高成本和潜在的更高故障率构成。 
发明内容
本发明构成先进的空气动力学和结构解决方案，以便在一级中有效实现否则需要多个压缩机级、更高损失、和成本更高、不太紧凑的构型所达到的性能。此外，按照本发明的径流式压缩机-涡轮机构型能在比更大的轴流式涡轮机显著低(约为三分之一)的功率范围内显示至少30％的效率。利用连接到未冷却的径流式涡轮机上的双进口、高压力比离心式压缩机的燃气发生器的空气动力学设计具有比使用轴流式转子部件的构型低的损失。因此，按照本发明的径流式燃气发生器和发动机具有一低于轴流式部件机器的最佳操作优点的性能“窗口”。 
在一个方面，本文所公开的燃气轮机燃气发生器包括可旋转的轴、单压缩机级、和燃烧室，所述可旋转的轴限定轴向方向和径向方向，所述单压缩机级包括高压力比双进口离心式压缩机，所述高压力比双进口离心式压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮安装在轴上，并与外壳一起限定一对沿轴向相对指向的入口和单个径向指向的出口，所述燃烧室可操作地连接以便接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料与压缩空气燃烧以便产生高速燃烧气体。燃气发生器还包括径流式涡轮机，所述径流式涡轮机安装在轴上并可操作地连接以便通过径向指向的入口接收来自燃烧室的燃烧气体，并且构造成使所接收的燃烧气体部分膨胀，以便驱动离心式压缩机。所述径流式涡轮机还构造成引导部分膨胀后的燃烧气体流过大致轴向指向的涡轮机出口。轴由一对位于离心式压缩机的相对轴向端部处的轴承组件可旋转地支承，径流式涡轮机安装在轴的轴向上于其中一个轴承组件的外侧延伸的悬臂部分上。离心式压缩机入口构造成在额定的质量流量和速度下提供为约1.4或更小的最大压缩机入口马赫数，并且双进口离心式压缩机构造成在额定的速度和质量流量下提供为约12∶1或更大的压力比。
在另一方面，所公开的燃气发生器是一种具有单级、单进口离心式压缩机和径流式涡轮机类型的改进的燃气轮机燃气发生器，所述单级、单进口离心式压缩机安装在可绕一轴线旋转的轴上，所述压缩机将压缩空气供应到燃烧室部分，而所述径流式涡轮机安装在所述轴上，并构造成用于使通过燃料和压缩空气在燃烧室部分燃烧所形成的气体部分地膨胀以用于驱动压缩机，以及用于释放部分膨胀后的燃烧气体以用于进一步做功的膨胀。改进包括单级离心式压缩机，所述单级离心式压缩机包括单个双进口高压力比离心式压缩机，该双进口高压力比离心式压缩机具有外壳和叶轮，所述叶轮于外壳内安装在轴上，该叶轮与外壳一起限定一对间隔开的轴向指向的相对的入口和单个径向指向的出口。双进口离心式压缩机构造成在额定的速度和质量流量下具有小于或等于约1.4的最大进口段叶片马赫数，且压缩机还构造成在压缩机扩压器出口处提供为约12∶1或更大的压力比。另外，压缩机包括用于从每个入口抽取(bleed)空气的机构。 
因此，对于给定的质量流量和速度(RPM)，双进口压缩机可以按照本发明构造，以便处理在可接受马赫数和损失范围内的流量。当保持叶轮和外壳之间的紧密间隙时，用常规的单进口离心式压缩机很难达到12∶1压力比的要求。将双进口压缩机构造成为对称的基本上避免了高RPM下的形状变形，即所谓的“向外扩展(flowering)”效应，此效应可能引起摩擦。 
包括在说明书中并构成该说明书一部分的附图举例说明了所公开的燃气轮机燃气发生器的实施例，并与说明书一起用来阐明燃气轮机燃气发生器的原理。 
在一个方面，本发明提出一种燃气轮机燃气发生器，包括： 
限定轴向方向和径向方向的可旋转的轴； 
单压缩机级，所述单压缩机级包括双进口高压力比离心式压缩机，该离心式压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮安装在轴上，并与外壳一起限定一对沿轴向相对指向的入口和单个径向指向的出口； 
燃烧室组件，所述燃烧室组件可操作地连接以便接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料与压缩空气燃烧以便产生燃烧气体； 
径流式涡轮机，所述径流式涡轮机安装在轴上并可操作地连接以便通过径向指向的入口接收来自燃烧室组件的燃烧气体，并且构造成使所接收的燃烧气体部分膨胀以便驱动离心式压缩机，所述径流式涡轮机还构造成引导部分膨胀后的燃烧气体流过大致轴向指向的涡轮机出口， 
其中，轴由一对位于离心式压缩机的相对轴向端部处的轴承组件可旋转地支承， 
其中，径流式涡轮机安装在轴的轴向上于其中一个轴承组件的外侧延伸的悬臂部分上， 
其中，离心式压缩机入口还构造成在额定的质量流量和速度(RPM)下提供为1.4或更小的最大压缩机入口马赫数，以及 
其中，离心式压缩机还构造成在额定的速度和质量流量下提供为12∶1或更大的压力比。 
根据本发明，跨越径流式涡轮机的膨胀比为4∶1到5∶1。 
根据本发明，燃气轮机燃气发生器还包括抽气系统，所述抽气系统用于在邻近每个压缩机入口的位置处通过压缩机外壳抽取空气。 
根据本发明，燃烧室组件包括多个罐式燃烧室。 
根据本发明，燃烧室组件接收基本上所有来自双进口压缩机的压缩空气。 
根据本发明，离心式压缩机构造成抵抗叶轮在压缩机出口处的轴向变形。 
根据本发明，离心式压缩机包括具有轮毂的叶轮，该轮毂具有邻近出口的成一体的壁，所述壁垂直于轴线，并安装有轴向相对的相应叶片组。 
根据本发明，叶轮轮毂构造成在约5kg/sec的空气质量流量下以约50000rpm的速度运转。 
在另一个方面，本发明提出一种燃气轮机发动机，其包括上述根据本发明的燃气轮机燃气发生器，并且在1Mw到3Mw的额定功率下具有为30％或更大的热效率。 
在又一个方面，本发明提出一种具有单级离心式压缩机和径流式涡轮机类型的燃气轮机燃气发生器，所述压缩机安装在可绕一轴线旋转的轴上，所述压缩机将压缩空气供应到燃烧室部分，所述径流式涡轮机安装在所述轴上，并构造成用于使通过燃料与压缩空气在燃烧室部分燃烧所形成的气体部分地膨胀以便驱动压缩机，以及用来释放部分膨胀后的燃烧气体以用于进一步做功的膨胀，改进包括： 
包括双进口高压力比离心式压缩机的单级离心式压缩机，所述压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮在外壳内安装在轴上，该叶轮与外壳一起限定一对间隔开的轴向指向的相对的入口和单个径向指向的出口， 
其中，压缩机构造成在额定的速度和质量流量下具有小于或等于1.4的最大入口马赫数， 
其中，压缩机构造成提供为12∶1或大于15∶1的压力比，以及 
其中，压缩机还包括用于从每个入口抽取空气的机构。 
根据本发明，双进口离心式压缩机安装在靠近相应压缩机入口定位的一对轴承组件之间，径流式涡轮机安装在轴的位于其中一个轴承组件外侧的悬臂部分上。 
根据本发明，邻近径流式涡轮机的轴承组件包括径向倾斜式衬垫轴承，另一轴承组件包括滚珠轴承。 
根据本发明，具有单级离心式压缩机和径流式涡轮机类型的燃气轮机燃气发生器还包括构造成抵抗来自径流式涡轮机的轴向推力的推力活塞组件。 
根据本发明，燃气轮机燃气发生器具有为约1.25∶1的长度/直径比。 
根据本发明，燃气轮机燃气发生器还包括： 
用于将从压缩机出口接收的压缩空气扩压的环形扩压器， 
集气管，所述集气管具有多个用于收集来自扩压器的扩压压缩空气的涡形扇段部分，以及 
相同数量的多个跨接管，每个跨接管都连接到相应的涡形扇段部分上，以用于将所收集的扩压压缩空气引导到燃烧室部分。 
根据本发明，燃气轮机燃气发生器设置有三个集气管涡形扇段部分和三个跨接管。 
根据本发明，燃烧室包括相同数量的多个罐式燃烧室，所述罐式燃烧室绕轴线成角度地分布，并定位于跨接管之间。 
根据本发明，燃气轮机燃气发生器还包括用于容许空气进入两个压缩机入口的压缩机入口壳体，所述压缩机入口壳体定位于三个成角度地间隔开的跨接管的其中两个之间。 
在另一方面，本发明提出一种燃气轮机发动机，包括上述燃气轮机燃气发生器和自由涡轮机模块，所述自由涡轮机模块构造成接收来自燃气发生器的部分膨胀的燃烧气体。 
在再一方面，本发明提出一种燃气轮机发动机，包括上述燃气轮机燃气发生器和推进式喷嘴装置，所述推进式喷嘴装置构造成接收来自燃气发生器的部分膨胀的燃烧气体。 
附图说明
图1A是根据本发明的小型燃气轮机燃气发生器与自由涡轮机(free-power turbine)模块一起使用时的示意性俯视剖面图； 
图1B是图1A的燃气轮机燃气发生器的示意性端部剖视图，示出具有三个涡形扇段和三个跨接管的集气管的取向； 
图1C是图1A的燃气轮机燃气发生器的透视图； 
图1D是供与图1A的燃气轮机燃气发生器一起使用、代替自由涡轮机模块的推进式喷嘴装置的示意图； 
图2A和2B分别是图1A的双进口高压力比离心式压缩机叶轮部件的示意性透视图和侧视图。 
应该理解，上面的一般说明和下面的详细说明仅是示例性的和说明性的，其不限制要求保护的本发明的范围。 
包括在说明书中并构成该说明书一部分的附图举例说明了本发明的一些实施例，并与说明书一起用来阐明本发明的原理。 
具体实施方式
按照本发明的一方面，燃气轮机燃气发生器包括可旋转的轴和单压缩机级，所述可旋转的轴限定轴向方向和径向方向，所述单压缩机级包括安装在轴上并且具有外壳及叶轮的双进口离心式压缩机。叶轮与外壳一起限定一对轴向指向的入口和单个径向指向的出口。如本文所实施及图1A中所示，总体用标号10指示的燃气轮机燃气发生器包括双进口高压力比压缩机模块12，所述压缩机模块12具有叶轮14，叶轮14安装成用于与轴组件16一起绕轴线16a旋转。双进口压缩机12还包括外壳18，所述外壳18与叶轮14一起限定一对流动对称、轴向相对的入口20、22，所述入口用于将空气引导到叶轮14的压缩机叶片组件24、26。双进口压缩机12具有单个环形的径向指向的压缩机出口30，所述出口30可操作地连接到环形扩压器组件32上，该环形扩压器组件32是叶片式扩压器。见图1B。然而，也可以使用管式扩压器。扩压器组件32接收来自出口30的高速空气，并 把高速空气转变成较高压力、较低速度的空气，所述较高压力、较低速度的空气被引导到燃烧室组件50，如下所述。 
继续参见图1A和1B，扩压器组件32设置有集气管34，所述集气管34具有三个用于收集扩压空气(减速增压空气，diffused air)的涡形扇段部分。集气管34的每个涡形扇段部分绕轴线16a延伸大约120°，并在圆周方向上具有一发散流动面积，所述发散流动面积朝相应的跨接管36方向增加。尽管将集气管34示出为在周向上是连续的，同时相邻扇段之间的流动能减轻流动不平衡，但如果能够用其它方法达到均匀的流量分配，则可选地集气管34可以用分开的扇段部分构成，所述分开的扇段部分在相邻的扇段之间提供很少的或不提供流动连通。 
对于图1A所示的实施例，集气管34的每个扇段部分都通过三个跨接管36中的相应一个跨接管36流动连接到燃烧室组件50上。跨接管36大致为圆筒形，并且大致沿轴向方向指向。在所示的实施例中，三个跨接管36(在图1A中仅示出两个)绕轴线16a成角度地间隔开，并且其中一个跨接管可相对于地面位于底部死点/下止点位置处，如图1B中所示。有利地，在这种布置中，压缩机入口壳体38可以这样构造，即使得入口空气可以垂直向下通过相邻的跨接管36流到压缩机12中(在图1A-1C中用标有40的箭头示出)，因而简化了入口空气控制，并为两个压缩机入口20、22提供大致相同的入口空气流动条件。然而，可以使用较少数量或较大数量的集气管涡形扇段部分和跨接管，并且角向布置可以与图1B所示的大约120°间隔不同。 
另外，按照本发明，燃气轮机燃气发生器包括一燃烧室组件，所述燃烧室组件可操作地连接以便接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料和压缩空气燃烧以便产生燃烧气体。如本文所实施的，燃烧室组件50包括三个绕轴线16a成角度地间隔开的罐式燃烧室52以及一燃烧室入口歧管54，所述入口歧管54可操作地连接到跨接管36，以便接收压缩空气并分配到各个罐式燃烧室52。尽管可以使用任何数量的燃烧室，但优选地使用与跨接管数量相同的罐式燃烧器(在本例中为三个)， 以便在燃烧室处提供对称的流动条件。罐式燃烧器52可沿轴向倾斜，并成角度地设置在跨接管36之间，以便提供更有效的组装。另外优选地，在稳态运行期间，从压缩机12出来的所有压缩空气——除了用于冷却和密封目的外——全都通过跨接管36和入口歧管54流到罐式燃烧室52。燃料可以通过喷射器或喷嘴56供应到罐式燃烧室52，如常规方法那样。 
可以使用如2007年11月13日提交的共同待决的专利申请序号No.11/984055和2008年1月2日提交的专利申请序号No.12/003829中所公开的罐式燃烧室，以及其它的罐式燃烧室构型，上述专利申请的公开内容都包括在本文中作为参考文献。另外，可以使用具有多个燃料喷射器的环形燃烧室。 
另外，按照本发明的一方面，气体发生器包括单级径流式涡轮机，所述单级径流式涡轮机具有径向指向的入口和大致轴向指向的出口。径流式涡轮机可操作地连接成直接驱动压缩机安装于其上的轴组件。涡轮机还流动连接到燃烧室组件上，以用于接收燃烧气体并使其部分膨胀。如本文实施和如图1A中最佳看出的，燃气发生器10包括带涡轮转子62的径流式涡轮机60，所述涡轮转子62具有叶片64和出口导流器部分64a。涡轮转子62直接联接到轴组件16上，以便使双进口压缩机12的叶轮14旋转。涡轮机60通过涡轮机入口喷嘴组件68接收来自燃烧室组件50的热燃烧气体，使燃烧气体部分膨胀，然后在出口导流器部分64a处排出部分膨胀的气体。涡轮机60的膨胀比可以是约4∶1到约5∶1。 
另外，燃气发生器可以包括排气管道，所述排气管道流动连接到涡轮机出口，用于沿管道输送经部分膨胀的燃烧气体以用于进一步对外做功的膨胀。如图1A所示，燃气发生器10包括排气管道70，所述排气管道可操作地连接，以便接收来自涡轮机60的部分膨胀的燃烧气体，用于通过管道输送到例如下游的自由涡轮机模块72或者喷气推进式喷嘴装置74(图1D)上，以便提供燃烧气体的进一步做功的膨胀。自由涡轮机模块72可以具有一个或多个级(在图1A中仅示出一个级)。 
另外，按照本发明的一方面，轴通过一对轴承组件可旋转地支承，所 述一对轴承组件位于双进口离心式压缩机的相对轴向端部处，而径流式涡轮机安装在轴的轴向上位于其中一个轴承组件外侧的悬臂部分上。如本文所实施和图1A所示，轴16在燃气发生器10中通过分别靠近压缩机12的端部12a和12b定位的轴承组件80、82支承以用于旋转。优选地，轴承组件80包括滚珠轴承，而靠近涡轮机66的轴承组件82包括径向倾斜式衬垫轴承。 
另外优选地，燃气发生器10包括推力活塞组件84，该推力活塞组件84包括推力活塞86和导管88，所述推力活塞86可以是连接到涡轮转子62上的圆盘形构件，而所述导管88用于提供例如来自燃烧室入口歧管54的加压空气，如图1A示意性示出的。尽管可以将一个或多个滚珠轴承(诸如在轴承组件80中的)构造成承受/吸收来自涡轮机的轴向方向上的推力负荷，但径向倾斜式衬垫轴承(诸如在轴承组件82中的)仅能承受径向负荷。因此，设置推力活塞组件84以便帮助在运行期间抵抗涡轮机60作用在轴16上的轴向推力。如图1A所示，涡轮机60构造成悬臂安装在轴16的轴向上位于轴承组件82外侧的外伸部分上，因此基本上所有产生的轴向推力都必须由轴承组件80和推力活塞组件84承受，其中约50％由推力活塞承受。本领域技术人员应该理解，对于本发明，可以使用其它的轴承和/或推力活塞构型。 
另外，按照本发明的一个或多个方面，离心式压缩机入口构造成在额定的空气质量流量和速度(RPM)下提供大约为1.4或更小的最大压缩机入口马赫数，而双进口高压力比离心式压缩机还构造成在额定的速度和质量流量下于扩压器出口处提供大约为12∶1或更大的压力比。如本文所实施的，并且现在参见图2A和2B，双进口离心式压缩机12的叶轮14可优选地构造成在对称的叶轮轮毂90的相对轴向侧上具有对称的叶片组24和26。叶片组24、26沿着轮毂90从各自的入口20、22朝压缩机出口30延伸，并终止于公共的径向延伸的轮毂壁部分92的相对侧上的出口30处。应该注意，为了清楚起见，已经把图2B中压缩机叶片与出口30之间的运行间隙放大。如上所述，将压缩机12(包括叶轮14)具体构造成在额定的 速度和质量流量下提供大约为1.4或更小的入口马赫数，以及大约为12∶1或更大、甚至达到大约15∶1的压力比。 
另外，双进口压缩机包括用于从每个压缩机入口抽取压缩空气的机构。由于压缩机可以在较高的压力比下工作，压缩机可能由于在叶片扩压器入口(比如图1B中叶片扩压器前缘32a)处的高马赫数——通常是在瞬态操作(加速和/或减速)期间——而产生不稳定性。如本文所实施的且参见图1A，抽气口94设置在压缩机外壳18中每个压缩机入口20和22附近。抽气口94的构型可优选为周向延伸的狭缝，所述狭缝具有一轴向宽度，所述宽度取决于具体应用所需的总流动面积。然而，其它抽气口构型也是可行的。此外，抽气口94流动连接到通路96上，以用于将抽取空气通过管道输送到入口20、22或者从入口20、22将抽取空气输送到压缩机壳体38的进口——如图1A中所示，或者可选地(未示出)，输送到大气。尤其是，期望所示出的抽气系统有助于稳定经过其第一失速不稳定(区)的叶片扩压器。本发明的本领域技术人员应该理解，可以使用其它的抽气系统，包括与本文同时提交的、由Atte Anema申请的名称为“AdjustableCompressor Bleed System and Structure(可调压缩机抽气系统和结构)”的共同待决临时申请(S.N.____，文献号No.3229-38)中所述的抽气系统，其公开内容包括在本文中作为参考文献。 
重要的是，本发明的双进口压缩机转子14的轴向对称可以最小化乃至消除这种需要，即需要常规的耐磨涂层来保持叶轮片和压缩机外壳的内壁表面之间的运行间隙，上述双进口压缩机转子14可以在较高速度下运转而转子形状没有显著改变(“向外扩展”)，而常规的单进口离心式压缩机在这些速度下将发生转子形状改变。这种构型也消除了在单进口离心式压缩机中出现的叶轮后壁上的摩擦损失。此外，第二、分开的离心式压缩机级的消除以及双轴承组件轴支承构型的使用可以提供L/D比(长径比)仅约为1.25∶1的轴向紧凑的燃气发生器(见图1A)。 
基于上述公开，利用比较简单、并且因此更耐用的单级双进口压缩机与安装于单轴组件上的径流式涡轮机的结合，可以实现各种特定的燃气轮 机燃气发生器的应用。例如，如当前所设想的，如图1A所示的燃气发生器可以在压力比约为12∶1的情况下工作，并在空气流量约为5kg/sec、涡轮机入口温度约为1000℃和涡轮机膨胀比约为4∶1的情况下，以约50000rpm产生约1275Mw的等效轴功率。对这个示例来说，涡轮机转子叶尖速度约为700m/sec，同时最大转子叶尖温度约为850℃。 
此外，在不需要涡轮机叶片和涡轮机入口叶片冷却的情况下，将这种高压力比、高效率(约80％)的压缩机与非常有效的径流式涡轮机(约90％)结合，可以为小于约4Mw、更具体地说在约1Mw至约3Mw之间的发动机提供约30％或更大的总发动机热效率，此性能通常在3倍于该尺寸的轴流式机器中发现。 
本领域技术人员应该理解，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可在本发明的燃气轮机燃气发生器装置中进行各种修改和变型。而且，所公开的发明不受上述示例限制，而仅受所附权利要求及等同方案限制。 

Claims (20)

1.一种燃气轮机燃气发生器，包括：
限定轴向方向和径向方向的可旋转的轴；
单压缩机级，所述单压缩机级包括双进口高压力比离心式压缩机，该离心式压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮安装在轴上，并与外壳一起限定一对沿轴向相对指向的入口和单个径向指向的出口；
燃烧室组件，所述燃烧室组件可操作地连接以便接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料与压缩空气燃烧以便产生燃烧气体；
径流式涡轮机，所述径流式涡轮机安装在轴上并可操作地连接以便通过径向指向的入口接收来自燃烧室组件的燃烧气体，并且构造成使所接收的燃烧气体部分膨胀以便驱动离心式压缩机，所述径流式涡轮机还构造成引导部分膨胀后的燃烧气体流过大致轴向指向的涡轮机出口，
其中，轴由一对位于离心式压缩机的相对轴向端部处的轴承组件可旋转地支承，
其中，径流式涡轮机安装在轴的轴向上于其中一个轴承组件的外侧延伸的悬臂部分上，
其中，离心式压缩机入口还构造成在额定的质量流量和速度下提供为1.4或更小的最大压缩机入口马赫数，以及
其中，离心式压缩机还构造成在额定的速度和质量流量下提供为12∶1或更大的压力比。
2.如权利要求1所述的燃气发生器，其特征在于，跨越径流式涡轮机的膨胀比为4∶1到5∶1。
3.如权利要求1所述的燃气发生器，还包括抽气系统，所述抽气系统用于在邻近每个压缩机入口的位置处通过压缩机外壳抽取空气。
4.如权利要求1所述的燃气轮机燃气发生器，其特征在于，燃烧室组件包括多个罐式燃烧室。
5.如权利要求1所述的燃气发生器，其特征在于，燃烧室组件接收基本上所有来自双进口压缩机的压缩空气。
6.如权利要求1所述的燃气发生器，其特征在于，离心式压缩机构造成抵抗叶轮在压缩机出口处的轴向变形。
7.如权利要求6所述的燃气发生器，其特征在于，离心式压缩机包括具有轮毂的叶轮，该轮毂具有邻近出口的成一体的壁，所述壁垂直于轴线，并安装有轴向相对的相应叶片组。
8.如权利要求7所述的燃气发生器，其特征在于，叶轮轮毂构造成在约5kg/sec的空气质量流量下以约50000rpm的速度运转。
9.一种燃气轮机发动机，包括如权利要求1所述的燃气发生器，并且在1Mw到3Mw的额定功率下具有为30％或更大的热效率。
10.一种具有单级离心式压缩机和径流式涡轮机类型的燃气轮机燃气发生器，所述压缩机安装在可绕一轴线旋转的轴上，所述压缩机将压缩空气供应到燃烧室部分，所述径流式涡轮机安装在所述轴上，并构造成用于使通过燃料与压缩空气在燃烧室部分燃烧所形成的气体部分地膨胀以便驱动压缩机，以及用来释放部分膨胀后的燃烧气体以用于进一步做功的膨胀，改进包括：
包括双进口高压力比离心式压缩机的单级离心式压缩机，所述压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮在外壳内安装在轴上，该叶轮与外壳一起限定一对间隔开的轴向指向的相对的入口和单个径向指向的出口，
其中，压缩机构造成在额定的速度和质量流量下具有小于或等于1.4的最大入口马赫数，
其中，压缩机构造成提供为12∶1或大于15∶1的压力比，以及
其中，压缩机还包括用于从每个入口抽取空气的机构。
11.如权利要求10所述的燃气轮机燃气发生器，其特征在于，双进口离心式压缩机安装在靠近相应压缩机入口定位的一对轴承组件之间，径流式涡轮机安装在轴的位于其中一个轴承组件外侧的悬臂部分上。
12.如权利要求11所述的燃气轮机燃气发生器，其特征在于，邻近径流式涡轮机的轴承组件包括径向倾斜式衬垫轴承，另一轴承组件包括滚珠轴承。
13.如权利要求11所述的燃气轮机燃气发生器，还包括构造成抵抗来自径流式涡轮机的轴向推力的推力活塞组件。
14.如权利要求10所述的燃气轮机燃气发生器，具有为约1.25∶1的长度/直径比。
15.如权利要求10所述的燃气轮机燃气发生器，还包括：
用于将从压缩机出口接收的压缩空气扩压的环形扩压器，
集气管，所述集气管具有多个用于收集来自扩压器的扩压压缩空气的涡形扇段部分，以及
相同数量的多个跨接管，每个跨接管都连接到相应的涡形扇段部分上，以用于将所收集的扩压压缩空气引导到燃烧室部分。
16.如权利要求15所述的燃气轮机燃气发生器，其特征在于，设置有三个集气管涡形扇段部分和三个跨接管。
17.如权利要求15所述的燃气轮机燃气发生器，其特征在于，燃烧室包括相同数量的多个罐式燃烧室，所述罐式燃烧室绕轴线成角度地分布，并定位于跨接管之间。
18.如权利要求16所述的燃气轮机燃气发生器，还包括用于容许空气进入两个压缩机入口的压缩机入口壳体，所述压缩机入口壳体定位于三个成角度地间隔开的跨接管的其中两个之间。
19.一种燃气轮机发动机，包括如权利要求10所述的燃气轮机燃气发生器和自由涡轮机模块，所述自由涡轮机模块构造成接收来自燃气发生器的部分膨胀的燃烧气体。
20.一种燃气轮机发动机，包括如权利要求10所述的燃气轮机燃气发生器和推进式喷嘴装置，所述推进式喷嘴装置构造成接收来自燃气发生器的部分膨胀的燃烧气体。
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Families Citing this family (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7752835B2 (en) * 2006-06-01 2010-07-13 United Technologies Corporation Pulsed combustion engine
US8146359B2 (en) * 2008-09-12 2012-04-03 Ford Global Technologies, Llc Dual inlet turbocharger system for internal combustion engine
US8001792B1 (en) * 2010-04-08 2011-08-23 Opra Technologies B.V. Turbine inlet nozzle guide vane mounting structure for radial gas turbine engine
US8978389B2 (en) 2011-12-15 2015-03-17 Siemens Energy, Inc. Radial inflow gas turbine engine with advanced transition duct
US10364041B2 (en) * 2016-07-25 2019-07-30 United Technologies Corporation Twin centrifugal single spool engine
US10830144B2 (en) * 2016-09-08 2020-11-10 Rolls-Royce North American Technologies Inc. Gas turbine engine compressor impeller cooling air sinks
US10385774B2 (en) * 2016-09-19 2019-08-20 United Technologies Corporation Split compressor turbine engine
GB201618016D0 (en) * 2016-10-25 2016-12-07 Jiang Kyle Gas turbine engine
US10458432B2 (en) * 2017-04-25 2019-10-29 Garrett Transportation I Inc. Turbocharger compressor assembly with vaned divider
CN108049919B (zh) * 2017-10-23 2024-03-26 陈朝晖 环保节能门站输气管道压差旋喷式动力机
JP2020076386A (ja) * 2018-11-09 2020-05-21 グエン チー カンパニー リミテッド タービン装置
GB201915309D0 (en) * 2019-10-23 2019-12-04 Rolls Royce Plc Turboshaft
CN114651120A (zh) * 2019-11-11 2022-06-21 Tns技术公司 燃气涡轮发动机
CN111042921B (zh) * 2019-12-27 2024-07-16 至玥腾风科技集团有限公司 一种多级涡轮式微型燃气轮机
CN111396328A (zh) * 2020-04-30 2020-07-10 北京动力机械研究所 一种用于惰性混合工质的高效离心压缩装置
CN111396329A (zh) * 2020-04-30 2020-07-10 北京动力机械研究所 一种适用于惰性混合工质的高效离心压缩装置
CN111894680A (zh) * 2020-06-28 2020-11-06 南昌航空大学 一种有循环增压复合叶轮的微型涡喷发动机
US20220034227A1 (en) 2020-08-03 2022-02-03 Rolls-Royce North American Technologies Inc. Compressor turbine wheel
US11365706B2 (en) 2020-11-04 2022-06-21 William Todd Hodges Turbine engine system utilizing an augmented combustion module
US11492924B1 (en) * 2021-04-26 2022-11-08 General Electric Company Polska sp. z o.o Embedded electric machine cooling
CN113417870B (zh) * 2021-05-28 2022-04-12 海拓宾未来工业集团有限公司 一种基于空气悬浮轴承的纯无油高速压缩机
WO2024153527A1 (de) * 2023-01-18 2024-07-25 Turbo Systems Switzerland Ltd. Gaseintrittsgehäuse für eine radial-/diagonalturbine, verfahren zur bereitstellung einer gasströmung für eine radial-/diagonalturbine, radial-/diagonalturbine, abgasturbolader, und motor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966362A (en) * 1973-08-24 1976-06-29 Airco, Inc. Process air compression system
US5664413A (en) * 1995-03-29 1997-09-09 Alliedsignal Inc. Dual pilot ring for a gas turbine engine
US20040211165A1 (en) * 2003-04-28 2004-10-28 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Gas turbine engine with intake air flow control mechanism

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4530639A (en) * 1984-02-06 1985-07-23 A/S Kongsberg Vapenfabrikk Dual-entry centrifugal compressor
US4704861A (en) * 1984-05-15 1987-11-10 A/S Kongsberg Vapenfabrikk Apparatus for mounting, and for maintaining running clearance in, a double entry radial compressor
US4641495A (en) * 1985-02-05 1987-02-10 A/S Kongsberg Vapenfabrikk Dual entry radial turbine gas generator
US7434400B2 (en) * 2002-09-26 2008-10-14 Lawlor Shawn P Gas turbine power plant with supersonic shock compression ramps

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3966362A (en) * 1973-08-24 1976-06-29 Airco, Inc. Process air compression system
US5664413A (en) * 1995-03-29 1997-09-09 Alliedsignal Inc. Dual pilot ring for a gas turbine engine
US20040211165A1 (en) * 2003-04-28 2004-10-28 Kawasaki Jukogyo Kabushiki Kaisha Gas turbine engine with intake air flow control mechanism

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