CN1021588C - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

公开了一改进的燃气涡轮发动机，该发动机包括共轴的第一和第二涡轮转子而没有在中间插进喷管，也公开了取得在平均半径处相对出口速度的装置，该速度大于至少转子之一在平均半径处绝对入口速度。在一实施例中，至少转子中一个的反动度大于达到一涡轮峰值效率的参照反动度，优点包括改进了发动机总效率和减轻重量，减小了冷却气量和简化了发动机。

Description

根据空军批准的F33657-83-C-2005合同，美国政府对此发明有专利权。

本发明总的来说与燃气涡轮有关，更确切地说与新改进的效率提高的燃气涡轮有关。

提高燃气涡轮技术的一个重要目标是要改进发动机的热效率，此热效率的测量是发动机的输出能量除以燃料的输入能量，例如此输入能量可以用比油耗表示;也就是每小时的燃料以磅为单位的流量除以以磅为单位的发动机的推力。

发动机的总效率是被各个分效率所影响，其中实际上影响总效率的一个重要分效率应是涡轮，常规涡轮包括一排或多排固定在定子上的喷管叶片和转动的涡轮叶片，也可以包括一个或多个涡轮转子，例如驱动一压缩机的高压涡轮与一驱动风扇或低压压气机的低压涡轮在流动关系上为串联流动关系。

现代先进的燃气涡轮为了减小燃料比耗在比较高的燃气温度下工作，这种比较高的温度非常需要对涡轮叶片的冷却，这可以通过把一部分压缩空气引入到涡轮并流过涡轮叶片来进行冷却，因为该冷却空气是从发动机的主流路的旁路来进行冷却，必然会发生发动机的总效率降低。

燃气涡轮的典型设计是为了从此涡轮中取得所要求的功，上述较高的效率和较低的冷却空气量是用在设计涡轮中的众多一般目标中的二个。

用在设计涡轮的其它目标包括较高的性能和推力;较轻重量、成本和油耗，简单和体积小，虽然想要满足所有这些目标，但在实际的设计实践中要求在这些目标中采取折衷。

许多常规给定的涡轮规范被应用在设计涡轮中，例如包括叶片进、出口的燃气温度和压力，涡轮所要求的输出功率和转速，燃气流过涡轮叶片叶栅的速度向量图一般以最优半径来选取，诸如即可在叶片，叶根（也就是0%叶片高度）也可在叶片平均中线处的半径（也就是0.5叶片高度）速度三角形图解包括燃气流在涡轮叶片进口和入口的速度向量。

在叶片其它径向位置的速度向量图与流过叶片的燃气径向平衡相一致这种常规方法决定的。径向平衡是一条件，其中燃气径向压力等于由于在那点上速度的切向分量而作用在燃气上的离心力且方向相反。

叶片的形状和尺寸包括叶片各部分的角度是由限定整个叶片外表面的速度向量图这种常规方法所产生的，当然，附加的常规实施也用于最后确定一最佳的涡轮设计。

反动度是一普通已知参数用于确定涡轮的形式，反动度有许多可供选择的定义，例如，在涡轮转子中每级发生的静烩降的百分比和可以按照温度、压力或速度参数来表示，由于反动度可以按速度来表示所以接着反动度也可用来表示速度向量图，因此也用来表示叶片的形状和方向。

二种基本和常规形式的涡轮叶型包括反动式叶片和冲击式叶片，由于上述的径向平衡条件，所有燃气涡轮的叶片从叶根到叶尖的反动度是变化的，因为反动度必须从叶根向叶尖增加，诸如在节圆或平均圆直径处一单一的反动度值，可典型地用来限定涡轮的形式。

一纯冲击式涡轮（也就是0反动度）有一般来说对称的月牙形叶型的叶片，此种叶型一般在相邻叶片之间有均匀通道为了获得相等的进出口面积和流体流速。而一反动式涡轮有不对称的，具有比较厚的前缘部分和比较薄的后缘部分的叶片，二个相邻叶片之间的流体为了获得一比进口速度更高的出口速度。在冲击式涡轮中流体流过叶片通道不存在静压降，而在反动式涡轮中从进口到出口的静压降是存在的。

普通涡轮有平均反动度从约10%变化到约50%，按照二个先有技术对 比文件，40%～50%的反动度一般可形成最佳性能和最高效率，其中一个对比文件也指出当速度向量图是对称时效率为最高。

虽然，先有技术讲到，最佳性能可以在40%～50%反动度时获得，比较高的反动度还包括一些付作用，例如随着反动度的增加也加大了离开涡轮气体的排气角，该排气角必定提供了增大下游叶片的转动能力，不仅排气角的增加结果形成了更复杂的下漩叶栅，而且也加大了漩涡气流的气动损失。

增大反动度也就增大了加速度，加大了排气的马哈数和流过涡轮叶片通度的气体压力降，由于气动效率的损失是正比于速度平方，比较大的反动度结果形成叶片后缘开口处排气的较大的扰动损失，而增大的压降也引起了增大流经叶片叶尖的漏气损失。

一般涡轮较典型地包括有一压气机排气或轴向推力平衡，和为了减小内轴向推力的差到常规止推轴承可接受的水平所采用的密封，更具体地说，在作用在压气机出口面积上的第一压力下，空气是从燃气涡轮发动机的最后压气机转子中排出，结果形成了一向前的力，发动机的涡轮转子部分入口处的燃气是在第二压力下并作用在涡轮入口面积处产生一向后的力，向前的力实际上大于向后的力，这就需要使用一止推轴承来平衡作用在压缩机一涡轮轴上的推力差的一个原因。压气机的排气密封典型地用在压气和燃烧室之间用来减小压气机排气压力作用的面积为的是减小向前的推力，由于压气机排气密封加大了发动机的重量和复杂性，如果不要求使用密封，这是我们的愿望。

因此，本发明的目的是要提供一种具有提高发动机总效率的一种新颖且改进的燃气涡轮发动机。

本发明的另一目的是为了减小冷却要求、尺寸、重量以及进一步简化，与普通的涡轮相比较，要提供一具有比较少部件的燃气涡轮发动机。

本发明的另一目的是要提供一不要求在高压和低压涡轮转子之间设 有一定子型喷管的燃气涡轮发动机。

本发明的另一目的是在不需要附加一推力平衡密封而增加其复杂性条件下要提供一具有作用在其压气机和涡轮上比较小推力差的一燃气涡轮发动机。

根据本发明的一个实施例，公开了一燃气涡轮发动机，它包含有流动成串联关系的压气装置，燃烧装置，转动地连到压气装置的一第一涡轮转子，与第一涡轮转子转动方向相反并气流直接联通的第二涡轮转子以及至少一涡轮转子的叶片出口处获得一燃气相对速度的装置，此涡轮转子叶片出口处的相对速度大于涡轮转子叶片入口处燃气的绝对速度（也就是W₂＞C₁）。

本发明另一实施例包括至少其中一涡轮获取反动度的装置，此涡轮的反动度比达到涡轮最大效率的参照反动度要大。

根据最佳实施例，本发明与其发明目的和优点一起在下面详细的说明书中结合附图会更具体地介绍，其中附图：

图1    根据本发明最佳实施例中燃气涡轮发动机的原理示意图。

图2    是图1所说明的涡轮区域的立体图。

图3    是根据本发明的一实施例，常规的冲击式和反动式叶栅和比较大反动度的叶栅的座标图，纵坐标为涡轮叶片从叶根到达叶尖的通路高度按百分比表示，横坐标为以百分比表示的反动度。

图4    表示先有技术中冲击式叶片的顶视图，该叶片具有图3中另一曲线所示的一般反动度的叶型。

图5    表示先有技术中反击式叶片的顶视图，该叶片具有图3中另一曲线所示的一般反动度的叶型。

图6    表示按照本发明的一实施例大反动度叶片的顶视图，该叶片具有图3中另一曲线所示的一般反动度的叶型。

图7    是先有技术中涡轮喷管和具有图4所示相似叶片在平均半径处 涡轮的连度向量图。

图8    是先有技术中涡轮喷管和具有图5所示相似叶片在平均半径处涡轮级的速度向量图。

图9    是根据本发明的一个实施例相似于图6所示轴向相邻叶片，在平均半径处，涡轮级速度向量图。

图10是说明作为反动度函数的正常效率的坐标图。

图11是根据本发明另一个实施例具有包括单级高压涡轮和二级低压涡轮剖面的燃气涡轮发动机的原理示意图。

图1    所示是根据本发明最佳实施例的燃气涡轮发动机10的原理示意图。发动机10包括一轴向中心线12，一用于常规的第一压缩空气装置或高压压缩机14位于中心线周围，该高压压缩机包括可供选择排数的压缩机定子叶片16和转子叶片18，叶片18适于径向紧固到第一转子轴20内轮毂端。

发动机10还包括一用于常规的第二压缩空气装置或低压压缩机22，它安置在高压压缩机14的上游端，其气流与高压压缩机直接串联联通，低压压缩机22包括若干可供选择排数的定子叶片24和转子叶片26，叶片26适于装在用于转动第二转子轴28的其轮毂上，第二轴28适于同心地支撑在第一轴20内。

空气30在入口处32进入到低压压缩机22，并通过低压压缩机22空气受压缩并依次通过高压压缩机14而在高压压缩机14的出口34处排出。

发动机10包括用燃料把从高压压气机14的压缩空气30用于燃烧的常规装置36并产生燃气38，燃烧装置36或简称燃烧室36包括一常规的燃油喷咀和点火器（未示出）用来提供燃料并点火燃烧，燃烧室36安置在高压压缩机14的下游且在流动中直接串联联通，用于接收从出口34来的压缩空气30使之在燃烧室36内与燃料相混合以产生燃气38。

根据本发明的最佳实施例，发动机10分别包括第一和第二反转涡轮 转子40和42而没有插进固定的涡轮喷管。

第一涡轮转子40或称高压涡轮40包括若干周向间隔的第一涡轮叶片44，每个叶片在其径向内端有一叶根46，该径向内端限定了燃气38流动的一径向内附面层，每个叶片包括在其径向外端为叶尖48，叶根46适于固定地装在第一转子圆盘50的沿径向外周上。

第二涡轮转子42或稍低压涡轮42包括若干周向间隔的第二涡轮叶片52，每个叶片在其径向内端有一叶根54和在其径向外端有一叶尖56，叶根54适于固定地装在第二转子圆盘58的径向外周上。

发动机内还包括一高压涡轮喷管60，它位于燃烧室36的出口端62，特别在图2中表示得更具体，高压涡轮喷管60包括若干周向间隔开固定的喷管叶片64，适于固定地装在发动机外壳66的其径向外端，高压涡轮喷管包括常规的冷却装置68，例如，冷却装置包含有一通过壳体66的孔，加压的冷却空气30从压气机流到叶片64的内部。叶片64可包括常规的气膜冷却孔30，该孔排出冷却空气30形成一薄膜沿着叶片64的横向表面以提供冷却，相似的薄膜型冷却孔72可开在第一涡轮叶片44以及从常规装置74把加压的空缩机来的空气30输入到冷却孔72内，例如常规装置74包括通过圆盘50进入到叶片44的通道。

如图1所示，第一轴20从高压压气机14的叶片18延伸到高压涡轮40的第一圆盘50，并且为了它们之间转动，把高压涡轮40连到高压压气机14，第一轴20用常规方法，例如，分别用轴承76和78安装在其前后端。

第二轴28从叶片26延伸到第二圆盘58，并且为了它们之间转动，把低压压气机22连到低压涡轮42，第二轴28用常规方法，例如，分别用轴承80和82安装在其前后端。

在这实施例中，低压压气机22，高压压气机14，燃烧室36，高压涡轮40和低压涡轮42成串联布置，高压涡轮40转速至少和低压涡轮转速一样大，也就是高压涡轮转速大于或等于低压涡轮转速。

如图2所示，高压涡轮喷管60位于燃烧室出口62并从燃烧室接纳燃气38，燃气38流过喷管叶片64并流到高压涡轮40，该高压涡轮安置在喷管60的下游，低压涡轮42则安置在高压涡轮40的下游并在流动中与高压涡轮叶片40直接串联联通为了接纳从高压涡轮叶片44之间然后低压涡轮叶片52之间流过的燃气38。高压涡轮叶片44和低压涡轮叶片52有相反方向，这样高压涡轮40以第一方向84旋转而低压涡轮42以相反于第一方向84的第二方向86转动。

本发明的一重要特点包括叶片特殊的形状其中包括叶片44，52和/或64的角度方向，如上所述叶片形状用常规方法可由最佳速度向量图来确定，一最佳速度向量图可以结果形成不同的叶片形状，且最佳速度向量图取决于用在涡轮设计中其它常规参数，然而，按照本发明的一实施例公开了一最佳速度向量图，该向量图允许本专业技术人员会获得或设计出叶片42、52和64的特殊形状，结合高压涡轮40和低压涡轮42的反转，比叶片将结果形成新的和改进的在此公开的燃气涡轮发动机。

如上所述，反动度可用来表明速度向量图，从而也表明来获得涡轮形式和叶片形状的手段，为了更充分意识到本发明的重要性，图3到图9现用来作为参考。

反动度是一个直接影响涡轮叶片形状的参数，在流过高压涡轮叶片44和低压涡轮叶片52之间就有分别不同的反动度值而且从叶根到叶尖由于上述的径向平衡条件，反动度会典型地增加。一给定的涡轮级可典型地用常规方法通过参照其平均半径处的反动度来限定，也就是发生在平均半径处的反动度或涡轮叶片中间叶展部分的反动度。叶片余下部分的反动度是由常规方法确定以与径向平衡相一致。

为了比较目的，图3示出了横坐标以百分比表示的反动度，纵坐标为对三个涡轮叶片装置从叶根到叶尖的通路高度。曲线88，90和92表示三种形式叶片从叶根到叶尖的反动度，分别识别为12%平均半径处反动 度或实际上为冲击式，和47%平均半径处反动度和76%平均半径处反动度。12%和47%平均半径处反动度的叶片是普通叶片如在先有技术中所发现的，76%为平均半径较大的反动度是本发明的一个实施例。

图4    所示是一个普通的实例，先有技术中的冲击式叶片94具有一对称的月牙形状。叶片94以其弦线96来定向，弦线从叶片角部分在前后缘之间延伸，安置成平行中心轴线，例如轴线12，并一般垂直于发动机的切向线例如发动机轴线98，也就是发动机中叶片94的转动方向，叶片94叶根处的轮廓线指定为94a而叶尖处的轮廓线为94b而平均半径处叶片的轮廓线为94c，叶片94将达到图3所示曲线88所表示的一般反动式叶型，在叶根为0反动度增加到其叶尖为约15%反动度。

图5所示为先有技术中另一个普通实例的反动度或在涡轮叶片100的平均半径处为47%反动度，叶片叶根轮廓线指定为100a，叶尖轮廓线为100b和平均直径处轮廓线为100c，弦线102安置在相对一中心轴线例如轴线12成30°的安装角X，叶片100将会达到在图3中曲线90所示的一般反动度叶型，在叶根处为40%反动度而在叶尖处为约51%的反动度。

图6所示为按照本发明的一个实施例在平均半径处较大反动度叶片的一个实施，其中，高压涡轮叶片44在平均半径处的反动度约为76%，叶根轮廓线指定为44a，叶尖轮廓线为44b，而平均半径处轮廓线为44c，叶片的形状是不对称，与图4对称叶片94相反且有较宽的前缘区和较窄的后缘区，叶片44在其叶根44a处也较宽，随着向着其叶尖44b其厚度逐渐减小。

在图6所示的高压涡轮叶片44也有一在叶片前后缘之间延伸的弦线104与相对于轴线12约成50°的安装角Y，实际上大于常规的反动度叶片100的安装角X，叶片44从叶根到叶尖是典型地扭转故而叶尖的安装角大于叶根和平均半径处的安装角Y。根据分析和试验确认，图2和图6所示的叶片44将达到图3中曲线92表示一般反动度的叶型，在叶根处有约 70%反动度，在其叶尖处约有78%的反动度。

为了更全面懂得本发明与先有技术结构上本质的差异，审查图7-9的速度向量图是合适的，就像一叶片从叶根到叶尖反动度的典型变化来满足径向平衡，而速度向量图从叶根到叶尖也同样地变化，图7到图9说明在叶片平均半径处的速度向量图或一半的叶片高度处（流通通路）的速度向量图，其它叶片部分的向量图解将用一般方法确定。

图7到图9中每个图说明在叶片对应的左面部分，图中所示标号为N的一上游叶片来表示一喷管叶片，在叶片对应的右面部分，图中所示标号为R来表示一转子叶片，C₁表示从喷管叶片排出气流的绝对速度向量或者流到转子叶片入口的绝对速度向量。W₁表示相对于转动叶片R所测的C₁流速的速度向量。C₂表示从叶片R排出气流的绝对速度向量而W₂表示相对转动叶片R所测的其速度向量。所示叶片剖面的圆周速度向量标号为U，另外U还可称为切向速度向量，也就是所测的速度平行于标号为T的叶片切向轴线，一标号为A的轴向轴线垂直地布置在切向轴线T上。

C₁，C₂，W₁，W₂和U都是普通参数，它们可以有不同的标号来表示速度向量但是都代表普通方法获得的已知参数，当然，具体的速度向量图也针对叶片其它径向部分和发动机每排叶片用常规方法产生。

图7说明为图4所示的先有技术中冲击型叶片94的平均半径处的速度向量图，叶片N表示一常规的固定不动的喷管叶片，该喷管把气流喷到转子叶片R上，也就是直接安置在喷管下游的叶片94，在图7所示的叶片与圆周向相邻叶片是均匀间隔开（未示出），并且在相邻叶片前后缘之间分别限定的进出口面积是相等的，同样，入口速度W₁和出口速度W₂各自也是相等的，而W₂小于C₁。

相反，在图2图5和图6中的叶片100，44和52所示的反动型叶片相互形成的空间用于限定一常规形式的收敛喷管（例如在图2中的44d和 52d）为了加速气流流过相邻叶片的后缘所限定的普通形式喉部面积，反动型叶片加速气流流过通道的出口速度W₂大于进口速度W₁，因而反动型叶片在叶片的前后缘之间也经受了一压力降。

图8所示为图5所示的先有技术中叶片100平均半径处的速度向量图，叶片N代表一普通固定式喷管叶片，该喷管把气流喷到转子叶片R，也就是叶片100直接安置于气流下游，分别具有进口速度C₁和出口速度W₂的向量图是对称的而且相等，对于从转子叶片R排出气体相对于速度向量C₂所测得的绝对排气角约为40°。

图9所示为图6中较大反动度叶片44在平均半径处的速度向量图，根据本发明的最佳实施例，在此向量图中叶片N表示喷管叶片64而叶片R表示高压涡轮叶片44，叶片44和速度向量图的重要特点是W₂大于C₁。

较大反动度叶片44的另一个特点是较大的绝对排气角S，对于从涡轮叶片44排出的气体如图9所示，绝对排气角S通过绝对速度向量C₂所形成的角度，对于平均半径处叶片反动度R₁为76%并对应图10与之相联最大峰值效率时的排气角S的值约为55°，对于平均半径处叶片反动度R₁为68%并对应图10与之相关有最大峰值效率时的排气角S的值约为50°。

然而较大反动度叶片44的另一重要特点是在平均半径处有较大的上面所述的安装角Y，此安装角Y要比普通反动度叶片100的安装角X要大。

图10是正常效率与平均半径处反动度的关系曲线坐标图，效率用常规方法确定，效率可以用实际功除以理想功来表示，曲线106表示涡轮级的效率，包括高压涡轮40和高压涡轮喷管本身60。曲线108表示包括高压涡轮喷管60，高压涡轮40、低压涡轮42所组成的涡轮组的效率以及若干周向间隔开固定的出口导向叶片合适地支撑在壳体66上并位于直接与低压涡轮叶片气流串联联通的下游。出口导向叶片也称为消涡叶片并用在当从低压涡轮42的排气需要消涡时，结果形成峰值组效率在平均半径处的反动度为76%的两曲线，它们的数据点是根据测试得到的，而两 曲线的余下部分是根据分析推算出，就峰值组效率而言，曲线106和108是正常的，级效率曲线106说明一涡轮级效率在某个反动度值时达到峰值，例如，本实施例所示为约68%反动度时则级效率达到峰值。

单就涡轮级效率而论，一位发动机设计师对于一已知涡轮的应用，可以用常规方法来产生效率一反动度的曲线图以决定在取得涡轮级的最大效率值时所对应的反动度，例如，先有技术指出最佳效率或峰值效率或最佳性能是在反动度40%到50%的范围。

如上所述，增加反动度值，特别在超过峰值效率也就是50%，结果必然形成如图10所示使给定级的效率下降，排气角（角S）也就增加，涡轮的扰动损失也随之增加，与较大反动度相连的是由于增大了压降所引起的叶片叶尖余隙渗漏而增加的涡轮损失并且也增大了叶片时根部分的侧向角，从而增加了把叶片按装在支撑圆盘上的困难。

发明人已发现，较大反动度的涡轮叶栅可以用在与转向相反的高低压涡轮相结合而不需要中间的喷管。按照本发明的实施例，为了获取改进的发动机总效率，例如，可减小复杂性和部件数目，长度、重量，所需冷却空气流量和制造成本。更具体地说，例如，发明人发现，如图9所示与高压涡轮44较大反动度相联系的大的排气角，通过采用反转的低压涡轮42而不是同向转的低压涡轮来适应最小效率损失的需要，而低压涡轮不然就需要一加在中间的固定喷管，如图9所示与在涡轮叶片44的出口处的速度向量C₂相联系的较大排气角S与速度向量C₁有很好的匹配。相似于图9所示的排气角，低压涡轮42的涡轮叶片的进口处也要求上述的匹配。

发明人也发现，虽然比给定级的峰值效率相对应反动度还大的反动度必然会形成级效率的降低，考虑到发动机10的总效率增加，这种减小的级效率是可以接受的，特别是上述的涡轮组。

更具体地说，在图10的级效率曲线106的68%反动度点表示一典型 的在平均径半径处参照的反动度R₀，此R₀达到涡轮级的峰值效率，然而测试表明较大的平均半径处的反动度虽然结果形成级效率降低但同时也形成组效率增加，例如，对高压涡轮40平均半径处76%的反动度是大于参照反动度R₀，结果还是形成了峰值组效率;如图10中组效率曲线108所示的峰值，尽管级效率本身是减小了。

因为增加反动度就是增加了流过涡轮转子例如高压涡轮的压降，流过高压涡轮喷管60的燃气38的速度是减小的，因此就减小了通过冷却孔70排出的冷却空气30与燃气38之间的差速，如图2所示，这样就减小了在喷管内的混合损失，否则这损失实际上会较大，然而，所增加的反动度也可能增大在高压涡轮内冷却空气的混合损失，否则这损失实际上会较大，然而，所增加的反动度也可能增大在高压涡轮内部却空气的混合损失，由于流过的燃气速度增大，但是由于典型地用于冷却高压涡轮喷管60的冷却空气量约2倍于用于高压涡轮的冷却空气，这样就有一净增益，根据本发明，较大平均直径处的反动度之附加优点在下文还将进一步说明。

为了确定在平均半径处的反动度，图2说明了四个标号为1，2，3，4的常规测点，它们相应的位置分别地在燃烧室出口62，高压涡轮40和高压涡轮喷管60之间的位置，高压涡轮40和低压涡轮42之间位置以及低压涡轮42的出口位置。另外，测点1，2，3，4可分别被认为是喷管60的入口，喷管60的出口或高压涡轮的进口，高压涡轮40的出口或低压涡轮42的进口以及低压涡轮42的出口或在其叶片平均半径线12的位置。

如上所述，反动度可以用各种常规方法确定，对于高压涡轮40，反动度被规定为发生在涡轮转子的级静烩降的百分数，高压涡轮40的平均半径处反动度为图10上的横坐标，并可称为第一平均半径处反动度R₁，并可由下式来确定：

R＝（Hs₂-Hs₃）/（Hs₁-Hs₃）×100%

此处，Hs₂表示在高压涡轮入口处测点2的已知静烩;

此处Hs₃表示在高压涡轮40出口处测点3的已知静烩;

此处Hs₁表示在燃烧室36的出口和高压涡轮喷管60的入口处测点1的已知静烩。

由于没有到低压涡轮42的入口喷管，低压涡轮42，级或转子的平均半径处反动度可由另一公式确定或称为第二平均半径处反动度R：

R₂＝（Hs₃-Hs₄）/（H_T3-Hs₄）×100%

此处，Hs₃表示高压涡轮40和低压涡轮42之间的高压涡轮40出口处在测点3的已知静烩。

此处，Hs₄表示低压涡轮42出口处在测点4的已知静烩;

此处，H_T3表示低压涡轮42入口处在测点3的已知总烩。

测试表明，高压涡轮40和低压涡轮42在第一和第二平均半径处反动度R₁和R₂分别为76%和52%结果形成发动机的涡轮组总效率的改进，尽管高压涡轮自身的效率降低。图10说明了虽然在曲线106中在平均半径处反动度为76%时的级效率低于峰值级效率但是如同曲线108所示其涡轮组效率却在其峰值位置。

因此，按照本发明，逐渐增加的反动度对于从叶片给定所要求的输出功会考虑到更少的涡轮叶片。

如上所述，本发明一个实施例的一重要特点是用于获得涡轮平均半径处反动度的装置，此反动度大于达到涡轮峰值级效率的平均半径处的参照反动度R₀。第一反动度装置包括如图2、图6和图9所示的包含角度方位的叶片44的形状，利用该反动度来获得大于峰值级效率参照反动度R₀的高压涡轮40的平均半径处的较高反动度R₀。

同样，可采用用于获得低压涡轮42的平均半径处反动度R₂的第二反动度装置，该反动度大于达到低压涡轮42峰值效率的平均半径处的相应参照反动度R₀，该第二反动度装置包括如图2所示的包含角度方位的 低压涡轮叶片52的形状，低压涡轮的叶片形状和角度方位相似于高压涡轮40的叶片44，涡轮叶片总的形状可由给定的平均半径处所需反动度或速度向量和公开的角度方位用通常的方法所决定。

按照本发明的一附加优点是消除了常规方法压气机的排气密封并减小了的轴向推力差，因此不需要相对来说较大的推力轴承，更具体地说，一压气机排气密封典型地用在图1标号为114的地方，在高压压气机14和燃烧室36之间，压气机的排气密封相似于图1所示的密封116，该密封116阻止和减小了气流通过在高压涡轮喷管60和燃烧室36下方之间的区域。

大家知道高压压气机14的排气端压缩空气的压力比位于高压涡轮喷管60和高压涡轮40之间的燃气压力要相对较高，压气机的排气压力以向前方向，作用在高压压缩机的叶片18之后向面上和在114区域的第一轴20上而燃气压力以向后方向，作用在高压涡轮叶片44和涡轮盘50的前向面上，压力乘在这些位置的面积结果形成一轴向推力，其中在高压压气机有以向前方向和在高压涡轮40以向后方向都作用在轴20上，由于向前推力典型地比向后推力大，存在-净推力差，这个推力差则要求使用一压气机的排气密封来减小推力负载，这样这轴向推力才能被一普通的止推轴承所适应，在常规发动机的轴承76还包含有一适应这些力的一止推轴承，然而，考虑到本发明，高压涡轮40的比较高的平均半径处反动度R₁结果形成在高压涡轮喷管60和高压涡轮40之间的一比较高的压力和流过高压涡轮40的压降增加，它们可以予先地达到一相对较低的轴承止推力而去除压气机的排气端密封。

因此，根据本发明的一个实施例，发动机10可予先使用较高的高压涡轮40的反动度以达到一轴向推力的净减小，所以常规的压气机排气端的密封可以便淘汰或更可简化成较小的推力负载差。

如图11所示是根据本发明另一个实施例燃气涡轮发动机118的原理 示意图，发动机118的前部一般相似于图1所示发动机10的前部而且包括燃烧室36，高压涡轮喷管60和一单级的高压涡轮40，并对相似图1所示的部件都用相同的标号。高压涡轮40包括连到单转子涡轮盘上的叶片44，一个二级中压涡轮120用在本发明的此实施例中，中压涡轮120包括一前转子122，该前转子有若干装在前涡轮盘126的转子叶片124而涡轮盘126安装到轴28上，一后转子128包括若干适合连到一后转子涡轮盘132的转子叶片130，涡轮盘132也连到轴28上为了与前转子122共轴转动，一常规的固定喷管134安置在第一转子122和第二转子128之间，其中还包括若干周向间隔开的定子叶片。

发动机118也包括一低压涡轮136来驱动反转螺旋浆138和140，低压涡轮136包括径向向内延伸的叶片排144，这些叶栅固定地连到前螺旋浆138上，叶片排142和144在没有插进中间的固定喷咀情况下交错对插地安置。

图11所示的发动机118也是通过使用平均半径处的反动度和速度向量图来加以确定。

在本发明此实施例中，任何一个或全部反动度都可大于达到对应级峰值效率的参照反动度值。例如，高压涡轮叶片44一般说来可达到较高反动度R₁如本发明实施例图1所示的说明。

如上所述，根据本发明一实施例中的反动度可大于在给定涡轮级所形成峰值效率的反动度，这种较高的反动度可用在任意一涡轮级或所有的涡轮级中，而其中一明显的限止是整个涡轮发动机的总效率。本发明的一个新的优点是允许具体涡轮级的效率降低而带来发动机总效率的增大所附加的折衷办法。本发明的另一优点是消除了涡轮转子之间的定子喷管，结果形成相对地尺寸较短，较轻或较简单的发动机，这就排除了会引起效率降低的冷却空气的需要，否则冷却空气对喷管是需要的，从而，根据本发明的一个方面，较大的反动度可用来减小止推轴承的尺寸， 该止推轴承用在连接高压压气机和高压涡轮之间的轴上而且也排除或减小了其它平衡推力所需的更复杂的装置诸如一推力平衡密封。

根据本发明还有几个优点，这些优点可加以利用，这要取决于具体发动机设计所想要达到的具体目的，从此中的解决方案来看，很明显本专业的技术人员对本发明可以作出其它修改，并希望能体现在下面的权利要求内，只要所有这些修改都符合本发明的构思精神都落在本发明的保护范围之内，更具体地说，例如没有上游喷管的另一低压涡轮可以安置在实施例图1的低压涡轮42和出口导向叶片110之间。在此安置中低压涡轮42有大的反动度和比C₁更大的速度向量W₂，在另一个实例中，虽然低压涡轮42工作中连到一低压压气机22，它也可以连到任何为获取功的任意普通结构上，诸如一同扇或一输出轴。

因此，通过此美国专利想要获得的，也就是本发明所要保护的可从下面的权利要求中加以阐明。

Claims (37)

1、一燃气涡轮发动机包含有

一个高压压气机；

用于把从高压压气机来的压缩空气与燃料燃烧并产生燃气的燃烧室；

一个高压涡轮转子包括其叶根安装在一按第一方向可转动的第一涡轮盘外周上的若干第一叶栅，上述第一叶栅与上述燃烧室保持流动联通以接纳上述燃气来转动上述高压涡轮转子；

一根将高压压气机和高压涡轮连接使其一起转动的轴；

一个低压轮转子，包括其叶根安装在一个与第一方向相反方向转动的第二涡轮盘外周上的若干第二叶片，上述第二叶片与上述第一叶片保持直接流体联通，接纳上述燃气来转动上述低压涡轮转子；

其特征在于：用于获得在所述高压涡轮转子和低压涡轮转子中至少一个的叶片平均半径处的燃气出口相对速度(W₂)的装置，该燃气出口相对速度(W₂)大于所述一个涡轮转子叶片平均半径处的燃气进口绝对速度(C₁)，所述涡轮转子的叶片在平均半径处弦的安装角(Y)大于30°。

2、根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述速度获得装置在至少一涡轮转子的叶片的入口处进一步达到平均半径处燃气相对速度W₁，该燃气入口相对速度（W₁）小于所述平均半径处的燃气出口相对速度（W₂）。

3、根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述速度获得装置包含有上述涡轮转子的涡轮叶片形状，其中还包括叶片的角度方位。

4、根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于上述速度获得装置还包括用于获得大于达到相应涡轮级峰值效率的平均半径处参照反动度之所述涡轮转子平均半径处反动度的装置。

5、根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括一配置在上述燃烧室和所述高压涡轮转子之间并成串联流动联通的一固定喷管，上述第一涡轮转子和上述喷管确定了一第一涡轮级，其特征在于上述反动度装置包含获得大于所述第一涡轮级的平均半径处参照反动度（R₀）之平均半径处第一反动度R₁的第一反动装置，第一涡轮级包括所述第一涡轮叶片的予定形状，而所述第一平均半径处反动度R₁表示发生在流经高压涡轮转子的第一涡轮级的燃气静焓降百分数。

6、根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述平均半径处第一反动度R₁大于50%。

7、根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述平均半径处第一反动度R₁约为76%。

8、根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述高压涡轮每个叶片分别有较厚的前缘部分和较薄的后缘部分，所述高压涡轮转子是所述一个涡轮转子，而所述高压涡轮转子转动速度至少和所述低压涡轮转子转速一样大。

9、根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述第一涡轮每个叶片分别有较厚的前缘部分和较薄的后缘部分，叶片的形状被做成能获得大于50°的绝对排气涡旋角（s）。

10、根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括：

配置在所述高压压气机上游并与其成流体联通的低压压气机;

把低压压气机连到低压涡轮转子使其一起转动的装置。

11、根据权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括为获得所述低压涡轮转子的平均半径处第二反动度R₂的第二反动装置，所述平均半径处第二反动度R₂大于上述低压涡轮转子的平均半径处参照反动度。

12、根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述第一和第二反动装置还分别包括所述第一和第二涡轮叶片中的相邻叶片，它们保有间隔形成一条用以加速气流的收敛通道和一个接近其后缘的最小面积的喉部。

13、根据权利要求12所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，第一和第二涡轮叶片的形状被做成在其根部能分别获得最小反动度，并向着其叶尖反动度增加。

14、根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于空气从所述高压压气机在出口压力下排气，而燃气在一入口压力下从所述燃烧室通到所述高压涡轮，所述高压压气机有一出口面积，而所述高压涡轮有一入口面积，所述平均半径处第一反动度R₁有一有效值，用来平衡作用在所述出口面积上的出口压力和作用在所述入口面积上的入口压力所产生的推力。

15、根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述高压涡轮转子只包括单个转子。

16、根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述低压涡轮转子包含有前级和后级，其中分别包括前后同转转子，每个转子有若干涡轮叶片，而涡轮叶片的叶根装在其周边上，而一固定的涡轮喷管配置在所述前后涡轮转子叶片之间并且保持流体联通。

17、根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括低压压气机，它配置在高压压气机的上游并与其保持流体联通;

和把低压压气机连到所述前、后涡轮转子以便一起。

18、一种燃气涡轮发动机包含有：

一个高压压气机;

一个配置在高压压气机上游并与其联通的低压压气机;

一个用于使来自高压压气机的压缩空气跟燃料一起燃烧并产生燃气的燃烧室;

一个配置在所述燃烧室下游并与其联通的第一固定喷管;

一个包括其叶根装在按第一方向可转动的第一涡轮盘周边的若干第一叶片的高压涡轮转子，所述第一叶片与所述第一喷管联通，以接纳所述燃气来转动高压涡轮转子，所述第一喷管和高压涡轮转子确定了第一涡轮级;

一根将高压压气机和所述高压涡轮转子连接并一起转动的轴;

一个包括其叶根装在按跟第一方向相反的第二方向可转动的第二涡轮的周边上的若干第二叶片的低压涡轮转子，所述第二叶片与所述第一叶片直接联通以接纳所述燃气来转动所述低压涡轮转子;

将所述低压压气机连到所述低压涡轮并一起转动的轴;

其特征在于：

用于获得在所述高压涡轮转子和低压涡轮转子中至少一个的出口处的叶片平均半径处的相对叶片的燃气速度（W2）的装置，该速度（W1）大于所述涡轮转子叶片进口处叶片平均半径处的燃气绝对速度（C1）。

用于获得包含所述第一涡轮叶片的予定形状的所述高压涡轮转子的平均半径处第一反动度R₁的第一反动装置，所述第一反动度R₁表示发生在流经高压涡轮转子的第一涡轮级的燃气静焓降百分比;

用于获得包含所述第二涡轮叶片予定形状和定向的所述低压涡轮转子的平均半径处第二反动度R₂的第二反动装置;

所述第一反动度R₁和第二反动度R₂中的至少一个，分别大于达到高压和低压涡轮转子峰值效率的平均半径处参照反动度。

19、根据权利要求18所述的燃气涡轮发动机，其特征在于R₁有一达到约76%的值，而R₂达到约为52%的值。

20、根据权利要求19所述的燃气涡轮发动机，其特征在于上述第一和第二反动装置还分别包含所述第一和第二涡轮叶片的相邻叶片，它们保有间隔以形成一条用以加速气流的收敛通道，和一个接近其后缘的最小面积的喉部。

21、一燃气涡轮发动机，包含有：

一个包括其叶根装在按第一方向可转动的第一环形件周边上的若干第一叶片的高压涡轮转子，所述第一叶片与燃烧室成流体联通，以接纳从燃烧室来的燃气来转动高压涡轮转子;

一个包括其叶根装在按第一方向相反方向的第二方向可转动的第二环形件周边上的若干第二叶片的低压涡轮转子，所述第二叶片与第一叶片成直接流体联通，以接纳所述燃气来转动所述低压涡轮转子;其特征在于：

用于获得在所述高压涡轮转子和低压涡轮转子中至少一个的叶片平均半径处的燃气出口相对速度（W2）的装置，该速度（W2）大于所述一个涡轮转子叶片平均半径处的燃气进口绝对速度（C₁）;

所述速度获得装置还包括用于获得所述涡轮转子平均半径处反动度的装置，该反动度大于达到相应涡轮级峰值效率的平均半径处的参照反动度。

22、根据权利要求21所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述速度获得装置在所述至少一个涡轮转子的叶片平均半径处进一步达到相对于叶片的燃气入口速度（W₁），该速度（W₁）小于平均半径处的相对出口速度（W₂）。

23、根据权利要求22的燃气涡轮发动机，其特征在于所述速度获得装置包括所述一个涡轮转子的涡轮叶片的形状和角度定向。

24、根据权利要求21的燃气涡轮发动机特征在于还包括：

高压压气机;

用于把来自所述高压压气机的压缩空气和燃燃烧并产生燃气的燃烧室。

把高压压气机连到高压涡轮转子上以便一起转动的轴;

一个配置在燃烧室和高压涡轮转子之间并跟它们串联流体联通的固定喷管;

所述高压涡轮转子和喷管确定了第一涡轮级;

所述反动装置包括用于取得第一平均半径处反动度R₁的第一反动装置，该反动度R₁大于高压涡轮级平均半径处的参照反动度（R₀），高压涡轮级包括高压涡轮叶片的予定形状，所述平均半径处第一反动度R表示燃气流过高压涡轮转子的第一涡轮级的静焓降的百分数。

25、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机，其特征在于平均半径处第一反动度R₁大于50%。

26、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机其特征在于平均半径处第一反动度R₁约为76%。

27、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机，其特征在于高压涡轮叶片中的每个叶片分别有较厚的前缘和较薄的后缘部分，所述涡轮转子是一涡轮转子，所述高压涡轮转子的转速至少和低压涡轮转子一样大。

28、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机，其特征在于高压涡轮叶片中的每个叶片分别有较厚的前缘和较薄的后缘，其叶片形状做得能获得大于50°的排气绝对涡流角（S）。

29、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括：

配置在高压压气机上游并与之成流体联通的低压压气机;

把低压压气机连到低压涡轮转子上使其一起转动的轴。

30、根据权利要求29所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括获取低压涡轮转子平均半径处第二反动度R₂的第二反动装置，所述平均半径处第二反动度R₂大于高压涡轮转子平均半径处的参照反动度。

31、根据权利要求30所述的燃气涡轮发动机，其特征在于第一和第二反动装置还分别包括第一和第二涡轮叶片中的相邻叶片，它们保有间隔形成一多用以加速燃气流的收敛通道和一个靠近其后缘的最小面积的喉部。

32、根据权利要求31所述的燃气涡轮发动机，其特征在于第一和第二涡轮叶片形状分别使第一和第二涡轮叶片的叶根取得最小反动度值，并且其反动度值向第一和第二叶片的顶端增加。

33、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机，其特征在于空气在出口压力下从高压压气机排出，而燃气在入口压力下从燃烧室通到所述涡轮，上述高压压气机有一出口面积，而上述高压涡轮有一入口面积，上述平均半径处第一反动度R有一用来大致平衡由作用在出口面积上的出口压力和作用在入口面积上的入口压力所产生的推力的有效值。

34、根据权利要求24所述的燃气涡轮发动机，其特征在于高压涡轮转子只包括单个转子。

35、根据权利要求34所述的燃气涡轮发动机，其特征在于低压涡轮转子分别包括前、后级，其中包括前、后同转转子，每个转子有若干涡轮叶片，叶根装在其周边上，一个配置在前、后涡轮转子叶片之间并成流体联通的固定涡轮喷咀。

36、根据权利要求35所述的燃气涡轮发动机，其特征在于还包括配置在高压压气机的上游并与之成流体联通的低压压气机;

把低压压气机连到所述前、后涡轮转子上使其一起转动的轴。

37、根据权利要求21所述的燃气涡轮发动机，其特征在于所述涡轮转子的叶片在平均半径处弦的安装角（Y）大于30°。

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