CN102782261B - 垂直轴涡轮机组 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种涡轮机组(10)，其带有至少一根轴(12、22)，该轴装有至少一个涡轮机叶轮(18、20)。所述轴(12、22)在涡轮机组(10)正常使用情况下呈大体垂直取向，所述轴(12、22)由单个轴承(14、24)支撑。

Description

垂直轴涡轮机组

技术领域

本发明涉及涡轮机组领域。 

背景技术

通常，涡轮机组包括至少一根连接到至少一个涡轮机叶轮(该涡轮机叶轮可以是自由涡轮机叶轮或相连的涡轮机叶轮)上的轴，所述轴水平布置，即，其轴线取向大体上垂直于重力方向。为了妥善支撑该轴及支持其重量，沿轴设置了多个轴承，通常是两个轴承。为此，在从上游到下游相继包括压气机、燃烧室和涡轮机的涡轮机组中，在压气机的上游设置一个轴承，而另一个轴承则位于燃烧室的下游。这种设置存在几个缺陷。 

第一个缺陷是，这些轴通常较长，很沉重，尽管每个轴承提供了点支撑，但仍有很长部分犹如悬臂向外伸出，且在该部分内，该轴由于其自身重量及其所支撑的涡轮机叶轮的重量会变形。这种静态变形会改变轴的平直度，在涡轮机组运行和所述轴围绕其自身轴线旋转的同时，会产生不平衡。 

第二个缺陷与使用了多个轴承相关，结果增加了涡轮机组的重量，降低了其效力。 

最后，第三个缺陷是，位于燃烧室下游的轴承处于涡轮机组内特别热的区域，在这里，轴承要受到很高程度的热应力。为了确保轴承正常工作，且为了避免其焦化的任何风险，必须使用冷却系统，通常采用冷却油管路。这种冷却系统安装和维护复杂，也会增加涡轮机组的制造和维护费用，而且进一步增加了其重量。 

发明内容

本发明的目的是在一定程度上减轻至少其中一个上述缺陷。 

所述目的可通过一种涡轮机组来实现，这种涡轮机组具有至少一个装有至少一个涡轮机叶轮的轴，其特征在于：该轴在涡轮机组正常使用情况下呈大体垂直取向，所述轴仅由单个轴承来支撑。 

应该注意的是，所述涡轮机叶轮同样可以属于涡轮机组的相连涡轮机或自由涡轮机。相连涡轮机是与涡轮机组的压气机机械相连的涡轮机，而自由涡轮机则是在机械上独立于压气机的涡轮机。 

在本发明说明书中，垂直方向对应于重力方向。为此，“垂直”取向系指“重力方向”取向。副词“大体上”的使用是指所述轴的方向可能会稍稍偏离所述垂直方向。 

术语“涡轮机组正常使用情况”用来表示涡轮机组安装在运载工具上，特别是航空器上(在这种情况下，例如，涡轮机组是由例如涡轮喷气发动机或涡轮轴发动机构成)，运载工具水平运行(在陆地上，在水上，或在空中)或甚至涡轮机组安装在工业生产场地(在这种情况下，例如，涡轮机组是由例如陆上燃气轮机构成)。涡轮机组可以是运行状态或停止状态。为此，特别是，涉及安装前的运输或涡轮机组的修理等情况都不构成“正常使用情况”。 

可以看出，将所述轴沿垂直方向布置，该轴就不再犹如悬臂向外伸出，从而也就不会引起静态变形，该静态变形会因其自身重量和涡轮机叶轮重量而改变轴的平直度。不同于现有技术的涡轮机组，本发明的轴不再承受径向静力(即，沿垂直于轴的轴线方向作用和与所述轴线相交的力)。自然，因为所述轴受到的轴向力很小或不受轴向力(即沿轴的轴线所作用的力)，因此，该轴不会出现纵向弯曲以及其平直度会改变的任何风险。轴和涡轮机叶轮的重量所呈现的力对于该轴沿其轴向方向来讲微乎其微。这就确保了该轴始终保持平直。 

此外，因为该轴垂直布置，所以无需像现有技术那样通过多个轴承沿其长度布置来支撑该轴，目的是支持其重量。该轴可以通过单个轴承在一个位置支撑而实现正确支撑。当然，所述的单个轴承必须适合支撑由轴和沿轴向方向的涡轮机叶轮构成的组件的重量。 

此外，在正常使用情况下，在涡轮机组运行的同时，该轴通过陀螺效应而围绕其原始轴向位置(即停止时的轴向位置)保持稳定。陀螺效应是指围绕轴线快速转动的任何物体趋于抵抗试图改变其旋转轴线方向的任何力。为此，不论涡轮机组的正常使用情况怎样，首先因为轴承(当涡轮机组停止时，该轴承在涡轮机组内支撑轴保持在其原有位置并支持其重量)，其次由于陀螺效应(在涡轮机组运行时，该效应可使轴在涡轮组机内围绕原始位置而保持稳定)，该轴的轴向位置在涡轮机组内都始终保持相同。 

此外，因为涡轮机组采用单个轴承，与使用多个轴承的现有技术涡轮机组相比，节省了重量。所以，本发明的涡轮机组重量轻，因此，与现有技术涡轮机组相比，提高了效率。 

另外，单个轴承也可以实现涡轮机组内的空间节省。本发明的涡轮机组的单个轴承占用的空间要小于现有技术涡轮机组中多个轴承所占空间。特别是，例如，通过缩短所述轴，这种空间的节省可使本发明的涡轮机组较之现有技术涡轮机组更紧凑。 

应该注意的是，术语“单个轴承”是用来表示包括支撑所述轴的单环的组件或包括支撑所述轴和并排布置的多个环的组件，只要这些并排布置的支撑环分布在所述轴长度的不足10％的范围内。 

有利的是，涡轮机组带有热区，而所述单个轴承位于该热区的外面。 

通常，在涡轮机组内，热区是指燃烧室附近和紧临下游区域，而(自由和/或相连)涡轮机就位于该区域内，由热燃气驱动。 

由此，可以看出，所述轴承可以在热区外位于沿所述轴的任何区域。特别是，该轴承可以位于燃烧室的上游，或在燃烧室紧邻下游的区域之外。 

在一个实施例中，特别是在涡轮机组为涡轮喷气发动机或直升机涡轮发动机时，所述轴承位于涡轮机组的冷区域内，即，位于温度不超过200℃的区域内(200摄氏度)。 

在另一个实施例中，所述轴承位于涡轮机组的热区内。在这种情况下，为了保护单个轴承免受高温，限定其设置在被冷却区域和/或采用隔热屏保护的区域内。 

应该注意的是，在本发明说明书中，术语“上游”或“下游”指气体流过涡轮机组的正常流动方向。 

优选地，涡轮机组带有燃烧室，且所述单个轴承位于所述燃烧室的上游。 

燃烧室上游的气体温度低于燃烧室下游的气体温度。为此，将轴承设置在燃烧室的上游，可以确保该轴承所处环境受到的热应力小于其位于燃烧室下游时所承受的热应力。燃烧室上游的这些热应力很小，完全可以避免损坏轴承，而且，该轴承也不要求使用冷却装置。 

优选地，涡轮机组带有压气机，且所述单个轴承位于压气机的上游。 

有利的是，涡轮机组带有压气机、第一涡轮机和第二涡轮机，所述轴构成装有至少一个涡轮机叶轮的第一轴，所述涡轮机叶轮属于从第一涡轮机和第二涡轮机中选择的其中一个部件，而且，所述单个轴承构成了第一单个轴承。 

例如，在一个实施方式中，所述第一涡轮机是一个相连涡轮机，而第二涡轮机则为自由涡轮机。在另一个变化的实施方式中，所述第一涡轮机是与高压轴相连的涡轮机，而第二涡轮机则是与低压轴相连的涡轮机。 

有利的是，涡轮机组还包括第二轴，该轴在涡轮机组正常使用情况下呈大体垂直取向，所述第二轴带有至少一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮属于从第一涡轮机和第二涡轮机中选择的另一个部件，所述第二轴由第二单个轴承支撑。 

有利的是，第一轴和第二轴采用共轴。此外，所述第一轴优选从第二轴内部穿过。另外，优选地，第一和第二单个轴承位于压气机的上游。 

在一个实施例中，本发明涡轮机组是(即，构成)航空器涡轮喷气发动机或涡轮轴发动机。优选地，本发明的涡轮机组是(即，构成)直升机涡轮轴发动机。 

通过阅读以非限定性示例给出的本发明实施例的如下详细说明，可以更好地理解本发明及其优点。所述说明参照如下附图： 

附图说明

图1为涡轮机组第一实施例的纵剖面示意图；以及 

图2为涡轮机组第二实施例的纵剖面示意图。 

具体实施方式

图1示出了涡轮机组10的第一个实施例，所示为涡轮机组10轴线X上的纵剖面示意图。涡轮机组10的轴线X采用垂直取向，即与由粗箭头表示的重力方向G平行。断续线箭头表示气体流过涡轮机组的流动方向。 

涡轮机组10包括垂直取向并通过单个轴承14支撑的轴12，所示涡轮机组为正常使用状态。涡轮机组10包括压气机16、相连涡轮机18和自由涡轮机20，所示轴12构成第一轴，该轴上装有形成自由涡轮机20一部分的涡轮机叶轮，单个轴承14构成第一单个轴承。 

在所示实施例中，自由涡轮机20和相连涡轮机18每个都只有单个涡轮机叶轮。当然，在另一种方式中，相连涡轮机和/或自由涡轮机都带有多个涡轮机叶轮。 

涡轮机组10还带有第二轴22，该轴同样采取垂直取向，所述第二轴22装有属于相连涡轮机18的涡轮叶轮，所述第二轴22由第二单个轴承24支撑。 

第一轴12与第二轴22共轴，并在第二轴内穿过。 

第一和第二单个轴承14和24都位于压气机16的上游。 

带自由涡轮机20的第一轴12机械连接到力传递装置(图中未示)上，目的是利用涡轮机组10产生的驱动能量。 

涡轮机组10还带有围绕轴线X的环形燃烧室26，第一和第二轴承14和24就位于该燃烧室26的上游。值得注意的是，在这个实施例中，第二轴22带有压气机16和相连涡轮机18，而第一轴12带有自由涡轮机20。燃烧室26为固定的，涡轮 机组10的壳体上安装有该燃烧室26。此外，自由涡轮机20位于相连涡轮机18的下游。 

环境温度下的气体经由进气口28进入到涡轮机组10。而后，气体由压气机16进行压缩。此后，气体进入燃烧室26，在这里喷入燃油并燃烧。这时，气体被加热。然后，热的气体在流过涡轮机18和20时膨胀并冷却。相连涡轮机18驱动压气机16，而自由涡轮机20则驱动第一轴12，后者将以这样方式回收的机械能传递给力传输装置(图中未示)。最后，气体经由排气口30从涡轮机组10内排出。应该了解的是，从燃烧室26到自由涡轮机20，而且一般来讲，一直到排气口30，燃气的温度是下降的。 

为此，燃烧室26上游端和自由涡轮机20下游端之间的区域ZC构成了涡轮机组10的热区。应该注意的是，相连涡轮机18和自由涡轮机20则都布置在紧挨燃烧室26下游的区域内。 

将压气机16上游的第一和第二单个轴承14和24置于进气口28附近，这样第一和第二单个轴承14和24就位于热区ZC之外。在另一种方式中，第一和/或第二轴承位于自由涡轮机20下游的热区ZC之外。然而，尽管单个轴承14和24可以承受，但该位置的环境温度还是高于热区ZC上游的温度。换句话说，正是在燃烧室26的上游，更确切地说，在进气口28附近，轴承14和24承受的热应力才会最小。 

在这个实施例中，单个轴承14只带有一个轴支撑环14a，而单个轴承24则带有两个轴支撑环24a和24b。例如，这些支撑环14a、24a和24b都是滚珠轴承、滚柱轴承等。 

此外，轴承14和24都沿垂直方向(该方向与涡轮机组10的轴向X一致)位于涡轮机组10的底部。一般来讲，在图1和图2中，所述底部对应于图的底部，而顶部则对应于图的顶部。换句话说，所述底部是重力G所指向部分，而顶部则是相反部分。 

在图1中，轴承14和24通过其底端支撑轴12和22。所以，轴承14和24从底部支撑轴12和22。换句话说，涡轮机组10的结构可以看作是“站立”在轴承14和24上的结构。在该实施例中，气体经由涡轮机组10底部从下方进入涡轮机组10，经由涡轮机组10顶部从上方排出。 

图2示出了涡轮机组110的第二个实施例，类似于涡轮机组10的第一个实施例。相似部件在此就不再介绍了，其在图中的附图标记是增加100。 

涡轮机组10和涡轮机组110之间的主要差别是，它们彼此正好相反，涡轮机组10底部内的部件在涡轮机组110中却是在顶部，反之亦然。于是，第一和第二单个轴承114和124都在涡轮机组110的顶部，它们通过其顶端而从上面支撑着第一 和第二轴112和122。换句话说，涡轮机组110结构可看作是“悬吊”在轴承114和124上的结构。在这个实施例中，气体经由涡轮机组110顶部从上方进入涡轮机组110，并经由涡轮机组110底部从下方排出。 

Claims (8)

1.一种涡轮机组，包括压气机(16)、第一轴(12)、第二轴(22)、第一涡轮机(18、20)、和第二涡轮机(18、20)，所述第一轴(12)带有至少一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮属于从第一和第二涡轮机(18、20)中选择的其中一个部件，所述第二轴(22)带有至少一个涡轮机叶轮，该涡轮机叶轮属于从第一和第二涡轮机(18，20)中选择的另一个部件，其特征在于：所述第一和第二轴(12、22)都在涡轮机组(10)正常使用情况下呈大体垂直取向，所述第一轴(12)由第一单个轴承(14)支撑，而所述第二轴(22)则由第二单个轴承(24)支撑。

2.根据权利要求1所述的涡轮机组，其特征在于：所述第一轴(12)和第二轴(22)采用共轴。

3.根据权利要求2所述的涡轮机组，其特征在于：所述第一轴(12)从所述第二轴(22)内部穿过。

4.根据权利要求3所述的涡轮机组，带有热区(ZC)，其特征在于：所述第一和第二单个轴承(14、24)位于所述热区(ZC)外部。

5.根据权利要求3所述的涡轮机组，带有燃烧室(26)，其特征在于：所述第一和第二单个轴承(14、24)位于所述燃烧室(26)的上游。

6.根据权利要求4所述的涡轮机组，带有燃烧室(26)，其特征在于：所述第一和第二单个轴承(14、24)位于所述燃烧室(26)的上游。

7.根据权利要求3所述的涡轮机组，其特征在于：所述第一和第二单个轴承(14、24)位于压气机(16)的上游。

8.根据权利要求1所述的涡轮机组，构成了航空器涡轮喷气发动机或涡轮轴发动机。