CN103998746B - 具有改进的过渡部管道的向心式燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机(10)，包括：具有向心式叶轮动叶(38)的涡轮机；围绕向心式叶轮动叶(38)沿周向设置的改进过渡部燃烧室组件的阵列，并且该阵列具有邻近燃烧气体(40)的内表面(34)。阵列的内表面(34)构造成加速和定向多股离散的燃烧气体(40)流，以便将其直接地传送到所述向心式叶轮动叶(38)上。阵列内表面(34)限定各燃烧气体流动轴线(20)。每个燃烧气体流动轴线(20)从点火的点直到不再受阵列内表面(34)限界都是笔直的，并且每个燃烧气体流动轴线(20)与由向心式叶轮动叶(38)的扫掠限定的圆周上的唯一位置相交。

Description

具有改进的过渡部管道的向心式燃气涡轮发动机

关于联邦政府资助开发的声明

本发明的开发得到美国能源部予以的DE-FC26-05NT42644号合同的部分支持。因此，美国政府对本发明可以具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及向心式燃气涡轮发动机。特别地，本发明涉及利用改进的过渡部燃烧组件而不利用第一排涡轮导叶对燃烧气体进行加速的向心式燃气涡轮发动机。

背景技术

向心式燃气涡轮发动机可以具有使用叶轮从燃烧器和相关的常规过渡部管道接收燃烧气体的涡轮机。在叶轮将燃烧气体的流动从径向向内的方向引导到轴向方向的同时，燃烧气体使叶轮旋转。由于燃烧室和常规过渡部的性质，燃烧气体可以通过布置在常规过渡部管道的出口和叶轮之间的第一排导叶适当地定向。第一排导叶还可以将燃烧气体加速到适当的速度。这种带有常规过渡部和第一排涡轮动叶的配置会增加成本、复杂性，并且降低发动机的效率。因此，在该领域内仍存在改进的空间。

附图说明

在以下描述中考虑附图对本发明进行说明，图中显示：

图1示出了具有改进过渡部管道的向心式燃气涡轮发动机。

图2示出了图1中的向心式燃气涡轮发动机的近视图。

图3示出了沿图2中的线A-A的横截面。

图4示出了图3中被圈出的区域的近视图。

具体实施方式

本发明者已经认识到可以将改进的过渡部管道的理念应用于向心式燃气涡轮发动机，以提供可以比常规向心式发动机更紧凑(更短)、更高效并且可能成本更低的向心式发动机。应用于径向内流的改进过渡部管道可以沿径向定向，在径向平面内也可以被定向为使得在动叶围绕燃气涡轮发动机的中心轴旋转时的某一时刻时气体流动轴线还相切于涡轮动叶的冲击表面。燃烧气体的流动的适当定向是通过几何形状部实现的，该几何形状部构造成为每股燃烧气体流产生从点火的点直到在冲击第一排涡轮动叶紧之前离开过渡部管道都笔直的轴线。燃烧气体的流动路径在加速几何形状部沿着该笔直轴线变窄。该变窄使气体的流动在流动路径中不需要任何静止导叶的情况下加速至适于传送到第一排涡轮动叶的速度。在加速几何形状部和改进的过渡部管道的出口之间可以布置准直几何形状部。准直几何形状部产生均匀的气流，使得气流的全部量平行于气体流动轴线流动。由于这种径向定向，发动机沿着其中心轴线可以更短。这使得压缩机能够更靠近涡轮机，从而减少了现有技术的相对较长的轴所带来的转子动力学和轴振动问题。轴的长度更短，从而使轴承能够靠得更紧密，这对于具有单一的叶轮式涡轮机的向心式发动机尤为重要。在这样的发动机中叶轮通常很重。这样就需要更重的轴，这种情况更容易受到转子动力学和振动问题的影响。去除第一排的涡轮导叶也可以大大减少发动机的涡轮系统的成本，并且减少与第一排导叶相关的效率损失。

图1描绘了一种向心式燃气涡轮发动机10，该向心式燃气涡轮发动机10具有单一的叶轮12、转子轴14、压缩机16(图中示出轴向压缩机，但是径向压缩机也是可预想到的)、燃烧室17和相关的改进过渡部管道18。每个改进过渡部管道18包括直的气体流动轴线20，并且该气体流动轴线20被布置在与燃气涡轮发动机10的中心轴线24垂直的平面22内。每个改进的过渡部管道18都可以具有加速几何形状部26和准直几何形状部28。加速几何形状部26可以类似于圆锥体，该圆锥体使流动路径32的横截面尺寸在相对于燃烧气体在改进的过渡部管道18内的流动方向而言的下游方向上减小。可以看见，加速几何形状部至少在对应于中心轴线24的方向上变窄。

多个改进过渡部管道18形成阵列(未图示)，阵列的内表面34形成每条流动路径32。本文所使用的术语“内”指的是与燃烧气体40接触的表面。每条流动路径32可以由多个一起工作的改进过渡部管道18或单一的改进过渡部管道18的内表面36限定。例如，第一改进过渡部管道18可以形成流动路径32的一部分，上游和/或下游相邻(相对于叶轮12和叶轮动叶38的行进方向而言)的改进过渡部管道(未图示)可以形成流动路径32的其余的部分。燃烧气体40沿着气体流动轴线20流动，在加速几何形状部26中被加速至适于传送到叶轮动叶38的速度，并且可以在准直几何形状部28中被适当地定向。燃烧气体40冲击叶轮动叶38，叶轮动叶38反过来使燃烧气体40从径向流动方向重新定向为轴向流动方向。

如图2所示，每个改进过渡部管道18都可以在改进过渡部管道后侧42上或改进过渡部管道前侧44上被固定。在示出的实施方式中，改进过渡部管道后侧42被固定在发动机的涡轮机部分的外壳46上。只在其中一侧或另一侧上对改进过渡部管道18进行固定使前后底座之间的热惊(thermal fright)最少化或避免了前后底座之间的热惊。还更详细的示出了加速几何形状部26和准直几何形状部28。

图3描绘了在气体流动轴线20所在的垂直平面22处的发动机10的局部横截面A-A。改进过渡部管道18的阵列50的一部分是可见的。在该绘图中，基准改进过渡部管道52与上游相邻的改进过渡部管道54周向地相邻。该基准改进过渡部管道52还与下游相邻的改进过渡部管道56沿周向相邻。与相邻的改进过渡部管道一起使用的上游和下游是相对于叶轮12和叶轮动叶38的转动方向58而言的。在所示的实施方式中，基准改进过渡部管道52包括基准管道内表面60。上游相邻改进过渡部管道54具有上游管道内表面62，下游相邻改进过渡部管道56具有下游管道内表面64。

通常与每个改进过渡部管道18相关联的是流动路径32。然而，每个流动路径32可以由一个或多于一个的改进过渡部管道的内表面限定。在所示的实施方式中，基准流动路径66是由基准管道内表面60以及下游管道内表面64限定的。同样地，上游相邻流动路径68是由上游管道内表面62和基准管道内表面60限定的。下游相邻流动路径70是由下游管道内表面64和与其相邻地布置在其下游的改进过渡部管道的内表面限定的。

可以看出，在本实施方式中，加速区域26在周向方向上也变窄。轴向方向和周向方向都变窄能够使燃烧气体40显著加速并且消除对第一排涡轮导叶的需求。在每个改进过渡部管道18中还具有准直几何形状部28。尽管多于一个的表面可以限定准直几何形状部28，但是在该区域中，流动路径32完全地被基准管道内表面60限界。并且，在所描绘的实施方式中，每个流动路径32内都具有部分限界区域72，在该区域中，燃烧气体40只是部分地被基准管道内表面60和下游管道内表面64限界。因为假如气流的全部量不是平行于气体流动轴线20流动的话，部分限界的气流会分散到大的多的程度，所以准直几何形状部28相对于燃烧气体40的流动处于部分限界区域72的上游。然而，由于在准直之后气流的全部量都平行于气体流动轴线20流动，因此在离开流动路径出口74之后在向着叶轮12行进时，该气流将会维持其横截面形状进一步向下游流动。由于这样更严格地控制燃烧气体40，使得更多的燃烧气体40将会以所需的方式冲击叶轮动叶38以传递最多的能量，从而使发动机更有效地运行。

流动路径出口74可以沿周向形成轮廓以匹配由叶轮动叶顶端78的径向最外侧点的扫掠76产生的外形。流动路径出口74还可以沿着中心轴线24形成轮廓以匹配叶轮动叶顶端78的轴向外形。

在所示的实施方式中，基准流动路径66的上游侧面80邻近上游相邻流动路径68的下游侧面82。这些相邻侧面80、82相交于共同的几何形状部84。在本实施方式中，共同几何形状部84可以形成能够空气动力学地尖的边缘。本文所使用的空气动力学地尖指的是使相邻气体流动路径66、68之间的容积——在此处一股股的燃烧气体40可能会形成湍流——消除或减少到微不足道的量的几何形状。另一方面，空气动力学地钝的几何形状可以是圆角，其会允许相邻气体流动路径66、68之间发生湍流。有利地，空气动力学地尖的几何形状还能够使间隙86最小化。极小化的间隙86几乎在燃烧气体40离开流动路径出口74紧之后直接将燃烧气体40引导到叶轮动叶38上，从而减少了与更长的行进距离相关联的能量损失。此外，由于基准流动路径66和上游相邻流动路径68相对于彼此成角度，因此两者彼此汇聚。缩短到达叶轮动叶38的距离可以使相邻燃烧气流汇聚从而彼此互相干扰的量减少，这样又会提高气动效率。

图4是形成边缘的共同几何形状部84的近视图。在该实施方式中，也是在该区域内，相邻改进过渡部管道18通过联锁几何结构88彼此固定。正是该固定使单个的相邻改进过渡部管道18被锁定成为阵列50。基准改进过渡部管道52包括钩状几何形状部90，上游相邻改进过渡部管道54包括接收钩的几何形状部92。基准管道内表面60与上游管道内表面62相交于内表面结合部94。在该实施方式中，内表面结合部94被布置在部分限界区域72内，因此由于部分限界流更容易受到扰动，所以有益的是内表面结合部94为空气动力学光滑的。本文所使用的空气动力学光滑的结合部不会给在内表面结合部94上流动的燃烧气体40增加流动扰动(例如，涡流和旋流)，或者给在内表面结合部94上流动的燃烧气体40增加微不足道的量的流动扰动(例如，涡流和旋流)。最佳地，内表面结合部94可以维持燃烧气体40内的层流流动。

将改进过渡部管道应用于向心式燃气涡轮发动机中以及实现该应用所需的新颖的和创新的结构使改进的技术能够用于现有技术的发动机框架中。因此，可以实现更紧凑、更简单、更高效、更便宜的向心式燃气涡轮发动机。因此，这代表了该领域的进步。

虽然文中已示出和描述了本发明的多种实施方式，但是明显的是这些实施方式仅作为示例提供。在不偏离文中本发明的情况下可以进行多种变型、改变和替换。因此，希望本发明仅由所附权利要求的精神和范围限定。

Claims (20)

1.一种燃气涡轮发动机，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括向心式叶轮动叶；以及

围绕所述向心式叶轮动叶沿周向设置的过渡部燃烧室组件的阵列，所述阵列包括邻近燃烧气体的阵列内表面，其中所述阵列内表面构造成加速和定向多股离散的燃烧气体流，以便将其直接地传送到所述向心式叶轮动叶上；

其中，所述阵列内表面限定各燃烧气体流动轴线，其中每个燃烧气体流动轴线从点火的点直到到达所述向心式叶轮动叶都是笔直的，并且其中每个燃烧气体流动轴线与由所述向心式叶轮动叶的扫掠限定的圆周上的唯一位置相交。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述阵列内表面在每个过渡部燃烧室组件中限定准直长度，以有效地使相对于相应的燃烧气体流动轴线而言的加速区域下游的燃烧气体准直。

3.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，各个过渡部燃烧室组件的内表面的垂直于相应的过渡部燃烧室组件的纵向轴线截取的横截面在相对于燃气涡轮发动机的纵向轴线而言的下游方向上变窄，该变窄在使所述燃烧气体加速方面至少部分有效。

4.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，通往相邻出口的相邻侧面的阵列内表面汇聚，以在相邻出口之间形成空气动力学地尖的边缘。

5.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，每个过渡部燃烧室组件均包括位于相对于燃烧气体流动轴线而言的下游端部处的几何结构，每个过渡部燃烧室组件的位于相对于燃烧气体流动轴线而言的下游端部处的几何结构与周向地相邻的过渡部燃烧室组件的位于相对于燃烧气体流动轴线而言的下游端部处的几何结构联锁，由此使所述过渡部燃烧室组件联锁成所述阵列。

6.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其中，两个相邻的过渡部燃烧室组件的内表面限定每个燃烧气体流动轴线。

7.根据权利要求5所述的燃气涡轮发动机，其中，相对于所述向心式叶轮动叶的旋转方向处于上游的过渡部燃烧室组件的内表面和下游的相邻过渡部燃烧室组件的下游端部的联锁的几何结构的内表面限定相应的燃烧气体流动轴线。

8.根据权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，下游的相邻过渡部燃烧室组件的下游端部的几何结构包括钩状部，所述钩状部将下游的相邻过渡部燃烧室组件固定至上游的相邻过渡部燃烧室组件。

9.根据权利要求6所述的燃气涡轮发动机，包括空气动力学光滑的结合部，两个周向地相邻的过渡部燃烧室组件的内表面相交于所述结合部处。

10.根据权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其中，所述空气动力学光滑的结合部布置在沿着相应的燃烧气体流动纵向轴线的、所述阵列内表面仅部分地围绕所述燃烧气体流动轴线的位置处。

11.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述阵列仅在前侧或后侧被固定。

12.根据权利要求11所述的燃气涡轮发动机，其中，所述阵列的后侧被固定至燃气涡轮发动机外壳。

13.一种燃气涡轮发动机，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括多个向心式叶轮动叶；以及

燃烧室组件，所述燃烧室组件包括燃烧室和过渡部，所述燃烧室组件构造成使燃烧气体加速和定向成直接到达所述向心式叶轮动叶上；

其中，所述燃烧气体从所述燃烧室直至到达所述向心式叶轮动叶都沿着所述燃烧室组件内的轴向笔直的流动路径行进。

14.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其中，每个流动路径都变窄，并且，该变窄至少包括所述流动路径的相对于燃气涡轮发动机的纵向轴线而言的前后尺寸的变窄。

15.根据权利要求14所述的燃气涡轮发动机，其中，每个流动路径包括：

完全限界长度，所述完全限界长度位于所述变窄处的相对于燃烧气体的流动而言的紧下游，其中各个流动路径四周都被限界；以及

位于所述完全限界长度的下游的部分限界长度，其中各个流动路径从在上游端部处四周都被限界朝向下游端部过渡至逐渐少地被限界。

16.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中，第一个部分限界长度的下游端部限定相对于所述向心式叶轮动叶的旋转方向布置在下游的相邻流动路径的部分限界长度的上游端部的开端。

17.根据权利要求16所述的燃气涡轮发动机，其中，每个燃烧室组件的下游端部设定成与所述向心式叶轮动叶径向地间隔开一间隙，其中所述间隙的尺寸被构造为不大于防止所述向心式叶轮动叶与相应的燃烧室组件的下游端部之间互相干涉所必需的尺寸。

18.根据权利要求15所述的燃气涡轮发动机，其中，每个处于所述部分限界长度内的流动路径在限界处包括空气动力学光滑的壁。

19.根据权利要求13所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃烧室组件的后侧被固定至涡轮机部分的外壳并且前侧相对于邻近所述前侧的发动机部件自由地热膨胀和热收缩。

20.一种燃气涡轮发动机，包括：

涡轮机，所述涡轮机包括向心式叶轮动叶，其中所述叶轮动叶的旋转顶端的扫掠限定环形扫掠形状；

多个改进过渡部燃烧室组件，所述多个改进过渡部燃烧室组件围绕所述环形扫掠形状沿周向设置成阵列，所述阵列包括邻近燃烧气体的阵列内表面，所述阵列内表面限定多个燃烧气体流动路径，其中所述阵列内表面构造成使每个气体流动路径在相对于燃烧气体在其中的流动而言的下游方向上变窄，以有效地使所述燃烧气体加速从而将其直接地传送到所述向心式叶轮动叶，并且所述阵列内表面构造成限定各个气体流动路径纵向轴线，所述气体流动路径纵向轴线从燃烧气体点火的点直到燃烧气体不受任何阵列内表面限界都是笔直的，其中每个气体流动路径纵向轴线都位于垂直于燃气涡轮发动机的纵向轴线的平面内，并且其中所述阵列内表面将燃烧气体直接引导到所述环形扫掠形状上；

其中，每个改进过渡部燃烧室组件均包括位于相对于相应的气体流动路径纵向轴线而言的下游端部处的联锁钩状结构，所述联锁钩状结构与相邻的改进过渡部燃烧室组件联锁以有效地使所述改进过渡部燃烧室组件联锁成所述阵列，其中所述联锁钩状结构的内表面和相邻的改进过渡部燃烧室组件的内表面限定相应的燃烧气体流动路径，以及

其中，所述阵列的后侧被固定至涡轮机部分的外壳并且前侧相对于邻近所述前侧的发动机部件自由地热膨胀和热收缩。