CN104948300A - 燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气轮机，其特征在于，包括：主轴，通过旋转输出机械功；向心式压气机，套装在主轴上，通过旋转将径向进入向心式压气机的空气增压形成高压气体，然后将该高压气体沿轴向排出；燃烧室，套装在主轴上，与向心式压气机相连通，使高压气体与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气；离心式涡轮，套装在主轴上，与燃烧室相连通，能够在高温高压燃气的带动下旋转，从而带动主轴旋转，然后将高温高压燃气沿径向排出；以及壳体，包含压气机外壳、燃烧室外壳以及涡轮外壳，压气机外壳具有进气口，涡轮外壳具有出气口，其中，燃烧室下方设置有冷却装置，用于对主轴进行冷却。

Description

燃气轮机

技术领域

本发明涉及燃气轮机，特别涉及一种径向进气、径向出气从而减小轴向力的燃气轮机。

背景技术

燃气轮机在工作时，需要不断地从外界吸入空气(即工质)，然后完成压缩、燃烧加热、膨胀和放热四大过程，连续地把燃料中的部分化学能转变为机械功。因此燃气轮机可以作为地面机械，用于为发电、船舶、机车、泵提供驱动动力，也可用于为航空飞机和无人机提供动力。

燃气轮机由压气机、燃烧室和涡轮三大主要部件组成。现有的燃气轮机主要有轴流式和径流式两大类。轴流式燃气轮机由多级轴流式压气机和多级轴流式涡轮串联组成。轴流式压气机由于级压比较低，需要较多级数完成升压或者做功，造成整体结构较大，且产生较大的轴向力。

现有的轴流式燃气轮机体积和功率较大，大多仅适用于大功率工况。且为了保证输出功率和效率，轴流式压气机和轴流式涡轮需采用扭转长叶片，这对制造工艺和材料性能均提出了更高的要求。

发明内容

本发明是针对上述问题进行的，目的在于提供一种轴向力较小、安全性高且适用于不同工况的燃气轮机。

本发明为实现上述目的，采用了以下的技术方案：

<方案一>

本发明提供一种燃气轮机，其特征在于，包括：主轴，通过旋转输出机械功；向心式压气机，套装在主轴上，通过旋转将径向进入向心式压气机的空气增压形成高压气体，然后将该高压气体沿轴向排出；燃烧室，套装在主轴上，与向心式压气机相连通，使高压气体与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气；离心式涡轮，套装在主轴上，与燃烧室相连通，能够在高温高压燃气的带动下旋转，从而带动主轴旋转，然后将高温高压燃气沿径向排出；以及壳体，包含压气机外壳、燃烧室外壳以及涡轮外壳，压气机外壳具有进气口，涡轮外壳具有出气口，其中，燃烧室下方设置有冷却装置，用于对主轴进行冷却。

进一步，本发明所涉及的燃气轮机，还可以具有这样的特征：其中，向心式压气机包含压气机轮盘、多组动叶栅以及多组静叶栅，压气机轮盘与压气机外壳之间留有一定间隙，压气机轮盘外圆周朝向压气机外壳的一侧为梳齿形，与压气机外壳之间形成迷宫密封。

另外，本发明所涉及的燃气轮机，还可以具有这样的特征：其中，离心式涡轮包含涡轮轮盘、多组动叶栅以及多组静叶栅，涡轮轮盘与涡轮外壳之间留有一定间隙，涡轮轮盘外圆周朝向轮盘外壳的一侧为梳齿形，与涡轮外壳之间形成迷宫密封。

另外，本发明所涉及的燃气轮机，还可以具有这样的特征：其中，动叶栅和静叶栅均为直叶片。

<方案二>

本发明还提供一种燃气轮机，其特征在于，包括：主轴，通过旋转输出机械功；两个向心式压气机，分别套装在主轴的两侧，通过旋转将径向进入向心式压气机的空气增压形成高压气体，然后将该高压气体沿轴向排出；两个燃烧室，分别套装在主轴上，一个燃烧室与一个向心式压气机相连通，使高压气体与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气；双向进气离心式涡轮，安装在主轴上，位于两个燃烧室之间，分别与两个燃烧室相连通，能够在高温高压燃气的带动下旋转，从而带动主轴旋转，然后将高温高压燃气沿径向排出；以及壳体，具有分别与两个向心式压气机相连通的两个进气口和与双向进气离心式涡轮相连通的两个出气口，其中，每个燃烧室下方均设有一个冷却装置，分别对主轴进行冷却，双向进气离心式涡轮包含涡轮轮盘和分别安装在该涡轮轮盘两侧的多组动叶栅和多组静叶栅，两个向心式压气机和两个燃烧室分别关于涡轮轮盘对称设置。

进一步，本发明所涉及的燃气轮机，还可以具有这样的特征：其中，向心式压气机包含压气机轮盘、多组动叶栅以及多组静叶栅，压气机轮盘与壳体之间留有一定间隙，压气机轮盘外圆周朝向壳体的一侧为梳齿形，与壳体之间形成迷宫密封。

另外，本发明所涉及的燃气轮机，还可以具有这样的特征：其中，涡轮轮盘与壳体之间留有一定间隙，涡轮轮盘外圆周朝向壳体的一侧为梳齿形，与壳体之间形成迷宫密封。

另外，本发明所涉及的燃气轮机，还可以具有这样的特征：其中，双向进气离心式涡轮的动叶栅、静叶栅，和向心式压气机的动叶栅、静叶栅均为直叶片。

发明的作用与效果

根据本发明所涉及的燃气轮机，因为空气沿径向进入向心式压气机，向心式压气机将空气压缩成高压气体，在燃烧室中形成的高温高压燃气带动离心式涡轮旋转后径向排出，改变了传统的轴流式燃气轮机轴向进气、轴向出气的单向气体流动方式，因此该燃气轮机轴向力大大减小。

采用一个向心式压气机和一个离心式涡轮组成的燃气轮机，其体积和功率均较小，适用于负载较小的工况；采用两个向心式压气机和双向进气离心式涡轮组成大型燃气轮机，增大了进气流量和做功能力，适用于负载较大的工况。

附图说明

图1是实施例一的燃气轮机的剖面视图；

图2是图1中A部位的放大视图；

图3是图1中B部位的放大视图；

图4是实施例二的燃气轮机的结构示意图；以及

图5是实施例二的燃气轮机的剖面视图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明所涉及的燃气轮机作详细阐述。

<实施例一>

图1是实施例一的燃气轮机的剖面视图。

如图1所示，燃气轮机10包括主轴11、向心式压气机12、燃烧室13、离心式涡轮14以及壳体15。

主轴11两端分别安装在轴承16和轴承17内，主轴11的一端连接负载(图中未示出)，通过主轴11的旋转对负载输出机械功。

向心式压气机12套装在主轴11的一端，包含压气机轮盘18、多组动叶栅19和多组静叶栅20。动叶栅19和静叶栅20均为直叶片。动叶栅19分别安装在压气机轮盘18上。为减少磨损和发热，采用磁悬浮减少压气机轮盘18与主轴11之间的摩擦。向心式压气机12通过旋转将空气压缩成高压气体，高压气体沿轴向流出。

燃烧室13安装在主轴11中部，与向心式压气机相连通，高压气体进入燃烧室13，与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气。

离心式涡轮14安装在主轴11另一端，并与燃烧室13相连通。高温高压燃气轴向流入离心式涡轮14，带动离心式涡轮14旋转，离心式涡轮14带动主轴11旋转，从而向负载输出机械功。

离心式涡轮14包含涡轮轮盘21、多组动叶栅22以及多组静叶栅23。动叶栅22和静叶栅23均为直叶片。涡轮轮盘21安装在主轴11上，并采用轴封(图中未示出)加强固定，从而带动主轴11旋转，动叶栅22分别安装在涡轮轮盘21上。

壳体15分为压气机外壳24、燃烧室外壳25以及涡轮外壳26。其中压气机外壳24上设有进气口(图中未示出)，供空气径向流入向心式压气机12；涡轮外壳26上设有出气口(图中未示出)，供做功后的燃气径向流出离心式涡轮24。

图2是图1中A部位的放大视图。

如图1、2所示，压气机轮盘18和涡轮轮盘21分别于压气机外壳24和涡轮外壳26之间留有一定的间隙，压气机轮盘18外圆周朝向压气机外壳24的一侧、涡轮轮盘21外圆周朝向涡轮外壳26的一侧均设置有迷宫型密封刻纹，形成迷宫密封，以减少径向漏气。

图3是图1中B部位的放大视图。

如图1、3所示，在燃烧室13出气口和离心式涡轮14进气口处高温高压燃气容易造成材料变形甚至断裂，故在燃烧室13下方设置有冷却装置27。在本实施例中，冷却装置27为轴端抽气冷却装置27。轴端抽气冷却装置27一端固定在涡轮轮盘21的第一级静叶栅23上，另一端固定在燃烧室13下方，轴端抽气冷却装置27与主轴11之间有3～5mm的间隙，经过向心式压气机12压缩后的高压低温气体通过该间隙在主轴11和涡轮轮盘21上形成气膜，进行冷却保护，防止主轴11与涡轮轮盘21发生过热弯曲、折断等现象。

在对该燃气轮机10进行装配时，首先在主轴11上通过键连接安装涡轮轮盘21，将动叶栅22分别安装在涡轮轮盘21上，然后将与涡轮轮盘21和动叶栅22相配合的涡轮外壳26安装在涡轮轮盘21外侧，将燃烧室外壳25安装在另一侧并通过螺栓28与涡轮外壳26相固定。

安装好离心式涡轮14后，将燃烧室13焊接在燃烧室外壳25内部，并将轴端抽气冷却装置27焊接在燃烧室13下方，以支撑轴端抽气冷却装置27。然后将向心式压气机12的动叶栅19安装在压气机轮盘18上，再将压气机轮盘19套装在主轴11上。最后将压气机外壳24安装在压气机轮盘19外侧，通过螺栓29与燃烧室外壳25相固定。

该燃气轮机10工作时，空气由向心式压气机12的进气口沿径向流入向心式压气机12，经向心式压气机12旋转增压形成高压气体，并沿轴向排出。高压气体流入燃烧室13，与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气。高温高压燃气沿轴向流入离心式涡轮14，并通过动叶栅22推动涡轮轮盘21旋转，进而带动主轴11旋转，输出机械功。做功后的燃气沿离心式涡轮14的出气口径向排出。

<实施例二>

图4是实施例二的燃气轮机的结构示意图；和

图5是实施例二的燃气轮机的剖面视图。

如图4、5所示，本实施例的燃气轮机100包括主轴101、向心式压气机102、向心式压气机103、燃烧室104、燃烧室105、双向进气离心式涡轮106以及壳体107。

主轴101两端分别安装在轴承108和轴承109内，主轴101的一端连接负载(图中未示出)，通过主轴101的旋转对负载输出机械功。

向心式压气机102和向心式压气机103分别套装在主轴101的两端。向心式压气机的结构组成与实施例一中的相同，动叶栅和静叶栅均采用直叶片。

燃烧室104和燃烧室105分别与向心式压气机102和向心式压气机103相连通，高压气体进入燃烧室104和燃烧室105，与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气。

双向进气离心式涡轮106安装在主轴101的中部，两端分别与燃烧室104和燃烧室105相连通。高温高压燃气轴向流入双向进气离心式涡轮106，带动双向进气离心式涡轮106旋转，从而带动主轴101旋转，向负载输出机械功。

离心式涡轮106包含涡轮轮盘110、分别对称设置在涡轮轮盘110两侧的多组动叶栅111以及多组静叶栅112。动叶栅111和静叶栅112均采用直叶片。涡轮轮盘110安装在主轴101上，并采用轴封(图中未示出)加强固定，从而带动主轴101旋转。

壳体107上设有分别与向心式压气机102和103相连通的两个进气口(图中未示出)，供空气径向流入向心式压气机102和103；还设有与双向进气离心式涡轮106相连通的出气口(图中未示出)，供做功后的燃气径向流出双向进气离心式涡轮106。

与实施例一相同，本实施例中在燃烧室104和105的出气口处均设置有冷却装置，避免高温高压燃气造成主轴101和涡轮轮盘110过热。

在对本实施例的燃气轮机100进行装配时，首先将双向进气离心式涡轮106安装在主轴中部，然后分别将燃烧室104和燃烧室105安装在双向进气离心式涡轮106两侧，最后分别将向心式压气机102和向心式压气机103安装在燃烧室104和燃烧室105的外侧。各部件之间的固定方式与实施例一中相同。

两个燃烧室和两个向心式压气机分别关于涡轮轮盘110对称设置，从而大大减少了轴向力。同时采用磁悬浮来减少向心式压气机102和103与主轴101之间的摩擦。向心式压气机102和103的轮盘与壳体107之间均设有环形迷宫密封。

在本实施例的燃气轮机100工作时，空气分别由向心式压气机102和103的进气口沿径向流入向心式压气机102和103，分别经向心式压气机102和103旋转增压形成高压气体，并沿轴向排出。高压气体流入燃烧室104和105，与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气。高温高压燃气分别沿轴向流入双向进气离心式涡轮106，并通过动叶栅111推动涡轮轮盘110旋转，进而带动主轴101旋转，输出机械功。做功后的燃气沿双向进气离心式涡轮106的出气口径向排出。

实施例的作用与效果

根据实施例一和二所涉及的燃气轮机，因为空气沿径向进入向心式压气机，向心式压气机将空气压缩成高压气体，在燃烧室中形成的高温高压燃气带动离心式涡轮旋转后径向排出，改变了传统的轴流式燃气轮机轴向进气、轴向出气的单向气体流动方式，因此该燃气轮机轴向力大大减小。因为在燃烧室与离心式涡轮相连通处设置冷却装置，降低主轴温度，防止主轴和涡轮轮盘在高温下变形或断裂，提高安全性。

另外，向心式压气机和离心式涡轮的轮盘与壳体之间设置迷宫密封，有效地减少漏气，提高做功效率。向心式压气机和离心式涡轮的动叶栅与静叶栅均采用直叶片，制造工艺简单、成本低。

根据实施例一所涉及的燃气轮机，采用一个向心式压气机和一个离心式涡轮组成，其体积和功率均较小，适用于负载较小的工况；根据实施例二所涉及的燃气轮机，因为采用两个向心式压气机和双向进气离心式涡轮，增大了进气流量和做功能力，适用于负载较大的工况。

当然，本发明的保护范围并不仅仅限定于以上实施例中所述的结构。以上仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种燃气轮机，其特征在于，包括：

主轴，通过旋转输出机械功；

向心式压气机，套装在所述主轴上，通过旋转将径向进入所述向心式压气机的空气增压形成高压气体，然后将该高压气体沿轴向排出；

燃烧室，套装在所述主轴上，与所述向心式压气机相连通，使所述高压气体与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气；

离心式涡轮，套装在所述主轴上，与所述燃烧室相连通，能够在所述高温高压燃气的带动下旋转，从而带动所述主轴旋转，然后将所述高温高压燃气沿径向排出；以及

壳体，包含压气机外壳、燃烧室外壳以及涡轮外壳，所述压气机外壳具有进气口，所述涡轮外壳具有出气口，

其中，所述燃烧室下方设置有冷却装置，用于对所述主轴进行冷却。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于：

其中，所述向心式压气机包含压气机轮盘、多组动叶栅以及多组静叶栅，

所述压气机轮盘与所述压气机外壳之间留有一定间隙，所述压气机轮盘外圆周朝向所述压气机外壳的一侧为梳齿形，与所述压气机外壳之间形成迷宫密封。

3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于：

其中，所述离心式涡轮包含涡轮轮盘、多组动叶栅以及多组静叶栅，

所述涡轮轮盘与所述涡轮外壳之间留有一定间隙，所述涡轮轮盘外圆周朝向所述轮盘外壳的一侧为梳齿形，与所述涡轮外壳之间形成迷宫密封。

4.根据权利要求2或3所述的燃气轮机，其特征在于：

其中，所述动叶栅和所述静叶栅均为直叶片。

5.一种燃气轮机，其特征在于，包括：

主轴，通过旋转输出机械功；

两个向心式压气机，分别套装在所述主轴的两侧，通过旋转将径向进入所述向心式压气机的空气增压形成高压气体，然后将该高压气体沿轴向排出；

两个燃烧室，分别套装在所述主轴上，一个所述燃烧室与一个所述向心式压气机相连通，使所述高压气体与燃料混合燃烧，形成高温高压燃气；

双向进气离心式涡轮，安装在所述主轴上，位于所述两个燃烧室之间，分别与所述两个燃烧室相连通，能够在所述高温高压燃气的带动下旋转，从而带动所述主轴旋转，然后将所述高温高压燃气沿径向排出；以及

壳体，具有分别与所述两个向心式压气机相连通的两个进气口和与所述双向进气离心式涡轮相连通的两个出气口，

其中，每个所述燃烧室下方均设有一个冷却装置，分别对所述主轴进行冷却，

所述双向进气离心式涡轮包含涡轮轮盘和分别安装在该涡轮轮盘两侧的多组动叶栅和多组静叶栅，

所述两个向心式压气机和所述两个燃烧室分别关于所述涡轮轮盘对称设置。

6.根据权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于：

其中，所述向心式压气机包含压气机轮盘、多组动叶栅以及多组静叶栅，

所述压气机轮盘与所述壳体之间留有一定间隙，所述压气机轮盘外圆周朝向所述壳体的一侧为梳齿形，与所述壳体之间形成迷宫密封。

7.根据权利要求5所述的燃气轮机，其特征在于：

其中，所述涡轮轮盘与所述壳体之间留有一定间隙，所述涡轮轮盘外圆周朝向所述壳体的一侧为梳齿形，与所述壳体之间形成迷宫密封。

8.根据权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于：

其中，所述双向进气离心式涡轮的所述动叶栅、所述静叶栅，和所述向心式压气机的所述动叶栅、所述静叶栅均为直叶片。