CN105697147A - 涡轮发动机和其组装的方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种涡轮发动机（10）。涡轮发动机（10）包括：压缩机（14），其构造为以第一流通角排放空气（104）流；和燃烧器（16），其在压缩机（14）下游联接。燃烧器（16）构造为燃烧空气（104）流与燃料，来形成以第二流通角从燃烧器（16）排放的燃烧气体（106）的流。涡轮发动机（10）还包括在燃烧器（16）下游联接的涡轮（18）。涡轮（18）包括入口（122），其构造为接收具有在预定角度内的流通角的燃烧气体（106）的流，其中，燃烧器（16）朝向为使得第二流通角在预定范围内。

Description

涡轮发动机和其组装的方法

相关申请的交叉引用

本申请主张题为“过度紧凑燃烧器”的在2014年5月7日提交的美国临时专利申请编号No.61/989,855的益处，通过参照将其全部内容合并入本文。

技术领域

本公开大体涉及涡轮发动机，并且更具体地涉及利用旋流燃烧的改善的涡轮发动机构件结构，例如在过度紧凑燃烧器中发现的那些。

背景技术

例如燃气涡轮的旋转机械通常用来利用发电机产生功率。燃气涡轮例如具有气路，其典型地连续流关系地包括空气进口、压缩机、燃烧器、涡轮以及排气管。压缩机和涡轮区段包括在壳体内联接的至少一组周向分开的旋转动叶或叶片。至少一些已知的涡轮发动机在热电联合装置和动力设备中使用。在这样的应用中使用的发动机可每个单位质量流量需要具有高的具体的功和功率。

在至少一些已知的燃气涡轮中，第一组导向静叶在压缩机的出口和燃烧器的入口之间联接。第一组导向静叶便于减少从压缩机排放的空气流的旋流（即，移除整涡旋流），使得空气流被朝向燃烧器在大体轴向方向上引导。第二组导向静叶联接在燃烧器的出口和涡轮的入口之间。第二组导向静叶便于增加从燃烧器排放的燃烧气体流的旋流（即，再次引入整涡旋流），使得涡轮的入口的流通角需要被满足。但是，利用第一和第二组导向静叶再次引导空气和燃烧气体流增加了燃气涡轮的操作无效率性。而且，包括额外的构件在内的例如第一和第二组导向静叶通常增加了燃气涡轮的重量、成本以及复杂性。

发明内容

在一方面中，提供了一种涡轮发动机。涡轮发动机包括：压缩机，其构造为以第一流通角排放空气流；和燃烧器，其联接到压缩机下游。燃烧器构造为燃烧空气流与燃料，来形成以第二流通角从燃烧器排放的燃烧气体流。涡轮发动机还包括在燃烧器下游联接的涡轮。涡轮包括入口，其构造为接收具有在预定范围内的流通角的燃烧气体流，其中，燃烧器朝向为使得第二流通角在预定范围内。

在另一方面中，提供了一种组装涡轮发动机的方法。该方法包括将燃烧器联接到压缩机下游，该压缩机构造为以第一流通角排放空气流。燃烧器构造为燃烧空气流与燃料，来形成构造为以第二流通角从燃烧器排放的燃烧气体流。该方法还包括将涡轮联接到燃烧器下游，涡轮包括入口，其构造为接收具有在预定范围内的流通角的来自燃烧器的燃烧气体流，并且使燃烧器朝向为使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第一技术方案提供了一种涡轮发动机，包括：压缩机，其构造为以第一流通角排放空气流；燃烧器，其联接到压缩机下游，燃烧器构造为燃烧空气流与燃料，来形成以第二流通角从燃烧器排放的燃烧气体流；以及涡轮，其联接到燃烧器下游，涡轮包括入口，其构造为接纳具有在预定范围内的流通角的燃烧气体流，其中，燃烧器朝向为，使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，还包括可变导向静叶，其定位在压缩机和燃烧器之间，其中，可变导向静叶的朝向选择为，使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，可变导向静叶选择地被促动，来修改朝向燃烧器引导的空气流的第一流通角。

本发明的第四技术方案是在第二技术方案中，可变导向静叶定位在压缩机的最后级转子和燃烧器之间。

本发明的第五技术方案是在第二技术方案中，燃烧器包括整涡旋流燃烧器。

本发明的第六技术方案是在第一技术方案中，还包括流路，其在压缩机和涡轮之间以大体轴向方向延伸，流路包括沿着大体轴向方向的可变剖面区域，可变剖面区域被选择为，使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第七技术方案是在第六技术方案中，流路包括：第一区段，其在压缩机和燃烧器之间延伸，其中，第一区段的剖面区域从压缩机到燃烧器逐渐尺寸增加；以及第二区段，其在燃烧器和涡轮之间延伸，其中，第二区段的剖面区域从燃烧器到涡轮尺寸逐渐减少。

本发明的第八技术方案是在第一技术方案中，燃烧器构造为以比从压缩机排放的空气流的速度更大的速度排放燃烧气体流。

本发明的第九技术方案是在第八技术方案中，燃烧器朝向为，使得第二流通角在预定范围内，燃烧器的朝向作为在进入燃烧器的空气流和从燃烧器排放的燃烧气体流之间的速度梯度的函数选择。

本发明的第十技术方案是在第一技术方案中，涡轮发动机不包括定位在燃烧器和涡轮之间的喷嘴。

本发明的第十一技术方案提供了一种组装涡轮发动机的方法，方法包括：将燃烧器联接到压缩机下游，压缩机构造为以第一流通角排放空气流，其中，燃烧器构造为燃烧空气流与燃料，来形成燃烧气体流，其构造为以第二流通角从燃烧器排放；将涡轮联接到燃烧器下游，涡轮包括入口，其构造为接纳具有在预定范围内的流通角的来自燃烧器的燃烧气体流；以及使燃烧器朝向为，使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第十二技术方案是在第十一技术方案中，还包括将可变导向静叶定位在压缩机和燃烧器之间，其中，可变导向静叶的朝向选择为，使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，还包括使可变导向静叶构造为选择地被促动，来修改朝向燃烧器引导的空气流的第一流通角。

本发明的第十四技术方案是在第十二技术方案中，定位可变导向静叶包括将可变导向静叶定位在压缩机的最后级转子和燃烧器之间。

本发明的第十五技术方案是在第十二技术方案中，联接燃烧器包括，使燃烧器朝向为处于相对涡轮发动机的中心线的第二固定朝向。

本发明的第十六技术方案是在第十一技术方案中，还包括限定流路，其在压缩机和涡轮之间以大体轴向方向延伸，流路包括沿着大体轴向方向的可变剖面区域，可变剖面区域被选择为，使得第二流通角在预定范围内。

本发明的第十七技术方案是在第十六技术方案中，还包括：在压缩机和燃烧器之间延伸流路的第一区段，其中，流路的剖面区域从压缩机到燃烧器尺寸逐渐增加；以及在燃烧器和涡轮之间延伸流路的第二区段，其中，流路的剖面区域从燃烧器到涡轮尺寸逐渐减少。

本发明的第十八技术方案是在第十一技术方案中，还包括使燃烧器构造为以比从压缩机排放的空气流的速度更大的速度排放燃烧气体流。

本发明的第十九技术方案是在第十八技术方案中，使燃烧器构造为包括使燃烧器朝向为，使得第二流通角在预定范围内，燃烧器的朝向作为在进入燃烧器的空气流和从燃烧器排放的燃烧气体流之间的速度梯度的函数被选择。

本发明的第二十技术方案是在第十一技术方案中，联接涡轮包括将涡轮联接到燃烧器下游，使得燃烧气体流被朝向涡轮的入口直接引导。

附图说明

当参照附图阅读下列详细描述时，本公开的这些和其它的特征、方面以及优点将变得更好理解，其中遍及附图，相同的特征代表相同的部分，其中：

图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图；

图2是可用于在图1中显示的燃气涡轮发动机的示例性燃烧组件的放大示意图；

图3是沿着在图2中显示的线3-3的燃烧组件的示例性流路的示意图；

图4是可用于在图1中显示的燃气涡轮发动机的备选燃烧组件的放大示意图；

图5是沿着在图4中显示的线5-5的燃烧组件的示例性流路的示意图；以及

图6是沿着在图3中显示的线6-6的在图3中显示的流路的示意图。

除非另外地指示，在本文中提供的附图意图示出本公开的实施例的特征。这些特征被认为可应用于包括本公开的一个或更多个实施例的广泛种类的系统。同样地，附图不意图包括由在本文中公开的实施例的实施所需的领域的技术人员已知的所有常规特征。

附图标记

燃气涡轮发动机10

低压压缩机12

高压压缩机14

燃烧器16

高压涡轮18

低压涡轮20

动力涡轮22

中心线24

燃烧组件100

流路102

空气104

燃烧气体106

组108

转子叶片110

出口112

波纹状燃烧器圆盖114

燃烧装置116

组118

转子叶片120

入口122

燃烧组件124

流路126

可变导向静叶组件128

可变导向静叶130

外流量管132

内流量管134

中间径向位置135

第一区段136

第二区段138。

具体实施方式

在下列说明书和权利要求中，将对多个用语进行引用，其应当限定为具有下列含义。

单数形式“一”、“一个”以及“该”包括复数引用，除非文中另外清楚地指示。

“可选的”或“可选地”指的是，随后描述的事件或情况可或不可发生，并且描述包括其中事件发生的情况和不发生的情况。

如在本文中遍及说明书和权利要求书所使用的近似语言可用于修饰任何数量表现，其可以可容许地变化，而不导致其涉及的基本功能中的变化。因此，由诸如“大约”、“接近”以及“基本”的一个用语或多个用语修饰的值，不限于指定的精确值。在至少某些实例中，近似语言可对应用于测量值的工具的精度。在此和遍及说明书和权利要求，范围限制可结合和/或互相改变。这样的范围被识别且包括在本文中包含的所有子范围，除非文中或语言另外地指出。

本公开的实施例涉及涡轮发动机和其组装的方法。更具体地，在本文中描述的涡轮发动机包括燃烧器，该燃烧器在引导穿过涡轮的入口的燃烧气体的整涡旋流流的情况下操作。涡轮通常包括至少一组旋转动叶、或以固定朝向联接至毂的转子叶片，并且引导穿过涡轮的燃烧气体流需要具有在预定范围内的流通角来确保在涡轮的入口处的整涡旋流需要被满足。同样地，整涡旋流燃烧器的朝向被选择为确保朝向涡轮排放的燃烧气体流具有在预定范围内的流通角。影响整涡旋流燃烧器来满足涡轮的流通角要求允许定位在燃烧器的相反端部处的导向静叶和涡轮喷嘴中的一者或两者的移除。而且，从涡轮发动机移除涡轮喷嘴通过消除利用压缩机放气的构件冷却需要降低了涡轮发动机的复杂性。同样地，涡轮的长度降低，涡轮发动机的重量减少，并且涡轮效率增加。

如在本文中所使用的，用语“轴向”或“轴向地”意指大体平行于涡轮发动机的中心线延伸的方向和朝向。而且，用语“径向”和“径向地”意指大体垂直于涡轮发动机的中心线延伸的方向和朝向。此外，如在本文中所使用的，用语“周向”和“周向地”意指绕涡轮发动机的中心线拱形延伸的方向和朝向。还应当理解的是，如在本文中所使用的用语“流体”包括任何流动的介质或材料，包括但不限于空气、气体、流体和蒸气。

图1是燃气涡轮发动机10的示意图，其包括低压压缩机12、高压压缩机14、以及联接到高压压缩机14下游的燃烧器16。燃气涡轮发动机10还包括：联接到燃烧器16下游的高压涡轮18，联接到高压涡轮18下游的低压涡轮20，以及联接到低压涡轮20下游的动力涡轮22。

在操作中，空气流动穿过低压压缩机12，并将压缩空气从低压压缩机12供应至高压压缩机14。压缩空气朝向燃烧器16排放，并与燃料混合来形成朝向涡轮18和20排放的燃烧气体流。燃烧气体流绕燃气涡轮发动机10的中心线24驱动涡轮18和20。

图2是可用于（在图1中显示的）燃气涡轮发动机10的示例性燃烧组件100的放大示意图，而图3是（在图2中显示的）沿着线3-3的燃烧组件100的示例性流路102的示意图。在示例性实施例中，压缩机14朝向燃烧器16排放空气104的流，而燃烧器16燃烧空气104的流和燃料（未显示）来形成燃烧气体106的流。燃烧气体106的流从燃烧器16朝向涡轮18排放。

参照图3，压缩机14包括限定压缩机14的出口112的转子叶片110的组108。转子叶片110处于相对于中心线24的第一固定朝向，使得空气104的流（各在图3中显示）从压缩机14以第一流通角排放。如在本文中所使用的，“流通角”限定作为周向速度比流体流的轴向速度的比。

燃烧器16联接到压缩机14下游并且构造为燃烧空气104的流和燃料，来形成从燃烧器16排放的燃烧气体106的流。更具体地，燃烧器16是整涡旋流燃烧器，其处于相对中心线24的第二固定朝向，使得燃烧气体106的流以第二流通角从燃烧器16排放。例如，在示例性实施例中，燃烧器16包括波纹状燃烧器圆顶114和联接至波纹状燃烧器圆顶114的多个燃烧装置116。同样地，燃烧装置116处于第二固定朝向，从而引起燃烧气体106的流以第二流通角排放。如在下面更详细地所描述，第二固定朝向选择为，使得第二流通角在预定范围内来满足入口122的流通角需要。更具体地，燃烧器16的朝向选择作为在进入燃烧器16的空气流和从燃烧器16排放的燃烧气体流之间的速度梯度的函数。速度梯度由在燃烧工序期间的热的增加引起。在备选实施例中，燃烧器16是任何整涡旋流燃烧器，其允许燃气涡轮发动机10如在本文中所描述地起作用。例如，在一些实施例中，燃烧器16包括渐缩涡流空腔构造。

涡轮18联接到燃烧器16下游并且包括转子叶片120的组118，其处于限定涡轮18的入口122的第三固定朝向。引导穿过涡轮18的燃烧气体106需要具有在预定范围内的流通角，来满足入口122的流通角需要，并且预定范围根据转子叶片120的朝向。如在上面所描述，燃烧器16处于第二固定朝向，使得空气104的流以第一流通角进入燃烧器16，而燃烧气体106的流以第二流通角从燃烧器16排放出。燃烧器16的朝向根据在第一流通角和预定范围之间的差异，和在进入燃烧器16的流体的流通角和从燃烧器16排放的流体的流通角之间的期望的差异选择。同样地，燃烧器16的第二固定朝向选择为，确保第二流通角在预定范围内以用于满足入口122的流通角需要。

图4是可用于（在图1中显示的）燃气涡轮发动机10的备选燃烧组件124的放大示意图，而图5是沿着（在图4中显示的）线5-5的燃烧组件124的示例性流路126的示意图。在示例性实施例中，燃烧组件124包括可变导向静叶组件128，其定位在压缩机14的最后级转子（未显示）和燃烧器16之间。可变导向静叶组件128包括多个可变导向静叶130。如将在下面更详细地所描述，可变导向静叶130还根据燃气涡轮发动机10的操作情况选择地被促动。在示例性实施例中，压缩机14朝向可变导向静叶组件128并朝向燃烧器16排放空气104的流，而燃烧器16燃烧空气104的流和燃料（未显示）来形成燃烧气体106的流。燃烧气体106的流从燃烧器16朝向涡轮18排放。

可变导向静叶组件128定位在压缩机14和燃烧器16之间来确保朝向涡轮18引导的燃烧气体106的流通角在燃气涡轮发动机10的广泛范围的操作情况下，在用于入口122的预定范围内。在转子叶片110的第一固定朝向、燃烧器16的第二固定朝向、进入涡轮18的可接受流通角的预定范围保持不变时，可变导向静叶组件128选择地可操作来改变从压缩机14排放出和引导穿过燃烧器16的空气104的流的流通角。

参照图5，可变导向静叶130选择地促动，来绕从（在图4中显示的）中心线24大体径向地延伸的轴线（未显示）旋转。例如，当（在图1中显示的）燃气涡轮发动机10处于稳定状态操作模式时，可变导向静叶130被促动进入某位置，使得从燃烧器16排放出的空气104的流的流通角在用于入口122的预定范围内。当燃气涡轮发动机10处于非设计操作模式时，可变导向静叶130被促动进入某位置，其在空气104进入燃烧器16之前改变空气104的流的流通角。同样地，可变导向静叶130的朝向被选择为，使得从燃烧器16排放出的燃烧气体106的流的第二流通角在用于入口122的预定范围内。

图6是沿着（在图3中显示的）线6-6的流路102的示意图。在示例性实施例中，流路102以沿着中心线24的大体轴向方向在压缩机14和涡轮18之间延伸。流路102由外流量管132和内流量管134限定。流路102还包括可变剖面区域，其沿着大体轴向方向在外和内流量管132和134之间限定。外和内流量管132和134被修整为，使得在它们之间延伸的中间径向位置135，和在它们之间限定的剖面区域便于确保（在图2中显示的）燃烧气体106的流通角在用于入口122的预定范围之内。例如，流路102包括：第一区段136，其在压缩机14和燃烧器16之间延伸；和第二区段138，其在燃烧器16和涡轮18之间延伸。第一区段136的剖面区从压缩机14至燃烧器16逐渐地尺寸增加，而第二区段138的剖面区域从燃烧器16至涡轮18逐渐地尺寸降低。逐渐增加第一区段136的剖面区域使朝向燃烧器16引导的（在图3中显示的）空气104的流减速，而逐渐减少第二区段138的剖面区域加速了朝向涡轮18引导的燃烧气体106的流。同样地，引导穿过流路102的流体流的旋流选择地被修改，来确保燃烧气体106的第二流通角在用于入口122的预定范围内。

在本文中描述的涡轮发动机和方法涉及影响整涡旋流燃烧器，来允许涡轮发动机的构件结构被修改。在示例性实施例中，整涡旋流燃烧器的朝向被选择为确保朝向涡轮排放的燃烧气体流具有在预定范围内的流通角。影响整涡旋流燃烧器来满足涡轮的流通角要求允许定位在燃烧器的相反端部处的导向静叶和涡轮喷嘴中的一者或两者的移除。而且，在一个实施例中，可变导向静叶或可变区域涡轮流路被实施为确保用于涡轮的流通角要求在例如广泛范围的操作模式下均被满足。

在本文中描述的涡轮发动机和方法的示例性技术效果包括如下中的至少一者：（a）从涡轮发动机移除多余的构件；（b）减少涡轮发动机的重量和长度；以及（c）增加涡轮发动机的操作效率。

燃气涡轮发动机的示例性实施例在上面详细地被描述。组件未被限制为在本文中描述的具体实施例，而是系统的构件和/或方法的步骤可与在本文中描述的其它构件和/或步骤独立地且分离地被利用。例如，在本文中描述的构件的构造还可结合其它过程使用，并且不限于仅仅在如在本文中描述的燃气涡轮发动机和相关方法下实施。而且，示例性实施例可结合许多应用被执行和利用，其中，期望影响整涡旋流燃烧。

尽管本公开的各种实施例的具体特征可在一些图中而不在其它图中显示，但是这仅是为了便利。根据本公开的实施例的原理，附图的任何特征可结合任意的其它图的任意特征而引用和/或主张。

本书面说明使用实例来公开包括最佳实施方式的本公开的实施例，并且还使任何本领域技术人员能够实践本公开的实施例，包括制造和使用任何装置或系统以及实行任何合并的方法。在本文中描述的实施例的可申请专利的范围由权利要求限定，并且可包括由本领域技术人员想到的其它实例。这些其他示例包括不与权利要求的字面语言不同的结构元件，或者如果这些其他示例包括与权利要求的字面语言无显著差别的等同结构元件，则这些其他示例意图在权利要求的范围内。

Claims (10)

1.一种涡轮发动机（10），包括：

压缩机（14），其构造为以第一流通角排放空气（104）流；

燃烧器（16），其联接到所述压缩机（14）下游，所述燃烧器（16）构造为燃烧所述空气（104）流与燃料，来形成以第二流通角从所述燃烧器（16）排放的燃烧气体（106）流；以及

涡轮（18），其联接到所述燃烧器（16）下游，所述涡轮（18）包括入口（122），其构造为接纳具有在预定范围内的流通角的所述燃烧气体（106）流，

其中，所述燃烧器（16）朝向为，使得所述第二流通角在所述预定范围内。

2.根据权利要求1所述的涡轮发动机（10），还包括可变导向静叶（130），其定位在所述压缩机（14）和所述燃烧器（16）之间，其中，所述可变导向静叶（130）的朝向选择为，使得所述第二流通角在所述预定范围内。

3.根据权利要求2所述的涡轮发动机（10），其中，所述可变导向静叶（130）选择地被促动，来修改朝向所述燃烧器（16）引导的所述空气（104）流的所述第一流通角。

4.根据权利要求2所述的涡轮发动机（10），其中，所述可变导向静叶（130）定位在所述压缩机（14）的最后级转子（110）和所述燃烧器（16）之间。

5.根据权利要求2所述的涡轮发动机（10），其中，所述燃烧器（16）包括整涡旋流燃烧器。

6.根据权利要求1所述的涡轮发动机（10），还包括流路（126），其在所述压缩机（14）和所述涡轮（18）之间以大体轴向方向延伸，所述流路（126）包括沿着所述大体轴向方向的可变剖面区域，所述可变剖面区域被选择为，使得所述第二流通角在所述预定范围内。

7.根据权利要求6所述的涡轮发动机（10），其中，所述流路（126）包括：

第一区段（136），其在所述压缩机（14）和所述燃烧器（16）之间延伸，其中，所述第一区段（136）的剖面区域从所述压缩机（14）到所述燃烧器（16）逐渐尺寸增加；以及

第二区段（138），其在所述燃烧器（16）和所述涡轮之间延伸，其中，所述第二区段（138）的剖面区域从所述燃烧器（16）到所述涡轮（18）尺寸逐渐减少。

8.根据权利要求1所述的涡轮发动机（10），其中，所述燃烧器（16）构造为以比从所述压缩机（14）排放的所述空气（104）流的速度更大的速度排放所述燃烧气体（106）流。

9.根据权利要求8所述的涡轮发动机（10），其中，所述燃烧器（16）朝向为，使得所述第二流通角在所述预定范围内，所述燃烧器（16）的朝向作为在进入所述燃烧器（16）的所述空气（104）流和从所述燃烧器（16）排放的所述燃烧气体（106）流之间的速度梯度的函数选择。

10.根据权利要求1所述的涡轮发动机（10），其中，所述涡轮发动机（10）不包括定位在所述燃烧器（16）和所述涡轮之间的喷嘴。