CN108350748A - 燃气涡轮发动机的抽气结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种抽气结构，是从接受来自燃气涡轮发动机(GE)的压缩机的压缩气体并向燃烧器供给的腔室(11)抽气的结构，设置有：涡轮壳体(25)，其覆盖涡轮(5)的外周；发动机罩(17)，其在与该涡轮壳体(25)之间形成与所述腔室连通的抽气空间(51)；抽气管道(53)，其将所述抽气空间(51)内的压缩气体向所述发动机罩(17)的外部导出；环状的分隔部件(55)，其配置于所述抽气空间(51)中的、所述抽气管道(53)的上游侧，将所述抽气空间(51)与所述腔室划分，且具有使分隔部件的上游侧与下游侧连通的多个连通孔(67)。

Description

燃气涡轮发动机的抽气结构
本申请要求2015年11月5日申请的日本专利申请2015-217813的优先权，并通过参照引用其整体作为本申请的一部分。
技术领域
本发明涉及一种用于将被燃气涡轮发动机的压缩机压缩了的燃气向发动机外部抽气的结构。
背景技术
已知，在燃气涡轮发动机中，一般是通过设置将从压缩机朝向燃烧器的压缩空气向发动机的外部抽气的抽气结构，从而即使在部分负荷运转时也维持燃烧温度，确保燃烧稳定性，并且抑制NOx等大气污染物质的排出(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2010/0011779号说明书
发明内容
(一)要解决的技术问题
首先，在燃气涡轮发动机中设置这样的抽气结构的情况下，为了使燃烧器中的燃烧在周向上均匀、实现稳定的燃烧，需要防止从压缩机朝向燃烧器的压缩空气在周向上发生偏流。因此，通常需要在发动机的壳体的外周部设置沿周向配置有多个的抽气管道、以及汇集这些抽气管道抽取的空气的歧管，从而发动机整体大型化。
为了解决上述技术课题，本发明的目的在于提供一种燃气涡轮发动机的抽气结构，其能够利用燃气涡轮发动机内的空间、结构部件，从而避免发动机整体的大型化，并抑制发动机内的燃气的偏流，确保稳定的燃烧。
(二)技术方案
为了实现所述目的，本发明涉及的抽气结构是在燃气涡轮发动机中从接受来自压缩机的压缩气体并向燃烧器供给的腔室抽取压缩气体的结构，所述抽气结构具备：涡轮壳体，其覆盖所述燃气涡轮发动机的涡轮的外周；发动机罩，其围绕所述涡轮壳体，并在与该涡轮壳体之间形成与所述腔室连通的抽气空间；抽气管道，其设置于所述发动机罩，并将所述抽气空间内的压缩气体向所述发动机罩的外部导出；以及环状的分隔部件，其配置于所述抽气空间中的、比所述抽气管道更靠近上游侧的位置，将所述抽气空间与所述腔室划分，且具有使该分隔部件的上游侧与下游侧连通的多个连通孔。
根据该结构，腔室内的压缩气体在与分隔部件碰撞而流向周向之后，被从分隔部件的多个连通孔向下游侧抽气。因此，可防止从压缩机朝向燃烧器的压缩空气在周向上发生偏流。而且，由于这样的效果通过设置将抽气空间与腔室划分的分隔部件来获得，因此可避免燃气涡轮发动机整体的大型化，并抑制抽气时的发动机内的压缩气体的周向的偏流，在燃烧器中确保稳定的燃烧。
在本发明一实施方式中，可以是，作为使所述分隔部件具有弹性的结构，例如，在沿轴心方向的纵剖视图中，所述分隔部件具有沿径向延伸的主体部、以及从该主体部的径向两端分别沿轴心方向延伸的外径侧腿部及内径侧腿部，并在所述主体部形成有所述多个连通孔。进而可以是，在所述分隔部件的所述外径侧腿部及内径侧腿部的至少一方形成有多个轴心方向的狭缝(slit)。根据该结构，能够通过简单的结构使分隔部件具有径向的弹性，并能够有效地防止压缩气体从分隔部件的连通孔以外的部分向下游侧泄漏。
在本发明一实施方式中，可以是，所述分隔部件安装于将涡轮支承于所述发动机罩的涡轮支承部件。根据该结构，通过有效地利用燃气涡轮发动机的现有的结构零部件，能够抑制因设置分隔部件而引起的支承部件等零部件的数量增加。
权利要求书和/或说明书和/或附图所公开的至少两结构的任意的组合均包含在本发明中。尤其是权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含在本发明中。
附图说明
根据以附图为参考的以下的优选实施方式的说明，可以更明确地理解该发明。然而，实施方式及附图只是用于图示及说明，不应该用于限定该发明的范围。该发明的范围由所附的权利要求书确定。所附的附图中，多个附图中的相同的附图标记表示相同或相当的部分。
图1为表示具备本发明一实施方式的抽气结构的燃气涡轮发动机的概略结构的局部剖切侧视图。
图2为将图1的燃气涡轮发动机的抽气结构周边部分放大示出的纵剖视图。
图3为表示图2的燃气涡轮发动机的抽气结构中所使用的分隔部件的主视图。
图4为从后方观察图2的燃气涡轮发动机的抽气结构中所使用的分隔部件的立体图。
图5为将图2的燃气涡轮发动机的抽气结构中所使用的分隔部件的周边部分放大示出的纵剖视图。
具体实施方式
以下，按照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于该实施方式。
图1为将具备本发明一实施方式的抽气结构的燃气涡轮发动机(以下简称为“燃气轮机”)GE局部剖切得到的侧视图。燃气轮机GE将从外部导入的空气A利用压缩机1进行压缩并引导至燃烧器3，在燃烧器3内使燃料F与压缩空气CA一起燃烧，利用所得到的高温高压的燃烧气体G驱动涡轮5。本实施方式中，多个罐型的燃烧器3沿燃气轮机GE的周向等间隔地配置。另外，在以下的说明中，有时将燃气轮机GE的轴心C方向的压缩机1侧称为“前方”而将涡轮5侧称为“后方”。对构成实施方式的要素的名称附加的“前”、“后”也是同样的含义。此外，在以下的说明中，除另有说明外，“轴心方向”、“周向”以及“径向”是指燃气轮机GE的轴心C方向、周向以及径向。
在本实施方式中，使用轴流型的压缩机作为压缩机1。被该轴流型的压缩机1压缩了的压缩空气CA，在通过了与压缩机1的下游端部连接的扩散器9之后，流入腔室11。腔室11为通过扩散器9与压缩机出口连通的、在燃烧器3的周围形成的空间，其接受来自压缩机1的压缩空气CA并向燃烧器3供给。由燃烧器3产生的高温高压的燃烧气体G流入涡轮5内。驱动了涡轮5的燃烧气体G从与涡轮5的下游(后方)连接的排气通路15向燃气轮机GE的外部排出。
如图2所示，涡轮5具有多个静叶19、以及在构成燃气轮机GE的旋转部分的转子21的外周面配置的多个动叶23。形成涡轮5的入口的前端的第一级的静叶19(以下有时特别称为“第一级静叶19A”)、其后的静叶19及动叶23的外周、也即涡轮5的外周被涡轮壳体25覆盖。在本实施方式中，覆盖涡轮5的外周的涡轮壳体25连结及固定于发动机罩17的内侧，并且在涡轮壳体25安装有各静叶19。涡轮壳体25被燃气轮机GE整体的罩即发动机罩17围绕。在本说明书中，将发动机罩17中的、位于涡轮5的外方的部分称作涡轮罩部31。在本实施方式中，涡轮罩部31的内周壁面31a形成为与轴心方向大致平行地延伸的平坦的圆筒面。
涡轮壳体25具有从其前端向径向外方突设的连结凸缘部35。第一级静叶19A的前端部19Aa沿周向及径向定位于连结凸缘部35。此外，第一级静叶19A通过在设置于发动机罩17内周面的凸缘(未图示)固定的支撑环41及连结凸缘部35沿轴心方向定位。
如图2所示，涡轮壳体25为向后方扩径的形状，在其后端部的最后端具有向径向外方突设的后端凸缘45。涡轮壳体25通过该后端凸缘45支承于发动机罩17的涡轮罩部31的后端部31b。各静叶19通过与在涡轮壳体25的内周部设置的卡合机构卡合而支承于涡轮壳体25。另外，涡轮壳体25支承涡轮5的静叶19的结构并不限定于上述所说明的例子。
在发动机罩17的涡轮罩部31与其内侧的涡轮壳体25之间形成有与腔室11连通的抽气空间51。抽气空间51形成燃气轮机GE内的、将压缩空气CA从腔室11抽气的抽气路。在发动机罩17的涡轮罩部31设置有将抽气空间51内的空气向发动机罩17的外部导出的抽气管道53。在本实施方式中，抽气管道53仅设置于涡轮罩部31周向的一处。此外，虽然图示的例子中，抽气管道53设置于涡轮罩部31的、与第三级静叶19对应的轴心方向位置，但是抽气管道53的轴心方向位置并不限定于此例。
抽气空间51通过环状的分隔部件55与腔室11划分，该分隔部件55在发动机罩17的涡轮罩部31与其内侧的涡轮壳体25之间的空间中比抽气管道53更靠近前方配置。即，分隔部件55配置于将压缩空气CA从腔室11抽气的抽气路的、比抽气管道53更靠近上游侧的位置。利用分隔部件55沿轴心方向划分腔室11与抽气空间51，压缩空气CA从分隔部件55的下游侧(后方)的抽气空间51向抽气管道53导出。
更具体而言，在沿轴心方向的纵剖视图中，本实施方式中的分隔部件55具有沿径向延伸的主体部61、以及从该主体部61的径向两端分别沿轴心方向延伸的外径侧腿部63及内径侧腿部65。换言之，在沿轴心方向的纵剖视图中，分隔部件55形成为U字形状(外径侧腿部63与内径侧腿部65的长度相等的情况)或J字形状(外径侧腿部63与内径侧腿部65的长度不同的情况)。在本实施方式中，分隔部件55是通过将金属制的板状部件弯曲加工而形成，且主体部61的径向两端部向后方弯曲。在分隔部件55设置具有上述结构的外径侧腿部63及内径侧腿部65，从而分隔部件55沿径向具有弹性。
如图3所示，在分隔部件55形成有使该分隔部件55的上游侧与下游侧连通的多个连通孔67。本实施方式的分隔部件55中，在主体部61形成有多个连通孔67。虽然在图示的例子中，各连通孔67形成为圆形孔，但是连通孔67的形状并不限定于圆形。此外，多个连通孔67沿周向等间隔地配置。
如图4所示，分隔部件55的外径侧腿部63及内径侧腿部65处分别形成有多个作为轴心方向的切口的狭缝69。在图示的例子中，在外径侧腿部63，沿周向彼此等间隔地形成有与连通孔67相同数量的狭缝69。此外，在图示的例子中，各狭缝69延伸至主体部61的连通孔67，并在各连通孔67开口。另一方面，在内径侧腿部65，在外径侧腿部63的相邻的狭缝69、69中间的各周向位置分别形成有一个狭缝69。
虽然也可以省略狭缝69，但是，通过在分隔部件55的外径侧腿部63及内径侧腿部65中至少一方的腿部形成狭缝69，能够使分隔部件55的径向的弹性增大。虽然在本实施方式中，是在外径侧腿部63及内径侧腿部65均形成了狭缝69，但是，也可以仅在分隔部件55的外径侧腿部63及内径侧腿部65中的一方形成狭缝69。此外，狭缝69的数量及配置并不限定于图示的例子，而可以适当地进行设定。
通过使分隔部件55具有径向的弹性，能够防止压缩空气CA从分隔部件55的连通孔67以外的部分向下游侧泄漏，切实地抑制压缩空气CA的周向的偏流。尤其是如图2所示，分隔部件55的内径侧部分(在本实施方式中为内径侧腿部65)配置于高温的涡轮5的外周部，因此会产生较大的热膨胀。即使这样的环境中，也会由于分隔部件55具有弹性，而能够确保分隔部件55与发动机罩17及涡轮壳体25的接触。另外，使分隔部件55具有径向的弹性的结构并不限定于上述的例子。
分隔部件55的外径侧腿部63与发动机罩17接触，且内径侧腿部65与作为涡轮支承部件的涡轮壳体25接触。此外，分隔部件55的主体部61可拆卸地紧固于涡轮壳体25的连结凸缘部35。
如图5所示，在发动机罩17的涡轮罩部31的内周面设置有向径向内侧突出的环状的罩嵌合面部71。在纵剖视图中，罩嵌合面部71的内周面形成为与轴心方向大致平行。另一方面，在分隔部件55的外径侧腿部63的外周面设置有向径向外侧突出的环状的外径侧嵌合面部73。纵剖视图中，外径侧嵌合面部73的外周面形成为与轴心方向大致平行。
此外，在涡轮壳体25的外周面设置有向径向外侧突出的环状的涡轮壳体嵌合面部75。在纵剖视图中，涡轮壳体嵌合面部75的外周面形成为与轴心方向大致平行。另一方面，在分隔部件55的内径侧腿部65的内周面设置有向径向内侧突出的环状的内径侧嵌合面部77。在纵剖视图中，内径侧嵌合面部77的内周面形成为与轴心方向大致平行。设置于该各部件的嵌合面部71～77可全部或部分地省略，但是通过设置嵌合面部71～77，可更加切实地防止在分隔部件55与发动机罩17及涡轮壳体25的嵌合部分产生间隙。
如图3所示，分隔部件55的主体部61在周向的多处形成有使连结部件插通的插通孔79。如图5所示，在周向的多处将螺栓B等连结部件插通于主体部61的插通孔79、并紧固于涡轮壳体25的连结凸缘部35，从而将分隔部件55的主体部61安装于涡轮壳体25。
另外，虽然在本实施方式中，是如上所述对分隔部件55的主体部61及内径侧腿部65支承于覆盖涡轮壳体25的第一级静叶19A的前端部的例子进行了说明，但是分隔部件55的支承结构并不限定于此。例如可以是，如在图5中以双点划线所示，将分隔部件55A配置于略后方，在覆盖涡轮壳体25的第一级动叶23的部分(或者比其更靠近后方的部分)的外周面设置凸缘(未图示)，并利用螺栓将分隔部件55的主体部61紧固于该凸缘，从而成为将分隔部件55支承于涡轮壳体25的结构。此外，虽然由于分隔部件55中的被涡轮支承部件支承的部分包含主体部61而能够实现稳定的支承，但是分隔部件55并非必须通过主体部61进行支承。分隔部件55例如也可以仅通过内径侧腿部65进行支承。任意的情况下，由于分隔部件55安装于作为将涡轮5支承于发动机罩17的涡轮支承部件而发挥功能的涡轮壳体25，因此均能够通过有效地利用燃气轮机GE现有的结构零部件，来抑制因设置分隔部件55而引起的零部件数量的增加。
根据本实施方式的燃气涡轮发动机的抽气结构，图2所示的腔室11内的压缩空气CA在与分隔部件55碰撞而流向周向之后，从分隔部件55的多个连通孔67向在分隔部件55下游侧形成的抽气空间51流入。其结果是，可抑制腔室11内的压缩空气CA的周向的偏流，使速度分布均一化。因此，可防止从压缩机1朝向燃烧器3的压缩空气CA在周向上发生偏流。而且，由于这样的效果通过设置将抽气空间51与腔室11划分的分隔部件55来获得，因此可避免燃气涡轮发动机整体的大型化，并抑制发动机内的压缩空气CA的周向的偏流，在燃烧器3中确保稳定的燃烧。
抽气空间51内的压缩空气CA从抽气空间51通过抽气管道53被抽气至燃气轮机GE的外部。通过设置具有上述结构的分隔部件55，即使不将多个抽气管道沿周向等间隔地设置，也能够有效地抑制燃气轮机GE内的压缩空气CA的偏流，因此，在本实施方式中，示出了在发动机罩17仅设置一个抽气管道53来抑制燃气涡轮发动机整体的大型化的例子。然而，设置于发动机罩17的抽气管道的个数并不限定于一个。
另外，虽然在本实施方式中，如上所述，在分隔部件55中，将多个连通孔67沿周向等间隔地配置，但是并非必须等间隔地配置。例如，也可以是如下方式配置多个连通孔67：在抽气管道53附近的周向区域中，连通孔67间的间隔大，在相对远离抽气管道53的周向区域中，连通孔67间的间隔小。此外，虽然在本实施方式中，使分隔部件的多个连通孔67的开口面积相同，但也可以根据连通孔67而使开口面积不同。例如也可以是，在抽气管道53附近的周向区域中，减小连通孔67的开口面积，在相对远离抽气管道53的周向区域中，增大连通孔67的开口面积。通过以此方式构成，从而在分隔部件55的上游侧更加有效地抑制压缩空气CA的周向的偏流。
此外，虽然在本实施方式中，作为适用抽气结构的燃气涡轮发动机，是以将空气作为工作燃气的燃气涡轮发动机为例进行了说明，但也可以为使用甲烷燃气等空气以外的工作燃气的燃气涡轮发动机。
如上参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明的趣旨的范围内，也可以进行各种追加、变更或删除。因此，这些也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1-压缩机；
3-燃烧器；
5-涡轮；
11-腔室；
17-发动机罩；
25-涡轮壳体；
51-抽气空间；
53-抽气管道；
55-分隔部件；
67-连通孔；
69-狭缝；
CA-压缩空气(压缩气体)；
GE-燃气涡轮发动机。

Claims (4)

1.一种抽气结构，是在燃气涡轮发动机中从接受来自压缩机的压缩气体并向燃烧器供给的腔室抽取压缩气体的结构，所述抽气结构具备：
涡轮壳体，其覆盖所述燃气涡轮发动机的涡轮的外周；
发动机罩，其围绕所述涡轮壳体，并在与该涡轮壳体之间形成与所述腔室连通的抽气空间；
抽气管道，其设置于所述发动机罩，并将所述抽气空间内的压缩气体向所述发动机罩的外部导出；以及
环状的分隔部件，其配置于所述抽气空间中的、比所述抽气管道更靠近上游侧的位置，将所述抽气空间与所述腔室划分，且具有使该分隔部件的上游侧与下游侧连通的多个连通孔。
2.根据权利要求1所述的抽气结构，其特征在于，在沿轴心方向的纵剖视图中，所述分隔部件具有沿径向延伸的主体部、以及从该主体部的径向两端分别沿轴心方向延伸的外径侧腿部及内径侧腿部，并在所述主体部形成有所述多个连通孔。
3.根据权利要求2所述的抽气结构，其特征在于，在所述分隔部件的所述外径侧腿部及内径侧腿部的至少一方形成有沿轴心方向延伸的多个狭缝。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的抽气结构，其特征在于，所述分隔部件安装于将所述涡轮支承于所述发动机罩的涡轮支承部件。
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