CN108431502A - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机(GE)，其使由压缩机(1)压缩的压缩气体在燃烧器(3)中燃烧，并通过所获得的燃烧气体驱动涡轮(5)，在该燃气涡轮发动机(GE)中，设置：将由所述压缩机(1)压缩的压缩气体供给至所述燃烧器(3)的压缩气体供给部(17)；配置在形成所述压缩气体供给部(17)的上游侧部分的扩散器(19)内，且使所述压缩气体向径向分流的环状的分割导向体(45)；以及在所述压缩气体供给部(17)的内径侧壁(23)上支承所述分割导向体(45)的导向支承体(51)。

Description

燃气涡轮发动机

相关申请

本申请要求2015年12月25日申请的日本专利申请2015-254073的优先权，通过参照将其整体引用为本申请的一部分。

技术领域

本发明涉及一种燃气涡轮发动机，尤其涉及一种从压缩机向燃烧器供给压缩空气的通路的结构。

背景技术

在燃气涡轮发动机中，一般地，通过在压缩机的出口设置扩散器，恢复压缩空气的静压，并降低压缩空气流入燃烧器之前的压力损失(主要是动压损失)。为了恢复压缩空气的静压，使扩散器的空气流路的轴向距离加长的结构是有效的，但是在该情况下，燃气涡轮发动机整体的轴向尺寸会增大。因此，已知有一种方案：通过将扩散器的空气流路沿径向分割，从而能够抑制燃气涡轮发动机的大型化，并有效地降低压力损失(例如，参照专利文献1)。

即，在不产生空气流的剥离的范围内，静压恢复率(扩散器出口相对于入口的静压的上升率)会与出口相对于入口的面积比相应地变大。流路面积的每单位长度的扩大量(流路扩大率)越小，就越不容易发生空气流的剥离。在将扩散器的空气流路沿径向分割的情况下，相较于不对同一流路进行分割的单一流路，分割的各流路的径向尺寸变小，因此若流路长度相同，则流路扩大率会变小。因此，由于空气流的剥离难以发生，从而相应地能够增大扩散器的空气流路的出口与入口的面积比，并增大静压恢复率。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2010-223223号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

然而，在如专利文献1所公开的那种情况下，即：通过对燃气涡轮发动机的其他的结构体进行支承的支柱即支杆，从轴向后方支承对扩散器的空气流路进行分割的分割体，在该情况下，分割体以及其支承体的配置受支杆的位置限制。就这样的结构而言，在需要在有限的空间内配置众多结构部件的燃气涡轮发动机中，也要考虑与构成发动机的其他的结构部件的位置关系来配置分割体，且难以充分地降低压力损失。

本发明的目的在于，为了解决上述的问题，提供一种燃气涡轮发动机，其具有被沿径向分割的扩散器，在该燃气涡轮发动机中，能够通过确保分割体以及其支承体的配置的自由度，来抑制燃气涡轮发动机的大型化，并充分地降低压缩气体的压力损失。

(二)技术方案

为了实现所述的目的，本发明的燃气涡轮发动机是使由压缩机压缩的压缩气体在燃烧器中燃烧，并通过所获得的燃烧气体驱动涡轮的燃气涡轮发动机，其具备：将由所述压缩机压缩的压缩气体供给至所述燃烧器的压缩气体供给部；配置在形成所述压缩气体供给部的上游侧部分的扩散器内，且使所述压缩气体向径向分流的环状的分割导向体；以及在所述压缩气体供给部的内径侧壁上支承所述分割导向体的导向支承体。

换言之，所述导向支承体仅被所述内径侧壁支承，其与其他的周边部件、例如形成所述扩散器的扩散器外径侧壁隔开设置。

根据该结构，从构成压缩气体供给部的内径侧壁，支承使压缩气体向径向分流的分割导向体，因此可确保分割导向体以及其支承体的配置的自由度。因此，能够为了有效地降低压缩气体的压力损失，而也考虑与燃气涡轮发动机的其他的结构部件的位置关系，来配置分割导向体以及导向支承体。由此，能够抑制燃气涡轮发动机的大型化，并充分地降低压缩气体的压力损失。

在本发明的一个实施方式中，也可以是，在将来自所述燃烧器的燃烧气体导出至轴心方向后方的所述涡轮的迁移导管的径向内方，配置有所述导向支承体。根据该结构，可使压缩气体在迁移导管的径向内方，通过在径向上延伸的导向支承体向周向分流。因此，能够将压缩气体从迁移导管与内径侧壁之间的狭小空间均匀地供给至多个迁移导管之间。

在本发明的一个实施方式中，也可以是，所述导向支承体具有从所述压缩气体供给部的内径侧壁向径向外方突出的脚部、和安装所述分割导向体的安装部，所述脚部具有切线方向宽度随着从前端朝向后方而扩大的形状，例如是随着朝向前方而尖端收缩的大致三棱柱形状。根据该结构，能够降低导向支承体所导致的压力损失，并使压缩气体向周向分流。

在本发明的一个实施方式中，也可以是，所述分割导向体通过从后方贯通所述导向支承体并拧入所述分割导向体的螺纹体，被安装于所述导向支承体。根据该结构，压缩空气不会直接与螺纹体发生碰撞，因此可抑制螺纹体所导致的压力损失的发生，并使分割导向体与导向支承体的组装作业简化。

在本发明的一个实施方式中，也可以是，所述导向支承体与所述内径侧壁一体地形成。根据该结构，可使具有上述优点的压缩机用扩散器的部件个数减少，并简化组装作业。

在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含在本发明中。尤其是权利要求书的各项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

通过参考附图进行的对以下较佳实施方式的说明，会更清楚地理解本发明。但是，实施方式以及附图仅用作图示以及说明，不应被用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附的权利要求书规定。在附图中，多张图中的同一符号表示相同或相当的部分。

图1是表示具备本发明一实施方式的压缩机用扩散器的燃气涡轮发动机的概略结构的局部剖切侧视图。

图2是将图1的燃气涡轮发动机的压缩机用扩散器周边部分放大表示的纵截面图。

图3是表示图1的燃气涡轮发动机的压缩机用扩散器周边部分的正视图。

图4是表示图2的压缩机用扩散器所使用的导向支承体的脚部的截面图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明不限于该实施方式。

图1是将本发明一实施方式的燃气涡轮发动机(以下，简称为燃气轮机。)GE的一部分剖切所得的侧视图。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一同燃烧，并利用所获得的高温高压的燃烧气体G来驱动涡轮5。在本实施方式中，多个罐型(日语：キャン型)的燃烧器3沿着燃气轮机GE的周向等间隔地配置。此外，在以下的说明中，有时将燃气轮机GE的轴心C方向上的压缩机1侧称为“前方”，并将涡轮5侧称为“后方”。构成实施方式的要素的名称所附加的“前”、“后”也是同样的意思。另外，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，作为压缩机1使用了轴流型的压缩机。该轴流型的压缩机1通过在构成燃气轮机GE的旋转部分的转子7的外周面配置的许多动叶片11、与在机壳13的内周面配置的许多静叶片15的组合，来对从外部吸入的空气A进行压缩。由压缩机1压缩的压缩空气CA，经由与压缩机1的下游端部连接的压缩气体供给部17被供给至燃烧器3。燃烧器3所产生的高温高压的燃烧气体G被送至涡轮5。

如图2所示，压缩气体供给部17具有形成其上游部分的扩散器19、和位于扩散器19的下游并将通过了扩散器19的压缩空气CA引导至燃烧器3的腔室21。扩散器19将从压缩机1的出口1a吐出的压缩空气CA向轴心方向后方引导。扩散器19具有流路面积随着从与压缩机出口1a相连的扩散器19的入口朝向后方而逐渐扩大的流路。从压缩机出口1a吐出的压缩空气CA通过扩散器19，从而使静压恢复。

在本实施方式中，在压缩气体供给部17的内径侧壁23的与压缩机1相连的前方(上游侧)部分、与设置在内径侧壁23的前方的径向外方的筒状的扩散器外径侧壁25之间形成有扩散器19。内径侧壁23是将压缩气体供给部17的供给通路与配置在径向内方的、燃气轮机GE的结构部件(例如转子7)的收容空间隔开的圆筒状的壁。在本实施方式中，内径侧壁23由与压缩机出口1a相连的所述前方部分即前方内径壁部23a、和与前方内径壁部23a的后端相连的后方内径壁部23b形成。

另一方面，扩散器外径侧壁25形成为随着从前方朝向后方而扩径的筒状。更详细地，在图示的例子中，扩散器外径侧壁25相对于周壁的轴心方向的倾斜角度在其前部25a和后部25b是不同的。具体而言，扩散器外径侧壁25形成为：扩散器外径侧壁25的前部25a相对于轴心C具有较小的倾斜角度，而后部25b则相对于轴心C具有较大的倾斜角度。扩散器外径侧壁25以其后端位于比内径侧壁23的前方内径壁部23a的后端靠前方的位置的方式配置。

腔室21由在压缩气体供给部17的扩散器19的径向外方设置的腔室壳体37、和扩散器外径侧壁25形成。腔室壳体37构成燃气轮机GE整体的壳体的一部分。

在压缩气体供给部17设置有从内径侧壁23向径向突出设置的多个加强用的支杆41。多个支杆41在周向上互相隔开配置。各支杆41例如用于对在压缩气体供给部17的周边配置的燃气轮机GE的结构部件进行支承。在本实施方式中，各支杆41对压缩气体供给部17的扩散器外径侧壁25进行支承。在图示的例子中，更具体地，各支杆41以从内径侧壁23的后方内径壁部23b向径向外方前侧倾斜的方式突出设置。

此外，形成这些扩散器19以及腔室21的部件的详细结构，例如部件之间的连结方式等不限于图示的例子。

在压缩气体供给部17的扩散器19设置有环状的分割导向体45。分割导向体45使从压缩机1吐出的压缩空气CA向径向分流。在图示的例子中，分割导向体45使压缩空气CA向被沿径向分割的内侧分割通路47以及外侧分割通路49分流。具体而言，分割导向体45其前部的截面具有径向宽度随着从前端朝向后方而扩大的形状。因此，与分割导向体45的前端45a发生碰撞的空气流会向径向外方和内方分流。在图示的例子中，分割导向体45其前部的截面具有以前端45a为一个顶点的三角形状。

分割导向体45通过导向支承体51被压缩气体供给部17的内径侧壁23、即内侧分割通路47的内径侧壁23支承。在图示的例子中，多个(在该例中为六个)导向支承体51从内径侧壁23向径向外方突出设置。在图示的例子中，导向支承体51从内径侧壁23的后方内径壁部23b的前端部向径向外方突出设置。也就是说，导向支承体51设置在扩散器19的下游(后方)。另外，在本实施方式中，各导向支承体51与内径侧壁23一体地形成。虽然也可以使导向支承体51与内径侧壁23分别形成，但是通过一体地形成，可减少压缩机用压缩气体供给部17的部件个数，且使组装作业简化。此外，在图2中，为了方便说明，在燃气轮机GE的轴心线C的上侧表示包含导向支承体51的截面，并在下侧表示包含支杆41的截面。

多个导向支承体51在周向上互相等间隔地隔开配置。关于导向支承体51的轴心方向以及周向的配置，以下会进行详细说明。

如图3所示，各导向支承体51在与迁移导管53相同的周向位置上配置于其径向内方。迁移导管53将燃烧器3所产生的高温的燃烧气体G导出至轴心方向后方的涡轮5。具体而言，燃烧器3的迁移导管53与形成图1所示的燃烧室30的燃烧筒31的下游连接，将来自燃烧室30的燃烧气体G供给至涡轮5。该迁移导管53具有在内部形成燃烧气体G的流路的迁移导管主体54、和隔着间隙覆盖迁移导管主体54的外周的导管罩55。

如该图3所示，在导管罩55上大致整面地形成有用于将压缩空气CA导入燃烧器3内的许多空气导入孔57。也就是说，导管罩55起到将压缩空气CA导入燃烧器3内的空气导入部件的作用。此外，从导管罩55的空气导入孔57导入的空气也用作冷却迁移导管主体54的表面的冷却介质。在具有这种结构的迁移导管53的燃气涡轮发动机的径向内方的在周向以及轴心方向重叠的位置上配置有各导向支承体51。

另外，在本实施方式中，支杆41配置在成为邻接的两个燃烧器3的中间位置的周向位置上。因此，在周向上邻接的两个支杆41之间的周向位置上配置有各导向支承体51。另外，如图2所示，支杆41以从周向观察时支杆41的至少一部分与燃烧器3的迁移导管53重叠的方式配置。换言之，支杆41位于迁移导管53的周向侧面(朝向周向的面)53a附近。

这样构成的压缩气体供给部17的扩散器19具有前扩散器部61以及后扩散器部63。进一步地，在后扩散器部63的后方设置有扩散器后方部65。前扩散器部61是形成在内径侧壁23的前方内径壁部23a与扩散器外径侧壁25的前部之间的部分，且具有从扩散器入口起到分割导向体45的前端为止的轴向范围的部分即主要通路67。后扩散器部63是具有由内径侧壁23的前方内径壁部23a、扩散器外径侧壁25的后部、和位于它们之间的分割导向体45形成的内侧分割通路47以及外侧分割通路49的部分。也就是说，后扩散器部63的轴心方向范围相当于分割导向体45的轴心方向范围。扩散器后方部65是形成于内径侧壁23的后方内径壁部23b的径向外方的部分，且具有与内侧分割通路47的下游相连的后方通路69。

导向支承体51具有从压缩气体供给部17的内径侧壁23向径向外方突出的脚部51a、和安装分割导向体45的安装部51b。如图4所示，脚部51a具有切线方向宽度随着从前端朝向后方而扩大的形状。此外，这里的“切线方向”是指相对于燃气轮机GE的周向的切线方向。在图示的例子中，脚部51a具有朝向切线方向的两个侧面51aa，这两个侧面51aa具有随着朝向后方而逐渐远离的形状。更具体地，在图示的例子中，脚部51a具有随着朝向前方而尖端收缩的大致三棱柱形状。

另外，如图2所示，在本实施方式中，分割导向体45通过从后方贯通导向支承体51的安装部51b并拧入分割导向体45的螺纹体71，被安装于导向支承体51的安装部51b。分割导向体45向导向支承体51的安装方式并不限于该例，例如也可以在使分割导向体45与导向支承体51的顶部(朝向径向外方的部分)重叠的状态下，通过从径向外方贯通分割导向体45并拧入导向支承体51的螺纹体来进行安装。但是，通过采用上述那样从后方拧入螺纹体71的安装结构，避免了压缩空气CA直接与螺纹体71发生碰撞的情况，因此可抑制螺纹体71所导致的压力损失的发生，并使分割导向体45与导向支承体51的组装作业简化。

接着，对这样构成的燃气轮机GE的压缩气体供给部17的作用进行说明。

从压缩机出口1a吐出的压缩空气CA流入到压缩气体供给部17的扩散器19，并从扩散器19通过腔室21之后导入燃烧器3的空气导入孔57。扩散器19的从主要通路67起到内侧分割通路47以及外侧分割通路49为止的部分，以流路面积随着朝向压缩空气流的行进方向即轴心方向后方而逐渐扩大的方式形成，因此可使压缩空气CA的静压恢复。尤其是在扩散器19的后扩散器部63中，由于利用分割导向体45将压缩空气CA的流路沿径向分割，因此相较于具有相同流路长度的单一流路，能够获得较大的静压恢复率。进一步地，在压缩气体供给部17设置有扩散器后方部65，该扩散器后方部65具有形成于后方内径壁部23b的向径向内方凹陷的凹部，因此通过了内侧分割通路47的压缩空气CA会流入所述凹部的较为开阔的空间，可使静压进一步恢复。这样，通过将对分割导向体45进行支承的导向支承体51设置于压缩气体供给部17的内径侧壁23，从而对分割导向体45后方的空间也能够有效地进行利用，并获得较大的静压恢复率。

另外，由于将导向支承体51从压缩气体供给部17的内径侧壁23突出设置，因此，如图4所示，导向支承体51起到使通过了内侧分割通路47的压缩空气CA向周向分流的周向分流体的作用。因此，来自压缩机1的压缩空气CA其一部分会从图2的外侧分割通路49到达图3的迁移导管53的内径侧侧面53b，且其另一部分会从内侧分割通路47向周向分流并从迁移导管53的周向两侧面53a均匀地到达外径侧侧面53c。这样，能够将压缩空气CA从迁移导管53与内径侧壁23之间的狭小空间均匀地供给至多个迁移导管53之间。压缩空气CA由于是从设置于迁移导管53表面的多个空气导入孔57流入燃烧器3内，因此压缩空气CA的气流会被均匀地供给至迁移导管53的整个面并导入燃烧器3内，从而能够极为有效地降低压力损失。尤其是在本实施方式中，如图4所示，导向支承体51的脚部51a具有切线方向宽度随着从前端朝向后方而扩大的形状、即随着朝向前方而尖端收缩的大致三棱柱形状，因此能够降低导向支承体51所引起的压力损失，并使压缩空气CA向周向分流。

而且，由图2可知，导向支承体51仅由内径侧壁23支承，且与扩散器外径侧壁25和支杆41等周边的部件分别形成，并且与这些部件隔开设置。由此，确保了作为周向分流体的导向支承体51的配置自由度。此外，虽然在图示的例子中是导向支承体51配置在扩散器19的后方，但是导向支承体51也可以配置在扩散器19内。

进一步地，如图3所示，在本实施方式中，由于是在周向上邻接的两个支杆41之间的周向位置配置有燃烧器3的迁移导管53，且在该迁移导管53的径向内方配置有导向支承体51，因此，通过导向支承体51向周向分流的压缩空气CA，会通过位于迁移导管53的周向两侧面53a附近的支杆41，而向迁移导管53的方向导向。由此，能够更加有效地降低压力损失。

这样，在本实施方式的燃气轮机GE中，由于从构成压缩气体供给部17的内径侧壁23对使压缩气体向径向分流的分割导向体45进行支承，因此对分割导向体45的周向以及轴心方向的配置的限制减少，确保了分割导向体45以及导向支承体51的配置自由度。因此，能够为了有效地降低压缩空气CA的压力损失，而也考虑与燃气涡轮发动机的其他的结构部件(在上述的例子中是燃烧器3的迁移导管53、支杆41等)的位置关系，来配置分割导向体45以及导向支承体51。由此，能够抑制燃气涡轮发动机的大型化，并充分地降低压缩空气的压力损失。

此外，虽然在本实施方式中是表示了通过一个分割导向体45使压缩空气CA分流至径向内外的两个分割通路(一个内侧分割通路47和一个外侧分割通路49)的结构例，但是也可以采用在径向上并列配置多个分割导向体45，并使压缩空气CA分流至三个以上的分割通路(一个内侧分割通路47和多个外侧分割通路49)的结构。另外，虽然在本实施方式中作为燃气轮机GE是以将空气作为工作气体的燃气涡轮发动机为例进行了说明，但是也可以是使用甲烷气体这样的空气以外的工作气体的燃气涡轮发动机。

如上所述，参照附图对本发明的较佳实施方式进行了说明，但是在不脱离本发明的主旨的范围内，也可以进行各种追加、变更或者删除。因此，这样的方式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；17-压缩气体供给部；19-扩散器；23-压缩气体供给部的内径侧壁；25-扩散器外径侧壁；41-支杆；45-分割导向体；47-内侧分割通路；49-外侧分割通路；51-导向支承体；51a-导向支承体的脚部；51b-导向支承体的安装部；53-迁移导管；CA-压缩空气(压缩气体)；GE-燃气涡轮发动机。

Claims (7)

1.一种燃气涡轮发动机，其是使由压缩机压缩的压缩气体在燃烧器中燃烧，并通过所获得的燃烧气体驱动涡轮的燃气涡轮发动机，其具备：

将由所述压缩机压缩的压缩气体供给至所述燃烧器的压缩气体供给部；

配置在形成所述压缩气体供给部的上游侧部分的扩散器内，且使所述压缩气体向径向分流的环状的分割导向体；以及

在所述压缩气体供给部的内径侧壁上支承所述分割导向体的导向支承体。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，在将来自所述燃烧器的燃烧气体导出至轴心方向后方的所述涡轮的迁移导管的径向内方，配置有所述导向支承体。

3.根据权利要求2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述导向支承体具有从所述压缩气体供给部的内径侧壁向径向外方突出的脚部、和安装所述分割导向体的安装部，所述脚部具有切线方向宽度随着从前端朝向后方而扩大的形状。

4.根据权利要求3所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述脚部具有随着朝向前方而尖端收缩的大致三棱柱形状。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述扩散器形成于所述内径侧壁的与所述压缩机相连的前方部分、与配置在该前方部分的径向外方的扩散器外径侧壁之间，所述导向支承体与所述扩散器外径侧壁隔开设置。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述分割导向体通过从后方贯通所述导向支承体并拧入所述分割导向体的螺纹体，被安装于所述导向支承体。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述导向支承体与所述内径侧壁一体地形成。