CN108474559A - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机(GT)，其具备：多个燃烧器(3)，其以随着从涡轮侧朝向压缩机侧而向径向外侧倾斜的方式配置；和形成扩散器(19)的扩散器内筒(25)及外筒(27)，所述扩散器(19)为将来自所述压缩机的压缩气体向所述燃烧器引导的通路的上游部，在该燃气涡轮发动机(GT)中，各燃烧器的迁移导管部(45)具有周向尺寸从涡轮侧到压缩机侧逐渐变小的形状，从而在迁移导管部之间形成周向间隙(49)，所述扩散器内筒及外筒的下游侧部分具有随着朝向下游侧而逐渐扩径的形状，迁移导管部内径侧的所述周向间隙(49)的涡轮侧端(P)位于与所述扩散器内筒连续的虚拟延长圆锥面(CO)的径向内侧。

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2015-254075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引导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，通过在轴流型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)(例如，参照专利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2012-062900号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

但是，在为了降低压力损失而如上所述增大扩散器的轴向尺寸的情况下，相应地，燃气涡轮发动机整体的轴向尺寸也会增大。

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，其能够抑制燃气涡轮发动机整体的尺寸，并降低从压缩机导入燃烧器的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：多个燃烧器，其是使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧的多个筒状的燃烧器，且以其轴心相对于该燃气涡轮发动机的旋转轴心随着从涡轮侧朝向压缩机侧而向径向外侧倾斜的方式配置；扩散器外筒，其形成环状的扩散器的外径侧壁，该扩散器形成将从所述压缩机吐出的压缩气体向所述燃烧器引导的压缩气体供给通路的上游部；扩散器内筒，其与所述扩散器外筒同心地配置，且形成所述扩散器的内径侧壁；以及迁移导管部，其是所述各燃烧器的配置在形成所述压缩气体供给通路的下游部的腔室内的部分，将燃烧气体从所述燃烧器向所述涡轮供给，所述各燃烧器的迁移导管部具有周向尺寸随着从涡轮侧朝向压缩机侧而逐渐变小的形状，从而在邻接的所述迁移导管部之间形成有周向间隙，所述扩散器内筒及所述扩散器外筒的至少下游侧的一部分，分别具有随着朝向下游侧而逐渐扩径的形状，所述迁移导管部的内径侧的所述周向间隙的涡轮侧端位于与所述扩散器内筒的外周面连续的虚拟延长圆锥面的径向内侧。优选所述扩散器的出口的相对于所述旋转轴心的倾斜角度α为90°以下。

根据该结构，可在腔室中的燃烧器的迁移导管部之间形成足够的周向间隙，使压缩气体从朝向径向外侧的扩散器的出口朝向该周向间隙吐出。因此，即使在多个迁移导管密集的腔室内的狭小空间内，也可充分确保从扩散器吐出的压缩气体的流路。由此，能够以扩散器与燃烧器的轴心方向位置重叠的方式进行配置，抑制燃气涡轮发动机整体的轴心方向尺寸，并充分地降低从压缩机向燃烧器供给的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，所述燃烧器的迁移导管部具备形成燃烧气体的供给通路的导管主体、和覆盖所述导管主体的外周的导管罩，在所述导管罩形成有将压缩气体导入所述燃烧器内的多个导入孔。根据该结构，将压缩气体从迁移导管部导入燃烧器内，该迁移导管部位于来自扩散器的压缩气体被吐出的方向，且在周向上形成有足够的间隙。因此，可更有效地降低从压缩机向燃烧器供给的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，在所述腔室内的形成于所述虚拟延长圆锥面与该燃气涡轮发动机的旋转轴之间的空间内，配置有该燃气涡轮发动机的辅助要素。作为例子，可以是，在所述扩散器内筒的下游侧端部形成有向径向内侧延伸的连结凸缘面，在所述连结凸缘面，通过作为所述辅助要素的内筒连结部件连结有形成所述腔室的内径侧壁的腔室内筒，也可以是，在所述连结凸缘面，通过作为所述辅助要素的密封连结部件连结有对从所述压缩机抽气的抽气压进行调整的作为所述辅助要素的密封部件。根据该结构，通过使扩散器的出口朝外，可在从扩散器出口吐出的压缩空气不直接碰撞的部分形成空间，并在该空间配置结构部件，因此可降低压缩空气与结构部件碰撞所导致的压力损失。而且，由于不必为了形成这样的空间而使旋转轴较细，因此可有效地抑制旋转轴的旋转振动。

在本发明的一个实施方式中，也可以是，该燃气涡轮发动机的机壳的形成所述腔室的部分的内壁面具有沿着所述各燃烧器的外周形状的凹面，且位于邻接的所述凹面之间的连结部向邻接的所述燃烧器之间突出。根据该结构，可通过壳体的凹面之间的连结部将压缩气体沿周向均匀地供给，之后通过凹面被导向燃烧器表面，并顺畅地导入燃烧器内。因此，可更有效地降低压力损失。

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是表示本发明的一个实施方式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扩散器的周边部分放大表示的纵截面图。

图3是将图1的燃气涡轮发动机的扩散器的周边部分放大表示的纵截面图。

图4是示意性地表示图1的燃气涡轮发动机所使用的邻接的两个燃烧器的位置关系的立体图。

图5是示意性地表示图1的燃气涡轮发动机所使用的机壳的形状的截面图。

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是将本发明一个实施方式的燃气涡轮发动机(以下，简称为燃气轮机。)GT的一部分剖切所得的侧视图。燃气轮机GT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GT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GT的旋转轴心C1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GT的轴心C1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GT的旋转部分的旋转轴7的外周面配置的许多动叶片11、与在燃气轮机GT整体的机壳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。如图2所示，由压缩机1压缩的压缩空气CA经由与压缩机1的出口1a连接的压缩空气供给通路17被供给至燃烧器3。燃烧器3所产生的燃烧气体G从成为涡轮5的入口5a的第一级的涡轮静叶片流入涡轮5内。

压缩空气供给通路17具有形成其上游部分的扩散器19内的流路23、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19a朝向后方而逐渐扩大的所述扩散器流路23。从压缩机出口1a吐出的压缩空气CA通过扩散器流路23，从而使静压恢复。

在本实施方式中，扩散器19由彼此呈同心状配置的两个筒状部件、即扩散器内筒25和扩散器外筒27形成。扩散器内筒25形成扩散器19的内径侧壁，配置于其径向外侧的扩散器外筒27形成扩散器19的外径侧壁。扩散器内筒25与扩散器外筒27之间的环状空间形成供压缩空气CA流通的扩散器流路23。

扩散器内筒25的至少下游侧的一部分以及扩散器外筒27的至少下游侧的一部分分别具有随着朝向下游侧而逐渐扩径的形状。具体而言，在图示的例子中，扩散器内筒25及扩散器外筒27分别具有从形成扩散器入口19a的各前端部到形成扩散器出口19b的后端部以纵截面视角下的相对于轴心方向的倾斜角度逐渐增加的方式弯曲的形状。通过使扩散器外筒27及扩散器内筒25形成为这样的形状，从而在扩散器出口19b，扩散器流路23相对于轴心方向向径向外侧倾斜。

腔室21是大致环状的空间，在该环状空间内沿周向隔开配置有多个燃烧器3。腔室21形成于构成燃气轮机GT整体的机壳13的一部分的设置于压缩空气供给通路17的径向外方的腔室壳体31的内方。另外，由与扩散器内筒25的后部连结的腔室内筒33，形成腔室21的内径侧壁。腔室21的后端部通过涡轮隔壁34与涡轮5的外径侧的空间隔开。如图3所示，在腔室内筒33的外周面沿周向设置有多个在径向上突出的支杆35。在图示的例子中，通过腔室壳体31和支杆35来支承扩散器外筒27。

如图2所示，在本实施方式中，各燃烧器3以其轴心C2相对于燃气轮机GT的旋转轴心C1随着从后方(涡轮5侧)朝向前方(压缩机1侧)而向径向外侧倾斜的方式进行配置。

各燃烧器3的配置在腔室21内的部分形成为压缩空气导入部，该压缩空气导入部形成有将压缩空气CA导入燃烧器3内的多个压缩空气导入孔37。

在该例中，如图1所示，各燃烧器3为逆流罐型，压缩空气CA在燃烧器机壳39与在内部形成燃烧室41的燃烧器内筒43之间的通路内朝向燃烧器3的头部流动。燃料F从设置于燃烧器3的燃料喷嘴44被供给至燃烧室41内。在各燃烧器3设置有迁移导管部45，该迁移导管部45将燃烧室41所产生的高温的燃烧气体G供给至轴心方向后方的涡轮5。如图2所示，迁移导管部45具有：在内部形成燃烧气体G的供给通路的导管主体46、和隔着间隙覆盖导管主体46的外周的导管罩47。迁移导管部45的整体配置在腔室21内，且被腔室壳体31覆盖。

在导管罩47上大致整面地形成有用于将压缩空气CA导入燃烧器3内的许多压缩空气导入孔37。也就是说，导管罩47起到将压缩空气CA导入燃烧器3内的所述压缩空气导入部的作用。此外，根据燃烧器3的种类、结构，也可以省略导管罩47，并将导管罩以外的部分、部件用作压缩空气导入部。

如图4所示，在本实施方式中，燃烧器3的迁移导管部45具有周向尺寸W随着从后侧(涡轮5侧)朝向前侧(压缩机1侧)而逐渐变小的形状。具体而言，在与迁移导管部45的通向涡轮的出口对应的部分即后端部45a，多个迁移导管部45沿周向实际上没有间隙地排列，各迁移导管部45具有周向尺寸W随着从后端部朝向前方而平滑地减小的形状。此外，这里的“多个迁移导管部45沿周向实际上没有间隙地排列”包含多个迁移导管部45隔着与热膨胀量相应的间隙排列的情况。

通过使作为燃烧器3的配置在腔室21内的部分且在图示的例子中也作为压缩空气导入部的迁移导管部45，形成为周向尺寸W随着从涡轮5侧朝向压缩机1(图1)侧逐渐变小的形状，从而在腔室21内可在邻接的燃烧器3、3的迁移导管部45、45之间形成周向间隙49。扩散器19以其出口19b朝向所述周向间隙49吐出压缩空气CA的方式向径向外侧倾斜。具体而言，如图3所示，迁移导管部45的内径侧的周向间隙49的涡轮侧端P，位于与扩散器内筒25的外周面连续的虚拟延长圆锥面CO的径向内侧。此外，所述“虚拟延长圆锥面CO”是沿着扩散器内筒25的外周面的下游侧端的倾斜角度延长的虚拟的圆锥面。另外，虽然在图示的例子中，周向间隙49的涡轮侧端P的位置，与迁移导管部45的后端部45a的位置一致，但是周向间隙49的涡轮侧端P的位置也可以比后端部45a靠近前侧。

如图3所示，在腔室21中的作为空气流域外的空间的流域外空间51内配置有燃气轮机GT的辅助要素EL，该流域外空间51形成在与扩散器内筒25的外周面连续的虚拟延长圆锥面CO与旋转轴7之间。在本说明书中所说的“流域外空间51”的轴心方向范围是从压缩机出口1a到涡轮入口5a。另外，本说明书中的“燃气轮机GT的辅助要素EL”是指除了划分出该流域外空间51的燃烧器3、旋转轴7、压缩机1以及涡轮5以外的为了确保燃气轮机GT的机械结构和/或发动机性能而设置的结构要素，包含用于确保燃气轮机GT的机械强度、部件之间的连结的结构部件以及结构机构、用于提高燃气轮机GT的发动机性能的功能部件以及功能机构。

在图示的例子中，作为辅助要素EL，在流域外空间51内配置有作为结构部件的连结部件、以及作为功能部件的密封机构等。例如，如图2所示，在流域外空间51内设置有用于将扩散器内筒25与腔室内筒33连结的内筒连结部件53。具体而言，在扩散器内筒25的下游侧端部形成有向径向内侧延伸的连结凸缘面25a，在该连结凸缘面25a通过内筒连结部件53连结有腔室内筒33。此外，为了对来自压缩机1的抽气部分59的抽气压进行调整，如图3所示，在抽气通路的中途设置有密封部件57(例如，形成迷宫式密封的部件)。密封部件57通过密封连结部件60与扩散器内筒25的连结凸缘面25a连结。此外，这些连结部件53、60以及密封部件57仅为能够配置在流域外空间51内的辅助要素EL的例子。在流域外空间51内，可以替代这些辅助要素EL配置或在其基础上追加其他的任意的辅助要素。

如上所述，通过使扩散器19的出口19b朝外，可在从扩散器出口19b吐出的压缩空气CA不直接碰撞的部分形成流域外空间51，并在该流域外空间51配置辅助要素EL，因此可降低压缩空气CA与辅助要素EL碰撞所导致的压力损失。而且，由于不必为了形成这样的空间而使旋转轴7较细，因此可有效地抑制旋转轴7的旋转振动。

在图示的例子中，具体而言，即使在流域外空间51内，尤其是在形成于扩散器内筒25的外周面以及从该外周面的后端与轴心方向平行地延伸的虚拟圆筒面CY与旋转轴7之间的空间内，也配置有上述的各辅助要素EL。通过这样构成，从而更向内径侧(即，燃烧器3的相反侧)远离从扩散器出口19b吐出的压缩空气CA的气流的位置配置辅助要素EL，能够更切实地降低压力损失。为了获得降低压力损失的效果，特别优选：如图示的那样，在从扩散器内筒25的下游侧端部向径向内侧延伸的连结凸缘面25a配置辅助要素EL。

在本实施方式中，如图5所示，作为燃气轮机GT的机壳13的一部分的腔室壳体31的内壁面，具有沿着燃烧器3(在该例中为迁移导管部45的导管罩47)的外周形状的凹面61。具体而言，在图示的例子中，腔室壳体31的覆盖燃烧器3的周向部分，相对于腔室壳体31的除此之外的周向部分，形成为以向径向外侧鼓出的方式弯曲的弯曲部31a，该弯曲部31a的内壁面形成为所述凹面61。腔室壳体31的连接邻接的弯曲部31a、31a之间(凹面61、61之间)的连结部31b，向邻接的燃烧器3、3之间(迁移导管部45、45之间)突出。各连结部31b的内壁面形成为沿着燃气轮机GT的周向的平滑的环状的周壁面。

接着，对这样构成的燃气轮机GT的作用进行说明。

如图2所示，从压缩机出口1a吐出的压缩空气CA流入压缩空气供给通路17的扩散器19，并从扩散器19通过腔室21，被引导至形成于燃烧器3的导管罩47的多个压缩空气导入孔37。扩散器19的扩散器流路23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，因此可恢复压缩空气CA的静压。而且，在腔室21中的迁移导管部45、45之间可形成足够的周向间隙49(图4)，从朝向径向外侧的扩散器19的出口19b朝向该周向间隙49吐出压缩空气CA。

来自扩散器19的压缩空气CA通过迁移导管部45、45之间的较宽的周向间隙49均匀地到达各燃烧器3。这样，即使在多个迁移导管部45密集的腔室21内的狭小空间内，也可充分确保从扩散器19吐出的压缩空气CA的流路。而且，在本实施方式中，压缩空气CA从设置于导管罩47表面的许多压缩空气导入孔37流入燃烧器3内。因此，避免了从扩散器19吐出的压缩空气CA的动压耗散，压缩空气CA顺畅地导入燃烧器3内，因此可大幅降低压力损失。

进一步地，如图5所示，流入迁移导管部45、45之间的周向间隙49的压缩空气CA，通过形成于覆盖燃烧器3的腔室壳体31的内壁面的凹面61，被引导至燃烧器3的表面(尤其是朝向径向外方的面)，并顺畅地导入燃烧器3内。而且，在本实施方式中，如上所述，连接邻接的弯曲部31a、31a之间(凹面61、61之间)的连结部31b向邻接的燃烧器3、3之间(迁移导管部45、45之间)突出，因此压缩空气CA均匀地供给至在周向上排列的多个燃烧器3。这样，压缩空气CA的气流向燃烧器3的压缩空气导入部即导管罩47的整个面在其周向上均匀地供给并被导入燃烧器3内，从而能够极为有效地降低压力损失。

此外，如图2所示，扩散器出口19b处的扩散器19相对于旋转轴心C1的倾斜角度α优选为90°以下，更优选为60°以下。在图示的例子中是α＝45°。本说明书中的扩散器19的倾斜角度α被定义为扩散器流路23的纵截面中的沿着扩散器流路23的通路中心线C3与燃气轮机GT的旋转轴心C1所成的角度。若倾斜角度α超过90°，则扩散器流路23的弯曲过大，扩散器流路23内的压力损失增大。

这样，在本实施方式的燃气轮机GT中，能够以扩散器19与燃烧器3的轴心方向位置重叠的方式进行配置，抑制燃气轮机GT整体的轴心方向尺寸，并充分地降低从压缩机1向燃烧器3供给的压缩空气CA的压力损失。

此外，虽然在本实施方式中作为燃气轮机GT，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，但是也可以是使用二氧化碳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。

此外，虽然不包含在本发明的范围内，但是各燃烧器3的迁移导管部45具有周向尺寸随着从涡轮侧朝向压缩机侧而逐渐变小的形状，从而即使是具有在邻接的所述迁移导管部45、45之间未形成周向间隙的结构的燃气涡轮发动机，也能够通过如下方式获得压力损失降低的效果，即：在与扩散器内筒25的外周面连续的虚拟延长圆锥面CO的径向内侧配置辅助要素EL；和/或，在覆盖燃烧器3的腔室壳体31的内壁面形成凹面61，并使连接凹面61、61之间的连结部31b向邻接的燃烧器3、3之间突出。

附图标记说明

1-压缩机；3-燃烧器；5-涡轮；17-压缩空气供给通路；19-扩散器；21-腔室；23-扩散器流路；25-扩散器内筒；27-扩散器外筒；37-压缩空气导入孔；45-迁移导管部；47-导管罩；α-扩散器的倾斜角度；C1-燃气涡轮发动机的旋转轴心；C2-燃烧器的轴心；CA-压缩空气(压缩气体)；GT-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：

多个燃烧器，其是使由所述压缩机压缩的压缩气体燃烧的多个筒状的燃烧器，且以其轴心相对于该燃气涡轮发动机的旋转轴心随着从涡轮侧朝向压缩机侧而向径向外侧倾斜的方式配置；

扩散器外筒，其形成环状的扩散器的外径侧壁，该扩散器形成将从所述压缩机吐出的压缩气体向所述燃烧器引导的压缩气体供给通路的上游部；

扩散器内筒，其与所述扩散器外筒同心地配置，且形成所述扩散器的内径侧壁；以及

迁移导管部，其是所述各燃烧器的配置在形成所述压缩气体供给通路的下游部的腔室内的部分，将燃烧气体从所述燃烧器向所述涡轮供给，

所述各燃烧器的迁移导管部具有周向尺寸随着从涡轮侧朝向压缩机侧而逐渐变小的形状，从而在邻接的所述迁移导管部之间形成周向间隙，

所述扩散器内筒及所述扩散器外筒的至少下游侧的一部分，分别具有随着朝向下游侧而逐渐扩径的形状，

所述迁移导管部的内径侧的所述周向间隙的涡轮侧端位于与所述扩散器内筒的外周面连续的虚拟延长圆锥面的径向内侧。

2.根据权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述燃烧器的迁移导管部具备形成燃烧气体的供给通路的导管主体、和覆盖所述导管主体的外周的导管罩，在所述导管罩形成有将压缩气体导入所述燃烧器内的多个导入孔。

3.根据权利要求1或2所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，所述扩散器的出口的相对于所述旋转轴心的倾斜角度为90°以下。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，在所述腔室内的形成于所述虚拟延长圆锥面与该燃气涡轮发动机的旋转轴之间的空间内，配置有该燃气涡轮发动机的辅助要素。

5.根据权利要求4所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，在所述扩散器内筒的下游侧端部形成有向径向内侧延伸的连结凸缘面，在所述连结凸缘面，通过作为所述辅助要素的内筒连结部件连结有形成所述腔室的内径侧壁的腔室内筒。

6.根据权利要求4或5所述的燃气涡轮发动机，其特征在于，在所述扩散器内筒的下游侧端部形成有向径向内侧延伸的连结凸缘面，在所述连结凸缘面，通过作为所述辅助要素的密封连结部件连结有对从所述压缩机抽气的抽气压进行调整的作为所述辅助要素的密封部件。

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，该燃气涡轮发动机的机壳的形成所述腔室的部分的内壁面具有沿着所述各燃烧器的外周形状的凹面，且位于邻接的所述凹面之间的连结部向邻接的所述燃烧器之间突出。