CN108869037A - 燃气轮机 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机包括压气叶轮、涡轮叶轮、主轴、燃烧室和机匣，压气叶轮、涡轮叶轮和燃烧室被容纳在机匣中，且主轴被支承在机匣中。其中，在压气叶轮的压气叶轮轮毂中集成有启发电机。该燃气轮机结构简单、紧凑，利于小型化，并且可靠性高，使用寿命也相应得到延长。

Description

燃气轮机

技术领域

本发明涉及动力装置领域，具体来说，本发明公开了一种燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是一种内燃式动力机械装置。燃气轮机的运行原理是，将燃料燃烧产物作为工质，使其连续地流入燃气轮机的叶轮，带动叶轮转动，从而将燃料的化学能转化为机械能。

目前常用的燃气轮机按照结构形式，可分为重型燃气轮机、轻型燃气轮机以及微型燃气轮机等，而这些类型的燃气轮机可应用于多种场合，例如作为航空发动机、船舶发动机、或者应用在发电机组中，等等。燃气轮机的优点在于，可容易地进行多台燃气轮机的集成扩容，可适应多种燃料，燃料消耗率低，运行过程中噪音低、排放低、振动小、维修率低，并且可对燃气轮机进行远程遥控和诊断，等等。

图1示出了常规的燃气轮机的结构原理示意图。其中，燃气轮机1的主要部分包括压气机10、涡轮20和燃烧室30，压气机10的压气叶轮和涡轮20的涡轮叶轮之间由轴40相连接。在运行过程中，首先由外部的动力源来启动压气机10，由此压气机10从周围的大气中吸入空气，并将其压缩。压缩后的空气被输送到燃烧室30中。这样，压缩空气与喷入燃烧室中的燃料发生燃烧反应，生成高温燃气。高温燃气流入涡轮20中，并膨胀做功，推动涡轮叶轮转动，涡轮叶轮则通过轴40带动压气叶轮一同转动。燃烧后的高温燃气在带动压气机的同时，还有多余的能量作为燃气轮机的输出机械功。该机械功可用来发电、作为飞行器或船舶的推进力等。

启动燃气轮机的外部动力源的一种例子是外部的压缩空气源，该压缩空气源向压气机10提供压缩空气，吹动压气叶轮转动。不过，这种使用压缩空气源的方案的应用场合受到限制，需要在其附近提供压缩空气源。

另一种方式是如图1中所示的那样使用启发电机50来进行启动。该启发电机50的输出轴经由齿轮变速箱与压气叶轮相连。在启动燃气轮机时，启发电机50带动压气叶轮初始地转动，将外界空气吸入压气机10中，压气机10产生压缩空气。不过，对于启发电机方式的驱动源，所使用的启发电机以及连接启发电机与燃气轮机的传动装置会占据较大的空间，并且启发电机与压气机之间的齿轮传动机构的效率较低，并且容易磨损，从而维护成本比较高。

因此，在燃气轮机的领域中，需要能够至少部分地解决上述问题的新型的燃气轮机。

发明内容

因此，本发明是为解决以上所述现有的燃气轮机所存在的问题而做出。本发明的目的是提供一种具有改进结构的燃气轮机，该燃气轮机包括启发电机，同时又结构紧凑，占据的空间较小。此外，本发明的燃气轮机还能够更加安全和稳定地运行。

本发明的燃气轮机包括：压气叶轮，压气叶轮安装在主轴上；涡轮叶轮，涡轮叶轮安装在主轴上；燃烧室，燃烧室位于压气叶轮的下游以及涡轮叶轮的上游；以及机匣，压气叶轮、涡轮叶轮和燃烧室被容纳在机匣中，且主轴被支承在机匣中。其中，在压气叶轮的压气叶轮轮毂中形成有空腔，在空腔中容纳有启发电机，其中，启发电机的转子相对于压气叶轮轮毂固定地设置在空腔中，启发电机的定子与转子同轴地设置，并相对于机匣固定定位。

由此，在本发明的燃气轮机中，启发电机集成在压气叶轮中，这样，现有的电机中的传动轴、电机轴承等部件可省略，这一方面提高了传动效率，另一方面电机运行的可靠性也提高，延长了整体寿命。而且这样的结构还有助于使燃气轮机的结构更加紧凑，减少了燃气轮机的体积和重量。

较佳地，转子可通过以下方式中的至少一种固定设置在空腔中：转子以过盈配合的方式镶嵌在空腔中；以及转子固定连接在空腔的内壁上。将转子固定设置在空腔中，使得转子相对于压气叶轮保持静止，即，转子的转动可带动压气叶轮转动。

进一步地，定子固定连接在机匣上。

在一种优选的结构中，在压气叶轮中设置有通气孔，通气孔一端与空腔流体连通，另一端则流体连通到压气叶轮的外部。通过该通气孔，被压气叶轮所抽吸的空气中的一部分可流经电动机，对电动机起到冷却作用。这样，就不必再为电动机设置专用的冷却装置，进一步有助于使燃气轮机小型化。

其中，通气孔的一端与转子和定子之间的间隙流体连通。附加地或替代地，通气孔的另一端位于压气叶轮轮毂的轮毂侧面，或者位于压气叶轮的压气叶轮背面，其中压气叶轮背面为压气叶轮的面对涡轮叶轮的那一面。

较佳地，通气孔为锥形孔，其中，沿着从空腔到压气叶轮的外部的方向，通气孔的孔径渐增。该锥形孔的结构可增大被引入通气孔的气流流速，以提高冷却效率。

在进一步优选的结构中，在启发电机与空腔的交界面处形成有至少一个通气槽，比如形成有围绕启发电机的周向布置的多个通气槽。该通气槽有助于增加对启发电机的通风面积，增加空气对启发电机的冷却量。

较佳地，该通气槽与通气孔流体连通，由此形成空气循环通道。

在一种较佳的结构中，通气槽的数量等于通气孔的数量。当通气槽的数量和通气孔的数量相等时，在加工压气叶轮过程中，有可能一次操作同时形成一个通气槽和一个通气孔，由此提高加工效率。

较佳地，通气槽设置在空腔的与启发电机相交界的内壁上，和/或通气槽设置在启发电机的与空腔相交界的外表面上。

总的来说，本发明的燃气轮机具有以下的优点：结构紧凑且重量轻；结构简单，因而提高了传动效率，增加其运行可靠性，进而可延长使用寿命；此外，该燃气轮机自带冷却结构，无需为电机冷却提供专用的冷却装置，从而进一步简化结构。

附图说明

图1示出了一种现有技术的燃气轮机的结构原理示意图。

图2示出了本发明的第一实施例的燃气轮机的结构示意图。

图3是图2的燃气轮机的压气叶轮中设置有启发电机的部分的局部放大图。

图4是本发明的第一实施例的一种变型结构的燃气轮机的结构示意图。

图5是本发明的第一实施例的另一种变型结构的燃气轮机的结构示意图。

图6a示出了本发明的第二实施例的燃气轮机的结构示意图。

图6b沿图6a中的箭头M看的局部示意性端视图，其中示意性地示出了压气叶轮、启发电机的转子和启发电机的定子之间的安装关系，且其中显示出在压气机叶轮与启发电机之间的交界面上设置有通气槽。

图6c是图6a的燃气轮机的压气叶轮中设置有启发电机的部分的局部放大图。

图7a是示出了本发明的第二实施例的一种变型结构的燃气轮机的结构示意图。

图7b是沿图7a中的箭头M看的局部示意性端视图，其中示意性地示出了压气叶轮、启发电机的转子和启发电机的定子之间的安装关系，且其中显示出在压气机叶轮与启发电机之间的交界面上设置有通气槽。

具体实施方式

下面将结合图2～7b对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，这些都落在本发明的保护范围之内。

<第一实施例>

图2～5示出了本发明的第一实施例的燃气轮机100及其变型结构的示意性结构图。

在图2所示的结构中，燃气轮机100包括压气叶轮110和涡轮叶轮120。压气叶轮110和涡轮叶轮120安装在主轴130上，或者换言之，压气叶轮110和涡轮叶轮120通过主轴130而联接在一起，以在燃气轮机100运行时互相联动。安装压气叶轮110和涡轮叶轮120的主轴130可以是单根轴，或者也可以是压气叶轮110安装在第一轴上，涡轮叶轮120安装在第二轴上，然后第一轴和第二轴固定地联接在一起，共同构成燃气轮机100的主轴130。

燃气轮机100还包括图中未示出的燃烧室，具体来说，沿着燃气轮机100中的主气流方向，该燃烧室位于压气叶轮110的下游，在涡轮叶轮120的上游。

燃气轮机100还包括启发电机200，该启发电机200与压气叶轮110相联，在燃气轮机100的启动阶段，对启发电机200供电，从而由启发电机200转动压气叶轮110，使得压气叶轮110能够从外界吸入空气，并将空气压缩之后输送给燃烧室，空气在燃烧室中与燃料混合并燃烧，生成高温燃气，高温燃气流到涡轮叶轮120，推动涡轮叶轮120转动。这样，将燃料中的化学能转化成机械能。该机械能不仅能够维持涡轮叶轮120和压气叶轮110的转动，而且可以向外输出多余的机械能，以供发电、提供动力等。

进一步地，如图2中以方框示意性地示出的，燃气轮机100还具有机匣140，压气叶轮110、涡轮叶轮120、燃烧室、启发电机200等燃气轮机100的部件容纳在该机匣140中。进一步具体来说，连接压气叶轮110和涡轮叶轮120的主轴130由该机匣140可转动地支承。

如图3所示，在本发明的燃气轮机100中，在压气叶轮110的压气叶轮轮毂111中形成有空腔，该燃气轮机100所使用的启发电机200容纳在该空腔中，具体来说至少该启发电机200的转子220位于该空腔中。

图3示出了燃气轮机100的压气叶轮110的设置有启发电机200的部分的局部放大图。从图3中可以清楚地看到组成启发电机200的定子210和转子220。其中，转子220与压气叶轮轮毂111相对固定地设置在空腔中。举例来说，可以将转子220的外径设置成略大于压气叶轮轮毂111的空腔的内径，由此转子220以过盈配合方式镶嵌在空腔中，从而相对于压气叶轮轮毂111固定。或者，转子220也能以现有技术中已知的其它方式固定地连接在压气叶轮轮毂111的空腔的内壁上，比如焊接在该空腔的内壁上、通过螺钉等紧固件连接于该内壁，等等。

这样，当对启发电机200通电而使转子220转动时，转子220可直接驱动压气叶轮110转动。

定子210与转子220同轴地设置。例如，如图3中更清楚地示出的，定子210可基本同轴地套设在转子220中，并且，该定子210相对于机匣140或燃气轮机100的其它静止部件是静止的。为此，定子210可固定连接在机匣140上，或者固定连接在燃气轮机100的其它相对于机匣固定的部件上。

在此要说明的是，在附图所示的示例性结构中，启发电机200的转子220设在定子210的外侧，或者说定子210同轴地定位在转子220之内，而这是本发明的启发电机200的优选结构。不过，定子210在转子220之外的结构也是可以实现的。例如，当转子220同轴地位于定子210内的情况中，转子220可一端固定连接在压气叶轮轮毂111空腔的内壁上，而对于转子220的其余部分，在转子220和该空腔的内壁之间存在环形间隙，呈筒状的定子210的一端可伸入该环形间隙中，并与转子220同轴地定位，而定子210的另一端则可固定连接于机匣140或其它静止部件。此时，在定子210和空腔的内壁之间应留有一定的孔隙，以防止转动时定子210与压气叶轮110之间发生摩擦。

换言之，内定子外转子结构和内转子外定子结构的电机都适用于本发明。

这样，通过将启发电机200集成到压气叶轮110中，可以取消现有电机中的传动轴、电机轴承等部件，这样就可提高传动效率，而且电机运行的可靠性也提高，延长了整体寿命。进而，可使本发明的燃气轮机100结构紧凑，减轻重量。具体来说，利用本发明的燃气轮机100的结构，可比现有的燃气轮机体积减小15％，而重量则有望减少15％。启动电机系统体积减小有望达到95％，而重量则有望减少90％。

进一步较佳地，如图3所示，在压气叶轮110、特别是在其压气叶轮轮毂111中设置有通气孔230。该通气孔230从压气叶轮轮毂111中容纳启发电机200的空腔开始一直延伸到涡轮叶轮120的外部。换言之，该通气孔230一端与压气叶轮轮毂111中的空腔连通，且较佳地与启发电机200的定子210和转子220之间的间隙流体连通，而其另一端则流体连通到压气叶轮110的外部。具体地，在图3所示的结构中，通气孔230的一端延伸到压气叶轮轮毂111中的空腔，另一端则延伸到压气叶轮轮毂111的轮毂侧面112。

这样，在压气叶轮110转动时，外界空气被压气叶轮110压缩，被压缩的空气压力高于外界空气压力，因此压缩空气会经过通气孔230流向启发电机200的定子210和转子220之间的间隙，并从启发电机200的远离通气孔230的一端排出，这样，可利用被压气叶轮110吸入的部分空气来冷却启发电机200。

可见，在本发明的燃气轮机100中，启发电机200自带冷却结构，因而不需要额外地为启发电机设置冷却结构，进而进一步有助于实现燃气轮机的小型化。

通气孔230的孔径和相对于燃气轮机100的主轴轴线的角度可以根据具体需要而有所改变。

例如，图4示出了本发明的燃气轮机100的一种变型结构。在该变型结构中，大部分结构与图2和3所示的燃气轮机100的结构相同，它们的不同之处在于，图4所示的燃气轮机100的结构中，调整通气孔230相对于燃气轮机100的主轴轴线，使得其中的通气孔230从压气叶轮轮毂111内容纳启发电机200的空腔一直延伸到压气叶轮110的压气叶轮背面113，即延伸到该压气叶轮110的面对涡轮叶轮120的那一面上。

再例如，在图5所示的燃气轮机100的另一种变型结构中，通气孔230的孔径可变化，具体来说，沿着从压气叶轮轮毂111的空腔到压气叶轮110外部的方向，该通气孔230的孔径渐增，从而形成为向外张口的锥形孔。这样的锥形孔的设置有助于增大被引入启发电机200、即定子210和转子220之间的气流的流速，进而提高对启发电机200的冷却效率。

<第二实施例>

图6a～7b示出了本发明的第二实施例的结构。其中，与第一实施例相同或对应的特征部分用相同或类似的附图标记来表示，并且以下的公开内容中主要描述与第一实施例不同的特征，而不对相同的特征再作详细描述。除非有相反的描述，第一实施例中描述的特征同样适用于第二实施例。

如图6a所示，燃气轮机100的压气叶轮110的轮毂中设置有空腔，用于容纳启发电机200。在第二实施例中，在压气叶轮110的压气叶轮轮毂111的空腔与转子启发电机200的交界面处形成有至少一个、较佳地多个通气槽240。在图6b所示的端视示意图中可以更清楚地看到，可设置有围绕启发电机200的周向分布的多个通气槽240。这些通气槽240可等间距地分布，不过它们之间的间距也可变化，这同样在本发明的范围之内。

图6c示出了图6a中压气叶轮110的容纳有启发电机200的部分的局部放大图。其中，可以更加清楚地看到设置在启发电机200与压气叶轮轮毂111的用来容纳启发电机200的空腔之间交界处的通气槽240。

该通气槽240可以设置在压气叶轮110的空腔的内壁上，如图中所示的，也可设置在转子220上。例如，在图中所示的外转子内定子结构的启发电机200中，通气槽240可设置在转子220的外表面上，或者，在外定子内转子的结构中，通气槽240可设置在定子210的外表面上。或者，在空腔的内壁上以及在启发电机220的外侧上都设置有通气槽240。这些结构都在本发明的范围之内。

进一步地，该通气槽240与所述通气孔230流体连通。在此情况下，通气槽240的数量与通气孔230的数量相对应，例如相等。若通气槽240和通气孔230的数量相等，则在制造过程中便于在压气叶轮110内部加工出通气孔230和通气槽240。

当然，该通气槽240与通气孔230流体连通的结构是优选的，通气槽240也可不与通气孔230相连通，而是以其它方式形成回路，例如两个或多个通气槽240之间相连通，从而自身构成气流回路。这种方式也在本发明的范围之内。

在图6a～c中示出的结构中，与图5所示的结构类似，该通气孔230为锥形孔。

图7a和7b示出了第二实施例的一种变型结构。其中，该变型结构与图6a～6c所示结构的区别在于，其中的通气孔230为恒定孔径的孔。

通过在压气叶轮轮毂111的空腔与启发电机200之间设置通气槽240，可以进一步增加对启发电机200的通风面积，进而提高冷却效率。

Claims (10)

1.一种燃气轮机，所述燃气轮机包括：

压气叶轮，所述压气叶轮安装在主轴上；

涡轮叶轮，所述涡轮叶轮安装在所述主轴上；

燃烧室，所述燃烧室位于所述压气叶轮的下游以及所述涡轮叶轮的上游；以及

机匣，所述压气叶轮、所述涡轮叶轮和所述燃烧室被容纳在所述机匣中，且所述主轴被支承在所述机匣中；

其特征在于，在所述压气叶轮的压气叶轮轮毂中形成有空腔，在所述空腔中容纳有启发电机，其中，所述启发电机的转子相对于所述压气叶轮轮毂固定地设置在所述空腔中，所述启发电机的定子与所述转子同轴地设置，并相对于所述机匣固定定位。

2.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述转子通过以下方式中的至少一种固定设置在所述空腔中：

所述转子以过盈配合的方式镶嵌在所述空腔中；以及

所述转子固定连接在所述空腔的内壁上。

3.如权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于，所述定子固定连接在所述机匣上。

4.如权利要求1～3中任一项所述的燃气轮机，其特征在于，在所述压气叶轮中设置有通气孔，所述通气孔一端与所述空腔流体连通，另一端则流体连通到所述压气叶轮的外部。

5.如权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于，所述通气孔的所述一端与所述转子和所述定子之间的间隙流体连通；和/或

所述通气孔的所述另一端位于所述压气叶轮轮毂的轮毂侧面，或者位于所述压气叶轮的压气叶轮背面，其中所述压气叶轮背面为所述压气叶轮的面对所述涡轮叶轮的那一面。

6.如权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于，所述通气孔为锥形孔，其中，沿着从所述空腔到所述压气叶轮的外部的方向，所述通气孔的孔径渐增。

7.如权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于，在所述启发电机与所述空腔的交界面处形成有围绕所述启发电机的周向布置的至少一个通气槽。

8.如权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于，所述通气槽与所述通气孔流体连通。

9.如权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于，所述通气槽的数量等于所述通气孔的数量。

10.如权利要求6所述的燃气轮机，其特征在于，所述通气槽设置在所述空腔的与所述启发电机相交界的内壁上，和/或所述通气槽设置在所述启发电机的与所述空腔相交界的外表面上。