CN1130414A - 将热能转变成机械能的方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及动力工程，具体地说，涉及一种在燃气涡轮发动机中将热能转变成机械能的方法，并且涉及一种实施上述方法的燃气涡轮发动机。目的在于减小导入燃烧室的气流损失、提高效率和比功率输出。气流进入燃烧室之前经受压缩、并绕发动机轴线旋转、在燃烧室(2)内加热、在燃烧室出口处膨胀、然后进入涡轮(3)进一步膨胀。气流在离开燃烧室(2)之前，绕发动机的轴线旋转，然后进入涡轮(3)。气流在燃烧室(2)的入口处与出口处的旋转方向是相反的。一种燃气涡轮发动机含有安装成可相对于涡轮(3)转动的燃烧室(2)，该燃烧室(2)带有一个入口、一个出口和多条由个壁(11)构成的叶型通道(10)。上述的壁(11)在燃烧室(2)的出口处形成气流的膨胀喷嘴(12)，并且，在燃烧室的出口处，壁(11)在燃烧室的展开平面上的投影相对于通过发动机纵向轴线的平面与上述展开面的交线(O-O)倾斜角α为100～120°。在燃烧室的入口处，叶型通道(10)的壁(11)在燃烧室(2)的展开平面上的投影相对于通过发动机纵向轴线的平面与上述展开平面的交线(O-O)的倾斜角β为75°。

Description

将热能转变成机械能的方法和设备

本发明涉及动力工程，更具体地说，涉及一种在燃气涡轮发动机中将热能转变成机械能的方法，并且涉及一种实施上述方法的燃气涡轮发动机。

一种公知的在带有一个与多个叶型通道式导向器相适应的旋转式燃烧室的燃气涡轮发动机中将热能转变成机械能的方法包含：在燃烧室的入口前面压缩气流，并使之绕燃气涡轮发动机的轴线旋转；在燃烧室中加热气流；使气流在燃烧室出口处膨胀；然后引入涡轮进一步膨胀(参见苏联专利No.576060，1977年10月5日)。上述的燃气涡轮发动机含有一个涡轮和一个压气机，以及一个安装成可相对于涡轮旋转的燃烧室，该燃烧室带有一个入口、一个出口和多条由多个壁构成的内部叶型通道。上述的壁在燃烧室的出口处形成使气流膨胀的喷嘴，并且它们以这样一种方式延伸，即它们在燃烧室的展开平面上的投影相对于通过发动机纵向轴线的平面与上述展开平面交线倾斜的夹角在燃烧室的出口处为90～150°角。

当采用现有技术的方法时，从压气机供入燃烧室入口的气流的旋转方向与燃烧室的转动方向相反。由于这种流动方向的急剧变化使流向燃烧室的气流有很多不能进入燃烧室中。在现代燃气涡轮发动机中，当燃烧室入口的空气流速达200m/s时，入口的空气损失量为8～10％，当空气流速为250～300m/s时，该损失量为12～13％。如果燃烧室转动方向与入口处气流的旋转方向相反，上述的损失量至少还要增大一倍，可达20～30％。显然，采用上述现有技术的方法和实施该方法的燃气涡轮发动机是完全行不通的。另外，在上述的现有技术的发动机中，由于燃烧室和涡轮的转动方向相反，所以它们的轴之间还必须设置轴承。这些轴承在高温高速下工作，故必须对它们提出严格的要求。这不仅使发动机制造复杂化并提高了成本，而且在很大程度上影响到发动机工作的可靠性，并且维持也较为困难。然而，与此同时，采用上述的方法和发动机似乎还有令人稍感兴趣之处，那就是燃烧室的转动可附带发出机械动力。此外，采用转动式的燃烧室就无需在涡轮入口处设置专门的喷嘴。采用旋转式燃烧室的另一优点是有可能在燃烧区之外(也就是在形成燃料混合物的区域内)设置燃烧室叶型通道壁的进气边。

本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种上面所述的方法和燃气涡轮发动机，在本发明的发动机中，气流通过发动机中压气机与涡轮之间的流道的流动以及燃烧室内部的几何形状可使气流的流动方向变化最小。

上述问题由本发明提出的方法得到解决，该方法用以在一种带有旋转式燃烧室的燃气涡轮发动机中将热能转变成机械能，在该方法中，将气流压缩，并使之绕发动机的轴线旋转，然后进入旋转式燃烧室并在燃烧室中加热，再在燃烧室出口处膨胀和旋转，按照本发明，进入燃烧室的气流的旋转方向与燃烧室的转动方向相同，但在燃烧室出口处它们的旋转方向则相反。

采用本发明的方法，在燃烧室入口处气流的流动方向只有轻微的改变，因为在燃烧室的入口处和出口处，气流绕发动机纵向轴线旋转的方向相反，而在压气机的出口处气流的旋转方向与燃烧室的转动方向相同。在此情况下，燃烧室的进气损失量低于非旋转式燃烧室的进气损失，因为进入非旋转式燃烧室的气流必须是旋转速度最低的。这也可造成进气损失，而采用旋转式燃烧室就不要求这样。另外，本发明的方法具有使旋转式燃烧室(例如，将它安装在压气机轴上)产生机械动力的实际可能性。由于在燃烧室中耗费了一部分热能，故可降低气流到达涡轮叶片时的温度。因此，可在不降低发动机的效率的情况下减少用于将气流的温度降低到允许进入涡轮时所需的冷却剂量。而且，由于燃烧室是转动的，可使非冷却气流的膨胀比提高到1.2～1.5倍。

最好是，流体在燃烧室入口处的前面绕燃气涡轮发动机纵向轴线旋转的角度可以变化，这样可使燃烧室的涡轮作用增大，这一点对于地面车辆用的燃气涡轮发动机尤其重要，因为这种发动机要在负荷频繁突变从而引起转矩变化的条件下工作。

导入燃烧室的已膨胀和旋转的气流最好在涡轮入口的前面与冷却剂混合。这不仅降低了气流进入涡轮之前的温度，而且可减少燃烧室前面的被压缩气流，从而提高效率。

气流在与冷却剂混合的过程中最好能进一步膨胀。从而可保证进一步利用气流在进入涡轮之前进行最后冷却前由于膨胀造成的温差，以便提高效率和增大输出功率。如果冷却剂在与气流混合之前进行加热，那么就会由于通过涡轮的流速增大而提高发动机的效率。

最好是，气流在燃烧室出口的前面膨胀和旋转的初始阶段就与冷却剂混合，从而使燃烧室通道壁得以冷却，以便降低对所用材料的要求。而且气流的温度由于气流经过混合后相对流速较低，故可更有效地降低气流的温度，并且气流混合的损失也减少。

上述的问题还通过本发明的燃气涡轮发动机来解决，所述的燃气涡轮发动机含有一个涡轮、一个压气机和一个安装成可相对于涡轮转动的燃烧室，该燃烧室具有一个入口、一个出口和多条由多个壁构成的内部叶型通道，所述的通道壁在燃烧室出口处形成气流的膨胀喷嘴，而且，在燃烧室的出口处，它们在燃烧室的展开平面上的投影相对于通过发动机纵向轴线的平面与上述展开平面的交线的倾斜角α可达150°，按照本发明，在燃烧室入口处叶型通道壁在燃烧室展开平面上的投影相对于通过发动机纵向轴线的平面与上述展开平面的交线的倾斜角β为0～75°。

在一种燃气涡轮发动机中，含有一个向心式涡轮、一个压气机和一个安装成可相对于涡轮转动的燃烧室，该燃烧室带有一个入口、一个出口和多条由多个在燃烧室出口处形成气流膨胀喷嘴的壁构成的内部叶型通道，按照本发明，燃烧室与涡轮同轴地安装，叶型通道壁的延伸方向在燃烧室出口处相对于燃烧室的半径倾斜一个α角，该角α可达50°，并且在燃烧室入口处相对于燃烧室的半径的倾斜角β为0～75°。

采用这种发动机结构，在燃烧室入口处气流的流动方向只有微小的变化，因为上述的α和β角限定了叶型通道壁的位置，并且，在燃烧室的入口和出口处，气流绕发动机纵向轴线旋转的方向是相反的，而在压气机出口处气流的旋转方向与燃烧室的转动方向是相同的。在此情况下，气流进入燃烧室的损失量低于进入非旋转式燃烧室的损失量，因为进入非旋转式燃烧室必须使气流的旋转速度减至最小，从而会造成损失，但进入旋转式燃烧室就不要求气流减速。另外，可以从旋转式燃烧室(例如通过将它安装在压气机轴上)获得机械动力。这就可降低到达涡轮叶片的气流温度，因为一部分热能在燃烧室中被消耗了。结果，可显著减少用于将流体的温度降低到允许进入涡轮时所需的冷却剂量，而又不降低发动机的效率。而且，非冷却气流的膨胀比可增加到1.2～1.5倍。由于在涡轮的入口处，叶型通道壁在燃烧室展开平面上的投影相对于通过发动机纵向轴线的平面与上述展开平面的交线的倾斜角α小于0，故得到一种不定的气流，由于气流是撞击性地进入燃烧室的，故使材料的损失增加。另外，燃烧室将起到一种排气机的作用，也会造成较大的损失。如果β角大于75°，燃烧室供气流通过的截面积将减小，则会造成发动机的比功率下降。

最好在燃烧室入口前面设置一个用来改变来自压气机的气流的旋转角的装置。这样就可增强燃烧室的涡轮作用，这一点对用于地面车辆的燃气涡轮发动机尤其重要，因为这种发动机往往是在负荷突然变化而引起扭矩波动的情况下工作。

上述的改变来自压气机的气流的旋转方向的装置最好是可控制的，以便使燃烧室具有最佳的工作条件，使之适应快速变化的负荷。

叶型通道壁带有内部空腔，该空腔的一侧与冷却剂源相通，另一侧与涡轮入口相通。这就保证了叶型通道壁得到充分的冷却，并可采用通常用于制造涡轮的普通材料来制造通道壁。另外，冷却剂可供入到涡轮入口处，与加热过的气流相混合，以便使气流的温度降低到涡轮能够承受的程度。

叶型通道壁的内部空腔最好与燃烧室的内部相连通。这种结构可使气流与冷却剂发生预混合，并使通道壁的冷却和燃烧室壁的冷却都得到改善，从而提高发动机的可靠性。

最好在燃烧室的出口与涡轮的入口之间设置一个与冷却剂源相通的混合室，这样可改善受热气流与冷却剂的混合条件，从而使进入涡轮的气流在整个横截面上分布均匀。

最好在混合室与冷却剂源之间设置一个加热冷却剂的装置，这样可使气流的流速增大，以提高发动机的比功率。

下面参考示出本发明的非限制性实例的附图说明本发明，附图中：

图1是说明本发明的将热能转变成机械能的方法的实施例的一种燃气涡轮动机的示意图；

图2是说明本发明的将热能转变成机械能的方法的另一个实施例的燃气涡轮发动机的纵向剖视示意图；

图3是本发明的燃气涡轮发动机的纵向剖视示意图；

图4是图3的燃气涡轮发动机的轴向压气机与涡轮之间的部分流道的展开放大图；

图5是带有向心式涡轮的燃气涡轮发动机的实施例的纵向剖视图；

图6是沿图5的VI—VI线的局部剖视放大图。

按照下列程序实施本发明的方法(见图1)。将一种氧化剂型的流体(空气)从压气机1沿箭头A所示途径送入燃烧室2中，而燃料则从燃料供应源按箭头B所示途径送入燃烧室2，所述燃料首先送入一个直接位于燃烧室2前面的涡轮导向器或称导向室内。燃料燃烧前先与空气混合，所形成的混合流由压气机1对其进行沿燃气涡轮发动机的纵向轴线的旋转加压，因此，在燃烧时形成了一种流过燃烧室2的受热气体旋流，在该燃烧2的内部带有多个由曲线壁形成的叶型通道(下面还要详述)，由于设置了这种通道，使燃烧室2可以转动。叶型通道在燃烧室2出口处构成了喷嘴(亚音速的或高超音速的)而产生喷射流，从而使燃烧室2的转动加快。上述这些喷嘴使受热的气流发生膨胀，并形成喷射流。膨胀的旋转气流从燃烧室2的出口导入涡轮3，并在涡轮3内进一步膨胀而产生有用功。一种来自压气机1的冷却剂(例如空气)沿箭头C所示途径流经由来自涡轮3的废气加热的热交换器4供入燃烧室2(涡轮废气沿箭头D所示途径或按任何其他办法供入热交换器4)中。上述冷却剂也可由压气机1直接供入燃烧室2。冷却剂也可以是来自涡轮3的废气(未示出)。如图1所示，燃烧室2安装在轴5上，压气机1安装在轴6上，涡轮3也安装在轴6上。因此，由转动的燃烧室2供入的气流将引起涡轮3转动。按照本发明，由于燃烧室2内叶型通道的几何形状的原因，气流在燃烧室2入口处绕燃气涡轮发动机纵向轴线旋转的方向与从燃烧室2的出口流至涡轮3时的旋转方向相反。显然，压气机1和涡轮3的轴6沿一个方向转动，而燃烧室2的轴5沿相反方向转动，所以在该轴上可产生主动力(有用功)。涡轮3带动安装在轴6上的压气机1。显然，由于具有最高热力学参数的气流在燃烧室2内膨胀，故从燃烧室2中产生主动力(有用功)要有利得多。上述这个实施本发明的方法的实施例最适合于在快速变换负荷的条件下行驶的车辆的发动机。这种发动机的动力控制系统较为复杂，不过，可由较高的效率预以补偿。在这种情况下的燃烧室2实际上起到一个冲动式/反力式涡轮的作用。供入燃烧室2燃烧的空气在热交换器7中加热，以改善混合情况并提高发动机的热效率，与现有技术中常见的那样，上述的热交换器7由涡轮3排出的燃气加热。

图2示出的本发明方法的实施例与上面所述的实施例相似，而且，同样的部件仍用与图1相同的标号表示。在本实施例中，燃烧室2安装在压气机1的轴6上，并且仅用以带动压气机。主动力(有用功)由涡轮3的轴5产生。在本实施例中，冷却剂沿管道C供入设置在涡轮3入口前的混合室8内，故能够使气流与冷却剂的混合状态更好。

本发明的燃气涡轮发动机含有安装在轴6上的压气机1，轴6也支承带有与压气机1相通的入口的燃烧室2(见图3和4)，在该燃烧室2入口的前面设置多个燃料喷嘴(未标号)，以按箭头B所示途径供给燃料。在燃烧室2入口的前面装有一个导向器9。在燃烧室2的出口处设置一个安装在轴5上的涡轮3。另外，可在燃烧室的入口前面设置一个热交换器(未示出)，以便在供入的流体(空气)与燃料混合形成空气一燃料混合物之前对其进行加热。

燃烧室2的内部分隔成多个由壁11构成的叶型通道10(见图4)。壁11的几何形状要使得通道10在燃烧室2的出口处形成亚音速或超高音速的喷嘴12以便使导入燃烧室2的气流膨胀。壁11的结构是这样的：在燃烧室2的出口处，壁11在燃烧室2的展开平面上的投影相对于通过发动机的纵轴线O₁—O₁(图3)的平面与上述展开平面的交线O—O的倾斜角α可达150°，而在燃烧室2的入口处，叶型通道10的壁11在燃烧室2的展开平面上的投影相对于通过发动机的纵轴线O₁—O₁的平面与上述展开平面的交线O—O的倾斜角β为0～75°。采用上述的几何形状(倾斜角)，可使气流在燃烧室2的入口处和出口处的旋转方向相反。

如图3和4所示，构成叶型通道10的壁11带有与冷却剂源(压缩机1)、燃烧室2的出口或涡轮3的入口相通的内部空腔13，该空腔13实际上形成了为壁11提供冷却剂的内通道。壁11还可带有使一部分冷却剂流到壁11的外表面并冷却燃烧室2的外壁(未标号)的小孔(缝隙)14。在一种特定的实施例中，壁11可用一种多孔材料制成。为了使冷却剂通过多孔材料的孔隙，必须具有比叶型通道10内的压力高的适宜压力。来自燃烧室2的壁11的内腔13的冷却剂被导入位于燃烧室2出口与涡轮3入口之间的混合室8，并在该混合室内与导入叶型通道10的气流混合，以便将冷却过的气流供入涡轮3。

导向器9设置在燃烧室2的入口之前面，用以改变气流的旋转角。在导向器9内设有燃料喷嘴(未标号)。导向器9是可以(通过转动叶片)控制的，以便在快速改变负荷时获得最佳的工作状态。

本发明的燃气涡轮发动机工作时，先由一台起动马达(未示出)驱动压气机1将空气供入燃烧室2，也就是供入由壁11构成的叶型通道10，这些空气最初由压气机1旋转压缩，其旋转速度通过导向器9增大或减小。叶型通道10在入口处的倾斜角β为0～75°，这就保证了压缩气流平稳地(非冲击式地)进入通道10。在压缩气流进入通道10之前，先在导向器9与燃烧室2(由一个未示出的点火器点火使燃料在燃烧室内燃烧)的入口之间的区域内与燃料混合。结果产生了高速通过叶型通道10的受热压缩空气流。壁11的进气边是温度最低的区域，不要求专门的冷却。由于气流在燃烧室2出口处的喷出角α可达150°，故气流将沿相反方向旋转，而形成一种喷射气流。因此，喷嘴12和限定它们位置的α角保证了装在轴6上的燃烧室2的转动。燃烧室2的转动带动压气机1转动。α角可以是91～150°。该角度的下限取决于气流的最大旋转速度，但是，在下限角值的情况下，叶型通道的出口截面积大约为零，这样的发动机是不能工作的α角实际上为100～120°。α角为120°时，由于气流转速较低使喷射气流的轴向分量增加，所以部件材料所受的扭矩减小，而α角采用150°时，材料所受的扭矩则增大。

离开叶型通道10的气流被导入混合室8，冷却剂(例如来自压气机1的空气)也供入该混合室8(如图3中箭头C所示)。当气流与冷却剂在混合室8中混合时，就形成一股温度适宜于导入涡轮3的气流。进入混合室8的冷却剂可以首先通过用来加热送入燃烧室的空气的同一个热交换器，也可以在专用的热交换器中加热，这样做保证了通过涡轮3的流速增大，从而提高了发动机的输出功率和效率。涡轮3带动轴5转动，为用户提供有用功。

在燃气涡轮发动机工作时，一部发冷却剂进入通道10的壁11的内腔13中(如图3中的箭头C所示)，然后通过缝隙14在壁11的外表面形成冷却剂薄膜层，对壁11的外表面进行冷却，该冷却剂也冷却燃烧室2的壁。因此燃烧室2的用材要求可以不那么严格。

图5和6示出本发明的带有向心涡轮3的燃气涡轮发动机的实施例，图中与图3、4相同的部件用相同的标号标出。本实施例与上一实施例的差异在于，燃烧室与涡轮同轴安装，叶型通道的壁相对于燃烧室的半径倾斜一个角度，在燃烧室的入口处，该角度α最大可达150°，而在燃烧室的出口处，该角度β为0～75°。在本实施例中，燃气涡轮发动机带有一个热交换器7，用以加热送至燃烧室2入口处用于燃烧的空气和送入涡轮3前面的混合室8用以冷却的空气。显然，上述两股气流可采用专门的热交换器来加热。热交换器采用来自涡轮3的废气进行加热。上述燃气涡轮发动机的功能与图3和4所示的、并参考图3和4进行说明的燃气涡轮发动机相似。

如果应用本发明的方法，一台500马力、重125kg的燃气涡轮发动机具有如下特性：燃油消耗率：                140～145g/马力外形尺寸(带齿轮箱)：        长度575mm

                        直径420mm

Claims (20)

1.一种在具有旋转式燃烧室的燃气涡轮发动机中将热能转变成机械能的方法，包含如下步骤：压缩气流并使它绕发动机的轴线旋转；然后将气流导入旋转式燃烧室中并使之加热；再使气流在燃烧室出口处膨胀并旋转，其特征在于，导入燃烧室的气流的旋转方向与燃烧室的旋转方向相同，但与在燃烧室出口处的气流的旋转方向相反。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于，气流在燃烧室入口前面绕燃气涡轮发动机的纵向轴线旋转的角度是变化的。

3.根据权利要求1、2的方法，其特征在于，离开燃烧室的膨胀旋流在涡轮入口前面与冷却剂相混合。

4.根据权利要求3的方法，其特征在于，气流在与冷却剂混合的过程中进一步膨胀。

5.根据权利要求3、4的方法，其特征在于，冷却剂在与气流混合之前先进行加热。

6.根据权利要求1～5的方法，其特征在于，气流在离开燃烧室之前，在膨胀的初始阶段便与冷却剂混合。

7.一种燃气涡轮发动机，含有：一个涡轮(3)，一个压气机(1)和一个安装成可相对于涡轮转动的燃烧室(2)，该燃烧室(2)带有一个入口、一个出口和多个由多个壁(11)构成的内部叶型通道(10)，上述壁(11)在燃烧室(2)的出口处形成气流的膨胀喷嘴(12)，在燃烧室出口处，上述壁(11)在燃烧室的展开平面上的投影相对于通过发动机纵轴线的平面与上述展开平面的交线的倾斜角α可达150°，其特征在于，在燃烧室入口处，上述叶型通道的壁(11)在燃烧室的展开平面上的投影相对于通过发动机纵轴线的平面与上述展开平面的交线的倾斜角β为0～75°。

8.根据权利要求7的燃气涡轮发动机，其特征在于，在燃烧室(2)入口的前面设有一个用来改变来自压气机的气流的旋转角度的装置(9)。

9.根据权利要求8的燃气涡轮发动机，其特征在于，上述的改变来自压气机的气流的旋转角度的装置(9)最好是可控制的。

10.根据权利要求7～9的燃气涡轮发动机，其特征在于，上述的叶型通道(10)的壁(11)带有内部空腔(13)，该空腔(13)的一侧与冷却剂源相通，另一侧与涡轮(3)的入口相通。

11.根据权利要求10的燃气涡轮发动机，其特征在于，上述叶型通道(10)的壁(11)的内部空腔(13)与燃烧室(2)的内部相通。

12.根据权利要求10、11的燃气涡轮发动机，其特征在于，与冷却剂源相通的混合室(8)设置在燃烧室(2)的出口与涡轮(3)的入口之间。

13.根据权利要求12的燃气涡轮发动机，其特征在于，在混合室(8)与冷却剂源之间设置一个加热冷却剂的装置。

14.一种燃气涡轮发动机，含有一个向心涡轮(3)、一个压气机(1)和一个安装成可相对于涡轮而转动的燃烧室(2)，该燃烧室(2)带有一个入口、一个出口和多条由多个壁(11)构成的内部叶型通道(10)，上述壁(11)在燃烧室出口处形成流体膨胀喷嘴(12)，其特征在于，燃烧室(2)与涡轮(3)是同轴安装的，而且，在燃烧室入口处，叶型通道(10)的壁(11)的延伸方向与燃烧室(2)的半径的倾斜角α可达150°，而在出口处，与燃烧室(2)的半径的倾斜角α为0～75°。

15.根据权利要求1 4的燃气涡轮发动机，其特征在于，用以改变来自压气机的气流的旋转角度的装置(9)设置在燃烧室(2)的入口的前面。

16.根据权利要求15的燃气涡轮发动机，其特征在于，上述的改变来自压气机(1)的气流的旋转角度的装置(9)最好是可控的。

17.根据权利要求14～16的燃气涡轮发动机，其特征在于，上述的叶型通道(10)的壁(11)带有内部空腔(13)，该内部空腔之一侧与冷却剂源相通，而另一侧则与涡轮(3)的入口相通。

18.根据权利要求17的燃气涡轮发动机，其特征在于，上述的叶型通道(10)的壁(11)的内部空腔(13)与燃烧室(2)的内部相通。

19.根据权利要求17、18的燃气涡轮发动机，其特征在于，与冷却剂源连通的混合室(8)设置在燃烧室(2)之出口与涡轮(3)的入口之间。

20.根据权利要求19的燃气涡轮发动机，其特征在于，在混合室(8)与冷却剂源之间设置一个加热冷却剂的装置。

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