CN1279742A - 涡轮动力装置 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮压气机装置(10),包括:一个第一转子级(50),它安装在第一转轴(51)上,且其一个表面上有靠径向间隙隔开的圆形叶轮叶片排(59－1,59－2,59－3),设在第二转子级(20)上的对置的叶片排(29－1,29－2)插在所述径向间隙中。所述两级转子靠齿轮连接而反向转动。至少一个转子在靠近其中心(25)处打孔,以把空气抽吸进所述两个对置的表面之间的空间中,使空气在叶片上方的通道形成有用的转矩。对置的转子表面缠绕成一个径向减小的间距连接一个环状燃烧室(73),之后半径又逐渐增大。所以,径向压气机和涡轮机的功能就通过各个位于燃烧室两侧的叶片排完成。燃烧室(73)可以制在一个转子中,也可以由两个转子共同构成一个环状室。燃料可以直接与气流汇流来输送,也可以由燃料输送系统(71)输送。

Description

涡轮动力装置
发明背景
技术领域
本发明涉及燃气轮机动力装置，特别是涉及为使几何尺寸最小而设计的压气机-燃烧室-涡轮机结构的燃气轮机。
现有技术
过去已经广泛地使用涡轮压缩机循环来产生动力，现代喷气式发动机就是这样一个例子。该循环有时被叫做布雷顿循环，其特征在于绝热压缩、恒压加热及加热和压缩后的气体绝热膨胀，所述加热和压缩后的气体含有燃烧热。之后，通过气体膨胀驱动的一涡轮机来实现有效动力输出，所以，这种动力装置被称为燃气轮机动力装置。
布雷顿循环的理论循环效率定义为超过压缩所需能量的有效能量除以燃烧增加的能量后所得的比率。换句话说，该循环的热效率主要取决于压气机的压力比和涡轮进口温度，也正是这两个参数支配这种动力装置的设计。其中，压气机的实施方式遵循两种基本物理路径的多种组合方式，这两种基本路径指通过离心作用压缩气体和通过轴级压缩气体。所以说，压气机的类型总的说有离心结构、轴向结构和混合结构。
涡轮进口温度主要取决于材料选择和冷却设计。尽管这个方面是一个非常棘手的工程任务，但固定燃烧室所固有的限制性导致了压力温度转换及与之相关的损失。而燃烧室的同样的离心布置，因为燃烧室可以作成转动设备的一部分而大大地简化了整个结构。因此，压气机、燃烧室和涡轮机可以制作为一个整体结构。
以这种方式，通过把离心压力储存在燃烧室中，可以简化设计，而本发明公布的正是这样的一种结构。燃烧室同样的离心布置还可以使设计进一步简化，使得包装更方便，并附带地减小重量和复杂程度。这样的几个优点使得本发明的动力装置设计简单，制造方便且使用可靠。
技术方案
简言之，本发明通过下列方案而获得上述优点，即提供一个大致圆形的第一转子装置，该装置夹在一对同心的第二转子装置之间，第一和第二装置可以反转。第一装置可以设有一个环状燃烧送风系统，通过径向风口使空气在第一和第二装置之间传送而供应燃烧用料。在一个实施方式中，这种燃烧用空气与燃料混合，该燃料有一燃料供入管直接送到所述环状送风系统，在第二个例子中，空气和燃料在进口处混合后送到动力装置。在上述两种情况下，燃烧通过点火设备、压降和点火温度被限制在环状送风系统中。这样，通过选择高温材料衬垫(insert)，最高的热应力就被限制，从而方便了安装。
第一和第二装置都设有径向的交错叶片或轮叶，在叶片之间限定出一个递减的进气压气机腔，该腔一直通到燃烧送风系统的径向尺寸处，之后通过一递增的排气腔伸到排气口，再通到外界。这样，设于燃烧环内部的交错轮叶就提供了压气机功能，同时，设于燃烧送风系统外的轮叶具有了涡轮机功能。因为邻近燃烧室出口的第一轮叶排承受最高的温度，所以，燃烧送风系统和第一涡轮机轮叶排可以作成高温材料衬垫的形式，比如用陶瓷材料制作。这样，该结构就可以大部分用廉价材料，如铝制造，而只有遭受极大热应力的那些部位造价才高。
尽管上述装置对称于中心转子装置，但另外的实施方式描述了另外一种布置在一互相配合的转子对的对置表面中。与上述操作类似，内轮叶排构成了压气机，而径向远离燃烧室的那些轮叶排构成了涡轮机。
附图简述
图1是本发明燃气轮机发动机的分解透视图；
图2是图1所示燃气轮机发动机的平面图，表示出为了提供压气机及涡轮机功能，轮叶反转排的径向交错情况；
图3是图2的沿3-3的侧视断面图；
图4是本发明所使用的有用的环状燃烧送风系统的局部剖视详图；
图5是图4所示送风系统的另一个局部剖视详图，表示了其出口；
图6是另一个侧剖视图，表示本发明燃气轮机发动机的另一个实施方式；
图7是图6所示实施方式的局部前剖视图。
优选实施例说明
如图1-5所示，本发明的燃气轮机发动机总的用附图标记10表示，它包括一个布置在一套同心的第二转子装置之间的第一转子装置50，所述一套第二转子装置总的指前转子装置20和后转子装置120。装置50安装在轴51上，轴51通过齿轮头52反转啮合到一外周套151上，而在该外周套上安装着转子装置120。所以，当转子50转动时，转子120便发生同步反向旋转。圆形的外套环26延伸过转子20和120的外周面，所以转子20就随转子120旋转。转子20支承在轴51上安装的一轴承27上。
这样，前转子20和第一转子装置50两者都安装在轴51上。该安装方式通过相对应的星形轮55和25实现，星形轮中有空气通道。因此，转子20和装置50间的空间以及装置50和转子120间的空间都沿着旋转轴线通风。
各个转子和装置50之间的对置面，即转子20和120上的面27，这里类似的附图标记表示以类似方式工作的零部件，都设有一套径向肋28，该径向肋从安装星形轮伸到转子周边。每一条大致径向的肋都延伸为径向段，伸至加大的叶片段29-1，29-2。由此形成同心叶片或轮叶环，它们之间由大致相等的环缝31-1，31-2和31-3隔开。这些径向的缝彼此对齐，以接收在转子装置50的面57上沿着肋58形成的相对应的叶片环59-1，59-2和59-3。这样，在反转表面上就形成了交错叶片段的大致径向的序列，在中心处按照箭头A1抽吸空气，并朝周边方向离心地抽空气。这种传送路径的形状由对置面27和57的相对倾斜部确定，构成包括叶片段29-1，59-1和59-2的径向缩减体积。这些叶片段从而形成涡轮压气机装置的压气机级。按照类似的方式，叶片环29-2和59-3在其各自的表面部分上限定出涡轮机级的扩大体积。
位于这些径向压缩和之后扩大的体积之间的是最小的隔离带，在转子50，20和120中限定了最厚的片段。该扩大的局部体积可供一环状燃烧送风系统70在转子50内使用，燃料可以由输送系统71送过来。燃烧送风系统70可以制成一高温材料结构的环状衬垫75，比如用陶瓷制成，作为转子装置50的一圆形段。在径向局部送风系统70中，可以划分出一个前腔73和一个后腔173，每一个腔各有一套进口通道81和出口通道82制在衬垫结构75中。通道81和82可以相对于邻近的叶片排59-2和29-2倾斜对齐，以使发动机10的工作条件最优化，且通道82可以膨胀扩大而伸长足够长度，满足轮叶的第一涡轮机组的热约束。按这种方式，可以容忍所有的设计限制，包括所选材料的热限制及设备的热效率。
输送到送风系统70的燃料可以用一套磁电装置85点火，每一个该装置85各设有一个感应线圈86和一个火花塞87。一套对应的磁塞41可以嵌在转子20和120的对置表面中，以提供磁感应通量。如此，送风系统70中的燃烧受到了发动机的旋转前进的限制。同时，外套26上设有径向孔126，离心地抽拉燃烧产物通过涡轮机级，同时还由卡环128提供整个装置的定位手段。
本领域的技术人员应该理解，燃料通过输送系统71到送风系统的输送可以在某些设计结构中省略，在这些结构中，送风系统前不可能点火。在这些设计选择中，燃料可以简单地雾化到空气流A1中，然后随气流一起携带前行(图中未示出)。之后旁路通过送风系统70的那部分燃料将在涡轮机中与热废气合流，增加所获得的能量。正是上述结构的这种包容特性限制了大多数通常与这类设备相关的损失。
在上述实施例中，转子20和120对称放置在装置50的两边，这样使载荷分布在转轴中产生最小应力。这种有利的载荷分布在低成本应用中更为有用，因为在低成本应用中，在送风系统70中多次重复的点火增加了操作的可靠性。此外，压气机的径向序列，燃烧室，以及涡轮机处于外排上等结构措施也限制了损耗。所以，这种结构特别适合于低成本制造场合。
进一步的结构简化可以在图6和7所示的实施例中实现。类似的附图标记所表示的零部件的工作方式也类似，转子装置220设计得包括一中心叶轮255，该叶轮255装在轴251上，而轴251通过行星齿轮头260齿轮连接来驱动转子装置220和一配合转子装置250反向旋转。进口空气沿着箭头A2由叶轮225抽吸到转子装置之间的内空间中，同样在环59-1和59-2之间交错设置有叶片环29-1，完成压气机的功能。之后，邻接叶片环59-3设置的叶片环29-2，29-3构成涡轮机。
在该例中，燃烧室分别在两个相对置的环状半腔271和272中形成，半腔271和272位于压气机和涡轮机叶片组之间的转子装置220和250的对置面中。每一个半腔各包括扩散器环273和274的一部分，这两个扩散器环一起延伸越过它们的共有腔，以扩散来自压气机的气流A2并将该气流引导至放有点火环277和278的燃烧室275和276中。被点着的气体然后从此处被输送给涡轮机叶片组。
排气壳280环绕互相配合的转子装置，以提供一环状的排气室281，该室通过排气口282与外部连通。壳280跨过轴承284和285而分别与转子220和250连接。这样，互相配合的转子220和250就保持在壳中，在它们的公共界面之间构成一廉价而可靠的燃气轮机动力装置。
本领域的技术人员应该理解，燃气轮机发动机的总体效率由整个压气机范围内的压力比决定。所以，用叶轮255代替中心星形轮，因重量减小，复杂性降低而产生了有益效果。同时，因为燃烧室的旋转布置增加了燃烧压力，进而增加了燃烧温度，更增加了效率。有了这些集合效果，本发明就提供了一种结构简单、廉价可靠的动力装置，它可以应用于各种场合。

Claims (14)

1．一种涡轮压气机装置(10)，包括：
一个大体圆形的第一转子(50)，它安装在第一转轴(51)上，所述第一转子包括设有第一同心叶轮叶片排(59-1，59-2，59-3)的第一表面；
一个大体圆形的第二转子(20)，它安装在第二转轴(28)上，所述第二转子包括设有第二同心叶轮叶片排(29-1，29-2)的第二表面，其中，所述第二表面对着所述第一表面，使所述第二同心叶轮叶片排(29-1，29-2)位于所述第一同心叶片排(59-1，59-2，59-3)之间，所述第一转轴(51)与所述第二转轴(28)同心转动；
一个设置在所述第一转子(50)中的大体环状的燃烧室(73)，位于所述第一叶片排(59-2，59-3)的选择排之间；
连接于所述第一和第二转轴(51，28)之间的反转装置(52)，齿轮连接第二转轴(28)，使之与第一转轴反向转动；
燃料输送装置(71，70)，与所述环状燃烧室连接而为之输送燃料；以及
点火装置(85)，安装在所述环状燃烧室(73)中，用来点着所述燃料。
2．如权利要求1所述的压气机装置，其特征为，所述第一转子(50)包括一大体位于中心的孔(25)，用来把空气抽吸进所述第一和第二表面之间的空间中。
3．如权利要求2所述的压气机装置，其特征为，所述第一和第二表面是缠绕的，在它们之间形成最小间距，接近于所述环状室(73)；而且，所述第一叶片排(59-1，59-2，59-3)和第二叶片排(29-1，29-2)各包括相应的叶片，叶片的尺寸由所述第一和第二表面之间的间距大致确定。
4．如权利要求3所述的压气机装置，其特征为，所述点火装置包括一个电火花发生器。
5．如权利要求2所述的压气机装置，其特征为，所述孔(25)包括所述燃料输送装置(71)。
6．一种燃气轮机动力装置(10)，包括：
一个大体圆形的第一转子(50)，它安装在第一转轴(51)上，所述第一转子包括设有第一同心叶轮叶片排(59-1，59-2，59-3)的第一表面；
一个大体圆形的第二转子(20)，它安装在第二转轴(28)上，所述第二个转子包括设有第二同心叶轮叶片排(29-1，29-2)的第二表面，其中，所述第二表面对着所述第一表面，使所述第二同心叶轮叶片排(29-1，29-2)位于所述第一同心叶片排(59-1，59-2，59-3)之间，所述第一转轴(51)与所述第二转轴(28)同心转动；
一个设置在所述第一转子(50)中的大体环状的燃烧室(73)，位于所述第一叶片排(59-2，59-3)的选择排之间；
连接于所述第一和第二转轴(51，28)之间的反转装置(52)，齿轮连接第二转轴(28)，使之与第一转轴反向转动。
7．如权利要求6所述的燃气轮机动力装置，还包括燃料输送装置(71，70)，与所述环状燃烧室(73)连接而向之输送燃料。
8．如权利要求7所述的燃气轮机动力装置，还包括点火装置(85)，安装在所述环状燃烧室(73)中，用来点燃所述燃料。
9．如权利要求8所述的燃气轮机动力装置，其特征为，所述第一转子(50)包括一大体位于中心的孔(25)，用来把空气抽吸进所述第一和第二表面之间的空间中。
10．如权利要求9所述的燃气轮机动力装置，其特征为，所述第一和第二表面是缠绕的，在它们之间形成最小间距，靠近所述环状室(73)；而且，所述第一叶片排(59-1，59-2，59-3)和第二叶片排(29-1，29-2)各包括相应的叶片，叶片的尺寸由所述第一和第二表面之间的间距大致确定。
11．如权利要求10所述的燃气轮机动力装置，其特征为，所述点火装置(85)包括一个电火花发生器(41)，所述孔(25)包括所述燃料输送装置(71)。
12．一种涡轮压气机装置(10)，包括：
一个大体圆形的第一转子(250)，它安装在第一转轴(251)上，所述第一转子包括设有第一同心叶轮叶片排(59-1，59-2，59-3)的第一表面；
一个大体圆形的第二转子(220)，它安装在第二转轴(284)上，所述第二转子包括设有第二同心叶轮叶片排(29-1，29-2)的第二表面，其中，所述第二表面对着所述第一表面，使所述第二同心叶轮叶片排(29-1，29-2)位于所述第一同心叶片排(59-1，59-2，59-3)之间，所述第一转轴(251)与所述第二转轴(284)同心转动；
一个设置在所述第一转子中的大体环状的第一燃烧室(278)，位于所述第一叶片排的选择排之间；
一个设置在所述第二转子中的大体环状的第二燃烧室(277)，位于所述第二叶片排的选择排之间，与所述第一燃烧室反向对齐；
连接于所述第一和第二转轴之间的反转装置(260)，齿轮连接第二转轴(28)，使之与第一转轴反向转动；
燃料输送装置(71)，与所述环状燃烧室连接而向之输送燃料；以及
点火装置(85)，安装在所述环状燃烧室中，用来点燃所述燃料。
13．如权利要求12所述的压气机装置，还包括扩散装置(275)，它安装在所述第一和第二燃烧室相交的共同内空间中。
14．如权利要求13所述的压气机装置，其特征为，所述第一转子包括一大体位于中心的孔(255)，把空气抽吸进所述第一和第二表面之间的空间中；所述第一和第二表面是缠绕的，在它们之间形成最小间距，靠近所述环状室(277，278)；而且，所述第一叶片排和第二叶片排各包括相应的叶片，叶片的尺寸由所述第一和第二表面之间的间距大致确定。
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