高性能燃气轮机的制作方法

专利名称：高性能燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种高性能燃气轮机，具体地说是涉及一种采用离心式压气机和径流式涡轮的燃气发生器的高性能燃气轮机。
在一些，例如车辆用和其他要求发动机的体积小，重量轻、油耗率低的应用领域中，对于作为柴油机的替换物的燃气轮机动力装置的需要，得到证明。实践经验已经表明，实体空间和重量减小是可以采用常规的燃气轮机来取得。然而，当额定功率减小时，简单循环发动机的油耗率变坏已是被公认的事实，并且是已有装置的主要缺点。
过去试图获得燃气轮机动力装置的办法一直是采用许多配备离心和径流部件的不同结构。例如，众所周知的燃气轮机辅助动力装置包括一个双面进气低压离心式压气机和一个串接工作的单面进气高压离心式压气机，以提供燃烧室内燃油燃烧所需的压缩空气和外部使用的放气。来自燃烧室的高温燃气送到驱动压气机和在某种意义上与单轴发动机相一致为外部使用提供轴功率输出的单级径流式涡轮中。
上述不能按满意的部件效率提供足够压比。一直归结为油耗率明显大于相同功率高速柴油机的低压比(即小于12∶1)的小型动力装置。在为克服这些限制的努力中，在工业上典型地采用在最后离心式压气机或二个单面进气的离心级前采用一级或多级轴流式压气机，这些离心压气机与发动机的燃气发生器的常规轴流式涡轮为一体。对于最好的具有这些结构的任何一种的1000马力的燃气轮机。预计油耗率在压比低于15∶1的情况下达到0.45左右。
由于上述常规燃气轮机存在的缺点，本发明的一个目的是提供一种采用径流式涡轮驱动在同一轴上相匹配的离心式压气机部件的，高压比的燃气发生器的燃气轮机。
本发明的又一个目的是提供一种采用油耗率相当于柴油机而保持简单循环结构(即无换热室/蓄热室)的燃气发生器的燃气轮机。
本发明的另一个目的是提供一种特别适用于相对低的功率(一般低于4000马力)和只采用二级压气机的高压比的燃气发生器的燃气轮机。
已有的小型燃气轮机中，上面提到的油耗率变坏已经得以改变。在小型燃气轮机中，目前已具有大的发动机效率(本发明在下面详细加以讨论)。因此，简单循环的燃气轮机在燃料消耗方面至少能与1000马力的高速柴油机相比美。这样一来，本发明对于所有燃气轮机公司采用的常规结构所表明的现有技术来说，在开拓新的发动机方面起到了进步的作用。
本发明大致包括一种燃气轮燃气发生器的流道结构，由下列部件按气流顺序来表征(见

图1)1.作为第一级的，基本上为径流式的双面进气离心式压气机。
2.作为第二级的，单面进气离心式压气机。
3.作为燃气发生器涡轮的，径流式涡轮。
根据本发明的循环采用明显高于常规燃气轮机的压比，具体地说是在较低功率范围，例如在4000马力条件下施压于发动机。因为压比是对效率产生影响的主要因素之一，所以根据本发明的循环将会在较低功率范围内，提供比已有燃气轮机更高的热效率。
根据本发明的燃气发生器的另一个主要特性是，通过部分地仔细调节第一和第二级之间压比的分配，使第一和第二级压气机“匹配”利用径流式涡轮定向驱动“单面转子”内的这些已匹配的压气机，进而使涡轮机、第一级压气机和第二级压气机均以相同的角速度转动，至少得到三个显著的优点第一，径流式涡轮机的机械强度，依照使所有的压气机部件处于最佳状态的比转数，足以使每个离心压气机在接近最佳值的条件下运转，第二，在这些条件下工作的径流式涡轮机在接近特有的最佳比转数值条件下运转，该转数使燃气发生器处于最佳状态。第三，径流式涡轮得到的高圆周速度，导致冲击在涡轮叶片上的高温燃气的滞止温度下降。结果，涡轮流入温度能得以升高，以进一步增大热效率或使涡轮部件的工作寿命能得以延长。
根据本发明，概括地加以叙述，这种结构紧凑的高效率燃气轮机燃气发生器包括能提供整个压比大于15∶1的压气机装置。这种压气机装置包括一台具有一对进口和一个共用出口的第一级双面进气离心式空气压气机。和一台与第一级压气机邻近配置且具有与第一级共用出口相通的进气口同时还有第二级出口的第二级单面进气离心式空气压气机。和一个能使第一和第二级呈机械式相互连接，能以相同的角速度转动的轴组件。这种燃气发生器还包括与第二级出口气动连接，以接收高压空气和利用高压空气使燃油燃烧以产生燃气的燃烧室装置。这种燃气发生器仍然采用一台具有进口和出口的单级径流式涡轮，该涡轮直接与轴组件驱动装置连接，而且还与在该涡轮机进口处接收气流的燃烧室装置连接，燃烧气体部分膨胀驱动第一和第二级压气机。排气装置是与涡轮出口气动相连，以便输送为进一步膨胀作功已部分膨胀的燃气。第一级压气机的压比明显大于第二级压气机压比的二倍。第一级双面进气压气机的进口马赫数大于1.4，而第一和第二级压气机的比转数均接近于它们的最佳值且每个都大于0.60。
跨接第一和第二级压缩机的燃气发生器的整个压比最好大于20∶1，并且当第二级压气机的压比在2∶1和4∶1之间时，第一级压气机的压比在6∶1和9∶1之间。
另一最佳方案是每个压气机的比转数范围约为0.65-0.80，同时涡轮部件的比转数范围约为0.5-0.75，从而压气机和涡轮的效率接近它们的峰值。
再一个最佳方案是在稳定状态运行过程中，第一级输出的所有的高压空气基本上由第二级压气机所接收，而第二级压气机输出的所有高压空气基本上由燃烧室所接收。
还有，本发明的单面转子，二级高性能压气机装置，概括地包含一个双面进气离心式压气机第一级。
单面进气离心压气机第二级，第二级压气机是气动连接第一级压气机以接收其输出的气体。
和一个使第一级和第二级压气机均同轴安装能以相同速度相依转动的轴组件。整个压气机装置的所有压比大于15∶1，第一级压气机的压比大于第二级压气机的压比约二倍，而第一和第二级压气机的比转数均大于0.60。
压气机装置最好包括一个安装在轴组件上，能以相同速度驱动第一级和第二级压气机的单级径流式涡轮，该涡轮的比转数的范围为0.50-0.75。
在本说明之中并构成说明书一部分的附图显示出了本发明的一个实施例，和说明部分一起用来说明本发明的有关原理。
图1是根据本发明的燃气轮机燃气发生器的横截面示意图。
图2A和2B是效率改善的简图，效率的改善是由于采用根据本发明制造的燃气发生器中的压气机部件和涡轮机部件与这些部件的比转数相匹配的结果。
现在，结合附图对本发明的最佳实施例作出详尽地说明。
本发明的燃气发生器包括能提供整个压比大于15∶1，并配备有一对进口和一个单一出口的双面进气第一级离心式低压压气机装置。正如下面和图1所描述的本发明实例，本发明的最佳实施例，是由10所示的一种燃气轮机燃气发生器，该发生器的压气机装置12包括第一级低压压气机14。第一级压气机14包括有为使轴组件20转动而配置的压气机转子18和成对轴向对置的分别由箭头22、24所示的流动通路的双面进气的压气机外设组件16。第一级压气机14还包括周围壳体26，它限定一对使空气朝向转子18上的压气机叶片组件32、34的对称流动，轴向对置的进口28、30。正在审理的申请案S·N577359公开了一种特别适用于本申请的改进的双面进气压气机。
双面进气压气机组件16有一个单独的与扩压器组件38气动连接的环形径向的压气机出口36。扩压器组件38接收从出口36出来的高速空气并把高速空气转变成高压低速空气，以便最终传送到高压压气机40进而送到燃烧室60。扩压器组件38可以用歧管组件(未表示出)置换，以保持一部分离开出口36的空气动压头。正在审理的申请案S·N·577383公开了一种可改变几何形状的扩压器装置，该扩压器装置可以有利地被采用于扩压器组件38中。
参照图1，扩压器组件38配置有一个收集已扩压了的空气的环形进气增压系统42。对于在图1中所示的实施例，进气增压系统42与跨越管道44气动连接，管道44依次与下面会详尽讨论的高压压气机40的进口进气增压系统46气动连接。其它的跨越管道布置包括正在审理的申请案S·N·610580叙述的结构是能被采用的，该种结构提供了辅助结构的和部件性能的优点。
根据本发明，压气机装置还包括接近于第一级压气机且具有一个单独进口和一个单独出口的第二级高压离心式压气机。正如下面和图1中所示的实施例，压气机装置12进一步包括具有限定压气机进口50，以接收来自进口进气增压系统46的高压空气的壳体48的，单面进气径流式压气机的高压压气机40。该高压压气机壳体48还限定着通过第二级扩压器组件56与燃烧室供给进气增压系统54气动接通的第二级压气机出口。高压压气机转子58配置在壳体48内，并安装在轴组件20上以便转动。因此压缩空气流动通路从双面进气圧气机外设组件16的收集进气增压系统出发，经跨越管道44到高压压气机进口的进气增压系统，通过高压压气机转子58进入燃烧室供给进口增压系统54。
另外，根据本发明，第一级和第二级压气机的压比的选择是在第一低压级中的压比大于第二高压级压比约二倍。此外，选择第一级压气机的流动通路的尺寸要提供如下面会详细说明的那样，与上述级选择的压比相一致的合适比转数。正如在该实施例中那样，所有跨越第一和第二级压气机的压比约均大于15∶1，其第一级压气机14的压比范围约为6∶1至9∶1，第二级压气机40的压比范围约为2∶1至4∶1。相对低的第二级压比力求保持第二级比转数尽可能的高(见下面讨论)。
这种典型的叶轮尖部的进口马赫数在第一级压气机进口28、30处约为1.4或者更大一些，并在额定功率运行时发生在叶片32、34前缘的外部叶尖处。虽然马赫数大于1.0会在压气机进口产生激波，但它们是相当弱的斜激波，不会严重地影响所有性能。本发明的设计基本原理是，有关控制压气机部件的比转数要比保持低进口马赫数更为重要，这是对现有技术中常规设计实践的一种改变。
泵，压气机和涡轮的部件效率很大程度上取决于最好比转数的选择。这是速度-流量-功的相互关系，这种关系在上述特殊部件中提供最有效的能量转换。比转数(Ns)定义如下NS=ωQ〔 △ H 〕0.75]]>其中ω为转动速度弧度/秒Q为容积流动速率 m3/秒△H为比功率瓦特/公斤/秒已经发现的是，要满足本发明高压比条件下两级压气机均合适的比转数的要求，第一和第二级压气机的压比分配是关键。然而，这二个意外高的优点在于，所有压气机部件特性能使径流式涡轮部件处于接近其最佳比转数条件下运行。这种匹配无需采用单面转子装置而实现，使压气机14和40均由涡轮66直接驱动。这些条件提供了一种如图1所示的燃气发生器那样的高效率高性能的简单循环的燃气发生器。
根据本发明，燃气发生器还包括燃烧室装置，它与用来接收高压空气和利用高压空气产生燃烧气体使燃油燃烧的第二级压气机的出口气动连接。正如本实施例那样，二个燃烧室60通过双壁涡轮进口歧管62与进气增压系统54气动接通(在图1中仅示出一个燃烧室)。燃烧室的数量不限，如在正在审理的申请案S·N610585中采用多个无循环横截面的燃烧室。在稳定状态运行时，从第二级压缩机40出来的所有高压空气，除用于冷却或密封目的之外，最好经进气增压系统54和位于歧管62各壁之间，引向燃烧室60。
根据本发明，燃气发生器还进一步包括一个具有一个进口和一个出口的单级径流式涡轮，该涡轮呈运行连接，直接驱动其上装有压气机的轴组件，并与能在该涡轮进口处接收部分膨胀的燃气的燃烧室装置呈气动连接。正如本实施例所指出的那样，燃气发生器10包括其涡轮转子68具有带叶尖70a的叶片70的径流式涡轮66。该涡轮机66接收从燃烧室60出来通过涡轮机进口喷咀组件72经涡轮进口歧管62的高温燃气。涡轮转子68直接与轴组件20联接，使高压压气机40的转子58和低压压气机14的转子18均转动。正在审理的申请案S·N610580提供了特别适用于轴组件20的装置部件。
根据本发明，燃气发生器还包括排气装置，该排气装置与涡轮机的出口气动连接以便引导部分膨胀燃气对外进一步膨胀作功。正如本实施例所指出的那样，燃气发生器10包括呈运行连接的歧管74，以便接收从涡轮出来的部分膨胀过的燃气，沿管道输送到自由涡轮装置90或自由喷射推进装置92(图1A)，进一步使涡轮机66出来的燃烧排气作功膨胀。自由涡轮装置90可以有一级或多级。(图1中示出了二级)。
在图2中，示出了根据本发明设计的燃气发生器的二级压缩机和径流式涡轮的比转数曲线。这种燃气发生器的所有压比大于20∶1，采用压比约为9∶1，其进口马赫数大于1.4的双面进气离心式压气机，和压比约为3.5∶1(即比第一级的压比小50%)的第二级单面进气离心式压气机。正如所看到的那样，径流式涡轮效率的峰值接近于二个压气机级同时在作为燃气发生器组成部分的同一轴运转时效率的峰值。这在图2中由“A”所指明的区域表示出来，该区域包括压气机的比转数范围约为0.65～0.85，而径流式涡轮的比转数范围约为0.50～0.75。
区域“B”标明，由于假定的可供选择的低压“第一级”是根据现有技术的高压比燃气发生器的启示做成的，并接有一个或多个轴流级或一个单面进气离心压缩机的第二级离心压缩机，正好落在其最佳范围之下。图2还指示了径流式燃气发生器的涡轮如果它不得不与较低比转数压气机相匹配，就会落在其最佳范围之下。另外，因为根据本发明的所有燃气发生器流动通路的转动部件是在高的且最佳比转数条件下运转，各转子的实际尺寸变小而且造价便宜。还有，转子组件惯性变小，会易于快速启动。
双面进气第一级压气机将提供相当于具有可比较尺寸的单面进气压气机的两倍的流量。在稳定状态运行条件下，当空气在第一级中被压缩到设计量时，后者的流动通路的几何形状会适应整个第一级被压缩气体的流动速率。然而，在起动时和第一级容积流量减少到设计量之前，第二级压气机不会“耗尽”大于设计的容积流量。
因此，最好配备在起动条件下抽吸来自第一级压气机的被压缩的空气的装置，清除第二级压气机的被抽吸空气。正如本实施例所指出的并在图1中用筒图绘出的那样，抽吸管道76是与跨越管道44连接，当阀门78在起动时致动时，接收来自第一级压气机14的被压缩的空气。所示的自动控制器80和控制阀门78，而手动装置可以置换控制器80。本技术领域的技术人员能够容易地选择适当的装置，达到由本发明给定的控制器80的功能。被抽吸的空气能简单地排放到如图1所示的大气中。
本发明和现有技术之间存在奥妙的差异。本结构提供了一个预想不到的首次在低于1000马力的燃气轮机中获得高于20∶1的压比的可能，该结构已通过一定范围的比转数、整个压比以及另一个机械和气动相匹配的驱动元件即径流式燃气发生器涡轮相连接的第一和第二级压气机之间描述了，这种可能一直是整个飞机发动机和涡轮发动机工业所监视的，正如ROLLSRoyceEuropeanSymposium发表的一篇文章中所证明的那样，该篇文章的著者是PhilipG·Ruffles，题名为“小型发动机技术”，发表在AeronauticalJournaloftheRoyalAeronauticalSociety，1984.1～2。其中对这种发动机的最高予期的压比为14∶1～16∶1。
由于径流式涡轮的可能高的园周速度，例如本发明中为700米/秒，冲击在涡轮叶尖70a上的燃气的滞止温度和因此而具有的涡轮金属温度比暴露于相同喷咀进口温度的轴流涡轮温度要低很多(低100～200℃)。因此，本发明中径流式涡轮的高的叶尖速度，由于受压气机要求的规定，实际上从较低的金属温度的观点看，它给出了一种额外的优点。这就能够与本发明的高压比组合一起采用较高的涡轮进口温度，得到很低的油耗率。本发明的高压比循环能够在工质的燃烧温度高达1200℃时获得高的热效率而无需在涡轮转子内配置冷却系统。在这种温度的条件下，所有的现有轴流式涡轮都是需要冷却的。当本发明的燃气发生器的压比在20∶1以上的，为使效率进一步得到改善，希望对径流式涡轮冷却或采用非金属的转子材料，即使热效率不会被改善，为了提高比功率也可以进行冷却。
正如现在所预料的那样，在图1中所叙述的燃气发生器能理想地在整个压比为20∶1的左右工作，在空气流量为40磅/秒和涡轮进口温度高于2200°F的条件下，产生相当于700马力的轴功率，具有35%左右的热效率和采用燃气发生器涡轮膨胀比约为5.0∶1。涡轮转子速度接近92000rpm，相当于涡轮叶尖速度750米/秒左右。重要地是，这种被喷射的等效发动机油耗率约为0.5～0.40磅/马力/小时，该值相当于现有技术换热式燃气轮机的燃气发生器。采用该燃气发生器的发动机的比重量仅约为可相比较的柴油机比重量的10%。
至此，上述热效率只是在很大的(即＞30000马力)采用轴流式燃气轮或在较小的采用较低压比并使用换热器/蓄热器的动力部件中得到的。当然，低速柴油机会有较好的热效率，但是，从尺寸和重量的观点看是显然不利的。
对于本技术领域的技术人员来说，显然能够在不背离本发明的构思前提下对本发明的燃气轮机燃气发生器装置作出各种不同的改型。
权利要求
1.一种燃气轮机，包括(A)高效率单转子燃气轮机燃气轮机，它具有a)能提供整个压比大于15∶1的压气机装置，该压气机装置包括(1)具有一对进口和一个共用出口的第一级双面进气离心式空气压气机，(2)与第一级压气机相通配置的第二级离心式空气压气机，该第二级离心式空气压气机的一进口是与第一级共用出口气动连接且具有一个第二级出口，(3)能使第一级和第二级相互呈机械式连接以相同角速度转动的轴组件，b)与第二级出口呈气动方式连接以便接收压缩空气且利用压缩空气使燃油燃烧产生燃气的燃烧室装置，c)一台具有一个进口和一个出口的单级径流式涡轮，该涡轮直接与轴组件驱动装置呈运行方式连接，且与能在该涡轮进口接收部分膨胀的燃气的燃烧室装置气动连接，d)与为了引导部分膨胀的燃气进而外部作功膨胀的，上述涡轮出口气动连接的排气装置，其特征在于(1)所述第一级压气机的压比大于所述第二级压气机压比的两倍，(2)所述第一和第二级压气机的比转数各自接近于它们的最佳值且均大于0.60，(B)与所述排气装置相关联以便使所述部分膨胀燃气作功的装置。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于所述作功装置是一台自由涡轮。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于所述作功装置是一个出口喷嘴。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于第一和第二级压气机的比转数均落在0.65和0.85之间。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于跨越第一和第二级压气机的整个压比大于20∶1。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于第一级压气机的压比在6∶1和9∶1之间。
7.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于第二级压气机的压比在2∶1和4∶1之间。
8.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于从第二级压气机出来的所有压缩空气基本上被所述燃烧装置所接收。
9.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于第一和第二级压气机是与所述径流式涡轮共轴的，而所述的涡轮以大于700米/秒的圆周速度运转。
10.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于所述的第一级双面进气压气机的相对叶轮叶尖进口马赫数大于或等于1.4。
11.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于包括能在各种起动状态时，导流一部分从所述第一级压气机排出的压缩空气的装置。
12.根据权利要求4所述的燃气轮机，其特征在于所述径流式涡轮的比转数的范围在0.50和0.75之间。
13.根据权利要求1所述的燃气轮机，其特征在于所述径流式涡轮的比转数的范围在0.5和0.75之间。
14.根据权利要求12所述的燃气轮机，其特征在于跨越所述第一和第二级压气机的所有压比大于20∶1。
15.根据权利要求12所述的燃气轮机，其特征在于第一级压气机压比在6∶1和9∶1之间。
16.根据权利要求12所述的燃气轮机，其特征在于所述第二级压气机压比在2∶1和4∶1之间。
全文摘要
一种高性能燃气轮机，其结构紧凑高效率单转子燃气轮机燃气发生器采用双面进气离心式第一线压气机，单面进气离心式第二级压气机和径流式涡轮机，达到整个压比大于15∶1，第一线压比大于第二级压比的两倍，第一级进口马赫数约大于1.4，每台压气机的比转数范围约为0.65到0.85，涡轮的比转数范围约为0.50到0.75。
文档编号F02C3/09GK1045843SQ9010257
公开日1990年10月3日 申请日期1986年8月4日 优先权日1986年8月4日
发明者R·简·莫威尔 申请人:孔斯堡兵器制造公司