专利名称：带轴流式入口和出口的具有主、闸转子的正位移旋转构件的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及正位移(positive displacement)旋转机械和发动机以及它们的 构件，且更具体地涉及具有主转子和闸转子(gaterotor)的这类机械和构件。
背景技术：
轴流式正位移旋转机械已用于泵、涡轮、压縮机和发动机，且通常被称作为螺杆 泵、螺杆式涡轮和螺杆式压縮机。已公开的是，具有主转子和闸转子的正位移旋转机械可用 于涡轮和压縮机。轴流式涡轮机通常使用沿径向装有叶片的构件，例如在各种类型的燃气 涡轮发动机中的风扇、压縮机和涡轮。轴流式涡轮机在使用能量做功或从工作流体中获取 能量方面具有广泛的应用范围，因为轴流式涡轮机有向给定前区(frontal area)提供高的 质量流速和连续的接近稳定的流体流的综合能力。涡轮机设计者的目标在于提供重量轻且 紧凑的涡轮机构件或机械和发动机。另一个目标在于使涡轮具有尽可能少的零件，以降低 制造、安装、整修、检修和更换构件或机械的成本。
发明内容
轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件包括从全轴流式入口向下游延伸至轴向间 隔开的轴流式出口的转子组件，且包括主转子和一个或多个闸转子。主转子和闸转子可分 别围绕主转子和闸转子的大致平行地偏离的主轴线和闸轴线旋转。主转子和闸转子具有分 别围绕主轴线和闸轴线巻绕的相互啮合的主螺旋叶片和闸螺旋叶片，且主螺旋叶片和闸螺 旋叶片从界定为围绕主轴线和闸轴线的环形主轮毂和环形闸轮毂沿径向向外地延伸。
构件的一个示例性实施例包括分别在包绕转子组件的壳体与主轮毂和闸轮毂之 间径向地延伸的相交的主环形开口和闸环形开口。齿轮装置(gearing)使主转子和闸转子 一起同步。 主螺旋叶片的中央部分沿轴向和向下游延伸，且具有从主轮毂沿径向向外地测得 的全径向高度。入口过渡段位于中央部分的轴向前方和上游。在入口过渡段中，主螺旋叶 片在下游方向上从O径向高度过渡到完全展开的叶片轮廓，该完全展开的叶片轮廓具有从 主轮毂沿径向地所测得的全径向高度。 构件可具有在中央部分的轴向后方和下游的出口过渡段，其中，主螺旋叶片在下 游方向上从具有全径向高度的完全展开的叶片轮廓过渡到从主轮毂沿径向地所测得的O 径向高度。 主螺旋叶片和闸螺旋叶片可在流路中旋转，该流路沿径向设置在主轮毂和闸轮毂 与壳体之间，且从轴流式入口沿轴向向下游延伸至轴流式出口。流路以向下游的串流关系 包括设置在入口过渡段中的入口流路段、环形中央流路段，以及设置在出口过渡段中的出 口流路段。入口流路段的环形入口面积小于入口流路段的环形出口面积。出口流路段还可 具有在下游方向上减小的环形截面面积。 转子组件的主螺旋叶片分别在转子组件的第一段和第二段中具有不同的第一主
5扭转斜率(slope)和第二主扭转斜率，而闸螺旋叶片分别在该第一段和第二段中具有不同 的第一闸扭转斜率和第二闸扭转斜率。 轴流式正位移燃气涡轮发动机构件的一个实施例为轴流式正位移燃气涡轮发动 机的压縮机，其中，第一主扭转斜率和第一闸扭转斜率分别小于第二主扭转斜率和第二闸 扭转斜率。轴流式正位移燃气涡轮发动机构件的另一实施例为轴流式正位移燃气涡轮发动 机的涡轮，其中，第一主扭转斜率和第一闸扭转斜率分别大于第二主扭转斜率和第二闸扭 转斜率。
图1为具有主转子和一个闸转子的轴流式入口正位移压縮机的透视图。 图2为图1中所示压縮机的转子组件的主转子和闸转子的从前向后看的透视图。 图3为图1中所示的转子组件的主转子和闸转子的从后向前看的透视图。 图4为经过图2中所示转子组件的第一压縮段和第二压縮段的主转子和闸转子的
从上向下看的透视图。 图5为图2中所示转子组件的压縮段中的主转子的从侧面看的透视图。 图6为图2中所示转子组件的压縮段中的闸转子的从侧面看的透视图。 图7为图2和图3中所示压縮机的具有三个螺旋叶片或叶型件的主转子和具有四
个螺旋叶片或叶型件(lobe)的闸转子的叶片布置(blading)的截面图。 图8为具有主转子和两个闸转子的转子轴流式入口正位移压縮机的压縮段的透视图。 图9为图8中所示转子组件的主转子和两个闸转子的透视图。 图10为图8和图9中所示压縮机入口过渡段中主转子螺旋叶片的扫掠前缘向下
游看的透视图。 图11为图10中所示主转子螺旋叶片的扫掠前缘从侧面看的透视图。 图12为图8和图9中所示压縮机的出口过渡段中主转子的螺旋叶片后缘的透视图。 图13为图8中所示的具有带四个螺旋叶片或叶型件的主转子和带三个螺旋叶片 或叶型件的闸转子的转子组件的备选叶片布置的截面简图。 图14为图8中所示的具有带六个螺旋叶片或叶型件的主转子和带四个螺旋叶片 或叶型件的闸转子的转子组件的备选叶片布置的截面简图。 图15为图8中所示的具有带八个螺旋叶片或叶型件的主转子和带五个螺旋叶片 或叶型件的闸转子的备选叶片布置的截面图。 图16为图1中所示的压縮机的转子组件的齿轮装置的截面简图。 图17为图8中所示的压縮机的转子组件的齿轮装置的截面简图。 图18为具有主转子和一个闸转子的轴流式入口正位移膨胀器(e邓ander)的截面简图。 图19为具有主转子和二个闸转子的轴流式入口正位移膨胀器的截面简图。
图20为图18中所示膨胀器入口过渡段中的主转子螺旋叶片的扫掠前缘的从前向 后看的透视图。
图21为图18和图20中所示膨胀器出口过渡段中的主转子螺旋叶片后缘的从前 向后看的透视图。 图22为图22中所示膨胀器出口过渡段中的主转子和闸转子的螺旋叶片后缘的侧 面透视图。 图23为具有两个主转子和一个闸转子的压縮机的转子组件的截面简图。
图24为具有两个主转子和两个闸转子的压縮机的转子组件的截面简图。
图25为图23中所示压縮机的主转子和闸转子的叶片布置的截面图。
图26为带有两个主转子和一个闸转子的压縮机的转子组件的叶片布置的截面 图，该两个主转子和一个闸转子具有不在一个平面中的轴线。零件清单0点3燃气涡轮发 动机的构件7闸转子8燃气涡轮发动机的压縮机9压縮机壳体IO主环形开口 11闸环形开 口 12主转子13第一闸转子14第二闸转子15转子组件16主轴线17主螺旋叶片18闸轴 线19第一闸轴线20入口 21主螺旋面22出口 23第一闸螺旋面24第一压縮段25工作流 体26第二压縮段27第一闸螺旋叶片28入口过渡段29第二闸螺旋叶片30出口过渡段32 第一闸扭转斜率33第二闸螺旋面34第一主扭转斜率35第二闸扭转斜率36第二主扭转斜 率37动力轴39第二闸轴线40流路41截面43 —整圈44两个相邻顶部45主转子流路47 主螺旋边缘48第一闸螺旋边缘49第二闸螺旋边缘50填充空气51主轮毂53第一闸轮毂 55第二闸轮毂57主叶型件58螺旋槽59后缘67闸叶型件68第一闸叶型件69第二闸叶 型件70中央流路段72外轮毂面74环形内壳体面76入口流路段78出口流路段79压縮机 流路80齿轮装置82齿轮箱84齿轮88涡轮90入口轮毂面92圆锥形入口壳体面94圆锥 形出口轮毂面96圆锥形出口壳体面100两个转子的实施例102三个转子的实施例117前 缘124第一膨胀段126第二膨胀段131静止流路170中央部分209涡轮壳体217后缘230 内部后缘段232外部后缘段235点AI环形入口面积AO环形出口面积AC轴向间隙CL壳体 间隙C顺时针CC反时针CA截面面积CD轴向距离CP压縮平面CS圆柱面面积D下游方向 H全径向高度RM主半径RG闸半径
具体实施例方式
本文示出了轴流式入口正位移燃气涡轮发动机的压縮机8(图1至图17中所示)、 涡轮或膨胀器88 (图8至图22中所示)的示例性实施例，它们具有主转子和一个或多个闸 转子，代表具有主转子和一个或多个闸转子的轴流式正位移燃气涡轮发动机构件3。具有主 转子12和一个或多个闸转子7的轴流式正位移燃气涡轮发动机构件设计成用以做功，如将 能量例如经由压縮机8进入到连续流动的工作流体25中，或者从连续流动的工作流体25 中获取能量，如轴流式正位移膨胀器或涡轮。 图1至图7示出了在压縮机壳体9内具有主转子12和闸转子7的轴流式入口正 位移燃气涡轮发动机的压縮机8的示例性实施例。压縮机8具有转子组件15，其包括从全 轴流式入口 20延伸至轴流式出口 22的主转子12和闸转子7。压縮机壳体9包绕主转子 12和闸转子7。图8至图15示出了轴流式入口正位移燃气涡轮发动机的压縮机8的第二 示例性实施例，其中，转子组件15具有从轴流式入口 20延伸至轴流式出口 22的三个转子， 包括主转子12以及第一闸转子13和第二闸转子14。 在图2至图6中所示的是压縮机8的具有主转子12和单个闸转子7的转子组件15。转子组件15包括分别围绕主转子12和闸转子7的平行的主轴线16和闸轴线18巻绕 的相互啮合的主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27。如图2中具体所示，主螺旋叶片17和闸螺 旋叶片27从主轮毂51和闸轮毂53沿径向向外延伸，其中，主轮毂51和闸轮毂53界定为 分别围绕主轴线16和闸轴线18。压縮机8的转子组件15的第一压縮段24和第二压縮段 26具有主螺旋叶片17的不同的第一主扭转斜率34和第二主扭转斜率36，以及闸螺旋叶片 27的不同的第一闸扭转斜率32和第二闸扭转斜率35。扭转斜率对应于本文所述的转子的 螺旋叶片的螺距，且在下文中更为详细地描述。沿轴向且向下游延伸穿过第一压縮段24和 第二压縮段26的主螺旋叶片17的中央部分170具有以从主轮毂51至壳体9沿径向向外 的方式所测得的全径向高度H。 主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27在第一压縮段24和第二压縮段26中的各者内分 别具有恒定的第一主扭转斜率34和第二主扭转斜率36以及恒定的第一闸扭转斜率32和 第二闸扭转斜率35。第一主扭转斜率34和第二主扭转斜率36彼此不同，以及第一闸扭转 斜率32和第二闸扭转斜率35也彼此不同。扭转斜率限定为螺旋元件(如图7中所示的主 叶型件57)的截面41沿轴线如主轴线16的每单位距离的旋转量。如图2和图4中所示， 扭转斜率为360度或2Pi弧度除以沿螺旋元件(例如，如图2中所示的主螺旋叶片17或闸 螺旋叶片27)的相同主螺旋边缘47或闸螺旋边缘48的两个相邻顶部44之间的轴向距离 CD。轴向距离CD为一整圈43螺线的距离。在压縮机中，第一段24中的第一扭转斜率小于 第二段26中的第二扭转斜率。 如图2和图3中所示，压縮机8包括入口过渡段28和出口过渡段30，它们分别定 位在第一压縮段24和第二压縮段26的上游和下游且被设计成用以容纳穿过压縮机8的轴 向流。转子组件15和压縮机8的第一压縮段24和第二压縮段26以向下游的串流关系定 位在入口过渡段28与出口过渡段30之间。在入口过渡段28中，主螺旋叶片17过渡到完 全展开的叶片轮廓，在下游方向D上从0径向高度变为从主轮毂51沿径向向外且在轴向向 下游方向D上所测得的全径向高度H。在出口过渡段30中，主螺旋叶片17从完全展开的叶 片轮廓过渡，在下游方向D上从全径向高度H变为从主轮毂51沿径向地所测得的0径向高 度。入口过渡段28有助于提供经由轴流式入口 20的全轴向流，而出口过渡段30有助于提 供经由轴流式出口 22的全轴向流。 参看图2，流路40沿径向设置在主轮毂51和闸轮毂53与壳体9(图1中所示)之 间，且从轴流式入口 20轴向地向下游延伸至轴流式出口 22。主螺旋叶片17和闸螺旋叶片 27可在流路40内旋转。流路40还包括大致包绕主转子12的主转子流路45，且主螺旋叶 片17可在主转子流路45内旋转。流路40包括对于主转子12的环形中央流路段70。环 形中央流路段70沿径向设置在主轮毂51与壳体9之间，且在入口过渡段28与出口过渡段 30之间轴向地延伸。流路40以向下游的串流关系包括设置在入口过渡段28中的入口流路 段76、设置在第一压縮段24和第二压縮段26中的环形中央流路段70，以及设置在出口过 渡段30中的出口流路段78。 主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27在第一压縮段24和第二压縮段26中具有为全径 向高度H的完全展开的叶片轮廓，且经过第一压縮段24和第二压縮段26与压縮机壳体9 密封接合(图7中示出了主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27与壳体9之间的密封)。主螺旋 叶片17和闸螺旋叶片27分别旋转穿过入口流路段76、环形中央流路段70和出口流路段78。入口流路段76、环形中央流路段70和出口流路段78分别设置在压縮机壳体9与主轮 毂51和闸轮毂53之间。入口流路段76、环形中央流路段70和出口流路段78形成压縮机 流路40，该压縮机流路40从轴流式入口 20轴向地且沿下游方向D延伸至轴流式出口 22。
入口过渡段28显著长于出口过渡段30，因为第一扭转斜率34或螺距显著小于第 二扭转斜率36或螺距(如在图2至图6中很明显)。可构思出不具有出口过渡段30的构 造。 转子组件15在压縮机8工作期间提供了经由入口 20和出口 22的连续流。单独 的填充空气50由第一压縮段24俘获且俘获在其中。如图2至图4中所示，填充空气50的 压縮随着充气(charge)从第一压縮段24穿过在第一压縮段24与第二压縮段26之间的压 縮平面CP传递至第二压縮段26而发生。因此，全部填充空气50在其处于第一压縮段24 和第二压縮段26 二者中时都受到压縮。 第一压縮段24设计成用以包封填充空气50的全部体积，并使其与轴流式入口 20 和轴流式出口 22隔离开。 一旦俘获到，则流体填充空气50便穿过压縮平面CP进入用作排 放区域的第二压縮段26中，而充气体积的轴向尺寸会减小且径向尺寸可能也会减小。流体 填充空气50然后从第二压縮段26下游的出口过渡段30排放到图1和图2中所示的静止 流路131中。在出口马赫数足够低的情况下，可省略出口过渡段30，容许转子急剧地过渡到 静止流路。 主转子和闸转子可围绕其相应的轴线旋转，且可以如图16中所示的固定关系所 确定的转速在不同的圆周方向(顺时针C和反时针CC)上旋转。因此，主转子12和闸转子 7以齿轮连接在一起，以便它们总是以如图1和图4中所示以及在图16中示意性示出的齿 轮箱82中的齿轮装置80所提供的固定的速比和相位关系相对于彼此旋转。主转子12可 围绕主轴线16旋转，而闸转子7可围绕闸轴线18旋转。用以驱动压縮机8的动力可经由 动力轴37进行供给，在图1、图4和图16中，动力轴37示为连接到主转子12上。闸转子7 和主转子12通过齿轮箱82中的齿轮装置80的定时齿轮84以齿轮连接在一起，以提供对 转子适当定时的旋转，且在它们的啮合的主螺旋叶片17与闸螺旋叶片27之间具有最小且 受控的间隙。 图4至图6中分别示出了主转子12和闸转子7以及围绕主轴线16和闸轴线18 巻绕的相互啮合的主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27。主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27分别 具有主螺旋面21和闸螺旋面23。在入口过渡段28与出口过渡段30之间，主螺旋叶片17 从主转子12的环形主轮毂51的环形面CS沿径向向外地延伸。闸螺旋叶片27从闸转子7 的闸轮毂53沿径向向外地延伸。环形面CS和环形主轮毂51示为圆锥形，但也可为诸如圆 柱形的其它形状。 主轮毂51的圆柱面CS在主螺旋叶片17之间轴向地延伸。主螺旋边缘47沿主螺 旋叶片17与闸螺旋叶片27的闸螺旋面23在它们相对于彼此旋转时密封地相接合。闸螺旋 边缘48沿闸螺旋叶片27与主螺旋叶片17的主螺旋面21在它们相对于彼此旋转时密封地 相接合。主轮毂51和闸轮毂53在轴向上为平直的，且界定为围绕主轴线16和闸轴线18。 主轮毂和闸轮毂可为中空的或实心的。 当轴向地观察时，主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27认作是如图7中所示的主叶型 件57和闸叶型件67。图1至图7中所示的示例性压縮机8具有三个主叶型件57和四个闸
9叶型件67。较小的壳体间隙CL保持在压縮机壳体9(图7中的虚线所示)与主转子12和 闸转子7之间。在主转子12与闸转子7之间自身通过如上文所公开的齿轮箱82的定时齿 轮84保持较小的轴向间隙AC(图4中所示)。对于两个转子的组件15而言，闸叶型件的数 目比主叶型件的数目多一个或少一个。主半径RM和闸半径RG分别从主轴线16和闸轴线 18到主转子12的主螺旋叶片17和闸转子7的闸螺旋叶片27的全径向高度H上测得。主 半径RM和闸半径RG可具有大致相等或不等的长度。主半径RM在图7中示为比闸半径RG 更长。 图8中所示的是示例性轴流式入口正位移燃气涡轮发动机的压縮机8，其具有一 个主转子和两个或多个闸转子，且其代表轴流式入口正位移燃气涡轮发动机的构件3。图8 和图9中所示的压縮机8具有主转子12以及第一闸转子13和第二闸转子14。参看图9， 压縮机8具有在入口过渡段28与出口过渡段30之间的第一压縮段24和第二压縮段26。 入口过渡段28、第一压縮段24和第二压縮段26，以及出口过渡段30成向下游的串流关系， 且被设计成用以压縮沿轴向连续地流进且穿过压縮机8的工作流体25。第一段24和第二 段26分别具有不同的第一扭转斜率34和第二扭转斜率36。如上文所述，扭转斜率对应于 转子的螺旋叶片的螺距。 参看图8和图9，在此示出的压縮机8包括转子组件15，该转子组件15具有从轴 流式入口 20延伸至出口 22的主转子12以及第一闸转子13和第二闸转子14。主转子12 具有分别与第一闸转子13的第一闸螺旋叶片27和第二闸转子14的第二闸螺旋叶片29相 互啮合的主螺旋叶片17。主螺旋叶片17从主转子12的环形主轮毂51沿径向向外地延伸， 该环形主轮毂51界定为围绕主轴线16。第一闸螺旋叶片27和第二闸螺旋叶片29从第一 闸转子13和第二闸转子14的环形的第一闸轮毂53和第二闸轮毂55沿径向向外地延伸， 该第一闸轮毂53和第二闸轮毂55分别界定为围绕第一闸轴线19和第二闸轴线39。
参看图8至图12，转子组件15包括入口过渡段28和出口过渡段30，以容纳经过 压縮机8的轴向流。如图10和图11更为具体地示出，主螺旋叶片17具有前缘117，其在入 口过渡段28中过渡到完全展开的叶片轮廓，从0径向高度变为如从主轮毂51和沿下游方 向D所测得的全径向高度H。用语〃 完全展开的叶片轮廓〃 限定为从主轮毂51所测得的全 径向高度H。如图12中更为具体地示出，主螺旋叶片17具有后缘217，其在出口过渡段30 中从完全展开的叶片轮廓过渡，从全径向高度H变为如从主轮毂51所测得的0径向高度。 压縮机8的一个备选实施例并不包括出口过渡段30。 如图10中所示，穿过入口过渡段28的主螺旋叶片17部分为前缘117，且可描述为 螺旋状，且向后或向下游扫掠。扫掠前缘117将进入的质量流平稳地分离到完全展开的转 子通道中。对于使用在转子相对参考系中具有超音速马赫数的高转子轮速度的构件设计而 言，该段可占据整个压縮机或构件长度的并非很小的部分。 图8和图9示出了具有转子组件15的轴流式入口正位移燃气涡轮发动机的压縮 机8，该转子组件15具有从轴流式入口 20延伸至轴流式出口 22的三个转子，包括主转子 12以及第一闸转子13和第二闸转子14。轴流式入口 20包括分别在压縮机壳体9与主轮 毂51和闸轮毂53之间沿径向延伸的相交的主环形开口 IO和闸环形开口 11。流路40沿径 向设置在主轮毂51和闸轮毂53与壳体9之间，且从轴流式入口 20轴向地向下游延伸至轴 流式出口 22。
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流路40包括大致包绕主转子12的主转子流路45，且主螺旋叶片17可经由主转子 流路45旋转。用于主转子12的环形中央流路段70径向地设置在主轮毂51的环形圆柱外 轮毂面72与壳体9的环形内壳体面74之间，且在入口过渡段28与出口过渡段30之间径 向地延伸。主转子流路45以向下游的串流关系包括入口流路段76、环形中央流路段70和 出口流路段78。 在图8和图11中所示用于主转子的入口流路段76经由入口过渡段28在主轮毂 51和闸轮毂53的环形入口轮毂面90与壳体9的环形入口壳体面92之间延伸。环形入口 轮毂面90和环形入口壳体面92示为圆锥形，但也可为诸如圆柱形的其它形状。入口流路 段76具有环形截面面积CA，其沿下游方向D或从前向后的方向增大。因此，入口流路段76 的环形入口面积AI小于入口流路段76的环形出口面积AO。出口流路段78经由出口过渡 段30在主轮毂51和闸轮毂53的环形出口轮毂面94与壳体9的环形出口壳体面96之间 延伸。环形出口轮毂面94和环形出口壳体面96示为圆锥形，但也可为诸如圆柱形的其它 形状。出口流路段78具有环形截面面积CA，其沿下游方向D或从前向后的方向减小。因 此，出口流路段78的环形入口面积大于出口流路段78的环形出口面积AO。入口流路段76 和出口流路段78有助于提供贯穿压縮机8的全轴向流，包括穿过轴流式入口 20和轴流式 出口 22。 参看图8和图11 ，转子组件15和压縮机8的第一压縮段24和第二压縮段26以向 下游的串流关系定位在入口过渡段28与出口过渡段30之间。转子组件15在压縮机8工 作期间提供了经由入口 20和出口 22的连续流。单独的填充空气50由第一段24俘获且俘 获在其中。充气50的压縮随着充气从第一段24传递至第二段26而发生。因此，全部填充 空气50在其分别处于第一段24和第二段26 二者中时都受到压縮。 主转子和闸转子均可围绕其相应的轴线旋转，以及主转子12可以不同于第一闸 转子13和第二闸转子14的圆周方向但以通过固定关系所确定的相同转速旋转。如图16 中所示，主转子12示为可顺时针旋转，而第一闸转子13和第二闸转子14示为可反时针CC 旋转。因此，主转子12、第一闸转子13和第二闸转子14以齿轮连接在一起，使得它们总是 以图17中示意性示出的齿轮装置80所提供的固定的速比和相位关系相对于彼此旋转。用 以驱动压縮机8的动力可经由动力轴37供给，动力轴37示为连接到主转子12上，如图17 中所示。第一闸转子13和第二闸转子14通过齿轮装置80的定时齿轮84以齿轮连接在一 起，以提供对转子适当定时的旋转，且在它们的啮合的螺线状主螺旋叶片17与第一闸螺旋 叶片27和第二闸螺旋叶片29之间具有最小且受控的间隙。 参看图9和图11，主螺旋叶片17具有主螺旋面21，以及第一闸螺旋叶片27和第 二闸螺旋叶片29分别具有第一闸螺旋面23和第二闸螺旋面33。主螺旋叶片17从主转子 12的环形主轮毂51的圆柱面CS沿径向向外地延伸。第一闸螺旋叶片27和第二闸螺旋叶 片29从第一闸轮毂53和第二闸轮毂55沿径向向外地延伸。 主轮毂51的圆柱面CS在主螺旋叶片17之间轴向地延伸。主螺旋边缘47沿主螺 旋叶片17与第一闸螺旋叶片27的第一闸螺旋面23和第二闸螺旋叶片29的第二闸螺旋面 33在它们相对于彼此旋转时分别密封地相接合。第一闸螺旋边缘48和第二闸螺旋边缘49 沿第一闸螺旋叶片27和第二闸螺旋叶片29与主螺旋叶片17的主螺旋面21在它们相对于 彼此旋转时密封地相接合。第一闸轮毂53和第二闸轮毂55分别界定为围绕第一闸轴线19和第二闸轴线39，且界定为围绕闸轴线的闸轮毂在轴向上为平直的。主轮毂和闸轮毂可为 中空的。 在图13中的轴向截面中示出了用于图8和图9中所示转子的叶片构造的主转子 12、第一闸转子13和第二闸转子14。如图13中所示，主转子12、第一闸转子13和第二闸 转子14具有分别对应于主螺旋叶片17以及第一闸螺旋叶片27和第二闸螺旋叶片29的闸 叶型件67、第一转子叶型件68和第二转子叶型件69。壳体9以虚线示出。如果主转子12 具有M个主叶型件57或主螺旋叶片17，以及第一闸转子13和第二闸转子14具有N个第 一转子叶型件68或第一闸螺旋叶片27和N个第二转子叶型件69或第二闸螺旋叶片29， 则N个第一转子叶型件68和第二转子叶型件69就为N = M/2+l，且N和M均为整数。N和 M的这种关系用于三个转子的构造。因此，M = 4而N = 3用于图8、图9和图13中所示的 构造。主转子12、第一闸转子13和第二闸转子14的备选构造以截面形式示为在图14中具 有M = 6而N = 4，而在图15中为M = 8而N = 5。 参看图9，主螺旋叶片17以及第一闸螺旋叶片27和第二闸螺旋叶片29分别在第 一段24和第二段26中具有恒定的第一扭转斜率34和第二扭转斜率36。扭转斜率限定为 螺旋元件(包括图13至图15中所示的闸叶型件67、第一转子叶型件68和第二转子叶型 件69)的截面41在沿轴线(如图9中所示的主轴线16)的每单位距离的旋转量。图9中 示出了主转子截面41旋转360度。 扭转斜率还为360度或2Pi弧度除以沿螺旋元件(例如，如图9中所示的主螺旋 叶片17和闸螺旋叶片27)的相同主螺旋边缘47和闸螺旋边缘48的两个相邻顶部44之间 的轴向距离CD。轴向距离CD为一整圈43螺线的距离。对于压縮机而言，第一段24中的第 一扭转斜率34小于第二段26中的第二扭转斜率36，第二段26中的第二扭转斜率36在图 2中示为用于单个的闸转子构造，但也适用于具有两个或多个闸转子的构造。
图16和图17分别示意性地示出了轴流式正位移压縮机8的两个转子的实施例 100和三个转子的实施例102。如上文所述的两个转子的实施例100具有转子组件15，该转 子组件15具有从轴流式入口 20延伸至轴流式出口 22的主转子12和闸转子7。工作流体 25的轴向流由箭头表示。如上文所述的三个转子的实施例102具有转子组件15，该转子组 件15具有从轴流式入口 20延伸至轴流式出口 22的三个转子，包括主转子12以及第一闸 转子13和第二闸转子14。 图18和图19中示意性地示出了轴流式正位移涡轮或膨胀器88的两个转子的实 施例100和三个转子的实施例102。膨胀器88的两个转子的实施例100具有转子组件15， 该转子组件15具有从轴流式入口 20延伸至轴流式出口 22的主转子12和闸转子7。膨胀 器88的三个转子的实施例102具有转子组件15，该转子组件15具有从轴流式入口 20延伸 至轴流式出口 22的主转子12以及第一闸转子13和第二闸转子14。 膨胀器88的第一膨胀段124和第二膨胀段126分别具有主螺旋叶片17和闸螺旋 叶片27的不同的第一扭转斜率34和第二扭转斜率36。主螺旋叶片17和闸螺旋叶片27分 别在第一膨胀段124和第二膨胀段126中的各者内具有第一扭转斜率34和第二扭转斜率 36。在膨胀器88中，第一膨胀段124中的第一扭转斜率34大于第二膨胀段126中的第二 扭转斜率36，这正好与压縮机8相反。动力经由动力轴37从膨胀器88中获取，如图17和图18中所示，动力轴37示为连接到主转子12上且从主转子12向后或向下游延伸，但也可从主转子12向前或向上游延 伸。闸转子通过齿轮装置80的定时齿轮84连接到主转子上，以提供对转子适当定时的旋 转，且在它们的啮合的主螺旋叶片17与第一闸螺旋叶片27和第二闸螺旋叶片29之间具有 最小且受控的间隙。 如图21中所示，对于图18中所示的两个转子的实施例100而言，膨胀器88具有 入口流路段76和轴流式入口 20，轴流式入口 20包括分别限定在膨胀器壳体209与主转子 12的主轮毂51和闸转子7的闸轮毂53之间的相交的主环形开口 10和闸环形开口 11中。 在此所示的膨胀器还具有带有图21和图22中所示的出口流路段78的轴流式出口 22。图 20中所示的入口流路段76经由入口过渡段28在主转子12和闸转子7的相应的主轮毂51 和闸轮毂53的环形入口轮毂面90与壳体209的环形入口壳体面92之间轴向地延伸。环 形入口轮毂面90和环形入口壳体面92示为圆锥形，但也可为诸如圆柱形的其它形状。入 口流路段76具有环形截面面积CA，其沿下游方向D或从前向后的方向增大。因此，入口流 路段76的环形入口面积AI小于入口流路段76的环形出口面积AO。 在入口过渡段28中，主螺旋叶片17过渡到完全展开的叶片轮廓，在下游方向D上 从0径向高度变为从主轮毂51沿径向向外且在轴向向下游方向D上所测得的全径向高度 H。闸螺旋叶片27过渡到完全展开的叶片轮廓，在下游方向D上从0径向高度变为从闸轮 毂53沿径向向外且在轴向向下游方向D上所测得的全径向高度。 图21和图22中所示的出口流路段78经由出口过渡段30在主转子12和闸转子7 的相应的主轮毂51和闸轮毂53的环形出口轮毂面94与膨胀器壳体209的环形出口壳体 面96之间轴向地延伸。环形出口轮毂面94和环形出口壳体面96示为圆锥形，但也可为诸 如圆柱形的其它形状。出口流路段78具有环形截面面积CA，其沿下游方面D或从后向前 的方向减小。因此，出口流路段78的环形入口面积AI大于出口流路段78的环形出口面积 AO。入口流路段76和出口流路段78有助于提供贯穿膨胀器88的全轴向流，包括穿过轴流 式入口 20和轴流式出口 22，但在流出轴流式出口 22的轴向流中或会存在少量或残余的旋 流。 在出口过渡段30中，主螺旋叶片17从完全展开的叶片轮廓过渡，在下游方向D上 从全径向高度H变为从主轮毂51沿径向向外且在轴向向下游方向D上所测得的0径向高 度。闸螺旋叶片27也从完全展开的叶片轮廓过渡，在下游方向D上从全径向高度H变为从 主轮毂51沿径向向外且在轴向向下游方向D上所测得的0径向高度。
如图21中所示，延伸穿过出口过渡段30的主螺旋叶片17的后缘217可描述为螺 旋状，且向后或向下游扫掠。扫掠后缘217有助于防止分离和防止涡流离开螺旋叶片端部。 闸螺旋叶片27也具有扫掠后缘217，但它们在形状上与如图21中所示的主螺旋叶片17的 扫掠后缘217不同。 闸螺旋叶片27的后缘217在图21和图22中示为在上游方向上弯曲，与下游方向 D的相反。这些向上游弯曲的后缘217具有径向内部后缘230和径向外部后缘232，该径向 内部后缘230和径向外部后缘232沿着径向地定位在闸轮毂53与膨胀器壳体209之间的 后缘217在向下游方向上远离点235向后扫掠。 在气体环境中，高马赫数可限制高轮速工作。例如，0.5的进气马赫数和等级为 1000ft/sec(英尺/秒)的修正的轮速将产生超音速的相关的叶片入口马赫数。期望的是以甚至高于1000ft/sec的轮速工作，因为此时可縮短机械或构件。当入口相关的马赫数接 近音速时，入口冲击和堵塞的因素将严重地限制利用平面转子端部进行高速工作的益处。 经过入口出口流路段76的扫掠前缘有助于避免这些问题。 轴流式正位移发动机构件提供在每个前区具有高质量流且具有高效压縮和膨胀 的潜力的发动机设计。正位移构件设计还可提供与转速成比例的容积质量流速，以及在较 宽速度范围内的几乎恒定的压力比。这种结合对于压縮、燃烧和膨胀的热力学过程提供了 优于竞争性涡轮机构件的改善构件和系统性能水平的机会。 如图23至图26中所示，对于涡轮或膨胀器88而言，本文所公开的轴流式正位移 燃气涡轮发动机的构件3可具有一个以上的主转子。图23中示出了在转子组件15中具有 两个主转子12和一个闸转子7的第一构造。在图24中示出了在转子组件15中具有两个 主转子12和两个闸转子7的第二构造。在图25中以轴向截面示出了在转子组件15中具 有两个主转子12和一个闸转子7的第一构造的叶片布置。图23和图25还示出了主转子 12和闸转子7的所有主轴线16和闸轴线18都是共面的。作为备选，如图26中所示，主转 子12和闸转子7的主轴线16和闸轴线18可不在一个平面上但为平行的。
尽管本文已描述了认作是本发明的优选实施例和示例性实施例的内容，但本领域 的技术人员根据本文的教导内容将会清楚的是，本发明可进行其它修改，且因此期望将落 入本发明的实质精神和范围内的所有这些修改都在所附权利要求中得到保护。因此，期望 通过专利证书进行保护的是如权利要求中所限定和加以区分的本发明。
权利要求
一种轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，包括转子组件(15)，其从全轴流式入口(20)延伸至下游的轴向地间隔开的轴流式出口(22)，所述转子组件(15)包括主转子(12)和一个或多个闸转子(7)，所述主转子(12)和所述闸转子(7)可分别围绕所述主转子(12)和所述闸转子(7)的平行的主轴线(16)和闸轴线(18)旋转，所述主转子(12)和所述闸转子(7)具有分别围绕所述主轴线(16)和所述闸轴线(18)卷绕的相互啮合的主螺旋叶片(17)和闸螺旋叶片(27)，以及所述主螺旋叶片(17)和所述闸螺旋叶片(27)从界定成围绕所述主转子(12)的主轴线(16)和所述闸转子(7)的闸轴线(18)的环形主轮毂(51)和环形闸轮毂(53)沿径向向外地延伸。
2. 根据权利要求l所述的轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，其特征在于，所述 构件(3)还包括所述主螺旋叶片(17)的中间部分(170)，其沿轴向和向下游延伸，且具有从所述主轮毂(51)沿径向向外地所测得的全径向高度(H)，在所述中央部分(170)的轴向前方和上游的入口过渡段(2S)，以及所述主螺旋叶片(17)在所述入口过渡段(28)中从O径向高度过渡到完全展开的叶片轮廓，所述完全展开的叶片轮廓具有在下游方向(D)上从所述主轮毂(51)沿径向地所测得的全径向高度(H)。
3. 根据权利要求l所述的轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，其特征在于，所述 构件(3)还包括在所述中央部分(170)的轴向后方和下游的出口过渡段(30)，以及 所述主螺旋叶片(17)在所述出口过渡段(30)中从具有所述全径向高度(H)的完全展 开的叶片轮廓过渡到在下游方向(D)上从所述主轮毂(51)沿径向地所测得的O径向高度。
4. 根据权利要求l所述的轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，其特征在于，所述 构件(3)还包括将所述主转子(12)和所述闸转子(7)以齿轮连接在一起的齿轮装置(80)。
5. 根据权利要求2所述的轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，其特征在于，所述 构件(3)还包括流路(40)，其沿径向设置在所述主轮毂(51)和所述闸轮毂(53)与所述壳体(9)之间， 且从所述轴流式入口 (20)沿轴向向下游延伸至所述轴流式出口 (22);所述主螺旋叶片(17)和所述闸螺旋叶片(27)可在所述流路(40)内旋转；所述流路(40)以向下游的串流关系包括设置在所述入口过渡段(28)中的入口流路段 (76)、环形中央流路段(70)，以及设置在所述出口过渡段(30)中的出口流路段(78)，以及所述入口流路段(76)的环形入口面积(AI)小于所述入口流路段(76)的环形出口面 积(AO)。
6. 根据权利要求5所述的轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，其特征在于，所述 构件(3)还包括具有沿所述下游方向(D)减小的环形截面面积(CA)的出口流路段(78)。
7. 根据权利要求l所述的轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，其特征在于，所述 构件(3)还包括所述转子组件(15)的主螺旋叶片(17)，其分别在第一段(24)和第二段(26)中具有不同的第一主扭转斜率(34)和第二主扭转斜率(36);以及所述转子组件(15) 的闸螺旋叶片(27)，其分别在所述第一段(24)和所述第二段(26)中具有不同的第一闸扭 转斜率(32)和第二闸扭转斜率(35)。
8. —种轴流式正位移燃气涡轮发动机的压縮机(S)，包括转子组件(15)，其从全轴流式入口 (20)延伸至下游的轴向地间隔开的轴流式出口 (22)，所述转子组件(15)包括主转子(12)和一个或多个闸转子(7)，所述主转子(12)和所述闸转子(7)可分别围绕所述主转子(12)和所述闸转子(7)的 平行的主轴线(16)和闸轴线(18)旋转，所述主转子(12)和所述闸转子(7)具有分别围绕所述主轴线(16)和所述闸轴线(18) 巻绕的相互啮合的主螺旋叶片(17)和闸螺旋叶片(27)，所述主螺旋叶片(17)和所述闸螺旋叶片(27)从界定为围绕所述主转子(12)的主轴 线(16)和所述闸转子(7)的闸轴线(18)的环形主轮毂(51)和环形闸轮毂(53)沿径向向 外地延伸，所述转子组件(15)的主螺旋叶片(17)分别在第一段(24)和第二段(26)中具 有不同的第一主扭转斜率(34)和第二主扭转斜率(36)，以及所述转子组件(15)的闸螺旋 叶片(27)分别在所述第一段(24)和所述第二段(26)中具有不同的第一闸扭转斜率(32) 和第二闸扭转斜率(35)，以及所述第一主扭转斜率(34)和所述第一闸扭转斜率(32)分别小于所述第二主扭转斜率 (36)和所述第二闸扭转斜率(35)。
9. 一种轴流式正位移燃气涡轮发动机的膨胀器(S8)，包括转子组件(15)，其从全轴流式入口 (20)延伸至下游的轴向地间隔开的轴流式出口 (22)，所述转子组件(15)包括主转子(12)和一个或多个闸转子(7)，所述主转子(12)和所述闸转子(7)可分别围绕所述主转子(12)和所述闸转子(7)的 平行的主轴线(16)和闸轴线(18)旋转，所述主转子(12)和所述闸转子(7)具有分别围绕所述主轴线(16)和所述闸轴线(18) 巻绕的相互啮合的主螺旋叶片(17)和闸螺旋叶片(27)，所述主螺旋叶片(17)和所述闸螺旋叶片(27)从界定为围绕所述主转子(12)的主轴 线(16)和所述闸转子(7)的闸轴线(18)的环形主轮毂(51)和环形闸轮毂(53)沿径向向 外地延伸，所述转子组件(15)的主螺旋叶片(17)分别在第一段(24)和第二段(26)中具 有不同的第一主扭转斜率(34)和第二主扭转斜率(36)，以及所述转子组件(15)的闸螺旋 叶片(27)分别在所述第一段(24)和所述第二段(26)中具有不同的第一闸扭转斜率(32) 和第二闸扭转斜率(35)，以及所述第一主扭转斜率(34)和所述第一闸扭转斜率(32)分别大于所述第二主扭转斜率 (36)和所述第二闸扭转斜率(35)。
10. —种轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件(3)，包括转子组件(15)，其从全轴流式入口 (20)延伸至下游的轴向地间隔开的轴流式出口 (22)，所述转子组件(15)包括一个或多个主转子(12)和一个或多个闸转子(7)，所述主转子(12)和所述闸转子(7)可分别围绕所述主转子(12)和所述闸转子(7)的 平行的主轴线(16)和闸轴线(18)旋转，所述主转子(12)和所述闸转子(7)具有分别围绕所述主轴线(16)和所述闸轴线(18) 巻绕的相互啮合的主螺旋叶片(17)和闸螺旋叶片(27)，以及所述主螺旋叶片(17)和所述闸螺旋叶片(27)从界定成围绕所述主转子(12)的主轴 线(16)和所述闸转子(7)的闸轴线(18)的环形主轮毂(51)和环形闸轮毂(53)沿径向向 外地延伸。
全文摘要
本发明涉及带轴流式入口和出口的具有主、闸转子的正位移旋转构件。轴流式正位移燃气涡轮发动机的构件，例如压缩机或涡轮或膨胀器，包括从完全轴流式入口延伸至下游的轴向地间隔开的轴流式出口的转子组件。转子组件包括可分别围绕主转子和闸转子的平行的主轴线和闸轴线旋转的主转子和一个或多个闸转子。主转子和闸转子具有从环形的主轮毂和闸轮毂沿径向向外延伸的相互啮合的主螺旋叶片和闸螺旋叶片，主轮毂和闸轮毂界定为分别围绕主轴线和闸轴线且围绕其卷绕。轴流式入口中的相交的主环形开口和闸环形开口在包绕转子组件的壳体与主轮毂和闸轮毂之间径向地延伸。在入口过渡段中，主螺旋叶片在下游方向(D)上从0过渡至全径向高度(H)。
文档编号F04C18/14GK101769165SQ200910113700
公开日2010年7月7日 申请日期2009年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者K·D·穆罗, R·G·吉芬 申请人:通用电气公司