具有從壓縮機到渦輪的改進的氣流旋轉(zhuǎn)的環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機的中段的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種燃氣渦輪發(fā)動機(310)的中構(gòu)架部分(313)，該中構(gòu)架部分(313)包括具有將氣流(311)以第一角度(372)定向的最末級葉片的壓縮機部段。該中構(gòu)架部分(313)還包括具有接收以第二角度(374)定向的氣流(311)的第一級葉片的渦輪部段。該中構(gòu)架部分(313)還包括將來自于壓縮機部段的氣流(311)直接聯(lián)通至渦輪部段的上游的燃燒室頭部(318)的歧管(314)。該燃燒室頭部(318)在氣流(311)中引入從第一角度(372)到第二角度(374)的偏移角度，使得氣流(311)以第二角度(374)從燃燒室頭部(318)排出。在引入偏移角度的同時，燃燒室頭部(318)至少保持或增大第一角度(372)。
【專利說明】具有從壓縮機到渦輪的改進的氣流旋轉(zhuǎn)的環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機的中段
[0001]關(guān)于聯(lián)邦政府資助開發(fā)的聲明
[0002]本發(fā)明的開發(fā)得到美國能源部予以的DE-FC26-05NT42644號合同的部分支持。因此，美國政府對本發(fā)明可以具有一定的權(quán)利。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明涉及環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機，更具體地說，涉及一種環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機的中構(gòu)架(midframe)部分。
【背景技術(shù)】
[0004]在美國專利N0.7，721，547 ( “’ 547專利”)中討論了環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機的傳統(tǒng)中構(gòu)架設(shè)計，該專利轉(zhuǎn)讓給了本發(fā)明的受讓人，在此引入作為參考。’547專利的圖1被復(fù)制作為本文的圖1，該圖示出了經(jīng)過傳統(tǒng)環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機10的中構(gòu)架部分13的橫截面。燃氣渦輪發(fā)動機10的主要部件是壓縮機部段12、燃燒部段16和渦輪部段48。轉(zhuǎn)子組件17定位于中央并且延伸穿過這三個部段。在工作中，壓縮機部段12通過進氣口(未圖示)接收空氣并且對空氣進行壓縮。已壓縮氣流11從壓縮機部段12傳送到軸向擴散器14，然后氣流11進入外殼19內(nèi)的腔15，在腔15中，總氣流11被分離并且進入環(huán)管式燃燒部段16的多個燃燒室頭部18之一，其中環(huán)管式燃燒部段16以環(huán)形構(gòu)型環(huán)繞轉(zhuǎn)子組件17。
[0005]如圖1所示，壓縮機部段12包括包圍交替的多排靜葉片23和旋轉(zhuǎn)葉片25的圓筒27、29。靜葉片23可以附接至圓筒27，旋轉(zhuǎn)葉片25可以安裝至轉(zhuǎn)子組件17以便與轉(zhuǎn)子組件17 —起旋轉(zhuǎn)。靜葉片23包括最末靜葉片26和位于鄰近壓縮機部段12的出口處的出口導(dǎo)葉28。此外，旋轉(zhuǎn)葉片25包括定位在最末靜葉片26和出口導(dǎo)葉28的上游的最末級葉片24。最末靜葉片26和出口導(dǎo)葉28用于去除離開最末級葉片24的氣流11的絕對切向旋流角(在絕對參考系中相對于縱向方向測量)。
[0006]如在圖1中進一步示出的，提供了承載支柱30以在燃燒部段16的外殼19處支承轉(zhuǎn)子組件17的軸蓋32?？梢杂杀绢I(lǐng)域的技術(shù)人員領(lǐng)會的是，可以為四個燃燒室頭部18中的每一個分別提供一個支柱30。如圖1所示，軸向擴散器14包括內(nèi)錐體36和外錐體34，并且在內(nèi)錐體36和外錐體34之間的橫截面積沿縱向方向68增大，使得氣流11經(jīng)過擴散器14擴張并且減速，從而將速度頭轉(zhuǎn)換成壓力頭。如圖1中所示的，支柱30在軸蓋32之間附接至軸向擴散器14的外錐體34，由此，燃燒部段16的外殼19在軸蓋32處支承支柱30。
[0007]如在圖1中進一步示出的，提供轉(zhuǎn)子冷卻抽取管道38，該轉(zhuǎn)子冷卻抽取管道38從腔15中抽取已壓縮空氣，并且將該已壓縮空氣傳送到冷卻器42中。已冷卻的空氣從冷卻器42傳送并且經(jīng)過位于腔15內(nèi)且將已冷卻的空氣引導(dǎo)到軸蓋32的下面的轉(zhuǎn)子冷卻噴射管道40，以冷卻發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)部件。
[0008]發(fā)動機的另一個需要冷卻的部分是在通向渦輪部段48的入口處的過渡部20中的拐彎部，該拐彎部在燃氣渦輪發(fā)動機10的工作過程中通常會經(jīng)歷特別高的熱通量。為了在燃氣渦輪發(fā)動機10的工作過程中冷卻過渡部20的后端54，進入腔15的氣流11的一部分58與過渡部20的接近最高熱通量區(qū)域的后端54相接觸，以便通過使用熱對流來冷卻過渡部20的后端54。
[0009]’547專利的圖8復(fù)制于本文中作為圖2，其示出了在圖1的過渡部20的基礎(chǔ)上進行了改良的“跨葉片”過渡部20’。圖2示出了燃氣渦輪發(fā)動機10’的中構(gòu)架部分13’的自上而下的徑向視圖，其包括燃燒部段16’和位于燃燒部段16’的下游的渦輪部段48’的第一級渦輪葉片陣列49’，并且在燃燒部段16’和第一級渦輪葉片陣列49’之間定位有“跨葉片”過渡部20’。圖2的中構(gòu)架部分13’包括類似于圖1的壓縮機部段12的壓縮機部段(未圖示)。第一級外殼包圍第一級渦輪葉片陣列49’并且包括葉片環(huán)51’。優(yōu)選地，葉片環(huán)51’的上游側(cè)53’適于聯(lián)接至過渡部出口 55’。跨葉片過渡部20’包括具有入口 62’和出口 55’的過渡部管體60’，其中，入口 62’用于接收從燃燒室部段16’排出的氣流，出口55’用于朝向第一級葉片陣列49’排放氣流，在入口 62’和出口 55’之間有內(nèi)部通道66’。出口 55’在三個坐標方向上偏離入口 62’，這三個坐標方向為徑向方向(進/出圖)、縱向方向68和切向方向70’。從出口 55’排出的氣流在絕對參考坐標系內(nèi)沿著切向方向70’相對于縱向方向68呈一定角度，如箭頭72’所描述，這是由第一級渦輪葉片陣列49’所需要的。將簡單討論中構(gòu)架部分13’的絕對參考坐標系和相對參考坐標系，以及流出壓縮機和進入燃氣渦輪發(fā)動機10’的渦輪48’的氣流的速度矢量是如何在所述每個參考坐標系中表示的。圖3示出了燃氣渦輪發(fā)動機10’的壓縮機部段12的最末級葉片24和中構(gòu)架部分13’的渦輪48’的第一級葉片49’的自上而下的徑向視圖，其中最末級葉片24和第一級葉片49’沿著圖2的傳統(tǒng)燃氣渦輪發(fā)動機10’的縱向軸線75隔開。離開最末級葉片24的輸出氣流在最末級葉片24的(相對)參考坐標系中沿著相對輸出速度矢量76定向。在壓縮機部段12的工作過程中，最末級葉片24圍繞縱向軸線75以垂直于縱向軸線75定向的葉片速度矢量78旋轉(zhuǎn)。為了在絕對參考坐標系中確定離開最末級葉片24的輸出氣流的速度矢量，葉片速度矢量78與相對輸出速度矢量76疊加，從而產(chǎn)生沿切向方向70相對于縱向方向68呈角度82的絕對輸出速度矢量80。在示例性實施方式中，角度82大約為45度。因此，離開最末級葉片24的輸出氣流的絕對輸出速度矢量80定向為在切向方向70上相對于縱向方向68大約呈45度角。傳統(tǒng)中構(gòu)架部分13’的最末級葉片26、28被構(gòu)造成將絕對輸出速度矢量80的角度82從45度減小到大約O度，以對準沿著縱向軸線75的氣流。然而，如下文所討論的，本發(fā)明的實施方式不利用最末級葉片，而是利用離開最末級葉片24的絕對輸出速度矢量80的初始角度82。圖3還示出了流向圖2中所示的渦輪48’的第一級葉片49’的進入氣流。為了最大限度地提高渦輪48’的效率，進入氣流在第一級葉片49’的(相對)參考坐標系中沿著相對進入速度矢量84定向。在渦輪48’的工作過程中，第一級葉片49’圍繞縱向軸線75以垂直于縱向軸線75定向的葉片速度86旋轉(zhuǎn)。為了在絕對參考坐標系中確定進入氣流的速度矢量，葉片速度矢量86與相對進入速度矢量84疊加，從而產(chǎn)生在切向方向70上相對于縱向方向68呈角度90的絕對進入速度矢量88。在示例性實施方式中，角度90大約為70度。因此，流到渦輪48’的第一級葉片49’上的進入氣流的絕對進入速度矢量88定向為在切向方向70上相對于縱向方向68大約呈70度角。與圖2的過渡部20’相對比，圖1中示出的過渡部20將氣流排出至僅在徑向方向和縱向方向68上偏移的渦輪部段48，因此氣流在切向方向上不相對于縱向方向68呈一定角度。由于渦輪部段48的第一級渦輪葉片陣列49需要在切向方向上相對于縱向方向68呈一定角度的進入氣流，因此圖1的渦輪部段48包括第一級葉片74，以使從過渡部20排出的氣流沿切向方向偏移。然而，通過在過渡部20’中實施跨葉片設(shè)計，能夠使氣流在切向方向上相對于縱向方向68呈必要的角度90從出口 55’排出，以適應(yīng)第一級渦輪葉片陣列49’，從而不需要第一級葉片74。在’547專利中，發(fā)明人對燃氣渦輪發(fā)動機的中構(gòu)架部分一燃燒部段的下游——作了各種改進，以提高燃氣渦輪發(fā)動機的工作效率。在本發(fā)明中，本發(fā)明人對燃氣渦輪發(fā)動機的中構(gòu)架部分——燃燒部段的上游一一作了各種改進，以同樣提高燃氣渦輪發(fā)動機的工作效率和/或成本效率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]本發(fā)明人已經(jīng)認識到，通過在發(fā)動機的中段的設(shè)計中的創(chuàng)新可以獲得環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機的工作效率的顯著改善。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，空氣在環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機中從壓縮機部段到燃燒室部段的移動一般是非結(jié)構(gòu)化的、混亂的過程。由壓縮機部段產(chǎn)生的已壓縮空氣被引導(dǎo)至環(huán)形腔15中，并且允許尋找其在各種結(jié)構(gòu)障礙物周圍的阻力最小的路徑，繼而進入一個相應(yīng)的燃燒室頭部18中。因此，氣流經(jīng)歷湍流，流體摩擦產(chǎn)生壓力損失。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，改進的發(fā)動機中段設(shè)計可以通過使渦流的減少降到最低而將這種損失降到最低，從而提供改進的總的發(fā)動機性能。
[0011]氣流11在從壓縮機部段12行進到燃燒室頭部18中的一個時，會經(jīng)歷基于總的旋轉(zhuǎn)角度的氣動損失。最末靜葉片26和出口導(dǎo)葉28共同使氣流11旋轉(zhuǎn)了初始絕對切向旋流角，以去除由旋轉(zhuǎn)葉片24賦予的例如45度的初始絕對切向旋流角，使氣流11在進入軸向擴散器14時沿下游縱向方向68定位。除了初始絕對切向旋流角旋轉(zhuǎn)，氣流11在離開擴散器14并進入腔15中時還會經(jīng)歷兩個180度的旋轉(zhuǎn):第一個近似180度的旋轉(zhuǎn)，以使氣流11從初始下游縱向方向68定向成上游縱向方向，以使氣流11縱向地向后行進至相應(yīng)燃燒室頭部18 ;以及第二個近似180度的旋轉(zhuǎn)，其發(fā)生在燃燒室頭部18處，以將氣流11引導(dǎo)到燃燒室頭部18的入口中。因此，氣流11在從壓縮機部段12行進到燃燒室頭部18之一的過程中經(jīng)歷了近似400度的總的旋轉(zhuǎn)，并且該旋轉(zhuǎn)的大多數(shù)是在腔15的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成的。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，氣流從壓縮機部段行進到相應(yīng)的燃燒室頭部的氣動效率可以通過減小空氣的這種總的旋轉(zhuǎn)和/或更加精確地控制旋轉(zhuǎn)過程而提高。例如，在擴散器出口處可以將徑向速度分量引入到氣流中，使得氣流在擴散器出口處是混合流(該混合流中有合成的縱向、切向和徑向速度分量)。通過在擴散器出口處將徑向速度分量引入到氣流中，在腔15中的所需的總旋轉(zhuǎn)角度將會減小，并且從壓縮機部段行進到相應(yīng)的燃燒室頭部的氣流的氣動效率將會提高。如上所述，傳統(tǒng)環(huán)管式燃氣渦輪發(fā)動機10的最末級葉片和出口導(dǎo)葉提供用于消除由旋轉(zhuǎn)壓縮機葉片24賦予的大約45度的初始切向旋流角，使得氣流沿著下游縱向方向(O度切向旋流角)引導(dǎo)至腔15中。本發(fā)明人已經(jīng)認識到一些過渡部的設(shè)計一例如在上文所討論的圖2中的跨葉片設(shè)計一要求從過渡部20’輸出到渦輪部段48’的第一級葉片49’的最終絕對切向旋流角(相對于縱向方向68)比壓縮機部段的最末級葉片產(chǎn)生的初始絕對切向旋流角大。例如，在示例性實施方式中，跨葉片的設(shè)計要求到達渦輪部段48’的第一級葉片49’的最終絕對切向旋流角為70度，超過了離開壓縮機部段的最末級葉片24的呈45度的初始絕對切向旋流角。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，保持并進而增大離開壓縮機部段的最末級葉片的初始絕對切向旋流角將會是有利的，而不是通過最末級壓縮機葉片26和出口導(dǎo)葉28消除初始絕對切向旋流角以及通過過渡部20’將其替換為渦輪部段48’的第一級葉片49’的傳統(tǒng)操作。本發(fā)明人已經(jīng)認識到，離開壓縮機部段的最末級葉片初始絕對切向旋流角可以通過跨葉片過渡部而增大了偏移角度，以使得從跨葉片過渡部輸出的氣流的絕對切向旋流角實現(xiàn)入射到第一級葉片49’上的所需的最終絕對切向旋流角。通過過渡部產(chǎn)生的該偏移角度例如可以是25度，將其附加至由最末級壓縮機葉片24提供的45度角以得到在第一級渦輪葉片49’處所需的70度切向角，從而消除對最末級壓縮機葉片26和出口導(dǎo)葉28的需求。通過保持或增補離開壓縮機部段的最末級葉片的氣流的初始絕對切向旋流角，可以使氣流以相比于傳統(tǒng)設(shè)計大幅減小的總旋轉(zhuǎn)角度從壓縮機出口傳送至相應(yīng)的燃燒室頭部，從而提高燃氣渦輪發(fā)動機的中構(gòu)架部分的氣動效率。
[0012]本發(fā)明人還已經(jīng)認識到，從壓縮機部段12到燃燒室頭部18的氣流11的氣動效率可以通過直接將氣流從壓縮機-擴散器出口的相應(yīng)部段聯(lián)通至每個單獨的燃燒室頭部入口而得以提高。在傳統(tǒng)的燃氣渦輪中，已壓縮氣流11從壓縮機部段12傳送到軸向擴散器14，然后氣流11進入外殼19內(nèi)的腔15，其中，氣流11在隨機進入腔15中的多個燃燒室頭部18的任何一個的過程中都會經(jīng)歷氣動損失。在從擴散器14中出來同時進入腔15中時，氣流11因為與均鄰近擴散器14的出口處定位的承載支柱30、轉(zhuǎn)子冷卻噴射管道40以及過渡部20的近側(cè)22相接觸而再次經(jīng)歷氣動損失。通過如本文所述的直接將氣流11從壓縮機-擴散器出口聯(lián)接至相應(yīng)的燃燒室頭部入口，可以避免氣流全部進入腔中，從而能夠減少與隨意進入多個燃燒室頭部18之一相關(guān)聯(lián)的氣動損失。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]本發(fā)明以基于附圖的如下描述進行解釋，其中:
[0014]圖1是傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的一部分的橫截面視圖；
[0015]圖2是傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的過渡部的跨葉片設(shè)計的橫截面視圖；
[0016]圖3是圖2的傳統(tǒng)渦輪發(fā)動機的最末級壓縮機葉片和第一級渦輪葉片的徑向視圖；
[0017]圖4是渦輪發(fā)動機中的直線形擴散器管道的局部縱向視圖；
[0018]圖5是圖4中所示的直線形擴散器管道的局部徑向視圖；
[0019]圖6是渦輪發(fā)動機中的螺旋形擴散器管道的局部徑向視圖；
[0020]圖7是圖6中所示的螺旋形擴散器管道的局部縱向視圖；
[0021]圖8是氣流的總壓力和靜態(tài)壓力相對沿燃氣渦輪發(fā)動機的氣流的縱向位置的曲線圖；
[0022]圖9是渦輪發(fā)動機中的螺旋管道的局部徑向視圖；以及
[0023]圖10是圖9所示的螺旋管道的局部縱向視圖。
【具體實施方式】
[0024]如上所述，本發(fā)明的發(fā)明人已經(jīng)認識到，燃氣渦輪發(fā)動機的改進的中構(gòu)架部分的特征是從擴散器出口發(fā)起混合氣流(軸向、切向加上徑向流動速度)。通過從擴散器出口發(fā)起混合氣流，氣流從擴散器出口傳送至燃燒室頭部入口，同時經(jīng)歷與使用傳統(tǒng)中構(gòu)架部分的氣流相比減小的總旋轉(zhuǎn)角度。
[0025]提供一種中構(gòu)架設(shè)計，其中，能夠在中構(gòu)架部分的在傳統(tǒng)軸向壓縮機部段下游的擴散器中發(fā)起混合氣流。圖4示出了燃氣渦輪發(fā)動機310的中構(gòu)架部分313的在徑向-切向平面中的縱向橫截面視圖，其中，壓縮機部段(未圖示)將氣流壓縮到壓縮機部段的下游的環(huán)形部329中。多個擴散器管道314以環(huán)形構(gòu)型定位在燃氣渦輪發(fā)動機310的轉(zhuǎn)子組件(未圖示)的周圍。擴散器管道314接收來自于環(huán)形部329的已壓縮空氣，擴散器管道314以角度373在切向方向70上切向地導(dǎo)向，其中，角度373定向為相對于徑向方向69呈90度角。因此，來自于環(huán)形部329的氣流311分別沿混合流的方向被引導(dǎo)至每個相應(yīng)的擴散器管道314中，其中，徑向速度分量和切向速度分量均基于角度373，而縱向速度分量則沿著縱向方向(未圖示)。擴散器管道314在下文中更詳細地討論，其包括如下特征:在混合氣流311從壓縮機部段出口傳送至燃燒室318、再到過渡部320、最后到達環(huán)形部331和燃氣渦輪發(fā)動機310的渦輪部段時，該特征能夠使混合氣流311所需的總旋轉(zhuǎn)角最小化。擴散器管道314的上述討論確定了混合氣流311能夠在燃氣渦輪發(fā)動機310的中構(gòu)架部分313的擴散器管道314中產(chǎn)生。
[0026]圖5示出了圖4的擴散器管道314在縱向-切向平面中的徑向視圖，其中，擴散器管道314在壓縮機部段出口處從環(huán)形部329延伸到燃燒室316的相應(yīng)燃燒室頭部318入口。圖5的中構(gòu)架部分313中的壓縮機部段的最末級葉片(未圖示)類似于圖3中所示的中構(gòu)架部分13’的最末級葉片24，因此，氣流311以在切向方向70上相對于縱向方向68呈角度372定向的絕對輸出速度矢量從中構(gòu)架部分313的最末級葉片(未圖示)離開。在示例性實施方式中，角度372大約為45度。為了使絕對輸出速度矢量以角度372定向，擴散器管道314為也呈角度372的直管道，以接收氣流311。同樣的，在圖5的中構(gòu)架部分313中的渦輪的第一級葉片(未圖示)類似于圖3中所示的中構(gòu)架部分13’的第一級葉片49’，因此，氣流311以絕對進入速度矢量入射到第一級葉片49’上，其中絕對進入速度矢量定向成沿切向方向70相對于縱向方向68呈角度374。在示例性實施方式中，角度374大約為70度。為了使絕對進入速度矢量以角度374定向，跨葉片過渡部320為也呈角度374的直管道，以接收來自于燃燒室頭部318的呈角度374的氣流311。因此，氣流311在燃燒室頭部318處經(jīng)歷了絕對速度矢量從角度372到角度374的偏移。雖然從角度372到角度374的角度偏移發(fā)生在燃燒室頭部318處，但是與傳統(tǒng)中構(gòu)架部分中的從壓縮機出口到燃燒室頭部入口的氣流的總旋轉(zhuǎn)角度例如400度相比，該角度偏移相對較小，例如為25度。如在圖5中所示的，擴散器管道314被設(shè)計成使氣流從環(huán)形部329通過直的管狀管道到達出口，而過渡部320則被設(shè)計成具有與擴散器管道314相反的設(shè)計，因為其使氣流從入口通過直的管狀管道到達渦輪部段內(nèi)的環(huán)形部331。如圖4中所示的，噴射器325定位成將一定體積的燃料327傳送至燃燒室頭部318中，燃料327與氣流311相混合，隨后該空氣-燃料混合物被點燃。如圖5所示，擴散器管道314的出口包圍燃燒室頭部318入口的入口，因為擴散器管道314出口的外徑342大于燃燒室頭部318入口的外徑344。
[0027]除了在中構(gòu)架部分313的縱向-切向平面(圖5)中行進的氣流311的角度偏移，氣流311還經(jīng)歷中構(gòu)架部分313的徑向-切向平面中的角度偏移，并且這兩個角度偏移組合起來以確定氣流311在從壓縮機出口傳送到相應(yīng)的燃燒室頭部318入口時的總旋轉(zhuǎn)角度。圖4示出了在徑向-切向平面中的中構(gòu)架部分313，其中，氣流311從壓縮機出口(未圖示)處的環(huán)形部329沿著相對于徑向方向69呈90度的角度373定向的切向方向70傳送。氣流311在擴散器管道314中傳送，擴散器管道314同樣在徑向-切向平面中傾斜角度373，并且氣流311沿具有合成的徑向速度分量和切向速度分量的混合流方向進入燃燒室頭部318入口。氣流311沿具有合成的徑向速度分量和切向速度分量的混合流方向以角度375從燃燒室頭部318入口出來，并且在于徑向-切向平面中以角度375類似地傾斜的過渡部320中傳送。隨后氣流311在環(huán)形部331處沿切向方向70離開過渡部320，其中切向方向70在過渡部320出口處定向成相對于徑向方向69呈90度的角度375。在氣流311進入環(huán)形部331以后，在渦輪(未圖示)的第一級葉片處在縱向-切向平面(圖5)中以適當(dāng)?shù)慕嵌?74引導(dǎo)氣流311。氣流311在徑向-切向平面中的角度偏移是基于如下因素的，例如壓縮機部段出口的徑向高度、燃燒室頭部318的徑向高度和渦輪入口的徑向高度。圖4的目的是假定壓縮機部段的最末級葉片的高度小于外殼319中的渦輪的第一級葉片的高度，那么與氣流311離開過渡部320相比，氣流311以減小的徑向高度進入擴散器管道314。在示例性實施方式中，角度373可以是90度，同時角度375可以是90度，因此，在氣流311從壓縮機部段出口行進到燃燒室頭部318入口時，氣流311將會在徑向-切向平面中經(jīng)歷大約90的旋轉(zhuǎn)。
[0028]如前面所討論的，在氣流311從壓縮機部段出口傳送到燃燒室頭部318入口時，集成的擴散器管道314使得氣流311的總旋轉(zhuǎn)角度大幅減小。氣流311的總旋轉(zhuǎn)角度包括氣流311在縱向-切向平面(圖5)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度和氣流311在徑向-切向平面(圖4)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度。如上所述，例如，在示例性實施方式中，氣流311在縱向-切向平面(圖5)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度可以大約為25度。同樣的，如上所述，例如，在示例性實施方式中，氣流311在徑向-切向平面(圖4)內(nèi)的旋轉(zhuǎn)角度可以大約為90度。因此，通過使用集成的擴散器管道314，能夠使從壓縮機出口傳送到燃燒室頭部318入口的氣流311的總旋轉(zhuǎn)角度大約為115度。該總旋轉(zhuǎn)角度大幅地小于在燃氣渦輪發(fā)動機的傳統(tǒng)中構(gòu)架部分中從壓縮機出口傳送到燃燒室頭部入口的氣流的大約400度的總旋轉(zhuǎn)角度。事實上，擴散器管道314能夠提高燃氣渦輪發(fā)動機310的中構(gòu)架部分313的氣動效率。
[0029]圖6-7示出了燃氣渦輪發(fā)動機310’的中構(gòu)架部分313’的替代性實施方式，該中構(gòu)架部分313’類似于圖4和圖5的中構(gòu)架部分313，除了擴散器管道314’具有不同于圖4和圖5的擴散器管道314的替代性設(shè)計。如前面所討論的，圖4和圖5的擴散器管道314的特征在于直的管狀構(gòu)型，該直的管狀構(gòu)型相對于縱向方向68朝著切向方向70以角度372將氣流311引導(dǎo)至燃燒室頭部318入口，然后，在氣流311到達過渡部320之前，氣流311在燃燒室頭部318入口處角度偏移為沿著切向方向70相對于縱向方向68呈角度374。因此，氣流311的從角度372到角度374的角度偏移發(fā)生在燃燒室頭部318入口處。與圖4和圖5的擴散器管道314相比，圖6-7的擴散器管道314’采用的是螺旋形而不是直的管狀構(gòu)型，其中擴散器管道314’的環(huán)形部329處的入口沿切向方向70相對于縱向方向68以角度372定位，而擴散器管道314’的在燃燒室頭部318入口處的出口沿切向方向70相對于縱向方向68以角度374定位。因此氣流311的從角度372到角度374的角度偏移發(fā)生在螺旋形擴散器管道314’的在環(huán)形部329處的入口和燃燒室頭部318入口處的出口之間的整個長度上。由于從角度372到角度374的所需的角度偏移發(fā)生在擴散器管道314’的整個長度上，因此該角度偏移不需要發(fā)生在燃燒室頭部318入口處。因此，從擴散器管道314’的出口傳送到燃燒室頭部318入口中的氣流311經(jīng)歷極小的角度偏移。圖6-7中的擴散器管道314’的出口附接至燃燒室頭部318入口，使得擴散器管道314’出口的面321’平行于燃燒室頭部318入口的面323定位。如同圖4和圖5中所示的中構(gòu)架部分313，擴散器管道314’出口的外徑342大于燃燒室頭部318入口的外徑344，使得擴散器管道314’出口包圍燃燒室頭部318入口。如在圖7中示出的，由于擴散器管道314’在徑向-切向平面中呈螺旋形，因此擴散器管道314’可以增加至比圖4中所示的具有直的管狀構(gòu)型的擴散器管道314的峰值徑向高度更大的峰值徑向高度。因此，為了適應(yīng)擴散器管道314’的更大的峰值徑向高度，可以使中構(gòu)架部分313’的特征為具有比圖4的外殼319更大的外殼319’，使得擴散器管道314’在外殼319’中具有足夠的徑向空間以將混合氣流311從壓縮機出口傳送至燃燒室頭部318入口?；谥袠?gòu)架部分313’的較大外殼319’和中構(gòu)架部分313的較小外殼319，中構(gòu)架部分313的制造成本效率可能會大于中構(gòu)架部分313’。然而，如前面所討論的，擴散器管道314采用了直的管狀形式，其在擴散器管道314出口處引導(dǎo)從角度372到角度374的角度偏移，而擴散器管道314’采用了螺旋形式，其沿著擴散器管道314’的長度引導(dǎo)從角度372到角度374的角度偏移，從而可以使中構(gòu)架部分313’的氣動效率大于中構(gòu)架部分313。
[0030]圖4-7的集成擴散器管道的實施方式用于在氣流通過擴散器管道時減小氣流的動態(tài)壓力并同時增加氣流的靜態(tài)壓力。圖8示出了在圖4和圖5的擴散器管道中的氣流311的總壓力502和靜態(tài)壓力504以及在外殼319中的擴散器管道外側(cè)的中間壓力506的曲線圖。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以領(lǐng)會的是，氣流的總壓力502是氣流的靜態(tài)壓力504和氣流的動態(tài)壓力之和。因此，氣流311的動態(tài)壓力可以由氣流311的總壓力502和靜態(tài)壓力504之間的差來確定。圖8描繪了貫穿燃氣渦輪發(fā)動機310的中構(gòu)架部分313的不同位置處的各種壓力，其中包括壓縮機508的最末級葉片、燃燒室頭部入口 510、燃燒室頭部出口 512和跨葉片過渡部出口 514。如圖8所示，當(dāng)氣流311經(jīng)過壓縮機最末級葉片508和燃燒室頭部入口 510之間的擴散器管道314時，氣流311會減速，從而降低動態(tài)壓力，因此提高靜態(tài)壓力504。擴散器管道314逐漸降低氣流311的動態(tài)壓力，從而有效地將氣流311的大部分或全部動態(tài)壓力轉(zhuǎn)變成靜態(tài)壓力504。相反地，圖1的傳統(tǒng)中構(gòu)架部分13將氣流11排出到腔15中，在腔15中，氣流11突然失去大量的動態(tài)壓力，所失去的動態(tài)壓力可能不會轉(zhuǎn)變回動態(tài)壓力，從而在將氣流11排出到腔15中的過程中損失掉。在燃料-空氣混合物進入燃燒室頭部入口 510之后，燃燒室頭部318中的燃料-空氣混合物被點燃，這使得氣流311加速經(jīng)過燃燒室出口 512和經(jīng)過過渡部出口 514，從而增大動態(tài)壓力，進而降低靜態(tài)壓力504。在貫穿中構(gòu)架部分313的整個工作過程中，外殼319中的壓力被設(shè)定為中間壓力506，在貫穿中構(gòu)架部分313的每個位置處，該中間壓力506都小于靜態(tài)壓力504。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以領(lǐng)會的是，在擴散器管道314和燃燒室頭部318之間以及燃燒室頭部318和過渡部320之間的接口處會聚集停滯的空氣。通過將外殼319中的中間壓力506調(diào)整為小于擴散器管道314、燃燒室頭部318或過渡部320中的氣流311的靜態(tài)壓力504，將會使泄露的氣流穿過這些接口，以排出這些接口中的任何停滯的空氣，從而避免在這些接口處積聚熱的、停滯的空氣。
[0031]圖9-10示出了燃氣渦輪發(fā)動機310"的中構(gòu)架部分313"的替代性實施方式，其類似于圖6-7中描述的燃氣渦輪發(fā)動機310’的中構(gòu)架部分313’，其中，混合氣流311通過歧管314"，歧管314"不起擴散器的作用，而是會加快混合氣流311從壓縮機出口處的環(huán)形部329到燃燒室頭部318入口的速度。不同于圖6-7的擴散器管道314’，歧管314〃的外徑342〃小于燃燒室頭部318入口的外徑344"，使得歧管314〃的出口定位在燃燒室頭部318的入口中。相反地，在圖4-7的上述實施方式中，擴散器管道的外徑342大于燃燒室頭部318入口的外徑344，使得擴散器管道出口包圍燃燒室頭部318入口。如同圖4和圖7中的中構(gòu)架部分313、313’，圖9的中構(gòu)架部分313〃包括噴射器325，以將一定體積的燃料327傳送到燃燒室頭部318中。燃料327例如可以是諸如氫氣的能夠顯現(xiàn)高火焰速度的活性燃料，因此，需要混合氣流311以高進入速度進入燃燒室頭部318，以避免反燃。通過將歧管314〃的外徑342"的尺寸設(shè)定為小于燃燒室頭部318入口的外徑344"的尺寸，以及將歧管314"出口定位在燃燒室頭部318入口中，從而使進入燃燒室頭部318入口的混合氣流311的速度增大至燃燒室頭部318的高進入速度臨界值，以避免在活性燃料327通過噴射器325傳送到燃燒室頭部318中時發(fā)生反燃。
[0032]雖然本發(fā)明的各種實施方式已在本申請文件中示出和描述，但是顯而易見的是所提供的這些實施方式僅僅作為示例?？梢宰龀霰姸嘧冃巍⒏淖兗疤娲黄x本文中的本發(fā)明。因此，其目的是，本發(fā)明只能通過所附權(quán)利要求的精神和范圍來限制。
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣渦輪發(fā)動機的中構(gòu)架部分，所述中構(gòu)架部分包括: 壓縮機部段，所述壓縮機部段具有被構(gòu)造成使從所述壓縮機部段排出的氣流以第一角度定向的最末級葉片； 渦輪部段，所述渦輪部段具有被構(gòu)造成接收以第二角度定向的氣流的第一級葉片； 歧管，所述歧管被構(gòu)造成將來自于所述壓縮機部段的氣流直接聯(lián)通至所述燃氣渦輪發(fā)動機的位于所述渦輪部段上游的燃燒室頭部； 其中，所述燃燒室頭部被構(gòu)造成在氣流中引入從所述第一角度到所述第二角度的偏移角度，使得從所述燃燒室頭部排出的氣流以所述第二角度定向； 以及，其中，所述燃燒室頭部被構(gòu)造成至少保持或增大氣流的所述第一角度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中構(gòu)架部分，其中所述第一角度是在絕對參考坐標系中相對于縱向方向測得的初始切向角，其中所述第二角度是在所述絕對參考坐標系中相對于所述縱向方向測得的最終切向角。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中構(gòu)架部分，其中所述燃燒室頭部被構(gòu)造成通過至少保持氣流的相對于所述縱向方向的所述初始切向角而引入所述氣流的角度偏移。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的中構(gòu)架部分，其中所述燃燒室頭部被構(gòu)造成將相對于所述縱向方向測得的所述初始切向角增大所述偏移角度，從而使氣流以相對于所述縱向方向測得的所述最終切向角定向，其中，所述偏移角度等于所述最終切向角和所述最初切向角的差。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中構(gòu)架部分，其中所述最終切向角大于所述最初切向角。
6.一種燃氣渦輪發(fā)動機的中構(gòu)架部分，所述中構(gòu)架部分包括: 壓縮機部段，所述壓縮機部段具有被構(gòu)造成使從所述壓縮機部段排出的氣流以第一角度定向的最末級葉片； 渦輪部段，所述渦輪部段具有被構(gòu)造成接收以第二角度定向的氣流的第一級葉片；以及 用于在氣流中引入從所述第一角度到所述第二角度的偏移角度從而使得所述第一角度至少被保持或增大的裝置，所述裝置定位在所述壓縮機部段的下游且在所述渦輪部段的上游。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中構(gòu)架部分，還包括歧管，所述歧管被構(gòu)造成將來自于所述壓縮機部段的氣流直接聯(lián)通至所述燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室頭部；其中用于引入所述偏移角度的所述裝置是所述燃燒室頭部。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的中構(gòu)架部分，其中所述歧管呈直的管狀形式。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中構(gòu)架部分，其還包括歧管，所述歧管被構(gòu)造成將來自于所述壓縮機部段的氣流直接聯(lián)通至所述燃氣渦輪發(fā)動機的燃燒室頭部；其中用于引入所述偏移角度的所述裝置是所述歧管。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的中構(gòu)架部分，其中所述歧管呈彎曲的螺旋形管狀形式。
11.根據(jù)權(quán)利要求6所述的中構(gòu)架部分，其中所述第一角度是在絕對參考坐標系中相對于縱向方向測得的初始切向角，其中所述第二角度是在所述絕對參考坐標系中相對于所述縱向方向測得的最終切向角。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中構(gòu)架部分，其中所述歧管是擴散器，并且其中所述擴散器以所述第一角度定向，以接收來自于所述壓縮機部段的氣流。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的中構(gòu)架部分，還包括所述燃燒室頭部下游的過渡部；其中所述過渡部以所述第二角度定向，以接收來自于所述燃燒室頭部的以所述第二角度定向的氣流，從而將所述氣流傳送至所述渦輪部段的所述第一級葉片。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的中構(gòu)架部分，其中所述歧管的面與所述燃燒室頭部的面相平行，并且，其中，在所述歧管與所述燃燒室頭部的接口處，所述歧管的外徑大于所述燃燒室頭部的外徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的中構(gòu)架部分，其中所述歧管包括在所述壓縮機部段的出口處以所述第一角度定向的入口，以接收來自于所述壓縮機部段的氣流；所述歧管包括在所述燃燒室頭部的入口處以所述第二角度定向的出口，以將氣流以所述第二角度引導(dǎo)到所述燃燒室頭部的入口中。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的中構(gòu)架部分，其中，所述歧管的面與所述燃燒室頭部的面相平行，并且，其中，在所述歧管與所述燃燒室頭部的接口處，所述歧管的外徑大于所述燃燒室頭部的外徑。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的中構(gòu)架部分，其中，在所述歧管與所述燃燒室頭部的接口處，所述歧管的外徑小于所述燃燒室頭部的外徑，使得所述歧管的出口定位在所述燃燒室頭部的入口中。
18.根據(jù)權(quán)利要求7所述的中構(gòu)架部分，其中，所述第一角度是在所述壓縮機部段的出口處垂直于徑向方向的初始切向角；以及，其中，所述第二角度是在所述渦輪部段的入口處垂直于徑向方向的最終切向角。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的中構(gòu)架部分，其中，所述初始切向角基于所述壓縮機部段的出口的徑向高度和所述燃燒室頭部的徑向高度；其中，所述最終切向角基于在所述燃燒室頭部下游的過渡部的出口的徑向高度以及所述燃燒室頭部的所述徑向高度。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的中構(gòu)架部分，還包括在所述燃燒室頭部下游的過渡部，所述過渡部呈直的管狀形式，并且以所述最終切向角定位，以接收來自于所述燃燒室頭部的以所述最終切向角定向的氣流;其中，所述歧管是呈直的管狀形式的擴散器，所述擴散器以所述初始切向角定向，以接收來自于所述壓縮機部段的氣流。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的中構(gòu)架部分，其中所述燃燒室頭部被構(gòu)造成使氣流的方向從所述初始切向角旋轉(zhuǎn)至所述最終切向角。
【文檔編號】F02C3/14GK104160115SQ201380011829
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2013年2月20日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月29日
【發(fā)明者】大衛(wèi)·A·利特勒, 賴因哈德·席爾普, 克里斯托弗·W·羅斯 申請人:西門子能源有限公司