本发明专利技术涉及一种使用高压力比双进口单级离心式压缩机、罐式燃烧室和径流式涡轮机的小型单轴燃气轮机燃气发生器，所述压缩机构造成达到为约１２∶１或更大的总压力比和小于或等于约１．４的马赫数。径流式涡轮机构造成在做功的发动机构型中提供为约４∶１到约５∶１的膨胀比、为自由涡轮机或膨胀喷嘴提供部分膨胀的燃烧气体。压缩机前面的滚珠轴承组件与推力活塞组件共同用于承受涡轮机推力负荷，而在涡轮机前面使用径向倾斜式衬垫轴承组件。带有涡形扇段部分的集气管收集来自环形叶片扩压器的压缩空气，而相应的跨接管把收集的扩压压缩空气从每个扇段部分引导到增压进料罐式燃烧室。每个压缩机入口处的抽气系统提供增加的扩压器稳定性范围。配置有上述燃气发生器的燃气轮机发动机在约４ＭＷ或更小的额定功率范围内可提供３０％或更大的热效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及燃气轮机燃气发生器，更具体地涉及利用离心式压缩机和径流式涡轮机(radial inflow turbine)的结构上紧凑的高性能燃气轮机燃气发生器。本专利技术还涉及利用这种燃气发生器的燃气轮机发动机。
技术介绍
对作为柴油发动机的替代物的燃气轮机动力装置有持续的需求，例如用于车辆及其它需要小型、轻重量发动机的应用。实践经验已经表明，利用常规的燃气轮机可以显著节省空间和重量。然而，现有的在小/中功率范围内、比如约4兆瓦(Mw)或更小的燃气轮机发动机通常具有小于30%的热效率。迄今为止，仅高于约4Mw的轴流式压缩机-轴流式涡轮机类型的发动机可实现30%或更高的效率，因为发动才几越大，相对损失越小。另外，尽管已知具有径流式涡轮机(inflow turbine)的径流式燃气轮机发动机，但通常需要多个压缩机级以便达到可接受的热效率。然而，在现有简单循环发动机中利用多压缩机级的相对复杂性和其它限制一直以来是现有技术装置、尤其是小/中功率范围内装置的主要缺点，在上述小/中功率范围内简单性是最重要的。例如，已知的燃气轮机辅助动力装置(APU)包括串联工作的双重进口 (常常称之为双进口，，)、第一级离心式压缩机和单进口第二级离心式压缩机，以便提供用于在燃烧室中与燃料一起燃烧的压缩空气和放气以用于外部应用。来自燃烧室的热气体被送到单级径流式涡轮机，所述径流式涡轮机驱动两个压缩机，并且以与单轴发动机一致的方式提供轴动力供外部使用。.S.4704861)中，本专利技术人公 开了节约燃料的筒单循环燃气轮机燃气发生器，所述燃气轮机燃气发生器 在单轴配置中将双进口第 一级离心式压缩机和单进口第二级离心式压缩机 与径流式涡轮机一起使用。在这些燃气发生器中，总共使用三个转子部件 及三个轴承组件来将轴组件安装到燃气发生器外壳上，其中 一个轴承组件 定位于涡轮机部分中。对于涡轮机部分中的轴承组件来说，在这种布置的 复杂性增加情况下所产生的问题由更高成本和潜在的更高故障率构成。
技术实现思路
本专利技术构成先进的空气动力学和结构解决方案，以便在一级中有效实 现否则需要多个压缩机级、更高损失、和成本更高、不太紧凑的构型所达 到的性能。此外，按照本专利技术的径流式压缩机-涡轮机构型能在比更大的轴 流式涡轮机显著低(约为三分之一)的功率范围内显示至少30%的效率。 利用连接到未冷却的径流式涡轮机上的双进口 、高压力比离心式压缩机的 燃气发生器的空气动力学设计具有比使用轴流式转子部件的构型低的损 失。因此，按照本专利技术的径流式燃气发生器和发动机具有一低于轴流式部 件机器的最佳操作优点的性能窗口。在一个方面，本文所公开的燃气轮机燃气发生器包括可旋转的轴、单 压缩机级、和燃烧室，所述可旋转的轴限定轴向方向和径向方向，所述单 压缩机级包括高压力比双进口离心式压缩机，所述高压力比双进口离心式 压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮安装在轴上，并与外壳一起限定一对沿轴 向相对指向的入口和单个径向指向的出口 ，所述燃烧室可操作地连接以便 接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料与压缩空气 燃烧以便产生高速燃烧气体。燃气发生器还包括径流式涡轮机，所述径流 式涡轮机安装在轴上并可操作地连接以便通过径向指向的入口接收来自燃 烧室的燃烧气体，并且构造成使所接收的燃烧气体部分膨胀，以便驱动离 心式压缩机。所述径流式涡轮机还构造成引导部分膨胀后的燃烧气体流过 大致轴向指向的涡轮机出口。轴由一对位于离心式压缩机的相对轴向端部处的轴承组件可旋转地支承，径流式涡轮机安装在轴的轴向上于其中一个 轴承组件的外侧延伸的悬臂部分上。离心式压缩机入口构造成在额定的质量流量和速度下提供为约1.4或更小的最大压缩机入口马赫数，并且双进 口离心式压缩机构造成在额定的速度和质量流量下提供为约12:1或更大 的压力比。在另一方面，所公开的燃气发生器是一种具有单级、单进口离心式压 缩机和径流式涡轮机类型的改进的燃气轮机燃气发生器，所述单级、单进 口离心式压缩机安装在可绕一轴线旋转的轴上，所述压缩机将压缩空气供 应到燃烧室部分，而所述径流式涡轮机安装在所述轴上，并构造成用于使 通过燃料和压缩空气在燃烧室部分燃烧所形成的气体部分地膨胀以用于驱 动压缩机，以及用于释放部分膨胀后的燃烧气体以用于进一步做功的膨胀。 改进包括单级离心式压缩机，所述单级离心式压缩机包括单个双进口高压 力比离心式压缩机，该双进口高压力比离心式压缩机具有外壳和叶轮，所 述叶轮于外壳内安装在轴上，该叶轮与外壳一起限定一对间隔开的轴向指 向的相对的入口和单个径向指向的出口。双进口离心式压缩机构造成在额 定的速度和质量流量下具有小于或等于约1.4的最大进口段叶片马赫数， 且压缩机还构造成在压缩机扩压器出口处提供为约12:1或更大的压力比。 另外，压缩机包括用于从每个入口抽取(bleed)空气的机构。因此，对于给定的质量流量和速度(RPM)，双进口压缩机可以按照 本专利技术构造，以^^处理在可接受马赫数和损失范围内的流量。当保持叶轮 和外壳之间的紧密间隙时，用常规的单进口离心式压缩机很难达到12:1压 力比的要求。将双进口压缩机构造成为对称的基本上避免了高RPM下的 形状变形，即所谓的向外扩展(flowering)效应，此效应可能引起摩 擦。包括在说明书中并构成该说明书一部分的附图举例说明了所公开的燃 气轮机燃气发生器的实施例，并与说明书一起用来阐明燃气轮机燃气发生 器的原理。附图说明图1A是根据本专利技术的小型燃气轮机燃气发生器与自由涡轮机 (free-power turbine)才莫块一起使用时的示意性俯浮见剖面图1B是图1A的燃气轮机燃气发生器的示意性端部剖视图，示出具有 三个涡形扇段和三个跨接管的集气管的取向；图1C是图1A的燃气轮机燃气发生器的透视图ID是供与图1A的燃气轮机燃气发生器一起使用、代替自由涡轮机 模块的推进式喷嘴装置的示意图2A和2B分别是图IA的双进口高压力比离心式压缩机叶轮部件的 示意性透4见图和侧视图。应该理解，上面的一般说明和下面的详细说明仅是示例性的和说明性 的，其不限制要求保护的本专利技术的范围。包括在说明书中并构成该说明书一部分的附图举例说明了本专利技术的一 些实施例，并与说明书一起用来阐明本专利技术的原理。具体实施例方式按照本专利技术的一方面，燃气轮机燃气发生器包括可旋转的轴和单压缩 机级，所述可旋转的轴限定轴向方向和径向方向，所述单压缩机级包括安 装在轴上并且具有外壳及叶轮的双进口离心式压缩机。叶轮与外壳一起限 定一对轴向指向的入口和单个径向指向的出口。如本文所实施及图1A中 所示，总体用标号IO指示的燃气轮机燃气发生器包括双进口高压力比压缩 机模块12，所述压缩机模块12具有叶轮14，叶轮14安装成用于与轴组件 16 —起绕轴线16a旋转。双进口压缩机12还包括外壳18，所述外壳18 与叶轮14 一起限定一对流动对称、轴向相对的入口 20、 22，所述入口用 于将空气引导到叶轮14的压缩机叶片组件24、 26。双进口压缩机12具有 单个环形的径向指向的压缩机出口 30，所述出口 30可操作地连接到环形 扩压器组件32上，该环形扩压器组件32是叶片式扩压器。见图1B。然而， 也可以使用管式扩压器。扩压器组件32接收本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高性能燃气轮机燃气发生器，包括： 限定轴向方向和径向方向的可旋转的轴； 单压缩机级，所述单压缩机级包括双进口高压力比离心式压缩机，该离心式压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮安装在轴上，并与外壳一起限定一对沿轴向相对指向的入口和单个 径向指向的出口； 燃烧室组件，所述燃烧室组件可操作地连接以便接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料与压缩空气燃烧以便产生燃烧气体； 径流式涡轮机，所述径流式涡轮机安装在轴上并可操作地连接以便通过径向指向的入口接收 来自燃烧室组件的燃烧气体，并且构造成使所接收的燃烧气体部分膨胀以便驱动离心式压缩机，所述径流式涡轮机还构造成引导部分膨胀后的燃烧气体流过大致轴向指向的涡轮机出口， 其中，轴由一对位于离心式压缩机的相对轴向端部处的轴承组件可旋转地支承， 其中，径流式涡轮机安装在轴的轴向上于其中一个轴承组件的外侧延伸的悬臂部分上， 其中，离心式压缩机入口还构造成在额定的质量流量和速度（ＲＰＭ）下提供为约１．４或更小的最大压缩机入口马赫数，以及 其中，离心式压缩机还构造成在 额定的速度和质量流量下提供为约１２∶１或更大的压力比。...
【技术特征摘要】
US 2008-3-12 12/073,9801. 一种高性能燃气轮机燃气发生器，包括限定轴向方向和径向方向的可旋转的轴；单压缩机级，所述单压缩机级包括双进口高压力比离心式压缩机，该离心式压缩机具有外壳和叶轮，该叶轮安装在轴上，并与外壳一起限定一对沿轴向相对指向的入口和单个径向指向的出口；燃烧室组件，所述燃烧室组件可操作地连接以便接收来自离心式压缩机出口的压缩空气，并构造成用于使燃料与压缩空气燃烧以便产生燃烧气体；径流式涡轮机，所述径流式涡轮机安装在轴上并可操作地连接以便通过径向指向的入口接收来自燃烧室组件的燃烧气体，并且构造成使所接收的燃烧气体部分膨胀以便驱动离心式压缩机，所述径流式涡轮机还构造成引导部分膨胀后的燃烧气体流过大致轴向指向的涡轮机出口，其中，轴由一对位于离心式压缩机的相对轴向端部处的轴承组件可旋转地支承，其中，径流式涡轮机安装在轴的轴向上于其中一个轴承组件的外侧延伸的悬臂部分上，其中，离心式压缩机入口还构造成在额定的质量流量和速度(RPM)下提供为约1.4或更小的最大压缩机入口马赫数，以及其中，离心式压缩机还构造成在额定的速度和质量流量下提供为约12∶1或更大的压力比。2. 如权利要求l所述的燃气发生器，其特征在于，跨越径流式涡轮机的膨胀比为约4:1到约5:1。3. 如权利要求l所述的燃气发生器，还包括抽气系统，所述抽气系统用于在邻近每个压缩机入口的位置处通过压缩机外壳抽取空气。4. 如权利要求l所述的燃气轮机燃气发生器，其特征在于，燃烧室组件包括多个罐式燃烧室。5. 如权利要求l所述的燃气发生器，其特征在于，燃烧室组件接收基本上所有来自双进口压缩机的压缩空气。6. 如权利要求l所述的燃气发生器，其特征在于，离心式压缩机构造成抵抗叶轮在压缩机出口处的轴向变形。7. 如权利要求6所述的燃气发生器，其特征在于，离心式压缩机包括具有轮毂的叶轮，该轮毂具有邻近出口的成一体的壁，所述壁垂直于轴线，并安装有轴向相对的相应叶片组。8. 如权利要求7所述的燃气发生器，其特征在于，叶轮轮毂构造成在约5 kg/sec的空气质量流量下以约50000 rpm的速度运转。9. 一种燃气轮机发动机，包括如权利要求l所述的燃气发生器，并且在约1 Mw到约3 Mw的额定功率下具有为约30%或更大的热效率。10. —种具有单级离心式压缩机和径流式涡轮机类型的改进的燃气轮机燃气发生器，所述压缩机安装在可绕一轴线旋转的轴上，所述压缩机将压缩空气供应到燃烧室部分，所...
【专利技术属性】
技术研发人员：R扬莫维尔，
申请(专利权)人：R扬莫维尔，
类型：发明
国别省市：NL[荷兰]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。