具有从压缩机到涡轮的改进的气流旋转的环管式燃气涡轮发动机的中段制造技术

本发明专利技术提出了一种燃气涡轮发动机(310)的中构架部分(313)，该中构架部分(313)包括具有将气流(311)以第一角度(372)定向的最末级叶片的压缩机部段。该中构架部分(313)还包括具有接收以第二角度(374)定向的气流(311)的第一级叶片的涡轮部段。该中构架部分(313)还包括将来自于压缩机部段的气流(311)直接联通至涡轮部段的上游的燃烧室头部(318)的歧管(314)。该燃烧室头部(318)在气流(311)中引入从第一角度(372)到第二角度(374)的偏移角度，使得气流(311)以第二角度(374)从燃烧室头部(318)排出。在引入偏移角度的同时，燃烧室头部(318)至少保持或增大第一角度(372)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有从压缩机到涡轮的改进的气流旋转的环管式燃气涡轮发动机的中段关于联邦政府资助开发的声明本专利技术的开发得到美国能源部予以的DE-FC26-05NT42644号合同的部分支持。因此，美国政府对本专利技术可以具有一定的权利。
本专利技术涉及环管式燃气涡轮发动机，更具体地说，涉及一种环管式燃气涡轮发动机的中构架(midframe)部分。
技术介绍
在美国专利No.7,721,547(“'547专利”)中讨论了环管式燃气涡轮发动机的传统中构架设计，该专利转让给了本专利技术的受让人，在此引入作为参考。'547专利的图1被复制作为本文的图1，该图示出了经过传统环管式燃气涡轮发动机10的中构架部分13的横截面。燃气涡轮发动机10的主要部件是压缩机部段12、燃烧部段16和涡轮部段48。转子组件17定位于中央并且延伸穿过这三个部段。在工作中，压缩机部段12通过进气口(未图示)接收空气并且对空气进行压缩。已压缩气流11从压缩机部段12传送到轴向扩散器14，然后气流11进入外壳19内的腔15，在腔15中，总气流11被分离并且进入环管式燃烧部段16的多个燃烧室头部18之一，其中环管式燃烧部段16以环形构型环绕转子组件17。如图1所示，压缩机部段12包括包围交替的多排静叶片23和旋转叶片25的圆筒27、29。静叶片23可以附接至圆筒27，旋转叶片25可以安装至转子组件17以便与转子组件17一起旋转。静叶片23包括最末静叶片26和位于邻近压缩机部段12的出口处的出口导叶28。此外，旋转叶片25包括定位在最末静叶片26和出口导叶28的上游的最末级叶片24。最末静叶片26和出口导叶28用于去除离开最末级叶片24的气流11的绝对切向旋流角(在绝对参考系中相对于纵向方向测量)。如在图1中进一步示出的，提供了承载支柱30以在燃烧部段16的外壳19处支承转子组件17的轴盖32。可以由本领域的技术人员领会的是，可以为四个燃烧室头部18中的每一个分别提供一个支柱30。如图1所示，轴向扩散器14包括内锥体36和外锥体34，并且在内锥体36和外锥体34之间的横截面积沿纵向方向68增大，使得气流11经过扩散器14扩张并且减速，从而将速度头转换成压力头。如图1中所示的，支柱30在轴盖32之间附接至轴向扩散器14的外锥体34，由此，燃烧部段16的外壳19在轴盖32处支承支柱30。如在图1中进一步示出的，提供转子冷却抽取管道38，该转子冷却抽取管道38从腔15中抽取已压缩空气，并且将该已压缩空气传送到冷却器42中。已冷却的空气从冷却器42传送并且经过位于腔15内且将已冷却的空气引导到轴盖32的下面的转子冷却喷射管道40，以冷却发动机的旋转部件。发动机的另一个需要冷却的部分是在通向涡轮部段48的入口处的过渡部20中的拐弯部，该拐弯部在燃气涡轮发动机10的工作过程中通常会经历特别高的热通量。为了在燃气涡轮发动机10的工作过程中冷却过渡部20的后端54，进入腔15的气流11的一部分58与过渡部20的接近最高热通量区域的后端54相接触，以便通过使用热对流来冷却过渡部20的后端54。'547专利的图8复制于本文中作为图2，其示出了在图1的过渡部20的基础上进行了改良的“跨叶片”过渡部20'。图2示出了燃气涡轮发动机10'的中构架部分13'的自上而下的径向视图，其包括燃烧部段16'和位于燃烧部段16'的下游的涡轮部段48'的第一级涡轮叶片阵列49'，并且在燃烧部段16'和第一级涡轮叶片阵列49'之间定位有“跨叶片”过渡部20'。图2的中构架部分13'包括类似于图1的压缩机部段12的压缩机部段(未图示)。第一级外壳包围第一级涡轮叶片阵列49'并且包括叶片环51'。优选地，叶片环51'的上游侧53'适于联接至过渡部出口55'。跨叶片过渡部20'包括具有入口62'和出口55'的过渡部管体60'，其中，入口62'用于接收从燃烧室部段16'排出的气流，出口55'用于朝向第一级叶片阵列49'排放气流，在入口62'和出口55'之间有内部通道66'。出口55'在三个坐标方向上偏离入口62'，这三个坐标方向为径向方向(进/出图)、纵向方向68和切向方向70'。从出口55'排出的气流在绝对参考坐标系内沿着切向方向70'相对于纵向方向68呈一定角度，如箭头72'所描述，这是由第一级涡轮叶片阵列49'所需要的。将简单讨论中构架部分13'的绝对参考坐标系和相对参考坐标系，以及流出压缩机和进入燃气涡轮发动机10'的涡轮48'的气流的速度矢量是如何在所述每个参考坐标系中表示的。图3示出了燃气涡轮发动机10'的压缩机部段12的最末级叶片24和中构架部分13'的涡轮48'的第一级叶片49'的自上而下的径向视图，其中最末级叶片24和第一级叶片49'沿着图2的传统燃气涡轮发动机10'的纵向轴线75隔开。离开最末级叶片24的输出气流在最末级叶片24的(相对)参考坐标系中沿着相对输出速度矢量76定向。在压缩机部段12的工作过程中，最末级叶片24围绕纵向轴线75以垂直于纵向轴线75定向的叶片速度矢量78旋转。为了在绝对参考坐标系中确定离开最末级叶片24的输出气流的速度矢量，叶片速度矢量78与相对输出速度矢量76叠加，从而产生沿切向方向70相对于纵向方向68呈角度82的绝对输出速度矢量80。在示例性实施方式中，角度82大约为45度。因此，离开最末级叶片24的输出气流的绝对输出速度矢量80定向为在切向方向70上相对于纵向方向68大约呈45度角。传统中构架部分13'的最末级叶片26、28被构造成将绝对输出速度矢量80的角度82从45度减小到大约0度，以对准沿着纵向轴线75的气流。然而，如下文所讨论的，本专利技术的实施方式不利用最末级叶片，而是利用离开最末级叶片24的绝对输出速度矢量80的初始角度82。图3还示出了流向图2中所示的涡轮48'的第一级叶片49'的进入气流。为了最大限度地提高涡轮48'的效率，进入气流在第一级叶片49'的(相对)参考坐标系中沿着相对进入速度矢量84定向。在涡轮48'的工作过程中，第一级叶片49'围绕纵向轴线75以垂直于纵向轴线75定向的叶片速度86旋转。为了在绝对参考坐标系中确定进入气流的速度矢量，叶片速度矢量86与相对进入速度矢量84叠加，从而产生在切向方向70上相对于纵向方向68呈角度90的绝对进入速度矢量88。在示例性实施方式中，角度90大约为70度。因此，流到涡轮48'的第一级叶片49'上的进入气流的绝对进入速度矢量88定向为在切向方向70上相对于纵向方向68大约呈70度角。与图2的过渡部20'相对比，图1中示出的过渡部20将气流排出至仅在径向方向和纵向方向68上偏移的涡轮部段48，因此气流在切向方向上不相对于纵向方向68呈一定角度。由于涡轮部段48的第一级涡轮叶片阵列49需要在切向方向上相对于纵向方向68呈一定角度的进入气流，因此图1的涡轮部段48包括第一级叶片74，以使从过渡部20排出的气流沿切向方向偏移。然而，通过在过渡部20'中实施跨叶片设计，能够使气流在切向方向上相对于纵向方向68呈必要的角度90从出口55'排出，以适应第一级涡轮叶片阵列49’，从而不需要第一级叶片74。在'547专利中，专利技术人对燃气涡轮发动机的中构架部分——燃烧部段的下游——作了各种改进，以提高燃气涡轮发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种燃气涡轮发动机的中构架部分，所述中构架部分包括：压缩机部段，所述压缩机部段具有被构造成使从所述压缩机部段排出的气流以第一角度定向的最末级叶片；涡轮部段，所述涡轮部段具有被构造成接收以第二角度定向的气流的第一级叶片；歧管，所述歧管被构造成将来自于所述压缩机部段的气流直接联通至所述燃气涡轮发动机的位于所述涡轮部段上游的燃烧室头部；其中，所述燃烧室头部被构造成在气流中引入从所述第一角度到所述第二角度的偏移角度，使得从所述燃烧室头部排出的气流以所述第二角度定向；以及，其中，所述燃烧室头部被构造成至少保持或增大气流的所述第一角度。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2012.02.29 US 13/408,2871.一种燃气涡轮发动机的中构架部分，所述中构架部分包括：压缩机部段，所述压缩机部段具有被构造成使从所述压缩机部段排出的气流以第一角度定向的最末级叶片；涡轮部段，所述涡轮部段具有被构造成接收以第二角度定向的气流的第一级叶片；歧管，所述歧管被构造成将来自于所述压缩机部段的气流直接联通至所述燃气涡轮发动机的位于所述涡轮部段上游的燃烧室头部；其中，所述燃烧室头部被构造成在气流中引入从所述第一角度到所述第二角度的偏移角度，使得从所述燃烧室头部排出的气流以所述第二角度定向；其中，所述燃烧室头部被构造成至少保持或增大气流的所述第一角度，其中，所述第一角度是在绝对参考坐标系中相对于纵向方向测得的初始切向角，其中所述第二角度是在所述绝对参考坐标系中相对于所述纵向方向测得的最终切向角，其中，所述初始切向角是由绝对输出速度矢量在切向方向上相对于所述纵向方向而获得的角度，其中，所述绝对输出速度矢量通过将最末级叶片速度矢量叠加至相对输出气流速度矢量而产生，其中，所述最末级叶片速度矢量为垂直于纵向轴线定向的矢量，所述最末级叶片围绕所述纵向轴线以所述最末级叶片速度矢量旋转，其中，所述相对输出气流速度矢量为离开所述最末级叶片的输出气流在所述最末级叶片的参考坐标系中所定向的矢量，其中，所述最终切向角是由绝对进入速度矢量在所述切向方向上相对于所述纵向方向而获得的角度，其中，所述绝对进入速度矢量通过将第一级叶片速度矢量叠加至相对进入气流速度矢量而产生，其中，所述第一级叶片速度矢量为垂直于所述纵向轴线定向的矢量，所述第一级叶片围绕所述纵向轴线以所述第一级叶片速度矢量旋转，其中，所述相对进入气流速度矢量为流向所述第一级叶片的进入气流在所述第一级叶片的参考坐标系中所定向的矢量。2.根据权利要求1所述的中构架部分，其中所述燃烧室头部被构造成通过至少保持气流的相对于所述纵向方向的所述初始切向角而引入所述气流的角度偏移。3.根据权利要求2所述的中构架部分，其中所述燃烧室头部被构造成将相对于所述纵向方向测得的所述初始切向角增大所述偏移角度，从而使气流以相对于所述纵向方向测得的所述最终切向角定向，其中，所述偏移角度等于所述最终切向角和所述初始切向角的差。4.根据权利要求1所述的中构架部分，其中所述最终切向角大于所述初始切向角。5.一种燃气涡轮发动机的中构架部分，所述中构架部分包括：压缩机部段，所述压缩机部段具有被构造成使从所述压缩机部段排出的气流以第一角度定向的最末级叶片；涡轮部段，所述涡轮部段具有被构造成接收以第二角度定向的气流的第一级叶片；以及用于在气流中引入从所述第一角度到所述第二角度的偏移角度从而使得所述第一角度至少被保持或增大的装置，所述装置定位在所述压缩机部段的下游且在所述涡轮部段的上游，其中，所述第一角度是在绝对参考坐标系中相对于纵向方向测得的初始切向角，其中所述第二角度是在所述绝对参考坐标系中相对于所述纵向方向测得的最终切向角，其中，所述初始切向角是由绝对输出速度矢量在切向方向上相对于所述纵向方向而获得的角度，其中，所述绝对输出速度矢量通过将最末级叶片速度矢量叠加至相对输出气流速度矢量而产生，其中，所述最末级叶片速度矢量为垂直于纵向轴线定向的矢量，所述最末级叶片围绕所述纵向轴线以所述最末级叶片速度矢量旋转，其中，所述相对输出气流速度矢量为离开所述最末级叶片的输出气...

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·A·利特勒，赖因哈德·席尔普，克里斯托弗·W·罗斯，
申请(专利权)人：西门子能源有限公司，
类型：发明
国别省市：美国;US