[发明专利]具有改进的过渡部管道的向心式燃气涡轮发动机

说明书

关于联邦政府资助开发的声明

本发明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，美国政府对本发明可以具有一定的权利。

技术领域

本发明涉及向心式燃气涡轮发动机。特别地，本发明涉及利用改进的过渡部燃烧组件而不利用第一排涡轮导叶对燃烧气体进行加速的向心式燃气涡轮发动机。

背景技术

向心式燃气涡轮发动机可以具有使用叶轮从燃烧器和相关的常规过渡部管道接收燃烧气体的涡轮机。在叶轮将燃烧气体的流动从径向向内的方向引导到轴向方向的同时，燃烧气体使叶轮旋转。由于燃烧室和常规过渡部的性质，燃烧气体可以通过布置在常规过渡部管道的出口和叶轮之间的第一排导叶适当地定向。第一排导叶还可以将燃烧气体加速到适当的速度。这种带有常规过渡部和第一排涡轮动叶的配置会增加成本、复杂性，并且降低发动机的效率。因此，在该领域内仍存在改进的空间。

附图说明

在以下描述中考虑附图对本发明进行说明，图中显示：

图1示出了具有改进过渡部管道的向心式燃气涡轮发动机。

图2示出了图1中的向心式燃气涡轮发动机的近视图。

图3示出了沿图2中的线A-A的横截面。

图4示出了图3中被圈出的区域的近视图。

具体实施方式

本发明者已经认识到可以将改进的过渡部管道的理念应用于向心式燃气涡轮发动机，以提供可以比常规向心式发动机更紧凑(更短)、更高效并且可能成本更低的向心式发动机。应用于径向内流的改进过渡部管道可以沿径向定向，在径向平面内也可以被定向为使得在动叶围绕燃气涡轮发动机的中心轴旋转时的某一时刻时气体流动轴线还相切于涡轮动叶的冲击表面。燃烧气体的流动的适当定向是通过几何形状部实现的，该几何形状部构造成为每股燃烧气体流产生从点火的点直到在冲击第一排涡轮动叶紧之前离开过渡部管道都笔直的轴线。燃烧气体的流动路径在加速几何形状部沿着该笔直轴线变窄。该变窄使气体的流动在流动路径中不需要任何静止导叶的情况下加速至适于传送到第一排涡轮动叶的速度。在加速几何形状部和改进的过渡部管道的出口之间可以布置准直几何形状部。准直几何形状部产生均匀的气流，使得气流的全部量平行于气体流动轴线流动。由于这种径向定向，发动机沿着其中心轴线可以更短。这使得压缩机能够更靠近涡轮机，从而减少了现有技术的相对较长的轴所带来的转子动力学和轴振动问题。轴的长度更短，从而使轴承能够靠得更紧密，这对于具有单一的叶轮式涡轮机的向心式发动机尤为重要。在这样的发动机中叶轮通常很重。这样就需要更重的轴，这种情况更容易受到转子动力学和振动问题的影响。去除第一排的涡轮导叶也可以大大减少发动机的涡轮系统的成本，并且减少与第一排导叶相关的效率损失。

图1描绘了一种向心式燃气涡轮发动机10，该向心式燃气涡轮发动机10具有单一的叶轮12、转子轴14、压缩机16(图中示出轴向压缩机，但是径向压缩机也是可预想到的)、燃烧室17和相关的改进过渡部管道18。每个改进过渡部管道18包括直的气体流动轴线20，并且该气体流动轴线20被布置在与燃气涡轮发动机10的中心轴线24垂直的平面22内。每个改进的过渡部管道18都可以具有加速几何形状部26和准直几何形状部28。加速几何形状部26可以类似于圆锥体，该圆锥体使流动路径32的横截面尺寸在相对于燃烧气体在改进的过渡部管道18内的流动方向而言的下游方向上减小。可以看见，加速几何形状部至少在对应于中心轴线24的方向上变窄。

多个改进过渡部管道18形成阵列(未图示)，阵列的内表面34形成每条流动路径32。本文所使用的术语“内”指的是与燃烧气体40接触的表面。每条流动路径32可以由多个一起工作的改进过渡部管道18或单一的改进过渡部管道18的内表面36限定。例如，第一改进过渡部管道18可以形成流动路径32的一部分，上游和/或下游相邻(相对于叶轮12和叶轮动叶38的行进方向而言)的改进过渡部管道(未图示)可以形成流动路径32的其余的部分。燃烧气体40沿着气体流动轴线20流动，在加速几何形状部26中被加速至适于传送到叶轮动叶38的速度，并且可以在准直几何形状部28中被适当地定向。燃烧气体40冲击叶轮动叶38，叶轮动叶38反过来使燃烧气体40从径向流动方向重新定向为轴向流动方向。