[发明专利]用于工业燃气涡轮发动机的中间框架的全环式壳体

说明书

关于联邦政府资助的研发的声明

本发明的研发部分地由美国能源部授予的合同No.DE-FC26-05NT42644支持。因此，美国政府可拥有本发明的一定权利。

技术领域

本发明涉及一种工业燃气涡轮发动机外壳体。更为具体地，本发明涉及一种用于工业燃气涡轮发动机的燃烧部段的全环式外壳体。

背景技术

传统的环管式工业燃气涡轮发动机具有跨越压缩机部段、燃烧部段、以及涡轮机部段并且构造为单件式的转子轴。工业燃气涡轮发动机外壳体包含的高压和高温提供使外壳体保持尽可能小的动机。这导致依照发动机的内部部件的形状的外壳体设计。工业燃气涡轮发动机的总体形状和外壳体仿照此总体形状的事实使得能够形成封闭整个发动机的单个壳体。因此，外壳体通常为环绕发动机的内部部件组装的不同壳体部段的组件。

在单件式转子轴跨越不同发动机部段的工业燃气涡轮发动机中，壳体部段通常分开成上半部和下半部以有利于发动机的组装和拆卸。保持壳体底部半部组装而移除顶部半部还使得能够接近发动机的内部并且同时在维修期间提供将发动机的部件保持在适当位置的结构支柱，诸如当仅移除和更换一些内部部件时。结果，传统的工业燃气涡轮发动机通常具有可与发动机的压缩机部段大致对应的上壳体和下壳体、可与燃烧部段大致对应的上壳体和下壳体、以及可与涡轮机部段大致对应的上壳体和下壳体。

该构型产生水平联接，其中上壳体和下壳体在该水平联接处相会合，且该水平联接沿着工业燃气涡轮发动机的每一侧延伸。此外，还围绕发动机形成周向联接，轴向相邻的壳体在周向联接处发生抵接。所有联接均会存在泄漏的可能性，从而导致较低效的发动机性能。此外，具有联接处的壳体厚度较大，而没有联接处的壳体厚度较薄，这导致不同的热膨胀的可能性。为了缓解不同热膨胀的作用，可使用较长的起动和关闭时间。此外，任何瞬时温度改变期间发生的不同热膨胀可能造成壳体椭圆化。这种椭圆化对内部部件来说可能是有害的，这些内部部件依靠壳体的圆形形状以便具有合适的性能从而保持期望的叶片间隙或者以便具有合适的密封性能。此外，在水平联接与周向联接相会合处形成四向联接。四向联接在关于机械设计考虑方面特别地有挑战性。

现今工业燃气涡轮发动机技术提供的最大的压力比为大约22:1。即，在空气被传递至燃烧室之前，压缩机最大将空气压缩至环境空气压力的大致22倍。仅仅机械压缩将使压缩空气的温度增加至大致440℃。而由钢制成且位于发生最高压力和最高温度的燃烧部段内的传统的分体式壳体在处于22倍大气压和大致440℃时可能接近其最大机械能力。然而，工业燃气涡轮发动机使用的压力比越大，操作效率越高。因此，传统的工业燃气涡轮发动机的壳体设计可能抑制了工业燃气涡轮发动机开发的进展。

附图说明

考虑附图在下面的描述中对本发明进行解释，这些附图示出了：

图1示出了燃烧部段外壳体的实施方式的局部纵向截面的示意性表示。

图2示出了包含燃烧部段外壳体的实施方式的工业燃气涡轮发动机的示意性表示。

具体实施方式

本发明的发明人已经设计了用于环管式工业燃气涡轮发动机的创新性改进的外壳体；即，具有如下单件式转子轴的发动机：该转子轴跨越压缩机部段、包括多个管式燃烧室的燃烧部段、以及涡轮机部段。燃烧部段壳体包括构造为全环式的至少第一部段。可以具有也可构造为全环式或者可构造为分体式壳体的第二部段。全环式燃烧部段外壳体提供多个优点。全环式壳体没有水平联接，从而减小发生泄露及相关联的工业燃气涡轮发动机操作效率减低的可能性。消除了传统的工业燃气涡轮发动机壳体构型的四向联接，保持最多三向联接。产生的三向联接可比四向联接拥有明显更大的结构弹性，并且因此与四向联接相比具有机械改进。此外，构造为单件、全环式的壳体能够应对更大的环向(周向)应力。这允许在燃烧部段外壳体的尺寸和形状方面具有更大的设计灵活度，并且还允许具有大于22:1的压力比的工业燃气涡轮发动机设计，该压力比值大致为传统工业燃气涡轮发动机外壳体的设计极限。此外，全环式壳体防止如下问题：将水平联接放置在利用某些改进的燃烧系统设计的工业燃气涡轮发动机中时，燃烧室可能放置为过于靠近在一起，使得可能几乎没有用于传统设计的水平联接的空间。