[发明专利]具有缩短中段的燃气涡轮发动机

说明书

技术领域

本发明涉及一种工业燃气涡轮发动机，其具有配置为支持较短的转子轴的筒环形燃烧总成，以及可改善缩短的燃气涡轮发动机的空气动力学性能的径向扩散器。

背景技术

工业燃气轮机主要用于发电，而其它燃气涡轮发动机可能具有其它主要用途。例如，航空燃气涡轮发动机设计得重量很轻，并且尽可能小，以便为飞机提供推进力。航改型燃气涡轮发动机是改造为用于发电的航空燃气涡轮发动机。由于其原用于航空目的，因此航改型发动机比工业燃气涡轮发动机重量轻，比较便携，但是坚固性和发电能力要差一些。对于工业燃气轮机，在重量轻、便携或空气动力学性能方面没有什么要求，因此工业燃气轮机通常由重型部件构成，其主要考虑是发动机的长寿命和电力输出。这常常导致工业燃气涡轮发动机比航空型或航改型燃气涡轮发动机笨重庞大。这种体量能实现更长的发动机寿命和更高的输出能力，但是会增加设计和维护的复杂性与成本。

附图说明

下面将参照附图详述本发明。在附图中：

图1是具有常规燃烧系统的工业燃气涡轮发动机的截面图；

图2是图1的常规燃烧段的截面图；

图3是图1的工业燃气轮机的燃烧段配有重构燃烧总成的截面图；

图4是包含图3的重构燃烧系统并具有径向扩散器的一个示例性实施例的重构燃烧段的截面图；

图5是图4的重构燃烧段包含径向扩散器的一个可替代示例性实施例的截面图；

图6是图4的重构燃烧段包含径向扩散器的另一个可替代示例性实施例的截面图；

图7是图4的重构燃气涡轮发动机的截面图。

具体实施方式

本发明人找到了一个使用筒环形燃烧室系统缩短工业燃气涡轮发动机中的转子长度的途径。筒环形燃烧系统的筒形燃烧室可重构至径向更向外、轴向更靠近涡轮机的位置，并具有相对于由涡轮机进汽环室限定的平面的角度更小的燃烧室纵轴。通过以这种方式重新设置燃烧室的朝向，可增大燃烧总成(包括所有燃烧室和燃烧室与涡轮机之间的结构)的直径。本发明人认识到，在重新设置燃烧总成的朝向后，与传统朝向的筒环形燃烧室占据的长度相比，燃烧段占据的沿发动机轴线的长度可减小。燃烧室段长度的减小和随带的发动机长度的减小可以很显著。例如，在从压缩机翼片(导叶或轮叶，以在前的为准)的第一排的前缘算起至涡轮机翼片(导叶或轮叶，以在后的为准)的最后一排的后缘为止的发动机长度为5-6米的较小工业燃气涡轮发动机中，燃烧总成的轴向长度的减小以及发动机长度的减小在某些新兴技术设计中可为1/2米左右。在发动机长度为10-12米的较大工业燃气涡轮发动机中，轴向长度的减小可为1米左右。其它尺寸的发动机，包括发动机长度在两米以下的工业燃气涡轮发动机，也能获得类似的长度减小。在此所用的燃烧室段长度是最后一排压缩机翼片的后缘与第一排涡轮机轮叶的前缘之间的长度。在具有不只一个涡轮机的工业燃气涡轮发动机中，是指第一涡轮机的第一排涡轮机轮叶。与第一排旋转涡轮机轮叶相邻并处于上游的第一排固定导叶在此被视为燃烧段的一部分。

在工业燃气涡轮发动机中，由于注重采用重型部件，因此导致转子轴和配套的轴承很长并且很重。随着转子轴长度的增大，转子轴的动力学指标会提高。转子动力学指标的提高需要越来越复杂的转子轴设计和越来越大的轴承，以应对转子轴。因此，转子轴尺寸的任何缩减都会导致转子轴减小，转子轴设计的复杂性降低，轴承减小，以及叶尖余隙减小，其中每个因素都会降低成本和复杂性。利用本发明的教导，能够获得长度较短、寿命和功率输出不变、并且制造和维护成本较低的工业燃气涡轮发动机。