[发明专利]燃气涡轮发动机

说明书

根据空军批准的F33657-83-C-2005合同，美国政府对此发明有专利权。

本发明总的来说与燃气涡轮有关，更确切地说与新改进的效率提高的燃气涡轮有关。

提高燃气涡轮技术的一个重要目标是要改进发动机的热效率，此热效率的测量是发动机的输出能量除以燃料的输入能量，例如此输入能量可以用比油耗表示;也就是每小时的燃料以磅为单位的流量除以以磅为单位的发动机的推力。

发动机的总效率是被各个分效率所影响，其中实际上影响总效率的一个重要分效率应是涡轮，常规涡轮包括一排或多排固定在定子上的喷管叶片和转动的涡轮叶片，也可以包括一个或多个涡轮转子，例如驱动一压缩机的高压涡轮与一驱动风扇或低压压气机的低压涡轮在流动关系上为串联流动关系。

现代先进的燃气涡轮为了减小燃料比耗在比较高的燃气温度下工作，这种比较高的温度非常需要对涡轮叶片的冷却，这可以通过把一部分压缩空气引入到涡轮并流过涡轮叶片来进行冷却，因为该冷却空气是从发动机的主流路的旁路来进行冷却，必然会发生发动机的总效率降低。

燃气涡轮的典型设计是为了从此涡轮中取得所要求的功，上述较高的效率和较低的冷却空气量是用在设计涡轮中的众多一般目标中的二个。

用在设计涡轮的其它目标包括较高的性能和推力;较轻重量、成本和油耗，简单和体积小，虽然想要满足所有这些目标，但在实际的设计实践中要求在这些目标中采取折衷。

许多常规给定的涡轮规范被应用在设计涡轮中，例如包括叶片进、出口的燃气温度和压力，涡轮所要求的输出功率和转速，燃气流过涡轮叶片叶栅的速度向量图一般以最优半径来选取，诸如即可在叶片，叶根（也就是0%叶片高度）也可在叶片平均中线处的半径（也就是0.5叶片高度）速度三角形图解包括燃气流在涡轮叶片进口和入口的速度向量。

在叶片其它径向位置的速度向量图与流过叶片的燃气径向平衡相一致这种常规方法决定的。径向平衡是一条件，其中燃气径向压力等于由于在那点上速度的切向分量而作用在燃气上的离心力且方向相反。

叶片的形状和尺寸包括叶片各部分的角度是由限定整个叶片外表面的速度向量图这种常规方法所产生的，当然，附加的常规实施也用于最后确定一最佳的涡轮设计。

反动度是一普通已知参数用于确定涡轮的形式，反动度有许多可供选择的定义，例如，在涡轮转子中每级发生的静烩降的百分比和可以按照温度、压力或速度参数来表示，由于反动度可以按速度来表示所以接着反动度也可用来表示速度向量图，因此也用来表示叶片的形状和方向。

二种基本和常规形式的涡轮叶型包括反动式叶片和冲击式叶片，由于上述的径向平衡条件，所有燃气涡轮的叶片从叶根到叶尖的反动度是变化的，因为反动度必须从叶根向叶尖增加，诸如在节圆或平均圆直径处一单一的反动度值，可典型地用来限定涡轮的形式。

一纯冲击式涡轮（也就是0反动度）有一般来说对称的月牙形叶型的叶片，此种叶型一般在相邻叶片之间有均匀通道为了获得相等的进出口面积和流体流速。而一反动式涡轮有不对称的，具有比较厚的前缘部分和比较薄的后缘部分的叶片，二个相邻叶片之间的流体为了获得一比进口速度更高的出口速度。在冲击式涡轮中流体流过叶片通道不存在静压降，而在反动式涡轮中从进口到出口的静压降是存在的。

普通涡轮有平均反动度从约10%变化到约50%，按照二个先有技术对比文件，40%～50%的反动度一般可形成最佳性能和最高效率，其中一个对比文件也指出当速度向量图是对称时效率为最高。

虽然，先有技术讲到，最佳性能可以在40%～50%反动度时获得，比较高的反动度还包括一些付作用，例如随着反动度的增加也加大了离开涡轮气体的排气角，该排气角必定提供了增大下游叶片的转动能力，不仅排气角的增加结果形成了更复杂的下漩叶栅，而且也加大了漩涡气流的气动损失。

增大反动度也就增大了加速度，加大了排气的马哈数和流过涡轮叶片通度的气体压力降，由于气动效率的损失是正比于速度平方，比较大的反动度结果形成叶片后缘开口处排气的较大的扰动损失，而增大的压降也引起了增大流经叶片叶尖的漏气损失。