专利名称：新的燃气涡轮机的制作方法
新的燃气涡轮机发明领域燃气轮机发明背景现在的喷气发动机有很好的性能，再提高发动机性能受到压气机喘振与涡轮温度的限制。燃气轮机(涡轮轴发动机)，在地(水)面交通工具中使用，受两个因 素限制，1是燃气轮机造价高，涡轮叶片是用耐高温材料制成，多是贵重金属造的；2是耗油 量大。现在的燃气轮机高温叶片冷却空气是从叶片内部进入的，受热面与冷却面不重合， 叶片加热部分总有和冷却空气接触不到的地方，造成局部强度不足，引起问题，冷却效果不 好，不可能把高温叶片温度降低到5、6百度。为了不烧坏发动机，涡轮发动机中的大部分压 缩空气没有参与燃烧，用来冷却燃烧室和叶片，同时高温燃气同冷空气掺和，降低燃烧室出 口的燃气温度，大量的功浪费了。压气机与涡轮机有两个不匹配，流量不匹配与转速不匹 配，当任一不匹配发生时都有可能发生喘振。涡轮发动机为了冷却燃烧室和涡轮叶片要用 大量的压缩空气来隔热、散热，有时竟高达20%以上，也可以理解为压缩空气泄露了 20% 左右。现代的涡轮发动机一直在追求着高温、高压、高转速，高温高压是提高发动机效率的 有效手段，高压只能通过多级或高转速来获得，又以高转速效果最好。在高温下，任何金属 的强度都要下降，现在的技术，对于理想中的高温还是相差甚远，在高压条件下，压缩空气 已经达到几百度的高温，喷入燃料，燃烧以后，温度达到2000°C -3000°C是应该的，目前的 涡轮发动机涡轮进口处的温度还没有超过1700°C。现在的涡轮发动机，压缩以后的高压空 气，也只有40%左右的空气被燃烧，还有40 %以上的高压空气，没有参与燃烧，不是不想， 而是不能，有关资料介绍，和涡轮喷气发动机的加力燃烧都能证明这一点。现在涡轮发动机 的效率在30% -40%。压气机喘振是喷气发动机的顽症，压气机压力越高，发生喘振的可能 性越大，为了保证发动机安全运转，目前的技术是在压气机前几级定子叶片采用可调，在容 易发生喘振的时候减少进气量，减少喘振发生。另一项技术就是在压气机中间级放气，消除 喘振。共同点都是减少压气机出口流量，降低压气机的工作能力。压气机的喘振是由于压 气机以后的通道流通不畅，流量减少造成的，还有一项技术是涡轮定子叶片可调，但只能减 少流通面积，不能增加面积，调控能力有限。现在的涡轮发动机压缩比是不可变的，多大的 涡轮转速，对应着多大的压比，油门决定着速度，明知高压比下发动机效率高，但目前发动 机的结构限制在半工况下无法达到高压比，也就是在半工况下无法降低油耗。
发明内容
本发明提出了一种新的冷却涡轮叶片的方法，将涡轮进气通道分为两 部分，一部分进高温高压气体来作功，另一部分通道与大气相通，来冷却叶片。结构如图1、 图2、图3。冷热通道间的密封不是很重要，根据帕努利定理，热通道内的速大压小，只能从 外界吸入冷空气，高温高压气体在速度的惯性下，不会从缝隙中泄出，保证了发动机的效率 和使用安全。为了避免发动机叶片在热通道中被过度加热，可以将冷热通道设计成2个、 3个或多个，能及时冷却叶片，使叶片的工作环境更好，提高发动机的可靠性和寿命，并有降 噪的作用。本发明带来的好处是1、加热面和冷却面是同一个面，温差大，散热好，冷却效果 好。设计调整冷进气通道的面积，就可以控制叶片的温度。2是叶片温度低，高温涡轮可以 用普通钢材、铝材来制作，大大降低了涡轮的制造难度和材料费，制造成本大幅下降。3是 压气机中的压缩空气大部分用来燃烧，提高了发动机的功率，减少了压缩空气的非燃烧使用产生的浪费。4是涡轮转子的制作成本低，使得烧煤粉、煤浆的燃气轮机成为可能。使用几千小时，就换新涡轮，在发动机总的使用成本中，90%以上的成本为燃料费，发动机的购 费成本只占百分之几，所以换涡轮模块是可行的，经济的。5如果采用现在使用的耐高温材 料做的涡轮叶片，发动机可以工作在更高的温度下，带来提高推重比，降低油耗等多方面的 好处。本发明中所说的涡轮，不光能用在燃气涡轮机，涡轮轴发动机中，还可以用在涡轮增 压器上，在地面运行，燃气轮机的结构可以是这样的，燃烧室、高温定子叶片用水冷，高温涡 轮转子叶片用风冷，这样成本更低，工作更可靠。当然也可以用在高空，用在军用飞机上，保 持原冷空气从叶片中流动冷却的结构，加外冷却的通道冷却的结构。本发明提出一个解决 压气机喘振的技术，根据压气机的流量特性，扩大或缩小压气机出口以后的流通通道面积 或者说是扩大燃烧室出口面积和涡轮进口面积，降低流通阻力，增大流量，避免进气节流与 压气机放气损失。本发明就是用一可调燃烧室出口，涡轮流通通道的装置，调节流量来保证 发动机可靠运行。燃烧室出口与喷气发动机的可调喷口原理一样，一个挡板的角度大小调 整流量。在涡轮中有2组挡块，调整1组挡块就可调整涡轮机的流通面积，结构如图3。挡 板与挡块同步活动。当采用本发明以后，压气机与涡轮不在一根轴上，压气机转速越高，增 压压力越大，涡轮转速低一点，扭力会大一些，离心力小一些，效率会高一点。比如在小油门 时，采用可变速机构，可在压气机转速大一点工况下工作，在大油门时，可在转速比小一点 的工况下工作，以发挥出发动机最大的功率。发动机只有在最大功率时耗油量最小，半工况 时，经济性差，为什么？可以用内燃机的原理来说明，我们知道，压缩比越大越省油，这就是 柴油机比汽油机省油，特别是半工况，内燃机的特点是不管油门大小压缩比不变，涡轮发动 机就不一样了，半工况，转速要降低，压比要降低，热效率要降低，耗油量增大，经济性变差， 如果转速不降低，改变速比就可在半工况压气机工作在高速区，热效率高，耗油量低，燃气 涡轮机半工况耗油大的难题就这样解决了。涡轮机发动机慢转时温度高的难题也解决了， 为什么要变速比？如果在大油门下不降低压气机转速，压气机就会超转，发生破坏。有可变 速比齿轮机构可以使油门对转速的变化有选择，喷气涡轮发动机的压缩比是按最大功率设 计，当转速可变，涡轮进口面积可调，发动机的性能将会有质的变化，冷却涡轮遇到交变负 荷，疲劳负荷加大，又因工作温度降低，材料强度加大，问题并不是不可克服的，加上涡轮形 状的改变，上述目标能达到。压气机轴与涡轮机轴之间有两组(4个齿轮)，工作时只用一 组2个。采用本发明以后，功率与相似压气机的发动机提高近3倍，现在的发动机因涡轮温 度的限制，只能用1/3左右的压缩空气燃烧，把压缩空气全用在燃烧上，功率增大3倍左右。 当发动机启动时，燃烧室出口的通道加大，有利于点火，点火成功后，发动机转起来，流通增 大，使启动时发生喘振可能减少，当发动机由慢速，加速到中速以后，减小燃烧室出口以后 流通通道，增加阻力，提高压气机出口压力，增加功率到最大时，增加燃烧室出口以后流通 通道，适应流量增大的要求，减小油门时，减少燃烧室出口以后通道面积增加阻力，提高压 气机出口压力，提高热效率，现在的涡轮发动机不能猛加油门，猛加油门时，发动机会喘振， 本发明中的发动机可以猛加油门，猛加油门时，压气机以后的通道加大，把猛加油时产生的 多余燃气顺利排出，不产生堵塞，不发生喘振，本发明的特点就是可调燃烧室出口以后的通 道，可以理解为小功率时涡轮变小，大功率时涡轮变大。发生喘振时，只要把燃烧室出口以 后的通道加大，就可以消除喘振，现在的发动机一旦产生喘振很难办，不是重新设计发动 机，就是对发动机的使用提出限制。
当压气机出来的高压空气在燃烧室燃烧后，高温高压气体进入图1中小截面积的通道中，推动涡轮转动，涡轮叶片像螺旋浆一样推动冷空气运动，从图1中大截面积的通道 中流过，带走小截面积通道中高温高压下加热叶片的热量，冷热通道之间的隔离是由定了 叶栅上的挡块完成的，实际上就是把一部分定子叶片去掉，在去掉叶片的两端，增加2组挡 块，有两个以上的叶片在定子档块中转动，结构原理如图3中两组呈八字型的挡块，如果采 用本发明中的如图2结构的发动机承受3000°C高温也是可行的。本技术中有两大优点1 是减少了叶片冷却的压缩空气量，提高了燃气温度，这一里一外，可大幅度提高发动机的功 率和效率；2是降低了叶片的温度，可用廉价材料来制作叶片，叶片工作温度低，发动机工 作就可靠，寿命长。不会像俄国发动机只有几百小时的工作寿命，涡轮问题解决，对于涡轮 发动机是一个革命，将会从贵族身份降为平民身份，在很高温度下工作，叶片可能要多次冷 却，这也就是多个通道的原因。可调挡块安装在一个类似定子的壳体上，转动壳体就带动挡 块移动，来调整涡轮流通面积。本发动机有两个进出气口，一个如普通发动机，另一个通道 气流不从压气机内走，从发动机外走，到燃烧室后，涡轮前进入涡轮，冷却以后不从发动机 内部与高温气体混合，从定子叶片外流出。在图1图2的结构示意图中，发动机涡轮叶片直 接裸露在外，涡轮叶片像风扇一样，自动将冷空气吸入、排出。由于涡轮转速高，叶片在高温 燃气中不可能一下子加热几百度，一次加热的表面深度推测只有0. OOlmm左右，表面加热 一下，就被带到冷空气中冷却，表面产生的温差应力很小，不会对叶片产生损害。在高温条 件下，涡轮的叶片使用只有十几公斤的抗拉强度，与一般钢材的几十公斤、上百公斤的抗拉 强度相比，差的太远，本发明中涡轮温度的降低，给高转速提供了条件，发动机高转速是涡 轮叶片强度限制不能提高，这样就为发动机进一步提高压力，提高转速有了条件，由于本发 明中的结构多了泄露条件和其他情况，即使制造，装配精度差一点，效率和功率也不会比现 有的涡轮发动机差。本发明中的涡轮，犹如大风中的风车，在大风中狂转，效率可能低一点， 发动机的总效率反会提高。本发明中的涡轮发动机就是要把高压空气中的氧气尽可能的烧 尽，从理论上来讲，氧气与燃料全部烧尽时，发动机的功率，效率最高，提高推重比，达到降 低油耗，降低成本。涡轮叶片可以采用压气机的叶片，效率会低一点，可以作为风扇使用，涡 轮机就变成涡轮风扇发动机，综上所述，本发明具有先进性、新颖性、实用性，可用在导弹、 飞机、舰艇、坦克上、车辆、发电站。说明书
图1、图2是涡轮发动机原理示意图，压气机与涡轮齿轮连接的示意图，图3是高温 燃气与冷却空气进入涡轮通道叶栅展开示意图。
权利要求
涡轮发动机中涡轮通道分为两部分，特征是一个通道进入高压高温燃气作功，另一通道与大气相通，冷却叶片，也可以分为2个以上的燃气通道与2个以上的冷空气通道。
1.涡轮发动机中涡轮通道分为两部分，特征是一个通道进入高压高温燃气作功，另一 通道与大气相通，冷却叶片，也可以分为2个以上的燃气通道与2个以上的冷空气通道。
2.如权利要求项1所述的涡轮发动机中，燃气通道的调节。燃烧室出口、涡轮进口的面 积可调，燃烧室出口以后的通道大小可调。特征是采用一个挡板与一组挡块联动调节通道 面积。
3.如权利要求项1所述的涡轮发动机中，涡轮与压气机间用齿轮变速机构连接，特征 是改变齿轮的传输通道，可改变转速比。
全文摘要
本发明提出了一种解决涡轮发动机压气机喘振与涡轮叶片的冷却方法，解决喘振调整燃烧室出口涡轮进口面积，减小、增大流通阻力，涡轮叶片冷却是将没有压缩的冷空气流过涡轮叶片冷却。在涡轮与压气机之间采用变速机构联接，及燃烧室出口以后通道面积可调。
文档编号F02C7/18GK101845999SQ20091012799
公开日2010年9月29日 申请日期2009年3月24日 优先权日2009年3月24日
发明者霍继龙 申请人:霍继龙