具有从压缩机到涡轮的改进的气流旋转的环管式燃气涡轮发动机的中段的制作方法
【专利摘要】本发明提出了一种燃气涡轮发动机(310)的中构架部分(313)，该中构架部分(313)包括具有将气流(311)以第一角度(372)定向的最末级叶片的压缩机部段。该中构架部分(313)还包括具有接收以第二角度(374)定向的气流(311)的第一级叶片的涡轮部段。该中构架部分(313)还包括将来自于压缩机部段的气流(311)直接联通至涡轮部段的上游的燃烧室头部(318)的歧管(314)。该燃烧室头部(318)在气流(311)中引入从第一角度(372)到第二角度(374)的偏移角度，使得气流(311)以第二角度(374)从燃烧室头部(318)排出。在引入偏移角度的同时，燃烧室头部(318)至少保持或增大第一角度(372)。
【专利说明】具有从压缩机到涡轮的改进的气流旋转的环管式燃气涡轮发动机的中段
[0001]关于联邦政府资助开发的声明
[0002]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】
[0003]本发明涉及环管式燃气涡轮发动机，更具体地说，涉及一种环管式燃气涡轮发动机的中构架(midframe)部分。
【背景技术】
[0004]在美国专利N0.7，721，547 ( “’ 547专利”)中讨论了环管式燃气涡轮发动机的传统中构架设计，该专利转让给了本发明的受让人，在此引入作为参考。’547专利的图1被复制作为本文的图1，该图示出了经过传统环管式燃气涡轮发动机10的中构架部分13的横截面。燃气涡轮发动机10的主要部件是压缩机部段12、燃烧部段16和涡轮部段48。转子组件17定位于中央并且延伸穿过这三个部段。在工作中，压缩机部段12通过进气口(未图示)接收空气并且对空气进行压缩。已压缩气流11从压缩机部段12传送到轴向扩散器14，然后气流11进入外壳19内的腔15，在腔15中，总气流11被分离并且进入环管式燃烧部段16的多个燃烧室头部18之一，其中环管式燃烧部段16以环形构型环绕转子组件17。
[0005]如图1所示，压缩机部段12包括包围交替的多排静叶片23和旋转叶片25的圆筒27、29。静叶片23可以附接至圆筒27，旋转叶片25可以安装至转子组件17以便与转子组件17 —起旋转。静叶片23包括最末静叶片26和位于邻近压缩机部段12的出口处的出口导叶28。此外，旋转叶片25包括定位在最末静叶片26和出口导叶28的上游的最末级叶片24。最末静叶片26和出口导叶28用于去除离开最末级叶片24的气流11的绝对切向旋流角(在绝对参考系中相对于纵向方向测量)。
[0006]如在图1中进一步示出的，提供了承载支柱30以在燃烧部段16的外壳19处支承转子组件17的轴盖32。可以由本领域的技术人员领会的是，可以为四个燃烧室头部18中的每一个分别提供一个支柱30。如图1所示，轴向扩散器14包括内锥体36和外锥体34，并且在内锥体36和外锥体34之间的横截面积沿纵向方向68增大，使得气流11经过扩散器14扩张并且减速，从而将速度头转换成压力头。如图1中所示的，支柱30在轴盖32之间附接至轴向扩散器14的外锥体34，由此，燃烧部段16的外壳19在轴盖32处支承支柱30。
[0007]如在图1中进一步示出的，提供转子冷却抽取管道38，该转子冷却抽取管道38从腔15中抽取已压缩空气，并且将该已压缩空气传送到冷却器42中。已冷却的空气从冷却器42传送并且经过位于腔15内且将已冷却的空气引导到轴盖32的下面的转子冷却喷射管道40，以冷却发动机的旋转部件。
[0008]发动机的另一个需要冷却的部分是在通向涡轮部段48的入口处的过渡部20中的拐弯部，该拐弯部在燃气涡轮发动机10的工作过程中通常会经历特别高的热通量。为了在燃气涡轮发动机10的工作过程中冷却过渡部20的后端54，进入腔15的气流11的一部分58与过渡部20的接近最高热通量区域的后端54相接触，以便通过使用热对流来冷却过渡部20的后端54。
[0009]’547专利的图8复制于本文中作为图2，其示出了在图1的过渡部20的基础上进行了改良的“跨叶片”过渡部20’。图2示出了燃气涡轮发动机10’的中构架部分13’的自上而下的径向视图，其包括燃烧部段16’和位于燃烧部段16’的下游的涡轮部段48’的第一级涡轮叶片阵列49’，并且在燃烧部段16’和第一级涡轮叶片阵列49’之间定位有“跨叶片”过渡部20’。图2的中构架部分13’包括类似于图1的压缩机部段12的压缩机部段(未图示)。第一级外壳包围第一级涡轮叶片阵列49’并且包括叶片环51’。优选地，叶片环51’的上游侧53’适于联接至过渡部出口 55’。跨叶片过渡部20’包括具有入口 62’和出口 55’的过渡部管体60’，其中，入口 62’用于接收从燃烧室部段16’排出的气流，出口55’用于朝向第一级叶片阵列49’排放气流，在入口 62’和出口 55’之间有内部通道66’。出口 55’在三个坐标方向上偏离入口 62’，这三个坐标方向为径向方向(进/出图)、纵向方向68和切向方向70’。从出口 55’排出的气流在绝对参考坐标系内沿着切向方向70’相对于纵向方向68呈一定角度，如箭头72’所描述，这是由第一级涡轮叶片阵列49’所需要的。将简单讨论中构架部分13’的绝对参考坐标系和相对参考坐标系，以及流出压缩机和进入燃气涡轮发动机10’的涡轮48’的气流的速度矢量是如何在所述每个参考坐标系中表示的。图3示出了燃气涡轮发动机10’的压缩机部段12的最末级叶片24和中构架部分13’的涡轮48’的第一级叶片49’的自上而下的径向视图，其中最末级叶片24和第一级叶片49’沿着图2的传统燃气涡轮发动机10’的纵向轴线75隔开。离开最末级叶片24的输出气流在最末级叶片24的(相对)参考坐标系中沿着相对输出速度矢量76定向。在压缩机部段12的工作过程中，最末级叶片24围绕纵向轴线75以垂直于纵向轴线75定向的叶片速度矢量78旋转。为了在绝对参考坐标系中确定离开最末级叶片24的输出气流的速度矢量，叶片速度矢量78与相对输出速度矢量76叠加，从而产生沿切向方向70相对于纵向方向68呈角度82的绝对输出速度矢量80。在示例性实施方式中，角度82大约为45度。因此，离开最末级叶片24的输出气流的绝对输出速度矢量80定向为在切向方向70上相对于纵向方向68大约呈45度角。传统中构架部分13’的最末级叶片26、28被构造成将绝对输出速度矢量80的角度82从45度减小到大约O度，以对准沿着纵向轴线75的气流。然而，如下文所讨论的，本发明的实施方式不利用最末级叶片，而是利用离开最末级叶片24的绝对输出速度矢量80的初始角度82。图3还示出了流向图2中所示的涡轮48’的第一级叶片49’的进入气流。为了最大限度地提高涡轮48’的效率，进入气流在第一级叶片49’的(相对)参考坐标系中沿着相对进入速度矢量84定向。在涡轮48’的工作过程中，第一级叶片49’围绕纵向轴线75以垂直于纵向轴线75定向的叶片速度86旋转。为了在绝对参考坐标系中确定进入气流的速度矢量，叶片速度矢量86与相对进入速度矢量84叠加，从而产生在切向方向70上相对于纵向方向68呈角度90的绝对进入速度矢量88。在示例性实施方式中，角度90大约为70度。因此，流到涡轮48’的第一级叶片49’上的进入气流的绝对进入速度矢量88定向为在切向方向70上相对于纵向方向68大约呈70度角。与图2的过渡部20’相对比，图1中示出的过渡部20将气流排出至仅在径向方向和纵向方向68上偏移的涡轮部段48，因此气流在切向方向上不相对于纵向方向68呈一定角度。由于涡轮部段48的第一级涡轮叶片阵列49需要在切向方向上相对于纵向方向68呈一定角度的进入气流，因此图1的涡轮部段48包括第一级叶片74，以使从过渡部20排出的气流沿切向方向偏移。然而，通过在过渡部20’中实施跨叶片设计，能够使气流在切向方向上相对于纵向方向68呈必要的角度90从出口 55’排出，以适应第一级涡轮叶片阵列49’，从而不需要第一级叶片74。在’547专利中，发明人对燃气涡轮发动机的中构架部分一燃烧部段的下游——作了各种改进，以提高燃气涡轮发动机的工作效率。在本发明中，本发明人对燃气涡轮发动机的中构架部分——燃烧部段的上游一一作了各种改进，以同样提高燃气涡轮发动机的工作效率和/或成本效率。
【发明内容】
[0010]本发明人已经认识到，通过在发动机的中段的设计中的创新可以获得环管式燃气涡轮发动机的工作效率的显著改善。本发明人已经认识到，空气在环管式燃气涡轮发动机中从压缩机部段到燃烧室部段的移动一般是非结构化的、混乱的过程。由压缩机部段产生的已压缩空气被引导至环形腔15中，并且允许寻找其在各种结构障碍物周围的阻力最小的路径，继而进入一个相应的燃烧室头部18中。因此，气流经历湍流，流体摩擦产生压力损失。本发明人已经认识到，改进的发动机中段设计可以通过使涡流的减少降到最低而将这种损失降到最低，从而提供改进的总的发动机性能。
[0011]气流11在从压缩机部段12行进到燃烧室头部18中的一个时，会经历基于总的旋转角度的气动损失。最末静叶片26和出口导叶28共同使气流11旋转了初始绝对切向旋流角，以去除由旋转叶片24赋予的例如45度的初始绝对切向旋流角，使气流11在进入轴向扩散器14时沿下游纵向方向68定位。除了初始绝对切向旋流角旋转，气流11在离开扩散器14并进入腔15中时还会经历两个180度的旋转:第一个近似180度的旋转，以使气流11从初始下游纵向方向68定向成上游纵向方向，以使气流11纵向地向后行进至相应燃烧室头部18 ;以及第二个近似180度的旋转，其发生在燃烧室头部18处，以将气流11引导到燃烧室头部18的入口中。因此，气流11在从压缩机部段12行进到燃烧室头部18之一的过程中经历了近似400度的总的旋转，并且该旋转的大多数是在腔15的非结构化环境中完成的。本发明人已经认识到，气流从压缩机部段行进到相应的燃烧室头部的气动效率可以通过减小空气的这种总的旋转和/或更加精确地控制旋转过程而提高。例如，在扩散器出口处可以将径向速度分量引入到气流中，使得气流在扩散器出口处是混合流(该混合流中有合成的纵向、切向和径向速度分量)。通过在扩散器出口处将径向速度分量引入到气流中，在腔15中的所需的总旋转角度将会减小，并且从压缩机部段行进到相应的燃烧室头部的气流的气动效率将会提高。如上所述，传统环管式燃气涡轮发动机10的最末级叶片和出口导叶提供用于消除由旋转压缩机叶片24赋予的大约45度的初始切向旋流角，使得气流沿着下游纵向方向(O度切向旋流角)引导至腔15中。本发明人已经认识到一些过渡部的设计一例如在上文所讨论的图2中的跨叶片设计一要求从过渡部20’输出到涡轮部段48’的第一级叶片49’的最终绝对切向旋流角(相对于纵向方向68)比压缩机部段的最末级叶片产生的初始绝对切向旋流角大。例如，在示例性实施方式中，跨叶片的设计要求到达涡轮部段48’的第一级叶片49’的最终绝对切向旋流角为70度，超过了离开压缩机部段的最末级叶片24的呈45度的初始绝对切向旋流角。本发明人已经认识到，保持并进而增大离开压缩机部段的最末级叶片的初始绝对切向旋流角将会是有利的，而不是通过最末级压缩机叶片26和出口导叶28消除初始绝对切向旋流角以及通过过渡部20’将其替换为涡轮部段48’的第一级叶片49’的传统操作。本发明人已经认识到，离开压缩机部段的最末级叶片初始绝对切向旋流角可以通过跨叶片过渡部而增大了偏移角度，以使得从跨叶片过渡部输出的气流的绝对切向旋流角实现入射到第一级叶片49’上的所需的最终绝对切向旋流角。通过过渡部产生的该偏移角度例如可以是25度，将其附加至由最末级压缩机叶片24提供的45度角以得到在第一级涡轮叶片49’处所需的70度切向角，从而消除对最末级压缩机叶片26和出口导叶28的需求。通过保持或增补离开压缩机部段的最末级叶片的气流的初始绝对切向旋流角，可以使气流以相比于传统设计大幅减小的总旋转角度从压缩机出口传送至相应的燃烧室头部，从而提高燃气涡轮发动机的中构架部分的气动效率。
[0012]本发明人还已经认识到，从压缩机部段12到燃烧室头部18的气流11的气动效率可以通过直接将气流从压缩机-扩散器出口的相应部段联通至每个单独的燃烧室头部入口而得以提高。在传统的燃气涡轮中，已压缩气流11从压缩机部段12传送到轴向扩散器14，然后气流11进入外壳19内的腔15，其中，气流11在随机进入腔15中的多个燃烧室头部18的任何一个的过程中都会经历气动损失。在从扩散器14中出来同时进入腔15中时，气流11因为与均邻近扩散器14的出口处定位的承载支柱30、转子冷却喷射管道40以及过渡部20的近侧22相接触而再次经历气动损失。通过如本文所述的直接将气流11从压缩机-扩散器出口联接至相应的燃烧室头部入口，可以避免气流全部进入腔中，从而能够减少与随意进入多个燃烧室头部18之一相关联的气动损失。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]本发明以基于附图的如下描述进行解释，其中:
[0014]图1是传统涡轮发动机的一部分的横截面视图；
[0015]图2是传统涡轮发动机的过渡部的跨叶片设计的横截面视图；
[0016]图3是图2的传统涡轮发动机的最末级压缩机叶片和第一级涡轮叶片的径向视图；
[0017]图4是涡轮发动机中的直线形扩散器管道的局部纵向视图；
[0018]图5是图4中所示的直线形扩散器管道的局部径向视图；
[0019]图6是涡轮发动机中的螺旋形扩散器管道的局部径向视图；
[0020]图7是图6中所示的螺旋形扩散器管道的局部纵向视图；
[0021]图8是气流的总压力和静态压力相对沿燃气涡轮发动机的气流的纵向位置的曲线图；
[0022]图9是涡轮发动机中的螺旋管道的局部径向视图；以及
[0023]图10是图9所示的螺旋管道的局部纵向视图。
【具体实施方式】
[0024]如上所述，本发明的发明人已经认识到，燃气涡轮发动机的改进的中构架部分的特征是从扩散器出口发起混合气流(轴向、切向加上径向流动速度)。通过从扩散器出口发起混合气流，气流从扩散器出口传送至燃烧室头部入口，同时经历与使用传统中构架部分的气流相比减小的总旋转角度。
[0025]提供一种中构架设计，其中，能够在中构架部分的在传统轴向压缩机部段下游的扩散器中发起混合气流。图4示出了燃气涡轮发动机310的中构架部分313的在径向-切向平面中的纵向横截面视图，其中，压缩机部段(未图示)将气流压缩到压缩机部段的下游的环形部329中。多个扩散器管道314以环形构型定位在燃气涡轮发动机310的转子组件(未图示)的周围。扩散器管道314接收来自于环形部329的已压缩空气，扩散器管道314以角度373在切向方向70上切向地导向，其中，角度373定向为相对于径向方向69呈90度角。因此，来自于环形部329的气流311分别沿混合流的方向被引导至每个相应的扩散器管道314中，其中，径向速度分量和切向速度分量均基于角度373，而纵向速度分量则沿着纵向方向(未图示)。扩散器管道314在下文中更详细地讨论，其包括如下特征:在混合气流311从压缩机部段出口传送至燃烧室318、再到过渡部320、最后到达环形部331和燃气涡轮发动机310的涡轮部段时，该特征能够使混合气流311所需的总旋转角最小化。扩散器管道314的上述讨论确定了混合气流311能够在燃气涡轮发动机310的中构架部分313的扩散器管道314中产生。
[0026]图5示出了图4的扩散器管道314在纵向-切向平面中的径向视图，其中，扩散器管道314在压缩机部段出口处从环形部329延伸到燃烧室316的相应燃烧室头部318入口。图5的中构架部分313中的压缩机部段的最末级叶片(未图示)类似于图3中所示的中构架部分13’的最末级叶片24，因此，气流311以在切向方向70上相对于纵向方向68呈角度372定向的绝对输出速度矢量从中构架部分313的最末级叶片(未图示)离开。在示例性实施方式中，角度372大约为45度。为了使绝对输出速度矢量以角度372定向，扩散器管道314为也呈角度372的直管道，以接收气流311。同样的，在图5的中构架部分313中的涡轮的第一级叶片(未图示)类似于图3中所示的中构架部分13’的第一级叶片49’，因此，气流311以绝对进入速度矢量入射到第一级叶片49’上，其中绝对进入速度矢量定向成沿切向方向70相对于纵向方向68呈角度374。在示例性实施方式中，角度374大约为70度。为了使绝对进入速度矢量以角度374定向，跨叶片过渡部320为也呈角度374的直管道，以接收来自于燃烧室头部318的呈角度374的气流311。因此，气流311在燃烧室头部318处经历了绝对速度矢量从角度372到角度374的偏移。虽然从角度372到角度374的角度偏移发生在燃烧室头部318处，但是与传统中构架部分中的从压缩机出口到燃烧室头部入口的气流的总旋转角度例如400度相比，该角度偏移相对较小，例如为25度。如在图5中所示的，扩散器管道314被设计成使气流从环形部329通过直的管状管道到达出口，而过渡部320则被设计成具有与扩散器管道314相反的设计，因为其使气流从入口通过直的管状管道到达涡轮部段内的环形部331。如图4中所示的，喷射器325定位成将一定体积的燃料327传送至燃烧室头部318中，燃料327与气流311相混合，随后该空气-燃料混合物被点燃。如图5所示，扩散器管道314的出口包围燃烧室头部318入口的入口，因为扩散器管道314出口的外径342大于燃烧室头部318入口的外径344。
[0027]除了在中构架部分313的纵向-切向平面(图5)中行进的气流311的角度偏移，气流311还经历中构架部分313的径向-切向平面中的角度偏移，并且这两个角度偏移组合起来以确定气流311在从压缩机出口传送到相应的燃烧室头部318入口时的总旋转角度。图4示出了在径向-切向平面中的中构架部分313，其中，气流311从压缩机出口(未图示)处的环形部329沿着相对于径向方向69呈90度的角度373定向的切向方向70传送。气流311在扩散器管道314中传送，扩散器管道314同样在径向-切向平面中倾斜角度373，并且气流311沿具有合成的径向速度分量和切向速度分量的混合流方向进入燃烧室头部318入口。气流311沿具有合成的径向速度分量和切向速度分量的混合流方向以角度375从燃烧室头部318入口出来，并且在于径向-切向平面中以角度375类似地倾斜的过渡部320中传送。随后气流311在环形部331处沿切向方向70离开过渡部320，其中切向方向70在过渡部320出口处定向成相对于径向方向69呈90度的角度375。在气流311进入环形部331以后，在涡轮(未图示)的第一级叶片处在纵向-切向平面(图5)中以适当的角度374引导气流311。气流311在径向-切向平面中的角度偏移是基于如下因素的，例如压缩机部段出口的径向高度、燃烧室头部318的径向高度和涡轮入口的径向高度。图4的目的是假定压缩机部段的最末级叶片的高度小于外壳319中的涡轮的第一级叶片的高度，那么与气流311离开过渡部320相比，气流311以减小的径向高度进入扩散器管道314。在示例性实施方式中，角度373可以是90度，同时角度375可以是90度，因此，在气流311从压缩机部段出口行进到燃烧室头部318入口时，气流311将会在径向-切向平面中经历大约90的旋转。
[0028]如前面所讨论的，在气流311从压缩机部段出口传送到燃烧室头部318入口时，集成的扩散器管道314使得气流311的总旋转角度大幅减小。气流311的总旋转角度包括气流311在纵向-切向平面(图5)内的旋转角度和气流311在径向-切向平面(图4)内的旋转角度。如上所述，例如，在示例性实施方式中，气流311在纵向-切向平面(图5)内的旋转角度可以大约为25度。同样的，如上所述，例如，在示例性实施方式中，气流311在径向-切向平面(图4)内的旋转角度可以大约为90度。因此，通过使用集成的扩散器管道314，能够使从压缩机出口传送到燃烧室头部318入口的气流311的总旋转角度大约为115度。该总旋转角度大幅地小于在燃气涡轮发动机的传统中构架部分中从压缩机出口传送到燃烧室头部入口的气流的大约400度的总旋转角度。事实上，扩散器管道314能够提高燃气涡轮发动机310的中构架部分313的气动效率。
[0029]图6-7示出了燃气涡轮发动机310’的中构架部分313’的替代性实施方式，该中构架部分313’类似于图4和图5的中构架部分313，除了扩散器管道314’具有不同于图4和图5的扩散器管道314的替代性设计。如前面所讨论的，图4和图5的扩散器管道314的特征在于直的管状构型，该直的管状构型相对于纵向方向68朝着切向方向70以角度372将气流311引导至燃烧室头部318入口，然后，在气流311到达过渡部320之前，气流311在燃烧室头部318入口处角度偏移为沿着切向方向70相对于纵向方向68呈角度374。因此，气流311的从角度372到角度374的角度偏移发生在燃烧室头部318入口处。与图4和图5的扩散器管道314相比，图6-7的扩散器管道314’采用的是螺旋形而不是直的管状构型，其中扩散器管道314’的环形部329处的入口沿切向方向70相对于纵向方向68以角度372定位，而扩散器管道314’的在燃烧室头部318入口处的出口沿切向方向70相对于纵向方向68以角度374定位。因此气流311的从角度372到角度374的角度偏移发生在螺旋形扩散器管道314’的在环形部329处的入口和燃烧室头部318入口处的出口之间的整个长度上。由于从角度372到角度374的所需的角度偏移发生在扩散器管道314’的整个长度上，因此该角度偏移不需要发生在燃烧室头部318入口处。因此，从扩散器管道314’的出口传送到燃烧室头部318入口中的气流311经历极小的角度偏移。图6-7中的扩散器管道314’的出口附接至燃烧室头部318入口，使得扩散器管道314’出口的面321’平行于燃烧室头部318入口的面323定位。如同图4和图5中所示的中构架部分313，扩散器管道314’出口的外径342大于燃烧室头部318入口的外径344，使得扩散器管道314’出口包围燃烧室头部318入口。如在图7中示出的，由于扩散器管道314’在径向-切向平面中呈螺旋形，因此扩散器管道314’可以增加至比图4中所示的具有直的管状构型的扩散器管道314的峰值径向高度更大的峰值径向高度。因此，为了适应扩散器管道314’的更大的峰值径向高度，可以使中构架部分313’的特征为具有比图4的外壳319更大的外壳319’，使得扩散器管道314’在外壳319’中具有足够的径向空间以将混合气流311从压缩机出口传送至燃烧室头部318入口。基于中构架部分313’的较大外壳319’和中构架部分313的较小外壳319，中构架部分313的制造成本效率可能会大于中构架部分313’。然而，如前面所讨论的，扩散器管道314采用了直的管状形式，其在扩散器管道314出口处引导从角度372到角度374的角度偏移，而扩散器管道314’采用了螺旋形式，其沿着扩散器管道314’的长度引导从角度372到角度374的角度偏移，从而可以使中构架部分313’的气动效率大于中构架部分313。
[0030]图4-7的集成扩散器管道的实施方式用于在气流通过扩散器管道时减小气流的动态压力并同时增加气流的静态压力。图8示出了在图4和图5的扩散器管道中的气流311的总压力502和静态压力504以及在外壳319中的扩散器管道外侧的中间压力506的曲线图。本领域的技术人员可以领会的是，气流的总压力502是气流的静态压力504和气流的动态压力之和。因此，气流311的动态压力可以由气流311的总压力502和静态压力504之间的差来确定。图8描绘了贯穿燃气涡轮发动机310的中构架部分313的不同位置处的各种压力，其中包括压缩机508的最末级叶片、燃烧室头部入口 510、燃烧室头部出口 512和跨叶片过渡部出口 514。如图8所示，当气流311经过压缩机最末级叶片508和燃烧室头部入口 510之间的扩散器管道314时，气流311会减速，从而降低动态压力，因此提高静态压力504。扩散器管道314逐渐降低气流311的动态压力，从而有效地将气流311的大部分或全部动态压力转变成静态压力504。相反地，图1的传统中构架部分13将气流11排出到腔15中，在腔15中，气流11突然失去大量的动态压力，所失去的动态压力可能不会转变回动态压力，从而在将气流11排出到腔15中的过程中损失掉。在燃料-空气混合物进入燃烧室头部入口 510之后，燃烧室头部318中的燃料-空气混合物被点燃，这使得气流311加速经过燃烧室出口 512和经过过渡部出口 514，从而增大动态压力，进而降低静态压力504。在贯穿中构架部分313的整个工作过程中，外壳319中的压力被设定为中间压力506，在贯穿中构架部分313的每个位置处，该中间压力506都小于静态压力504。本领域的技术人员可以领会的是，在扩散器管道314和燃烧室头部318之间以及燃烧室头部318和过渡部320之间的接口处会聚集停滞的空气。通过将外壳319中的中间压力506调整为小于扩散器管道314、燃烧室头部318或过渡部320中的气流311的静态压力504，将会使泄露的气流穿过这些接口，以排出这些接口中的任何停滞的空气，从而避免在这些接口处积聚热的、停滞的空气。
[0031]图9-10示出了燃气涡轮发动机310"的中构架部分313"的替代性实施方式，其类似于图6-7中描述的燃气涡轮发动机310’的中构架部分313’，其中，混合气流311通过歧管314"，歧管314"不起扩散器的作用，而是会加快混合气流311从压缩机出口处的环形部329到燃烧室头部318入口的速度。不同于图6-7的扩散器管道314’，歧管314〃的外径342〃小于燃烧室头部318入口的外径344"，使得歧管314〃的出口定位在燃烧室头部318的入口中。相反地，在图4-7的上述实施方式中，扩散器管道的外径342大于燃烧室头部318入口的外径344，使得扩散器管道出口包围燃烧室头部318入口。如同图4和图7中的中构架部分313、313’，图9的中构架部分313〃包括喷射器325，以将一定体积的燃料327传送到燃烧室头部318中。燃料327例如可以是诸如氢气的能够显现高火焰速度的活性燃料，因此，需要混合气流311以高进入速度进入燃烧室头部318，以避免反燃。通过将歧管314〃的外径342"的尺寸设定为小于燃烧室头部318入口的外径344"的尺寸，以及将歧管314"出口定位在燃烧室头部318入口中，从而使进入燃烧室头部318入口的混合气流311的速度增大至燃烧室头部318的高进入速度临界值，以避免在活性燃料327通过喷射器325传送到燃烧室头部318中时发生反燃。
[0032]虽然本发明的各种实施方式已在本申请文件中示出和描述，但是显而易见的是所提供的这些实施方式仅仅作为示例。可以做出众多变形、改变及替代而均不偏离本文中的本发明。因此，其目的是，本发明只能通过所附权利要求的精神和范围来限制。
【权利要求】
1.一种燃气涡轮发动机的中构架部分，所述中构架部分包括: 压缩机部段，所述压缩机部段具有被构造成使从所述压缩机部段排出的气流以第一角度定向的最末级叶片； 涡轮部段，所述涡轮部段具有被构造成接收以第二角度定向的气流的第一级叶片； 歧管，所述歧管被构造成将来自于所述压缩机部段的气流直接联通至所述燃气涡轮发动机的位于所述涡轮部段上游的燃烧室头部； 其中，所述燃烧室头部被构造成在气流中引入从所述第一角度到所述第二角度的偏移角度，使得从所述燃烧室头部排出的气流以所述第二角度定向； 以及，其中，所述燃烧室头部被构造成至少保持或增大气流的所述第一角度。
2.根据权利要求1所述的中构架部分，其中所述第一角度是在绝对参考坐标系中相对于纵向方向测得的初始切向角，其中所述第二角度是在所述绝对参考坐标系中相对于所述纵向方向测得的最终切向角。
3.根据权利要求2所述的中构架部分，其中所述燃烧室头部被构造成通过至少保持气流的相对于所述纵向方向的所述初始切向角而引入所述气流的角度偏移。
4.根据权利要求3所述的中构架部分，其中所述燃烧室头部被构造成将相对于所述纵向方向测得的所述初始切向角增大所述偏移角度，从而使气流以相对于所述纵向方向测得的所述最终切向角定向，其中，所述偏移角度等于所述最终切向角和所述最初切向角的差。
5.根据权利要求2所述的中构架部分，其中所述最终切向角大于所述最初切向角。
6.一种燃气涡轮发动机的中构架部分，所述中构架部分包括: 压缩机部段，所述压缩机部段具有被构造成使从所述压缩机部段排出的气流以第一角度定向的最末级叶片； 涡轮部段，所述涡轮部段具有被构造成接收以第二角度定向的气流的第一级叶片；以及 用于在气流中引入从所述第一角度到所述第二角度的偏移角度从而使得所述第一角度至少被保持或增大的装置，所述装置定位在所述压缩机部段的下游且在所述涡轮部段的上游。
7.根据权利要求6所述的中构架部分，还包括歧管，所述歧管被构造成将来自于所述压缩机部段的气流直接联通至所述燃气涡轮发动机的燃烧室头部；其中用于引入所述偏移角度的所述装置是所述燃烧室头部。
8.根据权利要求7所述的中构架部分，其中所述歧管呈直的管状形式。
9.根据权利要求6所述的中构架部分，其还包括歧管，所述歧管被构造成将来自于所述压缩机部段的气流直接联通至所述燃气涡轮发动机的燃烧室头部；其中用于引入所述偏移角度的所述装置是所述歧管。
10.根据权利要求9所述的中构架部分，其中所述歧管呈弯曲的螺旋形管状形式。
11.根据权利要求6所述的中构架部分，其中所述第一角度是在绝对参考坐标系中相对于纵向方向测得的初始切向角，其中所述第二角度是在所述绝对参考坐标系中相对于所述纵向方向测得的最终切向角。
12.根据权利要求8所述的中构架部分，其中所述歧管是扩散器，并且其中所述扩散器以所述第一角度定向，以接收来自于所述压缩机部段的气流。
13.根据权利要求12所述的中构架部分，还包括所述燃烧室头部下游的过渡部；其中所述过渡部以所述第二角度定向，以接收来自于所述燃烧室头部的以所述第二角度定向的气流，从而将所述气流传送至所述涡轮部段的所述第一级叶片。
14.根据权利要求8所述的中构架部分，其中所述歧管的面与所述燃烧室头部的面相平行，并且，其中，在所述歧管与所述燃烧室头部的接口处，所述歧管的外径大于所述燃烧室头部的外径。
15.根据权利要求10所述的中构架部分，其中所述歧管包括在所述压缩机部段的出口处以所述第一角度定向的入口，以接收来自于所述压缩机部段的气流；所述歧管包括在所述燃烧室头部的入口处以所述第二角度定向的出口，以将气流以所述第二角度引导到所述燃烧室头部的入口中。
16.根据权利要求15所述的中构架部分，其中，所述歧管的面与所述燃烧室头部的面相平行，并且，其中，在所述歧管与所述燃烧室头部的接口处，所述歧管的外径大于所述燃烧室头部的外径。
17.根据权利要求15所述的中构架部分，其中，在所述歧管与所述燃烧室头部的接口处，所述歧管的外径小于所述燃烧室头部的外径，使得所述歧管的出口定位在所述燃烧室头部的入口中。
18.根据权利要求7所述的中构架部分，其中，所述第一角度是在所述压缩机部段的出口处垂直于径向方向的初始切向角；以及，其中，所述第二角度是在所述涡轮部段的入口处垂直于径向方向的最终切向角。
19.根据权利要求18所述的中构架部分，其中，所述初始切向角基于所述压缩机部段的出口的径向高度和所述燃烧室头部的径向高度；其中，所述最终切向角基于在所述燃烧室头部下游的过渡部的出口的径向高度以及所述燃烧室头部的所述径向高度。
20.根据权利要求18所述的中构架部分，还包括在所述燃烧室头部下游的过渡部，所述过渡部呈直的管状形式，并且以所述最终切向角定位，以接收来自于所述燃烧室头部的以所述最终切向角定向的气流;其中，所述歧管是呈直的管状形式的扩散器，所述扩散器以所述初始切向角定向，以接收来自于所述压缩机部段的气流。
21.根据权利要求20所述的中构架部分，其中所述燃烧室头部被构造成使气流的方向从所述初始切向角旋转至所述最终切向角。
【文档编号】F02C3/14GK104160115SQ201380011829
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2013年2月20日 优先权日:2012年2月29日
【发明者】大卫·A·利特勒, 赖因哈德·席尔普, 克里斯托弗·W·罗斯 申请人:西门子能源有限公司