燃气涡轮发动机的制作方法

1.本发明涉及燃气涡轮机领域，更具体地涉及如由权利要求1的前序部分指定的燃气涡轮机。


背景技术：

2.燃气涡轮发动机在其最基本的形式中包括旋转的气体压缩机、燃烧室和下游涡轮机，在旋转的气体压缩机中，气体(比如空气)被压缩，在燃烧室中，将燃料添加到压缩空气中点燃以产生高速排放气体，下游涡轮机与气体压缩机布置在同一轴上并且构造成通过排放气体旋转。通常将轴连接至涡轮机，由此燃气涡轮发动机可以用于驱动螺旋桨、发电机或其他应用部件。
3.流动通过燃气涡轮发动机的空气和其他气体导致表皮摩擦阻力和不可恢复的湍流。这些因素导致发动机效率减小到低至35％至40％，该效率是实际输出的功与以燃料的形式供应的净输入能量的比率。由于燃气涡轮发动机的各种级通常沿着共用轴布置，因此常规的燃气涡轮发动机往往是长且笨重的。
4.因此需要一种比现有技术的燃气涡轮发动机更高效且更紧凑的燃气涡轮发动机。


技术实现要素：

5.在主权利要求中阐述了本发明并描述了本发明的特征，同时从属权利要求描述了本发明的其他特征。
6.因此，提供了一种燃气涡轮发动机，该燃气涡轮发动机至少包括功率输出涡轮单元(pot)和压缩机涡轮单元(ctu)，该pot以可旋转的方式布置在外壳体单元内部，该ctu以可旋转的方式布置在pot内部，并且ctu、pot和外壳体单元绕共用旋转轴线布置。
7.在一个实施方式中，pot包括输出轴，该输出轴构造成布置在壳体中的第二开口中，所述输出轴构造成用于连接至应用装置。pot还包括涡轮部段，该涡轮部段具有布置在通道的敞开端部部分的区域中的多个涡轮叶片，并且pot还包括圆形部分，该圆形部分形成绕中心轴线的轴。
8.pot还包括压缩机壳体部段，该压缩机壳体部段包括腔和孔口。压缩机壳体部段和涡轮部段可以经由例如齿轮箱刚性地连接或机械地连接。
9.ctu包括压缩机涡轮部段和涡轮部段，并且压缩机涡轮部段和涡轮部段通过形成绕中心轴线的轴的圆形部分相互连接。
10.涡轮部段可以是径流式涡轮机，该径流式涡轮机具有布置在出口管道和孔口的上游的涡轮叶片，并且压缩机涡轮部段可以包括布置在出口管道和开口的上游的涡轮叶片。
11.在一个实施方式中，内部形成空气入口的ctu轴以可旋转的方式支承在pot圆形部分中，从而在ctu轴与pot圆形部分之间形成构造为用于密封件和支承件的腔。
12.涡轮部段可以以可旋转的方式布置在压缩机壳体部段中，使得已经通过第一级的涡轮叶片的空气或其他气体通过第一出口开口和孔口喷射，并且喷射到由壳体壁的一部分
和圆形部分的一部分形成的燃烧室中。
13.pot和ctu以近距离布置，使得在pot与ctu之间产生动摩擦联接。
14.本发明基于利用在旋转单元之间产生的摩擦来传递扭矩的构思。由于摩擦被用于传递扭矩，因此所发明的燃气涡轮发动机由于摩擦而将具有较低的内部功率损失。另一优点在于，本发明可以消除对齿轮箱的需要(以减小rpm)并消除相关联的功率损失。所发明的燃气涡轮发动机在低rpm下产生高扭矩并且与现有技术的燃气涡轮发动机相比具有更高的效率。
15.在所发明的燃气涡轮发动机中，由于pot与ctu一起旋转，因此ctu与现有技术的涡轮单元相比能够在更高的rpm范围内旋转。另外，空气入口通道比较长并且包括促进ctu与pot之间的气动摩擦的表面结构。这些特征将有助于提高燃气涡轮发动机效率。
附图说明
16.本发明的这些和其他特征将通过参照所附的示意图对作为非限制性示例给出的本发明的实施方式的以下描述而变得清楚，在附图中：
17.图1是根据本发明的处于组装状态的燃气涡轮发动机的实施方式的沿着旋转轴线截取的截面侧视图；
18.图2、图3和图4是图1所示的主要单元的截面侧视图；具体地：图2图示了外壳体单元、图3图示了功率输出涡轮单元(pot)以及图4图示了压缩机涡轮单元(ctu)；
19.图5是图1中的区域“a”的放大图；
20.图6是图3中的截面y-y的平面图；以及
21.图7是图6中的区域“b”的放大图。
具体实施方式
22.以下描述可以使用术语比如“水平”、“竖向”、“侧向”、“前和后”、“上和下”、“上部”、“下部”、“内部”、“外部”、“向前”、“向后”等。这些术语通常是指如附图中示出的视图和取向并且这些术语与本发明的正常使用相关联。术语仅为了方便读者并且不应当是限制性的。
23.首先参照图1，根据本发明的燃气涡轮发动机通常包括彼此嵌套并且绕共用旋转轴线cl布置的以下三个单元：以可旋转的方式布置在外壳体单元200内部的功率输出涡轮单元(pot)300和以可旋转的方式布置在pot 300内部的压缩机涡轮单元(ctu)400。在下文中，压缩机涡轮单元(ctu)也被称为第一涡轮单元400，并且功率输出涡轮单元(pot)也被称为第二涡轮单元300。
24.壳体200可以使用本领域中公知的安装组件(未示出)安装在车辆、船舶或其他基础部上。应当理解的是，附图中已经省略了通常在燃气涡轮发动机中所需要的若干零件(例如密封件、配装件、支承件、控制单元、燃料供应系统)，因为这些零件在本领域中是公知的并且对于说明本发明而言是不需要的。出于同样的原因，不指定材料，因为技术人员将知道哪些材料品质和性能适于燃气涡轮发动机。
25.现在参照图1和图2，壳体200包括第一开口201和第二开口202，每个开口都设置成具有密封件和支承件203。附图标记204表示典型的排气出口。
26.现在参照图1和图3，功率输出涡轮单元(pot)300包括输出轴301，输出轴301构造成以可旋转的方式布置在壳体200中的上述第二开口202中。输出轴可以连接至应用装置、例如飞行器螺旋桨或风扇或者发电机。本发明不应限于这样的应用。pot 300还包括涡轮部段310(通常由图3中的虚线310表示并且在下文中被称为“第三级”)，涡轮部段310包括布置在通道312的敞开端部部分的区域中的多个涡轮叶片311。圆形部分302形成绕中心轴线cl的轴。
27.pot 300还包括压缩机壳体部段320(通常由图3中的虚线320表示)，压缩机壳体部段320包括腔321和孔口322。尽管pot 300被示出为一个单一物体，在该单一物体中，压缩机壳体320和第三级310刚性地连接，但是应当理解的是，压缩机壳体320和第三级310可以经由例如用图3中的虚线示意性地表示的齿轮箱14机械地连接。
28.作为选择，在壳体部段320中可以安装有涡轮叶片322a，由此孔口322由叶片限定，参见图6和图7。
29.现在参照图1和图4，压缩机涡轮单元(ctu)400通常包括压缩机涡轮部段410(通常由图4中的虚线410表示并且在下文中被称为“第二级”)和涡轮部段420(通常由图4中的虚线420表示并且在下文中被称为“第一级”)。第一级410和第二级420通过形成绕中心轴线cl的轴的圆形部分402相互连接。附图标记401表示气体(空气)入口。在所示出的实施方式中，第一级420是具有涡轮叶片421的径流式涡轮机，涡轮叶片421布置在位于涡轮叶片之间的出口管道422和孔口423的上游。第二级410包括涡轮叶片411，涡轮叶片411布置成使得在叶片之间形成出口管道412和开口413。
30.现在参照图1，ctu 400以可旋转的方式布置在pot 300内部。更具体地，ctu轴402(在ctu轴402内部形成空气入口401)以可旋转的方式支承在pot的圆形部分(轴)302中，从而在ctu轴402与圆形部分302之间形成腔10，密封件和支承件(未示出)可以布置在腔10中。第一级420以可旋转的方式布置在压缩机壳体部段320中，使得已经通过第一级420的涡轮叶片421的空气(或者其他气体)通过(涡轮叶片之间的)第一出口开口423和孔口322喷射，并且喷射到由壳体壁的一部分和轴302的一部分形成的燃烧室12中。应当理解的是，燃烧室可以具有其他构型。图1还图示了第二级410如何以可旋转的方式布置在第三级310内部；布置在通道312中。
31.当燃气涡轮发动机操作时，气体(例如空气)进入ctu 400中的入口401，如由箭头所示。在ctu内部，气体遇到第一级420中的高速径流式压缩机并且获得动量和速度的增大并且然后通过第一孔口423和第二孔口322喷射，并且喷射到燃烧室12中。燃烧室配备有已知类型的燃料供应系统并且因此未图示。燃烧气体被朝向排气出口204推动，并且因此通过第二级叶片411和第三级叶片311并且将动量赋予第二级叶片411和第三级叶片311。
32.由旋转的pot 300和ctu 400引起并存在于它们之间的气动摩擦将有助于输出功率并且因此导致燃气涡轮发动机的效率增加。更具体地，pot 300与ctu 400之间的近距离产生了两个单元之间的动摩擦联接：由旋转的ctu 400抵靠pot 300引起的摩擦有助于pot 300的旋转，并且反之亦然。这有助于输出功率并且有助于增加效率。参照图5，将理解的是，pot 300与ctu 400之间的距离d可以根据特定需求定尺寸。pot 300的内表面区域和ctu 400的外表面区域也可以构造并形成为优化两个单元之间的摩擦联接。例如，表面可以(部分地或全部地)设置成具有促进气动摩擦的结构(例如脊部和凹槽)。
33.应当理解的是，上述燃气涡轮机可以是轴流式涡轮机、径流式涡轮机或两者的组合。本发明不应受燃气涡轮机的类型的限制。
34.在以上描述的实施方式中，各个特征和细节以组合的方式示出。关于特定示例描述的若干特征的事实不应当被理解为暗示这些特征必须一起被包括在本发明的所有实施方式中。相反，参考不同实施方式所描述的特征不应当被解释为相互排斥。如本领域技术人员将容易理解的，结合本文中描述的特征的任何子集并且不是明显地独立的实施方式已经由发明人考虑并且是预期公开的一部分。然而，对所有这些实施方式的明确描述将不会有助于理解本发明的原理，并且因此为了简单或简洁起见省略了特征的一些排列。