专利名称：气体涡轮发动机的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体涡轮发动机，在该气体涡轮发动机中，将由空气压缩机机轮压缩的并在热交换器中被加热的空气与燃料混合后在燃烧器中进行燃烧，将发生的燃烧气体供给于前述涡轮机轮的驱动和前述热交换器中的热交换，上述空气压缩机机轮由涡轮机轮驱动。
现有技术的气体涡轮发动机已由例如日本国特公昭58-4172号公报、日本特公昭58-55331号公报、日本国特开昭46-37520号公报公开。
但是，上述过去的气体涡轮发动机，因为热交换器非对称形状地配置在轴周围、是旋转型，或者燃烧器非对称形状地配置在轴周围，所以，存在着压缩空气和燃烧气体的气流在圆周方向上不均一，容易产生压力容易的问题。因为与燃烧气体接触的高温部分和与压缩空气接触的低温部分在壳体内部为非对称的，所以由于发动机各部的热膨胀量的差而产生热变形、转轴弯曲，因此有可能阻碍空气压缩机机轮和涡轮机轮的圆滑地旋转、或发生损伤脆弱的陶瓷制品等的不良现象。
鉴于前述的情况，本发明的目的是将气体涡轮发动机内部的压力损失和热变形抑制到最小限。
为了达到上述目的，根据本发明的第1特征提出了如下的技术方案在具有单缸型燃烧器、空气压缩机机轮、涡轮机轮、圆环状的传热型热交换器的气体涡轮发动机中，同轴地配置着空气压缩机机轮、涡轮机轮、单缸型燃烧器和传热型热交换器，而且，在单缸型燃烧器的半径方向外侧、并且自空气压缩机机轮和涡轮机轮轴向偏移了的位置上配置着传热型热交换器。在空气压缩机机轮和涡轮机轮的半径方向外侧上配置着压缩空气通路和燃烧气通路。上述压缩空气机机轮用于给单缸型燃烧器供给压缩空气。上述涡轮机轮由在单缸燃烧器中产生的燃烧气体驱动，并且用于驱动空气压缩机机轮。上述圆环状的传热型热交换器用于在从涡轮机轮排出的燃烧气体和供给单缸型燃烧器的压缩空气之间进行热交换。上述压缩空气通路用来将压缩空气从空气压缩机机轮导引给传热型热交换器。上述燃烧气体通路用来将燃烧气体从涡轮机轮导引给传热型热交换器。
根据上述构成，因为同轴地配置着空气压缩机机轮、涡轮机轮、单缸型燃烧器和传热型热交换器，所以，可以通过将发动机内部的压缩空气和燃烧气体的气流轴对称化使压力损失减少、输出增加和燃料费降低。通过将发动机内部的温度分布轴对称可以将热变形的发生抑制到最小限、从而可确保空气压缩机机轮和涡轮机轮的圆滑地旋转，也可以避免不均一的热膨胀所造成的零件的损伤，而且可以通过将壳体和通道对称化而用薄板材料来制造，从而不仅实现轻量化，而且由于热气量的减少使冷起动时的热量损失减少，从而进一步降低燃料费。另外，在单缸型燃烧器的半径方向外侧、并且自空气压缩机机轮和涡轮机轮轴向偏移的位置上配置传热型热交换器，再在空气压缩机机轮和涡轮机轮的半径方向外侧上配置将压缩空气从空气压缩机机轮导引给传热型热交换器的压缩空气通路和将燃烧气体从涡轮机轮导引给传热型热交换器的燃烧气体通路，所以，可以在轴向上合理地布置传热型热交换器和将压缩空气和燃烧气体导引给传热型热交换器的压缩空气通路和燃烧气体通路，从而使发动机的半径方向上的尺寸紧凑化。
根据本发明的第2特征，提出了在前述第1特征的基础上，在燃烧气体通路上夹装了氧化催化剂的气体涡轮发动机的技术方案。
根据上述构成，可以在将由于安装了氧化催化剂而产生的发动机的半径方向尺寸的增加抑制到最小限的同时、净化燃烧气体。
根据本发明的第3特征，提出了在前述第一特征的基础上，压缩空气和燃烧气体相互逆向地流动在传热型热交换器的内部的气体涡轮发动机技术方案。
根据上述构成，可以提高传热型热交换器的热交换效率。
根据本发明的第4特征，提出了在前述第1特征的基础上，单缸型燃烧器具有预混合部、催化燃烧部和气相燃烧部的气体涡轮发动机的技术方案。
根据上述构成，可以借助催化剂使在预混合部将燃料和压缩空气均一地混合了的混合气进行低温燃烧，从而减少燃烧气体中的有害成分。
根据本发明的第5特征，提出了在前述第1特征的基础上，单缸型燃烧器具有预混合部、火焰稳定部和气相燃烧部的气体涡轮发动机的技术方案。
根据上述的构成，可以在预混合部中使燃料和压缩空气均一地混合，从而使燃烧气体中的有害成分减少。
根据本发明的第6特征，提出了在前述第1特征的基础上，在与传热型热交换器和单缸型燃烧器连接的压缩空气通路中夹装着预热机构的气体涡轮发动机。
根据上述构成，可以在起动时预热压缩空气，从而提高起动性能。
附图的简单说明
图1～图7表示的是本发明的第一实施例，图1是气体涡轮发动机的纵向剖视图。图2是图1的2-2放大剖视图。图3是图4～图6的显示部分的图。图4是图3的A部放大图。图5是图3的B部放大图。图6是图3的C部放大图。图7是图5的要部放大图。图8和图9表示的是本发明的第2实施例。图8是气体涡轮发动机的纵向剖视图。图9是对应于前述图6的图。
首先，根据图1和图2概略地说明第一实施例涉及的气体涡轮发动机E。
如图1所示，气体涡轮发动机E具有形成为大致圆筒状的发动机壳体1。在发动机壳体1的外周上形成有第1压缩空气通路4，在该第1压缩空气通路4的上流侧连接着与图中未示的空气过滤器和消声器相连的吸气通路5。在回转轴8上同轴地固定着离心式的空气压缩机机轮9和离心式的涡轮机轮10，该压缩机机轮9和涡轮机轮10相互邻接着。前述转轴8贯通吸气通路5的中间部位并用一对轴承6，7支承着。因为后侧的轴承7配置在空气压缩机机轮9和涡轮机轮10之间，所以，与将该轴承7配置在空气压缩机机轮9的前方相比，可以减少自该轴承7的涡轮机轮10的后方伸出量，从而能减轻振动。在空气压缩机机轮9的外周上形成为放射状的多个的空气压缩机叶片91…对着前述吸气通路5，在位于这些空气压缩机叶片91…的紧接着的下流部的第1压缩空气通路4中设有多个压缩机扩散器111…。在转轴8的顶端设有发电机2，该发电机2由涡轮机轮10驱动着。
在发动机壳体1的后端上配置着圆环状的传热型热交换器12。传热型热交换器12具有处于靠近后端外周的位置上的压缩空气入口13和位于靠近前端内周的位置上的压缩空气出口14，还具有位于靠近前端外周的位置的燃烧气体入口15和位于靠近后端内周的位置的燃烧气体出口16。
如图2所示，传热型热交换器12是用将金属板折曲为狭缝曲折状而形成的传热板30结合大径圆筒状的外罩体28和小径圆筒状的内罩体29而形成的。夹着其传热板30交互地形成压缩空气流路31…和燃烧气体流路32…。
如图1所示，通过使由实线表示的比较低温的压缩空气和用虚线表示的比较高温的燃烧气体交互地逆方向地流动，可在其流路的全长上保持大的压缩空气和燃烧气体之间的温度差，从而使热交换效率提高。
在传热型热交换器12的半径方向的内侧上同轴地配置着圆环状的预热器17，在其半径方向内侧还同轴地配置着催化式的单缸型燃烧器18。单缸型燃烧器18中从上流侧向下流侧依次地设有预混合部33、催化燃烧部19和气相燃烧部20。传热型热交换器12的压缩空气出口14和预热器17用第2压缩空气通路21连接着，预热器17和预混合部33用第3压缩空气通路22连接着。在第3压缩空气通路22上设有燃料喷嘴23。从燃料喷嘴23喷射出的燃料在预混合部33中同空气均一地混合后进行有害排出物少的燃烧。通过采用这样的单缸燃烧器18，不仅能在环形燃烧器中进行困难的催化燃烧，而且还可以谋求通过削减燃料喷嘴23等的个数使构造简单化。
在燃烧气体通路24的上流部分面临着多个的涡轮叶片101…，该涡轮叶片101…放射状地形成在涡轮机轮10的外周上，上述燃烧气体通路24连接着气相燃烧部20和传热型热交换器12的燃烧气体入口15，在其更上流处设有导引从气相燃烧部20来的燃烧气体的遮热板25和涡轮喷嘴261…。而且在燃烧气体通路24的下流部分配置着用于除去燃烧气体中的有害成分的圆环形的氧化催化剂27。
下面，参照图1-图7对气体涡轮发动机E的构造进行更详细的说明。
发动机壳体1由从气体涡轮发动机E的前方向着后方依次被结合着的前罩体41、前轴承盒体42、发电机壳体43、前壳体44、外壳体45、后壳体46和后罩体47构成。前罩体41和前轴承盒体42用螺栓48…结合着，前轴承盒体42和发电机壳体43用螺栓49…结合着，发电机壳体43和前壳体44用螺栓50…结合着。前壳体44和外壳体45在形成在各自的端面上的法兰盘441、451夹介着弹性密封垫圈51对接的状态下由螺栓52结合着。而且，外壳体45和后壳体46在形成在其各自端面上的法兰盘452、 461之间夹持着固定在传热型热交换器12的外周上的环状的安装托架53的状态下用螺栓54…结合着。这时，在外壳体45的法兰盘452和传热型热交换器12的安装托架53之间夹装着弹性密封垫圈55。
外壳体46的后端面和形成在后罩体47的前端面上的法兰盘471相互对接并由螺栓56…结合着。这时用于防止高压空气泄漏到排气通道的安装在传热型热交换器12上的构件57的法兰盘571用前述螺栓56共同紧固着，而且一体地形成在预热器17上的法兰盘171用螺栓58结合在后罩体47的法兰盘471上。用于防止高压空气泄漏到排气通道中去的安装在传热型热交换器12上的构件57具有折皱状的波折体572…，通过这些波折体572…的变形使传热型热交换器12的轴向热膨胀得到允许。
单缸型燃烧器18的圆筒状的混合通道59的后端用螺栓60…结合在形成在后罩体47的后端面的法兰盘472，而且，燃料喷嘴23用螺栓61…结合在法兰盘472上。
如图4所示，一体地形成在发电机壳体43的后部上的前述吸气通路5经过用螺栓62结合在发电机壳体43上的空气压缩机护罩体63的内部和用螺栓64…结合在前壳体44的内面上的空气压缩机扩散器壳体11的内部与形成在前壳体44的外周上的前述第1压缩空气通路4连通。如图5和图6所示，前壳体44的第1压缩空气通路4经过外壳体45和形成在后壳体46的外周上的第1压缩空气通路4与传热型热交换器12的压缩空气入口13连通。在外壳体45的第1压缩空气通路4的内周上安装着用于提高耐压曲强度的环状加强构件65、65。而且，在后壳体46上设有排气通道66。
如图5所示，与传热型热交换器12的压缩空气出口14相连的第2压缩空气通路21分支为前后，大部分的压缩空气分支于后方供给于预热器17，一部分的压缩空气分支于前方经过通孔671…作为稀释空气供给气相燃烧量20。上述通孔671…形成在构成单缸型燃烧器18的气相燃烧部20的外壁的燃烧器通路67上。
如图7所示后轴承箱体68的外周由将空气压缩机扩散器壳体11结合在前壳体44的内面上的螺栓64共同紧固在前壳体44的内面上。涡轮护罩69对接在后轴承箱体68的后端上、并用固定构件71固定着，上述固定构件71用螺栓70固接在后轴承箱体68上。安装脚部262用压板72结合在前述涡轮后护罩26的后面上，该安装脚部262从涡轮后护罩26延伸到前方，该涡轮后护罩26一体地具有前述涡轮喷嘴261…。
覆盖着涡轮机轮10的后方的遮热板25由碟状的第一遮热板73、碟状的第2遮热板74和第3遮热板75构成，上述第一遮热板73固定在涡轮后护罩26的后面，上述第二遮热板74以覆盖着第一遮热板73的方式固定在涡轮后护罩26的后面上，上述第三遮热板75夹介着规定的间隙配置在第2遮热板74的后面上，并且在其圆周上的多处被固定751…在第2遮热板74的后面上。第2压缩空气通路21通过通孔263与第1冷却空间76连通，上述第2压缩空气通路21从传热型热交换器12的压缩空气出口14分支于前方，上述通孔263贯通形成在涡轮后护罩26上的涡轮喷嘴261…的内部，上述第1冷却空间76形成在第1遮热板73和第2遮热板74之间。该第1冷却空间76通过通孔731连通于第2冷却空间77上，上述通孔731形成在第1遮热板73上，上述第2冷却空间77形成在第1遮热板73和涡轮机轮10之间，并且，该第1冷却空间76还通过通孔741连通于第3冷却空间78，上述通孔741形成在第2遮热板74上，上述第3冷却空间78形成在第2遮热板74和第3遮热板75之间。
在气体涡轮发动机E的运转过程中，与气相燃烧部20对置的遮热板25暴露在高温中，通过了传热型热交换器12的比较低温的压缩空气流过第2压缩空气通路21分支于前方，从图7中的涡轮后护罩26的通孔263…流入第一冷却空间76，从那里绕过第2遮热板74的通孔741、第3冷却空间78和开口部752流入到气相燃烧部20内，而且从第1冷却空间76流经第1遮热板73的通孔731和第2冷却空间77流入到涡轮机轮10内。这样，通过与比较低温的压缩空气接触，可以有效地冷却第1～第3遮热板73、74、75。
如图7所示，涡轮后护罩26和燃烧器通道67在密封部79处滑动自由地对接着，通过在密封部79处的两者的滑动来吸收轴向的热膨胀。另外，安装在涡轮护罩69外周上的2个密封圈80、80滑动自由地接触在第2压缩空气通路通道81的前端，该2压缩空气通路通道81划分出第2压缩空气通路21，借助密封圈80、80在防止压缩空气的泄漏的同时还可以吸收两者的轴向的热膨胀。前述各密封圈80具有一个对合口、所在扩径方向上给予扩张，具有与汽油发动机的活塞环类似的构造。
如图6所示，在将通过了预热器17的压缩空气导入到单缸型燃烧器18的预混合部33内时，搅拌器591…形成在混合通道59的入口上，上述搅拌器591…用于在空气中产生涡流以促进压缩空气与燃料混合。在单缸型燃烧器18的催化燃烧部19的出口处设有火焰稳定器部34和起动用的点火加热器82，上述火焰稳定器34用于使混合气中产生涡流。通过电缆线83给点火加热器82通电，该电缆线83从后罩47沿伸在搅拌器591…和混合通道59的内部。而且，对于预热器17的通电是通过电缆线84进行的，上述电缆线84从后罩47沿安装构件57的内面延伸着。前述电缆线83、84通过绝缘接头85、86连接在后罩47的外部。
如图7所示，在后轴承座体68的内周边上嵌合保持着轴承座87的外周边和后部润滑室罩88的外周边。转轴8的后端同轴地旋合在涡轮机轮10前端的结合部102上。而且，再在其外周上同轴地旋合着空气压缩机机轮9的后端的结合部92。由此，蜗轮机轮10和空气压缩机机轮9结合在转轴8上。轴承7的内圈的前端接触在空气压缩机机轮9的结合部92的阶梯部，后端通过卡圈89接触在涡轮机轮10的结合部102的阶梯部并被支承着。轴承7的外圈的前端通过卡圈90和压板91被支承在轴承座87上，其后端被支承在轴承座87的阶梯部。该轴承7以减衰振动为目的而具有若干间隙地游离地被支撑着。通过用后轴承盖68的前面的螺栓92固定的前部润滑室罩93和前述后部润滑室罩88划分出润滑油室35。
而且，从油路681、871供给的润滑油通过油路872使轴承外圈压向半径方向内侧而来保持被游离支承的前述轴承7振动减衰功能，上述油路681、871形成在后轴承盖68和轴承座87的内部。另外，从油路871分支的油路873与形成在前述卡圈90上的喷嘴901连通，而且喷嘴874形成在油路871上。前述喷嘴901、874指向轴承7，借助从那里喷出的润滑油来润滑轴承7。
如图4所示，收容在发电机壳体43内部的发电机2包括有定子97、转子100。上述定子97通过在铁心94上缠绕线圈95而形成。上述转子100是通过在磁铁座98的内部埋入多个的永久磁铁99…而形成。将空气压缩机机轮9及转子100的内部延伸到前方的转轴8用张紧螺钉构成着，通过在其前端上旋装螺母101使转轴8和转子100接合。即，螺母101的旋紧力将轴承6的内圈、卡圈102和转子100的磁铁座98推压向后方，并将该磁铁座98的后端压接固定在空气压缩机机轮9的前端。通过将形成在转轴8中间的台阶部81接触在磁铁座98的内面上来消除转轴8的振动。
支承着转轴8的前端的轴承6配置在润滑室104内，该润滑室104由前罩体41和轴承盒体42划分出的，而且，轴承6通过油路421、1051被润滑着，该油路421和1051形成在轴承盒体42和轴承座105上。
而且，从吸气通路5吸入而被空气压缩机机轮9压缩了的空气经过第1压缩空气通路4送给传热型热交换器12中，在那里通过在同高温的燃烧气体之间进行热交换而被加热。通过了传热型热交换器12的压缩空气经过第2压缩空气通路21和第3压缩空气通路22到达预混合部33，在那里与从燃料喷嘴喷射出的燃料进行混合。在起动气体涡轮发动机E时，因为燃烧气体不流动，其传热型热交换器12不能充分的发挥其功能。因此，在起动时，给设在第2、第3压缩空气通路21、22之间的预热器17通电，用电加热压缩空气，必须使其温度上升到催化剂活性化温度以上。
流入到单缸型燃烧器18内的混合气的一部分与载持在催化燃烧部19内的催化剂相接触，通过催化反应进行燃烧，混合气的剩余部通过其燃烧气体的热量在气相燃烧部20中进行气相燃烧。燃烧气体流入燃烧气体通路24内来驱动涡轮机轮10，再在通过氧化催化剂27除去有害成分的状态下供给于前述传热型热交换器12中。这样，当涡轮机轮10转动时，其转矩通过转轴8传递给空气压缩机机轮9和发电机2。
另外，如图1所示，含有空气压缩机机轮9，涡轮机轮10、传热型热交换器12、单缸型燃烧器18的各构件相对于通过转轴8的中心的轴线L轴对称地配置着。其结果，因为气体涡轮发动机E内部的压缩空气和燃烧气体的气流为轴对称并且在圆周方向上被均一化，从可以使压力损失减少、输出增加和减低燃烧费。另外、气体涡轮发动机E内部的温度分布也成为轴对称，所以各构件的热变形也被抑制到最小限，确促了空气压缩机机轮9和涡轮机轮10的圆滑地转动，而且也有效地防止了由热应力而产生的陶瓷制零件的损伤。另外，因为壳体和通道也可以轴对称化，所以，可以将它们用金属薄板等的薄板材料来制造，从而不仅使其轻量化，而且通过热气量的减少而使冷起动时的热损失减少，从而可以使燃料费更加减少。
另外，催化燃烧部19的入口中的空燃比的均一化和流速的均一化对于燃烧气体的有害成分的减低是重要的，通过前述轴对称配置，将流入预混合部33内的混合气的气流轴对称化，可以用短的预混合部33达到前述目标。而且，传热型热交换器12的压缩空气入口13及燃烧气体入口15中的流速的均一化在谋求热交换效率的提高和压损减少上是重要的。通过前述轴对称配置，使流入传热型热交换器12中的压缩空气和燃烧气体的气流轴对称化，从而可以达到前述目标。
另外，因为在气体涡轮发动机E的中心部配置着高温的单缸型燃烧器18，在其外侧配置着中温的传热型热交换器12、第2压缩空气通路21、第3压缩空气通路22、涡轮机轮10和燃烧气体通路24，还在其外侧上配置着空气压缩机机轮9和第1压缩空气通路4，所以，即使不使用陶瓷等的隔热材料也可以减少向外部散热从而减少燃料费。
沿轴线从前方到后方依次地配置着空气压缩机机轮9、涡轮机轮10和单缸型燃烧器18，以覆盖其单缸型燃烧器18的半径方向外侧的方式配置着圆环状的传热型热交换器12。因此，在空气压缩机机轮9和涡轮机轮10的半径方向外侧形成有空间，可以利用该空间来配置第1压缩空气通路4、燃烧气体通路24和氧化催化剂27。而且，与在传热型热交换器12的半径方向内侧配置前述第一压缩空气通路4、燃烧气体通路24和氧化催化剂27相比较，可以使气体涡轮发动机E的半径方向尺寸紧凑化。
图8和图9表示的是本发明的第2实施例，该第2实施例在单缸型燃烧器18的构造方面和不具有预热器17这一点上与第1实施例不同，其他的构造与第一实施例相同。
第2实施例的单缸型燃烧器18由预混合部33、火焰稳定器34、气相燃烧部20构成，前述火焰稳定器34是使在混合气体中产生涡流的旋流器等。相当于废除了第1实施例的催化燃烧部19。根据该第2实施例，通过在火焰稳定器34中保持混合气的火焰，气体涡轮发动机E的运转得以持续。
而且，根据该第2实施例，因为相对于通过转轴8的中心的轴线L轴对称地配置着含有空气压缩机机轮9、涡轮机轮10、传热型热交换器12、单缸型燃烧器18的各构件，所以通过将压缩空气的气流、燃烧气体的气流、或温度分布轴对称化，可以产生与第1实施例相同的作用效果。
以上，虽然详述了本发明的实施例，但本发明可在不脱离其要旨的范围内进行各种的设计变更。
权利要求
1.一种气体涡轮发动机，它包括有单缸型燃烧器、空气压缩机机轮、涡轮机轮、圆环状的传热型热交换器；其特征是在该气体涡轮发动机中，同轴地配置着空气压缩机机轮、涡轮机轮、单缸型燃烧器和传热型热交换器，而且，在作为单缸型燃烧器的半径方向外侧、并且自空气压缩机机轮和涡轮机轮轴向偏移了的位置上配置传热型热交换器，再在空气压缩机机轮和涡轮机轮的半径外侧上配置着用于将压缩空气从空气压缩机机轮导引给传热型热交换器的压缩空气通路和用于将燃烧气体从涡轮机轮导引给传热型热交换器的燃烧气体通路；上述空气压缩机机轮将压缩空气供给单缸型燃烧器；上述涡轮机轮由在单缸型燃烧器中产生的燃烧气体驱动、并且上述涡轮机轮驱动空气压缩机机轮；上述传热型热交换器用于在从涡轮排出的燃烧气体和供给于单缸型燃烧器的压缩空气之间进行热交换。
2.如权利要求1所述的气体涡轮发动机，其特征是，在燃烧气体通路中夹装了氧化催化剂。
3.如权利要求1所述的气体涡轮发动机，其特征是，压缩空气和燃烧气体相互逆向地流动在传热型热交换器的内部。
4.如权利要求1所述的气体涡轮发动机，其特征是，单缸型燃烧器具有预混合部、催化燃烧部和气相燃烧部。
5.如权利要求1所述的气体涡轮发动机，其特征是，单缸型燃烧器具有预混合部、火焰稳定部和气相燃烧部。
6.如权利要求1所述的气体涡轮发动机，其特征是，与传热型热交换器和单缸型燃烧器相连接的压缩空气通路上夹装了预热机构。
全文摘要
气体涡轮发动机E,它具有固定在转轴(8)上的空气压缩机机轮(9)和涡轮机轮(10)、配置在转轴(8)的延长线上的单缸型燃烧器(18)、围绕着单缸型燃烧器(18)的半径方向外侧地配置的圆环状的传热型热交换器(12)。因为前述空气压缩机机轮(9)、涡轮机轮(10)、单缸型燃烧器(18)和传热型热交换器(12)相对转轴(8)的轴线L同轴地被配置着,所以压缩空气和燃烧气体的气流相对于轴线L轴对称,而且壳体的内部的温度分布也相对于轴线L轴对称。由此,可使气体涡轮发动机E内部的压缩空气和燃烧气体轴对称化,从而可防止产生热变形。
文档编号F02C7/08GK1196107SQ9619683
公开日1998年10月14日 申请日期1996年8月2日 优先权日1995年9月8日
发明者坂内隆, 远藤恒雄, 泉征彦, 大屋建 申请人:本田技研工业株式会社