[发明专利]单转子二级高性能压气机装置

说明书

本发明涉及一种单转子二级高性能压气机装置。

在一些，例如车辆用和其他要求发动机的体积小，重量轻、油耗率低的应用领域中，对于作为柴油机的替换物的燃气轮机动力装置的需要，得到证明。实践经验已经表明，实体空间和重量减小是可以采用常规的燃气轮机来取得。然而，当额定功率减小时，简单循环发动机的油耗率变坏已是被公认的事实，并且是已有装置的主要缺点。

过去试图获得燃气轮机动力装置的办法一直是采用许多配备离心和径流部件的不同结构。例如，众所周知的燃气轮机辅助动力装置包括一个双面进气低压离心式压气机和一个串接工作的单面进气高压离心式压气机，以提供燃烧室内燃油燃烧所需的压缩空气和外部使用的放气。来自燃烧室的高温燃气送到驱动压气机和在某种意义上与单轴发动机相一致为外部使用提供轴功率输出的单级径流式涡轮中。

上述不能按满意的部件效率提供足够压比，一直归结为油耗率明显大于相同功率高速柴油机的低压比（即小于12∶1）的小型动力装置。在为克服这些限制的努力中，在工业上典型地采用在最后离心式压气机或二个单面进气的离心级前采用一级或多级轴流式压气机，这些离心压气机与发动机的燃气发生器的常规轴流式涡轮为一体。对于最好的具有这些结构的任何一种的1000马力的燃气轮机。预计油耗率在压比低于15∶1的情况下达到0.45左右。

本发明的一个目的是提供一种采用径流式式涡轮驱动在同一轴上相匹配的离心式压气机部件的，高压比的燃气轮机燃气发生器中所使用的单转子二级高性能压气机装置。

已有的小型燃气轮机中，上面提到的油耗率变坏已经得以改变。在小型燃气轮机中，目前已具有大的发动机效率（本发明在下面详细加以讨论）。因此，简单循环的燃气轮机在燃料消耗方面至少能与1000马力的高速柴油机相比美。这样一来，本发明对于所有燃气轮机公司采用的常规结构所表明的现有技术来说，在开拓新的发动机方面起到了进步的作用。

本发明大致包括一种燃气轮燃气发生器的流道结构，由下列部件按气流顺序来表征（见图1）：

1.作为第一级的，基本上为径流式的双面进气离心式压气机。

2.作为第二级的，单面进气离心式压气机。

3.作为燃气发生器涡轮的，径流式涡轮。

根据本发明的循环采用明显高于常规燃气轮机的压比，具体地说是在较低功率范围，例如在4000马力条件下施压于发动机。因为压比是对效率产生影响的主要因素之一，所以根据本发明的循环将会在较低功率范围内，提供比已有燃气轮机更高的热效率。

根据本发明的燃气发生器的另一个主要特性是，通过部分地仔细调节第一和第二级之间压比的分配，使第一和第二级压气机“匹配”利用径流式涡轮定向驱动“单面转子”内的这些已匹配的压气机，进而使涡轮机、第一级压气机和第二级压气机均以相同的角速度转动，至少得到三个显著的优点：第一，径流式涡轮机的机械强度，依照使所有的压气机部件处于最佳状态的比转数，足以使每个离心压气机在接近最佳值的条件下运转，第二，在这些条件下工作的径流式涡轮机在接近特有的最佳比转数值条件下运转，该转数使燃气发生器处于最佳状态。第三，径流式涡轮得到的高圆周速度，导致冲击在涡轮叶片上的高温燃气的滞止温度下降。结果，涡轮流入温度能得以升高，以进一步增大热效率或使涡轮部件的工作寿命能得以延长。

根据本发明，概括地加以叙述，这种结构紧凑的高效率燃气轮机燃气发生器包括能提供整个压比大于15∶1的压气机装置。这种压气机装置包括一台具有一对进口和一个共用出口的第一级双面进气离心式空气压气机，和一台与第一级压气机邻近配置且具有与第一级共用出口相通的进气口同时还有第二级出口的第二级单面进气离心式空气压气机，和一个能使第一和第二级呈机械式相互连接，能以相同的角速度转动的轴组件。这种燃气发生器还包括与第二级出口气动连接，以接收高压空气和利用高压空气使燃油燃烧以产生燃气的燃烧室装置。这种燃气发生器仍然采用一台具有进口和出口的单级径流式涡轮，该涡轮直接与轴组件驱动装置连接，而且还与在该涡轮机进口处接收气流的燃烧室装置连接，燃烧气体部分膨胀驱动第一和第二级压气机。排气装置是与涡轮出口气动相连，以便输送为进一步膨胀作功已部分膨胀的燃气。第一级压气机的压比明显大于第二级压气机压比的二倍。第一级双面进气压气机的进口马赫数大于1.4，而第一和第二级压气机的比转数均接近于它们的最佳值且每个都大于0.60。

跨接第一和第二级压缩机的燃气发生器的整个压比最好大于20∶1，并且当第二级压气机的压比在2∶1和4∶1之间时，第一级压气机的压比在6∶1和9∶1之间。