CN110168205B - 燃气涡轮发动机 - Google Patents

Abstract

一种燃气涡轮发动机(1)，其具有离心式压缩机(4)和径向涡轮(14)，离心式压缩机(4)和径向涡轮(14)安装到涡轮轴(2)上以便与轴一起绕轴的轴线Z旋转。在压缩机与涡轮之间的空气/气体流动路径中的多个燃烧室(10)绕轴的轴线沿周向间隔开。燃烧室(10)在空气/气体流动方向上是细长形的，并且每个燃烧室的纵向轴线相对于涡轮轴的轴线Z沿横向偏斜。燃烧室(10)可以围绕轴的轴线沿纵向弯曲，并且可以围绕轴线同心地对准。发动机可以具有位于压缩机径向外侧的回热器(8)，该回热器具有径向导向的流动通路，来自压缩机的空气被导向通过该流动通路。

Description

燃气涡轮发动机

技术领域

本发明涉及燃气涡轮发动机和操作燃气涡轮发动机的方法。

背景技术

已知燃气涡轮发动机具有联接到下游涡轮的上游旋转压缩机和位于流动路径中涡轮与旋转压缩机之间中的燃烧室。在燃气涡轮的基本操作中，空气流过压缩机，在压缩机中空气压力升高，燃料喷入压缩空气中，并在燃烧室中点燃，产生进入涡轮的高温废气流。高温废气流通过涡轮时膨胀降至排气压力，在此过程中产生涡轮轴功输出。涡轮轴功用于驱动压缩机，并可用于驱动可联接到轴上的其他装置，例如发电机。不用于轴功的能量在高温高速的废气中释放出来。

较小的燃气涡轮发动机，有时被称为“小型涡轮”或“微型涡轮”，最近被开发出来，特别是用于分布式发电和热电联合应用。已知的微型和小型涡轮往往是简单的发动机，采用离心式压缩机和径向涡轮叶轮，每个具有单个级。在已知小型和微型涡轮中，废气和压缩空气通过一种称为回热器的热交换器形式，在该换热器中，热能从废气传递到燃烧室上游的压缩空气中，以提高发动机的整体效率。通常，已知的小型和微型燃气涡轮发动机的额定功率范围从30kW到1MW及以上。为了在发电中使用，已知将较小燃气涡轮发动机与发电机联合在通常称为“涡轮发电机”的单个组件中。

在一些传统的大型燃气涡轮发动机中，压缩机、燃烧室和涡轮顺序排列成直线，使得空气在轴向通过发动机从一个装置流向另一个装置。轴流式涡轮风扇喷气发动机就是这种配置的一个示例。然而，在一些已知的小型和微型燃气涡轮发动机中，压缩机和涡轮在环形回热器内彼此相邻。压缩空气从压缩机径向向外被导向至回热器，在回热器中其转弯90°以沿第一轴向方向流过回热器，之后径向向内导向，然后沿相反轴向方向经过燃烧室并返回到涡轮。

虽然已知的发动机是令人满意的，但是需要这样一种替代型燃气涡轮发动机：其能够克服或至少减轻已知发动机的一些缺陷。

特别是，需要这样一种替代型燃气涡轮发动机：其比已知的具有等效功率输出的小型和微型燃气涡轮发动机更为高效。

还需要这样一种燃气涡轮：其与具有等效功率输出的已知燃气涡轮发动机相比，更为紧凑和/或具有不同的整体形状。

还需要一种在一系列操作条件下更加通用的燃气涡轮发动机。

还需要一种具有增强的可扩展性的替代型燃气涡轮发动机。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴的纵向轴线旋转的涡轮轴、离心式压缩机和径向涡轮，离心式压缩机和径向涡轮均安装到轴上以便与轴一起绕所述轴线旋转；以及在压缩机与涡轮之间的空气/气体流动路径中的多个燃烧室；其中，多个燃烧室围绕涡轮轴的所述纵向轴线沿周向间隔开，每个燃烧室在空气/气体流过燃烧室的方向上是细长形的，并且具有纵向轴线，其中，每个燃烧室的纵向轴线大致相对于涡轮轴的轴线沿横向方向布置。

在一个实施例中，各个燃烧室沿纵向方向是弯曲形的，每个燃烧室的纵向轴线围绕涡轮轴的轴线而弯曲。

在一个替代实施例中，各个燃烧室沿纵向方向是直线形的，并且每个燃烧室的轴线不在涡轮轴的纵向平面上延伸。

各个燃烧室中的每一个燃烧室的纵向轴线也可以相对于涡轮轴的轴线沿径向倾斜。

在根据发动机第一方面的燃气涡轮发动机中，各个燃烧室的纵向轴线不会聚在一个点上，特别是不会聚在涡轮轴的纵向轴线上。各个燃烧室的纵向轴线如果延长，不与涡轮轴的纵向轴线相交。各个燃烧室的纵向轴线不位于纵向延伸经过涡轮轴的轴线的平面内。各个燃烧室的纵向轴线各自相对于纵向延伸经过涡轮轴的轴线和经过燃烧室纵向轴线的平面沿切向偏斜。

每个燃烧室的纵向轴线可以相对于涡轮轴的轴线沿横向方向大致偏斜至少30度，或至少40度，或至少45度，或至少50度，或至少55度，或至少65度，或至少70度，或至少75度，或至少80度，或至少85度，或90度。

各燃烧室的纵向轴线可各自横向于涡轮轴轴线而偏斜大致90度。

在一个实施例中，各燃烧室的纵向轴线基本上都位于一个公共平面中，所述公共平面横向于涡轮轴的轴线而延伸。

在一个实施例中，各个燃烧室大致围绕涡轮轴的轴线沿纵向同心地延伸。

在各燃烧室沿纵向方向呈直线形的情况下，各燃烧室的纵向轴线可各自与围绕涡轮轴的纵向轴线而同心地绘制的圆沿切向对准。

在各个燃烧室沿纵向呈弯曲形的情况下，弯曲的程度在燃烧室的长度上可以是恒定的或者可以是变化的。各个燃烧室的纵向轴线可以围绕涡轮轴的轴线大致同心地弯曲。各个燃烧室中每一个燃烧室的纵向轴线可以围绕涡轮轴的轴线呈螺旋状。

各个燃烧室可以围绕涡轮轴的轴线而布置在环形空间中。

各个燃烧室至少在其大部分长度上可以是大致圆柱形的。各个燃烧室中的每个燃烧室都具有入口端和出口端，并且可以在其出口端逐渐变细。燃烧室的出口端可以向内逐渐变细，朝着出口变窄。在燃烧室沿纵向呈弯曲形的情况下，它们可以是弯曲圆柱体的形式，至少在其大部分长度上是如此。

燃烧室可以是罐式燃烧器。

在一个实施例中，有三个燃烧室，它们围绕涡轮轴的轴线沿周向间隔开。

发动机可以具有环形回热器，该环形回热器具有用于接收来自离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路和交错在第一流动通路之间的第二组流动通路，第二组流动通路与涡轮流体连接，用于接收来自涡轮的废气。在一个实施例中，第一组流动通路大致沿径向方向延伸。在一个实施例中，回热器中的第二组流动通路大致沿轴向方向延伸。在另一个实施例中，回热器中的第二组流动通路大致相对于涡轮轴的轴线沿径向方向延伸。燃烧室可以位于回热器内径的径向外侧和回热器外径的径向内侧。

发动机可以在离心式压缩机与燃烧室之间的流动路径中具有沿周向延伸的空气流缓冲通道。空气流缓冲通道可以通过相应的空气管道(例如管件)而与每个燃烧室流体连接。空气流缓冲通道可以分成多个扇区，每个扇区与各个燃烧室中的相应一个燃烧室流体连接。替代地，空气流缓冲通道可以限定基本连续的环形流动路径。在发动机具有回热器的情况下，空气流缓冲通道与第一组流动通路流体连接。在此实施例中，燃烧室可以位于空气流缓冲通道的径向内侧。

发动机可以具有围绕压缩机的外径沿周向定位的扩散器。扩散器可以被配置为沿径向向外导向压缩空气。气流通过扩散器的方向可以基本上没有轴向分量。在发动机具有回热器的情况下，扩散器可以位于环形回热器的内径内，以将空气沿径向导入回热器中的第一组流动通路。在发动机没有回热器的情况下，扩散器可以如上所描述沿径向位于周向延伸的气流缓冲通道内，使得来自压缩机的压缩空气通过扩散器被导向到空气流缓冲通道内。

发动机可具有围绕涡轮外径沿周向定位的喷嘴，用于将废气导向到涡轮上，并且其中发动机限定围绕喷嘴沿周向延伸的废气流缓冲通道，废气流缓冲通道与燃烧室和喷嘴流体连接。在发动机还具有沿周向延伸的空气流动缓冲室的情况下，发动机可以限定从空气流缓冲通道穿过各个燃烧室中的每一个燃烧室到废气流缓冲区的空气/气体流动路径，该空气/气体流动路径围绕涡轮轴的轴线大致沿周向方向循环。各条空气/气体流动路径中的每一条路径可以围绕涡轮轴的轴线而呈螺旋状，从空气流缓冲通道通过各个燃烧室中相应的一个燃烧室而到达废气缓冲通道。

在一个实施例中，发动机限定了从扩散器到涡轮的空气/气体流动路径，该路径围绕涡轮轴的轴线在大致周向方向上循环。在一个实施例中，发动机限定了从扩散器到涡轮的空气/气体流动路径，该路径围绕涡轮轴的轴线而呈螺旋状。

离心式压缩机和径向涡轮都可以安装在涡轮轴上，它们的叶片面向相同的轴向方向，特别是在发动机具有位于压缩机径向外侧的环形回热器的情况下。

燃气涡轮发动机可以具有大致成形为扁平球体的外壳体。壳体可以具有相对的侧壁，这些侧壁是大致平坦形的，并且在沿径向围绕涡轮轴的轴线的区域中彼此平行。

发动机可以具有发动机控制***，该发动机控制***被配置为独立地控制每个燃烧室中的燃烧，该发动机控制***被配置为根据发动机的操作参数来改变在发动机运行时发生燃烧的燃烧室的数量。控制***可以被配置为根据发动机的所需功率输出来改变发生燃烧的燃烧室的数量。

根据本发明的第二方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴线旋转的涡轮轴、离心式压缩机和径向涡轮，离心式压缩机和径向涡轮均安装到轴上以便与轴一起绕轴线旋转；周向围绕离心式压缩机的环形回热器；以及，在回热器与涡轮之间的空气/气体流动路径中的至少一个燃烧室；其中回热器具有用于接收来自离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路，第一组流动通路沿径向方向延伸，回热器具有交错在第一流动通路之间的第二组流动通路，第二组流动通路与涡轮流体连接，用于接收来自涡轮的废气。

根据本发明的第三方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴线旋转的涡轮轴、离心式压缩机和径向涡轮，离心式压缩机和径向涡轮中每一个都安装在轴上，用于随轴绕轴线旋转，离心式压缩机朝向涡轮轴的前端安装在轴上，径向涡轮在轴向在离心式压缩机后方安装在轴上；沿周向环绕离心式压缩机的环形回热器，该回热器具有用于接收来自离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路和用于接收来自涡轮的废气的第二组流动通路，第一组流动通路大致沿径向方向延伸；沿轴向位于回热器后面并位于涡轮径向外侧的多个罐式燃烧器，燃烧器各具有相对于涡轮轴的轴线沿横向方向偏斜的纵向轴线。

根据本发明的第四方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴线旋转的涡轮轴、离心式压缩机和径向涡轮，离心式压缩机和径向涡轮均安装在轴上，用于与轴一起绕轴线旋转；环形回热器，其沿周向围绕离心式压缩机；以及，在回热器与涡轮之间的空气/气体流动路径中的至少一个燃烧室；其中回热器具有用于接收来自离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路，第一组流动通路大致沿径向方向延伸，回热器具有用于接收来自涡轮的废气的第二组流动通路；至少一个燃烧室是细长形的，并且具有相对于涡轮轴的轴线成角度的纵向轴线，至少一个燃烧室位于涡轮的径向外侧。

根据本发明的又一方面，提供了一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴线旋转的涡轮轴、离心式压缩机和径向涡轮，离心式压缩机和径向涡轮均安装在轴上，用于与轴一起绕轴线旋转，径向涡轮沿轴向在离心式压缩机后方安装在的涡轮轴上；周向环绕离心式压缩机的环形回热器，该回热器具有用于接收来自离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路和用于接收来自涡轮的废气的第二组流动通路，第一组流动通路大致沿径向方向延伸；沿轴向位于回热器后方并位于涡轮的径向外侧的多个罐式燃烧器，各个燃烧器各具有纵向轴线，各个燃烧器的轴线位于垂直于涡轮轴的轴线而延伸的公共横向平面中。

燃烧器可以围绕涡轮轴的轴线而弯曲和/或它们可以在出口端逐渐变细。

径向涡轮可以安装成其叶片向前面向压缩机和回热器，使得在使用中，离开涡轮的废气被轴向向前导向回热器中的第二组流动通路。

发动机可以具有大致成形为扁平球体的外壳体。壳体可以具有相对的侧壁，这些侧壁是大致平坦形的，并且在径向围绕涡轮轴的轴线的区域中彼此平行。壳体可以在后侧限定一个或更多个出口喷嘴。

回热器中的第二组流动通路可大致沿径向方向或轴向方向延伸。

根据本发明的另一个方面，提供了一种操作具有多个燃烧室的燃气涡轮发动机的方法，其中根据发动机的至少一个操作参数而独立地控制每个燃烧室中的燃烧。

在一个实施例中，在发动机运行时，发生燃烧的燃烧室的数量根据发动机的至少一个操作参数而变化。该方法可以包括当发动机低于全功率操作时，仅在燃烧室中一个或一些中进行燃烧来运行发动机。

该方法可以应用于根据以上概述的本发明的前述方面中任一个的发动机。

附图说明

为了更清楚地理解本发明，现在将参照附图仅以示例的方式描述其实施例，其中：

图1是本发明一个方面的燃气涡轮发动机的一实施例的俯视图；

图2是从图1的发动机的前部和一侧观察的立体图，发动机外壳的部分用虚线示出以显示内部细节；

图3是从图1的发动机后部观察的视图，发动机外壳的部分被用虚线示出以显示内部细节；

图4是穿过图1的发动机的示意性剖视图。

图5是图1发动机的分解立体图；

图6是构成图1发动机一部分的回热器的部分的立体图；

图7是发动机的另一立体图，显示了燃料喷射器和火花点火器的位置；

图8是类似于图4的视图，但另外示出燃料喷射器和火花点火器；

图9是类似于图4的视图，但示出根据本发明的一个方面的燃气涡轮发动机的一个替代实施例，其没有回热器；

图10是从图9的发动机的压缩机级前部观察的视图，示意性地示出了环形空气流缓冲通道的设置，该环形空气流缓冲通道位于发动机的扩散器和压缩机轮的周向外侧，并且示意性地示出了空气流缓冲通道与燃烧室的流体连接；

图11是图10压缩机级的示意性纵向剖视图，以缩小的比例示出了空气缓冲通道的位置；而

图12是图9的发动机涡轮级后部的示意图，示出了燃烧室如何与位于喷嘴和涡轮周向外侧的环形废气流缓冲通道流体连接。

具体实施方式

根据本发明一个方面的燃气涡轮发动机1的第一实施例在附图的图1至8中示出。

发动机1包括涡轮轴2、离心式压缩机轮4(有时称为径向压缩机)、环形扩散器6、回热器8、三个燃烧室10、环形喷嘴12和径向涡轮叶轮14。离心式压缩机轮4和涡轮叶轮14都安装在轴2上，以便与轴一起绕其纵向轴线Z旋转。

发动机1具有壳体16，其包括外壳18。外壳18具有的整体形状呈中空扁平球体，其具有入口侧壁20和排气侧壁22，二者在围绕轴线Z的中心区域中大致为平面的且彼此平行，轴线Z与扁平球体的短轴线重合。壳体16包括在入口侧围绕轴线Z在中央定位的进气喷嘴24和在排气侧与轴线Z径向向外间隔开的一对圆形出口喷嘴26。

轴2的纵向轴线Z限定了发动机的纵向轴线。在整个说明书和权利要求中，方向术语“轴向”、“沿轴向”、“径向”、“沿径向”、“周向”和“沿周向”等应理解为参照涡轮轴2的轴线Z来定义，除非上下文另有要求。相对于轴的轴线Z的“横向”方向应理解为指在垂直(法向)于轴的纵向轴线Z的横向平面中延伸的方向。

为了便于参考，发动机1的入口侧将被称为发动机的前侧或前部，而排气侧将被称为发动机的后侧或后部。然而，应该理解，使用这些术语并不意味着对发动机1可以使用的取向有任何限制。发动机1可以以任何期望的取向使用，并且可以例如以轴线Z竖直对准并且入口侧20位于顶部或底部的方式定向。此外，如果在车辆中使用，发动机1可以安装成使入口侧20面向车辆后部，或者面向侧部，或者相对于车辆处于任何其他取向。

轴2安装在壳体中，通过轴承28绕其轴线Z旋转。可以使用任何合适的轴承28，但是在一个实施例中，轴承28是空气轴承。当使用空气轴承时，它们可以是空气静压型轴承或空气动力型轴承。在一个实施例中，空气轴承中至少一些是能够以空气动力学方式产生空气垫的混合轴承，但是其中当轴承低速旋转时，加压空气从源引入轴承。当轴承的旋转速度使得轴承的空气动力学效应足以产生用于支撑所需负载的空气垫时，来自外部源的空气供应减少或完全停止。对于这种类型的混合空气轴承布置，只有在发动机操作的启动和关闭阶段，才需要将来自源的加压空气引入轴承。与使用空气静压轴承的发动机相比，这提高了发动机的整体效率，但与使用空气动力轴承的发动机相比，这降低了低速操作时损坏的风险。

轴2穿过排气侧壁22突出到壳体16的外部，用于驱动附连到辅助设备。在替代实施例中，轴2可以在壳体16的前入口侧突出到外部，用于驱动附连到辅助设备，或者发动机可以与由轴2驱动的辅助设备组合在单个组件中。

离心式压缩机轮4朝向轴2的前入口端定位，并具有面向发动机入口或前侧的叶片32。环形扩散器6周向安装在离心式压缩机轮的外径周围，环形扩散器6具有也面向发动机入口或前侧的叶片33。离心式压缩机轮4和扩散器6被定位在第一压缩机壳体构件34与第二压缩机壳体构件36之间，第一压缩机壳体构件34和第二压缩机壳体构件36一起形成压缩机级壳体。第一压缩机壳体构件34位于压缩机轮4和扩散器6的前入口侧周围，而第二压缩机壳体构件36位于压缩机轮4和扩散器6的后侧周围。第一压缩机壳体构件34具有管状壁38，管状壁38包围压缩机轮4和扩散器6的入口侧，并且延伸穿过壳18的入口侧壁20中的开口40，以限定进气喷嘴24。管状壁38具有第一端42，该第一端42在壳18外部形成空气入口。管状壁38从第一端42径向向内弯曲，以在压缩机轮4的正前方限定狭窄的喉部，然后径向向外延伸，以包围离心式压缩机轮4和扩散器6的入口(前)侧。管状壁38的内端具有圆柱形部分44，该圆柱形部分44向前朝向开口40径向外侧的壳18的入口侧壁20的内表面突出。管状壁38的向内弯曲区域限定了用于将空气导入离心式压缩机4的会聚管。第一压缩机壳体构件34具有在管状壁38的会聚管区域在中央定位的圆柱形主体46。圆柱形主体46具有中心内孔，轴2的前入口端支撑在该中心内孔内，并且该中心内孔通过多个径向肋或梁47连接到外管状壁38。空气能够流过外管状壁38与圆柱形主体46之间的入口喷嘴24，穿过肋或梁之间的间隙到达离心式压缩机轮4。

径向涡轮叶轮14在轴向在第二压缩机壳体构件36的后部安装在轴2上。涡轮叶轮14具有面向发动机前侧或入口侧的叶片48，使得涡轮叶轮14安装在轴2上，沿轴向面向与压缩机轮4相同的方向。环形喷嘴12位于涡轮叶轮14的外径周围，并且具有多个叶片52，叶片52限定了用于将废气导向到涡轮叶轮14的叶片48上的喷嘴。喷嘴12上的叶片52也面向发动机的前入口侧。

回热器8是环形的，并且位于壳18内，在扩散器6以及第一压缩机壳体构件34和第二压缩机壳体构件36的径向外侧。第一压缩机壳体构件34和第二压缩机壳体构件36与壳18和轴2组合，以限定封壳或增压室，通过该封壳或增压室，周围空气A从发动机1的外部被吸入离心式压缩机轮4内，并通过扩散器6沿径向向外被导向通过压缩机级壳体中的一个或更多个出口进入回热器8，如箭头B所示。

回热器8的部分结构可以在图6中看到。回热器8包括多个板56，板56彼此间隔开并与相邻的板成对地连接在一起，以限定两组交错的流动通路58、60。用于接收来自扩散器6的压缩进气的第一组流动通路58从回热器的内圆周沿径向向外延伸到空气流缓冲通道62，该空气流缓冲通道62围绕回热器的外周向区域而延伸。用于废气的第二组流动通路60沿发动机的轴向方向延伸穿过回热器。如图6所示，每个板56沿着第一对相对边缘在一侧密封地联结到一相邻板，并且沿着第二对相对边缘在相对侧密封地联结到一相邻板。回热器8中的板56由合适的材料制成，用于从废气向进气有效地传热。合适的材料包括金属，例如不锈钢。

三个燃烧室10(以下称为燃烧器)位于涡轮叶轮14和喷嘴12的径向外侧，沿轴向位于回热器8的后部。在本实施例中，燃烧器10沿径向延伸的范围不超过空气流缓冲通道62的外圆周。在该实施例中，燃烧器10基本上都位于垂直于(法向于)轴线Z延伸的公共横向平面内。每个燃烧器10是独立的罐式燃烧器，在其大部分长度上具有大致圆柱形的形状，但是在出口端逐渐变细，以便朝向出口变窄。每个燃烧器10是细长形的(也就是说，长度大于其直径)，并且具有在通过燃烧器流动的方向上延伸的纵向轴线Y。在本实施例中，燃烧器围绕轴线Z沿周向在纵向弯曲。也就是说，每个燃烧器10的纵向轴线Y围绕轴线Z沿周向方向弯曲。每个燃烧器10具有外管72和位于外管72内部的内管74。内管74的外径小于外管72的内径，从而在内管和外管之间存在环形间隙73。内管74被穿孔，使得空气可以从环形间隙73流入内管74。

发动机具有燃料喷射和点火***，用于将燃料喷射到每个燃烧器10的内管74中，并用于点燃内管74内的燃料/空气混合物，在内管74中发生燃烧。燃料喷射***包括用于每个燃烧器10的燃料喷射器75a和火花点火器75b。如图7和8所示，每个喷射器75a和点火器75b通过壳中的合适孔口安装，以便延伸到具有合适密封结构的相应燃烧器10中。燃料喷射器75a与燃料源连接，且被配置为将燃料导向到它们的相应燃烧器中。火花点火器75b与电源连接以产生火花而点燃它们相应燃烧器中的燃料。发动机具有电子控制***(用75c示意地表示)，电子控制***与每个燃料喷射器75a和火花点火器75b连接，以调节发动机的操作。控制***可以具有ICU或其他可编程处理器。

每个燃烧器10具有入口端76和出口端78。在入口端76，外管72通过管80而与缓冲通道62流体连接，管80将空气从回热器导向到内管72与外管74之间的环形间隙73中。管80将空气流从缓冲通道62主要沿围绕轴线Z的周向方向导向到燃烧器10中。空气流缓冲通道62可以被分成一些相分离的扇区，每个扇区与燃烧器之一流体连接，或者它可以围绕回热器的圆周连续延伸。在后一种布置方式中，缓冲通道限定了围绕回热器外径区域周向延伸的连续流动路径。空气从环形间隙73流入内管74，与燃料混合。在每个燃烧器10的出口端，内管74是逐渐变细的，以限定出口，废气通过该出口被导向到环形废气流动通道82中，该环形废气流动通道82沿周向围绕喷嘴12，如箭头C示意性所示。

环形废气流动通道82被限定在涡轮级壳体84中，涡轮级壳体8容纳涡轮叶轮14和喷嘴12，并且可以被分成用于每个燃烧器的相分离的扇区，或者可以是围绕喷嘴12周向延伸的单个连续流动路径。涡轮壳体84包括位于涡轮叶轮14和喷嘴12的前侧周围的第一涡轮壳体构件86和位于涡轮叶轮14和喷嘴12的后侧周围的第二涡轮壳体构件88。涡轮壳体84限定了环形流动通道82的环形出口开口89，废气通过环形出口开口89进入喷嘴12，其将废气导向到涡轮叶轮14的叶片上。第一涡轮壳体构件86围绕外周向区域限定了三个沿周向间隔开的插座90。每个插座90接纳相应燃烧器10的出口端，并限定用于将废气沿周向导向进入废气流动通道82和出口开口89的流动路径。第一涡轮壳体构件86具有径向前壁91，该径向前壁91具有包围涡轮叶轮14的叶片的部分圆顶形部分92。径向前壁91在部分圆顶形部分92中具有中心开口94，离开涡轮叶轮14的废气通过该中心开口94进入涡轮壳体84与第二压缩机壳体构件36之间的空间，废气从该空间流入回热器8中的第二组流动通路60，如箭头D所示。在部分圆顶形部分92的径向外侧，前壁91在与部分圆顶形部分92相反的方向上弯曲，以将废气顺畅地引导到回热器中。第一涡轮级壳体构件86和第二涡轮级壳体构件88与壳18和轴2组合，以限定封壳或增压室，来自燃烧器10的废气通过该封壳或增压室被导向至喷嘴和涡轮叶轮。

进入第二组流动通路60的废气沿轴向在向前方向向着外壳18的入口侧壁20而被引导。当废气离开回热器8时，它顺应燃烧室10周围的外壳18的内表面的曲率径向向外并沿轴向方向向后流动，以通过出口喷嘴26排出，如箭头E所示。

现在将描述发动机1在稳定状态下运行时的操作。

来自发动机外部的周围空气A由旋转的压缩机轮4通过入口喷嘴24吸入，压缩机轮4将空气径向向外导向通过扩散器6(箭头B)。空气在通过压缩机轮14和扩散器6时被压缩。离开扩散器6的压缩空气穿过第一压缩机壳体构件34与第二压缩机壳体构件36之间的出口，通过回热器8进入第一组流动通路58。压缩空气沿径向向外的方向流过第一组流动通路58并进入空气缓冲通道62。在压缩空气通过回热器时，热量从通过回热器中的第二组流动通路60的废气传递到压缩空气，使得压缩空气的温度在其到达缓冲通道62时升高。

经预热的压缩空气从缓冲通道62被导向至燃烧室10，在燃烧室10中与燃料混合，空气/燃料混合物在燃烧室的内管74内被点燃，燃烧产生高温而且高速的废气流，该废气流通过环形流动通道82和喷嘴12(箭头C)被导向到涡轮叶轮14上。

高温高速的气流在通过涡轮叶轮14时膨胀，在驱动轴2的过程中产生涡轮轴功输出。涡轮轴功用于驱动压缩机轮4，并且可以用于驱动可联接到轴2的其他辅助设备，例如发电机。

离开涡轮叶轮14的废气(箭头D)被导向通过回热器8中的第二组流动通路60，在那里，热能从废气传递到通过第一流动通路58的压缩空气中。在离开回热器的第二流动通路60时，废气被径向向外导向，以围绕壳的弯曲内表面朝向排气喷嘴26流动，在排气喷嘴26处废气离开发动机(箭头E)。

在对如上所示和所描述的实施例的一种修改方式中，回热器8的结构被修改，以使得第二流动通路60大致在径向方向上延伸、或者在部分径向而且部分轴向的方向上延伸。废气从涡轮14被传导至回热器的径向外边缘区域，以进入第二流动通路，并沿与压缩空气流过第一流动通路58相反的方向径向向内流过第二流动通路。与第二流动通路轴向延伸的横流布置相比，这将使得能量能够更多地从废气传递到加压空气。尽管应该注意到，回热器可以被配置为使得空气和气体以相反的方向、大致相反但成一定角度的方向或者横流方向而流过回热器。

在进一步的修改方式中，废气离开发动机的位置可以不同于上文所描述的位置。例如，一个或更多个废气出口喷嘴26可以位于发动机的前部，与进气喷嘴24位于同一侧，或者实际上位于任何合适的位置。无论回热器8中第二流动通路60的取向如何，都可以采用这种进一步的修改方式。

根据本发明一个方面的发动机1的配置，与一些已知的类似尺寸的燃气涡轮发动机相比，提供了更高的效率。

发动机1的一个特殊特征是，通过发动机的空气和废气流顺应围绕涡轮轴的轴线Z的大致圆形的路径流动，在压缩机与涡轮之间顺滑的方向变化，通常不大于90度。空气/废气流顺应穿过发动机的核心流动路径，核心流动路径具有轴向、径向和圆周分量的混合。例如，来自压缩机轮4和扩散器6的压缩空气径向向外流过回热器8，而不是像许多已知的微型涡轮那样转过90°以沿轴向流过回热器。空气/废气流动路径的一个特定特征是从空气缓冲通道62通过燃烧器10进入径向涡轮叶轮14的大致圆形的螺旋式流动路径。各个燃烧器10位于喷嘴12径向外侧，并且各个燃烧器以其轴线Y横向于轴线Z延伸而对准，从而使得空气/气体能够沿大致螺旋形流动路径从辅助缓冲通道62通过管80沿周向被导向到燃烧器10中，并且从燃烧器的出口端78通过插座90被导向到环形废气流动通道82中。可以将各个燃烧器10定位于空气流缓冲通道62的径向内侧，或者至少将它们的入口端定位成与轴线Z相距大致相同的径向距离，以使得从缓冲通道62进入燃烧器的流动是顺畅的。虽然流动不完全在同一平面内，但是流动的轴向分量极小，并且流动主要在横向于涡轮轴2的轴线Z的平面内。发动机1的配置还使废气在进入回热器8之前离开涡轮14时的流动距离最小化。这也有助于发动机1的整体效率，并且至少部分是由于涡轮14被安装成其叶片面向与压缩机轮4的叶片相同的方向，并且因此将废气向前导向回热器8。

此外，发动机1的配置允许使用相对较大的回热器来提高效率，同时保持发动机的整体紧凑性。此外，扩散器6和喷嘴12的尺寸不受回热器构造的限制(这种限制在许多已知的微型涡轮中是存在的)。例如，可以通过改变换热器8的内径来适应不同尺寸的扩散器6。

弯曲的圆柱形燃烧室10相对较长，提供了更高的效率。具有逐渐变细出口端的燃烧器10的形状也是有益的，因为该形状反映了火焰的形状，已经发现与趋于使火焰变平的环形燃烧室相比，这也提高了效率。虽然弯曲燃烧器10有利于增加燃烧器的长度以及提供气体从回热器8到涡轮叶轮14的顺滑的圆形流动，但燃烧器10也可以是直的或部分弯曲的。在这种情况下，燃烧器10的纵向轴线可以相对于发动机的轴线Z沿横向成角度/偏斜高达90度，使得燃烧器10垂直于轴线Z而对准。特别是在燃烧器是直的情况下，它们可以倾斜，使得它们的出口端78在它们的入口端74的径向内侧(更靠近轴线Z)。直的燃烧室可以布置成它们的纵向轴线在围绕涡轮轴的轴线Z而同心地画出的圆的切向方向延伸。

发动机1的配置提供了一种相对更薄且更为扁平的发动机，因此比已知的小型和微型涡轮轴向更紧凑。发动机1的形状允许其可被容易地容纳在有限的空间中，并且特别有利地用于空间有限的应用中，例如机动车辆中。使用轴线Y垂直于(法向于)轴线Z对准的罐式燃烧器10提供了相对较长的燃烧器，同时最小化了发动机在轴向方向上的长度或深度，并且也最小化了涡轮轴2的长度。在燃烧器10也绕轴线Z弯曲的情况下尤其如此。然而，即使燃烧器不垂直于轴线Z对准，只要它们相对于轴线Z至少在某种程度上横向偏斜或成角度以便与燃烧器的纵向轴线平行于涡轮轴的轴线的发动机相比，减小发动机在轴向方向上的总长度/深度，则仍然可以获得一些益处。每个燃烧室的纵向轴线可以相对于涡轮轴的轴线沿横向方向大致偏斜至少30度，或至少40度，或至少45度，或至少50度，或至少55度，或至少65度，或至少70度，或至少75度，或至少80度，或至少85度，或90度。关于弯曲的燃烧室，可以参考燃烧室的纵向平面相对于涡轮轴的轴线大致沿横向方向偏斜，而不是在本文所作的各种陈述中相对于其本身轴线偏斜。在这种情况下，纵向平面是将燃烧室分成两半的平面，该平面也穿过涡轮轴。

应当注意的是，本实施例的燃气涡轮中各个燃烧室的纵向轴线不会聚在单一一个点上，特别是不会聚在涡轮轴的纵向轴线上。事实上，各个燃烧室的纵向轴线如果延伸，不会与涡轮轴的纵向轴线相交。还将注意到，各个燃烧室的纵向轴线不位于纵向延伸经过涡轮轴的轴线的平面内。换句话说，各个燃烧室的轴线完全不在沿发动机的轴向方向对准。每个燃烧室纵向轴线相对于纵向延伸经过涡轮轴的轴线并且经过燃烧室纵向轴线的任何平面都是偏斜的。

在进一步的改进中，控制***75c可操作以根据发动机的某些操作参数而独立地控制每个燃烧室10中的燃烧。例如，发动机控制***可以被配置为允许在发动机运行时选择性地使用燃烧室10，使得在某些操作条件下，不是所有的燃烧室10都被使用。因此，当以小于全功率运行时，发动机1可以在各个燃烧室中的仅一个或两个燃烧室中进行燃烧或者在各个燃烧室10中的一些或全部燃烧室10中具有不同的燃烧速率而运行，以进一步提高效率。这可以通过独立地改变引入每个燃烧器的燃料量而实现。在只使用可用各个燃烧器中一个或一些燃烧器的情况下，不得将燃料引入那些未使用的燃烧器。还应当理解，燃烧室10的数量可以变化，并且如果需要，发动机1可以设置有一个、两个或三个以上的燃烧室10。

虽然在上述实施例中使用回热器8有利于提高燃气涡轮发动机的整体效率，但是本发明的许多优点可以在不结合回热器的燃气涡轮发动机中获得。图9至12示出了根据本发明的燃气涡轮发动机101的实施例，其不具有回热器。

在下面的描述中，相同但是增加了100的附图标记将被用来表示与上面关于先前实施例描述的那些相同或者执行类似功能的特征。

燃气涡轮发动机101基本上以与上述先前实施例1相似的方式构造和操作，因此将仅描述主要差异。读者应该参考前面实施例的以上描述以获得更多细节。

如上所述，发动机101是不具有回热器的简化发动机。结果，自离心式压缩机轮104和扩散器106的空气流被导向至环形空气缓冲通道162内，从环形空气缓冲通道162被导向至燃烧器110内。如在前面的实施例中，有三个弯曲的罐式燃烧器110沿周向设置在围绕喷嘴124和涡轮叶轮114的环形空间中。该实施例中的燃烧器110的构造和操作与上述先前实施例中的燃烧器10可以基本相同，包括所讨论的任何修改。

如图10和11所示，压缩空气流缓冲通道162在扩散器106的周向外侧延伸。来自扩散器的空气通过环形槽或通道壁内圆周上的一系列开口进入空气流缓冲通道162。每个燃烧器110的入口端通过相应的管180或其他流体连接部与空气流缓冲通道162流体连接。如线196所示，空气流缓冲通道可以分成一些相分离的扇区，每个扇区与相应的管180和燃烧器110流体连接。在这种布置中，压缩空气不从一个扇区流到另一个扇区，而是从扩散器进入每个扇区，并围绕该扇区流入相应的管180和燃烧器110。替代地，空气流缓冲通道162可以不被分成一些相分离的扇区，而是限定周向连续的流动路径，空气可以沿着该路径流动以进入各种管180和燃烧器110中的任何一个。第一实施例中的空气流缓冲通道62可以类似地分成一些相分离的扇区或不分成一些相分离的扇区。应当注意，燃烧器110没有在图11中示出。

图12示意地示出燃烧器110如何与在涡轮级中围绕喷嘴112和涡轮叶轮114沿周向延伸的环形废气流动通道182流体连接。废气流动通道182以类似于第一实施例中的通道82的方式形成，且限定在涡轮级壳184内部。每个燃烧器110的出口端通过相应管状插座190或其他合适流动连接部而与废气流动通道182流体连接。应注意，与第一实施例中的插座90一样，插座190沿周向弯曲，以便在每个燃烧器110和围绕涡轮轴的轴线X呈涡旋状的废气流动通道之间提供顺畅的流动路径。连接空气流缓冲通道162与燃烧器110的管180类似地围绕涡轮轴轴线沿周向弯曲，使得管180、燃烧器110和插座190限定从空气流缓冲通道162通过每个燃烧器110到废气流动通道182的沿周向延伸的顺畅流动路径，该流动路径围绕涡轮轴的轴线X呈涡旋状。

因为不需要将废气从涡轮叶轮114向前导向到回热器，所以涡轮叶轮114和喷嘴112安装在涡轮轴102上，它们的叶片面向发动机的后部，也就是说在与压缩机轮104相反的方向上，使得废气通过由涡轮级壳体184限定的中央出口/排气喷嘴126直接送出壳体16。

燃气涡轮发动机101受益于前述实施例的许多优点，包括大致围绕轴102的轴线Z循环的顺畅的空气/气体流动路径，以及与已知小型和微型燃气涡轮发动机的圆柱形相比平坦的圆形总体形状。

根据本发明各个方面的燃气涡轮发动机1、101预期具有广泛的应用，包括但不限于：

⊙作为电动车辆，尤其是机动汽车的增程器。与发电机一起，发动机可以在车上发电，大大拓展电动汽车的行驶范围。

⊙发动机可以放大或缩小，而不会损失太多效率，以适应各种交通工具，如船只、摩托车，甚至电动自行车。

⊙作为重型多旋翼无人机(UAV)电池的替代能源。

⊙作为分布式发电机。

⊙作为备用电源。

为了用于发电，无论是用于分布式发电还是作为车辆或任何其他应用的一部分，发动机1、101可以与发电机组合成单个组件。

尽管由于发动机配置的可伸缩性，根据本发明的发动机预期在需要相对低功率输出的情况下具有特定的应用，例如在15kW到1MW的范围内，但是据信根据本发明的一个方面的发动机可以生产出功率输出在10W到2.5GW的范围内的发动机。

上述实施例仅通过示例的方式进行描述。在不脱离如所附权利要求中定义的以及在以上发明概述中的发明的各种陈述中阐述的本发明的各方面的范围的情况下，许多变化都是可能的。

Claims (21)

1.一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴线旋转的涡轮轴；离心式压缩机和径向涡轮，所述离心式压缩机和径向涡轮均安装在所述涡轮轴上以与所述涡轮轴一起绕所述轴线旋转；以及在所述压缩机与所述涡轮之间的空气/气体流动路径中的多个燃烧室；其中，所述多个燃烧室围绕所述涡轮轴的轴线沿周向间隔开，每个燃烧室在空气/气体流过所述燃烧室的方向上是细长形的，其中，所述燃气涡轮发动机包括在所述离心式压缩机与所述燃烧室之间的流动路径中的沿周向延伸的空气流缓冲通道，以使得从所述空气流缓冲通道通过燃烧室进入径向涡轮形成大致圆形的螺旋式流动路径；并且

其中，所述发动机具有围绕所述涡轮的外径沿周向定位的喷嘴，用于将废气导向到所述涡轮上，并且其中，所述发动机限定围绕所述喷嘴沿周向延伸的废气流缓冲通道，所述废气流缓冲通道与所述燃烧室和所述喷嘴流体连接。

2.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃烧室沿着气流通过所述燃烧室的方向而弯曲，并且每个燃烧室的纵向轴线围绕所述涡轮轴的轴线而弯曲，其中，燃烧室的纵向轴线沿着通过所述燃烧室的气流的方向而延伸。

3.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃烧室沿气流通过所述燃烧室的方向是直线形的、并且沿着所述气流通过所述燃烧室的方向具有纵向轴线，并且每个燃烧室的纵向轴线不在所述涡轮轴的纵向平面上延伸。

4.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述多个燃烧室中每一个燃烧室的纵向轴线还相对于所述涡轮轴的轴线沿径向倾斜，其中，燃烧室的纵向轴线沿着通过所述燃烧室的气流的方向而延伸。

5.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述多个燃烧室的纵向轴线位于一个公共平面内，所述公共平面横向于所述涡轮轴的轴线而延伸，其中，每个燃烧室的纵向轴线沿着通过所述燃烧室的气流的方向而延伸。

6.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述多个燃烧室围绕所述涡轮轴的轴线同心地布置。

7.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述多个燃烧室至少在其大部分长度上是圆柱形的，其中，所述长度由沿着气流通过所述燃烧室的方向从所述燃烧室的入口到所述燃烧室的出口的距离而限定。

8.如权利要求7所述的燃气涡轮发动机，其中，所述多个燃烧室中的每个燃烧室都具有入口端和出口端，并且在它们的出口端逐渐变细。

9.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机具有环形回热器，所述环形回热器具有用于接收来自所述离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路和交错在所述第一组流动通路之间的第二组流动通路，所述第二组流动通路与所述涡轮流体连接，用于接收来自所述涡轮的废气。

10.如权利要求9所述的燃气涡轮发动机，其中，所述回热器围绕所述离心式压缩机，所述第一组流动通路大致沿径向方向延伸。

11.如权利要求10所述的燃气涡轮发动机，其中，所述第二组流动通路沿径向方向延伸。

12.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机具有环形回热器，所述环形回热器具有用于接收来自所述离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路和交错在所述第一组流动通路之间的第二组流动通路，所述第二组流动通路与所述涡轮流体连接，用于接收来自所述涡轮的废气，并且其中，所述空气流缓冲通道与所述第一组流动通路流体连接。

13.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机具有围绕压缩机的外径沿周向定位的扩散器，所述扩散器被配置为沿径向向外导向空气。

14.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述空气流缓冲通道与所述燃烧室流体连接，并且其中，发动机限定了从所述空气流缓冲通道通过所述多个燃烧室中的每一个燃烧室到达所述废气流缓冲通道的空气/气体流动路径，所述空气/气体流路围绕所述涡轮轴的轴线而循环。

15.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述离心式压缩机和所述径向涡轮二者都安装到所述涡轮轴上，并且它们的叶片面向相同的轴向方向、朝向发动机的入口端，所述涡轮配置为使得离开所述涡轮的废气朝着发动机的入口端而被导向。

16.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机具有发动机控制***，所述发动机控制***被配置为独立地控制每个燃烧室中的燃烧，所述发动机控制***被配置为根据所述发动机的操作参数来改变在发动机运行时发生燃烧的燃烧室的数量。

17.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，所述发动机被配置为使得对于每个燃烧室限定一个气体流动路径，所述气体流动路径围绕所述涡轮轴的轴线沿径向向内呈螺旋状，通过燃烧室而进入废气流缓冲通道。

18.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中，每个燃烧室具有外管和位于外管内部的内管，内管的外径小于外管的内径，从而在内管和外管之间存在环形间隙，内管被穿孔，使得空气能够从环形间隙流入内管，在燃烧室的入口端处的外管借助于管而与空气流缓冲通道流体地连接，所述管将空气从所述空气流缓冲通道导入在所述内管和外管之间的环形间隙中。

19.如权利要求1所述的燃气涡轮发动机，其中：

所述空气流缓冲通道分成多个扇区，每个扇区与各个燃烧室中的相应一个燃烧室流体连接，或者

所述空气流缓冲通道限定基本连续的环形流动路径。

20.一种燃气涡轮发动机，其包括：能够绕轴线旋转的涡轮轴；离心式压缩机和径向涡轮，所述离心式压缩机和径向涡轮均安装在所述涡轮轴上以便与所述涡轮轴一起绕所述轴线旋转；环形回热器，其沿周向围绕所述离心式压缩机；以及在所述回热器与所述涡轮之间的空气/气体流动路径中的至少一个燃烧室；其中，所述回热器具有用于接收来自所述离心式压缩机的压缩空气的第一组流动通路，所述第一组流动通路沿径向方向延伸，所述回热器具有交错在所述第一组流动通路之间的第二组流动通路，所述第二组流动通路与所述涡轮流体连接，用于接收来自所述涡轮的废气，所述第二组流动通路相对于所述涡轮轴的轴线沿径向方向延伸。

21.如权利要求20所述的燃气涡轮发动机，其中，所述燃烧室位于所述回热器的内径的径向外侧并且位于所述回热器的外径的径向内侧。

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