專利名稱：高性能燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高性能燃?xì)廨啓C(jī)，具體地說是涉及一種采用離心式壓氣機(jī)和徑流式渦輪的燃?xì)獍l(fā)生器的高性能燃?xì)廨啓C(jī)。
在一些，例如車輛用和其他要求發(fā)動機(jī)的體積小，重量輕、油耗率低的應(yīng)用領(lǐng)域中，對于作為柴油機(jī)的替換物的燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的需要，得到證明。實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明，實(shí)體空間和重量減小是可以采用常規(guī)的燃?xì)廨啓C(jī)來取得。然而，當(dāng)額定功率減小時(shí)，簡單循環(huán)發(fā)動機(jī)的油耗率變壞已是被公認(rèn)的事實(shí)，并且是已有裝置的主要缺點(diǎn)。
過去試圖獲得燃?xì)廨啓C(jī)動力裝置的辦法一直是采用許多配備離心和徑流部件的不同結(jié)構(gòu)。例如，眾所周知的燃?xì)廨啓C(jī)輔助動力裝置包括一個雙面進(jìn)氣低壓離心式壓氣機(jī)和一個串接工作的單面進(jìn)氣高壓離心式壓氣機(jī)，以提供燃燒室內(nèi)燃油燃燒所需的壓縮空氣和外部使用的放氣。來自燃燒室的高溫燃?xì)馑偷津?qū)動壓氣機(jī)和在某種意義上與單軸發(fā)動機(jī)相一致為外部使用提供軸功率輸出的單級徑流式渦輪中。
上述不能按滿意的部件效率提供足夠壓比。一直歸結(jié)為油耗率明顯大于相同功率高速柴油機(jī)的低壓比(即小于12∶1)的小型動力裝置。在為克服這些限制的努力中，在工業(yè)上典型地采用在最后離心式壓氣機(jī)或二個單面進(jìn)氣的離心級前采用一級或多級軸流式壓氣機(jī)，這些離心壓氣機(jī)與發(fā)動機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器的常規(guī)軸流式渦輪為一體。對于最好的具有這些結(jié)構(gòu)的任何一種的1000馬力的燃?xì)廨啓C(jī)。預(yù)計(jì)油耗率在壓比低于15∶1的情況下達(dá)到0.45左右。
由于上述常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)存在的缺點(diǎn)，本發(fā)明的一個目的是提供一種采用徑流式渦輪驅(qū)動在同一軸上相匹配的離心式壓氣機(jī)部件的，高壓比的燃?xì)獍l(fā)生器的燃?xì)廨啓C(jī)。
本發(fā)明的又一個目的是提供一種采用油耗率相當(dāng)于柴油機(jī)而保持簡單循環(huán)結(jié)構(gòu)(即無換熱室/蓄熱室)的燃?xì)獍l(fā)生器的燃?xì)廨啓C(jī)。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種特別適用于相對低的功率(一般低于4000馬力)和只采用二級壓氣機(jī)的高壓比的燃?xì)獍l(fā)生器的燃?xì)廨啓C(jī)。
已有的小型燃?xì)廨啓C(jī)中，上面提到的油耗率變壞已經(jīng)得以改變。在小型燃?xì)廨啓C(jī)中，目前已具有大的發(fā)動機(jī)效率(本發(fā)明在下面詳細(xì)加以討論)。因此，簡單循環(huán)的燃?xì)廨啓C(jī)在燃料消耗方面至少能與1000馬力的高速柴油機(jī)相比美。這樣一來，本發(fā)明對于所有燃?xì)廨啓C(jī)公司采用的常規(guī)結(jié)構(gòu)所表明的現(xiàn)有技術(shù)來說，在開拓新的發(fā)動機(jī)方面起到了進(jìn)步的作用。
本發(fā)明大致包括一種燃?xì)廨喨細(xì)獍l(fā)生器的流道結(jié)構(gòu)，由下列部件按氣流順序來表征(見

圖1)1.作為第一級的，基本上為徑流式的雙面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。
2.作為第二級的，單面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。
3.作為燃?xì)獍l(fā)生器渦輪的，徑流式渦輪。
根據(jù)本發(fā)明的循環(huán)采用明顯高于常規(guī)燃?xì)廨啓C(jī)的壓比，具體地說是在較低功率范圍，例如在4000馬力條件下施壓于發(fā)動機(jī)。因?yàn)閴罕仁菍π十a(chǎn)生影響的主要因素之一，所以根據(jù)本發(fā)明的循環(huán)將會在較低功率范圍內(nèi)，提供比已有燃?xì)廨啓C(jī)更高的熱效率。
根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器的另一個主要特性是，通過部分地仔細(xì)調(diào)節(jié)第一和第二級之間壓比的分配，使第一和第二級壓氣機(jī)“匹配”利用徑流式渦輪定向驅(qū)動“單面轉(zhuǎn)子”內(nèi)的這些已匹配的壓氣機(jī)，進(jìn)而使渦輪機(jī)、第一級壓氣機(jī)和第二級壓氣機(jī)均以相同的角速度轉(zhuǎn)動，至少得到三個顯著的優(yōu)點(diǎn)第一，徑流式渦輪機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度，依照使所有的壓氣機(jī)部件處于最佳狀態(tài)的比轉(zhuǎn)數(shù)，足以使每個離心壓氣機(jī)在接近最佳值的條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，第二，在這些條件下工作的徑流式渦輪機(jī)在接近特有的最佳比轉(zhuǎn)數(shù)值條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，該轉(zhuǎn)數(shù)使燃?xì)獍l(fā)生器處于最佳狀態(tài)。第三，徑流式渦輪得到的高圓周速度，導(dǎo)致沖擊在渦輪葉片上的高溫燃?xì)獾臏箿囟认陆?。結(jié)果，渦輪流入溫度能得以升高，以進(jìn)一步增大熱效率或使渦輪部件的工作壽命能得以延長。
根據(jù)本發(fā)明，概括地加以敘述，這種結(jié)構(gòu)緊湊的高效率燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器包括能提供整個壓比大于15∶1的壓氣機(jī)裝置。這種壓氣機(jī)裝置包括一臺具有一對進(jìn)口和一個共用出口的第一級雙面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)。和一臺與第一級壓氣機(jī)鄰近配置且具有與第一級共用出口相通的進(jìn)氣口同時(shí)還有第二級出口的第二級單面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)。和一個能使第一和第二級呈機(jī)械式相互連接，能以相同的角速度轉(zhuǎn)動的軸組件。這種燃?xì)獍l(fā)生器還包括與第二級出口氣動連接，以接收高壓空氣和利用高壓空氣使燃油燃燒以產(chǎn)生燃?xì)獾娜紵已b置。這種燃?xì)獍l(fā)生器仍然采用一臺具有進(jìn)口和出口的單級徑流式渦輪，該渦輪直接與軸組件驅(qū)動裝置連接，而且還與在該渦輪機(jī)進(jìn)口處接收氣流的燃燒室裝置連接，燃燒氣體部分膨脹驅(qū)動第一和第二級壓氣機(jī)。排氣裝置是與渦輪出口氣動相連，以便輸送為進(jìn)一步膨脹作功已部分膨脹的燃?xì)?。第一級壓氣機(jī)的壓比明顯大于第二級壓氣機(jī)壓比的二倍。第一級雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)的進(jìn)口馬赫數(shù)大于1.4，而第一和第二級壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)均接近于它們的最佳值且每個都大于0.60。
跨接第一和第二級壓縮機(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器的整個壓比最好大于20∶1，并且當(dāng)?shù)诙墘簹鈾C(jī)的壓比在2∶1和4∶1之間時(shí)，第一級壓氣機(jī)的壓比在6∶1和9∶1之間。
另一最佳方案是每個壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.65-0.80，同時(shí)渦輪部件的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.5-0.75，從而壓氣機(jī)和渦輪的效率接近它們的峰值。
再一個最佳方案是在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行過程中，第一級輸出的所有的高壓空氣基本上由第二級壓氣機(jī)所接收，而第二級壓氣機(jī)輸出的所有高壓空氣基本上由燃燒室所接收。
還有，本發(fā)明的單面轉(zhuǎn)子，二級高性能壓氣機(jī)裝置，概括地包含一個雙面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)第一級。
單面進(jìn)氣離心壓氣機(jī)第二級，第二級壓氣機(jī)是氣動連接第一級壓氣機(jī)以接收其輸出的氣體。
和一個使第一級和第二級壓氣機(jī)均同軸安裝能以相同速度相依轉(zhuǎn)動的軸組件。整個壓氣機(jī)裝置的所有壓比大于15∶1，第一級壓氣機(jī)的壓比大于第二級壓氣機(jī)的壓比約二倍，而第一和第二級壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)均大于0.60。
壓氣機(jī)裝置最好包括一個安裝在軸組件上，能以相同速度驅(qū)動第一級和第二級壓氣機(jī)的單級徑流式渦輪，該渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍為0.50-0.75。
在本說明之中并構(gòu)成說明書一部分的附圖顯示出了本發(fā)明的一個實(shí)施例，和說明部分一起用來說明本發(fā)明的有關(guān)原理。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器的橫截面示意圖。
圖2A和2B是效率改善的簡圖，效率的改善是由于采用根據(jù)本發(fā)明制造的燃?xì)獍l(fā)生器中的壓氣機(jī)部件和渦輪機(jī)部件與這些部件的比轉(zhuǎn)數(shù)相匹配的結(jié)果。
現(xiàn)在，結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實(shí)施例作出詳盡地說明。
本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器包括能提供整個壓比大于15∶1，并配備有一對進(jìn)口和一個單一出口的雙面進(jìn)氣第一級離心式低壓壓氣機(jī)裝置。正如下面和圖1所描述的本發(fā)明實(shí)例，本發(fā)明的最佳實(shí)施例，是由10所示的一種燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器，該發(fā)生器的壓氣機(jī)裝置12包括第一級低壓壓氣機(jī)14。第一級壓氣機(jī)14包括有為使軸組件20轉(zhuǎn)動而配置的壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子18和成對軸向?qū)χ玫姆謩e由箭頭22、24所示的流動通路的雙面進(jìn)氣的壓氣機(jī)外設(shè)組件16。第一級壓氣機(jī)14還包括周圍殼體26，它限定一對使空氣朝向轉(zhuǎn)子18上的壓氣機(jī)葉片組件32、34的對稱流動，軸向?qū)χ玫倪M(jìn)口28、30。正在審理的申請案S·N577359公開了一種特別適用于本申請的改進(jìn)的雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)。
雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)組件16有一個單獨(dú)的與擴(kuò)壓器組件38氣動連接的環(huán)形徑向的壓氣機(jī)出口36。擴(kuò)壓器組件38接收從出口36出來的高速空氣并把高速空氣轉(zhuǎn)變成高壓低速空氣，以便最終傳送到高壓壓氣機(jī)40進(jìn)而送到燃燒室60。擴(kuò)壓器組件38可以用歧管組件(未表示出)置換，以保持一部分離開出口36的空氣動壓頭。正在審理的申請案S·N·577383公開了一種可改變幾何形狀的擴(kuò)壓器裝置，該擴(kuò)壓器裝置可以有利地被采用于擴(kuò)壓器組件38中。
參照圖1，擴(kuò)壓器組件38配置有一個收集已擴(kuò)壓了的空氣的環(huán)形進(jìn)氣增壓系統(tǒng)42。對于在圖1中所示的實(shí)施例，進(jìn)氣增壓系統(tǒng)42與跨越管道44氣動連接，管道44依次與下面會詳盡討論的高壓壓氣機(jī)40的進(jìn)口進(jìn)氣增壓系統(tǒng)46氣動連接。其它的跨越管道布置包括正在審理的申請案S·N·610580敘述的結(jié)構(gòu)是能被采用的，該種結(jié)構(gòu)提供了輔助結(jié)構(gòu)的和部件性能的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本發(fā)明，壓氣機(jī)裝置還包括接近于第一級壓氣機(jī)且具有一個單獨(dú)進(jìn)口和一個單獨(dú)出口的第二級高壓離心式壓氣機(jī)。正如下面和圖1中所示的實(shí)施例，壓氣機(jī)裝置12進(jìn)一步包括具有限定壓氣機(jī)進(jìn)口50，以接收來自進(jìn)口進(jìn)氣增壓系統(tǒng)46的高壓空氣的殼體48的，單面進(jìn)氣徑流式壓氣機(jī)的高壓壓氣機(jī)40。該高壓壓氣機(jī)殼體48還限定著通過第二級擴(kuò)壓器組件56與燃燒室供給進(jìn)氣增壓系統(tǒng)54氣動接通的第二級壓氣機(jī)出口。高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子58配置在殼體48內(nèi)，并安裝在軸組件20上以便轉(zhuǎn)動。因此壓縮空氣流動通路從雙面進(jìn)氣圧氣機(jī)外設(shè)組件16的收集進(jìn)氣增壓系統(tǒng)出發(fā)，經(jīng)跨越管道44到高壓壓氣機(jī)進(jìn)口的進(jìn)氣增壓系統(tǒng)，通過高壓壓氣機(jī)轉(zhuǎn)子58進(jìn)入燃燒室供給進(jìn)口增壓系統(tǒng)54。
另外，根據(jù)本發(fā)明，第一級和第二級壓氣機(jī)的壓比的選擇是在第一低壓級中的壓比大于第二高壓級壓比約二倍。此外，選擇第一級壓氣機(jī)的流動通路的尺寸要提供如下面會詳細(xì)說明的那樣，與上述級選擇的壓比相一致的合適比轉(zhuǎn)數(shù)。正如在該實(shí)施例中那樣，所有跨越第一和第二級壓氣機(jī)的壓比約均大于15∶1，其第一級壓氣機(jī)14的壓比范圍約為6∶1至9∶1，第二級壓氣機(jī)40的壓比范圍約為2∶1至4∶1。相對低的第二級壓比力求保持第二級比轉(zhuǎn)數(shù)盡可能的高(見下面討論)。
這種典型的葉輪尖部的進(jìn)口馬赫數(shù)在第一級壓氣機(jī)進(jìn)口28、30處約為1.4或者更大一些，并在額定功率運(yùn)行時(shí)發(fā)生在葉片32、34前緣的外部葉尖處。雖然馬赫數(shù)大于1.0會在壓氣機(jī)進(jìn)口產(chǎn)生激波，但它們是相當(dāng)弱的斜激波，不會嚴(yán)重地影響所有性能。本發(fā)明的設(shè)計(jì)基本原理是，有關(guān)控制壓氣機(jī)部件的比轉(zhuǎn)數(shù)要比保持低進(jìn)口馬赫數(shù)更為重要，這是對現(xiàn)有技術(shù)中常規(guī)設(shè)計(jì)實(shí)踐的一種改變。
泵，壓氣機(jī)和渦輪的部件效率很大程度上取決于最好比轉(zhuǎn)數(shù)的選擇。這是速度-流量-功的相互關(guān)系，這種關(guān)系在上述特殊部件中提供最有效的能量轉(zhuǎn)換。比轉(zhuǎn)數(shù)(Ns)定義如下NS=ωQ〔 △ H 〕0.75]]>其中ω為轉(zhuǎn)動速度弧度/秒Q為容積流動速率 m3/秒△H為比功率瓦特/公斤/秒已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的是，要滿足本發(fā)明高壓比條件下兩級壓氣機(jī)均合適的比轉(zhuǎn)數(shù)的要求，第一和第二級壓氣機(jī)的壓比分配是關(guān)鍵。然而，這二個意外高的優(yōu)點(diǎn)在于，所有壓氣機(jī)部件特性能使徑流式渦輪部件處于接近其最佳比轉(zhuǎn)數(shù)條件下運(yùn)行。這種匹配無需采用單面轉(zhuǎn)子裝置而實(shí)現(xiàn)，使壓氣機(jī)14和40均由渦輪66直接驅(qū)動。這些條件提供了一種如圖1所示的燃?xì)獍l(fā)生器那樣的高效率高性能的簡單循環(huán)的燃?xì)獍l(fā)生器。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)獍l(fā)生器還包括燃燒室裝置，它與用來接收高壓空氣和利用高壓空氣產(chǎn)生燃燒氣體使燃油燃燒的第二級壓氣機(jī)的出口氣動連接。正如本實(shí)施例那樣，二個燃燒室60通過雙壁渦輪進(jìn)口歧管62與進(jìn)氣增壓系統(tǒng)54氣動接通(在圖1中僅示出一個燃燒室)。燃燒室的數(shù)量不限，如在正在審理的申請案S·N610585中采用多個無循環(huán)橫截面的燃燒室。在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)，從第二級壓縮機(jī)40出來的所有高壓空氣，除用于冷卻或密封目的之外，最好經(jīng)進(jìn)氣增壓系統(tǒng)54和位于歧管62各壁之間，引向燃燒室60。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)獍l(fā)生器還進(jìn)一步包括一個具有一個進(jìn)口和一個出口的單級徑流式渦輪，該渦輪呈運(yùn)行連接，直接驅(qū)動其上裝有壓氣機(jī)的軸組件，并與能在該渦輪進(jìn)口處接收部分膨脹的燃?xì)獾娜紵已b置呈氣動連接。正如本實(shí)施例所指出的那樣，燃?xì)獍l(fā)生器10包括其渦輪轉(zhuǎn)子68具有帶葉尖70a的葉片70的徑流式渦輪66。該渦輪機(jī)66接收從燃燒室60出來通過渦輪機(jī)進(jìn)口噴咀組件72經(jīng)渦輪進(jìn)口歧管62的高溫燃?xì)?。渦輪轉(zhuǎn)子68直接與軸組件20聯(lián)接，使高壓壓氣機(jī)40的轉(zhuǎn)子58和低壓壓氣機(jī)14的轉(zhuǎn)子18均轉(zhuǎn)動。正在審理的申請案S·N610580提供了特別適用于軸組件20的裝置部件。
根據(jù)本發(fā)明，燃?xì)獍l(fā)生器還包括排氣裝置，該排氣裝置與渦輪機(jī)的出口氣動連接以便引導(dǎo)部分膨脹燃?xì)鈱ν膺M(jìn)一步膨脹作功。正如本實(shí)施例所指出的那樣，燃?xì)獍l(fā)生器10包括呈運(yùn)行連接的歧管74，以便接收從渦輪出來的部分膨脹過的燃?xì)猓毓艿垒斔偷阶杂蓽u輪裝置90或自由噴射推進(jìn)裝置92(圖1A)，進(jìn)一步使渦輪機(jī)66出來的燃燒排氣作功膨脹。自由渦輪裝置90可以有一級或多級。(圖1中示出了二級)。
在圖2中，示出了根據(jù)本發(fā)明設(shè)計(jì)的燃?xì)獍l(fā)生器的二級壓縮機(jī)和徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)曲線。這種燃?xì)獍l(fā)生器的所有壓比大于20∶1，采用壓比約為9∶1，其進(jìn)口馬赫數(shù)大于1.4的雙面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)，和壓比約為3.5∶1(即比第一級的壓比小50%)的第二級單面進(jìn)氣離心式壓氣機(jī)。正如所看到的那樣，徑流式渦輪效率的峰值接近于二個壓氣機(jī)級同時(shí)在作為燃?xì)獍l(fā)生器組成部分的同一軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)效率的峰值。這在圖2中由“A”所指明的區(qū)域表示出來，該區(qū)域包括壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.65～0.85，而徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.50～0.75。
區(qū)域“B”標(biāo)明，由于假定的可供選擇的低壓“第一級”是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的高壓比燃?xì)獍l(fā)生器的啟示做成的，并接有一個或多個軸流級或一個單面進(jìn)氣離心壓縮機(jī)的第二級離心壓縮機(jī)，正好落在其最佳范圍之下。圖2還指示了徑流式燃?xì)獍l(fā)生器的渦輪如果它不得不與較低比轉(zhuǎn)數(shù)壓氣機(jī)相匹配，就會落在其最佳范圍之下。另外，因?yàn)楦鶕?jù)本發(fā)明的所有燃?xì)獍l(fā)生器流動通路的轉(zhuǎn)動部件是在高的且最佳比轉(zhuǎn)數(shù)條件下運(yùn)轉(zhuǎn)，各轉(zhuǎn)子的實(shí)際尺寸變小而且造價(jià)便宜。還有，轉(zhuǎn)子組件慣性變小，會易于快速啟動。
雙面進(jìn)氣第一級壓氣機(jī)將提供相當(dāng)于具有可比較尺寸的單面進(jìn)氣壓氣機(jī)的兩倍的流量。在穩(wěn)定狀態(tài)運(yùn)行條件下，當(dāng)空氣在第一級中被壓縮到設(shè)計(jì)量時(shí)，后者的流動通路的幾何形狀會適應(yīng)整個第一級被壓縮氣體的流動速率。然而，在起動時(shí)和第一級容積流量減少到設(shè)計(jì)量之前，第二級壓氣機(jī)不會“耗盡”大于設(shè)計(jì)的容積流量。
因此，最好配備在起動條件下抽吸來自第一級壓氣機(jī)的被壓縮的空氣的裝置，清除第二級壓氣機(jī)的被抽吸空氣。正如本實(shí)施例所指出的并在圖1中用筒圖繪出的那樣，抽吸管道76是與跨越管道44連接，當(dāng)閥門78在起動時(shí)致動時(shí)，接收來自第一級壓氣機(jī)14的被壓縮的空氣。所示的自動控制器80和控制閥門78，而手動裝置可以置換控制器80。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠容易地選擇適當(dāng)?shù)难b置，達(dá)到由本發(fā)明給定的控制器80的功能。被抽吸的空氣能簡單地排放到如圖1所示的大氣中。
本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)之間存在奧妙的差異。本結(jié)構(gòu)提供了一個預(yù)想不到的首次在低于1000馬力的燃?xì)廨啓C(jī)中獲得高于20∶1的壓比的可能，該結(jié)構(gòu)已通過一定范圍的比轉(zhuǎn)數(shù)、整個壓比以及另一個機(jī)械和氣動相匹配的驅(qū)動元件即徑流式燃?xì)獍l(fā)生器渦輪相連接的第一和第二級壓氣機(jī)之間描述了，這種可能一直是整個飛機(jī)發(fā)動機(jī)和渦輪發(fā)動機(jī)工業(yè)所監(jiān)視的，正如ROLLSRoyceEuropeanSymposium發(fā)表的一篇文章中所證明的那樣，該篇文章的著者是PhilipG·Ruffles，題名為“小型發(fā)動機(jī)技術(shù)”，發(fā)表在AeronauticalJournaloftheRoyalAeronauticalSociety，1984.1～2。其中對這種發(fā)動機(jī)的最高予期的壓比為14∶1～16∶1。
由于徑流式渦輪的可能高的園周速度，例如本發(fā)明中為700米/秒，沖擊在渦輪葉尖70a上的燃?xì)獾臏箿囟群鸵虼硕哂械臏u輪金屬溫度比暴露于相同噴咀進(jìn)口溫度的軸流渦輪溫度要低很多(低100～200℃)。因此，本發(fā)明中徑流式渦輪的高的葉尖速度，由于受壓氣機(jī)要求的規(guī)定，實(shí)際上從較低的金屬溫度的觀點(diǎn)看，它給出了一種額外的優(yōu)點(diǎn)。這就能夠與本發(fā)明的高壓比組合一起采用較高的渦輪進(jìn)口溫度，得到很低的油耗率。本發(fā)明的高壓比循環(huán)能夠在工質(zhì)的燃燒溫度高達(dá)1200℃時(shí)獲得高的熱效率而無需在渦輪轉(zhuǎn)子內(nèi)配置冷卻系統(tǒng)。在這種溫度的條件下，所有的現(xiàn)有軸流式渦輪都是需要冷卻的。當(dāng)本發(fā)明的燃?xì)獍l(fā)生器的壓比在20∶1以上的，為使效率進(jìn)一步得到改善，希望對徑流式渦輪冷卻或采用非金屬的轉(zhuǎn)子材料，即使熱效率不會被改善，為了提高比功率也可以進(jìn)行冷卻。
正如現(xiàn)在所預(yù)料的那樣，在圖1中所敘述的燃?xì)獍l(fā)生器能理想地在整個壓比為20∶1的左右工作，在空氣流量為40磅/秒和渦輪進(jìn)口溫度高于2200°F的條件下，產(chǎn)生相當(dāng)于700馬力的軸功率，具有35%左右的熱效率和采用燃?xì)獍l(fā)生器渦輪膨脹比約為5.0∶1。渦輪轉(zhuǎn)子速度接近92000rpm，相當(dāng)于渦輪葉尖速度750米/秒左右。重要地是，這種被噴射的等效發(fā)動機(jī)油耗率約為0.5～0.40磅/馬力/小時(shí)，該值相當(dāng)于現(xiàn)有技術(shù)換熱式燃?xì)廨啓C(jī)的燃?xì)獍l(fā)生器。采用該燃?xì)獍l(fā)生器的發(fā)動機(jī)的比重量僅約為可相比較的柴油機(jī)比重量的10%。
至此，上述熱效率只是在很大的(即＞30000馬力)采用軸流式燃?xì)廨喕蛟谳^小的采用較低壓比并使用換熱器/蓄熱器的動力部件中得到的。當(dāng)然，低速柴油機(jī)會有較好的熱效率，但是，從尺寸和重量的觀點(diǎn)看是顯然不利的。
對于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然能夠在不背離本發(fā)明的構(gòu)思前提下對本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器裝置作出各種不同的改型。
權(quán)利要求
1.一種燃?xì)廨啓C(jī)，包括(A)高效率單轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)廨啓C(jī)，它具有a)能提供整個壓比大于15∶1的壓氣機(jī)裝置，該壓氣機(jī)裝置包括(1)具有一對進(jìn)口和一個共用出口的第一級雙面進(jìn)氣離心式空氣壓氣機(jī)，(2)與第一級壓氣機(jī)相通配置的第二級離心式空氣壓氣機(jī)，該第二級離心式空氣壓氣機(jī)的一進(jìn)口是與第一級共用出口氣動連接且具有一個第二級出口，(3)能使第一級和第二級相互呈機(jī)械式連接以相同角速度轉(zhuǎn)動的軸組件，b)與第二級出口呈氣動方式連接以便接收壓縮空氣且利用壓縮空氣使燃油燃燒產(chǎn)生燃?xì)獾娜紵已b置，c)一臺具有一個進(jìn)口和一個出口的單級徑流式渦輪，該渦輪直接與軸組件驅(qū)動裝置呈運(yùn)行方式連接，且與能在該渦輪進(jìn)口接收部分膨脹的燃?xì)獾娜紵已b置氣動連接，d)與為了引導(dǎo)部分膨脹的燃?xì)膺M(jìn)而外部作功膨脹的，上述渦輪出口氣動連接的排氣裝置，其特征在于(1)所述第一級壓氣機(jī)的壓比大于所述第二級壓氣機(jī)壓比的兩倍，(2)所述第一和第二級壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)各自接近于它們的最佳值且均大于0.60，(B)與所述排氣裝置相關(guān)聯(lián)以便使所述部分膨脹燃?xì)庾鞴Φ难b置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所述作功裝置是一臺自由渦輪。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所述作功裝置是一個出口噴嘴。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于第一和第二級壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)均落在0.65和0.85之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于跨越第一和第二級壓氣機(jī)的整個壓比大于20∶1。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于第一級壓氣機(jī)的壓比在6∶1和9∶1之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于第二級壓氣機(jī)的壓比在2∶1和4∶1之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于從第二級壓氣機(jī)出來的所有壓縮空氣基本上被所述燃燒裝置所接收。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于第一和第二級壓氣機(jī)是與所述徑流式渦輪共軸的，而所述的渦輪以大于700米/秒的圓周速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所述的第一級雙面進(jìn)氣壓氣機(jī)的相對葉輪葉尖進(jìn)口馬赫數(shù)大于或等于1.4。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于包括能在各種起動狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)流一部分從所述第一級壓氣機(jī)排出的壓縮空氣的裝置。
12.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所述徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍在0.50和0.75之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所述徑流式渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)的范圍在0.5和0.75之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于跨越所述第一和第二級壓氣機(jī)的所有壓比大于20∶1。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于第一級壓氣機(jī)壓比在6∶1和9∶1之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃?xì)廨啓C(jī)，其特征在于所述第二級壓氣機(jī)壓比在2∶1和4∶1之間。
全文摘要
一種高性能燃?xì)廨啓C(jī)，其結(jié)構(gòu)緊湊高效率單轉(zhuǎn)子燃?xì)廨啓C(jī)燃?xì)獍l(fā)生器采用雙面進(jìn)氣離心式第一線壓氣機(jī)，單面進(jìn)氣離心式第二級壓氣機(jī)和徑流式渦輪機(jī)，達(dá)到整個壓比大于15∶1，第一線壓比大于第二級壓比的兩倍，第一級進(jìn)口馬赫數(shù)約大于1.4，每臺壓氣機(jī)的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.65到0.85，渦輪的比轉(zhuǎn)數(shù)范圍約為0.50到0.75。
文檔編號F02C3/09GK1045843SQ9010257
公開日1990年10月3日 申請日期1986年8月4日 優(yōu)先權(quán)日1986年8月4日
發(fā)明者R·簡·莫威爾 申請人:孔斯堡兵器制造公司