專利名稱：排氣擴散器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題涉及渦輪機，并且具體地涉及結(jié)合燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機使 用的擴散器。
背景技術(shù)：
典型的燃氣渦輪機包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子末級輪葉上的擴散器錐管(cone)或擴散器。 擴散器通常用于通過降低排氣的動能來提高排氣的靜壓。通常，這可通過沿排氣流的方向 增大擴散器的截面面積來實現(xiàn)。當(dāng)然，擴散器并非完美高效。排氣擴散器中的損失和湍流產(chǎn)生的一個根源是流動 與支撐裝置(strut)和入孔相互作用的結(jié)果。支撐裝置為將轉(zhuǎn)子負(fù)載從中心傳遞至外殼 (外壁)的結(jié)構(gòu)部件，而然后外殼將負(fù)載傳遞至基座。從空氣動力學(xué)來說，支撐裝置引起在 擴散器的擴散器內(nèi)壁與外壁之間的堵塞。內(nèi)壁通常包繞轉(zhuǎn)子軸和其它可能元件的一部分。在渦輪機出口馬赫數(shù)較大的情況下，可放大流動與支撐裝置相互作用所造成的損 失，這可能因高流量渦輪機的工作狀態(tài)以及集中輪轂流動通路附近的大量流動的流動分布 而得到促動。支撐裝置通常定位在擴散器入口附近，該入口設(shè)計為擴散梯度最高的區(qū)域。因 此，在該區(qū)域中產(chǎn)生的任何損失都可對整個擴散器系統(tǒng)的性能和聲學(xué)特性有顯著的影響。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，公開了一種用于排氣擴散器的中心體。該中心體包括外 壁以及與外壁間隔開的內(nèi)壁，內(nèi)壁在進入位置與中心體端部之間形成連續(xù)彎曲。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，公開了一種排氣擴散器。擴散器包括具有適于聯(lián)接到燃 氣渦輪機上的入口的中心體，該中心體具有外壁、內(nèi)壁以及處在入口下游的端部，該內(nèi)壁形 成從進入位置到端部的連續(xù)彎曲。中心體包括聯(lián)接到中心體端部上的第二部分。本發(fā)明的另一方面針對一種燃氣渦輪機，其包括包繞燃氣渦輪機的一部分的渦輪 機殼體。渦輪機還包括聯(lián)接到渦輪機殼體上的排氣擴散器，該排氣擴散器包括具有適于聯(lián) 接到燃氣渦輪機上的入口的中心體，該中心體具有外壁、內(nèi)壁以及處在入口下游的端部，該 內(nèi)壁形成從進入位置至端部的連續(xù)彎曲。通過結(jié)合附圖的如下描述，這些及其它優(yōu)點和特征將變得更為明顯。


在權(quán)利要求中具體地指出且明確地主張了視作為本發(fā)明的主題。通過結(jié)合附圖的 如下詳細描述，本發(fā)明的前述及其它特征和優(yōu)點將變得明顯，在附圖中圖1為現(xiàn)有技術(shù)的擴散器的剖面?zhèn)纫晥D；圖2為根據(jù)一個實施例的擴散器的剖面?zhèn)纫晥D；圖3示出了可存在于圖1中所示的擴散器中的湍流動能；圖4示出了可存在于圖2中所示的擴散器中的湍流動能；3
圖5為示出整個中心體端部處的半徑跨度上的湍流強度變化的圖表；圖6為根據(jù)一個實施例的另一擴散器的剖面?zhèn)纫晥D；圖7為根據(jù)一個實施例的又一擴散器的剖面?zhèn)纫晥D；圖8示出了如圖2中所示的擴散器中的湍流動能；以及圖9示出了如圖7中所示的擴散器中的湍流動能。本詳細說明通過舉例的方式參照附圖闡述了本發(fā)明的實施例以及優(yōu)點和特征。零件清單100，200，502,600現(xiàn)有技術(shù)的擴散器102，202，602 中心體部分104，604 第二部分106轉(zhuǎn)子腔108，204，512，612 內(nèi)壁110 第一平面112 第二平面114 輪轂118，212中心體端部120支撐裝置122，206，504 外壁1 ，211，508 擴散器入口126擴散器出口208 內(nèi)腔210進入位置302低k值區(qū)域402，404 曲線506,606外壁的彎曲部分510中心線605 側(cè)壁608，610 虛線702，704，706湍流增大的區(qū)域
具體實施例方式在本發(fā)明的一個實施例中，流動通路面積通過使擴散器內(nèi)筒(內(nèi)壁)定形而在支 撐裝置通道中受到控制。這種流動通路定形通過在擴散器最小面積區(qū)段處具有最大開口而 實現(xiàn)，即是說，在支撐裝置上游和下游的具有受控變化的最大支撐裝置厚度處產(chǎn)生了內(nèi)壁 流動通路形狀且通常受到壁引起的流動分離的約束。中心體端部隨中心體半徑和擴散器內(nèi) 壁角度而變化。類似的是，殼體定形為保持外壁的端部半徑，且隨徑向漩渦而變化。具體而 言且與內(nèi)壁包括一個或多個"平直"區(qū)段的現(xiàn)有技術(shù)相反，在一個實施例中，內(nèi)壁可形成 為以便內(nèi)壁從入口到擴散器中心體區(qū)段的端部為彎曲的。結(jié)果減輕了支撐裝置的堵塞，且 因此降低了通過支撐裝置造成的損失。在另一實施例中，外壁可在支撐裝置的上游定形，因此減小了穿過支撐裝置的馬赫數(shù)，而不會增加外壁直徑，其中，外壁直徑可由于發(fā)動機的運 輸極限而受到約束。圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)的擴散器100的剖面?zhèn)纫晥D。擴散器100包括中心體部分 102和第二部分104。中心體部分102和第二部分104可單獨地形成，且在使用中連結(jié)在一 起。中心體部分102包括轉(zhuǎn)子腔106。轉(zhuǎn)子腔106在工作的同時包繞燃氣渦輪機轉(zhuǎn)子(未 示出)的一部分。中心體部分102具有至少由第一平面110和第二平面112形成的內(nèi)壁108。第一平 面Iio從輪轂114延伸至第二平面112。第二平面112從第一平面110延伸至中心體端部 118。第二部分104可包括形成為包繞轉(zhuǎn)子或其它元件的一部分的圓柱形槽道(channel)。中心體部分102還可包括形成在內(nèi)壁108與外壁122之間的一個或多個支撐裝置 120。支撐裝置120用于使內(nèi)壁108和外壁122彼此保持固定關(guān)系。支撐裝置120的數(shù)目 是可變的，且通常為四個、五個或十個。擴散器100具有通常聯(lián)接到燃氣渦輪機(未示出)的輸出端(output)上的擴散 器入口 124，以及可聯(lián)接到消音器上的擴散器出口 126。盡管圖1中所示的設(shè)計通常可用于 其預(yù)定目的，但這種設(shè)計可能具有一個或多個缺點。首先，如上文所述，排氣擴散器中的損 失和湍流產(chǎn)生的主要根源在于流動與支撐裝置120的相互作用。該損失在渦輪機出口馬赫 數(shù)較大(例如，較高的擴散器入口 1 進入速度)的情況下可放大，這可通過高流量工作狀 態(tài)和集中輪轂114流動通路附近的大量流動的流動分布而得到促動。支撐裝置120通常定 位在擴散器入口 1 附近，該擴散器入口 1 設(shè)計為擴散梯度最高的區(qū)域。因此，在該區(qū)域 中產(chǎn)生的任何損失都可對整個擴散器系統(tǒng)的性能有顯著的影響。此外，較大的湍流產(chǎn)生對于排氣擴散器、消音器設(shè)計的聲學(xué)特性有不利影響，且其 可引起或成為對于聯(lián)接到擴散器上的HRSG的第一管束的附加振動源，這可導(dǎo)致HRSG故障。圖2示出了根據(jù)一個實施例的擴散器200的實例。擴散器200包括中心體202和 第二部分104。在工作中，來自于燃氣渦輪機的排氣沿箭頭A所示的方向流動穿過擴散器。 在本說明中，一個對象如果從其沿箭頭A的方向移位則處在另一對象或位置的"下游"， 而如果從其沿箭頭A的相反方向移位，則為"上游"。中心體202包括內(nèi)壁204和外壁206。支撐裝置120使內(nèi)壁204與外壁206保持 為固定關(guān)系。內(nèi)壁204形成內(nèi)腔208，轉(zhuǎn)子的一部分可穿過內(nèi)腔208。中心體202還包括入 Π 211。根據(jù)一個實施例，內(nèi)壁204從進入位置210彎曲至中心體端部212。在一個實施例 中，彎曲為連續(xù)彎曲。在一個實施例中，該彎曲為樣條(spline)。在一個實施例中，內(nèi)壁從 進入位置210略微下游的距離處彎曲至中心體端部212。在一個實施例中，內(nèi)壁204形成從 中心體端部212至一個或多個支撐裝置120上游的區(qū)域的連續(xù)彎曲。在一個實施例中，進 入位置210可處在入口 211與支撐裝置120之間的任何位置。以對比的方式而非圖2中所示實施例的一部分，示出了源自圖1的第一平面110 和第二平面112(虛線示出)。如圖2中清楚可見那樣，形成彎曲型內(nèi)壁204增大了中心體 202的截面面積。在一個實施例中，這可減少由支撐裝置120引起的湍流，而無需將外壁206 的外徑自通常使用的情形增大。在另一實施例中，利用彎曲型內(nèi)壁204可容許直徑更小的 外壁206。5
圖3和圖4分別示出了圖1和圖2中所示的中心體102和202中的湍流動能(k)。 k限定為速度的波動，且具有量綱(長度7時間2)。在圖3和圖4中，具有最小k值(大約 0. O-IOOmVs2)的區(qū)域由參考標(biāo)號302標(biāo)識。如可看到的那樣，圖3具有遠少于圖4的低的 k值。因此，中心體202的湍流動能低于中心體102。較低的k值意味著較小的損失。圖5示出了整個中心體長度跨距(y軸)上的湍流強度變化(χ軸)。在該實例中， 湍流強度限定為1= ((k2/3)"2)/(中心體入口處的平均速度)。在圖5中，曲線402代表 對于中心體102的I，而曲線404代表對于中心體202的I。對于兩條曲線402和404，中心 體包括10個支撐裝置120。此外，實驗數(shù)據(jù)顯示，圖2中所示實施例的恢復(fù)因數(shù)(RF)大于圖1中的。實際上， 實驗數(shù)據(jù)顯示，圖2的實施例與圖1中所示的之間，RF增大了 10%以上。圖6示出了擴散器502的另一實施例。在該實施例中，擴散器502包括改進的外 壁504。在該實施例中，外壁504形成為以便其包括彎曲部分506。彎曲部分506從擴散器 502的入口 508延伸至入口 508下游的位置。在一個實施例中，擴散器502具有半徑r，而 彎曲部分506未延伸超過始自擴散器中心線510的距離r。在一個實施例中，內(nèi)壁512可如 圖1或圖2中所示那樣形成。圖7示出了本發(fā)明的又一實施例的剖面?zhèn)纫晥D。圖7中所示的擴散器600包括中 心體602和第二部分604。第二部分604可與中心體602分開形成，且沿第二部分604的進 入側(cè)壁605連結(jié)到其上。當(dāng)然，中心體602和第二部分604可形成為整體部件。第二部分604包括內(nèi)壁612。在一個實施例中，進入側(cè)壁605通過彎曲部606連接 到內(nèi)壁612上。這與現(xiàn)有技術(shù)大不相同，且由虛線608和610舉例示出。有利的是，如圖8和圖9中所示，彎曲部606的使用減小了湍流動能。圖8示出了 如圖2中所示的擴散器中的湍流動能。圖8包括區(qū)域702、704和706，它們?yōu)橥牧髟龃蟮膮^(qū) 域。圖9示出了如圖7中所示的具有第二部分604的擴散器的湍流動能。圖9中所示的擴 散器不包括區(qū)域702、704和706。這表示在利用如圖7中所示的第二部分602的構(gòu)造中存 在較小的湍流。應(yīng)當(dāng)理解的是，為了簡化說明起見，已單獨地示出了本發(fā)明的各種實施例。還將應(yīng) 理解的是，本文所公開的任何實施例均可與本文的任何其它實施例相結(jié)合。例如，圖2中的 彎曲型內(nèi)壁可結(jié)合具有如圖6中所示的彎曲型外壁的擴散器予以實施。此外，圖2和圖6 中所示的實施例中的任一個或二者都可包括如圖7中所示的第二部分。盡管僅結(jié)合有限數(shù)量的實施例詳細描述了本發(fā)明，但應(yīng)容易理解，本發(fā)明并不限 于這些公開的實施例。確切而言，本發(fā)明可進行修改，以結(jié)合任意數(shù)目的此前并未描述但與 本發(fā)明的精神和范圍相匹配的變型、備選方案、替換方案或等效布置。此外，盡管已經(jīng)描述 了本發(fā)明的各種實施例，但應(yīng)當(dāng)理解的是，本發(fā)明的方面可僅包括所述實施例中的一些。因 此，本發(fā)明不應(yīng)看作是由以上說明限制，而是僅由所附權(quán)利要求的范圍來限制。
權(quán)利要求
1.一種用于排氣擴散器的中心體002，602)，所述中心體包括 外壁(206,504)；以及與所述外壁間隔開的內(nèi)壁006)，所述內(nèi)壁在進入位置O10)與所述中心體的端部 (212)之間形成連續(xù)彎曲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中心體，其特征在于，所述中心體包括 聯(lián)接在所述內(nèi)壁與所述外壁之間的一個或多個支撐裝置(120)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的中心體，其特征在于，所述進入位置處在所述一個或多個支 撐裝置的上游，以及所述端部處在所述支撐裝置的下游。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中心體，其特征在于，所述外壁包括從入口(508)延伸至所述 入口下游的位置的彎曲部分(506)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中心體，其特征在于，所述中心體與第二部分(604)相結(jié)合， 所述第二部分(604)具有通過彎曲部分(606)連接到第二部分內(nèi)壁(61 上的進入側(cè)壁 (605)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的中心體，其特征在于，所述中心體與燃氣渦輪機相結(jié)合。
7.一種排氣擴散器，包括中心體002，602)，其具有適于聯(lián)接到燃氣渦輪機上的入口 011)，所述中心體具有外 壁006，504)、內(nèi)壁Q04)以及所述入口下游的端部012)，所述內(nèi)壁形成從進入位置至所 述端部的連續(xù)彎曲；以及聯(lián)接到所述中心體的端部上的第二部分(104，604)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的排氣擴散器，其特征在于，所述排氣擴散器與燃氣渦輪機相結(jié)合。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的排氣擴散器，其特征在于，所述外壁形成從所述入口至所述 入口下游的位置的彎曲。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的排氣擴散器，其特征在于，所述中心體包括位于所述內(nèi)壁內(nèi) 用于收容轉(zhuǎn)子的凹進部。
全文摘要
本發(fā)明涉及排氣擴散器。具體而言，一種排氣擴散器包括中心體(202，602)，中心體(202，602)具有適于聯(lián)接到燃氣渦輪機上的入口(508)、外壁(206，504)、內(nèi)壁(204)以及處在入口下游的端部(212)。內(nèi)壁形成從進入位置至端部的連續(xù)彎曲。該擴散器還包括聯(lián)接到中心體端部上的第二部分(104，604)。
文檔編號F02C7/00GK102042048SQ201010522208
公開日2011年5月4日 申請日期2010年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月15日
發(fā)明者D·D·南達 申請人:通用電氣公司