專利名稱：擴壓裝置的制作方法
擴壓裝置
本發(fā)明涉及一種擴壓裝置和尤其涉及包括這種擴壓裝置的汽輪機排汽 腔或燃氣輪機排氣腔。
擴壓器是一個可以流過流體的通道，它在無流動分離通流的同時通過橫 截面擴張使流體減速，以及按照伯努里定理降低流體動壓有利于靜壓。
擴壓器的質(zhì)量通過壓力恢復(fù)系數(shù)表達，它由
C/' 二(尸出口 _尸進口)/(尸總，進口 ""尸進口)
以及總壓或滯止壓力4, a。、擴壓器進口靜壓4。和擴壓器出口靜壓4。 決定。
例如在管道中的擴壓器應(yīng)用于壓力恢復(fù)或橫截面擴張的連續(xù)平穩(wěn)地過
渡(過渡擴壓器)。對于有圓形橫截面的管道，擴壓器設(shè)計為軸對稱。圖4表 示一個軸對稱擴壓器101的縱剖面以及示意表示其中發(fā)生的典型的流動。擴 壓器101有進口截面102和出口截面103，它們的面積比大于1。在擴壓器 101上游設(shè)圓柱形流入管，入流108通過它流動，在擴壓器101下游設(shè)圓4i 形流出管，出流109通過它流動。
由于流體附著在擴壓器壁上，所以在壁附近的流動形成邊界層。圖4所 示擴壓器IOI的下半部分中表示沿主流方向的五個特征速度剖面IIO至114， 其中前兩個速度剖面110、 111表示流入管內(nèi)壁附近的流動，以及在上游后 的三個速度剖面112至114表示擴壓器101內(nèi)在壁附近的流動。
因為在擴壓器101中流動減速，所以沿流動方向的主流其流速降低，由 此在滿足熱力學(xué)第一定理的條件下，沿流動方向的流體靜壓相應(yīng)提高。按照 普蘭德特爾邊界層理論，在邊界層內(nèi)橫向于流動方向的靜壓是常數(shù)。
基于擴壓器101的減速作用和在擴壓器壁上的附著條件，在壁附近流體 的流動速度下降。在渡過了一定的流動距離后，橫向于和在擴壓器壁上的流 速梯度為零。這一位置是表示在邊界層剖面113內(nèi)的流動分離點105。
在分離點105內(nèi)，流體從擴壓器壁朝擴壓器101中心運動，以及在分離 點105下游的壁附近形成逆流，它造成分離氣泡106。分離氣泡106導(dǎo)致擴 壓器101有效的通流截面變窄，從而使分離氣泡106區(qū)域內(nèi)的主流加速。由此提高主流中的動能，流體在出口管內(nèi)重新接觸再接觸點107。
圖4所示擴壓器101的開度，決定性地確定了分離氣泡106的形狀和大 小以及分離點105和可能出現(xiàn)的再接觸點107的位置。擴壓器101的開度越 大，分離點105處于越上游。
與流體在其中完全貼靠壁的擴壓器相比，由于擴壓器IOI有效的通流截 面變窄，所以分離氣泡106降低了擴壓器101的壓力恢復(fù)效果。
為了在擴壓器內(nèi)造成層狀的邊界層流，由公開文件DE1628337已知一 種安裝在輪轂上的葉輪，它的被擴壓器板包裹的葉片在葉尖通過一個環(huán)連 接。在此環(huán)上的一圈導(dǎo)向葉片設(shè)置為，在保持由擴壓器板導(dǎo)引的邊界流的同 時，它們擴張從葉輪流出的射流。除導(dǎo)向葉片外這尤其這樣達到，即所述環(huán) 有相應(yīng)的橫截面形狀，這種形狀有利于夾帶的流束的流動并將其高速吹出。
此外為了避免在擴壓器內(nèi)流動分離，由JP08260905已知一種平行于擴 壓器壁布置沿流動方向延伸的管?；跀U壓器發(fā)散的橫截面以及與之平行的 相應(yīng)地發(fā)散的管，所以增大在擴壓器壁與管之間形成的環(huán)形通道的流動截 面，從而使在環(huán)形通道中流動的介質(zhì)減速。
汽輪機或燃氣輪機在部分負荷、基本負荷和過負荷下運行。在汽輪機或 燃氣輪機設(shè)計和建造時，它們各個部件例如鑒于效率或氣動力學(xué)或熱動力學(xué) 的有效性，只在唯一的工作點才能優(yōu)化幾何設(shè)計。其結(jié)果是，在與設(shè)計工作 點不一致的其他工作點，這些部件并不能最佳工作。
這種情況也涉及汽輪機的排汽腔或燃氣輪機的排氣腔。排汽腔或排氣腔 按慣例設(shè)計為軸向擴壓器。
通常軸向擴壓器針對基本負荷優(yōu)化幾何設(shè)計，所以在部分負荷和過負荷 時軸向擴壓器不能最佳工作。
優(yōu)化設(shè)計時，軸向擴壓器的進口存在比出口低的靜壓。通過降低擴壓器 進口(同時意味著是葉片組出口)的壓力，使最后那個工作葉環(huán)輸出更大的功 率。
在部分負荷區(qū)內(nèi)時流過軸向擴壓器流體的質(zhì)量流量小于在基本負荷區(qū) 內(nèi)時的質(zhì)量流量，因此在基本負荷區(qū)內(nèi)時軸向擴壓器內(nèi)的平均流速高于在部 分負荷區(qū)內(nèi)時的平均流速。由此在部分負荷區(qū)軸向擴壓器內(nèi)的流動比在基本 負荷區(qū)軸向擴壓器內(nèi)出現(xiàn)的流動更傾向于分離。
因此在部分負荷區(qū)時軸向擴壓器內(nèi)的壓力恢復(fù)與基本負荷時的壓力恢復(fù)相比較小。其結(jié)果是，與在基本負荷時的渦輪功率相比，在部分負荷時渦
輪功率減小。燃氣輪機擴壓器壓力恢復(fù)改善C產(chǎn)O.l的影響，由Farohki估算輸出的渦輪功率為0.8%。這種關(guān)系類似地適用于軸流式汽輪機。
在這里可以采取措施做到減小軸向擴壓器的開度，因為由此使流體不那么劇烈地減速，從而不那么強烈地傾向于分離。但是這樣一來使軸向擴壓器的結(jié)構(gòu)長度加長，不利地增大汽輪機或燃氣輪機總的結(jié)構(gòu)長度。
本發(fā)明的目的是創(chuàng)造一種擴壓裝置，它的壓力恢復(fù)高以及其結(jié)構(gòu)長度小。
按本發(fā)明的可供流體流過的擴壓裝置包括一個有內(nèi)表面的外擴壓器和一個流動加速裝置，后者設(shè)計為使至少部分在外擴壓器內(nèi)表面上形成的邊界層流可以沿主流方向加速，乂人而抑制在外擴壓器內(nèi)表面上的流動分離。
若流體通過外擴壓器流動，則它沿主流方向減速，因此在外擴壓器內(nèi)表面上形成的邊界層流原則上傾向于分離。分離從一個流體動能為零的地點出發(fā)。
借助按本發(fā)明的流動加速裝置，至少部分在壁附近的流體加速，從而增大壁附近流動的動能。由此使壁附近流動的動能無處為零，從而防止在外擴壓器內(nèi)表面上流動分離。因此擴壓裝置有高的壓力恢復(fù)。
此外，擴壓裝置的外擴壓器可具有大的開度，但在其中并不會出現(xiàn)流動分離。因此外擴壓器并因而擴壓裝置有較小的結(jié)構(gòu)長度。
所述流動加速裝置有一個導(dǎo)流裝置，該導(dǎo)流裝置在外擴壓器內(nèi)部延伸，并以其面朝外擴壓器內(nèi)表面的外表面和外擴壓器內(nèi)表面的一段構(gòu)成一個噴嘴管道。所述部分邊界層流可通過該噴嘴管道流動。
流動加速裝置由噴嘴管道構(gòu)成，它由導(dǎo)流裝置在與外擴壓器內(nèi)壁的配合作用確定。由此達到，緊鄰?fù)鈹U壓器內(nèi)表面的壁附近的流體，也就是說，正是那部分原本有低動能的流體得到加速。從而有效地抑制在擴壓裝置內(nèi)的流動分離。
優(yōu)選地，導(dǎo)流裝置將其背對其外表面的內(nèi)表面構(gòu)成一個內(nèi)擴壓器，流體可以通過該內(nèi)擴壓器流動并在此過程中沿主流方向減速。
因此除了在外部區(qū)內(nèi)的噴嘴效果外，導(dǎo)流裝置在內(nèi)部區(qū)內(nèi)還有擴壓作用，所以流體通過擴壓裝置強烈減速。由此達到按本發(fā)明的擴壓裝置有高的壓力恢復(fù)。此外優(yōu)選地，導(dǎo)流裝置沿主流方向的長度處于外擴壓器沿主流方向長度
的5%至40%范圍內(nèi)。
因此導(dǎo)流裝置完全設(shè)在外擴壓器的內(nèi)部，以及可以準確地定位在外擴壓器內(nèi)壁的那個預(yù)期流體的流動可能在這里分離的區(qū)域內(nèi)。因此，所述導(dǎo)流裝置可以有針對性地設(shè)置在有流動分離危險的區(qū)域內(nèi)，從而有效地抑制流動分離，同時還能使得該導(dǎo)流裝置對主流的干擾很小。
優(yōu)選地，外擴壓器和導(dǎo)流裝置設(shè)計為軸對稱并繞一條公共的對稱軸線同心布置。
此外也優(yōu)選的是，噴嘴管道設(shè)計為環(huán)形通道。
據(jù)此，有利地將擴壓裝置構(gòu)造成一種包括多個擴壓器和一個噴嘴的裝置。這一裝置由串聯(lián)的三個擴壓器，亦即導(dǎo)流裝置上游的外擴壓器區(qū)域、導(dǎo)流裝置的內(nèi)擴壓器以及導(dǎo)流裝置下游的外擴壓器區(qū)域，和一個與導(dǎo)流裝置的內(nèi)擴壓器并聯(lián)的噴嘴管道構(gòu)成。由此實現(xiàn)外擴壓器的一種緊湊、簡單和有效作用的劃分，與此同時使擴壓裝置具有緊湊的結(jié)構(gòu)形式。
優(yōu)選地，導(dǎo)流裝置設(shè)計為一塊直的導(dǎo)板。
由此有利地使導(dǎo)板可以經(jīng)濟地生產(chǎn)。
與之不同也可優(yōu)選將導(dǎo)流裝置設(shè)計為具有一種氣動型面。
由此使導(dǎo)流裝置有低的流動阻力。
此外優(yōu)選地導(dǎo)流裝置布置在外擴壓器通道高度的80%至100%區(qū)域內(nèi)。由此有利地將導(dǎo)流裝置有效并因而有高的氣動力效果地定位在壁附近的;克體內(nèi)。
此外將導(dǎo)流裝置優(yōu)選地布置在外擴壓器進口截面的區(qū)域內(nèi)。由此可以有利地使在外擴壓器內(nèi)的進口流動從導(dǎo)流裝置起已經(jīng)在邊界層區(qū)域內(nèi)有加速流動，因此它在沿外擴壓器內(nèi)表面延伸的過程中不傾向于分離。
此外優(yōu)選地，導(dǎo)流裝置安裝成可相對于主流回轉(zhuǎn)。由此有利地達到，可參照在外擴壓器內(nèi)部當時的流動狀況，將導(dǎo)流裝置通過回轉(zhuǎn)個性化地調(diào)整為，使導(dǎo)流裝置有高的氣動力效果。
優(yōu)選地，汽輪機的排汽腔或燃氣輪機的排氣腔有按本發(fā)明的擴壓裝置。此外優(yōu)選地，流動加速裝置設(shè)置在外擴壓器的進口區(qū)內(nèi)表面處。下面借助所附示意圖說明按本發(fā)明的擴壓裝置優(yōu)選的實施例。其中圖l表示通過擴壓裝置第一種實施例的縱剖面；圖2表示通過擴壓裝置第二種實施例的縱剖面；圖3表示通過擴壓裝置第三種實施例的縱剖面；以及圖4表示擴壓器縱剖面和流動狀況示意圖。
如

圖1所示，擴壓裝置1有外擴壓器2，它繞其對稱軸3設(shè)計為旋轉(zhuǎn)對稱。外擴壓器2的進口截面4處于與對稱軸3垂直的平面內(nèi)，入流5通過它流入外擴壓器2中，以及其出口截面6處于另 一個與對稱軸3垂直的平面內(nèi)，出流7在出口截面6從外擴壓器2排出。外擴壓器2有一個內(nèi)表面8，它構(gòu)成外擴壓器2內(nèi)腔的邊界。
外擴壓器2設(shè)計為直的擴壓器，也就是說外擴壓器2的內(nèi)表面8形成一個截錐體，其中，進口截面4的橫截面積小于出口截面6的橫截面積。
在外擴壓器2的內(nèi)部設(shè)導(dǎo)流裝置9。導(dǎo)流裝置9設(shè)計為其縱剖面呈細長形的導(dǎo)板，它與外擴壓器2同心地繞外擴壓器2對稱軸3旋轉(zhuǎn)對稱設(shè)置，構(gòu)成一個沿流動方向收縮的截錐形環(huán)形通道的邊界。
導(dǎo)流裝置9在其外圓周上有外表面10,它相對于外擴壓器2的內(nèi)表面傾斜為，使得在導(dǎo)流裝置9與外擴壓器2之間構(gòu)成的環(huán)形腔，在垂直于對稱軸3平面內(nèi)的橫截面沿流動方向變小。
也就是說，導(dǎo)流裝置9的外表面10與外擴壓器2的內(nèi)表面8中與之對置的一段配合作用，使處于導(dǎo)熱裝置9與外擴壓器2之間的環(huán)形通道構(gòu)成一個噴嘴管道11。因此外擴壓器2內(nèi)表面8的這一面朝導(dǎo)流裝置9外表面10的區(qū)段，是噴嘴管道ll的內(nèi)表面12。
導(dǎo)流裝置9在上游以其前緣13為界，以及在下游以其后緣14為界。噴嘴管道ll的進口截面15處于導(dǎo)流裝置9前緣13至外擴壓器2內(nèi)表面8的區(qū)域內(nèi)，以及噴嘴管道ll的出口截面16處于導(dǎo)流裝置9后緣14至外擴壓器2內(nèi)表面8的區(qū)域內(nèi)，在這里，進口截面15的橫截面積大于出口截面16的才黃截面禾口、。
背對導(dǎo)流裝置9的外表面IO，導(dǎo)流裝置有構(gòu)成內(nèi)擴壓器18的內(nèi)表面17。導(dǎo)流裝置9的前緣13設(shè)在一個垂直于對稱軸3的平面內(nèi)，并構(gòu)成內(nèi)擴壓器18的進口截面19，以及導(dǎo)流裝置9的后緣14設(shè)在一個垂直于對稱軸3的平面內(nèi)，并構(gòu)成內(nèi)擴壓器18的出口截面20,在這里，進口截面19的對黃截面積小于出口截面20的橫截面積。由圖2可見導(dǎo)流裝置9的氣動效應(yīng)。按圖2，導(dǎo)流裝置9設(shè)計為有流動造型的環(huán)形導(dǎo)板。
為了說明在擴壓裝置l中的流動狀況，圖2在導(dǎo)流裝置9的區(qū)域內(nèi)畫有流線21,并表示了在導(dǎo)流裝置9上游的速度剖面22、在導(dǎo)流裝置9后緣14的速度剖面23以及在導(dǎo)流裝置9下游的速度剖面24。
流線21沿主流方向有收斂的變化過程，由此表明通過導(dǎo)流裝置9引起的流動加速。在外擴壓器2內(nèi)表面8上壁面法向的速度梯度，在導(dǎo)流裝置9上游的速度剖面22中比在導(dǎo)流裝置9后緣14的速度剖面23中平坦，而它比在導(dǎo)流裝置9下游的速度剖面24的壁面法向速度梯度平坦。
此導(dǎo)流裝置9局部提高在外擴壓器2內(nèi)表面12附近的流動速度。在這種情況下高能的流動物質(zhì)從核心流朝外擴壓器2內(nèi)表面12方向偏轉(zhuǎn)，并因而導(dǎo)向外擴壓器2內(nèi)表面12上的邊界層。這種動能化的結(jié)果是，在外擴壓器2內(nèi)表面12上的邊界層可以克服沿主流方向較大的正壓力梯度，不會從外擴壓器2內(nèi)表面12分離。
由此，外擴壓器2對早期分離現(xiàn)象做出良好的反應(yīng)。因此通過在外擴壓器2內(nèi)配備導(dǎo)流裝置9，達到外擴壓器2高的壓力恢復(fù)。
圖3表示燃氣輪才幾設(shè)計為外擴壓器2的排氣腔。外擴壓器2設(shè)在渦輪轉(zhuǎn)子25下游，它將從渦輪轉(zhuǎn)子25排出的氣流，從外擴壓器2的進口截面4進一步導(dǎo)向外擴壓器2的出口截面6并取得壓力恢復(fù)。
渦輪轉(zhuǎn)子25有一個渦輪轉(zhuǎn)子輪轂26,從該渦輪轉(zhuǎn)子輪轂26進一步延伸出外擴壓器的圓柱形輪轂27。
渦輪轉(zhuǎn)子25有許多渦輪轉(zhuǎn)子葉片28,它們在其徑向外端有葉尖29。渦輪轉(zhuǎn)子25被渦輪機匣30包圍。在渦輪轉(zhuǎn)子25區(qū)域內(nèi)它繞其旋轉(zhuǎn)軸(未表示)旋轉(zhuǎn)，而渦輪機匣30保持位置固定。因此在渦輪轉(zhuǎn)子葉尖29與渦輪機匣30之間設(shè)有間隙31,使渦輪轉(zhuǎn)子葉尖29在渦輪轉(zhuǎn)子25運行時不會觸及渦輪機匣30。
為避免工作葉片觸及渦輪機匣30并因而防止損壞，在轉(zhuǎn)子葉片28與機匣30之間作為間隙31(所謂游隙)的最小間距是必要的。通過此間隙，部分質(zhì)量流不輸出功率地在轉(zhuǎn)子葉片28旁流過，以及導(dǎo)致邊界層動能化。取決于間隙31是否設(shè)計有密封裝置，可以流過或多或少質(zhì)量流。為了避免隨后在擴壓器內(nèi)分離或為了強烈減速，期望邊界層通過導(dǎo)流裝置9進一步動能化。 按圖3,通過將導(dǎo)流裝置9在外擴壓器進口截面4區(qū)域內(nèi)設(shè)在外擴壓器 2內(nèi)表面8附近，提供了補救措施。受漏流干擾的邊界層被導(dǎo)流裝置9在外 擴壓器8內(nèi)表面上沿主流方向加速，提高在此流動區(qū)內(nèi)的動能。由此達到在 外擴壓器2內(nèi)的流體不在外擴壓器2內(nèi)表面8上分離。從而使在外擴壓器2 內(nèi)的流動損失低，外擴壓器2的壓力恢復(fù)高。
權(quán)利要求
1.一種可供流體流過的擴壓裝置(1)，包括一個有內(nèi)表面的外擴壓器(2)和一個有導(dǎo)流裝置(9)的流動加速裝置，其中，所述導(dǎo)流裝置(9)在外擴壓器(2)內(nèi)部延伸，并以其面朝外擴壓器(2)內(nèi)表面(8)的外表面(10)和外擴壓器(2)內(nèi)表面(8)的一段構(gòu)成一個噴嘴管道(11)，使至少部分在外擴壓器(2)內(nèi)表面(8)上形成的邊界層流可以沿主流方向加速，從而抑制在外擴壓器(2)內(nèi)表面(8)上的流動分離。
2. 按照權(quán)利要求1所述的擴壓裝置(l)，其中，所述導(dǎo)流裝置(9)有一個 可以流入流體的前緣(13)和一個與其對置的可流出流體的后緣(14),以及， 進口截面(15)處于外擴壓器(2)內(nèi)表面(8)與導(dǎo)流裝置(9)前緣(13)之間，出口截 面(16)處于外擴壓器(2)內(nèi)表面(8)與導(dǎo)流裝置(9)后緣(14)之間，其中，進口截 面(15)的橫截面積大于出口截面(16)的橫截面積。
3. 按照權(quán)利要求1或2所述的擴壓裝置(1)，其中，所述導(dǎo)流裝置(9)以 其背對其外表面(10)的內(nèi)表面(17)構(gòu)成一個內(nèi)擴壓器(18),流體可以通過該內(nèi) 擴壓器(18)流動并在此過程中可沿主流方向減速。
4. 按照權(quán)利要求l、 2或3所述的擴壓裝置(1),其中，所述導(dǎo)流裝置(9) 沿主流方向的長度處于外擴壓器(2)長度的5 %至40 %范圍內(nèi)。
5. 按照權(quán)利要求1至4之一所述的擴壓裝置(1),其中，所述外擴壓器 (2)和所述導(dǎo)流裝置(9)設(shè)計為軸對稱并繞一條公共的對稱軸線(3)同心布置。
6. 按照權(quán)利要求1至5之一所述的擴壓裝置(l)，其中，所述噴嘴管道 (11)-沒計為環(huán)形通道。
7. 按照權(quán)利要求1至6之一所述的擴壓裝置(l),其中，所述導(dǎo)流裝置 (9)設(shè)計成一塊直的、在縱剖面內(nèi)呈細長形的導(dǎo)板或設(shè)計成具有一種氣動型 面。
8. 按照權(quán)利要求1至7之一所述的擴壓裝置(1),其中，所述導(dǎo)流裝置 (9)布置在所述外擴壓器(2)通道高度的80%至100%區(qū)域內(nèi)。
9. 按照權(quán)利要求1至8之一所述的擴壓裝置(l),其中，所述導(dǎo)流裝置 (9)布置在所述外擴壓器(2)的進口截面(4)區(qū)域內(nèi)。
10. 按照權(quán)利要求1至9之一所述的擴壓裝置(1),其中，所述外擴壓器 (2)設(shè)計成基本上直的擴壓器。
11. 按照權(quán)利要求1至IO之一所述的擴壓裝置(I)，其中，所述導(dǎo)流裝 置(9)可相對于主流方向回轉(zhuǎn)地被支承安裝。
12. —種汽輪機的排汽腔，它有一個按照權(quán)利要求1至11之一所述的擴壓裝置(l)。
13. —種燃氣輪機的排氣腔，它有一個按照權(quán)利要求1至11之一所述 的擴壓裝置(l)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種流體可以通過它流動的擴壓裝置(1)，包括一個有內(nèi)表面的外擴壓器(2)和一個流動加速裝置(9)，它設(shè)計為使至少部分在外擴壓器內(nèi)表面(8)上形成的邊界層流可以沿主流方向加速，從而抑制在外擴壓器內(nèi)表面(8)上的流動分離。此外，汽輪機的排汽腔或燃氣輪機的排氣腔包括這種擴壓裝置(1)。
文檔編號F15D1/06GK101680305SQ200880015828
公開日2010年3月24日 申請日期2008年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年3月13日
發(fā)明者烏爾里克·斯坦卡, 拉爾夫·霍法克, 斯蒂芬·梅爾曼, 薩沙·貝克爾, 馬克·布羅克, 馬里奧·凱貝 申請人:西門子公司