用於徑向排氣燃氣渦輪的方法和設備的製作方法

2023-05-23 21:29:56 1

專利名稱：用於徑向排氣燃氣渦輪的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明的領域大體上涉及燃氣渦輪發電機(gas turbine generator)，且更特定而言涉及用於徑向排氣燃氣渦輪(radial exhaust gas turbine)的漸開線式殼體 (involute type casing)。
背景技術：
至少一些已知的燃氣渦輪發動機可經歷高的壓力損失。這些壓力損失可不利地影響發動機性能和/或發動機效率。舉例而言，包括外殼體的至少一些已知徑向排氣燃氣渦輪可在其排氣擴散器部段經歷高的壓力損失。儘管圓形外殼體可用於降低此壓降，但這種殼體可能製造起來是昂貴的，特別是對於需要大尺寸殼體的燃氣渦輪而言。因此，需要提供一種更高效且更廉價的殼體用於包括徑向排氣的燃氣渦輪。特別地，需要提供一種殼體，其減小在外殼體部段中的壓力損失同時製造起來相對較廉價。減小的壓力損失可使得燃氣渦輪能在無需使用任何額外燃料的情況下提供額外的功率增強，從而提高渦輪的操作效率。

發明內容
在一方面，提供一種用於包括徑向排氣擴散器(radial exhaust diffuser)的燃氣渦輪發動機的漸開線式殼體設備。該設備包括帶進入開口的渦輪接合壁和與渦輪接合壁以一定距離間隔開的排氣擴散器接合壁。擴散器接合壁具有發動機軸杆孔，發動機軸杆孔的大小和方位適合徑向排氣擴散器。該設備還包括多個基本上直側壁和多個基本上平面的板，多個基本上直側壁聯接(coupled to)或鄰接(adjacent to)渦輪接合壁的邊緣且聯接或鄰接排氣擴散器接合壁的邊緣，多個基本上平面的板聯接或鄰接渦輪接合壁的其它邊緣且聯接或鄰接排氣擴散器接合壁的其它邊緣，使得基本上平面的板接近(approximate) 漸開線曲線的循環(a cycle of an involute curve)的一部分。該設備被配置成圍住 (enclose)徑向排氣擴散器，且頂板、底板、基本上直的側壁和基本上直的板接合成使得來自徑向排氣擴散器的排氣經由出口側從設備出來。在另一方面，提供一種徑向排氣燃氣渦輪設備。該徑向排氣燃氣渦輪設備具有入口部段(inlet section)；壓縮機部段，其在操作上聯接到入口部段；燃燒器部段，其在操作上聯接到壓縮機部段；渦輪部段，其在操作上聯接到燃燒器部段；徑向排氣擴散器，其在操作上聯接到渦輪部段；以及，漸開線式殼體，其圍住徑向排氣擴散器。漸開線式殼體具有帶進入開口的渦輪接合壁和與渦輪接合壁以一定距離間隔開的排氣擴散器接合壁，其中擴散器接合壁包括發動機軸杆孔，發動機軸杆孔的大小和方位適於徑向排氣擴散器。漸開線式殼體還具有多個基本上平面的板，這些基本上平面的板聯接或鄰接渦輪接合壁的其它邊緣且聯接或鄰接排氣擴散器接合壁的其它邊緣，使得基本上平面的板接近漸開線曲線的循環的一部分。漸開線式殼體還具有多個基本上直的板，這些基本上直的板聯接到渦輪接合壁，使得基本上直的板鄰接排氣擴散器接合壁的外邊緣，接近漸開線曲線的循環的一部分。頂板、底板、基本上直的壁和基本上直的板接合成使得來自排氣擴散器的排氣經由出口側從漸開線式殼體設備出來。在又一方面，提供一種徑向排氣燃氣渦輪設備。該徑向排氣燃氣渦輪設備具有燃氣渦輪發動機，該燃氣渦輪發動機包括徑向排氣擴散器部段和殼體設備，殼體設備基本上由多邊形壁、基本上直的板和基本上直的側壁構成。殼體設備圍住徑向排氣擴散器部段且被配置成將從徑向排氣擴散器部段出來的氣體的至少大部分經由接近漸開線式路徑導向至殼體設備中的引出口。因此，應了解漸開線式殼體的實施例通過聯合金屬薄板的不同直部段而形成。當安裝於徑向排氣燃氣渦輪上時，這種布置將減小殼體中的壓降而不會增加製造該殼體的成本。該殼體將收集來自葉片的煙氣且將煙氣導向至一側。漸開線式殼體可基於工程設計和安裝要求製成右手實施例或左手實施例。


圖1是示範性燃氣渦輪發動機的剖視圖。
圖2是用於徑向排氣擴散器的示範性殼體的斜三軸視圖。
圖3是圖2所示殼體的斜三軸分解圖。
圖4是可用於燃氣渦輪發動機的徑向排氣擴散器的示範性殼體的斜
圖5是圖4所示殼體的斜三軸視圖。
圖6是用於製作漸開線殼體的示範性方法的流程圖。
圖7是示出漸開線曲線的圖。
部件列表
10殼體
13渦輪接合壁
14進入開口
16第二壁
18發動機軸杆開口
20多個側壁
22板
100徑向排氣燃氣渦輪
102入口部段
104壓縮機部段
106燃燒器部段
108渦輪部段
110排氣擴散器殼體
112排氣擴散器部段
113相對的渦輪接合壁
114進入開口
116排氣擴散器接合壁
118發動機軸杆孔
120多個基本上直的側壁
122弓形壁
124排氣側
126廢氣
130邊緣
220邊緣
222邊緣
224排氣側
320邊緣
322邊緣
420邊緣
422邊緣
520邊緣
522邊緣
600範性方法
602製作多邊形的第一壁13，其具有開口 14，開口 14
被配置成接合徑向排氣燃氣渦輪100的渦輪部段
108
604製作多邊形的第二壁16，其具有開口 18，開口 18
被配置成接合徑向排氣氣體擴散器113
606製作多個矩形直板22
608製作多個直側壁20
610固結直板22
612固結側壁20
700漸開線曲線
720寬度
722長度
750部分
752線段
754漸開線
756圓
820長度
822長度
920長度
922寬度
1022長度
具體實施例方式
本公開內容的實施例包括用於燃氣渦輪發電機的徑向排氣擴散器的漸開線式殼體。當安裝於徑向排氣燃氣渦輪上時，徑向排氣擴散器便於大體上減小殼體中的壓力損失而不會增加製造該殼體的成本。從葉片排放的煙氣進入該殼體且被導向至殼體的一側。在一些實施例中且具體地參看圖1，徑向排氣燃氣渦輪100包括入口部段102、壓縮機部段104、燃燒器部段106、渦輪部段108和排氣擴散器部段112。圖2和圖3分別示出排氣擴散器殼體IlO的相應三軸視圖和分解三軸視圖。在圖示實施例中，排氣擴散器殼體 110包括渦輪接合壁113，渦輪接合壁113包括進入開口 114。排氣擴散器接合壁116定位成與渦輪接合壁113相對且包括孔118，孔118被配置成允許發動機軸杆通過且與圓形進入開口 114相對。進入開口 114與排氣擴散器部段112(這在圖1中看到)流體連通，且無需與發動機軸杆孔118相同大小。更具體而言，發動機軸杆孔118可相對於進入開口 114為任何大小。多個基本上直的側壁120和弓形壁122焊接或栓接到或鄰接渦輪接合壁113的邊緣220和222和擴散器接合壁116的邊緣320和332。因此，接合壁113和116維持以固定距離分開。壁120和壁122的邊緣130也在它們接觸的位置牢固地聯接在一起。排氣擴散器殼體110的排氣側IM保持打開且暢通以使得廢氣1 能排放到大氣或到任何其它構件內。圖4和圖5示出排氣擴散器殼體10的三軸斜視圖。在示範性實施例中，殼體10包括渦輪接合壁13，渦輪接合壁13包括基本上圓形進入開口 14。排氣擴散器接合壁16被定位成與渦輪接合壁13相對且包括發動機軸杆開口 18，發動機軸杆開口 18被形成為與進入開口 14相對。進入開口 14與排氣擴散器部段112(如在圖1中最佳地看到的那樣)流體連通，且可(但無需)與發動機軸杆開口 18相同大小。多個基本上直的側壁20聯接或鄰接渦輪接合壁13的邊緣420且和擴散器接合壁16的邊緣520。因此，壁13和16維持以固定距離分開。多個不同寬度的基本上直(平面)的板22聯接或鄰接渦輪接合壁13的邊緣 422或者邊緣522，使得壁13和16基本上彼此平行。此外，側壁20聯接到所接觸的板22， 且其中板22彼此會和。排氣擴散器殼體10的排氣側2M保持打開且暢通以使得廢氣1 能排放到大氣或到任何其它構件內。在此示範性實施例中，漸開線殼體10並非弓形，而是，壁邊緣422和522接近相同的漸開線曲線。漸開線殼體10被成形為導送排氣流動通過它使得便於降低擴散器部段 112中的壓降。此外，漸開線殼體10的製造並不比當前腔室的製造昂貴。每個板22的長度 722(在圖4中示出)根據需要而不同以獲得所需漸開線殼體輪廓。此外，漸開線殼體10可組裝且用於右手配置或左手配置。應當指出的是圖2和圖3示出右手現有技術配置，而圖 4和圖5示出左手配置。繞柱面坐標中Z軸的圓的漸開線由寫為r = α sec α , θ = tan α - α，ζ = Zq，的參數方程給出，其中α代表圓的半徑，α是參數，且^是圓沿著Z軸的位置。如圖7所示， 每個板22的長度722由沿著漸開線限定的線段752長度近似。在一些實施例中，由在θ 方向上規則地或不規則地間隔開的角度與漸開線的交點選擇線段752。板22的數量應在3 與大約12個(包括3和12個)之間，以便於優化製造時間和成本。在圖4和圖5所示的示範性實施例中，示出八個直板22。為了確保最小有效性，應接近漸開線曲線的循環的至少120°，但不超過210°。出於所附的權利要求的目的，上文所引用的每個範圍被認為包括所有子範圍。舉例而言，具有五個板與七個板之間且接近漸開線循環(involute cycle) 的160°與210°之間的設備被認為由上文所述的較寬範圍限定。
板22可包括由任何合適金屬材料製成薄板且可栓接或焊接在一起從而排除將該薄板成形(即，捲成)為彎曲輪廓的需要。在另一方面且參看圖4、圖5和圖6，在本發明的一些實施例中，提供用於製造徑向排氣燃氣渦輪100的漸開線式殼體10的示範性方法600。在示範性實施例中，方法600包括製作602多邊形的第一壁13，第一壁13包括開口 14，開口 14的大小和方位適於接合徑向排氣燃氣渦輪100的渦輪部段108。第一壁13還包括圖7所示漸開線曲線700的循環的接近在120°與210°之間的第一組至少三個邊緣422。第一壁13還包括第二組其它的基本上直邊緣420。在此示範性實施例中，方法600還包括製作604多邊形第二壁16，多邊形第二壁 16中包括發動機軸杆開口 18，發動機軸杆開口 18的大小和方位適於接合徑向排氣氣體擴散器部段112。第二壁16包括第三組至少三個邊緣520，第三組至少三個邊緣520用於近似與第一壁13的第一組至少三個邊緣422相同的漸開線曲線700。第二壁16還包括第四組直邊緣520，每個直邊緣520近似地具有與第二組邊緣420的相對應邊緣520相同的長度。方法600還包括製作606多個板22。具體而言，所製作606的板22的數量等於在第一組邊緣422中的邊緣的數量。每個板22具有與不同邊緣422的長度822大約相同大小的長度722，且所有板22被製成具有相同寬度922。在示範性方法600中，還製作608多個側壁20。更具體而言，側壁20的數量比第二組邊緣420的數量少一。每個側壁20具有大約等於不同邊緣420的長度820的寬度720 和等於板22的寬度922的長度920。方法600還包括使每個板22固結610於或鄰接於具有與固結板22的長度722 相同長度822的邊緣422，且固結610於或鄰接於具有與固結板22的寬度922的相同長度 1022的邊緣522。 在此示範性實施例中，方法600還包括將每個側壁20固結612到第一壁13和第二壁16在具有與固結側壁20的寬度相同長度的邊緣420與邊緣520之間。在完成步驟602、 604、606、608、610和612之後，將產生諸如圖4和圖5所示的殼體10。在此示範性實施例中，方法600還可包括固結相鄰的板22、相鄰的側壁20和與直側壁20相鄰的板22。因此，在此實施例中，第一壁13和第二壁16彼此平行，出口側2M保持打開且屬於單獨結構部分的所有相鄰邊緣固結到彼此。在一些示範性方法600中，第一壁13，第二壁16，每個側壁20和每個直板22包括製作的金屬薄板。所製作的金屬薄板被切割或衝壓成預定形狀。此外，每次固結可以任何組合包括焊接、螺栓和/或螺釘。而且，在一些示範性方法600中，製作四個與十二個之間(包括四個和十二個)的板22，或者製作六個與十個(包括六個和十個)之間的板22，或者製作確切地八個板22。 參看圖7，每個板22具有接近圓756的漸開線754的一部分750的尺寸752。漸開線殼體 10被配置成圍住徑向排氣燃氣渦輪100的徑向氣體擴散器部段112且接近圓756的漸開線 754的部分750足以經由接近漸開線路徑將從徑向排氣氣體擴散器部段112出來的氣體的至少大部分引導到殼體設備中的引出口 224。因此，應了解漸開線式殼體的實施例通過聯合金屬薄板的不同直部段而形成。當安裝於徑向排氣燃氣渦輪上時，這種布置將減小殼體中的壓力損失而不會增加製造該殼體的成本。該殼體將收集從葉片出來的煙氣且將煙氣導向至一側。漸開線式殼體可基於工程設計和安裝要求製成右手實施例或左手實施例。在本書面描述中，應了解短語「等於」當用於尺寸的情形時是指在良好工程實踐的標準公差內彼此相等的量。同樣，動詞短語「接近」指在良好工程實踐的標準公差和所施加的任何限制內做出的接近，諸如需要一系列直線接近曲線。本書面描述使用實例來公開本發明(包括最佳實施方式)，且也能使本領域技術人員實踐本發明(包括做出和使用任何裝置或系統和執行任何合併的方法)。專利保護範圍由權利要求限定，且可包括本領域技術人員想到的這些修改和其它實例。如果其它實例具有與權利要求的字面語言並無不同的結構元件或者如果其它實例包括與權利要求的字面語言並無實質不同的等效結構元件，那麼其它實例預期在權利要求的保護範圍內。
權利要求
1.一種用於包括徑向排氣擴散器(112)的燃氣渦輪發動機的漸開線式殼體設備，所述設備包括渦輪接合壁(13)，其具有進入開口(14)；排氣擴散器接合壁(113)，其以一定距離與所述渦輪接合壁間隔開，所述擴散器接合壁包括發動機軸杆孔(118)，所述發動機軸杆孔(118)的大小和方位適於所述徑向排氣擴散器；多個基本上直的側壁(120)，其聯接或鄰接所述渦輪接合壁的邊緣且聯接或鄰接所述排氣擴散器接合壁的邊緣；以及多個基本上平面的板(22)，其聯接或鄰接所述渦輪接合壁的其它邊緣(420)且聯接或鄰接所述排氣擴散器接合壁的其它邊緣(320)，使得所述基本上平面的板接近漸開線曲線 (700)的循環的一部分；所述設備被配置成圍住所述徑向排氣擴散器；且頂板、底板、基本上直的側壁和基本上直的板接合成使得來自所述徑向排氣擴散器的排氣經由出口側從所述設備出來。
2.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述頂板、底板、基本上直的側壁(120)以及基本上直的板通過焊接而接合。
3.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述頂板、底板、基本上直的側壁(120)以及基本上直的板通過螺栓而接合。
4.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於具有至少4個但不超過12個基本上直的板 (22)。
5.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於具有至少6個但不超過10個基本上直的板 (22)。
6.根據權利要求1所述的設備，其特徵在於具有8個基本上直的板02)。
7.一種徑向排氣燃氣渦輪設備，包括 入口部段(102)；壓縮機部段(104)，其在操作上聯接到所述入口部段；燃燒器部段(106)，其在操作上聯接到所述壓縮機部段；渦輪部段(108)，其在操作上聯接到所述燃燒器部段；徑向排氣擴散器(112)，其在操作上聯接到所述渦輪部段(108)；以及漸開線式殼體，其圍住徑向排氣擴散器，其中，所述漸開線式殼體還包括渦輪接合壁(13)，其具有進入開口(14)；排氣擴散器接合壁(116)，其以一定距離與所述渦輪接合壁間隔開，所述擴散器接合壁包括發動機軸杆孔(118)，所述發動機軸杆孔(118)的大小和方位適於所述徑向排氣擴散器；多個基本上平面的板(22)，其聯接或鄰接所述渦輪接合壁的其它邊緣(420)且聯接或鄰接所述排氣擴散器接合壁的其它邊緣022)，使得所述基本上平面的板接近漸開線曲線 (700)的循環的一部分；多個基本上直的板，其聯接所述渦輪接合壁使得所述基本上直的板鄰接所述排氣擴散器接合壁的外邊緣，接近漸開線曲線的循環的一部分；其中，頂板、底板、基本上直的壁(120)和基本上直的板接合成使得來自所述排氣擴散器的排氣經由出口側從所述漸開線式殼體設備出來。
8.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述頂板、底板、基本上直的壁(120)以及基本上直的板通過焊接而接合。
9.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於，所述頂板、底板、基本上直的壁(120)以及基本上直的板0 通過螺栓而接合。
10.根據權利要求7所述的設備，其特徵在於具有至少4個但不超過12個基本上直的板(22)。
全文摘要
本申請涉及用於徑向排氣燃氣渦輪的方法和設備。提供用於包括徑向排氣擴散器(112)的燃氣渦輪發動機的漸開線式殼體設備。設備包括具有進入開口(14)的渦輪接合壁(13)；以一定距離與渦輪接合壁間隔開的排氣擴散器接合壁(113)，擴散器接合壁包括大小和方位適於徑向排氣擴散器的發動機軸杆孔(118)；多個基本上直側壁(120)，其聯接或鄰接渦輪接合壁的邊緣和排氣擴散器接合壁的邊緣；以及多個基本上平面板(22)，其聯接或鄰接渦輪接合壁的其它邊緣(420)和排氣擴散器接合壁的其它邊緣(320)，使得基本上平面板接近漸開線曲線(700)的循環的一部分。設備被配置成圍住徑向排氣擴散器，且頂板、底板、基本上直側壁和基本上直板接合成使得來自徑向排氣擴散器的排氣經由出口側從設備出來。
文檔編號F02C7/00GK102200053SQ20111007953
公開日2011年9月28日 申請日期2011年3月23日 優先權日2010年3月23日
發明者S·V·申德 申請人:通用電氣公司