用於燃氣渦輪機的擴壓器的製作方法
2023-05-19 19:46:31
專利名稱：用於燃氣渦輪機的擴壓器的製作方法
技術領域：
本發明所公開的主題涉及渦輪機，具體地涉及與燃氣渦輪機和蒸汽渦輪機一起使用的擴壓器。
背景技術：
典型的燃氣渦輪機包括聯接至轉子的最後一級葉片的擴壓器錐體或擴壓器。擴壓器通常用於通過減小排出氣體的動能來增加排出氣體的靜態壓力。通常，這可以通過增加擴壓器在排出氣體流動方向上的橫截面積來實現。經常，燃氣渦輪機不是滿負荷操作，而是出於效率考慮而被設計成低於這種滿負荷。因此，基於滿負荷設計，犧牲了部分負荷性能效率。這種低效率至少部分地由於擴壓器內筒上的流動分離，而導致尖端強的流動剖面(tip strong flow profiles)。其他因素(例如渦輪機的最後一級的操作)會影響流動剖面。此外，經過擴壓器的中心主體的流動產生大的渦流，這導致進一步低的系統效率。
發明內容
根據本發明的一個方面，一種用於燃氣渦輪機的擴壓器包括適合於聯接至燃氣渦輪機的入口。該擴壓器還包括位於擴壓器端部附近的至少一個出口，其中擴壓器端部位於入口的下遊。該擴壓器還包括外壁和大致延伸到擴壓器端部的內筒。所述外壁和所述內筒沿著所述擴壓器在所述入口和所述出口之間的長度限定改變的半徑。由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑在所述出口處比在所述入口處更大。由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑包括外半徑位置。所述擴壓器還包括位於所述入口和所述出口之間的相對中間位置的中點、由所述入口和所述中點限定的入口部分、和由所述中點和所述出口限定的出口部分，並且所述外半徑位置接近所述入口部分。所述擴壓器與軸流渦輪機組合。所述出口適合於聯接至相鄰物體。根據本發明的另一方面，一種排出氣體擴壓器包括入口和出口。該排出氣體擴壓器還包括內筒，內筒基本從入口基本延伸到出口。該擴壓器還包括外壁，外壁與內筒沿徑向分隔開，其中外壁和內筒沿著擴壓器在入口和出口之間的長度限定改變/變化的半徑。由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑在所述出口處比在所述入口處更大。由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑包括外半徑位置。所述擴壓器還包括位於所述入口和所述出口之間的相對中間位置的中點、由所述入口和所述中點限定的入口部分、和由所述中點和所述出口限定的出口部分，並且所述外半徑位置接近所述入口部分。所述排出氣體擴壓器與軸流燃氣渦輪機組合。所述入口適合於聯接至所述軸流燃氣渦輪機。所述出口適合於聯接至相鄰物體。根據本發明的另一方面，一種燃氣渦輪機包括渦輪機殼體，渦輪機殼體圍繞燃氣渦輪機的一部分。該燃氣渦輪機還包括聯接至渦輪機殼體的排出氣體擴壓器。該擴壓器包括適合於聯接至燃氣渦輪機的入口、外壁、內筒和位於入口下遊的擴壓器端部，內筒大致延伸到擴壓器端部。所述排出氣體擴壓器還包括位於所述擴壓器端部附近的出口。所述外壁和所述內筒沿著所述擴壓器在所述入口和所述出口之間的長度限定改變的半徑。由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑在所述出口處比在所述入口處更大。由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑包括外半徑位置。所述燃氣渦輪機擴壓器還包括位於所述入口和所述出口之間的相對中間位置的中點、由所述入口和所述中點限定的入口部分、和由所述中點和所述出口限定的出口部分，並且所述外半徑位置接近所述入口部分。根據下列描述並結合附圖，本發明的這些和其他優點和特徵將更加顯而易見。
視為本發明的主題被具體指出並明確地在說明書結尾處的權利要求書中要求保護。從下列結合附圖進行的詳細描述，本發明的前述和其他特徵以及優點將顯而易見，其中:圖1是根據本發明的一個方面的擴壓器的側視橫截面圖；圖2示出與圖1所示的擴壓器相關的流動剖面(flow profile);和圖3示出表現出流動分離的擴壓器流動剖面(flow profile)。詳細的描述通過參照附圖為示例對本發明的實施例以及優點和特徵進行描述。
具體實施例方式圖1示出根據本發明的一個實施例的擴壓器200的一個方面。在操作中，來自燃氣渦輪機的排出氣體沿著箭頭A所示的方向流過擴壓器200。在本說明書中，如果物體沿箭頭A的方向遠離另一物體或位置，則該物體在該另一物體或位置的「下遊」，如果物體沿與箭頭A相反的方向遠離另一物體或位置，則該物體在該另一物體或位置的「上遊」。擴壓器200包括內筒202，內筒202包括內壁204，內壁204形成內腔208，轉子的一部分可以穿過該內腔208。擴壓器200包括位於擴壓器進入端210附近的入口 211、和位於擴壓器離開端222附近的出口 220。入口 211可以聯接至渦輪機，而出口 220可以聯接至相鄰物體(例如消音器(silencer))。擴壓器還包括外壁206,外壁206與內筒202的內壁204沿徑向分隔開。內壁204和外壁206之間的區域使得流體或氣體能穿過其中從入口211向下遊流動到擴壓器200的出口 220。擴壓器200還可以包括形成於內壁204和外壁206之間的一個或多個支柱216。支柱216用於以彼此固定的關係來保持/支撐內壁204和外壁206，以及提供軸承支撐。支柱216的數量可變，並且通常在從約四個到約十個的範圍內。內筒202的內壁204從入口 211或擴壓器進入端210延伸到出口 220或擴壓器離開端222。內筒202以及內壁204包括位於入口 211附近的第一端224和位於出口 220附近的第二端226，並且隨著內筒202從第一端224延伸到第二端226而可以呈現眾多縱向輪廓。內筒202可以從第一端224至第二端226連續地略微彎曲，可以僅對於第一端224和第二端226之間的一些部分略微彎曲，可以沿基本直線方向延伸，或者可以包括分段部分，其中內筒202的整個縱向包括上述曲線路徑的任意組合。不論內筒202的形狀(更具體地是內壁204的形狀)如何，內筒202和內壁204延伸到擴壓器出口 220或擴壓器離開端222。
外壁206包括第一部分230，第一部分230從入口 211或擴壓器進入端210沿大致下遊方向以及沿遠離內壁204的方向延伸。外壁206的第一部分230的傾斜曲線方向終止於外半徑位置232。外壁206也包括第二部分234，第二部分234從外半徑位置232沿基本下遊方向延伸到出口 220或擴壓器離開端222。外壁206的第一部分230相比外壁206的第二部分基本上更多地成角度偏離內壁204，外半徑位置232相比內筒202的縱向中點236位於更上遊處。內筒202的位於縱向中點236上遊的部分是入口部分238，而內筒的位於縱向中點236下遊的部分是出口部分240。因此，與常規擴壓器外壁構造相比，外壁206被擴展到更位於上遊的外半徑。圖2示出圖1所示的擴壓器200中的流動路徑剖面。可以看出，圖1的擴壓器200的流動剖面(flow profile)在擴壓器200的整個徑向區域的各處較強，甚至沿著內壁104。擴壓器200減少流動分離，從而比如圖3所示的表現出流動分離的擴壓器流動剖面改進了擴壓器性能。除了通過採用上述擴壓器200結構來減少流動分離之外，可以將二次空氣流引導注入到擴壓器200中。進入擴壓器200並從而進入主擴壓器流的這種二次空氣流通過使形成於主流和內壁204和/或外壁206之間的剪切層活躍而改變整體流動，引起流動分離本身的延遲。主流變寬，並且實現更大的靜態壓力恢復。考慮用於實現引入二次空氣流的各種方法，一個這樣的方法是通過在內筒202內安裝流動操作裝置(例如泵)。內筒202的內壁204包括一個或多個驅動開口(actuatoropenings)和一個或多個抽吸開口(suction openings),一個或多個抽吸開口位於一個或多個驅動開口的下遊。抽吸開口以控制擴壓器200的流動剖面的方式使得直接經過內壁204的通常弱的流動能夠進入內筒202，並以足夠的力穿過流動操作裝置從而離開驅動開口。對流動的控制減少流動分離，從而增大擴壓區域。有利地,通過將擴壓梯度(diffusion gradient)集中於高速度區域附近、並沿徑向重新分配流動來控制擴壓器200流動路徑。為減少擴壓器200內的流動分離，特別是在整個系統的部分負荷性能期間，內筒202延伸到擴壓器200的相對出口 220。此外，從擴壓器200的相對入口 211處的上遊開始，擴壓器200的外壁206快速地沿徑向延伸遠離內筒202。結果是減少產生與尾流相關的渦流的損失、並且顯著改進擴壓器性能，從而顯著改進系統加熱率增益(system heat rate gain)。儘管僅結合有限數量的實施例詳細描述了本發明，但是應當很容易理解本發明不限於這些公開的實施例。相反，本發明可以被修改成併入目前沒有描述但是符合本發明的精神和範圍的任意數量的改變、替換、替代或等效布置。此外，儘管描述了本發明的各種實施例，但是應當理解本發明的各個方面可以僅包括某些描述的實施例。相應地，本發明不應視為受到前文描述的限制，而是僅由所附權利要求書的範圍限制。
權利要求
1.一種用於燃氣渦輪機的擴壓器，包括: 入口，所述入口適合於聯接至所述燃氣渦輪機； 至少一個出口，所述至少一個出口位於擴壓器端部附近，其中所述擴壓器端部位於所述入口的下遊； 外壁；和 內筒，所述內筒大致延伸到所述擴壓器端部。
2.根據權利要求1所述的擴壓器，其特徵在於，所述外壁和所述內筒沿著所述擴壓器在所述入口和所述出口之間的長度限定改變的半徑。
3.根據權利要求2所述的擴壓器，其特徵在於，由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑在所述出口處比在所述入口處更大。
4.根據權利要求2所述的擴壓器，其特徵在於，由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑包括外半徑位置。
5.根據權利要求4所述的擴壓器，其特徵在於，所述擴壓器還包括位於所述入口和所述出口之間的相對中間位置的中點、由所述入口和所述中點限定的入口部分、和由所述中點和所述出口限定的出口部分，並且所述外半徑位置接近所述入口部分。
6.根據權利要求1所述的擴壓器，其特徵在於，所述擴壓器與軸流渦輪機組合。
7.根據權利要求1所述的擴壓器，其特徵在於，所述出口適合於聯接至相鄰物體。
8.一種排出氣體擴壓器，包括: 入口: 出口 ； 內筒，所述內筒從大致所述入口處延伸到大致所述出口處；和 外壁，所述外壁與所述內筒沿徑向分隔開，其中所述外壁和所述內筒沿著所述擴壓器在所述入口和所述出口之間的長度限定改變的半徑。
9.根據權利要求8所述的擴壓器，其特徵在於，由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑在所述出口處比在所述入口處更大。
10.根據權利要求8所述的擴壓器，其特徵在於，由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑包括外半徑位置。
11.根據權利要求10所述的擴壓器，其特徵在於，所述擴壓器還包括位於所述入口和所述出口之間的相對中間位置的中點、由所述入口和所述中點限定的入口部分、和由所述中點和所述出口限定的出口部分，並且所述外半徑位置接近所述入口部分。
12.根據權利要求8所述的排出氣體擴壓器，其特徵在於，所述排出氣體擴壓器與軸流燃氣渦輪機組合。
13.根據權利要求12所述的排出氣體擴壓器，其特徵在於，所述入口適合於聯接至所述軸流燃氣渦輪機。
14.根據權利要求12所述的排出氣體擴壓器，其特徵在於，所述出口適合於聯接至相鄰物體。
15.一種燃氣渦輪機，包括: 渦輪機殼體，所述渦輪機殼體圍繞所述燃氣渦輪機的一部分；和 排出氣體擴壓器，所述排出氣體擴壓器聯接至所述渦輪機殼體，所述擴壓器包括:適合於聯接至所述燃氣渦輪機的入口、外壁、內筒和位於所述入口下遊的擴壓器端部，所述內筒大致延伸到所述擴壓器端部。
16.根據權利要求15所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述排出氣體擴壓器還包括位於所述擴壓器端部附近的出口。
17.根據權利要求16所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述外壁和所述內筒沿著所述擴壓器在所述入口和所述出口之間的長度限定改變的半徑。
18.根據權利要求17所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑在所述出口處比在所述入口處更大。
19.根據權利要求17所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，由所述外壁和所述內筒限定的所述改變的半徑包括外半徑位置。
20.根據權利要求19所述的燃氣渦輪機，其特徵在於，所述燃氣渦輪機擴壓器還包括位於所述入口和所述出口之間的相對中間位置的中點、由所述入口和所述中點限定的入口部分、和由所述中點和所述出口限 定的出口部分，並且所述外半徑位置接近所述入口部分。
全文摘要
本發明涉及用於燃氣渦輪機的擴壓器。一種用於燃氣渦輪機的擴壓器包括適合於聯接至燃氣渦輪機的入口。該擴壓器還包括位於擴壓器端部附近的至少一個出口，其中擴壓器端部位於入口的下遊。該擴壓器還包括外壁和大致延伸到擴壓器端部的內筒。
文檔編號F01D25/30GK103206273SQ201310010098
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2012年1月13日
發明者D.D.南達, J.G.呂克 申請人:通用電氣公司