擴壓裝置的製作方法

2023-10-31 12:19:57 2

專利名稱：擴壓裝置的製作方法
擴壓裝置
本發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，以及按照伯努裡定理降低流體動壓有利於靜壓。
擴壓器的質量通過壓力恢復係數表達，它由
C/' 二(屍出口 _屍進口)/(屍總，進口 ""屍進口)
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用於壓力恢復或橫截面擴張的連續平穩地過
渡(過渡擴壓器)。對於有圓形橫截面的管道，擴壓器設計為軸對稱。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，它們的面積比大於1。在擴壓器 101上遊設圓柱形流入管，入流108通過它流動，在擴壓器101下遊設圓4i 形流出管，出流109通過它流動。
由於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徵速度剖面IIO至114， 其中前兩個速度剖面110、 111表示流入管內壁附近的流動，以及在上遊後 的三個速度剖面112至114表示擴壓器101內在壁附近的流動。
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 此在滿足熱力學第一定理的條件下，沿流動方向的流體靜壓相應提高。按照 普蘭德特爾邊界層理論，在邊界層內橫向於流動方向的靜壓是常數。
基於擴壓器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後，橫向於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內的流動分離點105。
在分離點105內，流體從擴壓器壁朝擴壓器101中心運動，以及在分離 點105下遊的壁附近形成逆流，它造成分離氣泡106。分離氣泡106導致擴 壓器101有效的通流截面變窄，從而使分離氣泡106區域內的主流加速。由此提高主流中的動能，流體在出口管內重新接觸再接觸點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處于越上遊。
與流體在其中完全貼靠壁的擴壓器相比，由於擴壓器IOI有效的通流截 面變窄，所以分離氣泡106降低了擴壓器101的壓力恢復效果。
為了在擴壓器內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連 接。在此環上的一圈導向葉片設置為，在保持由擴壓器板導引的邊界流的同 時，它們擴張從葉輪流出的射流。除導向葉片外這尤其這樣達到，即所述環 有相應的橫截面形狀，這種形狀有利於夾帶的流束的流動並將其高速吹出。
此外為了避免在擴壓器內流動分離，由JP08260905已知一種平行於擴 壓器壁布置沿流動方向延伸的管。基於擴壓器發散的橫截面以及與之平行的 相應地發散的管，所以增大在擴壓器壁與管之間形成的環形通道的流動截 面，從而使在環形通道中流動的介質減速。
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 燃氣輪機設計和建造時，它們各個部件例如鑑於效率或氣動力學或熱動力學 的有效性，只在唯一的工作點才能優化幾何設計。其結果是，在與設計工作 點不一致的其他工作點，這些部件並不能最佳工作。
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 按慣例設計為軸向擴壓器。
通常軸向擴壓器針對基本負荷優化幾何設計，所以在部分負荷和過負荷 時軸向擴壓器不能最佳工作。
優化設計時，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，使最後那個工作葉環輸出更大的功 率。
在部分負荷區內時流過軸向擴壓器流體的質量流量小於在基本負荷區 內時的質量流量，因此在基本負荷區內時軸向擴壓器內的平均流速高於在部 分負荷區內時的平均流速。由此在部分負荷區軸向擴壓器內的流動比在基本 負荷區軸向擴壓器內出現的流動更傾向於分離。
因此在部分負荷區時軸向擴壓器內的壓力恢復與基本負荷時的壓力恢復相比較小。其結果是，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改善C產O.l的影響，由Farohki估算輸出的渦輪功率為0.8%。這種關係類似地適用於軸流式汽輪機。
在這裡可以採取措施做到減小軸向擴壓器的開度，因為由此使流體不那麼劇烈地減速，從而不那麼強烈地傾向於分離。但是這樣一來使軸向擴壓器的結構長度加長，不利地增大汽輪機或燃氣輪機總的結構長度。
本發明的目的是創造一種擴壓裝置，它的壓力恢復高以及其結構長度小。
按本發明的可供流體流過的擴壓裝置包括一個有內表面的外擴壓器和一個流動加速裝置，後者設計為使至少部分在外擴壓器內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，因此在外擴壓器內表面上形成的邊界層流原則上傾向於分離。分離從一個流體動能為零的地點出發。
藉助按本發明的流動加速裝置，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表面上流動分離。因此擴壓裝置有高的壓力恢復。
此外，擴壓裝置的外擴壓器可具有大的開度，但在其中並不會出現流動分離。因此外擴壓器並因而擴壓裝置有較小的結構長度。
所述流動加速裝置有一個導流裝置，該導流裝置在外擴壓器內部延伸，並以其面朝外擴壓器內表面的外表面和外擴壓器內表面的一段構成一個噴嘴管道。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成，它由導流裝置在與外擴壓器內壁的配合作用確定。由此達到，緊鄰外擴壓器內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的流動分離。
優選地，導流裝置將其背對其外表面的內表面構成一個內擴壓器，流體可以通過該內擴壓器流動並在此過程中沿主流方向減速。
因此除了在外部區內的噴嘴效果外，導流裝置在內部區內還有擴壓作用，所以流體通過擴壓裝置強烈減速。由此達到按本發明的擴壓裝置有高的壓力恢復。此外優選地，導流裝置沿主流方向的長度處於外擴壓器沿主流方向長度
的5%至40%範圍內。
因此導流裝置完全設在外擴壓器的內部，以及可以準確地定位在外擴壓器內壁的那個預期流體的流動可能在這裡分離的區域內。因此，所述導流裝置可以有針對性地設置在有流動分離危險的區域內，從而有效地抑制流動分離，同時還能使得該導流裝置對主流的幹擾很小。
優選地，外擴壓器和導流裝置設計為軸對稱並繞一條公共的對稱軸線同心布置。
此外也優選的是，噴嘴管道設計為環形通道。
據此，有利地將擴壓裝置構造成一種包括多個擴壓器和一個噴嘴的裝置。這一裝置由串聯的三個擴壓器，亦即導流裝置上遊的外擴壓器區域、導流裝置的內擴壓器以及導流裝置下遊的外擴壓器區域，和一個與導流裝置的內擴壓器並聯的噴嘴管道構成。由此實現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構形式。
優選地，導流裝置設計為一塊直的導板。
由此有利地使導板可以經濟地生產。
與之不同也可優選將導流裝置設計為具有一種氣動型面。
由此使導流裝置有低的流動阻力。
此外優選地導流裝置布置在外擴壓器通道高度的80%至100%區域內。由此有利地將導流裝置有效並因而有高的氣動力效果地定位在壁附近的;克體內。
此外將導流裝置優選地布置在外擴壓器進口截面的區域內。由此可以有利地使在外擴壓器內的進口流動從導流裝置起已經在邊界層區域內有加速流動，因此它在沿外擴壓器內表面延伸的過程中不傾向於分離。
此外優選地，導流裝置安裝成可相對於主流迴轉。由此有利地達到，可參照在外擴壓器內部當時的流動狀況，將導流裝置通過迴轉個性化地調整為，使導流裝置有高的氣動力效果。
優選地，汽輪機的排汽腔或燃氣輪機的排氣腔有按本發明的擴壓裝置。此外優選地，流動加速裝置設置在外擴壓器的進口區內表面處。下面藉助所附示意圖說明按本發明的擴壓裝置優選的實施例。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設計為旋轉對稱。外擴壓器2的進口截面4處於與對稱軸3垂直的平面內，入流5通過它流入外擴壓器2中，以及其出口截面6處於另 一個與對稱軸3垂直的平面內，出流7在出口截面6從外擴壓器2排出。外擴壓器2有一個內表面8，它構成外擴壓器2內腔的邊界。
外擴壓器2設計為直的擴壓器，也就是說外擴壓器2的內表面8形成一個截錐體，其中，進口截面4的橫截面積小於出口截面6的橫截面積。
在外擴壓器2的內部設導流裝置9。導流裝置9設計為其縱剖面呈細長形的導板，它與外擴壓器2同心地繞外擴壓器2對稱軸3旋轉對稱設置，構成一個沿流動方向收縮的截錐形環形通道的邊界。
導流裝置9在其外圓周上有外表面10,它相對於外擴壓器2的內表面傾斜為，使得在導流裝置9與外擴壓器2之間構成的環形腔，在垂直於對稱軸3平面內的橫截面沿流動方向變小。
也就是說，導流裝置9的外表面10與外擴壓器2的內表面8中與之對置的一段配合作用，使處於導熱裝置9與外擴壓器2之間的環形通道構成一個噴嘴管道11。因此外擴壓器2內表面8的這一面朝導流裝置9外表面10的區段，是噴嘴管道ll的內表面12。
導流裝置9在上遊以其前緣13為界，以及在下遊以其後緣14為界。噴嘴管道ll的進口截面15處於導流裝置9前緣13至外擴壓器2內表面8的區域內，以及噴嘴管道ll的出口截面16處於導流裝置9後緣14至外擴壓器2內表面8的區域內，在這裡，進口截面15的橫截面積大於出口截面16的才黃截面禾口、。
背對導流裝置9的外表面IO，導流裝置有構成內擴壓器18的內表面17。導流裝置9的前緣13設在一個垂直於對稱軸3的平面內，並構成內擴壓器18的進口截面19，以及導流裝置9的後緣14設在一個垂直於對稱軸3的平面內，並構成內擴壓器18的出口截面20,在這裡，進口截面19的對黃截面積小於出口截面20的橫截面積。由圖2可見導流裝置9的氣動效應。按圖2，導流裝置9設計為有流動造型的環形導板。
為了說明在擴壓裝置l中的流動狀況，圖2在導流裝置9的區域內畫有流線21,並表示了在導流裝置9上遊的速度剖面22、在導流裝置9後緣14的速度剖面23以及在導流裝置9下遊的速度剖面24。
流線21沿主流方向有收斂的變化過程，由此表明通過導流裝置9引起的流動加速。在外擴壓器2內表面8上壁面法向的速度梯度，在導流裝置9上遊的速度剖面22中比在導流裝置9後緣14的速度剖面23中平坦，而它比在導流裝置9下遊的速度剖面24的壁面法向速度梯度平坦。
此導流裝置9局部提高在外擴壓器2內表面12附近的流動速度。在這種情況下高能的流動物質從核心流朝外擴壓器2內表面12方向偏轉，並因而導向外擴壓器2內表面12上的邊界層。這種動能化的結果是，在外擴壓器2內表面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內表面12分離。
由此，外擴壓器2對早期分離現象做出良好的反應。因此通過在外擴壓器2內配備導流裝置9，達到外擴壓器2高的壓力恢復。
圖3表示燃氣輪才幾設計為外擴壓器2的排氣腔。外擴壓器2設在渦輪轉子25下遊，它將從渦輪轉子25排出的氣流，從外擴壓器2的進口截面4進一步導向外擴壓器2的出口截面6並取得壓力恢復。
渦輪轉子25有一個渦輪轉子輪轂26,從該渦輪轉子輪轂26進一步延伸出外擴壓器的圓柱形輪轂27。
渦輪轉子25有許多渦輪轉子葉片28,它們在其徑向外端有葉尖29。渦輪轉子25被渦輪機匣30包圍。在渦輪轉子25區域內它繞其旋轉軸(未表示)旋轉，而渦輪機匣30保持位置固定。因此在渦輪轉子葉尖29與渦輪機匣30之間設有間隙31,使渦輪轉子葉尖29在渦輪轉子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並因而防止損壞，在轉子葉片28與機匣30之間作為間隙31(所謂遊隙)的最小間距是必要的。通過此間隙，部分質量流不輸出功率地在轉子葉片28旁流過，以及導致邊界層動能化。取決於間隙31是否設計有密封裝置，可以流過或多或少質量流。為了避免隨後在擴壓器內分離或為了強烈減速，期望邊界層通過導流裝置9進一步動能化。 按圖3,通過將導流裝置9在外擴壓器進口截面4區域內設在外擴壓器 2內表面8附近，提供了補救措施。受漏流幹擾的邊界層被導流裝置9在外 擴壓器8內表面上沿主流方向加速，提高在此流動區內的動能。由此達到在 外擴壓器2內的流體不在外擴壓器2內表面8上分離。從而使在外擴壓器2 內的流動損失低，外擴壓器2的壓力恢復高。
權利要求
1.一種可供流體流過的擴壓裝置(1)，包括一個有內表面的外擴壓器(2)和一個有導流裝置(9)的流動加速裝置，其中，所述導流裝置(9)在外擴壓器(2)內部延伸，並以其面朝外擴壓器(2)內表面(8)的外表面(10)和外擴壓器(2)內表面(8)的一段構成一個噴嘴管道(11)，使至少部分在外擴壓器(2)內表面(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)內表面(8)上的流動分離。
2. 按照權利要求1所述的擴壓裝置(l)，其中，所述導流裝置(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後緣(14),以及， 進口截面(15)處於外擴壓器(2)內表面(8)與導流裝置(9)前緣(13)之間，出口截 面(16)處於外擴壓器(2)內表面(8)與導流裝置(9)後緣(14)之間，其中，進口截 面(15)的橫截面積大於出口截面(16)的橫截面積。
3. 按照權利要求1或2所述的擴壓裝置(1)，其中，所述導流裝置(9)以 其背對其外表面(10)的內表面(17)構成一個內擴壓器(18),流體可以通過該內 擴壓器(18)流動並在此過程中可沿主流方向減速。
4. 按照權利要求l、 2或3所述的擴壓裝置(1),其中，所述導流裝置(9) 沿主流方向的長度處於外擴壓器(2)長度的5 %至40 %範圍內。
5. 按照權利要求1至4之一所述的擴壓裝置(1),其中，所述外擴壓器 (2)和所述導流裝置(9)設計為軸對稱並繞一條公共的對稱軸線(3)同心布置。
6. 按照權利要求1至5之一所述的擴壓裝置(l)，其中，所述噴嘴管道 (11)-沒計為環形通道。
7. 按照權利要求1至6之一所述的擴壓裝置(l),其中，所述導流裝置 (9)設計成一塊直的、在縱剖面內呈細長形的導板或設計成具有一種氣動型 面。
8. 按照權利要求1至7之一所述的擴壓裝置(1),其中，所述導流裝置 (9)布置在所述外擴壓器(2)通道高度的80%至100%區域內。
9. 按照權利要求1至8之一所述的擴壓裝置(l),其中，所述導流裝置 (9)布置在所述外擴壓器(2)的進口截面(4)區域內。
10. 按照權利要求1至9之一所述的擴壓裝置(1),其中，所述外擴壓器 (2)設計成基本上直的擴壓器。
11. 按照權利要求1至IO之一所述的擴壓裝置(I)，其中，所述導流裝 置(9)可相對於主流方向迴轉地被支承安裝。
12. —種汽輪機的排汽腔，它有一個按照權利要求1至11之一所述的擴壓裝置(l)。
13. —種燃氣輪機的排氣腔，它有一個按照權利要求1至11之一所述 的擴壓裝置(l)。
全文摘要
本發明涉及一種流體可以通過它流動的擴壓裝置(1)，包括一個有內表面的外擴壓器(2)和一個流動加速裝置(9)，它設計為使至少部分在外擴壓器內表面(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 優先權日2007年3月13日
發明者烏爾裡克·斯坦卡, 拉爾夫·霍法克, 史蒂芬·梅爾曼, 薩沙·貝克爾, 馬克·布羅克, 馬裡奧·凱貝 申請人:西門子公司