用于排气扩散器的支柱的空气动力学整流部、排气扩散器以及燃气涡轮的制作方法

本发明的实施例总体地涉及燃气涡轮，更具体地涉及用于排气扩散器的支柱的空气动力学整流部，包括有空气动力学整流部的排气扩散器，以及包括有排气扩散器的燃气涡轮。

背景技术：

空气动力学整流部布置在多级燃气涡轮最后一级叶片的后面，并且保护支撑星以使其免遭热废气。为了减少气流损耗并且为了确保通过排气扩散器的低损耗气流，需要空气动力学整流部的优化的空气动力学设计，以实现其高效率和良好的性能。

目前，一个主要的挑战在于使空气动力学整流部的几何形状适应于针对部分载荷范围内的各种设计点。由于在部分载荷下的最后一级涡轮转子的流出角度可能部分地偏离设计点，而空气动力学整流部的几何形状又不可改变，这就会导致部分载荷气流在与整流部的前缘发生相互作用之后与侧表面产生较大的分离。由此，使得整个机器的效率降低。另外，这还导致了由增加的入射角所引起的壳体的航空力学激振。

在EP2410139A1中提出了一种排气扩散器。该排气扩散器包括可渗透的内壁，该内壁在气流穿过空气动力学整流部之后影响在内壁区域中的气流，从而使扩散器中的流动损耗最小化。然而，该公开并不涉及对空气动力学整流部的几何形状的任何修改，因此仍未解决气流与空气动力学整流部之间的空气动力学相互作用可能劣化的问题。

技术实现要素：

本公开的实施例提供了一种用于排气扩散器的优化的空气动力学整流部。

在第一方面，提供了一种用于排气扩散器的空气动力学整流部。空气动力学整流部包括：暴露于从上游叶片到达的气流的前缘部分，空气动力学整流部在排气扩散器的轴向方向上邻近叶片布置，其特征在于，前缘部分在径向方向上从空气动力学整流部的外端延伸到内端，并且该前缘部分在径向方向上是弯曲的，由此，在排气气流的流动路径处形成凹部。

根据本发明的各种实施例，在气流方向上形成的凹部以及前缘部分处的三维表面允许在各种部分载荷条件下具有各种流出角度的气流以低损耗通过。由此，扩散器可以在较宽的载荷范围内更高效地运行。

此外，利用适当设计和优化的弯曲表面，可以实现气流与弯曲表面之间更好的空气动力学相互作用，这改善了扩散器的性能，诸如提高了效率，并且同时降低了壳体的激振。

在一些实施例中，弯曲的前缘部分包括被构造为三次Bézier曲线的第一轮廓曲线，第一轮廓曲线与外端和内端相交。

在一些实施例中，弯曲的前缘部分包括被构造为抛物线的第一轮廓曲线，该抛物线具有在轴向方向上延伸的对称轴，第一轮廓曲线与外端和内端相交。

在一些实施例中，第一轮廓曲线被形成为使得从外端到抛物线的对称轴的在径向方向上的第一距离小于从内端到抛物线的对称轴的在径向方向上的第二距离。

在一些实施例中，第一轮廓曲线被形成为使得从外端到抛物线的对称轴的在径向方向上的第一距离等于从内端到抛物线的对称轴的在径向方向上的第二距离。

在一些实施例中，第一轮廓曲线被形成为使得从外端到抛物线的对称轴的在径向方向上的第一距离大于从内端到抛物线的对称轴的在径向方向上的第二距离。

在一些实施例中，空气动力学整流部在垂直于径向方向的平面上具有包括的中心线的轮廓，其中该中心线是直线并与轴向方向对准。

在第二方面，提供了一种排气扩散器。该排气扩散器包括：根据本公开的第一方面的多个空气动力学整流部；以及在多个空气动力学整流部的内端处附接到多个空气动力学整流部的轮毂。

在一些实施例中，多个空气动力学整流部在轮毂的圆周方向上均匀分布。

在第三方面，提供了一种燃气涡轮。燃气涡轮包括根据本公开的第二方面的排气扩散器。

通过以下实施例将变得明显的是，利用这种适当设计的空气动力学整流部，扩散器可以在较宽的载荷范围内更高效地运行。此外，由于改善的空气动力学相互作用，构造出的三维弯曲表面使气流稳定，这降低了潜在的壳体激振并且提供了改善的系统性能，特别是在部分载荷条件下运行时。此外，空气动力学整流部不需要额外的部件，这易于制造并降低了总体成本。

应当理解，本发明内容不旨在标识本文描述的技术方案的实施例的关键或基本特征，也不旨在用于限制本文描述的技术方案的范围。通过下面的描述，本文描述的技术方案的其他特征将变得易于理解。

附图说明

通过本文结合附图描述的技术方案的示例实施例的更详细的描述，本文描述的技术方案的以上和其他目的、特征和优点将变得更加明显，其中在本文描述的技术方案的示例实施例中，相同的附图标记通常表示相同的部件。

图1是根据本公开描述的技术方案的实施例的排气扩散器的立体图；

图2示意性地图示了根据本公开描述的技术方案的一个实施例的空气动力学整流部的侧视图；

图3A示意性地图示了根据本公开描述的技术方案的一个实施例的空气动力学整流部的侧视图；

图3B示意性地图示了根据本公开描述的技术方案的一个实施例的空气动力学整流部的侧视图；

图3C示意性地图示了根据本公开描述的技术方案的一个实施例的空气动力学整流部的侧视图；

图4A示意性地图示了根据本公开描述的技术方案的一个实施例的用于针对扩散器效率来优化抛物线的设计点；

图4B示意性地图示根据本公开描述的技术方案的一个实施例的用于针对扩散器效率来优化二次Bézier曲线的设计点；以及

图5示意性地图示了根据本公开描述的技术方案的一个实施例的空气动力学整流部的径向截面图。

具体实施方式

现在将参照若干示例实施例来讨论本文描述的技术方案。应当理解，这些实施例仅出于使本领域技术人员能够更好地理解并因此实现本文所描述的技术方案的目的被讨论，而不对技术方案的范围提出任何限制。

如本文所使用的，术语“包括”及其变型应被解读为意指“包括但不限于”的开放术语。术语“基于”应解读为“至少部分基于”。术语“一个实施例”和“实施例”应被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”应被解读为“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同或相同的对象。其他的定义，明确的和隐含的，可以被包括在下文中。除非上下文明确指出，否则术语的定义在整个说明书中是一致的。

图1示意性地图示了根据本公开的各种实施例的排气扩散器10。如图所示，排气扩散器10包括在径向方向R上延伸的、用于保护支撑星免遭热废气的多个空气动力学整流部1，以及在空气动力学整流部1的内端处附接到空气动力学整流部1的轮毂3。在该示例中，空气动力学整流部1在轮毂3的周向方向C上均匀分布。轮毂3布置在排气扩散器10的轴向方向X上的一系列转子的最后一级转子的后面。通过这种方式，空气动力学整流部1沿着轴向方向X布置成与最后一个转子的叶片2相邻并大致对准。

空气动力学整流部1包括相对于轮毂3而言在径向方向R上的外端13和内端14。在此，外端13还可以称为尖端，内端14还可以称为轮毂端。空气动力学整流部1还包括前缘部分11(以下还可以称为“前缘”)和在轴向方向X上与前缘部分11相对的后缘部分(以下还可以称为“后缘”)。前缘可以被定义为暴露于从上游叶片2引导的气流并与之接触的最前边缘，并且后缘可以被定义为尾缘，由前缘分离的气流在该后缘处重新合并。此外，前缘经由平滑的侧表面过渡到后缘。在一些实施例中，侧表面的形状可以基于空气动力学来调整和优化，以产生适应于侧表面轮廓的流线，从而减少气流损耗。

如上所讨论的，通常情况下，空气动力学整流部的形状/几何形状基本上仅针对燃气涡轮的全载荷下的运行进行设计和优化。然而，在某些情况下需要在部分载荷下运行涡轮时，潜在的问题是引导气流从最后一个叶片2的流出角度可能偏离所设计的流出角度。这将导致气流与空气动力学整流部1之间的空气动力学相互作用的劣化，因为当具有偏离角度的部分载荷气流与空气动力学整流部1发生相互作用之后，这种部分载荷气流将与侧表面具有较大量的分离，这进而降低了扩散器的效率并产生壳体的激振。

为了至少解决在部分载荷运行中出现的这个问题，根据本公开的实施例，前缘部分11被构造为在径向方向R上是弯曲的，以形成弯曲表面12，该弯曲表面12从外端13延伸到内端14。通过这种方式，当从侧表面观察时，形成了凹部15。这样，使得偏离的废气气流30能够以改善的空气动力学相互作用通过前缘部分11。换言之，凹部15能够减缓或降低由(如上讨论的)部分载荷气流所引起的气流分离。

当涡轮在部分载荷下运行时，形成的凹部15与形成的三维表面12共同提供对于空气流30的流出角度的相对宽范围的鲁棒性。换言之，由于更好的空气动力学相互作用，能够允许在不同的部分载荷水平下具有不同角度的气流以低损耗通过前缘部分11，这继而改善了扩散器的性能并降低了壳体的激振。

此外，为了使扩散器10适应尽可能多的运行条件，在一些实施例中，弯曲表面12的形状/几何形状例如可以针对扩散器的效率来优化。

作为示例，在如图2所图示的一些实施例中，弯曲表面12的轮廓曲线121(此后还可以称为第一轮廓曲线)反映出相对于轴向方向X上的各种前缘位置的在径向方向R上的跨度分布。该轮廓曲线121可以被构造为三次Bézier曲线(或三阶Bézier曲线)，三次Bézier曲线在点A和点B处与外端13和内端14分别相交。

Bézier曲线被广泛用于计算机图形或数学中来模拟平滑曲线。在这种情况下，取决于根据曲线的阶数，曲线的形状可以通过调整若干控制点来优化，这实现了灵活的曲线设计。例如，在优化过程中，三次Bézier曲线可以根据两个端点A和B以及两个另外的中间点(未示出)——即四个点——的位置来优化。当然，具有更高阶的Bézier曲线也是可能的。

在一些实施例中，可以在单个优化过程中优化三次Bézier曲线全部有四个点。备选地，为了避免较重的计算负担和/或为了获得与资源消耗良好折衷的可接受的结果，在其他实施例中，可以使用更简化的方法来优化弯曲表面12。而且，根据发明人的发现和观察，例如，对于大多数情况，具有减少的设计点数目的简化优化仍然足以实现优化的性能。

因此，在如图3A所示的备选实施例中，弯曲表面12的第一轮廓曲线121可以被构造为二次Bézier曲线(或二阶Bézier曲线)。在这种情况下，设计点的数目可以减少到三个。从数学角度来看，二次Bézier曲线相当于抛物线(也可以称为二次多项式曲线)。

如图所示，抛物线具有在轴向方向X上延伸的对称轴18。也就是说，抛物线具有朝向轴向方向X的抛物线开口。此外，第一轮廓曲线121以与图2所示类似的方式在第一点A和第二点B处与外端13和内端14分别相交。

因此，抛物线的形状的调整可以至少部分地基于移动抛物线的对称轴18的位置来执行。在如图3A所示的实施例中，第一轮廓曲线121可以被形成为使得从外端13到抛物线的对称轴18的在径向方向R上的第一距离H1小于从内端14到抛物线的对称轴18的在径向方向R上的第二距离H2(即，H1<H2)。换言之，对称轴18位于更靠近外端13处，这使得连接线“AB”相对于轴向方向X倾斜以形成后掠的前缘。

在图3B所示的另一个实施例中，第一轮廓曲线121可以备选地被形成为使得从外端13到抛物线的对称轴18的第一距离H1大于从内端14到抛物线的对称轴18的第二距离H2(即，H1>H2)。换言之，对称轴18位于更靠近内端14处，这使得连接线“AB”相对于轴向方向X倾斜以形成前掠的前缘。

在图3C所示的又一个实施例中，第一轮廓曲线121还可以被形成为使得从外端13到抛物线的对称轴18的第一距离H1等于从内端14到抛物线的对称轴18的第二距离H2(即，H1＝H2)。在这种情况下，对称轴18在轴向方向R上位于外端13和内端14之间的正中间，这使得连接线“AB”垂直于轴向方向X以形成笔直的(或未倾斜)的前缘。

在一些实施例中，对抛物线形状的更加灵活的调整可以基于改变三个设计点的位置的绝对值来执行。图4A图示了抛物线曲线的一些关键设计点，其包括两个端点A和B以及顶点C。在这种情况下，给定点A、B和C的轴向位置Px的组合，可以唯一地确定出抛物线。此外，在优化过程中，通过一些额外应用的边界条件——诸如在轴向方向X上的轴向位置Px的预定义范围、在径向方向R上的跨度SR的预定义范围、以及顶点C的预定义范围——(例如就效率方面而言)优化的抛物线可以被快速确定出或选择出。

此外，如已知的，抛物线在数学上等同于二次Bézier曲线。因此，可以基于与二次Bézier曲线相关联的设计点来优化轮廓曲线。图4B图示了二次Bézier曲线的一些关键设计点，其包括两个端点A和B以及控制点D。本文中控制点D被定义为使得连接线“BD”与端点B相切，连接线“AD”与端点A相切。在这种情况下，给定点A、B和D的轴向位置Px的组合，可以唯一地确定二次Bézier曲线。类似地，在一些额外的边界条件下，(例如就效率方面而言)优化的二次Bézier曲线可以同样被快速确定出或选择出。

图5示意性地图示了根据本文描述的技术方案的实施例的空气动力学整流部的径向截面图。如图所示，空气动力学整流部在其截面中具有包括中心线19的第二轮廓曲线122。中心线19是直线并且与轴向方向X对齐。这种情况下，该第二轮廓曲线122被构造为相对于沿着轴向方向X的轴线19对称的曲线。例如，对称曲线可以形成为具有限定的前缘半径的圆形曲线。这种对称的第二轮廓曲线122进一步改善了系统的鲁棒性。然而，应当理解，与非对称的轮廓曲线122相对应的弯曲的中心线也是可行的。同样应当理解，连接两个侧表面的平的第二轮廓曲线122也是可能的。换言之，关于本公开的各种实施例所描述的凹部15还可以应用于在径向方向R上观察的具有矩形截面的空气动力学整流部。

总之，本公开的各种实施例提供了用于排气扩散器的优化的空气动力学整流部。空气动力学整流部包括优化的前缘，前缘具有凹部，这允许具有各种流出角度的气流以低损耗通过前缘，使得扩散器可以在各种部分载荷条件下以提高的效率运行。而且，通过优化前缘区域的几何形状，扩散器效率在各种部分载荷条件下的运行可以得到进一步改善。

应当理解，本公开的上述详细实施例仅仅是为了举例说明或解释本公开的原理，而不是限制本公开。因此，不脱离本发明的精神和范围的任何修改、等同替换和改进等均应被包括在本发明的保护范围之内。同时，本公开的所附权利要求旨在覆盖落入权利要求的范围和界限内或范围和界限的等同物内的所有变化和修改。