专利名称：曲线状的轴向-径向排气扩散器的制作方法
技术领域：
本文公开的主题涉及涡轮机，且更具体地，涉及用于与燃气涡轮机和蒸汽涡轮机一起使用的排气扩散器。
背景技术：
发电设备常结合涡轮机，例如燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机燃烧燃料以产生热的燃烧气体，其流过涡轮以驱动负载和/或压缩机。在高速和高温下，排气离开涡轮，并进入排气扩散器。排气扩散器可以是轴向-径向排气扩散器，其使流从轴向方向过渡成径向方向。轴向-径向排气扩散器结合了内部结构特征，例如支柱和转向叶片。内部支柱以彼此固定的关系保持扩散器的壁，并且将负载从转子传递至底座。内部转向叶片有助于使流从轴向转向至径向方向。不幸的是，排气扩散器设计导致了极大的压力损失，尤其在内部支柱和转向叶片处。
发明内容
以下概述了与最初要求保护的发明范围相称的某些实施例。这些实施例并不意图限制所要求保护的发明的范围，相反这些实施例仅仅意图提供本发明的可能形式的简要概述。实际上，本发明可包含可与下述实施例相似或不同的各种形式。根据第一实施例，一种系统包括燃气涡轮机扩散器。燃气涡轮机扩散器包括轴向扩散器段，该轴向扩散器段包括沿着燃气涡轮机扩散器的中心线具有轴向流动路径的第一导管部分，其中第一导管部分具有沿着轴向流动路径而扩展的第一横截面积。燃气涡轮机扩散器还包括联接在轴向扩散器段上的轴向-径向扩散器段，其中轴向-径向扩散器段包括第二导管部分，该第二导管部分具有沿着中心线从轴向流动路径通向径向流动路径的弯曲流动路径，第二导管部分具有沿着弯曲流动路径而扩展的第二横截面积，弯曲流动路径具有至少大于或等于大约30厘米的半径，并且轴向-径向扩散器在第二导管部分中不包括任何转向叶片。根据第二实施例，一种系统包括燃气涡轮机扩散器。燃气涡轮机扩散器包括轴向扩散器段，该轴向扩散器段包括沿着燃气涡轮机扩散器的中心线具有轴向流动路径的第一导管部分。燃气涡轮机扩散器还包括联接在轴向扩散器段上的轴向-径向扩散器段，其中轴向-径向扩散器段包括第二导管部分，第二导管部分沿着中心线具有从轴向流动路径通向径向流动路径的弯曲流动路径，并且轴向-径向扩散器段在第二导管部分中不包括任何转向叶片。根据第三实施例，一种方法包括使来自涡轮的排气流通过弯曲导管沿着没有任何转向叶片的弯曲流动路径进行轴向-径向扩散，其中弯曲流动路径具有至少大于或等于弯曲导管的横截面宽度2倍的半径。
当参照附图阅读以下详细说明时，将更好地理解本发明的这些以及其它特征、方面和优势，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中图1是通过纵向轴线分段的燃气涡轮发动机的一个实施例的横截面图；图2是根据一个实施例的图1的燃气涡轮发动机的曲线状(contoured)的排气扩散器的一个实施例的横截面图；且图3是图1的燃气涡轮发动机的曲线状的排气扩散器的一个实施例的透视图。零部件列表118燃气涡轮发动机120燃烧器130 涡轮132压缩机158纵向轴线160燃料喷嘴162燃烧器段163进气段172过渡段174 级176 级178 级180 叶片182转子叶轮184 车由186喷嘴组件188排气扩散器190 支柱192 入口202轴向扩散器段204轴向-径向扩散器段206径向扩散器段208中心线210 出口212第一导管部分214轴向流动路径216 第一壁218 第二壁220纵向轴线222 第一角度226 第二角度228第一横截面积
230第二导管部分232弯曲流动路径234径向流动路径236第一弯曲壁238第二弯曲壁240第一曲率半径241 中心242第二曲率半径243平均曲率半径244第二横截面积246横截面宽度248第三导管部分250第一垂直壁252第二垂直壁254第三横截面积262 箭头264第三壁266第四壁268下游方向270垂直尺寸272水平尺寸
具体实施例方式以下将描述本发明的一个或更多特定实施例。为了致力于提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能没有完全描述实际实施方式的所有特征。应该懂得，在任何此类实际实施方式的研究中，如同在任何工程或设计项目中一样，必须做出许多实施方式特定的决策，以实现研究者的特定目的，例如遵守系统及商业相关的约束，其可能根据实施方式而变化。此外，应该懂得此类研究工作可能是复杂且耗时的，但对于受益于本发明公开的普通技术人员而言仍然是其承担设计、构造和制造的日常事务。当介绍本发明的各种实施例的元件时，用词“一 ”、“ 一个”、“该，，和“所述，，都意图
表示有一个或更多元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都意图为包含性的且意味着除了列出的元件之外，还可以有其它元件。所公开的实施例涉及一种曲线状的涡轮扩散器，以提供平滑的流动路径，从而在没有转向叶片的条件下使流从轴向过渡至径向方向，同时使扩散器中的压力恢复最大化。 如下面论述的那样，所公开的涡轮扩散器可包括轴向扩散器段、轴向-径向扩散器段和径向扩散器段。轴向扩散器段包括一个或更多支柱周围的发散壁，以减少支柱周围的压力损失，并逐渐地过渡至轴向-径向扩散器段。轴向-径向扩散器段包括无叶片的导管，其具有大的曲率半径以减少流分离和压力损失。例如，轴向-径向扩散器段在轴向和径向方向之间没有任何突然变化的条件下使排气流逐渐地转向，从而消除了对于内部转向叶片的需求。轴向-径向扩散器段沿着径向内壁和外壁具有大的曲率半径，而非突然转向或小的曲率半径。该曲率半径可为涡轮扩散器的横截面宽度的至少大约1至100倍。例如，曲率半径可大于或等于涡轮扩散器的横截面宽度的大约1. 5，2，3，4，5，6，7，8，9或10倍。另外，为了改善流动性能，所公开的涡轮扩散器消除了与转向叶片相关联的机械问题，例如裂纹。图1是沿着纵向轴线158的燃气涡轮发动机118的一个实施例的横截面侧视图。 应该懂得，无转向叶片的曲线状的排气扩散器可用于包括旋转机器的任何流体流系统中， 例如燃气涡轮发动机和蒸汽涡轮发动机，并且并不意图局限于任何特殊的机器或系统。如以下进一步所述，曲线状的排气扩散器可用于燃气涡轮发动机118内，以便通过提供平滑的流动路径使穿过扩散器的流从轴向过渡至径向方向，从而最大化扩散器性能。例如，在扩散器入口附近可设置角度以提供提前的流扩散，从而减少在一个或更多内部支柱周围的压力损失，并使轴向至径向方向的流动路径较不突然且更加曲线状。此外，扩散器可包括沿着流动路径逐渐扩展的部分，从而进一步增强从轴向至径向流动方向的流的过渡，因而改善了扩散器的空气动力学性能，同时消除了性能损失的来源(例如内部转向叶片)。燃气涡轮发动机118包括定位在燃烧器段162内的一个或更多燃料喷嘴160。在某些实施例中，燃气涡轮发动机118可包括以环形排列设置在燃烧器段162内的多个燃烧器120。此外，各个燃烧器120可包括多个燃料喷嘴160，该多个燃料喷嘴160以环形排列或其它排列方式连接在各个燃烧器30的头端上或附近。空气通过进气段163进入并由压缩机132进行压缩。然后可将来自压缩机132的压缩空气引入燃烧器段162中，在此处可使压缩空气与燃料相混合。压缩空气和燃料的混合物通常在燃烧器段162内燃烧，以产生高温高压燃烧气体，该气体可用于在涡轮段130内产生扭矩。如上面指出，多个燃烧器120可环形地设置在燃烧器段162内。各个燃烧器120 包括过渡段172，该过渡段172将热的燃烧气体从燃烧器120引向涡轮段130。具体地说， 各个过渡段172通常限定了从燃烧器120通向涡轮段130的喷嘴组件的热气体路径，其包括在涡轮130的第一级174内。如图所示，涡轮段130包括三个分开的级174，176和178。各个级174，176和178 包括联接在转子叶轮182上的多个叶片180，转子叶轮可旋转地连接在轴184上。各个级 174，176和178还包括直接设置在各组叶片180上游的喷嘴组件186。喷嘴组件186将热的燃烧气体引向叶片180，在此处热的燃烧气体将动力应用于叶片180上，以使叶片180旋转， 从而使轴184旋转。热的燃烧气体流过各个级174，176和178，将动力应用于各个级174， 176和178内的叶片180上。然后热的燃烧气体可通过排气扩散器188而离开燃气涡轮段 130。排气扩散器188通过减少流体流过排气扩散器188的速度，同时还提高静压力以减少燃气涡轮发动机118的做功而起作用。排气扩散器包括设置在排气扩散器188的壁之间的支柱190。支柱190以相对彼此固定的关系保持壁。支柱190的数量是可变的，并且可在1 至10或更大之间的范围内。排气扩散器188包括曲线形状，以使流体在没有任何内部转向叶片的条件下从轴向方向流向径向方向，同时在排气扩散器188的入口 192附近还包括角度以容许提前的流扩散。图2是图1排气扩散器188的横截面侧视图，其进一步显示了入口 192附近的角度和排气扩散器188的曲线形状。排气扩散器188包括轴向扩散器段202、轴向-径向扩散器段204和径向扩散器段206。中心线208大致限定从排气扩散器188的入口 192朝着出口 210延伸的流动路径。总之，排气扩散器188的横截面积沿着流动路径从入口 192朝着出口 210而向下游扩展。轴向扩散器段202包括第一导管部分212，该第一导管部分212沿着排气扩散器 188的中心线208具有轴向流动路径214。第一导管部分212包括偏离第二壁218的第一壁216。此外，第一壁216和第二壁218设置成关于轴向流动路径214彼此相对。第一壁 216安装成相对于虚线220所指示的涡轮130的旋转轴线更靠近或接近，而第二壁218相对于旋转轴线220更远。第一壁216沿着轴向流动路径214相对于涡轮130的旋转轴线220 以第一角度222而延伸。在某些实施例中，第一角度222可以是范围在大约0-8度、2_6度或4-5度之间的负角。例如，第一角度222可至少等于或大于大约2，4，6或8度，或其之间的任何角度。另外，第二壁218沿着轴向流动路径214相对于旋转轴线220以第二角度226 而延伸。在某些实施例中，第二角度226可以是范围在大约16-20度或17-19度之间的正角。例如，第二角度2 可至少等于或大于大约16，17，18，19或20度，或其之间的任何角度。在所示的实施例中，第一角度222和第二角度2 不是0度。在一些实施例中，第一角度222小于或等于大约8度，而第二角度2 大于或等于大约16度。第一壁216和第二壁218分别由于第一角度222和第二角度2 沿着轴向流动路径214而彼此发散开。由于第一壁216和第二壁218的发散，第一导管部分212如图2中所示包括第一横截面积228(即，垂直于中心线208)，该第一横截面积2 沿着轴向流动路径214在第一壁216和第二壁218之间扩展。横截面积2 跨越流动路径的扩展可提供提前的流扩散，其减少了跨越支柱190的扩散器性能方面的压力损失。此外，如以下所述，这种扩展使得从轴向至径向方向的流动路径过渡平滑。轴向扩散器段202联接在轴向-径向扩散器段204上。轴向-径向扩散器段204 使流从轴向扩散器段202过渡至径向扩散器段206。轴向-径向扩散器段204包括第二导管部分230，该第二导管部分230沿着中心线208具有从轴向流动路径214通向径向流动路径234的弯曲流动路径232。第二导管部分230包括偏离第二弯曲壁238的第一弯曲壁 236。此外，第一弯曲壁236和第二弯曲壁238设置成关于弯曲流动路径232彼此相对。第一弯曲壁236安装成相对于涡轮130的旋转轴线220更靠近或接近，而第二弯曲壁238相对于旋转轴线220更远。第一角度222和第二角度2 分别朝着第一弯曲壁236和第二弯曲壁238延伸。实际上，在一些实施例中，第一角度222和第二角度2 可分别直接延伸至第一弯曲壁236和第二弯曲壁238。相对弯曲壁236和238的角度222和226的扩展使得从轴向扩散器段202至轴向扩散器段204的流动路径过渡更符合空气动力学，从而在扩散器性能方面减少了通常与流动路径方向上的突然过渡相关联的压力损失。第一弯曲壁236沿着弯曲流动路径232以第一曲率半径240弯曲，而第二弯曲壁 238沿着弯曲流动路径232以第二曲率半径242弯曲。这些半径240和242的平均值可由沿着弯曲流动路径232相对于中心线208的平均曲率半径M3限定。在某些实施例中，曲率半径240，242和243可沿着第一弯曲壁236和第二弯曲壁238的长度而变化。因此，半径240，242和M3的中心241可移位，以增加或减少半径240，242和M3。在沿着第二导管部分230的长度的某些点处，第一曲率半径240和第二曲率半径242可以是彼此不同的， 而在其它点处，第一曲率半径240和第二曲率半径242可以是相同的。备选地，第一曲率半径240和第二曲率半径242可沿着第一弯曲壁236和第二弯曲壁238的整个长度而不同。在某些实施例中，在第一曲率半径240和第二曲率半径242之间的差异可在大约0-50 %， 10-40%，或20-30%之间的范围内。例如，差异可以是大约15，20，25，30或35%，或其之间的任何百分比。在某些实施例中，第一曲率半径240可大于第二曲率半径M2。在备选实施例中，第二曲率半径242可大于第一曲率半径M0。在其它实施例中，第一曲率半径240和第二曲率半径242可以是相同的。在某些实施例中，第一曲率半径240可在大约30厘米-390厘米、80-340厘米、 130-390厘米、180-300厘米或220-260厘米的范围内。例如，第一曲率半径240可以是大约30，40，50，60，70，80，90或100厘米，或其之间的任何距离。在一些实施例中，第一曲率半径240可至少大于或等于大约100厘米。在某些实施例中，第二曲率半径242可在大约 30厘米-510厘米、80-460厘米、130-410厘米、180-360厘米或230-310厘米的范围内。例如，第二曲率半径242可以是大约30，40，50，60，70，80，90或100厘米，或其之间的任何距离。在一些实施例中，第一曲率半径240可至少大于或等于大约100厘米。在某些实施例中，弯曲流动路径232的半径243可在大约30厘米-450厘米、80-400厘米、130-350厘米、 180-300厘米或220-260厘米的范围内。例如，半径243可以是大约30，40，50，60，70，80， 90或100厘米，或其之间的任何距离。在一些实施例中，半径243可至少大于或等于大约 30厘米。在其它实施例中，半径243可至少大于或等于大约100厘米。壁236和238的曲率提供了更平滑且更具空气动力性能的流动路径过渡，其消除了对于第二导管部分230中内部转向叶片的需求。因而，轴向-径向扩散器段204不包括任何内部转向叶片。实际上，第一弯曲壁236和第二弯曲壁238分别沿着弯曲流动路径232 而彼此发散开，以容许在从轴向过渡至径向方向期间更大的扩散。弯曲的第二导管部分230 具有第二横截面积S卩，垂直于中心线208)，该第二横截面积244沿着弯曲流动路径 232而在第一弯曲壁236和第二弯曲壁238之间扩展。换句话说，横截面积244具有沿着弯曲流动路径232而扩展的横截面宽度M6。在轴向-径向扩散器段204内的横截面宽度 246的扩展容许增加流的扩散，同时还使流从轴向过渡至径向方向。在某些实施例中，半径240，242和243可为弯曲流动路径232的横截面宽度246 的至少大约1-100，1-50，1-25，或1-10倍。例如，半径240，242和243可至少大于或等于横截面宽度246的大约1.5，2，3，4，5，6，7，8，9或10倍。流从轴向-径向扩散器段204过渡至径向扩散器段206。轴向-径向扩散器段204 联接在径向扩散器段206上。径向扩散器段206包括第三导管部分M8，该第三导管部分 248沿着扩散器188的中心线208具有径向流动路径234。第三导管部分248包括偏离第二垂直壁252的第一垂直壁250。此外，第一垂直壁250和第二垂直壁252设置成关于弯曲流动路径234彼此相对。第二导管部分230的发散的第一弯曲壁236和第二弯曲壁238分别延伸到第一垂直壁250和第二垂直壁252中。第一垂直壁250还沿着径向流动路径234 而从第二垂直壁252发散。结果，第三导管部分248包括第三横截面积254(即，垂直于中心线208)，其沿着径向流动路径234而在第一垂直壁250和第二垂直壁252之间扩展，以增加扩散和扩散器性能。流从径向扩散器段206被引导至扩散器188的出口 210。图3是排气扩散器188的透视图，显示了扩散器188的轮廓和扩展。如上所述，排气扩散器188包括轴向扩散器段202、轴向-径向扩散器段204和径向扩散器段206。轴向扩散器段202包括第一壁216和第二壁218。轴向-径向扩散器段204包括第一弯曲壁236和第二弯曲壁238。第一壁216和第二壁218两者，以及至少部分第一弯曲壁236和第二弯曲壁238在箭头262指示的圆周方向上包括横向于燃气涡轮发动机118的纵向轴线158 的半环形曲率。壁216，218，236和238的环形曲率容许排气扩散器188在涡轮130出口周围的环形分布。在一些实施例中，一个或更多排气扩散器188可分布在涡轮130的出口周围。如图3中所示，排气扩散器188包括跟随通常由中心线208所限定的流动路径的第三壁264和第四壁沈6。第三壁264和第四壁266设置成彼此相对，并且沿着扩散器188的长度而定位在第一壁216和第二壁218、第一弯曲壁236和第二弯曲壁238、以及第一垂直壁 250和第二垂直壁252之间。第三壁264和第四壁266从入口 192沿下游方向268彼此发散至出口 210。另外，在垂直尺寸270和水平尺寸272两者上，排气扩散器188的横截面积 (即，垂直于下游方向沈8)从入口 192向下游扩展至扩散器188的出口 210。尺寸270可被限定为相对于轴线158的径向尺寸，而尺寸272可被限定为相对于轴线158的圆周尺寸。根据某些实施例，上面的排气扩散器188可与涡轮130协同操作。例如，操作方法可包括在没有任何转向叶片的条件下使来自涡轮的排气流通过弯曲的导管沿着弯曲的流动路径232进行轴向-径向扩散，其中弯曲的流动路径232具有放大的半径243以减少流分离和压力损失。在一些实施例中，半径243可至少大于或等于大约30厘米和/或宽度246 的1-10倍。在其它实施例中，半径243可至少大于或等于宽度对6的至少2倍。另外，在本方法中，排气流的轴向-径向扩散可包括使排气流在沿着弯曲流动路径232而弯曲的第一弯曲壁236和第二弯曲壁238之间膨胀。如上面论述的那样，第一弯曲壁236可定向成比第二弯曲壁238更靠近涡轮130的旋转轴线220。该方法还可包括在轴向-径向扩散排气流之前使排气流轴向地扩散。轴向扩散排气流包括使排气流在第一有角度的壁216和第二有角度的壁218之间膨胀，这些壁相对于轴向流动路径214构成角度。如上面论述的那样，第一有角度的壁216可定向成比第二有角度的壁218更靠近涡轮230的旋转轴线220。所公开的实施例的技术效果包括提供有角度的壁216和218，从而提供提前的流扩散，以减少跨越支柱190的压力损失。另外，有角度的壁216和218容许从轴向扩散器段 202更平滑地过渡至轴向-径向扩散器段204，以便在流动方向从轴向至径向转变期间减少压力损失。为轴向-径向扩散器段提供弯曲壁236和238还可使轴向-径向的过渡平滑，同时消除了对于转向叶片的需求。此外，沿着轴向扩散器段202、轴向-径向扩散器段204和径向扩散器段206的发散壁容许流沿着流动路径而膨胀，并提高了扩散器性能。总体而言， 扩散器188的空气动力学设计改善了扩散器性能，同时消除了性能损失和机械问题的来源 (即转向叶片)。本书面描述使用示例来公开本发明，包括最佳模式，并且还使本领域技术人员能够实践本发明，包括制造和利用任何装置或系统，并执行任何所结合的方法。本发明可授予专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域中的技术人员想到的其它示例。如果这些其它示例具有并非不同于权利要求字面语言的结构元件，或者如果其包括与权利要求字面语言无实质差异的等效的结构元件，那么这些其它示例都意图属于权利要求的范围内。
权利要求
1.一种系统，包括燃气涡轮机扩散器，其包括轴向扩散器段，其包括沿着所述燃气涡轮机扩散器的中心线具有轴向流动路径的第一导管部分，其中所述第一导管部分具有沿着所述轴向流动路径而扩展的第一横截面积；和联接在所述轴向扩散器段上的轴向-径向扩散器段，其中所述轴向-径向扩散器段包括第二导管部分，所述第二导管部分具有沿着所述中心线从所述轴向流动路径通向径向流动路径的弯曲流动路径，所述第二导管部分具有沿着所述弯曲流动路径而扩展的第二横截面积，所述弯曲流动路径具有至少大于或等于大约30厘米的半径，并且所述轴向-径向扩散器在所述第二导管部分中不包括任何转向叶片。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述燃气涡轮机扩散器包括联接在所述轴向-径向扩散器段上的径向扩散器段，所述径向扩散器段包括第三导管部分，所述第三导管部分沿着所述燃气涡轮机扩散器的中心线具有径向流动路径，并且所述第三导管部分具有沿着所述径向流动路径而扩展的第三横截面积。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述半径至少大于或等于大约100厘米。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第二导管部分包括偏离第二弯曲壁的第一弯曲壁，所述第一弯曲壁沿着所述弯曲流动路径以第一曲率半径而弯曲，并且所述第二弯曲壁沿着所述弯曲流动路径以第二曲率半径而弯曲。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一弯曲壁相对于燃气涡轮机的旋转轴线靠近，而所述第二弯曲壁相对于所述燃气涡轮机的旋转轴线远离。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一半径和所述第二半径是彼此相同的。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一半径和所述第二半径是彼此不同的。
8.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一弯曲壁和所述第二弯曲壁沿着所述弯曲流动路径而彼此发散。
9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一导管部分包括偏离第二壁的第一壁，所述第一壁相对于燃气涡轮机的旋转轴线靠近，而所述第二壁相对于所述燃气涡轮机的旋转轴线远离，并且所述第一壁和所述第二壁沿着所述轴向流动路径而彼此发散。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，所述第一壁沿着所述轴向流动路径相对于所述旋转轴线以第一角度延伸，所述第二壁沿着所述轴向流动路径相对于所述旋转轴线以第二角度延伸，并且所述第一角度和所述第二角度不是0度。
全文摘要
本发明涉及曲线状的轴向-径向排气扩散器，根据一个实施例，一种系统包括燃气涡轮机扩散器。燃气涡轮机扩散器包括轴向扩散器段，该轴向扩散器段包括沿着燃气涡轮机扩散器的中心线具有轴向流动路径的第一导管部分。燃气涡轮机扩散器还包括联接在轴向扩散器段上的轴向-径向扩散器段，其中轴向-径向扩散器段包括第二导管部分，该第二导管部分沿着中心线具有从轴向流动路径通向径向流动路径的弯曲流动路径，并且轴向-径向扩散器段在第二导管部分中不包括任何转向叶片。
文档编号F02C7/00GK102374030SQ20111023020
公开日2012年3月14日 申请日期2011年8月5日 优先权日2010年8月6日
发明者A·I·安萨里, D·D·南达, R·普鲁蒂 申请人:通用电气公司