包括具有变化台阶高度的面向后方的台阶的扩散器的制造方法
【专利摘要】一种使联合循环动力设备（34）的热回收蒸汽发生器（32）上游的气流（F）扩展的扩散器（30）。该扩散器的外壁（44）包括在有利于流动分离的条件下有效固定流动再循环气泡（56）的位置的平滑放样的面向后方的台阶（46）。该台阶具有绕台阶边缘（62）的周边变化的台阶高度（H峰、H谷）。变化的台阶高度将再循环气泡分段成小单元（66），所述小单元位于台阶高度的每个峰（58）的下游并减小气泡的再附着长度（L），从而有助于减小扩散器的总长度。
【专利说明】包括具有变化台阶高度的面向后方的台阶的扩散器
[0001]本申请要求于2011年7月22日提交的61/510，551号美国临时专利申请的权益。【技术领域】
[0002]本发明总体上涉及流动扩散器的领域，并且更特别地涉及一种例如可以用来扩展联合循环动力设备中的燃气轮机与热回收蒸汽发生器之间的气流并且用来减慢所述气流的速度的流动扩散器。
【背景技术】
[0003]扩散器为用于通过引导流体穿过横截面面积沿流动方向增大的流动路径来减慢流体流的速度的装置。当流动面积扩大并且流速降低时，流体的动压头减小并且流体的静压头增大。
[0004]在联合循环动力设备中，来自燃气轮机发动机的热排气被引导到热回收蒸汽发生器(HRSG)中以传递来自热气中的热量，从而在气体排放到大气中之前冷却该气体。回收的热量加热通过HRSG的管的水并产生蒸汽，蒸汽随后用来驱动蒸汽轮机。已知将扩散器安装在燃气轮机的出口与HRSG的进口之间以使管免于过高速度的气体的影响并提高HRSG的热传递性能。美国专利7，272，930描述了一种这种联合循环动力设备扩散器的应用。
[0005]在联合循环动力设备中的HRSG的上游使用的典型的扩散器包括其直径沿下游方向扩大的呈大致圆锥形形状的外壁。用来描述这种扩散器的两个参数为:面积扩张比(出口横截面面积除以入口横截面面积)和扩张角(或半角，表示为如在横截面中观察到的限定在壁的一侧与流动方向中心线之间的角)。这两个参数控制获得期望的流动减速程度所需的扩散器的总长度。如果扩张角太小，则扩散器过长，考虑到空间和成本原因这在动力设备中是不希望的。如果扩张角太大，则流与壁分离并沿着壁产生反向流动区域，从而降低了扩散器的功能。分离的流是不稳定的并且分离气泡可以在扩散器中来回移动，从而不利地影响下游的HRSG。因此，用于联合循环动力设备的扩散器通常设计为适当的长度以避免超过动力设备运行参数的整个范围的流动分离。
[0006]研究表明可以通过激发分离的剪切层中的涡流相互作用(例如利用声能)来主动控制扩散器中的流动分离，从而导致了再附着长度(reattachment length,附壁长度)的减小。用于联合循环动力设备应用的主动解决方案是难以实现的，原因在于剪切层可以在扩散器内移动，并且为了避免潜在地使再附着长度增大，声激励需要关于优化的扰动频率和振幅的知识。主动解决方案还具有消耗功率的缺点，并且施加的能量可能对系统的机械部件具有不利影响。
[0007]研究还表明，流动行程挡片(tabs )可以通过产生增加混合的纵向涡流对来减小剪切层的流动分离再附着长度。用于联合循环动力设备应用的流动挡片解决方案也是难以实现的，原因在于剪切层的不确定位置，并且这种挡片由于由挡片引起的突然流动扰动而将产生相对较高的能量损失。【专利附图】
【附图说明】
[0008]下面描述中借助于附图对本发明进行说明，在附图中:
[0009]图1为现有技术扩散器的横截面图。
[0010]图2为示出了根据本发明实施方式的在涡轮机与热回收蒸汽发生器之间的扩散器的位置的联合循环动力设备的局部横截面图。
[0011]图3为示出了扩散器与位于涡轮机的下游端部以及刚好在扩散器的上游的涡轮机轴支承毂部的图2的动力设备的局部立体图。
[0012]图4为在扩散器壁中平滑放样(lofted)的面向后方的台阶的边缘的端视图，其中，面向后方的台阶具有以正弦型形状变化的台阶高度并且具有大于零的最小台阶高度。
[0013]图5为在扩散器壁中平滑放样的面向后方的台阶的边缘的端视图，其中，面向后方的台阶具有以三角形形状变化的台阶高度并且具有等于零的最小台阶高度。
【具体实施方式】
[0014]本发明人已经开发了用于圆锥形扩散器中的流动分离控制的创新性解决方案，所述圆锥形扩散器例如可以在联合循环动力设备中的热回收蒸汽发生器(HRSG)的上游使用。不是试图预测在扩散器的许多不同工作条件下的流动分离区域的位置，本发明的解决方案将面向后方的台阶结合到扩散器的壁中。该台阶在有利于流动分离的条件下有效地刺激下游流动分离气泡的成形和再附着，以将分离的位置在扩散器内固定，并且因此具有最小的流动能量损失和最小扩散长度。此外，台阶的高度围绕扩散器壁的周边以峰/谷模式变化，使得所得的分离气泡被分割成一系列更小的单元，其中，台阶中的每个峰的后面设置一个单元。
[0015]下面使用以下术语来描述本发明的实施方式。通常，在任何给定横截面处的流动在总反向流动面积为总流动面积的1%或更多时被认为与扩散器的壁分离。面向后方的台阶被理解为引起下游再循环的流动面积沿下游方向的突然增加。平滑放样的波状的面向后方的台阶为具有引向台阶边缘的非圆形扰动部分的台阶，其中，扰动部分从圆形横截面转变为非圆形横截面轮廓，而不形成任何明显的上游再循环区域。边界层的厚度被认为是距壁的距离，在所述距离处，粘性流的速度是自由蒸汽的速度的99%。术语“大致圆锥形的”指具有圆形横截面或环形横截面的圆锥形状但允许一些局部区域具有锥形形状的变化(如恒定直径区域)，只要整个形状从入口到出口扩大横截面就可以。
[0016]图1中以横截面的形式示出了现有技术的扩散器10。扩散器10具有大致圆锥形的外壁12，该外壁12限定大致圆形的入口 14和出口 16并且围绕流动中心线18扩大沿流体流F的方向延伸的横截面面积。壁12包括沿壁12的整个周边延伸的面向后方的台阶20。流动分离气泡22在有利于发生流动分离的条件下在壁12与流体流F之间在台阶20的下游产生。台阶20由台阶边缘28的任一侧上的两个恒定直径区域24、26之间的直径差限定并且据称具有等于下游恒定直径区域26的长度的台阶长度。气泡具有再附着长度L。
[0017]图2示出了本发明的实施方式，其中，以横截面的形式示出了在联合循环动力设备34中附接至下游的HRSG32的大致圆锥形的扩散器30。设备34的燃气轮机的轴支承毂部36设置为在扩散器30的入口 38处的中央体，从而使流体流F在入口 38处具有大致环形的横截面几何形状。分离气泡40紧接着毂部36出现。科恩达(Coanda)喷射流42可以被引导穿过毂部36以减小气泡40的尺寸，这在本领域是已知的。扩散器30的外壁44包括沿壁44的周边延伸的平滑放样的面向后方的台阶46。在该实施方式中，台阶46设置在紧接着位于入口的下游的第一恒定直径区域48与具有的直径大于第一恒定直径区域48的第二恒定直径区域50之间，以在第一恒定直径区域48与第二恒定直径区域50之间限定台阶46。扩散区域52设置在第二恒定直径区域50与扩散器30的将流F引向HRSG32的出口 54之间。流在台阶46处分离并在台阶46的下游产生再循环区域56 (气泡)，从而在有利于气泡形成的工作条件期间限定气泡56的位置。再附着长度L小于台阶长度，使得气泡56被完全封闭在扩散区域52的上游。
[0018]图2的实施方式的平滑放样的面向后方的台阶46的形状可以在图3的立体图中理解，为清楚起见图3的立体图以去除HRSG32的方式呈现，并且图4为在台阶边缘62的上游看到的横穿流动中心线18截取的截面图。可以看出，台阶46是波浪形的，并且具有沿着壁44的周边周期性变化的高度。在该实施方式中，高度具有围绕整个周边的正弦型形状，即具有交替的峰58和谷60，其中，峰58具有相对较大的台阶高度H.谷60具有相对较小的台阶高度ΗΦ。图5为类似于图4的视图，但是是关于台阶高度以可以比正弦型形状更容易制造的三角形形状变化的实施方式。应当理解的是，台阶高度的变化可以采用任何形状，可以围绕整个周边或周边的仅一部分延伸，并且可以在不同实施方式中是关于流动轴线18对称的或者是不对称的，不同实施方式比如可以由特定应用的流动条件和结构要求所规定。
[0019]在图2的实施方式中，台阶46形成在外壁44的扰动区域64中，其中，上游恒定直径区域48的直径在整个扰动区域64中都保持在峰值58处并且谷60从该直径向外平滑地放样以在台阶边缘62处限定最小台阶高度ΗΦ。最小台阶高度在图4的实施方式中大于零并且在图5的实施方式中等于零。其他实施方式可以越过扰动区域64将峰58平滑地放样至比上游区域的直径稍微大或小的直径。
[0020]在与台阶高度保持在!^处的类似实施方式相比较时，图2至图5的实施方式的周期性改变的台阶高度用来减小气泡56的再附着长度L。这是由于如下事实而发生的:行进穿过谷60的流遵循谷坡降的方 向而朝向下游壁50并且在谷60的下游产生非常小的再循环区域或不产生再循环区域，从而将再循环区域56分隔成一系列较小的单元66，其中，台阶边缘62处的每个峰58的下游处设置一个单元66。期望减小流中的大规模的不稳定性并且减小由气泡产生的机械力的大小。这种几何形状的测试已经揭示了具有变化的台阶高度的实施方式中的台阶分离气泡56具有不同的峰和谷样式，并且束缚气泡的剪切层遵循波状边缘62的形状。在每个峰58的下游观察到一对反向旋转涡流。这些涡流对具有相反方向的马蹄涡流。马蹄涡流将流体从分离气泡带向主流并将流体从主流携带到再循环区域，从而提高了该剪切层上的混合。马蹄涡流也彼此相互作用并且其对应的镜像由于诱导速度也彼此相互作用。这造成横穿该剪切层的大规模流体运动，这允许分离的剪切层快速再附着。
[0021]有利地，根据本发明的实施方式设计的扩散器可以短于类似现有技术设计，原因在于气泡的再附着长度减小了。本发明的波状高度面向后方的台阶已经经实验证明在具有或不具有来自扩散器入口处的中央体的科恩达吹流的圆锥形扩散器中使用时同样地起作用。当波状台阶被建模为具有的高度关于周边从11_到!1#对称地变化时，台阶气泡再附着长度(L)在与具有H蜂的恒定台阶高度的类似装置相比时减小几乎一半。
[0022]尽管文中已经示出和描述了本发明的各种实施方式，但明显的是，这些实施方式仅以示例的方式提供。在不背离本发明的情况下可以进行许多变化、改变和替换。因此，本发明旨在仅由所附权利要求的精神和范围限制。
【权利要求】
1.一种扩散器,包括: 大致圆锥形形状的外壁，所述大致圆锥形形状的外壁限定了入口、在流动方向上大致扩大的横截面面积、以及大于所述入口的出口 ；并且 所述壁包括沿所述壁的周边延伸的面向后方的台阶，所述台阶将流动分离的位置有效地固定在所述壁与流过所述扩散器的流体之间； 其中，所述台阶包括沿所述周边周期性变化的高度。
2.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述台阶的高度包括正弦型形状。
3.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述台阶的高度包括三角形形状。
4.根据权利要求1所述的扩散器，还包括: 中央体，所述中央体设置在所述入口处； 第一恒定直径区域，所述第一恒定直径区域位于所述入口的下游； 第二恒定直径区域，所述第二恒定直径区域包括大于所述第一恒定直径区域的直径并且设置在所述第一恒定直径区域的下游； 扰动区域，所述扰动区域包括设置在所述第一恒定直径区域与所述第二恒定直径区域之间的峰和谷，并且所述扰动区域在所述第一恒定直径区域与所述第二恒定直径区域之间限定了所述周期性变化的台阶高度；以及 扩散区域，所述扩散区域设置在所述第二恒定直径区域与所述出口之间。
5.根据权利要求4所述的扩散器，其中，所述峰沿着所述流动方向保持第一恒定直径，并且所述谷在所述流动方向上平滑地放样经过所述扰动区域。
6.根据权利要求5所述的扩散器，其中，所述谷延伸至第二直径并且限定所述台阶的周期性零高度部分。
7.根据权利要求5所述的扩散器，其中，所述谷延伸至第一直径与第二直径之间的直径并且限定大于零的最小台阶高度。
8.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述台阶沿所述周边延伸360°。
9.根据权利要求1所述的扩散器，其中，所述台阶沿所述周边延伸360°并且所述周期性变化的高度是关于流动中心线轴对称的。
10.根据权利要求3所述的扩散器，所述扩散器安装在联合循环动力设备中，所述扩散器还包括: 所述联合循环动力设备的燃气轮机的支承毂部，所述支承毂部设置为所述入口中的中央体并且在所述入口的下游产生中央体分离区域；以及 科恩达流，所述科恩达流被从所述支承毂部引导以有效地减小所述中央体分离区域的尺寸。
11.一种联合循环动力设备，所述联合循环动力设备包括设置在所述设备的燃气轮机的出口与热回收蒸汽发生器的进口之间的根据权利要求1所述的扩散器。
【文档编号】F01D25/30GK103781996SQ201280036172
【公开日】2014年5月7日 申请日期:2012年7月20日 优先权日:2011年7月22日
【发明者】罗金邦, 约翰·K·伊顿 申请人:小利兰·斯坦福大学董事会