专利名称：关于燃气涡轮发动机中的扩散器的系统和装置的制作方法
技术领域：
本申请大体而言涉及涡轮扩散器设计，其如本文中使用的那样，并且除非另外特别指出，其意指包括所有类型的燃气涡轮或旋转发动机，包括燃气涡轮发动机、飞行器发动机等。更具体而言，但并无限制性，本申请涉及提供牢靠的扩散器和CDC性能的涡轮扩散器的设计。
背景技术：
一般而言，涡轮发动机包括压缩机，其传送高度压缩的空气供应至燃烧器以用于与燃料燃烧。所得到的来自燃烧器的热的气体流驱动涡轮，可从该涡轮获取功。涡轮发动机可设置为带有轴向压缩机，该轴向压缩机通过共同的轴或转子机械地联接至下游涡轮， 其中燃烧器位于压缩机与涡轮之间。空气以相对高的速度离开压缩机，并且通常地，扩散器用于初始地降低压缩气流的速度并且最大程度地减小后续压力损失。扩散器可包括分流叶片，其将气流分到单独的扩散器通路中。扩散器转储区(dump region)或转储腔从扩散器接收气流，并且在空气被引导至围绕燃烧器的环形通道之前在那里发生进一步减速。通常， 压缩机设有内部的压缩机排放内筒以及压缩机排放外壳(CDC)，CDC使内筒与第一级喷嘴互相连接。扩散器中的损耗和湍流的主要来源是当流进入扩散器转储腔时的涡流产生。扩散器转储腔具有最高的扩散梯度，从而导致涡流形成。随着流体流向前移动，涡流发展并且开始与扩散器的上游段相互作用。涡流发展增加扩散器转储区上游的流体流并导致高损耗和差的预-扩散器和⑶C性能。因此，需要改进的系统和装置，其捕获涡流并抑制其在扩散器的转储腔中生长，从而减小总损耗并确保牢靠的扩散器性能。
发明内容
因此，本申请描述了一种排放扩散器，其包括前段和转储腔，该前段设置为用以将来自压缩机的排放物引导至转储腔；内扩散器壁，其限定上游段的内径向流路径；以及， 外扩散器壁，其限定上游段的外径向流路径；其中，在内扩散器壁的后唇部处，该排放扩散器包括夕卜伸台阶(overhanging step)。本申请还描述了一种排放扩散器，其包括前段，其设置为用以将压缩机排放物从压缩机引导至转储腔；其中该前段包括内扩散器壁和外扩散器壁，该外扩散器壁向外扩展以限定穿过其的加宽的流路径；该转储腔包括位于上游段的下游的增加体积的区域，该转储腔设置为围绕燃烧器的至少一部分；以及，在内扩散器壁的后唇部处，该排放扩散器包括外伸台阶，该外伸台阶包括台阶壁，其从后唇部径向向内地并沿上游方向倾斜，从而使得台阶壁下切内扩散器壁的一部分。当结合附图和所附权利要求来理解下面详细描述的优选实施例后，本申请的这些和其它特征将变得显而易见。
通过结合附图仔细学习下面更详细描述的示例性实施例将会更全面地理解和认识本发明的这些和其它特征，在附图中图1示出了根据本申请的一个实施例的用于燃气涡轮发动机中的压缩机的示例性排放扩散器，其包括涡流捕集器或外伸台阶；图2示出了根据本申请的备选实施例的示例性排放扩散器，其包括涡流捕集器或外伸台阶；图3描绘了根据本申请的一示例性实施例的涡流捕集器或外伸台阶的不同部分的示例性尺寸；图4示出了常规扩散器内的流体流样式；以及图5示出了根据本申请的一示例性实施例的位于具有涡流捕集器或外伸台阶的排放扩散器内的流体流样式。项目清单
100-压缩机排放扩散器
101-前段
102-内扩散器壁
104-外扩散器壁
105-环形分流叶片
106-第一通路
108-第二通路
110-转储腔
112-内腔壁(112)
113-后唇部
114-过渡台阶
116-外伸台阶
118-台阶壁
119-转储腔前边缘
120-第二腿部
300-涡流捕集器
302-宽度
304-平边缘的高度
306-角度
307-径向轴线
308-半径
310-高度
312-径向距离
400-常规扩散器
402-台阶
404-涡流500-流体流样式502-缓和的涡流504-过渡件
具体实施例方式作为首要问题，为了清楚地传达本申请的发明，可能需要选择指代和描述燃气涡轮发动机的某些部件或机械构件的术语。在任何可能情况下，共同的工业术语将以与其被接受的意义一致的方式而使用和采用。但是，这意味着任何这样的术语被赋予广义意义，并且不被狭义地理解而使得不合理地限制本文意指的意义与所附权利要求的范围。本领域普通技术人员应当理解，通常可使用若干不同的用语来指代特定构件。另外，在本文中可被描述为单个部分的物品可在另一情形下包括并表示由若干组成部分组成，或者，在本文中可被描述为包括多个组成部分的物品可在某些情形下被塑造为并表示单个部分。因此，在理解本文所述的本发明的范围时，不仅应注意所提供的术语和描述，还应当注意如本文所提供的构件的结构、构造、功能和/或用途。此外，如本文所用的“下游”和“上游”是指示相对于工作流体流过涡轮的方向的用语。因此，用语“下游”指大体上对应于工作流体的流动方向的方向，并且用语“上游”大体上指与工作流体的流动方向相反的方向。用语“后”和“前”可用来描述涡轮发动机内的相对位置。应当理解，压缩机通常被称为位于涡轮发动机的“前”侧，而涡轮段位于“后”侧。 因此，如本文所使用的那样，“前”描述更靠近压缩机的位置并且“后”描述更靠近涡轮的位置。用语“径向”指垂直于轴线的运动或位置。常常需要描述相对于轴线在不同径向位置处的部件。在这种情况下，如果第一构件比第二构件更靠近轴线，在本文中可阐述为第一构件在第二构件的“径向内侧”或“内侧”。另一方面，如果第一构件比第二构件距轴线更远， 在本文中可阐述为第一构件在第二构件的“径向外侧”或“外侧”。用语“轴向”指平行于轴线的运动或位置。最后，用语“周向”指围绕轴线的运动或位置。图1示出了根据本申请的一示例性实施例的燃气涡轮发动机中的示例性压缩机排放扩散器100，其包括涡流捕集器或外伸台阶。排放扩散器100可将压缩流体从压缩机 (未示出)引导至燃烧器(未示出)。一般而言，涡轮发动机中的空气带有相对高的速度离开压缩机并进入扩散器100，其然后在扩散器100中减速。如由图1中的箭头所示，压缩流体首先进入排放扩散器100的前段101。该前段 101可包括内扩散器壁102和外扩散器壁104。应当理解，外扩散器壁104向外扩展使得扩散器壁102、104限定通过前段101的加宽的流路径，其使引入的压缩空气减速。此外，可包括环形分流叶片105 (如所示的那样)。分流叶片105将排放扩散器100的前段101分成两个通路——第一通路106和第二通路108，它们将压缩机排放物引导至转储腔110。(注意在图1至图3中仅示出了转储腔110的一部分，而转储腔110的其它区域在图4和图5中示出)。在本公开的某些实施方式中，排放扩散器100可包括任何数量的分流叶片，或者备选地，可包括单个加宽的环形通路而无分流叶片。一般而言，排放扩散器101包括转储腔110，其从前段101接收气流(由箭头示出)。应当理解，在转储腔110内，空气被引导至围绕燃烧器的环形通道内。图1显示转储腔110为增加体积的区域，其大体上位于内扩散器壁102和外扩散器壁104的后部终止点的下游。转储腔110可包括内腔壁112，其限定转储腔110的内径向边界，并且如所阐述的那样，转储腔110可围绕燃烧器的至少一部分。转储腔110具有很高的扩散梯度，其在操作中通常导致一个或多个涡流(未示出)的形成。本领域普通技术人员应当理解，这种涡流的形成是损耗和湍流的主要来源，其会不利地影响发动机的效率。通常，随着流体流向下游移动，涡流发展并开始与排放扩散器100的上游段101相互作用，导致进一步的效率损失。内扩散器壁102终止于后唇部113。如本文所使用的那样，后唇部113是内扩散器壁102的下游或后部终点，如在图1和图2中所示的那样。在某些实施例中，内扩散器壁 102可包括过渡台阶116，其位于后唇部113的正前方，如所示的那样。应当理解，后唇部 113标志从前段101到排放扩散器100的转储腔110的过渡点。如图4中所示的常规设计在该位置处设有径向台阶，其中该台阶具有大体上与径向方向对准的台阶壁。根据本申请的实施例，排放扩散器100包括外伸台阶116，如下面进一步讨论的那样，其用于最小化或捕获或抑制该区域中的涡流发展。外伸台阶116通常包括台阶壁118， 其径向向内地并沿上游方向倾斜，从而下切内腔壁112的后部部分，如在图1至图3的截面图中所示的那样。更具体而言，外伸台阶116包括台阶壁118，其从内扩散器壁102的后唇部113处的起点沿某一方向倾斜，该方向包括向内方向分量和轴向-上游方向分量。在一端，台阶壁118连接至内扩散器壁102，并且在另一端，在前边缘(在本文中被称为转储腔前边缘119的位置)处连接至内腔壁112。应当理解，根据本申请的实施例，转储腔前边缘 119的轴向位置在后唇部113的轴向位置的前方。当然，这种构造形成外伸台阶116，而外伸台阶116又产生流动态，其在发动机的操作期间减少通过扩散器100的涡流的形成。如所示的那样，台阶壁118可为平的，并且关于径向参考线在截面中大体上形成角度306，其在图3中特别地示出。如本文所用的这样，该角度可被称为台阶壁角306。通常，如所阐述的那样，台阶壁118与径向参考线对准，并且因此台阶壁角306为大约0°。在其它常规设置(未示出)中，台阶壁118关于径向参考线形成正的角度，如本文所使用的那样，这指其中台阶壁118沿后部方向径向向内地倾斜的构造。但是，如本申请中所教导的那样，台阶壁118关于径向参考线形成负的角度，其如所阐述的那样形成外伸或下切。已经发现，具有特定台阶壁角306或处于特定范围的台阶壁角306的构造提供增强的性能。举例而言，在一个优选实施例中，台阶壁角306包括介于大约-20°和-60°之间的范围。更优选地，台阶壁角306包括介于大约-30°和-50°之间的范围。在某些应用中，理想的台阶壁角306包括大约40°。如在下面更详细论述的那样，台阶壁118的倾斜形成涡流捕集器， 其抑制涡流发展并防止涡流与扩散器100的前段101中的流体相互作用。内扩散器壁102的后唇部113可包括若干优选构造。在一种构造中，如图1所示， 后唇部113可具有平滑的圆化的边缘。在另一优选实施例中，如图2中所示，后唇部113可具有锐边缘。在还有另一优选实施例中，如图3所示，后唇部113包括在大体上沿径向对准的平面。这些后唇部113的备选方案已被证明在捕获涡流和降低空气动力损耗方面是有效的。虽然对于后唇部113的这些所述的构造展示了优选实施例，但是，应当理解，其它构造也是可能的。在一优选实施例中，如所示的那样，台阶壁118与内腔壁112之间形成的连接的形状包括圆化的圆角区域。应当理解，这可防止应力集中。其它构造也是可能的。
此外，已经通过流样式的实验和计算机建模发现某些尺寸比其它尺寸在控制或限制涡流形成方面尤其更有效。图3有助于描述扩散器100内的示例性涡流捕集器300的不同部分的示例性尺寸。举例而言，外伸台阶116的径向高度312可在大约4英寸与6英寸之间。更优选地，该径向高度312可为大约4. 4英寸。在某些实施例中，过渡台阶114与后唇部113之间的距离302可为大约3. 5英寸至4. 5英寸。更优选地，该距离302可为大约 4英寸。在某些实施例中，后唇部113(参见图3)的平边缘的高度304可在大约0英寸与1 英寸之间。更优选地，该高度304可为大约0.5英寸。在某些实施例中，在台阶壁118与内腔壁112之间形成的弧形的半径308可在大约0. 5英寸与2英寸之间。更优选地，该半径 308可为大约1英寸。此外，过渡台阶114的高度310可在大约0.2英寸与1英寸之间。更优选地，该高度310可为大约0. 5英寸。上述尺寸被优化以最大程度地减少由于涡流(未示出)的发展引起的总损耗并且限制涡流与上游流体流的相互作用。应当理解，这些尺寸可取决于应用而改变，并且它们仅代表优选的实践方法。图4示出了常规扩散器400内的流体流样式及其实验结果。常规扩散器400包括第一通路106和第二通路108，压缩流体通过它们行进至转储腔110，如由箭头所示的那样。 台阶402具有大体上沿径向方向定向的台阶壁，该台阶402将内扩散器壁102连接至转储腔110的内腔壁112，转储腔110相对于内扩散器壁102在内侧。转储腔110具有最高的扩散梯度，从而导致涡流产生。随着流体进入转储腔110，涡流404(其由阴影区域表示)在台阶402附近形成。随着流体向下游流动，涡流404发展，并开始与常规扩散器400的前段中的流体相互作用。在转储腔110中反向的流体流攀爬台阶402(其大体上为垂直的壁)，并且因此与上游流相互作用并促进涡流404的进一步发展。该相互作用可在图4中看出，其中流体被显示为进入第二通路108。涡流404的这种发展增加转储腔110上游的流，从而导致重大损耗以及差的预-扩散器和CDC性能。图5描绘了根据本申请的一个实施例的扩散器100内的流体流样式及其实验结果。如所论述的那样，第一腿部118可径向向内地并沿上游方向倾斜，从而使得第一腿部 118下切内扩散器壁102的一部分。此外，后唇部113可具有相对于转储腔前边缘119的轴向位置在后方的轴向位置。图5示出了在台阶壁118附近形成的缓和的涡流502。台阶壁 118的倾斜在转储腔110中形成涡流捕集器，从而抑制缓和的涡流502的发展并防止其与扩散器100的前段101相互作用。与图4中的与第二通路108具有显著相互作用的涡流404 相比，图5显示缓和的涡流502与第二通路108明显分离。该比较显示扩散器100的这种设计方式可阻止缓和的涡流502发展并且可基本上使缓和的涡流502与上游流体流分离。应当理解，扩散器100的设计还有助于跨过过渡件504的均勻的流分布并防止过热点的形成。所得到的流场降低总的损耗并改进扩散器100的性能。此外，抑制缓和的涡流 502减缓了对于在压缩机处具有均勻的流分布的严苛需要，同时不会不利地影响性能。CDC 中降低的损耗还可允许压缩机或燃烧器设计期间更高的损耗裕度(margin of loss)，从而提供显著的性能益处和经济益处。表1比较了常规扩散器400的性能与扩散器100的性能。考虑四种情形，在压缩机的第十四定子(S14)处设置不同泄漏水平，该泄漏在S14处的翼型件与CDC之间。S14处的0. 3%的泄漏是对于本示例的设计点。根据下面的公式1测量压力损失
权利要求
1.一种燃气涡轮发动机中的排放扩散器，所述燃气涡轮发动机包括压缩机、燃烧器和涡轮，所述排放扩散器包括前段(101)和转储腔(110)，所述前段(101)设置为用以将来自所述压缩机的排放物引导至所述转储腔(110)；内扩散器壁(102)，所述内扩散器壁(10 限定所述前段(101)的内径向流路径；以及外扩散器壁(104)，所述外扩散器壁(104)限定所述前段(101)的外径向流路径；其中，在所述内扩散器壁(10 的后唇部(11 处，所述排放扩散器包括外伸台阶 (116)。
2.根据权利要求1所述的排放扩散器，其特征在于，所述外扩散器壁(104)向外扩展使得所述内扩散器壁(10 和所述外扩散器壁(104)限定加宽的流路径，并且所述后唇部 (113)包括所述内扩散器壁(10 的下游终止点；其中，所述转储腔(110)包括位于所述前段(101)的扩展的内扩散器壁和外扩散器壁 (102,104)下游的增加体积的区域，并且，其中，所述转储腔(110)设置为围绕所述燃烧器的至少一部分。
3.根据权利要求1所述的排放扩散器，其特征在于，所述外伸台阶(116)包括台阶壁 (118)，所述台阶壁(118)从所述前段(101)的所述后唇部(113)延伸至所述转储腔(110) 的内腔壁(112)，所述内腔壁(11 包括所述转储腔(110)的内径向边界。
4.根据权利要求3所述的排放扩散器，其特征在于，所述台阶壁(118)包括径向台阶， 所述径向台阶从所述内扩散器壁(10 的所述后唇部(11 处的起始点沿包括向内方向分量和轴向-上游方向分量的方向倾斜。
5.根据权利要求3所述的排放扩散器，其特征在于，所述外伸台阶(116)包括径向台阶，所述径向台阶从所述后唇部(11 径向向内地并沿上游方向倾斜，从而使得所述径向台阶下切所述内扩散器壁(10 的一部分。
6.根据权利要求1所述的排放扩散器，其特征在于所述转储腔(110)包括内腔壁(112)，所述内腔壁(11 限定所述转储腔(110)的内径向边界；以及，所述外伸台阶(116)包括台阶壁(118)，所述台阶壁(118)将所述内扩散器壁(102)连接至所述内腔壁(112)。
7.根据权利要求6所述的排放扩散器，其特征在于，所述内腔壁(112)包括相对于所述内扩散器壁(102)在内侧的位置；其中，所述外伸台阶(116)的径向高度包括所述内腔壁(11 在所述内扩散器壁(102) 内侧的距离；并且，其中，所述台阶壁(118)在一端在所述后唇部(11 处连接至所述内扩散器壁(102)， 并且在另一端在转储腔前边缘(119)处连接至所述内腔壁(112)。
8.根据权利要求7所述的排放扩散器，其特征在于，所述外伸台阶(116)设置为使得所述后唇部(11 包括相对于所述转储腔前边缘(119)的轴向位置在后方的轴向位置。
9.根据权利要求8所述的排放扩散器，其特征在于所述台阶壁(118)包括大体上平的形状；台阶壁角(306)包括形成于所述台阶壁(118)的平面与径向定向的参考线之间的角度；以及，所述外伸台阶(116)设置为使得所述台阶壁角(306)包括介于20度与60度之间的范围。
10.根据权利要求8所述的排放扩散器，其特征在于 所述台阶壁(118)包括大体上平的形状；台阶壁角(306)包括形成于所述台阶壁(118)的平面与径向定向的参考线之间的角度；以及，所述外伸台阶(116)设置为使得所述台阶壁角(306)包括介于30度与50度之间的范围。
11.根据权利要求8所述的排放扩散器，其特征在于，所述后唇部(11 包括圆化的边缘、锐边缘以及径向对准的平边缘的其中一种；并且，其中，所述转储腔前边缘(119)包括圆角边缘。
12.根据权利要求8所述的排放扩散器，其特征在于，所述外伸台阶(116)的径向高度包括4英寸至6英寸；所述排放扩散器还包括位于所述内扩散器壁(10 上的过渡台阶(114)； 其中，位于所述内扩散器壁(102)上的过渡台阶(114)以及所述后唇部(113)之间的距离包括3. 5英寸至4. 5英寸；并且，其中，所述过渡台阶(114)的径向高度包括大约0.5英寸。
全文摘要
本发明涉及关于燃气涡轮发动机中的扩散器的系统和装置。具体而言，一种排放扩散器包括前段(101)和转储腔(110)，前段(101)设置为用以将来自压缩机的排放物引导至转储腔(110)；内扩散器壁(102)，其限定前段(101)的内径向流路径；以及，外扩散器壁(104)，其限定前段(101)的外径向流路径；其中，在内扩散器壁(102)的后唇部(113)处，该排放扩散器包括外伸台阶(116)。
文档编号F04D29/44GK102425571SQ20111022186
公开日2012年4月25日 申请日期2011年7月29日 优先权日2010年7月30日
发明者D·D·南达 申请人:通用电气公司