CN101680305A - 扩压装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种流体可以通过它流动的扩压装置(1)，包括一个有内表面的外扩压器(2)和一个流动加速装置(9)，它设计为使至少部分在外扩压器内表面(8)上形成的边界层流可以沿主流方向加速，从而抑制在外扩压器内表面(8)上的流动分离。此外，汽轮机的排汽腔或燃气轮机的排气腔包括这种扩压装置(1)。

Description

扩压装置
本发明涉及一种扩压装置和尤其涉及包括这种扩压装置的汽轮机排汽腔或燃气轮机排气腔。
扩压器是一个可以流过流体的通道，它在无流动分离通流的同时通过横截面扩张使流体减速，以及按照伯努里定理降低流体动压有利于静压。
扩压器的质量通过压力恢复系数表达，它由
CP＝(P出口-P进口)/(P总，进口-P进口)
以及总压或滞止压力P总，进口、扩压器进口静压P进口和扩压器出口静压P出口决定。
例如在管道中的扩压器应用于压力恢复或横截面扩张的连续平稳地过渡(过渡扩压器)。对于有圆形横截面的管道，扩压器设计为轴对称。图4表示一个轴对称扩压器101的纵剖面以及示意表示其中发生的典型的流动。扩压器101有进口截面102和出口截面103，它们的面积比大于1。在扩压器101上游设圆柱形流入管，入流108通过它流动，在扩压器101下游设圆柱形流出管，出流109通过它流动。
由于流体附着在扩压器壁上，所以在壁附近的流动形成边界层。图4所示扩压器101的下半部分中表示沿主流方向的五个特征速度剖面110至114，其中前两个速度剖面110、111表示流入管内壁附近的流动，以及在上游后的三个速度剖面112至114表示扩压器101内在壁附近的流动。
因为在扩压器101中流动减速，所以沿流动方向的主流其流速降低，由此在满足热力学第一定理的条件下，沿流动方向的流体静压相应提高。按照普兰德特尔边界层理论，在边界层内横向于流动方向的静压是常数。
基于扩压器101的减速作用和在扩压器壁上的附着条件，在壁附近流体的流动速度下降。在渡过了一定的流动距离后，横向于和在扩压器壁上的流速梯度为零。这一位置是表示在边界层剖面113内的流动分离点105。
在分离点105内，流体从扩压器壁朝扩压器101中心运动，以及在分离点105下游的壁附近形成逆流，它造成分离气泡106。分离气泡106导致扩压器101有效的通流截面变窄，从而使分离气泡106区域内的主流加速。由此提高主流中的动能，流体在出口管内重新接触再接触点107。
图4所示扩压器101的开度，决定性地确定了分离气泡106的形状和大小以及分离点105和可能出现的再接触点107的位置。扩压器101的开度越大，分离点105处于越上游。
与流体在其中完全贴靠壁的扩压器相比，由于扩压器101有效的通流截面变窄，所以分离气泡106降低了扩压器101的压力恢复效果。
为了在扩压器内造成层状的边界层流，由公开文件DE1628337已知一种安装在轮毂上的叶轮，它的被扩压器板包裹的叶片在叶尖通过一个环连接。在此环上的一圈导向叶片设置为，在保持由扩压器板导引的边界流的同时，它们扩张从叶轮流出的射流。除导向叶片外这尤其这样达到，即所述环有相应的横截面形状，这种形状有利于夹带的流束的流动并将其高速吹出。
此外为了避免在扩压器内流动分离，由JP08260905已知一种平行于扩压器壁布置沿流动方向延伸的管。基于扩压器发散的横截面以及与之平行的相应地发散的管，所以增大在扩压器壁与管之间形成的环形通道的流动截面，从而使在环形通道中流动的介质减速。
汽轮机或燃气轮机在部分负荷、基本负荷和过负荷下运行。在汽轮机或燃气轮机设计和建造时，它们各个部件例如鉴于效率或气动力学或热动力学的有效性，只在唯一的工作点才能优化几何设计。其结果是，在与设计工作点不一致的其他工作点，这些部件并不能最佳工作。
这种情况也涉及汽轮机的排汽腔或燃气轮机的排气腔。排汽腔或排气腔按惯例设计为轴向扩压器。
通常轴向扩压器针对基本负荷优化几何设计，所以在部分负荷和过负荷时轴向扩压器不能最佳工作。
优化设计时，轴向扩压器的进口存在比出口低的静压。通过降低扩压器进口(同时意味着是叶片组出口)的压力，使最后那个工作叶环输出更大的功率。
在部分负荷区内时流过轴向扩压器流体的质量流量小于在基本负荷区内时的质量流量，因此在基本负荷区内时轴向扩压器内的平均流速高于在部分负荷区内时的平均流速。由此在部分负荷区轴向扩压器内的流动比在基本负荷区轴向扩压器内出现的流动更倾向于分离。
因此在部分负荷区时轴向扩压器内的压力恢复与基本负荷时的压力恢复相比较小。其结果是，与在基本负荷时的涡轮功率相比，在部分负荷时涡轮功率减小。燃气轮机扩压器压力恢复改善CP＝0.1的影响，由Farohki估算输出的涡轮功率为0.8％。这种关系类似地适用于轴流式汽轮机。
在这里可以采取措施做到减小轴向扩压器的开度，因为由此使流体不那么剧烈地减速，从而不那么强烈地倾向于分离。但是这样一来使轴向扩压器的结构长度加长，不利地增大汽轮机或燃气轮机总的结构长度。
本发明的目的是创造一种扩压装置，它的压力恢复高以及其结构长度小。
按本发明的可供流体流过的扩压装置包括一个有内表面的外扩压器和一个流动加速装置，后者设计为使至少部分在外扩压器内表面上形成的边界层流可以沿主流方向加速，从而抑制在外扩压器内表面上的流动分离。
若流体通过外扩压器流动，则它沿主流方向减速，因此在外扩压器内表面上形成的边界层流原则上倾向于分离。分离从一个流体动能为零的地点出发。
借助按本发明的流动加速装置，至少部分在壁附近的流体加速，从而增大壁附近流动的动能。由此使壁附近流动的动能无处为零，从而防止在外扩压器内表面上流动分离。因此扩压装置有高的压力恢复。
此外，扩压装置的外扩压器可具有大的开度，但在其中并不会出现流动分离。因此外扩压器并因而扩压装置有较小的结构长度。
所述流动加速装置有一个导流装置，该导流装置在外扩压器内部延伸，并以其面朝外扩压器内表面的外表面和外扩压器内表面的一段构成一个喷嘴管道。所述部分边界层流可通过该喷嘴管道流动。
流动加速装置由喷嘴管道构成，它由导流装置在与外扩压器内壁的配合作用确定。由此达到，紧邻外扩压器内表面的壁附近的流体，也就是说，正是那部分原本有低动能的流体得到加速。从而有效地抑制在扩压装置内的流动分离。
优选地，导流装置将其背对其外表面的内表面构成一个内扩压器，流体可以通过该内扩压器流动并在此过程中沿主流方向减速。
因此除了在外部区内的喷嘴效果外，导流装置在内部区内还有扩压作用，所以流体通过扩压装置强烈减速。由此达到按本发明的扩压装置有高的压力恢复。
此外优选地，导流装置沿主流方向的长度处于外扩压器沿主流方向长度的5％至40％范围内。
因此导流装置完全设在外扩压器的内部，以及可以准确地定位在外扩压器内壁的那个预期流体的流动可能在这里分离的区域内。因此，所述导流装置可以有针对性地设置在有流动分离危险的区域内，从而有效地抑制流动分离，同时还能使得该导流装置对主流的干扰很小。
优选地，外扩压器和导流装置设计为轴对称并绕一条公共的对称轴线同心布置。
此外也优选的是，喷嘴管道设计为环形通道。
据此，有利地将扩压装置构造成一种包括多个扩压器和一个喷嘴的装置。这一装置由串联的三个扩压器，亦即导流装置上游的外扩压器区域、导流装置的内扩压器以及导流装置下游的外扩压器区域，和一个与导流装置的内扩压器并联的喷嘴管道构成。由此实现外扩压器的一种紧凑、简单和有效作用的划分，与此同时使扩压装置具有紧凑的结构形式。
优选地，导流装置设计为一块直的导板。
由此有利地使导板可以经济地生产。
与之不同也可优选将导流装置设计为具有一种气动型面。
由此使导流装置有低的流动阻力。
此外优选地导流装置布置在外扩压器通道高度的80％至100％区域内。
由此有利地将导流装置有效并因而有高的气动力效果地定位在壁附近的流体内。
此外将导流装置优选地布置在外扩压器进口截面的区域内。
由此可以有利地使在外扩压器内的进口流动从导流装置起已经在边界层区域内有加速流动，因此它在沿外扩压器内表面延伸的过程中不倾向于分离。
此外优选地，导流装置安装成可相对于主流回转。
由此有利地达到，可参照在外扩压器内部当时的流动状况，将导流装置通过回转个性化地调整为，使导流装置有高的气动力效果。
优选地，汽轮机的排汽腔或燃气轮机的排气腔有按本发明的扩压装置。
此外优选地，流动加速装置设置在外扩压器的进口区内表面处。
下面借助所附示意图说明按本发明的扩压装置优选的实施例。其中：
图1表示通过扩压装置第一种实施例的纵剖面；
图2表示通过扩压装置第二种实施例的纵剖面；
图3表示通过扩压装置第三种实施例的纵剖面；以及
图4表示扩压器纵剖面和流动状况示意图。
如图1所示，扩压装置1有外扩压器2，它绕其对称轴3设计为旋转对称。外扩压器2的进口截面4处于与对称轴3垂直的平面内，入流5通过它流入外扩压器2中，以及其出口截面6处于另一个与对称轴3垂直的平面内，出流7在出口截面6从外扩压器2排出。外扩压器2有一个内表面8，它构成外扩压器2内腔的边界。
外扩压器2设计为直的扩压器，也就是说外扩压器2的内表面8形成一个截锥体，其中，进口截面4的横截面积小于出口截面6的横截面积。
在外扩压器2的内部设导流装置9。导流装置9设计为其纵剖面呈细长形的导板，它与外扩压器2同心地绕外扩压器2对称轴3旋转对称设置，构成一个沿流动方向收缩的截锥形环形通道的边界。
导流装置9在其外圆周上有外表面10，它相对于外扩压器2的内表面倾斜为，使得在导流装置9与外扩压器2之间构成的环形腔，在垂直于对称轴3平面内的横截面沿流动方向变小。
也就是说，导流装置9的外表面10与外扩压器2的内表面8中与之对置的一段配合作用，使处于导热装置9与外扩压器2之间的环形通道构成一个喷嘴管道11。因此外扩压器2内表面8的这一面朝导流装置9外表面10的区段，是喷嘴管道11的内表面12。
导流装置9在上游以其前缘13为界，以及在下游以其后缘14为界。喷嘴管道11的进口截面15处于导流装置9前缘13至外扩压器2内表面8的区域内，以及喷嘴管道11的出口截面16处于导流装置9后缘14至外扩压器2内表面8的区域内，在这里，进口截面15的横截面积大于出口截面16的横截面积。
背对导流装置9的外表面10，导流装置有构成内扩压器18的内表面17。导流装置9的前缘13设在一个垂直于对称轴3的平面内，并构成内扩压器18的进口截面19，以及导流装置9的后缘14设在一个垂直于对称轴3的平面内，并构成内扩压器18的出口截面20，在这里，进口截面19的横截面积小于出口截面20的横截面积。
由图2可见导流装置9的气动效应。按图2，导流装置9设计为有流动造型的环形导板。
为了说明在扩压装置1中的流动状况，图2在导流装置9的区域内画有流线21，并表示了在导流装置9上游的速度剖面22、在导流装置9后缘14的速度剖面23以及在导流装置9下游的速度剖面24。
流线21沿主流方向有收敛的变化过程，由此表明通过导流装置9引起的流动加速。在外扩压器2内表面8上壁面法向的速度梯度，在导流装置9上游的速度剖面22中比在导流装置9后缘14的速度剖面23中平坦，而它比在导流装置9下游的速度剖面24的壁面法向速度梯度平坦。
由此表明，被导流装置9通过喷嘴管道11导引的流体加速(动能化)。因此导流装置9局部提高在外扩压器2内表面12附近的流动速度。在这种情况下高能的流动物质从核心流朝外扩压器2内表面12方向偏转，并因而导向外扩压器2内表面12上的边界层。这种动能化的结果是，在外扩压器2内表面12上的边界层可以克服沿主流方向较大的正压力梯度，不会从外扩压器2内表面12分离。
由此，外扩压器2对早期分离现象做出良好的反应。因此通过在外扩压器2内配备导流装置9，达到外扩压器2高的压力恢复。
图3表示燃气轮机设计为外扩压器2的排气腔。外扩压器2设在涡轮转子25下游，它将从涡轮转子25排出的气流，从外扩压器2的进口截面4进一步导向外扩压器2的出口截面6并取得压力恢复。
涡轮转子25有一个涡轮转子轮毂26，从该涡轮转子轮毂26进一步延伸出外扩压器的圆柱形轮毂27。
涡轮转子25有许多涡轮转子叶片28，它们在其径向外端有叶尖29。涡轮转子25被涡轮机匣30包围。在涡轮转子25区域内它绕其旋转轴(未表示)旋转，而涡轮机匣30保持位置固定。因此在涡轮转子叶尖29与涡轮机匣30之间设有间隙31，使涡轮转子叶尖29在涡轮转子25运行时不会触及涡轮机匣30。
为避免工作叶片触及涡轮机匣30并因而防止损坏，在转子叶片28与机匣30之间作为间隙31(所谓游隙)的最小间距是必要的。通过此间隙，部分质量流不输出功率地在转子叶片28旁流过，以及导致边界层动能化。取决于间隙31是否设计有密封装置，可以流过或多或少质量流。为了避免随后在扩压器内分离或为了强烈减速，期望边界层通过导流装置9进一步动能化。
按图3，通过将导流装置9在外扩压器进口截面4区域内设在外扩压器2内表面8附近，提供了补救措施。受漏流干扰的边界层被导流装置9在外扩压器8内表面上沿主流方向加速，提高在此流动区内的动能。由此达到在外扩压器2内的流体不在外扩压器2内表面8上分离。从而使在外扩压器2内的流动损失低，外扩压器2的压力恢复高。

Claims (13)

1.一种可供流体流过的扩压装置(1)，包括一个有内表面的外扩压器(2)和一个有导流装置(9)的流动加速装置，其中，所述导流装置(9)在外扩压器(2)内部延伸，并以其面朝外扩压器(2)内表面(8)的外表面(10)和外扩压器(2)内表面(8)的一段构成一个喷嘴管道(11)，使至少部分在外扩压器(2)内表面(8)上形成的边界层流可以沿主流方向加速，从而抑制在外扩压器(2)内表面(8)上的流动分离。
2.按照权利要求1所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)有一个可以流入流体的前缘(13)和一个与其对置的可流出流体的后缘(14)，以及，进口截面(15)处于外扩压器(2)内表面(8)与导流装置(9)前缘(13)之间，出口截面(16)处于外扩压器(2)内表面(8)与导流装置(9)后缘(14)之间，其中，进口截面(15)的横截面积大于出口截面(16)的横截面积。
3.按照权利要求1或2所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)以其背对其外表面(10)的内表面(17)构成一个内扩压器(18)，流体可以通过该内扩压器(18)流动并在此过程中可沿主流方向减速。
4.按照权利要求1、2或3所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)沿主流方向的长度处于外扩压器(2)长度的5％至40％范围内。
5.按照权利要求1至4之一所述的扩压装置(1)，其中，所述外扩压器(2)和所述导流装置(9)设计为轴对称并绕一条公共的对称轴线(3)同心布置。
6.按照权利要求1至5之一所述的扩压装置(1)，其中，所述喷嘴管道(11)设计为环形通道。
7.按照权利要求1至6之一所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)设计成一块直的、在纵剖面内呈细长形的导板或设计成具有一种气动型面。
8.按照权利要求1至7之一所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)布置在所述外扩压器(2)通道高度的80％至100％区域内。
9.按照权利要求1至8之一所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)布置在所述外扩压器(2)的进口截面(4)区域内。
10.按照权利要求1至9之一所述的扩压装置(1)，其中，所述外扩压器(2)设计成基本上直的扩压器。
11.按照权利要求1至10之一所述的扩压装置(1)，其中，所述导流装置(9)可相对于主流方向回转地被支承安装。
12.一种汽轮机的排汽腔，它有一个按照权利要求1至11之一所述的扩压装置(1)。
13.一种燃气轮机的排气腔，它有一个按照权利要求1至11之一所述的扩压装置(1)。
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