CN102235387A - 用于燃气涡轮系统的扩散器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于燃气涡轮系统的扩散器。公开了一种用于燃气涡轮系统(10)的具有纵向轴线(90)的扩散器(20)。该扩散器(20)包括多个扩散器管道(30)。该多个扩散器管道(30)中的各个围绕该纵向轴线(90)环形地布置，并具有入口(32)、出口(36)和在该入口(32)与该出口(36)之间延伸的通道(34)。该多个扩散器管道(30)中的各个的出口(36)从相应的扩散器管道(30)的入口(32)切向地偏移。该多个扩散器管道(30)中的各个被构造为使气流(80)从中流过，从而降低该气流(80)的速度。

Description

用于燃气涡轮系统的扩散器
技术领域
本文公开的主题大体上涉及燃气涡轮系统，且更具体而言，涉及燃气涡轮系统中的扩散器。
背景技术
燃气涡轮系统广泛地应用于诸如动力产生的领域。传统的燃气涡轮系统包括压缩机段、燃烧器段以及至少一个涡轮段。压缩机段构造为当空气流过该压缩机段时压缩该空气。之后使这些空气从该压缩机段流向燃烧器段，此处这些空气与燃料混合并燃烧而产生热气流。该热气流提供给涡轮段，该涡轮段通过这样一种方式利用该热气流：即从热气流中提取出能量来向该压缩机、发电机以及其它各种负载提供动力。
在传统的燃气涡轮系统中，在压缩机段中压缩的空气流以相对较高的速度从该压缩机段排出。该空气流的速度一般应该减小为最适宜进入燃烧器段的速度。因此，典型的已知压缩机段包括如图2所示的轴向扩散器19，其起作用来减小离开该压缩机段的空气流的速度。
在燃气涡轮系统中利用典型的已知扩散器可使该燃气涡轮系统经受多种问题。例如，已知的扩散器在空气流沿着燃气涡轮系统的大体纵向轴线90行进时典型地扩散该空气流。然而，离开压缩机段的空气流一般具有“离开漩涡”组分，意指随着空气流以大体上纵向的方向行进，其以大体旋转的方向行进，带有切向和径向流组分。为了在空气流进入轴向扩散器19之前减小该离开漩涡，典型地在压缩机段中的轴向扩散器19的上游布置一片导向叶片28或多片导向叶片28。导向叶片28被设计为用以减小离开漩涡。然而，与使用导向叶片28来减小离开漩涡相关联的是显著的空气流压降，其会导致燃气涡轮系统的性能和效率损失。此外，如图2所示，当空气流离开典型的轴向扩散器19之后，该空气流在其流向燃烧器段时必须多次改变方向。与每一次方向改变相关联的是进一步显著的空气流压降，因此导致燃气涡轮系统的性能和效率的进一步损失。
因此，在本领域中将期望有减小空气流压降的扩散器。另外，利用与空气流相关联的离开漩涡来将该空气流导向燃烧器段的扩散器将会是有利的。此外，将期望有消除了压缩机段中对导向叶片的需求的扩散器。
发明内容
本发明的一些方面和优点将会在下文的描述中部分地阐明，或者它们根据该描述可以是显然的，或者可以通过对本发明的实施来了解它们。
在一个实施例中，公开了用于燃气涡轮系统并具有纵向轴线的扩散器。该扩散器包括多个扩散器管道。该多个扩散器管道中的各个围绕纵向轴线环形地布置，并具有入口、出口和在该入口和该出口之间延伸的通道。该多个扩散器管道中的各个的出口从相应的扩散器管道的入口切向地偏移。该多个扩散器管道中的各个被构造为使气流从中流过而减小该气流的速度。
通过参考下文的描述和所附的权利要求，本发明的这些和其它特征、方面和优点将得到更好地理解。结合在本申请文件中并构成其一部分的附图示出了本发明的实施例，其与这些描述一起用来解释本发明的原理。
附图说明
本申请文件阐明了针对本领域技术人员而言本发明的完整且可实施的公开，包括其最优模式，本公开参考了附图，其中：
图1是本公开的燃气涡轮系统的示意图；
图2是已知燃气涡轮系统的截面图；
图3是本公开的扩散器的一个实施例的分解透视图；
图4是本公开的扩散器管道的一个实施例的透视图；
图5是本公开的扩散器的一个实施例的主视图；以及
图6是本公开的扩散器的另一实施例的主视图。
部件列表：
燃气涡轮系统10
压缩机段    12
燃烧器段    14
涡轮段      16
轴          18
轴向扩散器  19
扩散器      20
气室        22
燃烧器罐    24
导向叶片    28
扩散管道    30
入口        32
通道        34
出口        36
第一导向部分40
第二导向部分42
气流        80
纵向轴线    90
切向轴线    92
径向轴线    94
具体实施方式
现将详细地参照本发明的实施例，实施例的一个或多个实例在附图中示出。各个实例以解释本发明而非限制本发明的方式提供。事实上，对于本领域技术人员来说将显然的是，可以不脱离本发明的范围或实质而在本发明中作出多种修改和变化。例如，作为一个实施例的部分而示出或描述的特征可以与另一实施例一起使用以产出另外的其它的实施例。因此，本发明意图覆盖处于所附权利要求及其等价物的范围之内的这样的修改和变化。
图1是燃气涡轮系统10的示意图。该系统10可以包括压缩机段12、燃烧器段14以及涡轮段16。更进一步，该系统10可以包括多个压缩机段12、燃烧器段14以及涡轮段16。压缩机段12和涡轮段16可以由轴18联接。该轴18可以是单根轴或者联接在一起而形成轴18的多根轴段。该燃气涡轮系统10可以具有中心纵向轴线90。例如，该轴18可以沿该轴线90纵向地布置。
压缩机段12可以在气流80流过该压缩机段12时压缩该气流80。该气流80可以是诸如空气或者任何其它合适的气体。如下面所讨论的，之后该压缩机段12可以使气流80流向燃烧器段14，该燃烧器段14可以被构造为接收该气流80。
当气流80被压缩之后流过压缩机段12时，该气流可以相对于纵向轴线90以大体上纵向的方向流动。然而，该气流80一般还可以包括其它的流组分。例如，在被压缩之后该气流80可以具有在本技术领域中共同地已知为“离开漩涡”的流组分。因此，该气流80可以以大体上切向的方向流动，并且还可以以大体上径向的方向流动。
在多种实施例中，压缩机段12可以包括至少一个导向叶片28。该导向叶片28可以减少离开漩涡，从而减少该气流80的切向和径向的流组分。然而在本公开的示例性的实施例中，压缩机段12可以没有导向叶片28。
如图3至图6所示，压缩机段12可以包括扩散器20。如下面所讨论的，该扩散器20可以被构造为以便降低气流80的速度。该扩散器20还可以使气流80大体上流向燃烧器段14。例如，在压缩机段12中被压缩之后，气流80可以流过扩散器20并提供给燃烧器段14。例如，在一个实施例中，气流80可以离开扩散器20进入气室22。之后该气流80可以从该气室22提供给燃烧器段14。备选地，气流80可以离开扩散器20而直接进入燃烧器段14。例如，燃烧器段14可以包括多个燃烧器罐24。此外，在如下面所讨论的一个实施例中，扩散器20可以包括多个扩散器管道30。扩散器管道30中的各个可以与燃烧器罐24联接。燃烧器罐24可以被构造为从多个扩散器管道30中的一个接收气流80。例如，燃烧器罐24中的各个可以与扩散器管道30中的一个流体地连接，使得离开扩散器管道30的气流80立即进入燃烧器罐24，以及因此进入燃烧器段14。
如上文所述，本公开的扩散器20包括多个扩散器管道30。如图3至图6所示，多个扩散器管道30中的各个可以具有入口32、出口36以及在该入口32和该出口36之间延伸的通道。扩散器管道30可以被构造为使气流80从中流过，减小气流80的速度。例如，该多个扩散器管道30中的各个的入口32可以具有大体上小于相应的扩散器管道30的出口36的截面面积的截面面积。入口32和出口36可以具有大体上是圆形或椭圆形的截面、矩形截面、三角形截面，或任何其它合适的多边形截面。此外，应该理解相应的扩散器管道30的入口32和出口36没有必要具有相似形状的截面。例如，在一个实施例中，入口32可以具有大体上是矩形的截面，而出口36可以具有大体上是圆形的截面。
此外，通道34在入口32和出口36之间可大体上呈锥形。例如，在一个示例性的实施例中，通道34可以大体为圆锥形形状。然而备选地，通道34可以具有大体上是矩形的截面、三角形截面，或者任何其它合适的多边形截面。应该理解，通道34的截面形状在通道34从相对较小的入口32向相对较大的出口36呈锥形时可以贯穿该通道34变化。
扩散器管道30可以围绕纵向轴线90以环形阵列布置。因此，当气流80被压缩后以大体上纵向的方向流过压缩机段12并进入扩散器20时，该气流80可以流过入口32而进入扩散器管道30的环形阵列。
多个扩散器管道30中的各个的出口36可以从相应的扩散器管道30的入口32偏移。此处使用的术语“偏移”意指沿着指定的坐标方向间隔开。例如，多个扩散器管道30中的各个的出口36可以从相应的扩散器管道30的入口32切向地偏移，诸如沿着切向轴线92偏移。因为该多个扩散器管道30中的各个的出口36从相应的扩散器管道30的入口32切向地偏移，扩散器管道30可以有利地利用气流80离开漩涡的切向组分来使该气流80流过扩散器管道30。在示例性的实施例中，对切向气流80组分的该利用可以消除对压缩机段12中的导向叶片28的需要。此外，对切向气流80组分的该利用可以防止典型的现有技术的燃气涡轮系统中的、由于当气流80从压缩机段12经过扩散器20流向燃烧器段14时流动方向的改变而引起的该气流80的压降。
另外，在一些示例性的实施例中，多个扩散器管道30中的各个的出口36可以从相应的扩散器管道30的入口32纵向地偏移，诸如沿着纵向轴线90偏移。因为该多个扩散器管道30中的各个的出口36从相应的扩散器管道30的入口32纵向地偏移，该扩散器管道30可以有利地利用气流80的纵向组分来使气流80流过该扩散器管道30。
另外，在一些示例性的实施例中，多个扩散器管道30中的各个的出口36可以从相应的扩散器管道30的入口32径向地偏移，诸如沿着径向轴线94偏移。因为该多个扩散器管道30中的各个的出口36从相应的扩散器管道30的入口32径向地偏移，该扩散器管道30可以有利地利用气流80离开漩涡的径向组分来使该气流80流过该扩散器管道30。
应该理解，切向轴线92和径向轴线94相对于由扩散器20和扩散器管道30限定的圆周对于各个扩散器管道30单独地限定，如图5和图6所示，并且基于以环形阵列布置在扩散器20的纵向轴线90的周围的扩散器管道30的数量，轴线92和94对于围绕扩散器20的圆周的各个扩散器管道30有所不同。
如图4所示，通道34中的各个可以包括第一导向部分40。在示例性的实施例中，该第一导向部分40可以邻近相应的扩散器管道30的入口32布置。然而备选地，该第一导向部分40可以是扩散器管道30的通道34的任何部分。该第一导向部分40可以是通道34的、改变在扩散器管道30内的气流80的总体方向的那部分。例如，第一导向部分40可以被构造为将气流80从大体上是纵向的流动方向导向至大体上是切向的流动方向。备选地，第一导向部分40可以被构造为将气流80从大体上是纵向的流动方向导向至大体上是径向的流动方向、大体上是切向和径向的流动方向、大体上是切向和纵向的流动方向或者大体上是切向、径向和纵向的流动方向。应该理解，在任何总体方向上(诸如在大体上是纵向的方向上)的气流80都可以具有其它的流组分，诸如径向和切向的流组分，并且不限于严格地在所引用的方向上流动。
在气流80通过扩散器管道30的通道34的第一导向部分40之后，该气流80可以继续经过该通道34流向出口36。在一些示例性的实施例中，如图6所示，通道34可以相对于气流80在导向部分40的下游以大体上是直线的方式延伸。因此，在通过通道34的第一导向部分40之后，气流80可以以大体上是直线的方式继续经过通道34。在备选的示例性实施例中，如图3至图5所示，通道34可以相对于气流80在导向部分40的下游以大体上曲线的方式延伸。因此，在通过通道34的第一导向部分40之后，气流80可以以大体上是曲线的方式继续经过通道34。
通道34中的各个还可以包括第二导向部分42。在示例性的实施例中，该第二导向部分42可以邻近相应的扩散器管道30的出口36布置。然而备选地，该第二导向部分42可以是扩散器管道30的通道34的任何部分。该第二导向部分42可以是通道34的、进一步改变在扩散器管道30内的气流80的总体方向的另一部分。例如，第二导向部分42可以被构造为将气流80从大体上是切向的流动方向导向至大体上是纵向的流动方向。备选地，该第二导向部分42可以被构造为将气流80从大体上是径向的流动方向、大体上是切向和径向的流动方向、大体上是切向和纵向的流动方向，或者大体上是切向、径向和纵向的流动方向导向至大体上是纵向的流动方向。应该理解，在任何总体方向上(诸如在大体上是纵向的方向上)的气流80可以具有其它的流组分，诸如径向和切向的流组分，并且不限于严格地在所引用的方向上流动。
应该理解，在气流80通过扩散器管道30的通道34的第二导向部分42之前，该气流80可以经过通道34流向导向部分42和出口36。在一些示例性的实施例中，如图6所示，通道34可以相对于气流80在第二导向部分42的上游以大体上是直线的方式延伸。因此，在通过通道34的第二导向部分42之前，气流80可以以大体上是直线的方式行进经过通道34。在备选的示例性实施例中，如图3至图5所示，通道34可以相对于气流80在第二导向部分42的上游以大体上是曲线的方式延伸。因此，在通过通道34的第二导向部分42之前，气流80可以以大体上是曲线的方式行进经过通道34。
在气流80流过本公开的扩散器管道30的出口36之后，该气流80可以离开扩散器20。在一些示例性的实施例中，气流80可以以大体上切向的方向流动而离开扩散器20。然而应该理解，该气流80可以具有径向和纵向的流组分，并且不限于严格地在切向的方向上流动。备选地，气流80可以以大体上纵向的方向流动而离开扩散器20。然而应该理解，该气流80可以具有切向和径向的流组分，并且不限于严格地在纵向的方向上流动。此外，气流80可以以大体上径向的方向流动而离开扩散器20。然而应该理解，该气流80可以具有切向和纵向的流组分，并且不限于严格地在径向的方向上流动。
如上面所讨论的，在气流80离开扩散器20和压缩机段12之后，该气流80可以进入气室22，或者可以直接进入燃烧器段14。例如，扩散器管道30中的各个可以联接到燃烧器罐24，并且离开各个扩散器管道30的气流80可以进入与该扩散器管道30联接的燃烧器罐24。因此，在示例性的实施例中，扩散器20可以包括(数量)等于燃烧器14中的燃烧器罐24的数量的若干扩散器管道20。例如，在多种实施例中，扩散器20可以包括8、12或16个扩散器管道30，或者任何其它合适数量的扩散器管道30。
本书面说明书使用了实例来公开本发明，包括最优的模式，以及也使得本领域任何技术人员能够实现本发明，包括制造和使用任何装置或系统以及实践任何结合的方法。本发明的可授予专利权的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。这些其它实例，如果它们包括与权利要求的书面语言并无差异的结构元素，或者如果它们包括与权利要求的书面语言并无实质性区别的等价结构元素，则意图在权利要求的范围内。

Claims (14)

1.一种用于燃气涡轮系统(10)的具有纵向轴线(90)的扩散器(20)，所述扩散器(20)包括：
多个扩散器管道(30)，所述多个扩散器管道(30)中的各个围绕所述纵向轴线(90)环形地布置，并具有入口(32)、出口(36)以及在所述入口(32)和所述出口(36)之间延伸的通道(34)，
其中，所述多个扩散器管道(30)中的各个的出口(36)从相应的扩散器管道(30)的入口(32)切向地偏移，
以及其中，所述多个扩散器管道(30)中的各个被构造为使气流(80)从中流过，降低所述气流(80)的速度。
2.如权利要求1所述的扩散器(20)，其特征在于，所述多个扩散器管道(30)中的各个的出口(36)从相应的扩散器管道(30)的入口(32)纵向地偏移。
3.如权利要求1至2中任何一项所述的扩散器(20)，其特征在于，所述多个扩散器管道(30)中的各个的出口(36)从相应的扩散器管道的入口径向地偏移。
4.如权利要求1至3中任何一项所述的扩散器(20)，其特征在于，气流(80)在大体上切向的方向上流动而离开所述扩散器(20)。
5.如权利要求1至4中任何一项所述的扩散器(20)，其特征在于，气流(80)在大体上纵向的方向上流动而离开所述扩散器(20)。
6.如权利要求1至5中任何一项所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个包括邻近相应的扩散器管道(30)的入口(32)布置的导向部分(40)，所述导向部分(40)被构造为将所述气流(80)从大体上纵向的流动方向导向至大体上切向的流动方向。
7.如权利要求6所述的扩散器(20)，其特征在于，所述导向部分(40)还被构造为将所述气流(80)导向至大体上径向的流动方向。
8.如权利要求6所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个相对于所述气流(80)在所述导向部分(40)的下游以大体上是直线的方式延伸。
9.如权利要求6所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个相对于所述气流(80)在所述导向部分(40)的下游以大体上是曲线的方式延伸。
10.如权利要求1至9中任何一项所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个包括邻近相应的扩散器管道(30)的出口(36)布置的导向部分(42)，所述导向部分(42)被构造为将所述气流(80)从大体上是切向的流动方向导向至大体上是纵向的流动方向。
11.如权利要求10所述的扩散器(20)，其特征在于，所述导向部分(42)还被构造为导向来自大体上是径向的流动方向的所述气流(80)。
12.如权利要求10所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个相对于所述气流(80)在所述导向部分(42)的上游以大体上是直线的方式延伸。
13.如权利要求10所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个相对于所述气流(80)在所述导向部分(42)的上游以大体上是曲线的方式延伸。
14.如权利要求1至13中任何一项所述的扩散器(20)，其特征在于，所述通道(34)中的各个大体上为圆锥形形状。
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