CN102536358B - 涡轮排气扩散系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种涡轮排气扩散系统。系统包括旋转部段。旋转部段包括联接到转子的多个叶片、围绕多个叶片设置的护罩和在护罩与多个叶片的每个径向顶端之间的顶端间隙，其中顶端间隙构造成使能够发生顶端泄漏流。该系统还包括扩散器部段，其包括外壁，外壁限定了在多个叶片下游的膨胀流路径。外壁包括第一壁部分，其具有相对于多个叶片的旋转轴线的第一角度，并且顶端间隙构造成通过利用顶端泄漏流沿着外壁维持边界层使能够增大第一角度。

Description

涡轮排气扩散系统
技术领域
本文所公开的主题涉及用于涡轮系统的排气扩散。
背景技术
燃气涡轮系统可包括联接到燃气涡轮发动机的排气扩散器。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。排气扩散器接受来自涡轮的排气，并逐渐地减少压力和速度。不幸的是，排气扩散器经常耗费相当大量的空间。例如，排气扩散器可能与燃气涡轮发动机一样长。因此，执行用于减小排气扩散器的底座(footprint)并因此减小燃气涡轮系统的总的底座的设计策略可以证明是有利的。
发明内容
以下概括了与最初要求保护的本发明范围相称的某些实施例。这些实施例不意图限制所要求保护的本发明的范围，而是这些实施例仅仅意图提供本发明的可能的形式的简要概括。实际上，本发明可包含可与下面提到的实施例类似或不同的各种形式。
根据第一实施例，系统包括燃气涡轮发动机。燃气涡轮发动机包括燃烧部段和联接到燃烧部段的涡轮部段。涡轮部段包括涡轮级(其具有联接到转子的多个涡轮叶片)、围绕多个涡轮叶片设置的固定护罩和在固定护罩与多个涡轮叶片的各个末端之间的间隙。涡轮叶片可具有附连或不附连到其末端的旋转的护罩。燃气涡轮发动机包括联接到涡轮部段的扩散器部段。扩散器部段包括外壁，其限定了在多个涡轮叶片下游的膨胀流路径。外壁包括第一壁部分，其具有相对于多个涡轮叶片的旋转轴线的第一角度，并且该间隙构造成使顶端泄漏流能够沿着外壁激发(energize)边界层。
根据第二实施例，系统包括旋转部段。旋转部段包括多个联接到转子的叶片、围绕多个叶片设置的固定护罩和在固定护罩与多个叶片的各个末端之间的间隙，其中该间隙构造成使能够发生顶端泄漏流。涡轮叶片可具有附连或不附连到其末端的旋转的护罩。该系统还包括扩散器部段，其包括外壁，外壁限定在多个涡轮叶片下游的膨胀流路径。外壁包括第一壁部分，其具有相对于多个叶片的旋转轴线的第一角度，并且该间隙构造成通过利用顶端泄漏流沿着外壁维持边界层使能够增加第一角度。
根据第三实施例，一种方法包括使顶端泄漏流能够在涡轮级的多个涡轮叶片与固定护罩之间经过。该方法还包括利用顶端泄漏流沿着涡轮扩散器的壁激发边界层。
附图说明
当参照附图阅读以下详细的描述时，将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面和优点，其中在所有附图中相似的标号表示相似的部件，其中：
图1是沿着纵向轴线截取的燃气涡轮发动机的横截面的侧视图；
图2是根据一个实施例的图1的燃气涡轮发动机的局部的横截面的侧视图，其显示了在带有无护罩的涡轮叶片的涡轮部段中的顶端间隙和在扩散器部段中的大的角度；
图3是没有间隙的燃气涡轮发动机的一个实施例的局部的横截面的侧视图；
图4是带有第一间隙的燃气涡轮发动机的一个实施例的局部的横截面的侧视图；
图5是带有第二间隙的燃气涡轮发动机的一个实施例的局部的横截面的侧视图；
图6是根据一个实施例的显示在带有大角度的扩散器部段的轴向长度上的压力恢复的曲线图；
图7是根据一个实施例的显示在带有大角度的扩散器部段中的轴向速度对径向位置的曲线图；
图8是根据一个实施例的显示在带有大角度的扩散器部段中的径向速度对径向位置的曲线图；
图9是横向于纵向轴线的在叶片的旋转的被罩住的末端与固定护罩之间具有间隙的燃气涡轮发动机的一个实施例的横截面图；
图10是沿着图9的线10-10截取的带有间隙的燃气涡轮发动机的一个实施例的局部的横截面的侧视图；以及
图11是蒸汽涡轮发动机的局部的横截面的侧视图。
部件列表：
118燃气涡轮发动机
119纵向轴线
120燃烧器
130涡轮
132压缩机
160燃料喷嘴
162燃烧器部段
163进气部段
172过渡件
174第一级
176级
178末级
180叶片
182转子叶轮
184轴
186喷嘴组件
188排气扩散器部段
190扩散器部段的长度
192燃气涡轮发动机的总长
194间隙
196固定护罩
198外壁
200支柱
204叶片末端
206顶端间隙量
208方向
210旋转轴线
211线
212顶端泄漏流
214第一壁部分
216第二壁部分
218第一角度
220第二角度
222入口的直径
224出口的直径
234轴向方向
236大的分离
238第一顶端间隙
240排气流
242更少的分离
244第二顶端间隙
250曲线图
252Y轴
254X轴
256曲线
258曲线
260支柱的前缘
262支柱的后缘
272曲线图
274X轴
276Y轴
277点
278曲线
279低速区域
280曲线
290曲线图
292X轴
294Y轴
296曲线
297点
298曲线
300间隙
302环形护罩
304盖子
306蒸汽涡轮发动机
310外壁
312排气扩散器
314涡轮部段
316多个级
318轴
320入口
322末级
324箭头
326护罩
具体实施方式
下面将描述本发明的一个或更多个特定实施例。为了提供这些实施例的简明的描述，在说明书中可能没有描述实际实施的所有特征。应该理解，在任何这种实际实施的开发中，如在任何工程或设计项目中，必须做出许多特定实施决定以达到开发者的特定目的，例如符合系统相关的和商业相关的约束，其从一个实施到另一个可能变化。此外，应该理解这种开发工作可能是复杂且耗时的，但对于那些受益于本公开的本领域技术人员仍然是承担设计、制造和生产的日常事务。
当介绍本发明的各个实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”和“所述”都意图表示存在一个或更多个元件。词语“包括”、“包含”和“具有”都意图是包括性的并意味着除了列出的元件之外可存在附加的元件。
所公开的实施例指向在涡轮(例如燃气涡轮或蒸汽涡轮)中的顶端泄漏流，以减少从沿着排气扩散器的外壁的流分离。通常可能希望使在旋转叶片的末端与周围的固定护罩之间的间隙最小化，因此使在旋转的叶片上的流体(例如蒸汽或热的气体)的功最大化。然而，可提供一定的间隙量以减少在叶片与固定护罩之间摩擦的可能性。然而，对间隙的这种考虑不涉及在旋转的叶片下游的流体流。如以下所讨论的那样，在旋转的叶片下游可能发生流分离和其它不希望的流体流。所公开的实施例特别调整间隙以控制顶端泄漏流，因此控制在叶片下游的流体流。例如，在多个叶片的叶片末端与设置在叶片周围的固定护罩之间经过的顶端泄漏流沿着排气扩散器的外壁激发边界层，因此允许相对于叶片旋转轴线的大角度被包含到排气扩散器的外壁中。换言之，顶端泄漏流增加了沿着边界层的流速，因此减少或防止了流从排气扩散器的外壁的分离(其通常在使用相对于叶片的旋转轴线的大的角度时发生)，同时还维持排气扩散器的压力恢复。顶端泄漏流在允许排气扩散器中的角度增加的同时还可允许扩散器的长度减少，以及涡轮系统的总的长度减少。
图1是沿着纵向轴线119的燃气涡轮发动机118的一个实施例的横截面的侧视图。如所理解的，顶端泄漏流可用在任何涡轮系统中，例如燃气涡轮系统和蒸汽涡轮系统中，而并不意图局限于任何特殊的机器或系统。如以下所进一步描述的，在燃气涡轮发动机118内可采用顶端泄漏流以沿着排气扩散器的外壁激发边界层，以防止或减少排气与外壁的分离。顶端泄漏流发生于在下游或燃气涡轮发动机118的最末涡轮级中的旋转叶片与周围的固定护罩之间的间隙处。因此，可增加间隙以增加顶端泄漏流，或者可减少间隙以减少顶端泄漏流。所激发的边界层使外壁能够具有相对于涡轮叶片的旋转轴线的大的角度，从而可极大地减少排气扩散器的长度。结果，顶端泄漏流可使排气扩散器能够在底座减小的情况下提供相似的或改进的压力恢复。
燃气涡轮发动机118包括一个或更多个位于燃烧器部段162内部的燃料喷嘴160。在某些实施例中，燃气涡轮发动机118可包括在燃烧器部段162内设置成环形排列的多个燃烧器120。此外，每个燃烧器120可包括多个燃料喷嘴160，其以环形排列或其它排列附连到或靠近每个燃烧器120的头端。
空气通过进气部段163进入并由压缩机132进行压缩。然后将来自压缩机132的压缩空气引导到燃烧器部段162中，在此处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部段162中燃烧以产生高温、高压燃烧气体，其用于在涡轮部段130内产生扭矩。如上面所提到的那样，多个燃烧器120可环形地设置在燃烧器部段162内。每个燃烧器120包括过渡件172，其将热的燃烧气体从燃烧器120引导至涡轮部段130中。具体地，每个过渡件172通常限定了从燃烧器120至涡轮部段130的喷嘴组件的热气体路径，其包括在涡轮130的第一级174中。
如图所示，涡轮部段130包括三个分开的级174、176和178。每个级174、176和178包括联接到转子叶轮182的多个叶片180，转子叶轮182可旋转地附连到轴184。每个级174、176和178还包括直接设置在每组叶片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施加动力到叶片180以使叶片180旋转，由此使轴184旋转。热的燃烧气体流过各个级174、176和178，施加动力到在各个级174、176和178内的叶片180。然后热的燃烧气体可通过排气扩散器部段188离开燃气涡轮部段130。排气扩散器部段188通过减少流体流通过排气扩散器部段188的速度而起作用，同时还提高静压力以增加由燃气涡轮发动机118所做的功。如图所示，排气扩散器部段188具有长度190，其是燃气涡轮发动机118的总长192的一部分。所公开的发动机118提供从涡轮部段180到排气扩散器部段188中的顶端泄漏流以在排气扩散器部段188中激发边界层，因此使能够实现长度190的减少。
在所示的实施例中，末级178包括在多个叶片180的末端与设置在多个叶片180周围的固定护罩196之间的间隙194。间隙194允许顶端泄漏流在排气扩散器部段188的外壁198与热的燃烧气体的流之间激发边界层，由此允许在扩散器部段188中使用大的角度并相对于燃气涡轮发动机118的总长192缩短了扩散器部段188的长度190。在包含顶端泄漏流的某些实施例中，扩散器部段188的长度190可在燃气涡轮发动机118的总长192的大约25至50％、30至45％或35至40％的范围内。例如，扩散器部段188的长度190可占燃气涡轮发动机118的总长192的30、35、40、45或50％，或它们之间的任何百分比。
图2是图1的燃气涡轮发动机118的局部的横截面图，其进一步显示了涡轮部段130中的间隙194和扩散器部段188中所采用的大角度。如上所述，燃气涡轮发动机118包括联接在扩散器部段188上的涡轮部段130。涡轮部段130包括围绕末级178的多个叶片180所设置的固定护罩196。多个叶片180的每个叶片180包括叶片末端204。在一些实施例中，叶片末端204可包括径向顶端204。在其它实施例中，径向末端204可包括旋转的被罩住的末端(见图9和图10)。间隙194存在于多个叶片180的各个叶片末端204与固定护罩196之间以允许顶端泄漏流沿着扩散器部段188激发边界层。在某些实施例中，间隙194的距离206可在大约90至150mils、100至140mils或110至130mils之间的范围内。对于另外的示例，间隙194的距离206可为大约115、120、125、130、135或140mils，或者间隙194在之间的任何距离206。热的燃烧气体以方向208流过级178并施加动力到多个叶片180上以使叶片180围绕旋转轴线210旋转。一些热的燃烧气体在间隙194之间流动，导致由箭头212所指示的顶端泄漏流。
扩散器部段188包括更大的角度以利用顶端泄漏流212。扩散器部段188包括外壁198和径向横跨扩散器部段188设置的支柱200。外壁198限定了在多个叶片180下游的膨胀流路径。外壁198包括第一壁部分214和在第一壁部分214下游的第二壁部分216。第一壁部分214包括相对于多个叶片180的旋转轴线210的第一角度218，如由平行于轴线210的线211所示。在某些实施例中，第一角度218可在大约16至40度、20至40度、20至30度、18至28度或21至23度之间的范围内。例如，第一角度218可为大约16、18、20、22或24度，或它们之间的任何角度。通过间隙194的顶端泄漏流212通过沿着外壁198维持边界层使能够增加第一角度218。类似地，第二壁部分216包括相对于多个叶片180的旋转轴线210的第二角度220，如由平行于轴线210的线211所示。在某些实施例中，第二角度220可在大约6至12度或7至9度之间的范围内。例如，第二角度220可为大约6、8或10度，或它们之间的任何角度。在一些实施例中，第一角度218可在大约20至24度之间的范围内，而第二角度可在大约6至12度之间的范围内。顶端泄漏流212可起作用以主要沿着第一壁部分214以角度218激发边界层，或还沿着第二壁部分216以角度220激发边界层。在任一情况下，顶端泄漏流使能够增加扩散器部段188的平均角度，由此依靠激发边界层而在更短的距离上提供更强的扩散。
包括具有上面测量值的第一角度218通常将在扩散器部段188内引起过度的逆压力梯度，引起从沿着外壁198的早期的流分离，导致扩散器部段188更差的性能。然而，顶端泄漏流212激发了边界层并至少沿着第一壁部分214减少或防止了从外壁198的早期的流分离。顶端泄漏流212允许在扩散器部段188内使用大的第一角度218和扩散器部段188的长度190相对于燃气涡轮发动机118的总长192的缩短，同时相应地仍然维持扩散器部段入口和出口的直径222和224。另外，缩短扩散器部段188的长度190造成扩散器部段188的每单位长度更高的扩散面积比，同时维持扩散器部段188的总的扩散面积用于扩散恢复。结果，结合顶端泄漏流212，大的第一角度218允许在更短的涡轮部段188中至少相同的或改进的压力恢复量和扩散器性能。在某些实施例中，扩散器部段188的长度190的减少可在30至60％的范围内。结果，扩散器部段188的长度190可至少小于燃气涡轮发动机118的总长192的大约15％。
图3-5是图1的燃气涡轮发动机118在线3-3内截取的局部的横截面图，其进一步显示了间隙194如何影响沿着扩散器部段188的外壁198的边界层。如上所述，图3-5的燃气涡轮发动机118包括联接到扩散器部段188的涡轮部段130。涡轮部段130包括围绕末级178的多个叶片180设置的固定护罩196。扩散器部段188包括外壁198和上述大角度，以及径向上设置在扩散器部段188内的支柱200。
图3显示了燃气涡轮发动机118的一个实施例，其在多个叶片180的各个叶片末端204与固定护罩196之间没有间隙194。热的燃烧气体通常在轴向方向234上流过级178并施加动力到多个叶片180以使叶片180旋转。通常，热的燃烧气体的流在径向和轴向方向上沿着扩散器部段188膨胀。然而，在扩散器部段188靠近涡轮部段130的入口处的大角度逆着影响压力梯度，而且减少了气流在扩散器部段188内的轴向和径向速度。气流内的轴向和径向动量的缺乏导致该流的失速和沿着在燃烧气体的流与扩散器部段188的外壁198之间的边界层的早期的大的分离236。
然而，提供一些间隙194减少了沿着边界层的分离的量。图4显示了燃气涡轮发动机118的一个实施例，其在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间具有第一顶端间隙238。第一间隙238允许在多个叶片180的叶片末端204上方发生一些顶端泄漏流212。顶端泄漏流212是一种高动量、高能量的流，其给予了一些附加的动量以直接沿着外壁198引导排气流240。顶端泄漏流212将涡旋和径向动量给予排气流240，由此激发边界层。所激发的边界层导致在燃烧气体的流与扩散器部段188的外壁198之间更少的分离242。
增加间隙194甚至将更大的动量和能量给予燃烧气体的排气流240(例如涡旋和径向动量)。图5显示了燃气涡轮发动机118的一个实施例，其具有比图4的第一间隙238更大的第二间隙244。第二间隙244允许在多个叶片180的叶片末端204上方产生更大量的顶端泄漏流212。在第二间隙244之间的顶端泄漏流212产生比第一间隙238所提供的流更大的高动量、高能量的流240。该顶端泄漏流212将足够的附加动量给予燃烧气体的排气流240以利用扩散器部段188的外壁198激发边界层，并且基本上防止了沿着边界层任何分离的形成。因此，顶端泄漏流212遏制通常由扩散器部段188中的大角度所引起的分离。
图6是在包括上述大角度的扩散器部段188的实施例的轴向长度190上的压力恢复的曲线图250。在曲线图250中，Y轴252代表扩散器部段188的压力恢复，而X轴254代表扩散器部段188的轴向长度190。压力恢复沿着Y轴252从底部至顶部增加。扩散器部段188的轴向长度190沿着X轴254从左至右增加。曲线256代表沿着扩散器部段188的一个实施例的轴向长度190的压力恢复，其中涡轮部段130在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间没有间隙194。曲线258代表沿着扩散器部段188的一个实施例的轴向长度190的压力恢复，其中涡轮部段130在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间具有间隙194。虚线260和262代表柱200沿着散器部段188的轴向长度190的位置。更具体地，虚线260和262相应代表支柱200的缘和后缘。
在不存在间隙194的情况下，曲线256显示了最初沿着扩散器部段188的轴向长度190压力恢复的逐渐增加。如在曲线256中所示，当燃烧气体的流遇到由虚线260代表的支柱200的前缘时，由于流与支柱200的相互作用，压力恢复急剧下降，但随着流接近由虚线262所代表的支柱200的后缘时其恢复并逐渐增加。在支柱200之后，压力恢复沿着扩散器部段188的轴向长度190的剩余部分逐渐增加。
曲线258显示了在存在间隙194的情况下，类似于曲线256，压力恢复最初沿着扩散器部段188的轴向长度190但以更大的速率增加。同样，类似地，如曲线258所示，当燃烧气体的流遇到支柱200的前缘260时，压力恢复的量由于流与支柱200的相互作用而减少，但仅仅轻微地，然后随着流接近支柱200的后缘262而恢复并增加至压力恢复的较高的水平。在支柱200之后，沿着扩散器部段188的轴向长度190的剩余部分，压力恢复保持在压力恢复的较高的水平上。曲线图200显示了在存在间隙194的情况下，如曲线258所示，压力恢复以更大的速率发生并且沿着扩散器部段188的轴向长度190比不存在间隙194的情况(如曲线256所示)更快地达到可获得的最大压力恢复。作为由于间隙194(其允许顶端泄漏流212)的该更早且更大的压力恢复的结果，在扩散器部段188中可使用大的角度，其允许扩散器部段188相对于燃气涡轮发动机118的缩短。
图7和图8显示了在带有大角度的扩散器部段188的实施例中，顶端泄漏流212对在扩散器部段188的入口下游、但在遇到支柱200之前的燃烧气体的流的轴向和径向动量的影响。图7是代表燃烧气体的流的轴向速度与在径向方向上的距离(即，在径向方向上沿着扩散器部段188的长度190而膨胀)的曲线图272。在曲线图272中，X轴274代表轴向速度，而Y轴276代表在径向方向上的距离。在径向方向上的距离沿着Y轴276从底部至顶部增加。燃烧气体的流的轴向速度沿着X轴274从左至右增加。曲线278代表当流在径向方向上在扩散器部段188内膨胀时燃烧气体的流的轴向速度，其中涡轮部段130在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间没有间隙194。曲线280代表当流在径向方向上膨胀时燃烧气体的流的轴向速度，其中涡轮部段130在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间具有间隙194。
曲线278显示了在不存在间隙194的情况下，轴向速度随着燃烧气体的流在径向方向上朝着外壁198膨胀而略微下降，直至流膨胀行进至点277，此处该膨胀导致燃烧气体的流中的轴向速度的突然且显著的损失。轴向速度的该突然的损失由于燃烧气体流的失速(由扩散器部段188内的大角度所引起)而发生。靠近外壁198的低速区域279代表从外壁198的显著的流分离。曲线280显示了在存在间隙194的情况下，当燃烧气体的流在径向方向上膨胀时轴向速度的轻微降低。然而，如曲线280所示，在由于间隙194而存在顶端泄漏流212的情况下，当燃烧气体的流在径向方向上朝着外壁198膨胀时，燃烧气体的流维持轴向速度。因此，曲线280不展示低速区域279。曲线280显示了对燃烧气体的流给予动量和能量以沿着扩散器部段188的外壁198维持边界层(例如防止流的失速和沿着边界层的分离)。因此，顶端泄漏流212使外壁198能够增加，同时基本上防止了流分离。
图8进一步显示了通过顶端泄漏流212激发燃烧气体的流。图8代表燃烧气体的流的径向速度与在径向方向上的距离(即，在径向方向上沿着扩散器部段188的长度190膨胀)的曲线图290。在曲线图290中，X轴292代表径向速度，而Y轴294代表在径向方向上的距离。在径向方向上的距离沿着Y轴294而从底部至顶部增加。燃烧气体的流的径向速度沿着X轴292从左至右增加。曲线296代表当流在径向方向上在扩散器部段188内膨胀时燃烧气体的流的径向速度，其中涡轮部段130在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间没有间隙194。曲线298代表当流以径向方向上膨胀时燃烧气体的流的径向速度，其中涡轮部段130在多个叶片180的叶片末端204与固定护罩196之间具有间隙194。
曲线296显示了在不存在间隙194的情况下，径向速度随着燃烧气体的流在径向方向上朝着外壁198膨胀而略微增加，直至流膨胀行进至点297上，此处该膨胀导致在燃烧气体的流中径向速度的稳定损失。径向速度的损失如同轴向速度的损失一样由于燃烧气体的流的失速(由扩散器部段188内的大角度所引起)而发生。曲线298显示了在由于间隙194而存在顶端泄漏流212的情况下，径向速度随着燃烧气体的流朝着外壁198的膨胀而急剧且明显地增加。径向速度甚至在膨胀期间继续增加，如曲线298所示，经过膨胀点297，其中在曲线296中径向速度降低。曲线298显示了顶端泄漏流212将大量的能量和动量给予燃烧气体的流以增加径向流速，从而在存在大角度的情况下极大地减少或消除沿着扩散器部段188的外壁198的流分离。
如上面所提到的那样，多个叶片180的叶片末端204可包括被罩住的末端204。图9是燃气涡轮发动机118的一个实施例的横截面图，其横向于纵向轴线在被罩住的叶片180的末端204与固定护罩196之间具有间隙300。如图所示，在例如级178中，相邻叶片180的叶片末端204包括被罩住的末端204，其形成周向包围叶片180的环形护罩302。如上面实施例中所述，使用在固定护罩196与环形护罩302之间的间隙300，如上所述可采用顶端泄漏流。
图10是沿着图9的线10-10截取的燃气涡轮发动机118的一个实施例的局部的横截面的侧视图，其进一步显示了在多个叶片180的被罩住的末端204与固定护罩196之间的间隙300。每个被罩住的末端204包括盖子304。如上所述，间隙300允许在多个叶片180的被罩住的末端204上方的顶端泄漏流212。在间隙300之间的顶端泄漏流212产生高动量、高能量的流240。该顶端泄漏流212将足够的附加动量给予燃烧气体的排气流240，以利用扩散器部段188的外壁198激发边界层并且基本上防止沿着边界层的任何分离的形成。因此，顶端泄漏流212遏制通常由扩散器部段188中的大角度所引起的分离。
如上面所提到的那样，顶端泄漏流212可用于蒸汽涡轮系统中。图11是蒸汽涡轮发动机306的局部的横截面的侧视图。类似于燃气涡轮发动机118，对蒸汽涡轮发动机306可采用顶端泄漏流212以沿着排气扩散器312的外壁310激发边界层以防止或减少蒸汽与外壁310的分离。如图所示，蒸汽涡轮发动机306是轴向排气式蒸汽涡轮发动机306。蒸汽涡轮发动机306包括涡轮部段314，其包括多个级316。每个级316包括布置成排的多个叶片180，其周向围绕轴318延伸。每个叶片180包括叶片末端204。在某些实施例中，叶片末端204可包括叶片顶端204。在其它实施例中，叶片末端204可包括被罩住的末端204。每个级314还包括设置在每组叶片180上游的喷嘴组件。蒸汽进入蒸汽涡轮发动机306的入口320中并被引导通过喷嘴组件。喷嘴组件将蒸汽引向叶片180，在这里蒸汽施加动力到叶片180以使叶片180旋转，由此使轴316转动。蒸汽流过每个级316，施加动力到每个级318内的叶片180。蒸汽然后通过排气扩散器部段312离开涡轮部段314。
在所示的实施例，如大致由箭头324指示的，末级322包括在多个叶片80的叶片末端204与围绕多个叶片180设置的护罩326之间的间隙。在某些实施例中，间隙324的距离可在大约100至250mils之间的范围内。如上所述，该间隙允许顶端泄漏流212，并因此允许在扩散器部段312中使用大角度和扩散器部段312相对于蒸汽涡轮发动机306的总长的缩短。扩散器部段312的长度可在蒸汽涡轮发动机306的总长的大约20至60％的范围内，或其之间任何百分比。
在某些实施例中，操作涡轮系统的方法可包括使顶端泄漏流212能够激发边界层并防止在涡轮下游、例如在扩散器部段188中的流分离。例如，该方法可包括使顶端泄漏流212能够在固定护罩196与涡轮级178的多个涡轮叶片180之间经过。该方法还包括利用顶端泄漏流212沿着涡轮扩散器188的壁198激发边界层。该方法还可包括使该流从多个涡轮叶片180在下游方向上径向膨胀通过壁198的第一部分214，其具有至少大于或等于大约16度的角度，其中该激发沿着第一部分214维持边界层。在一些实施例中，该角度可至少大于或等于大约20度。另外，该方法可包括使该流从壁198的第一部分214径向膨胀至壁198的第二部分216，其具有至少大于或等于大约6度的角度。该方法还可包括使排气流从涡轮级通过涡轮扩散器188在长度190上扩散，长度190至少小于具有涡轮级178和涡轮扩散器188的涡轮发动机118的总长192的大约15％。
所公开的实施例的技术效果包括在涡轮系统的扩散器部段188中提供大的角度。另外，提供间隙194允许顶端泄漏流212在径向膨胀通过扩散器部段188期间激发并提供动量给该流以防止在大角度下通常发生的与壁198的流分离。使用大的角度，结合顶端泄漏流212，允许减少扩散器部段188的长度以及涡轮系统的总长，同时就算没有改善也至少维持了性能。通过缩短扩散器部段188和涡轮系统的长度，可减小各自的底座。
该文字描述使用示例以公开本发明，包括最佳实施方式，并且也使本领域技术人员能够实践本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何包括在内的方法。本发明的专利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示例。如果这种其它示例具有与权利要求的字面语言没有不同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求的字面语言无实质差别的等同结构元件，则这种其它示例意图在权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种涡轮排气扩散系统，其包括：
燃气涡轮发动机(118)，其包括：
燃烧部段(162)；
联接到所述燃烧部段(162)的涡轮部段(130)，其中所述涡轮部段(130)包括具有联接到转子的多个涡轮叶片(180)的涡轮级(178)、围绕所述多个涡轮叶片(180)设置的固定护罩(196)和在所述固定护罩(196)与所述多个涡轮叶片(180)的每个叶片末端(204)之间的间隙(194，238，244)；和
联接到所述涡轮部段(130)的扩散器部段(188)，其中所述扩散器部段(188)包括外壁(198)，其限定了在所述多个涡轮叶片(180)下游的膨胀流路径，所述外壁(198)包括第一壁部分(214)，所述第一壁部分接触所述固定护罩并从所述固定护罩延伸，所述第一壁部分具有相对于所述多个涡轮叶片(180)的旋转轴线(210)的第一角度(218)，并且在所述燃气涡轮发动机运行期间，所述间隙(194，238，244)使顶端泄漏流(212)能够沿着所述外壁(198)激发并维持边界层以减少或消除沿着所述外壁的流分离。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一角度(218)大于或等于16度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一角度(218)在20与40度之间。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述外壁(198)包括在所述第一壁部分(214)下游的第二壁部分(216)，所述第二壁部分(216)具有相对于所述多个涡轮叶片(180)的旋转轴线(210)的第二角度(220)，并且所述第二角度(220)大于或等于6度。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一角度(218)在20与30度之间，而所述第二角度(220)在6与15度之间。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间隙(194，238，244)构造成使所述顶端泄漏流(212)能够增加在所述扩散器部段(188)中的径向流速以极大地减少或消除沿着所述外壁(198)的流分离(236，242)。
7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述间隙(194，238，244)在90与150mils之间。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述扩散器部段(188)具有长度(190)，并且所述燃气涡轮发动机(118)具有总长(192)，且所述间隙(194，238，244)构造成使所述顶端泄漏流(212)能够至少沿着所述第一壁部分(214)激发边界层以允许所述长度(190)相对于所述总长(192)的减少。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述长度(190)小于所述总长(192)的15％。
10.一种涡轮排气扩散系统，其包括：
旋转部段，其包括联接到转子的多个叶片(180)、围绕所述多个叶片(180)设置的固定护罩(196，326)和在所述固定护罩(196，326)与所述多个叶片(180)的每个叶片末端(204)之间的顶端间隙(194，238，244，300，324)，其中所述顶端间隙(194，238，244，300，324)构造成使能够发生顶端泄漏流(212)；和
扩散器部段(188，312)，其包括外壁(198，310)，所述外壁(198，310)限定在所述多个叶片(180)下游的膨胀流路径，其中所述外壁(198，310)包括第一壁部分(214)，所述第一壁部分接触所述固定护罩并从所述固定护罩延伸，所述第一壁部分具有相对于所述多个叶片(180)的旋转轴线(210)的第一角度(218)，并且在燃气涡轮机运行期间，所述顶端间隙(194，238，244，300，324)通过利用所述顶端泄漏流(212)沿着所述外壁(198，310)激发并维持边界层以减少或消除沿着所述外壁的流分离。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述旋转部段包括涡轮部段(130，314)。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述第一角度(218)在16与40度之间。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述外壁(198，310)包括在所述第一壁部分(214)下游的第二壁部分(216)，所述第二壁部分(216)具有相对于所述多个叶片(180)的旋转轴线(210)的第二角度(220)，并且所述第二角度(220)在6与15度之间。
14.根据权利要求13所述的系统，其特征在于，所述第一角度(218)在21与23度之间，而所述第二角度(220)在7与9度之间。
15.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述间隙(194，238，244，300，324)构造成使所述顶端泄漏流(212)能够增加在所述扩散器部段(188，312)中的径向流速以极大地减少或消除沿着所述外壁(198，310)的流分离(236，242)。
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