CN103026009B - 用于燃气轮机的排气扩压器及其方法 - Google Patents

用于燃气轮机的排气扩压器及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及排气扩压器组件（1）、尤其是用于固定式燃气轮机的排气扩压器组件和结合该排气扩压器组件的方法。提出的排气扩压器组件（1）包括纵向轴线（2）、接收涡轮主流气体（5）的扩压器入口（3）、扩压器出口（4）、和扩张的扩压器壁（7），扩压器壁具有可调几何形状并且形成导管以便所述气体（5）经由导管从所述扩压器入口（3）流动到所述扩压器出口（4）。扩压器壁（7）与所述纵向轴线（2）形成扩张角“α”。提出的扩压器组件（1）还包括扩压器几何形状控制装置（9，10），用于通过调节所述扩压器壁（7）的所述扩张角“α”以产生所述气体（5）的附着于所述扩压器壁（7）的结果流场来控制在所述扩压器入口（3）与所述扩压器出口（4）之间的从所述气体（5）的压力回收。

Description

用于燃气轮机的排气扩压器及其方法
技术领域
本发明涉及一种用于燃气轮机、尤其用于在固定的或基于地面的应用中的燃气轮机的排气扩压器。
背景技术
在燃气轮机中，例如在用在发电装置中的燃气轮机中，排气扩压器用于降低燃气轮机中的排气流动的速度，进而用于从来自末级涡轮的排出气体回收压力。气体速度的减小降低了与排气设备上的流体流动相关的应力并且通过从排出气体回收压力从而限制了流动的压头损失而提高了涡轮的性能等级。
在排气扩压器中，从排出气体的压力回收与扩压器的出口/入口面积比成正比，所述面积比控制了末级涡轮之后的有效流动扩压的量。然而，对于给定的扩压器纵向长度而言的高的出口/入口面积比(也就是大的扩压器角度)引起气体的快速扩张，从而导致气体与扩压器壁的流动分离，这又导致借助于扩压器的压力回收的减小。过去解决与扩压器壁的流动分离的问题的尝试包括使用边界层控制，例如，尤其使用借助于抽吸或吹送、紊流器的边界层控制。
实际上，排气扩压器设计成具有在考虑到全负荷时的流动分离的情况下在全负荷时提供最大的压力回收的面积比。在这种情况下，当燃气轮机在部分负荷下工作时，压力回收、进而通过涡轮获取的功基本上减小。
发明内容
本发明的目的是提供用于固定式燃气轮机的排气扩压器组件和其方法，以用于在不同的工作负荷下通过减少或消除过多的流动分离来实现较高的压力回收。
根据本发明的用于固定式燃气轮机的排气扩压器组件包括：纵向轴线；扩压器入口，用于接收涡轮主流气体；扩压器出口；扩张的扩压器壁，所述扩压器壁具有可调节的几何形状并且形成导管，以便所述气体经由所述导管从所述扩压器入口流动到所述扩压器出口，所述扩压器壁与所述纵向轴线形成扩张角“α”；和扩压器几何形状控制装置，用于通过调节所述扩压器壁的所述扩张角“α”以产生所述气体的附着于所述扩压器壁的结果流场来控制在所述扩压器入口与所述扩压器出口之间的从所述气体的压力回收。
本发明的基本思想是提供一种通过控制扩压器的几何形状来控制排气扩压器中的压力回收的机构。为此，所提出的排气扩压器组件具有几何形状可变的扩压器壁，这允许对相对于纵向扩压器轴线的扩压器壁的扩张角进行调节，以便产生气体的附着至扩压器壁的结果流场。扩压器壁几何形状的可变性允许提出的扩压器组件对质量流的调整、也就是对工作负荷的调整具有适应性。
在一个实施方式中，所述扩压器几何形状控制装置包括设置在所述扩压器壁的表面上的一个或多个致动器，所述一个或多个致动器适于对所述扩压器壁施加可调节的压力，以作为结果地调节所述扩压器壁的所述扩张角“α”。
在优选的实施方式中，其中所述一个或多个致动器适于增大所述扩张角“α”以产生超过所述气体与所述扩压器壁的流动分离点的结果流场、并且随后减小所述扩张角“α”以使所述气体的流动再次附着于所述扩压器壁，以便产生经过所述扩压器壁的所述气体的基本上紧邻所述流动分离点并在所述流动分离点之前的结果流动。因为压力回收随着附着的流动的扩展速率(也就是扩张角)的增大而增加，对于任一给定的质量流速率将流场刚好维持在分离点之前可使在此质量流速率下的压力回收最大化。
在一个实施方式中，提出的扩压器组件还包括压力探头，所述压力探头设置在流动通过所述扩压器壁的所述气体的流动路径中，其中，基于在所述扩张角“α”的两个逐渐增大的设定值之间的感测压力的降低来检测所述流动分离点。上述实施方式提供简单的检测流动分离的装置，这是因为在流动分离发生之后，气体流动路径中的压力急剧地降低。
在替选的实施方式中，提出的扩压器组件还包括声波探头，所述声波探头设置在所述扩压器壁内的所述气体的流动路径中以检测所述流动分离点。
在又一实施方式中，通过适于检测局部流动方向的流动显示装置来确定所述流动分离点。
在示例性的实施方式中，所述扩压器壁由卷绕成螺旋形形状的一片金属板制成。这种扩压器壁为扩张角的调节提供增加的弹性。
在另一个示例性的实施方式中，所述扩压器壁由卷绕成圆锥形形状的一片金属板制成，该片金属板的边缘能够相对于彼此滑动。上述实施方式提供制造简易性。
在又一示例性的实施方式中，所述扩压器壁包括具有矩形横截面的可调节部分，所述扩压器壁在所述可调节部分处通过铰链柔性地附连至固定部分。上述实施方式提供更高的精确度和改善的几何形状控制。
在再一实施方式中，所述扩压器壁具有矩形横截面几何形状，该矩形横截面几何形状通过平板和形成矩形的角部的有角板形成，所述有角板通过所述平板间隔开，并且所述有角板能够在所述平板上滑动，使得能够沿着对角线方向调节所述矩形横截面的形状。这使得能够通过在矩形的角部处放置致动器而沿着矩形的对角线方向均匀地改变扩压器壁的矩形几何形状(维持相同的纵横比)。
根据本发明的操作用于固定式燃气轮机的排气扩压器的方法包括：在扩压器入口处接收涡轮主流气体；使所述气体经过扩张的扩压器壁，所述扩压器壁具有可调节的几何形状并限定出用于使所述气体在所述扩压器入口与扩压器出口之间流动的导管，所述扩压器壁与扩压器纵向轴线形成扩张角“α”；和通过控制所述扩压器壁的几何形状来控制在所述扩压器入口与所述扩压器出口之间的从所述气体的压力回收，对所述几何形状的所述控制包括调节所述扩压器壁的所述扩张角“α”以产生所述气体的附着于所述扩压器壁的结果流场。其中，控制所述扩压器壁的几何形状包括：在所述扩压器壁的表面上设置一个或多个致动器、并控制所述一个或多个致动器以在所述扩压器壁上施加可调节的压力，从而作为结果地调节所述扩压器壁的所述扩张角“α”。所述方法包括：控制所述一个或多个致动器以增大所述扩张角“α”从而产生超过所述气体与所述扩压器壁的流动分离点的结果流场，并且随后减小所述扩张角“α”以使所述气体的流动再次附着于所述扩压器壁，以便产生经过所述扩压器壁的所述气体的基本上紧邻所述流动分离点并在所述流动分离点之前的结果流动。所述方法还包括通过设置在所述扩压器壁内的所述气体的流动路径中的声波探头来检测所述流动分离点。
附图说明
以下参照在附图中示出的图示实施方式进一步地描述本发明，附图中：
图1示出用于燃气轮机的排气扩压器组件的示意图，
图2是示出气体的压力随扩压器几何形状的变化的示例性图示，其还示出了流动分离点。
图3是可调几何形状的扩压器壁的第一实施方式的示意图，
图4是可调几何形状的扩压器壁的第二实施方式的示意图，
图5是可调几何形状的扩压器壁的第三实施方式的示意图，
图6是可调几何形状的扩压器壁的第四实施方式的示意图，并且
图7是可调几何形状的扩压器壁的第五实施方式的示意图。
具体实施方式
现在参照图1，其示出用于固定式燃气轮机的排气扩压器组件1(也称作“扩压器1”)，该固定式燃气轮机例如用在基于地面的应用中的发电装置和机械传动装置中。扩压器1具有入口3，所述入口具有第一横截面面积A1以用于从末级涡轮部段60接收主流气体。气体5沿着纵向轴线2流动通过由从扩压器入口3延伸至扩压器出口4的扩张的扩压器壁7限定的导管，其中所述扩压器出口具有第二横截面面积A2。扩压器出口4将气体5引导向排气管道80。
扩压器壁7通过使气体在入口3和出口4之间扩张而从气体回收压力。这减少了气体的总压头损失，因此增加了从气体5获取的功。扩压器壁7与纵向轴线2形成扩张角“α”。在传统的扩压器中，扩张角通常固定在大约5°-6°。依照所提出的技术，通过控制扩压器壁7的几何形状，也就是通过调节扩张角“α”进而调节出口面积A2对入口面积A1的比“R”(其中R＝A2/A1)来控制从气体5的压力回收。要理解的是，对于固定长度的扩压器，面积比“R”随着扩张角“α”的增大而增大。通常，压力回收随着扩张角“α”或面积比R的增大而增加，直到气体5的流动与扩压器壁7分离。流动分离减少了从气体5的压力回收。为了实现更高的压力回收，调节扩张角“α”以产生气体5附着至扩压器壁7的结果流动。为此，扩压器壁7具有能够改变角度“α”的可调几何形状。以下参照图3-7讨论可调几何形状的扩压器壁的示例性的实施方式。重新参照图1，为了适应产生的出口5的横截面面积A2的变化，在扩压器壁7到排气管道80的连接处提供可变的密封件12。在图示的实施方式中，将一个或多个致动器9放置在扩压器壁7的表面(内部表面或外部表面)上。在图示的实施方式中，将致动器9放置在扩压器壁7的外部表面上。致动器9例如可包括液压或气动操作的致动器，其通过控制器10进行控制以将可调节的压力施加到扩压器壁7上从而作为结果地调节扩压器壁7的扩张角“α”。
如上所述，对于附着的流动，压力回收随着扩张角“α”或面积比“R”的增大而增加。在优选的实施方式中，通过将扩压器壁7之内的气体5的流场维持在恰好位于流动分离点之前而使压力回收最大化。为此，控制致动器9以首先增大扩张角“α”或面积比“R”而产生超过流动分离点的结果流场。随后，控制致动器9以减小扩张角“α”或面积比“R”而使流动再次附着至扩压器壁7并产生在流动分离点之前并且紧邻流动分离点的结果流场。
通过放置在气体5的在扩压器壁7之内的流动路径中的流动传感器11来检测流动分离点。流动传感器7例如可包括压力探头。对于附着的流动，随着扩张角“α”的增大，由压力探头11感测到的压力值增大。这由图2中的曲线13示出，其中轴14表示扩张角“α”，轴15表示由设置在气体5的流动路径中的压力探头11感测到的相应的压力“P”。如能够看出的，随着“α”的增大，所感测的压力增大，直至达到点16，在此，α＝αS，感测到的压力达到最大值。当“α”增大超过该临界角αS时，流动开始与扩压器壁分离，其结果是，感测到的压力减小，这是通过曲线13的斜率从正到负的改变检测出的。因此，基于在扩张角“α”的两个逐渐增大的设定值之间的感测压力“P”的降低来测定流动分离点16。在该实施方式中提出的技术包括增大“α”以使流场超过流动分离点16从而确定临界角αS，并且随后将“α”减小至小于αS的值αD以便使流动再次附着至扩压器壁并且使结果流场达到恰好在流动分离点16之前的点17。典型地，曲线13在分离点16的区域中的部分是平坦的，具有等于或几乎等于零的斜率。优选地避免对应于该部分的流场，因为该指示处是分离的流动和附着的流动交替的不稳定流场。在此例中，将“基本上“紧邻”流动分离点16并在该流动分离点16“之前”的期望的点17确定为在曲线13上距点16最近的具有正斜率的点。
重新参照图1，在替选的实施方式中，用于检测流动分离点的流动传感器11可包括声波探头。还替选地，可用检测局部流动方向的流动显示或成像技术来检测流动分离点。在所有情况下，能够迫使流动超过流动分离点的点的可调节的几何形状容许对流动分离点的识别。一旦识别出流动分离点，可将扩压器的几何形状调节至使流动再次附着至扩压器壁。在此提出的可调节的几何形状容许以上讨论的技术对质量流改变具有适应性，使得即使当燃气轮机在部分负荷下工作时仍可使压力回收最大化。
参照图3，其示出可调几何形状的扩压器壁7的第一实施方式。在此，扩压器壁7由呈螺旋形卷绕若干圈从而形成圆锥形形状的金属板18制成。螺旋形为几何形状调节提供需要的弹性。致动器9可设置在这些圈中的一个或多个的外部表面上，其在致动时施加需要的压力以增大或减小扩压器壁7的扩张角。在图4中示出的第二实施方式中，扩压器壁7可由卷成圆锥形形状的金属板20制成，使得端部21和22没有焊接至彼此，而是在通过设置在扩压器壁7的外部表面上的一个或多个致动器9施加压力时相对于彼此滑动，使得可改变扩张角或面积比。
在图5中示出的第三实施方式中，扩压器壁7由金属板制成并且包括具有矩形横截面的可调部分23、和固定部分24，所述固定部分可在入口3处具有圆形横截面。矩形部分23由平板25、26、27、28制成，所述平板中的一个或多个借助于铰链29柔性地连接到固定部分24，这使得各个侧部25、26、27、28在从设置于其上的致动器9施加压力时关于固定部分24转动，进而调节扩张角/面积比。在示出的示例中，板25和27被铰接成使得角运动的方向如由箭头30示出的。虽然侧部26和28在侧部25和27运动时容易弯曲，但该实施方式提供更大的精确度和对角运动的控制。在图6中示出的相似的实施方式中，扩压器壁7具有由平板31、32、33、34形成的矩形横截面，这些平板借助于柔性接头36直接地连接到圆形的涡轮岐管35，以便允许相对的板31和33的如由箭头37示出的角运动。在图7中示出的矩形的扩压器壁的另一个实施方式中，扩压器壁7由限定矩形(在此为方形)的角部的有角板38、39、40、41制成。有角板38、39、40、41通过平板42、43、44、45间隔开，平板42、43、44、45与有角板38、39、40、41一起形成矩形的扩压器壁7的侧部。如图所示，有角板可相对于平板42、43、44、45滑动，使得可通过设置在矩形的扩压器壁7的角部48、49、50、51上的致动器(没有示出)沿着对角线方向46和47调节扩压器壁7的矩形的横截面的几何形状。
虽然已参照特定的优选的实施方式对本发明进行了详细描述，应当了解到的是，本发明并不局限于这些明确的实施方式。确切地，根据描述了用于实施本发明的当前最佳模式的本公开的内容，在不偏离本发明的范围和精神的情况下本领域技术人员能够想到多个改进形式和变型形式。因此，通过所附权利要求、而不是通过以上说明表明本发明的范围。在权利要求的等价的意义和范围内的全部改动、改进形式和变型形式要被视作在权利要求的范围之内。

Claims (6)

1.一种用于固定式燃气轮机的排气扩压器组件，包括：
-纵向轴线(2)，
-扩压器入口(3)，用于接收涡轮主流气体(5)，
-扩压器出口(4)，
-扩张的扩压器壁(7)，所述扩压器壁具有可调节的几何形状并且形成导管，以便所述气体(5)经由所述导管从所述扩压器入口(3)流动到所述扩压器出口(4)，所述扩压器壁(7)与所述纵向轴线(2)形成扩张角“α”，和
-扩压器几何形状控制装置(9，10)，用于通过调节所述扩压器壁(7)的所述扩张角“α”以产生所述气体(5)的附着于所述扩压器壁(7)的结果流场来控制在所述扩压器入口(3)与所述扩压器出口(4)之间的从所述气体(5)的压力回收，
其中，
所述扩压器几何形状控制装置(9，10)包括设置在所述扩压器壁(7)的表面上的一个或多个致动器(9)，所述一个或多个致动器(9)适于对所述扩压器壁(7)施加可调节的压力，以作为结果地调节所述扩压器壁(7)的所述扩张角“α”，
所述一个或多个致动器(9)适于增大所述扩张角“α”以产生超过所述气体(5)与所述扩压器壁(7)的流动分离点的结果流场、并且随后减小所述扩张角“α”以使所述气体(5)的流动再次附着于所述扩压器壁(7)，以便产生经过所述扩压器壁(7)的所述气体(5)的基本上紧邻所述流动分离点并在所述流动分离点之前的结果流动，
所述扩压器组件还包括声波探头(11)，所述声波探头(11)设置在所述扩压器壁(7)内的所述气体(5)的流动路径中以检测所述流动分离点。
2.根据权利要求1所述的扩压器组件，其中，所述扩压器壁(7)由卷绕成螺旋形形状的一片金属板(18)制成。
3.根据权利要求1所述的扩压器组件，其中，所述扩压器壁(7)由卷绕成圆锥形形状的一片金属板(20)制成，该片金属板的边缘(21、22)能够相对于彼此滑动。
4.根据权利要求1所述的扩压器组件，其中，所述扩压器壁(7)包括具有矩形横截面的可调节部分(23)，所述扩压器壁(7)在所述可调节部分(23)处通过铰链(29)柔性地附连至固定部分(24)。
5.根据权利要求1所述的扩压器组件，其中，所述扩压器壁(7)具有矩形横截面几何形状，该矩形横截面几何形状通过形成所述矩形的角部的有角板(38，39，40，41)和平板(42，43，44，45)形成，所述有角板(38，39，40，41)通过所述平板(42，43，44，45)间隔开，并且所述有角板(38，39，40，41)能够在所述平板(42，43，44，45)上滑动，使得能够沿着对角线方向(46，47)调节所述矩形横截面的形状。
6.一种操作用于固定式燃气轮机的排气扩压器的方法，包括：
-在扩压器入口(3)处接收涡轮主流气体(5)，
-使所述气体(5)经过扩张的扩压器壁(7)，所述扩压器壁(7)具有可调节的几何形状并限定出用于使所述气体(5)在所述扩压器入口(3)与扩压器出口(4)之间流动的导管，所述扩压器壁(7)与扩压器纵向轴线(2)形成扩张角“α”，和
-通过控制所述扩压器壁(7)的几何形状来控制在所述扩压器入口(3)与所述扩压器出口(4)之间的从所述气体(5)的压力回收，对所述几何形状的所述控制包括调节所述扩压器壁(7)的所述扩张角“α”以产生所述气体(5)的附着于所述扩压器壁(7)的结果流场，
其中，
控制所述扩压器壁(7)的几何形状包括：在所述扩压器壁(7)的表面上设置一个或多个致动器(9)、并控制所述一个或多个致动器(9)以在所述扩压器壁(7)上施加可调节的压力，从而作为结果地调节所述扩压器壁(7)的所述扩张角“α”，
所述方法包括：控制所述一个或多个致动器(9)以增大所述扩张角“α”从而产生超过所述气体(5)与所述扩压器壁(7)的流动分离点的结果流场，并且随后减小所述扩张角“α”以使所述气体(5)的流动再次附着于所述扩压器壁(7)，以便产生经过所述扩压器壁的所述气体(5)的基本上紧邻所述流动分离点并在所述流动分离点之前的结果流动，
所述方法还包括通过设置在所述扩压器壁(7)内的所述气体(5) 的流动路径中的声波探头(11)来检测所述流动分离点。
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