CN103122776A - 特别是用于轴流式机器的扩散器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扩散器（20），特别是用于轴流式机器、优选固定式燃汽轮机，所述扩散器（20）沿机器轴线（31）从具有第一横截面区域的环形通道（17）变化为具有更大的第二横截面区域的出口空间（21）。通过以下方式实现效率的提高：过渡部由多个阶梯（22a-c）实现，且设有环形通路（29），通过该环形通路气流能够逸出并且以康达流（30）的形式沿引导表面（28）流动。

Description

特别是用于轴流式机器的扩散器

技术领域

本发明涉及轴流式机器领域。本发明涉及如权利要求1的前序部分所述的扩散器。

背景技术

安置在固定式燃气轮机的出口处并且用于降低从涡轮机中出来的气流的速度同时建立压力以便提高燃气轮机的效率的扩散器在现有技术中很久以前就已知（例如，参见文献EP 0 491 966 A1或文献US 2011/058939 A1以及附图1）。

在过去，为了提高在燃气轮机的出口处的扩散器的作用并且从而提高机器的总效率，提出了多种方案。其中，文献EP 0 265 633 B1提议借助于导流折流板将扩散器沿径向分成几个部分扩散器。

在已经提到的US 2011/058939 A1中，为了改善扩散器中的流动条件，扩散器的内部收缩部分设有可控的康达（Coanda）流，通过这种康达流，扩散器中的流动能够以有益的方式被影响。扩散器的内部部分、轮毂向下游收缩而不形成阶梯。气体从外部源被导向轮毂中的环形室，并且从环形室中借助于多个带凹槽的喷嘴沿着热废气的流动方向平行于轮毂的表面被注入。作为已知的康达效应的结果，该附加气流吸入热废气并且使其转向轮毂。废气流在那里被加速并且适于轮毂的向下游收缩的表面。为了在扩散器中达到对废气流的期望影响，高达4%的废气质量流量必须被注入附加气体中，这并非是无关紧要的消耗。

与此相反，EP 0 265 633 B1在扩散器的出口处的横截面区域提供了突变过渡，这被称为卡诺（Carnot）扩散器。

虽然所述措施实现了一定的效率提高，但在扩散器的区域施加影响的可能性并未终止。

发明内容

所以，本发明的目的是提供一种特别是用于工业燃气轮机的扩散器，以简单的方式为燃气轮机的总效率带来进一步的提高。

上述以及其它目的通过权利要求1的特征的总和来达到。

本发明从这样一种特别是用于轴流式机器、优选固定式燃汽轮机的扩散器出发，所述扩散器沿机器轴线从具有第一横截面区域的环形通道变化为具有更大的第二横截面区域的出口空间。其特征在于，过渡部由多个阶梯实现。

本发明的第一改进的特征在于，所述扩散器内的横截面区域以两个阶梯增加。所述扩散器以尤其简单的方式设计。

如本发明的另一改进所述，所述扩散器被实施为卡诺扩散器。

本发明的另一改进的特征在于，所述扩散器包括外壳和内壳，介质在所述外壳和内壳之间流过扩散器，并且通过内壳上的直径方向的阶梯在横截面区域中产生阶梯。

本发明的另一改进的特征在于，环形的、凸状弯曲的直径收缩的引导表面被布置在两个相邻的阶梯之间，并且在两个阶梯中的位于上游的那个阶梯上设有环形通路，通过该环形通路气流能够逸出并且以康达流的形式沿引导表面流动。这样，扩散器中的流动能够以有益的方式被影响。

所述引导表面优选地被布置在扩散器的倒数第二个阶梯和最后一个阶梯之间。

本发明的另一改进的特征在于，所述扩散器被布置在工业燃气轮机的出口处。

附图说明

下面将通过示例性实施例结合附图来阐述本发明，附图具体包括：

图1示出了本身公知的带有废气扩散器的燃气轮机的示意性设计图；

图2示出了传统的卡诺扩散器的内部设计；

与图2相比，图3示出了按照本发明的一个示例性实施例的多个阶梯扩散器的内部设计；

图4示出了根据本发明的另一个示例性实施例的2-阶梯扩散器的透视侧视图；以及

图5示出了根据本发明的另一个示例性实施例的带有康达控制器的2-阶梯扩散器的内部设计。

具体实施方式

图1示出了现有技术中已知的带有废气扩散器的燃气轮机的示意性设计图。图1中示出的燃气轮机10包括压缩机12，该压缩机12借助于进气口11吸入空气并压缩该空气。被压缩的空气被供给到燃烧室13并在那里用于燃料14的燃烧。生成的热气在涡轮机15中在工作条件下向下游流动膨胀，并且流动通过扩散器16，以便减慢流速并建立压力。

图2示出了传统的卡诺扩散器的内部设计的高度简化的图示。在这种情况下，相对于机器轴线31以同心的形式实现的扩散器16在进口侧包括环形通道17，涡轮机的废气19借助于该环形通道17流入扩散器16。出口空间21连接到具有相对较小的横截面区域的环形通道17，该出口空间21的供流动的横截面区域相对明显更大。环形通道17和出口空间21之间的过渡在本例中借助于突变的台阶22实现，这是扩散器16作为卡诺扩散器的特征所在。径向支柱18连接扩散器16的内部部分和外部部分，同时用于引导流体，且可以被布置在环形通道17中。

相比，根据图3中示出的示例性实施例，本发明提出在扩散器20的情况下在环形通道17和出口空间21之间以多个阶梯实现过渡。在示出的实施例中，为这个目的提供了两个阶梯22a和22b。另外的阶梯22c（在图3中以虚线示出）是可选的。不管怎样，阶梯的数目向上是不限的。在图3中的示例性实施例中，与阶梯22a-c相关的直径跳变限于扩散器20的内部部分。然而，在扩散器的外部部分提供直径跳变也是可能的。

这种多阶梯式内部轮廓在压力的增加中可使涡轮机效率获得0.1%的增长，在申请人的GT26型号的燃气轮机的情况下，这意味着可实现接近半兆瓦的功率增长。

实际上，相应的扩散器例如图4中示出。图4中的扩散器20a包括环形外壳23，该外壳23以同心的方式环绕内壳24并且与内壳24一起限定出流动通道。所述内壳24和外壳23借助于径向支柱25连接。两个环26和27在扩散器20a的出口处沿轴向一个设置在另一个之后，且直径成阶梯状变化，而且借助于所述两个环26和27带来扩散器20a的多阶梯式扩展。

除了横截面流动的多阶梯膨胀之外，扩散器中的流动条件可以通过康达流被影响，如在引言中提到的文件US 2011/058939 A1中在原理上提出的那样。为此，根据图5，在扩散器20b的情况下，环形的、凸状弯曲的直径收缩的引导表面28被布置在两个阶梯22a和22b之间。在两个阶梯22a和22b中的位于上游的那个阶梯上设有环形通路29，通过该环形通路29气流能够逸出并且以康达流30的形式沿引导表面28流动。在这种情况下，康达流30的气体供给能够以不同的方式实现。然而，与前面提及的文件所描述的形成对比，在本发明中，用于主动注入的附加气体的外部基准源被省去。通过以适当的方式布置构件，在扩散器的不规则的横截面膨胀区域中的压力条件要以这样的方式利用：在操作过程中，壁流30沿着弯曲的引导表面28自动地建立并且该壁流使并行的废气流19转向。由于通过横截面膨胀区的流动的减速，在环形体27之后的静态压力p2高于在环形通路处的进口压力p1。所以，从较高压力区域向较低压力区域形成了流动32。如果多于两个阶梯存在于扩散器中，康达流优选地在倒数第二个阶梯和最后的阶梯之间注入。

附图标记列表

10    燃气轮机

11    进气口

12    压缩机

13    燃烧室

14    燃料

15    涡轮机

16,20 扩散器

17    环形通道

18,25 支柱

19    废气

20a，b  扩散器

21      出口空间

22a-c   阶梯（横截面区域）

23      外壳

24      内壳

26,27   环

28      引导表面（凸状弯曲的）

29      环形通路

30      康达流

31      机器轴线

32      回流

Claims (7)

1.一种扩散器（20、20a、20b），特别是用于轴流式机器、优选固定式燃汽轮机（10），所述扩散器（20、20a、20b）沿机器轴线（31）从具有第一横截面区域的环形通道（17）变化为具有更大的第二横截面区域的出口空间（21），其特征在于，过渡部由多个阶梯（22a-c）实现。

2.如权利要求1所述的扩散器，其特征在于，所述扩散器（20、20a、20b）内的横截面区域以两个阶梯（22a、22b）增大。

3.如权利要求1或2所述的扩散器，其特征在于，所述扩散器（20、20a、20b）被实施为卡诺扩散器。

4.如权利要求1到3中任一所述的扩散器，其特征在于，所述扩散器（20a）包括外壳（23）和内壳（24），介质在所述外壳（23）和内壳（24）之间流过扩散器（20a），并且通过内壳（24）上的直径方向的阶梯在横截面区域中产生阶梯（22a-c）。

5.如权利要求1到4中任一所述的扩散器，其特征在于，环形的、凸状弯曲的直径收缩的引导表面（28）被布置在两个相邻的阶梯（22a、22b）之间，并且在两个阶梯（22a、22b）中的位于上游的那个阶梯上设有环形通路（29），通过该环形通路气流能够逸出并且以康达流（30）的形式沿引导表面（28）流动。

6.如权利要求5所述的扩散器，其特征在于，所述引导表面（28）被布置在扩散器（20b）的倒数第二个阶梯和最后一个阶梯之间。

7.如权利要求1到6中任一所述的扩散器，其特征在于，所述扩散器（20、20a、20b）被布置在固定式燃汽轮机（10）的出口处。

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