CN103206272B - 具有等离子体致动器的燃气涡轮机排气扩压器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有等离子体致动器的燃气涡轮机排气扩压器，该燃气涡轮机包括涡轮、排气扩压器、和等离子体致动器。涡轮释放排放气体。排气扩压器从涡轮接收排放气体。排气扩压器具有进口和出口、以及布置在进口与出口之间的至少一个壁。等离子体致动器沿扩压器的至少一个壁产生等离子体。

Description

具有等离子体致动器的燃气涡轮机排气扩压器
技术领域
本发明中所公开的主题涉及燃气涡轮机，并且更具体地，涉及具有用于产生等离子体的等离子体致动器的燃气涡轮机排气扩压器(diffuser)。
背景技术
燃气涡轮机通常包括压缩机、燃烧器、一个或多个燃料喷嘴、涡轮和排气扩压器。空气通过进气部进入燃气涡轮机，并且由压缩机进行压缩。压缩空气接着与由燃料喷嘴供给的燃料混合。空气-燃料混合物以特定的燃烧比供给至燃烧器。燃烧产生加压排放气体，所产生的加压排放气体对涡轮的叶片进行驱动。排气扩压器可以用于通过降低涡轮出口处的静压来改进最后一级涡轮叶片(也称作最后一级斗叶)的效率。
排气扩压器通常占用大量空间。排气扩压器包括定位在排气扩压器的发散壁之间的进口和出口。排气扩压器的轴向长度在排气扩压器的进口与出口之间测量得到。如果扩压器的轴向长度不足并且过短，那么可能在排气扩压器的发散壁处出现流动分离，从而造成压力损失。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供一种燃气涡轮机，该燃气涡轮机包括涡轮、排气扩压器、和等离子体致动器(plasma actuator)。涡轮释放排放气体。排气扩压器从涡轮接收排放气体。排气扩压器具有进口和出口、以及定位在进口与出口之间的至少一个壁。等离子体致动器沿扩压器的至少一个壁产生等离子体。
所述排气扩压器包括内部扩压器和外部扩压器，其中所述内部扩压器大体与所述外部扩压器同心。所述内部扩压器包括内壁，并且其中所述等离子体致动器沿所述内部扩压器的所述内壁布置。，所述外部扩压器包括外壁，并且其中所述等离子体致动器沿所述内部扩压器的所述外壁布置。所述内部扩压器包括大体环形的构造。所述外部扩压器包括大体锥形的构造。所述燃气涡轮机包括定位在所述内部扩压器与所述外部扩压器之间的至少一个人行通道，其中所述至少一个人行通道包括人行通道外表面，并且其中另一个等离子体致动器沿所述人行通道外表面定位。所述燃气涡轮机包括排气立柱，所述排气立柱定位在所述排气扩压器的内壁与外壁之间，所述排气立柱具有横截面，其中所述排气立柱的所述横截面包括翼型形状。所述燃气涡轮机包括排气立柱等离子体致动器，所述排气立柱等离子体致动器沿所述排气立柱的外表面布置。所述等离子体致动器包括内部电极、外部电极、以及介电材料。
本发明还提供一种燃气涡轮机，包括：涡轮，所述涡轮释放排放气体；排气扩压器，所述排气扩压器用于从所述涡轮接收排放气体，所述排气扩压器具有进口和出口，所述排气扩压器包括：内部扩压器，所述内部扩压器布置在所述进口与所述出口之间，所述内部扩压器具有内壁；外部扩压器，所述外部扩压器布置在所述进口与所述出口之间，所述外部扩压器具有外壁，所述内部扩压器大体与所述外部扩压器同心；以及等离子体致动器，所述等离子体致动器沿所述内壁和所述外壁中的至少一个产生等离子体。
所述内部扩压器包括大体环形的构造。所述外部扩压器包括大体锥形的构造。所述燃气涡轮机包括定位在所述内部扩压器与所述外部扩压器之间的至少一个人行通道，其中所述至少一个人行通道包括人行通道外表面，并且其中另一个等离子体致动器沿所述人行通道外表面定位。所述燃气涡轮机包括排气立柱，所述排气立柱定位在所述排气扩压器的内壁与外壁之间，所述排气立柱具有横截面，其中所述排气立柱的所述横截面包括翼型形状。所述燃气涡轮机包括排气立柱等离子体致动器，所述排气立柱等离子体致动器沿所述排气立柱的外表面布置。
通过下文结合附图的描述，本发明的这些和其它的优点以及特征将变得更加显而易见。
附图说明
被认为是本发明的主题在说明书结尾处的权利要求书中特别指出并且明确要求保护。通过下文结合附图的详细描述，本发明的上述和其它的特征以及优点是显而易见的，在附图中：
图1是具有压缩机的示例性燃气涡轮机系统的局部横截面示意图；
图2是图1中所示的排气扩压器的横截面图；
图3是沿图2中剖面线3-3所示的排气扩压器的横截面图；
图4是沿图2中剖面线4-4所示的排气立柱的横截面图；以及
图5是如图2至图4中所示的等离子体致动器的放大图。
参照附图通过示例的详细的描述解释了本发明的实施例以及优点和特征。
具体实施方式
图1示出了由附图标记10表示的示意的示例性发电系统。发电系统10是具有压缩机20、燃烧器22、涡轮24、和排气扩压器26的燃气涡轮机系统。空气通过连接至压缩机20的进气部30进入发电系统10，并且由压缩机20进行压缩。压缩空气接着以特定的燃烧比与由燃料喷嘴34供给的燃料混合。燃烧产生热加压排放气体，所产生的热加压排放气体对定位在涡轮24内的叶片(未示出)进行驱动。排放气体从涡轮24被送至排气扩压器26。
图2是排气扩压器26的侧视图的示例性图示。排气扩压器26包括进口40、出口42、内部扩压器44和外部扩压器46。内部扩压器44包括内壁48，并且外部扩压器46包括外壁52。内壁48和外壁52都定位在进口40与出口42之间。内部扩压器44的内壁48大体与外部扩压器46的外壁52同心。内部扩压器44和外部扩压器46都围绕轴线A-A定向。在如图所示的实施例中，外部扩压器46的外壁52包括大体分散/发散(diverging)的构造。排气扩压器26的进口40从涡轮24(示于图1中)接收排放气体56。等离子体发生器或致动器60定位在内壁48的外表面54上，并且等离子体致动器62定位在外壁52的外表面58上。应当注意到，尽管图2示出了位于内壁48上的等离子体致动器60、以及定位在外壁52上的等离子体致动器62，但是内壁48或外壁52中仅有一个也可以包括等离子体致动器60和62中的一个。
图3是沿剖面线3-3截取的排气扩压器26的剖面图。如图3中可见，内壁48和外壁52都包括360。构造。具体而言，现在参照图2至图3，内部扩压器44的内壁48包括大体环形的构造，并且外部扩压器46的外壁52包括大体锥形的构造。一系列人行通道(manways)68定位在内壁48与外壁52之间。人行通道68提供人员进入内部扩压器44的路径。在如图3中所示的实施例中，人行通道68均以120。构造彼此分隔开，然而，应当理解，人行通道68也可以以多种构造布置。人行通道68中的每一个人行通道68的外表面70也都可以包括等离子体致动器72。人行通道68中的每一个人行通道68的外表面70都暴露于来自涡轮24(示于图1中)的排放气体56。
再次参照图2，排气立柱80定位在内壁48与外壁52之间的排气扩压器26内。排气立柱80包括由剖面线4-4表示的横截面。现在参照图4，其图示了剖面4-4处的排气立柱80，排气(框架)立柱80包括成形为弧形翼型(cambered airfoil)的横截面。翼型包括上曲面部分82和下曲面部分84。排气立柱80具有外表面86，其中等离子体致动器88可以沿外表面86定位在上曲面部分82或下曲面部分84上。应当注意到，尽管图4示出了弧形翼型，但是应当理解，翼型也可以包括大体对称的构造。
图5是示例性等离子体致动器90的放大图，示例性等离子体致动器90可以沿内壁48、外壁52、沿人行通道68的外表面70、或者在排气立柱80(示于图2中)的外表面86上使用。等离子体致动器90包括内部电极92、外部电极94、和介电材料96。介电材料96构造成适形/符合于锥形或大体弯曲的表面。即，介电材料96构造成适形于非平面表面。因此，等离子体致动器90构造成适形于成锥形、或者包括大体弯曲外形的物体的外表面。例如，现在参照图2，等离子体致动器60沿大体环形的外表面54布置，并且等离子体致动器62沿大体锥形的外表面58布置。
再次参照图5，交流(AC)电源100同时连接至内部电极92和外部电极94。交流电源100向内部电极92和外部电极94提供交流功率。在一个示例性实施例中，等离子体致动器90的功率消耗是15瓦特每线性英尺等离子体(15 Watts per linear foot of plasma)。当交流电压的幅值达到阈值时，来自涡轮24(示于图1中)的排放气体56在最大电势(electricpotential)区域中电离，以形成等离子体102。等离子体102开始于外部电极94的边缘104，并且遍布通过邻近介电材料96的外部电极94突起的区域106。等离子体102在排放气体56上产生力的作用，该力接着造成沿弯曲表面110的压力分布的改变。压力分布的改变大体减少或者基本防止当等离子体致动器90由交流电源100供电时的流动分离。因此，在如图2至图5中所示的实施例中，等离子体致动器90通过增大排放气体56的静压来改进最后一级涡轮叶片(未示出)、或者涡轮24(示于图1中)的最后一级斗叶的效率。如图2至图5中所示的等离子体致动器提供相对简单的稳健设计，并且还通过实时控制来提供量相对较低的功率消耗。
尽管已经仅结合数量有限的实施例对本发明进行了详细描述，但是应当易于理解，本发明并不限于这种所公开的实施例。相反，能够将本发明修改成结合到目前为止并未进行描述但是与本发明的精神和范围相当的任何数量的改型、变型、替代或等同布置。此外，尽管已经对本发明的各个实施例进行了描述，但是应当理解，本发明的各个方面可以仅包括所描述的实施例中的一些。因此，本发明并不受到上文的描述的限制，而是仅仅通过所附权利要求的范围进行限定。

Claims (16)

1.一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：
涡轮，所述涡轮释放排放气体；
排气扩压器，所述排气扩压器用于从所述涡轮接收排放气体，所述排气扩压器具有进口、出口、以及布置在所述进口与所述出口之间的至少一个壁；以及
等离子体致动器，所述等离子体致动器沿所述排气扩压器的弯曲表面产生等离子体以防止从所述弯曲表面的流动分离。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述排气扩压器包括内部扩压器和外部扩压器，其中所述内部扩压器大体与所述外部扩压器同心。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述内部扩压器包括内壁，并且其中所述等离子体致动器沿所述内部扩压器的所述内壁布置。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述外部扩压器包括外壁，并且其中所述等离子体致动器沿所述外部扩压器的所述外壁布置。
5.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述内部扩压器包括大体环形的构造。
6.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述外部扩压器包括大体锥形的构造。
7.根据权利要求2所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机包括定位在所述内部扩压器与所述外部扩压器之间的至少一个人行通道，其中所述至少一个人行通道包括人行通道外表面，并且其中另一个等离子体致动器沿所述人行通道外表面定位。
8.根据权利要求1所述燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机包括排气立柱，所述排气立柱定位在所述排气扩压器的内壁与外壁之间，所述排气立柱具有横截面，其中所述排气立柱的所述横截面包括翼型形状。
9.根据权利要求8所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机包括排气立柱等离子体致动器，所述排气立柱等离子体致动器沿所述排气立柱的外表面布置。
10.根据权利要求1所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述等离子体致动器包括内部电极、外部电极、以及介电材料。
11.一种燃气涡轮机，所述燃气涡轮机包括：
涡轮，所述涡轮释放排放气体；
排气扩压器，所述排气扩压器用于从所述涡轮接收排放气体，所述排气扩压器具有进口和出口，所述排气扩压器包括：
内部扩压器，所述内部扩压器布置在所述进口与所述出口之间，所述内部扩压器具有内壁；
外部扩压器，所述外部扩压器布置在所述进口与所述出口之间，所述外部扩压器具有外壁，所述内部扩压器大体与所述外部扩压器同心；以及
等离子体致动器，所述等离子体致动器沿所述内壁和所述外壁中的至少一个的弯曲表面产生等离子体以防止从所述弯曲表面的流动分离。
12.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述内部扩压器包括大体环形的构造。
13.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述外部扩压器包括大体锥形的构造。
14.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机包括定位在所述内部扩压器与所述外部扩压器之间的至少一个人行通道，其中所述至少一个人行通道包括人行通道外表面，并且其中另一个等离子体致动器沿所述人行通道外表面定位。
15.根据权利要求11所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机包括排气立柱，所述排气立柱定位在所述排气扩压器的内壁与外壁之间，所述排气立柱具有横截面，其中所述排气立柱的所述横截面包括翼型形状。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机包括排气立柱等离子体致动器，所述排气立柱等离子体致动器沿所述排气立柱的外表面布置。
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