CN106103902A - 带有主支柱和小支柱的排气气体扩散器 - Google Patents

带有主支柱和小支柱的排气气体扩散器 Download PDF

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Abstract

一种排气气体扩散器(38)包括：径向外周边壳体(46)；毂(42)，其置于所述径向外周边壳体内，且与壳体的中央轴线(40)同轴；主支柱(44)，其在毂的周围置于周向地间隔的部位处，且径向向外地延伸至径向外周边壳体；以及小支柱(52)，其在主支柱之间置于周向地间隔的部位处；其中主支柱和小支柱具有基本上平行的纵向翼弦线，且小支柱中的每一个具有比主支柱的截面面积小的截面面积。一种排气气体扩散器包括：径向外周边壳体；毂，其置于所述径向外周边壳体内，且与壳体的中央轴线同轴；主支柱，其在毂的周围置于周向地间隔的部位处，且径向向外地延伸至径向外周边壳体；以及小支柱，其在主支柱之间置于周向地间隔的部位处；其中主支柱和小支柱具有基本上平行的纵向翼弦线，且小支柱中的每一个具有比主支柱的截面面积小的截面面积。

Description

带有主支柱和小支柱的排气气体扩散器
技术领域
本发明大体上涉及燃气涡轮发动机，且更具体而言涉及燃气涡轮排气气体导管或扩散器。
背景技术
燃气涡轮发动机等典型地包括在涡轮区段的最末级的下游的排气导管或扩散器。一般来说，扩散器将离开最末涡轮级的热流动气体的动能转换成势能，该势能处于增大的静压的形式。扩散器将热流动气体引导穿过具有在流动方向上渐增的面积的壳体。扩散器大体上包括多个支柱，该多个支柱被安装到毂上且径向地延伸至外壳体，但其他构造也是已知的。通常，支柱将具有翼型件构造。
在部分负载操作期间，最末级动叶离开切向流动角度(涡旋)可增大，且可导致扩散器的支柱和毂上的流动分离。流动分离和涡旋增大继而可减少扩散器静压恢复。更具体而言，部分负载下的流动分离从中央毂到翼型件形支柱的末梢在它们相应的吸力侧上几乎均匀地发生。静压恢复的此种减少可对整体燃气涡轮发动机性能和效率具有影响。
还已知提供从毂延伸的多个较小的支柱或静叶，使得该较小的支柱与主支柱周向地交替，诸如在美国公开专利申请2013/0170969中示出的。
传统地，该较小的支柱(其也可为翼型件形的)相对于主支柱成角度地定位，但该构造不提供最佳的部分负载操作条件。因此，即使是在利用较小的支柱/翼型件的情况下，也仍然存在非期望的尾迹和分离型式。
因此可能期望提供一种排气气体扩散器，其提供期望的部分负载性能，而不以其他方式招致其他操作条件下的扩散器和/或涡轮性能损失。
发明内容
按照第一示例性但非限制性的实施例，本发明涉及一种排气气体扩散器，其包括：径向外周边壳体；毂，其置于该径向外周边壳体内，且与扩散器的中央轴线同轴；第一多个相对较大支柱，其在毂的周围置于周向地间隔的部位处，且径向向外地延伸至径向外周边壳体；以及第二多个相对较小支柱，其在第一多个相对较大支柱之间置于周向地间隔的部位处；其中第一多个相对较大支柱和第二多个相对较小支柱具有基本上平行的纵向中央轴线或翼弦线。
在另一方面中，本发明提供一种排气气体扩散器，其包括：外壳体；毂，其在外壳体内居中；多个翼型件形支柱，其以周向地间隔的阵列从毂延伸至外壳体；多个辅助翼片(auxifoil)，其周向地置于多个支柱之间，多个辅助翼片各自放置为更接近翼型件形支柱的邻近对中的一个的吸力侧；多个辅助翼片具有与在多个支柱的前缘和后缘之间延伸的对应翼弦线平行的中央轴线。
在又一方面中，本发明涉及一种工业燃气涡轮，其包括压缩机、燃烧器、一个或更多个涡轮级和沿涡轮转子轴线布置的排气导管，该排气导管包括扩散器，该扩散器具有：径向外周边壳体；中央主体或毂，其置于径向外周边壳体内；第一多个相对较大支柱，其在中央主体或毂的周围置于周向地间隔的部位处，且径向向外地延伸至外周边壳体；以及第二多个相对较小支柱，其在第一多个相对较大支柱之间置于周向地间隔的部位处；其中第一多个相对较大支柱和第二多个相对较小支柱具有基本上平行于涡轮转子轴线的纵向中央轴线；且其中，相对较小支柱中的每一个和两个邻近的相对较大支柱中的较近的一个之间的周向距离在从相对较大支柱的翼弦线和相对较小支柱的中央轴线测量时不超过十英寸。
附图说明
图1是燃气涡轮发动机的示意图，其示出压缩机、燃烧器、涡轮、和扩散器；
图2是已知的扩散器构造的一部分的部分透视图；
图3是另一已知扩散器构造的部分透视图；
图4是按照本发明的示例性但非限制性实施例的扩散器的一部分的示意、剖开顶视图；
图5是按照本发明的示例性但非限制性实施例的扩散器构造的部分透视图；
图6是并入在图5中示出的支柱构造的扩散器的端视图；以及
图7是具有和不具有辅助翼片的扩散器的沿扩散器轴线的静压恢复的标图。
具体实施方式
在图1中示意地例示示例性工业燃气涡轮发动机10，其构造成用于接收环境空气12，且以常规的方式将排气或燃烧气体14排放到环形扩散器16中。燃烧气体然后被通过常规排气组件或烟道18排放到大气。
通常，发动机10可为单或双转子发动机，具有一个或更多个压缩机和燃烧器(未示出)，在燃烧器中，压缩的空气与燃料混合且点燃，以用于生成燃烧或排气气体14。配置在(多个)燃烧器下游的是一个或更多个涡轮级(未示出)，其从排气气体14提取能量，以用于对发动机10供能以及用于通过输出轴20来提供输出功率。发动机10和扩散器16通常是关于中心线轴线22轴对称的，该中心线轴线22与涡轮转子/轴20重合。
图1中例示的扩散器16在其上游端部处包括环形扩散器框架24，该环形扩散器框架24具有从环形外壁或壳体28径向向内间隔的环形中央主体或毂26，从而形成环形排气气体流动通路30。
中央主体或毂26(还称为毂壁26)和外壁28是基本上圆柱形的主体，且将明白的是，外壁或壳体28可沿其长度减缩，通常是沿排气气体流的方向向外。
图2放大扩散器框架24，以便示出在内壁或毂26和外壁或壳体28之间延伸的支柱/翼型件组件的单个周向排。
通常，支柱或翼型件组件以两个零件的形式构造，这两个零件包括内部结构主支柱32和围绕内部支柱的外部翼型件34。外部翼型件34可形成用于结构主支柱32的护套。内部支柱通常由不适用于流过扩散器的燃烧气体的高温的材料构造。翼型件34被设计为耐受此种温度，且提供保护支柱32的热屏障。为了方便，主支柱/翼型件组件将简单地称为主支柱32。
如图3所示，多个较小的支柱36可从毂26延伸且延伸至扩散器壳体的外壁28。在该示例中，各较小的支柱36定位为邻近主支柱34中的对应的一个。较小的支柱和主支柱36的布置关于毂的圆周对称地定位。较小的支柱36的角度、长度、大小、形状、和构造可变化，但通常，较小的支柱相对于主支柱中心线成角度(从大约5到大约15度)地布置。换言之，在主支柱34和较小或辅助支柱36的前缘和后缘之间延伸的翼弦线是不平行的。
使用较小支柱36是意图抵消校正涡旋，且减少在部分负载操作条件期间在扩散器的主支柱34和毂26附近的流动分离。然而，已确定的是，与主支柱34相关地使用较小支柱36不完全校正扩散器毂的涡旋和流动分离的问题。
参照图4-6，排气导管或扩散器38布置成与转子轴线(如由扩散器的中央轴线40表示的)基本上同心地对齐。排气导管或扩散器38的毂42还与中央轴线40同轴，且支撑在毂和外壳体46之间延伸的多个周向地间隔的主支柱44。主支柱从中央轴线径向地延伸。主支柱44可形成为空气动力学形状的对称导叶或形成为翼型件，具有或不具有可选的后区段46。在示例性实施例中，主支柱44具有前缘48和后缘50，使得从前缘延伸到后缘的翼弦线平行于扩散器中央轴线40。主支柱44的数量可从例如六个变化到八个或更多。备选地，后缘51可相对于径向线倾斜，使得毂42附近的边缘在外壳体46附近的边缘的上游。
在示例性但非限制性的实施例中，较小支柱(还称为“辅助翼片”)52在主支柱44之间周向地放置。辅助翼片可关于中央轴线在截面方面对称地成形，或者可为翼型件形，具有在辅助翼片的前缘和后缘之间延伸的翼弦线。
各辅助翼片接近主支柱44且与其相关。如图6中最好地看到的，辅助翼片52放置为更接近两个相邻的主支柱44中的一个的吸力侧(见相应的辅助翼片52右侧的支柱44，如图6中观察到的)。对于如在本文中描述的扩散器，主支柱的吸力侧和压力侧可根据条件而变化，例如，同一侧在其设计点处或在冷天可作用为压力侧，但在部分负载条件下由于来自最末级动叶的涡旋角度而可作用为吸力侧。
在一个示例中(见图4)，辅助翼片的中心线轴线或翼弦线54与最近的主支柱中心线轴线或翼弦线56间隔53在大约4和10英寸的范围内。主支柱和辅助翼片之间的间隔53可取决于扩散器的大小、主支柱的数量和制造考虑(例如，对于焊接的间隔要求)而变化。更具体而言，辅助翼片可定位为以便维持从毂到壳体的基本上均匀的间隙，但还具有允许主支柱和辅助翼片的焊接的足够空间。如果辅助翼片过于接近主支柱，则该布置变得不实用(由于制造问题)；但如果辅助翼片距离主支柱过远，那么对主支柱分离的减少/消除的积极影响将损失。
在例示的示例中，主支柱的前缘48是从辅助翼片52的前缘58偏移的沿轴线40的距离55。距离55可按照主支柱的翼弦与辅助翼片的翼弦之间的径向距离53的百分之十到二十在前缘58的前面，即，相对于流动方向在上游。将明白的是，在其他实施例中，距离55可使得前缘在辅助翼片的前缘的前面或后面，在例如距离53的大约百分之十到百分之五十的范围内。
辅助翼片52对称地且空气动力学地成形，使得其在前缘58与后缘60之间延伸的中央轴线或翼弦线54平行于主支柱翼弦线或轴线56和扩散器中央轴线40二者。如果辅助翼片实现期望的流动特性，则辅助翼片不对称地成形，诸如流动越过主支柱的排气气体的减少的涡旋或减少的流动分离。
还将明白的是，虽然主支柱和辅助翼片已示为基本上垂直于扩散器轴线地定向，但具有在从毂到外壳体的下游方向上斜倾的主支柱和翼型件是在本发明的范围内的。斜倾的程度可从大约14到大约20度。在一个示例中，斜倾的程度可为大约17度。可通过该构造获得刚性和空间益处，而对通过本公开提供的流动分离解决方案具有很少的影响或没有影响。
总的来说，已发现使主支柱和辅助翼片的翼弦线平行于彼此且平行于扩散器中央轴线提供期望的改善的部分负载性能，同时避免全速-全负载(FSFL：Full Speed - FullLoad)下的损失。
图7是在排气沿扩散器的轴线流动时的扩散器恢复的标图。扩散器恢复可表示排气流的静压的增大。扩散器恢复的较低迹线62表示具有支柱且不具有辅助翼片或较小支柱的扩散器。较高迹线64表示具有主支柱和辅助翼片的扩散器。迹线62、64在扩散器的初始区段中，且在排气气体在点66处到达主支柱之前快速地增大。在排气气体从主支柱的前缘(点66)流到后缘(点68)时，扩散器恢复的大的损耗在迹线62中示出。相反，对于具有辅助翼片和主支柱的扩散器的迹线66，扩散器恢复的损耗显著更小，例如小大约百分之四十。扩散器恢复的差异70在排气气体经过扩散器时持续。
虽然已经结合目前被认为最实用且优选的实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于公开的实施例，而是相反地，意图覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。

Claims (20)

1.一种排气气体扩散器，包括：
径向外周边壳体；
毂，其定位在所述径向外周边壳体内，且与所述壳体的中央轴线同轴；
主支柱，其在所述毂的周围置于周向地间隔的部位处，且径向向外地延伸至所述径向外周边壳体；以及
小支柱，其在所述主支柱之间置于周向地间隔的部位处；其中所述主支柱和所述小支柱具有基本上平行的纵向翼弦线，且所述小支柱中的每一个具有比所述主支柱中的至少一个的截面面积小的截面面积。
2.根据权利要求1所述的排气气体扩散器，其特征在于，至少所述小支柱空气动力学地成形为减少涡旋和流动分离。
3.根据权利要求1所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述主支柱和所述小支柱具有周向地对齐的前缘。
4.根据权利要求1所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述主支柱的前缘从所述小支柱的前缘周向地偏移。
5.根据权利要求4所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述主支柱的所述前缘从所述小支柱的所述前缘轴向地偏移。
6.根据权利要求1所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述小支柱各自具有前缘和后缘，且其中在所述前缘和后缘之间延伸的翼弦线平行于所述主支柱中的邻近的一个的翼弦线，且平行于所述扩散器的所述中央轴线。
7.根据权利要求1所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述小支柱各自一致地更接近于一对邻近的主支柱中的一个的吸力侧放置，其中所述吸力侧是当所述气体扩散器在部分负载条件下操作时确定的。
8.根据权利要求7所述的排气气体扩散器，其特征在于，在所述小支柱中的每一个和所述主支柱中的两个邻近的中的更近的一个之间的周向距离在从小的和大的支柱的相应中央轴线测量时在四和十英寸之间。
9.根据权利要求1所述的排气气体扩散器，其特征在于，在所述小支柱中的每一个和所述主支柱中的两个邻近的中的更近的一个之间的周向间距在从支柱的相应中央轴线测量时不超过十英寸。
10.一种排气气体扩散器，包括：
外壳体；
毂，其在所述外壳体内居中且具有与所述扩散器同轴的中心线；
翼型件形的主支柱，其以周向地间隔的阵列从所述毂延伸至所述外壳体，所述主支柱各自具有与来自所述毂的中央线的径向线同轴的轴线；
辅助翼片，其周向地置于所述主支柱的邻近的对之间，所述辅助翼片中的每一个具有比所述主支柱中的一个的截面面积小的截面面积，所述辅助翼片各自具有与来自所述毂的中央线的径向线同轴的轴线，与最近的主支柱间隔至少两英寸，且具有翼弦线，所述翼弦线在辅助翼片的前缘和后缘之间，平行于在所述最近的主支柱的前缘和后缘之间延伸的翼弦。
11.根据权利要求10所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述辅助翼片具有比所述最近的主支柱小的长度和宽度尺寸。
12.根据权利要求10所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述辅助翼片中的每一个和所述最近的主支柱之间的周向距离在大约二到十英寸的范围内。
13.根据权利要求10所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述辅助翼片是对称地或不对称地成形的。
14.根据权利要求10所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述主支柱和所述辅助翼片具有周向地对齐的前缘。
15.根据权利要求10所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述主支柱的前缘从所述辅助翼片的前缘沿所述毂的轴线偏移。
16.根据权利要求15所述的排气气体扩散器，其特征在于，所述主支柱的所述前缘相对于穿过所述排气气体扩散器的流沿上游方向轴向地延伸超过所述辅助翼片的所述前缘。
17.一种工业燃气涡轮，其包括压缩机、燃烧器、一个或更多个涡轮级和沿涡轮转子轴线布置的排气导管，所述排气导管并入扩散器，所述扩散器具有：径向外周边壳体；
中央主体或毂，其置于所述径向外周边壳体内；
主支柱，其在所述中央主体或毂的周围置于周向地间隔的部位处，且径向向外地延伸至外周边壳体；以及
第二多个小支柱，其在所述主支柱之间置于周向地间隔的部位处，其中所述小支柱中的每一个具有比所述主支柱中的至少一个的截面面积小的截面面积，所述主支柱和较小支柱具有平行于所述涡轮转子轴线的基本上纵向的中央轴线，且其中，所述小支柱中的每一个和所述主支柱中的最近的一个之间的周向距离不超过十英寸。
18.根据权利要求17所述的工业燃气涡轮，其特征在于，所述主支柱和所述小支柱具有周向地对齐的前缘。
19.根据权利要求17所述的工业燃气涡轮，其特征在于，所述主支柱的前缘从所述小支柱的前缘偏移，其中所述偏移沿着平行于所述涡轮转子轴线。
20.根据权利要求19所述的工业燃气涡轮，其特征在于，所述偏移在所述周向距离的大约百分之十到二十的范围内。
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