CN107448293A - 用于燃气涡轮发动机的排气扩压器 - Google Patents

用于燃气涡轮发动机的排气扩压器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器。所述排气扩压器可以包括轮毂、壳体以及在所述轮毂与所述壳体之间延伸的支柱。所述轮毂可以包括围绕所述支柱的成角度构造以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。

Description

用于燃气涡轮发动机的排气扩压器
技术领域
本申请案及相应专利大体上涉及燃气涡轮发动机，并且更确切地说，涉及用于燃气涡轮发动机等的具有减小的湍流和流动损失的排气扩压器。
背景技术
燃气涡轮发动机大体上包括位于涡轮末级下游的排气扩压器(exhaustdiffuser)。一般来说，排气扩压器将离开涡轮末级的热燃烧气体的动能以更高静压的形式转换成势能。排气扩压器引导热燃烧气体沿流动方向通过截面积增大的壳体(casing)。排气扩压器大体上包括安装到轮毂(hub)上并且被壳体包围的若干支柱(struts)。
排气扩压器的第一部分可以实现所有负载点处的大部分压力恢复(recovery)。但是，此部分中的支柱可能产生湍流和流动损失，尤其是在所述支柱或叶片平台呈向前张开(flared)时。轮毂强的入口流动轮廓(inlet flow profiles)还可能对该轮廓中的流动损失做出贡献(contribute to)，因为所述轮廓可能使大量热燃烧气体流集中在与壳体隔开的轮毂流动通道附近。
发明内容
本申请案及相应专利因此提供一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器。所述排气扩压器可以包括轮毂、壳体以及在所述轮毂与所述壳体之间延伸的支柱。所述轮毂可以包括围绕(about)所述支柱的成角度构造(angled configuration)以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造定位成围绕所述排气扩压器的上游部分。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造定位成围绕所述排气扩压器的入口。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造起始于所述入口周围(about theinlet)并且向所述支柱延伸。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造起始于所述入口的下游并且延伸到所述支柱中。
在其一实施例中，所述轮毂的所述大体平坦构造在第一平坦轮毂长度上起始于所述入口的下游，并且在第二平坦轮毂长度上延伸到所述支柱的下游。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造在所述第一平坦轮毂长度与所述第二平坦轮毂长度之间延伸。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造包括具有第一轮毂角的第一成角度轮毂长度。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造包括具有第二轮毂角的第二成角度轮毂长度。
在其一实施例中，所述支柱包括所述轮毂的所述大体平坦构造。
在其一实施例中，所述支柱部分地(in part)包括所述轮毂的所述成角度构造，并且部分地包括所述轮毂的所述大体平坦构造。
在其一实施例中，所述支柱包括前向位置(forward position)。
在其一实施例中，所述支柱的前缘(leading edge)包括前向角(forward angle)。
在其一实施例中，所述壳体包括成角度壳体构造。
本申请案及相应专利进一步提供一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器。所述排气扩压器可以包括轮毂、壳体、在所述轮毂与所述壳体之间延伸的支柱以及入口。所述轮毂可以包括从所述入口的下游延伸到所述支柱的成角度构造以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。
在其一实施例中，所述支柱包括所述轮毂的大体平坦构造。
本申请案及相应专利进一步提供一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器。所述排气扩压器可以包括轮毂、壳体、在所述轮毂与所述壳体之间延伸的支柱以及入口。所述轮毂可以包括从所述入口的下游延伸到所述支柱周围的成角度构造以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造包括具有第一轮毂角的第一成角度轮毂长度。
在其一实施例中，所述轮毂的所述成角度构造包括具有第二轮毂角的第二成角度轮毂长度。
在其一实施例中，所述支柱部分地包括所述轮毂的所述成角度构造，并且部分地包括所述轮毂的所述大体平坦构造。
在结合若干附图和附属权利要求书来阅读以下具体实施方式之后，所述领域的一般技术人员将显而易见地了解本发明和相应专利的这些和其他特征和改进。
附图说明
图1是具有压缩机、燃烧器、涡轮、扩压器以及负载的燃气涡轮发动机的示意图。
图2是可与图1的燃气涡轮发动机一起使用的已知扩压器的局部示意图。
图3是本说明书中所述的排气扩压器的局部示意图。
图4是本说明书中所述的排气扩压器的替代实施例的局部示意图。
图5是本说明书中所述的排气扩压器的替代实施例的局部示意图。
图6是本说明书中所述的排气扩压器的替代实施例的局部示意图。
具体实施方式
现参阅附图，在附图中，相同数字是指若干附图中的相同元件，图1示出本说明书中所使用的燃气涡轮发动机10的示意图。燃气涡轮发动机10可包括压缩机15。压缩机15压缩进入的空气流20。压缩机15将压缩的空气流20输送到燃烧器25。燃烧器25将压缩的空气流20与加压燃料流30混合并点燃混合物以产生燃烧气体流35。尽管只示出了单个燃烧器25，但是燃气涡轮发动机10可包括以周向阵列或类似方式布置的任何数量的燃烧器25。燃烧气体流35转而被输送到涡轮40。燃烧气体流35驱动涡轮40，从而产生机械功。在涡轮40中产生的机械功经由轴45驱动压缩机15和外部负载50，例如发电机等。
燃气涡轮发动机10可使用天然气、各种类型的合成气、液体燃料和/或其他类型的燃料以及它们的混合物。燃气涡轮发动机10可以是纽约斯克内克塔迪(Schenectady,NewYork)的通用电气公司(General Electric Company)所提供的多种不同燃气涡轮发动机中的任一种，包括但不限于，例如，7或9系列重型燃气涡轮发动机等。燃气涡轮发动机10可具有不同构造，并且可使用其他类型的部件。本说明书中也可使用其他类型的燃气涡轮发动机。本说明书中也可将多个燃气涡轮发动机、其他类型的涡轮机和其他类型的发电设备一起使用。
如图1和图2中所示，燃气涡轮发动机10还可包括排气扩压器55。排气扩压器55可以定位在涡轮40的下游并且与所述涡轮40连通。如上所述，排气扩压器55可以包括多个支柱60，所述多个支柱60安装在轮毂65上并且封闭在外壳70内。支柱60用于将轮毂65和壳体70保持成彼此固定的关系。排气扩压器55可以沿径向方向转动燃烧气体流35。排气扩压器55的上游部分75可以定位在邻近涡轮40的末级轮叶80处。围绕上游部分75的壳体70可以具有成角度壳体构造85，而围绕上游部分75的轮毂65可以具有大体平坦的轮毂构造。大体平坦的轮毂构造90可以大体平行于轴45的方向，并且大体垂直于穿过其中的径向线95。可以使用其他构造和其他部件。
图3示出本说明书中所述的排气扩压器100的一部分。确切地说，其中示出了排气扩压器100的上游部分110。上游部分110可以具有入口120，所述入口120定位成围绕涡轮40的末级轮叶80。排气扩压器100可以包括多个支柱130，所述多个支柱130安装在轮毂140上并且被封闭在外壳150内。本说明书中可以使用任意数量的支柱130。在本示例中，支柱130可以具有更靠近入口110的前向位置160。换言之，鉴于向前移动支柱130通常会促使或有助于湍流和流动损失，因此支柱130可以定位成相对于上述典型构造更靠近第一部分110的入口120和末级轮叶80处。
外壳150可以具有类似于上述构造的成角度壳体构造170。在本实例中，围绕上游部分110的轮毂140可以包括成角度轮毂构造180。成角度轮毂构造180可以从上游部分110的入口120周围到支柱130周围向下地成角度。本说明书中可以使用其他长度。成角度轮毂构造180可以包括轮毂角(hub angle)190。确切地说，轮毂角190可以从大体垂直于径向线95的轮毂线200向下游延伸。轮毂角190可以延伸到约六度(6°)或者更小角度，但是本说明书中也可以使用其他角度。轮毂140随后可以在成角度轮毂构造180的下游和支柱130处以大体平坦的轮毂构造210沿轮毂线200继续。本说明书中可使用其他部件和其他构造。
使用轮毂角190可以针对轮毂强的流动轮廓优化排气扩压器100，从而提高扩压器总体性能。此外，轮毂角190还允许支柱130向前移动，而不造成上述湍流和流动损失增大。可以围绕轮毂140设置更大的涡轮张角(flare angles)。相反，增大壳体150的角度而不是轮毂角190可能会增大货运限制，从而使扩压器过于易于发生流动分离。使用轮毂角190因此可保持全速、全负载条件下的总体性能，同时提高部分负载等下的性能。
图4示出本说明书中所述的排气扩压器220的一个替代实施例的一个示例。在本示例中，轮毂140可以具有大体平坦的轮毂构造210，所述大体平坦的轮毂构型210采用第一平坦长度230的形式。第一平坦长度230可以从上游部分110的入口120周围沿轮毂线200延伸。本说明书中可以使用其他长度。轮毂140随后可以具有成角度轮毂构造180，所述成角度轮毂构造180采用成角度轮毂长度240的形式。成角度轮毂长度240可以从支柱130上游的第一平坦长度230延伸到沿支柱130的长度的某个点处。本说明书中可以使用其他长度。成角度轮毂长度240可以包括轮毂角190。轮毂角190可以与上述轮毂角相同或类似。轮毂140随后可以以大体平坦的轮毂构造210继续，所述大体平坦的轮毂构造210采用第二平坦长度250的形式。第二平坦长度250可以沿轮毂线200继续向下游延伸。本说明书中可使用其他部件和其他构造。
图5示出本说明书中所述的排气扩压器260的进一步实施例。在本实例中，轮毂140可以具有成角度轮毂构造180，所述成角度轮毂构造180采用第一成角度轮毂长度270的形式。第一成角度轮毂长度270可以从入口120周围延伸到支柱130上游的某个点处。本说明书中可以使用其他长度。第一成角度轮毂长度270可以具有第一轮毂角280。第一轮毂角280可以变化(vary)。轮毂140随后可以具有第二成角度轮毂长度290。第二成角度轮毂长度290可以从支柱130上游的第一成角度轮毂长度270延伸到沿支柱130的长度的某个点处。本说明书中可以使用其他长度。第二成角度轮毂长度290可以具有第二轮毂角300。第二轮毂角300可以变化。轮毂140随后可以大体平坦的轮毂构造210继续，所述大体平坦的轮毂构造210采用轮毂平坦长度310的形式，轮毂平坦长度310从第二成角度轮毂长度290沿轮毂线200向其下游延伸。本说明书中可使用其他部件和其他构造。
图6示出本说明书中所述的排气扩压器320的一个替代实施例的一个示例。以类似于图3中的方式，围绕上游部分110的轮毂140可以包括成角度轮毂构造180。成角度轮毂构造180可以从上游部分110的入口120周围到沿着所述支柱向下地成角度。本说明书中可以使用其他长度。成角度轮毂构造180可以包括轮毂角190。确切地说，轮毂角190可以从大体垂直于径向线95的轮毂线200向下延伸。轮毂角190可以延伸到约六度(6°)或者更小角度，但是本说明书中也可以使用其他角度。轮毂140随后可以在成角度轮毂构造180的下游沿轮毂线200以大体平坦的轮毂构造210延续。本说明书中可使用其他部件和其他构造。
替代于其前缘330大体平行于径向线95并且大体垂直于轮毂线200的上述支柱130，本示例中的支柱340可以具有前缘330，所述前缘330具有前向角350。确切地说，前缘330沿大体直线可以比在外壳150周围更靠近围绕轮毂140的末级轮叶80。本专利申请文件中可使用其他角度。支柱340还可以具有后缘360，所述后缘360具有相同或类似的前向度350。或者，后缘360可以大体垂直于轮毂线200或者采用任何适当的构造。本说明书中可使用其他部件和其他构造。
具有前向角350的支柱340可以用于本说明书中所述的任何排气扩压器实例等。使用前向角350以及前向位置160通过减小支柱阻力来减小由支柱引起的阻塞和流动损失。
本说明书中所述的多个成角度轮毂构造、支柱构造等仅用作示例。本说明书中可以使用不同构造及其组合。
应清楚的是，上述说明仅涉及本申请和相应专利的某些实施例。所属领域中的技术人员可在不背离本发明的总体精神和范围的情况下在本说明书中做出多种变化和修改，其中本发明的总体精神和范围由所附权利要求书和其等效物限定。

Claims (10)

1.一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器，所述排气扩压器包括：
轮毂；
壳体；以及
支柱，所述支柱在所述轮毂与所述壳体之间延伸；
所述轮毂包括围绕所述支柱的成角度构造以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。
2.根据权利要求1所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述成角度构造定位成围绕所述排气扩压器的上游部分。
3.根据权利要求1所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述成角度构造定位成围绕所述排气扩压器的入口。
4.根据权利要求3所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述成角度构造起始于所述入口周围并且向所述支柱延伸。
5.根据权利要求3所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述成角度构造起始于所述入口的下游并且延伸到所述支柱中。
6.根据权利要求3所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述大体平坦构造在第一平坦轮毂长度上起始于所述入口的下游，并且在第二平坦轮毂长度上延伸到所述支柱的下游。
7.根据权利要求6所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述成角度构造在所述第一平坦轮毂长度与所述第二平坦轮毂长度之间延伸。
8.根据权利要求1所述的排气扩压器，其特征在于，所述轮毂的所述成角度构造包括具有第一轮毂角的第一成角度轮毂长度和具有第二轮毂角的第二成角度轮毂长度。
9.一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器，所述排气扩压器包括：
轮毂；
壳体；
支柱，所述支柱在所述轮毂与所述壳体之间延伸；以及
入口；
所述轮毂包括从所述入口的下游延伸到所述支柱的成角度构造以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。
10.一种用于燃气涡轮发动机的排气扩压器，所述排气扩压器包括：
轮毂；
壳体；
支柱，所述支柱在所述轮毂与所述壳体之间延伸；以及
入口；
所述轮毂包括从所述入口的下游延伸到所述支柱周围的成角度构造以及在所述成角度构造下游的大体平坦构造。
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