CN107923261B - 排气扩散器 - Google Patents

Abstract

排气扩散器具备：内筒；外筒，在该外筒与内筒之间形成从前方向后方扩展的排气流路；以及至少1个管状支柱，其将内筒与外筒连结起来，外筒在比管状支柱靠前方的位置处具有前侧圆锥部，并且具有以比前侧圆锥部的倾斜角度大的倾斜角度从比管状支柱靠前方处开始扩展的外侧喇叭管部，内筒具有与前侧圆锥部和外侧喇叭管部对置的前侧直筒部，并且具有从管状支柱的最大宽度部分与后缘之间开始扩展的内侧喇叭管部。

Description

排气扩散器

技术领域

本发明涉及排气扩散器。

背景技术

一直以来，在涡轮的下游处，配置有将来自涡轮的排气的动压力转换为静压力的排气扩散器。例如，在专利文献1中公开了被组入燃气涡轮发动机中的排气扩散器。

在专利文献1所公开的排气扩散器中，内筒与外筒被多个支柱连结起来。在内筒与外筒之间，形成有从前方向后方扩展的排气流路。支柱呈彼此相同的板状，并且以等角度间距被配置在同一圆周上。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2014-77441号公报

发明内容

发明所要解决的课题

另外，还有如下技术，将多个支柱中的若干支柱形成为管状，并使配管等穿过这些支柱的内部。但是，在像这样将支柱中的若干支柱形成为管状并加粗的情况下，存在支柱的区域内压力损失会变大。

因此，本发明的目的在于提供即使包含管状支柱，也能够减少因管状支柱而导致的压力损失的排气扩散器。

用于解决课题的手段

为了解决所述课题，本发明的1个方面的排气扩散器的特征在于，该排气扩散器具备：内筒；外筒，在该外筒与所述内筒之间形成从前方向后方扩展的排气流路；以及至少1个管状支柱，其将所述内筒与所述外筒连结起来，所述外筒在比所述管状支柱靠前方的位置处具有前侧圆锥部，并且具有以比所述前侧圆锥部的倾斜角度大的倾斜角度从比所述管状支柱靠前方的位置处开始扩展的外侧喇叭管部，所述内筒具有与所述前侧圆锥部和所述外侧喇叭管部对置的前侧直筒部，并且具有从所述管状支柱的最大宽度部分与后缘之间开始扩展的内侧喇叭管部。

这里，“前方”和“后方”分别指的是排气扩散器的轴向上的一方(排气的流动的上流侧)和另一方(排气的流动的下游侧)。

根据上述结构，由于在管状支柱的前方通过外侧喇叭管部扩大了排气流路，因此在排气流路中流动的排气在充分地减速后流入到管状支柱间。因此，能够减小管状支柱的前缘附近处的压力损失。另一方面，不存在内侧喇叭管部的情况下，在比管状支柱的最大宽度部分靠后方的位置处，由于管状支柱的占有面积的减少，排气流路的截面面积会急剧增加。对此，如果存在内侧喇叭管部，则能够通过内侧喇叭管部使这样的排气流路的截面面积的急剧增加得到缓和。由此，即使在管状支柱的后缘附近也能够减小压力损失。

所述外筒的一部分和所述内筒的一部分可以通过铸造而与所述管状支柱一体地形成。根据该结构，可实现适于中型和小型的燃气涡轮发动机的排气扩散器。

所述外筒可以具有从所述外侧喇叭管部的后端超过所述管状支柱的最大宽度部分而向后方延伸的外侧直筒部、和从所述外侧直筒部的后端扩径的后侧圆锥部，所述内筒可以具有从所述内侧喇叭管部的后端向后方延伸的后侧直筒部。根据该结构，在外筒上不形成从排气流路朝向径向外侧凹陷的凹部，并且在内筒上不形成从排气流路朝向径向内侧凹陷的凹部，因此在通过铸造而将外筒的一部分和内筒的一部分与管状支柱一起进行制造时，能够减少铸模的分割数。

上述排气扩散器还可以具备至少1个扁平支柱，该至少1个扁平支柱将所述内筒与所述外筒连结起来，并在该排气扩散器的轴向上与所述管状支柱重合。根据该结构，能够在不存在配管等的部位处采用较细的支柱，从而能够较大地确保排气流路的截面面积。由此，与将所有的支柱都形成为管状支柱的情况相比，能够减小压力损失。

所述扁平支柱的前缘可以位于比所述管状支柱的前缘靠前方的位置处，所述扁平支柱的后缘可以位于比所述管状支柱的最大宽度部分靠后方的位置处。根据该结构，由于排气流路的截面面积会在通过扁平支柱而小幅减少之后，再通过管状支柱而大幅减少，因此能够使排气流路的截面面积平缓地变化。由此，与管状支柱的前缘和扁平支柱的前缘一致的情况相比，能够减小压力损失。

所述扁平支柱的后缘可以位于比所述管状支柱的后缘靠前方的位置处。根据该结构，在排气流路中流动的排气会在扁平支柱的后缘附近汇合之后在管状支柱的后缘附近汇合。由此，能够使流动变得稳定。

此外，本发明的另一个方面的排气扩散器的特征在于，该排气扩散器具备：内筒；外筒，在该外筒与所述内筒之间形成从前方向后方扩展的排气流路；至少1个管状支柱，其将所述内筒与所述外筒连结起来；以及至少1个扁平支柱，其将所述内筒与所述外筒连结起来，并且在该排气扩散器的轴向上与所述管状支柱重合，所述扁平支柱的前缘位于比所述管状支柱的前缘靠前方的位置处，所述扁平支柱的后缘位于比所述管状支柱的最大宽度部分靠后方的位置处。

根据上述结构，排气流路的截面面积会在通过扁平支柱而小幅减少之后再通过管状支柱而大幅减少，因此能够使排气流路的截面面积平缓地变化。由此，与管状支柱的前缘和扁平支柱的前缘一致的情况相比，能够减小压力损失。

在上述的另一个方面的排气扩散器中，所述扁平支柱的后缘也可以位于比所述管状支柱的后缘靠前方的位置处。根据该结构，在排气流路中流动的排气在扁平支柱的后缘附近汇合后，在管状支柱的后缘附近汇合。由此，能够使流动变得稳定。

在上述的另一个方面的排气扩散器中，所述外筒的一部分和所述内筒的一部分也可以通过铸造而与所述管状支柱一体地形成。根据该结构，可实现适于中型和小型的燃气涡轮发动机的排气扩散器。

发明效果

根据本发明，即使在包含管状支柱的情况下，也能够减小因管状支柱而导致的压力损失。

附图说明

图1为组入有本发明的一个实施方式的排气扩散器的燃气涡轮发动机的概要结构图。

图2为排气扩散器的剖视图。

图3为沿着图2的III-III线的剖视图。

图4为沿着图3的IV-IV线的剖视图。

具体实施方式

图1示出了组入有本发明的一个实施方式的排气扩散器2的燃气涡轮发动机1。以下，将排气扩散器2的轴向(本实施方式中为水平方向)上的一方(排气流动的上游侧)称为前方，将另一方(排气流动的下游侧)称为后方。

燃气涡轮发动机1包括压缩机11、燃烧室12和涡轮13。排气扩散器2被配置在涡轮13的下游。此外，燃气涡轮发动机1包括贯穿压缩机11和涡轮13的转子14。在转子14的前端部连接有发电机15。

如图2和图3所示，排气扩散器2包括内筒3和外筒4。在内筒3和外筒4之间形成有从前方向后方扩展的排气流路21。在本实施方式中，内筒3与外筒4通过沿排气扩散器2的径向延伸的多个(在图例中为2个)管状支柱5和多个(在图例中为4个)扁平支柱6而相互连结起来。其中，管状支柱5和扁平支柱6分别至少具备1个即可，可适当地确定管状支柱5的个数和扁平支柱6的个数。

管状支柱5和扁平支柱6排列于排气扩散器2的周向上。各扁平支柱6与排气扩散器2的径向平行。但是，各扁平支柱6也可以相对于排气扩散器2的径向倾斜。在本实施方式中，在内筒3的上方和下方配置有2个管状支柱5，在内筒3的右方和左方分别配置有2个扁平支柱6。

本实施方式的排气扩散器2适于中型和小型的燃气涡轮发动机。因此，外筒4的一部分和内筒3的一部分通过铸造而与管状支柱5和扁平支柱6一体形成。

更具体而言，外筒4被分割为前方构件4A和后方构件4B，内筒3被分割为前方构件3A和后方构件3B。而且，外筒4的前方构件4A和内筒3的前方构件3A通过铸造而与管状支柱5和扁平支柱6一体形成。外筒4的后方构件4B和内筒3的后方构件3B分别通过例如钣金加工而被制成。

此外，在本实施方式中，扁平支柱6比管状支柱5向前方突出。换言之，扁平支柱6在排气扩散器2的轴向上与管状支柱5局部重合。

更具体而言，如图4所示，各管状支柱5的截面形状为朝后方而变尖的水滴状，从最大宽度部分55起的前方为半圆状，从最大宽度部分55起的后方为大致V字状。这里，“宽度”指的是在排气扩散器2的周向上的管状支柱5的厚度。在外筒4的前方构件4A和内筒3的前方构件3A上，分别设置有与管状支柱5的内部空间相同形状的开口45、35(参照图2、3)。

扁平支柱6的前缘61位于比管状支柱5的前缘51靠前方距离A的位置上。此外，扁平支柱6的后缘62位于比管状支柱5的后缘52靠前方距离B的位置上。其中，扁平支柱6的后缘62位于比管状支柱5的最大宽度部分55靠后方的位置上。这里，“前缘”和“后缘”指的是管状支柱5和扁平支柱6的各自的截面形状为一定的部分的直线状的缘部。

返回至图2，外筒4从前方起依次具有前侧圆锥部41、外侧喇叭管部42、外侧直筒部43和后侧圆锥部44。这些部位41～44构成了连续的朝向内侧的壁面。即，前侧圆锥部41的前端为外筒4的前端，后侧圆锥部44的后端为外筒4的后端，而且相邻部位的后端与前端相互连接。前侧圆锥部41、外侧喇叭管部42和外侧直筒部43为前方构件4A的结构要素，后侧圆锥部44为后方构件4B的结构要素。

前侧圆锥部41位于比管状支柱5和扁平支柱6靠前方的位置处。前侧圆锥部41以比较平缓的倾斜角度向后方扩径。

外侧喇叭管部42以比前侧圆锥部41的倾斜角度大的倾斜角度从比管状支柱5和扁平支柱6靠前方的位置开始扩展。在本实施方式中，外侧喇叭管部42的后端位于比管状支柱5的前缘51靠后方的位置处。但是，外侧喇叭管部42的后端既可以位于与管状支柱5的前缘51相同的位置处，也可以位于比管状支柱5的前缘51靠前方的位置处。

例如，外侧喇叭管部42使外筒4扩径，以抵消(不一定使之为零)在管状支柱5的前缘51的附近处因管状支柱5而导致的排气流路21的截面面积的减少(有些情况下也抵消在扁平支柱6的前缘61的附近处因扁平支柱6而导致的排气流路21的截面面积的减少)。

外侧直筒部43从外侧喇叭管部42的后端超过管状支柱5的最大宽度部分55而向后方延伸。在本实施方式中，外侧直筒部43的后端位于比管状支柱5的后缘52靠后方的位置处。但是，外侧直筒部43的后端既可以位于与管状支柱5的后缘52相同的位置处，也可以位于比管状支柱5的后缘52靠前方的位置处。

后侧圆锥部44从外侧直筒部43的后端向后方扩径。后侧圆锥部44的倾斜角度既可以与前侧圆锥部41的倾斜角度相同，也可以不同。

另一方面，内筒3从前方起依次具有前侧直筒部31、内侧喇叭管部32和后侧直筒部33。这些部位31～33构成了连续的朝向外侧的壁面。即，前侧直筒部31的前端为内筒3的前端，后侧直筒部33的后端为内筒3的后端，并且相邻部位的后端与前端相互连接。前侧直筒部31和内侧喇叭管部32为前方构件3A的结构要素，后侧直筒部33为后方构件3B的结构要素。

前侧直筒部31从内筒3的前端超过管状支柱5的最大宽度部分55而向后方延伸。因此，前侧直筒部31与外筒4的前侧圆锥部41以及外侧喇叭管部42的整体对置，并且还与外侧直筒部43的一部分对置。

内侧喇叭管部32从管状支柱5的最大宽度部分55与后缘52之间开始扩展。内侧喇叭管部32的后端位于比管状支柱5的后缘52靠后方的位置处。

例如，内侧喇叭管部32使内筒3扩径，以抵消(不一定使之为零)在管状支柱5的后缘52的附近处因管状支柱5而导致的排气流路21的截面面积的增加(有些情况下也抵消在扁平支柱6的后缘62的附近处因扁平支柱6而导致的排气流路21的截面面积的增加)。

后侧直筒部33从内侧喇叭管部32的后端向后方延伸，与外筒4的后侧圆锥部44对置。

如以上所说明那样，在本实施方式的排气扩散器2中，在管状支柱5的前方通过外侧喇叭管部42而使排气流路21扩大，因此在排气流路21中流动的排气在被充分减速后流入到管状支柱5之间。因此，能够减小管状支柱5的前缘51附近处的压力损失。另一方面，不存在内侧喇叭管部32的情况下，在比管状支柱5的最大宽度部分55靠后方的位置处，因管状支柱5的占有面积的减少，排气流路21的截面面积会急剧地增加。对此，如果存在内侧喇叭管部32，则能够通过内侧喇叭管部32使这种排气流路21的截面面积的急剧增加得到缓和。由此，在管状支柱5的后缘52附近处也能够减小压力损失。

并且，在本实施方式中，扁平支柱6的前缘61位于比管状支柱5的前缘51靠前方的位置处，因此排气流路21的截面面积在通过扁平支柱6而小幅减少后，再通过管状支柱5而大幅减少。因此，能够使排气流路21的截面面积缓慢地变化。由此，与管状支柱5的前缘51和扁平支柱6的前缘61一致的情况相比，能够减小压力损失。

此外，扁平支柱6的后缘62位于比管状支柱5的后缘52靠前方的位置处，因而在排气流路21中流动排气在扁平支柱6的后缘62附近汇合之后，在管状支柱5的后缘52附近汇合。由此，能够使流动变得稳定。

并且，在本实施方式中，在外筒4上未形成从排气流路21朝向径向外侧凹陷的凹部，并且在内筒3上未形成从排气流路朝向径向内侧凹陷的凹部。因此，在通过铸造而将外筒4的前方构件4A和内筒3的前方构件3A与管状支柱5和扁平支柱6一起制造时，能够减少铸模(例如木模)的分割数。

(变形例)

本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离于本发明的主旨的范围内进行各种变形。

例如，排气扩散器2无需一定组入燃气涡轮发动机1中，例如也可以配置于蒸汽涡轮的下游。

此外，在排气扩散器2的轴向上，扁平支柱6无需一定与管状支柱5局部重合，扁平支柱6也可以与管状支柱5整体重合。

并且，扁平支柱6并不是必需的，也可以仅设置多个管状支柱5。其中，如所述实施方式那样，只要设置了至少1个管状支柱5和至少1个扁平支柱6，就能够在不存在配管等的部位处采用较细的支柱，从而能够确保排气流路21的截面面积较大。由此，与将全部支柱都形成为管状支柱5的情况相比，能够减小压力损失。

此外，外侧喇叭管部42的前端可以位于比扁平支柱6的前缘61靠后方的位置处。其中，如所述实施方式那样，如果外侧喇叭管部42的前端位于比扁平支柱6的前缘61靠前方的位置处，则能够降低流入扁平支柱6之间的排气的速度。

此外，扁平支柱6的后缘62无需一定位于比管状支柱5的后缘52靠前方的位置处，也可以位于与管状支柱5的后缘52相同的位置处或者比管状支柱5的后缘52靠后方的位置处。

此外，这里省略了图示，还可以代替外筒4的外侧直筒部43而设置与后侧圆锥部44相同的倾斜角度的中间圆锥部。并且，还可以代替内筒3的后侧直筒部33而采用从内侧喇叭管部32的后端缩径的圆锥部，并代替外筒4的后侧圆锥部44而采用直筒部。

此外，还可以通过钣金加工来分别制造外筒4的前方构件4A和内筒3的前方构件3A。并且，外筒4和内筒3也可以均为单一部件。

另外，如果着眼于所述实施方式的管状支柱5与扁平支柱6的位置关系，则也可以是，外筒4不具有外侧喇叭管部42，并且内筒3不具有内侧喇叭管部32。即，在所述实施方式中，由于扁平支柱6的前缘61位于比管状支柱5的前缘51靠前方的位置处，因此排气流路21的截面面积在通过扁平支柱6而小幅减少后，再通过管状支柱5而大幅减少。因此，能够使排气流路21的截面面积平缓地变化。由此，与管状支柱5的前缘51和扁平支柱6的前缘61一致的情况相比，能够减小压力损失。这样，在着眼于所述实施方式的管状支柱5与扁平支柱6的位置关系的情况下，只要形成在内筒3和外筒4之间的排气流路21从前方向后方扩展，则该内筒3和外筒4可以为任意形状。

此外，即使在着眼于所述实施方式的管状支柱5与扁平支柱6的位置关系的情况下，扁平支柱6的后缘62也无需一定位于比管状支柱5的后缘52靠前方的位置处，也可以位于与管状支柱5的后缘52相同的位置处或者比管状支柱5的后缘52靠后方的位置处。并且，外筒4和内筒3既可以整体利用钣金加工制成，也可以分别是单一部件。

标号说明：

2：排气扩散器；21：排气流路；3：内筒；31：前侧直筒部；32：内侧喇叭管部；33：后侧直筒部；4：外筒；41：前侧圆锥部；42：外侧喇叭管部；43：外侧直筒部；44：后侧圆锥部5：管状支柱；51：前缘；52：后缘；55：最大宽度部分；6：扁平支柱；61：前缘；62：后缘。

Claims (9)

1.一种排气扩散器，其具备：

内筒；

外筒，在该外筒与所述内筒之间形成从前方向后方扩展的排气流路；以及

至少1个管状支柱，其将所述内筒与所述外筒连结起来，其特征在于，

所述外筒在比所述管状支柱靠前方的位置处具有前侧圆锥部，并且具有以比所述前侧圆锥部的倾斜角度大的倾斜角度，从所述前侧圆锥部的位于比所述管状支柱靠前方的位置处的后端开始扩展的外侧喇叭管部，在所述外筒上未形成从排气流路朝向径向外侧凹陷的凹部，

所述内筒具有与所述前侧圆锥部和所述外侧喇叭管部对置的前侧直筒部，并且具有从所述前侧直筒部的位于所述管状支柱的最大宽度部分与后缘之间的后端开始朝向径向外侧扩展的内侧喇叭管部，在所述内筒上未形成从排气流路朝向径向内侧凹陷的凹部。

2.根据权利要求1所述的排气扩散器，其中，

所述外筒的一部分和所述内筒的一部分通过铸造而与所述管状支柱一体地形成。

3.根据权利要求1或2所述的排气扩散器，其中，

所述外筒具有从所述外侧喇叭管部的后端超过所述管状支柱的最大宽度部分而向后方延伸的外侧直筒部、和从所述外侧直筒部的后端扩径的后侧圆锥部，

所述内筒具有从所述内侧喇叭管部的后端向后方延伸的后侧直筒部。

4.根据权利要求1或2所述的排气扩散器，其中，

该排气扩散器还具备至少1个扁平支柱，该至少1个扁平支柱将所述内筒与所述外筒连结起来，并在该排气扩散器的轴向上与所述管状支柱重合。

5.根据权利要求4所述的排气扩散器，其中，

所述扁平支柱的前缘位于比所述管状支柱的前缘靠前方的位置处，

所述扁平支柱的后缘位于比所述管状支柱的最大宽度部分靠后方的位置处。

6.根据权利要求5所述的排气扩散器，其中，

所述扁平支柱的后缘位于比所述管状支柱的后缘靠前方的位置处。

7.一种排气扩散器，其特征在于，所述排气扩散器具备：

内筒；

外筒，在该外筒与所述内筒之间形成从前方向后方扩展的排气流路；

至少1个管状支柱，其将所述内筒与所述外筒连结起来；以及

至少1个扁平支柱，其将所述内筒与所述外筒连结起来，并且在该排气扩散器的轴向上与所述管状支柱重合，

所述扁平支柱的前缘位于比所述管状支柱的前缘靠前方的位置处，

所述扁平支柱的后缘位于比所述管状支柱的最大宽度部分靠后方的位置处，

在所述内筒上未形成从排气流路朝向径向内侧凹陷的凹部，在所述外筒上未形成从排气流路朝向径向外侧凹陷的凹部。

8.根据权利要求7所述的排气扩散器，其中，

所述扁平支柱的后缘位于比所述管状支柱的后缘靠前方的位置处。

9.根据权利要求7或8所述的排气扩散器，其中，

所述外筒的一部分和所述内筒的一部分通过铸造而与所述管状支柱一体地形成。

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