CN113494317B - 减少流动剥离现象的排气扩压器的毂结构 - Google Patents

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Abstract

所公开的发明涉及一种沿着排气扩压器的长度方向中心配置的毂，其特征在于：具备从上述毂的下游一侧端部沿着上述长度方向延长且横截面积小于上述毂的横截面积的毂延长部，通过使上述毂延长部与上述毂构成同心，而沿着上述毂延长部的周围与上述毂形成段差。

Description

减少流动剥离现象的排气扩压器的毂结构
技术领域
本发明涉及一种排气扩压器的毂结构，尤其涉及一种通过减少在位于排气扩压器的长度方向中央的毂端部发生的压力损失以及流动剥离现象，而能够减少排气扩压器内部的压力损失的排气扩压器的毂结构。
背景技术
燃气涡轮机通常具备有压缩机(compressor)、燃烧器(combustor)以及涡轮机(turbine)。压缩机用于将通过多个压缩机叶片生成的压缩空气供应到燃烧器，上述压缩空气是高温以及高压的空气。燃烧器用于对由从压缩机导入的压缩空气与燃料混合而成的混合气体进行燃烧。在燃烧器中生成的燃烧气体被排出到涡轮机中，而涡轮机的涡轮叶片通过燃烧气体发生旋转并借此生成动力。所生成的动力可以在电力发电或机械驱动等多种领域使用。例如，燃气涡轮机可以用于对发电机、飞机以及火车等进行驱动。
燃气涡轮机的重要因素之一在于将燃烧气体排出到外部的方法，因此需要通过将排气扩压器安装到涡轮机上而对燃烧气体进行排气。但是，为了形成排气扩压器的环形排气空间，需要具备构成同心的内侧圆筒形毂以及外侧圆锥形外壳，而且还需要具备用于对毂与外壳进行相互连接来支撑的支柱。
其中，位于排气扩压器的长度方向中心的毂的直径几乎保持不变，但是圆锥形外壳的直径却随着朝向下游一侧而逐渐扩大，因此在毂结束的末端开始发生流动空间的急速扩张(Sudden Expansion)。因为如上所述的急剧的扩张区间，而在燃烧气体的流动中会形成急剧的压力变动并因此导致压力损失的发生，而被拽入到毂的端部内侧的流动无法顺利发生汇流，从而在毂的后侧形成较长的流动剥离区间。
排气扩压器内部的压力损失以及流动剥离的发生会导致排气效率的下降，而且还会对在燃气涡轮机中连接热回收装置(HRSG，Heat Recovery System Generator)以及蒸汽涡轮机而构成的复合发电系统的整体效率造成不良影响。
现有技术文献
专利文献
(专利文献1)日本专利公报第3601958号(2004.10.01注册)
发明内容
本发明的目的在于，提供一种通过减少在位于排气扩压器的长度方向中央的毂端部发生的压力损失以及流动剥离现象，而减少排气扩压器内部的压力损失的排气扩压器的新型毂结构。
本发明涉及一种沿着排气扩压器的长度方向中心配置的毂，其中，具备从上述毂的下游一侧端部沿着上述长度方向延长且横截面积小于上述毂的横截面积的毂延长部。
上述毂延长部与上述毂构成同心，并借此沿着上述毂延长部的周围与上述毂形成段差。
其中，上述毂延长部可以是圆筒形，尤其是上述毂延长部可以是其端部裸露的中空的圆筒形。
此外，沿着上述毂延长部的侧面可以具备至少一个以上的导向部件。
上述导向部件的高度可以与上述毂延长部相对于上述毂形成的上述段差的高度对应。
此外，上述导向部件的长度可以与上述毂延长部的长度对应。
此外，上述导向部件可以是四边形形态。
此外，可以具备多个上述导向部件，而且多个上述导向部件之间的角度可以均等。
此外，可以具备多个上述导向部件，而且多个上述导向部件可以延长到上述毂延长部的内部并相互交叉。
此外，本发明提供一种排气扩压器，具备构成同心的内侧的圆筒形毂与外侧的圆锥形外壳、以及对上述毂与外壳进行相互连接来支撑的支柱，其中，具备从上述毂的下游一侧端部沿着上述排气扩压器的长度方向延长且横截面积小于上述毂的横截面积的毂延长部。
具有如上所述构成的本发明的毂，通过具备直径小的毂延长部，对在排气扩压器的急剧扩张区间发生的压力损失以及流动剥离的发生进行抑制和延迟，从而提升排气扩压器的排气效率。
附图说明
图1是对使用本发明所涉及的排气扩压器的燃气涡轮机的一示例进行图示的示意图。
图2是对排气扩压器的结构进行概要性图示的示意图。
图3是对现有的一般的毂结构进行图示的示意图。
图4是对本发明所涉及的毂的一实施形态进行图示的示意图。
图5是对本发明所涉及的毂的另一实施形态进行图示的示意图。
图6是对流经图3中的毂的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。
图7是对流经图4中的毂的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。
图8是对流经图5中的毂的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。
【符号说明】
106：排气扩压器
210：毂
220：外壳
300：支柱
400：毂延长部
410：孔洞
420：导向部件
H：导向部件的高度
L：导向部件的长度
具体实施方式
在本说明书中利用术语“上(on)”或“上方(over)”对层、区域、图案或结构进行说明时，既可以理解为相应的层、区域、图案或结构直接位于其他层、区域、图案或结构的上方，也可以理解为在两者之间介有其他层、区域、图案或结构。而在本说明书中利用术语“下(under)”或“下方(below)”对层、区域、图案或结构进行说明时，既可以理解为相应的层、区域、图案或结构直接位于其他层、区域、图案或结构的下方，也可以理解为在两者之间介有其他层、区域、图案或结构。“包含(includes)”以及“包含有(including)”的含义分别与“具备(comprises)”以及“具备有(comprising)”相同。
此外，除非在本说明书中另有明确的相关记载，否则(如第1以及第2部分等)“第1(first)”、“第2(second)”等术语只是用于对一个以上的可能存在的特定特征进行识别。如“第1”等术语并不意味着必须有两个以上存在。除非另有明确的相关记载，否则上述术语并不是为了对特定特征的时间顺序、结构性方向或(如左侧或右侧等)左右方向进行限制。此外，如“第1”以及“第2”等术语可以选择性或互换性地在不同的部件上使用。
不仅如此，“示例性(exemplary)”并不代表最佳(best)，而只是代表示例(example)。需要理解的是，相互之间以特定的大小和/或方向描述以及图示的本说明书中的特征、层和/或部件，只是为了帮助更加简单且轻易地理解本发明，实际的大小和/或方向可能与示例性内容截然不同。即，各个部件的大小可能会为了图示的明确性而被夸张，而且各个部件的大小可能会与各个部件的实际大小不同。在附图中并没有对需要包含的所有部件进行了图示，但是在本说明书中做出了限定，可能会对本说明书中的必要特征之外的其他部件进行追加或删除。
需要理解的是，在与本发明之实施例的附图相关的说明中，(在部分情况下)可能会为了明确性而对众所周知的其他部件进行省略，从而仅对可以帮助理解本发明的适当部件进行简化说明。掌握本行业之一般技术的人员应该可以对用于实现本发明的优选和/或必要的部件进行识别。但是，相应的部件在本行业众所周知且不能帮助更好地理解本发明，因此在本说明书中将不会对相应的部件进行详细的说明。
在附图中，相同的参考编号用于指示整体上相同或类似的构成要素。图1是本发明之一实施例所涉及的燃气涡轮机的截面图。如图1所示，本发明之一实施例所涉及的燃气涡轮机100包括压缩机110、燃烧器104、涡轮机120、外壳102以及排气扩压器106。
外壳102用于对压缩机110进行覆盖，而压缩机110用于将压缩空气提供到燃烧器104中。燃烧器104用于利用上述的压缩空气生成高温气体并将高温气体提供到涡轮机120中。涡轮机120用于利用从燃烧器104提供的高温气体生成旋转扭矩。排气扩压器106位于涡轮机120的后方，用于对高温气体进行扩散(broaden)而降低其速度。为了将通过涡轮机120生成的旋转扭矩传递到压缩机110中，燃气涡轮机100在压缩机110与涡轮机120之间还具备有扭矩管(torque tube)130。
压缩机110包括多个压缩机叶片144，上述压缩机叶片在多个压缩机转子轮盘140上沿着半径方向进行配置。多个压缩机叶片144分别包括以通过鸠尾(dove tail)形态或枞树(fir tree)形态结合到压缩机转子轮盘140的方式构成的压缩机叶根146。压缩机110使多个压缩机叶片144旋转，并借此使得空气随着多个压缩机叶片144的旋转被压缩并移动。在一实施例中，压缩机110直接或间接地连接到涡轮机120而接收在涡轮机120中生成的动力中的一部分，而传递过来的动力用于多个压缩机叶片144的旋转。
在压缩机110中得到压缩的空气移动到燃烧器104中。燃烧器104包括以圆形图案排列的多个外壳以及多个燃烧炉。燃烧器104具备由衬筒(liner)形成的燃烧室，通过燃料喷嘴提供过来的燃料被提供到燃烧器104的燃烧室。在压缩空气与燃料混合之后，在燃烧室中进行燃烧。接下来，经过燃烧的高温气体向涡轮机120排出而使附着在涡轮机转子轮盘180上的涡轮机叶片184旋转。
在燃气涡轮机100中还具备有以贯通涡轮机转子轮盘180以及压缩机转子轮盘140的方式配置的系紧螺栓(tie bolt)150。系紧螺栓150的第1远端(dist alend)被附着在多个压缩机转子轮盘14中的第1压缩机转子轮盘，而系紧螺栓150的第2远端被固定螺母(fixing nut)190固定。通过利用系紧螺栓150对相邻的压缩机转子轮盘的相向面进行压缩，使得相邻的压缩机转子轮盘不单独旋转。燃气涡轮机100可以具备附着在外壳102上的导叶(vane)，而导叶位于多个压缩机转子轮盘140之间。
涡轮机120具备多个涡轮机转子轮盘180以及结合到涡轮机转子轮盘180的多个涡轮机叶片184。与多个压缩机叶片144类似，多个涡轮机叶片184同样在涡轮机转子轮盘180上沿着半径方向进行配置。此外，多个涡轮机叶片184通过鸠尾接头或枞树接头组装到涡轮机转子轮盘180。
被燃烧的高温气体通过涡轮机120并从涡轮机120排出。排出气体在通过位于涡轮机120后方的排气扩压器106之后被最终排出。即，排气扩压器106在从涡轮机120接收排出气体之后将排出气体排出到燃气涡轮机100的外部。
图2是对位于涡轮机120后方的排气扩压器106部分稍微更详细地示出的示意图。在排气扩压器106中，内侧圆筒形毂210以及外侧圆锥形外壳220构成同心并在两者之间形成用于对燃烧气体进行排出的环形空间。因为圆锥形外壳的大小相当大，向涡轮机120的后方较长延长且其厚度相对较薄，因此会随着燃烧气体的流动而发生震动，从而其结构耐久性不够强。为此，外壳220采用通过支柱300而与中央的毂210连接来支撑的结构，而且支柱300因为横穿燃烧气体的流动路径，因此为了将对燃烧气体的流动造成的阻碍降至最低而采用翼片截面形状。
图3是对现有的一般的毂210结构进行图示的示意图。位于排气扩压器106的长度方向中心的毂210的直径几乎保持不变，但是圆锥形外壳220的直径却随着朝向下游一侧而逐渐扩大，因此在毂210结束的末端开始发生流动空间的急速扩张(Sudden Expansion)。因为如上所述的急剧的扩张区间，在燃烧气体的流动中会形成急剧的压力变动并因此导致压力损失的发生，而被拽入到毂210的端部内侧的流动无法顺利发生汇流，从而在毂210的后侧形成较长的流动剥离区间。
图6是对流经现有的毂210的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。如图6所示，在毂210后侧的急剧扩张区间，形成了卷入到毂210一侧的两股流动没有发生汇流的较长且连续的流动剥离区间。在如上所述的急剧扩张区间发生的急剧膨胀以及流动剥离，会导致排气扩压器106的排气效率的下降。
图4对用于解决如上所述的现有的毂210结构中存在的问题的本发明的一实施形态进行了图示。在图4所图示的实施形态中，本发明包括从毂210的下游一侧端部沿着长度方向延长的毂延长部400。毂延长部400的横截面积(在与长度方向正交的方向上的截面积)小于毂210的横截面积。若这样在毂210的长度方向末端具备毂延长部400，则带来急剧扩张区间缩小与毂延长部400所占据的空间对应的大小的结果。
换言之，毂210下游的急剧扩张区间并不是一次性地急剧扩张，而是具有在毂延长部400所在的区域发生一次扩张之后再次发生扩张的途径双阶段的扩张模式。这意味着本发明中所具备的毂延长部400对在毂210的下游发生的急剧的压力变化进行缓解，并借此达成减少压力损失的效果。
毂延长部400由缩小急剧扩张区间的多种形态的附加物构成，而为了流动的对称性，使毂延长部400与毂210构成同心而以沿着毂延长部400的周围环绕的方式相对于毂210形成段差为宜。更优选的是，考虑到毂210为圆筒形这一点，毂延长部400同样采用与毂210构成同心的圆筒形。
此外，如图4所示的圆筒形的毂延长部400可以采用其端部裸露的中空的圆筒形。换言之，毂延长部400采用在内侧形成有开放的孔洞410的气缸形态。若这样在毂延长部400的内侧形成与外部连通的空间，则燃烧气体在毂延长部400的表面流动的过程中，其一部分被诱导到内侧空间并暂时停滞，借此可以达成延迟流动剥离的发展的效果。
图5中对在图4的中空圆筒形的毂延长部400沿着毂延长部400的侧面附加至少一个以上的导向部件420的实施形态进行了图示。导向部件420起到对朝向毂延长部400的燃烧气体的流动进行分段、分散的作用。换言之，导向部件420起到将在急剧扩张区间发生的流动剥离在一瞬间分散成多个并借此减小流动剥离大小的功能。
导向部件420可以制造成如三角形或梯形等形状，而为了从急剧扩张区间的最初开始充分地对流动剥离进行分散，最优选的是，以具有与毂延长部400相对于毂210形成的段差高度对应的高度H、以及与毂延长部400的长度对应的长度L的四边形形态沿着延长部周围形成导向部件420。
为了可以充分地对流动剥离进行分散，导向部件420可以沿着毂延长部400的周围具备有多个，在如上所述的情况下，为了形成尽可能均匀的流动特性而使多个导向部件420之间的角度均等为宜。在图5所图示的示例性的实施形态中，4个导向部件420是以90°的角度均等配置。
此外，所具备的多个导向部件420可以延长到毂延长部400的内部并相互交叉。延长到毂延长部400内部的导向部件420将燃烧气体充分地诱导到毂延长部400的内侧空间，从而对流动剥离的发展进行更强烈的抑制。
图7是对流经图4中的毂210的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图，图8是对流经图5中的毂210即具备导向部件420的毂210的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。通过与图6进行比较可以确认，通过在排气扩压器106的毂210具备本发明所涉及的毂延长部400，可以有效地对流动剥离的发生进行抑制。虽然，在局部的一部分处流动剥离的长度可能类似，但是在整体水准上流动剥离确实得到了弱化。
在下述表1中，对图3至图5中分别图示的现有的毂210、以及本发明的不同实施形态的毂210的流动性能进行了比较整理。
【表1】
图3 图4 图5
Cp 0.839 0.843 0.846
压力损失 2.19 2.16 2.15
Cp是与压力恢复相关的无量纲系数(动压与静压比)，压力恢复越快即Cp值越大，在排气效率方面更加有利。压力损失是指在急剧扩张区间发生的燃烧气体的压力下降，可以认为其值越低，排气效率越优秀。
参阅表1，可以确认在本发明的两种代表性的实施形态中，在压力恢复以及压力损失这两个方面与现有的毂210相比均得到了改善。换言之，在对本发明的具备毂延长部400的毂210进行定量评估也可以发现，与现有的毂210相比可以有效地对流动剥离的发生进行抑制，而且在压力恢复以及压力损失这两个方面均得到了有意义的改善。
如上所述，本发明可以减少在毂210的急剧扩张区间发生的急剧的面积变化并减少流动剥离，而且以此为基础，提供一种排气扩压器106，作为具备有构成同心的内侧圆筒形毂210以及外侧圆锥形外壳220、以及对上述毂210与外壳220进行相互连接来支撑的支柱300的排气扩压器106，具备从上述毂210的下游一侧端部向上述排气扩压器106的长度方向延长且横截面积小于上述毂210的横截面积的毂延长部400。
在本说明书中记载的示例以及实施例仅为示例性目的，掌握本发明之一般技术的人员可以以此为基础提出多种变形以及变更，而这些变形以及变更也应该理解为包含在本申请的概念以及范围之内。因此，本发明并不限定于在本说明书中记载的示例，而是应该赋予符合在本说明书中公开的原理以及新特征的最宽泛的范围。

Claims (14)

1.一种排气扩压器用毂，其为沿着排气扩压器的长度方向中心配置的毂，其特征在于：
具备从上述毂的下游一侧端部沿着上述长度方向延长且横截面积小于上述毂的横截面积的毂延长部，
上述毂延长部与上述毂构成同心，并借此沿着上述毂延长部的周围与上述毂形成段差，
沿着上述毂延长部的侧面具备至少一个的导向部件，并且
上述导向部件的高度与上述毂延长部相对于上述毂形成的上述段差的高度对应。
2.根据权利要求1所述的排气扩压器用毂，其特征在于：
上述毂延长部为圆筒形。
3.根据权利要求2所述的排气扩压器用毂，其特征在于：
上述毂延长部为其端部裸露的中空的圆筒形。
4.根据权利要求1所述的排气扩压器用毂，其特征在于：
上述导向部件的长度与上述毂延长部的长度对应。
5.根据权利要求4所述的排气扩压器用毂，其特征在于：
上述导向部件为四边形形态。
6.根据权利要求4所述的排气扩压器用毂，其特征在于：
具备多个上述导向部件，而且多个上述导向部件之间的角度均等。
7.根据权利要求4所述的排气扩压器用毂，其特征在于：
具备多个上述导向部件，而且多个上述导向部件延长到上述毂延长部的内部并相互交叉。
8.一种排气扩压器，具备构成同心的内侧的圆筒形毂与外侧的圆锥形外壳、以及对上述毂与外壳进行相互连接来支撑的支柱，
其特征在于：
具备从上述毂的下游一侧端部沿着上述排气扩压器的长度方向延长且横截面积小于上述毂的横截面积的毂延长部，
上述毂延长部与上述毂构成同心，并借此沿着上述毂延长部的周围与上述毂形成段差，
沿着上述毂延长部的侧面具备至少一个的导向部件，并且
上述导向部件的高度与上述毂延长部相对于上述毂形成的上述段差的高度对应。
9.根据权利要求8所述的排气扩压器，其特征在于：
上述毂延长部为圆筒形。
10.根据权利要求9所述的排气扩压器，其特征在于：
上述毂延长部为其端部裸露的中空的圆筒形。
11.根据权利要求8所述的排气扩压器，其特征在于：
上述导向部件的长度与上述毂延长部的长度对应。
12.根据权利要求11所述的排气扩压器，其特征在于：
上述导向部件为四边形形态。
13.根据权利要求11所述的排气扩压器，其特征在于：
具备多个上述导向部件，而且多个上述导向部件之间的角度均等。
14.根据权利要求11所述的排气扩压器，其特征在于：
具备多个上述导向部件，而且多个上述导向部件延长到上述毂延长部的内部并相互交叉。
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