CN114856717B - 一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，该新型排气扩压器结构中引入了分流板结构。分流板结构可以抑制排气扩压器内支撑板附近的流动分离，降低总压损失，同时改善排气扩压器出口的流动状态，降低余速损失，进而提升排气扩压器的静压恢复性能。本发明的新型排气扩压器结构内部的分流板几何结构可根据上游动力涡轮排出气体的旋流角的大小进行匹配设计，以达到排气扩压器最佳的静压恢复性能。

Description

一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构

技术领域

本发明属于燃气轮机技术领域，特别涉及一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构。

背景技术

燃气轮机的主要结构包括压气机、燃烧室、动力涡轮、排气扩压器。排气扩压器安装于动力涡轮下游，由支撑板连接轮毂和外壳体两部分结构并形成一个扩张形的通道。排气扩压器可以将动力涡轮排出的气体经过减速和扩压过程将动力涡轮出口燃气的部分动能转化为排气扩压器出口的静压，由于排气扩压器出口的静压一般为固定值(环境压力)。因此，排气扩压器的存在可以减弱动力涡轮出口的背压，增加动力涡轮的膨胀比，进而提升动力涡轮的功率输出，提升燃气轮机整机的效率。

随着现代工业的发展，燃气轮机的使用也变得更加广泛，在此背景下，探究如何提升燃气轮机的运行效率，减少其燃油消耗率具有十分重要的意义。现如今，诸如压气机，燃烧室，涡轮等部件已具有相当高的效率，进一步提升这些部件的效率具有极大的技术难度和需要极大的经济成本。而排气扩压器因为结构相对简单，进一步对其进行改进优化以提升其气动效率的空间很大，因此，探究如何提升排扩压器的气动性能也就具有重要的意义。静压恢复系数是评价排气扩压器气动性能的核心指标(静压恢复系数的取值范围为0～1)，该系数反映了排气扩压器的静压恢复能力。研究表明，排气扩压器的静压恢复系数每增加0.1，燃气轮机整体输出功率输出可提升0.8％。

传统常规的排气扩压器结构一般由轮毂，支撑板，外壳体部分构成。燃气轮机在变工况运行时，动力涡轮的转速的变化会导致排出的气体存在一定的旋流角，该气流进入排气扩压器后会在支撑板前缘附近形成一定的进气攻角，排气扩压器本身是一个扩张形的通道，气流在排气扩压器内的流动过程中是一个逆压过程。这两个因素的叠加会导致排气扩压器内部存在严重的流动分离，且分离涡主要集中于支撑板与外壳体形成的角区。分离涡的存在会显著降低排气扩压器的气动性能。因此，对排气扩压器的结构进行改进，减弱排气扩压器内的流动分离，增强其气动性能具有重要的工程意义。

发明内容

针对传统典型排气扩压器在大进气旋流角下流动损失大，静压恢复性能低的缺陷，为提高排气扩压器在大进气旋流下的静压恢复性能，本发明的目的在于提供一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，该排气扩压器结构能够减弱排气扩压器内支撑板附近的流动分离，增强静压恢复能力。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，包括轮毂、支撑板和外壳体，所述支撑板连接于轮毂与外壳体之间，轮毂的外壁和外壳体的内壁构成气流流道，进气气流从相邻支撑板的板面之间流过。本发明还包括分流板；所述分流板的上端固定于外壳体的内壁，下端悬空。

在一个实施例中，所述分流板的数量与支撑板的数量一致，各分流板沿周向均匀分布，每个分流板与一个支撑板构成一个组合结构，在每个组合结构内，分流板与相应支撑板的周向夹角为α，α的取值范围为0～(360°/n)，n是分流板的数量。

在一个实施例中，

在一个实施例中，所述分流板的厚度m的取值范围为支撑板的最大厚度t的10％～50％。

在一个实施例中，所述分流板的前缘和尾缘均采用圆弧结构。

在一个实施例中，所述圆弧结构中，圆弧半径r＝m/2，m是分流板的厚度。

在一个实施例中，所述分流板的前缘与支撑板的前缘在同一轴向位置。

在一个实施例中，所述分流板的宽度a和前缘高度b根据排气扩压器入口进气旋流角的大小进行匹配设计。设计准则为：分流板的宽度a一般不小于支撑板弦长C的1/2，分流板的前缘高度b一般不小于支撑板前缘高度H的1/4；排气扩压器入口进气旋流角越大，分流板的前缘高度b越大，更能充分发挥分流板提升气动性能的效果。

在一个实施例中，所述分流板的宽度a为支撑板弦长C的1/2，分流板的前缘高度b为支撑板前缘高度H的1/2。

在一个实施例中，所述分流板的下端平行于轮毂的壁面，所述分流板的前缘线平行于其尾缘线。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

由于燃气轮机动力涡轮排出的气流带有一定的旋流角，动力涡轮出口的气流进入传统排气扩压器结构内会在支撑板附近形成剧烈的流动分离，该分离涡会显著增加传统排气扩压器的流动损失，降低传统排气扩压器的静压恢复性能。排气扩压器气动性能的降低会导致燃气轮机整机的输出功率降低。本发明带分流板的新型排气扩压器结构因为在合适的位置安装有分流板结构，该分流板可以抑制支撑板附近的流动分离情况，减弱排气扩压器内的流动损失，提升排气扩压器的静压恢复性能，进而最终提升动力涡轮和燃气轮机整机的输出功率。带分流板的新型排气扩压器可以降低燃气轮机的燃油消耗率，提升燃气轮机的工作效率。

附图说明

图1是传统排气扩压器结构示意图。

图2是本发明带分流板的新型排气扩压器结构示意图。

图3是本发明分流板的相对位置及尺寸示意图。其中(a)示出了分流板与相应支撑板的周向夹角；(b)示出了分流板的厚度与支撑板的最大厚度；(c)示出了分流板的宽度和前缘高度以及支撑板的弦长和前缘高度。

图4是本发明进气旋流角为32度，进气速度为80m/s时，传统排气扩压器内的流动分离三维流线示意图。

图5是本发明进气旋流角为32度，进气速度为80m/s时，传统排气扩压器和本发明带分流板的新型排气扩压器外壳体附近二维流线示意图，其中(a)为传统排气扩压器结构，(b)为本发明带分流板的新型排气扩压器结构。

图6是本发明分流板的前缘高度b为固定值，取值为支撑板高度H的1/2(b/H＝0.5)，进气速度为80m/s，进气旋流角为20度，32度，42度，分流板的宽度a分别为a/C＝0.25,a/C＝0.5,a/C＝0.75的新型排气扩压器的静压恢复系数曲线图，a/C＝0对应无分流板的传统排气扩压器结构。

图7是本发明分流板的宽度a为固定值，取值为支撑板弦长C的1/2(a/C＝0.5)进气速度为80m/s，进气旋流角为20度，32度，42度时，分流板的前缘高度b分别为b/H＝0.25,b/H＝0.5,b/H＝0.75的新型排气扩压器的静压恢复系数曲线图，b/H＝0对应无分流板的传统排气扩压器结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述。以下实施仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，传统排气扩压器结构主要包括轮毂1、支撑板2和外壳体3，轮毂1和外壳体3之间通过支撑板2连接，轮毂1的外壁和外壳体3的内壁构成气流流道，动力涡轮排出的带有旋流的气体(即进气气流)流入气流流道，从相邻支撑板2的板面之间流过。一般地，排气扩压器内安装有4～6个支撑板2，支撑板2主要起到稳定外壳体3结构的作用。支撑板2的形状一般多为NACA(美国国家航空咨询委员会)开发的机翼形叶型。

如图2所示，本发明在传统排气扩压器结构的基础上增设了分流板4，分流板4的上端固定安装于外壳体3的内壁，下端悬空，与轮毂1的外壁具有一定的距离。分流板4可以抑制排气扩压器内支撑板2附近的流动分离，降低总压损失，同时改善排气扩压器出口的流动状态，降低余速损失，进而提升排气扩压器的静压恢复性能。

本发明排气扩压器结构内部的分流板几何结构可根据上游动力涡轮排出气体的旋流角的大小进行匹配设计，以达到排气扩压器最佳的静压恢复性能。

示例地，本发明中，分流板4一般应为多个，各分流板4沿周向均匀分布。其数量n一般应与支撑板2的数量一致，在图2所示结构中，n＝5。每个分流板4与一个支撑板2构成一个组合结构，参考图3中的(a)所示，在每个组合结构内，分流板4与相应支撑板2的周向夹角为α，α可在0～(360°/n)的范围内取值，为充分发挥分流板4的作用，α的大小可取为

其原理在于，由于支撑板2的数目是n，因此支撑板2与支撑板2之间的周向夹角为360°/n，由于旋流角的存在，研究表明，支撑板2附近的分离涡的影响范围只在一侧，且主要集中于(360°/2)/n范围内，为了更好地利用分流板4抑制分离涡，于是将分流板4布置于分离涡影响范围(360°/2)/n的中间，即：

因此，在图2所示结构中，n＝5，α＝18°。

本发明的实施例中，参考图3中的(b)所示，分流板4的厚度m可根据需求变化，一般取值范围为支撑板2的最大厚度t的10％～50％。示例地，由于分流板4的厚度越厚，其本身带来的额外的气动阻力也会越大，分流板4的厚度太薄又会导致强度不够，考虑到本示例的气流速度是80m/s，因此取m＝15％t，该厚度不会在该气流速度下导致分流板4的强度不够，也不会因为过厚而带来过多额外的气动阻力。

本发明的实施例中，分流板4的前缘和尾缘均采用圆弧结构，也即，沿轮毂1轴向的截面的两端呈圆弧形。圆弧曲线可以充分发挥科恩达效应，减弱分流板4带来的额外流动阻力。

本发明的实施例中，分流板4的前缘和尾缘均为半圆弧结构，示例地，由于分流板4的厚度为m，也就是说相当于前缘和尾缘的直径是m，因此圆弧半径r＝m/2。

本发明的实施例中，分流板4的轴向位置可任意变化，为充分发挥分流板4的作用，其前缘与支撑板2的前缘在同一轴向位置，如图3中的(c)所示。，其原因在于，进气旋流导致的支撑板2附近的流动分离是从支撑板2前缘位置开始发生的，因此，为了更好发挥分流板抑制支撑板分离涡的效果，分流板4的轴向位置与支撑板2前缘轴向位置保持一致。

本发明的实施例中，如图3中的(c)所示，分流板4的宽度a和前缘高度b可根据排气扩压器入口进气旋流角的大小进行匹配设计。其实际准则为：设计准则为：分流板的宽度a一般不小于支撑板弦长C的1/2，分流板的前缘高度b一般不小于支撑板前缘高度H的1/4；排气扩压器入口进气旋流角越大，分流板的前缘高度b越大，更能充分发挥分流板提升气动性能的效果。

示例地，分流板4的宽度a为支撑板2弦长C的1/2，分流板4的前缘高度b为支撑板2前缘高度H的1/2。在本发明举例的进气条件下，该前缘高度和宽度是较优的结构。

本发明的实施例中，分流板4的下端平行于轮毂1的壁面，分流板4的前缘线平行于其尾缘线，均垂直于外壳体3。显然，分流板4的下端也可不平行于轮毂1壁面，分流板4的前缘线与尾缘线也可不平行，即分流板4的轴向剖面可为其他合适的几何形状。分流板4轴向剖面为矩形或正方形在实际的产生、制造时更简单方便；其他不规则的异形结构则可能有更好的效果。

本发明的技术原理：

图4给出了进气旋流角为32度，入口气流速度为80m/s时，传统排气扩压器内的三维流线5展现出的流动状态。进气旋流角定义为气流方向与排气扩压器轴向的夹角。由于排气扩压器上游设备动力涡轮排出的气体具有一定的旋流角，该气流进入排气扩压器内后在支撑板2的前缘会形成进气攻角。排气扩压器内的流动是一个逆压流动的过程，因此，在支撑板2附近会形成剧烈的流动分离。该分离涡会显著增加排气扩压器内的流动损失，不利于排气扩压器的静压恢复，导致排气扩压器的气动性能较低。

图5给出了进气旋流角为32度，入口气流速度为80m/s时，排气扩压器内靠近外壳体3附近的流面上的二维流线示意图，图5中(a)对应传统排气扩压器，图5中(b)对应本发明带分流板的新型排气扩压器。如图所示，由于在合适的位置引入了分流板4，本发明带分流板的新型排气扩压器的支撑板2附近的流动分离得到了显著的抑制，这意味着排气扩压器内的流动损失降低。同时，排气扩压器内流动状态的改善也会导致排气扩压器出口的气流分布更加均匀，使排气扩压器的余速损失降低。最终本发明带分流板的新型排气扩压器的静压恢复性能得到显著提升。

图6给出了分流板4高度固定为支撑板2高度的1/2(b/H＝0.5)，进气速度为80m/s,进气旋流角为20度，32度，42度时，分流板宽度分别为a/C＝0.25,a/C＝0.5,a/C＝0.75的新型排气扩压器的静压恢复系数曲线图，a/C＝0对应无分流板的传统排气扩压器结构。图7给出了分流板4宽度固定为支撑板2弦长的1/2(b/H＝0.5)，进气速度为80m/s,进气旋流角为20度，32度，42度时，分流板高度分别为b/H＝0.25,b/H＝0.5,b/H＝0.75的新型排气扩压器的静压恢复系数曲线图，b/H＝0对应无分流板的传统排气扩压器结构。

如图6，图7所示，在不同的进气旋流角条件下，分流板4存在一个较优的结构使得本发明带分流板的新型排气扩压器的静压恢复性能得到最大的提升。其中，进气旋流角为20度时，分流板4的宽度为支撑板2弦长的1/2，高度为支撑板高度的1/4时(a/C＝0.5,b/H＝0.25)，新型排气扩压器的静压恢复系数增加0.036，相对提升7.3％；进气旋流角为32度时，分流板4的宽度为支撑板2弦长的1/2，高度为支撑板高度的1/4时(a/C＝0.5,b/H＝0.25)，新型排气扩压器的静压恢复系数增加0.096，相对提升34.2％；进气旋流角为42度时，分流板4的宽度为支撑板2弦长的1/2，高度为支撑板高度的1/2时(a/C＝0.5,b/H＝0.5)，新型排气扩压器的静压恢复系数增加0.146，相对提升76.2％。

由此可见，本发明带分流板4的新型排气扩压器结构可抑制支撑板2附近的流动分离，同时，分流板4可根据进气条件进行匹配设计，进而最大化提升新型排气扩压器的气动性能。

Claims (6)

1.一种能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，包括轮毂(1)、支撑板(2)和外壳体(3)，所述支撑板(2)连接于轮毂(1)与外壳体(3)之间，轮毂(1)的外壁和外壳体(3)的内壁构成气流流道，进气气流从相邻支撑板(2)的板面之间流过，其特征在于，还包括分流板(4)；所述分流板(4)的上端固定于外壳体(3)的内壁，下端悬空；

所述分流板(4)的数量与支撑板(2)的数量一致，各分流板(4)沿周向均匀分布，每个分流板(4)与一个支撑板(2)构成一个组合结构，在每个组合结构内，分流板(4)与相应支撑板(2)的周向夹角为α，α的取值范围为0～(360°/n)，n是分流板(4)的数量；

所述分流板(4)的厚度m的取值范围为支撑板(2)的最大厚度t的10％～50％；

所述分流板(4)的前缘和尾缘均采用圆弧结构，所述分流板(4)的前缘与支撑板(2)的前缘在同一轴向位置。

2.根据权利要求1所述能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，其特征在于，

3.根据权利要求1所述能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述圆弧结构中，圆弧半径r＝m/2，m是分流板(4)的厚度。

4.根据权利要求1所述能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述分流板(4)的宽度a和前缘高度b根据排气扩压器入口进气旋流角的大小进行匹配设计，设计准则为：分流板(4)的宽度a不小于支撑板(2)弦长C的1/2，分流板(4)的前缘高度b不小于支撑板(2)前缘高度H的1/4；排气扩压器入口进气旋流角越大，分流板(4)高度b越大。

5.根据权利要求4所述能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述分流板(4)的宽度a为支撑板(2)弦长C的1/2，分流板(4)的前缘高度b为支撑板(2)前缘高度H的1/2。

6.根据权利要求1所述能增强气动性能的带分流板的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述分流板(4)的下端平行于轮毂(1)的壁面，所述分流板(4)的前缘线平行于其尾缘线。

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