CN1214191C - 离心压气机的消涡器 - Google Patents

Abstract

一种燃气轮机离心压气机的消涡器装置，它因表现出显著减小摩擦损失而改善了发动机的整体性能。该消涡装置通常需要一圆环形歧管(122)，后者具有用以自压气机扩压器(116)接收径向向外流动的气体的入口，一用以将气体轴向下游方向排出的出口，以及在这两者之间的一弧形通道(124)，使气流自扩压器(116)转过约90°至180°。消涡器装置还包含若干恰好处在弧形通道(124)内且与扩压器(116)紧密配合的消涡器叶片(126，136，142，150)。

Description

离心压气机的消涡器

发明领域

本发明涉及自离心式压气机接收径向高速气流然而将其输送到发动机环形燃烧室的燃气涡轮机的部件。尤其涉及一种紧凑的消涡器装置，该装置和一扩压器紧密配合，并由配置在一弯管内的消涡器叶片构成，该弯管将空气流自径向向外方向重新导引到大致轴向的方向。

发明背景

图1中所示的是离心压气机和燃气轮机的圆环形燃烧室12两部分。压气机通常包含一旋转叶轮14，它用来加速从而增加流过其间的气体的动能。一静心的圆环扩压器16限定叶轮14，并用来降低离开叶轮14的流体流动速度，从而增加其静压力。扩压器通常由界定若干沿圆周间隔的通道18的一些叶片或管子构成。各通道18的横截面积通常沿叶轮14的下游方向增加，以便使自叶轮14排出的流体扩压。

叶型或管型扩压器一般包含一过渡段20，它处在扩大器通道18的下游，使扩压器流道与燃烧燃室12的几何形状配合。如图1中所示，过渡段20包含一圆环形歧22，该歧管自扩压器16接收径向向外的空气流，并将该空气流向后和往往径向向内(如图所示)重新导引到燃烧室12的圆环形入口。歧管22以大致直管段24结尾，在其中，紧靠燃烧室12入口的上游装有许多消涡器叶片26。叶片26通过将从扩压器通道18排出的气流的切向高速分量转变的更有用的静压，自从扩压器排出的气流中消除残留的圆周涡流。结果，自消涡器叶片26排出且被导引到燃烧室12的气流的特点为具有较低的涡流和马合数，并有一特定的切向(meridional)(“喷射”)角，它们一起获得更稳定和有效的燃烧室性能。在多级离心压气机中，在各相连的级对之间可采用一扩压器和过渡段，使从前级排出的空气流减速并消涡到适于后级的水平。

图1中所示的歧管22大致界定一轴对称自由曲管，该曲管以一(外)表面为界，但由二(内和外)表面为界的弯管也是公知的。在紧接歧管22的弯管的直管段24内的消涡器叶片26通常设置在一圆锥形轴对称流道内。虽然表示的是单排叶片26，然而双排结构是公知的。通常，将叶片26安置在弯管的下游和燃烧室12的上游或其入口处。

虽然图1中所示的这种扩压器和消涡器装置在许多成功的燃气轮机中表现良好，然而，不断地在寻求性能方面的进一步改善。主要的兴趣是要使降低发动机性能的压力损失减少。

本发明概述

本发明为燃气涡轮机离心压气机提供一种消涡器装置，该消涡器能与燃气涡轮机配合，由于它表现出扩压(二次流动)和磨擦损失显著降低，因而改善了发动机总体性能。按照本发明，该消涡器装置包括：一个圆环形歧管(122)，其入口用来自扩压器(116)接收径向向外流动的燃气，其出口用来将燃气向轴向下游方向排出，在两者之间有一弧形通道(124)，使气流自扩压器(116)转过约90°至180°；在该弧形通道(124)内有若干消涡器叶片(126，136，142，150)，该歧管(122)与燃气轮机燃烧室的入口(112)紧密配合，各消涡器叶片(126，136，142，150)的前缘(132，144，152)与扩压器(116)紧密配合，而其后缘(134，140，146，154)与燃烧室入口(112)紧密配合。与现有技术实相比，本发明的消涡器装置提供了若干恰好处在该弧形通道内并和扩压器紧密配合的消涡器叶片，而非被限制于处在弧形通道下游的直管段内。

本发明的消涡器装置一个显著优点是使降低发动机性能的压力损失减少。虽然不想坚持任何特别的理论，然而相信将消涡器叶片安置在将空气/气体流自扩压器的径向流向变为为压气机所需要的大致轴向流向的弯管内，减少了空气/气体离开扩压器时的二次流的增强作用。因此，相信本发明的消涡器装置消除了弯管损失，并减少了因未切向导引的弯管引起的二次流损失。

本发明的另一显著的优点是空气/气体自扩压器出口到燃烧室增压空间所流过的总长度减小了，导致由空气/气体润湿的总表面减少，因此，减少了表面磨擦损失。该扩压器/消涡器装置还比现有技术装置更紧凑，因而能使发动机的重量明显减轻。

本发明的另一重要方面是利用消涡器叶片与扩压器的紧密配合，使消涡器叶片在弧形通道内紧邻扩压器的配置能产生动力字方面的优点。例如，利用消涡器叶片相对于扩压器通道在圆周方向上适当的相对定位，能提高效率。在使扩压器一消涡器装置匹配最优化方面，本发明提供了更大的设计灵活性，从而进一步使由于扩压器一消涡器界面引起的损失减至最小。

附图简述

图1为现有技术燃气涡轮机离心压气机的扩压管和消涡装置的局部剖视图；

图2和3分别表示本发明的扩压管和消涡装置的剖视图和透视图；

图4表示在图2和3中所示的消涡器叶片的单独的透视图；

图5至7表示在图2至4中所示消涡器的另一些实施例的单独的透视图；

图8表示在图2和3中所示的扩压管和消涡器的后正视图(aft-looking-forward view)。

本发明详述

图2用剖视图表示本发明的紧密配合的扩压管和消涡器装置，图3为图2中所示的装置的单独的透视图。与图1中所示的装置相同，本发明的消涡装置与一装有叶片118的静止的扩压器116一起使用，这些叶片将大致径向流动的涡旋空气或燃气自离心压气机叶轮(未示)导引到燃气涡轮机燃烧室(未示)的环形入口112。本发明的消涡装置还包括一个紧靠扩压器116下游的过渡区120。如同在图1中所示的装置一样，该过渡区120包含一个限定一弧形通道24的圆环形歧管122，该歧管自扩压器116接收径向向外的空气流，并将该空气流向后和径向向内重新导引到燃烧室的入口112。处在本发明的范围内，歧管122能使该气流扩压器116转过小至约90°，大至约180°，据认为转过约130°至约140°的转角更为标准。虽然扩压器116下面将被描写成具有叶型构形，然而本发明的原理也适用于各种管型扩压管。

图2和3中所示的歧管122限定了一个由一对径向内、外表面128和130定界的轴对称的弯管，该两表面通常由压气机轮毂和外罩限定的。歧管122使进入燃烧室的气流具有较低马合(Mach)数和特定的切向(meridional)(“喷射”)角的特点，它们共同达到更稳定和有效的燃烧室性能。

在歧管122的轴对称弯管内配置许多消涡器叶片126。因此，本发明的消涡器叶片126不限于被设置在弯管下游的笔直段内，为在图1中现有技术的圆锥形轴对称流道内。叶片126，通过把自扩压器116流出的气流的高速切向分量转变为更有用的静压，起到自从扩压器116流出的气流中消除剩余的圆周涡流的传统作用。然而，叶片126在弯管内的安置除了和燃烧室入口112紧密配合外，也能使叶片126紧密和扩压器116接合。正如在本文中所用的，术语“紧密配合”用于表示间隙被减小到为组件组装和运转所需的而不产生干扰。因此，图2、3中所示的叶片126和扩压器116紧密配合，而图1的消涡器叶片26并不和扩大管16紧密配合。

在一个优选实施例中，消涡器叶片126沿圆周等间距配置在歧管122内。将各叶片126的径向内、外缘表示为被歧管122的两轴对称弧形表面128和130所定界。各叶片126的形状是用空气动力学方法来确定的，使空气或燃气同时但逐渐地以明显的涡旋角(当它离开扩压器116时)自径向向外的方向转变到具有大致无涡旋(当它进入燃烧室入口112时)的切向喷射方向。为此，如在图4中清楚看到的，各叶片126沿圆周也是弧形的(即相对于平行于发动机中心线的纵向线是弧形的)，以便在歧管122内形成弧形气体流道表面，这有助于消除涡流。各叶片126的径向高度，如业内人士所知道那样，一般取决于叶片126各自的弧形。

如在图2至图4中所示，各叶片126的前缘132与扩压器116紧密配合，而其后缘134和燃烧室入口112紧密配合。这样，各叶片126在歧管122的入口和出口之间的弯管整个长度上延伸。在图5中，表示了另一实施例，其中，一些替代的叶片126在歧管122的入口和出口之间的弯管整个长度上延伸，但在替代叶片126之间的那些叶片136却不延伸。如图5中所示，短叶片136的前缘138不与扩压器116配合，而其后缘140和燃烧室的入口112保持紧密配合。本发明的这一实施例的优点是在保持性能改善的同时，进一步缩短了发动机的轴向长度，并降低了重量。

图6和7中所示的是本发明的消涡器叶片的另外两个实施例。在图6中，将消涡器叶片142表示为其后缘146较前缘144厚。此外，在其中的一个消涡器叶片142中制有孔148，以安排经叶片42的冷却或润滑管的通道(未示)，从本发明的消涡装置的紧凑观点看，这可能是必要或有利的。图7还表示消涡器叶片150，其后缘154较前缘152厚。与图6的实施例相比，其中的一个叶片150设有一条槽156，以安排一冷却或润滑管。由于在叶片142和150内包含冷却和润滑管，可获得更均匀的出口状况，进一步减少影响压气机故障区的危险。

本发明的一个重要方面是通过使消涡器叶片126、142和150扩压器116紧密配合而获得潜在的空气动力字好处点。从本发明的这一特点产生的至少一个好处是通过消涡器叶片126、142和150相对于相邻扩压管叶片118之间的通道的适当的相对圆周定位能达到效率的改善。若全长消涡器叶片126、142和/或150的数目为扩压管通道数的整数倍，最好相等于扩压管通道数，则相信本发明这方面的好处是可以获得的。试验已确认，若各个全长消涡器叶片126、142和/或150沿圆周与扩压管叶片偏置，则发动机性能提高。

在图8中，这种偏置由扩压管叶片118和消涡器叶片126的后正视图简略地表示，发动机的中心线以“C”表示。小点记号表示沿扩压管叶片118外径和消涡器叶片126内径之内边界的间距“P”的1/4间隔。虽然估计偏置在1/4和3/4之间，然而，消涡器叶片和扩压器叶片之间的偏置处在1/4和1/2间距之间，约处在3/8间距处，已获得发动机试验的最佳结果。对于一给定的发动机，该最佳偏置对于不同的压气机和燃烧室设计可以变化。然而，本发明的使扩压器一消涡器系统匹配最佳化的不一般的性能，在使因扩压器一消涡器边界而引起的损失减至最小方面，提供了更大的设计灵活性。

虽然，通过一些优选和替代的实施例说明了本发明，显然，业内人士可选择另外一些结构形式。例如，本发明的消涡器装置可应用于多级离心压气机，并安置在各相邻的级对之间。因此，本发明的范围仅由下列权利要求书限定。

Claims (15)

1.一种离心压气机的消涡器装置，该消涡器装置能与燃气涡轮机配合，包括：

一个圆环形歧管，其入口用来自扩压器接收径向向外流动的燃气，其出口用来将燃气向轴向下游方向排出，在两者之间有一弧形通道，使气流自该扩压器转过约90°至180°；

在该弧形通道内有若干消涡器叶片，其特征在于该歧管与燃气轮机燃烧室的入口紧密配合，且至少一些消涡器叶片的前缘与该扩压器紧密配合，而其后缘与该燃烧室入口紧密配合。

2.权利要求1的消涡器装置，其特征在于该消涡器叶片在该弧形通道内沿圆周等距离间隔。

3.权利要求1的消涡器装置，其特征在于所有消涡器叶片沿该歧管的入口和出口之间的弧形通道的整个长度延伸。

4.权利要求1的消涡器装置，其特征在于这些消涡器叶片中的至少一个其后缘部分较前缘厚。

5.权利要求4的消涡器装置，其特征在于还包括一根穿过至少一消涡器叶片部分的导管。

6.权利要求1的消涡器装置，其特征在于该歧管内的弧形通道由二轴对称弧形表面界定，各消涡器叶片的径向内边缘和径向外边缘由该歧管的弧形表面界定。

7.权利要求1的消涡器装置，其特征在于该扩压器包括若干由多个扩压器叶片限定的扩压器通道。

8.权利要求7的消涡器装置，其特征在于各消涡器叶片沿圆周与该扩压器叶片中的一个偏置。

9.权利要求7的消涡器装置，其特征在于各消涡器叶片和相应扩压器叶片之间的偏置处在相邻扩压器叶片之间的1/4至1/2间距之间。

10.权利要求7的消涡器装置，其特征在于消涡器叶片作为扩压器通道数的整数倍存在于弧形通道内。

11.权利要求1的消涡器装置，其特征在于各消涡器叶片在该弧形通道内界定一圆弧形燃气流道表面。

12.一种燃气涡轮机离心压气机的消涡器装置，与燃气涡轮机的一扩压器及一圆环形燃烧室接合，该扩压器包括若干由多个扩压器叶片界定的径向扩压器通道，燃烧室有一圆环形入口，该消涡器装置包括：

一圆形环歧管，具有一个自扩压器通道接收径向向外流动气体的入口，一个将气体沿轴向下游方向排入该燃烧室的入口的出口，以及一个在两者之间由二轴对称的弧形表面界定的弧形通道，该弧形通道使气体自扩压器通道的径向向外流动转变为向轴向下游方向流入该燃烧室的入口；

若干消涡器叶片在该弧形通道内沿圆周方向等距离间隔，其数量等于该扩压器通道，至少一些消涡器叶片的前缘邻近该扩压器，其后缘邻近该燃烧室的入口，以致跟该相应的扩压器和燃烧室紧密配合，使至少一些消涡器叶片沿该歧管的入口和出口之间的弧形通道的整个长度延伸，其径向向内和径向向外的边缘由该歧管的弧形表面(128，130)所界定，各消涡器叶片在该弧形通道(124)内界定一圆弧形气体流道表面，各消涡器叶片与该扩压器叶片中的一个沿圆周方向偏置。

13.权利要求12的消涡器装置，其特征在于交错的消涡器叶片沿该歧管的入口和出口之间的弧形通道的整个长度延伸，而交错的消涡器叶片之间的消涡器叶片不沿该弧形通道的整个长度延伸。

14.权利要求12的消涡器装置，其特征在于消涡器叶片中的至少一个的后缘部分较其前缘厚，一导管通过该至少一消涡器叶片部分。

15.权利要求12的消涡器装置，其特征在于各消涡器叶片与相应扩压器叶片之间的偏置处在相邻扩压器叶片之间的1/4和1/2间距之间。

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