CN1550649A - 轴流涡轮机的排气扩压器 - Google Patents
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Abstract
一轴流涡轮机，具有排气扩压器，该排气扩压器包括中心侧管和倾斜侧管。在所说排气扩压器中，前支柱和后支柱被安置成与工作流体流相交。在所说前支柱后面产生的尾流避开所说后支柱并且穿过一对后支柱之间的空隙。或者以另外方式，使在所说前支柱后面产生的尾流撞上所说后支柱的前面。所说前支柱在数目上等于或者数倍于所说后支柱。
Description
技术领域
本发明涉及一种轴流涡轮机的排气扩压器。
背景技术
在一轴流涡轮机中，从旋转叶片的最后一级处流出来的工作流体通过一排气扩压器被排放。图12是一轴流涡轮机1的示意轴向剖面图，表示出了旋转叶片与排气扩压器之间的位置关系。轴流涡轮机1为一燃气轮机，该燃气轮机具有一涡轮机外壳10，在该涡轮机外壳10处安装有多个叶片列/级，每一叶片列/级由静叶片11和旋转叶片12组成。旋转叶片12被安装到一转子13上，并且所说转子13的后端由在轴承套14中的一轴承(轴颈轴承)15来支撑。所说轴承套14由多个支柱20来支撑，这些支柱20沿径向与所说工作流体流相交，以致于所说轴承套14与所说涡轮机外壳10的中心点同心。在这里，术语“支柱(strut)”表示一结构，该结构包括一支撑元件和一整流片，该整流片覆盖所说支撑元件，从而减小对所说流体的阻力。
图12中所示的箭头F表示工作流体流。从最后一级中的旋转叶片12处流出来的所说工作流体通过一排气扩压器16被排放出来。所说排气扩压器16由一中心侧管17和一倾斜侧管18组成，该中心侧管17和倾斜侧管18被相互同中心地安置，从而在所说中心侧管17与所说倾斜侧管18之间形成一环状流动通道。中心侧管17呈圆筒形；而倾斜侧管18则呈截锥形，所说倾斜侧管18的直径向下游侧逐渐变大。因此，排气扩压器16中的流动通道的横断面积从上游侧到下游侧逐渐增大，从而构成一所谓的圆锥形扩压器。支柱20通过保持着中心侧管17与倾斜侧管18之间的间隙以及支撑着涡轮机外壳10中的这些管从而维持着环状流动通道的形状。
日本已公开专利申请No.2002-5096或日本专利申请公开No.H6-3145中公开了一些支柱或者覆盖所说支柱的一些整流片的一些例子。
图12中所示的燃气轮机1需要被装备一个大且长的排气扩压器16。为了装配这样一个大且长的扩压器16，就要在所说上游和下游侧都安装一些支柱。图12中所示的多根支柱20被设置在上游侧并且在下文中将被称作“前支柱”。被设置在下游侧的多根支柱(在图12的范围外)在下文中将被称作“后支柱”。
虽然支柱对于构成排气扩压器16来说是不可缺少的部件，但是所说支柱必然造成排气流动的损失。这一点将通过参照图13和下文来说明。
图13至图15是排气扩压器16的剖面图。图13表示出了从前支柱20处看到的后支柱21的视图。图14是在前支柱20的位置上所看到的一剖面图，而图15是在后支柱21的位置上所看到的一剖面图。在这些图中，双线表示前支柱20而粗实线表示后支柱21。前支柱20为切向支柱并且有六根切向支柱。后支柱21为径向支柱并且有三根径向支柱。
当排出蒸汽流过排气扩压器16时，在前支柱20中的每根支柱后面产生尾流。根据所说尾流和后支柱21之间的关系，而产生不同的效果。
与图15相似，图16至图19是在后支柱21的位置上所看到的排气扩压器16的示意剖面图。这些图表示在后支柱21相对于前支柱20成不同相位角(即：沿轴流方向的偏移角度)时的排气流动分离的模拟结果。
图16表示将后支柱21布置在相对于前支柱20成零度相位角处来进行的一次模拟的结果。排气流动分离在后支柱21的侧表面上发生，因而降低了排气性能。
图17表示将后支柱21布置在相对于前支柱20成负7.5度相位角处来进行的一次模拟的结果。排气流动分离在倾斜侧管18的内表面上发生，从而导致排气性能的退化。在这里，排气性能的退化程度远远比在零度相位角处进行模拟的情况下的退化程度要大。
图18表示将后支柱21布置在相对于前支柱20成225度相位角处来进行的一次模拟的结果。排气流动分离在中心侧管17的外表面上发生，因而降低了排气性能。在这里，排气性能的退化程度大致与在零度相位角处进行模拟的情况下的退化程度相同。
虽然大约在350度相位角的情况在图中没有显现出来，但是有一点，那就是排气性能变得极其恶化。
图19表示将后支柱21安置在相对于前支柱20成135度相位角处来进行的一次模拟的结果。排气流动分离几乎没有发生，并且排气性能的退化程度较小。
发明内容
本发明的主要目的是，在上述知识的基础上修改所说支柱的结构和构造，从而提高排气扩压器的性能。
为了实现上述目的，根据本发明，在用于轴流涡轮机的一排气扩压器中，其中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和后支柱以这样一种方式被安置，即：在前支柱后面产生的尾流避开后支柱并且穿过一对后支柱之间的空隙。在这种结构中，所说尾流几乎没有造成在后支柱的侧表面上的分离。这就有助于减轻排气性能的退化。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的一排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和后支柱以这样一种方式被安置，即：使得在前支柱后面产生的尾流撞上所说后支柱的前面。在这种结构中，虽然所说尾流造成了在后支柱的侧表面上的分离，但是排气性能的退化程度是较小的。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和后支柱以这样一种方式被安置，即：使得在前支柱后面产生的尾流穿过一对后支柱之间的空隙。
根据本发明，可选地是，所说前支柱的数目与所说后支柱的数目相等，或者所说前支柱的数目是所说后支柱的数目的倍数。这种结构使得更易于以这样一种方式来安置任何后支柱，即，使得所说尾流穿过一对后支柱之间的空隙。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和后支柱以这样一种方式被安置，即：使得在前支柱后面产生的尾流撞上所说后支柱的前面。
根据本发明，可选地是，所说前支柱的数目与所说后支柱的数目相等，或者所说前支柱的数目是所说后支柱的数目的倍数。这种结构使得更易于以这样一种方式来安置任何后支柱，即：使得所说尾流撞上所说后支柱的前面。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱具有中心侧部分，与其倾斜侧部分相比，所述中心侧部分朝向上游偏移。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制中心侧上的排气流动分离成为可能。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱具有倾斜侧部分，与其中心侧部分相比，所述倾斜侧部分朝向上游偏移。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱具有中间部分，与其中心侧和倾斜侧部分相比，所述中间部分朝向下游侧偏移。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制在中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱的侧轮廓以这样一种方式来成形，即：所说中心和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要长。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱的侧轮廓以这样一种方式来成形，即：所说中心和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要短。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制在中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱的横截面沿排气扩压器的径向变形。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制在中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
根据本发明，在用于轴流涡轮机的排气扩压器中，所说排气扩压器包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，所说前支柱和/或后支柱的前轮廓呈弓形。这种结构使得控制排气扩压器中排气流动的径向分布和抑制中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
附图说明
下面将参照附图来对本发明的一些优选实施例进行详细描述，从而更详细地描述本发明的这些和其它目的与特性，在这些附图：
图1表示根据本发明第一实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图；
图2是一示意局部剖面图，表示根据本发明第一实施例的排气扩压器中的多根支柱的排列；
图3是一示意局部剖面图，表示根据本发明第二实施例的排气扩压器中的多根支柱的排列；
图4表示根据本发明第三实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图；
图5表示根据本发明第四实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图；
图6表示根据本发明第五实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图；
图7表示根据本发明第六实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图；
图8表示根据本发明第七实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图；
图9表示根据本发明第八实施例的一支柱的正视图；
图10表示根据本发明第九实施例的一支柱的正视图；
图11是一剖面图，表示一支柱的改进结构；
图12是一轴流涡轮机的示意局部轴向剖面图；
图13是一排气扩压器的示意剖面图；
图14是一排气扩压器在前支柱处剖开的示意剖面图；
图15是一排气扩压器在后支柱处剖开的示意剖面图；
图16是一排气扩压器在后支柱处剖开的示意剖面图，表示出了模拟排气流动的结果；
图17是类似于图16的一示意剖面图，其中，后支柱的相位角被改变；
图18是类似于图16的一示意剖面图，其中，后支柱的相位角相比于
图17中的相位角进一步被改变；
图19是类似于图16的一示意剖面图，其中，后支柱的相位角相比于
图18中的相位角进一步被改变。
具体实施方式
下文将参照图1至图11来描述本发明的一些实施例。
图1表示根据本发明第一实施例的排气扩压器的示意局部轴向剖面图。图2是一示意局部轴向剖面图，表示从与图1不同的方向看到的多根支柱的排列。图1中所示的排气扩压器16是与图12所示的排气扩压器相似的一圆锥形扩压器。呈圆筒形的一中心侧管17与呈截锥形的一倾斜侧管18被同中心地设置，从而在所说中心侧管17与所说倾斜侧管18之间形成一环状流动通道。在所说的流动通道中，前支柱20和后支柱21被轴向有一定间隙地安置在排气扩压器16中。
前支柱20与后支柱21之间的距离通过下面的公式来设置，公式中：L′表示前支柱20的后端与后支柱21的前端之间的距离；ΔR表示前支柱20的平均高度。
L′＜4ΔR
如图2所示，前支柱20和后支柱21以这样一种方式被安置，即：在前支柱20的后面产生的尾流30避开后支柱21，并且穿过一对后支柱21之间的空隙。图2所示的状态对应于图19所示的相位状态，其中，后支柱被安置在相对于前支柱成135度相位角处。
在上述的布局中，尾流30在不干涉任何后支柱21的情况下穿过一对后支柱21之间的空隙，因而，所说尾流30几乎没有在后支柱21侧表面上产生排气流31的分离。因此，排气性能的退化程度是相当小的。
根据第一实施例的排气扩压器16的结构当符合下面的条件时尤其有效，其中，A1表示环状流动通道在前支柱20的出口处(即：后端)的面积，A2表示环状流动通道在后支柱21的出口处(即：后端)的面积：
A2/A1＞1.5
或者，当倾斜侧管18的斜角θ(见图1)大于6度时，有在后支柱21的侧表面上发生排气流31的分离的倾向。通过使尾流30在不干涉任何后支柱21的情况下穿过一对后支柱21之间的空隙，使所说排气流31的分离甚至在通常促进排气流动分离的上述条件下被减少。
前支柱20的数目等于或者数倍于后支柱21的数目。这就使得更易于以这样一种方式来安置任何后支柱21，即：使得尾流30避开后支柱21并且穿过一对后支柱21之间的空隙。
图3表示根据本发明第二实施例的示意局部剖面图，该剖面图与图2类似。在这个实施例中，前支柱20和后支柱21以这样一种方式被安置，即：使得在前支柱20的后面产生的尾流30撞上后支柱21的前面。图3所示的状态相当于图16所示的相位状态，其中，后支柱的相位角相对于前支柱为零度。
在上面的布局中，虽然尾流30不可避免地在后支柱21侧表面上产生了排气流动分离，但是排气性能的退化程度与任一其它相位角的结果相比是较小的。
根据第二实施例的排气扩压器16的结构当符合下面的条件时尤其有效，其中，A1表示环状流动通道在前支柱20的出口处(即：后端)的面积，A2表示环状流动通道在后支柱21的出口处(即：后端)的面积：
A2/A1＜1.5
在这种条件下，穿过后支柱21的排气流动的速度增加了，从而使得排气流更加可能和后支柱21的侧表面分离。通过使尾流30撞上后支柱21的前面，尽管在排气流动分离有发生倾向的上述条件下也能减少所说排气流动分离。
前支柱20的数目等于或者数倍于后支柱21的数目。这就使得更易于以这样一种方式来安置任何后支柱21，即：使得尾流30撞上后支柱21的前面。
图4表示根据本发明第三实施例的排气扩压器的示意局部剖面图。在这个实施例中，前支柱20具有中心侧部分，与其倾斜侧部分相比，所述中心侧部分朝向上游侧偏移。类似地，后支柱21具有中心侧部分，与其倾斜侧部分相比，所述中心侧部分朝向上游侧偏移。
上述的结构使得控制排气扩压器16中排气流动的径向分布和抑制中心侧上的排气流动分离成为可能。
图4中，前支柱20和后支柱21都具有中心侧部分，与其倾斜侧部分相比，中心侧部分朝向上游侧偏移。甚至当这种布局仅仅被应用于前支柱20或者后支柱21时，也会在一定程度上带来预期的效果。
图5表示根据本发明第四实施例的排气扩压器的示意局部剖面图。在这里，前支柱20具有倾斜侧部分，与其中心侧部分相比，倾斜侧部分朝向上游侧偏移。类似地，后支柱21具有倾斜侧部分，与其中心侧部分相比，倾斜侧部分朝向上游侧偏移。
上述的结构使得控制排气扩压器16中排气流动的径向分布和抑制倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
图5中，前支柱20和后支柱21都具有倾斜侧部分，与其中心侧部分相比，倾斜侧部分朝向上游侧偏移。甚至当这种布局仅仅被应用于前支柱20或者后支柱21时，也会在一定程度上达到预期的效果。
图6表示根据本发明第五实施例的排气扩压器的部分轴向剖面图。在这里，前支柱20具有中间部分，与其中心侧和倾斜侧部分相比，所述中间部分朝向下游侧偏移。因此，前支柱20的侧轮廓被弯曲(被歪斜)。类似地，后支柱21具有中间部分，与其中心侧和倾斜侧部分相比，所述中间部分朝向下游侧偏移，从而使得后支柱21的侧轮廓被弯曲/歪斜。
上述结构使得控制排气扩压器16中排气流动的径向分布和抑制在中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
图6中，前支柱20和后支柱21都具有中间部分，与其中心侧和倾斜侧部分相比，所述中间部分朝向下游侧偏移。然而，甚至当这种布局仅仅被应用于前支柱20或者后支柱21时，也会在一定程度上带来预期的效果。
图7表示根据本发明第六实施例的排气扩压器的示意局部剖面图。在这种结构中，前支柱20的侧轮廓以这样一种方式来成形，即：使得所说中心侧和倾斜侧上的弦长度(cord length)比所说中间部分中的弦长度要长。
注意：所说弦长度对应于各前支柱20的侧轮廓的水平长度。类似地，后支柱21的侧轮廓以这样一种方式来成形，即：使得所说中心侧和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要长。弦长度的差数应该是平均弦长度的10％或者更多。
上述结构使得控制排气扩压器16中排气流动的径向分布和抑制中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
图7中，前支柱20和后支柱21都以这样一种方式来成形，即：所说中心侧和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要长。甚至当这种结构仅仅被运用于前支柱20或者后支柱21时，也会在一定程度上达到预期的效果。
图8表示根据本发明第七实施例的排气扩压器的示意局部剖面图。在这个结构中，前支柱20的侧轮廓以这样一种方式来成形，即：所说中心侧和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要短。类似地，后支柱21的侧轮廓以这样一种方式来成形，即：所说中心侧和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要短。弦长度的差数应该是平均长度的10％或者更多。
上述结构使得控制排气扩压器16中排气流动的径向分布和抑制中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。
图8中，前支柱20和后支柱21都以这样一种方式来成形，即：所说中心侧和倾斜侧上的弦长度比所说中间部分中的弦长度要短。甚至当这种结构仅仅被应用于前支柱20或者后支柱21时，也会在一定程度上达到预期的效果。
图9表示根据本发明第八实施例的多根支柱中的一根支柱的正视图。在第八实施例中，一支柱的横截面沿排气扩压器16的径向变形。图9中，所说支柱在中间部分比中心侧和倾斜侧上要粗。这就有助于控制排气扩压器16中排气流动的径向分布，并且有助于抑制在中心侧与倾斜侧上的排气流动分离。这种结构能被应用于前支柱20和/或后支柱21。
图10表示根据本发明第九实施例的多根支柱中的一根支柱的正视图。在第九实施例中，一支柱的前轮廓呈弓形或呈曲线形。所说支柱的这种弓形的形状使得控制排气扩压器16中排气流动的径向分布和抑制在中心侧与倾斜侧上的排气流动分离成为可能。这种结构能被应用于前支柱20和/或后支柱21。
这些实施例中的联系如下。第三至第七实施例中的每一实施例都能与第一实施例或者第二实施例相结合来实施。第八实施例和第九实施例中的每一实施例都能与第一至第七实施例中的任一实施例相结合来实施。另外，还可以把第三至第七实施例中的任一实施例与第一或第二实施例相结合，再与第八或第九实施例相结合。也可以把第八实施例与第九实施例相结合。
此外，第八和第九实施例也可以结合。第八和第九实施例的结合能与另一实施例或者其它实施例的结合相结合。
前支柱20和后支柱21的剖面形状可以是一细长圆形，如图2或图3所示；或者可以呈一翼形，如图11所示。
尽管在这里已经描述了本发明的一些优选实施例，但是也可以对本发明作出其它一些修改和变化，所有这些修改和变化均在本发明的精神和范围内。
发明的工业适用性
本发明广泛适用于在流动流体中设置上游支柱和下游支柱的流体机械。
Claims (11)
1、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和后支柱以这样一种方式被安置，即：使得在所说前支柱后面产生的尾流避开所说后支柱并且穿过一对所说后支柱之间的空隙。
2、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和后支柱以这样一种方式被安置，即：使得在所说前支柱后面产生的尾流撞上所说后支柱的前面。
3、根据权利要求1所述的排气扩压器，其中，所说前支柱的数目等于或者数倍于所说后支柱的数目。
4、根据权利要求2所述的排气扩压器，其中，所说前支柱的数目等于或者数倍于所说后支柱的数目。
5、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱具有中心侧部分，与其倾斜侧部分相比，所述中心侧部分朝向上游侧偏移。
6、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱具有倾斜侧部分，与其中心侧部分相比，所述倾斜侧部分朝向上游侧偏移。
7、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱具有中间部分，与其中心侧和倾斜侧部分相比，所述中间部分朝向下游侧偏移。
8、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱的侧轮廓以这样一种方式来成形，即，使中心侧和倾斜侧上的弦长度比中间部分中的弦长度要长。
9、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱的侧轮廓以这样一种方式来成形，即，使中心侧和倾斜侧上的弦长度比中间部分中的弦长度要短。
10、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱具有沿所说排气扩压器的径向变形的横截面。
11、一种用于轴流涡轮机的排气扩压器，包括前支柱和后支柱，所有这些支柱被安置在工作流体的排气流中，其中，所说前支柱和/或后支柱具有弓形前轮廓。
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