CN203891945U - 用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置，所述流操纵装置包括具有前缘和后缘的支柱，所述支柱设置在所述涡轮机排气扩压器内。还包括多个可转动导叶，所述多个可转动导叶紧密靠近所述支柱设置并且配置用于操纵排气流，其中所述多个可转动导叶相对于彼此同轴对准并且周向布置。进一步包括致动器，所述致动器与所述多个可转动导叶处于可操作连通并且配置用于促使对所述多个可转动导叶的调节。另包括周向环，所述周向环可操作地连接所述多个可转动导叶，其中所述致动器配置用于直接促使所述可转动导叶之一转动，并且其中所述周向环在所述致动器促使转动时促使所述多个可转动导叶转动。

Description

用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置

技术领域

本说明书中所公开的主题涉及涡轮机系统，并且更具体地说，涉及涡轮机排气扩压器部件的边界层流控制。

背景技术

典型的涡轮机系统（例如，燃气涡轮机系统）包括连接至涡轮机系统的涡轮段的排气扩压器，以提高涡轮段的末级桨叶的效率。排气扩压器经几何配置以快速降低流的动能，并且增加排气扩压器内的静压恢复。

通常，排气扩压器设计用于满负载运行，然而，涡轮机系统经常在部分负载下运行或在冷天运行。因此，基于满负载的设计会牺牲部分负载性能效率。低效率至少部分是由于排气扩压器部件（例如，壁和支柱）上的流分离。流分离经常部分是由当流离开涡轮段的末级桨叶并进入排气扩压器中时的旋动引起。旋涡的大小可量化为“切向流角（tangential flow angle）”并且这种角在部分负载期间可达约60度并且在冷天期间可达约20度，这导致排气扩压器部件（例如，支柱）上的较高迎角。这种流特性导致边界层增长和流分离，并最终导致压力恢复减小。

实用新型内容

根据本实用新型的一个方面，一种用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置包括具有前缘和后缘的支柱，所述支柱设置在所述涡轮机排气扩压器内。还包括的是多个可转动导叶，所述多个可转动导叶紧密靠近所述支柱设置并且配置用于操纵排气流，其中所述多个可转动导叶相对于彼此同轴对准并且周向布置。此外包括的是致动器，所述致动器与所述多个可转动导叶处于可操作连通，并且配置用于促使对所述多个可转动导叶的调节。另外包括的是周向环，所述周向环可操作地连接所述多个可转动导叶，其中所述致动器配置用于直接促使所述可转动导叶中之一转动，并且其中所述周向环在所述致动器促使转动时促使所述多个可转动导叶转动。

根据本实用新型的另一个方面，一种用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置包括在所述涡轮机排气扩压器的纵向方向上延伸的内筒。还包括的是设置在所述内筒的径向外部的外壁。此外包括的是支柱，所述支柱在所述内筒与所述外壁之间延伸并且可操作地连接至所述内筒和所述外壁，其中所述支柱包括前缘和后缘。另外包括的是至少一个导叶，所述至少一个导叶轴向设置在所述支柱的所述前缘上游或所述后缘下游，所述至少一个导叶可相对于所述支柱选择性地周向移位。

根据本实用新型的又一个方面，一种用于径向涡轮机排气扩压器的流操纵装置包括内壁。还包括的是外壁。此外包括的是支柱，所述支柱可操作地连接至所述内壁和所述外壁中的至少一个。另外包括的是至少一个可转动导叶，所述至少一个可转动导叶靠近所述支柱设置，其中所述至少一个可转动导叶可在一些角度位置上选择性地转动、并且可在轴向方向和径向方向中的至少一个方向上移位。

结合附图阅读以下说明可以更好地了解这些和其他优点和特征。

附图说明

在本说明书结束处的权利要求书中特别指出并明确主张了本实用新型。通过结合附图阅读以下具体实施方式，本实用新型的上述和其他特征以及优点显而易见，在附图中：

图1是涡轮机系统的示意性图解；

图2是根据第一实施例的流操纵装置的透视图；

图3是图2的流操纵装置的侧面示意图；

图4是图2的流操纵装置的导叶和支柱的俯视图；

图5是多个可操作地连接的导叶的俯视图；

图6是多个可操作地连接的导叶的透视示意图；

图7是根据第二实施例的流操纵装置的透视图；

图8是图7的流操纵装置的前视图；

图9是图7的流操纵装置的俯视图；

图10是根据第三实施例的流操纵装置的俯视图，其示出位于第一位置的导叶；

图11是图10的流操纵装置的俯视图，其示出位于第二位置的导叶；

图12是图10的流操纵装置的控制机构的示意性图解；以及

图13是根据第四实施例的流操纵装置的示意性图解。

具体实施方式通过参照附图以实例方式说明本实用新型的各实施例以及优点和特征。

具体实施方式

参照图1，示意性地示出用参考数字10表示的涡轮机系统，例如燃气涡轮机系统。涡轮机系统10包括压缩机段12、燃烧器段14、涡轮段16、轴18和燃料喷嘴20。应了解的是，涡轮机系统10的一个实施例可包括多个压缩机12、燃烧器14、涡轮16、轴18和燃料喷嘴20。压缩机段12和涡轮段16由轴18连接。轴18可以是单个轴或连接在一起形成轴18的多个轴节段。

燃烧器段14使用可燃的液体和/或气体燃料（如天然气或富氢合成气）来使涡轮机系统10运行。例如，燃料喷嘴20与空气供给和燃料供给22处于流体连通。燃料喷嘴20产生空气-燃料混合物，并将所述空气-燃料混合物释放到燃烧器段14中，从而引起燃烧，所述燃烧产生热的压缩排放气体。燃烧器段14引导所述热压缩气体穿过过渡连接件到涡轮喷嘴（或“一级喷嘴”）和导致涡轮叶片在涡轮段16的外壳24内转动的其他级的桨叶和喷嘴中。随后，将所述热压缩气体从涡轮段16传送到排气扩压器26，所述排气扩压器26可操作地连接至所述涡轮段的一部分，例如外壳24。

尽管上文将其示出并描述为燃气涡轮机系统，但应了解的是，涡轮机系统10也可以是蒸汽涡轮机系统。如下文将描述，设想了排气扩压器26的不同实施例，如轴向排气扩压器和径向排气扩压器。

现参照图2和图3，示出排气扩压器26内的流操纵装置50的第一实施例。在所示出的实施例中，排气扩压器26是轴向设置在涡轮段16的末级下游的轴向排气扩压器。排气扩压器26包括配置用于接纳来自涡轮段16的排气流30的进口28。出口32设置在相对于进口28的下游位置处。内筒34沿排气扩压器26的纵向方向至少部分地在进口28与出口32之间相对轴向地延伸，所述内筒34包括外表面36。外壁38与内筒34径向向外隔开，更确切来说，与外表面36径向向外隔开，所述外壁38具有内表面40。外壁38可以以相对渐扩的构型来布置，以使得排气流30的动能在进入排气扩压器26的进口28之后减小。更具体来说，由于外壁38的所述渐扩构型，在排气扩压器26内发生动压至静压的转移。排气流30流过由内筒34的外表面36和外壁38的内表面40所限定的区域。

在内筒34的外表面36与外壁38的内表面40之间还设置有至少一个、但通常是多个支柱42，其中示例性实施例包括以同轴对准的方式与彼此周向隔开的若干支柱（四（4）至十二（12）个支柱）。多个支柱42用于将内筒34与外壁38保持为相对彼此固定，还提供轴承支撑。因为支柱42设置在内筒34与外壁38之间的区域内，所以排气流30越过支柱42。因此，支柱42影响排气流30的流特性，并由此影响排气扩压器的整体性能。多个支柱42成形为翼型件或由翼型件包围，并且应了解，多个支柱42的精确几何形状和尺寸可根据应用而不同于所示的那样。多个支柱42中的每一个包括前缘44和后缘46。

当排气流30离开涡轮段16时，排气流30的末级桨叶出口切向流角（图4）基于排气扩压器26的外壁38的渐扩构型以及各种运行条件而增大，从而导致靠近内筒34的外表面36的区以及靠近多个支柱42的各个外表面的区中的流分离。为了减少上述流分离，排气流30由流操纵装置50来操纵，如下文所详细描述。

参照图4和图5，结合图2和图3，流操纵装置50包括至少一个、但通常多个可转动导叶52，所述导叶52与彼此周向隔开并且同轴对准。如上所述，多个支柱42设置位于轴向位置，以使得所述支柱同轴对准。多个可转动导叶52靠近多个支柱42设置，并且位于多个支柱42的轴向上游位置处。多个可转动导叶52包括翼型几何形状，并且可操作地连接至内筒34和/或外壁38以提供支持。一个或多个密封部件41可设置在多个可转动导叶52与内筒34和/或外壁38之间，以便在其间的接口处形成密封。多个可转动导叶52各包括可操作地连接至其上的一个可转动构件54，如心轴或杆。在一个实施例中，可转动构件54在径向方向上延伸穿过多个可转动导叶52的一部分。可转动构件54还可操作地连接至致动器组件56（图2），所述致动器组件56配置用于促使可转动构件54转动。具体来说，致动器组件56可直接连接至可转动构件54（如通过致动器组件56的输出轴或齿轮）或通过齿轮装置和/或缆线装置（统称为58）间接地连接至可转动构件54。致动器组件56是指各种电动机，包括伺服电动机。或者，气动致动器可促使对可转动构件54的调节。在一个实施例中，可使用安装至内筒34和/或外壁38的轴衬或轴承装置将可转动构件54连接至内筒34和/或外壁38。

多个可转动导叶52可绕由可转动构件54限定的轴线在一些角（度）位置范围上转动。所述角位置范围有利地提供多个可转动导叶52的众多位置，从而考虑了排气流30的不同流角。确切来说，多个支柱42在一个方向上对准，以提供排气扩压器26内的排气流30在某种运行条件（如基本负载或全速、满负载运行条件）下的高效流特性。然而，排气流30的流角在其他运行条件（例如，部分负载运行条件）下不同。在交替运行条件下，效率由于边界层形成的增加而降低。通过将多个可转动导叶52转动至对应于适当的流操纵位置的位置，以被称为“矫直（straightening）”的方式来操纵排气流30，这产生排气流30在越过多个支柱42时的期望流角。

在一个实施例中，参照图5和图6，由可转动导叶60组成的周向节段包括可操作地连接、以“联动（ganged）”关系布置的可转动导叶。所述可转动导叶60周向节段包括由周向环62可操作地连接的两个或更多个导叶。设想任意数目的多个导叶可形成可转动导叶60周向节段。联动布置（ganged arrangement）允许致动器组件56和齿轮装置和/或缆线装置58直接使单个可转动构件转动，同时通过周向环62间接地使可转动导叶60周向节段的额外导叶转动。周向环62与额外可转动构件形成齿条齿轮式装置（rack and pinion arrangement），以便通过周向环62与每个导叶的额外可转动构件之间的齿轮装置促进额外导叶的转动。或者，或结合所述齿条齿轮式装置，周向环62可以可操作地连接至一个或多个轴承63（图6），所述一个或多个轴承促进周向环62在槽结构65内滑动，从而驱动可转动导叶中的每一个绕相应可转动导叶的可转动构件54做转动运动。

如上所述，多个可转动导叶52可在一些角位置范围上转动。所述角位置范围对应于涡轮机系统10的运行条件的范围，并且更确切来说对应于排气流30的切向流的角度的范围。例如，第一位置对应于第一条件，并且第二位置对应于第二条件。多个可转动导叶52的所述第一位置相对平行于第一条件下的多个支柱42，所述第一条件对应于涡轮机系统10的全速、满负载运行条件。当涡轮机系统10的速度降低至部分负载条件（例如，60%的速度）时，多个可转动导叶52转动至一定角度，所述角度提供对排气流30的期望操纵以矫直越过多个支柱42的流。

现参照图7至图9，示出根据第二实施例的流操纵装置100。所述第二实施例在许多方面类似于上文所详细描述的第一实施例，因此没必要对每个部件进行重复描述，并且在适用情况下采用类似的参考数字。另外，第二实施例是结合轴向排气扩压器（如上文所详细描述的排气扩压器26）来采用的。在第二实施例中，多个可转动导叶52设置成与多个支柱42周向相邻，并且与其同轴对准。如所示出，多个可转动导叶52的至少一部分设置在与多个支柱42的至少一部分（包括多个支柱42的前缘44和/或后缘46）大体相同的轴向位置处。设想可转动导叶和支柱可以以一对一比率的交替布置的方式来布置，或者多于一个的可转动导叶可设置在支柱之间。另外，与第一实施例的情况相同，一个或多个密封部件41设置在多个可转动导叶52与内筒34和/或外壁38之间的接口处。

现参照图10至图12，示出根据第三实施例的流操纵装置200。所述第三实施例是结合轴向排气扩压器（如上文所详细描述的排气扩压器26）来采用的。第三实施例包括与彼此周向隔开、并且同轴对准的多个导叶202。另外，多个导叶202设置在至少一个轴向级中，所述至少一个轴向级可在多个支柱42的轴向上游和/或下游。

多个导叶202中的每一个以大体平行对准的方式与多个支柱42对准，但导叶的每一级可以可周向移位的方式调节。确切来说，对多个导叶202进行“计时”以改变其与多个支柱42的对准。例如，在第一位置（图10）中，多个导叶202与多个支柱42周向对准，并且在第二位置（图11）中，多个导叶202与多个支柱42周向不对准。如上所述，所述第一位置和所述第二位置在涡轮机系统10的不同运行条件下是有利的。

与所述先前实施例的情况相同，流操纵装置200使用致动器装置204致动，所述致动器装置204如与控制多个导叶202的位置的周向环206直接或间接地相互作用的一个或多个电动机。

现参照图13，示出根据第四实施例的流操纵装置300。所述第四实施例在许多方面类似于上文所详细描述的第一实施例和第二实施例，因此没必要对每个部件进行重复描述，并且在适用情况下采用类似的参考数字。然而，与第一实施例和第二实施例的轴向排气扩压器形成对比的，第四实施例是结合径向排气扩压器302来采用的。径向排气扩压器302包括蒸汽涡轮机扩压器抑或燃气涡轮机机扩压器。径向排气扩压器302包括内壁304和外壁306，其中至少一个支柱308可操作地连接至内壁304和外壁306中的至少一个。至少一个导叶310可操作地连接至所述至少一个支柱308，并且与包括可转动导叶的先前实施例的情况相同，至少一个导叶310可在对应于排气流条件的范围的角度位置范围内转动。另外，至少一个导叶310可在轴向方向和/或径向方向上选择性地移位。

尽管仅结合有限数量的实施例来详细描述本实用新型，但应容易理解，本实用新型并不限于所公开的此类实施例。相反，本实用新型可经修改以涵盖所有之前并未描述、但与本实用新型的精神和范围相符合的任意数目的变化、更改、替换或等效布置。另外，尽管已描述了本实用新型的各种实施例，但应理解，本实用新型的各方面可仅包括所述实施例中的一些实施例。因此，本实用新型不应被视为受前述说明书的限制，其仅受所附权利要求书的范围限制。

Claims (20)

1.一种用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置，所述流操纵装置包括：

具有前缘和后缘的支柱，所述支柱设置在所述涡轮机排气扩压器内；

多个可转动导叶，所述多个可转动导叶紧密靠近所述支柱设置并且配置成用于操纵排气流，其中所述多个可转动导叶相对于彼此同轴对准并且周向布置；

致动器，所述致动器与所述多个可转动导叶处于可操作连通并且配置用于促使对所述多个可转动导叶的调节；以及

周向环，所述周向环可操作地连接所述多个可转动导叶，其中所述致动器配置用于直接促使所述多个可转动导叶中的一个转动，并且其中所述周向环在所述致动器促使转动时促使所述多个可转动导叶转动。

2.如权利要求1所述的流操纵装置，其中所述涡轮机排气扩压器是轴向扩压器，所述轴向扩压器包括：

内筒，所述内筒在所述涡轮机排气扩压器的纵向方向上延伸；以及

外壁，所述外壁设置在所述内筒的径向外部，其中所述支柱在所述内筒与所述外壁之间延伸、并且可操作地连接至所述内筒和所述外壁，并且其中所述多个可转动导叶可操作地连接至所述内筒与所述外壁中的至少一个。

3.如权利要求2所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括可转动构件，所述可转动构件可操作地连接至所述致动器并延伸穿过所述多个可转动导叶中的每一个，其中所述多个可转动导叶可绕由所述可转动构件限定的轴线转动。

4.如权利要求2所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括同轴对准并且周向布置的多个支柱，其中所述多个可转动导叶设置在所述多个支柱的轴向上游位置和轴向下游位置中的至少一个位置中。

5.如权利要求1所述的流操纵装置，其中所述周向环可操作地连接至多个轴承，所述轴承配置用于促进所述周向环在槽结构内的滑动。

6.如权利要求2所述的流操纵装置，其中所述多个可转动导叶与所述支柱周向相邻，并且与所述支柱轴向对准。

7.如权利要求1所述的流操纵装置，其中所述多个可转动导叶可在对应于排气流条件范围的角位置范围内转动。

8.如权利要求7所述的流操纵装置，其中所述角位置范围包括对应于第一条件的第一位置和对应于第二条件的第二位置，其中所述第一条件包括全速、满负载条件，并且所述第二条件包括部分负载条件。

9.如权利要求3所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括齿轮装置，所述齿轮装置配置用于将机械动力从所述致动器传递到所述可转动构件。

10.如权利要求1所述的流操纵装置，其中所述涡轮机排气扩压器是包括内壁和外壁的径向扩压器，其中所述支柱可操作地连接至所述内壁和所述外壁中的至少一个。

11.如权利要求10所述的流操纵装置，其中所述多个可转动导叶可操作地连接至所述支柱。

12.如权利要求10所述的流操纵装置，其中所述多个可转动导叶可在对应于排气流条件范围的角位置范围内转动。

13.如权利要求2所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括：

外密封装置，所述外密封装置设置在所述多个可转动导叶与所述外壁之间；以及

内密封装置，所述内密封装置设置在所述多个可转动导叶与所述内筒之间。

14.如权利要求2所述的流操纵装置，其中所述多个可转动导叶可在径向方向上移动。

15.一种用于涡轮机排气扩压器的流操纵装置，所述流操纵装置包括：

内筒，所述内筒在所述涡轮机排气扩压器的纵向方向上延伸；

外壁，所述外壁设置在所述内筒的径向外部；

支柱，所述支柱在所述内筒与所述外壁之间延伸、并且可操作地连接至所述内筒和所述外壁，其中所述支柱包括前缘和后缘；以及

至少一个导叶，所述至少一个导叶轴向地设置在所述支柱的所述前缘的上游，所述至少一个导叶可相对于所述支柱选择性地周向移位。

16.如权利要求15所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括电动机，所述电动机与所述至少一个导叶处于可操作连通并且配置用于促使对所述至少一个导叶的调节。

17.如权利要求15所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括同轴对准并且周向布置的多个支柱，其中所述至少一个导叶包括同轴对准并且周向布置的多个导叶。

18.如权利要求17所述的流操纵装置，其中所述多个导叶在排气流的第一条件期间在第一位置与所述多个支柱周向对准，并且在所述排气流的第二条件期间可移位到至少一个额外位置。

19.如权利要求15所述的流操纵装置，所述流操纵装置进一步包括同轴对准并且周向布置的多个支柱，其中所述至少一个导叶包括同轴对准并且周向布置在所述多个支柱的轴向下游位置处的多个导叶。

20.一种用于径向涡轮机排气扩压器的流操纵装置，所述流操纵装置包括：

内壁；

外壁；

支柱，所述支柱可操作地连接至所述内壁和所述外壁中的至少一个；以及

至少一个可转动导叶，所述至少一个可转动导叶靠近所述支柱设置，其中所述至少一个可转动导叶可在一些角位置上选择性地转动、并且可在轴向方向和径向方向中的至少一个方向上移位。