专利名称：用于燃气涡轮机的扩压器的制作方法
技术领域：
本发明所公开的主题涉及涡轮机，具体地涉及与燃气涡轮机和蒸汽涡轮机一起使用的扩压器。
背景技术：
典型的燃气涡轮机包括联接至转子的最后一级叶片的扩压器锥体或扩压器。扩压器通常用于通过减小排出气体的动能来增加排出气体的静态压力。通常，这可以通过增加扩压器在排出气体流动方向上的横截面积来实现。经常，燃气涡轮机不是满负荷操作，而是出于效率考虑而被设计成低于这种满负荷。因此，基于满负荷设计，牺牲了部分负荷性能效率。这种低效率至少部分地由于扩压器内筒上的流动分离，而导致尖端强的流动剖面(tip strong flow profiles)。其他因素(例如涡轮机的最后一级的操作)会影响流动剖面。此外，经过扩压器的中心主体的流动产生大的涡流，这导致进一步低的系统效率。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于燃气涡轮机的扩压器包括适合于联接至燃气涡轮机的入口。该扩压器还包括位于扩压器端部附近的至少一个出口，其中扩压器端部位于入口的下游。该扩压器还包括外壁和大致延伸到扩压器端部的内筒。所述外壁和所述内筒沿着所述扩压器在所述入口和所述出口之间的长度限定改变的半径。由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径在所述出口处比在所述入口处更大。由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径包括外半径位置。所述扩压器还包括位于所述入口和所述出口之间的相对中间位置的中点、由所述入口和所述中点限定的入口部分、和由所述中点和所述出口限定的出口部分，并且所述外半径位置接近所述入口部分。所述扩压器与轴流涡轮机组合。所述出口适合于联接至相邻物体。根据本发明的另一方面，一种排出气体扩压器包括入口和出口。该排出气体扩压器还包括内筒，内筒基本从入口基本延伸到出口。该扩压器还包括外壁，外壁与内筒沿径向分隔开，其中外壁和内筒沿着扩压器在入口和出口之间的长度限定改变/变化的半径。由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径在所述出口处比在所述入口处更大。由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径包括外半径位置。所述扩压器还包括位于所述入口和所述出口之间的相对中间位置的中点、由所述入口和所述中点限定的入口部分、和由所述中点和所述出口限定的出口部分，并且所述外半径位置接近所述入口部分。所述排出气体扩压器与轴流燃气涡轮机组合。所述入口适合于联接至所述轴流燃气涡轮机。所述出口适合于联接至相邻物体。根据本发明的另一方面，一种燃气涡轮机包括涡轮机壳体，涡轮机壳体围绕燃气涡轮机的一部分。该燃气涡轮机还包括联接至涡轮机壳体的排出气体扩压器。该扩压器包括适合于联接至燃气涡轮机的入口、外壁、内筒和位于入口下游的扩压器端部，内筒大致延伸到扩压器端部。所述排出气体扩压器还包括位于所述扩压器端部附近的出口。所述外壁和所述内筒沿着所述扩压器在所述入口和所述出口之间的长度限定改变的半径。由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径在所述出口处比在所述入口处更大。由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径包括外半径位置。所述燃气涡轮机扩压器还包括位于所述入口和所述出口之间的相对中间位置的中点、由所述入口和所述中点限定的入口部分、和由所述中点和所述出口限定的出口部分，并且所述外半径位置接近所述入口部分。根据下列描述并结合附图，本发明的这些和其他优点和特征将更加显而易见。
视为本发明的主题被具体指出并明确地在说明书结尾处的权利要求书中要求保护。从下列结合附图进行的详细描述，本发明的前述和其他特征以及优点将显而易见，其中:图1是根据本发明的一个方面的扩压器的侧视横截面图；图2示出与图1所示的扩压器相关的流动剖面(flow profile);和图3示出表现出流动分离的扩压器流动剖面(flow profile)。详细的描述通过参照附图为示例对本发明的实施例以及优点和特征进行描述。
具体实施例方式图1示出根据本发明的一个实施例的扩压器200的一个方面。在操作中，来自燃气涡轮机的排出气体沿着箭头A所示的方向流过扩压器200。在本说明书中，如果物体沿箭头A的方向远离另一物体或位置，则该物体在该另一物体或位置的“下游”，如果物体沿与箭头A相反的方向远离另一物体或位置，则该物体在该另一物体或位置的“上游”。扩压器200包括内筒202，内筒202包括内壁204，内壁204形成内腔208，转子的一部分可以穿过该内腔208。扩压器200包括位于扩压器进入端210附近的入口 211、和位于扩压器离开端222附近的出口 220。入口 211可以联接至涡轮机，而出口 220可以联接至相邻物体(例如消音器(silencer))。扩压器还包括外壁206,外壁206与内筒202的内壁204沿径向分隔开。内壁204和外壁206之间的区域使得流体或气体能穿过其中从入口211向下游流动到扩压器200的出口 220。扩压器200还可以包括形成于内壁204和外壁206之间的一个或多个支柱216。支柱216用于以彼此固定的关系来保持/支撑内壁204和外壁206，以及提供轴承支撑。支柱216的数量可变，并且通常在从约四个到约十个的范围内。内筒202的内壁204从入口 211或扩压器进入端210延伸到出口 220或扩压器离开端222。内筒202以及内壁204包括位于入口 211附近的第一端224和位于出口 220附近的第二端226，并且随着内筒202从第一端224延伸到第二端226而可以呈现众多纵向轮廓。内筒202可以从第一端224至第二端226连续地略微弯曲，可以仅对于第一端224和第二端226之间的一些部分略微弯曲，可以沿基本直线方向延伸，或者可以包括分段部分，其中内筒202的整个纵向包括上述曲线路径的任意组合。不论内筒202的形状(更具体地是内壁204的形状)如何，内筒202和内壁204延伸到扩压器出口 220或扩压器离开端222。
外壁206包括第一部分230，第一部分230从入口 211或扩压器进入端210沿大致下游方向以及沿远离内壁204的方向延伸。外壁206的第一部分230的倾斜曲线方向终止于外半径位置232。外壁206也包括第二部分234，第二部分234从外半径位置232沿基本下游方向延伸到出口 220或扩压器离开端222。外壁206的第一部分230相比外壁206的第二部分基本上更多地成角度偏离内壁204，外半径位置232相比内筒202的纵向中点236位于更上游处。内筒202的位于纵向中点236上游的部分是入口部分238，而内筒的位于纵向中点236下游的部分是出口部分240。因此，与常规扩压器外壁构造相比，外壁206被扩展到更位于上游的外半径。图2示出图1所示的扩压器200中的流动路径剖面。可以看出，图1的扩压器200的流动剖面(flow profile)在扩压器200的整个径向区域的各处较强，甚至沿着内壁104。扩压器200减少流动分离，从而比如图3所示的表现出流动分离的扩压器流动剖面改进了扩压器性能。除了通过采用上述扩压器200结构来减少流动分离之外，可以将二次空气流引导注入到扩压器200中。进入扩压器200并从而进入主扩压器流的这种二次空气流通过使形成于主流和内壁204和/或外壁206之间的剪切层活跃而改变整体流动，引起流动分离本身的延迟。主流变宽，并且实现更大的静态压力恢复。考虑用于实现引入二次空气流的各种方法，一个这样的方法是通过在内筒202内安装流动操作装置(例如泵)。内筒202的内壁204包括一个或多个驱动开口(actuatoropenings)和一个或多个抽吸开口(suction openings),一个或多个抽吸开口位于一个或多个驱动开口的下游。抽吸开口以控制扩压器200的流动剖面的方式使得直接经过内壁204的通常弱的流动能够进入内筒202，并以足够的力穿过流动操作装置从而离开驱动开口。对流动的控制减少流动分离，从而增大扩压区域。有利地,通过将扩压梯度(diffusion gradient)集中于高速度区域附近、并沿径向重新分配流动来控制扩压器200流动路径。为减少扩压器200内的流动分离，特别是在整个系统的部分负荷性能期间，内筒202延伸到扩压器200的相对出口 220。此外，从扩压器200的相对入口 211处的上游开始，扩压器200的外壁206快速地沿径向延伸远离内筒202。结果是减少产生与尾流相关的涡流的损失、并且显著改进扩压器性能，从而显著改进系统加热率增益(system heat rate gain)。尽管仅结合有限数量的实施例详细描述了本发明，但是应当很容易理解本发明不限于这些公开的实施例。相反，本发明可以被修改成并入目前没有描述但是符合本发明的精神和范围的任意数量的改变、替换、替代或等效布置。此外，尽管描述了本发明的各种实施例，但是应当理解本发明的各个方面可以仅包括某些描述的实施例。相应地，本发明不应视为受到前文描述的限制，而是仅由所附权利要求书的范围限制。
权利要求
1.一种用于燃气涡轮机的扩压器，包括: 入口，所述入口适合于联接至所述燃气涡轮机； 至少一个出口，所述至少一个出口位于扩压器端部附近，其中所述扩压器端部位于所述入口的下游； 外壁；和 内筒，所述内筒大致延伸到所述扩压器端部。
2.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述外壁和所述内筒沿着所述扩压器在所述入口和所述出口之间的长度限定改变的半径。
3.根据权利要求2所述的扩压器，其特征在于，由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径在所述出口处比在所述入口处更大。
4.根据权利要求2所述的扩压器，其特征在于，由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径包括外半径位置。
5.根据权利要求4所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器还包括位于所述入口和所述出口之间的相对中间位置的中点、由所述入口和所述中点限定的入口部分、和由所述中点和所述出口限定的出口部分，并且所述外半径位置接近所述入口部分。
6.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器与轴流涡轮机组合。
7.根据权利要求1所述的扩压器，其特征在于，所述出口适合于联接至相邻物体。
8.一种排出气体扩压器，包括: 入口: 出口 ； 内筒，所述内筒从大致所述入口处延伸到大致所述出口处；和 外壁，所述外壁与所述内筒沿径向分隔开，其中所述外壁和所述内筒沿着所述扩压器在所述入口和所述出口之间的长度限定改变的半径。
9.根据权利要求8所述的扩压器，其特征在于，由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径在所述出口处比在所述入口处更大。
10.根据权利要求8所述的扩压器，其特征在于，由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径包括外半径位置。
11.根据权利要求10所述的扩压器，其特征在于，所述扩压器还包括位于所述入口和所述出口之间的相对中间位置的中点、由所述入口和所述中点限定的入口部分、和由所述中点和所述出口限定的出口部分，并且所述外半径位置接近所述入口部分。
12.根据权利要求8所述的排出气体扩压器，其特征在于，所述排出气体扩压器与轴流燃气涡轮机组合。
13.根据权利要求12所述的排出气体扩压器，其特征在于，所述入口适合于联接至所述轴流燃气涡轮机。
14.根据权利要求12所述的排出气体扩压器，其特征在于，所述出口适合于联接至相邻物体。
15.一种燃气涡轮机，包括: 涡轮机壳体，所述涡轮机壳体围绕所述燃气涡轮机的一部分；和 排出气体扩压器，所述排出气体扩压器联接至所述涡轮机壳体，所述扩压器包括:适合于联接至所述燃气涡轮机的入口、外壁、内筒和位于所述入口下游的扩压器端部，所述内筒大致延伸到所述扩压器端部。
16.根据权利要求15所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述排出气体扩压器还包括位于所述扩压器端部附近的出口。
17.根据权利要求16所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述外壁和所述内筒沿着所述扩压器在所述入口和所述出口之间的长度限定改变的半径。
18.根据权利要求17所述的燃气涡轮机，其特征在于，由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径在所述出口处比在所述入口处更大。
19.根据权利要求17所述的燃气涡轮机，其特征在于，由所述外壁和所述内筒限定的所述改变的半径包括外半径位置。
20.根据权利要求19所述的燃气涡轮机，其特征在于，所述燃气涡轮机扩压器还包括位于所述入口和所述出口之间的相对中间位置的中点、由所述入口和所述中点限定的入口部分、和由所述中点和所述出口限 定的出口部分，并且所述外半径位置接近所述入口部分。
全文摘要
本发明涉及用于燃气涡轮机的扩压器。一种用于燃气涡轮机的扩压器包括适合于联接至燃气涡轮机的入口。该扩压器还包括位于扩压器端部附近的至少一个出口，其中扩压器端部位于入口的下游。该扩压器还包括外壁和大致延伸到扩压器端部的内筒。
文档编号F01D25/30GK103206273SQ201310010098
公开日2013年7月17日 申请日期2013年1月11日 优先权日2012年1月13日
发明者D.D.南达, J.G.吕克 申请人:通用电气公司