渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器。所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器包括擴(kuò)壓器部件，所述擴(kuò)壓器部件設(shè)置在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器內(nèi)并且具有外表面。所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器還包括吸入路徑，所述吸入路徑在所述擴(kuò)壓器部件的所述外表面與內(nèi)部隔室之間延伸，其中所述吸入路徑配置用于吸收流體。所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器進(jìn)一步包括驅(qū)動路徑，所述驅(qū)動路徑在所述擴(kuò)壓器部件的所述外表面與所述內(nèi)部隔室之間延伸，其中所述驅(qū)動路徑配置用于排出所述流體。所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器另外還包括流操控裝置，所述流操控裝置設(shè)置在所述擴(kuò)壓器部件的所述內(nèi)部隔室中。
【專利說明】渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及渦輪機(jī)系統(tǒng)，確切地說，涉及渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器(diffuser)部件的邊界層流控制。
【背景技術(shù)】
[0002]例如，燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)等典型的渦輪機(jī)系統(tǒng)包括排氣擴(kuò)壓器，排氣擴(kuò)壓器連接到渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪部分，以提高渦輪部分的末級槳葉的效率。排氣擴(kuò)壓器經(jīng)幾何配置以快速降低流的動能，并且增加排氣擴(kuò)壓器內(nèi)的靜壓恢復(fù)。
[0003]通常針對滿負(fù)載運(yùn)行來設(shè)計(jì)排氣擴(kuò)壓器，然而，渦輪機(jī)系統(tǒng)卻通常在部分負(fù)載下運(yùn)行。因此，基于滿負(fù)載的設(shè)計(jì)會影響部分負(fù)載的運(yùn)行效率。出現(xiàn)這種低效率至少部分歸因于排氣擴(kuò)壓器部件上發(fā)生流分離(flow separation),例如,所述部件為內(nèi)筒和徑向延伸的支柱等。引起流分離的原因通常部分在于，流離開渦輪部分的末級槳葉并進(jìn)入到排氣擴(kuò)壓器之后，使流發(fā)生旋動。旋流的大小可以被量化為“切向流角(tangential flow angle)”，并且例如，此角可以達(dá)到約40度，該角度可以導(dǎo)致對徑向延伸的支柱等排氣擴(kuò)壓器部件的攻角更高。這種流特征會導(dǎo)致邊界層增長和流分離，最終減小壓力恢復(fù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器包括擴(kuò)壓器部件，所述擴(kuò)壓器部件設(shè)置在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器內(nèi)并且具有外表面。還包括吸入路徑，所述吸入路徑在所述擴(kuò)壓器部件的所述外表面與內(nèi)部隔室之間延伸，其中所述吸入路徑經(jīng)配置以吸收流體。另外包括驅(qū)動路徑，所述驅(qū)動路徑在所述擴(kuò)壓器部件的所述外表面與所述內(nèi)部隔室之間延伸，其中所述驅(qū)動路徑經(jīng)配置以排出所述流體。另外還包括流操控裝置，所述流操控裝置設(shè)置在所述擴(kuò)壓器部件的所述內(nèi)部隔室中。
[0005]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，一種渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器包括支柱，所述支柱在環(huán)形內(nèi)筒與外壁之間延伸并且可操作地連接到這兩者，其中所述內(nèi)筒在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的縱向上延伸，所述外壁設(shè)置成從所述內(nèi)筒處徑向向外，所述支柱包括前緣、后緣以及吸入側(cè)。還包括吸入路徑，所述吸入路徑從所述吸入側(cè)中的第一孔隙延伸到所述支柱的內(nèi)部隔室。另外包括驅(qū)動路徑，所述驅(qū)動路徑從所述吸入側(cè)中的第二孔隙延伸到所述支柱的所述內(nèi)部隔室。另外還包括流操控裝置，所述流操控裝置設(shè)置在所述支柱的所述內(nèi)部隔室中。
[0006]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，一種渦輪機(jī)系統(tǒng)包括渦輪機(jī)殼體，所述渦輪機(jī)殼體環(huán)繞所述渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪部分的一部分。還包括排氣擴(kuò)壓器，所述排氣擴(kuò)壓器包括內(nèi)筒，所述內(nèi)筒從擴(kuò)壓器入口的附近延伸到所述擴(kuò)壓器入口下游的位置。所述排氣擴(kuò)壓器還包括設(shè)置成從所述內(nèi)筒徑向向外的外壁。所述排氣擴(kuò)壓器進(jìn)一步包括支柱，所述支柱在所述內(nèi)筒與所述外壁之間延伸并且可操作地連接到這兩者，所述支柱包括前緣、后緣以及吸入側(cè)。所述排氣擴(kuò)壓器又進(jìn)一步包括從所述支柱的所述吸入側(cè)延伸到內(nèi)部隔室的吸入路徑，以及從所述支柱的所述吸入側(cè)延伸到所述內(nèi)部隔室的驅(qū)動路徑。所述排氣擴(kuò)壓器還包括流操控裝置，所述流操控裝置設(shè)置在所述支柱的所述內(nèi)部隔室中。
[0007]通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的說明可以更加清楚地了解這些和其他優(yōu)點(diǎn)以及特征。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]本說明書中的權(quán)利要求書詳細(xì)指出并明確主張了本發(fā)明。通過以下結(jié)合附圖進(jìn)行的詳細(xì)說明可以清楚地了解本發(fā)明的上述和其他特征以及優(yōu)點(diǎn)，在附圖中:
[0009]圖1是渦輪機(jī)系統(tǒng)的示意圖；
[0010]圖2是渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的截面圖；以及
[0011]圖3是渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的支柱的側(cè)視示意圖。
[0012]【具體實(shí)施方式】參考附圖以實(shí)例方式介紹本發(fā)明的各實(shí)施例以及優(yōu)點(diǎn)和特征?！揪唧w實(shí)施方式】
[0013]參考圖1,用參考編號10示意性地示出渦輪機(jī)系統(tǒng)，例如，燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)。燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10包括壓縮機(jī)部分12、燃燒器部分14、渦輪部分16、軸18以及燃料噴嘴20。應(yīng)理解，燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10的一項(xiàng)實(shí)施例可以包括多個(gè)壓縮機(jī)12、燃燒器14、渦輪16、軸18以及燃料噴嘴20。壓縮機(jī)部分12和渦輪部分16由軸18連接起來。軸18可以是單軸，也可以是連接在一起形成軸18的多個(gè)軸段。
[0014]燃燒器部分14使用天然氣或富含氫的合成氣等易燃液體和/或氣體燃料來運(yùn)行燃?xì)鉁u輪機(jī)系統(tǒng)10。例如，燃料噴嘴20與空氣供應(yīng)源和燃料供應(yīng)源22流體連通。燃料噴嘴20產(chǎn)生空氣-燃料混合物，并且將所述空氣-燃料混合物排入到燃燒器部分14中，從而引起燃燒，產(chǎn)生熱加壓排氣。燃燒器部分14引導(dǎo)熱加壓氣體穿過過渡連接件而進(jìn)入渦輪噴嘴(或“一級噴嘴”)以及其他級槳葉和噴嘴，從而使渦輪葉片在渦輪部分16的外殼24內(nèi)發(fā)生旋轉(zhuǎn)。隨后，熱加壓氣體從渦輪部分16輸送到排氣擴(kuò)壓器26，所述排氣擴(kuò)壓器26可操作地連接到渦輪部分的一部分，例如，外殼24。
[0015]現(xiàn)在參考圖2，示出了排氣擴(kuò)壓器26的側(cè)視截面圖。排氣擴(kuò)壓器26包括入口 28，入口 28經(jīng)配置以接收來自渦輪部分16的排出流體30。出口 32相對于入口 28設(shè)置在下游位置。內(nèi)筒34沿著排氣擴(kuò)壓器26的縱向方向相對軸向地延伸、至少部分位于入口 28與出口 32之間，所述內(nèi)筒34包括外表面36。外壁38與內(nèi)筒34徑向向外隔開，確切地說，與外表面36徑向向外隔開,所述外壁38具有內(nèi)表面40。外壁38布置成相對發(fā)散的配置,從而在進(jìn)入排氣擴(kuò)壓器26的入口 28之后，排出流體30的動能減少。具體而言，歸因于外壁38的發(fā)散配置，排氣擴(kuò)壓器26內(nèi)發(fā)生動壓到靜壓的轉(zhuǎn)化。排出流體30會流過內(nèi)筒34的外表面36和外壁38的內(nèi)表面40限定的區(qū)域。
[0016]支柱42也設(shè)置在內(nèi)筒34的外表面36與外壁38的內(nèi)表面40之間。雖然本發(fā)明中只描述了單個(gè)支柱，但應(yīng)理解，排氣擴(kuò)壓器26通常包括多個(gè)支柱，其中示例性實(shí)施例包括許多支柱，四(4)個(gè)到十二( 12)個(gè)支柱不等。支柱42用于使內(nèi)筒34和外壁38彼此固定，以及提供軸承支撐。由于支柱42設(shè)置在內(nèi)筒34與外壁38之間的區(qū)域中，因此排出流體30會經(jīng)過支柱42。因此，支柱42會影響排出流體30的流特征，因而影響排氣擴(kuò)壓器的總體性能。
[0017]現(xiàn)在參考圖3，支柱42成形為弧面翼型，并且應(yīng)理解，支柱42的精確幾何形狀和尺寸可以根據(jù)應(yīng)用而不同于所示那樣。支柱42包括前緣44、后緣46、吸入側(cè)48以及壓力側(cè)50。有一條虛線從前緣44延伸到后緣46,稱為弦長(chord length) 52。雖然描述為具有弧面翼型形狀，但應(yīng)理解，也可以采用大體上對稱的配置。
[0018]隨著排出流體30離開渦輪部分16，基于排氣擴(kuò)壓器26的外壁38的發(fā)散配置，排出流體30的末級槳葉出口切向流角(本說明書中稱為“旋流”)會增大，從而導(dǎo)致某些區(qū)域中發(fā)生流分離，例如，這些區(qū)域?yàn)榭拷鼉?nèi)筒34的外表面36的區(qū)域，以及靠近支柱42的多個(gè)外表面，例如，吸入側(cè)48和壓力側(cè)50的區(qū)域。為了減少流分離并且減少旋流增大，在支柱42內(nèi)設(shè)置流操控裝置54，例如，旋轉(zhuǎn)葉輪，以便促進(jìn)通過吸入路徑56來吸收或吸入經(jīng)過支柱42的吸入側(cè)48的排出流體30的一部分。隨后，排出流體30的一部分通過驅(qū)動路徑58而被排到或吹到靠近支柱42的吸入側(cè)48的區(qū)域中。流操控裝置54通常被支柱42的周圍表面完全包圍，但吸入路徑56和驅(qū)動路徑58除外。流操控裝置54可以由各種驅(qū)動結(jié)構(gòu)來驅(qū)動，例如，一個(gè)或多個(gè)電動機(jī)。所述一個(gè)或多個(gè)電動機(jī)可以安裝在外壁38、內(nèi)筒34和/或支柱42附近。
[0019]吸入路徑56從設(shè)置在支柱42的吸入側(cè)48內(nèi)的第一孔隙60延伸到支柱42的內(nèi)部隔室62，其中流操控裝置54位于內(nèi)部隔室62中。吸入路徑56可以按照多個(gè)角度進(jìn)行布置，所示實(shí)施例僅僅是出于說明目的。第一孔隙60，且因此吸入路徑56的至少一部分設(shè)置成靠近支柱42的前緣44，然而，預(yù)期第一孔隙60可以大體位于前緣44的下游。類似地，驅(qū)動路徑58從設(shè)置在支柱42的吸入側(cè)48內(nèi)的第二孔隙64延伸到內(nèi)部隔室62。同吸入路徑56—樣，驅(qū)動路徑58也可以按照不同于所示那樣的多個(gè)角度進(jìn)行布置。第二孔隙64，且因此驅(qū)動路徑58的至少一部分，可以設(shè)置在第一孔隙60下游的多個(gè)位置。在一項(xiàng)示例性實(shí)施例中，相對于從前緣44延伸到后緣46的弦長52而言，第二孔隙64位于前緣44下游的約60%處，然而，根據(jù)排氣擴(kuò)壓器26的總體特性，其確切位置可以改變。類似地，第一孔隙60可以靠近后緣46，而不是如圖所示那樣靠近前緣44。
[0020]應(yīng)理解，雖然在上述說明涉及的實(shí)施例中，吸入路徑56設(shè)置在驅(qū)動路徑58的上游位置，但預(yù)期驅(qū)動路徑58設(shè)置在吸入路徑56的上游，從而使得排出流體30在下游被吸收，并且通過驅(qū)動路徑58而被吹到上游位置。此外，應(yīng)理解，雖然上文將吸入路徑56和驅(qū)動路徑58圖示和描述為設(shè)置在吸入側(cè)48與內(nèi)部隔室62之間的位置，但也預(yù)期在其他實(shí)施例中，吸入路徑56和驅(qū)動路徑58可以設(shè)置在壓力側(cè)50與內(nèi)部隔室62之間的位置?；蛘?，多個(gè)吸入路徑56和驅(qū)動路徑58可以靠近吸入側(cè)48和壓力側(cè)50兩者。
[0021]除了將流操控裝置54設(shè)置在支柱42內(nèi)之外，或者作為替代，流操控裝置54也可以設(shè)在內(nèi)筒34中，以減少沿著內(nèi)筒34的外表面36的區(qū)域附近發(fā)生流分離和旋流。該實(shí)施例在結(jié)構(gòu)和操作上類似于將流操控裝置54設(shè)在支柱42中的實(shí)施例。無論流操控裝置54是設(shè)在支柱42中還是設(shè)在內(nèi)筒34中、或是設(shè)在這兩者中，流操控裝置54與吸入路徑56和驅(qū)動路徑58結(jié)合使用時(shí)，都可以減少內(nèi)筒34的外表面36附近以及支柱42的吸入側(cè)48附近發(fā)生流分離。
[0022]盡管僅結(jié)合了有限數(shù)目的實(shí)施例來詳細(xì)描述本發(fā)明，但應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于所揭示的此類實(shí)施例。相反，本發(fā)明可以經(jīng)修改以涵蓋之前并未描述、但與本發(fā)明的精神和范圍相符合的任意數(shù)目的變化、更改、替換或等效布置。此外，盡管已描述了本發(fā)明的各種實(shí)施例，但應(yīng)理解，本發(fā)明的各方面可以僅包括所述實(shí)施例中的一些實(shí)施例。因此，本發(fā)明不應(yīng)視為受前述說明的限制，而是僅受所附權(quán)利要求書的范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種潤輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器,其包括: 擴(kuò)壓器部件，所述擴(kuò)壓器部件設(shè)置在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器內(nèi)并且具有外表面； 吸入路徑，所述吸入路徑在所述擴(kuò)壓器部件的所述外表面與內(nèi)部隔室之間延伸，其中所述吸入路徑經(jīng)配置用于吸收流體； 驅(qū)動路徑，所述驅(qū)動路徑在所述擴(kuò)壓器部件的所述外表面與所述內(nèi)部隔室之間延伸，其中所述驅(qū)動路徑經(jīng)配置用于排出所述流體；以及 流操控裝置，所述流操控裝置設(shè)置在所述擴(kuò)壓器部件的所述內(nèi)部隔室中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述擴(kuò)壓器部件包括環(huán)形內(nèi)筒，所述內(nèi)筒在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的縱向上延伸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述擴(kuò)壓器部件包括支柱，所述支柱在內(nèi)筒與外壁之間延伸并且可操作地連接到它們上，其中所述內(nèi)筒在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的縱向上延伸，所述外壁設(shè)置在所述內(nèi)筒處徑向向外處，其中所述支柱包括前緣、后緣以及吸入側(cè)。`
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述吸入路徑設(shè)置成靠近所述支柱的所述前緣。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其進(jìn)一步包括弦長，所述弦長在所述前緣與所述后緣之間延伸并且由這兩者限定，其中所述驅(qū)動路徑設(shè)置在所述弦長方向上，且位于所述前緣下游約60%的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述吸入路徑設(shè)置在所述驅(qū)動路徑的上游。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述吸入路徑設(shè)置在所述驅(qū)動路徑的下游。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述流操控裝置包括旋轉(zhuǎn)葉輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述流操控裝置完全封閉在所述擴(kuò)壓器部件內(nèi)。
10.一種潤輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其包括: 支柱，所述支柱在環(huán)形內(nèi)筒與外壁之間延伸、并且可操作地連接到它們上，其中所述內(nèi)筒在所述渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器的縱向上延伸，所述外壁設(shè)置在所述內(nèi)筒處徑向向外處，所述支柱包括前緣、后緣以及吸入側(cè)； 吸入路徑，所述吸入路徑從所述吸入側(cè)中的第一孔隙延伸到所述支柱的內(nèi)部隔室； 驅(qū)動路徑，所述驅(qū)動路徑從所述吸入側(cè)中的第二孔隙延伸到所述支柱的所述內(nèi)部隔室；以及 旋轉(zhuǎn)葉輪，所述旋轉(zhuǎn)葉輪設(shè)置在所述支柱的所述內(nèi)部隔室中。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其進(jìn)一步包括安裝在所述外壁附近的至少一個(gè)電動機(jī)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其進(jìn)一步包括弦長，所述弦長在所述前緣與所述后緣之間延伸并且由這兩者限定，其中所述驅(qū)動路徑設(shè)置在所述弦長方向上，位于所述前緣下游約60%的位置。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述吸入路徑設(shè)置在所述驅(qū)動路徑的上游。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述吸入路徑設(shè)置在所述驅(qū)動路徑的下游。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的渦輪機(jī)排氣擴(kuò)壓器，其中所述旋轉(zhuǎn)葉輪完全封閉在所述支柱中。
16.—種潤輪機(jī)系統(tǒng),其包括: 渦輪機(jī)殼體，所述渦輪機(jī)殼體環(huán)繞所述渦輪機(jī)系統(tǒng)的渦輪部分的一部分；以及 排氣擴(kuò)壓器，所述排氣擴(kuò)壓器包括: 內(nèi)筒，所述內(nèi)筒從擴(kuò)壓器入口的附近延伸到所述擴(kuò)壓器入口下游的位置； 外壁，所述外壁設(shè)置在所述內(nèi)筒處徑向向外處； 支柱，所述支柱在所述內(nèi)筒與所述外壁之間延伸并且可操作地連接到它們上，所述支柱包括前緣、后緣以及吸入側(cè)； 吸入路徑，所述吸入路徑從所述支柱的所述吸入側(cè)延伸到內(nèi)部隔室； 驅(qū)動路徑，所述驅(qū)動路徑從所述支柱的所述吸入側(cè)延伸到所述內(nèi)部隔室；以及 流操控裝置，所述流操控裝置設(shè)置在所述支柱的所述內(nèi)部隔室中。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述流操控裝置包括旋轉(zhuǎn)葉輪。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述旋轉(zhuǎn)葉輪完全封閉在所述支柱中。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括弦長，所述弦長在所述前緣與所述后緣之間延伸并且由這兩者限定，其中所述驅(qū)動路徑設(shè)置在所述弦長方向上，位于所述前緣下游約60%的位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的渦輪機(jī)系統(tǒng)，其中所述吸入路徑設(shè)置成靠近所述支柱的所述前緣。
【文檔編號】F01D25/30GK103485847SQ201310231145
【公開日】2014年1月1日 申請日期:2013年6月9日 優(yōu)先權(quán)日:2012年6月11日
【發(fā)明者】M.蘇布拉馬尼延 申請人:通用電氣公司