專利名稱：渦輪排氣擴散系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本文所公開的主題涉及用于渦輪系統(tǒng)的排氣擴散。
背景技術(shù)：
燃氣渦輪系統(tǒng)可包括聯(lián)接到燃氣渦輪發(fā)動機的排氣擴散器。燃氣渦輪發(fā)動機燃燒燃料以產(chǎn)生熱的燃燒氣體，其流過渦輪以驅(qū)動負載和/或壓縮機。排氣擴散器接受來自渦輪的排氣，并逐漸地減少壓力和速度。不幸的是，排氣擴散器經(jīng)常耗費相當大量的空間。 例如，排氣擴散器可能與燃氣渦輪發(fā)動機一樣長。因此，執(zhí)行用于減小排氣擴散器的底座 (footprint)并因此減小燃氣渦輪系統(tǒng)的總的底座的設(shè)計策略可以證明是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
以下概括了與最初要求保護的本發(fā)明范圍相稱的某些實施例。這些實施例不意圖限制所要求保護的本發(fā)明的范圍，而是這些實施例僅僅意圖提供本發(fā)明的可能的形式的簡要概括。實際上，本發(fā)明可包含可與下面提到的實施例類似或不同的各種形式。根據(jù)第一實施例，系統(tǒng)包括燃氣渦輪發(fā)動機。燃氣渦輪發(fā)動機包括燃燒部段和聯(lián)接到燃燒部段的渦輪部段。渦輪部段包括渦輪級(其具有聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的多個渦輪葉片)、圍繞多個渦輪葉片設(shè)置的固定護罩和在固定護罩與多個渦輪葉片的各個末端之間的間隙。渦輪葉片可具有附連或不附連到其末端的旋轉(zhuǎn)的護罩。燃氣渦輪發(fā)動機包括聯(lián)接到渦輪部段的擴散器部段。擴散器部段包括外壁，其限定了在多個渦輪葉片下游的膨脹流路徑。外壁包括第一壁部分，其具有相對于多個渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)軸線的第一角度，并且該間隙構(gòu)造成使頂端泄漏流能夠沿著外壁激發(fā)(energize)邊界層。根據(jù)第二實施例，系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)部段。旋轉(zhuǎn)部段包括多個聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的葉片、圍繞多個葉片設(shè)置的固定護罩和在固定護罩與多個葉片的各個末端之間的間隙，其中該間隙構(gòu)造成使能夠發(fā)生頂端泄漏流。渦輪葉片可具有附連或不附連到其末端的旋轉(zhuǎn)的護罩。該系統(tǒng)還包括擴散器部段，其包括外壁，外壁限定在多個渦輪葉片下游的膨脹流路徑。外壁包括第一壁部分，其具有相對于多個葉片的旋轉(zhuǎn)軸線的第一角度，并且該間隙構(gòu)造成通過利用頂端泄漏流沿著外壁維持邊界層使能夠增加第一角度。根據(jù)第三實施例，一種方法包括使頂端泄漏流能夠在渦輪級的多個渦輪葉片與固定護罩之間經(jīng)過。該方法還包括利用頂端泄漏流沿著渦輪擴散器的壁激發(fā)邊界層。


當參照附圖閱讀以下詳細的描述時，將更好地理解本發(fā)明的這些和其它特征、方面和優(yōu)點，其中在所有附圖中相似的標號表示相似的部件，其中圖I是沿著縱向軸線截取的燃氣渦輪發(fā)動機的橫截面的側(cè)視圖；圖2是根據(jù)一個實施例的圖I的燃氣渦輪發(fā)動機的局部的橫截面的側(cè)視圖，其顯示了在帶有無護罩的渦輪葉片的渦輪部段中的頂端間隙和在擴散器部段中的大的角度；
圖3是沒有間隙的燃氣渦輪發(fā)動機的一個實施例的局部的橫截面的側(cè)視圖；圖4是帶有第一間隙的燃氣渦輪發(fā)動機的一個實施例的局部的橫截面的側(cè)視圖；圖5是帶有第二間隙的燃氣渦輪發(fā)動機的一個實施例的局部的橫截面的側(cè)視圖；圖6是根據(jù)一個實施例的顯示在帶有大角度的擴散器部段的軸向長度上的壓力恢復(fù)的曲線圖；圖7是根據(jù)一個實施例的顯示在帶有大角度的擴散器部段中的軸向速度對徑向位置的曲線圖；圖8是根據(jù)一個實施例的顯示在帶有大角度的擴散器部段中的徑向速度對徑向位置的曲線圖；圖9是橫向于縱向軸線的在葉片的旋轉(zhuǎn)的被罩住的末端與固定護罩之間具有間隙的燃氣渦輪發(fā)動機的一個實施例的橫截面圖；圖10是沿著圖9的線10-10截取的帶有間隙的燃氣渦輪發(fā)動機的一個實施例的局部的橫截面的側(cè)視圖；以及圖11是蒸汽渦輪發(fā)動機的局部的橫截面的側(cè)視圖。部件列表118 燃氣渦輪發(fā)動機119 縱向軸線120 燃燒器130 渦輪132 壓縮機160 燃料噴嘴162 燃燒器部段163 進氣部段172 過渡件174 第一級176 級178 末級180 葉片182 轉(zhuǎn)子葉輪184 車由186 噴嘴組件188 排氣擴散器部段190 擴散器部段的長度192 燃氣渦輪發(fā)動機的總長194 間隙196 固定護罩198 外壁200 支柱204 葉片末端
5
206
208
210
211
212
214
216
218
220
222
224
234
236
238
240
242
244
250
252
254
256
258
260
262
272
274
276
277
278
279
280
290
292
294
296
297
298
300
302
頂端間隙量方向
旋轉(zhuǎn)軸線線
頂端泄漏流第一壁部分第二壁部分第一角度第二角度入口的直徑出口的直徑軸向方向大的分離第一頂端間隙排氣流更少的分離第二頂端間隙曲線圖 Y軸 X軸曲線曲線
支柱的前緣支柱的后緣曲線圖 X軸 Y軸點
曲線
低速區(qū)域
曲線
曲線圖
X軸
Y軸
曲線
點
曲線
間隙
環(huán)形護罩
304蓋子
306蒸汽渦輪發(fā)動機
310外壁
312排氣擴散器
314渦輪部段
316多個級
318軸
320入口
322末級
324箭頭
326護罩
具體實施例方式下面將描述本發(fā)明的一個或更多個特定實施例。為了提供這些實施例的簡明的描述，在說明書中可能沒有描述實際實施的所有特征。應(yīng)該理解，在任何這種實際實施的開發(fā)中，如在任何工程或設(shè)計項目中，必須做出許多特定實施決定以達到開發(fā)者的特定目的，例如符合系統(tǒng)相關(guān)的和商業(yè)相關(guān)的約束，其從一個實施到另一個可能變化。此外，應(yīng)該理解這種開發(fā)工作可能是復(fù)雜且耗時的，但對于那些受益于本公開的本領(lǐng)域技術(shù)人員仍然是承擔設(shè)計、制造和生產(chǎn)的日常事務(wù)。當介紹本發(fā)明的各個實施例的元件時，冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述”都意圖
表示存在一個或更多個元件。詞語“包括”、“包含”和“具有”都意圖是包括性的并意味著除了列出的元件之外可存在附加的元件。所公開的實施例指向在渦輪(例如燃氣渦輪或蒸汽渦輪)中的頂端泄漏流，以減少從沿著排氣擴散器的外壁的流分離。通常可能希望使在旋轉(zhuǎn)葉片的末端與周圍的固定護罩之間的間隙最小化，因此使在旋轉(zhuǎn)的葉片上的流體(例如蒸汽或熱的氣體)的功最大化。 然而，可提供一定的間隙量以減少在葉片與固定護罩之間摩擦的可能性。然而，對間隙的這種考慮不涉及在旋轉(zhuǎn)的葉片下游的流體流。如以下所討論的那樣，在旋轉(zhuǎn)的葉片下游可能發(fā)生流分離和其它不希望的流體流。所公開的實施例特別調(diào)整間隙以控制頂端泄漏流，因此控制在葉片下游的流體流。例如，在多個葉片的葉片末端與設(shè)置在葉片周圍的固定護罩之間經(jīng)過的頂端泄漏流沿著排氣擴散器的外壁激發(fā)邊界層，因此允許相對于葉片旋轉(zhuǎn)軸線的大角度被包含到排氣擴散器的外壁中。換言之，頂端泄漏流增加了沿著邊界層的流速，因此減少或防止了流從排氣擴散器的外壁的分離(其通常在使用相對于葉片的旋轉(zhuǎn)軸線的大的角度時發(fā)生)，同時還維持排氣擴散器的壓力恢復(fù)。頂端泄漏流在允許排氣擴散器中的角度增加的同時還可允許擴散器的長度減少，以及渦輪系統(tǒng)的總的長度減少。圖1是沿著縱向軸線119的燃氣渦輪發(fā)動機118的一個實施例的橫截面的側(cè)視圖。如所理解的，頂端泄漏流可用在任何渦輪系統(tǒng)中，例如燃氣渦輪系統(tǒng)和蒸汽渦輪系統(tǒng)中，而并不意圖局限于任何特殊的機器或系統(tǒng)。如以下所進一步描述的，在燃氣渦輪發(fā)動機 118內(nèi)可采用頂端泄漏流以沿著排氣擴散器的外壁激發(fā)邊界層，以防止或減少排氣與外壁的分離。頂端泄漏流發(fā)生于在下游或燃氣渦輪發(fā)動機118的最末渦輪級中的旋轉(zhuǎn)葉片與周圍的固定護罩之間的間隙處。因此，可增加間隙以增加頂端泄漏流，或者可減少間隙以減少頂端泄漏流。所激發(fā)的邊界層使外壁能夠具有相對于渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)軸線的大的角度，從而可極大地減少排氣擴散器的長度。結(jié)果，頂端泄漏流可使排氣擴散器能夠在底座減小的情況下提供相似的或改進的壓力恢復(fù)。燃氣渦輪發(fā)動機118包括一個或更多個位于燃燒器部段162內(nèi)部的燃料噴嘴160。 在某些實施例中，燃氣渦輪發(fā)動機118可包括在燃燒器部段162內(nèi)設(shè)置成環(huán)形排列的多個燃燒器120。此外，每個燃燒器120可包括多個燃料噴嘴160，其以環(huán)形排列或其它排列附連到或靠近每個燃燒器120的頭端?？諝馔ㄟ^進氣部段163進入并由壓縮機132進行壓縮。然后將來自壓縮機132的壓縮空氣引導(dǎo)到燃燒器部段162中，在此處壓縮空氣與燃料相混合。壓縮空氣和燃料的混合物通常在燃燒器部段162中燃燒以產(chǎn)生高溫、高壓燃燒氣體，其用于在渦輪部段130內(nèi)產(chǎn)生扭矩。如上面所提到的那樣，多個燃燒器120可環(huán)形地設(shè)置在燃燒器部段162內(nèi)。每個燃燒器120包括過渡件172，其將熱的燃燒氣體從燃燒器120引導(dǎo)至渦輪部段130中。具體地，每個過渡件172通常限定了從燃燒器120至渦輪部段130的噴嘴組件的熱氣體路徑，其包括在渦輪130的第一級174中。如圖所示，渦輪部段130包括三個分開的級174、176和178。每個級174、176和 178包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子葉輪182的多個葉片180，轉(zhuǎn)子葉輪182可旋轉(zhuǎn)地附連到軸184。每個級174、176和178還包括直接設(shè)置在每組葉片180上游的噴嘴組件186。噴嘴組件186將熱的燃燒氣體引向葉片180，在此處熱的燃燒氣體施加動力到葉片180以使葉片180旋轉(zhuǎn)， 由此使軸184旋轉(zhuǎn)。熱的燃燒氣體流過各個級174、176和178，施加動力到在各個級174、 176和178內(nèi)的葉片180。然后熱的燃燒氣體可通過排氣擴散器部段188離開燃氣渦輪部段130。排氣擴散器部段188通過減少流體流通過排氣擴散器部段188的速度而起作用，同時還提高靜壓力以增加由燃氣渦輪發(fā)動機118所做的功。如圖所示，排氣擴散器部段188 具有長度190，其是燃氣渦輪發(fā)動機118的總長192的一部分。所公開的發(fā)動機118提供從渦輪部段180到排氣擴散器部段188中的頂端泄漏流以在排氣擴散器部段188中激發(fā)邊界層，因此使能夠?qū)崿F(xiàn)長度190的減少。在所示的實施例中，末級178包括在多個葉片180的末端與設(shè)置在多個葉片180 周圍的固定護罩196之間的間隙194。間隙194允許頂端泄漏流在排氣擴散器部段188的外壁198與熱的燃燒氣體的流之間激發(fā)邊界層，由此允許在擴散器部段188中使用大的角度并相對于燃氣渦輪發(fā)動機118的總長192縮短了擴散器部段188的長度190。在包含頂端泄漏流的某些實施例中，擴散器部段188的長度190可在燃氣渦輪發(fā)動機118的總長192 的大約25至50%、30至45%或35至40%的范圍內(nèi)。例如，擴散器部段188的長度190可占燃氣渦輪發(fā)動機118的總長192的30、35、40、45或50%，或它們之間的任何百分比。圖2是圖I的燃氣渦輪發(fā)動機118的局部的橫截面圖，其進一步顯示了渦輪部段 130中的間隙194和擴散器部段188中所采用的大角度。如上所述，燃氣渦輪發(fā)動機118包括聯(lián)接在擴散器部段188上的渦輪部段130。渦輪部段130包括圍繞末級178的多個葉片 180所設(shè)置的固定護罩196。多個葉片180的每個葉片180包括葉片末端204。在一些實施例中，葉片末端204可包括徑向頂端204。在其它實施例中，徑向末端204可包括旋轉(zhuǎn)的被罩住的末端(見圖9和圖10)。間隙194存在于多個葉片180的各個葉片末端204與固定護罩196之間以允許頂端泄漏流沿著擴散器部段188激發(fā)邊界層。在某些實施例中，間隙 194的距離206可在大約90至150mils、100至140mils或110至130mils之間的范圍內(nèi)。 對于另外的示例，間隙194的距離206可為大約115、120、125、130、135或1401^18，或者間隙194在之間的任何距離206。熱的燃燒氣體以方向208流過級178并施加動力到多個葉片180上以使葉片180圍繞旋轉(zhuǎn)軸線210旋轉(zhuǎn)。一些熱的燃燒氣體在間隙194之間流動， 導(dǎo)致由箭頭212所指示的頂端泄漏流。擴散器部段188包括更大的角度以利用頂端泄漏流212。擴散器部段188包括外壁198和徑向橫跨擴散器部段188設(shè)置的支柱200。外壁198限定了在多個葉片180下游的膨脹流路徑。外壁198包括第一壁部分214和在第一壁部分214下游的第二壁部分216。 第一壁部分214包括相對于多個葉片180的旋轉(zhuǎn)軸線210的第一角度218，如由平行于軸線 210的線211所示。在某些實施例中，第一角度218可在大約16至40度、20至40度、20至 30度、18至觀度或21至23度之間的范圍內(nèi)。例如，第一角度218可為大約16、18、20、22 或M度，或它們之間的任何角度。通過間隙194的頂端泄漏流212通過沿著外壁198維持邊界層使能夠增加第一角度218。類似地，第二壁部分216包括相對于多個葉片180的旋轉(zhuǎn)軸線210的第二角度220，如由平行于軸線210的線211所示。在某些實施例中，第二角度220可在大約6至12度或7至9度之間的范圍內(nèi)。例如，第二角度220可為大約6、8或 10度，或它們之間的任何角度。在一些實施例中，第一角度218可在大約20至M度之間的范圍內(nèi)，而第二角度可在大約6至12度之間的范圍內(nèi)。頂端泄漏流212可起作用以主要沿著第一壁部分214以角度218激發(fā)邊界層，或還沿著第二壁部分216以角度220激發(fā)邊界層。在任一情況下，頂端泄漏流使能夠增加擴散器部段188的平均角度，由此依靠激發(fā)邊界層而在更短的距離上提供更強的擴散。包括具有上面測量值的第一角度218通常將在擴散器部段188內(nèi)引起過度的逆壓力梯度，引起從沿著外壁198的早期的流分離，導(dǎo)致擴散器部段188更差的性能。然而，頂端泄漏流212激發(fā)了邊界層并至少沿著第一壁部分214減少或防止了從外壁198的早期的流分離。頂端泄漏流212允許在擴散器部段188內(nèi)使用大的第一角度218和擴散器部段188 的長度190相對于燃氣渦輪發(fā)動機118的總長192的縮短，同時相應(yīng)地仍然維持擴散器部段入口和出口的直徑222和224。另外，縮短擴散器部段188的長度190造成擴散器部段 188的每單位長度更高的擴散面積比，同時維持擴散器部段188的總的擴散面積用于擴散恢復(fù)。結(jié)果，結(jié)合頂端泄漏流212，大的第一角度218允許在更短的渦輪部段188中至少相同的或改進的壓力恢復(fù)量和擴散器性能。在某些實施例中，擴散器部段188的長度190的減少可在30至60 %的范圍內(nèi)。結(jié)果，擴散器部段188的長度190可至少小于燃氣渦輪發(fā)動機118的總長192的大約15%。圖3-5是圖1的燃氣渦輪發(fā)動機118在線3_3內(nèi)截取的局部的橫截面圖，其進一步顯示了間隙194如何影響沿著擴散器部段188的外壁198的邊界層。如上所述，圖3_5 的燃氣渦輪發(fā)動機118包括聯(lián)接到擴散器部段188的渦輪部段130。渦輪部段130包括圍繞末級178的多個葉片180設(shè)置的固定護罩196。擴散器部段188包括外壁198和上述大角度，以及徑向上設(shè)置在擴散器部段188內(nèi)的支柱200。圖3顯示了燃氣渦輪發(fā)動機118的一個實施例，其在多個葉片180的各個葉片末端204與固定護罩196之間沒有間隙194。熱的燃燒氣體通常在軸向方向234上流過級178并施加動力到多個葉片180以使葉片180旋轉(zhuǎn)。通常，熱的燃燒氣體的流在徑向和軸向方向上沿著擴散器部段188膨脹。然而，在擴散器部段188靠近渦輪部段130的入口處的大角度逆著影響壓力梯度，而且減少了氣流在擴散器部段188內(nèi)的軸向和徑向速度。氣流內(nèi)的軸向和徑向動量的缺乏導(dǎo)致該流的失速和沿著在燃燒氣體的流與擴散器部段188的外壁198之間的邊界層的早期的大的分離236。然而，提供一些間隙194減少了沿著邊界層的分離的量。圖4顯示了燃氣渦輪發(fā)動機118的一個實施例，其在多個葉片180的葉片末端204與固定護罩196之間具有第一頂端間隙238。第一間隙238允許在多個葉片180的葉片末端204上方發(fā)生一些頂端泄漏流212。頂端泄漏流212是一種高動量、高能量的流，其給予了一些附加的動量以直接沿著外壁198引導(dǎo)排氣流240。頂端泄漏流212將渦旋和徑向動量給予排氣流240，由此激發(fā)邊界層。所激發(fā)的邊界層導(dǎo)致在燃燒氣體的流與擴散器部段188的外壁198之間更少的分離 242。增加間隙194甚至將更大的動量和能量給予燃燒氣體的排氣流240 (例如渦旋和徑向動量)。圖5顯示了燃氣渦輪發(fā)動機118的一個實施例，其具有比圖4的第一間隙238 更大的第二間隙244。第二間隙244允許在多個葉片180的葉片末端204上方產(chǎn)生更大量的頂端泄漏流212。在第二間隙244之間的頂端泄漏流212產(chǎn)生比第一間隙238所提供的流更大的高動量、高能量的流240。該頂端泄漏流212將足夠的附加動量給予燃燒氣體的排氣流240以利用擴散器部段188的外壁198激發(fā)邊界層，并且基本上防止了沿著邊界層任何分離的形成。因此，頂端泄漏流212遏制通常由擴散器部段188中的大角度所引起的分離。圖6是在包括上述大角度的擴散器部段188的實施例的軸向長度190上的壓力恢復(fù)的曲線圖250。在曲線圖250中，Y軸252代表擴散器部段188的壓力恢復(fù)，而X軸254 代表擴散器部段188的軸向長度190。壓力恢復(fù)沿著Y軸252從底部至頂部增加。擴散器部段188的軸向長度190沿著X軸254從左至右增加。曲線256代表沿著擴散器部段188 的一個實施例的軸向長度190的壓力恢復(fù)，其中渦輪部段130在多個葉片180的葉片末端 204與固定護罩196之間沒有間隙194。曲線258代表沿著擴散器部段188的一個實施例的軸向長度190的壓力恢復(fù)，其中渦輪部段130在多個葉片180的葉片末端204與固定護罩196之間具有間隙194。虛線260和262代表柱200沿著散器部段188的軸向長度190 的位置。更具體地，虛線260和262相應(yīng)代表支柱200的緣和后緣。在不存在間隙194的情況下，曲線256顯示了最初沿著擴散器部段188的軸向長度190壓力恢復(fù)的逐漸增加。如在曲線256中所示，當燃燒氣體的流遇到由虛線260代表的支柱200的前緣時，由于流與支柱200的相互作用，壓力恢復(fù)急劇下降，但隨著流接近由虛線262所代表的支柱200的后緣時其恢復(fù)并逐漸增加。在支柱200之后，壓力恢復(fù)沿著擴散器部段188的軸向長度190的剩余部分逐漸增加。曲線258顯示了在存在間隙194的情況下，類似于曲線256，壓力恢復(fù)最初沿著擴散器部段188的軸向長度190但以更大的速率增加。同樣，類似地，如曲線258所示，當燃燒氣體的流遇到支柱200的前緣260時，壓力恢復(fù)的量由于流與支柱200的相互作用而減少， 但僅僅輕微地，然后隨著流接近支柱200的后緣262而恢復(fù)并增加至壓力恢復(fù)的較高的水平。在支柱200之后，沿著擴散器部段188的軸向長度190的剩余部分，壓力恢復(fù)保持在壓
10力恢復(fù)的較高的水平上。曲線圖200顯示了在存在間隙194的情況下，如曲線258所示，壓力恢復(fù)以更大的速率發(fā)生并且沿著擴散器部段188的軸向長度190比不存在間隙194的情況(如曲線256所示)更快地達到可獲得的最大壓力恢復(fù)。作為由于間隙194(其允許頂端泄漏流212)的該更早且更大的壓力恢復(fù)的結(jié)果，在擴散器部段188中可使用大的角度， 其允許擴散器部段188相對于燃氣渦輪發(fā)動機118的縮短。圖7和圖8顯示了在帶有大角度的擴散器部段188的實施例中，頂端泄漏流212 對在擴散器部段188的入口下游、但在遇到支柱200之前的燃燒氣體的流的軸向和徑向動量的影響。圖7是代表燃燒氣體的流的軸向速度與在徑向方向上的距離(S卩，在徑向方向上沿著擴散器部段188的長度190而膨脹)的曲線圖272。在曲線圖272中，X軸274代表軸向速度，而Y軸276代表在徑向方向上的距離。在徑向方向上的距離沿著Y軸276從底部至頂部增加。燃燒氣體的流的軸向速度沿著X軸274從左至右增加。曲線278代表當流在徑向方向上在擴散器部段188內(nèi)膨脹時燃燒氣體的流的軸向速度，其中渦輪部段130在多個葉片180的葉片末端204與固定護罩196之間沒有間隙194。曲線280代表當流在徑向方向上膨脹時燃燒氣體的流的軸向速度，其中渦輪部段130在多個葉片180的葉片末端 204與固定護罩196之間具有間隙194。曲線278顯示了在不存在間隙194的情況下，軸向速度隨著燃燒氣體的流在徑向方向上朝著外壁198膨脹而略微下降，直至流膨脹行進至點277，此處該膨脹導(dǎo)致燃燒氣體的流中的軸向速度的突然且顯著的損失。軸向速度的該突然的損失由于燃燒氣體流的失速 (由擴散器部段188內(nèi)的大角度所引起)而發(fā)生?？拷獗?98的低速區(qū)域279代表從外壁198的顯著的流分離。曲線280顯示了在存在間隙194的情況下，當燃燒氣體的流在徑向方向上膨脹時軸向速度的輕微降低。然而，如曲線280所示，在由于間隙194而存在頂端泄漏流212的情況下，當燃燒氣體的流在徑向方向上朝著外壁198膨脹時，燃燒氣體的流維持軸向速度。因此，曲線280不展示低速區(qū)域279。曲線280顯示了對燃燒氣體的流給予動量和能量以沿著擴散器部段188的外壁198維持邊界層(例如防止流的失速和沿著邊界層的分離)。因此，頂端泄漏流212使外壁198能夠增加，同時基本上防止了流分離。圖8進一步顯示了通過頂端泄漏流212激發(fā)燃燒氣體的流。圖8代表燃燒氣體的流的徑向速度與在徑向方向上的距離(即，在徑向方向上沿著擴散器部段188的長度190 膨脹)的曲線圖290。在曲線圖290中，X軸292代表徑向速度，而Y軸294代表在徑向方向上的距離。在徑向方向上的距離沿著Y軸294而從底部至頂部增加。燃燒氣體的流的徑向速度沿著X軸292從左至右增加。曲線296代表當流在徑向方向上在擴散器部段188內(nèi)膨脹時燃燒氣體的流的徑向速度，其中渦輪部段130在多個葉片180的葉片末端204與固定護罩196之間沒有間隙194。曲線298代表當流以徑向方向上膨脹時燃燒氣體的流的徑向速度，其中渦輪部段130在多個葉片180的葉片末端204與固定護罩196之間具有間隙 194。曲線296顯示了在不存在間隙194的情況下，徑向速度隨著燃燒氣體的流在徑向方向上朝著外壁198膨脹而略微增加，直至流膨脹行進至點297上，此處該膨脹導(dǎo)致在燃燒氣體的流中徑向速度的穩(wěn)定損失。徑向速度的損失如同軸向速度的損失一樣由于燃燒氣體的流的失速(由擴散器部段188內(nèi)的大角度所引起)而發(fā)生。曲線298顯示了在由于間隙 194而存在頂端泄漏流212的情況下，徑向速度隨著燃燒氣體的流朝著外壁198的膨脹而急劇且明顯地增加。徑向速度甚至在膨脹期間繼續(xù)增加，如曲線298所示，經(jīng)過膨脹點四7，其中在曲線四6中徑向速度降低。曲線298顯示了頂端泄漏流212將大量的能量和動量給予燃燒氣體的流以增加徑向流速，從而在存在大角度的情況下極大地減少或消除沿著擴散器部段188的外壁198的流分離。如上面所提到的那樣，多個葉片180的葉片末端204可包括被罩住的末端204。圖 9是燃氣渦輪發(fā)動機118的一個實施例的橫截面圖，其橫向于縱向軸線在被罩住的葉片180 的末端204與固定護罩196之間具有間隙300。如圖所示，在例如級178中，相鄰葉片180 的葉片末端204包括被罩住的末端204，其形成周向包圍葉片180的環(huán)形護罩302。如上面實施例中所述，使用在固定護罩196與環(huán)形護罩302之間的間隙300，如上所述可采用頂端泄漏流。圖10是沿著圖9的線10-10截取的燃氣渦輪發(fā)動機118的一個實施例的局部的橫截面的側(cè)視圖，其進一步顯示了在多個葉片180的被罩住的末端204與固定護罩196之間的間隙300。每個被罩住的末端204包括蓋子304。如上所述，間隙300允許在多個葉片 180的被罩住的末端204上方的頂端泄漏流212。在間隙300之間的頂端泄漏流212產(chǎn)生高動量、高能量的流M0。該頂端泄漏流212將足夠的附加動量給予燃燒氣體的排氣流M0， 以利用擴散器部段188的外壁198激發(fā)邊界層并且基本上防止沿著邊界層的任何分離的形成。因此，頂端泄漏流212遏制通常由擴散器部段188中的大角度所引起的分離。如上面所提到的那樣，頂端泄漏流212可用于蒸汽渦輪系統(tǒng)中。圖11是蒸汽渦輪發(fā)動機306的局部的橫截面的側(cè)視圖。類似于燃氣渦輪發(fā)動機118，對蒸汽渦輪發(fā)動機306 可采用頂端泄漏流212以沿著排氣擴散器312的外壁310激發(fā)邊界層以防止或減少蒸汽與外壁310的分離。如圖所示，蒸汽渦輪發(fā)動機306是軸向排氣式蒸汽渦輪發(fā)動機306。蒸汽渦輪發(fā)動機306包括渦輪部段314，其包括多個級316。每個級316包括布置成排的多個葉片180，其周向圍繞軸318延伸。每個葉片180包括葉片末端204。在某些實施例中，葉片末端204可包括葉片頂端204。在其它實施例中，葉片末端204可包括被罩住的末端204。 每個級314還包括設(shè)置在每組葉片180上游的噴嘴組件。蒸汽進入蒸汽渦輪發(fā)動機306的入口 320中并被引導(dǎo)通過噴嘴組件。噴嘴組件將蒸汽引向葉片180，在這里蒸汽施加動力到葉片180以使葉片180旋轉(zhuǎn)，由此使軸316轉(zhuǎn)動。蒸汽流過每個級316，施加動力到每個級 318內(nèi)的葉片180。蒸汽然后通過排氣擴散器部段312離開渦輪部段314。在所示的實施例，如大致由箭頭3 指示的，末級322包括在多個葉片80的葉片末端204與圍繞多個葉片180設(shè)置的護罩3 之間的間隙。在某些實施例中，間隙324的距離可在大約100至250mils之間的范圍內(nèi)。如上所述，該間隙允許頂端泄漏流212，并因此允許在擴散器部段312中使用大角度和擴散器部段312相對于蒸汽渦輪發(fā)動機306的總長的縮短。擴散器部段312的長度可在蒸汽渦輪發(fā)動機306的總長的大約20至60%的范圍內(nèi)，或其之間任何百分比。在某些實施例中，操作渦輪系統(tǒng)的方法可包括使頂端泄漏流212能夠激發(fā)邊界層并防止在渦輪下游、例如在擴散器部段188中的流分離。例如，該方法可包括使頂端泄漏流 212能夠在固定護罩196與渦輪級178的多個渦輪葉片180之間經(jīng)過。該方法還包括利用頂端泄漏流212沿著渦輪擴散器188的壁198激發(fā)邊界層。該方法還可包括使該流從多個渦輪葉片180在下游方向上徑向膨脹通過壁198的第一部分214，其具有至少大于或等于大約16度的角度，其中該激發(fā)沿著第一部分214維持邊界層。在一些實施例中，該角度可至少大于或等于大約20度。另外，該方法可包括使該流從壁198的第一部分214徑向膨脹至壁198的第二部分216，其具有至少大于或等于大約6度的角度。該方法還可包括使排氣流從渦輪級通過渦輪擴散器188在長度190上擴散，長度190至少小于具有渦輪級178和渦輪擴散器188的渦輪發(fā)動機118的總長192的大約15%。所公開的實施例的技術(shù)效果包括在渦輪系統(tǒng)的擴散器部段188中提供大的角度。 另外，提供間隙194允許頂端泄漏流212在徑向膨脹通過擴散器部段188期間激發(fā)并提供動量給該流以防止在大角度下通常發(fā)生的與壁198的流分離。使用大的角度，結(jié)合頂端泄漏流212，允許減少擴散器部段188的長度以及渦輪系統(tǒng)的總長，同時就算沒有改善也至少維持了性能。通過縮短擴散器部段188和渦輪系統(tǒng)的長度，可減小各自的底座。該文字描述使用示例以公開本發(fā)明，包括最佳實施方式，并且也使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵺`本發(fā)明，包括制作和使用任何裝置或系統(tǒng)以及執(zhí)行任何包括在內(nèi)的方法。本發(fā)明的專利范圍由權(quán)利要求限定，并且可包括本領(lǐng)域技術(shù)人員想到的其它示例。如果這種其它示例具有與權(quán)利要求的字面語言沒有不同的結(jié)構(gòu)元件，或者如果它們包括具有與權(quán)利要求的字面語言無實質(zhì)差別的等同結(jié)構(gòu)元件，則這種其它示例意圖在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種系統(tǒng)，其包括燃氣渦輪發(fā)動機(118)，其包括燃燒部段(162)；聯(lián)接到所述燃燒部段(162)的渦輪部段(130)，其中所述渦輪部段(130)包括具有聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的多個渦輪葉片(180)的渦輪級(178)、圍繞所述多個渦輪葉片(180)設(shè)置的固定護罩(196)和在所述固定護罩(196)與所述多個渦輪葉片(180)的每個葉片末端(204)之間的間隙(194，238，244);和聯(lián)接到所述渦輪部段(130)的擴散器部段(188)，其中所述擴散器部段(188)包括外壁(198)，其限定了在所述多個渦輪葉片(180)下游的膨脹流路徑，所述外壁(198)包括第一壁部分(214)，其具有相對于所述多個渦輪葉片(180)的旋轉(zhuǎn)軸線(210)的第一角度 (218)，并且所述間隙(194，238，244)構(gòu)造成使頂端泄漏流(212)能夠沿著所述外壁(198) 激發(fā)邊界層。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一角度(218)至少大于或等于大約 16度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一角度(218)在大約20與40度之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外壁(198)包括在所述第一壁部分(214)下游的第二壁部分(216)，所述第二壁部分(216)具有相對于所述多個渦輪葉片 (180)的旋轉(zhuǎn)軸線(210)的第二角度(220)，并且所述第二角度(220)至少大于或等于大約 6度。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一角度(218)在大約20與30度之間，而所述第二角度(220)在大約6與15度之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述間隙(194，238，244)構(gòu)造成使所述頂端泄漏流(212)能夠增加在所述擴散器部段(188)中的徑向流速以極大地減少或消除沿著所述外壁(198)的流分離(236，242)。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述間隙(194，238，244)在大約90與 150mils 之間。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述擴散器部段(188)具有長度(190)， 并且所述燃氣渦輪發(fā)動機(118)具有總長(192)，且所述間隙(194，238，244)構(gòu)造成使所述頂端泄漏流(212)能夠至少沿著所述第一壁部分(214)激發(fā)邊界層以允許所述長度(190) 相對于所述總長(192)的減少。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述長度(190)至少小于所述總長(192) 的大約15%。
10.一種系統(tǒng),其包括旋轉(zhuǎn)部段，其包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的多個葉片(180)、圍繞所述多個葉片(180)設(shè)置的固定護罩(196，326)和在所述固定護罩(196，326)與所述多個葉片(180)的每個葉片末端 (204)之間的間隙(194，238，244，300，324)，其中所述頂端間隙(194，238，244，300，324)構(gòu)造成使能夠發(fā)生頂端泄漏流(212);和擴散器部段(188，312)，其包括外壁(198，310)，所述外壁(198，310)限定在所述多個渦輪葉片(180)下游的膨脹流路徑，其中所述外壁(198，310)包括第一壁部分(214)，其具有相對于所述多個渦輪葉片(180)的旋轉(zhuǎn)軸線(210)的第一角度(218)，并且所述間隙 (194，238，244，300，324)構(gòu)造成通過利用所述頂端泄漏流(212)沿著所述外壁(198，310) 維持邊界層使能夠增大所述第一角度(218)。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)部段包括渦輪部段(130， 314)。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一角度(218)在大約16與40度之間。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述外壁(198，310)包括在所述第一壁部分(214)下游的第二壁部分(216)，所述第二壁部分(216)具有相對于所述多個渦輪葉片(180)的旋轉(zhuǎn)軸線(210)的第二角度(220)，并且所述第二角度(220)在大約6與15度之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述第一角度(218)在大約21與23度之間，而所述第二角度(220)在大約7與9度之間。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述間隙(194，238，244，300，324)構(gòu)造成使所述頂端泄漏流(212)能夠增加在所述擴散器部段(188，312)中的徑向流速以極大地減少或消除沿著所述外壁(198，310)的流分離(236，242)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種渦輪排氣擴散系統(tǒng)和方法。系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)部段。旋轉(zhuǎn)部段包括聯(lián)接到轉(zhuǎn)子的多個葉片、圍繞多個葉片設(shè)置的護罩和在護罩與多個葉片的每個徑向頂端之間的頂端間隙，其中頂端間隙構(gòu)造成使能夠發(fā)生頂端泄漏流。該系統(tǒng)還包括擴散器部段，其包括外壁，外壁限定了在多個葉片下游的膨脹流路徑。外壁包括第一壁部分，其具有相對于多個葉片的旋轉(zhuǎn)軸線的第一角度，并且頂端間隙構(gòu)造成通過利用頂端泄漏流沿著外壁維持邊界層使能夠增大第一角度。
文檔編號F01D25/30GK102536358SQ20111035602
公開日2012年7月4日 申請日期2011年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月27日
發(fā)明者D·D·南達, J·A·科特羅內(nèi)奧 申請人:通用電氣公司