CN106050335A - 燃气涡轮扩散器和组装其的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及燃气涡轮扩散器和组装其的方法。具体而言,提供用于与燃气涡轮动力系统一起使用的燃气涡轮扩散器(108)。该扩散器包括环形内壁(202)、环形外壁(204)、和多个周向地间隔的支柱(208),该环形外壁(204)包围该内壁,使得气体路径(206)限定在该内壁和外壁之间,该支柱(208)跨过该气体路径从该内壁延伸至该外壁,其中,该支柱中的至少一个包括襟翼(320、420、520、620)。
Description
技术领域
本公开的领域大体上涉及燃气涡轮,且更具体而言,涉及燃气涡轮扩散器。
背景技术
至少一些已知的燃气涡轮包括压缩机、燃烧器、和涡轮。周围空气流到压缩机中且被压缩。然后将压缩空气排放到燃烧器中,在燃烧器中,压缩空气与燃料混合且被点燃以生成燃烧气体。将燃烧气体从燃烧器引导穿过涡轮,从而驱动涡轮,涡轮又可对联接至涡轮的发电机供能。
扩散器通常联接在涡轮的下游,以促进恢复静态压力且提高燃气涡轮的操作效率。然而,至少一些已知的扩散器包括支撑支柱,该支撑支柱延伸跨过扩散器的流动路径。这种支撑支柱至少部分地阻碍且可中断穿过扩散器的气体流。例如,当燃气涡轮在部分负载条件中操作时,从涡轮排放的燃烧气体可在比当燃气涡轮在基础负载条件下操作期间操作时发生的大的入射角度下流过支撑支柱(即,燃烧气体可在更大的涡旋作用下从涡轮排放)。增大的涡旋可导致燃烧气体流过支柱以分离,从而降低扩散器的静态压力恢复能力。因此,提供扩散器将是有用的,该扩散器有助于当燃气涡轮在部分负载条件中操作时导致越过支柱的更少的流分离。
发明内容
在一个方面中,提供用于与燃气涡轮动力系统一起使用的燃气涡轮扩散器。该扩散器包括环形内壁和环形外壁,该环形外壁包围该内壁,使得气体路径限定在该内壁和外壁之间。该扩散器还包括多个周向地间隔的支柱,该支柱跨过该气体路劲从该内壁延伸至该外壁。该支柱中的至少一个具有襟翼(flap)。
在另一方面中,提供燃气涡轮。该燃气涡轮包括燃烧器、涡轮、和扩散器,该涡轮与该燃烧器流动连通地布置,该扩散器与该涡轮流动连通地布置。该扩散器包括环形内壁和环形外壁,该环形外壁包围该内壁,使得气体路径限定在该内壁和外壁之间。该扩散器还包括多个周向地间隔的支柱,该支柱跨过该气体路劲从该内壁延伸至该外壁。该支柱中的至少一个具有襟翼。
在另一方面中,提供组装燃气涡轮扩散器的方法。该方法包括提供环形内壁和环形外壁,该环形外壁包围该内壁,使得气体路径限定在该内壁和外壁之间。该方法还包括将多个周向地间隔的支柱联接在该内壁和外壁之间,使得该支柱跨过该气体路径从该内壁延伸至该外壁。该方法还包括将襟翼联接至该支柱中的至少一个。
技术方案1:一种用于与燃气涡轮动力系统一起使用的燃气涡轮扩散器108,所述扩散器包括:
环形内壁202;
环形外壁204,其包围所述内壁,使得气体路径206限定在所述内壁和外壁之间;和
多个周向地间隔的支柱208,其跨过所述气体路径从所述内壁延伸至所述外壁,其中,所述支柱中的至少一个包括襟翼320、420、520、620。
技术方案2:根据技术方案1所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述至少一个支柱208包括基本上翼型件形状的外壳308,所述外壳308限定前缘310、后缘312、吸力侧314、和压力侧316、所述襟翼320、420、520、620在所述后缘附近沿所述支柱的所述压力侧联接。
技术方案3:根据技术方案2所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述支柱208具有弦318,所述弦318从所述前缘310延伸至所述后缘312,所述襟翼320、420、520、620配置为距所述后缘在所述弦的大约1.5%和大约3.5%之间处。
技术方案4:根据技术方案2所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述支柱208具有弦318,所述弦318从所述前缘310延伸至所述后缘312,所述襟翼320、420、520、620包括第一板322,所述第一板322基本上垂直于所述弦地定向。
技术方案5:根据技术方案4所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述襟翼320、420、520、620包括第二板324,所述第二板324联接至所述第一板322,使得所述襟翼形成由所述第一板、所述第二板、和所述外壳308限定的大体上三角形的形状。
技术方案6:根据技术方案1所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述至少一个支柱208包括根部302、末梢304、和跨度306,所述跨度306从所述根部延伸至所述末梢,所述襟翼320、420、520仅沿所述跨度的一部分延伸。
技术方案7:根据技术方案6所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述襟翼320、420、520沿所述跨度306的大约一半延伸。
技术方案8:根据技术方案1所述的燃气涡轮扩散器108,其中,所述至少一个支柱208包括根部302、末梢304、和跨度306,所述跨度306从所述根部延伸至所述末梢,所述襟翼620沿所述跨度从所述根部延伸至所述末梢。
技术方案9:一种燃气涡轮100,其包括:
燃烧器104;
涡轮106,其与所述燃烧器流动连通地布置;和
扩散器108,其与所述涡轮流动连通地布置,所述扩散器包括:
环形内壁202;
环形外壁204,其包围所述内壁,使得气体路径206限定在所述内壁和外壁之间;和
多个周向地间隔的支柱208,其跨过所述气体路径从所述内壁延伸至所述外壁,其中,所述支柱中的至少一个包括襟翼320、420、520、620。
技术方案10:根据技术方案9所述的燃气涡轮100,其中,所述至少一个支柱208包括基本上翼型件形状的外壳308,所述外壳308限定前缘310、后缘312、吸力侧314、压力侧316、和弦318,所述弦318从所述前缘延伸至所述后缘,所述襟翼320、420、520、620距所述后缘在所述弦的大约1.5%和大约3.5%之间沿所述压力侧联接。
技术方案11:根据技术方案9所述的燃气涡轮100,其中,所述至少一个支柱208包括根部302、末梢304、和跨度306,所述跨度306从所述根部延伸至所述末梢,所述襟翼620沿所述跨度从所述根部延伸至所述末梢。
技术方案12:根据技术方案9所述的燃气涡轮100,其中,所述至少一个支柱208包括根部302、末梢304、和跨度306,所述跨度306从所述根部延伸至所述末梢,所述襟翼320、420、520沿所述跨度的大约一半延伸。
技术方案13:一种组装燃气涡轮扩散器108的方法,所述方法包括:
提供环形内壁202和环形外壁204,所述环形外壁204包围所述内壁,使得气体路径206限定在所述内壁和外壁之间;
将多个周向地间隔的支柱208联接在所述内壁和外壁之间,使得所述支柱跨过所述气体路径从所述内壁延伸至所述外壁;和
将襟翼320、420、520、620联接至所述支柱中的至少一个。
技术方案14:根据技术方案13所述的方法,还包括:
将具有基本上翼型件形状的外壳308的至少一个支柱208联接至所述内壁和外壁202、204,所述外壳308限定前缘310、后缘312、吸力侧314、和压力侧316;和
在所述后缘附近沿所述支柱的压力侧联接所述襟翼320、420、520、620。
技术方案15:根据技术方案14所述的方法,其中,所述支柱208具有弦318,所述弦318从所述前缘310延伸至所述后缘312,所述方法还包括:
将所述襟翼320、420、520、620联接至所述支柱,使得所述襟翼配置为距所述后缘在所述弦的大约1.5%和大约3.5%之间。
附图说明
图1是示范燃气涡轮的示意视图;
图2是沿图1的平面2-2取得的示范扩散器的截面图,该示范扩散器可与图1中示出的燃气涡轮一起使用;
图3是用于在图2中示出的扩散器中使用的示范支柱的侧视图;
图4是图3中示出的支柱的后视图;
图5是沿图4的平面5-5取得的图4中示出的支柱的截面图;
图6是用于在图2中示出的扩散器中使用的另一示范支柱的侧视图;
图7是用于在图2中示出的扩散器中使用的又一示范支柱的侧视图;
图8是用于在图2中示出的扩散器中使用的又一示范支柱的侧视图。
部件列表
100 燃气涡轮
102 压缩机
104 燃烧器
106 涡轮
108 扩散器
110 壳体
112 中心线轴线
114 转子叶片
116 定子静叶
118 转子叶片
120 定子静叶
200 扩散器
202 环形内壁
204 环形外壁
206 扩散器气体路径
208 支柱
300 支柱
302 根部
304 末梢
306 跨度
308 外壳
310 前缘
312 后缘
314 吸力侧
316 压力侧
318 弦
320 襟翼
322 第一板
324 第二板
326 长度
328 宽度
400 支柱
420 襟翼
500 支柱
520 襟翼
600 支柱
620 襟翼。
具体实施方式
下列详细描述作为示例且不作为限制来例示燃气涡轮扩散器和组装其的方法。该描述应当使本领域技术人员能够制造和使用扩散器,且该描述描述了扩散器的若干实施例,包括目前相信为制造和使用扩散器的最佳实施方式的实施例。扩散器在本文中描述为联接在燃气涡轮动力系统内。然而,预期该扩散器对除燃气涡轮系统之外的各种领域中的大范围的系统具有通用应用。
图1例示示范燃气涡轮100。在示范实施例中,燃气涡轮100具有压缩机102、燃烧器104、涡轮106、和扩散器108,它们在壳体110内与彼此流动连通地联接且沿中心线轴线112间隔。压缩机102包括多个转子叶片114和多个定子静叶116。类似地,涡轮106包括多个转子叶片118和多个定子静叶120。在操作中,空气流到压缩机102中且被压缩和引导到燃烧器104中。压缩空气与燃料混合且在燃烧器104中点燃以生成燃烧气体流,该燃烧气体流被引导到涡轮106中。该燃烧气体驱动涡轮106的转子叶片118,在示范实施例中,转子叶片118又驱动联接至涡轮106的转子叶片118的发电机(未示出)。该燃烧气体然后在排出到热回收蒸汽发生器(HRSG)(未示出)中或排出至周围之前从涡轮106排放到扩散器108中。如在本文中所使用的,用语“空气”指适合用于用作燃气涡轮中的工作流体的任何气体或气体的组合,且不限于通常称作“空气”的地球的大气气体的特定组合。
图2例示示范扩散器200的截面图,该示范扩散器200可在燃气涡轮100(在图1中示出)中使用。在示范实施例中,扩散器200具有环形内壁202和包围内壁202的环形外壁204,其中,外壁204与内壁202间隔一段距离,使得在其间限定气体路径206的一部分。在示范实施例中,扩散器200包括多个周向地间隔的支柱208,支柱208从内壁202大体上径向向外延伸至外壁204且跨过气体路径206。尽管在示范实施例中示出5个支柱208,但在其他实施例中,扩散器200可包括使扩散器200能够如本文所描述地起作用的任何数量的支柱208。
在燃气涡轮100的操作期间,将从涡轮106排放的燃烧气体引导穿过扩散器气体路径206,使得燃烧气体流动经过支柱208。然而,因为支柱208为静态(即,非移动)结构,故越过支柱208的气体流的平稳度至少部分地取决于从涡轮106排放的燃烧气体的涡旋角度。如在本文中所使用的,如果越过支柱208的气体流基本上不经历越过支柱208的流分离,则该气体流为“平稳的”。例如,如果涡轮100在基础负载(即,在额定负载的大约100%)下操作,则从涡轮106排放的燃烧气体的涡旋角度可比当燃气涡轮100在部分负载(即,在少于额定负载的100%)下操作时低。因此,与当燃气涡轮100在部分负载下操作时从涡轮106排放的燃烧气体相比,当燃气涡轮100在基础负载下操作时,燃烧气体趋向于沿更为轴向的方向从涡轮106排放。
在一个示例中,如果燃气涡轮100在额定负载的大约100%下操作,则燃烧气体可相对于支柱208以大约5°的入射角度从涡轮106排放。通过比较,例如,当燃气涡轮在额定负载的大约40%下操作时,燃烧气体可相对于支柱208以大约45°的入射角度从涡轮106排放。由于增大的涡旋作用,当燃气涡轮100在部分负载下操作时,燃烧气体趋向于更不平稳地流动经过支柱208。例如,越过支柱208的燃烧气体的流分离趋向于在部分负载条件下更频繁地发生,且因此趋向于通过导致在支柱208的下游形成旋涡或尾迹来中断穿过扩散器的燃烧气体流动。穿过扩散器200气体路径206的燃烧气体流中的这种中断可不利地限制扩散器200的静态压力恢复能力,这又可减损燃气涡轮100的总体操作效率。
图3和4分别例示示范支柱300的侧视图和后视图,该示范支柱300可用在扩散器200中,且图5为支柱300的截面图。支柱300成形为促进在穿过扩散器200的燃烧气体流中形成更少的中断,且因此促进增加扩散器200的静态压力恢复能力和燃气涡轮100的整体操作效率。在示范实施例中,支柱300从根部302沿跨度306延伸至末梢304且形成为具有基本翼型件形状的外壳(skin)308,外壳限定前缘310、后缘312、吸力侧314、和压力侧316。因此,支柱300具有弦318,该弦318从前缘310延伸至后缘312。在其他实施例中,支柱300可具有任何其他合适的形状,其使支柱300能够如本文中描述地起作用。此外,尽管在示范实施例中弦318沿跨度306从根部302至末梢304持续地延长,但在其他实施例中,弦318可以任何其他合适的方式改变长度。例如,在一些实施例中,弦318可从根部302至末梢304减小长度或保持在长度方面基本上恒定。
在该示范实施例中,支柱300还包括在前缘312附近的压力侧316上的襟翼320。在一个实施例中,襟翼320可以以如下方式与外壳308和/或在外壳308下面的合适的支撑结构分离地形成且联接至它们:使襟翼320能够从外壳308突出或突出穿过外壳308(例如,在一些实施例中襟翼320可焊接至外壳308和/或合适的支撑结构)。在另一实施例中,襟翼320可与外壳308和/或在外壳308下面的合适的支撑结构一体地形成。在该示范实施例中,襟翼320包括第一板322,该第一板322基本上垂直于弦318地定向。可选地,在一些实施例中,襟翼320还可包括第二板324,该第二板324联接至第一板322,使得第二板324面朝前缘310,以有助于在其相对于弦318的定向中支撑第一板322(例如,第二板324可联接至第一板322,使得第一板322、第二板324、和外壳208共同地限定大体三角形形状)。备选地,襟翼320可具有任何合适的结构构造,其使襟翼320能够如本文所描述地起作用。
在示范实施例中,根据襟翼320相对于弦318的位置,襟翼320与前缘312间隔弦318的大约1.5%至大约3.5%(例如,在一个实施例中,弦318的大约2%)。备选地,襟翼320可沿弦318位于任何合适的位置处。在一些实施例中,根据襟翼320沿跨度306的延伸范围,襟翼320沿少于整个跨度306(例如,沿弦306的大约一半)延伸。在该示范实施例中(图3和图4中示出),襟翼320沿跨度306的内节段(即,从根部302至在离根部302为跨度306的大约50%处的位置)延伸。在另一实施例中(图6中示出),支柱400可具有襟翼420,该襟翼420沿跨度的中部节段(即,从在跨度的大约25%处的位置至在跨度的大约75%处的位置)延伸。在又一实施例中(图7中示出),支柱500可具有襟翼520,襟翼520沿跨度的外节段(即,从在跨度的大约50%处的位置至支柱500的末梢)延伸。在再一实施例中(图8中示出),支柱600可具有襟翼620,襟翼620沿整个跨度(即,沿支柱600的跨度的100%,从根部至末梢)延伸。除了襟翼420、520和620的跨度方向延伸范围之外,支柱400、500和600(和襟翼420、520和620)以与在上面阐述的支柱300(和襟翼320)相同的方式构造。备选地,扩散器200可具有带有襟翼的支柱,该襟翼沿任何合适的跨度节段延伸,该跨度节段有助于使该支柱能够如本文中所述地起作用(例如,在备选实施例中,该襟翼可沿跨度的少于一半延伸)。
在示范实施例中,第一板322为静态(即,不可移动或不可缩回)结构,其具有长度326和宽度328,宽度328沿长度326基本上恒定(即,不改变)。换言之,在示范实施例中,第一板322具有基本上矩形的外形。在一个实施例中,宽度328在尺寸方面设置为使得第一板322从外壳308延伸大约0.5英寸。在另一实施例中,宽度328可沿长度326变化。例如,在一些实施例中,长度326可在尺寸方面设置为使襟翼320能够延伸几乎整个跨度306,同时宽度328沿跨度306的第一节段保持基本上恒定,且沿跨度306的第二节段朝末梢304成锥形。备选地,襟翼320能够选择性地调节(例如,可缩回),使得襟翼320从外壳308突出的距离(根据长度326和/或宽度328)可在燃气涡轮100的操作期间变化。
在燃气涡轮100在部分负载条件中的操作期间,在一些实例中,从涡轮106排放的燃烧气体的涡旋角度可直到40°。在这方面,例如,因为此种流分离和增大的涡旋可使扩散器静态压力恢复降低大约50点(50 points)(或近似5 MW),所以期望有助于使经过扩散器200的支柱300、400、500和600的任何相关流分离最小化。使用襟翼320、420、520和620有助于控制循环且减小扩散器200中的燃烧气体的涡旋,这又有助于减少扩散器200中的流分离。以本文中阐述的方式,襟翼320、420、520和620可放置(如果是不可缩回的)或启动(如果可缩回的)成使得当涡轮出口绝对涡旋角度在大约20°到大约60°之间时(例如,当燃气涡轮100在额定负载的大约40%和额定负载的大约70%之间操作时),襟翼320、420、520、和620改善扩散器静态压力恢复。在一些实例中,例如,襟翼320、420、520、和620在大约60%负载下可在扩散器恢复中产生大约7个点的净增益,其中,益处是在在大约60%负载下的大约+1.0 MW增益,其中在基础负载操作下基本上没有损耗。考虑每10点对应于扩散器静态压力恢复系数(Cp)中的0.1变化,这种益处是重要的。
本文中描述的方法和系统提供扩散器,该扩散器具有带有襟翼的至少一个支柱,该襟翼使从在部分负载操作条件中的涡轮排放的燃烧气体转向(或消除涡旋)。因此,本文中描述的方法和系统有助于减少越过扩散器的支柱的流分离,且这有助于减少从各支柱的根部至末梢的流迁移。因此,本文中描述的方法和系统有助于优化燃气涡轮扩散器的静态压力恢复能力,且因此提高燃气涡轮的操作效率。
在上面详细地描述了燃气涡轮扩散器的示范实施例和组装其的方法。本文中描述的该方法和系统不限于在本文中描述的具体实施例,相反,系统和方法的构件可与在本文中描述的其他构件独立地且分开地利用。例如,本文中描述的方法和系统可具有不限于具有在本文中所描述的燃气涡轮动力系统的实践的其他应用。相反,本文中描述的该方法和系统可与各种其他行业结合地实现和利用。
尽管已根据各种具体实施例描述了本发明,但本领域技术人员将认识到,本发明可在具有在本公开的精神和范畴内的修改的情况下实践。
Claims (10)
1.一种用于与燃气涡轮动力系统一起使用的燃气涡轮扩散器(108),所述扩散器包括:
环形内壁(202);
环形外壁(204),其包围所述内壁,使得气体路径(206)限定在所述内壁和外壁之间;和
多个周向地间隔的支柱(208),其跨过所述气体路径从所述内壁延伸至所述外壁,其中,所述支柱中的至少一个包括襟翼(320、420、520、620)。
2.根据权利要求1所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述至少一个支柱(208)包括基本上翼型件形状的外壳(308),所述外壳(308)限定前缘(310)、后缘(312)、吸力侧(314)、和压力侧(316)、所述襟翼(320、420、520、620)在所述后缘附近沿所述支柱的所述压力侧联接。
3.根据权利要求2所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述支柱(208)具有弦(318),所述弦(318)从所述前缘(310)延伸至所述后缘(312),所述襟翼(320、420、520、620)配置为距所述后缘在所述弦的大约1.5%和大约3.5%之间处。
4.根据权利要求2所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述支柱(208)具有弦(318),所述弦(318)从所述前缘(310)延伸至所述后缘(312),所述襟翼(320、420、520、620)包括第一板(322),所述第一板(322)基本上垂直于所述弦地定向。
5.根据权利要求4所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述襟翼(320、420、520、620)包括第二板(324),所述第二板(324)联接至所述第一板(322),使得所述襟翼形成由所述第一板、所述第二板、和所述外壳(308)限定的大体上三角形的形状。
6.根据权利要求1所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述至少一个支柱(208)包括根部(302)、末梢(304)、和跨度(306),所述跨度(306)从所述根部延伸至所述末梢,所述襟翼(320、420、520)仅沿所述跨度的一部分延伸。
7.根据权利要求6所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述襟翼(320、420、520)沿所述跨度(306)的大约一半延伸。
8.根据权利要求1所述的燃气涡轮扩散器(108),其中,所述至少一个支柱(208)包括根部(302)、末梢(304)、和跨度(306),所述跨度(306)从所述根部延伸至所述末梢,所述襟翼(620)沿所述跨度从所述根部延伸至所述末梢。
9.一种燃气涡轮(100),其包括:
燃烧器(104);
涡轮(106),其与所述燃烧器流动连通地布置;和
扩散器(108),其与所述涡轮流动连通地布置,所述扩散器包括:
环形内壁(202);
环形外壁(204),其包围所述内壁,使得气体路径(206)限定在所述内壁和外壁之间;和
多个周向地间隔的支柱(208),其跨过所述气体路径从所述内壁延伸至所述外壁,其中,所述支柱中的至少一个包括襟翼(320、420、520、620)。
10.根据权利要求9所述的燃气涡轮(100),其中,所述至少一个支柱(208)包括基本上翼型件形状的外壳(308),所述外壳(308)限定前缘(310)、后缘(312)、吸力侧(314)、压力侧(316)、和弦(318),所述弦(318)从所述前缘延伸至所述后缘,所述襟翼(320、420、520、620)距所述后缘在所述弦的大约1.5%和大约3.5%之间沿所述压力侧联接。
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