用于燃氣渦輪發(fā)動機排氣系統(tǒng)的排氣擴散器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及燃氣渦輪發(fā)動機，更具體地涉及一種排氣系統(tǒng)，該排氣系統(tǒng)用于包括排氣擴散器的燃氣渦輪機。
【背景技術(shù)】
[0002]燃氣渦輪發(fā)動機產(chǎn)生高溫高速的排氣。通過增加流動面積來限定排氣擴散器，這導(dǎo)致排氣流的流速減小，反過來又導(dǎo)致沿其流動通道靜壓增大。由于在擴散器中的壓力恢復(fù)，渦輪機的進出口壓力比增加，這導(dǎo)致輸出功率和熱效率增加。此外，排氣系統(tǒng)用于重定向廢氣遠離下游設(shè)備或朝向特定站點接口。
[0003]于1993年11月5日授予Gray等人的美國專利第5，257，906號示出了一種用于蒸汽渦輪機的排氣系統(tǒng)。具體地，Gray等人的發(fā)明涉及一種排氣系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有擴散器，該擴散器將工作流體流從渦輪機出口引導(dǎo)至排氣殼體，所述排氣殼體具有底部開口，從而使氣流從軸向到徑向轉(zhuǎn)變90度。在排氣殼體中，在擴散器頂部離開的氣流從垂直向上方向到向下方向轉(zhuǎn)變180度。由于此次轉(zhuǎn)變，通過定向擴散器的外排氣流動引導(dǎo)件部分的出口，使形成于排氣殼體內(nèi)的渦流的強度減到最小，從而使其處于一個平面內(nèi)，該平面與垂直于渦輪機軸線的平面構(gòu)成角度。因此，外流動引導(dǎo)件的最小軸向長度出現(xiàn)在遠離排氣殼體出口的位置，并且最大軸向長度出現(xiàn)在開口附近的位置，從而將渦流積聚在與排氣殼體內(nèi)的徑向延伸擋板相對處。
[0004]本發(fā)明旨在克服已知問題和/或發(fā)明者發(fā)現(xiàn)的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]—種用于燃氣渦輪發(fā)動機的排氣擴散器包括擴散器入口、擴散器出口、內(nèi)擴散器壁、以及外擴散器壁。內(nèi)擴散器壁可包括具有擴口下游部分的第一管狀構(gòu)件。外擴散器壁可包括第二管狀構(gòu)件，所述第二管狀構(gòu)件至少部分地圍繞內(nèi)擴散器壁且具有第二擴口下游部分。外擴散器壁和內(nèi)擴散器壁在擴散器入口和擴散器出口之間延伸，并且在兩者之間形成了擴散流動通道。第二擴口下游部分可包括下段和上段，相對于擴散器軸線，上段在軸向方向上比下段進一步向下游延伸。
【附圖說明】
[0006]圖1是示例性燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖。
[0007]圖2是圖1的燃氣渦輪發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的等距視圖。
[0008]圖3是圖2的排氣系統(tǒng)的側(cè)剖視圖。
【具體實施方式】
[0009]本發(fā)明公開的系統(tǒng)和方法包括用于燃氣渦輪機的排氣系統(tǒng)，所述燃氣渦輪機包括軸向-徑向排氣擴散器和位于擴散器下游的徑向排氣收集器。實施例包括軸向-徑向排氣擴散器，其中，所述擴散器出口被縮減。
[0010]圖1是示例性工業(yè)燃氣渦輪發(fā)動機的示意圖。為了清楚和便于解釋，一些表面已經(jīng)被省略或擴大(在此圖或其他附圖中)。本發(fā)明通常還將引用燃氣渦輪發(fā)動機的旋轉(zhuǎn)的中心軸線95，該中心軸線95通常可由它的軸120 (由多個軸承組件150支撐)的縱軸來限定。其他各種發(fā)動機同心部件可共有或共享中心軸線95。對徑向、軸向和圓周方向的所有引用和測量均指中心軸線95，除非另有說明，術(shù)語諸如“內(nèi)”和“外”通常表示所距的更小或更大的徑向距離，其中，徑向96可以是任意垂直于中心軸線95并從中心軸線95向外輻射的方向。
[0011]此外，本發(fā)明會引用“前”和“后”方向。通常，除非另有說明，對“前”和“后”的所有引用都與初級空氣(即，燃燒過程中使用的空氣)的流動方向相關(guān)。例如，前是相對于初級空氣流的“上游”(即，朝向空氣進入此系統(tǒng)的位置)，后是相對于初級空氣流的“下游”(即，朝向空氣離開此系統(tǒng)的位置)。
[0012]通常，燃氣渦輪發(fā)動機100包括入口 110、壓縮機200、燃燒室300、渦輪400、排氣系統(tǒng)500和功率輸出連接器600。壓縮機200包括一個或多個壓縮機轉(zhuǎn)子組件220。燃燒室300包括一個或多個噴射器350，并且包括一個或多個燃燒腔室390。渦輪400包括一個或多個渦輪轉(zhuǎn)子組件420。排氣系統(tǒng)500包括排氣擴散器520和排氣收集器550。
[0013]在操作中，空氣10作為“工作流體”進入入口 110，且被壓縮機200壓縮。在壓縮機200內(nèi)，工作流體在環(huán)形流體通道被一系列壓縮機轉(zhuǎn)子組件220壓縮。一旦被壓縮，壓縮空氣離開壓縮機200并進入燃燒室300，在燃燒室300被擴散，并且添加燃料。燃料和壓縮空氣經(jīng)由噴射器350被噴射到燃燒腔室390內(nèi)并且被點燃。在燃燒反應(yīng)之后，一系列渦輪轉(zhuǎn)子組件420經(jīng)由渦輪400從燃燒的燃料/空氣混合物中提取能量。排氣90隨后在排氣擴散器520中被擴散。排氣收集器550對來自此系統(tǒng)的排氣90進行收集、使其改變方向并且釋放。排氣90還可以被進一步加工(例如，減少有害排放，和/或從排氣90回收熱量)。
[0014]—個或多個上述部件(或它們的子部件)可由不銹鋼和/或被稱為“超合金”的耐用的、高溫材料制成。超合金或高性能合金是在高溫下表現(xiàn)出良好的機械強度和抗蠕變性、良好的表面穩(wěn)定性、耐腐蝕性和抗氧化性的合金。超合金可包括以下材料，諸如哈氏合金(HASTELL0Y)、鉻鎳鐵合金(INC0NEL)、沃斯帕洛伊合金(WASPAL0Y)、RENE合金、HAYNES合金、耐熱鉻鎳鐵合金(INC0L0Y)、MP98T、TMS合金、CMSX單晶合金、合金X、合金188/230等。
[0015]圖2是圖1的燃氣渦輪發(fā)動機的排氣系統(tǒng)的等距視圖。具體地，該視圖通常是朝前和上游所見，但是獨立于燃氣渦輪發(fā)動機100的其余部分。為了清楚和說明的目的，某些特征/部件已經(jīng)被增加、移除和/或修改。例如，在該視圖中，僅部分示出了排氣收集器550的后壁554。
[0016]圖3是圖2的排氣系統(tǒng)的側(cè)剖視圖。具體地，此側(cè)視圖與流動對稱平面一致。所述對稱平面由中心軸線95和排出方向559形成。為了清楚和說明的目的，某些特征/部件已經(jīng)被增加、移除和/或示意性示出。例如，在此視圖中示意性示出了在內(nèi)擴散器壁523內(nèi)部的部件(例如，軸120和軸承150)，其中附加部件被移除。
[0017]如圖2和圖3中所示，排氣擴散器520是軸向徑向擴散器，其配置為氣動地與渦輪400 (圖1)和排氣收集器550聯(lián)接，并且在渦輪400 (圖1)和排氣收集器550之間形成流動通道。通常，排氣擴散器520可以被構(gòu)想為具有擴散器軸線535的兩個同心結(jié)構(gòu)(例如，管)，其通過圍繞擴散器軸線535圓周分布的多個支柱525彼此連接。當排氣擴散器520安裝在燃氣渦輪發(fā)動機100上時，擴散器軸線535可以與中心軸線95 —致。因此，安裝時，流動通道可以是介于渦輪400和排氣收集器550之間的環(huán)形排氣流動通道，僅被支柱525本身隔斷。為了方便，中心軸線95在下文中將意指包括擴散器軸線535。
[0018]排氣擴散器520包括擴散器入口 521、擴散器出口 522、內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524。排氣擴散器520配置為在大體軸向方向上經(jīng)由擴散器入口 521接收來自渦輪400的的排氣90。排氣擴散器520進一步配置為在大體徑向方向上經(jīng)由擴散器出口 522將排氣90排出到排氣收集器550。
[0019]內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524為圍繞中心軸線95的大體管狀構(gòu)件。內(nèi)擴散器壁523包括第一擴口下游部分541，所述第一擴口下游部分541靠近徑向向外延伸的擴散器出口 522。類似地，外擴散器壁524包括第二擴口下游部分543，其靠近徑向向外延伸的擴散器出口 522。
[0020]在上游端，內(nèi)擴散器壁523沿徑向置于外擴散器壁524內(nèi)部。在下游端，內(nèi)擴散器壁523沿軸向延伸超過外擴散器壁524。內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524可以通過在其間延伸的多個支柱525連接在一起。根據(jù)一個實施例，內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524可以至少部分地同心。
[0021]內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524共同形成擴散器入口 521和擴散器出口 522。具體地，擴散器入口 521可以是由內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524的同心上游端形成的環(huán)形開口。類似地，擴散器出口 522可以是由第一擴口下游部分541和第二擴口下游部分543的軸向位移形成的周向帶開口。根據(jù)一個實施例，擴散器入口 521和擴散器出口 522可以被在內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524之間延伸的構(gòu)件隔斷或橫貫(例如，支柱，葉片等)O
[0022]內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524還共同在渦輪400和排氣收集器550之間形成流動通道。具體地，內(nèi)擴散器壁523的外表面和外擴散器壁524的內(nèi)表面在渦輪400和排氣收集器550之間形成環(huán)形流動通道。當流動通道向下游前進時，它從主要為環(huán)形形狀轉(zhuǎn)換到主要為徑向向外的周向帶形狀。根據(jù)一個實施例，流動通道可以被在內(nèi)擴散器壁523和外擴散器壁524之間延伸的構(gòu)件隔斷或橫貫(例如，支柱，葉片等)。
[0023]此外，內(nèi)擴散器壁523的內(nèi)表面和外擴散器壁524的外表面的形狀可不同于它們的相對側(cè)面(如上所述)。例如，內(nèi)擴散器壁523的內(nèi)表面和外擴散器壁524的外表面都可以具有大體圓柱形的形狀或階梯式圓柱形形狀(每階都有不同的直徑)。另一方面，內(nèi)擴散器壁523的內(nèi)表面和外擴散器壁524的外表面的某些部分可以是圓柱形或階梯式，其他部分形狀可類似于它們各