减少流动剥离现象的排气扩压器支柱的制作方法

1.本发明涉及一种排气扩压器支柱，尤其涉及一种可以通过减少在排气扩压器支柱的后缘发生的流动剥离现象而减少排气扩压器内部的压力损失的排气扩压器支柱。


背景技术：

2.燃气涡轮机通常具备压缩机(compressor)、燃烧器(combustor)以及涡轮机(turbine)。压缩机用于将通过多个压缩机叶片生成的压缩空气供应到燃烧器，上述压缩空气是高温以及高压的空气。燃烧器用于对由从压缩机导入的压缩空气与燃料混合而成的混合气体进行燃烧。在燃烧器中生成的燃烧气体将被排出到涡轮机中，而涡轮机的涡轮叶片通过燃烧气体发生旋转并借此生成动力。所生成的动力可以在电力发电或机械驱动等多种领域使用。例如，燃气涡轮机可以用于对发电机、飞机以及火车等进行驱动。
3.燃气涡轮机的重要因素之一在于将燃烧气体排出到外部的方法，因此需要通过将排气扩压器安装到涡轮机上而对燃烧气体进行排气。但是，为了形成排气扩压器的环形排气空间，需要具备构成同心的内侧圆筒形毂以及外侧圆锥形外壳，而且还需要具备用于对毂与外壳进行相互连接来支撑的支柱。
4.其中，为了将对燃烧气体的流动造成的阻碍降至最低，支柱采用翼片截面形状，而燃烧气体下游的后缘会因为燃烧气体流动离开而在其下游形成边界层，因此诱发流动剥离现象，从而导致排气扩压器内部的压力损失。排气扩压器内部的压力损失会导致排气效率的下降，而且还会对在燃气涡轮机中连接热回收装置(hrsg，heat recovery system generator)以及蒸汽涡轮机而构成的复合发电系统的效率造成不良影响。
5.现有技术文献
6.专利文献
7.(专利文献1)日本专利公报第6409072号(2018.09.28注册)


技术实现要素：

8.本发明的目的在于，提供一种可以缓解因为在排气扩压器支柱的后缘发生的流动剥离现象而导致的排气扩压器内部的压力损失问题的新型排气扩压器支柱。
9.本发明涉及具备于排气扩压器并采用翼片截面形状的支柱，其特征在于：在上述支柱的后缘沿着跨度方向在至少一部分具备形成段差的切开部。
10.其中，优选为，上述切开部从上述支柱的半径方向外侧端部开始，尤其是上述切开部具有跨度长度的至少15％以上的长度。
11.在本发明的一实施形态中，上述切开部可以遍及上述支柱的后缘整体而形成。
12.此外，在本发明的一实施形态中，可以沿着上述切开部与翼片的翼形表面的两侧边界线分别具备肋片。
13.其中，上述肋片可以沿着翼片表面的翼形曲面延长，且上述一对肋片的端部相互分离。
14.此外，上述切开部以及肋片可以遍及上述支柱的后缘整体而形成，而且在上述切开部的表面可以具备栅格形的补强肋片。
15.此时，上述补强肋片中的横向肋片的端部可以与上述肋片接触或接合。
16.此外，优选为，上述切开部的深度相对于弦长处于10～30％范围之内。
17.此外，本发明涉及一种排气扩压器，具备构成同心的内侧圆筒形毂与外侧圆锥形外壳、以及对上述毂与外壳进行相互连接来支撑的支柱，其特征在于：在上述支柱的后缘沿着跨度方向在至少一部分具备形成段差的切开部。
18.采用如上所述构成的本发明的排气扩压器支柱，通过在后缘的至少一部分具备形成段差的切开部，可以对燃烧气体的流动带来急剧的变动，在急剧的流动变动下被搅乱的燃烧气体其边界层的形成发生延迟。伴随着燃烧气体的边界层的形成以及发展的延迟，在后缘区域的流动剥离现象的发生也发生延迟并快速消灭，最终，本发明的排气扩压器支柱可以通过对流动剥离的发生进行抑制而减少排气扩压器内部的压力损失并提升排气效率。
附图说明
19.图1是对使用本发明所涉及的排气扩压器的燃气涡轮机的一示例进行图示的示意图。
20.图2是对排气扩压器的结构进行概要性图示的示意图。
21.图3是对现有的一般的支柱结构进行图示的示意图。
22.图4是对本发明所涉及的支柱的一实施形态进行图示的示意图。
23.图5是对本发明所涉及的支柱的另一实施形态进行图示的示意图。
24.图6是对本发明所涉及的支柱的又一实施形态进行图示的示意图。
25.图7是对流经图3中的支柱的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。
26.图8是对流经图4中的支柱的燃烧气体流动的电算分析结果进行图示的示意图。
27.【符号说明】
28.106：排气扩压器
29.210：毂
30.220：外壳
31.300：支柱
32.310：后缘
33.320：切开部
34.330：肋片
35.340：补强肋片
36.342：横向肋片
37.l：切开部的长度
38.d：切开部的深度
具体实施方式
39.在本说明书中利用术语“上(on)”或“上方(over)”对层、区域、图案或结构进行说明时，既可以理解为相应的层、区域、图案或结构直接位于其他层、区域、图案或结构的上
方，也可以理解为在两者之间介有其他层、区域、图案或结构。而在本说明书中利用术语“下(under)”或“下方(below)”对层、区域、图案或结构进行说明时，既可以理解为相应的层、区域、图案或结构直接位于其他层、区域、图案或结构的下方，也可以理解为在两者之间介有其他层、区域、图案或结构。“包含(includes)”以及“包含有(including)”的含义分别与“具备(comprises)”以及“具备有(comprising)”相同。
40.此外，除非在本说明书中另有明确的相关记载，否则(如第1以及第2部分等)“第1(first)”、“第2(second)”等术语只是用于对一个以上的可能存在的特定特征进行识别。如“第1”等术语并不意味着必须有两个以上存在。除非另有明确的相关记载，否则上述术语并不是为了对特定特征的时间顺序、结构性方向或(如左侧或右侧等)左右方向进行限制。此外，如“第1”以及“第2”等术语可以选择性或互换性地在不同的部件上使用。
41.不仅如此，“示例性(exemplary)”并不代表最佳(best)，而只是代表示例(example)。需要理解的是，相互之间以特定的大小和/或方向描述以及图示的本说明书中的特征、层和/或部件，只是为了帮助更加简单且轻易地理解本发明，实际的大小和/或方向可能与示例性内容截然不同。即，各个部件的大小可能会为了图示的明确性而被夸张，而且各个部件的大小可能会与各个部件的实际大小不同。在附图中并没有对需要包含的所有部件进行了图示，但是在本说明书中做出了限定，可能会对本说明书中的必要特征之外的其他部件进行追加或删除。
42.需要理解的是，在与本发明之实施例的附图相关的说明中，(在部分情况下)可能会为了明确性而对众所周知的其他部件进行省略，从而仅对可以帮助理解本发明的适当部件进行简化说明。掌握本行业之一般技术的人员应该可以对用于实现本发明的较佳和/或必要的部件进行识别。但是，相应的部件在本行业众所周知且不能帮助更好地理解本发明，因此在本说明书中将不会对相应的部件进行详细的说明。
43.在附图中，相同的参考编号将用于指示整体上相同或类似的构成要素。图1是本发明之一实施例所涉及的燃气涡轮机的截面图。如图1所示，本发明之一实施例所涉及的燃气涡轮机100包括压缩机110、燃烧器104、涡轮机120、外壳102以及排气扩压器106。
44.外壳102用于对压缩机110进行覆盖，而压缩机110用于将压缩空气提供到燃烧器104中。燃烧器104用于利用上述的压缩空气生成高温气体并将高温气体提供到涡轮机120中。涡轮机120用于利用从燃烧器104提供的高温气体生成旋转扭矩。排气扩压器106位于涡轮机120的后方，用于对高温气体进行扩散(broaden)降低其速度。为了将通过涡轮机120生成的旋转扭矩传递到压缩机110中，燃气涡轮机100在压缩机110与涡轮机120之间还具备有扭矩管(torquetube)130。
45.压缩机110包括多个压缩机叶片144，上述多个压缩机叶片在多个压缩机转子轮盘140上沿着半径方向进行配置。多个压缩机叶片144分别包括以通过鸠尾(dovetail)形态或枞树(fir tree)形态结合到压缩机转子轮盘140的方式构成的压缩机叶根146。压缩机110使多个压缩机叶片144旋转，并借此使得空气随着多个压缩机叶片144的旋转被压缩并移动。在一实施例中，压缩机110通过直接或间接连接到涡轮机120而接收在涡轮机120中生成的动力中的一部分，而所传递过来的动力用于使多个压缩机叶片144旋转。
46.在压缩机110中得到压缩的空气移动到燃烧器104中。燃烧器104包括以圆形图案排列的多个外壳以及多个燃烧炉。燃烧器104具备由衬筒(liner)形成的燃烧室，通过燃料
喷嘴提供的燃料被提供到燃烧器104的燃烧室。在压缩空气与燃料混合之后，在燃烧室中进行燃烧。接下来，经过燃烧的高温气体向涡轮机120排出，而使附着在涡轮机转子轮盘180上的涡轮机叶片184旋转。
47.在燃气涡轮机100中还具备有以贯通涡轮机转子轮盘180以及压缩机转子轮盘140的方式配置的系紧螺栓(tie bolt)150。系紧螺栓150的第1远端(distal end)被附着在多个压缩机转子轮盘14中的第1压缩机转子轮盘中，而系紧螺栓150的第2远端被固定螺母(fixing nut)190固定。通过利用系紧螺栓150对相邻的压缩机转子轮盘的相向面进行挤压，使得相邻的压缩机转子轮盘不单独进行旋转。燃气涡轮机100可以具备附着在外壳102上的导叶(vane)，而导叶位于多个压缩机转子轮盘140之间。
48.涡轮机120具备多个涡轮机转子轮盘180以及结合到涡轮机转子轮盘180的多个涡轮机叶片184。与多个压缩机叶片144类似，多个涡轮机叶片184同样在涡轮机转子轮盘180上沿着半径方向进行配置。此外，多个涡轮机叶片184通过鸠尾接头或枞树接头组装到涡轮机转子轮盘180中。
49.经过燃烧的高温气体通过涡轮机120并从涡轮机120排出。排出气体在通过位于涡轮机120后方的排气扩压器106之后被最终排出。即，排气扩压器106在从涡轮机120接收到排出气体之后将排出气体排出到燃气涡轮机100的外部。
50.图2是对位于涡轮机120后方的排气扩压器106部分稍微更详细地示出的示意图。在排气扩压器106中，内侧圆筒形毂210以及外侧圆锥形外壳220同心构成并在两者之间形成用于对燃烧气体进行排出的环形空间。圆锥形外壳因为大小相当大并向涡轮机120的后方较长延长且厚度相对薄，因此会因燃烧气体的流动而发生震动，从而导致结构耐久性不够强。为此，外壳220采用通过支柱300与中央的毂210连接支撑的结构。
51.支柱300因为横穿燃烧气体的流动路径，因此为了将对燃烧气体的流动造成的阻碍降至最低而采用翼片截面形状。图3对现有的一般支柱300的形状，尤其是对其外形进行了图示。因为支柱300采用翼片截面形状，因此厚度最薄的后缘310位于燃烧气体的下游一侧。流经支柱300的两侧表面的燃烧气体在脱离后缘310时发生汇流，因此在翼片的厚度变薄的后缘310附近，逐渐形成边界层并开始发生流动剥离现象。
52.流动剥离现象会诱发排气扩压器106内部的压力损失，而排气扩压器106内部的压力损失会导致排气效率的下降。此外，不是仅仅导致燃气涡轮机100的排气效率方面的问题，而是在燃气涡轮机连接热回收装置以及蒸汽涡轮机而构成复合发电系统时对整个发电系统的效率也造成不良影响。
53.图4中图示了用于对在支柱300的后缘310区域发生的流动剥离进行有效抑制的本发明的一实施形态。如图4中的支柱300所示，在支柱300的后缘310具备有沿着跨度方向在至少一部分形成段差的切开部320。
54.具备于后缘310的切开部320会使得燃烧气体的流动发生急剧的变动。沿着支柱300的翼片表面流动的燃烧气体在遇到切开部320时急剧地卷入到切开部320内侧而形成巨大的涡流。因为涡流而被搅乱的燃烧气体的边界层的形成被延迟，而伴随着边界层的形成以及发展的延迟，在后缘310区域的流动剥离现象的发生也被延迟并快速消灭。借此，在后缘310形成的切开部320减少排气扩压器106内部的压力损失。
55.切开部320在后缘310沿着跨度方向至少具备于其一部分。即，切开部320可以如图
4所示仅在一部分形成，也可以如图6所示遍及整个后缘310而形成。当在后缘310的一部分形成切开部320时，其位置以及最小限度的长度l有效的是根据燃烧气体的流动进行适当的设计。对流过支柱300的燃烧气体的流动进行观察可以发现，随着从毂210朝向外壳220侧在沿着跨度方向的大约80％以上的跨度范围流动角逐渐变大，因此燃烧气体无法追随支柱300的表面，形成流动剥离现象。因此，可以认为优选的是，切开部320从与外壳220相邻的支柱300的半径方向外侧端部开始，尤其是切开部320的长度l具有跨度长度的至少15％以上的长度。
56.图5以及图6分别对本发明所涉及的支柱300的又一实施形态进行了图示。如图5中的支柱300所示，沿着切开部320与翼片的翼形表面的两侧边界线分别具备有肋片330。肋片330对于向切开部320流动的燃烧气体形成断坎，而跨过肋片330的燃烧气体急剧地向切开部320发生转向。借此，位于切开部320的边缘的肋片330可以有效地起到延迟边界层的形成的作用。
57.此外，参阅图5，考虑到沿着翼片表面流动的燃烧气体的流动，肋片330可以向沿着翼片表面的翼形曲面延长的方向凸出形成。此外，即使是在形成有肋片330的情况下，切开部320的表面仍然需要暴露在燃烧气体的流动之下，因此一对肋片330的端部相互分离。
58.此外，图6相当于遍及整个后缘310形成切开部320以及肋片330的实施形态。此时，在如图6所示的实施形态中，因为沿着跨度方向对整个后缘310进行了切开，因此支柱300的结构强度可能会变弱。而为了对其进行补强，可能需要在切开部320的表面具备栅格形的补强肋片340，而图6对具备补强肋片340的示例进行了图示。
59.此外，在切开部320的边缘形成肋片330的情况下，通过使补强肋片340的横向肋片342的端部与肋片330接触或对两者进行接合，可以进一步提升补强肋片340的结构强化效果。
60.此外，与切开部320的长度l类似，还需要考虑切开部320的深度d，即向支柱300的内侧以多大的深度形成切开部320。因为切开部320的作用在于对流动剥离现象进行抑制，因此需要在考虑到流动剥离现象的情况下决定适当的切开部320的深度d。而因为切开部320的段差的作用在于对燃烧气体的流动造成大的变动，因此过深的切开部320可能反而对支柱300的整体空气动力学性能造成不良效果。因此，在本发明中考虑到流动剥离通常是在以后缘310为基准的相对于弦长的10～30％范围内开始产生，因此作为一个基准给出将切开部320的深度d限制在相对于弦长的10～30％范围。
61.【表1】
[0062][0063][0064]
上述表1是对上述说明的如图3所示的现有的支柱300以及如图4至图6所示的本发明的各实施形态的支柱300的流动性能进行相互比较的结果。cp是与压力恢复相关的无量纲系数(动压与静压比)，压力恢复越快即cp值越大，在排气效率方面更加有利。压力损失是
指在经过支柱300的过程中发生的燃烧气体的压力下降，可以认为其值越低，排气效率就更加优秀。通过图7可以确认，本发明的三种实施形态在压力恢复方面与现有的支柱300相比均更加优秀，而关于压力损失，除了在如图5所示的部分性切开部320与肋片330组合的实施形态上略有增加之外也均得到了改善。换言之，在对本发明的具备切开部320的支柱300进行定量评估可以发现，与如图3所示的现有的支柱300相比具有抑制流动剥离发生的显著效果，尤其是在如图4以及图6所示的实施形态中，在压力恢复以及压力损失的两个方面均得到了有意义的改善。
[0065]
图7中图示了流过如图3所示的现有的支柱300的燃烧气体流动的电算分析结果，而图8中图示了流过如图4所示的具备有部分性切开部320的本发明的支柱300的燃烧气体流动的电算分析结果。对图7以及图8进行比较可以确认，本发明的支柱300在切开部320的内侧区域形成了再循环流，并借此显著地改善了流动剥离的长度。可以确认上述电算分析结果与表1中所记载的本发明的具备部分性切开部320的支柱300在压力恢复以及压力损失这两个方面与现有的支柱相比均得到改善的定量评估结果一致。
[0066]
如上所述，本发明的支柱300可以有效地对在后缘310区域发生的流动剥离进行抑制，而且以此为基础，提供一种具备有构成同心的内侧圆筒形毂210以及外侧圆锥形外壳220、以及对上述毂210以及外壳220进行相互连接来支撑的支柱300的排气扩压器106，其中，在上述支柱300的后缘310沿着跨度方向在至少其一部分具备形成段差的切开部320。
[0067]
在本说明书中记载的示例以及实施例仅为示例性目的，掌握本发明之一般技术的人员可以以此为基础提出多种变形以及变更，而这些变形以及变更也应该理解为包含在本发明的概念以及范围之内。因此，本发明并不限定于在本说明书中记载的示例，而是应该赋予符合在本说明书中公开的原理以及新特征最宽泛的范围。