用于燃气涡轮发动机排气系统的排气扩散器 |
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| 申请号 | CN201480029347.7 | 申请日 | 2014-05-21 | 公开(公告)号 | CN105229278A | 公开(公告)日 | 2016-01-06 |
| 申请人 | 索拉透平公司; | 发明人 | U·E·斯唐; H·D·哈姆; | ||||
| 摘要 | 一种用于燃气 涡轮 发动机 的排气扩散器包括扩散器入口、扩散器出口、内扩散器壁和外扩散器壁。所述内扩散器壁可包括具有扩口下游部分的第一管状构件。所述外扩散器壁可包括第二管状构件，第二管状构件至少部分地围绕所述内扩散器壁且具有第二扩口下游部分。所述外扩散器壁和所述内扩散器壁在所述扩散器入口和所述扩散器出口之间延伸，并且在两者之间形成扩散流动通道。所述第二扩口下游部分可包括下段和上段，相对于扩散器轴线，所述上段比下段在轴向方向上进一步向下游延伸。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种用于燃气涡轮发动机(100)的排气扩散器(520)，所述排气扩散器(520)包括： |
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| 说明书全文 | 用于燃气涡轮发动机排气系统的排气扩散器技术领域背景技术[0002] 燃气涡轮发动机产生高温高速的排气。通过增加流动面积来限定排气扩散器，这导致排气流的流速减小，反过来又导致沿其流动通道静压增大。由于在扩散器中的压力恢复，涡轮机的进出口压力比增加，这导致输出功率和热效率增加。此外，排气系统用于重定向废气远离下游设备或朝向特定站点接口。 [0003] 于1993年11月5日授予Gray等人的美国专利第5,257,906号示出了一种用于蒸汽涡轮机的排气系统。具体地，Gray等人的发明涉及一种排气系统，该系统具有扩散器，该扩散器将工作流体流从涡轮机出口引导至排气壳体，所述排气壳体具有底部开口，从而使气流从轴向到径向转变90度。在排气壳体中，在扩散器顶部离开的气流从垂直向上方向到向下方向转变180度。由于此次转变，通过定向扩散器的外排气流动引导件部分的出口，使形成于排气壳体内的涡流的强度减到最小，从而使其处于一个平面内，该平面与垂直于涡轮机轴线的平面构成角度。因此，外流动引导件的最小轴向长度出现在远离排气壳体出口的位置，并且最大轴向长度出现在开口附近的位置，从而将涡流积聚在与排气壳体内的径向延伸挡板相对处。 [0004] 本发明旨在克服已知问题和/或发明者发现的问题。 发明内容[0005] 一种用于燃气涡轮发动机的排气扩散器包括扩散器入口、扩散器出口、内扩散器壁、以及外扩散器壁。内扩散器壁可包括具有扩口下游部分的第一管状构件。外扩散器壁可包括第二管状构件，所述第二管状构件至少部分地围绕内扩散器壁且具有第二扩口下游部分。外扩散器壁和内扩散器壁在扩散器入口和扩散器出口之间延伸，并且在两者之间形成了扩散流动通道。第二扩口下游部分可包括下段和上段，相对于扩散器轴线，上段在轴向方向上比下段进一步向下游延伸。附图说明 [0006] 图1是示例性燃气涡轮发动机的示意图。 [0007] 图2是图1的燃气涡轮发动机的排气系统的等距视图。 [0008] 图3是图2的排气系统的侧剖视图。 具体实施方式[0009] 本发明公开的系统和方法包括用于燃气涡轮机的排气系统，所述燃气涡轮机包括轴向-径向排气扩散器和位于扩散器下游的径向排气收集器。实施例包括轴向-径向排气扩散器，其中，所述扩散器出口被缩减。 [0010] 图1是示例性工业燃气涡轮发动机的示意图。为了清楚和便于解释，一些表面已经被省略或扩大(在此图或其他附图中)。本发明通常还将引用燃气涡轮发动机的旋转的中心轴线95，该中心轴线95通常可由它的轴120(由多个轴承组件150支撑)的纵轴来限定。其他各种发动机同心部件可共有或共享中心轴线95。对径向、轴向和圆周方向的所有引用和测量均指中心轴线95，除非另有说明，术语诸如“内”和“外”通常表示所距的更小或更大的径向距离，其中，径向96可以是任意垂直于中心轴线95并从中心轴线95向外辐射的方向。 [0011] 此外，本发明会引用“前”和“后”方向。通常，除非另有说明，对“前”和“后”的所有引用都与初级空气(即，燃烧过程中使用的空气)的流动方向相关。例如，前是相对于初级空气流的“上游”(即，朝向空气进入此系统的位置)，后是相对于初级空气流的“下游”(即，朝向空气离开此系统的位置)。 [0012] 通常，燃气涡轮发动机100包括入口110、压缩机200、燃烧室300、涡轮400、排气系统500和功率输出连接器600。压缩机200包括一个或多个压缩机转子组件220。燃烧室300包括一个或多个喷射器350，并且包括一个或多个燃烧腔室390。涡轮400包括一个或多个涡轮转子组件420。排气系统500包括排气扩散器520和排气收集器550。 [0013] 在操作中，空气10作为“工作流体”进入入口110，且被压缩机200压缩。在压缩机200内，工作流体在环形流体通道被一系列压缩机转子组件220压缩。一旦被压缩，压缩空气离开压缩机200并进入燃烧室300，在燃烧室300被扩散，并且添加燃料。燃料和压缩空气经由喷射器350被喷射到燃烧腔室390内并且被点燃。在燃烧反应之后，一系列涡轮转子组件420经由涡轮400从燃烧的燃料/空气混合物中提取能量。排气90随后在排气扩散器520中被扩散。排气收集器550对来自此系统的排气90进行收集、使其改变方向并且释放。排气90还可以被进一步加工(例如，减少有害排放，和/或从排气90回收热量)。 [0014] 一个或多个上述部件(或它们的子部件)可由不锈钢和/或被称为“超合金”的耐用的、高温材料制成。超合金或高性能合金是在高温下表现出良好的机械强度和抗蠕变性、良好的表面稳定性、耐腐蚀性和抗氧化性的合金。超合金可包括以下材料，诸如哈氏合金(HASTELLOY)、铬镍铁合金(INCONEL)、沃斯帕洛伊合金(WASPALOY)、RENE合金、HAYNES合金、耐热铬镍铁合金(INCOLOY)、MP98T、TMS合金、CMSX单晶合金、合金X、合金188/230等。 [0015] 图2是图1的燃气涡轮发动机的排气系统的等距视图。具体地，该视图通常是朝前和上游所见，但是独立于燃气涡轮发动机100的其余部分。为了清楚和说明的目的，某些特征/部件已经被增加、移除和/或修改。例如，在该视图中，仅部分示出了排气收集器550的后壁554。 [0016] 图3是图2的排气系统的侧剖视图。具体地，此侧视图与流动对称平面一致。所述对称平面由中心轴线95和排出方向559形成。为了清楚和说明的目的，某些特征/部件已经被增加、移除和/或示意性示出。例如，在此视图中示意性示出了在内扩散器壁523内部的部件(例如，轴120和轴承150)，其中附加部件被移除。 [0017] 如图2和图3中所示，排气扩散器520是轴向径向扩散器，其配置为气动地与涡轮400(图1)和排气收集器550联接，并且在涡轮400(图1)和排气收集器550之间形成流动通道。通常，排气扩散器520可以被构想为具有扩散器轴线535的两个同心结构(例如，管)，其通过围绕扩散器轴线535圆周分布的多个支柱525彼此连接。当排气扩散器520安装在燃气涡轮发动机100上时，扩散器轴线535可以与中心轴线95一致。因此，安装时，流动通道可以是介于涡轮400和排气收集器550之间的环形排气流动通道，仅被支柱525本身隔断。为了方便，中心轴线95在下文中将意指包括扩散器轴线535。 [0018] 排气扩散器520包括扩散器入口521、扩散器出口522、内扩散器壁523和外扩散器壁524。排气扩散器520配置为在大体轴向方向上经由扩散器入口521接收来自涡轮400的的排气90。排气扩散器520进一步配置为在大体径向方向上经由扩散器出口522将排气90排出到排气收集器550。 [0019] 内扩散器壁523和外扩散器壁524为围绕中心轴线95的大体管状构件。内扩散器壁523包括第一扩口下游部分541，所述第一扩口下游部分541靠近径向向外延伸的扩散器出口522。类似地，外扩散器壁524包括第二扩口下游部分543，其靠近径向向外延伸的扩散器出口522。 [0020] 在上游端，内扩散器壁523沿径向置于外扩散器壁524内部。在下游端，内扩散器壁523沿轴向延伸超过外扩散器壁524。内扩散器壁523和外扩散器壁524可以通过在其间延伸的多个支柱525连接在一起。根据一个实施例，内扩散器壁523和外扩散器壁524可以至少部分地同心。 [0021] 内扩散器壁523和外扩散器壁524共同形成扩散器入口521和扩散器出口522。具体地，扩散器入口521可以是由内扩散器壁523和外扩散器壁524的同心上游端形成的环形开口。类似地，扩散器出口522可以是由第一扩口下游部分541和第二扩口下游部分 543的轴向位移形成的周向带开口。根据一个实施例，扩散器入口521和扩散器出口522可以被在内扩散器壁523和外扩散器壁524之间延伸的构件隔断或横贯(例如，支柱，叶片等)。 [0022] 内扩散器壁523和外扩散器壁524还共同在涡轮400和排气收集器550之间形成流动通道。具体地，内扩散器壁523的外表面和外扩散器壁524的内表面在涡轮400和排气收集器550之间形成环形流动通道。当流动通道向下游前进时，它从主要为环形形状转换到主要为径向向外的周向带形状。根据一个实施例，流动通道可以被在内扩散器壁523和外扩散器壁524之间延伸的构件隔断或横贯(例如，支柱，叶片等)。 [0023] 此外，内扩散器壁523的内表面和外扩散器壁524的外表面的形状可不同于它们的相对侧面(如上所述)。例如，内扩散器壁523的内表面和外扩散器壁524的外表面都可以具有大体圆柱形的形状或阶梯式圆柱形形状(每阶都有不同的直径)。另一方面，内扩散器壁523的内表面和外扩散器壁524的外表面的某些部分可以是圆柱形或阶梯式，其他部分形状可类似于它们各自的相对侧面。值得注意的是，除非另有具体说明，在下文中对内扩散器壁523和外扩散器壁524的讨论指的是流动通道表面(即，内扩散器壁523的外表面和外扩散器壁524的内表面)。 [0024] 如图所示，排气收集器550是径向排气收集器，其配置为气动地与排气扩散器520联接，“收集”排气90并且重定向其以单一的、方便的排出方向559，径向地远离燃气涡轮发动机100(图1)。在一个实施例中，排气收集器550是围绕着排气扩散器520的壳体，且具有用于排气90排出的在大致径向方向上的单个开口。这里，排气收集器550配置为径向接收排气90并且改变其方向为径向向上，或沿着与上止点(TDC)成约0度或±5度的排出方向559，没有轴向分量。 [0025] 排气收集器550包括排气收集器出口551、前壁552、圆周壁553和后壁554。排气收集器550配置成在大体径向方向上经由扩散器出口522从排气扩散器520接收排放气体90。排气收集器550进一步配置成经由排气收集器出口551在远离燃气涡轮发动机100的排出方向559排出排放气体90。 [0026] 前壁552、圆周壁553和后壁554共同围绕扩散器出口522，使得排出的排放气体90被引导至排气收集器出口551。具体地，圆周壁553可围绕中心轴线95包围扩散器出口 522的大部分，并且充分偏移以接收来自扩散器出口522的气流。另外，圆周壁553可通过前壁552结合至前侧，并且通过后壁554结合至后侧。 [0027] 此外，前壁552和后壁554中的每一者可从圆周壁553径向向内延伸，并且与外扩散器壁524和内扩散器壁523和/或任何中间部件分别紧密配合。根据一个实施例，前壁552可以是垂直壁，该垂直壁联接至扩散器出口522前方的外扩散器壁524，并且所述后壁 554可以是垂直壁，该垂直壁联接至扩散器出口522后方的内扩散器壁523。 [0028] 前壁552、圆周壁553和后壁554共同形成排气收集器出口551。具体地，排气收集器出口551可以是由前壁552、圆周壁553和后壁554的上游端形成的开口。例如，前壁552、圆周壁553和后壁554的上游端可以连接起来，形成离开外罩的单一路径。排气收集器出口551可以为任何适宜的形状和朝向排出方向559的定向。例如且如图所示，排气收集器出口551可以具有大致矩形形状，该矩形形状垂直于排出方向559。 [0029] 根据一个实施例，排气收集器出口551可以包括一个或多个过渡构件，该过渡构件配置成利用附加排气管道接合排气收集器550。具体地，一个或多个过渡构件可以与排气收集器550(具有第一形状和/或有效流动区域)和附加排气管道(具有第二、不同形状和/或有效流动面积)二者紧密配合，在二者之间过渡。例如，排气收集器出口551可以包括罩盖，该罩盖配置成联接至为大致矩形形状和第一有效流动面积的排气收集器出口551，并且过渡至具有第二有效流动面积的圆形排气管道。又例如，一个或多个过渡构件可以倾斜角度、不规则或不对称形状、或者其他适宜方式，与排气收集器出口551和/或附加排气管道接合。 [0030] 尽管排气收集器550在此配置成向上排放排气90，排气收集器550可以配置成沿其它排出方向559排放排气90。例如，排气收集器550可以配置成径向侧向地、或者沿排出方向559大约+/-90度从没有轴向分量的TDC排出排气90。又例如，排气收集器550可以配置成沿任意排出方向559在+90度和-90度之间从没有轴向分量的TDC排出排气90。根据另一个实施例，排气收集器550可以配置成沿任意排出方向559在+135度和-135度之间从没有轴向分量的TDC排出排气90。可选择地，排气收集器550可以配置成沿任意上述排出方向559或者排出方向559的范围，但是具有向后最高达45度的轴向分量，排出排气90。 [0031] 排气扩散器520可以安装到涡轮机400上，并且配置成轴向接收以主要轴向流动531离开涡轮机400的排放气体90。如图所示，主要轴向流动531可以具有相对于中心轴线95在+/-15度之间的速度矢量，但是相对于中心轴线95不大于+/-45度。排气扩散器 520可以进一步配置成扩散排放气体90，向其流动提供径向分量，并且作为绕中心轴线95的主要径向流动532径向地排放排气90并且进入排气收集器550。如图所示，主要径向流动532可以具有相对于中心轴线95在75度和105度之间的速度矢量，但是相对于中心轴线95不小于45度并且不大于135度。 [0032] 排气收集器550可以安装到排气扩散器520和/或任何其他支撑结构上。排气收集器550可以配置成接收从扩散器出口522排出的排气90，并且重新引导其围绕并且朝向排气收集器出口551，并且沿排出方向559排放排气90。 [0033] 排气扩散器520可以包括线性扩散区域526，随后是转向区域527。线性扩散区域526形状可以是环形截头圆锥，或诸如此类，其配置成使介于内扩散器壁523和外扩散器壁 524之间的有效流动面积从扩散器入口521到转向区域527增加。具体地，有效流动面积可以相对于排气90的操作条件增加，以便增加回收并且抑制分离。例如，通过增加相对于流动通道的扩散器入口521和扩散器出口522之间的距离，可以使有效流动面积沿着流动通道增加。又例如，通过增加流动通道的平均周长，可以使有效流动面积沿着流动通道增加。 [0034] 根据一个实施例，线性扩散区域526可以包括倾斜流动通道。特别地，内扩散器壁523可以绕中心轴线95构成截顶圆锥。例如，内扩散器壁523可以在下游方向上与中心轴线95成0度至15度的角度。另外，又例如，内扩散器壁523可以在下游方向上与中心轴线 95成3度至10度的角度。另外，又例如，内扩散器壁523可以在下游方向上与中心轴线95成大约5度的角度。 [0035] 转向区域527为开始于线性扩散区域526并终止于扩散器出口522下游的弯曲区域。转向区域527配置成向排气90的速度矢量添加径向分量，并将排气90的速度矢量从主要轴向流动531转向成主要径向流动532。 [0036] 线性扩散区域526和转向区域527可以包括内扩散器壁523与外扩散器壁524的可分离的轴向部。特别地，部分内扩散器壁523或部分外扩散器壁524可以结合以形成线性扩散区域526。同样地，部分内扩散器壁523或部分外扩散器壁524可以结合以形成转向区域527。 [0037] 此外，构成线性扩散区域526和转向区域527的各轴向部可以平滑地结合在一起，使得线性扩散区域526与转向区域527的切线在它们的接合处重叠。例如，内扩散器壁523可以包括绕扩散器轴线535的第一旋转曲面，其中，该第一旋转曲面包括第一圆锥区域和第一扩口下游部分541。同样地，外扩散器壁524可以包括绕扩散器轴线535的第二旋转曲面，其中，该第二旋转曲面包括平滑结合的第二圆锥区域和第二扩口下游部分543(本文进一步描述的第二扩口下游部分543)。 [0038] 另外，内扩散器壁523和外扩散器壁524可以各自由一个或多个部件或者其任意组合制成。具体地，内扩散器壁523和/或外扩散器壁524可以由多个装配部构成。此外，各部件或组件可以不同地并根据其形状或可替换性来制造。 [0039] 例如，内扩散器壁523和/或外扩散器壁524可以由多个装配部制成。此外，例如，内扩散器壁523和外扩散器壁524(包括支柱525)可以被制成入口单元528(例如，单个铸件)，其中，内扩散器壁523和外扩散器壁524的剩余部分为环形壁部的叠置组件。又例如且如图所示，线性扩散区域526可以被制成为入口单元528和环形壁部的叠置组件，并且转向区域527可以由第一扩口下游部分541和第二扩口下游部分543构成。 [0040] 根据一个实施例，排气扩散器520可以被偏置。具体地，第二扩口下游部分543可以包括下段536和上段537，其中，关于扩散器轴线535，与下段536相比，上段537在轴向方向上向更下游延伸。因此，并且与垂直于扩散器轴线535的下游管端相比，这里，下段536和上段537可以终止于偏移端540。注意，使用术语“上段”和“下段”以便于描述竖直(0度)排放构造中所示的第二扩展下游部分543的相对侧，然而，也可以实施为其它相对部，尤其是具有非0度排放方向的排放系统。例如，在具有90度排放方向的应用中，可以将术语“上段”和“下段”分别替换为“右段”和“左段”。 [0041] 如图所示，偏移端540可以基本上限定截断平面549。截断平面549可以与垂直平面548形成收回角546，其中，垂直平面548垂直于扩散器轴线535。收回角546可以与垂直平面548成约2度。可替代地，收回角546可以与垂直平面548成1度至5度。 [0042] 类似地，排气扩散器520可以包括偏置外扩散器壁524。具体地，外扩散器壁524可以包括均匀段538和偏移延伸部539，它们合在一起可以包括上述下段536和上段537。例如，均匀段538可以从扩散器入口521向下游延伸，并且包括旋转曲面。该旋转曲面可以由绕扩散器轴线535旋转的二维曲线限定，该二维曲线包括线性段和弯曲段。另外，偏移延伸部539可以从均匀段538向下游延伸至扩散器出口522，并且包括截断的旋转曲面，终止于上述偏移端540。 [0043] 根据一个实施例，排气扩散器520可以包括与排气收集器出口551协调的“削减的”外扩散器壁524(例如在第二扩展下游部分543中)。具体地，外扩散器壁524可以包括复杂的形状，其可以被便利地描述为具有缺失的或“削减的”下游部分、基本的、“未切割的”形状，其中，缺失的部分基本上位于排气收集器出口551的相对侧或基本上径向相对的侧。 [0044] 此外，基本的、“未切割的”形状可以为绕中心轴线95的旋转曲面，并且“削减”可以包括相对于中心轴线95的倾斜切割角，使得其包括与排出方向559相反的最大收回。另外，绕中心轴线95的旋转曲面可以包括上述线性扩散区域526和转向区域527。 [0045] 例如，旋转曲面可由绕中心轴线95旋转的二维曲线限定，所述二维曲线包括线性段和弯曲段，其中线性段与弯曲段的切线对齐。线性段和弯曲段可被定形、定向、定位，以形成上述用于外扩散器壁524的线性扩散区域526和转向区域527的旋转曲面。 [0046] 最大收回545是外扩散器壁524的点或部分，其对应于最大缺失部分、截断部分、或来自基本的“未切割的”形状的“削减”。特别地，外扩散器壁524可在其下游端具有单个点(或当切割部分不为平面时的几个点)，该点比外扩散器壁524上的其它下游端点更加远离基本的“未切割的”形状的下游端。 [0047] 最大收回545可沿曲线测量。例如，对于外扩散器壁524上形成扩散器出口522部分的每个点(即，外扩散器壁524的下游端上的每个点)，中心轴线95和所述点可形成平面。相应地，对应于每个点的曲线可由其相应平面和基本的“未切割的”形状的交点限定。最大收回545然后可限定为外扩散器壁524的点(或部分)，其形成扩散器出口522的部分且具有沿平面内曲线从扩散器出口522上的相应点到基本的“未切割的”形状的下游端的最长外推。 [0048] 最大收回545可沿中心轴线95测量。例如，最大收回545可包括外扩散器壁524的点(或部分)，其形成扩散器出口522的部分，且具有离参考平面最大的轴向距离，所述参考平面垂直于中心轴线95且位于扩散器出口522的后部。 [0049] 可选地，最大收回545可沿径向96测量。特别地，最大收回545可包括外扩散器壁524的点(或部分)，其形成扩散器出口522的部分，且具有沿相同径向离圆周壁553上的点最大的径向距离。由于圆周壁553可在其接近排出方向559时打开或以其它方式增加其半径，该最大收回545的测量可限制到离排出方向559大于180度的径向96范围内。 [0050] 根据一个实施例，外扩散器壁524的“削减”可位于第二扩口下游部分543中。特别地，外扩散器壁524的第二扩口下游部分543可包括斜截形状。例如，第二扩口下游部分543可包括绕中心轴线95的旋转曲面，其临近扩散器出口522被斜截，且还包括与排出方向 559相反的最大收回545。 [0051] 为了说明，第二扩口下游部分543可包括斜截喇叭钟形，其具有径向相对于排气收集器出口551基本对齐的斜削减部分。特别地，斜截第二扩口下游部分543可包括从基本的“未切割的”扩口形状截取的形状。斜削减部分一般指的是相对于从基本“未切割的”形状截取或切割的第二扩口下游部分543的表面。基本的“未切割的”扩口形状为扩口旋转曲面，所述表面由绕中心轴线95旋转的二维曲线限定。此外，二维曲线的上游端可切向对齐对应于上述线性扩散区域526的线，从而在它们的界面处形成平滑过渡。 [0052] 如图所示，二维曲线可基本上为具有扩口半径544的四分之一圆(例如，在75度和105度之间)，且被定向使得中心轴线95的径向96相切穿过二维曲线的下游端。也如图所示，扩口半径544可与扩散器出口522(即终止下游端)恒定对接。同时，用于参考，示出了外推线547，指示二维曲线在其最大收回545处的缺失部分的继续扩口半径。 [0053] 同样地，二维曲线可由其它非圆形曲面形成。特别地，二维曲线可包括具有大约90度弧形的非线性曲线。例如，二维曲线可具有介于75度和105度之间的弧形。根据一个实施例，第二扩口下游部分543的扩口半径544可与第一扩口下游部分541的扩口半径同心。 [0054] 斜截第二扩口下游部分543可被描述成基本的“未切割的”扩口形状和截断、缺失部分或基本的“未切割的”扩口形状的“削减”之间的差。这里，截断部分包括介于垂直平面548和截断平面549之间的基本的“未切割的”扩口形状的部分。 [0055] 垂直平面548垂直于中心轴线95，且限定基本的“未切割的”扩口形状的整个下游端。斜截的第二扩口下游部分543的下游端的至少一个点位于垂直平面548上。截断平面549垂直于流动对称平面，但通过收回角546倾斜于垂直平面548。根据一个实施例，收回角546可相对于垂直方向小于10度。根据另一个实施例，收回角546可相对于垂直方向在 1度和5度之间。根据另一个实施例，收回角546可相对于垂直方向为约2度。可选地，截断部分可包括介于垂直平面548和非平面削减之间的基本的“未切割的”扩口形状的部分。 [0056] 斜截的第二扩口下游部分543与排气收集器出口551相协调地被截断。特别是，所述斜截的第二扩口下游部分543的最大收回545与排气收集器转向区域555对齐。所述排气收集器转向区域555通常界定为与排出方向559相对的位于排气收集器550内的区域，在此处，从扩散器出口552排出的排气90被分隔为绕着周向壁553的相对周向流。例如，在这里，所述排气收集器转向区域位于排气收集器550的底部。相应地，在这里，所述外扩散器壁524在底端包括最大收回545或最大截断。 [0057] 如上所述，最大收回545是外扩散器壁524与最大截断、缺少部分，或者基本的“未切割的”张角的“削减”相对应的点(或部分)，并且可沿着中心轴线95和/或径向96测量。此外，所述最大收回545可相对于其张角测量。特别是，所述最大收回545可包括外扩散器壁524的点(或部分)，其形成扩散器出口552一部分，并且具有最小的张角和弧度。如上所述，第二扩口下游部分543可从绕着中心轴线95的旋转曲面切割出。比如，所述外扩散器壁524上的扩口程度在每一轴向位置是恒定的。相应地，例如，排气收集器550的排出方向559相对于TDC向上或呈0度时，所述第二扩口下游部分543顶部的张角可具有最大弧度(例如，大约90度)，并且第二扩口下游部分543底部的张角可具有最小弧度(例如，大约50度)。 [0058] 根据一个实施例，内扩散器壁523可具有类似于外扩散器壁524的形状。特别地，第一扩口下游部分541可包括绕中心轴线95的旋转曲面，该旋转曲面包括具有75度至105度弧度并且在扩散器出口522的大体垂直方向上终止的扩口。此外，第一扩口下游部分541可穿过和第二扩口下游部分543的最大弧度基本相同的弧度。例如，内扩散器壁523可包括一个扩口，其和第二扩口下游部分543的扩口半径544同心，在包括排出方向559上的中心轴线95和径向96的平面上与第二扩口下游部分543共有大约90度弧度。另外，内扩散器壁523的下游端可切向对齐后壁554，由此在其交接面形成平滑接合。 [0059] 进一步，内扩散器壁523和外扩散器壁524可彼此偏移。特别是，如在包括中心轴线95的平面上测量，偏移包括通过共有弧度的基本上恒定的径向分离。例如，内扩散器壁523和外扩散器壁524可由扩口半径544的长度通过其共有弧度彼此偏移。又例如，内扩散器壁523和外扩散器壁524可由扩口半径544+/-20％的长度通过其共有弧度彼此偏移。 [0060] 根据一个实施例，斜截的第二扩口下游部分543可配置为，使得最大收回545提供最大收回545处的扩散器出口522和周向壁553之间的最小间隙557。特别地，斜截的第二扩口下游部分543可被截断，以提供内扩散器壁523和外扩散器壁524之间距离的最小间隙557，其至少是扩散器出口522处外扩散器壁524和周向壁553之间距离的一半，并在包括中心轴线95和最大收回545上一点的平面上测量。例如，如图所示，当周向壁553走向平行于中心轴线95时，斜截的第二扩口下游部分543可被截断，使得外扩散器壁524和周向壁553之间的最小间隙557沿着经过最大收回545的径向96测量。 [0061] 根据一个实施例，排气收集器550可包括“扩展的”排气收集器转向区域555。特别是，前壁552可配置为使得到后壁554的最小轴向距离558维持在排气收集器转向区域555内并且靠近周向壁553。例如，最小轴向距离558可为最小间隙557的至少四倍。又例如述最小轴向距离558至少两倍于扩散器出口522处内扩散器壁523和外扩散器壁524之间的距离，最小轴向距离558在包括中心轴线95和最大收回545的点的平面上测量。又例如，最小轴向距离558可与相对于排气收集器转向区域555且靠近扩散器出口522的前壁 552和后壁554之间的轴向距离大致相同。 [0062] 在上述例子中，前壁552可成角度或非垂直。例如，前壁552可成角度，以在排出方向559上提供扩展容积。可选地，前壁552和后壁554可以彼此基本平行(例如，两者皆垂直)，使得最小轴向距离558基本上均匀靠近排气扩散器520。可选地，前壁552可基本垂直。 [0063] 工业实用性 [0064] 本发明大体适用于排气系统，该排气系统用于燃气涡轮发动机和具有排气扩散器的燃气涡轮发动机。所述的实施例不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用，而是还可以应用于固定式或移动式燃气涡轮发动机或任何其变体。在应用时，燃气涡轮发动机及其组件可适用于多种工业应用，例如但不限于，例如，石油和天然气工业的各方面(包括石油和天然气的运输、采集、存储、回收和提升)、发电工业、航天和运输工业。 [0065] 一般来说，本发明公开的燃气涡轮发动机的排气系统的实施例适用于使用、运行、保养、维修和改进燃气涡轮发动机，并可以用于提高性能和效率，减少保养和维修，和/或降低成本。此外，本发明公开的排气系统的实施例可适用于燃气涡轮发动机使用寿命的任何阶段，从设计到成型和首次制造，以及一直到使用寿命终止。因此，作为预防措施或者甚至响应突发事件时，该排气系统可用作现有燃气涡轮发动机的改装和强化。此外，各种组合的特征可以适用于改造前述设计。当本发明公开的排气系统可安装在具有与另一排气系统相同接口的燃气涡轮发动机中，以便与较早期类型的排气系统进行互换时，这种情况尤其如此。 [0066] 具有排气收集器和径向排出方向的燃气涡轮发动机在排气收集器出口(排气收集器转动区域)的相对侧可具有低流动性区域，以朝向扩散器出口处。本发明公开的排气系统的实施例可包括并组合特征，例如，与排气收集器出口相结合的偏置或“削减”外扩散器壁，扩口的内扩散器壁，以及“扩展的”排气收集器转向区域，以减少涡轮机出口处的压力。因此，本发明提供了一种排气扩散器，其中，相对于排出方向的径向延伸，外扩散器壁在低流动性区域被削减或者径向延伸较少，因此在转向区域内部减少了自身的尺寸和潜在的阻塞物。 [0067] 如上所述，使用排气系统可增加涡轮压力比，产生更多的轴动力和较高的效率。具体地，通过实质性的分析和经验性测试，相比于先前的设计，发明人已发现效率显著提高。因此，前述特征的组合可提供整体改进的发动机性能。 [0068] 前述详细说明本质上仅仅是示例性的，并非意图限制本发明或本发明的应用和用途。所述的实施例不限于与特定类型的燃气涡轮发动机结合使用。因此，虽然为了便于解释，本发明实施例被示出并描述为在固定式燃气涡轮发动机中实施，但应当理解的是，它可以在各种其他类型燃气涡轮发动机和各种其他系统和环境中实施。另外，任何存在于前述部分的任一原理不限制本发明。还可以理解的是，示例说明可包括夸大的尺寸和图解说明，以为了更好地描述所示的参考项，并且除非明确说明，否则不认为用于限制。 |
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