一种能够提升气动性能的新型排气扩压器结构

1.本发明属于叶轮机械技术领域，特别涉及一种能够提升气动性能的新型排气扩压器结构。


背景技术：

2.排气扩压器作为燃气轮机的重要组成部分，一般安装在动力涡轮下游，其内部流道为一个扩张形的通道，用于对动力涡轮排出的气体进行减速扩压。排气扩压器的静压恢复能力可以将动力涡轮出口燃气的部分动能转化为出口静压(一般为环境压力)，从而降低动力涡轮出口的背压，增加动力涡轮的膨胀比，使得燃气轮机整体功率输出得以增加。
3.随着现代工业的发展，燃气轮机的使用越来越广泛，如何提高其运行效率，降低燃油成本成为一个关键的问题，现如今，诸如燃烧室，压气机等部件已具有相当高的效率，进一步提升这些部件效率的经济成本和技术难度都较大，但排气扩压器气动性能的提升仍有相当大的余地。静压恢复系数是评价排气扩压器气动性能的核心指标，研究表明，排气扩压器的静压恢复系数每提升0.1，燃气轮机整体的功率输出可提升0.8％。
4.排气扩压器内均安装有支撑板结构，一方面用于加强排气扩压器壳体的稳定性，另一方面则作为冷却气和润滑油的运输通道。而支撑板与排气扩压器内的气流干涉会导致排气扩压器内复杂的流动状态，进而对排气扩压器的气动性能产生影响。传统的排气扩压器内部采用的支撑板为常规的二维直列对称支撑板，排气扩压器内支撑板的布局方式采用常规的垂直于轮毂壁面的径向布局方式。这种支撑板结构具有结构简单，加工容易的特点，但这种支撑板结构在面对上游动力涡轮排出的带有旋流的气体时，气流会在支撑板附近发生严重的流动分离，增大排气扩压器的总压损失系数，降低排气扩压器的静压恢复能力。因此，对排气扩压器内支撑板构型的改进是提升排气扩压器气动性能的重要手段，具有重要的工程应用价值。


技术实现要素：

5.针对传统典型二维直列对称支撑板结构在大进气旋流下流动损失较大，静压恢复性能较低的缺陷，为提高排气扩压器在大进气旋流下的静压恢复性能，本发明的目的在于提供一种能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，能够减弱轮毂壁面附近流动分离，增强静压恢复能力。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
7.一种能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，包括外壳体和内轮毂，外壳体的内壁和内轮毂的外壁通过若干支撑板连接，进气气流从相邻支撑板的板面之间流过，所述支撑板在内轮毂壁面上采用具有弯度的翼型型线。
8.在一个实施例中，所述支撑板在外壳体壁面上采用具有弯度的翼型型线。
9.在一个实施例中，沿排气扩压器的径向，所述支撑板的翼型型线相同，形成二维直列弯支撑板。
10.在一个实施例中，所述支撑板在外壳体壁面上采用无弯度对称翼型型线。
11.在一个实施例中，所述支撑板的板面从内轮毂至外壳体平滑渐变，形成三维弯扭构型支撑板。
12.在一个实施例中，所述支撑板沿排气扩压器的轴向倾斜。
13.在一个实施例中，所述支撑板的尾缘线与排气扩压器的径向方向的夹角即轴向倾斜角α的取值范围为0＜α≤45
°
，前缘线可与尾缘线平行。
14.在一个实施例中，所述支撑板的弦长c为排气扩压器轴向长度l的1/4-1/3。
15.在一个实施例中，所述支撑板的前缘点距排气扩压器入口的距离为排气扩压器轴向长度l的1/3-1/2，所述前缘点为支撑板的前缘线与排气扩压器内轮毂的交点。
16.在一个实施例中，支撑板的最大弯度m和最大厚度t根据上游动力涡轮装置出口旋流的大小进行匹配设计，以达到最佳气动性能，其中出口旋流偏转角β、与支撑板最大弯度m和最大弯度位置p遵循以下关系式进行设计：
17.β＝arctan(2m/p)。
18.进气预旋较大时，适用厚度较大的支撑板，进气预旋较小时，适用厚度较小的支撑板。
19.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
20.本发明采用的二维直列弯支撑板，可以保持支撑板加工简单的同时，利用科恩达效应减弱支撑板附近的流动分离，降低总压损失，进而提升排气扩压器的静压恢复系数。
21.本发明采用的三维弯扭构型支撑板，可以利用轮毂壁面附近具有弯度的特性达到减弱支撑板附近流动分离的目的，同时也使得排气扩压器对进气旋流变化的适应性增强，可以在不同进气旋流下提升排气扩压器的静压恢复性能，增强了排气扩压器在变工况条件下的高效运行能力。
22.本发明采用的二维直列弯支撑板或三维弯扭构型支撑板采用轴向倾斜布局时，可进一步减弱支撑板对气流的阻塞效应，减弱排气扩压器内的逆压梯度及流动损失，从而增加排气扩压器的静压恢复系数。
附图说明
23.图1是本发明传统典型排气扩压器三维示意图，图中a表示支撑板前缘点，l表示排气扩压器的轴向尺寸。
24.图2是本发明传统典型支撑板结构示意图，图中t表示支撑板最大厚度，c表示支撑板弦长。
25.图3是本发明二维直列弯支撑板排气扩压器三维示意图。
26.图4是本发明二维直列弯支撑板结构示意图，图中t表示支撑板最大厚度，m表示支撑板最大弯度，c表示支撑板弦长，p表示最大弯度位置。
27.图5是本发明三维弯扭构型支撑板排气扩压器三维示意图。
28.图6是本发明三维弯扭构型支撑板示意图。
29.图7是本发明支撑板轴向倾斜排气扩压器三维示意图。
30.图8是本发明进气偏转为30度条件下内轮毂壁面附近二维流线示意图，其中(a)为传统典型支撑板，(b)为二维直列弯支撑板，(c)为三维弯扭构型支撑板。
31.图9是本发明进气偏转为30度条件下，传统典型支撑板，二维直列弯支撑板，三维弯扭构型支撑板排气扩压器的静压恢复系数。
32.图10是本发明三种进气偏转条件下，传统典型支撑板，二维直列弯支撑板，三维弯扭构型支撑板排气扩压器的静压恢复系数。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明做进一步详细描述。以下实施仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此限制本发明的保护范围。
34.排气扩压器结构包括外壳体2和内轮毂3，外壳体2的内壁和内轮毂3的外壁通过若干支撑板连接，进气气流从相邻支撑板的板面之间流过。一般地，为便于制造和维持气流的稳定，支撑板沿周向均匀布置，根据排气扩压器的结构强度需求一般沿周向均匀布置4～6个支撑板，支撑板采用垂直于轮毂的布局方式，即其厚度方向与内轮毂3的轴向也即气流方向垂直。
35.参考图1～2，传统典型排气扩压器结构中，支撑板一般为二维直列对称支撑板1，即支撑板从外壳体2的壁面至内轮毂3的壁面，均采用无弯度对称翼型型线。其优点是容易加工制造。但在气体带有旋流时，气流会在支撑板附近发生流动分离，使得总压损失系数增大，静压恢复能力降低。
36.而在本发明中，支撑板至少在内轮毂3壁面上采用具有弯度的翼型型线，从而利用科恩达效应减少流动分离，使得上游动力涡轮排出的带有旋流的气流在流过支撑板时流动分离减小，总压损失降低，进而提升排气扩压器的静压恢复性能，增强排气扩压器的静压恢复能力。
37.在此基础上，一个实施例中，支撑板在外壳体2壁面上同样采用具有弯度的翼型型线。并且，如果沿排气扩压器的径向，支撑板的翼型型线均相同，则形成二维直列弯支撑板4，如图3～4所示。二维直列弯支撑板4通过采用具有弯度的型线，适应进气旋流，减小支撑板前缘附近的进气攻角，达到减弱支撑板附近流动分离的目的。同时保持了传统二维直列对称支撑板结构简单，易于加工的优点。其型线的最大弯度可根据动力涡轮出口气流的旋流强度进行匹配设计。
38.在另一个实施例中，支撑板在外壳体2壁面上仍采用无弯度对称翼型型线，形成三维弯扭构型支撑板5，如图5～6所示。示例地，支撑板的板面从内轮毂3至外壳体2平滑渐变。三维弯扭构型支撑板5不仅利用内轮毂3壁面附近具有弯度的特性达到减弱支撑板附近流动分离的目的，同时也使得排气扩压器对进气旋流变化的适应性增强，可以在不同进气旋流下提升排气扩压器的静压恢复性能，增强了排气扩压器在变工况条件下的高效运行能力。其靠近内轮毂3壁面附近的支撑板型线最大弯度可根据动力涡轮出口气流的旋流强度进行匹配设计。
39.示例地，本发明中，支撑板的弦长c根据排气扩压器的结构强度需求及轴向尺寸l取值，一般为(1/4-1/3)l。
40.支撑板的前缘点距排气扩压器入口的距离为(1/3-1/2)l，其中前缘点指的是支撑板的前缘线与排气扩压器内轮毂3的交点。
41.支撑板的最大弯度m和最大厚度t根据上游动力涡轮装置出口旋流的大小进行匹
配设计，以达到最佳气动性能。
42.出口旋流偏转角β、与支撑板最大弯度m和最大弯度位置p可遵循以下关系式进行设计：
43.β＝arctan(2m/p)
44.最大厚度t与旋流的关系：进气预旋较大时，适用厚度较大的支撑板，进气预旋较小时，适用厚度较小的支撑板。
45.本发明采用二维直列弯支撑板4及三维弯扭构型支撑板5的排气扩压器一般可使用合金材料整体铸造后进行机加工制造。
46.参考图7，在一个实施例中，本发明支撑板沿排气扩压器的轴向倾斜。从而进一步减弱排气扩压器内部的流动阻塞效应，增加排气扩压器的静压恢复性能。示例地，支撑板的尾缘线6与排气扩压器的径向方向的夹角即轴向倾斜角α的取值范围为0＜α≤45
°
，支撑板的前缘线可与尾缘线6平行。
47.本发明的技术原理：
48.图8中(a)给出了进气偏转角为30度时，传统二维直列对称支撑板1附近的二维流线图，如图所示，入口偏转气流冲击到支撑板前缘时，会形成较大的进气攻角，导致二维直列对称支撑板1附近形成剧烈的流动分离现象，增加流动损失，进而导致排气扩压器的静压恢复系数降低。
49.鉴于在进气条件存在旋流时二维直列对称支撑板1附近剧烈的流动分离现象，本发明的二维直列弯支撑板4和三维弯扭构型支撑板5充分利用了科恩达效应，使得排气扩压器内的流体流过支撑板前缘时，流体能较好的贴合支撑板表面流动，减弱了支撑板附近的流动分离，进而增加排气扩压器的静压恢复系数。图8中(b)和(c)给出了进气偏转角为30度时，根据该进气偏转角进行匹配设计的二维直列弯支撑板4和三维弯扭构型支撑板5在内轮毂3附近的二维流线图。如图所示，二维直列弯支撑板4和三维弯扭构型支撑板5附近流体几乎不再产生分离，这降低了排气扩压器内的流动损失。
50.参见图9，进气偏转角为30度时，传统典型排气扩压器的静压恢复系数为0.2804，根据该进气偏转角进行匹配设计的二维直列弯支撑板排气扩压器的静压恢复系数为0.3182，静压恢复系数相对提升13.5％。根据该进气偏转角进行匹配设计的三维弯扭构型支撑板排气扩压器的静压恢复系数为0.3292，静压恢复系数相对提升17％。
51.参见图10，在燃气轮机的实际运行过程中，由于运行状态的调整，燃气轮机整体的运行工况会发生变化。动力涡轮的转速变化，会导致动力涡轮出口即排气扩压器入口的进气旋流强度发生变化。图10给出了二维直列对称支撑板，根据气偏转角为30度时匹配设计的二维直列弯支撑板4和三维弯扭构型支撑板4在进气偏转分别为24度，30度(设计工况)，42度时，对排气扩压器的静压恢复系数的影响。如图所示，在进气偏转角大于30度(设计工况)时，相比于传统典型二维直列对称支撑板1，二维直列弯支撑板4和三维弯扭构型支撑板5仍能提升排气扩压器的静压恢复系数。在进气偏转角小于30度(设计工况)时，相比于传统典型二维直列对称支撑板1，二维直列弯支撑板排气扩压器的静压恢复系数略微降低，三维弯扭构型支撑板排气扩压器的静压恢复系数仍微弱提升，这说明三维弯扭构型支撑板5在变工况条件下仍能高效运行。

技术特征：
1.一种能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，包括外壳体(2)和内轮毂(3)，外壳体(2)的内壁和内轮毂(3)的外壁通过若干支撑板连接，进气气流从相邻支撑板的板面之间流过，其特征在于，所述支撑板在内轮毂(3)壁面上采用具有弯度的翼型型线。2.根据权利要求1所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板在外壳体(2)壁面上采用具有弯度的翼型型线。3.根据权利要求1或2所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，沿排气扩压器的径向，所述支撑板的翼型型线相同，形成二维直列弯支撑板(4)。4.根据权利要求1所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板在外壳体(2)壁面上采用无弯度对称翼型型线。5.根据权利要求4所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板的板面从内轮毂(3)至外壳体(2)平滑渐变，形成三维弯扭构型支撑板(5)。6.根据权利要求1至5任一权利要求所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板沿排气扩压器的轴向倾斜。7.根据权利要求6所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板的尾缘线(6)与排气扩压器的径向方向的夹角即轴向倾斜角α的取值范围为0＜α≤45
°
。8.根据权利要求1至5任一权利要求所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板的弦长c为排气扩压器轴向长度l的1/4-1/3。9.根据权利要求1至5任一权利要求所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，所述支撑板的前缘点距排气扩压器入口的距离为排气扩压器轴向长度l的1/3-1/2，所述前缘点为支撑板的前缘线与排气扩压器内轮毂(3)的交点。10.根据权利要求1至5任一权利要求所述能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，其特征在于，支撑板的最大弯度m和最大厚度t根据上游动力涡轮装置出口旋流的大小进行匹配设计，以达到最佳气动性能，其中出口旋流偏转角β、与支撑板最大弯度m和最大弯度位置p遵循以下关系式进行设计：β＝arctan(2m/p)。

技术总结
本发明公开了一种能够提升气动性能的新型排气扩压器结构，该新型排气扩压器包括采用二维直列弯支撑板或三维弯扭构型支撑板。可以使得上游动力涡轮排出的带有旋流的气流在流过支撑板时流动分离减小，总压损失降低，进而提升排气扩压器的静压恢复性能。本发明的新型排气扩压器结构内部的二维直列弯支撑板或三维弯扭构型支撑板在轮毂壁面上型线的弯度和支撑板整体的厚度可根据上游动力涡轮排出气体的旋流强度和流量大小进行匹配设计，以达到排气扩压器的最佳性能。同时，二维直列弯支撑板或三维弯扭支撑板的轴向倾斜布局方式可进一步减弱排气扩压器内部的流动阻塞效应，进而增加排气扩压器的静压恢复性能。增加排气扩压器的静压恢复性能。增加排气扩压器的静压恢复性能。


技术研发人员：李军 董雨轩 李志刚
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2021.12.03
技术公布日：2022/3/8