CN113833540B - 一种外环端壁轴向可调的扩压器结构 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种外环端壁轴向可调的扩压器结构，扩压器外环端壁可沿轴向前后移动，从而改变扩压器外环端壁型面轴向长度及扩压器出口面积。本发明的扩压器端壁结构作用有二：一是适应于燃气轮机和汽轮机工况变化对排气系统的需求；二是适应于单侧排气/汽结构造成的周向不均匀流场。本发明提出的轴向可调扩压器调节情况如下：机组满负荷或者超负荷运行时扩压器外环端壁向上游透平方向移动，减小扩压器的轴向长度，在内环端壁不变的情况下，增大扩压出口流道面积和进出口面积比，从而提高扩压能力；低负荷运行时，扩压器向远离透平方向移动，从而增大扩压器外环端壁轴向长度，减小扩压器出口流道面积和进出口面积比，避免排气系统出现流动分离。

Description

一种外环端壁轴向可调的扩压器结构

技术领域

本发明属于燃气轮机、汽轮机技术领域，涉及一种外环端壁轴向可调的 扩压器结构，具体是一种适用于单侧径向排气/汽系统的外环端壁轴向可调的 扩压器结构。

背景技术

透平下游的排气/汽系统，起着回收末级透平余速动能，引导气流的作用， 是燃气轮机、汽轮机组的重要组成部分。单侧径向排气/汽时，气流在排气/ 汽系统内扩压流动的同时发生轴向到径向的翻转，从而在透平出口截面产生 非轴对称流场，使得排气/汽扩压器入口不同的周向位置处气流速度各异。此 外，透平出口截面的流场分布也会影响排汽系统内部流场，使排汽系统扩压 器出现流动分离，降低甚至完全丧失了其对末级透平出口余速动能的回收能 力，同时增大流动损失。

不论是船用燃机还是电网中起深度灵活性调峰作用的汽机，实际工作过 程中，工况变化频繁，存在部分负荷、小流量工况运行常态化的情况。在部 分负荷及小流量工况下，透平和排气/汽系统内更易出现多种形式的流动分离。 排气/汽扩压器内的流动分离一方面会使透平和排气/汽系统内气动性能明显 恶化，透平输出功率降低，甚至导致末级透平工作状态变为鼓风状态(输出 功率为负值)；另一方面还会明显增大叶片内的动应力、加大叶片振动幅值， 可能引发透平叶片自激振动，发生类似与压气机叶片一样的颤振现象，极大 的影响叶片的运行安全。

以往，在某一运行工况点进行透平与排气/汽系统一体化气动优化设计， 虽然能在一定程度上可以改善透平与排气/汽系统的性能，但是随着负荷、流 量降低，原有的设计无法适应流动条件的改变，导致透平与排气/汽系统内仍 会出现明显的流动分离，造成二者性能的恶化。

中国发明专利申请CN112302741A公开了一种端壁可调节的扩压器，该扩 压器的环形端壁由多段扇区拼接而成，每段扇区的切线方向与轴线方向的夹 角大小可调节，以使得环形端壁能够发生偏转或缩放。虽然该扩压器具有可 适应于运行工况的变化，改善变工况下透平与排气系统内的流动分离，降低 透平出口背压，提高在非设计工况下二者的气动性能，提高机组效率，同时， 有利于适应单侧径向排气(汽)系统蜗壳的非轴对称结构，削弱由于单侧径向 排气(汽)造成的末级透平出口截而背压的非轴对称程度以及因此引起的动叶 片表而的低频气动力等诸多优点，但因其活动部件多，造成了从加工到实际 调节操作都较为复杂，实现较困难。且存在端壁仅沿根部圆周转动，轴向调 节范围有限等缺点。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和不足，本发明旨在提供一种单侧径向排气/ 汽系统的外环端壁轴向可调的扩压器结构，有别于现有固定端壁的扩压器设 计思路和结构形式，其结构形式为扩压器外环端壁可沿轴向前后移动，且不 同周向位置处外环端壁轴向移动距离可以相同也可以不同，既可适应非轴对 称排气/汽蜗壳产出的周向不均匀流场需求，又可适应不同运行工况，提高汽 轮机机组热效率和透平叶片运行安全性，适用于单侧径向排气/汽的燃气轮机 和汽轮机排气/汽系统内扩压器，此外，外环端壁是个整体，加工、安装及使 用操作都相对简单，且轴向调节范围较大。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种外环端壁轴向可调的扩压器结构，设置在单侧径向排气/汽系统的透 平出口处，包括设置在蜗壳内的扩压器外环端壁、扩压器内环端壁，所述扩 压器内环端壁固定设置在所述蜗壳内，所述扩压器外环端壁、扩压器内环端 壁之间的周向空间形成为扩压器流道，其特征在于，

所述扩压器外环端壁包括一直径不变的筒状段以及一设置在所述筒状段 下游端的扩张段；

所述扩压器外环端壁可沿轴向前后移动，从而调节所述扩压器外环端壁 型面的轴向长度L，所述轴向长度L为扩压器外环端壁型面的出口边缘与透 平出口之间的轴向距离，且所述扩压器外环端壁沿轴向移动时，所述扩压器 流道的入口面积A₀保持不变、出口面积A₁逐渐缩小或增大；

当所述扩压器外环端壁沿轴向向下游移动时，所述轴向长度L变大，所 述扩压器外环端壁在轴向上逐渐接近所述扩压器内环端壁，所述扩压器流道 的出口面积A₁减小，所述扩压器流道的进出口面积比及所述扩压器流道 内流通面积的变化梯度减小；

当所述扩压器外环端壁沿轴向向上游移动时，所述轴向长度L变小，所 述扩压器外环端壁在轴向上逐渐远离所述扩压器内环端壁，所述扩压器流道 的出口面积A₁增大，所述扩压器流道的进出口面积比及所述扩压器流道 内流通面积的变化梯度增大。

本发明的适用于单侧径向排气/汽系统的外环端壁轴向可调的扩压器结 构，其可以为轴对称和非轴对称任何形式、任意结构造型，通过调节扩压器 外环端壁的轴向位置，改变其轴向长度这一几何参数，从而减小或增大扩压 器流道面积。

优选地，所述的扩压器外环端壁，其所述轴向长度的调节值沿一周可以 相同也可以不同，从而形成轴对称或非轴对称的扩压器结构。

优选地，所述的扩压器外环端壁，其所述轴向长度的调节值，根据工况 调节，其调节值变工况下透平出口流场来确定；设计工况下，排气/汽系统入 口流速增大时，扩压器外环端壁向接近透平的上游方向移动，减小所述扩压 器外环端壁的轴向长度，增大扩压器流道面积；小流量工况下，排气系统入 口流速下降时，扩压器外环端壁向远离透平的下游方向移动，增大扩压器轴 向长度，减小扩压器流道面积。

优选地，所述的扩压器外环端壁，其所述轴向长度的调节值沿一周的变 化规律，根据扩压器入口周向不均匀流场而定。

优选地，所述的扩压器外环端壁，其所述轴向长度的调节值应保证其扩 压系数在各工况点最大，入口周向不均系数最小，即排气系统气动性能达到 最优。

优选地，所述的扩压器外环端壁，其所述轴向长度的调节值，在非设计 工况条件下，改变扩压器外环端壁轴向位置，需满足扩压器流道面积的变化 范围是设计工况下扩压器流道面积的0.923～1.786倍，具体值根据实际设计而 定。

同现有技术相比，本发明的外环端壁轴向可调的扩压器结构，其优点在 于：

一、适应不同工况下末级透平出口的实际流场变化，保证机组在宽运行 工况下，排汽系统具有良好的扩压能力，降低透平出口背压，增加透平出功， 提高机组热效率。

二、适应单侧径向排汽的排汽蜗壳，削弱单侧径向排汽系统内流动的周 向不均匀程度，降低末级透平叶片负荷及气动力在一周内的波动，提高机组 运行安全。

三、本发明的适用于单侧径向排气/汽系统的外环端壁轴向可调的扩压器 结构，可调端壁自成一个整体，结构简单，操作方便。端壁周向改变有连续 性，过渡均匀，轴向调节范围较广，对不同运行工况的适应性更强。

附图说明

图1是扩压器内外环端壁及典型单侧排气系统的截面示意图。1为扩压 器外环端壁，2为扩压器内环端壁。

图2是扩压器外环端壁的几何参数：轴向长度L、起始扩散角α、出口面 积A₁，入口面积A₀。

图3是扩压器外环端壁轴向长度全周调节值相同时的示意图及竖直中分 面上的几何参数。3为初始状态下的扩压器外环端壁示意，外环端壁参数为 L₁、α、A₁(出口面积)，4为特定工况下扩压器外环端壁沿远离透平方向移 动后的扩压器外环端壁示意，外环端壁参数为L₁’、α、A₁’。

图4是扩压器外环端壁轴向长度全周调节值不相同时的示意图。5为设 计工况下的扩压器外环端壁示意，其型线为图4(右)中的虚线，外环端壁 参数为L₁、α、A₁(出口面积)；6为特定工况下扩压器外环端壁沿远离透平 方向移动，全周轴向长度调节值不相同时产生的非对称扩压器外环端壁示意， 其型线为图4(右)中的实线，分别由L₁₁’、L₁₂’、L₁₃’…，周向多个不 同的轴向长度，构成多条不同的扩压器型线，形成非对称扩压器外环端壁。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发 明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述， 显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获 得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非 旨在限制本发明。除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当 为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

本发明提供一种适用于单侧径向排气/汽系统的外环端壁轴向可调的扩 压器结构。图1是扩压器在排气系统的位置示意图。扩压器由内外环端壁组 成，如图1所示，1是扩压器外环端壁及型线，2是扩压器内环端壁及型线。 气流由透平出口进入扩压器，在扩压器出口翻转90°后，流入蜗壳。

本发明提供一种可调扩压器，其作用在于扩压器的外环端壁可以调节。 如图2所示，扩压器外环端壁的几何参数如轴向长度L、起始扩散角α、出口 面积A₁决定了外环端壁的几何结构，本发明的要点在于可以通过推压或拉伸 改变外环端壁的轴向长度L实现扩压器可调。

图3是全周轴向长度调节值相同时的扩压器外环端壁示意图，当扩压器 外环端壁处于初始状态时，轴向长度为L₁、起始扩散角α、出口面积A₁所构 成的外环端壁，可以使得排气系统在设计工况下的扩压能力达到最大。

本发明提供的外环端壁轴向可调扩压器结构，当机组运行工况改变时， 扩压器外环端壁沿轴向可以调节，轴向长度的改变引起扩压器流道变化，进 而改善扩压器内的流动状态。如图3所示，当机组的负荷下降到某一特定工 况时，流量减小，沿轴向将扩压器外环端壁的轴向长度增大(或减小)至L₁’， 扩压器出口截面积变为入A₁’，L₁’的值是通过特定工况下的优化设计预设 的，改变之后由轴向长度L₁’、起始扩散角α、出口面积A₁’组成的扩压器 外环端壁，可以实现特定工况下排气系统的扩压能力最大。

本发明提供的外环端壁轴向可调扩压器结构，须根据实际机组运行工况， 预设机组在特定工况下运行时的扩压器外环端壁轴向长度L’、对于运行工 况范围较大的机组，可以预设多个扩压器外环端壁轴向长度L₁’、L₂’、 L₃’…以实现排气系统在宽的工况范围内具有良好的气动性能。

图4是全周轴向长度调节值不同时的扩压器外环端壁示意图。本发明提 供的外环端壁轴向可调扩压器结构，可以实现全周不同位置扩压器轴向长度 的调节值不相同。在全周调节值相同的基础上设计的这种非对称扩压器外环 端壁，可以实现特定工况下排气系统不仅具有良好的扩压能力，且可以明显 减弱排气系统内流场的不均匀性。这种非对称扩压器外环端壁的轴向长度是 根据对称扩压器端壁的轴向长度预设的，以特定工况下预设的扩压器外环端 壁轴向长度L₁’为基数，在周向不同位置预设不同的扩压器外环端壁轴向长 度L₁₁’、L₁₂’、L₁₃’、L₁₄’…全周不同位置调节值不同而产生的非对称扩 压器，可以明显减弱排气系统内流场的非对称性。并且可以根据机组不同的 运行工况，预设多个工况下的全周不同位置的扩压器外环端壁轴向长度L_mn’， 根据实际流场状态实时改变扩压器外环端壁的轴向长度L，实现扩压器的轴 向可调，改善排气系统在变工况条件下的气动性能。

上述轴向长度L_mn’均为预设值，由轴向长度L_mn’、起始扩散角α、出 口面积A_mn’所构成的扩压器，可以使得特定工况下排气系统具有良好的扩 压能力，同时可以减弱排气系统内部的非对称流场。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员 可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然 本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明 并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将 包括在权利要求书的范围中。

Claims (5)

1.一种外环端壁轴向可调的扩压器结构，设置在单侧径向排气系统的透平出口处，包括设置在蜗壳内的扩压器外环端壁、扩压器内环端壁，所述扩压器内环端壁固定设置在所述蜗壳内，所述扩压器外环端壁、扩压器内环端壁之间的周向空间形成为扩压器流道，其特征在于，

所述扩压器外环端壁包括一直径不变的筒状段以及一设置在所述筒状段下游端的扩张段；

所述扩压器外环端壁可沿轴向前后移动，从而调节所述扩压器外环端壁型面的轴向长度L，所述轴向长度L为扩压器外环端壁型面的出口边缘与透平出口之间的轴向距离，且所述扩压器外环端壁沿轴向移动时，所述扩压器流道的入口面积A₀保持不变、出口面积A₁逐渐缩小或增大；

当所述扩压器外环端壁沿轴向向下游移动时，所述轴向长度L变大，所述扩压器外环端壁在轴向上逐渐接近所述扩压器内环端壁，所述扩压器流道的出口面积A₁减小，所述扩压器流道的进出口面积比及所述扩压器流道内流通面积的变化梯度减小；

当所述扩压器外环端壁沿轴向向上游移动时，所述轴向长度L变小，所述扩压器外环端壁在轴向上逐渐远离所述扩压器内环端壁，所述扩压器流道的出口面积A₁增大，所述扩压器流道的进出口面积比及所述扩压器流道内流通面积的变化梯度增大；

所述扩压器流道的进出口面积比可调节的范围是0.923～1.786。

2.根据权利要求1所述的外环端壁轴向可调的扩压器结构，其特征在于，所述扩压器外环端壁轴向长度的调节值在在一周内相同或不同，使所述扩压器流道适应其径向排气的非轴对称蜗壳结构。

3.根据权利要求1所述的外环端壁轴向可调的扩压器结构，其特征在于，当排气系统入口流速减小时，增大所述扩压器外环端壁的轴向长度，以减小所述扩压器流道的出口面积A₁，从而减小所述扩压器流道的进出口面积比和扩压器流道内流通面积的变化梯度。

4.根据权利要求1所述的外环端壁轴向可调的扩压器结构，其特征在于，当排气系统入口流速增大时，减小所述扩压器外环端壁的轴向长度，以增大所述扩压器流道的出口面积A₁，从而减小所述扩压器流道的进出口面积比和扩压器流通内面积的变化梯度。

5.根据权利要求1～4任一项所述的外环端壁轴向可调的扩压器结构，其特征在于，所述扩压器外环端壁型面的轴向长度L在根据工况调节时，应保证所述扩压器外环端壁的几何参数为某一匹配值时，使得设计工况下运行时排气系统的气动性能最优。