CN106988797B - 用于涡轮的整合的区段的系统 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及用于涡轮的整合的区段的系统。其中，一种燃气轮机包括涡轮和轴向‑径向扩散器。涡轮包括末级翼型件区段，其包括第一内环形壁、多个翼型件、包括第一外环形壁的末梢护罩，以及包括第二外环形壁的固定护罩。第一内环形壁成第一内角平均值的角度，第一外环形壁成第一外角平均值的角度，以及第二外环形壁成第二外角平均值的角度。轴向‑径向扩散器包括第三内环形壁和第三外环形壁，其中第一扩散器区段紧接地设置在末级翼型件区段下游，其中第三内环形壁成第三内角平均值的角度，且第三外环形壁成第三外角平均值的角度。第一外角平均值大于第三外角平均值，第一内角平均值大于第三内角平均值，且第三外角平均值大于第二外角平均值。

Description

用于涡轮的整合的区段的系统
技术领域
本文公开的主题大体上涉及涡轮，并且更具体地涉及涡轮系统的整合的区段。
背景技术
如燃气涡轮发动机的涡轮机可包括压缩机、燃烧器、涡轮和扩散器区段。气体在压缩机中压缩，与燃料结合，且然后给送到燃烧器中，其中气体/燃料混合物燃烧。高温和高能燃烧流体然后给送到涡轮中，其中一个或多个固定喷嘴级(stationary nozzle stages)和一个或多个旋转翼型件级将流体的能量转换成机械能。排出流体然后可离开涡轮且进入扩散器区段中。扩散器区段接收来自涡轮的排出流体，且逐渐地提高压力且降低排出流体的速度。某些涡轮系统包括独立地设计成用于最佳性能的涡轮区段和扩散器区段。
发明内容
在范围上与原始要求保护的主题相应的某些实施例在下文中概述。这些实施例不旨在限制要求保护的主题的范围，而相反，这些实施例仅旨在提供主题的可能形式的简要概括。实际上，主题可包含可与下文所述实施例相似或不同的多种形式。
在第一实施例中，一种燃气轮机包括涡轮和轴向-径向扩散器(axial-radialdiffuser)。涡轮包括末级翼型件区段，其包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第一内环形壁、分别具有联接到第一内环形壁上的近端且沿径向方向向外延伸至远端的多个翼型件、包括围绕第一内环形壁设置的第一外环形壁且联接到多个翼型件中的各个的远端上的末梢护罩(tip shroud)，以及包括围绕第一内环形壁和第一外环形壁设置的第二外环形壁的固定护罩(stationary shroud)。第一内环形壁相对于旋转轴线成第一内角平均值的角度，第一外环形壁相对于旋转轴线沿末级翼型件区段成第一外角平均值的角度，以及第二外环形壁相对于旋转轴线沿末级翼型件区段成第二外角平均值的角度。轴向-径向扩散器包括第一扩散器区段，其包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第三内环形壁和围绕第三内环形壁设置的第三外环形壁，其中第一扩散器区段紧接地设置在末级翼型件区段下游，其中第三内环形壁相对于旋转轴线成第三内角平均值的角度，且第三外环形壁相对于旋转轴线沿第一扩散器区段成第三外角平均值的角度。第一外角平均值大于第三外角平均值，第一内角平均值大于第三内角平均值，且第三外角平均值大于第二外角平均值。
在第二实施例中，一种燃气轮机包括涡轮、护罩区段和轴向-径向扩散器。涡轮包括末级涡轮喷嘴、叶间间隙区段(inter-blade gap section)，以及末级翼型件区段。末级喷嘴区段包括多个喷嘴、围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第一内环形壁，以及围绕第一内环形壁设置的第一外环形壁，其中第一内环形壁相对于旋转轴线成第一内角平均值的角度，且第一外环形壁相对于旋转轴线沿末级喷嘴区段成第一外角平均值的角度。叶间间隙区段包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第二内环形壁，以及围绕第二内环形壁设置的第二外环形壁，其中叶间间隙区段紧接地设置在末级喷嘴区段下游，其中第二内环形壁相对于旋转轴线成第二内角平均值的角度，且第二外环形壁相对于旋转轴线沿叶间间隙区段成第二外角平均值的角度。末级翼型件区段包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第三内环形壁、分别具有联接到第三内环形壁上的近端且沿径向方向向外延伸至远端的多个翼型件、包括围绕第三内环形壁设置的第三外环形壁且联接到多个翼型件中的各个的远端上的末梢护罩，以及包括围绕第三内环形壁和第三外环形壁设置的第四外环形壁的固定护罩。末级翼型件区段紧接地设置在叶间间隙区段下游，其中第三内环形壁相对于旋转轴线成第三内角平均值的角度，第三外环形壁相对于旋转轴线沿末级翼型件区段成第三外角平均值的角度，且第四外环形壁相对于旋转轴线沿末级翼型件区段成第四外角平均值的角度。轴向-径向扩散器包括第一扩散器区段和第二扩散器区段。第一扩散器区段包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第五内环形壁，以及围绕第五内环形壁设置的第五外环形壁，其中第一扩散器区段紧接地设置在末级翼型件区段下游，其中第五内环形壁相对于旋转轴线成第五内角平均值的角度，且第五外环形壁相对于旋转轴线沿第一扩散器区段成第五外角平均值的角度。第二扩散器区段包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第六内环形壁，以及围绕第六内环形壁设置的第六外环形壁，其中第二扩散器区段紧接地设置在第一扩散器区段下游，其中第六内环形壁相对于旋转轴线成第六内角平均值的角度，且第六外环形壁相对于旋转轴线沿第二扩散器区段成第六外角平均值的角度。第三外角平均值大于第五外角平均值，第三内角平均值大于第五内角平均值，且第五外角平均值大于第四外角平均值。
在第三实施例中，一种方法包括提供涡轮和轴向-径向扩散器。涡轮包括末级翼型件区段，其包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第一内环形壁、分别具有联接到第一内环形壁上的近端且沿径向方向向外延伸至远端的多个翼型件、包括围绕第一内环形壁设置的第一外环形壁且联接到多个翼型件中的各个的远端上的末梢护罩，以及包括围绕第一内环形壁和第一外环形壁设置的第二外环形壁的固定护罩。第一内环形壁相对于旋转轴线成第一内角平均值的角度，第一外环形壁相对于旋转轴线沿末级翼型件区段成第一外角平均值的角度，以及第二外环形壁相对于旋转轴线沿末级翼型件区段成第二外角平均值的角度。轴向-径向扩散器包括第一扩散器区段，其包括围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第三内环形壁和围绕第三内环形壁设置的第三外环形壁，其中第一扩散器区段紧接地设置在末级翼型件区段下游，其中第三内环形壁相对于旋转轴线成第三内角平均值的角度，且第三外环形壁相对于旋转轴线沿第一扩散器区段成第三外角平均值的角度。第一外角平均值大于第三外角平均值，第一内角平均值大于第三内角平均值的角度，且第三外角平均值大于第二外角平均值。
技术方案1. 一种燃气轮机，包括：
涡轮，其包括：
末级翼型件区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第一内环形壁；
多个翼型件，各翼型件包括联接到所述第一内环形壁上的近端且沿径向方向向外延伸至远端；
末梢护罩，其包括围绕所述第一内环形壁设置且联接到所述多个翼型件中的各个的远端上的第一外环形壁；以及
固定护罩，其包括围绕所述第一内环形壁和所述第一外环形壁设置的第二外环形壁；
其中，所述第一内环形壁相对于所述旋转轴线成第一内角平均值的角度，所述第一外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级翼型件区段成第一外角平均值的角度，以及所述第二外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级翼型件区段成第二外角平均值的角度；
以及
轴向-径向扩散器，其包括：
第一扩散器区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第三内环形壁；以及
围绕所述第三内环形壁设置的第三外环形壁；
其中，所述第一扩散器区段紧接地设置在所述末级翼型件区段下游，所述第三内环形壁相对于所述旋转轴线成第三内角平均值的角度，以及所述第三外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述第一扩散器区段成第三外角平均值的角度；
其中，所述第一外角平均值大于所述第三外角平均值，所述第一内角平均值大于所述第三内角平均值，且所述第三外角平均值大于所述第二外角平均值。
技术方案2. 根据技术方案1所述的燃气轮机，其中，所述第一外角平均值比所述第三外角平均值大大约2度到大约5度之间，所述第一内角平均值比所述第三内角平均值大大约3度到大约6度之间，以及所述第三外角平均值比所述第二外角平均值大大约7度到大约10度之间。
技术方案3. 根据技术方案1所述的燃气轮机，其中，所述第一外角平均值比所述第三外角平均值大大约4度，所述第一内角平均值比所述第三内角平均值大大约5度，以及所述第三外角平均值比所述第二外角平均值大大约9度。
技术方案4. 根据技术方案1所述的燃气轮机，其中，所述第一外角平均值在大约19度到大约20度之间，所述第二外角平均值在大约6度到大约8度之间，所述第三外角平均值在大约15度到大约16度之间，以及所述第三内角平均值小于大约2度。
技术方案5. 根据技术方案1所述的燃气轮机，其中，所述第一外角平均值为大约19度，所述第二外角平均值为大约7度，所述第三外角平均值为大约16度，以及所述第三内角平均值为大约0度。
技术方案6. 根据技术方案1所述的燃气轮机，其中，所述涡轮包括：
末级喷嘴区段，其包括：
多个喷嘴；
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第四内环形壁；以及
围绕所述第四内环形壁设置的第四外环形壁；
其中，所述末级喷嘴区段设置在所述末级翼型件区段上游，所述第四内环形壁相对于所述旋转轴线成第四内角平均值的角度，以及所述第四外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级喷嘴区段成第四外角平均值的角度；以及
叶间间隙区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第五内环形壁；以及
围绕所述第五内环形壁设置的第五外环形壁；
其中，所述叶间间隙区段紧接地设置在所述末级喷嘴区段下游且紧接地设置在所述末级翼型件区段上游，所述第五内环形壁相对于所述旋转轴线成第五内角平均值的角度，以及所述第五外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述叶间间隙区段成第五外角平均值的角度；以及
所述轴向-径向扩散器包括第二扩散器区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第六内环形壁；以及
围绕所述第六内环形壁设置的第六外环形壁；
其中，所述第二扩散器区段紧接地设置在所述第一扩散器区段下游，所述第六内环形壁相对于所述旋转轴线成第六内角平均值的角度，以及所述第六外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述第二扩散器区段成第六外角平均值的角度。
技术方案7. 根据技术方案6所述的燃气轮机，其中，所述第四外角平均值在大约15度到大约17度之间，所述第五外角平均值在大约14度到大约16度之间，所述第六外角平均值在大约7度到大约9度之间，所述第四内角平均值在大约4度到大约6度之间，所述第五内角平均值在大约4度到大约5度之间，所述第一内角平均值在大约4度到大约5度之间，以及所述第六内角平均值小于大约2度。
技术方案8. 根据技术方案6所述的燃气轮机，其中，所述第四外角平均值为大约16度，所述第五外角平均值为大约15度，所述第六外角平均值为大约8度，所述第四内角平均值为大约5度，所述第五内角平均值为大约5度，所述第一内角平均值为大约5度，以及所述第六内角平均值为大约0度。
技术方案9. 一种燃气轮机，包括：
涡轮，其包括：
末级喷嘴区段，其包括：
多个喷嘴；
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第一内环形壁；以及
围绕所述第一内环形壁设置的第一外环形壁；
其中，所述第一内环壁相对于所述旋转轴线成第一内角平均值的角度，以及所述第一外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级喷嘴区段成第一外角平均值的角度；
叶间间隙区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第二内环形壁；以及
围绕所述第二内环形壁设置的第二外环形壁；
其中，所述叶间间隙区段紧接地设置在所述末级喷嘴区段下游，所述第二内环形壁相对于所述旋转轴线成第二内角平均值的角度，以及所述第二外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述叶间间隙区段成第二外角平均值的角度；以及
末级翼型件区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第三内环形壁；
多个翼型件，各翼型件包括联接到所述第三内环形壁上的近端且沿径向方向向外延伸至远端；
末梢护罩，其包括围绕所述第三内环形壁设置且联接到所述多个翼型件中的各个的远端上的第三外环形壁；以及
固定护罩，其包括围绕所述第三内环形壁和所述第三外环形壁设置的第四外环形壁；
其中，所述末级翼型件区段紧接地设置在所述叶间间隙区段下游，所述第三内环形壁相对于所述旋转轴线成第三内角平均值的角度，所述第三外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级翼型件区段成第三外角平均值的角度，且所述第四外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级翼型件区段成第四外角平均值的角度；以及
轴向-径向扩散器，其包括：
第一扩散器区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第五内环形壁；以及
围绕所述第五内环形壁设置的第五外环形壁；
其中，所述第一扩散器区段紧接地设置在所述末级翼型件区段下游，所述第五内环形壁相对于所述旋转轴线成第五内角平均值的角度，以及所述第五外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述第一扩散器区段成第五外角平均值的角度；
第二扩散器区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第六内环形壁；以及
围绕所述第六内环形壁设置的第六外环形壁；
其中，所述第二扩散器区段紧接地设置在所述第一扩散器区段下游，所述第六内环形壁相对于所述旋转轴线成第六内角平均值的角度，以及所述第六外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述第二扩散器区段成第六外角平均值的角度；
其中，所述第三外角平均值大于所述第五外角平均值，所述第三内角平均值大于所述第五内角平均值，且所述第五外角平均值大于所述第四外角平均值。
技术方案10. 根据技术方案9所述的燃气轮机，其中，所述第三外角平均值比所述第五外角平均值大大约2度到大约5度之间，所述第三内角平均值比第五内角平均值大大约3度到大约6度之间，以及所述第五外角平均值比所述第四外角平均值大大约7度到大约10度之间。
技术方案11. 根据技术方案9所述的燃气轮机，其中，所述第三外角平均值比所述第五外角平均值大大约4度，所述第三内角平均值比第五内角平均值大大约5度，以及所述第五外角平均值比所述第四外角平均值大大约9度。
技术方案12. 根据技术方案9所述的燃气轮机，其中，所述第三外角平均值在大约19度到大约20度之间，所述第四外角平均值在大约6度到大约8度之间，所述第五外角平均值在大约15度到大约16度之间，以及所述第五内角平均值小于大约2度。
技术方案13. 根据技术方案9所述的燃气轮机，其中，所述第三外角平均值为大约19度，所述第四外角平均值为大约7度，所述第五外角平均值为大约16度，以及所述第五内角平均值为大约0度。
技术方案14. 根据技术方案9所述的燃气轮机，其中，所述第一外角平均值在大约15度到大约17度之间，所述第二外角平均值在大约14度到大约16度之间，所述第六外角平均值在大约7度到大约9度之间，所述第一内角平均值在大约4度到大约5度之间，所述第二内角平均值在大约4度到大约5度之间，所述第三内角平均值在大约4度到大约5度之间，以及所述第六内角平均值小于大约2度。
技术方案15. 根据技术方案9所述的燃气轮机，其中，所述第一外角平均值为大约16度，所述第二外角平均值为大约15度，所述第六外角平均值为大约8度，所述第一内角平均值为大约5度，所述第二内角平均值为大约5度，所述第三内角平均值为大约5度，以及所述第六内角平均值为大约0度。
技术方案16. 一种涡轮机，包括：
压缩机；
燃烧器；以及
涡轮，其包括：
末级翼型件区段，其包括：
围绕燃气轮机的旋转轴线设置的第一内环形壁；
多个翼型件，各翼型件包括联接到所述第一内环形壁上的近端且沿径向方向向外延伸至远端；
末梢护罩，其包括围绕所述第一内环形壁设置且联接到所述多个翼型件中的各个的远端上的第一外环形壁；以及
固定护罩，其包括围绕所述第一内环形壁和所述第一外环形壁设置的第二外环形壁；
其中，所述第一内环形壁相对于所述旋转轴线成第一内角平均值的角度，所述第一外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级翼型件区段成第一外角平均值的角度，以及所述第二外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级翼型件区段成第二外角平均值的角度；
轴向-径向扩散器，其包括：
第一扩散器区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第三内环形壁；以及
围绕所述第三内环形壁设置的第三外环形壁；
其中，所述第一扩散器区段紧接地设置在所述末级翼型件区段下游，所述第三内环形壁相对于所述旋转轴线成第三内角平均值的角度，以及所述第三外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述第一扩散器区段成第三外角平均值的角度；
其中，所述第一外角平均值大于所述第三外角平均值，所述第一内角平均值大于所述第三内角平均值，且所述第三外角平均值大于所述第二外角平均值。
技术方案17. 根据技术方案16所述的涡轮机，其中，所述第三外角平均值比所述第五外角平均值大大约2度到大约5度之间，所述第三内角平均值比第五内角平均值大大约3度到大约6度之间，以及所述第五外角平均值比所述第四外角平均值大大约7度到大约10度之间。
技术方案18. 根据技术方案16所述的涡轮机，其中，所述第三外角平均值比所述第五外角平均值大大约4度，所述第三内角平均值比第五内角平均值大大约5度，以及所述第五外角平均值比所述第四外角平均值大大约9度。
技术方案19. 根据技术方案16所述的涡轮机，其中，所述涡轮包括：
末级喷嘴区段，其包括：
多个喷嘴；
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第四内环形壁；以及
围绕所述第四内环形壁设置的第四外环形壁；
其中，所述末级喷嘴区段设置在所述末级翼型件区段上游，所述第四内环形壁相对于所述旋转轴线成第四内角平均值的角度，以及所述第四外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述末级喷嘴区段成第四外角平均值的角度；以及
叶间间隙区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第五内环形壁；以及
围绕所述第五内环形壁设置的第五外环形壁；
其中，所述叶间间隙区段紧接地设置在所述末级喷嘴区段下游且紧接地设置在所述末级翼型件区段上游，所述第五内环形壁相对于所述旋转轴线成第五内角平均值的角度，以及所述第五外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述叶间间隙区段成第五外角平均值的角度；以及
所述轴向-径向扩散器包括第二扩散器区段，其包括：
围绕所述燃气轮机的旋转轴线设置的第六内环形壁；以及
围绕所述第六内环形壁设置的第六外环形壁；
其中，所述第二扩散器区段紧接地设置在所述第一扩散器区段下游，所述第六内环形壁相对于所述旋转轴线成第六内角平均值的角度，以及所述第六外环形壁相对于所述旋转轴线沿所述第二扩散器区段成第六外角平均值的角度。
技术方案20. 根据技术方案19所述的涡轮机，其中，所述第一外角平均值在大约15度到大约17度之间，所述第二外角平均值在大约14度到大约16度之间，所述第三外角平均值在大约19度到大约20度之间，所述第四外角平均值在大约6度到大约7度之间，所述第五外角平均值在大约15度到大约16度之间，所述第六外角平均值在大约7度到大约9度之间，所述第一内角平均值在大约3度到大约5度之间，所述第二内角平均值在大约4度到大约6度之间，所述第三内角平均值在大约4度到大约5度之间，所述第五内角平均值小于大约2度，以及所述第六内角平均值小于大约2度。
附图说明
在参照附图阅读以下详细描述时，本公开内容的这些及其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中相似的标号表示附图各处相似的部件，在附图中：
图1为根据本公开内容的方面的涡轮机的一个实施例的简图；
图2为根据本公开内容的方面的涡轮和扩散器的整合的末级的实施例的侧部截面视图；
图3为根据本公开内容的方面的用于组装图2中所示的整合的系统的过程的流程图；
图4为根据本公开内容的方面的用于整合的系统的一个实施例的标准化总绝对压力(PTA)分布的示例图；
图5为根据本公开内容的方面的用于整合的系统的一个实施例的旋流分布的示例图；
图6为根据本公开内容的方面的整合系统的一个实施例中的扩散器的压力恢复系数的示例图。
部件列表：
10 涡轮机
12 压缩机
14 燃烧器
16 涡轮
18 扩散器
20 级
22 末级
24 旋转轴线
26 喷嘴末级
28 轮叶末级
30 轴向方向
32 径向方向
32 周向方向
36 径向平面
50 整合的系统
52 护罩
54 第一内环形壁
56 第二内环形壁
58 第三内环形壁
62 第五内环形壁
64 第六内环形壁
66 第一外环形壁
68 第二外环形壁
70 第四环形壁
74 第五外环形壁
76 第六外环形壁
78 环形流动通路
80 上游端
82 下游端
84 末级喷嘴区段
86 叶间间隙区段
88 末级轮叶区段
90 护罩区段
92 预支撑扩散器区段
94 支撑扩散器区段
96 喷嘴
98 毂
100 轮叶
102 末梢
104 支柱
106 过程
108 框
110 框
112 框
114 PTA图
116 水平轴线
118 垂直轴线
120 目标
122 旧的设计
124 实际
126 旋流图
128 水平轴线
130 垂直轴线
132 目标
134 旧的设计
136 实际
138 Cp图
140 垂直轴线
142 旧的设计
144 实际的。
具体实施方式
下文将描述本主题的一个或多个特定实施例。为了提供这些实施例的简要描述，可在说明书中不描述实际实施方式的所有特征。应当认识到的是，在任何此类实际实施方式的开发中，如任何工程或设计项目中那样，必须进行许多实施方式特有的决定来实现开发者的特定目标，如，符合系统相关和业务相关的约束，这可从一个实施方式到另一个而不同。此外，应当认识到的是，虽然此开发工作可能复杂且耗时，但对于受益于本公开内容的普通技术人员仍是设计、制造和生产的例行任务。
当介绍本公开内容的各种实施例的元件时，冠词“一个”、“一种”、“该”和“所述”旨在意指存在一个或多个元件。用语“包括”、“包含”和“具有”旨在为包含性的，且意思是可存在除所列元件之外的附加元件。
随着在燃气涡轮发动机中的燃烧，排出流体离开燃烧器，流过涡轮，且进入扩散器中。涡轮出口流动分布(即，总压力和旋流的径向分布)可相关于扩散器性能(即，压力恢复系数，Cp)。通常，涡轮和扩散器独立地设计成用于最佳性能。令人遗憾的是，在整合此系统时，组合的涡轮和扩散器可能没有最佳地起作用。如下文所述，涡轮的毂和罩可设计成在扩散器的入口处产生总压力(PTA)和旋流分布，这可有助于改善扩散器性能。此外，扩散器的罩可设计成使得壁角在流富有能量时在扩散器中的早期(例如，上游)较陡，且在流的能量降低时随后(例如，下游)较浅，以防止分离。角的差异还可产生冲击效果，从而产生局部PTA尖峰，这也改善扩散器性能。本文公开的技术可用于设计涡轮和扩散器来一起工作，以改善系统的总体性能。
现在转到附图，图1为涡轮机10(例如，燃气涡轮发动机)的一个实施例的简图。图1中所示的涡轮机10包括压缩机12、燃烧器14、涡轮16和扩散器18。氧化剂或一些其它气体在压缩机12中压缩，与燃料混合，给送到燃烧器14中，且然后燃烧。燃烧流体给送到涡轮16中，在该处，来自排出流体的能量转换成机械能。涡轮包括多个级20，其包括末级22。各个级20可包括联接到旋转轴上的具有围绕旋转轴线24旋转的沿轴向对准的叶片、轮叶或翼型件的环形阵列的转子，以及具有喷嘴的环形阵列的定子。因此，末级22可包括喷嘴末级26和翼型件末级28。排出流体离开涡轮且进入扩散器18，其增大排出流体的压力，且减小排出流体的速度。应当理解的是，尽管图1中示出了径向扩散器，但一些实施例可包括轴向扩散器。为了清楚起见，图1包括坐标系，其包括轴向方向30、径向方向32和周向方向34。此外，示出了径向平面36。径向平面30在一个方向上沿轴向方向30(沿旋转轴线26)延伸，且然后沿径向方向向外延伸。
在涡轮16和扩散器18设计成与彼此一起工作时，扩散器18的性能可改善。如下文所述，涡轮16的毂和罩可设计成在扩散器18的入口处产生期望的总压力(PTA)和旋流分布，这可有助于改善扩散器18的性能。扩散器18的罩然后可设计成使得壁角在流富有能量时在扩散器18中的早期(例如，上游)较陡来提取能量，且在流的能量降低时随后(例如，下游)较浅，以防止分离。
图2示出了整合在一起以便改善扩散器18的性能的涡轮16和扩散器18的末级22的实施例的侧部截面视图。整合的系统50可包括联接在一起的涡轮16和扩散器18。涡轮16和扩散器18可为涡轮机10(例如，燃气涡轮发动机)的一部分。然而，在其它实施例中，涡轮16和扩散器18可为其它系统(如，蒸汽涡轮发动机等)的一部分。
整合的系统50可包括沿轴向方向30延伸且沿周向方向34包绕旋转轴线24的一系列连接的内环形壁54, 56, 58, 62, 64。整合的系统还可包括一系列连接的外环形壁66,68, 70, 74, 76，其沿周向34包绕，且可与也沿轴向方向30延伸且沿周向方向34包绕旋转轴线24的内环形壁54, 56, 58, 62, 64同轴。内环形壁54, 56, 58, 62, 64和外环形壁66, 68, 70, 74, 76限定环形流动通路78，流体(例如，排出流体)可经由其从整合的系统50的上游端80流至下游端82。如图2中所示，整合的系统50和对应的环形流动通路78(如由内环形壁54, 56, 58, 62, 64和外环形壁66, 68, 70, 74, 76限定)可分解成多段。例如，在图2中所示的实施例中，从上游端80到下游端82，这些区段包括具有第一内环形壁54和第一外环形壁66的末级喷嘴区段84(例如，喷嘴末级26)、具有第二内环形壁56和第二外环形壁68的叶间间隙区段86、具有第三内环形壁58和第三外环形壁70(例如，护罩52)的末级翼型件区段88(例如，翼型件末级28)、具有第五内环形壁62和第五外环形壁74的第一扩散器区段92以及具有第六内环形壁64和第六外环形壁76的第二扩散器区段94。
排出流体的速度大体上穿过涡轮增大。如图2中所示，环形流动通路78在排出流体的速度减小且排出流体的压力增大时大体上经由扩散器发散。另外，如图2中所示，内环形壁54, 56, 58, 62, 64(例如，α)和外环形壁66, 68, 70, 74, 76(例如，θ)的平均角可从一区段到另一区段而不同。
在图2中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64的角由α表示。沿喷嘴末级区段64的第一内环形壁54的平均角由α1表示。在图2中所示的实施例中，α1为大约-4.7度。然而，α1可为-3.7到-5.7度之间的任何值。沿最后的叶间间隙区段86的第二内环形壁56的平均角由α2表示。在图2中所示的实施例中，α2为大约-4.7度。然而，α2可为-3.7到-5.7度之间的任何值。应当理解的是，尽管α1和α2在图2中为相同的角，但在其它实施例中，α1和α2可与彼此不同。沿末级翼型件区段88的第三内环形壁58的平均角由α3表示。在图2中所示的实施例中，α3为大约-4.6度。然而，α3可为-3.6到-5.6度之间的任何值。沿第一扩散器区段92的第五内环形壁62的平均角由α5表示。沿第二扩散器区段94的第六内环形壁64的平均角由α6表示。在图2中所示的实施例中，α5和α6为零。然而，应当理解的是，在一些实施例中，α5和α6可不为零，且可或可不与彼此不同。
类似地，在图2中，外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角由θ表示。沿末级喷嘴区段84的第一外环形壁66的平均角由θ1表示。在图2中所示的实施例中，θ1为大约15.9度。然而，θ1可为14.9度到16.9度之间的任何值。沿最后的叶间间隙区段86的第二外环形壁68的平均角由θ2表示。在图2中所示的实施例中，θ2为大约15度。然而，θ2可为14到16度之间的任何值。末级翼型件区段88包括一个或多个翼型件100，各个翼型件均具有由护罩52(例如，第四环形外壁)包绕的末梢102(例如，第三环形外壁或末梢护罩)。翼型件末梢102(例如，第三环形外壁或末梢护罩)的平均角由θ3表示。在图2中所示的实施例中，θ3为大约19.3度。然而，θ3可为18.3到20.3度之间的任何值。沿末级翼型件区段88包绕翼型件100的第四外环形壁70(例如，护罩52)的平均角由θ4表示。在图2中所示的实施例中，θ4为大约6.9度。然而，θ4可为5.9到7.9度之间的任何值。沿第一扩散器区段92的第五外环形壁74的平均角由θ5表示。在图2中所示的实施例中，θ5为大约15.7度。然而，θ5可为14.7到16.7度之间的任何值。沿第二扩散器区段94的第六外环形壁76的平均角由θ6表示。在图2中所示的实施例中，θ6为大约8.2度。然而，θ6可为7.2到9.2度之间的任何值。
然而，应当理解的是，图2中所示的内环形壁54, 56, 58, 62, 64和外环形壁66,68, 70, 74, 76的角表示沿该区段的平均角。在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62,64和外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角可穿过区段而变化。在一些实施例中，内环形壁54,56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76可在沿轴向方向30向下游移动时弯曲。此外，从图2中的一个区段到另一个区段的过渡示为“硬”过渡，其中内环形壁54, 56,58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角在区段之间立即变化。然而，在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角的变化可通过平滑过渡实现。
在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64和外环形壁66, 68, 70, 74, 76的形状可不由独立角的值限定，而是由某些角(例如，冲击角)之间或一些角的值关于其它角的值的差异限定。例如，θ3与θ5之间的差异可为3.6±2.0度。例如，θ3与θ5之间的差异可为1.6, 1.8, 2.0, 2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.4, 3.8, 4.0, 4.2, 4.4, 4.6,4.8, 5.0, 5.2, 5.4或5.6度。类似地，θ3与θ5之间的差异可为4.6±2.0度。例如，α3与α5之间的差异可为2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.4, 3.6, 3.8, 4.0, 4.2, 4.4, 4.8, 5.0, 5.2,5.4, 5.6, 6.8, 6.0, 6.2, 6.4或6.6度。类似地，θ4与θ5之间的差异可为8.8±2.0度。例如，θ4与θ5之间的差异可为6.8, 7.0, 7.2, 7.4, 7.6, 7.8, 8.0, 8.2, 8.4, 8.6, 9.0,9.2, 9.4, 9.6, 9.8, 10.0, 10.2, 10.4, 10.6或10.8度。
在一些实施例中，喷嘴末级26可包括沿周向围绕第一内环形壁54设置且沿径向方向32延伸至第一外环形壁66的多个翼形喷嘴96。在一些实施例中，喷嘴96可包括如2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OF SECONDARY FLOW AND OPTIMALDIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的吸入侧凸部和/或压力侧倾斜，该申请通过引用以其整体并入本公开内容中。然而，应当理解的是，本文公开的技术还可用于具有带喷嘴96的喷嘴末级26的系统中，其没有吸入侧凸部或压力侧倾斜。
如前文所述，沿末级喷嘴区段84的第一内环形壁54的平均角由α1表示。在图2中所示的实施例中，α1为大约-4.7度。然而，α1可为-3.7到-5.7度之间的任何值。例如，α1可为-3.7, -3.9, -4.1, -4.3, -4.5, -4.9, 5.0, -5.1, -5.3, -5.5或-5.7度。沿末级喷嘴区段84的第一外环形壁66的平均角由θ1表示。在图2中所示的实施例中，θ1为大约15.9度。然而，θ1可为14.9度到16.9度之间的任何值。例如，θ1可为14.9, 15.0, 15.1, 15.3, 15.5,15.7,16.0, 16.1, 16.3, 16.5, 16.7, 16.9或17度。
叶间间隙区段86紧接地设置在末级喷嘴区段84的下游。叶间间隙区段86为环形空间，其沿径向方向32设置在第二内环形壁56与第二外环形壁68之间，且沿轴向方向30设置在末级喷嘴区段84与末级翼型件区段88之间。叶间间隙区段86提供空间，流体经由该空间在喷嘴末级26与翼型件末级28之间流动。应当理解的是，图2未按比例绘制，且沿轴向方向30的叶间间隙区段86的长度可比紧接地位于上游的末级喷嘴区段84和紧接地位于下游的末级翼型件区段88更长或更短。
沿最后的叶间间隙区段86的第二内环形壁56的平均角由α2表示。在图2中所示的实施例中，α2为大约-4.7度。然而，α2可为-3.7到-5.7度之间的任何值。例如，α2可为-3.7, -3.9, 4.0, -4.1, -4.3, -4.5, -4.9, 5.0, -5.1, -5.3, -5.5或-5.7度。应当理解的是，尽管α1和α2在图2中为相同的角，但在其它实施例中，α1和α2可与彼此不同。沿叶间间隙区段86的第二外环形壁68的平均角由θ2表示。在图2中所示的实施例中，θ2为大约15度。然而，θ2可为14到16度之间的任何值。例如，θ2可为14.0, 14.2, 14.4, 14.6, 14.8, 15.2, 15.4,15.6或15.8度。
末级翼型件区段88紧接地设置在叶间间隙区段86下游。在一些实施例中，翼型件末级28，第三内环形壁58可为毂98的一部分。翼型件末级28还可包括多个翼形翼型件100，其沿周向围绕毂98设置，且沿径向方向32向外朝末梢102延伸。末梢102设置在翼型件100的远端处，且邻近第三外环形壁70的内表面。末梢可具有由固定护罩52或第四环形壁70包绕的末梢护罩。在一些实施例中，翼型件100可设计成具有在毂98与末梢102之间的翼展的大约65%处定心的增大的厚度，这在2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGNFOR OPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明，该申请通过引用以其整体并入本公开内容中。然而，应当理解的是，本文公开的技术也可用于带翼型件100的翼型件末级28的系统中，其没有在毂98与末梢102之间的翼展的大约65%处定心的增大的厚度。
沿末级翼型件区段88的第三内环形壁58的平均角由α3表示。在图2中所示的实施例中，α3为大约-4.6度。然而，α3可为-3.6到-5.6度之间的任何值。例如，α3可为-3.6, -3.8,-4.0, -4.2, -4.4, -4.8, -5.0, -5.2, -5.4或-5.6度。沿翼型件100的翼型件末梢102的平均角(例如，第三外环形壁或末梢护罩)由θ3表示。在图2中所示的实施例中，θ3为大约19.3度。然而，θ3可为18.3到20.3度之间的任何值。例如，θ3可为18.3, 18.5, 18.7, 18.9,19.0, 19.1, 19.5, 19.7, 19.9, 20.0, 20.1或20.3度。沿末级翼型件区段88的第四外环形壁70(例如，护罩52)的平均角由θ4表示。在图2中所示的实施例中，θ4为大约6.9度。然而，θ4可为5.9到7.9度之间的任何值。例如，θ4可为5.9, 6.0, 6.1, 6.3, 6.5, 6.7,7.0, 7.1,7.3, 7.5, 7.7, 7.9或8.0度。
扩散器18可紧接地设置在末级翼型件区段88的下游。通过增大流过扩散器18的排出流体的流动通路的容积，扩散器降低速度且增大排出流体的压力。为了清楚起见，在本公开内容中，扩散器18将描述为具有由其与扩散器支柱104的空间关系限定的两个区段：第一扩散器区段92和第二扩散器区段94。然而，应当理解的是，在操作中，扩散器18实际上可不分成两个区段。第一扩散器区段为沿径向方向32设置在第五内环形壁62与第五外环形壁74之间且沿轴向方向30设置在末级翼型件区段88与第二扩散器区段94之间的环形空间。第一扩散器区段92为紧接在护罩52下游且紧接在扩散器支柱104上游的扩散器18的部分。第一扩散器区段92提供空间，排出流体经由该空间在末级翼型件区段88与第二扩散器区段94之间流动。应当理解的是，图2并未按比例绘制，且第一扩散器区段92在轴向方向30上的长度关于图2中所示的其它区段84, 86, 88, 94可更长或更短。
沿第一扩散器区段92的第五内环形壁62的平均角由α5表示。在图2中所示的实施例中，α5和α6为零。然而，应当理解的是，在一些实施例中，α5和α6可不为零，且可或可不与彼此不同。沿第一扩散器区段92的第五外环形壁74的平均角由θ5表示。在图2中所示的实施例中，θ5为大约15.7度。然而，θ5可为14.7到16.7度之间的任何值。例如，θ5可为14.7, 14.9,15.0, 15.1, 15.3, 15.5, 15.9, 16.0, 16.1, 16.3, 16.5或16.7度。
第二扩散器区段94紧接地设置在第一扩散器区段92下游。第二扩散器区段94为沿径向方向32设置在第六内环形壁64与第六外环形壁76之间且沿轴向方向30设置在第一扩散器区段92与扩散器18的下游端82之间的环形空间。第二扩散器区段94为沿轴向方向从扩散器支柱104的大约前缘延伸至扩散器18的下游端82的扩散器18的部分。然而，在一些实施例中，支柱104的轴向范围可由扩散器的第一区段92和第二区段94共享。第二扩散器区段94提供空间，排出流体经由该空间在第一扩散器区段92与扩散器82的下游端之间流动。应当理解的是，图2并未按比例绘制，且第二扩散器区段94在轴向方向30上的长度关于图2中所示的其它区段84, 86, 88, 92可更长或更短。
沿第二扩散器区段94的第六内环形壁64的平均角由α6表示。在图2中所示的实施例中，α4、α5和α6为零。然而，应当理解的是，在一些实施例中，α4、α5和α6可不为零，且可或可不与彼此不同。沿第二扩散器区段94的第六外环形壁76的平均角由θ6表示。在图2中所示的实施例中，θ6为大约8.2度。然而，θ6可为7.2到9.2度之间的任何值。例如，θ6可为7.0, 7.2,7.4, 7.6, 7.8, 8.0, 8.4, 8.6, 8.8, 9.0或9.2度。
如前文所述，应当理解的是，图2中所示和上文所述的内环形壁54, 56, 58, 62,64和外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角表示沿区段的平均角。在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角可穿过区段而变化。在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76可具有弯曲形状。此外，图2中从一个内环形壁54, 56, 58, 62, 64到另一个或从一个外环形壁66,68, 70, 74, 76到另一个的过渡示为“硬”过渡，其中内环形壁54, 56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角在区段之间立即变化。然而，在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76的角的变化可通过平滑过渡实现。
在一些实施例中，内环形壁54, 56, 58, 62, 64和外环形壁66, 68, 70, 74, 76的形状可不由独立角的值限定，而是由某些角之间或一些角的值关于其它角的值的差异限定。例如，θ3与θ5之间的差异可为3.6±2.0度。例如，θ3与θ5之间的差异可为1.6, 1.8, 2.0,2.2, 2.4, 2.6, 2.8, 3.0, 3.2, 3.4, 3.8, 4.0, 4.2, 4.4, 4.6, 4.8, 5.0, 5.2,5.4或5.6度。类似地，α3与α5之间的差异可为4.6±2.0度。例如，α3与α5之间的差异可为2.6,2.8, 3.0, 3.2, 3.4, 3.6, 3.8, 4.0, 4.2, 4.4, 4.8, 5.0, 5.2, 5.4, 5.6, 6.8,6.0, 6.2, 6.4或6.6度。θ4与θ5之间的差异可为8.8±2.0度。例如，θ4与θ5之间的差异可为6.8, 7.0, 7.2, 7.4, 7.6, 7.8, 8.0, 8.2, 8.4, 8.6, 9.0, 9.2, 9.4, 9.6, 9.8,10.0, 10.2, 10.4, 10.6或10.8度。
针对穿过末级喷嘴区段84、叶间间隙区段86和末级翼型件区段88的内环形壁和外环形壁的角(例如，θ1, θ2, θ3, θ4, α1, α2, α3)参照图2所述的值可有助于产生扩散器18的入口处的期望的PTA和旋流分布。图3和4是系统的示例性PTA和旋流分布，该系统具有图2中所示的整合系统50以及2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OFSECONDARY FLOW AND OPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的末级喷嘴设计和2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGN FOROPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明的末级轮叶设计，这两件申请在此通过引用以其整体并入本文公开内容中。然而，应当理解的是，图3和4仅旨在作为实例，且整合系统50的一些实施例可取决于一定数目的不同因素(如，涡轮中的喷嘴的形状、涡轮中的翼型件的形状等)产生不同的PTA和旋流分布。
图3为用于组装整合的系统50的过程106的流程图。在框108中，提供了涡轮16。涡轮16可包括末级喷嘴区段84、叶间间隙区段86、末级翼型件区段88或它们的一些组合。末级喷嘴区段84可包括多个喷嘴96、围绕涡轮16的旋转轴线24设置的第一内环形壁54，以及围绕第一内环形壁54设置的第一外环形壁66。第一内环形壁54可相对于旋转轴线24成第一内角平均值α1，且第一外环形壁66相对于旋转轴线24沿末级喷嘴区段84成第一外角平均值θ1。
叶间间隙区段86可包括围绕旋转轴线24设置的第二内环形壁56，以及围绕第二内环形壁56设置的第二外环形壁68。叶间间隙区段86可紧接地设置在末级喷嘴区段84的下游。第二内环形壁56可相对于旋转轴线24成第二内角平均值α2，且第二外环形壁68可相对于旋转轴线24沿叶间间隙区段86成第二外角平均值θ2。
末级翼型件区段88可包括多个翼型件100、围绕旋转轴线24设置的第三内环形壁58、翼型件的末梢102处的第三外环形壁(例如，末梢护罩)，以及围绕第三内环形壁58且包绕翼型件100设置的第四外环形壁70(例如，固定护罩52)。末级翼型件区段88可紧接地设置在叶间间隙区段86下游。第三内环形壁58可相对于旋转轴线24成第三内角平均值α3，且第三外环形壁(例如，末梢护罩)可相对于旋转轴线24沿末级翼型件区段88成第三外角平均值θ3。第四外环形壁70(例如，固定护罩)可相对于旋转轴线24沿末级翼型件区段88成第四外角平均值θ4。
在框112中，提供了轴向-径向扩散器16。轴向-径向扩散器16可包括第一扩散器区段92和第二扩散器区段94。第一扩散器区段92可包括围绕旋转轴线24设置的第五内环形壁62，以及围绕第五内环形壁62设置的第五外环形壁74。第一扩散器区段92可紧接地设置在末级翼型件区段88下游。第五内环形壁62可相对于旋转轴线24成第五内角平均值α5，且第五外环形壁74可相对于旋转轴线24沿第一扩散器区段92成第五外角平均值θ5。
第二扩散器区段94可包括围绕旋转轴线24设置的第六内环形壁64，以及围绕第六内环形壁64设置的第六外环形壁76。第二扩散器区段94可紧接地设置在第一扩散器区段92下游。第六内环形壁64可相对于旋转轴线24成第六内角平均值α6，且第六外环形壁76相对于旋转轴线24沿第二扩散器区段94成第六外角平均值θ6。
各种内角平均值α1, α2, α3, α5, α6和外角平均值θ1, θ2, θ3, θ4, θ5, θ6的特定值和范围关于图2论述。还参照图2所述，第三外角平均值θ3可大于第五外角平均值θ5，第三内角平均值α3可大于第五内角平均值θ5，且第五外角平均值θ5可大于第四外角平均值θ4。参照图2论述了这些差异的特定值和范围。
图4示出了扩散器18的入口处的标准化总绝对压力(PTA)分布的图114。图4中所示的特定的图114来自使用图2中所示的整合的系统50的涡轮机10的实施例，以及2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OF SECONDARY FLOW AND OPTIMAL DIFFUSERPERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的末级喷嘴设计和2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGN FOR OPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明的末级翼型件设计。因此，标准化PTA图114仅为实例，且不同实施例可具有不同的PTA分布。在图4中，水平轴线116表示无单位的标准化总绝对压力(PTA)。标准化的PTA限定为给定百分比跨度处的PTA除以穿过整个跨度的平均PTA。垂直轴线118表示百分比跨度，其中第五内环形壁62出现在0%跨度处，且第五外环形壁74出现在100%跨度处。曲线124代表使用图2中所示的整合的系统50以及2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OF SECONDARY FLOW AND OPTIMAL DIFFUSERPERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的末级喷嘴设计和2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGN FOR OPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明的末级翼型件设计的系统的标准化PTA分布。大体上，第五内环形壁62和第五外环形壁74附近的PTA的尖峰改善扩散器18的性能。因此，从0到30%跨度的第一环形壁(例如，毂)附近的优选分布尖峰在中部50%中相对较平，且在从80%到100%跨度的第二环形壁(例如，罩)附近又出现尖峰。曲线122代表未使用所公开的整合的系统50的设计的PTA分布。如图4中可见，曲线122没有第五内环形壁62和第五外环形壁74附近的标准化PTA中的相对尖峰，且具有比跨度中部中的目标曲线120更高的PTA。不同于不使用所公开技术的系统的曲线122，曲线124具有在第五内环形壁62和第五外环形壁74附近的尖峰。此外，标准化的PTA曲线124比不使用所公开的技术的曲线122在中部的50%中更平。
类似地，图5示出了扩散器18的入口处的旋流分布的图126。图5中的图126来自涡轮机10的实施例，该涡轮机10使用图2中所示的整合的系统50以及2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OF SECONDARY FLOW AND OPTIMAL DIFFUSERPERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的末级喷嘴设计和2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGN FOR OPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明的末级翼型件设计。因此，旋流分布图126仅为实例。不同的实施例可具有不同的旋流分布。在图5中，水平轴线128表示关于轴向方向30的以度表示的旋流角。垂直轴线130表示百分比跨度，其中第五内环形壁62出现在0%跨度(即，底座)处，且第五外环形壁74出现在100%跨度(即，末梢)处。曲线136代表使用图2中所示的整合的系统50以及2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OF SECONDARY FLOW ANDOPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的末级喷嘴设计和2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGN FOR OPTIMAL DIFFUSERPERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明的末级翼型件设计的系统的旋流分布。大体上，第一环形壁40周围的略微为负的旋流和第二环形壁42周围的略微为正的旋流，以及线性斜率中间跨度(例如，20%跨度到80%跨度)改善扩散器的性能。曲线134代表未使用所公开的整合的系统50的设计的旋流分布。如图5中所示，曲线134在第五内环形壁62附近具有略微为负的旋流角，且在第五外环形壁74附近具有略微为正的旋流角，且在跨度中部中具有线性斜率。对于不使用所公开技术的系统，曲线136具有比曲线122更期望的品质。
图6为具有图2中所示的整合的系统50的扩散器18相比于不使用所公开技术的先前设计的改善的压力恢复系数(Cp)的图114。垂直轴线140表示从0到1的Cp值。Cp(由扩散器恢复的压力比)是测量扩散器性能的一种方式。Cp在0到1之间变化。为0的Cp值意味着扩散器未恢复穿过其的流体的任一压力。为1的Cp值意味着扩散器恢复穿过其的流体的全部压力。大体上，较高Cp值是期望的。如由条142指出那样，不使用所公开技术的设计具有大约0.5的Cp值。作为备选，如由条144指出那样，使用图2中所示的整合的系统50以及2015年7月1日提交的题为“BULGED NOZZLE FOR CONTROL OF SECONDARY FLOW AND OPTIMAL DIFFUSERPERFORMANCE”的美国专利申请第14/789,507号中阐明的末级喷嘴设计和2015年11月9日提交的题为“LAST STAGE AIRFOIL DESIGN FOR OPTIMAL DIFFUSER PERFORMANCE”的美国专利申请第14/936,253号中阐明的末级翼型件设计的系统具有大约0.82的Cp值。正如图4和5那样，图6中所示的Cp图114仅为实例。使用所公开技术的其它实施例可产生不同的Cp值。
本文所述的整合的系统50有助于以许多不同方式改善扩散器18的性能。首先，内环形壁54, 56, 58和外环形壁66, 68, 70的形状，穿过末级喷嘴区段84、叶间间隙区段86和末级翼型件(例如，轮叶或叶片)区段88在扩散器18的入口处产生有利的旋流和PTA分布。具体而言，第五内环形壁62和第五外环形壁74周围的PTA尖峰和近零旋流角改善扩散器18的压力恢复。第二，较早在扩散器18(例如，第一扩散器区段92)中的陡的(例如，大于14度)第五外环形壁74的角增大流体流富有能量的扩散器18的上游端80中未由涡轮16提取的流体流中的残余动能的回收。第三，随后在扩散器18(例如，第二扩散器区段94)中(其中流体流较弱)的较浅第六外环形壁76角可有助于避免扩散器18中的分离。第四，参照图2所述的角的差异可产生冲击效果(例如，流体成角地撞击内环形壁54, 56, 58, 62, 64和/或外环形壁66, 68, 70, 74, 76)，这也可产生改善扩散器的压力恢复的第五内环形壁62和第五外环形壁74附近的期望的PTA尖峰。
本书面描述使用了实例来公开主题，包括最佳模式，且还使本领域的任何技术人员能够实施本主题，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何并入的方法。本主题的专利性范围由权利要求限定，且可包括本领域的技术人员想到的其它实例。如果此类其它实施例具有并非不同于权利要求的书面语言的结构元件，或如果它们包括与权利要求的书面语言无实质差别的等同结构元件，则期望此类其它实例在权利要求的范围内。

Claims (8)

1.一种燃气轮机(10)，包括：
涡轮(16)，其包括：
末级翼型件区段(28)，其包括：
围绕所述燃气轮机(10)的旋转轴线(24)设置的第一内环形壁(58)；
多个翼型件(100)，各翼型件包括联接到所述第一内环形壁(58)上的近端(98)且沿径向方向向外延伸至远端(102)；
末梢护罩，其包括围绕所述第一内环形壁(58)设置且联接到所述多个翼型件(100)中的各个的远端(102)上的第一外环形壁(102)；以及
固定护罩(52)，其包括围绕所述第一内环形壁(58)和所述第一外环形壁(102)设置的第二外环形壁(70)；
以及
轴向-径向扩散器(18)，其包括：
第一扩散器区段(92)，其包括：
围绕所述燃气轮机(10)的所述旋转轴线(24)设置的第三内环形壁(62)；以及
围绕所述第三内环形壁(62)设置的第三外环形壁(74)；
其中，所述第一内环形壁(58)相对于所述旋转轴线(24)成第一内角平均值(α3)的角度，所述第一外环形壁(102)相对于所述旋转轴线(24)沿所述末级翼型件区段(28)成第一外角平均值(θ3)的角度，以及所述第二外环形壁(70)相对于所述旋转轴线(24)沿所述末级翼型件区段(28)成第二外角平均值(θ4)的角度；
其中，所述第一扩散器区段(92)紧接地设置在所述末级翼型件区段(88)下游，所述第三内环形壁(62)相对于所述旋转轴线(24)成第三内角平均值(α5)的角度，以及所述第三外环形壁(74)相对于所述旋转轴线(24)沿所述第一扩散器区段(92)成第三外角平均值(θ5)的角度；
其中，所述第一外角平均值(θ3)大于所述第三外角平均值(θ5)，所述第一内角平均值(α3)大于所述第三内角平均值(α5)，且所述第三外角平均值(θ5)大于所述第二外角平均值(θ4)。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述第一外角平均值(θ3)比所述第三外角平均值(θ5)大大约2度到大约5度之间，所述第一内角平均值(α3)比所述第三内角平均值(α5)大大约3度到大约6度之间，以及所述第三外角平均值(θ5)比所述第二外角平均值(θ4)大大约7度到大约10度之间。
3.根据权利要求1所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述第一外角平均值(θ3)比所述第三外角平均值(θ5)大大约4度，所述第一内角平均值(α3)比所述第三内角平均值(α5)大大约5度，以及所述第三外角平均值(θ5)比所述第二外角平均值(θ4)大大约9度。
4.根据权利要求1所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述第一外角平均值(θ3)在大约19度到大约20度之间，所述第二外角平均值(θ4)在大约6度到大约8度之间，所述第三外角平均值(θ5)在大约15度到大约16度之间，以及所述第三内角平均值(α5)小于大约2度。
5.根据权利要求1所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述第一外角平均值(θ3)为大约19度，所述第二外角平均值(θ4)为大约7度，所述第三外角平均值(θ5)为大约16度，以及所述第三内角平均值(α5)为大约0度。
6.根据权利要求1所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述涡轮(16)包括：
末级喷嘴区段(84)，其包括：
多个喷嘴(96)；
围绕所述燃气轮机(10)的所述旋转轴线(24)设置的第四内环形壁(54)；以及
围绕所述第四内环形壁(54)设置的第四外环形壁(66)；
其中，所述末级喷嘴区段(84)设置在所述末级翼型件区段(88)上游，所述第四内环形壁(54)相对于所述旋转轴线(24)成第四内角平均值(α1)的角度，以及所述第四外环形壁(66)相对于所述旋转轴线(24)沿所述末级喷嘴区段(84)成第四外角平均值(θ1)的角度；以及
叶间间隙区段(86)，其包括：
围绕所述燃气轮机(10)的所述旋转轴线(24)设置的第五内环形壁(56)；以及
围绕所述第五内环形壁(56)设置的第五外环形壁(68)；
其中，所述叶间间隙区段(86)紧接地设置在所述末级喷嘴区段(84)下游且紧接地设置在所述末级翼型件区段(88)上游，所述第五内环形壁(56)相对于所述旋转轴线(24)成第五内角平均值(α2)的角度，以及所述第五外环形壁(68)相对于所述旋转轴线(24)沿所述叶间间隙区段(86)成第五外角平均值(θ2)的角度；以及
所述轴向-径向扩散器包括第二扩散器区段(94)，其包括：
围绕所述燃气轮机(10)的所述旋转轴线(24)设置的第六内环形壁(64)；以及
围绕所述第六内环形壁(64)设置的第六外环形壁(76)；
其中，所述第二扩散器区段(94)紧接地设置在所述第一扩散器区段(92)下游，所述第六内环形壁(64)相对于所述旋转轴线(24)成第六内角平均值(α6)的角度，以及所述第六外环形壁(76)相对于所述旋转轴线(24)沿所述第二扩散器区段(94)成第六外角平均值(θ6)的角度。
7.根据权利要求6所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述第四外角平均值(θ1)在大约15度到大约17度之间，所述第五外角平均值(θ2)在大约14度到大约16度之间，所述第六外角平均值(θ6)在大约7度到大约9度之间，所述第四内角平均值(α1)在大约4度到大约6度之间，所述第五内角平均值(α2)在大约4度到大约5度之间，所述第一内角平均值(α3)在大约4度到大约5度之间，以及所述第六内角平均值(α6)小于大约2度。
8.根据权利要求6所述的燃气轮机(10)，其特征在于，所述第四外角平均值(θ1)为大约16度，所述第五外角平均值(θ2)为大约15度，所述第六外角平均值(θ6)为大约8度，所述第四内角平均值(α1)为大约5度，所述第五内角平均值(α2)为大约5度，所述第一内角平均值(α3)为大约5度，以及所述第六内角平均值(α6)为大约0度。
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