包括具有變化臺(tái)階高度的面向后方的臺(tái)階的擴(kuò)散器的制造方法
【專(zhuān)利摘要】一種使聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備（34）的熱回收蒸汽發(fā)生器（32）上游的氣流（F）擴(kuò)展的擴(kuò)散器（30）。該擴(kuò)散器的外壁（44）包括在有利于流動(dòng)分離的條件下有效固定流動(dòng)再循環(huán)氣泡（56）的位置的平滑放樣的面向后方的臺(tái)階（46）。該臺(tái)階具有繞臺(tái)階邊緣（62）的周邊變化的臺(tái)階高度（H峰、H谷）。變化的臺(tái)階高度將再循環(huán)氣泡分段成小單元（66），所述小單元位于臺(tái)階高度的每個(gè)峰（58）的下游并減小氣泡的再附著長(zhǎng)度（L），從而有助于減小擴(kuò)散器的總長(zhǎng)度。
【專(zhuān)利說(shuō)明】包括具有變化臺(tái)階高度的面向后方的臺(tái)階的擴(kuò)散器
[0001]本申請(qǐng)要求于2011年7月22日提交的61/510，551號(hào)美國(guó)臨時(shí)專(zhuān)利申請(qǐng)的權(quán)益。【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明總體上涉及流動(dòng)擴(kuò)散器的領(lǐng)域，并且更特別地涉及一種例如可以用來(lái)擴(kuò)展聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中的燃?xì)廨啓C(jī)與熱回收蒸汽發(fā)生器之間的氣流并且用來(lái)減慢所述氣流的速度的流動(dòng)擴(kuò)散器。
【背景技術(shù)】
[0003]擴(kuò)散器為用于通過(guò)引導(dǎo)流體穿過(guò)橫截面面積沿流動(dòng)方向增大的流動(dòng)路徑來(lái)減慢流體流的速度的裝置。當(dāng)流動(dòng)面積擴(kuò)大并且流速降低時(shí)，流體的動(dòng)壓頭減小并且流體的靜壓頭增大。
[0004]在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中，來(lái)自燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱排氣被引導(dǎo)到熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)中以傳遞來(lái)自熱氣中的熱量，從而在氣體排放到大氣中之前冷卻該氣體?；厥盏臒崃考訜嵬ㄟ^(guò)HRSG的管的水并產(chǎn)生蒸汽，蒸汽隨后用來(lái)驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)。已知將擴(kuò)散器安裝在燃?xì)廨啓C(jī)的出口與HRSG的進(jìn)口之間以使管免于過(guò)高速度的氣體的影響并提高HRSG的熱傳遞性能。美國(guó)專(zhuān)利7，272，930描述了一種這種聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備擴(kuò)散器的應(yīng)用。
[0005]在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中的HRSG的上游使用的典型的擴(kuò)散器包括其直徑沿下游方向擴(kuò)大的呈大致圓錐形形狀的外壁。用來(lái)描述這種擴(kuò)散器的兩個(gè)參數(shù)為:面積擴(kuò)張比(出口橫截面面積除以入口橫截面面積)和擴(kuò)張角(或半角，表示為如在橫截面中觀察到的限定在壁的一側(cè)與流動(dòng)方向中心線(xiàn)之間的角)。這兩個(gè)參數(shù)控制獲得期望的流動(dòng)減速程度所需的擴(kuò)散器的總長(zhǎng)度。如果擴(kuò)張角太小，則擴(kuò)散器過(guò)長(zhǎng)，考慮到空間和成本原因這在動(dòng)力設(shè)備中是不希望的。如果擴(kuò)張角太大，則流與壁分離并沿著壁產(chǎn)生反向流動(dòng)區(qū)域，從而降低了擴(kuò)散器的功能。分離的流是不穩(wěn)定的并且分離氣泡可以在擴(kuò)散器中來(lái)回移動(dòng)，從而不利地影響下游的HRSG。因此，用于聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備的擴(kuò)散器通常設(shè)計(jì)為適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度以避免超過(guò)動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的整個(gè)范圍的流動(dòng)分離。
[0006]研究表明可以通過(guò)激發(fā)分離的剪切層中的渦流相互作用(例如利用聲能)來(lái)主動(dòng)控制擴(kuò)散器中的流動(dòng)分離，從而導(dǎo)致了再附著長(zhǎng)度(reattachment length,附壁長(zhǎng)度)的減小。用于聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備應(yīng)用的主動(dòng)解決方案是難以實(shí)現(xiàn)的，原因在于剪切層可以在擴(kuò)散器內(nèi)移動(dòng)，并且為了避免潛在地使再附著長(zhǎng)度增大，聲激勵(lì)需要關(guān)于優(yōu)化的擾動(dòng)頻率和振幅的知識(shí)。主動(dòng)解決方案還具有消耗功率的缺點(diǎn)，并且施加的能量可能對(duì)系統(tǒng)的機(jī)械部件具有不利影響。
[0007]研究還表明，流動(dòng)行程擋片(tabs )可以通過(guò)產(chǎn)生增加混合的縱向渦流對(duì)來(lái)減小剪切層的流動(dòng)分離再附著長(zhǎng)度。用于聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備應(yīng)用的流動(dòng)擋片解決方案也是難以實(shí)現(xiàn)的，原因在于剪切層的不確定位置，并且這種擋片由于由擋片引起的突然流動(dòng)擾動(dòng)而將產(chǎn)生相對(duì)較高的能量損失。【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0008]下面描述中借助于附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)行說(shuō)明，在附圖中:
[0009]圖1為現(xiàn)有技術(shù)擴(kuò)散器的橫截面圖。
[0010]圖2為示出了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施方式的在渦輪機(jī)與熱回收蒸汽發(fā)生器之間的擴(kuò)散器的位置的聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備的局部橫截面圖。
[0011]圖3為示出了擴(kuò)散器與位于渦輪機(jī)的下游端部以及剛好在擴(kuò)散器的上游的渦輪機(jī)軸支承轂部的圖2的動(dòng)力設(shè)備的局部立體圖。
[0012]圖4為在擴(kuò)散器壁中平滑放樣(lofted)的面向后方的臺(tái)階的邊緣的端視圖，其中，面向后方的臺(tái)階具有以正弦型形狀變化的臺(tái)階高度并且具有大于零的最小臺(tái)階高度。
[0013]圖5為在擴(kuò)散器壁中平滑放樣的面向后方的臺(tái)階的邊緣的端視圖，其中，面向后方的臺(tái)階具有以三角形形狀變化的臺(tái)階高度并且具有等于零的最小臺(tái)階高度。
【具體實(shí)施方式】
[0014]本發(fā)明人已經(jīng)開(kāi)發(fā)了用于圓錐形擴(kuò)散器中的流動(dòng)分離控制的創(chuàng)新性解決方案，所述圓錐形擴(kuò)散器例如可以在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中的熱回收蒸汽發(fā)生器(HRSG)的上游使用。不是試圖預(yù)測(cè)在擴(kuò)散器的許多不同工作條件下的流動(dòng)分離區(qū)域的位置，本發(fā)明的解決方案將面向后方的臺(tái)階結(jié)合到擴(kuò)散器的壁中。該臺(tái)階在有利于流動(dòng)分離的條件下有效地刺激下游流動(dòng)分離氣泡的成形和再附著，以將分離的位置在擴(kuò)散器內(nèi)固定，并且因此具有最小的流動(dòng)能量損失和最小擴(kuò)散長(zhǎng)度。此外，臺(tái)階的高度圍繞擴(kuò)散器壁的周邊以峰/谷模式變化，使得所得的分離氣泡被分割成一系列更小的單元，其中，臺(tái)階中的每個(gè)峰的后面設(shè)置一個(gè)單元。
[0015]下面使用以下術(shù)語(yǔ)來(lái)描述本發(fā)明的實(shí)施方式。通常，在任何給定橫截面處的流動(dòng)在總反向流動(dòng)面積為總流動(dòng)面積的1%或更多時(shí)被認(rèn)為與擴(kuò)散器的壁分離。面向后方的臺(tái)階被理解為引起下游再循環(huán)的流動(dòng)面積沿下游方向的突然增加。平滑放樣的波狀的面向后方的臺(tái)階為具有引向臺(tái)階邊緣的非圓形擾動(dòng)部分的臺(tái)階，其中，擾動(dòng)部分從圓形橫截面轉(zhuǎn)變?yōu)榉菆A形橫截面輪廓，而不形成任何明顯的上游再循環(huán)區(qū)域。邊界層的厚度被認(rèn)為是距壁的距離，在所述距離處，粘性流的速度是自由蒸汽的速度的99%。術(shù)語(yǔ)“大致圓錐形的”指具有圓形橫截面或環(huán)形橫截面的圓錐形狀但允許一些局部區(qū)域具有錐形形狀的變化(如恒定直徑區(qū)域)，只要整個(gè)形狀從入口到出口擴(kuò)大橫截面就可以。
[0016]圖1中以橫截面的形式示出了現(xiàn)有技術(shù)的擴(kuò)散器10。擴(kuò)散器10具有大致圓錐形的外壁12，該外壁12限定大致圓形的入口 14和出口 16并且圍繞流動(dòng)中心線(xiàn)18擴(kuò)大沿流體流F的方向延伸的橫截面面積。壁12包括沿壁12的整個(gè)周邊延伸的面向后方的臺(tái)階20。流動(dòng)分離氣泡22在有利于發(fā)生流動(dòng)分離的條件下在壁12與流體流F之間在臺(tái)階20的下游產(chǎn)生。臺(tái)階20由臺(tái)階邊緣28的任一側(cè)上的兩個(gè)恒定直徑區(qū)域24、26之間的直徑差限定并且據(jù)稱(chēng)具有等于下游恒定直徑區(qū)域26的長(zhǎng)度的臺(tái)階長(zhǎng)度。氣泡具有再附著長(zhǎng)度L。
[0017]圖2示出了本發(fā)明的實(shí)施方式，其中，以橫截面的形式示出了在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備34中附接至下游的HRSG32的大致圓錐形的擴(kuò)散器30。設(shè)備34的燃?xì)廨啓C(jī)的軸支承轂部36設(shè)置為在擴(kuò)散器30的入口 38處的中央體，從而使流體流F在入口 38處具有大致環(huán)形的橫截面幾何形狀。分離氣泡40緊接著轂部36出現(xiàn)?？贫鬟_(dá)(Coanda)噴射流42可以被引導(dǎo)穿過(guò)轂部36以減小氣泡40的尺寸，這在本領(lǐng)域是已知的。擴(kuò)散器30的外壁44包括沿壁44的周邊延伸的平滑放樣的面向后方的臺(tái)階46。在該實(shí)施方式中，臺(tái)階46設(shè)置在緊接著位于入口的下游的第一恒定直徑區(qū)域48與具有的直徑大于第一恒定直徑區(qū)域48的第二恒定直徑區(qū)域50之間，以在第一恒定直徑區(qū)域48與第二恒定直徑區(qū)域50之間限定臺(tái)階46。擴(kuò)散區(qū)域52設(shè)置在第二恒定直徑區(qū)域50與擴(kuò)散器30的將流F引向HRSG32的出口 54之間。流在臺(tái)階46處分離并在臺(tái)階46的下游產(chǎn)生再循環(huán)區(qū)域56 (氣泡)，從而在有利于氣泡形成的工作條件期間限定氣泡56的位置。再附著長(zhǎng)度L小于臺(tái)階長(zhǎng)度，使得氣泡56被完全封閉在擴(kuò)散區(qū)域52的上游。
[0018]圖2的實(shí)施方式的平滑放樣的面向后方的臺(tái)階46的形狀可以在圖3的立體圖中理解，為清楚起見(jiàn)圖3的立體圖以去除HRSG32的方式呈現(xiàn)，并且圖4為在臺(tái)階邊緣62的上游看到的橫穿流動(dòng)中心線(xiàn)18截取的截面圖?？梢钥闯觯_(tái)階46是波浪形的，并且具有沿著壁44的周邊周期性變化的高度。在該實(shí)施方式中，高度具有圍繞整個(gè)周邊的正弦型形狀，即具有交替的峰58和谷60，其中，峰58具有相對(duì)較大的臺(tái)階高度H.谷60具有相對(duì)較小的臺(tái)階高度ΗΦ。圖5為類(lèi)似于圖4的視圖，但是是關(guān)于臺(tái)階高度以可以比正弦型形狀更容易制造的三角形形狀變化的實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解的是，臺(tái)階高度的變化可以采用任何形狀，可以圍繞整個(gè)周邊或周邊的僅一部分延伸，并且可以在不同實(shí)施方式中是關(guān)于流動(dòng)軸線(xiàn)18對(duì)稱(chēng)的或者是不對(duì)稱(chēng)的，不同實(shí)施方式比如可以由特定應(yīng)用的流動(dòng)條件和結(jié)構(gòu)要求所規(guī)定。
[0019]在圖2的實(shí)施方式中，臺(tái)階46形成在外壁44的擾動(dòng)區(qū)域64中，其中，上游恒定直徑區(qū)域48的直徑在整個(gè)擾動(dòng)區(qū)域64中都保持在峰值58處并且谷60從該直徑向外平滑地放樣以在臺(tái)階邊緣62處限定最小臺(tái)階高度ΗΦ。最小臺(tái)階高度在圖4的實(shí)施方式中大于零并且在圖5的實(shí)施方式中等于零。其他實(shí)施方式可以越過(guò)擾動(dòng)區(qū)域64將峰58平滑地放樣至比上游區(qū)域的直徑稍微大或小的直徑。
[0020]在與臺(tái)階高度保持在!^處的類(lèi)似實(shí)施方式相比較時(shí)，圖2至圖5的實(shí)施方式的周期性改變的臺(tái)階高度用來(lái)減小氣泡56的再附著長(zhǎng)度L。這是由于如下事實(shí)而發(fā)生的:行進(jìn)穿過(guò)谷60的流遵循谷坡降的方 向而朝向下游壁50并且在谷60的下游產(chǎn)生非常小的再循環(huán)區(qū)域或不產(chǎn)生再循環(huán)區(qū)域，從而將再循環(huán)區(qū)域56分隔成一系列較小的單元66，其中，臺(tái)階邊緣62處的每個(gè)峰58的下游處設(shè)置一個(gè)單元66。期望減小流中的大規(guī)模的不穩(wěn)定性并且減小由氣泡產(chǎn)生的機(jī)械力的大小。這種幾何形狀的測(cè)試已經(jīng)揭示了具有變化的臺(tái)階高度的實(shí)施方式中的臺(tái)階分離氣泡56具有不同的峰和谷樣式，并且束縛氣泡的剪切層遵循波狀邊緣62的形狀。在每個(gè)峰58的下游觀察到一對(duì)反向旋轉(zhuǎn)渦流。這些渦流對(duì)具有相反方向的馬蹄渦流。馬蹄渦流將流體從分離氣泡帶向主流并將流體從主流攜帶到再循環(huán)區(qū)域，從而提高了該剪切層上的混合。馬蹄渦流也彼此相互作用并且其對(duì)應(yīng)的鏡像由于誘導(dǎo)速度也彼此相互作用。這造成橫穿該剪切層的大規(guī)模流體運(yùn)動(dòng)，這允許分離的剪切層快速再附著。
[0021]有利地，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式設(shè)計(jì)的擴(kuò)散器可以短于類(lèi)似現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計(jì)，原因在于氣泡的再附著長(zhǎng)度減小了。本發(fā)明的波狀高度面向后方的臺(tái)階已經(jīng)經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明在具有或不具有來(lái)自擴(kuò)散器入口處的中央體的科恩達(dá)吹流的圓錐形擴(kuò)散器中使用時(shí)同樣地起作用。當(dāng)波狀臺(tái)階被建模為具有的高度關(guān)于周邊從11_到!1#對(duì)稱(chēng)地變化時(shí)，臺(tái)階氣泡再附著長(zhǎng)度(L)在與具有H蜂的恒定臺(tái)階高度的類(lèi)似裝置相比時(shí)減小幾乎一半。
[0022]盡管文中已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的各種實(shí)施方式，但明顯的是，這些實(shí)施方式僅以示例的方式提供。在不背離本發(fā)明的情況下可以進(jìn)行許多變化、改變和替換。因此，本發(fā)明旨在僅由所附權(quán)利要求的精神和范圍限制。
【權(quán)利要求】
1.一種擴(kuò)散器,包括: 大致圓錐形形狀的外壁，所述大致圓錐形形狀的外壁限定了入口、在流動(dòng)方向上大致擴(kuò)大的橫截面面積、以及大于所述入口的出口 ；并且 所述壁包括沿所述壁的周邊延伸的面向后方的臺(tái)階，所述臺(tái)階將流動(dòng)分離的位置有效地固定在所述壁與流過(guò)所述擴(kuò)散器的流體之間； 其中，所述臺(tái)階包括沿所述周邊周期性變化的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，所述臺(tái)階的高度包括正弦型形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，所述臺(tái)階的高度包括三角形形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，還包括: 中央體，所述中央體設(shè)置在所述入口處； 第一恒定直徑區(qū)域，所述第一恒定直徑區(qū)域位于所述入口的下游； 第二恒定直徑區(qū)域，所述第二恒定直徑區(qū)域包括大于所述第一恒定直徑區(qū)域的直徑并且設(shè)置在所述第一恒定直徑區(qū)域的下游； 擾動(dòng)區(qū)域，所述擾動(dòng)區(qū)域包括設(shè)置在所述第一恒定直徑區(qū)域與所述第二恒定直徑區(qū)域之間的峰和谷，并且所述擾動(dòng)區(qū)域在所述第一恒定直徑區(qū)域與所述第二恒定直徑區(qū)域之間限定了所述周期性變化的臺(tái)階高度；以及 擴(kuò)散區(qū)域，所述擴(kuò)散區(qū)域設(shè)置在所述第二恒定直徑區(qū)域與所述出口之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的擴(kuò)散器，其中，所述峰沿著所述流動(dòng)方向保持第一恒定直徑，并且所述谷在所述流動(dòng)方向上平滑地放樣經(jīng)過(guò)所述擾動(dòng)區(qū)域。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的擴(kuò)散器，其中，所述谷延伸至第二直徑并且限定所述臺(tái)階的周期性零高度部分。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的擴(kuò)散器，其中，所述谷延伸至第一直徑與第二直徑之間的直徑并且限定大于零的最小臺(tái)階高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，所述臺(tái)階沿所述周邊延伸360°。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器，其中，所述臺(tái)階沿所述周邊延伸360°并且所述周期性變化的高度是關(guān)于流動(dòng)中心線(xiàn)軸對(duì)稱(chēng)的。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的擴(kuò)散器，所述擴(kuò)散器安裝在聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備中，所述擴(kuò)散器還包括: 所述聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備的燃?xì)廨啓C(jī)的支承轂部，所述支承轂部設(shè)置為所述入口中的中央體并且在所述入口的下游產(chǎn)生中央體分離區(qū)域；以及 科恩達(dá)流，所述科恩達(dá)流被從所述支承轂部引導(dǎo)以有效地減小所述中央體分離區(qū)域的尺寸。
11.一種聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備，所述聯(lián)合循環(huán)動(dòng)力設(shè)備包括設(shè)置在所述設(shè)備的燃?xì)廨啓C(jī)的出口與熱回收蒸汽發(fā)生器的進(jìn)口之間的根據(jù)權(quán)利要求1所述的擴(kuò)散器。
【文檔編號(hào)】F01D25/30GK103781996SQ201280036172
【公開(kāi)日】2014年5月7日 申請(qǐng)日期:2012年7月20日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月22日
【發(fā)明者】羅金邦, 約翰·K·伊頓 申請(qǐng)人:小利蘭·斯坦福大學(xué)董事會(huì)