CH702692B1 - Variable Leitschaufel und Verfahren zur Beseitigung einer aerodynamischen Erregung. - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine variable (bzw. verstellbare) Leitschaufel (10) für einen axialen Strömungskompressor, die umfasst: einen ersten radialen, äusseren Schaufelabschnitt (14); und einen zweiten radialen, inneren Schaufelabschnitt (12); wobei der erste und zweite Schaufelabschnitt (14, 12) relativ zueinander winkelverstellbar um eine radiale Längsachse (16) der Leitschaufel (10) sind.

Description

[0001] Diese Erfindung bezieht sich auf eine variable Leitschaufel und ein Verfahren zur Beseitigung einer aerodynamischen Erregung.

Hintergrund der Erfindung

[0002] Gasturbinen zur Stromerzeugung mit einer axialen Strömung werden ausgelegt, um optimal mit einer festgelegten Rotationsgeschwindigkeit und einer festen Ausgangsleistung zu arbeiten. Darüber hinaus weisen Gasturbinenkompressoren mit einer axialen Strömung (Axialkompressoren) eine begrenzte, variable Stufengeometrie und begrenzte Luftextraktionen auf. Diese Faktoren führen zu erheblichen, vom Entwurf abweichenden aerodynamischen Bedingungen wie etwa das rotierende Strömungsabrissphänomen während der Anfahr- und Abschaltvorgänge.

[0003] Ein rotierender Strömungsabriss manifestiert sich als ein Auftreten lokaler Strömungsabrisszellen, die ungefähr mit der Hälfte der Rad- oder Rotorgeschwindigkeit rotieren. Diese Zellen bilden kohärente, unregelmässige, aerodynamische Belastungen sowohl auf den Rotor- als auch auf den Statorschaufeln. Wenn der Rotor die Geschwindigkeit verändert, dann ändert sich die Zahl der Strömungsabrisszellen, wodurch verschiedene Grössenordnungen der Erregung oder Knotendurchmesser entstehen. Die entstehende Vibration der Rotor- und Statorschaufeln durch die rotierenden aerodynamischen Belastungen des Strömungsabrisses kann zu einer erhöhten Empfindlichkeit gegenüber einem normalen Schaufelschaden und einem verfrühten Versagen führen.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0004] Neue Untersuchungen haben gezeigt, dass während eines Arbeitsganges, dessen Geschwindigkeit langsamer als gewöhnlich ist (wie etwa beim Start bzw. Anfahren und Abschalten), mehrstufige axiale Strömungskompressoren einer festgelegten Geschwindigkeit mit einer einzelnen Stufe von Schaufeln einer variablen Geometrie, VSV, genannt Einlassleitschaufeln (IGVs = Inlet Guide Vanes), eine getrennte Strömung an dem inneren Durchmesser (ID) der Strömungsbahn zeigen, während der äussere Durchmesser (OD = outer diameter) der Strömungsbahnzone stabiler ist. Diese, mit einer Teilgeschwindigkeit versehene ID-lokalisierte Strömungsabrisswirkung wird in einer Computer-Fluiddynamik-Analyse (CFD-Analyse) eines mehrstufigen axialen Strömungskompressors mit einer typischen festgelegten Geschwindigkeit vorausgesagt.

[0005] Traditionell leitet die einteilige variable IGV-Stufe die Kompressorströmung gleichmässig von dem ID zu dem OD. Deshalb ist es nicht möglich, die Strömungssteuerung zu der ID-Zone von dem Rest der Strömungsbahn zu trennen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0006] Die IGVs sind geteilt und unabhängig voneinander steuerbar, um besonders die ID-Strömungsbahn zu regeln, wo ein rotierender Strömungsabriss auftritt. Diese spannartige (bzw. sich über die Spannbreite der Schaufel erstreckende) Aufspaltung von einzelnen IGVs verbessert die Lebensdauer der Rotor- und Statorschaufel des axialen Strömungskompressors, indem die aerodynamische Erregung auf die Rotor- und Statorschaufeln des axialen Strömungskompressors beseitigt wird, wodurch auch der rotierende Strömungsabriss beseitigt wird, besonders während der Anfahr- und Abschaltvorgänge. Eine unterschiedlich festgelegte, spannartige Abtrennung der Strömungssteuerung des Kompressors stellt ein Verfahren bereit, um die Aerodynamik von rotierenden Strömungsabrissen des axialen Strömungskompressors daran zu hindern, kohärente, unregelmässige Belastungen zu bilden, indem die Kompressorströmung in den ID- und OD-Strömungsbahnzonen getrennt gesteuert wird. Dies verringert die ID-Strömungsabrisskraft und schwächt die Fähigkeit des rotierenden Strömungsabrisses, eine kohärente unregelmässige Schwingungskraft auf den Kompressortragflächen (bzw. -flügeln) zu bilden. Unter normalen Betriebsbedingungen können die ID- und OD-Strömungsbahnzonen verschmolzen werden, indem die inneren und äusseren Schaufelabschnitte angepasst und eingestellt werden, um ein einzelnes Tragflächenprofil festzulegen, d.h. ohne einen Differenzwinkel zwischen den Abschnitten.

[0007] Demgemäss bezieht sich die Erfindung auf eine variable Leitschaufel für einen axialen Strömungskompressor, die umfasst: einen ersten radialen, äusseren Schaufelabschnitt; und einen zweiten radialen, inneren Schaufelabschnitt; wobei der erste und zweite Schaufelabschnitt relativ zueinander winkelverstellbar um eine radiale Längsachse der Leitschaufel sind.

[0008] Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Beseitigung einer aerodynamischen Erregung gemäss Patentanspruch 9.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] <tb>Fig. 1<sep>ist eine schematische Seitenansicht einer gespaltenen IGV gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, das aber die Erfindung nicht begrenzt; <tb>Fig. 2<sep>ist eine schematische Vorderansicht der IGV, die in Fig. 1 gezeigt ist; <tb>Fig. 3<sep>ist eine schematische Draufsicht der IGV, die in Fig. 1 und 2gezeigt ist; <tb>Fig. 4<sep>ist eine schematische Vorderansicht eines Antriebsmechanismus zur Einstellung der IGVs eines Kompressorstators; und <tb>Fig. 5<sep>ist eine der Fig. 1 ähnliche schematische Ansicht, aber sie zeigt eine alternative Ausführungsform eines Antriebs für gespaltene IGVs.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

[0010] Unter Bezugnahme auf Fig. 1–3 ist ein Turbinenkompressorstator IGV 10 spannartig bzw. in Spannbreitenrichtung in zwei Abschnitte aufgespalten, in einen radialen inneren Abschnitt 12 und einen radialen äusseren Abschnitt 14, von denen jeder um eine gemeinsame radiale Achse 16 drehbar ist.

[0011] Eine radiale Ansicht der spannartigen Aufspaltung ist am besten in Fig. 3 zu sehen. Von diesem Standpunkt aus ist es klar, dass die ID- bzw. OD-Abschnitte 12, 14 der IGV an verschiedenen Winkeln bezüglich der zuströmenden axialen Strömung angeordnet sind, die mit dem Strömungspfeil 18 bezeichnet ist. Fig. 3 zeigt auch die radial-orientierte Rotationsachse 16, die sich durch die IGV-Abschnitte 12, 14 erstreckt und die beiden gemeinsam ist. In dem illustrierten Beispiel von Fig. 1weist der IGV-Abschnitt 14 des OD eine Anströmkante 20 und eine Abström- bzw. Austrittskante 22 auf, während der IGV-Abschnitt 12 des ID eine Anströmkante 24 und eine Abström- bzw. Austrittskante 26 aufweist.

[0012] Unter Bezugnahme wieder auf Fig. 1und 2sind koaxiale Wellen 28, 30 eingesetzt, um die IGV-Abschnitte 12, 14 relativ zueinander um die Achse 16 zu drehen. Spezifischer betrachtet ist das radial äussere Ende der Welle 28 an einem ersten Getriebe 32 des ID des IGV-Abschnitts befestigt. Die Welle 28 erstreckt sich durch den OD IGV-Abschnitt 14 (und ist relativ dazu drehbar) und ist an dem ID IGV-Abschnitt 12 befestigt. Das Getriebe 32 wird durch ein erstes Synchronringgetriebe 34 (Fig. 2) in Eingriff gebracht, die Drehung des Letzteren veranlasst den ID IGV-Abschnitt 12 dazu, sich um die Achse 16 auf einem Stutzen oder einem anderen geeigneten Lager 36 zu drehen.

[0013] Gleichzeitig ist der OD IGV-Abschnitt 14 mit einer Muffe 38 versehen, durch welche die Welle 28 hindurchgeht, und die Welle 30 ist teleskopartig über die Welle 28 geschoben und erstreckt sich zwischen dem OD des IGV 14 und einem zweiten Getriebe 40. Das Getriebe 40 wird durch ein zweites Synchronringgetriebe 42 (Fig. 2) in Eingriff gebracht. Eine unabhängige Drehung der Synchronringgetriebe 34, 42 wird eine unterschiedliche Drehung der IGV-Abschnitte 12, 14 veranlassen, so dass die IGV ID und OD-Abschnitte um einen Winkel gegeneinander versetzt werden, wie es in Fig. 3 gezeigt ist.

[0014] Fig. 4 illustriert eine beispielhafte, aber nicht begrenzende Art, in der sowohl illustriert wird, wie die ersten und zweiten Synchronringgetriebe 32, 34 gedreht werden können, als auch ein Eingriff der Ringe mit mehrfachen IGVs 10, die eine (nicht gezeigte) Rotorwelle umgeben, deren Achse bei 44 gezeigt ist. In diesem Beispiel kann ein erster linearer Antrieb 46 mit einem Zylinder 48 und einem Kolben 50 derart angeordnet werden, dass das entfernte Ende 52 des Kolbens 50 drehbar an dem zweiten Ring 34 befestigt ist, und dass die Basis 54 des Zylinders 48 drehbar an einem stationären Träger 56 (z.B. das Kompressorgehäuse) befestigt ist. Eine Ausdehnung (oder Einziehen) des Kolbens 50 verursacht eine Rotationsbewegung des Synchronringgetriebes 34 und eine Bewegung des IGV ID-Abschnitts 12 einer jeden IGV 10. Ähnlich ist ein zweiter Antrieb 58 mit einem Zylinder 60 und einem Kolben 62 drehbar an dem ersten Ring 32 befestigt und die Basis 64 des Zylinders 60 ist drehbar an dem Gehäuse 56 befestigt. Die Betätigung der linearen Antriebe kann zum Beispiel durch ein Computerprogramm oder andere geeignete Steuerungsmittel koordiniert werden, um die gewünschte Bewegung der ID- und OD-Schaufelabschnitte 12, 14 zu erzielen. Bei den Anfahr- und Abschaltvorgängen zum Beispiel werden die ID- und OD-Abschnitte der IGVs, wie in Fig. 3 gezeigt, gegeneinander versetzt sein. Wenn die Turbine unter den normalen Volllastbedingungen arbeitet, werden die ID und OD IGV-Abschnitte 12, 14 eingestellt, um die Versetzung gegeneinander zu beseitigen, d.h. um den Differenzwinkel zwischen den ID und OD IGV-Abschnitten im Wesentlichen auf null zu verringern.

[0015] Man wird verstehen, dass alle geeigneten mechanischen, pneumatischen oder hydraulischen Antriebe eingesetzt werden können, um die IGV ID und OD-Abschnitte zu drehen.

[0016] Man wird verstehen, dass die ID und OD IGV spannartigen Längen (d.h. radiale Längen) variabel sind, basierend entweder auf CFD Vorhersagen oder auf Messdaten. Die einzige Anforderung an die Schaufelspannweite besteht darin, dass die Summe der ID und OD radialen Schaufellängen zusammen die gesamte Strömungsbahn überspannen.

[0017] Fig. 5 illustriert ein anderes nicht begrenzendes Ausführungsbeispiel, in dem jeder IGV-Abschnitt der IGV 110 durch seinen eigenen Synchronring angetrieben wird. Spezifischer betrachtet ist die IGV 110 aufgeteilt, um einen ID IGV-Abschnitt 112 und einen OD IGV-Abschnitt 114 zu enthalten mit einem leichten radialen Spalt 58 an der Schnittstelle. Der ID IGV-Abschnitt 112 ist mit einer Welle 60 versehen, die an einem Getriebe 62 befestigt ist. Das Getriebe 62 wird durch ein erstes Synchronringgetriebe 64 in Eingriff gebracht, dessen Drehung den ID IGV-Abschnitt 112 dazu veranlasst, sich um eine radiale Rotationsachse 116 zu drehen.

[0018] Der OD IGV-Abschnitt 114 ist ebenso mit einer Welle 66 versehen, an der ein zweites Getriebe 68 befestigt ist, das durch ein zweites Synchronringgetriebe 70 in Eingriff gebracht wird.

[0019] Man wird verstehen, dass durch die Verwendung getrennter linearer Antriebe, die jenen ähnlich sind, die in Fig. 4 gezeigt sind, die Synchronringgetriebe 64 und 70 unabhängig voneinander gedreht werden können, um die ID IGV und OD IGV-Abschnitte auf die gewünschten Winkel relativ zu dem eingehenden Luftströmungsvektor festzulegen.

[0020] In einer allgemeinen Anwendung brauchen die ID- und OD-Tragflächenabschnitte nicht die gleiche Konfiguration am Ort der ID-OD Schnittstelle aufzuweisen. Ausserdem braucht der Schnittstellenabschnitt nicht parallel zur Mittellinie der Maschine zu sein, wie es in den Figuren gezeigt ist, sondern er kann einen allgemein definierten Abschnitt aufweisen.

[0021] Das Aufspalten der IGVs in die ID- und OD-Abschnitte wie oben beschrieben weist eine Anzahl von nützlichen Eigenschaften und Vorteilen auf. Zum Beispiel verbessert diese spannartig aufgespaltene IGV-Erfindung die Lebensdauer der Rotor- und Statorschaufel des axialen Strömungskompressors, indem sie die aerodynamische Erregung beseitigt. Durch die spannartige Trennung der Strömungssteuerung des Kompressors wird ein Verfahren zur Verringerung der rotierenden Strömungsabrissaerodynamik des axialen Strömungskompressors bereitgestellt, indem die Bildung kohärenter, unregelmässiger Belastungen verhindert wird. Die spannartig aufgespaltene IGV stellt auch ein Verfahren zur getrennten Regelung der Kompressorströmung in den ID- und OD-Strömungsbahnzonen bereit. Dies verringert die ID-Strömungsabrisszone und schwächt die Fähigkeit des rotierenden Strömungsabrisses, eine kohärente unregelmässige Schwingungskraft auf den Kompressortragflächen zu bilden.

[0022] Ein weiterer Vorteil der getrennten spannartigen Regelung von Kompressorströmen besteht in der verbesserten Fähigkeit, die Leistung herunterzuregeln. Axiale Strömungskompressoren mit einer festgelegten Geschwindigkeit stellen eine Leistungsherabregelung bereit, indem sie die Kompressorströmung verringern. Diese Strömungsverringerung wird durch die IGV-Schliessung bereitgestellt. Eine optimale Regelung der spannartig aufgespaltenen IGV verbessert die Leistung der Herunterregelung und die Grösse der Herunterregelung.

Claims (12)

1. Variable Leitschaufel (10) für einen axialen Strömungskompressor, die umfasst: einen ersten radialen, äusseren Schaufelabschnitt (14); und einen zweiten radialen, inneren Schaufelabschnitt (12); wobei der erste und zweite Schaufelabschnitt (14, 12) relativ zueinander winkelverstellbar um eine radiale Längsachse (16) der Leitschaufel (10) sind.

2. Variable Leitschaufel (10) nach Anspruch 1, wobei die Schnittstelle des ersten und zweiten Schaufelabschnittes (14, 12) entlang einer Aufspaltungslinie verläuft, die im Wesentlichen senkrecht zu der radialen Längsachse (16) ist.

3. Variable Leitschaufel (10) nach Anspruch 2, wobei die Aufspaltungslinie sich ungefähr auf halbem Wege entlang einer radialen Längendimension der Leitschaufel (10) befindet.

4. Variable Leitschaufel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Schaufelabschnitt (14, 12) an jeweiligen Wellen (30, 28) befestigt sind, die auf der radialen Längsachse (16) liegen, wobei jede der Wellen (30, 28) unabhängig drehbar ist.

5. Variable Leitschaufel (10) nach Anspruch 4, wobei jede der Wellen (30, 28) ein Getriebe (40, 32) aufweist, das an dem jeweiligen Ende derselben befestigt ist und mit einem jeweiligen Synchronringgetriebe (42, 34) in Eingriff gebracht werden kann.

6. Variable Leitschaufel (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Schaufelabschnitt (14, 12) auf einer gemeinsamen Welle (28) befestigbar sind, die auf der radialen Längsachse (16) liegt, wobei einer der Schaufelabschnitte (12) an der Welle (28) befestigt ist und der andere der Schaufelabschnitte (14) relativ zu der Welle (28) drehbar ist.

7. Variable Leitschaufel (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite Schaufelabschnitt (114, 112) an jeweiligen Wellen befestigt sind, wobei eine jede an einem Getriebe an den jeweilig entgegengesetzten Enden der Leitschaufel (110) befestigt ist.

8. Variable Leitschaufel (10) nach Anspruch 5, wobei ein jedes der jeweiligen Synchronringgetriebe (42, 34) durch einen hydraulischen Antrieb (46, 58) drehbar ist.

9. Verfahren zur Beseitigung einer aerodynamischen Erregung infolge eines rotierenden Strömungsabrisses, die mit variablen Leitschaufeln (10) für einen axialen Strömungskompressor nach Anspruch 1 verbunden ist, welches Verfahren umfasst: (a) ein Aufspalten einer jeden variablen Leitschaufel (10) in eine Reihe solcher Leitschaufeln, um einen radialen inneren Schaufelabschnitt (12) und einen radialen äusseren Schaufelabschnitt (14) zu bilden; und (b) ein Einstellen der relativen Winkelpositionen des radialen inneren und des radialen äusseren Schaufelabschnittes (12, 14) relativ zu einer Strömungsrichtung der Luft quer zu den Leitschaufeln (10).

10. Verfahren nach Anspruch 9, wobei der radiale innere und radiale äussere Schaufelabschnitt (12, 14) durch getrennte Ringgetriebe eingestellt werden.

11. Verfahren nach Anspruch 9, das eine Winkelversetzung des radialen inneren und radialen äusseren Schaufelabschnitts (12, 14) gegeneinander während des Anfahrens und der Abschaltung umfasst.

12. Verfahren nach Anspruch 11, das eine Verringerung der Winkelversetzung zwischen dem radialen inneren und radialen äusseren Schaufelabschnitt (12, 14) gegeneinander im Wesentlichen auf den Wert Null während des normalen Volllastbetriebes umfasst.