CN101319683A - 沿翼展方向分段的可变导向叶片和相关方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及沿翼展方向分段的可变导向叶片和相关方法。因此，一方面，本发明涉及用于轴流式压缩机的可变导向叶片，其包括：第一径向外部叶片段；和第二径向内部叶片段；该第一叶片段和第二叶片段可围绕叶片的纵向的径向轴线彼此相对地进行角度调节。

Description

沿翼展方向分段的可变导向叶片和相关方法
技术领域
本发明涉及燃气涡轮机，更具体地，涉及涡轮压缩机的可变导向叶片(variable guide vane)构造。
背景技术
发电的轴流式燃气涡轮设计为以固定的转速和输出进行最佳地操作。此外，轴流式燃气涡轮压缩机具有限制的可变级几何形状和限制的空气抽取。这些因素在启动和停机操作期间导致显著的偏离设计的空气动力状态，诸如旋转失速现象。
旋转失速本身表现为以大约一半的叶轮或转子速度旋转的局部的失速单元。这些单元在转子叶片和定子叶片上提供相关的不稳定的空气动力载荷。当转子改变速度时，失速单元数将发生变化，从而产生不同数量级的扰动或节径。转子叶片和定子叶片对旋转失速空气动力载荷的振动响应可增加对正常叶片破坏和过早失效的灵敏性。
最近调查显示在速度较慢的操作(诸如启动和停机)期间，固定速度的多级轴流式压缩机在内径(ID)流径处产生分离流，而外径(OD)流径区域却更加稳定，该多级轴流式压缩机具有单级的几何形状可变的叶片VSV，其称为入口导向叶片(IGV)。该部分速度的位于ID处的失速作用在通常的固定速度的多级轴流式压缩机的计算流体动力学(CFD)分析中预测。
通常，整体的可变IGV级使压缩机气流在ID至OD之间一致。因此，不可能将ID区域的气流控制与流径的其它区域分离。
发明内容
根据本发明的示范性的非限制性实施例，IGV为分段(split)的并且可独立地控制，以便尤其管理发生旋转失速的ID流径。各个IGV的这种沿翼展方向(spanwise)的分段通过消除轴流式压缩机的转子叶片和定子叶片上的空气动力扰动而改善轴流式压缩机的转子叶片和定子叶片的耐用性，并且因此还消除尤其在启动和停机操作期间的旋转失速。换句话说，压缩机气流管理的沿翼展方向的分离提供了一种通过独立地管理ID和OD流径区域中的压缩机气流而防止轴流式压缩机的旋转失速空气动力形成相关的不稳定载荷的方法。这减小了ID失速强度，并且削弱了旋转失速在压缩机翼部上形成相关的不稳定的振动力的能力。在正常的操作状态下，可通过调节内部叶片段和外部叶片段以建立单个翼部外形，即在段之间不存在角度差，合并ID和OD流径区域。
因此，一方面，本发明涉及一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片，其包括：第一径向外部叶片段；和第二径向内部叶片段；该第一叶片段和第二叶片段可围绕叶片的纵向的径向轴线彼此相对地进行角度调节。
另一方面，本发明涉及一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片，其包括：第一径向外部叶片段；第二径向内部叶片段；该第一叶片段和第二叶片段可围绕叶片的纵向的径向轴线彼此相对地进行角度调节；其中，该第一叶片段和第二叶片段固定至位于径向轴线上的相应的轴上，该轴中的每个轴都独立地旋转。
附图说明
图1是根据本发明的示范性的非限制性实施例的分段的IGV的示意性侧视图；
图2是图1所示的IGV的示意性前视图；
图3是图1和图2所示的IGV的示意性平面图；
图4是用于调节压缩机定子的IGV的促动机构的示意性前视图；而，
图5是类似于图1的示意图，但是图5显示了分段的IGV的可选的驱动实施例。
参考标号：
定子IGV          10
内部段           12
外部段           14
径向轴线         16
流动箭头         18
后缘             22，26
前缘             20，24
轴               28，30
第一齿轮         32
第一同步齿轮     34
轴承             36
套筒             38
第二齿轮         40
第二同步环形齿轮 42
轴线             44
第一线性促动器   46
气缸             48
活塞             50
远端             52
基部             54
固定支承件       56
第二促动器       58
气缸             60
活塞             62
基部                64
IGV                 110
ID IGV段            112
OD IGV段            114
径向间隙            116
轴                  118
齿轮                120
第一同步环形齿轮    122
轴线                124
轴                  126
第二齿轮            128
第二同步环形齿轮    130
具体实施方式
现在参考图1-3，涡轮压缩机定子IGV 10沿翼展方向分成两段，亦即各可围绕共同的径向轴线16进行枢轴式旋转的径向内部段12和径向外部段14。
沿翼展方向分段的径向视图最佳地显示在图3中。由此，清楚的是，IGV ID段12和OD段14分别以相对于进入轴向流的不同角度进行定位，该进入轴向流由流动箭头18表示。图3还显示了径向定向的旋转轴线16，其延伸通过IGV段12，14并且为IGV段12，14所共有。在图1所示的示例中，OD IGV段14具有前缘20和后缘22，而ID IGV段12具有前缘24和后缘26。
再次参考图1和图2，同心轴28，30用于使IGV段12，14围绕轴线16彼此相对旋转。更具体地，轴28的径向外端固定至ID IGV段的第一齿轮32上。轴28延伸通过OD IGV段14(并且可相对OD IGV段14旋转)，并且固定至ID IGV段12上。齿轮32由第一同步齿轮34接合(图2)，该第一同步齿轮34的旋转使ID IGV段12围绕轴线16在支柱或其它合适的轴承36上进行枢轴式旋转。
同时，OD IGV段14具有轴28所穿过的套筒38，轴30在轴28上伸缩并且在OD IGV 14和第二齿轮40之间延伸。齿轮40与第二同步环形齿轮42相接合(图2)。同步环形齿轮34，42的独立旋转将使IGV段12，14不同地旋转，使得IGV ID段和OD段在角度上偏离，如图3所示。
图4表示一种示范性的非限制性方式，其中，第一同步环形齿轮32和第二同步环形齿轮34可旋转，并且环形齿轮与围绕转子轴(未显示)的多个IGV 10相接合，该转子轴的轴线显示为44。在该示例中，具有气缸48和活塞50的第一线性促动器46可布置为使得活塞50的远端52以可枢轴旋转的方式附连至第二齿轮34上，而气缸48的基部54以可枢轴旋转的方式附连至固定支承件56(例如压缩机外壳)上。活塞50的延伸(或收缩)使同步环形齿轮34旋转移动并使每个IGV 10的IGV ID段12移动。相似地，具有气缸60和活塞62的第二促动器58可绕枢轴旋转地附连至第一齿轮32上，气缸60的基部64以可枢轴旋转的方式附连至外壳56上。线性促动器的促动可例如由计算机程序或其它合适的控制装置所调节，以实现ID叶片段12和OD叶片段14的所期望的移动。例如，在启动操作和停机操作中，IGV的ID段和OD段将偏离，如图3所示。当涡轮在正常的满负荷状态下操作时，将调节ID IGV段12和OD IGV段14以消除偏离，亦即将ID IGV段和OD IGV段之间的角度差基本上减小为零。
应理解的是，所有合适的机械促动器、气动促动器或液压促动器可用于旋转IGV ID段和OD段。
应了解的是，ID IGV和OD IGV的沿翼展方向的长度(即径向长度)可基于CFD预测或测量数据而变化。对叶片跨距的唯一要求是ID和OD的径向叶片长度的总和共同跨越整个流径。
图5表示另一个示范性的非限制性实施例，其中IGV 110的每个IGV段由其所拥有的同步环形齿轮所促动。更具体地，IGV 110分为包括ID IGV段112和OD IGV段114，其中在分界处存在微小的径向间隙58。ID IGV段112具有固定至齿轮62上的轴60。齿轮62由第一同步环形齿轮64所接合，第一同步环形齿轮64的旋转使ID IGV段112围绕径向的旋转轴线116旋转。
同样地，OD IGV段114具有轴66，由第二同步环形齿轮70所接合的第二齿轮68固定至轴66上。
应理解的是，通过利用与图4所示的线性促动器相类似的分离的线性促动器，同步环形齿轮64和70可独立地旋转，以将ID IGV段和OD IGV段固定在相对于进入空气流矢量的所期望的角度处。
在普通的应用中，ID翼部段和OD翼部段不需要在ID-OD分界位置处具有相同的构造。此外，分界段不必平行于附图所示的发动机中心线，但是可具有通常限定的段。
将IGV分成上述的ID段和OD段具有许多益处和优点。例如，这种沿翼展方向分段的IGV发明通过消除空气动力扰动而改善轴流式压缩机的转子叶片和定子叶片的耐用性。由于压缩机气流管理的沿翼展方向的分离，故通过防止形成相关的不稳定载荷来提供减少轴流式压缩机的旋转失速空气动力的方法。沿翼展方向分段的IGV还提供用于独立地管理ID和OD流径区域中的压缩机气流的方法。这缩小了ID失速区，并且削弱了旋转失速在压缩机翼部上形成相关的不稳定的振动力的能力。
压缩机气流的分开的沿翼展方向的管理的另一个益处是改善动力减弱性能。固定速度的轴流式压缩机通过减少压缩机气流而减弱动力。通过IGV封闭来减少这种气流。沿翼展方向分段的IGV的最佳管理改善了减弱性能和减弱幅度。
虽然结合被认为是最实用的且优选的IGV实施例来描述本发明，但是应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明意图覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种VSV改进和等效布置。

Claims (17)

1.一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片(10)，其包括：
第一径向外部叶片段(14)；和
第二径向内部叶片段(12)；所述第一叶片段和所述第二叶片段可围绕所述叶片的纵向的径向轴线(16)彼此相对地进行角度调节。
2.根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第一叶片段(14)和所述第二叶片段(12)沿基本上垂直于所述纵向轴线的水平分段线进行分界。
3.根据权利要求2所述的可变导向叶片，其特征在于，所述水平分段线大约位于沿所述叶片的径向长度尺寸的中间。
4.根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第一叶片段(14)和所述第二叶片段(12)固定至位于所述径向轴线上的相应的轴(30，28)上，所述轴中的每个轴都可独立地旋转。
5.根据权利要求4所述的可变导向叶片，其特征在于，所述轴(30，28)中的每个轴都具有固定在其相应端处的齿轮(40，32)，所述齿轮(40，32)可与相应的同步环形齿轮(42，34)相接合。
6.根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第一叶片段(14)和所述第二叶片段(12)安装在位于所述纵向轴线上的共用轴(28)上，所述叶片段(12)固定至所述轴上，所述叶片段(14)可相对于所述轴旋转。
7.根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第一叶片段(114)和所述第二叶片段(112)安装到相应的轴(126，118)上，所述相应的轴(126，118)各在所述导向叶片的相应的相对端处固定至齿轮(128，120)上。
8.根据权利要求5所述的可变导向叶片，其特征在于，所述相应的同步齿轮(42，34)各可通过液压促动器(46，58)而旋转。
9.一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片(110)，其包括：
第一径向外部叶片段(114)；
第二径向内部叶片段(112)；所述第一叶片段和所述第二叶片段可围绕所述叶片的纵向的径向轴线(124)彼此相对地进行角度调节；和
其中，所述第一叶片段和所述第二叶片段固定至位于所述径向轴线上的相应的轴(126，118)上，所述轴中的每个轴都可独立地旋转。
10.根据权利要求9所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第一叶片段和所述第二叶片段沿基本上垂直于所述纵向轴线的水平分段线进行分界。
11.根据权利要求9所述的可变导向叶片，其特征在于，所述水平分段线大约位于沿所述叶片的径向长度尺寸的中间。
12.根据权利要求9所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第一叶片段和所述第二叶片段固定至位于所述径向轴线上的相应的轴上，所述轴中的每个轴都可独立地旋转。
13.一种消除与轴流式涡轮压缩机入口导向叶片(10)有关的旋转失速空气动力扰动的方法，其包括：
(a)分开一排这种入口导向叶片中的每个可变导向叶片(10)，以形成径向内部段(12)和径向外部段(14)；并
(b)相对于跨过所述导向叶片的空气的流动方向而调节所述径向内部段和所述径向外部段的相对角度位置。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述径向内部段和所述径向外部段由分开的环形齿轮所调节。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括根据计算的流体动力学预测而选择每个段的径向长度。
16.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括在启动和停机期间使所述径向内部段和所述径向外部段在角度上发生偏离。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括在正常的满负荷操作期间将所述径向内部段和所述径向外部段之间的角度偏离基本上减小为零。
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