CN102066767B

CN102066767B - 轴流压缩机的叶瓣或叶片

Info

Publication number: CN102066767B
Application number: CN2009801220190A
Authority: CN
Inventors: 李延生
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-04-03
Also published as: RU2493438C2; US8678757B2; RU2011100793A; EP2133573A1; US20110081252A1; CA2727664C; CN102066767A; WO2009149970A1; EP2133573B1; CA2727664A1

Abstract

本发明提供轴流压缩机的压缩机叶瓣（31）或压缩机叶片（25），所述轴流压缩机具有轴向（A）、径向（R）、压缩机毂和压缩机壳体。所述叶瓣或叶片包括翼面（1），该翼面具有带跨度的翼面区段（3，5，15A-15E）、弧线（19）和前缘（7）以及后缘（9），其中在所述前缘处所述弧线（19）与所述压缩机的所述轴向（A）形成前缘叶片角（α），在所述后缘处所述弧线（19）与所述压缩机的所述轴向（A）形成后缘叶片角（β）。所述叶瓣或叶片的特征在于所述翼面区段（3，5，15A-15E）被堆叠在所述前缘（7）处在沿所述压缩机的径向（R）从所述压缩机毂向压缩机壳体延伸的直线上，以及所述翼面区段的所述前缘角（α）沿所述跨度变化，并且在靠近所述毂和靠近壁的翼面区段处的所述前缘角比中间跨度翼面区段的要大。

Description

轴流压缩机的叶瓣或叶片

技术领域

本发明涉及轴流压缩机的压缩机叶瓣或叶片并且涉及轴流压缩机。

背景技术

减少三维损失和提高轴流压缩机的效率和失速裕度仍然是设计压缩机叶片和叶瓣时的技术问题。三维损失限制了压缩机的升压能力。这样的损失例如是由于吸力面、端壁转角、尖端周围的泄漏以及次级流动区域中的流动分离造成的。优化效率和失速裕度总是需要妥协，因为增加效率通常减少失速裕度并且增加失速裕度通常降低效率。

已经有大量的文献描述了减少三维损失和/或提高效率和失速裕度的方法。

Robinson等人在ASME 89-GT-6中、D. Wisler在1985年4月ASME journal of engineering for gas turbine and power第107卷中以及R. F. Behlke在ASME 85-IGT-9中已经提出具有端部弯曲的轴向压缩机，以便改进轴流压缩机的性能。H. Weingold等人在ASME 95-GT-380中已经提出弓形定子叶瓣以便减少压缩机定子端壁损失。S. Gallimore等人在ASME GT-2002-30328以及S. Gallimore等人在GT-2002-30329中已经提出在多级轴流压缩机中使用翼面扫掠和二面角以便解决上述问题。

EP 0 441 097 B1描述了具有弓形前缘和后缘的压缩机翼面以便减少空气动力学损失。

EP 098092 A2中公开了一种压缩机定子叶瓣，在其根部和其尖端之间具有狭窄区段。叶瓣在其后缘处也可以是与狭窄腰部结合的弓形。

EP 0 704 602 B1和EP 1 259 711 B1描述了具有带扫掠区的前缘和笔直后缘的翼面。

EP 0 833 060 B1描述了轴流机器的叶片，其中前缘是弓形且具有圆齿的，后缘是弓形的。

EP 1 505 302 A1描述了具有至少弓形前缘的压缩机翼面。

US 6,299,412 B1描述了弓形压缩机翼面。

发明内容

参考上述现有技术，本发明的第一目标是提供改进的压缩机叶片或叶瓣。本发明的第二目标是提供改进的轴流压缩机。

该第一目标通过权利要求1所要求的压缩机叶瓣或压缩机叶片来实现。该第二目标通过权利要求7所要求的轴流压缩机来实现。从属权利要求包含本发明的进一步改进。

一种用于轴流压缩机的本发明的压缩机叶瓣或压缩机叶片，所述轴流压缩机具有轴向、径向、压缩机毂和压缩机壳体，所述叶瓣或叶片包括翼面，该翼面具有带跨度的翼面区段、弧线和前缘以及后缘，其中在所述前缘处所述弧线与所述压缩机的所述轴向形成前缘叶片角，在所述后缘处所述弧线与所述压缩机的所述轴向形成后缘叶片角。所述翼面区段在所述前缘处被堆叠在沿所述压缩机的径向从所述压缩机毂向压缩机壳体延伸的直线上。此外，所述翼面区段的前缘角沿所述跨度变化，并且靠近所述毂（0%跨度）和靠近所述壳体（100%跨度）的翼面区段的前缘角比中间跨度翼面区段的前缘角大。具体而言，与中间跨度翼面区段的前缘叶片角相比，所述前缘叶片角在靠近毂的翼面区段处可以大高达10度，并且在靠近壳体壁的翼面区段处可以大高达18度。

在本发明中，3D CFD编码已经用于设定前缘和后缘叶片角。编码也已经用于定制翼面轮廓形状和翼面区段的堆叠。因此，已经最小化了损失并且改进了流动范围。增加靠近毂处和靠近压缩机壳体处的前缘叶片角有助于减小在这些区域中由于粘滞三维流动导致的大的正攻角，并且因此有助于减小叶片表面边界层的厚度以及朝向后缘的流动分离。增加叶片角和减小攻角也有助于减小转子叶片的壳体区域内以及悬臂式定子叶瓣的毂区域内的尖端泄漏流动。减少中间跨度区域内的前缘叶片角有助于保持适度的节流裕度。此外，在径向直线上堆叠前缘有助于朝向后缘产生更加复合（弯曲）的倾斜且同时压力面面向毂和壳体。这有助于减轻端壁区域内的叶片负载并且因此减少存在尖端间隙的尖端泄漏流动并且减少吸力面端壁转角的流动分离，并且因此有助于减少三维损失并提高失速裕度。

本发明叶瓣也可以包括后缘，其中翼面区段的后缘角变化，并且靠近毂和/或靠近壳体的翼面区段的后缘角大于中间跨度翼面区段的后缘角。翼面区段的后缘角的变化可以小于翼面区段的前缘角的变化。具体而言，靠近毂的翼面区段的后缘叶片角可以比中间跨度翼面区段的后缘叶片角大高达5度，且靠近壳体的翼面区段的后缘叶片角可以比中间跨度翼面区段的后缘叶片角大高达10度。

所述后缘角设计有助于减轻局部叶片或叶瓣负载并且因此有助于减少叶片或叶瓣的端壁区域内（即毂区域或壳体区域内）的吸力面端壁转角的流动分离。

对于悬臂式定子叶瓣而言，在毂区域内的后缘叶片角可以被保持为类似于常规定子叶瓣，因为尖端泄漏流动有助于减轻这些区域内的负载。此外，在壳体区域内的转子叶片的后缘叶片角可以被保持为类似于常规设计，因为在这种情况下尖端泄漏流动也有助于减轻壳体区域内的负载。

如果在端壁区域中后缘叶片角相对于常规设计的变化较小，则在中间跨度区域内的后缘叶片角可以被保持为类似于常规设计，或者如果后缘叶片角在端壁区域内增加则在中间跨度区段内的后缘叶片角可以减小。

如果翼面区段的前缘叶片角和/或后缘叶片角朝向壳体最大，则是特别有利的。此外，相对于中间跨度翼面区段，翼面区段的前缘叶片角和/或后缘角的增加有利地朝向壳体最大。翼面区段的前缘角和/或后缘角的最小值可以具体地在翼面的30%和70%跨度之间。在本发明定子叶瓣或转子叶片的具体实施方式中，后缘是弯曲的。

所公开的对于中间跨度区域中后缘叶片角的处理有助于相对于常规转子叶片或定子叶瓣保持转子叶片或定子叶瓣的整体负载。

本发明的轴流压缩机包括本发明的叶片和/或叶瓣。使用本发明叶片和/或叶瓣，压缩机的性能可以被提高，因为减少了三维损失、提高了效率并且增加了失速裕度。

附图说明

结合附图从实施例的下述描述中可以显而易见到本发明的其他特征、特性和优点。

图1以三维图形的方式示出了本发明的翼面。

图2示出了图1翼面的参数，其对于理解本发明而言是重要的。

图3示出了沿压缩机的轴向截取的图1所示翼面的三个截面。

图4示出了与常规翼面的前缘叶片角的分布相比，本发明翼面的前缘叶片角和后缘叶片角沿其跨度的分布。

图5示出了在本发明翼面和现有技术翼面之间的比较。

图6示出了使用本发明翼面的本发明压缩机转子叶片。

图7示出了使用本发明翼面的压缩机定子叶瓣。

具体实施方式

使用本发明特征的翼面在图1中以三维图形的形式被示出。图1中显著的特征可以大体用于压缩机转子叶片的翼面以及压缩机定子叶瓣的翼面。

翼面1包括当翼面被结合到压缩机中时朝向转子的毂区段3以及当翼面1被结合到压缩机中时朝向压缩机壳体的壳体区段5。其还包括均从毂区段3向壳体区段5延伸的前缘7和后缘9。前缘遵从沿压缩机的径向R延伸的直线，而后缘9相对于压缩机的径向弯曲。后缘9还可以相对于压缩机的轴向弯曲。在前缘7和后缘9之间延伸有压力面11和吸力面13，当翼面是可运动转子叶片的一部分时该压力面11和吸力面13导致向翼面的动量传递，或者当翼面是定子叶瓣的一部分时该压力面11和吸力面13导致了流动空气。

在图1中还示出了用于限定翼面设计的假想翼面区段15A-15E。不过，这些翼面区段仅是设计过程的一部分并且用于限定设计而不作为独立元件在真实翼面中出现。

将参考图2解释对于描述本发明翼面设计非常重要的一些参数，图2示出了通过翼面1的中间跨度区段沿压缩机轴向（即垂直于翼面跨度）的截面。该图示出了弦17，其是将前缘7连接到后缘9的假想直线。连接前缘7和后缘9的另一假想线是在压力面11和吸力面13之间的中间延伸的弧线19。前缘角α被定义为压缩机的轴向A和弧线19在前缘7处的切线21之间的角度。类似地，后缘角β是轴向A和弧线19在后缘9处的切线23之间的角度。

在本发明翼面中，前缘角α沿翼面跨度变化，如图3和图4所示。图3示出了沿轴向A通过图1的三个翼面区段的截面图，其中所述三个翼面区段即翼面毂区段3、翼面壳体区段5和翼面区段15C，该翼面区段15C是中间跨度翼面区段。

可以从图1和图3中看出，翼面区段3、5和15A-E在前缘7处沿在径向R内延伸的直线被堆叠。还可从图中看出，叶片的前缘角α沿跨度变化，后缘角β也沿跨度变化。

在本发明翼面中前缘角α沿跨度的变化在图4中被示作虚线。为了对比，也示出了常规翼面的沿跨度的前角α（实线）。可以看出，与常规翼面相比，本发明翼面的前缘角比常规翼面的前缘角变化更强烈。不仅靠近毂和靠近壳体时本发明翼面的前缘角比常规翼面的前缘角大，而且在中间跨度区段中前缘角比常规翼面中的前缘角小。如果本发明叶片的后缘角β变化，则其变化可以如图4中的点划线所示。通常，相对于常规设计，后缘角的变化比前缘角的变化小。这是特别适于转子叶片的情况。不过，对于本发明的定子叶瓣，相对于常规设计，后缘叶片角变化的幅度可以类似于前缘角变化的幅度。

点划线示出了变化，在该变化中后缘角在翼面的中间跨度区域内最小。不过，后缘角的变化也可以或多或少遵循常规翼面的变化，即在毂区段处后缘角可以小于中间跨度区段内的后缘角，特别是用于转子叶片时。

在图5中示出了对于翼面壳体区段而言，本发明翼面与常规翼面的前缘角α、α’和后缘角β、β’的比较。该图还示出了要被压缩的空气的流入方向I和流出方向O。可以从图5中看出，本发明翼面的前缘角α和后缘角β分别均大于常规翼面的前缘角α’和后缘角β’。类似描述可以从本发明翼面与常规翼面的毂区段之间的比较中得出。在毂和壳体区段中前缘叶片角的增加有助于减少这些区域中由于粘滞三维气流导致的大的正攻角。通过这种手段，可以减小叶片表面边界层的厚度以及朝向叶片后缘的流动分离。此外，增加叶片角和减小攻角也有助于减小转子叶片的壳体区域内以及悬臂式定子叶瓣的毂区域内的尖端泄漏流动。与常规转子叶片相比，在中间跨度区域中前缘叶片角的减小有助于保持适度的节流裕度。

图6示出了具有上述翼面的本发明的转子叶片的示例。转子叶片25包括本发明的翼面1’、根部27和位于翼面1’和根部27之间的平台29。可以看出，叶片的翼面1’的翼面区段被堆叠在笔直前缘上。此外，后缘9’沿径向仅具有少量变化。实际上，如果没有流动分离，则后缘角可以被保持为类似于常规转子叶片设计的后缘角。另一方面，如果朝向转子毂和转子壳体区域内的后缘具有流动分离，则这些区域内的后缘角会增加。如果在毂和壳体区段内几乎没有改变，则在中间跨度区域中后缘叶片角可以被保持为类似于常规设计。另一方面，如果在端壁区域内（即在毂区域和壳体区域内）后缘叶片角增加，则在中间跨度区域中后缘角可以相对于常规设计的后缘角被减小。不过，即使叶片25的后缘叶片角变化，它们相对于常规设计也不会变化得如前缘叶片角那么多。

图7示出了本发明的定子叶瓣。其包括根据本发明的翼面1”、根部33和位于翼面1”和根部33之间的平台35，其中所述翼面1”具有沿径向延伸的笔直前缘7”和弯曲后缘9”。图7所示的定子叶瓣是悬臂式定子叶瓣。可以从图7中容易地看出，翼面1”的前缘7”沿径向内的直线延伸，而后缘9”弯曲。请注意，本发明也可以应用到这里未示出的带冠定子叶瓣。

如果没有局部流动分离，图7中示出的悬臂式定子叶瓣的后缘叶片角可以被保持为类似于常规定子叶瓣设计，或者如果存在朝向毂区域或壳体区域中的后缘的流动分离，则后缘叶片角会增大。在带冠定子叶瓣的情况下，如果没有局部流动分离，则在朝向毂和壳体处后缘叶片角可以被保持为类似于常规设计的后缘叶片角，或者如果存在朝向毂区域和壳体区域中的后缘的流动分离，则后缘叶片角会增大。类似地，在转子叶片的情况下，如果在毂区域或壳体区域中后缘叶片角几乎没有变化，则在中间跨度区域中后缘叶片角可以被保持为类似于常规设计，或者如果在毂区域和/或壳体区域中后缘叶片角增加则在中间跨度区中后缘叶片角会减小。

请注意，在本发明的上下文中，压缩机翼面可以具有任意轮廓形状，例如定制的扩散受控的翼面、双圆弧（DCA）翼面、C4翼面等等。

上述用于压缩机转子叶片和压缩机定子叶瓣的本发明翼面设计有助于减小三维损失并且提高轴流压缩机的效率和失速裕度，且实质上不增加转子叶片或定子叶瓣的负载。

Claims

1.一种轴流压缩机的压缩机定子叶瓣（31）或压缩机转子叶片（25），所述轴流压缩机具有轴向（A）、径向（R）、压缩机毂和压缩机壳体，所述叶瓣或叶片包括翼面（1），该翼面具有带跨度的翼面区段（3，5，15A-15E）、弧线（19）和前缘（7）以及后缘（9），在所述前缘处所述弧线（19）与所述压缩机的所述轴向（A）形成前缘角（α），在所述后缘处所述弧线（19）与所述压缩机的所述轴向（A）形成后缘角（β），

其特征在于：

所述翼面区段（3，5，15A-15E）在所述前缘（7）处被堆叠在沿所述压缩机的径向（R）从所述压缩机毂向压缩机壳体延伸的直线上，以及

所述翼面区段的前缘角（α）沿所述跨度变化，并且靠近所述毂和靠近所述壳体的翼面区段的前缘角（α）比中间跨度翼面区段的前缘角大。

2.根据权利要求1所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于所述翼面区段（3，5，15A-15E）的所述前缘角（α）朝向所述壳体最大。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于相对于中间跨度翼面区段（15C，15D），所述翼面区段（3，5，15A-15E）的前缘角（α）的增加朝向所述壳体最大。

4.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于所述翼面区段（3，5，15A-15E）的后缘角（β）沿所述跨度变化，并且靠近所述毂和/或靠近所述壳体的翼面区段的后缘角（β）比中间跨度翼面区段（15C，15D）的后缘角大。

5.根据权利要求4所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于所述翼面区段（3，5，15A-15E）的所述后缘角（β）的变化小于所述翼面区段（3，5，15A-15E）的所述前缘角（α）的变化。

6.根据权利要求4所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于所述翼面区段（3，5，15A-15E）的所述后缘角（β）朝向所述壳体最大。

7.根据权利要求4所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于相对于中间跨度翼面区段（15C，15D），所述翼面区段（3，5，15A-15E）的后缘角（β）的增加朝向所述壳体最大。

8.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于所述定子叶瓣（31）或所述转子叶片（25）的所述翼面区段（3，5，15A-15E）的所述前缘角（α）以及/或者所述定子叶瓣（31）的所述翼面区段（3，5，15A-15E）的所述后缘角（β）在所述翼面（1）的30%和70%跨度之间具有最小值。

9.根据权利要求1-2中任一权利要求所述的定子叶瓣（31）或转子叶片（25），特征在于所述后缘（9）是弯曲的。

10.一种包括根据权利要求1-9中任一权利要求所述的定子叶瓣和/或转子叶片的轴流压缩机。