CN102454633B

CN102454633B - 轴流压缩机

Info

Publication number: CN102454633B
Application number: CN201110317275.4A
Authority: CN
Inventors: 高桥康雄; 明连千寻
Original assignee: Mitsubishi Hitachi Power Systems Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2015-04-29
Anticipated expiration: 2031-10-12
Also published as: CN102454633A; US9303656B2; JP5502695B2; EP2441964A3; EP2441964B1; US9644637B2; EP2441964A2; US20160245300A1; US20120093637A1; JP2012082779A

Abstract

本发明提供一种能够减少二次损失或横流及确保可靠性的高性能的压缩机叶片形状。为了实现上述目的，在本发明中，提供轴流压缩机，具有安装在构成环状流道的壳体内面的多个静叶栅、和安装在构成上述环状流道的旋转的转子上的多个动叶栅，该轴流压缩机构成为，就在上述静叶栅或动叶栅的周向上由邻接的叶片的压力面和负压面划分的流道而言，将流道宽度为最小的狭道部设在比轴向弦长50％靠上游侧，并且从划分该流道的叶片的叶片前边缘沿到叶片后边缘的轴向流道宽度分布在比上述狭道部靠下游侧具有拐点。

Description

轴流压缩机

技术领域

本发明涉及燃气轮机用或产业用轴流压缩机，尤其涉及具有高性能的轴流压缩机叶片的轴流压缩机。

背景技术

以往，作为位于轴流压缩机的下游的亚音速叶片，如非专利文献1(NACA，SP-36)所述，使用通过在利用风洞的系统中广泛的实验研究开发出的NACA65叶片。近年来，在轴流压缩机中，要求兼具高压力比化和由削减级数实现的低成本化的高负荷化。在高负荷机的下游级的亚音速叶片中，由于侧壁边界层的发达，二次流增加，因此在叶片面产生角失速，在现有叶片中存在损失增大的可能性。因此，使用能够抑制角失速的高性能的叶片形状对提高高负荷压缩机的性能来说是重要的技术。

在专利文献1中公开有抑制轴流压缩机的二次流的方法。该方法使容易产生二次流的叶片端部的叶片形状以腹侧和背侧的静压斜度变小的方式，并在固定叶片前边缘位置的状态下，调整叶片中心线的靠前边缘和靠后边缘的曲率半径。

现有技术文献

专利文献1：日本特开平8-135597号公报

非专利文献：“Aerodynamic Design of Axial-Flow Compressors”，NATIONAL AERONAUTICS AND SPACE ADMINISTRATION，1965.

在专利文献1所记载的那样的、用于减少在侧壁附近产生的二次流损失的现有技术中，通过改良侧壁附近的叶片安装角度及叶片形状，减少侧壁部的叶片负荷，作为其结果，抑制二次流损失及角失速的方法是主流。但是，存在在叶片负荷增加的侧壁部以外的损失增加之类的危险。另外，由于由气流紊乱或剥离产生的抖振等不稳定的流体振动，存在压缩机的可靠性下降的危险。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供实现了减少损失和确保可靠性的高性能的压缩机叶片形状。

为了实现上述目的，在本发明中，提供一种轴流压缩机，具有安装在构成环状流道的壳体内面的多个静叶栅、和安装在构成上述环状流道的旋转的转子上的多个动叶栅，该轴流压缩机的特征在于，使在上述静叶栅或动叶栅的周向上由邻接的叶片的压力面和负压面划分的流道，将流道宽度为最小的狭道部设在比轴向弦长50％靠上游侧，并且从划分该流道的叶片的叶片前边缘沿到叶片后边缘的轴向流道宽度分布在比上述狭道部靠下游侧具有拐点。

本发明的效果如下。

根据本发明，能够提供实现了减少损失和确保可靠性的高性能的压缩机叶片形状。

附图说明

图1是本发明的实施方式的叶片间的轴向流道宽度分布图。

图2是本发明的实施方式的轴流压缩机的子午面剖视图。

图3是作为本发明的实施方式之一的轴流压缩机叶片的平面剖视图。

图4是作为本发明的实施方式之一的轴流压缩机叶片面的曲率分布图。

图5是作为本发明的实施方式之一的轴流压缩机叶片的平面剖视图。

图6是作为本发明的实施方式之一的轴流压缩机叶片面的曲率分布图。

图7是说明本发明的实施方式的作用的叶片间及叶片面静压分布图。

图8是本发明的实施方式的总压损失分布的比较。

图9是本发明的实施方式的叶片负压面附近的流线分布的比较。

图10是本发明的实施方式的叶片面静压分布的比较。

图中：

1-轴流压缩机，2-转子，3-壳体，4-动叶栅，5-静叶栅，21-负压面，22-压力面，23-前边缘部，24-后边缘部，31-轴向流道宽度，41-现有叶片的流道宽度分布，42-本发明叶片的流道宽度分布，42a-拐点，52a-极大值，52b-极小值，61-等静压线，62-压力斜度，63-等静压线与压力面的交点，64-等静压线与负压面的交点，65-等静压线的轴向距离，81、82-相对于流入角的总压损失系数，83-设计流入角，86-角失速，71-0％剖面，72-100％剖面，91、92-叶片面静压。

具体实施方式

图2表示应用了本发明的叶片形状的多级轴流压缩机的局部的横剖视图。

轴流压缩机1由安装有多个动叶栅4的旋转的转子2、和安装了多个静叶栅5的壳体3构成，利用转子2和壳体3形成环状流道。动叶栅4和静叶栅5在轴向上交替地排列，利用一个动叶栅和静叶栅构成一个级。转子2由设置在同一旋转轴6上的马达或涡轮机等驱动源(未图示)驱动。流入气流10通过多个静叶栅和多个动叶栅后一边减速一边成为高温、高压的流出气流11。

在轴流压缩机中，通过利用动叶栅对流入气流给予动能，利用静叶栅使气流转向而减速，将动能转换为压力能而升压。由于在这种流场的环状流道的侧壁中，边界层发达，因此在位于轴流压缩机的下游侧的亚音速叶栅中，二次流损失增加。另外，在以轴流压缩机的高压力比化和由削减级数实现低成本化为目的的高负荷压缩机中，成为该二次流损失的主要原因的叶片面上的角失速增多。因此，生产能够抑制角失速的叶片形状是技术课题。

但是，根据以下说明的本发明的实施方式，在邻接的两个叶栅间的流道中，从叶片压力面到叶片负压面的静压斜度相对于与气流垂直的方向能够均匀化，能够抑制从叶栅间的压力面到负压面的横流。通过抑制该横流，能够减少在叶片负压面侧产生的角失速。由于能够抑制作为二次流损失的主要原因的角失速，因此能够减少叶栅的损失，能够提高轴流压缩机整体的效率。

另外，通过抑制叶栅的角失速，能够改善流出角，因此，也改善了位于应用了本发明的叶栅的下游侧的静叶栅或动叶栅的流入角。并且，能够实现减少在由动叶片和静叶片构成的分级处的损失和高性能化。并且，可避免由在叶片面的剥离产生的抖振等不稳定的流体振动，能够确保轴流压缩机的可靠性。

以下，对静叶栅5的A-A剖面，表示多个实施例进行说明。但是，本发明未局限于静叶栅，对动叶栅也同样适用。

图3表示本发明的第一实施例的轴流压缩机的叶片形状。图3表示在图2的静叶栅5的A-A剖面中，在周向上邻接的两个叶片形状的圆筒剖面。叶片形状由叶片负压面21、叶片压力面22、前边缘部23和后边缘部24构成。并且，由邻接的两个叶片的负压面21和压力面22进行划分，形成有具备从前边缘部23沿到后边缘部24的轴向流道宽度31的流道，流入气流在该叶片间的流道中流动。

图1表示相对于轴向弦长的流道宽度的分布。在图1中，以虚线表示现有叶片的流道宽度分布41，以实线表示本发明叶片的流道宽度分布42来进行比较。在现有叶片中，流道宽度在轴向弦长30％附近为最小，在其下游侧向后边缘单调地增加。但是，在本发明的实施例的流道宽度分布42中，构成为在比轴向流道宽度为最小的位置(以下，称为狭道部)靠下游侧，具有拐点42a。另外，如图1所示，轴向流道宽度分布构成为不会在比狭道部靠下游侧既有极大值又有极小值，而是在后边缘为最大。即，比狭道部靠下游侧的轴向流道宽度分布为斜率为正值的曲线。

接着，使用图4的叶片面曲率分布说明图3的叶片形状。图4将虚线作为现有叶片的叶片面曲率分布51，将实线作为本发明的第一实施例叶片的叶片面曲率分布52来进行比较，图4(a)表示叶片的负压面的叶片面曲率分布，图4(b)表示压力面的叶片面曲率分布。另外，在图4(a)中，曲率为最小的位置相当于气流加速最快的狭道部。本实施例的叶片如图4(b)所示，构成为，在压力面中，具有在比轴向弦长的狭道部靠下游侧，暂且具有极大值52a，之后具有极小值52b的曲率分布。优选该极大值52a位于50％到70％弦长范围内。另外，在本实施例中，负压面的曲率与现有叶片相同，叶片面曲率分布单调地增加。

图5表示本发明的第二实施例的轴流压缩机的叶片形状。图5与图3相同，表示在图2的静叶栅的A-A剖面，在周向上邻接的两个叶片形状的圆筒剖面，叶片形状由叶片负压面21、叶片压力面22、前边缘部23及后边缘部24构成。图5所示的本实施例的叶片与图3所示的第一实施例的不同在于，作为使在比图1所示的轴向弦长的狭道部靠下游侧的流道宽度分布比现有叶片增加的方法，不是增大压力面22的曲率，而是在负压面21上增大比狭道部靠下游侧的曲率。

但是，在本实施例所示的叶片形状中，由邻接的叶片形成的流道的流道宽度分布与第一实施例所示的叶片形状相同，呈图1所示的流道宽度分布。

图6表示本实施例的叶片(图5)的叶片面曲率分布，将虚线作为现有叶片的叶片面曲率分布51，将实线作为本实施例叶片的叶片面曲率分布52来进行比较。另外，图6(a)表示负压面侧的叶片面曲率分布，图6(b)表示压力面侧的叶片面曲率分布。在本实施例的叶片中，压力面侧的曲率与现有叶片相同。另一方面，本发明叶片52的负压面侧的曲率构成为，具有在比轴向弦长的狭道部靠下游侧，暂且具有极大值52a的曲率分布，曲率从极大值52a向后边缘逐渐地减小。优选该极大值52a位于从50％到70％弦长范围内。

另外，在一般的叶片结构中，顺滑地连接压力面侧和负压面侧。因此，正确地说，表示曲率分布在叶片面位置的前边缘部23及后边缘部24附近急剧的变化。但是，在图中，没有言及该连接部分。

在第一实施例及第二实施例中，通过分别改变压力面或负压面的任一方的曲率半径，对满足图1所示的本发明叶片的轴向的流道宽度分布42的场合进行说明。这些情况也是可组合的，即使同时采用在第一实施例中说明的压力面的曲率分布和在第二实施例中说明的负压面的曲率分布，也可满足图1所示的流道宽度分布。但是，在该场合，从叶片的强度、可靠性的观点考虑，需要使比轴向弦长的狭道部靠下游侧的叶片厚度分布比叶片的后边缘厚度大。

接着，对采用作为实施例说明的叶片结构、即下述结构的叶片(以下，为了简单，称为发明叶片)产生的流场的作用进行说明：将流道宽度为最小的狭道部设在比轴向弦长50％靠上游侧，并且，从划分该流道的叶片的叶片前边缘沿到叶片后边缘的轴向流道宽度分布在比上述狭道部靠下游侧具有拐点。

图7(a)表示邻接的两个叶片间的静压分布，图7(b)表示叶片面的静压分布的概念图。图7(a)中的实线表示叶片间的等静压线61，单点划线表示与沿等静压线的压力面垂直的方向的剖面的压力斜度62。另外，图示了由该等静压线61与负压面的交点64及与压力面的交点63决定的轴向距离65。该轴向距离65在图7(b)中以与等静压线相同静压值的负压面与压力面在轴向位置的差来表示。

采用上述的发明叶片，通过以流道宽度分布在比轴向弦长的狭道部靠下游侧具有拐点的方式扩大流道，能够缩短在图7(b)中所示的轴向距离。

这样，通过缩短等静压线的轴向距离65，能够使图7(a)所示的等静压线61和叶片间的静压的压力斜度62平行地接近，能够减小与叶片间的气流垂直的方向的压力斜度。由此，能够抑制在叶片间产生的横流，可实现二次流损失的减少及角失速的减少。

另外，本发明叶片构成为比轴向弦长的狭道部靠下游侧的叶片间流道宽度分布具有拐点。就该狭道部而言，叶片间的流道宽度为最小，气流加速为最大。并且，在其下游侧，气流减速，静压恢复(上升)。因此，在气流减速、静压上升的区域，由于叶片面的湍流边界层发达且气流容易剥离，因此，使该区域的叶片间的静压的压力斜度62均匀化对减少二次流损失及减少角失速是有效的。

通过在叶片面高度方向剖面中配置了多个上述发明叶片，并使叶片的重心位置重合来堆积这些叶片，能够设计立体的叶片。例如，相对于图2所示的静叶栅5，设计壳体侧的0％剖面71、平均直径的50％剖面、转子侧的100％剖面72的形状，通过内插法求出其他剖面，可堆积该各叶片形状的重心位置，来设计立体的叶片。另外，通过只在作为侧壁部的0％剖面71和100％剖面72应用各实施例所示的叶片，在其他剖面上应用现有叶片，可设计只降低二次流损失的立体的叶片。

对以上那样设计的本发明叶片的立体的流场的效果进行说明。图8用实线表示相对于发明叶片的流入角的总压损失系数82，与用虚线表示的相对于现有叶片的流入角的总压损失系数81来进行比较。图中用单点划线表示设计流入角83。在发明叶片中，在设计流入角，由于抑制了角失速，因此与现有叶片相比，能够确认减少了总压损失。另外，即使流入角大的失速侧，发明叶片的总压损失系数与现有叶片相比，由于抑制了损失的增加，因此具有广泛的工作范围，能够实现高性能化。

图9表示发明叶片85和现有叶片84的负压面附近的流线的比较。在图9(a)的现有叶片的流场中，能够确认在后边缘的两侧壁附近产生了气流剥离的角失速86。另一方面，在发明叶片中，抑制了该角失速。尤其能够显著地确认在作为外周测的0％剖面71，剥离区域缩小。

图10表示图9的单点划线所示的剖面87的叶片面静压分布。该剖面如图9所示，现有叶片的侧壁附近的角失速影响小，并且将壳体侧的剖面作为代表而选定。图10表示相对于从前边缘到后边缘的轴向弦长的叶片面的静压分布。虚线表示现有叶片的静压分布91，实线表示发明叶片的静压分布92。在发明叶片中，使负压面的静压在比50％弦长靠下游侧静压极端地变大。这相当于增大负压面的曲率等。另外，在比负压面的70％弦长靠下游侧使静压的变化变缓，这能够通过减小负压面的曲率等来实现。在本发明叶片的比位于30％弦长附近的叶片间流道的狭道部靠下游侧，与现有叶片相比，能够确认缩短了等静压线与压力面及负压面的交点间的轴向距离65。通过实现这种叶片面静压分布，使叶片间的静压斜度在与气流垂直的方向的剖面均匀化，能够抑制横流。

根据以上，通过做成本发明叶片的结构，能够减少二次流损失，能够实现轴流压缩机的高效率化。另外，在本发明叶片中，由于能够抑制角失速，因此与现有叶片相比，可使流出角更接近设计值，相对于位于下游侧的静叶栅，能够改善叶栅匹配。因此，即使多级叶片，也能够实现高性能化。另外，能够避免由在叶片面的角失速等气流的紊乱产生的抖振等不稳定的流体振动，也能够提高叶片的可靠性。

另外，在现有叶片的高性能化中，作为用于减少二次流损失的一般的方法，例如，具有通过增大静叶栅的侧壁部的叶片安装角度，降低侧壁部的叶片负荷，从而抑制角失速的方法。为了将静叶栅配置在壳体上，需要在静叶片的侧壁具有套筒部，静叶片的侧壁设置平缘部，完全地跨在套筒部上。如上所述，在增大侧壁部的安装角度的场合，具有叶片形状从套筒部突出的可能性、及平缘部部分地被除外的可能性。但是，在本发明叶片中，由于侧壁部的叶片安装角度与现有叶片大致相同，因此可共用套筒部，能够确保叶片的可靠性。

接着，对本发明叶片的叶片形状制造方法进行说明。在制造平面叶片剖面形状的场合，一般地，评价叶片负压面的最大马赫数及负压面的形状系数，以最大马赫数及形状系数能够最小化的方式制造叶片形状。另外，所谓形状系数，是以叶片面边界层的位移厚度和动量厚度的比率来表示，成为边界层的剥离标准的指标。一般地，公知在湍流边界层，若形状系数为1.8～2.4以上，则气流剥离。

在本发明叶片中，在制造平面叶片剖面形状时，添加作为考虑了立体的流场的指标的等静压线的轴向距离(图7)。式(1)表示用于制造本发明叶片的目标函数F。在此，F1表示形状系数，F2表示最大马赫数，F3表示等静压线的轴向距离，是利用与各个基准值的比例而无因次化的指标。另外，α、β、γ是加权系数。通过使式(1)所示的目标函数F最小化，能够在平面叶片剖面形状制造中制造同时考虑了叶片形状损失和二次流损失的高性能的叶片形状。

【数学式】

F = α \frac{F_{1}}{F_{1_base}} + β \frac{F_{2}}{F_{2_base}} + γ \frac{F_{3}}{F_{3_base}}

...式(1)

在本发明的实施例中，以位于轴流压缩机的下游侧的亚音速级的静叶片为对象，对其作用效果进行说明，但通过在式(1)中改变加权系数，也可用于位于压缩机的上游侧的跨音速叶片、或位于中间级的高亚音速叶片的设计。另外，不仅限于静叶片，即使将本发明应用于动叶片，也明显可起到相同的作用效果。

另外，通过将式(1)所示的指标输入设计系统，可设计从压缩机的上游侧到下游侧任意的叶片形状，对缩短设计时间也有效果。另外，在叶片形状的高性能化中，可不依赖于设计者地、唯一地设计叶片形状。

产业上的可利用性如下。

除了燃气轮机用轴流压缩机以外，也可应用于产业用的轴流压缩机。

Claims

1.一种轴流压缩机，具有：安装在构成环状流道的壳体内面的多个静叶栅；以及，安装在构成上述环状流道的、旋转的转子上的多个动叶栅，其特征在于，

在上述静叶栅或动叶栅的周向上由邻接的叶片的压力面和负压面划分的流道，

从划分该流道的叶片的叶片前边缘沿到叶片后边缘的轴向流道宽度分布在比流道宽度为最小的狭道部靠下游侧具有拐点，

比上述狭道部靠下游侧的轴向流道宽度分布不会既有极大值又有极小值，为斜率为正值的曲线。

2.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，

上述轴流压缩机构成为，在比轴线弦长50％靠上游侧具有流道宽度为最小的狭道部。

3.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，

上述轴流压缩机构成为，上述静叶栅或上述动叶栅的负压面的曲率从上述狭道部在下游侧单调增加，压力面的曲率在比上述狭道部靠下游侧具有极大值和极小值。

4.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，

上述轴流压缩机构成为，上述静叶栅或上述动叶栅的压力面的曲率单调增加，负压面的曲率在比上述狭道部靠下游侧具有极大值。

5.根据权利要求1所述的轴流压缩机，其特征在于，

上述轴流压缩机构成为，上述静叶栅或动叶栅的负压面的曲率在比上述狭道部靠下游侧具有极大值，并且，压力面的曲率在比上述狭道部靠下游侧具有极大值和极小值。

6.一种叶片的设计方法，是下述叶片的设计方法：具有安装在构成环状流道的壳体内面的多个静叶栅、和安装在构成上述环状流道的旋转的转子上的多个动叶栅，在上述静叶栅或动叶栅的周向上由邻接的叶片的压力面和负压面形成叶片间流道，该叶片的设计方法的特征在于，

在设计指标中包括在比上述叶片间流道的流道宽度为最小的狭道部靠下游侧，等静压线与压力面和负压面相交的两点间的轴向距离，设计为在比上述狭道部靠下游侧的轴向流道宽度分布不会既有极大值又有极小值，为斜率为正值的曲线的范围内上述轴向距离短。