CN108343637A - 用于压缩机的叶片或导叶及包括所述叶片或导叶的压缩机 - Google Patents

Abstract

一种用于压缩机的叶片或导叶包括主体(15;25)，其设有底面(16;26)，设有相对于底面(16;26)相对的顶面(17;27)，且设有在底面(16;26)与顶面(17;27)之间延伸且限定叶片或导叶(7;10;70;700)的翼型轮廓的外面(18;28)；主体(15;25)定形成使得沿外面(18;28)限定前缘(30)、后缘(31)、压力侧(32)和吸力侧(33)；以及布置在后缘(31)附近的至少一个附件(29;79;779)。

Description

用于压缩机的叶片或导叶及包括所述叶片或导叶的压缩机

优先权声明

本申请请求享有2017年1月19日提交的意大利专利申请第102017000005808号的优先权，其公开内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于压缩机的叶片或导叶，且涉及包括所述叶片或导叶的压缩机。具体而言，本发明涉及一种用于燃气涡轮发电设备的压缩机的叶片或导叶。

背景技术

燃气涡轮发电设备通常包括空气流在其中流动的压缩机、供有燃料和来自压缩机的空气的燃烧室、来自燃烧室的气体在其中流动的燃气涡轮，以及机械地连接到燃气涡轮和压缩机的公共轴且连接到配电网络的发电机。

压缩机和燃气涡轮沿纵轴线延伸，且分别限定压缩通道和膨胀通道，沿着它们，围绕轴线旋转的径向的一系列转子叶片与径向的一系列定子导叶交错。

在压缩机中，失速状态可发生在转子叶片或定子导叶的翼型轮廓的区域中。这些状态可引起不稳定现象，直至整个压缩机的喘振。

由于压缩机的喘振导致设备的强制停止以及压缩机自身的严重结构破坏的风险，设备的操作通常受限以便防止该现象发生。例如，压缩机的操作可通过将压缩机的最小空气流率的值限于安全值来限制，安全值超过实际上可由压缩机承受的最小值，以便确保其操作。该解决方案对于开发设备的潜力的可能性具有明显的负面影响。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供一种用于压缩机的叶片或导叶，其不受现有技术的缺陷影响；具体而言，本发明的目的在于提供用于压缩机的叶片或导叶，其在功能观点和构造观点两者来看允许使用者以容易且经济的方式最佳且安全地开发压缩机的潜力。

根据这些目的，本发明涉及一种用于压缩机的叶片或导叶，包括：

-主体，其设有底面，设有相对于底面相对的顶面，且设有在底面与顶面之间延伸且限定叶片或导叶的翼型轮廓的外面；主体定形成使得沿外面限定前缘、后缘、压力侧和吸力侧；

-布置在后缘附近的至少一个附件。

本发明的另一个目的在于提供一种压缩机，其可靠且同时有效。

根据这些目的，本发明涉及一种用于燃气涡轮发电设备的压缩机，其沿纵轴线延伸且设有多个转子叶片和多个定子导叶；该多个转子叶片和多个定子导叶(7)中的至少一个包括：

-主体，其设有底面，设有相对于底面相对的顶面，且设有在底面与顶面之间延伸且限定叶片或导叶的翼型轮廓的外面；主体定形成使得沿外面限定前缘、后缘、压力侧和吸力侧；

-布置在后缘附近的至少一个附件。

附图说明

在参照附图阅读其非限制性实施例的以下描述时，将更好地理解本发明的进一步的特征和优点，其中：

-图1为包括根据本发明的压缩机的发电设备的示意性截面视图，其中为了更清楚而除去了零件；

-图2为图1的压缩机的细节的放大视图；

-图3为根据本发明的叶片或导叶的细节的示意性透视图，其中为了更清楚而除去了零件；

-图4为图3的叶片或导叶的从顶部的示意图，其中为了更清楚而除去了零件；

-图5为沿图3中指出的平面V-V的截面视图；

-图6为根据第二实施例的根据本发明的叶片或导叶的细节的示意性透视图，其中为了更清楚而除去了零件；

-图7为根据第三实施例的根据本发明的叶片或导叶的细节的示意性透视图，其中为了更清楚而除去了零件；

-图8A,8B,8C为根据本发明的压缩机叶片或导叶附近的流线的示意性且简化的图示。

具体实施方式

在图1中，数字1指示燃气涡轮发电设备。

设备1沿纵轴线A延伸，且包括燃烧室2、定子3和围绕轴线A旋转的转子4。

定子3包括定子壳5，其在转子4的整个长度上围绕轴线A延伸且是静止的，多个定子环6，其定心于轴线A上，由定子壳5支承，且沿轴线A连续布置，以及多个定子导叶7，其大致沿相应的径向方向延伸且固定到定子壳5和相应的定子环6上。

转子4包括沿轴线A延伸的轴8、彼此联接以便限定围绕轴线A旋转的单个元件的多个转子盘9，以及分成系列且相对于轴线A沿径向布置的多个转子叶片10。

定子环6围绕转子盘9延伸且与彼此间隔开，以便径向的一系列转子叶片10与径向的一系列定子导叶7沿轴线A交错。

所述多个转子盘9、定子环6和定子壳5限定压缩通道13a和膨胀通道14a，供应至燃烧室2的压缩的空气在压缩通道13a中流动，且来自燃烧室2的热气体在膨胀通道14a中流动。压缩通道13、定子环6、转子盘9和包绕压缩通道13的定子壳5限定所谓的压缩机13a。

膨胀通道14、定子环6、转子盘9和包绕膨胀通道14的定子壳5限定所谓的涡轮14a。

空气流的方向由利用F指出的箭头示意性地示出。

不同级沿压缩通道13彼此跟随。各级均包括一系列定子导叶7和一系列转子叶片10。

图2示意性地示出了压缩机13b的级的一部分，但为了简单起见并未详细指出本发明的所有方面。

压缩机13b的各个定子导叶7包括主体15，其设有在使用中联接到相应的定子环6上的底面16，设有与底面16相对且在使用中联接到定子壳5上的顶面17，且设有在底面16与顶面17之间延伸且限定定子导叶7的翼型轮廓的外面18。

基本上，在使用中，底面16相对于顶面17沿定子导叶7的延伸的径向方向邻近轴线A。

压缩机的各个转子叶片10包括主体25，其设有在使用中联接到相应的转子盘9上的底面26，设有自由且与底面26相对的顶面27，且设有在底面26与顶面27之间延伸且限定转子叶片10的翼型轮廓的外面28。顶面27通常限定"顶点"。

基本上，在使用中，底面26相对于顶面27沿转子叶片10的延伸的径向方向邻近轴线A。

在图3,4,5,6中，我们将仅通过举例来参照定子导叶7和相应的主体15。

显然，这里和下文中所述以及图3,4和5中所示的主体15和转子导叶7的特征还应用于压缩机13b的各个转子叶片10和相应的主体25。

图3和图4示出了根据本发明的定子导叶7的一部分。

导叶7包括上文所述的主体15和至少一个附件29。

为了简单起见，主体15表示为类似实心主体。然而，主体15也可为中空的。

更详细而言，主体15定形成使得沿外面18限定前缘30、后缘31、压力侧32和吸力侧33。

主体15具有本领域中通常限定为"翼展"的径向高度S(图3中所示)、本领域中通常限定为"翼弦"的轴向长度C(图4中所示)，以及本领域中通常限定为"弧线"的中线M(图4中以虚线示出)。

附件29在后缘31附近联接到主体15上。换言之，附件29布置在离后缘31小于轴向长度C的20%的距离处。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，附件29正好布置在后缘31的区域中，且因此，在该示例中，离后缘31的距离大致等于零。

这里和下文就附件来说，我们指的是本体的凸起，例如，定形为类似翼，或本体自身的一部分，其适当地弯曲和/或定形，以便获得下文所述的特定空气动力效果。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，附件29沿压力侧32布置在顶面17附近。换言之，附件29布置在离顶面17小于径向高度S的30%的距离处。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，附件29正好布置在顶面17的区域中，且因此，在该示例中，离顶面17的距离大致等于零。

附件29沿后缘31的至少一部分延伸。优选地，附件29具有等于主体15的径向高度S的至少2%的径向高度S1。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，附件29朝主体15的中心渐缩。

图5示出了主体15在图3中指出的平面V-V的区域中的轴向区段。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，附件29具有大致梯形的轴向截面。

具体而言，附件29具有前面40、后面41，以及包括在后面41与前面40之间的中间面42。前面40和后面41的位置与压缩通道13中的工作流体空气流的方向有关。实际上，前面40是首先碰到压缩通道13中的工作流体空气流的面。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，前面40是平的。根据其变型，前面是弯曲的。

在本文所述和所示的非限制性示例中，前面40从压力侧32突出，且布置成使得前面40的至少一点中的切线与中线M(弧线)交叉，形成大于10°、优选大于30°的角度α。

在图5中所示的示例中，其中前面40是平的，前面40的至少一点中的切线是前面40自身的延长。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，后面41是平的。根据其变型，后面是弯曲的。

在本文所述和所示的非限制性示例中，后面41从后缘31突出，且布置成使得后面41的至少一点中的切线与中线M(弧线)交叉，形成大于30°、优选大于50°的角度β。

在图5中所示的示例中，其中后面41是平的，后面41的至少一点中的切线是后面41自身的延长。后面具有意味着后面41的延伸相对于压力侧32沿正交于中线M的方向的测量的宽度L，其小于轴向长度C(翼弦)的10%。

在本文所述和所示的非限制性示例中，角度α是大约80°，且角度β是大约90°。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，中间面42是平的。根据其变型，中间面是弯曲的。

优选地，主体15和附件29制造为单件。换言之，主体15和附件29是单件体。

参看图8A，其中流线示意性地表示为类似虚线，附件29定形成使得在压缩通道13a中获得特定的空气动力效果，即，在叶片或导叶上再分配工作流体流率，使主体15的中心区段上存在的过大流率朝主体15的接近顶面17的端部区段移动。通过这样做，甚至在操作状态中避免了失速，这对于传统叶片或导叶是不可能的。

图6示出了根据本发明的第二实施例的定子导叶70。在图6中，可发现用于前面的图3-5中的相同参考标号指示大致相同或相似的部分。

导叶70与导叶7基本上不同，因为其包括布置在底面16附近而不是在顶面17附近的附件79。换言之，附件79布置在离底面16小于径向高度S的30%的距离处。

在本文所述和所示的非限制性实施例中，附件79正好布置在底面16的区域中，且因此，在该示例中，离底面16的距离大致等于零。

附件79具有径向高度S2，其又等于主体15的径向高度S的至少2%，且大致具有与附件29相同的几何形状。

参看图8B，其中流线示意性地表示为类似虚线，附件79定形成使得在压缩通道13a中获得特定的空气动力效果，即，在叶片或导叶上再分配工作流体流速，使主体15的中心区段上存在的过大流率朝主体15的接近底面16的端部区段移动。通过这样做，甚至在操作状态中可避免失速，这对于传统叶片或导叶是不可能的。

图7示出了根据本发明的第三实施例的定子导叶700。在图7中，可发现用于前面的图3-5中的相同参考标号指示大致相同或相似的部分。

导叶700与导叶7基本上不同，因为其包括布置在底面16附近的另一个附件779。

换言之，附件29布置在离顶面17小于径向高度S的30%的距离处，而附件779布置在离底面16小于径向高度S的30%的距离处。

在本文所述和所示的非限制性示例中，附件29正好布置在顶面17的区域中，且因此，在该示例中，离顶面17的距离大致等于零，且附件779正好布置在底面16的区域中，且因此，在该示例中，附件779离底面16的距离大致等于零。

附件779具有径向高度S2，其又等于主体15的径向高度S的至少2%，且大致具有与附件29相同的几何形状。

根据本文未示出的变型，附件29和附件779具有不同几何形状，以便确定不同的和预定的流偏转效果。

参看图8C，其中流线示意性地表示为类似虚线，附件29和779定形成使得在压缩通道13a中获得特定的空气动力效果，即，在叶片或导叶上再分配工作流体流率，使主体15的中心区段上存在的过大流率朝主体15的接近顶面17和底面16的端部区段移动。通过这样做，甚至在操作状态中可避免失速，这对于传统叶片或导叶是不可能的。

如上文已经提到的那样，参照图4至7所述的导叶7,70,700的特征也可应用于转子叶片10。

根据本发明的叶片或导叶7,10,70,700能够显著提高主体15,25的一端或两端附近的流偏转能力。通过这样做，甚至在操作状态中可避免失速，这对于传统叶片或导叶是不可能的。如上文参照图8A,8B,8C已经提到的那样，附件29,79,779能够再分配叶片或导叶7,10,70,700上的工作流体流率，使中心区段上存在的过大流率朝主体15,25的一个或多个端部区段移动。

实际上，失速风险在端部区域中增大。压缩机的叶片或导叶的翼型轮廓在轮廓的中心部分和两个径向端部处以不同状态操作。在前述端部区域中，叶片或导叶不可生成足以确保流附着到轮廓上的流偏转，因此危及整个叶片或导叶的功能。

流到叶片或导叶的轮廓的附着或其缺失取决于叶片或导叶轮廓的形状、流速和各种摩擦、涡流和其它干扰空气动力现象的存在。

在叶片或导叶的端部区域中，粘滞损失很高。当工作流体流率很低时(例如，当设备以最小负载操作时)，端部区域是经历流分离且因此失速风险最多的区域。

因此，由于本发明，失速的趋势在叶片或导叶7,10,70,700的端部区段中减小，且因此，提高了压缩机13b的有用操作范围，在整个设备1的性能方面具有明显优势。

有利地，在根据本发明的叶片或导叶7,10,70,700中，翼型轮廓(即，主体15,25的外面18,28)在曲率、轴向大小或径向大小方面不变。

这从设计和构造观点避免了昂贵且复杂的干预。

一个或多个附件的简单加入在给定相同表面的情况下确定了叶片或导叶将流率从中心区段再分配到端部区段的能力的提高。这通过端部区段的升力的显著提高来确定，但具有较低阻力增大。

实际上，在存在附件的情况下，叶片或导叶作用得好像其轴向长度(翼弦)更长。估计指出了附件生成叶片或导叶升力，其类似于表面增大20%的叶片或导叶的升力。

总的来说，由于根据本发明的叶片或导叶，压缩机13b的操作域加宽，而没有重要的结构性干预。

附件29,79,779的大小减小使得该发明的制造容易且廉价。

最后，清楚的是，本文所述的叶片或导叶和压缩机可经历变化和改变，而不会出于此原因超出所附权利要求中提出的保护范围。

Claims (15)

1.用于压缩机的叶片或导叶，包括：

-主体(15;25)，其设有底面(16;26)，设有相对于所述底面(16;26)相对的顶面(17;27)，且设有在所述底面(16;26)与所述顶面(17;27)之间延伸且限定所述叶片或导叶(7;10;70;700)的翼型轮廓的外面(18;28)；所述主体(15;25)定形成使得沿所述外面(18;28)限定前缘(30)、后缘(31)、压力侧(32)和吸力侧(33)；

-布置在所述后缘(31)附近的至少一个附件(29;79;779)。

2.根据权利要求1所述的叶片或导叶，其特征在于，所述叶片或导叶在使用中相对于所述压缩机(13b)的延伸轴线(A)沿径向方向布置；所述主体(15;25)具有径向高度(S)和轴向长度(C)。

3.根据权利要求1所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29;79;779)沿所述压力侧(32)布置。

4.根据权利要求1所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29;79;779)沿所述后缘(31)的至少一部分延伸。

5.根据权利要求1所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(79;779)布置在所述底面(16;26)附近。

6.根据权利要求1所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29)布置在所述顶面(17;27)附近。

7.根据权利要求1所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29;79;779)朝所述主体(15;25)的中心渐缩。

8.根据权利要求2所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29;79;779)具有等于所述主体的径向高度(S)的至少2%的径向高度(S1;S2;S1,S2)。

9.根据权利要求2所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29;79;779)具有大致梯形的轴向区段。

10.根据权利要求2所述的叶片或导叶，其特征在于，所述附件(29;79;779)呈现出前面(40)、后面(41)和包括在所述后面(41)与所述前面(40)之间的中间面(42)。

11.根据权利要求10所述的叶片或导叶，其特征在于，所述前面(40)布置成使得所述前面(40)的至少一点中的切线与中线(M)相交，形成大于10°、优选大于30°的第一角度(α)。

12.根据权利要求10所述的叶片或导叶，其特征在于，所述后面(41)布置成使得所述后面(41)的至少一点中的切线与中线(M)相交，形成大于30°、优选大于50°的第二角度(β)。

13.根据权利要求10所述的叶片或导叶，其特征在于，所述后面(41)具有意在作为所述后面(41)的延伸相对于所述压力侧(32)沿正交于所述中线(M)的方向的测量的宽度(L)，其小于所述轴向长度(C)的10%。

14.根据权利要求5所述的叶片或导叶，其特征在于，所述叶片或导叶包括在所述顶面(17)附近沿所述后缘(31)的另一部分延伸的另一个附件(29)。

15.用于燃气涡轮发电设备的压缩机，其沿纵轴线(A)延伸且设有多个转子叶片(10)和多个定子导叶(7)；所述多个转子叶片(10)和所述多个定子导叶(7)中的至少一个是权利要求1中要求保护的类型。