CN109944830B - 带有改进的交错角翼展方向分布的压缩机叶片 - Google Patents

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Abstract

一种在翼展方向上从毂区段（6）延伸到末端区段（7）且具有中间翼型截面（S）的压缩机叶片（5），所述截面具有包括于翼弦（c）与经向轴线（m）之间的交错角（γ），其特征在于叶片（5）具有翼展方向交错角分布γ(s)，其由以下公式限定为叶片的相对翼展（s）的函数：
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE002
，其中WSA(s)是加权交错角，其由包括于以下公式之间的曲线限定为相对翼展的函数：
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE004
以及
Figure 100004_DEST_PATH_IMAGE006
。

Description

带有改进的交错角翼展方向分布的压缩机叶片
相关申请的交叉引用
此专利申请要求享有于2017年12月20日提交的欧洲专利申请第17209156.3号的优先权，其全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明涉及一种用于燃气涡轮动力设备的压缩机的压缩机叶片。
更特别地，本发明涉及一种压缩机叶片的交错角的改进的翼展方向分布。
背景技术
如已知的那样，燃气涡轮动力生成设备（下文中：“设备”）包括上游压缩机、燃烧器组件和下游涡轮。
如本文中使用的用语下游和上游是指通过设备的主气流的方向。
设备包括定子和容纳在定子内的转子，且包括带有多排压缩机叶片的压缩机区段和带有多个涡轮叶片的涡轮区段。
压缩机叶片在翼展方向上从毂区段延伸到末端区段，该末端区段径向地面向定子且由末端间隙从其分开。
压缩机设计的主目标（随同高效率）是高的操作范围。压缩机叶片的操作范围由末端间隙的区域中的空气动力学损失限制。
效率和操作范围是矛盾的要求：效率在高负载下最大化，但在这些条件下操作范围减小。
为了达成高的效率和操作范围的已知现有技术解决方案包括所谓的“壳体处理”，即，在构造成减小空气动力学阻滞的旋转叶片的区域中的壳体结构。尽管从涡轮机的早期以来此技术是已知的，但因为额外部件和服务需要的费用，它没有被广泛地使用。
发明内容
本发明的目标在于提供一种带有针对减小末端区域中的空气动力学阻滞的改进设计的压缩机叶片。
根据本发明，此目标通过在翼展方向上从毂区段延伸到末端区段且具有中间翼型截面的压缩机叶片获得，所述截面具有包括于翼弦与经向轴线之间的交错角，其特征在于，叶片具有翼展方向交错角分布γ(s)，其由以下公式限定为相对翼展（s）的函数：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
，
其中WSA(s)是加权交错角，其由包括于以下公式之间的曲线限定为相对翼展的函数：
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE004
以及
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE006
。
带有此范围中的交错翼展方向分布的叶片被证明由于末端区域中（在该处交错角与现有技术中相比增加得较少）较低的空气动力学损失而具有较大的操作范围。
根据本发明的优选实施例，加权交错角分布曲线在s=0.4与s=0.6之间的相对翼展（s）的范围中（且优选地在s=0.5处）具有最大值，这意味着交错角分布从毂区段直到叶片的中间部分从线性级数（progression）发散，且然后在末端处逐渐以线性级数收敛。
优选地，曲线在最大值与s=1处的零点之间的范围中具有向下的凹度；这具有的影响是，交错角分布的非线性分量在末端区域中急剧地减小。
优选地，交错角在叶片的末端区域中不增大，这减小空气动力学阻滞且因此增大操作范围。
本发明还涉及一种包括至少一个压缩机级的压缩机，该压缩机级包括周向排的如上文限定的叶片。
附图说明
为了对本发明的更好的理解，下文将通过非限制性示例且参照附图描述其优选实施例，在附图中：
图1是压缩机叶片的示意性正视图；
图2是压缩机叶片的截面；
图3是示出用于根据本发明的加权交错角翼展方向分布的极限曲线的图；
图4是示出根据本发明的加权交错角翼展方向分布的实施例相对于现有技术的图；
图5是示出使根据本发明的叶片几何形状与现有技术比较的级压缩特征曲线的图；以及
图6是示出与现有技术相比的根据本发明的实施例的叶片的交错角翼展方向分布以及在不同的相对翼展处的翼型区段比较的图。
具体实施方式
现在参照图1，用于燃气涡轮动力设备（未示出）的压缩机1包括定子2和转子3。转子3包括毂4和多个周向排的叶片5（仅其中的一个示意性地示出）。叶片5以已知的方式固定至毂4，且从毂区段6延伸到末端区段7。
定子2包括壳体8，其容纳呈自由旋转的方式的转子以及固定至壳体8的多个周向排的导叶（未示出）。
末端间隙9将每个叶片5的末端区段7从壳体8分开。
叶片5可认为是由多个径向地堆叠的截面S组成，其中的每一个构成翼型（图2）。应注意的是，在图1中，毂4和壳体8两者示意性地示出为圆柱形的，且因此流线14平行于转子轴线，且叶片截面也如此。在实际的压缩机中，情况大体上不是这样，且沿不平行于转子轴线的流线截取截面。
参照图2，翼型的交错角γ限定在翼弦c与经向轴线m之间，其中翼弦c是将前缘15与弧线16之间的交叉点L连接到后缘17与弧线16之间的交叉点T的线。
根据本发明，交错角γ从毂区段6到叶片5的末端区段7的分布或级数限定为相对翼展s(r)的函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE008
其中h(r)是截面相对于毂截面的距离（即，截面平均半径与毂区段平均半径之间的差，半径从转子轴线测量），且H是叶片5的总体高度，即，末端区段平均半径与毂区段平均半径之间的差。
此交错角分布由从毂区段到末端区段的线性分布与非线性分布的和给定，其形式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE010
参数WSA或“加权交错角”限定如下（从[2]）：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
根据定义，WSA(s)是在毂区段处（其中s(r)=0且γ(s) = γ(0)）和在末端区段处（其中s(r)=1且γ(s) = γ(1)）等于0的函数。
根据本发明，WSA(s)是包括于由以下公式限定的极限曲线之间的函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE016
极限曲线WSA min (s)和WSA max (s)在图3中示出，且在它们之间画阴影的区域限定WSA (s)的范围，使得以下关系适用于s的每个值：
Figure DEST_PATH_IMAGE018
如可从图3注意到的那样，曲线WSA min (s)和WSA max (s)两者在大约s=0.5处具有它们的最大值，且从最大值到S=1处的零点具有向下的凹度。
图4公开根据本发明的曲线WSA1、WSA2、WSA3的三个示例，其位于曲线WSA min (s)与WSA max (s)之间的区域内，与根据现有技术的比较曲线WSA4、WSA5相反。根据本发明的曲线中的每一个在s=0.4与s=0.6之间的范围中（且优选地在大约s=0.5处）具有最大值。以下表格包括对于曲线WAS1至WSA5以及WSA min (s)和WSA max (s)中的每一个的值（对于范围从0到1、以0.1为增量的s的值）。该表格还包括对于曲线中的每一个的交错角γ(s)的推导值。
Figure DEST_PATH_IMAGE020
如比较两组曲线可容易地看到的那样，根据本发明，γ(s)的非线性部分的贡献在末端区域中急剧地减小，且与具有相同的毂和末端交错角值的现有技术叶片设计相比，交错角在末端区域中不增加或甚至减小。
这反映在图6中，图6公开根据本发明的代表性叶片中（曲线γA）和对应的现有技术叶片中（曲线γB）的交错角γ的翼展方向分布。
在值s = 0、s = 0.5和s=1处的两个叶片的截面SA与SB之间的直接比较在图的右边示出。根据本发明的交错角分布的特征在于“较平直的”末端区域，其中交错角倾向于不像现有技术中那样增加。
图5公开对于代表性的压缩机级的特征曲线（级压缩比CR相对于流动系数Φ）。已评估不同的设计变型（曲线A、B、C）且与现有技术实施例（曲线D）相比。
如可明显地看到的那样，现有技术压缩机级在设计区域中表征最大值，对于较低流率带有压缩比的显著减小，而根据本发明的压缩机级显示更大延伸的操作范围（在减小的流量处带有压缩比的有限降低）。
虽然本发明已如上文提到的那样关于其优选实施例进行解释，但应理解的是，可在不脱离所附权利要求的范围的情况下作出修改和变型。

Claims (6)

1.一种在翼展方向上从毂区段（6）延伸到末端区段（7）且具有中间翼型截面（S）的压缩机叶片（5），所述截面具有包括于翼弦（c）与经向轴线（m）之间的交错角（γ），其特征在于，所述叶片（5）具有翼展方向交错角分布γ(s)，其由以下公式限定为所述叶片的相对翼展（s）的函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
其中WSA(s)是加权交错角，其由包括于以下公式之间的曲线限定为所述相对翼展的函数：
Figure DEST_PATH_IMAGE004
以及
Figure DEST_PATH_IMAGE006
。
2.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述曲线在s=0.4与s=0.6之间的相对翼展（s）的范围中具有最大值。
3.根据权利要求1所述的叶片，其特征在于，所述曲线在大约s=0.5的相对翼展（s）的值处具有最大值。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的叶片，其特征在于，所述曲线在所述最大值与s=1处的零点之间的范围中具有向下的凹度。
5.根据前述权利要求中任一项所述的叶片，其特征在于，所述交错角（γ）在所述叶片的末端区域中不增大。
6.一种包括至少一个压缩机级的压缩机，所述压缩机级包括周向排的根据前述权利要求中任一项所述的叶片。
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