CN113898472A - 压气机改型方法及压气机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种压气机改型方法及一种通过该压气机改型方法获得的压气机。该压气机改型方法，依次包括以下步骤：步骤S1、对原型机整体切顶，使压气机工作状态下的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量；步骤S2、对压气机后面级进一步切顶，使压气机后面级的流量系数增大；步骤S3、对压气机前面级和后面级的叶片几何参数分别进行调整，使压气机相较原型机满足：压气机后面级扩散因子减小、流量系数增大、最末级静叶片出口气流均匀性增加，压气机前面级各级通流与原型机保持一致。改型后的压气机满足进口空气质量流量减少，同时保证较高效率和稳定运行范围广的要求。

Description

压气机改型方法及压气机
技术领域
本发明涉及燃气轮机技术领域，尤其涉及一种压气机改型方法及一种通过该压气机改型方法获得的压气机。
背景技术
燃气轮机通常包括压气机、燃烧室和燃气涡轮三大部件，压气机是燃气轮机中利用高速旋转的叶片给空气作功以提高空气压力的部件。现代重型燃气轮机结构复杂，设计难度大，在升级改造时往往采用在现有机组基础上进行优化工作以降低风险。为了丰富燃气轮机序列，或者适应不同热值燃料，燃气轮机改造有时需要对现有压气机进行改型，以达到减小燃气轮机进气量的目的。因而，如何降低压气机通流流量，同时保证压气机在宽的运行范围内的高效性和稳定性，成为亟需解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种压气机改型方法，能够使改型后的压气机满足进口空气质量流量减少，同时保证较高效率和稳定运行范围广的要求，以克服现有技术的上述缺陷。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
本发明提供一种压气机改型方法，依次包括以下步骤：步骤S1、对原型机整体切顶，使压气机工作状态下的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量；步骤S2、对压气机后面级进一步切顶，使压气机后面级的流量系数增大；步骤S3、对压气机前面级和后面级的叶片几何参数分别进行调整，使压气机相较原型机满足：压气机后面级扩散因子减小、流量系数增大、最末级静叶片出口气流均匀性增加，压气机前面级各级通流与原型机保持一致。
优选地，步骤S1包括：步骤S1-1、获取原型机在设计点和两个非设计点的整机性能参数，整机性能参数包括压比、质量流量、效率和喘振裕度；步骤S1-2、根据改型要求确定改型后的压气机在设计点的改型设计质量流量；步骤S1-3、对原型机的流道整体进行切顶，并使压气机的轮毂处流道几何参数、轮毂和切顶线之间的叶片结构均与原型机保持一致；步骤S1-4、计算切顶后的压气机在设计点的实际质量流量，将实际质量流量与改型设计质量流量进行比较；步骤S1-5、根据实际质量流量与改型设计质量流量的比较结果调整切顶比例，重复步骤S1-3和步骤S1-4，直至实际质量流量等于改型设计质量流量。
优选地，步骤S1-2中，根据燃气轮机的热平衡和改型要求确定改型后的压气机在设计点的改型设计压比，根据改型要求确定改型设计质量流量。
优选地，还包括步骤S4、在步骤S3的基础上，计算并判断压气机在设计点和非设计点的整机性能参数是否满足设计要求，若满足，则压气机改型完成；若不满足，则重复步骤S2和步骤S3，直至压气机在设计点和非设计点的整机性能参数满足设计要求；设计要求为：压气机在设计点的质量流量和压比达到改型设计质量流量和改型设计压比、压气机在设计点的效率不低于原型机、以及压气机在设计点和非设计点的喘振裕度高于原型机。
优选地，步骤S2和步骤S3中，压气机后面级为压气机通流的后六级或后五级或后四级。
优选地，改型后的压气机相较原型机满足以下设计约束条件：轮毂型线保持不变、压气机整机轴向长度保持不变、叶片叶根处轴向弦长与轴向间隙保持不变、轮毂表面和气缸表面均光滑过渡、以及动叶片与气缸之间的动叶叶尖间隙与原型机保持一致。
本发明还提供一种压气机，压气机为采用如上所述的压气机改型方法对原型机进行改型获得的改型后的压气机，原型机为多级轴流式压气机。
与现有技术相比，本发明具有显著的进步：
通过对原型机整体切顶，使压气机的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量，在此基础上，对压气机后面级进一步切顶，使压气机后面级的流量系数增大，扩大后面级稳定运行范围；对压气机前面级和后面级的叶片几何参数分别进行调整，进一步优化压气机内部流动状态，提升改型后压气机的运行效率，扩大改型后压气机的稳定工作范围。由此使得改型后的压气机满足进口空气质量流量减少，同时保证较高效率和稳定运行范围广的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的压气机改型方法的示意图。
图2是本发明实施例的压气机中，优化后的动叶片与原型机改型前的动叶片的叶根截面对比示意图。
图3是本发明实施例的压气机中，优化后的动叶片与原型机改型前的动叶片的叶中截面对比示意图。
图4是本发明实施例的压气机中，优化后的动叶片与原型机改型前的动叶片的叶尖截面对比示意图。
图5是本发明实施例的压气机中，优化后的静叶片与原型机改型前的静叶片的叶根截面对比示意图。
图6是本发明实施例的压气机中，优化后的静叶片与原型机改型前的静叶片的叶中截面对比示意图。
图7是本发明实施例的压气机中，优化后的静叶片与原型机改型前的静叶片的叶尖截面对比示意图。
其中，附图标记说明如下：
101 气缸
102 轮毂
103 中心拉杆
1 进口导流叶片
2 动叶片
2a 优化后的动叶片
2b 原型机改型前的动叶片
3 静叶片
3a 优化后的静叶片
3b 原型机改型前的静叶片
21 切顶线
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。这些实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图1所示，本发明实施例提供一种压气机改型方法。本实施例的压气机改型方法用于在现有的燃气轮机的基础上，对燃气轮机的现有压气机(原型机)进行改型优化，实现减少压气机进口空气质量流量，亦即实现降低压气机通流流量，以达到减小燃气轮机进气量的目的，并在满足压气机进口空气质量流量减少的同时，保证压气机在宽的运行范围内的高效性和稳定性。
本实施例的压气机改型方法适用于多级轴流式压气机。参见图1，典型的多级轴流式压气机由轮毂102、气缸101和设于气缸101内部的进口导流叶片1、动叶片2、静叶片3构成工作区域(流道)。进口导流叶片1开度可调。在进口导流叶片1之后，由一列动叶片2和一列静叶片3构成压气机的级，沿压气机流道的通流方向从前至后形成多级，并从第一级依次排列至最末级。动叶片2安装在轮毂102上，通过中心拉杆103连接拉紧各级轮盘，静叶片3固定在静叶持环上，静叶持环固定在气缸101上。
本实施例的压气机改型方法依次包括以下步骤。
步骤S1、对原型机整体切顶，使压气机工作状态下的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量。参见图1，切顶线21表示切顶开始位置，通过切顶减小压气机叶轮进出口高度，从而降低压气机通流流量。
本实施例中，优选地，步骤S1包括：
步骤S1-1、获取原型机在设计点的整机性能参数，设计点是指压气机的设计工况，通常为标准大气工况。为了更准确找到关键级使改型优化更有目的性，还需获取原型机在两个非设计点的整机性能参数，非设计点是指压气机的非设计工况，两个非设计点应覆盖压气机正常运行的绝大部分工况，并能够反映出压气机前面级和后面级的极端工作条件。较佳地，两个非设计点中，其中一个非设计点的工况条件为：进口导流叶片1开度为全开度、转速为设计工况转速的90％、温度为设计工况温度；另一个非设计点的工况条件为：进口导流叶片1开度为全开度的80％、转速为设计工况转速、温度为设计工况温度。整机性能参数包括压比、质量流量、效率和喘振裕度。
步骤S1-2、根据改型要求确定改型后的压气机在设计点的改型设计质量流量。较佳地，可以根据燃气轮机的热平衡和改型要求确定改型后的压气机在设计点的改型设计压比，根据改型要求确定改型设计质量流量。在压气机的性能参数计算中，根据压比计算获得对应的质量流量为现有技术，本文不予赘述。
步骤S1-3、对原型机的流道整体进行切顶，并使压气机的轮毂102处流道几何参数、轮毂102和切顶线21之间的叶片结构均与原型机保持一致，即所述切顶过程不改变轮毂102处流道几何参数以及切顶比例之外的叶片结构。
步骤S1-4、基于步骤S1-3得到的切顶后的压气机，计算该切顶后的压气机在设计点的实际质量流量，将实际质量流量与改型设计质量流量进行比较。
步骤S1-5、根据实际质量流量与改型设计质量流量的比较结果调整切顶比例，重复步骤S1-3和步骤S1-4，直至实际质量流量等于改型设计质量流量。
由此，在初次切顶的基础上，通过迭代的方式逐步调整切顶比例，最终使压气机工作状态下的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量，完成对原型机整体切顶。初次切顶的切顶比例可以根据改型设计质量流量确定。
步骤S2、基于步骤S1得到的完成整体切顶后的压气机，由于多级轴流式压气机的流道为收缩型，后面级边界层厚度占比较大，切顶后流量系数过小，不利于喘振裕度的提升，因此对压气机后面级进一步切顶，使压气机后面级的流量系数增大，扩大后面级稳定运行范围。对压气机后面级进一步切顶是对压气机后面级切顶线21的微调。本实施例中，压气机后面级可以为压气机通流的后六级或后五级或后四级，压气机前面级则为压气机后面级之前的级部分。
步骤S3、对压气机前面级和后面级的叶片几何参数分别进行调整，使压气机相较原型机满足：压气机后面级扩散因子减小、流量系数增大、最末级静叶片3出口气流均匀性增加，压气机前面级各级通流与原型机保持一致。对压气机前面级的叶片几何参数进行调整优选包括：调整压气机前面级动叶片2和静叶片3的稠度、安装角、冲角等几何参数；对压气机后面级的叶片几何参数进行调整优选包括：调整压气机后面级动叶片2和静叶片3的稠度、安装角、冲角等几何参数以及对压气机后面级静叶片3施加端弯设计，通过这些几何参数的调整实现压气机前面级和后面级叶片的优化，使得优化调整后的压气机与原型机相比，压气机后面级扩散因子减小、流量系数增大、最末级静叶片3出口气流更加均匀，并且压气机前面级各级通流与原型机保持一致，以此保证压气机前面级性能。从而进一步优化了压气机内部流动状态，提升了改型后压气机的运行效率，扩大了改型后压气机的稳定工作范围。
步骤S4、在步骤S3的基础上，计算并判断压气机在设计点和非设计点的整机性能参数是否满足设计要求，若满足，则压气机改型完成；若不满足，则重复步骤S2和步骤S3，直至压气机在设计点和非设计点的整机性能参数满足设计要求。所述设计要求为：压气机在设计点的质量流量和压比达到改型设计质量流量和改型设计压比、压气机在设计点的效率不低于原型机、以及压气机在设计点和非设计点的喘振裕度高于原型机。
优选地，本实施例的压气机改型方法中，改型后的压气机相较原型机满足以下设计约束条件：轮毂102型线保持不变、压气机整机轴向长度保持不变、叶片(动叶片2和静叶片3)叶根处轴向弦长与轴向间隙保持不变、轮毂102表面和气缸101表面均光滑过渡、以及动叶片2与气缸101之间的动叶叶尖间隙与原型机保持一致。
本实施例的压气机改型方法，通过对原型机整体切顶，使压气机的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量，在此基础上，对压气机后面级进一步切顶，使压气机后面级的流量系数增大，扩大后面级稳定运行范围；对压气机前面级和后面级的叶片几何参数分别进行调整，进一步优化压气机内部流动状态，提升改型后压气机的运行效率，扩大改型后压气机的稳定工作范围。由此使得改型后的压气机满足进口空气质量流量减少，同时保证较高效率和稳定运行范围广的要求。
基于上述压气机改型方法，本发明实施例还提供一种压气机，本实施例的压气机为采用本实施例上述的压气机改型方法对原型机进行改型获得的改型后的压气机，原型机为多级轴流式压气机。改型后的压气机经过在原型机的基础上进行整体切顶、压气机后面级进一步切顶和压气机前面级和后面级的叶片分别优化调整后形成新的叶片结构，能够满足进口空气质量流量减少，同时保证较高效率和稳定运行范围广的要求。
图2、图3和图4分别示出了采用本实施例上述的压气机改型方法对原型机进行改型获得的改型后的压气机中，优化后的动叶片2a与原型机改型前的动叶片2b的叶根截面对比图、叶中截面对比图和叶尖截面对比图；图5、图6和图7分别示出了本实施例的压气机中，优化后的静叶片3a与原型机改型前的静叶片3b的叶根截面对比图、叶中截面对比图和叶尖截面对比图。图2至图7中，气流方向为沿图纸纸面从左向右，动叶片旋转方向为沿图纸纸面从下向上。与改型前相比，优化后的叶片在叶根与叶尖均有显著不同的进口几何角，该设计有助于在相同的进口气流角的情况下获得更负的冲角，改善叶片的抗失速性能；基于叶片稠度的优化，优化后的叶片弦长更大，具有较低的扩散因子。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种压气机改型方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
步骤S1、对原型机整体切顶，使压气机工作状态下的进口空气质量流量减少至改型设计质量流量；
步骤S2、对压气机后面级进一步切顶，使压气机后面级的流量系数增大；
步骤S3、对压气机前面级和后面级的叶片几何参数分别进行调整，使压气机相较原型机满足：压气机后面级扩散因子减小、流量系数增大、最末级静叶片出口气流均匀性增加，压气机前面级各级通流与原型机保持一致。
2.根据权利要求1所述的压气机改型方法，其特征在于，所述步骤S1包括：
步骤S1-1、获取原型机在设计点和两个非设计点的整机性能参数，所述整机性能参数包括压比、质量流量、效率和喘振裕度；
步骤S1-2、根据改型要求确定改型后的压气机在所述设计点的改型设计质量流量；
步骤S1-3、对原型机的流道整体进行切顶，并使压气机的轮毂处流道几何参数、轮毂和切顶线之间的叶片结构均与原型机保持一致；
步骤S1-4、计算切顶后的压气机在所述设计点的实际质量流量，将所述实际质量流量与所述改型设计质量流量进行比较；
步骤S1-5、根据所述实际质量流量与所述改型设计质量流量的比较结果调整切顶比例，重复所述步骤S1-3和所述步骤S1-4，直至所述实际质量流量等于所述改型设计质量流量。
3.根据权利要求2所述的压气机改型方法，其特征在于，所述步骤S1-2中，根据燃气轮机的热平衡和改型要求确定改型后的压气机在所述设计点的改型设计压比，根据改型要求确定所述改型设计质量流量。
4.根据权利要求2所述的压气机改型方法，其特征在于，还包括步骤S4、在所述步骤S3的基础上，计算并判断压气机在所述设计点和所述非设计点的整机性能参数是否满足设计要求，若满足，则压气机改型完成；若不满足，则重复所述步骤S2和所述步骤S3，直至压气机在所述设计点和所述非设计点的整机性能参数满足设计要求；
所述设计要求为：压气机在所述设计点的质量流量和压比达到改型设计质量流量和改型设计压比、压气机在所述设计点的效率不低于原型机、以及压气机在所述设计点和所述非设计点的喘振裕度高于原型机。
5.根据权利要求1所述的压气机改型方法，其特征在于，所述步骤S2和所述步骤S3中，所述压气机后面级为压气机通流的后六级或后五级或后四级。
6.根据权利要求1至5中任意一项所述的压气机改型方法，其特征在于，改型后的压气机相较原型机满足以下设计约束条件：轮毂型线保持不变、压气机整机轴向长度保持不变、叶片叶根处轴向弦长与轴向间隙保持不变、轮毂表面和气缸表面均光滑过渡、以及动叶片与气缸之间的动叶叶尖间隙与原型机保持一致。
7.一种压气机，其特征在于，所述压气机为采用如权利要求1至6中任意一项所述的压气机改型方法对原型机进行改型获得的改型后的压气机，所述原型机为多级轴流式压气机。
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吕峰: "《风机技术》", 《叶片切顶对大型轴流风机性能的影响》 *
吕峰: "《风机技术》", 《叶片切顶对大型轴流风机性能的影响》, 29 February 2012 (2012-02-29), pages 18 - 22 *

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