CN1740522B - 折转角和安装角都可变的翼面和方法 - Google Patents

Abstract

在轴流式涡轮机内利用一个安装角和折转角都可变的翼面(10)可以得到空气动力学上有效地空气流管理。在本发明的一个示范的实施例中，这点是用提供一个两件的翼面来完成的，该翼面包括一个支撑(12)和一个折叶(14)，两者都被安装得铰接在一条公共的沿径向取向的轴线(16)上。该支撑和折叶分别被位在翼面径向端的支撑齿轮(20)和折叶齿轮(22)定位，并且在一示范的实施例中，被一制有台阶的同步环(24)驱动。

Description

折转角和安装角都可变的翼面和方法

发明领域

本发明涉及一种使翼面的安装角和折转角都可变的机械方法。

背景技术

在发电的实际应用中，当需求减少时，限制起动时间、电网需求的响应时间和保养等因素造成这样一个环境，使减少燃气轮机的输出比停机更为有利。轴流式工业燃气轮机是通过控制具有进口导叶的压缩机的空气流量来调节输出水平。

传统的“进口导叶”(IGV)为设置在轴流式压缩机前方的单级铰接翼面(绕径向轴线)。当IGV的弦线与进入的空气流一致或平行时空气的流量为最大。当IGV的安装角被转到一个空气动力学上较为关闭的位置时，流量就被减少。为了说明的目的，安装角(Θ_Stagger)被定义为在空气流速度矢量与一条沿弦线方向连接该相互联接的翼面的前缘和后缘的直线之间的角度。IGV的操作是简单的，但在空气动力学上效率不高。就这方面而论，工业燃气轮机是按在全功率时运行最为有效而设计的。当输出水平降低时由于进入的空气流被限制，效率也被降低。这个效率损失应归咎于与传统的IGV设计有关的空气动力学的低效率。

传统的几何形状可变的压缩机翼面局限于只是安装角可变或者只是折转角可变。这方面可参阅美国专利5,314,301号和4,995,786号。可见传统的几何形状可变的压缩机翼面并不能把可变的折转角和安装角两者都控制起来。

本发明概要

本发明通过一个安装角和折转角都可变的进入导叶的翼面设计，依靠空气动力学上最佳的空气流动效益，能够提高出力降低时的运行效率。

这样，本发明可被具体化为燃气轮机用的压缩机定子导叶，该导叶包括一个前缘部和一个后缘部，每一所说部都各有一个轴状部，该轴状部穿过燃气轮机的外径壳体壁；所说前缘部和所说后缘部在安装时被铰接于一条公共的沿径向取向的轴线；有一支撑齿轮，可用来藉相对于所说旋转轴线转动所说前缘部，有选择地改变所说前缘部相对于进口空气流矢量的角度；还有一折叶齿轮，可用来环绕所说旋转轴线有选择地转动所说后缘部以便改变所说后缘部相对于所说空气流动矢量的角度。在本发明的一个实施例中还设有一个制有台阶的同步环，用来受所说相应齿轮驱动而将所说前缘部和后缘部定位。

本发明还被具体化为一种改变压缩机定子导叶的安装角和折转角的方法，该方法包括：提供一个具有前缘部和后缘部的翼面，每一所说部具有一个穿过所说燃气轮机压缩机的外径壳体壁的轴状部，所说前缘部和所说后缘部被安装成铰接于一条公共的沿径向取向的轴线；有一支撑齿轮，用来藉相对于所说旋转轴线转动所说前缘部有选择地改变所说前缘部相对于进口空气流矢量的角度；还有一折叶齿轮，用来环绕所说旋转轴线有选择地转动所说后缘部，以改变所说后缘部相对于所说空气流动矢量的角度；该方法包括驱动所说支撑齿轮和所说折叶齿轮，以确定所说翼面的安装角和折转角。在一示范的实施例中，还设有一个制有台阶的同步环，以便被所说各该齿轮驱动而使所说前缘部和后缓部定位，因此在该方法中还包括转动所说制有台阶的同步环以驱动所说支撑齿轮和所说折叶齿轮。

附图简要说明

在仔细阅读下面对本发明目前较优的示范实施例结合附图而作的较详细的说明后当可对本发明的诸多目的和优点有较完整的理解和赞赏，在附图中：

图1为体现本发明的安装角和折转角都可变的两件翼面的概略图示；

图2为体现本发明的安装角和折转角都可变的进入导叶的概略的切线向视图；

图3为与图1相似的、示出安装角和折转角都可变的翼面几何关系的概略图示；

图4为图2所示的安装角和折转角都可变的进入导叶的概略的轴向视图；及

图5为制有台阶的同步环从前面看去的概略的轴向视图。

本发明的详细说明

参阅图1，如上所述，安装角(stagger)，Θ_Stagger被定义为在空气流矢量与一条在弦线方向连接互连翼面的前缘和后缘的直线之间的角度。折转角(camber)，Θ_Camber被定义为在前缘部12和后缘部14之间的角度。

由于利用折转角和安装角都可变的翼面10，本发明能在轴流式涡轮机中提供空气动力学上有效的空气流管理。在本发明的一个示范的实施例中，这一点是用一个两件的翼面来完成的。该翼面包括一个前缘部12，今后将被称为支撑(strut)；和一个后缘部14，今后将被称为折叶(flap)；这两者在安装时都被铰接到一条公共的沿径向取向的轴线16上。

如图2所示，在本发明的一个示范的实施例中，该支撑12和该折叶14形成一个互锁的铰链18。它们分别被位在该翼面径向端的支撑齿轮20和折叶齿轮22定位，并且在本例中被一制有台阶的同步环24驱动。

该制有台阶的同步环24为一环绕发动机中心线42旋转的整环结构。更具体点说，参阅图2、4和5，在本发明的一个实施例中，传统的环被这样改变，即增加了在径向上偏离(图4)而在轴向上形成台阶的第二排齿轮。在该同步环上的这两排轮齿分别与支撑齿轮和折叶齿轮啮合。该环典型地位在IGV齿轮之后，因此该环面向前伸的轮齿可与IGV齿轮中的每一个齿轮(图4和5)啮合。在以前的工业涡轮机的应用中，该环系与IGV上的一个单独的齿轮啮合，因此在面向前的一侧上只有一排匹配的轮齿。注意如果同步环位在IGV齿轮之前，该环的轮齿也可位在环的后面上。

该环的旋转运动由一通过枢支连杆46连接到环上的直线驱动装置44控制如图5所示。该环系沿径向定位在压缩机壳体的周围，而压缩机壳体上设有精密公差的柱头(未示出)可与该环接合。当该同步环被驱动时，它环绕发动机的中心线旋转，从而又可使支撑齿轮和折叶齿轮移动通过相同的距离。由于支撑齿轮和折叶齿轮具有不同的半径，它们将旋转通过不同的角度。

折叶14包括一个与内直径壳体壁28接合的折叶内直径旋钮26、一个与外直径壳体壁32接合的折叶外直径旋钮30、一根折叶轴34和折叶齿轮22。在所示的实施例中，该折叶轴将折叶齿轮的旋转运动通过固定地设置在其间的折叶外径旋钮传送到该折叶。在另一方面，该支撑12通过一个沿径向延伸的轴结构36被互连到该支撑齿轮20上如图2中虚线所示，该轴结构36固定在该支撑的铰链部38上，并通过折叶铰链部40的中心孔、折叶外直径旋钮30、折叶轴34和折叶齿轮22可旋转地被设置。

在图2的概略图示中，该折叶14为分别通过各该内径和外径旋钮26、30与内直径壳体壁28和外直径壳体壁32接触的翼面部件，从而便可提供所需的轴向和切线向的定位约束.该翼面的支撑部通过互锁的铰链18和轴结构36被连接到折叶上.但如果认为必需或值得有，该支撑也可包括约束的性能.这时该折叶可被设计成通过互锁的铰链和折叶轴而被互连到该支撑上.因此应当知道，所示轴和铰链的设计就支撑和折叶而言是可以反转的.将折叶和支撑连接到同一径向旋转轴线上的互锁的铰链部38、40可被有效地制定尺寸以便提供负荷的承载能力、最大的耐用期限并使空气泄漏为最小.

如上所述，该制有台阶的同步环24可被设置作为传统的修改。在传统的IGV的设计中，现行的同步环只与一个齿轮接合，而在本发明的实施例中所设的制有台阶的同步环却可与支撑齿轮和折叶齿轮两者接合。折叶齿轮和支撑齿轮的半径可用来确定安装角和折转角。由于同步环系通过驱动系统在切线方向上铰接，因此，参阅图3，

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Strut}}=\frac{D_{\mathrm{Sync}}360}{2{\mathrm{\πR}}_{\mathrm{Strut}}},$

其中R_strut为支撑齿轮的径向尺寸，而D_sync为同步环的圆运动的弧长。

类似地， ${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Flap}}=\frac{D_{\mathrm{Sync}}360}{2{\mathrm{\πR}}_{\mathrm{Flap}}},$

其中R_Flap为折叶齿轮的径向尺寸，而D_sync也是同步环的圆运动的弧长。

参阅图1，安装角Θ_Stagger和折转角Θ_Camber可由支撑和折叶的方位确定如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Stagger}}={\tan }^{-1}\left[\frac{Y_b-Y_a}{X_b-X_a}\right]$ ${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Camber}}={\sin }^{-1}\left[\frac{X_b{Y}_a-Y_b{X}_a}{C_{\mathrm{Flap}}{C}_{\mathrm{Strut}}}\right]$

其中X_a、Y_a为前缘部尖端的座标，而X_b、Y_b为后缘部尖端的座标，C_Flap为后缘部的长度，而C_strut为前缘部的长度。

体现本发明的安装角和折转角都可变的进入导叶的空气流设计能提供显著的效益，包括：减少空气动力学的损失和出力下降的运行，提高压缩机的可操作性，用一条公共的铰接轴线来简化执行，并且只需对传统的驱动系统作少量的修改。

虽然本发明已就目前认为最实用的优选实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，而要覆盖被包含在所附权利要求所限定的精神和范围之内的各种修改和等同的配置。

Claims (11)

1.一种燃气轮机用的压缩机定子导叶，包括：

一个前缘部和一个后缘部，所述前缘部和所述后缘部都有一个穿过所述燃气轮机的压缩机的外径壳体壁的轴状部，所述前缘部和所述后缘部被安装成铰接于一条公共旋转轴线；

一个支撑齿轮，用来通过相对于所述轴线转动所述前缘部以有选择地改变所述前缘部相对于进口空气流矢量的角度；及

一个折叶齿轮，用来环绕所述轴线有选择地转动所述后缘部以改变所述后缘部相对于所述空气流矢量的角度。

2.权利要求1的压缩机定子导叶，其特征在于所述折叶齿轮和所述支撑齿轮具有不同的半径，从而确定安装角和折转角的几何关系，其中安装角被定义为在空气流矢量与一条在弦线方向连接互连翼面的前缘和后缘的直线之间的角度，而折转角被定义为前缘部和后缘部之间的角度。

3.权利要求2的压缩机定子导叶，其特征在于还包括一个制有台阶的同步环，用来受驱动以便通过所述支撑齿轮将所述前缘部定位且通过所述折叶齿轮将所述后缘部定位。

4.权利要求1的压缩机定子导叶，其特征在于所述压缩机定子导叶被配置为具有安装角，该安装角被定义为在空气流矢量与一条在弦线方向连接互连翼面的前缘和后缘的直线之间的角度，并且可被确定如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Siagger}}={\tan }^{-1}\left[\frac{Y_b-Y_a}{X_b-X_a}\right],$

其中X_a、Y_a为前缘部尖端的座标，而X_b、Y_b为后缘部尖端的座标。

5.权利要求1的压缩机定子导叶，其特征在于所述压缩机定子导叶被配置为具有折转角，该折转角被定义为前缘部和后缘部之间的角度，并且可被确定如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Camber}}={\sin }^{-1}\left[\frac{X_b{Y}_a-Y_b{X}_a}{C_{\mathrm{Flap}}{C}_{\mathrm{Strut}}}\right],$

其中X_a、X_b为前缘部尖端的座标，而X_a、Y_b为后缘部尖端的座标；C_Flap为后缘部的长度，而C_strut为前缘部的长度。

6.权利要求1的压缩机定子导叶，其特征在于前缘部的轴状部被装配在后缘部的轴状部内。

7.一种改变压缩机定子导叶的安装角和折转角的方法，包括：

提供一个翼面，该翼面包括：

一个前缘部和一个后缘部，所述前缘部和所述后缘部都有一个穿过所述压缩机的外径壳体壁的轴状部分，所述前缘部和所述后缘部被安装成铰接于一条公共旋转轴线；

一个支撑齿轮，用来通过相对于所述轴线转动所述前缘部以有选择地改变所述前缘部相对于进口空气流矢量的角度；及

一个折叶齿轮，用来环绕所述轴线有选择地转动所述后缘部，以改变所述后缘部相对于所述空气流矢量的角度；

该方法还包括如下操作或步骤，即：驱动所述支撑齿轮和所述折叶齿轮以确定所述翼面的安装角和折转角，其中安装角被定义为在空气流矢量与一条在弦线方向连接互连翼面的前缘和后缘的直线之间的角度，而折转角被定义为前缘部和后缘部之间的角度.

8.权利要求7的方法，其特征在于所述折叶齿轮和所述支撑齿轮具有不同的半径，从而确定安装角和折转角的几何关系。

9.权利要求8的方法，其特征在于还包括一个制有台阶的同步环，用来受驱动以通过所述支撑齿轮将所述前缘部定位且通过所述折叶齿轮将所述后缘部定位。

10.权利要求7的方法，其特征在于该安装角可被确定如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Siagger}}={\tan }^{-1}\left[\frac{Y_b-Y_a}{X_b-X_a}\right],$

其中X_a、Y_a为前缘部尖端的座标，而X_b、Y_b为后缘部尖端的座标。

11.权利要求7的方法，其特征在于折转角可被确定如下：

${\mathrm{\Θ}}_{\mathrm{Camber}}={\sin }^{-1}\left[\frac{X_b{Y}_a-Y_b{X}_a}{C_{\mathrm{Flap}}{C}_{\mathrm{Strut}}}\right],$

其中X_a、Y_a为前缘部尖端的座标，而X_b、Y_b为后缘部尖端的座标；C_Flap为后缘部的长度，而C_strut为前缘部的长度。

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