ITMI20060341A1

ITMI20060341A1 - SHOVEL OF A ROTOR OF A NON-STAGE OF A COMPRESSOR

Info

Publication number: ITMI20060341A1
Application number: IT000341A
Authority: IT
Inventors: Paolo Arinci; Salvatore Lorusso; Alessio Novori
Original assignee: Nuovo Pignone Spa
Priority date: 2006-02-27
Filing date: 2006-02-27
Publication date: 2007-08-28
Also published as: CN101029647A; KR101433373B1; JP2007231946A; CA2579387C; EP1826413A3; ATE531944T1; KR20070089080A; NO20071076L; EP1826413A2; EP1826413B1; CA2579387A1; JP5314852B2; CN101029647B

Abstract

The invention relates to a blade (10) of a rotor of a ninth phase of a compressor, which can be defined by coordinates of a discreet combination of points, in a Cartesian reference system (X,Y,Z), wherein the axis (Z) is a radial axis intersecting the central axis of the compressor, said blade (10) having a profile which can be identified by means of a series of closed intersection curves between the profile itself and planes (X,Y) lying at distances (Z) from the central axis, said blade (10) also comprising a thickening (30), substantially parallel to a base portion (12) of the blade (10) itself, fixable to said rotor, said thickening (30) being substantially situated half-way up the blade (10) and being suitable for shifting the natural resonance frequencies of the blade (10) itself outside a functioning frequency range of said rotor.

Description

DESCRIZIONE dell'invenzione industriale DESCRIPTION of the industrial invention

La presente invenzione si riferisce ad una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore. The present invention refers to a rotor blade of a ninth stage of a compressor.

Più precisamente l'invenzione concerne una pala di un rotore ad elevata efficienza aerodinamica di un nono stadio di un compressore. More precisely, the invention relates to a high aerodynamic efficiency rotor blade of a ninth stage of a compressor.

Il compressore comunemente al suo interno porta in pressione l'aria prelevata esternamente dallo stesso . The compressor commonly carries the air taken externally by the compressor under pressure.

Il fluido penetra nel compressore attraverso una serie di condotti di ingresso. Fluid enters the compressor through a series of inlet conduits.

In queste canalizzazioni, il gas presenta caratteristiche di bassa pressione e di bassa temperatura, mentre, nell'attraversamento del compressore, il gas viene compresso e la sua temperatura aumenta. In these pipes, the gas has low pressure and low temperature characteristics, while, as it passes through the compressor, the gas is compressed and its temperature increases.

Per aumentare l'efficienza, solitamente il compressore è suddiviso in più stadi, ciascuno dei quali presenta un rotore ed uno statore rispettivamente dotati di una pluralità di pale. To increase efficiency, the compressor is usually divided into several stages, each of which has a rotor and a stator respectively equipped with a plurality of blades.

Negli ultimi anni i compressori tecnologicamente all'avanguardia sono stati ulteriormente migliorati, per ottenere un ulteriore miglioramento dell'efficienza, operando in particolare sulle condizioni aerodinamiche. In recent years, the technologically advanced compressors have been further improved, to obtain a further improvement in efficiency, working in particular on aerodynamic conditions.

La configurazione geometrica delle palettature influenza infatti in modo sensibile l'efficienza aerodinamica . The geometric configuration of the blades in fact significantly influences the aerodynamic efficiency.

Ciò dipende dal fatto che le caratteristiche geometriche della pala determinano una distribuzione delle velocità relative nel fluido, influenzando di conseguenza la distribuzione degli strati limite lungo le pareti ed, in ultima analisi, le perdite per attrito . This depends on the fact that the geometric characteristics of the blade determine a distribution of the relative velocities in the fluid, consequently influencing the distribution of the boundary layers along the walls and, ultimately, the friction losses.

In particolare, nel caso di palette del rotore di un nono stadio di un compressore è richiesta un'efficienza molto elevata, pur mantenendo un appropriato carico aerodinamico e meccanico. In particular, in the case of rotor blades of a ninth stage of a compressor, a very high efficiency is required, while maintaining an appropriate aerodynamic and mechanical load.

Scopo della presente invenzione è quello di realizzare una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore che eviti o comunque riduca i problemi di risonanza dovuti alle vibrazioni flessionali, che ridurrebbero la vita del componente, ed allo stesso tempo che consenta una elevata efficienza aerodinamica. The purpose of the present invention is that of realizing a blade of a rotor of a ninth stage of a compressor which avoids or in any case reduces the resonance problems due to bending vibrations, which would reduce the life of the component, and at the same time which allows a high efficiency. aerodynamics.

Ancora un altro scopo della presente invenzione è quello di fornire un rotore di un nono stadio di un compressore che consenta un'elevata efficienza aerodinamica e che allo stesso tempo consenta di ottenere una elevata affidabilità del compressore con conseguente aumento della potenza della turbina stessa a parità di dimensioni del compressore. Yet another object of the present invention is to provide a rotor of a ninth stage of a compressor which allows a high aerodynamic efficiency and which at the same time allows to obtain a high reliability of the compressor with consequent increase in the power of the turbine itself. compressor size.

Questi scopi secondo la presente invenzione vengono raggiunti realizzando una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore come esposto nella rivendicazione 1. These objects according to the present invention are achieved by making a blade of a rotor of a ninth stage of a compressor as set forth in claim 1.

Ulteriori caratteristiche dell'invenzione sono evidenziate dalle rivendicazioni successive. Further characteristics of the invention are highlighted by the subsequent claims.

Le caratteristiche ed i vantaggi di una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore secondo la presente invenzione risulteranno maggiormente evidenti dalla descrizione seguente, esemplificativa e non limitativa, riferita ai disegni schematici allegati nei quali: The characteristics and advantages of a blade of a rotor of a ninth stage of a compressor according to the present invention will become more evident from the following description, which is exemplary and not limiting, referring to the attached schematic drawings in which:

la figura 1 è una vista in elevazione di una pala di un rotore di un compressore realizzata con un profilo aerodinamico secondo la presente invenzione; Figure 1 is an elevation view of a compressor rotor blade made with an aerodynamic profile according to the present invention;

la figura 2 è una vista in elevazione del lato opposto della pala di figura 1; e Figure 2 is an elevation view of the opposite side of the blade of Figure 1; And

la figura 3 è un diagramma dell'andamento dello spessore massimo di una pala secondo la presente invenzione, rispetto alla sua altezza. Figure 3 is a diagram of the trend of the maximum thickness of a blade according to the present invention, with respect to its height.

Con riferimento alle figure viene fornita una pala 10 di un rotore di un nono stadio di un compressore. With reference to the figures, a blade 10 of a rotor of a ninth stage of a compressor is provided.

Detta pala 10 è definita mediante coordinate di un insieme discreto di punti, in un sistema di riferimento cartesiano X, Y, Z, in cui l'asse Z è un asse radiale intersecante l'asse centrale del compressore, non mostrato. Said blade 10 is defined by means of coordinates of a discrete set of points, in a Cartesian reference system X, Y, Z, in which the Z axis is a radial axis intersecting the central axis of the compressor, not shown.

Il profilo della pala 10 è individuato mediante una pluralità di curve chiuse di intersezione tra il profilo stesso e piani (X, Y) giacenti a distanze Z dall'asse centrale. The profile of the blade 10 is identified by means of a plurality of closed intersection curves between the profile itself and planes (X, Y) lying at distances Z from the central axis.

Il profilo di detta pala 10 comprende una prima superficie 3 sostanzialmente concava, che risulta in pressione, ed una seconda superficie 5 sostanzialmente convessa che risulta in depressione e che è opposta alla prima. The profile of said blade 10 comprises a first substantially concave surface 3, which results in pressure, and a second substantially convex surface 5, which results in depression and which is opposite to the first.

Le due superfici 3, 5 sono continue e raccordate tra loro, ed insieme formano il profilo di detta pala 10 . The two surfaces 3, 5 are continuous and connected to each other, and together they form the profile of said blade 10.

Ad una porzione di base 12, comunemente chiamata "piede" della pala 10, secondo tecnica nota è previsto un raccordo di collegamento con il profilo aerodinamico della pala 10 stessa, detta porzione di base 12 essendo atta ad essere fissata a detto rotore di detto compressore. According to the known technique, a base portion 12, commonly called "foot" of the blade 10, is provided with a connection fitting with the aerodynamic profile of the blade 10 itself, said base portion 12 being able to be fixed to said rotor of said compressor .

Detta pala 10 comprende un ispessimento 30, ossia una porzione allungata avente uno spessore maggiorato rispetto alle porzioni adiacenti, il quale risulta sostanzialmente parallelo a detta porzione 12 di base in modo tale da spostare le frequenze proprie di risonanza di detta pala 10 al di fuori di un intervallo di frequenze di funzionamento del rotore stesso, riducendo o comunque evitando problemi di instabilità e vibrazionali della pala 10 e del rotore. Said blade 10 comprises a thickening 30, i.e. an elongated portion having a thickness greater than the adjacent portions, which is substantially parallel to said base portion 12 in such a way as to move the resonant natural frequencies of said blade 10 outside of a range of operating frequencies of the rotor itself, reducing or in any case avoiding instability and vibrational problems of the blade 10 and of the rotor.

Vantaggiosamente questo comporta un aumento sia della vita utile sia della affidabilità del rotore e del compressore stesso. Advantageously, this entails an increase in both the useful life and the reliability of the rotor and of the compressor itself.

Detto ispessimento 30 è relativo ad almeno una sezione o curva chiusa, ed inoltre è disposto sostanzialmente a metà dell'altezza della pala 10 stessa. Said thickening 30 relates to at least one closed section or curve, and is furthermore arranged substantially at half the height of the blade 10 itself.

In altri termini, detto ispessimento 30 conferisce a detta pala 10 un comportamento dinamico tale da presentare delle frequenze proprie flessionali che ricadono al di fuori di un intervallo di velocità di funzionamento del rotore di detto compressore e quindi tali da non presentare una intensificazione della deformazione massima flessionale della pala durante il funzionamento del compressore. In other words, said thickening 30 gives said blade 10 a dynamic behavior such as to present bending natural frequencies that fall outside an operating speed range of the rotor of said compressor and therefore such as not to have an intensification of the maximum deformation bending of the blade during compressor operation.

Questo determina, conseguentemente, una migliore prestazione del compressore, del rotore e una maggiore vita utile dei componenti dello stesso, in quanto si evitano problemi di risonanza quali quelli precedentemente descritti. This consequently determines a better performance of the compressor, of the rotor and a longer useful life of the components thereof, since resonance problems such as those previously described are avoided.

Conseguentemente, si possono quindi dimensionare i giochi e le tolleranze della pala e dello statore in modo tale da aumentare ulteriormente le prestazioni del compressore stesso. Consequently, the clearances and tolerances of the blade and of the stator can therefore be dimensioned in such a way as to further increase the performance of the compressor itself.

Questo è possibile in quanto si evita che la pala 10, deformandosi, possa determinare un contatto ed un relativo sfregamento sul relativo statore. This is possible since the blade 10, by deforming itself, is prevented from causing contact and relative rubbing on the relative stator.

In particolare ciascuna curva chiusa presenta uno spessore massimo determinato dalla massima distanza tra detta prima superficie 3 e detta seconda superficie 5. In particular, each closed curve has a maximum thickness determined by the maximum distance between said first surface 3 and said second surface 5.

Detto spessore massimo di ciascuna curva chiusa, lungo l'altezza della pala 10, andando verso una estremità libera 14 della pala 10, presenta un andamento dapprima decrescente, poi crescente, quindi nuovamente decrescente ed infine crescente, con due inclinazioni diverse, detta pala 10 comprendendo un ulteriore ispessimento sostanzialmente parallelo a detta porzione di base 12 e disposto in particolare in prossimità di detta estremità libera 14. Said maximum thickness of each closed curve, along the height of the blade 10, going towards a free end 14 of the blade 10, has a first decreasing, then increasing, then again decreasing and finally increasing trend, with two different inclinations, said blade 10 comprising a further thickening substantially parallel to said base portion 12 and arranged in particular in proximity to said free end 14.

A titolo esemplificativo, la variazione dell'andamento dello spessore massimo è mostrato nella figura 3, in cui è confrontato con l'andamento dello spessore massimo di una pala secondo la tecnica nota. In particolare, nella figura 3, sulle ascisse è indicata l'altezza della pala 10, mentre sulle ordinate è rappresentato lo spessore massimo della pala 10, adimensionalizzato ponendo pari ad 1 lo spessore in corrispondenza del piede della pala. Nel diagramma mostrato in figura 3, la linea inferiore rappresenta l'andamento dello spessore massimo di una pala secondo la tecnica nota, mentre la linea superiore mostra l'andamento dello spessore massimo della pala secondo la presente invenzione. By way of example, the variation in the trend of the maximum thickness is shown in Figure 3, in which it is compared with the trend in the maximum thickness of a blade according to the known technique. In particular, in Figure 3, the height of the blade 10 is indicated on the abscissas, while on the ordinates the maximum thickness of the blade 10 is represented, dimensionless by placing the thickness at the foot of the blade equal to 1. In the diagram shown in Figure 3, the lower line represents the trend of the maximum thickness of a blade according to the known technique, while the upper line shows the trend of the maximum thickness of the blade according to the present invention.

Preferibilmente, lungo l'altezza della pala 10 in direzione di una estremità libera 14 della pala 10, detto spessore massimo presenta un andamento che può essere descritto da quattro diverse funzioni matematiche, identificative di quattro diverse regioni della pala. Preferably, along the height of the blade 10 in the direction of a free end 14 of the blade 10, said maximum thickness has a pattern that can be described by four different mathematical functions, identifying four different regions of the blade.

Nella prima regione, quella più prossima al piede della pala 10, fino ad un'altezza pari al 45% dell'altezza della pala, l'andamento dello spessore massimo può essere descritto da una funzione polinomiale di quarto grado (dapprima decrescente e successivamente crescente) ed in particolare detta funzione polinomiale è: In the first region, the one closest to the foot of the blade 10, up to a height equal to 45% of the height of the blade, the trend of the maximum thickness can be described by a fourth degree polynomial function (first decreasing and subsequently increasing ) and in particular said polynomial function is:

Tmax = -34 . 522* h<4>+ 36.4*h<3>- 8 . 4113*h<2>Tmax = -34. 522 * h <4> + 36.4 * h <3> - 8. 4113 * h <2>

0 . 7259*h 0 . 9961 0. 7259 * h 0. 9961

in cui h rappresenta la percentuale dell'altezza della pala 10, ed in cui Tmax è lo spessore massimo adimensionalizzato relativo a quella curva chiusa corrispondente a quella percentuale dell'altezza della pala 10. in which h represents the percentage of the height of the blade 10, and in which Tmax is the maximum dimensionless thickness relative to that closed curve corresponding to that percentage of the height of the blade 10.

Nella successiva regione, compresa tra il 45% e il 58% dell'altezza della pala 10, lo spessore varia secondo la funzione lineare (decrescente): In the subsequent region, between 45% and 58% of the height of the blade 10, the thickness varies according to the linear function (decreasing):

Tmax = -1.3509*h 1.4459 Tmax = -1.3509 * h 1.4459

Quindi, tra il 58% e l'86% dell'altezza della pala 10, l'andamento dello spessore è rappresentato dalla funzione lineare (crescente): Therefore, between 58% and 86% of the height of the blade 10, the thickness trend is represented by the linear function (increasing):

Tmax = 0.2074*h 0.5443 Tmax = 0.2074 * h 0.5443

Infine, tra l'86% e l'estremità libera 14 della pala, lo spessore massimo varia secondo la funzione lineare (crescente): Finally, between 86% and the free end 14 of the blade, the maximum thickness varies according to the linear function (increasing):

Tmax = 0.9058*h - 0.0518 Tmax = 0.9058 * h - 0.0518

Il profilo di ciascuna pala 10 è stato inoltre opportunamente sagomato per poter mantenere l'efficienza stessa a livelli elevati. The profile of each blade 10 has also been suitably shaped to be able to maintain the efficiency itself at high levels.

Il profilo aerodinamico di ciascuna pala 10 è preferibilmente definito mediante una pluralità di curve chiuse le cui coordinate sono definite rispetto ad un sistema di riferimento cartesiano X, Y, Z, in cui l'asse Z è un asse radiale intersecante l'asse centrale della turbina, e tali curve chiuse giacenti a distanze Z dall'asse centrale sono definite secondo la tabella I, i cui valori, espressi in millimetri, sono riferiti ad un profilo aerodinamico a temperatura ambiente, in particolare a 25 °C. The aerodynamic profile of each blade 10 is preferably defined by means of a plurality of closed curves whose coordinates are defined with respect to a Cartesian reference system X, Y, Z, in which the Z axis is a radial axis intersecting the central axis of the turbine, and such closed curves lying at distances Z from the central axis are defined according to table I, whose values, expressed in millimeters, refer to an aerodynamic profile at room temperature, in particular at 25 ° C.

Tabella I Table I.

Continua tabella Continue table

9 9

Continua tabella Continua tabella Continue table Continue table

Allo stesso tempo, ciascuna pala 10 presenta quindi un profilo aerodinamico che permette di mantenere una elevata efficienza di conversione e una elevata vita utile. At the same time, each blade 10 therefore has an aerodynamic profile which allows to maintain a high conversion efficiency and a high useful life.

Inoltre, il profilo aerodinamico della pala 10 secondo l'invenzione è ottenuto con i valori di tabella I impilando la pluralità di curve chiuse fra loro e raccordandole in modo da ottenere un profilo aerodinamico continuo. Furthermore, the aerodynamic profile of the blade 10 according to the invention is obtained with the values of table I by stacking the plurality of closed curves and joining them so as to obtain a continuous aerodynamic profile.

Per tenere conto della variabilità dimensionale di ciascuna pala 10, il profilo di ciascuna pala 10 può presentare una tolleranza di /- 2 mm in direzione normale al profilo della pala 10 stessa. To take into account the dimensional variability of each blade 10, the profile of each blade 10 can have a tolerance of / - 2 mm in the direction normal to the profile of the blade 10 itself.

Il profilo di ciascuna pala 10 può inoltre comprendere un rivestimento, applicato successivamente e tale da far variare il profilo stesso. The profile of each blade 10 can also comprise a coating, applied subsequently and such as to make the profile itself vary.

Preferibilmente, detto rivestimento antiusura presenta uno spessore definito in direzione normale a ciascuna superficie della pala 10 e compreso tra 0 e 0,5 mm. Preferably, said anti-wear coating has a thickness defined in the direction normal to each surface of the blade 10 and comprised between 0 and 0.5 mm.

Inoltre è chiaro che i valori delle coordinate di tabella I possono essere moltiplicate o divise per una costante correttiva per ottenere un profilo in scala maggiore o minore, mantenendo la stessa forma. Furthermore, it is clear that the values of the coordinates of table I can be multiplied or divided by a corrective constant to obtain a profile on a larger or smaller scale, maintaining the same shape.

In accordo ad un altro aspetto della presente invenzione, viene fornito un rotore di un nono stadio di un compressore comprende una pluralità di pale 10 del tipo precedentemente descritto, ciascuna delle quali avente un profilo aerodinamico sagomato, le quali risultano fissate ad una superficie esterna di detto rotore in modo tale da risultare uniformemente distanziate sulla stessa, ed inoltre orientate in modo tale da consentire una elevata efficienza al compressore in cui detto rotore è preferibilmente inserito . In accordance with another aspect of the present invention, a rotor of a ninth stage of a compressor is provided which comprises a plurality of blades 10 of the type described above, each of which having a shaped aerodynamic profile, which are fixed to an external surface of said rotor in such a way as to be uniformly spaced thereon, and further oriented in such a way as to allow high efficiency to the compressor in which said rotor is preferably inserted.

In accordo ad un altro aspetto della presente invenzione viene fornito un compressore comprendente un rotore del tipo precedentemente descritto. According to another aspect of the present invention, a compressor is provided comprising a rotor of the type described above.

Si è così visto che una pala di un rotore di un nono stadio di un compressore secondo la presente invenzione realizza gli scopi in precedenza evidenziati. It has thus been seen that a blade of a rotor of a ninth stage of a compressor according to the present invention achieves the purposes highlighted above.

La pala di un rotore di un nono stadio di un compressore della presente invenzione così concepita è suscettibile di numerose modifiche e varianti, tutte rientranti nel medesimo concetto inventivo. The blade of a rotor of a ninth stage of a compressor of the present invention thus conceived is susceptible of numerous modifications and variations, all falling within the same inventive concept.

Inoltre, in pratica i materiali utilizzati, nonché le loro dimensioni ed i componenti, potranno essere qualsiasi a seconda delle esigenze tecniche. Furthermore, in practice, the materials used, as well as their dimensions and components, may be any according to the technical requirements.

Claims

CLAIMS 1. Blade (10) of a rotor of a ninth stage of a compressor, which can be defined by coordinates of a discrete set of points, in a Cartesian reference system (X, Y, Z), in which the axis ( Z) is a radial axis intersecting the central axis of the compressor, called blade (10) presenting a profile which can be identified through a plurality of closed intersection curves between the profile itself and planes (X, Y) lying at distances (Z ) from the central axis, said blade (10) being characterized in that it comprises a thickening (30), substantially parallel to a base portion (12) of the blade (10) itself, which can be fixed to said rotor, called thickening (30) being arranged substantially at half height of the blade (10) and being capable of shifting the natural resonant frequencies of the blade (10) itself outside a range of operating frequencies of said rotor.

2. Shovel (10) according to claim 1, characterized in that it comprises a further thickening, substantially parallel to said base portion (12) and arranged in particular near a free end (14).

3. Shovel (10) according to claim 1 or 2, characterized in that it comprises a profile which is identified by a first substantially concave surface (3), which is under pressure, and a second substantially convex surface (5) which is in depression and which is opposite to the first, said two surfaces (3, 5) being continuous and joined together to form the profile of said blade 10.

4. Shovel (10) according to claim 3, characterized in that each closed curve has a maximum thickness determined by the maximum distance between said first surface (3) and said second surface (5), said maximum thickness of each closed curve, along the height of the blade 10 in the direction of a free end (14) of the blade (10), presenting a trend that is first decreasing, then increasing, then again decreasing and finally increasing, with a point of discontinuity of the inclination.

5. Blade (10) according to claim 4, characterized in that along the height of the blade (10) in the direction of its free end (14), said maximum thickness has a trend in accordance with the following, in which h represents the height of the blade (10), expressed as a percentage of the total height of the blade (10), and in which Tmax is the maximum dimensionless thickness relative to the closed curve corresponding to the height: Tmax = -34.522 * h <4> + 36.4 * h <3> - 8.4113 * h <2> -0.7259 * h 0.9961 for height values between 0 and 45%; Tmax = -1.3509 * h 1.4459 between 45% and 58% of the height; Tmax = 0.2074 * h 0.5443 between 58% and 86% of the height; And Tmax = 0.9058 * h - 0.0518 between 86% and 100% of the height.

Shovel (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that said closed curves are defined according to table I, the values of which expressed in millimeters refer to a profile at room temperature.

Blade (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the profile of each blade (10) has a tolerance of / - 2 mm in the direction normal to the profile of the blade (10) itself.

Blade (10) according to any one of the preceding claims, characterized in that the profile of each blade (10) comprises an anti-wear coating.

Blade (10) according to claim 8, characterized in that said coating has a thickness of between 0 and 0.5 mm.

10. Rotor of a ninth stage of a compressor, characterized in that it comprises a plurality of blades (10) according to any one of claims 1-9.

11. Rotor according to claim 10, characterized in that said plurality of blades (10) is constrained to an external surface of said rotor and furthermore said plurality of blades (10) is uniformly distributed thereon in order to maximize the efficiency of the rotor itself.

12. Compressor characterized in that it comprises a rotor according to claim 10 or 11.