折轉角和安裝角都可變的翼面和方法
2023-11-09 02:21:37
專利名稱：折轉角和安裝角都可變的翼面和方法
技術領域：
本發明涉及一種使翼面的安裝角和折轉角都可變的機械方法。
背景技術：
在發電的實際應用中，當需求減少時，限制起動時間、電網需求的響應時間和保養等因素造成這樣一個環境，使減少燃氣輪機的輸出比停機更為有利。軸流式工業燃氣輪機是通過控制具有進口導葉的壓縮機的空氣流量來調節輸出水平。
傳統的「進口導葉」(IGV)為設置在軸流式壓縮機前方的單級鉸接翼面(繞徑向軸線)。當IGV的弦線與進入的空氣流一致或平行時空氣的流量為最大。當IGV的安裝角被轉到一個空氣動力學上較為關閉的位置時，流量就被減少。為了說明的目的，安裝角(ΘStagger)被定義為在空氣流速度矢量與一條沿弦線方向連接該相互聯接的翼面的前緣和後緣的直線之間的角度。IGV的操作是簡單的，但在空氣動力學上效率不高。就這方面而論，工業燃氣輪機是按在全功率時運行最為有效而設計的。當輸出水平降低時由於進入的空氣流被限制，效率也被降低。這個效率損失應歸咎於與傳統的IGV設計有關的空氣動力學的低效率。
傳統的幾何形狀可變的壓縮機翼面局限於只是安裝角可變或者只是折轉角可變。這方面可參閱美國專利5,314,301號和4,995,786號。可見傳統的幾何形狀可變的壓縮機翼面並不能把可變的折轉角和安裝角兩者都控制起來。
本發明概要本發明通過一個安裝角和折轉角都可變的進入導葉的翼面設計，依靠空氣動力學上最佳的空氣流動效益，能夠提高出力降低時的運行效率。
這樣，本發明可被具體化為燃氣輪機用的壓縮機定子導葉，該導葉包括一個前緣部和一個後緣部，每一所說部都各有一個軸狀部，該軸狀部穿過燃氣輪機的外徑殼體壁；所說前緣部和所說後緣部在安裝時被鉸接於一條公共的沿徑向取向的軸線；有一支撐齒輪，可用來藉相對於所說旋轉軸線轉動所說前緣部，有選擇地改變所說前緣部相對於進口空氣流矢量的角度；還有一折葉齒輪，可用來環繞所說旋轉軸線有選擇地轉動所說後緣部以便改變所說後緣部相對於所說空氣流動矢量的角度。在本發明的一個實施例中還設有一個制有臺階的同步環，用來受所說相應齒輪驅動而將所說前緣部和後緣部定位。
本發明還被具體化為一種改變壓縮機定子導葉的安裝角和折轉角的方法，該方法包括提供一個具有前緣部和後緣部的翼面，每一所說部具有一個穿過所說燃氣輪機壓縮機的外徑殼體壁的軸狀部，所說前緣部和所說後緣部被安裝成鉸接於一條公共的沿徑向取向的軸線；有一支撐齒輪，用來藉相對於所說旋轉軸線轉動所說前緣部有選擇地改變所說前緣部相對於進口空氣流矢量的角度；還有一折葉齒輪，用來環繞所說旋轉軸線有選擇地轉動所說後緣部，以改變所說後緣部相對於所說空氣流動矢量的角度；該方法包括驅動所說支撐齒輪和所說折葉齒輪，以確定所說翼面的安裝角和折轉角。在一示範的實施例中，還設有一個制有臺階的同步環，以便被所說各該齒輪驅動而使所說前緣部和後緩部定位，因此在該方法中還包括轉動所說制有臺階的同步環以驅動所說支撐齒輪和所說折葉齒輪。
附圖簡要說明在仔細閱讀下面對本發明目前較優的示範實施例結合附圖而作的較詳細的說明後當可對本發明的諸多目的和優點有較完整的理解和讚賞，在附圖中
圖1為體現本發明的安裝角和折轉角都可變的兩件翼面的概略圖示；圖2為體現本發明的安裝角和折轉角都可變的進入導葉的概略的切線向視圖；圖3為與圖1相似的、示出安裝角和折轉角都可變的翼面幾何關係的概略圖示；圖4為圖2所示的安裝角和折轉角都可變的進入導葉的概略的軸向視圖；及圖5為制有臺階的同步環從前面看去的概略的軸向視圖。
本發明的詳細說明參閱圖1，如上所述，安裝角(stagger)，ΘStagger被定義為在空氣流矢量與一條在弦線方向連接互連翼面的前緣和後緣的直線之間的角度。折轉角(camber)，ΘCamber被定義為在前緣部12和後緣部14之間的角度。
由於利用折轉角和安裝角都可變的翼面10，本發明能在軸流式渦輪機中提供空氣動力學上有效的空氣流管理。在本發明的一個示範的實施例中，這一點是用一個兩件的翼面來完成的。該翼面包括一個前緣部12，今後將被稱為支撐(strut)；和一個後緣部14，今後將被稱為折葉(flap)；這兩者在安裝時都被鉸接到一條公共的沿徑向取向的軸線16上。
如圖2所示，在本發明的一個示範的實施例中，該支撐12和該折葉14形成一個互鎖的鉸鏈18。它們分別被位在該翼面徑向端的支撐齒輪20和折葉齒輪22定位，並且在本例中被一制有臺階的同步環24驅動。
該制有臺階的同步環24為一環繞發動機中心線42旋轉的整環結構。更具體點說，參閱圖2、4和5，在本發明的一個實施例中，傳統的環被這樣改變，即增加了在徑向上偏離(圖4)而在軸向上形成臺階的第二排齒輪。在該同步環上的這兩排輪齒分別與支撐齒輪和折葉齒輪嚙合。該環典型地位在IGV齒輪之後，因此該環面向前伸的輪齒可與IGV齒輪中的每一個齒輪(圖4和5)嚙合。在以前的工業渦輪機的應用中，該環系與IGV上的一個單獨的齒輪嚙合，因此在面向前的一側上只有一排匹配的輪齒。注意如果同步環位在IGV齒輪之前，該環的輪齒也可位在環的後面上。
該環的旋轉運動由一通過樞支連杆46連接到環上的直線驅動裝置44控制如圖5所示。該環系沿徑向定位在壓縮機殼體的周圍，而壓縮機殼體上設有精密公差的柱頭(未示出)可與該環接合。當該同步環被驅動時，它環繞發動機的中心線旋轉，從而又可使支撐齒輪和折葉齒輪移動通過相同的距離。由於支撐齒輪和折葉齒輪具有不同的半徑，它們將旋轉通過不同的角度。
折葉14包括一個與內直徑殼體壁28接合的折葉內直徑旋鈕26、一個與外直徑殼體壁32接合的折葉外直徑旋鈕30、一根折葉軸34和折葉齒輪22。在所示的實施例中，該折葉軸將折葉齒輪的旋轉運動通過固定地設置在其間的折葉外徑旋鈕傳送到該折葉。在另一方面，該支撐12通過一個沿徑向延伸的軸結構36被互連到該支撐齒輪20上如圖2中虛線所示，該軸結構36固定在該支撐的鉸鏈部38上，並通過折葉鉸鏈部40的中心孔、折葉外直徑旋鈕30、折葉軸34和折葉齒輪22可旋轉地被設置。
在圖2的概略圖示中，該折葉14為分別通過各該內徑和外徑旋鈕26、30與內徑和外徑殼體弧形段28、32接觸的翼面部件，從而便可提供所需的軸向和切線向的定位約束。該翼面的支撐部通過互鎖的鉸鏈18和支撐軸36被連接到折葉上。但如果認為必需或值得有，該支撐也可包括約束的性能。這時該折葉可被設計成通過互鎖的鉸鏈和折葉軸而被互連到該支撐上。因此應當知道，所示軸和鉸鏈的設計就支撐和折葉而言是可以反轉的。將折葉和支撐連接到同一徑向旋轉軸線上的互鎖的鉸鏈部38、40可被有效地制定尺寸以便提供負荷的承載能力、最大的耐用期限並使空氣洩漏為最小。
如上所述，該制有臺階的同步環24可被設置作為傳統的修改。在傳統的IGV的設計中，現行的同步環只與一個齒輪接合，而在本發明的實施例中所設的制有臺階的同步環卻可與支撐齒輪和折葉齒輪兩者接合。折葉齒輪和支撐齒輪的半徑可用來確定安裝角和折轉角。由於同步環系通過驅動系統在切線方向上鉸接，因此，參閱圖3，折轉角Strut=DSync3602RStrut,]]>其中Rstrut為支撐齒輪的徑向尺寸，而Dsync為同步環的圓運動的弧長。
類似地 安裝角Flap=DSync3602RFlap,]]>其中RFlap為折葉齒輪的徑向尺寸，而Dsync也是同步環的圓運動的弧長。
參閱圖1，安裝角ΘStagger和折轉角ΘCamber可由支撐和折葉的方位確定如下Stagger=tan-1[Yb-YaXb-Xa]]]>Camber=sin-1[XbYa-YbXaCFlapCStrut]]]>其中Xa、Ya為前緣部尖端的座標，而Xb、Yb為後緣部尖端的座標，CFlap為後緣部的長度，而Cstrut為前緣部的長度。
體現本發明的安裝角和折轉角都可變的進入導葉的空氣流設計能提供顯著的效益，包括減少空氣動力學的損失和出力下降的運行，提高壓縮機的可操作性，用一條公共的鉸接軸線來簡化執行，並且只需對傳統的驅動系統作少量的修改。
雖然本發明已就目前認為最實用的優選實施例進行說明，但應知道，本發明並不限於所公開的實施例，而要覆蓋被包含在所附權利要求所限定的精神和範圍之內的各種修改和等同的配置。
權利要求
1.一種燃氣輪機用的壓縮機定子導葉包括一個前緣部(12)和一個後緣部(14)，每一所說部都有一個所說燃氣輪機壓縮機的外徑殼體壁(32)的軸狀部(34、36)所說前緣部和所說後緣部被安裝成鉸接於一條公共的沿徑向取向的軸線(16)；一個支撐齒輪(20)，可用來藉相對於所說旋轉軸線轉動所說前緣部有選擇地改變所說前緣部相對於進口空氣流矢量的角度；及一個折葉齒輪(22)，可用來環繞所說旋轉軸線有選擇地轉動所說後緣部以改變所說後緣部相對於所說空氣流矢量的角度。
2.權利要求1的壓縮機定子導葉，其特徵在於所說折葉齒輪(22)和所說支撐齒輪(20)具有不同的半徑，從而確定安裝角和折轉角的幾何關係。
3.權利要求2的壓縮機定子導葉，其特徵在於還包括一個制有臺階的同步環(24)，用來受驅動以便通過所說相應齒輪(20、22)將所說前緣部和後緣部定位。
4.權利要求1的壓縮機定子導葉，其特徵在於該安裝角可被確定如下Stagger=tan-1[Yb-YaXb-Xa],]]>其中Xa、Ya為前緣部尖端的座標，而Xb、Yb為後緣部尖端的座標。
5.權利要求1的壓縮機定子導葉，其特徵在於該轉角可被確定如下Camber=sin-1[XbYa-YbXaCFlapCStrut],]]>其中Xa、Xb為前緣部尖端的座標，而Xa、Yb為後緣部尖端的座標；CFlap為後緣部的長度，而Cstrut為前緣部的長度。
6.權利要求1的壓縮機定子導葉，其特徵在於前緣部的軸狀部分(36)被裝配在後緣部的軸狀部分(34)內。
7.一種改變壓縮機定子導葉(10)的安裝角和折轉角的方法包括提供一個翼面，該翼面包括一個前緣部(12)和一個後緣部(14)，每一所說部有一個穿過所說燃氣輪機壓縮機的外徑殼體壁(32)的軸狀部分(36、34)所說的前緣部和所說後緣部被安裝成鉸接於一條公共的沿徑向取向的軸線(16)；一個支撐齒輪(20)，用來藉相對於所說旋轉軸線轉動所說前緣部有選擇地改變所說前緣部相對於進口空氣流矢量的角度；及一個折葉齒輪(22)，用來環繞所說旋轉軸線有選擇地轉動所說後緣部，以改變所說後緣部相對於所說空氣流矢量的角度；該方法包括驅動所說支撐齒輪和所說折葉齒輪，以確定所說翼面(10)的安裝角和折轉角。
8.權利要求7的方法，其特徵在於所說折葉齒輪(22)和所說支撐齒輪(20)具有不同的半徑，從而確定安裝角和折轉角的幾何關係，並且還包括一個制有臺階的同步環(24)，用來受驅動，以通過所說相應齒輪將所說前緣部和後緣部定位。
9.權利要求7的方法，其特徵在於該安裝角可被確定如下Stagger=tan-1[Yb-YaXb-Xa],]]>其中Xa、Ya為前緣部尖端的座標，而Xb、Yb為後緣部尖端的座標。
10.權利要求7的方法，其特徵在於折轉角可被確定如下Camber=sin-1[XbYa-YbXaCFlapCStrut],]]>其中Xa、Ya為前緣部尖端的座標，而Xb、Yb為後緣部尖端的座標；CFlap為後緣部的長度，而Cstrut為前緣部的長度。
全文摘要
在軸流式渦輪機內利用一個安裝角和折轉角都可變的翼面(10)可以得到空氣動力學上有效地空氣流管理。在本發明的一個示範的實施例中，這點是用提供一個兩件的翼面來完成的，該翼面包括一個支撐(12)和一個折葉(14)，兩者都被安裝在鉸接在一條公共的沿徑向取向的軸線(16)上。該支撐和折葉分別被位在翼面徑向端的支撐齒輪(20)和折葉齒輪(22)定位，並且在一示範的實施例中，被一制有臺階的同步環(24)驅動。
文檔編號F01D9/02GK1740522SQ20051009658
公開日2006年3月1日 申請日期2005年8月25日 優先權日2004年8月25日
發明者N·F·馬丁, S·M·希爾勒 申請人:通用電氣公司