沿翼展方向分段的可變導向葉片和相關方法

2023-10-25 16:40:07 6

專利名稱：沿翼展方向分段的可變導向葉片和相關方法
技術領域：
本發明涉及燃氣渦輪機，更具體地，涉及渦輪壓縮機的可變導向
葉片(variable guide vane)構造。
背景技術：
發電的軸流式燃氣渦輪設計為以固定的轉速和輸出進行最佳地 操作。此外，軸流式燃氣渦輪壓縮機具有限制的可變級幾何形狀和限 制的空氣抽取。這些因素在啟動和停機操作期間導致顯著的偏離設計 的空氣動力狀態，諸如旋轉失速現象。
旋轉失速本身表現為以大約一半的葉輪或轉子速度旋轉的局部 的失速單元。這些單元在轉子葉片和定子葉片上提供相關的不穩定的 空氣動力載荷。當轉子改變速度時，失速單元數將發生變化，從而產 生不同數量級的擾動或節徑。轉子葉片和定子葉片對旋轉失速空氣動 力載荷的振動響應可增加對正常葉片破壞和過早失效的靈敏性。
最近調查顯示在速度較慢的操作(諸如啟動和停機)期間，固定速 度的多級軸流式壓縮機在內徑(ID)流徑處產生分離流，而外徑(OD)流 徑區域卻更加穩定，該多級軸流式壓縮機具有單級的幾何形狀可變的 葉片VSV,其稱為入口導向葉片(IGV)。該部分速度的位於ID處的失 速作用在通常的固定速度的多級軸流式壓縮機的計算流體動力學 (CFD)分析中預測。
通常，整體的可變IGV級使壓縮機氣流在ID至OD之間一致。 因此，不可能將ID區域的氣流控制與流徑的其它區域分離。

發明內容
根據本發明的示範性的非限制性實施例，IGV為分段(split)的並且可獨立地控制，以便尤其管理發生旋轉失速的E)流徑。各個IGV的 這種沿翼展方向(spanwise)的分段通過消除軸流式壓縮機的轉子葉片 和定子葉片上的空氣動力擾動而改善軸流式壓縮機的轉子葉片和定 子葉片的耐用性，並且因此還消除尤其在啟動和停機操作期間的旋轉 失速。換句話說，壓縮機氣流管理的沿翼展方向的分離提供了一種通 過獨立地管理ID和OD流徑區域中的壓縮機氣流而防止軸流式壓縮 機的旋轉失速空氣動力形成相關的不穩定載荷的方法。這減小了 ID 失速強度，並且削弱了旋轉失速在壓縮機翼部上形成相關的不穩定的 振動力的能力。在正常的操作狀態下，可通過調節內部葉片段和外部 葉片段以建立單個翼部外形，即在段之間不存在角度差，合併ID和 OD流徑區域。
因此， 一方面，本發明涉及一種用於軸流式壓縮4幾的可變導向葉 片，其包括第一徑向外部葉片段；和第二徑向內部葉片段；該第一 葉片段和第二葉片段可圍繞葉片的縱向的徑向軸線彼此相對地進行 角度調節。
另一方面，本發明涉及一種用於軸流式壓縮機的可變導向葉片， 其包括第一徑向外部葉片段；第二徑向內部葉片段；該第一葉片段 和第二葉片段可圍繞葉片的縱向的徑向軸線彼此相對地進行角度調
節；其中，該第一葉片段和第二葉片段固定至位於徑向軸線上的相應 的軸上，該軸中的每個軸都獨立地旋轉。


圖1是根據本發明的示範性的非限制性實施例的分段的IGV的示 意性側^見圖2是圖1所示的IGV的示意性前視圖3是圖1和圖2所示的IGV的示意性平面圖4是用於調節壓縮機定子的IGV的促動機構的示意性前視而，圖5是類似於圖1的示意圖，但是圖5顯示了分段的IGV的可選 的驅動實施例。
參考標號
定子IGV10
內部段12
外部段14
徑向軸 線16
流動箭頭18
後緣22,26
前緣20,24
軸28,30
第一齒輪32
第一同步齒輪34
軸承36
套筒38
第二齒輪40
第二同步環形齒輪42
軸線44
第一線性促動器46
氣缸48
活塞50
遠端52
基部54
固定支承件56
第二促動器58
氣缸60
活塞62基部 64
IGV 110
ID IGV段 112
ODIGV段 114
徑向間隙 116
軸 118
齒輪 120
第一同步環形齒輪 122
軸線 124
軸 126
第二齒輪 128
第二同步環形齒輪 130
具體實施例方式
現在參考圖1-3,渦輪壓縮機定子IGV 10沿翼展方向分成兩段， 亦即各可圍繞共同的徑向軸線16進行樞軸式旋轉的徑向內部段12和 徑向外部段14。
沿翼展方向分段的徑向視圖最佳地顯示在圖3中。由此，清楚的 是，IGV ID段12和OD段14分別以相對於進入軸向流的不同角度進 行定位，該進入軸向流由流動箭頭18表示。圖3還顯示了徑向定向
在圖1所示的示例中，OD IGV段14具有前緣20和後緣22 ，而ID IGV 段12具有前緣24和後緣26。
再次參考圖l和圖2，同心軸28,30用於使IGV段12,14圍繞軸 線16彼此相對旋轉。更具體地，軸28的徑向外端固定至ID IGV段 的第一齒輪32上。軸28延伸通過OD IGV段14(並且可相對OD IGV 段14旋轉)，並且固定至ID IGV段12上。齒輪32由第一同步齒輪 34接合(圖2)，該第一同步齒輪34的旋轉使ID IGV段12圍繞軸線36上進行樞軸式旋轉。
同時，OD IGV段14具有軸28所穿過的套筒38，軸30在軸28 上伸縮並且在OD IGV 14和第二齒輪40之間延伸。齒輪40與第二同 步環形齒輪42相接合(圖2)。同步環形齒輪34,42的獨立旋轉將使IGV 段12,14不同地旋轉，使得IGVID段和OD段在角度上偏離，如圖3 所示。
4表示一種示範性的非限制性方式，其中，第一同步環形齒輪 32和第二同步環形齒輪34可旋轉，並且環形齒輪與圍繞轉子軸(未顯 示)的多個IGV IO相接合，該轉子軸的軸線顯示為44。在該示例中， 具有氣缸48和活塞50的第一線性促動器46可布置為使得活塞50的 遠端52以可樞軸旋轉的方式附連至第二齒輪34上，而氣缸48的基 部54以可樞軸旋轉的方式附連至固定支承件56(例如壓縮機外殼)上。 活塞50的延伸(或收縮)使同步環形齒輪34旋轉移動並使每個IGV 10 的IGVID段12移動。相似地，具有氣缸60和活塞62的第二4足動器 58可繞樞軸旋轉地附連至第一齒輪32上，氣缸60的基部64以可樞 軸旋轉的方式附連至外殼56上。線性促動器的促動可例如由計算機 程序或其它合適的控制裝置所調節，以實現ID葉片段12和OD葉片 段14的所期望的移動。例如，在啟動操作和停機操作中，IGV的ID 段和OD段將偏離，如圖3所示。當渦輪在正常的滿負荷狀態下操作 時，將調節ID IGV段12和OD IGV段14以消除偏離，亦即將ID IGV 段和OD IGV段之間的角度差基本上減小為零。
應理解的是，所有合適的機械促動器、氣動促動器或液壓促動器 可用於旋轉IGV ID段和OD l殳。
應了解的是，ID IGV和OD IGV的沿翼展方向的長度(即徑向長 度)可基於CFD預測或測量數據而變化。對葉片跨距的唯一要求是ID 和OD的徑向葉片長度的總和共同跨越整個流徑。
圖5表示另一個示範性的非限制性實施例，其中IGV 110的每個 IGV段由其所擁有的同步環形齒輪所促動。更具體地，IGV110分為包括ID IGV段112和OD IGV段114,其中在分界處存在微小的徑向 間隙58。 ID IGV段112具有固定至齒輪62上的軸60。齒輪62由第 一同步環形齒輪64所接合，第一同步環形齒輪64的旋轉使ID IGV 段112圍繞徑向的旋轉軸線116旋轉。
同樣地，OD IGV段114具有軸66，由第二同步環形齒輪70所 接合的第二齒輪68固定至軸66上。
應理解的是，通過利用與圖4所示的線性促動器相類似的分離的 線性促動器，同步環形齒輪64和70可獨立地旋轉，以將IDIGV段 和OD IGV段固定在相對於進入空氣流矢量的所期望的角度處。
在普通的應用中，ID翼部段和OD翼部段不需要在ID-OD分界 位置處具有相同的構造。此外，分界段不必平行於附圖所示的發動機 中心線，但是可具有通常限定的段。
將IGV分成上述的ID段和OD段具有許多益處和優點。例如， 這種沿翼展方向分段的IGV發明通過消除空氣動力擾動而改善軸流 式壓縮機的轉子葉片和定子葉片的耐用性。由於壓縮機氣流管理的沿 翼展方向的分離，故通過防止形成相關的不穩定載荷來提供減少軸流 式壓縮機的旋轉失速空氣動力的方法。沿翼展方向分^:的IGV還提供 用於獨立地管理ID和OD流徑區域中的壓縮機氣流的方法。這縮小 了 ID失速區，並且削弱了旋轉失速在壓縮機翼部上形成相關的不穩 定的振動力的能力。
壓縮機氣流的分開的沿翼展方向的管理的另 一 個益處是改善動 力減弱性能。固定速度的軸流式壓縮機通過減少壓縮機氣流而減弱動 力。通過IGV封閉來減少這種氣流。沿翼展方向分段的IGV的最佳 管理改善了減弱性能和減弱幅度。
雖然結合被認為是最實用的且優選的IGV實施例來描述本發明， 但是應理解的是，本發明不限於所公開的實施例，相反，本發明意圖 覆蓋包括在權利要求的精神和範圍內的各種VSV改進和等效布置。
權利要求
1.一種用於軸流式壓縮機的可變導向葉片(10)，其包括第一徑向外部葉片段(14)；和第二徑向內部葉片段(12)；所述第一葉片段和所述第二葉片段可圍繞所述葉片的縱向的徑向軸線(16)彼此相對地進行角度調節。
2. 根據權利要求1所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述第 一葉片段(14)和所述第二葉片段(12)沿基本上垂直於所述縱向軸線的 水平分段線進行分界。
3. 根據權利要求2所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述水 平分段線大約位於沿所述葉片的徑向長度尺寸的中間。
4. 根據權利要求1所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述第 一葉片段(14)和所述第二葉片段(12)固定至位於所述徑向軸線上的相 應的軸(30,28)上，所述軸中的每個軸都可獨立地旋轉。
5. 根據權利要求4所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述軸 (30,28)中的每個軸都具有固定在其相應端處的齒輪(40,32)，所述齒輪 (40,32)可與相應的同步環形齒輪(42,34)相接合。
6. 根據權利要求1所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述第 一葉片段(14)和所述第二葉片段(12)安裝在位於所述縱向軸線上的共 用軸(28)上，所迷葉片段(12)固定至所述軸上，所述葉片段(14)可相對 於所述軸旋轉。
7. 根據權利要求1所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述第 一葉片段(114)和所述第二葉片段(112)安裝到相應的軸(126,118)上，所 述相應的軸(126，118)各在所述導向葉片的相應的相對端處固定至齒輪 (128，120)上。
8. 根據權利要求5所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述相 應的同步齒輪(42,34)各可通過液壓促動器(46,58)而旋轉。
9. 一種用於軸流式壓縮機的可變導向葉片CllO),其包括第一徑向外部葉片段(114);第二徑向內部葉片段(112);所述第一葉片段和所迷笫二葉片段可 圍繞所述葉片的縱向的徑向軸線(124)彼此相對地進行角度調節；和其中，所述第一葉片段和所述第二葉片段固定至位於所述徑向軸 線上的相應的軸(126,118)上，所述軸中的每個軸都可獨立地旋轉。
10. 根據權利要求9所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述第 一葉片段和所述第二葉片段沿基本上垂直於所述縱向軸線的水平分 段線進行分界。
11. 根據權利要求9所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述水 平分段線大約位於沿所述葉片的徑向長度尺寸的中間。
12. 根據權利要求9所述的可變導向葉片，其特徵在於，所述第 一葉片段和所述第二葉片段固定至位於所述徑向軸線上的相應的軸 上，所述軸中的每個軸都可獨立地旋轉。
13. —種消除與軸流式渦輪壓縮機入口導向葉片(10)有關的旋轉 失速空氣動力擾動的方法，其包括(a) 分開一排這種入口導向葉片中的每個可變導向葉片(IO),以形 成徑向內部段(12)和徑向外部段(14);並(b) 相對於跨過所述導向葉片的空氣的流動方向而調節所述徑向 內部段和所述徑向外部段的相對角度位置。
14. 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述徑向內部 段和所述徑向外部段由分開的環形齒輪所調節。
15. 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述方法包括 根據計算的流體動力學預測而選擇每個段的徑向長度。
16. 根據權利要求13所述的方法，其特徵在於，所述方法包括 在啟動和停機期間使所述徑向內部段和所述徑向外部段在角度上發 生偏離。
17. 根據權利要求16所述的方法，其特徵在於，所述方法包括 在正常的滿負荷操作期間將所述徑向內部段和所述徑向外部段之間 的角度偏離基本上減小為零。
全文摘要
本發明涉及沿翼展方向分段的可變導向葉片和相關方法。因此，一方面，本發明涉及用於軸流式壓縮機的可變導向葉片，其包括第一徑向外部葉片段；和第二徑向內部葉片段；該第一葉片段和第二葉片段可圍繞葉片的縱向的徑向軸線彼此相對地進行角度調節。
文檔編號F04D29/38GK101319683SQ20081011004
公開日2008年12月10日 申請日期2008年5月29日 優先權日2007年6月8日
發明者N·馬丁, R·扎查裡亞斯, S·M·希爾勒, S·P·沃辛格 申請人:通用電氣公司