专利名称：沿翼展方向分段的可变导向叶片和相关方法
技术领域：
本发明涉及燃气涡轮机，更具体地，涉及涡轮压缩机的可变导向
叶片(variable guide vane)构造。
背景技术：
发电的轴流式燃气涡轮设计为以固定的转速和输出进行最佳地 操作。此外，轴流式燃气涡轮压缩机具有限制的可变级几何形状和限 制的空气抽取。这些因素在启动和停机操作期间导致显著的偏离设计 的空气动力状态，诸如旋转失速现象。
旋转失速本身表现为以大约一半的叶轮或转子速度旋转的局部 的失速单元。这些单元在转子叶片和定子叶片上提供相关的不稳定的 空气动力载荷。当转子改变速度时，失速单元数将发生变化，从而产 生不同数量级的扰动或节径。转子叶片和定子叶片对旋转失速空气动 力载荷的振动响应可增加对正常叶片破坏和过早失效的灵敏性。
最近调查显示在速度较慢的操作(诸如启动和停机)期间，固定速 度的多级轴流式压缩机在内径(ID)流径处产生分离流，而外径(OD)流 径区域却更加稳定，该多级轴流式压缩机具有单级的几何形状可变的 叶片VSV,其称为入口导向叶片(IGV)。该部分速度的位于ID处的失 速作用在通常的固定速度的多级轴流式压缩机的计算流体动力学 (CFD)分析中预测。
通常，整体的可变IGV级使压缩机气流在ID至OD之间一致。 因此，不可能将ID区域的气流控制与流径的其它区域分离。
发明内容
根据本发明的示范性的非限制性实施例，IGV为分段(split)的并且可独立地控制，以便尤其管理发生旋转失速的E)流径。各个IGV的 这种沿翼展方向(spanwise)的分段通过消除轴流式压缩机的转子叶片 和定子叶片上的空气动力扰动而改善轴流式压缩机的转子叶片和定 子叶片的耐用性，并且因此还消除尤其在启动和停机操作期间的旋转 失速。换句话说，压缩机气流管理的沿翼展方向的分离提供了一种通 过独立地管理ID和OD流径区域中的压缩机气流而防止轴流式压缩 机的旋转失速空气动力形成相关的不稳定载荷的方法。这减小了 ID 失速强度，并且削弱了旋转失速在压缩机翼部上形成相关的不稳定的 振动力的能力。在正常的操作状态下，可通过调节内部叶片段和外部 叶片段以建立单个翼部外形，即在段之间不存在角度差，合并ID和 OD流径区域。
因此， 一方面，本发明涉及一种用于轴流式压缩4几的可变导向叶 片，其包括第一径向外部叶片段；和第二径向内部叶片段；该第一 叶片段和第二叶片段可围绕叶片的纵向的径向轴线彼此相对地进行 角度调节。
另一方面，本发明涉及一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片， 其包括第一径向外部叶片段；第二径向内部叶片段；该第一叶片段 和第二叶片段可围绕叶片的纵向的径向轴线彼此相对地进行角度调
节；其中，该第一叶片段和第二叶片段固定至位于径向轴线上的相应 的轴上，该轴中的每个轴都独立地旋转。
图1是根据本发明的示范性的非限制性实施例的分段的IGV的示 意性侧^见图2是图1所示的IGV的示意性前视图3是图1和图2所示的IGV的示意性平面图4是用于调节压缩机定子的IGV的促动机构的示意性前视而，图5是类似于图1的示意图，但是图5显示了分段的IGV的可选 的驱动实施例。
参考标号
定子IGV10
内部段12
外部段14
径向轴 线16
流动箭头18
后缘22,26
前缘20,24
轴28,30
第一齿轮32
第一同步齿轮34
轴承36
套筒38
第二齿轮40
第二同步环形齿轮42
轴线44
第一线性促动器46
气缸48
活塞50
远端52
基部54
固定支承件56
第二促动器58
气缸60
活塞62基部 64
IGV 110
ID IGV段 112
ODIGV段 114
径向间隙 116
轴 118
齿轮 120
第一同步环形齿轮 122
轴线 124
轴 126
第二齿轮 128
第二同步环形齿轮 130
具体实施例方式
现在参考图1-3,涡轮压缩机定子IGV 10沿翼展方向分成两段， 亦即各可围绕共同的径向轴线16进行枢轴式旋转的径向内部段12和 径向外部段14。
沿翼展方向分段的径向视图最佳地显示在图3中。由此，清楚的 是，IGV ID段12和OD段14分别以相对于进入轴向流的不同角度进 行定位，该进入轴向流由流动箭头18表示。图3还显示了径向定向
在图1所示的示例中，OD IGV段14具有前缘20和后缘22 ，而ID IGV 段12具有前缘24和后缘26。
再次参考图l和图2，同心轴28,30用于使IGV段12,14围绕轴 线16彼此相对旋转。更具体地，轴28的径向外端固定至ID IGV段 的第一齿轮32上。轴28延伸通过OD IGV段14(并且可相对OD IGV 段14旋转)，并且固定至ID IGV段12上。齿轮32由第一同步齿轮 34接合(图2)，该第一同步齿轮34的旋转使ID IGV段12围绕轴线36上进行枢轴式旋转。
同时，OD IGV段14具有轴28所穿过的套筒38，轴30在轴28 上伸缩并且在OD IGV 14和第二齿轮40之间延伸。齿轮40与第二同 步环形齿轮42相接合(图2)。同步环形齿轮34,42的独立旋转将使IGV 段12,14不同地旋转，使得IGVID段和OD段在角度上偏离，如图3 所示。
4表示一种示范性的非限制性方式，其中，第一同步环形齿轮 32和第二同步环形齿轮34可旋转，并且环形齿轮与围绕转子轴(未显 示)的多个IGV IO相接合，该转子轴的轴线显示为44。在该示例中， 具有气缸48和活塞50的第一线性促动器46可布置为使得活塞50的 远端52以可枢轴旋转的方式附连至第二齿轮34上，而气缸48的基 部54以可枢轴旋转的方式附连至固定支承件56(例如压缩机外壳)上。 活塞50的延伸(或收缩)使同步环形齿轮34旋转移动并使每个IGV 10 的IGVID段12移动。相似地，具有气缸60和活塞62的第二4足动器 58可绕枢轴旋转地附连至第一齿轮32上，气缸60的基部64以可枢 轴旋转的方式附连至外壳56上。线性促动器的促动可例如由计算机 程序或其它合适的控制装置所调节，以实现ID叶片段12和OD叶片 段14的所期望的移动。例如，在启动操作和停机操作中，IGV的ID 段和OD段将偏离，如图3所示。当涡轮在正常的满负荷状态下操作 时，将调节ID IGV段12和OD IGV段14以消除偏离，亦即将ID IGV 段和OD IGV段之间的角度差基本上减小为零。
应理解的是，所有合适的机械促动器、气动促动器或液压促动器 可用于旋转IGV ID段和OD l殳。
应了解的是，ID IGV和OD IGV的沿翼展方向的长度(即径向长 度)可基于CFD预测或测量数据而变化。对叶片跨距的唯一要求是ID 和OD的径向叶片长度的总和共同跨越整个流径。
图5表示另一个示范性的非限制性实施例，其中IGV 110的每个 IGV段由其所拥有的同步环形齿轮所促动。更具体地，IGV110分为包括ID IGV段112和OD IGV段114,其中在分界处存在微小的径向 间隙58。 ID IGV段112具有固定至齿轮62上的轴60。齿轮62由第 一同步环形齿轮64所接合，第一同步环形齿轮64的旋转使ID IGV 段112围绕径向的旋转轴线116旋转。
同样地，OD IGV段114具有轴66，由第二同步环形齿轮70所 接合的第二齿轮68固定至轴66上。
应理解的是，通过利用与图4所示的线性促动器相类似的分离的 线性促动器，同步环形齿轮64和70可独立地旋转，以将IDIGV段 和OD IGV段固定在相对于进入空气流矢量的所期望的角度处。
在普通的应用中，ID翼部段和OD翼部段不需要在ID-OD分界 位置处具有相同的构造。此外，分界段不必平行于附图所示的发动机 中心线，但是可具有通常限定的段。
将IGV分成上述的ID段和OD段具有许多益处和优点。例如， 这种沿翼展方向分段的IGV发明通过消除空气动力扰动而改善轴流 式压缩机的转子叶片和定子叶片的耐用性。由于压缩机气流管理的沿 翼展方向的分离，故通过防止形成相关的不稳定载荷来提供减少轴流 式压缩机的旋转失速空气动力的方法。沿翼展方向分^:的IGV还提供 用于独立地管理ID和OD流径区域中的压缩机气流的方法。这缩小 了 ID失速区，并且削弱了旋转失速在压缩机翼部上形成相关的不稳 定的振动力的能力。
压缩机气流的分开的沿翼展方向的管理的另 一 个益处是改善动 力减弱性能。固定速度的轴流式压缩机通过减少压缩机气流而减弱动 力。通过IGV封闭来减少这种气流。沿翼展方向分段的IGV的最佳 管理改善了减弱性能和减弱幅度。
虽然结合被认为是最实用的且优选的IGV实施例来描述本发明， 但是应理解的是，本发明不限于所公开的实施例，相反，本发明意图 覆盖包括在权利要求的精神和范围内的各种VSV改进和等效布置。
权利要求
1.一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片(10)，其包括第一径向外部叶片段(14)；和第二径向内部叶片段(12)；所述第一叶片段和所述第二叶片段可围绕所述叶片的纵向的径向轴线(16)彼此相对地进行角度调节。
2. 根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第 一叶片段(14)和所述第二叶片段(12)沿基本上垂直于所述纵向轴线的 水平分段线进行分界。
3. 根据权利要求2所述的可变导向叶片，其特征在于，所述水 平分段线大约位于沿所述叶片的径向长度尺寸的中间。
4. 根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第 一叶片段(14)和所述第二叶片段(12)固定至位于所述径向轴线上的相 应的轴(30,28)上，所述轴中的每个轴都可独立地旋转。
5. 根据权利要求4所述的可变导向叶片，其特征在于，所述轴 (30,28)中的每个轴都具有固定在其相应端处的齿轮(40,32)，所述齿轮 (40,32)可与相应的同步环形齿轮(42,34)相接合。
6. 根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第 一叶片段(14)和所述第二叶片段(12)安装在位于所述纵向轴线上的共 用轴(28)上，所迷叶片段(12)固定至所述轴上，所述叶片段(14)可相对 于所述轴旋转。
7. 根据权利要求1所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第 一叶片段(114)和所述第二叶片段(112)安装到相应的轴(126,118)上，所 述相应的轴(126，118)各在所述导向叶片的相应的相对端处固定至齿轮 (128，120)上。
8. 根据权利要求5所述的可变导向叶片，其特征在于，所述相 应的同步齿轮(42,34)各可通过液压促动器(46,58)而旋转。
9. 一种用于轴流式压缩机的可变导向叶片CllO),其包括第一径向外部叶片段(114);第二径向内部叶片段(112);所述第一叶片段和所迷笫二叶片段可 围绕所述叶片的纵向的径向轴线(124)彼此相对地进行角度调节；和其中，所述第一叶片段和所述第二叶片段固定至位于所述径向轴 线上的相应的轴(126,118)上，所述轴中的每个轴都可独立地旋转。
10. 根据权利要求9所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第 一叶片段和所述第二叶片段沿基本上垂直于所述纵向轴线的水平分 段线进行分界。
11. 根据权利要求9所述的可变导向叶片，其特征在于，所述水 平分段线大约位于沿所述叶片的径向长度尺寸的中间。
12. 根据权利要求9所述的可变导向叶片，其特征在于，所述第 一叶片段和所述第二叶片段固定至位于所述径向轴线上的相应的轴 上，所述轴中的每个轴都可独立地旋转。
13. —种消除与轴流式涡轮压缩机入口导向叶片(10)有关的旋转 失速空气动力扰动的方法，其包括(a) 分开一排这种入口导向叶片中的每个可变导向叶片(IO),以形 成径向内部段(12)和径向外部段(14);并(b) 相对于跨过所述导向叶片的空气的流动方向而调节所述径向 内部段和所述径向外部段的相对角度位置。
14. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述径向内部 段和所述径向外部段由分开的环形齿轮所调节。
15. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括 根据计算的流体动力学预测而选择每个段的径向长度。
16. 根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法包括 在启动和停机期间使所述径向内部段和所述径向外部段在角度上发 生偏离。
17. 根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述方法包括 在正常的满负荷操作期间将所述径向内部段和所述径向外部段之间 的角度偏离基本上减小为零。
全文摘要
本发明涉及沿翼展方向分段的可变导向叶片和相关方法。因此，一方面，本发明涉及用于轴流式压缩机的可变导向叶片，其包括第一径向外部叶片段；和第二径向内部叶片段；该第一叶片段和第二叶片段可围绕叶片的纵向的径向轴线彼此相对地进行角度调节。
文档编号F04D29/38GK101319683SQ20081011004
公开日2008年12月10日 申请日期2008年5月29日 优先权日2007年6月8日
发明者N·马丁, R·扎查里亚斯, S·M·希尔勒, S·P·沃辛格 申请人:通用电气公司