專利名稱：軸流壓縮機的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及軸流壓縮機。
背景技術：
作為公開本技術領域的背景技術的文獻，有日本特開平2-223604號公報(專利文獻1)。在專利文獻1中，公開了以下內(nèi)容，關于可改變安裝角的靜葉片，通過使前靜葉片和后靜葉片繞軸心滑動旋轉(zhuǎn)，從而使靜葉片的弧面角(葉片的彎度)圓滑地連續(xù)變形。專利文獻1 日本特開平2-223604號公報

發(fā)明內(nèi)容
在通過燃氣輪機的部分負荷運轉(zhuǎn)等來進行關閉IGV的運轉(zhuǎn)時，有可能發(fā)生由壓縮機后級側(cè)的葉片負荷上升所導致的空氣動力性能和/或可靠性的下降。本發(fā)明的目的是抑制軸流壓縮機的空氣動力性能和/或可靠性的下降。為解決上述問題，采用例如請求保護的范圍中記載的構(gòu)成。本申請包括多個用于解決上升問題的手段，但是，其中一個實例為，一種軸流壓縮機，具備轉(zhuǎn)子；設置于上述轉(zhuǎn)子上的多個動葉片列；位于上述動葉片列外側(cè)的罩；設置于上述罩上的多個靜葉片列；和在上述靜葉片列中的最終級靜葉片列的下游側(cè)設置的出口引導葉片，該軸流壓縮機的特征在于上述最終級靜葉片列的氣流的進入角是進入工作區(qū)域的邊界線以下。根據(jù)本發(fā)明，能提供可抑制空氣動力性能和/或可靠性的下降的軸流壓縮機。


圖1是本發(fā)明的實施例的相對于大氣溫度的進入工作區(qū)域圖。圖2是本發(fā)明的實施例的燃氣輪機的系統(tǒng)構(gòu)成圖。圖3是本發(fā)明的實施例的軸流壓縮機的子午面剖視圖。圖4是最終級靜葉片列的跨度方向剖視圖和與之對應的流入角-總壓力損失特性圖。圖5是作為本發(fā)明的實施例之一的最終級靜葉片列的跨度方向剖面圖。圖6是軸流壓縮機的靜葉片列的跨度方向剖面圖。圖7是作為本發(fā)明的實施例之一的最終級靜葉片列面的等熵馬赫數(shù)分布圖。圖8是作為本發(fā)明的實施例之一的最終級靜葉片列的護套結(jié)構(gòu)。圖9是軸流壓縮機的額定負荷運轉(zhuǎn)時的級壓力比分布。附圖標記說明1-壓縮機，2-燃燒器，3-渦輪機，4-發(fā)電機，5-旋轉(zhuǎn)軸，11-空氣，12-高壓空氣， 13-燃料，14-燃燒氣體，16-空氣，21-罩，22-轉(zhuǎn)子，23-擴散器，24-內(nèi)周抽氣狹槽，31-動葉片列，32-最終級動葉片列，33-入口引導葉片(IGV)，34、35-靜葉片列，36、37-出口引導葉片(EGV)，38_改良葉片，41-最終級靜葉片列的流入角-總壓力損失特性，42-葉片列工作范圍，71-燕尾結(jié)構(gòu)，72-護套結(jié)構(gòu)。
具體實施例方式舉出燃氣輪機用的軸流壓縮機的實例來說明本發(fā)明。本發(fā)明除了燃氣輪機以外也可適用于工業(yè)用的軸流壓縮機等。在渦輪機和壓縮機由一根軸連接的單軸式燃氣輪機的運轉(zhuǎn)中，有以下運轉(zhuǎn)，通過將燃氣輪機的燃燒溫度保持為額定狀態(tài)而關閉壓縮機的IGV，從而擴大燃氣輪機的運用負荷區(qū)域。在此類運轉(zhuǎn)中，壓縮機的后級側(cè)的葉片列負荷上升，有可能在葉片表面發(fā)生剝離。 這樣一來，有可能出現(xiàn)空氣動力性能和可靠性的下降。特別地，在極低氣溫時的運轉(zhuǎn)中該情況變得顯著。在做成將渦輪機分為高壓渦輪機和低壓渦輪機而使旋轉(zhuǎn)軸分別為不同的軸的結(jié)構(gòu)的雙軸式燃氣輪機中，在部分負荷時為了平衡高壓渦輪機的輸出和壓縮機動力而與通常比需要關閉IGV的運轉(zhuǎn)。在該運轉(zhuǎn)中，壓縮機的后級側(cè)的葉片列負荷也會上升，有可能出現(xiàn)由非穩(wěn)定的氣流的剝離所引起的葉片振動的增大。 此外，在上述燃氣輪機用的軸流壓縮機中，在單軸式和雙軸式中，可通用標度比以外的基本的葉片規(guī)格。這樣一來，可大幅度地減少葉片的設計和試驗、制作所需的時間和勞動力。但是，因此，需要考慮燃氣輪機的運用條件，特別是設計調(diào)整成與最終級靜葉片列的負荷上升對應的葉片形狀。再有，在最終級靜葉片列的上游側(cè)設置渦輪機轉(zhuǎn)子冷卻用的內(nèi)周抽氣狹槽，并從該內(nèi)周抽氣狹槽大量抽取壓縮空氣的情況下，通過降低最終級靜葉片列的內(nèi)周側(cè)的軸流速度而使流入角增大，有可能進一步增大葉片負荷。因此，雖然也考慮最終級靜葉片列的額定點以外的工作狀態(tài)、部分負荷和大氣溫度變化，但從壓縮機整體的空氣動力性能和可靠性的觀點來看變得重要。S卩，如果在燃氣輪機的最嚴酷的運轉(zhuǎn)時也可抑制后級靜葉片列的負壓面?zhèn)鹊膭冸x并能避免葉片列振動的增大，則可提供能確保壓縮機的效率提高和可靠性的軸流壓縮機。 為此，使作為向軸流壓縮機的最終級靜葉片列的氣流的流入角和葉片入口角之差的進入角為進入工作區(qū)域邊界線以下是有效的。這樣一來，在將稱為單軸式和雙軸式燃氣輪機的部分負荷的IGV關閉的運轉(zhuǎn)中， 在位于壓縮機的后級側(cè)的靜葉片列的負荷增加的情況下，也可抑制在最終級靜葉片列的葉片負壓面產(chǎn)生的剝離，并可確保葉片列的可靠性。此外，在最終級靜葉片的上游側(cè)，通過渦輪機轉(zhuǎn)子冷卻、密封用的內(nèi)周抽氣狹槽，對于在最終級靜葉片的內(nèi)周側(cè)因軸流速度減小所導致的流入角的增加也可擴大葉片列工作范圍，且可確保葉片列性能的提高和可靠性。再有，由于能擴大壓縮機后級側(cè)的靜葉片列的工作范圍，因而可擴大燃氣輪機部分負荷的IGV開度變化量，隨之也可控制壓縮機吸入流量。其結(jié)果，可擴大燃氣輪機部分負荷的運用范圍。圖2表示燃氣輪機系統(tǒng)構(gòu)成圖的概況。下面，使用圖2來說明燃氣輪機系統(tǒng)的構(gòu)成例。燃氣輪機系統(tǒng)的構(gòu)成包括將空氣壓縮而產(chǎn)生高壓空氣的壓縮機1，將壓縮空氣和燃料混合而使其燃燒的燃燒器2，以及由高溫的燃燒氣體來旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的渦輪機3。壓縮機 1和渦輪機3經(jīng)旋轉(zhuǎn)軸5與發(fā)電機4連接。本實施例的燃氣輪機假設為單軸式的產(chǎn)品，但是，也可以是渦輪機側(cè)由高壓渦輪機和低壓渦輪機以不同的軸構(gòu)成的雙軸式燃氣輪機。其次，對工作流體的氣流進行說明。作為工作流體的空氣11向壓縮機1流入，邊由壓縮機壓縮邊作為高壓空氣12流入燃燒器2。高壓空氣12和燃料13由燃燒器2混合燃燒，生成燃燒氣體14。燃燒氣體14在使渦輪機3旋轉(zhuǎn)后，作為廢氣15而向系統(tǒng)外部放出。發(fā)電機4由通過將壓縮機1和渦輪機3連通的旋轉(zhuǎn)軸5而傳遞的渦輪機的旋轉(zhuǎn)動力來驅(qū)動。將高壓空氣的一部分從壓縮機1的后級作為渦輪機轉(zhuǎn)子冷卻空氣和密封空氣而經(jīng)燃氣輪機的內(nèi)周側(cè)流路向渦輪機側(cè)供給。該空氣16在將渦輪機轉(zhuǎn)子冷卻的同時導向渦輪機 3的高溫燃燒氣體流路。該冷卻空氣也兼具抑制高溫氣體從渦輪機的高溫燃燒氣體流路向渦輪機轉(zhuǎn)子內(nèi)部泄漏的密封空氣的功能。圖3表示多級的軸流壓縮機的示意圖。軸流壓縮機1的構(gòu)成包括安裝有多個動葉片列31的旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子22和安裝多個靜葉片列34的罩21。在軸流壓縮機1上通過轉(zhuǎn)子22 和罩21而形成有環(huán)狀流路。動葉片列31和靜葉片列34在軸向上交替地排列，由一個動葉片列和靜葉片列構(gòu)成級。在動葉片列31的上游側(cè)，設有用于控制吸入流量的入口引導葉片 33(IGV Inlet Guide Vane)。本實施例的壓縮機1的前級側(cè)靜葉片列具備用于抑制燃氣輪機啟動時的旋轉(zhuǎn)失速的可變機構(gòu)。在圖3中，具備可變機構(gòu)的靜葉片列僅圖示了靜葉片列34，但是，也存在具備多級可變靜葉片列的情況。在最終級動葉片列32的下游側(cè)，設有最終級靜葉片列35和出口引導葉片36、 37 (EGV =Exit Guide Vane)。以將環(huán)狀流路內(nèi)的動葉片列向工作流體施加的轉(zhuǎn)速分量的幾乎全部轉(zhuǎn)換為軸流速度分量的目的而設置EGV36、37。為了在使流出氣流減小的同時將 EGV37向燃燒器導入，在壓縮機的下游側(cè)設有擴散器23。再有，在圖3中雖表示使出口引導葉片在軸向上為二級構(gòu)成的情況，但是，EGV既可以是一個葉片列，也可以是多個葉片列。另外，在最終級動葉片列32的下游側(cè)、最終級靜葉片列35的上游側(cè)的內(nèi)周，設有用于供給渦輪機轉(zhuǎn)子冷卻空氣和密封空氣16的內(nèi)周抽氣狹槽M。向壓縮機1的環(huán)狀流路內(nèi)流入的空氣11在通過該環(huán)狀流路的同時由各葉片列減速、壓縮而成為高溫高壓的氣流。具體地，通過動葉片列的旋轉(zhuǎn)來增加流體的動能，通過用靜葉片列減速而將動能轉(zhuǎn)換為壓力能量而升壓。這樣，由動葉片列對工作空氣施加轉(zhuǎn)速，因此向壓縮機ι的最終級靜葉片列35的氣流將以約50 60度的流入角流入。作為向位于壓縮機出口的擴散器23流入的氣流的高壓空氣12需要使流入角為零(軸流速度分量)。 因此，由最終級靜葉片列35和出口引導葉片36、37所構(gòu)成的靜葉片列使氣流從約60度轉(zhuǎn)向到0度對于為提高空氣動力性能變得重要。再有，各葉片列的壓力上升(相當于葉片列負荷)由葉片列的設定角度和運轉(zhuǎn)狀態(tài)確定。即使在葉片列負荷變得最嚴酷的運轉(zhuǎn)狀態(tài)下也需要確保葉片列的空氣動力性能和
可靠性。其次，對燃氣輪機壓縮機的運轉(zhuǎn)狀態(tài)進行說明。燃氣輪機不僅在額定運轉(zhuǎn)時而且在啟動時和部分負荷時更需要與大氣溫度變化相對應地來確保性能和可靠性。通過提高燃氣輪機的部分負荷特性而擴大燃氣輪機的運用負荷區(qū)域在夜間等電力不那么需要時的運轉(zhuǎn)方面的優(yōu)點很大。作為控制單軸式燃氣輪機的輸出的方法，有以下的方法為了擴大運用負荷區(qū)域，
5在將燃燒溫度保持為額定溫度的狀態(tài)下通過IGV開度的開閉來使壓縮機吸入流量變化的方法。在該運轉(zhuǎn)中將IGV關閉的情況下，壓縮機的后級葉片列的負荷增加，特別有可能使最終級靜葉片列35的負荷增大。使用圖9來說明其理由。圖9表示軸流壓縮機的額定負荷運轉(zhuǎn)時的級壓力比分布。通常，軸流壓縮機的額定負荷運轉(zhuǎn)時的級壓力比分布如圖9中的實線所示，是從初級到最終級大體線性地減小的分布。另一方面，用虛線表示將部分負荷運轉(zhuǎn)的IGV和可變靜葉片關閉的情況下的級壓力比分布。在部分負荷運轉(zhuǎn)時，在具有IGV和可變靜葉片的級間流向動葉片的流入角變小，因此級壓力比(級負荷)變小。而且，從可變靜葉片后的級間到最終級的級壓力線性地減小。 另一方面，由于需要在其他級間補償壓力在可變靜葉片級減小的量，因此必然是越靠近后級側(cè)則級壓力比(級負荷)與額定負荷運轉(zhuǎn)時相比變得越高。在大氣溫度低的情況下，該部分負荷運轉(zhuǎn)時的后級葉片列的負荷增加變得顯著， 導致葉片列的可靠性的下降和空氣動力性能的下降。在葉片負荷達到邊界線時，葉片列因剝離而被流體起振。在該葉片列振動應力達到允許應力值以上時，葉片列損傷的可能性增
尚ο在圖3所示的壓縮機前級側(cè)的可變靜葉片有多級的情況下，通?？勺冹o葉片也與 IGV聯(lián)動地開閉。因此，在將IGV關閉的部分負荷運轉(zhuǎn)時，可變靜葉片列也關閉。因此，在具有可變靜葉片列的級間級做功減小，但壓縮機整體的壓力比不變，因此成為后級葉片列的負荷進一步增大的結(jié)果。而且，由于側(cè)壁邊界層沒有到達環(huán)狀流路的后級側(cè)，因此軸流速度在側(cè)壁部分下降，因該影響而使流入角在靜葉片列的側(cè)壁部變大，與主流部相比負荷增大。 這樣，在后級側(cè)葉片列的側(cè)壁部與前級側(cè)的葉片列相比，氣流處于更易于剝離的狀態(tài)。另一方面，在雙軸式燃氣輪機中，為了在部分負荷運轉(zhuǎn)中使高壓渦輪機的輸出和壓縮機動力平衡，將IGV關閉而使吸入流量下降以減小壓縮機動力。另一方面，在高壓渦輪機中需要提高壓力比而增大輸出。在此類將IGV和可變靜葉片關閉的運轉(zhuǎn)中，后級側(cè)葉片列、特別是最終級靜葉片列的負荷增加且確保性能和可靠性成為問題。后級靜葉片的負荷增加也較大地受大氣溫度影響。在大氣溫度為低溫時，上述壓縮機特性變得顯著且部分負荷的燃氣輪機的可靠性下降的可能性高。再有，即使在壓縮機的入口通過噴霧大量的水來提高燃氣輪機的輸出和效率的燃氣輪機系統(tǒng)中也是同樣的，具有壓縮機的前級側(cè)的葉片列負荷減小，后級側(cè)的葉片列負荷增加的傾向。因此，出現(xiàn)與上述運轉(zhuǎn)同樣的問題。在本實施例的最終級靜葉片列的上游側(cè)的內(nèi)周，設有抽取用于渦輪機轉(zhuǎn)子冷卻和密封空氣的抽氣狹槽。由該抽氣狹槽取出大量的抽氣量時，向最終級靜葉片列流入的氣流的流入角變大。在最終級靜葉片列的上游側(cè)存在內(nèi)周抽氣的情況下，通過抽氣而使軸流速度在靜葉片列的內(nèi)周側(cè)減小。因此，存在流入角增大，且氣流在葉片負壓面?zhèn)仁俣a(chǎn)生大剝離的可能性。就如圖3的最終級靜葉片列35那樣安裝于罩上的懸臂支撐的靜葉片而言， 特別是在內(nèi)周側(cè)產(chǎn)生剝離時，葉片列有可能被流體起振，并因稱之為抖動和失速顫動之類的流體振動而損傷葉片列。使用圖4來說明最終級靜葉片列35的葉片負荷增加的問題。圖4表示具有最終級靜葉片列35的跨度方向剖視圖和向葉片流入的進入角-總壓力損失特性圖。這里，進入角由向葉片流入的氣流的流入角β 1和葉片入口角i3bl之差表示。
最終級靜葉片列35設計成在燃氣輪機額定運轉(zhuǎn)的進入角id處葉片列性能最大， 且能在從啟動到稱為額定的各種運轉(zhuǎn)范圍內(nèi)充分地確保由扼流側(cè)i。和失速側(cè)is構(gòu)成的工作區(qū)域42。以進入角id向靜葉片列35流入的氣流沿葉片負壓面?zhèn)缺粶p速，并向下游側(cè)的出口引導內(nèi)葉片列導入。但是，在因燃氣輪機的部分負荷運轉(zhuǎn)時，低大氣溫度、內(nèi)周抽氣量的增加以及壓力比增加等，在最終級靜葉片列35的進入角增大且變化為失速側(cè)的邊界進入角is以上的情況下，在靜葉片列35的負壓面?zhèn)劝l(fā)生剝離，導致葉片列的正失速。此類剝離現(xiàn)象對葉片列的性能和可靠性產(chǎn)生不良影響。因此，為了抑制在葉片表面的剝離，需要擴大靜葉片列35的工作區(qū)域42，因而實現(xiàn)靜葉片列35的進入角的適當化變得重要。使用圖5來說明本實施例的最終級靜葉片列35的進入角的改良方法。圖5是表示圖3的A-A剖面，虛線是作為比較葉片的靜葉片列35，實線是本實施例的改良葉片38的剖面圖。在靜葉片列35、改良葉片38中，在罩上，在周向上以某一間隔長度安裝有多個葉片。在本圖中，僅在某一跨度方向剖面的周向上表示一個葉片列，其他的葉片列省略。在本實施例的改良葉片38中，不改變后緣的彎曲，且增大前緣附近的彎曲(減小曲率半徑)。其結(jié)果，作為葉片弦方向和軸方向所成的角度的安裝角度ξ與比較葉片35相比較大。這里，葉片前緣附近意指比葉片的最大厚度位置靠前緣側(cè)。具體地，本實施例的比較葉片35的最大厚度位置是30 40%弦長。這樣，相對于作為成為基準的靜葉片的比較葉片35，通過使比作為最終級靜葉片的改良葉片38的最大厚度位置更靠上游側(cè)且前緣側(cè)的彎曲與比最大厚度位置更靠下游側(cè)的彎曲的變化量相比較大，從而可擴大直到失速側(cè)的進入角is的工作區(qū)域。使用圖6來說明一般的進入角的改良方法。圖6表示軸流壓縮機1的靜葉片列的跨度方向剖面圖。在改良進入角的情況下，如圖6(a)、圖6(b)所示，通常使用改變?nèi)~片的安裝角度(圖6(a))的方法或改變?nèi)~片整體的彎曲角(圖6(b))的方法。在此類改良中，與圖 5的本實施例葉片同樣地，可得到能擴大直到失速側(cè)的進入角is的工作區(qū)域的效果。但是， 由于最終級靜葉片列的流出角從比較葉片偏離，因此向位于下游側(cè)的出口引導葉片的流入角變化。特別地，在圖6(a)中，由于靜葉片列39的流出角變大，因此出口引導葉片36的流入角增加，具有在出口引導葉片36的負壓面?zhèn)葎冸x的可能性。于是，導致壓縮機的性能下降和可靠性的下降。對圖6(a)和圖6(b)所示的方法的一般的理由進行說明。如圖6(a)那樣在不改變?nèi)~片形狀，僅改變?nèi)~片安裝角度ξ的情況下，具有葉片形狀的附圖化可以省略的優(yōu)點。通常的葉片形狀的附圖將安裝角度以零度來附圖化，因此可通過僅改變安裝角度來使葉片形狀的附圖共用化。此外，在壓縮機的后級葉片中使用被稱為NACA65葉片的普通葉片形狀。該葉片設計方法通過在彎曲線上附加厚度分布來生成葉片形狀。由于此類葉片形狀設計方法也整備了設計工具，因此只要是僅改變彎曲線而不改變厚度分布那樣的如圖6(b)的形狀，都基本上能自動地進行葉片形狀設計。通過在如圖6(a)、圖6(b)那樣的改變?nèi)~片形狀時，應用于動葉片列間的多級靜葉片列，從而能改變設計而使得來自改變的最終的葉片的后緣的氣流(流出角)處于允許范圍內(nèi)。但是，如前所述，利用以下的見解，即在比最終級的靜葉片靠下游側(cè)的出口引導葉片中優(yōu)選使流出角為零，進而，可進行葉片形狀改變的葉片僅是靜葉片，級數(shù)也少；從而得到本實施例那樣的設計方法是有效的這個結(jié)論。在圖6(a)、圖6(b)那樣的葉片形狀改良中， 由于流出角的偏差大，因而導致性能下降和可靠性的下降。通過使用本實施例那樣的改良葉片而能抑制流出角的偏差。其次，使用圖1來說明本實施例的改良葉片38的前緣附近的彎曲量。圖1表示進入角相對于大氣溫度的關系。進入角相當于前緣彎曲。葉片列以在考慮部分負荷和大氣溫度特性的同時，在設計大氣溫度Tdes損失為最小的設計進入角id來設計。但是，在考慮單軸式燃氣輪機和雙軸式燃氣輪機的運轉(zhuǎn)控制的不同，以及部分負荷及極低氣溫的運用條件時，存在進入工作范圍變得嚴格的可能性。如果在這樣的燃氣輪機的運用范圍中也使壓縮機的葉片列共用化，則在設計、制造、組裝、管理等方面優(yōu)點較大。用圖1的虛線51來表示設計成比較葉片在設計大氣溫度Tdes為最小損失，在大氣溫度Tmin且為部分負荷時，進入角超過失速側(cè)邊界線is的情況。在這樣的運轉(zhuǎn)狀態(tài)下， 由于進入角為進入工作區(qū)域的最大值以上，因而如圖4(b)所示那樣在葉片負壓面?zhèn)葰饬鲃冸x(正的失速)，損失增大和因流體振動引起葉片列損傷的可能性提高。本實施例的改良葉片38如圖5的實線所示那樣使葉片前緣附近的彎曲增大。因此，如圖1的實線52所示，大氣溫度Tmin時的進入角可達到失速邊界進入角is以下。這樣，由于設計大氣溫度Tdes的進入角從最小損失的進入角id偏離，因此損失增加一些。但是，在高氣溫側(cè)Tmax，對于扼流側(cè)的邊界進入角i。有足夠的余裕。此外，通過使失速側(cè)的進入角的裕度優(yōu)先，由于即使在假設超過扼流邊界進入角i。的情況下也沒有因作為葉片列的扼流側(cè)的葉片壓力面?zhèn)鹊膭冸x(負的失速)而產(chǎn)生葉片列振動的危險性，因而能確?？煽啃?。這樣通過使低氣溫時(例如，作為東京的最低氣溫程度的-10°C和作為日本的最低氣溫程度的-40°C )的進入角為失速邊界進入角以下，而在整個大氣溫度范圍中處于進入工作區(qū)域內(nèi)，從而能將在設計大氣溫度的損失抑制為最小限度，從而在低氣溫時的部分負荷運轉(zhuǎn)中也能確保最終級靜葉片的可靠性。S卩，在具備作為旋轉(zhuǎn)軸5的轉(zhuǎn)子、設置于該轉(zhuǎn)子上的多個動葉片列、位于該動葉片列的外側(cè)的罩21、設置于罩21上的多個靜葉片列以及設置于該靜葉片列中的最終級靜葉片列35的下游側(cè)的出口引導葉片36和37的軸流壓縮機中，如果做成最終級靜葉片列35的氣流的進入角為進入工作區(qū)域的邊界線以下的軸流壓縮機，由于能抑制在葉片負壓面?zhèn)鹊臍饬鞯膭冸x，因而能夠提供損失增大的可能性和因流體振動引起葉片列損傷的可能性小， 可抑制空氣動力性能和可靠性降低的軸流壓縮機。再有，如果是在最終級靜葉片列的上游側(cè)具有內(nèi)周抽氣狹槽的壓縮機，則抑制空氣動力性能和可靠性降低的效果進一步增大。這是因為，由于最終級靜葉片列的內(nèi)周側(cè)的軸流速度減小而使流入角變大，葉片負荷變得特別大。圖7表示葉片表面的等熵馬赫數(shù)分布的比較。虛線表示設計大氣溫度Tdes的比較葉片的馬赫數(shù)分布，實線表示本實施例的改良葉片38的馬赫數(shù)分布。作為整體將馬赫數(shù)高的一側(cè)設為負壓面，低的一側(cè)設為壓力面。圖7所示的改良葉片38與比較葉片的不同點之一是，在葉片前緣附近壓力面?zhèn)群拓搲好鎮(zhèn)鹊鸟R赫數(shù)分布相交。改良葉片、比較葉片皆是隨著進入角變大而使負壓面?zhèn)鹊娜~片前緣附近的馬赫數(shù)增高，葉片前緣附近的負壓面和壓力面的馬赫數(shù)之差變大。在超過該負壓面的前緣附近的馬赫數(shù)的臨界值時在負壓面?zhèn)劝l(fā)生剝離。在比較葉片的前緣附近負壓面的馬赫數(shù)與壓力面相比較大，馬赫數(shù)分布敞開，因此隨著進入角增大而使前緣的最大馬赫數(shù)增加，在負壓面?zhèn)鹊臍饬饕子趧冸x。另一方面，在本實施例的改良葉片38中，將負壓面的葉片前緣附近的馬赫數(shù)設計得較低直到在葉片前緣附近壓力面?zhèn)群拓搲好鎮(zhèn)鹊鸟R赫數(shù)分布相交。這樣一來，即使進入角增大，與比較葉片相比，由于前緣的最大馬赫數(shù)也有余裕， 因此用部分負荷在最低氣溫Tmin也能達到失速邊界進入角以下，能夠確保部分負荷的性能提高和可靠性。這樣，關于額定溫度下的葉片表面等熵馬赫數(shù)，如果采用在作為最終級靜葉片列的改良葉片38的前緣附近壓力面?zhèn)扰c負壓面?zhèn)鹊鸟R赫數(shù)分布逆轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，則能實質(zhì)地上擴大進入工作區(qū)域，能提供可靠性高的軸流壓縮機。使用圖8來說明本實施例的改良葉片38的、可確保對于流體振動的可靠性的結(jié)構(gòu)。圖8表示最終級靜葉片列的護套結(jié)構(gòu)。圖8(a)表示作為最終級靜葉片的支撐結(jié)構(gòu)而在外徑側(cè)設置燕尾結(jié)構(gòu)71，在內(nèi)徑側(cè)設置護套結(jié)構(gòu)72，由兩端支撐的結(jié)構(gòu)。如圖3所示，通常的最終級靜葉片是用罩側(cè)的燕尾結(jié)構(gòu)懸臂支撐的結(jié)構(gòu)。另一方面，在本實施例中，通過由兩端支撐而能增加葉片的剛性以抑制由流體起振引起的葉片振動。通常，在壓縮機的后級側(cè)的靜葉片，與動葉片不同，由于葉片弦長從葉片的內(nèi)徑到外徑為一定，葉片安裝角度也大體相等，因此其形狀在葉片高度方向上大體為直線。另外， 壓縮機葉片由長方體的材料通過機械加工而制成。因此，在考慮材料成本時，燕尾形狀尺寸優(yōu)選為可確保葉片的圓角半徑的大小。圓角在焊接的術語中表示角部。如圖8(a)所示，隨著接近燕尾面而使葉片部的葉片厚度臺階地增大的形狀是圓角。通過具有該圓角而使在葉片根部作用的局部應力減小。 通常，圓角半徑越大則越能減小局部應力。但是，在增大圓角半徑時，圓角部有可能從燕尾在中途切斷。在圓角部在中途切斷的情況下，在相鄰葉片的燕尾接觸面，產(chǎn)生環(huán)狀氣體通道形狀的高度差。該高度差的影響成為使空氣動力性能下降的重要原因，因而不理想。再有，工業(yè)用燃氣輪機壓縮機的罩是分為上下兩半的結(jié)構(gòu)。因此，如果燕尾的氣體通道面的形狀是矩形結(jié)構(gòu)，則可在組裝時將靜葉片插入罩時使罩分半面和燕尾側(cè)面一致， 且具有組裝檢查變得容易的優(yōu)點。由于葉片半徑的不同，內(nèi)周側(cè)的護套的周向長度1比燕尾的周向長度L短。但是， 內(nèi)外周皆為矩形結(jié)構(gòu)在制作性的材料成本和組裝性方面優(yōu)點增大。然而，考慮將罩側(cè)的懸臂結(jié)構(gòu)的壓縮機葉片列用于燃氣輪機，而如本實施例那樣改變?yōu)殡p臂結(jié)構(gòu)的情況下，若將護套側(cè)的氣體通道面的形狀做成圖8(b)中以點劃線表示的矩形(II)，則難以確保葉片的圓角R。在最差的情況下，葉片前后緣附近也有可能不與護套接觸。特別地，由于在最終級靜葉片列中葉片安裝角度大，因此基于該點而難以將護套結(jié)構(gòu)作成矩形(II)。在這樣的結(jié)構(gòu)中，不能確保葉片前后緣附近的剛性。因此，與用護套將葉片整個面覆蓋的結(jié)構(gòu)相比可靠性下降。此外，由于在局部形成葉片前端間隙，因此還有可能出現(xiàn)泄漏損失和因氣流的碰撞損失所導致的損失增加。于是，本實施例的改良葉片38將其兩端與燕尾和護套連接。此外，外周側(cè)的燕尾做成圖8(b)中以實線所示的矩形結(jié)構(gòu)(I)，內(nèi)周側(cè)的護套做成圖8(b)中以虛線所示的周向端面傾斜的結(jié)構(gòu)(III)。換言之，使燕尾的周向端面和上述護套的周向端面的斜度不同。 具體地說，從徑向觀察燕尾的形狀是長方形，從徑向觀察護套的形狀是平行四邊形。通過用這樣的形狀來做成內(nèi)外周的兩端支撐結(jié)構(gòu)，從而可抑制因部分負荷而在低氣溫時葉片的流體振動引起的葉片的起振，能夠確保燃氣輪機的可靠性。 如上所述，通過使用本實施例的壓縮機而能確保燃氣輪機的性能和可靠性，還可提供也能擴大運用負荷區(qū)域的燃氣輪機系統(tǒng)。此外，通過以本實施例的改良葉片38替換為現(xiàn)有的壓縮機的最終級靜葉片，還能夠通過改造來得到起到在本實施例中所說明的各種效果的壓縮機。
權(quán)利要求
1.一種軸流壓縮機，其具備 轉(zhuǎn)子，設置于上述轉(zhuǎn)子上的多個動葉片列， 位于上述動葉片列的外側(cè)的罩， 設置于上述罩上的多個靜葉片列，以及在上述靜葉片列中的最終級靜葉片列的下游側(cè)設置的出口引導葉片；該軸流壓縮機的特征在于，上述最終級靜葉片列的氣流的進入角是進入工作區(qū)域的邊界線以下。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流壓縮機，其特征在于關于額定溫度下的葉片表面等熵馬赫數(shù)，在上述最終級靜葉片列的前緣附近壓力面?zhèn)群拓搲好鎮(zhèn)鹊鸟R赫數(shù)分布逆轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流壓縮機，其特征在于， 上述最終級靜葉片列的各靜葉片與燕尾和護套連接，上述燕尾的周向端面與上述護套的周向端面的斜度不同。
4.一種軸流壓縮機的設計方法，用于設計權(quán)利要求1的軸流壓縮機，其特征在于，相對于作為基準的靜葉片，使比最終級靜葉片的最大厚度位置靠上游側(cè)且前緣側(cè)的彎曲與比最終級靜葉片的最大厚度位置靠下游側(cè)的彎曲的變化量相比更大。
5.一種軸流壓縮機的改造方法，用于改造軸流壓縮機，該軸流壓縮機具備轉(zhuǎn)子， 設置于上述轉(zhuǎn)子上的多個動葉片列，位于上述動葉片列的外側(cè)的罩， 設置于上述罩上的多個靜葉片列，以及在上述靜葉片列中的最終級靜葉片列的下游側(cè)設置的出口引導葉片；該改造方法的特征在于，將上述最終級靜葉片列的各葉片替換為，使比葉片的最大厚度位置靠上游側(cè)且前緣側(cè)的彎曲與比葉片的最大厚度位置靠下游側(cè)的彎曲的變化量相比更大的葉片。
6.一種壓縮機靜葉片，具有燕尾和護套，其特征在于上述燕尾的周向端面與上述護套的周向端面的斜度不同。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的壓縮機靜葉片，其特征在于，從徑向觀察上述燕尾的形狀是長方形，從徑向觀察上述護套的形狀是平行四邊形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流壓縮機，其特征在于， 在上述最終級靜葉片列的上游側(cè)具有內(nèi)周抽氣狹槽。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的軸流壓縮機，其特征在于，上述最終級靜葉片列的氣流的進入角是大氣溫度_40°C的進入工作區(qū)域的邊界線以
全文摘要
本發(fā)明涉及軸流壓縮機。在通過燃氣輪機的部分負荷運轉(zhuǎn)等來進行關閉IGV的運轉(zhuǎn)時，有可能發(fā)生因壓縮機后級側(cè)的葉片負荷上升所導致的空氣動力性能和/或可靠性的下降。本發(fā)明的目的在于抑制軸流壓縮機的空氣動力性能和/或可靠性的下降。本發(fā)明的軸流壓縮機，具備轉(zhuǎn)子，設置于上述轉(zhuǎn)子上的多個動葉片列，位于上述動葉片列的外側(cè)的罩，設置于上述罩上的多個靜葉片列，以及在上述靜葉片列中的最終級靜葉片列的下游側(cè)設置的出口引導葉片；該軸流壓縮機的特征是，上述最終級靜葉片列的氣流的進入角是進入工作區(qū)域的邊界線以下。
文檔編號F04D29/38GK102562665SQ201110441428
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月28日
發(fā)明者明連千尋, 秋山陵, 高橋康雄 申請人:株式會社日立制作所