一种用于300mw f级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于300MW?F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机，该压气机包括：压气机入口、中心转轴、轮盘、进口导叶、十三级动叶、前四级可调静叶、后九级不可调静叶、机匣，压气机出口。本发明压气机级负荷高于现有的大流量轴流压气机，能够使用较少的级数达到300MW?F级重型燃机所需要的压比；使用新颖的二维叶型、三维叶片技术来解决负荷提高带来的流动控制问题；采用五级可调叶片，从而解决了负荷提高带来的启动困难和高温下的效率降低的问题。
【专利说明】—种用于300MW F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机
【技术领域】
[0001]本发明涉及压气机，尤其是一种用于300MW F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机。
【背景技术】
[0002]燃气轮机的工作原理是吸入经压气机压缩后的空气进入燃烧室，与燃料燃烧后产生高温烟气，烟气在透平内膨胀做功，通过轴将功输出给发电机或其他装置，可以说，压气机是燃气轮机的三大部件之一。
[0003]燃气初温(即进入透平内膨胀前的烟气温度)是燃气轮机技术等级的标志，目前已经大规模商业应用的是F级重型燃气轮机。F级重型燃气轮机的燃气初温在1400°C左右，目前，技术成熟的F级重型燃气轮机的主要生产厂商有GE、三菱和西门子。GE、三菱和西门子分别为各自的F级重型燃气轮机设计开发了相应的压气机。
[0004]压气机为了实现对空气的压缩，在压气机转轴与机匣上，交替依次设置动叶和静叶，一排动叶和一排静叶为一级，多级动叶和静叶进行串联构成通流部分，如图1所示，其总增压比和级数是压气机的重要技术特征。
[0005]在F级重型燃气轮机压气机的整体布置方面，GE压气机为18级，总增压比为16.5，平均级压比为1.169 ;三菱压气机为17级，总增压比为18，平均级压比为1.185 ;西门子压气机为15级，总增压比为17，平均级压比为1.208。
[0006]在叶片设计方面，上述厂家的F级重型燃机压气机采用NACA-65等系列叶型、双圆弧叶型等叶型。由于负荷水平不高，压气机动叶、静叶的轮毂、轮缘均直接采用直线型。
[0007]在可调叶片方面，上述厂家均采用设计的压气机进口导叶均附带有调节装置，以在不同进口流量条件下改变叶片安装角用于提升整机的变工况性能，而其余叶片安装角均不可调。
[0008]总体来说，目前GE、三菱和西门子的F级重型燃机压气机是在二代机技术的基础上设计开发的，其级负荷属于中低水平(级压比约为1.17?1.2)。其优点在于技术成熟，但是在目前压气机少级数、高负荷的发展趋势下已不具有先进性。
【发明内容】
[0009]为了解决上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种用于300MW F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机。该压气机增大了级负荷，有利于减少级数，进而缩短轴长、减少零件数，因此能够降低燃气轮机的制造、维修、运输、占地等成本，并提高燃机灵活性与可靠性。
[0010]本发明提供的一种用于300MW F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机包括:压气机入口 1、中心转轴2、轮盘3、进口导叶4、十三级动叶5、前四级可调静叶6、后九级不可调静叶7、机匣8，压气机出口 9，其中:[0011]所述压气机入口 I位于整个压气机的最前端，用于吸入空气，其与所述机匣8通过支撑片进行连接；
[0012]所述进口导叶4的一端通过转轴与所述机匣8的最前端连接，其相对于垂直于中心轴线的平面的角度通过转轴的旋转来调整；
[0013]所述中心转轴2与轮盘3固连；
[0014]所述十三级动叶5安装在所述进口导叶4之后，其沿轴向依次通过叶根10连接在所述轮盘3的外侧；
[0015]所述前四级可调静叶6的一端通过转轴与所述机匣8连接，其相对于垂直于中心轴线的平面的角度通过转轴的旋转来调整；
[0016]所述后九级不可调静叶7沿轴向依次通过叶冠11连接在所述机匣8的内侧；
[0017]所述机匣8与所述轮盘3之间的空间形成通流部分，所述进口导叶4、十三级动叶
5、十三级静叶6、7均位于所述通流部分中；
[0018]所述机匣8的后端与所述轮盘3的后端形成一个扩张的环形通道，作为所述压气机的出口 9 ；
[0019]所述压气机的出口 9与第十三级静叶所在的通流部分构成所述压气机的扩压器，用于降低出口气体的速度，提高出口气体的压力。
[0020]本发明所提供的一种用于300MW F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机的优点在于:
[0021]1、级负荷高于GE、三菱和西门子F级重型燃机现有的压气机，能够使用较少的级数达到300MW F级重型燃机所需要的压比；
[0022]2、使用新颖的二维叶型、三维叶片技术来解决负荷提高带来的流动控制问题；
[0023]3、采用5级可调叶片，而非上述公司F级重型燃机压气机的I级可调叶片来解决负荷提高带来的启动困难和高温下的效率降低的问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1是根据本发明一实施例的压气机上半部分的剖面图。
[0025]图2是根据本发明一实施例的动叶和静叶的结构示意图。
[0026]图3是根据本发明一实施例的压气机的叶片叶型定义示意图。
[0027]图4是根据本发明一实施例的压气机的叶型结构示意图。
【具体实施方式】
[0028]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0029]考虑到大流量高负荷轴流压气机与中低负荷压气机相比其启动更为困难，因此，本发明的压气机采用了 5级可调叶片(即入口导叶4、前四级可调静叶)的调节方案，以提高部分转速下的压气机裕度。
[0030]图1是根据本发明一实施例的压气机上半部分的剖面图，如图1所示，所述压气机包括:压气机入口 1、中心转轴2、轮盘3、进口导叶4、十三级动叶5、前四级可调静叶6、后九级不可调静叶7、机匣8，压气机出口 9，其中:[0031]所述压气机入口 I位于整个压气机的最前端，用于吸入空气，其与所述机匣8通过支撑片进行连接；
[0032]所述进口导叶4的一端通过转轴与所述机匣8的最前端连接，其相对于垂直于中心轴线的平面的角度可以通过转轴的旋转来调整；
[0033]所述中心转轴2与轮盘3固连；
[0034]所述十三级动叶5安装在所述进口导叶4之后，其沿轴向依次通过叶根10连接在所述轮盘3的外侧；
[0035]所述前四级可调静叶6的一端通过转轴与所述机匣8连接，其相对于垂直于中心轴线的平面的角度可以通过转轴的旋转来调整；
[0036]所述后九级不可调静叶7沿轴向依次通过叶冠11连接在所述机匣8的内侧；
[0037]所述动叶与所述静叶交替排列；
[0038]所述机匣8与所述轮盘3之间的空间形成通流部分，所述进口导叶4、十三级动叶5、十三级静叶6、7均位于所述通流部分中；所述通流部分的形式为:前七级动叶和静叶所处位置处的轮盘上凸，机匣下凹，使得前七级动叶和静叶所处位置处的通流部分收缩，也就是说，所述前七级动叶和静叶所处位置处的通流部分的垂直轴线方向的截面面积不断减小，其中，所述轮盘3上凸的程度大于所述机匣8下凹的程度；后六级动叶和静叶所处位置处的轮盘和机匣的形状沿轴线几乎不变，从而使得后六级动叶和静叶所处位置处的通流部分的垂直轴线方向的截面面积基本不变。
[0039]所述机匣8的后端与所述轮盘3的后端形成一个扩张的环形通道，作为所述压气机的出口 9 ；
[0040]所述压气机的出口 9与第十三级静叶所在的通流部分构成所述压气机的扩压器，用于降低出口气体的速度，提高出口气体的压力；
[0041]所述机匣8上在第七级静叶位置处和第十级静叶位置处分别贯通有两个沿轴向排列的第一通道12和第二通道13，所述通道12和13与所述机匣8与所述轮盘3所形成的空间相通，用于将所述空间内的少量空气引导至其他装置中以改善所述压气机由于高负荷设计在启动过程中可能遇到的不稳定问题，并在正常运行过程中为透平提供冷却气体；其中，所引导的空气量与所述中心转轴2的转速相关，比如当所述中心转轴2的转速在2700转/分以下时，第一通道12、第二通道13引导的空气量分别为空气总流量的25%和20%，当转速为2700转/分时，第一通道12、第二通道13引导的空气量分别为空气总流量的16.5%和15.2%，当转速为3000转/分时，第一通道12、第二通道13引导的空气量分别为空气总流量的4%和2%。
[0042]所述压气机启动时，通过所述进口导叶4、前四级可调静叶6的转轴分别调节所述进口导叶4、所述前四级可调静叶叶片的角度，以改善压气机启动时空气的流通状况，减弱压气机启动过程中的失速现象、避免启动中出现喘振现象；
[0043]所述压气机在夏季气温较高时，通过所述进口导叶4、前四级可调静叶6的转轴分别调节所述进口导叶4、所述前四级可调静叶叶片的角度，以增大空气流量，提高压气机效率；
[0044]所述压气机工作时，中心转轴2旋转，带动轮盘3与十三级动叶5以相同的转速旋转，而十三级静叶和进口导叶4静止不动，空气从压气机入口 I吸入，依次经过进口导叶4、各级动叶和各级静叶，空气压力不断升高，最终到达压气机出口。
[0045]需要说明的是，由于本发明的压气机采用高负荷设计，启动过程中的失速、喘振问题，以及夏季气温较高时压气机效率的显著下降是其设计难点，为此，本发明的压气机采用进口导叶和前四级静叶角度可调的配置，而非现有技术的F级重型燃机压气机中仅有进口导叶的角度可调，同时本发明还针对不同的中心转轴转速以及不同的气温条件提供了进口导叶4和前四级可调静叶角度的配置方案，在所述压气机的启动过程中，所述进口导叶4、前四级静叶片6的角度由中心转轴2的转速来决定，随着转速的提高，进口导叶4、前四级静叶6的角度均增大，例如，当转速在2400转/分以下时，进口导叶4、前四级静叶6的角度分别为25°、32.5° ,37.5°、40° ,40.5°，当转速为2400转/分时，进口导叶4、前四级静叶6的角度分别为28°、34°、38° ,40.3° ,40.7°，当转速为2700转/分时，进口导叶4、前四级静叶6的角度分别为37°、39°、40.5°、41.8°、41.3°，当转速为3000转/分时，进口导叶4、前四级静叶6的角度分别为45°、45°、43.5°、43°、42° ;在夏季气温较高时，为了扩大压气机流量，提高压气机效率，同样需要对进口导叶4、前四级静叶6的角度进行调节，其角度分别为 49°、47°、45° ,43.5° ,42.2°。
[0046]其中，如图2所示，所述动叶包括叶根10和叶片5，所述动叶的叶片5采用不带叶冠、凸肩、凸台等的简单形式；所述叶根10通过环形燕尾形榫头与所述轮盘3连接。
[0047]所述不可调静叶包括叶冠11和叶片7，所述不可调静叶为仅通过叶冠11固定在所述机匣8上的悬臂静叶形式。
[0048]动叶和静叶叶片的截面形状称为叶型，如图3中的左图所示，由于同一叶片不同高度位置的气流条件不同，所述同一叶片不同高度位置的叶型不同；如图4所示，不同高度位置上的叶型的进口叶型角17，即叶型进口方向与轴向的夹角，在高度方向上的分布为五次贝塞尔曲线；出口叶型角18，即叶型出口方向与轴向的夹角，在高度方向上的分布为五次贝塞尔曲线，这样就使得所述进口叶型角17和出口叶型角18沿高度方向上的分布具有较好的高阶光滑性，有利于减少通流部分中二次流、角区分离等三维流动损失；
[0049]另外，第一级动叶的进口条件跨音速(即第一级动叶顶部进口空气的速度超音速，其相对马赫数，即空气相对速度与音速的比值，达到1.3)，采用多圆弧叶型，即叶型的中弧线(即叶型内切圆圆心的连线)由多段相切圆弧构成；
[0050]由于负荷提高对二维叶型的扩散控制能力提出了更高的要求，因此本发明第
二-十三级动叶及十三级静叶均采用曲率高阶光滑叶型，如图3中的右图所示，所述叶型可分为前缘14、吸力面15和压力面16，所述曲率高阶光滑叶型的前缘、吸力面、以及前缘与吸力面切点处的曲率均高阶光滑。本发明的上述叶片叶型能够改善叶型表面边界层的发展，抑制边界层分离，进而降低叶型损失，扩大叶型攻角范围，以满足高负荷气动设计对叶型的要求。
[0051]其中，设计所述叶型的方法包括以下步骤:
[0052]步骤(1)，初始化:
[0053]输入叶型的参数:
[0054]前缘的圆心坐标(X' yLE)和半径r'
[0055]尾缘的圆心坐标(xTE，yTE)和半径rTE，
[0056]压力面上均匀分布的N个型值点，记为/ W、，..I N=500，坐标分别记为(?)，(?)，…，(<，<)，其中为所述压力面与前缘小圆的切点，Pn力
压力面与尾缘小圆的切点，
[0057]吸力面上均匀分布的N个型值点，记为if，C，…，坐标分别为(?1，…，(XtK)，N=500，其中/>为所述吸力面与前缘小圆的切点，
为所述吸力面与尾缘小圆的切点；
[0058]步骤(2)，按以下步骤计算前缘点P1的坐标和该前缘点P1对应的圆心角Θ 1:
[0059]步骤(2.1 )，在所述前缘的圆心(x'y，建立一个直角坐标系，横轴X轴向右为正，
[0060]步骤(2.2)，按下式计算所述前缘AP1(U1)对应的圆心角Q1以及P1A的斜率ki:
[0061]X1=Xle+!^.cos Θ 17 Y1=Yl^le.cos Θ 17 k^-tan Θ 17
[0062]0=(0ss_LE+0ps_LE)/2,
[0063]其中:
[0064]Θ ss LE为吸力面与前缘的切点I 在前缘小圆上的圆心角，
【权利要求】
1.一种用于300MW F级重型燃气轮机的大流量高负荷轴流压气机，其特征在于，该压气机包括:压气机入口(I)、中心转轴(2)、轮盘(3)、进口导叶(4)、十三级动叶(5)、前四级可调静叶(6)、后九级不可调静叶(7)、机匣(8)，压气机出口(9)，其中: 所述压气机入口(I)位于整个压气机的最前端，用于吸入空气，其与所述机匣(8)通过支撑片进行连接； 所述进口导叶(4)的一端通过转轴与所述机匣(8)的最前端连接，其相对于垂直于中心轴线的平面的角度通过转轴的旋转来调整； 所述中心转轴(2)与轮盘(3)固连； 所述十三级动叶(5)安装在所述进口导叶(4)之后，其沿轴向依次通过叶根(10)连接在所述轮盘(3)的外侧； 所述前四级可调静叶(6)的一端通过转轴与所述机匣(8)连接，其相对于垂直于中心轴线的平面的角度通过转轴的旋转来调整； 所述后九级不可调静叶(7)沿轴向依次通过叶冠(11)连接在所述机匣(8)的内侧； 所述机匣(8)与所述轮盘(3)之间的空间形成通流部分，所述进口导叶(4)、十三级动叶(5)、十三级静叶(6、7)均位于所述通流部分中； 所述机匣(8)的后端与所述轮盘(3)的后端形成一个扩张的环形通道，作为所述压气机的出口(9)； 所述压气机的出口(9)与第十三级静叶所在的通流部分构成所述压气机的扩压器，用于降低出口气体的速度，提高出口气体的压力。
2.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述压气机针对不同的中心转轴转速以及不同的气温条件设定进口导叶(4)和前四级可调静叶角度的配置方案。
3.根据权利要求2所述的压气机，其特征在于，所述配置方案为: 在所述压气机的启动过程中，所述进口导叶(4)、前四级静叶片(6)的角度由中心转轴(2)的转速来决定，随着转速的提高，进口导叶(4)、前四级静叶(6)的角度均增大:当转速在2400转/分以下时，进口导叶(4)、前四级静叶(6)的角度分别为25°、32.5°、37.5°、40°、40.5°，当转速为2400转/分时，进口导叶(4)、前四级静叶(6)的角度分别为28°、34°、38° ,40.3° ,40.V，当转速为2700转/分时，进口导叶(4)、前四级静叶(6)的角度分别为37°、39° ,40.5°、41.8° ,41.3°，当转速为3000转/分时，进口导叶(4)、前四级静叶(6)的角度分别为45°、45°、43.5°、43°、42° ;气温较高时，进口导叶(4)、前四级静叶(6)的角度分别为 49°、47°、45° ,43.5° ,42.2°。
4.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述动叶与所述静叶交替排列。
5.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述压气机进口导叶(4)根部前端与第十三级静叶根部后端的水平距离为3972mm，通流部分在进口导叶(4)前端处的内径为995.8mm,外径为2370.2mm,通流部分在第十三级静叶后端的内径为1748mm,外径为1890mmo
6.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述动叶包括叶根(10)和叶片(5)，所述叶根(10 )通过环形燕尾形榫头与所述轮盘(3 )连接，所述不可调静叶包括叶冠(11)和叶片，所述不可调静叶为仅通过叶冠(11)固定在所述机匣(8)上的悬臂静叶形式。
7.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述动叶和静叶叶片在不同高度位置上的叶型的进口叶型角(17)在高度方向上的分布为五次贝塞尔曲线；出口叶型角(18)在高度方向上的分布为五次贝塞尔曲线； 第一级动叶的进口条件跨音速，采用多圆弧叶型，即叶型的中弧线由多段相切圆弧构成；其余各动叶、静叶各个不同高度位置上的叶型均为曲率高阶光滑叶型。
8.根据权利要求7所述的压气机，其特征在于，所述叶型包括前缘(14)、吸力面(15)和压力面(16)，所述其余各动叶、静叶叶型的前缘(14)、吸力面(15)、以及前缘(14)与吸力面(15)切点处的曲率均高阶光滑。
9.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述机匣(8)上在第七级静叶位置处和第十级静叶位置处分别贯通有两个沿轴向排列的第一通道(12)和第二通道(13)，所述通道(12、13)与所述机匣(8)与所述轮盘(3)所形成的空间相通，用于将所述空间内的少量空气引导至其他装置中，其中，所述第一通道(12)和第二通道(13)所引导的空气量与所述中心转轴(2)的转速相关:当所述中心转轴(2)的转速在2700转/分以下时，第一通道(12)、第二通道(13)引导的空气量分别为空气总流量的25%和20%,当转速为2700转/分时，第一通道(12)、第二通道(13)引导的空气量分别为空气总流量的16.5%和15.2%，当转速为3000转/分时，第一通道(12)、第二通道(13)引导的空气量分别为空气总流量的4%和2%。
10.根据权利要求1所述的压气机，其特征在于，所述通流部分的形式为:前七级动叶和静叶所处位置处的轮盘上凸，机匣下凹，使得前七级动叶和静叶所处位置处的通流部分收缩，也就是说，所述前七级动叶和静叶所处位置处的通流部分的垂直轴线方向的截面面积不断减小，其中，所述轮盘(3)上凸的程度大于所述机匣(8)下凹的程度；后六级动叶和静叶所处位置处的轮盘和机匣的形状沿轴线几乎不变，从而使得后六级动叶和静叶所处位置处的通流部分的垂直轴线方向的截面面积基本不变。
【文档编号】F04D29/38GK103925244SQ201410129475
【公开日】2014年7月16日 申请日期:2014年4月2日 优先权日:2014年4月2日
【发明者】顾春伟, 宋寅 申请人:清华大学