CN102159794B

CN102159794B - 用于可变导向叶片的方法、系统和装置

Info

Publication number: CN102159794B
Application number: CN200980136671.8A
Authority: CN
Inventors: G.莱特黑德; M.史密斯; P.特韦尔
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2008-09-18
Filing date: 2009-09-15
Publication date: 2015-04-15
Anticipated expiration: 2029-09-15
Also published as: MX2011002708A; CN102159794A; RU2509897C2; EP2324210B1; WO2010031768A3; US9890655B2; WO2010031768A2; RU2011115088A; CA2737516A1; EP2324210A2; US20110182715A1

Abstract

本发明涉及使可变导向叶片位置不成比例的装置、系统或方法。用于轴流机器的导向叶片的调节装置包括：可变导向叶片（10、11）的多个旋转安装环；多个操纵杆（50；操纵杆1、操纵杆2、操纵杆3），其布置在导向叶片载架（30）的外侧上，用于旋转所述可变导向叶片（10、11）；多个调节环（40、41、42、43），所述调节环（40、41、42、43）中的每一个与所述轴向叶片载架（30）同轴布置，并且所述操纵杆（50）中一个操纵杆的第一端（51）连接到所述调节环（40、41、42、43）中的每一个；以及调节驱动器，所述调节环（40、41、42、43）利用所述调节驱动器能沿其周界方向运动。所述操纵杆中的至少一个（操纵杆1）被设置为至少部分地执行所述至少一个操纵杆（操纵杆1）的所述第一端（51）的不成比例的纵向运动。

Description

用于可变导向叶片的方法、系统和装置

技术领域

本发明涉及用于可变导向叶片的方法、系统和装置。

背景技术

燃气涡轮包括涡轮和由该涡轮驱动的压缩机。特别地，当燃气涡轮被提供用于燃气蒸汽发电站时，压缩机为轴流式。通常，燃气涡轮承受可变操作状态，从而导致压缩机内不同的空气动力流动状态。为了使压缩机性能适应不同的操作需求，已知为压缩机提供可变导向叶片（VGV）。可变导向叶片应围绕其纵向轴线枢转以调节它们的迎角。

每一个可变导向叶片在其根部提供有轴颈，其中该轴颈枢转安装在压缩机外壳的通孔中。轴颈可从压缩机外壳外接近，并包括待被致动以枢转可变导向叶片的操纵杆。所有操纵杆通过围绕压缩机外壳同中心布置的协调环（unison ring）被联接。协调环的旋转同时致动可变导向叶片操纵杆中的每一个，以实现每一个可变导向叶片在压缩机外壳内的相应旋转设置。

轴向压缩机由多级定子和转子叶片（转子桨叶）组成。前级定子叶片具有可变节距以控制流动。流动控制在发动机高速运转时对于避免喘振来说是重要的。

这种具有可变节距定子叶片的构造被称为“可变导向叶片”（VGV）。

已知各个叶片节距或角度偏移通过连杆机构控制，该连杆机构包括（也可见图1、2和3）：

i）叶片10、11安装在心轴22上，以允许叶片的角运动。

ii）短操纵杆20将心轴连接到驱动环40、41、42、43，即所谓的协调环，所有叶片在单一级中连接到同一环。也可参见图1，特别地示出了各个叶片10和操纵杆20。

iii）每一个环通过来自共用曲杆61的推杆50旋转。也可参见图2和3，其中图2示出了整个基本机构：经过曲杆61通过不同旋转量的各级柱塞驱动器。图3示出了压缩机系统的端视图，如前所知。

iv）曲杆61通过单一液压柱塞(或称压头，ram)60旋转（再次参见图2和3）。

典型地，曲杆61的臂通长（arm through length）被设置为提供每一个协调环的所需旋转以及因而单级所有叶片的角度。参见图4，其示出了具有臂62、63、64的曲杆，该臂用于将推杆附接到曲杆。臂62比臂63长，它们又比臂64长。

通过使用单一驱动柱塞，柱塞行程期间的角位置与级间成比例。在一些情况下，可能不能理想地具有比例系统。

通过包括各级柱塞的多个方法能够实现不成比例的操作。

发明内容

本发明的目标是提供一种可替代的装置和/或系统和/或方法，以单独调节各级叶片。

该目的通过各独立权利要求实现。各从属权利要求描述本发明的有利展开和修改。

根据本发明，提供了一种机构，其中只有第一级不同于其他级运动，特别是在涡轮的开始和/或停止期间。此外，本发明致力于弹簧推杆和机构、弹簧推杆如何附接到协调环。

特别地，提供一种用于轴流机器的导向叶片的调节装置，包括：可变导向叶片的多个旋转安装环；多个推杆（前述推杆），其布置在导向叶片载架的外侧上，用于旋转所述可变导向叶片；多个调节环，所述调节环中的每一个与所述导向叶片载架同轴布置，并且连接到所述推杆中对应一个推杆的第一端；以及调节驱动器，所述调节环利用该调节驱动器能沿其周界方向运动。所述推杆中的至少一个被设置为至少部分地执行所述至少一个推杆的所述第一端的不成比例的纵向运动。

本发明允许第一级上的更高角旋转和另一或最后可变级上的更小旋转。

在优选实施例中，所述至少一个推杆的所述第一端的不成比例的纵向运动导致相应调节环的不成比例的旋转。

在另一优选实施例中，单一驱动柱塞（优选通过位于所述驱动柱塞与所述多个推杆之间的曲杆）可被附接到所述多个堆杆的第二端。

在又一实施例中，所述至少一个推杆的所述第一端的不成比例的纵向运动可被设置为从所述驱动柱塞的初始位置到中间位置，所述至少一个推杆的所述第一端在其位置保持不动。

在进一步实施例中，所述至少一个推杆的所述第一端的不成比例的纵向运动被设置为，从所述驱动柱塞的所述中间位置开始，所述驱动柱塞的进一步运动使所述至少一个推杆的所述第一端如同其他推杆的其他第一端一样运动。

在又一实施例中，所述至少一个推杆的所述第一端的运动可导致所述相应调节环的旋转。

此外，所述相应调节环的旋转可导致所述可变导向叶片的旋转。

在进一步实施例中，所述操纵杆中一个推杆，优选为所述至少一个推杆，可包括弹簧。

应指出，已参照不同主题描述了本发明的各实施例。特别地，一些实施例已参照装置类型权利要求进行描述，而其他实施例已参照方法类型权利要求进行描述。然而，本领域技术人员根据以上并根据以下描述应获悉，除非另有说明，除了属于一种类型主题的各特征的任一组合之外，另外，与不同主题有关的各特征之间的任一组合，特别是装置类型权利要求的各特征与方法类型权利要求的各特征之间的任一组合，被视为通过本申请而公开。

本发明的以上限定的各方面和进一步方面根据待在下文中进行描述的实施例的各示例是明显的，并参照实施例的各示例进行解释。

附图说明

现在将结合附图仅通过示例描述本发明的各实施例，其中：

图1为涡轮发动机的已知压缩机级的透视图的一部分；

图2为已知涡轮发动机的压缩机的透视图；

图3为指向压缩机入口端的压缩机的视图；

图4为涡轮发动机的压缩机的已知曲杆的透视图；

图5示出了根据本发明的分解弹簧推杆；

图6示出了根据本发明的应用到压缩机的弹簧推杆的第一位置；

图7示出了根据本发明的应用到压缩机的弹簧推杆的第二位置；

图8示出了根据本发明的弹簧推杆的截面图；

图9示出了弹簧推杆的弹簧；

图10示出了限制弹簧推杆行程的机构；

图11为根据本发明的涡轮发动机的压缩机的透视图；

图12描绘了一个图表，其示出了与合成叶片角相比较的弹簧推杆柱塞行程；

图13了一个图表，其示出了与燃气涡轮压缩机的旋转速度相比较的弹簧推杆柱塞行程；

图14示出了可能被施加到弹簧推杆上的示例性的力；

图15示意性地显示在曲杆操作期间应用到三个压缩机级的三个不同位置。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。应指出，对于不同附图中的相似或相同元件，将使用相同的附图标记。

一些特征特别是优点将针对组装的燃气涡轮进行解释，但显而易见地，各特征还可应用于燃气涡轮的单个部件，并可显示仅在装配和操作期间的优点。但是，当通过操作期间的燃气涡轮进行解释时，没有任何细节应限于操作中的燃气涡轮。

本发明可应用于燃气涡轮发动机，其可通常包括压缩机部分1（见图2）、燃烧室部分（未示出）和涡轮部分（未示出）。中心设置的转子（未示出）可延伸通过这三个部分。压缩机部分1可包括交替行的叶片10、11……和旋转叶片（未示出）。

本发明致力于具有“可变导向叶片”（VGV）的压缩机。这就是具有可变节距定子叶片10、11的构造。

基于图1、2、3和4解释“可变导向叶片”的一般概念。这些概念也适用于本发明。压缩机壁内的各级叶片的节距或角偏移通过连杆机构控制，该连杆机构从壁的外部应用。

每个单独叶片10（第一级）、11（第二级）……安装在心轴22上，以允许叶片10、11的角运动。短操纵杆20将心轴22连接到作为调节环即所谓协调环的驱动环40、41、42、43。单一级中的所有叶片10、11……被连接到同一环，使得一个级的所有叶片10、11……同时以相同的角度被调节。图1具体显示了第一级，例如压缩机的最上游级的各个叶片10及其相应的操纵杆20。图2示出了压缩机的总体视图，其显示了第一级的整个级的叶片10。

每一个操纵杆20具有将操纵杆20联接到相应驱动环40、41、42、43的连接件21。每一个驱动环40、41、42、43通过来自共用曲杆61的推杆50旋转，每一个环一个推杆50。

基本机构如下：可能是液压的柱塞驱动器60将侧向运动（由箭头m1表示）。该侧向运动导曲杆61转动。曲杆可具有带不同长度的不同臂62、63、64，每级叶片一个臂。臂62比臂63长，它们又比臂64长。作为本发明操纵杆的推杆50附接到这些臂。因此，曲杆61的旋转运动直接应用到推杆50，从而提供推杆50的侧向运动。推杆50的另一端图解到驱动环40、41、42、43，使得推杆50的侧向运动直接促使驱动环40、41、42、43执行如箭头s1、s2、s3、s4所示的旋转运动。由于不同长度的臂，旋转运动可能不同，例如一个环可能比另一个环转动的较少。

使用单一驱动柱塞，柱塞行程期间的角位置在级间是成比例的。

驱动环40、41、42、43的旋转运动作为箭头m2所示的旋转运动通过连接件21被应用至每一个叶片10、11……的操纵杆20。因而，柱塞60的初始运动导致叶片10、11的旋转。

图5示意性地显示根据本发明的分解的弹簧推杆操纵杆（sprung push rod lever）1，其将替代推杆50中的至少一个。弹簧推杆操纵杆1包括弹簧70、具有第一端51的第一主体部分101、具有中心孔的盖102、具有第二连接端52的弹簧架104。

第一端51可被设置为连接到驱动环40、41、42、43之一。第二端52可被设置为连接到曲杆61。

第一主体部分101可与盖102拧在一起。弹簧架104和弹簧70位于由第一主体101和盖102构件的腔内。二者均可具有充足空间，使得弹簧推杆操纵杆1端与端之间的总体长度可根据施加的力而不同。

可想象其他形式的推杆操纵杆1可显示类似的操作模式。

如果第一级叶片10只有一个弹簧推杆操纵杆1，固定长度的推杆50用于其他级，则可能的是，在操作期间，驱动环40与驱动环41、42、43相比将在不同时间开始运动。有利地，这在燃气涡轮发动机的启动期间应用。

而且，在涡轮的启动期间，本发明还允许：

- 第一级叶片10的角位置对于初始长度（例如10mm）的柱塞行程直到中间位置在另外的级旋转时保持恒定。

- 在初始长度（例如10 mm）的柱塞行程之后，包括第一级在内的所有级的叶片按正比例方式旋转。

后者通过正向止挡150实现，该正向止挡在10 mm的柱塞行程点放置在协调环上。详细参见图10。

在涡轮的关闭期间，为了允许柱塞行程返回至0 mm—涡轮不操作的初始位置—推杆操纵杆1被设计作为顺从装置以停止杆屈曲。该装置为在闭合汽缸中滑动的活塞的形式—弹簧架104，当被拉伸时，活塞靠在止挡110上并传递所有的力。当被推进时，活塞靠在弹簧70之上。参见图8。

该刚度足够高，以在正常行程期间不会偏转，除了协调环40碰撞止挡150时。在碰撞止挡150的点，弹簧压缩，从而允许连续的柱塞行程和所有其他级中的角度变化。

除了上述项之外，本发明还允许解决下述问题。

当具有若干级的轴向压缩机1运转时，穿过该压缩机1的空气的压缩逐渐实现，每一级具有类似的压缩比，因而，通过压缩机的气路的面积被设计为逐渐减少。在非常低速时，在根据图2的叶片10和11的先前级遇到的发动机的启动和关闭期间，不会提供足够的压缩来使气流穿过后级—附接到环43的叶片，这变为“阻塞”。当发生该情况时，流动会在一个或更多级的吸入侧表面上分离，从而导致该级“停转”，于是流动在该级中反向，从而使其他级逐渐停转，几乎立刻停转，直到流动在整个压缩机1中反向。当发生该情况时，来自压缩机出口的高压空气通过压缩机1回流，当压力波到达压缩机入口时突然造成“砰”响。该砰响被称为“喘振”，并会被不了解情况的观测者认为是小爆炸。通常，喘振将重复发生，直到发动机停止。

在任一给定速度时，存在整个压缩机1或各级在不停转的情况下可实现的最大压力比，并且，该速度时的操作压力比与最大值之间的差被称为“喘振边界”。

为了防止多级轴向压缩机上的喘振，若干级的可变导向叶片在压缩机开始时使用，以减少低速时的流率。在低速时，这些可变导向叶片被关闭，并且随着速度朝着运转增大，这些可变导向叶片被打开至其运转位置，以通过更多流动。可变导向叶片一般由单一致动器(根据图2的柱塞60和曲杆61)运动，其中机械连杆能够使连续级运动不同量，但根据现有技术，所有级相对于彼此同步运动。

对于一些压缩机，速度范围上的每一级的最佳运动与其他级遵循不同的模式。尽管如此，为了可靠性原因，可能存在实际考虑以保留单个致动器和单个连杆，因而仍使用可变导向叶片运动和速度的折衷关系。这被本发明解决。

本发明的弹簧推杆操纵杆1提供了改变各级之间的相对运动的简单装置，而不会引入额外的致动器或复杂连杆，实现待选择的更好折衷并提供更好的发动机的起始可靠性。可应用于可变级中的任一级，或者是致动器运动的起始端，或者是运转端。所描述的当前发明已应用于在本文献中始终称为第一级的第一可变行。

利用致动器，在起始位置，使第一级运动的环由弹簧推杆操纵杆1推向发动机壳体上的止挡150，其中弹簧70在推杆操纵杆1内被压缩。

当致动器（根据图2的柱塞60和曲杆61）从起始位置（被限定为0mm）移向中间位置（例如10mm）时，环40仍被推向止挡，因而第一级叶片10不会运动，而致动器直接使其他行的定子（例如叶片11）运动。在该运动期间，推杆操纵杆1内的弹簧70逐渐卸载，允许推杆操纵杆1的致动器端（第二端52）运动，而环端（第一端51）保持静止，并且环通过弹簧力被保持抵靠止挡150。

在10mm的中间位置时，推杆操纵杆1不能进一步延伸，因此，超过中间位置的致动器运动导致第一级和其他定子共同根据致动器机构的几何形状而运动。因而，在中间位置与运转位置之间，推杆操纵杆1相当于簧下装置，如果是这样的话。

当推杆操纵杆1处于其完全延伸状态时，推杆操纵杆1内的弹簧70具有明显预载，足以使第一级环40在运转期间沿两个方向运动超过中间致动器位置。

当关闭发动机时，致动器根据预定进度从运转位置逐渐运动到起始位置。直到致动器降低至10mm的中间位置，弹簧70中的预载足以使第一级环40运动，而不会对弹簧70进行任何压缩。在中间位置，环40碰撞止挡150并不能进一步运动。随着致动器继续运动，弹簧70被压缩，允许推杆操纵杆1的致动器端（第二端52）运动，而推杆操纵杆1的环端（第一端51）保持静止。

本发明允许另一级以低速相对于第一级更靠近地运动。特别地，允许另一级的可变导向叶片机构的额外运动，同时保持第一级恒定。

在机器的启动期间第一四级可变叶片的起始角可为一些特定的角度，例如35o、30o、25o和20o。而且还可以认为在机器操作期间具有特定的叶片角，例如：35o、21o、16o、10o。可变导向叶片的运动应尽可能紧密地遵循后一计划。

图12中概述的计划还应对应于图13中的图表中所示的速度，其将弹簧推杆操纵杆1的设定与具有标准固定推杆50的设定进行比较。

这种类型的操作可通过弹簧推杆操纵杆1（参见图5和7）而提供，其与机械止挡150联接，以将第一级保持在初始角，例如35o，而改变轭架在分配器轴上的长度，以从另一级抽取更大行程。

当将第一级保持在初始角时，推杆操纵杆1需要缩短10mm（采用上述的示例值），从而允许另一级进一步循环运动至其所需位置。

关于第一级的机械止挡：

弹簧推杆操纵杆1需要机械止挡150来限制第一级行程，这可使用附接到协调环40和壳体160的一些简单托架而构造。参见图10。

关于弹簧推杆操纵杆1：

本发明允许通过弹簧70传递力，而不对推杆长度进行任何改变，这意味这第一级将不会以正确速率运动。

这通过弹簧70实现，系统中的弹簧70必须具有比移动第一级协调环40所需的力更大的预载。

作为示例，移动特定燃气涡轮上的第一级协调环40所需的力可参见图14。

优选地，弹簧70（参见图9）可以是具有特定刚度，例如159 N/mm的模具弹簧。作为另一示例值，2.5mm的压缩可在组装期间提供给弹簧70，以提供397.5N的初始预载，从而在不允许第一级叶片落后机构的其余部分的情况下确保柱塞压力被传递。如已所示，所有值为示例性的。

弹簧推杆操纵杆1的设计基于弹簧尺寸和直到中间位置的所需行程长度，例如10mm。由DU材料形成的两个衬套可在每一端用于可变导向叶片心轴，从而允许轴在主体内的自由运转。参见图8。

图15示出了涡轮启动期间的系统。图15A显示一旦未操作而处于空转时的发生器。各级可变导向叶片的所有操纵杆，操纵杆1、操纵杆2、操纵杆3理想地具有相同长度。这通常可以不是必须的。

操纵杆（操纵杆1、操纵杆2、操纵杆3）的第一端51将附接到调节环40、41、42（未示出），可变导向叶片10、11……通过调节环40、41、42获得位置。

在启动期间，曲杆61轻微旋转。结果，所有操纵杆（操纵杆1、操纵杆2、操纵杆3）的第二端52降低。对于操纵杆2、操纵杆3，这对这两个操纵杆的第一端51的位置具有直接影响，如图15B所示。第一操纵杆1的第一端51在启动阶段由于通过弹簧70延伸操纵杆1的长度得到平衡而不改变位置。位置差可为距离d1。操纵杆1延伸其杆部（标示为长度X的部分将延伸到X+d1），直到到达先前称为中间位置的位置（如图15B所示）。

一旦在启动期间经过中间位置，操纵杆1将不再吸收曲杆61的进一步旋转运动，但将直接传递其第二端52的纵向运动—使其如同杆状操纵杆2或操纵杆3一样或轻微吸收，从而导致操纵杆1的第一端51的运动。因而，进一步旋转曲杆61将使第二端52通向低于中间位置的距离d2。相同情况对于操纵杆1、操纵杆2、操纵杆3尤其对于操纵杆1的所有三个第一端51均成立。第一操纵杆1的部分（先前由X标记且随后由X+d1标记）将停留在其长度为X+d1的延伸位置。

可以看出，第一级的叶片将不再与其他级的叶片同步操作。

Claims

1.一种用于轴流机器的导向叶片的调节装置，包括：

可变导向叶片（10、11）的多个旋转安装环；

多个推杆（50），其布置在导向叶片载架（30）的外侧上，用于旋转所述可变导向叶片（10、11）；

多个调节环（40、41、42、43），所述调节环（40、41、42、43）中的每一个与所述导向叶片载架（30）同轴布置，并且连接到所述推杆（50）中对应一个推杆的第一端（51）；以及

调节驱动器，所述调节环（40、41、42、43）利用所述调节驱动器能沿其周界方向运动；

其特征在于，

单一驱动柱塞（60）被附接到所述多个推杆（50）的第二端（52）；以及

所述推杆中的至少一个被设置为至少部分地执行所述至少一个推杆的所述第一端（51）的不成比例的纵向运动，并且所述至少一个推杆的所述第一端（51）的不成比例的纵向运动被设置为从所述驱动柱塞（60）的初始位置到中间位置，所述至少一个推杆的所述第一端（51）在其位置保持不动。

2.根据权利要求1所述的用于轴流机器的导向叶片的调节装置，

其特征在于，

所述推杆的所述第一端（51）的不成比例的纵向运动导致相应调节环（40、41、42、43）的不成比例的旋转。

3.根据权利要求1所述的用于轴流机器的导向叶片的调节装置，

其特征在于，

所述至少一个推杆的所述第一端（51）的不成比例的纵向运动被设置为，从所述驱动柱塞（60）的所述中间位置开始，所述驱动柱塞（60）的进一步运动使所述至少一个推杆的所述第一端（51）同其他推杆的其他第一端（51）一样运动。

4.根据权利要求1所述的用于轴流机器的导向叶片的调节装置，

其特征在于，

所述至少一个推杆的所述第一端（51）的运动导致相应调节环（40、41、42、43）旋转。

5.根据权利要求4所述的用于轴流机器的导向叶片的调节装置，

其特征在于，

所述相应调节环（40、41、42、43）的旋转导致所述可变导向叶片（10，11）旋转。

6.根据前述权利要求1或2所述的用于轴流机器的导向叶片的调节装置，

其特征在于，

所述推杆之一包括弹簧（70）。

7.一种轴流机器的可变导向叶片系统，

其特征在于，

所述可变导向叶片根据权利要求1至6之一布置。

8.一种用于调节轴流机器的导向叶片的方法, 所述方法用于根据权利要求1至6之一所述的装置，

其特征在于，

所述推杆中的至少一个执行所述推杆的所述第一端（51）的不成比例的纵向运动。