TW201321595A - 用於構形替換葉片以作為軸流式渦輪機之舊葉片的替換零件之方法 - Google Patents

用於構形替換葉片以作為軸流式渦輪機之舊葉片的替換零件之方法 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種用於構形一替換葉片(1)以作為一軸流式渦輪機之舊葉片(11)之替換零件的方法，其具體地包括下列之步驟：取得舊葉片(11)之流管的轂輪廓幾何形狀(5)及罩輪廓幾何形狀(6)，以及被拉緊安裝在轂或罩之一側上之舊葉片(11)之葉面之重心的軸向位置，及/或取得舊葉片(11)之最大可用軸向結構空間；設計替換葉片(1)之葉面(2)的幾何形狀，替換葉片(1)之葉面(2)的拉緊安裝側截面(5,6)實質上位於與舊葉片(11)之葉面的拉緊安裝側截面(5,6)相同位置處，且替換葉片(1)之葉面(2)在其前緣(7)處相對於此拉緊安裝成向上游傾斜，以便可最佳化級效率，致使葉面(2)具有一後掠(14)；界定替換葉片(1)之葉面(2)的一拉緊安裝鄰近區域(21)，其中後掠(14)在級效率上之正向影響被分級為低者；向上游軸向位移被配置在區域(21)外側之替換葉片(1)之葉面部分，直到替換葉片(1)之葉面(2)之重心的軸向位置實質上與舊葉片(11)之葉面之重心的軸向位置重合及/或利用舊葉片(11)之最大可用軸向結構空間而達到替換葉片(1)之機械完整性為止，而前緣(7)在區域(21)中相對於該拉緊安裝而從替換葉片(1)之葉面(2)的拉緊安裝側截面(5)向下游傾斜遠至替換葉片(1)之被位移的葉面部分，致使葉面(2)具有一位於此區域(21)中之轉換掠(19)。

Description

用於構形替換葉片以作為軸流式渦輪機之舊葉片的替換零件之方法
本發明係有關於一種用於構形一替換葉片以作為一軸流式渦輪機之舊葉片之替換零件的方法，而此替換葉片係一用於燃氣渦輪機之轉子葉片或定子葉片。
一燃氣渦輪機，尤其是一非固定式燃氣渦輪機，通常具有大約30年之工作壽命。在此期間，尤其是用於改善燃氣渦輪機之熱效率之技術創新目前均已在市場上可見。較適宜的是，一已被安裝之燃氣渦輪機上至少部分地配備有這些技術創新，藉此可在燃氣渦輪機之效率方面獲得相應之增加。為了在已被安裝之燃氣渦輪機中實施此諸技術創新，慣常地會提供經修整之部件，其已包括該等技術創新並被用以替換此燃氣渦輪機中之舊部件。目標係在燃氣渦輪機中替換盡可能少量之部件，以便可將升級所需費用及其成本保持在盡可能低的情況。
發電站用之固定式燃氣渦輪機傳統地在結構上被設計成軸向類型。此燃氣渦輪機之壓縮機通常具有複數個在通流方向上被軸向地一個接一個配置之級，各級包括若干被分配給一轉子並形成一轉動葉片環之轉動葉片以及若干形成一導向葉片環之導向葉片。此諸轉動葉片連同轉子相對於諸被固定之導向葉片轉動，而尤其諸轉動葉片與諸導向葉片之流體效率決定此級之流體效率。最近幾年在級效率上已可在葉片之構形時利用數值流動求解器而達到顯著之改良。因此，尤其對於燃氣渦輪機之 壓縮機而言，現有葉片系統較佳地被移除並被取代以從現在觀點所設計之葉片系統，因而使得葉片系統與轉子之間在葉片緊固處的機械介面能保持不變動。
然而，如果新葉片系統之構形導致在葉面之重心上的改變，機械應力在葉片緊固之際會改變。結果，此在葉片緊固之際導致不利之負荷，因此新葉片系統之新構形必須與葉片緊固之最大容許負荷值相協調。因此，這導致在新葉片系統之構形上的限制，結果使得在原理上可達到之效率增加將無法實現。
尤其在壓縮機轉子葉片係很重要的場合，構形時在流管之下半部中採用一後掠顯然會增加諸壓縮機轉子葉片之空氣動力性能。然而，此伴隨著諸葉片重心之相對應位移，以及葉片後緣在下游導向葉片滾動方向上之相對應位移。由於此重心位移，使得目前所盛行在葉片緊固於諸葉片溝槽內時之負荷勻稱性被減弱，以致後掠的程度被嚴格地限制在諸壓縮機轉子葉片之輪廓中。雖如此，為了提供諸壓縮機轉子葉片後掠，新葉片系統之諸軸向截面的伸展線相較於舊葉片系統之諸軸向截面的伸展線所形成之偏移被限制在一仍可容許之範圍。藉此所達成的是葉根中及周圍溝槽處之負荷在燃氣渦輪機正運轉時不會變為不可接受地高。然而，因為此情形，也使得一相當可觀之潛在可能的效率改良仍被保留在未被利用之狀態下。
此可藉縮短新葉片系統之葉根的弦長而被補救。然而，此措施在氣體動力負荷承載能力以及此新葉片系統 與其結構完整性方面都是不利的。
US 2003/012645 A1案敘述一種用於翻新導向葉片之方法，其中一現有的導向葉片被一新的導向葉片所取代。
本發明之目的在於提供一種用於構形一替換葉片以作為一軸流式渦輪機之舊葉片之替換零件的方法、一種用於燃氣渦輪機之轉子葉片與定子葉片、以及一種具有此轉子葉片及/或此定子葉片之燃氣渦輪機，而此燃氣渦輪機具有高的熱力效率。
此目的可藉由申請專利範圍第1、8至10項中所述之特徵而被達成。這些特徵之較佳細分則被具體說明於另外之申請專利範圍權項中。
根據本發明所實施之用於構形一替換葉片以作為一軸流式渦輪機之一舊葉片之一替換零件的方法包括下列步驟：取得該舊葉片之流管的轂輪廓幾何形狀及罩輪廓幾何形狀，以及被拉緊安裝在該轂或該罩之一側上之該舊葉片之葉面之重心的軸向位置，及/或取得該舊葉片之最大可用軸向結構空間；設計該替換葉片之葉面的幾何形狀，該替換葉片之葉面的拉緊安裝側截面實質上位於與該舊葉片之葉面的拉緊安裝側截面相同之位置處，且該替換葉片之葉面在其前緣處相對於該拉緊安裝成向上游傾斜以便可最佳化級效率，致使該葉面具有一後掠；界定該替換葉片之葉面的一拉緊安裝鄰近區域，其中該後掠在該級效率上之正向影響被分級為低者；及向上游 軸向地位移被配置在該區域外側處之該替換葉片之葉面部分，直到該替換葉片之葉面之重心的軸向位置係實質上與該舊葉片之該葉面之重心的軸向位置重合及/或利用該舊葉片之該最大可用軸向結構空間而達到該替換葉片之機械完整性為止，而該前緣在該區域中相對於該拉緊安裝而從該替換葉片之葉面的拉緊安裝側截面向下游傾斜遠至該替換葉片之被位移的葉面部分，致使該葉面具有一位於該區域中之轉換掠。
較佳地，此軸流式渦輪機係一壓縮機及/或一燃氣渦輪機之渦輪。根據本發明所實施之用於此燃氣渦輪機之轉子葉片係一藉由本發明之方法所設計之替換葉片。除此之外，根據本發明所實施之用於此燃氣渦輪機之定子葉片係一藉由本發明之方法所設計之替換葉片。根據本發明所實施之燃氣渦輪機具有此轉子葉片及/或此定子葉片。
根據本發明所實施之壓縮機葉片包括一具有一前緣之葉面，此葉面在前緣處相對於此葉面之拉緊安裝成向上游傾斜以便可最佳化級效率，致使此葉面具有一後掠，此葉面之一拉緊安裝側區域被界定，其中該後掠在級效率上之正向影響被分級為低者，而該前緣在此葉面之該區域中相對於該拉緊安裝而成向下游傾斜，致使此葉面具有一位於該區域中之轉換掠。
在其中該後掠在級效率上之正向影響被分級為低者之該替換片之葉面的拉緊安裝鄰近區域較佳地係相對應於轂分界層或拉緊安裝側二次流之徑向範圍。此區域較 佳地係該替換葉片之葉片高度的5%至15%。
該替換葉片之葉根的弦長實質上相當於舊葉片之葉根的弦長。再者，本方法較佳地包括下列步驟：設計該替換葉片之葉面的幾何形狀，而此葉面在其前緣處相對於面朝徑向遠離該拉緊安裝之側成向上游傾斜以便可最佳化該級效率，致使該葉面具有一位於該後掠外側處之前掠。此外，該替換葉片之前緣的後掠僅延伸在該流管之徑向拉緊安裝側半體中。
該轉換掠根據本發明而被設計成一前掠。因此，該替換葉片之葉面的重心朝流動方向被向前位移，致使此替換葉片之葉面的重心假定為舊葉片之葉面之重心的位置，及/或該替換葉片之機械完整性可藉由利用該舊葉片之最大可用軸向結構空間而被達到。在此燃氣渦輪機中，此舊葉片被此替換葉片所取代。在此情形中，此舊葉片例如從燃氣渦輪機之一轉子上被卸下，且該替換葉片被安裝以取代該舊葉片。此舊葉片或替換葉片通常係以形狀配合方式被安裝在燃氣渦輪機之轉子上。因為該替換葉片之重心實質上係位於與該舊葉片之重心相同之位置處及/或該替換葉片之機械完整性可藉由利用該舊葉片之最大可用軸向結構空間而被達到，所以在該替換葉片在形狀配合緊固時之應力實質上係相等於在該舊葉片在形狀配合緊固時之負荷。此係特別有利藉由被設置在該替換葉片之構形中的後掠來達成高的級效率，此係因為當燃氣渦輪機係與替換葉片一起運轉時在葉片緊固上之機械負荷係實質上相等於當此燃氣渦輪機係與舊葉 片一起運轉時所產生者。
轉換掠被局部地限制在該接近拉緊安裝且在級效率上僅輕微程度減損後掠之正向影響的區域。結果，此後掠之空氣動力影響係低的，而被提供作為標準之具有一後掠之葉片的結構缺失被減少。此轉換掠較佳地被限制在一係為該替換葉片之葉片高度5%至15%的區域。此轉換掠之優點因此可被利用在該替換葉片之葉片高度5%至15%外之較高流速的範圍中。此外，在根據本發明所實施之轉子葉片中，與一下游之傳統定子葉片相隔之距離係較大於如果一轉子葉片上係以慣常方式設有後掠且無轉換掠者。因此，藉由本發明之轉子葉片的轉動而產生之空氣動力所導致之激擾係輕微的。
藉由本發明之方法構形作為燃氣渦輪機舊葉片之替換葉片的轉子葉片之較佳實施例已透過下列之附圖而被說明於下。
由第1及2圖顯而可知，一替換葉片1(係一轉子葉片)具有一葉面2及一葉根3，其可利用形狀配合而在一葉足(未示於圖)處被拉緊安裝於一渦輪機之轉子上。為此目的，具有一足部輪廓之葉足被形成在葉根3處。作為與此相對之構件，一具有相對應輪廓之溝槽被設置於該轉子中，使此葉足可被***此溝槽內。
在葉面2之徑向遠離端部處，替換葉片1具有一葉尖4。當替換葉片1處於已被安裝狀態時，葉尖4被直接配置成緊鄰一罩內側，而一徑向間隙因此被形成於此 罩內側與葉尖4之間。在設計狀態中，葉尖4係與一罩輪廓線6重合，而此罩輪廓線則係由於運轉之因素而被要求用於在燃氣渦輪機中安裝並運轉替換葉片1。依一與此相類似之方式，一轂輪廓線5亦被如此要求，藉此使得葉面2在設計狀態下被限制於該轂處。替換葉片1被拉緊安裝於轂。葉面2具有一前緣7及後緣8。葉面2藉由複數個軸向截面9而被顯示於第1圖中。各軸向截面9具有一重心，而此諸軸向截面之重心則一起被排列在一重力線10上。
替換葉片1被供給舊葉片11所用。舊葉片11具有一前緣12及一後緣13。舊葉片11被依貫例地構形，而此舊葉片11之前緣12及後緣13則係成直線形狀。相對照於舊葉片11之構形，替換葉片1係根據現代觀點而被構形者。與此一致的，替換葉片1之前緣7在下方流管區域中設置有一後掠14。此外，替換葉片1之前緣7在上方流管部分中配備有一前掠。
在構形替換葉片1之葉面2時採用下列之程序：首先必須取得舊葉片11之轂輪廓線5及罩輪廓線6的幾何形狀。除此之外，也必須取得舊葉片11之葉面之重心的軸向位置及/或舊葉片11之最大可能包絡。其次，必須設計替換葉片1之葉面2的幾何形狀，必須將替換葉片1之葉面2的轂截面配置在與舊葉片11之葉面的轂截面實質上相同的位置處，及/或利用舊葉片11之最大可能包絡來達成替換葉片1之機械完整性。此係必需的，因替換葉片1將被安裝在燃氣渦輪機中以取代舊葉片11， 而用在替換葉片1之葉片緊固方式必須相同於用在舊葉片11者。此外，替換葉片1之葉面2在其前緣7處必須相對於該轂向上游傾斜，以便可最佳化該級之效率，致使替換葉片1之葉面2可獲得後掠14。替換葉片1之葉面2之重心的軸向位置於是必須被取得。
此外，替換葉片1之葉面2的一拉緊安裝鄰近區域在名義上必須被定義在區域21中，後掠14在級效率上之正向影響依此被分級為低者。為此目的，替換葉片1之拉緊安裝側轂分界層的徑向範圍較佳地必須被估量，而此徑向範圍則相當於區域21。除此之外，替換葉片1之轂側二次流的徑向範圍較佳地必須被採用。再者，區域21必須被界定成替換葉片1之葉片高度的5%至15%。
因替換葉片1之葉面2之幾何形狀的設計所致，將可為此替換葉片1之葉面2獲得一前緣線15及一後緣線16。前緣線15在轂側上具有後掠14。下一步驟係將被配置在區域21外側處之替換葉片1的葉面部分軸向地往上游位移，直到該藉此剛獲得之替換葉片1之葉面2之重心的軸向位置實質上與舊葉片11之葉面之重心的軸向位置重合為止。因為替換葉片1之葉面2的轂截面保留在其原始固定位置上以便與舊葉片之轂截面重合，尤其一前緣偏位17被產生於替換葉片1之葉面2的前緣7處，且一後緣偏位18被產生於替換葉片1之葉面2的後緣8處。為了從替換葉片1之葉面2的轂截面轉變成替換葉片1之配置在區域21外側的葉面部分，該前緣在區域21中必須相對於該轂向下游傾斜，因此產生一位於區 域21中之替換葉片1之前緣7的轉換掠19。此轉換掠19係一前掠且僅輕微程度地減損級效率，因為此轉換掠19係位於區域21中。
由於前緣偏位17、後緣偏位18、或轉換掠19之提供，使得重心位移20發生在下游之替換葉片1之葉面2的轂截面中，以致替換葉片1之葉面2的中心得以實質地與舊葉片11之葉面的重心相重合。此外，在葉面之幾何形狀的設計中，替換葉片1之葉根3的弦長被選定成實質上相等於舊葉片11之葉根的弦長。
1‧‧‧替換葉片
2‧‧‧葉面
3‧‧‧葉根
4‧‧‧葉尖
5‧‧‧轂輪廓線
6‧‧‧罩輪廓線
7‧‧‧前緣
8‧‧‧後緣
9‧‧‧軸向截面
10‧‧‧重力線
11‧‧‧舊葉片
12‧‧‧舊葉片之前緣
13‧‧‧舊葉片之後緣
14‧‧‧後掠
15‧‧‧前緣線
16‧‧‧後緣線
17‧‧‧前緣偏位
18‧‧‧後緣偏位
19‧‧‧轉換掠
20‧‧‧重心位移
21‧‧‧分界層區域
第1圖係朝此轉子葉片之周圍方向所取之俯視圖。第2圖係第1圖中所示轉子葉片之立體圖。
1‧‧‧替換葉片
2‧‧‧葉面
3‧‧‧葉根
4‧‧‧葉尖
5‧‧‧轂輪廓線
6‧‧‧罩輪廓線
7‧‧‧前緣
8‧‧‧後緣
9‧‧‧軸向截面
10‧‧‧重力線
11‧‧‧舊葉片
12‧‧‧舊葉片之前緣
13‧‧‧舊葉片之後緣
14‧‧‧後掠
15‧‧‧前緣線
16‧‧‧後緣線
17‧‧‧前緣偏位
18‧‧‧後緣偏位
19‧‧‧轉換掠
20‧‧‧重心位移
21‧‧‧分界層區域

Claims (11)

  1. 一種用於構形替換葉片(1)以作為軸流式渦輪機之舊葉片(11)之替換零件的方法，其包括下列步驟：- 取得該舊葉片(11)之流管的轂輪廓幾何形狀(5)及罩輪廓幾何形狀(6)，以及被拉緊安裝在該轂或該罩之一側上之該舊葉片(11)之葉面之重心的軸向位置，及/或取得該舊葉片(11)之最大可用軸向結構空間；- 設計該替換葉片(1)之葉面(2)的幾何形狀，該替換葉片(1)之該葉面(2)的拉緊安裝側截面(5、6)實質上位於與該舊葉片(11)之該葉面的拉緊安裝側截面(5、6)相同之位置處，且該替換葉片(1)之該葉面(2)在其前緣(7)處相對於該拉緊安裝成向上游傾斜，以便最佳化級效率，致使該葉面(2)具有一後掠(14)；- 界定該替換葉片(1)之該葉面(2)的一拉緊安裝鄰近區域(21)，其中該後掠(14)在該級效率上之正向影響被分級為低者；及- 向上游軸向地位移被配置在該區域(21)外側處之該替換葉片(1)之葉面部分，直到該替換葉片(1)之該葉面(2)之重心的軸向位置實質上與該舊葉片(11)之該葉面之重心的軸向位置重合，及/或以該舊葉片(11)之該最大可用軸向結構空間而達到該替換葉片(1)之機械完整性為止，而該前緣(7)在該區域(21)中相對於該拉緊安裝而從該替換葉片(1)之該葉面(2)的該拉緊安裝側截面(5)向下游傾斜遠至該替換 葉片(1)之該被位移的葉面部分，致使該葉面(2)具有一位於該區域(21)中之轉換掠(19)。
  2. 如申請專利範圍第1項之方法，其包括下列步驟：- 決定位於該軸流式渦輪機之設計運轉點處之轂分界層的徑向範圍；及- 固定該區域(21)作為該轂分界層的徑向範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項之方法，其包括下列步驟：- 決定位於該軸流式渦輪機之設計運轉點處之轂側二次流的徑向範圍；及- 固定該區域(21)作為該轂側二次流的徑向範圍。
  4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項之方法，其中該區域(21)係該替換葉片(1)之葉片高度的5%至15%。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之方法，其中該替換葉片(1)之葉根(3)的弦長實質上相當於該舊葉片(11)之葉根的弦長。
  6. 如申請專利範圍第1至5項中任一項之方法，其包括下列步驟：設計該替換葉片(1)之該葉面(2)的幾何形狀，該葉面(2)在其前緣(7)處相對於面朝徑向遠離該拉緊安裝之側成向上游傾斜，以便最佳化該級效率，致使該葉面(2)具有一位於該後掠(14)外側處之前掠(15)。
  7. 如申請專利範圍第1至6項中任一項之方法，其中該替換葉片(1)之該前緣(7)的該後掠(14)僅延伸在該流管之徑向拉緊安裝側半體中。
  8. 一種燃氣渦輪機用之轉子葉片，該轉子葉片係一替換葉片(1)，其係以如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法所設計者。
  9. 一種燃氣渦輪機用之定子葉片，該定子葉片係一替換葉片(1)，其係以如申請專利範圍第1至7項中任一項之方法所設計者。
  10. 一種燃氣渦輪機，其具有一如申請專利範圍第8項所界定之轉子葉片，及/或具有一如申請專利範圍第9項所界定之定子葉片。
  11. 一種壓縮機葉片，其配備一具有一前緣(7)之葉面(2)，該葉面(2)在該前緣(7)處相對於該葉面(2)之拉緊安裝而成向上游傾斜，以便最佳化該級效率，致使該葉面(2)具有一後掠(14)，該葉面(2)之一拉緊安裝鄰近區域(21)被界定，其中該後掠(14)在該級效率上之正向影響被分級為低者，而該前緣(7)在該葉面(2)之該區域(21)中相對於該拉緊安裝而成向下游傾斜，致使該葉面(2)具有一位於該區域(21)中之轉換掠(19)。
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