CN101371007A - 涡轮叶栅端壁 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于，在流出角度设定较大的涡轮叶片中，与叶片形状的差异无关地，降低涡轮端壁上产生的横流以及叶片背面的卷起，降低损失，由此提高涡轮整体的性能。涡轮叶栅端壁(10)，位于以环状排列的多个涡轮叶片(B)的轮毂侧和/或翼梢侧，设有第一凸部(13)，该第一凸部具有从上述涡轮叶片的后缘朝向下游侧最初平缓最后急剧下降，并且沿着相邻的涡轮叶片的背面延伸的棱线。

Description

涡轮叶栅端壁
技术领域
本发明涉及一种涡轮叶栅端壁。
背景技术
作为将流体的运动能量转变为旋转运动而得到动力的动力发生装置，公知有涡轮。在该涡轮中的涡轮叶栅端壁上，从一个涡轮叶片的腹侧朝向相邻的涡轮叶片的背侧，产生所谓的“横流(cross flow)(二次流动)”。
为了提高涡轮性能，需要降低该横流，并且降低伴随该横流发生的二次流动损失。
而且，在将流体的运动能量转变为旋转运动的涡轮中，存在将涡轮的圆周方向旋转速度设定得高于以往、提高涡轮整体性能的倾向。与之相随，要求将叶片的流出角度设定得大于以往。而另一方面，由于叶片的流出角度变大，伴随横流的二次流动损失也一般处于增加的倾向。
作为降低伴随横流的二次流动损失、提高涡轮性能的结构，公知有在涡轮叶栅端壁上具有以非轴对称形成的凹凸(例如参照专利文献1)。
并且，在产生冲击波的涡轮叶片上，作为降低该冲击波而提高涡轮性能的构造，公知有在涡轮叶栅端壁上的喉部附近具有凹部的结构(例如参照专利文献2)。
专利文献1美国专利第6283713号说明书
专利文献2美国专利第6669445号说明书
发明内容
如上所述，在流出角度设定较大的叶片中，存在伴随横流的二次流动损失进一步增大的固有的课题。在专利文献1中公开的涡轮叶栅端壁中所形成的非轴对称形状所带来的效果，不是解决流出角度设定较大的叶片所固有的课题，根据叶片形状不同，还有效果的偏差。因此，现在追求解决流出角度设定较大的叶片所固有的课题。
在现有技术中存在如下的现象：在叶片后缘稍下游的区域(图7中虚线所包围的部分以及图8中虚线所包围的部分)的压力由于流动停滞而大于周围。在端壁附近的流体从叶片流出时，会通过上述叶片后缘稍下游的区域。如上所述，该区域的压力上升时，会妨碍端壁附近的流动，助长横流以及叶片背面的卷起，增加损失。
在流出角度的设定较大的叶片中，由于流动的角度变大，因而通过上述叶片后缘稍下游的区域的比例增加。因此，妨碍上述区域的压力上升带来的流动的效果也增大，特别是进一步助长横流以及叶片背面的卷起，存在损失增加尤其增大的固有的问题。
而且，在上述专利文献2中公开的涡轮叶栅端壁中，通过在喉部位置对于端壁的圆周方向形状设置最大的高低差分布，设置从涡轮叶片的后缘朝向下游侧以一定的比率下降，并且具有沿着相邻的涡轮叶片的背面延伸的棱线的凸部。
作为专利文献2的效果，其目的在于通过降低冲击波来降低损失。冲击波仅在具有有限动作条件的叶片以及受有限的叶片上发生，其现象与伴随横流的二次流动损失完全不同。在本发明中，要解决伴随流出角度设定较大的叶片上的横流的二次流动损失增加的课题。
本发明鉴于上述情况而做出，其目的在于提供一种涡轮叶栅端壁，能够降低涡轮叶栅端壁上产生的横流，并且抑制对象叶栅的涡轮背面上产生的过度卷起，从而能够得到具有多个叶栅的涡轮整体的性能提高的优点。特别是，根据本发明，在流出角度设定较大的叶片中，尤其能够得到大的改善效果。并且，根据本发明，在流出角度设定较大的叶片中，能够与叶片的形状差异无关地得到效果。
本发明为了解决上述问题，采用以下的手段。
本发明第一实施方式的涡轮叶栅端壁，位于以环状排列的多个涡轮叶片的轮毂侧和/或翼梢侧，设有第一凸部，该第一凸部具有从上述涡轮叶片的后缘朝向下游侧最初平缓最后急剧下降，并且沿着相邻的涡轮叶片的背面延伸的棱线。
根据这种涡轮叶栅端壁，由于与所谓的“圆角(fillet)”、“R(ア—ル)”不同的第一凸部的效果，如图7所示，能够使位于叶片后缘稍下游的第一凸部附近的静压降低(参照图7中虚线所包围的部分)。
在以往的形状中，叶片后缘稍下游的区域(第一凸部所位于的区域)由于流动停滞，与周围相比存在静压增加的现象。从横流朝向圆周方向的端壁附近的流体，通过后缘稍下游的区域(第一凸部所位于的区域)时，如果该区域的静压增加则妨碍流动，助长横流以及向叶片的背面的卷起，导致损失增加。上述第一凸部，由于具有抑制上述叶片后缘稍下游的区域的静压增加的现象(比以往降低静压)的效果，因而端壁附近的流体通过后缘稍下游(第一凸部所位于的区域)时，能够比以往的结构顺利地流动，能够抑制损失增加。
在流出角度设定较大的叶片中，由于端壁附近的流体通过叶片后缘稍下游的区域的比例提高，因而上述损失改善效果尤其变大，由上述物理现象，在流出角度设定较大的叶片中，能够与叶片的形状无关地得到效果。
在上述本发明的涡轮叶栅端壁中，优选的是，在将0％Cax作为轴方向上的涡轮叶片的前缘位置，将100％Cax作为轴方向上的涡轮叶片的后缘位置，将0％间距作为涡轮叶片的腹面上的位置，将100％间距作为与上述涡轮叶片的腹面相对的涡轮叶片的背面上的位置的情况下，在一个涡轮叶片和与该涡轮叶片相邻配置的其他涡轮叶片之间，设有在大约0％Cax～大约20％Cax的范围内朝向上述一个涡轮叶片的背面平稳隆起的第二凸部、以及在大约0％Cax～大约20％Cax的范围内朝向上述其他涡轮叶片的腹面平稳隆起的第三凸部。
根据这种涡轮叶栅端壁，能够降低第二凸部附近以及第三凸部附近的静压，由此能够使喉部的上游侧的压力梯度朝向沿着一个涡轮叶片的背面以及其他涡轮叶片的腹面的方向，并且能够使动作流体沿着一个涡轮叶片的背面以及其他涡轮叶片的腹面流动。因此，通过使用该涡轮叶栅端壁，能够降低横流，并且能够降低伴随横流的二次流动损失，能够提高涡轮性能。
在上述涡轮叶栅端壁中，优选的是，还设有从上述一个涡轮叶片的背面以及上述其他涡轮叶片的腹面朝向大致50％Cax、大致50％间距的位置平稳地陷没的凹部。
根据这种涡轮叶栅端壁，能够增加凹部附近的静压，由此能够使喉部上游侧的压力梯度朝向沿着一个涡轮叶片的背面以及其他涡轮叶片的腹面的方向，并且能够使动作流体沿着一个涡轮叶片的背面以及其他涡轮叶片的腹面流动。因此，通过使用该涡轮叶栅端壁，能够降低横流，并且能够降低伴随横流的二次流动损失，能够提高涡轮性能。
本发明第二实施方式的涡轮，设有涡轮叶栅端壁，该涡轮叶栅端壁能够降低涡轮叶栅端壁上产生的横流，并且能够抑制在涡轮叶片的背面产生的过度卷起。
根据这种涡轮，能够抑制伴随横流的二次流动以及卷起(背面的二次流动)所产生的二次流动损失的增大，能够提高具有多个叶栅的涡轮整体的性能。并且，尤其是在流出角度设定较大的叶片中，其效果较大，与叶片形状无关，在流出角度设定较大的叶片中都可以得到同样的效果。
根据本发明的第二实施方式，设有涡轮叶栅端壁，该涡轮叶栅端壁能够降低涡轮叶栅端壁上产生的横流，并且能够抑制涡轮叶片背面产生的过度的卷起，具有能够提高具有多个叶栅的涡轮整体的性能的效果。并且，尤其是在流出角度设定较大的叶片中，其效果较大，与叶片形状无关，在流出角度设定较大的叶片中都可以得到同样的效果。
附图说明
图1是表示本发明的涡轮叶栅端壁的一个实施方式的图，是从涡轮叶片的前缘侧看的概略透视图。
图2是从涡轮叶片的后缘侧观察图1所示的涡轮叶栅端壁的概略透视图。
图3是图1所示的涡轮叶栅端壁的要部平面图。
图4与图3同样地，是涡轮叶栅端壁的要部平面图。
图5是表示位于一个涡轮叶片和其他涡轮叶片之间的涡轮叶栅端壁的高度(凹凸)的图表。
图6是表示位于一个涡轮叶片和其他涡轮叶片之间的涡轮叶栅端壁的高度(凹凸)的图表。
图7是表示涡轮叶栅端壁表面上的静压分布的图。
图8是表示涡轮叶栅端壁表面上的动作流体的流动的图。
图9是本发明的涡轮叶栅端壁的其他实施方式中的位于一个涡轮叶片和其他涡轮叶片之间的涡轮叶栅端壁的高低(凹凸)的图表。
标号说明
10 轮毂端壁(涡轮叶栅端壁)
11 第一凸部(第二凸部)
12 第二凸部(第三凸部)
13 第三凸部(第一凸部)
14 凹部
B  涡轮叶片
具体实施方式
以下，参照附图说明本发明的涡轮叶栅端壁的一个实施方式。
如图1～图3所示，本实施方式的涡轮叶栅端壁(以下称为“轮毂端壁”)10，分别具有配置在一个(在本实施方式中为涡轮动叶片)B和与该涡轮叶片B相邻配置的涡轮叶片B(以下称为“其他涡轮叶片B”)之间的第一凸部11(第二凸部)、第二凸部12(第三凸部)、第三凸部13(第一凸部)和凹部14。图3中的轮毂端壁10上描绘的细实线表示等高线。
如图1和图3所示，第一凸部11是朝向一个涡轮叶片B的背面在大致0％Cax～大致20％Cax的范围内平稳(平滑)隆起的部分。
第二凸部12是朝向其他涡轮叶片B的腹面，在大致0％Cax～大致20％Cax的范围内平稳(平滑)隆起的部分。
并且如图2和图3所示，第三凸部13具有从涡轮叶片B的后缘朝向下游侧最初平缓而最后急剧下降、且沿着相邻涡轮叶片背面延伸的棱线。该第三凸部13与所谓的“圆角”、“R”不同。
凹部14，是从一个涡轮叶片B的背面以及其他B的腹面朝向大致50％Cax、大致50％间距的位置而平稳(平滑)陷没的部分，即是在大致50％Cax、大致50％间距的位置具有凹陷峰值的凹部。
在此，0％Cax是指轴方向上的涡轮叶片B的前缘位置，100％Cax是指轴方向上的涡轮叶片B的后缘位置。并且，0％间距是指涡轮叶片B的腹面上的位置，100％间距是指涡轮叶片B的背面上的位置。
图3中的符号α是流出角度，本实施方式中设定为60度以上(优选70度以上)。
接着，利用图4至图6对第一凸部11、第二凸部12、第三凸部13以及凹部14的形状进行更详细的说明。
图4与图3同样地，是轮毂端壁10的要部平面图。图4中所示的细实线L1是在涡轮叶片B的背面附近且沿着涡轮叶片B的背面所引出的线，即在0％Cax～100Cax的范围内，在大致95％间距的位置所引的线。
图4所示的细实线L2，是在涡轮叶片B的腹面附近且沿着涡轮叶片B的腹面所引出的线，即在0％Cax～100Cax的范围内，在大致5％间距的位置所引的线。
图4所示的细实线L3，是在实线L1和实线L2的之间位置所引出的线，即在0％Cax～100Cax的范围内，在大致50％间距的位置所引的线。
并且，图4所示的细实线L4，是相对与涡轮叶片B的轴方向(旋转轴线)正交的面平行的线，是在0％间距～100％间距的范围内，在0％Cax的位置所引的线。
并且，图4所示的细实线L5，是相对与涡轮叶片B的轴方向正交的面平行的线，是在0％间距～100％间距的范围内，在大致20％Cax的位置所引的线。
图4所示的细实线L6，是相对与涡轮叶片B的轴方向正交的面平行的线，是在0％间距～100％间距的范围内，在大致50％Cax的位置所引的线。
图4所示的细实线L7，是相对与涡轮叶片B的轴方向正交的面平行的线，是在0％间距～100％间距的范围内，在大致80％Cax的位置所引的线。
图4所示的细实线L8，是相对与涡轮叶片B的轴方向正交的面平行的线，是在0％间距～100％间距的范围内，在大致100％Cax的位置所引的线。
图5和图6是表示位于一个涡轮叶片B和其他涡轮叶片B之间的轮毂端壁10的高低(凹凸)的图表，图5所示的虚线a，表示沿着图4所示的细实线L1从涡轮叶片B的前缘至后缘移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
图5所示的单点划线b，表示沿着图4所示的细实线L2从涡轮叶片B的前缘至后缘移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
图5所示的单点划线c，表示沿着图4所示的细实线L3从涡轮叶片B的前缘至后缘移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
另一方面，图6所示的粗实线d，表示沿着图4所示的细实线L4从一个涡轮叶片B的背面(或者腹面)至其他涡轮叶片B的腹面(或者背面)移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
图6所示的细实线e，表示沿着图4所示的细实线L5从一个涡轮叶片B的背面(或者腹面)至其他涡轮叶片B的腹面(或者背面)移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
图6所示的细实线f，表示沿着图4所示的细实线L6从一个涡轮叶片B的背面(或者腹面)至其他涡轮叶片B的腹面(或者背面)移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
图6所示的细实线g，表示沿着图4所示的细实线L7从一个涡轮叶片B的背面(或者腹面)至其他涡轮叶片B的腹面(或者背面)移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
图6所示的细实线h，表示沿着图4所示的细实线L8从一个涡轮叶片B的背面(或者腹面)至其他涡轮叶片B的腹面(或者背面)移动时所看见的轮毂端壁10的高低。
从图5和图6可知，第一凸部11的顶点位于比第二凸部12的顶点低的位置。即，第二凸部12的顶点位于比第一凸部11的顶点高的位置。
并且，一个涡轮叶片B和其他涡轮叶片B的中间位置，在0％Cax～100％Cax的范围内，位于比一个涡轮叶片B的背面侧的根部位置以及其他涡轮叶片B的腹面侧的根部位置低的位置。
进而，从图5中的虚线a以及单点划线b可知，第三凸部13的顶点(即棱线的最高点)位于涡轮叶片B的后缘端部(附近)。
根据本实施方式的轮毂端壁10，如图7所示，能够降低第三凸部13附近的静压(参照图7中虚线所包围的部分以及图8中虚线所包围的部分)。
由此，能够抑制在叶片后缘稍下游的区域(第三凸部13所位于的区域)上流动停滞所导致的静压增加，由横流而朝向圆周方向的端壁附近的流体，通过后缘稍下游的区域(第三凸部13所位于的区域)时，能够抑制妨碍流动、助长横流以及背面卷起的情况。因此，可以抑制损失增加。
并且，在流出角度设定较大的叶片中，由于端壁附近的流体通过叶片后缘稍下游的区域的比例提高，因而上述损失改善效果尤其增大。
进而，根据上述理由，在流出角度设定较大的叶片中，能够与叶片的形状无关地得到同样的效果。
在此，流出角度设定较大的叶片，是指流出角度α在60度以上(优选70度以上)的叶片。
进而，在流出角度较大的叶片中，设置第三凸部13所需要的叶片后缘的轴向下游侧的空间较小即可，因而需要(向轴向下游侧)延长轮毂端壁10的下游侧的端部的危险性较小。
另一方面，通过设置第一凸部11、第二凸部12以及凹部14，如图7所示，能够降低第一凸部11附近以及第二凸部12附近的静压，能够增加凹部14附近的静压，由此能够将喉部上游侧的压力梯度朝向沿一个涡轮叶片B的背面以及其他涡轮叶片B的腹面的方向，并且能够使动作流体沿着一个涡轮叶片B的背面以及其他涡轮叶片B的腹面流动。通过使用这种轮毂端壁10，能够降低横流，并且降低伴随横流的二次流动损失，能够提高涡轮性能。
并且，通过降低第一凸部11附近以及第二凸部12附近的静压，能够使来自前缘上游空腔的低温气体(泄漏空气)沿着轮毂端壁10的表面在较宽范围(区域)内流动，能够提高轮毂端壁10的冷却效果。
参照图9对本发明的轮毂端壁的其他实施方式进行说明。
本实施方式的轮毂端壁，在该轮毂端壁上沿着如图4所示的细实线L3，从涡轮叶片B的前缘至后缘移动时看到的轮毂端壁10，具有图9实线c’所示的高低，这一点与上述实施方式的结构不同。其他构成要素与上述实施方式的结构相同，因而在此省略这些构成要素的说明。
图9中的虚线a以及双点划线b分别与图4中的虚线a以及双点划线b相同。
至于作用效果，与上述实施方式相同，因而在此省略其说明。
在上述实施方式中，作为轮毂端壁以涡轮动叶片的轮毂端壁为例进行了说明，但是本发明不限于此，也可以在涡轮静叶片的轮毂端壁、或涡轮动叶片的翼梢端壁、或涡轮静叶片的翼梢端壁上设置第一凸部11、第二凸部12、第三凸部13以及凹部14。
本发明的轮毂端壁，能够适用于燃气涡轮以及蒸汽涡轮两者。

Claims (4)

1.一种涡轮叶栅端壁，位于以环状排列的多个涡轮叶片的轮毂侧和/或翼梢侧，其中，
设有第一凸部，该第一凸部具有从上述涡轮叶片的后缘朝向下游侧最初平缓最后急剧下降，并且沿着相邻的涡轮叶片的背面延伸的棱线。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶栅端壁，其中，在将0％Cax作为轴方向上的涡轮叶片的前缘位置，将100％Cax作为轴方向上的涡轮叶片的后缘位置，将0％间距作为涡轮叶片的腹面上的位置，将100％间距作为与上述涡轮叶片的腹面相对的涡轮叶片的背面上的位置的情况下，在一个涡轮叶片和与该涡轮叶片相邻配置的其他涡轮叶片之间，设有在大约0％Cax～大约20％Cax的范围内朝向一个涡轮叶片的背面平稳隆起的第二凸部、以及在大约0％Cax～大约20％Cax的范围内朝向其他涡轮叶片的腹面平稳隆起的第三凸部。
3.根据权利要求2所述的涡轮叶栅端壁，其中，设有从上述一个涡轮叶片的背面以及上述其他涡轮叶片的腹面朝向大致50％Cax、大致50％间距的位置平稳地陷没的凹部。
4.一种涡轮，设有权利要求1所述的涡轮叶栅端壁。
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