CN101403321B - 轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种高效的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构，所述高效的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构通过在静叶片隔板外环上设置贯穿孔，积极地控制从动叶片前端部与静叶片隔板外环之间的间隙通过的泄漏流体，从而能够通过抑制对主流的干涉来减少级损失。在轴流式涡轮机级结构中，具有：涡轮机静叶片(3)，所述涡轮机静叶片(3)在轴流式涡轮机的环状流路内沿圆周方向被列状配置；和涡轮机动叶片(6)，所述涡轮机动叶片(6)配置在该涡轮机静叶片的下游一侧并沿涡轮机轴的圆周方向被列状嵌入，设置有从所述涡轮机静叶片的静叶片隔板外环(1)的入口一侧贯穿至静叶片出口一侧的多个贯穿孔(9)。

Description

轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构
技术领域
本发明涉及一种流体在轴向流动的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机的级结构，尤其涉及一种能够使在涡轮机级产生的级损失减少的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机的级结构。
背景技术
用图5对现有的轴流式涡轮机的级结构进行说明。
图5是表示流体在轴方向流动的轴流式涡轮机的一个级结构的结构图，在轴流式涡轮机的环状流路内，多片涡轮机静叶片3沿圆周方向配设在静叶片隔板外环1和静叶片隔板内环2之间。在这样形成的涡轮机静叶片3的下游一侧，与上述各涡轮机静叶片3对置，配设有多片涡轮机动叶片6。该涡轮机动叶片6沿圆周方向以规定的间隔列状嵌入转子盘(rotordisk)4的外周。此外，在涡轮机动叶片6的前端部设置有围带5。
这样构成的涡轮机静叶片3具有如下作用：通过使作为涡轮机工作流体的主流7引导通过该叶片之间，使静叶片入口压力P1下降至出口压力P2，并且使工作流体增速。通过涡轮机静叶片3而被加速的流体流入涡轮机动叶片6，从而将具有的动能转变为旋转机械能，由此进行工作。
另一方面，涡轮机静叶片3以及涡轮机动叶片6对于液体流动构成阻力，因此在流体分别通过涡轮机静叶片3以及涡轮机动叶片6时，流过处产生紊流伴有损失。在叶栅内产生的主要的损失中，可以例举叶素损失(以下称为叶型(profile)损失)和在叶栅的根部和前端部的壁面产生的二次损失等。此外，除以上列举的叶型损失和二次损失之外，在级间产生的损失中，还有轴部泄漏流体8从静叶片隔板内环2和转子轴之间的缝隙()泄漏而产生的轴部泄漏损失、叶片顶部泄漏流体10从动叶片前端和静叶片隔板外环1之间的间隙泄漏而产生的叶片顶部泄漏损失以及湿气损失等。
图6是表示在级间产生的损失的详细内容的图。在转子轴部以及叶片顶部产生的泄漏损失，与被认为是级叶栅间的主要损失的叶型损失和二次损失相比，也很大，以致不能忽略。尤其是叶片顶部泄漏流体10不通过叶栅之间从而在级内不进行工作，因此该泄漏流体量直接影响整个级的损失。
级的泄漏损失的大小由以下因素决定，即静叶片隔板内环2与轴部之间的间隙长度或者动叶片前端部的围带5与静叶片隔板外环1之间的间隙(迷宫式密封)的长度、静叶片与动叶片的压力差。因此，通过减小静叶片隔板内环2与转子轴部之间的间隙或者围带5与静叶片隔板外环1之间的间隙长度，理论上能够减小泄漏损失，但在实际运用上需要考虑转子和隔板等的热伸展的影响，因此很难将间隙长度减小某个一定长度以上。
用图5对轴流式涡轮机中的一般的级之间的流体的流进行说明。在主流7流入喷嘴时，主流7的一部分作为轴部泄漏流体8通过静叶片隔板内环2和转子轴部之间的间隙，在涡轮机动叶片6的入口与主流7汇合。
同样，在主流7通过涡轮机动叶片6时，一部分的流体作为叶片顶部泄漏流体10通过动叶片前端部的围带5和静叶片隔板外环1之间的间隙，在下一个级的涡轮机静叶片3的入口与主流7汇合。这些泄漏的流体在从主流7分支时以及与主流7汇合时，在壁面附近，在主流7局部产生紊流。由于该局部的主流7的紊流，从而在壁面附近流角发生变化，因此叶片前缘的几何角度与主流7的流角的差变大，在叶栅损失增加(倾角损失)。
此外，在泄漏流体与主流7进行汇合的涡轮机动叶片6的入口以及涡轮机静叶片3的入口，主流7的紊流促进在动叶片根部和静叶片前端部产生的二次流涡的扩大。这样，由于泄漏流体对主流7的干涉使级损失变得更大，而且泄漏流体量越多其影响越大。
根据这些情况，到目前为止提出各种用于减少涡轮机级的泄漏流体和抑制对流体7的干涉的方法。
现在，作为减少在转子轴部以及叶片顶部的泄漏损失的技术，图5所示，公知有在静叶片隔板外环2与轴部之间的间隙或者动叶片前端部与静叶片隔板外环1之间的间隙设置多个凸片11，从而减少泄漏流体的技术。此外，作为公知文献，在专利文献1中还记载有在静叶片隔板内环与转子轴部之间的间隙中设置多个由凸片构成的迷宫式密封、在动叶片前端部与静叶片隔板外环之间的间隙也设置迷宫式密封的技术。
专利文献1：日本特开2006-97544号公报
涡轮机的高效化被认为是节省能源等的降低环境负担的策略，一直在进行其开发。
其中涡轮机级的性能有助于涡轮机效率的提高。因此，为了涡轮机的高效化，减少在涡轮机级产生的损失来提高性能是有效的。其中减少泄漏损失和减少由于泄漏流体对主流的干涉而产生的叶栅损失对级性能影响很大。如上所述，作为减少在转子轴部以及叶片顶部的泄漏损失的技术之一，公开有在静叶片隔板内环与转子轴部之间的间隙或者动叶片前端部与静叶片隔板外环之间的间隙中设置多片凸片，从而减少泄漏流体的技术。
但是，现在还没有确定抑制从动叶片前端部与静叶片隔板外环之间的间隙通过的泄漏流体对主流的干涉的技术。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而作出的，其目的在于提供一种高效的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构，所述高效的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构通过在静叶片隔板外环上设置贯穿孔，积极地控制从动叶片前端部与静叶片隔板外环之间的间隙通过的泄漏流体，抑制对主流的干涉，从而能够减少级损失。
为了解决上述问题，本发明的轴流式涡轮机级结构，具有：涡轮机静叶片，所述涡轮机静叶片在轴流式涡轮机的环状流路内沿圆周方向配置成列状；及涡轮机动叶片，所述涡轮机动叶片配置在该涡轮机静叶片的下游一侧并沿涡轮机轴的圆周方向嵌入成列状，
并且设置有从所述涡轮机静叶片的静叶片隔板外环的入口一侧贯穿至静叶片出口一侧的多个贯穿孔，其特征在于，所述贯穿孔，其孔径在涡轮机轴方向变化，以使从所述涡轮机动叶片前端和所述静叶片隔板外环之间的间隙、泄漏的叶片顶部泄漏流体通过的入口一侧的直径增大，并且其角度在涡轮机圆周方向倾斜。
一种轴流式涡轮机级结构，具有：涡轮机静叶片，所述涡轮机静叶片在轴流式涡轮机的环状流路内沿圆周方向配置成列状；及涡轮机动叶片，所述涡轮机动叶片配置在该涡轮机静叶片的下游一侧并沿涡轮机轴的圆周方向嵌入成列状，
并且设置有从所述涡轮机静叶片的静叶片隔板外环的入口一侧贯穿至静叶片出口一侧的多个贯穿孔，其特征在于，
所述贯穿孔，其孔径在涡轮机轴方向变化，以使从所述涡轮机动叶片前端和所述静叶片隔板外环之间的间隙、泄漏的叶片顶部泄漏流体通过的入口一侧的直径增大，并且其角度相对于涡轮机轴方向倾斜。
所述的轴流式涡轮机级结构，其特征在于，在所述静叶片隔板外环的主流入口一侧以及出口一侧的至少一侧，设置针对从所述涡轮机动叶片的前端部与所述静叶片隔板外环之间通过的所述叶片顶部泄漏流体的阻力部。
所述的轴流式涡轮机级结构，其特征在于，在所述静叶片隔板外环的内周部与所述涡轮机动叶片的前端部之间的轴方向的间隙中，设置有迷宫式密封。
一种轴流式涡轮机，其特征在于，具有所述的轴流式涡轮机级结构。
根据本发明，能够提供一种具有高效的轴流式涡轮机级结构的轴流式涡轮机，所述高效的轴流式涡轮机以及轴流式涡轮机级结构通过在静叶片隔板外环上设置贯穿孔，积极地控制从动叶片前端部与静叶片隔板外环之间的间隙通过的泄漏流体，从而能够通过抑制对主流的干涉来减少级损失。
附图说明
图1是本发明的第一实施方式的轴流式涡轮机级结构图。
图2是本发明的第一实施方式的设置有贯穿孔的静叶片隔板外环的主视图。
图3是本发明的第二实施方式的设置有贯穿孔的静叶片隔板外环的放大图。
图4是本发明的第三实施方式的轴流式涡轮机级结构图。
图5是现有的轴流式涡轮机级结构图。
图6是在涡轮机级上产生的损失的详细图。
具体实施方式
以下，利用附图对本发明的实施方式进行说明。
(第一实施方式)
图1是表示适用本发明的构成轴流式涡轮机的一个级的涡轮机静叶片3以及涡轮机动叶片6的图，多枚涡轮机静叶片3沿圆周方向配设在静叶片隔板外环1和静叶片隔板内环2之间。在这样形成的涡轮机静叶片3的下游一侧，与上述各涡轮机静叶片3对置，配设有多枚涡轮机动叶片6。该涡轮机动叶片沿圆周方向以规定间隔列状嵌入转子盘4的外周上。
在静叶片隔板外环1中，在内周部的附近且沿圆周方向，设置有多个贯穿孔9，构成为从动叶片前端部的围带(shroud)5与静叶片隔板外环1之间的间隙通过的叶片顶部泄漏流体10能够通过该贯穿孔9内。
此外，在静叶片隔板外环1的所述贯穿孔9部上，在其入口一侧和出口一侧的涡轮机静叶片3的侧端部，形成有突部1a。通过该突部1a来限制从主流7向静叶片隔板外环1与涡轮机动叶片6的前端部的围带5之间的间隙分支的叶片顶部泄漏流体10以及一旦分支的泄漏流体返回主流7。
突部1a的形状能够采用锐角形状、薄板形状等各种形状。此外，突部1a可以通过成形加工静叶片隔板外环1而形成，或者也可以作为另外的构件通过焊接等将突部连接在静叶片隔板外环1而形成。而且，虽然对在入口一侧和出口一侧两侧设置突部1a的结构进行了说明，但即使仅在任意一侧设置，也能够限制泄漏流体返回主流。
图2是静叶片隔板外环1的主视图。从静叶片隔板外环1的静叶片入口一侧至静叶片出口一侧被设置的多个贯穿孔9，沿静叶片隔板外环1的圆周方向多个并列配置。贯穿口9的形状(圆形、椭圆形、方形等)、个数以及排列可以对应静叶片隔板外环1的机械强度、泄漏流体量等进行适宜的变更。
此外，在上述第一实施方式中，在动叶片前端部的围带5与静叶片隔板外环1之间的间隙中没有设置凸片构成的迷宫式密封，但对应于该级的级损失特性，可以适宜地设置迷宫式密封。
而且，代替设置突起1a，可以在静叶片隔板外环1的内周部附近与涡轮机动叶片前端部的围带5之间的轴方向的间隙(图1的A部)中，设置如专利文献1所记载的迷宫式密封。总之，形成对于流体的阻力部。
根据第一实施方式，叶片顶部泄漏流体10的大部分从贯穿孔9通过，而且通过涡轮机动叶片6的前端部与静叶片隔板外环1之间的间隙，因此，减少从主流7分支的流体和向主流7汇合的流体，从而减少主流7的紊流。由此，在静叶片和动叶片的壁面附近，局部发生的流体角度的变化也变小从而能够减少倾角(incidence)(角度)损失，此外，能够将由于主流7的紊流而产生的静叶片和动叶片壁面附近的二次损失的增加抑制在最小限度内。由此，能够成为使级损失减少的涡轮机级，从而提高级效率。
(第二实施方式)
通过图3对第二实施方式进行说明。
图3是在静叶片隔板外环1上设置的贯穿孔9的放大图。叶片顶部泄漏流体10在圆周方向具有速度分量，因此贯穿孔9为了符合该流角而在圆周方向带有角度地设置。由此泄漏流体10能够在贯穿孔9内顺利地通过，从而能够抑制产生不必要的紊流。
此外，可以使贯穿孔9的孔径在涡轮机轴方向变化，例如增大叶片顶部泄漏流体10通过的入口一侧的直径，将泄漏流体流入贯穿孔时的紊流控制为最小限度，从而使流体流向贯穿孔9变得容易。
根据第二实施方式，能够将流入贯穿孔9内的叶片顶部泄漏流体10的紊流控制为最小限度，因此能够进一步改善叶片顶部泄漏流体10从贯穿孔9内的通过效率。由此，减少从主流7分支的流体和向主流7汇合的流体，从而主流7的紊流变小，在静叶片和动叶片的壁面附近，局部产生的流体角度的变化也变小，从而能够进一步减少倾角损失。
(第三实施方式)
通过图4对第三实施方式进行说明。
第三实施方式在涡轮机静叶片3的前端部壁面在轴方向具有倾斜的涡轮机中应用本发明。如图4所示，在静叶片隔板外环1上设置的贯穿孔9倾斜地被设置为从静叶片隔板外环1的上游一侧向下游一侧的涡轮机动叶片6的前端部的围带5与静叶片隔板外环1之间的间隙的方向。
根据第三实施方式，能够将流入贯穿孔9内的叶片顶部泄漏流体10的紊流控制为最小限度，因此能够更有效地使所述叶片顶部泄漏流体10通过贯穿孔9内。由此，减少从主流7分支的流体和向主流7汇合的流体，从而主流7的紊流变小，由此在静叶片和动叶片的壁面附近，局部产生的流体角度的变化也变小，从而能够进一步减少倾角损失。

Claims (5)

1.一种轴流式涡轮机级结构，具有：涡轮机静叶片，所述涡轮机静叶片在轴流式涡轮机的环状流路内沿圆周方向配置成列状；及涡轮机动叶片，所述涡轮机动叶片配置在该涡轮机静叶片的下游一侧并沿涡轮机轴的圆周方向嵌入成列状，
并且设置有从所述涡轮机静叶片的静叶片隔板外环的入口一侧贯穿至静叶片出口一侧的多个贯穿孔，其特征在于，
所述贯穿孔，其孔径在涡轮机轴方向变化，以使从所述涡轮机动叶片前端和所述静叶片隔板外环之间的间隙、泄漏的叶片顶部泄漏流体通过的入口一侧的直径增大，并且其角度在涡轮机圆周方向倾斜。
2.一种轴流式涡轮机级结构，具有：涡轮机静叶片，所述涡轮机静叶片在轴流式涡轮机的环状流路内沿圆周方向配置成列状；及涡轮机动叶片，所述涡轮机动叶片配置在该涡轮机静叶片的下游一侧并沿涡轮机轴的圆周方向嵌入成列状，
并且设置有从所述涡轮机静叶片的静叶片隔板外环的入口一侧贯穿至静叶片出口一侧的多个贯穿孔，其特征在于，
所述贯穿孔，其孔径在涡轮机轴方向变化，以使从所述涡轮机动叶片前端和所述静叶片隔板外环之间的间隙、泄漏的叶片顶部泄漏流体通过的入口一侧的直径增大，并且其角度相对于涡轮机轴方向倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机级结构，其特征在于，在所述静叶片隔板外环的主流入口一侧以及出口一侧的至少一侧，设置针对从所述涡轮机动叶片的前端部与所述静叶片隔板外环之间通过的所述叶片顶部泄漏流体的阻力部。
4.根据权利要求1或2所述的轴流式涡轮机级结构，其特征在于，在所述静叶片隔板外环的内周部与所述涡轮机动叶片的前端部之间的轴方向的间隙中，设置有迷宫式密封。
5.一种轴流式涡轮机，其特征在于，具有权利要求1至4中的任意一项所述的轴流式涡轮机级结构。
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