CN101578428A - 燃气轮机的叶片构造 - Google Patents

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Abstract

为了减少二次流损失、提高涡轮效率，使与静叶片(21)的边界部(28)相比位于外方一侧的部分向转子的旋转方向一侧弯曲。由此，即使在燃烧气体从机匣的端壁和动叶片的叶尖部的叶尖间隙泄漏、叶尖部(22)附近的滞流线(35)位于背面(24)一侧的情况下，由于与边界部(28)相比位于外方一侧的部分向转子的旋转方向一侧弯曲，所以该滞流线(35)也偏向转子的旋转方向。因此，在静叶片(21)的高度方向上不同高度位置上产生的滞流线(35)变为转子的旋转方向上的位置基本对齐的位置，能够降低流向静叶片(21)的燃烧气体的、该静叶片(21)的高度方向上的压力分布的变化。其结果是，能够减少二次流损失，提高涡轮效率。

Description

燃气轮机的叶片构造
技术领域
本发明涉及到一种燃气轮机的叶片构造。本发明尤其涉及到一种在动叶片外端部和机匣之间设置了间隙的燃气轮机的叶片构造。
背景技术
图17是表示现有的燃气轮机的叶片构造的动叶片及静叶片的说明图。图18是图17的D-D剖面图。图19是图18的动叶片及静叶片的立体图。现有的燃气轮机的叶片构造具有圆环状地排列在机匣61上的多段静叶片81、及圆环状地排列在能够以旋转轴66为中心旋转的转子65上的多段动叶片71，静叶片81和动叶片71在转子65的旋转轴66方向上交互配置。并且，在这种燃气轮机的叶片构造中，在位于转子65的径向上的动叶片71的外端部侧的叶尖部72一侧有未设置护罩(图示省略)的情况，特别在动叶片71的高压段中未设置护罩的情况较多。这种情况下，在动叶片71的叶尖部72与机匣61的端壁62之间设有间隙，即设有所谓叶尖间隙90。像这样，在设有叶尖间隙90的情况下，当转子65旋转时，存在燃烧气体从叶尖间隙90泄漏流向下游一侧的情况，由此存在压力损失变大的可能性。
即，在转子65旋转的情况下，燃烧气体的主流92沿着动叶片71的背面74及腹面75的形状流动，流向位于动叶片71的下游一侧的静叶片81的方向。由此，在燃烧气体向静叶片81流动的情况下，该燃烧气体以大致沿着静叶片81的前边缘86附近的背面84、腹面85的形状流动，另一方面，从叶尖间隙90泄漏而流出的燃烧气体即泄漏流93以与主流92的燃烧气体不同的角度流向静叶片81。
即，沿着动叶片71流动的燃烧气体在动叶片71的背面74一侧和腹面75一侧存在压力差，与背面74一侧相比，腹面75一侧的压力变高。由此，在腹面75一侧流动的燃烧气体从叶尖间隙90泄漏，成为泄漏流93并流向背面74一侧，该泄漏流93以与燃烧气体的主流92相交的方向流动。因此，在该泄漏流93流向静叶片81的情况下，以与燃烧气体的主流92不同的角度流向静叶片81，该泄漏流93的流动方向不是沿着静叶片81的形状的方向，从而使压力损失增大。
因此，在现有的燃气轮机的叶片构造中，存在力图减少从叶尖间隙90泄漏的燃烧气体造成的压力损失的装置。例如，在专利文献1所述的燃气轮机的叶片构造中，使静叶片的前边缘附近的背面与腹面的角度即前边缘包含角在静叶片的外端部即叶尖部与叶尖部以外不同，与叶尖部以外的前边缘包含角相比，叶尖部的前边缘包含角较大。由此，在静叶片的前边缘附近的、对着静叶片的形成方向的从叶尖间隙泄漏的燃烧气体的流动方向的角度即入射角与压力损失的相对关系的变化变小。因此，可减小燃烧气体从动叶片的叶尖间隙泄漏时的压力损失。
专利文献1：(日本)特开2002-213206号公报
图20及图21是气体流向图17的静叶片时的说明图。此处，在燃烧气体从动叶片71流向静叶片81的情况下，该燃烧气体在静叶片81的前边缘86附近碰上静叶片81，分开流向静叶片81的背面84一侧和腹面85一侧，因此在静叶片81的前边缘86附近，产生成为流向背面84一侧的燃烧气体和流向腹面85一侧的燃烧气体的边界的滞流线96。由此，从动叶片71流向静叶片81的燃烧气体以滞流线96为边界，分开流向背面84一侧和腹面85一侧，所以静叶片81的前边缘86附近的滞流线96的位置在静叶片81的高度方向上的任意位置上均优选保持恒定，但当燃烧气体从动叶片71的叶尖间隙90泄漏而产生泄漏流93的情况下，滞流线96的位置发生变化。
即，在来自叶尖间隙90的泄漏流93流向静叶片81的情况下，泄漏流93产生的燃烧气体从靠近静叶片81的前边缘86附近的背面84一侧的位置流向静叶片81，因此在静叶片81的叶尖部82附近，滞流线96位于背面84一侧。即，静叶片81上产生的滞流线96仅叶尖部82附近向背面84一侧移动。因此，流向静叶片81的燃烧气体的压力分布在静叶片81的高度方向上发生变化，在图20及图21中如等压线99所示，静叶片81的前边缘86附近的压力中，在叶尖部82附近压力向背面84方向歪斜。由此，在静叶片81的背面84一侧，引起从叶尖部82一侧向静叶片81的高度方向上的内端部83一侧的流动，在背面84一侧流动的燃烧气体的流动方向98从静叶片81的前边缘86一侧朝向后边缘87方向，同时从叶尖部82一侧朝向内端部83的方向，因此产生较强的二次流。由此，产生二次流损失，有涡轮效率下降的可能性。
发明内容
本发明鉴于以上情况而提出，其目的在于提供一种能够减少二次流损失、提高涡轮效率的燃气轮机的叶片构造。
为了解决上述课题，实现上述目的，本发明涉及的燃气轮机的叶片构造具有圆环状地排列在机匣上的静叶片、及圆环状地排列在能够以旋转轴为中心旋转的转子上的动叶片，上述静叶片和上述动叶片通过在上述旋转轴方向上交互设置而构成多个段，进一步在上述动叶片的外端部与上述机匣之间设置间隙，其特征在于，与上述机匣之间设置了上述间隙的上述动叶片的后段一侧的上述静叶片，在设上述转子的径向上的上述静叶片的高度为100％的情况下，从上述静叶片的内端部朝向上述径向上的外方，上述静叶片的高度的大致80％的位置成为边界部，与上述边界部相比位于上述径向的外方一侧的部分的至少一部分向上述转子的旋转方向一侧弯曲。
在本发明中，与静叶片的边界部相比位于外方一侧的部分的至少一部分向转子的旋转方向一侧弯曲，因此可基本对齐转子的旋转方向上的滞流线的位置。即，在燃烧气体从机匣与动叶片的间隙泄漏的情况下，该燃烧气体流向位于动叶片的后段一侧的静叶片的前边缘附近、且外端部附近的背面一侧，因此该部分附近的滞流线与在静叶片的其他部分产生的滞流线相比易于位于背面一侧，但与静叶片的边界部相比位于外方一侧的部分向转子的旋转方向一侧弯曲。因此，在该弯曲的部分产生的滞流线与在该部分未弯曲时产生的滞流线的位置相比，在偏向转子的旋转方向产生。由此，在静叶片的高度方向上在不同高度位置下产生的滞流线变为与转子的旋转方向上的位置基本对齐的位置。因此，能够减少流向静叶片的燃烧气体的、该静叶片的高度方向上的压力分布的变化。其结果是能够减少二次流损失，提高涡轮效率。
并且，本发明涉及的燃气轮机的叶片构造的特征在于，进而，在上述静叶片中，与上述边界部相比位于上述径向上的外方一侧的部分的至少一部分在上述旋转轴方向上的宽度，小于与上述边界部相比位于上述径向上的内方一侧的部分在上述旋转轴方向上的宽度。
在本发明中，与静叶片的边界部相比位于径向上的外方一侧的部分的至少一部分在旋转轴方向上的宽度，小于与边界部相比位于径向上的内方一侧的部分在旋转轴方向上的宽度。由此，旋转方向上的宽度变小的部分得到纵横比变大的效果，因此从动叶片流向静叶片的燃烧气体的流动方法成为在旋转轴方向上的宽度变小的部分与在其他部分不同的流动方法。因此，即使从机匣与动叶片的间隙泄漏的燃烧气体在向位于动叶片的后段一侧的静叶片的前边缘附近、且外端部附近的背面一侧流动的情况下，该部分在旋转轴方向上的宽度比其他部分形成得小，从而使燃烧气体的流动方法不同，因此难以产生二次流。其结果是，能够切实减少二次流损失，提高涡轮效率。
并且，本发明涉及的燃气轮机的叶片构造具有圆环状地排列在机匣上的静叶片、以及圆环状地排列在能够以旋转轴为中心旋转的转子上的动叶片，上述静叶片和上述动叶片通过在上述旋转轴方向交互设置而构成多个段，进一步在上述动叶片的外端部与上述机匣之间设置间隙，其特征在于，在与上述机匣之间设置了上述间隙的上述动叶片的后段一侧的上述静叶片中，在设上述转子的径向上的上述静叶片的高度为100％的情况下，从上述静叶片的内端部向上述径向上的外方，上述静叶片的高度的大致80％的位置变为边界部，与上述边界部相比位于上述径向上的外方一侧的部分的至少一部分在上述旋转轴方向上的宽度，比与上述边界部相比位于上述径向上的内方一侧的部分在上述旋转轴方向上的宽度窄。
在本发明中，与静叶片的边界部相比位于径向上的外方一侧的部分的至少一部分在旋转轴方向上的宽度，比与边界部相比位于径向上的内方一侧的部分在旋转轴方向上的宽度窄。由此，旋转方向上的宽度变小的部分得到纵横比变大的效果，因此从动叶片流向静叶片的燃烧气体的流动方法为在旋转轴方向上的宽度变小的部分与其他部分不同的流动方法。因此，从机匣与动叶片的间隙泄漏的燃烧气体在流向位于动叶片的后段一侧的静叶片的前边缘附近且外端部附近的背面一侧的情况下，该部分在旋转轴方向上的宽度比其他部分形成得小，从而燃烧气体的流动方法也不同，因此难于发生二次流。其结果是，能够减少二次流损失，提高涡轮效率。
并且，本发明涉及的燃气轮机的叶片构造的特征在于，上述机匣中的设置上述静叶片的一侧的壁面为端壁，在位于上述转子的旋转方向上相邻的上述静叶片彼此之间的上述端壁中，与上述静叶片彼此的中间部分相比位于上述转子的旋转方向一侧的部分的特征在于：具有比与上述中间部分相比位于上述转子的旋转方向的相反方向一侧的部分凹陷的部分。
在本发明中，在位于转子的旋转方向上相邻的静叶片彼此之间的端壁中，与静叶片彼此的中间部分相比位于转子的旋转方向一侧的部分具有：比与中间部分相比位于转子的旋转方向的相反方向一侧的部分凹陷的部分。具体而言，在转子的旋转方向上相邻的静叶片彼此上，位于转子的旋转方向一侧的静叶片对着另一方的静叶片而朝向背面，位于转子的旋转方向的相反方向一侧的静叶片对着另一方的静叶片而朝向腹面。并且，在使转子旋转的情况下，通过从动叶片流向静叶片的燃烧气体，在静叶片上，在背面一侧与腹面一侧，腹面一侧的压力易于变高，通过该压力差易于产生二次流，但如上所述，通过设置向端壁凹陷的部分，背面一侧附近的空间部分变大，因此能够减少二次流。
即，与静叶片彼此的中间部分相比在转子的旋转方向一侧，位于相对的静叶片的背面与腹面中的是背面，与中间部分相比在转子的旋转方向相反方向一侧，位于相对的背面与腹面中的是腹面。因此，在与静叶片彼此的中间部分相比位于转子的旋转方向一侧的部分的端壁上设置比与中间部分相比位于转子的旋转方向的相反方向一侧的部分的端壁凹陷的部分，由此背面一侧附近的空间部分变大。这样，通过在端壁上设置凹陷的部分并扩大背面一侧附近的空间部分，背面一侧与腹面一侧的压力变为同一程度，即使在从机匣与动叶片的间隙泄漏的燃烧气体流向静叶片的外端部附近的情况下，相对的静叶片的背面附近与腹面附近之间的压力差减少，所以能够减少由该压力差引起的二次流。其结果是，能够切实减少二次流损失，提高涡轮效率。
本发明涉及的燃气轮机的叶片构造具有能够减少二次流、提高涡轮效率的效果。
附图说明
图1是表示实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造的动叶片及静叶片的说明图。
图2是图1的A-A剖面图。
图3是图2所示的静叶片的立体图。
图4是图2所示的静叶片的立体图。
图5是表示流向静叶片的燃烧气体的流入角的说明图。
图6是静叶片的高度方向上的燃烧气体的流入角的分布图。
图7是表示静叶片的高度方向上的损失的分布的说明图。
图8是表示周方向上的滞流线的位置与段效率的关系的说明图。
图9是表示本发明的实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造的说明图。
图10是图9所示的静叶片的立体图。
图11是表示轴向弦减少程度与段效率的关系的说明图。
图12是表示本发明的实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造的说明图。
图13是图12的B-B剖面图。
图14是图13的C-C向视图。
图15是表示静叶片的高度方向上的损失的分布的说明图。
图16是表示端壁深度与段效率的关系的说明图。
图17是表示现有的燃气轮机的叶片构造的动叶片及静叶片的说明图。
图18是图17的D-D剖面图。
图19是图18的动叶片及静叶片的立体图。
图20是气体流向图17的静叶片时的说明图。
图21是气体流向图17的静叶片时的说明图。
附图标记
1、61机匣
2、62端壁
5、65转子
6、66旋转轴
11、71动叶片
12、72叶尖部
14、74背面
15、75腹面
16前边缘
17后边缘
21、41、81静叶片
22、82叶尖部
23、83内端部
24、84背面
25、85腹面
26、86前边缘
27、87后边缘
28边界部
30、90叶尖间隙
32、92主流
33、93泄漏流
35、96滞流线
38、98流动方向
39、99等压线
42窄幅部
45窄幅时的流动方向
46宽恒定时的流动方向
51端壁
52最深部
53等高线
101静叶片弯曲形状损失线
102端壁凹陷形状损失线
105现有形状损失线
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明涉及的燃气轮机的叶片构造的实施例。此外，本发明不受该实施例限定。并且，下述实施例中的构成要素包括本领域技术人员可置换且容易的、或实际上相同的装置。并且，在以下的说明中，旋转轴方向是指与下述转子5的旋转轴6平行的方向，径向是指与旋转轴6正交的方向。并且，周方向是指转子5使旋转轴6作为旋转中心即作为轴旋转时的圆周方向，旋转方向是指转子5以旋转轴6为中心而旋转的方向。
实施例1
图1是表示实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造的动叶片及静叶片的说明图。在该图所示的实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造中，与现有的燃气轮机的叶片构造相同，具有：圆环状地排列在机匣1上的多段静叶片21、及在燃气轮机运转时在能够以旋转轴6为中心旋转的转子5上圆环状地排列的多段动叶片11。具体而言，转子5设置在机匣1的内侧，机匣1具有端壁2，该端壁为机匣1的内周面且与转子5相对的壁面。静叶片21与该端壁2连接，从端壁2向转子5形成，隔开规定间隔在周方向排列而设置有多个，圆环状地排列。
并且，动叶片11与转子5连接，从转子5向机匣1的端壁2形成，隔开规定间隔在圆周方向排列而设置有多个，圆环状地排列。像这样形成的静叶片21与动叶片11在与转子5的旋转轴6平行的方向即旋转轴方向上交互配设，在旋转轴方向上构成多个段。并且，动叶片11从机匣1分离，在径向上的动叶片11的外端部即叶尖部12与机匣1的端壁2之间，设置间隙即叶尖间隙30。
图2是图1的A-A剖面图。图3及图4是图2所示的静叶片的立体图。动叶片11及静叶片21向径向观察时的形状均向周方向弯曲，动叶片11向转子5的旋转方向凸起地弯曲，静叶片21向转子5的旋转方向的相反方向、即动叶片11弯曲方向的相反方向凸起地弯曲。这样弯曲形成的动叶片11与静叶片21，均在周方向的两个面中凸起的一侧的面成为背面14、24，凹陷的一侧的面成为腹面15、25。即，在动叶片11中，旋转方向一侧的面为背面14，与旋转方向相反一侧的面为腹面15。与之相反，静叶片21中，与旋转方向相反一侧的面为背面24，旋转方向一侧的面为腹面25。
并且，动叶片11中，转子5旋转时在动叶片11附近流动的燃烧气体的流动方向的上游一侧为前边缘16，下游一侧为后边缘17。这些前边缘16与后边缘17中，前边缘16与后边缘17相比位于旋转方向一侧。进一步，动叶片11随着从前边缘16靠近后边缘17，周方向上的厚度、即背面14与腹面15的距离发生变化，在从前边缘16向后边缘17的方向观察时，随着离开前边缘16，厚度变厚，随着从厚度最厚的位置靠近后边缘17，厚度变薄。该厚度最厚的位置与前边缘16及后边缘17的中间位置相比，靠近前边缘16。
同样，静叶片21中，也在转子5旋转时在静叶片21附近流动的燃烧气体的流动方向的上游一侧为前边缘26，下游一侧为后边缘27。这些前边缘26与后边缘27中，与动叶片11的前边缘16与后边缘17相反，前边缘26与后边缘27相比位于旋转方向的相反方向一侧。进一步，静叶片21和动叶片11一样，随着从前边缘26靠近后边缘27，周方向上的厚度、即背面24与腹面25的距离发生变化，厚度最厚的位置与前边缘26及后边缘27的中间位置相比，靠近前边缘26。
该动叶片11与静叶片21中，转子5旋转时在动叶片11与静叶片21中流动的燃烧气体的流动方向上的、设置有叶尖间隙30的动叶片11的后段一侧的静叶片21中，径向上的静叶片21的外端部即叶尖部22附近向转子5的旋转方向一侧弯曲。具体而言，静叶片21中，从径向的静叶片21的内端部23到叶尖部22为止的径向上的距离、即转子5的径向上的静叶片21的高度设为100％时，从内端部23向径向上的外方，静叶片21的高度的大致80％的位置成为边界部28。静叶片21中，与该边界部28相比位于径向上的外方一侧的部分的至少一部分向转子5的旋转方向一侧弯曲。由此，静叶片21中，叶尖部22偏向与内端部23相比靠动叶片11的旋转方向一侧而形成。
此外，边界部28的位置从内端部23向径向上的外方，是静叶片21的高度的约80％，但边界部28优选根据下述泄漏流33流动的范围(参照图5、图6)设定。此处，在流体流动时，流体的边界部分为状态逐渐变化而流动、即流量逐渐变化而流动，因此流体流动时的流体的边界部分不是明确的边界，而是具有宽度地流动。因此，相对静叶片21仅主流32流动的范围与包括泄漏流33的流体流动的范围的边界部分也具有宽度。因此，根据泄漏流33流动的范围设定的边界部28可以是从内端部23向径向上的外方的静叶片21的高度的80％的位置，但正确的是优选从内端部23向径向上的外方的静叶片21的高度的约80％。
该实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造由上述构造形成，以下说明其作用。在运转燃气轮机的情况下，以旋转轴6为中心转子5旋转，从而使与转子5连接的动叶片11也以旋转轴6为中心向转子5的旋转方向旋转。当动叶片11旋转时，动叶片11向旋转方向一侧凸起，并且前边缘16比后边缘17靠近旋转方向一侧，因此燃烧气体流向后段一侧的静叶片21。此时，燃烧气体成为沿着动叶片11的后边缘17附近的形状的流，因此从动叶片11流向静叶片21时，燃烧气体从上游一侧向下游一侧流动，同时向旋转方向的相反方向流动。
这样，从动叶片11流向静叶片21的大部分燃烧气体流即主流32向动叶片11旋转方向的相反方向流动，因此燃烧气体的主流32流向静叶片21时，从位于旋转方向一侧的面即腹面25一侧流动，以沿着静叶片21的前边缘26附近的形状的方向流动。流向静叶片21的燃烧气体的主流32沿着静叶片21的形状、即静叶片21的腹面25与背面24的形状流动，因此通过静叶片21整流，同时流动方向改变，向位于该静叶片21的后段一侧的动叶片11流动。
通过静叶片21改变了方向的燃烧气体的主流32从静叶片21流向动叶片11时，是沿着静叶片21的后边缘27附近的形状的流，因此从静叶片21流向动叶片11时，燃烧气体的主流32从上游一侧向下游一侧流动，同时向旋转方向流动。由此，燃烧气体的主流32从位于动叶片11的旋转方向的相反方向一侧的面即腹面15一侧流动，以沿着动叶片11的前边缘16附近的形状的方向流动。流向动叶片11的燃烧气体的主流32沿着动叶片11的形状、即动叶片11的腹面15与背面14的形状流动，因此通过动叶片11改变流动方向的同时，向动叶片11施加向旋转方向的力。换言之，动叶片11通过改变燃烧气体流动方向时的反作用力，从燃烧气体得到旋转方向的力。通过该来自燃烧气体的力，动叶片11及连接了动叶片11的转子5向旋转方向旋转。
燃烧气体的主流32流向动叶片11时，像这样从动叶片11的腹面15一侧流动，因此沿着动叶片11流动的燃烧气体的压力为腹面15一侧比背面14一侧高，但在动叶片11的叶尖部12与机匣1的端壁2之间设置叶尖间隙30。因此，位于动叶片11的腹面15一侧的燃烧气体的一部分通过腹面15与背面14的压力差，通过叶尖间隙30，从压力高的腹面25一侧流向压力低的背面14一侧。从该叶尖间隙30泄漏的燃烧气体流即泄漏流33从燃烧气体的上游一侧向下游一侧流动，同时向旋转方向流动。因此，从叶尖间隙30泄漏的燃烧气体的泄漏流33在流向静叶片21时，从位于旋转方向的相反方向一侧的面即背面24一侧以沿着静叶片21的前边缘26附近、且静叶片21的叶尖部22附近的形状的方向流动。在静叶片21中，像这样来自叶尖间隙30的泄漏流33碰上的部分主要为比径向上的边界部28靠近外方一侧。
图5是表示流向静叶片的燃烧气体的流入角的说明图。图6是静叶片的高度方向上的燃烧气体的流入角的分布图。具体而言，流向静叶片21的燃烧气体的流入角以旋转轴方向为0°，来自腹面25一侧的燃烧气体的流入角为+(正)，来自背面24一侧的燃烧气体的流入角为-(负)。即，燃烧气体的主流32为+，泄漏流33为-。这种情况下，流向静叶片21的燃烧气体的流入角的分布在静叶片的高度的高度方向，到静叶片的高度的约80％的位置为止流入角是+，超过约80％随着接近100％，流入角变为-。即，流向静叶片21的燃烧气体到静叶片21的高度的约80％的位置为止，主流32流动，从约80％到100％之间，含有泄漏流33的流体流动。
此外，在燃烧气体从动叶片11流向静叶片21的情况下，燃烧气体分开流向静叶片21的背面24一侧与腹面25一侧，因此在双向流的分岔部分，产生压力变高的部分即滞流线35。并且，燃烧气体流向静叶片21时，主流32从静叶片21的腹面25一侧流动，但泄漏流33从静叶片21的背面24一侧流动。因此，滞流线35根据燃烧气体的主流23碰上的部分与来自叶尖间隙30的泄漏流33碰上的部分，相对于背面24及腹面25的相对位置发生变化。具体而言，来自叶尖间隙30的泄漏流33碰上的部分的滞流线35相对燃烧气体的主流32碰上的部分的滞流线35，位于背面24一侧。
滞流线35相对背面24及腹面25的的相对位置，像这样在来自叶尖间隙30的泄漏流33碰上的部分、与在燃烧气体的主流32碰上的部分不同，但从叶尖间隙30泄漏的燃烧气体碰上的部分、即与径向上的边界部28相比靠近外方一侧的部分向转子5的旋转方向一侧弯曲。即，静叶片21中，比径向上的边界部28靠近外方一侧的部分偏向腹面25一侧形成。
因此，该部分的滞流线35也向转子5的旋转方向一侧、或静叶片21的腹面25一侧偏移，因此与径向上的边界部28相比靠外方一侧的部分的滞流线35及与边界线28相比靠内方一侧的部分、即燃烧气体的主流32碰上的部分的滞流线35，在转子5的旋转方向上的位置大致是同一位置。因此，滞流线35在转子5的径向上、或静叶片21的高度方向上大致直线地延伸形成。这样，滞流线35在径向上大致直线地延伸形成，因此沿着静叶片21流动的燃烧气体的压力在径向上大致相等，表示燃烧气体的压力的分布状态的等压线39也如图3及图4所示，在径向上大致直线地延伸形成。
因此，从滞流线35向背面24一侧和腹面25一侧分岔的燃烧气体的流向38基本不朝向静叶片21的高度方向，而从前边缘26流向后边缘27一侧。因此，沿着静叶片21流动的燃烧气体的压力在静叶片21的高度方向上的变化减小，因此二次流损失减少。
图7是表示静叶片的高度方向上的损失的分布的说明图。像这样，静叶片21中，使与径向上的边界部28相比靠外方一侧的一部分向腹面25一侧弯曲，从而减少在静叶片21中流动的燃烧气体的二次流损失，因此燃烧气体向静叶片21流动时的损失降低。具体而言，静叶片21的叶尖部22附近、即静叶片21的高度方向上的100％附近，主要是燃烧气体的泄漏流33流动，因此在现有的燃气轮机的叶片构造下的静叶片的形状下，在静叶片21的高度方向上的100％附近，产生二次流，损失变大。因此，静叶片21的高度方向上的损失分布在静叶片21的高度方向上的100％附近变大，现有形状的损失线105在100％附近的损失变大，该现有形状的损失线105表示与边界部28相比靠外方一侧的部分不向腹面25一侧弯曲的静叶片21的高度方向上的损失的分布。
与之相对，静叶片21中，与边界部28相比靠外方一侧的部分向腹面25一侧弯曲时，二次流损失减少，因此静叶片21的高度方向上的损失的分布中，静叶片21的高度方向上的100％附近与现有形状的静叶片相比减少。因此，表示实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造中的静叶片21的高度方向上的损失的分布的形状损失线101在100％附近的损失小于现有形状损失线105。
上述燃气轮机的叶片构造中，使与静叶片21的边界部28相比位于外方一侧的部分的至少一部分向转子5的旋转方向一侧弯曲，因此可大致对齐转子5的旋转方向的滞流线35的位置。即，燃烧气体从机匣1的端壁2和动叶片11的叶尖部12的叶尖间隙30泄漏的情况下，该燃烧气体流向位于动叶片11的后段一侧的静叶片21的前边缘26附近、且该静叶片21的叶尖部22附近的背面24一侧。因此，该部分附近的滞流线35与静叶片21的其他部分、即径向上的边界部28的内方一侧的部分上产生的滞流线35相比，易于位于背面24一侧，但与静叶片21的边界部28相比位于外方一侧的部分向转子5的旋转方向一侧弯曲。
由此，在该弯曲的部分产生的滞流线35与该部分未弯曲时产生的滞流线35的位置相比，也靠近转子5的旋转方向产生。因此，在静叶片21的高度方向上在不同的高度位置上产生的滞流线35变为转子5的旋转方向上的位置基本对齐的位置，可减少流向静叶片21的燃烧气体的、该静叶片21的高度方向的压力分布的变化。其结果是，能够减少二次流损失，提高涡轮效率。
此外，使与边界部28相比靠近外方一侧的部分向腹面25一侧弯曲的程度优选是：比边界部28靠近外方一侧的部分的滞流线、及比边界部28靠内方一侧的部分的滞流线35弯曲到在周方向一致的程度。图8是表示圆周方向的滞流线的位置与段效率的关系的说明图。即，设置了静叶片21的段的效率即段效率如图8所示，比边界部28靠近外方一侧的部分的滞流线35、及比边界部28靠近内方一侧的部分的滞流线35在周方向为一致的状态为最高，随着双方的滞流线35向周方向偏移，段效率变低。因此，比边界部28靠近外方一侧的部分优选弯曲到以下程度：比边界部28靠近外方一侧的部分的滞流线35、及比边界部28靠近内方一侧的部分的滞流线35在周方向上一致。
实施例2
实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造是与实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造基本相同的构成，但其特征在于，静叶片在径向上与边界部相比位于外方一侧的部分不向旋转方向一侧弯曲，旋转轴方向上的宽度发生变化。其他构成与实施例1相同，因此省略其说明，并且标上相同的标号。图9是表示本发明的实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造的说明图。该图所示的实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造在机匣1的内侧设有能够以旋转轴6为中心旋转的转子5，转子5上连接圆环状地排列的多个动叶片11。机匣1中，从端壁2向转子5形成的多个静叶片41圆环状地排列而与端壁2连接。像这样形成的静叶片41与动叶片11在转子5的旋转轴方向上交互配设，在旋转轴方向构成多个段。并且，在动叶片11的叶尖部12与机匣1的端壁2之间，设有叶尖间隙30。
图10是图9所示的静叶片的立体图。像这样形成的动叶片11与静叶片41中，在静叶片41中，从内端部23向径向上的外方，静叶片41的高度的约80％的位置成为边界部28，与边界部28相比位于径向上的外方一侧的部分的至少一部分的、旋转轴方向上的宽度、即轴向弦，比与边界部28相比位于径向上的内方一侧的部分的轴向弦窄。在静叶片41中，像这样与边界部28相比位于径向上的外方一侧的轴向弦变窄的部分成为窄幅部42。该窄幅部42中，旋转轴方向的前边缘26一侧与后边缘27一侧的距离随着从边界部28靠近叶尖部22变小，由此使轴向弦变窄。
并且，在窄幅部42中，像这样轴向弦比与边界部28相比位于径向上的内方一侧的部分的轴向弦窄，因此在窄幅部42中，能够得到纵横比变大的效果。
该实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造由上述构造形成，以下说明其作用。在运转燃气轮机的情况下，以旋转轴6为中心转子5旋转，从而使与转子5连接的动叶片11也以旋转轴6为中心向转子5的旋转方向旋转。由此，燃烧气体从动叶片11及静叶片41的上游一侧流向下游一侧。
像这样，从上游一侧流向下游一侧的燃烧气体的主流32在流向静叶片41的情况下，从位于旋转方向一侧的面即腹面25一侧流动，以沿着静叶片41的前边缘26附近的形状的方向流动。流向静叶片41的燃烧气体的主流32通过静叶片41整流，同时流动方向改变，向位于该静叶片41的后段一侧的动叶片11流动。
通过静叶片41改变了方向的燃烧气体的主流32从静叶片41流向动叶片11时，从动叶片11的腹面15一侧流动，通过动叶片11改变流动方向，同时向动叶片11施加向旋转方向的力。因此，动叶片11通过改变燃烧气体流动方向时的反作用力，从燃烧气体得到旋转方向的力，通过该来自燃烧气体的力，动叶片11及连接了动叶片11的转子5向旋转方向旋转。
并且，燃烧气体的主流32流向动叶片11时，像这样从动叶片11的腹面15一侧流动，因此沿着动叶片11流动的燃烧气体的压力与背面14一侧相比，腹面15一侧较高，但在动叶片11的叶尖部12与机匣1的端壁2之间，设置叶尖间隙30。因此，位于动叶片11的腹面15一侧的燃烧气体的一部分通过腹面15与背面14的压力差，变为在叶尖间隙30中流动的泄漏流33，从腹面15一侧流向背面14一侧。并且，该泄漏流33从燃烧气体的上游一侧向下游一侧流动，同时向旋转方向流动，因此泄漏流33流向静叶片41时，从背面24一侧以沿着静叶片41的前边缘26附近且静叶片41的叶尖部22附近的形状的方向主要流向窄幅部42。
并且，在燃烧气体从动叶片11流向静叶片41的情况下，产生滞流线35，但在静叶片41的高度方向上，来自叶尖间隙30的泄漏流33碰上的部分的滞流线35相对燃烧气体的主流32碰上的部分的滞流线35，位于背面24一侧。并且，该滞流线35在径向上连续产生，因此因滞流线35连续产生而形成的线成为滞流线35。流向静叶片41的燃烧气体从该滞流线35分岔，分流向背面24一侧与腹面25一侧。
这样，泄漏流33流向窄幅部42，主流32流向与边界部28相比位于径向上的内方一侧的部分，但在边界部28中，轴向弦较短，因此可获得纵横比变大的效果。
因此，在来自叶尖间隙30的泄漏流33流向窄幅部42的情况下的、从静叶片41的前边缘26附近向后边缘27方向的燃烧气体流，即窄幅时的流动方向45基本不朝向径向，而沿着静叶片41的形状从前边缘26附近流向后边缘27方向。即，窄幅时流动方向45不设置窄幅部42，与使静叶片41的旋转轴方向上的宽度为恒定的情况下泄漏流33从上游一侧流动时的燃烧气体流，即宽度恒定时的流动方向46相比，向径向的流变小。因此，在窄幅部42中从前边缘26附近流向后边缘27的燃烧气体的流向基本不朝向静叶片41的高度方向，而从前边缘26一侧流向后边缘27一侧。因此，沿着静叶片41流动的燃烧气体的压力在静叶片41的高度方向上的变化变小，减少了二次流损失。
上述燃气轮机的叶片构造中，使静叶片41的窄幅部42的轴向弦比与边界部28相比位于径向上的内方一侧的部分的轴向弦窄。由此，窄幅部42获得了纵横比变大的效果，因此，从动叶片11流向静叶片41的燃烧气体的流动方法为窄幅部42与其他部分不同的流动方法。因此，即使在从叶尖间隙30泄漏的燃烧气体流即泄漏流33向位于动叶片11的后段一侧的静叶片41的前边缘26附近、且叶尖部22附近的背面24一侧流动的情况下，该部分中轴向弦与其他部分相比较窄地形成，燃烧气体的流动方法不同，因此难以产生二次流。即，来自叶尖间隙30的泄漏流33流向位于动叶片11的后段一侧的静叶片41而造成的压力分布的变化、及轴向弦不同地形成而造成的压力分布的变化相互抵消，二次流的产生减少。其结果是，能够减少二次流损失，提高涡轮效率。
此外，窄幅部42的轴向弦比与边界部28相比位于径向上的内方一侧的部分的轴向弦窄的程度，优选在10～30％的范围内减小。图11是表示轴向弦的减少程度与段效率的关系的说明图。即，设有静叶片41的段的效率即段效率如图11所示，在10～30％范围内减小的状态为最高，随着轴向弦的减少量离开该范围，段效率变低。因此，窄幅部42的轴弦优选在与边界部28相比位于径向上的内方一侧的部分的轴向弦的10～30％的范围内减小。
实施例3
实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造是与实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造基本相同的构成，但其特征在于，使机匣的端壁凹陷。其他构成与实施例1相同，因此省略其说明，并且标上相同的标号。图12是表示本发明的实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造的说明图。该图所示的实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造中，在机匣1的内侧设置能够以旋转轴6为中心旋转的转子5，转子5上连接圆环状地排列的多个动叶片11。机匣1中，从端壁51朝向转子5形成的多个静叶片21圆环状地排列，与端壁51连接。像这样形成的静叶片21与动叶片11在转子5的旋转轴方向交互配设，在旋转轴方向构成多个段。并且，在动叶片11的叶尖部12与机匣1的端壁51之间设有叶尖间隙30。并且，静叶片21与实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造具有的静叶片21相同，比边界部28靠近外方一侧的部分向腹面25一侧(参照图3、图4)弯曲。
图13是图12的B-B剖面图。图14是图13的C-C向视图。并且，设置了机匣1中静叶片21的一侧的壁面即端壁51具有：在转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的位置上凹陷的部分。具体而言，位于转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51中，与静叶片21彼此的中间部分相比位于转子5的旋转方向一侧的部分具有：比与中间部分相比位于转子的旋转方向的相反方向一侧的部分凹陷的部分。
在转子5的旋转方向相邻的静叶片21彼此中，一个静叶片21的背面24与另一个静叶片21的腹面25相对地相邻，位于转子5的旋转方向一侧的静叶片21的背面24，与位于转子5的旋转方向的相反一侧的静叶片21的腹面25相对，静叶片21彼此相邻。因此，位于静叶片21彼此之间的端壁51在相对的背面24与腹面25中，与位于腹面25一侧的部分相比，位于背面24一侧的部分凹陷，如图14的等高线53所示，随着从靠近腹面25的位置朝向背面24方向，凹陷深度逐渐变大。由此，该端壁51在相对的背面24与腹面25中，在背面24附近具有最凹陷的部分即最深部52。
该实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造由上述构造形成，以下说明其作用。在运转燃气轮机的情况下运转，以旋转轴6为中心转子5旋转，从而使与转子5连接的动叶片11也以旋转轴6为中心向转子5的旋转方向旋转。由此，燃烧气体从动叶片11及静叶片21的上游一侧流向下游一侧。
这样，从上游一侧流向下游一侧的燃烧气体的主流32在流向静叶片的情况下，从位于旋转方向一侧的面即腹面25一侧流动，以沿着静叶片21的前边缘附近的形状的方向流动(参照图2)。流向静叶片21的燃烧气体的主流32通过静叶片21整流，同时流动方向改变，向位于该静叶片21的后段一侧的动叶片11流动。
燃烧气体的主流32在流向静叶片21的情况下，像这样从腹面25一侧流动，但位于在转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51，在相邻的静叶片21中相对的背面24与腹面25中，与靠近腹面25的位置相比，靠近背面24的位置较深地凹陷。因此，在静叶片21与端壁51的连接部分的附近，与腹面25一侧附近的空间相比，背面24一侧附近的空间变大。由此，从动叶片11流向静叶片21的腹面25一侧的燃烧气体产生的、腹面25附近与背面24附近的压力差变小。因此，抑制了静叶片21与端壁51的连接部分中背面24附近的压力变低引起的二次流，二次流损失减少。
图15是表示静叶片的高度方向上的损失的分布的说明图。像这样在转子5的旋转方向上位于相邻的静叶片21之间的端壁51中，使静叶片21彼此的相对的背面24与腹面25中与位于腹面25一侧的部分相比位于背面24一侧的部分凹陷，从而可减少静叶片21和端壁51的连接部分中腹面25附近与背面24附近的压力差。由此，在静叶片21中流动的燃烧气体的二次流损失减少，因此燃烧气体流向静叶片21时的损失减少。
具体而言，静叶片21通过叶尖部22与端壁51连接，因此在静叶片21的叶尖部22附近、即静叶片21的高度方向上的100％附近，产生二次流，损失变大。因此，使位于转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51如上述那样凹陷，由此二次流损失减少，从而静叶片21的高度方向上的损失的分布是：静叶片21的高度方向上的100％附近，比仅使静叶片21比边界部28靠外方一侧的部分向腹面25一侧弯曲时的情况下有所降低。因此，表示实施例3涉及的燃气轮机的构造中的静叶片21的高度方向上的损失的分布的端壁凹陷形状损失线102在100％附近的损失小于静叶片弯曲形状损失线101。
上述燃气轮机的叶片构造中，使位于转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51在与静叶片21彼此的中间部分相比位于转子5的旋转方向一侧的部分上，设置比与中间部分相比位于转子5的旋转方向的相反方向一侧的部分凹陷的部分。具体而言，在转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此上，使背面24与腹面25相对，在使转子5旋转的情况下，从动叶片11流向静叶片21的燃烧气体在相对的静叶片21的背面24与腹面25中，流向腹面25的方向。由此，在背面24一侧与腹面25一侧，腹面25一侧的压力易于变高，通过该压力差易于产生二次流，但如上所述，通过在端壁51上设置凹陷的部分，背面24一侧附近的空间部分变大，因此能够减少二次流。
即，在与静叶片21彼此的中间部分相比靠转子5的旋转方向一侧，相对的静叶片21的背面24与腹面25中是背面24，在与中间部分相比靠转子5的旋转方向的相反方向一侧，相对的背面24与腹面25中是腹面25。因此，在与静叶片21彼此的中间部分相比位于转子5的旋转方向一侧的部分的端壁51上，设置比与中间部分相比位于转子5的旋转方向的相反方向一侧的部分的端壁51凹陷的部分，由此背面24一侧附近的空间部分变大。像这样在端壁51上设置凹陷的部分，并扩大背面24一侧附近的空间部分，由此背面24一侧与腹面25一侧的压力差变小，即使在来自叶尖间隙30的燃烧气体的泄漏流33流向静叶片21的叶尖部22附近的情况下，相对的静叶片21的背面24附近与腹面25附近之间的压力差减少，因此能够减少由该压力差引起的二次流。其结果是，能够更切实地减少二次流损失，提高涡轮效率。
此外，位于在转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51的深度、或最深部52的深度优选形成在旋转轴方向的静叶片21的宽度即轴向弦的10～30％的范围内。图16是表示端壁深度与段效率的关系的说明图。即，在由多个段构成的静叶片21中，使位于转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51凹陷的段的效率即段效率如图16所示，在端壁51的深度为轴向弦的10～30％的范围内凹陷的状态为最高，随着端壁51的深度离开这一范围，段效率变低。因此，位于转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此之间的端壁51的深度优选形成在轴向弦的10～30％的范围内。
并且，在实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造中，使静叶片21的叶尖部22附近向转子5的旋转方向弯曲，在实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造中，在静叶片41的叶尖部22附近减小轴向弦，但也可将它们结合。即，静叶片21中，也可以使与径向上的边界线28相比靠外方的部分向转子5的旋转方向弯曲，同时使旋转轴方向上的宽度比与边界部28相比位于内方一侧的部分的旋转轴方向上的宽度窄。由此，能够更切实地减少流向静叶片21的燃烧气体的、该静叶片21的高度方向上的压力分布的变化，能够降低二次流损失，因此能够更切实地提高涡轮效率。
并且，在实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造中，静叶片21的形状是实施例1涉及的燃气轮机的叶片构造中的静叶片21的形状，但静叶片21的形状也可是实施例2涉及的燃气轮机的叶片构造中的静叶片41的形状、或它们组合后的形状。无论静叶片21的形状如何，使机匣1的端壁像实施例3涉及的燃气轮机的叶片构造那样凹陷，由此能够减少转子5的旋转方向上相邻的静叶片21彼此的压力差，能够抑制因静叶片21与端壁51的连接部分附近的压力变高引起的二次流。其结果是，能够减少二次流损失，能够更切实地提高涡轮效率。
如上所述，本发明涉及的燃气轮机的叶片构造在具有静叶片与动叶片的情况下适用，尤其适用于动叶片与机匣之间设置了叶尖间隙的情况。

Claims (4)

1.一种燃气轮机的叶片构造，具有圆环状地排列在机匣上的静叶片、及圆环状地排列在能够以旋转轴为中心旋转的转子上的动叶片，上述静叶片和上述动叶片通过在上述旋转轴方向上交互设置而构成多个段，进一步在上述动叶片的外端部与上述机匣之间设置间隙，其特征在于，
在与上述机匣之间设置了上述间隙的上述动叶片的后段一侧的上述静叶片中，在设上述转子的径向上的上述静叶片的高度为100％的情况下，从上述静叶片的内端部朝向上述径向上的外方，上述静叶片的高度的80％的位置成为边界部，与上述边界部相比位于上述径向上的外方一侧的部分的至少一部分向上述转子的旋转方向一侧弯曲。
2.根据权利要求1所述的燃气轮机的叶片构造，其特征在于，进而，在上述静叶片中，与上述边界部相比位于上述径向上的外方一侧的部分的至少一部分在上述旋转轴方向上的宽度，比与上述边界部相比位于上述径向上的内方一侧的部分在上述旋转轴方向上的宽度窄。
3.一种燃气轮机的叶片构造，具有圆环状地排列在机匣上的静叶片、及圆环状地排列在能够以旋转轴为中心旋转的转子上的动叶片，上述静叶片和上述动叶片通过在上述旋转轴方向交互设置而构成多个段，进一步在上述动叶片的外端部与上述机匣之间设置间隙，其特征在于，
在与上述机匣之间设置了上述间隙的上述动叶片的后段一侧的上述静叶片中，在设上述转子的径向上的上述静叶片的高度为100％的情况下，从上述静叶片的内端部向上述径向上的外方，上述静叶片的高度的80％的位置成为边界部，
与上述边界部相比位于上述径向上的外方一侧的部分的至少一部分在上述旋转轴方向上的宽度、比与上述边界部相比位于上述径向上的内方一侧的部分在上述旋转轴方向上的宽度窄。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的燃气轮机的叶片构造，其特征在于，上述机匣中的设置上述静叶片的一侧的壁面为端壁，位于在上述转子的旋转方向上相邻的上述静叶片彼此之间的上述端壁中、与上述静叶片彼此的中间部分相比位于上述转子的旋转方向一侧的部分具有：比与上述中间部分相比位于上述转子的旋转方向的相反方向一侧的部分凹陷的部分。
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