CN111287800A - 轴流式涡轮机械以及其叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴流式涡轮机械的叶片和轴流式涡轮机械，其均衡地使空力性能与叶片可靠性并存。在具备叶片轮廓部(4)、设置于叶片轮廓部中的至少枢毂侧且具有划定工作流体的环状流路的一部分的流路壁面(3a)的端壁(3)以及设置于叶片轮廓部与流路壁面的边界部的圆角(5)的轴流式涡轮机械的叶片中，在与流路壁面和叶片轮廓部的叶片面正交的剖面上观察，圆角的外形是半径R的圆弧状曲面，从叶片轮廓部相对于流路壁面的投影的边缘至流路壁面的外缘的距离d比圆角的半径R的最大值小的狭小部(3b)存在于流路壁面，在狭小部中，与狭小部以外的区域相比降低圆角的上端部，圆弧状曲面的下端部在叶片轮廓部的整周上与流路壁面一致。

Description

轴流式涡轮机械以及其叶片

技术领域

本发明涉及轴流式涡轮机械以及其叶片。

背景技术

作为构成轴流式涡轮机械的叶片，例如已知专利文献1所公开的内容。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2010-156338号公报

在轴流式涡轮机械中，例如以相对于转子的动叶片的离心应力的强度提高为目的在叶片轮廓部的根部(台架等的与端壁的连接部分)等上设置圆角。可是，从叶片轮廓部的外周面至端壁的缘的距离d短，存在圆角的半径R无法收纳于距离d的情况。

一般来说，圆角的半径R在整周上被统一，圆角中的叶片轮廓部的缘部(圆角与叶片轮廓部的边界)在叶片轮廓部的整周上设定为距端壁恒定的高度。因此，在上述距离比半径R短的区域中，圆角为从中间切断的形状，相对于端壁的表面成为台阶。由于端壁的表面构成工作流体的流路壁面，因此若由圆角产生的台阶大就会引起空力性能的降低。如果将圆角的半径R设定为上述距离d的最小值，则凸凹能被抑制，但这种情况下圆角会小于所需要的值，由于离心应力的集中而会担忧叶片的可靠性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种均衡地兼具空力性能与叶片可靠性的轴流式涡轮机械以及其叶片。

为了实现上述目的，本发明在具备叶片轮廓部、设于上述叶片轮廓部的尖端侧以及枢毂侧的至少枢毂侧且具有划定工作流体的环状流路的一部分的流路壁面的端壁、及在上述叶片轮廓部的整周设置于上述叶片轮廓部与上述流路壁面的边界部的圆角的轴流式涡轮机械的叶片中，在与上述流路壁面和上述叶片轮廓部的叶片面正交的剖面中观察，上述圆角的外形为半径R的圆弧状曲面，从上述叶片轮廓部相对于上述流路壁面的投影的外缘至上述流路壁面的外缘的距离d比上述圆角的半径R的最大值小的狭小部存在于上述流路壁面，在从上述流路壁面沿叶片长度方向取高度的情况下，使上述狭小部中的上述圆角的圆弧状曲面的上端部比其他部位的上述圆角的圆弧状曲面的上端部低，上述圆弧状曲面的下端部包括上述狭小部地在上述叶片轮廓部的整周上与上述流路壁面一致。

本发明的效果如下。

根据本发明，能够均衡地使空力性能与叶片可靠性并存。

附图说明

图1是作为本发明的涡轮机械一例的燃气轮机的局部剖视图。

图2是将本发明的第一实施方式的叶片的主要部分抽出表示的立体图。

图3是从工作流体的上游侧观察本发明的第一实施方式的叶片的图。

图4是图3中的IV-IV线的叶片的剖视图。

图5是本发明的第一实施方式的叶片的形状的说明图。

图6是从工作流体的上游侧观察本发明的第二实施方式的叶片的图。

图7是从工作流体的上游侧观察本发明的第三实施方式的叶片的图。

图8是图7中的VIII-VIII线的叶片的剖视图。

图9是本发明的第四实施方式的叶片的剖视图。

图10是将现有技术的叶片的主要部分抽出表示的立体图。

图11是从工作流体的上游侧观察现有技术的叶片的图。

图中：1—叶片，3—端壁，3a—流路壁面，3b—狭小部，4—叶片轮廓部，5—圆角，12—动叶片(叶片)，14—静叶片(叶片)，32—动叶片(叶片)，35—静叶片(叶片)，d—距离，h1、h2—高度，R—半径。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施方式。

(第一实施方式)

-涡轮机械-

图1是作为本发明的涡轮机械的一例的燃气轮机的局部剖视图。该图所示的燃气轮机具备吸入大气A1并压缩的压缩机10、与燃料F一起燃烧来自压缩机10的压缩空气A2的燃烧器20以及被来自燃烧器20的燃烧气体G1驱动的涡轮30。

压缩机10的转子11与涡轮30的转子31连结在同轴上。另外，在转子11或转子31上作为负载设备例如连结发电机。由此，发电机与涡轮30的转子31一起旋转，转子31的旋转能量转换为电能。对转子31给予了轴动力的燃烧气体G2从燃气轮机排出，例如被导入净化装置等之后排出。作为负载设备连结泵，也存在燃气轮机作为泵的发动机而使用的情况。

压缩机10的转子11能旋转地被收纳于形成燃气轮机的外廓的机壳9的内部。转子11在轴向上交替地层叠多个盘13而构成，盘13在外周部上沿圆周方向设有多个动叶片12。另外，在机壳9的内侧以在各级上与动叶片12的下游侧对置的方式固定静叶片14的环状叶片列。即，由动叶片12的一个环状列和与其下游侧对置的静叶片14的一个环状列形成一个级部。

在燃烧器20上除了形成将燃料F与压缩空气A2燃烧的燃烧室的燃烧器衬套21、在涡轮30上连接燃烧器衬套21的尾筒22以外，还具备未图示的包围燃烧器衬套21、尾筒22的外壳、燃烧嘴等。在燃烧器衬套21以及尾筒22与外壳之间形成圆筒状的空气流路。

涡轮30的转子31旋转自如地被收纳于机壳9的内部。转子31轴向上交替地层叠多层盘33和垫片34而构成，盘33在外周部上沿圆周方向设置有多个动叶片32。另外，在机壳9的内侧以在各级上与动叶片32的上游侧对置的方式固定静叶片35的环状叶片列。即，由动叶片32的一个环状列和与其上游侧对置的静叶片35的一个环状列形成一个级部。

在图1的燃气轮机中，压缩机10的动叶片12以及静叶片14、及涡轮30的动叶片32以及静叶片35相当于本发明的叶片。另外，在本例中举例说明燃气轮机，但本发明也可适用于蒸汽轮机的动叶片以及静叶片。另外，在图1中举例说明单轴的燃气轮机，但本发明也可适用于双轴式燃气轮机。以下，作为本发明的叶片的结构代表例，关于压缩机10的动叶片12说明详细内容。

-叶片-

图2是将本发明的第一实施方式的叶片的主要部分抽出进行表示的立体图，图3是从工作流体的上游侧观察图2所示的叶片的图(在箭头III方向上观察图2的图)，图4是图3中的IV-IV线的叶片的剖视图，图5是第一实施方式的叶片的形状的说明图。这些图中所示的叶片1如上述是压缩机10的动叶片12，具备叶片根部2、端壁3、叶片轮廓部4以及圆角5。本实施方式的情况下，叶片根部2、端壁3、叶片轮廓部4以及圆角5一体地形成(例如，叶片1由原材料一体地切削而形成)。

叶片根部2是用于在压缩机10的盘13(图1)的外周部上安装叶片1的部位。

端壁3也被称为台架或燕尾槽，朝向其压缩机径向外侧的面为划定供工作流体流动的环状流路(图1的空气A1被吸入并流通的流路)的一部分的流路壁面3a。在本实施方式的压缩机10的情况下，流路壁面3a向工作流体的流动方向的下游侧而朝向压缩机径向的外侧倾斜(图2)。

叶片轮廓部4在端壁3的流路壁面3a上支撑端部(在图2的示例中为根侧的端部)。叶片轮廓部4具有凹形状的腹侧面(压力面)4a和凸形状的背侧面(负压面)4b。若将通过在叶片长度方向的任意位置上切断的正交剖面(也参照图4)的腹侧面4a与背侧面4b的中间点的曲面作为叶片中心面4c，则叶片轮廓部4沿叶片中心面4c从前缘4f向叶片中心增加厚度，从叶片中心向后缘4r变薄。

并且，在本实施方式中，仅在叶片轮廓部4的尖端侧(图2中的上侧)以及枢毂侧(图2中的下侧)中的枢毂侧设置端壁3。可是，除了叶片轮廓部4的枢毂侧，也存在在尖端侧存在端壁3的情况。当存在动叶片12的叶片轮廓部4的尖端侧的端壁3的情况下，其也被称为整体罩。若关于动叶片12以外的叶片进行说明，则涡轮30的动叶片32也与压缩机10的动叶片12相同，在叶片轮廓部4的尖端侧以及枢毂侧中的至少枢毂侧设置端壁3。在压缩机10、涡轮30的静叶片14、35的叶片轮廓部4上也在枢毂侧(图1中的下侧)以及尖端侧(图1中的上侧)存在端壁3。枢毂侧的端壁3也被称为隔板内轮，尖端侧的端壁3也被称为隔板外轮。任何一个端壁3都构成工作流体(空气、燃烧气体)的流路壁面(环状流路的内周侧壁面或外周侧壁面)。

-圆角-

圆角5是为了提高叶片1的强度而设置的部件，在叶片轮廓部4的整周沿端壁3的流路壁面3a与叶片轮廓部4的边界部环状地设置。该圆角5的表面是凹状的曲面，顺滑地连接叶片轮廓部4的叶片面和流路壁面3a。例如在与叶片轮廓部4的叶片面和流路壁面3a正交的剖面上观察的情况下，圆角5的外形以外接于流路壁面3a的端部与叶片轮廓部4的叶片面的半径R的圆弧形成。即，圆角5的表面是凹状且剖面为半径R的圆弧状曲面。图3由于从沿流路壁面3a的视角进行描述，因此在正交于叶片轮廓部4的叶片面和流路壁面3a的剖面中观察的圆角5的外形与该图所示的形状一致。并且，该剖面中的圆角5的半径R在本实施方式中在叶片轮廓部4的整周区域中是恒定的。

在此，将在从叶片轮廓部4相对于流路壁面3a的投影(相当于在图4中实施剖面线的图形)边缘至流路壁面3a的外缘沿流路壁面3a并正交于叶片轮廓部4的叶片面的方向上采用的尺寸设为距离d。在流路壁面3a上存在距离d比圆角5的半径R的最大值(在本例中R恒定)小的区域。在本申请说明书中，将R＞d的区域称为狭小部3b。在作为本发明的适用对象的叶片中以在叶片轮廓部的背侧以及腹侧中的至少背侧上存在该狭小部为前提，在本实施方式中，在背侧以及腹侧双方上存在狭小部3b。

另外，在从流路壁面3a沿叶片轮廓部4的叶片长度方向取高度的情况下，将狭小部3b中的圆角5的圆弧状曲面上端部的高度设为h1(图5)。狭小部3b以外的区域中的圆角5的圆弧状曲面的上端部的高度等于半径R。在本实施方式中，作为最大的特征，使狭小部3b中的圆角5的圆弧状曲面的上端部高度小于狭小部3b以外的区域中的圆角5的圆弧状曲面的上端部的高度(h1＜R)。如此，通过使圆角5的上端部的高度变化，包括狭小部3b地使圆弧5的圆弧状曲面的下端部(流路壁面3a侧的端部)沿叶片轮廓部4的整周的区域与流路壁面3a一致。从端壁3的侧面观察(从转子旋转方向观察)，圆角5的下端部与流路壁面3a一致而无台阶地在工作流体的流动方向上直线状地延伸(图2)。

-比较例-

图10是将现有技术的叶片的主要部分抽出并表示的立体图，图11是从工作流体的上游侧观察现有技术的叶片的图。图10是与图2对应的图，图11是与图3对应的图。这些图所示的比较例不论距离d(不论有无狭小部3b)从流路壁面α中采用的圆角β的上端部的高度均恒定(＝R)。在图11中，叶片轮廓部的背侧以及腹侧的距离d1、d2均比圆角β剖面的半径R小。因此，若端壁γ的宽度w狭小则在圆角β的圆弧状曲面的下端产生距离流路壁面α的高度h’、h”，在工作流体的流动方向上观察，在端壁γ的宽度方向的两端，相对于流路壁面α产生由圆角β引起的高度h’、h”的台阶。台阶的高度h’、h”相对于叶片轮廓部端壁γ的宽度w狭小且距离d1、d2越短就越大。该台阶会对空力性能带来不良影响。

相对于此，在本实施方式中如图5所示，在狭小部3b上，圆角5维持与比较例的圆角(虚线)相同的半径R且仅以比较例的圆角的台阶的高度h’、h”向流路壁面3a侧平行移动。由此，为在端壁3的宽度方向的两端相对于流路壁面3a没有由圆角5而产生的台阶的结构。

-效果-

(1)空力性能与叶片可靠性的并存

在本实施方式中，如上述，即使是端壁3的流路壁面3a上的狭小部3b，在流路壁面3a的外缘部上也没有产生由圆角5而形成的台阶。由此，能够抑制在狭小部上圆角因流路壁面的外缘部而成为台阶而产生的空力性能的降低。另外，由于圆角5的高度根据距离d减少被狭小部3b限制，因此作为整体圆角5不会过低地变小，也能够确保强度的可靠性。因此，能够平衡好地同时兼具空力性能与叶片可靠性(强度)。尤其在本实施方式中，通过即使在狭小部3b也使圆角5的半径R不变，能抑制狭小部3b中的圆角5的高度变化，强度降低的抑制效果高。

(2)制作容易性

由于圆角5的圆弧状曲面的半径R(曲率半径)不变，因此圆角5的形成容易进行，制作容易性也良好。

(第二实施方式)

图6是从工作流体的上游侧观察本发明的第二实施方式的叶片的图，与第一实施方式的图3对应。在该图中，在与第一实施方式的叶片相同或对应的部件上标注与已有附图相同的符号并省略说明。本实施方式与第一实施方式不同的方面是仅在叶片轮廓部4的背侧以及腹侧中的背侧(图6中的右侧)的狭小部3b上采用使圆角5的圆弧状曲面的下端部与流路壁面3a一致的圆角形状。正交于叶片轮廓部4的叶片面和流路壁面4a的剖面中的圆角5的半径R与第一实施方式相同，在叶片轮廓部4整周的区域中是恒定的。在腹侧(图6中的左侧)的狭小部3b中，圆角5的圆弧状曲面的下端部相对于流路壁面3a产生与比较例(图11)相同的高度h”的台阶。在其他方面，本实施方式与第一实施方式相同。

由于流路壁面的台阶对空力性能施加的影响显著的是叶片轮廓部的背侧，因此即使将未产生台阶的圆角结构仅适用于背侧也能得到空力性能高的改善效果。另外，相比较于第一实施方式加工简单。

并且，本实施方式的特征也可适用于之后的第三-第四实施方式。

(第三实施方式)

图7是从工作流体的上游侧观察本发明的第三实施方式的图，图8是图7中的VIII-VIII线的叶片的剖视图，图7与第一实施方式的图3对应。在该图中，在与第一实施方式的叶片相同或对应的部件上标注与已有附图相同的符号并省略说明。本实施方式与第一实施方式不同的方面是圆角5的上述半径R变化、相比较于狭小部3b以外的区域狭小部3b中的圆角5的圆弧状曲面的半径R变小。半径R与第一实施方式相同，是正交于叶片轮廓部4的叶片面和流路壁面3a的圆角5的剖面的圆弧部分的半径。

在本实施方式中，半径R在狭小部3b中等于距离d，在狭小部3b以外的区域中设定为比距离d小的恒定。即，圆角5的剖面的半径R基本为恒定值，但在狭小部3b中根据距离d而连续地变化。在图7中，如用双点划线表示第一实施方式的圆角外形线，在狭小部3b中，圆角5的半径R等于距离d且相比较于第一实施方式变小，小部3b中的圆角5的高度以该量比第一实施方式小。其另一方面，从叶片长度方向观察的圆角5的形状与第一实施方式相同(图8)。关于其他方面，本实施方式与第一实施方式相同。

即使是这样的结构，由于在除了狭小部3b的区域能够充分地确保使圆角5的高度与第一实施方式相同，因此相比较于与距离d的最小值相应且一律地降低圆角5的高度的结构，能够确保高强度。另外，与第一实施方式相同，在流路壁面3a的缘部上不会产生由圆角5产生的台阶，而且，在狭小部3b上相比较于第一实施方式圆角5更低。而且，圆角5平滑地连接于流路壁面3a。因此，在空力阻力的方面比第一实施方式好。但是，在叶片强度的观点中，相比较于本实施方式，第一实施方式仅以狭小部3b中的圆角5的高度差的量优越。

(第四实施方式)

图9是本发明的第四实施方式的叶片的剖视图，与第三实施方式的图8对应。在该图中，在与第一实施方式的叶片相同或对应的部件上标注与已有附图相同符号并省略说明。本实施方式在圆角5的剖面的半径R变化的方面上与第三实施方式共通，但不是如第三实施方式那样狭小部3b上连续地变化半径R，在半径R以两阶段变化的方面本实施方式与第三实施方式不同。具体的说，包括狭小部3b并用两个边界部8夹持的区域中的圆角5的半径R相比较于不包括狭小部3b并用两个边界部8夹持的区域中的圆角5的半径R变小。在包括狭小部3b的区域中，将半径R设定为与距离d的最小值相同或稍小的程度的恒定值。在不包括狭小部3b的区域中，与第一实施方式中的狭小部3b以外的圆角5的半径R相同，设定为比距离d小的恒定值(比包括狭小部的区域中的半径R大的值)。当然，圆角5的圆弧状曲面的下端部与流路壁面3a一致的方面与第一-第三实施方式共通。在其他方面本实施方式与第一实施方式相同。

即使在本实施方式中也能得到与第三实施方式大致相同的效果。而且，由于在包括狭小部3b的区域中圆角5的圆弧曲面的剖面的半径R不变化，因此相比较于在狭小部3b中半径R连续地变化的第三实施方式，制作容易。

Claims (7)

1.一种轴流式涡轮机械的叶片，其具备：

叶片轮廓部；

设于上述叶片轮廓部的尖端侧以及枢毂侧中的至少枢毂侧且具有划定工作流体的环状流路的一部分的流路壁面的端壁；以及

在上述叶片轮廓部的整周上设置于上述叶片轮廓部与上述流路壁面的边界部的圆角，

该涡轮机械的叶片的特征在于，

在与上述流路壁面和上述叶片轮廓部的叶片面正交的剖面中观察，上述圆角的外形是半径R的圆弧状曲面，

从上述叶片轮廓部相对于上述流路壁面的投影的外缘至上述流路壁面的外缘的距离d比上述圆角的半径R的最大值小的狭小部存在于上述流路壁面上，

在从上述流路壁面沿叶片长度方向取高度的情况下，使上述狭小部中的上述圆角的圆弧状曲面的上端部比上述狭小部以外的区域中的上述圆角的圆弧状曲面的上端部低，上述圆弧状曲面的下端部包括上述狭小部地在上述叶片轮廓部的整周上与上述流路壁面一致。

2.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机械的叶片，其特征在于，

上述狭小部存在于上述叶片轮廓部的背侧以及腹侧中的至少上述背侧。

3.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机械的叶片，其特征在于，

上述剖面中的上述圆角的半径R在上述叶片轮廓部的整周上为恒定。

4.根据权利要求1所述的轴流式涡轮机械的叶片，其特征在于，

与上述狭小部以外的区域相比，上述狭小部中的上述圆弧状曲面的上述剖面中的半径小。

5.根据权利要求4所述的轴流式涡轮机械的叶片，其特征在于，

上述狭小部中的上述半径R与上述距离d相等。

6.一种轴流式涡轮机械，其特征在于，

具备作为权利要求1的叶片的静叶片以及与上述静叶片一起形成一个级部的动叶片。

7.一种轴流式涡轮机械，其特征在于，

具备作为权利要求1的叶片的动叶片以及与上述动叶片一起形成一个级部的静叶片。

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