CN111622812A - 轴流式汽轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够减少周向的压力差并减少损耗的轴流式汽轮机。轴流式汽轮机具备沿周向排列的多个静叶片(3)和连结多个静叶片(3)的内周侧并具有构成主流路(8)的壁面的外周面(10)的隔膜内圈(4)。隔膜内圈(4)的外周面(10)具有多个凹入部(18)。各凹入部(18)在比相邻的静叶片(3A)的负压面(15)与静叶片(3B)的正压面(16)之间的距离最小的喉部(17)靠下游侧且在周向上从静叶片(3A)的负压面(15)上的喉部位置(P1)至静叶片(3A)的后缘位置(P2)的范围内，形成于在轴向上包含外周面(10)的后缘位置的范围内。

Description

轴流式汽轮机
技术领域
本发明涉及一种在发电厂的汽轮机、燃气轮机等中使用的轴流式汽轮机。
背景技术
轴流式汽轮机例如具备：设于外壳的内周侧的环状的隔膜外圈；设于隔膜外圈的内周侧并沿周向排列的多个静叶片；设于多个静叶片的内周侧的隔膜内圈；转子；设于转子的外周侧并位于多个静叶片的下游侧且沿周向排列的多个动叶片；以及设于多个动叶片的外周侧的围板(例如参照专利文献1)。
轴流式汽轮机的主流路由形成于隔膜外圈的内周面与隔膜内圈的外周面之间的流路、和形成于围板的内周面与转子的外周面之间的流路构成。流经主流路的工作流体被静叶片增速、转向，之后对动叶片赋予旋转力。
在隔膜内圈与转子之间形成有第一空腔。工作流体的一部分从主流路的静叶片的上游侧流入第一空腔，并从第一空腔向主流路的静叶片的下游侧流出。该工作流体未被静叶片增速、转向，因而产生损耗。为了减少该损耗，在第一空腔设有迷宫式密封件。
在围板与隔膜外圈(或外壳)之间形成有第二空腔。工作流体的一部分从主流路的动叶片的上游侧流入第二空腔，并从第二空腔向主流路的动叶片的下游侧流出。该工作流体不会对动叶片赋予旋转力，因而产生损耗。为了减少该损耗，在第二空腔设有迷宫式密封件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2017-008756号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，一般在主流路的静叶片或动叶片的出口侧产生周向的压力分布。详细而言，在比相邻的一个叶片的负压面(背侧面)与另一个叶片的正压面(腹侧面)之间的距离最小的喉部靠下游侧且在周向上从一个叶片的负压面上的喉部位置至一个叶片的后缘位置的范围内，静压较低。因此，在该范围内，产生从空腔朝向主流路的吹出流动。另一方面，在比喉部靠下游侧且在周向上从一个叶片的负压面上的喉部位置至另一个叶片的后缘位置的范围内，静压较高。因此，在该范围内，产生从主流路朝向空腔的泄漏流动。而且，因周向上的流动的差异，干涉损耗(详细而言，在空腔的出口侧是合流损耗，在空腔的入口侧是分流损耗)变大。并且，受到上述的流动的差异的影响，下游侧的叶片的二次流动损耗变大。
本发明提供一种能够减少周向的压力差来减少损耗的轴流式汽轮机。
用于解决课题的方案
为了实现上述目的，本发明提供一种轴流式汽轮机，具备沿周向排列的多个叶片和连结上述多个叶片的内周侧或外周侧并且具有构成主流路的壁面的周面的部件，上述轴流式汽轮机的特征在于，上述部件的上述周面具有多个凹入部，上述多个凹入部的各凹入部在相邻的一个叶片的负压面与另一个叶片的正压面之间的距离最小的喉部靠下游侧且在周向上从上述一个叶片的负压面上的喉部位置至上述一个叶片的后缘位置的范围内，形成于在轴向上包含上述周面的后缘位置的范围内。
发明的效果
根据本发明，能够减少周向的压力差来减少损耗。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式中的汽轮机的部分构造的轴向剖视图。
图2是图1中截面II-II的周向剖视图，示出主流路内的流动。
图3是表示本发明的第一实施方式中的隔膜内圈的外周面的构造的展开图。
图4是从图3中箭头IV方向观察的图。
图5是表示本发明的第一实施方式及比较例中的静叶片表面静压分布的图。
图6是表示本发明的第二实施方式中的隔膜内圈的外周面的构造的展开图。
图7是从图6中箭头VII方向观察的图。
符号的说明
2—隔膜外圈，3、3A、3B—静叶片，4—隔膜内圈，5—转子，6—动叶片，7—围板，8—主流路，9—隔膜外圈的内周面，10—隔膜内圈的外周面，11—围板的内周面，12—转子的外周面，15—负压面，16—正压面，17—喉部，18—凹入部，19—突起部。
具体实施方式
以下，参照附图对将本发明应用于汽轮机的情况的实施方式进行说明。
图1是示意性地表示本发明的第一实施方式中的汽轮机的部分构造的轴向剖视图。图2是图1中截面II-II处的周向剖视图，示出主流路内的流动。
本实施方式的汽轮机具备：设于外壳1的内周侧的环状的隔膜外圈2；设于该隔膜外圈2的内周侧的多个静叶片3；以及设于上述静叶片3的内周侧的环状的隔膜内圈4。多个静叶片3沿周向以预定间隔排列在隔膜外圈2与隔膜内圈4之间。
并且，汽轮机具备：转子5；设于该转子5的外周侧的多个动叶片；以及设于上述动叶片6的外周侧的环状的围板7。多个动叶片6沿周向以预定间隔排列在转子5与围板7之间。
汽轮机的主流路8由形成于隔膜外圈2的内周面9与隔膜内圈4的外周面10之间的流路、形成于围板7的内周面11与转子5的外周面12之间的流路构成。即，隔膜外圈2连结多个静叶片3的外周侧并且具有构成主流路8的壁面的内周面9。隔膜内圈4连结多个静叶片3的内周侧并且具有构成主流路8的壁面的外周面10。围板7连结多个动叶片6的外周侧并且具有构成主流路8的壁面的内周面11。转子5连结多个动叶片6的内周侧并且具有构成主流路8的壁面的外周面12。
在主流路8配置有多个静叶片3(即、一个静叶片列)，并且在其下游侧(图1中右侧)配置有多个动叶片6(即、一个动叶片列)，上述静叶片3和动叶片6的组合构成一个级。此外，图1中，为便于说明，仅示出第一级动叶片6和第二级静叶片3及动叶片6，但一般而言，为了高效地回收蒸气(工作流体)的内部能量，在轴向上设置三级以上。
主流路8内的蒸气如图1中空心箭头所示地流动。而且，由静叶片3将蒸气的内部能量(即压力能等)变换成动能(即速度能)，并由动叶片6将蒸气的动能变换成转子5的旋转能量。并且，在转子5的端部连接发电机(未图示)，由该发电机将转子5的旋转能量变换成电能。
使用图2对主流路8内的蒸气的流动(主流)进行说明。蒸气从静叶片3的前缘侧(图2中上侧)以绝对速度矢量C1(详细为几乎不具有周向速度成分的绝对流动)流入。而且，在静叶片3之间通过时被增速、转向而成为绝对速度矢量C2(详细为具有较大的周向速度成分的绝对流动)，并从静叶片3的后缘侧(图2中下侧)流出。从静叶片3流出的蒸气的大部分碰撞到动叶片6而使转子5以速度U旋转。此时，蒸气在通过动叶片6时被减速、转向，从相对速度矢量W2变成相对速度矢量W3。因此，从动叶片6流出的蒸气成为绝对速度矢量C3(详细为几乎不具有周向速度成分的绝对流动)。
返回上述的图1，在隔膜内圈4与转子5之间形成有空腔13A。蒸气的一部分从主流路8的静叶片3的上游侧流入空腔13A，并从空腔13A向主流路8的静叶片3的下游侧流出。该蒸气未被静叶片3增速、转向，因而产生损耗。为了减少该损耗，在空腔13A设有迷宫式密封件14A。迷宫式密封件14A例如由设于隔膜内圈4侧的多个翅片和形成于转子5侧的多个突起构成。
在围板7与外壳1之间形成有空腔13B。蒸气的一部分从主流路8的动叶片6的上游侧流入空腔13B，并从空腔13B向主流路8的动叶片6的下游侧流出。该蒸气不会对动叶片6赋予旋转力，因而产生损耗。为了减少该损耗，在空腔13B设有迷宫式密封件14B。迷宫式密封件14B例如由设于外壳1侧的多个翅片和形成于围板7侧的多个突起构成。
然而，一般而言，在主流路8的静叶片3的出口侧产生周向的压力分布。详细而言，在比相邻的静叶片3A的负压面(背侧面)15与静叶片3B的正压面(腹侧面)16之间的距离最小的喉部17靠下游侧且在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3A的后缘位置P2的范围(参照下述的图3)静压较低。因此，在该范围，产生从空腔13A朝向主流路8的吹出流动。另一方面，在比喉部17靠下游侧且在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3B的后缘位置P3的范围(参照下述的图3)静压较高。因此，在该范围内，产生从主流路8朝向空腔13A的泄漏流动。而且，因周向上的流动的差异，干涉损耗变大。并且，受到上述的流动的差异的影响，下游侧的动叶片6的二次流动损耗变大。
因此，在本实施方式中，隔膜内圈4的外周面10具有用于减少周向上的压力差的构造。使用图3及图4对其详细构造进行说明。图3是表示本实施方式中的隔膜内圈的外周面的构造的展开图。图4是从图3中箭头IV方向观察的图。此外，图3中的虚线示出凹入部的等高线。
本实施方式的隔膜内圈4的外周面10大致呈圆筒面，并具有从该圆筒面向径向的内侧凹入的多个凹入部18。
各凹入部18在比相邻的静叶片3A的负压面15与静叶片3B的正压面16之间的距离最小的喉部17靠下游侧且在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3A的后缘位置P2的范围内，形成于在轴向上包含外周面10的后缘位置且不仅包含比静叶片3A的后缘位置P2靠下游侧的位置和还包含靠上游侧的位置的范围内。
并且，各凹入部18沿喉部17的下游侧的蒸气的流动方向(即上述绝对速度矢量C2的方向)形成。详细而言，周向上的凹入部18的各截面例如大致呈三角形，连接各截面的底部的直线成为蒸气的流动方向。并且，各凹入部18形成为沿蒸气的流动方向缓缓地变深。由此，抑制对蒸气的流动方向的影响。
在本实施方式中，利用隔膜内圈4的外周面10的凹入部18，扩大其周向范围内的主流路8的宽度。由此，降低其周向范围内的蒸气的流速，静压上升。因此，能够减少周向上的压力差，能够抑制周向上的流动的差异。其结果，能够减少干涉损耗、下游侧的动叶片6的二次流动损耗。
并且，在本实施方式中，凹入部18形成于在轴向上不仅包含比静叶片3A的后缘位置P2靠下游侧的位置还包含靠上游侧的位置的范围内。即，形成至静叶片3A的负压面15的附近。由此，如图5所示，与不形成凹入部18的情况的比较例相比，静叶片3A的负压面15的静压上升。因此，能够减少静叶片的正压面与负压面的差压，能够减少静叶片的二次流动损耗。
此外，在第一实施方式中，例举凹入部18形成于在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3A的后缘位置P2的范围内的情况进行了说明，但并不限定于此，形成于上述的范围内即可。具体而言，凹入部18也可以从相对于喉部位置P1向后缘位置P2侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置起形成。并且，凹入部18也可以形成至相对于后缘位置P2向喉部位置P1侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置为止。在这样的情况下，也能够获得与上述相同的效果。
或者，凹入部18也可以形成为比在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3A的后缘位置P2的范围稍微伸出。具体而言，凹入部18也可以从相对于喉部位置P1向后缘位置P2的相反侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置起形成。并且，凹入部18也可以形成至相对于后缘位置P2向喉部位置P1的相反侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置为止。在这样的情况下，也能够获得与上述相同的效果。
并且，在第一实施方式中，例举凹入部18形成于在轴向上不仅包含比静叶片3A的后缘位置P2靠下游侧的位置还包含靠上游侧的位置的范围内的情况进行了说明，但并不限定于此。即，虽然无法获得实现静叶片的二次流动损耗的减少的效果，但凹入部18也可以形成于在轴向上仅包含比静叶片3A的后缘位置P2靠下游侧的位置的范围内。
使用图6及图7对本发明的第二实施方式进行说明。此外，在本实施方式中，对与第一实施方式相同的部分标注同一符号，并适当地省略说明。
图6是表示本实施方式中的隔膜内圈的外周面的构造的展开图。图7是从图6中箭头VII方向观察的图。此外，图6中的虚线示出凹入部及突起部的等高线。
与第一实施方式相同，本实施方式的隔膜内圈4的外周面10大致呈圆筒面，并具有从该圆筒面向径向的内侧凹入的多个凹入部18。本实施方式的隔膜内圈4的外周面10还具有从圆筒面向径向的外侧突出的多个突起部19。
各突起部19在比相邻的静叶片3A的负压面15与静叶片3B的正压面16之间的距离最小的喉部17靠下游侧且在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3B的后缘位置P3的范围内，形成于在轴向上包含外周面10的后缘位置且不仅包含比静叶片3B的后缘位置P3靠下游侧的位置还包含靠上游侧的位置的范围内。
并且，各突起部19沿轴向形成。详细而言，周向上的突起部19的各截面例如大致呈三角形，连接各截面的顶部的直线成为轴向。并且，各突起部19形成为朝向轴向的下游侧缓缓变高。
在本实施方式中，利用隔膜内圈4的外周面10的突起部19，缩小其周向范围内的主流路8的宽度。由此，其周向范围内的蒸气的流速上升，静压降低。因此，与第一实施方式相比，能够进一步减少周向上的压力差，能够进一步减少周向上的流动的差异。其结果，能够进一步减少干涉损耗、下游侧的动叶片6的二次流动损耗。
此外，在第二实施方式中，例举突起部19形成于在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3B的后缘位置P3的范围内的情况进行了说明，但并不限定于此，形成于上述的范围内即可。具体而言，突起部19也可以从相对于喉部位置P1向后缘位置P3侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置起形成。并且，突起部19也可以形成至相对于后缘位置P3向喉部位置P1侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置为止。在这样的情况下，也能够获得与上述相同的效果。
或者，突起部19也可以形成为比在周向上从静叶片3A的负压面15上的喉部位置P1至静叶片3B的后缘位置P3的范围稍微伸出(其中，需要相应地减小凹入部18)。具体而言，突起部19也可以从相对于喉部位置P1向后缘位置P3的相反侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置起形成。并且，突起部19也可以形成至相对于后缘位置P3向喉部位置P1的相反侧移动例如叶片间的间距长度L的10％左右后的位置。在这样的情况下，也能够获得与上述相同的效果。
并且，在第二实施方式中，例举突起部19形成于在轴向上不仅包含比静叶片3B的后缘位置P3靠下游侧的位置还包含靠上游侧的位置的范围内的情况进行了说明，但并不限定于此。即，突起部19也可以形成于在轴向上仅包含比静叶片3B的后缘位置P3靠下游侧的位置的范围内。
并且，在第一及第二实施方式中，以将本发明的特征应用于隔膜内圈4的外周面10的情况为例进行了说明，但并不限定于此。即，也可以应用于隔膜外圈2的内周面9、围板7的内周面11、转子5的外周面12中任一方。
并且，在第一及第二实施方式中，以将本发明应用于汽轮机的情况为例进行了说明，但并不限定于此。即，也可以应用于燃气轮机。

Claims (5)

1.一种轴流式汽轮机，具备：沿周向排列的多个叶片；和连结上述多个叶片的内周侧或外周侧并且具有构成主流路的壁面的周面的部件，上述轴流式汽轮机的特征在于，
上述部件的上述周面具有多个凹入部，
上述多个凹入部的各凹入部在比相邻的一个叶片的负压面与另一个叶片的正压面之间的距离最小的喉部靠下游侧且在周向上从上述一个叶片的负压面上的喉部位置至上述一个叶片的后缘位置的范围内，形成于在轴向上包含上述周面的后缘位置的范围内。
2.根据权利要求1所述的轴流式汽轮机，其特征在于，
上述多个凹入部的各凹入部形成于在轴向上不仅包含比上述一个叶片的后缘位置靠下游侧的位置还包含靠上游侧的位置的范围内。
3.根据权利要求1所述的轴流式汽轮机，其特征在于，
上述多个凹入部的各凹入部沿上述喉部的下游侧的工作流体的流动方向形成。
4.根据权利要求1所述的轴流式汽轮机，其特征在于，
上述部件的上述周面具有多个突起部，
上述多个突起部的各突起部在比上述喉部靠下游侧且在周向上从上述一个叶片的负压面上的喉部位置至上述另一个叶片的后缘位置的范围内，形成于在轴向上包含上述部件的周面的后缘位置的范围内。
5.根据权利要求1所述的轴流式汽轮机，其特征在于，
上述部件是隔膜内圈、隔膜外圈、转子、围板中的任一个，上述隔膜内圈连结多个静叶片的内周侧并且具有构成上述主流路的壁面的外周面，上述隔膜外圈连结上述多个静叶片的外周侧并且具有构成上述主流路的壁面的内周面，上述转子连结多个动叶片的内周侧并且具有构成上述主流路的壁面的外周面，上述围板连结上述多个动叶片的外周侧并且具有构成上述主流路的壁面的内周面。
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