CN113167121A - 涡轮叶片以及具备该涡轮叶片的蒸汽涡轮机 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片，具备：叶片型部，具有在前缘与后缘之间延伸的压力面以及负压面；以及平台，包括供所述叶片型部的基端部连接的端壁，所述端壁包括：负压面侧凹部，至少位于所述端壁的负压面侧区域；以及压力面侧凸部，至少位于所述端壁的压力面侧区域，所述负压面侧凹部具有底点，该底点位于比所述负压面和该负压面的沿轴向延伸的切线的切点靠轴向上游侧处，所述端壁的所述负压面侧凹部上的一根以上的等高线在所述负压面与所述等高线的交点处的、沿着所述等高线的法线且具有负梯度的法线向量指向所述叶片型部，并且所述压力面侧凸部具有顶点，该顶点位于比所述切点靠轴向下游侧处。

Description

涡轮叶片以及具备该涡轮叶片的蒸汽涡轮机
技术领域
本公开涉及一种涡轮叶片以及具备该涡轮叶片的蒸汽涡轮机。
背景技术
在蒸汽涡轮机或燃气涡轮机等涡轮机中，由于叶片列中的流体的流动可能会产生损失。于是，提出了如下方案：通过在与涡轮叶片的叶片型部连接的平台的端壁(侧壁)设置凹部或凸部来抑制在涡轮机中的流动的损失。
例如在专利文献1中公开了在平台的端壁中的叶片型部的负压面侧的区域包括设置于负压面突出部附近的凹部(passage trough：通道槽)以及在叶片型部的压力面侧包括设置于前缘附近的凸部(bump：凸部)的涡轮叶片。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利申请公开第2017/0226863号说明书
发明内容
发明所要解决的课题
一般来讲，在涡轮机运转时负压面的突出部附近存在静压变低的倾向，因此例如专利文献1中所记载的涡轮叶片那样，认为在平台的端壁附近，通过在负压面的突出部附近设置凹部来增大这一部分的静压，从而能够降低叶片负载。
另外，根据涡轮机的种类等，来自涡轮叶片的上游侧的泄漏流可能会流入该涡轮叶片，在这一情况下，可能会产生由于上述泄漏流而引起的损失。
然而，以往并没有对用于降低由这样的泄漏流造成的损失的端壁形状提出改进，在专利文献1中也没有言及任何关于用于降低由于泄漏流引起的损失的端壁形状的内容。
鉴于上述情况，本发明的至少一个实施方式的目的在于提供能够降低由于泄漏流而可能产生的损失的涡轮叶片以及具备该涡轮叶片的蒸汽涡轮机。
用于解决课题的技术方案
(1)本发明的至少一些实施方式的涡轮叶片，具备：
叶片型部，具有在前缘与后缘之间延伸的压力面以及负压面；以及
平台，包括供所述叶片型部的基端部连接的端壁，
所述端壁包括：
负压面侧凹部，至少位于所述端壁的负压面侧区域；以及
压力面侧凸部，至少位于所述端壁的压力面侧区域，
所述负压面侧凹部具有底点，该底点位于比所述负压面和该负压面的沿轴向延伸的切线的切点靠轴向上游侧处，
所述端壁的所述负压面侧凹部上的一根以上等高线在所述负压面与所述等高线的交点处的、沿着所述等高线的法线且具有负梯度的法线向量指向所述叶片型部，并且
所述压力面侧凸部具有顶点，该顶点位于比所述切点靠轴向下游侧处。
不具有周向成分的泄漏流会从涡轮叶片的上游侧流入该涡轮叶片的端壁附近。由于当该泄漏流流入旋转的涡轮叶片时会朝向该涡轮叶片的负压面，因此会产生泄漏流向负压面的碰撞(峰碰撞)，或者由于泄漏流与具有周向成分的流动(主流)的相互作用而会使静压分布在周向上不均匀化。
这一点在上述(1)的结构中，负压面侧凹部的底点位于比上述的切点靠轴向上游侧处，并且上述的法线向量指向叶片型部。即，负压面侧凹部的底点与负压面最为突出的位置(上述切点的位置)相比，在轴向上游侧位于负压面的附近，并且负压面侧凹部在负压面的附近具有朝向负压面下降的倾斜。因此能够在该位置附近增大静压，由此能够缓和涡轮叶片的轴向上游侧部分的端壁附近处的静压分布在周向上的不均匀，或者能够降低来自比涡轮叶片靠上游侧的泄漏流向负压面的碰撞(峰碰撞)。因此能够降低静压分布的周向不均匀或由于泄漏流的峰碰撞引起的损失。
另外在上述(1)的结构中，压力面侧凸部的顶点与上述切点相比位于轴向下游处。即压力面侧凸部的顶点位于比负压面侧凹部的底点靠轴向下游侧处。因此能够在该位置附近降低静压，由此能够降低从压力面朝向旁边的涡轮叶片的负压面的二次流动，例如能够抑制通过上述的负压面侧凹部而避免了向负压面的碰撞的泄漏流在压力面的附近成为二次流动。因此能够降低涡轮叶片上的二次流动损失。
基于以上内容，根据上述(1)的结构能够有效降低在涡轮机中由于泄漏流而可能产生的损失。
(2)在一些实施方式中，在上述(1)的结构中，
所述压力面侧凸部的一根以上的等高线在所述压力面与所述等高线的交点处的、沿着所述等高线的法线且具有正梯度的法线向量指向所述叶片型部。
根据上述(2)的结构，上述的法线向量指向叶片型部。即压力面侧凸部的顶点位于压力面附近，并且压力面侧凸部在压力面的附近具有朝向压力面上升的倾斜。因此，能够在该位置附近降低静压，由此能够有效降低涡轮叶片中的二次流动，能够更有效地降低由二次流动造成的损失。
(3)在一些实施方式中，在上述(1)或(2)的结构中，
所述压力面侧凸部至少在所述轴向上的从所述顶点的位置到所述负压面侧凹部的所述底点的位置沿着所述压力面扩展。
根据上述(3)的结构，压力面侧凸部在轴向上至少遍及从该压力面侧凸部的顶点的位置到负压面侧凹部的底点的位置的大范围而沿着压力面延伸，所以在压力面附近能够遍及大范围地降低静压。因此，能够有效抑制通过负压面侧凹部而避免了向负压面的碰撞的泄漏流在相邻的涡轮叶片的压力面的附近成为二次流动。因此能够有效降低涡轮叶片中的二次流动损失。
(4)在一些实施方式中，在上述(1)至(3)中任一个结构中，
所述负压面侧凹部的所述底点和所述压力面侧凸部的所述顶点在所述轴向上的距离L1与在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0之比L1/L0为0.1以上且0.9以下。
根据上述(4)的结构，将负压面侧凹部的底点和压力面侧凸部的顶点的距离L1与在端壁上的叶片型部的轴向的长度L0之比L1/L0定为0.1以上且0.9以下，所以通过负压面侧凹部而避免了向负压面的碰撞的泄漏流容易被引导至压力面侧凸部的附近。因此，能够有效抑制该泄漏流在压力面的附近成为二次流动，并且能够有效降低涡轮叶片中的二次流动损失。
(5)在一些实施方式中，在上述(1)至(4)中的任一个结构中，
将所述负压面侧凹部的所述底点和相邻的涡轮叶片的所述压力面侧凸部的所述顶点连结的直线与所述轴向的直线所成的角度为10度以上且80度以下。
根据上述(5)的结构，将负压面侧凹部的底点和相邻的涡轮叶片的压力面侧凸部的顶点连结的直线与轴向的直线所成的角度定为10度以上且80度以下，所以通过负压面侧凹部而避免了向负压面的碰撞的泄漏流容易被引导至压力面侧凸部的附近。因此，能够有效抑制该泄漏流在压力面的附近成为二次流动，并且能够有效降低涡轮叶片中的二次流动损失。
(6)在一些实施方式中，在上述(1)至(5)中的任一个结构中，
所述压力面侧凸部遍及在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0的90％以上而沿着所述压力面延伸。
根据上述(6)的结构，压力面侧凸部在轴向上，遍及在端壁上的所述叶片型部的轴向长度L0的90％以上而沿着压力面延伸，所以能够在压力面附近遍及大范围地降低静压。因此，能够有效抑制通过负压面侧凹部而避免了向负压面的碰撞的泄漏流在相邻的涡轮叶片的压力面的附近成为二次流动。因此能够有效降低涡轮叶片中的二次流动损失。
(7)在一些实施方式中，在上述(1)至(6)中的任一个结构中，
所述负压面侧凹部与相邻的涡轮叶片的所述压力面侧凸部构成为从所述负压面侧凹部的所述底点到所述压力面侧凸部的所述顶点而形成平滑的斜面。
根据上述(7)的结构，从负压面侧凹部的底点到相邻的涡轮叶片的压力面侧凸部的顶点，这些负压面侧凹部与压力面侧凸部形成平滑的斜面，所以能够将通过负压面侧凹部而避免了向负压面的碰撞的泄漏流顺畅地引导至压力面侧凸部的附近。因此能够有效抑制该泄漏流在压力面的附近成为二次流动，并且能够有效降低涡轮叶片中的二次流动损失。
(8)在一些实施方式中，在上述(1)至(7)中的任一个结构中，
所述端壁还包括至少位于所述负压面侧区域的负压面侧凸部，
所述负压面侧凸部在所述负压面中遍及与所述切点相比位于轴向下游侧的包括喉部形成位置的范围，而沿着所述负压面扩展。
根据上述(8)的结构，由于在端壁设置了上述的负压面侧凸部，所以能够降低负压面侧凸部的附近处的静压，由此在端壁附近的包括喉部形成位置的范围内，能够使负压面上的等压线接近平行于叶片高度方向的线。另外，负压面侧凹部沿着负压面具有从底点向下游侧上升的倾斜，所以在该负压面侧凹部的轴向位置能够使上述的负压面上的等压线进一步接近平行于叶片高度方向的线。由此，能够抑制在叶片型部的基端部附近可能产生的二次流动旋涡的卷起，并能够更有效地降低二次流动损失。
(9)在一些实施方式中，在上述(8)的结构中，
所述压力面侧凸部与相邻的涡轮叶片的所述负压面侧凸部共有至少一根等高线。
根据上述(9)的结构，压力面侧凸部与相邻的涡轮叶片的负压面侧凸部共有至少一根等高线，所以在互相相邻的涡轮叶片之间，端壁具有压力面侧凸部与负压面侧凸部平滑地连接而成的形状。因此，抑制了涡轮叶片间的流体流动的阻碍，由此能够抑制涡轮机的效率降低。
(10)在一些实施方式中，在上述(1)至(9)中任一个结构中，
在所述轴向上的所述平台的前端和所述前缘之间的距离L2与在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0之比L2/L0为0.1以下。
根据涡轮机的种类等，如上述(10)所述会使用平台的前端和叶片型部的前缘的轴向距离L2与在端壁上的叶片型部的轴向的长度L0之比L2/L0为0.1以下的涡轮叶片，即平台的前端和叶片型部的前缘的轴向距离L2较短的涡轮叶片。这一点根据上述(10)的结构，当像这样采用平台的前端和叶片型部的前缘的轴向距离L2较短的涡轮叶片时，如在上述(1)中所述的那样，能够有效地降低在涡轮机由于泄漏流而可能产生的损失。
(11)在一些实施方式中，在上述(1)至(10)中的任一个结构中，
所述叶片型部的所述基端部包括设置于与所述平台连接的连接部的圆角部，
所述轴向上的所述平台的前端与所述前缘之间的距离L2为俯视时的所述圆角部的宽度的50％以上且100％以下。
根据上述(11)的结构，
根据涡轮机的种类等，如上述(11)所述会使用平台的前端和叶片型部的前缘的轴向距离L2是设置于叶片型部的基端部的圆角部的宽度的50％以上且100％以下的涡轮叶片，即平台的前端和叶片型部的前缘之间的轴向距离L2较短的涡轮叶片。这一点根据上述(11)的构成，当像这样采用平台的前端和叶片型部的前缘的轴向距离L2较短的涡轮叶片时，如在上述(1)中所述那样，能够有效地降低在涡轮机由于泄漏流而可能产生的损失。
(12)在一些实施方式中，在上述(1)至(11)中的任一个结构中，
所述负压面侧凹部以不超过形成与相邻的涡轮叶片的边界的分割线的方式延伸。
根据上述(12)的结构，由于负压面侧凹部以不超过形成与相邻的涡轮叶片的边界的分割线的方式延伸，由于未跨越分割线，所以涡轮叶片的制造性良好。
(13)在本发明的至少一些实施方式的一种蒸汽涡轮机中，
具备上述(1)至(12)中任一项所述的涡轮叶片。
在蒸汽涡轮机中，不具有周向成分的泄漏流会从该涡轮叶片的上游侧流入涡轮叶片的端壁附近。由于当该泄漏流流入旋转的涡轮叶片时会朝向该涡轮叶片的负压面，因此会产生泄漏流向负压面的碰撞(峰碰撞)，或者由于泄漏流与具有周向成分的流动(主流)的相互作用会使静压分布在周向上不均匀化。
这一点在上述(13)的结构中，负压面侧凹部的底点位于比上述的切点靠轴向上游侧处，并且上述的法线向量指向叶片型部。即负压面侧凹部的底点与负压面最突出的位置(上述切点的位置)相比在轴向上游侧位于负压面的附近，并且负压面侧凹部在负压面的附近具有朝向负压面下降的倾斜。因此能够在该位置附近增大静压，由此能够缓和涡轮叶片的轴向上游侧部分的端壁附近处的静压分布的周向上的不均匀，或者能够降低来自比涡轮叶片靠上游侧的泄漏流向负压面的碰撞(峰碰撞)。因此能够降低静压分布的周向不均匀或由于泄漏流的峰碰撞引起的损失。
另外在上述(13)的结构中，压力面侧凸部的顶点位于比上述切点靠轴向下游处。即压力面侧凸部的顶点位于比负压面侧凹部的底点靠轴向下游侧处。因此能够在该位置附近降低静压，由此能够降低从压力面朝向旁边的涡轮叶片的负压面的二次流动，例如能够抑制通过上述负压面侧凹部而避免了对负压面的碰撞的泄漏流在压力面的附近成为二次流动。因此能够降低涡轮叶片中的二次流动损失。
基于以上内容，根据上述(13)的结构能够在涡轮机有效降低由于泄漏流而可能产生的损失。
(14)在一些实施方式中，在上述(13)的结构中，具备：
作为所述涡轮叶片的动叶片；以及
静叶片，在所述蒸汽涡轮机的轴向上的所述动叶片的上游侧处设置于所述动叶片的旁边，
在所述动叶片与所述静叶片之间形成的空腔在所述轴向上的宽度L3与在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0之比L3/L0为0.15以上。
如上述(14)所述，空腔的轴向宽度L3与叶片型部的轴向长度L0之比L3/L0为0.15以上，即在空腔较大的蒸汽涡轮机中，由来自空腔的泄漏流造成的影响可能变得显著，容易发生上述的泄漏流向负压面的碰撞或周向上的静压分布的不均匀化。
这一点根据上述(14)的结构，如在上述(13)中所述的那样，能够降低静压分布的周向不均匀或由于泄漏流的峰碰撞造成的损失，或者能够降低涡轮叶片中的二次流动损失。因此根据上述(13)的结构能够有效降低在涡轮机中由于泄漏流而可能产生的损失。
发明效果
根据本发明的至少一个实施方式，目的在于提供能够降低由于泄漏流而可能产生的损失的涡轮叶片以及具备该涡轮叶片的蒸汽涡轮机。
附图说明
图1是一种实施方式的蒸汽涡轮机的沿着轴向的概要剖视图。
图2是一种实施方式的涡轮机的包括静叶片以及动叶片的概要放大图。
图3是表示一种实施方式的设置于蒸汽涡轮机的动叶片的概要图。
图4A是一种实施方式的动叶片的概要图。
图4B是一种实施方式的动叶片的概要图。
图5是一种实施方式的动叶片的端壁的等高线图。
图6是一种实施方式的动叶片的端壁的等高线图。
图7是一种实施方式的动叶片的端壁的等高线图。
图8是一种实施方式的动叶片的端壁的等高线图。
具体实施方式
以下参照附图对本发明的一些实施方式进行说明。但是，对于作为实施方式所记载的或附图所表示的结构部件的尺寸、材质、形状及其相对性的配置等，并不意旨将本发明的范围限定于此，而只是单纯的说明举例。
首先参照图1及图2，对于作为适用了一些实施方式的涡轮叶片的涡轮机的一例的蒸汽涡轮机的整体结构进行说明。另外，本发明中的涡轮机不限于蒸汽涡轮机，例如也可以是燃气涡轮机。
图1是一种实施方式的蒸汽涡轮机的沿着轴向的概要剖视图，图2是一种实施方式的涡轮机的包括静叶片以及动叶片的概要放大图。
如图1所示，蒸汽涡轮机1具备以能够自由旋转的方式由轴承部6支承的转子2，多级的动叶片8及静叶片9，内侧壳体10以及外侧壳体12。多个动叶片8及多个静叶片9分别在周向上排列形成列，在轴向上动叶片8的列与静叶片9的列交替排列。
如图1及图2所示，动叶片8包括叶片型部30以及与叶片型部30连接的平台40，动叶片8经由平台40安装于转子2的转子盘4。转子2及动叶片8收容于内侧壳体10。
另外，静叶片9包括叶片型部50以及设置于叶片型部50的径向外侧以及内侧的外环52以及内环54，静叶片9经由外环52以及内环54被内侧壳体10支承。
在这样的蒸汽涡轮机1中，当蒸汽从蒸汽入口3被导入内侧壳体10时，蒸汽在通过静叶片9时会膨胀并加速，对动叶片8做功而使转子2旋转。
另外，蒸汽涡轮机1具备排气室14。在内侧壳体10内通过了动叶片8及静叶片9的蒸汽(蒸汽流动S)流入排气室14，通过排气室14的内部，从设置于排气室14的下方侧的排气室出口13排出到蒸汽涡轮机1的外部。
在排出室14的下方设置有冷凝器(未图示)。在蒸汽涡轮机1对动叶片8做功结束后的蒸汽会从排气室14经由排气室出口13排出并流入冷凝器。
一些实施方式的涡轮叶片也可以是蒸汽涡轮机1的动叶片8。
以下作为一些实施方式的涡轮叶片的一例，对于上述蒸汽涡轮机1的动叶片8进行更详细的说明。
图3是表示一种实施方式的设置于蒸汽涡轮机的动叶片的概要图，图4A～图4B分别是一种实施方式的动叶片的概要图。另外，图3～图4B是用于对于涡轮叶片的基本结构进行说明的图，因此在图3～图4B中未图示后述的“负压面侧凹部”或“压力面侧凸部”等。
如图3～图4所示，动叶片8(涡轮叶片)包括叶片型部30、与叶片型部30连接的平台40以及叶片根部44。
叶片型部30具有沿着叶片高度方向延伸的前缘31及后缘32，以及在前缘31与后缘32之间延伸的压力面33及负压面34。叶片型部30的基端部35与平台40的端壁42(侧壁)连接。在基端部35与平台40的连接部设置有用于缓和在该连接部处的应力集中的圆角部36。
叶片根部44在与叶片型部30的相反侧与平台40连接。如图3所示，通过叶片根部44与形成于转子盘4的槽4A卡合来将动叶片8安装于转子2(参照图1)。
如图3所示，在蒸汽涡轮机1中多个动叶片8绕中心轴周向排列，形成环状的叶片列。另外在图3中示出了形成环状的叶片列的多个动叶片8中的相邻的一对动叶片8、8’。上述的中心轴的方向即轴向是正交于上述周向的方向，与蒸汽涡轮机1的转子2的中心轴O(参照图1)为同一方向。
另外，在动叶片8的叶片型部30中，前缘31位于轴向的上游侧，后缘位于轴向的下游侧。另外，平台40具有前端40a及后端40b，在轴向上在前端40a与后端40b之间延伸。即平台40的前端40a是轴向上的上游侧端，后端40b是轴向上的下游侧端。
在此，图4A所示的动叶片8的平台40沿着轴向延伸。在这种情况下，在周向上相邻排列的多个动叶片8的平台40具有圆柱的侧面的形状。将形成该圆柱的侧面的面S1称为图4A所示的动叶片8的端壁42的基准面。
另一方面，图4B所示的动叶片8的平台40相对于轴向倾斜地延伸。在这种情况下，在周向邻接排列的多个动叶片8的平台40具有圆锥台的侧面的形状。图4B中的平台40相对于轴向倾斜了角度φ。将形成该圆锥的侧面的面S2称为图4B所示的动叶片8的端壁42的基准面。
以下对一些实施方式的动叶片8的端壁42的特征进行说明，但是在以下的说明中，端壁42以从正交于上述的基准面S1、S2的方向朝向中心轴观察端壁42的状态为基准。例如端壁42上的轴向的直线是指将轴向的直线相对于端壁42垂直地投影而成的线(参照图4B的“端壁上的轴向”)。
图5及图6是一种实施方式的动叶片8A(动叶片8)的端壁42的等高线图。在图5中，用多根等高线及颜色的深浅来表示端壁42的各个位置处的高度。需要说明的是，上述的基准面(图4A的S1或者图4B的S2)是零高度面。图6是将与图5相同的等高线图不加颜色的深浅而表示的图。
另外，本说明书中的等高线是包括后述的压力面侧区域以及负压面侧区域的端壁42上的等高线，不包括叶片型部30(包括圆角部36)的等高线。
如图5及图6所示，动叶片8A的端壁42包括至少位于端壁42的负压面侧区域RSS的负压面侧凹部102以及至少位于端壁42的压力面侧区域RPS的压力面侧凸部104。在此，端壁42由区域分界线LB划分为负压面侧区域RSS和压力面侧区域RPS。区域分界线LB是将动叶片8A的负压面34与相邻的动叶片的压力面的中央位置连结而成的线。负压面侧区域RSS是负压面34与区域边界线LB之间的区域，压力面侧区域RPS是压力面33与区域边界线LB之间的区域。需要说明的是，在图5及图6中，在动叶片8A的负压面34侧，动叶片8A’与动叶片8A相邻配置。
需要说明的是，在一些实施方式中，负压面侧凹部102的一部分也可以存在于压力面侧区域RPS上，或者压力面侧凸部104的一部分也可以存在于负压面侧区域RSS上。
作为负压面侧凹部102中的高度最低的点的底点P1与负压面34和该负压面34的沿轴向延伸的切线Ltan-ax的切点Ptan相比位于轴向上游侧。并且，端壁42的负压面侧凹部102上的等高线Lcon1具有如下形状：负压面34与等高线Lcon1的交点处的、沿着等高线Lcon1的法线且具有负梯度的法线向量Vn1-A、Vn1-B指向叶片型部30。
另外，作为压力面侧凸部104中的高度最高的点的顶点P2位于比上述的切点Ptan靠轴向下游侧处。在将轴向上的前缘31的位置设为0％Cax、将后缘的位置设为100％Cax时，顶点P2的轴向位置也可以是50％Cax以上且80％Cax。
来自该动叶片8的上游侧的不具有周向成分的泄漏流112会流入动叶片8(涡轮叶片)的端壁42附近。例如在图2所示的蒸汽涡轮机1中，除了在配置于动叶片8的上游侧的静叶片9被整流、具有周向成分并朝向动叶片8的压力面33的主流112会流入之外，来自动叶片8与静叶片9之间的空腔60的不具有周向成分的泄漏流114也会流入动叶片8。该不具有周向成分的泄漏流114会由于动叶片8(涡轮叶片)旋转而朝向该动叶片8的负压面34。因此，会发生泄漏流114向负压面34的碰撞(峰碰撞)，或者由于通过了静叶片9的具有周向成分的主流112与泄漏流114的相互作用而在动叶片8的平台40的前端40a附近使静压分布在周向上不均匀化。
这一点在上述的动叶片8A中，负压面侧凹部102的底点P1位于比上述的切点Ptan靠轴向上游侧，并且上述的法线向量Vn1-A、Vn1-B指向叶片型部30。即负压面侧凹部102的底点P1与负压面34最为突出的位置(上述切点Ptan的位置)相比在轴向上游侧位于负压面34的附近，并且负压面侧凹部102在负压面34的附近具有朝向负压面34下降的倾斜。因此能够在该位置附近增大静压，由此能够缓和动叶片8A的轴向上游侧部分的端壁42附近处的静压分布的周向上的不均匀，或者能够降低来自比动叶片8A靠上游侧的泄漏流对负压面的碰撞(峰碰撞)。因此能够降低静压分布的周向不均匀、由于泄漏流的峰碰撞而引起的损失。
另外在上述的动叶片8A中，压力面侧凸部104的顶点P2位于比上述切点Ptan靠轴向下游处。即压力面侧凸部104的顶点P2位于比负压面侧凹部102的底点P1靠轴向下游侧处。因此能够在该位置附近降低静压，由此能够降低从压力面33朝向旁边的动叶片8A的负压面34的二次流动，例如能够抑制通过上述负压面侧凹部102而避免了对负压面34的碰撞的泄漏流在压力面33的附近成为二次流动。因此能够降低动叶片8A中的二次流动损失。
基于以上内容，根据上述的动叶片8A能够有效地降低在蒸汽涡轮机1中由于泄漏流而可能产生的损失。
例如图5～图6所示，在一些实施方式中，压力面侧凸部104的等高线Lcon2具有如下的形状：在压力面33与等高线Lcon2的交点处的、沿着等高线Lcon2的法线且具有正梯度的法线向量Vn2-A指向叶片型部30。
在该情况下，上述法线向量Vn2-A指向叶片型部30，即压力面侧凸部104的顶点P2位于压力面33附近，并且压力面侧凸部104在压力面33的附近具有朝向压力面33上升的倾斜。因此，能够在该位置附近降低静压，由此能够有效降低动叶片8A(涡轮叶片)中的二次流动，能够更有效地降低由于二次流动而造成的损失。
例如图5～图6所示，在一些实施方式中，压力面侧凸部104至少在轴向上的从顶点P2的位置到负压面侧凹部102的底点P1的位置沿着压力面33扩展。
例如压力面侧凸部104也可以遍及端壁42上的叶片型部30的轴向的长度(即轴向上的前缘31的位置与后缘32的位置之间的距离)L0的90％以上而沿着压力面33延伸。换言之，压力面侧凸部104的沿着压力面33的延伸范围的轴向长度LPT也可以是上述叶片型部30的轴向长度L0的90％以上。
在该情况下，压力面侧凸部104在轴向上至少遍及从该压力面侧凸部104的顶点P2的位置到负压面侧凹部102的底点P1的位置的大范围而沿着压力面33延伸，所以在压力面33附近能够遍及大范围地降低静压。因此，能够有效抑制通过动叶片8A的负压面侧凹部102而避免了向负压面34的碰撞的泄漏流在相邻的动叶片8A的压力面33的附近成为二次流动。因此能够有效降低动叶片8A中的二次流动损失。
在一些实施方式中也可以是，动叶片8A的负压面侧凹部102的底点P1和压力面侧凸部104的顶点P2之间的在轴向上的距离L1(参照图6)，与在端壁42上的叶片型部30的轴向的长度L0(参照图6)之比L1/L0为0.1以上且0.9以下。
在该情况下，负压面侧凹部的底点和压力面侧凸部的顶点之间的距离L1与在端壁42上的叶片型部30的轴向长度L0之比L1/L0为0.1以上且0.9以下，所以通过负压面侧凹部102而避免了向负压面34的碰撞的泄漏流容易被引导至相邻的动叶片8A的压力面侧凸部104的附近。因此，能够有效抑制该泄漏流在相邻的动叶片8A的压力面33的附近成为二次流动，并且能够有效降低动叶片8A中的二次流动损失。
或者在一些实施方式中，将动叶片8A的负压面侧凹部102的底点P1和相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104的顶点P1’连结的直线LA与轴向的直线Lax所成的角度θ(参照图6)为10度以上且80度以下。
在该情况下，使将负压面侧凹部102的底点P1和相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104的顶点P2’连结的直线LA与轴向的直线Lax所成的角度定为10度以上且80度以下，所以通过负压面侧凹部102而避免了对负压面34的碰撞的泄漏流容易被引导至相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104的附近。因此，能够有效抑制该泄漏流在压力面33的附近成为二次流动，并且能够有效降低动叶片8A中的二次流动损失。
例如图5～图6所示，在一些实施方式中，动叶片8A的负压面侧凹部102与相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104构成为从负压面侧凹部102的底点P1到压力面侧凸部104的顶点P2’而形成平滑的斜面。即在图5～图6所示的实施方式中，端壁42的高度从动叶片8A的负压面侧凹部102的底点P1到相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104的顶点P2’而单调增加。
在该情况下，从动叶片8A的负压面侧凹部102的底点P1到相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104的顶点P2’，这些负压面侧凹部102与压力面侧凸部104形成平滑的斜面，所以能够将通过负压面侧凹部102而避免了向负压面34的碰撞的泄漏流顺畅地引导至相邻的动叶片8A’的压力面侧凸部104的附近。因此能够有效抑制该泄漏流在动叶片8A’的压力面33的附近成为二次流动，并且能够有效降低动叶片8A中的二次流动损失。
在一些实施方式中，在轴向上的平台40的前端40a和端壁42的叶片型部30的前缘31之间的距离L2(参照图6)与在端壁42上的叶片型部30的轴向的长度L0之比L2/L0也可以是0.1以下。
或者在一些实施方式中，上述距离L2是在俯视设置于叶片型部30的基端部35的圆角部36时的宽度(即从正交于上述的基准面S1或者S2的方向观察端壁42时的圆角部36的宽度)WF(参照图6)的50％以上且100％以下。
为了使平台40的前端40a附近处的静压在周向上分布均匀化，希望尽可能地在前端40a的附近设置上述的负压面侧凹部102。
另一方面，根据涡轮机的种类等，会使用如上述那样的平台40的前端40a和叶片型部30的前缘31之间的轴向距离L2较短的涡轮叶片。例如从涡轮机中的振动对策的观点来看，是存在希望尽可能地缩短转子长度的需求的情况等。在该情况下，由于空间的限制，难以在比叶片型部30的前缘31靠上游侧处设置负压面侧凹部。
关于这一点，根据上述实施方式的动叶片8A，即使在平台40的前端40a和叶片型部30的前缘31之间的轴向距离L2较短的情况下，如已经陈述的那样，也能够有效降低在涡轮机由于泄漏流而可能产生的损失。
在一些实施方式中，例如图5～图6所示，动叶片8A的负压面侧凹部102不超过形成与相邻的动叶片8A’的边界的分割线LS而延伸。
这样，由于使动叶片8A的负压面侧凹部102不超过形成与相邻的动叶片8A’的边界的分割线LS而延伸，即，使负压面侧凹部102不跨越分割线LS，所以动叶片8A的制造性良好。
图7及图8是与图5～图6所示的实施方式不同的一种实施方式的动叶片8B(动叶片8)的端壁42的等高线图。在图7中，用多根等高线及颜色的深浅来表示端壁42的各位置处的高度。需要说明的是，上述的基准面(图4A的S1或者图4B的S2)是零高度面。图8是将与图7相同的等高线图不加颜色的深浅而表示的图。
本实施方式的动叶片8B具有已经参照图5及图6说明过的动叶片8A的特征。即图7～图8所示的动叶片8B的端壁42具备具有上述特征的负压面侧凹部102、压力面侧凸部104。
图7及图8所示的动叶片8B的端壁42还包括至少位于负压面侧区域RSS的负压面侧凸部106。并且负压面侧凸部106在负压面34中遍及与切点Ptan相比位于轴向下游侧的包括喉部(throat)形成位置PTH的范围而沿着负压面34扩展。
另外，负压面侧凸部106也可以有一部分在负压面侧区域RSS以外的区域延伸。
一般来讲，流体将会在与等高线正交的方向上流动，但是在不具有上述的负压面侧凸部106的涡轮叶片的情况下，特别是在负压面34的基端侧(端壁42附近)，等压线相对于叶片高度方向(跨度方向)的倾斜变大，因此在该负压面附近可能会发生二次流动旋涡的卷起并使损失变大。
关于这一点，在图7～图8所示的实施方式中，由于在端壁42设置有上述的负压面侧凸部106，所以能够使负压面侧凸部106附近处的静压降低，由此在端壁42的包括喉部形成位置PTH的范围内能够使负压34面上的等压线接近平行于叶片高度方向的线。另外，负压面侧凹部102具有沿着负压面34从底点P1向下游侧上升的倾斜，所以在该负压面侧凹部102的轴向位置能够使上述负压面34上的等压线进一步接近平行于叶片高度方向的线。由此，能够抑制在叶片型部30的基端部35附近可能产生的二次流动旋涡的卷起，并能够更有效地降低二次流动损失。
在一些实施方式中，例如图7～图8所示，动叶片8B’的压力面侧凸部104与相邻的动叶片8B的负压面侧凸部106共有至少一根等高线(在图8中是等高线Lcon3、Lcon4)。即动叶片8B’的压力面侧凸部104与相邻的动叶片8B的负压面侧凸部106形成一个相连的脊。
在该情况下，由于动叶片8B’的压力面侧凸部104与相邻的动叶片8B的负压面侧凸部106共有至少一根等高线(Lcon3、Lcon4)，所以在互相相邻的动叶片8B之间，端壁42具有将压力面侧凸部104与负压面侧凸部106平滑连接的形状。因此，抑制了动叶片8B、8B’间的流体流动的阻碍，由此能够抑制涡轮机的效率的降低。
在一些实施方式中，在蒸汽涡轮机1中，在动叶片8和与该动叶片8相比位于轴向上游侧的静叶片9之间形成的空腔60的轴向上的宽度L3(参照图2)与端壁42上的叶片型部30的轴向长度L0(参照图2、图6)之比L3/L0为0.15以上。
如上所述，空腔60的轴向宽度L3与叶片型部30的轴向长度L0之比L3/L0为0.15以上，即在空腔60较大的蒸汽涡轮机1中，由来自空腔60的泄漏流114造成的影响可能会变得显著，容易发生上述泄漏流向负压面34的碰撞或周向上的静压分布的不均匀化。
关于这一点，根据上述的实施方式，这样即使是容易产生由于泄漏流114造成的损失的情况下，也如已经陈述的那样，能够降低静压分布的周向不均匀、由于泄漏流的峰碰撞造成的损失或者能够降低动叶片8中的二次流动损失。因此能够有效降低在蒸汽涡轮机1中由于泄漏流而可能产生的损失。
以上对于本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不受限于上述实施方式，还包括对上述实施方式施加变形后的方式或者将这些方式适当组合后的方式。
在本说明书中，“向某一方向”、“沿着某一方向”、“平行”、“正交”、“中心”、“同心”或者“同轴”等表示相对性或者绝对性的配置的表述不仅是严格表示那样的配置，还表示以公差或者能够获得相同功能的程度的角度、距离进行了相对性位移的状态。
例如“相同”、“相等”以及“均质”等表示事物处于相等状态的表述不仅是严格表示相等的状态，还表示存在公差或者能够获得相同功能的程度的差的状态。
另外在本说明书中，四边形或者圆柱形等表示形状的表述不仅表示在几何学上严格含义的四边形或圆柱形等形状，在能够获得相同效果的范围内，还表示包括凹凸部或倒角部等的形状。
另外，在本说明书中“具备”、“包括”或者“具有”一个构成要素这样的表述不是排除其他构成要素的存在的排他性表述。
标号说明
1 蒸汽涡轮机
2 转子
3 蒸汽入口
4 转子盘
4A 槽
6 轴承部
8、8A、8B 动叶片
9 静叶片
10 内侧壳体
12 外侧壳体
13 排气室出口
14 排气室
30 叶片型部
31 前缘
32 后缘
33 压力面
34 负压面
35 基端部
36 圆角部
40 平台
40a 前端
40b 后端
42 端壁
44 叶片根部
50 叶片型部
52 外环
54 内环
60 空腔
102 负压面侧凹部
104 压力面侧凸部
106 负压面侧凸部
112 主流
LB 区域边界线
LS 分割线
Lcon1～Lcon4 等高线
Ltan-ax 切线
O 中心轴
P1 底点
P2 顶点
PTH 喉部形成位置
Ptan 切点
RPS 压力面侧区域
RSS 负压面侧区域
S1 基准面
S2 基准面
Vn 法线向量

Claims (14)

1.一种涡轮叶片，具备：
叶片型部，具有在前缘与后缘之间延伸的压力面以及负压面；以及
平台，包括供所述叶片型部的基端部连接的端壁，
所述端壁包括：
负压面侧凹部，至少位于所述端壁的负压面侧区域；以及
压力面侧凸部，至少位于所述端壁的压力面侧区域，
所述负压面侧凹部具有底点，该底点位于比所述负压面和该负压面的沿轴向延伸的切线的切点靠轴向上游侧处，
所述端壁的所述负压面侧凹部上的一根以上的等高线在所述负压面与所述等高线的交点处的、沿着所述等高线的法线且具有负梯度的法线向量指向所述叶片型部，并且
所述压力面侧凸部具有顶点，该顶点位于比所述切点靠轴向下游侧处。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其中，
所述压力面侧凸部的一根以上的等高线在所述压力面与所述等高线的交点处的、沿着所述等高线的法线且具有正梯度的法线向量指向所述叶片型部。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其中，
所述压力面侧凸部至少在所述轴向上的从所述顶点的位置到所述负压面侧凹部的所述底点的位置沿着所述压力面扩展。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮叶片，其中，
所述负压面侧凹部的所述底点和所述压力面侧凸部的所述顶点在所述轴向上的距离L1与在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0之比L1/L0为0.1以上且0.9以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮叶片，其中，
将所述负压面侧凹部的所述底点和相邻的涡轮叶片的所述压力面侧凸部的所述顶点连结的直线与所述轴向的直线所成的角度为10度以上且80度以下。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮叶片，其中，
所述压力面侧凸部遍及在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0的90％以上而沿着所述压力面延伸。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的涡轮叶片，其中，
所述负压面侧凹部与相邻的涡轮叶片的所述压力面侧凸部构成为从所述负压面侧凹部的所述底点到所述压力面侧凸部的所述顶点形成平滑的斜面。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮叶片，其中，
所述端壁还包括负压面侧凸部，该负压面侧凸部至少位于所述负压面侧区域，
所述负压面侧凸部在所述负压面中遍及与所述切点相比位于轴向下游侧的包含喉部形成位置的范围，而沿着所述负压面扩展。
9.根据权利要求8所述的涡轮叶片，其中，
所述压力面侧凸部与相邻的涡轮叶片的所述负压面侧凸部共有至少一根等高线。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的涡轮叶片，其中，
所述轴向上的所述平台的前端和所述前缘之间的距离L2与在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0之比L2/L0为0.1以下。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的涡轮叶片，其中，
所述叶片型部的所述基端部包括圆角部，该圆角部设置于与所述平台连接的连接部，
所述轴向上的所述平台的前端与所述前缘之间的距离L2为俯视时的所述圆角部的宽度的50％以上且100％以下。
12.根据权利要求1至11中任意一项所述的涡轮叶片，
所述负压面侧凹部以不超过形成与相邻的涡轮叶片的边界的分割线的方式延伸。
13.一种蒸汽涡轮机，
具备权利要求1至12中任一项所述的涡轮叶片。
14.根据权利要求13所述的蒸汽涡轮机，其中，
该蒸汽涡轮机具备：
作为所述涡轮叶片的动叶片；以及
静叶片，在所述蒸汽涡轮机的轴向上的所述动叶片的上游侧处设置于所述动叶片的旁边，
在所述动叶片与所述静叶片之间形成的空腔的所述轴向上的宽度L3与在所述端壁上的所述叶片型部的所述轴向的长度L0之比L3/L0为0.15以上。
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