蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮的制造方法

蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮的制造方法
【专利摘要】本发明提供一种蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮机，可以效率良好地分离叶片面上的水膜，可以降低由腐蚀引起的动叶片的侵蚀。其解决手段为，在静叶片叶片面上设置宽度不同的多列狭缝。更具体地说，在具有贯通膜片外圈或者内圈的空间并被连接起来的中空结构的叶片、和在叶片表面上设置多列沿着半径方向延伸的吸引狭缝的蒸汽涡轮机静叶片中，各列狭缝的宽度，在附着到叶片面上的水膜厚的位置收窄狭缝宽度，在水膜薄的位置加宽狭缝宽度。
【专利说明】蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮机
【技术领域】
[0001] 本发明涉及蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮机，特别是，涉及为了降低由于湿蒸气(饱和蒸气)生成的水滴的碰撞引起的动叶片的腐蚀，配备有去除在静叶片面上生成的水膜的狭缝的蒸汽涡轮机静叶片。
【背景技术】
[0002]在低压涡轮机的末级或者其I~2级之前的级，一般地，由于其压力非常低，所以，作为工作流体的蒸气，变成包含有液化的微细的水滴(水滴核)的湿蒸气状态。凝结并附着到叶片面上的水滴核合体，在叶片面上形成液膜。进而，该液膜被工作流体主流的蒸气撕裂，作为远比开始的水滴核大的粗大水滴，向下游喷雾。尽管该粗大水滴之后被主流蒸气稍稍微细化，但仍一面保持一定程度的大小一面流下。并且，粗大水滴由于其惯性力，不能像气态的蒸气那样沿着流路急剧地转向，成为以高速碰撞下游的动叶片、侵蚀叶片表面的腐蚀的原因，或成为妨碍涡轮机叶片的旋转的造成损失的原因。
[0003]对此，过去，为了防止由腐蚀现象引起的侵蚀作用，利用由钨铬钴硬质合金等硬的强度高的材料制成的密封材料被覆动叶片前缘的前端部。但是，近年来的蒸汽涡轮机有长叶片化的倾向，动叶片的前端部非常薄，由于其加工性问题，并不一定能够设置密封材料，另外，一般地，只通过保护叶片面，作为腐蚀的对策是不全面的，所以，通常，与其它的腐蚀对策方法一并使用。
[0004]一般地，为了降低腐蚀的影响，去除液滴本身是最有效的。例如，如专利文献I或专利文献2所示，提出了在具有将内部变成低压的中空部(空腔)的静叶片的叶片面上设置吸入叶片面上的水膜(排水)的狭缝的结构。另外，在专利文献I及专利文献2中，都采用在轴向方向上设置多列将多个狭缝以规定间隔沿着径向方向排成一列的狭缝列的结构。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]【专利文献I】日本特开平5- 106405号公报
[0008]【专利文献2】日本特开平11- 336503号公报

【发明内容】

[0009]发明所要解决的课题
[0010]在专利文献I中，对于多个狭缝列的间隔予以考虑，但是，包括专利文献2在内，都没有考虑到狭缝在涡轮机轴向方向上的位置。另外，在专利文献I及专利文献2中记载的结构中，各个狭缝的宽度被以相同的尺寸加工。
[0011]根据本发明人等的研究，水膜厚度(水膜量)因叶片面在涡轮机轴向方向位置而异，为了效率良好地去除水膜，优选地，考虑到水膜厚度形成多列狭缝。
[0012]本发明的目的是提供一种蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮机，所述蒸汽涡轮机静叶片及蒸汽涡轮机，能够高效率地分离叶片面上的水膜，能够降低由腐蚀引起的动叶片的侵蚀。
[0013]解决课题的手段
[0014]本发明的特征在于，在叶片面上沿着涡轮机轴向方向设置多列宽度不同的狭缝。更具体地说，各列狭缝宽度，在附着到叶片面上的水膜厚的位置处，收窄狭缝的宽度，在水膜薄的位置处，加宽狭缝宽度。
[0015]【发明的效果】
[0016]根据本发明，能够高效率地分离叶片面上的水膜，可以降低由于腐蚀引起的动叶片的侵蚀。
[0017]通过下面的实施形式的说明，除了以上的课题、结构及效果，将会变得更加清楚。
【专利附图】

【附图说明】
[0018]图1是说明应用本发明的蒸汽涡轮机级和在静叶片面上流动的水膜的状态的模式图。
[0019]图2是概略地表示本发明的第一个实施例的蒸汽涡轮机静叶片的说明图。
[0020]图3是在图2的双点划线表示的位置处的剖视图。
[0021]图4是说明在叶片面上生成的水膜厚度和叶片面位置的关系的图。
[0022]图5是说明狭缝宽度和水膜分离率及伴随量的关系的图。
[0023]图6是概略地表示本发 明的第二个实施例的蒸汽涡轮机静叶片的说明图。
[0024]图7是概略地表示本发明的第三个实施例的蒸汽涡轮机静叶片的说明图。
[0025]图8是概略地表示本发明的第四个实施例的蒸汽涡轮机静叶片的说明图。
【具体实施方式】
[0026]下面，利用【专利附图】

【附图说明】本发明的实施例。
[0027]首先，利用图1对于应用本发明的蒸汽涡轮机进行说明。另外，在下面的实施例中，对于将本发明应用于蒸汽涡轮机(低压蒸汽涡轮机)的末级的涡轮机级部的情况进行说明，但是，本发明的效果并不局限于最末级。即，只要是处于湿蒸气环境下的蒸汽涡轮机级，通过应用本发明，都可以获得同样的效果。
[0028]如图1所示，蒸汽涡轮机(轴流涡轮机)的涡轮机级，设置在工作流体流动方向上游侧的高压部与工作流体流动方向下游侧的低压部之间。涡轮机级(末级)由静叶片I和动叶片4构成。静叶片I固定地设置在固定设置于壳体的内周侧的膜片外圈2与膜片内圈3之间。动叶片4被安装到设置在围绕涡轮机中心轴旋转的涡轮机转子的外周的盘5上。在图1中，只表示出了末级，但是，多个由静叶片和动叶片构成的涡轮机级在工作流体流动方向上重复多次设置。离开末级的蒸气流通过排气室(图中省略)被引导到冷凝器(图中省略)。
[0029]下面，利用图1简单地说明在这种蒸汽涡轮机的级结构中，在涡轮机叶片面上的水膜和液滴发生的状态。另外，特别是，在图1中，只表示出了成为使动叶片4产生腐蚀的主要原因的叶片前端侧的水膜的水膜流6。在低压涡轮机等中，在作为工作流体的蒸气主流变成湿蒸气状态的情况下，包含在蒸气主流中的水滴附着到静叶片I上，该水滴在叶片面上聚集，形成水膜6。该水膜在由与气体蒸气的界面处的压力和剪切力的合力决定的力的方向上流动，移动到静叶片的后缘端附近，从叶片后缘端变成水滴22而飞散。飞散的水滴22碰撞设置在下游的动叶片4，变成侵蚀动叶片表面的腐蚀的原因，或者成为防碍动叶片的旋转的湿损失的原因。
[0030]因此，在静叶片I的叶片面上，以沿着半径方向延伸的方式设置多级(多列)狭缝
10、11，所述狭缝10、11将作为水滴附着到叶片面上且水滴集聚形成的水膜引导到叶片内部。静叶片I的内部呈中空结构，该中空部分别与膜片外圈2的中空部(图中省略)和/或膜片内圈3的中空部(图中省略)连通。进而，膜片外圈的中空部经由连通管(图中省略)与排气室侧连通。因此，静叶片内部的中空部的压力变成比静叶片叶片面侧的压力低的压力。即，狭缝10、11的叶片面侧的压力变得比中空部的压力大，借助该压力差，静叶片叶片面上的水膜经由狭缝10、11被引入到静叶片内部的中空部中，被从蒸气流路中分离。
[0031]在包含专利文献I或专利文献2在内的现有的结构中，以相同的尺寸加工狭缝(将多个狭缝以规定间隔在径向方向上配置成一列的狭缝列)10、11的宽度。
[0032]但是，根据本发明人等的研究，在将狭缝形成多列的情况下，为了效率良好地去除水膜，狭缝宽度不同时更好。 [0033]即，根据本发明人等的研究，首先，为了效率良好地除去水膜，优选地，考虑到水膜厚度地形成狭缝，另外，水膜厚度(水膜量)因叶片面在涡轮机轴向方向位置而异。在静叶片的下游侧，由于蒸气流速增加，所以，如后面的图4所述，集聚在叶片面上的潮湿成分增加，水膜厚度达到峰值。通过在该位置的下游设置第一狭缝，可以高效率地分离大部分的潮湿成分。但是，在第一狭缝下游，在蒸气流路中流动的潮湿成分会再度附着到叶片上形成水膜。因此，在本发明中，从这种观点出发，利用第二级的狭缝，再次进行吸引分离。即，在叶片的结构上，希望第二级的狭缝尽可能地接近叶片后缘。
[0034]另外，在现有技术的结构中，无论水膜的量是多少，都用相同的尺寸进行加工。根据本发明人等的研究，这里，除了水膜流之外，还存在着大量的伴随蒸气被吸引的可能性。另外，根据本发明人等的研究，在有的情况下，由于所设置的狭缝的形状(特别是狭缝的宽度)，水膜被蒸气流从狭缝部撕裂，从叶片面飞散。在这种情况下，即使设置狭缝进行减压吸弓丨，脱离叶片面的潮湿成分的去除也变得不可能。因此，为了效率良好地分离水膜，在水膜厚的位置处的狭缝宽度变得特别重要。即，如后面的图5所记载的那样，为了提高水膜的分离率，并且降低伴随的蒸气量，狭缝宽度窄更为优选，所以，在水膜厚的位置处的狭缝，优选收窄宽度。对此将在后面详细描述，根据本发明人等的研究，该狭缝的宽度优选在0.5mm~
1.0mm左右。
[0035]从而，优选地，在水膜厚度达到峰值的附近和尽可能接近于叶片后缘的位置，形成宽度窄的狭缝。但是，在叶片后缘的附近形成宽度窄的狭缝在结构上是困难的。因此，在本发明中，设置在附着到叶片面上的水膜厚的位置处的狭缝的宽度，形成水膜分离率高且伴随蒸气量少的宽度窄(例如，0.5_左右)的狭缝，在附着到叶片后缘附近等形成宽度窄的狭缝困难的叶片面上的水膜薄的位置处，形成宽度比较宽(例如，1.0mm左右)的狭缝。
[0036]这样，在本发明中，通过根据叶片面位置形成宽度不同的狭缝，可以效率良好地分离水膜。
[0037]【实施例1】
[0038]下面，对于本发明的第一个实施例进行说明。
[0039]图2和图3是表示将本发明应用于图1的静叶片I的情况下的结构的说明图。图2是根据本实施例的静叶片I的概略透视图，图3是用图2的双点划线表示的位置处的剖视图。
[0040]如图2所示，本实施例的静叶片I，通过板材弯曲加工等使金属板塑性变形而成形，制成在内侧具有中空部9的中空叶片状的结构。另外，叶片前端侧20及叶片根部侧21分别连接到图1所示的膜片外圈2和膜片内圈3上，在其下游侧，连接到冷凝器等低压部上。在叶片的腹侧7，加工将叶片表面和中空部9连通的多个狭缝，隔着间隔D设置第一狭缝10和第二狭缝11。这里，第一狭缝10和第二狭缝12可以是不平行的，也可以在狭缝的长度方向上为直线或者和叶片的后缘形状相一致地弯曲。另外，在图2中，表示了狭缝在静叶片I的高度方向(径向方向)上的长度短的情况，即，只在叶片前端侧20形成狭缝的情况，但是，也可以在从叶片根部侧21直到叶片前端侧20的叶片的整个长度上加工出狭缝。
[0041]其次，利用图3和图4对于第一狭缝10和第二狭缝11的设置位置进行说明。图4是表示在叶片面的腹侧7生成的水膜厚度和叶片面位置的关系的一个例子。横轴是利用从叶片型前缘端到后缘端的沿着叶片面测得的距离L将从叶片型前缘端到叶片面的任意位置沿着叶片面测得的距离I无量纲化了的距离。一般地，附着到静叶片面上的水膜厚度在无量纲叶片面位置1/L = 0.6附近变成最大，之后，伴随着主流的蒸气流速增加，水膜厚度变薄，一部分变得不稳定，从叶片面上飞散。
[0042]因此，在本实施例中，图3所示的狭缝位置，在成为附着到叶片腹侧的水膜厚的区域的下游附近的、1/L = 0.6?0.8的范围内，以宽度Wl设置上游侧的第一狭缝10。在I/L = 0.6?0.8的范围的下游区域，蒸气流速的增加变大，水膜厚度变薄，但是，即使在第一狭缝10处100%地去除水膜，在其下游侧也会在叶片面上再次附着生成大量的水膜。为了尽可能多地去除该水膜，在1/L比第一狭缝10大、尽可能接近于1.0的位置(接近于叶片后缘端的位置)，以宽度W2设置第二狭缝11。这里，第一狭缝10和第二狭缝11的宽度，如下面所述，为W1〈W2的关系。即，与设置在静叶片的主流流动方向上游侧的第一狭缝10相比，加宽设置在下游侧的第二狭缝11的宽度。
[0043]下面，利用图5对于第一狭缝10和第二狭缝11的狭缝宽度W进行说明。图5是表示狭缝宽度W和水膜分离率以及伴随蒸气量的关系的一个例子。横轴表示狭缝的宽度W，左纵轴表示水膜的分离率，右纵轴表示伴随蒸气量。图中的实线表示分离率相对于狭缝宽度的倾向，虚线表示伴随蒸气量相对于狭缝宽度的倾向。表示狭缝宽度越变窄伴随蒸气量越变少、在叶片面上流动的水膜的分离率变得越高的倾向。另一方面，存在当狭缝宽度变宽时，伴随蒸气量增大，水膜分离率降低的倾向。这是因为，通过狭缝宽度加宽，如图5的上部表示的吸引图像那样，在狭缝空间中产生涡流区域，从水膜变成水滴并与蒸气流一起向下游侧流下。
[0044]对于该狭缝宽度，在专利文献2中，可以使多列的各个狭缝的宽度为2mm左右。如上所述，根据本发明人等的研究确认，狭缝窄时好，在1.0mm左右，可以抑制在狭缝空间中产生涡流区域，可以抑制水滴从水膜飞散并与蒸气流一起向下游侧流下。但是，当狭缝宽度W接近于O时，分离率也减少，另外，当考虑到加工性时，狭缝宽度的最小值在现实中是能够加工的狭缝宽度的0.5mm左右。
[0045]从这些倾向出发，对于作为水膜厚度厚的区域的第一狭缝10，采用分离率高、伴随蒸气量少的宽度窄的狭缝。即，优选地，采用0.5mm?1.0mm的狭缝宽度中宽度尽可能窄的狭缝，本实施例的结构中，为Wl = 0.5mm左右。其次，在第二狭缝11的区域，由于在尽可能接近于静叶片I的后缘的位置设置狭缝，所以，变成叶片的厚度非常薄、狭缝的加工困难的区域。但是，与第一狭缝相比，由于水膜量减少，所以，即使采用狭缝加工比第一狭缝10容易的宽度宽的狭缝，分离率的降低也很小。因此，第二狭缝没有第一狭缝那样的限定，但是，由于希望与第一狭缝同样地提高水膜分离率，减少伴随蒸气量，所以，在本实施例的结构中，为W2 = 1.0mm左右。另外，在第二狭缝中采用的狭缝宽度W2，在图5的单点划线包围的区域，是没有大幅度的分离率降低或伴随蒸气量的增加的范围。
[0046]根据本实施例，由于通过使去除生成在叶片面上的水膜的多个狭缝为对应于水膜厚度的狭缝宽度，可以有效地并且将向水滴向下游的飞散抑制到最低限度地去除水膜，所以，可以降低由于腐蚀引起的动叶片的侵蚀，提高可靠性。具体地说，根据本实施例的结构，可以预料到能够去除附着生成在静叶片面上的水膜的80%以上。
[0047]另外，根据本实施例，由于和现有结构相比，可以大幅度降低被和水膜一起吸引的伴随蒸气量，所以，还可以防止涡轮机效率的降低。
[0048]【实施例2】
[0049]其次，利用图6对于本发明的第二个实施例进行说明。本实施例，在静叶片高度方向上狭缝不形成为一条，而是构成虚线状。另外，第一狭缝组10’和第二狭缝组11’的狭缝宽度W，与实施例1 一样，为W1〈W2的结构。这里，第一狭缝组10’和第二狭缝组11’也可以是不平行的，可以是在狭缝的长度方向上为直线或者与叶片的后缘形状相一致地弯曲。另外，在图6中，也和图2的实施例一样，表示了在静叶片I的高度方向上只在叶片的前端侧20加工狭缝组的情况，但是，也可以在从叶片根部侧21到叶片前端侧20的叶片的整个长度上进行加工。
[0050]根据本实施例，可以起到和实施例1同样的效果。进而，根据本实施例，与像实施例I那样的加工一条长狭缝的情况相比，具有可以提高叶片的强度，可以减薄叶片表面和中空部的板厚的效果。
[0051]【实施例3】
[0052]其次，利用图7对于本发明的第三个实施例进行说明。本实施例，除了在根据第一个实施例的静叶片I的腹侧7设置的狭缝之外，在背侧8也设置了多条吸引狭缝。另外，多条吸引狭缝，隔开间隔D设置有背侧第一狭缝12和背侧第二狭缝13。背侧第一狭缝12的宽度Wl和背侧第二狭缝13的宽度W2，与实施例1 一样，为W1〈W2的结构。这里，背侧第一狭缝12和背侧第二狭缝13可以是不平行的，也可以在狭缝的长度方向上为直线或者与叶片的形状相一致地弯曲。另外，在图7中，也和图2的实施例一样，表示出了在静叶片I的高度方向上只在叶片的前端侧20加工背侧狭缝的情况，但是，也可以在从叶片根部侧21直到叶片前端侧20的叶片的整个长度上进行加工。
[0053]根据本实施例，除了实施例1的效果之外，由于对于附着在背侧8的叶片面上的水膜，也能够以少的伴随蒸气量分离水膜，所以，可以效率更高地降低由腐蚀引起的动叶片的侵蚀作用。
[0054]【实施例4】
[0055]其次，利用图8对于本发明的第四个实施例进行说明。本实施例是根据第三个实施例的背侧8的狭缝在静叶片高度方向上不形成为一条，而是形成在虚线上的结构。根据本实施例，除了实施例3的效果之外，还具有和实施例2同样的可以提高叶片的强度、可以减薄叶片表面和中空部的板厚的效果。
[0056]另外，本发明并不被上述实施例所限定，包含各种各样的变形例。例如，上述实施例是为了易于理解本发明而进行详细说明的，并不必限定于具备所说明的全部结构。另外，也可以将某个实施例的结构的一部分置换成其它的实施例的结构，另外，也可以在某个实施例的结构中加上另外的实施例的结构。另外，对于各个实施例的结构的一部分，也可以进行其它结构的追加、删除或者置换。
[0057]【附图标记说明】
[0058]I静叶片
[0059]2膜片外圈
[0060]3膜片内圈
[0061]4动叶片
[0062]5 盘
[0063]6水膜流
[0064]7 腹侧
[0065]8 背侧
[0066]9 中空部
[0067]10第一狭缝
[0068]11第二狭缝
[0069]12背侧第一狭缝
[0070]13背侧第二狭缝
[0071]20叶片前端侧
[0072]21叶片根部侧
[0073]22 水滴
【权利要求】
1.一种蒸汽涡轮机静叶片，是内部为中空的蒸汽涡轮机静叶片，其中， 在前述蒸汽涡轮机静叶片的叶片面上设置多列狭缝，所述狭缝在叶片高度方向上延伸地形成， 前述多列的狭缝的狭缝宽度根据前述静叶片叶片面在涡轮机轴向方向位置而不同。
2.如权利要求1所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述多列狭缝由第一狭缝和第二狭缝构成，前述第一狭缝设置在涡轮机轴向方向的上游侧，前述第二狭缝设置在前述第一狭缝的下游侧，前述第二狭缝的狭缝宽度比前述第一狭缝的狭缝宽度宽。
3.如权利要求2所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述多列狭缝设置在前述静叶片的叶片腹侧面上。
4.如权利要求2所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述多列狭缝设置在前述静叶片的叶片背侧面上。
5.如权利要求3所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 设置前述第一狭缝的位置是附着到前述静叶片叶片面上的水膜厚的位置，设置前述第二狭缝的位置是与设置前述第一狭缝的位置的水膜相比，水膜薄的位置。
6.如权利要求5所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述第一狭缝设置在从静叶片前缘到叶片面的任意位置的沿着叶片面的距离I与从静叶片前缘到静叶片后缘的沿着叶片面的距离L之比1/L为0.6?0.8的范围内的位置上，前述第二狭缝设置在前述比值1/L比第一狭缝大的位置上。
7.如权利要求6所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述第一狭缝为0.5mm?1.0_。
8.如权利要求7所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述第一狭缝约为0.5mm,前述第二狭缝的宽度约为1mm。
9.如权利要求2所述的蒸汽涡轮机静叶片，其特征在于， 前述多列狭缝分别在叶片高度方向上设置成虚线状。
10.一种蒸汽涡轮机,所述蒸汽涡轮机是配备有由蒸汽涡轮机静叶片和蒸汽涡轮机动叶片构成的涡轮机级的蒸汽涡轮机，前述蒸汽涡轮机动叶片设置在前述蒸汽涡轮机静叶片的工作流体流动方向下游侧，其中， 作为前述蒸汽涡轮机静叶片，采用权利要求1?9中任何一项所述的蒸汽涡轮机静叶片。
【文档编号】F01D9/02GK103670532SQ201310368613
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年8月22日 优先权日:2012年9月14日
【发明者】石桥光司, 中野晋, 水见俊介, 工藤健 申请人:株式会社日立制作所