专利名称：涡轮叶栅端壁的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种涡轮叶栅端壁。
背景技术：
在作为将流体的运动能量转变为旋转运动而得到动力的动力产生装置的涡轮的 涡轮叶栅端壁上，从一个涡轮叶片的腹侧朝向相邻的涡轮叶片的背侧产生所谓的"横流 (二次流动)"。 为实现涡轮性能的提高，需要降低该横流，并且降低伴随该横流产生的二次流动 损失。
因此，作为使这样的伴随横流的二次流动损失降低，实现涡轮性能的提高的结构， 已知有在涡轮叶栅端壁上具有非轴对称地形成的凹凸(例如参照专利文献1)。
专利文献1 :美国专利第6283713号说明书 但是，图13所示的位于涡轮动叶片(未图示)的下游侧且利用从涡轮动叶片的叶 片尖和涡轮动叶片的叶片尖端壁之间的间隙(叶片尖间隙)漏出的间隙泄漏流来大幅减小 工作流体(例如燃烧气体)的流入角(入射角)的涡轮静叶片B的涡轮叶栅端壁(叶片尖 端壁)100上，例如形成图14中细实线所示的流线，且在从涡轮静叶片B的前缘蔓延到背侧 的位置(从涡轮静叶片B的前缘沿背面离开下游侧的位置)形成滞流点。因此，在涡轮静叶 片B的背面沿叶片高度方向(图15中的上下方向)产生压力梯度(压力分布)，例如诱发 从图15中实线所示的涡轮静叶片B的叶片尖侧(半径方向外侧图15中为上侧)朝向轮 毂侧(半径方向内侧图15中为下侧)的流动，在涡轮静叶片B的背面产生强的涡流(背 面的二次流动)，并且伴随该涡流的二次流动损失增大，从而存在涡轮性能降低的问题点。
另外，图15中实线箭头表示工作流体的流动方向。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而做出的，其目的在于，提供一种涡轮叶栅端壁，能够抑制
在涡轮静叶片的背面产生的涡流，且能够降低伴随该涡流的二次流动损失。 为解决上述课题，本发明采用以下手段。 本发明第一方面提供一种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶
片尖侧，其中，设置有压力梯度缓和单元，其利用从位于所述涡轮静叶片的上游侧的涡轮动
叶片的叶片尖和与该涡轮动叶片的叶片尖相对配置的叶片尖端壁之间的间隙漏出的间隙
泄漏流，来缓和在所述涡轮静叶片的背面沿叶片高度方向产生的压力梯度。 本发明第二方面提供一种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶
片尖侧，其中，在设0% Cax为轴方向上的涡轮静叶片的前缘位置、100% Cax为轴方向上的
涡轮静叶片的后缘位置、0%间距为涡轮静叶片的背面的位置、100%间距为与所述涡轮静
叶片的腹面相对的涡轮静叶片的腹面的位置的情况下，设置有凸部，所述凸部在一个涡轮
静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡轮静叶片之间的大致-50% Cax +50% Cax的范围内、且大致0%间距 大致50%间距的范围内，整体平缓地隆起，并且沿轴方向大致 平行地延伸。 本发明第三方面提供一种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶 片尖侧，其中，在设0% Cax为轴方向上的涡轮静叶片的前缘位置、100% Cax为轴方向上的 涡轮静叶片的后缘位置、0%间距为涡轮静叶片的背面的位置、100%间距为与所述涡轮静 叶片的腹面相对的涡轮静叶片的腹面的位置的情况下，设置有凹部，所述凹部在一个涡轮 静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡轮静叶片之间的大致-50% Cax +50% Cax 的范围内、且大致0%间距 大致50%间距的范围内，整体平缓地凹陷，并且沿轴方向大致 平行地延伸。 本发明第四方面提供一种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶 片尖侧，其中，在设0% Cax为轴方向上的涡轮静叶片的前缘位置、100X Cax为轴方向上的 涡轮静叶片的后缘位置、0%间距为涡轮静叶片的背面的位置、100%间距为与所述涡轮静 叶片的腹面相对的涡轮静叶片的腹面的位置的情况下，设置有凸部，所述凸部在一个涡轮 静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡轮静叶片之间的大致-50% Cax +50% Cax 的范围内、且大致0%间距 大致50%间距的范围内，整体平缓地隆起，并且沿轴方向大致 平行地延伸，并且设置有凹部，所述凹部在一个涡轮静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的 另 一涡轮静叶片之间的大致-50 % Cax +50 % Cax的范围内、且大致0 %间距 大致50 % 间距的范围内，整体平缓地凹陷，并且沿轴方向大致平行地延伸而与所述凸部连续，在与所 述背面之间夹持所述凸部。 根据本发明第一 第四方面的涡轮叶栅端壁，能够抑制在涡轮静叶片的背面产生 的涡流，且能够降低伴随该涡流的二次流动损失。 本发明第五方面提供一种涡轮，其具备上述第一 第四方面中任一方面所述的涡 轮叶栅端壁。 根据本发明第五方面的涡轮，由于具备能够抑制在涡轮静叶片的背面产生的涡流 且能够降低伴随该涡流的二次流动损失的涡轮叶栅端壁，因此可使涡轮整体的性能提高。
根据本发明，具有能够抑制在涡轮静叶片的背面产生的涡流，且能够降低伴随该 涡流的二次流动损失的效果。
图1是本发明第一实施方式的涡轮叶栅端壁的主要部分平面图； 图2是表示图1所示的涡轮叶栅端壁的表面的流线的图； 图3是表示图1所示的涡轮叶栅端壁的背面的流线的图； 图4是与本发明第一实施方式的涡轮叶栅端壁类似的涡轮叶栅端壁的主要部分 平面图； 图5是表示图4所示的涡轮叶栅端壁的表面的流线的图； 图6是表示图4所示的涡轮叶栅端壁的背面的流线的图； 图7是本发明第二实施方式的涡轮叶栅端壁的主要部分平面图； 图8是表示图7所示的涡轮叶栅端壁的表面的流线的图； 图9是表示图7所示的涡轮叶栅端壁的背面的流线的 图10是本发明第三实施方式的涡轮叶栅端壁的主要部分平面图； 图11是表示图10所示的涡轮叶栅端壁的表面的流线的图； 图12是表示图10所示的涡轮叶栅端壁的背面的流线的图； 图13是现有技术的涡轮叶栅端壁的主要部分平面图； 图14是表示图13所示的涡轮叶栅端壁的表面的流线的图； 图15是表示图13所示的涡轮叶栅端壁的背面的流线的具体实施例方式
下面，参照图1 图3对本发明的涡轮叶栅端壁的第一实施方式进行说明。
如图1所示，本实施方式的涡轮叶栅端壁(以下称作"叶片尖端壁")10在一个涡 轮静叶片B和与该涡轮静叶片B相邻配置的涡轮静叶片B之间分别具有凸部(压力梯度缓 和单元)ll。另外，图1中的叶片尖端壁lO上描绘的实线表示凸部ll的等高线。
凸部11是在大致-30% Cax +40% Cax的范围内且在大致0%间距 大致40% 间距的范围内整体平缓地(平滑地)隆起的部分。 在此，0% Cax是指轴方向上的涡轮静叶片B的前缘位置，100% Cax是指轴方向上 的涡轮静叶片B的后缘位置。另外，-(负)是指从涡轮静叶片B的前缘位置沿轴方向回溯 到上游侧的位置，+(正)是指从涡轮静叶片B的前缘位置沿轴方向前进到下游侧的位置。 另外，OX间距是指涡轮静叶片B的背面的位置，100X间距是指涡轮静叶片B的腹面的位置。 凸部11的前缘侧的顶点在大致-20% Cax位置上形成于大致30X间距的位置，第 一棱线从该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致-30XCax的部位。另外，该凸 部11的前缘侧的顶点的高度(凸量)为涡轮静叶片B的轴线长度(涡轮静叶片B的轴方 向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。 另一方面，凸部11的后缘侧的顶点形成在大致+20% Cax的位置形成于大致10% 间距的位置，第二棱线从该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致+40XCax的部 位。另外，该凸部11的后缘侧的顶点的高度(凸量)为涡轮静叶片B的轴线长度(涡轮静 叶片B的轴方向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。 而且，凸部11的顶部中央部(即位于前缘侧的顶点和后缘侧的顶点之间的区域) 成为将前缘侧的顶点和后缘侧的顶点平滑地连结的弯曲面。 根据本实施方式的叶片尖端壁IO，在该叶片尖端壁IO上例如形成图2中细实线所 示的流线，在凸部11的上游侧(图1中的下侧)表面形成滞流点，在从涡轮静叶片B的前 缘蔓延到背侧的位置(从涡轮静叶片B的前缘沿背面离开下游侧的位置)不形成滞流点。
另外，在涡轮静叶片B的背面和凸部11的下游侧(图1中的上侧)表面之间沿叶 片尖端壁10的表面流动的工作流体在通过涡轮静叶片B的背面和凸部11的下游侧表面之 间时被加速，沿涡轮静叶片B的背面流动。 由此，在涡轮静叶片B的背面沿叶片高度方向(图3中的上下方向)产生的压力 梯度得以缓和，可在涡轮静叶片B的背面上形成例如图3中细实线所示的流线，能够抑制涡 轮静叶片B的背面产生的涡流，能够降低伴随该涡流的二次流动损失。
另外，图3中实线箭头表示工作流体的流动方向。
5
在此，图4 图6所示的叶片尖端壁15与上述的第一实施方式相同，在一个涡轮 静叶片B和与该涡轮静叶片B相邻配置的涡轮静叶片B之间分别具有凸部16。另外，图4 中的叶片尖端壁15上描绘的实线表示凸部16的等高线。 如图4所示，凸部16在大致_30% Cax +10% Cax的范围内且在大致10%间距 大致50%间距的范围内为整体平缓地(平滑地)隆起的部分。 靠近凸部16的前缘侧的顶点在大致-10% Cax的位置形成于大致20%间距的位 置，第一棱线从该位置大致沿与轴方向正交的方向(大致平行地)延伸到大致10%间距的 部位。另外，靠近该凸部16的前缘侧的顶点的高度(凸量)为涡轮静叶片B的轴线长度 (涡轮静叶片B的轴方向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。
另一方面，距凸部16的前缘远的一侧的顶点在大致-10% Cax的位置形成于大致 40%间距的位置，第二棱线从该位置大致沿与轴方向正交的方向(大致平行地)延伸到大 致+50%间距的部位。另外，该凸部16的后缘侧的顶点的高度(凸量)成为涡轮静叶片B 的轴线长度(涡轮静叶片B的轴方向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。
而且，凸部16的顶部中央部(即位于靠近前缘的一侧的顶点和距前缘远的一侧的 顶点之间的区域)成为将靠近前缘的一侧的顶点和距前缘远的一侧的顶点平滑地连结的 弯曲面。 但是，具有这样的凸部16的叶片尖端壁15中，在该叶片尖端壁15上形成例如图 5中细实线所示的流线，在从涡轮静叶片B的前缘蔓延到背侧的位置(从涡轮静叶片B的 前缘沿背面离开下游侧的位置)形成滞流点。因此，在叶片尖端壁15中，与使用图13 图 15说明的现有技术的叶片尖端壁100相同，在涡轮静叶片B的背面沿叶片高度方向(图6 中的上下方向)产生压力梯度(压力分布)，例如诱发从图6中细实线所示的涡轮静叶片B 的叶片尖侧(半径方向外侧图6中为上侧)朝向轮毂侧(半径方向内侧图6中为下侧) 的流动，在涡轮静叶片B的背面产生强的涡流(背面的二次流动)，并且伴随该涡流的二次
流动损失增大，从而不能得到上述的第一实施方式中可得到的作用效果。
基于图7 图9说明本发明的叶片尖端壁的第二实施方式。 如图7所示，本实施方式的叶片尖端壁20在一个涡轮静叶片B和与该涡轮静叶片 B相邻配置的涡轮静叶片B之间分别具有凹部(压力梯度缓和单元)21。另外，图7中的叶 片尖端壁20上描绘的实线表示凹部21的等深线。 凹部21在大致_50% Cax +40% Cax的范围内且在大致0%间距 大致50%间 距的范围内为整体平缓地(平滑地)凹陷的部分。 另外，该凹部21的底点在大致0% Cax的位置形成于大致30%间距的位置，第一 谷线从该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致-50XCax的部位，并且第二谷线从 该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致+40% Cax的部位。而且，该凹部21的底 点的深度(凹量)为涡轮静叶片B的轴线长度(涡轮静叶片B的轴方向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。 根据本实施方式的叶片尖端壁20，在该叶片尖端壁20上例如形成图8中细实线所 示的流线，在凹部21的下游侧(图7中的上侧)表面形成滞流点，在从涡轮静叶片B的前 缘蔓延到背侧的位置(从涡轮静叶片B的前缘沿背面离开下游侧的位置)不形成滞流点。
另外，在涡轮静叶片B的背面和凹部21的下游侧(图7中的上侧)表面之间沿叶片尖端壁20的表面流动的工作流体在通过涡轮静叶片B的背面和凹部21的下游侧表面之 间时流入凹部21内并被加速，沿涡轮静叶片B的背面流动。 由此，在涡轮静叶片B的背面沿叶片高度方向(图9中的上下方向)产生的压力
梯度得以缓和，可在涡轮静叶片B的背面上形成例如图9中细实线所示的流线，能够抑制涡
轮静叶片B的背面产生的涡流，能够降低伴随该涡流的二次流动损失。 另外，图9中实线箭头表示工作流体的流动方向。 基于图10 图12说明本发明的叶片尖端壁的第三实施方式。 如图10所示，本实施方式的叶片尖端壁30在一个涡轮静叶片B和与该涡轮静叶
片B相邻配置的涡轮静叶片B之间分别具有凸部(压力梯度缓和单元)31和凹部(压力梯
度缓和单元)32。另外，图10中的叶片尖端壁30上描绘的实线表示凸部31的等高线和凹
部32的等深线。 凸部31在大致_30% Cax +40% Cax的范围内且在大致0%间距 大致40%间 距的范围内(本实施方式中为大致0%间距 大致30%间距的范围内)为整体平缓地(平 滑地)隆起的部分。 凸部31的前缘侧的顶点在大致-20% Cax的位置形成于大致20%间距的位置，第 一棱线从该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致-30XCax的部位。另外，该凸 部31的前缘侧的顶点的高度(凸量)为涡轮静叶片B的轴线长度(涡轮静叶片B的轴方 向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。 另一方面，凸部31的后缘侧的顶点在大致+20% Cax的位置形成于大致10%间距 的位置，第二棱线从该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致+40XCax的部位。另 外，该凸部31的后缘侧的顶点的高度(凸量)为涡轮静叶片B的轴线长度(涡轮静叶片B 的轴方向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。 而且，凸部31的顶部中央部(即位于前缘侧的顶点和后缘侧的顶点之间的区域) 成为将前缘侧的顶点和后缘侧的顶点平滑地连结的弯曲面。 凹部32在大致_50% Cax +40% Cax的范围内且在大致0%间距 大致50%间 距的范围内为整体平缓地(平滑地)凹陷的部分，被设置成与凸部31连续(连结)。
另外，该凹部32的底点在大致0% Cax的位置形成于大致30%间距的位置，第一 谷线从该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致-50XCax的部位，并且第二谷线从 该位置大致沿轴方向(大致平行地)延伸到大致+40% Cax的部位。而且，该凹部32的底 点的深度(凹量)为涡轮静叶片B的轴线长度(涡轮静叶片B的轴方向长度)的10% 20% (本实施方式中为约10% )。 根据本实施方式的叶片尖端壁30，在该叶片尖端壁30上例如形成图11中细实线 所示的流线，从凹部32的下游侧(图10中上侧)表面到凸部31的上游侧(图10中下侧) 的表面形成滞流点，在从涡轮静叶片B的前缘蔓延到背侧的位置(从涡轮静叶片B的前缘 沿背面离开下游侧的位置)不形成滞流点。 另外，在涡轮静叶片B的背面和凸部31的下游侧(图1中的上侧)表面之间沿叶 片尖端壁30的表面流动的工作流体在通过涡轮静叶片B的背面和凸部31的下游侧表面之 间时被加速，沿涡轮静叶片B的背面流动。 由此，在涡轮静叶片B的背面沿叶片高度方向(图12中的上下方向)产生的压力
7梯度得以缓和，可在涡轮静叶片B的背面上形成例如图12中细实线所示的流线，能够抑制 在涡轮静叶片B的背面产生的涡流，能够降低伴随该涡流的二次流动损失。
另外，图12中实线箭头表示工作流体的流动方向。 另外，根据具备上述实施方式的叶片尖端壁的涡轮，在涡轮静叶片的背面产生的
涡流被抑制，伴随该涡流的二次流动损失降低，因此涡轮整体的性能提高。 本发明不限于上述的实施方式，在不脱离本发明的技术思想的范围内可适当根据
需要进行变形实施、变更实施、及组合实施。
权利要求
一种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶片尖侧，所述涡轮叶栅端壁的特征在于，设置有压力梯度缓和单元，其利用从位于所述涡轮静叶片的上游侧的涡轮动叶片的叶片尖和与该涡轮动叶片的叶片尖相对配置的叶片尖端壁之间的间隙漏出的间隙泄漏流，来缓和在所述涡轮静叶片的背面沿叶片高度方向产生的压力梯度。
2. —种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶片尖侧，所述涡轮叶栅 端壁的特征在于，在设0% Cax为轴方向上的涡轮静叶片的前缘位置、100X Cax为轴方向上的涡轮静叶 片的后缘位置、0%间距为涡轮静叶片的背面的位置、100%间距为与所述涡轮静叶片的腹 面相对的涡轮静叶片的腹面的位置的情况下，设置有凸部，所述凸部在一个涡轮静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡轮静叶 片之间的大致-50 % Cax +50 % Cax的范围内、且大致0 %间距 大致50 %间距的范围内， 整体平缓地隆起，并且沿轴方向大致平行地延伸。
3. —种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶片尖侧，所述涡轮叶栅 端壁的特征在于，在设0% Cax为轴方向上的涡轮静叶片的前缘位置、100X Cax为轴方向上的涡轮静叶 片的后缘位置、0%间距为涡轮静叶片的背面的位置、100%间距为与所述涡轮静叶片的腹 面相对的涡轮静叶片的腹面的位置的情况下，设置有凹部，所述凹部在一个涡轮静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡轮静叶 片之间的大致-50 % Cax +50 % Cax的范围内、且大致0 %间距 大致50 %间距的范围内， 整体平缓地凹陷，并且沿轴方向大致平行地延伸。
4. 一种涡轮叶栅端壁，其位于环状排列的多个涡轮静叶片的叶片尖侧，所述涡轮叶栅 端壁的特征在于，在设0% Cax为轴方向上的涡轮静叶片的前缘位置、100X Cax为轴方向上的涡轮静叶 片的后缘位置、0%间距为涡轮静叶片的背面的位置、100%间距为与所述涡轮静叶片的腹 面相对的涡轮静叶片的腹面的位置的情况下，设置有凸部，所述凸部在一个涡轮静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡轮静叶 片之间大致-50 % Cax +50 % Cax的范围内且在大致0 %间距 大致50 %间距的范围内， 整体平缓地隆起，并且沿轴方向大致平行地延伸，并且，设置有凹部，所述凹部在一个涡轮静叶片和与该涡轮静叶片相邻配置的另一涡 轮静叶片之间的大致-50% Cax +50% Cax的范围内、且大致0%间距 大致50%间距的 范围内，整体平缓地凹陷，并且沿轴方向大致平行地延伸而与所述凸部连续，在所述凹部与 所述背面之间夹持所述凸部。
5. —种涡轮，其特征在于，具备权利要求1 4中任一项所述的涡轮叶栅端壁。
全文摘要
本发明提供一种涡轮叶栅端壁，能够抑制在涡轮静叶片的背面产生的涡流，且能够降低伴随该涡流的二次流动损失。在位于环状排列的多个涡轮静叶片(B)的叶片尖侧的涡轮叶栅端壁(10)设有压力梯度缓和单元(11)，所述压力梯度缓和单元利用从位于所述涡轮静叶片(B)的上游侧的涡轮动叶片的叶片尖和与该涡轮动叶片的叶片尖相对配置的叶片尖端壁之间的间隙漏出的间隙泄漏流来缓和在所述涡轮静叶片(B)的背面沿叶片高度方向产生的压力梯度。
文档编号F01D9/02GK101779003SQ20088010326
公开日2010年7月14日 申请日期2008年9月25日 优先权日2008年1月21日
发明者伊藤荣作, 坂元康朗, 大友宏之 申请人:三菱重工业株式会社