专利名称：涡轮的制作方法
技术领域：
本发明涉及例如发电设备、化学设备、气体设备、钢铁厂、船舶等所使用的涡轮。本申请基于2009年10月9日在日本申请的JP特愿2009-235430号而主张优先权，在此援引其内容。
背景技术：
众所周知，作为蒸汽轮机的一种，存在包括汽缸、在汽缸的内部可旋转地设置的轴体(转子)、在汽缸的内周部固定而配置的多个静叶片、在这些多个静叶片的下游侧(蒸汽的流动的下游侧)呈放射状设于轴体的多个动叶片的蒸汽轮机。这种蒸汽轮机中的冲动式涡轮通过静叶片将蒸汽的压力能量变换成速度能量，通过动叶片将该速度能量变换成旋转能量(机械能量)。另外，反动式涡轮也在动叶片内将压力能量变换成速度能量，通过蒸汽喷出的反作用力变换成旋转能量(机械能量)。这种蒸汽轮机中，通常在动叶片的前端部和环绕动叶片而形成蒸汽流路的汽缸之间形成径向的间隙。另外，在静叶片的前端部和轴体之间也形成径向的间隙。但是，在动叶片的前端部的间隙中向下游侧通过的泄漏蒸汽不对动叶片施加旋转力。另外，在静叶片前端部的间隙中向下游侧通过的泄漏蒸汽不利用静叶片将压力能量变换成速度能量，因此对下游的动叶片几乎不施加旋转力。因此，为了提高蒸汽轮机的性能，减少通过动叶片的前端部的间隙的泄漏蒸汽的量是重要的。在下述专利文献1中，提出了如下结构在动叶片的前端部设有高度从轴向(与动叶片的旋转轴平行的方向)上的蒸汽(流体)的流动的上游侧向下游侧逐渐变高的阶梯部。该结构中，设有相对于阶梯部具有间隙的密封凸片。通过这种构成，穿过密封凸片的间隙的蒸汽的泄漏流冲击形成阶梯部的台阶面的端缘部，使蒸汽的流动阻力增大。由此，减少蒸汽的泄漏流量。在先技术文献专利文献专利文献1 JP特开2006-291967号公报(图4)
发明内容
但是，针对提高蒸汽轮机的性能的要求加强了，因此要求进一步减少蒸汽的泄漏流量。本发明考虑此种问题而创立，其目的是提供进一步减少流体的泄漏流量的高性能涡轮。本发明的涡轮具备叶片；经由间隙设于所述叶片的前端侧并且相对于所述叶片相对旋转的结构体。在该涡轮中，在所述叶片的前端部侧和与所述结构体的所述前端部对应的部分中的一方上设有具有台阶面而向另一侧突出的阶梯部，在另一方上，设有相对于所述阶梯部延伸而在与该阶梯部之间形成微小间隙H的密封凸片。此处，在所述叶片的前端部与所述结构体的所述部分之间，在所述密封凸片与相对于该密封凸片在所述结构体的旋转轴向上游侧相对的隔壁之间形成腔室。另外，将所述腔室的、所述隔壁与所述密封凸片之间的距离设为腔室宽度W。此时，将所述密封凸片与所述阶梯部的所述旋转轴向上游侧的端缘部之间的距离设为L时，该距离L中的至少1个满足以下的式(1)。0. 7H ^ L ^ 0. 3W......(1)S卩，上述的涡轮是将流体的能量变换成旋转能量的涡轮。上述的涡轮的第1方式包括以下部件叶片；在与所述叶片的前端部之间具有间隙，并相对于所述叶片相对旋转的结构体；设于所述叶片的前端部，具有台阶面而朝向所述结构体突出的阶梯部；设于所述结构体，朝向所述阶梯部延伸的密封凸片；相对于所述密封凸片在与所述叶片或所述结构体的旋转轴平行的方向上的所述流体的流动的上游侧相对的隔壁；在所述叶片的前端部与所述结构体之间且所述隔壁与所述密封凸片之间形成的腔室。另外，上述的涡轮的第2方式包括以下部件叶片；在与所述叶片的前端部之间具有间隙，并相对于所述叶片相对旋转的结构体；设于所述结构体，具有台阶面而朝向所述叶片的前端部突出的阶梯部；设于所述叶片的前端部，朝向所述阶梯部延伸的密封凸片；相对于所述密封凸片在与所述叶片或所述结构体的旋转轴平行的方向上的所述流体的流动的上游侧相对的隔壁；在所述叶片的前端部与所述结构体之间且所述隔壁与所述密封凸片之间形成的腔室。上述涡轮的第1方式和第2方式中，将所述密封凸片与所述阶梯部之间形成的微小间隙设为H。另外，将形成所述腔室的所述隔壁与所述密封凸片之间的距离设为腔室宽度 W。另外，将所述密封凸片与所述阶梯部的所述上游侧的端缘部之间的距离设为L。此时，该距离L中的至少1个满足上述的式(1)。根据该涡轮，流入腔室内的流体冲击形成阶梯部的端缘部的台阶面、即朝向阶梯部的流体的流动的上游侧的面，返回上游侧而产生沿第1方向转动的主涡。另外，此时，特别是在所述台阶面的端缘部(边缘)，从所述主涡剥离一部分的流动。由此，产生沿所述第 1方向的相反方向转动的剥离涡。该剥离涡发挥减少穿过密封凸片前端和阶梯部之间的微小间隙H的泄漏流的缩流效果。但是，该剥离涡产生的缩流效果，特别是根据所述端缘部的位置(距密封凸片的距离L)与所述微小间隙H的大小之间的关系、进而与腔室宽度W之间的关系而变化。因此，基于后述的模拟结果，规定这些关系以满足上述的式(1)。由此，能够充分提高剥离涡产生的缩流效果，从而进一步减少流体的泄漏流量。另外，所述涡轮中，所述距离L也可以满足以下的式O)。1. 25H 彡 L 彡 2. 75H(其中，L 彡 0. 3W)......(2)由此，如后述的模拟结果所示，剥离涡产生的缩流效果进一步提高，流体的泄漏流量进一步减少。另外，所述涡轮中，所述阶梯部也可以以突出高度从所述旋转轴向上游侧朝向下游侧逐渐变高的方式设置多个。也可以在所述另一方设置相对于各个所述阶梯部延伸的所述密封凸片。与所述阶梯部对应的密封凸片也可以是相对于与在所述旋转轴向下游侧相邻的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁。S卩，上述的涡轮的第1方式中，所述阶梯部也可以以朝向所述结构体突出的突出高度从与所述旋转轴平行的方向上的所述流体的流动的上游侧朝向下游侧逐渐变高的方式设置多个。另外，所述结构体上，也可以对应于各个所述阶梯部而设置所述密封凸片。另外，与所述阶梯部对应的密封凸片也可以是相对于与在所述下游侧相邻的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁。另外，上述的涡轮的第2方式中，所述阶梯部也可以以朝向所述叶片的前端部突出的突出高度从与所述旋转轴平行的方向上的所述流体的流动的上游侧朝向下游侧逐渐变高的方式设置多个。另外，所述叶片的前端部上，也可以对应于各个所述阶梯部而设置所述密封凸片。另外，与所述阶梯部对应的密封凸片也可以是相对于与在所述下游侧相邻的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁。若如此，则对于每个阶梯部都可得到所述的剥离涡产生的缩流效果。因此叶片与结构体之间的流体的泄漏流量充分减少。此外，该涡轮中，所述结构体的、与所述叶片的前端部对应的部分也可以是以所述旋转轴为中心轴的环状的凹部。另外，相对于与最靠所述上游侧的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁也可以由所述凹部的所述上游侧的内壁面形成。若如此，则在与叶片或结构体的旋转轴平行的方向上位于流体的流动的最上游侧的阶梯部上，也可得到所述的剥离涡产生的缩流效果。因此叶片与结构体之间的流体的泄漏流量充分减少。发明效果根据本发明，能够提供进一步减少流体的泄漏流量的高性能的涡轮。
图1是表示本发明的蒸汽轮机的概略构成剖视图。
图2是表示本发明的第1实施方式的图，是表示图1中的要部][的放大剖视图。
图3是表示本发明的第1实施方式的蒸汽轮机的作用说明图。
图4是表示模拟结果的图表。
图5是图4的范围[1]上的流动模式说明图。
图6是图4的范围[2]上的流动模式说明图。
图7是图4的范围[3]上的流动模式说明图。
图8是表示本发明的第2实施方式的图，是表示图1中的要部][的放大剖视图。
图9是表示本发明的第3实施方式的图，是表示图1中的要部J的放大剖视图。
图10是表示本发明的第4实施方式的图，是表示图1中的要部J的放大剖视图。
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。(第1实施方式)图1是表示本发明的第1实施方式的蒸汽轮机1的概略构成剖视图。蒸汽轮机1主要包括以下的构成汽缸10 ；调整流入汽缸10的蒸汽S的量和压力的调整阀20 ；旋转自如地设于汽缸10的内方且将动力向未图示的发电机等机械传递的轴体(转子)30 ；保持于汽缸10的静叶片40 ；设于轴体30的动叶片50 ；以轴体30可绕轴旋
6转的方式支撑轴体30的轴承部60。汽缸10中，内部空间被气密地密封，形成蒸汽S的流路。该汽缸10的内壁面上， 牢固地固定有环状的分隔板外圈11。轴体30以贯通分隔板外圈11的方式配置。本实施方式中，该分隔板外圈11对应于本发明中的“结构体”。调整阀20在汽缸10的内部安装有多个。各个调节阀20具备蒸汽S从未图示的锅炉流入的调整阀室21、阀芯22、阀座23。调节阀20的阀芯22从阀座23分离时，蒸汽流路打开，蒸汽S经由蒸汽室M流入汽缸10的内部空间。轴体30具备轴主体31、从该轴主体31的外周沿径向延伸的多个圆盘32。该轴体 30将旋转能量传递至未图示的发电机等机械。在以下的说明中，只要未特别说明，就将轴体30或轴主体31的径向简单记载为 “径向”。另外，将与轴体30或轴主体31的旋转轴平行的方向简单记载为“旋转轴向”或“轴向，，。静叶片40以环绕轴体30的方式呈放射状配置多个。通过这样配置的多个静叶片 40构成环状静叶片组。静叶片40分别保持于上述分隔板外圈11。这些静叶片40中，径向上的内侧(旋转轴侧)的部分利用环状的枢毂套筒41连结。轴体30以贯穿枢毂套筒41 的方式配置。静叶片40的前端部相对于轴体30在径向上隔出间隙而配置。这些多个静叶片40构成的环状静叶片组在旋转轴向上隔出间隔而形成有多个 (本实施方式中为6个)。环状静叶片组将蒸汽S的压力能量变换成速度能量，将蒸汽S向与下游侧相邻的动叶片50侧引导。动叶片50牢固地安装于轴体30具有的圆盘32的外周部。动叶片50在各环状静叶片组的流体的流动的下游侧沿径向呈放射状配置有多个。通过这样配置的多个动叶片50 构成环状动叶片组。本实施方式中，动叶片50对应于本发明中的“叶片”。这些环状静叶片组和环状动叶片组利用一组构成一级。即，蒸汽轮机1构成为多级(本实施方式中为六级)。其中，在最末级的动叶片50的前端部上，设有沿环状动叶片组的周向延伸的叶端套筒51。图2是表示图1中的要部I的放大剖视图。如图2所示，作为动叶片(叶片)50的前端部的叶端套筒51在径向上与分隔板外圈(结构体)11之间具有间隙而相对配置。叶端套筒51上形成有阶梯部52(52A 52C)。 阶梯部52(52A 52C)具有台阶面53 (53A 53C)而朝向分隔板外圈11突出。本实施方式中，叶端套筒51具有三个阶梯部52 (52A 52C)。这三个阶梯部52A 52C中，朝向分隔板外圈11突出的径向的突出高度设置成从旋转轴向(以下记为轴向)上的蒸汽(流体)S的上游侧向下游侧逐渐变高。S卩，阶梯部52A 52C中，形成台阶的台阶面53(53A 53C)形成为朝向轴向上的蒸汽S的上游侧的朝前方式。在以下的说明中，只要未特别说明，就将未考虑涡流的轴向上的蒸汽S的流动的上游侧简单记载为“上游侧”。另外，将未考虑涡流的轴向上的蒸汽S的流动的下游侧简单记载为“下游侧”。分隔板外圈11上，在与叶端套筒51对应的部分上形成有环状槽(环状的凹部)lla。在该环状槽Ila的内侧收容有叶端套筒51。本实施方式中，环状槽Ila的槽底面lib上的分隔板外圈11的内径在轴向上实质上相同。另外，在该槽底面lib上，设有朝向叶端套筒51而向径向的内侧延伸的三个密封凸片 15(15A 15C)。各个密封凸片15 (15A 15C) —对一对应地设于各个阶梯部52 (52A 52C)。密封凸片15设置成分别从槽底部lib朝向分隔板外圈11而沿径向延伸。在各个密封凸片与各个阶梯部52之间，沿径向形成有微小间隙H。关于各个微小间隙H(Hl H3)的尺寸，在考虑汽缸10和动叶片50的热引起的伸长量(热伸长量)和动叶片50的离心力引起的伸长量(离心伸长量)等的基础上，在汽缸10和动叶片50不致接触的安全范围内设定为最小的值。此外，本实施方式中，Hl H3均为相同尺寸。但是，也可以根据需要适宜改变这些尺寸。通过以上构成，在叶端套筒51和分隔板外圈11之间，在环状槽Ila的内侧形成有腔室C (Cl C3)。此外，对于一个阶梯部52(52A 52C)形成1个腔室C (Cl C3)。腔室C (Cl C3)在对应于各阶梯部52的密封凸片15与相对于该密封凸片15在上游侧相对的隔壁之间形成。第1级阶梯52A位于最上游侧。在对应于该阶梯52A的第1腔室Cl中，环状槽 Ila的上游侧的内壁面M形成隔壁。因此，第1腔室Cl在叶端套筒51与分隔板外圈11之间且在内壁面(隔壁)M与对应于第1级阶梯52A的密封凸片15A之间形成。另外，在对应于第2级阶梯52B的第2腔室C2中，对应于位于上游侧的阶梯部52A 的密封凸片15A形成隔壁。因此，第2腔室C2在叶端套筒51与分隔板外圈11之间且在密封凸片(隔壁)15A 与密封凸片15B之间形成。同样，第3腔室C3在叶端套筒51与分隔板外圈11之间且在密封凸片(隔壁)15B 与密封凸片15C之间形成。在这种腔室C(C1 C3)中，将密封凸片15(15A 15C)的前端部与隔壁之间的轴向上的距离设为腔室宽度W(Wl W3)。S卩，腔室宽度W(Wl W3)是密封凸片15(15A 15C)的前端部、和与该密封凸片15的前端部同径上的隔壁之间的距离。S卩，第1腔室Cl中，将内壁面(隔壁)M与密封凸片15A之间的距离设为腔室宽度W1。第2腔室C2中，将密封凸片(隔壁)15A与密封凸片15B之间的距离设为腔室宽度 W2。第3腔室C3中，将密封凸片(隔壁)15B与密封凸片15C之间的距离设为腔室宽度W3。 此外，本实施方式中，Wl W3全部为相同尺寸。但是，也可以根据需要适宜改变这些尺寸。另外，将所述密封凸片15和与其对应的各阶梯部52的上游侧的端缘部55之间的轴向上的距离、即密封凸片15和台阶面53的边缘55之间的轴向上的距离设为L(L1 L3)。此时，距离L中的至少1个满足以下的式(1)。0. 7H ^ L ^ 0. 3W......(1)另外，该距离L中的至少1个也可以满足以下的式(2)。1. 25H 彡 L 彡 2. 75H(其中，L 彡 0. 3W)......(2)若满足上述的式(1)或式O)的条件，则能够不依赖于涡轮的运转条件而得到本发明所期望的缩流效果。但是，即使在涡轮停止时满足式(1)或式( 的条件，若在涡轮运转时不满足，则得不到所期望的效果。因此，式(1)或式O)的条件必须在涡轮运转时得到 两足。此外，本实施方式中，Hl Η3全部为相同尺寸。因此，H是代表Hl Η3的数值。 同样，W是代表Wl W3的数值。图1所示的轴承部60具备径向轴承装置61和推力轴承装置62，以可旋转的方式支撑轴体30。接着，对具有上述的构成的蒸汽轮机1的动作，使用图1 图3进行说明。首先，形成图1所示的打开调整阀20(参照图1)的状态时，蒸汽S从未图示的锅炉流入汽缸10的内部空间。流入汽缸10的内部空间的蒸汽S依此通过各级中的环状静叶片组和环状动叶片组。此时，蒸汽S的压力能量由静叶片40变换成速度能量。经过静叶片40的蒸汽S的大部分流入与静叶片40同级的动叶片50之间。于是，蒸汽S的速度能量由动叶片50变换成旋转能量，使轴体30旋转。另一方面，蒸汽S的一部分(例如百分之几)成为从静叶片40 流出后流入环状槽Ila内的、所谓的泄漏蒸汽。此处，如图3所示流入环状槽Ila内的蒸汽S首先流入第1腔室Cl。然后，蒸汽S 冲击阶梯部52Α的台阶面53Α。并且，蒸汽S返回上游侧而产生主涡Υ1。本例中，主涡Yl 在图3的纸面上沿逆时针(第1方向)转动。此时，特别是在阶梯部52Α的端缘部(边缘)55，从所述主涡Yl剥离一部分的流动。由此，以向该主涡Yl的相反方向转动的方式产生剥离涡Υ2。本例中，剥离涡Υ2以在图3的纸面上沿顺时针(第2方向)转动的方式产生。该剥离涡Υ2发挥减少穿过密封凸片15Α和阶梯部52Α之间的微小间隙Hl的蒸汽S的泄漏流的缩流效果。S卩，如图3所示形成剥离涡Υ2时，剥离涡Υ2在密封凸片15Α的上游侧产生下降流。 该下降流的速度矢量朝向径向的内侧(旋转轴侧)。该下降流在微小间隙Hl的紧前处具有朝向径向的内侧的惯性力。因此，剥离涡Υ2相对于穿过微小间隙Hl的蒸汽S的泄漏流发挥向径向的内侧收缩的效果(缩流效果)，蒸汽S的泄漏流量减小。例如，如图3所示假定剥离涡Υ2形成圆形。于是，该剥离涡Υ2的直径为微小间隙 Hl的2倍而其外周与密封凸片15Α相接的情况下、即Ll = 2H1(L = 2Η)的情况下，该剥离涡Υ2的下降流中的朝向径向的内侧的速度分量最大的位置与密封凸片15Α的前端(内端缘)一致。因此该下降流更良好地通过微小间隙Hl的紧前处，因此可认为对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果为最大。基于存在像这样可充分得到缩流效果的条件的见解，本发明人进行了模拟。其结果是，本发明人决定密封凸片15(15Α 15C)与台阶面53(53Α 53C)的端缘部(边缘)55 之间的轴向距离L(L1 L3)，以满足上述的式(1)。或决定距离L (Li L3)，以满足式O)。(模拟)此处，对于图2、图3所示的距离L、密封凸片15的微小间隙H、和腔室宽度W的相互之间的条件、与涡轮效率变化和泄漏量变化率之间的关系进行模拟。以下对其结果进行说明。图4是表示模拟结果的图表。该图表中的横轴表示所述L的尺寸(长度)，纵轴表示涡轮效率变化和泄漏量变化率。此外，对于涡轮效率变化和泄漏量变化率，表示一般性的阶梯凸片结构中的涡轮效率、相对于泄漏流量的大小。另外，该图表中，横轴、纵轴都不采用
9对数等特殊的刻度，而是采用一般的等差刻度。由图4所示的结果可知，L优选处于满足以下的式(1)的范围，更优选处于满足式 (2)的范围。0. 7H ^ L ^ 0. 3W......(1)1. 25H 彡 L 彡 2. 75H(其中，L 彡 0. 3W)......(2)S卩，图4所示的范围[1](L<0.7H)中，如图5所示在端缘部(边缘)55不生成剥离涡Y2。因此可知在密封凸片15的上游侧不形成下降流。因此，几乎得不到下降流产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果。其结果是，如图4所示泄漏量变化率变高(+侧)，蒸汽S 的泄漏流量增多。因此，涡轮效率变化变低(-侧)，涡轮效率降低。图4所示的范围[2] (0. 7H彡L彡0. 3W)、即所述式(1)的范围内，如图6所示在端缘部(边缘)55生成剥离涡Y2。并且，可知，剥离涡Y2的下降流的较强部分(箭头D)位于密封凸片15的前端附近。因此，可充分得到下降流产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果。其结果是，如图4所示泄漏量变化率变低(-侧)，蒸汽S的泄漏流量减少。因此，涡轮效率变化变高(+侧)，涡轮效率增加。此外，图4所示的范围[2a] (0. 7H^L<1.25H)中，剥离涡Y2在端缘部(边缘)55 生成。但是，可知，该情况下，生成的剥离涡Υ2比较小。另外，可知，下降流最强的部分D位于与相比密封凸片15的前端靠径向上的内侧(旋转轴侧)的微小间隙H对应的位置。因此，如图4所示，可充分得到下降流产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果。但是，与后述的范围[2b]相比，对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果较低。可知，图4所示的范围[2b] (1. 25H彡L彡2. 75H)中，在端缘部(边缘)55生成较强的剥离涡Y2，该剥离涡Y2的下降流的最强的部分D与密封凸片15的前端大致一致。因此，如图4所示，下降流产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果最高。可以说，尤其是如前所述，在L = 2H的附近蒸汽S的泄漏流量最小，涡轮效率最大。而且，可知，图4所示的范围[2cK2. 75H < L彡0. 3W)中，在端缘部(边缘)55生成的剥离涡Y2变大，下降流最强的部分D开始从密封凸片15的前端向径向的外侧分离。因此，如图4所示，可充分得到下降流产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果，但与范围[2b] 相比缩流效果较低。另外，图4所示的范围[3](0.3W<L)中，如图7所示在端缘部(边缘)55生成的剥离涡Y2附着于环状槽Ila的槽底面11b，产生大的涡。因此，剥离涡Y2的下降流最强的部分D向密封凸片15的高度的中间附近移动。因此，可知，在密封凸片15的前端部分不形成较强的下降流。因此，几乎得不到下降流产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果，如图4 所示泄漏量变化率高(+侧)，即蒸汽S的泄漏流量增多。因此，涡轮效率变化低(-侧)，即， 涡轮效率降低。由以上的模拟结果，本发明中将距离L设定为满足上述式(1)的范围。S卩，所述的各腔室Cl C3中，各阶梯部52A 52C和与其对应的密封凸片15A 15C之间的相互位置关系(微小间隙H、距离L)、进而各隔壁和各密封凸片15A 15C之间的相互位置关系(腔室宽度W)满足上述式(1)。因此，剥离涡Y2产生的缩流效果充分提高，蒸汽S的泄漏流量与现有技术相比显著减少。因此，具备这种密封结构的蒸汽轮机1中，
10蒸汽S的泄漏流量进一步减少，实现高性能化。另外，若微小间隙H、距离L和腔室宽度W满足式O)的关系，则剥离涡Y2产生的缩流效果进一步提高，蒸汽S的泄漏流量进一步减少。因此，蒸汽轮机1进一步实现高性能化。另外，该蒸汽轮机1中，形成3级阶梯部，形成3个腔室C。由此，各腔室C中，能够通过上述缩流效果减少蒸汽S的泄漏流量。因此，作为整体能够更充分地减少蒸汽S的泄
漏流量。(第2实施方式)接着，说明本发明的第2实施方式的蒸汽轮机。图8是用于说明第2实施方式的图。另外，图8是与表示图1中的要部I的放大剖视图即图2对应的图。图8所示的第2实施方式与图2所示的第1实施方式在以下方面不同。即，第1实施方式中在作为动叶片(叶片)50的前端部的叶端套筒51上形成阶梯部52 (52A 52C)， 在分隔板外圈(结构体)11上设有密封凸片15(15A 15C)。与此相对，第2实施方式中， 在分隔板外圈(结构体)11上形成阶梯部52，在叶端套筒51上设有密封凸片15。S卩，该第2实施方式中，如图8所示，在形成于分隔板外圈(结构体)11的环状槽 Ila的槽底面lib上，形成2个阶梯部52。即，形成具有台阶面53D的阶梯部52D、具有台阶面53E的阶梯部52E作为2个阶梯部52。另一方面，在动叶片(叶片)50的前端部即叶端套筒51上，设有3个密封凸片15(15D 15F)。3个密封凸片15 (15D 15F)以朝向形成于分隔板外圈11的环状槽Ila的槽底面lib向径向的外侧延伸的方式设置。这些密封凸片15(15D 15F)中的上游侧的密封凸片15D与位于阶梯部52的上游侧的槽底面lib对应而延伸。另外，下游侧的密封凸片15E、15F分别与阶梯部52D、52E 对应而沿径向延伸。此外，这些密封凸片15D 15F也在与对应的槽底面lib或阶梯部52 之间形成微小间隙H。特别是密封凸片15E、15F在与对应的阶梯部52D、52E之间沿径向形成本发明的微小间隙H(H4、H5)。该微小间隙H(H4、H5)的各尺寸与第1实施方式同样，在考虑汽缸10及动叶片50 的热引起的伸长量、动叶片50的离心力引起的伸长量等的基础上，在汽缸10和动叶片50 不致接触的安全范围内设定为最小的值。此外，本实施方式中，H4和H5为相同尺寸。但是， 也可以根据需要适宜改变这些尺寸。基于这种构成，在叶端套筒51和分隔板外圈11之间形成有腔室C(C4、C5)。腔室 C(C4、C5)在环状槽Ila的内侧对每个阶梯部52与各阶梯部52对应而形成。腔室C(C4、C5)与第1实施方式同样，在与各阶梯部52对应的密封凸片15(15E、 15F)与相对于这些密封凸片15在上游侧相对的隔壁之间形成。位于最上游侧的腔室C4与位于最上游侧的第1级阶梯52D对应。第1腔室C4中， 通过位于上游侧的密封凸片15D形成隔壁。因此，在叶端套筒51与分隔板外圈11之间且密封凸片(隔壁)15D与密封凸片15E之间形成有第1腔室C4。同样，在叶端套筒51与分隔板外圈11之间且密封凸片(隔壁)15E与密封凸片 15F之间形成有第2腔室C5。这种腔室C(C4、C5)中，将作为隔壁的密封凸片15和与阶梯部52对应的密封凸片15之间的轴向距离设为腔室宽度W(W4、W5)。并且，将所述密封凸片15和与其对应的各阶梯部52的上游侧的端缘部55之间的距离、即密封凸片15和台阶面53的边缘55之间的轴向距离设为L(L4、L5)。于是，该距离L中的至少1个满足上述的式(1)。另外，该距离L中的至少1个更优选满足上述的式(2)。S卩，各腔室C4、C5中，各阶梯部52D、52E和与其对应的密封凸片15E、15F之间的相互位置关系即微小间隙H、距离L、以及隔壁和密封凸片15E、15F之间的相互位置关系即腔室宽度W满足上述的式(1)。因此，剥离涡Y2产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果充分变高，蒸汽S的泄漏流量与现有技术相比显著减少。因此，具备这种密封结构的蒸汽轮机中，蒸汽S的泄漏流量进一步减少，实现了高性能化。另外，若处于满足式O)的范围，则剥离涡Y2产生的缩流效果进一步提高，蒸汽S 的泄漏流量进一步减少。因此，蒸汽轮机进一步实现高性能化。另外，该蒸汽轮机中，形成2级阶梯部，形成2个腔室C。因此，在各腔室C中能够通过上述缩流效果减少蒸汽S的泄漏流量，作为整体能够充分减少蒸汽S的泄漏流量。(第3实施方式)接着，说明本发明的第3实施方式的蒸汽轮机。图9是用于说明第3实施方式的图，是表示图1中的要部J的放大剖视图。另外， 图9是与图2对应的图。图9所示的第3实施方式与图2所示的第1实施方式在以下方面不同。S卩，第1 实施方式中将本发明的“叶片”设为动叶片50，在作为其前端部的叶端套筒51上形成阶梯部52(52A 52C)。另外，第1实施方式中，将本发明的“结构体”设为分隔板外圈11，在此处设有密封凸片15(15A 15C)。与此相对，第3实施方式中，将本发明的“叶片”设为静叶片40，在其前端部上形成阶梯部52。另外，第3实施方式中，将本发明的“结构体”设为轴体(转子)30，在此处设有密封凸片15。S卩，该第3实施方式中，如图9所示在静叶片40的前端部上，设有沿周向延伸的枢毂套筒41。在该枢毂套筒41上，与第1实施方式的叶端套筒51同样，形成有3个阶梯部 52 (52F 52H)。这3个阶梯部52F 52H以距离静叶片40的径向的突出高度从上游侧朝向下游侧逐渐变高的方式设置。即，阶梯部52F 52H形成为形成台阶的台阶面53 (53F 53H)朝向上游侧的朝前方式。轴体30上，在与枢毂套筒41对应的部分即圆盘32、32(参照图1)之间形成有环状槽(环状的凹部)33。在该环状槽33的内侧收容有枢毂套筒41。本实施方式中，环状槽 33的槽底面33a上的轴体30的外径在轴向上形成为大致相同。另外，在该槽底面33a上， 设有朝向枢毂套筒41向径向的外侧延伸的3个密封凸片15(15G 151)。这些密封凸片15(15G 151)与阶梯部52 (52F 52H) —对一对应，以分别从槽底部33a朝向枢毂套筒41沿径向延伸的方式设置。在各个密封凸片15 (15G 151)与各个阶梯部52之间沿径向形成有微小间隙H。该微小间隙H(H6 H8)的各尺寸在考虑轴体 30及静叶片40的热引起的伸长量、轴体30的离心力引起的伸长量等的基础上，在轴体30 和静叶片40不致接触的安全范围内设定为最小的值。此外，本实施方式中，H6 H8也全部为相同尺寸。但是，也可以根据需要适宜改变这些尺寸。基于这种构成，在枢毂套筒41与轴体30之间形成有腔室C (C6 C8)。腔室C (C6 C8)在环状槽33的内侧对每个阶梯部52与各阶梯部52对应而形成。腔室C(C6 C8)在与各阶梯部52对应的密封凸片15和相对于该密封凸片15在上游侧相对的隔壁之间形成。第1腔室C6与位于最上游侧的第1级阶梯52F对应。第1腔室C6中，通过环状槽33的上游侧的内壁面34形成隔壁。因此，在枢毂套筒41侧和轴体30之间且内壁面(隔壁)34和与第1级阶梯52F对应的密封凸片15G之间形成有第1腔室C6。另外，第2腔室C7与第2级阶梯52G对应。第2腔室C7中，通过与位于轴向上游侧的阶梯部52F对应的密封凸片15G形成隔壁。因此，在枢毂套筒41与轴体30之间且密封凸片(隔壁)15G与密封凸片15H之间形成有第2腔室C7。同样，在枢毂套筒41与轴体 30之间且密封凸片(隔壁)15H与密封凸片151之间形成有第3腔室C8。这种腔室C(C6 C8)中，将隔壁与密封凸片15之间的距离设为腔室宽度W。并且，将各密封凸片15与各阶梯部52的上游侧的端缘部之间的轴向距离、即密封凸片15与台阶面53的边缘55之间的轴向上的距离设为L(L6 L8)。于是，该距离L中的至少1个满足上述的式(1)。另外，更优选该距离L中的至少1个满足上述的式(2)。S卩，各阶梯部52F 52H和与其对应的密封凸片15G 151之间的相互位置关系即微小间隙H、距离L、以及隔壁和密封凸片15之间的相互位置关系即腔室宽度W满足上述的式(1)。因此，剥离涡Y2产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果充分提高，蒸汽S的泄漏流量与现有技术相比显著减少。因此，具备这种密封结构的蒸汽轮机中，蒸汽S的泄漏流量进一步减少，实现了高性能化。另外，若处于满足式O)的范围，则剥离涡Y2产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果进一步提高，蒸汽S的泄漏流量进一步减少。因此，蒸汽轮机进一步实现了高性能化。另外，该蒸汽轮机中，形成3级阶梯部，形成3个腔室C。因此，能够在各腔室C中通过上述缩流效果减少蒸汽S的泄漏流量，作为整体能够更充分地减少蒸汽S的泄漏流量。(第4实施方式)接着，说明本发明的第4实施方式的蒸汽轮机。图10是用于说明第4实施方式的图，是表示图1中的要部J的放大剖视图。另外， 图10是与图2对应的图。图10所示的第4实施方式与图9所示的第3实施方式不同的是如下方面。艮口， 第3实施方式中，在作为静叶片(叶片)40的前端部的枢毂套筒41上形成阶梯部52(521、 52J)，在轴体(结构体)30上设有密封凸片15 (15J 15L)。与此相对，第4实施方式中，在轴体(结构体)30上形成阶梯部52，在枢毂套筒41上设有密封凸片15。S卩，该第4实施方式中，如图10所示，在形成于轴体(结构体)30上的环状槽33 的槽底面33a上，形成2个阶梯部52。更具体地说，这2个阶梯部52是具有台阶面531的阶梯部521和具有台阶面53J的阶梯部52J。另一方面，在静叶片(叶片)40的前端部即枢毂套筒41上，设有朝向轴体30的槽底面33a向径向的内侧延伸的3个密封凸片15(15J 15L)。这些密封凸片15(15J 15L)中的上游侧的密封凸片15J与位于阶梯部52的上游侧的槽底面33a对应而沿径向延伸。下游侧的密封凸片MK、15L分别与阶梯部52I、52J 对应而沿径向延伸。此外，这些密封凸片15J 15L也在与对应的槽底面33a或阶梯部52之间形成微小间隙H。特别是密封凸片MK、15L在与对应的阶梯部52I、52J之间沿径向形成本发明的微小间隙H (H9、H10)。该微小间隙H(H9、H10)的各尺寸与第3实施方式同样，在考虑轴体30及静叶片40 的热引起的伸长量、轴体30的离心力引起的伸长量等的基础上，在轴体30和静叶片40不致接触的安全范围内设定为最小的值。此外，本实施方式中，H9和HlO也为相同尺寸。但是，也可以根据需要适宜改变这些尺寸。基于这种构成，在枢毂套筒41和轴体30之间形成腔室C(C9、C10)。腔室C(C9、 C10)在环状槽33的内侧对每个阶梯部52与各阶梯部对应而形成。腔室C(C9、C10)与第3实施方式同样，在与各阶梯部52对应的密封凸片15(15K、 15L)和相对于这些密封凸片15在上游侧相对的隔壁之间形成。第1腔室C9对应于位于最上游侧的第1级阶梯521。第1腔室C9中，由位于上游侧的密封凸片15J形成隔壁。因此，在枢毂套筒41与轴体30之间且密封凸片(隔壁)15J 与密封凸片1 之间形成第1腔室C9。同样，在枢毂套筒41与轴体30之间且密封凸片(隔壁)15K与密封凸片15L之间形成第2腔室C10。在这种腔室C(C9、C10)中，将作为隔壁的密封凸片15与对应于阶梯部52的密封凸片15之间的距离设为腔室宽度W。并且，将密封凸片15和与其对应的各阶梯部52的上游侧的端缘部阳之间的轴向距离、即密封凸片15和台阶面53的边缘55之间的轴向距离设为L(L9、L10)。于是，该距离L中的至少1个满足上述的式(1)。另外，更优选该距离L 中的至少1个满足上述的式(2)。S卩，各阶梯部52I、52J和与其对应的密封凸片巧K、15L之间的相互位置关系即微小间隙H、距离L、以及隔壁和密封凸片15之间的相互位置关系即腔室宽度W满足上述的式 (1)。因此，剥离涡Y2产生的对于蒸汽S的泄漏流的缩流效果充分提高，蒸汽S的泄漏流量与现有技术相比显著减少。因此，具备这种密封结构的蒸汽轮机中，蒸汽S的泄漏流量进一步减少，实现了高性能化。另外，若处于满足式O)的范围，则剥离涡Y2产生的缩流效果进一步提高，蒸汽S 的泄漏流量进一步减少。因此，蒸汽轮机进一步实现高性能化。另外，该蒸汽轮机中，形成2级阶梯部，形成2个腔室C。因此，在各腔室C中通过上述缩流效果能够减少蒸汽S的泄漏流量，作为整体能够进一步充分减少蒸汽S的泄漏流量。以上，说明了本发明的优选实施方式，但本发明不限定于上述的实施方式。在不脱离本发明的主旨的范围内，能够进行构成的添加、省略、置换、及其他的变更。本发明不由上述说明限定，而仅由附加的权利要求的范围限定。上述实施方式中所示的动作步骤、或各构成构件的各种形状及组合等是一例，在不脱离本发明的主旨的范围内，能够基于设计要求等进行各种变更。例如在上述的实施方式中，关于设有密封凸片15的构件，不是形成为阶梯形状， 而是形成为平面形状。但是，关于设有密封凸片15的构件，也可以与相对的阶梯部52的形状一致而形成为阶梯形状，也可以形成倾斜面或曲面。另外，上述的第1实施方式、第2实施方式中，将设于汽缸10的分隔板外圈11形成为结构体。但是，也可以不设置这种分隔板外圈11，而将汽缸10自身作为本发明的结构体。即，该结构体为环绕动叶片50而形成流体通过动叶片之间的流路的构件即可。另外，上述的实施方式中，设有多个阶梯部52，由此也形成多个腔室C。但是，关于这些阶梯部52及与其对应的腔室C的数量是任意的，也可以是1个、3个、或4个以上。另外，不一定需要如所述实施方式那样，使密封凸片15和阶梯部52 —对一对应。 另外，不一定需要使阶梯部52比密封凸片15少1个。关于这些数量可任意设计。另外，上述的实施方式中，对最末级的动叶片50或静叶片40适用本发明，但也可以对其他级动叶片50或静叶片40适用本发明。另外，上述的实施方式中，将本发明适用于复水式的蒸汽轮机。但是，本发明也可以适用于其他类型的蒸汽轮机，例如二级抽气涡轮、抽气涡轮、混气涡轮等涡轮类型。而且，上述的实施方式中，将本发明适用于蒸汽轮机。但是，本发明也能够适用于气体涡轮。而且，本发明可适用于具有旋转叶片的所有旋转机械。工业实用性设在密封凸片与阶梯部之间形成的微小间隙为H。另外，将形成腔室的隔壁与密封凸片之间的距离设为腔室宽度W。另外，将密封凸片与阶梯部的上游侧的端缘部之间的距离设为L。此时，距离L中的至少1个满足以下的式(1)。0.7H 彡 L 彡 0.3W......(1)由此，能够提供使流体的泄漏流量相比现有技术减少的高性能涡轮。标号说明1…蒸汽轮机(涡轮)、10…汽缸、11···分隔板外圈(结构体)、lla…环状槽(环状的凹部)、llb…槽底面、15(15A 15L)…密封凸片、30···轴体(结构体)、33…环状槽(环状的凹部)、33a…槽底面、40···静叶片(叶片)、41···枢毂套筒、50···动叶片(叶片)、51…叶端套筒、52(52A 52J)…阶梯部、53(53A 53J)…台阶面、54···内壁面、55···端缘部(边缘)、 C(C1 C10)…腔室、H(H1 H10)…微小间隙、W(W1 W10)…腔室宽度、L(L1 L10)…距离、S…蒸汽、Yl···主涡、Y2…剥离涡
权利要求
1.一种涡轮，将流体具有的能量变换成旋转能量，其特征在于， 具备叶片；在与所述叶片的前端部之间具有间隙，并相对于所述叶片相对旋转的结构体； 设于所述叶片的前端部，具有台阶面而朝向所述结构体突出的阶梯部； 设于所述结构体，朝向所述阶梯部延伸的密封凸片；相对于所述密封凸片在与所述叶片或所述结构体的旋转轴平行的方向上在所述流体的流动的上游侧相对的隔壁；及在所述叶片的前端部与所述结构体之间且所述隔壁与所述密封凸片之间形成的腔室， 将所述密封凸片与所述阶梯部之间形成的微小间隙设为H， 将形成所述腔室的所述隔壁与所述密封凸片之间的距离设为腔室宽度W， 将所述密封凸片与所述阶梯部的所述上游侧的端缘部之间的距离设为L时，该距离L 中的至少1个满足以下的式(1)0.7H ^ L ^ 0. 3W......(1)。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其特征在于， 所述距离L满足以下的式⑵1.25H 彡 L 彡 2. 75H(其中，L 彡 0. 3W)......(2)
3.根据权利要求1或2所述的涡轮，其特征在于，所述阶梯部以朝向所述结构体突出的突出高度从与所述旋转轴平行的方向上的所述流体的流动的上游侧朝向下游侧逐渐变高的方式设置多个，所述结构体上，对应于各个所述阶梯部而设置所述密封凸片，与所述阶梯部对应的密封凸片形成相对于与在所述下游侧相邻的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁。
4.一种涡轮，将流体的能量变换成旋转能量，其特征在于， 具备叶片；在与所述叶片的前端部之间具有间隙，并相对于所述叶片相对旋转的结构体； 设于所述结构体，具有台阶面而朝向所述叶片的前端部突出的阶梯部； 设于所述叶片的前端部，朝向所述阶梯部延伸的密封凸片；相对于所述密封凸片在与所述叶片或所述结构体的旋转轴平行的方向上在所述流体的流动的上游侧相对的隔壁；及在所述叶片的前端部与所述结构体之间且所述隔壁与所述密封凸片之间形成的腔室， 将所述密封凸片与所述阶梯部之间形成的微小间隙设为H， 将形成所述腔室的所述隔壁与所述密封凸片之间的距离设为腔室宽度W， 将所述密封凸片与所述阶梯部的所述上游侧的端缘部之间的距离设为L时，该距离L 中的至少1个满足以下的式(1) 0. 7H ^ L ^ 0. 3W......(1)。
5.根据权利要求4所述的涡轮，其特征在于， 所述距离L满足以下的式⑵·1. 25H ≤ L ≤ 2. 75H(其中，L ≤ 0. 3W)......(2)
6.根据权利要求4或5所述的涡轮，其特征在于，所述阶梯部以朝向所述叶片的前端部突出的突出高度从与所述旋转轴平行的方向上的所述流体的流动的上游侧朝向下游侧逐渐变高的方式设置多个，所述叶片的前端部上，对应于各个所述阶梯部而设置所述密封凸片， 与所述阶梯部对应的密封凸片形成相对于与在所述下游侧相邻的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁。
7.根据权利要求3或6所述的涡轮，其特征在于，所述结构体的、与所述叶片的前端部对应的部分是以所述旋转轴为中心轴的环状的凹部，相对于与位于最靠所述上游侧的阶梯部对应的密封凸片相对的所述隔壁由所述凹部的所述上游侧的内壁面形成。
全文摘要
一种涡轮，具备叶片(50)和相对于叶片(50)相对旋转的结构体(11)。在叶片(50)的前端部和与该前端部对应的结构体(11)的一方上，设有具有台阶面(53A)的阶梯部(52A)，在另一方上，设有相对于阶梯部(52A)延伸而形成微小间隙(H)的密封凸片(15A)。在叶片(50)和结构体(11)之间，在密封凸片(15A)和相对于密封凸片(15A)在结构体(11)的旋转轴向上游侧相对的隔壁之间形成腔室(C1)。设腔室(C1)的、隔壁与密封凸片(15A)之间的距离为腔室宽度(W)，设密封凸片(15A)与阶梯部(52A)的旋转轴向上游侧的端缘部(55)之间的距离为(L)时，该距离(L)中的至少1个满足下述式(1)0.7H≤L≤0.3W……(1)。
文档编号F01D11/02GK102449268SQ20108002319
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月4日 优先权日2009年10月9日
发明者大山宏治, 松尾朝春, 松本和幸, 桑村祥弘, 田中良典 申请人:三菱重工业株式会社