涡轮的制作方法
【专利摘要】该涡轮（1）在动叶片（50）的前端部和分隔板外圈（11）的与动叶片（50）的前端部对应的部位中的一方的部位设置具有高低差面（53）而向另一方侧突出的阶梯部（52），在另一方的部位设置相对于阶梯部（52）延伸出且在其与阶梯部（52）之间形成微小间隙（H）的密封翅片（15），在密封翅片（15）的上游侧形成腔室（C），该腔室（C）形成主涡流，并且，与密封翅片（15）对置的阶梯部（52）突出以便于通过主涡流形成反向涡流，腔室（C）以轴向的宽度尺寸（W）和径向的高度尺寸（D）满足以下的式（1）的方式形成，0.45≤D/W≤2.67……（1）。
【专利说明】 ;呙轮
【技术领域】
[0001]本发明涉及在例如发电设备、化学设备、燃气设备、炼铁厂、船舶等中使用的涡轮。
[0002]本申请基于在2011年9月20日向日本提出申请的日本特愿2011-204138号而主张优先权，并将其内容援引于此。
【背景技术】
[0003]作为蒸汽涡轮的一种，已知有具备壳体、以旋转自如的方式设置在壳体的内部的轴体(转子)、固定在壳体的内周部而配置的多个静叶片、在这多个静叶片的下游侧呈放射状地设于轴体的多个动叶片的蒸汽涡轮。这种蒸汽涡轮中的冲击式涡轮的情况下，将蒸汽的压力能量通过静叶片转换成速度能量，并将该速度能量通过动叶片转换成旋转能量(机械能量)。而且，在反作用式涡轮的情况下，在动叶片内也将压力能量转换成速度能量，通过蒸汽喷出的反作用力转换成旋转能量(机械能量)。
[0004]在这种蒸汽涡轮中，在动叶片的前端部与包围动叶片而形成蒸汽的流路的壳体之间形成径向的间隙。而且，在静叶片的前端部与轴体之间也形成有径向的间隙。然而，在动叶片的前端部的间隙内向下游侧通过的泄漏蒸汽对动叶片不施加旋转力。而且，在静叶片前端部的间隙内向下游侧通过的泄漏蒸汽未由静叶片将压力能量转换成速度能量，因此对下游动叶片几乎不施加旋转力。因此，为了提高蒸汽涡轮的性能，需要减少通过所述间隙的泄漏蒸汽的量。
[0005]在下述专利文献I中，提出了一种在动叶片的前端部设有高度从轴向上游侧朝向下游侧逐渐升高的阶梯部，在壳体设有相对于所述阶梯部具有间隙的密封翅片的结构。
[0006]通过这种结构，穿过密封翅片的间隙的泄漏流与阶梯部的形成高低差面的端缘部碰撞，使流动阻力增大，由此实现泄漏流量的减少化。
[0007]在先技术文献
[0008]专利文献
[0009]专利文献1:日本特开2006-291967号公报
【发明内容】
[0010]发明要解决的课题
[0011]然而，对蒸汽涡轮的性能提高的愿望强烈，因此要求进一步减少泄漏流量。
[0012]本发明考虑到这种情况而作出，其目的在于提供一种能够进一步减少泄漏流量的高性能的涡轮。
[0013]解决方案
[0014]根据本发明的第一形态，涡轮具备:叶片；以及结构体，其隔开间隙设置在所述叶片的前端侧，且相对于所述叶片相对地绕轴中心旋转，所述涡轮中，在所述叶片的前端部和所述结构体的与所述前端部对应的部位中的一方设置具有高低差面且向另一方侧突出的阶梯部，在另一方设置相对于所述阶梯部延伸出且在与所述阶梯部之间形成有微小间隙H的密封翅片，在所述密封翅片的上游侧形成腔室，该腔室形成主涡流，并且，与所述密封翅片相对的所述阶梯部突出以便于由所述主涡流形成反向涡流，所述腔室以轴向的宽度尺寸W和径向的高度尺寸D满足以下的式(I)的方式形成，
[0015]0.45 ( D/W ( 2.67......(I)。
[0016]根据这样的涡轮，向腔室内流入的流体与阶梯部的形成端缘部的高低差面即阶梯部的朝向上游侧的面碰撞，返回上游侧而产生绕第一方向旋转的主涡流。而且，此时，尤其是在所述高低差面的端缘部，一部分的流动从所述主涡流剥离，由此产生绕与所述第一方向相反的方向旋转的剥离涡流即反向涡流。该反向涡流在密封翅片的上游作为强的下降流发挥作用，对于通过形成在密封翅片的前端部与阶梯部之间的微小间隙H的流体发挥缩流效果。此外，在该反向涡流内发生静压下降，因此能够减少密封翅片的上游与下游之间的差压。
[0017]另外，基 于后述的模拟结果，以满足上述式(I)的方式规定轴向的宽度尺寸W与径向的高度尺寸D的关系，由此，在腔室的深度浅时即D/W小于0.45时，能够防止反向涡流向结构体附着而弱化，无法得到充分的差压减少效果及缩流效果的情况。并且，能够防止主涡流的形状沿着轴向成为扁平，阶梯部跟前的流动变弱而反向涡流的缩流效果及差压减少效果下降的情况。反之在腔室的深度深时即D/W比2.67大时，能够防止主涡流的形状沿着径向成为扁平，阶梯部跟前的流动减弱而反向涡流的缩流效果及差压减少效果下降的情况。
[0018]根据本发明 的第二形态，在本发明的第一形态的涡轮中，所述腔室以所述轴向的宽度尺寸W和所述径向的高度尺寸D满足以下的式(2)的方式形成，
[0019]0.56 ( D/W ( 1.95......(2)。
[0020]基于后述的模拟结果，以满足上述式(2)的方式规定轴向的宽度尺寸W与径向的高度尺寸D的关系，由此，反向涡流的下降流产生的缩流效果、及反向涡流内的静压下降产生的差压减少效果进一步提高，能够进一步减少流体的泄漏流量。
[0021]根据本发明的第三形态，在本发明的第一形态的涡轮中，所述腔室以所述轴向的宽度尺寸W和所述径向的高度尺寸D满足以下的式(3)的方式形成，
[0022]0.69 ^ D/ff ^ 1.25......(3)。
[0023]基于后述的模拟结果，以满足上述式(3)的方式规定轴向的宽度尺寸W与径向的高度尺寸D的关系，由此，反向涡流的下降流效果产生的缩流效果、及反向涡流内的静压下降产生的差压减少效果进一步提高，能够进一步减少流体的泄漏流量。
[0024]根据本发明的第四形态，在本发明的第一形态至第三形态的涡轮中，所述密封翅片与所述阶梯部的上游侧的端缘部之间的距离L和所述微小间隙H形成为距离L中的至少一个满足以下的式(4)，
[0025]0.7H ≤ L ≤ 0.3W......(4)。
[0026]基于后述的模拟结果，以满足上述式(4)的方式规定距离L与形成在密封翅片的前端部和阶梯部之间的微小间隙H的关系，由此，反向涡流产生的缩流效果及差压减少效果进一步提高，能够进一步减少泄漏流量。
[0027]根据本发明的第五形态，在本发明的第一形态至第四形态的涡轮中，所述密封翅片与所述阶梯部的上游侧的端缘部之间的距离L和所述微小间隙H形成为距离L中的至少一个满足以下的式(5)，[0028]1.25H ≤ L ≤ 2.75H (其中，L ≤ 0.3W)......(5)。
[0029]基于后述的模拟结果，以满足上述式(5)的方式规定距离L与微小间隙H的关系，由此，反向涡流产生的缩流效果及差压减少效果进一步提高，能够进一步减少泄漏流量。
[0030]发明效果
[0031]根据上述的涡轮，通过反向涡流产生的缩流效果及差压减少，能够减少流体的泄漏流量，能够实现高性能化。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是表示本发明的实施方式的蒸汽涡轮的概略结构剖视图。
[0033]图2是表示本发明的实施方式的蒸汽涡轮的图，是表示图1的主要部分I的放大首1J视图。
[0034]图3是表示本发明的实施方式的蒸汽涡轮的图，是图1中的主要部分I的作用说明图。
[0035]图4是表示本发明的实施方式的蒸汽涡轮的模拟结果(实施例1)的坐标图。
[0036]图5是表示本发明的实施方式的蒸汽涡轮的模拟结果(实施例2)的坐标图。
[0037]图6是图5的范围[I]内的流动模式说明图。
[0038]图7是图5的范围[2]内的流动模式说明图。
[0039]图8是图5的范围[3]内的流动模式说明图。
【具体实施方式】
[0040]以下，对本发明的实施方式的蒸汽涡轮(涡轮)I进行说明。
[0041]蒸汽涡轮I是将蒸汽S的能量作为旋转动力取出的外燃机，在发电所的发电机等中使用。
[0042]如图1所示，蒸汽涡轮I的主要的结构具备:壳体10 ;对向壳体10流入的蒸汽S的量和压力进行调整的调整阀20 ;旋转自如地设置在壳体10的内侧并将动力向未图示的发电机等机械传递的轴体(结构体)30 ;保持于壳体10的静叶片40 ;设于轴体30的动叶片50 ;及将轴体30支承为能够绕轴旋转的轴承部60。
[0043]壳体10的内部空间被气密地密封。壳体10形成蒸汽S的流路。在该壳体10的内壁面上牢固地固定有供轴体30插通的环状的分隔板外圈11。
[0044]调整阀20在壳体10的内部安装多个。调整阀20分别具备从未图示的锅炉流入蒸汽S的调整阀室21、阀芯22、及阀座23。当阀芯22从阀座23分离时，蒸汽流路打开，蒸汽S经由蒸汽室24向壳体10的内部空间流入。
[0045]轴体30具备轴主体31和从该轴主体31的外周向径向延伸的多个轮盘32。该轴体30将旋转能量向未图示的发电机等机械传递。
[0046]静叶片40以将轴体30包围的方式呈放射状地配置多个而构成环状静叶片组。静叶片40分别保持于前述的分隔板外圈11。这些静叶片40中，径向上的内侧由供轴体30插通的环状的轮毂护罩41连结， 前端部相对于轴体30以隔开径向的间隙的方式设置。
[0047]由这多个静叶片40构成的环状静叶片组沿着轴向隔开间隔而形成六个。环状静叶片组将蒸汽S的压力能量转换成速度能量，而向与下游侧相邻的动叶片50侧引导。[0048]动叶片50牢固地安装在轴体30具有的轮盘32的外周部。该动叶片50在各环状静叶片组的下游侧，呈放射状地配置多个而构成环状动叶片组。
[0049]所述环状静叶片组与环状动叶片组以一组一级的方式构成。即，蒸汽涡轮I构成为六级。其中，最终级的动叶片50的前端部由沿着周向延伸的尖端护罩51构成。
[0050]这里，静叶片40、轮毂护罩41、尖端护罩51、及动叶片50是本发明中的“叶片”。并且，在将动叶片50及尖端护罩51作为“叶片”时，分隔板外圈11为“结构体”。另一方面，在静叶片40及轮毂护罩41作为“叶片”时，轴体30为“结构体”(参照图1中的主要部分J)。需要说明的是，在以下的说明中，以分隔板外圈11为“结构体”，以动叶片50为“叶片”进行说明。
[0051]如图2所示，成为动叶片(叶片)50的前端部的尖端护罩51在壳体10的径向上隔着间隙而与分隔板外圈(结构体)11相对配置。尖端护罩51具备阶梯部52 (52A?52C)，该阶梯部52 (52A?52C)具有高低差面53 (53A?53C)而向分隔板外圈11侧突出。
[0052]在本实施方式中，尖端护罩51具备三个阶梯部52 (52A?52C)，这三个阶梯部52A?52C设置成从动叶片50突出的突出高度随着从轴体30的轴向上游侧朝向下游侧而逐渐升高。即，在阶梯部52A?52C中，形成高低差的高低差面53 (53A?53C)形成为朝着轴向上游侧的向前朝向。
[0053]在分隔板外圈11上的与所述尖端护罩51对应的部位形成有环状槽11a。在该环状槽Ila内收容有尖端护罩51。
[0054]该分隔板外圈11的环状槽Ila中的槽底面Ilb在本实施方式中在轴向上以与各阶梯部52 (52A?52C)对应的方式朝向轴向形成为阶梯形状。S卩，从阶梯部52 (52A?52C)到槽底面Ilb的径向距离成为一定。
[0055]另外，在该槽底面Ilb设有朝着尖端护罩51而向径向内侧延伸的三个密封翅片15(15A ?15C)。
[0056]所述密封翅片15 (15A?15C)在阶梯部52 (52A?52C)以1:1对应的方式分别从槽底面Ilb延伸设置。在密封翅片15 (15A?15C)与对应的阶梯部52之间沿着径向形成有微小间隙H。该微小间隙H (Hl?H3)的各尺寸在考虑了壳体10、动叶片50的热伸长量、动叶片50的离心伸长量等的基础上，在两者不接触的安全的范围内设定为最小的尺寸。
[0057]需要说明的是，在本实施方式中，Hl?H3全部成为相同尺寸。但是，根据需要，也可以将它们适当改变。
[0058]在这种结构的基础上，在尖端护罩51侧与分隔板外圈11之间，在所述环状槽Ila内，对应于各阶梯部52的每一个而形成腔室C (Cl?C3)。
[0059]腔室C (Cl?C3)形成在与各阶梯部52对应的密封翅片15和在轴向上游侧与该密封翅片15相对的隔壁之间。
[0060]在与位于轴向最上游侧的第一级的阶梯部52A对应的第一腔室Cl内，所述隔壁由所述环状槽Ila的轴向上游侧的内壁面54形成。因此，在该内壁面54和与第一级的阶梯部52A对应的密封翅片15A之间，进而在尖端护罩51侧与分隔板外圈11之间，形成有第一腔室Cl。
[0061]另外，在与第二级的阶梯部52B对应的第二腔室C2内，所述隔壁由与位于轴向上游侧的阶梯部52A对应的密封翅片15A形成。因此，在密封翅片15A与密封翅片15B之间，进而在尖端护罩51与分隔板外圈11之间，形成有第二腔室C2。
[0062]同样地,在密封翅片15B与密封翅片15C之间,进而在尖端护罩51与分隔板外圈11之间，形成有第三腔室C3。
[0063]在这种腔室C (Cl~C3)内，将密封翅片15 (15A~15C)的前端部和与密封翅片15 (15A~15C)的前端部为同径上的所述隔壁之间的轴向距离即腔室C (Cl~C3)的宽度尺寸设为腔室宽度W (Wl~W3)。
[0064]即，在第一腔室Cl内，将所述内壁面54与密封翅片15A之间的距离设为腔室宽度Wlo而且,在第二腔室C2内，将密封翅片15A与密封翅片15B之间的距离设为腔室宽度W2。而且，在第三腔室C3内，将密封翅片15B与密封翅片15C之间的距离设为腔室宽度W3。需要说明的是，在本实施方式中，Wl~W3全部成为相同尺寸。但是，根据需要，也可以将它们适当改变。
[0065]另外，在腔室C (Cl~C3)内，将尖端护罩51与分隔板外圈11之间的径向距离即腔室C (Cl~C3)的高度尺寸设为腔室高度D (Dl~D3)。
[0066]即，在第二腔室C2内，将阶梯部52B与分隔板外圈11之间的径向距离设为腔室高度D2。在第三腔室C3内，将阶梯部52C与分隔板外圈11之间的径向距离设为腔室高度D3。但是，在第一腔室Cl内，将与阶梯部52A的旋转轴方向的位置对应的尖端护罩51的朝向径向内侧的面与分隔板外圈11之间的距离设为腔室高度D1。
[0067]另外，如图3所示，在对阶梯部52A的朝向轴向上游侧及径向内侧的面实施倒圆角时，将朝向径向内侧的面的直线部分朝着轴线方向上游侧延长的位置与分隔板外圈11之间的距离设为腔室高度Dl。
[0068]需要说明的是，在本实施方式中，Dl~D3全部成为相同尺寸。但是，根据需要，也可以将它们适当改变。
[0069]并且，上述腔室宽度W (Wl~W3)和腔室高度D (Dl~D3)满足以下的式(I)而形成。
[0070]0.45 ( D/W ( 2.67......(I)
[0071]另外，所述腔室宽度W (Wl~W3)和腔室高度D (Dl~D3)更优选满足以下的式
(2)而形成，进一步优选满足以下的式(3)而形成。
[0072]0.56 ( D/W ( 1.95......(2)
[0073]0.69 ( D/W ( 1.25......(3)
[0074]进而，将所述密封翅片15和与之对应的各阶梯部52的轴向上游侧的端缘部55之间的轴向的距离设为L (LI~L3)时，该距离L中的至少一个满足以下的式(4)而形成。
[0075]0.7H ^ L ^ 0.3W......(4)
[0076]另外，该距离L中的至少一个更优选满足以下的式(5)而形成。
[0077]1.25H ≤ L ≤2.75H (其中，L ≤ 0.3W)......(5)
[0078]轴承部60具备轴颈轴承装置61及推力轴承装置62，将轴体30支承为能够旋转。
[0079]根据这种蒸汽涡轮1，首先，将调整阀20 (参照图1)设为开状态时，蒸汽S从未图示的锅炉向壳体10的内部空间流入。
[0080]向壳体10的内部空间流入的蒸汽S依次通过各级的环状静叶片组和环状动叶片组。此时，压力能量由静叶片40转换成速度能量。并且，经过静叶片40的蒸汽S中的大部分向构成同一级的动叶片50之间流入，通过动叶片50将蒸汽S的速度能量转换成旋转能量，向轴体30施加旋转。另一方面，蒸汽S中的一部分(例如，几％)成为从静叶片40流出之后向环状槽Ila内流入的所谓泄漏蒸汽。
[0081]这里，如图3所示，向环状槽Ila内流入的蒸汽S首先向第一腔室Cl流入，与阶梯部52A的高低差面53A碰撞，以返回上游侧的方式流动，例如在图3的纸面上产生绕逆时针(第一方向)旋转的主涡流Yl。
[0082]此时，尤其是在阶梯部52A的上述端缘部55，一部分的流动从上述主涡流Yl剥离，由此向该主涡流Yl的相反方向，在本例中在图3的纸面上顺时针旋转地产生反向涡流Y2。该反向涡流Y2发挥减少通过密封翅片15A与阶梯部52A之间的微小间隙Hl的泄漏流的缩流效果。
[0083]S卩，如图3所示，当形成反向涡流Y2时，在该反向涡流Y2中，在密封翅片15A的轴向上游侧，产生速度向量朝向径向内侧的下降流。该下降流在所述微小间隙Hl的紧前方保有朝向径向内侧的惯性力。因此，对于通过所述微小间隙Hl的流动，发挥向径向内侧收缩的效果，即发挥缩流效果，能够减少泄漏流量。
[0084]另外，在该反向涡流Y2内部，产生静压下降，因此能够减少密封翅片15A的上游侧与下游侧之间的差压。其结果是，能够减少泄漏流量。
[0085]即使在密封翅片15B、15C的上游侧，也与密封翅片15A的上游侧同样地，能够通过形成反向涡流Y2而减少泄漏流量。
[0086]这里，在上述反向涡流Y2中，在腔室C (Cl?C3)的腔室高度D (Dl?D3)与腔室宽度W (Wl?W3)的比率在一定程度上小时，该反向涡流Y2向分隔板外圈11附着而弱化，无法得到充分的差压减少效果及缩流效果。
[0087]此外，在腔室C (Cl?C3)的腔室高度D (Dl?D3)与腔室宽度W (Wl?W3)的比率在一定程度上小时，主涡流Yl的形状沿着轴向成为扁平，阶梯部52 (52A?52C)的跟前的流动减弱，由此，反向涡流Y2的差压减少效果及缩流效果下降。
[0088]反之，在腔室高度D (Dl?D3)与腔室宽度W (Wl?W3)的比率在一定程度上大时，主涡流Yl的形状沿着径向成为扁平，阶梯部52 (52A?52C)的跟前的流动减弱，由此，反向涡流Y2的差压减少效果及缩流效果下降。
[0089]然而，在本实施方式中，以满足上述式(I)优选满足上述式(2)或上述式(3)的方式设定腔室宽度w (Wl?W3)和腔室高度D (Dl?D3)，因此能够得到充分的差压减少效果及缩流效果。
[0090]另外，如图3所示，若假定反向涡流Y2形成正圆，则在该反向涡流Y2的直径成为所述微小间隙Hl的2倍而其外周与密封翅片15A相接时，即L1=2H1 (L=2H)时，该反向涡流Y2的下降流的朝向径向内侧的速度分量为最大的位置与密封翅片15A的前端(内端缘)一致。因此，该下降流更良好地通过所述微小间隙Hl的紧前方，因此对泄漏流的缩流效果
变得最大。
[0091]并且，在本实施方式中，以满足上述式(4)优选满足上述式(5)的方式将距离设定为L (LI?L3)，因此能够得到充分的缩流效果及缩流效果。
[0092]这里，若满足所述的式(I)至式(5)中的任一个的条件，则不会受到运转条件的影响，能够得到本发明想要的缩流效果及差压减少效果。但是，即使在停止时满足，若在运转时不满足，则无法得到想要的效果，因此所述的式(I)至式(5)的条件必须“在运转时满足”。
[0093]在本实施方式的蒸汽涡轮I中，由于反向涡流Y2产生的下降流，在密封翅片15(15A?15C)的上游侧，能够将朝向径向内侧的力向蒸汽S施加。因此，对于通过微小间隙H (Hl?H3)的蒸汽S能够发挥缩流效果，能够减少泄漏流量。
[0094]另外，由于反向涡流Y2内部的静压下降，能够得到差压减少效果，其结果是，能够降低泄漏流量。
[0095]并且，以腔室宽度W (Wl?W3)和腔室高度D (Dl?D3)满足上述式(I)或上述式(2)或上述式(3)的方式构成蒸汽涡轮I。因此，能够防止反向涡流Y2向分隔板外圈11附着而弱化的情况，对于蒸汽S能够得到充分的缩流效果及差压减少效果。
[0096]另外，也能够防止主涡流Yl的形状成为扁平的情况，能够得到反向涡流Y2产生的充分的缩流效果。进而，通过差压减少效果，能够减少通过微小间隙H (Hl?H3)的蒸汽S的流量，能够减少泄漏流量。如此，能够提高蒸汽涡轮I的性能。
[0097]进而，以L (LI?L3)满足上述式(4)优选满足上述式(5)的方式设定距离，由此能够最大限度地产生反向涡流Y2的下降流，通过缩流效果及差压减少效果产生的泄漏流量的减少，能够进一步提高蒸汽涡轮I的性能。
[0098]需要说明的是，虽然参照附图，详细说明了本发明的实施方式，但具体的结构并不局限于本实施方式，也包括不脱离本发明的主旨的范围的结构的变更等。
[0099]例如，在本实施方式中，说明了使用动叶片50与分隔板外圈11之间的反向涡流Y2的蒸汽S的泄漏流量减少，但如上述那样在静叶片40与轴体30之间也能够适用同样的手法，能够减少蒸汽S的泄漏流量。
[0100]此外，在实施方式中，在构成动叶片50的前端部的尖端护罩51形成有阶梯部52(52A?52C)，在分隔板外圈11设置有密封翅片15 (15A?15C)。然而，也可以在分隔板外圈11形成阶梯部52，在尖端护罩51设置密封翅片15。需要说明的是，这种情况下，在轴向最上游侧的腔室C内未形成反向涡流Y2。因此，无法直接适用本发明的D/W的数值限定。因此，与将静叶片40及轮毂护罩41设为“叶片”而在轴体30侧形成了阶梯部52的情况同样地，本发明的D/W的数值限定无法适用。
[0101]另外，设置有密封翅片15的一侧也可以不形成为阶梯形状，而可以形成为例如平面形状、锥面、曲面。但是这种情况下，需要以满足上述式(I)优选满足上述式(2)或上述式
(3)的方式设定腔室高度D (Dl?D3)。
[0102]进而，在本实施方式中，设于壳体10的分隔板外圈11为结构体，但也可以不设置这种分隔板外圈11而壳体10自身构成作为结构体。即，该结构体只要是包围动叶片50且以流体通过动叶片间的方式规定流路的结构即可，可以是任意的构件。
[0103]另外，在本实施方式中，阶梯部52设置多个，由此腔室C也形成多个，但上述阶梯部52、与之对应的腔室C的个数任意，可以为一个、三个或四个以上。
[0104]另外，如本实施方式那样，密封翅片15与阶梯部52未必非要以1:1对应。而且，与密封翅片15相比，也无需将阶梯部52减少I个。密封翅片15及阶梯部52的个数也可以任意设计。[0105]此外，在本实施方式中，在最终级的动叶片50、静叶片40中适用了上述发明，但也可以在其他的级的动叶片50、静叶片40中适用上述发明。
[0106]另外，在本实施方式中，将上述发明适用于凝汽式的蒸汽涡轮，但是在其他的型式的蒸汽涡轮例如二级抽气涡轮、抽气涡轮、混合气体涡轮等涡轮型式中也可以适用上述发明。
[0107]此外，在本实施方式中，将上述发明适用于蒸汽涡轮，但是在燃气涡轮中也可以适用上述发明，进而，在具有旋转叶片的全部的装置中可以适用上述发明。
[0108]实施例1
[0109]这里，如上述那样，从能够得到充分的缩流效果的腔室高度D (Dl~D3)与腔室宽度W (Wl~W3)的比率存在这样的见解出发，进行模拟，并确认了该条件。
[0110]图4所示的坐标图的横轴表示将腔室高度D除以腔室宽度W，表示无量纲化的数值。而且，纵轴表示流量系数减少效果及流量系数α。需要说明的是，关于纵轴的流量系数减少效果，设流量系数α=1时即泄漏流量最大时为0%，设本实施方式中的最小的流量系数α =0.54即泄漏流量成为最小时为100%,对于该流量系数a =1的最大的泄漏流量,示出是否能够得到几％的流量系数减少效果即是否能够得到泄漏量减少率。
[0111]根据图4所示的结果能够确认到如下情况:腔室高度D及腔室宽度W优选设为满足上述式(I)的范围，更优选设为满足上述式(2)的范围，而且，进一步优选设为满足上述式(3)的范围。
[0112]在图4所示的范围[I] (D/ff=0.45)中，能够确认到可实现约50%的泄漏量减少率的情况。因此，在D/W=0.45中，相对于腔室宽度W而腔室高度D减小，因此主涡流Yl沿着轴向成为扁平形状而发生主涡流Yl的弱化，反向涡流Y2也弱化。因此，无法最大限度地得到缩流效果及差压减少效果。然而，能够确认到得到一定程度上的效果(约50%)的情况。
[0113]在图4所示的范围[2] (0.45〈0/1≤0.85)中，对应于0/1的增加，泄漏量减少率急剧增加，在D/W=0.56下成为约70%，在D/W=0.69下成为约90%，在D/W=0.85中，能够确认到成为作为最大值的100%的情况。即，随着接近D/W=0.85，未发生上述那样的反向涡流Y2的弱化，能够得到最大限度的缩流效果及差压减少效果。反之，随着接近D/W=0.45而主涡流Yl沿着轴向成为扁平形状，发生主涡流Yl的弱化，反向涡流Y2也弱化。
[0114]此外，能够确认到随着接近D/W=0.45而泄漏量减少率急剧下降的情况。这是因为，反向涡流Y2向分隔板外圈11附着，该反向涡流Y2急剧弱化，由此，缩流效果及差压减少效果急剧减少。
[0115]此外，在图4所示的范围[3] (0.85〈0/1≤2.67)中，在0/1=0.85中，泄漏量减少率表示了最大值之后，能够确认到泄漏量减少率逐渐下降的情况。并且，能够确认到在D/ff=l.25下泄漏量减少率下降至约90%，在D/W=l.95下泄漏量减少率下降至约70%，在D/W=2.67下泄漏量减少率下降至约50%。因此，相对于腔室宽度W而腔室高度D增大，因此主涡流Yl沿着径向成为扁平形状，发生主涡流Yl的弱化，反向涡流Y2也弱化。因此，无法最大限度地得到缩流效果及差压减少效果。然而，能够确认到在D/W ( 2.67的范围之前能得到一定程度上的效果(约50%)。
[0116]并且，在图4所示的范围[4] (2.67〈D/W)中，泄漏量减少率成为50%以下，由于主涡流Yl的弱化引起的反向涡流Y2的弱化，而无法得到充分的缩流效果及差压减少效果。
[0117]根据以上的模拟结果，在本实施方式中，腔室宽度W及腔室高度D设定为满足上述式(I)即满足0.45 ≤ D/w≤ 2.67的范围，能得到50%以上的泄漏量减少率。因此，在本实施方式的蒸汽涡轮I中，泄漏流量减少，能够实现高性能化。
[0118]另外，腔室宽度W及腔室高度D若设定为满足上述式(2)即0.56 ≤D/W≤1.95的范围，则能得到约70%以上的泄漏量减少率。因此，本实施方式的蒸汽涡轮I的泄漏流量进一步减少，能够实现高性能化。此外，腔室宽度W及腔室高度D若设定为满足上述式(3) SP
.0.69 ≤D/W ≤1.25的范围，则能得到约90%以上的泄漏量减少率。因此，泄漏流量进一步减少，能够实现高性能化。
[0119]实施例2
[0120]接下来，如上述那样，从最大限度地产生反向涡流Y2的下降流的效果且能够得到充分的缩流效果的距离L (L1~L3)存在这样的见解出发，进行模拟，并确认了该条件。
[0121]图5所示的坐标图的横轴表示距离L的尺寸(长度)，纵轴表示涡轮效率变化及泄漏量变化率(泄漏流量的变化率)。需要说明的是，关于涡轮效率变化及泄漏量变化率，表示相对于一般性的阶梯翅片结构中的涡轮效率、泄漏流量的大小。而且，在该坐标图中，横轴及纵轴的刻度不是对数等的特殊的刻度，而是一般性的等差刻度。
[0122]根据图5所示的结果能够确认到，距离L优选满足上述式(4)的范围，更优选满足上述式(5)的范围。
[0123]在图5所示的范围[I] (L〈0.7H)中，如图6所示,能够确认到在端缘部55未生成反向涡流Y2，因此在密封翅片15的轴向上游侧未形成下降流。因此，几乎无法得到下降流产生的对泄漏流的缩流效果，如图5所示，泄漏量变化率高(+侧)，即，泄漏流量增加。因此，涡轮效率变化低(_侧)，即，涡轮效率下降。
[0124]在图5所示的范围[2](0.7H ≤ L ≤ 0.3W),即上述式(4)的范围内，如图7所示,确认到在端缘部55生成反向涡流Y2，其下降流的强的部分(箭头F)位于密封翅片15的前端附近。因此，能充分得到下降流对泄漏流的缩流效果，如图5所示，泄漏量变化率低(-侧)，即，泄漏流量减少。由此，涡轮效率变化高(+侧)，即，涡轮效率提高。
[0125]在图5所示的范围[2a] (0.7H≤L〈l.25H)中，确认到虽然在端缘部55生成反向涡流Y2，但比较小，下降流的变得最强的部分F处于比密封翅片15的前端靠径向内侧的与微小间隙H内对应的位置。因此，如图5所示，虽然能充分得到下降流产生的对泄漏流的缩流效果，但是比后述的范围[2b]低。
[0126]在图5所示的范围[2b] (1.25H≤L≤2.75H)中，确认到在端缘部55生成强的反向涡流Y2，该反向涡流Y2的下降流的变得最强的部分F与密封翅片15的前端大体一致。因此，如图5所示，下降流产生的对泄漏流的缩流效果变得最高。
[0127]尤其是如前述那样，在L=2H附近，泄漏流量变得最小，涡轮效率变得最大。
[0128]此外，在图5所示的范围[2c] (2.75H〈L ≤ 0.3W)中，确认到在端缘部55生成的反向涡流Y2变大，下降流的变得最强的部分F由密封翅片15的前端开始向径向外侧分离。因此，如图5所示，虽然能充分得到下降流对泄漏流的缩流效果，但比所述范围[2b]低。
[0129]另外，在图5所示的范围[3] (0.3W〈L)中，如图8所示，在端缘部55生成的反向涡流Y2附着于环状槽Ila的槽底面11b，形成大的涡流。因此，反向涡流Y2的下降流的变强的部分F向密封翅片15的中间高度附近移动。因此，确认到在密封翅片15的前端部分未形成强的下降流的情况。因此，几乎未得到下降流对泄漏流的缩流效果，如图5所示，泄漏量变化率高(+侧)，即，泄漏流量增加。由此，涡轮效率变化低(-侧)，即，涡轮效率下降。
[0130]根据以上的模拟结果，在本实施方式中，距离L设定为满足上述式(4)的范围。
[0131]由此，在上述的各腔室Cl~C3中，各阶梯部52A~52C和与之对应的密封翅片15A~15C之间，进而在与腔室宽度W之间的相互的位置关系满足上述式(4)，即满足
0.7H^L^0.3W。因此，反向涡流Y2产生的缩流效果充分升高，泄漏流量比以往格外减少。因此，在具备这种密封结构的蒸汽涡轮I中，泄漏流量进一步减少，能够实现高性能化。
[0132]另外，距离L若设定为满足式(5)即1.25H≤L≤2.75H的范围，则反向涡流Y2产生的缩流效果进一步升高，泄漏流量进一步减少。因此，根据蒸汽涡轮1，能够实现进一步的高性能化。
[0133]另外，在该蒸汽涡轮I中，阶梯部形成3级，因此，腔室C形成三个。因此，在各腔室C中，通过前述的缩流效果能够实现泄漏流量的减少化，作为整体能够实现更充分的泄漏流量的减少化。
[0134]工业实用性
[0135]根据上述的涡轮，通过反向涡流产生的缩流效果及差压减少，能够减少流体的泄漏流量，能够实现高性能化。
[0136]标号说明
[0137]I…蒸汽涡轮 (涡轮)
[0138]10…壳体
[0139]11…分隔板外圈(结构体)
[0140]Ila…环状槽
[0141]Ilb…槽底面
[0142]15 (15A~15C)…密封翅片
[0143]30…轴体(结构体)
[0144]40…静叶片(叶片)
[0145]41…轮毂护罩
[0146]50…动叶片(叶片)
[0147]51…尖端护罩
[0148]52 (52A ~52C)…阶梯部
[0149]53 (53A~53C)…高低差面
[0150]54…内壁面
[0151]55…端缘部
[0152]C (Cl ~C3)…腔室
[0153]H (Hl~H3)…微小间隙
[0154]W (Wl~W3)…腔室宽度
[0155]D (Dl~D3)…腔室高度
[0156]L (LI ~L3)…距离
[0157]S…蒸汽
[0158]Yl…主涡流
[0159]Y2…反向涡流
【权利要求】
1.一种涡轮，其具备: 叶片；以及 结构体，其隔开间隙设置在所述叶片的前端侧，且相对于所述叶片相对地绕轴中心旋转， 所述涡轮中， 在所述叶片的前端部和所述结构体的与所述前端部对应的部位中的一方设置具有高低差面且向另一方侧突出的阶梯部，在另一方设置相对于所述阶梯部延伸出且在与所述阶梯部之间形成有微小间隙H的密封翅片， 在所述密封翅片的上游侧形成腔室，该腔室形成主涡流，并且，与所述密封翅片相对的所述阶梯部突出以便于由所述主涡流形成反向涡流， 所述腔室以轴向的宽度尺寸W和径向的高度尺寸D满足以下的式(I)的方式形成， . 0.45 ≤D/W ≤ 2.67......(1)。
2.根据权利要求1所述的涡轮，其中， 所述腔室以所述轴向的宽度尺寸W和所述径向的高度尺寸D满足以下的式(2)的方式形成， . 0.56 ≤ D/W ≤ 1.95......(2)。
3.根据权利要求1所述的涡轮，其中， 所述腔室以所述轴向的宽度尺寸W和所述径向的高度尺寸D满足以下的式(3)的方式形成， .0.69 ≤ D/W ≤1.25......(3)。
4.根据权利要求1~3中任一项所述的涡轮，其中， 所述密封翅片与所述阶梯部的上游侧的端缘部之间的距离L和所述微小间隙H形成为距离L中的至少一个满足以下的式(4)， .0.7H ≤ L ≤ 0.3W......(4)。
5.根据权利要求1~4中任一项所述的涡轮，其中， 所述密封翅片与所述阶梯部的上游侧的端缘部之间的距离L和所述微小间隙H形成为距离L中的至少一个满足以下的式(5)， . 1.25H ≤ L ≤ 2.75H (其中，L ≤ 0.3W)......(5)。
【文档编号】F01D11/08GK103717842SQ201280037866
【公开日】2014年4月9日 申请日期:2012年9月18日 优先权日:2011年9月20日
【发明者】桑村祥弘, 松本和幸, 大山宏治, 田中良典, 松尾朝春 申请人:三菱重工业株式会社