阅读说明：本技术 轴流涡轮机 (Axial flow turbine ) 是由 妹尾茂树 门间和弘 于 2019-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明提供能够降低干涉损失、二次流损失,并且降低混合损失的轴流涡轮机。轴流涡轮机具有设于膜片外圈(2)的内周侧的多个静叶片(3)、设于多个静叶片3的内周侧的膜片内圈(4)、设于转子(5)的外周侧的多个动叶片(6)、设于多个动叶片的外周侧的套筒(7)、主流路(8)以及腔室(13A)。主流路(8)由形成于膜片外圈的内周面(9)与膜片内圈的外周面(10)之间的流路和形成于套筒的内周面(11)与转子的外周面(12)之间的流路构成。腔室形成于膜片内圈与转子之间。转子的外周面具有多个突起部(15)及多个凹陷部(16)。各凹陷部沿穿过主流路的静叶片的工作流体的相对流向延伸。(The invention provides an axial flow turbine capable of reducing interference loss and secondary flow loss and reducing mixing loss. The axial flow turbine has a plurality of stationary blades (3) provided on the inner periphery side of a diaphragm outer ring (2), a diaphragm inner ring (4) provided on the inner periphery side of the plurality of stationary blades (3), a plurality of moving blades (6) provided on the outer periphery side of a rotor (5), a sleeve (7) provided on the outer periphery side of the plurality of moving blades, a main flow path (8), and a chamber (13A). The main flow path (8) is composed of a flow path formed between the inner peripheral surface (9) of the diaphragm outer ring and the outer peripheral surface (10) of the diaphragm inner ring, and a flow path formed between the inner peripheral surface (11) of the sleeve and the outer peripheral surface (12) of the rotor. The cavity is formed between the diaphragm inner ring and the rotor. The outer peripheral surface of the rotor has a plurality of protrusions (15) and a plurality of recesses (16). Each of the recesses extends in a relative flow direction of the working fluid passing through the stationary blades of the main flow path.)

轴流涡轮机

技术领域

本发明涉及一种用于发电厂的蒸汽涡轮机、燃气涡轮机等的轴流涡轮机。

背景技术

例如，轴流涡轮机具备：环状的膜片外圈，其设于外壳的内周侧；多个静叶片，其设于膜片外圈的内周侧，且沿周向排列；环状的膜片内圈，其设于多个静叶片的内周侧；转子；多个动叶片，其设于转子的外周侧，且沿周向排列；以及环状的套筒，以及其设于多个动叶片的外周侧。

轴流涡轮机的主流路由形成于膜片外圈的内周面与膜片内圈的外周面之间的流路和形成于套筒的内周面与转子的外周面之间的流路构成。在主流路配置有多个静叶片(换言之，一个静叶片列)，并且在它们的下游侧配置有多个动叶片(换言之，一个动叶片列)，这些静叶片与动叶片的组合构成了一个级落。一般来说，沿轴向设有多个级。在主流路流动的工作流体通过静叶片增速、转向，之后，对动叶片赋予旋转力。

在膜片内圈与转子之间形成有第一腔室。工作流体的一部分从主流路的静叶片的上游侧流入第一腔室，并从第一腔室流出至主流路的静叶片的下游侧。该工作流体没有通过静叶片増速、转向，因此产生损失。为了降低该损失，在第一腔室设有迷宫式密封。

在套筒与外壳或膜片外圈之间形成有第二腔室。工作流体的一部分从主流路的动叶片的上游侧流入第二腔室，并从第二腔室流出至主流路的动叶片的下游侧。该工作流体不对动叶片赋予旋转力，因此产生损失。为了降低该损失，在第二腔室设有迷宫式密封。

专利文献1例如提出了用于抑制从第一腔室朝向动叶片的叶片间流路的流的压力损失的转子的外周面的构造。详细来说，转子的外周面具有沿周向交替配置的多个突起部及多个凹陷部。多个突起部分别在周向上形成于包括动叶片的前缘位置的范围，且在轴向上形成于比动叶片的前缘位置靠上游侧。多个凹陷部分别在周向上位于相邻的动叶片的前缘之间，且在轴向上形成于比动叶片的前缘位置靠上游侧。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2008-248701号公报

发明内容

发明所要解决的课题

另外，例如，穿过主流路的静叶片的工作流体的绝对的流(详细来说，以静止体侧为基准的流)具有大的周向速度分量，与之相对地，从第一腔室向主流路流出的工作流体的绝对的流具有小的周向速度分量。换言之，穿过主流路的静叶片的工作流体的相对的流(详细来说，以旋转体侧为基准的流)具有转子的旋转方向的周向速度分量，与之相对地，从第一腔室向主流路流出的工作流体的相对的流具有与转子的旋转方向相反的周向速度分量。因此，在来自静叶片的流和来自第一腔室的流汇合时，产生混合损失。专利文献1的转子的外周面的凹陷部例如沿轴向延伸，对于降低上述的混合损失的方面，未进行考虑。

本发明的目的在于提供一种轴流涡轮机，其能够降低干涉损失、二次流损失，并且降低混合损失。

用于解决课题的方案

为实现上述目的，代表性的本发明的轴流涡轮机具备：膜片外圈，其设于外壳的内周侧；多个静叶片，其设于上述膜片外圈的内周侧，沿周向排列；膜片内圈，其设于上述多个静叶片的内周侧；转子；多个动叶片，其设于上述转子的外周侧，位于上述多个静叶片的下游侧，并且沿周向排列；套筒，其设于上述多个动叶片的外周侧；主流路，其由形成于上述膜片外圈的内周面与上述膜片内圈的外周面之间的流路和形成于上述套筒的内周面与上述转子的外周面之间的流路构成，供工作流体流通；以及腔室，其形成于上述膜片内圈与上述转子之间，工作流体的一部分从上述主流路的上述静叶片的上游侧流入，流出到上述主流路的上述静叶片的下游侧，其中，上述转子的外周面具有沿周向交替配置的多个突起部及多个凹陷部，上述多个突起部分别在周向上包括上述动叶片的前缘位置的范围形成于在轴方向上包括上述转子的外周面的前缘位置的范围，上述多个凹陷部分别位于在周向上相邻的上述动叶片的前缘之间，形成于在轴方向上包括上述转子的外周面的前缘位置的范围，且沿相对于穿过上述主流路的上述静叶片的工作流体的上述转子的相对流动方向延伸。

发明效果

根据本发明，能够降低干涉损失、二次流损失，并且降低混合损失。

附图说明

图1是示意性地表示本发明的第一实施方式的蒸汽涡轮机的局部构造的轴向剖视图。

图2是基于图1中截面II-II得到的周向剖视图，表示主流路内的流。

图3是表示本发明的第一实施方式的主流路的静叶片的下游侧的流和第一腔室的出口侧的流的差异的图和表示转子的外周面的构造的展开图。

图4是从图3中箭头IV方向观察到的图。

图5是表示本发明的第二实施方式的主流路的动叶片的下游侧的流和第二腔室的出口侧的流的差异的图和表示膜片外圈的内周面的构造的展开图。

图6是从图5中箭头VI方向观察到的图。

图中：

1—外壳，2—膜片外圈，3—静叶片，4—膜片内圈，5—转子，6—动叶片，7—套筒，8—主流路，9—膜片外圈的内周面，10—膜片内圈的外周面，11—套筒的内周面，12—转子的外周面，13A—腔室，13B—腔室，15—突起部，16—凹陷部，17—突起部，18—凹陷部。

具体实施方式

以下，参照附图，对将本发明应用于蒸汽涡轮机的情况的实施方式进行说明。

图1是示意性地表示本发明的第一实施方式的蒸汽涡轮机的局部构造的轴向剖视图。图2是基于图1中截面II-II得到的周向剖视图，表示主流路内的流。

本实施方式的蒸汽涡轮机具备设于外壳1的内周侧的环状的膜片外圈2、设于该膜片外圈2的内周侧的多个静叶片3、以及设于这些静叶片3的内周侧的环状的膜片内圈4。多个静叶片3在膜片外圈2与膜片内圈4之间沿周向以预定的间隔排列。

另外，蒸汽涡轮机具备转子5、设于该转子5的外周侧的多个动叶片6、以及设于这些动叶片6的外周侧的环状的套筒7。多个动叶片6在转子5与套筒7之间沿周向隔开预定的间隔排列。

蒸汽涡轮机的主流路8由形成于膜片外圈2的内周面9与膜片内圈4的外周面10之间的流路、形成于套筒7的内周面11与转子5的外周面12之间的流路构成。即，膜片外圈2具有内周面9，该内周面9连结多个静叶片3的外周侧，并且构成主流路8的壁面。膜片内圈4具有外周面10，该外周面10连结多个静叶片3的内周侧，并且构成主流路8的壁面。套筒7具有内周面11，该内周面11连结多个动叶片6的外周侧，并且构成主流路8的壁面。转子5具有外周面12，该外周面12连结多个动叶片6的内周侧，并且构成主流路8的壁面。

在主流路8中，配置有多个静叶片3(换言之，一个静叶片列)，并且在它们的下游侧(图1中右侧)配置有多个动叶片6(换言之，一个动叶片列)，这些静叶片3和动叶片6的组合构成一个级落。此外，在图1中，为了方便，仅示出第一级动叶片6、第二级静叶片3以及动叶片6，但是一般来说，为了高效地回收蒸汽(工作流体)的内部能，沿轴向设有三级以上。

主流路8内的蒸汽如图1中的白底箭头所示地流动。于是，利用通过静叶片3，蒸汽的内部能(换言之，压力能等)转换成动能(换言之，速度能)，利用动叶片6，蒸汽的动能转换成转子5的旋转能。另外，在转子5的端部连结有发电机(未图示)，转子5的旋转能通过该发电机转换成电能。

使用图2，对主流路8内的蒸汽的流(主流)进行说明。蒸汽从静叶片3的前缘侧(图2中上侧)以绝对速度矢量C1(详细来说，几乎不具有周向速度分量的绝对的流)流入。然后，在穿过静叶片3之间时増速、转向，成为绝对速度矢量C2(详细来说，具有较大的周向速度分量的绝对的流)，并从静叶片3的后缘侧(图2中下侧)流出。从静叶片3流出的蒸汽的大部分与动叶片6碰撞，使转子5以速度U旋转。此时，蒸汽在穿过动叶片6时减速、转向，从相对速度矢量W2变成相对速度矢量W3。因此，从动叶片6流出的蒸汽为绝对速度矢量C3(详细来说，几乎不具有周向速度分量的绝对的流)。

回到上述的图1，在膜片内圈4与转子5之间形成有腔室13A(第一腔室)。蒸汽的一部分从主流路8的静叶片3的上游侧流入腔室13A，从腔室13A流出到主流路8的静叶片3的下游侧。该蒸汽未通过静叶片3増速、转向，因此产生损失。为了降低该损失，在腔室13A设有迷宫式密封14A。迷宫式密封14A例如由设于膜片内圈4侧的多个翅片和形成于转子5侧的多个突起构成。

在套筒7与外壳1之间形成有腔室13B(第二腔室)。蒸汽的一部分从主流路8的动叶片6的上游侧流入腔室13B，从腔室13B流出到主流路8的动叶片6的下游侧。该蒸汽不对动叶片6赋予旋转力，因此产生损失。为了降低该损失，在腔室13B设有迷宫式密封14B。迷宫式密封14B例如由设于外壳1侧的多个翅片和形成于套筒7侧的多个突起构成。

另外，一般来说，在主流路8的动叶片6的入口侧产生周向的压力分布。详细来说，在周向上，在动叶片6的前缘的附近的区域，静压变得比较高。因此，在该区域，产生从主流路8朝向腔室13A的漏入流。另一方面，在周向上，在相邻的动叶片6的前缘的中间的区域，静压变得比较低。因此，在该区域，产生从腔室13A朝向主流路8的涌出流。于是，由于周向上的流的差异，干涉损失变大。另外，受到上述的流的差异的影响，动叶片6的二次流损失变大。

另外，一般来说，穿过主流路8的静叶片3的蒸汽的流和从腔室13A流出到主流路8的蒸汽的流不同。详细来说，如图2所示，主流路8的静叶片3的上游侧的蒸汽为几乎不具有周向速度分量的绝对的流，从主流路8流入腔室13A的蒸汽也是几乎不具有周向速度分量的绝对的流。但是，蒸汽在腔室13A流动时受到转子5的旋转的影响，因此如后述的图3的(a)所示，从腔室13A流出到主流路8的蒸汽成为绝对速度矢量C4(详细来说，具有小的周向速度分量的绝对的流)。换言之，从腔室13A流出到主流路8的蒸汽成为相对速度矢量W4(详细来说，具有与转子5的旋转方向相反的周向速度分量的相对的流)。

另一方面，如图2及后述的图3的(a)所示，穿过主流路8的静叶片3的蒸汽成为绝对速度矢量C2(详细来说，具有大的周向速度分量的绝对的流)。换言之，穿过主流路8的静叶片3的蒸汽成为相对速度矢量W2(详细来说，具有转子5的旋转方向的周向速度分量的相对的流)。因此，在来自静叶片3的流和来自腔室13A的流汇合时，产生混合损失。

因此，在本实施方式中，转子5的外周面12具有用于降低上述的干涉损失、二次流损失，并且降低上述的混合损失的构造。使用图3的(a)、(b)以及图4对其细节进行说明。图3的(a)是表示本实施方式的主流路的静叶片的下游侧的流和第一腔室的出口侧的流的差异的图。图3的(b)是表示本实施方式的转子的外周面的构造的展开图。图4是从图3的(b)中箭头IV方向观察到的图。此外，图3的(b)中的虚线示出了突起部及凹陷部的等高线。

本实施方式的转子5的外周面12为大致圆筒面，具有从该圆筒面向半径方向的外侧突出的多个突起部15和从圆筒面向半径方向的内侧凹陷的多个凹陷部16。突起部15及凹陷部16沿周向交替配置。

各突起部15在周向上形成于包括动叶片6的前缘位置P1的范围。具体来说，例如与动叶片6的最大宽度D1相同的范围，且其中心位置与动叶片6的前缘位置P1相同。另外，各突起部15在轴向上形成于包括转子5的外周面12的前缘位置且包括仅比动叶片6的前缘位置P1靠上游侧的范围。另外，各突起部15沿轴向延伸。

各凹陷部16在周向上位于相邻的动叶片6的前缘之间。具体来说，例如为叶片间的间距长度L1与动叶片6的最大宽度D1的差的范围，其中心位置位于相邻的动叶片6的前缘的中间。另外，各凹陷部16在轴向上形成于如下范围：包括转子5的外周面12的前缘位置，不仅包括比动叶片6的前缘位置P1靠上游侧，还包括比其靠下游侧，且不包括比取得叶片6的最大宽度D1的位置P3靠下游侧。

通过上述的转子5的外周面12的突起部15，其周向的范围的主流路8的宽度缩小。由此，其周向的范围的蒸汽的流速上升，静压下降。另外，通过上述的转子5的外周面12的凹陷部16，其周向的范围的主流路8的宽度扩大。由此，其周向的范围的蒸汽的流速下降，静压上升。因此，能够降低周向上的压力差，抑制周向上的流的差异。其结果，能够降低干涉损失、二次流损失。

进一步地，在本实施方式中，各凹陷部16沿穿过主流路8的静叶片3的蒸汽的相对的流向(换言之，相对速度矢量W2的朝向)延伸。详细来说，周向上的凹陷部16的各截面例如形成大致三角形状，连结各截面的底的直线成为蒸汽的相对的流向。另外，各凹陷部16形成为沿蒸汽的相对流向逐渐变浅。而且，来自腔室13A的蒸汽沿转子5的外周面12的凹陷部16流动，由此转向。特别是在本实施方式中，各凹陷部16在轴向上形成于不仅包括比动叶片6的前缘位置P1靠上游侧，还包括比动叶片6的前缘位置P1靠下游侧的范围，因此能够充分得到流转向作用。由此，能够将来自腔室13A的蒸汽向相对速度矢量W2的朝向转向，实现混合损失的降低。

此外，在第一实施方式中，突起部15以在周向上形成于与动叶片6的最大宽度D1相同的范围的情况为例进行了说明，但不限于此，例如，也可以在周向上形成于动叶片6的最大宽度D1的0.9～1.1倍的范围内。另外，在第一实施方式中，突起部15以在周向上中心位置与动叶片6的前缘位置P1相同的情况为例进行了说明，但不限于此，只要在周向上形成于包括动叶片6的前缘位置P1的范围，中心位置也可以与动叶片6的前缘位置P1不同。另外，在第一实施方式中，突起部15以沿轴向延伸的情况为例进行了说明，但不限于此，也可以与凹陷部16相同地，沿穿过主流路8的静叶片3的蒸汽相对于转子5的相对的流向(换言之，相对速度矢量W2的朝向)延伸。

另外，在第一实施方式中，凹陷部16以形成为在周向上与突起部15连续的情况为例进行了说明，但不限于此，也可以形成为在周向上与突起部15不连续。另外，在第一实施方式中，凹陷部16以在轴向上形成于不仅包括比动叶片6的前缘位置P1靠上游侧，还包括比动叶片6的前缘位置P1靠下游侧的范围的情况为例进行了说明，但不限于此。即，虽然不能充分得到流转向作用，但凹陷部16也可以在轴向上形成于仅包括比动叶片6的前缘位置P1靠上游侧的范围。

对本发明的第二实施方式进行说明。此外，在本实施方式中，与第一实施方式同等的部分标注相同的符号，并适当省略说明。

一般来说，在主流路8的静叶片3的入口侧产生周向的压力分布。详细来说，在周向上，在静叶片3的前缘的附近的区域，静压变得比较高。因此，在该区域，产生从主流路8朝向腔室13B的漏入流。另一方面，在周向上，在相邻的静叶片3的前缘的中间的区域，静压变得比较低。因此，在该区域，产生从腔室13B朝向主流路8的涌出流。于是，由于周向上的流的差异，干涉损失变大。另外，受到上述的流的差异的影响，静叶片3的二次流损失变大。

另外，一般来说，穿过主流路8的动叶片6的蒸汽的流和从腔室13B流出到主流路8的蒸汽的流不同。详细来说，如上述的图2所示，主流路8的动叶片6的上游侧的蒸汽为具有大的周向速度分量的绝对的流，从主流路8流入腔室13B的蒸汽也是具有大的周向速度分量的绝对的流。因此，如后述的图5的(a)所示，从腔室13B流出到主流路8的蒸汽成为绝对速度矢量C5(详细来说，具有大的周向速度分量的绝对的流)。另一方面，如上述的图2及后述的图5的(a)所示，穿过主流路8的动叶片6的蒸汽成为绝对速度矢量C3(详细来说，几乎不具有周向速度分量的绝对的流)。因此，在来自动叶片6的流和来自腔室13B的流汇合时，产生混合损失。

因此，在本实施方式中，膜片外圈2的内周面9具有用于降低上述的干涉损失、二次流损失，并且降低上述的混合损失的构造。使用图5的(a)、图5的(b)以及图6对其细节进行说明。

图5的(a)是表示本实施方式的主流路的动叶片的下游侧的流和第二腔室的出口侧的流的差异的图。图5的(b)是表示本实施方式的膜片外圈的内周面的构造的展开图。图6是从图5的(b)中箭头VI方向观察到的图。此外，图5的(b)中的虚线示出了突起部及凹陷部的等高线。

本实施方式的膜片外圈2的内周面9为大致圆筒面，且具有从该圆筒面向半径方向的内侧突出的多个突起部17和从圆筒面向半径方向的外侧凹陷的多个凹陷部18。突起部17及凹陷部18沿周向交替配置。

各突起部17在周向上形成于包括静叶片3的前缘位置P2的范围。具体来说，例如为与静叶片3的最大宽度D2相同的范围，其中心位置与静叶片3的前缘位置P2相同。另外，各突起部17在轴向上形成于包括膜片外圈2的内周面9的前缘位置且仅包括比静叶片3的前缘位置P2靠上游侧的范围。另外，各突起部17沿轴向延伸。

各凹陷部18在周向上位于相邻的静叶片3的前缘之间。具体来说，例如为叶片间的间距长度L2与静叶片3的最大宽度D2的差的范围，其中心位置位于相邻的静叶片3的前缘的中间。另外，各凹陷部18在轴向上形成于如下范围：包括膜片外圈2的内周面9的前缘位置，不仅包括比静叶片3的前缘位置P2靠上游侧，还包括比静叶片3的前缘位置P2靠下游侧，且不包括比取得静叶片3的最大宽度D2的位置P4靠下游侧的范围。

通过上述的膜片外圈2的内周面9的突起部17，其周向的范围的主流路8的宽度缩小。由此，其周向的范围的蒸汽的流速上升，静压下降。另外，通过上述的膜片外圈2的内周面9的凹陷部18，其周向的范围的主流路8的宽度扩大。由此，其周向的范围的蒸汽的流速下降，静压上升。因此，能够降低周向上的压力差，抑制周向上的流的差异。其结果，能够降低干涉损失、二次流损失。

而且，在本实施方式中，各凹陷部18以从由腔室13B流出的蒸汽的绝对的流向(换言之，绝对速度矢量C5的朝向)逐渐朝向穿过主流路8的动叶片6的蒸汽的绝对的流向(换言之，绝对速度矢量C3的朝向)的方式弯曲并延伸。详细来说，周向上的凹陷部18的各截面例如形成大致三角形状，连结各截面的底的曲线从绝对速度矢量C5的朝向向绝对速度矢量C3的朝向变化。另外，各凹陷部18形成为沿上述的曲线逐渐变浅。于是，来自腔室13B的蒸汽沿膜片外圈2的内周面9的凹陷部18流动，由此转向。特别是在本实施方式中，各凹陷部18在轴向上形成于不仅包括比静叶片3的前缘位置P2靠上游侧，还包括比静叶片3的前缘位置P2靠下游侧的范围，因此能够充分得到流转向作用。由此，能够将来自腔室13B的蒸汽向绝对速度矢量C3的朝向转向，实现混合损失的降低。

此外，在第二实施方式中，突起部17以在周向上形成于与静叶片3的最大宽度D2相同的范围的情况为例进行了说明，但不限于此，例如，也可以在周向上形成于静叶片3的最大宽度D2的0.9～1.1倍的范围内。另外，在第二实施方式中，突起部17以在周向上中心位置与静叶片3的前缘位置P2相同的情况为例进行了说明，但不限于此，只要在周向上形成于包括静叶片3的前缘位置P2的范围，中心位置也可以与静叶片3的前缘位置P2不同。另外，在第二实施方式中，突起部17以沿轴向延伸的情况为例进行了说明，但不限于此，也可以沿穿过主流路8的动叶片6的蒸汽的绝对的流向(换言之，绝对速度矢量C3的朝向)延伸。

另外，在第二实施方式中，凹陷部18以形成为在周向上与突起部17连续的情况为例进行了说明，但不限于此，也可以形成为在周向上与突起部17不连续。另外，在第二实施方式中，凹陷部18以在轴向上形成于不仅包括比静叶片3的前缘位置P2靠上游侧，还包括比静叶片3的前缘位置P2靠下游侧的范围的情况为例进行了说明，但不限于此。即，虽然不能充分地得到流转向作用，但凹陷部18也可以在轴向上形成于仅包括比静叶片3的前缘位置P2靠上游侧的范围。

另外，在第一及第二实施方式中，以将本发明应用于蒸汽涡轮机的情况为例进行了说明，但不限于此。即，也可以应用于燃气涡轮机。