軸流式渦輪機的製作方法

2023-06-11 19:33:16 1

專利名稱：軸流式渦輪機的製作方法
技術領域：
本發明涉及蒸汽輪機及燃氣輪機等軸流式渦輪機，尤其涉及具有對工作流體的一 部分進行抽氣的抽氣構造的軸流式渦輪機。
背景技術：
在渦輪機軸向具有多個由渦輪機靜葉及動葉構成的級的軸流式渦輪機中，存在以 下的情況在級間對工作流體進行抽氣而用作熱源，或者用作驅動其它旋轉機械用的工作 流體。例如，在蒸汽輪機的場合，在級間對蒸汽進行抽氣並將其引導到給水加熱器或脫 氣器，使從蒸汽輪機的出口抽出的蒸汽與作為由冷凝器冷凝的液相的水進行熱交換，通過 在返回鍋爐或核反應堆等加熱器之前提高溫度而能提高發電效率。另外，在驅動泵等產業用的旋轉機械及發電機的同時，還在以提供作為熱源的高 溫高壓蒸汽為目的的熱動力兼供型或熱電兼供型的蒸汽輪機中，需要從級間對作為熱源的 蒸汽進行抽氣。一般來說，這種具有抽氣的軸流式渦輪機的抽氣在蒸汽流動的渦輪葉片室的外側 設有沿渦輪葉片室的周向延伸的圓環狀的抽氣室，用沿周向在渦輪葉片室的外周壁開口的 狹縫狀的抽氣口使該抽氣室與蒸汽流動的渦輪葉片室連通，通過將渦輪葉片室內的工作流 體的一部分經過該抽氣口抽取到抽氣室，並利用與抽氣室連接的抽氣管送到規定的場所來 進行(參照專利文獻1-日本特開平2-241904號公報)。然而，在將抽氣室和抽氣口設置在渦輪葉片室的外周壁側的場合，作為抽氣氣流 主要抽取的是通過與抽氣口的工作流體流動方向上遊側(以下，簡稱為上遊側)鄰接設 置的動葉流出的工作流體流動的外周側部分。因此，與抽氣口的上遊側的動葉的外周側相 比，進入了內周側的來自葉片高度位置的氣流也流入由抽氣口的工作流體流動方向下遊側 (以下，簡稱為下遊側)的靜葉和動葉構成的級的外周側。該氣流在從抽氣口上遊側的動葉 通過抽氣口下遊側的靜葉流入抽氣口下遊側的動葉的期間，由於流向朝向渦輪機半徑方向 外周側(以下，簡稱為外周側)改變，因而工作流體的流動有可能產生不能充分地供給抽氣 口下遊側的靜葉的外周側入口部的部分。由於不能充分地供給氣流，則該部分的氣流有可 能變得不穩定而產生渦流，因此本來用於產生旋轉力的動能出現熱散發，有可能導致渦輪 機的效率降低。另外，為了改善渦輪機的效率，雖然採用增多渦輪葉片室內的級數，並且減小渦輪 葉片室的工作流體的流道的平均半徑位置的小直徑多級構造是有效的這點已被公知，但若 減小渦輪機旋轉軸的直徑而加長軸的長度，則軸的剛性降低而軸的振動變大，則有可能引 起靜止部分和旋轉部分接觸等問題。另一方面，在有限的軸跨度中若增多級數，則由於抽氣 口和抽氣室狹窄，因而有可能不能得到足夠的抽氣流量。這樣，具有抽氣的多級軸流式渦輪 機與沒有抽氣的軸流式渦輪機比較，為了設置與抽氣流量平衡的抽氣口，則需要減少級數 而有可能使渦輪機的效率降低。

發明內容
本發明的目的是提供一種在具有抽氣構造的軸流式渦輪機中，能抑制因抽氣產生 的渦輪機的效率降低，並且利用有限的軸跨度設置更多的渦輪機級以提高渦輪機效率的軸 流式渦輪機。為了實現上述目的，本發明的第一方案的軸流式渦輪機，具有工作流體流動的渦 輪葉片室；在上述工作流體的流動方向接連設置多個而構成上述渦輪葉片室的外周側壁面 的外周側隔板；由設置在該隔板上的靜葉和固定在轉子上的動葉構成的渦輪機級；以及設 置在上述渦輪葉片室的外側的抽氣室，該抽氣室通過形成於在上述工作流體的流動方向接 連設置多個的外周側隔板間的抽氣口而與上述渦輪葉片室連通，並利用上述外周側隔板構 成下遊側壁面，其特徵是，構成上述抽氣室的下遊側壁面的上述外周側隔板，具有與鄰接設 置在上述抽氣口上遊側的動葉的外周端的下遊側前端相比更向渦輪機半徑方向內周側突 出，且構成上述抽氣口的下遊側壁面的突端部，該突端部的外周側壁面構成將上述工作流 體的一部分引導到上述抽氣室的外周側隔板上遊側壁面，上述突端部的內周側壁面構成將 上述工作流體的其餘部分引導到上述抽氣口下遊側的動葉的外周側隔板內周側壁面。本發明的第二方案的軸流式渦輪機，在第一方案的基礎上，其特徵是，上述外周側 隔板上遊側壁面形成為，從上述抽氣口入口側向抽氣室側擴展角增大，上述外周側隔板內 周側壁面，其上遊側前端的擴展角比從上遊側到下遊側的平均擴展角小，其下遊側前端的 擴展角與鄰接設置在下遊側的動葉的外周端入口擴展角相等。本發明的第三方案的軸流式渦輪機，在第一方案的基礎上，其特徵是，上述突端部 前端相對上述抽氣口上遊側動葉的外周端的下遊側前端的突出量和上述抽氣口上遊側動 葉的葉片高度之比與級流量和抽氣流量之比相等。本發明的第四方案的軸流式渦輪機，在第一方案的基礎上，其特徵是，上述工作流 體是蒸汽。本發明的效果如下。根據本發明，在具有抽氣構造的軸流式渦輪機中，能抑制抽氣口下遊的蒸汽流的 紊流，能夠抑制渦輪機的效率降低，並且縮小對設計抽氣量的限制。另外，還能縮小抽氣構造的軸向寬度而設置更多的級數，能使渦輪機的效率提高。


圖1是表示一般的軸流式渦輪機的渦輪機級部分的基本構造的剖視圖。圖2是示意地表示圖1所示的軸流式渦輪機的工作流體的流動的圖。圖3是表示本發明的一個實施方式的軸流式渦輪機的渦輪機級部分的主要部分 構造的剖視圖。圖4是圖3所示的軸流式渦輪機的抽氣室周圍的放大圖。圖5是示意地表示圖3所示的本發明的軸流式渦輪機的工作流體的流動的圖。圖6是示意地表示圖3所示的本發明的軸流式渦輪機的動葉與靜止部分之間的氣 流洩漏狀況的圖。圖7是表示本發明的一個變形例的軸流式渦輪機的渦輪機級的主要部分構造的剖視圖。圖8是表示縮短了圖1所示的一般的軸流式渦輪機的軸的長度時的渦輪機級的主 要部分構造的剖視圖。圖中2、11_動葉，3、10_靜葉，5、8_外周側隔板，6、9_內周側隔板，12-渦輪葉片 室，15-抽氣室，16-抽氣口，18-外周側隔板的上遊側壁面，19-外周側隔板的內周側壁面， 21-突端部，51-工作流體流動方向。
具體實施例方式首先，使用圖1說明一般的軸流式渦輪機的渦輪機級部分的基本構造。如圖1所示，軸流式渦輪機的渦輪機級設置在工作流體流動方向上遊側(以下，簡 稱為「上遊側」)的高壓部P0和工作流體流動方向下遊側(以下，簡稱為「下遊側」)的低 壓部P1之間。渦輪機級包括靜葉3和動葉2 ；靜葉3固定設置於在渦輪機殼體4的內周側 固定設置的外周側隔板5和內周側隔板6之間；動葉2設置在繞渦輪機中心軸50旋轉的渦 輪機轉子1上。在渦輪機級由多級構成的軸流式渦輪機的場合，這種級構造在工作流體流 動方向重複多次地設置。在各級中，動葉與靜葉的下遊側相對。在動葉2的渦輪機徑向外周側的前端(以下，簡稱為「外周端」)設有圍帶7。如 圖1所示，軸流式渦輪機在渦輪機轉子1及內周側隔板6、9的渦輪機徑向外周側(以下，簡 稱為「外周側」)壁面6a、9a與外周側隔板5、8及圍帶7的渦輪機徑向內周側(以下，簡稱 為「內周側」)壁面5b、8b、7b之間形成有工作流體流動的圓筒狀或部分圓錐狀的渦輪葉片 室12。如圖1所示，外周側隔板5、8的內周側壁面5b、8b、及圍帶7的內周側壁面7b成 列地構成渦輪葉片室12的外周側壁面12b，在渦輪葉片室12的外側、即在外周側壁面12b 和渦輪機殼體4之間以覆蓋渦輪葉片室12的方式形成有沿渦輪機周向(以下，簡稱為「周 向」)的環狀的抽氣室15。抽氣配管(未圖示)與抽氣室15的一部分相連。如圖1所示，抽氣室15形成在外周側隔板5、8之間。另外，在外周側隔板5的下 遊側端部13和外周側隔板8的上遊側端部14之間沿周向設有在工作流體流動方向連續設 置的間隙，該間隙構成連通抽氣室15和渦輪葉片室12的抽氣口 16。圖2是示意地表示圖1所示的軸流式渦輪機的工作流體的流動的圖。箭頭51表 示工作流體的流動方向。如圖2所示，在渦輪葉片室12的外周側壁面設有抽氣口 16的情況下，在鄰接設置 於抽氣口 16上遊側的動葉2的外周端附近流出的工作流體主要作為抽氣流(1)，並通過抽 氣口 16抽取到抽氣室15。因此，在抽氣口 16下遊側的渦輪葉片室12外周側壁面附近流 入與動葉2的抽氣流⑴相比通過了內周側的葉片高度位置的工作流體(3)。該工作流體 (3)在從動葉2通過下一級的靜葉10流入動葉11期間，由於朝向外周側改變流向，因而尤 其是在抽氣流量多的場合，有可能在動葉10的外周側入口部產生氣流不能充分地供給的 部分(2)。就(2)的部分而言，可以認為，由於不能充分地供給工作流體，一般來說工作流體 的流動變得不穩定，有產生渦流的可能性。因此，有可能使本來用於產生旋轉力的動能而進 行熱散發，導致渦輪機的效率降低。根據以上所述，下面說明本發明的軸流式渦輪機的實施方式。
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圖3是表示本實施方式的軸流式渦輪機的渦輪機級部分的主要部分構造的剖視 圖。圖4是抽氣室周圍的放大圖。圖5是示意地表示圖3所示的本發明的軸流式渦輪機的 工作流體的流動的圖。在這些圖中，對相當於與先前的各圖相同部分的部位標上相同的標 號而省略說明。如圖4(a)所示，構成抽氣室15的下遊側壁面的外周側隔板8具有與抽氣室15相 對的上遊側壁面18，以及與工作流體主流相對並構成渦輪葉片室的外周側壁面12b的內周 側壁面19。內周側壁面19形成為，其上遊側前端X的距渦輪機中心軸50的距離即半徑比 與抽氣口 16的上遊側鄰接設置的動葉2外周端的下遊側前端Y的距渦輪機中心軸50的距 離即半徑位置更小。另外，如圖5所示，上遊側壁面18為了將抽氣氣流(4)順利地引導到 抽氣室15而在外周側且上遊側具有凹下的形狀。此外，上遊側壁面18和內周側壁面19形 成通過端面20連接的面，端面20和與端面20連接的上遊側壁面18和內周側壁面19的前 端部形成構成抽氣口 16的下遊側壁面的突端部21。突端部21的內周側前端形成為比外周側前端向上遊側突出，從而減輕工作流體 的分支部位的阻力。在這裡，所謂突端部21的內周側前端是指內周側壁面19的上遊側前 端X。另外，所謂突端部21的外周側前端是指上遊側壁面18的上遊側前端Z。S卩，突端部 21比與上述抽氣口上遊側鄰接設置的動葉的外周端的下遊側前端向渦輪機半徑方向內周 側突出。下面，對外周側隔板8的上遊側壁面18及內周側壁面19的斷面形狀進一步詳細 說明。在這裡，為便於後文的說明，將與工作流體相對的壁面同渦輪機中心軸50形成的角 度定義為「擴展角」。如圖4(b)所示，在外周側隔板8的內周側壁面19，內周側壁面19的上遊側前端X 的擴展角0 1的構成為，雖然為使擴展角0 1與從上遊側流過來的工作流體的流線吻合而 通過進行數值流體分析及實驗等來決定，但與從內周側壁面19的上遊側前端到下遊側前 端的平均擴展角相比一般都較小。另一方面，內周側壁面19的下遊側前端的擴展角3 2， 為了將氣流送到與其下遊側鄰接設置的動葉11而與動葉11的外周端的入口擴展角0 3 一 致。這樣，內周側壁面19的形狀就能由兩端的坐標及角度來決定並可以使用例如三次函數 等來定義。此外，所謂「內周側壁面19的擴展角」是指與內周側壁面19相切的渦輪機軸向切 線(圖4(b)中以虛線表示)和渦輪機中心軸形成的角度。另外，所謂「動葉11的外周端的 入口擴展角」是指動葉11的外周端的上遊側前端部對渦輪機中心軸50的傾斜角度。另一方面，在外周側隔板8的上遊側壁面18，為了將一邊向軸向擴展一邊流過來 的工作流體的流動向著渦輪機半徑方向外周方向改變，與內周側壁面19同樣，為使上遊側 壁面18的上遊側前端Z的擴展角0 4與從上遊流過來的流線吻合而通過進行數值流體分 析及實驗等來決定。另外，上遊側壁面18為使朝向抽氣室的工作流體的流動方向逐漸變到 渦輪機半徑方向外周方向，以使擴展角從上遊側向下遊側逐漸變大的方式來形成。並且，所謂「上遊側壁面18的擴展角」是指與上遊側壁面18相切的渦輪機軸向切 線(圖4(b)中以虛線表示)和渦輪機中心軸形成的角度。圖4(a)所示的、內周側壁面19的上遊側前端X(突端部21的內周側前端)從上 遊側動葉2的外周端的下遊側前端Y向渦輪機徑向內周側突出的長度d相對上遊側動葉2的葉片高度Ml的比例d/BH，抽氣流量GEX相對於流經渦輪機由所要求的規格決定的由靜葉 10和動葉11構成的抽氣口下遊側級的級流量G的比例GEX/G，以及下遊側級入口高度NH 的部分圓環面積A1和進入抽氣部的d的部分的圓環面積A2的環帶面積比A2/A1都幾乎以 相同的方法決定。這樣，通過以與各個所要求的規格對應的環帶面積比進行設計，就可以避免圖2 的(2)所示的渦流，就可以與設計規格的抽氣量無關地消除由抽氣帶來的對流場的影響。 因此，尤其是對抽氣流量相對級流量的比例大者本發明的效果更加顯著，相對於現有的結 構能較大改善渦輪機的性能。圖5表示的是本發明的軸流式渦輪機的流場的示意圖。由於外周側隔板8的外周 側凹部(上遊側壁面18)成為導流部，抽氣氣流(4)被順利地引導到抽氣室15，向下一級 的氣流(5)也被內周側壁面19順利地引導到外周側隔板8的內周側，因而，可以減小由圖 3所示的現有結構產生的渦流(2)帶來的損失，能夠提高渦輪機的效率。另外，可以利用外 周側隔板8從外周部有選擇的抽取抽氣氣流。另外，如圖6所示，渦輪葉片室12的外周側的氣流包含從動葉外周端和靜止部分 (外周側隔板)之間洩漏出的氣流(6)與動葉間流過來的工作流體的主流因幹涉而形成的 紊流較多的氣流(7)。該紊流較多的氣流流入到下遊級而成為效率降低的主要原因。本發 明的渦輪機結構中，由於能夠對包含該紊流較多的氣流(7)的外周側的氣流進行選擇性地 抽氣，因而可以防止下遊級的效率降低。再有，洩漏出的氣流(6)因不在動葉2工作而熱函 較大，在將抽氣氣流作為熱源利用的情況下是有利的。另外，在蒸汽輪機的低壓級的場合，氣流為包含液相的水的氣液兩相流。若作為水 膜附著在葉片表面上的液相形成粗大的水滴放出，則有可能引起下遊級的腐蝕，或者成為 損失的主要原因而使渦輪機效率降低。動葉2的葉片表面上的水膜由於動葉旋轉的離心力 而偏移到外周側，能夠從外周側選擇性地對氣流進行抽氣的本發明的渦輪機構造可以從蒸 汽輪機氣流中除去液相的水，由於減小了腐蝕而提高可靠性，並能因降低了溼損失而提高 性能。並且，為了實現性能的提高，雖然增加渦輪機級數是有效的，但若加長轉子的跨度 則轉子的剛性降低，由於有可能產生振動增大等問題，因而在轉子的跨度所允許的範圍內 需要增加渦輪機級數。即，必須減小級的軸向寬度。圖7表示的是減小了級間距離的軸流式渦輪機採用了本發明的場合的氣流的示 意圖。如圖8所示，在抽氣口 16開口於渦輪機軸向的現有構造中，在級間距離減小了的 情況下，就不能將抽氣口 16的大小設置得足夠大。另一方面，本發明的構造則能將抽氣口 16開口於渦輪機徑向而在級間無需抽氣口 16用的空間。由於能夠利用靜葉10的外周側隔 板8的空間將抽氣氣流引導到抽氣室15，因而可以在相同的軸跨度上設置更多的級，可以 減小每一個級的熱函的落差，由於葉片長度還能通過實現小直徑化而加長，因而能夠降低 洩漏氣流引起的損失以及由側壁邊界層的影響帶來的二次氣流損失，從而可以提高渦輪機 的效率。
權利要求
一種軸流式渦輪機，具有工作流體流動的渦輪葉片室；在上述工作流體的流動方向接連設置多個而構成上述渦輪葉片室的外周側壁面的外周側隔板；由設置在該隔板上的靜葉和固定在轉子上的動葉構成的渦輪機級；以及設置在上述渦輪葉片室的外側的抽氣室，該抽氣室通過形成於在上述工作流體的流動方向接連設置多個的外周側隔板間的抽氣口而與上述渦輪葉片室連通，並利用上述外周側隔板構成下遊側壁面，其特徵在於，構成上述抽氣室的下遊側壁面的上述外周側隔板，具有與鄰接設置在上述抽氣口上遊側的動葉的外周端的下遊側前端相比更向渦輪機半徑方向內周側突出，且構成上述抽氣口的下遊側壁面的突端部，該突端部的外周側壁面構成將上述工作流體的一部分引導到上述抽氣室的外周側隔板上遊側壁面，上述突端部的內周側壁面構成將上述工作流體的其餘部分引導到上述抽氣口下遊側的動葉的外周側隔板內周側壁面。
2.根據權利要求1所述的軸流式渦輪機，其特徵在於，上述外周側隔板上遊側壁面形成為，從上述抽氣口入口側向抽氣室側擴展角增大，上述外周側隔板內周側壁面，其上遊側前端的擴展角比從上遊側到下遊側的平均擴展 角小，其下遊側前端的擴展角與鄰接設置在下遊側的動葉的外周端入口擴展角相等。
3.根據權利要求1所述的軸流式渦輪機，其特徵在於，上述突端部前端相對上述抽氣口上遊側動葉的外周端的下遊側前端的突出量和上述 抽氣口上遊側動葉的葉片高度之比與級流量和抽氣流量之比相等。
4.根據權利要求1所述的軸流式渦輪機，其特徵在於，上述工作流體是蒸汽。
全文摘要
本發明涉及軸流式渦輪機。課題是提供能抑制抽氣口下遊的氣流的紊流並抑制渦輪機效率的降低，且能縮小設計抽氣量的限制的軸流式渦輪機。具有設置於渦輪葉片室(12)的外側的抽氣室(15)、及形成於在工作流體的流動方向接連設置多個的外周側隔板(8)間並連通渦輪葉片室和抽氣室的抽氣口(16)，構成抽氣室的下遊側壁面的外周側隔板具有與抽氣口上遊側動葉(2)的外周端的下遊側前端相比更突出於渦輪機半徑方向內周側，且構成抽氣口的下遊側壁面的突端部(21)，該突端部構成將工作流體的一部分引導到抽氣室的外周側隔板上遊側壁面(18)；以及將工作流體的其餘部分引導到抽氣口下遊側的動葉(11)的外周側隔板內周側壁面(19)。
文檔編號F01D9/00GK101825001SQ201010115599
公開日2010年9月8日 申請日期2010年2月11日 優先權日2009年3月3日
發明者妹尾茂樹 申請人:株式會社日立製作所