專利名稱：軸流式渦輪機的渦輪噴嘴和渦輪轉(zhuǎn)動葉片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軸流式渦輪機的渦輪葉片，具體地說涉及一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴和渦輪轉(zhuǎn)動葉片。
通常，在軸流式渦輪機中，為了改善性能而提高內(nèi)部效率，采用了各種技術(shù)，但由于在渦輪內(nèi)部損失之中，特別是二次流損失，是渦輪各分級共同的損失，因此人們期待著改善它的方法。
在

圖19中示出了包含一般的軸流式渦輪機的噴嘴葉片和轉(zhuǎn)動葉片的分級部斷面構(gòu)造。在圖19中，每個噴嘴葉片4呈放射狀地被固定在安裝于渦輪機殼1上的隔膜外圈2和隔膜內(nèi)圈3上，形成噴嘴葉片流路。在該噴嘴葉片流路的下游側(cè)配置著多個轉(zhuǎn)動葉片6。轉(zhuǎn)動葉片6沿周向按規(guī)定間隙成組地嵌入旋轉(zhuǎn)輪5的外周上，為防止轉(zhuǎn)動葉片內(nèi)工作流體的泄漏，在轉(zhuǎn)動葉片6的外周端上安裝蓋7。在由這些噴嘴葉片4和轉(zhuǎn)動葉片6形成的工作流體流路中，構(gòu)成了分級。
在上述分級的下游側(cè)是具有急劇擴大流路的分級，該分級由噴嘴葉片流路和轉(zhuǎn)動葉片流路構(gòu)成，噴嘴葉片流路由隔膜外圈8、隔膜內(nèi)圈9及噴嘴葉片10構(gòu)成，轉(zhuǎn)動葉片流路由嵌在旋轉(zhuǎn)輪11上的轉(zhuǎn)動葉片12和安裝在轉(zhuǎn)動葉片葉尖的蓋13構(gòu)成。由于該分級對應(yīng)著由渦輪機的工作流體從高壓膨脹到低壓而產(chǎn)生的比容積增大，在下流部以增大通過面積的方式使流路壁傾斜，與上述分級具有大致相同的結(jié)構(gòu)。
下面參照圖20，說明在這樣的渦輪機分級構(gòu)造中，噴嘴葉片4、10中二次流的發(fā)生原理。
當(dāng)高壓蒸汽等工作流體在噴嘴葉片間形成的噴嘴葉片流路中流動時，如圖20中雙點劃線所示，在噴嘴流路內(nèi)呈圓弧狀轉(zhuǎn)向流動。此時，產(chǎn)生從噴嘴葉片4的葉片背面E向葉片腹面F方向的離心成分。為了該離心成分和噴嘴葉片流路內(nèi)壓力的平衡，在葉片腹面F中的靜壓增高。
另一方面，因葉片背面E的工作流體的流速大，葉片背面E的壓力降低。結(jié)果，在噴嘴葉片流路中，產(chǎn)生從葉片腹面F到葉片背面E，葉片腹面F的壓力高、葉片背面E的壓力低這樣的壓力梯度。如圖20所示，這種壓力梯度會產(chǎn)生噴嘴葉根部內(nèi)壁側(cè)和噴嘴葉片葉尖部外壁側(cè)的低流速層，即邊界層。在該邊界層附近流速小，作用的離心成分也小。因此，工作流體的流動不能反抗從噴嘴葉片4的葉片腹面F向葉片背面E方向產(chǎn)生的壓力梯度，如圖20所示的流動f1、f2，產(chǎn)生從噴嘴葉片4的葉片腹面F向葉片背面E的流動。這些流動f1、f2與噴嘴葉片4的葉片背面E相沖撞而卷起，在噴嘴葉片4的葉根部的內(nèi)壁側(cè)及葉尖部的外壁側(cè)產(chǎn)生二次流渦流14a、14b。
圖21表示設(shè)置在噴嘴葉片4的下游側(cè)的轉(zhuǎn)動葉片6的二次流渦流發(fā)生原理。它與上述噴嘴葉片4的二次流渦流發(fā)生原理大致相同，與圖20中實現(xiàn)相同功能的部件用同一標(biāo)號表示。圖22、圖23表示噴嘴葉片4、轉(zhuǎn)動葉片6的損失，因二次流渦流發(fā)生渦流損失，該渦流損失成為在各渦輪葉片的內(nèi)壁側(cè)及外壁側(cè)的大損失。
一旦發(fā)生這樣的二次流渦流14a、14b，工作流體所具有的能量就會散失，再加上工作流體非均勻流動的產(chǎn)生，噴嘴葉片及轉(zhuǎn)動葉片的損失增大，存在分級性能顯著降低的問題。
可是，為了減低在上述分級流路內(nèi)因發(fā)生二次流渦流14a、14b而引起的二次流損失，人們研究了種種改善技術(shù)。例如，讓噴嘴葉片流路葉尖的外壁形狀呈凹凸?fàn)?，具有沿下游?cè)讓流路高度減小的外壁節(jié)流噴嘴葉片。圖24是表示采用該外壁節(jié)流噴嘴葉片15的渦輪噴嘴的斷面圖。在該外壁節(jié)流噴嘴葉片15中，在噴嘴葉片15外周部的流動沿壁面流向下游側(cè)，流路向噴嘴葉片流路內(nèi)周側(cè)(中心方向)移動(圖示ft)。噴嘴葉片15中央部和內(nèi)周部的流動與外周部同樣，流線也隨之向內(nèi)周側(cè)(中心方向)移動(圖示fp、fr)。結(jié)果，在噴嘴葉片15的葉根附近，流線壓向噴嘴葉片15的內(nèi)壁面流動，抑制了內(nèi)壁面邊界層的發(fā)展，能防止因二次流渦流的損失增加。
圖25表示因以前的外壁節(jié)流噴嘴葉片15的二次流渦流而引起的損失增加的抑制效果的損失分布。從圖25可知，在噴嘴葉片葉根部的損失大大地減小。即使在渦輪機分級的全部效率試驗中，也證實了性能提高。
但是，在上述外壁節(jié)流噴嘴葉片15中，雖然在分級效率試驗中確認(rèn)了性能提高，但是如圖25所示，在噴嘴出口的損失分布方面，因噴嘴葉片葉尖部急劇的流線移動，流動局部分離，二次流的改善效果小。
而且，工作流體的流量分布偏向噴嘴葉片的葉根側(cè)，在噴嘴葉片的高度方向存在大的流量變化。
因而，有必要形成可以使基于外壁節(jié)流噴嘴葉片15的分級性能進一步提高，改善噴嘴葉片葉尖部工作流體的流動分離及流量變化的噴嘴葉片流路。
鑒于上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種靠以簡單構(gòu)造達到減小二次流目的的軸流式渦輪機的渦輪噴嘴及渦輪轉(zhuǎn)動葉片。
為了達到上述目的，權(quán)利要求1所記載的發(fā)明提供了一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于在上述噴嘴葉片位置處上述隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面上，以流路高度在下游側(cè)減小的方式設(shè)置曲率為R的臺階，同時使上述噴嘴葉片的出口端成為突出的彎曲形狀，以使葉片長度中央附近處于最下游側(cè)，且當(dāng)上述噴嘴葉片的入口高度為L1，出口高度為L2，上述隔膜內(nèi)圈的臺階為h1，上述隔膜外圈的臺階為h2時，設(shè)定為L1＞L2，O≤h1/L1＜0.05，0.1＜h2/L1＜0.2，同時當(dāng)從隔膜前緣到噴嘴葉片出口端的軸向距離在外周端側(cè)為Zt，在內(nèi)周端側(cè)為Zr，在中央部為Zp時，設(shè)定為Zt＜Zr＜Zp。
權(quán)利要求2的發(fā)明提供了一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部上配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于在上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面和上述蓋的內(nèi)周面上，以流路高度在下游側(cè)減小的方式設(shè)置曲率R的臺階，同時，使轉(zhuǎn)動葉片出口端的葉片長度中央部成為比用直線連接葉根出口端和葉尖出口端的出口端界線更靠下游側(cè)的突出彎曲形狀，且當(dāng)轉(zhuǎn)動葉片入口高度為L3，轉(zhuǎn)動葉片出口高度為L4，上述旋轉(zhuǎn)輪的臺階為h3，上述蓋的臺階為h4時，設(shè)定為0≤h3/L3＜0.05，0.1＜h4/L3＜0.2，同時，將從連接上述轉(zhuǎn)動葉片的葉根部出口端和葉尖部出口端的出口端界線上的各點到形成轉(zhuǎn)動葉片出口端的曲線上各點的軸向距離Z設(shè)定為在上述轉(zhuǎn)動葉片出口端的葉片長度中央部為最大。
權(quán)利要求3的發(fā)明提供一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于，上述噴嘴葉片的出口高度L2比入口高度L1大(L1≤L2)，而且在隔膜外圈的內(nèi)周面上設(shè)置曲率R的臺階，使流路高度減小后，相反在噴嘴葉片出口附近使流路高度增大，以使內(nèi)周端部處于最下游側(cè)且外周端部處于最上游側(cè)的形式形成噴嘴葉片的出口端，設(shè)置在上述隔膜外圈內(nèi)周面上的臺階與權(quán)利要求1中所記載的渦輪噴嘴為同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求4的發(fā)明提供了一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈的隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于使上述隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面分別沿下游側(cè)向外周方向傾斜，在上述隔膜外圈的內(nèi)周面和隔膜內(nèi)圈的外周面的出口端附近設(shè)置曲率R的臺階，同時，當(dāng)上述隔膜內(nèi)圈的外周面的傾斜角為θ1，噴嘴葉片入口部的隔膜外圈的內(nèi)周面的傾斜角為θ2，噴嘴葉片出口以后的隔膜外圈的內(nèi)周面傾斜角為θ3時，設(shè)定為0°≤θ1＜θ3＜θ2，而且上述隔膜外圈的內(nèi)周面及上述隔膜內(nèi)圈的外周面的曲率R的臺階和從隔膜前緣到噴嘴葉片出口端的軸向距離Z與權(quán)利要求1所記載的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求5的發(fā)明提供了一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于噴嘴葉片出口高度L2比噴嘴葉片入口高度L1大(L1≤L2)，沿下游側(cè)使上述隔膜外圈的內(nèi)周面向外周方向傾斜，并且沿下游側(cè)使隔膜內(nèi)圈的外周面向內(nèi)周方向傾斜，在上述隔膜外圈的內(nèi)周面及上述隔膜內(nèi)圈的外周面的出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時當(dāng)上述隔膜內(nèi)圈的外周面的傾斜角為θ1，噴嘴葉片入口部的隔膜外圈的內(nèi)周面的傾斜角為θ2，噴嘴葉片出口以后的隔膜外圈的內(nèi)周面的傾斜角為θ3時，設(shè)定為θ1＜0°＜θ3＜θ2，而且上述隔膜外圈的內(nèi)周面及上述隔膜內(nèi)圈的外周面的曲率R的臺階和從隔膜前緣到噴嘴葉片出口端的軸向距離Z與權(quán)利要求1所記載的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求6的發(fā)明提供一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于沿著下游側(cè)，使在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的上述蓋的內(nèi)周面和上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面傾斜，在這些蓋的內(nèi)周面和上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的轉(zhuǎn)動葉片出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時，當(dāng)上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的傾斜角為θ1，轉(zhuǎn)動葉片入口部的蓋內(nèi)周面的傾斜角為θ2，轉(zhuǎn)動葉片出口部以后的蓋內(nèi)周面的傾斜角為θ3時，設(shè)定為0°≤θ1＜θ3＜θ2，而且上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面及上述蓋的內(nèi)周面的曲率R的臺階和從出口端界線到轉(zhuǎn)動葉片出口端的軸向距離W與權(quán)利要求2所記載的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求7的發(fā)明提供了一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于轉(zhuǎn)動葉片出口高度L4比轉(zhuǎn)動葉片入口高度L3大(L3≤L4)，沿著下游側(cè)使在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的上述蓋的內(nèi)周面向外周方向傾斜，而且沿著下游側(cè)使在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的旋轉(zhuǎn)輪的外周面向內(nèi)周方向傾斜，在上述蓋的內(nèi)周面及上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時，當(dāng)上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面傾斜角為θ1，轉(zhuǎn)動葉片入口部蓋的內(nèi)周面傾斜角為θ2，轉(zhuǎn)動葉片出口部以后的蓋內(nèi)周面傾斜角為θ3時，設(shè)定為θ1＜0°＜θ3＜θ2，而且，上述蓋內(nèi)周面及上述旋轉(zhuǎn)輪外周面的曲率為R的臺階和從出口端界線到轉(zhuǎn)動葉片出口端部的軸向距離W與權(quán)利要求2所記載的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求8的發(fā)明提供一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于在上述噴嘴葉片位置處的隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且使噴嘴葉片的葉尖部和葉根部的噴嘴葉片斷面向上述環(huán)狀流路的周向偏移，使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求1的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求9的發(fā)明提供一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于在上述噴嘴葉片位置處的隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且當(dāng)在噴嘴葉片間形成的入口尺寸S在葉片長度中央部為Sp、在葉根部為Sr，在葉尖部為St時，設(shè)定為Sp≤Sr＜St，并且使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求1的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求10的發(fā)明提供一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于在上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且使上述轉(zhuǎn)動葉片的外周部及內(nèi)周部的轉(zhuǎn)動葉片斷面在上述旋轉(zhuǎn)輪的周向偏移，使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求2的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
權(quán)利要求11的發(fā)明提供一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于在上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面和上述蓋的內(nèi)周面上設(shè)置曲率R的臺階，而且當(dāng)在上述轉(zhuǎn)動葉片間形成的入口尺寸S在葉片長度中央部為Sp，在葉根部為Sr，在葉尖部為St時，設(shè)定為Sr＞Sp＞St，并且使上述曲率R的臺階與權(quán)利要求2的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
在上述結(jié)構(gòu)的渦輪噴嘴或渦輪轉(zhuǎn)動葉片中，靠噴嘴葉片或轉(zhuǎn)動葉片流入流路的外周側(cè)及內(nèi)周側(cè)的工作流體，在流路壁面的臺階處被節(jié)流，抑制了葉片組間的二次流渦流，能降低二次損失。
而且，由于噴嘴葉片出口端和轉(zhuǎn)動葉片出口端在葉片長度中央部位于下游側(cè)，噴嘴葉片及轉(zhuǎn)動葉片內(nèi)的工作流體各自向外周側(cè)、內(nèi)周側(cè)移動其流線，因而使葉片長度方向的流量分布均勻化，能在轉(zhuǎn)動葉片中有效地變換能量。因而，靠這些功能達到了渦輪機分級性能的提高。
圖1是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第一實施例的斷面圖；圖1A是表示本發(fā)明噴嘴流路的壁面臺階高度和提高效率關(guān)系的說明圖；圖2是表示在圖1所示的分級構(gòu)造的噴嘴葉片流路內(nèi)工作流體流動的說明圖；圖3是表示在圖1所示的分級構(gòu)造的噴嘴葉片流路內(nèi)的損失分布的特性圖，其中與以前的例子作了比較；圖4是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第二實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖；圖5是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第三實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖；圖6是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第四實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖；圖7是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第五實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖；圖8是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第六實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖；圖9是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第七實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖；圖10是沿圖9中A-A箭頭看去的斷面圖11是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第八實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖；圖12是沿圖11中B-B箭頭看去的斷面圖；圖13是表示圖12中噴嘴葉片間入口尺寸的說明圖；圖14是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第九實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖；圖15是沿圖14中C-C箭頭看去的斷面圖；圖16是表示本發(fā)明軸流式渦輪機的渦輪葉片第十實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖；圖17是沿圖16中D-D箭頭看去的斷面圖；圖18是表示圖17中轉(zhuǎn)動葉片間入口尺寸的說明圖；圖19是表示以前的軸流式渦輪機的噴嘴時片和轉(zhuǎn)動葉片的分級結(jié)構(gòu)的斷面圖；圖20是表示在噴嘴葉片間產(chǎn)生二次流機構(gòu)的說明圖；圖21是表示在轉(zhuǎn)動葉片間產(chǎn)生二次流機構(gòu)的說明圖；圖22是表示噴嘴葉片二次流損失在噴嘴葉片高度方向的損失分布的說明圖；圖23是表示轉(zhuǎn)動葉片二次流損失在轉(zhuǎn)動葉片高度方向的損失分布的說明圖；圖24是以前的外壁節(jié)流噴嘴流路的斷面圖；圖25是表示以前的噴嘴葉片流路的損失分布的說明圖。
以下，參照圖1～圖18，說明本發(fā)明的實施例。
首先，參照圖1～圖3說明本發(fā)明的第一實施例，圖1中，在隔膜外圈21和隔膜內(nèi)圈22之間形成的環(huán)狀流路處，沿周向按規(guī)定間隔成組地配設(shè)著多個噴嘴葉片23，靠各噴嘴葉片23的葉尖部和葉根部與隔膜外圈21和隔膜內(nèi)圈22接合，構(gòu)成渦輪噴嘴。
由轉(zhuǎn)動葉片25和設(shè)置在其頂部的蓋26構(gòu)成渦輪轉(zhuǎn)動葉片，轉(zhuǎn)動葉片25沿周向按規(guī)定間隙成組地嵌入在旋轉(zhuǎn)輪24的外周上。
在以下的實施例中，稱隔膜外圈21的內(nèi)周面為噴嘴葉片的外周壁，稱隔膜外圈22的外周面為噴嘴葉片的內(nèi)周壁，稱旋轉(zhuǎn)輪24的外周面為轉(zhuǎn)動葉片的內(nèi)周壁，稱蓋26的內(nèi)周面為轉(zhuǎn)動葉片的外周壁。
在由噴嘴葉片23和隔膜外圈21及隔膜內(nèi)圈所構(gòu)成的噴嘴葉片流路中，使噴嘴葉片23的外周壁及內(nèi)周壁的形狀呈凹凸?fàn)?，形成具有曲率為R的臺階(葉根部h1、葉尖部h2)。圖1A是表示節(jié)流部的臺階和提高效率的關(guān)系的一個例子。在以前不彎曲的噴嘴中，在外壁節(jié)流率為0.3～0.4的范圍時，增至最高效率。在本實施例中，外壁節(jié)流率為0.2附近時，提高至最高效率。這是由于葉片形狀在軸向下流側(cè)彎曲，使內(nèi)外壁面的流動改善，因而與以前的噴嘴相比，最佳外壁節(jié)流率變小。因此，葉尖部的臺階h2最好為噴嘴葉片入口高度L1的約20％，一旦超過該值，效率提高量便減少。因此，將噴嘴葉片入口高度L1的0.1～0.2倍作為葉尖部的臺階h2的使用范圍是最有效的。
而且，由于存在噴嘴葉片流出速度矢量的外周方向成分，當(dāng)葉根部的臺階h1變大時，在內(nèi)周壁的曲率面容易分離。在圖1A表示了葉根部節(jié)流形狀的影響(h1/L1)，如果葉根的節(jié)流率過大，則性能低下。葉根部的臺階的允許值是噴嘴葉片入口高度L1的約5％，如果超過該值，效率提高量就減少。因此，將噴嘴葉片入口高度L1的0～0.05倍作為葉根部的臺階h1的使用范圍是最有效的。
另外，從緩和在噴嘴葉片23的外周壁和內(nèi)周壁的出口部形成的曲率為R的曲面部處的急劇的流線移動為目的，使噴嘴葉片23出口端位置(圖示Zr，Zp，Zt)在噴嘴葉片中央部作為最下游側(cè)，這樣形成Zt＜Zr＜Zp。由于這樣構(gòu)成噴嘴出口端，噴嘴葉片外周側(cè)的流動向噴嘴葉片外周方向偏向，噴嘴葉片內(nèi)周側(cè)的流動向噴嘴葉片內(nèi)周方向偏向，具有抑制在曲率為R的臺階容易分離的流動的效果。
在配置于噴嘴葉片23的下游的轉(zhuǎn)動葉片25中，與上述噴嘴葉片流路一樣，在轉(zhuǎn)動葉片流路內(nèi)也設(shè)置具有曲率為R的臺階h3、h4。在這種場合下，也具有與前述場合相同的功能。轉(zhuǎn)動葉片25的葉尖部的臺階h4為轉(zhuǎn)動葉片入口高度L3的0.1～0.2倍，轉(zhuǎn)動葉片25的葉根部的臺階h3為轉(zhuǎn)動葉片入口高度L3的0.05倍以下是最有效的。
并且，轉(zhuǎn)動葉片25的葉片長度中央部比用直線連接葉根部的出口端和葉尖端的出口端的出口端界線處于更下游側(cè)而形成，上述出口端界線和出口端外周之間的距離工作為最大的轉(zhuǎn)動葉片流路，緩和了曲率為R的臺階處急劇的流線移動。
圖2和圖3表示噴嘴葉片流路內(nèi)的流動及損失分布。參照圖2，說明在以前的外壁節(jié)流噴嘴葉片15和本實施例的噴嘴葉片23中工作流體流動的比較。在同一圖中，在以前的外壁節(jié)流噴嘴葉片15中，外周側(cè)的流動j1因外周壁的曲率R向葉根側(cè)大大地偏移。流動j2、j3也同樣向葉根側(cè)偏移。由于該流線移動，葉根側(cè)的二次流的渦流變小，在葉尖部流線移動大，葉片長度方向的流量分布變得不均勻。
與此相對，在本實施例的噴嘴葉片23中，在以前的外壁節(jié)流噴嘴葉片15及內(nèi)周壁上設(shè)置曲率為R的臺階，由于噴嘴葉片出口端在葉片長度中央部位于最下游側(cè)，外周側(cè)的流動K1從噴嘴葉片出口流出后，流線向外周方向返回。葉片長度中央部的流動K2大致從中央部流出，內(nèi)周側(cè)的流動K3使因壁面的曲率R引起的急劇流線移動緩和。
結(jié)果，能減少噴嘴葉片外周壁及內(nèi)周壁的二次流的渦流，同時，能防止在曲率為R的臺階處的分離。圖3表示以前的噴嘴葉片和本實施例的噴嘴葉片的損失比較，在本實施例的噴嘴葉片23的葉尖部變?yōu)榈蛽p失。
圖1所示的轉(zhuǎn)動葉片25也具有與上述噴嘴葉片23相同的功能。這樣，噴嘴葉片和轉(zhuǎn)動葉片在外周壁和內(nèi)周壁上都具有曲率為R的臺階，由于噴嘴葉片和轉(zhuǎn)動葉片出口端的葉片長度中央部以設(shè)置在下游側(cè)的方式構(gòu)成，能得到降低這些外周壁及內(nèi)周壁處的二次流損失的效果，能提高渦輪機分級效率。
圖4是表示本發(fā)明第二實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖。
如圖2所示，在該第二實施例中，沿噴嘴葉片流路噴嘴葉片出口高度L2大于噴嘴葉片入口高度L1(L1≤L2)。該噴嘴葉片流路形狀為在噴嘴葉片流路內(nèi)一度使噴嘴葉片外周壁呈凹凸?fàn)?、減小流路高度后，在噴嘴出口部附近相反又使流路高度增加。噴嘴葉片33的出口端在葉根部位于最下游側(cè)，且在葉尖部位于最上游側(cè)。
在本實施例中，由于使噴嘴葉片33的外周壁臺階與上述噴嘴葉片23在同一規(guī)定范圍內(nèi)，能得到與第一實施例相同的效果。
圖5是表示本發(fā)明第三實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖。
如圖5所示，在第三實施例中，使噴嘴葉片流路形狀在噴嘴葉片的外周壁及內(nèi)周壁沿下游側(cè)向外周方向傾斜，關(guān)于該傾斜角的關(guān)系設(shè)定為
0°≤(內(nèi)周壁的傾斜角θ1)＜(噴嘴葉片出口部以后的外周壁傾斜角θ3)＜(噴嘴葉片入口部的外周壁的傾斜角θ2)。
因此，由于使噴嘴葉片36的出口端與上述噴嘴葉片23在同一規(guī)定范圍內(nèi)，能得到與第一實施例大致相同的效果。
圖6是表示本發(fā)明第四實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖。
在該第四實施例中，在噴嘴葉片流路中噴嘴葉片出口高度L2大于噴嘴葉片入口高度L1(L1≤L2)。使噴嘴葉片的外周壁沿下游側(cè)向外周方向傾斜，而且使噴嘴葉片的內(nèi)周壁沿下游側(cè)向內(nèi)周方向傾斜，關(guān)于其傾斜角按下式設(shè)定，即(噴嘴葉片的內(nèi)周壁的傾斜角θ1)＜0°＜(噴嘴葉片出口部以后的隔膜外圈37的傾斜角θ3)＜(噴嘴葉片入口部的外周壁的傾斜角θ2)。
基于這種結(jié)構(gòu)，由于使噴嘴葉片38的出口端與上述噴嘴葉片23在同一規(guī)定范圍內(nèi)，能得到與第一實施例大致相同的效果。
圖7是表示本發(fā)明第五實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖。
如圖7所示，在該第五實施例中，使轉(zhuǎn)動葉片流路在轉(zhuǎn)動葉片40的外周壁及內(nèi)周壁沿下游側(cè)向外周方向傾斜，關(guān)于其傾斜角按下式設(shè)定，即0°≤(內(nèi)周壁的傾斜角θ1)＜轉(zhuǎn)動葉片出口部以后的蓋的傾斜角θ3)＜(轉(zhuǎn)動葉片入口部的外周壁的傾斜角θ2)。
基于這樣的結(jié)構(gòu)，由于使轉(zhuǎn)動葉片40的出口端與上述轉(zhuǎn)動葉片25在同一規(guī)定范圍內(nèi)，能得到與第二實施例大致相同的效果。
圖8是表示本發(fā)明第六實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖。
如圖8所示，在該第六實施例中，關(guān)于轉(zhuǎn)動葉片流路，轉(zhuǎn)動葉片出口高度L4大于轉(zhuǎn)動葉片入口高度L3(L3≤L4)。
該轉(zhuǎn)動葉片流路形狀是使轉(zhuǎn)動葉片41沿下游側(cè)向外周方向傾斜，且使轉(zhuǎn)動葉片41的內(nèi)周壁沿下游側(cè)向內(nèi)周方向傾斜，關(guān)于其傾斜角按下式設(shè)定，即(轉(zhuǎn)動葉片41的內(nèi)周壁的傾斜角θ1)＜0°＜(轉(zhuǎn)動葉片出口部以后的外周壁的傾斜角θ3)＜(轉(zhuǎn)動葉片入口部的外周壁的傾斜角θ2)。
基于這樣的結(jié)構(gòu)，由于使轉(zhuǎn)動葉片41的出口端與上述轉(zhuǎn)動葉片25在同一規(guī)定范圍內(nèi)，能得到與第二實施例大致相同的效果。
圖9及圖10是表示本發(fā)明第七實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖。
如圖9所示，由于該第七實施例的噴嘴葉片流路在噴嘴葉片42的出口側(cè)的外周壁及內(nèi)周壁上設(shè)置曲率為R的臺階，具有減小噴嘴葉片42的葉尖側(cè)及葉根側(cè)的二次流的渦流的功能。
另外，為了防止因急劇的流線移動在噴嘴葉片出口部的外周壁和內(nèi)周壁處的分離，該急劇的流線移動是由設(shè)置在噴嘴葉片出口側(cè)的曲率為R的臺階所引起的，如圖10所示，使噴嘴葉片42的葉尖部和葉根部的噴嘴葉片斷面在周向偏移(圖中僅示出X、Y)，將工作流體壓向壁面?zhèn)?流動m1、m2)，抑制了局部分離的發(fā)生。
靠這樣的結(jié)構(gòu)，能得到與第一實施例大致相同的效果。
圖11是表示本發(fā)明第八實施例的噴嘴葉片流路的斷面圖。
由于該第八實施例的噴嘴葉片流路在噴嘴葉片43的外周壁及內(nèi)周壁設(shè)置曲率為R的臺階，具有減小噴嘴葉片43的葉尖端及葉根端的二次流渦流的功能。
為了防止因急劇的流線移動在噴嘴葉片出口的外周壁和內(nèi)周壁處的分離，該急劇的流線移動是由曲率為R的臺階所引起的，關(guān)于如圖12所示的噴嘴葉片43的葉片間入口尺寸(圖示S)設(shè)為Sp≤Sr＜St的范圍。
由于形成該入口分布，如圖13所示，與以前相比，能增大噴嘴葉片的外周壁及內(nèi)周壁處的工作流體流量，而且，由于該流量控制，能得到與第一實施例基本相同的效果。
圖14是表示本發(fā)明第九實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖。
由于該第九實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路在轉(zhuǎn)動葉片外周壁和內(nèi)周壁上設(shè)置曲率為R的臺階，具有減小轉(zhuǎn)動葉片44的葉尖側(cè)和葉根側(cè)的二次流渦流的功能。為了防止因急劇的流線移動在轉(zhuǎn)動葉片出口的外周壁和內(nèi)周壁處的分離，該急劇的流線移動是由曲率為R的臺階所引起的，如圖15所示，使轉(zhuǎn)動葉片44的葉片斷面重心相對于徑向線在周向偏移(圖中僅示出X、Y)，將工作流體的流動壓向壁面?zhèn)?流動n1、n2)，抑制了局部分離的發(fā)生。
靠這樣的結(jié)構(gòu)，能得到與第二實施例大致相同的效果。
圖16～圖18是表示本發(fā)明第十實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路的斷面圖。
由于該第十實施例的轉(zhuǎn)動葉片流路在轉(zhuǎn)動葉片45的外周壁和內(nèi)周壁上設(shè)置曲率為R的臺階，具有使轉(zhuǎn)動葉片45的葉尖側(cè)及葉根側(cè)的二次流渦流減小的功能。
為了防止因急劇的流線移動在轉(zhuǎn)動葉片出口的外周壁和內(nèi)周壁處的分離，該急劇的流線移動是由曲率為R的臺階所引起的，使圖17所示的轉(zhuǎn)動葉片45葉片間的入口尺寸(圖示S)設(shè)定在如圖18所示的Sr＜Sp＜St的范圍。
由于形成這樣的入口分布，同以前相比，可使在轉(zhuǎn)動葉片45的外周壁和內(nèi)周壁的工作流體的流量增大，靠該流量控制，能抑制轉(zhuǎn)動葉片45的外周壁和內(nèi)周壁的局部分離的發(fā)生，能得到與第二實施例基本相同的效果。
如上所述，按照本發(fā)明，由于在噴嘴葉片及轉(zhuǎn)動葉片的外周壁和內(nèi)周壁上設(shè)置曲率為R的臺階，以使噴嘴葉片出口端和轉(zhuǎn)動葉片出口端在葉片長度中央部位于最下游側(cè)的方式形成噴嘴葉片流路和轉(zhuǎn)動葉片流路，能獲得減小二次流渦流及在葉片長度方向工作流體流量分布均勻化的效果。
另外，在上述噴嘴葉片及轉(zhuǎn)動葉片的外周壁、內(nèi)周壁形狀方面，靠使噴嘴葉片和轉(zhuǎn)動葉片分別彎曲，或者增大噴嘴葉片間和轉(zhuǎn)動葉片間葉根部及葉尖部的入口，能獲得提高渦輪機分級效率的效果。
權(quán)利要求
1.一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于在上述噴嘴葉片位置處上述隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面上，以流路高度在下游側(cè)減小的方式設(shè)置曲率為R的臺階，同時使上述噴嘴葉片的出口端成為突出的彎曲形狀，以使葉片長度中央附近處于最下游側(cè)，且當(dāng)上述噴嘴葉片的入口高度為L1，出口高度為L2，上述隔膜內(nèi)圈的臺階為h1，上述隔膜外圈的臺階為h2時，設(shè)定為L1＞L2，0≤h1/L1＜0.05，0.1＜h2/L1＜0.2，同時當(dāng)從隔膜前緣到噴嘴葉片出口端的軸向距離在外周端側(cè)為Zt，在內(nèi)周端側(cè)為Zr，在中央部為Zp時，設(shè)定為Zt＜Zr＜Zp。
2.一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部上配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于在上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面和上述蓋的內(nèi)周面上，以流路高度在下游側(cè)減小的方式設(shè)置曲率為R的臺階，同時，使轉(zhuǎn)動葉片出口端的葉片長度中央部成為比用直線連接葉根出口端和葉尖出口端的出口端界線更靠下游側(cè)的突出彎曲形狀，且當(dāng)轉(zhuǎn)動葉片入口高度為L3，轉(zhuǎn)動葉片出口高度為L4，上述旋轉(zhuǎn)輪的臺階為h3，上述蓋的臺階為h4時，設(shè)定為0≤h3/L3＜0.05，0.1＜h4＜L3＜0.2，同時，將從連接上述轉(zhuǎn)動葉片的葉根部出口端和葉尖部出口端的出口端界線上的各點到形成轉(zhuǎn)動葉片出口端的曲線上各點的軸向距離Z設(shè)定為在上述轉(zhuǎn)動葉片出口端的葉片長度中央部為最大。
3.一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于，上述噴嘴葉片的出口高度L2比入口高度L1大(L1≤L2)，而且在隔膜外圈的內(nèi)周面上設(shè)置曲率為R的臺階，使流路高度減小后，相反在噴嘴葉片出口附近使流路高度增大，以使內(nèi)周端部處于最下游側(cè)且外周端部處于最上游側(cè)的形式形成噴嘴葉片的出口端，設(shè)置在上述隔膜外圈內(nèi)周面上的臺階與權(quán)利要求1中所記載的渦輪噴嘴為同一規(guī)定范圍。
4.一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈的隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于使上述隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面分別沿下游側(cè)向外周方向傾斜，在上述隔膜外圈的內(nèi)周面和隔膜內(nèi)圈的外周面的出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時，當(dāng)上述隔膜內(nèi)圈的外周面的傾斜角為θ1，噴嘴葉片入口部的隔膜外圈的內(nèi)周面的傾斜角為θ2，噴嘴葉片出口以后的隔膜外圈的內(nèi)周面傾斜角為θ3時，設(shè)定為0°≤θ1＜θ3＜θ2，而且上述隔膜外圈的內(nèi)周面及上述隔膜內(nèi)圈的外周面的曲率為R的臺階和從隔膜前緣到噴嘴葉片出口端的軸向距離Z與權(quán)利要求1所記載的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
5.一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于噴嘴葉片出口高度L2比噴嘴葉片入口高度L1大(L1≤L2)，沿下游側(cè)使上述隔膜外圈的內(nèi)周面向外周方向傾斜，并且沿下游側(cè)使隔膜內(nèi)圈的外周面向內(nèi)周方向傾斜，在上述隔膜外圈的內(nèi)周面及上述隔膜內(nèi)圈的外周面的出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時當(dāng)上述隔膜內(nèi)圈的外周面的傾斜角為θ1，噴嘴葉片入口部的隔膜外圈的內(nèi)周面的傾斜角為θ2，噴嘴葉片出口以后的隔膜外圈的內(nèi)周面的傾斜角為θ3時，設(shè)定為θ1＜0°＜θ3＜θ2，而且上述隔膜外圈的內(nèi)周面及上述隔膜內(nèi)圈的外周面的曲率為R的臺階和從隔膜前緣到噴嘴葉片出口端的軸向距離Z與權(quán)利要求1所記載的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
6.一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于沿著下游側(cè)，使在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的上述蓋的內(nèi)周面和上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面傾斜，在這些蓋的內(nèi)周面和上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的轉(zhuǎn)動葉片出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時，當(dāng)上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的傾斜角為θ1，轉(zhuǎn)動葉片入口部的蓋內(nèi)周面的傾斜角為θ2，轉(zhuǎn)動葉片出口部以后的蓋內(nèi)周面的傾斜角為θ3時，設(shè)定為0°≤θ1＜θ3＜θ2，而且上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面及上述蓋的內(nèi)周面的曲率為R的臺階和從出口端界線到轉(zhuǎn)動葉片出口端的軸向距離W與權(quán)利要求2所記載的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
7.一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于轉(zhuǎn)動葉片出口高度L4比轉(zhuǎn)動葉片入口高度L3大(L3≤L4)，沿著下游側(cè)使在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的上述蓋的內(nèi)周面向外周方向傾斜，而且沿著下游側(cè)使在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的旋轉(zhuǎn)輪的外周面向內(nèi)周方向傾斜，在上述蓋的內(nèi)周面及上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的出口端附近設(shè)置曲率為R的臺階，同時，當(dāng)上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面的傾斜角為θ1，轉(zhuǎn)動葉片入口部蓋的內(nèi)周面傾斜角為θ2，轉(zhuǎn)動葉片出口部以后的蓋內(nèi)周面傾斜角為θ3時，設(shè)定為θ1＜0°＜θ3＜θ2，而且，上述蓋內(nèi)周面及上述旋轉(zhuǎn)輪外周面的曲率為R的臺階和以出口端界線到轉(zhuǎn)動葉片出口端部的軸向距離W與權(quán)利要求2所記載的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
8.一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于在上述噴嘴葉片位置處的隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且使噴嘴葉片的葉尖部和葉根部的噴嘴葉片斷面向上述環(huán)狀流路的周向偏移，使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求1的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
9.一種軸流式渦輪機的渦輪噴嘴，它通過在隔膜外圈和隔膜內(nèi)圈之間形成的環(huán)狀流路處配設(shè)多個噴嘴葉片而構(gòu)成，其特征在于在上述噴嘴葉片位置處的隔膜外圈的內(nèi)周面和上述隔膜內(nèi)圈的外周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且當(dāng)在噴嘴葉片間形成的入口尺寸S在葉片長度中央部為Sp、在葉根部為Sr，在葉尖部為St時，設(shè)定為Sp≤Sr＜St，并且使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求1的渦輪噴嘴在同一規(guī)定范圍。
10.一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于在上述轉(zhuǎn)動葉片位置處的上述蓋的內(nèi)周面及上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且使上述轉(zhuǎn)動葉片的外周部及內(nèi)周部的轉(zhuǎn)動葉片斷面在上述旋轉(zhuǎn)輪的周向移動，使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求2的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
11.一種軸流式渦輪機的渦輪轉(zhuǎn)動葉片，它通過在旋轉(zhuǎn)輪的外周部配設(shè)多個轉(zhuǎn)動葉片，在該轉(zhuǎn)動葉片的外周端部安裝環(huán)狀蓋而構(gòu)成，其特征在于在上述旋轉(zhuǎn)輪的外周面和上述蓋的內(nèi)周面上設(shè)置曲率為R的臺階，而且當(dāng)在上述轉(zhuǎn)動葉片間形成的入口尺寸S在葉片長度中央部為Sp，在葉根部為Sr，在葉尖部為St時，設(shè)定為Sr＞Sp＞St，并且使上述曲率為R的臺階與權(quán)利要求2的渦輪轉(zhuǎn)動葉片在同一規(guī)定范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種靠簡單構(gòu)造達到減小二次流損失目的的軸流式渦輪機的渦輪噴嘴及渦輪轉(zhuǎn)動葉片。在由噴嘴葉片23和隔膜外圈21、隔膜內(nèi)圈22構(gòu)成的噴嘴葉片流路中,讓噴嘴葉片23的外周壁及內(nèi)周壁的形狀呈凹凸?fàn)?形成具有各自曲率為R的臺階(葉根部h
文檔編號F01D9/02GK1191930SQ9712977
公開日1998年9月2日 申請日期1997年12月27日 優(yōu)先權(quán)日1996年12月27日
發(fā)明者松田實 申請人:株式會社東芝