涡轮静叶片及蒸汽涡轮的制作方法

1.本发明涉及一种涡轮静叶片及蒸汽涡轮。
2.本技术主张对于2021年6月28日在日本技术的日本专利申请2021-106944号的优先权，并将其内容援用于此。


背景技术：

3.蒸汽涡轮具备：旋转轴，围绕轴线可以旋转；多个涡轮动叶栅，在该旋转轴的外周面上，沿轴线方向隔开间隔地排列；壳体，从外周侧覆盖旋转轴及涡轮动叶栅；及多个涡轮静叶栅，在壳体的内周侧，由内圈和外圈从径向支承。各涡轮动叶栅具有沿旋转轴的周向排列的多个动叶片，各涡轮静叶栅具有沿旋转轴的周向排列的多个静叶片。涡轮动叶栅通过与涡轮静叶栅在轴线方向的下游侧相邻配置而形成一个级。在壳体的上游侧形成有与从外部吸入蒸气的入口配管相连的吸入口，在下游侧形成有排气室。在锅炉中生成的蒸气由调节阀来调节压力和温度，由涡轮入口阀调节流量，并向涡轮流入。从入口配管吸入的高温高压蒸气在涡轮静叶栅中被调节流动方向和速度之后，在涡轮动叶栅中转换为旋转轴的旋转力。
4.穿过涡轮内部的蒸气随着从上游侧趋向下游侧而失去能量，温度(和压力)降低。尤其，火力发电用蒸汽涡轮通常由高压涡轮、中压涡轮及低压涡轮构成。在从低压涡轮的最下游侧起数的两个级(一对涡轮静叶栅与涡轮动叶栅)中成为气液两相流环境。从而，在最下游侧的级中，蒸气的一部分液化而作为微小液滴(水滴)存在于气流中，该液滴的一部分附着于涡轮静叶片的表面。该液滴在涡轮静叶片的表面上从上游侧存在至下游侧，这些液滴通过在叶片表面上聚集而生长并成为液膜。液膜始终暴露于高速蒸气流。若液膜进一步生长而厚度增加，则其一部分被蒸气流撕裂，作为粗大液滴向下游侧飞散。越是大的液滴，惯性力越大，因此无法顺着蒸气流穿过涡轮动叶片之间，而是与涡轮动叶片碰撞。越趋向前端侧，涡轮动叶片的圆周速度越大，有时超过声速，因此在飞散的液滴与涡轮动叶片碰撞的情况下，在涡轮动叶片的表面可能产生侵蚀(erosion)。并且，也可能因液滴的碰撞而阻碍涡轮动叶片的旋转，并产生制动损失。
5.为了防止这种侵蚀的发生，迄今为止，提出了各种技术。例如，在下述专利文献1中记载的蒸汽涡轮中，在涡轮动叶片的表面上形成有一个引导槽。通过沿该引导槽引起液滴，能够防止液滴流向圆周速度高的涡轮动叶片的前端侧。
6.以往技术文献
7.专利文献
8.专利文献1：日本专利公开2016-166569号公报


技术实现要素：

9.发明要解决的技术课题
10.然而，如上所述，仅通过限制涡轮动叶片上的液滴的流动，不能成为对侵蚀的根本
的解决方案。因此，对可以抑制或回收涡轮静叶片上的液滴的技术的要求越来越高。
11.本发明是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种可以更有效地抑制或回收液滴的涡轮静叶片及蒸汽涡轮。
12.用于解决技术课题的手段
13.为了解决上述课题，本发明所涉及的涡轮静叶片具备：静叶片主体，沿与蒸气的流动方向交叉的径向延伸；回收部，形成于该静叶片主体的表面，回收沿该表面流动的液膜；及中心区域，形成于所述静叶片主体的表面，形成有从所述流动方向的上游侧朝向所述回收部延伸的多个第一微细槽，随着从上游侧趋向所述回收部，彼此相邻的所述第一微细槽彼此之间的间隔变窄。
14.发明效果
15.根据本发明，能够提供一种可以更有效地抑制或回收液滴的涡轮静叶片及蒸汽涡轮。
附图说明
16.图1是表示本发明的实施方式所涉及的蒸汽涡轮的结构的截面图。
17.图2是表示本发明的实施方式所涉及的蒸汽涡轮的主要部分放大截面图。
18.图3是表示本发明的实施方式所涉及的微细槽的形状的截面图。
19.图4是表示本发明的实施方式所涉及的涡轮静叶片的第一变形例的图。
20.图5是表示本发明的实施方式所涉及的涡轮静叶片的第二变形例的图。
21.图6是表示本发明的实施方式所涉及的微细槽的第一变形例的截面图。
22.图7是表示本发明的实施方式所涉及的微细槽的第二变形例的截面图。
23.图8是表示本发明的实施方式所涉及的微细槽的第三变形例的截面图。
24.图9是表示本发明的实施方式所涉及的微细槽的第四变形例的截面图。
具体实施方式
25.(蒸汽涡轮的结构)
26.以下，参考图1和图2，对本发明的实施方式所涉及的蒸汽涡轮1及静叶片10(涡轮静叶片)进行说明。如图1所示，蒸汽涡轮1具备转子2和壳体3。
27.转子2具有沿轴线o延伸的圆形截面的旋转轴6和设置于该旋转轴6的外周面上的多个动叶片叶栅7。旋转轴6围绕轴线o可以旋转。多个动叶片叶栅7沿轴线o方向隔开间隔地排列。各动叶片叶栅7具有沿轴线o的周向排列的多个动叶片8。动叶片8从旋转轴6的外周面朝向径向外侧延伸。关于动叶片8的详细结构，在后面进行叙述。
28.壳体3具有从外周侧覆盖上述转子2的壳体主体3h、以及由设置在该壳体主体3h的内周侧的外圈21(后述)和内圈23(后述)从外周侧和内周侧支承的多个静叶片叶栅9。壳体主体3h呈以轴线o为中心的筒状。多个静叶片叶栅9沿轴线o方向隔开间隔地排列。蒸汽涡轮1具备与静叶片叶栅9相同数量的动叶片叶栅7，一个动叶片叶栅7位于轴线o方向上相邻的一对静叶片叶栅9彼此之间。即，动叶片叶栅7和静叶片叶栅9在轴线o方向上交替排列。一个静叶片叶栅9和一个动叶片叶栅7形成一个“级”。各静叶片叶栅9具有沿轴线o的周向排列的多个静叶片10。静叶片10朝向相对于轴线o的径向延伸。
29.在壳体主体3h中的轴线o方向的一侧形成有蒸气流路11，该蒸气流路11用于将从入口配管导入的高温高压的蒸气吸入到壳体主体3h的级内。在壳体主体3h中的轴线o方向的另一侧设置承担蒸气的压力恢复的排气室12。
30.流入到蒸气流路11的蒸气在流过壳体主体3h内的级之后，穿过排气室12并输送到冷凝器(未图示)。在以下说明中，从排气室12观察时，将蒸气流路11所在位置的一侧称为蒸气的流动方向中的上游侧。从蒸气流路11观察时，将排气室12所在位置的一侧称为下游侧。
31.(动叶片的结构)
32.如图2所示，动叶片8具有平台81、动叶片主体82及护罩83。平台81设置于旋转轴6的外周面(旋转轴外周面6a)。在平台81的外周侧设置有动叶片主体82。动叶片主体82沿径向延伸，并且从径向观察时具有叶片型截面形状。作为一例，动叶片主体82形成为随着从径向内侧趋向外侧而轴线o方向的尺寸逐渐减少。在动叶片主体82的径向外侧的端部设置有护罩83。护罩83具有以轴线o方向为长度方向的大致矩形的截面形状。护罩83的外周面与壳体主体3h的内周面(壳体内周面3a)在径向上隔开间隔地对置。
33.(静叶片的结构)
34.静叶片10具有外圈21、静叶片主体22(叶片主体)及内圈23。并且，静叶片主体22具有中心区域41、外侧区域42、内侧区域43及狭缝13(回收部14)。外圈21呈以轴线o为中心的圆环状。外圈21经由支承部件(未图示)支承于壳体主体3h。静叶片主体22固定设置在外圈21与内圈23之间。静叶片主体22从外圈内周面21a朝向径向内侧延伸，并且从径向观察时具有叶片型截面形状。即，静叶片主体22沿与蒸气的流动方向交叉的方向延伸。作为一例，静叶片主体22随着从径向外侧趋向内侧而轴线o方向的尺寸逐渐减少。在静叶片主体22的径向内侧的端部设置有内圈23。内圈23具有以轴线o方向为长度方向的大致矩形的截面形状。内圈23的内周面与旋转轴外周面6a在径向上隔开间隔地对置。
35.在静叶片主体22的表面(更具体而言，在静叶片主体22的厚度方向的两面中，朝向上游侧的表面：腹面)上形成有中心区域41、外侧区域42、内侧区域43及狭缝13。在这些中心区域41、外侧区域42及内侧区域43中形成有多个从静叶片主体22的表面朝向内侧凹陷的微细槽5。微细槽5为了将在静叶片主体22的表面上产生的液滴沿蒸气流移送到下游侧而设置。微细槽5沿径向隔开间隔地排列。
36.在中心区域41中形成的微细槽5(第一微细槽51)随着从静叶片主体22的前缘22a侧趋向后缘22b侧，彼此相邻的第一微细槽51彼此之间的间隔变窄。即，中心区域41的径向尺寸随着从前缘22a侧趋向后缘22b侧逐渐变小。这些第一微细槽51的下游侧的端部与后述狭缝13连通。
37.外侧区域42形成于中心区域41的径向外侧。在外侧区域42中形成的微细槽5(第二微细槽52)随着从前缘22a侧趋向下游侧以朝向径向外侧的方式弯曲。第二微细槽52的下游侧的端部与外圈21的内周面连接。
38.内侧区域43形成于中心区域41的径向内侧。在内侧区域43中形成的微细槽5(第三微细槽53)随着从前缘22a侧朝向下游侧以朝向径向内侧的方式弯曲。第三微细槽53的下游侧的端部延伸至后缘22b中的径向内侧的区域(内圈23的附近)。
39.在前缘22a侧，中心区域41(第一微细槽51)占最大的比率，外侧区域42及内侧区域43所占面积小于中心区域41所占面积。
40.在上述中心区域41中的后缘22b侧，形成有作为回收流过第一微细槽51中的液膜的回收部14的狭缝13。狭缝13沿后缘22b延伸。狭缝13是与静叶片主体22的内部连通的一个以上的长孔。即，该静叶片主体22设为中空。静叶片主体22的内部空间优选通过未图示的装置设为负压状态。
41.接着，参考图3，对微细槽5的尺寸进行说明。如图3所示，在本实施方式中，微细槽5具有矩形截面形状。在将相邻的微细槽5彼此之间的间隔(间距)设为p，将微细槽5的深度设为h，将开口部的宽度设为w，将底面部的宽度设为b的情况下，期望w值为0.3～2.0mm。并且，期望b/w值为0～2.0(详细情况将进行后述，该值为0的情况相当于微细槽5具有三角形截面的情况。)。此外，期望h/w值为0.5～2.0。期望p/w值为0.5～3.0。
42.(作用效果)
43.接着，对本实施方式所涉及的蒸汽涡轮1的动作、以及静叶片10中的液滴的动作进行说明。当运转蒸汽涡轮1时，首先，通过蒸气流路11向壳体主体3h的内部导入高温高压的蒸气。蒸气在壳体主体3h的内部在朝向下游侧流通的中途，交替穿过上述静叶片叶栅9及动叶片叶栅7。静叶片叶栅9对蒸气流进行整流，以使其流入到与下游侧相邻的动叶片叶栅7。由于蒸气作用于动叶片叶栅7，因此通过该动叶片叶栅7向旋转轴6赋予转矩。通过该转矩，转子2围绕轴线o旋转。转子2的旋转能量从轴端导出，并用于发电机(未图示)的驱动等。
44.在此，穿过涡轮的主流路内的级的蒸气在每次从上游侧朝向下游侧穿过级时，能量转换为旋转能量，温度(和压力)降低。从而，在最下游侧的静叶片叶栅9中，蒸气的一部分液化而作为微小液滴存在于气流中，该液滴的一部分附着于静叶片10(静叶片主体22)的表面。该液滴生长而成为液膜。此外，通过液滴持续增加，若随着液膜向下游流动而厚度增加，则其一部分被蒸气流撕裂，或者附着于静叶片叶栅上的液膜从静叶片后缘作为粗大液滴飞散。飞散的液滴一边由蒸气流逐渐加速，一边向下游侧流动。若粗大液滴与下游侧的动叶片8碰撞，则在该动叶片8的表面上可能产生侵蚀(erosion)。并且，也可能通过液滴的碰撞而阻碍动叶片8(转子2)的旋转，并产生制动损失。
45.因此，在本实施方式中，如上所述，在静叶片主体22的表面上形成有多个微细槽5。捕获到微细槽5中的液滴顺着蒸气流流向下游侧。在中心区域41中，液滴沿第一微细槽51朝向狭缝13流动。该液滴通过狭缝13的负压被回收。并且，在外侧区域42中，液滴沿第二微细槽52朝向径向外侧流动，并被引导至外圈21的内周面。即，液滴不会到达下游侧的动叶片8。同样地，在内侧区域43中，液滴沿第三微细槽53朝向径向内侧流动。由此，液滴不会到达圆周速度快的动叶片8的前端部。
46.尤其，根据上述结构，随着从上游侧趋向回收部14(狭缝13)，第一微细槽51彼此之间的间隔变窄。由此，能够从比上游侧更宽的范围将液膜或液滴朝向回收部14引导。并且，由此，也能够将回收部14本身的大小抑制得较小。其结果，与较大地确保回收部14的情况相比，能够降低影响蒸气的主流的可能性。
47.并且，根据上述结构，能够通过第二微细槽52将在中心区域41的径向外侧产生的液膜进一步朝向径向外侧(例如，外圈21的内周面)引导。由此，能够进一步降低液滴向静叶片主体22的下游侧飞散的可能性。
48.此外，根据上述结构，能够通过第三微细槽53将在中心区域41的径向内侧产生的液膜进一步朝向径向内侧引导。由此，能够进一步降低液滴向静叶片主体22的下游侧飞散
的可能性。
49.(其他实施方式)
50.以上，对本发明的实施方式进行了说明。另外，只要不脱离本发明的主旨，就可以对上述结构进行各种变更或改进。
51.例如，作为静叶片10的第一变形例，也可以采用图4所示结构。在该第一变形例中，第一微细槽51b随着从前缘22a侧趋向狭缝13侧以朝向径向外侧的方式弯曲。此外，随着趋向狭缝13，第一微细槽51b延伸的方向相对于蒸气的流动方向f所成角度即转向角逐渐变小。即，在第一微细槽51b中的狭缝13侧的部分中，与前缘22a侧的部分相比，曲率半径变大。换言之，随着从前缘22a侧趋向狭缝13侧，上述转向角的增加率逐渐变小。另外，也可以将狭缝13侧的部分设为回旋曲线。
52.根据上述结构，随着趋向狭缝13，第一微细槽51b延伸的方向以沿着蒸气的流动方向的方式变化。由此，越接近狭缝13，液膜的流速越增大，可以更有效地回收该液膜。
53.此外，作为静叶片10的第二变形例，也可以采用图5所示结构。在该第二变形例中，在中心区域41中形成有作为微细槽5的主槽51c和副槽51d。主槽51c从前缘22a侧朝向狭缝13延伸，并且彼此相邻的主槽51c彼此之间的间隔变窄。副槽51d以前缘22a侧为起点，在终点与主槽51c中的一个合流。根据这种结构，也可以在比前缘22a侧更宽的范围内回收液膜。
54.并且，在上述实施方式中，对微细槽5具有矩形截面形状的例子进行了说明。然而，只要满足上述尺寸的条件，微细槽5的形状就可以进行各种变更。例如，如图6所示，也可以使底面部的宽度b大于开口部的宽度w(b＞w)。如图7所示，也可以使底面部的宽度b小于开口部的宽度w(b＜w)。如图8所示，也可以将微细槽5的截面形状设为三角形(b＝0)。此外，如图9所示，也可以将底面部设为圆弧状。
55.《附记》
56.各实施方式中记载的装置x例如如下掌握。
57.(1)第1方式所涉及的涡轮静叶片(静叶片10)具备：静叶片主体22，沿与蒸气的流动方向交叉的径向延伸；回收部14，形成于该静叶片主体22的表面，回收沿该表面流动的液膜；及中心区域41，形成于所述静叶片主体22的表面，形成有从所述流动方向的上游侧朝向所述回收部14延伸的多个第一微细槽51，随着从上游侧趋向所述回收部14，彼此相邻的所述第一微细槽51彼此之间的间隔变窄。
58.根据上述结构，随着从上游侧趋向回收部14，第一微细槽51彼此之间的间隔变窄。由此，能够从比上游侧更宽的范围将液膜朝向回收部14引导。并且，也能够将回收部14本身的大小抑制得较小。由此，能够降低影响蒸气的主流的可能性。
59.(2)在第2方式所涉及的涡轮静叶片(静叶片10)中，随着趋向所述回收部14，所述第一微细槽51b延伸的方向相对于所述流动方向所成角度即转向角可以逐渐变小。
60.根据上述结构，随着趋向回收部14，第一微细槽51b延伸的方向以沿着蒸气的流动方向的方式变化。由此，越接近回收部14，液膜的流速越增大，可以更有效地回收该液膜。
61.(3)在第3方式所涉及的涡轮静叶片(静叶片10)中，随着趋向所述回收部14，所述第一微细槽51b延伸的方向相对于所述流动方向所成角度即转向角的增加率可以逐渐变小。
62.根据上述结构，随着趋向回收部14，第一微细槽51b的转向角的增加率逐渐变小。
由此，越接近回收部14，液膜的流速越增大，可以更有效地回收该液膜。
63.(4)第4方式所涉及的涡轮静叶片(静叶片10)还可以具备外侧区域42，所述外侧区域42形成于所述静叶片主体22的表面中的所述中心区域41的径向外侧，并形成有随着从上游侧趋向下游侧朝向径向外侧延伸的多个第二微细槽52。
64.根据上述结构，能够通过第二微细槽52将在中心区域41的径向外侧产生的液膜进一步朝向径向外侧(例如，外圈21的内周面)引导。由此，能够进一步降低液滴向静叶片主体22的下游侧飞散的可能性。
65.(5)第5方式所涉及的涡轮静叶片(静叶片10)还可以具备内侧区域43，所述内侧区域43形成于所述静叶片主体22的表面中的所述中心区域41的径向内侧，并形成有随着从上游侧趋向下游侧朝向径向内侧延伸的多个第三微细槽53。
66.根据上述结构，能够通过第三微细槽53将在中心区域41的径向内侧产生的液膜进一步朝向径向内侧引导。由此，能够进一步降低液滴向静叶片主体22的下游侧飞散的可能性。
67.(6)第6方式所涉及的蒸汽涡轮1具备：旋转轴6，沿轴线o延伸；多个涡轮动叶片(动叶片8)，从该旋转轴6的外周面向径向外侧延伸，并且沿周向排列；壳体3，从外侧覆盖所述旋转轴6及所述多个涡轮动叶片；及上述任一方式所涉及的涡轮静叶片(静叶片10)，从该壳体3的内周面朝向径向内侧延伸，并且沿周向排列有多个。
68.根据上述结构，能够提供一种抑制了因液滴向下游侧飞散而产生侵蚀的蒸汽涡轮1。
69.产业上的可利用性
70.根据本发明，能够提供一种可以更有效地抑制或回收液滴的涡轮静叶片及蒸汽涡轮。
71.符号说明
72.1-蒸汽涡轮，2-转子，3-壳体，3a-壳体内周面，3h-壳体主体，5-微细槽，6-旋转轴，6a-旋转轴外周面，7-动叶片叶栅，8-动叶片(涡轮动叶片)，9-静叶片叶栅，10-静叶片(涡轮静叶片)，11-蒸气流路，12-排气室，13-狭缝，14-回收部，21-外圈，21a-外圈内周面，22-静叶片主体(叶片主体)，22a-前缘，22b-后缘，23-内圈，41-中心区域，42-外侧区域，43-内侧区域，51，51b-第一微细槽，51c-主槽，51d-副槽，52-第二微细槽，53-第三微细槽，81-平台，82-动叶片主体，83-护罩，o-轴线。

技术特征：
1.一种涡轮静叶片，其具备：静叶片主体，沿与蒸气的流动方向交叉的径向延伸；回收部，形成于该静叶片主体的表面，回收沿该表面流动的液膜；及中心区域，形成于所述静叶片主体的表面，形成有从所述流动方向的上游侧朝向所述回收部延伸的多个第一微细槽，随着从上游侧趋向所述回收部，彼此相邻的所述第一微细槽彼此之间的间隔变窄。2.根据权利要求1所述的涡轮静叶片，其中，随着趋向所述回收部，所述第一微细槽延伸的方向相对于所述流动方向所成角度即转向角逐渐变小。3.根据权利要求1所述的涡轮静叶片，其中，随着趋向所述回收部，所述第一微细槽延伸的方向相对于所述流动方向所成角度即转向角的增加率逐渐变小。4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮静叶片，其还具备外侧区域，所述外侧区域形成于所述静叶片主体的表面中的所述中心区域的径向外侧，并形成有随着从上游侧趋向下游侧朝向径向外侧延伸的多个第二微细槽。5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮静叶片，其还具备内侧区域，所述内侧区域形成于所述静叶片主体的表面中的所述中心区域的径向内侧，并形成有随着从上游侧趋向下游侧朝向径向内侧延伸的多个第三微细槽。6.一种蒸汽涡轮，其具备：旋转轴，沿轴线延伸；涡轮动叶片，从该旋转轴的外周面向径向外侧延伸，并且沿周向排列有多个；壳体，从外侧覆盖所述旋转轴及所述多个涡轮动叶片；及权利要求1至5中任一项所述的涡轮静叶片，从该壳体的内周面朝向径向内侧延伸，并且沿周向排列有多个。

技术总结
涡轮静叶片具备：静叶片主体，沿与蒸气的流动方向交叉的径向延伸；回收部，形成于静叶片主体的表面，回收沿表面流动的液膜；及中心区域，形成于静叶片主体的表面，形成有从流动方向的上游侧朝向回收部延伸的多个第一微细槽，随着从上游侧趋向回收部，彼此相邻的第一微细槽彼此之间的间隔变窄。微细槽彼此之间的间隔变窄。微细槽彼此之间的间隔变窄。


技术研发人员：水见俊介 田畑创一朗 石桥光司 三宅哲
受保护的技术使用者：三菱重工业株式会社
技术研发日：2022.03.30
技术公布日：2023/7/4