[發明專利]超音速渦輪動葉片及軸流渦輪

有效

• 申請號: 201210219951.9
• 申請日: 2012-06-28
• 公開（公告）號: CN102852560A
• 公開（公告）日: 2013-01-02
• 發明（設計）人: 妹尾茂樹
• 申請（專利權）人: 株式會社日立制作所
• 主分類號: F01D5/14
• 分類號: F01D5/14;F01D1/04
• 代理公司: 北京銀龍知識產權代理有限公司 11243
• 代理人: 丁文蘊;李延虎

技術領域

本發明涉及渦輪動葉片及軸流渦輪，尤其涉及應用于蒸汽渦輪機等所用的渦輪動葉片的前端側的超音速渦輪葉片類型。

背景技術

軸流渦輪具有利用由靜葉片和動葉片構成的級將在高壓的流體向低壓部膨脹時產生的動量變換為旋轉力的功能。在軸流渦輪中，為了增加每個級的輸出，需要增加在單位時間流經的流體的質量即流量。若能夠增加每個級的輸出，則例如在發電用蒸汽渦輪等多級渦輪的情況下，能夠不改變級數地增加發電量。

為了增加流量，增大從流體流經的部分的旋轉軸方向觀察的面積即環面積是有效的。在軸流渦輪的場合，環面積為在葉片長和將葉片的外周端直徑和內周端直徑相加并除以2的平均直徑的積再乘以圓周率的值。因此，在軸流渦輪的場合，為了增加環面積，增大葉片長和平均直徑。

若增大葉片長或平均直徑，則動葉片的前端圓周速度變大，流體流入動葉片時的相對速度成為超音速，在動葉片流入部上產生沖擊波損失。

以往，作為在渦輪動葉片的長葉片化上降低在動葉片流入部上產生的沖擊波損失的方法，例如，如專利文獻1所記載的那樣，提出了在靜葉片環外周部的形狀上下功夫，以使在流體流入動葉片時相對于動葉片的相對速度不超過聲速的方案。

現有技術文獻

專利文獻1：日本特開2006-307843號公報

在專利文獻1中，通過在靜葉片環外周部的形狀上下功夫，以使在流體流入動葉片時相對于動葉片的相對速度不超過聲速，能抑制在動葉片流入部上產生的沖擊波損失。但是，在渦輪動葉片的更長葉片化時，只通過在靜葉片環外周部的形狀上下功夫難以抑制沖擊波損失。

一般地，作為級入口的、每單位質量的熱焓（比熱焓）和將流速的平方除以2的每單位質量的動量的和的比全熱焓H0從接近旋轉軸的內周側到外周側為大致一定的值。另一方面，靜葉片和動葉片間的比熱焓h1以與靜動葉片間的旋轉流平衡的方式，與內周側相比越向外周側越大。因此，比熱焓差H0－h1越向外周側越小。從靜葉片流出的流體速度與該比熱焓差H0－h1的平方根成比例。即，靜葉片流出速度越向外周側越小。

如在背景技術欄中所述的那樣，當增大環面積、即葉片長或平均直徑時，外周側的比熱焓差H0－h1漸漸變小，靜葉片流出速度也漸漸變小。這樣，通過增大環面積，外周側的比熱焓差H0－h1與靜葉片流出速度變小。另一方面，動葉片圓周速度與半徑成比例地增大。這些具有引起下述問題的可能性。

該情況導致動葉片的相對流入馬赫數成為超音速，損失增加的可能性增大。若增大葉片長或平均直徑，則動葉片的旋轉速度即圓周速度變大。動葉片的圓周速度在半徑位置最大的外周端、即動葉片前端部最大。若前端部的圓周速度除以聲速的圓周速度馬赫數超過1而成為超音速，則若來自靜葉片的流體的旋轉方向成分不充分，則流入動葉片的流體相對于動葉片的相對速度（動葉片相對流入速度）成為超音速的可能性增大。若半徑位置變大，則圓周速度變大，若半徑位置變大，則靜葉片流出速度變小。因此，動葉片相對流入速度在某半徑位置（葉片高度）以上，動葉片圓周速度成為主導，成為超音速。若動葉片相對流入速度成為超音速，則在動葉片上游側產生伴隨不連續的壓力上升的沖擊波。除了由沖擊波其本身產生的熵上升外，沖擊波與葉片面的邊界層干涉，產生因由于其不連續的壓力上升、邊界層厚度增加、且產生剝離等引起的熵上升。即使增加渦輪級的環面積，增大工作流體的流量，由于由該沖擊波引起的熵上升，有時相當于增加流量的旋轉力即輸出也不會增加。因此，為了通過超過界限圓周速度（動葉片相對流入速度成為超音速的動葉片圓周速度）而增大環面積，實現每級的輸出增加，而減小在動葉片流入部產生的沖擊波是重要的。

另外，在動葉片相對流入速度成為超音速的葉片高度中，由于動葉片的比熱焓落差大，因此從動葉片流出的流體相對于動葉片的相對速度（動葉片相對流出速度）也成為超音速。

這樣，將在流入、流出都成為超音速的渦輪葉片型稱為超音速渦輪葉片型。另外，將在某葉片高度以上具有超音速渦輪葉片型的渦輪動葉片稱為超音速渦輪動葉片。在動葉片相對流入速度和動葉片相對流出速度都成為超音速的超音速渦輪葉片型中，即使在動葉片流入部以外，也存在產生沖擊波損失的可能性。以往包括專利文獻1也未對減少在超音速渦輪葉片型上產生的沖擊波損失進行研究。