涡轮叶片及发动机部件
阅读：173发布：2021-04-10
专利汇可以提供涡轮叶片及发动机部件专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 涡轮 叶片 ，其用于 燃气轮机 发动机 的涡轮并由冷却空气冷却，具备：形成在上述涡轮叶片的内部的、供冷却空气流动的冷却通道；形成在上述涡轮叶片的叶片表面上的、下游侧内壁（15a）倾斜的多个有底孔（15）；以及形成在多个上述有底孔的各个的底部上的、与上述冷却通道连通且喷出上述冷却空气的喷出孔（17）。以上述喷出孔的中心线（17L）沿上述下游侧内壁的方式形成上述喷出孔。利用上述涡轮叶片，能够不导致效率下降地提高冷却。，下面是涡轮叶片及发动机部件专利的具体信息内容。
1.一种涡轮叶片，其用于燃气轮机发动机的涡轮并由冷却空气冷却，该涡轮叶片的特征在于，具备：
形成在上述涡轮叶片的内部的、供冷却空气流动的冷却通道；
形成在上述涡轮叶片的叶片表面上的、下游侧内壁倾斜的多个有底孔；以及形成在多个上述有底孔的各个的底部上的、与上述冷却通道连通并喷出上述冷却空气的喷出孔，
以上述喷出孔的中心线沿上述下游侧内壁的方式形成上述喷出孔。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，
将上述喷出孔的上述中心线相对于与上述有底孔的上述下游侧内壁平行的面的倾斜角设定在±20度的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮叶片，其特征在于，
上述喷出孔具有孔截面积朝出口方向变大的形状。
4.根据权利要求1～3任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，
多个上述有底孔的至少一个形成为沿跨度方向延伸的有底槽，在上述有底槽的底部沿跨度方向隔有间隔地形成多个上述喷出孔。
5.根据权利要求1～4任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，
上述喷出孔的上游侧内壁倾斜。
6.根据权利要求5所述的涡轮叶片，其特征在于，
上述喷出孔的上述下游侧内壁的端缘及上述上游侧内壁的端缘中的至少一方形成为光滑的曲面。
7.根据权利要求1～4任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，
上述喷出孔的上游侧内壁相对于上述叶片表面形成为直角。
8.根据权利要求1～7任一项所述的涡轮叶片，其特征在于，
在上述涡轮叶片的内部形成有沿跨度方向延伸的分隔壁，由上述分隔壁划分上述冷却通道，
上述有底孔的至少一个形成在与上述叶片表面的上述分隔壁对应的位置。
9.一种发动机部件，其用于燃气轮机发动机并且由冷却空气冷却，该发动机部件的特征在于，具备：
形成在上述发动机部件的内部的、供冷却空气流动的冷却通道；
形成在上述发动机部件的表面的、下游侧内壁倾斜的多个有底孔；以及形成在多个上述有底孔的各个的底部上的、与上述冷却通道连通并喷出上述冷却空气的喷出孔，
以上述喷出孔的中心线沿上述下游侧内壁的方式形成上述喷出孔。
涡轮叶片及发动机部件
技术领域
背景技术
[0002] 通常，在燃气轮机的工作中暴漏于燃烧气体（combustion gas）（主流气体（main-flow gas）的涡轮叶片利用从燃气轮机发动机的压缩机或风扇抽出的冷却空气（压缩空气的一部分）进行冷却。另外，近年来，伴随燃气轮机发动机的高输出化，具有燃烧气体高温化的倾向，期望涡轮叶片的冷却的提高。在下述专利文献1中，公开了提高涡轮叶片的冷却的技术。
[0003] 在专利文献1中公开的涡轮叶片的内部形成有供冷却空气（压缩空气的一部分）流动的冷却通道。在涡轮叶片的叶片表面上形成有在跨度方向（叶片高度方向）上延伸的有底槽（bottomed slot）。另外，在有底槽的底部（bottom）上沿跨度方向隔有间隔地形成有喷出冷却空气的多个喷出孔（ejection holes）。各喷出孔与冷却通道连通。
[0004] 在燃气轮机发动机的工作中，从压缩机或风扇抽出的冷却空气流入冷却通道，涡轮叶片从其内部通过对流冷却（convective cooling）（内部冷却（internal cooling））进行冷却。另外，对涡轮叶片进行对流冷却的冷却空气从多个喷出孔喷出并形成覆盖涡轮叶片的叶片表面的冷却层（cooling film），涡轮叶片通过气膜冷却（film cooling）（外部冷却（external cooling））进行冷却。
[0005] 在此，通过从喷出孔喷出的冷却空气在有底槽内在跨度方向上扩散，驻留在有底槽内并吸收热，离开有底槽而在较宽范围内形成冷却层。其结果，涡轮叶片冷却提高。
[0006] 现有技术文献
[0007] 专利文献
发明内容
[0009] 发明所要解决的课题
[0010] 在专利文献1记载的涡轮叶片中，提高了涡轮叶片的冷却，但在燃烧气体通过有底槽时，与有底槽的下游侧内壁碰撞，并从叶片表面剥离。因此，涡轮叶片的空气动力损失增大，燃气轮机发动机的发动机效率下降。即，提高了涡轮叶片的冷却，但难以充分地抑制发动机效率的下降。
[0011] 另外，上述问题除了涡轮叶片外，即使由冷却空气冷却的覆盖物等发动机部件也同样会产生。
[0012] 本发明的目的在于提供能够不导致效率下降地提高冷却的涡轮叶片及发动机部件。
[0013] 用于解决课题的方法
[0014] 本发明的第一特征在于提供涡轮叶片，其用于燃气轮机发动机的涡轮并由冷却空气冷却，具备形成在上述涡轮叶片的内部的、供冷却空气流动的冷却通道、形成在上述涡轮叶片的叶片表面上的、下游侧内壁倾斜的多个有底孔、形成在多个上述有底孔的各个的底部上的、与上述冷却通道连通并喷出上述冷却空气的喷出孔，以上述喷出孔的中心线沿上述下游侧内壁的方式形成上述喷出孔。
[0015] 另外，涡轮叶片包括涡轮动叶片（turbine rotor blade）及涡轮静叶片（turbine stator vane）。另外，叶片表面（blade surface）包括前缘（leading edge）、后缘（trailing edge）、腹面（pressure surface）及背面（suction surface）。另外，有底孔（bottomed recess）包括有底槽（bottomed slot）。
[0016] 根据第一特征，在燃气轮机发动机的工作中，当冷却空气流入冷却通道时，涡轮叶片从其内部通过对流冷却（内部冷却）进行冷却。另外，对流冷却后的冷却空气从多个喷出孔喷出，形成覆盖涡轮叶片的叶片表面的冷却层。涡轮叶片由利用冷却层进行的气膜冷却（外部冷却）进行冷却。
[0017] 在此，由于以有底孔的下游侧内壁倾斜，并且喷出孔的中心线沿下游侧内壁的方式形成喷出孔，因此能够不损坏涡轮叶片的叶片形状（airfoil）地减小来自喷出孔的冷却空气的喷出角。其结果，能够充分地得到冷却空气的附壁效果。另外，由于下游侧内壁倾斜，因此缓和燃烧气体与下游侧内壁的碰撞，减少燃烧气体从叶片表面的剥离。因此，能够提高涡轮叶片的冷却并减少涡轮叶片的空气动力损失，充分地抑制效率下降。
[0018] 本发明的第二特征提供发动机部件，其用于燃气轮机发动机并且由冷却空气冷却，具备形成在上述发动机部件的内部的、供冷却空气流动的冷却通道、形成在上述发动机部件的表面的、下游侧内壁倾斜的多个有底孔、形成在多个上述有底孔的各个的底部上的、与上述冷却通道连通并喷出上述冷却空气的喷出孔，以上述喷出孔的中心线沿上述下游侧内壁的方式形成上述喷出孔。
[0019] 另外，发动机部件（engine component）包括涡轮叶片（包括涡轮动叶片及涡轮静叶片）、覆盖物（shroud）、燃烧器衬里（combustor liner）等。
[0020] 根据第二特征，在燃气轮机发动机的工作中，当冷却空气流入冷却通道时，发动机部件从其内部通过对流冷却（内部冷却）冷却。另外，对流冷却后的冷却空气从多个喷出孔喷出，形成覆盖发动机部件的表面的冷却层。发动机部件由利用冷却层进行的气膜冷却（外部冷却）冷却。
[0021] 在此，由于以有底孔的下游侧内壁倾斜，并且喷出孔的中心线沿下游侧内壁的方式形成喷出孔，因此能够不损坏相对于在发动机部件周围流动的燃烧气体的、发动机部件的空气动力的形状／流体力学的形状地减小来自喷出孔的冷却空气的喷出角。另外，由于下游侧内壁倾斜，因此缓和燃烧气体与下游侧内壁的碰撞，减少燃烧气体从叶片表面的剥离。因此，能够提高发动机部件的冷却且减少由发动机部件产生的燃烧气流的损失，充分地抑制效率下降。附图说明
[0022] 图1是第一实施方式的涡轮动叶片的立体图。
[0023] 图2是上述涡轮动叶片的沿跨度方向（span direction）的纵剖视图。
[0024] 图3（a）是图1的III-III线剖视图，图3（b）及图3（c）是表示图3（a）的有底孔的形状变形例的剖视图。
[0025] 图4（a）是表示喷出孔的形状变形例的剖视图，图4（b）是表示喷出孔的形状变形例的俯视图。
[0026] 图5是第二实施方式的涡轮动叶片的立体图。
[0027] 图6（a）是第三实施方式的涡轮动叶片的沿弦方向（chord direction）的横剖视图，图6（b）是以图6（a）中的箭头VIB表示的部分的放大剖视图。
具体实施方式
[0028] （第一实施方式）
[0029] 参照图1～图4对第一实施方式进行说明。另外，图中，“D”表示燃烧气体的下游方向，“U”表示上游方向。
[0030] 本实施方式的涡轮动叶片1用于飞机发动机或工业用燃气轮机发动机等燃气轮机发动机的涡轮（未图示）。如图1及图2所示，涡轮动叶片1利用从燃气轮机发动机的压缩机（未图示）或风扇（未图示）抽出的冷却空气（压缩空气的一部分）CA进行冷却。
[0031] 涡轮动叶片1通过失蜡精密铸造（lost wax precision casting）制造，具备利用来自燃气轮机发动机的燃烧器（未图示）的燃烧气体HG（参照图3）得到旋转力的动叶片主体（rotor blade body）3。另外，在动叶片主体3的基端一体地形成平台5。在平台5上一体地形成燕尾（dovetail）7。燕尾7与形成在涡轮盘（未图示）的周围的嵌合槽（joint slots）（未图示）嵌合。
[0032] 如图2所示，在平台5的内部形成有从燕尾7导入抽出的冷却空气CA的导入通道9。另外，在动叶片主体3的内部形成有在跨度方向（从平台5向动叶片主体3的端面（end face3t的方向）延伸的多个分隔壁（partitions）11。利用分隔壁11划分供冷却空气CA流动的蛇行状的冷却通道（serpentine cooling channel）13。即，蛇行状的冷却通道13形成在动叶片主体3的内部，与导入通道9连通。
[0033] 如图1所示，在动叶片主体3的腹面3v上形成有多个有底孔15。在本实施方式中，有底孔15以多列配置在弦方向（从动叶片主体3的前缘3e向后缘3p的方向），各列包括多个有底孔15。另外，如图3（a）所示，各有底孔15的下游侧内壁（downstream wall）15a倾斜（相对于动叶片主体3的厚度方向T倾斜：相对于燃烧气体的流动方向倾斜：下游侧内壁15a与腹面3v所成的角为钝角），各有底孔15的上游侧内壁（upstream wall）15b也对称地倾斜（相对于厚度方向T倾斜；相对于燃烧气体的流动方向倾斜：上游侧内壁15b与腹面3v所成的角为钝角）。能够利用上游侧内壁的倾斜减小当在有底孔15产生剥离时的剥离漩涡，其结果，能够减小空气动力损失。
[0034] 另外，如图3（b）所示，下游侧内壁15a的端缘及上游侧内壁15b的端缘中的至少一方形成为圆滑的曲面。或者，如图3（c）所示，上游侧内壁15b可以不倾斜而垂直地形成（与厚度方向T平行：与燃烧气体的流动方向为直角：上游侧内壁15b与腹面3v所成的角度为直角）。在该场合，由于能够延缓在有底孔15产生的剥离（使剥离位置向下游侧转移），因此能够进一步减小空气阻力损失。
[0035] 如图3（a）所示（即使图3（b）及图3（c）的变形例也相同），在各有底孔15的底部（bottom）15c（包括上游侧内壁15b的底部侧）形成有喷出冷却空气CA的圆形的喷出孔（ejection hole）（气膜冷却孔（film-cooling hole）17，与冷却通道13连通。以喷出孔17的中心线17L大致沿有底孔15的下游侧内壁15a的方式形成各喷出孔17。在此，中心线17L相对于与有底孔15的下游侧内壁15a平行的面（假想面（virtual plane））VP的倾斜角θ设定为±20度以下（-20～+20度）。当倾斜角θ处于±20度范围外时，无法充分地获得从喷出孔17喷出的冷却空气CA的附壁效果（Coanda effect）。
[0036] 另外，喷出孔17的形状可以是椭圆形或长方形等其他形状。另外，如图4（a）及图4（b）所示，喷出孔17的形状优选是具有朝向出口孔截面积（与孔的中心轴垂直的截面的面积）扩大的形状的扩散孔（diffuser hole）。即，喷出孔17优选是朝向出口逐渐扩大的锥形孔（tapered hole）。
[0037] 如图1所示，在动叶片主体3的前缘3e及端面3t上形成有喷出冷却空气CA的多个副喷出孔（supplemental ejection holes）19，与冷却通道13连通。在动叶片主体3的后缘3p上形成有排出冷却空气CA的多个排出孔（eduction holes）21，与冷却通道13连通。
[0038] 另外，除了形成在前缘3e及腹面3v上的副喷出孔19之外，在动叶片主体3的背面3b上也形成多个副喷出孔19。
[0039] 接着，对本实施方式的效果进行说明。
[0040] 在燃气轮机发动机的工作中，当冷却空气CA通过导入通道9流入冷却通道13时，涡轮动叶片1从其内部通过对流冷却（内部冷却）进行冷却。另外，对流冷却后的冷却空气CA从喷出孔17及副喷出孔19喷出，形成覆盖涡轮动叶片1的冷却层CF（参照图3（a））。涡轮动叶片1从外部通过利用冷却层CF的气膜冷却（外部冷却）进行冷却。另外，涡轮动叶片1的对流冷却后的冷却空气CA的一部分也从排出孔21排出。
[0041] 由于以有底孔15的下游侧内壁15a倾斜，并且喷出孔17的中心线17L沿下游侧内壁15a形成，因此，能够不损坏涡轮动叶片1的叶片形状地减小来自喷出孔17的冷却空气CA的喷出角。其结果，能够充分地得到冷却空气CA的附壁效果。
[0042] 另外，由于有底孔15的下游侧内壁15a倾斜，因此缓和燃烧气体HG的一部分与下游侧内壁15a的碰撞，能够减少在有底孔15的下游侧的燃烧气体HG从叶片表面剥离。尤其如图3（b）所示，当使下游侧内壁15a的上缘为圆滑的曲面时，能够进一步减少燃烧气体HG从叶片表面剥离。
[0043] 因此，根据本实施方式，能够提高涡轮动叶片1的冷却，减少涡轮动叶片1的空气动力损失，充分地抑制燃气轮机发动机的发动机效率的下降。尤其如图4（a）及图4（b）所示，如果使喷出孔17的形状为内部扩张形状，则冷却空气CA向腹面3v的附着性变高，能够进一步提高涡轮动叶片1的冷却。
[0044] （第二实施方式）
[0045] 参照图5对第二实施方式进行说明。另外，图中，“D”表示燃烧气体的下游方向，“U”表示上游方向。
[0046] 本实施方式的涡轮动叶片23具有与上述第一实施方式的涡轮动叶片1大致相同的结构。下面，仅对与涡轮动叶片1不同的结构进行说明，对与涡轮动叶片1相同或同等的结构要素标注相同符号并在此省略其说明。
[0047] 如图5所示，在动叶片3的腹面3v上形成有在跨度方向上延伸的多个有底槽（bottomed slots）（有底孔的一种）25。与上述有底孔15相同，各有底槽25的下游侧内壁25a倾斜（相对于动叶片主体3的厚度方向T倾斜：相对于燃烧气体的流动方向倾斜：下游侧内壁25a与腹面3v所成的角为钝角），各有底槽15的上游侧内壁25b也对称地倾斜（相对于厚度方向T倾斜；相对于燃烧气体的流动方向倾斜：上游侧内壁25b与腹面3v所成的角为钝角）。在各有底槽25的底部25c上（包括上游侧内壁25b的底部侧）上沿跨度方向隔有间隔地形成有上述多个喷出孔17。另外，有底槽25的截面形状能如在第一实施方式中说明的那样变形（参照图3（a）～图3（c）），喷出孔17的形状也能如在第一实施方式中说明的那样变形。
[0048] 根据本实施方式，在第一实施方式的效果之外，在各有底槽25内，从多个喷出孔17喷射的冷却空气CA容易在跨度方向上扩散，在更宽的范围形成冷却层CF。其结果，提高涡轮动叶片1的冷却。另外，在本实施方式的涡轮动叶片23中，与第一实施方式的涡轮动叶片1相比，能够减少有底槽（有底孔的一种）25的个数，制造成本更便宜。
[0049] （第三实施方式）
[0050] 参照图6（a）及图6（b）对第三实施方式进行说明。另外，图中，“D”表示燃烧气体的下游方向，“U”表示上游方向。
[0051] 本实施方式的涡轮动叶片27具有与上述第一实施方式的涡轮动叶片1（或第二实施方式的涡轮动叶片23）大致相同的结构。下面，仅对与涡轮动叶片1不同的结构进行说明，对与涡轮动叶片1相同或同等的结构要素标注相同符号并省略其说明。
[0052] 如图6（a）及图6（b）所示，上述第一实施方式的有底孔15（或第二实施方式的有底槽25）形成在叶片主体3的腹面3v的与分隔壁11对应的部位。另外，有底孔15（有底槽25）内的喷出孔17配置在分隔壁11的紧上游侧。
[0053] 根据本实施方式，在第一实施方式的效果之外，即使在腹面3v上形成多个有底孔15，也能够减小对冷却通道13的形状的影响。更详细地说，由于在通道中央未设有向冷却通道13内部突出的有底孔15，因此难以阻碍冷却通道13内的冷却空气CA的流动，并且利用精密铸造的涡轮叶片制造时的风险低。另外，由于在分隔壁11的位置形成有有底孔15（或有底槽25），因此使叶片主体3的刚性或强度下降的风险低。另外，对流冷却后的冷却空气CA被分隔壁11引导而顺畅地从喷出孔17喷出。
[0054] 另外，本发明未限定于上述实施方式，例如，适用于涡轮动叶片1（23、27）的技术思想能够适用于涡轮静叶片、覆盖物、燃烧器衬里等涡轮动叶片以外的发动机部件。
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