CN102859120B - 燃气轮机动叶片及燃气轮机 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种燃气轮机动叶片的冷却结构，其不在热应力大的圆角部、翼面及缘板的表面进行孔加工，对圆角部进行了对流冷却后的冷却空气向热应力小的缘板表面开口。一种燃气轮机动叶片包括固定在转子上的基部、固定在该基部且内部具备冷却流路的缘板、从该缘板向径向的外侧延伸的翼形部、配置在连接该翼形部和所述缘板的面上的圆角部形成，其特征为，所述燃气轮机动叶片包括母管和支管，其中，所述母管从所述冷却流路分支，向所述缘板的侧端部开口；所述支管从该母管分支，沿着所述圆角部与径向的内侧接近，具备在所述缘板的表面开口的薄膜孔。

Description

燃气轮机动叶片及燃气轮机

技术领域

本发明涉及适用于燃气轮机的圆角的冷却的燃气轮机动叶片及燃气轮机。

背景技术

燃气轮机是将高温的燃烧气体所带的热能转换为旋转能并作为电力取出的装置，被装配在燃气轮机上的燃气轮机动叶片，经常是在高温的燃烧气体中使用。因此，燃气轮机动叶片内部具备蛇形流路等冷却流路，从外部接纳冷却空气对翼形部进行冷却。尤其是，翼形部和缘板的连接面即圆角部，壁变厚，是难以冷却的部位，因此壁温相对成为高温，从热负荷及叶片结构方面而言，是容易产生大的热应力的部位。尤其是，前缘附近的圆角部及翼形部的腹侧（加圧面侧）的前缘附近，是热应力容易变高的地方。为了应对这些情况，作为对燃气轮机动叶片的圆角部进行冷却的手段，已提出各种利用冷却空气对圆角部进行对流冷却的方法。

在专利文献1中公开有一种手段，即，从翼形部内的冷却空气供给路引出冷却空气的支管，贯通圆角部向薄膜冷却孔开口，使冷却空气从薄膜冷却孔吹出，对圆角部进行冷却。

在专利文献2中公开有一种冷却手段，其具备薄膜孔，该薄膜孔将冷却空气从翼形部的冷却空气供给管取出多条冷却空气通道，使其在圆角下徐徐通过，向缘板表面吹出。

专利文献1：日本特开2006－170198号公报

专利文献2：日本特开2008－202547号公报

发明内容

但是，通常，热负荷大的圆角部附近及缘板的表面因热应力较大，因而由于孔加工而在孔周边产生应力集中，容易产生叶片的疲劳破坏。因此，热应力大的圆角部或翼面及缘板的表面，存在孔加工困难的问题点。

另外，在专利文献2所示的冷却结构中，由于圆角部和冷却流路的支管相分离，因而存在圆角部的冷却不充分之类的问题点。

本发明是鉴于上述的问题点而设立的，目的在于提供一种燃气轮机动叶片的冷却结构，该冷却结构不在热应力大的圆角部、翼面及缘板的表面进行孔加工，对圆角部进行了对流冷却后的冷却空气向热应力小的缘板表面开口。

为了解决上述的问题点，本发明采用了下述的方法。

本发明的第一方面提供一种燃气轮机动叶片，包括：固定在转子上的基部、固定在该基部且内部具备冷却流路的缘板、从该缘板向径向的外侧延伸的翼形部、配置在连接该翼形部和所述缘板的面上的圆角部，燃气轮机动叶片的特征为，包括母管和支管，其中，所述母管从所述冷却流路分支，向所述缘板的侧端部开口；所述支管从该母管分支，沿着所述圆角部从径向的内侧与该圆角部接近，且具备向所述缘板的表面开口的薄膜孔。

根据所述第一方面，从燃气轮机动叶片的翼形部内的冷却流路分支母管，进而分支为支管，由此，支管可从圆角部的内侧接近地配置。因此，圆角部被从内侧对流冷却，减少了圆角部的热应力。另外，可避免应力高的缘板表面的冷却孔的加工，所以避免孔周围的应力集中引起的疲劳破坏，燃气轮机动叶片的叶片的可靠性提高。

在所述第一方面中，优选地，所述冷却流路配置在最接近前缘的位置。

根据所述第一方面，由于引出母管的冷却流路是最接近前缘的流路，因此能够进行热应力大的前缘附近的圆角部的冷却。

在所述第一方面中，以下的构成为优选，所述支管以在所述翼形部的径向的俯视剖面图中通过圆角部的俯视剖面内的方式配置。

根据上述构成，因为支管在圆角部的正下方接近地通过，所以，圆角部的正下方被对流冷却，能够充分地冷却圆角部的下表面。

在所述构成中，以下的构成为优选，所述支管平行于与所述翼形部的腹侧的所述冷却流路的内壁外切且与所述翼形部的腹侧的所述圆角部的外缘内切的切线而配置。

根据上述构成，相对于与冷却流路的腹侧内壁外切且与圆角部外缘内切的切线平行地配置支管。因而，能够将支管与圆角部最接近地配置，所以，可最大范围地冷却圆角部。

在所述构成中，优选地，所述支管具备薄膜孔，该薄膜孔在所述翼形部的径向的俯视剖面图中在所述支管的延长线和所述圆角部的外缘的交点与所述母管的连接口的中间点处开口或在比中间点更接近母管的一侧处开口。

根据上述构成，可将所述支管的薄膜孔的位置在所述翼形部的俯视剖面图中配置在所述支管的延长线和所述圆角线的交点与所述母管的连接口之间的中间点处或配置在比中间点更接近母管的一侧处，所以能够容易地进行支管的孔加工。

在所述构成中，优选地，包括所述支管，在所述翼形部的径向的内侧方向的俯视剖面图中在支管远离所述翼形部的中心的同时所述薄膜孔接近所述母管。

根据上述构成，在所述翼形部的俯视剖面图中，从与所述翼形部的中心最近的支管起，所述支管在远离所述中心的同时具备在靠近所述母管处开口的薄膜孔，所以，即使是远离所述翼形部的中心的支管，也可使其接近前缘附近的圆角部而配置，可强化圆角部的前缘附近的冷却。

本发明的第二方面优选为具备所述的燃气轮机动叶片的燃气轮机。

根据所述第二方面，动叶片的可靠性提高，能够实现燃气轮机的长时间运转，燃气轮机整体的可靠性提高。

根据前述的本发明，无需在燃气轮机动叶片的热应力大的区域开设冷却孔，就可以实现热应力大的圆角部的冷却，所以，叶片的可靠性提高，能够实现燃气轮机的长时间运转。

附图说明

图1表示燃气轮机的整体构成图的一个例子；

图2表示燃气轮机动叶片的立体图；

图3表示第一实施方式的燃气轮机动叶片的俯视剖面图；

图4（a）表示图3的剖面A－A，图4（b）表示图3的剖面B－B，图4（c）表示图3的前缘周围的放大俯视剖面图；

图5（a）表示第二实施方式的燃气轮机动叶片的俯视剖面图，图5（b）表示图5（a）的剖面C－C。

符号说明

1燃气轮机

2压缩机

3燃烧器

4涡轮部

5转子

6燃气轮机静叶片

7燃气轮机动叶片

11翼形部

12缘板

12a缘板表面

12b侧端部

13基部

14圆角部

14a圆角部外缘

15叶片顶部

16前缘

17后缘

18腹侧（加圧面侧）

19背侧（负圧面侧）

20、30母管

21、31支管

21a、31a薄膜孔

21b、31b连接口

C1第一冷却流路

C2～C7第二冷却流路～第七冷却流路

CA冷却空气

具体实施方式

（第一实施方式）

下面，基于图1～图3说明第一实施方式的燃气轮机动叶片及燃气轮机。

图1表示燃气轮机的整体构成图。燃气轮机1如下构成，即，包括：压缩机2，对燃烧用空气进行压缩；燃烧器3，向从压缩机2送来的压缩空气喷射燃料使其燃烧，产生燃烧气体；涡轮部4，设于燃烧器的燃烧气体的流动方向的下游侧，用从燃烧器出来的燃烧气体来驱动；转子5，将压缩机2、涡轮部4和发电机（未图示）联接成一体。

涡轮部4将由燃烧器3产生的燃烧气体向燃气轮机静叶片6及燃气轮机动叶片7供给，使燃气轮机动叶片7绕转子5旋转，将旋转能转换成电力。燃气轮机静叶片6及燃气轮机动叶片7从燃烧气体的流动方向的上游侧朝向下游侧交替配置。另外，燃气轮机动叶片7在转子5的周向上配置有多个，和转子5形成一体而旋转。

图2表示燃气轮机动叶片的外观。燃气轮机动叶片7由固定在转子上的基部13、固定在该基部13且内部具备冷却流路的缘板12、从该缘板12向径向的外侧方向延伸且内部具备冷却流路的翼形部11形成。所述翼形部11、所述缘板12和所述基部13，通过铸造制造成一体。缘板12和翼形部11的连接面的圆角部14配置于所述翼形部的整周，为避免应力集中，由带有一定的R（曲率半径）的圆滑的曲面形成。圆角部14和缘板12的表面12a的边界，形成圆角部的外缘14a。

基于图3及图4（a）~图4（c），说明本实施方式的燃气轮机动叶片的截面结构的一个例子。图3表示燃气轮机动叶片的径向的俯视剖面图，图4（a）表示图3的剖面A－A，图4（b）表示图3的剖面B－B，图4（c）表示图3的前缘周围的放大图。

燃气轮机动叶片7为了对翼形部11进行冷却，从转子侧的冷却流路（未图示）接纳冷却空气CA，经由设于基部13内的多个冷却流路（未图示）向翼形部内的冷却流路供给。燃气轮机动叶片的冷却流路，通常由接近最前缘而配置且从基部侧向翼形部的叶片顶部延伸的单一冷却流路、和由多个系统的冷却流路构成的蛇形冷却流路形成。

如图2所示，蛇形冷却流路从基部侧的冷却流路向翼形部的冷却流路导入冷却空气CA，由在缘板12附近和叶片顶部15之间折回的多个系统的冷却流路形成。若用图3的径向的俯视剖面图表示，则对于在燃气轮机动叶片的翼形部配置的冷却流路而言，从前缘16至后缘17依次配置有最接近前缘16的第一冷却流路C1到最接近后缘17的第七冷却流路C7，形成有在第二冷却流路C2到第七冷却流路C7之间具备多个折回结构的蛇形流路。在图3中，表示了由第一冷却流路到第七冷却流路这七个流路构成的冷却流路，但不限定于该例。

圆角部14的热应力因叶片结构或加在叶片面上的热负荷的大小而变动，但通常有如下倾向，即，翼形部11的腹侧（加圧面侧）18的前缘16附近的圆角部14的热应力变大。下面，本实施方式主要对用于冷却前缘腹侧的圆角部的冷却结构进行说明。

如图3所示，前缘腹侧附近的冷却结构由从缘板12内的第一冷却流路C1引出、且向翼形部11的腹侧18的缘板12的侧端部12b开口的母管20及末端具备薄膜孔21a（参照图4（c））的支管21构成。母管20在翼形部11的径向的俯视剖面中，其一端与配置在缘板12内的第一冷却流路C1的腹侧18连通，与缘板12的表面12a大致平行地延伸，另一端向翼形部11的腹侧18的缘板12的沿转子旋转轴方向延伸的侧端部12b开口。另外，设于母管20的缘板12的侧端部12b的开口，用塞子等堵住。

如图4（a）及图4（b）所示，比母管20口径小的多个支管21与第一冷却流路C1接近地从母管20分支。多个支管21从第一冷却流路C1侧朝向侧端部12b的方向以等间隔并列地配置。支管21在从母管20的侧端部12b侧观察第一冷却流路C1的方向而得到的剖面图中，从母管20的径向的斜向外侧方向分支，使其沿着翼形部11的腹侧18的圆角部14在后缘17的方向上大致直线状延伸。支管21伸至缘板表面12a，支管21的前端形成有开口的薄膜孔21a。

如图3、图4（a）及图4（b）所示，理想的是从母管20分支的支管21设定为如下配置，即，支管21从母管20分支的多个连接口21b，在翼形部11的径向的俯视剖面图中，全部配置在圆角部14的俯视剖面内，在圆角部14的正下方通过而延伸至配置在缘板12上的薄膜孔21a。在此，所谓将连接口21b配置在圆角部14的俯视剖面内，是指母管20和支管21的连接口21b，在圆角部14的外缘（圆角部14和缘板的表面12a相接的边界线）14a的内侧，配置在第一冷却流路C1侧。

接着，下面对将支管沿着圆角部配置的想法进行说明。

在图3及图4（c）所示的翼形部11的俯视剖面图中，设与第一冷却流路C1的腹侧18的内壁的点P外切且与圆角部14的外缘14a的点Q内切的切线为X。另外，设与第一冷却流路C1最接近的支管21和母管20的连接口21b为点R，设与通过点R的切线X平行的线为Y，那么，其中心轴与线Y一致的支管成为最接近圆角部的支管。

另外，支管21从薄膜孔21a的开口朝向母管20被直线状地进行孔加工。孔加工通过放电加工或机械加工等来形成，因此考虑电极或钻头等加工工具的拔出量，需要选定支管21的长度。理想的是，如果设线Y接近与圆角部14的外缘14a相交的后缘17侧的点为T，那么，以在点R和点T的中间点S处或比中间点S更接近母管20的一侧处配置支管21的薄膜孔21a的方式，形成支管21。

即，理想的是，如图4（c）的放大剖视图所示，按照在中间点S附近或比中间点S更接近母管20的一侧处配置支管21的薄膜孔21a的方式，以翼形部11的径向的俯视剖面为基准，按照点RS的长度和点ST的长度为大致相同的长度L或点RS的长度比点ST的长度稍短的方式，形成各支管。只要选定这样的支管21的配置，那么支管21就可以沿着圆角部14而配置，且可形成与圆角部14最接近地配置的支管21。另外，翼形部11的腹侧18的叶片面形成为凹面状，因此从母管20的连接口21b沿着圆角部14在线Y上延伸的支管21，在翼形部11的径向的俯视剖面图中在圆角部14的俯视剖面内（圆角部下）通过，横穿圆角部14的外缘14a，在缘板12的表面12a形成薄膜孔21a。该薄膜孔21a向避开了热应力大的前缘腹侧的缘板12的表面12a开口，所以，也可以回避由与孔加工相伴的应力集中引起的叶片的疲劳破坏的问题。

另外，可以在从母管20的与第一冷却流路C1连通的开口端到与圆角部14的外缘14a相交叉的点U之间，与上述的最接近第一冷却流路C1的支管21并列地配置多个支管21。理想的是，多个支管21相互平行地配置，从母管20取出的位置在径向上为同一高度，向同一方向取出。利用这种支管21的配置，可以形成由沿着圆角部14的多个支管21群构成的冷却流路，从而可以从圆角部14的正下方（圆角部的径向的内侧）对圆角部14进行对流冷却。

根据本实施方式，圆角部14的冷却结构由母管20和支管21形成，其中，母管20从翼形部11内的第一冷却流路C1引出并向缘板12的侧端部12b开口，支管21从母管20分支并沿着圆角部14延伸，且末端具备薄膜孔21a。因而，可以配置沿着圆角部14并与圆角部14接近的支管21，可以从圆角部14的径向的内侧对圆角部14进行对流冷却。另外，不必在热应力大的圆角部14、缘板表面12a施行孔加工，就可以对圆角部14进行对流冷却，所以可回避因在热应力大的部位设置加工孔而引起的疲劳破坏的问题，叶片的可靠性提高。

另外，各支管21向热应力比较小的缘板表面12a开口，前端形成有薄膜孔21a。薄膜孔21a的形状也可以采用公知的任意形状。由于在支管21的末端具备薄膜孔21a，所以，由从支管21吹出的冷却空气CA，在缘板表面12a形成稳定的冷却空气的薄膜层，能够对缘板12进行有效的薄膜冷却。另外，支管2向热应力小的缘板的表面12a开口，所以，可以避免薄膜孔21a周围的疲劳破坏。

（第二实施方式）

下面，基于图5（a）及图5（b），对第二实施方式的燃气轮机动叶片及燃气轮机进行说明。

如图5（a）及图5（b）所示，本实施方式与第一实施方式相比较，支管的配置不同。即，最接近第一冷却流路C1的支管31和第一实施方式为相同配置。即，为如下构成，在翼形部11的径向的俯视剖面图中，支管31的薄膜孔31a的位置处于支管31的延长线和圆角部14的外缘14a相交叉的点中与后缘17接近的点和母管30的连接口31b的中间点处或比中间点更接近母管30的一侧处。但是，相邻的支管31远离翼形部11的中心的同时支管31的长度变短，而使薄膜孔31a的位置与母管30依次接近，这一点和第一实施方式不同。

如图5（b）所示，各支管31从母管30朝向后缘17方向的缘板表面12a直线状立起，这一点和第一实施方式是相同的，但各支管的倾斜角（相对于径向垂直轴的角度）以越远离翼形部11的中心（第一冷却流路C1）越小的方式配置。由于使薄膜孔31a的位置在转子轴方向上一点一点地偏离，所以形成于缘板表面12a上的薄膜空气层不会对从相邻的支管吹出的冷却空气带来影响，可维持稳定的薄膜层。但是，当倾斜角过小时，薄膜层的形成就会变难。另外，由于难以将支管31的薄膜孔31a设置于缘板的热应力大的部位，因此，减小倾斜角、使薄膜孔的位置过于接近前缘是不理想的。

在本实施方式中，配置母管的想法、沿着圆角部配置支管的想法，也和第一实施方式是一样的，在第一实施方式获得的效果也可适用于本实施方式。

根据本发明的圆角部的冷却结构，能够对流冷却圆角部，可以避免热应力大的区域的冷却孔加工，所以避免了叶片的疲劳破坏。因此，叶片的可靠性提高，能够实现燃气轮机的长时间运转，燃气轮机整体的可靠性提高。

在上述的第一实施方式及第二实施方式中，以从第一冷却流路取出冷却空气，对前缘腹侧的圆角部进行冷却为例进行了说明，但即使是对圆角部的其它部位进行冷却的情况，也可采用同样的想法。

前述的实施方式是反映本发明的技术思想的代表例，但只要满足本发明的技术思想，其它实施例及其它变形例也包含在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种燃气轮机动叶片，包括：

固定在转子上的基部、

固定在该基部且内部具备冷却流路的缘板、

从该缘板向径向的外侧延伸的翼形部、以及

配置在连接该翼形部和所述缘板的面上的圆角部，

所述燃气轮机动叶片的特征在于包括：

母管，从所述冷却流路分支，向所述缘板的侧端部开口；以及

支管，从该母管分支，沿着所述圆角部从径向的内侧与该圆角部接近，具备在所述缘板的表面开口的薄膜孔，

所述支管通过所述圆角部的下方，对所述圆角部进行对流冷却，其横穿所述圆角部的外缘，向所述翼形部的后缘延伸；所述支管从所述母管分支的多个连接口配置在所述圆角部的外缘的内侧，且配置在所述冷却流路侧；所述圆角部的外缘是所述圆角部和所述缘板的表面相接的边界线。

2.如权利要求1所述的燃气轮机动叶片，其中，所述冷却流路配置于最接近前缘的位置。

3.如权利要求1所述的燃气轮机动叶片，其中，所述支管平行于与所述翼形部的腹侧的所述冷却流路的内壁外切且与所述翼形部的腹侧的所述圆角部的外缘内切的切线而配置。

4.如权利要求3所述的燃气轮机动叶片，其中，将所述支管的所述薄膜孔的位置在所述翼形部的径向的俯视剖面图中配置在所述支管的延长线和所述圆角部的外缘的交点与所述母管的连接口之间的中间点处或配置在比中间点更接近母管的一侧处。

5.如权利要求3所述的燃气轮机动叶片，其中，包括多个所述支管，在所述翼形部的径向的俯视剖面图中，随着支管远离所述翼形部的中心所述薄膜孔与所述母管接近。

6.一种燃气轮机，具备权利要求1～5中任一项所述的燃气轮机动叶片。