CN103249917A

CN103249917A - 涡轮动叶片

Info

Publication number: CN103249917A
Application number: CN2011800281353A
Authority: CN
Inventors: 三好市朗; 樋口真一; 野田雅美
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Mitsubishi Power Ltd
Priority date: 2011-12-07
Filing date: 2011-12-07
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2031-12-07
Also published as: US9765628B2; EP2789799B1; US20140294557A1; JPWO2013084260A1; EP2789799A4; JP5761763B2; EP2789799A1; WO2013084260A1; CN103249917B

Abstract

本发明提供降低涡轮动叶片的顶端侧的叶片剖面的总压损失，能够在冷却空气混入的情况下抑制性能恶化的涡轮叶片。该涡轮动叶片被安装至转子，且形成在静止部件的内部旋转的涡轮叶片列的涡轮动叶片中，设置有：平台部，其形成供主流气体流动的气体通道；以及叶片部，其从所述平台部的作为形成所述气体通道的面的气体通道面沿作为距所述转子的旋转轴的距离变大的方向的径向延伸，在所述叶片部的顶端侧端面具备相对于所述旋转轴的倾斜度变化的区域，作为所述叶片部在所述径向的长度的叶片高形成为与所述叶片部的吸力面上的喉部位置的叶片高度相比，所述叶片部的叶片前缘的叶片高度小。

Description

涡轮动叶片

技术领域

本发明涉及涡轮动叶片，尤其涉及考虑了来自壳体侧的气体混入的涡轮动叶片。

背景技术

图2是表示涡轮动叶片的顶端侧的叶剖面的叶片表面马赫数的图。以Ms表示动叶片的顶端的吸力面的从叶片前缘至叶片后缘的叶片表面马赫数，以Mp表示压力面的从叶片前缘至叶片后缘的叶片表面马赫数。如图2所示，吸力面的叶片表面马赫数在叶片前缘和叶片后缘的中间部出现最大叶片表面马赫数M_max，从中间部至叶片后缘大幅减少。在该吸力面与压力面的叶片表面马赫数的差使得在压力面和吸力面之间产生压力差，使动叶片旋转。

但在从动叶片的更靠外周侧亦即壳体侧混入冷却空气的情况下，由于动叶片和冷却空气发生干扰，所以如图3所示，吸力面的叶片表面马赫数减小为M_max’，作用于动叶片的压力差减小。这是因为在主流流体与冷却空气产生干扰，使得能量散失，不进行气体膨胀。其结果，叶片部的顶端的叶剖面的总压损失变大。

在专利文献1、专利文献2中公开了如下技术，即该总压损失变大的理由是从压力面经由顶端和壳体之间朝向吸力面的低速空气，在顶端和壳体之间密封低速空气流的技术。

另外，在专利文献3中除了提出强化顶端处的密封的技术外，还提出了如下技术，即通过使向动叶片的前缘流入的流入角在叶片高度方向变化来减小顶端的叶片负荷，通过减小吸力面和压力面的压力差来减小从压力面朝向吸力面的低速空气流量，实现损失的减少。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2002-227606号公报

专利文献2：日本特开2008-51096号公报

专利文献3：日本特开2010-112379号公报

专利文献1、专利文献2所记载的技术在从壳体侧混入的冷却空气量小的情况下很有助于流动的整流化，但在冷却空气的混入量大的情况下，很难进行充分的整流化，冷却空气从前缘18引起二次流动。其结果，顶端侧的叶片表面马赫数变小，作用于动叶片的压力差急剧减小。

另外，在专利文献3所记载的技术中，由于在叶片高度小的情况下叶片的扭曲变大，存在很多不能够应用该技术的情况。另外，由于叶片表面弯曲，存在不仅是顶端15侧的低速流体，平台部44侧的低速流体也上扬至平均直径附近的情况。因此，在冷却空气的混入量增加的情况下，担心动叶片的性能恶化反而增大。

像这样，在以往应用的技术中，担心涡轮动叶片的性能受到混入的冷却空气流量的大幅影响，且应用范围也受到叶片高度等大幅影响。另外，在高温气体的情况下，顶端侧的流场的混乱给叶片部带来很大影响。即，起因于流场的混乱引起的从流体侧向叶片部的热流速增加的叶片的热负荷增大。这样的热负荷的增大成为叶片破坏的原因。

发明内容

因此，本发明的目的在于提供实现涡轮效率的提高的涡轮叶片。

本发明的涡轮动叶片被安装在转子上且形成旋转的涡轮叶片列的，具有：平台部，其形成供主流气体流动的气体通道；以及叶片部，其从所述平台部的作为形成所述气体通道的面的气体通道面沿作为距所述转子的旋转轴的距离变大的方向的径向延伸，在所述叶片部的顶端侧端面具备相对于所述旋转轴的倾斜度变化的区域，作为所述叶片部在所述径向的长度的叶片高形成为与所述叶片部的吸力面上的喉部位置的叶片高度相比，所述叶片部的叶片前缘的叶片高度小。。

根据本发明，能够提供实现涡轮效率的提高的涡轮叶片。

附图说明

图1是表示普通的涡轮动叶片的立体图。

图2是表示涡轮叶片的顶端侧表面的马赫数分布的说明图。

图3是表示考虑了冷却空气混入的影响的、涡轮叶片的顶端侧表面的马赫数分布的说明图。

图4是气体涡轮的局部剖视图。

图5是表示气体涡轮的冷却叶片的子午面剖视图的说明图。

图6是表示气体涡轮的冷却叶片的半径位置的剖视图的说明图。

图7是表示现有的涡轮叶片的子午面图的说明图。

图8是表示本发明的第一实施例的涡轮叶片的子午面图的说明图。

图9是表示本发明的第二实施例的涡轮叶片的子午面图的说明图。

图10是表示本发明的第二实施例的涡轮叶片的半径位置的剖视图的说明图。

图11是表示本发明的第三实施例的涡轮叶片的子午面图的说明图。

图12是表示本发明的第三实施例的涡轮叶片的半径位置的剖视图的说明图。

图13是表示本发明的第四实施例的涡轮叶片的子午面剖视图的说明图。

图14是表示本发明的第五实施例的涡轮叶片的子午面剖视图的说明图。

图15是表示涡轮叶片的总压损失分布的说明图。

具体实施方式

首先，使用图1对涡轮动叶片的基本构成进行说明。图1所示的涡轮动叶片具有：平台部44，其由相对于旋转轴轴对称的上表面46形成主流气体流动的气体通道；叶片部41，其从平台部44的上表面46沿半径位置变大的方向延伸。叶片部41具有在叶弦方向呈凹状的压力面14、在叶弦方向呈凸状的吸力面16、叶片前缘18以及叶片后缘20。

另外，与平台部44的上表面46邻接的叶片部41的毂（hub）13以如下方式构成叶片部，即叶片厚度从前缘侧朝向中央侧渐渐变大，且叶片厚度从其中途朝向后缘侧渐渐变小。另外，也存在以在上述叶片部的内部具有中空部，使冷却介质在上述中空部流动从而从内部冷却叶片的方式形成的叶片部41的情况。

接下来，使用图4对气体涡轮的基本构成进行说明。图4是表示气体涡轮的概要的局部剖视图。气体涡轮主要由转子1和定子2构成。转子1主要具备动叶片4以及压缩机5的动叶片，以旋转轴3为轴旋转。另外，定子2是主要具备壳体7、被该壳体支承且与上述动叶片对置配置的燃烧器6、在其上发挥燃烧器的喷嘴功能的静叶片8等静止部件。

对这样构成的气体涡轮的概要动作进行说明。首先，向燃烧器6给予来自压缩机5的压缩空气和燃料，这些燃料在该燃烧器内燃烧，产生高温气体。并且产生的高温气体通过静叶片8被吹至动叶片4，通过动叶片驱动转子。在气体涡轮中，需要特别冷却在高温气体中暴露的动叶片4和静叶片8，上述压缩机5的压缩空气的一部分用作该冷却介质。

动叶片4在转子1的周向设置多个，构成涡轮叶片列，相互邻接的动叶片4彼此之间成为工作气体流道。作为动叶片4的冷却空气供给源，使用压缩机5的情况较多，使用设置于转子1的冷却空气导入孔将冷却空气导入至动叶片4。

图5表示具备了具体的冷却构造的动叶片的一个例子。中粗实线箭头表示冷却空气的流动，框箭头表示主流的高温气体，即主流工作气体的流动。使用冷却空气导入孔导入至动叶片4的冷却空气通过设置于叶片部内部的冷却流路9a、9b，最终从排出孔11等排出至主流工作气体流道，与主流的高温气体混合。

图6表示图5所示的动叶片的剖视图。14是压力面（叶片腹侧部），16是吸力面（叶片背侧部），18是其前缘，20是后缘。图中9a、9b是图5所示的冷却流道。在图6所示的动叶片中，为了使热交换良好，在冷却流路9a、9b上设置有翅片9f₁、9f₂。如图5所示，冷却后的冷却空气从排气孔排出，马上被排出至气体传送路径。而且，该冷却构造也可以是对流冷却、其他冷却方法。重要的是排出该冷却空气的涡轮动叶片的顶端侧的轮廓形状。

这里，使用图7，对从壳体侧混入的冷却空气30给动叶片的叶片部41带来的影响进行说明。在图7中，中粗实线箭头表示冷却空气的流动。R轴是表示距转子的旋转轴3的距离的坐标，正表示半径位置变大的方向。R_tip表示壳体7的R轴上的位置。X轴是与涡轮旋转轴平行的坐标，正表示从主流气体22的上游朝向下游的方向。图7是将动叶片投影至由R轴和x轴定义的坐标平面的图，称为动叶片的子午面图。

图7所示的涡轮动叶片具有：用于将涡轮动叶片安装至转子的燕尾形的叶片根部10；配置在该叶片根部10上的平台44；以及从平台44的上表面46向R轴方向延伸的叶片部41。另外，叶片部41构成与平台部44的上表面邻接的毂（根部）13、位于叶片前端的顶端（前端）15，具有在叶弦方向呈凹状的压力面（腹面）14、在叶弦方向呈凸状的吸力面（背面）16、叶片前缘18和叶片后缘20。

在从壳体7侧混入冷却空气30的情况下，混入的冷却空气30不通过动叶片的顶端侧的端面12和壳体7之间的间隙g，而在动叶片的吸力面16侧的点A上升。中粗实线箭头表示在动叶片的吸力面16侧上升的冷却空气30’的流动。如图7所示，上升的冷却空气30’向动叶片的叶片间的半径位置变小的方向移动，且向下流过主流气体通道。

主流气体22的流动被该上升的冷却空气的流动30’遮挡，由于与冷却空气30混合而产生能量损失。将这样的冷却空气遮挡主流气体的效应称作阻塞效应。因阻塞效应，上升的冷却空气的流动30’和动叶片的顶端型的端面12包围的区域21成为流体能量低的区域。因此，该区域越大，主流气体22的能量转换成动叶片的叶片部41的旋转能量的比例变小。

这样，由于高温的主流气体和低温的冷却空气混合，主流气体的热焓减少，在动叶片中被变换成旋转能量的能量比例减少。因此，重要的是使冷却空气和主流气体22混合的区域21减小。

实施例1

图8表示第一实施例的涡轮动叶片的子午面图。如图8所示，本实施例的涡轮动叶片以上游侧的动叶片顶端侧的端面12和壳体7的间隙g’与下游侧的间隙g相比变大的方式形成。具体而言，以涡轮动叶片的顶端侧端面12和壳体7的间隙朝向下游侧变小的方式在顶端侧端面12上设置倾斜，从而使相对于x轴的倾斜度变化。另外，通过使相对于x轴的倾斜度变化，构成为吸力面上的作为喉部位置的点S的作为叶片部的R轴方向的长度的叶片高度与前缘18的叶片部的高度相比变高。

这样，通过形成为间隙g’比间隙g大，能够使冷却空气30与叶片部41接触上升的位置从点A向点A’的方式向下游侧移动，能够缩小区域21。但若过大设定间隙g’，则存在变小至不受冷却空气影响的区域的问题。因此，最佳值根据叶片的大小和冷却空气的混入量不同而不同，但优选间隙g’为g的2~3倍左右。

即，根据本实施例的涡轮动叶片，由于以与主流气体22的流动方向的上游侧相比，下游侧的动叶片顶端侧的端面12和壳体7的间隙变小的方式形成，所以主流气体22和冷却空气30的混合区域21变小，在涡轮动叶片中主流气体22的能量变换成动叶片的旋转能量的比例增加。另外，冷却空气的影响所引起的阻塞效应减小，能够使涡轮动叶片的叶片部41的膨胀功沿R轴方向平滑化。

这样，根据本实施例所示的涡轮动叶片，使涡轮动叶片的顶端侧的叶片剖面的总压损失降低，即使在混入了冷却空气的情况下也能够抑制性能恶化，所以能够提高涡轮效率。另外，由于能够减少流场混乱的区域，所以也能够降低叶片的热负荷。

实施例2

图9表示第二实施例。在本实施例中，将第一实施例的倾斜设为高低差，构成为叶片部41的顶端侧端部12的半径位置在x轴方向以阶梯状变化。并且，与其相应，采取越往主流气体的流动方向的上游侧，壳体7和动叶片顶端侧的端面12的间隙越大，越向下游间隙越小的构造。通过这样的构造，在本实施例的涡轮动叶片中也与第一实施例的涡轮动叶片相同，能够降低涡轮动叶片的顶端侧的叶片剖面的总压损失、叶片的热负荷。

另外，本实施例的涡轮动叶片在内部具备使从叶片根部侧供给而来的冷却空气向顶端侧流动，从而冷却叶片部41的冷却流路9a、9b、9c。另外，如图9所示，将流过冷却流路9a、9b、9c的冷却空气从设置于顶端侧端面12的排出孔排出至主流气体通道，与主流气体22混合。

以9a’表示流过图9的冷却流路9a而冷却叶片部41后的冷却空气的流动。R轴是表示距涡轮动叶片的叶片部41的旋转轴的距离的坐标，正表示半径位置变大的方向。R_tip表示壳体7的半径位置，R’_tip表示叶片部41的顶端侧的端面12中半径位置最小的面的半径位置。

如图9所示，从冷却流路9a排出的冷却空气的流动9a’所存在的区域包括于被R_tip和R’_tip夹住的区域（g’的范围）。如图8所示，这是因为冷却空气30和主流气体22的混合区域变小，从而冷却空气在叶片表面流动。由此，存在冷却空气冷却叶片表面，且冷却空气遮挡从主流气体22朝向叶片部41的热流速的效果。

图10是从壳体7侧观察图9所示的叶片部41的顶端侧的端面12的图。11a、11b、11c分别是对流过9a、9b、9c并冷却了叶片部41的冷却空气进行排出的排出孔，3个空气排出孔中9a存在于R轴的半径位置最低的位置，9c存在于R轴的半径位置最高的位置。9b以半径位置来说存在于9a和9c的中间。另外，空气排出孔的大小任意，也考虑根据叶片内部的冷却构造在每级不存在孔的情况。

在本实施例中，重要的是在各级的剖面形状中位于最上游的各级的前缘形状。在本实施例中，将存在于9c所位于的半径位置最高的位置的剖面与叶片吸力面接触的点设为25a，将与压力面接触的点设为25b。将25a设定于叶片吸力面上的作为喉部位置的点S或其上游。另外，与冷却空气和主流空气的混入后的空气的流入角配合地决定高低差的位置。各级的上游侧的形状任意，存在如图10所示那样以光滑的曲线连接的情况，但也有以直线连接而存在顶点的情况。

通过如本实施例那样为在顶端侧端面具备高低差的构造，能够任意设定各级的前缘形状。因此，例如除上述的构成外，还通过形成为由高低差形成的前缘部的曲率比前缘18的曲率大的形状，能够确保相对于因冷却空气的混入而引起的流入角的变动的稳健性，抑制冷却空气的上升的发生。通过考虑了冷却空气的混入引起的流入角的变动来进行设计，能够降低叶片的顶端侧损伤的风险、使工作量最佳。

另外，如图9、图10所示，本实施例是将顶端侧端面12的级数设为3级情况下的例子，但级数可以是3级以上，也可以比3级少。

实施例3

图11表示第三实施例。在本实施例中，涡轮动叶片的顶端侧端面12的半径位置在涡轮旋转轴方向以阶梯状变化。此时，采取图11所示那样的上游侧的间隙大，越向下游间隙变得越小的构造。本实施例中的顶端侧端面12的级数是比第二实施例少1级的2级。通过这样的构造，即便在本实施例的涡轮动叶片中也与第一实施例的涡轮动叶片相同，能够降低涡轮动叶片的顶端侧的叶片剖面的总压损失、叶片的热负荷。

以9a’表示流过图11的冷却流路9a而冷却叶片部41后的冷却空气的流动。R轴是表示距涡轮动叶片的叶片部41的旋转轴的距离的坐标，正表示半径位置变大的方向。R_tip表示壳体7的叶片部41侧的半径位置，R’_tip表示叶片部41的顶端侧的端面12中半径位置最小的端面的半径位置。存在空气的流动9a’的区域包括于被R_tip和R’_tip夹住的区域（g’的范围）。如上所述，这是因为冷却空气30和主流气体22的混合区域变小，冷却空气流过叶片表面。由此，有冷却空气冷却叶片表面，且冷却空气遮挡从主流气体22朝向叶片部41的热流速的效果。

图12表示从壳体7侧观察图11所示的叶片部41的顶端侧的端面12的图。11a、11b是将冷却了叶片部的冷却空气排出至主流的排出孔，2个空气排出孔中11a存在于半径位置最低的位置，11b存在于半径位置最高的位置。空气排出孔的大小任意，也存在根据叶片内部的冷却构造在每级不存在孔的情况。

这里重要的是在各级的剖面形状中最上游的前端形状。将11b所存在的半径位置最高的顶端侧端面12的剖面与叶片吸力面接触的点设为25a，将与压力面接触的点设为25b。在本实施例中，25a位于喉部的上游。另一方面，与冷却空气和主流空气的混入后的空气的流入角配合地决定高低差的位置。各级的上游侧的形状任意，也存在如图12所示那样，以光滑的曲线连接的情况，但也有以直线连接而存在顶点的情况。

实施例4

图13表示本发明的第四实施例的涡轮动叶片。中粗实线箭头表示冷却空气的流动，框箭头表示高温气体，即主流工作气体的流动。本实施例的动叶片与替换不在图12所示的动叶片中设置排出孔11a，而设置有冷却流路9a的情况相当。

如图13所示，用于冷却的冷却空气被排出至主流气体通道，与高温的主流气体22混合。此时，如在第二实施例等中所说明的那样，虚线内部的顶端侧端面12a的高低差与从壳体7侧混入的冷却空气30产生干扰，抑制在平均直径的方向上升。因此，冷却空气如箭头30’所示，沿叶片流动，因此有助于叶片的顶端侧的冷却。

实施例5

作为本发明的第五实施例，图14表示其他的动叶片的例子。中粗实线箭头表示冷却空气的流动，框箭头表示高温气体，即主流工作气体的流动。与在图12中仅具备排出孔11a的情况相当。另外，流过冷却流路9b的冷却空气用于针肋冷却，从叶片的后缘侧被排出至主流气体通道。

在虚线内部的顶端侧端面12a的高低差中，从壳体7侧混入的冷却空气30和从排出孔11a混入的冷却空气与动叶片发生干扰，但通过利用动叶片叶片部的顶端侧端面12a的高低差来抑制冷却空气在平均直径的方向上上升，从而能够有助于叶片的顶端侧叶片冷却。在本实施例的情况下，与作为第四实施例的图13的情况相比较，因流过冷却流路9a并被排出至主流气体中的冷却空气沿叶片表面流动的效果，叶片表面的冷却效果增强。

如图14所示，通过在冷却排气口的下游设置高低差，能够将排出的冷却空气用于叶片的顶端15侧的叶片部冷却。

图15是表示遍及叶片部的上下方向的叶片剖面的总压损失的图。在现有技术中，如实线所示，在叶片的顶端侧中出现特别显著的叶片剖面总压损失。另一方面，根据本实施方式，如虚线所示，顶端侧的端壁的叶片剖面的总压损失下降，实现了遍及叶片部的上下方向更加均匀的总压损失。这意味着实现了遍及叶片部的上下方向更加均等的膨胀功，由此，提高了涡轮效率、蒸汽涡轮的效率，能够削减气体涡轮的燃料费。

另外，本发明不限于上述实施方式，本领域技术人员基于要求保护的范围能够容易想到的实施方式在本发明的范围内。例如，在以上的实施例为了简化，所以以在叶片部的顶端侧端面和壳体之间产生的间隙为例进行了说明，但很明显将该间隙作为在叶片部的顶端侧端面和安装至壳体的遮板等静止部件之间产生的间隙的情况也能够得到本发明的效果。

符号说明

1…转子；2…定子；3…旋转轴；4…动叶片；5…压缩机；6…燃烧器；7…壳体；8…静叶片；9a、9b、9c…冷却流道；9f₁、9f₂…翅片；10…叶片根部；11a、11b、11c…排出孔；12…动叶片顶端侧端面；13…毂；14…压力面；15…顶端；16…吸力面；18…前缘；20…后缘；22…主流气体；41…叶片部；44…平台部。

Claims

1.一种涡轮动叶片，该涡轮动叶片安装于转子且形成旋转的涡轮叶片列，上述涡轮动叶片的特征在于，具有：

平台部，其形成供主流气体流动的气体通道；以及

叶片部，其从所述平台部的作为形成所述气体通道的面的气体通道面沿作为距所述转子的旋转轴的距离变大的方向的径向延伸，

在所述叶片部的顶端侧端面具备相对于所述旋转轴的倾斜度变化的区域，

作为所述叶片部在所述径向的长度的叶片高形成为与所述叶片部的吸力面上的喉部位置的叶片高度相比，所述叶片部的叶片前缘的叶片高度小。

2.根据权利要求1所述的涡轮动叶片，其特征在于，

在所述叶片前缘和所述叶片部的吸力面上的喉部位置之间，作为所述倾斜度变化的区域在所述叶片部的顶端侧端面具备高低差。

3.根据权利要求2所述的涡轮动叶片，其特征在于，

上述涡轮动叶片形成为：所述叶片部的由所述高低差形成的前缘部的曲率比位于所述主流气体流动方向上游侧的前缘部的曲率大。

4.根据权利要求2所述的涡轮动叶片，其特征在于，

在所述叶片部的内部具备用于供冷却介质流动的冷却流道。

5.根据权利要求4所述的涡轮动叶片，其特征在于，

在所述叶片部的顶端侧端面具备排出向下流过该冷却流路的冷却介质的排出孔，该排出孔与所述高低差相比，设置在所述主流气体的流动方向的上游侧。

6.根据权利要求2所述的涡轮动叶片，其特征在于，

所述叶片部的顶端侧端面具有多个高低差。

7.一种气体涡轮，其具备作为静止部件的壳体、在所述壳体内部旋转的转子、以及被安装至所述转子且形成在所述静止部件的内部旋转的涡轮叶片列的涡轮动叶片，上述气体涡轮的特征在于，

所述涡轮动叶片具有：平台部，其形成供主流气体流动的气体通道；以及叶片部，其从所述平台部的作为形成所述气体通道的面的气体通道面沿与所述转子的旋转轴垂直的径向延伸，

作为所述叶片部的前端侧的端面的顶端侧端面和与该顶端侧端面对置的所述静止部件的间隙构成为，所述叶片部的叶片前缘的间隙比所述叶片部的吸力面上的喉部位置的间隙小。

8.一种涡轮动叶片的冷却方法，是如下涡轮动叶片的冷却方法，该涡轮动叶片安装于转子，且形成在静止部件的内部旋转的涡轮叶片列，具有：平台部，其形成供主流气体流动的气体通道；叶片部，其从所述平台部的作为形成所述气体通道的面的气体通道面向与所述转子的旋转轴垂直的径向延伸，在所述叶片部的顶端侧端面具备高低差，作为所述叶片部在所述径向的长度的叶片高度构成为与所述主流气体的流动方向上游侧相比，下游侧变高，作为所述叶片部的前端侧的端面的顶端侧端面和与该顶端侧端面对置的所述静止部件的间隙形成为沿所述主流气体的流动方向以阶梯状变小，其特征在于，

向所述高低差供给冷却介质，对所述叶片部的顶端侧进行冷却。