CN103403299A - 涡轮叶片 - Google Patents

Abstract

本发明的涡轮叶片（1）在从叶片前缘朝向叶片后缘的方向上成列地具备多列冷却部（4、4A、4B），该多列冷却部（4、4A、4B）具有将导入到叶片部（2）的内部（25）的冷却气体向腹侧叶片面（23）排出的缺口部（41），其中具备：紊流促进冷却部（4B），设在上述多列的最下游一列，在因上述缺口部（41）而露出的区域具有紊流促进机构（44、45、46）；薄膜冷却部（4A），设在上述多列中的其它任一列，在因上述缺口部（41）而露出的区域形成薄膜冷却层。

Description

涡轮叶片

技术领域

本发明涉及一种涡轮叶片。本申请要求2011年3月11日在日本提出的第2011-054253号日本专利申请的优先权，其内容引用于此。

背景技术

涡轮机所装备的涡轮叶片一般置于高温的流体中。特别是燃气涡轮机所装备的涡轮叶片由于置于从燃烧器排出的高温的燃烧气体中而置于极高温的环境中。为了提高这种置于高温的环境中的涡轮叶片的耐久性，有向涡轮叶片的内部供给冷却空气等冷却气体的情况。这样，通过向叶片内部供给冷却气体，能够抑制涡轮叶片的温度上升，提高涡轮叶片的耐久性。

但是，从涡轮机的空气动力性能的观点考虑，希望涡轮叶片的后缘区域上的厚度薄。因此，大多的情况是在涡轮叶片的后缘区域难以形成用于向涡轮叶片的内部通入冷却气体的流路。即，涡轮叶片的后缘区域可称为难以冷却的部位。因此，例如在专利文献1及专利文献2中提出了如下的方法，通过在涡轮叶片的后缘区域的腹侧形成缺口部而减薄后缘区域，同时朝向因缺口部而露出的腹侧的面吹喷冷却气体，对后缘区域进行薄膜冷却的方法。

专利文献1：日本国特开2003-56301号公报，

专利文献2：美国专利第5215431号说明书。

但是，在专利文献1及专利文献2中提出的方法中，难以对涡轮叶片的后缘区域充分地进行冷却，希望涡轮叶片的后缘区域上的冷却效率进一步提高。例如，通过使从缺口部排出的冷却气体的流动为紊流，能够提高叶片部与冷却气体之间的导热率。但是，在使冷却气体的流动为紊流的情况下，冷却气体立即与在叶片部的表面上流动的主流混合，也存在作为制冷剂的冷却气体的温度上升的缺点。即，若过分促进冷却气体的紊流的发生，则也促进了薄膜冷却层与主流气体的混合，薄膜冷却的效率降低。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而提出的，其目的在于在涡轮叶片中通过抑制薄膜冷却的效率降低，并且提高叶片部与冷却气体之间的导热率，从而提高涡轮叶片的后缘区域的冷却效率。

本发明作为解决上述问题的手段采用了以下的结构。

第1技术方案是一种在从叶片前缘朝向叶片后缘的方向上成列地具备多列冷却部的涡轮叶片，该多列冷却部具有将导入到叶片部的内部的冷却气体向腹侧叶片面排出的缺口部。该涡轮叶片具备：紊流促进冷却部，设在上述多列的最下游一列，在因缺口部而露出的区域具有紊流促进机构；薄膜冷却部，设在上述多列中的其它任一列，在因缺口部而露出的区域形成薄膜冷却层。

第2技术方案是在上述第1技术方案或第2技术方案中，在上述多列中的任一列，在上述叶片部的高度方向上离散地排列有多个上述冷却部。

第3技术方案是在上述第1～第3技术方案中的任一技术方案中，在上述多列中的任一列，在上述叶片部的高度方向上长条状地连续设有上述冷却部。

第4技术方案是在上述第1～第4技术方案中的任一技术方案中，上述紊流促进机构是立设在因上述缺口部而露出的区域上的多个销部。

第5技术方案是在上述第1～第4技术方案中的任一技术方案中，上述紊流促进机构是立设在因上述缺口部而露出的区域上、并且在上述冷却气体的流动方向上排列的多个台阶部。

第6技术方案是在上述第1～第4技术方案中的任一技术方案中，上述紊流促进机构是形成在因上述缺口部而露出的区域上的多个凹窝部。

在本发明中，在从叶片前缘朝向叶片后缘的方向上成列地具备具有缺口部的多列冷却部。该多列的冷却部中最下游的一列作为具备紊流促进机构、由紊流进行冷却的紊流促进冷却部，其它任一列作为形成薄膜冷却层的薄膜冷却部。因此，根据本发明，通过紊流促进冷却部促进冷却气体的紊流的产生，在紊流促进冷却部中促进对流导热，并且通过从薄膜冷却部流出的冷却气体形成薄膜冷却层，进行薄膜冷却。即，根据本发明，在叶片部的后缘区域，与温度比主流气体低的薄膜冷却气体的对流导热被紊流促进冷却部促进。因此，能够有效地对叶片部的后缘部进行冷却。因此，根据本发明，通过分别配置形成薄膜的缺口部和具有导热促进构造的缺口部，能够抑制薄膜冷却的效率降低，并且能够提高叶片部与冷却气体之间的导热率，这样一来，能够提高叶片部的后缘区域的冷却效率。

附图说明

图1是本发明的一实施方式中的涡轮叶片的立体图；

图2A是本发明的一实施方式中的涡轮叶片的剖视图；

图2B是本发明的一实施方式中的涡轮叶片的剖视图；

图3A将本发明的一实施方式中的涡轮叶片的主要部分放大后的立体图；

图3B将本发明的一实施方式中的涡轮叶片的主要部分放大后的立体图；

图4A是表示本发明的一实施方式中的涡轮叶片的变形例的放大立体图；

图4B是表示本发明的一实施方式中的涡轮叶片的变形例的放大立体图；

图5是表示本发明的一实施方式中的涡轮叶片的变形例的俯视图。

附图标记说明：

1：涡轮叶片，2：叶片部，21：前缘（叶片前缘），22：后缘（叶片后缘），23：腹侧叶片面（腹侧），24：背侧叶片面（背侧），25：内部（叶片部的内部），4：冷却部，4A：薄膜冷却部（冷却部），4B：紊流促进冷却部（冷却部），41：缺口部，42：狭缝，43：贯通孔，44：销部（紊流促进机构），45：台阶部（紊流促进机构），46：凹窝部（紊流促进机构）。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明所涉及的涡轮叶片的一实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，为了使各部件为能够识别的大小而适当变更了各部件的比例。

图1是本实施方式的涡轮叶片1的立体图。图2A以及图2B是涡轮叶片1的剖视图，图2A是图1中A-A向剖视图，图2B是图1中B-B向剖视图。如图1所示，本实施方式的涡轮叶片1具备叶片部2，根部3，以及冷却部4。

叶片部2如图2A以及图2B所示，设定成具有前缘21（叶片前缘），后缘22（叶片后缘），腹侧叶片面23（叶片腹），以及背侧叶片面24的叶片形状，同时内部25（叶片内部）具备能够导入冷却气体的中空。该叶片部2将前缘21朝向流体的上游一侧配置。因此，在叶片部2的腹侧叶片面23以及背侧叶片面24的表面形成有流体从前缘21朝向后缘22流动的气流。另外，在以下的说明中，将沿着腹侧叶片面23以及背侧叶片面24的表面从前缘21向后缘2流动的气流称为主流。

根部3支撑叶片部2并固定在涡轮机叶片盘上。另外，根部3具有未图示的内部流路。冷却气体穿过该根部3的内部流路向叶片部2的内部25供给。

冷却部4将导入到叶片部2的内部25中的冷却气体向后缘22一侧的腹侧叶片面23排出，对包括后缘22在内的后缘区域进行冷却。该冷却部4具有形成在腹侧叶片面23一侧的缺口部41，这种缺口部41形成狭缝42。而且，冷却部4具有设在狭缝42的前缘21一侧的壁部上并向叶片部2的内部25贯通的贯通孔43。该贯通孔43向缺口部41排出冷却气体。这样，本实施方式的涡轮叶片1上的冷却部4具有将导入到叶片部2的内部25中的冷却气体向腹侧叶片面23一侧排出的缺口部41。

而且，本实施方式的涡轮叶片1如图1所示，在从前缘21朝向后缘22的方向上具备两列（多列）冷却部4。各列由在叶片部2的高度方向（图1的纸面中的上下方向）上离散地等间隔配置的多个冷却部4构成。而且，如图1所示，构成前缘21一侧的一列的冷却部4和构成后缘22一侧的一列的冷却部4在叶片部2的高度方向上错开地配置。这样一来，冷却部4排列成锯齿状。

并且在本实施方式的涡轮叶片1上，构成前缘21一侧的一列的冷却部4作为薄膜冷却部4A，构成后缘22一侧的一列的冷却部4作为紊流促进冷却部4B。

图3A是薄膜冷却部4A的放大立体图。如该图3A所示，薄膜冷却部4A具备因缺口部41而露出的平面的区域R。该薄膜冷却部4A通过从贯通孔43排出的冷却气体而形成薄膜冷却层，进行薄膜冷却。即，薄膜冷却部4A在因缺口部41而露出的区域R上形成薄膜冷却层，能够进行薄膜冷却。即，能够因此而对叶片部2的后缘区域进行冷却。

图3B是紊流促进冷却部4B的放大立体图。如该图3B所示，紊流促进冷却部4B具备立设在因缺口部41而露出的平面的区域R上的多个销部44（紊流促进机构）。该紊流促进冷却部4B通过从贯通孔43排出的层流与多个销部44碰撞而促进紊流的发生。即，利用该紊流，能够促进薄膜空气与叶片部之间的对流导热。而且，多个销部44如图3B所示，在区域R上以锯齿状排列。各销部44的高度为了避免与上述主流碰撞而设定成不从腹侧叶片面23的表面突出。另外，如图3B所示，在本实施方式中所有销部44均设定成相同的高度，但销部44的高度并非一定要统一。

在以上这样构成的本实施方式的涡轮叶片1中，具有缺口部41的多列冷却部4在从前缘21朝向后缘22的方向上成列地装备。并且该多列的冷却部4的后缘22一侧的一列作为紊流促进冷却部4B，前缘21一侧的一列作为薄膜冷却部4A。因此，根据本实施方式的涡轮叶片1，由紊流促进冷却部4B促进对流导热，并且由薄膜冷却部4A形成薄膜冷却层。即，由于在温度比主流气体低的薄膜冷却气体与叶片部之间产生的对流导热被紊流促进冷却部促进，所以能够有效地对叶片部的后缘部进行冷却。因此，根据本发明，通过分别配置形成薄膜冷却层的缺口部和具有导热促进构造的缺口部，能够抑制薄膜冷却的效率降低，并且提高叶片部与冷却气体之间的导热率。这样一来，能够提高叶片部的后缘区域的冷却效率。

而且，在本实施方式的涡轮叶片1中，构成最后缘22一侧的一列的冷却部4作为紊流促进冷却部4B。通常，叶片部的后缘一侧的背侧叶片面是叶片面温度容易升高的部位，需要强化相对于该部位的冷却。即，通过在具备该部位的叶片部的被冷却一侧（叶片腹侧）的壁面设置缺口部，能够相对于该部位以与低温的冷却气体尽可能高的导热率进行导热。进而，通过如本实施方式的涡轮叶片1那样将构成最后缘22一侧的一列的冷却部4作为紊流促进冷却部4B，能够减小紊流对下游一侧的影响。即，能够防止薄膜冷却效率的降低，并且提高叶片部与冷却气体之间的导热率。

而且，在本实施方式的涡轮叶片1中，采用了通过销部44形成紊流的结构。因此，能够以简单的结构形成紊流。

另外，也可以替换销部44而例如图4A所示那样具备立设在因缺口部41而露出的平面的区域R上并且在冷却气体的流动方向上排列的多个台阶部45（紊流促进机构）。即使在采用了这种多个台阶部45的情况下，从贯通孔43排出的冷却气体与台阶部45碰撞而促进紊流。即，能够以简单的结构促进紊流。

而且，也可以替换销部44而例如图4B所示那样具备形成在因缺口部41而露出的区域上的多个凹窝部46（紊流促进机构）。即使在采用了这种多个凹窝部46的情况下，从贯通孔43排出的冷却气体流入凹窝部46而形成紊流。即，能够以简单的结构形成紊流。

而且，在本实施方式的涡轮叶片1中，构成一列的多个冷却部4是在叶片的高度方向上离散地配置的。因此，能够在冷却部4与冷却部4之间保留叶片的壁厚区域，确保涡轮叶片1的强度。

另外，也可以例如图5所示，具备在叶片部的高度方向上长条状地连续设置的冷却部4（图5中为薄膜冷却部4A）。通过采用这种冷却部4，能够对比在叶片部的高度方向上延伸的叶片部更广的范围进行冷却。但是，在使冷却部4为长条状的情况下，贯通孔的开口面积增加。即，存在从由长条状地连续设置的冷却部4构成的列排出的冷却气体的流量与从由离散地配置的冷却部4构成的列排出的冷却气体的流量相比增大的可能性。

因此，在使冷却部4为长条状的情况下，优选缩小长条状地连续设置的冷却部4上贯通孔的开口面积，以从离散地配置的冷却部4排出充分的冷却气体。

以上，参照附图对本发明的优选实施方式进行了说明，但本发明并不仅限于上述实施方式。上述的实施方式中所表示的各结构部件的诸形状及组合等仅是一例，能够在不脱离本发明的宗旨的范围内基于设计要求等进行各种变更。

例如，图1所示的涡轮叶片的示意图为转动叶片，但本构造也能够适用于静止叶片的情况。

而且，在本实施方式的涡轮叶片1中，在主流的流动方向上成列地装备有两列冷却部4。但是，本发明并不仅限于此，也可以具备在主流的流动方向上成三列以上的列地配置的多列冷却部4。但是，在本发明中，多列冷却部4中最下游一列的冷却部作为紊流促进冷却部4B，其它列中的任一列冷却部作为薄膜冷却部4A。

而且，在本实施方式的涡轮叶片1中，冷却部4是以锯齿状排列的。但是，本发明并不仅限于此，冷却部4也可以排列成格子状。而且，还可以不在紊流促进冷却部4B上形成贯通孔43。

根据本发明，通过分别配置形成薄膜的缺口部和具有导热促进构造的缺口部，能够抑制薄膜冷却的效率降低，并且能够提高叶片部与冷却气体之间的导热率。这样一来，能够提高涡轮叶片的后缘区域的冷却效率。

Claims (6)

1.一种涡轮叶片，在从叶片前缘朝向叶片后缘的方向上成列地具备多列冷却部，该多列冷却部具有将导入到叶片部的内部的冷却气体向腹侧叶片面排出的缺口部，其特征在于，具备：

紊流促进冷却部，设在上述多列的最下游一列，在因上述缺口部而露出的区域具有紊流促进机构；

薄膜冷却部，设在上述多列中的其它任一列，在因上述缺口部而露出的区域形成薄膜冷却层。

2.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在上述多列中的任一列，在上述叶片部的高度方向上离散地排列有多个上述冷却部。

3.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在上述多列中的任一列，在上述叶片部的高度方向上长条状地连续设有上述冷却部。

4.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，上述紊流促进机构是立设在因上述缺口部而露出的区域上的多个销部。

5.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，上述紊流促进机构是立设在因上述缺口部而露出的区域上、并且在上述冷却气体的流动方向上排列的多个台阶部。

6.如权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，上述紊流促进机构是形成在因上述缺口部而露出的区域上的多个凹窝部。

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