CN104033186A - 燃气轮机叶片 - Google Patents

Abstract

本发明提供燃气轮机叶片，通过顶端部的均匀冷却而抑制温度差的产生，并且，抑制伴随冷却孔的加工的局部应力的上升，并降低运转中顶端部的损伤。燃气轮机叶片，在内部形成冷却流路（16）且在其顶端侧具备将冷却流路（16）和外部隔离的隔离部（14），隔离部（14）在比燃气轮机叶片的顶端靠径向内侧的位置与叶片部（7）一体地形成，并且在隔离部（14）的径向外侧且叶片部（7）延长而形成的顶端壁（15）的内侧具备连接隔离部（14）和顶端壁（15）的加固部（19），并形成有从冷却流路（16）连通于顶端壁的外表面（15a）的外表面冷却孔（17）以及从冷却流路（16）通过隔壁部（14）连通于顶端壁的内表面（15b）的内表面冷却孔（18）。

Description

燃气轮机叶片

技术领域

本发明涉及燃气轮机，特别涉及具有冷却构造的燃气轮机叶片。

背景技术

燃气轮机的效率随着燃烧器出口温度或透平入口温度的上升而提高。现有的燃气轮机的燃烧器出口温度达到1500℃，由于暴露于高温的燃气中的燃气轮机叶片表面的温度超过了所使用的耐热合金的临界温度，因此需要进行燃气轮机叶片的冷却。

因此，将从压缩机抽出的空气供给形成于燃气轮机叶片内部的冷却流路而进行对流冷却，并且在燃气轮机叶片表面设定多个贯通孔使空气从冷却流路向燃气轮机叶片表面喷出并通过在表面上流动的气膜冷却来抑制燃气轮机叶片的温度上升而使其处于临界温度以下。但是，由于叶片形状或制造等的限制，存在难以有效地配置气膜冷却孔的部位。

在燃气轮机叶片顶端，在叶片顶端和外壳的径向内表面的间隙泄露燃气，为了降低对透平工作产生损失的情况，将间隙设置为最小。但是，在燃气轮机起动时，由于停止时的燃气轮机叶片和外壳的温度差而引起的热膨胀差等，有时使叶片顶端与外壳接触、产生磨损。因此，一般地，燃气轮机叶片顶端部的叶片部从将形成于内部的冷却流路和外部隔离的隔离部沿外径方向延长而形成顶端壁而成为磨损余量。

但是，由于顶端壁从形成于燃气轮机叶片内部的冷却流路远离，因此即使在从冷却流路朝向叶片顶端设置气膜冷却孔的情况下，也难以进行叶片顶端的冷却。特别地，难以冷却相邻的孔之间的表面。另外，虽然叶片顶端和外壳的径向的间隙设计为最小，但是在随着顶端壁的磨损的进行而产生间隙，在燃气进入顶端壁的内表面侧的情况下，顶端壁的内表面也暴露于燃气，产生因氧化等而引起的损伤。

对此，在专利文献1中记载有如下构造，通过在顶端壁的内表面侧设置加固部，从而抑制在顶端壁设置气膜冷却孔时产生的局部应力（专利文献1）。

专利文献1：日本特开2005-54799号公报（图4）

根据上述专利文献1，虽然期待顶端壁的外表面的冷却，但是由于在内表面侧一样地设置加固部的情况下顶端壁的板厚增加，因此顶端壁的热容量增大，对抑制内表面的温度上升来说是不利的。另外，在对应气膜冷却孔的位置周期性设置加固部的情况下，由于内表面侧的表面积增大，所以促进来自内表面的热传递。因此，在顶端壁的内外面的温度差增大，存在产生热应力的可能性。

另外，在朝向叶片顶端设置气膜冷却孔的情况下，由于相邻的孔之间的叶片外表面不与冷却空气接触，因此难以进行从叶片前缘至后缘的顶端壁的均匀的冷却，需要针对今后的高温化的技术开发。

发明内容

本发明的目的在于提供一种燃气轮机叶片，抑制由于设置冷却孔产生的局部应力，并且抑制顶端壁的内外表面的温度差的产生。

为解决上述课题，在本发明中提供一种燃气轮机叶片，在其内部形成有冷却流路，在其顶端侧具备将上述冷却流路和叶片外部隔离的隔离部，上述燃气轮机叶片的特征在于，具备：从叶片部的顶端沿径向外侧延长而形成的顶端壁；沿上述隔离部的外表面和上述顶端壁的内表面的分界部设置，各自离开地配置的多个加固部；从上述冷却流路连通于上述叶片部的外表面的多个外表面冷却孔；以及从上述冷却流路通过上述隔壁部连通于上述顶端壁的内表面的多个内表面冷却孔。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种燃气轮机叶片，抑制由于设置冷却孔产生的局部应力，并且抑制顶端壁的内外表面的温度差的产生。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1的立体图。

图2是表示将本发明的实施方式1从背侧顶端壁内表面观察腹侧顶端壁内表面的立体图。

图3是表示图2所示的截面A-A的剖视图。

图4是表示图2所示的截面B-B的剖视图。

图5是表示本发明的实施方式2的立体图。

图6是表示将本发明的实施方式2从背侧顶端壁内表面观察腹侧顶端壁内表面的立体图。

图7是表示图6所示的截面C-C的剖视图。

图8是表示本发明的实施方式2的立体图。

图9是表示将本发明的实施方式2从背侧顶端壁内表面观察腹侧顶端壁内表面的立体图。

图10是表示图9所示的截面D-D的剖视图。

图11是表示本发明的实施方式3的立体图。

图12是表示本发明的实施方式4的从背侧顶端壁内表面观察腹侧顶端壁内表面的立体图。

图13是表示具有气膜冷却孔的燃气轮机叶片的构造例的图。

图14是表示代表性的燃气轮机的构造例的图。

图中：1—压缩机，2—燃烧器，3—透平，4—透平动叶片，5—透平静叶片，6—透平叶轮，7—叶片部，8—平台，9—楔形榫，10—前缘，11—后缘，12—腹侧，13—背侧，14—隔壁部，15—顶端壁，15a—顶端壁外表面，15b—顶端壁内表面，16—冷却流路，17—外表面冷却孔，18—内表面冷却孔，19—加固部，20—内表面冷却孔。

具体实施方式

图14表示燃气轮机的代表性的构造图，图13表示具有冷却孔的燃气轮机叶片的构造例。

燃气轮机大致上分，由压缩机1、燃烧器2以及透平3构成。压缩机1将从大气吸入的空气作为工作流体而隔热压缩，燃烧器2通过向从压缩机1供给的压缩空气内混合燃料并燃烧从而生成高温高压气体，透平3在从燃烧器2导入的燃气膨胀时产生旋转动力。来自透平3的排气向大气中放出。

关于燃气轮机的动叶片4，和静叶片5一同沿透平轴方向交替地配置，一般是嵌入设置于轮6外周侧的槽的构造。图13所示的动叶片4由叶片部7、平台8以及楔形榫9构成。叶片部7以最先接触燃气的前缘10和燃气出去的后缘11为分界，划分为凹形状的腹侧12和凸形状的背侧13。在顶端部上具有将叶片内部和外部隔离的隔离部14，并以从隔离部延长叶片的腹侧以及背侧的形式设置顶端壁（下述）。

为使燃气轮机的效率提高而存在高温化的倾向，由于暴露于高温燃气的燃气轮机叶片的表面温度超过所使用的耐热合金的临界温度，因此有必要对燃气轮机叶片进行冷却。作为燃气轮机叶片的冷却方法之一，将从压缩机1的中间级或出口等抽出的空气向形成于叶片内部的冷却流路引导，通过来自流路壁的对流传热进行冷却。另外，作为其他的冷却方法，在叶片部7加工将叶片内部的冷却流路和叶片外部相连接的冷却孔，进行从该冷却孔喷出冷却空气而覆盖叶片表面的气膜冷却。

气膜冷却孔设置于叶片部7的前缘部11、腹侧12、背侧13、顶端部以及平台8等。但是，由于设置于顶端部的顶端壁从形成于叶片内部的冷却流路远离，因此即使在从冷却流路16朝向顶端地设置冷却孔17的情况下，也难以进行顶端的冷却。另外，通过在顶端壁内表面侧设置加固部，虽然能够在强度上使气膜冷却孔的开口部接近顶端，但是为了促进顶端的冷却，加固部的形状或气膜冷却孔的配置成为问题。

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1至图4表示最好地展示本发明的特征的燃气轮机叶片顶端部的冷却构造。在本实施例的透平叶片4中，具备从叶片部7的顶端向径向外侧延长地形成的顶端壁15，并具有从形成于燃气轮机叶片内部的冷却流路16连通于顶端壁外表面15a（叶片外部空间）的外表面冷却孔17以及从冷却流路16通过隔离壁14连通于顶端壁内表面15b的内表面冷却孔18。内表面冷却孔18在与外表面冷却孔17等间隔地形成的相邻的2个加固部19之间与顶端壁内表面15b（叶片外部空间）连通。加固部19沿隔离部14的外表面和顶端壁15的内表面的分界部设置有多个的同时，其彼此间相互隔离地配置。内表面冷却孔18的开口部设置于隔离部14，并形成为沿顶端壁15的内表面或朝向顶端壁15的内表面喷出冷媒。外表面冷却孔17的开口部设置于顶端壁外表面15a。另外，外表面冷却孔17以如下方式配置，在从径向外侧观察叶片部7时，其一部分（贯通隔离部14的孔部分）与加固部19的配设区域重叠。

加固部19和隔离部14能够与叶片部17一体地铸造成形。或者，关于隔离部14也可以与加固部19以及叶片部7分体而制作，之后可以通过焊接等方法进行连接。在叶片成形后通过电火花加工等加工外表面冷却孔17以及内表面冷却孔18。

另外，虽然在图1中表示出了腹侧12的设定，但也可以在背侧13同样地设定。

根据以上的实施方式，通过形成加固部19，除能够使外表面冷却孔17接近叶片顶端之外，通过同时设定内表面冷却孔18，能够进一步使顶端壁15的温度降低，并抑制由燃气对顶端壁15的氧化而产生的损伤。另外，通过将内表面冷却孔18配置于加固部19的中间而使其连通于顶端壁内表面壁15b，从而能够将难以冷却的外表面冷却孔17的中间部分从内表面侧进行冷却，使顶端壁内外表面的温度差降低，能够接近均匀的温度分布。为了实现上述，在图2中，若将外表面冷却孔17的中心轴的间隔设为P，将加固部19的宽度设为D，将内表面冷却孔18的直径设为di，则需要满足P≥D+di。据此，能够降低由局部的温度分布而产生的热应力，能够抑制从外表面冷却孔17以及内表面冷却孔18产生的开裂。

根据以上，能够降低因氧化或开裂的产生而引起的顶端壁15的损伤，并抑制叶片寿命的下降以及透平性能的下降。

图5至图7表示本发明的实施方式2的燃气轮机的叶片顶端部的冷却构造。在本实施例中，透平叶片4具有从形成于燃气轮机叶片内部的冷却流路16连通于顶端壁外表面15a的外表面冷却孔17以及从冷却流路16通过隔壁部14连通于顶端壁内表面15b的内表面冷却孔18，在该透平叶片4中，加固部19为与外表面冷却孔17的中心轴同轴的圆柱状，并且内表面冷却孔18与加固部19的中间连通。

关于圆柱状的加固部19，如图10所示，在外表面冷却孔17的中心轴比形成顶端壁15的内表面15b的面与形成隔壁部14的外表面14a的面的交线更位于外径方向的情况下，如图8至图10所示，比外表面冷却孔17的中心轴更位于外径方向的加固部19为圆柱形状，比外表面冷却孔17的中心轴更位于内径方向的加固部19为矩形形状。

根据以上的实施方式，通过使加固部19的形状为圆柱形状，能够将因设定加固部19而引起的顶端壁15的体积增加以及热容量的增加抑制于最小限度，由气膜冷却引起的从表面的冷却的效果能够期待扩及顶端壁15的内部。另外，也能够抑制由于加固部19的设定引起的顶端壁15的表面积的增加，能够抑制来自加固部19的表面的热传递。通过这些特征，能够增强实施方式1的效果。

图11表示本发明的实施方式3的燃气轮机叶片顶端部的冷却构造。在本实施例中，透平叶片4具有从形成于燃气轮机叶片内部的冷却流路16连通于顶端壁外表面15a的外表面冷却孔17以及从冷却流路16通过隔壁部14连通于顶端壁内表面15b的内表面冷却孔18，在该透平叶片4中，形成有从冷却流路16通过隔壁部14连通于加固部19的内表面冷却孔20。

根据以上的实施方式，除了外表面冷却孔17、内表面冷却孔18之外，通过使热容量以及表面积较大的加固部19的表面连通冷却空气，从而能够强化顶端壁15的冷却，使顶端壁的温度分布更接近均匀。

图12表示本发明的实施方式4的燃气轮机叶片顶端部的冷却构造。在本实施例中，透平叶片4具有从形成于燃气轮机叶片内部的冷却流路16通过加固部19的内部连通于顶端壁外表面15a的外表面冷却孔17以及从冷却流路16通过隔壁部14连通于顶端壁内表面15b的内表面冷却孔18，在该透平叶片4中，外表面冷却孔17的顶端壁外表面15a的开口部以及内表面冷却孔18的隔壁部外表面14a的开口部比冷却流路16的开口部更靠近后缘侧。

根据以上的实施方式，通过向后缘方向喷出气膜冷却，能够在顶端壁15的表面形成后缘方向的冷却空气的流动。据此，能够将冷却空气输送到难以设置冷却孔的叶片外表面的后缘部，从而能够抑制由后缘部的氧化而引起的损伤。

根据上述各实施方式，通过在顶端壁的内表面侧设置加固部，能够使外表面冷却孔的开口部靠近顶端壁的顶端。此外，通过将加固部周期性配置成圆柱状，能够将顶端壁的板厚的增加以及顶端壁内表面的表面积的增加抑制于最小限度，并抑制顶端壁的内外表面中产生温度差。

另外，通过设置在顶端壁的内表面侧开口的内表面冷却孔，将顶端壁的内外表面一同冷却，从而能够抑制内外表面产生温度差。特别地，通过使内表面冷却孔的开口位置位于外表面冷却孔的开口位置的中间，从而能够促进相邻接的外表面冷却孔之间区域的冷却，使顶端壁的温度分布接近均匀的温度。

根据以上，能够在抑制因燃气对顶端壁的氧化而引起的损伤的同时，抑制伴随着冷却孔的形成以及顶端壁的温度分布而产生的局部应力，并抑制从冷却孔产生开裂。

Claims (9)

1.一种燃气轮机叶片，在其内部形成有冷却流路，在其顶端侧具备将上述冷却流路和叶片外部隔离的隔离部，

上述燃气轮机叶片的特征在于，具备：

从叶片部的顶端沿径向外侧延长而形成的顶端壁；

沿上述隔离部的外表面和上述顶端壁的内表面的分界部设置，各自离开地配置的多个加固部；

从上述冷却流路连通于上述叶片部的外表面的多个外表面冷却孔；以及

从上述冷却流路通过上述隔壁部连通于上述顶端壁的内表面的多个内表面冷却孔。

2.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述内表面冷却孔在相邻的上述加固部之间连通上述冷却流路和叶片外部空间。

3.根据权利要求2所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述内表面冷却孔形成为，沿着上述顶端壁的内表面或者朝向上述顶端壁的内表面喷出冷媒。

4.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述外表面冷却孔配置为，在从径向外侧观察上述叶片部时，其一部分与上述加固部的配设区域重叠。

5.根据权利要求4所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述外表面冷却孔在上述顶端壁的外表面形成有开口部。

6.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

相邻的上述外表面冷却孔的中心轴的间隔大于或等于上述内表面冷却孔的直径与上述加固部和上述隔壁部相交位置处的上述加固部的宽度之和。

7.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述加固部为与上述外表面冷却孔的中心轴同轴的圆柱形状。

8.根据权利要求5述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述外表面冷却孔的中心轴位于比形成上述顶端壁的内表面的面与形成上述隔壁部的外表面的面的交线更靠外径方向，使位于比上述外表面冷却孔的中心轴更靠外径方向的上述加固部为圆柱形状，使位于比上述外表面冷却孔的中心轴更靠内径方向的上述加固部为矩形形状。

9.根据权利要求1所述的燃气轮机叶片，其特征在于，

上述外表面冷却孔和上述内表面冷却孔的任意一个或全部的中心轴沿叶片后缘方向倾斜。