CN105189929A - 冷却促进结构 - Google Patents

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Abstract

一种冷却促进结构，第1流路壁(11)具有在第1流路(12)中流动的冷却空气(X)所碰撞的第1碰撞面(11a)，第2流路壁(13)具有在第2流路(14)中流动的冷却空气(X)所碰撞的第2碰撞面(13a)，在第1碰撞面(11a)及第2碰撞面(13a)的配置部位，第1流路(12)与第2流路(14)经由流入开口(15a)连接。

Description

冷却促进结构
技术领域
本发明涉及冷却促进结构。
本申请基于2013年3月14日在日本申请的特愿2013－052422号主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
例如，在暴露于高温气体环境中的涡轮叶片等中，组装有用来高效地抑制涡轮叶片的温度上升的冷却促进结构。在专利文献1中，公开了一种在被供给冷却空气的中空的涡轮叶片的内部沿叶片高度方向以等间隔设置多个分隔板、在这些分隔板彼此之间形成栅格结构的冷却促进结构。另外，在以下的说明中，所谓“高度”，是指叶片的高度方向、即与发动机旋转轴垂直的方向。
在这样的专利文献1所公开的冷却促进结构中，在各分隔板彼此之间的空间中流过该空间的正压面侧的冷却空气碰撞在分隔板上并从栅格结构的孔部分穿过，由此向该空间的负压面侧流入，此外流过该空间的负压面侧的冷却空气碰撞在分隔板上并从不同的孔部分穿过，由此向该空间的正压面侧流入。通过这样的冷却促进结构，当沿着正压面流动的冷却空气碰撞在分隔板上改变流动方向而向负压面流入时，通过碰撞在该空间的负压面侧的叶片壁上，将上述叶片壁冲击冷却，由此提高冷却效率。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2008－64002号公报
发明内容
发明要解决的技术课题
通常涡轮叶片由铸件构成。因此，为了形成作为涡轮叶片的内部结构的冷却促进结构，需要使用与冷却促进结构对应的型芯。由于是复杂地采用了栅格结构的结构，所以型芯也成为复杂的形状，难以保持型芯的强度。因此，型芯的制作需要慎重地进行。
专利文献1所公开的冷却促进结构虽然在冷却效率的提高这一点上起到良好的效果，但其制造较困难。这是因为，由于设有多个分隔板，所以与栅格结构对应的强度较低的型芯因需要与分隔板对应的间隙而成为梳齿状，难以进一步保持强度。
另外，在将冷却促进结构应用到涡轮叶片以外的结构物中、该结构物由铸件构成的情况下，型芯的强度的确保也同样成为问题，制造变得困难。
本发明是鉴于上述情况而做出的，目的是提供一种能够实现冲击冷却的冷却效率的提高、并且使组装的产品的制造性变高的冷却促进结构。
用于解决技术课题的技术手段
本发明的第1方案是一种冷却促进结构，设置在形成于对置配置的第1部件与第2部件之间的冷却流路中，具备：第1流路壁，在上述第1部件上立设有多个，并且在上述冷却流路的上述第1部件侧形成第1流路；第2流路壁，在上述第2部件上立设有多个，并且在上述冷却流路的上述第2部件侧形成第2流路；上述第1流路壁具有在上述第1流路中流动的冷却气体所碰撞的第1碰撞面；上述第2流路壁具有在上述第2流路中流动的冷却气体所碰撞的第2碰撞面；在上述第1碰撞面及上述第2碰撞面的配置部位，上述第1流路与上述第2流路连接。
本发明的第2方案为：在上述第1方案中，全部的第1流路与上述第2流路连通。
本发明的第3方案为：在上述第1方案或第2方案中，上述第1流路壁、上述第2流路壁、第1流路及第2流路具有将以连结上述冷却流路的上游侧和下游侧的对称轴为中心的镜面对称形状作为单位形状、将上述单位形状在与上述对称轴正交的方向上排列多个而成的形状。
本发明的第4方案为：在上述第3方案中，各个上述第1流路壁及上述第2流路壁为相同宽度的波型形状，并且以与宽度相同的间隔在上述对称轴方向上排列。
本发明的第5方案为：在上述第4方案中，上述第1流路和上述第2流路的连接部位处的连接开口的宽度比上述第1流路及上述第2流路的宽度窄。
本发明的第6方案为：在上述第1方案～第5方案的任一方案中，在上述第1流路与上述第2流路的全部连接部位都设有上述第1碰撞面或上述第2碰撞面。
发明效果
根据本发明，如果在第1流路中流动的冷却气体碰撞在第1流路壁的碰撞面(第1碰撞面)上，则该冷却气体流入到第2流路中，将第2部件冲击冷却。此外，如果在第2流路中流动的冷却气体碰撞在第2流路壁的碰撞面(第2碰撞面)上，则该冷却气体流入到第1流路中，将第1部件冲击冷却。这样，根据本发明，即使不设置专利文献1所示的分隔板，也能够将第1部件及第2部件冲击冷却，能够使冷却效率提高。
此外，根据本发明，由于不需要分隔板，所以能够使在铸造组装有本发明的产品时使用的型芯的强度变高。
即，根据本发明，能够避免型芯成为梳齿状，能够提高组装有本发明的产品的制造性。
因此，根据本发明，能够实现冲击冷却的冷却效率的提高，并且使组装后的产品的制造性变高。
附图说明
图1A是具备作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的涡轮叶片的立体图。
图1B是图1A的A－A剖视图。
图2A是作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的局部立体图。
图2B是图2A的局部放大图。
图3是作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的分解立体图。
图4A是作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的局部俯视图。
图4B是作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的剖视图。
图5A是在铸造涡轮叶片时使用的型芯的局部俯视图。
图5B是在铸造涡轮叶片时使用的型芯的剖视图。
图6A是作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的变形例的局部俯视图。
图6B是作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的变形例的剖视图。
图7是表示作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的变形例的立体图。
图8是表示作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的变形例的立体图。
图9是表示作为本发明的一实施方式的冷却促进结构的变形例的立体图。
具体实施方式
以下，参照附图对有关本发明的冷却促进结构的一实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，对组装了本发明的冷却促进结构的涡轮叶片进行说明。此外，在以下的图中，为了使各部件成为可识别的大小，适当变更各部件的比例尺。
图1A是具备本实施方式的冷却促进结构10的涡轮叶片1的立体图。图1B是图1A的A－A剖视图。另外，在图1A中，将涡轮叶片1的正压面的一部分剖开地图示，以使本实施方式的冷却促进结构10能够辨识。
在本实施方式中，涡轮叶片1是搭载在喷气发动机中的涡轮的动叶片。该涡轮叶片1包括被插入盘(旋转体)的楔形榫1a、形成在楔形榫1a上的平台1b和形成在平台1b上的叶片部1c。
叶片部1c如图1B所示，是截面形状为具有前缘1ca、后缘1cb、正压面1cc及负压面1cd的叶片型的部位，在后缘1cb附近的内部具有冷却流路1ce。此外，冷却流路1ce具备前缘1ca侧的冷却空气导入部1cf、形成在靠后缘1cb侧的开口端1cg、和将冷却空气导入部1cf与开口端1cg连接的中间部1ch。
冷却空气导入部1cf从叶片部1c的下端部到上端部沿高度方向(图1A中的上下方向)呈直线状延伸地设置，在下端连接着将楔形榫1a及平台1b在叶片部1c的高度方向上贯通的贯通孔1d。开口端1cg设置成比后缘1cb稍靠前缘1ca，朝向后缘1cb开口。该开口端1cg也从叶片部1c的下端部到上端部沿高度方向的上下方向呈直线状延伸地设置。中间部1ch为与冷却空气导入部1cf及开口端1cg相同的高度。
在这样的冷却流路1ce中，经由贯通孔1d被供给的冷却空气X最先向冷却空气导入部1cf流入，被供给到冷却空气导入部1cf中的冷却空气X经由中间部1ch被从开口端1cg朝向后缘1cb喷出。即，冷却空气X在形成于叶片部1c内部的冷却流路1ce中从前缘1ca侧朝向后缘1cb流动。这样的冷却空气X通过在冷却流路1ce中流动时从叶片部1c带走热而将叶片部1c冷却，在被从开口端1cg喷出后，通过沿着叶片部1c的正压面1cc流动，将直到叶片部1c的后缘1cb进行薄膜冷却。
另外，如图1B所示，在形成冷却流路1ce的部位，夹着冷却流路1ce对置配置有正压面1cc的叶片壁和负压面1cd的叶片壁。即，在对置配置的正压面1cc的叶片壁与负压面1cd的叶片壁之间形成有冷却流路1ce。以下，将上述正压面1cc的叶片壁称作正压面叶片壁21(第1部件)，将负压面1cd的叶片壁称作负压面叶片壁22(第2部件)。
本实施方式的冷却促进结构10设在冷却流路1ce的中间部1ch，被正压面叶片壁21和负压面叶片壁22夹持。图2A是表示冷却促进结构10的一部分的立体图，图2B是将图2A的一部分进一步放大的立体图。此外，图3是冷却促进结构10的分解立体图。此外，图4A是表示冷却促进结构10的一部分的俯视图，图4B是冷却促进结构10的剖视图。另外，在图4A中，为了使辨识性提高，对后述的第1流路壁11和第2流路壁13赋予不同的阴影而表示。
如这些图所示，本实施方式的冷却促进结构10包括第1流路壁11、第1流路12、第2流路壁13和第2流路14。第1流路壁11从正压面叶片壁21朝向负压面叶片壁22立设，是截面为大致矩形状的壁部。
该第1流路壁11如图2A或图4A所示，为以一定周期反复弯曲的波型形状。此外，这样的第1流路壁11在叶片部1c的前后方向上以等间隔排列有多个。
该第1流路壁11的侧面的一部分为流过第1流路12的冷却空气X向第1流路壁11碰撞的第1碰撞面11a。该第1碰撞面11a设置在第1流路12与第2流路14的连接部位，即冷却空气X从第1流路12向第2流路14流入的部位(第1流路12弯曲的部位)。
第1流路12是通过如上述那样以等间隔排列有多个的第1流路壁11形成的流路，由第1流路壁11彼此的间隙构成。该第1流路12由于由第1流路壁11彼此的间隙构成，所以与第1流路壁11同样地为以一定周期反复弯曲的波型形状。这样的第1流路12在被正压面叶片壁21和负压面叶片壁22夹着的空间(即冷却流路1ce)中设在靠正压面叶片壁21侧。
第2流路壁13从负压面叶片壁22朝向正压面叶片壁21立设，是截面为与第1流路壁11同样的矩形状的壁部。该第2流路壁13如图2A或图4A所示，为以一定周期反复弯曲的波型形状。另外，由第2流路壁13形成的波型的周期与由第1流路壁11形成的波型的周期相同，由第2流路壁13形成的波型的相位与由第1流路壁11形成的波型的相位相差180°。此外，这样的第2流路壁13在叶片部1c的前后方向上以等间隔排列有多个。另外，第2流路壁13的正压面叶片壁21侧的面的距负压面叶片壁22的板厚方向的距离、与第1流路壁11的负压面叶片壁22侧的面的距正压面叶片壁21的板压方向的距离相同。即，第1流路壁11的距正压面叶片壁21的板厚方向的距离和第2流路壁13的距负压面叶片壁22的板厚方向的距离设定为相同，以使第1流路壁11和第2流路壁13的边界面除了第1流路12与第2流路14的连接部位以外为平面。
该第2流路壁13的侧面的一部分为在第2流路14中流动的冷却空气X与第2流路壁13碰撞的第2碰撞面13a。该第2碰撞面13a设置在第1流路12与第2流路14的连接部位，即冷却空气X从第2流路14向第1流路12流入的部位(第2流路14弯曲的部位)。
第2流路14是通过如上述那样以等间隔排列了多个的第2流路壁13形成的流路，由第2流路壁13彼此的间隙构成。该第2流路14由于由第2流路壁13彼此的间隙构成，所以与第2流路壁13同样地为以一定周期反复弯曲的波型形状。这样的第2流路14在被正压面叶片壁21和负压面叶片壁22夹着的空间(即冷却流路1ce)中设在靠负压面叶片壁22一侧。
第1流路12和第2流路14如图4A所示，从正压面1cc或负压面1cd的大致法线方向观察，在多个部位以部分地重叠的方式配置。在这些第1流路12与第2流路14重叠的部分中，第1流路12与第2流路14相连，结果形成了开口15。通过这些开口15将全部的第1流路12与第2流路14连通。这些开口15中的设在第1流路12和第2流路14的弯曲部分处的开口15作为使冷却空气X从第1流路12向第2流路14或从第2流路14向第1流路12流入的流入开口15a(连接开口)发挥功能。此外，第1流路12和第2流路14配置为，在流入开口15a处遍及流路宽度(第1流路12的宽度及第2流路14的宽度)的整个区域而完全地重叠。即，流入开口15a的宽度与第1流路12的宽度及第2流路14的宽度相同。
这些第1流路壁11、第1流路12、第2流路壁13和第2流路14如图2A所示，为一定周期的弯曲的波型形状。这样的由第1流路壁11、第1流路12、第2流路壁13和第2流路14构成的冷却促进结构10具有将以连结冷却流路1ce的上游侧和下游侧的对称轴为中心的镜面对称形状作为单位形状、将该单位形状在与对称轴正交的方向上排列多个而成的形状。
此外，各个第1流路壁11及第2流路壁13为相同宽度的波型形状，并且以与宽度相同的间隔在对称轴方向上排列。
如上述那样，本实施方式的冷却促进结构10具备多个立设在正压面叶片壁21上并在正压面叶片壁21上形成第1流路12的第1流路壁11、和多个立设在负压面叶片壁22上并在负压面叶片壁22上形成第2流路14的第2流路壁13。此外，第1流路壁11具有在第1流路12流动的冷却空气X所碰撞的第1碰撞面11a，第2流路壁13具有在第2流路14流动的冷却空气X所碰撞的第2碰撞面13a。在第1碰撞面11a及第2碰撞面13a的配置部位，第1流路12和第2流路14经由流入开口15a连接。
图5A是表示在铸造涡轮叶片1时使用的型芯30的一部分的俯视图。图5B是型芯30的剖视图。型芯30是在铸造涡轮叶片1时、为了成形本实施方式的冷却促进结构10而配置在铸模的内部的陶瓷制的部件。该型芯30与第1流路壁11及第2流路壁13对应的部分为中空，与第1流路12及第2流路14对应的部分为实心。本实施方式的冷却促进结构10不具备将冷却流路1ce在涡轮叶片1的高度方向上划分的分隔板。因此，型芯30不需要具有与分隔板对应的中空部分，不为梳齿状。
接着，对上述那样的构成的本实施方式的冷却促进结构10的作用及效果进行说明。
如果向涡轮叶片1的贯通孔1d供给冷却空气X，则冷却空气X经由冷却空气导入部1cf被供给到冷却促进结构10。向冷却促进结构10供给的冷却空气X在冷却促进结构10的入口(前缘1ca侧的端部)被分配到第1流路12和第2流路14。
被分配到第1流路12中的冷却空气X如图2B的实线的箭头所示，在第1流路12中沿着第1流路壁11流动，在第1流路壁11被弯曲的部位碰撞在相对于流动方向正交的第1碰撞面11a上。碰撞在第1碰撞面11a上的冷却空气X经由流入开口15a流入第2流路14。此时，冷却空气X碰撞在负压面叶片壁22上，将负压面叶片壁22冲击冷却。碰撞在负压面叶片壁22上的冷却空气X如图2B的虚线的箭头所示，在第2流路14中沿着第2流路壁13流动，在第2流路壁13被弯曲的部位碰撞到相对于流动方向正交的第2碰撞面13a上。碰撞在第2碰撞面13a上的冷却空气X经由流入开口15a再次流入第1流路12。此时，冷却空气X碰撞在正压面叶片壁21上，将正压面叶片壁21冲击冷却。
此外，被分配到第2流路14中的冷却空气X如图2B的虚线的箭头所示，在第2流路14中沿着第2流路壁13流动，在第2流路壁13被弯曲的部位碰撞到相对于流动方向正交的第2碰撞面13a上。碰撞在第2碰撞面13a上的冷却空气X经由流入开口15a流入第1流路12。此时，冷却空气X碰撞在正压面叶片壁21上，将正压面叶片壁21冲击冷却。碰撞在正压面叶片壁21上的冷却空气X如图2B的实线的箭头所示，在第1流路12中沿着第1流路壁11流动，在第1流路壁11被弯曲的部位，碰撞到相对于流动方向正交的第1碰撞面11a上。碰撞在第1碰撞面11a上的冷却空气X经由流入开口15a再次流入第2流路14。此时，冷却空气X碰撞在负压面叶片壁22上，将负压面叶片壁22冲击冷却。
这样，被分配到第1流路12及第2流路14中的冷却空气X每当通过碰撞在第1碰撞面11a或第2碰撞面13a上而使流动的流路被变更，就将正压面叶片壁21或负压面叶片壁22冲击冷却。此外，从冷却促进结构10排出的冷却空气X经由开口端1cg被排出到涡轮叶片1的外部，对后缘1cb附近进行薄膜冷却。
根据这样的本实施方式的冷却促进结构10，即使没有将冷却流路1ce的内部在叶片高度方向上划分的分隔板，也能够将正压面叶片壁21和负压面叶片壁22冲击冷却，能够使冷却效率提高。此外，根据本实施方式的冷却促进结构10，由于不需要分隔板，所以能够避免型芯30的形状成为梳齿状，使型芯30的强度变高。因此，能够提高涡轮叶片1的制造性。因而，根据本实施方式的冷却促进结构10，能够实现冲击冷却的冷却效率的提高，并且能够使涡轮叶片1的制造性变高。
此外，由于不需要分隔板，所以能够使冷却空气X在整个冷却流路1ce中行进，能够将正压面叶片壁21和负压面叶片壁22更均匀地冷却。进而，由于不需要分隔板，所以能够使冷却促进结构10轻量化，能够实现涡轮叶片1的轻量化。
此外，在本实施方式的冷却促进结构10中，全部的第1流路12和第2流路14经由开口15连通。用来形成这样的冷却促进结构10的型芯30由于实心的部分全部相连，所以强度较高。因而，能够使涡轮叶片1的制造性变得更高。
此外，在本实施方式的冷却促进结构10中，第1流路壁11、第2流路壁13、第1流路12及第2流路14具有以连结冷却流路1ce的上游侧和下游侧的对称轴为中心的镜面对称形状作为单位形状、将该单位形状在与对称轴正交的方向上排列多个而成的形状。根据这样的形状的冷却促进结构10，由于与对称轴正交的方向的形状为单位形状的反复样式，所以能够使型芯30的形状简单化而容易地进行成形。
此外，在本实施方式的冷却促进结构10中，各个第1流路壁11及第2流路壁13为相同宽度的波型形状并且以与宽度相同的间隔在对称轴方向上排列。因此，根据这样的形状的冷却促进结构10，由于对称轴方向的形状为反复样式，所以能够使型芯30的形状简单化而容易地进行成形。
以上，参照附图对本发明的优选的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述实施方式。在上述实施方式中表示的各构成部件的各形状及组合等仅仅是一个例子，在不脱离本发明的主旨的范围内能够基于设计要求等进行各种变更。
图6A是上述实施方式的冷却促进结构10的变形例的局部俯视图。图6B是冷却促进结构10的变形例的剖视图。如这些图所示，在本变形例中，通过使第1流路壁11和第2流路壁13的俯视形状的振幅变小，使流入开口15a的宽度比第1流路12及第2流路14的宽度窄。通过这样使流入开口15a的宽度变得比上述第1实施方式中流入开口15a的宽度窄，通过流入开口15a的冷却空气X的流速变高，能够进一步提高冲击冷却的效果。
此外，第1流路壁11及第2流路壁13的形状并不限定于上述实施方式。例如，也可以将第1流路壁及第2流路壁的形状如图7所示那样做成由格子部分和配置在各格子的中央的块部构成的结构，将这些第1流路壁和第2流路壁错开配置。此外，如图8所示，还可以做成宽度较宽的第1流路壁和第2流路壁。即使是这样的结构，也能够做成第1流路壁具有在第1流路中流动的冷却空气所碰撞的第1碰撞面、第2流路壁具有在第2流路中流动的冷却空气所碰撞的第2碰撞面的结构。
此外，也可以通过在维持着第1流路壁11彼此的排列间距和第2流路壁13彼此的排列间距的状态下使第1流路壁11的弯曲角度和第2流路壁13的弯曲角度变化，使流入开口15a的宽度变化。例如，通过使上述弯曲角度变大，第1流路12与第2流路14的交迭部分减少，能够使流入开口15a的宽度变小。
此外，如图9所示，也可以通过调节第1流路壁11和第2流路壁13的反复周期或宽度等，做成将全部的开口15作为流入开口15a的冷却促进结构10C。即，在第1流路12和第2流路14的全部连接部位处都设有第1碰撞面11a或第2碰撞面13a。由此，能够将不是流入开口15a的开口15去除，能够使每单位叶片壁面积的流入开口15a的个数增加，进一步提高冷却促进效果。
此外，在上述实施方式中，对将本发明的冷却促进结构组装于涡轮叶片1中的构成进行了说明。但是，本发明并不限定于此，例如也可以组装入平台或燃烧器衬里中。
此外，在上述实施方式中，对使用空气作为冷却气体的构成进行了说明，但本发明并不限定于此，也可以使用其他气体作为冷却气体。
工业实用性
根据本发明的冷却促进结构，能够实现冲击冷却的冷却效率的提高，能够实现组装的产品的制造性的提高。
附图标记说明
1涡轮叶片；1a楔形榫；1b平台；1c叶片部；1ca前缘；1cb后缘；1cc正压面；1cd负压面；1ce冷却流路；1cf冷却空气导入部；1cg开口端；1ch中间部；1d贯通孔；10冷却促进结构；11第1流路壁；11a第1碰撞面；12第1流路；13第2流路壁；13a第2碰撞面；14第2流路；15开口；15a流入开口(连接开口)；21正压面叶片壁(第1部件)；22负压面叶片壁(第2部件)；30型芯；X冷却空气(冷却气体)。

Claims (6)

1.一种冷却促进结构，设置在形成于对置配置的第1部件与第2部件之间的冷却流路中，其特征在于，
具备：
第1流路壁，在上述第1部件上立设有多个，并且在上述冷却流路的上述第1部件侧形成第1流路；
第2流路壁，在上述第2部件上立设有多个，并且在上述冷却流路的上述第2部件侧形成第2流路；
上述第1流路壁具有在上述第1流路中流动的冷却气体所碰撞的第1碰撞面；
上述第2流路壁具有在上述第2流路中流动的冷却气体所碰撞的第2碰撞面；
在上述第1碰撞面及上述第2碰撞面的配置部位，上述第1流路与上述第2流路连接。
2.如权利要求1所述的冷却促进结构，其特征在于，全部的第1流路与上述第2流路连通。
3.如权利要求1或2所述的冷却促进结构，其特征在于，上述第1流路壁、上述第2流路壁、上述第1流路及上述第2流路具有将以连结上述冷却流路的上游侧和下游侧的对称轴为中心的镜面对称形状作为单位形状、将上述单位形状在与上述对称轴正交的方向上排列多个而成的形状。
4.如权利要求3所述的冷却促进结构，其特征在于，各个上述第1流路壁及上述第2流路壁为相同宽度的波型形状，并且以与宽度相同的间隔在上述对称轴方向上排列。
5.如权利要求4所述的冷却促进结构，其特征在于，上述第1流路和上述第2流路的连接部位处的连接开口的宽度比上述第1流路及上述第2流路的宽度窄。
6.如权利要求1～5中任一项所述的冷却促进结构，其特征在于，在上述第1流路与上述第2流路的全部连接部位都设有上述第1碰撞面或上述第2碰撞面。
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