CN107131006A - 涡轮叶片 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种涡轮叶片，其能缓和沿背侧的隔热部件流动的流体的减速梯度且抑制边界层的发展，能抑制空气动力损失。具有形成于叶片内部且在叶片高度方向延伸的冷却流道(15a～15f)，利用隔热部件(14)覆盖背侧叶片面(12)以及腹侧叶片面(13)，在与叶片高度方向垂直的各叶片剖面的上述背侧叶片面上，在包括颈部的位置(S)且比该位置靠后侧、并且不包括最终的冷却流道(15f)的后端的位置(R)且比该位置靠前侧的范围内设定背侧的设计点(P1)。各叶片剖面的背侧中的隔热部件的厚度分布以隔热部件的厚度从叶片前缘到设计点相同，隔热部件的厚度从设计点到叶片后缘随着朝向后侧渐减的方式构成。

Description

涡轮叶片
技术领域
本发明涉及至少具有一个形成于叶片内部且在叶片高度方向上延伸的冷却流道，并用隔热部件覆盖叶片面的涡轮叶片。
背景技术
燃气轮机是旋转机械的一种，主要用作航空机推进用、发电用的动力源。燃气轮机具备压缩机、燃烧器以及涡轮。压缩机吸入空气并压缩，生成压缩空气。燃烧器与由压缩机生成的压缩空气一起使燃料燃烧，生成高温的燃烧气体。涡轮利用由燃烧器生成的燃烧气体(主流气体)旋转。
为了燃气轮机的高性能化，要求燃烧气体的高温化。但是，伴随燃烧气体的高温化，容易产生导致涡轮叶片(即涡轮的静叶片或动叶片)的破损的问题(详细地说，蠕变、酸化减小厚度等)。作为对该问题的处理方法，具有在涡轮叶片的内部形成冷却流道，使冷却气体在该冷却流道中流动的方法。另外，具有用隔热部件覆盖叶片面(即叶片部件的表面)的方法。
若增大隔热部件的厚度，则从高温的主流气体对叶片面进行热遮蔽的效果变大，但涡轮叶片的空气动力性能下降。因此，在专利文献1中，使叶片后缘部的隔热部件的厚度随着朝向后侧而递减。由此，减小叶片后缘部的宽度，实现空气动力性能的提高。
对专利文献1进行详述。在专利文献1中，在与叶片高度方向垂直的各叶片剖面的背侧的叶片面上，在至少一个的叶片高度方向的冷却流道中的最靠近叶片后缘的最终的冷却流道的后端的位置(详细地说，在通过最终的冷却流道的后端且与外倾线垂直的直线通过背侧叶片面的位置)设定背侧的设计点。并且，各叶片剖面的背侧中的隔热部件的厚度分布以从叶片前缘到背侧设计点隔热部件的厚度一样，从背侧设计点到叶片后缘随着朝向后侧隔热部件的厚度递减的方式构成。
同样地，在与叶片高度方向垂直的各叶片剖面中的腹侧的叶片面上，在最终的冷却流道的后端的位置(详细地说，在通过最终的冷却流道的后端且与外倾线垂直的直线通过腹侧叶片面的位置)设定腹侧的设计点。并且，各叶片剖面的腹侧中的隔热部件的厚度分部以从叶片前缘到腹侧设计点隔热部件的厚度相同，从腹侧设计点到叶片后缘随着朝向后侧隔热部件的厚度渐减的方式构成。
现有技术文献
专利文献1：日本特开2013-194667号公报
上述现有技术存在以下那样的课题。即，在专利文献1中，将背侧的设计点设定在最终的冷却流道的后端的位置，背侧的隔热部件的厚度渐减的区域比较小。因此，沿背侧的隔热部件流动的流体的递减梯度在局部大，容易产生边界层。因此，空气动力损失增加。
发明内容
本发明的目的在于提供能够缓和沿背侧的隔热部件流动的流体的减速梯度而抑制边界层的发展，能抑制空气动力损失的涡轮叶片。
为了实现上述目的，本发明是至少具有一个形成于叶片内部且在叶片高度方向延伸的冷却流道，利用隔热部件覆盖背侧以及腹侧的叶片面的涡轮叶片，在与叶片高度方向垂直的各叶片剖面的上述背侧叶片面上，在包括涡轮叶片间的距离为最小的颈部的位置且比该位置靠后侧，并且不包括上述至少一个冷却流道中的最靠近叶片后缘的最终的冷却流道的后端的位置且比该位置靠前侧的范围内设定背侧的设计点，上述各叶片剖面的背侧中的上述隔热部件的厚度分布以上述隔热部件的厚度从叶片前缘到上述设计点相同，上述隔热部件的厚度从上述设计点到上述叶片后缘随着朝向后侧渐减的方式构成。
在这种本发明中，与专利文献1相同，各叶片剖面的背侧中的隔热部件的厚度分布以隔热部件的厚度从叶片前缘到设计点相同，隔热部件的厚度从设计点到叶片后缘随着朝向后侧渐减的方式构成。但是，与专利文献1相比，在前侧设定背侧的设计点，扩大背侧的隔热部件的厚度渐减的区域。由此，能缓和沿背侧的隔热部件流动的流体的减速梯度，能抑制边界层的发展。因此，能抑制空力损失。
本发明的效果如下。
根据本发明，能抑制缓和沿背侧的隔热部件流动的流体的减速梯度而抑制边界层的发展，能抑制空气动力损失。
附图说明
图1是表示作为本发明的适用对象的发电用的燃气轮机的结构的概略图。
图2是表示作为本发明的适用对象的燃气轮机的结构的剖视图。
图3是与涡轮叶片间的流道一起表示本发明的第一实施方式的涡轮叶片的结构的横剖视图。
图4是图3中剖面IV-IV的纵剖视图。
图5是图3中V部的局部放大横剖视图。
图6是本发明的第一实施方式以及比较例的沿涡轮叶片的背侧的隔热部件流动的流体的速度分布的图。
图7是表示本发明的第二实施方式的涡轮叶片的结构的局部放大横剖视图。
图8是表示本发明的一变形例的涡轮叶片的结构的局部放大横剖视图。
图中：11—涡轮叶片，12—背侧的叶片面，13—腹侧的叶片面，14—隔热部件，15a～15f—冷却流道，16a、16b—背侧膜冷却孔，L—外倾线，P1—背侧的设计点，P2—腹侧的设计点，R—最终的冷却流道的后端的位置，S—颈部的位置。
具体实施方式
参照附图说明本发明的第一实施方式。
图1是表示作为本发明的适用对象的发电用的燃气轮机的结构的概略图，图2是表示燃气轮机的结构的剖视图。
燃气轮机具备压缩机1、燃烧器2、涡轮3以及发电机4。压缩机1吸入空气并压缩，生成压缩空气。燃烧器2与由压缩机1生成的压缩空气一起燃烧燃料，生成高温的燃烧气体。涡轮3利用由燃烧器2生成的燃烧气体旋转。发电机4通过涡轮3的旋转而被驱动并发电。另外，涡轮3的转子5通过连结轴6与发电机4的转子连接，并且通过中间轴7与压缩机1的转子连接。
涡轮3具备转子5和设于转子5的外周侧的多列的动叶片8a、8b、8c、8d。另外，具备内置转子5以及动叶片8a、8b、8c、8d的外壳9和设于外壳9的内周侧的多列的静叶片10a、10b、10c、10d。各列的静叶片或动叶片由在涡轮3的圆周方向排列的多个静叶片或动叶片构成。各列的静叶片和动叶片在涡轮3的轴向(图2中左右方向)交替地配置。并且，由燃烧器2生成的高温的燃烧气体一边交替地通过各列的静叶片和各列的动叶片一边膨胀，使转子5旋转。
图3是与涡轮叶片间的流道一起表示本发明的第一实施方式的涡轮叶片(即上述的涡轮3的动叶片或静叶片)的结构的横剖视图(换言之，涡轮圆周方向的剖视图)。图4是利用图3中IV-IV剖面(换言之沿外倾线的剖面)剖切的纵剖视图。图5是图3中V部的局部放大横剖视图。
在涡轮叶片11的背侧叶片面12以及腹侧叶片面13覆盖隔热部件14(详细地说，热传导率比叶片部件低)(隔热表面涂层)。由此，从高温的主流气体对叶片面12、13(即叶片部件的表面)进行热遮蔽。
在涡轮叶片11的内部形成沿叶片高度方向(图4中上下方向)延伸的多个冷却流道15a～15f。在背侧的叶片面12以及隔热部件14形成例如两列膜冷却孔16a、16b，在腹侧的叶片面13以及隔热部件14形成例如一列膜冷却孔17。各列的膜冷却孔由在叶片高度方向上排列的多个膜冷却孔构成。
冷却流道15a、15b、15c配置于叶片前缘侧(图3以及图4中左侧)，在叶片根侧(图4中下侧)以及叶片前端侧(图4中上侧)连通并构成蛇状的流道。冷却流道15c与叶片根侧的开口部18a以及叶片前端侧的开口部18b连通，冷却流道15b与叶片前端侧的开口部18c连通，冷却流道15a与膜冷却孔16a、17连通。并且，从压缩机1的中级抽出的空气(参照图1)作为冷却空气(详细地说，作为比主流气体低温的空气)从开口部18a流入叶片内部，流向冷却流道15c。流经冷却流道15c的冷却空气的一部分从开口部18b、18c向叶片外部放出，剩下的冷却空气流向冷却流道15b、15a。流经冷却流道15a的冷却空气从膜冷却孔16a、17向叶片外部放出。
冷却流道15d、15e、15f配置于叶片后缘侧(图3以及图4中右侧)，在叶片根侧以及叶片前端侧连通且构成蛇状的流道。冷却流道15d与叶片根侧的开口部18d以及叶片前端侧的开口部18e连通，冷却流道15e与膜冷却孔16b连通，冷却流道15f与后缘部排出流道19连通。并且，从压缩机1的中级抽出的空气作为冷却空气从开口部18d流入叶片内部，流向冷却流道15d。流经冷却流道15d的冷却空气的一部分从开口部18e向叶片外部放出，剩下的冷却空气流向冷却流道15e。流经冷却流道15e的冷却空气的一部分从膜冷却孔16b放出，剩下的冷却空气流向冷却流道15f。流经冷却流道15f的冷却空气从后缘部排出流道(排出孔19)向叶片外部放出。另外，在后缘部排出流道19设置跨越背侧与腹侧之间的多个销20。
如上所述，通过冷却空气在冷却流道15a～15f中流动，对叶片面12、13的内侧进行冷却。另外，通过从膜冷却孔16a、16b、17喷出的冷却空气沿隔热部件14的表面流动，对隔热部件14(换言之叶片面12、13的外侧)进行冷却。
在此，对作为本实施方式的特征的隔热部件14的厚度分布进行说明。在与涡轮叶片11的叶片高度方向垂直的各叶片剖面的背侧叶片面12a上，在作为包括涡轮叶片11间的距离为最小的颈部的位置S且比该位置S靠后侧(后缘侧)、并且不包括冷却流道15a～15f中的最靠近叶片后缘的最终的冷却流道15f的后端的位置R且比该位置R靠前侧(前缘侧)的范围内设定背侧的设计点P1。并且，各叶片剖面的背侧中的隔热部件14的厚度分布以隔热部件14的厚度从叶片前缘到设计点P1相同且为预定值ha，并且隔热部件14的厚度从设计点P1到叶片后缘随着朝向后侧而渐减且为预定值hb(但是，hb<ha)的方式构成。
另外，在与涡轮叶片11的叶片高度方向垂直的各叶片剖面的腹侧叶片面13上，以将外倾线L(叶片型的中心线)作为对称轴与背侧的设计点P1对称方式设定腹侧的设计点P2。并且，各叶片剖面的腹侧中的隔热部件14的厚度分布以隔热部件14的厚度从叶片前缘到设计点P2相同且为预定值ha，并且隔热部件14的厚度从设计点P2到叶片后缘随着朝向后侧渐减且为预定值hb的方式构成。
另外，在本实施方式中，两列的背侧膜冷却孔16a、16b中的最靠近叶片后缘的最终列的膜冷却孔16b位于作为包括颈部的位置S且比该位置S靠后侧、并且不包括最终的冷却流道15f的后端的位置R且比该位置R靠前侧的范围内。另外，背侧的设计点P1在各叶片剖面中的背侧叶片面12上，设定在作为包括颈部的位置S且比该位置S靠后侧、并且不包括最终列的膜冷却孔16b的位置且比该位置靠前侧的范围内。
接着，说明本实施方式的作用效果。
作为涡轮叶片11的空气动力性能的要素，具有背侧隔热部件14的表面上的边界层和叶片后缘的下游侧的尾流(速度欠损区域)。背侧隔热部件14的表面上的边界层的状态依赖于背侧隔热部件14的表面上的速度分布。在叶片背侧，为从叶片前缘到颈部增速，从颈部到叶片后缘减速的分布(参照图6)。边界层在从颈部到叶片后缘的减速区域发展。作为评价叶片背侧的减速区域的指标，具有扩散要素DF。扩散要素DF如下述式(1)所示使用在颈部的流速Vs和在叶片后缘的流速Vte表示。如果该扩散要素DF小，则从颈部到叶片后缘的减速量变小，抑制边界层的发展。
DF＝(Vs-Vte)/Vte…(1)
叶片后缘的下游侧的尾流的宽度依赖于叶片后缘部的宽度(例如背侧隔热部件14的表面与腹侧隔热部件14的表面之间的宽度)和叶片后缘部的夹角(详细地说，背侧隔热部件14的表面与腹侧隔热部件14的表面之间的夹角)。如果叶片后缘部的宽度小，则与之成比例，尾流的宽度减小。另外，如果叶片后缘部的夹角大，则隔热部件14的表面上的剥离点向下游侧移动，因此尾流的宽度减小。
在此，作为第一比较例，假想构成为各叶片剖面的背侧中的隔热部件的厚度分布从叶片前缘到叶片后缘，隔热部件的厚度相同，为预定值ha，各叶片剖面的腹中的隔热部件的厚度分布从叶片前缘到叶片后缘，隔热部件的厚度相同，为预定值ha的情况。
在本实施方式中，通过背侧隔热部件14的厚度渐减，与第一比较例相比，叶片背侧的减速区域(即从颈部到叶片后缘)的整体的曲率变大，在叶片后缘的流速Vte增加。由此，扩散要素DF下降，能抑制边界层的发展。另外，与第一比较例相比，由于叶片后缘部的宽度减小，并且叶片后缘部的夹角增大，因此，能减小尾流的宽度。因此，能抑制空气动力损失，实现空气动力性能的提高。
利用图7说明本发明的第二实施方式。另外，在本实施方式中，与第一实施方式相同的部分标注相同的符号，适当省略说明。
图7是表示本实施方式的涡轮叶片的结构的局部放大横剖视图，与第一实施方式的图5对应。
在本实施方式中，背侧的设计点P1在与涡轮叶片11的叶片高度方向垂直的各叶片剖面中的背侧叶片面12上，设定在作为包括最终列的背侧膜冷却孔16b的位置且比该位置靠后侧、并且不包括最终的冷却流道15f的后端的位置R且比该位置R靠前侧的范围内。并且，各叶片剖面的背侧中的隔热部件14的厚度分布以隔热部件14的厚度从叶片前缘到设计点P1相同且为预定值ha、并且隔热部件14的厚度从设计点P1到叶片后缘随着朝向后侧渐减且为预定值hb的方式构成。
另外，在与涡轮叶片11的叶片高度方向垂直的各叶片剖面中的腹侧叶片面13上，以将外倾线L作为对称轴与背侧的设计点P1对称的方式设定腹侧的设计点P2。并且，各叶片剖面的腹侧中的隔热部件14的厚度分布以隔热部件14的厚度从叶片前缘到设计点P2相同且为预定值ha、并且隔热部件14的厚度从设计点P2到叶片后缘随着朝向后侧渐减且为预定值hb的方式构成。
即使在这种本实施方式中，与上述第二比较例相比，将背侧设计点P1设定在前侧，扩大背侧隔热部件14的厚度渐减的区域。由此，缓和通过涡轮叶片11间的颈部并沿背侧隔热部件14流动的流体的减速梯度，能抑制边界层的发展。因此，能抑制空气动力损失，实现空气动力性能的提高。
另外，在本实施方式中，由于在最终列的膜冷却孔16b的后侧设定背侧设计点P1，因此，与第一实施方式相比，从膜冷却孔16b到叶片后缘的曲率变大，在膜冷却孔16b的下游侧增速。由此，从膜冷却孔16b喷出的冷却空气附着于隔热部件14的表面地流动，能实现冷却效果的提高。
另外，在第二实施方式中，涡轮叶片11以具有两列背侧膜冷却孔16a、16b的情况为例进行说明，但未限定于此，只要至少具有一列背侧膜冷却孔即可。即，至少一个的背侧膜冷却孔中的最靠近叶片后缘的最终列的膜冷却孔只要位于作为包括颈部的位置S且比该位置S靠后侧、并且不包括最终的冷却流道15f的后端的位置R且比该位置R靠前侧的范围内即可。
另外，在第一及第二实施方式中，涡轮叶片11以具有五个形成于叶片内部且沿叶片高度方向延伸的冷却流道的情况为例进行说明，但未限定于此，只要至少具有一个即可。即，至少一个冷却流道中的最靠近叶片后缘的最终的冷却流道的后端只要位于不包括颈部的位置S且比该位置S靠后侧即可。
另外，在第一及第二实施方式中，以各叶片剖面的腹侧中的隔热部件14的厚度分布以隔热部件14的厚度从叶片前缘到腹侧设计点P2相同且从腹侧设计点P2到叶片后缘随着朝向后侧而隔热部件14的厚度渐减的方式构成的情况为例进行说明，但未限定于此，能在不脱离本发明的主旨及技术思想的范围内变形。即，可以着眼于背侧和腹侧的流的不同(换言之，热环境的不同)，使背侧和腹侧的隔热部件14的厚度分布不同。具体地说，例如如图8所示，各叶片剖面的腹侧中的隔热部件14的厚度分布可以构成为隔热部件14的厚度从叶片前缘到叶片后缘相同。由此，与背侧叶片面12相比，可以提高腹侧叶片面13的隔热效果。

Claims (4)

1.一种涡轮叶片，其至少具有一个形成于叶片内部且在叶片高度方向延伸的冷却流道，利用隔热部件覆盖背侧以及腹侧的叶片面，该涡轮叶片的特征在于，
在与叶片高度方向垂直的各叶片剖面的上述背侧叶片面上，在作为包括涡轮叶片间的距离为最小的颈部的位置且比该位置靠后侧、并且不包括上述至少一个的冷却流道中的最靠近叶片后缘的最终的冷却流道的后端的位置且比该位置靠前侧的范围内设定背侧的设计点，
上述各叶片剖面的背侧中的上述隔热部件的厚度分布构成为，上述隔热部件的厚度从叶片前缘到上述设计点相同，并且上述隔热部件的厚度从上述设计点到上述叶片后缘随着朝向后侧而渐减。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，
至少具有一列形成于上述背侧的叶片面以及隔热部件且与上述冷却流道连通的背侧的膜冷却孔，
上述至少一列的背侧膜冷却孔中的最靠近上述叶片后缘的最终列的背侧膜冷却孔，位于作为包括上述颈部的位置且比该位置靠后侧、并且不包括上述最终的冷却流道的后端的位置且比该位置靠前侧的范围内，
上述设计点，在上述各叶片剖面中的上述背侧叶片面上被设定在包括上述最终列的背侧膜冷却孔的位置且比该位置靠后侧、并且不包括上述最终的冷却流道的后端的位置且比该位置靠前侧的范围内。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，
在上述各叶片剖面中的上述腹侧叶片面上，以将外倾线作为对称轴与上述背侧的设计点对称的方式设定腹侧的设计点，
上述各叶片剖面的腹侧中的上述隔热部件的厚度分布构成为，上述隔热部件的厚度从上述叶片前缘到上述腹侧设计点相同，并且上述隔热部件的厚度从上述腹侧设计点到上述叶片后缘随着朝向后侧而渐减。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，
上述各叶片剖面的腹侧中的上述隔热部件的厚度分布构成为，上述隔热部件的厚度从上述叶片前缘到上述叶片后缘相同。
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