CN110392769A - 涡轮叶片的冷却结构 - Google Patents

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Abstract

一种涡轮叶片(1)的冷却结构，其设置有配置于冷却通道(17)的第一肋组(33A)及第二肋组(33B)相互重叠成格子状而构成的晶格结构体(23)，所述晶格结构体(23)具有使形成于第一肋组的肋间的流路(37)与形成于第二肋组的肋间的流路(37)相互连通的晶格连通部(23a)，所述第一肋组、所述第二肋组(33A、33B)分别具有由一对肋构成的肋壁(35)，该一对肋相对于沿冷却介质(CL)的移动方向(M)延伸的假想边界线(L)相互向相反朝向倾斜，且在假想边界线(L)上相互接触，且在形成所述肋壁(35)的各肋(31、31)的两端部的两个晶格连通部(23a)之间形成有多个晶格连通部。

Description

涡轮叶片的冷却结构
相关申请
本申请主张2017年3月10日申请的日本专利申请2017-045925的优先权，并通过参照将其整体作为本申请的一部分而引用。
技术领域
本发明涉及一种从内部对燃气涡轮发动机的涡轮叶片，即涡轮中的静叶及动叶进行冷却的结构。
背景技术
构成燃气涡轮发动机的涡轮配置于燃烧器的下游，且被供给在燃烧器中燃烧的高温气体，因此燃气涡轮发动机在运转中暴露于高温中。因而，需要冷却涡轮叶片，即需要冷却静叶及动叶。作为对这样的涡轮叶片进行冷却的结构，而已知有将由压缩机压缩的空气的一部分导入在叶片内形成的冷却通道，并将压缩空气作为冷却介质对涡轮叶片进行冷却的方案(例如参照专利文献1)。
在将压缩空气的一部分用于涡轮叶片的冷却的情况下，具有不需要从外部导入冷却介质，就能够简单地实现冷却结构的优点，另一方面，如果将由压缩机压缩的空气大量用于冷却，则会降低发动机效率，因此需要以尽量少的空气量有效地进行冷却。作为用于以高效率冷却涡轮叶片的结构，提出了采用将多个肋组合成格子状而形成的所谓的晶格结构体的方案(例如参照专利文献2)。一般而言，在晶格结构体中，其两侧端被端部壁面封闭。在一方的流路中流动的冷却介质与作为隔开结构体内外的壁面的隔板接触，并转向而流入另一方的流路。同样地，在另一方的流路中流动的冷却介质与结构体的隔板接触，并转向而流入一方的流路。这样，通过反复进行冷却介质朝向端部壁面的接触/转向而促进冷却。另外，利用冷却介质横穿格子状的肋时所产生的涡流而促进冷却。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5603606号说明书
专利文献2：日本专利第4957131号说明书
发明内容
(一)要解决的技术问题
但是，如果为了提高冷却效率，而在晶格结构体中设置多个隔板，会增大涡轮叶片的重量。另外，在将多个隔板设置于晶格结构体而减少隔板间的流路数量的情况下，在由于某种原因而封闭一部分流路的情况下，隔板间的流路整体的流量平衡会大幅偏离。其结果为，由于叶片内的冷却分布不均衡而导致涡轮叶片的耐久性降低。
因此，本发明的目的在于为了解决上述技术问题而提供一种冷却结构，其能够抑制涡轮叶片的重量增大和耐久性降低，并且能够高效率地冷却涡轮叶片。
(二)技术方案
为了实现上述目的，本发明的涡轮叶片的冷却结构用于从内部冷却由高温气体驱动的涡轮的涡轮叶片，其中，所述冷却结构具备晶格结构体，所述晶格结构体具有由配置于形成在所述涡轮叶片内的冷却通道的第一壁面上的多个肋构成的第一肋组、和由配置于所述冷却通道的与所述第一壁面对置的第二壁面上的多个肋构成的第二肋组，所述晶格结构体由所述第一肋组与所述第二肋组相互重叠成格子状而构成，所述晶格结构体具有使形成于所述第一肋组的多个肋间的流路与形成于所述第二肋组的多个肋间的流路相互连通的多个晶格连通部，所述第一肋组及所述第二肋组分别具有由一对肋构成的肋壁，所述一对肋相对于沿在所述冷却通道中流动的冷却介质整体的移动方向延伸的假想边界线相互向相反朝向倾斜地延伸，且在所述假想边界线上相互接触，在所述第一肋组及所述第二肋组，分别延伸设置有形成至少一个所述肋壁的各肋，使得在所述各肋的两端部的两个所述晶格连通部之间形成有多个晶格连通部。
根据该结构，在晶格结构体的假想边界线上，从向相反朝向倾斜的流路流入的冷却介质彼此碰撞，从而使得静压上升，并且冷却介质转向。即，通过使肋相对于假想边界线向相反方向倾斜，即使不在假想边界线上设置隔板，也能够获得与设置了隔板的情况相同的冷却效果。因而，能够抑制涡轮叶片的重量增大和耐久性降低，并且能够实现较高的冷却效率。
另外，在晶格结构体中，通过使冷却介质主要穿过连通部而横穿另一方的肋组的肋，从而在冷却介质中产生涡流。在本发明中，形成肋壁的各肋以在其两端部的两个晶格连通部之间形成有多个晶格连通部的方式延伸设置，因此在冷却介质沿着肋之间的流路流动期间，确保用于形成涡流而冷却晶格流路的壁面的足够的距离。
在本发明的一个实施方式中，所述第一肋组及第二肋组可以在俯视视角下具有共同的假想边界线，且配置为各个肋壁的顶点部分重合。根据该结构，在假想边界线上，冷却介质从一方的晶格流路向另一方的晶格流路顺畅地转向。
在本发明的一个实施方式中，所述第一肋组及所述第二肋组可以形成为分别相对于所述假想边界线对称。根据该结构，能够更有效地产生假想边界线上的制冷剂碰撞造成的静压上升，并且容易形成晶格结构体。
在本发明的一个实施方式中，所述冷却介质整体的移动方向可以是在所述涡轮叶片的高度方向上从根部朝向前端部的方向。根据该结构，通过使在涡轮叶片中为施加有较大应力的部分而因此冷却的必要性更高的部分、即根部成为冷却介质的上游侧，从而可进一步获得较高的冷却效率。
在本发明的一个实施方式中，也可以在所述涡轮叶片的前端部的所述冷却通道上设置有：所述第一壁面及所述第二壁面作为平坦面形成的制冷剂导出部，在所述涡轮叶片的前端部的叶片壁上设置有从所述制冷剂导出部向外部排出冷却介质的排出孔。根据该结构，通过在冷却的必要性比较低的叶片前端部设置制冷剂导出部，能够维持冷却效率并且顺畅地排出冷却介质。
在权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含于本发明。尤其是，权利要求书的各权利要求的两个以上的任意组合均包含于本发明。
附图说明
根据通过参考附图而对以下优选的实施方式进行的说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式和附图仅用于图示和说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求书确定。在附图中，多张附图中的相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
图1是表示应用本发明的一个实施方式的冷却结构的涡轮叶片的一例的立体图。
图2是示意性地表示图1的涡轮叶片的冷却结构的纵向剖视图。
图3是图1的涡轮叶片的横向剖视图。
图4是表示用于图2的冷却结构的晶格结构体的立体图。
图5是示意性地表示用于图2的冷却结构的晶格结构体的俯视图。
图6是示意性地表示本发明的一个实施方式的冷却结构的配置例的纵向剖视图。
具体实施方式
下面基于附图说明本发明优选的实施方式。图1是表示应用本发明的一个实施方式的涡轮叶片的冷却结构的、燃气涡轮发动机的涡轮的动叶1的立体图。涡轮动叶1形成涡轮，该涡轮由从未图示的燃烧器供给的、向箭头方向流动的高温气体G驱动。涡轮动叶1具有：相对于高温气体G的流路GP呈凹状弯曲的第一叶片壁3、和相对于高温气体的流路GP呈凸状弯曲的第二叶片壁5。在本说明书中，将沿着高温气体G的流动方向的上游侧(图1的左侧)称为前方，将下游侧(图1的右侧)称为后方。此外，在下面的说明中，作为设置有冷却结构的涡轮叶片，主要以涡轮动叶1为例进行表示，但除了特别说明的情况之外，本实施方式的冷却结构也同样能够应用于作为涡轮叶片的涡轮静叶。
具体而言，如图2所示，对于涡轮动叶1，通过使其平台11连结于涡轮圆盘13的外周部，而在圆周方向上嵌入设置多个涡轮动叶1而形成涡轮。在涡轮动叶1的前部1a内部，形成有沿叶片的高度方向H延伸并折回的前部冷却通道15。在涡轮动叶1的后部1b内部形成有后部冷却通道17。如图3所示，这些冷却通道15、17利用第一叶片壁3与第二叶片壁5之间的空间形成。
如图2所示，冷却介质CL穿过在径向内侧的涡轮圆盘13的内部形成的前部冷却介质导入通道19、后部冷却介质导入通道21而向径向外侧流动，并分别向前部冷却通道15、后部冷却通道17导入。在本实施方式中，将来自未图示的压缩机的压缩空气的一部分作为冷却介质CL使用。供给到前部冷却通道15的冷却介质CL从与涡轮动叶1的外部连通的未图示的排出孔向外部排出。供给到后部冷却通道17的冷却介质CL从设置于涡轮动叶1的前端部的叶片壁的排出孔43向外部排出。后面对该排出孔43进行说明。
下面对将本实施方式的冷却结构设置于涡轮动叶1的后部1b的例子进行说明，但本实施方式的冷却结构也可以设置于涡轮动叶1的任意部分。在本实施方式中，在后部冷却通道17内，冷却介质CL的整体沿着涡轮动叶1的高度方向H向从根部侧朝向前端部侧的方向流动。在本说明书中，将该冷却介质CL整体的移动方向称为制冷剂移动方向M。另外，将后部冷却通道17中的与制冷剂移动方向M正交的方向称为横贯方向T。
在后部冷却通道17的内部，作为构成用于从内部冷却涡轮动叶1的冷却结构的一个要素而设置有晶格结构体23。如图4所示，晶格结构体23通过在后部冷却通道17所对置的壁面上将由多个肋31构成的两个肋组相互重叠成格子状而形成。在本实施方式中，由相互平行且等间隔地配置的多个第一肋31A构成的第一肋组(图4中的下段的肋组)33A和由相互平行且等间隔地配置的多个第二肋31B构成的第二肋组(图4中的上段的肋组)33B重叠成格子状。即，第一肋组33A与第二肋组33B在俯视视角下为格子形状的交叉部分相互接触。第一肋31A及第二肋31B分别设置于在涡轮动叶1的叶片厚度方向上对置的两个壁面上，即，设置于作为第一叶片壁3的壁面的第一壁面3a及作为第二叶片壁5的壁面的第二壁面5a上。
如图4所示，在晶格结构体23中，各肋组33A、33B的相邻的肋31、31间的间隙形成冷却介质CL的流路(晶格流路)37。俯视视角下，第一肋组33A的晶格流路37与第二肋组33B的晶格流路37交叉的部分形成使该两个肋组33A、33B的晶格流路37、37相互连通的晶格连通部23a。
在晶格结构体23中，各晶格流路37的最上游端未被封闭而向上游侧开口，这些多个开口形成晶格流路37的入口(下面简称为“晶格入口”)37a。在晶格结构体23中，各晶格流路37的最下游端未被封闭而向下游侧开口，这些多个开口形成晶格流路37的出口(下面简称为“晶格出口”)37b。
如图5所示，第一肋组33A及第二肋组33B分别具有肋壁35，该肋壁35由相对于沿制冷剂移动方向M延伸的假想边界线L相互向相反朝向倾斜地延伸、且在假想边界线L上相互接触的一对肋31、31构成。即，本说明书中的假想边界线L是在晶格结构体23中划分由各肋组33A、33B的向一个方向倾斜的肋部分构成的冷却区域、和由与其相邻的向相反方向倾斜的肋部分构成的冷却区域的边界的假想直线。在图示的例子中，第一肋组33A及第二肋组33B分别相对于假想边界线L对称地形成。换言之，各肋组中的肋壁35在假想边界线L上具有顶点部分35a，具有相对于假想边界线L对称的V字形状。
另外，在图示的例子中，第一肋组33A及第二肋组33B在俯视视角下具有共同的假想边界线L(即，各个假想边界线L俯视视角下重合)，且配置为各个肋壁35的顶点部分35a重合。换言之，如该图5所示，利用第一肋组33A整体和第二肋组33B整体，俯视视角下形成有遍及晶格结构体23的整体连续的格子形状。因而，在两肋组33A、33B的相互不重合的紧邻的顶点部分35a、35a之间，也形成有与不位于假想边界线L上的其它的晶格连通部23a具有相同的俯视视角形状及面积的晶格连通部23a(在该图5中用附图标记“23aX”表示的位于假想边界线L上的晶格连通部)。
向晶格结构体23导入的冷却介质CL如在该图5中用虚线箭头所示那样，首先从一方的肋组(在图示的例子中为下段的第一肋组33A)的晶格入口37a向晶格流路37流入，并通过横穿另一方的肋组(在图示的例子中为上段的第二肋组33B)而产生涡流。即，冷却介质CL通过在晶格结构体23中穿过晶格连通部23a而产生涡流。
之后，冷却介质CL与分隔体39碰撞并转向，如该图5中实线箭头所示，从碰撞的部分向另一方的肋组(在图示的例子中为上段的第二肋组33B)的晶格流路37流入。此外，分隔体39是设置于晶格结构体23的侧方的结构体。作为分隔体39，只要能够实质上阻碍在晶格流路37中流动的冷却介质CL的流通且在晶格结构体23的侧部使冷却介质CL与其碰撞并以从一方的晶格流路37向另一方的晶格流路37流入的方式转向，可以使用任意的部件。在本实施方式中，使用作为平板状侧壁的隔板而作为分隔体39，但也可以使用例如多个分隔用扰流柱来作为分隔体39。
在本实施方式中，进一步地，如图5所示，在位于晶格流路37的假想边界线L上的晶格连通部23aX上，从向相反朝向倾斜的流路流入的冷却介质CL彼此碰撞。利用该冷却介质CL彼此的碰撞，在晶格流路37内静压上升，冷却介质CL转向而向另一方的晶格流路37流入。即，即使在不存在分隔体那样的冷却介质碰撞的结构物的假想边界线L上的部分，也产生冷却介质CL向另一方的晶格流路37的转向。通过冷却介质CL在分隔体39及假想边界线L上进行转向，也在冷却介质CL中产生涡流。
这样，在晶格结构体23中，冷却介质CL在晶格流路37中流动，并反复在分隔体39及假想边界线L流入另一方的晶格流路37，之后从晶格结构体23中排出。在该过程中，通过使冷却介质CL穿过晶格连通部23a并横穿沿横贯该晶格流路37的方向延伸的另一方的肋组、以及使冷却介质CL转向，从而在冷却介质CL流中产生涡流，促进壁面3a、5a冷却。
而且，在第一肋组33A及第二肋组33B的各个肋组，形成肋壁35的各肋31、31(从分隔体39延伸到假想边界线L的肋31)以在其两端部的两个晶格连通部23a之间形成有多个(在图示的例子中为三个)连通部23a的方式延伸设置。通过这样构成，在冷却介质CL沿着肋间的晶格流路37在分隔体39与假想边界线L上的部分之间流动期间，确保用于形成涡流而冷却晶格流路37的壁面的足够的距离。
在本实施方式中，如图4所示，在晶格流路37的各出口37b部分中，上段与下段的各肋31的高度、即叶片厚度方向的晶格流路37高度h相同。另外，第一肋组33A中的肋31、31彼此的间隔与第二肋组33B中的肋31、31彼此的间隔相同。即，第一肋组33A中的晶格流路37宽度w与第二肋组33B中的晶格流路37宽度w相同。
此外，第一肋组33A及第二肋组33B未必相对于假想边界线L对称。例如，既可以使形成各肋组的肋壁35的各肋31、31的位置在假想边界线L上以相互接触的限度偏移，也可以使各肋31、31的相对于假想边界线L的倾斜角度不同。
另外，在本实施方式中，第一肋组33A及第二肋组33B俯视视角下具有共同的假想边界线L，且配置为各个肋壁35的顶点部分35a重合，因此在冷却介质CL彼此碰撞的假想边界线L上，冷却介质CL从一方的晶格流路37向另一方的晶格流路37顺畅地转向。但是，第一肋组33A的顶点部分35a与第二肋组33B的顶点部分35a、35a也可以不重合。另外，对于第一肋组33A和第二肋组33B，俯视视角下假想边界线L也可以不重合。
接着，对用于从后部冷却通道17向涡轮动叶1的外部排出冷却介质CL的结构进行说明。如图2所示，在涡轮动叶1的前端壁41设置有使后部冷却通道17与外部连通的排出孔43。即，后部冷却通道17内的冷却介质CL从排出孔43向外部排出。在本实施方式中，进一步地，在作为后部冷却通道17的前端侧的下游部形成有：第一壁面3a及第二壁面5a作为平坦面形成的制冷剂导出部45。更具体而言，后部冷却通道17的比晶格出口37b更靠下游侧(前端侧)的部分形成为所述制冷剂导出部45。从晶格结构体23的晶格出口37b流出的冷却介质CL穿过制冷剂导出部45后从排出孔43向外部排出。此外，第一壁面3a及第二壁面5a“作为平坦面形成”是指两壁面作为未设置突起物、凹陷处的面形成。
在后部冷却通道17设置具有上述结构的制冷剂导出部45不是必须的。例如，既可以将晶格结构体23配置到后部冷却通道17的前端部，也可以在相当于制冷剂导出部45的区域设置扰流柱那样的不同于晶格结构体23的结构体。但是，如图示的例子那样通过在冷却的必要性比较低的叶片前端部设置制冷剂导出部45，能够对由于在涡轮动叶1中为施加较大应力的部分而冷却的必要性比较高的根部分有效地进行冷却，并且顺畅地排出冷却介质。由于同样的理由，在涡轮静叶设置晶格结构体23的情况下，也可以仅在作为涡轮的径向外侧的涡轮静叶的根部侧设置晶格结构体23。
此外，在图2中，示出在前端壁41设置排出孔43的例子，也可以在涡轮动叶1的前端部的其它的叶片壁，即第一叶片壁3以及/或者第二叶片壁5的与晶格出口37b连通的部分设置排出孔43。另外，排出孔43的数量既可以如图示的例子那样是一个，也可以是两个以上。
另外，如图5所示，本实施方式的晶格结构体23在一组分隔体39、39之间仅具有单一的假想边界线L。利用这样的结构，能够使晶格结构体23的结构简单，并且能够获得削减分隔体的数量的效果。但是，晶格结构体23可以以在一组分隔体间具有两条以上假想边界线L的方式形成。
另外，在本实施方式中，后部冷却通道17中的制冷剂移动方向M设定为在涡轮动叶1的高度方向上从根部侧朝向前端部侧的方向，也可以如图6所示，将制冷剂移动方向M设定为翼弦方向，即沿着涡轮动叶1的外部的高温气体G的流动方向的方向。在这种情况下，如该图6所示，可以配置为经由分隔体39沿高度方向H排列多个至少具有一条假想边界线L的晶格结构体23。在图示的例子中，四个晶格结构体23经由三个分隔体39沿高度方向H排列。
此外，在将制冷剂移动方向M设定为高度方向H的情况下，也可以根据需要而配置为经由分隔体39沿横贯方向T排列多个至少具有一条假想边界线L的晶格结构体23。
如以上说明的那样，根据本实施方式的冷却结构，在晶格结构体23的假想边界线L上，从向相反朝向倾斜的晶格流路流入的冷却介质CL彼此碰撞，从而使得静压上升，并且冷却介质CL转向。即，通过使肋31、31相对于假想边界线L向相反方向倾斜，即使不在假想边界线L上设置隔板等分隔体，也能够获得与设置有分隔体的情况相同的冷却效果。因而，能够抑制涡轮叶片的重量增大和耐久性降低，并且能够实现较高的冷却效率。
另外，在晶格结构体23中，通过使冷却介质CL主要穿过晶格连通部23a而横穿另一方的肋组的肋31，从而在冷却介质CL中产生涡流。在本发明中，延伸设置有形成肋壁35的各肋31、31，使得在其两端部的两个晶格连通部23a、23a之间形成有多个晶格连通部23a，因此在冷却介质CL沿着肋31、31之间的晶格流路37流动期间，确保用于形成涡流而冷却晶格流路37的壁面的足够的距离。
如上所述，参照附图对本发明的优选的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种追加、变更或者删除。因而，这样的结构也包含在本发明的范围内。
附图标记说明
1-涡轮动叶(涡轮叶片)；3-第一叶片壁；5-第二叶片壁；17-后部冷却通道(冷却通道)；23-晶格结构体；23a-晶格连通部；31-肋；33A-第一肋组；33B-第二肋组；37-晶格流路；CL-冷却介质；G-高温气体；L-假想边界线。

Claims (5)

1.一种燃气涡轮发动机的冷却结构，其用于从内部对由高温气体驱动的涡轮的涡轮叶片进行冷却，其中，
所述冷却结构具备晶格结构体，所述晶格结构体具有由配置于形成在所述涡轮叶片内的冷却通道的第一壁面上的多个肋构成的第一肋组、和由配置于所述冷却通道的与所述第一壁面对置的第二壁面上的多个肋构成的第二肋组，所述晶格结构体由所述第一肋组与所述第二肋组相互重叠成格子状而构成，所述晶格结构体具有使形成于所述第一肋组的多个肋间的流路与形成于所述第二肋组的多个肋间的流路相互连通的多个晶格连通部，
所述第一肋组及所述第二肋组分别具有由一对肋构成的肋壁，所述一对肋相对于沿在所述冷却通道中流动的冷却介质整体的移动方向延伸的假想边界线相互向相反朝向倾斜地延伸，且在所述假想边界线上相互接触，
在所述第一肋组及所述第二肋组，分别延伸设置有形成至少一个所述肋壁的各肋，使得在所述各肋的两端部的两个所述晶格连通部之间形成有多个晶格连通部。
2.根据权利要求1所述的冷却结构，其特征在于，
所述第一肋组及所述第二肋组俯视视角下具有共同的假想边界线，且配置为各个肋壁的顶点部分重合。
3.根据权利要求1或2所述的冷却结构，其特征在于，
所述第一肋组及所述第二肋组形成为分别相对于所述假想边界线对称。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的冷却结构，其特征在于，
所述冷却介质整体的移动方向是在所述涡轮叶片的高度方向上从根部朝向前端部的方向。
5.根据权利要求4所述的冷却结构，其特征在于，
在所述涡轮叶片的前端部的所述冷却通道上设置有作为平坦面形成的制冷剂导出部，在所述涡轮叶片的前端部的叶片壁上设置有从所述制冷剂导出部向外部排出制冷剂的排出孔。
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