CN111819341A - 涡轮机转动叶片及燃气涡轮机 - Google Patents

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Abstract

顶板(49)的第2外表面(49ab)向比第1外表面(49aa)更远离涡轮机壳体(34)的内周面(34a)的方向后退，以在与顶板(49)的第1外表面(49aa)之间形成台阶(50)。冷却孔(53)的吐出口(53B)中的至少一部分配置在第2外表面(49ab)上。冷却孔(53)相对于第2外表面(49ab)倾斜地延伸，以使冷却介质吐出到在第2外表面(49ab)与涡轮机壳体(34)的内周面(34a)之间流动的燃烧气体的上游侧。

Description

涡轮机转动叶片及燃气涡轮机
技术领域
本发明涉及一种涡轮机转动叶片及燃气涡轮机。
本申请主张基于2018年3月29日在日本申请的日本专利申请2018-064578号的优先权，并将其内容援用于此。
背景技术
燃气涡轮机具备压缩机、燃烧器及涡轮机。涡轮机具有多个固定叶片及转动叶片(涡轮机转动叶片)。
在燃气涡轮机中，作用于多个固定叶片及转动叶片的燃烧气体的温度达到1500℃的高温。因此，固定叶片及转动叶片具备冷却介质在内部流过的冷却通路及冷却孔。固定叶片及转动叶片由冷却介质来冷却叶片壁，并且使从设置在叶片壁上的冷却孔吐出的冷却介质向燃烧气体侧流出，由此冷却叶片表面。
在转动叶片的前端部与构成壳体的分割环(壳体的一部分)之间形成有恒定的间隙，以使两者不干涉。若该间隙过大，则一部分燃烧气体越过叶片前端部而流失到下游侧，导致接片泄漏增加。若接片泄漏增加，则能量损失增大，导致燃气涡轮机的热效率降低。
并且，若上述间隙过窄，则转动叶片的叶片主体与分割环接触，从而叶片主体可能会损伤。
因此，以往为了抑制燃烧气体从上述间隙流出及叶片主体的损伤，在叶片主体的前端部设置减薄接片(也称为“铣薄接片(tip squealer)”)。然而，减薄接片从减薄接片的两侧面及减薄接片的顶面这3个方向被加热，因此热负载大。因此，为了保护减薄接片不受热而冷却减薄接片(例如，参考专利文献1。)。
在专利文献1中公开了一种转动叶片，其具备：减薄接片，形成于顶板的腹部侧；冷却孔，贯穿减薄接片的下端及顶板，并以能够将冷却介质吐出到腹部侧(压力面侧)的状态倾斜。
以往技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第5261789号说明书
发明内容
发明要解决的技术课题
然而，在专利文献1中，以贯穿减薄接片的下端及顶板的方式形成冷却孔，因此从减薄接片的一部分吐出冷却介质。
由此，所吐出的冷却介质容易沿着减薄接片的壁面流到壳体侧，因此冷却介质可能向远离顶板的外表面的方向流动。
因此，通过使用从冷却孔吐出的冷却介质的膜冷却效果，难以冷却位于比减薄接片更靠背面侧的顶板。
即，由于另外需要用于冷却位于比减薄接片更靠背面侧的顶板的冷却介质，因此存在无法减少在冷却叶片主体中所需冷却介质的使用量的问题。
因此，本发明的目的在于提供一种能够减少在冷却叶片主体中使用的冷却介质的使用量的涡轮机转动叶片及燃气涡轮机。
用于解决技术课题的手段
为了解决上述课题，根据本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片，具备叶片主体和冷却孔，所述叶片主体具有：压力面侧叶片壁及负压面侧叶片壁，在涡轮机转子的径向上延伸，并且在前缘及后缘彼此连接；及顶板，在所述压力面侧叶片壁及负压面侧叶片壁的端部中，设置于配置在所述涡轮机转子的径向外侧的前端部，并包括与壳体的内周面对置的外表面，所述冷却孔，贯穿所述顶板，并包括将冷却介质吐出到该顶板外侧的吐出口，所述顶板的外表面具有第1外表面和第2外表面，所述第1外表面设置于：负压面侧区域，配置在所述负压面侧叶片壁侧，并从所述前缘延伸至所述后缘；及中央区域，配置于配置在所述压力面侧叶片壁侧并从所述前缘延伸至所述后缘的压力面侧区域与所述负压面侧区域之间，并从所述前缘延伸至所述后缘，所述第2外表面设置于配置在所述压力面侧叶片壁侧并从所述前缘延伸至所述后缘的压力面侧区域，并构成除了所述第1外表面以外的所述外表面的其余部分，所述第2外表面比所述第1外表面更远离所述壳体的内周面，以在与所述第1外表面之间形成台阶，在形成有所述台阶的部分设置有连接所述第1外表面和所述第2外表面并沿着所述压力面侧叶片壁的压力面的侧面，所述冷却孔相对于所述第2外表面倾斜地延伸，以使所述冷却介质吐出到在所述第2外表面与所述壳体的内周面之间流动的燃烧气体的上游侧，所述吐出口中的至少一部分配置于所述第2外表面。
根据本发明，由于具有冷却孔，因此能够使吐出到远离台阶的燃烧气体的上游侧的冷却介质沿着顶板的第1外表面流动，所述冷却孔在比台阶更靠压力面侧叶片壁侧的顶板的第2外表面上配置吐出口，并使冷却介质吐出到在第2外表面与壳体的内周面之间流动的燃烧气体的上游侧。
由此，使从吐出口吐出的冷却介质与配置在壳体侧的台阶的角部碰撞，而能够对位于比台阶更靠负压面侧叶片壁侧的顶板的第1外表面有效地进行膜冷却，因此能够减少在冷却涡轮机转动叶片的叶片主体中使用的冷却介质的使用量。
并且，由于具有冷却孔，因此在涡轮机转子的径向上能够减小顶板中的构成第1外表面的部分与冷却孔的距离，所述冷却孔相对于第2外表面倾斜地延伸，并使冷却介质吐出到在第2外表面与壳体的内周面之间流动的燃烧气体的上游侧。由此，通过对流冷却，能够有效地冷却顶板中的构成第1外表面的部分。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，所述冷却孔包括当用与该冷却孔的轴线方向正交的面来切割时的切割面呈圆形的部分，当将所述切割面中的所述冷却孔的直径设为D时，所述涡轮机转子的径向上的所述台阶的高度可以在0.25D以上且2.00D以下的范围内。
例如，若台阶的高度小于0.25D，则台阶变得过小，因此可能难以使从冷却孔吐出的冷却介质与配置在涡轮机壳体34侧的台阶的角部碰撞。由此，可能难以使冷却介质沿着第1外表面流动。
另一方面，若台阶的高度大于2.00D，则台阶变得过大，因此台阶成为障壁(侧面成为障壁)，可能难以使从冷却孔吐出的冷却介质沿着第1外表面流动。
从而，通过将台阶的高度设在0.25D以上且2.00D以下的范围内，从冷却孔吐出的冷却介质沿着第1外表面流动，因此能够减少在冷却涡轮机转动叶片的叶片主体中使用的冷却介质的使用量。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，所述冷却孔包括当用与该冷却孔的轴线方向正交的面来切割时的切割面呈圆形的部分，当将所述切割面中的所述冷却孔的直径设为D时，在与所述侧面正交的方向上，从所述侧面与所述第2外表面的连接位置到所述冷却孔的轴线的距离可以为0以上且D以下。
例如，在与连接第1外表面与该第2外表面的侧面正交的方向上，若将从侧面与第2外表面的连接位置到冷却孔的轴线的距离设为小于0，则大部分吐出口形成在侧面上，因此以冷却孔为基准时的台阶可能变小。
因此，可能难以使从冷却孔吐出的冷却介质与台阶的角部碰撞。由此，可能难以使冷却介质沿着第1外表面流动。
另一方面，在与连接第1外表面与第2外表面的侧面正交的方向上，若将从侧面与第2外表面的连接位置到冷却孔的轴线的距离设为大于D，则冷却介质吐出到过度远离台阶的位置，因此可能难以使冷却介质与台阶的角部碰撞。由此，可能难以使冷却介质沿着第1外表面流动。
从而，在与连接第1外表面与第2外表面的侧面正交的方向上，通过将从侧面与第2外表面的连接位置到冷却孔的轴线的距离设为0以上且D以下，从冷却孔吐出的冷却介质沿着第1外表面流动，因此能够减少在冷却涡轮机转动叶片的叶片主体中使用的冷却介质的使用量。
并且，根据本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片，所述冷却孔的轴线与所述第2外表面所成角度可以为30°以上且45°以下。
例如，若冷却孔的轴线与第2外表面所成角度小于30°，则可能难以加工冷却孔。
另一方面，若冷却孔的轴线与第2外表面所成角度大于45°，则导致从冷却孔吐出的冷却介质在远离第1外表面的位置流动，因此可能难以获得高的膜冷却效率。
从而，通过将冷却孔的轴线与第2外表面所成角度设为30°以上且45°以下，不仅容易加工冷却孔，而且能够对顶板的第1外表面进行膜冷却。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，可以具有：第1倾斜面，设置在所述第2外表面与所述压力面侧叶片壁的压力面之间，连接该第2外表面和该压力面，并且相对于该第2外表面及该压力面倾斜；及第2倾斜面，设置在所述第1外表面与所述负压面侧叶片壁的负压面之间，连接该第1外表面和该负压面，并且相对于该第1外表面及该负压面倾斜。
如此，通过具有连接第2外表面与压力面且相对于第2外表面及压力面倾斜的第1倾斜面，能够抑制构成第1倾斜面的部分的叶片主体的温度上升。
并且，通过具有连接第1外表面与负压面且相对于第1外表面及负压面倾斜的第2倾斜面，能够抑制构成第2倾斜面的部分的叶片主体的温度上升。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，所述叶片主体可以具有与该叶片主体的形状对应的金属制基材和覆盖该金属制基材的外表面的热障涂层，所述第1外表面、所述第2外表面及所述侧面由所述热障涂层的外表面构成。
如此，通过具有覆盖与叶片主体的形状对应的金属制基材的外表面的热障涂层，能够从高温的燃烧气体中保护金属制基材。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，所述叶片主体可以具有与该叶片主体的形状对应的金属制基材和覆盖该金属制基材的外表面中的除了所述第2外表面以外的表面的热障涂层，所述第1外表面及所述侧面由所述热障涂层的外表面构成，所述第2外表面由所述金属制基材的外表面构成。
如此，由热障涂层的外表面构成第1外表面及侧面，并由金属制基材的外表面构成第2外表面，由此能够以热障涂层的厚度形成台阶，而不在金属制基材上形成台阶。
由此，不需要在金属制基材上形成台阶，因此能够容易制造金属制基材，由此能够降低叶片主体的制造成本。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，所述冷却孔可以沿着所述压力面侧叶片壁的压力面从所述前缘到所述后缘隔开间隔形成有多个。
如此，沿着压力面侧叶片壁的压力面从前缘到后缘隔开间隔形成多个冷却孔，由此能够获得高的膜冷却效率。
并且，在上述本发明的一方式所涉及的涡轮机转动叶片中，在所述叶片主体的内侧可以形成有所述冷却介质流过的制冷剂流路，多个所述冷却孔包括：多个第1冷却孔，形成在位于所述前缘侧的前缘侧区域及位于所述后缘侧的后缘侧区域；及多个第2冷却孔，形成在配置于所述前缘侧区域与所述后缘侧区域之间的中间区域，当用与该第1冷却孔的轴线方向正交的面来切割时，所述第1冷却孔的切割面呈圆形，所述第2冷却孔具有：第1部分，形成于所述制冷剂流路侧；及第2部分，以与所述第1部分连接的状态形成于所述第1部分的外侧，并包括所述吐出口，在所述第1部分中，与所述第2冷却孔的轴线方向正交的面的切割面呈圆形，并且所述第2冷却孔的轴线方向的直径恒定，随着从所述第1部分朝向所述吐出口，所述第2部分沿着所述压力面侧叶片壁的压力面的方向的宽度逐渐扩大。
如此，形成于中间区域的多个第2冷却孔具有：第1部分，与第2冷却孔的轴线方向正交的面的切割面呈圆形，并且第2冷却孔的轴线方向的直径恒定；及第2部分，随着从第1部分朝向吐出面，沿着压力面侧叶片壁的压力面的方向的宽度逐渐扩大，由此沿着压力面侧叶片壁的压力面的方向的多个第2冷却孔的吐出口的宽度扩大，因此能够从吐出口向大范围吐出冷却介质。
由此，使第2冷却孔的排列间距比第1冷却孔的排列间距更宽，从而能够减少配置在中间区域的第2冷却孔的数量。
并且，根据本发明的一方式所涉及的燃气涡轮机，具备：涡轮机，具有上述涡轮机转动叶片在周方向及轴线方向上配置有多个的涡轮机转子及多个所述涡轮机转动叶片；压缩机，吸入燃烧用空气而生成压缩空气；燃烧器，将燃料喷射到所述压缩空气中并使其燃烧，生成驱动所述涡轮机的燃烧气体；及壳体，包括以隔开间隙的状态与所述顶板的所述第1外表面及第2外表面对置的分割环，并且容纳所述涡轮机转子及多个所述涡轮机转动叶片。
这种结构的燃气涡轮机能够减少在冷却多个涡轮机转动叶片中使用的冷却介质的使用量。
发明效果
根据本发明，能够减少在冷却涡轮机转动叶片的叶片主体中使用的冷却介质的使用量。
附图说明
图1是示意性地表示本发明的第1实施方式所涉及的燃气涡轮机的概略结构的剖视图。
图2是从涡轮机转子的径向外侧俯视图1所示的涡轮机转动叶片的示意图。
图3是图2所示的涡轮机转动叶片的A1-A2线方向的剖视图。
图4是将图2所示的涡轮机转动叶片中的与中间区域对应的部分放大的俯视图。
图5是表示(台阶高度H)/(冷却孔直径D)与膜冷却效率的关系的曲线图。
图6是从涡轮机转子的径向外侧俯视本发明的第2实施方式所涉及的涡轮机转动叶片的示意图。
图7是将图4所示的涡轮机转动叶片中的与中间区域对应的部分放大的俯视图。
图8是本发明的第3实施方式所涉及的涡轮机转动叶片的主要部及位于涡轮机转动叶片附近的涡轮机壳体的剖视图。
具体实施方式
以下，参考附图，对应用了本发明的实施方式进行详细说明。
(第1实施方式)参考图1，对本发明的第1实施方式所涉及的燃气涡轮机10进行说明。在图1中，为了便于说明，还图示出不是燃气涡轮机10的构成要件的发电机15。在图1中，O1表示转子30的轴线(以下，称为“轴线O1”)。转子30的轴线O1也是涡轮机转子31的轴线。并且，在图1所示的压缩机11中所记载的箭头表示压缩空气的流动方向。
燃气涡轮机10具有压缩机11、燃烧器12及涡轮机13。
压缩机11具有压缩机转子21、多个压缩机转动叶片层23、压缩机壳体24及多个压缩机固定叶片层25。
压缩机转子21是呈圆筒形状的旋转体。压缩机转子21具有外周面21a。压缩机转子21与构成涡轮机13的涡轮机转子31连结。压缩机转子21与涡轮机转子31一同构成转子30。压缩机转子21围绕轴线O1旋转。
多个压缩机转动叶片层23以在轴线O1方向上隔开间隔的状态排列在压缩机转子21的外周面21a上。压缩机转动叶片层23具有在压缩机转子21的外周面21a的周方向上隔开间隔排列的多个压缩机转动叶片27。多个压缩机转动叶片27与压缩机转子21一同旋转。
压缩机壳体24以与多个压缩机转动叶片27的前端部之间隔开间隙的状态容纳有压缩机转子21及多个压缩机转动叶片层23。
压缩机壳体24是以轴线O1为中心轴的筒状部件。压缩机壳体24具有内周面24a。
多个压缩机固定叶片层25以在轴线O1方向上隔开间隔的状态排列在压缩机壳体24的内周面24a上。从轴线O1方向观察时，多个压缩机固定叶片层25排列成压缩机转动叶片层23与压缩机固定叶片层25交替配置。
压缩机固定叶片层25具有在压缩机壳体24的内周面24a的周方向上隔开间隔排列的多个压缩机固定叶片28。
上述结构的压缩机11吸入燃烧用空气而生成压缩空气。由压缩机11生成的压缩空气流入到燃烧器12内。
燃烧器12设置在压缩机11与涡轮机13之间。燃烧器12通过将燃料喷射到在压缩机11中生成的压缩空气中而生成燃烧气体。由燃烧器12生成的高温燃烧气体被导入到涡轮机13内而驱动涡轮机13。
涡轮机13具有涡轮机转子31、多个涡轮机转动叶片层33、涡轮机壳体34及多个涡轮机固定叶片层35。
涡轮机转子31是呈圆筒形状的旋转体。涡轮机转子31具有外周面31a。涡轮机转子31围绕轴线O1旋转。
多个涡轮机转动叶片层33以在轴线O1方向上隔开间隔的状态排列在涡轮机转子31的外周面31a上。涡轮机转动叶片层33具有在涡轮机转子31的外周面21a的周方向上隔开间隔排列的多个涡轮机转动叶片37。多个涡轮机转动叶片37与涡轮机转子31一同旋转。
涡轮机壳体34以与多个涡轮机转动叶片37的前端部之间隔开间隙的状态容纳有涡轮机转子31及多个涡轮机转动叶片层33。
涡轮机壳体34是以轴线O1为中心轴的筒状部件。涡轮机壳体34具有内周面34a。
涡轮机壳体34具有以隔开间隙的状态与多个涡轮机转动叶片37的前端部对置的分割环41。
多个涡轮机固定叶片层35以在轴线O1方向上隔开间隔的状态排列在涡轮机壳体34的内周面34a上。从轴线O1方向观察时，多个涡轮机固定叶片层35排列成涡轮机转动叶片层33与涡轮机固定叶片层35交替配置。
涡轮机固定叶片层35具有在涡轮机壳体34的内周面34a的周方向上隔开间隔排列的多个涡轮机固定叶片38。
参考图2～图4，对第1实施方式的涡轮机转动叶片37的结构进行说明。
在图2中，B1表示配置在负压面侧叶片壁47侧，并从前缘43A延伸至后缘43B的负压面侧的区域(以下，称为“负压面侧区域B1”)，B2表示配置在压力面侧叶片壁46侧，并从前缘43A延伸至后缘43B的压力面侧区域(以下，称为“压力面侧区域B2”)，B3表示配置在负压面侧区域B1与压力面侧区域B2之间，并从前缘43A延伸至后缘43B的中央区域(以下，称为“中央区域B3”)。
并且，在图2中，C1表示配置在第2外表面49ab中的前缘43A侧的区域(以下，称为“前缘侧区域C1”)，C2表示配置在第2外表面49ab中的后缘43B侧的区域(以下，称为“后缘侧区域C2”)，C3表示配置在第2外表面49ab中的前缘侧区域C1与后缘侧区域C2之间的区域(以下，称为“中间区域C3”)。
此外，在图2中，D表示涡轮机转子31的旋转方向(以下，称为“D方向”)，E表示在分割环41与涡轮机转动叶片37之间流动的燃烧气体的流动方向(以下，称为“E方向”)。在图2中，对与图1所示的结构体相同的构成部分标注相同符号。
在图3中，O2表示冷却孔53的轴线(以下，称为“轴线O2”)，D表示当用与轴线O2方向正交的面来切割了冷却孔53时切割面的直径(以下，称为“直径D”)，θ表示顶板49的第2外表面49ab与轴线O2所成角度(以下，称为“角度θ”)，L表示在与侧面49c正交的方向上从侧面49c与第2外表面49ab的连接位置到冷却孔53的轴线O2的距离(以下，称为“距离L”)。
并且，在图3中，H表示以第2外表面49ab为基准时的台阶50的高度(以下，称为“高度H”)，W1表示与压力面侧叶片壁46的压力面46a正交的方向上的第1外表面49aa的宽度(以下，称为“宽度W1”)，W2表示与压力面侧叶片壁46的压力面46a正交的方向上的第2外表面49ab的宽度(以下，称为“宽度W2”)。
此外，图3所示的虚线的箭头S示意性地表示从冷却孔53的吐出口53B吐出的冷却介质的流动。
并且，在图3中，对与图2所示的结构体相同的构成部分标注相同的符号。在图4中，对与图2及图3所示的结构体相同的构成部分标注相同的符号。
第1实施方式的涡轮机转动叶片37具有叶片主体43和冷却孔53。
叶片主体43具有前缘43A、后缘43B、压力面侧叶片壁46、负压面侧叶片壁47、顶板49及制冷剂流路52。
压力面侧叶片壁46及负压面侧叶片壁47在涡轮机转子31的径向上延伸。压力面侧叶片壁46及负压面侧叶片壁47分别呈弯曲形状。压力面侧叶片壁46及负压面侧叶片壁47在前缘43A及后缘43B彼此连接。
压力面侧叶片壁46具有成为压力面侧叶片壁46的外周面的压力面46a。负压面侧叶片壁47具有成为负压面侧叶片壁47的外周面的负压面47a。若图1所示的燃气涡轮机10进行驱动以使涡轮机转子31向D方向旋转，则负压面47a受到比压力面46a小的压力。
顶板49设置于压力面侧叶片壁46及负压面侧叶片壁47的端部(具体而言，基端部及前端部)中的、配置在涡轮机转子31的径向外侧的前端部。
顶板49是板状部件，具有外表面49a、内表面49b、侧面49c及倒角部49A、49B。
顶板49的外表面49a具有第1外表面49aa和第2外表面49ab。
第1外表面49aa设置在负压面侧区域B1及中央区域B3。由此，第1外表面49aa在从前缘43A朝向后缘43B的方向上延伸。
第1外表面49aa是与涡轮机壳体34的内周面34a(具体而言，分割环41的内周面41a)对置的表面。第1外表面49aa是沿着涡轮机壳体34的内周面34a的形状或平坦的表面。
第2外表面49ab设置在压力面侧区域B2中，并构成除了第1外表面49aa以外的外表面49a的其余部分。由此，第2外表面49ab在从前缘43A朝向后缘43B的方向上延伸。
与压力面46a正交的方向上的第2外表面49ab的宽度W2构成为比第1外表面49aa的宽度W1窄。
第2外表面49ab为了在与第1外表面49aa之间形成台阶50，比第1外表面49aa更向远离涡轮机壳体34的内周面34a的方向后退。第2外表面49ab是形成冷却孔53的吐出口53B的面。
从冷却孔53的吐出口53B吐出到燃烧气体的上游侧的冷却介质与位于涡轮机壳体34的内周面34a侧的台阶50的角部(以下，简称为“台阶50的角部”)碰撞。与台阶50的角部碰撞的冷却介质通过沿着第1外表面49aa向负压面47a侧流动而对第1外表面49aa进行膜冷却。
顶板49的内表面49b具有第1内表面49ba和第2内表面49bb。
第1内表面49ba是配置在与第1外表面49aa相反的一侧的表面。第1内表面49ba露出在形成于叶片主体43内的制冷剂流路52中。
第2内表面49bb是配置在与第2外表面49ab的相反的一侧的表面，并且与第1内表面49ba连接。第2内表面49bb在形成于叶片主体43内的制冷剂流路52中露出。
随着从第1外表面49aa朝向第2外表面49ab，第2内表面49bb向远离涡轮机壳体34的内周面34a的方向倾斜。第2内表面49bb相对于第1内表面49ba倾斜。
第2内表面49bb是形成冷却孔53的导入口53A的表面。
侧面49c配置在第1外表面49aa与第2外表面49ab之间。侧面49c连接第1外表面49aa和第2外表面49ab。侧面49c呈沿着压力面46a的形状。
倒角部49A通过对位于压力面侧叶片壁46侧的顶板49的角部进行倒角加工而形成。倒角部49A从叶片主体43的前缘43A遍及后缘43B而形成。
倒角部49A形成在第2外表面49ab与压力面46a之间。倒角部49A具有第1倾斜面49Aa。
第1倾斜面49Aa配置在第2外表面49ab与压力面46a之间。第1倾斜面49Aa连接第2外表面49ab及压力面46a。第1倾斜面49Aa是相对于第2外表面49ab及压力面46a倾斜的表面。
如此，通过具有连接第2外表面49ab和压力面46a且相对于第2外表面49ab及压力面46a倾斜的第1倾斜面49Aa，能够抑制构成第1倾斜面49Aa的顶板49(叶片主体43的一部分)的温度上升。
倒角部49B通过对位于负压面侧叶片壁47侧的顶板49的角部进行倒角加工而形成。倒角部49B从叶片主体43的前缘43A遍及后缘43B而形成。
倒角部49B形成在第1外表面49aa与负压面47a之间。倒角部49B具有第2倾斜面49Ba。
第2倾斜面49Ba配置在第1外表面49aa与负压面47a之间。第2倾斜面49Ba连接第1外表面49aa和负压面47a。第2倾斜面49Ba是相对于第1外表面49aa及负压面47a倾斜的表面。
如此，通过具有连接第1外表面49aa和负压面47a且相对于第1外表面49aa及负压面47a倾斜的第2倾斜面49Ba，能够抑制构成第2倾斜面49Ba的顶板49(叶片主体43的一部分)的温度上升。
上述第1倾斜面49Aa及第2倾斜面49Ba以包围顶板49的外表面49a的方式配置。
另外，在图3中，作为第1倾斜面49Aa及第2倾斜面49Ba的一例，例举出平面进行了说明，但是第1倾斜面49Aa及第2倾斜面49Ba例如也可以是呈凸状的湾曲面。
包括上述压力面侧叶片壁46、负压面侧叶片壁47及顶板49的叶片主体43构成为，包括金属制基材56和热障涂层58(Thermal barrier coatings层(TBC层))。
金属制基材56对应于叶片主体43的形状。即，金属制基材56具有构成外表面49a、侧面49c、第1倾斜面49Aa、第2倾斜面49Ba、压力面46a及负压面47a的外表面56a。由此，金属制基材56形成有与台阶50对应的台阶。
并且，在金属制基材56的内侧形成有制冷剂流路52。
上述结构的金属制基材56由耐热性优异的金属材料构成。
热障涂层58设置成覆盖构成叶片主体43的金属制基材56的外表面56a。由此，压力面46a、负压面47a、第1外表面49aa、第2外表面49ab、第1倾斜面49Aa、第2倾斜面49Ba及侧面49c由热障涂层58的外表面58a构成。
如此，通过由热障涂层58构成与第1外表面49aa对应的部分，能够从高温的燃烧气体中保护金属制基材56。
作为热障涂层58，例如能够使用层叠了隔热层和结合层的双层层叠体。结合层是减小隔热层与金属制基材56之间的热膨胀差以用于提高隔热层与金属制基材56的密合性的层。
作为隔热层，例如，能够使用导热率小的陶瓷制隔热层(例如，钇稳定化氧化锆(YSZ)层)。并且，作为结合层，例如，能够使用称为MCrAIY的结合层。
制冷剂流路52设置在压力面侧叶片壁46、负压面侧叶片壁47及顶板49的内侧(叶片主体43的内侧)。在制冷剂流路52中流动用于冷却配置在高温环境下的叶片主体43的冷却介质。
冷却孔53形成在顶板49上，并具有导入口53A和吐出口53B。
导入口53A设置在顶板49中的构成第2内表面49bb的部分。导入口53A从第2内表面49bb露出，并与制冷剂流路52连通。导入口53A在涡轮机转子31的径向上与第1外表面49aa对置。导入口53A将在制冷剂流路52中流动的冷却介质引导到冷却孔53内。
吐出口53B设置在顶板49中的构成第2外表面49ab的部分。吐出口53B比形成有导入口53A的位置更靠压力面46a侧配置。吐出口53B从第2外表面49ab露出。吐出口53B连通于导入口53A。吐出口53B使穿过冷却孔53的冷却介质吐出到第2外表面49ab的外侧。
冷却孔53是向压力面46a侧以恒定的角度倾斜的孔。冷却孔53的轴线O2相对于第2外表面49ab以角度θ倾斜。在俯视状态下，冷却孔53的轴线O2例如能够配置在与压力面46a正交的方向上。
吐出口53B使冷却介质吐出到在第2外表面49ab与涡轮机壳体34的内周面34a之间流动的燃烧气体的上游侧。
冷却孔53的轴线O2与第2外表面49ab所成角度θ优选设定在例如30°以上且45°以下的范围内。
例如，若角度θ小于30°，则可能难以加工冷却孔53。
另一方面，若角度θ大于45°，则导致从冷却孔53吐出的冷却介质在远离第1外表面49aa的位置流动，因此可能难以获得高的膜冷却效率。
从而，通过将冷却孔53的轴线O2与第2外表面49ab所成角度θ设为30°以上且45°以下，不仅容易加工冷却孔53，而且能够对顶板49的第1外表面49aa进行膜冷却。
当用与轴线O2方向正交的面(虚拟面)来切割时，冷却孔53的切割面呈圆形。
上述台阶50的高度H能够以上述切割面中的冷却孔53的直径D为基准来确定。
具体而言，如图5所示，台阶50的高度H优选设定在例如0.25D以上且2.00D以下的范围内。
例如，若台阶50的高度H小于0.25D，则台阶50变得过小，因此可能难以使从冷却孔53吐出的冷却介质与台阶50的角部碰撞。由此，可能难以使冷却介质沿着第1外表面49aa流动。
另一方面，若台阶50的高度H大于2.00D，则台阶50变得过大，因此台阶50(侧面49c)成为障壁，可能难以使从冷却孔53吐出的冷却介质沿着第1外表面49aa流动。
从而，通过将台阶的高度H设在0.25D以上且2.00D以下的范围内，从冷却孔53吐出的冷却介质沿着第1外表面49aa流动，因此能够减少在冷却叶片主体43中使用的冷却介质的使用量。
并且，在与侧面49c正交的方向上，从侧面49c与第2外表面49ab的连接位置到冷却孔53的轴线O2的距离L优选设定在例如0以上且D以下的范围内。
例如，若将距离L设为小于0，则在侧面49c形成大部分吐出口53B，因此以冷却孔53为基准时的台阶高度变得小于高度H。
因此，可能难以使从冷却孔53吐出的冷却介质与台阶50的角部碰撞。由此，可能难以使冷却介质沿着第1外表面49aa流动。
另一方面，若将距离L设为大于冷却孔53的直径D，则冷却介质吐出到过度远离台阶50的位置，因此可能难以使冷却介质与台阶50的角部碰撞。由此，可能难以使冷却介质沿着第1外表面49aa流动。
从而，通过将距离L设为0以上且D以下，从冷却孔53吐出的冷却介质沿着第1外表面49aa流动，因此能够减少在冷却叶片主体43中使用的冷却介质的使用量。
上述结构的冷却孔53在从前缘43A朝向后缘43B的方向上隔开间隔排列有多个。多个冷却孔53在前缘侧区域C1、后缘侧区域C2及中间区域C3中分别形成有多个。
并且，形成在前缘侧区域C1、后缘侧区域C2及中间区域C3中的冷却孔53的间距设为相同的间距。
根据第1实施方式的涡轮机转动叶片37，由于具有冷却孔53，因此能够使吐出到从台阶50分开的燃烧气体的上游侧的冷却介质沿着顶板49的第1外表面49aa流动，所述冷却孔53在位于比台阶50更靠压力面侧叶片壁46侧的顶板49的第2外表面49ab上配置吐出口53B，并且使冷却介质吐出到在第2外表面49ab与涡轮机壳体34的内周面34a之间流动的燃烧气体的上游侧。
由此，能够使从吐出口53B吐出的冷却介质与台阶50的角部碰撞，以对位于比台阶50更靠负压面侧叶片壁47侧的第1外表面49aa有效地进行膜冷却，因此能够减少在冷却叶片主体43中使用的冷却介质的使用量。
并且，由于具有冷却孔53，因此在涡轮机转子31的径向上能够减小顶板49中的构成第1外表面49aa的部分与冷却孔53的距离，所述冷却孔53相对于第2外表面49ab倾斜地延伸，并且使冷却介质吐出到在第2外表面49ab与涡轮机壳体34的内周面34a之间流动的燃烧气体的上游侧。由此，通过对流冷却，能够有效地冷却构成第1外表面49aa的顶板49。
并且，具有多个上述涡轮机转动叶片37的燃气涡轮机10能够减少在冷却多个涡轮机转动叶片37中使用的冷却介质的使用量。
(第2实施方式)
参考图6及图7，对本发明的第2实施方式的涡轮机转动叶片65进行说明。
在图6中，对与图2所示的结构体相同的构成部分标注相同的符号。在图7中，O3表示冷却孔67的轴线(以下，称为“轴线O3”)。在图7中，对与图4及图6所示的结构体相同的构成部分标注相同的符号。
涡轮机转动叶片65在前缘侧区域C1及后缘侧区域C2中形成有多个冷却孔53作为多个第1冷却孔，在中间区域C3中形成有多个冷却孔67作为多个第2冷却孔，除此以外，设为与第1实施方式中所说明的涡轮机转动叶片37相同的结构。
冷却孔67贯穿顶板49，并且相对于第2外表面49ab倾斜地延伸，以使冷却介质吐出到燃烧气体的上游侧。冷却孔67的轴线O3与第2外表面49ab所成角度设为与第1实施方式中所说明的角度θ相同的大小。
冷却孔67具有第1部分67A和第2部分67B。
第1部分67A形成在制冷剂流路(图3所示的制冷剂流路52)侧，并连通于制冷剂流路。第1部分67A设为与之前所说明的冷却孔53相同的结构。即，当用与冷却孔67的轴线O3方向正交的面来切割时，第1部分67A的切割面呈圆形。
例如，在俯视状态下，冷却孔67的轴线O3能够配置在与压力面46a正交的方向上。
第2部分67B形成在第1部分67A的外侧。第2部分67B的一个端部与第1部分67A连接。在第2部分67B的另一个端部配置有吐出口67C。
随着从第1部分67A朝向吐出口67C，第2部分67B构成为沿着压力面侧叶片壁46的压力面46a的方向的宽度逐渐扩大。
根据第2实施方式的涡轮机转动叶片65，由于形成于中间区域C3中的多个冷却孔67具有：第1部分67A，当用与轴线O3方向正交的面来切割时的切割面呈圆形，并且轴线O3方向上的直径设为恒定；及第2部分67B，随着从第1部分67A朝向吐出口67C，沿着压力面侧叶片壁46的压力面46a的方向的宽度逐渐扩大，因此沿着压力面侧叶片壁46的压力面46a的方向上的多个冷却孔67的吐出口67C的宽度扩大，从而能够从吐出口67C向大范围吐出冷却介质。
由此，能够使冷却孔67的排列间距大于在第1实施方式中所说明的冷却孔53的排列间距，从而减少配置在中间区域C3中的冷却孔67的数量。
(第3实施方式)参考图8，本发明的第3实施方式的涡轮机转动叶片75具有叶片主体76来代替第1实施方式中所说明的叶片主体43，除此以外，设为与第1实施方式的涡轮机转动叶片75相同的结构。
叶片主体76在构成顶板49的金属制基材56中的与涡轮机壳体34的内周面34a对置的部分不形成台阶，而由金属制基材56的外表面56a形成第2外表面49ab，并且由热障涂层58的外表面58a形成第1外表面49aa及侧面49c，由此在第2外表面49ab与第1外表面49aa之间形成了台阶78，除此以外，设为与第1实施方式中所说明的叶片主体43相同的结构。
在第3实施方式中，以覆盖除了第2外表面49ab以外的表面的方式形成有热障涂层58。
根据第3实施方式的实施方式的涡轮机转动叶片75，由热障涂层58的外表面58a构成第1外表面49aa及侧面49c，并且由金属制基材56的外表面56a构成第2外表面49ab，由此能够以热障涂层58的厚度形成台阶78，而不在金属制基材56上形成台阶。
由此，能够容易制造金属制基材56，因此能够降低叶片主体76的制造成本。
以上，对本发明的优选实施方式进行了详细描述，但是本发明并不限定于这些特定的实施方式，在技术方案中所记载的本发明宗旨的范围内，能够进行各种变形和变更。
例如，可以将在第2实施方式中所说明的冷却孔67适用于第3实施方式的涡轮机转动叶片75。
产业上的可利用性
本发明能够适用于涡轮机转动叶片及燃气涡轮机。
符号说明
10-燃气涡轮机，11-压缩机，12-燃烧器，13-涡轮机，15-发电机，21-压缩机转子，21a、31a-外周面，23-压缩机转动叶片层，24-压缩机壳体，24a、34a、41a-内周面，25-压缩机固定叶片层，27-压缩机转动叶片，28-压缩机固定叶片，30-转子，31-涡轮机转子，33-涡轮机转动叶片层，34-涡轮机壳体，35-涡轮机固定叶片层，37、65、75-涡轮机转动叶片，38-涡轮机固定叶片，41-分割环，43、76-叶片主体，43A-前缘，43B-后缘，46-压力面侧叶片壁，46a-压力面，47-负压面侧叶片壁，47a-负压面，49-顶板，49a、56a、58a-外表面，49aa-第1外表面，49ab-第2外表面，49A、49B-倒角部，49Aa-第1倾斜面，49b-内表面，49ba-第1内表面，49bb-第2内表面，49Ba-第2倾斜面，49c-侧面，50、78-台阶，52-制冷剂流路，53、67-冷却孔，53A-导入口，53B、67C-吐出口，56-金属制基材，58-热障涂层，67A-第1部分，67B-第2部分，B1-负压面侧区域，B2-压力面侧区域，B3-中央区域，C1-前缘侧区域，C2-后缘侧区域，C3-中间区域，D、E-方向，H-高度，O1～O3轴线，W1、W2-宽度，θ-角度。

Claims (10)

1.一种涡轮机转动叶片，其具备叶片主体和冷却孔，
所述叶片主体具有：压力面侧叶片壁及负压面侧叶片壁，在涡轮机转子的径向上延伸，并且在前缘及后缘彼此连接；及顶板，在所述压力面侧叶片壁及负压面侧叶片壁的端部中，设置于配置在所述涡轮机转子的径向外侧的前端部，并包括与壳体的内周面对置的外表面，
所述冷却孔，贯穿所述顶板，并包括将冷却介质吐出到该顶板外侧的吐出口，
所述顶板的外表面具有第1外表面和第2外表面，所述第1外表面设置于：负压面侧区域，配置在所述负压面侧叶片壁侧，并从所述前缘延伸至所述后缘；及中央区域，配置于配置在所述压力面侧叶片壁侧并从所述前缘延伸至所述后缘的压力面侧区域与所述负压面侧区域之间，并从所述前缘延伸至所述后缘，所述第2外表面设置于配置在所述压力面侧叶片壁侧并从所述前缘延伸至所述后缘的压力面侧区域，并构成除了所述第1外表面以外的所述外表面的其余部分，
所述第2外表面比所述第1外表面更远离所述壳体的内周面，以在与所述第1外表面之间形成台阶，
在形成有所述台阶的部分设置有连接所述第1外表面和所述第2外表面并沿着所述压力面侧叶片壁的压力面的侧面，
所述冷却孔相对于所述第2外表面倾斜地延伸，以使所述冷却介质吐出到在所述第2外表面与所述壳体的内周面之间流动的燃烧气体的上游侧，
所述吐出口中的至少一部分配置于所述第2外表面。
2.根据权利要求1所述的涡轮机转动叶片，其中，
所述冷却孔包括当用与该冷却孔的轴线方向正交的面来切割时的切割面呈圆形的部分，
当将所述切割面中的所述冷却孔的直径设为D时，所述涡轮机转子的径向上的所述台阶的高度在0.25D以上且2.00D以下的范围内。
3.根据权利要求1或2所述的涡轮机转动叶片，其中，
所述冷却孔包括当用与该冷却孔的轴线方向正交的面来切割时的切割面呈圆形的部分，
当将所述切割面中的所述冷却孔的直径设为D时，在与所述侧面正交的方向上，从所述侧面与所述第2外表面的连接位置到所述冷却孔的轴线的距离为0以上且D以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的涡轮机转动叶片，其中，
所述冷却孔的轴线与所述第2外表面所成角度为30°以上且45°以下。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡轮机转动叶片，其具有：
第1倾斜面，设置在所述第2外表面与所述压力面侧叶片壁的压力面之间，连接该第2外表面和该压力面，并且相对于该第2外表面及该压力面倾斜；及
第2倾斜面，设置在所述第1外表面与所述负压面侧叶片壁的负压面之间，连接该第1外表面和该负压面，并且相对于该第1外表面及该负压面倾斜。
6.根据权利要求3或4所述的涡轮机转动叶片，其中，
所述叶片主体具有与该叶片主体的形状对应的金属制基材和覆盖该金属制基材的外表面的热障涂层，
所述第1外表面、所述第2外表面及所述侧面由所述热障涂层的外表面构成。
7.根据权利要求3或4所述的涡轮机转动叶片，其中，
所述叶片主体具有与该叶片主体的形状对应的金属制基材和覆盖该金属制基材的外表面中的除了所述第2外表面以外的表面的热障涂层，
所述第1外表面及所述侧面由所述热障涂层的外表面构成，
所述第2外表面由所述金属制基材的外表面构成。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的涡轮机转动叶片，其中，
所述冷却孔沿着所述压力面侧叶片壁的压力面从所述前缘到所述后缘隔开间隔形成有多个。
9.根据权利要求8所述的涡轮机转动叶片，其中，
在所述叶片主体的内侧形成有所述冷却介质流过的制冷剂流路，
多个所述冷却孔包括：多个第1冷却孔，形成在位于所述前缘侧的前缘侧区域及位于所述后缘侧的后缘侧区域；及多个第2冷却孔，形成在配置于所述前缘侧区域与所述后缘侧区域之间的中间区域，
当用与该第1冷却孔的轴线方向正交的面来切割时，所述第1冷却孔的切割面呈圆形，
所述第2冷却孔具有：第1部分，形成于所述制冷剂流路侧；及第2部分，以与所述第1部分连接的状态形成于所述第1部分的外侧，并包括所述吐出口，
在所述第1部分中，与所述第2冷却孔的轴线方向正交的面的切割面呈圆形，并且所述第2冷却孔的轴线方向的直径恒定，
随着从所述第1部分朝向所述吐出口，所述第2部分沿着所述压力面侧叶片壁的压力面的方向的宽度逐渐扩大。
10.一种燃气涡轮机，其具备：
涡轮机，具有权利要求1至9中任一项所述的涡轮机转动叶片在周方向及轴线方向上配置有多个的涡轮机转子及多个所述涡轮机转动叶片；
压缩机，吸入燃烧用空气而生成压缩空气；
燃烧器，将燃料喷射到所述压缩空气中并使其燃烧，生成驱动所述涡轮机的燃烧气体；及
壳体，包括以隔开间隙的状态与所述顶板的所述第1外表面及第2外表面对置的分割环，并且容纳所述涡轮机转子及多个所述涡轮机转动叶片。
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