JP6159151B2 - Turbine blade - Google Patents

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Description

本発明は、タービン動翼に関する。   The present invention relates to a turbine rotor blade.

タービン動翼では、ケーシング等の静止部材と翼先端との間に間隙が存在するため、翼の正圧面から負圧面に向かう漏れ流れが発生する。そして、この漏れ流れが主流と干渉することで全圧損失が増大し、タービン効率が低下する。   In the turbine rotor blade, since a gap exists between a stationary member such as a casing and the blade tip, a leakage flow from the pressure surface of the blade toward the suction surface is generated. The leakage flow interferes with the main flow, so that the total pressure loss increases and the turbine efficiency decreases.

翼端漏れ流れによる全圧損失の増大を防ぐため、翼端漏れ流れ量を低減するためのさまざまな翼端部の形状が提案されている。その中の一つに、スキーラと呼ばれる、翼の正圧面や負圧面と翼端面との交線周辺の翼端面が周囲より高くなった構造を有するものがある。   In order to prevent an increase in the total pressure loss due to the tip leakage flow, various tip shapes have been proposed to reduce the tip leakage flow. One of them is a squealer called a squealer having a structure in which the blade pressure surface and the blade tip surface around the intersection of the suction surface and the blade tip surface are higher than the surroundings.

このような構造の一例として、特開2009−108834号公報(特許文献1)がある。この公報には、「内側に凹部を形成する翼形状のスキーラを備え、スキーラの背側部分にタービン動翼の背側のみに連通する切欠部を有する」と記載されている。また、特開2010−156325号公報(特許文献2)がある。この公報には、先端板から半径方向外向きに延出した先端壁によって形成される翼形状のスキーラを備え、翼端ミッドコード線(先端中央翼弦線)に対して80〜100度の角度を成すリブを有する動翼が記載されている。   There exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2009-108834 (patent document 1) as an example of such a structure. This publication describes that “a blade-shaped squealer that forms a recess on the inside is provided, and the back side portion of the squealer has a cutout portion that communicates only with the back side of the turbine blade”. Moreover, there exists Unexamined-Japanese-Patent No. 2010-156325 (patent document 2). This publication includes a wing-shaped squealer formed by a tip wall extending radially outward from a tip plate, and has an angle of 80 to 100 degrees with respect to a wing tip mid chord line (tip center chord line). A rotor blade having ribs is described.

特開2009−108834号公報JP 2009-108834 A 特開2010−156325号公報JP 2010-156325 A

翼端漏れ流れ量を低減するために静止部材と翼先端との間隙を小さくした場合、静止部材と翼先端との摺動が生じる可能性が高まる。しかし、従来の構造ではケーシングと翼先端との摺動による摩擦熱が翼端部の凹部にとどまりやすい。また、翼先端部を冷却するための空気を翼端面から噴出したときに、冷却空気が翼端面を十分冷却する前に下流に流れてしまい、翼端面全体に冷却空気を行き渡らせることが難しく翼端部が一部高温となってしまうという問題があった。   When the gap between the stationary member and the blade tip is reduced in order to reduce the amount of blade tip leakage flow, the possibility of sliding between the stationary member and the blade tip increases. However, in the conventional structure, frictional heat due to sliding between the casing and the blade tip tends to stay in the recess at the blade tip. In addition, when air for cooling the blade tip is ejected from the blade tip surface, the cooling air flows downstream before sufficiently cooling the blade tip surface, making it difficult to distribute the cooling air over the entire blade tip surface. There was a problem that a part of the end portion became hot.

そこで本発明は、翼端漏れ流れの低減や翼端面の冷却性能の向上により、タービン効率の向上が可能なタービン翼を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a turbine blade capable of improving turbine efficiency by reducing blade tip leakage flow and improving blade tip surface cooling performance.

本発明は、作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備え、前記翼形部が、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、前記翼端面に線状の溝を1本以上または線状のリブを複数本有し、1本以上の前記溝または複数本の前記リブの両端が前記負圧面と交わり、前記タービン動翼の内部に中空部を有し、前記中空部に冷却媒体を導入する開口部と、前記中空部に導入された冷却媒体を前記タービン動翼の外部に噴出する冷却孔とを備え、前記冷却孔が、前記翼端面に設けられた前記溝、または、隣り合った前記リブ同士の間に配置されていることを特徴とする。 The present invention includes a platform portion forming a working gas passage surface, and an airfoil portion extending from the platform portion, the airfoil portion having a concave pressure surface and a convex connecting the leading edge and the trailing edge. A suction surface having a shape and a blade end surface that is a tip side end surface opposite to the platform portion, and has one or more linear grooves or a plurality of linear ribs on the blade end surface. both ends above the groove or plurality said ribs on the suction surface and Majiwa Ri has a hollow portion inside the turbine blade, an opening for introducing a cooling medium to the hollow portion, introduced into the hollow portion A cooling hole for ejecting the cooled cooling medium to the outside of the turbine rotor blade, and the cooling hole is disposed between the groove provided in the blade end surface or between the adjacent ribs. It is characterized by that.

本発明によれば、翼端漏れ流れの低減や翼端面の冷却性能の向上により、タービン効率の向上が可能なタービン翼を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the turbine blade which can improve a turbine efficiency can be provided by the reduction | decrease of a blade tip leakage flow and the improvement of the cooling performance of a blade tip surface.

参考例1に係るタービン動翼の翼端部と漏れ流れを表す図である。It is a figure showing the blade tip part and leakage flow of the turbine rotor blade concerning the reference example 1. 翼端漏れ流れ方向間隙部の断面を表す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing showing the cross section of a blade tip leak flow direction clearance gap. 溝方向の決定方法を表す図である。It is a figure showing the determination method of a groove direction. 冷却タービン動翼の翼端形状を表す図である。It is a figure showing the blade tip shape of a cooling turbine moving blade. 参考例2に係るタービン動翼の翼端形状を表す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a blade tip shape of a turbine blade according to Reference Example 2. 参考例2に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a derived form of a blade tip shape of a turbine rotor blade according to Reference Example 2. 参考例2に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a derived form of a blade tip shape of a turbine rotor blade according to Reference Example 2. 実施例に係るタービン動翼の翼端形状を表す図である。It is a diagram illustrating a turbine rotor blade tip shape according to the embodiment. 実施例に係るタービン動翼の翼端形状を表す図である。It is a figure showing the blade tip shape of the turbine rotor blade which concerns on an Example . 発電用ガスタービンシステムの概略図である。It is the schematic of the gas turbine system for electric power generation. ガスタービンの構造を表す概略部分断面図である。It is a schematic fragmentary sectional view showing the structure of a gas turbine. 冷却タービン翼のA−A断面図である。It is AA sectional drawing of a cooling turbine blade. 実施例に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。It is a figure showing the derivative form of the blade tip shape of the turbine rotor blade which concerns on an Example . 実施例に係るタービン動翼の翼端形状の派生形を表す図である。It is a figure showing the derivative form of the blade tip shape of the turbine rotor blade which concerns on an Example . タービン動翼の拡大図である。It is an enlarged view of a turbine rotor blade. タービン動翼の翼形状を表す図である。It is a figure showing the blade shape of a turbine rotor blade.

以下、実施例を図面を用いて説明する。先ず、本発明の前提となる参考例1及び参考例2を説明し、その後に本発明の実施例を説明する。
<参考例1>
Hereinafter, examples will be described with reference to the drawings. First, Reference Example 1 and Reference Example 2 which are the premise of the present invention will be described, and then Examples of the present invention will be described.
<Reference Example 1>

図10は発電用ガスタービンシステムの概略図である。発電用ガスタービンシステムは、主に圧縮機11、燃焼器12、タービン13、シャフト14から構成される。圧縮機11は、空気を吸込んで圧縮し、圧縮空気を生成する。燃焼器12は、圧縮機11で生成された圧縮空気と燃料とを燃焼させて高温ガスが発生させる。タービン13はこの高温ガスを作動ガスとして利用してエネルギーを回収する。   FIG. 10 is a schematic diagram of a power generation gas turbine system. The power generation gas turbine system mainly includes a compressor 11, a combustor 12, a turbine 13, and a shaft 14. The compressor 11 sucks air and compresses it to generate compressed air. The combustor 12 burns the compressed air and fuel generated by the compressor 11 to generate high-temperature gas. The turbine 13 recovers energy by using this high-temperature gas as a working gas.

タービン13は、作動ガスが有する圧力エネルギーを膨張させることによって運動エネルギーに変換し、その運動エネルギーが高まった作動ガスに動翼に対して仕事をさせて回転動力を発生させる。シャフト14を通してタービン13で発生する回転動力が圧縮機11に伝えられることで、タービン13で回収したエネルギーの一部が圧縮機の駆動に使用される。そして、タービン13で回収したエネルギーの余剰分は出力として利用され、例えば発電機の駆動に使用されて電力を発生させる。   The turbine 13 converts the pressure energy of the working gas into kinetic energy by expanding it, and causes the working gas having the increased kinetic energy to work on the moving blades to generate rotational power. Rotational power generated in the turbine 13 is transmitted to the compressor 11 through the shaft 14, so that a part of the energy recovered by the turbine 13 is used for driving the compressor. The surplus energy recovered by the turbine 13 is used as an output, for example, used for driving a generator to generate electric power.

図11にはガスタービンの概略部分断面図を示す。圧縮機11とタービン13はシャフト14を通してつながっており、その間には燃焼器12が存在する。タービン動翼21b、22b、23b、24bはタービンロータに取り付けられたプラットホーム部から半径位置が大きくなる方向に延びており、タービン静翼21n、22n、23n、24nはケーシング25側に支持されている。また、ケーシング25の、タービン動翼21b、22b、23b、24bの径方向外周にあたる位置には、それぞれ静止部材であるケーシングシュラウド31、32、33、34が取り付けられている。タービン動翼21n、22n、23n、24nの先端部とケーシングシュラウド31、32、33、34との間には、それぞれ間隙が存在する。   FIG. 11 shows a schematic partial cross-sectional view of the gas turbine. The compressor 11 and the turbine 13 are connected through a shaft 14 between which a combustor 12 exists. The turbine rotor blades 21b, 22b, 23b, and 24b extend from the platform portion attached to the turbine rotor in the direction of increasing the radial position, and the turbine stationary blades 21n, 22n, 23n, and 24n are supported on the casing 25 side. . Further, casing shrouds 31, 32, 33, and 34, which are stationary members, are attached to the casing 25 at positions corresponding to the outer circumference in the radial direction of the turbine rotor blades 21b, 22b, 23b, and 24b. There are gaps between the tip portions of the turbine rotor blades 21n, 22n, 23n, and 24n and the casing shrouds 31, 32, 33, and 34, respectively.

図15はタービン動翼の拡大図である。タービン動翼は、作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部51と、プラットホーム部51から延びる翼高さ50の翼形部と、プラットホーム部51の根元側に設けられているシャンク部52等で構成されている。図16はタービン動翼の翼形状を表わす図である。翼形部は、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面1と凸形状の負圧面2とで形作られており、タービンロータに取り付けられた動翼はタービン翼列を形成して作動ガスによって矢印60の方向に回転駆動される。また、翼前縁と翼後縁との距離55は軸コード長を表す。   FIG. 15 is an enlarged view of the turbine rotor blade. The turbine rotor blade includes a platform portion 51 that forms a working gas passage surface, an airfoil portion having a blade height of 50 extending from the platform portion 51, a shank portion 52 provided on the base side of the platform portion 51, and the like. Has been. FIG. 16 is a diagram showing the blade shape of the turbine rotor blade. The airfoil portion is formed by a concave pressure surface 1 and a convex suction surface 2 connecting the leading edge and the trailing edge, and the moving blades attached to the turbine rotor form a turbine blade row. It is rotationally driven in the direction of arrow 60 by the working gas. A distance 55 between the blade leading edge and the blade trailing edge represents the axial cord length.

図1は、参考例1に係るタービン動翼の翼端部を示す図である。タービン動翼の翼端部は、主に上述の正圧面1及び負圧面2と、翼形部のプラットホーム部51とは反対側の先端側の端面である翼端面3から構成される。翼端部とこれに対向する静止部材との間隙では、図中に破線の矢印で示すような翼端漏れ流れ5が発生する。参考例1では、このような翼端漏れ流れ5を抑制するための構成として、翼端面3に溝幅53の線状の溝4が設けられている。 FIG. 1 is a view illustrating a blade tip portion of a turbine rotor blade according to Reference Example 1. FIG. The blade tip portion of the turbine rotor blade is mainly composed of the pressure surface 1 and the suction surface 2 described above, and a blade end surface 3 which is an end surface on the tip side opposite to the platform portion 51 of the airfoil portion. In the gap between the blade tip and the stationary member facing the blade tip, a blade tip leakage flow 5 is generated as indicated by the dashed arrow in the figure. In Reference Example 1 , a linear groove 4 having a groove width 53 is provided on the blade end surface 3 as a configuration for suppressing such blade tip leakage flow 5.

図2はタービン動翼の翼端部と対向する静止部材6との間の間隙部を拡大した概略断面図である。図2に示すように、参考例1のタービン動翼は、漏れ流れ5の流れ方向に対してほぼ垂直に形成された複数の溝4を翼端面3に有する。このような参考例1の構成によれば、それぞれの溝4で発生する渦によって翼端間隙部の流れの侵入を妨げることができるため、漏れ流れ5の流量を低減させることができる。そして、漏れ流れが低減された分の作動ガスはタービン動翼に空気力を与えることによりタービンロータを回転させ、エネルギーを生み出すのに利用されることになる。そのため、漏れ流れ5の流量を低減させることにより、ガスタービン効率の向上を図ることができる。 FIG. 2 is an enlarged schematic cross-sectional view of the gap between the blade tip of the turbine rotor blade and the stationary member 6 facing the blade tip. As shown in FIG. 2, the turbine rotor blade of Reference Example 1 has a plurality of grooves 4 formed substantially perpendicular to the flow direction of the leakage flow 5 on the blade end surface 3. According to the configuration of the reference example 1 described above, the flow of the leakage flow 5 can be reduced because the vortex generated in each groove 4 can prevent the flow of the blade tip gap from entering. The working gas corresponding to the reduced leakage flow is used to generate energy by rotating the turbine rotor by applying aerodynamic force to the turbine blades. Therefore, the gas turbine efficiency can be improved by reducing the flow rate of the leakage flow 5.

図3はタービン動翼の翼端近傍の翼断面における翼面上圧力分布を示した図である。横軸は翼面上の位置を、縦軸は圧力を表している。そして、8a、8b、8c、8d、8e、8fはそれぞれ線状の溝4と翼正圧面1または負圧面2との交点8a’、8b’、8c’、8d’、8e’、8f’における圧力を表している。   FIG. 3 is a view showing the pressure distribution on the blade surface in the blade section near the blade tip of the turbine blade. The horizontal axis represents the position on the blade surface, and the vertical axis represents the pressure. 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, and 8f are respectively intersections 8a ′, 8b ′, 8c ′, 8d ′, 8e ′, and 8f ′ of the linear groove 4 and the blade pressure surface 1 or suction surface 2. Represents pressure.

図3に示す通り、参考例1のタービン動翼では、線状の溝4の両端の圧力、即ち、8aと8b、8cと8d、8eと8fの圧力の値はそれぞれ等しくなっている。この場合、溝方向に圧力勾配がほとんど存在しないため溝内に流れが発生しにくくなる。そのため溝4を備えたことにより、正圧面から負圧面に向けて溝内を空気が漏れるといった問題は発生しにくい。なお、溝は1本以上設置されるが本数に特に制限はない。溝の間隔は等間隔の場合もあるが、不均一に設置する場合もある。 As shown in FIG. 3, in the turbine rotor blade of Reference Example 1 , the pressures at both ends of the linear groove 4, that is, the pressure values of 8a and 8b, 8c and 8d, and 8e and 8f are equal. In this case, since there is almost no pressure gradient in the groove direction, it is difficult for flow to occur in the groove. Therefore, since the groove 4 is provided, the problem that air leaks from the pressure surface toward the suction surface is unlikely to occur. One or more grooves are provided, but the number is not particularly limited. The intervals between the grooves may be equal, but may be unevenly arranged.

ここで、図3に示す通り、翼面状の圧力変化の様子は正圧面側と負圧面側とで異なっている。ほぼ単調に減少する正圧面側の圧力に対し、負圧面側の圧力は翼の後半部分で極小値をとる形で変化しているため、特に翼の後半部分で正圧面側と負圧面側との間の圧力差が大きくなる。したがって、翼の後半部分における漏れ流れを抑制することが重要となる。   Here, as shown in FIG. 3, the state of the blade surface pressure change is different between the pressure surface side and the suction surface side. The pressure on the suction side changes in such a way that it takes a minimum value in the latter half of the wing, whereas the pressure on the suction side decreases almost monotonously. The pressure difference between becomes larger. Therefore, it is important to suppress the leakage flow in the latter half of the blade.

そこで参考例1のタービン翼は、翼端部に設けられる溝4の一つとして両端が負圧面と交わる溝4aを備えている。正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分では、負圧面側の圧力が正圧面側の最小圧力よりも小さくなる。そのため、この範囲において両端の圧力が等しくなるように溝4を配置して漏れ流れの低減を図るには、両端が8e’及び8f’のように共に負圧面と交わるような溝4aを配置することが有効である。 Therefore, the turbine blade of Reference Example 1 includes a groove 4a whose both ends intersect with the suction surface as one of the grooves 4 provided at the blade end. In the latter half of the blade where the pressure difference between the pressure surface and the suction surface becomes large, the pressure on the suction surface side becomes smaller than the minimum pressure on the pressure surface side. Therefore, in order to reduce the leakage flow by arranging the grooves 4 so that the pressures at both ends are equal in this range, the grooves 4a such that both ends intersect the suction surface, such as 8e 'and 8f', are arranged. It is effective.

両端が共に負圧面と交わる4aを1本以上備えた参考例1の構成によれば、正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分における漏れ流れを抑制することができ、漏れ流れ全体の流量を効果的に低減することができ、タービンの効率を向上させることができる。 According to the configuration of Reference Example 1 including one or more 4a whose both ends intersect with the suction surface, leakage flow in the latter half of the blade where the pressure difference between the pressure surface and the suction surface becomes large can be suppressed. The flow rate of the entire leakage flow can be effectively reduced, and the efficiency of the turbine can be improved.

さらに、正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分に複数の溝4、4aを密に配置することで効果的に漏れ流れを抑制できる。反対にこの部分にのみ1本の溝4aを配置した場合には少ないコストで高い漏れ流れ抑制効果を得ることができる。   Furthermore, the leakage flow can be effectively suppressed by densely arranging the plurality of grooves 4 and 4a in the latter half of the blade where the pressure difference between the pressure surface and the suction surface is large. On the contrary, when the single groove 4a is disposed only in this portion, a high leakage flow suppressing effect can be obtained at a low cost.

なお、翼面上の圧力分布は前縁近傍で最大となり負圧面側で最小となるが、翼面の最大圧力と最小圧力との差を最大圧力差9としたとき、両端部の圧力差が最大圧力差9の10%以下となるように溝4、4aを形成することにより、溝内の流れを効果的に抑制することができる。   The pressure distribution on the blade surface is maximum near the leading edge and minimum on the suction surface side. However, when the difference between the maximum pressure on the blade surface and the minimum pressure is 9 as the maximum pressure difference, the pressure difference at both ends is By forming the grooves 4 and 4a so as to be 10% or less of the maximum pressure difference 9, the flow in the grooves can be effectively suppressed.

また、設計等の都合により溝の両端部に圧力差が生じる場合には、両端部のうち、より後縁側に位置する端部における圧力が小さくなるように溝を配置し、溝の圧力分布が後縁側に行くに従って小さくなるようにすることが望ましい。このように設定することで、溝内では前縁側から後縁側に向かう流れが誘起されて溝内流れが翼正圧面または翼負圧面から放出されることとなるが、放出される流れと主流とのなす角度を小さく抑えられるため、損失が大きくなることを回避することができる。   In addition, when a pressure difference occurs at both ends of the groove due to the design, etc., the groove is arranged so that the pressure at the end located on the rear edge side of both ends is reduced, and the groove pressure distribution is It is desirable to make it smaller as it goes to the trailing edge side. By setting in this way, a flow from the leading edge side to the trailing edge side is induced in the groove, and the flow in the groove is discharged from the blade pressure surface or the blade suction surface. Therefore, the increase in loss can be avoided.

タービン動翼先端部において、前記正圧面から前記負圧面に向かって発生する漏れ流れは、正圧面と翼端面が交わる位置で一度剥離をした後に、再付着する。剥離した領域の厚さは、翼高さの0.4%%程度である。そのため溝の深さは、翼高さの0.4%%程度、溝幅は、軸コード長の0.4%%程度とすると各溝の位置で発生する剥離による渦の発生が翼端漏れ流れを防ぐため、より効果的に翼端漏れ流れを低減できる。一方、溝の深さや幅を必要以上に大きくした場合、翼面の面積を減少させる必要等が生じ、これにより十分なタービン効率の向上が見込めなくなる恐れがある。そのため、溝の深さは翼高さ50の1%以下の範囲、溝の幅は軸コード長55の1%以下の範囲で設定すると良い。   At the turbine rotor blade tip, the leakage flow generated from the pressure surface toward the suction surface peels off once at the position where the pressure surface and the blade end surface intersect, and then reattaches. The thickness of the peeled area is about 0.4% of the blade height. Therefore, if the groove depth is about 0.4 %% of the blade height and the groove width is about 0.4 %% of the shaft cord length, the generation of vortices due to separation occurring at the position of each groove will cause blade tip leakage. Since the flow is prevented, the tip leakage flow can be reduced more effectively. On the other hand, when the depth and width of the groove are increased more than necessary, it is necessary to reduce the area of the blade surface, and there is a risk that sufficient turbine efficiency cannot be expected. Therefore, the groove depth is preferably set within a range of 1% or less of the blade height 50, and the groove width is set within a range of 1% or less of the shaft cord length 55.

また、溝は直線である場合もあるし、曲線の場合もある。さらには、折れ線としても良い。なお、図14のように、溝を上流側にせり出した格好に曲線を設定することにより、溝端8a’’,8b’’の圧力が溝中央部に比べて低くなり、溝内への主流空気の流入を抑制することができる。当然、溝を折れ線状とする場合にも、上流側にせり出した格好で折れ線を設定することでも同様の効果が得られる。   Further, the groove may be a straight line or a curved line. Furthermore, it may be a polygonal line. In addition, as shown in FIG. 14, by setting the curve so that the groove protrudes to the upstream side, the pressure at the groove ends 8a '' and 8b '' becomes lower than that at the center of the groove, and the mainstream air into the groove Inflow can be suppressed. Naturally, even when the groove is formed in a polygonal line shape, the same effect can be obtained by setting a polygonal line protruding in the upstream side.

さらに、溝4は翼正圧面または負圧面と交わる位置で開放されているため、ケーシングとの摩擦熱により加熱された流体が翼端部にとどまり、翼端部を加熱するといった問題が生じにくい。したがって、冷却空気量の削減が可能となり、これによりタービン効率を向上させることができる。
<参考例2>
Further, since the groove 4 is opened at a position where it intersects the blade pressure surface or the suction surface, the problem is that the fluid heated by the frictional heat with the casing stays at the blade tip and heats the blade tip. Therefore, it is possible to reduce the amount of cooling air, thereby improving the turbine efficiency.
<Reference Example 2>

図5は、参考例2におけるタービン動翼の翼端形状を示す構成図である。参考例2では、翼端面に凹凸を付ける手段として、線状の溝を設けるのではなく、幅54の線状のリブ10を設けている。漏れ流れ方向に対してほぼ垂直に複数の凸部を有すると、それぞれの凸部により渦が発生することで翼端間隙部の流れの侵入を妨げ、翼端漏れ流れの流量を低減させるというものである。 FIG. 5 is a configuration diagram illustrating a blade tip shape of a turbine rotor blade in Reference Example 2. In Reference Example 2 , a linear rib 10 having a width of 54 is provided instead of providing a linear groove as means for making the blade end surface uneven. If there are multiple protrusions almost perpendicular to the leakage flow direction, vortices are generated by each protrusion to prevent the flow of the tip clearance and to reduce the flow rate of the tip leakage flow. It is.

参考例1で説明したのと同様に、リブの方向に圧力勾配がほとんど存在しないようにするとリブとリブの間の凹部にリブの方向に沿った流れが発生しにくくなる。そのためリブとリブの間の凹部を、正圧面から負圧面に向けて空気が漏れるといった問題が発生しにくい。 As described in Reference Example 1, if there is almost no pressure gradient in the direction of the rib, a flow along the direction of the rib is less likely to occur in the recess between the ribs. Therefore, the problem that air leaks from the pressure surface to the suction surface through the concave portion between the ribs is unlikely to occur.

また、参考例2のようにリブの両端が共に負圧面と交わる線状のリブ10aを1本以上備えることで、正圧面と負圧面との間の圧力差が大きくなる翼の後半部分における漏れ流れを抑制することができ、漏れ流れ全体の流量を効果的に低減することができる。そのため、参考例1の溝4aと同様に、タービン効率の向上が可能である。 Further, as in Reference Example 2 , when one or more linear ribs 10a each having both ends of the rib intersect with the suction surface are provided, the pressure difference between the pressure surface and the suction surface becomes large. The flow can be suppressed, and the flow rate of the entire leakage flow can be effectively reduced. Therefore, like the groove 4a of Reference Example 1, the turbine efficiency can be improved.

タービン動翼先端部において、前記正圧面から前記負圧面に向かって発生する漏れ流れは、正圧面と翼端面が交わる位置で一度剥離をした後に、再付着する。剥離した領域の厚さは、翼高さの0.4%%程度である。そのためリブの高さとして翼高さ50の0.4%程度、リブの幅として、軸コード長55の0.4%程度を確保すると各リブの位置で発生する剥離による渦の発生が翼端漏れ流れを妨げることにより効果的に翼端漏れ流れを低減できる。一方、リブの高さや幅を必要以上に大きくした場合、翼面の面積を減少させる必要等が生じ、これにより十分なタービン効率の向上が見込めなくなる恐れがある。そのため、リブの高さは翼高さ50の1%以下の範囲、リブの幅は軸コード長55の1%以下の範囲で設定すると良い。   At the turbine rotor blade tip, the leakage flow generated from the pressure surface toward the suction surface peels off once at the position where the pressure surface and the blade end surface intersect, and then reattaches. The thickness of the peeled area is about 0.4% of the blade height. Therefore, if a rib height of about 0.4% of the blade height 50 and a rib width of about 0.4% of the shaft cord length 55 are secured, the generation of vortices due to separation occurring at the positions of the ribs is caused. By preventing the leakage flow, the tip leakage flow can be effectively reduced. On the other hand, when the height and width of the rib are increased more than necessary, it is necessary to reduce the area of the blade surface, and there is a possibility that sufficient improvement in turbine efficiency cannot be expected. Therefore, the rib height is preferably set within a range of 1% or less of the blade height 50, and the rib width is set within a range of 1% or less of the shaft cord length 55.

先端間隙が変化して翼先端がケーシングに接触する場合、ケーシングと接するのはリブの部分のみであるため、参考例2を採用することで、参考例1と比べてケーシングとの接触面積が減少し、ケーシングの摩耗とケーシングとの摺動による翼端部の発熱を抑制することができる。したがって、冷却空気量の削減が可能となり、これによりタービン効率を向上させることができる。 When the tip clearance changes and the blade tip contacts the casing, only the rib portion contacts the casing, so adopting Reference Example 2 reduces the contact area with the casing compared to Reference Example 1. In addition, it is possible to suppress heat generation at the blade tip portion due to wear of the casing and sliding with the casing. Therefore, it is possible to reduce the amount of cooling air, thereby improving the turbine efficiency.

また、リブの形状として、図6のような円弧形状のリブ15や、図7のような三角形状のリブ16などを採用するとケーシングとの接触面積を更に減らすことができるため、摩擦による発熱を低減することが可能となる。なお、リブは直線である場合もあるし、曲線の場合もある。さらに、図8に示すような折れ線状のリブ35としても良い。   In addition, if the arc-shaped rib 15 as shown in FIG. 6 or the triangular rib 16 as shown in FIG. 7 is adopted as the rib shape, the contact area with the casing can be further reduced. It becomes possible to reduce. The rib may be a straight line or a curved line. Furthermore, it may be a polygonal rib 35 as shown in FIG.

図10に示したように、冷却空気は圧縮機中の空気の一部を抽気することにより取得され、タービン翼へと導かれる。冷却空気として抽気されたバイパス空気はタービンにおいて仕事にほとんど寄与しないため、冷却空気の増加は、ガスタービン性能の低下につながる。   As shown in FIG. 10, the cooling air is acquired by extracting a part of the air in the compressor and guided to the turbine blade. Since bypass air extracted as cooling air contributes little to work in the turbine, an increase in cooling air leads to a decrease in gas turbine performance.

ガスタービン動翼は、内部に中空部を有し、中空部に冷却媒体を流して翼を内部から冷却するように形成された翼形部を構成している場合がある。図4に冷却のために内部が中空となっているタービン翼の翼端形状を示す。また、図12には図4に示したタービン動翼のAA断面図を示す。   The gas turbine rotor blade may have an airfoil portion formed so as to have a hollow portion therein and to flow a cooling medium in the hollow portion to cool the blade from the inside. FIG. 4 shows the blade tip shape of a turbine blade whose inside is hollow for cooling. FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line AA of the turbine rotor blade shown in FIG.

圧縮機から導かれた冷却空気は開口部36、37よりタービン翼内部に導入され、タービン翼内部の中空部(冷却流路)をそれぞれ矢印38、39の方向に流れていく。その際、タービン翼からの熱を吸収することで、翼メタル温度を低減する。タービン翼内部の冷却流路を流れた冷却空気は、その後、翼前縁部に配置された複数の冷却孔40から噴出することで翼前縁部を冷却したり、翼後縁部の噴孔42から噴出したり、または翼端部に配置された冷却孔7から噴出したりすることでガスパス路に排出される。   The cooling air guided from the compressor is introduced into the turbine blades through the openings 36 and 37, and flows through the hollow portions (cooling flow paths) inside the turbine blades in the directions of arrows 38 and 39, respectively. At that time, the blade metal temperature is reduced by absorbing heat from the turbine blade. The cooling air that has flowed through the cooling flow path inside the turbine blade is then ejected from a plurality of cooling holes 40 arranged at the blade leading edge to cool the blade leading edge or the blade trailing edge nozzle By ejecting from 42 or ejecting from the cooling hole 7 disposed at the blade tip, the gas is discharged into the gas path.

冷却空気の一部は矢印41のように、翼端の溝4に設けられた冷却孔7から噴出される。図9は本実施例における翼端形状を示す構成図の例である。参考例1のように溝を設けた場合には、図9のように溝4に冷却孔7を設け、ここから冷却空気を噴出する。一方、参考例2のようにリブを設けた場合は、図8のように隣り合うリブ同士の間の領域にあたる翼端面3に冷却孔7を設ける。 A part of the cooling air is ejected from the cooling hole 7 provided in the blade tip groove 4 as indicated by an arrow 41. FIG. 9 is an example of a configuration diagram showing the blade tip shape in the present embodiment . When the groove is provided as in Reference Example 1, the cooling hole 7 is provided in the groove 4 as shown in FIG. 9, and the cooling air is ejected therefrom. On the other hand, when the rib is provided as in Reference Example 2, the cooling hole 7 is provided in the blade end surface 3 corresponding to the region between the adjacent ribs as shown in FIG.

参考例1や参考例2でそれぞれ説明したタービン動翼は、スキーラ翼とは異なり、溝やリブとリブの間の凹空間は翼正圧面または負圧面と交わる位置で開放されているため、ケーシングとの摩擦熱により加熱された流体が翼端部にとどまり、翼端部を加熱するといった問題が生じにくい。その上、溝やリブの存在により、冷却孔7より噴出された冷却空気は、冷却孔を有する溝内もしくはリブとリブの間にとどまりやすい。そのため、それぞれの冷却孔から噴出される冷却空気量を調整することにより、それぞれの冷却孔の属する溝内もしくはリブとリブの間付近の金属温度を制御できる。高温部の冷却孔の径を大きくして冷却空気量を増やす一方、それほど高温でない部分の冷却孔の径は小さくして冷却空気量を減らすことにより翼端面全域に渡って熱負荷を許容範囲内に抑えることが可能になる。加えて、必要最低限の冷却空気しか噴出する必要がなくなり、冷却空気量の削減に寄与する。 Unlike the squealer blades, the turbine blades described in Reference Example 1 and Reference Example 2 are open at the positions where the grooves or ribs and the concave spaces between the ribs intersect with the blade pressure surface or the suction surface. The problem is that the fluid heated by the frictional heat stays at the blade tip and heats the blade tip. In addition, due to the presence of the grooves and ribs, the cooling air ejected from the cooling holes 7 tends to stay in the grooves having the cooling holes or between the ribs and the ribs. Therefore, by adjusting the amount of cooling air ejected from each cooling hole, the metal temperature in the groove to which each cooling hole belongs or between the ribs can be controlled. While increasing the cooling hole diameter in the high temperature part to increase the cooling air volume, reducing the cooling air volume by reducing the cooling hole diameter in the part where the temperature is not so high, the thermal load can be kept within the allowable range over the entire blade end face. It becomes possible to suppress to. In addition, it is not necessary to eject only a minimum amount of cooling air, which contributes to a reduction in the amount of cooling air.

以下にいくつか例を示す。図8において、くの字型の凹部3の屈折部分は溝内で最も圧力が高くなっており、そこに冷却孔7を設けると、溝内に冷却空気を沿わせて流すことができる。図14のような曲線の場合にも同様の効果が期待できる。または、上流側の翼面との交差位置の圧力値8aが下流側の翼面との交差位置8bの圧力値に比べ、全圧力幅9の0%以上10%以下の範囲で高い状態に設定し、図13のように溝内で最も圧力の高い8a近くに冷却孔を設けると、冷却空気は8aから8b方向へと溝内をながれ、溝付近を効果的に冷却することができる。   Some examples are shown below. In FIG. 8, the refracted portion of the U-shaped concave portion 3 has the highest pressure in the groove, and if the cooling hole 7 is provided there, the cooling air can flow along the groove. A similar effect can be expected in the case of a curve as shown in FIG. Alternatively, the pressure value 8a at the position of intersection with the upstream blade surface is set to be higher in the range of 0% to 10% of the total pressure width 9 than the pressure value at the intersection position 8b with the downstream blade surface. If the cooling hole is provided near the highest pressure 8a in the groove as shown in FIG. 13, the cooling air flows in the groove from 8a to 8b, and the vicinity of the groove can be effectively cooled.

なお、以上の実施例は蒸気タービンやジェットエンジン等においても適用可能である。   Note that the above embodiments can also be applied to steam turbines, jet engines, and the like.

1 動翼正圧面
2 動翼負圧面
3 動翼翼端面
4 翼端部の溝
5 翼端漏れ流れ
6 静止部材
7 冷却空気噴射孔
9 圧力差
10 翼端部のリブ
11 圧縮機
12 燃焼器
13 タービン
14 シャフト
15 円弧形状のリブ
16 三角形状のリブ
21n 第1段静翼
21b 第1段動翼
22n 第2段静翼
22b 第2段動翼
23n 第3段静翼
23b 第3段動翼
24n 第4段静翼
24b 第4段動翼
25 ケーシング
36開口部(前縁側)
37開口部(後縁側)
50タービン動翼の翼高さ
51プラットホーム部
52シャンク部
53 スリットの溝幅
54 リブの幅
55 軸コード長
60 回転方向
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rotating blade pressure surface 2 Rotating blade suction surface 3 Rotating blade blade end surface 4 Blade end groove 5 Blade end leakage flow 6 Static member 7 Cooling air injection hole 9 Pressure difference 10 Blade end rib 11 Compressor 12 Combustor 13 Turbine 14 Shaft 15 Arc-shaped rib 16 Triangular rib 21n First stage stationary blade 21b First stage stationary blade 22n Second stage stationary blade 22b Second stage stationary blade 23n Third stage stationary blade 23b Third stage stationary blade 24n Fourth stage stationary blade 24b Fourth stage Rotor 25 casing 36 opening (front edge side)
37 opening (rear edge side)
50 Turbine blade height 51 Platform portion 52 Shank portion 53 Slit groove width 54 Rib width 55 Shaft cord length 60 Direction of rotation

Claims (10)

作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備えたタービン動翼であって、
前記翼形部は、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、
前記翼端面に線状の溝を1本以上有し、1本以上の前記溝の両端が前記負圧面と交わり、
前記タービン動翼の内部に中空部を有し、前記中空部に冷却媒体を導入する開口部と、前記中空部に導入された冷却媒体を前記タービン動翼の外部に噴出する冷却孔とを備え、
前記冷却孔が、前記翼端面に設けられた前記溝に配置されていることを特徴とするタービン動翼。
A turbine rotor blade comprising a platform portion forming a working gas passage surface and an airfoil portion extending from the platform portion;
The airfoil portion includes a concave pressure surface and a convex suction surface connecting the leading edge and the trailing edge, and a blade end surface serving as a tip side end surface opposite to the platform portion,
The tip surface has a linear groove 1 or more, Ri both ends of the groove than one is Majiwa and the negative pressure surface,
The turbine rotor blade has a hollow portion, and includes an opening for introducing a cooling medium into the hollow portion, and a cooling hole for ejecting the cooling medium introduced into the hollow portion to the outside of the turbine rotor blade. ,
The turbine rotor blade according to claim 1, wherein the cooling hole is disposed in the groove provided in the blade end face .
作動ガスの通路面を形成するプラットホーム部と、前記プラットホーム部から延びる翼形部とを備えたタービン動翼であって、
前記翼形部は、前縁と後縁とを接続する凹形状の正圧面と凸形状の負圧面と、前記プラットホーム部と反対側の先端側端面となる翼端面とを備え、
前記翼端面に線状のリブを複数本有し、複数本の前記リブの両端が前記負圧面と交わり、
前記タービン動翼の内部に中空部を有し、前記中空部に冷却媒体を導入する開口部と、前記中空部に導入された冷却媒体を前記タービン動翼の外部に噴出する冷却孔とを備え、
前記冷却孔が、前記翼端面に設けられた隣り合った前記リブ同士の間に配置されていることを特徴とするタービン動翼。
A turbine rotor blade comprising a platform portion forming a working gas passage surface and an airfoil portion extending from the platform portion;
The airfoil portion includes a concave pressure surface and a convex suction surface connecting the leading edge and the trailing edge, and a blade end surface serving as a tip side end surface opposite to the platform portion,
The tip plurality have a linear rib surface, Ri across a plurality of said ribs is Majiwa and the negative pressure surface,
The turbine rotor blade has a hollow portion, and includes an opening for introducing a cooling medium into the hollow portion, and a cooling hole for ejecting the cooling medium introduced into the hollow portion to the outside of the turbine rotor blade. ,
The turbine rotor blade according to claim 1, wherein the cooling hole is disposed between the adjacent ribs provided on the blade end face .
請求項1に記載のタービン動翼において、
前記溝は、その両端が前記正圧面または前記負圧面と交わると共に、前記正圧面または前記負圧面との交点における翼面上圧力が等しくなるように配置されていることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 1 ,
The groove is arranged such that both ends of the groove intersect the pressure surface or the suction surface and the blade surface pressures at the intersections with the pressure surface or the suction surface are equal. .
請求項2に記載のタービン動翼において、
前記リブは、その両端が前記正圧面または前記負圧面と交わると共に、前記正圧面または前記負圧面との交点における翼面上圧力が等しくなるように配置されていることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 2 , wherein
The rib is disposed such that both ends of the rib intersect the pressure surface or the suction surface and the blade surface pressures at the intersections with the pressure surface or the suction surface are equal. .
請求項1に記載のタービン動翼において、
前記溝は、その両端が前記正圧面または前記負圧面と交わると共に、前記正圧面における圧力の最大値と前記負圧面における圧力の最小値との差を100%としたときに、前記正圧面または前記負圧面との交点における翼面上の圧力差が、10%以下の範囲内であることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 1 ,
Said groove has its both ends intersecting the pressure surface or the suction side, the difference between the minimum value of the pressure at the maximum value and the previous Kimake surfaces of the pressure in the positive pressure surface is taken as 100%, the positive pressure surface Alternatively, the turbine blade according to claim 1, wherein a pressure difference on the blade surface at an intersection with the suction surface is within a range of 10% or less.
請求項2に記載のタービン動翼において、
前記リブは、その両端が前記正圧面または前記負圧面と交わると共に、前記正圧面における圧力の最大値と前記負圧面における圧力の最小値との差を100%としたときに、前記正圧面または前記負圧面との交点における翼面上の圧力差が、10%以下の範囲内であることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 2 , wherein
The rib has its ends intersects with the pressure surface or the suction side, the difference between the minimum value of the pressure at the maximum value and the previous Kimake surfaces of the pressure in the positive pressure surface is taken as 100%, the positive pressure surface Alternatively, the turbine blade according to claim 1, wherein a pressure difference on the blade surface at an intersection with the suction surface is within a range of 10% or less.
請求項1,3または5に記載のタービン動翼において、
それぞれの前記溝の深さが、翼高さの1%以下であることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 1, 3 or 5 ,
The turbine blade according to claim 1, wherein the depth of each of the grooves is 1% or less of the blade height.
請求項2,4または6に記載のタービン動翼において、
それぞれの前記リブの高さが、翼高さの1%以下であることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 2, 4 or 6 ,
A turbine rotor blade characterized in that the height of each rib is 1% or less of the blade height.
請求項1,3,5または7に記載のタービン動翼において、
それぞれの前記溝の幅が、翼の軸コード長の1%以下であることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 1, 3, 5, or 7 ,
The turbine rotor blade according to claim 1, wherein the width of each groove is 1% or less of the axial code length of the blade.
請求項2,4,6または8に記載のタービン動翼において、
それぞれの前記リブの幅が、翼の軸コード長の1%以下であることを特徴とするタービン動翼。
The turbine rotor blade according to claim 2, 4, 6 or 8 ,
The turbine rotor blade according to claim 1, wherein the width of each rib is 1% or less of the axial cord length of the blade.
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