專利名稱：燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種燃?xì)廨啓C(jī)(gas turbine)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
許多燃?xì)廨啓C(jī)用于從諸如發(fā)電這樣的普通工業(yè)到諸如直升機(jī)這樣的航空領(lǐng)域的 各種應(yīng)用。在燃?xì)廨啓C(jī)中，動(dòng)力通常通過噴射氣態(tài)燃料獲得，該氣態(tài)燃料由壓縮機(jī)以高溫壓 縮，在燃燒缸內(nèi)燃燒燃料，由此產(chǎn)生燃燒氣體、由靜葉片對燃燒氣體整流并將其引導(dǎo)到動(dòng)葉 片，由此使渦輪旋轉(zhuǎn)。近年，燃?xì)廨啓C(jī)要求高輸出和高效率，而引導(dǎo)到靜葉片和動(dòng)葉片的燃 燒氣體的溫度趨于變得更高。 但是，暴露至燃燒氣體的相應(yīng)構(gòu)件(包括靜葉片和動(dòng)葉片)的耐熱性能受到它們 的材料的限制。由此，如果僅僅通過提高燃燒氣體的溫度而獲得高輸出和高效率，可導(dǎo)致諸 如靜葉片和動(dòng)葉片這樣的相應(yīng)構(gòu)件的強(qiáng)度降低。在這些條件下，通常的做法是設(shè)置冷卻通 道，用于在靜葉片和動(dòng)葉片的每個(gè)的內(nèi)部流通有諸如空氣或蒸汽的冷卻介質(zhì)。通過這樣做， 可嘗試確保耐熱性并冷卻靜葉片和動(dòng)葉片，且獲得燃燒氣體的高溫，由此增加輸出和效率。
用于增加熱傳遞系數(shù)的紊流器(turbulator)設(shè)置在上述冷卻通道中。這些紊流 器設(shè)置為多級，它們相對于冷卻通道的延伸方向傾斜一預(yù)定角度，即，設(shè)置為交叉冷卻介質(zhì) 的流動(dòng)方向，由此使得流入冷卻通道的冷卻介質(zhì)形成紊流，并形成沿紊流器行進(jìn)的二次流。 通過紊流器的作用，與冷卻通道的壁表面進(jìn)行熱交換的量增加，以增加熱傳遞系數(shù)并高效 地執(zhí)行葉片的冷卻。 燃?xì)廨啓C(jī)的如此傳統(tǒng)葉片冷卻結(jié)構(gòu)例如在專利文獻(xiàn)1中披露。
專利文獻(xiàn)1 :JP-A-2005-14713
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的問題 但是，對于燃?xì)廨啓C(jī)的傳統(tǒng)葉片冷卻結(jié)構(gòu)，冷卻介質(zhì)存在壓力損失的可能性，因?yàn)?除了紊流器之外，銷或凹部也設(shè)置在冷卻通道中，以便進(jìn)一步增加熱傳遞系數(shù)。換句話說， 通過設(shè)置銷或凹部，可以增強(qiáng)熱傳遞，但沒有任何措施來防止冷卻介質(zhì)的壓力損失。因?yàn)槔?卻介質(zhì)的壓力損失通過它們的設(shè)置而增加，葉片的冷卻性能可下降。 因此在設(shè)置燃?xì)廨啓C(jī)的裝備有紊流器的葉片冷卻結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)采取矯正性措施來實(shí) 現(xiàn)矛盾的作用，即，增加熱傳遞系數(shù)和減小壓力損失。考慮到上述兩種作用，優(yōu)化冷卻元件 的設(shè)置是必要的，諸如紊流器和凹部。 本發(fā)明可獲得對上述問題的解決方式。本發(fā)明的目的是提供一種燃?xì)廨啓C(jī)的葉片
冷卻結(jié)構(gòu)，其可減小冷卻介質(zhì)的壓力損失，而不降低熱傳遞系數(shù)。 用于解決問題的技術(shù)方案 根據(jù)用于解決上述問題的本發(fā)明第一方面，燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)包括
冷卻通道，用于使冷卻介質(zhì)從葉片的近端朝向前端流動(dòng)；
3
多個(gè)紊流器，以相對于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向傾斜的方式設(shè)置在冷卻通道彼此相對 的兩個(gè)壁表面上；禾口 多個(gè)凹部，形成在一位置下游的區(qū)域中，該位置沿冷卻空氣的流動(dòng)方向從上游側(cè) 間隔開相鄰紊流器之間的冷卻通道的壁表面的長度的大致五分之二。 根據(jù)用于解決上述問題的本發(fā)明第二方面，燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)是根據(jù)第一 方面的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其中 凹部形成在當(dāng)冷卻介質(zhì)與紊流器碰撞時(shí)有二次流形成的流動(dòng)區(qū)域中。
本發(fā)明的作用 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)包括冷卻通道，用于使冷卻介
質(zhì)從葉片的近端朝向前端流動(dòng)；多個(gè)紊流器，以相對于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向傾斜的方式設(shè)
置在冷卻通道彼此相對的兩個(gè)壁表面上；和多個(gè)凹部，形成在一位置下游的區(qū)域中，該位置
沿冷卻空氣的流動(dòng)方向從上游側(cè)間隔開相鄰紊流器之間的冷卻通道的壁表面的長度的大
致五分之二。由此，可以減小冷卻介質(zhì)的壓力損失，而不減小熱傳遞系數(shù)。 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)是根據(jù)第一方面的燃?xì)廨啓C(jī)的
葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其中凹部形成在當(dāng)冷卻介質(zhì)與紊流器碰撞時(shí)有二次流形成的流動(dòng)區(qū)域中。
由此，可使二次流容易地形成渦流。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的裝備有葉片冷卻結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片 的縱向截面視圖； 圖2是沿圖1的線I-I的箭頭方向截取的截面圖；
圖3是冷卻通道的示意圖； 圖4(a)至4(c):圖4(a)是作為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的
基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)的示意圖，并且還顯示了該基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)在冷卻期間的溫度分布的示意圖，圖4(b)
是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的示意圖，并且還顯示了該結(jié)構(gòu)在冷卻期
間的溫度分布的示意圖，圖4(c)是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的
示意圖，并且還顯示了該結(jié)構(gòu)在冷卻期間的溫度分布的示意圖； 圖5是顯示了圖4(a)至4(c)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)的圖表； 圖6是顯示了圖4(a)至4(c)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的壓力損失的圖表。附圖標(biāo)記說明
11動(dòng)葉片12近端部分13支承部14葉片部分15冷卻通道18背側(cè)壁部分19腹側(cè)壁部分20間隔壁21紊流器
4
22凹部G燃燒氣體A冷卻空氣二次流a角P節(jié)距6突出量W寬度H高度0中心位置M上游區(qū)域N下游區(qū)域
具體實(shí)施例方式
將基于所附附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)。圖1是根據(jù)本 發(fā)明實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的裝備有葉片冷卻結(jié)構(gòu)的燃?xì)廨啓C(jī)動(dòng)葉片的縱向截面視圖。圖2是 沿圖1的線I-I的箭頭方向截取的截面圖。圖3是冷卻通道的示意圖。圖4(a)是作為根 據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)的示意圖，并且還顯示了該基礎(chǔ) 結(jié)構(gòu)在冷卻期間的溫度分布的示意圖。圖4(b)是根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷 卻結(jié)構(gòu)的示意圖，并且還顯示了該結(jié)構(gòu)在冷卻期間的溫度分布的示意圖。圖4(c)是根據(jù)本 發(fā)明另一實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)的示意圖，并且還顯示了該結(jié)構(gòu)在冷卻期間的 溫度分布的示意圖。圖5是顯示了圖4(a)至4(c)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)的圖表。圖 6是顯示了圖4(a)至4(c)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的壓力損失的圖表。 圖1至3所示的動(dòng)葉片11由可旋轉(zhuǎn)地設(shè)置在燃?xì)廨啓C(jī)(未示出)中的轉(zhuǎn)子支承。 從燃燒器引入到渦輪的高溫高壓燃燒氣體G從前邊緣側(cè)供應(yīng)，由此，動(dòng)葉片繞轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
動(dòng)葉片ll包括由轉(zhuǎn)子支承的近端部分12，和與近端部分12經(jīng)由支承部13—體形 成的葉片部分14。動(dòng)葉片11的內(nèi)部設(shè)置有冷卻通道15，該冷卻通道從近端部分12延伸到 葉片部分14且包括彼此連通的三個(gè)通道。 冷卻通道15具有入口 16和出口 17，該入口與形成在轉(zhuǎn)子內(nèi)的流體通道(未示出) 連通并供應(yīng)冷卻空氣A，該出口在葉片部分14的前端開口。冷卻通道15的整個(gè)長度由構(gòu)成 葉片部分14的背側(cè)壁部分18、腹側(cè)壁部分19和間隔壁20形成。冷卻通道15沿寬度方向 的長度形成為W，冷卻通道15沿高度方向的長度形成為H。 在冷卻通道15的背側(cè)壁部分18和腹側(cè)壁部分19的兩個(gè)壁表面上，多個(gè)紊流器21 沿冷卻通道15的延伸方向(沿冷卻空氣A的流動(dòng)方向)以相等節(jié)距P設(shè)置為多級。該紊 流器21從冷卻通道15的壁表面突出一預(yù)定突出量(高度)，e，且延伸通過冷卻通道15的 寬度W，并相對于冷卻通道15的延伸方向形成預(yù)定角度a 。這意味著，紊流器21設(shè)置為交 叉冷卻空氣A的流動(dòng)方向。 多個(gè)圓形凹部22設(shè)置在冷卻通道15的壁表面上。這些凹部22形成在相鄰紊流 器21之間的冷卻通道15的壁表面上沿流動(dòng)方向(冷卻通道15的延伸方向)的中心位置O(即，節(jié)距P的中心位置O)下游的區(qū)域N中(該區(qū)域N此后將稱為下游區(qū)域N)。中心位 置0上游的區(qū)域?qū)⒎Q為M(該區(qū)域?qū)⒃诖撕蠓Q為上游區(qū)域M)。 因此，通過賦予上述特征，從轉(zhuǎn)子內(nèi)的流體通道引入冷卻通道15的入口 16中的冷 卻空氣A朝向葉片部分14流動(dòng)，在葉片部分14的前端轉(zhuǎn)向，并朝向近端部分12流動(dòng)。然 后，冷卻空氣A在支承部13附近再次轉(zhuǎn)向，朝向葉片部分14流動(dòng)并從出口 17離開。然后， 冷卻空氣A與沿動(dòng)葉片11的外周邊緣流動(dòng)的燃燒氣體匯合。如在此所示，冷卻空氣A流動(dòng) 通過冷卻通道15，由此其與冷卻通道15的壁表面進(jìn)行熱交換，以冷卻動(dòng)葉片11。
當(dāng)冷卻空氣A流動(dòng)通過冷卻通道15，如以上所述，冷卻空氣A與每個(gè)紊流器21碰 撞。在冷卻空氣A與紊流器21碰撞時(shí)，渦流(渦旋的流)在紊流器21的下游側(cè)形成，流動(dòng) 以便沿紊流器21的延伸方向行進(jìn)的二次流a形成在紊流器21之間。即，二次流a以一方 式流動(dòng)，該方式是在冷卻空氣A的渦流形成的下游側(cè)區(qū)域處交叉冷卻空氣A的流動(dòng)方向。 二次流a以比作為主流的冷卻空氣A流的流速慢的流速流動(dòng)，并且以較低的流動(dòng)速度行進(jìn)。 該二次流a行進(jìn)過凹部22，從而渦流通過凹部22的凹進(jìn)形成，由此也對二次流a擾動(dòng)。結(jié) 果，與冷卻通道15的壁表面的熱交換量增加，由此流動(dòng)通過冷卻通道15的冷卻空氣A和二 次流a的熱傳遞系數(shù)增加。 接下來，將利用圖4(a)至4(c)至圖6解釋根據(jù)本發(fā)明的燃?xì)廨啓C(jī)的上述葉片冷 卻結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)和壓力損失。具體地，這些結(jié)構(gòu)的節(jié)距P階梯式地變化(Pi < P2 < P3)， 且角度a 、冷卻通道15的寬度W和高度H以及紊流器21的突出量e保持恒定，這些結(jié)構(gòu)如 圖4(a)至4(c)所示。每個(gè)這些結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)和壓力損失如圖5和6所示，用于比較 研究。 如圖4(a)所示的結(jié)構(gòu)具有紊流器21，其沿冷卻通道15的延伸方向以相等節(jié)距P工 設(shè)置為多級。中心位置(^位于節(jié)距P工的中心，該中心位置(^上游的區(qū)域?yàn)樯嫌螀^(qū)域Mp中 心位置下游的區(qū)域?yàn)橄掠螀^(qū)域N1Q在該構(gòu)造中冷卻期間的冷卻通道15的壁表面上的溫 度分布顯示出從中心位置C^向外逐漸變高的溫度分布。這意味著由紊流器21產(chǎn)生的冷卻 空氣A的渦流出現(xiàn)在上游區(qū)域M工中并發(fā)展到中心位置(^中。 如圖4(b)所示的結(jié)構(gòu)是這種結(jié)構(gòu)，其中紊流器21沿冷卻通道15的延伸方向以相 等節(jié)距P2設(shè)置為多級，且多個(gè)凹部22設(shè)置在節(jié)距P2的中心位置02下游的下游區(qū)域N2中。 中心位置02的上游側(cè)為上游區(qū)域M2。在該構(gòu)造中冷卻期間的冷卻通道15的壁表面上的溫 度分布顯示出這樣的溫度分布大致從上游區(qū)域M2的中心朝向外側(cè)逐漸變高且大致從下游 區(qū)域N2的中心朝向外側(cè)逐漸變高。這意味著由紊流器21產(chǎn)生的冷卻空氣A的渦流出現(xiàn)在 上游區(qū)域M2中，且由凹部22產(chǎn)生的二次流的渦流出現(xiàn)在下游區(qū)域^中。
如圖4(c)所示的結(jié)構(gòu)是這種結(jié)構(gòu)，其中紊流器21沿冷卻通道15的延伸方向以相 等節(jié)距P3設(shè)置為多級，且多個(gè)凹部22設(shè)置在節(jié)距P3的中心位置03下游的下游區(qū)域N3中。 中心位置03的上游側(cè)為上游區(qū)域M3。在該構(gòu)造中冷卻期間的冷卻通道15的壁表面上的溫 度分布顯示出這樣的溫度分布大致從上游區(qū)域M3的中心朝向外側(cè)逐漸變高且大致從下游 區(qū)域A的中心朝向外側(cè)逐漸變高。這意味著由紊流器21產(chǎn)生的冷卻空氣A的渦流出現(xiàn)在 上游區(qū)域Ms中，且由凹部22產(chǎn)生的二次流的渦流出現(xiàn)在下游區(qū)域&中。
圖4(a)至4(c)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)在圖5中示出。圖5顯示了表面上的 平均熱傳遞系數(shù)。如果具有圖4(a)的結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)被取為參考值(=l.O)，可發(fā)現(xiàn)該熱傳遞系數(shù)基本等于圖4(b)和4(c)中的結(jié)構(gòu)的熱傳遞系數(shù)。即，圖4(a)至4(b)的結(jié)構(gòu)的溫度分布相對于中心位置02、 03在上游側(cè)到下游側(cè)幾乎對稱。由此，熱傳遞系數(shù)在任何結(jié)構(gòu)中均未改變。即使節(jié)距P變長，可以保持幾乎一致的熱傳遞系數(shù)，因?yàn)橥ㄟ^將凹部22設(shè)置在存在二次流的下游區(qū)域NpN^A中，在相鄰紊流器21之間的冷卻通道15的壁表面可以保持在幾乎恒定的溫度。 考慮沒有形成凹部22的情況，如圖4(a)的結(jié)構(gòu)那樣。通過這樣的結(jié)構(gòu)，發(fā)生二次流a，但這些二次流a以比形成主流的冷卻空氣A流速慢的流速流動(dòng)，并且低的流動(dòng)速度行進(jìn)。由此，與冷卻通道15的壁表面的熱交換量較小，從而下游區(qū)域K的熱傳遞系數(shù)降低。因而，相鄰紊流器21之間的冷卻通道15的壁表面上的熱傳遞系數(shù)變得非一致。
接下來，將參考圖6研究圖4(a)至4(c)中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)的壓力損失。如果圖4(a)的結(jié)構(gòu)的壓力損失被取為參考值(=1.0)，可發(fā)現(xiàn)圖4(b)的結(jié)構(gòu)的壓力損失大約為0.8，圖4(c)中的結(jié)構(gòu)的壓力損失大約為0.6。 S卩，節(jié)距P越長，壓力損失越小。即使形成凹部22，這些凹部22形成在下游區(qū)域^、N3中，在該區(qū)域中存在低的流速和低的流動(dòng)速度的二次流。由此，壓力損失的增加可以被避免。 因此，根據(jù)本發(fā)明所關(guān)注的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)，凹部22設(shè)置在存在二次流a的區(qū)域中，從而可使二次流a被迫形成渦流。因而，紊流器21的節(jié)距P變長，由此壓力損失可以被減小，且不減小熱傳遞系數(shù)。 在本實(shí)施例中，凹部22形成在相鄰紊流器21之間的冷卻通道15的壁表面上的中心位置0的下游。但是，考慮到二次流a的流動(dòng)區(qū)域?qū)挾鹊钠?leeway)，凹部22可形成在一位置下游的區(qū)域中，該位置沿冷卻空氣A的流動(dòng)方向從上游側(cè)間隔相鄰紊流器21之間的冷卻通道15的壁表面的長度的大致五分之二。此外，凹部22定位在上述"五分之二"位置的下游處是足夠的，凹部22的數(shù)量、位置、形狀和深度在本發(fā)明中并不受限。此外，凹部22的數(shù)量、位置、形狀和深度可根據(jù)二次流a的流速和速度改變，由此將熱傳遞系數(shù)設(shè)置為期望值。 此外，本發(fā)明關(guān)注的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)也可應(yīng)用于燃?xì)廨啓C(jī)靜葉片。
工業(yè)應(yīng)用 本發(fā)明可應(yīng)用于意圖增加冷卻介質(zhì)的熱傳遞系數(shù)的冷卻設(shè)備。
權(quán)利要求
一種燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)，包括冷卻通道，用于使冷卻介質(zhì)從葉片的近端朝向前端流動(dòng)；多個(gè)紊流器，以相對于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向傾斜的方式設(shè)置在冷卻通道彼此相對的兩個(gè)壁表面上；和多個(gè)凹部，形成在一位置下游的區(qū)域中，該位置沿冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向從上游側(cè)間隔開相鄰紊流器之間的冷卻通道的壁表面的長度的大致五分之二。
2. 如權(quán)利要求1所述的燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其中，凹部形成在當(dāng)冷卻介質(zhì)與紊 流器碰撞時(shí)有二次流形成的流動(dòng)區(qū)域中。
全文摘要
提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)的葉片冷卻結(jié)構(gòu)，其中，冷卻介質(zhì)的壓力損失減小而不降低熱傳遞系數(shù)。該葉片冷卻結(jié)構(gòu)包括冷卻通道(15)，用于使冷卻介質(zhì)(A)從可動(dòng)葉片(11)的近端(12)朝向葉片部分(14)流動(dòng)；多個(gè)紊流器(21)，相對于冷卻介質(zhì)(A)的流動(dòng)方向傾斜地設(shè)置在冷卻通道(15)彼此相對的兩個(gè)壁表面上；和多個(gè)凹部(22)，形成在沿冷卻空氣(A)的流動(dòng)方向的中心位置(O)的下游區(qū)域(N)中且在相鄰紊流器(21)之間的冷卻通道(15)的壁表面上。
文檔編號(hào)F01D5/18GK101779001SQ20078010020
公開日2010年7月14日 申請日期2007年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2007年8月30日
發(fā)明者山本裕之, 末永潔, 松浦正昭, 椙下秀昭, 羽田哲, 藤村大悟, 鳥井俊介 申請人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社