專利名稱：渦輪葉片及發(fā)動機部件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及飛機發(fā)動機或工業(yè)用燃氣輪機發(fā)動機等燃氣輪機發(fā)動機所用的發(fā)動機部件，尤其涉及潤輪葉片(turbine b lade)。
背景技術(shù)：
通常，在燃氣輪機的工作中暴漏于燃燒氣體(combustion gas)(主流氣體(main-flow gas)的潤輪葉片利用從燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機或風(fēng)扇抽出的冷卻空氣(壓縮空氣的一部分)進行冷卻。另外，近年來，伴隨燃氣輪機發(fā)動機的高輸出化，具有燃燒氣體高溫化的傾向，期望渦輪葉片的冷卻的提高。在下述專利文獻I中，公開了提高渦輪葉片的冷卻的技術(shù)。在專利文獻I中公開的渦輪葉片的內(nèi)部形成有供冷卻空氣(壓縮空氣的一部分)流動的冷卻通道。在渦輪葉片的葉片表面上形成有在跨度方向(葉片高度方向)上延伸的有底槽(bottomed slot)。另外,在有底槽的底部(bottom)上沿跨度方向隔有間隔地形成有噴出冷卻空氣的多個噴出孔(ejection holes)。各噴出孔與冷卻通道連通。在燃氣輪機發(fā)動機的工作中，從壓縮機或風(fēng)扇抽出的冷卻空氣流入冷卻通道，渦輪葉片從其內(nèi)部通過對流冷卻(convective cooling)(內(nèi)部冷卻(internal cooling))進行冷卻。另外，對渦輪葉片進行對流冷卻的冷卻空氣從多個噴出孔噴出并形成覆蓋渦輪葉片的葉片表面的冷卻層(cooling film),潤輪葉片通過氣膜冷卻(film cooling)(外部冷卻(external cooling))進行冷卻。在此，通過從噴出孔噴出的冷卻空氣在有底槽內(nèi)在跨度方向上擴散，駐留在有底槽內(nèi)并吸收熱，離開有底槽而在較寬范圍內(nèi)形成冷卻層。其結(jié)果，渦輪葉片冷卻提高?，F(xiàn)有技術(shù)文獻專利文獻專利文獻I :美國專利第6234755號說明書

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明所要解決的課題在專利文獻I記載的渦輪葉片中，提高了渦輪葉片的冷卻，但在燃燒氣體通過有底槽時，與有底槽的下游側(cè)內(nèi)壁碰撞，并從葉片表面剝離。因此，渦輪葉片的空氣動力損失增大，燃氣輪機發(fā)動機的發(fā)動機效率下降。即，提高了渦輪葉片的冷卻，但難以充分地抑制發(fā)動機效率的下降。另外，上述問題除了渦輪葉片外，即使由冷卻空氣冷卻的覆蓋物等發(fā)動機部件也同樣會產(chǎn)生。本發(fā)明的目的在于提供能夠不導(dǎo)致效率下降地提高冷卻的渦輪葉片及發(fā)動機部件。用于解決課題的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的第一特征在于提供渦輪葉片，其用于燃氣輪機發(fā)動機的渦輪并由冷卻空氣冷卻，具備形成在上述渦輪葉片的內(nèi)部的、供冷卻空氣流動的冷卻通道、形成在上述渦輪葉片的葉片表面上的、下游側(cè)內(nèi)壁傾斜的多個有底孔、形成在多個上述有底孔的各個的底部上的、與上述冷卻通道連通并噴出上述冷卻空氣的噴出孔，以上述噴出孔的中心線沿上述下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成上述噴出孔。另外，潤輪葉片包括潤輪動葉片(turbine rotor blade)及潤輪靜葉片(turbinestator vane)。另外，葉片表面(blade surface)包括前緣(leading edge)、后緣(trailingedge)、腹面(pressure surface)及背面(suction surface)。另外，有底孔(bottomedrecess)包括有底槽(bottomed slot)。根據(jù)第一特征，在燃氣輪機發(fā)動機的工作中，當(dāng)冷卻空氣流入冷卻通道時，渦輪葉片從其內(nèi)部通過對流冷卻(內(nèi)部冷卻)進行冷卻。另外，對流冷卻后的冷卻空氣從多個噴出 孔噴出，形成覆蓋渦輪葉片的葉片表面的冷卻層。渦輪葉片由利用冷卻層進行的氣膜冷卻(外部冷卻)進行冷卻。在此，由于以有底孔的下游側(cè)內(nèi)壁傾斜，并且噴出孔的中心線沿下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成噴出孔，因此能夠不損壞渦輪葉片的葉片形狀(airfoil)地減小來自噴出孔的冷卻空氣的噴出角。其結(jié)果，能夠充分地得到冷卻空氣的附壁效果。另外，由于下游側(cè)內(nèi)壁傾斜，因此緩和燃燒氣體與下游側(cè)內(nèi)壁的碰撞，減少燃燒氣體從葉片表面的剝離。因此，能夠提高渦輪葉片的冷卻并減少渦輪葉片的空氣動力損失，充分地抑制效率下降。本發(fā)明的第二特征提供發(fā)動機部件，其用于燃氣輪機發(fā)動機并且由冷卻空氣冷卻，具備形成在上述發(fā)動機部件的內(nèi)部的、供冷卻空氣流動的冷卻通道、形成在上述發(fā)動機部件的表面的、下游側(cè)內(nèi)壁傾斜的多個有底孔、形成在多個上述有底孔的各個的底部上的、與上述冷卻通道連通并噴出上述冷卻空氣的噴出孔，以上述噴出孔的中心線沿上述下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成上述噴出孔。另外，發(fā)動機部件(engine component)包括潤輪葉片(包括潤輪動葉片及潤輪靜葉片)、覆蓋物(shroud)、燃燒器襯里(combustor liner)等。根據(jù)第二特征，在燃氣輪機發(fā)動機的工作中，當(dāng)冷卻空氣流入冷卻通道時，發(fā)動機部件從其內(nèi)部通過對流冷卻(內(nèi)部冷卻)冷卻。另外，對流冷卻后的冷卻空氣從多個噴出孔噴出，形成覆蓋發(fā)動機部件的表面的冷卻層。發(fā)動機部件由利用冷卻層進行的氣膜冷卻(夕卜部冷卻)冷卻。在此，由于以有底孔的下游側(cè)內(nèi)壁傾斜，并且噴出孔的中心線沿下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成噴出孔，因此能夠不損壞相對于在發(fā)動機部件周圍流動的燃燒氣體的、發(fā)動機部件的空氣動力的形狀/流體力學(xué)的形狀地減小來自噴出孔的冷卻空氣的噴出角。另外，由于下游側(cè)內(nèi)壁傾斜，因此緩和燃燒氣體與下游側(cè)內(nèi)壁的碰撞，減少燃燒氣體從葉片表面的剝離。因此，能夠提高發(fā)動機部件的冷卻且減少由發(fā)動機部件產(chǎn)生的燃燒氣流的損失，充分地抑制效率下降。


圖I是第一實施方式的渦輪動葉片的立體圖。圖2是上述潤輪動葉片的沿跨度方向(span direction)的縱剖視圖。
圖3 (a)是圖I的III-III線剖視圖，圖3 (b)及圖3 (C)是表示圖3 Ca)的有底孔的形狀變形例的剖視圖。圖4 Ca)是表示噴出孔的形狀變形例的剖視圖，圖4 (b)是表示噴出孔的形狀變形例的俯視圖。圖5是第二實施方式的渦輪動葉片的立體圖。圖6 (a)是第三實施方式的潤輪動葉片的沿弦方向(chord direction)的橫剖視圖，圖6 (b)是以圖6 (a)中的箭頭VIB表示的部分的放大剖視圖。
具體實施例方式(第一實施方式)參照圖I 圖4對第一實施方式進行說明。另外，圖中，“D”表示燃燒氣體的下游方向，“U”表不上游方向。本實施方式的渦輪動葉片I用于飛機發(fā)動機或工業(yè)用燃氣輪機發(fā)動機等燃氣輪機發(fā)動機的渦輪(未圖示)。如圖I及圖2所示，渦輪動葉片I利用從燃氣輪機發(fā)動機的壓縮機(未圖示)或風(fēng)扇(未圖示)抽出的冷卻空氣(壓縮空氣的一部分)CA進行冷卻。潤輪動葉片I通過失臘精密鑄造(lost wax precision casting)制造,具備利用來自燃氣輪機發(fā)動機的燃燒器(未圖示)的燃燒氣體HG (參照圖3)得到旋轉(zhuǎn)力的動葉片主體(rotor blade body) 3。另外,在動葉片主體3的基端一體地形成平臺5。在平臺5上一體地形成燕尾(dovetail) 7。燕尾7與形成在潤輪盤(未圖示)的周圍的嵌合槽(jointslots)(未圖示)嵌合。如圖2所示，在平臺5的內(nèi)部形成有從燕尾7導(dǎo)入抽出的冷卻空氣CA的導(dǎo)入通道
9。另外，在動葉片主體3的內(nèi)部形成有在跨度方向(從平臺5向動葉片主體3的端面(endface3t的方向)延伸的多個分隔壁(partitions)ll。利用分隔壁11劃分供冷卻空氣CA流動的蛇行狀的冷卻通道(serpentine cooling channel) 13。S卩，蛇行狀的冷卻通道13形成在動葉片主體3的內(nèi)部，與導(dǎo)入通道9連通。如圖I所示，在動葉片主體3的腹面3v上形成有多個有底孔15。在本實施方式中，有底孔15以多列配置在弦方向(從動葉片主體3的前緣3e向后緣3p的方向)，各列包括多個有底孔15。另外,如圖3 (a)所示,各有底孔15的下游側(cè)內(nèi)壁(downstream wall)15a傾斜(相對于動葉片主體3的厚度方向T傾斜相對于燃燒氣體的流動方向傾斜下游側(cè)內(nèi)壁15a與腹面3v所成的角為鈍角)，各有底孔15的上游側(cè)內(nèi)壁(upstream wall) 15b也對稱地傾斜(相對于厚度方向T傾斜；相對于燃燒氣體的流動方向傾斜上游側(cè)內(nèi)壁15b與腹面3v所成的角為鈍角)。能夠利用上游側(cè)內(nèi)壁的傾斜減小當(dāng)在有底孔15產(chǎn)生剝離時的剝離漩渦，其結(jié)果，能夠減小空氣動力損失。另外，如圖3 (b)所示，下游側(cè)內(nèi)壁15a的端緣及上游側(cè)內(nèi)壁15b的端緣中的至少一方形成為圓滑的曲面?；蛘撸鐖D3 (c)所示，上游側(cè)內(nèi)壁15b可以不傾斜而垂直地形成(與厚度方向T平行與燃燒氣體的流動方向為直角上游側(cè)內(nèi)壁15b與腹面3v所成的角度為直角)。在該場合，由于能夠延緩在有底孔15產(chǎn)生的剝離(使剝離位置向下游側(cè)轉(zhuǎn)移)，因此能夠進一步減小空氣阻力損失。如圖3 (a)所示(即使圖3 (b)及圖3 (c)的變形例也相同)，在各有底孔15的底部(bottom) 15c (包括上游側(cè)內(nèi)壁15b的底部側(cè))形成有噴出冷卻空氣CA的圓形的噴出孔(ejection hole)(氣膜冷卻孔(film-cooling hole) 17,與冷卻通道13連通。以噴出孔17的中心線17L大致沿有底孔15的下游側(cè)內(nèi)壁15a的方式形成各噴出孔17。在此，中心線17L相對于與有底孔15的下游側(cè)內(nèi)壁15a平行的面(假想面(virtual plane)) VP的傾斜角Θ設(shè)定為±20度以下(-20 +20度)。當(dāng)傾斜角Θ處于±20度范圍外時，無法充分地獲得從噴出孔17噴出的冷卻空氣CA的附壁效果(Coanda effect)。另外，噴出孔17的形狀可以是橢圓形或長方形等其他形狀。另外，如圖4 (a)及圖4 (b)所示，噴出孔17的形狀優(yōu)選是具有朝向出口孔截面積(與孔的中心軸垂直的截面的面積)擴大的形狀的擴散孔(diffuser hole)。即，噴出孔17優(yōu)選是朝向出口逐漸擴大的錐形孔(tapered hole)。如圖I所示，在動葉片主體3的前緣3e及端面3t上形成有噴出冷卻空氣CA的多個副噴出孔(supplemental ejection holes) 19,與冷卻通道13連通。在動葉片主體3的后緣3p上形成有排出冷卻空氣CA的多個排出孔(eduction holes) 21，與冷卻通道13連 通。另外，除了形成在前緣3e及腹面3v上的副噴出孔19之外，在動葉片主體3的背面3b上也形成多個副噴出孔19。接著，對本實施方式的效果進行說明。在燃氣輪機發(fā)動機的工作中，當(dāng)冷卻空氣CA通過導(dǎo)入通道9流入冷卻通道13時，渦輪動葉片I從其內(nèi)部通過對流冷卻(內(nèi)部冷卻)進行冷卻。另外，對流冷卻后的冷卻空氣CA從噴出孔17及副噴出孔19噴出，形成覆蓋渦輪動葉片I的冷卻層CF (參照圖3 (a))。渦輪動葉片I從外部通過利用冷卻層CF的氣膜冷卻(外部冷卻)進行冷卻。另外，渦輪動葉片I的對流冷卻后的冷卻空氣CA的一部分也從排出孔21排出。由于以有底孔15的下游側(cè)內(nèi)壁15a傾斜，并且噴出孔17的中心線17L沿下游側(cè)內(nèi)壁15a形成，因此，能夠不損壞渦輪動葉片I的葉片形狀地減小來自噴出孔17的冷卻空氣CA的噴出角。其結(jié)果，能夠充分地得到冷卻空氣CA的附壁效果。另外，由于有底孔15的下游側(cè)內(nèi)壁15a傾斜，因此緩和燃燒氣體HG的一部分與下游側(cè)內(nèi)壁15a的碰撞，能夠減少在有底孔15的下游側(cè)的燃燒氣體HG從葉片表面剝離。尤其如圖3 (b)所示，當(dāng)使下游側(cè)內(nèi)壁15a的上緣為圓滑的曲面時，能夠進一步減少燃燒氣體HG從葉片表面剝離。因此，根據(jù)本實施方式，能夠提高渦輪動葉片I的冷卻，減少渦輪動葉片I的空氣動力損失，充分地抑制燃氣輪機發(fā)動機的發(fā)動機效率的下降。尤其如圖4 (a)及圖4 (b)所示，如果使噴出孔17的形狀為內(nèi)部擴張形狀，則冷卻空氣CA向腹面3v的附著性變高，能夠進一步提高渦輪動葉片I的冷卻。(第二實施方式)參照圖5對第二實施方式進行說明。另外，圖中，“D”表示燃燒氣體的下游方向，“U”表不上游方向。本實施方式的渦輪動葉片23具有與上述第一實施方式的渦輪動葉片I大致相同的結(jié)構(gòu)。下面，僅對與渦輪動葉片I不同的結(jié)構(gòu)進行說明，對與渦輪動葉片I相同或同等的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同符號并在此省略其說明。
如圖5所示，在動葉片3的腹面3v上形成有在跨度方向上延伸的多個有底槽(bottomed slots)(有底孔的一種)25。與上述有底孔15相同，各有底槽25的下游側(cè)內(nèi)壁25a傾斜(相對于動葉片主體3的厚度方向T傾斜相對于燃燒氣體的流動方向傾斜下游側(cè)內(nèi)壁25a與腹面3v所成的角為鈍角)，各有底槽15的上游側(cè)內(nèi)壁25b也對稱地傾斜(相對于厚度方向T傾斜；相對于燃燒氣體的流動方向傾斜上游側(cè)內(nèi)壁25b與腹面3v所成的角為鈍角)。在各有底槽25的底部25c上(包括上 游側(cè)內(nèi)壁25b的底部側(cè))上沿跨度方向隔有間隔地形成有上述多個噴出孔17。另外，有底槽25的截面形狀能如在第一實施方式中說明的那樣變形(參照圖3 (a) 圖3 (c))，噴出孔17的形狀也能如在第一實施方式中說明的那樣變形。根據(jù)本實施方式,在第一實施方式的效果之外,在各有底槽25內(nèi)，從多個噴出孔17噴射的冷卻空氣CA容易在跨度方向上擴散，在更寬的范圍形成冷卻層CF。其結(jié)果，提高渦輪動葉片I的冷卻。另外，在本實施方式的渦輪動葉片23中，與第一實施方式的渦輪動葉片I相比，能夠減少有底槽(有底孔的一種)25的個數(shù)，制造成本更便宜。(第三實施方式)參照圖6 (a)及圖6 (b)對第三實施方式進行說明。另外，圖中，“D”表示燃燒氣體的下游方向，“U”表不上游方向。本實施方式的渦輪動葉片27具有與上述第一實施方式的渦輪動葉片I (或第二實施方式的渦輪動葉片23)大致相同的結(jié)構(gòu)。下面，僅對與渦輪動葉片I不同的結(jié)構(gòu)進行說明，對與渦輪動葉片I相同或同等的結(jié)構(gòu)要素標(biāo)注相同符號并省略其說明。如圖6 (a)及圖6 (b)所示，上述第一實施方式的有底孔15 (或第二實施方式的有底槽25)形成在葉片主體3的腹面3v的與分隔壁11對應(yīng)的部位。另外，有底孔15 (有底槽25)內(nèi)的噴出孔17配置在分隔壁11的緊上游側(cè)。根據(jù)本實施方式，在第一實施方式的效果之外，即使在腹面3v上形成多個有底孔15，也能夠減小對冷卻通道13的形狀的影響。更詳細地說，由于在通道中央未設(shè)有向冷卻通道13內(nèi)部突出的有底孔15，因此難以阻礙冷卻通道13內(nèi)的冷卻空氣CA的流動，并且利用精密鑄造的渦輪葉片制造時的風(fēng)險低。另外，由于在分隔壁11的位置形成有有底孔15(或有底槽25)，因此使葉片主體3的剛性或強度下降的風(fēng)險低。另外，對流冷卻后的冷卻空氣CA被分隔壁11引導(dǎo)而順暢地從噴出孔17噴出。另外，本發(fā)明未限定于上述實施方式，例如，適用于渦輪動葉片I (23、27)的技術(shù)思想能夠適用于渦輪靜葉片、覆蓋物、燃燒器襯里等渦輪動葉片以外的發(fā)動機部件。
權(quán)利要求
1.一種渦輪葉片，其用于燃氣輪機發(fā)動機的渦輪并由冷卻空氣冷卻，該渦輪葉片的特征在于，具備 形成在上述渦輪葉片的內(nèi)部的、供冷卻空氣流動的冷卻通道； 形成在上述渦輪葉片的葉片表面上的、下游側(cè)內(nèi)壁傾斜的多個有底孔；以及形成在多個上述有底孔的各個的底部上的、與上述冷卻通道連通并噴出上述冷卻空氣的噴出孔， 以上述噴出孔的中心線沿上述下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成上述噴出孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的渦輪葉片，其特征在于， 將上述噴出孔的上述中心線相對于與上述有底孔的上述下游側(cè)內(nèi)壁平行的面的傾斜角設(shè)定在±20度的范圍內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的渦輪葉片，其特征在于， 上述噴出孔具有孔截面積朝出口方向變大的形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求I 3任一項所述的渦輪葉片，其特征在于， 多個上述有底孔的至少一個形成為沿跨度方向延伸的有底槽，在上述有底槽的底部沿跨度方向隔有間隔地形成多個上述噴出孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求I 4任一項所述的渦輪葉片，其特征在于， 上述噴出孔的上游側(cè)內(nèi)壁傾斜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的渦輪葉片，其特征在于， 上述噴出孔的上述下游側(cè)內(nèi)壁的端緣及上述上游側(cè)內(nèi)壁的端緣中的至少一方形成為光滑的曲面。
7.根據(jù)權(quán)利要求I 4任一項所述的渦輪葉片，其特征在于， 上述噴出孔的上游側(cè)內(nèi)壁相對于上述葉片表面形成為直角。
8.根據(jù)權(quán)利要求I 7任一項所述的渦輪葉片，其特征在于， 在上述渦輪葉片的內(nèi)部形成有沿跨度方向延伸的分隔壁，由上述分隔壁劃分上述冷卻通道， 上述有底孔的至少一個形成在與上述葉片表面的上述分隔壁對應(yīng)的位置。
9.一種發(fā)動機部件，其用于燃氣輪機發(fā)動機并且由冷卻空氣冷卻，該發(fā)動機部件的特征在于，具備 形成在上述發(fā)動機部件的內(nèi)部的、供冷卻空氣流動的冷卻通道； 形成在上述發(fā)動機部件的表面的、下游側(cè)內(nèi)壁傾斜的多個有底孔；以及形成在多個上述有底孔的各個的底部上的、與上述冷卻通道連通并噴出上述冷卻空氣的噴出孔， 以上述噴出孔的中心線沿上述下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成上述噴出孔。
全文摘要
一種渦輪葉片，其用于燃氣輪機發(fā)動機的渦輪并由冷卻空氣冷卻，具備形成在上述渦輪葉片的內(nèi)部的、供冷卻空氣流動的冷卻通道；形成在上述渦輪葉片的葉片表面上的、下游側(cè)內(nèi)壁(15a)傾斜的多個有底孔(15)；以及形成在多個上述有底孔的各個的底部上的、與上述冷卻通道連通且噴出上述冷卻空氣的噴出孔(17)。以上述噴出孔的中心線(17L)沿上述下游側(cè)內(nèi)壁的方式形成上述噴出孔。利用上述渦輪葉片，能夠不導(dǎo)致效率下降地提高冷卻。
文檔編號F01D9/02GK102971493SQ201180033360
公開日2013年3月13日 申請日期2011年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月9日
發(fā)明者藤本秀 申請人:株式會社Ihi