燃氣輪機葉片的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供燃氣輪機葉片，通過頂端部的均勻冷卻而抑制溫度差的產(chǎn)生，并且，抑制伴隨冷卻孔的加工的局部應(yīng)力的上升，并降低運轉(zhuǎn)中頂端部的損傷。燃氣輪機葉片，在內(nèi)部形成冷卻流路（16）且在其頂端側(cè)具備將冷卻流路（16）和外部隔離的隔離部（14），隔離部（14）在比燃氣輪機葉片的頂端靠徑向內(nèi)側(cè)的位置與葉片部（7）一體地形成，并且在隔離部（14）的徑向外側(cè)且葉片部（7）延長而形成的頂端壁（15）的內(nèi)側(cè)具備連接隔離部（14）和頂端壁（15）的加固部（19），并形成有從冷卻流路（16）連通于頂端壁的外表面（15a）的外表面冷卻孔（17）以及從冷卻流路（16）通過隔壁部（14）連通于頂端壁的內(nèi)表面（15b）的內(nèi)表面冷卻孔（18）。
【專利說明】燃氣輪機葉片
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及燃氣輪機，特別涉及具有冷卻構(gòu)造的燃氣輪機葉片。
【背景技術(shù)】
[0002]燃氣輪機的效率隨著燃燒器出口溫度或透平入口溫度的上升而提高?，F(xiàn)有的燃氣輪機的燃燒器出口溫度達到1500°C，由于暴露于高溫的燃氣中的燃氣輪機葉片表面的溫度超過了所使用的耐熱合金的臨界溫度，因此需要進行燃氣輪機葉片的冷卻。
[0003]因此，將從壓縮機抽出的空氣供給形成于燃氣輪機葉片內(nèi)部的冷卻流路而進行對流冷卻，并且在燃氣輪機葉片表面設(shè)定多個貫通孔使空氣從冷卻流路向燃氣輪機葉片表面噴出并通過在表面上流動的氣膜冷卻來抑制燃氣輪機葉片的溫度上升而使其處于臨界溫度以下。但是，由于葉片形狀或制造等的限制，存在難以有效地配置氣膜冷卻孔的部位。
[0004]在燃氣輪機葉片頂端，在葉片頂端和外殼的徑向內(nèi)表面的間隙泄露燃氣，為了降低對透平工作產(chǎn)生損失的情況，將間隙設(shè)置為最小。但是，在燃氣輪機起動時，由于停止時的燃氣輪機葉片和外殼的溫度差而引起的熱膨脹差等，有時使葉片頂端與外殼接觸、產(chǎn)生磨損。因此，一般地，燃氣輪機葉片頂端部的葉片部從將形成于內(nèi)部的冷卻流路和外部隔離的隔離部沿外徑方向延長而形成頂端壁而成為磨損余量。
[0005]但是，由于頂端壁從形成于燃氣輪機葉片內(nèi)部的冷卻流路遠離，因此即使在從冷卻流路朝向葉片頂端設(shè)置氣膜冷卻孔的情況下，也難以進行葉片頂端的冷卻。特別地，難以冷卻相鄰的孔之間的表面。另外，雖然葉片頂端和外殼的徑向的間隙設(shè)計為最小，但是在隨著頂端壁的磨損的進行而產(chǎn)生間隙，在燃氣進入頂端壁的內(nèi)表面?zhèn)鹊那闆r下，頂端壁的內(nèi)表面也暴露于燃氣，產(chǎn)生因氧化等而引起的損傷。
[0006]對此，在專利文獻I中記載有如下構(gòu)造，通過在頂端壁的內(nèi)表面?zhèn)仍O(shè)置加固部，從而抑制在頂端壁設(shè)置氣膜冷卻孔時產(chǎn)生的局部應(yīng)力(專利文獻I)。
[0007]專利文獻1:日本特開2005-54799號公報(圖4)
[0008]根據(jù)上述專利文獻I，雖然期待頂端壁的外表面的冷卻，但是由于在內(nèi)表面?zhèn)纫粯拥卦O(shè)置加固部的情況下頂端壁的板厚增加，因此頂端壁的熱容量增大，對抑制內(nèi)表面的溫度上升來說是不利的。另外，在對應(yīng)氣膜冷卻孔的位置周期性設(shè)置加固部的情況下，由于內(nèi)表面?zhèn)鹊谋砻娣e增大，所以促進來自內(nèi)表面的熱傳遞。因此，在頂端壁的內(nèi)外面的溫度差增大，存在產(chǎn)生熱應(yīng)力的可能性。
[0009]另外，在朝向葉片頂端設(shè)置氣膜冷卻孔的情況下，由于相鄰的孔之間的葉片外表面不與冷卻空氣接觸，因此難以進行從葉片前緣至后緣的頂端壁的均勻的冷卻，需要針對今后的聞溫化的技術(shù)開發(fā)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提供一種燃氣輪機葉片，抑制由于設(shè)置冷卻孔產(chǎn)生的局部應(yīng)力，并且抑制頂端壁的內(nèi)外表面的溫度差的產(chǎn)生。[0011]為解決上述課題，在本發(fā)明中提供一種燃氣輪機葉片，在其內(nèi)部形成有冷卻流路，在其頂端側(cè)具備將上述冷卻流路和葉片外部隔離的隔離部，上述燃氣輪機葉片的特征在于，具備:從葉片部的頂端沿徑向外側(cè)延長而形成的頂端壁；沿上述隔離部的外表面和上述頂端壁的內(nèi)表面的分界部設(shè)置，各自離開地配置的多個加固部；從上述冷卻流路連通于上述葉片部的外表面的多個外表面冷卻孔；以及從上述冷卻流路通過上述隔壁部連通于上述頂端壁的內(nèi)表面的多個內(nèi)表面冷卻孔。
[0012]發(fā)明的效果
[0013]根據(jù)本發(fā)明，能夠提供一種燃氣輪機葉片，抑制由于設(shè)置冷卻孔產(chǎn)生的局部應(yīng)力，并且抑制頂端壁的內(nèi)外表面的溫度差的產(chǎn)生。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是表示本發(fā)明的實施方式I的立體圖。
[0015]圖2是表示將本發(fā)明的實施方式I從背側(cè)頂端壁內(nèi)表面觀察腹側(cè)頂端壁內(nèi)表面的立體圖。
[0016]圖3是表示圖2所示的截面A-A的剖視圖。
[0017]圖4是表示圖2所示的截面B-B的剖視圖。 [0018]圖5是表示本發(fā)明的實施方式2的立體圖。
[0019]圖6是表示將本發(fā)明的實施方式2從背側(cè)頂端壁內(nèi)表面觀察腹側(cè)頂端壁內(nèi)表面的立體圖。
[0020]圖7是表示圖6所示的截面C-C的剖視圖。
[0021]圖8是表示本發(fā)明的實施方式2的立體圖。
[0022]圖9是表示將本發(fā)明的實施方式2從背側(cè)頂端壁內(nèi)表面觀察腹側(cè)頂端壁內(nèi)表面的立體圖。
[0023]圖10是表示圖9所示的截面D-D的剖視圖。
[0024]圖11是表示本發(fā)明的實施方式3的立體圖。
[0025]圖12是表示本發(fā)明的實施方式4的從背側(cè)頂端壁內(nèi)表面觀察腹側(cè)頂端壁內(nèi)表面的立體圖。
[0026]圖13是表示具有氣膜冷卻孔的燃氣輪機葉片的構(gòu)造例的圖。
[0027]圖14是表示代表性的燃氣輪機的構(gòu)造例的圖。
[0028]圖中:1 一壓縮機，2—燃燒器，3—透平，4一透平動葉片，5—透平靜葉片，6—透平葉輪，7—葉片部，8—平臺，9一楔形榫，10—前緣，11—后緣，12—腹側(cè)，13—背側(cè)，14一隔壁部，15—頂端壁，15a—頂端壁外表面，15b—頂端壁內(nèi)表面，16—冷卻流路，17—外表面冷卻?L 18—內(nèi)表面冷卻孔，19一加固部，20—內(nèi)表面冷卻孔。
【具體實施方式】
[0029]圖14表示燃氣輪機的代表性的構(gòu)造圖，圖13表示具有冷卻孔的燃氣輪機葉片的構(gòu)造例。
[0030]燃氣輪機大致上分，由壓縮機1、燃燒器2以及透平3構(gòu)成。壓縮機I將從大氣吸入的空氣作為工作流體而隔熱壓縮，燃燒器2通過向從壓縮機I供給的壓縮空氣內(nèi)混合燃料并燃燒從而生成高溫高壓氣體，透平3在從燃燒器2導入的燃氣膨脹時產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動力。來自透平3的排氣向大氣中放出。
[0031]關(guān)于燃氣輪機的動葉片4，和靜葉片5 —同沿透平軸方向交替地配置，一般是嵌入設(shè)置于輪6外周側(cè)的槽的構(gòu)造。圖13所示的動葉片4由葉片部7、平臺8以及楔形榫9構(gòu)成。葉片部7以最先接觸燃氣的前緣10和燃氣出去的后緣11為分界，劃分為凹形狀的腹側(cè)12和凸形狀的背側(cè)13。在頂端部上具有將葉片內(nèi)部和外部隔離的隔離部14，并以從隔離部延長葉片的腹側(cè)以及背側(cè)的形式設(shè)置頂端壁(下述)。
[0032]為使燃氣輪機的效率提高而存在高溫化的傾向，由于暴露于高溫燃氣的燃氣輪機葉片的表面溫度超過所使用的耐熱合金的臨界溫度，因此有必要對燃氣輪機葉片進行冷卻。作為燃氣輪機葉片的冷卻方法之一，將從壓縮機I的中間級或出口等抽出的空氣向形成于葉片內(nèi)部的冷卻流路引導，通過來自流路壁的對流傳熱進行冷卻。另外，作為其他的冷卻方法，在葉片部7加工將葉片內(nèi)部的冷卻流路和葉片外部相連接的冷卻孔，進行從該冷卻孔噴出冷卻空氣而覆蓋葉片表面的氣膜冷卻。
[0033]氣膜冷卻孔設(shè)置于葉片部7的前緣部11、腹側(cè)12、背側(cè)13、頂端部以及平臺8等。但是，由于設(shè)置于頂端部的頂端壁從形成于葉片內(nèi)部的冷卻流路遠離，因此即使在從冷卻流路16朝向頂端地設(shè)置冷卻孔17的情況下，也難以進行頂端的冷卻。另外，通過在頂端壁內(nèi)表面?zhèn)仍O(shè)置加固部，雖然能夠在強度上使氣膜冷卻孔的開口部接近頂端，但是為了促進頂端的冷卻，加固部的形狀或氣膜冷卻孔的配置成為問題。
[0034]以下，參照附圖對本發(fā)明的實施方式進行說明。
[0035]圖1至圖4表示最好地展示本發(fā)明的特征的燃氣輪機葉片頂端部的冷卻構(gòu)造。在本實施例的透平葉片4中，具備從葉片部7的頂端向徑向外側(cè)延長地形成的頂端壁15，并具有從形成于燃氣輪機葉片內(nèi)部的冷卻流路16連通于頂端壁外表面15a (葉片外部空間)的外表面冷卻孔17以及從冷卻流路16通過隔離壁14連通于頂端壁內(nèi)表面15b的內(nèi)表面冷卻孔18。內(nèi)表面冷卻孔18在與外表面冷卻孔17等間隔地形成的相鄰的2個加固部19之間與頂端壁內(nèi)表面15b (葉片外部空間)連通。加固部19沿隔離部14的外表面和頂端壁15的內(nèi)表面的分界部設(shè)置有多個的同時，其彼此間相互隔離地配置。內(nèi)表面冷卻孔18的開口部設(shè)置于隔離部14，并形成為沿頂端壁15的內(nèi)表面或朝向頂端壁15的內(nèi)表面噴出冷媒。外表面冷卻孔17的開口部設(shè)置于頂端壁外表面15a。另外，外表面冷卻孔17以如下方式配置，在從徑向外側(cè)觀察葉片部7時，其一部分(貫通隔離部14的孔部分)與加固部19的配設(shè)區(qū)域重疊。
[0036]加固部19和隔離部14能夠與葉片部17—體地鑄造成形?；蛘?，關(guān)于隔離部14也可以與加固部19以及葉片部7分體而制作，之后可以通過焊接等方法進行連接。在葉片成形后通過電火花加工等加工外表面冷卻孔17以及內(nèi)表面冷卻孔18。
[0037]另外，雖然在圖1中表示出了腹側(cè)12的設(shè)定，但也可以在背側(cè)13同樣地設(shè)定。
[0038]根據(jù)以上的實施方式，通過形成加固部19，除能夠使外表面冷卻孔17接近葉片頂端之外，通過同時設(shè)定內(nèi)表面冷卻孔18，能夠進一步使頂端壁15的溫度降低，并抑制由燃氣對頂端壁15的氧化而產(chǎn)生的損傷。另外，通過將內(nèi)表面冷卻孔18配置于加固部19的中間而使其連通于頂端壁內(nèi)表面壁15b，從而能夠?qū)㈦y以冷卻的外表面冷卻孔17的中間部分從內(nèi)表面?zhèn)冗M行冷卻，使頂端壁內(nèi)外表面的溫度差降低，能夠接近均勻的溫度分布。為了實現(xiàn)上述，在圖2中，若將外表面冷卻孔17的中心軸的間隔設(shè)為P，將加固部19的寬度設(shè)為D，將內(nèi)表面冷卻孔18的直徑設(shè)為di，則需要滿足P > D+di。據(jù)此，能夠降低由局部的溫度分布而產(chǎn)生的熱應(yīng)力，能夠抑制從外表面冷卻孔17以及內(nèi)表面冷卻孔18產(chǎn)生的開裂。
[0039]根據(jù)以上，能夠降低因氧化或開裂的產(chǎn)生而引起的頂端壁15的損傷，并抑制葉片壽命的下降以及透平性能的下降。
[0040]圖5至圖7表示本發(fā)明的實施方式2的燃氣輪機的葉片頂端部的冷卻構(gòu)造。在本實施例中，透平葉片4具有從形成于燃氣輪機葉片內(nèi)部的冷卻流路16連通于頂端壁外表面15a的外表面冷卻孔17以及從冷卻流路16通過隔壁部14連通于頂端壁內(nèi)表面15b的內(nèi)表面冷卻孔18，在該透平葉片4中，加固部19為與外表面冷卻孔17的中心軸同軸的圓柱狀，并且內(nèi)表面冷卻孔18與加固部19的中間連通。
[0041]關(guān)于圓柱狀的加固部19，如圖10所示，在外表面冷卻孔17的中心軸比形成頂端壁15的內(nèi)表面15b的面與形成隔壁部14的外表面14a的面的交線更位于外徑方向的情況下，如圖8至圖10所示，比外表面冷卻孔17的中心軸更位于外徑方向的加固部19為圓柱形狀，比外表面冷卻孔17的中心軸更位于內(nèi)徑方向的加固部19為矩形形狀。
[0042]根據(jù)以上的實施方式，通過使加固部19的形狀為圓柱形狀，能夠?qū)⒁蛟O(shè)定加固部19而引起的頂端壁15的體積增加以及熱容量的增加抑制于最小限度，由氣膜冷卻引起的從表面的冷卻的效果能夠期待擴及頂端壁15的內(nèi)部。另外，也能夠抑制由于加固部19的設(shè)定引起的頂端壁15的表面積的增加，能夠抑制來自加固部19的表面的熱傳遞。通過這些特征，能夠增強實施方式I的效果。
[0043]圖11表示本發(fā)明的實施方式3的燃氣輪機葉片頂端部的冷卻構(gòu)造。在本實施例中，透平葉片4具有從形成于燃氣輪機葉片內(nèi)部的冷卻流路16連通于頂端壁外表面15a的外表面冷卻孔17以及從冷卻流路16通過隔壁部14連通于頂端壁內(nèi)表面15b的內(nèi)表面冷卻孔18，在該透平葉片4中，形成有從冷卻流路16通過隔壁部14連通于加固部19的內(nèi)表面冷卻孔20。
[0044]根據(jù)以上的實施方式，除了外表面冷卻孔17、內(nèi)表面冷卻孔18之外，通過使熱容量以及表面積較大的加固部19的表面連通冷卻空氣，從而能夠強化頂端壁15的冷卻，使頂端壁的溫度分布更接近均勻。
[0045]圖12表示本發(fā)明的實施方式4的燃氣輪機葉片頂端部的冷卻構(gòu)造。在本實施例中，透平葉片4具有從形成于燃氣輪機葉片內(nèi)部的冷卻流路16通過加固部19的內(nèi)部連通于頂端壁外表面15a的外表面冷卻孔17以及從冷卻流路16通過隔壁部14連通于頂端壁內(nèi)表面15b的內(nèi)表面冷卻孔18,在該透平葉片4中，夕卜表面冷卻孔17的頂端壁外表面15a的開口部以及內(nèi)表面冷卻孔18的隔壁部外表面14a的開口部比冷卻流路16的開口部更靠近后緣側(cè)。
[0046]根據(jù)以上的實施方式，通過向后緣方向噴出氣膜冷卻，能夠在頂端壁15的表面形成后緣方向的冷卻空氣的流動。據(jù)此，能夠?qū)⒗鋮s空氣輸送到難以設(shè)置冷卻孔的葉片外表面的后緣部，從而能夠抑制由后緣部的氧化而引起的損傷。
[0047]根據(jù)上述各實施方式，通過在頂端壁的內(nèi)表面?zhèn)仍O(shè)置加固部，能夠使外表面冷卻孔的開口部靠近頂端壁的頂端。此外，通過將加固部周期性配置成圓柱狀，能夠?qū)㈨敹吮诘陌搴竦脑黾右约绊敹吮趦?nèi)表面的表面積的增加抑制于最小限度，并抑制頂端壁的內(nèi)外表面中產(chǎn)生溫度差。
[0048]另外，通過設(shè)置在頂端壁的內(nèi)表面?zhèn)乳_口的內(nèi)表面冷卻孔，將頂端壁的內(nèi)外表面一同冷卻，從而能夠抑制內(nèi)外表面產(chǎn)生溫度差。特別地，通過使內(nèi)表面冷卻孔的開口位置位于外表面冷卻孔的開口位置的中間，從而能夠促進相鄰接的外表面冷卻孔之間區(qū)域的冷卻，使頂端壁的溫度分布接近均勻的溫度。
[0049]根據(jù)以上，能夠在抑制因燃氣對頂端壁的氧化而引起的損傷的同時，抑制伴隨著冷卻孔的形成以及頂端壁的溫度分布而產(chǎn)生的局部應(yīng)力，并抑制從冷卻孔產(chǎn)生開裂。
【權(quán)利要求】
1.一種燃氣輪機葉片，在其內(nèi)部形成有冷卻流路，在其頂端側(cè)具備將上述冷卻流路和葉片外部隔離的隔離部， 上述燃氣輪機葉片的特征在于，具備: 從葉片部的頂端沿徑向外側(cè)延長而形成的頂端壁； 沿上述隔離部的外表面和上述頂端壁的內(nèi)表面的分界部設(shè)置，各自離開地配置的多個加固部； 從上述冷卻流路連通于上述葉片部的外表面的多個外表面冷卻孔；以及 從上述冷卻流路通過上述隔壁部連通于上述頂端壁的內(nèi)表面的多個內(nèi)表面冷卻孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述內(nèi)表面冷卻孔在相鄰的上述加固部之間連通上述冷卻流路和葉片外部空間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述內(nèi)表面冷卻孔形成為，沿著上述頂端壁的內(nèi)表面或者朝向上述頂端壁的內(nèi)表面噴出冷媒。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述外表面冷卻孔配置為，在從徑向外側(cè)觀察上述葉片部時，其一部分與上述加固部的配設(shè)區(qū)域重疊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述外表面冷卻孔在上述頂端壁的外表面形成有開口部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 相鄰的上述外表面冷卻孔的中心軸的間隔大于或等于上述內(nèi)表面冷卻孔的直徑與上述加固部和上述隔壁部相交位置處的上述加固部的寬度之和。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述加固部為與上述外表面冷卻孔的中心軸同軸的圓柱形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求5述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述外表面冷卻孔的中心軸位于比形成上述頂端壁的內(nèi)表面的面與形成上述隔壁部的外表面的面的交線更靠外徑方向，使位于比上述外表面冷卻孔的中心軸更靠外徑方向的上述加固部為圓柱形狀，使位于比上述外表面冷卻孔的中心軸更靠內(nèi)徑方向的上述加固部為矩形形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃氣輪機葉片，其特征在于， 上述外表面冷卻孔和上述內(nèi)表面冷卻孔的任意一個或全部的中心軸沿葉片后緣方向傾斜。
【文檔編號】F01D5/18GK104033186SQ201410043844
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年1月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年3月5日
【發(fā)明者】橫山喬 申請人:株式會社日立制作所