專利名稱：渦輪動(dòng)葉片和燃?xì)廨啓C(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及適合用于發(fā)電廠等的燃?xì)廨啓C(jī)的渦輪動(dòng)葉片以及包括該動(dòng)葉片的燃?xì)廨啓C(jī)，尤其涉及設(shè)置有冷卻結(jié)構(gòu)的渦輪動(dòng)葉片。
背景技術(shù)：
為了提高用于發(fā)電廠等的工業(yè)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，提高在輪機(jī)入口處工作的燃?xì)?流體)的溫度是有效的。另一方面，由于渦輪動(dòng)葉片、靜葉片和其它暴露在燃?xì)庵械牟考哪蜔嵝阅苁艿剿鼈兊牟牧系奈锢硇阅艿南拗疲豢赡芎唵蔚靥岣咻啓C(jī)入口的溫度。
因此，通過增加輪機(jī)入口溫度同時(shí)用諸如冷卻空氣等的冷卻介質(zhì)來冷卻渦輪葉片來保證渦輪葉片的耐熱性能，從而提高熱效率。
這種渦輪葉片冷卻方法的例子包括對流冷卻，其中使冷卻介質(zhì)在渦輪葉片內(nèi)部流動(dòng)，以及沖擊冷卻(impingement cooling)方法。另外，也使用薄膜冷卻，其中冷卻介質(zhì)被吹向渦輪葉片的外表面以形成冷卻介質(zhì)膜。
以下利用圖7和圖8說明現(xiàn)有的渦輪動(dòng)葉片的結(jié)構(gòu)。
如圖7的內(nèi)部截面圖所示，渦輪動(dòng)葉片50具有三個(gè)內(nèi)部流路51、52和53，冷卻介質(zhì)通過它們流動(dòng)，供給口51a、52a和53a設(shè)置在基端面中，冷卻介質(zhì)從供給口被供給，以及在外表面中形成的多個(gè)流出口，用于吹出冷卻介質(zhì)。如圖8的橫截面圖所示，吹出口包括設(shè)置在渦輪動(dòng)葉片50的前緣中的前緣吹出口54，以及設(shè)置在后緣66中的后緣吹出口56。后緣吹出口沿著后緣66從葉根57附近到葉梢58附近設(shè)置在多個(gè)位置處，每個(gè)后緣吹出口56形成相同的尺寸。多個(gè)葉片表面吹出口55設(shè)置在葉片表面65的高壓側(cè)，并且或朝前緣方向或朝后緣方向傾斜。通過從前緣吹出口54吹出A進(jìn)行噴淋冷卻，通過從葉片表面吹出口55吹出B進(jìn)行全表面薄膜冷卻，并且，通過從后緣吹出口56吹出C進(jìn)行縫冷卻(slotcooling)。
另外，設(shè)置多個(gè)紊流器59以相對于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)傾斜，以便通過攪動(dòng)冷卻介質(zhì)的流動(dòng)而提高冷卻效率。在具有兩個(gè)U形轉(zhuǎn)彎部分的內(nèi)部流路52的情況下，紊流器59如下設(shè)置。即，在U形轉(zhuǎn)彎部分60的上游側(cè)，紊流器被設(shè)置為當(dāng)從與U形轉(zhuǎn)彎部分60的內(nèi)側(cè)壁61連續(xù)的壁朝向與U形轉(zhuǎn)彎部分60的外側(cè)壁62連續(xù)的壁時(shí)，紊流器從上游到下游傾斜。在U形轉(zhuǎn)彎部分60的下游側(cè)，紊流器59傾斜以具有相反的方向。由于下一個(gè)U形轉(zhuǎn)彎部分63的轉(zhuǎn)彎方向與U形轉(zhuǎn)彎部分60相反，在U形轉(zhuǎn)彎部分60下游側(cè)的紊流器59的斜度成為U形轉(zhuǎn)彎部分63上游側(cè)的紊流器59的斜度。
然而，在如上所述的渦輪動(dòng)葉片50中，盡管使用了各種設(shè)計(jì)以保證耐熱性能，在冷卻仍然不充分的情況下，存在著在渦輪動(dòng)葉片50的各種位置，諸如葉梢和葉片表面中產(chǎn)生燒損或者破碎的問題。例如，由于從渦輪動(dòng)葉片50的基端面的供給口51a、52a和53a供給的冷卻介質(zhì)的溫度在其經(jīng)過內(nèi)部流路并到達(dá)葉梢時(shí)升高，存在著冷卻效率在葉梢處降低的問題。結(jié)果，不僅縮短渦輪動(dòng)葉片50的壽命和降低使用這種渦輪動(dòng)葉片50的燃?xì)廨啓C(jī)的工作效率，而且存在減小熱效率的問題。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到這些情況，本發(fā)明的目的是提供一種渦輪動(dòng)葉片，其具有高的耐熱性并能夠使用較長的時(shí)間，并且通過提高渦輪動(dòng)葉片的冷卻效率提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和工作效率。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種設(shè)置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中在其外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，在沿著渦輪動(dòng)葉片的葉片后緣從葉根附近到葉梢附近布置的多個(gè)冷卻介質(zhì)后緣吹出口中，位于葉梢附近的葉梢后緣吹出口的開口面積被設(shè)定為大于其它后緣吹出口的開口面積。
根據(jù)上述渦輪動(dòng)葉片，在沿著渦輪動(dòng)葉片的葉片后緣從葉根附近到葉梢附近的多個(gè)位置處成直線設(shè)置的多個(gè)冷卻介質(zhì)后緣吹出口中，由于位于葉梢附近的葉梢后緣吹出口(尖標(biāo)記特征)的開口面積被設(shè)定為大于其它后緣吹出口的開口面積，從葉梢后緣吹出口吹出的冷卻介質(zhì)的流量增加得比其它后緣吹出口要多，從而提高葉梢處的冷卻效率。換句話說，通過增加在葉梢處的冷卻介質(zhì)流量而提高冷卻效果，抵銷了由于在渦輪動(dòng)葉片的葉梢處冷卻介質(zhì)的溫度升高而引起的冷卻效果的降低，從而提高了冷卻效果。結(jié)果，渦輪動(dòng)葉片的耐熱性提高了，可防止燒損和破碎，并延長了渦輪動(dòng)葉片的壽命。
另外，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了另一種設(shè)置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中在其外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，設(shè)置內(nèi)部流路，通過該內(nèi)部流路冷卻介質(zhì)在其中流動(dòng)，內(nèi)部流路具有至少一個(gè)U形轉(zhuǎn)彎部分，紊流器相對于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向傾斜，當(dāng)從與U形轉(zhuǎn)彎部分的外側(cè)壁連續(xù)的壁朝向與內(nèi)側(cè)壁連續(xù)的壁時(shí)，在U形轉(zhuǎn)彎部分上游側(cè)的紊流器的傾斜方向?yàn)閺纳嫌蔚较掠巍?br> 根據(jù)上述渦輪動(dòng)葉片，流過具有U形轉(zhuǎn)彎部分的內(nèi)部流路和紊流器的冷卻介質(zhì)被U形轉(zhuǎn)彎部分轉(zhuǎn)向相反的方向，同時(shí)被設(shè)置為傾斜的紊流器攪動(dòng)。這時(shí)，由于紊流器設(shè)置在U形轉(zhuǎn)彎部分的上游側(cè)以便當(dāng)從與U形轉(zhuǎn)彎部分的外側(cè)壁連續(xù)的壁朝向與內(nèi)側(cè)壁連續(xù)的壁時(shí)從上游向下游傾斜，在U形轉(zhuǎn)彎部分中的壓力損失被減小。換句話說，盡管由于冷卻介質(zhì)被轉(zhuǎn)向相反方向產(chǎn)生的離心力使得冷卻介質(zhì)通常很難在U形轉(zhuǎn)彎部分的內(nèi)側(cè)壁上流動(dòng)，但是，由于在U形轉(zhuǎn)彎部分的上游側(cè)設(shè)置紊流器以促使冷卻介質(zhì)朝向U形轉(zhuǎn)彎部分的內(nèi)側(cè)流動(dòng)，冷卻介質(zhì)易于流過U形轉(zhuǎn)彎部分，從而減少了壓力損失。因此，可增加流過內(nèi)部流路的冷卻介質(zhì)的流量，從而提高了冷卻效率。
另外，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了另一種設(shè)置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中在其外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，設(shè)置尖端孔，所述尖端孔釋放冷卻介質(zhì)到葉梢附近的葉片表面，其中所述尖端孔朝向葉梢方向傾斜，并具有朝向葉梢方向擴(kuò)張的扇形開口。
根據(jù)上述渦輪動(dòng)葉片，由于從在葉梢附近的葉片表面中打開的尖端孔釋放冷卻介質(zhì)，在葉梢附近獲得薄膜冷卻效果，并且，由于這些尖端孔朝向葉梢方向傾斜并且有朝向葉梢方向擴(kuò)張的扇形開口，與現(xiàn)有技術(shù)相比，冷卻介質(zhì)更易于流到翼梢，提高了在翼梢處的薄膜冷卻效果。結(jié)果，在葉梢處獲得滿意的冷卻效果，從而有可能防止在葉梢處的燒損和破碎。
此外，為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種燃?xì)廨啓C(jī)，包括壓縮空氣的壓縮機(jī)、產(chǎn)生高溫高壓流體的燃燒室，以及通過用葉片將流體能轉(zhuǎn)換為機(jī)械功而產(chǎn)生軸的轉(zhuǎn)矩的渦輪機(jī)，其中所述燃?xì)廨啓C(jī)包括所述渦輪動(dòng)葉片。
根據(jù)上述燃?xì)廨啓C(jī)，由于它包括上述的渦輪動(dòng)葉片，即使在輪機(jī)入口處工作的燃?xì)?流體)的溫度達(dá)到高溫時(shí)，也能抑制渦輪動(dòng)葉片的燒損和破碎。結(jié)果，由于在輪機(jī)入口處工作的燃?xì)獾臏囟瓤商岣叩捷^高溫度，從而有可能提高燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率，由于渦輪動(dòng)葉片的維修也可以減少，燃?xì)廨啓C(jī)的工作效率也可以提高。


圖1是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的燃?xì)廨啓C(jī)的示意方塊圖；圖2是在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例中的渦輪動(dòng)葉片的內(nèi)部截面圖；圖3是設(shè)置在渦輪動(dòng)葉片中的尖部孔的前視圖；圖4是沿著圖2的Z-Z線的截面圖；圖5是用于CFD分析的通過現(xiàn)有技術(shù)的傾斜紊流器的內(nèi)部流路的示意圖；圖6是用于CFD分析的通過本發(fā)明的傾斜紊流器的內(nèi)部流路的示意圖；圖7是現(xiàn)有技術(shù)的渦輪動(dòng)葉片的內(nèi)部截面圖；和圖8是現(xiàn)有技術(shù)的渦輪動(dòng)葉片的截面圖。
具體實(shí)施例方式
以下參照

實(shí)施本發(fā)明的一種模式。
圖1是本實(shí)施例的燃?xì)廨啓C(jī)40的總體構(gòu)成的截面圖。用壓縮機(jī)41壓縮的空氣在燃燒室42中與燃料混合后進(jìn)行燃燒，該燃燒氣體(流體)接著被從輪機(jī)入口43送入氣輪機(jī)44的內(nèi)部。在渦輪機(jī)44內(nèi)部的燃?xì)饬髀?5中，燃?xì)獗粶u輪靜葉片46精餾，燃?xì)獾哪芰吭谠O(shè)置在轉(zhuǎn)軸47上的渦輪動(dòng)葉片1的作用下產(chǎn)生軸的轉(zhuǎn)矩。
用于燃?xì)廨啓C(jī)40的渦輪動(dòng)葉片1的內(nèi)部截面圖在圖2中示出。渦輪動(dòng)葉片1的根部2被固定到轉(zhuǎn)軸47上，內(nèi)部流路3、4、5設(shè)置在其中，供應(yīng)冷卻介質(zhì)的供給口6、7、8設(shè)置在根部表面9中。另外，將冷卻介質(zhì)吹出到外表面的多個(gè)吹出口設(shè)置在渦輪動(dòng)葉片1中。在圖2中，示出了在后緣10中打開的多個(gè)后緣吹出口11以及在葉梢表面12中打開的多個(gè)葉梢表面吹出口13。后緣吹出口11沿著渦輪動(dòng)葉片1的后緣10設(shè)置在從根部14附近到葉梢15附近的多個(gè)位置處。在多個(gè)后緣吹出口11中，位于葉梢附近的葉梢后緣吹出口11A被設(shè)置為具有大于其它后緣吹出口11的開口區(qū)域。而且，圖2的箭頭的方向指示冷卻介質(zhì)流動(dòng)的方向。
多個(gè)紊流器16相對于冷卻介質(zhì)的流動(dòng)傾斜設(shè)置在內(nèi)部流路3、4、5中。在具有兩個(gè)U形轉(zhuǎn)彎部分17和18的內(nèi)部流路3的情況下，紊流器如下設(shè)置。即，在第一U形轉(zhuǎn)彎部分17上游側(cè)的流路3a中，紊流器被設(shè)置為當(dāng)從與U形轉(zhuǎn)彎部分17的外側(cè)壁19連續(xù)的壁朝向與U形轉(zhuǎn)彎部分17的內(nèi)側(cè)壁20連續(xù)的壁時(shí)從上游向下游傾斜。換句話說，由于冷卻介質(zhì)在U形轉(zhuǎn)彎部分中被轉(zhuǎn)向右方，在流路3a中的紊流器這樣傾斜以便于它們的左側(cè)為上游側(cè)，而它們的右側(cè)成為下游側(cè)。
另外，由于在U形轉(zhuǎn)彎部分17的下游側(cè)的流路3b相對于下一個(gè)U形轉(zhuǎn)彎部分18成為上游側(cè)，在流路3b中，紊流器被設(shè)置為當(dāng)從與U形轉(zhuǎn)彎部分18的外側(cè)壁21連續(xù)的壁朝向與U形轉(zhuǎn)彎部分18的內(nèi)側(cè)壁22連續(xù)的壁時(shí)從上游向下游傾斜。換句話說，紊流器16被設(shè)置為它們的傾斜方向與U形轉(zhuǎn)彎部分17的上游和下游側(cè)相反。另外，在U形轉(zhuǎn)彎部分18下游側(cè)的流路3c中，紊流器16被設(shè)置為當(dāng)從作為前緣側(cè)的壁23朝向作為后緣側(cè)的壁24時(shí)從上游向下游傾斜。另外，流路4也具有U形轉(zhuǎn)彎部分，紊流器16的傾斜以與流路3的紊流器16的傾斜相類似的方式設(shè)置。
另外，設(shè)置在渦輪動(dòng)葉片1的葉梢表面12附近的葉片表面中的尖端孔25的前視圖在圖3中示出，而它的截面在圖4中示出。尖端孔25包括當(dāng)從內(nèi)部流路3(在流路4和5中類似)朝向高壓側(cè)葉片表面65(見圖8)時(shí)從渦輪動(dòng)葉片1的根部側(cè)朝向葉梢表面12傾斜的圓孔26，以及與圓孔26連續(xù)并朝向葉梢方向擴(kuò)張的扇形開口27。開口27形成為其右側(cè)表面27a和左側(cè)表面27b(當(dāng)從前面看時(shí))及頂側(cè)表面27c(當(dāng)從截面圖中看時(shí))中的每一個(gè)都從圓孔26的中心軸線O偏移，其中中心軸線O從內(nèi)部流路3朝向高壓側(cè)葉片表面65延伸，并且在高壓側(cè)葉片表面65中形成的開口27的邊緣28當(dāng)從前面看時(shí)呈扇形。
在該渦輪動(dòng)葉片1中，從供給口6供至內(nèi)部流路3的冷卻介質(zhì)流過流路3a同時(shí)被紊流器16攪動(dòng)，在U形轉(zhuǎn)彎部分17和18處改變方向，一部分在經(jīng)過流路3c時(shí)被從后緣吹出口11吹出，并且被從設(shè)置在流路3c端部處的葉梢后緣吹出口11A吹出。與之相伴，冷卻介質(zhì)還從葉梢表面吹出口13和尖端孔25吹出到渦輪動(dòng)葉片1的外表面上。
這時(shí)，由于葉梢后緣吹出口11A被設(shè)定為具有比其它后緣吹出口11大的開口面積，通過葉梢后緣吹出口11A的冷卻介質(zhì)的流量大于通過其它后緣吹出口的流量，從而在葉梢15附近提高了冷卻效果。另外，由于通過增加葉梢后緣吹出口11A的開口面積可提高通過內(nèi)部流路3本身的流量，從而提高了內(nèi)部流路3的冷卻效果。因此，可提高渦輪動(dòng)葉片1的熱效率，防止燒損或破碎的出現(xiàn)，并且渦輪動(dòng)葉片1的壽命可以延長。
另外，由于設(shè)置多個(gè)紊流器16以便當(dāng)從U形轉(zhuǎn)彎部分17上游側(cè)的流路3a中的與外側(cè)壁19連續(xù)的壁朝向與內(nèi)側(cè)壁20連續(xù)的壁時(shí)紊流器16從上游向下游傾斜，從而減小了在U形轉(zhuǎn)彎部分17中的壓力損失。換句話說，由于紊流器16被設(shè)置為將冷卻介質(zhì)從U形轉(zhuǎn)彎部分17上游推向U形轉(zhuǎn)彎部分內(nèi)側(cè)，因此壓力損失被認(rèn)為減小了。這允許在U形轉(zhuǎn)彎部分18和流路4的U形轉(zhuǎn)彎部分中獲得類似的效果。
圖5和6示出了在流路31和流路33中的用于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)分析的示意圖，其中在流路31中紊流器30以現(xiàn)有技術(shù)的傾斜方式設(shè)置，在流路33中紊流器32以實(shí)施本發(fā)明的形式的傾斜方式設(shè)置。CFD分析是一種根據(jù)產(chǎn)生的熵量的分布量化評估在流路中產(chǎn)生的壓力損失的技術(shù)。根據(jù)該CFD分析，在圖6的區(qū)域Y和區(qū)域X中確定壓力損失系數(shù)有大約15％的減小。
另外，由于尖端孔25朝向葉梢表面12傾斜，并具有扇形開口27，增加了朝向葉梢表面12釋放的冷卻介質(zhì)的流量，從而提高了在葉梢表面12附近的薄膜冷卻效果。因此，在葉梢表面12附近獲得了滿意的冷卻效果，可防止葉梢表面12附近中的燒損和破碎。
另外，由于以上效果提高了渦輪動(dòng)葉片1的耐熱性，在輪機(jī)入43處的燃?xì)?流體)的溫度被升高到比現(xiàn)有技術(shù)更高的溫度，從而提高了在燃?xì)饬髀?5中設(shè)置有渦輪動(dòng)葉片1的燃?xì)廨啓C(jī)40的熱效果。另外，由于防止了渦輪動(dòng)葉片1的燒損和破碎，渦輪動(dòng)葉片1可被使用較長的時(shí)間，可減少由于進(jìn)行渦輪動(dòng)葉片1的維修而對燃?xì)廨啓C(jī)40的進(jìn)行的操作和停止，從而有可能提高燃?xì)廨啓C(jī)40的效率。
并且，盡管在實(shí)施例中在流路3中設(shè)置有兩個(gè)U形轉(zhuǎn)彎部分17和18，U形轉(zhuǎn)彎部分可被設(shè)置在一個(gè)位置或兩個(gè)或更多個(gè)位置中。另外，盡管后緣吹出口11設(shè)置在渦輪動(dòng)葉片1的后緣10上，本發(fā)明也可以用于設(shè)置有針狀翅片的渦輪動(dòng)葉片。另外，流路并不限于三條流路，流路的數(shù)量可以少于或多于三條。
權(quán)利要求
1.一種設(shè)置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中在渦輪動(dòng)葉片的外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，在沿著葉片后緣從葉根附近到葉梢附近布置的多個(gè)冷卻介質(zhì)后緣吹出口中，位于葉梢附近的葉梢后緣吹出口的開口面積被設(shè)定為大于其它后緣吹出口的開口面積。
2.一種設(shè)置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中在渦輪動(dòng)葉片的外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，設(shè)置內(nèi)部流路，通過該內(nèi)部流路冷卻介質(zhì)在其中流動(dòng)，所述內(nèi)部流路具有至少一個(gè)在一個(gè)位置處的U形轉(zhuǎn)彎部分；其中，在所述內(nèi)部流路中設(shè)置紊流器，所述紊流器相對于所述冷卻介質(zhì)的流動(dòng)方向傾斜，和其中，當(dāng)從與所述U形轉(zhuǎn)彎部分的外側(cè)壁連續(xù)的壁朝向與所述U形轉(zhuǎn)彎部分的內(nèi)側(cè)壁連續(xù)的壁時(shí)，在所述U形轉(zhuǎn)彎部分上游側(cè)的所述紊流器的傾斜方向?yàn)閺纳嫌蔚较掠巍?br> 3.一種設(shè)置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中在渦輪動(dòng)葉片的外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，設(shè)置尖端孔，所述尖端孔釋放冷卻介質(zhì)到葉梢附近的葉片表面，和其中所述尖端孔朝向葉梢方向傾斜，并具有朝向葉梢方向擴(kuò)張的扇形開口。
4.一種燃?xì)廨啓C(jī)，包括壓縮空氣的壓縮機(jī)、產(chǎn)生高溫高壓流體的燃燒室，以及通過用葉片將所述流體的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械功而產(chǎn)生軸的轉(zhuǎn)矩的渦輪機(jī)，其中所述燃?xì)廨啓C(jī)包括根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的渦輪動(dòng)葉片。
全文摘要
一種渦輪動(dòng)葉片，其具有高耐熱性，通過改進(jìn)渦輪動(dòng)葉片的冷卻效率，能夠使用較長的時(shí)間，并且通過使用這種渦輪動(dòng)葉片來改進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)的熱效率和工作效率。為了達(dá)到該目的，本發(fā)明提供了一種布置在燃?xì)饬髀分械臏u輪動(dòng)葉片，其中，在其外表面中形成用于吹出冷卻介質(zhì)的多個(gè)吹出口，其中，在沿著渦輪動(dòng)葉片的葉片后緣從葉根附近到葉梢附近布置的多個(gè)冷卻介質(zhì)后緣吹出口中，位于葉梢附近的葉梢后緣吹出口的開口面積被設(shè)定得大于其它后緣吹出口的開口面積。
文檔編號F02C7/18GK1517513SQ20041000221
公開日2004年8月4日 申請日期2004年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月27日
發(fā)明者弗瑞德瑞奇·薩阿汀, 弗瑞德瑞奇 薩阿汀, 埃利斯, 查理斯·埃利斯, 富田康意, 意, 介, 鳥井俊介 申請人:三菱重工業(yè)株式會(huì)社