本發(fā)明涉及至少具有一個(gè)形成于葉片內(nèi)部且在葉片高度方向上延伸的冷卻流道，并用隔熱部件覆蓋葉片面的渦輪葉片。

背景技術(shù)：

燃?xì)廨啓C(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械的一種，主要用作航空機(jī)推進(jìn)用、發(fā)電用的動(dòng)力源。燃?xì)廨啓C(jī)具備壓縮機(jī)、燃燒器以及渦輪。壓縮機(jī)吸入空氣并壓縮，生成壓縮空氣。燃燒器與由壓縮機(jī)生成的壓縮空氣一起使燃料燃燒，生成高溫的燃燒氣體。渦輪利用由燃燒器生成的燃燒氣體(主流氣體)旋轉(zhuǎn)。

為了燃?xì)廨啓C(jī)的高性能化，要求燃燒氣體的高溫化。但是，伴隨燃燒氣體的高溫化，容易產(chǎn)生導(dǎo)致渦輪葉片(即渦輪的靜葉片或動(dòng)葉片)的破損的問(wèn)題(詳細(xì)地說(shuō)，蠕變、酸化減小厚度等)。作為對(duì)該問(wèn)題的處理方法，具有在渦輪葉片的內(nèi)部形成冷卻流道，使冷卻氣體在該冷卻流道中流動(dòng)的方法。另外，具有用隔熱部件覆蓋葉片面(即葉片部件的表面)的方法。

若增大隔熱部件的厚度，則從高溫的主流氣體對(duì)葉片面進(jìn)行熱遮蔽的效果變大，但渦輪葉片的空氣動(dòng)力性能下降。因此，在專利文獻(xiàn)1中，使葉片后緣部的隔熱部件的厚度隨著朝向后側(cè)而遞減。由此，減小葉片后緣部的寬度，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力性能的提高。

對(duì)專利文獻(xiàn)1進(jìn)行詳述。在專利文獻(xiàn)1中，在與葉片高度方向垂直的各葉片剖面的背側(cè)的葉片面上，在至少一個(gè)的葉片高度方向的冷卻流道中的最靠近葉片后緣的最終的冷卻流道的后端的位置(詳細(xì)地說(shuō)，在通過(guò)最終的冷卻流道的后端且與外傾線垂直的直線通過(guò)背側(cè)葉片面的位置)設(shè)定背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。并且，各葉片剖面的背側(cè)中的隔熱部件的厚度分布以從葉片前緣到背側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)隔熱部件的厚度一樣，從背側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)到葉片后緣隨著朝向后側(cè)隔熱部件的厚度遞減的方式構(gòu)成。

同樣地，在與葉片高度方向垂直的各葉片剖面中的腹側(cè)的葉片面上，在最終的冷卻流道的后端的位置(詳細(xì)地說(shuō)，在通過(guò)最終的冷卻流道的后端且與外傾線垂直的直線通過(guò)腹側(cè)葉片面的位置)設(shè)定腹側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)。并且，各葉片剖面的腹側(cè)中的隔熱部件的厚度分部以從葉片前緣到腹側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)隔熱部件的厚度相同，從腹側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)到葉片后緣隨著朝向后側(cè)隔熱部件的厚度漸減的方式構(gòu)成。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專利文獻(xiàn)1：日本特開(kāi)2013-194667號(hào)公報(bào)

上述現(xiàn)有技術(shù)存在以下那樣的課題。即，在專利文獻(xiàn)1中，將背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)設(shè)定在最終的冷卻流道的后端的位置，背側(cè)的隔熱部件的厚度漸減的區(qū)域比較小。因此，沿背側(cè)的隔熱部件流動(dòng)的流體的遞減梯度在局部大，容易產(chǎn)生邊界層。因此，空氣動(dòng)力損失增加。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供能夠緩和沿背側(cè)的隔熱部件流動(dòng)的流體的減速梯度而抑制邊界層的發(fā)展，能抑制空氣動(dòng)力損失的渦輪葉片。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是至少具有一個(gè)形成于葉片內(nèi)部且在葉片高度方向延伸的冷卻流道，利用隔熱部件覆蓋背側(cè)以及腹側(cè)的葉片面的渦輪葉片，在與葉片高度方向垂直的各葉片剖面的上述背側(cè)葉片面上，在包括渦輪葉片間的距離為最小的頸部的位置且比該位置靠后側(cè)，并且不包括上述至少一個(gè)冷卻流道中的最靠近葉片后緣的最終的冷卻流道的后端的位置且比該位置靠前側(cè)的范圍內(nèi)設(shè)定背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，上述各葉片剖面的背側(cè)中的上述隔熱部件的厚度分布以上述隔熱部件的厚度從葉片前緣到上述設(shè)計(jì)點(diǎn)相同，上述隔熱部件的厚度從上述設(shè)計(jì)點(diǎn)到上述葉片后緣隨著朝向后側(cè)漸減的方式構(gòu)成。

在這種本發(fā)明中，與專利文獻(xiàn)1相同，各葉片剖面的背側(cè)中的隔熱部件的厚度分布以隔熱部件的厚度從葉片前緣到設(shè)計(jì)點(diǎn)相同，隔熱部件的厚度從設(shè)計(jì)點(diǎn)到葉片后緣隨著朝向后側(cè)漸減的方式構(gòu)成。但是，與專利文獻(xiàn)1相比，在前側(cè)設(shè)定背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，擴(kuò)大背側(cè)的隔熱部件的厚度漸減的區(qū)域。由此，能緩和沿背側(cè)的隔熱部件流動(dòng)的流體的減速梯度，能抑制邊界層的發(fā)展。因此，能抑制空力損失。

本發(fā)明的效果如下。

根據(jù)本發(fā)明，能抑制緩和沿背側(cè)的隔熱部件流動(dòng)的流體的減速梯度而抑制邊界層的發(fā)展，能抑制空氣動(dòng)力損失。

附圖說(shuō)明

圖1是表示作為本發(fā)明的適用對(duì)象的發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)的概略圖。

圖2是表示作為本發(fā)明的適用對(duì)象的燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

圖3是與渦輪葉片間的流道一起表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)的橫剖視圖。

圖4是圖3中剖面iv-iv的縱剖視圖。

圖5是圖3中v部的局部放大橫剖視圖。

圖6是本發(fā)明的第一實(shí)施方式以及比較例的沿渦輪葉片的背側(cè)的隔熱部件流動(dòng)的流體的速度分布的圖。

圖7是表示本發(fā)明的第二實(shí)施方式的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)的局部放大橫剖視圖。

圖8是表示本發(fā)明的一變形例的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)的局部放大橫剖視圖。

圖中：11—渦輪葉片，12—背側(cè)的葉片面，13—腹側(cè)的葉片面，14—隔熱部件，15a～15f—冷卻流道，16a、16b—背側(cè)膜冷卻孔，l—外傾線，p1—背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，p2—腹側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)，r—最終的冷卻流道的后端的位置，s—頸部的位置。

具體實(shí)施方式

參照附圖說(shuō)明本發(fā)明的第一實(shí)施方式。

圖1是表示作為本發(fā)明的適用對(duì)象的發(fā)電用的燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)的概略圖，圖2是表示燃?xì)廨啓C(jī)的結(jié)構(gòu)的剖視圖。

燃?xì)廨啓C(jī)具備壓縮機(jī)1、燃燒器2、渦輪3以及發(fā)電機(jī)4。壓縮機(jī)1吸入空氣并壓縮，生成壓縮空氣。燃燒器2與由壓縮機(jī)1生成的壓縮空氣一起燃燒燃料，生成高溫的燃燒氣體。渦輪3利用由燃燒器2生成的燃燒氣體旋轉(zhuǎn)。發(fā)電機(jī)4通過(guò)渦輪3的旋轉(zhuǎn)而被驅(qū)動(dòng)并發(fā)電。另外，渦輪3的轉(zhuǎn)子5通過(guò)連結(jié)軸6與發(fā)電機(jī)4的轉(zhuǎn)子連接，并且通過(guò)中間軸7與壓縮機(jī)1的轉(zhuǎn)子連接。

渦輪3具備轉(zhuǎn)子5和設(shè)于轉(zhuǎn)子5的外周側(cè)的多列的動(dòng)葉片8a、8b、8c、8d。另外，具備內(nèi)置轉(zhuǎn)子5以及動(dòng)葉片8a、8b、8c、8d的外殼9和設(shè)于外殼9的內(nèi)周側(cè)的多列的靜葉片10a、10b、10c、10d。各列的靜葉片或動(dòng)葉片由在渦輪3的圓周方向排列的多個(gè)靜葉片或動(dòng)葉片構(gòu)成。各列的靜葉片和動(dòng)葉片在渦輪3的軸向(圖2中左右方向)交替地配置。并且，由燃燒器2生成的高溫的燃燒氣體一邊交替地通過(guò)各列的靜葉片和各列的動(dòng)葉片一邊膨脹，使轉(zhuǎn)子5旋轉(zhuǎn)。

圖3是與渦輪葉片間的流道一起表示本發(fā)明的第一實(shí)施方式的渦輪葉片(即上述的渦輪3的動(dòng)葉片或靜葉片)的結(jié)構(gòu)的橫剖視圖(換言之，渦輪圓周方向的剖視圖)。圖4是利用圖3中iv-iv剖面(換言之沿外傾線的剖面)剖切的縱剖視圖。圖5是圖3中v部的局部放大橫剖視圖。

在渦輪葉片11的背側(cè)葉片面12以及腹側(cè)葉片面13覆蓋隔熱部件14(詳細(xì)地說(shuō)，熱傳導(dǎo)率比葉片部件低)(隔熱表面涂層)。由此，從高溫的主流氣體對(duì)葉片面12、13(即葉片部件的表面)進(jìn)行熱遮蔽。

在渦輪葉片11的內(nèi)部形成沿葉片高度方向(圖4中上下方向)延伸的多個(gè)冷卻流道15a～15f。在背側(cè)的葉片面12以及隔熱部件14形成例如兩列膜冷卻孔16a、16b，在腹側(cè)的葉片面13以及隔熱部件14形成例如一列膜冷卻孔17。各列的膜冷卻孔由在葉片高度方向上排列的多個(gè)膜冷卻孔構(gòu)成。

冷卻流道15a、15b、15c配置于葉片前緣側(cè)(圖3以及圖4中左側(cè))，在葉片根側(cè)(圖4中下側(cè))以及葉片前端側(cè)(圖4中上側(cè))連通并構(gòu)成蛇狀的流道。冷卻流道15c與葉片根側(cè)的開(kāi)口部18a以及葉片前端側(cè)的開(kāi)口部18b連通，冷卻流道15b與葉片前端側(cè)的開(kāi)口部18c連通，冷卻流道15a與膜冷卻孔16a、17連通。并且，從壓縮機(jī)1的中級(jí)抽出的空氣(參照?qǐng)D1)作為冷卻空氣(詳細(xì)地說(shuō)，作為比主流氣體低溫的空氣)從開(kāi)口部18a流入葉片內(nèi)部，流向冷卻流道15c。流經(jīng)冷卻流道15c的冷卻空氣的一部分從開(kāi)口部18b、18c向葉片外部放出，剩下的冷卻空氣流向冷卻流道15b、15a。流經(jīng)冷卻流道15a的冷卻空氣從膜冷卻孔16a、17向葉片外部放出。

冷卻流道15d、15e、15f配置于葉片后緣側(cè)(圖3以及圖4中右側(cè))，在葉片根側(cè)以及葉片前端側(cè)連通且構(gòu)成蛇狀的流道。冷卻流道15d與葉片根側(cè)的開(kāi)口部18d以及葉片前端側(cè)的開(kāi)口部18e連通，冷卻流道15e與膜冷卻孔16b連通，冷卻流道15f與后緣部排出流道19連通。并且，從壓縮機(jī)1的中級(jí)抽出的空氣作為冷卻空氣從開(kāi)口部18d流入葉片內(nèi)部，流向冷卻流道15d。流經(jīng)冷卻流道15d的冷卻空氣的一部分從開(kāi)口部18e向葉片外部放出，剩下的冷卻空氣流向冷卻流道15e。流經(jīng)冷卻流道15e的冷卻空氣的一部分從膜冷卻孔16b放出，剩下的冷卻空氣流向冷卻流道15f。流經(jīng)冷卻流道15f的冷卻空氣從后緣部排出流道(排出孔19)向葉片外部放出。另外，在后緣部排出流道19設(shè)置跨越背側(cè)與腹側(cè)之間的多個(gè)銷20。

如上所述，通過(guò)冷卻空氣在冷卻流道15a～15f中流動(dòng)，對(duì)葉片面12、13的內(nèi)側(cè)進(jìn)行冷卻。另外，通過(guò)從膜冷卻孔16a、16b、17噴出的冷卻空氣沿隔熱部件14的表面流動(dòng)，對(duì)隔熱部件14(換言之葉片面12、13的外側(cè))進(jìn)行冷卻。

在此，對(duì)作為本實(shí)施方式的特征的隔熱部件14的厚度分布進(jìn)行說(shuō)明。在與渦輪葉片11的葉片高度方向垂直的各葉片剖面的背側(cè)葉片面12a上，在作為包括渦輪葉片11間的距離為最小的頸部的位置s且比該位置s靠后側(cè)(后緣側(cè))、并且不包括冷卻流道15a～15f中的最靠近葉片后緣的最終的冷卻流道15f的后端的位置r且比該位置r靠前側(cè)(前緣側(cè))的范圍內(nèi)設(shè)定背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p1。并且，各葉片剖面的背側(cè)中的隔熱部件14的厚度分布以隔熱部件14的厚度從葉片前緣到設(shè)計(jì)點(diǎn)p1相同且為預(yù)定值ha，并且隔熱部件14的厚度從設(shè)計(jì)點(diǎn)p1到葉片后緣隨著朝向后側(cè)而漸減且為預(yù)定值hb(但是，hb<ha)的方式構(gòu)成。

另外，在與渦輪葉片11的葉片高度方向垂直的各葉片剖面的腹側(cè)葉片面13上，以將外傾線l(葉片型的中心線)作為對(duì)稱軸與背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p1對(duì)稱方式設(shè)定腹側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p2。并且，各葉片剖面的腹側(cè)中的隔熱部件14的厚度分布以隔熱部件14的厚度從葉片前緣到設(shè)計(jì)點(diǎn)p2相同且為預(yù)定值ha，并且隔熱部件14的厚度從設(shè)計(jì)點(diǎn)p2到葉片后緣隨著朝向后側(cè)漸減且為預(yù)定值hb的方式構(gòu)成。

另外，在本實(shí)施方式中，兩列的背側(cè)膜冷卻孔16a、16b中的最靠近葉片后緣的最終列的膜冷卻孔16b位于作為包括頸部的位置s且比該位置s靠后側(cè)、并且不包括最終的冷卻流道15f的后端的位置r且比該位置r靠前側(cè)的范圍內(nèi)。另外，背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p1在各葉片剖面中的背側(cè)葉片面12上，設(shè)定在作為包括頸部的位置s且比該位置s靠后側(cè)、并且不包括最終列的膜冷卻孔16b的位置且比該位置靠前側(cè)的范圍內(nèi)。

接著，說(shuō)明本實(shí)施方式的作用效果。

作為渦輪葉片11的空氣動(dòng)力性能的要素，具有背側(cè)隔熱部件14的表面上的邊界層和葉片后緣的下游側(cè)的尾流(速度欠損區(qū)域)。背側(cè)隔熱部件14的表面上的邊界層的狀態(tài)依賴于背側(cè)隔熱部件14的表面上的速度分布。在葉片背側(cè)，為從葉片前緣到頸部增速，從頸部到葉片后緣減速的分布(參照?qǐng)D6)。邊界層在從頸部到葉片后緣的減速區(qū)域發(fā)展。作為評(píng)價(jià)葉片背側(cè)的減速區(qū)域的指標(biāo)，具有擴(kuò)散要素df。擴(kuò)散要素df如下述式(1)所示使用在頸部的流速vs和在葉片后緣的流速vte表示。如果該擴(kuò)散要素df小，則從頸部到葉片后緣的減速量變小，抑制邊界層的發(fā)展。

df＝(vs-vte)/vte…(1)

葉片后緣的下游側(cè)的尾流的寬度依賴于葉片后緣部的寬度(例如背側(cè)隔熱部件14的表面與腹側(cè)隔熱部件14的表面之間的寬度)和葉片后緣部的夾角(詳細(xì)地說(shuō)，背側(cè)隔熱部件14的表面與腹側(cè)隔熱部件14的表面之間的夾角)。如果葉片后緣部的寬度小，則與之成比例，尾流的寬度減小。另外，如果葉片后緣部的夾角大，則隔熱部件14的表面上的剝離點(diǎn)向下游側(cè)移動(dòng)，因此尾流的寬度減小。

在此，作為第一比較例，假想構(gòu)成為各葉片剖面的背側(cè)中的隔熱部件的厚度分布從葉片前緣到葉片后緣，隔熱部件的厚度相同，為預(yù)定值ha，各葉片剖面的腹中的隔熱部件的厚度分布從葉片前緣到葉片后緣，隔熱部件的厚度相同，為預(yù)定值ha的情況。

在本實(shí)施方式中，通過(guò)背側(cè)隔熱部件14的厚度漸減，與第一比較例相比，葉片背側(cè)的減速區(qū)域(即從頸部到葉片后緣)的整體的曲率變大，在葉片后緣的流速vte增加。由此，擴(kuò)散要素df下降，能抑制邊界層的發(fā)展。另外，與第一比較例相比，由于葉片后緣部的寬度減小，并且葉片后緣部的夾角增大，因此，能減小尾流的寬度。因此，能抑制空氣動(dòng)力損失，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力性能的提高。

利用圖7說(shuō)明本發(fā)明的第二實(shí)施方式。另外，在本實(shí)施方式中，與第一實(shí)施方式相同的部分標(biāo)注相同的符號(hào)，適當(dāng)省略說(shuō)明。

圖7是表示本實(shí)施方式的渦輪葉片的結(jié)構(gòu)的局部放大橫剖視圖，與第一實(shí)施方式的圖5對(duì)應(yīng)。

在本實(shí)施方式中，背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p1在與渦輪葉片11的葉片高度方向垂直的各葉片剖面中的背側(cè)葉片面12上，設(shè)定在作為包括最終列的背側(cè)膜冷卻孔16b的位置且比該位置靠后側(cè)、并且不包括最終的冷卻流道15f的后端的位置r且比該位置r靠前側(cè)的范圍內(nèi)。并且，各葉片剖面的背側(cè)中的隔熱部件14的厚度分布以隔熱部件14的厚度從葉片前緣到設(shè)計(jì)點(diǎn)p1相同且為預(yù)定值ha、并且隔熱部件14的厚度從設(shè)計(jì)點(diǎn)p1到葉片后緣隨著朝向后側(cè)漸減且為預(yù)定值hb的方式構(gòu)成。

另外，在與渦輪葉片11的葉片高度方向垂直的各葉片剖面中的腹側(cè)葉片面13上，以將外傾線l作為對(duì)稱軸與背側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p1對(duì)稱的方式設(shè)定腹側(cè)的設(shè)計(jì)點(diǎn)p2。并且，各葉片剖面的腹側(cè)中的隔熱部件14的厚度分布以隔熱部件14的厚度從葉片前緣到設(shè)計(jì)點(diǎn)p2相同且為預(yù)定值ha、并且隔熱部件14的厚度從設(shè)計(jì)點(diǎn)p2到葉片后緣隨著朝向后側(cè)漸減且為預(yù)定值hb的方式構(gòu)成。

即使在這種本實(shí)施方式中，與上述第二比較例相比，將背側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)p1設(shè)定在前側(cè)，擴(kuò)大背側(cè)隔熱部件14的厚度漸減的區(qū)域。由此，緩和通過(guò)渦輪葉片11間的頸部并沿背側(cè)隔熱部件14流動(dòng)的流體的減速梯度，能抑制邊界層的發(fā)展。因此，能抑制空氣動(dòng)力損失，實(shí)現(xiàn)空氣動(dòng)力性能的提高。

另外，在本實(shí)施方式中，由于在最終列的膜冷卻孔16b的后側(cè)設(shè)定背側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)p1，因此，與第一實(shí)施方式相比，從膜冷卻孔16b到葉片后緣的曲率變大，在膜冷卻孔16b的下游側(cè)增速。由此，從膜冷卻孔16b噴出的冷卻空氣附著于隔熱部件14的表面地流動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)冷卻效果的提高。

另外，在第二實(shí)施方式中，渦輪葉片11以具有兩列背側(cè)膜冷卻孔16a、16b的情況為例進(jìn)行說(shuō)明，但未限定于此，只要至少具有一列背側(cè)膜冷卻孔即可。即，至少一個(gè)的背側(cè)膜冷卻孔中的最靠近葉片后緣的最終列的膜冷卻孔只要位于作為包括頸部的位置s且比該位置s靠后側(cè)、并且不包括最終的冷卻流道15f的后端的位置r且比該位置r靠前側(cè)的范圍內(nèi)即可。

另外，在第一及第二實(shí)施方式中，渦輪葉片11以具有五個(gè)形成于葉片內(nèi)部且沿葉片高度方向延伸的冷卻流道的情況為例進(jìn)行說(shuō)明，但未限定于此，只要至少具有一個(gè)即可。即，至少一個(gè)冷卻流道中的最靠近葉片后緣的最終的冷卻流道的后端只要位于不包括頸部的位置s且比該位置s靠后側(cè)即可。

另外，在第一及第二實(shí)施方式中，以各葉片剖面的腹側(cè)中的隔熱部件14的厚度分布以隔熱部件14的厚度從葉片前緣到腹側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)p2相同且從腹側(cè)設(shè)計(jì)點(diǎn)p2到葉片后緣隨著朝向后側(cè)而隔熱部件14的厚度漸減的方式構(gòu)成的情況為例進(jìn)行說(shuō)明，但未限定于此，能在不脫離本發(fā)明的主旨及技術(shù)思想的范圍內(nèi)變形。即，可以著眼于背側(cè)和腹側(cè)的流的不同(換言之，熱環(huán)境的不同)，使背側(cè)和腹側(cè)的隔熱部件14的厚度分布不同。具體地說(shuō)，例如如圖8所示，各葉片剖面的腹側(cè)中的隔熱部件14的厚度分布可以構(gòu)成為隔熱部件14的厚度從葉片前緣到葉片后緣相同。由此，與背側(cè)葉片面12相比，可以提高腹側(cè)葉片面13的隔熱效果。