专利名称：涡轮叶片和燃气轮机的制作方法
技术领域：
本发明涉及优选用于发电厂等中的燃气轮机，尤其涉及配备有冷却结构的蜗轮叶片。
背景技术：
为了提高用于发电厂等的工业燃气轮机的热效率，使在涡轮入口处工作的燃烧气体(液体)的温度升高是有效的。然而，由于暴露在燃烧气体下的每个部件，例如移动叶片、固定叶片和涡轮叶片等的耐热性能受到所述部件中使用的材料的物理特性的限制，因此涡轮入口的温度不会简单地增加。
为了解决以上问题，由于诸如冷却空气等冷却介质使涡轮叶片冷却，同时增加涡轮入口的温度，因此可以保持涡轮叶片的耐热性能，从而改善热效率。
用于冷却涡轮叶片的方法的例子包括对流冷却方法、冲击冷却方法(impingement cooling method)以及薄膜冷却方法，其中在所述对流冷却方法和冲击冷却方法中，冷却介质经过涡轮叶片的内部，而在所述薄膜冷却方法中，冷却介质喷射至涡轮叶片的外表面以形成冷却介质薄膜。
另外，下面将参考图4A和4B解释传统移动叶片(涡轮叶片)的结构。
图4A是用于解释移动叶片件50的结构的例子的透视图，图4B是作为移动叶片51顶端部分的顶部TP沿图4A中和线C-C的剖视图。图4A和4B中示出移动叶片51、设置在顶部TP上的尖端声响器54a和54b(突出部分)。
如图4A所示，移动叶片51竖直设置在平台55上，而平台55设在固定至涡轮转子(未示出)的接合部分56上。在两个侧表面处设有高压侧叶片表面53(外侧表面)和低压侧叶片表面52(外侧表面)。在高压侧叶片表面53处，由于移动叶片51的旋转使高压燃烧气体流动，而在低压侧叶片表面52处，压力低于在高压侧叶片表面53处流动的燃烧气体的低压燃烧气体流动。
如图4B所示，沿着移动叶片51的两个叶片表面52和53在作为移动叶片51顶端部分的顶部TP处设置突出部分，所述突出部分被称为尖端声响器(tip squealer)54a和54b且具有高度h2。当涡轮启动、顶部TP与在相反一侧的壁表面接触时，这些尖端声响器54a和54b用作将被磨损的部分。
移动叶片51布置在从燃烧室(未示出)吹出的燃烧气体的路径中。所述路径包括平台55的壁表面和形成涡轮外部的壳体的内壁表面(未示出)。所述壳体是分离环(separating ring)。
当燃气轮机启动时，高温气体碰撞移动叶片51，造成移动叶片51的热膨胀。固定叶片也必然经受热膨胀。然而，由于壳体与高温气体不直接接触，因此壳体经受热膨胀要慢于这些移动和固定叶片。因此，壳体不能响应于每个叶片的热膨胀而经受热膨胀。在这种情况下，由于移动叶片51等与壳体中的旋转轴一起旋转，因此移动叶片51的顶部TP在与壳体内壁表面接触时可能被磨损。这种现象被称为“尖端摩擦”，并且由于移动叶片51的顶部TP和壳体的内壁表面靠近地形成，以便防止压力从顶部TP与内壁表面之间的空间泄漏，因此会发生所述的现象。
由于作为将被磨损的部分或用于保持压力的部分的尖端声响器54a和54b具有足够的高度h2，因此如果发生尖端摩擦，高度h2也足以对应将被磨损的部分。
然而，如果由尖端声响器54a和54b形成的相对较大的凹入形成在具有高温的移动叶片51的顶部TP处，就会产生很多缺点。例如，由于顶部TP与待冷却表面分离开，因此很难冷却顶部TP。这样，由于顶部TP的烧毁以及进一步产生破裂，使得顶部TP相对于燃汽轮机操作的耐用性降低。
为了解决以上问题，移动叶片5 1的顶部TP具有图5A和5B所示的结构。图5A和5B示出移动叶片51顶部TP的剖视图。图5A示出尖端摩擦产生前的情况，而图5B示出尖端摩擦产生后的情况。
图5A示出沿高压侧叶片表面53形成的尖端声响器54(突出部分)，以及设置在顶部端表面上的多个孔56和57。孔56和57分别沿两个方向形成。一个孔穿过尖端声响器54，其中所述尖端声响器54包括具有高度h3的阶梯部分，这个高度h3低于图4B中所示尖端声响器54a的高度。另一个孔形成在顶部TP的端表面上，其中对应尖端声响器54b的部分被除去了。
每个孔56和57与移动叶片51中的腔R连通，流入移动叶片51中的冷却介质从孔56和57的上游开口部分56b和57b吸收，并且从下游开口部分56a和57a吹出。结果，从开口部分吹出的冷却介质冷却顶部TP、叶片表面52和53以及壳体的朝向叶片表面的内壁表面。
上游开口部分56b和57b以及下游开口部分56a和57a是具有相同截面积且直径大约为1毫米的孔，并且通常由电火花加工、激光束加工等形成。
根据以上构造，由于从孔56和57吹出的冷却介质用来冷却顶部TP等，因此尖端声响器54的热应力得到释放，从而防止尖端声响器54烧毁和破裂。此外，由于尖端声响器54的高度低于图4B所示尖端声响器54b的高度，并且尖端声响器仅设置在移动叶片顶端51的一侧，因此在很大程度上避免了热应力集中，并且防止烧毁和破裂。
然而，在作为传统涡轮叶片的移动叶片51中，当顶部TP上产生尖端摩擦时，冷却介质的每个孔56和57的周边被磨损，导致这些孔56和57被覆盖。这是因为磨损使得顶部部分TP的部件变形，而例如毛刺残留在变形的部件中的每个孔56和57的周边处。
下面参考图5B解释尖端摩擦产生后的情况。当移动叶片51的顶部TP由于热膨胀与壳体的内壁表面接触时，顶部TP逐渐磨损，磨掉了具有高度α的部分。同时，在顶部TP端表面处形成的孔56和57磨损，形成端部下移的下游开口部分56a′和57a′。同时，每个下游开口部分56a′和57a′的周边磨损产生毛刺。残留的毛刺使得每个下游开口部分56a′和57a′的横截面面积减小，孔56a′和57a′中产生堵塞。因此，很难将冷却空气从顶部TP吹出。
当试图使移动叶片51的腔R中的冷却介质从上游开口部分56b和57b流至孔56′和57′时，由于下游开口部分56a′和57a′被覆盖，因此不能将足够量的冷却介质吹出到顶部TP以进行冷却。如果顶部TP的冷却不能正常进行，则会产生这样的问题即顶部TP会发生烧毁和破裂，并且燃气轮机的耐用性降低。
发明内容
考虑到以上问题，本发明的目的是提供一种涡轮叶片和使用涡轮叶片的燃气轮机，在不发生由于尖端摩擦等而使用于冷却的孔闭合的情况下通过准确地冷却涡轮叶片，可以稳定地驱动所述燃气轮机，其中所述用于冷却的孔形成在涡轮叶片的顶部。
为了解决以上问题，本发明采用以下结构。
本发明的第一方面是提供一种布置在流动路径中的涡轮叶片，其中在涡轮叶片的顶部形成多个孔，用于将冷却介质吹出至外表面，并且，设在下游开口部分处的孔的截面面积大于设在上游开口部分处的孔的截面面积。
用于冷却涡轮叶片外表面的多个孔设在作为涡轮叶片顶端部分的顶部上。冷却介质从涡轮叶片的内部流向顶部的外侧，并从所述孔吹出。
设在上游侧的孔的截面直径与设在下游侧的孔的截面直径彼此不同。设在下游开口部分处的孔的截面面积大于设在上游开口部分处的孔的截面面积，其中在所述下游开口部分处冷却介质被吹出至涡轮叶片的外部，而在所述上游开口部分处冷却介质流入每个孔中。
因此，冷却介质从直径相对较小的上游开口部分流入，从直径相对较大的下游开口部分吹出。
此外，即使产生尖端摩擦，冷却介质也总是吹出至顶部的外侧，而不会使下游开口部分闭合。
这样，通过防止顶部的烧毁、破裂等的产生，可以提供一种具有高耐用性的涡轮叶片。
在根据本发明第一方面的涡轮叶片中，每个孔可以具有锥形形状。
沿着冷却介质流动的方向，设在下游开口部分的孔的截面面积大于设在上游开口部分的孔的截面面积。设在上游开口部分的每个孔的直径与设在下游开口部分的每个孔的直径的变化由锥形部分连接，结果上游开口部分处的孔的截面面积逐渐扩大到下游开口部分处的孔的截面面积，从而形成每个孔。冷却介质从具有锥形形状的每个孔吹出，以冷却涡轮叶片等。冷却介质平滑地经过所述孔至顶部。
例如，当所述孔形成为锥形时，即使由于顶部的磨损而使毛刺等部分地覆盖所述孔，但由于孔的截面面积大于上游开口部分的截面面积，因此对于被部分覆盖的孔，在毛刺产生的情况下，它的截面面积也不会小于上游开口部分的截面面积。
此外，如果锥形的角度增加，壁表面与顶部端表面之间的角度具有平缓的坡度。结果，可以防止毛刺的产生，并防止孔堵塞，从而可以冷却涡轮叶片。
在根据本发明第一方面的涡轮叶片中，每个孔可以具有阶梯部分，所述阶梯部分具有两个或更多个阶梯，各个阶梯具有不同的截面面积。
沿冷却介质的流动方向，设在下游开口部分的孔的截面面积大于设在上游开口部分的孔的截面面积。设在上游开口部分的每个孔的截面面积(直径)与设在下游开口部分的每个孔的截面面积(直径)的变化通过所述阶梯部分连接。冷却介质从具有阶梯部分的每个孔吹出，以冷却涡轮叶片等。
如果涡轮叶片的顶部磨损，并且毛刺等部分地覆盖了孔，则应该优选形成与估计将被磨损的部分的高度相对应的孔的截面面积。结果，即使下游开口部分逐渐磨损，也能确保下游开口部分具有较大截面面积。此外，可以防止尖端摩擦产生的毛刺等堵塞孔，从而确保孔开着。
在根据本发明第一方面的涡轮叶片中，可以形成每个孔的下游开口部分，以便向着朝向顶部的壁表面的相对移动方向扩张或张开(flare)。
涡轮叶片的顶部设置为靠近壁表面，所述壁表面朝向顶部并且相对于顶部移动。如果壁表面和顶部在相对移动过程中彼此接触，则其中形成有孔的顶部逐渐磨损。当顶部磨损时，由于尖端摩擦等而沿着壁表面的相对移动方向在孔中产生毛刺等。然而，由于其截面面积大于上游开口部分截面面积的下游开口部分形成为向着壁表面的相对移动方向扩张，因此可以防止毛刺等直接覆盖下游开口部分。即，即使产生毛刺等，从孔吹出的冷却介质也可以在不被毛刺等堵塞的情况下被吹出。此外，如果每个孔具有锥形形状，则由于毛刺产生的部分平滑地形成，因此在孔上的毛刺造成的影响也会显著降低。
在根据本发明第一方面的涡轮叶片中，突出部分可以设在至少一个肩台上，其中突出部分的外表面沿着涡轮叶片的外表面延长，而突出部分的内壁从顶部突起，孔可以沿着突出部分的内壁设置。
在涡轮叶片的顶部上形成突出部分，以便沿涡轮叶片的外表面延长，并且，沿着突出部分的内壁形成孔，冷却介质通过所述孔被吹出。即使尖端摩擦等使突出部分磨损而产生毛刺等，由于孔垂直于突出部分的内壁设置，也可以确保毛刺等不堵塞孔。
这些孔从上游开口部分向着顶部的端表面形成。当设在突出部分的每个孔的上部被毛刺等覆盖时，孔变得好像它设在突出部分的内壁处一样，换言之，孔可以近似地垂直于涡轮叶片的纵向方向。因此，冷却介质可以精确地吹至顶部以有效进行冷却，并且可以防止顶部的烧毁以及破裂的产生，从而提供耐用性改善的涡轮叶片。
本发明的第二方面是提供一种燃气轮机，所述燃气轮机配备有用于压缩空气的压缩机、用于产生高温高压流体的燃烧室以及用于通过将流体能量转化成机械功而产生发动机扭矩的涡轮，其中根据以上方面的涡轮叶片设在所述涡轮中。
涡轮叶片装有多个用于吹出冷却介质的孔，其中下游开口部分和上游开口部分形成在每个孔中，下游开口部分的截面面积大于上游开口部分的截面面积。涡轮叶片装在燃气轮机的涡轮中。
因此，由于设在涡轮叶片顶部处的孔即使在由于顶部摩擦而产生毛刺的情况下也不会被覆盖，因此用于冷却涡轮叶片的冷却介质可以从孔吹出。然后，通过采用包括外表面和将被冷却的顶部的涡轮叶片，可以保持涡轮叶片的耐热性能，同时涡轮入口的温度增加至高温，并且可以驱动燃气轮机。此外，涡轮叶片的冷却性能可以从初始操作开始一直保持，从而提供可靠、耐用且维护简单的燃气轮机。
附图简述
图1是用于解释根据本发明第一实施例的燃气轮机的示意性结构的剖视图；图2A是用于解释尖端摩擦产生前顶部横截面的透视图，并且解释图1中标号A示出的根据本发明第一实施例的移动叶片的顶部；图2B是顶部摩擦产生后顶部的剖视图，并且解释图1中标号A示出的根据本发明第一实施例的移动叶片的顶部；图3A是装有偏心锥形孔的顶部的剖视图，并且示出根据本发明第一实施例的移动叶片的顶部的修改例子；图3B是装有具有阶梯部分的孔的顶部的剖视图，并且示出根据本发明第一实施例的移动叶片的顶部的修改例子；图3C是装有具有偏心阶梯部分的孔的顶部的剖视图，并且示出根据本发明第一实施例的移动叶片的顶部的修改例子；图4A是移动叶片部件结构的例子的透视图，并且解释了传统的移动叶片；图4B是顶部沿图4A中所示线C-C的剖视图；图5A是尖端摩擦产生前顶部的剖视图，并且解释传统移动叶片的顶部；图5B是尖端摩擦产生后顶部的剖视图，并且解释传统移动叶片的顶部。
具体实施例方式
下面将参考附图解释根据本发明的实施例。
图1是用于解释根据实施例的燃气轮机1的示意性结构的剖视图。图1示出压缩机10、燃烧室20和涡轮30。压缩机10通过旋转轴2连接至涡轮30，燃烧室20设在压缩机10与涡轮30之间。
压缩机10压缩其中的大量空气。通常，在燃气轮机1中，通过旋转轴2获得的涡轮30的一部分动力用作压缩机10的动力(压缩机输入)。
燃烧室20在压缩机10中的压缩空气与燃料混合之后实施燃烧，以将燃烧气体(流体)送至与涡轮30连接的路径32。
涡轮30装有旋转轴2、多个移动叶片34和固定叶片33(两者均称为“涡轮叶片”)，其中所述旋转轴2至少从形成燃气轮机1外部的壳体31中的压缩机10延伸。
移动叶片34固定在旋转轴2的周围，并且由于沿着旋转2的轴线流动的燃烧气体的压力而使旋转轴2旋转。
此外，固定叶片33固定在分离环的周围，所述分离环构成壳体31的内壁，并且所述固定叶片33用于改变壳体31中的流动方向、流动压力和流动速度。轴密封机构33a设在固定叶片33的顶部，以封闭旋转轴2与固定叶片33顶部之间的空间。
这些移动叶片34和固定叶片33交替地设在形成于旋转轴2与壳体31内壁表面之间的燃烧气体路径中。燃烧室20中产生的燃烧气体被引入路径32中并且膨胀，膨胀的燃烧气体被吹至这些叶片，以通过将燃烧气体的热能转化成机械功的旋转能来产生动力。如上所述，所述动力用作压缩机10的动力，并且通常所述动力用作发电厂的发电机的动力。
接着，将参考图2A和2B解释顶部的结构，其中所述顶部为图1中标号A所示的移动叶片34的顶端部分。图2A是用于解释设在顶部上的孔的剖面透视图，图2B是示出尖端摩擦后顶部的剖视图。
图2A和2B示出孔38和39，孔38和39设在顶部TP上，冷却介质从顶部TP吹出。这些多个孔38和39分别在低压侧叶片表面35(外侧表面)和高压侧叶片表面36(外侧表面)处形成。尖端声响器37(突出部分)在低压侧叶片表面35处形成，以便在顶部TP突起，孔38在低压侧叶片表面35处形成，以便在尖端声响器37的侧壁表面中形成孔。
孔38和39朝向不同的方向形成，每个孔连接移动叶片34内部的腔R和顶部端表面。流入腔R中的冷却介质从孔38和39的上游开口部分38b和39b吸收，经过具有锥形的路径T1和T2，被引入连接至路径T1和T2的下游开口部分38a和39a中，并吹至移动叶片34的外部，其中所述下游开口部分38a和39a的截面面积大于上游开口部分38b和39b。
在该实施例中，每个上游开口部分38b和39b的直径大约在0.8至1.0毫米，每个下游开口部分38a和39a的直径大约在2至3毫米。在图2A和2B中示出具有圆柱形状的孔38和39，然而所述孔不局限于此。例如，孔38和39可以具有椭圆形、三角形或多边形等。
当移动叶片34沿旋转方向旋转，以便从图中的左边移至右边时，移动叶片34的顶部TP可以与壳体31的内壁表面接触(参考图1)。这是因为具有高温的燃烧气体爆炸而在移动叶片34上产生了热膨胀。结果，移动叶片34的高度增加，以与壳体31的内壁表面接触。
壳体31的热膨胀慢于移动叶片34的热膨胀。移动叶片34先于壳体31承受热膨胀，并且与较慢地承受热膨胀的壳体31接触。所述现象在燃气轮机1的加热和启动期间非常容易发生。朝向顶部TP的壁表面是壳体31的内壁表面，并且相对移动叶片34的实际运动移动。
当顶部TP接触壳体31的内壁表面时，顶部TP逐渐被磨损。这被称为摩擦。
当顶部TP产生磨擦时，如图2B中所示尖端声响器37磨损，在形成于尖端声响器37中的孔38上以及在形成于顶部端表面中的孔39上产生毛刺B。形成的毛刺B沿旋转方向覆盖孔38和39。
然而，由于在本实施例中形成在顶部TP处的孔38和39为锥形，并且截面面积是上游开口部分38b和39b的直径的两或三倍，因此孔38和39不会被毛刺B覆盖。因此，在腔R中的冷却介质容易从每个孔38和39中吹出，吹出的冷却介质从高压侧流到低压侧，以冷却顶部TP、尖端声响器37、叶片表面35和36、面对顶部TP的壳体31的内壁表面等。
根据移动叶片34的以上实施例，即使产生摩擦，吹出冷却介质的孔38和39也不会被覆盖，移动叶片34可以精确而连续地被冷却。同时，由于尖端声响器37和顶部TP的热负载减少，因此可以防止诸如烧毁或破裂等缺陷，从而能稳定地驱动燃气轮机1。
本实施例的修改例子可以具有以下结构。
图3A至3C是移动叶片34的顶部TP的剖视图，示出本实施例的改进例子。省略对图3A至3C中所示标号的解释，因为标号与以上实施例中描述的标号相同。
图3A是顶部TP的剖视图，所述顶部TP装有具有锥形形状T1和T2的孔38和39，其中与每个上游开口部分38b和39b的中心相比，每个下游开口部分38a和39a的中心偏心地形成。
连接移动叶片34的腔R和顶部端表面的孔38和39的截面面积沿着锥形形状T1和T2从上游开口部分38b和39b延长，其中每个上游开口部分38b和39b具有大约为1毫米的窄小直径。如果移动叶片34被视为处于静止状态，则截面面积的增大方向朝向图的右侧。所述方向与面对移动叶片34的壳体2的内壁表面的相对移动方向相反。与上游开口部分38b和39b的中心相比，每个下游开口部分38a和39a偏心设置，以便朝向壳体2的内壁表面的相对移动方向的相反方向扩张。
根据下游开口部分38a和39a的偏心率，顶部端表面与每个锥形T1和T2的壁表面之间的角度分别变小。
因此，即使产生毛刺，覆盖孔38和39也很困难。此外，由于产生毛刺的部分具有平缓的角度，因此会减少毛刺的产生。
接着，参考图3B和3C解释具有阶梯部分的孔38和39。图3B和3C是移动叶片34的顶部TP的横截面的剖视图，与图3A类似。
下面参考图38解释具有阶梯部分S1和S2的孔38和39。孔38和39具有上游开口部分38b和39b以及下游开口部分38a和39a，其中每个上游开口部分38b和39b具有大约1毫米的直径，每个下游开口部分38a和39a具有大约2至3毫米的直径。上游开口部分38b和39b以及下游开口部分38a和39a通过阶梯部分S1和S2连接。
由此，下游开口部分38a和39a的截面面积可以形成为是上游开口部分38b和39b截面面积的两到三倍，以防止产生的毛刺堵塞孔38和39。此外，由于形成有阶梯部分S1和S2，因此通过电火花加工、机加工等可以容易地形成孔38和39。
此外，参考图3C解释具有阶梯部分Sa1和Sa2的孔38和39，其中阶梯部分Sa1和Sa2偏心地设置。
连接移动叶片34的腔R和顶部端表面的孔38和39的截面面积通过阶梯部分Sa1和Sa2从上游开口部分38b和39b延长，其中每个上游开口部分38b和39b具有大约1毫米的窄小直径。如果移动叶片34被视为处于静止状态，截面面积的增大方向朝向图的右侧。所述方向与面对移动叶片34的壳体2的内壁表面的相对移动方向相反。与上游开口部分38b和39b的中心相比，每个下游开口部分38a和39a的中心偏心地设置，以便向着壳体2的内壁表面的相对移动方向扩张。
由此，下游开口部分38a和39a的截面面积可以形成为是上游开口部分38b和39b截面面积的两到三倍，以有效地防止产生的毛刺堵塞孔38和39。此外，由于形成有阶梯部分Sa1和Sa2，因此通过电火花加工、机加工等可以容易地形成孔38和39。
权利要求
1.一种布置在流动路径中的涡轮叶片，其中在所述涡轮叶片的顶部设有多个孔，用于将冷却介质吹出至外表面，以及其中，设在下游开口部分处的孔的截面面积大于设在上游开口部分处的孔的截面面积。
2.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，每个孔具有锥形形状。
3.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，每个孔具有阶梯部分，所述阶梯部分具有两个或更多个阶梯，各个阶梯具有不同的截面面积。
4.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，每个孔的下游开口部分形成为向着面对所述顶部的壁表面的相对移动方向扩张。
5.根据权利要求1所述的涡轮叶片，其特征在于，在至少一个肩台上设置有突出部分，其中所述突出部分的外表面沿着所述涡轮叶片的外表面延伸，而所述突出部分的内壁从所述项部突起，所述孔沿所述突出部分的内壁设置。
6.一种燃气轮机，所述燃气轮机装有用于压缩空气的压缩机、用于产生高温高压流体的燃烧室以及通过将流体能量转化成机械功而产生发动机扭矩的涡轮，其中根据权利要求1至5中任一项所述的涡轮叶片设在所述涡轮中。
全文摘要
孔(38和39)具有上游开口部分(38b和39b)和下游开口部分(38a和39a)，所述下游开口部分(38a和39a)的截面面积大于上游开口部分(38b和39b)的截面面积，并且所述孔形成在每个移动叶片的顶部TP。孔(38和39)具有锥形形状T1和T2或阶梯部分，并且优选下游部分(38a和39a)向着移动方向偏心形成。当形成尖端声响器(37)时，孔(38)形成为它的开口部分设在尖端声响器(37)的侧表面。摩擦等不会覆盖形成在涡轮叶片顶部处的用于冷却的孔，从而涡轮叶片被精确地冷却并且被稳定地驱动。
文档编号F01D11/04GK1502788SQ20031011499
公开日2004年6月9日 申请日期2003年11月14日 优先权日2002年11月20日
发明者弗里德里希·泽希廷, 弗里德里希 泽希廷, 富田康意, 意, 介, 鸟井俊介 申请人:三菱重工业株式会社