燃气涡轮发动机的冷却结构及其制造方法与流程

本申请要求2016年7月15日申请的日本专利申请2016-140495的优先权，将其全部内容以参考的的方式引入作为本申请的一部分。

本发明涉及一种用于对构成燃气涡轮发动机的部件进行冷却的结构及其制造方法。

背景技术：

近年来，为了在燃气涡轮发动机中抑制因高温燃烧而产生的氮氧化合物(nox)，期望增大燃烧用空气量来抑制火焰温度的上升。因此，为了减少无助于燃烧自身的空气(冷却空气)，谋求提高暴露于高温下的结构部件的对流冷却性能。作为这样的结构部件，例如燃烧器内衬的冷却结构，已知有如下技术方案，即在燃烧器内衬的外周面形成多个凹槽、设置如肋这样的突起物(参照专利文献1)等。如果像这样在冷却对象面上形成凹凸，则在用作冷却介质的压缩空气有效地产生紊流，促进热传递，其结果为，冷却性能提高。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开2006-63984号公报

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

然而，在冷却对象面上仅设置单一的凹槽、肋时，无法获得充分的冷却性能。另外，以往，通过精密铸造、机械加工、棒状部件的追加设置等来形成凹凸，不仅需要成本，而且难以形成复杂形状的凹凸。

本发明的目的在于，为了解决上述问题，提供一种能获得优异的对流冷却性能的、具有凹凸的燃气涡轮发动机的冷却结构。另外，本发明的另一目的在于，提供一种能够以低成本制造具有任意的凹凸形状的冷却结构的制造方法。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明的燃气涡轮发动机的冷却结构，其用于将燃气涡轮发动机的工作气体用作冷却介质来对该燃气涡轮发动机的结构部件进行冷却，所述冷却结构具有：流路壁，其由所述结构部件的一部分形成，与供所述冷却介质流动的冷却介质流路相面对；凹部，其形成于所述流路壁的壁面；以及凸部，其形成于所述凹部的周缘的至少一部分。

根据该结构，通过以与凹部组合的方式在其周缘形成凸部，从而促进流入至凹部并从凹部流出的冷却介质产生紊流，可获得优异的冷却性能。

在本发明的一个实施方式的冷却结构中，也可以为，所述凸部仅形成于所述凹部的、冷却介质的流动方向上的上游侧的周缘。根据该结构，可促进在凹部的内部产生紊流，能够有效地冷却壁面。

在本发明的一个实施方式的冷却结构中，也可以为，所述凸部仅形成于所述凹部的、冷却介质的流动方向上的下游侧的周缘。根据该结构，可促进在凹部的下游部分产生紊流，能够有效地冷却壁面。

本发明的燃气涡轮发动机的冷却结构的制造方法，其是制造用于将燃气涡轮发动机的工作气体用作冷却介质来对该燃气涡轮发动机的金属制的结构部件进行冷却的结构的方法，所述制造方法包括下述步骤：向由所述结构部件的一部分形成的、与供所述冷却介质流动的冷却介质流路相面对的流路壁照射激光束，并且向所述激光束照射的部分喷吹辅助气体而去除熔融金属，从而在所述流路壁的壁面形成凹部。作为这样的制造方法的一个实施方式，还可以通过使喷吹所述辅助气体而去除的熔融金属残留于所述凹部的周缘的至少一部分，从而形成凸部。

根据该结构，通过照射激光束，并向由此而熔融的金属喷吹辅助气体，能够容易地形成凹部，并且通过调整喷吹辅助气体的条件，能够在凹部的周边形成凸部。另外，通过调整激光照射条件，易于获得任意的凹部形状。而且，由于使用激光进行加工，因此不仅能够在板状的结构部件，而且能够在棒状的结构部件、成型品等各种形态的部件上容易且短时间地形成凹凸。

在本发明的一个实施方式的制造方法中，也可以为，通过向相对于所述流路壁的壁面倾斜的方向喷吹所述辅助气体，从而仅在所述凹部的周缘的一部分形成所述凸部。根据该结构，通过调整辅助气体的喷吹方向及角度，能够任意设定由熔融金属形成的凸部的位置、突出高度。

在本发明的一个实施方式的制造方法中，也可以为，经由光束成型部件向所述流路壁照射所述激光束。根据本结构，能够利用光束成型部件任意设定凹部的平面形状。

在本发明的一个实施方式的制造方法中，还可以对所述凹部的表面实施喷砂处理(日文：ブラスト処理)。根据该结构，能够有效地防止产生熔融的金属固化而形成的凹部的表面裂纹。

在权利要求和/或说明书和/或说明书附图中公开的至少两个结构的任意组合均包含在本发明中。尤其是权利要求书的两项以上的任意组合也包含在本发明中。

附图说明

通过参照附图对以下优选的实施方式的说明，可更加清楚地理解本发明。但是，实施方式及附图仅用于图示及说明，不应用于限定本发明的范围。本发明的范围由随附的权利要求书确定。在附图中，多张附图中相同的附图标记表示相同或相当的部分。

图1是表示应用本发明一个实施方式的冷却结构的燃气涡轮发动机的概要结构的局部剖切侧视图。

图2是示意性地表示本发明一个实施方式的冷却结构的概要结构的剖视图。

图3是示意性地表示本发明一个实施方式的冷却结构的概要结构的俯视图。

图4是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凹部形状例子的俯视图。

图5是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凹部形状例子的俯视图。

图6是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凹部形状例子的俯视图。

图7是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凹部及凸部的形状例子的剖视图。

图8是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凹部排列方式例子的俯视图。

图9是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凸部的形态例子的俯视图。

图10是表示本发明一个实施方式的冷却结构的凸部的形态例子的俯视图。

图11是表示用于本发明一个实施方式的冷却结构的制造方法的激光照射装置例子的概要结构的剖视图。

图12是表示用于本发明一个实施方式的冷却结构的制造方法的激光照射装置例子的概要结构的剖视图。

图13是表示用于本发明一个实施方式的冷却结构的制造方法的激光照射装置的例子的概要结构的剖视图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明，但本发明并不限定于此。

图1是将具有本发明一个实施方式的冷却结构的燃气涡轮发动机(以下简称为燃气轮机)gt的一部分剖切表示的侧视图。燃气轮机gt将从外部导入的空气a用压缩机(未图示)压缩并导向燃烧器1，在燃烧器1内使燃料与经压缩的空气a一起燃烧，并利用所得到的高温高压的燃烧气体hg来驱动涡轮(未图示)。燃烧器1以相对于压缩机及涡轮的轴心c稍微倾斜的方式配置。

燃烧器1具备：在内侧形成燃烧室3的筒状的燃烧器内衬5；以及安装于燃烧器内衬5的顶壁(最上游部的壁)5a并向燃烧室3喷吹燃料与空气a的混合气的燃烧嘴单元(日文：バーナユニット)7。所述燃烧器内衬5和燃烧嘴单元7以同心状的配置的方式收纳于作为燃气轮机燃烧器1的外筒的圆筒状的燃烧器壳体9内。在图示的例子中，燃烧器1为逆流罐型，压缩空气a沿着作为燃烧器壳体9与燃烧器内衬5之间的空间而形成的压缩空气a的供给流路11向燃烧器1的头部(燃烧嘴单元7侧)流动。

在本实施方式中，将作为燃气涡轮gt的工作气体的空气a用作冷却介质cl而对燃气涡轮gt的结构部件进行对流冷却。在以下的说明中，作为成为对流冷却对象的结构部件的一例，对冷却燃烧器内衬5的结构进行说明。

燃烧器内衬5的周壁5b形成供给流路11的流路壁13。如图2所示，在该流路壁13的壁面13a形成有多个凹部21。另外，在各凹部21的周缘形成有凸部23。此外，在本说明书中，“凹部”是指以流路壁13的壁面13a为基准而凹陷的部分，“凸部”是指以流路壁13的壁面13a为基准而突出的部分。另外，本说明书中的“在凹部的周缘形成有凸部”是指，在凹部21与凸部23之间不存在流路壁13的壁面13a。以下，将各凹部21及该凹部21的周缘上的凸部23合在一起称为传热促进部25。通过冷却介质cl与上述多个传热促进部25碰撞，由此对流路壁13进行对流冷却。即，供给通路11(图1)形成供冷却介质cl流动的冷却介质通路，在与该冷却介质通路相面对的流路壁13的壁面13a形成有凹部21及凸部23。

在该例中，如图3所示，各凹部21的平面形状为大致圆形，沿着凹部21的周缘的整周设置有用交叉阴影线表示的凸部23。如图2所示，凹部21的剖面形状为大致圆弧状。凹部21的平面形状也可以是椭圆形。

不过，凹部21的形状不限定于该例。图4、5示出凹部21的平面形状的例子。此外，这些图4、5是仅用于示出凹部21单体的平面形状的图，而省略凸部23的图示。凹部21的平面形状也可以是图4所示的泪滴形状。或者，凹部21的平面形状也可以是例如星形那样的、将大幅度的折弯形状多个组合而成的形状。即使是星形那样的复杂的平面形状的凹部21，也能够利用后述的制造方法来制作。

另外，各凹部21的平面形状也可以是细长延伸的槽状。例如，各凹部21的平面形状也可以是图5所示的呈直线状延伸的槽状。或者，各凹部21的平面形状也可以是呈圆弧状、波浪线状、锯齿状等延伸的槽状。

另外，各凹部21的平面形状不限于以连续(平滑)的曲线或者作为直线的轮廓线形成的形状，如图6所示，也可以是以呈不规则折曲的轮廓线形成的形状。通过以不规则折曲的方式形成各凹部21的平面形状的轮廓线，从而与具有连续的轮廓线的凹部21相比，可进一步促进产生冷却介质的紊流。

各凹部21的剖面形状并不限于图2所示的圆弧状，也可以是例如研钵形状、图7所示的泪滴形状等。

另外，如图8所示，作为多个凹部21的排列方式，可以在壁面13a上的相互正交的两个方向上排列成矩阵状。在图示的例子中，多个凹部21在冷却介质cl的流动方向(以下简称为“流动方向”)f及与流动方向f正交的流路的宽度方向(以下简称为“宽度方向”)w上排列成矩阵状。不过，多个凹部21的排列方式并不限定于该例，例如也可以呈交错状排列多个凹部21。

作为图5所示的平面形状为细长的槽状的凹部21的排列方式，例如可以沿着流动方向f等间隔地排列在宽度方向w的相同范围延伸的多个凹部21，也可以沿着流动方向f交替错开排列各凹部21的宽度方向w位置。另外，也可以使各凹部21的延伸方向相对于宽度方向w倾斜。

如上所述，在本实施方式的传热促进部25中，如图3所示，在各凹部21的周缘形成有凸部23。在同图所示的例子中，沿着凹部21的周缘的整周设置有凸部23。不过，凸部23只要设置于凹部21的周缘至少一部分即可。即，凸部23也可以仅设置于凹部21的周缘一部分。例如，如图9所示，凸部23也可以仅形成于凹部21的流动方向f上的上游侧的周缘。在该例的情况下，可促进在凹部21的内部产生紊流。或者，凸部23也可以仅形成于凹部21的流动方向f上的下游侧的周缘。在该例的情况下，可促进在凹部21的下游部分产生紊流。

另外，如图10所示，凸部23也可以沿着凹部21的周缘的整周间断地设置。凸部23仅设置于凹部21的周缘的一部分的情况下的凸部23的形态不限定于这些例子。凸部23的宽度及突出高度可以分别均匀，也可以连续地或者不连续地不均匀。从有效地产生冷却介质cl的紊流的观点出发，凸部的高度相对于凹部的深度的比率优选为5％以上且50％以下，更优选为10％以上且40％以下。此外，在图3、9、10中，以具有大致圆形的平面形状的凹部21为例，对凸部23的形态进行了说明，但这样的凸部23的形态能够同样应用于具有包含图4～6所示形状的其它的平面形状的凹部21。

根据以上说明的本实施方式的燃气涡轮发动机的冷却结构，通过以与凹部21组合的方式在其周缘形成凸部23，从而促进流入至凹部21并从凹部21流出的冷却介质产生紊流，可获得优异的冷却性能。

接着，对上述实施方式的冷却结构的制造方法进行说明。

如图11所示，在本实施方式的制造方法中，向由结构部件的一部分形成的、与供冷却介质流动的冷却介质流路相面对的流路壁13的壁面13a照射激光束l，并且向激光束l照射的部分喷吹辅助气体ag而去除熔融金属，从而在流路壁13的壁面13a形成凹部21。

在同图所示的、照射激光束l的激光照射装置31中，从外部的气体源(未图示)向收纳激光光源33的筒状的壳体35内导入辅助气体ag。在壳体35的前端部设置有与激光束l的光路呈同心状配置的气体喷嘴37。从位于该气体喷嘴37的前端的喷射口39喷射辅助气体ag。激光束l通过气体喷嘴37的喷射口39而被照射。此外，在本实施方式中，作为激光源33，使用发出近红外区域的激光的yb光纤维激光器。

在图示的例子中，从激光源33发出的激光束l的焦点通过配置于壳体35内的聚光透镜41从而对准到气体喷嘴37的喷射口39。通过对以此方式调整的激光照射装置31相对于所述流路壁13的壁面13a即激光束照射面的距离进行调整而进行散焦，能够调整激光束照射面上的照射直径。此外，激光束照射面上的照射直径的调整不仅可以通过散焦进行，例如也可以通过壳体35内的聚光透镜41等光学系统进行。通过调整照射直径、照射时间以及激光输出，能够任意地调整凹部21的俯视直径及深度。在本实施方式中，将激光束的照射距离(从喷射口39至壁面13a的距离)在20mm～80mm的范围内调整，将激光输出在1000w～8000w的范围内调整，将照射时间在30msec.～500msec.的范围内调整，但并不限定于这些范围。

因激光束l照射而熔融的金属通过喷吹至照射部分的辅助气体ag去除，从而在照射部分形成有凹部21。另外，从照射部分去除的熔融金属通过残留于凹部21的周缘并固化，从而形成图2的凸部23。即，通过调整辅助气体ag的流量，能够使喷吹辅助气体ag而去除的熔融金属残留于凹部21的周缘至少一部分，并形成凸部23。在本实施方式中，作为图11的辅助气体ag，使用例如氩气这样的非活性气体。在本实施方式中，能够在20l/min.～80l/min.的范围内调整辅助气体的流量，但并不限定于该范围。

此外，如图12所示，也可以设置围绕气体喷嘴37的辅助气体喷嘴43，使激光照射装置31成为双重喷嘴结构。通过使用具有这样的双重喷嘴结构的激光照射装置31，进一步从气体喷嘴37的外侧的辅助气体喷嘴43喷射辅助气体ag，由此可抑制从气体喷嘴37喷射的辅助气体ag卷入周围的空气并在喷吹至照射部分的辅助气体ag中混入空气，因此能够防止熔融金属氧化。

在图11、12中，示出了如下结构例，即，与激光照射装置31的壳体35一体地设置气体喷嘴37，使激光束l的照射方向与辅助气体ag的喷射方向相对于激光束照射面在大致垂直方向上一致。不过，激光束l的照射方向及辅助气体ag的照射方向并不限定于这些例子。例如，通过使激光束l的照射方向相对于壁面13a倾斜，能够形成图4所示的泪滴形状的凹部21。另外，如图13所示，通过从与激光照射装置31的壳体35分开另外设置的气体喷嘴37向相对于流路壁13的壁面13a倾斜的方向喷吹辅助气体ag，从而如图9所示，能够仅在凹部21的周缘的一部分形成凸部23。

而且，通过一边向壁面13a照射激光束l，一边扫描激光照射装置31，能够形成具有在图5中示出了一例的各种平面形状的槽状的凹部21。另外，如图11中单点划线所示，也可以在所照射的激光束l的光路上配置如光学衍射光栅那样的光束成型部件45。通过经由该光束成型部件45向流路壁13的壁面13a照射激光束l，能够形成任意的平面形状、例如上述的星形的平面形状的凹部21。

另外，利用激光照射装置31在壁面13a形成了凹部21及凸部23后，也可以对凹部21的表面实施喷砂处理。由此，可有效地防止产生熔融的金属固化而形成的凹部21的表面裂纹。

如以上所说明的那样，根据本实施方式的冷却结构的制造方法，通过照射激光束l、并向由此而熔融的金属喷吹辅助气体ag，能够容易地形成凹部21。而且，通过调整喷吹辅助气体ag的条件，能够在凹部21的周边形成凸部23。另外，通过调整激光照射条件，易于获得任意的凹部21形状。而且，由于使用激光进行加工，因此不仅能够在板状的结构部件，而且能够在棒状的结构部件、成型品等各种形态的部件上容易且短时间地形成凹凸。此外，本实施方式的冷却结构的制造方法也能够应用于仅设置凹部21的情况。

另外，在上述的各实施方式中，作为冷却对象即燃气涡轮gt的结构部件，以燃烧器内衬5为例进行了说明，但作为冷却对象的结构部件只要能够将燃气涡轮发动机的工作气体用作冷却介质进行对流冷却即可，并不限定于此。例如，能够将来自燃烧器的燃烧气体应用于向涡轮引导的燃烧器尾筒(过渡通道)、覆盖涡旋件、涡轮翼的外周侧的涡轮护罩等。

如上所述，参照附图对本发明的优选的实施方式进行了说明，但在不脱离本发明宗旨的范围内可以进行各种追加、变更或者删除。因而，这样的结构也包含在本发明的范围内。

附图标记说明

5-燃烧器内衬(结构部件)；

13-流路壁；

13a-流路壁的壁面；

21-凹部；

23-凸部；

a-空气(工作气体)；

ag-辅助气体；

cl-冷却介质；

f-冷却介质的流动方向；

l-激光束；

gt-燃气涡轮发动机。