涡轮静叶、涡轮动叶及包含其的燃气涡轮机的制作方法

本发明涉及涡轮静叶、涡轮动叶及包含其的燃气涡轮机。

背景技术：

涡轮是指利用如蒸汽、气体等压缩性流体的流动在冲击力或者反作用力的作用下获得旋转力的机械装置，有利用蒸汽的蒸汽涡轮机和利用高温的燃烧气体的燃气涡轮机等。

其中，燃气涡轮机大致由压缩机、燃烧器和涡轮构成。上述压缩机具备导入空气的空气导入口，压缩机外壳内交替地配置有多个压缩机静叶和压缩机动叶。

燃烧器向在上述压缩机中被压缩的压缩空气供给燃料，用燃烧器进行点火，从而生成高温高压的燃烧气体。

涡轮在涡轮外壳内交替地配置有多个涡轮静叶和涡轮动叶。此外，以贯穿压缩机、燃烧器、涡轮和排气室的中心部的方式配置有转子。

上述转子的两端部被轴承支承为能够旋转。而且，上述转子上固定有多个轮盘以连接各个动叶，同时在排气室侧的端部连接发电机等的驱动轴。

这种燃气涡轮机由于没有四冲程内燃机的活塞等往复运动机构而不具备活塞-缸体等相互摩擦部分，因此润滑油的消耗极少，并且大幅减少了往复运动机械的特征即振幅，具有可高速运动的优点。

对燃气涡轮机的运转简单说明如下。在压缩机被压缩的空气与燃料混合而燃烧，从而制造高温的燃烧气体，这样制造的燃烧气体被喷射到涡轮侧。被喷射的燃烧气体在上述涡轮静叶和涡轮动叶通过而生成旋转力，由此上述转子旋转。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：美国授权专利公报第8591189号

技术实现要素：

本发明的目的在于，冷却流体充分流入涡轮静叶或涡轮动叶的前缘的下端前边缘部而能够提高冷却性能。

根据本发明的一实施例的涡轮静叶包含：侧壁，其形成包含前缘和尾缘的翼型；隔壁，其划分侧壁的内部空间而形成多个冷却通道；以及计量板，其封堵上述多个冷却通道的流入部，并且形成有与各个冷却通道连通的冷却孔，上述计量板包含第一冷却孔和第二冷却孔，所述第一冷却孔形成于上述多个冷却通道的各个流入部，所述第二冷却孔在上述多个冷却通道中的与前缘相接的冷却通道的流入部形成于靠近前缘的部位。

本发明的一实施例中可以是，通过上述第二冷却孔流入的冷却空气冷却上述侧壁的前缘部位。

本发明的一实施例中可以是，上述第一冷却孔构成为长方形，上述第二冷却孔构成为圆形。

本发明的一实施例中可以是，上述第一冷却孔构成为圆形或椭圆形，上述第二冷却孔构成为圆形或椭圆形。

本发明的一实施例中可以是，上述第一冷却孔构成为长方形，上述第二冷却孔构成为长方形。

根据本发明的一实施例的计量板还可以包含导体，上述导体设置于上述第二冷却孔的前缘侧上表面而向前缘部位传导冷气。

根据本发明的一实施例的第二冷却孔可以形成为向前缘侧倾斜。

根据本发明的一实施例的计量板还可以包含导向部，上述导向部设置于上述第二冷却孔的尾缘侧上表面而向前缘部位引导冷却流体。

根据本发明的一实施例的涡轮动叶包含：侧壁，其形成包含前缘和尾缘的翼型；隔壁，其划分侧壁的内部空间而形成多个冷却通道；以及计量板，其封堵上述多个冷却通道的流入部，并且形成与各个冷却通道连通的冷却孔，上述计量板包含第一冷却孔和第二冷却孔，所述第一冷却孔形成于上述多个冷却通道的各个流入部，所述第二冷却孔在上述多个冷却通道中的与前缘相接的冷却通道的流入部形成于靠近前缘的部位。

本发明的一实施例中可以是，通过上述第二冷却孔流入的冷却空气冷却上述侧壁的前缘部位。

本发明的一实施例中可以是，上述第一冷却孔构成为长方形，上述第二冷却孔构成为圆形。

本发明的一实施例中可以是，上述第一冷却孔构成为圆形或椭圆形，上述第二冷却孔构成为圆形或椭圆形。

本发明的一实施例中可以是，上述第一冷却孔构成为长方形，上述第二冷却孔构成为长方形。

根据本发明的一实施例的计量板还可以包含导体，上述导体设置于上述第二冷却孔的前缘侧上表面而向前缘部位传导冷气。

根据本发明的一实施例的第二冷却孔可以形成为向前缘侧倾斜。

根据本发明的一实施例的计量板还可以包含导向部，上述导向部设置于上述第二冷却孔的尾缘侧上表面而向前缘部位引导冷却流体。

根据本发明的一实施例的燃气涡轮机包含：压缩机，其吸入外部空气并进行压缩；燃烧器，其将上述压缩机所压缩的空气与燃料进行混合并燃烧；以及涡轮，其在内部安装有涡轮动叶和涡轮静叶，通过从上述燃烧器排出的燃烧气体使上述涡轮动叶旋转，上述涡轮静叶包含：侧壁，其形成包含前缘和尾缘的翼型；隔壁，其划分侧壁的内部空间而形成多个冷却通道；以及计量板，其封堵上述多个冷却通道的流入部，并且形成与各个冷却通道连通的冷却孔，上述计量板包含第一冷却孔和第二冷却孔，所述第一冷却孔形成于上述多个冷却通道的各个流入部，所述第二冷却孔在上述多个冷却通道中的与前缘相接的冷却通道的流入部形成于靠近前缘的部位。

本发明的一实施例中可以是，通过上述第二冷却孔流入的冷却空气冷却上述侧壁的前缘部位。

根据本发明的一实施例的燃气涡轮机包含：压缩机，其吸入外部空气并进行压缩；燃烧器，其将上述压缩机所压缩的空气与燃料进行混合并燃烧；以及涡轮，其在内部安装有涡轮动叶，通过从所述燃烧器排出的燃烧气体使所述涡轮动叶旋转，上述涡轮动叶包含：侧壁，其形成包含前缘和尾缘的翼型；隔壁，其划分侧壁的内部空间而形成多个冷却通道；以及计量板，其封堵所述多个冷却通道的流入部，并且形成与各个冷却通道连通的冷却孔，上述计量板包含第一冷却孔和第二冷却孔，上述第一冷却孔形成于上述多个冷却通道的各个流入部，上述第二冷却孔在上述多个冷却通道中的与前缘相接的冷却通道的流入部形成于靠近前缘的部位。

本发明的一实施例中可以是，通过上述第二冷却孔流入的冷却空气冷却上述侧壁的前缘部位。

根据本发明的实施方式，冷却流体充分流入前缘的下端前边缘部而能够提高冷却性能。

附图说明

图1是根据本发明的一实施例的燃气涡轮机的部分剖开立体图。

图2是示出根据本发明的一实施例的燃气涡轮机的大致结构的剖面图。

图3是示出图2的涡轮转子轮盘的分解立体图。

图4a和图4b是示出根据现有技术的涡轮静叶或涡轮动叶的剖面图。

图5a和图5b是示出根据本发明的一实施例的涡轮静叶或涡轮动叶的剖面图。

图6a、图6b、图6c是示出计量板的其它实施例的图。

图7至图9是示出涡轮静叶或涡轮动叶的其它实施例的图。

符号说明

1000：燃气涡轮机1010：外壳

1100：压缩机1110：压缩机动叶

1112：燕尾部1120：压缩机转子轮盘单元

1130：压缩机冷却空气供给流路1200：燃烧器

1300：涡轮1320：涡轮转子轮盘

1330：涡轮静叶1340：涡轮动叶

1400：扩散器1450：固定螺母

1500：扭矩管单元1600：拉杆

100：涡轮静叶或涡轮动叶

102：前缘104：尾缘

106：隔壁110：第一通道

120：第二通道

140：计量板142：冷却孔

150：计量板152：第一冷却孔

154、155、156：第二冷却孔160：导体

170：导向部

具体实施方式

本发明可以施加各种变换，并且可以具有各种实施例，以下例示出特定实施例并在详细说明中进行详细说明。但是，这不是将本发明限定于特定的实施形态，应该理解为包括本发明的思想和技术范围所包含的全部变换、等价物至代替物。

本发明中使用的用语只不过是用于说明特定实施例而使用的，而不是意图限定本发明。单数的表述除非文理上明确表示其他含义，否则包含复数表述。应理解本发明中“包含”或“具有”等用语是用于指定说明书中记载的特征、数字、步骤、动作、构成要素、部件或它们的组合的存在，而非预先排除一个或其以上的其它特征或数字、步骤、动作、构成要素、附件或它们的组合的存在或附加可能性。

下面，参照附图对本发明的优选实施例详细地进行说明。这时，需要注意的是附图中相同的构成要素尽可能用相同的符号表示。另外，省略可能影响本发明的宗旨的公知性能和构成的详细说明。基于相同理由，附图中部分构成要素夸张、或省略、或大致地图示。

图1是根据本发明的一实施例的燃气涡轮机的部分剖开立体图，图2是示出根据本发明的一实施例的燃气涡轮机的大致结构的剖面图，图3是示出图2的涡轮转子轮盘的分解立体图。

如图1所示，根据本发明的一实施例的燃气涡轮机1000包括压缩机1100、燃烧器1200和涡轮1300。压缩机1100具备以放射状设置的多个动叶1110。压缩机1100使动叶1110旋转，通过动叶1110的旋转而空气被压缩而移动。动叶1110的大小和设置角度可以根据设置位置而不同。一实施例中压缩机1100可以与涡轮1300直接或间接连接，而接收涡轮1300中生成的动力的一部分而利用于动叶1110的旋转。

在压缩机1100中被压缩的空气移动到燃烧器1200。燃烧器1200包括以环形配置的多个燃烧腔1210和燃烧喷嘴模块1220。

如图2所示，根据本发明的一实施例的燃气涡轮机1000具备外壳1010，外壳1010的后侧具备供通过了涡轮机的燃烧气体排出的扩散器1400。而且，扩散器1400的前侧配置有接受被压缩的空气而使其燃烧的燃烧器1200。

若以空气的流向为基准进行说明，则压缩机区段1100位于外壳1010的上游侧，下游侧配置有涡轮区段1300。而且，压缩机区段1100与涡轮区段1300之间配置有扭矩管单元1500，所述扭矩管单元1500作为扭矩传递部件将在涡轮区段1300生成的旋转扭矩传送到压缩机区段1100。

上述压缩机区段1100中具备多个(例如14个)压缩机转子轮盘1120，上述各个压缩机转子轮盘1120通过拉杆1600紧固成在轴方向不隔离。

具体而言，上述各个压缩机转子轮盘1120以构成旋转轴的拉杆1600大致贯穿中央的状态沿着轴方向对齐。在这里，相邻的各个压缩机转子轮盘1120配置为通过上述拉杆1600使相对的面被压接而无法相对旋转。

上述压缩机转子轮盘1120的外周面以放射状结合有多个动叶1110。各个动叶1110具备燕尾部1112而被紧固于上述压缩机转子轮盘1120上。

在上述各个转子轮盘1120之间设有固定配置于上述外壳的静叶(未图示)。上述静叶与上述转子轮盘不同以不旋转的方式被固定，起到对通过了压缩机转子轮盘的动叶的压缩空气的流动进行整理并将空气引向位于下游侧的转子轮盘的动叶的作用。

上述燕尾部1112的紧固方式有切线式(tangentialtype)和轴流式(axialtype)。可以根据商用燃气涡轮机的所需结构选择其紧固方式，可以具有通常公知的燕尾或枞树形态(fir-tree)。可以根据情况利用除了上述形态以外的其它紧固装置，例如键或螺栓等紧固装置将上述动叶紧固到转子轮盘。

上述拉杆1600被配置为，贯穿上述多个压缩机转子轮盘1120和涡轮转子轮盘1320的中心部，上述拉杆1600可以由一个或多个拉杆构成。上述拉杆1600的一侧端部被紧固到位于最上游侧的压缩机转子轮盘内，上述拉杆1600的另一侧端部通过固定螺母1450被紧固。

由于上述拉杆1600的形态可以根据燃气涡轮机由各种结构构成，因此不一定限定于图2提出的形态。即，如图所示，既可以具有一个拉杆贯穿转子轮盘的中央部的形态，也可以具有多个拉杆配置为圆周状的形态，还可以混合使用两种形态。

虽然没有图示，但为了在提高流体压力后使进入到燃烧器入口的流体的流动角与设计流动角对齐，可以在燃气涡轮机的压缩机的扩散器(diffuser)的下一个位置设置起到导翼作用的静叶，将其称为消涡器(deswirler)。

上述燃烧器1200中，使被流入的压缩空气与燃料混合、燃烧而制造高能量的高温、高压燃烧气体，通过定压燃烧过程提高燃烧气体温度至燃烧器和涡轮部件可承受的耐热极限。

在以壳体(shell)形态形成的外壳内可以排列多个构成燃气涡轮机的燃烧系统的燃烧器，该燃烧器构成为包括：包含燃料喷射喷嘴等的燃烧机构(burner)、形成燃烧室的燃烧器火焰筒(combustorliner)以及作为燃烧器与涡轮机的连接部的过渡段(transitionpiece)。

具体而言，上述火焰筒提供燃烧空间，该燃烧空间供燃料喷嘴所喷射的燃料与压缩机的压缩空气混合而燃烧。该火焰筒可以包括：筒体，其提供与空气混合的燃料燃烧的燃烧空间；导流衬套(flowsleeve)，其包裹筒体而形成环形空间。而且，火焰筒的前端结合有燃料喷嘴，侧壁结合有火花塞。

另一方面，在火焰筒的后端连接过渡段以便将通过火花塞燃烧的燃烧气体移送至涡轮机侧。该过渡段的外壁部被由压缩机所供应的压缩空气冷却以防止被燃烧气体的高温而毁损。

为此，上述过渡段设有用于冷却的孔以使能够将空气喷射到内部，压缩空气通过孔冷却位于内部的主体后向火焰筒侧流动。

冷却了上述的过渡段的冷却空气在上述火焰筒的环形空间流动，压缩空气作为冷却空气从导流衬套的外部通过设置在导流衬套的冷却孔被提供而能够与火焰筒的外墙碰撞。

另一方面，出自上述燃烧器的高温高压的燃烧气体被供给到上述的涡轮机1300。所供给的高温高压的燃烧气体在膨胀的过程中碰撞涡轮机的旋转翼并给予反作用力引起旋转扭矩，如此得到的旋转扭矩则经过上述的扭矩管传递到压缩机，超过了用于驱动压缩机所需动力的动力则用来驱动发电机等。

上述涡轮机1300基本上与压缩机的结构类似。即，上述涡轮机1300中也具备与压缩机的压缩机转子轮盘类似的多个涡轮转子轮盘1320。因此，上述涡轮转子轮盘1320也包含以放射状配置的多个涡轮动叶1340。涡轮动叶1340也可以以燕尾等方式结合于涡轮转子轮盘1320。而且，涡轮转子轮盘1320的动叶1340之间也具备固定于外壳的涡轮静叶(未图示)，以导引通过了动叶的燃烧气体的流向。

参照图3，上述涡轮转子轮盘1320具有大致圆盘形态，其外周部形成有多个结合插槽1322。上述结合插槽1322形成为具有枞树(fir-tree)形态的弯折面。

涡轮动叶1340紧固于上述结合插槽1322。图3中，上述涡轮动叶1340在大致中央部具有平板形态的平台部1341。上述平台部1341其侧面与相邻的涡轮动叶的平台部1341彼此相接而起到维持动叶之间的间隔的作用。

上述平台部1341的底面形成有叶根部1342。上述叶根部1342具有在上述的转子轮盘1320的结合插槽1322沿着上述转子轮盘1320的轴方向插入的轴流式(axial-type)形态。

上述叶根部1342具有大致枞树形态的弯折部，这与形成在上述结合插槽的弯折部的形态对应的方式形成。在这里，上述叶根部的结合结构并非一定要具有枞树形态，还可以以具有燕尾形态的方式形成。

上述平台部1341的上部面形成有动叶部1343。上述动叶部1343以根据燃气涡轮机的规格而具有最优的翼型的方式形成，具有以燃烧气体的流向为基准配置于上游侧的前缘和配置于下游侧的尾缘。

在这里，不同于上述压缩机的动叶，涡轮的动叶与高温高压的燃烧气体直接接触。由于上述燃烧气体的温度是达到1700℃的程度的高温，因此需要冷却机构。为此，具有在上述压缩机的一部分位置抽出被压缩的空气并向涡轮侧动叶供给的冷却流路。

对于上述冷却流路而言，可以在上述外壳外部延长(外部流路)，或者贯穿上述转子轮盘的内部延长(内部流路)，还可以同时使用外部和内部流路。图3中，在上述动叶部的表面形成多个膜冷却孔1344，上述膜冷却孔1344与形成在上述动叶部1343的内部的冷却流路(未图示)连通，而起到将冷却空气供给到上述动叶部1343的表面的作用。

另一方面，上述涡轮的动叶部1343在上述外壳的内部通过燃烧气体而旋转，并且在上述动叶部1343的末端与上述外壳的内表面之间存在间隔以使动叶部顺利地旋转。但是，如上所述，由于燃烧气体可能通过上述间隔泄露，因此需要用于防止该现象的密封机构。

涡轮静叶和涡轮动叶都是翼型形态，由前缘、尾缘、吸入面和压力面构成。涡轮静叶和涡轮动叶的内部包含形成冷却系统的复杂的迷宫结构。静叶与动叶内的冷却回路收容来自涡轮发动机的压缩机的冷却流体，例如空气，流体通过以结合于静叶和动叶支架的方式构成的静叶和动叶的端部。冷却回路通常包含在比较均匀的温度维持涡轮静叶和动叶的全部面的方式设计的多个流动路径，在这些冷却回路中通过的流体的至少一部分通过静叶的前缘、尾缘、吸入面和压力面的开口排出。

静叶与动叶内部具备构成冷却回路的多个冷却通道，多个冷却通道入口侧具备计量板(meteringplate)。与各个冷却通道的入口相对应的冷却孔在计量板分别形成有一个。

但是，冷却流体在通过计量板的冷却孔的过程中形成强喷射流(jet)，特别是在前缘的下端前边缘部产生流动停滞区域，因此存在前缘下端前边缘部的冷却性能降低的问题。

图4是示出根据现有技术的涡轮静叶或涡轮动叶的剖面图，图5是示出根据本发明的一实施例的涡轮静叶或涡轮动叶的剖面图。

图4a是示出涡轮静叶或涡轮动叶的下部的纵剖面图，图4b是从图4a用经过计量板140的平面a-a截取的剖面图。

一般情况下，涡轮静叶或涡轮动叶100包含：形成包含前缘102和尾缘104的翼型(airfoil)的侧壁；划分侧壁的内部空间而形成多个冷却通道110、120的隔壁106；封堵多个冷却通道的流入部且形成有与各个冷却通道连通的冷却孔142的计量板140。

参照图3，侧壁的翼型中，凹面成为压力面，凸面成为吸入面。

形成于侧壁的内部空间的冷却通道在图4和图5中示出了通过一个隔壁106划分为第一通道110和第二通道120这两个的例子，但冷却通道还可以形成为3～10个等各种个数和形态。

根据现有技术的计量板140与多个冷却通道110、120的流入部结合，在计量板140上与各个冷却通道相对应地各形成一个冷却孔142。

图4a在与前缘102相接的第一通道110中用箭头示出了冷却流体的流动。现有技术的情况下，由于无法很好地向前缘102的下端前边缘部、即图4a中"c"部位供给冷却流体，因此可能发生"c"部位无法被充分冷却的问题。

相反，图5a和图5b中所示的本发明的计量板150包含形成于多个冷却通道110的各个流入部的第一冷却孔152、和在多个冷却通道中的与前缘102相接的冷却通道110的流入部形成于靠近前缘102的部位的第二冷却孔154。

图5a是示出涡轮静叶或涡轮动叶的下部的纵剖面图，图5b是从图5a用经过计量板150的平面b-b截取的剖面图。

图5a的本发明中也示出了第一通道110和第二通道120，但冷却通道的个数可以形成得更多。

上述计量板150中，虽然在第二通道120的流入部只形成一个冷却孔152，但在第一通道110的流入部不仅包含形成于流入部的第一冷却孔152，还包含形成于冷却通道110的靠近前缘102的部位的第二冷却孔154。

上述第一通道110的第一冷却孔152可以以与第二通道120的冷却孔152相同的大小形成于对应的位置即通道流入部的中央。此外，相比于第二通道120的冷却孔152，第一通道110的第一冷却孔152可以形成于略靠右侧的位置、即略向尾缘104侧移动的位置，大小也可以形成得较小。

上述第二冷却孔154由于形成于计量板150中靠近前缘102的内侧面的位置，因此通过第二冷却孔154流入的冷却空气可以充分冷却侧壁101的前缘102下部部位。

如图5b所示，第一冷却孔152构成为长方形，第二冷却孔154可以构成为圆形。

第一通道110和第二通道120一般其水平截面整体上构成为长长的长方形，因此形成于各个通道的流入部的第一冷却孔152也可以构成为长方形。

一般情况下，前缘102的内侧面构成为凹曲面，因此第二冷却孔154可以构成为圆形。

图6a、图6b、图6c中示出了计量板的其它实施例。

如图6a所示，可以是第一冷却孔152构成为长方形，并且第二冷却孔155构成为椭圆形。

第二冷却孔155的长轴可以沿与第一冷却孔152的短边平行的方向配置。

在这里，椭圆还可以包含在长方形的两侧短边一体地连接半圆的形态。

如图6b所示，可以是第一冷却孔153构成为椭圆形，并且第二冷却孔155也构成为椭圆形。

虽然未图示，但一般情况下侧壁101和隔壁106内部的边角部分可以以预定的曲率半径形成倒圆。

另外，涡轮静叶或涡轮动叶100的圆周方向截面可以构成为，随着朝向计量板150的相反方向端部而逐渐变小的翼型形状。

因此，不仅是第二冷却孔155，第一冷却孔153也可以构成为椭圆形。第二冷却孔155的长轴可以形成为与第一冷却孔153的长轴长度相同。

而且，如图6c所示，也可以是第一冷却孔152构成为长方形，并且第二冷却孔156也构成为长方形。

第二冷却孔156的长边可以以与第一冷却孔152的短边相同的长度形成。

图7至图9示出涡轮静叶或涡轮动叶的其它实施例。

如图7所示，计量板150还可以包含导体160，该导体160设置在第二冷却孔154的前缘102侧上表面，并且向前缘部位传导冷气。

导体160可以在计量板150的上表面从第二冷却孔154的前缘102侧边缘向前缘102的内侧面下部延伸。

在图7的纵剖面图中，导体160构成为直角三角形剖面形态，可以以与计量板150相同的金属一体地形成。导体160的上表面还可以形成为向上方凹陷的曲面。

利用这种导体160能够使通过第二冷却孔154流入的冷却流体的冷气更顺利地向前缘102侧传输。

如图8所示，第二冷却孔157可以形成为向前缘102侧倾斜。

由于计量板150具有预定厚度，因此通过使在此形成的第二冷却孔157形成为向前缘102侧倾斜，从而能够使通过第二冷却孔157流入的冷却流体向前缘102的内侧面下端部流入。

因此，与简单地垂直贯穿形成的图5的第二冷却孔154相比，图8的第二冷却孔157可以使冷却流体更集中于前缘102的内侧面下端部，因此可以增加前缘102的下端部冷却效果。

如图9所示，计量板150还包含导向部170，其设置在第二冷却孔154的尾缘104侧上表面，而向前缘102部位引导冷却液体。

图9中导向部170可以在计量板150的上表面从第二冷却孔154的右侧边缘向左侧上方延伸。

该导向部170通过将由第二冷却孔154流入的冷却流体引向前缘102的内侧面下端部，从而能够增加前缘102的下端部冷却效果。

图9的导向部170还可以同时适用于图7或图8的实施例。此外，还可以同时适用图7的导体160和图8的倾斜的第二冷却孔157形态。而且，图7至图9的计量板150的各个形态也可以同时适用于图5a至图6c的实施例。

根据本发明的涡轮静叶或涡轮动叶，冷却流体充分流入前缘的下端前边缘部而可以提高冷却性能。

以上，虽然对本发明的一实施例进行说明，但对于本领域技术人员来说，可以在不超出权利请求范围记载的本发明的思想的范围内，通过构成要素的附加、变更、删除或追加等将本发明修改及变更为各种形态，这也包含在本发明的权利范围内。