涡轮叶片的冷却构造
【专利说明】涡轮叶片的冷却构造
[0001]关联申请
[0002]本申请要求申请日为2013年5月20日的日本专利申请2013-105818的优先权，将其全部内容以参照的方式引入作为本申请的一部分。
技术领域
[0003]本发明涉及一种用于从内部对燃气涡轮发动机的涡轮的涡轮叶片进行冷却的构造。
【背景技术】
[0004]构成燃气涡轮发动机的涡轮被配置在燃烧器的下游，由于供给有通过燃烧器燃烧的高温气体，从而在燃气涡轮发动机工作中曝露于高温。因此，需要对涡轮叶片，即涡轮的固定叶片及转子叶片进行冷却。已知作为冷却这种涡轮叶片的构造，是将通过压缩机压缩的空气的一部分导入叶片内形成的冷却通路，从而将压缩空气作为冷却介质来冷却涡轮叶片。作为这种冷却构造的例子，提出了如下方案:在涡轮叶片内由圆管形成冷却通路，从其一端供给冷却用空气，产生转向流(例如，参照专利文献1)。
[0005]现有技术文献
[0006]专利文献
[0007]专利文献1:美国专利第5603606号说明书
【发明内容】
[0008](一 )要解决的技术问题
[0009]在将压缩空气的一部分用于冷却涡轮叶片的情况下，无需从外部导入冷却介质，具有能够使冷却构造简单的优点，另一方面，由于若将通过压缩机压缩的空气大量用于冷却，则导致发动机效率的低下，因此需要以最少限度的空气量来有效进行冷却。但是，如上所述，仅在单一的圆筒状空间中流过空气，由于在冷却通路内使作为冷却介质的空气仅向一个方向转向，从而使冷却介质中的温度分布不均勾，无法获得充分的冷却效果。
[0010]由此，本发明的目的在于解决上述课题，提供以一种使通过谋求涡轮叶片内的冷却通路的冷却介质的温度分布均匀化，能够高效冷却涡轮叶片的冷却构造。
[0011](二)技术方案
[0012]为实现上述目的，本发明的涡轮叶片的冷却构造是用于从内部冷却涡轮叶片的构造，设置在所述涡轮叶片内的冷却介质通路具有相互平行延伸的多个大致圆筒状的空间的一部分相互重合的形状，向所述冷却介质通路供给冷却介质的冷却介质供给通路，在相对于所述冷却介质通路的长度方向成为锐角的方向上，与包含所述冷却介质通路的周壁的部分连接。
[0013]根据该结构，从包含冷却介质通路的周壁的部分供给至冷却介质通路的冷却介质，分开流入多个圆筒形状空间，在各圆筒形状空间内分别形成转向流。进而，经由两个空间的重合区域，两个圆筒形状空间内的各转向流的一部分流入其它圆筒形状空间。这样，由于在相邻的圆筒形状空间内形成的冷却介质的各转向流在向其他圆筒形状空间流入汇合时，会促进冷却介质的混合，使冷却介质内的温度分布均匀化，因此能够获得高的冷却效率。进而，各转向流在流入其它圆筒形状空间时，会碰撞在圆筒形状空间之间所形成的区划边界，由此获得因冲击效果所造成的高冷却效果。
[0014]在本发明的一个实施方式中，优选地，将所述相邻的两个圆筒形状空间重合，使沿着连接相邻两个所述圆筒形状空间的两截面圆中心之间的直线的重合的长度W，相对于一个圆筒形状空间的截面直径D1及另一个圆筒形状空间的截面直径D2，成为0.05 ^ W/((Dl+D2)/2) 5 0.35的关系。通过这样设定两圆筒形状空间的重合程度，能够使两圆筒形状空间内产生分别分开的转向流，并且能够切实产生转向流相互流入并汇合于相邻的圆筒形状空间内。
[0015]在本发明的一个实施方式中，向所述冷却介质通路供给冷却介质的冷却介质供给通路，也可以与所述冷却介质通路的相邻两个所述圆筒形状空间的重合区域相连接。在该情况下，优选地，所述冷却介质供给通路与所述重合区域相连接，使从所述冷却介质供给通路供给的冷却介质碰撞在形成于所述相邻的两个圆筒形状空间之间的区划边界。根据该结构，由于从冷却介质供给通路供给的冷却介质碰撞在形成于两空间之间的区划边界，从而在两圆筒形状空间内被大致平均分配，沿形成各圆筒形状空间的内壁面形成高指向性的相反方向的转向流，因此进一步促进冷却介质的混合。另外，在冷却介质的供给部分中，也因为使冷却介质与区划边界碰撞，从而由冲击效果促进壁面的冷却。通过这些效果，能够获得极高的冷却效率。
[0016]在本发明的一个实施方式中，向所述冷却介质通路供给冷却介质的冷却介质供给通路，也可以与在将所述冷却介质通路的相邻两个所述圆筒形状空间的两截面圆中心之间相连接的直线上的与所述圆筒形状空间的重合区域相反侧的侧部相连接。根据该结构，能够根据适用该冷却构造的涡轮叶片部位的形状来进行灵活设计。
[0017]权利要求书及/或说明书及/或说明书附图所公开的至少两种结构的任意组合均包括在本发明中。特别是权利要求书的各权利要求的两项以上的任意组合，也包括在本发明中。
【附图说明】
[0018]通过参照附图对以下适宜的实施方式进行说明，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，不应用于确定本发明的范围。本发明的范围由权利要求书确定。在附图中，多个附图中相同附图标记表示相同或与其相当的部分。
[0019]图1为表示本发明第一实施方式的冷却构造所适用的涡轮叶片的一例的立体图。
[0020]图2为示意性表示图1的涡轮叶片的冷却构造的截面图。
[0021]图3为表示图2的冷却构造的冷却介质通路形状的立体图。
[0022]图4为表示图2的冷却构造的冷却介质通路形状的截面图。
[0023]图5为图2的涡轮叶片的前端部的横向截面图。
[0024]图6为示意性表示图2的冷却构造的作用的截面图。
[0025]图7为示意性表示图2的冷却构造的冷却介质供给通路的截面图。
[0026]图8为示意性表示本发明第二实施方式的涡轮叶片的冷却构造的例子的截面图。
[0027]图9为示意性表示本发明第三实施方式的涡轮叶片的冷却构造的例子的截面图。
【具体实施方式】
[0028]下面，基于附图对本发明的优选实施方式进行说明。图1为表示转子叶片1的立体图，该转子叶片1作为燃气涡轮发动机涡轮的涡轮叶片，适用了作为本发明第一实施方式的涡轮叶片的冷却构造。由于台架2与涡轮圆盘的外周部相连接，因此在周向设置多个涡轮转子叶片1从而形成涡轮。涡轮转子叶片1曝露在从燃烧器供给的沿箭头方向流动的高温气体G中。在以下的说明中，将沿着高温气体G的流动方向的上游侧(图1的左侧)称为前方，将下游侧(图1的右侧)称为后方。在本实施方式中，冷却构造适用于涡轮转子叶片1中，尤其是成为高温状态的前端部la的内部。
[0029]如图2所示，在涡轮转子叶片1的前端部la的内部形成有沿涡轮径向(图1中的上下方向)延伸的第一冷却介质通路5。作为冷却介质CL而使用的来自压缩机的压缩空气，经由形成于涡轮圆盘3内部的冷却介质导入通路6，被导入涡轮转子叶片1的内部。将被导入涡轮转子叶片1内部的冷却介质CL的一部分供给到第一冷却介质通路5中。导入涡轮转子叶片1内部的冷却介质CL的剩余的一部分被供给到用于冷却涡轮转子叶片1的后部lb的第二冷却介质通路7中。使冷却介质CL通过冷却介质通路5、7，使涡轮转子叶片1从内部进行冷却。供给到第一冷却介质通路5中的冷却介质CL从与涡轮转子叶片1的外部连通的排出孔8排出。
[0030]如图3所示，第一冷却介质通路5具有相互平行延伸的多个(在该例中为两个)大致圆筒状的圆筒状空间s1、S2的一部分呈相互重合的形状。即，如图4所示，第一冷却介质通路5的截面具有两个圆(以下称为截面圆)Cl、C2的一部分呈相互重合的形状。此夕卜，在本说明书中，“大致圆筒状”是指截面形状为圆形的筒状，或是短轴长度相对于长轴长度的比为0.5以上的椭圆形状的筒状。在图示的例子中，将一个截面圆C1的直径D1与另一个截面圆C2的直径D2设定为相等的值，但是两直径D1、D2也可以设定为不同值。
[0031]相邻的两个圆筒形状空间S1与S2的重合程度，只要比截面圆C1与C2相切状态更加相互接近，并且比内切状态(在两直径D1、D2相等的情况下，截面圆C1与C2处于完全重合的状态)更加相互分离，则没有特别限定。不过，作为为了使冷却介质CL在第一冷却介质通路5内更加有效分离的优选重合程度，是使沿着将相邻的两个圆筒形状空间Sl、S2的两截面圆C1、C2的中心01、02进行连接的直线L的重合长度W，相对于一个截面圆C1的直径D1及另一个截面圆C2的直径D2，优选设定为0.05 ^ ff/( (D1+D2) /2)写0.35，更加优选设定为 0.10 ^ ff/((Dl+D2)/2) ^ 0.30，进一步优选设定为 W/((Dl+D2)/2) = 0.20。此夕卜，在以下的说明中，仅将沿着连接相邻的两个圆筒形状空间S1、S2的两截面圆C1、C2中心01、02的直线L的方向，称为宽度方向X。
[0032]通过这样设定两圆筒形状空间Sl、S2的重合程度，如结合图6在下面详细说明的那样，能够切实产生如下现象:使在两圆筒形状空间s1、S2内产生各自分离的转向流R1、R2，并且转向流Rl、R2相互流入汇合于相邻的圆筒形状空间内。
[0033]如图6所示，将冷却介质CL供给到第一冷却介质通路5的冷却介质