具有涡流冷却通道的涡轮叶片及其冷却方法

摘要

根据本发明的涡轮叶片在内部具有冷却空气流动的冷却通道，并且在所述冷却通道的入口部具有涡流部，所述涡流部构成为使冷却空气产生涡流，从而具有如下效果：可增强路径部的冷却性能，并进一步可显著增加路径部的韧度，并可显著提高叶片部内部的热传递效率。

说明书

技术领域

本发明涉及涡轮叶片(turbine blade),更为详细地,涉及一种涡轮叶片，其内部具 有冷却空气流动的冷却通道(channel),并且在所述冷却通道的入口部具有使冷却空气 形成涡流的涡流部(swirl portion)。

背景技术

一般来讲，燃气涡轮作为内燃机的一种，其将高温、高压燃烧气体向涡轮喷射并旋 转，从而将热能转换为机械能(mechanical energy)，所述高温、高压燃烧气体通过 在压缩机部中向使用高压压缩的空气混合燃料后进行燃烧而生成。

为了构成所述涡轮，通常广泛地使用以下结构：将外周面排列有多个涡轮叶片 (blade)的多个涡轮转子圆盘(disc)构成为多段，从而使得高温、高压的燃烧气体 通过涡轮叶片。

但是最近随着燃气涡轮的大型化及高效化，燃烧器出口的温度逐渐增加，所以普遍 地采用涡轮叶片冷却装置，以便能够承受高温的燃烧气体。

尤其，涡轮叶片的内部具有可流动冷却空气的固定冷却通道，并且为了将从所述压 缩机转子部所抽取的压缩空气活用为冷却空气，在所述冷却通道内流动压缩空气的构成 广为人知。

与此相关的，如图1所示，美国专利公开公报US7413406提出了一种涡轮叶片10， 其作为一种涡轮叶片10，包括路径(route)部1、形成有前缘部4及后缘部5的翼部2、 以及具备于所述路径部1和翼部2之间的平台(platform)部3，所述翼部2的内部形 成有多个冷却通道7，其流体连通于冷却空气入口部9，并通过多个隔壁6划分，所述 各个冷却通道7中具备有湍流器(turbulator)8，所述湍流器8在流动的冷却空气中 产生暖流。

但是，所述文献局限于湍流器8，且没有言及关于路径部1及平台部3的冷却装置， 所述湍流器8用于增加翼部2内部的热传递效率。

换句话说，因为通过高速旋转的翼部2的负荷只能集中于路径部1，所以要求路径 部1具有高水准的韧度。

但在燃气涡轮驱动时，通过暴露在高温的燃烧气体中的翼部2，相当水准的热持续 传递至平台部3和路径部1，因此如图1所示，如果不具有针对平台部3和路径部1的 适当的冷却装置，则问题在于必定使路径部1的韧度显著下降，其结果是导致路径部1 的破坏等。

发明内容

本发明是为了解决所述的问题而提出的，其目的在于提供一种涡轮叶片，所述涡轮 叶片使冷却空气流动的冷却通道入口部具有涡流部，从而可增强路径部的冷却性能，并 可进一步明显增加路径部的韧度。

并且，本发明的目的在于提供一种涡轮叶片，其使冷却空气流动的冷却通道入口部 具有涡流部，从而能够显著地提高翼部内部的热传递效率。

根据本发明的涡轮叶片，其作为一种涡轮叶片包括：路径部、形成有前缘部和后缘 部的翼部、以及具备于所述翼部和所述路径部之间的平台部，所述翼部在内部具有冷却 空气流动的冷却通道，所述路径部在内部具有流体连通于所述冷却通道的入口部，并且 所述入口部具有涡流部，所述涡流部构成为所述冷却空气沿着所述翼部的长度方向进行 的同时形成涡流。

并且，所述冷却通道包括：第一冷却通道，其邻接所述前缘部而形成，并朝所述叶 片部的长度方向延长；以及第二冷却通道，其形成于所述第一冷却通道和所述后缘部之 间，并朝所述长度方向延长，所述入口部包括第一入口部及第二入口部，所述第一入口 部与所述第一冷却通道流体连通，所述第二入口部与所述第二冷却通道流体连通，所述 涡流部包括第一涡流部及第二涡流部，所述第一涡流部设置在所述第一入口部，所述第 二涡流部设置在所述第二入口部。

并且，所述第一涡流部包括多个第一导向肋片(rib)，所述多个第一导向肋片从 所述第一入口部的内周面凸出而形成，并相对所述长度方向形成规定的第一倾斜角，同 时朝所述长度方向延长，所述第二涡流部包括多个第二导向肋片，所述第二导向肋片从 所述第二入口部的内周面凸出而形成，并相对所述长度方向形成规定的第二倾斜角，同 时朝所述长度方向延长。

并且，所述第一导向肋片及第二导向肋片以直线形态朝所述长度方向延长。

并且，所述第一导向肋片及第二导向肋片以曲线形态朝所述长度方向延长。

并且，所述第一倾斜角和所述第二倾斜角互不相同，所述第一倾斜角可以比所述第 二倾斜角更大。

并且，所述多个第一导向肋片间的间隔可以和所述多个第二导向肋片间的间隔不同， 或所述多个第一导向肋片间的间隔可以比所述多个第二导向肋片间的间隔更小。

并且，所述多个第一导向肋片的个数可以和所述多个第二导向肋片的个数不同，或 者所述多个第一导向肋片的个数可以比所述多个第二导向肋片的个数更多。

并且，所述多个第一导向肋片从所述第一入口部的内周面凸出的高度，可以和所述 多个第二导向肋片从所述第二入口部的内周面凸出的高度不同，或者所述多个第一导向 肋片从所述第一入口部的内周面凸出的高度，可以比所述多个第二导向肋片从所述第二 入口部的内周面凸出的高度更高。

并且，沿着垂直于所述长度方向的方向，可将所述第一入口部的截面面积和所述第 二入口部的截面面积构成为不同，或者沿着垂直于所述长度方向的方向，所述第一入口 部的截面面积可以比所述第二入口部的截面面积更大。

另外，根据本发明的涡轮叶片的冷却方法作为为一种涡轮叶片的冷却方法，所述涡 轮叶片包括：路径部、形成有前缘部和后缘部的翼部、以及具备于所述翼部和所述路径 部之间的平台部，并且在所述翼部的内部流动有冷却空气的冷却通道朝所述翼部的长度 方向形成，所述涡轮叶片的冷却方法包括如下步骤：流体连通于所述冷却通道，并将空 气供给至所述路径部所具备的入口部；对于通过所述入口部的冷却空气，利用所述入口 部所具有的涡流部来产生涡流。

另外，向所述入口部供给冷却空气的步骤包括如下步骤：向流体连通于第一冷却通 道的第一入口部供给冷却空气，所述第一冷却通道邻接于所述前缘部，从而向所述翼部 的长度方向延长而形成；向流体连通于第二冷却通道的第二入口部供给冷却空气，所述 第二冷却通道在所述第一冷却通道与所述后缘部之间向所述长度方向延长而形成。

另外，利用所述涡流部来产生涡流的步骤包括如下步骤：利用所述第一入口部所具 备的第一涡流部来形成涡流；以及利用所述第二入口部所具备的第二涡流部来形成涡流。

另外，利用所述第一涡流部来产生涡流的步骤包括如下步骤：利用多个第一导向肋 片，使冷却空气产生涡流，所述多个第一导向肋片从所述第一入口部的内周面凸出而形 成，并且利用所述第二涡流部来产生涡流的步骤包括如下步骤：利用多个第二导向肋片， 使冷却空气产生涡流，所述多个第二导向肋片从所述第二入口部的内周面凸出而形成， 所述多个第一导向肋片相对所述长度方向形成规定的第一倾斜角，并同时朝所述长度方 向延长，所述多个第二导向肋片相对所述长度方向形成规定的第二倾斜角，并同时朝所 述长度方向延长。

根据本发明的涡轮叶片使冷却空气流动的冷却空气通道入口部具有涡流部，从而具 有如下效果：可增强路径部的冷却性能，并可进一步明显增加路径部的韧度。

另外，根据本发明的涡轮叶片使冷却空气流动的冷却空气通道入口部具有涡流部， 从而具有如下效果：可显著提高翼部内部的热传递效率。

附图说明

图1是根据现有技术的涡轮叶片的截面图。

图2是根据本发明的第一实施例的具有涡流部的涡轮叶片的长度方向截面图，图3 是图2所示出的涡轮叶片的部分放大图。

图4是根据本发明的第二实施例的具有涡流部的涡轮叶片的长度方向截面图。

图5是根据本发明的第三实施例的具有涡流部的涡轮叶片的部分放大图。

图6是根据本发明的第四实施例的具有涡流部的涡轮叶片的冷却空气入口部的截面 图。

图7是根据本发明的第五实施例的具有涡流部的涡轮叶片的冷却空气入口部的截面 图。

图8是根据本发明的第六实施例的具有冷却空气入口部的涡轮叶片的冷却空气入口 部的截面图，所述冷却空气入口部具有互不相同的截面面积。

具体实施方式

参照附图，对用于实施本发明的具体实施例进行说明。

本发明能够进行各种变形并具有各种实施例，将特定实施例在附图中进行例示，并 进行详细的说明。以上应理解为，并非要将本发明限定于特定的实施形式，而是包括本 发明的思想及技术范围所包含的所有变更，等同物以及替代物。

在说明本发明时，第一、第二等术语，能够用于说明各种构成部件，但是所述构成 部件不限于所述术语。所述术语的目的仅在于，只将以一个构成部件区别其他构成部件 为目的。例如，不脱离本发明的权利要求范围的同时，第一构成部件可以命名为第二构 成部件，类似的，第二构成部件也可以命名为第一构成部件。

当言及某构成部件连接或耦合于其他的构成部件的情况时，虽然可理解为能够直接 连接或耦合于其他构成部件，但是也可理解为中间存在其他的构成部件。相反的，当言 及某构成部件直接连接或直接耦合于其他的构成部件的时候，也能够可理解为中间不存 在其他的构成部件。

本发明中所使用的术语仅是用于说明特定实施例而使用的，意图并非是限定本发明。 除非上下文中另外清楚地指出，否则单数的表现也能够包括复数的表现。

本说明书中，“包括”或“具有”等术语，作为指定说明书中所记载的特征、数字、 步骤、操作、构成部件、部件或者其组合的存在，应理解为不事先排除一个或一个以上 的其他特征、数字、步骤、操作、构成部件、部件或者其组合的存在或附加可能性。

另外，除非进行不同的定义，包括技术性和科学性术语在内的本说明书中使用的所 有术语，具有与本发明所属于的技术领域内具有通常知识的技术人员的一般性理解相同 的意义。与普通词典中定义的相同的术语，可解释为具有和相关技术的上下文所具有的 意思相同，本说明书中未明确定义的，不能解释为异常或过于形式的意思。

另外，以下实施例，是为了向业界中具有平均知识的技术人员进行更明确的说明而 提供的，为了对附图中的部件的形状及大小等进行更明确的说明，能够夸张。

图2是根据本发明的第一实施例的具有涡流部80的涡轮叶片(turbine blade)100 的长度方向截面图，图3是图2所示出的涡轮叶片100的部分放大图。

首先，参考图2，根据本发明的涡轮叶片100包括路径(route)部10、形成有前 缘部21和后缘部22的翼部20、以及具备于所述翼部20和所述路径部10之间的平台 (platform)部30，并且所述翼部20在内部具有冷却空气流动的冷却通道(channel) 70，所述冷却通道70包括：第一冷却通道71，其邻接所述前缘部21而形成，并朝所述 叶片部20的长度方向延长；以及第二冷却通道72，其形成于所述第一冷却通道71和所 述后缘部22之间，并朝所述长度方向延长，所述路径部10或者所述平台部30的内部 包括：第一入口部91，其与所述第一冷却通道71流体连通；以及第二入口部92，其与 所述第二冷却通道72流体连通，并且所述第一入口部91具有第一涡流(swirl)部81， 所述第一涡流部81构成为使得通过的所述冷空气朝所述长度方向进行的同时形成涡流， 而所述第二入口部92具有第二涡流部82，所述第二涡流部82构成为使得通过的所述冷 空气朝所述长度方向进行的同时形成涡流。

换句话说，根据本发明的涡轮叶片100，为了将从未示出的压缩机转子部所抽取的 压缩空气活用为冷却空气，所述翼部20的内部构成有多个冷却通道70，更为详细地， 所述翼部20的内部至少由第一冷却通道71及第二冷却通道72划分而构成，所述第一 冷却通道71及第二冷却通道72通过多个隔壁60划分而成，并流动有所述冷却空气。 此时，所述第一冷却通道71及第二冷却通道72的内部可具有多个湍流器(turbulator) (图2的各个冷却通道上用斜线表示的部分)，所述湍流器与现有技术相似，用于使流 动的冷却空气产生涡流。

但是，为了通过流入至冷却空气通道70的冷却空气增加翼部20内部的热传递效率， 且同时强化路径部10的冷却性能，在冷却空气通道的入口部90上具有涡流部80，所述 涡流部80构成为，流入的冷却空气朝翼部20的长度方向进行的同时，形成一定的涡流 的结构。

此时，所述入口部90可划分成与所述第一冷却通道71流体连通的第一入口部91， 以及与所述第二冷却通道72流体连通的第二入口部92，并且第一入口部91上具有第一 涡流部81，所述第一涡流部81构成为使得通过的所述冷却空气朝所述长度方向进行的 同时形成涡流，而第二入口部92上具有第二涡流部82，所述第二涡流部82构成为使得 通过的所述冷却空气朝所述长度方向进行的同时形成涡流。

另外，所述涡流部80作为用于在所流入的冷却空气的流动中形成涡流的结构，可 具有导向肋片(guide rib)形态，并且更为详细的，所述第一涡流部81及所述第二涡 流部82上具有多个导向肋片83、84，所述导向肋片83、84分别从所述第一入口部91 及所述第二入口部92的内周面以一体的方式凸出形成，并相对翼部20的长度方向轴X 形成规定的倾斜角，同时向上侧方向，即翼部20的长度方向延长，并且第一入口部91 所具备的第一导向肋片83和第二入口部92所具备的第二导向肋片84可构成为相同形 状，且如下文所述的，也可以具有相互不同的结构。

根据本发明的第一导向肋片83及第二导向肋片84在形状上没有限制，只要是满足 以下要求的结构，可不受限制地适用：在流入至冷却空气入口部90的冷却空气中形成 一定的涡流，从而强化路径部10的冷却性能，并可提高冷却通道70内部的热传导效率， 但为了使冷却空气入口部90的结构更加简化，优选地，如图3示出的第一实施例所示， 构成为第一导向肋片83及第二导向肋片84从入口部90的内周面凸出，并以直线形态 朝各个冷却通道71、73连续延长，或者如图4示出的第二实施例所示，以曲线形态朝 各个冷却通道71、73连续延长。

另外，以冷却空气的流动为基准，对根据本发明的涡轮叶片100的冷却过程进行说 明，首先通过未示出的涡轮转子的冷却空气通道，冷却空气流入至路径部10。此处，用 于向涡轮叶片100供应冷却空气的涡轮转子的冷却通道结构，如果能够向涡轮叶片100 的路径部100顺利地供应冷却空气，则可不受局限地适用于本发明，且省略关于涡轮转 子的冷却通道结构的详细说明。

接下来，流入至路径部10的冷却空气供应到入口部90，入口部90与翼部20的内 部所形成的冷却通道70流体连通。更为详细的，如图2及图3所示，流入至路径部10 的冷却空气，供应到流体连通于第一冷却通道71的第一入口部91，并供应到流体连通 于第二冷却通道72的第二入口部92，所述第二冷却通道72利用隔壁60与第一冷却通 道71划分而形成。

接下来，流入至所述第一入口部91的冷却空气，在通过具备于所述第一入口部91 的第一涡流部81的同时形成涡流，并且流入至所述第二入口部92的冷却空气，在通过 第二涡流部82的同时形成涡流。据此，分别通过第一涡流部81及第二涡流部82形成 涡流的冷却空气，在分别通过入口部91、92的同时，从入口部91、92有效地吸收热量， 从而明显地增加路径部10的冷却效率。

接下来，通过所述第一入口部91的同时形成涡流的冷却空气在第一冷却通道71的 内部流动，通过所述第二入口部92的同时形成涡流的冷却空气在第二冷却通道72的内 部流动。此时，如前所述，因为第一冷却通道71和第二冷却通道72的内部具有多个湍 流器，所以通过所述第一入口部91及第二入口部92的同时形成的涡流的强度，可通过 所述湍流器更加强化，且由此与现有技术相比，可显著提高翼部20的冷却性能。

图5是根据本发明的第三实施例的具有涡流部80的湍流器100的部分放大图。

参照图5，根据本发明的第三实施例的涡流部80包括：第一涡流部81，其具备于 第一入口部91；第二涡流部82，其具备于第二入口部92，所述第一涡流部81包括多个 第一导向肋片83，所述第一导向肋片83从所述第一入口部91的内周面凸出形成，并相 对所述长度方向形成规定的第一倾斜角a1的同时朝上侧方向，即，所述翼部20的长度 方向延长，所述第二涡流部82包括多个第二导向肋片84，所述第二导向肋片84从所述 第二入口部92的内周面凸出形成，并相对所述长度方向形成规定的第二倾斜角a2的同 时朝上侧方向，即，所述翼部20的长度方向延长，第一倾斜角a1和所述第二倾斜角a2 相互不同，优选地，可形成为第一倾斜角a1大于所述第二倾斜角a2。

如前所述，根据本发明的第一涡流部81及第二涡流部82，也能够具有相互不同的 构造。

换句话说，对于在第一冷却通道71中流动的冷却空气，需要形成相对程度更大的 涡流，为此，需要第一涡流部81与第二涡流部82的涡流产生的程度不同，所述第一冷 却通道71邻接形成于翼部20的前缘部21，并要求更高的热传递效率，所述第一涡流部 81具备于第一冷却通道71的第一入口部91，所述第二涡流部82具备于第二冷却通道 72的第二入口部92。

据此，如图5所示，为了提高第一导向肋片83的涡流产生程度，第一导向肋片83 与长度方向轴X之间形成的第一倾斜角a1，和第二导向肋片84与长度方向轴X之间形 成的第二倾斜角a2可构成为不同，更为优选地，可构成为所述第一倾斜角a1大于所述 第二倾斜角a2。

图6及图7为根据本发明的第四实施例及第五实施例的具有涡流部80的湍流器的 冷却空气入口部的截面图，示出涉及具有不同结构的第一涡流部81及第二涡流部82的 构成。

首先，参照图6，根据本发明的第四实施例的涡流部80包括：第一涡流部81，其 设置于第一入口部；及第二涡流部82，其设置于第二入口部，并且设置于所述第一涡流 部81的第一导向肋片83的个数和设置于第二涡流部82的第二导向肋片84的个数不同， 优选地，可构成为所述第一导向肋片83的个数比第二导向肋片84的个数更多。

换句话说，设置于第一涡流部81的第一导向肋片83的个数和设置于第二涡流部82 的第二导向肋片84的个数构成为不同，由此对第一涡流部81的涡流产生程度和第二涡 流部82的涡流产生程度能够进行调整，优选地，为了达到更高的热传递效果，可构成 为使第一导向肋片83的个数比第二导向肋片84的个数更多。

图6中，设置于第一涡流部81的第一导向肋片83的个数是12个，设置于第二涡 流部82的第二导向肋片84的个数是8个，但本发明并非限定于特定个数的导向肋片， 为了调整第一涡流部81和第二涡流部82的涡流产生程度，第一导向肋片83和第二导 向肋片84能进行多样的个数组合，并且所述变形例也当然地属于本发明的范围。

此外，作为用于调整第一涡流部81的涡流产生程度和第二涡流部82的涡流产生程 度的结构，设置于第一涡流部81的第一导向肋片83间的宽度和设置于第二涡流部82 的第二导向肋片84间的宽度相异，优选地，可构成为所述第一导向肋片83间的间隔比 所述第二导向肋片84间的间隔更小。

图6中，第一导向肋片83间的宽度L1和第二导向肋片84间的宽度L2不同，更为 详细的，示出第一导向肋片83间的宽度L1比第二导向肋片84间的宽度L2更大地构成 的实施例。

另外，图7是用于调整第一涡流部81的涡流产生程度和第二涡流部82的涡流产生 程度的又另一结构，示出第一导向肋片83从第一入口部91的内周面凸出的高度，和第 二导向肋片84从第二入口部92的内周面凸出的高度构成为不同的实施例。

参照图7，第一导向肋片83从第一入口部91的内周面凸出的高度H1，和第二导向 肋片84从第二入口部92的内周面凸出的高度H2彼此构成为不同，从而第一涡流部81 的涡流产生程度和第二涡流部的涡流产生程度可彼此设定为不同。

如前所述，此种情况下，为了提高第一涡流部81的涡流产生程度，可设定为第一 导向肋片83的凸出高度H1高于第二导向肋片84的凸出高度H2。

另外，也可考虑用于向要求更高的热传导效率的第一冷却通道71导入更多的冷却 空气流量的结构。

为此，如图8所示，根据本发明的第六实施例，沿着垂直于翼部20的长度方向的 方向，可将第一入口部91的截面面积A1和所述第二入口部92的截面面积A2彼此构成 为不同，优选地，设置为第一入口部91的截面面积A1比第二入口部92的截面面积更 大，进而可将流入到第一冷却通道71的冷却空气的流量，设定为大于流入到第二冷却 通道72的冷却空气的流量。

但只是，图8中表示的，设置于第一入口部91的第一导向肋片83和设置于第二入 口部92的第二导向肋片84具有相同的形状及结构，但是将第一入口部91的截面面积 A1和第二入口部92的截面面积A2设定为彼此不同，并且根据所述实施例，也当然能够 适用将第一涡流部81的结构和第二涡流部82的结构构成为相互不同的结构，所述实施 例也当然地属于本发明的范围。

此外，图6至图8中示出，沿着垂直于翼部20的长度方向的方向，将第一入口部 91的截面形状和第二入口部92的截面形状构成为圆形或椭圆形，但是以上所述只是示 例，也可适用第一入口部91的截面形状和第二入口部92的截面形状构成为不同形状， 并且以上所述也当然属于本发明的范围。

由此，所述的本发明的技术性结构，可理解为，属于本发明技术领域的从业人员， 在不改变该技术思想和必要的特征下，可实施为其他具体形态。

由此应理解为，以上所述的实施例只是在所有各个方面进行了示例，并非是限定性 的，并且本发明的范围应解释为，根据后述的权利要求范围来表示，而非前述详细的说 明，并且从根据权利要求范围的意思及范围以及其等价概念中所导出的所有变更或变形 的形态，全部属于本发明的范围。