EP3767074B1 - Composant d'une turbine - Google Patents

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EP3767074B1
EP3767074B1 EP20188996.1A EP20188996A EP3767074B1 EP 3767074 B1 EP3767074 B1 EP 3767074B1 EP 20188996 A EP20188996 A EP 20188996A EP 3767074 B1 EP3767074 B1 EP 3767074B1
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cooling channel
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Christian X. Campbell
Ching-Pang Lee
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Siemens Energy Inc
Mikro Systems Inc
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Siemens Energy Inc
Mikro Systems Inc
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F01D5/187—Convection cooling
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01D—NON-POSITIVE DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, e.g. STEAM TURBINES
    • F01D5/00—Blades; Blade-carrying members; Heating, heat-insulating, cooling or antivibration means on the blades or the members
    • F01D5/12—Blades
    • F01D5/14—Form or construction
    • F01D5/18—Hollow blades, i.e. blades with cooling or heating channels or cavities; Heating, heat-insulating or cooling means on blades
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2250/00—Geometry
    • F05D2250/10—Two-dimensional
    • F05D2250/13—Two-dimensional trapezoidal
    • F05D2250/131—Two-dimensional trapezoidal polygonal
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F05—INDEXING SCHEMES RELATING TO ENGINES OR PUMPS IN VARIOUS SUBCLASSES OF CLASSES F01-F04
    • F05D—INDEXING SCHEME FOR ASPECTS RELATING TO NON-POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES OR ENGINES, GAS-TURBINES OR JET-PROPULSION PLANTS
    • F05D2260/00—Function
    • F05D2260/20—Heat transfer, e.g. cooling
    • F05D2260/221—Improvement of heat transfer
    • F05D2260/2214—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface
    • F05D2260/22141—Improvement of heat transfer by increasing the heat transfer surface using fins or ribs

Definitions

  • the present application relates to components of a turbine.
  • the inner surface widths W1 and W3 are greater than the waist width W2, so the channel profile 46 has an hourglass shape formed by convexity of the side surfaces 52, 54. This shape increases the coolant flow 25 toward the corners C of the channel.
  • the overall coolant flow direction is normal to the page in this view.
  • the arrows 25 illustrate a flow-increasing aspect of the profile 46 relative to a channel without an hourglass shape and/or without fins next described.
  • Fins 44 are provided on the inner surfaces 48, 50.
  • the fins are aligned with the overall flow direction 22 ( FIG 1 ) which is normal to the plane of FIG 3 .
  • the fins have heights that follow a convex profile such as 56A or 56B, providing a maximum fin height H at mid-width of the near-wall inner surface 48 and/or 50.
  • These fins 44 increase the surface area of the near-wall surfaces 48, 50, and also increase the flow 25 in the corners C.
  • the taller middle fins reduce the flow centrally, while the shorter distal fins encourage flow 25 in the corners C.
  • the combination of convex sides 52, 54 and a convex fin height profile 56A, 56B provides synergy that focuses cooling toward the channel corners C.
  • FIG. 9 shows an embodiment as in FIG 8 combined according to the invention with profiled fins 44 on the near-wall inner surfaces 48, 50 as previously described.
  • the present hourglass-shaped channels are useful in any near-wall cooling 20 application, such as in vanes, blades, shrouds, and possibly in combustors and transition ducts of gas turbines. They increase uniformity of cooling, especially in a parallel series of channels with either parallel flows or alternating serpentine flows.
  • the present channels may be formed by known fabrication techniques -- for example by casting an airfoil over a positive ceramic core that is chemically removed after casting.

Claims (15)

  1. Composant d'une turbine comprenant un canal de refroidissement (65), le canal de refroidissement (65) comprenant en outre :
    une première surface intérieure (48) parallèle à une première surface extérieure (40) du composant et un profil de section transversale conique qui est plus large au niveau de la première surface intérieure (48) et qui rétrécit en s'éloignant de la première surface intérieure (48) ;
    une pluralité d'ailettes parallèles (44) avec un profil de hauteur transversal qui est convexe sur une largeur de la surface intérieure (48), dans lequel les ailettes (44) sont orientées avec une direction d'écoulement de liquide de refroidissement (22) dans le canal (65), dans lequel le canal de refroidissement (65) permet d'amener un écoulement de liquide de refroidissement (22) vers des coins (C) du canal de refroidissement (65),
    une seconde surface intérieure (50) parallèle à une seconde surface extérieure (42) du composant ;
    des première et seconde surfaces latérales intérieures (52, 54) s'étendant entre les première et seconde surfaces latérales intérieures (48, 50) ; et caractérisé par le canal de refroidissement (65) comprenant en outre
    un turbulateur (92) sur une surface latérale correspondante des surfaces latérales (52, 54) pour amener l'écoulement de liquide de refroidissement (22) vers les surfaces intérieures (48, 50).
  2. Composant selon la revendication 1, dans lequel le turbulateur est prévu en tant qu'une pluralité de turbulateurs (92) sur chacune des surfaces latérales intérieures (52, 54) du canal (65) qui amène l'écoulement de liquide de refroidissement (22) vers les surfaces intérieures (48, 50), dans lequel un sommet (97) dans une partie médiane de chaque turbulateur (92) définit un rétrécissement du canal de refroidissement (65) qui est plus étroit qu'une largeur de l'une ou l'autre des première et seconde surfaces intérieures (48, 50).
  3. Composant selon la revendication 2, dans lequel chaque turbulateur (92) comprend un côté amont convexe (93).
  4. Composant selon la revendication 2, dans lequel chaque turbulateur comprend un côté amont convexe (93) et un côté aval droit (94).
  5. Composant selon la revendication 1, dans lequel :
    le composant est un composant de profil aérodynamique de turbine ;
    le canal de refroidissement est un canal de sortie de liquide refroidissement (65) dans une partie de bord de fuite du composant de profil aérodynamique de turbine ;
    les première et seconde surfaces intérieures sont des première et seconde surfaces intérieures de paroi proche (48, 50) ;
    les première et seconde surfaces extérieures (40, 42) sont des première et seconde surfaces extérieures de la partie de bord de fuite ;
    les première et seconde surfaces latérales intérieures (52, 54) entre les surfaces intérieures de paroi proche (48, 50) convergent vers un rétrécissement au niveau d'une position intermédiaire entre les première et seconde surfaces intérieures de paroi proche (48, 50) formant un profil transversal en forme de sablier du canal (65) ; et
    la pluralité d'ailettes (44) sont alignées avec une direction globale du canal de sortie de liquide de refroidissement (65), et la pluralité d'ailettes (44) a un profil de hauteur convexe sur la largeur de chaque surface intérieure de paroi proche (48, 50) .
  6. Composant selon la revendication 5, dans lequel le turbulateur est prévu en tant qu'une pluralité de turbulateurs (92) sur chacune des surfaces latérales (52, 54) qui amène l'écoulement de liquide de refroidissement (22) vers les surfaces intérieures de paroi proche (48, 50), dans lequel un sommet (97) dans une partie médiane de chaque turbulateur (92) définit le rétrécissement du canal de refroidissement (65).
  7. Composant selon la revendication 6, dans lequel chaque turbulateur (92) comprend un côté amont convexe (93).
  8. Composant selon la revendication 6, dans lequel chaque turbulateur comprend un côté amont convexe (93) et un côté aval droit (94).
  9. Composant selon la revendication 5, comprenant en outre :
    une pluralité de turbulateurs (92) sur chacune des surfaces latérales (52, 54), chaque turbulateur (92) comprenant un côté amont convexe (93) et un sommet (97) dans une partie médiane du turbulateur (92) qui définit le rétrécissement du canal de refroidissement (65).
  10. Composant selon la revendication 1, dans lequel :
    le canal de refroidissement est un canal de refroidissement intérieur (65) ;
    les première et seconde surfaces intérieures sont des première et seconde surfaces intérieures (48, 50) des première et seconde parois extérieures respectives (41, 43) du composant ;
    une section transversale du canal (65) a un profil en forme de sablier dans lequel les surfaces latérales intérieures (52, 54) s'effilent l'une vers l'autre jusqu'à un rétrécissement qui est plus étroit qu'une largeur de chacune des première et seconde surfaces intérieures (48, 50) ; et
    une direction globale d'un écoulement de liquide de refroidissement (22) dans le canal (65) est perpendiculaire au profil en forme de sablier.
  11. Composant selon la revendication 10, dans lequel :
    les première et seconde surfaces intérieures (48, 50) sont parallèles aux première et seconde parties respectives des surfaces extérieures (40, 42) des parois extérieures respectives (41, 43) ; et/ou
    dans lequel les première et seconde parois extérieures (41, 43) sont respectivement des intrados et extrados d'un profil aérodynamique de turbine (60).
  12. Composant selon la revendication 10 ou 11, dans lequel :
    le rétrécissement comprend une largeur de 80 % ou moins par rapport à la largeur d'au moins l'une des surfaces intérieures (48, 50) ; et/ou
    dans lequel chacune des surfaces latérales (48, 50) a un angle de conicité dans le profil d'au moins -1 degré vers le rétrécissement par rapport à une ligne droite entre les extrémités correspondantes des deux surfaces latérales (52, 54).
  13. Composant selon l'une quelconque des revendications 10 à 12, comprenant en outre une pluralité d'ailettes parallèles (44) avec un profil de hauteur transversal qui est convexe sur une largeur d'au moins l'une des surfaces intérieures (48, 50), dans lequel les ailettes (44) sont orientées avec la direction d'écoulement de liquide de refroidissement.
  14. Composant selon l'une quelconque des revendications 10 à 13, dans lequel le turbulateur est prévu en tant qu'une pluralité de turbulateurs (92) sur chacune des surfaces latérales (52, 54) qui amène le liquide de refroidissement vers les surfaces intérieures (48, 50), dans lequel un sommet (97) dans une partie médiane de chaque turbulateur (92) définit le rétrécissement du canal de refroidissement (65), éventuellement dans lequel chaque turbulateur (92) comprend un côté amont convexe (93), dans lequel éventuellement en outre chaque turbulateur (92) comprend un côté aval droit (94).
  15. Composant selon l'une quelconque des revendications 10 à 14, dans lequel un profil de hauteur qui relie transversalement les sommets adjacents des ailettes (44) est convexe sur une largeur de chacune des surfaces intérieures (48, 50), dans lequel le turbulateur est prévu en tant qu'une pluralité de turbulateurs (92) sur chacune des surfaces latérales (52, 54), chaque turbulateur (92) comprenant un côté amont convexe (93), et un sommet (97) dans une partie médiane du turbulateur (92) qui définit le rétrécissement du canal de refroidissement (65).
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