FR2712629A1

FR2712629A1 - Cooling system for joints between e.g. gas turbine components

Info

Publication number: FR2712629A1
Application number: FR8411886A
Authority: FR
Inventors: Evans Neil Mimser; Whyte Keith John
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1983-07-27
Filing date: 1984-07-26
Publication date: 1995-05-24

Abstract

The two elements (24,25) are separated by an insulator (26) which has layers spaced alternately on the two elements, leaving channels (30) which form a path for the flow (31) of coolant. Cooling air (29) is forced into the passages (30) and takes heat alternately from the two elements until it is ejected from the orifice (32). The channels (30) may be formed in the insulator (26) by photogravure, and the insulating material may be deposited by hot spraying.

Description

Organes munis de passages.Organs with passages.

La présente invention concerne la prévision de passages d'écoulement de fluides dans différents organes et notamment, bien que non exclusivement, la prévision de passages de refroidissement sur des organes de turbomachine à gaz, tels que des plateaux d'ailettes ou d'aubes de turbine. The present invention relates to the provision of fluid flow passages in different members and in particular, although not exclusively, the provision of cooling passages on gas turbomachine members, such as fin plates or vanes of turbine.

Les aubes et les palettes des turbines à écoulement axial de turbomachines à gaz comportent habituellement des plateaux radialement intérieurs et parfois extérieurs, qui servent à définir partiellement les parois du passage de gaz annulaire à travers la turbine. Les gaz qui traversent la turbine sont généralement très chauds et il est, par conséquent parfois nécessaire de prévoir un refroidissement des plateaux afin de leur éviter des dégâts dûs à la chaleur. Une façon par laquelle le refroidissement peut être réalisé consiste à faire passer un écoulement d'air frais, qui a été dérivé du compresseur du moteur, à travers des passages prévus à l'intérieur des plateaux. Le problème posé par cette technique est la difficulté qui est habituellement rencontrée lors de la fabrication de plateaux qui comportent de tels passages de refroidissement. Si les trous sont réalisés par perçage, des tolérances serrées sont appliquées sur leur taille et leur configuration. Les techniques de moulage autorisent une plus grande latitude en ce qui concerne la configuration des passages de refroidissement mais nécessitent habituellement l'utilisation de moules et de noyaux compliqués et coûteux. Une autre méthode de fabrication consiste à réaliser le plateau en deux parties avec le dessin du passage de refroidissement usiné ou moulé sous forme de canaux dans l'une des parties. Les parties de plateau sont alors brasées ou liées ensemble d'une autre façon de manière à coopérer pour définir les passages. La difficulté avec cette technique est d'assurer qu'il y a une zone de contact adéquate entre les parties de plateau pour réaliser le brasage, ou autres formes de liaison,efficace . I1 existe d'autres organes qui sont exposés à des environnements froids, et des échangeurs de chaleur, qui nécessitent des passages d'écoulement de fluide internes pour l'écoulement d'un fluide de chauffage. La construction de ces organes pose des problèmes similaires à ceux mentionnés ci-avant. The blades and vanes of axial flow turbines of gas turbomachines usually have radially inner and sometimes outer plates, which serve to partially define the walls of the annular gas passage through the turbine. The gases passing through the turbine are generally very hot and it is therefore sometimes necessary to provide cooling of the platens in order to avoid damage from heat. One way in which cooling can be achieved is by passing a flow of fresh air, which has been derived from the engine compressor, through passages provided inside the platens. The problem posed by this technique is the difficulty which is usually encountered during the manufacture of trays which include such cooling passages. If the holes are drilled, tight tolerances are applied to their size and configuration. Molding techniques allow greater latitude in the configuration of the cooling passages but usually require the use of complicated and expensive molds and cores. Another manufacturing method consists in making the plate in two parts with the design of the cooling passage machined or molded in the form of channels in one of the parts. The plate parts are then brazed or linked together in another way so as to cooperate to define the passages. The difficulty with this technique is to ensure that there is an adequate contact zone between the parts of the plate for performing brazing, or other forms of connection, which is effective. There are other components which are exposed to cold environments, and heat exchangers which require internal fluid flow passages for the flow of a heating fluid. The construction of these organs poses problems similar to those mentioned above.

Le but de la présente invention est de fournir des passages d'écoulement de fluide à l'intérieur d'organes tels que, par exemple, des aubes ou ailettes de turbine qui réduisent effectivement les problèmes mentionnés ciavant. The object of the present invention is to provide fluid flow passages inside organs such as, for example, turbine blades or blades which effectively reduce the problems mentioned above.

Selon la présente invention, dans un organe comprenant deux parties coopérant ensemble et au moins une cale intercalée entre ces parties, et reliée à ces dites parties la cale est munie sur ses faces opposées de canaux, chaque canal s'étend seulement sur une partie de sa face respective, les canaux sont reliés entre eux de telle sorte que chaque canal communique avec un canal sur la face opposée de la cale, les canaux coopèrent avec les parties pour définir des passages d'écoulement de fluide comportant des orifices d'entrée et des orifices de sortie de l'écoule- ment de fluide, et, en fonctionnement, chaque passage d'é- coulement de fluide dirige un écoulement de fluide de son orifice d'entrée, en échange de chaleur successif avec chacune des parties, avant son évacuation de cet organe par l'orifice de sortie de l'écoulement de fluide. According to the present invention, in a member comprising two parts cooperating together and at least one wedge interposed between these parts, and connected to these said parts, the wedge is provided on its opposite faces with channels, each channel extends only over a part of its respective face, the channels are interconnected so that each channel communicates with a channel on the opposite face of the shim, the channels cooperate with the parts to define fluid flow passages having inlet openings and fluid flow outlet ports, and, in operation, each fluid flow passage directs a flow of fluid from its inlet port, in successive heat exchange with each of the parts, before its evacuation from this member through the outlet outlet for the fluid flow.

De toute façon l'invention sera bien comprise et d'autres caractéristiques seront mises en évidence à l'aide de la description qui suit en référence au dessin schématique annexé en représentant un exemple de réalisation
Figure 1 est une vue en coupe latérale d'une partie d'une turbomachine à soufflante carénée comprenant une aube de turbine selon la présente invention;
Figure 2 est, à échelle agrandie, une vue de détail d'une partie de la turbine de la turbomachine à soufflante carénée de la figure 1, montrant une aube de turbine selon la présente invention,
Figure 3 est une vue en coupe latérale du plateau radialement intérieur de l'aube de turbine montrée à la figure 2,
Figure 4 est une vue en coupe selon la ligne A-A de figure 3.In any case, the invention will be well understood and other characteristics will be highlighted with the aid of the description which follows with reference to the appended schematic drawing representing an exemplary embodiment.
Figure 1 is a side sectional view of a portion of a faired fan turbomachine comprising a turbine blade according to the present invention;
FIG. 2 is, on an enlarged scale, a detail view of part of the turbine of the faired fan turbomachine of FIG. 1, showing a turbine blade according to the present invention,
FIG. 3 is a side section view of the radially inner plate of the turbine blade shown in FIG. 2,
Figure 4 is a sectional view along line AA of Figure 3.

En référence à la figure 1, une turbomachine à gaz à soufflante carénée, indiquée par la référence générale (10), comprend montées en série dans le sens d'écoulement axial du fluide, une soufflante carénée (11), une section compresseur (12), une installation de combustion (13), une section turbine (14) et une tuyère de propulsion (15). Le moteur (10) fonctionne de façon classique avec l'air comprimé par la soufflante carénée (11) et divisé en deux écoulements. Le premier écoulement est dirigé à travers des aubes directrices de sortie (16) afin de fournir une poussée propulsive tandis que le second est dirigé dans la section compresseur (12) où il est comprimé encore plus. Cet air comprimé est ensuite dirigé vers l'installation de combustion (13) où il est mélangé avec le carburant et où le mélange est brûlé afin de fournir les gaz chauds qui se détendent à travers la section turbine (14) et sont évacués vers l'atmosphère par la tuyère (15) pour fournir la poussée propulsive. La section turbine (14) est reliée à la section compresseur (12) et à la soufflante carénée (11) au moyen d'arbres (17). With reference to FIG. 1, a gas turbomachine with a shrouded fan, indicated by the general reference (10), comprises mounted in series in the direction of axial flow of the fluid, a shrouded fan (11), a compressor section (12 ), a combustion installation (13), a turbine section (14) and a propulsion nozzle (15). The motor (10) operates conventionally with the air compressed by the shrouded fan (11) and divided into two flows. The first flow is directed through outlet guide vanes (16) to provide a propulsive thrust while the second is directed into the compressor section (12) where it is compressed even more. This compressed air is then directed to the combustion plant (13) where it is mixed with the fuel and where the mixture is burned in order to supply the hot gases which expand through the turbine section (14) and are discharged to the atmosphere through the nozzle (15) to provide the propellant thrust. The turbine section (14) is connected to the compressor section (12) and to the shrouded fan (11) by means of shafts (17).

La section turbine (14) comprend un arrangement annulaire d'aubes directrices de tuyère (18) qui est situé immédiatement en aval de l'installation de combustion (13). The turbine section (14) includes an annular arrangement of nozzle guide vanes (18) which is located immediately downstream of the combustion plant (13).

Chaque aube directrice de tuyère, dont l'une est représentée plus clairement à la figure 2, comprend deux parties à profil d'aile et des plateaux radialement internes et externes (21) et (22). Les plateaux (21) et (22) servent à définir les limites radialement interne et externe d'une partie du passage de gaz (23) à travers la partie turbine (14).Each nozzle guide vane, one of which is shown more clearly in FIG. 2, comprises two wing profile parts and radially internal and external plates (21) and (22). The plates (21) and (22) serve to define the radially internal and external limits of a part of the gas passage (23) through the turbine part (14).

Le plateau radialement intérieur (21) qui est montré plus précisément dans la figure 3, est constitué de deux parties de plateau (24,25) entre lesquelles est intercalée une cale (26) La surface radialement externe (27 de la partie de plateau (24) est exposée à l'écoulement de gaz chauds qui, en fonctionnement, s'écoulent à travers le passage des gaz (23) de la turbine. Cependant, la partie de plateau radialement interne (25) est exposée à un écoulement d'air de refroidissement qui est dérivé de la section compresseur (12). L'air s'écoule dans la direction indiquée par les flèches (28) dans les deux figures 2 et 3, pour passer dans les ouvertures (29) ménagées dans la partie amont par rapport à l'écoulement du gaz par le passage de gaz (23) de la partie de plateau radialement interne (25). Les ouvertures (29) fournissent à l'air de refroidissement l'accès à la cale (26). The radially inner plate (21) which is shown more precisely in FIG. 3, consists of two plate parts (24,25) between which a wedge is inserted (26) The radially external surface (27 of the plate part ( 24) is exposed to the flow of hot gases which, in operation, flow through the gas passage (23) of the turbine. However, the radially inner plate portion (25) is exposed to a flow of cooling air which is derived from the compressor section (12). The air flows in the direction indicated by the arrows (28) in the two figures 2 and 3, to pass through the openings (29) formed in the part upstream with respect to the flow of gas through the gas passage (23) of the radially internal plate portion (25) The openings (29) provide the cooling air with access to the shim (26).

La cale (26) est photogravée par des techniques con ventionnelles pour définir à l'intérieur de celle-ci une pluralité de canaux (30). Cependant, d'autres techniques pourraient être employées si désiré, pour définir les canaux. Les canaux (30) qui peuvent être vus plus facilement sur la figure 4, sont ménagés dans les deux faces de la cale (26). Aucun des canaux (30) ne s'étend sur la totalité de la surface dans laquelle il est situé. Au lieu de celà, chaque canal se termine à côté de l'extrémité d'un canal (30) sur la face opposée de la cale (26). La profondeur de chaque canal (30) est légèrement supérieure à la moitié de l'épaisseur de la cale (26), de sorte qu'en positionnant les canaux (30) de cette façon, on est certain que chaque canal (30) communique avec un canal (30) formé
Sur la face opposée de la cale à l'endroit où ces deux canaux se recouvrent.The shim (26) is photoetched by conventional techniques to define therein a plurality of channels (30). However, other techniques could be used if desired, to define the channels. The channels (30) which can be more easily seen in Figure 4, are formed in both sides of the wedge (26). None of the channels (30) extends over the entire surface in which it is located. Instead, each channel ends next to the end of a channel (30) on the opposite side of the wedge (26). The depth of each channel (30) is slightly greater than half the thickness of the shim (26), so that by positioning the channels (30) in this way, it is certain that each channel (30) communicates with a channel (30) formed
On the opposite side of the wedge where these two channels overlap.

Les canaux (30) sont alignés essentiellement parallèlement et côte à côte, comme montré dans la figure 4, de façon à coopérer avec les parties de plateau (24) et (25) pour définir des passages d'air de refroidissement (31) qui s'étendent d'un bout à l'autre du plateau (21) et se terminent par des orifices de sortie (32) sur le bord aval (33) du plateau (21). Les passages d'air de refroidissement (31) sont, ainsi que le montre la figure 3, définis par des canaux (30) qui coopèrent alternativement avec les parties de plateau radialement interne et externe (24) et (25). Ceci étant, l'air de refroidissement qui entre dans le plateau (21) par les ouvertures (29) est, ainsi que le montrent les flèches indiquant l'écoulement d'air de refroidissement, en relation d'échange de chaleur successivement avec chacune des parties de plateau (24) et (25) avant d'être évacué par les orifices de sortie (32). De ce fait, le refroidissement du plateau (22) est réalisé, ce qui diminue l'effet sur celui-ci des gaz chauds qui, en fonctionnement, s'écoulent par le passage de gaz (23). The channels (30) are aligned essentially parallel and side by side, as shown in Figure 4, so as to cooperate with the tray parts (24) and (25) to define cooling air passages (31) which extend from one end to the other of the plate (21) and terminate in outlet orifices (32) on the downstream edge (33) of the plate (21). The cooling air passages (31) are, as shown in FIG. 3, defined by channels (30) which cooperate alternately with the radially internal and external plate parts (24) and (25). That said, the cooling air which enters the tray (21) through the openings (29) is, as shown by the arrows indicating the flow of cooling air, in heat exchange relation successively with each tray parts (24) and (25) before being discharged through the outlet orifices (32). Therefore, the cooling of the plate (22) is achieved, which reduces the effect on the hot gases which, in operation, flow through the gas passage (23).

Avantageusement, d'autres écoulements d'air de refroidissement pourraient être employés, si désiré. Par exemple, les ouvertures (29) pourraient être situées dans la partie aval de la partie de plateau radialement interne (25) et les orifices de sortie pourraient être situés sur la partie amont de la surface radialement externe (27) de la partie de plateau (24). Un tel arrangement fournirait un certain degré de refroidissement en couche de la surface radialement externe (27) de la partie de plateau (24). Advantageously, other cooling air flows could be used, if desired. For example, the openings (29) could be located in the downstream part of the radially inner plate part (25) and the outlet orifices could be located on the upstream part of the radially external surface (27) of the plate part (24). Such an arrangement would provide some degree of layered cooling of the radially outer surface (27) of the tray portion (24).

La disposition des canaux (30) dans la cale (26) assure que de larges zones continues, s'étendant périphériquement, de la cale (26) sont en contact avec les parties de plateau (23) et (24). Cela fournit également de larges zones pour le brasage ou d'autres formes de liaison entre la cale (26) et les parties de plateau (24) et (25). The arrangement of the channels (30) in the shim (26) ensures that large continuous, peripherally extending zones of the shim (26) are in contact with the plate parts (23) and (24). This also provides wide areas for soldering or other forms of connection between the shim (26) and the plate parts (24) and (25).

L'intégrité mécanique du plateau (24) est de ce fait plus élevée qu'elle ne l'aurait été si les canaux avaient été ménagés dans un côté de la cale (26) ou dans une des parties de plateau (24,25). Avec une telle disposition seules de minces bandes de surfaces, se trouvant en visà-vis entre les canaux, seraient disponibles pour le brasage.The mechanical integrity of the plate (24) is therefore higher than it would have been if the channels had been formed in one side of the wedge (26) or in one of the parts of the plate (24,25) . With such an arrangement, only thin strips of surfaces, facing each other between the channels, would be available for brazing.

Bien que la présente invention ait été décrite en référence au plateau radialement intérieur d'une aube de turbine, elle pourra bien évidemment être appliquée à des plateaux radialement extérieurs d'aubes, si ceux-ci devaient nécessiter un refroidissement et elle peut être appliquée de façon générale à des ailettes tournantes aussi bien qu'à des aubes fixes. En outre, cette invention peut être utilisée pour fournir des canaux de refroidissement dans la partie à profil d'aile de l'aube ou de l'ailette, en réalisant la partie à profil d'aile à partir de deux ou plusieurs parties qui sont brasées ou liées à une ou plusieurs cales pour fournir les passages de refroidissement. Dans encore une autre disposition, la partie à profil d'aile peut être réalisée à partir d'un élément de support central, définissant une partie, d'une ou plusieurs peaux métalliques qui recouvrent le centre et d'une cale, qui définit les passages de refroidissement, logée entre l'élément de support et la peau. Although the present invention has been described with reference to the radially inner plate of a turbine blade, it could obviously be applied to radially outer plates of blades, if these were to require cooling and it can be applied from generally with rotating vanes as well as fixed vanes. Furthermore, this invention can be used to provide cooling channels in the wing profile part of the blade or fin, by making the wing profile part from two or more parts which are brazed or linked to one or more shims to provide the cooling passages. In yet another arrangement, the wing profile part can be produced from a central support element, defining a part, from one or more metal skins which cover the center and from a wedge, which defines the cooling passages, housed between the support element and the skin.

L'invention peut être appliquée à n'importe quel organe qui est exposé à un fluide de chauffage ou de refroidissement et qui doit être respectivement refroidi ou réchauffé. De tels organes peuvent être constitués par exemple par des parties de fours qui nécessitent un refroidissement, des parties d'échangeurs de chaleur, qui doivent être réchauffées ou refroidies, des chambres de combustion de turbine à gaz, des carters de turbomachine à gaz qui peuvent nécessiter un réchauffage etou un refroidissement pour maintenir les jeux d'extrémité. The invention can be applied to any member which is exposed to a heating or cooling fluid and which must be respectively cooled or reheated. Such members can be constituted for example by parts of ovens which require cooling, parts of heat exchangers, which must be heated or cooled, gas turbine combustion chambers, gas turbomachine casings which can require reheating and / or cooling to maintain end clearances.

Lorsqu'ils sont appliqués à d'autres organes, les canaux d'écoulement de fluide peuvent être prévus dans l'organe à un endroit approprié en fabriquant l'organe en deux parties qui sont brasées.When applied to other organs, the fluid flow channels can be provided in the organ at a suitable location by manufacturing the organ in two parts which are brazed.

L'interface entre les parties n'a pas besoin d'être plan et peut suivre des contours variés, pourvu que la cale soit assez souple pour épouser le contour sans endommager ou boucher les canaux et que les surfaces se faisant face des deux parties soient complémentaires l'une de l'autre. The interface between the parts need not be planar and can follow various contours, provided that the wedge is flexible enough to follow the contour without damaging or blocking the channels and that the surfaces facing the two parts are complementary to each other.

Claims

- CLAIMS

1. - Body formed by two parts (24), (25) cooperating together and at least one wedge interposed between these two parts and linked to them, characterized in that the wedge (26) is provided on its opposite faces, of channels (30), in that each channel (30) extends only over a part of its respective face, in that the channels (30) are interconnected so that each channel (30) communicates with a channel (30) formed on the opposite face of the shim (26), in that the channels cooperate with the parts (24), (25) to define fluid flow passages (31) having inlet ports (29) and inlet ports (29) and outlet ports (32) for the fluid flow, and in that, in operation, each fluid flow passage directs a flow of fluid to from its inlet orifice (29), so that it is in heat exchange successively with each of the parts (24), (25), before its evacuation from this organ p ar the outlet port (32) for the fluid flow.

2. - Body according to claim 1, characterized in that the channels (30) formed in each face of the wedge (26) are arranged side by side.

3. - Body according to one of claims 1 or 2, characterized in that the channels (30) are arranged so as to be generally parallel to each other.

4. - Body according to any one of the preceding claims, characterized in that the inlet (29) and outlet (32) orifices of the fluid flow are positioned respectively in the regions upstream and downstream of the 'fin or blade, considered with respect to the direction of the flow of fluid to which this fin or blade is exposed during operation.

5. - Body according to any one of the preceding claims, characterized in that the channels (30) are produced by photoengraving in the faces of the wedge (26).

6. - Body according to any one of the preceding claims, characterized in that the wedge (26) is connected by brazing to the parts (21,22).