IT8224620A1

IT8224620A1 - Elemento a profilo aerodinamico per palette di turbina a combustione, raffreddato tra il longherone e l'involucro, utilizzante cavita' multiple del longherone

Info

Publication number: IT8224620A1
Application number: IT1982A24620A
Authority: IT
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1981-12-09
Filing date: 1982-12-06
Publication date: 1984-06-06
Also published as: JPH0110401Y2; IT1153370B; BE895285A; JPS58106102A; GB2111604A; AR228927A1; MX157531A; JPS6278302U; IT8224620A0

Description

DESCRIZIONE dell ' invenzione industriale dal titolo: "ELEMENTO A PROFILO AERODINAMICO PER PALETTE DI TURBINA A COM BUSTIONE, RAFFREDDATO TRA IL LONGHERONE E L 'INVOLUCRO, UTILIZ ZANTE CAVITA ' MULTIPLE DEL LONGHERONE"

RIASSUNTO

L'invenzione consiste in un elemento a profilo aerodinami raffreddato

co/per convezione, per una paletta di rotore o una paletta di statore di turbina a combustione. L'elemento a profilo aerodinemico comprende un montante o longherone cavo diviso in cavit? dirette nel senso longitudinale della paletta ed un involuero esterno unito al longherone. Dei condotti del refrigerante sostanzialmente trasversali sono disposti tra l'involucro ed il longherone per far passare il refrigerante da cavit? in dicate come cavit? d'alimentazione a cavit? indicate come cavit? di scarico, o attraverso un bordo posteriore dell'elemen to a profilo aerodinamico, realizzando cos? dei condotti del refrigerante, corti, ad elevata velocit?, che raffreddano effi cacemente per convezione l'elemento a profilo aerodinamic?.

TEST? DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzi?ne si riferisce in generale a palette di rotore ? a palette fisse di turbina a combustione e pi? in particolare ad un elemento a profilo aerodinamico per palette di rotore e palette fisse di turbina a combustione fissata a terra, avente una disposizione perfezionata per il raffreddamento mediante fluido.

E' ben noto che un maggior rendimento di funzionamento ed una maggiore potenza d'uscita d'una turbina a combustione si possono ottenere attraverso delle maggiori temperature di funzionamento d'entrata. Tuttavia le temperature di funzionamento d'entrata sono limitate dalla temperatura massima tollerabile dalle palette rotanti e dalle palette fisse della turbina. Inoltre, mano a mano che aumentano le temperature delle pa lette rotanti e fisse della turbina all?aumentare della temperatura dei gas d'entrata, aumenta anche la vulnerabilit? delle palette rotanti a causa di danni derivanti dalle tensioni e dalle sollecitazioni che accompagnano normalmente il funzio, namento della turbina. Il raffreddamento delle palette rotanti e di quelle fisse permette un aumento delle temperature di funzionamento d'entrata pur mantenendo le temperature delle palette rotanti e di quelle fisse della turbina al di sotto della temperatura massima di funzionamento specifica per il materiale che costituisce le palette fisse o quelle rotanti.

Esistono attualmente molte disposizioni per raffreddare una paletta fissa o rotante di turbina tra cui il raffreddamen^ o per convenzione, laminare e per traspirazi?ne. Gli elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convenzi?ne sono pre feribili rispetto ad elementi a profilo aerodinamico a raffred. demento laminare e per traspirazione in molte applicazioni di turbina poich? si possono evitare aperture nella superficie dell'elemento a profilo aerodinamico. le aperture di superficie sugli elementi a profilo aerodinamico di turbine che funzionano con combustibili pesanti possono bloccarsi a causa di depositi, rendendo inefficace l'impianto di raffreddamento degli elementi a profilo aerodinamico. Nella maggior parte delle disposizioni di raffreddamento di elementi a profilo aerodinamico l'aria di raffreddamento viene prelevata da una parte di compressore della turbina e fatta passare attraverso canali in_ dipendenti entro la turbina per raggiungere le palette fisse o rotanti. Nel caso di palette di turbina rotanti, l'aria di raffreddamento prelevata dalla parte di compressore pu? tipica mente passare attraverso un canale previsto lungo il rotore di turbina per raggiungere ognuno dei diversi dischi del rotore di turbina. Ogni disco di rotore pu? contenere una molteplicit? di canali che trasmettono 1'aria di raffreddamento ad una molteplicit? di radici di palette rotanti fissate entro la periferia d'ogni disco di rotore. I canali di raffreddamento entro ogni paletta rotante di turbina trasmettono l'aria di raffreddamento dalla radice di paletta per tutto un elemento a profil? aerodinamico della paletta rotante. Delle disposizioni analoghe speciali trasmettono tipicamente l'aria di raffreddamento alle palette dello statore della turbina.

E' l'obiettivo di qualsiasi impianto di raffreddamento di palette rotanti o fisse di turbina realizzare un raffreddamento efficace degli elementi a profilo aerodinamico pur riducendo al minimo il flusso d'aria di raffreddamento richiesto per raggiungere tale scopo. L'aria prelevata dalla parte di compressore per scopi di raffreddamento riduce il volume d'aria che aziona alla fine le palette rotanti della turbina e riduce cos? il rendimento complessivo della turbina a combustione.

Una tecnica per ridurre al minimo il flusso d'aria di raffreddamento consiste nell'utilizzare la velocit? elevata dell'aria di raffreddamento nei condotti di refrigerante. Tuttavia l'elevata velocit? dell'aria di raffreddamento d? luogo ad un'elevata perdita di pressione per lunghezza unitaria del condotto. Poich? gli elementi a profilo aerod?namico raffreddati per convezione della tecnica nota, tipici, sono nel complesso caratterizzati da lunghi oondotti del refrigerante e poich? la pressione d'alimentazione della turbina per i condot^ ti del refrigerante ? limitata dalla progettazione aerodinamica della turbina, i condotti del refrigerante degli elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione sono tipicamente limitati alle basse velocit? dell'aria di raffreddamento. Un raffreddamento adeguato ad una pressione d'alimentazione limitata si ottiene mediante una maggi?re area della sezione trasversale dei condotti del refrigerante ed un maggior flusso dell'aria di raffreddamento.

La tendenza corrente verso un aumento delle temperatr di funzionamento d'entrata delle turbine a combustione ha reso necessario migliorare il rendimento del raffreddamento del_ le palette rotanti e fisse, raffreddate della turbina. Tuttavia ? evidente che le disposizioni di raffreddamento per convezione note per palette rotanti e fisse di turbina non fornii scono in modo adeguato dei mezzi per aumentare in modo effica ce il rendimento dell'impianto di raffreddamento degli elementi a profilo aerodinamico.

Pertanto si realizza un elemento a profilo aerodin?mico per una paletta di rotore o/paletta di statore di turbina a combustione avente una struttura perfezionata per il raffredda mento degli elementi a profilo aerodinamico. L'elemento a profilo aerodinamico comprende un montante cavo diviso in almeno tre cavit? dirette nel senso longitudinale delle palette ed un involucro metallico d'uno o pi? strati uniti al montante e che lo circondano. L'involucro e il montante delimitano tra di essi dei condotti del refrigerante sostanzialmente trasversali che conducono l'aria di raffreddano tra le cavit? vicine d?i montante. Le cavit? vicine sono indicate alternativamente come ca vit? d'alimentazione e cavit? di scarico, le cavit? d*alimenta zinne essendo disposte in modo d? ricevere un'alimentazione di aria di raffreddamento da una parte ?i compressore della turbi, ha e le cavit? di scaric? essendo disp?ste in modo da sc?ricare l'aria di raffreddamento in un perc?rso di scarico della turbina. La disposizione dei condotti di refrigerante relativamente corti tra cavit? vicine nel montante permette una velocit? elevata efficace, un raffreddamento per convezione degli elementi a profilo aerodinamico pur riducendo al minimo il pas saggio d'aria utilizzato dall'impianto di raffreddamento degli elementi a profilo aerodinamico. Di conseguenza, gli elementi a profilo aerodinamico della turbina possono essere raffreddati efficacemente per convezione S?nza influenzare negativamente il rendimento complessivo di funzionamento della turbina a combustione.

Nei disegni:

la figura 1 mostra in sezione trasversale un elemento a profilo aerodinamico p?r una paletta di rotore od una paletta fissa di turbina a combustione strutturato secondo i principi dell'invenzione;

l? figura 2 mostra in sezione trasversale la parete dello elem?nto a profilo aerodinamico mostrato nella figura 1|

la figura 3 mostra una pal?tta di rotore di turbina a combustione e di percorsi di passaggio d?ll'aria previsti in essa;

la figura 4 m?stra ?n elevazione una paletta di statore di turbina a combusti?ne realizzata sec?ndo 1 principi d?ll'invenzi?ne;

la figura 5 mostra in elevazione una variante di forma d'?secuzione della paletta di statore mostrata nella figura 4;e la figura 6 mostra una Sezione d'una seconda variante di forma di esecuzione della paletta di statore della figura 4. la presente invenzione realizza un elemento a profilo aero dinamico raffreddato per convezione realizzato in modo da superare i limiti di velocit? del refrigerante relativi ad elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione noti. In turbine a combustione note, tipiche, che fanno affidamento su disposizioni di raffreddamento per convezione per raffreddare gli elementi a profilo aerodinamico di palette di rotore e di palette di statore, l'elemento a profilo aerodinamico comprende una molteplicit? di lunghi condotti capillari del re frigerante disposti in modo da raffreddare sostanzialmente l'intera superficie esterna dell'elemento a profilo aerodinamico. Per esempio l'aria di raffreddamento pu? eseere inviata attraverso uno o pi? condotti in una radice di paletta rotante, per raggiungere una molteplicit? di condotti capillari disposti nella direzione longitudinale della paletta,che si estendono sino alla punta della paletta, dove l'aria di raffreddamento viene scaricata.

Come variante, 1 'aria di raffreddamento pu? essere inviata attraverso uno o pi? canali all'interno d'un elemento a profilo aerodinamico cavo dal quale, per esempio, l'aria di raffrecl damento pu? passare attraverso una molteplicit? di aperture che attraversano in senso longitudinale il bordo anteriore della paletta rotante o fissa per raggiungere una molteplicit? di condotti capillari trasversali che vanno longitudinalmente dal bordo anteriore sino al bordo posteriore dell'elemento a profilo aerodinamico. Entrambe le suddette disposizioni fornisca no un raffreddamento adeguato in un campo limitato di tempera ture di funzionamento dell'elemento a profilo aerodinamico. Inoltre, poich? il tipo di disposizione di raffreddamento si basa sulla convezione, anziche sulla traspirazione o sul raffreddamento laminare per ottenere l'effetto di raffreddamento, non ? necessario prevedere delle aperture nella superficie esterna dell'elemento a profilo aerodinamico, aperture che po trebbero bloccarsi a causa di depositi e quindi rendere inefficace l'impianto di raffreddamento degli elementi a profilo aerodinamico.

I condotti disposti longitudinalmente e trasversalmente, lunghi, associati con elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione noti, tipici, limitano la velocit? della aria di raffreddamento, ci? che a sua volta limita il rendimento e l'efficacia dell'impianto di raffreddamento degli elementi a profilo aerodinamico.

la figura 1 mostra in sezione trasversale un elemento a profilo aerodinamico di una turbina a combustione fissata a terra, realizzato sec?ndo i principi dell'invenzi?ne. L'elemento a profilo aerodinamico 10 comprende uri montante a profilo aerodinamico o longherone 12, situile ad un telaio, al quale sono uniti uno o pi? strati metallici sottoforma di lamiera, per formare un involucro 14 che circonda il longherone 12. Dei condotti del refrigerante 16, disposti come ulteriormente descritto in appresso, sono formati dalla congiunzione del longherone 12 e dell?involucro 14. I condotti 16 possono essere formati da canali nell'involucro 14, come mostrato nella figli ra 2 o da canali nel longherone 12 (non mostrato) o da una combinazione di entrambi (non mostrata).

Il longherone 12 delimita una molteplicit? di cavit? 18. la figura 1 mostra la forma d'esecuzione preferita dell'invenzione avente tre cavit? 18a, b, c. La cavit? anteriore 18a e la cavit? posteriore 18C vengono utilizzate come cavit? d'ali mentazione. Le cavit? d'alimentazione sono pressurizzate da un flusso di aria di raffreddamento proveniente da una parte di compressore della turbina, l'aria di raffreddamento entro le cavit? d'alimentazione viene inviata ad una molteplicit? di condotti del refrigerante nel complesso trasversali, attraverso una molteplicit? d? aperture previste nel longherone 12. Le aperture sono disposte in una p pi? colonne doppi? 30,36,38 che attraversano longitudinalmente la lunghezza dell'elemento a profilo aerodinamico 10.

Ogni apertura nel longher?ne 12 d?lie cavit? d'aiim?ntazion? 18a, c, invia un flusso d'aria di raffreddamento ad uno o piu condotti 16 che terminano in corrispondenza d'una apertura nel longherone 12 entro una cavit? di sc?rico 18b o in corrispondenza del bordo posteri?re 24 dell'elem?nto a profilo aero dinamico. Quindi la cavit? di scarico 18b riceve un flusso di aria di raffreddamento diretto attraverso i condotti 16 dalle cavit? d'alimentazione e scarica tale aria di raffreddamento attraverso un'apertura in corrispondenza d?lla punta della paletta.

Nella forma d'esecuzione dell'invenzione mostrata nella figura 1, esistono sei percorsi distinti che l'aria di raffred damento pu? seguire attraverso i condotti 16. Per esemplo, l'aria di raffreddamento che entra in un'apertura della colon, na delle aperture, indicata con il numero di riferimento 30a, passa attraverso un condotto che attraversa trasversalmente il bordo anteriore dell'elemento a profilo aerodinamico 10 ed esce attraverso un'apertura corrispondente della colonna d'aper? ture, indicata con il numero di riferimento 32a. Analogamente l'aria di raffreddamento che entra in un'apertura della colonna 30b della cavit? d'alimentazione 18a attraversa trasversalmente un condotto 16 lungo il lato convesso dell'elemento a profilo aerodinamico 10, per uscire attraverso un'apertura corrispondente della colonna 34a in una cavit? di scarico 18b. Gli altri quattro percorsi di passaggio dell'aria di raffredda mento potenziali hanno origine nella cavit? d'alimentazione posteriore 18C in corrispondenza di una dalle quattro colonne di aperture indicate con i numeri di riferimento 36a, 36b, 38a e 38b. Tali quattro percorsi potenziali terminano nella cavit? di scarico 18b in corrispondenza della colonna 34b, in corrispondenza del bordo posteriore 24 dell'elemento a profilo aerodinamico 10, nella cavit? di scarico in 32b, e rispettiva mente in corrispondenza del bordo posteriore dell?elemento a profilo aerodinamico 10. la figura 3 mostra una vista della disposizione di cavit? e di flusso d'aria in una paletta di rotore di turbina a combustione strutturata secondo i principi dell'invenzione.

la disposizione a pi? cavit? dell'elemento a profilo aero dinamico 10 realizza un elemento a profilo aerodinamico raffreddato per convezione non soggetto ai severi limiti di velo cit? di raffreddamento associati ai lunghi condotti del refrigarante degli elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione noti, tipici. La presente invenzione utilizza una molteplicit? di cavit? per dirigere il flusso di aria di raffreddamento, attraverso una molteplicit? di canali corti, a velocit? maggiore, per raffreddare per convezione sostanzialmente l'intera superficie esterna dell'elemento a profilo aero dinamico 10. Il flusso di aria utilizzato ? quindi ridotto ed il rendimento di tutto il funzionamento della turbina viene migliorato.

Bench? la forma d'esecuzione qui descritta utilizzi condotti di refrigerante nel complesso trasversali tra aperture presenti nel longherone 12, ? previsto che i condotti possano essere disposti in qualsiasi combinazion? a disegno longitudinale e trasversale in modo da rendere massimo il raffreddamento per convezione efficace dell'elemento a profilo aerodinamico 10. E' inoltre anche evidente dalla presente descrizione che l'elemento a profilo aerodinamico 10 pu? essere strutturato con qualsiasi numero dispari di cavit?, che sia maggiore delle tre cavit? indicate nella figura 1. L'aumento del numero di cavit? utilizzato accorcia corrispondentemente la lunghezza dei condotti di refrigerante che trasmettono l'aria di raf freddamento da una cavit? ad una cavit? vicina. Pertanto, per applicazioni a temperature pi? elevate pu? essere opportuno utilizzare pi? di tre cavit?. Per forme d'esecuzione che utilizzano cinque, sette o pi? cavit?, le cavit? anteriori e posteriori dovrebbero preferibilmente essere mantenute come cavit? d'alimentazione con cavit? che si susseguono vicine tra di loro che funzionano come cavit? di scarico e d'alimentazione.

La figura 4 mostra in sezione una paletta 50 di statore di turbina a combustione strutturata secondo i principi della invenzione. Tipicamente la paletta di statore 50 ? sopportata entro l'Involucro di turbina (non mostrato) tra un anello interno 52 ed un anello esterno 54. Nella forma d'esecuzione preferita l'aria di raffreddamento 51 viene inviata alle cavit? d'alimentazione anteriore e posteriore 18a, 18b da canali di alimentazione del refrigerante (non mostrati) in corrispondenza dell'anello esterno 54, canali che sono in comunicazione con la parte di compressore (non mostrata) della turbina a combustione. L'aria di raffreddamento viene scaricata dalla cavit? di scarico 186 attraverso una luce di scarico 58 collegata un punto a bassa pressione a valle. Bench? non mostrato nella figura 4, l'aria di raffreddamento pu? anche essere scaricata attraverso il bordo posteriore della paletta 50, conformemente alla struttura descritta secondo la figura 1.

La figura 5 mostra in elevazione una variante di forma di esecuzione d'una paletta 70 di statore di turbina a combustio ne strutturata secondo i principi dell'invenzione. In tale forma d'esecuzione l'aria di raffreddamento 71 viene alimenta ta alle cavit? anteriore 18a e posteriore 18c della paletta 70 nello stesso modo che per la paletta 50 della figura 4. L'aria di raffreddamento, tuttavia, viene scaricata attraverso un'apertura di scarico 72 nell'anello interno 52* L'aperta ra di scarico 72 ? disposta a valle d'una guarnizione statica 74 che chiude a tenuta lo spazio a monte della paletta 70 dal lo spazio a valle, cosicch? l'aria di raffreddamento passa nel percorso di scarico di gas motori caldi che azionano la turbina.

La figura 6 mostra una sezione trasversale d'una seconda variante di forma d'esecuzione d'una paletta 80 di statore di turbina a combustione strutturata secondo 1 prinoipi dell'invenzione. La paletta 80 differisce dalle forme d' esecuzione precedenti nel modo di scaricare l 'aria di raffreddamento di scarico dalla cavit? di scarico 18b. La paletta 80 comprende delle aperture 82 di scarico dell ' aria di raffreddamento attraverso l'involucro 14 ed il longherone 12 disposte in modo da scaricare l'aria di raffreddamento sul lato convesso della paletta 80. Degli esperimenti hanno rivelato che esiste poca probabilit? che le aperture di superficie sul lato convesso della paletta rotante si blocchino anche durante il funzionamento con combustibile a base di olio pesante. La disposizione preferita delle aperture 32 ? in colonne doppie, disposte longitudinalmente come mostrato nella figura 6, tuttavia si pu? utilizzare qualsiasi disposizione che fornisce un flusso di scarico adeguato.

Claims

RIVENDICAZIONI

1. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, per una turbina a combustione, tale elemento a profilo aerodinamico avendo un bordo anteriore, un bordo poste riore ed una parte di punta e comprendendo:

un longherone cavo a profilo aerodinamico che forma dei lati concavi e convessi, distanziati, ed avente almeno due ca vit? disposte longitudinalmente;

dei mezzi per mettere in comunicazione almeno una delle cavit? con una sorgente di aria diraffreddamento ;

dei mezzi per scaricare da almeno una delle cavit? l'aria di raffreddamento di scarico che ? stata utilizzata per raffreddare l'elemento a profilo aerodinamico;

* un involucro metallico che racchiude il longherone sd e unito ad esso; e

dei condotti che si estendono sostanzialmente trasversalmente tra l'involucro ed il longherone, tali condotti essendo disposti in modo da trasmettere l'aria di raffreddamento dalle cavit? d'alimentazione alle cavit? di scarico ed attraverso il bordo posteriore dell'elemento a profilo aerodinamico.

2. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere il fluido, raffreddato, in cui il longherone delimita almeno tre cavit? disposte longitudinalmente.

3. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. .2, in cui le cavit? disposte longitudinalmente, sono delimitate da almeno due divisori dispost longi tudinalmente fissati ai lati dal longherone e che si estendono nel complesso normalmente ad essi.

4. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 3, in cui il montante ha un numer? dispari di cavit?.

5. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 4, in cui le cavit? del longherone pi? vicine al bordo anteriore e al bordo posteriore dello elemento sono cavit? d'alimentazione s le cavit? vicine che si susseguono tra di esse sono alternativamente cavit? di scarico 4 Cavit? d'alimentazione.

6. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 5, in cui almeno alcuni dei condotti delimitati dall'involucro e dal longherone collegano ognuna delle cavit? d'alimentazione con una cavit? di scarico vicina.

7. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 6, in cui almeno alcuni dei condotti delimitati dall'involucro e dal longherone si estendono longitudinalmente e trasversalmente tra le cavit? d'alimentazione e le cavit? di scarico.

8. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido,, raffreddato, secondo la riv. 6, in cui i condotti delimitati dall'involucro e dal longherone sono formati da canali previsti nell'involucro.

9. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 6, in cui i condotti delimitati dall'involucro e dal longherone sono formati da canali previsti nel longherone.

10. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 6, in cui i condotti delimitati dall'involucro e dal longherone sono formati da una combinazione di canali previsti nell'involucro e di canali previsti nel longherone.

11. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato , secondo la riv. 6, in cui l'involucro comprende almeno uno strato metallico sotto forma di lamiera.

12. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 6, in cui il mezzo di scarico com prende un'apertura nella parte di punta dell'elemento a profilo aerodinamico,che trasmette l'aria di raffreddamento dalle cavit? di scarico all'esterno dell'elemento a profilo aerodinamico.

13. Elemento a profilo aerodinamico per dirigere fluido, raffreddato, secondo la riv. 6, in cui il mezzo di scarico com prende una molteplicit? di aperture attraverso il longherone e l'involucro sul lato convesso del longherone.