IT8225000A1

IT8225000A1 - Elemento a profilo aerodinamico raffreddato tra il longherone e l'involucro, avente un'area della sezione di passaggio del refrigerante

Info

Publication number: IT8225000A1
Application number: IT1982A25000A
Authority: IT
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Priority date: 1981-12-31
Filing date: 1982-12-28
Publication date: 1984-06-28
Also published as: BE895473A; IT1153921B; JPS58119902A; CA1193551A; IT8225000A0; AR231165A1; GB2112869A

Description

DESCRIZIONE dell*invenzione industriale dal titolo:

"ELEMENTO A PROFILO AERODINAMICO RAFFREDDATO TRA IL LONGHERO-NE E L'INVOLUCRO, AVENTE UN'AREA DELLA SEZIONE DI PASSAGGIO DEL REFRIGERANTE VARIABILE"

RIASSUNTO

La presente invenzione si riferisce ad un elemento a profilo aerodinamico raffreddato per convezione, per una paletta di rotore o una paletta di statore d'una turbina a combustione. L'elemento a profilo aerodinamico comprende un longherone a forma di profilo aerodinamico ed un involucro metallico unito ad esso, il longherone e l'involucro formando tra di essi una molteplicit? di condotti del refrigerante per il raffreddamento per convezione dell'elemento a profilo aerodinamico. I condotti sono disposti in modo che l'area della loro sezione trasversale diminuisce gradualmente verso valle, cosicch? la portata di aria di raffreddamento per area unitaria aumenta mano a mano che l'aria di raffreddamento avanza nei condotti.

TESTO DELLA DESCRIZIONE

La presente invenzione si riferisce in generale a palette di rotore e palette di statore d'una turbina a combustione e pi? in particolare ad un elemento a profilo aerodinamico per una paletta di rotore o una paletta di statore d'una turbina a combustione, avente una disposizione perfezionata per il raffreddamento del 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 maggiori temperature di funzionamento d'entrata. Tuttavia le temperature di funzionamento di 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 palette rotanti e fisse della turbina all'aumentare della temperatura dei gas d'entrata, aumenta anche la vulnerabilit? delle palette rotanti e fisse a causa di danni derivanti dalle tensioni e dalle sollecitazioni che accompagnano normalmente il funzionamento della turbina. Il raffreddamento delle palette rotanti e di quelle fisse permette un aumento delle temperatu re 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.

Attualmente esistono molte disposizioni per raffreddare una paletta fissa o rotante di turbina. In una disposizione tipica, l'aria di raffreddamento viene prelevata da una parte di compressore della turbina ? fatta passare attraverso i caiia li entro la turbina, per raggiungere le palette fisse o rotaci ti. Nel caso di palette di turbina rotanti, l'aria di raffred. damento prelevata dalla parte di compressore pu? passare tipji camente attraverso dei canali lungo il rotore di turbina, per raggiungere ognuno dei numerosi dischi di rotore di turbina. Ogni disco di rotore pu? definire una molteplicit? d? canali che trasmettono l'aria di raffreddamento ad una molteplicit? di radici di paletta rotante fissate nella periferia d'ognl disco di rotore. I.canali di raffreddamento previsti entro ognuna delle palette rotanti di turbina trasmettono l'aria di raffreddamento dalla radice di paletta rotante completamente attraverso una parte a profilo aerodinamico della paletta rotante. Delle disposizioni analoghe trasmettono tipicamente l'aria di raffreddamento agli elementi a profilo aerodinamico delle -palette fisse della turbina.

Delle disposizioni di raffreddamento degli elementi a pro^ filo aerodinamico note, tipiche, comprendono elementi a profi lo aerodinamico raffreddati per traspirazione, raffreddamento laminare e convezione. Per quanto gli elementi a profilo aero dinamico raffreddati per traspirazione e laminarmente presentino alcuni vantaggi, gli elementi a profilo aerodinamico raf freddati per convezione sono preferibili in molte applicazioni di turbina. Per esempio si preferiscono elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione in turbine che util.iz zano olio combustibile pesante, in cui,le aperture previste nella superfice di lavoro degli elementi a profilo aerodinamico raffreddati per traspirazione e laminarmente possono tende^ re ad ostruirsi, a causa di depositi, rendendo inefficace l'im pianto di raffreddamento degli elementi a profilo aerodinamico. Gli elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione non presentano tipicamente fori nella superficie di lavoro che possono ostruirsi, ma gli elementi a profilo aerodinamico contengono condotti del refrigerante che possono dare origine ad altri tipi di problemi.

Gli elementi a profilo aerodinamico raffreddati per conve_ zione comprendono tipicamente una molteplicit? di condotti del refrigerante disposti in modo da favorire il raffreddamento per convezione della superficie esterna dell'elemento a pro filo aerodinamico mediante un fluido refrigerante che passa attraverso i condotti. Poich? il.fluido refrigerante si rlscal_ da gradualmente mano a mano che passa lungo un condotto del refrigerante, il fluido di raffreddamento ? caldissimo e qu?n di meno efficace nel punto d'uscita del condotto del refrigerante. Di conseguenza, i requisiti minimi per il volume del fluido di raffreddamento e per l'area della sezione trasversa le del condotto per il refrigerante sono regolate tipicamente dalle condizioni pi? negative in corrispondenza del punto di uscita del condotto del refrigerante.

Per quanto tale procedimento assicuri un raffreddamento adeguato in corrispondenza del punto d'uscita di un condotto per il refrigerante, ai ha generalmente un eccessivo raffreddamento delle parti a monte del condotto per il refrigerante. Tale effetto di raffreddamento ?>roporzionato risultante produ ce un gradiente di temperatura lungo il condotto del refrigerante. Tale gradiente pu? dare origine a sollecitazioni termi che entro l'elemento a .profilo aerodinamico, che potrebbe ridurre la durata potenziale dell'elemento a profilo aerodinarui co. Ci?, a sua volta, richiederebbe una maggiore portata di fluido di raffreddamento per compensare tale fenomeno.

Quindi i noti elementi a profilo aerodinamico raffreddati per convezione non sembrano essere adatti a contrastare efficacemente l'effetto sproporzionato di raffreddamento sopra dje scritto. L'inadeguatezza della tecnica nota si somma alla presente tendenza verso un aumento delle temperature di funziona mento d'entrata d'una turbina a combustione in modo da miglici rare la potenza ed il rendimento della turbina.

Pertanto un elemento a profilo aerodinamico per una palej; ta di rotore o paletta di statore d'una turbina a combustione ? munito d'una struttura avente un raffreddamento perfezionato che permette un miglior funzionamento dell'elemento a profilo aerodinamico. L'elemento a profilo aerodinamico comprende un longherone a forma di profilo aerodinamico ed un inyolu ero metallico d'uno o pi? strati di lamiera uniti al longherj) ne e che lo racchiudono. L'involucro ed il longherone formano tra di essi una molteplicit? di condotti per il refrigerante che conducono l'aria di raffreddamento per il raffreddamento per convezione dell'elemento a profilo aerodinamico. I condoj; ti sono disposti con le aree delle sezioni trasversali che di. minuiscono verso valle, cosicch? la portata per area unitaria dell'aria di raffreddamento aumenta gradualmente mano a mano che l'aria di raffreddamento avanza nei condotti. Di cons?gueri za, il riscaldamento graduale dell'aria di raffreddamento quari do passa lungo un canale per il refrigerante viene compensato dall'aumento della portata per area unitaria dell'aria, produ cendo un effetto di raffreddamento bilanciato lungo la superficie esterna vicino al condotto.

Nei disegni:

la figura 1 mostra in sezione trasversale un elemento a profilo aerodinamico per una paletta di rotore o una paletta di statore d'una turbina a combustione;

la figura 2 mostra in sezione trasversale una rappresenta zione semplificata d'un condotto per il refrigerante entro una parete dell'elemento a profilo aerodinamico mostrato nella figura 1;

la figura 3 mostra una sezione della parete dell'elemento a profilo aerodinamico mostrata nella figura 2;

la figura 4 mostra una seconda sezione della parete dello elemento a profilo aerodinamico mostrata nella figura 2;

la figura 5 mostra in sezione trasversale una variante di forma d'esecuzione d'un elemento a profilo aerodinamico per una paletta di/otore o paletta di statore d'unta turbina a com buatione; e

la figura 6 mostra una sezione longitudinale dell'elemento a profilo aerodinamico mostrato nella figura 5, come potrebbe apparire au^una paletta rotante di turbina.

Pi? in particolare nella figura 1 ? mostrata una sezione d'un elemento a profilo aerodinamico 10 per paletta di rotore o paletta di statore d'una turbina a combustione, l'elemento a profilo aerodinamico 10 comprende un montante o longherone 12 a profilo aerodinamico, simile ad un telaio, al quale sono uniti uno p*pi? strati di lamiera in modo da formare un involucro 14 che racchiude il longherone 12.Dei canali per il refrige rante 16, disposti come ulteriormente descritto in appresso, sono formati dalla congiunzione del longherone 12 e dell'invo lucro 14, in modo da favorire il raffreddamento per convezione dell 1elemento a profilo aerodinamico 10. I condotti 16 possono essere formati da canali previsti nel longherone 12, come mostrato nelle figure 2, 3 e 4, o da canali previsti nello involucro 14 ( non mostrato) , o da una combinazione di canali sia nell ' involucro 14 che nel longherone 12 ( non mostrati )'.

Il longherone 12 forma una molteplicit? di cavit? 18. la figura 1 mostra la forma d' esecuzione preferita dell ' elemento a profilo aerodinamico 10 avente tre cavit? 18a, b, c. La cavit? anteriore 18a e la cavit? posteriore 18c vengono utilizza te come cavi t? d' alimentazione. Le cavit? d' alimentazione vengono pressurizzate da un flusso d'aria di raffreddamento proveniente da una parte di compressore della turbina, l'aria di raffreddamento entro le cavit? d'alimenfazione 18a, c, viene inviata ad una molteplicit? di canali 16 per il refrigerante, disposti nel complesso trasversalmente, attraverso una molteplicit? di aperture 20 previste nel longherone 12. le aperture 20 sono disposte in una o pi? colonne dirette nel senso longitudinale della paletta, che si estendono per la lunghezza dell'elemento a profilo aerodinamico 10.

Ogni apertura 20 nel longherone 12 delle cavit? d'alimentazione l8a,c, invia un flusso d'aria di raffreddamento ad uno o pi? condotti 16 che terminano in corrispondenza d'una apertura 22 prevista nel longherone 12, entro una cavit? di scarico 18b, o in corrispondenza del bordo posteriore 24 dell'elemento a profilo aerodinamico 10. Cos? la cavit? di scari. co 18b riceve un flusso d'aria di raffreddamento che passa nei condotti 16, partendo dalle cavit? d'alimentazione 18a, c, e scarica tale aria di raffreddamento, per esempio, nel caso d?una paletta di rotore, attraverso un'apertura in corrispondenza d?una punta radialmente esterna (non mostrata) dell'eie mento a profilo aerodinamico 10. le caratteristiche struttura li e di passaggio d'aria, tra cui schemi alternati per scaricare la cavit? di scarico 18b, dell'elemento a profilo aerodi_ namico mostrato nella figura 1, sono descritte pi? dettagliatamente nella domanda in corso N. 24620?A/82 della richiedente, e qui citata come riferimento.

La figura 2 mostra una rappresentazione semplificata d'un condotto per il refrigerante 16 per l'elemento a profilo aero dinamico 10 mostrato nella figura 1. Le caratteristiche del condotto 16 mostrato nella figura 2 non vanno intese come un disegno in scala, ma sono deformate per dimostrare pi? facilmente la struttura preferita. Secondo i principi dell'invenzione, si ottiene un effetto di raffreddamento pi? equilibrato dell'elemento a profilo aerodinamico mediante variazione dell'area della sezione trasversale dei condotti per il refrigerante 16. Si impiegano aree di sezione trasversale maggiore dei condotti per il refrigerante vicino alle aperture d'entra ta 20 delle cavit? d'alimentazione. Le aree di sezione trasver sale maggiore danno luogo ad un minor passaggio di refrigera^ te per area unitaria, in un punto in cui la temperatura del refrigerante ? minore. Mano a mano che aumenta la temperatura del refrigerante, si ottiene un effetto di raffreddamento equi librato facendo aumentare il passaggio di refrigerante per area unitaria. Ci? si ottiene mediante una riduzione graduale dell'area della sezione trasversale del condotto per il refri^ gerente. Cos? s? pu? mantenere relativamente costante la temperatura della superficie dell'elemento a profilo aerodinamico e si possono evitare gradienti di temperatura assiale ed i problemi connessi ad essi.

La maggior area della sezione tras,versaie dei condotti per il refrigerante nelle parti a monte d'un condotto da luogo ad una diminuzione della caduta di pressione in tali aree, che a sua volta riduce la portata del refrigerante e migliora il rendimento operativo della turbina a combustione, la pressione d'alimentazione del refrigerante ? determinata dal progetto aerodinamico della turbina. Utilizzando una caduta di presalo ne minore nelle parti a monte del condotto per il refrigerante, si pu? utilizzare una maggiore portata di refrigerante per area unitaria e dei conseguenti maggiori coefficienti di trasferimento del calore del refrigerante nelle parti a monte del condotto del refrigerante, senza superare la pressione di alimentazione disponibile. I maggiori coefficienti di trasferimento del calore del refrigerante permettono l'impiego di maggiori aumenti della temperatura del refrigerante e quindi danno luogo ancora ad un'ulteriore riduzione della portata del refrigerante.

La figura 7 mostra il rapporto di temperatura tra il gas caldo la parete della paletta rotante ed il refrigerante lungo un singolo condotto per il refrigerante. Il grafico nella figura 7 mostra il rapporto qualitativo tra le tre temperature,sia per un condotto per il refrigerante noto tipico di sezione trasversale costante,sia per un condotto per il refrige rante strutturato secondo i principi dell'invenzione con sezione trasversale variabile. La temperatura del gas caldo 30 ? mostrata come una costante sia per un condotto per il refrigerante di sezione costante che di sezione variabile. La temperatura della parete della paletta rotante indicata con 32 mette in evidenza l'effetto di raffreddamento non equilibrato d'un condotto per il refrigerante tipico di sezione trasversi le costante. la temperatura del refrigerante indicata con 34 aumenta gradualmente mano a mano che esso avanza attraverso il condotto per il refrigerante di sezione trasversale costajn te.

La temperatura della parete della paletta rotante, indica ta con 36, dimostra l'effetto di diminuzione dell'area della sezione trasversale del condotto per il refrigerante mano a mano che aumenta la temperatura del ref-rigerente, indicata con 38. La conseguenza ? un effetto di raffreddamento equilibrato sulla parete dellapaleita rotante, facendo diminuire o eliminando i gradienti di temperatura assiale e facendo diminuire cos? la sollecitazione termica sull'elemento a profilo aerodinamico.

La figura 3 mostra una sezione del condotto per il refrigarante della figura 2, in un punto a valle del condotto per il refrigerante 16; la figura 4 mostra una sezione nello stes so condotto per il refrigerante in un punto a monte del condotto 16. Le figure 3 e 4 mostrano la disposizione preferita delle scanalature a profondit? variabile previste nel longherone 12 per ottenere la sezione trasversale variabile del con dotto 16. Bench? non sia mostrato nei disegni, ? previsto che ai possa ottenere lo atesso effetto mediante 1'impiego di aca naiature a profondit? variabile previste nell?involucro 14 o mediante l'impiego di scanalature a profondit? variabile aia nell'involucro 14 che nel longherone 12.

Le figure 5 e 6 mostrano una variante di forma d'esecuzione d'un elemento a profilo aerodinamico 50 strutturato secondo i principi dell'invenzione. Tale forma d'esecuzione del l'elemento a profilo aerodinamico ? utilizzata preferibilmente in parti a valle della turbina. L'involucro 14 ed il longherone 12 dell'elemento a profilo aerodinamico 50 formano dei condotti 52 per il refrigerante diretti nel 3enao longitudinale della paletta in contrasto ai condotti 1.6 per il refrigerante previsti nell'elemento a profilo aerodinamico 10 e diretti nel senso trasversale della paletta. In un'applicazione tipica dell'elemento a profilo aerodinamico 50, l'aria di raffreddamento pu? essere forzata, attraverso uno o pi? ca^ nali per il refrigerante 54, in una radice 56 di paletta rotante per raggiungere l'interno cavo pressurizzato 58 dell'eia mento a profilo aerodinamico 50. Delle aperture 60 attraverso il longherone 12, lungo la base dell'elemento a profilo aerodinamico 50, vicino alla radice 56 di paletta rotante, trasmettono l'aria di raffreddam?nto alla molteplicit? di condotti 52 per il refrigerante, diretti nel senso longitudinale della paletta. I condotti 52 per il refrigerante diretti in senso longitudinale portano l'aria di raffreddamento radialmente ver

Claims

RI VENDICAZIONI

1. Elemento a profilo aerodinamico, raffreddato, che diri ge il fluido, per una turbina a combustione, comprendente:

un longherone a profilo aerodinamico che forma dei lati concavi e convessi distanziati;

dei mezzi per trasmettere al longherone un'alimentazione di aria di raffreddamento;

dei mezzi per scaricare dal longherone l'aria di raffreni damento di scarico che ? stata utilizzata per raffreddare per convezione l'elemento a profilo aerodinamico;

un involucro metallico che racchiude il longherone ed ? unito ad esso;e

una molteplicit? di condotti formati tra l'involucro ed il longherone, tale molteplicit? di condotti trasmettendo l'aria di raffreddamento dal mezzo d'alimentazione al mezzo di scarico per raffreddare per convezione l'elemento a profilo aerodinamico ed avendo delle aree della sezione trasversale che diminuiscono verso valle;

per cui l'aria di raffreddamento passa attraverso la molteplicit? di condotti aumentando gradualmente di portata per area unitaria mano a mano che diminuisce l'aria della sezione trasversale della molteplioit? di condotti.

2. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 1, in cui il longherone ha un interno sostanzialmente cavo nel quale viene immessa l'aria di raffreddamento proveniente dal mezzo d'alimentazione, tale longherone formando una molteplicit? di aperture attraverso le quale l'aria di raffreddamento viene trasmessa dall'interno cavo del longherone alla molteplicit? di condotti.

3. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 2, in cui l'interno cavo del longherone ? diviso in almeno due cavit?, almeno una delle cavit? ricevendo un flusso d'aria di raffreddarnento attraverso delle aperture previste nel longherone dall?estremit? a valle della molteplicit? di condotti, aria di raffreddamento che viene successivamente trasmessa ai mezzi di scarico.

3. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 2, in cui il mezzo di scarico comprende almeno alcuni della moltepli. cit? di condotti disposti in modo da scaricare l?aria di raffreddamento dell'estremit? a valle del condotto sinovall*este? no dell'elemento a profilo aerodinamico.

5. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 2, in cui la molteplicit? di condotti si estende sostanzialmente lon gitudinalmente dalle aperture d'entratc? del fluido alla base del longherone sino ad un punto d'uscita vicino ad una parte radiale pi? esterna dell'elemento a profilo aerodinamico.

6. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 5, in cui la molteplicit? di condotti che si estende longitudinalmen_ te scarica l'aria di raffreddamento attraverso una parte a punta dell'elemento a profilo aerodinamico.

7. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 5, com prendente inoltre una molteplicit? di condotti che scaricano l'aria di raffreddamento dall'interno cavo del longherone attraverso il bordo posteriore dell'elemento a profilo aerodinamico.

8. Elemento a profilo aerodinamico raffreddato, che dirige il fluido, per una turbina a combustione, tale elemento a profilo aerodinamico avendo un bordo anteriore ed un bordo posteriore e comprendente:

un longherone a profilo aerodinamico, cavo, che forma un lato concavo ed un lato convesso distanziati ed avente almeno due cavit? disposte longitudinalmente;

dei mezzi per trasmettere ad almeno una delle cavit? una alimentazione d'aria di raffreddamento;

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 ed ? unito ad -esso; e

una molteplicit? di condotti aventi le aree della sezione trasversale che diminuiscono verso valle, tale molteplicit? di condotti estendendosi sostanzialmente trasversalmente tra l'involucro ed il longherone ed essendo disposta in modo da trasmettere l'aria di raffreddamento dalle cavit? d?alimeji fazione alle cavit? di scarico e dalle cavit? d'alimentazione attraverso il bordo posteriore dell?elemento a profilo aerodinamico.

9. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 8, in cui il longherone forma almeno tre cavit? disposte longitudinalmente.

10. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 9t in cui le cavit? disposte longitudinalmente del longherone sono delimitate da almeno due divisori longitudinali che si fis co sano ai lati del longherone e si estendono nel complesso nor? mali ad essi.

11. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 10, in cui il montante ha un numero dispari di cavit?.

12. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 11, in cui le cavit? del longherone pi? vicine al bordo anteriore e al bordo posteriore dell'elemento a profilo aerodinamico sono cavit? d'alimentazione e le cavit? vicine successive tra di esse sono alternativamente cavit? di scarico e cavit? d'albi mentazione.

13. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 12, in cui almeno alcuni dei canali formati dall'involucro e dal longherone collegano ognuna delle cavit? d'alimentazione ad una cavit? di scarico vicina.

14. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui almeno alcuni della molteplicit? di condotti definiti dall'involucro e dal longherone si estendono longitudinalmente e trasversalmente tra le cavit? d'alimentazione e le cavit? di scarico.

. 15. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui la molteplicit? di condotti formati dall'involucro e dal longherone ? formata da canali ricavati nell'involucro.

16. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui la molteplicit? di condotti forcati dall'involucro e dal longherone ? formata da canali ricavati nel longherone.

17. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui la molteplicit? di condotti formati dall'involucro e dal longherone ? formata da una combinazione di canali ricava ti nell'involucro e da canali ricavati nel longherone.

18. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui l'involucro comprende almeno uno strato di lamiera.

19. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui il mezzo di scarico comprende un'apertura in corrispondenza d'una parte di punta dell'elemento a profilo aerodinaml co che trasmette l'aria di raffreddamento dalla cavit? di sca rico all'esterno dell'elemento a profilo aerodinamico.

20. Elemento a profilo aerodinamico secondo la riv. 13, in cui il mezzo di scarico comprende una molteplicit? di aper ture che attraversano il longherone e l'involucro sul lato convesso del longherone.