NL194342C

NL194342C - Gekoelde bladen voor een gasturbinemotor.

Info

Publication number: NL194342C
Application number: NL9000542A
Authority: NL
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 2002-01-04
Also published as: NL9000542A; DE4003803A1; US5720431A; GB2314126A9; GB2314126A; JPH11287103A; TR23587A; NL194342B; SE470601B; DE4003803C2; SE9000236L; GB2314126B; SE9000236D0; NO306739B1; GB9000466D0; JP3112934B2; NO900803L; CA2007632A1; AU684039B1; CA2007632C

Description

1 194342

Gekoelde bladen voer sen gssturbinsmstGr.

De uitvinding betreft een axiale stromingsturbine voor een gasturbinemotor, welke turbine wordt aangedreven door een motoraandrijfmedium, omvattende een aantal luchtgekoelde bladen die ieder een aërodyna-5 misch draagvlak hebben dat is blootgesteld aan het genoemde motoraandrijfmedium en dat een drukzijde, een zuigzijde, een worteldeel, een tipdeel en een middenkoordedeel bepaalt met ten minste één rechtdoor-gaande radiale doorlaat die een aanvoerruimte begrenst in het genoemde middenkoordedeel, welke aanvoerruimte koellucht leidt uit het worteldeel naar het tipdeel, ten minste een aanvoerkanaal dat grenst aan de drukzijde, welk aanvoerkanaal is voorzien van in radiale richting op afstand van elkaar zich 10 bevindende filmkoelgaten in het aërodynamische draagvlak die worden gevoed met koellucht uit het aanvoerkanaal, welk aanvoerkanaal in verbinding staat met de aanvoerruimte door middel van In radiale richting op afstand van elkaar zich bevindende bijvulkoelgaten om lucht bij te vullen in het genoemde aanvoerkanaal.

Een dergelijke stromingsturbine is bekend uit de Japanse octrooiaanvrage JP-A 59-231-102. De bladen 15 van deze bekende stromingsturbine bezitten toevoerkanalen door middel waarvan koellucht over het bladoppervlak kan worden geleid. De koellucht wordt aan de aanvoerkanalen toegevoerd via de bijvulkoelgaten die uitmonden in de aanvoerruimte.

Het nadeel van de bekende stromingsturbine is dat de verdeling van de koellucht over de lengte van het blad niet goed te regelen is, onder andere als gevolg van de bij rotatie optredende centrifugale krachten.

20 Daardoor is de druk in het toevoerkanaal lager nabij het worteldeel.

Doel van de uitvinding is een axiale stromingsturbine te verschaffen die dit nadeel mist. Dat doel wordt bereikt doordat het aanvoerkanaal een doorgaande verbinding heeft met het worteldeel.

Als gevolg van het feit dat het aanvoerkanaal niet alleen via de aanvoerruimte, maar ook rechtstreeks via het worteldeel met koellucht kan worden gevoed, is een betere verdeling van de koellucht over het 25 bladoppervlak mogelijk. De relatief lage druk van de koellucht kan worden gecompenseerd door de toevoer via de doorgaande verbinding van het aanvoerkanaal door het worteldeel.

Een verdere verbetering wordt verkregen indien het aanvoerkanaal via een opening uitmondt in het tipdeel van het blad. De stroming van het worteldeel naar het tipdeel kan bepaald worden aan de hand van de drukval over de opening in het tipdeel. Daardoor is een nauwkeurige verdeling van de koellucht over de 30 filmkoelgaten mogelijk.

Gewezen wordt op het Amerikaanse octrooischrift 4.743.575, spec, figuur 7, waaruit een turbineblad bekend is voorzien van een aanvoerruimte met een U-vormige geleiding. De aanvoerkanalen worden gevoed via de aanvoerruimte, doch hebben geen doorgaande verbinding door het worteldeel.

Uit de Japanse octrooiaanvrage IP.A 55-104506 is een turbineblad bekend met een aanvoerruimte 35 alsmede daarmee in verbinding staande aanvoerkanalen. Elk aanvoerkanaal staat in verbinding met toevoergaten in het worteldeel. Deze verbinding is echter niet doorgaand door het worteldeel uitgevoerd.

De onderhavige uitvinding zal worden verduidelijkt in de volgende beschrijving en de tekeningen.

Korte beschrijving van de tekeningén.

40 Figuur 1 is een aanzicht in doorsnede van een turbineblad genomen langs een as in de richting van de koorde, waarbij de onderhavige uitvinding wordt geïllustreerd;

Figuur 2 is een aanzicht in doorsnede langs de lijn II—II van figuur 1; en

Figuur 3 is een diagram van een stromingscircuit dat het stromingspatroon toont in het inwendige van het turbineblad.

45 Figuur 4 is een gedeeltelijk aanzicht van het tipdeel van het turbineblad in doorsnede, dat een voorkeurs-uitvoering toont.

Voorkeursuitvoering van de uitvinding.

De onderhavige uitvinding Is in het bijzonder effectief voor turbinebladen van een gasturbinemotor waarin 50 inwendige koeling van de bladen gewenst is. De constructie van de inwendig gekoelde turbinebladen is duidelijk beschreven in de literatuur, en voor het gemak en de eenvoud, wordt slechts dat deel van het blad hierin beschreven dat nodig is voor het begrip van de uitvinding. Voor details van gasturbinemotoren en turbinebladen, wordt verwezen naar de F100 en JT9D motoren die wordt vervaardigd door Pratt & Whitney Aircraft, een divisie van United Technologies Corporation.

55 Zoals uit figuur 1 blijkt, dat een aanzicht in dwarsdoorsnede is, genomen langs de as in koorderichting, In figuur 2 omvat het blad, dat algemeen wordt aangeduid met 10, een buitenwand of mantel 12 die een drukzijde 14, een zuigzijde 16, een voorrand 18 en een achterrand 20 begrenst Het blad 10 is gegoten in 194342 2 een dubbele wandconfiguratie waarin de binnenwand 22 ruwweg even groot is als en evenwijdig loopt aan de buitenmantel 12 maar op afstand hiervan is geplaatst om een in radiale richting lopende doorlaat 26 te , begrenzen. Omdat deze doorlaat 26 koellucht toevoert aan de filmkoelgaten 28 en de bladtip 30, wordt de doorlaat 26 aangeduid met aanvoerkanaal. Terwijl het aanvoerkanaal 26 wordt getoond als een aantal 5 aanvoerkanalen, zal het aantal van dergelijke doorlaten worden bepaald door de individuele toepassing. Dit is eerder een dynamische dan een statische doorlaat omdat koellucht constant stroomt zolang het continu wordt gevoed met koellucht en konstant filmkoellucht wordt afgevoerd. Dit kan het beste worden gezien in figuur 2 waar schematisch wordt getoond dat koellucht binnentreedt in de onderzijde van het aanvoerkanaal 26 en in radiale richting naar de tip 30 van het blad stroomt.

10 Koellucht stroomt eveneens kontinu naar de centrale holte, die een in radiale richting lopende doorlaat 32 is. Zoals duidelijk zal worden uit de hierna volgende beschrijving, wordt hierna deze holte aangeduid met aanvoerkanaal 32, omdat deze holte koellucht toevoert aan het aanvoerkanaal 26 om de toevoer van koellucht aan te vullen wanneer het wordt afgevoerd door de filmkoelgaten 28.

Verondersteld wordt dat het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerkamer 32 compressorlucht zullen ontvan-15 gen, hetgeen normaal is bij deze ontwerpen.

Uit het voorgaande zal duidelijk zijn dat als de koellucht in het aanvoerkanaal 26 in radiale richting verder stroomt van de wortel naar de tip van het blad en de op radiale afstand van elkaar geplaatste filmgaten 28 voedt, de hoeveelheid koellucht uitgeput raakt. Echter, omdat het aanvoerkanaal 26 altijd in verbinding staat met de aanvoerruimte 32 via de op radiale afstand van elkaar aangebrachte gaten 36, wordt de aanvoer 20 van koellucht kontinu bijgevuld. Klaarblijkelijk wordt de koellucht in het aanvoerkanaal 26 en de aanvoer· ruimten 32 op druk gebracht als deze voortgaat in de richting van de tip van het blad, tengevolge van de rotatie van het blad. Tengevolge van dit intrinsieke kenmerk, kunnen de filmkoelgaten in de buurt van de tip van het blad koellucht ontvangen op een acceptabel drukniveau.

De aanvoerruimte 32 is normaliter een holle ruimte die loopt van de wortel naar de tip en wordt begrensd 25 door de inwendige wand 22. Ribben zoals ribben 40 en 42 kunnen zijn toegevoegd om structurele integriteit te verschaffen aan het blad. Het gebruik van ribben wordt natuurlijk bepaald door het specifieke ontwerp van het blad en zijn toepassing.

Omdat gaten 36 dienen voor het bijvullen van koellucht in het aanvoerkanaal 26, worden zij hierna aangeduid met bijvulkoelgaten 36. Aldus dienen de bijvulkoelgaten, naast andere funkties, ais middel voor 30 het bijvullen van het aanvoerkanaal 26 en als middel voor het verbeteren vein de effectiviteit van het koelen door gemaximaliseerde convectiekoeling en door het introduceren van turbulentie van de stroming die de filmkoelgaten binnengaat. Gebleken is dat het bijvullen van de aanvoerkanalen met de bijvulgaten 36 een aanzienlijke verbetering vertoont van de effectiviteit van het koelen ten opzichte van een getest blad zonder de bijvulkoelgaten. De afmeting van deze gaten kan worden gekozen om de gewenste drukval te verschaf-35 fen om de gewenste drukverhouding over de filmkoelgaten te verkrijgen.

Het koelen kan verder worden verbeterd door het aanbrengen van stuu rstrippen 46 in het aanvoerkanaal 26. De stuurstrippen dienen nog voor een extra funktie naast het koelaspekt omdat een drukvalkenmerk wordt gecreëerd. Dit kan gewenst zijn waar de koellucht die de tip van het blad nadert tengevolge van het centrifugeren van de lucht in het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 een te hoge druk krijgt en het 40 noodzakelijk is om deze druk te verlagen om de drukverhouding te verkrijgen die noodzakelijk is voor het optimaliseren van de vorming van de film die komt uit de filmkoelgaten 28.

Uit het voorgaande blijkt dat het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 rechtdoorgaande radiale doorlaten zijn en de gewoonlijk gebruikte serpentinevormige doorlaten uitbannen. Dit kenmerk verschaft de ontwerper van het blad de mogelijkheid om de afmeting van de tip te verminderen omdat het niet langer de 45 kerende doorlaten van het serpentinevormige doorlaatontwerp hoeft te herbergen, zodat nu de ontwerper aërodynamische tipafdichttechnieken kan aanwenden. Dit verschaft de aërodynamische ontwerper de mogelijkheid om de koordelengte van de bladtip te kiezen op de minimaal vereiste lengte op grond van overwegingen op het gebied van aërodynamische prestaties zonder buitensporige aandacht voor de afmetingseisen op het gebied van de inwendige koeling. Natuurlijk brengt dit kenmerk verschillende 50 voordelen met zich mee die gewenst zijn bij het ontwerpen van een turbine. Door gebruik te maken van dit kenmerk, kan het blad lichter worden gemaakt, heeft het een aanzienlijk verlaagde trek en de schijf, die het blad steunt, kan lichter worden gemaakt. Al deze kenmerken hebben een gunstige uitwerking op het gewicht, de prestatie en de levensduur van de turbine.

In werking en onder verwijzing naar het stromingspatroon in figuur 3, komt koellucht in het blad bij het 55 worteldeel aan het onderste uiteinde van het blad en gaat door het aërodynamische draagvfakdeel naar de tip zoals wordt geïllustreerd door de gestippelde pijlen A en getrokken pijlen B. Gaten in de tip blazen een deel van de lucht in dit gebied uit, terwijl een deel van de koellucht naar de sproeikop stroomt bij de

Claims

4 3 194342 vccrrar.d 8n $Gm dss! van ds kGGüuCht wordt gencht naar υθ scniGrrsnu zcsls nuui vuui^Gstöiu dum ue 4 horizontale pijlen C respectievelijk D. Als de lucht in radiale richting naar buiten gaat in de richting van de tip, vult de lucht in de aanvoerruimte (pijl B) continu de lucht aan in het aanvoerkanaal (pijl A). Dientengevolge wordt het aanvoerkanaal constant 5 voorzien van koellucht. Tengevolge van de pompende werking die is gekoppeld aan de rotatie van de bladen, wordt de druk bij de tip waar deze het meest nodig is automatisch opgewekt Dit verzekert dat de juiste drukverhouding over de filmgaten in stand wordt gehouden langs het totale oppervlak van de buitenmantel. Omdat de inwendige wand de ribben vervangt die de serpentinevormige doorlaten vormden, dient de 10 inwendige wand als een warmteoverdrachtsoppervlak voor het verschaffen van hetzelfde warmteconvectie-kenmerk dat behoort bij het serpentinevormige ontwerp. Zoals beschreven verschaft de onderhavige uitvinding nieuwe technieken voor de turbine-ontwerper die hiervoor niet beschikbaar waren. Bijvoorbeeld kunnen de bladen die deze uitvinding bevatten een lagere drukbron van koellucht gebruiken om de noodzakelijke effectiviteit van de koeling te bereiken. De uitvinding 15 verschaft middelen voor het verkleinen van de afmeting van de bladkoorde bij de tip met de bijbehorende voordelen. Door het bijvullende kenmerk kan de hoeveelheid op te warmen koellucht tengevolge van convectie worden geoptimaliseerd. Analytisch is ondervonden dat de effectiviteit vein de koeling ten opzichte van turbinebladen volgens de stand van de techniek is verbeterd met bij benadering 30%, hetgeen gelijk is aan een vermindering van de 20 gemiddelde metaaltemperatuur van het blad van ongeveer 200°F (ca. 90°C) voor een normale uitvoering. Ook heeft een blad dat gebruik maakt van de onderhavige uitvinding de mogelijkheid om te werken in een omgeving waar de turbineinlaattemperatuur kan worden verhoogd met aanzienlijke waarden, bijvoorbeeld 300°F (ca. 150°C) of meer, of de levensduur van het blad kan eventueel verdergaand worden verhoogd of de kosten van een blad kunnen beduidend worden verlaagd door verbeterde effectiviteit van de koeling uit 25 te wisselen tegen goedkopere materialen. Het gebruik van de onderhavige uitvinding leent zichzelf ook voor verbeterde aërodynamica van de tip omdat de door de vrijkomende draaieisen van de serpentinevormige doorlaten veroorzaakte complexiteiten worden voorkomen. Figuur 4 toont een aangepast tipdeel van het turbineblad hetgeen een voorkeursuitvoering Is. De algemeen met 50 aangeduide tip voert de lucht in de radiale doorlaat 52 die grenst aan de zuigzijde 54 naar 30 de tip van het blad die grenst aan de drukzijde 56. De doorlaat 52 buigt bij het oversteekpunt en staat onder een hoek zodat de luchtstroom die wordt afgevoerd bij de tip door de opening 58 een van te voren bepaalde hoek maakt die de aërodynamisch afdichtende efficiëntie verbetert tussen de tip en zijn begeleidende buitenste luchtafdichting of schoepversterking 60 (slechts schematisch weergegeven). De geometrie van dit blad biedt eveneens voordelen met betrekking tot de vervaardiging met de bekende 35 techniek van verloren wasgieten. Tijdens het gietproces lopen alle keramische kernelementen, die de inwendige koeldoorlaten vormen, door de wortel van het aërodynamische draagvlak waar zij stevig kunnen worden vastgepakt, om verschuiving van de kern tijdens het gieten te voorkomen. Deze geometrie leent zichzelf eveneens voor het met zuur uitlogen van het kernmateriaal na het gieten. 40

1. Axlaïe stromingsturbine voor een gasturbinemotor, weike turbine wordt aangedreven door een motor-aandrijfmedium, omvattende een aantal luchtgekoelde bladen die ieder een aërodynamisch draagvlak 45 hebben dat is blootgesteld aan het genoemde motoraandrijfmedium en dat een drukzijde, een zuigzijde, een worteldeel, een tipdeel en een middenkoordedeel bepaalt met ten minste één rechtdoorgaande radiale doorlaat die een aanvoerruimte begrenst in het genoemde middenkoordedeel, welke aanvoerruimte koellucht leidt uit het worteldeel naar het tipdeel, ten minste een aanvoerkanaal dat grenst aan de drukzijde, welk aanvoerkanaal is voorzien van in radiale richting op afstand van elkaar zich bevindende filmkoelgaten 50 in het aërodynamische draagvlak die worden gevoed met koellucht uit het aanvoerkanaal, welk aanvoerkanaal in verbinding staat met de aanvoerruimte door middel van in radiale richting op afstand van elkaar zich bevindende bijvulkoelgaten om lucht bij te vullen in het genoemde aanvoerkanaal, met het kenmerk, dat het P 194342 4 aanvoerkanaal (26) een doorgaande verbinding heeft met het worteldeel.

2. Axiale stromingsturbine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aanvoerkanaal (26) via een opening (58) uitmondt in het tipdeel (30) van het blad (10). Hierbij 1 blad tekening