NL9000540A - Gekoelde bladen voor een gasturbinemotor. - Google Patents

Description

Gekoelde bladen voor een gasturbinemotor.

Kruisverwi j zing.

Het onderwerp van deze aanvrage is verwant aan het onderwerp van de gemeenschappelijk in eigendom hebbende Amerikaanse octrooiaanvragen (referentienummers van de agent F-6043 en F-6057) die op dezelfde datum zijn ingediend met de respectievelijke titels "Gekoelde bladen voor een gasturbinemotor" en "Spelingscontröle voor de turbine van een gasturbinemotor" .

Strekking van de techniek.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op gasturbinemotoren en in het bijzonder op inwendig gekoelde rotorbladen.

Stand der techniek.

Zoals bekend, getroost de vliegtuigmotorindustrie zich een opmerkelijke inspanning om de prestatie van de gasturbinemotor te verbeteren onder gelijktijdige vermindering van zijn gewicht. Klaarblijkelijk is het uiteindelijke doel de optimaal beschikbare verhouding tussen de stuwkracht en het gewicht te bereiken. Natuurlijk is een van de belangrijkste gebieden waar men zich op concentreert het "hete deel" van de motor omdat bekend is dat de verhouding tussen de stuwkracht en het gewicht van de motor belangrijk wordt verbeterd door de temperatuur van de turbinegassen te verhogen. Echter, de temperatuur van de turbi-negassen wordt beperkt door de temperatuurgrenzen van de metalen componenten van de motor. Tot nu toe zijn belangrijke inspanningen gericht op het verkrijgen van hogere bedrijfstemperaturen van de turbine door belangrijke technologische vorderingen met betrekking tot het inwendige koelen van de turbinebladen toe te passen. Voorbeelden van enige van de vele prestaties op dit gebied worden geïllustreerd door de Amerikaanse octrooischriften 3*533*711« verleend aan D.M. Kirchon op 13 oktober 1966, 4.073*599. verleend aan Allen e.a. op 14 februari 1978, en 4.180.373, verleend aan Moore e.a. op 25 december 1979, welke laatste wordt overgedragen aan dezelfde rechtverkrijgende als van deze octrooiaanvrage.

De beschrijving in het Amerikaanse octrooischrift 812.108, dat ingediend is op 23 december 1985 door L.R. Anderson en T.A. Auxier en overgedragen is aan dezelfde rechtverkrijgende als van deze octrooiaanvrage, verdient de aandacht. In deze octrooiaanvrage is het blad gevormd met een inwendige radiale doorlaat die de filmkoelgaten voedt.

De inwendige wand die de radiale doorlaat bepaalt heeft een aantal op radiale afstand van elkaar geplaatste gaten die in verbinding staan met de koelende lucht in het inwendige van het blad. De radiale doorlaat is bij de bodem gesloten zodat de koelende lucht eerder statisch dan dynamisch is in de doorlaat. Dat betekent, dat er geen stroming in de doorlaat is die gaat van de wortel naar de tip van het blad, maar de stroom gaat eerder door het gat in de inwendige wand, door de zijdelingse ruimte die wordt verschaft door de radiale doorlaat en vervolgens naarbuiten door het aangrenzende filmkoelgat.

In het blad volgens de onderhavige uitvinding zijn de radiale doorlaten bij de wortel geopend naar de aanvoerdruk zodat er een constante stroming in deze doorlaat (doorlaten) is van de wortel naar de tip van het blad. Een deel van de koelende lucht wordt door de filmkoelgaten afgevoerd terwijl een deel door de opening(en) wordt af gevoerd die zich aan de tip bevinden. Dit is een dynamische stro-mingsdoorlaat. Als de koelende lucht in radiale richting voortgaat naar de tip wordt een deel door de filmkoelgaten afgevoerd en aangevuld door de lucht die wordt toegelaten door de koelluchtbevoorradingsgaten in de inwendige wand die de doorlaat begrenst. De gewenste terugstroommarge en de radiale stroming kan bij voorbaat worden verzekerd door het gat (de gaten) aan de tip van het blad de juiste afmeting te geven en door gebruik te maken van stromingshindemissen in de stroming zoals stoot-strippen. Bovendien wordt, om koeling te verkrijgen bij verlaagde aanvoerdrukniveaus, lucht die in de radiale doorlaat stroomt, gebruikt om het achterste oppervlak te raken van het aërodynamisch vlak van het blad voor koelingsdoeleinden, en de uitstroom bij de tip van de doorlaat wordt gebruikt om het tipdeel van het blad te koelen.

Het blad volgens de uitvinding verkrijgt intrinsiek een vuilaf-scheidingskenmerk omdat de lucht over 90" draait en de lucht in de doorlaten wordt gecentrifugeerd door de roterende beweging van het blad.

Samenvatting van de uitvinding.

Een doel van deze uitvinding is het verschaffen van een verbeterd turbineblad voor een gasturbinemotor.

Een kenmerk van deze uitvinding is het verschaffen van radiale doorlaten die grenzen aan het aërodynamisch vlak van een turbineblad dat ontlucht is om druk toe te voeren aan de wortel en koellucht laat stromen naar een opening in de tip van het blad. De koellucht in de radiale doorlaat voedt de filmkoelgaten en wordt bijgevuld met extra koellucht door koelluchtbevoorradingsgaten die radiaal op afstand van elkaar zijn aangebracht in de inwendige wand die de radiale doorlaat begrenst. Het koeleffect wordt verkregen met minder koellucht en bij lagere drukniveaus.

Een kenmerk van deze uitvinding is het van tevoren bepalen van de achterste druk in de radiale doorlaat door het gat in de tip van de radiale doorlaat de juiste afmeting te geven en door stuurstrippen aan te brengen. Verbeterde filmkoeling wordt bereikt door de juiste terug-stroommarge te handhaven over heel het radiale gebied van de radiale doorlaat om de stroming door alle filmkoelgaten die in contact staan met dit radiale gebied te minimaliseren.

Een ander kenmerk is het verschaffen van een verbeterd inwendig gekoeld turbineblad dat vuil verdraagt.

De voorgaande en andere kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijker worden uit de volgende beschrijving en begeleidende tekeningen.

Korte beschrijving van de tekeningen.

Fig. 1 is een dwarsdoorsnede van een turbineblad met axiale stroming volgens de onderhavige uitvinding.

Fig. 2 is een doorsnede langs de lijn 2-2 van fig.l.

Fig. 3 is een gedeeltelijk aanzicht in doorsnede volgens de lijn 3- 3 van fig. 1.

Fig. 4 is een gedeeltelijk aanzicht in doorsnede volgens de lijn 4- 4 van fig. 1 die de uitvinding toont waarbij gebruik gemaakt wordt van scheve stuurstrippen.

Beste meinier voor het uitvoeren van de uitvinding.

Hoewel de voorkeursuitvoering een turbineblad beschrijft die normaal wordt gebruikt voor een gasturbinemotor die wordt gebruikt bij de F100 motor die wordt vervaardigd door Pratt & Whitney Aircraft, een divisie van United Technologies Corporation, de rechtverkrijgende van deze octrooiaanvrage, dient het duidelijk te zijn dat deze uitvinding toepasbaar is voor andere soorten van luchtgekoelde turbinebladen.

De hier gebruikte term "terugstroommarge" is de drukverhouding die gemeten is over elk van de koelluchtafvoergaten op het aërodynamische draagvlak van het blad. Slechts gedeelten van het blad worden hier getoond ten behoeve van de eenvoud en het gemak, en opgemerkt wordt dat de uitontwikkelde technieken voor het vergroten van het warmtetransport^ zoals voetstukken, stuurstrippen en dergelijke hiervan zijn weggelaten.

Zoals getoond, is het blad dat algemeen wordt aangeduid met 10 vervaardigd van één van de bekende hoge temperatuur legeringen en omvat een koker die een voorrand 12, een achterrand 1**, tip 16 en wortel 18 begrenst. Het blad 18 is gevormd om het aërodynamische draagvlak te begrenzen dat een zuigzijde 20 (lagere druk) en een drukzijde 22 heeft. Een aantal gaten is in het aërodynamische draagvlak gevormd voor het bereiken van de gewenste koeling. In het ideale geval stroomt de koellucht die over een groot deel van het aërodynamische draagvlak gaat uit deze gaten om een film te vormen die zich gedraagt als een grens tussen het aërodynamische draagvlak en de hete gassen van de route van het gas van de motor.

Het aanzicht in doorsnede van fig. 2 dat de inwendige kanalen toont van het blad door een vlak dat door het centrum gaat (midden-koorde deel) is een voorbeeld van de gewoonlijk gebruikte bladkoelings-techniek door gebruik te maken van verschillende koelkanalen die worden begrensd door de ribben 26 die dienen om de lucht volgens een serpentinevormig pad te laten stromen om een optimale convectiekoeling te krijgen. De uitvinding is aangepast om te worden toegepast met dit type koeltechniek hoewel het niet hiertoe wordt beperkt.

Het inventieve concept wordt getoond in fig. 1 en 3 die de koel-luchtaanvoerkanalen 30 tonen die gevormd zijn op de gewenste plaatsen grenzend aan de aërodynamische draagvlakken aan de zuigzijde en de drukzijde. Ten behoeve van het gemak en de eenvoud zal slechts één koelluchtkanaal worden beschreven en dat is datgene dat door de doorsnede 3-3 wordt afgebeeld in fig. 3-

Overeenkomstig deze uitvinding, is het koelluchtaanvoerkanaal 30 een hoofdzakelijk cilindrisch gevormde, in radiale richting lopende doorlaat die grenzend aan het aërodynamische draagvlak is gevormd en een aantal radiaal op afstand van elkaar geplaatste filmkoelgaten 32 bevat die zijn aangebracht in het draagvlak. Koellucht van een inlaat-opening 3^ die gevormd is in de wortel van het blad, stroomt radiaal naar de afvoeropening 36 die in de tip van het blad is aangebracht terwijl een deel van de koellucht door de filmkoelgaten 32 stroomt. Dientengevolge is de stroming in aanvoerkanaal 30 eerder dynamisch dan statisch, en, zoals hierna wordt verduidelijkt, het toevoerkanaal 30 wordt continu bijgevuld met koellucht.

De diameter van de afvoeropening 36 ie gedimensioneerd om een gewenste terugstroommarge en een radiale stroming te bereiken. Dit dient voor het verschaffen van de gewenste drukverhouding over elk van de filmkoelgaten 32 opdat de filmkoeleffectiviteit wordt geoptimaliseerd van elk van de gaten die zich volledig over het radiale oppervlak uitstrekken. Het dient eveneens voor het verschaffen van voldoende stroming bij een gewenste druk om de tip van het blad te koelen. Het zal voor de vakspecialist duidelijk zijn, dat het aanvoerkanaal 30 andere warmteoverdrachtsmiddelen zou kunnen bevatten zoals stuurstrip-pen, voor het vergroten van de koeling van het blad die eveneens de drukval beïnvloeden in het kanaal en de terugstroommarge en de radiale stroming beïnvloeden.

Zoals hierboven vermeld, wordt het aanvoerkanaal 30 bijgevuld met koellucht door de bijvulkoelgaten 38 die in verbinding staan met de lucht die stroomt door de serpentinevormige kanalen 40 die worden begrensd door de ribben 26. Dientengevolge ontvangt het kanaal 30 koellucht van zowel de bron van koellucht die wordt toegelaten door de inlaat 3^ bij de wortel van het blad (hetgeen gewoonlijk lucht is die wordt af gevoerd van de compressor) en de bi jvulkoellucht die wordt toegelaten door de bijvulgaten 38 die zich uitstrekken over het radiale oppervlak van het aanvoerkanaal 30. Omdat de hoeveelheid koellucht in het aanvoerkanaal 30 verminderd wanneer de lucht voortgaat in de richting van de tip, wordt koellucht bijgevuld door de lucht die hieraan wordt toegelaten via de bijvulgaten 38. Dit concept leent zichzelf voor het controleren van de drukverhouding over alle filmkoelgaten over het aërodynamische draagvlak die van de wortel naar de tip gaan. Dientengevolge zal, omdat de stroming tot een minimum wordt beperkt tengevolge van de terugstroommarge in radiale zin is aangepast, de bedekking van de filmgaten over deze lengte constant zijn.

Zoals hierboven vermeld kan de drukval in het aanvoerkanaal verder worden aangepast door stuurstrippen toe te voegen die eveneens leiden tot het verbeteren van de effectiviteit van de warmteoverdracht. Verwezen wordt naar fig. 4 dat een deel van een aanvoerkanaal 30 toont dat is aangepast om de scheve stuurstrippen 70 te bevatten.

Bij de hiervoor bekende ontwerpen was het noodzakelijk om de koellucht in de inlaat te brengen bij een beduidend hogere druk om er voor te zorgen dat er ruimschoots voldoende druk zou zijn bij het naderen van de tip van het blad. Echter, tengevolge van de aard van het ontwerp, in het bijzonder omdat de koellucht wordt overgebracht van een statische constructie naar de roterende bladen, veroorzaakte dit een lekkageprobleem of een moeilijk afdichtprobleem. Aldus ontstond normaliter een compromis tussen toelaatbare lekkage en gewenste koelluchtdruk.

Krachtens de onderhavige uitvinding en omdat het koellucht-aanvoerkanaal wordt bijgevuld met koellucht, kan de inlaatdruk een beduidend verminderde waarde hebben, waardoor het lekkageprobleem wordt ondervangen en de motorprestaties worden verbeterd.

Zoals duidelijk mag zijn uit het voorgaande, richten de bijvulgaten 38 de koellucht in de serpentinevormige doorgangen om het achtervlak van het draagvlak te raken. Dit veroorzaakt niet alleen contactkoeling, maar het dient eveneens als vuilafscheider omdat de lucht in enige mate draait om te migreren door de filmkoelgaten 32. De vuildeeltjes zullen worden gevangen door de dynamische stroom van koellucht in het aanvoerkanaal 30 waar deze dan naar de tip van het blad wordt gedragen en wordt afgevoerd in de gasbaan via de afvoer-opening 36. Omdat het blad roteert, wordt de lucht met de vuildeeltjes in het aanvoerkanaal 30 gecentrifugeerd in de richting van de afvoeropening 36. Binnen het raamwerk van de onderhavige uitvinding kan worden overwogen om de bijvulgaten 38 binnenwaarts te richten naar de wortel van het blad, waardoor een scheidingshoek wordt verschaft die groter is dan 90°, waardoor de vuilafscheiding wordt verbeterd.

Hoewel de onderhavige uitvinding is geïllustreerd en beschreven met betrekking tot gedetailleerde uitvoeringen daarvan, zal het echter duidelijk zijn aan de vakspecialist dat verschillende veranderingen in vorm en detail daarvan kunnen worden aangebracht zonder het karakter en het terrein van de geclaimde uitvinding te verlaten.

Claims (5)

1. Turbinebladoppervlak voor een gasturbinemotor met inwendige doorlaten voor het daarin laten stromen van koellucht, omvattende een aërodynamisch draagvlak dat een worteldeel, een voorranddeel, een achterranddeel, een middenkoordedeel, en een tipdeel begrenst, een aantal radiale inwendige doorlaten die worden begrensd door inwendige wandmiddelen die aangrenzend zijn gevormd aan het genoemde achterranddeel en het voorranddeel en die lopen van het genoemde worteldeel naar het genoemde tipdeel die een aanvoerkanaal begrenzen, een aantal radiaal op afsteind van elkaar ereplaatste filmkoelgaten in het genoemde aërodynamische draagvlak die in verbinding staan met het genoemde aanvoerkanaal om een film van koellucht te laten stromen grenzend aan het genoemde aërodynamische draagvlak, een aantal bijvulgaten die radiaal op afstand van elkaar zijn aangebracht in de genoemde wandmiddelen om koellucht te laten stromen van het genoemde middenkoordedeel naar het genoemde aanvoerkanaal om de koellucht aan te vullen in het genoemde aanvoerkanaal dat anders wordt verloren tijdens het toevoeren van koellucht aan de genoemde filmkoelgaten, en middelen om koellucht van het genoemde worteldeel over te brengen om afgevoerd te worden uit een opening in het genoemde aërodynamische draagvlak aan het genoemde tipdeel, en een bron van koellucht om koellucht toe te voeren aan het genoemde worteldeel,

2. Turbineblad volgens conclusie 1, waarin de afmetingen van de genoemde opening bij het genoemde tipdeel zijn gekozen om de stroom van koellucht te minimaliseren in de genoemde aanvoerkamer om hoofdzakelijk een uniforme filmgatbedekking te verschaffen van alle filmgaten die worden gevoed door het genoemde aanvoerkanaal door de terugstroommarge voor iedere radiale positie in het genoemde aanvoerkanaal aan te passen.

3> Turbineblad volgens conclusie 1, waarin het genoemde aanvoerkanaal middelen verschaft voor het scheiden van vuil van de genoemde koellucht en het verwijderen van het genoemde gescheiden vuil door de genoemde afvoeropening.

4. Turbineblad volgens conclusie 1, omvattende stuurstrip-pen in het genoemde aanvoerkanaal.

5. Turbineblad volgens conclusie 4, waarin de genoemde stuurstrippen relatief scheef zijn geplaatst ten opzichte van de richting van het genoemde aanvoerkanaal.