NL9000541A - Spelingscontrole voor de turbine van een gasturbinemotor. - Google Patents

Description

Spelingscontrole voor de turbine van een gasturbinemotor.

Kruisverwijzing naar aanverwante aanvragen.

Het onderwerp van de onderhavige aanvrage is verwant aan het onderwerp van gemeenschappelijk in eigendom hebbende Amerikaanse octrooiaanvragen (referentienummers van de agent F-5979 en F-6043) die op dezelfde dag hiermee zijn ingediend en elk zijn getiteld "Gekoelde bladen voor een gasturbinemotor".

Toepassingsgebied van de techniek.

De onderhavige uitvinding heeft betrekking op gasturbinemotoren en in het bijzonder op middelen voor het minimaliseren van de parasitaire lekkage aan de tippen van axiale turbinebladen.

Stand der techniek.

Zoals bekend, heeft de vliegtuigmotorenindustrie zich grote inspanningen getroost om te proberen de ruimte tussen de buitenste luchtafdichting of schoepversterking en de tip van de turbinebladen van vliegtuiggasturbinemotoren te minimaliseren, teneinde de motor-prestaties te verbeteren. Bijvoorbeeld beschrijft het Amerikaanse octrooischrift 4,069,662 dat is toegekend aan I. Redinger e.a. op 24 januari 1978 en overgedragen is aan United Technologies Corporation, de rechtverkrijgende van de onderhavige aanvrage een aktief spelings-controlesysteem dat selektief invloed uitoefent op lucht van het motoromhulsel om het omhulsel te doen krimpen en de buitenste luchtafdichtingen dichter naar de tippen van de turbinebladen te bewegen. Andere systemen hebben passief getracht om de ruimte te verminderen door lucht met verschillende temperatuurniveaus te laten stromen in de nabijheid van de buitenste luchtafdichtingen om te veroorzaken dat deze samentrekken of uitzetten.

Eveneens bekend is dat de complexiteit van het probleem direkt gekoppeld is aan het doel waarvoor de motor bestemd is. Bijvoorbeeld stellen de manoeuvres die worden uitgevoerd met gevechtstoestellen eisen aan de vliegtuigmotor die bij verre de eisen voor een commercieel vliegtuig overtreffen. De piloot van een gevechtstoestel zal veel meer vliegstanden kiezen, die vaak kortstondiger zijn en ruwer worden uitgevoerd dan een piloot van een commercieel vliegtuig zou doen. Deze condities hebben klaarblijkelijk invloed op het ontwerp van de motor hetgeen in het bijzonder waar is voor de ruimte van de turbinerotor in relatie met de buitenste luchtafdichting. Deze eisen van de piloot veroorzaken zodanige verhitting en afkoeling van de constructie van het turbinedeel, dat het krimpen en uitzetten en de mate daarvan het parasitaire lekkageprobleem van de turbine beïnvloeden. Dientengevolge wordt van iedere technische bijdrage, die dient ter vermindering van de spleet terwijl de turbine kan werken zonder overmatig te schuren langs de buitenste luchtafdichtingen, verwacht zeer belangrijk te zijn omdat de lekkage invloed heeft op de totale prestaties van de motor.

Ondervonden is dat de parasitaire lekkage kan worden verminderd door onafhankelijk een deel van de koellucht in het inwendige van de turbinebladen af te voeren van de tip van het blad in een bepaalde richting.

Sammenvatting van de uitvinding.

Een doel van de onderhavige uitvinding is het verschaffen van een verbeterde rotor van het soort dat inwendig gekoelde turbinebladen omvat voor vliegtuiggasturbinemotoren.

Een kenmerk van de onderhavige uitvinding is het richten van de afgevoerde lucht uit het aërodynamische draagvlak van een turbineblad in de gasstrooin, grenzend aan de tip van het blad, op een wijze die de aërodynamische verliezen vermindert^ door de effektieve tipspeling te verminderen, en die het blad ongevoelig maakt voor een toegenomen tipspeling.

Een ander doel is het richten van de koellucht, die wordt afgevoerd van de tip van het aërodynamisch draagvlak van het turbineblad van een gasturbinemotor, in de richting van de drukzijde van het aërodynamisch draagvlak onder een hoek van bij voorkeur 15* ♦ en een maximaal toelaatbare hoek van 45°. relatief ten opzichte van een radiale lijn door de rotatie-as of het oppervlak van de tip van het blad, terwijl de afgevoerde lucht zich op een relatief hoge druk zou moeten bevinden.

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 aanzicht in doorsnede van een turbineblad genomen langs een as in de richting van de koorde die de onderhavige uitvinding toont;

Fig. 2 is een aanzicht in doorsnede genomen langs de lijn 2-2 in fig. 1;

Fig. 3 is een stromingsdiagram dat het stromingspatroon binnen in het turbineblad toont;

Fig. 4 is een gedeeltelijk aanzicht in doorsnede van de tip van een turbineblad dat een voorkeursuitvoering van de onderhavige uitvinding toont;

Fig. 5 is een bovenaanzicht van de tip vein het aerodyneimisch draagvlak waarin een andere uitvoering van de onderhavige uitvinding wordt getoond; en

Fig. 6 is een doorsnede die genomen is langs de lijn 6-6 van figuur 5*

Beste manier voor het uitvoeren van de uitvinding.

De onderhavige uitvinding is in het bijzonder doeltreffend voor turbinebladen van een gasturbinemotor waar inwendige koeling van de bladen gewenst is. De constructie van inwendig gekoelde turbinebladen is duidelijk beschreven in de literatuur, en, ten behoeve van het gemak en de eenvoud, wordt hier slechts dat deel van het blad beschreven dat noodzakelijk is voor het begrip van de uitvinding. Voor details van gasturbinemotoren en turbinebladen, wordt verwezen naar de F100 en JT9D motoren die worden vervaardigd door Pratt & Whitney Aircraft, een divisie van United Technologies Corporation, de rechtverkrijgende van deze octrooiaanvrage en de octrooischriften die hierboven zijn genoemd.

Zoals kan worden gezien in figuur 1, dat een aanzicht in dwarsdoorsnede is^ genomen langs de as in koorderichting, en figuur 2, omvat het blad, dat algemeen wordt aangeduid met 10, een buitenwand of mantel 12 die een drukvlak 14, een zuigvlak 16, een voorrand 18 en een achterrand 20 begrenst. Het blad 10 is gegoten in een dubbele wand-configuratie waarin de binnenste wand 22 hoofdzakelijk even groot is als en evenwijdig loopt aan de buitenmantel 12 maar zich op afstand daarvan bevindt om een in radiale richting lopende doorlaat 26 te begrenzen. Omdat deze doorlaat 26 koellucht toevoert aan de filmkoel-gaten 28, wordt de doorlaat 26 aangeduid met aanvoerkanaal. Terwijl het aanvoerkanaal 26 wordt getoond als een aantal aanvoerkanalen, zal het aantal van dergelijke doorlaten worden bepaald door de preciese toepassing. Dit is eerder een dynamische dan een statische doorlaat omdat koellucht konstant stroomt voorzover het continu wordt gevoed door koellucht en een deel van de lucht continu wordt afgevoerd aan de tip door opening 50. Dit kan het beste worden gezien in figuur 2 die schematisch toont dat koellucht binnentreedt in de onderzijde van het aanvoerkanaal 26 en in radiale richting stroomt naar de tip 30 van het blad.

Koellucht stroomt eveneens continu naar de centrale ruimte, hetgeen een in radiale richting lopende doorlaat 32 is. Het is eveneens een dynamische doorlaat omdat hij continu wordt gevoed met koellucht en een deel van de koellucht aan de tip wordt afgevoerd door opening 52. Zoals duidelijk zal worden uit de hiernavolgende beschrijving, wordt deze ruimte voorzover zij koellucht toevoert aan aanvoerkanaal 26 voor het bijvullen van de aanvoer van koellucht wanneer die wordt uitgestoten door de filmkoelgaten 28, deze ruimte hierna aangeduid met aanvoerruimte 32.

Er wordt vanuitgegaan dat het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 compressorlucht zullen ontvangen, hetgeen normaal is bij deze ontwerpen.

Duidelijk is uit het voorgaande 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 radiaal op afstand van elkaar geplaatste gaten 36, wordt de aanvoer van koellucht continu bijgevuld. Klaarblijkelijk wordt de koellucht in het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimten 32 op druk gebracht als die voortgaat in de richting van de tip van het blad tengevolge van de rotatie van het blad. Tengevolge van dit inherente kenmerk, bevinden de filmkoelgaten in de nabijheid van de tip van het blad zich in een positie om koellucht te ontvangen bij een acceptabel drukniveau.

In de ontwerpen volgens de stand der techniek was de gespecificeerde druk van de koellucht aan de tip van het blad afhankelijk van de inlaatdruk bij de wortel van het blad. Dus vereisten hogere specifieke drukken hogere inlaatdrukken. Dit leidde tot een probleem voor de ontwerper bij het trachten lekkage te voorkomen, wanneer de koellucht stroomde van de bron door een niet roterend deel naar de roterende bladdoorlaten.

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

Omdat gaten 36 dienen voor het richten van koellucht tegen het inwendige oppervlak 44 van de buitenmantel, worden zij hierna aangeduid met bijvulkoelgaten 36. Dus dienen de bijvulkoelgaten, naast andere funkties, als middel voor het bijvullen van het aanvoerkanaal 26 en als middel voor het vergroten van de koeleffektieviteit door het introduceren van turbulentie van de stroming die de filmkoelgaten binnengaat. Gebleken is dat het bijvullen van de aanvoerkanalen door de bijvulgaten 36 een aanzienlijke verbetering oplevert met betrekking tot de koeleffektiviteit ten opzichte van een getest blad zonder de bijvulkoelgaten. De juiste afmeting van deze gaten kan worden gekozen om de gewenste drukval te verschaffen ter verkrijging van de gewenste drukverhouding over de filmkoelgaten.

Het koelen kan verder worden verbeterd door het toevoegen van stootstrippen 46 in het aanvoerkanaal 26. De stootstrippen dienen een additionele funktie naast het koeleffekt omdat zij een drukval cre-eren. Dit kan gewenst zijn wanneer de koellucht die de tip van het blad nadert tengevolge van het centrifugeren van de lucht in het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 te veel wordt gecomprimeerd en het noodzakelijk is om deze druk te verlagen om de noodzakelijke drukverhouding te verkrijgen voor het optimaliseren van de vorming van de film die komt uit de filmkoelgaten 28.

Uit het voorgaande is duidelijk dat het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 rechtdoorgaande, in radiale richting lopende doorlaten zijn die de in hoofdzaak gebruikte serpentinevormige doorlaten uitbannen. Dit kenmerk geeft de ontwerper van het blad de mogelijkheid om de grootte van de tip te verminderen omdat deze niet langer de zich omkerende doorlaten van het serpentinedoorlaatontwerp hoeft onder te brengen en nu de ontwerper de mogelijkheid wordt verschaft om aërodynamische tipafdichtingstechnieken toe te passen. Hierdoor kan de aërodynamische ontwerper de minimaal vereiste koordelengte van de bladtip kiezen die wordt bepaald op grond van overwegingen op het gebied van aërodynamische prestaties zonder overmatig rekening te houden met de eisen op het gebied van de interne koelingsafmetingen. Natuurlijk brengt dit kenmerk verschillende voordelen met zich mee die gewenst zijn bij het ontwerp van een turbine. Door gebruik te maken van dit kenmerk kan het blad lichter worden gemaakt, heeft het een aanzienlijk verminderde trek en de schijf, die het blad ondersteunt kan lichter worden gemaakt. Al deze kenmerken hebben een voordelige invloed op het gewicht, de prestatie en de levensduur van de turbine.

In werking en onder verwijzing naar het stroomdiagram in figuur 3, komt koellucht in het blad binnen bij het worteldeel aan het onderste uiteinde van het blad en gaat door het aërodynamische draagvlak-deel naar de tip zoals wordt getoond door de gestippelde pijlen A en de getrokken pijlen B. Gaten in de tip stoten een deel van de lucht in dit gebied uit, terwijl een deel van de koellucht stroomt naar de sproeikop bij de voorrand en een deel van de koellucht gericht wordt naar de achterrand zoals wordt voorgesteld door de horizontale pijlen C en D respektievelijk.

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 konstant voorzien van koellucht. Tengevolge van de pompende werking die gekoppeld is aan de rotatie van de bladen, wordt de druk bij de tip gegenereerd waar het het meest nodig is. Dit verzekert dat de juiste drukverhouding over de filmgaten wordt behouden over het totale oppervlak van de mantel.

Omdat de inwendige wand de ribben vervangt die de serpentinevormige doorlaten vormden, dient de inwendige wand als een warmteover-drachtsoppervlak om hetzelfde warmteconvectiekenmerk te verschaffen dat is gekoppeld aan het serpentineontwerp.

Volgens de onderhavige uitvinding en zoals het beste wordt geïllustreerd door fig. 2, zijn de openingen 50 en 52 zo geörienteerd, dat de stroming die wordt af gevoerd uit de aanvoerkanalen 26 en de aanvoerruimte 32 gericht wordt naar de drukzijde van het blad^, onder een hoek die in hoofdzaak gelijk is aan 40° tot ^5°· De hoek is gemeten aan het vlakke oppervlak van de tip van het blad en zal variëren bij verschillende doorsneden van het aërodynamische draagvlak. Bij voorkeur is de hoek minimaal ongeveer 15° terwijl hij de ^5* niet overschrijdt. Dit dient voor het creëren van een bufferzone aan de tip van het blad in de spleet 5^ tussen de tip en de schematisch weergegeven mantel 56 die het blad omgeeft. Omdat de afgevoerde stroming door openingen 50 en 52 hulp heeft gehad van de pompende werking van het blad, is de snelheid waarmee de stroming wordt afgevoerd voldoende hoog om een vermindering van de aërodynamische verliezen tot stand te brengen, die einders optreden in deze spleet en het blad op effektieve wijze ongevoelig maakt voor tipspeling.

Figuur 4 toont een uitvoeringsvorm van een turbineblad waar de radiale doorlaat 70 dwars over het aërodynamische draagvlak loopt vanaf de zuigzijde 72, zodat de lucht grenzend aan de drukzijde 74 bij de tip wordt afgevoerd. De afvoeropening 76 is gericht ten opzichte van het vlakke oppervlak 73 van de tip van het blad zodat hij hiermee een hoek van 20° vormt.

De fig. 5 en 6 tonen een andere uitvoering van deze uitvinding waar de tip van het blad groeven heeft voor het begrenzen van een koelvak 60 dat grenst aan de drukzijde 62 van het blad. De afvoergaten 64 zijn in dit geval onder een hoek geplaatst voor het verschaffen van een bufferzone die grenst aan de tip van het blad waardoor een aërodynamische afdichting wordt verschaft voor het verminderen van de lekkage van het motoraandrijfmedium dat in deze spleet optreedt.

Hoewel de onderhavige uitvinding is getoond en beschreven aan de hand van gedetailleerde uitvoeringen daarvan, zal het aan de vakspecialist duidelijk zijn dat verschillende wijzigingen in vorm en detail daarvan kunnen worden gemaakt zonder de gedachte en het raamwerk van de geclaimde uitvinding te verlaten.

Claims (8)

1. Axiale stromingsturbine voor een gasturbinemotor in combinatie met een ringvormige omhulling die de genoemde turbine omgeeft, waarbij de genoemde turbine een aantal inwendig luchtgekoelde turbine-bladen omvat die elk een tipdeel hebben dat grenzend aan de genoemde omhulling is bevestigd en daarmee een spleet begrenzen die gevoelig is voor lekkage van motorwerkmedium, en waarbij elk van de genoemde inwendig gekoelde bladen een aërodynamisch draagvlak hebben dat is blootgesteld aan het genoemde motorwerkmedium en dat een drukvlak en een zuigvlak definiëren, en middelen voor het minimaliseren van de genoemde lekkage door het verschaffen van een bufferzone in de genoemde spleet, waarbij de genoemde middelen een openingsmiddel omvatten dat grenzend aan het genoemde drukvlak geplaatst is in het genoemde tipdeel terwijl de genoemde opening relatief scheef staat ten opzichte van de rotatie-as van het genoemde blad voor het leiden van de lucht van het inwendige van het genoemde blad in de genoemde spleet, waarbij de stroom van lucht die afgevoerd wordt uit de genoemde opening een bufferzone begrenst voor het minimaliseren van parasitaire lekkage van het genoemde motorwerkmedium.

2. Axiale stromingsturbine volgens conclusie 1 waarin het genoemde aërodynamische draagvlaksdeel eveneens een voorrand en een achterrand begrenst en het genoemde blad een pocket omvat die gevormd is in de genoemde tip en zich hoofdzakelijk grenzend aan de voorrand uitstrekt tot ongeveer in de buurt van de genoemde achterrand en zich in de nabijheid van het genoemde drukvlak bevindt, terwijl het genoemde openingsmiddel een aantal op afstand van elkaar scheef geplaatste gaten omvat in de genoemde pocket die lucht uit het inwendige van het genoemde blad in de spleet leiden.

3. Axiale stromingsturbine voor een gasturbinemotor in combinatie met een buitenste luchtafdichting die de genoemde turbine omgeeft, waarbij de turbine een aantal inwendige luchtgekoelde bladen omvat met een aantal doorlaten voor het inwendig van het genoemde blad leiden van lucht, waarbij het blad een aërodynamisch draagvlak heeft dat een tipdeel, een worteldeel, een voorrand, een achterrand, een drukvlak en een zuigvlak begrenst, en tenminste één der doorlaten in radiale zin recht door loopt voor het geleiden van koellucht uit het genoemde worteldeel naar het genoemde tipdeel met een relatief vlak buitenvlak, waarbij de genoemde ene doorlaat een aantal filmkoelgaten voedt die radiaal op afstand van elkaar zijn geplaatst in het genoemde aërodynamische draagvlak, en de genoemde doorlaat wordt bijgevuld met koellucht uit een ander van de genoemde doorlaten via bijvulgaten die op radiale afstand van elkaar zijn geplaatst langs deze genoemde ene doorlaat, terwijl de genoemde buitenste luchtafdichting en het genoemde tipdeel een spleet begrenzen die gevoelig is voor parasitaire lekkage van motorwerkmedium dat wordt gebruikt voor het aandrijven van de genoemde turbine, en middelen voor het minimaliseren van de genoemde parasitaire lekkage, omvattende een opening in de genoemde tip die in verbinding staat met de genoemde ene doorlaat en gericht is om koellucht af te voeren onder een hoek ten opzichte van de rotatie-as van de genoemde turbine en gericht in een richting naar de drukzijde, en een bron van koellucht die lucht toevoert aan het genoemde worteldeel voor het voeden van koellucht aan de genoemde doorlaten met inbegrip van de genoemde ene doorlaat.

4. Axiale stromingsturbine volgens conclusie 3 waarin de genoemde hoek van de genoemde opening in hoofdzaak gelijk is aan 15-45° ten opzichte van het genoemde vlakke buitenoppervlak.

5. Axiale stromingsturbine volgens conclusie 3 waarin het genoemde blad een middenkoordedeel omvat en een in radiale richting rechtdoor lopende doorlaat in het genoemde middenkoordedeel welke doorlaat zich uitstrekt vanaf het genoemde worteldeel naar het genoemde tipdeel en hoofdzakelijk evenwijdig loopt aan de genoemde doorlaat, waarbij het genoemde middenkoordedeel radiaal op afstand van elkaar geplaatste gaten heeft die in verbinding staan met de genoemde ene doorlaat voor het bijvullen van koellucht aan de genoemde ene doorlaat ter compensatie van de koellucht die gebruikt is om de genoemde filmkoelgaten te voeden.

6. Axiale stromingsturbine volgens conclusie 5 waarin doorlaten grenzend aan het genoemde drukvlak en het genoemde zuigvlak en het genoemde middenkoordedeel tenminste één opening omvatten die lucht afvoeren van het genoemde tipdeel in de genoemde spleet en relatief ten opzichte van de rotatie-as van de genoemde turbine hellen en gericht zijn om koellucht af te voeren naar het genoemde drukvlak.

7· Axiale stromingsturbine volgens conclusie 6 waarin de genoemde tip een vlak oppervlak heeft en de hoeken van alle openingen hoofdzakelijk gelijk zijn aan 15-45° relatief ten opzichte van het genoemd vlakke oppervlak.

8. Axiale stromingsturbine volgens conclusie 5 waarin de genoemde doorlaat grenzend aan het genoemde zuigvlak door het aërodynamisch draagvlak is geleid om bij het genoemde tipdeel grenzend aan het genoemde drukvlak als afvoer te dienen.