NO306740B1 - Turbinblad for en gassturbinmotor - Google Patents

Description

Det er velkjent at flymotorindustrien står overfor store

oppgaver når det gjelder å forbedre gassturbinmotorers egenskaper, samtidig med at deres vekt reduseres. Det er klart at det endelige mål er å oppnå et så høyt forhold som mulig mellom skyvekraft og vekt. De deler man særlig har konsen-

trert seg om, er den "varme seksjon" av motoren, siden det er velkjent at motorens skyvekraft/vektforhold blir betydelig forbedret ved økning av temperaturen på turbingassene. Turbingasstemperaturen er imidlertid begrenset av de krav motorkomponentene stiller til metalltemperaturen. Betydelig arbeid er hittil nedlagt i å muliggjøre høyere arbeidstempe-raturer for turbinen ved anvendelse av betydelige tekniske fremskritt ved den innvendige kjøling av turbinbladene.

Eksempler på noen få løsninger av mange, er omhandlet i US-

PS 3 533 711, 4 073 599 og 4 180 373.

Det skal også vises til beskrivelsen i US-PS Serial No.

812 108 fra desember 23, 1985. I denne patentansøkning er bladet formet med en innvendig radiell passasje som mater filmkjølehullene. Den innvendige vegg som danner den radielle passasje, innbefatter en rekke hull som står i radiell av-

stand fra hverandre og har forbindelse med kjøleluften i det indre av bladet. Den radielle passasje er lukket ved bunnen, slik at kjøleluften i passasjen er mer statisk enn dynamisk.

Det betyr at det er ikke noen strømning i passasjen som strekker seg fra roten av bladet til dets spiss, men strømmen går istedet gjennom hullet i den indre vegg, gjennom tverrommet som dannes av den radiale passasje og deretter ut av det nærliggende filmkjølehull.

Ifølge oppfinnelsen foreslås det et turbihblåd som angitt i

krav 1.

I bladet i henhold til foreliggende oppfinnelse er de radiale passasjer åpne ved bladets rot, slik at det skapes et trykk, hvorved man får en konstant strøm i denne passasje eller passasjer fra bladets rot til dets spiss. En del av kjøle-luften mates ut igjennom filmkjølehullene, mens en del mates ut gjennom en eller flere åpninger ved bladets spiss. Dette blir da en dynamisk strømningspassasje. Da kjøleluften for-flytter seg radialt mot spissen, vil en del mates ut gjennom filmkjølehullene og blir etterfylt med den luft som slippes gjennom etterfyllingshullene for kjøleluft i den innvendige vegg som danner passasjen. Den ønskede tilbakestrømsmargin og radielle strømning kan bestemmes på forhånd ved riktig dimensjonering av hullet eller hullene ved bladets spiss og ved å benytte hindringer i strømmen for; eksempel i form av tverrkanter. I tillegg til at man oppnår kjøling ved ned-satte tilførselstrykk, vil luft som strømmer i den radielle passasje treffe baksiden av aerofoilen på bladet for kjøle-formål og strømmen ut ved passasjens spiss, benyttes til å kjøle spissdelen av bladet.

Bladet som er utført i henhold til oppfinnelsen har også muligheter for utskillelse av smuss, siden luften vender om 90° og luften i passasjene blir sentrifugert ved bladets rotasjonsbevegelse.

Et trekk ved denne oppfinnelse er å komme frem til radiale passasjer ved aerofoilen for et turbinblad som ventileres for å tilføre luft under trykk ved roten, hvilken luft strøm-mer som kjøleluft til en åpning ved bladets spiss. Kjøle-luften i den radiale passasje mater filmkjølehullene og blir etterfylt med ytterligere kjøleluft gjennom etterfyllingshull for slik luft, der hullene står i radiell avstand fra hverandre i den indre vegg som danner den radiale passasje. Kjølevirk-ningen oppnås med mindre kjøleluft og ved lavere trykk.

Et trekk ved denne oppfinnelsen går ut på å forhåndsbestemme det bakoverrettede trykk i den radielle passasje ved riktig

dimensjonering av hullet ved spissen av den radielle passasje og ved å bygge inn tverrkanter. Forbedret filmkjøling oppnås ved å holde riktig tilbakestrømsmargin over hele den radielle utstrekning av den radielle passasje for å redusere strømmen gjennom alle filmkjølehullene som står i forbindelse med den radielle passasjen.

Et ytterligere trekk ved oppfinnelsen går ut på å komme frem til et forbedret innvendig kjølt turbinblad som har gode toleranser overfor smuss. Disse og andre trekk og fordeler ved denne oppfinnelse vil fremgå av den følgende beskrivelse under henvisning til tegningen der: Fig. 1 er et snitt gjennom et blad utført i henhold til oppfinnelsen og beregnet for en aksialturbin,

fig. 2 er et snitt tatt etter linjen 2-2 på fig. 1,

fig. 3 viser et bruddstykke av et snitt tatt etter linjen 3-3 på fig. 1 og

fig. 4 viser et bruddstykke tatt ved linjen 4-4 på fig. 1

og viser oppfinnelsen anvendt med skråttstilte tverrkanter.

Selv om den foretrukne utførelsesform beskriver et typisk turbinblad for en gassturbinmotor av typen F100 som frem-stilles av Pratt & Whitney Aircraft, en gren av United Tech-nologies Corporation, skal det pekes på at oppfinnelsen godt kan anvendes på andre typer luftkjølte turbinblad.

Uttrykket "tilbakestrømsmargin" som er benyttet i denne beskrivelse, er trykkforholdet målt over hvilke som helst av utløpshullene for kjøleluft på bladets aerofoilflate. Bare deler av bladet er her vist for enkelthets skyld og det skal påpekes at meget godt utviklede teknikker for økning av varme-overføring, så som pidestaller, tverrkanter og lignende, er utelatt.

Som vist, er bladet som er generelt angitt med henvisnings-tallet 10, fremstilt av en hvilken som helst av de velkjente høytemperaturlegeringer og omfatter en omhylning med en forreste kant 12, bakre kant 14, spiss 16 og rot 18. Bladets omriss danner aerofoilflaten med en sugeside 20 (lavttrykk)

og trykkside 22. En rekke hull er tildannet i aerofoilflaten for å oppnå den Ønskede kjøling. Ideelt sett vil kjøleluften over en god del av aerofoilflaten flyte - fra disse hull for å danne en film som virker som en barriére mellom aerofoilflaten og de varme gasser i motorens gassbane.

Snittet som er vist på fig. 2 gjengir de innvendige passasjer i bladet i et plan som ligger gjennom midten (midtkordesnitt) og viser som eksempel generelt kjøleteknologien for bladet, innbefattende flere kjølepassasjer dannet av ribber 26 som tjener til å føre luften i en buktet bane for å få til optimal kjøling ved konveksjon. Oppfinnelsen er beregnet på å bli anvendt sammen med denne type kjøleteknikk, selv om den ikke er begrenset til dette.

Oppfinnelsestanken er vist på fig. 1 og 3 som viser kjøle-luftens matekanaler 30 utformet på ønskede steder ved aero-foilf låtene på sugeside og trykkside. For enkelthets skyld, vil bare en kjøleluftkanal bli beskrevet og det er den man ser på snittet 3-3 på fig. 3. Ifølge oppfinnelsen er kjøle-luftens matekanal 30 stort sett sylindrisk formet og strekker seg som en radiell passasje ved aerofoilflaten og innbefatter en rekke filmkjølehull 32 som står i avstand fra hverandre radielt og er utformet i aerofoilen. Kjøleluft fra en inn-løpeåpning 34 ved roten av bladet strømmer radielt mot ut-løpsdysen 36 som er utformet ved bladets spiss, mens en del av kjøleluften strømmer igjennom filmkjølehullene 32. Dermed blir strømmen i matekanalen 30 mer dynamisk enn statisk og som det vil bli forklart i det følgende, blir matekanalen 30 kontinuerlig etterfylt med kjøleluft.

Diameteren på utløpsdysen 36 er dimensjonert for å gi den

ønskede tilbakestrømsmargin og radielle strøm. Dette tjener til å skape det ønskede trykkforhold over hvert av film-kjølehullene 32, for dermed å optimalisere filmens kjøle-virkning ved hvert av hullene der filmen strekker seg over hele den radielle lengde. Dette tjener også til å skape tilstrekkelig strømning ved et ønsket trykk for å kjøle spissen av bladet. Som det skulle fremgå for fagfolk på

området, kan matekanalen 30 innbefatte andre varmeoverførings-anordninger f.eks. tverrkanter for å bedre kjølingen av bladet, noe som også vil innvirke på trykkfallet i passasjen samt på tilbakestrømsmarginen og den radielle strøm.

Som nevnt ovenfor blir matekanalen 30 etterfylt med kjøleluft gjennom etterfyllingshull 38 for kjølingen. Disse hull er i forbindelse med luften som strømmer i de buktede passasjer 40 som dannes av ribbene 26. Dermed får matekanalen 30 kjøle-luft både fra kjøleluftskilden gjennom innløpet 34 ved roten av bladet (som i et typisk tilfelle kan være trykkluft) og den etterfyllende kjøleluft som slippes inn gjennom etterfyllingshullene 38 som sitter i hele den radielle høyde av matekanalen 30. Da kjøleluften i matekanalen 30 slipper ut når luften strømmer mot spissen, blir den kjøleluft som går tapt erstattet med den luft som slippes inn gjennom etterfyllingshullene 38. Denne løsning gjør det mulig å kontrollere trykkforholdet over alle filmkjølehullene ved aerofoilflaten som strekker seg fra roten til spissen av bladet. Da strømningen er redusert på

grunn av tilbakestrømningsmarginen som er tilpasset radielt,

vil derfor dekningen av filmhullene bli konstant over hele denne lengde.

Som nevnt ovenfor kan trykkfallet i matekanalen modifiseres

ytterligere ved å anvende tverrkanter som også vil søke å

bedre varmeoverføringens virkningsgrad.; Det skal vises til fig. 4, der man ser en del av matekanalen 30 modifisert for å innbefatte skråttstilte tverrkanter 70.

Ved tidligere kjente utførelser var det nødvendig å innføre kjøleluft ved innløpet med et betydelig høyere trykk for å sikre at det ville være tilstrekkelig trykk tilbake når luften nærmer seg bladets spiss. På grunn av naturen av formgivningen, særlig fordi kjøleluften ble overført fra en stillestående komponent til de roterende blader, medførte dette imidlertid et lekkasjeproblem elier et vanskelig tet-ningsproblem. Det hele var et typisk kompromiss mellom tillatelig lekkasje og ønsket kjølelufttrykk.

På grunnlag av denne oppfinnelse og da kjøleluftens matekanal etterfylles med kjøleluft, kan innløpstrykket ligge på en betydelig lavere verdi slik at man unngår lekkasjeproblemet og forbedrer motorens egenskaper.

Det skulle fremgå av det som her er sagt at etterfyllingshullene 38 retter kjøleluft i de buktende passasjer, slik at den tref-fer baksiden av aerofoilen. Dette muliggjør ikke bare kontakt-kjøling, men tjener også som en utskiller for smuss siden luften i en viss utstrekning vil vandre igjennom filmkjøle-hullene 3.2. Smusspartikler vil søke å bli fanget opp av den dynamiske strøm av kjøleluft i matekanalen 30, der det deretter vil bli ført mot bladets spiss og drevet ut i gassbanen gjennom utløpsdysen 36. Da bladet roterer, vil luft innbefattende smusspartikler i matekanalen 30 bli drevet med sentrifugalkraft mot utløpsdysen 36. Det ligger innenfor rammen av foreliggende oppfinnelse at etterfyllingshullene 38 kan orienteres innad mot roten av bladet, slik at man får en utskillelsesvinkel på mer enn 90° og dermed en forbedret utskillelse av smuss.

Claims (5)

1. Turbinblad (10) for en gassturbinmotor med innvendige passasjer for føring av kjøleluft i disse, der bladet har en aerofoiloverflate (20,22) med en rot (18), en forreste kant (12), en bakre kant (14), en midtkordedel og en spiss (16), der en flerhet av radiale innvendige passasjer (30) som begrenses av innvendige vegger, er utformet ved den forreste (14) og bakre (12) kant, for-løpende fra roten til spissen, en matekanal (40) , en flerhet av filmkjølehull (32) som står i radiell avstand fra hverandre i aerofoiloverflaten og har forbindelse med matekanalen (40) for å lede en film av kjøleluft over aerofoiloverflaten, med en rekke etterfyllingshull (38) som står i avstand fra hverandre radielt i de nevnte vegger for ledning av kjøleluft fra midtspenndelen (2-2) til passasjene for å etterfylle kjøleluft, som ellers ville gått tapt ved tilførsel av kjøleluft til filmkjølehullene (32), og anordninger for å føre kjøleluft fra roten til utløp ved en dyse (36) i aerofoiloverflaten ved spissen, samt en kilde til kjøleluft for mating av kjøleluft til roten.

2. Turbinblad ifølge krav 1,karakterisert vedat dysen (36) ved spissen er dimensjonert for å redusere strømmen av kjøleluft i matekammeret for hovedsakelig å danne en ensartet filmhulldekning ved alle filmhullene som mates av den nevnte matekanal, ved tilpasning av tilbakestrømsmarginen for hver enkelt radiale posisjon i matekanalen.

3. Turbinblad ifølge krav 1,karakterisert vedat matekanalen danner en anordning (38) for utskillelse av smuss fra kjøleluften og for fjernelse av utskilt smuss gjennom utløpsdysen (36).

4. Turbinblad ifølge krav 1,karakterisert vedat det omfatter tverrkanter (70) i matekanalen.

5. Turbinblad ifølge krav 4,karakterisert vedat tverrkantene (70) er skråttskilte i forhold til retningen for matekanalen.