NO811830L

NO811830L - REMOVABLE, CHILLABLE SUPPLY FOR ROTOR BLADES.

Info

Publication number: NO811830L
Application number: NO811830A
Authority: NO
Inventors: Georg Pei Liang
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1980-06-05
Filing date: 1981-06-01
Publication date: 1981-12-07
Also published as: SE8103502L; IL63011A0; DE3122484A1; GB2077363A; JPS5728802A; BE889077A; FR2484014A1

Description

tt

Den foreliggende oppfinnelse vedrører blader på rotasjons-maskiner med aksialstrømning og, nærmere bestemt, slipende tupphetter av kjølbar konstruksjon, som er fastgjort til endene av bladene. The present invention relates to axial flow rotary machine blades and, more specifically, to abrasive tip caps of coolable construction, which are attached to the ends of the blades.

Oppfinnelsens prinsipper er utviklet i gassturbinmotor-industrien, for anvendelse i motorers turbinseksjoner, men kan med fordel tilpasses andre høytemperaturs-rotasjonsmaskiner. The principles of the invention have been developed in the gas turbine engine industry, for use in engine turbine sections, but can be advantageously adapted to other high-temperature rotating machines.

I moderne gassturbinmotorer blir det i et forbrennings-kammer produsert drivmediumgasser av meget høy temperatur, og disse gasser strømmer gjennom en turbinseksjon bakenfor for-brenningskammeret. Ved forenden av turbinseksjonen har driv-gassene karakteristiske temperaturer av ca. 1370°C eller mer. Drivgasstemperaturen vil i mange tilfeller overstige kapasi-teten av det materiale hvorav turbinkomponentene er fremstilt, og disse komponenter avkjøles med luft av lavere temperatur, for å hindre at komponentene nedslites ellerødelegges. In modern gas turbine engines, propellant gases of very high temperature are produced in a combustion chamber, and these gases flow through a turbine section behind the combustion chamber. At the front end of the turbine section, the propellant gases have characteristic temperatures of approx. 1370°C or more. The propellant gas temperature will in many cases exceed the capacity of the material from which the turbine components are made, and these components are cooled with air of a lower temperature, to prevent the components from wearing down or being destroyed.

Turbinrotorbladene ved forenden av turbinseksjonen er blant de komponenter som vanligvis avkjøles. Bladene rager utad fra motorens rotor, på tvers av drivmediets strømningsbane, The turbine rotor blades at the front end of the turbine section are among the components that are usually cooled. The blades project outwards from the motor's rotor, across the flow path of the propellant,

og bladenes radiale ytterender er vendt mot en omsluttende' kappe på motorstatoren. Klaringen mellom bladtuppene og kappen er tilstrekkelig liten til å motvirke lekkasje av drivmediumgasser over bladtuppene med derav følgende, nedsatt aerodyna-misk virkningsgrad. Med en så vidt liten klaring ved bladtuppene vil bladene, særlig ved hurtig skiftende motorhastig-heter, stryke mot den omgivende kappe. En slik gnidning med-fører risiko for ødeleggende virkninger både som følge av meka-nisk deformering av blad eller kappe og på grunn av overdrevne varmepåkjenninger som oppstår under gnidningsperioden. Rotor-bladtuppene avkjøles konvensjonelt som beskrevet i US-patentskrifter 3.889.267, 3.994.622 og 4.010.531. and the radial outer ends of the blades face an enveloping casing on the motor stator. The clearance between the blade tips and the sheath is sufficiently small to counteract the leakage of propellant gases over the blade tips with the resulting reduced aerodynamic efficiency. With such a small clearance at the blade tips, the blades, especially at rapidly changing engine speeds, will brush against the surrounding casing. Such rubbing entails a risk of destructive effects both as a result of mechanical deformation of the blade or sheath and due to excessive heat stress that occurs during the rubbing period. The rotor blade tips are conventionally cooled as described in US Patents 3,889,267, 3,994,622 and 4,010,531.

De omsluttende kapper fremstilles vanligvis av slipbart eller deformerbart materiale som kan kompensere gnidningskontakt med bladene uten ødeleggende innvirkning. Slike konstruksjoner er kjent fra US-patentskrifter 3.042.365, 3.854.842, 3.817.719, 3.879.831 og 3.918.925. The enclosing sheaths are usually made of sandable or deformable material that can compensate for rubbing contact with the blades without damaging impact. Such constructions are known from US patents 3,042,365, 3,854,842, 3,817,719, 3,879,831 and 3,918,925.

Til tross for de tidligere utviklede konstruksjoner og materialsystemer, er forskere og ingeniører innenfor denne industrigren fortsatt beskjeftiget med utvikling av ytterlig forbedrete blad- og kappekomponenter-Det er særlig ønskelig å frembringe rorblader med stor motstandskraft overfor destruk-tive deformeringskrefter og med effektiv kjøling i bladtuppsonen. Despite the previously developed constructions and material systems, scientists and engineers within this branch of industry are still busy with the development of further improved blade and sheath components - It is particularly desirable to produce rudder blades with great resistance to destructive deformation forces and with effective cooling in the blade tip zone .

Ifølge den foreliggende oppfinnelse dannes tupp-partiet av et rotorblad av en lamellkonstruksjon, hvor den ytterste lamell er tilvirket av et slipende stoff som kan løsrive materiale fra en omsluttende kappe, uten å forårsake overdrevne varmepåkjenninger, og hvor konveksjonsvarme-overføringskapasi-teten er betydelig i sonen nær den potensielle gnidningsflate ved bladtuppen. According to the present invention, the tip part of a rotor blade is formed by a lamella construction, where the outermost lamella is made of an abrasive substance that can detach material from an enclosing sheath, without causing excessive heat stress, and where the convection heat transfer capacity is significant in the zone near the potential rubbing surface at the blade tip.

Konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse kjenne-tegnes primært ved lamell-elementene som danner tupphetten. Lamellene forløper som korder over bladtuppen, og dekker det innvendige kjølelufvtkammer. Den ytterste lamell er tilvirket av et slipende materiale som kan løsrive avslipbart materiale fra en omsluttende kappe, uten at det oppstår overdrevne varme-påk jenninger . Kjøleluftkanaler mellom lamellene danner et varme-utløp for avleding av varme fra gnidningsflåtene ved bladtuppen. Andre kanaler for ytterligere kjøling forløper stort sett i The construction according to the present invention is characterized primarily by the lamella elements that form the tip cap. The slats extend like cords over the blade tip, and cover the internal cooling air chamber. The outermost lamella is made of an abrasive material that can detach sandable material from an enclosing sheath, without excessive heat stress occurring. Cooling air channels between the slats form a heat outlet for the dissipation of heat from the rubbing fins at the blade tip. Other channels for further cooling mostly take place in

spennretning på tvers av lamellstabelen.span direction across the lamella stack.

Hovedfordelen ved oppfinnelsen består i den økete evne til opprettelse av effektiv kjølekapasitet i sonen umiddelbart ved kilden til varmeenergiutviklingen. Det anvendes betydelig konveksjonskjøling, for å sikre uavbrutt kjølingsstrømning. Lamelltypekonstruksjonen muliggjør økonomisk utforming av kjøle-åpninger med stort flateareal i forhold til strømningsarealet. I visse utførelsesformer kombineres konveksjonskjøling med The main advantage of the invention consists in the increased ability to create effective cooling capacity in the zone immediately at the source of the heat energy development. Considerable convection cooling is used to ensure uninterrupted cooling flow. The lamella type construction enables economical design of cooling openings with a large surface area in relation to the flow area. In certain embodiments, convection cooling is combined with

filmkjøling. Anvendelsen av slipende materiale i den ytterste lamell minsker sannsynligheten for at de i spennretning for-løpende åpninger skal lukkes grunnet materialdeformasjon i åpningene. Innføyningen av forskjellige-materialer i bladtuppsonen lar seg lett gjennomføre ved hjelp av fremstillingstek- film cooling. The use of abrasive material in the outermost lamella reduces the probability that the openings extending in the span direction will be closed due to material deformation in the openings. The insertion of different materials in the blade tip zone can be easily carried out with the help of manufacturing techniques

nikker som er synergistisk egnet for økonomisk utforming av inn-viklede kjølekanaler. nods which are synergistically suitable for economical design of complicated cooling channels.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet unde henvisning The invention will be described in more detail under reference

til de medfølgende tegninger, hvori:to the accompanying drawings, in which:

Fig. 1 viser et perspektivriss av en gassturbinmotor med Fig. 1 shows a perspective view of a gas turbine engine with

en tupphette ifølge foreliggende oppfinnelse.a tip cap according to the present invention.

Fig. 2 viser^et forstørret perspektivriss av tuppsonen på bladet ifølge fig. 1, som illustrerer de kordevis forløpende lameller som danner tupphetten, og hvor visse partier er ute-latt for å vise et konveksjonskjølingssystem som inngår i en slipende bladtuppkonstruksjon. Fig. 3 viser et snitt mellom lameller ved forkanten av bladet, som illustrerer overensstemmelsen mellom de tversgående kjølekanaler og bladets forkantkontur. Fig. 2 shows an enlarged perspective view of the tip zone of the blade according to fig. 1, which illustrates the chordwise extending lamellae forming the tip cap, and where certain portions have been omitted to show a convection cooling system included in an abrasive blade tip construction. Fig. 3 shows a section between lamellas at the leading edge of the blade, which illustrates the correspondence between the transverse cooling channels and the leading edge contour of the blade.

Den foreliggende oppfinnelses prinsipper er egnet for anvendelse ved et rotorblad 10 som er vist i fig. 1 og som er representativt for denne type av rotorblader. Bladet omfatter tre hovedseksjoner, nemlig en rotseksjon 12, en plattformsek-sjon 14 og en aerofoilseksjon 16. Bladet er utstyrt med ett eller flere, innvendige kamre, såsom forkantkammeret 20 og bakkantkammeret 22, som fra rotseksjonen forløper gjennom aero-foilseks jonen , for fordeling av kjøleluft i den omliggende sone. Kamrene er lukket ved aerofoilseksjonens ytterende, ved hjelp av en 'tupphette 24 med en utadrettet flate 26. The principles of the present invention are suitable for use with a rotor blade 10 which is shown in fig. 1 and which is representative of this type of rotor blade. The blade comprises three main sections, namely a root section 12, a platform section 14 and an aerofoil section 16. The blade is equipped with one or more internal chambers, such as the leading edge chamber 20 and the trailing edge chamber 22, which extend from the root section through the aerofoil section, for distribution of cooling air in the surrounding zone. The chambers are closed at the outer end of the aerofoil section, by means of a 'tip cap 24 with an outward facing surface 26.

I sitt driftsmiljø kan bladets rotseksjon 12 fastgjøres til en rotorskive (ikke vist) i en gassturbinmotor, hvorved aerofoilseksjonen 16 rager utad på tvers av en ringformet strøm-ningsbane for drivmediumgassene i motoren. Plattformseksjonen 14 danner en del av den indre begrensning for strømningsbanen. Den ytre begrensning for strømningsbanen dannes delvis av en omsluttende kappe (heller ikke vist), som er vendt mot bladtuppens ytterflate og beliggende i umiddelbar tilgrensning til denne. Den omsluttende kappe vil typisk innbefatte et påført belegg In its operating environment, the blade root section 12 can be attached to a rotor disc (not shown) in a gas turbine engine, whereby the aerofoil section 16 projects outwards across an annular flow path for the propellant gases in the engine. The platform section 14 forms part of the internal restriction for the flow path. The outer limitation for the flow path is formed in part by an enclosing sheath (also not shown), which faces the outer surface of the blade tip and is located in immediate proximity to it. The enclosing sheath will typically include an applied coating

av slipbart materiale, hvori bladtuppen inndrives bortslipende under hurtig skiftende driftstilstander. of grindable material, in which the blade tip is driven in abrasively under rapidly changing operating conditions.

I den utførelsesform av oppfinnelsen som er vist i fig. 2, er aerofoilseksjonen 16 tilvirket av en rekke lameller 18 som ligger i spennretning og som er sammenføyd på egnet måte, f.eks. ved dif f us jonsvedhef tning. Tupphetten 2-4 er likeledes fremstilt av en rekke lameller som forløper i korderetning og som om fatter en ytterlamell 30 og én eller flere innerlameller 32 som er stablet i spennretningen. Der er vist to innerlameller. Tupphetten lukker ytterendene av forkantkammeret 20 og bakkantkammeret 22. Innerlamellene 32 er tilvirket av en metallfor-bindelse som er jevnførbar eller identisk med det materiale hvorav bladets aerofoilseksjon er fremstilt. Ytterlamellen 30 er tilvirket av et slipende materiale, f.eks. silikonkarbid, som er innleiret i en metallisk grunnmasse. Den utadrettede flate 26 er tilpasset for å bringes i gnidende anlegg mot kappen som er vendt mot bladet. Lamellene er forbundet, f.eks. med hverandre og de spennretningsforløpende aerofoillameller, likeledes ved anvendelse av en egnet teknikk såsom diffusjons-vedheftning. In the embodiment of the invention shown in fig. 2, the airfoil section 16 is made of a number of slats 18 which lie in the span direction and which are joined together in a suitable way, e.g. by diffusion ion attachment. The tip cap 2-4 is likewise produced from a series of lamellas which extend in the chord direction and which seem to include an outer lamella 30 and one or more inner lamellas 32 which are stacked in the span direction. Two inner slats are shown. The tip cap closes the outer ends of the leading edge chamber 20 and the trailing edge chamber 22. The inner slats 32 are made of a metal compound that is comparable or identical to the material from which the blade's aerofoil section is made. The outer lamella 30 is made of an abrasive material, e.g. silicon carbide, which is embedded in a metallic base material. The outward facing surface 26 is adapted to be brought into rubbing contact with the sheath facing the blade. The slats are connected, e.g. with each other and the aerofoil lamellae extending in the span direction, likewise by using a suitable technique such as diffusion adhesion.

Tverrkanaler 34 for kjøleluftstrømmen fra de innvendige kamre er anordnet i grenseflaten mellom to innbyrdes tilstøtende lameller. I den viste utførelsesform forløper tverrkanalene fra det indre av bladet, ved et av kjøleluftkamrene og i tverret-ning til aerofoilens trykksideflate 38. I visse utførelsesformer kan tverrkanalene i stedet være ført til sugesiden av bladet, selv om en kombinasjon av radialutstrømning og trykksideutstrøm-ning antas å være gunstigst med henblikk på aerofoilens aerodynamiske ytelse. Kanalene dekker en vesentlig del av aero-foiltverrsnittet i tupphettesonen, og vil derved gi betydelig kjøling umiddelbart nær den utadvendte og potensielle gnidningsflate 26. Ytterligere kanaler 40 utgår stort sett i spennretningen fra ett eller flere av kjølekamrene. Det det er praktisk kan kanalene være skråstilt, for å øke kjølingskapasiteten i tupphettekonstruksjonen. For å opprette en betydelig konveksjons-kjølingskapasitet ved forkanten av hettesonen 18, er det anordnet en kanal 42. Fra denne kanal forløper sidekanaler 44 stort sett i spennretning gjennom tupphetten. Kanalene kan også, slik som vist, være skråstilt, for å øke konveksjonskjølings-kapasiteten. I en foretrukket utførelsesform er kanalen 42 utformet avsmalnende, slik som vist, til en redusert tverrsnittsflate ved bakkanten. Den minskende tverrsnittsflate medvirker Transverse channels 34 for the flow of cooling air from the internal chambers are arranged in the interface between two mutually adjacent slats. In the embodiment shown, the transverse channels extend from the interior of the blade, at one of the cooling air chambers and in a transverse direction to the pressure side surface 38 of the aerofoil. In certain embodiments, the transverse channels can instead be led to the suction side of the blade, although a combination of radial outflow and pressure side outflow is believed to be most favorable for the aerodynamic performance of the aerofoil. The channels cover a significant part of the aero-foil cross-section in the tip cap zone, and will thereby provide significant cooling immediately close to the outward-facing and potential rubbing surface 26. Further channels 40 generally originate in the span direction from one or more of the cooling chambers. Where it is practical, the channels can be inclined, to increase the cooling capacity in the tip hood construction. In order to create a significant convection cooling capacity at the leading edge of the cap zone 18, a channel 42 is arranged. From this channel, side channels 44 extend largely in the span direction through the tip cap. The channels can also, as shown, be inclined, to increase the convection cooling capacity. In a preferred embodiment, the channel 42 is designed to taper, as shown, to a reduced cross-sectional area at the rear edge. The decreasing cross-sectional area contributes

til å opprettholde trykkdifferansen over bladtuppen mellom to maintain the pressure difference across the blade tip between

kanalen og det omgivende miljø på utsiden av aerofoilen. the channel and the surrounding environment on the outside of the aerofoil.

Som vist i fig. 3, er den fremre del av tverrkanalene ved bladets forkant krummet i korderetning,- for nøye å følge aerofoilens forkantkontur. Dette medfører høye varmeoverførings-hastigheter og øket konveksjonskjøling. As shown in fig. 3, the front part of the transverse channels at the leading edge of the blade is curved in the chord direction, - to closely follow the leading edge contour of the aerofoil. This results in high heat transfer rates and increased convection cooling.

Hettekonstruksjonen ifølge oppfinnelsen er i høy grad for-delaktig, grunnet sin evne til å opprette sterk konveksjonskjØlin< umiddelbart ved punktene for potensiell varmeutvikling. Et varme-utløp for avieding av varmeenergi fra utviklingspunktene er dannet av gruppen av kanaler, og særlig de sidekanaler 34 som er vist i fig. 2. Det er deri anordnet en plan sone for stort sett ensartet konveksjonskjøling. Lamellkonstruksjonen kan lett tilpasses for opprettelse av slike kanaler, særlig i grense-flatene mellom lamellene, hvori det kan anordnes kanaler av komplisert utforming og kontur, f.eks. ved etsing, innen lamellen* sammenføyes. Plasseringen, i overensstemmelse med oppfinnelsen, av varmeutløpet i tilgrensning til de potensielle gnidningsflater muliggjør avleding av varme uten ødeleggelse av blad-tuppmaterialet. The hood construction according to the invention is highly advantageous, due to its ability to create strong convection cooling immediately at the points of potential heat generation. A heat outlet for avieding heat energy from the development points is formed by the group of channels, and in particular the side channels 34 shown in fig. 2. A planar zone is arranged therein for largely uniform convection cooling. The lamella construction can easily be adapted to create such channels, particularly in the interface between the lamellas, in which channels of complicated design and contour can be arranged, e.g. by etching, before the lamella* is joined. The location, in accordance with the invention, of the heat outlet adjacent to the potential rubbing surfaces enables heat to be dissipated without destroying the blade tip material.

Det kreves stor kanaltetthet for å sikre tilstrekkelig konveksjonskjøling. Selv om kanalene i hittil kjente konstruksjoner som ikke er av "lamelltype, har vært anordnet i mindre antall, er slike konstruksjoner typisk avhengig av i hvert fall et vesentlig bidrag fra filmkjølingsteknikkene, for å beskytte bladytterflåtene mot drivmediumgasser av høy temperatur. Det er ved den foreliggende konstruksjon tatt i betraktning, at ved forekommende gnidning vil filmkjølingen over bladtuppen avbrytes akkurat på det tidspunkt når det kreves maksimal varmeavledingskapasitet. En slik eliminering av kjøleevnen vil stort sett unngås, idet avkjølingen foregår i sidekanalene. A high channel density is required to ensure adequate convection cooling. Although the channels in hitherto known constructions which are not of the "lamella type" have been arranged in smaller numbers, such constructions typically depend on at least a significant contribution from the film cooling techniques, in order to protect the blade outer fins against propellant gases of high temperature. It is at the present construction taking into account that, in the event of rubbing, the film cooling over the blade tip will be interrupted precisely at the time when maximum heat dissipation capacity is required. Such an elimination of the cooling capacity will largely be avoided, as the cooling takes place in the side channels.

I forbindelse med oppfinnelsen er det videre tatt i betrakt ning at kjøleluftutstrømningen på sugesiden av et rotorblad ned-setter bladets aerodynamiske ytelsesgrad ved å begunstige opp-byggingen av grensesjiktluft langs bladets sugeside. I den grad det er mulig er slik utstrømning unngått i den foreliggende konstruksjon grunnet den effektive kombinasjon av tverrkanalene 34 til bladets trykkside og kanalene 40 og 44 som forløper i spennretningen og utmunner i bladtuppen. Bare en begrenset utstrøm-ning finner sted på sugesiden ved bladets forkant. In connection with the invention, it is further taken into account that the outflow of cooling air on the suction side of a rotor blade reduces the blade's aerodynamic performance by favoring the build-up of boundary layer air along the blade's suction side. As far as possible, such outflow is avoided in the present construction due to the effective combination of the transverse channels 34 to the pressure side of the blade and the channels 40 and 44 which extend in the span direction and open at the blade tip. Only a limited outflow takes place on the suction side at the leading edge of the blade.

Tupphetteutførelsesformene ifølge oppfinnelsen er vist i tilknytning til et blad som er fremstilt ved radiallamellteknikk. Oppfinnelsens prinsipper er i høy grad forenelige med materialsystemer og fremstillingsteknikker som anvendes ved radiallamell-konstruksjoner, og antas følgelig å finne størst anvendelse på dette område. Kjente, systemer innenfor radiallamellbladområdet er beskrevet i US-patentskrifter 3.872.563 og 4.203.706. The tip cap embodiments according to the invention are shown in connection with a blade produced by radial lamella technique. The principles of the invention are to a high degree compatible with material systems and production techniques used in radial lamella constructions, and are therefore assumed to find the greatest application in this area. Known systems within the radial blade area are described in US Patents 3,872,563 and 4,203,706.

Oppfinnelsen kan modifiseres innenfor rammen av de etter-følgende krav. The invention can be modified within the framework of the following claims.

Claims

1. Rotor blade of the type that comprises at least one tension-oriented chamber, running between the blade root and the blade tip, for distribution of cooling air, characterized by a hood (24) which is placed over the tip end of the chamber (20,22) and formed by a number of lamellae ( 30,32) which extend in the chord direction and are stacked in the span direction, where the outermost lamella (30) in the row of lamellas is made of an abrasive material and where at least two of the lamellas include a number of transverse cooling channels which are formed between the lamellas, for conduction of the cooling air flow from the tension-directed chamber to the pressure side of the blade.

2. Rotor blade in accordance with claim 1, characterized in that between the lamellae (30,32) at least one further cooling channel is arranged which runs sideways and with such an arrangement that it can divert cooling air from the tension-directed chamber to the suction side of the blade.

3. Rotor blade in accordance with claim 1 or 2, characterized in that at least one of the transverse cooling channels (34) is arranged at the leading edge of the blade and designed with approximately the same contour as the leading edge contour along the pressure side of the blade.

4. Rotor blade in accordance with one of claims 1-3, characterized in that at least one of the transverse Icjøle channels (34) is arranged at the leading edge of the blade and designed with approximately the same contour as the leading edge contour along the suction side of the blade.

5. Rotor blade in accordance with one of the requirements 1-4, k a r a k - 0 characterized in that the slats (30,32) include further channels which extend largely in the span direction across the cap (24) and start from one of the span-directed chambers (20,22).

6. Rotor blade in accordance with one of claims 1-5, characterized in that it includes a channel (42) in the slats (30,32), which extends in chord direction from the chamber (20,22) towards the rear edge of the blade tip (18), and further cooling channels (44) which extend largely in the span direction from the aforementioned channel (42), so that cooling air from the chamber can be diverted through the channel (42) in the span direction from the rear edge of the blade tip.

7. Rotor blade in accordance with claim 5 or 6, characterized in that the channel (42) tapers with a tapering cross-sectional surface towards the trailing edge of the blade.