SE444028B - Plattformsfri flektskovel - Google Patents

Description

33 8008320-7 det noteras att skovelns masscentrurn är beläget över ett omrâde med jämförelsevis mindre rottvärsnitt.

Trots de ovan angivna beskrivningarna av krökta och/eller avsmalnande rotsektioner hos turbinskovlarna, har fläktskovlarnas rotpartier förblivit ut- formade med rak geornetri.

Enligt föreliggande uppfinning âstadkommes en nästan likformig kordvis fördelning av lokala pakäruuingsnivâer l rotsektionen hos en plattformslös fläktskovefl genom att rotsektionen smalnar av från skovelfss mdströfnsände till dess uppströmsände kring en bågformig medellinje som nä-mar sig den projicera- de medellinjen för aerofoiltvärsnittet taget längs innerväggen för drivmediets strömningsbana.

Enligt en detaljerad utföringsform av uppfinningen är aerofoiltvär- snittets medellinje en icke-cirkulär båge och rotsektionens medellinje är en cirkelbåge, som sträcker sig likformigt med aerofoiltvärsnittets medellinje vid skovelns framkantsomrâde och är lätt förskjutet från denna till aerofoilens sugsida vid skovelns framkantsområde.

Ett grundläggande särdrag hos föreliggande uppfinning är geomerrin hos skovelns rotsektion. Rotsektionen har en bågformig krökning, som närmar sig lerölmingen hos aerofoilsektiorien vid ckivanedieströrnrirtgsbanauu innervägg.

Vidare smalnar rotsektionen av konvergent från fläktskovelns nedströmsände till dess uppströrnsände för att ge. ökad tvärsnittsarea i områdena med höga centrifugalbelastningar utan ökning av skovelrotsektionens densitet vid upp- strömsänden av den skiva, i vilken rotorskovlarna skall anordnas. l en detaljerad uxfaringsrerm terms fersemienen lem; en eirkeibagsrneaeiianje. ränder hes rotsektionen sträcker sig i sidled fran medellinien till motsvarande cirkelbågar, som bildas av punkter pl lika avstlnd fran den punkt fran vilken medelllnien bildas. Enkeltandsanslutning, som vid en anslutning av laxstjärtstyp, eller flertandsanslutning, som vid en anslutning av 'gran"-typ, kan användas.

En huvudsaklig fördel med föreliggande uppfinning är undvikandet av lokalt höga plkärviingar l örerglngaolvirißt mellan flälrtslmvelm rotaektion och aerofoilsektionen. De maximala påkärlxingmwa, som typiskt uppträder i främre delen av rotsektionens sugsida och i den bakersta delen av rotsektionens trycksida reduceras genom införandet av den bågformade rotgeometrin. Spän- ningskoncentrationsfaktorer längs skovelspamet undviks genom fastsättning av strömningsavpärisande organ direkt pl rotorsklvan istället för integrerat anordnade skovelplattformar. Effektiv anvlsnchlng av en blgformad rotgeometri möjliggörs genom att man later rotselrtlonen smalna av i det främre kantom- "... ' Vinn-inf. r., 8008320-7 3 v rådet. Den maximala membranpålcärlningen, som kan hänföras till oentrifugal dragspänning, vilken typiskt sker vid -ungefär 75% av kordan, reduceras genom vidgning genom att man åstadkommer ytterligare rottvärsektionsarea i det området. Dessutom möjliggör rotgeometrin enligt föreliggande uppfiming utformning av sofistikerade aerofoilkonturer utan att man genererar alltför höga spänningsnivåer, som är inneboende i konventionella rotkonstruktioner.

Det föregående och andra särdrag och fördelar med föreliggande uppfinning framgår bättre vid betraktande av den följande beskrivningen och illustrationerna av det sätt som för närvarande anses bäst att utföra uppfinningen på.

I ritningarna är Fig. l en förenklad illustration av en del av ett fläktaggregat i en turbofläktmotor som innefattar en rotorskovel enligt föreliggande uppfinning, Fig. 2 är en perspektivvy av en fläktskovel av den typ som ingår i en sådan motor, Fig. 3 är en vy underifrån av rotsektionen hos skoveln i Fig. l, som visar den bågformiga krökningen och avsmalnande geometrin hos skoveln, Fig. Il är en vy av sugsidan hos skoveln i Fig. l, Fig. 5 är en vy framifrån, som visar rotsektionen vid framkanten av skoveln i Fig. l, Fig. 6 är en vy ovanifrån av skoveln, som visar projektioner av sektions- vyerna A-A och B-B i* Fig. b på skovelrotpartiet, I Fig. 6A är en plottning av den kordvisa fördelningen av spännings- nivåerna vid sektionen för maximal spänning i rotpartiet av skoveln i Fig. 6, Fig. 7 (teknikens ståndpunkt) är en motsvarande vy till vyn i Fig. 6, som visar teoretiska projektioner av sektionerna A-A och B-B på en rak skovel- rotsektion, och i Fig. 7A (teknikens ståndpunkt) är en plottning av den kordvisa fördelningen av spänningsnivåer vid sektionen med maximal spänning i rotpartiet av den teoretiska skoveln i Fig. 7. criinrlrenirerne enlig: föreliggande uppfinning illuerreree i Fig. i tillämpa- de på ett fläktaggregat 10 hos en gasttrbirunotor av turbofläkttyp. Ett flertal fläktskovlar l2 sträcker sig utåt från en rotorskiva lb. Varje skovel har en aerofoilsektion l6 och en rotsektion 18. Den illustrerade rotsektionen har “laxstjärts"-tvärsnittsgeometri och griper i ett på motsvarande sätt utformat spår 20 i rotorskivan. Varje skovel har' vidare en uppströms eller främre kant 22 vid uppströmsänden 24 hos skivan odi en nedströms eller bakre kant 26 vid l0 8008320-7 skivans nedströmsânde 28. Varje skovel har en sugsida 30 med konvex geometri och en trycksida 32 med konkav geometri. l den visade utföringsformen sträcker sig en mellanliggande skovelplattform 34 mellan sugsidan hos varje skovel och trycksidan hos den angränsande skoveln. Plattformarna mellan skovlarna bildar tillsammans innerväggen för drivmedieströrnningsbanan tvärs fläktskovlarna. Som visas är varje plattform ledat fäst direkt vid rotorskivan. Vid ancka utföringsformer kan rotorskivans periferi bilda innerväggen för drivmediets strömningsbana.

En fläktskovel l2 konstruerad i enlighet med grundtankarna enligt föreliggande uppfinning illustreras i perspektivvyn i Fig. 2 och motsvarande ändvy i Fig. 3. Den avsedda anliggningslinjen L för den angränsande plattformen visas däri och anger den innersta delen av strömningsbanan för drivmediegaserna.

Ett övergångsområde 36 sträcker sig mellan aerofoilsektionen l6 och rotsektion- en l8. Rotsektionen är formad till bågformad geometri och innefattar två på likartat sätt konturerade tänder 38, som sträcker sig i sidled i rotsektionen.

Den bågformade konturen hos rotsektionen kan lätt ses vid ändvyn i Fig. 3. Tänderna 38A och 38BIär formade kring en cirkulär medellinje med en radie RR. Radien är dragen från en punkt PR som liggervid sidan av rotsektionen mellan fram- och bakkanten. Rotsektionen smalnar av konvergent kring medel- linjen RM från bakkanten 26 eller nedströmsänden hos skoveln till skovelns framkant 22 eller uppströrnsände. Den konveira krökningen hos tanden 38A och den konkava krökningen hos tanden 388 är utformade till väsentligen lika stora radier R A resp. RB. Krökningscentrumen P A resp. PB är belägna på en linje, som passerar genom punkten PR och punkten för skärningen mellan rotmedellinjen och rotsektionens nedströms- eller bakkant 26. Punkterna PA och PB ligger på samma avstånd från punkten PR, vilket således ger likformig avsmalning hos rotsektionen längs medellinjen.

Fig. ü är en sidovy av sugsidan av skoveln i Fig. 2, och Fig. 5 är en vy av framkanten eller framsidan av samma skovel. Den maximala membranspänning som kan hänföras till den centrifugala dragspänningen sker i en sådan skovel i närheten av det kordvisa masscentrumet, som typiskt ligger vid ungefär 7596 av kordan i området S. Lokalt högre spänningar vid skovelns yta uppträder till följd av tendensen hos aerofoilsektionen att vridas loss, på den konkava sidan av aerofoilen vid ungefär 25% av kordan i området S, och på den konvexa sidan av aerofoilen vid ungefär 75% av kordan i området S2. Sådana spänningar har maximal effekt genom typiska spänningskoncentratiomfaktorer av storleks- ordningen 2,5 till 3,5 vid avrundningsradierna 40 ovanför tänderna hos laxstjärts- 8008320-7 anslutningen. f: Det är i hög grad betydelsefullt, att fläktskovlarna enligt föreliggande uppfinning inte har integrerat anordnade plattformar för att avgränsa inner- väggen för drivmediets strömningsbana. Sådana plattformar är istället monterade direkt på rotorskivan genom någon lämplig teknik, såsom den gångjärns- odi bult- konstruktion som visas i Fig. l. Genom att avlägsna plattformarna från sugsido- väggarna och trycksidoväggarna hos fläktskovlarna elimineras spänningskon- centration i områden med hög böjpåkänning vid förbindelsen mellan väggarna oda skovelns rotsektion. Anbringandet av spänningslooncentrationsfaktorer av stor- leksordningen 1,2 - 1,1: vid förbindelsen mellan plattformen odi aerofoilsek- tionema gör typiska skovlar enligt teknikens ståndpunkt begränsade i det området. En sådan livstidsbegränsande spänning undviks vid föreliggande kon- struktion. Även om plattformsfria skovlar inte är nya, så innefattar faktiskt begreppet- en del av det här beskrivna uppfinningsföremålet när det används med den nya rotgeometrin. l avsaknad av sådan spänningskoncentration som beskrivits ovan blir de plattformsfria fläktskovlarna enligt föreliggande uppfinning spän- ningsbegränsade vid avrundningsradierna mellan skovelns aerofoil- och rotsek- tioner. Följaktligen är grundtankarna enligt föreliggande uppfinning inriktade på spänningsreduceringarllängs avrundningsradierna mellan skovelns aerofoil- och rotsektioner. l syfte att belysa grundtankarna enligtuppfinningen jämförs den nya fläktskoveln i Fig. 6, som har en lcrölrt, avsmalnande rotsektion, med den mer traditionella fläktskoveln i Fig. 7, som har ett rakt, diagonalt rotparti. Skovlarna datorutformades under konstruktionsvillkor, vid vilka tryckförhållandet tvärs över skovelns rotparti var 1,7 och tryckförhållandet tvärs över skovelspetsen var 1,9. Spetshastigheten vid konstruktionsvillkoret sattes till 512 mls 0,680 fot/s).

Geometriskt hade varje skovel en rotkorda på l2,32 cm 01,85 turn) och ett spann på MJ cm (l7,5 tum) med ett sidoförhållande (genomsnittlig aerofoil- spannlängd dividerad med genomsnittlig aerofoilrotlängd) på 3,6. Varje skovel ansågs ha tillverkats av titanlegering med hög hållfasthet. Materialegenskaperna hos titanlegering AMS #928 användes. Grundtankarna enligt föreliggande uppfin- ning kan i lika hög grad tillämpas på andra materialsystem med både metallisk och icke-metallisk sammansättning. Uppfinningstanlcarna kan vara särskilt ammiva vid fiber-ramarna kommunism: med ha; modul och ha; hummer. lllustrationerna i Fig. 6 od: Fig. 7 (teknikens ståndpunkt) motsvarar vyn ovanifrån av skoveln i Fig. 4 i 'med snitten A-A oda B-B projicerade på rotgeometrin. Snittet A-A är taget genom skoveln vid innerväggen av driv- 8008320-7 6 mediets strömningsbana, och snittet B-B är taget genom skovelns spetsregion.

Under aerodynamiska belastningar strävar aerofoiisektionen att vridas upp i riktning moturs, såsom visas i Fig. 6 och i Fig. 7 (teknikens ståndpunkt). l skoveln enligtföreiiggande uppfinning i Fig. 6 ligger skoveltvärsnittet A-A vid innerväggen av drivmediets strömningsbana och är format kring en ej cirkulär bågmedellinje L A. Medellinjen LR för rotsektionen är en cirkelbäge och har en krökningsradie RR som genererar en medellinje med ungefär samma krökning som den för den icke-cirkulära bâgmedellinjen L A. Vid optimering av konstruktionen har det fastställts, att de lägsta pâkänningarna resulterar i konfigurationer, där framkantsområdet för medellinjen LR är förskjutet till den och där bakkantsomrâdet för medellinjen LR sträcker sig på samma sätt som medellinjen L A. Vidare är, såsom konvexa eller sugsidan av medellinjen L A bättre syns i Fig. 3, vid konstruktion av den avsmalnande geometrin hos rotsektionen, en rät referenslinje X dragen sä att den passerar genom punkten PR och genom skärningen mellan rotmedellinjen LR ochnedströms- eller bakkanten 26. Den konkava tanden 38A och den konvexa tanden 388 sträcker sig till krökningar med på motsvarande sätt likstora radier R A och RB från respektive centra P A och PB som befinner sig -pä linjen X på samma avstånd från punkten PR.

Krökning av rotsektionen till den bägformade geometri som illustreras har fördelen att reducera lokala böjpâkänningar i övergängsomrädet mellan skovelns rot- och aerofoilsektioner. Lokala böjpäkänningar härrör från tendensen hos skoveln att vridas loss under centrifugal- och aerodynamiska belastningar.

Minskning av böjpåkänningen bidrar indirekt till att minska toppäkänningen med resulterande mindre tendens till bildning och utbredning av sprickor. Sprickor som alstras pä ytan till följd av högre päkänningar i det omrâdet tenderar att utbredas mot skovelns centrum med ökande frekvens. När tillräcklig utbredning ägt rum, blir följden brott pä skoveln. Undvikande av sprickbildning och minskad tendens till fortplantning av sprickorna från ytan av metallkoristruktionen uppnås genom minskning av den maximala päkänningen i det området. beräknade ytpälënningar längs avrundningsradierna på de konkava och de konvexa sidorna av skoviarna är avsatta i motsvarande kurvor i Fig. 6A och Fig. 7A (teknikens ståndpunkt) för att visa den kordvisa fördelningen av päkänningsnivåerna. l kurvan för den konventionella skoveln med rakt rotparti enligt Fig. 7A (teknikens ståndpunkt) bör det särskilt noteras att päkännings- nivåerna har sitt toppvärde på den konkava sidan av skoveln vid ungefär 2596 av kordan med 586.000 kPa (81000 psi) och vidare vid ungefär 75% av kordan med 8008320-7 7 014.000 kPa (60.000 psi) på den konvexa sidan av skoveln. Motsvarande värden för den jämförda skoveln med en rotgeometri som konturerats i enlighet med grundtankarna enligt föreliggande uppfinning har beräknats och är avsatta i kurvan i Fig. 6A. Toppspänningarna som jämförelsevis uppträder vid 25% av kordan i skoveln med rak rot och vid 75% av kordan i skoveln med rak rot har reducerats väsentligt. Pâ den konkava sidan av skoveln ligger spänningsnivåerna på en närmare likformig nivå, som toppar vid 5096 av kordan med en storlek på ungefär 310.000 kPa 085.000 psi). Pâ motsvarande sätt har spänningarna på den konvexa sidan av aerofoilen jämförelsevis reducerats till ett nästan enhetligt tnivâvärde på ungefär 241.000 kPa 135.000 psi).

En spänningskoncentrationsfaktor vid dragbelastning på 2,8 och en spänningskoncentrationsfaktor vid böjning på 1,6 tillämpades på värdena i Fig. 7A (teknikens ståndpunkt) för att ge en total koncentrerad spänning på l220.000 kPa (l77.000 psi). Applicering av samma spänningskoncentrationsfaktorer på värdena i Fig. 6A gav en maximal koncentrerad spänning på 813.000 kPa (1 18.000 psi).

Storleken av den spänningsminskning som här erhålls är stor, men den uttrycks ännu mer signifikant som lågcyklig utmattningshållfasthet. Det är exempelvis känt att en 10 %-ig minskning av spänningen resulterar i en ungefär 100 'Xi-lg förbättring av den lâgcykliga utmattningshàllfastheten. Även om uppfinningen visats och beskrivits med avseende på detaljerade utföringsformer av densamma, kan givetvis olika förändringar och utelämnande vad gäller form och detaljer göras i densamma utan att man avviker från uppfinningens grundtanke och omfattning.

Claims (3)

1. 0 15 20 25 30 8008320-7 8 PATENTKRAV l. Plattformstri fläktskovel -av den typ som är anordnad tvärs den ringformiga strömningsbartan för drivmediegaser i íläktsektionen hos en turbo- íläktmotor, innefattande en aerofoilsektion (16) med bågformad tvärsnittskonttir vid innerväggen av drivmediets strömningsbana, och en rotsektion (18) med bågíormad kontur mellan en uppströrnsände (22) och en nedströmsânde (26), k ä n n e t e c k n a d av att krökningen hos medellinjen (LR) för rotsektionens (18) bågformiga kontur närmar sig lrrölaiingen hos medellinien (LA) för den bågíormade konturen av aerofoiltvärsnittet vid innerväggen av drivmedieströrn- ningsbanan projicerat på rotsektionen (18), och att rotsektionen (18) är konvergent avs-nalnande från skovelns nedströmsände mot dess uppströrnsände.

2. Plattformsfri fläktskovel enligt patentkravet l, där fläktskoveln har en sugsida och en trycksida, k ä n n e t e c k n a d av att det projicerade aeroíoiltvärsnittet har en icke-cirkelbågformad medellinje (L A) och rotsektionen (18) har en cirkelbåg- formad medellinje (LR , och att den icke-cirkelbågformade medellinjen (L A) för det projicerade aerofoiltvärsnittet är tär-skjuten mot skovelns (12) sugsida (30) från den cirkelbågformade medellinjen (LR) vid uppströrnsänden (22) av skoveln (12) och sträd (LR) vid skovelns (12) nedströmsände (26).

3. Plattformsfri fläktskovel enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att den cirkelbågformade medellinien (LR) har en radie (RR), som utgår från en punkt (PR) vid sidan av skoveln (12) mellan skovelns (12) uppströmsände (22) och nedströmsände (26). b. Platttormsiri fläktskovel enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar minst en bågtormad tand (388) vid skovelns (12) sugsida (30) och minst en bågforrnad tand (38A) vid skovelns (12) trycksida (32), varvid tänderna (38A, 388) sträcker sig med ungefärligen lika stora radier (R A resp. RB) från punkter (P ¿ resp. PB), som ligger på en linje (X) på lika stora avstånd från pmkten (PR), varvid linjen (X) sträcker sig genom punkten (PR) och skârningen mellan rotmedellinjen (LR) och skovelns (12) nedströrnskant (26)- _ J « ~ f» f ßßnßi- _' _ . i g ;-_-_»_¿~_l _«_;-_-_,, -_ .dass-eg 1 nr