SE453847B - Kylbar aerofoil - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 453 847 Kylning av turbinaerofoiler med användning av invecklade kylkanaler och filmkylningshâl enbart eller i förening med avbrytningslister ("trip strips") för att främja kylning av framkantsregionen är föremål för många av de senaste patenten såsom: US-patentet 4 177 010 (filmkyiningshâl), US-patentet l; 180 37-3 (filrnkylníngshål och avbrytningslister), US-patentet ll- 221: Oll (filmkylningshåll och US-patentet ll- 278 400 (filmkylningshâl och avbrytningslister). Dessa blad utmärks av stora kylluftskanaler i förhållande till väggtjockleken i bladets framkantsregion. _ Nyligen utförda aerodynamiska studier antyder att en elliptisk framkant har fördelar i uppträdandet under drift av gasturbinmotorn. Den elliptiska framkanten används i förening med en aerofoil som har en tunnare tvärsektions- form (tjocklek till kordlängd) jämfört med tidigare aerofoiler. Trots profilens tunnhet krävs en minimitjocklek hos väggarna för att ge konstruktionsstöd åt aerofoilen och för att möjliggöra att aerofoilen tål en viss mängd statistiskt förväntad skada av främmande föremål. Resultatet har blivit tillkomsten av en ny aerofoil med en elliptisk framkant av aerodynamiska skäl och med tjockare väggar relativt kylluftskanalernas storlek jämfört med förhållandet mellan väggarna och kanalstorleken i tidigare aerofoilen Med hänsyn till bränsleverk- ningsgraden är det dessutom i vissa steg av turbinen inte önskvärt att använda filmkylning för aerofoilens framkantsregion.

Följaktligen strävar vetenskapsmän och ingenjörer efter att utveckla kylbara aerofoiler för användning i högtemperatursturbiner som effektivt utnytt- jar kylluft, som ändamålsenligt kyler framkantsregionen hos aerofoiler med smala kanaler jämfört med tjockleken av aerofoilväggarna och som ändå undviker utsläpp av kylluft genom filmkylning från aerofoilens framkantsregion.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar en kylbar aerofoil med en kanal för kylfluid intill en vägg i framkantsregionen ett flertal avbrytningsllster, som sträcker sig tvärs kanalen och SOM är Sfled-Ställda m°f det anströmmande flödet och snedställda med avseende på väggen i framkantsregion- en.

I en detaljerad utföringsform står kanalen i framkantsregionen i flödes- kommunikation med bakkantsregionen genom en svängkanal och ett hål som förbinder svängkanalen med bakkantsregionen för utmatning av partikelformigt material från den första kanalen och för att åstadkomma ytterligare kylning i framkantsregionen, svängkanalen och bakkantsregionen.

Ett primärt särdrag med föreliggande uppfinning är en aerofoil med en kylkanal i aerofoilens framkantsregion. En vägg i framkantsregionenavgränsar kanalen. Ett flertal avbrytningslister är vinklade med avseende på väggen och 1: 10 15 20 25 30 35 453 847- snedställda mot det ankommande flödet. I en utföringsform är höjden av avbrytningsllsterna större än 1096 men mindre än 3396 av kanalhöjden. Avbryt- ningslisterna sträcker sig till i närheten av aerofoilens framkant. l en utföringsform har aerofoilens framkantsregion en elliptiskt formad ytteryta och en cylindriskt formad inneryta med en radie ri. Flertalet av avbrytningslister som är vinklade mot det ankommande flödet har en höjd som är större än eller lika med radien ri.

En viktig fördel med föreliggande uppfinning är den driftslängd för aerofoilen som blir följden av väggtjockleken i framkantsregionen som skyddar aerofoilen från skada av främmande föremål och kylningen av de förtjockade väggarna som förhindrar omåttlig värmespänning i väggarna. l en utföringsform ökas aerofoilens livslängd genom att man avlägsnar partikelformigt material från aerofoiiens spetsregion genom en ledning som leder kylluft genom regioner med lågt flöde hos aerofoilen. En annan fördel är denökning i verkningsgrad för rotationsmaskinen som resulterar av att man kanaliserar en del av kylflödet för att öka flödets kylningseffektivitet.

Andra särdrag och fördelar framgår av beskrivningen och patentkraven och av de bifogade ritningarna som illustrerar en utföringsform av uppfinningen. l ritningarna är: Fig. 1 en vy av ett rotorblad delvis i sektion och delvis bortbrutet för att visa rotorbladets sugsidovägg; Fig. 2 en tvärsektionsvy tagen längs linjerna 2-2 i Fig. l; och Fig. 3 en partiell perspektivvy längs linjerna 3-3 i Fig. 2 och illustrerar schematiskt en del av strömningen i rotorbladets framkantsregion.

Fig. l visar ett rotorblad 10 för en rotationsmaskin. Rotorbladet har en rotsektion 12, en plattformssektion 14 och en aerofoilsektion 16. Rotsektionen är avpassad att gripa i rotorn i en rotationsmaskin. Plattformssektionen är avpassad att bilda en del av innerväggen för drivmediegasernas strömningsbana i en rotationsmaskin. Aerofoilsektionen är avpassad att sträcka sig utåt tvärs drivmediegasernas strömningsbana och har en spets 18 vid sin yttersta ände.

Rotorbladet har referensriktningar, såsom den spannvisa riktningen S och den kordvisa riktningen C.

Rotsektionen 12 har en kordvis löpande rotvägg 20. En första ledning 22 står i fluidkommunikation genom rotväggen med en kylluftskälla såsom en kompressor (ej visad). En andra ledning 24 sträcker sig genom rotväggen. En platta 25 sträcker sig tvärs över den andra ledningen och blockerar fluid- kommunikationen med en kylluftskälla (ej visad). I en alternativ utföringsform står den andra ledningen i fluidkommunikation med kylluftskällan. 10 15 20 25 30 35 455 847 Aerofoilsektionen l6 har en framkant 26 och en bakkant 28. En sugsido- vägg 30_och en trycksidovägg 32 (delvis bortbruten i Fig. l av tydlighetsskäl och visad i Fig. 2) är förbundna vid framkanten och bakkanten. Trycksidoväggen är anordnad på avstånd från sugsidoväggen så att en hålighet 34 bildas däremellan.

En spetsvägg 36 och rotväggen 20 avgränsar hâligheten i den spannvisa riktningen. En första baffel eller mellanvägg 38 sträcker sig i spannvis riktning från spetsväggen för att uppdela håligheten i ett bakre parti 40 och ett främre parti 42. Den första mellanväggen är anordnad på avstånd från rotväggen, vilket lämnar en första svängkanal 44 däremellan som placerar rotorbladets bakparti i fluidkommunikation med frampartiet och med den andra ledningen 24 som sträcker sig genom bladets rotsektion. Bladets bakre parti innefattar en bakkantsregion 46. Bakkantsregionen står i fluidkommunikation med drivmedie- strömningsbanan genom ett flertal med' mellanrum åtskilda plintar 48. Varje plint sträcker sig mellan sugsidoväggen och trycksidoväggen för att lokalt blockera flödet och tillsammans med den första mellanväggen avgränsa en sig spannvis sträckande kanal 50 för kylluft. Ett flertal avbrytningslister 52 är anordnade vinkelrätt mot det ankommande flödet och stör bildningen av ett laminärt gränsskikt genom att orsaka turbulent strömning i gränsskiktet när flödet passerar över avbrytningslisterna.

En andra baffel eller mellanvägg 53 sträcker sig i spannvis riktning från rotväggen 20 för att uppdela bladets främre parti 42 i en första kanal 54 och en andra kanal 56. Den första kanalen är anordnad intill en tredje vägg 58 i bladets framkantsregion. Den första kanalen har en uppströmsände 60 i fluidkommunika- tion med den första ledningen 22 och en nedströmsände 62 i fluidkommunikation med den andra ledningen via en svängkanal 64. Ett första flertal avbrytningslister 66s sträcker sig tvärs över kanalen och sträcker sig från sugsidoväggen. Ett andra flertal avbrytningslister 66p sträcker sig från trycksidoväggen. Avbryt- ningslisterna 66p är anordnade alternerande med avseende på avbrytningslisterna 66s, så att avbrytningslisterna 66s, 66p alternerande sträcker sig tvärs den första kanalen. Avbrytningslisterna är snedställda mot det ankommande flödet och vinkelställda med en spetsig vinkel a med avseende på den tredje väggen 58. Den spetsiga vinkeln a är ungefär 30°. Den första kanalen har en axel Ap, Kylluftsflödets totalriktning är parallell med axeln Ap. Ett flertal svängskovlar 68 är anordnade i den svängkanal 64 som bildas mellan spetsväggen 36 och den andra mellanväggen som är anordnad på avstånd från spetsväggen. Svängskovlar- na sträcker sig mellan sugsidoväggen och trycksidoväggen och leder flödet från den första kanalen in i den andra kanalen. Den andra kanalen har ett flertal . avbrytningslister 69 vinkelräta mot kylluftens flödesbana. f» .3 v. 10 15 20 25 30 35 453 847 Sväflgkflnfllen 614 har en hörnregíon 70. i en alternativ utföringsform av rotorbladet är det försett med ett hål 72 i spetsregionen för att avleda en del av flödet från svängkanalen 64 till bladets bakkantsregion 46. Hålet 72 ökar kylluftsflödet genom hörnregionen, vilket ger ytterligare kylning åt hörnregionen.

Hålarean i mellanväggen är mindre än två procent (296) av flödesarean för den första kanalen och mindre än två procent (296) av flödesarean för den andra kanalen. Hålet utgör även en ledning' för att föra partikelformígt material, som införts av kylluften och uppfångats i hörnregíonen genom rotationskrafter, från aerofoilens spetsregion till bladets bakre parti för utmatning från bladet.

Fig. 2 är en tvärsektionsvy av ett parti av det i Fig. l visade rotorbladet tagen längs linjerna 2-2 i Fig. l. Rotorbladet har en elliptiskt formad ytteryta 74 och en cylindriskt formad inneryta 76 med en radie ri. Kanalen vid det kordvisa snittet tagen längs linjerna 2-2 i Fig. l har en medellinje M, en bredd W mätt längs medellinjen och en höjd H vid någon godtycklig punkt längs en linje som är vinkelrät mot medellinjen. Avbrytningslisten har en motsvarande höjd h som är mer än tio procent (1096) men mindre än trettiotre procent (3396) av kanalens höjd. Varje avbrytníngslist sträcker sig tvärs över kanalens bredd fram till i närheten av aerofoilens framkantsregion. Aerofoilen har ett övergångsstycke 78, som sträcker sig från trycksidoväggen och sugsidoväggen till varje avbrytnings- list. Övergångsstycket är bildat i ett stycke med avbrytningslisten för att reducera spänningskoncentrationer vid änden av avbrytningslisten. Avbrytnings- listen är anordnad på avstånd från väggen 58 i framkantsregionen med ett avstånd d. Avståndet d har ett värde som är större än eller lika med höjden h av avbrytningslisten men är mindre än eller lika med fem gånger höjden av avbrytningslisten (hšdšfih). Som visas i Fig. I och 2 är avbrytningslisterna 66p, som är anordnade på trycksidoväggen, var och en parallell med och anordnad med spannvis mellanrum till en angränsande avbrytningslist på sugsidoväggen.

Vid drift av rotorbladet strömmar kylluft genom rotsektionen via den första ledningen 22. Kylluft som lämnar den första ledningen går in i uppströms- änden 60 av den första kanalen 54 intill bladets framkantsregion 26. Luften bringas att strömma över avbrytningslisterna, och huvuddelen av luften fortsät- ter parallellt med axeln för den första kanalen såsom visas med den med Ap i Fig. l markerade linjen.

Fig. 3 är en schematisk illustration av växelverkan mellan två ström- ningslinjer S1 och S2 för kylluften, när kylluften passerar över två avbrytnings- lister 665 på aerofoilens sugsida. Dessa båda strömningslinjer går intill aerofoilens sugsida, och när de passerar över avbrytningslisterna, avleds en del av flödet längs strömningslinjen mot framkantsregionen såsom visas med de 10 15 20 25 30 35 453 '847 streckade linjerna S12 S1", S2' och S2". När strömningslinjerna passerar över avbrytningslisterna bildas dessutom små virvlar på uppströmssidan av avbryt- ningslisterna, och på grund av avbrytningslisternas vinklade natur avlöses de med en hastighetskomponent som sträcker sig i kordvis riktning och får de små virvlarna att förflytta sig mot framkantsregionen och in i framkantsregionen som visas av virvlarna V1' och V1", vilket orsakar turbulens i framkantsregionen och stör bildningen av ett laminärt gränsskikt i framkantsregionen. Andra virvlar (V22 V2") för sig i denna allmänna riktning och stör bildningen av det laminära gränsskiktet mellan huvudströmflödet och väggen genom att orsaka turbulent strömning i gränsskiktet. Denna verkan ökar värmeöverföringen mellan sugsido- väggen och kylluftsflödet. Experiment på vattenmodeller av bladet bekräftar (genom 'injektion av ett färgämne vid punkt A i Pig. 1) att avbrytningslisterna får delen av flödet intill avbrytningslisterna att röra sig in i gränsskiktets framkantsregion såsom visas med den streckade linjen A'. Denna strömnings- avledning är särskilt värdefull, när flödet går in i bladets mittkordregion MCR och orsakar turbulens och ytterligare kylning i det mycket smala framkant:- partiet av den första kanalen. Bladets mittkordregion MCR är en kritisk värmeöverföringsarea på grund av väggarnas tjocklek och den värmemängd som överförs till regionen av drivmediegaserna. Den kritiska mittkordregionen (MCR) kyls effektivt med det ökade turbulenta flöde som framkallas av de vinklade avbrytningslisterna. När flödet lämnar den första kanalen och rör sig genom svängskovlarna, blockeras flödet delvis från partier av aerofoilen genom svängskovlarna. Pâ grund av spetsregionens tunnhet straffar sig inte blocke- ringen av flödet genom någon åtföljande kraftig värmespänning som skulle vara förknippad med blockering av sådant flöde i bladets mittkordregion MCR.

Kylluften bringas att strömma genom svängen och strömmar via den andra kanalen 56 genom den första svängkanalen 40 till kanalen 50 i bladets bakre parti. l den alternativa utföringsformen, där den andra ledningen 24 och svängkanalen lill står i fluidförbindelse med en kylluftskälla, verkar den andra ledningen och svängkanalen som en injektor vid förbindelsepunkten mellan svängkanalen och ledningen vilket drar kylluftsflödet genom framkantsregionen till bakkantsregionen, där det används för ytterligare kylning innan det släpps ut från bladet.

En klar och speciell fördel med denna uppfinning är den ökade turbulensen i frarnkantsregionen, som leder till ökad kylning i bladets kritiska mittkordregion. Även om avbrytningslister med en vinkel på 30° används, antas det att avbrytningslister med en vinkel som ligger mellan 15 och 600 skall visa f) li fr; 453 847 sig effektiva beroende på strömningshastigheten i kanalen och pâ höjden av avbrytningslisterna. I den speciella utíöringsform som visas har avbrytningslister- na 66s och 66p en nominell höjd på 0,389 mm med en tolerans på plus eller minus 0,0762 mm. Även om denna uppfinning visats och beskrivits med avseende på en íöredragen utföringsform, är det självklart för fackmannen på omrâdet att olika förändringar vad gäller dess utformning och detaljer kan göras utan att man avviker från den patentsökta uppfinningens grundtanke och omfattning.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 453 847 8 PATENTKRAV

1. Kylbar aerofoil med en framkantsregion (26), en vägg (58) i fram- kantsregionen, en kanal (54) för kylfluid avgränsad av väggen (58) i framkants- regionen, och ett flertal turbulensfrämjande avbrytningslister (66s, 66p), som var och en sträcker sig tvärs över bredden av kanalen (54) till i närheten av framkantsregionen och som var och en bildar en spetsig vinkel med väggen (58), k ä n n e t e c k n a d av att varje avbrytningslist (66s, 66p) är snedställd mot det ankommande kylfluidflödet i kanalen (54) från sin ände närmast framkants- regionen och att varje avbrytningslist (66s, 66p) i varje punkt har en höjd (H) som är mer än tio procent men mindre än trettiotre procent av höjden (H) för kanalen i denna punkt.

2. Kylbar aerofoil enligt patentkravet l, k ä n n e t e c k n a d av att väggen (58) är en första vägg och aerofoilen (16) vidare har en baffel med en andra vägg (53), som är anordnad på avstånd från den första väggen (58) och sträcker sig i samma riktning som den första väggen (58), och att avbrytningslisterna (66s, 66p) sträcker sig från den andra väggen (53) mot den första väggen (58) och är anordnade med mellanrum till den första väggen (58) med ett avstånd d, varvid avståndet d har ett värde som är lika med eller större än höjden (h) för avbrytningslisten (66s, 66p) men mindre än eller lika med fem gånger höjden för avbrytningslisterna (66s, 66p) (hád á 5h).

3. Kylbar aerofoil enligt patentkravet I, k ä n n e t e c k n a d av att väggen (58) i framkantsregionen har en eliiptiskt formad ytteryta (714) och en cylindriskt formad inneryta (76) med en radie ri och att avbrytningslisternas (66s, 66p) höjd (h) är större än radien ri.

4. Kylbar aerofoil enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d av att aerofoilen (16) har en sugsidovägg (30) och en trycksidovägg (32) och flertalet avbrytningslister (66s, 66p) är ett första flertal av avbrytningslister (66s) anordnade på sugsidoväggen (30) och ett andra flertal avbrytningslister (66p) anordnade på trycksidoväggen (32), varvid var och en i det andra flertalet av' avbrytningslister (6613) är anordnad med spannvis mellanrum till och parallell med en angränsande avbrytningslist (66s) på sugsidoväggen (30), så att avbrytningslisterna (66s, 66p) är anordnade längs kanalen (54) i alterne- rande följd mellan trycksidoväggen (32) och sugsidoväggen (30).

5. Kylbar aerofoil enligt något av patentkraven l till 4, k ä n n e t e c k n a d av att den spetsiga vinkeln (o) är lika med trettio (30) q, 10 15 20 25 453 847 grader.

6. Kylbar aerofoil enligt patentkravet 4, k ä n n e t e c k n a d av att en aerofoilhâlighet (34) är utformad mellan sugsidoväggen (30) och trycksidoväggen (32), och en ytterligare baffel med en tredje vägg (38) anordnad med mellanrum till den andra väggen (53) sträcker sig i spannvis riktning från en spetsvägg (36) och delar upp hâligheten (34) i ett främre parti (42) och ett bakre parti (40), att den andra väggen (53) sträcker sig från en rotvägg (20) och är anordnad på avstånd från spetsväggen (36) för att avgränsa en första svängkanal (64) däremellan, att den tredje väggen (38) är anordnad på avstånd från rotväggen (20) och lämnar en andra svängkanal (44) däremellan, varvid det avgränsas en andra kanal (56) med ett flertal avbrytningslister (69) vinkelräta mot flödesriktningen mellan den andra väggen (53) och den tredje väggen (38), varvid den första svängkanalen (64) har ett flertal svängskovlar (68) och sträcker sig mellan framkantskanaien (54) och den andra kanalen (56), och varvid den andra svängkanalen (44) sträcker sig mellan den andra kanalen (56) och hålighetens (34) bakre parti (40), att en första kylfluidtillförselledning (22) är anordnad i rotväggen (20) och kommunicerar med den första kanalen (54), och att hålighetens (34) bakre parti (40) har ett flertal plintar (48), som sträcker sig mellan sugsidoväggen (30) och trycksidoväggen (32) med utrymmen däremellan för att sörja för utströmning av kylfluid, varvid flertalet av plintar (48) är anordnade på avstånd från den tredje väggen (38) för att avgränsa en tredje kanal (50) för kylfluid i halighetens (34) bakre parti, varvid den tredje kanalen (50) har ett flertal avbrytningslister (52) vinkelräta mot flödesriktningen däri.

7. Kylbar aerofoil enligt patentkravet 6, k ä n n e t e c k n a d av att den andra svängkanalen (44) står i fluidkommuni- kation med en andra kylfluidtillförselledning (29) i rotväggen (20).

8. Kylbar aerofoil enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a d av att en platta (25) sträcker sig tvärs över den andra kanalen (24) för att hindra kylfluidflöde därigenom.