SE467316B - Turbinmotorenhet med baktill monterade utloppsstyrskolvar - Google Patents

Description

467 316 Ett konve::*onellt sätt att eliminera eller rikta denna virvel har varit att montera en rad antivirvel- eller tt- loppsstyrskovlar direkt bakom lågtrycksturbinrotorn och framför eller i samma plan som befintliga konstruktiva bärsträvor och kåpor. En annan känd lösning kombinerar de konstruktiva bärsträvorna och utloppsstyrskovlarna till ett begränsat antal relativt långa vingformade element.

Förutom elininering av virvelbildning i de gaser som avgår från lågtrycksturbinen är det även önskvärt att tätt sar- mankoppla lagerstöden på turbinens högtrycks- och lågtrycks- sida samt tillhörande konstruktiva ramelement för att :ini- mera motorns storlek och vikt samt för att öka lågtrycks- rotorns styvhet. Genom att tätt uppbära eller sammankoppla turbinlagren på motorns högtrycks- och lågtryckssida ka: det axiella avståndet mellan dessa lager reduceras och storleks- och viktreduktioner erhållas. Det är vidare önskvärt att minimera det axiella avståndet mellan låg- trycksturbinrotorn och det bakre stativet eller ramen som uppbär det bakre lagret av samma anledning, dvs för att uppnå minskad motorvolym och reducerad vikt samt för at: öka rotorns styvhet.

Tidigare kända enstegsturbiner har använt ett mönster av utloppsstyrskovlar placerade uppströms eller framför de: bakre lagrets bärram eller har kombinerat eller integrerat utloppsstyrskovlarna i det bakre lagrets bärram. Varje sådant förslag uppvisar egna nackdelar. Genom att montera utloppsstyrskovlarna framför det bakre lagrets bärram måste rotorsystemets axiella längd ökas, eftersom det bakre lag- »B/ rets bärram måste placeras ytterligare längre bakåt för att uppta den extra axiella utsträckningen av utloppsstyrsksv- larna. Kombination av utloppsstyrskovlarna och det bakre “ lagrats bärram kräver närvaro av flera långa radiellt fär- löpande utlcppsstyrskovlar vilka är svåra att kyla. Denza lösning kräver vidare bredare eller tjockare utloppsstyr- skovlar för att åstadkomma tillräcklig strukturell styrka, 467 516 b) vilket resulterar i större aerodynamiska vridnings- och bromstryckförluster.

För att öka en turbinmotors alstrade dragkraft kan en för- stärkare eller efterbrännare anordnas nedströms om låg- trycksturbinen, typiskt i motorns avgaskanal. Extra bränsle kan injiceras i avgaskanalen och antändas för att åstad- komma en extra gasström av hög energi som kan blandas med förbiluft från fläkten och därpå avges genom ett avgasnun- styckssystem för att alstra extra dragkraft av hög energi från motorn.

Det är av största betydelse att de gaser av hög hastighet som inströmmar i efterbrännaren tidigare uträtats eller "avvirvlats" av utloppsstyrskovlarna, så att dessa gaser kan spridas effektivt. Jämn och fullständig diffusion av avgaserna är nödvändig för att maximera förbränningen av det syre som finns i gaserna, då de strömmar genom efter- brännaren.

Vissa tidigare kända turbinmotorkonstruktioner har placerat utloppsstyrskovlarna över avgasernas strömningsväg framför mekaniska bärsträvor som utgjorde del av den ram eller det stativ som uppbär lågtrycksturbinens bakre lager. Dessa bärsträvor har därvid icke endast uppburit det bakre lagret och den inre rotoraxeln utan även bildat inre passager för ett radiellt riktat kylluftflöde sant för olja till motorn genom bärsträvorna. Flygplansvingformade skärmar som täcker bärsträvorna har reducerat deras aerodynamiska bromsverkan och bidragit till diffusionsprocessen. Även on utloppets styrskovlar avlägsnade virvelbildningen, så skapade de oaktat detta stor bromsverkan till följd av den strömning med högt machtal som äger rum direkt intill lågtrycksturbi- nens utlopp där utloppsstyrskovlarna var monterade.

Andra kända turbinmotorkonstruktioner har använt välvda vingprofiler för att samtidigt reducera avgasernas virvel- 467 516 bildning och skydda de mekaniska bärsträvorna. Till följd av de stora tvärsnitt som erfordras hos de mekaniska bär- strävorna har dessa avskärmade konstruktioner erfordrat relativt tjocka skärmar av stor axiell längd. Dessa kon- struktioner har därför medfört väsentlig bromsverkan och ofullständig reduktion av virvelbildningen. I själva verket har gällt att ju tjockare bärsträvor och/eller utloppsstyr- skovlar desto större strömningsblockering, tryckförlust och dragkraftförlust.

Kort redogörelse för tonfinnince: Föreliggande uppfinning har utvecklats för att lösa ovan angivna problem och har därför såsom pr;märt ändamål att åstadkomma en utloppsstyrskovelenhet so: är monterad efter de mekaniska bärsträvorna till turbinens bakre lagerstativ.

Denna lösning gör att utloppsstyrskovlarna kan placeras ytterligare nedströms om lågtrycksturbinens utlopp än vid kända konstruktioner, varvid man kan utnyttja det lägre machtalområdet vid denna punkt för att minska den aerodyna- miska bromsverkan som uppkommer vid försök att eliminera virvelbildningen.

Ett annat ändamål är att inkorporera en utloppsstyrskovel- enhet i diffusorkonstruktionen för at uppnå likformig och fullständig diffusion i utloppsströmningsbanan. Detta är särskilt önskvärt vid konstruktioner so: inkorporerar för- stärkare och efterbrännare.

Ytterligare ett annat ändamål är att åstadkomma utlopps- styrskovlar som verkar såsom axiella förlängningar av bär- strävorna och därvid medger konstruktion av en relativt sett tunnare vingprofil, dvs en vingprofil som har mindre tjocklek relativt kordlängdförhållande :ed i motsvarande grad reducerad aerodynamisk blockering.

Ytterligare ett annat ändamål är att åstadkomma en utlopps- styrskovelenhet som medger användning av tunnare och kortare V: 467 516 av kåpor omgivna strävor med icke-välvt symmetriskt tvär- snitt i linje med avgasströmmen för att minska aerodyna- misk belastning och reducera aerodynamisk bromsverkan.

Ett annat ändamål är att åstadkomma en utloppsstyrskovel- enhet som medger en tätt sammankopplad lågtrycksturbin- rotor. Detta resulterar i minskad rotorvikt och ökad rotorstyvhet samt förbättrade vibrationsegenskaper vid rotation och förbättrad dynamik.

Ett annat ändamål är att åstadkomma en utloppsstyrskovel- enhet, där utloppsstyrskovlarna är borttagbart monterade i tandemarrangemang separerade från bärsträvorna, så att utloppsstyrskovlarna endast behöver ha tillräcklig styrka för att uppta den aerodynamiska påkänning som uppstår vid den minskade virvelbildningen. Detta kännetecken medger användning av utloppsstvrskovlar av keramiskt material eller icke-metalliskt kompositmaterial, samt billigare och/eller lägre hållfasthet uppvisande metaller.

Sammanfattningsvis avser föreliggande uppfinning generellt en gasturbinmotorkonstruktion med medel till högt förbi- ledningsförhâllande som inkorporerar tunna kåpförsedda bär- strävor som lutar relativt motorns centrumlinje och för- löper i linje med avloppsströmmen som avgår från lågtrycks- turbinen. Tunna välvda utloppsstyrskovlar är monterade bakom eller nedströms om bärsträvorna och kåporna för att undanröja virvelbildning och reducera aerodynamisk blocke- ring under samtidig dimensionering av strävsektionen för likformig diffusion. Eftersom utloppsstyrskovlarna icke tjänar såsom förstyvande ram- eller stativelement kan de tillverkas av icke-metalliska material såsom keramiska mate- rial för att kunna utstå hög temperatur.

Ovannämnda ändamål med, kännetecken för och fördelar hos uppfinningen kommer att delvis anges och delvis lätt inses genom följande mer detaljerade beskrivning av uppfinningen 467 316 tillsammans med ritningarna vilka utgör en integrerad del därav.

Kortfattad redogörelse för ritnincarna Pig. 1 är ett förenklat, schematiskt sidosnitt genom en gasturbinmotor utvisande den allmänna konfigurationen av gasturbinmotorn och placeringen av motorstativet och efter- brännaren.

Pig. 2 är ett snitt genom en del av bärsträvorna och ut- loppets styrskovelenhet enligt uppfinningen.

Pig. 2(a) är en vy framifrån av en del av anslutningen mellan den yttre stödringen och den yttre ramdelen utmeâ linjen A-A i fig. 2.

Pig. 3 är ett snitt av kåp- och strävenheten utmed linjen B-B i fig. 2.

Pig. 4 är ett schematiskt, projicerat tvärsnitt av en ut- föringsform av utloppsstyrskovelenheten utvisande place- ringen av de yttre styrskovlarna bakom kåporna och bär- strävorna.

Pig. 5 är en perspektivvy framifrån av ett segment av kåp- och strävenheten.

Pig. 6 är en vy bakifrån av enheten enligt fig. 5.

Pig. 7 är en perspektivvy framifrån av ett segment till utloppsstyrskovelenheten.

Pig. 8 är en vy bakifrån av enheten enligt fig. /.

Pig. 9 och 10 är schematiska uppifrån projicerade profiler av variationer av den relativa uppriktningen i linje av kåporna och utloppsstyrskovlarna. 467 516 Pig. 11 är en sidovy av ett alternativt monteringsarrazge- mang av kåporna och utloppsstyrskovlarna.

Pig. 12 är en schematisk vy uppifrån av fig. 11.

Pig. 13 och 14, slutligen, är perspektivvyer framifrån resp. bakifrån av en föredragen utföringsform av före- liggande uppfinning.

I de olika ritningsfigurerna har lika delar givits samma hänvisningssiffrcr.

Detaljerad beskrivning av föredragna uzförincsforzer En kortfattad beskrivning av huvudkännetecknen för en gas- turbinmotor kommer att bidra till förståelsen av före- liggande uppfinning genom att identifiera läget och arrange- manget av de turbinstativenheter vid vilka utloppsstyrskov- larna är monterade. I fig. 1, till vilken figur först hän- visas, visas en del av en gasturbin- eller turbofläktmotor , delvis i tvärsnitt. Motorn 10 inkluderar ett ytterhölje 12 som omger en ringformad strömningsbana 14 som förlöper axiellt mellan ett inlopp 16 och ett avgasutlopp 18, vilka befinner sig vid motorns 10 motstâende ändar.

Då motorn arbetar suges luft från atmosfären in i inloppet 16 och komprimeras till högre tryck i en kompressor 20, från vilken den komprimerade luften avges till en ringformad brännare 22, där bränsle förbrännes för att alstra för- bränningsprodukter med hög energi. Från brännaren 22 ledes drivfluidet genom en turbin 24 där en del av dess energi- innehåll avges för att driva kompressorn 20, och fluidet avges därpå såsom en högenergiström genom avgasutloppet 18.

Avgaser som lämnar turbinen 24 kan blandas med ytterligare luft (förbiluft) på känt sätt och avges till området för en förstärkare eller efterbrännare 26 som injicerar ytterligare bränsle i avgasströmnen. Denna bränsle- och ltftblandninç 467 316 antändes därpå för att alstra en extra drivkraft som avgår genom avgasutloppet 18.

För att kvarhålla motorns olika komponenter i deras korrekta relativa operationslägen finnes motorstativenheter för att styvt förena de stationära statorkomponenterna samt för att bilda lagerstöd för rotorn. Mer speciellt inkluderar motorn en främre ram- eller stativenhet 28 som uppbär ett främre lager 30 och en turbinram 36 som uppbär ett bakre lager 38.

Rotorn 40 är roterbart monterad i lagren 30 och 38.

Varje ramenhet 28 resp. 36 inkluderar ett antal radiella bärsträvcr 42 och 46 som utskjuter över den ringformade strömningsbanan 14 för att förena stativenheternas inre och yttre ramelement. Eftersom temperaturen hos drivfluidet som strömmar utmed strömningsbanan 14 förändras mycket snabbt då motorn arbetar kan väsentliga termiska påkänningar alstras i de styva stativenheterna om strävorna tillåtes uppvärmas och nedkylas med hastigheter som väsentligt skiljer sig från de inre och yttre ramelementens. Detta gäller särskilt för turbinstativenheten 36, eftersom de avgaser som omger turbinstativenheten utsättes för de snabbaste och största förändringarna vad gäller arbets- temperaturer med tillhörande termiska pâkänningar.

Ovan kortfattat beskrivna gasturbinmotor 10 är typisk för den allmänna konfigurationen hos många idag befintliga gasturbin- och turbofläktmotorer och har beskrivits endast för att placera uppfinningen i dess korrekta sammanhang.

Såsom kommer att framgå för fackmannen är föreliggande upp- finning tillämpbar vid olika typer av gasturbin- och turbo- fläktmotorer och därför är själva motorn 10 snarast avsedd att vara åskådliggörande. Följaktligen visas nedan disku- terad utloppsstyrskovelenhet tillsammans med en modifierad turbinstativenhet analog med turbinstativet 36. Föreliggande uppfinning är emellertid lika tillämpbar vid andra styva enheter som även kan utsättas för ett drivfluidum av hög är 467 516 hastighet som undergår väsentliga och snabba temperaturför- ändringar.

I fig. 2, till vilken nu hänvisas, visas utloppsstyrskovel- enheten 48 enligt föreliggande uppfinning inkludera ett ringformat mönster av utloppsstyrskovlar 50 som är monterade intill kåpans eller inklädnadens 54 bakre kant 52. Såsom dessutom framgår av fig. 3 och 4 är varje kåpa 54 utformad som en tunt sektionerad, symmetrisk, icke välvd vingprofil som omger en tunt sektionerad inre radiell bärsträva 46.

Kåpans 54 centrumlinje 56 och främre kant 58 befinner sig företrädesvis i linje med riktningen för den virvelström som lämnar lågtrycksturbinbladen 59 för att minimera aero- dynamiska bromstryckförluster och strömningsvägblockering.

Föredragen uppriktning av centrumlinjen 56 visas vara om- kring 320 från gasturbinmotorns 10 längdaxel eller centrum- linje 60, även om denna vinkel kan variera från omkring 250 till 350 i beroende av den speciella tillämpningen.

Såsom visas i fig. 5 och 6 är kåporna 54 och bärsträvorna 46 monterade såsom separata segment 62. Vid en typisk ut- formning är åtta segment 62 förenade och monterade i ring- formig konfiguration vid turbinmotorn 10 för att bilda en kåp- och strävenhet 64. Kåp- och strävenheten 64 begränsar den ringformade strömningsbanan 14 mellan en radiellt fläns- försedd inre stödring 66 och en radiellt flänsförsedd yttre stödring 68. Vid den i fig. 2 visade utföringsformen är åtta kåp- och strävsegment 62 med jämna inbördes avstånd förenade för att bilda ett ringformat ekermönster mellan de inre och yttre bär- eller stödringarna 66, 68.

Såsom dessutom framgår av fig. 5 och 6 är strömningsbanan 14 dessutom begränsad mellan en yttre strömningsbane- beklädnad eller -kåpa 65 och en inre sådan beklädnad 69.

Den yttre strömningsbanebeklädnaden 65 är ansluten till varje kåpa 54 via med en radie krökta armbågselement 63 som i sin tur är fästa vid den övre sidodelen till varje 467 516 kåpa 54. övre och nedre strömningsbanebeklädzader kan ut- formas av metallplåt och svetsas eller lödas på plats.

Varje kåpa 54 kan utföras av halva skalelemezt 70 och 72 såsom visas i fig. 3 för att medge montering av kåpor om- kring den inre bärsträvan 46. Hela kåp- och strävenheten 64 kan utföras medelst känd teknik och monteras i motorn på känt sätt med undantag av det relativa axiella tandemarrangemanget av kåp- och strävenheten 64 och ut- loppsstyrskovlarna 50 såsom nedan skall beskrivas. Åter med hänvisning till fig. 2 ka: den inr stödringen 66 fästas vid motorn 10 via innerhölje 74, vilket även tjänar såsom stöd för det bakre lagret 38, under de: att den yttre stödringen 68 kan fästas vid motorns yttre stativ- eller ramelement 76. Såsom bäst synes i fig. 2(a) är den yttre stödringen 68 uppburen av det yttre ramelementet 76 via länkelement 75 som är ledade i klykor eller gafflar 77.

Den underordnade kåp- och strävenheten 64 är företrädesvis uppriktad axiellt över det bakre lagret 38 (fig. 1).

Förbiluft 78 till fläkten, visad i fig. 1 och 2, riktas radiellt inåt genom ett periferiellt mönster av luftintag 80. Ett luftintag 80 kan anordnas för varje kåp- och sträv- segment 62 för att tillföra kylluft utmed de: dubbel- riktade U-formade kylmedelsströmningsbanan 82. Kylluft in- kommer genom den övre eller radiellt yttre änden av varje kåp- och strävsegment 62 och ledes av inre skovlar genom kylmedelsströmningsbanan 82 för att avgå vid kåpans 54 bakre kant 52 genom avgasportar 86 (fig. 6). Denna vind- lande kylbana tillförsäkrar effektiv kylning av den inre bärsträvan 46 och kåpan 54.

Utloppsstyrskovlarna 50 kan fastbultas vid e: radiell fläns på antingen den inre eller yttre stöd- eller bärringen 66, 68 för att medge fri, radiellt riktad värmeutvidgning. Vid i fig, 2, 7 och 8 visade utföringsform är inte och yttre 467 516 11 stödringar 66, 68 utformade med en inre ringformad anbring- ningsfläns 88 resp. en yttre ringformad anbringningsfläns 89 med en bakre fläns 90. De yttre styrskovlarna 50 är för- sedda med inre och yttre stödringar 92, 94 som även inklu- derar radiellt förlöpande inre och yttre bâgformade anbring- ningsflänsar 96, 98. Såsom visas i fig. 2 finnes ett axiellt och radiellt spel 99 mellan den ringformade kanalen 89 och flänsen 98.

De yttre styrskovlarna 50 är företrädesvis tillverkade såsom separata segment med tre skovlar per segment såsom visas i fig. 7 och 8. Då de fastbultas genom anbringningshål í00 vid kåp- och strävenheten 64 via flänsar 96 medelst bultar 102 såsom visas i fig. 2 bildar de yttre styrskovlarna 50 ett ringformat mönster av virvlingsförhindrande skovlar direkt efter kåporna 54. Anbringningsenheten kan vidare inkludera en anslutning till en radiell fläns 104 på diffusorhöljet eller stjärtkonen 106.

Genom att montera ett flertal utloppsstyrskovlar 50 efter kåp- och strävenheten 64 kan utloppsstyrskovlarna dimen- sioneras axiellt kortare än kåporna 54 och de bakre bär- strävorna 46. Eftersom utloppsstyrskovlarna 50 företrädes- vis är kortare än tidigare kända utloppsstyrskovlar föror- sakar de lägre aerodynamisk bromsverkan. Eftersom vidare utloppsstyrskovlarna 50 befinner sig ytterligare nedströms än vid konventionella konstruktioner är avgasernas hastig- het approximativt 15% lägre vid denna punkt. Detta reducerar ytterligare de aerodynamiska förlusterna.

Tidigare kända kåpor utformade att förhindra virvelbildning hos avgaserna hade med nödvändighet stor axiell längd för att åstadkomma den likformighet vad gäller flödesförloppet som är nödvändig för efterbrännarfunktionen. Genom att placera utloppets styrskovlar 50 efter kåporna 54 kan kåpor med mindre axiell längd användas, eftersom kåporna endast behöver tillfredsställa mekaniska och strukturella krav 467 516 - 12 snarare än aerodynamiska krav vad gäller att förhindra virvelbildning.

Eftersom utloppsstyrskovlarna 50 icke är inkorporerade i eller konstruerade såsom del av kåporna 54, behöver ut- loppsstyrskovlarna icke förlöpa över hela strömningsbanan 14 såsom vid konventionella konstruktioner. Det vill säga konstruktionen erfordrar att kåpa och utloppsstyrskovlar fullständigt innesluter bärsträvorna för att skydda bär- strävorna från de varma avgaserna. Vid dessa kända kon- struktioner var bredden av de kombinerade kåporna och ut- loppsstyrskovlarna väsentlig, eftersom höljet för kåpan och utloppsstyrskovelns vingprofil måste uppta bredden av den bärsträva som var innesluten däri. Detta resulterade i signifikant aerodynamisk blockering och tryckförlust.

Sådana nackdelar undvikes genom att man axiellt separerar káporna 54 och bärsträvorna 46 från utloppsstyrskovlarna 50 såsom visas i fig. 3, 9 och 10, under det att kåpornas 54 främre kanter 58 bringas i linje med utloppsvirveln för att ytterligare reducera aerodynamiska förluster. Eftersom dessutom utloppsstyrskovlarna 50 är fasta är deras tvär- snitt mycket mindre än vid tidigare kända ihåliga konstruk- tioner vilket resulterar i lägre aerodynamisk bromsverkan och minskad strömningsbaneblockering.

Såsom tidigare angivits är det viktigt att upprätthålla en noga reglerad diffusionshastighet då avgaserna lämnar låg- trycksturbinbladen 59 och inkommer i efterbrännaren 26. Av- gaserna måste vara jämnt diffunderade och jämnt fördelade eller spridda för att uppnå fullständig förbränning. För att diffunâera avgaserna måste deras hastighet reduceras.

Detta åstadkommas genom gradvis ökning av strömningsbanans 14 tvärsnitt. Om emellertid tvärsnittet ökar alltför snabbt, t.ex. om strömningsbanans 14 väggar divergerar alltför abrupt komzer avgaserna att separeras vilket resulterar i okontrollerad och icke-likformig diffusion. * 467 316 -l 13 För att uppnå kontrollerad diffusion har tidigare konstruk- tioner erfordrat att strömningsbanans divergering är ut- sträckt en signifikant sträcka i axiell led. Detta nödvän- diggör en axiellt längre och följaktligen tyngre turbin- motor. Tandemarrangemanget av utloppsstyrskovlarna 50 direkt bakom eller nedströms om kåporna 54 möjliggör en snabbare total diffusionshastighet utmed en kortare axiell sträcka utan flödesseparering.

Utloppsstyrskovlarna 50 tillför en kontrollerad grad av blockering i strömningsbanan 14 för att reducera diffusions- hastigheten och förhindra flödesseparation direkt bakom kåp- och strävenheten 64. Det vill säga strömningsbanans 14 tvärsnitt undergår en snabb hastighetsförändring vid varje kåpas 54 bakre kant 84 och kan lätt skapa flödessepa- rering. Genom att placera utloppsstyrskovlarna 50 vid denna kritiska punkt minskar graden av areaförändring, och diffu- sionen är kontrollerad för att undvika flödesseparering.

I själva verket kan utloppsstyrskovlarna inkorporeras i diffusorkonstruktionen för att förenkla diffusionsregle- ringen.

Det stora antalet utloppsstyrskovlar 50, företrädesvis 40 eller 48 till antalet, tjänar såsom ett mönster av små diffusionsreglerorgan som minskar diffusionshastigheten och trots detta medger upprätthållande av en snabbare total diffusionshastighet. Varje utloppsstyrskovel 50 erbjuder väsentlig ytarea för reglering av diffusionen och för att vrida eller förhindra virvelbildning hos avgasflödet. Det är därför mer fördelaktigt att använda många axiellt korta mindre utloppsstyrskovlar 50 bakom kåp- och strävenheten 64 än att begränsa antalet utloppsstyrskovlar såsom vid tidigare kända konstruktioner till 8, 10 eller 12, dvs till det antal bärsträvor 46 som erfordras för tillfreds- ställande mekanisk hållfasthet. Dessa tidigare kända kon- struktioner erbjöd helt enkelt icke tillräcklig ytarea för att fullständigt vrida och förhindra virvelbildning hos 467 316 14 avgaserna.

En annan fördel med att montera ett stort antal tunna ut- loppsstyrskovlar 50 bakom kåp- och strävenheten 64 är att en större total grad av diffusion kan äga rum inom en kortare axiell sträcka. Detta resulterar i en axiellt kompakt diffu- 1/ sorsektion och medger en mer kompakt och lättare turbinmotor.

Utloppsstyrskovlarna uppdelar diffusorsektionen i ett antal små diffusorer med gemensam diffusorlängd. Närvaron av ut- loppsstyrskovlarna 50 i strömningsbanan 14 reducerar sålunda diffusionshastigheten, dvs förändringen av strömningsbanans tvärsnittsarea per förändring av axiell längd samtidigt som en större total areaförändring i jämförelse med konventio- nella konstruktioner uppnås.

En lämplig beskrivning av diffusionshastigheten är måttet på den inneslutna vinkeln hos en ekvivalent konisk diffusor.

En ekvivalent konisk diffusor har samma inlopps- och utlopps- area och samma längd som den aktuella diffusorn men har for- men av en stympad kon. Den inneslutna vinkeln som beskrives genom att förlänga konens sidor hos den koniska diffusorn till en spets är ett mått på diffusionshastigheten. Generellt gäller att diffusorkonvinklar av storleksordningen 150 före- drages för effektiv diffusion inom acceptabel längd eller sträcka.

Med utloppsstyrskovlar monterade i diffusorområdet enligt uppfinningen nedbrytes diffusorn till många små diffusorer med gemensam diffusorlängd. Diffusionshastigheten uppmätt av storleken av den inneslutna vinkeln minskar sålunda.

Detta medger större total areaförändring med den "skovel- försedda" diffusorutformningen och resulterar i reducerad diffusionshastighet i jämförelse med diffusorkonstruktioner som saknar skovlar.

Utloppsstyrskovlarna kan sålunda vara inkorporerade i diffusorkonstruktionen för att förenkla areabestämningen 467 316 vid reglerad diffusionshastighet. Tillägg av en skovel upp- delar diffusorn i två ekvivalenta diffusorer med en kon- vinkel av (ursprunglig vinkel)/ fä: Därför kommer konvinkeln vid två skovlar att bli (ursprunglig vinkel)/ J? osv.

Det flöde som lämnar lågtrycksturbinbladen 59 uppvisar höggradig virvling åtföljt av stora strömvirvlar som kan förorsaka oerhörda tryckförluster. Utan utloppsstyrskovlar skulle dessa strömvirvlar helt enkelt bli större då de passerar genom diffusorn. Ökning av strömningsbanans tvär- snittsarea via divergerande väggar är icke i sig tillräck- ligt för att avlägsna strömvirvlarna och virvelbildningen.

För att likformigt sprida denna typ av icke likformig strömning för fullständig förbränning kan utloppsstyr- skovlarna vara “vridna" för att motsvara avgasernas variabla virvelvinkel. Ansättningsvinkeln hos den främre kanten till varje utloppsstyrskovel 50 kan sålunda variera som en funk- tion av radien för att åstadkomma jämn diffusion och ett strömlinjeformat flöde av avgaser som inkommer i efter- brännaren 26. Det är även möjligt att "vrida" kåp- och strävenheten 64 på liknande sätt för att öka anti-virvel- verkan. Åter med hänvisning till fig. 4 och 9 framgår att varje kåpa 54 icke endast lutar omkring 320 mot turbinmotorns 10 centrumlinje 60, utan den främre kanten 108 till varje :t- loppsstyrskovel 50 lutar även omkring 320 för att direkt möta det virvlande avgasflödet. Varje utloppsstyrskovel 50 lutar en 320-vinkel för att vrida eller motverka virvel- bildning hos avgaserna till ett väsentligen fullständigt axiellt flöde. Varje utloppsstyrskovels 50 bakre kant 110 är sålunda uppriktad i linje med turbinmotorns centrum- linje 60.

De utloppsstyrskovlar 50 som visas i fig. 4 har var och en likformig tjocklek under det att de som visas i fig. 9 16 har icke-likformig tjocklek varvid de bildar en profil som liknar en välvd droppe. I fig. 9 är kåporna 54 axiellt "uppdelade" eller utbildade såsom axiellt separerade ving- profiler med den främre kåpan 112 omgivande bärsträvan 46 och den bakre "kåpan" 114 verkande såsom en utloppsstyr- skovel för att förhindra virvelbildning hos avgaserna. Den främre kåpan 112 är utformad med symmetrisk profil och faller i linje med virveln för att reducera aerodynamisk bromsverkan under det att den bakre välvda kåpan 114 upp- visar gradvis minskande bredd för att bidra till diffusions- PIOCESSQII .

Mellan varje bakre kåpa 114 är en rad utloppsstyrskovlar 50 uppriktade i linje vilka har en form som liknar de bakre kåpornas 114. Dessa utloppsstyrskovlar 50 befinner sig icke lika långt bakåt som de som visas i fig. 4, eftersom de faller i linje mellan de bakre delarna till kåporna snarare än bakom kåpornas bakre kant. Även om denna utformning kan resultera i något högre aerodynamisk bromsverkan än i fig. 4 visad utformning så resulterar denna konstruktion i en i axiell led mycket kompakt turbinmotor med en mycket snabb diffusionshastighet. Det vill säga approximativt samma diffusionsgrad uppnås vid utföringsformen enligt fig. 9 som vid utföringsformen enligt fig. 4 men på kortare sträcka med reducerad vikt och med något högre tryckförlust.

Den i fig. 10 visade utföringsformen liknar den som visas i fig. 9 med undantag av att kåporna 54 är utförda i ett stycke varjämte utloppsstyrskovlarna 50 har samma bredd.

Detta utförande uppnår även extra grad av viktreduktion och längdreduktion utöver utförandet enligt fig. 4.

En modifikation av utföringsformen enligt fig. 9 visas i fig. 11 och 12 där den främre kåpan 112 är utformad med ett bågformat urtag 116 utmed dess bakre kant 118. Den bakre kåpan 114 är utformad med ett bågformat utsprång 120 på dess främre kant 122 för att komplettera och upptas i 467 316 17 urtaget 114. Såväl främre som bakre kåpa 112, 114 är före- trädesvis utformade såsom ihåliga element för att erbjuda inre passager eller kanaler 124 för radiellt riktad kyl- luft 126.

Såsom vidare framgår av fig. 11 och 12 är utloppsstyrskov- larna 50 utformade som fasta element i linje med de bakre kåporna 114. Kylluft 126 avges genom utloppsportarna 128 som är utbildade på den bakre högtryckssidan 130 av den främre kåpan 112. De främre kåporna 112 är företrädesvis monterade på ett antal separata bågformade segment som är fästa tillsammans såsom en ring 132. De bakre kåporna 114 och utloppsstyrskovlarna 50 är även företrädesvis utformade på separata bågformade segment och fästa tillsammans såsom en separat ring 134.

Med hänvisning till fig. 11 är den främre kåpringen 132 för- sedd med en radiell monteringsfläns 136 vid sin yttre peri- feri, och den bakre kåp- och utloppsstyrskovelringen 134 är även den försedd med en radiell monteringsfläns 138 på dess yttre periferi. De främre och bakre ringarna 132, 134 kan vara sammanbultade vid 140 såsom separata ringformade element. De främre och bakre ringarna 132, 134 är företrä- desvis fastbultade endast vid sina yttre periferier för att medge fri radiell expansion till följd av temperatur- gradienter. En radiellt stegformad monteringsfläns 142 kan utbildas som en förlängning av det inre höljet 74 för att erbjuda ett axiellt mothåll mot en radiell fläns 142 som är utformad på ringens 134 innerperiferi och därvid samti- digt erbjuda ett spel 144 för fri radiell expansion.

Det är att föredraga att utbilda varje kåp- och strävenhet 64 såsom en separat enhet som kan anslutas till en separat och lätt borttagbar utloppsstyrskovelenhet 48. Detta med- ger modifikation av utloppsstyrskovlarna 50 för att motsvara de krav på virvlingsförhindring som kan ställas på en viss turbinmotor oberoende av överväganden vad gäller mekanisk 467 316 18 konstruktiv uppbärning eller stöd. Det vill säga eftersom utloppsstyrskovlarna 50 icke erbjuder något nämnvärt stöd för turbinmotorramen 36 så kan vilken som helst av ett an- tal utloppsstyrskovelenheter fastbultas vid kåp- och strävenheten 64. Det separata monteringsarrangemanget åstadkommer allt strukturellt stöd i bärsträvorna 46 så att utloppsstyrskovlarna 50 erfordrar styrka och hållfast- het endast för att uppta den aerodynamiska belastning som uppkommer i samband med förhindrande av virvelbildning.

Eftersom utlopppsstyrskovlarna 50 icke erbjuder strukturellt stöd eller lagerstöd kan de utformas såsom enkla fasta icke kylda skovlar av typiska superlegeringar eller av lätta och billiga keramiska material.

Enkelheten att separera utloppsstyrskovlarna 50 från kåp- och strävenheten 64 medger vidare utbyte av olika utlopps- styrskovelkonstruktioner utan demontering av turbinmotorns rotorsystem. Detta är speciellt viktigt för att möjliggöra variationer hos motorutformningen genom att selektivt mon- tera utloppsstyrskovlar 50 med varierande lutningsvinklar eller förskjutna från turbinmotorns centrumlinje 60 för att optimera utloppsstyrskovlarnas 50 virvlingsförhindrande egenskaper då avgasernas virvelbildningsvinkel förändras vid olika motorkonstruktioner. Denna lätthet att åstadkomma separering medger även fullständigt borttagande av samtliga utloppsstyrskovlar från motorn såsom i det fall då efter- brännaren 26 avlägsnats från turbinmotorn 10.

Ytterligare en annan fördel med de separat monterbara ut- loppsstyrskovlarna 50 är möjligheten att tillverka turbin- ramen 36 som inkluderar kåp- och strävenheten 64 parallellt eller samtidigt med utloppsstyrskovlarna 50. Detta gör att turbinmotorn 10 kan monteras med eller utan utloppsstyrskov- larna 50.

Sammanfattningsvis kan genom att placera utloppsstyrskov- larna 50 bakom kåp- och strävenheten 64, såsom visas i »u 467 316 19 fig. 13 och 14, en axiellt kortare motor 10 konstrueras med en diffusorsektion som har förbättrad effektivitet utöver kända konstruktioner. Dessutom placerar föreliggande uppfinning utloppsstyrskovlarna 50 i en mindre fientlig miljö där bromskraftförluster är reducerade till följd av lägre hastighet för avgaserna vid denna nedströmsplacering.

Genom att anordna flera delar uppströms i strömningsbanan 14 äger större grad av diffusion rum innan förhindrandet av virvelbildning börjar.

Fackmannen inser att många konstruktionsförändringar och avsevärt olikartade utföringsforzer samt tillämpningar av uppfinningen är självklara utan att man frångår uppfinning- ens grundtanke och skyddsområde. Beskrivningen och åskådlig- görandet av uppfinningen är endast för att förtydliga denna och icke på något sätt avsedd att vara begränsande.

Claims (16)

467 516 20 Patentkrav

1. Turbinenhet med ett innerhölje, ett ytterhölje och ett antal lågtrycksturbinblad (59) som befinner sig mellan inner- och ytterhöljena (74, 18), k ä n n e t e c k n a d av att enheten innefattar: ett ringformat mönster av radiellt förlöpande bär- strävor (42, 46) för att förbinda inner- och ytterhöljena (74, 18) bakom lågtrycksturbinbladen (59), och ett antal radiellt förlöpande utloppsstyrskovlar (50) som är monterade i turbinemkïen (10) bakom bärsträ- vorna för att förhindra virvelbildning i avgaserna som av- går genom lâgtrycksturbinbladen (59).

2. Enhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar ett första inre ringformat stöd (66) som är operativt förenat med innerhöljet (74) och ett första yttre ringformat stöd (68) som är operativt förenat med ytterhöljet (76), och varvid utloppsstyrskovlarna (50) är monterade mellan de första inre och yttre ringformade stöden (66, 68) för att bilda en utloppsstyrskovelenhet.

3. Enhet enligt krav 2, k ä n n e t e c k n a d av en kåpa (54) anordnad omkring var och en av bärsträvorna (46), ett andra inre ringformat stöd (69) och ett andra yttre ringformat stöd (65), vilka andra inre och yttre ringformade stöd uppbär de ringformade strävorna däremellan för att bilda en kåp- och strävenhet (64).

4. Enhet enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att utloppsstyrskovelenheten (48) är borttagbart monterad vid kåp- och strävenheten (64).

5. Enhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av en kåpa (54) monterad omkring var och en av bärsträvorna (46). 1/ 467 516 21

6. Enhet enligt krav 5, varvid turbinmotorn (10) upp- visar en längsgående centrumlinje (60), k ä n n e- t e c k n a d av att bärsträvorna (46) är snedställda relativt centrumlinjen.

7. Enhet enligt krav 6, k ä n n e t e c k n a d av att bärsträvorna (46) är snedställda inom ett område av 250-350 relativt centrumlinjen (60).

8. Enhet enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att kåpan (54) är utbildad med icke välvt symmetriskt tvärsnitt.

9. Enhet enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att utloppsstyrskovlarna (50) är monterade förlöpande axiellt tillsammans med en bakre del (84) av kåpan.

10. Enhet enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av att kåpan (54) innefattar ett främre kåpelement och ett bakre kåpelement på axiellt avstånd i tandemarrangemang med det främre kåpelementet.

11. Enhet enligt krav 5, k ä n n e t e c k n a d av _att kåpan innefattar ett främre kåpelement (112) och ett bakre kåpelement (114) upptaget i en bakre del av det främre kåpelementet.

12. Enhet enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av att utloppsstyrskovelenheten är fast monterad vid kåp- och strävenheten (64) uteslutande utmed de första och andra yttre ringformade stöden (68, 65).

13. Enhet enligt krav 3, k ä n n e t e c k n a d av- att utloppsstyrskovelenheten (48) är fast monterad vid kåp- och strävenheten (64) uteslutande utmed de första och andra inre ringformade stöden (66, 69). 467 316 22

14. Enhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att utloppsstyrskovlarna (50) är utformade såsom tunna, likformigt sektionerade fasta, icke kylda skovlar.

15. Enhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att den innefattar en efterbrännare (26) som är operativt förbunden med turbinenheten.

16. Enhet enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a d av att utloppsstyrskovlarna (50) är omvridna för att uppta avgaserna som uppvisar en virvelvinkel som varierar radiellt.