NL194700C

NL194700C - Axiale stromingsturbine voor een gasturbinemotor.

Info

Publication number: NL194700C
Application number: NL9000541A
Authority: NL
Original assignee: United Technologies Corp
Priority date: 1988-08-24
Filing date: 1990-03-09
Publication date: 2002-12-03
Also published as: JPH09296704A; NL9000541A; NL194700B; JP3040158B2; DE4003802C2; DE4003802A1; US5667359A

Description

1 194700

Axiale stromingsturbine voor een pasturbinemotor

De uitvinding heeft betrekking op een axiale stromingsturbine voor een gasturbinemotor in combinatie met een ringvormige omhulling die de genoemde turbine omgeeft, waarbij de turbine een aantal Inwendig 5 luchtgekoelde turbinebladen omvat die elk een tipdeel hebben grenzend aan de genoemde omhulling en daarmee een spleet begrenzen die gevoelig is voor lekkage van motorwerkmedium, welke inwendig luchtgekoelde bladen elk een aërodynamisch draagvlak bezitten dat is blootgesteld aan het genoemde motorwerkmedium en dat een drukvlak en een zuigvlak bepaalt, en schuin gerichte openingen in het tipdeel voor het leiden van lucht uit het inwendige van het blad in de spleet, welke lucht een bufferzone bepaalt 10 voor het minimaliseren van parasitaire lekkage van het motorwerkmedium.

Een dergelijke axiale stromingsturbine is bekend uit het Europese octrooischrift 278.434. De turbinebladen van deze bekende axiale stromingsturbine bezitten elk een tipdeel voorzien van openingen die zijn aangebracht volgens de koorden daarvan.

Hoewel de openingen in verschillende richtingen schuin kunnen zijn georiënteerd, wordt volgens het 15 genoemde octrooischrift de voorkeur gegeven aan schuin naar de achterrand van het turbineblad gerichte openingen.

Doel van de uitvinding is een axiale stromingsturbine van het hiervoor beschreven type te verschaffen waarbij de parasitaire lekkage van motorwerkmedium verder is teruggebracht. Dat doel wordt bereikt doordat de openingen ten opzichte van de koorde van het tipdeel zich bevinden aan de drukzijde van het 20 blad, en schuin onder een scherpe hoek ten opzichte van het vlak van het tipdeel naar die drukzijde zijn gericht.

Bij voorkeur ligt de hoek waaronder de openingen ten opzichte van het vlak van het tipdeel zijn gericht tussen 15° en 45°.

Volgens een variant is er in voorzien dat zich in het tipdeel een holte bevindt die zich uitstrekt tussen de 25 voorrand en de achterrand van het draagvlak, en dat de openingen uitmonden in de holte.

Uit het Amerikaanse octrooischrift 4.589.823 is een axiale stromingsturbine bekend die turbinebladen bezit met reeksen schuin in de tip daarvan aangebrachte openingen. Deze openingen dienen voor het toevoeren van een koelmedium. De tip van de betreffende turbinebladen is tevens voorzien van een abrasieve laag, welke ten doel heeft om het inwendig oppervlak van de turbinemantel zodanig af te slijpen 30 dat een zeer kleine speling tussenturbinebladen en turbinemantel kan worden verkregen. Het bestrijden van parasitaire lekkage van het motorwerkmedium wordt daarbij derhalve op andere wijze verkregen dan door de vorming van een bufferzone.

De onderhavige uitvinding zal verduidelijkt worden aan de hand van de volgende beschrijving en tekenin-35 gen.

Korte beschrijving van de tekeningen.

Figuur 1 is een aanzicht in doorsnede van een turbineblad genomen langs een as in de richting van de koorde die de onderhavige uitvinding toont; figuur 2 is een aanzicht in doorsnede genomen langs de lijn II—II in figuur 1 ; 40 figuur 3 is een stromingsdiagram dat het stromingspatroon binnen in het turbineblad toont; j figuur 4 is een gedeeltelijk aanzicht in doorsnede van de tip van een turbineblad dat een voorkeurs- j uitvoering van de onderhavige uitvinding toont; figuur 5 is een bovenaanzicht van de tip van het aërodynamisch draagvlak waarin een andere uitvoering van de onderhavige uitvinding wordt getoond; en 45 figuur 6 is een doorsnede die genomen is langs de lijn VI-VI van figuur 5.

De onderhavige uitvinding is in het bijzonder doeltreffend voor turbinebladen van een gasturbinemotor waar inwendige koeling van de bladen gewenst is. De constructie van inwendig gekoelde turbinebladen is duidelijk beschreven in de literatuur. Ten behoeve van het gemak en de eenvoud, wordt hier slechts dat 50 deel van het blad beschreven dat noodzakelijk is voor het begrip van de uitvinding.

Zoals kan worden gezien in figuur 1, die een aanzicht in dwarsdoorsnede is, genomen langs de as in koorderichting, en figuur 2, omvat het blad, dat algemeen wordt aangeduid met 10, een buitenwand of mantel 12 die een drukvlak 14, een zuigvlak 16, een voorrand 18 en een achterrand 20 begrenst. Het blad 10 is gegoten in een dubbele wandconfiguratie waarin de binnenste wand 22 hoofdzakelijk even groot is als 55 en evenwijdig loopt aan de buitenmantel 12 maar zich op afstand daarvan bevindt om een in radiale richting lopende doorlaat 26 te begrenzen. Omdat deze doorlaat 26 koellucht toevoert aan de filmkoelgaten 28, wordt de doorlaat 26 aangeduid met aanvoerkanaal. Terwijl het aanvoerkanaal 26 wordt getoond als een 194700 2 aantal aanvoerkanalen, zal het aantal van dergelijke doorlaten worden bepaald door de precieze toepassing. Dit is eerder een dynamische dan een statische doorlaat omdat koellucht constant stroomt voorzover deze continu wordt toegevoerd en een deel van de lucht continu wordt afgevoerd aan de tip 30 door opening 50. Dit kan het beste worden gezien in figuur 2 die schematisch toont dat koellucht binnentreedt in de 5 onderzijde van het aanvoerkanaal 26 en in radiale richting stroomt naar de tip 30 van het blad 10.

Koellucht stroomt eveneens continu naar de centrale ruimte, die een in radiale richting lopende doorlaat 32 is. Het is eveneens een dynamische doorlaat omdat hij continu wordt gevoed met koellucht en een deel van de koellucht aan de tip wordt afgevoerd door opening 52. Zoals duidelijk zal worden uit de hiernavolgende beschrijving, wordt deze ruimte voorzover zij koellucht toevoert aan aanvoerkanaal 26 voor het 10 bijvullen van de aanvoer van koellucht wanneer die wordt uitgestoten door de filmkoelgaten 28, hierna aangeduid met aanvoerruimte 32.

Er wordt van uitgegaan dat het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 compressorlucht zullen ontvangen, hetgeen normaal is bij deze ontwerpen.

Duidelijk is uit het voorgaande dat als de koellucht in het aanvoerkanaal 26 in radiale richting verder 15 stroomt van de wortel naar de tip 30 van het blad 10 en de op radiale afstand van elkaar geplaatste filmgaten 28 voedt, de hoeveelheid koellucht uitgeput raakt. Echter, omdat het aanvoerkanaal 26 altijd in verbinding staat met de aanvoerruimte 32 via de radiaal op afstand van elkaar geplaatste gaten 36, wordt de koellucht continu bijgevuld. Klaarblijkelijk wordt de koellucht in het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 op druk gebracht als die voortgaat in de richting van de tip van het blad tengevolge van de rotatie 20 van het blad. Tengevolge hiervan, bevinden de filmkoelgaten in de nabijheid van de tip van het blad zich in een positie om koellucht te ontvangen bij een acceptabel drukniveau.

In de ontwerpen volgens de stand der techniek was de gespecificeerde druk van de koellucht aan de tip van het blad afhankelijk van de inlaatdruk bij de wortel van het blad. Dus vereisten hogere specifieke drukken hogere inlaatdrukken. Dit leidde tot een probleem voor de ontwerper bij het trachten lekkage te 25 voorkomen, wanneer de koellucht stroomde van de bron door een niet roterend deel naar de roterende bladdoorlaten.

De aanvoerruimte 32 is ruwweg een holle ruimte die loopt van de wortel naar de tip 30 en wordt begrensd door de inwendige wand 22. Ribben zoals ribben 40 en 42 kunnen zijn toegevoegd om de structurele samenhang van het blad te verschaffen. Het gebruik van ribben, hangt natuurlijk af van het 30 specifieke ontwerp van het blad en zijn toepassing.

Omdat de gaten 36 dienen voor het richten van koellucht tegen het inwendige oppervlak 44 van de buitenmantel, worden zij hierna aangeduid met bijvulkoelgaten 36. Dus dienen de bijvulkoelgaten, naast andere functies, als middel voor het bijvullen van het aanvoerkanaal 26 en als middel voor het vergroten van de koeleffectiviteit door het introduceren van turbulentie van de stroming die de filmkoelgaten binnen-35 gaat. Gebleken is dat het bijvullen van de aanvoerkanalen door de bijvulgaten 36 een aanzienlijke verbetering oplevert met betrekking tot de koeleffectiviteit ten opzichte van een getest blad zonder de bijvulkoelgaten. De juiste afmeting van deze gaten kan worden gekozen om de gewenste drukval te verschaffen ter verkrijging van de gewenste drukverhouding over de filmkoelgaten.

Het koelen kan verder worden verbeterd door het toevoegen van stootstrippen 46 in het aanvoerkanaal 40 26. De stootstrippen dienen een additionele functie naast het koeleffect omdat zij een drukval creëren. Dit kan gewenst zijn wanneer de koellucht die de tip van het blad nadert tengevolge van het centrifugeren van de lucht in het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 te veel wordt gecomprimeerd en het noodzakelijk is om deze druk te verlagen om de noodzakelijke drukverhouding te verkrijgen voor het optimaliseren van de vorming van de film die komt uit de filmkoelgaten 28.

45 Uit het voorgaande is duidelijk dat het aanvoerkanaal 26 en de aanvoerruimte 32 rechtdoorgaande, in radiale richting lopende doorlaten zijn die de in hoofdzaak gebruikte serpentinevormige doorlaten uitbannen. Dit kenmerk geeft de ontwerper van het blad de mogelijkheid om de grootte van de tip te verminderen omdat deze niet langer de zich omkerende doorlaten van het serpentinedoorlaatontwerp hoeft onder te brengen en nu de ontwerper de mogelijkheid wordt verschaft om aërodynamische tipafdichtingstechnieken 50 toe te passen. Hierdoor kan de aërodynamische ontwerper de minimaal vereiste koordelengte van de bladtip kiezen die wordt bepaald op grond van overwegingen op het gebied van aërodynamische prestaties zonder overmatig rekening te houden met de eisen op het gebied van de interne koelingsafmetingen.

Natuurlijk brengt dit verschillende voordelen met zich mee die gewenst zijn bij het ontwerp van een turbine. Door hiervan gebruik te maken kan het blad lichter worden gemaakt, heeft het een aanzienlijk 55 verminderde trek en de schijf, die de bladen ondersteunt kan lichter worden gemaakt. Al deze kenmerken hebben een voordelige invloed op het gewicht, de prestatie en de levensduur van de turbine.

In werking en onder verwijzing naar het stroomdiagram in figuur 3, komt koellucht in het blad binnen bij

Claims

3 194700 het worteldeel aan het onderste uiteinde van het blad en gaat door het aërodynamische draagvlakdeel naar de tip zoals wordt getoond door de gestippelde pijlen A en de getrokken pijlen B. Gaten in de tip stoten een deel van de lucht in dit gebied uit, terwijl een deel van de koellucht stroomt naar de sproeikop bij de voorrand en een deel van de koellucht gericht wordt naar de achterrand zoals wordt voorgesteld door de 5 horizontale pijlen C en D respectievelijk. Als de lucht in radiale richting naar buiten gaat in de richting van de tip, vult de lucht in de aanvoerruimte (pijl B) continu de lucht aan in het aanvoerkanaal (pijl A). Dientengevolge wordt het aanvoerkanaal constant voorzien van koellucht. Tengevolge van de pompende werking die gekoppeld is aan de rotatie van de bladen, wordt de druk bij de tip gegenereerd waar deze het meest nodig is. Dit verzekert dat de juiste 10 drukverhouding over de filmgaten wordt behouden over het totale oppervlak van de mantel. Omdat de inwendige wand de ribben vervangt die de serpentinevormige doorlaten vormden, dient de inwendige wand als een warmteoverdrachtsoppervlak om hetzelfde warmteconvectiekenmerk te verschaffen dat is gekoppeld aan het serpentineontwerp. Volgens de onderhavige uitvinding en zoals het beste wordt geïllustreerd door figuur 2, zijn de openingen 15 50 en 52 zo geörienteerd, dat de stroming die wordt afgevoerd uit de aanvoerkanalen 26 en de aanvoerruimte 32 gericht wordt naar de drukzijde van het blad, onder een hoek die in hoofdzaak gelijk is aan 40° tot 45°. De hoek is gemeten aan het vlakke oppervlak van de tip van het blad en zal variëren bij verschillende doorsneden van het aërodynamische draagvlak. Bij voorkeur is de hoek minimaal ongeveer 15° terwijl hij de 45° niet overschrijdt. Dit dient voor het creëren van een bufferzone aan de tip van het blad in de spleet 54 20 tussen de tip en de schematisch weergegeven mantel 56 die het blad omgeeft. Omdat de afgevoerde stroming door openingen 50 en 52 hulp heeft gehad van de pompende werking van het blad, is de snelheid waarmee de stroming wordt afgevoerd voldoende hoog om een vermindering van de aërodynamische verliezen tot stand te brengen, die anders optreden in deze spleet, en het blad op effectieve wijze ongevoelig maakt voor tipspeling. 25 Figuur 4 toont een uitvoeringsvorm van een turbineblad waar de radiale doorlaat 70 dwars over het aërodynamische draagvlak loopt vanaf de zuigzijde 72, zodat de lucht grenzend aan de drukzijde 74 bij de tip wordt afgevoerd. De afvoeropening 76 is gericht ten opzichte van het vlakke oppervlak 78 van de tip van het blad zodat hij hiermee een hoek van 20° vormt. De figuren 5 en 6 tonen een andere uitvoering van de uitvinding waarbij de tip van het blad een groef 30 heeft voor het begrenzen van een koelvlak of holte die 60 grenst aan de drukzijde 62 van het blad. De afvoergaten of openingen 64 zijn in dit geval onder een hoek geplaatst voor het verschaffen van een bufferzone die grenst aan de tip van het blad waardoor een aërodynamische afdichting wordt verschaft voor het verminderen van de lekkage van het motoraandrijfmedium dat in deze spleet optreedt. 35

1. Axiale stromingsturbine voor een gasturbinemotor in combinatie met een ringvormige omhulling die de genoemde turbine omgeeft, waarbij de turbine een aantal inwendig luchtgekoelde turbinebladen omvat die 40 elk een tipdeel hebben grenzend aan de genoemde omhulling endaarmee een spleet begrenzen die gevoelig is voor lekkage van motorwerkmedium, welke inwendig luchtgekoelde bladen elk een aërodynamisch draagvlak bezitten dat is blootgesteld aan het genoemde motorwerkmedium en dat een drukvlak en een zuigvlak bepaalt, en schuin gerichte openingen in het tipdeel voor het leiden van lucht uit het inwendige van het blad in de spleet, welke lucht een bufferzone bepaalt voor het minimaliseren van parasitaire lekkage 45 van het motorwerkmedium, met het kenmerk, dat de openingen (50, 52, 64, 70) ten opzichte van de koorde van het tipdeel (30) zich bevinden aan de drukzijde (14) van het blad (10), en schuin onder een scherpe hoek ten opzichte van het vlak van het tipdeel (30) naar die drukzijde (14) zijn gericht.

2. Stromingsturbine volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de hoek waaronder de openingen (50, 52, 64, 70) ten opzichte van het vlak van het tipdeel (30) zijn gericht ligt tussen 15° en 45°.

3. Stromingsturbine volgens conclusie 1 of 2, waarbij het aërodynamische draagvlak een voorrand en een 194700 4 achterrand bezit, met het kenmerk, dat zich in het tipdeel (30) een holte (60) bevindt die zich uitstrekt tussen de voorrand (18) en de achterrand (20) van het draagvlak, en dat de openingen (64) uitmonden in de holte (60). Hierbij 2 bladen tekening