FR2798422A1

FR2798422A1 - Pales refroidies pour moteur a turbine a gaz

Info

Publication number: FR2798422A1
Application number: FR9000792A
Authority: FR
Inventors: Robert R Sellers; Friedrich O Soechting; Frank W Huber; Thomas A Auxier
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1990-01-24
Filing date: 1990-01-24
Publication date: 2001-03-16
Anticipated expiration: 2010-01-24
Also published as: FR2798422B1

Abstract

L'invention concerne des pales de turbine refroidies par air de façon interne pour les moteurs à turbine à gaz du type comprenant une section de bord de tratnée (20), une section de bord de front (18), et une section de mi-corde, dans laquelle chaque section comporte un passage radial direct (32) communiquant l'air froid depuis la base à la pointe de la pale, et des passages radiaux (26) (canaux d'alimentation) sur les côtés de pression et d'aspiration alimentant en air froid les trous de refroidissement (28) du film dans la surface du profil de pale. Le passage radial (32) (chambre d'alimentation) dans la section de mi-corde recharge les canaux d'alimentation (26) en air de refroidissement par des trous de rechargement (36) mettant en communication les canaux d'alimentation et la chambre d'alimentation.

Description

Pales refroidies pour moteurà turbine gaz. L'objet de la présente demande se réfère aux demandes de brevets américaines N* F-5979 et F-6057 déposéesà la même date et intitulées respectivement, "pales refroidies pour moteur de turbineà gaz" et "commande de jeu pour la turbine un moteurà turbineà gaz".

L'invention concerne les moteursà turbineà gaz, et en particulier, les pales de rotor refroidies de façon interne.

Ainsi 'il est bien connu, l'industrie des moteurs d'avions développe un effort significatif pour améliorer les performances des moteursà turbineà gaz, et simultanément, pour réduire leur poids. De toute évidence, le but final est d'obtenir le rapport optimal possible de poussée sur le poids. Naturellement, l'un des premiers domaines de concentration porte sur "la section chaude" du moteur, puisqu'il est bien connu que le rapport de poussée sur poids du moteur est notablement amélioré en augmentant la température des gaz de la turbine. Cependant, la température des gaz de la turbine est limitée par les contraintes de température du métal des composants du moteur. Un effort significatif a jusqu'à maintenant été effectué dans l'obtention de plus hautes températures de fonctionnement de la turbine, ceci en adaptant des progrès technonologiques significatifs dans le refroidissement interne des pales de turbine. Des exemples de plusieurs des nombreux résultats obtenus dans ce domaine, sont illustrés dans les brevets américains N* 3 533 711 délivré au nom de D.M. Kirchon le13 Octobre 1966eN' 4073 599 délivré au nom de Allen et al le 14 Février 1978, et N* 4180 373 délivré au nom de Moore & al le25 Décembre1979, ce dernier brevet étant attribué au même cessionnaire que la présente demande. Toutes ces techniques de refroidissement interne de l'art antérieur comportent un schéma effectif de. refroidissement par convection incluant des passages en serpentins dans la section du profil de la pale. Une autre techniqueà mentionner concerne le tube de collision qui est inséré dans la cavité de pale creuse de turbine. Mais, les techniques de refroidissement les plus répandues dans pales courantes de turbines de moteur d'avion sont celles décrites par les brevets ci-dessus. De façon typique, techniques utilisent trois circuits de refroidissement,à savoir, le bord de front(LE), la ligne de mi-corde (MC) et le bord de trainée (TE).

Dans le circuitLE, l'air pénètre dans la cavité d'alimentation, entre en collision avec le circuitLE et sort par les trous de refroidissement du film. Dans le circuit MC, air pénètre par les cavités d'alimentation, serpenteà travers un serpentin en trois parties et sort en qualité d'air de refroidissement du film. Dans le circuitTE, l'air entre par une cavité d'alimentation et est contr8lé par la collision axiale (généralement une simple ou double collision) avant de sortir au bord trainée TE de la pale.

Nonobstant l'effort intensif de l'industrie pour optimiser la capacité de refroidissement des pales turbines, les pales actuelles de l'état de l'art souffrent encore d'inconvénients évidents. Par exemple, le refroidissement du film qui est idéal pour appliquer une pellicule d'air de refroidissement autour de la surface extérieure du profil, n'est pas optimisé puisque rapport de pression dans les trous de production du film est moins important que la valeur optimale pour tous trous. La chute de pressionà travers la pale n'est pas optimisée puisqu'une chute de pression significative est mise en évidence par le retournement aigu de l'air de refroidissement autour des coins des passages du serpentin. Et, toute la longueur de corde de la paleà la pointe n'est pas optimisée puisque la zone nécessaire pour le retournement de l'air de refroidissement dans les passages du serpentin restreint la taille minimale de la section de pointe. De toute évidence, la longueur totale de la corde de la pointe de la pale affecte également le poids de la pale, la taille et le poids du disque supportant la pale, et les forces engendrées par les effets rotationnels de la pale (traction de pale).

on a trouvéà remédier aux inconvénients ci-dessus, en apportant une configuration de paleà double paroi, où l'espace entre les parois définit un passage radial ou un canal d'alimentation des trous du film adjacent la surface de pression,à la surface de dépression, au bord de front et au bord de trainée afin de permettre l'écoulement radial de l'air de refroidissement alimenté depuis une source d'air de refroidissement. Une chambre d'alimentation centrale S'étendant radialement est alimentée de la même façon en air de refroidissementà partir de ladite source et communique avec le canal d'alimentation par une pluralité de trous s'étendant radialement dans la paroi interne, et chacun de ces trous est dimensionné de façonà optimiser le rapport de pression travers les trous de refroidissement du film.

Selon la présente invention, la chambre d'alimentation centrale de la pale et le canal d'alimentation de la pale fournissent un flux d'air axial de refroidissement du filmà la paroi externe de la pale, assurant le rendement de refroidissement optimal du film, et forment un conduit pour le flux d'air radial vers la pointe de la pale créant une convection interne maximale. Le flux d'air radial vers la pointe assure une fermeture aérodynamique efficace entre la pointe de la pale et son joint ou enveloppe d'air externe attenant. Ceci peut être mieux compris en considérant que les passages radiaux internes dans la pale rotative se comportent comme une pompe centrifuge. Tandis que l'air de refroidissement se décharge par les trous de refroidissement du film età la pointe de la pale et que le canal d'alimentation se vide d'air de refroidissement, ce canal est rechargé continuellement en air de refroidissementà partir de la chambre d'alimentation centrale. Puisque l'air dans cette chambre centrale d'alimentation est centrifugé, la pressionà l'intérieur devient progressivementplus importanteà mesure que l'air progresse radialement vers l'extérieur en direction de la pointe. Etant donné que le canal d'alimentation, assurant un flux axial dans les trous de refroidissement du film et un flux radial vers la pointe de la pale, réduit progressivement la pression d'air du canal d'alimentation en raison de la r'sistance e de flux radial plus élevée que celle de la chambre centrale d'alimentation tandis qu'il progresse vers la pointe, cet agencement prend avantage de la conséquence naturelle de ce pompage pour engendrer pression delta à travers la nervure qui sépare la chambre centrale d'alimentation et le canal d'alimentation afin de recharger le flux d'air de la cavité d'alimentation ainsi que désiré. Ainsi, une résistance adéquate d'écoulement du canal d'alimentation et un dimensionnement adéquat des trous d'alimentation permettent au rapport de pression des trous d'être déterminé de façonà obtenir un rendement optimal de refroidissement du film, une convection interne maximisée et une fermeture aérodynamique pointe.

L'air de la chambre d'alimentation centrale sertà de multiples fonctions. Il ne sert pas seulementà recharger le canal d'alimentation alimentant trous de refroidissement du filme il fournit également un écoulement radial sur la surface interne de la paroi externe du profil pour une convection maximisée et il fournit un flux de pointe pour la fermeture aérodynamique de pointe. Ainsi, l'air issu des trous d'alimentation est logé discrètement et orienté de façon telle que l'air pénètre dans le canal d'alimentation ainsi que désiré.

L'objet de la présente invention est de proposer une pale de turbine améliorée refroidie par air de façon interne pour un moteurà turbineà gaz.

Un aspect de l'invention est d'apporter une pale de turbine améliorée pour un moteur de turbineà gaz, qui comporte un canal ou des canaux radiaux alimentation en air de refroidissement du film, qui est rechargé en air de refroidissement depuis une chambre d'alimentation S'étendant radialement, disposée de façon centrale dans le profil, par fourniture d'air de refroidissementà travers des trous espacés radialement, mettant communication le canal alimentation avec la chambre d'alimentation. Un aspect de l'invention est d'apporter une pale de turbine 'liorée refroidie de façon interne qui élimine. les passages en serpentins.

Un aspect de l'invention est de proposer une pale de turbine fabriquéeà double paroi, dans laquelle l'espace entre l'enveloppe du profil et la paroi adjacente définit un canal d'alimentation recevant de façon continue de l'airà -base pour l'alimentation des trous refroidis du film, dans l'enveloppe, et dans laquelle la paroi adjacente définit une cavité radiale recevant également continuement de l'airà la base pour le rechargement en air du canal d'alimentation par des trous espacés radialement dans la paroi adjacente.

invention est illustrée ci-aprèsà l'aide #un exemple de réalisation et en référence au dessin annexé sur lequel: La figure1 est une vue en coupe d'une pale de turbine prise le long de l'axe sur la ligne de corde selon l'invention; La figure 2 est une vue en coupe prise suivant la ligne 2-2 la figure1, La figure3 est un diagramme d'un circuit d'écoulement montrant les réseaux d'écoulement interne de la pale de turbine, et La figure 4 est une vue partielle en coupe la section de pointe de la pale de turbine.

L'invention est particulièrement applicable aux pales de turbine des moteursà turbineà gaz ou un refroidissement interne des pales est souhaité. La construction des pales de turbine refroidies de façon interne est bien décrite dans la littérature et pour des raisons simplicité et de clarté de la description, seule la partie de pale nécessaire pour la compréhension sera décrite ci-après. Pour les détails concernant les moteurs a turbineà gaz et les pales de turbine, on se référera aux moteurs F100 et JT9D fabriqués par Pratt & Whitney Aircraft , une division de United Technologies Corporation, le cessionnaire de cette demande de brevet et des brevets mentionnes ci-dessus.

Comme représentéà la figure1, qui est une coupe transversale prise le long de l'axe et sur la ligne de corde, età la figure 2, la pale selon l'invention, désignée par la référence numérique10, comprend une paroi externe ou enveloppe 12, définissant une surface de pression 14, une surface de dépression16, un bord de front18, et un bord de traînée 1-0. La pale moulée en une configurationà double paroi où la paroi interne 22 est disposée de façon générale en coextension et parallèleà l'enveloppe externe1-2, mais en est espacée pour définir un passage26 s'étendant radialement. Puisque passage26, alimente en air de refroidissement les trous radiaux de refroidissement du film28 qui s'étendent radialement depuis la section de base jusqu'à la section de pointe et la pointe de la pale30, le passage26 est désigné ci-après comme un canal d'alimentation. Tandis que le canal d'alimentation26 apparaît comme une pluralité de canaux d'alimentation, le nombre de ces passages sera déterminé selon l'application particulière. C'est un passage dynamique plutÔt que statique parce que l'air froid s'écoule de façon constante vu qu'il est alimenté de façon continue en air de refroidissement et qu'il se décharge de façon continue en air refroidissement du film. Ceci apparaît mieuxà la figure 2 montrant schématiquement que l'air froid entre ou pénètre dans la bas du canal d'alimentation26 et s'écoule radialement en direction de la pointe30 de pale.

L'air de refroidissement s'écoule également de façon continue vers cavité centrale qui est un passage32 s'étendant radialement. Ainsi qu'il est apparent de ce qui suit, attendu que cette cavité alimente en air de refroidissement le canal d'alimentation1-6 pour recharger l'alimentation tandis qu'il sort par les trous1-8 de refroidissement de film, on la désignera ci-après comme la chambre d'alimentation32.

Il està noter que le canal26 et la chambre 3_1 reçoivent de l'air compresseur de façon classique pour ces pales. Il apparaît de ce qui précède, puisque l'air froid dans le canal26 progresse radialement depuis la base vers la pointe de la pale et alimente les trous28 espacés radialement que l'air de refroidissement S'épuise. Cependant, puisque le canal26 est toujours en communication avec la chambre d'alimentation32 par les trous36 espacés radialement, l'approvisionnement en air froid est rechargé continuellement.A l'évidence, l'air de refroidissement dans le canal26 et dans les chambres32 està plus forte pression, tandis qu'il progresse en direction la pointe de la pale en raison de la rotation de cette dernière. Grâceà cela, les trous de refroidissement du filmà proximité de la pointe de la pale sont en position pour recevoir l'air de refroidissementà un niveau de pression acceptable.

La chambre d'alimentation32 est constituée de façon générale par une cavité creuse s'étendant depuis la base jusqu'à la pointe et est limitée par la paroi interne 22. Des nervures, telles que des nervures 40 et peuvent être incorporées pour garantir l'intégrité structurelle de la pale. L'utilisation de nervures, naturellement, sera déterminée selon la configuration de la pale et son application.

Attendu que les trous36 serventà recharger en air de refroidissement le canal 26, ils sont désignes ci-après comme trous de rechargement36. Ainsi, les trous de rechargement servent entre autres de moyens de rechargement du canal26 et de moyens d'amélioration du rendement de refroidissement grâceà un refroidissement de convection maximisé et par le fait qu'on introduit une turbulence dans l'écoulement entrant dans trous de refroidissement du film. On a trouvé que le rechargement des canaux d'alimentation par les trous36 donné une amélioration significative dans le rendement de refroidissement relativementà une pélle testée sans trous de rechargement. La taille de ces trous peut être choisie de façonà assurer la chute de pression désirée permettant d'obtenir le rapport de pression désiré dans les trous de refroidissement du film.

refroidissement peut en outre être 'lioré en incorporant des nervures de déviation 46 dans le canal d'alimentation26. Les nervures de déviation offrent une fonction additionnelle outre l'aspect de refroidissement en qu'elles créent une chute de pression Ceci peut être souhaitable si l'air de refroidissement approchant la pointe de la pale en raison de la centrifugation de l'air dans le canal26 et dans la chambre 32, devientà une pression trop importante et s'il est nécessaire de réduire cette pression afin d'obtenir le rapport de pression nécessaire pour l'optimisation de la formation du film sortant des trous de refroidissement28.

De ce qui précède, il apparait que le canal26 et la chambre32 sont des passages radiaux directs et éliminent les passages en serpentins généralement utilisés. Ceci permet au concepteur de la pale de réduire la taille de la pointe puisqu'il n'a plusà prévoir des passages tournants ou des serpentins et l'autorise maintenantà appliquer les techniques de fermeture aérodynamiques de pointe. Ceci permet au concepteur aérodynamicien de choisir la longueur de corde de la pointe au minimum,requis en considération des performances aérodynamiques sans regarder les exigences de taille de refroidissement interne. Naturellement, cette particularité apporte des avantages dans la conception de la turbine. Ainsi, la pale peut être construite de façon plus légère, elle a une traction notablement réduite et le disque qui supporte la pale peut être plus léger. Tous ces points influencent favorablement le poids, la performance, et la durée de vie de la turbine.

En fonctionnement et avec référence aux circuits d'écoulement de la figure3, l'air de refroidissement pénètre dans la pale par la section de baseà 1 extrémité inférieure et progresse par la section du profil jusqu'à la pointe, comme représenté par les lignes de flèches en tireté A et les lignes de flèches continues B. Les trous dans la pointe permettentà une partie del' d'être expulséà cet endroit, une partie de l'air de refroidissement s'écoule vers la tête en gerbeLE (bord de front) et une partie de l'air de refroidissement est dirigée vers le circuitTE (bord de trainée) comme représenté par les lignes def lèches horizontalesC etD respectivement.

Tandis que l'air progresse radialement vers la pointe, l'air de la chambre d'alimentation (flèche B) recharge continuellement l'air dans le canal d'alimentation (flècheA). Ainsi, le canal d'alimentation est alimenté de façon constante en air de refroidissement En raison de l'action de pompage associéeà la rotation des pales, la pressionà la pointe où cela est le plus nécessaire, est engendrée de façon inhérente. Ceci garantit que le rapport de pression adéquatà travers trous film est maintenu le long de la surface entière de l'enveloppe.

Etant donné que la paroi interne remplace les nervures qui formaient les passages en serpentins, la paroi interne sert de surface de transfert de la chaleur pour assurer la même capacité de convection de la chaleur que celle offerte dans la conception en serpentins.

Ainsi, l'invention apporte de nouvelles techniques au concepteur de turbine. Les pales selon l'invention peuvent utiliser une source de pression d'air de refroidissement plus basse propreà assurer le rendement de refroidissement nécessaire. Ceci apporte des moyens pour réduire la dimension de la corde de la pale au niveau de la pointe avec les avantages attenants. En raison rechargement, la quantité d'air de refroidissement réchauffée due a% la convection peut être optimisée.

On a trouvé analytiquement que le rendement refroidissement est amélioré relativement aux pales de turbine connues d'une valeur proche de 30%, ce qui équivautà une réduction de la t'empérature de métal moyenne de pale d'environ 111,1'C pour une application typique Egalement, une pale selon l'invention a un potentiel de fonctionnement dans un environnement où la température entrée de turbine peut être augmentée significativement, par exemple de 166,7'C ouà une valeur plus élevée, en alternance, la durée de vie de la pale peut être augmentée de façon importante ou le coàt de la pale peut être significativement réduit en exploitant le rendement de refroidissement amélioré avec des matériaux moins onéreux L'utilisation de l'invention conduit égalementà 'liorer l'aérodynamisme de la pointe étant donné que exigences complexes de retournement des passages en serpentins sont éliminées.

La figure 4 représente une section de pointe modifiée de la pale turbine selon un mode de réalisation préféré. La pointe, désignée de façon générale par la référence50, achemine l'air dans le passage radial52 adjacentà la surface d'aspiration 54,à la pointe de la pale adjacenteà la surface de pression56. Le passage52 S'infléchit au point de croisement et est formé en angle de telle façon que le courant d'air se déchargeantà la pointe par l'orifice58 està un angle prédéterminé qui améliore l'efficacité de fermeture aérodynamique entre la pointe et son joint d'air externe attenant ou l'enveloppe 60 (représenté seulement de façon schématique).

La géométrie de cette pale présente également certains avantages au regard de la fabrication par moulage classiqueà la cire perdue. Pendant le processus de moulage tous les éléments de coeur en céramique, qui forment les passages de refroidissement internes, S'étendentà travers la base du profil où ils peuvent être fermement accrochés afin d'éviter tout décalage du coeur lors du moulage. Cette géométrie conduit égalementà un lessivage facileà l'acide des matériaux du coeur suivant le moulage.

Claims

REVENDICATIONS 1.- Turbineà flux axial pour un moteurà turbineà actionnée par le milieu de travail du moteur, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité pales refroidies par air, chacune d'elle ayant une surface profil exposée audit milieu de travail définissant côté de pression (14), un côté d'aspiration(16), une section de base, une section de pointe (30). et une section de mi-corde, comportant des passages internes incluant au moins un passage radial direct définissant un premier canal d'alimentation(26) adjacent audit côté de pression, conduisant l'air de refroidissement depuis la section de baseà une ouverture de la section de pointe, pluralité de trous de refroidissement du film(28) espacés radialement dans ladite surface du profil, qui est alimentée en air froid depuis ledit canal d'alimentation, second passage radial direct définissant une chambre alimentation(32) dans la section de mi-corde conduisant l'air de refroidissement depuis la section de baseà un orifice dans la section de pointe, une pluralité de trous de refroidissement(36) espacés pour le rechargement communiquant avec ladite chambre d'alimentation pour recharger en air ledit canal d'alimentation tandis que la rotation de la turbine centrifuge l'air dans lesdits passages radiaux et augmente la pression de l'air de refroidissement comme il progresse en direction de ladite section de pointe. 2.- Turbineà flux axial selon la revendication1, caractérisée en ce qu'elle comporte un autre passage radial direct adjacent audit côté d'aspiration définissant un second canal d'alimentation(26) comprenant une pluralité de trous radiaux de refroidissement du film (28), espacés dans la surface du profil, et une pluralité de trous de refroidissement(36) espacés radialement pour le rechargement, communiquant l'air froid depuis ladite chambre d'alimentation(32) audit second canal d'alimentation. 3.- Turbineà flux axial pour un moteurà turbineà gaz, caractérisée en ce qu'elle comprend une pluralité de pales refroidies par air de façon interne, chacune de pales comportant un profil ayant une surface externe définissant un côté de pression (14), un côté d'aspiration (16), une section de pointe (30), une section de base, bord de front(18) et un bord de trainée (20), des moyens de paroi (22) essentiellement contigus mais espaces supportés parallèlementà la surface interne dudit profil définissant une pluralité de passages radiaux directs comportant une entréeà la section de base et une sortieà la section de pointe, définissant un canal d'alimentation (26), et chacun desdits passages comprenant une pluralité de trous de refroidissement du film(28) espacés radialement pour délivrer de l'air froid afin de former un film d'air froid sur le côté de pression et le côté d'aspiration, la surface interne desdits moyens de paroi espacés définissant un passage radial additionnel ayant une entrée' ladite section de base et une sortieà ladite section de pointe, définissant une chambre d'alimentation (32), une pluralité de trous de rechargement(36) espacés radialement dans lesdits moyens de paroi communiquant avec ladite chambre d'alimentation pour recharger l'air froid dans lesdits canaux d'alimentation(26) tandis quel' froid dépressurisé depuis lesdits canaux d'alimentation par les trous de refroidissement du film et des moyens pour alimenter en air froid ladite section de base, tandis que l'air froid dans ladite chambre d'alimentation est mis en pression par l'action de centrifugation causée par les pales en rotation et en ce que la longueur de corde est minimisée par l'utilisation de passages radiaux directs. 4.- Turbineà flux axial selon la revendication 3, caractérisée en ce que ladite section du profil et les moyens de paroi (22) sont coulés en totalité. 5. - Turbineà flux axial selon, la revendication3, caractérisée en ce que lesdits trous de refroidissement du film(28) s'étendent radialement depuis la section de base à ladite section de pointe. 6.- Turbineà flux axial selon la revendication3, caractérisée en ce que lesdits trous rechargement(36) S'étendent radialement depuis la section de baseà la section de pointe. 7.- Turbineà flux axial selon revendication3, caractérisée en ce que lesdits trous de rechargement(36) sont moulés avec lesdits moyens de paroi.