NL194734C - Gekoeld turbineblad voor een gasturbinemotor. - Google Patents

Description

, Gekoeld turbineblad voor een gasturbinemotor 1 194734

De uitvinding betreft een turbineblad voor een gasturbinemotor, welk turbineblad een aërodynamisch draagvlak heeft dat een worteldeel, een voorranddeel, een achterranddeel, een middenkoorddeel en een 5 tipdeel bepaalt, tenminste een radiale inwendige doorlaat die is begrensd door inwendige wanden grenzend aan het genoemde achterranddeel en voorranddeel alsmede tenminste een aanvoerkanaal dat een aantal in radiale richting op afstand van elkaar geplaatste filmkoelgaten heeft die uitmonden in het aërodynamische draagvlak ter vorming van een film van koellucht over dat draagvlak, welk aanvoerkanaal is voorzien van bijvulgaten die radiaal op afstand van elkaar zijn aangebracht in de genoemde wanden om koellucht te laten 10 stromen van het middenkoorddeel naar het aanvoerkanaal, en welk aanvoerkanaal naar een afvoeropening in het tipdeel loopt.

Een dergelijk turbineblad is bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 4.753.575. Bij dit bekende turbineblad kan het tipoppervlak worden gekoeld door de koellucht die afkomstig is uit het aanvoerkanaal.

In bedrijf van de gasturbinemotor waarin zich het turbineblad bevindt doen zich, vooral bij hogere 15 toerentallen, de effecten van de middelpunt vliedende krachten voelen. De koellucht wordt daarbij meer of minder krachtig uit de tipopening gedreven. De in radiale richting binnenwaarts gelegen filmkoelgaten worden daardoor minder goed gevoed met koellucht. Deze zijn daardoor minder goed in staat om koellucht voor de aangrenzende bladsecties te verschaffen, waardoor oververhitting daarvan kan optreden.

Doel van de uitvinding is daarom een turbineblad van het in de aanhef genoemde type te verschaffen, 20 waarbij dit probleem van oververhitting wordt tegengegaan. Dat doel wordt bereikt doordat het aanvoerkanaal door het worteldeel loopt en dat de afmetingen van de afvoeropening zodanig zijn gekozen dat de stroom koellucht wordt geminimaliseerd ter verschaffing van een in hoofdzaak uniforme verdeling van de koellucht over de filmkoelgaten door aanpassing van de terugstroommarge voor iedere radiale positie in het aanvoerkanaal. De terugstroommarge is gedefinieerd als de drukverhouding over elk van de filmkoelgaten 25 op het aërodynamisch draagvlak.

Bij het turbineblad volgens de uitvinding kunnen de filmkoelgaten gelijkmatig gevoed worden met de koellucht zodanig dat plaatselijke oververhitting wordt vermeden. De afmetingen van de afvoeropening in het tipdeel kunnen worden afgestemd op de in bedrijf van de gasturbinemotor te verwachten middelpuntvliedende effecten.

30 Het gunstige effect van een regelmatige verdeling van de koellucht over de filmkoelgaten kan worden versterkt doordat het aanvoerkanaal stuurstrippen omvat. Deze stuurstrippen zijn bij voorkeur scheef geplaatst ten opzichte van de langsrichting van het aanvoerkanaal.

Gewezen wordt op het uit het Amerikaanse octrooischrift 4.820.123 bekende turbineblad. Bij dit turbineblad mondt het aanvoerkanaal uit in een opening die ten doel heeft vuil af te voeren. Dit vuil komt 35 met de koellucht terecht in het afvoerkanaal. Doordat het vuil via de genoemde opening kan ontsnappen, kan worden verzekerd dat de overige koelkanalen schonere koellucht krijgen toegediend.

Gewezen wordt op de Britse octrooiaanvrage 2.112.468, waaruit een turbineblad bekend is voorzien van kanalen met zich dwars uitstrekkende strippen. Deze strippen hebben ten doel wervelingen op te wekken in de koelluchtstroming zodanig dat de warmte-overdracht met de wand van het turbineblad wordt verbeterd.

40 De strippen hebben niet ten doel de drukverdeling over de kanalen te beïnvloeden.

Verder is uit het Amerikaanse octrooischrift 4.180.373 een dergelijk turbineblad bekend met kanalen voorzien van de koeling bevorderende strippen.

De voorgaande en andere kenmerken en voordelen van de onderhavige uitvinding zullen duidelijker worden 45 uit de volgende beschrijving en tekeningen.

Figuur 1 is een dwarsdoorsnede van een turbineblad met axiale stroming volgens de onderhavige uitvinding.

Figuur 2 is een doorsnede langs de lijn II—II van figuur 1.

Figuur 3 is een gedeeltelijk aanzicht in doorsnede volgens de lijn III—III van figuur 1.

50 Figuur 4 is een gedeeltelijk aanzicht in doorsnede volgens de lijn IV-IV van figuur 1 die de uitvinding toont waarbij gebruik gemaakt wordt van scheve stuurstrippen.

Het blad 10 is vervaardigd van een bekende hoge temperatuurlegering en omvat een koker die een voorrand 12, een achterrand 14, tip 16 en wortel 18 begrenst. Het turbineblad 10 vormt het aërodynamische 55 draagvlak dat een zuigzijde 20 (lagere druk) en een drukzijde 22 heeft. In het aërodynamische draagvlak is een aantal gaten gevormd voor het bereiken van de gewenste koeling. In het ideale geval stroomt de koellucht die over een groot deel van het aërodynamische draagvlak gaat uit deze gaten om een film te 194734 2 vormen die 2ich gedraagt als een grenslaag tussen het aërodynamische draagvlak en de hete gassen.

Het aanzicht in doorsnede van figuur 2, dat de inwendige kanalen toont van het blad door een vlak dat ' door het centrum gaat (middenkoorde deel), is een voorbeeld van de gewoonlijk gebruikte bladkoelings-' techniek met verschillende koelkanalen die worden begrensd door de ribben 26 die dienen om de lucht 5 volgens een serpentinevormig pad te laten stromen om een optimale convectiekoeling te krijgen. De uitvinding is aangepast om te worden toegepast met dit type koeltechniek, hoewel hij niet hiertoe is beperkt.

Het inventieve concept wordt getoond in figuren 1 en 3. Deze figuren tonen de koelluchtaanvoerkanalen 30 die gevormd zijn op de gewenste plaatsen grenzend aan de aërodynamische draagvlakken aan de zuigzijde en de drukzijde. Ten behoeve van het gemak en de eenvoud zal slechts één koelluchtkanaal 10 worden beschreven en dat is datgene dat door de doorsnede ill—III wordt afgebeeld in figuur 3.

Volgens de uitvinding is het koelluchtaanvoerkanaal 30 èen hoofdzakelijk cilindrisch gevormde, in radiale richting lopende doorlaat die grenzend aan het aërodynamische draagvlak is gevormd en een aantal radiaal op afstand van elkaar geplaatste filmkoelgaten 32 bevat die zijn aangebracht in het draagvlak. Koellucht van een inlaatopening 34 die gevormd is in de wortel van het blad, stroomt radiaal naar de afvoeropening 36 die 15 in de tip van het blad is aangebracht terwijl een deel van de koellucht door de filmkoelgaten 32 stroomt.

Dientengevolge is de stroming in aanvoerkanaal 30 eerder dynamisch dan statisch, en, zoals hierna wordt verduidelijkt, het toevoerkanaal 30 wordt continu bijgevuld met koellucht.

De diameter van de afvoeropening 36 is gedimensioneerd om een gewenste terugstroommarge en een radiale stroming te bereiken. Dit dient voor het verschaffen van de gewenste drukverhouding over elk van 20 de filmkoelgaten 32 opdat de filmkoeleffectiviteit wordt geoptimaliseerd van elk van de gaten die zich volledig over het radiale oppervlak uitstrekken. Dit dient eveneens voor het verschaffen van voldoende stroming bij een gewenste druk om de tip van het blad te koelen. Het zal voor de vakspecialist duidelijk zijn, dat het aanvoerkanaal 30 andere warmteoverdrachtsmiddelen zou kunnen bevatten zoals stuurstrippen, voor het vergroten van de koeling van het blad die eveneens de drukval beïnvloeden in het kanaal en de 25 terugstroommarge en de radiale stroming beïnvloeden.

Zoals hierboven vermeld, wordt het aanvoerkanaal 30 bijgevuld met koellucht door de bijvulkoelgaten 38 die in verbinding staan met de lucht die stroomt door dë serpentinevormige kanalen 40 die worden begrensd door de ribben 26. Dientengevolge ontvangt het kanaal 30 koellucht van zowel de bron van koellucht die wordt toegelaten door de inlaat 34 bij de wortel van het blad (hetgeen gewoonlijk lucht is die 30 wordt afgevoerd van de compressor) en de bijvulkoellucht die wordt toegelaten door de bijvulgaten 36 die zich uitstrekken over het radiale oppervlak van het aanvoerkanaal 30. Omdat de hoeveelheid koellucht in het aanvoerkanaal 30 vermindert wanneer de lucht voortgaat in de richting van de tip, wordt koellucht bijgevuld door de lucht die hieraan wordt toegelaten via de bijvulgaten 38. Dit concept leent zich voor het controleren van de drukverhouding over alle filmkoelgaten over het aërodynamische draagvlak gaande van 35 de wortel naar de tip. Dientengevolge zal, omdat de stroming tot een minimum wordt beperkt tengevolge van de terugstroommarge in radiale zin is aangepast, de voeding aan de filmgaten over deze lengte constant zijn.

Zoals hierboven vermeld kan de drukval in het aanvoerkanaal verder worden aangepast door stuurstrippen toe te voegen die eveneens leiden tot het verbeteren van de effectiviteit van de warmteoverdracht.

40 Verwezen wordt naar figuur 4 dat een deel van een aanvoerkanaal 30 toont dat is aangepast om de scheve stuurstrippen 70 te bevatten.

Bij de hiervoor bekende ontwerpen was het noodzakelijk om de koellucht in de inlaat te brengen bij een beduidend hogere druk om er voor te zorgen dat er ruimschoots voldoende druk zou zijn bij het naderen van de tip van het blad. Echter, tengevolge van de aard van het ontwerp, in het bijzonder omdat de 45 koellucht wordt overgebracht van een statische constructie naar de roterende bladen, veroorzaakte dit een lekkageprobleem of een moeilijk afdichtprobleem. Aldus ontstond normaliter een compromis tussen toelaatbare lekkage en gewenste koelluchtdruk.

Krachtens de onderhavige uitvinding en omdat het koelluchtaanvoerkanaal wordt bijgevuld met koellucht, kan de inlaatdruk een beduidend lagere waarde hebben, waardoor het lekkageprobleem wordt ondervangen 50 en de motorprestaties worden verbeterd.

Zoals duidelijk mag zijn uit het voorgaande, richten de bijvulgaten 38 de koellucht in de serpentinevormige doorgangen 40 om het achtervlak van het draagvlak te raken. Dit veroorzaakt niet alleen contact-koeling, maar het dient eveneens als vuilafscheider omdat de lucht in enige mate wordt afgebogen om te migreren door de filmkoelgaten 32. De vuildeeltjes zullen worden gevangen door de dynamische stroom van 55 koellucht in het aanvoerkanaal 30 waar deze dan naar de tip 16 van het blad worden geleid en worden afgevoerd in de gasbaan via de afvoeropening 36. Omdat het blad roteert, wordt de lucht met de vuildeeltjes in het aanvoerkanaal 30 gecentrifugeerd in de richting van de afvoeropening 36. Binnen het

Claims (3)

3 194734 5 raamwerk van de onderhavige uitvinding kan worden overwogen om de bijvulgaten 38 binnenwaarts te richten naar de wortel van het blad, waardoor een scheidingshoek wordt verschaft die groter is dan 90°, waardoor de vuilafscheiding wordt verbeterd. Conclusie·

1. Turbineblad voor een gasturbinemotor, welk turbineblad een aërodynamisch draagvlak heeft dat een worteldeel, een voorranddeel, een achterranddeel, een middenkoorddeel en een tipdeel bepaalt, tenminste 10 een radiale inwendige doorlaat die is begrensd door inwendige wanden grenzend aan het genoemde achterranddeel en voorranddeel alsmede tenminste een aanvoerkanaal dat een aantal in radiale richting op afstand van elkaar geplaatste filmkoelgaten heeft die uitmonden in het aërodynamische draagvlak ter vorming van een film van koellucht over dat draagvlak, welk aanvoerkanaal is voorzien van bijvulgaten die radiaal op afstand van elkaar zijn aangebracht in de genoemde wanden om koellucht te laten stromen van 15 het middenkoorddeel naar het aanvoerkanaal, en welk aanvoerkanaal naar een afvoeropening in het tipdeel loopt, met het kenmerk, dat het aanvoerkanaal (30) door het worteldeel (18) loopt en dat de afmetingen van de afvoeropening (36) zodanig zijn gekozen dat de stroom koellucht wordt geminimaliseerd ter verschaffing van een in hoofdzaak uniforme verdeling van de koellucht over de filmkoelgaten (32) door aanpassing van de terugstroommarge voor iedere radiale positie in het aanvoerkanaal (30).

2. Turbineblad volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat het aanvoerkanaal (30) stuurstrippen (70) omvat.

3. Turbineblad volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de genoemde stuurstrippen (70) scheef zijn geplaatst ten opzichte van de langsrichting van het aanvoerkanaal (30). Hierbij 1 blad tekening