NO811830L - Slipende, kjoelbar tupphette for rotorblader. - Google Patents

Description

t

Den foreliggende oppfinnelse vedrører blader på rotasjons-maskiner med aksialstrømning og, nærmere bestemt, slipende tupphetter av kjølbar konstruksjon, som er fastgjort til endene av bladene.

Oppfinnelsens prinsipper er utviklet i gassturbinmotor-industrien, for anvendelse i motorers turbinseksjoner, men kan med fordel tilpasses andre høytemperaturs-rotasjonsmaskiner.

I moderne gassturbinmotorer blir det i et forbrennings-kammer produsert drivmediumgasser av meget høy temperatur, og disse gasser strømmer gjennom en turbinseksjon bakenfor for-brenningskammeret. Ved forenden av turbinseksjonen har driv-gassene karakteristiske temperaturer av ca. 1370°C eller mer. Drivgasstemperaturen vil i mange tilfeller overstige kapasi-teten av det materiale hvorav turbinkomponentene er fremstilt, og disse komponenter avkjøles med luft av lavere temperatur, for å hindre at komponentene nedslites ellerødelegges.

Turbinrotorbladene ved forenden av turbinseksjonen er blant de komponenter som vanligvis avkjøles. Bladene rager utad fra motorens rotor, på tvers av drivmediets strømningsbane,

og bladenes radiale ytterender er vendt mot en omsluttende' kappe på motorstatoren. Klaringen mellom bladtuppene og kappen er tilstrekkelig liten til å motvirke lekkasje av drivmediumgasser over bladtuppene med derav følgende, nedsatt aerodyna-misk virkningsgrad. Med en så vidt liten klaring ved bladtuppene vil bladene, særlig ved hurtig skiftende motorhastig-heter, stryke mot den omgivende kappe. En slik gnidning med-fører risiko for ødeleggende virkninger både som følge av meka-nisk deformering av blad eller kappe og på grunn av overdrevne varmepåkjenninger som oppstår under gnidningsperioden. Rotor-bladtuppene avkjøles konvensjonelt som beskrevet i US-patentskrifter 3.889.267, 3.994.622 og 4.010.531.

De omsluttende kapper fremstilles vanligvis av slipbart eller deformerbart materiale som kan kompensere gnidningskontakt med bladene uten ødeleggende innvirkning. Slike konstruksjoner er kjent fra US-patentskrifter 3.042.365, 3.854.842, 3.817.719, 3.879.831 og 3.918.925.

Til tross for de tidligere utviklede konstruksjoner og materialsystemer, er forskere og ingeniører innenfor denne industrigren fortsatt beskjeftiget med utvikling av ytterlig forbedrete blad- og kappekomponenter-Det er særlig ønskelig å frembringe rorblader med stor motstandskraft overfor destruk-tive deformeringskrefter og med effektiv kjøling i bladtuppsonen.

Ifølge den foreliggende oppfinnelse dannes tupp-partiet av et rotorblad av en lamellkonstruksjon, hvor den ytterste lamell er tilvirket av et slipende stoff som kan løsrive materiale fra en omsluttende kappe, uten å forårsake overdrevne varmepåkjenninger, og hvor konveksjonsvarme-overføringskapasi-teten er betydelig i sonen nær den potensielle gnidningsflate ved bladtuppen.

Konstruksjonen ifølge den foreliggende oppfinnelse kjenne-tegnes primært ved lamell-elementene som danner tupphetten. Lamellene forløper som korder over bladtuppen, og dekker det innvendige kjølelufvtkammer. Den ytterste lamell er tilvirket av et slipende materiale som kan løsrive avslipbart materiale fra en omsluttende kappe, uten at det oppstår overdrevne varme-påk jenninger . Kjøleluftkanaler mellom lamellene danner et varme-utløp for avleding av varme fra gnidningsflåtene ved bladtuppen. Andre kanaler for ytterligere kjøling forløper stort sett i

spennretning på tvers av lamellstabelen.

Hovedfordelen ved oppfinnelsen består i den økete evne til opprettelse av effektiv kjølekapasitet i sonen umiddelbart ved kilden til varmeenergiutviklingen. Det anvendes betydelig konveksjonskjøling, for å sikre uavbrutt kjølingsstrømning. Lamelltypekonstruksjonen muliggjør økonomisk utforming av kjøle-åpninger med stort flateareal i forhold til strømningsarealet. I visse utførelsesformer kombineres konveksjonskjøling med

filmkjøling. Anvendelsen av slipende materiale i den ytterste lamell minsker sannsynligheten for at de i spennretning for-løpende åpninger skal lukkes grunnet materialdeformasjon i åpningene. Innføyningen av forskjellige-materialer i bladtuppsonen lar seg lett gjennomføre ved hjelp av fremstillingstek-

nikker som er synergistisk egnet for økonomisk utforming av inn-viklede kjølekanaler.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet unde henvisning

til de medfølgende tegninger, hvori:

Fig. 1 viser et perspektivriss av en gassturbinmotor med

en tupphette ifølge foreliggende oppfinnelse.

Fig. 2 viser^et forstørret perspektivriss av tuppsonen på bladet ifølge fig. 1, som illustrerer de kordevis forløpende lameller som danner tupphetten, og hvor visse partier er ute-latt for å vise et konveksjonskjølingssystem som inngår i en slipende bladtuppkonstruksjon. Fig. 3 viser et snitt mellom lameller ved forkanten av bladet, som illustrerer overensstemmelsen mellom de tversgående kjølekanaler og bladets forkantkontur.

Den foreliggende oppfinnelses prinsipper er egnet for anvendelse ved et rotorblad 10 som er vist i fig. 1 og som er representativt for denne type av rotorblader. Bladet omfatter tre hovedseksjoner, nemlig en rotseksjon 12, en plattformsek-sjon 14 og en aerofoilseksjon 16. Bladet er utstyrt med ett eller flere, innvendige kamre, såsom forkantkammeret 20 og bakkantkammeret 22, som fra rotseksjonen forløper gjennom aero-foilseks jonen , for fordeling av kjøleluft i den omliggende sone. Kamrene er lukket ved aerofoilseksjonens ytterende, ved hjelp av en 'tupphette 24 med en utadrettet flate 26.

I sitt driftsmiljø kan bladets rotseksjon 12 fastgjøres til en rotorskive (ikke vist) i en gassturbinmotor, hvorved aerofoilseksjonen 16 rager utad på tvers av en ringformet strøm-ningsbane for drivmediumgassene i motoren. Plattformseksjonen 14 danner en del av den indre begrensning for strømningsbanen. Den ytre begrensning for strømningsbanen dannes delvis av en omsluttende kappe (heller ikke vist), som er vendt mot bladtuppens ytterflate og beliggende i umiddelbar tilgrensning til denne. Den omsluttende kappe vil typisk innbefatte et påført belegg

av slipbart materiale, hvori bladtuppen inndrives bortslipende under hurtig skiftende driftstilstander.

I den utførelsesform av oppfinnelsen som er vist i fig. 2, er aerofoilseksjonen 16 tilvirket av en rekke lameller 18 som ligger i spennretning og som er sammenføyd på egnet måte, f.eks. ved dif f us jonsvedhef tning. Tupphetten 2-4 er likeledes fremstilt av en rekke lameller som forløper i korderetning og som om fatter en ytterlamell 30 og én eller flere innerlameller 32 som er stablet i spennretningen. Der er vist to innerlameller. Tupphetten lukker ytterendene av forkantkammeret 20 og bakkantkammeret 22. Innerlamellene 32 er tilvirket av en metallfor-bindelse som er jevnførbar eller identisk med det materiale hvorav bladets aerofoilseksjon er fremstilt. Ytterlamellen 30 er tilvirket av et slipende materiale, f.eks. silikonkarbid, som er innleiret i en metallisk grunnmasse. Den utadrettede flate 26 er tilpasset for å bringes i gnidende anlegg mot kappen som er vendt mot bladet. Lamellene er forbundet, f.eks. med hverandre og de spennretningsforløpende aerofoillameller, likeledes ved anvendelse av en egnet teknikk såsom diffusjons-vedheftning.

Tverrkanaler 34 for kjøleluftstrømmen fra de innvendige kamre er anordnet i grenseflaten mellom to innbyrdes tilstøtende lameller. I den viste utførelsesform forløper tverrkanalene fra det indre av bladet, ved et av kjøleluftkamrene og i tverret-ning til aerofoilens trykksideflate 38. I visse utførelsesformer kan tverrkanalene i stedet være ført til sugesiden av bladet, selv om en kombinasjon av radialutstrømning og trykksideutstrøm-ning antas å være gunstigst med henblikk på aerofoilens aerodynamiske ytelse. Kanalene dekker en vesentlig del av aero-foiltverrsnittet i tupphettesonen, og vil derved gi betydelig kjøling umiddelbart nær den utadvendte og potensielle gnidningsflate 26. Ytterligere kanaler 40 utgår stort sett i spennretningen fra ett eller flere av kjølekamrene. Det det er praktisk kan kanalene være skråstilt, for å øke kjølingskapasiteten i tupphettekonstruksjonen. For å opprette en betydelig konveksjons-kjølingskapasitet ved forkanten av hettesonen 18, er det anordnet en kanal 42. Fra denne kanal forløper sidekanaler 44 stort sett i spennretning gjennom tupphetten. Kanalene kan også, slik som vist, være skråstilt, for å øke konveksjonskjølings-kapasiteten. I en foretrukket utførelsesform er kanalen 42 utformet avsmalnende, slik som vist, til en redusert tverrsnittsflate ved bakkanten. Den minskende tverrsnittsflate medvirker

til å opprettholde trykkdifferansen over bladtuppen mellom

kanalen og det omgivende miljø på utsiden av aerofoilen.

Som vist i fig. 3, er den fremre del av tverrkanalene ved bladets forkant krummet i korderetning,- for nøye å følge aerofoilens forkantkontur. Dette medfører høye varmeoverførings-hastigheter og øket konveksjonskjøling.

Hettekonstruksjonen ifølge oppfinnelsen er i høy grad for-delaktig, grunnet sin evne til å opprette sterk konveksjonskjØlin< umiddelbart ved punktene for potensiell varmeutvikling. Et varme-utløp for avieding av varmeenergi fra utviklingspunktene er dannet av gruppen av kanaler, og særlig de sidekanaler 34 som er vist i fig. 2. Det er deri anordnet en plan sone for stort sett ensartet konveksjonskjøling. Lamellkonstruksjonen kan lett tilpasses for opprettelse av slike kanaler, særlig i grense-flatene mellom lamellene, hvori det kan anordnes kanaler av komplisert utforming og kontur, f.eks. ved etsing, innen lamellen* sammenføyes. Plasseringen, i overensstemmelse med oppfinnelsen, av varmeutløpet i tilgrensning til de potensielle gnidningsflater muliggjør avleding av varme uten ødeleggelse av blad-tuppmaterialet.

Det kreves stor kanaltetthet for å sikre tilstrekkelig konveksjonskjøling. Selv om kanalene i hittil kjente konstruksjoner som ikke er av "lamelltype, har vært anordnet i mindre antall, er slike konstruksjoner typisk avhengig av i hvert fall et vesentlig bidrag fra filmkjølingsteknikkene, for å beskytte bladytterflåtene mot drivmediumgasser av høy temperatur. Det er ved den foreliggende konstruksjon tatt i betraktning, at ved forekommende gnidning vil filmkjølingen over bladtuppen avbrytes akkurat på det tidspunkt når det kreves maksimal varmeavledingskapasitet. En slik eliminering av kjøleevnen vil stort sett unngås, idet avkjølingen foregår i sidekanalene.

I forbindelse med oppfinnelsen er det videre tatt i betrakt ning at kjøleluftutstrømningen på sugesiden av et rotorblad ned-setter bladets aerodynamiske ytelsesgrad ved å begunstige opp-byggingen av grensesjiktluft langs bladets sugeside. I den grad det er mulig er slik utstrømning unngått i den foreliggende konstruksjon grunnet den effektive kombinasjon av tverrkanalene 34 til bladets trykkside og kanalene 40 og 44 som forløper i spennretningen og utmunner i bladtuppen. Bare en begrenset utstrøm-ning finner sted på sugesiden ved bladets forkant.

Tupphetteutførelsesformene ifølge oppfinnelsen er vist i tilknytning til et blad som er fremstilt ved radiallamellteknikk. Oppfinnelsens prinsipper er i høy grad forenelige med materialsystemer og fremstillingsteknikker som anvendes ved radiallamell-konstruksjoner, og antas følgelig å finne størst anvendelse på dette område. Kjente, systemer innenfor radiallamellbladområdet er beskrevet i US-patentskrifter 3.872.563 og 4.203.706.

Oppfinnelsen kan modifiseres innenfor rammen av de etter-følgende krav.

Claims (7)

1. Rotorblad av den type som omfatter minst ett spennrettet kammer, forløpende mellom bladroten og bladtuppen, for fordeling av kjøleluft, karakterisert ved en hette (24) som er anbrakt over tuppenden av kammeret (20,22) og dannet av et antall lameller (30,32) som forløper i korderetning og er stablet i spennretningen, hvor den ytterste lamell (30) i lamellrekken er tilvirket av et slipende materiale og hvor minst to av lamellene innbefatter et antall tversgående kjøle-kanaler som er utformet mellom lamellene, for leding av kjøle-luftstrømmen fra det spennrettede kammer til trykksiden av bladet.

2. Rotorblad i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det mellom lamellene (30,32) er anordnet minst én ytterligere kjølekanal som forløper sidelengs og med slik innretning at den kan avlede kjøleluft fra det spennrettede kammer til bladets sugeside.

3. Rotorblad i samsvar med krav 1 eller 2, karakterisert ved at minst én av de tversgående kjøle-kanaler (34) er anordnet ved forkanten av bladet og utformet med tilnærmelsesvis samme kontur som forkantkonturen langs bladets trykkside.

4. Rotorblad i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at minst én av de tversgående Icjøle-kanaler (34) er anordnet ved forkanten av bladet og utformet med tilnærmelsesvis samme kontur som forkantkonturen langs bladets sugeside.

5. Rotorblad i samsvar med et av kravene 1-4, k a r a k - 0 terisert ved at lamellene (30,32) innbefatter ytterligere kanaler som forløper stort sett i spennretning tvers over hetten (24) og utgår fra et av de spennrettede kamre (20,22).

6. Rotorblad i samsvar med et av kravene 1-5, karakterisert ved at det innbefatter en kanal (42) i lamellene (30,32), som forløper i korderetning fra kammeret (20,22) mot bladtuppens (18) bakkant, og ytterligere kjøle-kanaler (44) som forløper stort sett i spennretning fra den nevnte kanal (42), slik at kjø leluft fra kammeret kan avledes gjennom kanalen (42) i spennretning fra bakkanten av bladtuppen .

7. Rotorblad i samsvar med krav 5 eller 6, karakterisert ved at kanalen (42) avsmalner med minskende tverrsnittsflate mot bladets bakkant.