(12) OPIS PATENTOWY. (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/CA97/00705

Transkrypt

1 RZECZPOSPOLITA POLSKA Urząd Patentowy Rzeczypospolitej Polskiej (12) OPIS PATENTOWY (21) Numer zgłoszenia: (22) Data zgłoszenia: (86) Data i numer zgłoszenia międzynarodowego: , PCT/CA97/00705 (87) Data i numer publikacji zgłoszenia międzynarodowego: , W O98/15717, PCT Gazette nr 15/98 (19)PL (11) (13) B1 (51 ) IntCl7 F01D5/18 (54) Płat łopatki silnika turbiny gazowej (30) Pierwszeństwo: ,US,08/725,990 (73) Uprawniony z patentu: PRATT & WHITNEY CANADA INC., Longueuil, CA (43) Zgłoszenie ogłoszono: BUP 19/99 (72) Twórcy wynalazku: Ian Tibbott, Lichfield, GB William Abdel-Messeh, Beloeil, CA Michael Papple, Nun's Island, CA (45) O udzieleniu patentu ogłoszono: WUP 10/04 (74) Pełnomocnik: Sierpińska Urszula, PATPOL Sp.z o.o. PL B1 Fig.1 ( 5 7 ) 1. Płat łopatki silnika turbiny gazowej, wyposażony w układ chłodzenia powietrzem i zawierający ścianę wyznaczającą ziewnętrzny kształt płata i wewnętrzną jamę, platformę usytuowaną przy końcu płata oraz odcinek rufowy, wyznaczający krawędź spływu, przy czym w jamie płata znajduje się rura wkładkowa, wystająca z platformy dla przepuszczania części sprężonego powietrza chłodzącego do jamy płata, zaś przy krawędzi spływu i wzdłuż płata w poprzek toru głównego strumienia gazu znajdują się szczeliny wylotowe, wypuszczające powietrze z jamy płata na tor przepływu głównego strumienia gazu w silniku, znamienny tym, że platforma (12, 14) ma elementy kierujące całość zużytego strumienia powietrza chłodzącego uderzającego o platformę (12, 14) przez otwór (50, 52) do jamy (18) płata (10), skąd uchodzi przez szczeliny wylotowe (54) wraz z częścią powietrza chłodzącego, wpuszczanego do jamy (18) przez rurę wkładkową (32), a ponadto platforma (12, 14) ma otwór (50, 52), połączony z jamą (18) płata (10) w jego odcinku rufowym (30) pomiędzy rurą wkładkową (32) a szczelinami wylotowymi (54) w odcinku rufowym (30).

2 Płat łopatki silnika turbiny gazowej Zastrzeżenia patentowe 1. Płat łopatki silnika turbiny gazowej, wyposażony w układ chłodzenia powietrzem i zawierający ścianę wyznaczającą zewnętrzny kształt płata i wewnętrzną jamę, platformę usytuowaną przy końcu płata oraz odcinek rufowy, wyznaczający krawędź spływu, przy czym w jam ie płata znajduje się rura wkładkowa, wystająca z platformy dla przepuszczania części sprężonego powietrza chłodzącego do jamy płata, zaś przy krawędzi spływu i wzdłuż płata w poprzek toru głównego strumienia gazu znajdują się szczeliny wylotowe, wypuszczające powietrze z jamy płata na tor przepływu głównego strumienia gazu w silniku, znamienny tym, że platforma (12, 14) ma elementy kierujące całość zużytego strumienia powietrza chłodzącego uderzającego o platformę (12, 14) przez otwór (50, 52) do jamy (18) płata (10), skąd uchodzi przez szczeliny wylotowe (54) wraz z częścią powietrza chłodzącego, wpuszczanego do jamy (18) przez rurę wkładkową (32), a ponadto platfor ma (12, 14) ma otwór (50, 52), połączony z jam ą (18) płata (10) w jego odcinku rufowym (30) pomiędzy rurą wkładkową (32) a szczelinami wylotowymi (54) w odcinku rufowym (30). 2. Płat według zastrz. 1, znamienny tym, że otwór (50, 52) jest umieszczony w pobliżu krawędzi spływu (33) rury wkładkowej (32). 3. Płat według zastrz. 1, znamienny tym, że platforma (12, 14) jest w postaci wewnętrznej platformy (12) i dodatkowej zewnętrznej platformy (14), przy czym obydwie te platformy (12, 14) są umieszczone przy odpowiednich końcach płata (10), zaś otwór (50, 52) znajduje się zarówno w zewnętrznej platformie (14) jak i w wewnętrznej platformie (12). * * * Przedmiotem wynalazku jest płat łopatki silnika turbiny gazowej, zawierający układ chłodzenia płata. Ze stanu techniki jest znany płat łopatki silnika turbiny gazowej, chłodzony przez połączenie uderzania i chłodzenia warstwowego, przykładowo przez pobieranie powietrza chłodzącego ze sprężonego powietrza, pochodzącego ze sprężarki silnikowej i kierowania go w jedną bądź obie platformy łopatkowe zewnętrzną i wewnętrzną, jak również wprowadzania powietrza chłodzącego do wkładki rurowej wewnątrz wydrążonej jamy łopatki dla celu zapewnienia uderzania powietrza chłodzącego o wewnętrzne ścianki łopatki albo dla zapewnienia chłodzenia warstwowego na powierzchni płata. Takie układy chłodzące przedstawiono w opisie patentowym USA nr 5,352,091. Z opisu patentowego USA nr 5,142,859, jest znane wprowadzanie powietrza, chłodzącego zewnętrzną platformę, do wkładki w jamie i przez otwory we wkładce tak, by uderzało w wewnętrzną powierzchnię wydrążonej jamy płata. Część z tego chłodziwa wprowadzana jest do głównego strumienia gazu przez otwory w krawędzi spływu płata. Pozostała część tego chłodziwa (około 20%) usuwana jest z jamy przez otwór w wewnętrznej platformie płata łopatki dla zmieszania z innym strumieniem chłodzącym i ostatecznie wprowadzana do głównego strumienia gazu w pobliżu części uszczelnienia wieńcowego wewnętrznej platformy płata łopatki. Część zużytego powietrza chłodzącego, wydobywająca się wraz z głównym strumieniem gazu z krawędzi spływu płata odchodzi w postaci strumienia usytuowanego pod małym kątem do głównego strumienia względem płata, i przy bardzo dużej wartości liczby machów powoduje jedynie niewielką stratę energii, gdyż jest zmniejszone mieszanie powietrza chłodzącego i gazów głównego strumienia. Jednakże ta część chłodziwa, wprowadzana do głównego strumienia w pobliżu części uszczelnienia

3 wieńcowego wewnętrznej platformy łopatki albo podobnego umiejscowienia w dół od zewnętrznej platformy powoduje straty energii ze względu na ten sposób mieszania. W warunkach wysokiej temperatury, w których często pracują takie łopatki, jednym z zadań układów chłodzących płata jest wprowadzanie stosunkowo dużych ilości zużytego powietrza chłodzącego na tor gazu z minimalnym poziomem strat i w sposób, w który można zapewnić wydajne boczne chłodzenie warstwowe płata łopatki. Celem wynalazku jest zwiększenie marginesu ciśnienia przepływu wstecznego przy krawędzi spływu rury wkładkowej w łopatce, szczególnie w obecności miejscowego chłodzenia warstwowego zewnętrznej powierzchni łopatki, w celu zmniejszenia ryzyka wessa nia gorącego powietrza do jamy płata łopatki, co może spowodować przegrzanie płata Celem wynalazku jest zatem opracowanie płata łopatki silnika turbiny gazowej, mającego polepszoną wydajność aerodynamiczną, a przez to polepszoną wydajność łopatki i brzeszczotu przez zmniejszenie strat energii z uwagi na wtórne mieszanie przepływowe jak opisano powyżej. Dalszym celem wynalazku jest opracowanie rozwiązania wyżej wspomnianych problemów przez zwiększenie marginesu oporności na ciśnienie przepływu wstecznego, który może zachodzić przy otworach wylotowych na płacie. Następnym celem wynalazku jest zmniejszenie objętości powietrza chłodzącego, wymaganej do schłodzenia płata, ponieważ zużyte powietrze chłodzące, przekierowane przez uderzenie w platformę, zastąpi część sprężonego powietrza przeznaczonego do chłodzenia płata. Dalszym celem wynalazku jest poprawa gradientu termicznego wzdłuż przekroju płata, w szczególności w jego odcinku rufowym, a tym samym przedłużenie czasu życia płata. Płat łopatki silnika turbiny gazowej, wyposażony w układ chłodzenia powietrzem i zawierający ścianę wyznaczającą zewnętrzny kształt płata i wewnętrzną jamę, platformę usytuowaną przy końcu płata oraz odcinek rufowy, wyznaczający krawędź spływu, przy czym w jamie płata znajduje się rura wkładkowa, wystająca z platformy dla przepuszczania części sprężonego powietrza chłodzącego do jamy płata, zaś przy krawędzi spływu i wzdłuż płata w poprzek toru głównego strumienia gazu znajdują się szczeliny wylotowe, wypuszczające powietrze z jamy płata na tor przepływu głównego strumienia gazu w silniku, według wynalazku charakteryzuje się tym, że platforma ma otwór, połączony z jam ą płata w jego odcinku rufowym pomiędzy rurą wkładkową a szczelinami wylotowymi 54 w odcinku rufowym, a ponadto platforma ma elementy kierujące całość zużytego strumienia powietrza chłodzącego uderzającego platformę przez otwór do jamy płata, skąd uchodzi przez szczeliny wylotowe wraz z częścią powietrza chłodzącego, wpuszczanego do jamy przez rurę wkładkową. Otwór platformy korzystnie jest umieszczony w pobliżu krawędzi spływu rury wkładkowej. Platforma korzystnie jest w postaci zewnętrznej platformy i dodatkowej wewnętrznej platformy, przy czym obydwie te platformy są umieszczone przy odpowiednich końcach płata, zaś otwór znajduje się zarówno w zewnętrznej platformie jak i w wewnętrznej platformie. Zaletą konstrukcji płata według wynalazku jest. to, że całe powietrze chłodzące z wewnętrznej jamy płata, nie użyte do chłodzenia warstwowego strony ciśnieniowej przez płat, jest wprowadzane do głównego strumienia przepływu gazu od krawędzi spływu łopatki o pożądanej liczbie machów i pod pożądanym kątem, tym samym zmniejszając starty energii na mieszanie. Całe powietrze chłodzące, które uderzy w platformę i będzie podane do jamy wewnątrz płata, zwiększy ciśnienie w strefie o stosunkowo niskim ciśnieniu w odcinku rufowym jamy w płacie, tym samym opierając się wchłonięciu gorących gazów z głównego strumienia, szczególnie w obecności chłodzenia warstwowego. Ponadto, ponieważ zużyte powietrze chłodzące jest gorętsze, zatem po uderzeniu w platformę polepszy gradient temperaturowy na przekroju płata. Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z boku płata łopatki silnika turbiny gazowej według wynalazku, a fig. 2 - poziomy przekrój poprzeczny wzdłuż linii 2-2 z fig 1.

4 Jak pokazano na fig. 1 i 2, płat 10 łopatki pierwszego stopnia silnika turbiny gazowej ma wewnętrzną platformę 12 i zewnętrzną platformę 14. Płat 10 zawiera ścianę 16, wyznaczającą przynajmniej jedną jamę 18. Ściana ma krawędź prowadzącą 20 względem głównego strumienia gazów pochodzących z komory spalania oznaczonego jako strumień gazu GF w torze gazu. Jak przedstawiono na fig. 1, płaty 10 łopatek w pierwszym stopniu turbiny są umieszczone w układzie promieniowym i wsparte przez konstrukcję podporową 40 przy wewnętrznej platformie 12 i przez kołnierz 38 przy zewnętrznej platformie 14. Jama 18 jest wyznaczona przez ścianę 16, która zawiera stronę ciśnieniową 24 i stronę ssącą 26. Ściana 16 może mieć otworki (niepokazane) łączące się z jam ą 18, pozwalające na chłodzenie warstwowe na zewnętrznej powierzchni ściany 16. Powietrze chłodzące podawane jest do jamy 18 przy pomocy rur wkładkowych 32, 34 z rurą wkładkową 34 w odcinku przednim 28 płata 10 i rurą wkładkową 32 w odcinku rufowym 30. Powietrze chłodzące wpuszczone ze sprężarki (nie przedstawionej) przechodzi przez pierścieniowaty przewód powietrzny, otaczający turbinę, przez otwory 42 w kołnierzu 38 i do rury wkładkowej 32. Otwory wyjściowe 44 znajdują się po stronach ciśnieniowej i ssącej rury wkładkowej 32 w celu umożliwienia uderzenia powietrza chłodzącego w ścianę 16 na wewnętrznej jej powierzchni w celu przejścia następnie przez otwory w ścianie 16 tak, by utworzyć warstwę chłodzącą na zewnętrznej powierzchni ściany 16. W każdym wypadku, chłodziwo uderzające wewnątrz jamy 18, nie wykorzystane do chłodzenia warstwowego, przejdzie do odcinka rufowego 30 płata 10 nad występami 36 i przez szczeliny wylotowe 54 przy krawędzi spływu 22 płata. Występy 36 na torze przepływu powietrza chłodzącego od otworów 44 zwiększają współczynniki przenoszenia ciepła ściany 16. Przepływ powietrza poza rurę wkładkową 32 wytwarza obszar niskiego ciśnienia przy krawędzi spływu 33 rury wkładkowej 32. Powietrze chłodzące ze sprężarki jest również kierowane przez otwory 46 w kołnierzu 38 w celu uderzenia w zewnętrzną platformę 14. Podobnie, powietrze chłodzące wypuszczone ze sprężarki może przechodzić przez otwory 48 w konstrukcji podporowej 40 w celu uderzenia w wewnętrzną platformę 12. Choć w wynalazku wykorzystuje się chłodzenie uderzeniowe zarówno wewnętrznej jak i zewnętrznej platformy 12, 14, to inne przykładowe wykonania wynalazku mogą wykorzystywać jedynie uderzenie w jedną lub w drugą platformę. W opisanym przykładowym wykonaniu, w którym występuje chłodzenie uderzeniowe obu platform, otwory 50, 52 umieszczone są odpowiednio w platformach 12 i 14 tuż poniżej krawędzi spływu 33 rury wkładkowej 32 w celu skierowania tego powietrza chłodzącego do odcinka rufowego jamy 18 płata 10. Zaleca się, by jeden lub obydwa otwory 50 i 52 były ulokowane w pobliżu krawędzi spływu 33 rury wkładkowej 32 w celu umożliwienia zwiększenia przepływu powietrza uderzającego, które wchodzi do jamy 18 płata 10 pod stosunkowo wysokim ciśnieniem, w normalnie niskociśnieniowym obszarze poniżej krawędzi spływu 33 rury wkładkowej 32, by w ten sposób zwiększyć ogólne ciśnienie w tej strefie i tym samym chronić przed wchłonięciem gorących gazów ze strumienia gazów GF, zwłaszcza tam, gdzie w projekcie płata jest wykorzystywane chłodzenie warstwowe strony ciśnieniowej płata 10. Reaktywuje to region oddzielonego przepływu, wytworzony tuż poniżej krawędzi spływu 33 rury wkładkowej 32, tym samym usprawniając miejscowe przenoszenie ciepła w tym regionie. Jednakże otwory 50 i 52 mogą być umieszczone w innych miejscach na zewnątrz rury wkładkowej 32 wewnątrz jamy 18 płata 10. Powietrze chłodzące, które uderzyło w platformy 12, 14, ma wyższą temperaturę niż gazy chłodzące, przechodzące przez rurę wkładkową 32. Ze stanu techniki wiadomo, że gradient temperatury wzdłuż przekroju płata 10 pomiędzy wewnętrzną platformą 12 a zewnętrzną platformą 14 zmienia się znacznie wraz z wyższymi temperaturami w rejonie środka przekroju i chłodniejszą temperaturą w wewnętrznym rejonie platformy. Poprzez wstrzyknięcie zużytego, gorącego powietrza chłodzącego przez otwory 50, 52 w rejonie odpowiednio platformy zewnętrznej 14 i platformy wewnętrznej 12, gradient temperatury ścian płata od upustowych otworów 50, 52 do szczelin wylotowych 54 będzie spłaszczony, tj. zmniejszony, ponieważ temperatura w rejonie platformy zewnętrznej 14 i w rejonie piat-

5 formy wewnętrznej 12 będzie zwiększona i będzie bliższa temperatury powietrza w rejonie środka przekroju. Poprzez wprowadzenie chłodziwa do głównego strumienia przepływu gazu dzięki jamie 18 płata 10, a nie przez otwory upustowe bezpośrednio przez platformę do strumienia głównego, albo poza platformą w pobliżu uszczelnienia wieńcowego, można utrzymać wyższe ciśnienie wewnątrz jamy 18 płata 10 względem wysokiego ciśnienia po stronie ciśnieniowej płata 10, umożliwiając tym samym umieszczenie otworu chłodzenia warstwowego po stronie ciśnieniowej płata, wyżej niż w łopatkach znanych ze stanu techniki.

6 Fig.1 Fig.2 Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.