NO772768L - Temperaturregulerbar vegg. - Google Patents

Description

Temperaturregulerbart

veggelement.

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et temperaturregulerbart veggelement, nærmere bestemt et veggelement som er innrettet til å kjøles ved en kombinasjon av støt- og transpirasjonskjøle-teknikk.

En begrensende faktor ved høytemperaturmaskiner, såsom gassturbinmotorer, er den maksimumstemperatur i arbeidsmedium-gassene som kan tåles uten ugunstig begrensning av de enkelte komponenters holdbarhet. Nærmere bestemt er rotorvingene og dyse-ledeskovler i turbinen utsatt for termisk skade og kjøles på forskjellige måter. Ved nesten all kjent teknikk anvendes det luft som uttas fra en kompressor og føres til det lokale område som skal kjøles gjennom egnete ledninger.

Ved de teknikker som er blitt foreslått tidliger og de som foreslås nå for tiden fortsetter man å legge vekt på redusert kjøleluftforbruk og forbedret kjøleeffektivitet. Det er kjent at støtkjøling er en av de mer effektive teknikker for effektiv utnyttelse av kjøleluft. Ved støtkjøling ledes en luftstrøm med høy hastighet mot komponenten som skal kjøles. Strømmen som har høy hastighet støter mot overflaten av komponenten og øker has-tigheten for varmeoverføringen mellom komponenten og kjøleluften. En typisk anvendelse av støtkjøling er angitt i US-patentskrift 3.628.880. Fra dette patentskrift er det kjent å anbringe lede-plater mellom den tilførte kjøleluft og komponenten som skal kjøles. Åpninger i hver plate leder strømmer av kjøleluft tvers over et mellomliggende rom mellom ledeplaten og den kjølte kom-ponent når motoren er i bruk. Trykkforholdet tvers over hver plate er tilstrekkelig høyt til å bringe kjøleluften som strømmer gjennom platen til å akselerere til hastigheter hvor luften støter an mot den motstående flate av komponenten som skal kjøles. Kjøle-luften føres ut fra mellomrommet mellom platen og den motstående flate med høy hastighet fqr å hindre oppbygging av mottrykk i mellomrommet. Ifølge ovennevnte US-patentskrift anvendes det filmkjølekanaler for bortføring av støtstrømmen.

En annen, meget effektiv, men ikke mye benyttet teknikk

er transpirasjonskjøling. Et kjølemedium føres med lav hastighet gjennom mange meget små huller i veggen av komponenten som skal kjøles. Strømmen med lav hastighet hefter til den utvendige overflate av komponenten slik at denne isoleres fra varmekilden. Ved transpirasjonskjøling er utstrømningshastighetene lave for

å hindre at kjøleluften trenger for mye inn i arbeidsmedium-gassene. For mye penetrering hindrer kjølefluidets adhesjon til komponenten og avbryter strømmen av mediumgasser. En typisk anvendelse av transpirasjonskjøling av turbinskovler er kjent fra US-patentskrift 3.706.506. Ifølge dette patentskrift anvendes det et antall kjølekanaler som er utformet bort over skovlens kord slik at de kan oppta både temperatur- og trykkgradienter bort over korden. Kjøleluft ledes til hver kanal gjennom en måleplate ved den nedre ende av vingeseksjonen. Et foretrukket trykkforhold bort over den kjølte vegg ved de fleste transpira-sjonskjølte utførelser er ca 1,25. Den transpirasjonskjølte konstruksjons effektivitet er meget følsom overfor variasjoner i trykkforholdet bort over flaten som skal kjøles. Følgelig må trykkfaholdet reguleres nøyaktig. Støt- og transpirasjonskjøling er anordnet i én flyvingeseksjon ifølge US-patentskrift 3.726. 604. Støtkjølingen utøves mot vingens forkantseksjon, og trans-piras jonskjølingen utøves mot sug- og trykkveggene. Men begge kjøleteknikker benyttes ikke samtidig for å supplere hverandre for kjøling av et felles parti av skovlveggen.

De ovenfor beskrevne individuelle kjøleteknikker har vært fordelaktige ved forlengelse av levetiden for forskjellige maskinkomponenter. Imidlertid foreligger det krav om maskiner med enda bedre ytelser og bedre holdbarhet. Det søkes stadig etter effektive kjøleteknikker som krever luftmengder.

Et hovedformål med den foreliggende oppfinnelse er å frem-bringe et temperaturregulerbart veggelement for bruk i høytem-peraturmaskiner. Den hensiktsmessige fordeling av kjølemediet for å oppnå ønsket temperaturregulering i en geometrisk tilpasset veggkonstruksjon er et konkurrerende mål. Ifølge en spe-siell utførelsesform tas det sikte på å variere på effektiv måte forholdet mellom støtkjøling og transpirasjonskjøling som en funksjon av trykkforskjellen tvers over veggen.

Ifølge oppfinnelsen er transpirasjons- og støtkjøle-teknikkene kombinert i et temperaturregulerbart veggelement hvori det er utformet et antall kamre mellom en første plate som vender mot den dominerende varmekilde ved bruk og hvori det er anordnet et antall transpirasjonshuller, og en andre plate som vender mot kjølemediumtilførselen ved bruk og hvori det er anordnet et antall støtåpninger, idet forholdet mellom det totale areal for transpirasjonshullene som fører fra hvert kammer og det totale areal av støtåpningene som fører til de respektive kamre er en funksjon av trykkforholdet bort over veggelementet i et forhold som er angitt i kurven i fig. 4.

Hovedtrekk ved oppfinnelsen er transpirasjonshuller i

den første plate og støtåpninger i den andre plate. Åpningene i den andre plate bevirker akselerasjon av kjølemediet som i bruk strømmer gjennom dem til hastigheter som er tilstrekkelig til å lede mediet med kraft tvers gjennom kammeret og bevirke at mediet støter mot den første plate. Hullene i den første plate leder kjølemediet gjennom platen med hastigheter som er tilstrekkelig lave til å gjøre det mulig for kjølemediet å hefte direkte til den første plate. Hullene i den første plate og åpningene i den andre plate kommuniserer med hverandre via et antall kamre som ligger opptil hverandre. Forholdet mellom det totale strømningsareal for transpirasjonshullene som fører fra hvert kammer og støtåpningene som fører til, er funksjonelt knyttet til trykkforholdet bort over veggen, slik som vist med kurven i fig. 4.

En hovedfordel med den foreliggende oppfinnelse er effektiv kjøling oppnådd ved kombinasjonen av transpirasjons- og støt-kjøleteknikkene. Den geometriske tilpasning av kjølestrukturen til de fysikalske krav ved en lang rekke maskinanvendelser er en ytterligere fordel.Kjøleluft anvendes på hensiktsmessig måte i konstruksjonen for en høy grad av kjøleeffektivitet, og trans-piras jonskjøling varieres i overensstemmelse med de ventede lokale trykkforhold bort over veggen.

Oppfinnelsen vil bli nærmere forklart i det etterfølgende under henvisning til de medfølgende tegninger, hvori: Fig. 1 viser et temperaturregulerbart veggelement med et parti borttatt for å vise et antall kamre inne i veggelementet.

Fig. 2 viser et snitt etter linjen 2-2 i fig. 1.

Fig. 3 viser et snitt gjennom en vinge i en gassturbin motor og viser det temperaturregulerbare veggelement) innrettet for bruk i vingen. Fig. 4 viser en kurve for det foretrukne arealforhold mellom tilførselsåpningene til hvert kammer og utløpshullene fra hvert kammer som en funksjon av trykkforholdet bort over veggelementet . Fig. 1 viser et temperaturregulerbart veggelement 10 som er dannet av en første plate 12 som er gjennomboret av et antall transpirasjonshuller 14, og en andre plate 16 som er gjennomboret av et antall støtåpninger 18. Det første og det andre plateele-ment er atskilt ved hjelp av avstandsorganer, såsom ribber 20, som er utformet i ett med platen 14 og som løper fra den første plate, noe som også fremgår av fig. 2. Ribbene 20 danner et antall kamre 2 2 mellom platene.

I bruk er den andre plate vendt mot en kjølelufttilførsels-anordning, og den første plate er vent mot en dominerende varmekilde. Veggelementet er tilpasset til strømmen av kjøleluft bort over veggelementet fra åpningene i den andre plate tvers gjennom kamrene og gjennom hullene i den første plate. Åpningene i den andre plate har en slik størrelse at det blir mulig å akselerere kjøleluften fra tilførselsanordningen til en hastighet som er tilstrekkelig til å bevirke at luften som strømmer gjennom åpningene ledes gjennom de respektive kamre og støter mot den motstående første plate. Hullene i den første plate har en slik størrelse at luft fra de respektive kamre kan strømme bort over den første vegg med hastigheter som er tilstrekkelig lave til å bevirke at luftstrømmer hefter umiddelbart opptil den første plate. Den nøyaktige dimensjonering av hullene og åpningene slik at disse bevirker henholdsvis transpirasjons- og støtkjøling er hovedsakelig avhengig av trykkforskjellen bort over den respektive plate og mellomrommet mellom platene. Støtkjøling og transpira-sjonskjøling er hver for seg kjente teknikker og de dimensjons-betingelser som er nødvendig for å oppnå disse funksjoner er følgelig ikke en del av den foreliggende oppfinnelse.

Den mest effektive kombinasjon av støt- og transpirasjons-kjøleteknikker i en felles utførelsesform slik som ifølge den foreliggende oppfinnelse er kritisk avhengig av forholdet A^/ A^, dvs. det totale strømningsareal AT gjennom strømningshullene 14 og det totale strømningsarealA^. gjennom støthullene 18. Dessuten varierer dette kritiske forhold med et trykkforhold P /P , hvor Pg er tilførselstrykket til støthullene og PQ er trykket hvormed utstrømningen foregår fra transpirasjonshullene. Analytisk vur-dering og interpretering av empiriske forsøksdata har frembrakt kurven i fig. 4 som angir arealforholdet i forhold til trykkforholdet.

Variasjon av arealf orholdet A^/A^. forandrer andelen støt-kjøling i forhold til transpirasjonskjølingen.Det fremgår av kurven i fig. 4 at ved lave trykkforhold Pc/Pner det ønskelig med et høyt forhold mellom transpirasjonskjøling og støtkjøling. Transpirasjonskjøling under slike betingelser bevirker maksimal utnyttelse av et minimum av kjøleluft for oppnåelse av tilstrekkelig kjøling. F.eks. er det foretrukne arealforhold A^/ A^ for et trykkforhold på 1.02 ca 0,5.

Tilsvarende fremgår det av kurven i fig. 4 at ved høye trykkforhold Pg/PDer detønskelig med en høy andel støtkjøling i forhold til transpirasjonskjølingen. Støtkjøling bevirker under disse betingelser maksimal utnyttelse av et minimum av kjøleluft for oppnåelse av tilstrekkelig kjøling. F.eks. er det foretrukne arealforhold A /A ved et trykkforhold Pc/Pnpå 1,6 ca 3,05. Selvfølgelig vil fagfolk på området forstå at arealforhold opptil de som er angitt i kurven i fig. 4 vil gi tilsvarende tilnærmet kjøling.

I de viste utførelsesformer er oppfinnelsen tilpasset til et temperaturregulerbart veggelement for bruk i omgivelser som medfører en trykkforskjell bort over veggen som vil variere langs veggen. Kamrene som er vist i fig. 1 muliggjør variasjon av forholdet AT/AI med veggplasseringen ved å isolere strømning bort over veggen innad i regulerbare områder.

Veggelementet i fig. 1 og 2 er geometrisk tilpassbart til mange maskinkomponenter.Vingen 23, som er vist i tverrsnitt i fig. 3, er bare ett av eksemplene på komponenter som det temperaturregulerbare veggelement kan tilpasses til. Kjøleluft kan føres til et indre hulrom 26 i vingen ved et tilførselstrykk Pg og kan føres ut gjennom støtåpninger 28, tvers gjennom kamre 3 0 og gjennom transpirasjonshuller 32 til et utløpstrykk PD som avtar sterkt langs vingeveggen fra dennes forkant 34 til dens bakkant 36. Kamrene isolerer lokale områder av det temperaturregulerbare veggelement slik at det blir mulig å variere arealforholdet AT/A.j. i overensstemmelse med kurven i fig. 4. Tilsvarende tilpasning av oppfinnelsen til vingeplattformer i gasstur binmotorer og strømningsbanevegger i en gassturbinmotor samt andre, sammenliknbare konstruksjoner ligger innenfor rammen av oppfinnelsen.

Claims (2)

1. Temperaturregulerbart veggelement som er innrettet til å kjø les ved en kombinasjon av støtkjøling og transpirasjonskjøl-ing under betingelser med trykkforskjeller som varierer vesent-lig med plasseringen på veggelementet, karakterisert ved at veggelementet omfatter en første plate hvorigjennom det løper et antall huller, en andre plate hvorigjennom det løper et antall åpninger og er slik anbrakt i forhold til den første plate at det blir dannet et antall kamre mellom platene, hvor luft kan ledes gjennom åpningene i den andre plate til kamrene og ledes ut av kamrene gjennom hullene i den første plate, en anordning for tilførsel av kjøleluft til åpningene i den andre plate ved et trykk (Pc ) som er høyere enn trykket (PQ ) hvormed luften slippes ut av hullene i den første plate,idet det totale areal for de åpninger i den andre plate som munner ut i et enkelt kammer stort sett står i forhold til det totale areal av åpningene i den andre plate som fører fra nevnte kammer, tilfø rselstrykket (Pg) i dette kammer og utlø ps-trykket (P^ ) fra dette kammer ifølge kurven i fig. 4.

2. Veggelement i samsvar med krav 1, karakterisert ved at det er utformet i det minste som en del av veggen av en vinge av den type som blir anvendt i gassturbinmotorer. o