NO774256L - Vaeskekjoelte gassturbinblad. - Google Patents

Description

Væskekjølte gassturbinblad

En generell beskrivelse av den termodynamiske og aerodynamiske teori som danner grunnlag for konstruksjon av gassturbinmotorer er gitt av H. Cohen, et al.,'Gas Turbine Theory, annen utgave, John Wiley & Sons, 1973. På side 232 i dette skrift omtales "kjølte turbiner" hvor der er anvendt en betydelig mengde kjølemiddel for dysen og rotorbladene. Dette tillater en økning av turbinens innløpstemperatur og derved økning av den avgitte effekt. I skriftet er det nevnt at bort-sett fra anvendelsen av sprøytekjøling for å øke turbojet-motorers skyvkraft, har ikke væskesystenrene.vist seg å være praktisk an-vendelige. En omtale av noen av de materialer og bearbeidelses-prosesser som er benyttet ved store General Electric-turbiner er gitt i et skrift av F.D. Lordi, Gas Turbine Materials and Coatings, GER-2182J, General Electric Cp., 1976. Dette skrift gir en detaljert omtale av bearbeidelsesteknikker for støpning av turbinskovler og -dyser, de legeringer disse er fremstilt av og anvendelsen av korrosjonsbestandige belegg.

Konstruksjonsanordninger for åpen-krets-væskekjøling av gassturbinskovler er vist av Kydd, US-PS 3 445 481 og 3 446 482. Det førstnevnte patent viser en skovl med kjøle-kanaler som er åpne i begge ender, og som er avgrenset av en rekke ribber som utgjør en del av skovlens kjerneparti, og en metallplatehud som dekker kjernen og er sveiset til ribbene. Det annet patent viser sprøyting av væske under trykk inn i hule, smidde eller støpte turbinskovler. Et annet patent, US-PS

3 619 076, meddelt Kydd,'viser et åpen-krets-kjølesystem hvor

en turbinbladkonstruksjon består av en sentral, vingeformet bjelke som er kledd med en metallplate med meget høy varmeledningsevne,f.eks. kobber. Platebelegget har spor som er utspart i platens overflate nær bjelken, hvilke spor sammen med

bjelkens jevne glatte overflate avgrenser kjølekanaler for-delt over.turbinbladets overflate. Mange ulemper er forbundet med utformning av væskekjølekanaler ved å forbinde en plate med en kjerne på de måter som er vist i US-PS 3 445 481 eller 3 619 076. Således blir noen av turbinskovlens kanaler tettet og blokkert med loddemateriale når der er benyttet slaglodding for å feste huden. Meget god forbindelse er nødvendig mellom kjernen og huden for å inneholde vannet.ved full kanalstrøm-ning under de ekstremt høye hydrauliske trykk som skyldes sentrifugalkreftene under drift av turbinen. I tillegg kan sprekker i huden forårsake lekkasje av kjølemiddel og resultere i bladsvikt.

I henhold til oppfinnelsen blir det foreslått en væske-kjølt gassturbinskovl med et kjølesystem med vann under trykk som strømmer i rør anbragt under en beskyttelseshud. Skovlen omfatter ét legeme med radiale spor anordnet i dette nær legemets overflate, varmeledende rør gjennom hvilke kjølevæsken strømmer, anbragt og festet i sporene og en beskyttelseshud festet til legemets ytre overflate for å tilveiebringe korrosjonsbestandighet mot gassturbinens varme korrosive miljø. Huden er fortrinnsvis en sammensatt delsomomfatter en innerhud som tilveiebringer høy varmeledningsevne og en ytterhud som tilveiebringer beskyttelse mot varm-korrosjon. Dannelse av overtrykk på ca. 106 kp/cm 2 i systemet tillater at kjølevannets temperatur kan heves meget uten at det koker kraftig.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmer i det følgende under henvisning til tegningene, som viser utførelseseksempler på en innretning ifølge oppfinnelsen, og hvor fig. 1 er et perspektivriss av en- turbinskovl ifølge oppfinnelsen, med deler skåret bort-, fig. 2 viser et tverrsnitt av vingepartiet av den på fig. 1 viste turbinskovl, fig. 3 er et forstørret detalj-riss av det på fig. 2 viste vingeparti og viser anbringelsen av kjølerørene, fig. 4 viser et tverrsnitt av vingepartiet av en annen utførelsesform ifølge oppfinnelsen, fig. 5 viser et for-størret tverrsnitt av en detalj av den på fig. 4 viste vinge og angir anbringelsen kjølerørene, fig. 6 viser et lengdesnitt som illustrerer kjølefluidets bane ved full kanalstrømning, og fig. 7 viser et lengdesnitt som illustrerer kjølefluidets bane

ved partiell kanalstrømning.

Som vist på fig. 1 omfatter turbinskovlen 10 et

skaft 12 og et vannkjølt vingeparti 14 som er bygget opp av en kjerne 16 med et antall radialt forløpende spor 18 som enten er støpt eller maskinert i dennes overflate. Antallet av disse spor 18 avhenger av størrelsen av skovlen 10 og de krav som stilles til kjølingen av denne. I disse spor 18 er det anbragt på forhånd utformede kjølerør 20, som er festet til kjernen 16, f.eks. ved hjelp av slaglodding, og som fortrinnsvis har et parti som er blottlagt mot og er i kontakt med en sammensatt hud 22 som dekker og omgir kjernens 16 ytre overflate. Denne sammensatte hud 22 er dannet av et indre lag eller hud 23 som er godt varmeledende for å opprettholde hovedsakelig ensartet temperatur over skovlens overflate under drift av turbinen, hvilket følger av de varme gassers påvirkning av skovlens utside og den innvendige vannkjøling. Det fore-trukne materiale for innerhuden er kobber eller et kobberholdig materiale som imidlertid ikke er motstandsdyktig mot det korrosive miljø av varme gasser som er tilstede under drift av gassturbinen.. Det er derfor nødvendig å anordne en ytre, korrosjonsbestandig hud 24 for å dekke og beskytte innerhuden 23.

Som vist forbinder kjølerørene 20 fotsamlekamrene 26 og 26A med skovlende-dekkplate-samlekammeret 30. Noen av kjølerørene 20 er ført videre til undersiden av en skovlende-dekkplate 28

og slynger seg frem og tilbake før de munner ut i skovlende-dekkplate-samlekammeret 30.'Dette kjøler dekkplaten og letter fremstillingsprosessen da dekkplate-kjølekanalen er en fort-settelse av vingeparti-kjølerørene 20. Ingen kritisk forbindelse er nødvendig. Kjernen 16 er støpt sammen med skovlende-dekkplaten 28 og skaftet 12 og bærer sentrifugallasten av rørene 20, den sammensatte hud 22 og skovlende-dekkplaten 28.

Fig. 2 viser et tverrsnitt av vingepartiet 14 av turbinskovlen 10, og fig.3 viser et forstørret parti av konstruksjonen i nærheten av et av rørene 20. Som vist, er kjøle-rørene 20 anordnet i og forbundet med sporene 18 i vingepartiets kjerne 16 ved hjelp av slaglodding 32. Den sammensatte hud 22, bestående av en innerhud 23 og en ytterhud 24, ligger over rørene 20 og kjernen 16.

Fig. 4 viser en modifikasjon av den på fig. 2 viste konstruksjon. En forstørrelse av konstruksjonen nær et av rørene 20 er vist på fig. 5. I denne utførelsesform av oppfinnelsen er kjernen 16 støpt og har en glatt eller jevn overflate uten spor. Kjølerørene 20 er her innlagt, f.eks. ved hjelp av pulvermetallurgiteknikker, i et varmeledende kobberlag 23A som virker som varmeveksler. Også her dekker en beskyttelseshud 24 et underliggende lag 23A og tilveiebringer korrosjons-beskyttelse for dette. Fig. 6. viser en kjølekonstruksjon hvor-vannet befinner seg i full kanalstrømning, dvs. kjølerørene 20 er fullstendig fylt med vann som står under trykk, og pilene viser retningen for kjølevannstrømmen. Vannet strømmer innlednings-vis utover fra en kanal i skaftet 12 og inn i fotsamlekammeret 26, som er forbundet med rørene 20 på vingepartiets 14 konvekse side. Vannet strømmer deretter-gjennom rørene 20 og kjøler først vingepartiets 14 konvekse side og bukter seg frem og tilbake før det tømmes inn skovlende-dekkplate-samlekammeret, hvoretter det strømmer videre etter en buktet bane inn i vingepartiets 14 konkave side gjennom kjølerør 20 og tømmes inn i skovlfotsamlekammeret 26A. Deretter støtes vannet ut gjennom et utløpsrør 34. En annen utførelsesform er vist på fig. 7, hvor kjøle-konstruksjonen er slik at vannet befinner seg i partiell kanal-strømning, dvs. kjølerørene 20 er bare delvis fylt med vann i væskeform. I denne konstruksjon strømmer vann utad fra en kanal i skaftet 12 inn i begge skovlfot-samlekamre 26 og 26A, hvorfra vann tilføres rørene 20 på vingepartiets 14 konvekse hhv. konkave side. Vannet strømmer deretter utad gjennom rørene 20 og inn i skovlende-dekkplate-samlekammeret 30 etter en buktet bane i skovlende-dekkplaten 28 og ut av en utløpsåpning 36.

Dannelse'av avleiringer av mineralske eller andre stoffer på innsiden av kjølerørene bør unngås. Det er således viktig å bruke hovedsakelig rent vann, som f.eks. demineralisert vann.

Ytterhudmaterialet. bør ha forholdsvis' høy varmeledningsevne, således at overflatetemperaturen og varmegradi-entene kan reduseres. Varmeutvidelsen. av ytterhuden må være lik eller fortrinnsvis mindre enn varmeutvidelsen av under-huden for å redusere varmepåkjenningene. Optimalisering av disse fysiske egenskaper maksimaliserer utmatningslevetiden ved lavfrekvente svingninger og krypningsbrudd-levetiden.

Fordi huden direkte utsettes for varmgass-strømmen, blir materialvalget vanskeligere. De primære driftskrav for ytterhuden er motstandsdyktighet mot utmatningsskader ved lavfrekvente svingninger, korrosjon, varmgass-erosjon, skader på grunn av fremmedlegemer og metallurgisk instabilitet. Krypning og utmatning ved høyfrekvente svingninger kan også

være av viktighet. Hvert av disse driftskrav er nødvendige for å oppnå lang levetid. Metallurgisk instabilitet kan resultere i alvorlig forringelse av mekaniske egenskaper.

Fremstillingskrav for ytterhuden omfatter formbarhet, sveisbarhet, slagloddbarhet og materialforenlighet i alle bearbeidelsestrinn. Formbarhet er nødvendig for med godt resul-.tat å vikle materialet i form av plate med en tykkelse på

ca. 0,13 - 0,51 mm rundt skovlvingepartiene, og ca. 20% duktili-tet anses å være tilstrekkelig. Sveisbarhet og slagloddbarhet er nødvendig for innbyrdes å forbinde partier av ytterhuden og å forbinde ytterhuden med innerhuden. På grunn av den bearbeidelse det er tale om (formning, varmebehandling, forbindelsesprosesser, etc.) må egenskapene som følge av disse arbeidsoperasjoner være stabile eller i det minste styrbare og forutsigelige.

Brukbare ytterhudlegeringer er angitt i tabell 1. IN612. har, som vist, de mest ønskelige egenskaper. De nest beste le.geringer er IN 671 (Ni-50Cr) , Hastelloy-S, Incoloy 825 og Carpenter 20Cb-3 rustfritt stål. Andre materialer som har vært under overveielse er nikkel 201, ferritter med høyt krom-innhold (type 430, type 446 og FeCrAlY som angitt i US-PS

3 528 861), Incoloy 800 og 801, Hastelloy-X og HS188. Lav-temperatur-varmkorrosjonsprøvning viste at IN671 (Ni-50Cr).-legering var det beste av de prøvede materialer, mens FeCrAlY, Hastelloy-X og HS188 viste betydelige økninger i.korrosjons-hastighet mellom 566°C og 635°C. Ni-Cr-ytterhudsammensetninger

representert ved IN671, består hovedsakelig av 50 - 80 vekt-% nikkel og 20 - 50 vekt-% krom. De vanrikjølte dyse- og skovlkonstruksjoner krever bruk av innerhud med høy ledningsevne for å redusere topp-temperaturer og minimalisere varmegradienter. I tabell 2 er det listet noen brukbare underhudmaterialer. Nødvendigheten av høy varmeledningsevne begrenser valgmulighetene. Kobber er foretrukket på grunn av sin høye varmeledningsevne. Sølv, som har like stor varmeledningsevne som kobber, er ikke tatt med i betraktning på grunn av dets pris og lavere smeltepunkt. På grunn av sin lave motstandsevne mot vannerosjon og mangel på motstandsevne mot nedbrytning på grunn av omgivelsene (korrosjon/erosjon), hvilken nedbrytning skyldes den varme gass, er beskyttelse av kobberet et absolutt krav, hvorfor en ytterhud er nødvendig. Materialene for ytterhuden for å beskytte kobberet fra den varme gass er omtalt ovenfor.

a) FeCrAlY er under utvikling; alle andre finnes i handelen.

b) Formbarhetsvurderinger basert på forming ved romtemperatur..

Forbedinger kan imidlertid oppnås, enten ved utglødning under

bearbeidelse, eller ved formning ved høye temperaturer.

c) Kobolt-baserte (f.eks. HS188) og nikkel-baserte legeringer med høyt kobolt-innhold (f.eks. IN617) kan under nærvær av

kobber oppvise sveisesprekker.

d) Avhengig av forhold før sveising og/eller varmebehandling etter sveising, kan denne legering destabiliseres under

sveising, hvilket fører til mulig vannkorrosjon.

e) Selv om alle de betraktede legeringer kan slagloddes, er det viktig å gjøre ytterligere bestrebelser for å finne forenlige,

duktile, korrosjonsbestandige og billige slagloddings-legeringer.

f) Stabilitet refererer seg til et materiales motstandsevne mot strukturforandringer som resulterer i forringelse av mekaniske

egenskaper, som f.eks. seighet(FOD-motstandsevne).

g) Basert på data i hudens forventede virkeområde (400°C - 510°C).

h) Basert på de laveste tilgjengelige temperaturdata

(593°C - 648°C).

i) Anslått j) Beregnet

Rent kobber vil ikke tilveiebringe tilstrekkelig styrke (krypning og flytning) ved skovlens bakkant. Styrkning ved kaldbearbeidelse vil ikke være effektiv på grunn av rask glødning under bearbeidelses-varmeprosessene. Et i handelen tilgjengelig oxyd (Al^O^)-dispersjpnsstyrket (ODS) kobber (glidcop) er under vurdering for anvendelse på bakkantene. Glidcop har større styrke med øket stabilitet ved høye temperaturer enn OFHC-kobber under bibehold av høy ledningsevne.

Korrosjonsbestandige rør med liten diameter og tynne vegger (dvs. 2,5 mm utvendig diameter og 0,2 5 - 0,51 mm vegg-tykkelse) er nødvendig i skovlkonstruksjoner for å isolere kobber-underhuden fra kjølevannet, da kobber er utsatt for korrosjon. Ideelt bør rørmaterialet ha forholdsvis høye varmeledningsevne med tilsvarende eller større varmeutvidelseskoeffisient i forhold til kobber. Med hensyn til dette siste, har de fleste undersøkte materialer en noe lavere varmeutvidelseskoeffisient enn kobber, men den dårlige tilpasning er ikke tilstrekkelig stor til å vekke bekymring, hverken under bearbeidelsesprosessen eller under drift. I et foretrukket system er rørene fremstilt av A286-legering som har god korrosjonsbestandighet og på ideell måte passer til skovlen som også er støpt av samme legering.

Skovlkjerne-materialet behøver ikke å ha den samme høy-temperatur-fasthet som kreves for vanlige gassturbin-skovl-materialer (superlegeringer), da temperaturen under drift vil ligge i området 149°C - 315°C, i motsetning til vanlige skovler med driftstemperaturer på fra 648°C - 982°C, og svalehale/skaft-temperaturer på fra 315°C - 64 8°C. Selv om disse temperaturer tilsier et sterkt utvidet spekter av materialer, begrenses, dette spekter av kravet om høy varmeutvidelseskoeffisient i forhold til ytter/innerhudmaterialene. Et materiale med høyere strekkfast-het kreves også for skovlbjelken sammenlignet med dysebjelken. God motstandsevne mot utmatning ved lave og høye frekvenser er nødvendig. Varmgass-korrosjons-motstandsevne er ikke nødvendig for skovlkjenematerialene der beskyttelse er tilveiebragt av ytterhuden.. Direkte kontakt av bjelken med omgivelsene kan imidlertid medføre problemer. Bjelkematerialene bør derfor selv ha korrosjonsmotstandsevne og motstandsevne mot vannerosjon.

For gode resultater ved fremstilling må kjerne-materialene h.a god støpbarhet (eller smibarhet) , maskinerbarhet, sveisbarhet og slagloddbarhet. Likeledes må enhver bearbeidelses-prosess av den sammensatte del også være forenlig med den nød-vendige varmebehandling av kjernematerialet for å bibeholde de kritiske fasthetsegenskaper.

Representative skovlkjerne-materialer omfatter krom-nikkel-jern-legeringer,som f.eks. A286 og nikkel-baserte legeringer, som f.eks. IN718 og U500, hvis sammensetninger er vist i tabell 3. Den benyttede terminologi og sammensetningene er angitt av W.F. Simmons, Compilations of Chemical Compositions and Rupture Strengths of Superalloys, ASTM Data Series Publication No. DS9E.

De fysiske egenskaper av disse legeringer er vist i tabell 4. Sett på bakgrunn av dets varmeutvidelseskarakteri-stikker er A286 foretrukket sammenlignet med IN718. Sveisbarheten av A286 er imidlertid dårlig, og når det er tale om store dimen-sjoner,kan det hende at materialet må smis i stedet for å støpes.

Claims (11)

1. Vøskekjølt gassturbinskovl, karakterisert , ved at den omfatter et vingeparti (14), varmeledende kjølerør (20) som er anbragt tilstrekkelig nær vingepartiet (14 til å bevirke kjøling av dette ved strømning av kjølevæske gjennom rørene (20), og som i det vesentlige er motstandsdyktige mot korrosjon på grunn av kjølevæsken, en hud (22) som dekker vingepartiet (14) og kjølerørene (20) for å beskytte de blottlagte over-flater mot varmkorrosjon under drift av turbinen.

2. Skovl ifølge krav 1, karakterisert ved at kjølevæsken er vann.

3. Skovl ifølge krav 2, karakterisert ved at kjølerørene (20) under kjølingen er fullstendig fylt med strømmende vann.

4. Skovl ifølge krav 2, karakterisert ved at kjølerørene (20) er delvis fylt med strømmende vann over hele rørenes (20) lengde.

5. Vannkjølt gassturbindskovl ifølge krav 2, karakterisert ved at a) vingepartiet (14) har radiale spor (18) utformet i dettes overflate, og sporene (18) strekker seg. i vingepartiets (14) lengde, b) varmeledende kjølerør (20) er anbragt 1 sporene (18) og forbundet med disse, idet rørene (20) i det vesentlige er motstandsdyktige mot korrosjon på grunn av kjølevæsken under turbinens driftsbetingelser, og c) en beskyttelseshud (22) står i varmeledende forbindelse med i det minste et parti av kjølerørene (20) og er forbundet med den ytre overflate av det nevnte legeme for å tilveiebringe motstandsevne mot varmkorrosjon.

6. Skovl ifølge krav 5, karakterisert ved at beskyttelseshuden (22) er et sammensatt lag som består av en innerhud (23) som er i kontakt med kjølerørene (20) for- å tilveiebringe høy varmeledningsevne og en ytterhud (24) for å tilveiebringe motstandsdyktighet mot varmkorrosjon.

7. Skovl ifølge krav 6, karakterisert ved at a) vingepartiet (14) er støpt av en legering, som, er valgt fira en gruppe som omfatter nikkelbaserte legeringer, kobolt-baserte legeringer og krom-nikkel-jern-baserte legeringer, b) rørene 20)' er -utformet av krom-nikkel-jern-legering, c) innerhuden (23) er et element som er fremstilt av et materiale valgt fra den gruppe som omfatter kobber og oxyd-dispersjons-styrket kobber, og d) ytterhuden (24) er et element som er fremstilt av et materiale som er valgt fra den gruppe som omfatter FeCrAlY og en legering som hovedsakelig består av 50 - 80 vekt-% nikkel og 20 - 50 vekt-% krom.

8. Skovl ifølge krav 7, karakterisert ved at vingepartiet (14) er støpt av krom-nikkel-jernlegering, innerhuden (23) er fremstilt av kobber og ytterhuden (24) av Ni-50Cr.

9. Vannkjølt turbinskovl ifølge krav 2, karakterisert ved at den omfatter en vingepartikjerne (16) med glatt jevn overflate, et varmeledende lag som står i varrae-vekslingskontakt med den nevnte overflate, et antall kjølerør (20) innlagt i det varmeledende lag, og hvert rør er anordnet adskilt fra hvert tilstøtende rør, og en beskyttelseshud (22) som dekker det varmeledende lag for å beskytte dette mot varm- korrosjon.

10. Skovl ifølge krav 9, karakterisert ved at a) vingepartiet (14) er støpt av en legering valgt fra den gruppe som består av nikkelbaserte legeringer, koboltbaserte legeringer og krom-nikkel-jern-legeringer, b) rørene (20) er utformet av krom-nikkel-jern-legering, c) det varmeledende lag er valgt fra den gruppe som består av kobber og oxyd-dispers jonsstyrket kobber, og d) ytterhuden (24) er et element som er fremstilt av et materiale valgt fra den gruppe som består av FeCrAlY og en legering som hovedsakelig består av 50 - 80 vekt-% nikkel og 20 - 50 vekt-% krom.

11. Skovl ifølge krav 10, karakterisert ved at vingepartiet (14) er støpt av krom-nikkel-jern-legering-, det varmeledende lag er fremstilt av kobber og ytterhuden av Ni-50Cr.