CH697739B1 - Turbinenschaufel und Turbine. - Google Patents

Abstract

Die Schaufeln für eine Turbine, insbesondere für die dritte Stufe der Turbine, haben ein Flügelprofil (34), das im kartesianischen Koordinatensystem im Wesentlichen den in Tabelle I angegebenen Werten für X, Y und Z´ entspricht, worin X und Y in Einheiten von 25,4 mm bemessen sind und die Z´-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 darstellen, die durch Multiplizieren der Z´-Werte mit der in Einheiten 25,4 mm bemessenen Höhe der Flügel in die ebenfalls in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Z-Distanzwerte umgewandelt werden. Die X- und Y-Werte sind Distanzen, die bei Verbindung durch glatte zusammenhängende Bögen Flügelprofilabschnitte definieren, und zwar für jede Distanz Z. Die Flügelbereiche an jeder Distanz Z werden zur vollständigen Flügelprofilform glatt miteinander verbunden. Die X-, Y- und Z-Distanzen können als Funktion der gleichen Konstante oder Zahl skaliert werden, um einen vergrösserten oder verkleinerten Flügelabschnitt zu ergeben. Der durch die Distanzen X, Y und Z bestimmte definierte nominale Flügel liegt in den senkrecht zur Flügeloberfläche verlaufenden Richtungen innerhalb eines Toleranzbereichs von ±1,016 mm (± 0.040 Zoll).

Description

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Turbinenschaufeln für Gasturbinen, insbesondere für die dritte Stufe der Turbinen, wobei die Schaufeln ein flügelförmiges Profil haben.

[0002] Alle Stufen des Heissgasbereiches von Gasturbinen müssen zahlreiche Systemanforderungen erfüllen, wenn die Konstruktionsziele einschliesslich einer gesamthaft verbesserten Effizienz und Flügelbelastung erreicht werden sollen. Insbesondere müssen die Schaufeln der dritten Stufe der Turbinen die Betriebsbedingungen dieser speziellen Stufe erfüllen und sich effizient fertigen lassen.

[0003] Die Erfindung bietet eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Turbinenschaufel, welche die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale besitzt. Bevorzugte Ausführungsformen haben die Merkmale der Ansprüche 2 bis 3.

[0004] Ebenso betrifft die Erfindung eine Turbine mit solchen Schaufeln. Bevorzugte Ausführungsformen der Turbine gemäss der Erfindung haben die Merkmale der Ansprüche 5 bis 9.

[0005] Gemäss einer Ausführungsform der Erfindung hat die Turbinenschaufel einen Schaufelflügel mit Flügelform, wobei der Flügel ein Nominalprofil im Wesentlichen in Übereinstimmung mit den kartesianischen Koordinatenwerten von X, Y und Z ́ besitzt, die in Tabelle I in Einheiten von 25,4 mm (1 Zoll) angegeben sind, wobei die Werte von Z ́ dimensionslose Werte von 0 bis 1 darstellen, die durch Multiplizieren der Z ́-Werte mit der Höhe des Flügels in Einheiten von 25,4 mm (1 Zoll) in Z-Distanzen umwandelbar sind und wobei X und Y die Distanzen in Einheiten von 25,4 mm (1 Zoll) darstellen, die, wenn sie durch glatte zusammenhängende Bögen verbunden sind, Flügelprofilsektionen an jeder Distanz Z definieren, wobei die Profilsektionen an den Z-Distanzen glatt miteinander zur vollständigen Flügelform verbunden sind.

[0006] Die Erfindung bietet auch eine Turbinenschaufel mit einem Schaufelflügel, der in unbeschichtetem Zustand ein Nominalflügelprofil im Wesentlichen gemäss den in Tabelle I angegebenen kartesianischen Koordinatenwerten von X, Y und Z ́ hat, wobei die Z ́-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 darstellen, die durch Multiplikation der Z ́-Werte mit der in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Flügelhöhe in die ebenfalls in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Z-Werte konvertierbar sind, und wobei X und Y die jeweils in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Distanzen sind, die an jeder Z-Distanz die entsprechenden Flügelprofilsektionen definieren, wobei die Profilsektionen an den Z-Distanzen miteinander glatt zur Bildung einer vollständigen Flügelform verbunden sind und die X-, Y- und Z-Distanzen als Funktion der gleichen Konstante oder Zahl skalierbar sind, um einen vergrösserten oder verkleinerten Flügel zu ergeben.

[0007] Die Erfindung bietet auch eine Turbine, die ein Turbinenrad mit mehreren Schaufeln besitzt, wobei jede der Schaufeln ein Flügel mit einer Flügelform ist, und wobei der Flügel ein Nominalprofil im Wesentlichen gemäss den kartesianischen Koordinatenwerten für X, Y und Z ́, die in Tabelle I angegeben sind, wobei die Z ́-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 darstellen, die durch Multiplizieren der Z ́-Werte mit der in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Höhe des Flügels in die ebenfalls in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Z-Distanzen umwandelbar sind, und wobei die jeweils in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Werte von X und Y Distanzen darstellen, die bei Verbindung durch glatte zusammenhängende Bögen die Flügelprofilsektionen an der entsprechenden Distanz Z definieren, wobei die Profilsektionen an den Z-Distanzen glatt miteinander zur Bildung einer vollständigen Flügelform miteinander verbunden sind.

[0008] Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1<sep>die schematische Darstellung des Heissgaspfades durch mehrere Stufen einer Gasturbine, die in der dritten Stufe eine Flügelschaufel gemäss eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung hat; und Fig. 2<sep>die perspektivische Ansicht einer Schaufel gemäss einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

[0009] In Fig. 1 ist ein allgemein mit dem Überweisungszeichen 10 bezeichneter Heissgaspfad einer mehrstufigen Gasturbine 12 dargestellt. In Fig. 1 sind drei Stufen dargestellt. Die erste Stufe umfasst beispielsweise mehrere peripher voneinander beabstandete Düsen 14 und Schaufeln 16. Die Düsen sind peripher voneinander beabstandet um die Rotorachse angeordnet. Die Schaufeln 16 der ersten Stufe sind auf dem Turbinenrotor 17 montiert. Ferner ist eine zweite Stufe der Turbine 12 dargestellt, die mehrere peripher voneinander beabstandete Düsen 18 und mehrere peripher voneinander beabstandete, auf dem Rotor angebrachte Schaufeln besitzt. Schliesslich ist auch die dritte Stufe dargestellt, die mehrere peripher voneinander beabstandete Düsen 22 und auf dem Rotor 17 angebrachte Schaufeln 24 besitzt. Es versteht sich, dass die Düsen und Schaufeln im Heissgaspfad 10 der Turbine liegen, wobei der Heissgasstrom durch den Heissgaspfad 10 durch den Pfeil 26 angedeutet wird.

[0010] Zur Fig. 2 ist zu vermerken, dass die Schaufeln, beispielsweise die Schaufeln 24 der dritten Stufe, auf einem (nicht dargestellten) Rotorrad angebracht sind, die Teil des Rotors 17 sind und die Flächen 30 haben. Es versteht sich, dass jede Schaufel 24 einen Flügelteil 34, wie in Fig. 2dargestellt, besitzt. Jede Schaufel 24 hat an jedem Querschnitt vom Schaufelfuss 32 bis zum Schaufelende 36 ein Schaufelflügelprofil in Form eines Flügels 34. Für die Definition der Flügelform bei einem Ausführungsbeispiel der Turbine liegt die X-Achse 38 bei 971,55 mm (38.250 Zoll) längs eines Radius von der Mittellinie der Turbine. Dies entspricht dem dimensionslosen Z ́-Wert in Tabelle I bei Z ́ = 0.000. Zur Definition der Flügelform gemäss einem Ausführungsbeispiel einer Turbine liegt das Ende 36 (auch als Spitze bezeichnet) der Flügelschaufel bei 1371,65 mm (54.002 Zoll) längs eines Radius von der Turbinenmittellinie. Demzufolge beträgt die tatsächliche Höhe der Schaufel 24, d.h. die tatsächliche Z-Höhe der Schaufel vom Fuss bis zum Ende 400,10 mm (15.752 Zoll).

[0011] Der Heissgaspfad einer Turbine, wie sie die Patentinhaberin unter der Bezeichnung CV7241 produziert, erfordert für die dritte Stufe einen Flügel, der die Systemanforderungen bezüglich Effizienz und Belastung erfüllt. Zur Definition der Flügelform für jeden Schaufelflügel der dritten Stufe gibt es eine spezielle Gruppe der Orte oder Punkte im Raum, die den Stufenerfordernissen entsprechen und fertigungstechnisch möglich sind. Diese speziellen Orte oder Punkte erfüllen die Anforderungen an die Effizienz der Stufe und werden erhalten durch Iteration zwischen aerodynamischen und mechanischen Belastungen, die es ermöglichen, dass die Turbine effizient, sicher und ruhig läuft. Diese Punkte sind speziell und spezifisch für das System und für Fachleute nicht naheliegend. Die Orte, welche das Schaufelflügelprofil gemäss der Erfindung definieren, umfassen ein Set von 1226 Punkten mit X-, Y- und Z-Dimensionen relativ zu dem in Fig. 2dargestellten Koordinatensystem. Das Koordinatensystem ist in Bezug auf den Flügel festgelegt und durch die Punkte A, B und C vollständig definiert. Beide Punkte A und B liegen 971,55 mm (38.25 Zoll) über der Rotormittellinie. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt in Punkt A. Die Punkte A und B definieren die positive X-Achse 38. Die Punkte A, B und C definieren die positive X–Z-Ebene. Die Y-Achse wird dann unter Anwendung der Rechte-Hand-Regel Wie oben ausgeführt, definieren die in der folgenden Tabelle I angegebenen Werte von X, Y und Z ́ im kartesianischen Koordinatensystem das Profil des Schaufelflügels an verschiedenen Stellen längs der Flügellänge. Die Koordinatenwerte für die X- und Y-Koordinaten sind in Tabelle I in Einheiten von 25,4 mm angegeben, obwohl natürlich auch andere Einheiten verwendet werden können, wenn die Werte entsprechend umgerechnet werden. Die radialen Z-Werte aus B bis C sind in der Tabelle I in dimensionsloser Form (Z ́) von 0 bis 1 angegeben. Negative Werte zeigen ein Z senkrecht unter der X-Achse 38, die sich von Punkt A nach Punkt B erstreckt. Zur Umrechnung der Z ́-Werte in einen Z-Koordinatenwert, zum Beispiel in Einheiten von 25,4 mm, wird der in Tabelle I angegebene dimensionslose Z ́-Wert mit der Höhe des Flügels in Einheiten von 25,4 mm multipliziert. Wie oben beschrieben, hat das kartesianische Koordinatensystem senkrecht zueinander stehende X-, Y- und Z-Achsen, und die X-Achse liegt parallel zur Mittellinie des Turbinenrotors, d.h., die Rotationsachse und ein positiver X-Koordinatenwert liegen axial in Richtung nach hinten, d.h. zum Abgasende der Turbine. Der positive Y-Koordinatenwert erstreckt sich tangential in der Richtung der Rotordrehung, und der positive Z-Koordinatenwert liegt radial nach aussen in Richtung zur Schaufelspitze.

[0012] Durch Festlegung der X- und Y-Koordinatenwerte an ausgewählten Orten in Z-Richtung senkrecht zur X–Y-Ebene kann die Profilsektion des Schaufelflügels an jeder Distanz Z entlang der Länge des Flügels festgelegt werden. Durch Verbindung der X- und Y-Werte mit glatten zusammenhängenden Bögen wird jede Profilsektion an jeder Distanz Z definiert. Die Flügelprofile der verschiedenen Oberflächenorte zwischen den Distanzen Z werden durch eine glatte Verbindung der benachbarten Profilsektionen miteinander zur Bildung des Flügelprofils erhalten.

[0013] Die Werte in Tabelle I zur Bestimmung des Flügelprofils sind auf 4 Dezimalstellen genau angegeben. Wenn sich die Schaufel an ihrer Oberfläche erwärmt, bewirken die Spannung und die Temperatur eine Veränderung der X-, Y- und Z-Werte. Dementsprechend beziehen sich die in Tabelle I für das Profil angegebenen Werte auf Umgebungsbedingungen im nicht erwärmten Nichtbetriebszustand und auf einen unbeschichteten Flügel. Typische Herstellungstoleranzen sowie Beschichtungen müssen in Rechnung gestellt werden für das effektive Profil des Flügels. Jede Sektion wird glatt mit den anderen Sektionen zur Bildung der vollständigen Flügelform verbunden. Es versteht sich daher, dass typische Plus-Minus-Toleranzen für die Fertigung, d.h. die ± Werte einschliesslich einer allfälligen Beschichtungsdicke sich additiv zu den in der folgenden Tabelle I angegebenen X- und Y-Werten verstehen. Dementsprechend definiert eine Distanz von ± 1,016 mm (0.040 Zoll) in Richtung senkrecht zu einem beliebigen Oberflächen-Ort längs des Flügelprofils einen Flügelprofil-Toleranzbereich für diese spezielle Schaufelflügelkonstruktion und Turbine, d.h. einen Bereich für die Abweichungen zwischen den gemessenen Punkten auf der tatsächlichen Flügeloberfläche bei normaler kalter oder Raumtemperatur und der idealen Position dieser Punkte gemäss Angabe in der folgenden Tabelle bei gleicher Temperatur. Die Schaufelflügelkonstruktion ist in diesem Variationsbereich ohne nachteiligen Einfluss auf die mechanischen und aerodynamischen Funktionen robust.

[0014] Es versteht sich, dass der in der obigen Tabelle I beschriebene Flügel geometrisch zur Verwendung in anderen ähnlichen Turbinenkonstruktionen vergrössert oder verkleinert werden kann. Demzufolge können die in Tabelle I angegebenen Koordinatenwerte nach oben oder nach unten skaliert werden, ohne dass sich die Flügelprofilform ändert. Eine skalierte Version der Koordinaten von Tabelle I würde durch die X, Y und Z ́-Koordinatenwerte von Tabelle I dargestellt, wobei man den in Einheiten von 25,4 mm umgerechneten dimensionslosen Z’-Koordinatenwert mit einer konstanten Zahl multiplizieren oder durch diese dividieren würde.

[0015] Ein wichtiger Terminus in dieser Beschreibung ist «Profil». Das Profil ist der Bereich der Abweichung zwischen den gemessenen Punkten an einer Flügeloberfläche und der in Tabelle I angegebenen Idealposition. Das tatsächliche Profil bei einem gefertigten Blatt unterscheidet sich von dem in Tabelle I definierten Profil und die Konstruktion ist gegenüber dieser Abweichung robust, was bedeutet, dass die mechanische und aerodynamische Funktion nicht beeinträchtigt ist. Wie oben erwähnt, wird hier eine Plus- oder Minus-Profiltoleranz von 1,016 mm (0.04 Zoll) verwendet.

[0016] Die hier beschriebene Flügelform optimiert und ist spezifisch für die Bearbeitungsbedingungen und Spezifikationen. Sie bietet ein besonderes Profil zum Erzielen von: (1) Wechselwirkung mit den anderen Stufen der Hochdruckturbine, (2) aerodynamischer Effizienz und (3) normalisierten aerodynamischen und mechanischen Blattbeanspruchungen. Die beschriebenen Orte oder Punkte ermöglichen es, dass die Turbine CV7241 effizient, sicher und ruhig arbeitet. Ebenfalls ist zu vermerken, dass jede Skalierung des beschriebenen Flügels durchgeführt wird, sofern bei der skalierten Turbine (1) die Wechselwirkung mit den anderen Stufen der Hochtemperaturturbine, (2) die aerodynamische Effizienz und (3) die normalisierten aerodynamischen und mechanischen Blattbeanspruchungen erhalten bleiben.

[0017] Zusammenfassend bietet die Erfindung Turbinenschaufeln, insbesondere für die dritte Turbinenstufe, mit einem Flügelprofil, das im kartesianischen Koordinatensystem im Wesentlichen den in Tabelle I angegebenen Werten für X, Y und Z ́ entspricht, worin X und Y jeweils in Einheiten von 25,4 mm bemessen sind und die Z ́-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 darstellen, die durch Multiplizieren der Z ́-Werte mit der in Einheiten 25,4 mm bemessenen Höhe der Flügel in die ebenfalls in Einheiten von 25,4 mm bemessenen Z-Entfernungswerte umgewandelt werden. Die X- und Y-Werte sind in Einheiten von 25,4 mm bemessene Entfernungen, die bei Verbindung durch glatte zusammenhängende Bögen Flügelprofilabschnitte definieren, und zwar für jede Entfernung Z. Die Flügelbereiche an jedem Abstand Z werden glatt miteinander zur vollständigen Flügelprofilform verbunden. Die X-, Y- und Z-Distanzen können als Funktion der gleichen Konstante oder Zahl skaliert werden, um einen vergrösserten oder verkleinerten Flügelabschnitt zu ergeben. Der durch die Distanzen X, Y und Z bestimmte definierte nominale Flügel liegt in den senkrecht zur Flügeloberfläche verlaufenden Richtungen innerhalb eines Toleranzbereichs von ±1,016 mm (± 0.040 Zoll).

[0018] Für den Fachmann ergeben sich zahlreiche Abwandlungen der oben beschriebenen Flügelkonstruktion anhand der Beschreibung und der Zeichnungen im Rahmen der Ansprüche.

Claims (9)

1. Turbinenschaufel (24) mit einem flügelförmigen Schaufelteil (34), wobei die Flügelform ein Nominalprofil besitzt, das im Wesentlichen mit den in Tabelle I angegebenen kartesianischen Koordinatenwerten für X, Y und Z ́ übereinstimmt, wobei die Z ́-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die dadurch in Z-Werte in Einheiten von 25,4 mm (1 Zoll) umgewandelt werden, dass die Z ́-Werte mit der in Einheiten von 25,4 mm (1 Zoll) bemessenen Höhe des Flügels (34) multipliziert werden, wobei X und Y in Einheiten von 25,4 mm bemessene Entfernungen sind, die bei Verbindung durch glatte kontinuierliche Bögen jeweils Flügelprofilabschnitte für jede Z-Entfernung definieren, und wobei die Profilabschnitte an den Z-Distanzen miteinander glatt zu einer vollständigen Flügelform verbunden sind, wobei die Entfernungen X, Y und Z als Funktion der gleichen Konstante oder Zahl skalierbar sind, um einen entsprechend vergrösserten oder verkleinerten flügelförmigen Schaufelteil zu ergeben, wenn das Nominalprofil unbeschichtet ist.

2. Turbinenschaufel (24) nach Anspruch 1, bei der die Flügelform in einem Toleranzbereich von ±1,016 mm (± 0.040 Zoll) in Richtung senkrecht zu jedem Ort auf der Flügeloberfläche liegt.

3. Turbinenschaufel (24) nach Anspruch 1, bei der die Höhe der Turbinenschaufel (24) vom Schaufelfuss (32) bis zum Schaufelende (36) 400,101 mm (15.752 Zoll) beträgt.

4. Turbine (12) mit einem Turbinenrad, das mehrere Turbinenschaufeln (24) gemäss Anspruch 1 aufweist.

5. Turbine (12) nach Anspruch 4, bei der das Turbinenrad zur dritten Stufe der Turbine gehört.

6. Turbine nach Anspruch 4, bei der X eine Entfernung parallel zur Drehachse der Turbine darstellt.

7. Turbine nach Anspruch 6, wobei die Höhe Z zwischen einer axialen Mittellinie des Turbinenkanals und einer Basis (32) des Schaufelteils gemäss Definition in Tabelle I 971,55 mm (38.250 Zoll) beträgt.

8. Turbine nach Anspruch 4, worin die Höhe der Turbinenschaufel (24) vom Schaufelfuss (32) bis zum Schaufelende (36) 400,101 mm (15.752 Zoll) beträgt.

9. Turbine nach Anspruch 4, bei der die Flügelform in einem Toleranzbereich von ± 1,016 mm (± 0.040 Zoll) in Richtung senkrecht zu jedem Ort auf der Flügeloberfläche liegt.