CH697742A2

CH697742A2 - Turbinenschaufel mit spezieller Blattform.

Info

Publication number: CH697742A2
Application number: CH01183/08A
Authority: CH
Inventors: Jon Robert Delong; Craig Allen Bielek; Tommy Dee Hayes; Benjamin Arnette Lagrange; Scott F Johnson
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2007-08-01
Filing date: 2008-07-28
Publication date: 2009-02-13
Also published as: US7731483B2; JP2009036205A; CN101358543A; US20090035145A1; DE102008002975A1

Abstract

Turbinenschaufeln 24 der dritten Stufe weisen Profile des Blatts 34 auf, die im Wesentlichen in Übereinstimmung mit kartesischen Koordinatenwerten für X, Y und Z´ sind, die in Tabelle I dargelegt sind, wobei die Z´-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplizieren der Z´-Werte mit der Höhe des Blatts und Addieren des Radius der Blattbasis in Z-Abstände umgerechnet werden können. Die X- und Y-Werte sind Abstände, welche die Blattprofilabschnitte an jedem Abstand Z definieren, wenn sie durch gleichmässig verlaufende Bögen verbunden werden. Die Profilabschnitte an jedem Abstand Z werden gleichmässig miteinander verbunden, um eine vollständige Blattform zu bilden. Die Abstände X, Y und Z können als eine Funktion derselben Konstante oder Zahl skaliert werden, um einen im Massstab vergrösserten oder verkleinerten Blattabschnitt für die Schaufel zu schaffen. Das durch die X-, Y- und Z-Abstände gegebene nominelle Blatt liegt innerhalb einer Hüllkurve von +/-1,524 mm in Richtungen normal auf die Oberfläche des Blatts.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Blatt für eine Schaufel einer Stufe einer Gasturbine und insbesondere ein Blattprofil für eine Turbinenschaufel für die dritte Stufe.

[0002] Für jede Stufe des Heissgaspfad-Abschnitts einer Gasturbine müssen viele Systemanforderungen erfüllt werden, um die Entwicklungsziele einschliesslich einer allgemeinen Verbesserung des Wirkungsgrads und der Blattbelastbarkeit zu erreichen.

Insbesondere müssen die Schaufeln der dritten Stufe des Turbinenabschnitts die betrieblichen Anforderungen für diese spezielle Stufe erfüllen und auch günstig herstellbar sein.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0003] Die Erfindung kann als eine Turbinenschaufel ausgeführt werden, die ein Schaufelblatt mit einer Blattform einschliesst, wobei das Blatt ein Nennprofil im Wesentlichen in Übereinstimmung mit kartesischen Koordinatenwerten für X, Y und Z ¾ aufweist, die in Tabelle I dargelegt sind, wobei die Z ¾-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplizieren der Z ¾-Werte mit der Blatthöhe in Zoll und Addieren des Radius der Blattbasis in Z-Abstände umgerechnet werden können, und wobei X und Y Abstände in Zoll sind, welche, wenn sie durch gleichmässig verlaufende Kurven verbunden werden, Blattprofilabschnitte an jedem Abstand Z definieren,

wobei die Profilabschnitte an den Abständen Z gleichmässig miteinander verbunden werden, um eine vollständige Blattform zu bilden.

[0004] Die Erfindung kann auch als eine Turbinenschaufel ausgeführt werden, die ein Schaufelblatt mit einem Nennprofil im unbeschichteten Zustand im Wesentlichen in Übereinstimmung mit kartesischen Koordinatenwerten für X, Y und Z ¾ aufweist, die in Tabelle I dargelegt sind, wobei die Z ¾-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplizieren der Z ¾-Werte mit der Blatthöhe in Zoll und Addieren des Radius der Blattbasis in Z-Abstände umgerechnet werden können, und wobei X und Y Abstände in Zoll sind, welche, wenn sie durch gleichmässig verlaufende Kurven verbunden werden, Blattprofilabschnitte an jedem Abstand Z definieren, wobei die Profilabschnitte an den Abständen Z gleichmässig miteinander verbunden werden,

um eine vollständige Blattform zu bilden, wobei die Abstände X, Y und Z als eine Funktion derselben Konstante oder Zahl skalierbar sind, um ein im Massstab vergrössertes oder verkleinertes Blatt zu schaffen.

[0005] Die Erfindung kann des Weiteren als eine Turbine umfassend ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Schaufeln ausgeführt werden, wobei jede der Schaufeln ein Blatt mit einer Blattform ein-schliesst, wobei das Blatt ein Nennprofil im Wesentlichen in Übereinstimmung mit kartesischen Koordinatenwerten für X, Y und Z ¾ aufweist, die in Tabelle I dargelegt sind, wobei die Z ¾-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplizieren der Z ¾-Werte mit der Blatthöhe in Zoll und Addieren des Radius der Blattbasis in Z-Abstände umgerechnet werden können, und wobei X und Y Abstände in Zoll sind, welche,

wenn sie durch gleichmässig verlaufende Kurven verbunden werden, die Blattprofilabschnitte an jedem Abstand Z definieren, wobei die Profilabschnitte an den Abständen Z gleichmässig miteinander verbunden werden, um eine vollständige Blattform zu bilden.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0006] Diese und andere Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden durch ein genaues Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen besser verständlich und klarer werden, in welchen:
<tb>Fig. 1<sep>eine schematische Darstellung eines Heissgaspfads durch mehrere Stufen einer Gasturbine ist und ein Schaufelblatt der dritten Stufe gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und

<tb>Fig. 2<sep>eine perspektivische Ansicht einer Schaufel gemäss einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0007] Unter Bezugnahme auf die Zeichnungen, insbesondere auf Fig. 1, wird ein allgemein mit 10 bezeichneter Heissgaspfad einer Gasturbine 12, die eine Vielzahl von Turbinenstufen einschliesst, veranschaulicht. Dabei sind drei Stufen dargestellt. Zum Beispiel umfasst die erste Stufe eine Vielzahl von in ümfangsrichtung beabstandet angeordneten Düsen 14 und Schaufeln 16. Die Düsen sind in ümfangsrichtung voneinander beabstandet und um die Achse des Rotors herum fixiert. Die Schaufeln 16 der ersten Stufe sind natürlich an dem Turbinenrotor 17 befestigt.

Eine zweite Stufe der Turbine 12 ist ebenfalls gezeigt und schliesst eine Vielzahl von in ümfangsrichtung beabstandet angeordneten Düsen 18 und eine Vielzahl von in ümfangsrichtung beabstandet angeordneten, an dem Rotor befestigten Schaufeln 20 ein. Auch die dritte Stufe ist dargestellt und schliesst eine Vielzahl von in Umfangsrichtung beabstandet angeordneten Düsen 22 und von an dem Rotor 17 befestigten Schaufeln 24 ein.

Dabei ist darauf hinzuweisen, dass die Düsen und Schaufeln in dem Heissgaspfad 10 der Turbine liegen, wobei die Strömungsrichtung des Heissgases durch den Heissgaspfad 10 von dem Pfeil 26 angezeigt wird.

[0008] Unter Bezugnahme auf Fig. 2 sollte erwähnt werden, dass die Schaufeln, zum Beispiel die Schaufeln 24 der dritten Stufe, einen an einem Rotorrad (nicht im Detail dargestellt) befestigten Schaufelursprung 32 aufweisen, welcher einen Teil des Rotors 17 bildet, und Plattformen 30 einschliessen. Es ist ebenfalls anzumerken, dass jede Schaufel 24 wie in Fig. 2 veranschaulicht ein Schaufelblatt 34 besitzt. Somit weist jede der Schaufeln 24 an jedem Querschnitt von der Schaufelplattform zu der Schaufelspitze 36 ein Schaufelblattprofil in der Gestalt eines Blatts 34 auf.

Die Basis 38 des Schaufelblatts liegt für die Definition des Koordinatensystems in einer beispielhaften Ausführungsform der Turbine 37,3182 Zoll entlang eines Radius von der Turbinen-Mittellinie. Dies entspricht dem nicht dimensionalen Wert Z ¾ aus Tabelle I bei Z ¾ gleich 0,000. Die Spitze 36 des Schaufelblatts liegt zur Definition der Blattform in einer beispielhaften Ausführungsform der Turbine, 54,9318 Zoll entlang eines Radius von der Turbinen-Mittellinie. Somit beträgt die Länge Z der Schaufel 24 17,6136 Zoll vom Ursprung bis zur Spitze.

[0009] Der Heissgaspfad einer 7FB-Kombizyklus-Gasturbine mit integrierter Vergasung (IGCC) erfordert ein Blatt für die dritte Stufe, dass die Systemanforderungen in Bezug auf die aerodynamische und mechanische Last und den Wirkungsgrad der Schaufel erfüllt.

Um die Blattform eines jeden Schaufelblatts der dritten Stufe zu definieren, existiert eine eindeutige Menge von Positionen oder Punkten im Raum, die die Stufenanforderungen erfüllen und hergestellt werden können. Diese eindeutigen Punktpositionen erfüllen die Anforderungen in Bezug auf den Wirkungsgrad der Stufe und werden durch Iteration zwischen aerodynamischen und mechanischen Lasten, die einen effizienten, sicheren und reibungslosen Betrieb der Turbine ermöglichen abgeleitet. Diese Punkte sind eindeutig und systemspezifisch und für den Fachmann nicht nahe liegend. Die Positionen, welche das Schaufelblattprofil der Erfindung definieren, umfassen eine Menge von 3.200 Punkten mit X-, Y- und Z ¾-Dimensionen relativ zu dem wie in Fig. 2 dargestellt festgelegten Koordinatensystem mit Referenzursprung.

Insbesondere ist das Koordinatensystem relativ zu dem Blatt festgelegt und durch die Punkte A, B und C vollständig definiert. Die Punkte A und B liegen beide 37,3182 Zoll über der Mittellinie des Rotors im kalten Zustand. Punkt A liegt auf der Blattoberfläche an der Vorderkante und Punkt B liegt auf der Blattoberfläche an der Hinterkante. Punkt C befindet sich 54,9318 Zoll über der Mittellinie des Rotors im kalten Zustand an der Hinterkante der Blattoberfläche. Die Punkte A und B definieren die X-Achse. Die Punkte A, B und C definieren die X-Z-Ebene. Der Ursprung des Koordinatensystems liegt zwischen den Punkten A und B, wie in Fig. 2 schematisch dargestellt. Wie oben erwähnt definiert das kartesische Koordinatensystem der in Tabelle I unten angegebenen X-, Y- und Z ¾-Werte das Profil des Schaufelblatts an verschiedenen Positionen entlang seiner Länge.

Die Koordinatenwerte für die X-und Y-Koordinaten sind in Tabelle I in Zoll angegeben, wenngleich auch andere Masseinheiten verwendet werden können, sofern die Werte entsprechend umgerechnet werden. Die Z-Werte sind in Tabelle I in dimensionsloser Form (Z ¾) von 0 bis 1 angegeben. Um den Z ¾-Wert in einen Z-Koordinatenwert z. B. in Zoll umzurechnen, wird der in Tabelle I angegebene dimensionslose Z ¾-Wert mit der Z-Länge des Blatts in Zoll (17,6136 in dieser beispielhaften Ausführungsform) multipliziert und der Radius der Blattbasis (37,3182 in dieser beispielhaften Ausführungsform) dazu addiert. Wie oben beschrieben besitzt das kartesische Koordinatensystem orthogonal aufeinander stehende X-, Y- und Z-Achsen, und die X-Achse liegt parallel zur Mittellinie, d. h., Drehachse des Turbinenrotors, und ein positiver X-Koordinatewert liegt axial zum hinteren bzw.

Ausströmende der Turbine hin. Der positive Y-Koor-dinatenwert erstreckt sich tangential in der Drehrichtung des Rotors, und der positive Z ¾-Koordinatenwert liegt radial nach aussen zur Schaufelspitze hin.

[0010] Durch Definieren der X- und Y-Koordinaten-Werte an ausgewählten Positionen in einer Z-Richtung normal auf die X, Y-Ebene kann der Profilabschnitt des Schaufelblatts an jedem Z-Abstand entlang der Länge des Blatts ermittelt werden. Durch Verbinden der X- und Y-Werte mit gleichmässig verlaufenden Kurven wird jeder Profilabschnitt an jeder Distanz Z festgelegt.

Die Blattprofile der verschiedenen Oberflächenpositionen zwischen den Abständen Z werden bestimmt, indem die benachbarten Profilabschnitte gleichmässig miteinander verbunden werden, um das Blattprofil zu bilden.

[0011] Die Werte der Tabelle I wurden zur Bestimmung des Profils des Blattes bis auf vier Kommastellen berechnet und angegeben. Da sich die Schaufel an der Oberfläche erwärmt, führen Spannungen und die Temperatur zu Änderungen in den Werten für X, Y und Z. Dementsprechend stellen die in Tabelle I angegebenen Werte für das Profil Werte bei Umgebungsbedingungen im ruhenden oder nicht heissen Zustand für ein unbeschichtetes Blatt dar.

[0012] Bei dem tatsächlichen Profil des Blatts sind dann noch die typischen Herstellungstoleranzen und Beschichtungen zu berücksichtigen.

Jeder Abschnitt wird gleichmässig mit den anderen Abschnitten verbunden, um die vollständige Blattform zu bilden. Daher ist anzumerken, dass typische +/- Herstellungstoleranzen, d. h., +/- Werte einschliesslich jeglicher Beschichtungsstärken zu den in Tabelle I unten angegebenen Werten für X und Y zu addieren bzw. davon abzuziehen sind. Dementsprechend definiert ein Abstand von +/- 0,060 Zoll in einer Richtung normal zu einer beliebigen Oberflächenposition entlang des Blattprofils eine Blattprofil-Hüllkurve für diese spezielle Schaufelblatt-Konstruktion und Turbine, d. h., ein Schwankungsbereich zwischen gemessenen Punkten an der tatsächlichen Blattoberfläche bei Nenntemperatur im kalten Zustand oder Raumtemperatur und die ideale Position dieser Punkte, wie sie in der untenstehenden Tabelle angegeben sind, bei derselben Temperatur.

Die Schaufelblatt-Konstruktion ist innerhalb dieses Schwankungsbereichs robust ohne Beeinträchtigung der mechanischen oder aerodynamischen Funktionen.

[0013]
<EMI ID=1.0>

[0014] Es ist auch klar,

dass das in der oben stehenden Tabelle I offenbarte Blatt geometrisch im Massstab vergrössert oder verkleinert werden kann, um in anderen ähnlichen Turbinenkonstruktionen verwendet werden zu können. Demzufolge können die in Tabelle I angegebenen Koordinatenwerte nach oben oder unten skaliert werden, so dass die Blattprofilform unverändert bleibt. Eine skalierte Version der Koordinaten in Tabelle I würde durch Werte für die X-, Y- und Z ¾-Koordinaten aus Tabelle I dargestellt werden, wobei die Werte X und Y und der dimensionslose Koordinatenwert Z ¾ in Zoll umgerechnet und mit einer konstanten Zahl multipliziert oder durch diese dividiert werden.

[0015] Ein wichtiger Begriff dieser Offenbarung ist Profil. Das Profil ist der Schwankungsbereich zwischen gemessenen Punkten auf einer Blattoberfläche und der idealen, in Tabelle I aufgelisteten Position.

Das tatsächliche Profil einer hergestellten Schaufel wird von den Werten in Tabelle I abweichen, aber die Konstruktion ist innerhalb dieser Schwankung robust, was bedeutet, dass die mechanische und aerodynamische Funktion nicht beeinträchtigt wird. Wie vorstehend erwähnt wird hierin eine Profiltoleranz von + oder -0,06 Zoll verwendet.

[0016] Die offenbarte Blattform ist spezifisch für die Bedingungen und Spezifikationen der Maschine und optimiert diese. Es schafft ein eindeutiges Profil, um
1) : Interaktion zwischen anderen Stufen in der Hochdruck-Turbine;
2) : aerodynamischen Wirkungsgrad; und
3) : normalisierte aerodynamische und mechanische Schaufellasten zu erreichen. Die offenbarten Punktpositionen erlauben einen effizienten, sicheren und reibungslosen Betrieb der 7FB IGCC-Gasturbine.

Wie ebenfalls erwähnt, kann eine beliebige Skalierung des offenbarten Blatts verwendet werden, solange
1) die Interaktion zwischen anderen Stufen in der Hochdruck-Turbine;
2) der aerodynamische Wirkungsgrad; und
3) die normalisierten aerodynamischen und mechanischen Schaufellasten in der skalierten Turbine beibehalten werden.

[0017] Obwohl die Erfindung in Verbindung mit der zur Zeit als die praktischste und bevorzugte geltenden Ausführungsform beschrieben wurde, ist dennoch klar, dass die Erfindung nicht auf die offenbarte Ausführungsform einzuschränken ist, sondern im Gegenteil verschiedene Abwandlungen und gleichwertige Anordnungen, die in den Geist und Schutzbereich der beiliegenden Ansprüche fallen, abdecken soll.

Claims

1. Turbinenschaufel 24, die ein Schaufelblatt 34 mit einer Blattform einschliesst, wobei das Blatt ein Nennprofil im Wesentlichen in Übereinstimmung mit kartesischen Koordinatenwerten für X, Y und Z ¾ aufweist, die in Tabelle I dargelegt sind, wobei die Z ¾-Werte dimensionslose Werte von 0 bis 1 sind, die durch Multiplizieren der Z ¾-Werte mit einer Höhe des Blatts in Zoll und Addieren des Radius der Blattbasis in Z-Abstände in Zoll umgerechnet werden können, und wobei X und Y Abstände in Zoll sind, welche, wenn sie durch gleichmässig verlaufende Kurven verbunden werden, Blattprofilabschnitte an jedem Abstand Z definieren, wobei die Profilabschnitte an den Abständen Z gleichmässig miteinander verbunden werden, um eine vollständige Blattform zu bilden.

2. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, welche Teil einer dritten Stufe einer Turbine 12 ist.

3. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die Blattform in einer Hüllkurve innerhalb +/- 0,060 Zoll in einer Richtung normal zu jeder Position der Blattoberfläche liegt.

4. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die Höhe der Turbinenschaufel vom Ursprung bis zur Spitze 17,6136 Zoll beträgt.

5. Turbinenschaufel nach Anspruch 1, wobei die Abstände X, Y und Z als eine Funktion derselben Konstante oder Zahl skalierbar sind, um ein im Massstab vergrössertes oder verkleinertes Blatt zu schaffen.

6. Turbine 12 umfassend ein Turbinenrad mit einer Vielzahl von Turbinenschaufeln 24 nach Anspruch 1.

7. Turbine nach Anspruch 6, wobei die Turbinenschaufeln Schaufeln der dritten Stufe der Turbine sind.

8. Turbine nach Anspruch 6, wobei X einen Abstand parallel zu der Drehachse der Turbine darstellt.

9. Turbine nach Anspruch 6, wobei die Z-Höhe zwischen einer axialen Mittellinie der Turbine und einer Basis des Blatts wie in Tabelle 1 definiert 37,3182 Zoll beträgt, was dem dimensionslosen Z ¾ am Wert 0,000 entspricht.

10. Turbine nach Anspruch 9, wobei die Höhe der Turbinenschaufel vom Ursprung bis zur Spitze 17,6136 Zoll beträgt.