CH697921B1 - Turbinenschaufel. - Google Patents

Abstract

Eine Turbinenschaufel (20) für eine Turbine ist vorgelegt. Die Turbinenschaufel (20) weist einen Flügel (40) auf, welcher einen Fussabschnitt, einen Spitzenabschnitt, eine Flügelform und ein Nennprofil, im Wesentlichen entsprechend X-, Y- und Z-Werten in kartesischen Koordinaten, aufweist. Hierbei ist Z eine Distanz, normal zu einer Plattform (42), von welcher der Flügel (40) sich nach aussen erstreckt, und sind X und Y Koordinaten, welche das Profil bei jeder Distanz Z, von der Plattform aus, definieren. Die Y-Achse erstreckt sich parallel zu einer Achse, um welche die Turbinenschaufel (20) rotiert. Ferner erstrecken sich mehrere Kühlkanäle zwischen dem Fussabschnitt und dem Spitzenabschnitt des Flügels (40), wobei jeder der Kühlkanäle an dem Spitzenabschnitt nach aussen führt, wobei die mehreren Kühlkanäle in einem wölbungslinienförmigen Muster positioniert sind.

Description

Allgemeiner Stand der Technik

[0001] Das Gebiet dieser Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Turbinenschaufel. Es ist eine Turbinenschaufel beschrieben, welche einen Kühlkreislauf mit Kühllöchern aufweist, welche so dimensioniert und positioniert sind, dass die Kühlung und der Turbinenwirkungsgrad optimierbar sind.

[0002] In bekannten Gasturbinen bewirken Verbrennungsgase eine Rotation einer Turbine, welche einen Verdichter antreibt. Der Verdichter führt verdichtete Luft einer Brennkammer zu, welche die Verbrennungsgase erzeugt. Da derartige Maschinen bei relativ hohen Temperaturen arbeiten, kann die Leistung einer derartigen Maschine durch die Materialien limitiert sein, welche beim Herstellen der Turbinenschaufelblätter verwendet werden. Konkreter können höhere Temperaturen verursachen, dass sich thermische Beanspruchungen innerhalb der Turbinenschaufelblätter entwickeln, was ihren Betrieb limitieren kann. Derartige Beanspruchungen können in Industriegasturbinen schwerwiegender sein, auf Grund der relativ grossen Abmessungen der Turbinenschaufelblätter.

[0003] Turbinen sind ausgebildet, um bei einer vorbestimmten Temperatur zu arbeiten, die eine gewünschte Leistung und einen gewünschten Wirkungsgrad erleichtert. Typischerweise sind neuere Turbinen ausgebildet, um bei höheren Temperaturen zu arbeiten, was ein stärkeres Kühlen der Turbinenschaufelblätter erforderlich macht als für Turbinenschaufelblätter, welche in Turbinen verwendet werden, welche bei niedrigeren Temperaturen arbeiten. Nachdem sie fortdauernd hohen Temperaturen ausgesetzt gewesen sind, kann ein Austauschen der Turbinenschaufelblätter erforderlich sein.

[0004] Um die Turbinen zu befähigen, bei höheren Betriebstemperaturen und gesteigertem Maschinenwirkungsgrad zu arbeiten, ohne einen Turbinenschaufelblattausfall zu riskieren, verwenden wenigstens einige Turbinen hohle, konvektiv gekühlte Turbinenschaufelblätter. Wenigstens einige derartiger Turbinenschaufelblätter weisen innere Kühlkanäle auf, welche einen Kühlstrom in das Innere der Turbinenschaufelblätter bereitstellen, um eine relativ gleichbleibende Temperatur des Turbinenschaufelblatts zu ermöglichen. Ein Turbinenluftstrom wird aus einem Verdichter in die inneren Kanäle innerhalb der Turbinenschaufelblätter abgezweigt.

[0005] Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Turbinenschaufel bereitzustellen, welche einen Kühlkreislauf mit Kühllöchern aufweist, welche so dimensioniert und positioniert sind, dass die Kühlung und der Turbinenwirkungsgrad weiter optimierbar sind.

Kurzdarstellung der Erfindung

[0006] Diese Aufgabe wird durch eine Turbinenschaufel für eine Turbine gemäss Anspruch 1 gelöst.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0007] Fig. 1<sep>zeigt eine schematische Darstellung im Schnitt einer beispielhaften Turbine, welche ein Turbinenrad der ersten Stufe aufweist; Fig. 2<sep>zeigt eine Vorderansicht einer beispielhaften Turbinenschaufel, welche innerhalb der Turbine, welche in Fig. 1 gezeigt ist, verwendet werden kann; Fig. 3<sep>zeigt eine Seitenansicht der Turbinenschaufel, welche in Fig. 2 gezeigt ist; Fig. 4<sep>zeigt ein kartesisches Koordinatensystem für X-, Y- und Z-Werte, dargestellt in Tabelle I; Fig. 5<sep>zeigt eine Schnittansicht der Turbinenschaufel, welche in Fig. 2 gezeigt ist, und zwar nach Linie 5–5; Fig. 6<sep>zeigt eine Schnittansicht der Turbinenschaufel, welche in Fig. 2 gezeigt ist, nach Linie 6–6; und Fig. 7<sep>zeigt eine Schnittansicht der Turbinenschaufel, welche in Fig. 2 gezeigt ist, nach Linie 7–7.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

[0008] Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht einer beispielhaften Turbine 10. Die Turbine 10 weist einen Rotor 12 auf, welcher jeweils ein Rotorrad 14, 16 und 18 der ersten, der zweiten und der dritten Stufe aufweist, welche jeweils Turbinenschaufeln 20, 22 und 24 aufweisen, sowie jeweilige Statorschaufeln 26, 28 und 30. Jede Reihe von Turbinenschaufeln 20, 22 und 24 und Statorschaufeln 26, 28 und 30 definiert in Folge eine Stufe von Turbine 10. Die Turbine 10 ist eine dreistufige Turbine. Alternativ kann die Turbine 10 mehr oder weniger als drei Stufen aufweisen.

[0009] Innerhalb der ersten Turbinenstufe weist das Rotorrad 14 Turbinenschaufeln 20 auf, welche in einer Lage axial gegenüber den Statorschaufeln 26 in Stromaufwärts-Richtung befestigt sind. Turbinenschaufeln 20 sind in Umfangsrichtung um das Rad 14 der ersten Stufe beabstandet. In dem Ausführungsbeispiel weist das Rad 14 der ersten Stufe zweiundneunzig Turbinenschaufeln 20 auf.

[0010] Fig. 2 und 3 zeigen eine perspektivische Vorderansicht und eine Seitenansicht einer beispielhaften Turbinenschaufel 20. In dem Beispiel weist die Turbinenschaufel 20 einen Flügel 40 auf, welcher sich von einer Plattform 42 aus nach aussen erstreckt, und einen Schaft 44, welcher sich von einer gegenüberliegenden Seite von Plattform 42 aus nach aussen erstreckt. Das radiale innere Ende von dem Schaft 44 erstreckt sich von einem Schwalbenschwanz 46 aus, welcher zum Koppeln von der Turbinenschaufel 20 an das Turbinenrad 14 (gezeigt in Fig. 1) verwendet wird. Wie bekannt, passt der Schwalbenschwanz 46 in entsprechende Schwalbenschwanzöffnungen (nicht gezeigt), welche in dem Turbinenrad 14 definiert sind. Die Turbinenschaufel 20 umfasst auch Radspaltabdichtungen, d.h. Engelflügel 52, welche sich von dem Schaft 44 aus nach aussen erstrecken. In einem Ausführungsbeispiel ist der Flügel 40 aus einer bekannten Nickelbasis-Superlegierung, wie etwa einer 738-Legierung, hergestellt.

[0011] Fig. 4 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem für X-, Y- und Z-Werte, dargestellt in Tabelle I, welche folgt. Das kartesische Koordinatensystem weist zueinander orthogonale Achsen X, Y, Z auf, wobei die Z-Achse oder Bezugsachse im Wesentlichen normal zu der Plattform 42 liegt und sich im Allgemeinen in einer radialen Richtung durch den Flügel 40 erstreckt. Die Y-Achse erstreckt sich im Wesentlichen parallel zu einer Mittellinie der Turbine, d.h. der Rotationsachse. Durch Definieren von X- und Y-Koordinatenwerten an ausgewählten Positionen in der radialen Richtung, d.h. in einer Z-Richtung, kann das Profil des Flügels 40 festgesetzt werden. Durch Verbinden der X- und Y-Werte mit glatten durchgehenden Bögen wird jeder Profilschnitt bei jeder radialen Distanz Z bestimmt. Die Flächenprofile an den verschiedenen Flächenpositionen zwischen den radialen Distanzen Z können durch Verbinden benachbarter Profile festgesetzt werden. Die Koordinaten X und Y zum Bestimmen des Flügelschnittprofils an jeder radialen Position oder Flügelhöhe Z sind in der folgenden Tabelle I dargestellt, wobei Z an der oberen Fläche von Plattform 42 gleich null ist. Diese Tabellenwerte sind in Inches, umzurechnen in Meter durch Multiplikation mit dem Faktor 0,0254, angegeben, und sie stellen tatsächliche Flügelprofile bei Umgebungsbedingungen, im Ruhezustand oder im nicht heissen Zustand dar, und sie gelten für einen unbeschichteten Flügel. Der Flügel 40 kann wenigstens teilweise mit einer Beschichtung (nicht gezeigt in Fig. 4) bedeckt sein, was die Abmessungen von dem Flügel 40 vergrössern kann. In einem Ausführungsbeispiel schützt die Beschichtung den Flügel 40 vor Korrosion und/oder Oxidation. Zusätzlich ordnet die Vorzeichenvereinbarung, welche in Tabelle I verwendet ist, dem Z-Wert einen positiven Wert zu, und den Koordinaten X und Y positive und negative Werte, wie typischerweise in einem kartesischen Koordinatensystem verwendet.

[0012] Die Werte in Tabelle I sind computergeneriert und auf fünf Dezimalstellen dargestellt. Allerdings werden, angesichts der herstellungsbedingten Beschränkungen, tatsächliche Werte, welche zum Bilden des Flügels 40 nützlich sind, nur bis zu drei Dezimalstellen zum Bestimmen des Profils des Flügels 40 als gültig erachtet. Ferner gibt es typische Herstellungstoleranzen, welche in dem Profil des Flügels 40 zu berücksichtigen sind. Entsprechend gelten die Werte für das Profil, welche in Tabelle I angegeben sind, für ein Nennprofil. Es sollte sich daher verstehen, dass auf die X-, Y- und Z-Werte typische Herstellungstoleranzen, plus oder minus, anzuwenden sind, und dass ein Flügel, welcher ein Profil aufweist, welches im Wesentlichen diesen Werten entspricht, derartige Toleranzen aufweist. Zum Beispiel liegt eine Herstellungstoleranz von etwa ± 0,254 mm (± 0,010 Inches) innerhalb von Designlimits für den Flügel, und vorzugsweise ist eine Herstellungstoleranz von etwa ± 0,2032 mm (± 0,008 Inches) eingehalten. Entsprechend sind die Werte für X und Y, welche auf drei Dezimalstellen dargestellt sind und eine Herstellungstoleranz von etwa ± 0,254 mm (± 0,010 Inches), und vorzugsweise von etwa ± 0,2032 mm (± 0,008 Inches), aufweisen, akzeptabel, um das Profil von dem Flügel 40 an jeder radialen Position über seine gesamte Länge zu definieren.

[0013] Der Flügel 40 überträgt kinetische Energie auf den Luftstrom und trägt daher zu einer gewünschten Strömung über einen Verdichter (nicht gezeigt) bei. Der Flügel 40 lenkt die Fluidströmung, setzt die relative Geschwindigkeit der Fluidströmung herab, in dem jeweiligen Bezugsrahmen des Flügels, und bringt einen Anstieg in dem statischen Druck der Fluidströmung. Der Flügel 40, zusammen mit seiner Interaktion mit umgebenden Flügeln und peripheren Flächen, erleichtert: Luftstromwirkungsgrad der Stufe, verbesserte Aeromechanik, gleichmässige laminare Strömung von Stufe zu Stufe, reduzierte thermische Beanspruchungen, verbesserte Wechselbeziehung der Stufen, um den Luftstrom effektiv von Stufe zu Stufe zu führen, sowie reduzierte mechanische Beanspruchungen. Typischerweise sind mehrere Reihen von Flügelstufen, wie etwa, jedoch nicht limitiert, auf Rotorflügel/Statorblätter, ausgerichtet, ein gewünschtes Druckverhältnis zwischen Austritt und Eintritt zu erzielen. Die Flügel 40 können mit Rädern gekoppelt sein, unter Verwendung des Schwalbenschwanzes 46 (gezeigt in Fig. 2 und 3).

[0014] Die Ausrichtung von dem Flügel 40, und jegliche Interaktion mit umgebenden Flügeln, erleichtert ein Bereitstellen wünschenswerter Strömungsmechanik und laminarer Strömung, die Fluidströmung kreuzt den Flügel 40 und wird verbessert, und konkreter werden die Strömungsmechanik und die laminare Strömung von dem Flügel 40 aus verbessert. So wird eine gleichmässige Fluidströmung am Übergang zu benachbarten/nachgeordneten Flügeln erleichtert. Ferner geht die Strömung von jedem Flügel 40 in die Stromabwärts-Richtung hin zu den benachbarten/nachgeordneten Flügeln und wird auf Grund der verbesserten laminaren Fluidströmung von dem Flügel 40 aus verbessert. Daher trägt die Ausrichtung von dem Flügel 40 dazu bei, turbulente Fluidströmung in der Einheit, welche den Flügel 40 umfasst, zu verhindern.

[0015] In dem Ausführungsbeispiel kann die Konfiguration von dem Flügel 40 (mit oder ohne Fluidströmungsinteraktion) unter Verwendung verschiedener Designprozesse und Praktiken bestimmt werden. Derartige Designprozesse und Praktiken können umfassen, sind jedoch nicht limitiert, ausschliesslich zu umfassen: numerische Strömungsmechanik (CFD); traditionelle strömungsmechanische Analyse; Euler- und Navier-Stokes-Gleichungen; manuelles Positionieren, Strömungsversuche (z.B. im Windkanal), sowie Modifikation des Flügels; Prüfung an Ort und Stelle; Modellierung; Anwendung wissenschaftlicher Grundsätze zum Gestalten oder Entwickeln der Flügel, Maschinen, Vorrichtungen oder Herstellungsprozesse; und Prüfung und Modifikation der Flügelströmung.

[0016] Wie oben erwähnt, erleichtert die Konfiguration des Flügels 40, und die Interaktion des Flügels 40 mit umgebenden Flügeln und peripheren Flächen, Luftstromwirkungsgrad der Stufe, verbesserte Aeromechanik, gleichmässige laminare Strömung von Stufe zu Stufe, reduzierte thermische Beanspruchungen, verbesserte Wechselbeziehung der Stufen, um den Luftstrom effektiv von Stufe zu Stufe zu führen, sowie reduzierte mechanische Beanspruchungen, neben anderen wünschenswerten Effekten, verglichen mit anderen ähnlichen Flügeln, welche ähnliche Anwendungen aufweisen. In dem Ausführungsbeispiel erleichtert der Flügel 40 ein Erhöhen des Wirkungsgrads des Turbinenbetriebs, verglichen mit Turbinen, welche bekannte Flügel verwenden. Der erhöhte Wirkungsgrad stellt, zusätzlich zu den oben erwähnten Vorteilen, eine gesteigerte Leistung bei einer Abnahme der erforderlichen Treibstoffmenge bereit. So werden Emissionen, welche von der Maschine produziert werden, verringert.

[0017] Wie bereits erwähnt, kann der Flügel 40 auch zum Schutz gegen Korrosion und Oxidation beschichtet werden nachdem der Flügel 40 hergestellt worden ist, entsprechend den Werten von Tabelle I und innerhalb der oben erläuterten Toleranzen. Folglich kann es, zusätzlich zu den Herstellungstoleranzen für die X- und Y-Werte, welche in Tabelle I dargestellt sind, auch eine Hinzurechnung zu jenen Werten geben, um der Beschichtungsdicke Rechnung zu tragen.

Tabelle I

[0018]

[0019] Fig. 5 zeigt eine Schnittansicht der Turbinenschaufel 20 von vorne. Wie in Fig. 5 gezeigt, weist die Turbinenschaufel 20 mehrere Fluidkanäle 54 für das Kühlmedium auf, welche auch als Kühlkanäle bezeichnet werden können. In einem Ausführungsbeispiel ist das Kühlfluidmedium Luft. Alternativ kann jegliches Kühlfluidmedium verwendet werden, welches ein Kühlen der Turbinenschaufel 20, wie in dieser Schrift beschrieben, erleichtert. In dem Ausführungsbeispiel umfassen die mehreren Kühlkanäle 54 einen ersten Kühlkanal 56, einen zweiten Kühlkanal 58, einen dritten Kühlkanal 60, einen vierten Kühlkanal 62, einen fünften Kühlkanal 64, einen sechsten Kühlkanal 66, einen siebenten Kühlkanal 68, einen achten Kühlkanal 70, einen neunten Kühlkanal 72, einen zehnten Kühlkanal 74, einen elften Kühlkanal 76 und einen zwölften Kühlkanal 78. Um die Kühlung des Flügels 40 zu verbessern, erstrecken sich die Kanäle 54 durch den Flügel 40, von einem Fussabschnitt 84 des Flügels 40 zu einem Spitzenabschnitt 86 des Flügels 40. Die Kanäle 54 erstrecken sich im Wesentlichen geradlinig durch den zusammengesetzten gekrümmten Flügel 40, und sie setzen sich durch die Plattform 42 in einen Hohlraum 88, welcher in dem Schaft 44 definiert ist, fort.

[0020] Der Hohlraum 88 ist geteilt in ein Paar aus einem vorderen und einem hinteren Hohlraum, jeweils 88A und 88B, mit einer Strukturrippe 90, welche sich zwischen den Hohlräumen 88A und 88B erstreckt. Die Hohlräume 88A und 88B erstrecken sich durch den Schaft 44 und in entsprechende Hohlräume 92A und 92B im Schwalbenschwanz 46. Die Hohlräume 92A und 92B erstrecken sich durch das radiale innere Ende 45 von dem Schaft 44 und durch den Schwalbenschwanz 46. Folglich versteht sich, dass ein Kühlmedium, zum Beispiel Luft, in Schwalbenschwanzhohlräume 92A und 92B und in Hohlräume 88A und 88B kanalisiert werden kann, um in Kanäle 54 geleitet zu werden. In dem Ausführungsbeispiel weist das Rad 14, mit welchem die Turbinenschaufel 20 gekoppelt ist, ein einziges Plenum (nicht gezeigt) auf, welches sich in Strömungskommunikation in Schwalbenschwanzhohlräume 92A und 92B erstreckt, wenn der Schwalbenschwanz 46 an das Rad 14 gesichert ist. Folglich wird, wenn das Rad 14 rotiert, Kühlmedium aus dem einzigen Plenum in dem Rad 14 in die Hohlräume 88A, 88B, 92A und 92B und in den Schwalbenschwanz 46 zugeführt, für einen Strom radial nach aussen durch die Kanäle 54, bevor sie durch Kühlloch-Austrittspositionen 95, welche in dem Spitzenabschnitt 86 des Flügels 40 definiert sind, austreten.

[0021] Turbinen sind ausgebildet, um bei einer vorbestimmten Temperatur zu arbeiten, welche eine gewünschte Leistung und einen gewünschten Wirkungsgrad bietet. Typischerweise sind neuere Turbinen ausgebildet, um bei einer höheren Temperatur zu arbeiten als ältere Turbinen, und neuere Turbinenbauteile sind ausgebildet, um den höheren Temperaturen standzuhalten. Um höheren Temperaturen standzuhalten, kann die Form eines Flügels geändert sein, oder das Material, aus welchem die Turbinenschaufel aufgebaut ist, kann geändert sein. In einem weiteren Beispiel sind Turbinenschaufeln mit erweiterten Kühlkanälen versehen, um im gesamten Flügel geeignete Temperaturen zu erhalten. Allerdings kann ein Abzweigen einer grösseren Luftmenge aus dem Verdichter in die Kühlkanäle den Wirkungsgrad der Turbine senken. Ein Ändern der Menge an Luft, welche aus dem Verdichter in die Kühlkanäle abgezweigt wird, kann auch Erfordernisse auf Grund gesetzlicher Regelungen nach sich ziehen und einen Turbinenbetreiber zwingen, Meldeerfordernisse zu erfüllen, und/oder andere Massnahmen zu setzen. Daher ist es, wenn verschlissene oder beschädigte Turbinenschaufeln ausgetauscht werden, nicht immer nötig oder vorteilhaft, die Turbinenschaufel durch eine Turbinenschaufel zu ersetzen, welche zur Verwendung in einer neueren Turbine, bei höheren Temperaturen, gestaltet ist. Wenn eine verschlissene oder beschädigte Turbinenschaufel ausgetauscht wird, ist es von Vorteil, die Zufuhrbedingungen, die Turbinenschaufel-Lebenserwartung und die Reparaturstrategie der ursprünglichen Turbinenschaufel zu erhalten. Das umfasst auch Erhalten eines im Wesentlichen ähnlichen Niveaus an Turbinenschaufelkühlung, wie es zuvor bestanden hat. Allerdings ist es für eine Ersatzschaufel auch vorteilhaft, eine modifizierte Form oder ein modifiziertes Material aufzuweisen, wenn diese Form oder dieses Material die Leistung der Turbine verbessert.

[0022] Wie oben beschrieben, zeigt Fig. 5eine Schnittansicht von vorne der Turbinenschaufel 20 und illustriert eine beispielhafte Ausrichtung der Kühlkanäle 54. Fig. 6zeigt eine Schnittansicht des Flügels 40 nach Linie 6–6. Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht des Flügels 40 nach Linie 7–7. Die beispielhafte Ausrichtung der Kühlkanäle 54 erleichtert für den Flügel 40 ein Erhalten und/oder Verbessern der Turbinenleistung und der Lebensdauer der beispielhaften Turbinenschaufel.

[0023] Um das Austauschen einer originalen Turbinenschaufel der Stufe 1 mit zwölf Löchern zu erleichtern, gegen die Turbinenschaufel 20, welche in dieser Schrift beschrieben ist, sind die Luftkanäle 54 in dem Ausführungsbeispiel in einem Muster 94 entlang einer Wölbungslinie des Flügels 40 angeordnet. Konkreter ist im Ausführungsbeispiel das wölbungslinienförmige Muster 94 im Allgemeinen entlang einer mittleren Wölbungslinie 96 (gezeigt in Fig. 6) des Flügels 40 angeordnet. Die mittlere Wölbungslinie 96 ist an allen Punkten äquidistant zwischen einer saugseitigen Fläche 98 (gezeigt in Fig. 6) und einer druckseitigen Fläche 100 (gezeigt in Fig. 6) des Flügels 40. In dem Ausführungsbeispiel beträgt eine Distanz 102 zwischen Rändern der Luftkanäle 54 und entweder saugseitiger Fläche 98 und/oder druckseitiger Fläche 100 des Flügels 40 nicht weniger als etwa 1,27 mm (0, 050 Inches). Alternativ können die Positionen der Luftkanäle 54 in dem Flügel 40 angepasst sein, um Kanaldurchmesseranpassungen zu ermöglichen, ohne Erfordernisse minimaler Wanddicke zu verletzen. Ausserdem kann in alternativen Ausführungsformen das wölbungslinienförmige Muster 94 leicht verschoben sein oder von der mittleren Wölbungslinie 96 abweichen, um ein effektives Kühlen des Flügels zu erleichtern.

[0024] Wie gezeigt, umfassen die mehreren Kühlkanäle 54 einen ersten 56, einen zweiten 58, einen dritten 60, einen vierten 62, einen fünften 64, einen sechsten 66, einen siebenten 68, einen achten 70, einen neunten 72, einen zehnten 74, einen elften 76 und einen zwölften 78 Kühlkanal, die sich jeweils durch den Flügelschnitt 40 erstrecken. Um einen Bezug herzustellen, ist der erste Kühlkanal 56 einer Vorderkante 104 und ein zwölfter Kühlkanal 78 einer Hinterkante 106 des Flügels 40 am nächsten positioniert. Mit Bezug auf Fig. 6 und 7und auf Tabelle II unten wird der Flügelkühlfluss zu einer Mitte 108 des Flügels 40 hin umverteilt, und nicht hin zur Vorderkante 104. Ein Durchmesser 110 des ersten Kanals 56 ist, im Vergleich zu bekannten Kühllochmustern, reduziert. Zum Beispiel kann der Durchmesser 110 des Kühllochs 56 von 3,00 mm auf 2,54 mm (0,118 Inches auf 0,100 Inches) reduziert sein. Ausserdem sind in dem Ausführungsbeispiel die Durchmesser 112, 114 und 116 des dritten 60, des vierten 62 und des fünften 64 Kühlkanals, im Vergleich zu bekannten Kühllochmustern, von 1,63 mm auf 1,90 mm (0,064 Inches auf 0,075 Inches) vergrössert. In dem Ausführungsbeispiel weist der erste Luftkanal 56 einen Durchmesser 110 von etwa 2,54 mm (0,100 Inches) auf, bei einer Abmessungstoleranz von etwa ± 0,127 mm (± 0,005 Inches), der zweite Luftkanal 58 weist einen Durchmesser 118 von etwa 1,63 mm (0,064 Inches) auf, bei einer Abmessungstoleranz von etwa ± 0,127 mm (± 0, 005 Inches), und der dritte 60, der vierte 62 und der fünfte 64 Luftkanal weisen je einen Durchmesser 112, 114 und 116 von etwa 1,90 mm (0,075 Inches) auf, bei einer Abmessungstoleranz von etwa ± 0,127 mm (± 0,005 Inches). Ausserdem weisen der sechste 66, der siebente 68, der achte 70, der neunte 72, der zehnte 74 und der elfte 76 Luftkanal je einen Durchmesser 120 von etwa 1,63 mm (0,064 Inches) auf, mit einer Abmessungstoleranz von etwa ± 0,127 mm (± 0,005 Inches). Zusätzlich weist der zwölfte Luftkanal 78 einen Durchmesser 122 von etwa 1,14 mm (0,045 Inches) auf, bei einer Abmessungstoleranz von etwa ± 0,127 mm (± 0,005 Inches).

[0025] Die relativen Positionen der Kühlkanäle 54 unterliegen ebenfalls Toleranzen. Zum Beispiel weist der erste Luftkanal 56 eine Lagetoleranz von etwa ± 2,54 mm (± 0,100 lnches) relativ zu zwei Punkten 124 und 126 auf, welche an Vorderkante 104 des Flügels 40, dem ersten Luftkanal 56 am nächsten, definiert sind. In ähnlicher Weise weisen, in dem Ausführungsbeispiel, der zweite 58, der dritte 60, der vierte 62, der fünfte 64, der sechste 66, der siebente 68, der achte 70, der neunte 72, der zehnte 74, der elfte 76 und der zwölfte 78 Luftkanal je eine Lagetoleranz von etwa ± 1,02 (± 0,040 Inches) relativ zu dem Flügelprofil an Schnitt 2 auf (d.h. am Schnittprofil des Flügels 40 nach Linie 7–7) und etwa ± 1,14 mm (± 0,045 Inches) relativ zu dem Flügelprofil an Schnitt 1 (d.h. am Schnittprofil des Flügels 40 nach Linie 6–6).

[0026] Da Hohlräume 92A, 92B, 88A und 88B sich durch den Schaftschnitt 44 erstrecken und relativ sind zu der minimalen Weite des Halses an dem Schwalbenschwanzschnitt 46, sind Schnittpunkte der Hohlräume 88A und 88B und der Flügelkühlkanäle 54 an der Überschneidung Schaft-Flügel 42 definiert, wie gezeigt in Tabelle II. Zusätzlich können Kühllochaustrittspositionen 95 des Flügelschnitts 40 neu positioniert werden, um ein Maximieren des Durchmessers zu erleichtern, ohne Erfordernisse minimaler Wanddicke auf einer Seite des Flügels 40 zu verletzen, während auf der anderen Seite des Flügels 40 ein übermässiger Spielraum bliebe. Die Austrittspositionen 95 sind an der Überschneidung Schaft-Flügel 42 und an der Spitze 86 des Flügelschnitts 40 definiert.

[0027] Tabelle II stellt beispielhafte Kühllochpositionen und Kühllochdurchmesser innerhalb der Turbinenschaufel 20 bereit. Positionen und Durchmesser sind in Inches, umzurechnen in Meter durch Multiplikation mit dem Faktor 0,0254, angegeben, und sie sind zusätzlich in Millimetern angegeben (z.B. beträgt der Lochdurchmesser von Schnitt 1 bis Schnitt 2 des Lochs Nummer 10,100 Inches oder 2,54 Millimeter). In dem Ausführungsbeispiel beträgt, in Flügelschnitt 40, von Kühllochaustrittsposition 86 des Flügelschnitts bis zur Überschneidung Schaft-Flügel 42, der Kühllochdurchmesser für Loch 12,54 mm (0,100 Inches), für Löcher 2 und 6 bis 11 beträgt er 1,63 mm (0, 064 Inches), für Löcher 3 bis 5 beträgt er 1,90 mm (0,075 Inches), und für Loch 12 beträgt er 1,14 mm (0, 045 Inches), bei etwa einer Abmessungstoleranz von + 0,127 mm (± 0,005 Inches).

Tabelle II

[0028]

[0029] Mit Bezug auf Fig. 6und 7 ist der Ursprung des kartesischen X-, Y-, Z-Koordinatensystems, auf welches sich Tabelle II bezieht, welche verwendet wird, um die Kühlkanäle zu positionieren, der Schnitt der Bezugsebenen S, T und U. Diese Bezugsebenen sind in den Zeichnungen bezeichnet. Die Bezugsebene U erstreckt sich durch die Schaftzentrierbohrungen, um welche sich jeweilige Turbinenschaufeln 20 umdrehen (gezeigt in Fig. 2). Die Distanz X zur Mitte der Löcher ist die Distanz von Bezugsebene T aus, die Distanz Y ist die Distanz von Bezugsebene S aus, während die Distanz Z die Distanz von Bezugsebene U aus ist. So liegt der Ursprung des Koordinatensystems im Schnitt der Bezugsebenen S, T und U. In dem Ausführungsbeispiel wird, während des STEM-Bohrens (Shaped Tube Electrochemical Machining) der Kühllöcher, die Turbinenschaufel an den Schaftzentrierbohrungen gehalten.

[0030] In dem Ausführungsbeispiel weist der Spitzenabschnitt 86 des Flügels 40 eine Spitzenvertiefung 140 auf, welche innerhalb umgebender Wände 142 definiert ist, welche sich radial nach aussen, von Spitzenabschnitt 86 des Flügels 40, erstrecken. Die Basis der Spitzenvertiefung 140 nimmt die Lochaustrittspositionen 95 (gezeigt in Fig. 5) der Kühlkanäle 54 auf. Wie gezeigt in Fig. 6 bis 7, weist der Flügel 40 eine zusammengesetzte Krümmung auf, welche eine Saugseite 98 und eine Druckseite 100 aufweist. An der Saugseite 98, und benachbart der Hinterkante 106, ist eine Lücke oder eine Öffnung 144 definiert, welche eine Unterbrechung der umgebenden Wand 142 an der Saugseite bildet, was ermöglicht, dass das Kühlmedium von innerhalb der Spitzenvertiefung 140 in den Heissgasstrom austritt. Es versteht sich, dass der Spitzenabschnitt 86 des Flügels 40 in nächster Nähe zu einem radial umgebenden äusseren festsitzenden Deckband (nicht gezeigt in Fig. 6) liegt. Die Lücke 144 in der Spitzenvertiefung 140 befindet sich an der Saugseite 98, an welcher ein niedrigerer Druck herrscht, wodurch sie in einer wünschenswerteren Position ist als an der Druckseite 100. Zusätzlich wird durch das Ausbilden der Lücke 140 verhindert, dass sich ein Gegendruck bildet, welcher andernfalls durch das Deckband (nicht gezeigt in Fig. 6) verursacht würde.

[0031] Die oben beschriebenen Beispiele einer Turbinenschaufel stellen einen kostengünstigen und zuverlässigen Ersatz für derzeit verwendete Turbinenschaufeln der Stufe 1 dar. Die oben beschriebenen Turbinenschaufeln erhalten die ursprünglichen Zufuhrbedingungen und ähnliche Reparaturstrategien wie die Turbinenschaufeln, welche ausgetauscht werden, während sie Turbinenleistung und Turbinenschaufellebensdauer erhalten und/oder verbessern.

Claims (10)

1. Turbinenschaufel (22, 24) für eine Turbine (10), wobei die Turbinenschaufel umfasst: einen Flügel (40), welcher einen Fussabschnitt (84), einen Spitzenabschnitt (86), eine Flügelform und ein Nennprofil entsprechend X-, Y- und Z-Werten in kartesischen Koordinaten, im Folgenden in Inch dargestellt, umzurechnen in Meter durch Multiplikation mit dem Faktor 0,0254, aufweist:

wobei Z eine Distanz ist, normal zu einer Plattform (42), von welcher der Flügel (40) sich nach aussen erstreckt, X und Y Koordinaten sind, welche das Profil bei jeder Distanz Z, von der Plattform aus, definieren, und wobei sich die Y-Achse parallel zu einer Achse erstreckt, um welche die Turbinenschaufel (22, 24) rotiert; und mehrere Kühlkanäle (54), welche sich zwischen dem Fussabschnitt (84) und dem Spitzenabschnitt (86) des Flügels (40) erstrecken, wobei jeder der Kühlkanäle (54) an dem Spitzenabschnitt (86) nach aussen führt, wobei die mehreren Kühlkanäle (54) in einem wölbungslinienförmigen Muster (94) positioniert sind.

2. Turbinenschaufel (22, 24) nach Anspruch 1, wobei die mehreren Kühlkanäle (54) wenigstens zwölf Kühlkanäle umfassen, welche im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.

3. Turbinenschaufel (22, 24) nach Anspruch 2, wobei die mehreren Kühlkanäle (54) an einem Schnitt 1 entlang des Fussabschnittes (84) des Flügels (40) und einem Schnitt 2 entlang des Spitzenabschnittes (86) des Flügels (40) entsprechend X-, Y-Werten in kartesischen Koordinaten positioniert sind, dargestellt in Inch, umzurechnen in Meter durch Multiplikation mit dem Faktor 0,0254:

4. Turbinenschaufel (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein erster (56) der mehreren Kühlkanäle einen Durchmesser von 2,54 mm ± 0,127 mm (0,100 Inches ± 0,005 Inches) aufweist, ein zweiter (58), ein sechster (66), ein siebenter (68), ein achter (70), ein neunter (72), ein zehnter (74) und ein elfter (76) Kühlkanal einen Durchmesser von 1,63 mm ± 0,127 mm (0,064 Inches ± 0,005 Inches) aufweisen, ein dritter (60), ein vierter (62) und ein fünfter (64) Kühlkanal einen Durchmesser von 1,90 mm ± 0,127 mm (0,075 Inches ± 0,005 Inches) aufweisen, und ein zwölfter (78) Kühlkanal einen Durchmesser von 1,14 mm ± 0,127 mm (0,045 Inches + 0,005 Inches) aufweist, wobei sich die Kühlkanäle von dem Fussabschnitt (84) zu dem Spitzenabschnitt (86) des Flügels (40) gradlinig erstrecken.

5. Turbinenschaufel (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Kühlkanäle (54) entlang einer mittleren Wölbungslinie (96) angeordnet sind, welche an allen Punkten äquidistant zwischen einer saugseitigen Fläche (98) und einer druckseitigen Fläche (100) des Flügels (40) verläuft.

6. Turbinenschaufel (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Kühlkanäle (54) dazu ausgelegt sind, einen Luftstrom zu leiten.

7. Turbinenschaufel (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Herstellungstoleranzen des Flügels (40) ± 0,254 mm (+ 0,010 Inches) betragen.

8. Turbinenschaufel (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Flügel (40) ferner eine Beschichtung umfasst, welche sich wenigstens teilweise über jede Seite des Flügels (40) erstreckt.

9. Turbinenschaufel (22, 24) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Schwalbenschwanzabschnitt (46) und einen Schaftabschnitt (44), wobei der Schwalbenschwanzabschnitt (46) und der Schaftabschnitt (44) einen Hohlraum (88) definieren, welcher sich in Strömungsverbindung mit den mehreren Kühlkanälen (54) befindet.

10. Turbinenschaufel (22, 24) nach Anspruch 9, wobei der Schaftabschnitt (44), die Plattform (42) und der Flügel (40) integral gegossen sind, wobei die mehreren Kühlkanäle (54) sich von dem Flügelspitzenabschnitt (86) aus zu dem Flügelfussabschnitt (84) erstrecken, derart, dass jeder der Kühlkanäle sowohl der druckseitigen Fläche (100) als auch der saugseitigen Fläche (98) des Flügels (40) benachbart ist.