CH702109A2

CH702109A2 - Turbinenschaufelblatt.

Info

Publication number: CH702109A2
Application number: CH01706/10A
Authority: CH
Inventors: Kevin Richard Kirtley
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2010-10-19
Publication date: 2011-04-29
Also published as: US8393872B2; CN102042040B; JP5629177B2; CH702109B1; JP2011089518A; US20110097210A1; DE102010038074B4; CN102042040A; DE102010038074A1

Abstract

Geschaffen ist ein Turbinenschaufelblatt (10), das eine Druckfläche (12) und eine Saugfläche (11) aufweist. Radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen (12, 11) bei einem lokalen Spannweitenabschnitt des Turbinenschaufelblatts (10) sind ausgebildet, um zusammenwirkend mindestens entweder eine Krümmungslinie C R und/oder eine Dickeverteilungslinie des Turbinenschaufelblatts (10) so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. Die Anzahl von Vorzeichenwechseln nimmt entlang einer radialen Richtung des Turbinenschaufelblatts (10) gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt ab.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die hier beschriebene Erfindung betrifft eine Turbinenschaufelblattkonstruktion.

[0002] Herkömmliche Turbinenschaufelblattkonstruktionen nutzen eine bogenförmige Krümmungslinie, deren Krümmungsradius sich ausgehend von der Vorderkante zur Hinterkante fortlaufend ändert, jedoch immer ein und dasselbe Vorzeichen aufweist, so dass sie rein konkav ist. Darüber hinaus ist die Dickeverteilung längs der Krümmungslinie im Falle herkömmlicher Gasturbinenschaufelblätter ebenfalls mit einem Krümmungsradius gekrümmt, der sich ausgehend von der Vorderkante zur Hinterkante fortlaufend ändert, jedoch immer ein und dasselbe Vorzeichen aufweist, so dass sie ebenfalls rein konkav ist. Solche Konfigurationen führen zum Energieentzug und zu einer verhältnismässig effizienten Strömung durch die Turbine, wenn die Gasströmung in der Ebene zweidimensional ist, die durch die Krümmungslinie in einem zylindrischen Polarkoordinatenrahmen definiert ist.

[0003] Es wurde häufig beobachtet, dass die Strömung im Wesentlichen dreidimensional und nicht planar ist und dass die reine Konkavität von Turbinenschaufelblättern in diesen Fällen möglicherweise weniger effizient ist als in dem zweidimensionalen Fall. Der Wunsch nach einer Steigerung des Wirkungsgrads eines Turbinenschaufelblatts, bei dem die Strömung dreidimensional ist, hat daher bewirkt, dass herkömmliche Schaufelblätter mit Blick auf dünne Hinterkanten, speziell angepasste Krümmungslinien für eine hintere Belastung und eine Neigung und Durchbiegung der Spannweite gestaltet wurden, um radiale Druckgradienten aufzuprägen, um die Verteilung der den Kanal durchquerenden Strömung zu modulieren.

[0004] Häufig begrenzen jedoch mechanische Beschränkungen die Dünnheit der Hinterkante, und die Rotation der LaufSchaufelblätter erfordert die Verwendung radialer Schaufelelemente, um hohe Biegelasten während der Rotation zu vermeiden, was aggressive Durchbiegung und Neigung ausschliesst. Angesichts dieser Ergebnisse wurden ein Ausbilden des Umrisses der Endwand mit Höckern und Rillen in dem Blattkanal und Verlängerungen stromaufwärts und stromabwärts beschrieben, um die Entwicklung des sekundären Stroms in der Nachbarschaft der Endwand des Schaufelfusspunkts zu modulieren. Nachteilig ist, dass die Konturierung der Endwand Probleme bei der Herstellung und der Verwendung hervorrufen kann, z.B. hinsichtlich des Glessens der Rillen oder des Bedarfs eines gewellten Unterplattformreibungsdämpfers für LaufSchaufelblätter.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0005] Gemäss einem Aspekt der Erfindung ist ein Blatt zum Entziehen von Energie in einer Gasturbine mit einer Druckfläche und einer Saugfläche geschaffen, wobei radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts ausgebildet sind, um zusammenwirkend eine Krümmungslinie des Blatts so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Blatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt abnimmt.

[0006] Gemäss einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Blatt zum Entziehen von Energie in einer Gasturbine mit einer Druckfläche und einer Saugfläche geschaffen, wobei radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts ausgebildet sind, um zusammenwirkend eine Dickeverteilungslinie des Blatts so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Blatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt abnimmt.

[0007] Gemäss noch einem weiteren Aspekt der Erfindung ist ein Blatt zum Entziehen von Energie in einer Gasturbine geschaffen, das eine Druckfläche mit Druckflächeneigenschaften und eine Saugfläche mit Saugflächeneigenschaften aufweist, wobei die Eigenschaften von Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts ausgebildet sind, um zusammenwirkend mindestens entweder eine Krümmungslinie des Blatts und/oder eine Dickeverteilungslinie des Blatts so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Blatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt bis Null abnimmt.

[0008] Diese und andere Vorteile und Merkmale werden anhand der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen verständlicher.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0009] Der als die Erfindung angesehene behandelte Gegenstand wird in den der Beschreibung beigefügten Patentansprüchen speziell aufgezeigt und gesondert beansprucht. Die vorausgehend erwähnten und sonstige Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nach dem Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Figuren verständlich:

[0010] Fig. 1 zeigt eine radiale Ansicht einer Schaufel;

[0011] Fig. 2 zeigt einen Graphen einer Dickenänderungslinie des Blatts von Fig. 1;

[0012] Fig. 3 zeigt eine schematische dreidimensionale radiale Ansicht eines Blatts;

[0013] Fig. 4 zeigt das Blatt von Fig. 3 in einer perimetrischen Ansicht;

[0014] Fig. 5-8 zeigen radiale Ansichten des Blatts von Fig. 5 an steigenden radialen Positionen; und

[0015] Fig. 9 zeigt eine schematische dreidimensionale radiale Ansicht eines Blatts.

[0016] Die detaillierte Beschreibung erläutert mit Bezug auf die Zeichnungen beispielhaft ohne Beschränkung Ausführungsbeispiele der Erfindung, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0017] Gemäss Fig. 1 und 2 ist ein Blatt 10 gezeigt, das dazu dient, in einer Gasturbine Energie zu gewinnen, und das eine Saugfläche 11 und eine Druckfläche 12 aufweist. Die Saugfläche 11 und die Druckfläche 12 weisen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts 10 jeweils radial entsprechende Flächeneigenschaften auf, die zusammenwirkend mindestens entweder eine Krümmungslinie CR und/oder eine Dickeverteilungslinie TR in Bezug auf eine axiale Sehne des Blatts 10 so definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. Die Anzahl von Vorzeichenwechseln nimmt entlang einer radialen Richtung des Blatts 10 ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt gemessen ab. In manchen Fällen nimmt die Anzahl von Vorzeichenwechseln bis Null ab.

[0018] Die konvexe und konkave Krümmung der Krümmungslinie CRund/oder der Dickeverteilung TR werden für ein Blatt 10, das lediglich an dem Fusspunkt eine Endwand aufweist, im Wesentlichen innerhalb von etwa 10% der Spannweite des Blatts 10 nahe dessen Fusspunkt angeordnet sein. Dasselbe gilt in entgegengesetzter Weise für Blätter, die an ihrer Spitze Endwände aufweisen. Für Blätter, die Endwände sowohl an ihrem Fusspunkt als auch an ihrer Spitze aufweisen, können die konvexe und konkave Krümmung innerhalb von 10% der Spannweite jeder Endwand angelegt werden. In manchen Fällen können sich die konvexe und konkave Krümmung der Krümmungslinie CR und/oder der Dickeverteilung TR (siehe beispielsweise Fig. 9) über die oben beschriebenen Bereiche hinaus erstrecken.

[0019] Gemäss Fig. 3 kann das Blatt 10, das eine Krümmungslinie CR und/oder eine Dickeverteilung TR aufweist, die sowohl konvex als auch konkav sind, an steigenden radialen Positionen sich verändernde Flächeneigenschaften aufweisen. In einem Ausführungsbeispiel weist das Blatt 10 entlang einer radialen Richtung des Blatts 10 wenigstens erste, zweite, dritte und vierte Topographien 20, 30, 40 bzw. 50 auf. Wie in Fig. 4-8gezeigt, entsprechen diese Topographien Schnittlinien 5-5 (Topographie 20, in Fig. 5gezeigt), 6-6 (Topographie 30, in Fig. 6 gezeigt), 7-7 (Topographie 40, in Fig. 7gezeigt) bzw. 8-8 (Topographie 50, in Fig. 8 gezeigt), die jeweils durch die perimetrische Ansicht der Spannweite und des Sehnenblatts 10 von Fig. 4 geschnitten sind.

[0020] In einem Ausführungsbeispiel bilden die Flächeneigenschaften der Saugfläche 11 und der Druckfläche 12, wie es in Fig. 5 gezeigt ist, bei dem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts 10, der der Topographie 20 entspricht, in der Nähe der Vorderkante und Hinterkante des Blatts 10 einen verhältnismässig irregulären Nasenabschnitt 21 bzw. einen verhältnismässig irregulären Endabschnitt 22. D.h., der Nasenabschnitt 21 ist bei dem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts 10, der der Topographie 20 entspricht, an seiner Eintrittsöffnung mit gegenüberliegenden zurückgesetzten Bereichen 23 und 24 ausgebildet, während der Endabschnitt 22 durch einen einzelnen zurückgesetzten Bereich 25 charakterisiert ist.

[0021] Wie aufeinander folgend in Fig. 6-8 gezeigt, weisen die Spannweitenabschnitte des Blatts 10, die den Topographien 30, 40 und 50 des Blatts 10 entsprechen, Merkmale auf, die mit dem Fortschreiten entlang der radialen Richtung des Blatts 10 zunehmend unbedeutend werden. Beispielsweise werden die entsprechenden Formen des Nasenabschnitts 21 und des Endabschnitt 22 zunehmend ebenmässig. D.h. der Nasenabschnitt 21 kann bei einer radialen Position des Blatts 10 verhältnismässig wulstförmig sein und entlang einer radialen Richtung des Blatts 10 seine Wulstform allmählich verlieren. In ähnlicher Weise kann der Endabschnitt 22 bei einer radialen Position des Blatts 10 in Richtung der Turbinenstufenrotation gekrümmt sein, wobei die Krümmung entlang einer radialen Richtung des Blatts 10 abnimmt und/oder möglicherweise die Richtung umkehrt. Schliesslich kann die Anzahl von Vorzeichenwechseln, wie in Fig. 8gezeigt, entlang einer radialen Richtung des Blatts 10 gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt, der der Topographie 20 entspricht, bis Null abnehmen. Dementsprechend ähnelt der Spannweitenabschnitt der Schaufel 10, der der Topographie 50 entspricht, weitgehend einem üblichen Blatt.

[0022] Während Fig. 4-8 gemeinsam veranschaulichen, wie die Anzahl von Vorzeichenwechseln wenigstens der Krümmungslinie CR und/oder der graphischen Darstellung der Dickeverteilung TR gegen Null abnimmt, versteht sich, dass dies lediglich Ausführungsbeispiele widergespiegelt, und dass andere Ausprägungen verwendet werden können. Beispielsweise kann die Anzahl von Vorzeichenwechseln in manchen Fällen lediglich bis 1 oder darüber abnehmen. In anderen Fällen können einige topographische Merkmale bei einer speziellen Sehnenposition eines Schaufelblatts entlang einer radialen Richtung des Schaufelblatts zunehmend unbedeutender werden, ohne zu bewirken, dass die Krümmungslinie CRoder die Dickeverteilungslinie TR des Blatts an jener speziellen Sehnenposition das Vorzeichen wechselt.

[0023] Wie in Fig. 9 gezeigt, kann ein zweites Blatt 100 gemäss einem weiteren Ausführungsbeispiel eine Sehnenlänge CL aufweisen, die an zwei oder mehr radialen (oder Spannweite-)Positionen im Wesentlichen gleichförmig ist, bei denen die Flächeneigenschaften zusammenwirkend mindestens die Krümmungslinie CRund/oder die Dickeverteilung TR so definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. In diesem Fall erstrecken sich die konvexe und konkave Krümmung der Krümmungslinie CR und/oder der Dickeverteilung TR des Blatts 100 über die oben beschriebenen Bereiche hinaus. Dementsprechend werden die zusätzlichen Topographien 200, 300, 400 und 500, die nicht unbedingt in der Nähe des Fusspunkts oder der Spitze angeordnet sind, mit dem Fortschreiten entlang der radialen Richtung zunehmend unbedeutend.

[0024] Gemäss weiteren Aspekten ist ein Verfahren zum Ausbilden einer Druck- und einer Saugfläche einer Schaufel geschaffen, mit den Schritten: Analysieren eines dreidimensionalen Strömungspfads von Fluid, das über das Blatt strömt; und Entwerfen von sich in radialer Richtung entsprechenden Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts, um gemäss der Analyse zusammenwirkend mindestens eine Krümmungslinie und/oder eine Dickeverteilungslinie des Blatts so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. Das Verfahren kann ausserdem den Schritt beinhalten, die Flächeneigenschaften zu entwerfen, um die jeweils übrige, sei dies die Krümmungslinie oder die Dickeverteilungslinie, zusammenwirkend so zu definieren, dass sie gemäss der Analyse einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist.

[0025] Gemäss dem Verfahren kann der Schritt des Entwerfens ausserdem beinhalten, die Flächeneigenschaften entlang einer radialen Richtung des Blatts gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt so zu verändern, dass die Anzahl von Vorzeichenwechseln abnimmt. In manchen Fällen werden diese Änderungen zur Folge haben, dass die Anzahl von Vorzeichenwechseln bis zu einem oder mehreren Vorzeichenwechseln abnimmt. In anderen Fällen werden die Änderungen zur Folge haben, dass die Anzahl von Vorzeichenwechseln bis Null abnimmt.

[0026] Während die Erfindung lediglich anhand einer beschränkten Anzahl von Ausführungsbeispielen im Einzelnen beschrieben wurde, sollte es ohne weiteres verständlich sein, dass die Erfindung nicht auf derartige beschriebene Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr kann die Erfindung modifiziert werden, um eine beliebige Anzahl von bisher nicht beschriebenen Veränderungen, Abänderungen, Substitutionen oder äquivalenten Anordnungen zu verkörpern, die jedoch dem Schutzbereich der Erfindung entsprechen. Während vielfältige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben wurden, ist es ferner selbstverständlich, dass Aspekte der Erfindung möglicherweise lediglich einige der beschriebenen Ausführungsbeispiele beinhalten. Dementsprechend ist die Erfindung nicht als durch die vorausgehende Beschreibung beschränkt anzusehen, sondern ist lediglich durch den Schutzumfang der beigefügten Patentansprüche beschränkt.

[0027] Geschaffen ist ein Blatt 10, das eine Druckfläche 12 und eine Saugfläche 11 aufweist. Radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen 12, 11 bei einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts 10 sind ausgebildet, um zusammenwirkend mindestens entweder eine Krümmungslinie CRund/oder eine Dickeverteilungslinie TR des Blatts 10 so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweisen. Die Anzahl von Vorzeichenwechseln nimmt entlang einer radialen Richtung des Blatts 10 gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt ab.

Bezugszeichenliste

[0028] <tb>Schaufelblatt<sep>10 <tb>Saugfläche<sep>11 <tb>Druckfläche<sep>12 <tb>Krümmungslinie<sep>CR <tb>Dickeverteilungslinie<sep>TR <tb>Erste Topographie<sep>20 <tb>Nasenabschnitt<sep>21 <tb>Endabschnitt<sep>22 <tb>Zurückgesetzte Bereiche<sep>23, 24, 25 <tb>Zweite Topographie<sep>30 <tb>Dritte Topographie<sep>40 <tb>Vierte Topographie<sep>50 <tb>Zweites Blatt<sep>100 <tb>Zusätzliche Topographien<sep>200, 300, 400, 500 <tb>Sehnenlänge<sep>CL

Claims

1. Blatt (10), das dazu dient, in einer Gasturbine Energie zu entziehen, aufweisend: eine Druckfläche (12); und eine Saugfläche (11), wobei radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck- und Saugflächen (12, 11) an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts (10) ausgebildet sind, um zusammenwirkend eine Krümmungslinie CR des Blatts (10) so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Blatts (10) ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt gemessen abnimmt.

2. Blatt (10) nach Anspruch 1, wobei die Flächeneigenschaften zusammenwirkend eine Dickeverteilungslinie TR des Blatts (10) so definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist.

3. Blatt nach Anspruch 1, wobei eine Sehnenlänge CL des Blatts (10) an zwei oder mehr radialen Positionen im Wesentlichen gleichförmig ist, bei denen die Flächeneigenschaften zusammenwirkend die Krümmungslinie CR so definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist.

4. Blatt (10), das dazu dient, in einer Gasturbine Energie zu entziehen, aufweisend: eine Druckfläche (12); und eine Saugfläche (11), wobei radial entsprechende Flächeneigenschaften der Druck-und Saugflächen (12, 11) an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts (10) ausgebildet sind, um zusammenwirkend eine Dickeverteilungslinie TR des Blatts (10) so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Blatts (10) ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt gemessen abnimmt.

5. Blatt (10) nach Anspruch 4, wobei die Flächeneigenschaften zusammenwirkend eine Krümmungslinie CR definieren, die einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist.

6. Blatt (10) nach Anspruch 4, wobei eine Sehnenlänge CLdes Blatts (10) an zwei oder mehr radialen Positionen im Wesentlichen gleichförmig ist, bei denen die radial entsprechenden Flächeneigenschaften die Dickeverteilungslinie TRzusammenwirkend so definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist.

7. Blatt (10), das dazu dient, in einer Gasturbine Energie zu entziehen, aufweisend: eine Druckfläche (12) mit Druckflächeneigenschaften; und eine Saugfläche (11) mit Saugflächeneigenschaften, wobei die Eigenschaften der Druck- und Saugflächen an einem lokalen Spannweitenabschnitt des Blatts (10) ausgebildet sind, um zusammenwirkend mindestens entweder eine Krümmungslinie CR des Blatts und/oder eine Dickeverteilungslinie TR des Blatts (10) so zu definieren, dass sie einen Krümmungsradius mit mindestens zwei Vorzeichenwechseln aufweist, wobei die Anzahl von Vorzeichenwechseln entlang einer radialen Richtung des Blatts (10) gemessen ausgehend von dem lokalen Spannweitenabschnitt bis Null abnimmt.

8. Blatt (10) nach Anspruch 7, wobei eine Sehnenlänge CLdes Blatts (10) bei dem lokalen Spannweitenabschnitt und bei einem weiteren Spannweitenabschnitt, der von dem lokalen Spannweitenabschnitt entlang der radialen Richtung beabstandet ist, im Wesentlichen gleichförmig ist.