CH702158B1

CH702158B1 - Abdeckung eines Schaufelblattes.

Info

Publication number: CH702158B1
Application number: CH01789/10A
Authority: CH
Inventors: Joshy John; Rajnikumar Nandalal Suthar; Rajaguru Nathan Krishnasamy
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2009-10-30
Filing date: 2010-10-27
Publication date: 2015-11-13
Also published as: CN102052100B; CN102052100A; DE102010038277B4; JP2011094621A; US20110103966A1; CH702158A2; US8721289B2; DE102010038277A1; JP5634826B2

Abstract

Es wird eine Abdeckung (20, 40) eines Schaufelblattes (30, 50) mit gegenüberliegenden Druck- (31, 51) und Saugseiten (32, 52) einer drehbaren Turbinenstufe (10) bereitgestellt, um zu verhindern, dass Fluid (F SC ) in Überleitungsströmung von einer Druckseite (51) eines vorderen Schaufelblattes (50) auf eine Saugseite (32) eines nachfolgenden Schaufelblattes (30) strömt. Die Abdeckung (20, 40) enthält Druck- und Saugseitenrandabschnitte (21, 22, 41, 42), wovon wenigstens einer eine Gestaltung hat, die in Bezug auf die Gestaltung eines komplementären Saug- bzw. Druckseitenendabschnitts (21, 22, 41, 42) einer Abdeckung (20, 40) eines entsprechenden nachfolgenden bzw. vorderen Schaufelblattes (30, 50) diskontinuierlich ist.

Description

Hintergrund der Erfindung

[0001] Der hier beschriebene Erfindungsgegenstand betrifft eine Abdeckungsanordnung von Schaufelblättern mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten einer drehbaren Turbinenstufe zum Verhindern, dass Fluid in Überleitungsströmung von einer Druckseite eines vorderen Schaufelblattes auf eine Saugseite eines nachfolgenden Schaufelblattes strömt.

[0002] Spitzenabstandsverluste in einer Turbinenlaufschaufel bilden typischerweise 20 bis 25% der Gesamtverluste in der Laufschaufelreihe. Diese Verluste entstehen im Wesentlichen aufgrund von Entweichen energiereicher Strömung durch den Abstandsbereich ohne Verrichtung irgendeiner Nutzarbeit, Vermischen einer Leckageströmung an den Spitzen und Durchtrittsströmung stromabwärts von der Laufschaufel und von Strömung, die von der Druckoberfläche des Schaufelblattes auf die Saugoberfläche überleitet. Eine von dem Schaufelblatt erzeugte Auftriebskraft und ein auf der Laufschaufelreihe erzeugtes Drehmoment werden somit verringert.

[0003] Der Fall von Strömungsüberleitung wurde durch den Einbau einer Abdeckung auf der Laufschaufel behandelt. Die Abdeckung lenkt die Strömung von dem Überleitungsbereich weg und verringert die Verluste in Verbindung mit Überleitungsströmung.

[0004] Die Gestaltung und Abmessung der Abdeckung kann den Strömungsanteil beeinflussen, der umgeleitet wird, und kann dadurch die Höhe der verringerten Verluste beeinflussen. Leider erfordern mechanische Einschränkungen oft eine zackenförmige Ausbildung der Abdeckung, und die Zackung bringt einen zusätzlichen Verlust in der Form von Intrusionsverlusten mit sich. Intrusionsverluste ergeben sich aus der Einwärts/Auswärts-Strömung durch die Zackung und vergrössern die stromabwärts auftretenden Mischverluste weiter. D.h., in den herkömmlichen Laufschaufelabdeckungen tritt eine sich von einem hinteren Zackungsbereich der Laufschaufel ablösende Strömung wieder in die Hauptströmung ein und tritt mit einem sich darin ausbreitenden Hufeisenwirbel in Wechselwirkung und vergrössert somit eine Grösse und Intensität eines Strömungsmischungsverlustbereichs.

[0005] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Abdeckung bzw. Abdeckungsanordnung für die Laufschaufeln einer drehbaren Turbinenstufe mit verringerten Mischungsverlustbereichen anzugeben, die zu einem erhöhten Wirkungsgrad der Turbinenstufe führt.

Kurzbeschreibung der Erfindung

[0006] Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch eine Abdeckungsanordnung gemäss Anspruch 1 und eine drehbare Turbinenstufe mit einer derartigen Abdeckungsanordnung gemäss Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

[0007] Diese und weitere Merkmale werden aus der nachstehenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen deutlicher.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

[0008] Der Erfindungsgegenstand, welcher als die Erfindung betrachtet wird, wird insbesondere in den Ansprüchen am Schluss der Beschreibung dargestellt und eindeutig beansprucht. Die vorstehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich, in welchen: <tb>Fig. 1<SEP>eine perspektivische Ansicht einer Turbinenstufe eines Turbinentriebwerks ist; <tb>Fig. 2<SEP>eine vergrösserte radiale Ansicht der Turbinenstufe von Fig. 1 ist; <tb>Fig. 3 – 7<SEP>vergrösserte radiale Ansichten der Turbinenstufe von Fig. 1 gemäss verschiedenen Ausführungsformen sind; <tb>Fig. 8<SEP>eine vergrösserte radiale Ansicht der Turbinenstufe von Fig. 1 gemäss weiteren Ausführungsformen ist; <tb>Fig. 9<SEP>eine perspektivische Ansicht der Turbinenstufe von Fig. 1 mit nicht-axialsymmetrischen Abdeckungen ist.

[0009] Die detaillierte Beschreibung erläutert Ausführungsformen der Erfindung zusammen mit Vorteilen und Merkmalen ohne Einschränkung im Rahmen eines Beispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0010] Gemäss Fig. 1 und 2 wird eine drehbare Turbinenstufe 10 eines Turbinen- oder Gasturbinentriebwerks bereitgestellt. Die Turbinenstufe 10 kann eine erste Abdeckung 20 eines ersten Schaufelblattes 30 und eine zweite Abdeckung 40 eines zweiten Schaufelblattes 50 enthalten. Das erste Schaufelblatt 30 enthält eine Druckseite 31 und eine Saugseite 32, und das zweite Schaufelblatt 50 enthält eine Druckseite 51 und eine Saugseite 52. Das erste Schaufelblatt 30 folgt unmittelbar dem zweiten Schaufelblatt 50 in Bezug auf eine Drehrichtung DTSRder Turbinenstufe nach und wenigstens eine von den ersten und zweiten Abdeckungen 20 und 40 der ersten und zweiten Schaufelblätter 30 und 50 ist dafür ausgebildet, zu verhindern, dass Fluid FSC, wie z.B. eine Durchlaufströmung, von einer Druckseite 51 des zweiten Schaufelblattes 50 in Überleitungsströmung auf eine Saugseite 32 des ersten Schaufelblattes 30 übergeht.

[0011] Die erste Abdeckung 20 enthält einen in Bezug auf die Drehrichtung DTSRder Turbinenstufen (siehe Fig. 2 ) angeordneten Druckseitenrandabschnitt 21 und einen Saugseitenrandabschnitt 22. Ebenso enthält die zweite Abdeckung 40 einen Druckseitenrandabschnitt 41 und einen Saugseitenrandabschnitt 42. Einer von den Druckseitenrandabschnitten 21 und 41 und den Saugseitenrandabschnitten 22 und 42 hat eine Gestaltung, die wenigstens teilweise in Bezug auf eine Gestaltung ihres Komplements diskontinuierlich ist. Beispielsweise hat, wie es in Fig. 2 dargestellt ist, der Saugseitenrandabschnitt 22 der ersten Abdeckung 20 eine Gestaltung, die in Bezug auf eine Gestaltung des Druckseitenrandabschnitts 41 der zweiten Abdeckung 40 diskontinuierlich ist. Diese Diskontinuität bildet einen Strömungsausgleichsschlitz 45, der verhindert, dass Fluid FSCvon einer Druckseite 51 des zweiten Schaufelblattes 50 in Überleitungsströmung auf eine Saugseite 32 des ersten Schaufelblattes 30 strömt. Die Diskontinuität führt Fluid FACso, dass ein die ersten und zweiten Abdeckungen 20 und 40 verlassendes relativ energiereiches Fluid in einer Richtung DFströmt, welche wenigstens teilweise quer und radial nach aussen zu der Richtung DTSRverläuft.

[0012] Das von dem Strömungsausgleichsschlitz 45 geführte Fluid FACkann zu einem die Turbinenstufe 10 in Umfangsrichtung umgebenden Turbinengehäuse der Turbine strömen. Der Strömungsausgleichsschlitz 45 kann auch das Fluid FACzu dem Fluid FCausrichten, um die Grösse eines Verlustbereichs zu verringern und/oder einen höheren Rückdruck für das Fluid FCzu erzeugen, um Strömungen durch einen Abstandsbereich zu verringern.

[0013] Eine Simulation von Turbinentriebwerken hat gezeigt, dass das Vorliegen des Strömungsausgleichsschlitzes 45 zu einem erhöhten Wirkungsgrad aufgrund von Verringerungen von Mischungsverlustbereichen der Gesamtströmung und Leckage-Strömungen an den Spitzen führt. Der Strömungsausgleichsschlitz 45 verringert auch das Gesamtgewicht einer Laufschaufelabdeckung und verlängert deren Lebensdauer. Die Nutzung des Strömungsausgleichsschlitzes 45 kann auf alle neuen Turbinen und als Teil eines Aufrüstpakets angewendet werden.

[0014] Gemäss den Fig. 2 – 7 kann die den Strömungsausgleichsschlitz 45 ausbildende Diskontinuität entlang dem Saugseitenrandabschnitt 22 angeordnet sein. Gemäss den in Fig. 2 dargestellten Beispielen kann der Saugseitenrandabschnitt 22 eine axiale Länge LEhaben, welche kürzer als eine axiale Länge LTEdes Druckseitenrandabschnitts 41 ist, wobei LEund LTEentlang derselben Linie gemessen werden, die die axiale Mittellinie C der Turbinenstufe 10 schneidet. Die axiale Diskontinuität kann sich daraus ergeben, dass der Saugseitenabschnitt 22 mit einer winkelförmigen Schulter 60 (siehe Fig. 3 ), welche im Wesentlichen gerade Ränder enthält, oder mit einer konkav gerundeten Schulter 70 (siehe Fig. 4 ), welche einen zusammenhängend abgerundeten Rand enthält, ausgebildet ist.

[0015] In alternativen Ausführungsformen, in welchen die Diskontinuität in dem Saugseitenrandabschnitt 22 gemäss Darstellung in den Beispielen der Fig. 5 und 6 zu finden ist, kann der Saugseitenrandabschnitt 22 mit einer winkelförmigen Aussparung 80 (siehe Fig. 5 ) mit im Wesentlichen geraden Rändern oder mit einer konkav abgerundeten Aussparung 90 (siehe Fig. 6 ) mit einem zusammenhängend gerundeten Rand ausgebildet sein.

[0016] Gemäss Fig. 7 können sowohl der Saugseitenrandabschnitt 22 als auch der Druckseitenrandabschnitt 41 die Stellen der Diskontinuitäten sein. D.h., dass in dem Beispiel von Fig. 7 sowohl der Saugseitenrandabschnitt 22 als auch der Druckseitenrandabschnitt 41 jeweils mit gegenüberliegenden Aussparungen 100 und 101 ausgebildet sind. Obwohl sie als winkelförmige Aussparungen dargestellt sind, dürfte es sich verstehen, dass diese Aussparungen auch konkav gerundete Aussparungen sein könnten.

[0017] Es dürfte sich ferner verstehen, dass die in den Fig. 2 – 7 dargestellten verschiedenen Ausführungsformen zusammen oder getrennt gegenseitig austauschbar sind, ohne von dem Schutzumfang der verschiedenen Aspekte der Erfindung abzuweichen.

[0018] Unter Bezugnahme auf Fig. 8 ist erkennbar, dass die Konfigurationen der vorstehend beschriebenen Abdeckung 20, 40 in ihrem bezüglich der Strömungsrichtung durch die Turbinenstufe rückwärtigen Abdeckungsbereich variierenden Konfigurationen der Abdeckung in ihrem vorderen Abdeckungsbereich 110 zugeordnet sein können. Beispielsweise kann die Abdeckung in ihrem vorderen Abdeckungsbereich 110 gemäss Darstellung in den Fig. 1 – 7 konfiguriert oder gemäss Darstellung in Fig. 8 gezackt sein.

[0019] Unter Bezugnahme auf Fig. 9 ist ferner erkennbar, dass der Strömungsausgleichsschlitz 45 zwischen den Abdeckungen 120 und 140 mit nicht-axialsymmetrischen Deckbandformen ausgebildet sein kann.

[0020] Es wird eine Abdeckung 20, 40 eines Schaufelblattes 30, 50 mit gegenüberliegenden Druck- 31, 51 und Saugseiten 32, 52 einer drehbaren Turbinenstufe 10 bereitgestellt, um zu verhindern, dass Fluid FSCin Überleitungsströmung von einer Druckseite 51 eines vorderen Schaufelblattes 50 auf eine Saugseite 32 eines nachfolgenden Schaufelblattes 30 strömt. Die Abdeckung 20, 40 enthält Druck- und Saugseitenrandabschnitte 21, 22, 41, 42, wovon wenigstens einer eine Gestaltung hat, die in Bezug auf die Gestaltung eines komplementären Saug- und Druckseitenendabschnitts 21, 22, 41, 42 einer Abdeckung 20, 40 eines entsprechenden nachfolgenden bzw. vorderen Schaufelblattes 30, 50 diskontinuierlich ist.

Bezugszeichenliste

[0021] <tb>FC, FSC, FAC<SEP>Fluid, Durchtrittsströmung, energiereiches Fluid <tb>DTSR<SEP>Drehrichtung der Turbinenstufe <tb>DF<SEP>Richtung quer zu DTSR <tb>LE, LTE<SEP>axiale Längen <tb>10<SEP>drehbare Turbinenstufe <tb>20<SEP>erste Abdeckung <tb>21<SEP>Druckseitenrandabschnitt <tb>22<SEP>Saugseitenrandabschnitt <tb>30<SEP>erstes Schaufelblatt <tb>31<SEP>Druckseite <tb>32<SEP>Saugseite <tb>40<SEP>zweite Abdeckung <tb>41<SEP>Druckseitenrandabschnitt <tb>42<SEP>Saugseitenrandabschnitt <tb>45<SEP>Strömungsausgleichsschlitz <tb>50<SEP>zweites Schaufelblatt <tb>51<SEP>Druckseite <tb>52<SEP>Saugseite <tb>60<SEP>winkelförmiger Schulterabsatz <tb>70<SEP>konkav gerundeter Schulterabsatz <tb>80<SEP>winkelförmige Aussparung <tb>90<SEP>konkav gerundete Aussparung <tb>100, 101<SEP>gegenüberliegende Aussparungen <tb>110<SEP>vorderer Abdeckungsbereich <tb>120, 140<SEP>Abdeckungen mit nicht-axialsymmetrischen Deckbandgestaltungen

Claims

1. Abdeckungsanordnung von Schaufelblättern (30, 50) mit gegenüberliegenden Druck- (31, 51) und Saugseiten (32, 52) einer drehbaren Turbinenstufe (10), zum Verhindern, dass Fluid FSCin Überleitungsströmung von einer Druckseite (51) eines vorderen Schaufelblattes (50) auf eine Saugseite (32) eines nachfolgenden Schaufelblattes (30) strömt, wobei die Abdeckungsanordnung aufweist: eine erste Abdeckung (20) eines ersten Schaufelblattes (30) mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten (31, 32), und eine zweite Abdeckung (40) eines zweiten Schaufelblattes (50) mit gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten (51, 52), das dem ersten Schaufelblatt (30) in einer Drehrichtung DTSRder Turbinenstufe unmittelbar vorauseilt, wobei die ersten und zweiten Abdeckungen (20, 40) jeweils in einem bezüglich der Strömungsrichtung durch die Turbinenstufe (10) rückwärtigen Abdeckungsbereich komplementäre Druck- und Saugseitenrandabschnitte (21, 22, 41, 42) aufweisen, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) und/oder der komplementäre Druckseitenrandabschnitt (41) der zweiten Abdeckung (40) eine Gestaltung hat, die wenigstens teilweise in Bezug auf die Gestaltung des jeweils anderen eine Diskontinuität zur Bildung eines Strömungsausgleichsschlitzes (45) zwischen dem Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) und dem komplementären Druckseitenrandabschnitt (41) der zweiten Abdeckung (40) aufweist.

2. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Diskontinuität des Druckseitenrandabschnitts (41) der zweiten Abdeckung (40) oder des Saugseitenrandabschnitts (22) der ersten Abdeckung (20) derart ausgestaltet ist, um das Fluid in eine Richtung DFwenigstens teilweise quer zu einer Drehrichtung DTSRder Turbinenstufe zu führen.

3. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) die Diskontinuität aufweist.

4. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) zur Ausbildung der Diskontinuität in einer axialen Richtung kürzer als der komplementäre Druckseitenrandabschnitt (41) der zweiten Abdeckung (40) ist.

5. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) zur Ausbildung der Diskontinuität mit im Wesentlich geraden Rändern in der Form einer winkelförmigen Schulter (60) ausgebildet ist.

6. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) zur Ausbildung der Diskontinuität mit einem zusammenhängenden, gerundeten Rand in der Form einer konkav gerundeten Schulter (70) ausgebildet ist.

7. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) zur Ausbildung der Diskontinuität mit einer winkelförmigen Aussparung (80) ausgebildet ist.

8. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 3, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) zur Ausbildung der Diskontinuität mit einer konkaven Aussparung (80) ausgebildet ist.

9. Abdeckungsanordnung nach Anspruch 1, wobei der Saugseitenrandabschnitt (22) der ersten Abdeckung (20) und der Druckseitenrandabschnitt (41) der zweiten Abdeckung (40) zur Ausbildung von Diskontinuitäten jeweils mit gegenüberliegenden Aussparungen (100, 101) ausgebildet sind.

10. Drehbare Turbinenstufe (10) eines Turbinentriebwerks, aufweisend: eine Abdeckungsanordnung nach Anspruch 1.