CH703742A2 - Schaufelblattgestalt für eine Verdichtereinlassleitschaufel. - Google Patents

Abstract

Die Schaufelblattgestalt für eine Verdichtereinlassleiterschaufel weist ein nominales Profil auf, das im Wesentlichen den in Tabelle A angegebenen kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht. X und Y sind Abstände in Zoll, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilabschnitte in den Z-Abständen können glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Einlassleitschaufelblattgestalt zu bilden.

Description

Hintergrund zu der Erfindung

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft Schaufelblätter für eine Leitschaufel einer Gasturbine. Insbesondere betrifft die Erfindung Verdichterschaufelblattprofile für eine Einlassleitschaufel (IGV, Inlet Guide Vane).

[0002] In einer Gasturbine sollten viele Systemanforderungen in jeder Stufe eines Strömungspfadabschnitts einer Gasturbine erfüllt sein, damit Konstruktionsziele erfüllt sind. Ein Heissgaspfad einer Turbine erfordert es, dass das Schaufelblatt einer Verdichter-IGV Konstruktionsziele und gewünschte Anforderungen hinsichtlich der Effizienz, der Funktionssicherheit und der Belastung erfüllt. Zum Beispiel, und keinesfalls für die Erfindung beschränkend, sollte eine IGV eines Verdichters thermische und mechanische Betriebsanforderungen erzielen. Ferner sollte zum Beispiel, und keinesfalls für die Erfindung beschränkend, eine IGV eines Verdichters die thermischen und mechanischen Betriebsanforderungen für die spezielle Stufe erzielen.

[0003] Frühere Bemühungen, die Konstruktionsziele und gewünschten Anforderungen zu erfüllen, haben zu Beschichtungen auf dem Schaufelblatt geführt, wobei jedoch die Beschichtungen nicht hinreichend robust oder dauerhaft sein können, um die Konstruktionsziele und gewünschten Anforderungen zu erzielen. Demgemäss ist es wünschenswert, eine Schaufelblattkonfiguration, insbesondere für eine IGV, mit einem Profil zu schaffen, um die Konstruktionsziele und gewünschten Anforderungen zu erfüllen.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0004] In einer Ausführungsform der Erfindung weist ein Herstellungsgegenstand ein Einlassleitschaufelblatt (IGV-Schaufelblatt) mit einer Schaufelblattgestalt auf, wobei das Schaufelblatt ein nominales Profil im Wesentlichen entsprechend den in Tabelle A angegebenen kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z aufweist. X und Y sind Abstände, die, wenn sie durch glatte fortgesetzte bzw. stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilabschnitte in den Z-Abschnitten werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Schaufelblattgestalt zu bilden.

[0005] In einer weiteren Ausführungsform gemäss der Erfindung enthält eine Einlassleitschaufel (IGV) eines Verdichters ein Schaufelblatt mit einem unbeschichteten nominalen Schaufelblattprofil, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht, wie sie in Tabelle A angegeben sind. X und Y stellen Abstände in Zoll dar, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilabschnitte in den Z-Abständen werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Schaufelblattgestalt zu bilden. Die Abstände X und Y lassen sich als Funktion einer Konstante skalieren, um ein aufskaliertes oder abskaliertes Schaufelblatt zu ergeben.

[0006] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist eine IGV für einen Verdichter ein Verdichterrad mit einer IGV auf. Jede IGV weist eine Schaufelblattgestalt auf. Das Schaufelblatt weist ein nominales Profil im Wesentlichen entsprechend den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z, wie sie in Tabelle A angegeben sind, auf. X und Y sind Abstände in Zoll, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden sind, die Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilabschnitte in den Z-Abschnitten werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige IGV-Schaufelblattgestalt zu bilden.

[0007] In einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung weist ein Verdichter ein Verdichterrad mit einer IGV auf, und jede IGV enthält ein Schaufelblatt, das ein unbeschichtetes nominales Schaufelblattprofil im Wesentlichen entsprechend den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z, wie sie in Tabelle A angegeben sind, aufweist. X und Y sind Abstände, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilabschnitte in den Z-Abschnitten werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige IGV-Schaufelblattgestalt zu bilden. Die Abstände X, Y und Z sind als Funktion einer Konstante skalierbar, um ein aufskaliertes oder abskaliertes IGV-Schaufelblatt zu ergeben.

[0008] Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0009] Fig. 1 zeigt eine schematisierte Seitenansicht einer Gasturbine, in der eine Einlassleitschaufel gemäss einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann.

[0010] Fig. 2 zeigt eine schematisierte Vorderansicht der in Fig. 1veranschaulichten Gasturbine, in der eine Einlassleitschaufel entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung verwendet werden kann, geschnitten entlang der Linie 2-2.

[0011] Fig. 3 zeigt eine schematisierte isometrische Ansicht einer Einlassleitschaufel gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.

[0012] Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht einer Einlassleitschaufel gemäss einer Ausführungsform der Erfindung.

[0013] Figuren 5 und 6 zeigen jeweilige Draufsichten von oben und unten auf die Einlassleitschaufel nach Fig. 4.

[0014] Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht einer Einlassleitschaufel gemäss einer Ausführungsform der Erfindung von der anderen Seite der Einlassleitschaufel nach Fig. 4 aus.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0015] Gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Herstellungsgegenstand ein nominales Profil im Wesentlichen entsprechend den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z, wie sie in Tabelle A angegeben sind, auf und worin X und Y Abstände in Zoll sind, die, wenn sie durch glatte fortgesetzte bzw. stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren, wobei die Profilabschnitte in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige IGV-Schaufelblattgestalt zu bilden.

[0016] Gemäss einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Verdichterschaufelblattgestalt für eine Einlassleitschaufel (IGV) einer Gasturbine geschaffen, die das Leistungsverhalten der Gasturbine verbessert. Die IGV-Schaufelblattgestalt von dieser verbessert ferner die Wechselwirkung zwischen verschiedenen Stufen des Verdichters und bietet einen verbesserten aerodynamischen Wirkungsgrad, während sie gleichzeitig thermische und mechanische Schaufelblattbelastungen in einer Stufe reduziert.

[0017] Das IGV-Schaufelblattprofil, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, ist durch einen einmaligen, eindeutigen Satz oder eine eindeutige Ortskurve von Punkten definiert, um die benötigten Wirkungsgrad- und Lastanforderungen zu erreichen, wodurch ein verbessertes Verdichterleistungsverhalten erhalten wird. Diese eindeutigen Orte von Punkten definieren das nominale IGV-Schaufelblattprofil und sind durch die kartesischen Koordinaten X, Y und Z gemäss der Tabelle A, die folgt, gekennzeichnet. Die Punkte für die in Tabelle A veranschaulichten Koordinatenwerte sind relativ zu der Maschinen- bzw. Triebwerksmittellinie und für eine kalte Temperatur, d.h. Raumtemperatur der IGV-Leitschaufel bei verschiedenen Querschnitten des Schaufelblattes entlang seiner Längserstreckung angegeben. Die positiven X-, Y- und Z-Richtungen zeigen axial in Richtung auf das Auslassende der Turbine, tangential in die Richtung der Maschinendrehung bzw. radial nach aussen in Richtung auf das stationäre Gehäuse. Die Koordinaten X, Y und Z sind in Abstandsmassen, z.B. Einheiten von Zoll, angegeben und werden an jeder Z-Stelle glatt miteinander verbunden, um einen glatten kontinuierlichen Schaufelblattquerschnitt zu bilden. Jeder definierte IGV-Schaufelblattquerschnitt in der X,Y-Ebene wird mit benachbarten Schaufelblattquerschnitten in der Z-Richtung glatt verbunden, um eine vollständige IGV-Schaufelblattgestalt zu bilden.

[0018] Es wird erkannt, dass sich ein IGV-Schaufelblatt während des Einsatzes aufheizt, wie dies für einen Fachmann auf dem Gebiet bekannt ist. Das IGV-Schaufelblattprofil verändert sich somit in Folge einer mechanischen Belastung und Temperatur. Demgemäss ist das Kalt- oder Raumtemperaturprofil für Herstellungszwecke anhand der X-, Y- und Z-Koordinaten angegeben. Ein Abstand von plus oder minus etwa 0,160 Zoll (+/-0,160 ́ ́) zu dem nominalen IGV-Profil in einer Richtung senkrecht zu irgendeiner Oberflächenstelle entlang des nominalen Profils, und die irgendeine Beschichtung enthält, definiert eine Profilhüllkurve für dieses IGV-Schaufelblatt, weil sich ein hergestelltes IGV-Schaufelblatt-profil von dem nominalen Schaufelblattprofil, wie es durch die folgende Tabelle angegeben ist, unterscheiden kann. Das IGV-Schaufelblattprofil ist in diesem Schwankungsbereich robust, ohne dass die mechanischen oder aerodynamischen Funktionen der IGV beeinträchtigt sind.

[0019] Das IGV-Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, kann zur Einbringung in ähnliche Turbinenkonstruktionen geometrisch aufskaliert (proportional vergrössert) oder abskaliert (proportional verkleinert) werden. Demgemäss können die Koordinaten X, Y und Z des nominalen IGV-Schaufelblattprofils eine Funktion einer Konstante sein. Das heisst, die X-, Y- und Z-Koordinatenwerte können mit derselben Konstante oder Zahl multipliziert oder durch dieselbe Konstante oder Zahl dividiert werden, um eine «aufskalierte» oder «abskalierte» Version des IGV-Schaufelblattpro-fils zu schaffen, während die IGV-Schaufelblattquerschnitts-gestalt, wie sie durch die Erfindung verkörpert ist, erhalten bleibt.

[0020] Unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren sind Beispiele für eine Einlassleitschaufel gemäss Ausführungsformen der Erfindung offenbart. Für die Zwecke der Erläuterung sind zahlreiche spezielle Details in den Zeichnungen veranschaulicht und in der detaillierten Beschreibung, die folgt, angegeben, um ein umfassendes Verständnis von Ausführungsformen der Erfindung zu schaffen. Es ist jedoch offensichtlich, dass Ausführungsformen der Erfindung ohne diese speziellen Details in die Praxis umgesetzt werden können. In anderen Fällen sind bekannte Strukturen und Vorrichtungen schematisch dargestellt, um die Zeichnung zu vereinfachen.

[0021] Indem nun auf die Zeichnungen Bezug genommen wird, veranschaulicht Fig. 1 einen Strömungspfad 1 einer Gasturbine 2. Die Gasturbine 2 enthält einen Verdichter, der mehrere Schaufelblätter, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Schaufelblätter, die einen Teil einander abwechselnder Rotoren 3 und Statoren 4 bilden, wobei jedes Rotor/ Stator-Paar 5 eine Stufe des Verdichters aufweist, enthält. Die Schaufelblätter verleihen der Luftströmung kinetische Energie und bewirken folglich einen gewünschten Fluss quer durch den Verdichter, einschliesslich eines gewünschten Druckanstiegs. Jedes Schaufelblatt weist ein Profil auf, das über die Länge der Schaufel hinweg variiert. Die Schaufelblätter drehen die Fluidströmung, verlangsamen die Fluid-strömungsgeschwindigkeit (in dem jeweiligen Schaufelblattbezugsrahmen) und ergeben einen Anstieg des statischen Drucks der Fluidströmung. Die Konfiguration des Schaufelblattes (gemeinsam mit seiner Wechselwirkung mit umliegenden Schaufelblättern), wie es durch die Erfindung verkörpert ist, einschliesslich seiner Rand- bzw. Umfangsflache, sorgt unter anderen erwünschten Aspekten der Erfindung für eine Stufenluftflusseffizienz, eine verbesserte Aerodynamik, eine ruhige laminare Strömung von einer Stufe zur anderen, reduzierte Wärmebelastungen, eine verbesserte Wechselbeziehung zwischen den Stufen, um die Luftströmung von einer Stufe zur anderen effektiv weiterzuleiten, und reduzierte mechanische Belastungen. Gewöhnlich sind, wie oben erwähnt, mehrere Reihen von Schaufelblattstufen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Rotor/Stator-Schaufelblätter aneinander-gestapelt, um ein gewünschtes Verhältnis der Abgabe zum Einlassdruck zu erreichen. Die Schaufelblätter können an Rädern oder einem Gehäuse durch eine geeignete Befestigungseinrichtung, die häufig als «Fuss», «Basis» oder «Schwalbenschwanz» bezeichnet wird, gesichert werden.

[0022] Die Konfiguration des Schaufelblattes und jede Wechselwirkung mit umgebenden Schaufelblättern, wie durch die Erfindung verkörpert, die die gewünschten Aspekte der Fluidströmungsdynamik und laminaren Strömung gemäss der Erfindung ergeben, können durch verschiedene Mittel bestimmt werden. Für ein gegebenes Schaufelblatt stromabwärts der Einlassleitschaufeln schneidet eine Fluidströmung von einem vorhergehenden/stromaufwärtigen Schaufelblatt das Schaufelblatt, wobei durch die Konfiguration des vorliegenden Schaufelblattes eine Strömung über dem Schaufelblatt und um dieses herum, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, verbessert wird. Insbesondere werden die Fluiddynamik und die laminare Strömung von dem Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, verbessert. Es liegt eine sanfte, ruhige Übergangsfluidströmung von dem/den vorhergehenden/stromaufwärtigen Schaufelblatt/Schaufelblättern und eine sanfte, ruhige Übergangsfluidströmung zu dem/den benachbarten/stromabwärtigen Schaufelblatt/Schaufelblättern vor. Ausserdem schreitet die Strömung von dem Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, zu dem/den benachbarten/stromabwärtigen Schaufelblatt/ Schaufelblättern vor und wird aufgrund der verbesserten laminaren Fluidströmung von dem Schaufelblatt weg, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, verbessert. Folglich hilft die Konfiguration des Schaufelblattes, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, eine turbulente Fluidströmung in der Einheit, die das durch die Erfindung verkörperte Schaufelblatt aufweist, zu verhindern.

[0023] Zum Beispiel, jedoch keineswegs für die Erfindung beschränkend, kann die Schaufelblattkonfiguration (mit oder ohne Fluidströmungswechselwirkung) bestimmt werden durch: numerische Strömungsanalyse (CFD, Computational Fluid Dynamics); herkömmliche Fluiddynamikanalyse; Euler- und Navier-Stokes-Gleichungen; Übertragungsfunktionen, Algorithmen, Herstellung: manuelle Positionierung, Strömungstests (z.B. in Windkanälen) und Modifikation des Schaufelblattes; In-Situ-Tests; Modellierung: Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien auf den Entwurf und die Entwicklung der Schaufelblätter, Maschinen, Vorrichtungen oder Herstellungsprozesse; Schaufelblattströmungstests und -modifikation; Kombinationen hiervon und sonstige Entwurfsprozesse und -praktiken. Diese Bestimmungsverfahren sind lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu vorgesehen, die Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken.

[0024] Wie oben erwähnt, ermöglicht die Schaufelblattkonfiguration (gemeinsam mit ihrer Wechselwirkung mit umliegenden Schaufelblättern), wie sie durch die vorliegende Erfindung verkörpert ist, einschliesslich ihrer Randfläche, unter anderen gewünschten Aspekten der Erfindung, im Vergleich zu anderen ähnlichen Schaufelblättern, die ähnliche Anwendungen aufweisen, eine Stufenluftflusseffizienz, verbesserte Aerodynamik, eine ruhige laminare Strömung von Stufe zu Stufe, reduzierte Wärmebelastungen, eine verbesserte Wechselbeziehung zwischen den Stufen zur effektiven Übermittlung der Luftströmung von Stufe zu Stufe und reduzierte mechanische Beanspruchungen. Ausserdem, und in keiner Weise für die Erfindung beschränkend, ergibt das Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, in Verbindung mit anderen Schaufelblättern, die herkömmlich oder (ähnlich den hier angegebenen Verbesserungen) verbessert sind, einen erhöhten Wirkungsgrad im Vergleich zu früheren einzelnen Sätzen von Schaufelblättern. Dieser verbesserte Wirkungsgrad ergibt, zusätzlich zu den oben erwähnten Vorteilen, eine Leistungsabgabe bei einer Verringerung des Brennstoffbedarfs, wodurch an sich Emissionen bei der Erzeugung von Energie verringert werden. Natürlich liegen weitere derartige Vorteile auch innerhalb des Rahmens der Erfindung.

[0025] Erneut bezugnehmend auf Fig. 1sind an dem Einlass 8 der Gasturbine 2 mehrere Einlassleitschaufeln (IGVs) 10 rings um die Achse der Gasturbine angeordnet, wobei sie wenigstens einen Teil des Strömungspfades zwischen dem Gehäuse 6 und einem inneren Rohr oder einer zentralen Struktur 7 überspannen. Die IGVs 10 konditionieren die Luftströmung durch Veränderung ihrer Geschwindigkeit und Richtung in Verbindung mit den Oberflächen des Einlasses selbst. Die IGVs 10 sind derart montiert, dass ihre Drehausrichtung beispielsweise mit einem Aktuator 9 verändert werden kann, was eine Drosselung der Gasturbine 2 durch Variation des Luftdurchflusses durch den Einlass 8 und den Rest der Gasturbine 2 ermöglicht. Somit sind die IGVs 10 auf eine andere Weise als die Rotor- und Statorschaufeln 3, 4 montiert, wie dies nachstehend erläutert ist.

[0026] Unter Bezugnahme auf die Fig. 3, 4 und 7 enthält jede IGV 10 ein Schaufelblatt 11, dessen Profil 12 entlang seiner Längserstreckung in der nachstehend beschriebenen Weise variiert. An einem Ende des Schaufelblattes ist eine Nabe 13 angeordnet, von der aus ein oberer Wellenabschnitt 14 vorragt. Der obere Wellenabschnitt 14 ist über einen Vorsprung 15 in dem Mantel oder Gehäuse 6 der Gasturbine um die Längsachse z des oberen Wellenabschnitts drehbar montiert. Ein oberes Ende 16 des Vorsprungs enthält ein Konstruktionsmerkmal 17, beispielsweise einen abgeflachten Abschnitt, das eine Handhabung des Vorsprungs 15 und des oberen Wellenabschnitts 14 ermöglicht. Ein Aktuator 9 wirkt mit dem Konstruktionsmerkmal 17 des Vorsprungs 15 zusammen, um die Drehstellung des oberen Wellenabschnitts 14 und der IGV 10 zu verändern. An dem anderen Ende der IGV 10 befindet sich ein unterer Wellenabschnitt 18, der zu dem oberen Wellenabschnitt 14 koaxial liegt. Der untere Wellenabschnitt 18 ist um seine Längsachse z in dem Einlassabschnitt der zentralen Struktur 7 drehbar montiert.

[0027] Wie insbesondere aus den Fig. 5und 6 zu ersehen ist, ist jede IGV 10 ein Schaufelblatt 11 mit einem variierenden Profil 12. Oben ist das Schaufelblatt 11 dicker und länger als unten, und der Anstell- bzw. Anströmwinkel verändert sich entlang der Längserstreckung der IGV 10. Fig. 8 zeigt das Profil einer IGV gemäss einer Ausführungsform, wie sie an speziellen Querschnitten A-A, B-B, N-N und BB-BB der IGV 10, wie in Fig. 7zu sehen, erscheint.

[0028] Um die Schaufelblattgestalt oder das Schaufelblattprofil 12 der IGV 10 zu definieren, wurde ein einmaliger, eindeutiger Satz von Punkten im Raum mit analytischen Mitteln, wie beispielsweise durch iterative Auswertung mechanischer und aerodynamischer Belastungen und Strömungsbedingungen in einer Computersoftwareanwendung zur Modellierung, hergeleitet. Insbesondere wurde zur Definition der Schaufelblattprofile 12 der IGV 10 ein eindeutiger Satz von Punkten im Raum unter Verwendung einer- Modellierungscomputersoftware an jeweiligen Spannweitenpositionen an der Schaufel hergeleitet. Es wurden lokale Anströmverzerrungen an jeder Spannweitenposition betrachtet, und jedes Profil wurde mit den Zielen der Minimierung des gesamten Druckabfalls, der Erweiterung des von Strömungsablösung freien Betriebsbereiches gegenüber dem Anstellwinkel, um zu der vorhergesagten Anströmungsverzerrung zu passen, und dem Genügen mechanischer Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, Schwingungsbelastung und der Leichtigkeit der Herstellung abgeleitet. Die Profile wurden interpoliert, um die gesamte Schaufelblattoberfläche zu definieren. Dieser Prozess wird in einer Computersoftwareumgebung, wie beispielsweise einer proprietären Computersoftwareumgebung, ausgeführt. Es wurden vollständige dreidimensionale Computeranalysen und Massstabsmodelltests der Kombination aus IGV und Maschineneinlass durchgeführt, um die Konstruktion zu validieren. Der eindeutige Satz Punkte ist unter Verwendung des kartesischen Koordinatensystems mit drei zueinander senkrechten Achsen x, y und z beschrieben. Ein beispielhafter eindeutiger Satz Punkte ist in Tabelle A nachstehend angegeben, und er reicht aus, um eine Herstellung der IGV 10, beispielsweise mit einer «CNC»-Maschine oder einer sonstigen geeigneten Vorrichtung, oder durch ein anderes Verfahren, wie z.B. durch Giessen, zu ermöglichen. Die Erzeugung einer IGV gemäss dem eindeutigen Satz Punkte ergibt eine IGV, die die Initiierung einer Strömungsablösung von den IGVs im Vergleich zu früheren IGVs zu Bedingungen mit geringerer Strömung hin verschiebt. Infolgedessen wird eine von der Strömungsablösung resultierende Schwingung deutlich reduziert, wodurch die Funktionssicherheit verbessert und schwingungsbedingte Belastungen an den IGVs und anderen Komponenten der Gasturbine reduziert werden.

[0029] Die Verdichterschaufeln, einschliesslich einer IGV, verleihen der Luftströmung kinetische Energie und führen folglich einen gewünschten Druckanstieg herbei. Unmittelbar nach den IGVs sind Rotorschaufelblätter und eine Stufe von Statorschaufelblättern vorgesehen. Sowohl die Rotor- als auch die Statorschaufelblätter drehen die Luftströmung, verlangsamen die Luftströmungsgeschwindigkeit (in dem jeweiligen Schaufelblattbezugsrahmen) und ergeben einen Anstieg des statischen Drucks der Luftströmung. Gewöhnlich sind in axialen Strömungsverdichtern mehrere Reihen von Rotor/Stator-Stufen aneinander gestapelt, um ein gewünschtes Ausgabe-Einlassdruck-Verhältnis zu erreichen. Die Rotor- und Statorschaufelblätter können durch eine geeignete Befestigungseinrichtung, wie sie häufig als «Fuss», «Basis» oder «Schwalbenschwanz» bezeichnet wird (vgl. Fig. 2-5), an Laufrädern oder einem Statorgehäuse gesichert werden.

[0030] [0030] Die vorliegende Erfindung ist auf eine Schaufelblattgestalt einer Einlassleitschaufel (IGV) gerichtet. Einlassleitschaufeln (IGVs) modulieren eine Strömung zu der ersten Stufe, gewöhnlich einer ersten Rotorstufe, des Verdichters. Vielfältige Parameter definieren die Gestalt und Position jeder IGV in einem Verdichter. Zu diesen Parametern gehören einschliesslich, jedoch nicht ausschliesslich, die Mittellinie des IGV-Profils, die Dickenverteilung des IGV-Profils, der Auftriebsbeiwert, der ein Faktor der Mittelinie ist, und der Staffelungswinkel, der der Winkel der IGV relativ zu der Axialrichtung des Verdichters ist. Durch Variation der IGV-Parameter sind mehrere IGV-Profil- und Staffelungswinkelkombinationen für jede beliebige gegebene IGV-Austrittsbedingung möglich, wobei die IGV-Austrittsbedingung der Winkel ist, unter dem ein Gas, gewöhnlich Luft, die IGV verlässt.

[0031] Um die Schaufelblattgestalt des IGV-Schaufelblattes zu definieren, wird ein eindeutiger Satz oder eine eindeutige Ortskurve von Punkten im Raum bereitgestellt. Dieser eindeutige Satz oder diese eindeutige Ortskurve von Punkten erfüllt die Stufenanforderungen, so dass die IGV hergestellt werden kann. Diese eindeutige Ortskurve von Punkten erfüllt ferner die gewünschten Anforderungen hinsichtlich des Stufenwirkungsgrades und der reduzierten thermischen und mechanischen Belastungen. Zu der Ortskurve von Punkten gelangt man durch Iteration zwischen aerodynamischen und mechanischen Belastungen, wobei dem Verdichter ermöglicht wird, auf eine effiziente, sichere und sanfte Weise zu laufen.

[0032] Die Ortskurve, wie sie durch die Erfindung verkörpert ist, definiert das IGV-Schaufelblattprofil und kann einen Satz von Punkten relativ zu der Drehachse der Maschine aufweisen. Zum Beispiel kann ein Satz von Punkten bereitgestellt werden, um ein IGV-Schaufelblattprofil zu definieren. Ferner kann das Schaufelblattprofil, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, eine IGV eines Verdichters aufweisen.

[0033] Ein kartesisches Koordinatensystem mit X-, Y- und Z-Werten, wie sie in der Tabelle A nachstehend angegeben sind, definiert ein Profil eines IGV-Schaufelblattes an verschiedenen Positionen entlang dessen Längserstreckung. Die Koordinatenwerte für die X-, Y- und Z-Koordinaten sind in Zoll angegeben, obwohl andere Masseinheiten verwendet werden können, wenn die Werte geeignet umgewandelt werden. Diese Werte nehmen Ausrundungs- bzw. Übergangsbereiche der Plattform aus. Das kartesische Koordinatensystem weist zueinander orthogonal verlaufende Achsen X, Y und Z auf. Die X-Achse liegt parallel zu der Verdichterrotormittellinie, beispielsweise der Drehachse. Ein positiver X-Koordinatenwert zeigt axial zu der hinteren Seite, z.B. zu dem Auslassende des Verdichters hin. Ein positiver Y-Koordinatenwert ist nach hinten in der tangentialen Erstreckung in der Drehrichtung des Rotors gerichtet. Ein positiver Z-Koordinatenwert ist radial nach aussen zu dem statischen Gehäuse des Verdichters hin gerichtet.

[0034] [0034] Die Werte in der Tabelle A sind zur Bestimmung des Profils eines IGV-Schaufelblattes mit drei Nachkommastellen erzeugt und veranschaulicht. Es gibt typische Herstellungstoleranzen sowie Beschichtungen, die bei dem tatsächlichen Profil einer IGV berücksichtigt werden sollten. Demgemäss sind die Werte für das Profil für ein nominales IGV-Schaufelblatt angegeben. Es versteht sich deshalb, dass typische +/- Herstellungstoleranzen, wie beispielsweise +/-Werte, einschliesslich jeglicher Beschichtungsdicken, zu den X- und Y-Werten zu addieren sind. Demgemäss definiert ein Abstand von etwa +/-0,160 Zoll in einer senkrechten Richtung zu irgendeiner Oberflächenstelle entlang des IGV-Schaufelblattprofils eine IGV-Schaufelblattprofilhüllkurve für eine Schaufelblattkonstruktion und einen Verdichter. In anderen Worten definiert ein Abstand von etwa +/-0,160 Zoll in einer senkrechten Richtung zu irgendeiner Oberflächenstelle entlang eines IGV-Profils einen Schwankungsbereich zwischen gemessenen Punkten auf einer tatsächlichen IGV-Schaufelblatt-oberfläche unter nominaler kalter Temperatur oder Raumtemperatur und der idealen Position dieser Punkte bei der gleichen Temperatur, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind. Die IGV-Schaufelblattkonstruktion, wie sie durch die Erfindung verkörpert ist, ist in diesem Schwankungsbereich robust, ohne dass ihre mechanischen oder aerodynamischen Funktionen beeinträchtigt sind.

[0035] Die in der nachstehenden Tabelle A angegebenen Koordinatenwerte ergeben die nominale Profilhüllkurve für eine beispielhafte IGV.

[0036] Tabelle A

[0037] In den beispielhaften Ausführungsformen, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind, z.B. einer IGV für einen Verdichter, gibt es viele Schaufelblätter, die ungekühlt sind. Lediglich für die Zwecke der Bezugnahme wird ein Punkt 0 errichtet, der durch den Schnittpunkt einer IGV mit der Plattform entlang der Stapelachse verläuft.

[0038] Ausserdem definiert die IGV, wie sie durch die Erfindung verkörpert ist, einen Ausfluss- bzw. Ausgabewinkel zu der ersten Verdichterrotorstufe hin. Dieser Ausgabewinkel, wie er durch die IGV definiert ist, die durch die Erfindung verkörpert ist, stellt einen wichtigen Faktor dar, um zu erzielen, dass ein Verdichter die Flussanforderungen und proportionalen Abgabeanforderungen unter Grundlast erfüllt.

[0039] Es wird ferner erkannt, dass das/die in der vorstehenden Tabelle A offenbarte(n) IGV-Schaufelblatt/-Schaufelblätter zur Verwendung in anderen ähnlichen Verdichterkonstruktionen geometrisch auf- oder abskaliert werden können. Demgemäss können die in Tabelle A angegebenen Koordinatenwerte aufwärts oder abwärts skaliert werden, wobei die IGV-Schaufelblattprofilgestalt gemäss Tabelle Ä unverändert bleibt. Eine skalierte Version der Koordinaten in Tabelle A würde durch die mit einer Konstante multiplizierten oder durch eine Konstante dividierten Koordinatenwerte X, Y und Z gemäss der Tabelle A dargestellt sein.

[0040] Insbesondere kann, wie durch die Erfindung verkörpert, das Schaufelblatt, wie es durch die Tabelle A definiert ist, in einem Verdichter einer Turbine, wie z.B., jedoch nicht darauf beschränkt, einem «7FA+e»- oder «7FA.05»-Verdichter von General Electric, angewandt werden. Dieser Verdichter ist lediglich für die für das Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, vorgesehen Anwendungen veranschaulichend. Ausserdem wird erwogen, dass das IGV-Schaufelblatt gemäss Tabelle A, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, bei einer gegebenen Skalierung des Schaufelblattes, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, auch als eine IGV in GE Frame F-class-Turbinen sowie in Frame 6 und 9 Turbinen von GE eingesetzt werden kann.

[0041] Ein IGV-Schaufelblatt kann der Luftströmung kinetische Energie verleihen und folglich einen gewünschten Durchfluss quer durch den Verdichter bewirken. Die IGV-Schaufel-blätter drehen die Fluidströmung, verlangsamen die Fluid-strömungsgeschwindigkeit (in dem jeweiligen Schaufelblattbezugsrahmen) und ergeben einen Anstieg des statischen Drucks der Fluidströmung. Die Konfiguration des IGV-Schaufelblattes (gemeinsam mit seiner Wechselwirkung mit umliegenden Schaufelblättern), wie es durch die Erfindung verkörpert ist, einschliesslich seiner Randfläche sorgt für die Stufenluftflusseffizienz, verbesserte Aerodynamik, ruhige laminare Strömung von Stufe zu Stufe, reduzierten Wärmebelastungen, eine verbesserte Wechselbeziehung zwischen den Stufen zur effektiven Weiterleitung der Luftströmung von Stufe zu Stufe und reduzierte mechanische Beanspruchungen sowie andere erwünschte Aspekte der Erfindung. Typischerweise sind mehrere Reihen von Schaufelblattstufen, wie beispielsweise, jedoch nicht darauf beschränkt, Rotor/Stator-Schaufelblättern, gestapelt, um ein gewünschtes Abgabe-Einlassdruck-Verhältnis zu erreichen. Die Schaufelblätter können an Laufrädern oder an einem Gehäuse durch eine geeignete Befestigungseinrichtung gesichert sein, wie sie häufig als «Fuss», «Basis» oder «Schwalbenschwanz» bezeichnet ist.

[0042] Die Konfiguration eines IGV-Schaufelblattes und jegliche Wechselwirkung mit umliegenden Schaufelblättern, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind, die die erwünschten Aspekte hinsichtlich der Fluidströmungsdynamik und laminaren Strömung gemäss der Erfindung ergeben, können durch verschiedene Mittel bestimmt werden. Der Fluidfluss von einem IGV-Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, sowie über die Konfiguration des vorliegenden Schaufelblattes der Fluss über nachfolgende Schaufelblätter, wie sie durch die Erfindung verkörpert sind, und um diese herum werden verbessert. Insbesondere werden die Fluiddynamik und laminare Strömung von einem IGV-Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, verbessert. Es liegt eine sanfte, ruhige Übergangsfluidströmung zu jeglichen nachfolgenden oder stromabwärtigen Schaufelblättern vor. Ausserdem wird die Strömung von einer IGV, wie sie durch die Erfindung verkörpert ist, die zu dem/den benachbarten/stromabwärtigen Schaufelblatt/Schaufelblättern fortschreitet, aufgrund der verbesserten laminaren Fluidströmung von dem IGV-Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, weg verbessert. Folglich hilft die Konfiguration des IGV-Schaufelblattes, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, bei der Verhinderung einer turbulenten Fluidströmung in der Einheit, die das Schaufelblatt, wie es durch die Erfindung verkörpert ist, aufweist.

[0043] Z.B., jedoch keineswegs für die Erfindung beschränkend, kann eine IGV-Schaufelblattkonfiguration (mit oder ohne Fluidströmungswechselwirkung) bestimmt werden durch: rechengestützte Modellierung, Strömungsanalyse (CFD), herkömmliche Fluiddynamikanalyse, Euler- und Navier-Stokes-Gleichungen; Übergangsfunktionen, Algorithmen, Herstellung; manuelle Positionierung, Strömungstests (z.B. in Windkanälen) und Modifikation einer IGV; In-situ-Tests; Modellierung: Anwendung wissenschaftlicher Prinzipien auf den Entwurf oder die Entwicklung der Schaufelblätter, Maschinen, Vorrichtungen oder Herstellungsprozesse; IGV-Schaufelblatt-Strömungstests und -modifikation; Kombinationen von diesen und andere Entwurfsprozesse und -praktiken. Diese Bestimmungsverfahren sind lediglich beispielhaft und nicht dazu gedacht, die Erfindung auf irgendeine Weise zu beschränken.

[0044] Wie oben erwähnt, ergibt die IGV-Schaufelblattkonfiguration (gemeinsam mit ihrer Wechselwirkung mit umliegenden Schaufelblättern), wie sie durch die Erfindung verkörpert ist, einschliesslich ihrer Randfläche, unter anderen erwünschten Aspekten der Erfindung, im Vergleich zu anderen ähnlichen Schaufelblättern, die ähnliche Anwendungen aufweisen, eine Stufenluftflusseffizienz, verbesserte aerodynamische Eigenschaften, eine ruhige laminare Strömung von Stufe zu Stufe, reduzierte Wärmebelastungen, eine verbesserte Wechselbeziehung zwischen den Stufen zur effektiven Übermittlung der Luftströmung von Stufe zu Stufe und reduzierte mechanische Beanspruchungen. Natürlich liegen auch andere derartige Vorteile in dem Rahmen der Erfindung.

[0045] Während verschiedene Ausführungsformen hierin beschrieben sind, wird aus der Offenbarung verständlich, dass verschiedene Kombinationen von Elementen, Veränderungen oder Verbesserungen daran von einem Fachmann auf dem Gebiet vorgenommen werden können und in dem Rahmen der Erfindung liegen.

[0046] Ein Herstellungsgegenstand weist ein nominales Profil auf, das im Wesentlichen den in Tabelle A angegebenen kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht. X und Y sind Abstände in Zoll, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilabschnitte in den Z-Abständen können glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Einlassleitschaufelblattgestalt zu bilden.

Claims (6)

1. Herstellungsgegenstand, wobei der Gegenstand ein nominales Profil im Wesentlichen entsprechend den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z, wie sie in Tabelle A angegeben sind, aufweist, und worin X und Y Abstände in Zoll sind, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren, wobei die Profilabschnitt in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattgestalt einer Einlassleitschaufel zu bilden.

2. Herstellungsgegenstand nach Anspruch 1, wobei die Schaufelblattgestalt der Einlassleitschaufel ein Tragflächenprofil aufweist.

3. Herstellungsgegenstand nach Anspruch 2, wobei die Schaufelblattgestalt in einer Hülle innerhalb von V0,160 Zoll in einer Richtung senkrecht zu jeder Oberflächenstelle des Gegenstands liegt.

4. Verdichter, der ein Verdichterlaufrad mit mehreren Laufschaufeln aufweist, wobei jede der Laufschaufeln mit mehreren Statorschaufeln zusammenwirkt, wobei der Verdichter eine Einlassleitschaufel mit einer Schaufelblattgestalt aufweist, wobei die Schaufelblattgestalt ein nominales Profil im Wesentlichen entsprechend den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z aufweist, wie sie in Tabelle A angegeben sind, worin X und Y Abstände in Zoll sind, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, die Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren, wobei die Profilabschnitte in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattgestalt der Einlassleitschaufel zu bilden.

5. Verdichter, der ein Verdichterlaufrad mit mehreren Laufschaufeln aufweist, wobei jede der Laufschaufeln mit mehreren Statorschaufeln zusammenwirkt, wobei der Verdichter eine Einlassleitschaufel aufweist, die ein Schaufelblatt mit einem unbeschichteten nominalen Schaufelblattprofil im Wesentlichen entsprechend den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z aufweist, die in Tabelle A angegeben sind, worin X und Y Abstände in Zoll sind, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Schaufelblattprofilabschnitte in jedem Abstand Z in Zoll definieren, wobei die Profilabschnitte in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattgestalt der Einlassleitschaufel zu bilden, wobei die X- und Y-Abstände als Funktion derselben Konstante oder Zahl skalierbar sind, um wenigstens entweder ein aufskaliertes Einlassleitschaufelblatt und/oder ein abskaliertes Einlassleitschaufelblatt zu ergeben.

6. Verdichter nach Anspruch 5, wobei die Schaufelblattgestalt in einer Hülle innerhalb von V0,160 Zoll in einer Richtung senkrecht zu jeder Schaufelblattoberflächenstelle liegt.