CH708486A2

CH708486A2 - Turbinensystem und Adapter.

Info

Publication number: CH708486A2
Application number: CH01241/14A
Authority: CH
Inventors: Nicholas Alvin Hogberg; Andres Jose Garcia-Crespo
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2013-08-23
Filing date: 2014-08-18
Publication date: 2015-02-27
Also published as: JP2015040567A; CN104420894B; CN104420894A; JP6442185B2; US9664056B2; US20150056080A1; DE102014111204A1

Abstract

Es sind ein Turbinensystem und ein Adapter (101) offenbart. Der Adapter (101) weist einen Turbinenbefestigungsabschnitt (103) mit einer ersten Geometrie, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie einer Laufradstütze (107) eines Turbinenrotors (105) aufzunehmen, und einen Schaufelbefestigungsabschnitt (102) mit einer zweiten Geometrie auf, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie eines Wurzelabschnitts (108) einer nichtmetallischen Turbinenschaufel (115) aufzunehmen. Das Turbinensystem weist ein Turbinenlaufrad, das eingerichtet ist, um metallische Schaufeln aufzunehmen, wenigstens einen Adapter (101), der an wenigstens einer Laufradstütze (107) an dem Turbinenlaufrad gesichert ist, und wenigstens eine nichtmetallische Schaufel (115) auf, die an dem wenigstens einen Adapter (101) gesichert ist.

Description

Erklärung zur Bundesgeförderten Forschung oder Entwicklung

[0001] Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der US-Regierung unter dem Auftrag Nr. DE-FC26-05NT42643 geschaffen, der von dem US-Energieministerium (DOE, Department of Energy) vergeben wurde. Die US-Regierung hat bestimmte Rechte an dieser Erfindung.

Gebiet der Erfindung

[0002] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Turbinensystem und einen Adapter. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Turbinensystem, an dem Schaufeln mit einem Adapter gesichert sind, und einen Adapter zur Befestigung von Schaufeln an dem Turbinensystem

Hintergrund zu der Erfindung

[0003] Turbinensysteme weisen Laufschaufeln auf, die sich von Rotorlaufrädern aus radial nach aussen erstrecken. Die Schaufeln weisen im Allgemeinen einen Wurzelabschnitt, eine im Wesentlichen ebene Plattform und einen Schaufelblattabschnitt auf. Zur Erhöhung der Effizienz der Turbinensysteme werden stets zunehmende Betriebstemperaturen und Materialien, die den erhöhten Betriebstemperaturen widerstehen können, gesucht. Wenn Fortschritte bei Materialien erzielt werden, kann/können sich die Konstruktion und/oder Konfiguration der Laufschaufeln verändern.

[0004] Ein Materialfortschritt umfasst die Entwicklung von nichtmetallischen Schaufeln, wie z.B. Keramik-, Keramik-Matrix-Verbundstoff (CMC)- oder Metall-Matrix-Verbundstoff(MMC)-Schaufeln, die im Vergleich zu Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufeln erhöhte Temperaturfähigkeiten bzw. -beständigkeiten aufweisen. Obwohl die erhöhte Temperaturfähigkeit von nichtmetallischen Schaufeln die Effizienz der existierenden Turbinensysteme erhöhen würde, weisen die nichtmetallischen Schaufeln häufig Wurzelabschnitte auf, die sich von denjenigen der existierenden Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufeln unterscheiden. Nichtmetallische Schaufeln weisen beispielsweise oft einen schwalbenschwanzförmigen Wurzelabschnitt auf, während die Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufeln, die sie ersetzen, oft einen herkömmlichen tannenbaumartigen oder sägezahnartigen Wurzelabschnitt aufweisen.

[0005] Viele existierende Turbinensysteme weisen Laufräder oder Rotoren auf, die eingerichtet sind, um den herkömmlichen tannenbaumartigen Wurzelabschnitt der Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufel und nicht den schwalbenschwanzförmigen Wurzelabschnitt der nichtmetallischen Schaufeln aufzunehmen. An sich lassen derzeitige Turbinensysteme keinen unmittelbaren Ersatz von vorhandenen Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufeln durch nichtmetallische Schaufeln im Einsatzumfeld ohne übermässig hohe Kosten und zusätzliche Komplexität zu. Ferner unterscheidet sich die Wärmeausdehnung nichtmetallischer Schaufeln von der Wärmeausdehnung der Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufeln. Eine Anbringung nichtmetallischer Schaufeln an dem Laufrad, das eingerichtet ist, um die Metall- und/oder Metalllegierungs-Schaufel aufzunehmen, kann eine Beschädigung an dem Metall und/der der Keramik an deren Verbindungsstelle verursachen, wenn sich die Materialien mit unterschiedlichen Raten ausdehnen, was zu einer Beschädigung der Schaufel an der Stelle führen kann, an der sie an dem Laufrad angebracht ist.

[0006] Ein Turbinensystem und ein Adapter, die einen oder mehrere der vorstehenden Nachteile nicht erfahren, wären in der Fachwelt erwünscht.

Kurze Beschreibung der Erfindung

[0007] In einer beispielhaften Ausführungsform weist ein Adapter einen Turbinenbefestigungsabschnitt mit einer ersten Geometrie, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie einer Laufradstütze eines Turbinenrotors aufzunehmen, und einen Schaufelbefestigungsabschnitt mit einer zweiten Geometrie auf, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie eines Wurzelabschnitts einer nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen.

[0008] Bei dem zuvor erwähnten Adapter kann der Turbinenbefestigungsabschnitt mit der ersten Geometrie eine Turbinenrotorverbindungsstelle aufweisen.

[0009] Zusätzlich oder alternativ kann der Schaufelbefestigungsabschnitt mit der zweiten Geometrie eine Schaufelverbindungsstelle aufweisen.

[0010] Bei dem Adapter jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann der Schaufelbefestigungsabschnitt eingerichtet sein, um die zweite Geometrie der nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen, wobei die zweite Geometrie einem Schwalbenschwanz mit einem Schrägwinkel von null entspricht.

[0011] Alternativ kann der Schaufelbefestigungsabschnitt eingerichtet sein, um die zweite Geometrie der nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen, wobei die zweite Geometrie einem Schwalbenschwanz mit einem Schrägwinkel ungleich null entspricht.

[0012] Alternativ kann der Schaufelbefestigungsabschnitt eingerichtet sein, um die zweite Geometrie der nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen, wobei die zweite Geometrie einem gekrümmten Schwalbenschwanz entspricht.

[0013] Der Adapter jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann eine Laufradstützenverriegelungslasche in dem Turbinenbefestigungsabschnitt aufweisen.

[0014] Der Adapter jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann eine Schwalbenschwanzverriegelungslasche in dem Schaufelbefestigungsabschnitt aufweisen.

[0015] Der Adapter jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann einen Sicherungsdraht zur axialen Rückhaltung in dem Turbinenbefestigungsabschnitt und dem Schaufelbefestigungsabschnitt aufweisen.

[0016] Der Adapter jedes beliebigen vorstehend erwähnten Typs kann eine Gleitpaarung auf wenigstens einer Kontaktseite des Adapters aufweisen.

[0017] Zusätzlich oder alternativ kann der Adapter eine verschleissfeste Beschichtung aufweisen, die über wenigstens einer Kontaktseite des Adapters aufgebracht wurde.

[0018] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform weist ein Adapter einen Turbinenbefestigungsabschnitt, der eingerichtet ist, um mehrere Laufradstützen eines Turbinenrotors aufzunehmen, und einen Schaufelbefestigungsabschnitt auf, der eingerichtet ist, um mehrere nichtmetallische Turbinenschaufeln aufzunehmen, die Wurzelabschnitte mit Einzel-Schwalbenschwanzkonfigurationen aufweisen.

[0019] Der vorstehend beschriebene Adapter kann ferner ein Material aufweisen, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Metall, Keramik, Keramik-Matrix-Verbundstoff, intermetallischen Werkstoff und Metall-Matrix-Verbundstoff enthält.

[0020] In einer weiteren beispielhaften Ausführungsform enthält ein Turbinensystem ein Turbinenlaufrad, das eingerichtet ist, um Metallschaufeln aufzunehmen, wenigstens einen Adapter, der an wenigstens einer Laufradstütze an dem Turbinenlaufrad befestigt ist, und wenigstens eine nichtmetallische Schaufel, die an dem wenigstens einen Adapter befestigt ist. Die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel ist aus der Gruppe von Materialien ausgewählt, die Keramik, Keramik-Matrix-Verbundstoff, intermetallische Verbindungen und Metall-Matrix-Verbundstoff enthält.

[0021] In dem zuvor erwähnten Turbinensystem kann der wenigstens eine Adapter die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel radial aussen von dem Turbinenlaufrad positionieren.

[0022] Ferner kann die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel eine Schaufel mit kurzem Schaft aufweisen.

[0023] Noch ferner kann ein Strömungspfad des Turbinensystems unverändert bleiben.

[0024] In dem Turbinensystem des zuvor erwähnten Typs können die metallischen Schaufeln ferner einen tannenbaumartigen Wurzelabschnitt aufweisen.

[0025] Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Adapter eine Kühlluftströmung des Turbinensystems reduzieren.

[0026] Alternativ oder zusätzlich kann der wenigstens eine Adapter gegen Biegemomente widerstandsfähig sein, die auf die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel ausgeübt werden.

[0027] Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform gemeinsam mit den beigefügten Zeichnungen, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen, offensichtlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

[0028] <tb>Fig. 1A<SEP>zeigt eine Montageansicht eines Adapters für ein Turbinensystem gemäss einer Ausführungsform der Offenbarung. <tb>Fig. 1B<SEP>zeigt eine Montageansicht eines Adapters für ein Turbinensystem gemäss einer alternativen Ausführungsform der Offenbarung. <tb>Fig. 2<SEP>zeigt eine Vorderansicht mehrerer Laufschaufeln und Adapter, die an einem Turbinensystem angebracht sind, gemäss einer Ausführungsform der Offenbarung. <tb>Fig. 3<SEP>zeigt eine Vorderansicht mehrerer Laufschaufeln und Adapter, die an eine Turbinensystem angeschlossen sind, gemäss einer alternativen Ausführungsform der Offenbarung. <tb>Fig. 4<SEP>zeigt eine perspektivische Ansicht eines nachrüstbaren Turbinensystems gemäss einer Ausführungsform der Offenbarung.

[0029] Wenn immer es möglich ist, werden dieselben Bezugszeichen überall in den Zeichnungen verwendet, um die gleichen Teile zu bezeichnen.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

[0030] Es sind ein Turbinensystem und ein Adapter geschaffen. Im Vergleich zu Systemen und Artikeln, die ein oder mehrere der hierin offenbarten Merkmale nicht nutzen, verbessern Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung die Systemtemperaturfähigkeiten, sie erhöhen die Effizienz, verringern die Kosten, verringern Ermüdungsbrüche, verringern die Kühlmittelströmung, ermöglichen die Verwendung von nichtmetallischen Schaufeln an Turbinenrotoren, die für Metallschaufeln eingerichtet sind, oder ergeben eine Kombination davon. Wie hierin verwendet, umfassen nichtmetallische Schaufeln Keramikschaufeln, Keramik-Matrix-Verbundstoff(CMC)-Schaufeln oder Metall-Matrix-Verbundstoff (MMC) -Schaufeln und Schaufeln, die aus intermetallischen Verbundstoffen hergestellt sind.

[0031] Bezugnehmend auf Fig. 1A und Fig. 1B , enthält ein Turbinensystem 100 in einer Ausführungsform wenigstens einen Adapter 101, einen Turbinenrotor 105 und eine nichtmetallische Turbinenschaufel 115. Der Adapter 101 weist einen oder mehrere Turbinenbefestigungsabschnitte 103 mit einer ersten Geometrie, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie einer Laufradstütze 107 des Turbinenrotors 105 aufzunehmen, und einen oder mehrere Schaufelbefestigungsabschnitte mit einer zweiten Geometrie auf, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie eines Wurzelabschnitts 108 einer nichtmetallischen Turbinenschaufel 115 aufzunehmen. Indem der Turbinenbefestigungsabschnitt 103 in den Turbinenrotor 105 über eine oder mehrere Laufradstützen 107 geschoben wird, wird der Adapter 101 mit dem Turbinenrotor 105 verbunden. Indem der Wurzelabschnitt 108 der Turbinenschaufel 115 in den Schaufelbefestigungsabschnitt 102 eingeführt wird, wird die Turbinenschaufel 115 mit dem Adapter 101 verbunden.

[0032] Bezugnehmend auf Fig. 1A und Fig. 2 weist in einer Ausführungsform ein Einzelschaufeladapter 201 einen der Turbinenbefestigungsabschnitte 103 und einen der Schaufelbefestigungsabschnitte 102 auf. Bezugnehmend auf Fig. 1B und Fig. 3 weist in einer Ausführungsform ein Mehrschaufeladapter 301 mehrere Turbinenbefestigungsabschnitte 103 zum Einschieben in den Turbinenrotor 105 über mehrere Laufradstützen 107 auf, und jeder Mehrschaufeladapter 301 weist mehrere Schaufelbefestigungsabschnitte 102 zur Aufnahme mehrerer Turbinenschaufeln 115 auf.

[0033] Die Laufradstütze 107 entspricht der Konfiguration des Aufnahmeabschnitts 106 des Turbinenrotors 105. Der Aufnahmeabschnitt 106 des Turbinenrotors 105 weist eine beliebige geeignete Konfiguration auf, wie z.B., aber nicht darauf beschränkt, mit einer einzelnen Ausbauchung, mit mehreren Ausbauchungen, eine herkömmliche tannenbaumartige oder eine Kombination davon. Die erste Geometrie des Turbinenbefestigungsabschnitts 103 weist eine beliebige geeignete Konfiguration zum Einschieben in den Turbinenrotor 105 über eine oder mehrere der Laufradstützen 107 anstatt innerhalb eines Aufnahmeabschnitts 106 zwischen den Laufradstützen 107 auf. Eine Konfiguration des Adapters 101 zum Einschieben in den Turbinenrotor 105 über eine oder mehrere der Laufradstützen 107 vergrössert eine Fläche des Adapters 101 im Vergleich zu einem Gegenstand, der in den Aufnahmeabschnitt 106 des Turbinenrotors 105 eingeführt wird. Die vergrösserte Fläche des Adapters 101 verringert die Biegebelastung des Adapters 101, wenn Biegemomente auf die Turbinenschaufel 115 ausgeübt werden. Die Verringerung der Durchbiegung des Adapters 101 wird ansonsten als Widerstand gegen ein Biegemoment bezeichnet.

[0034] Die Turbinenschaufel 115 weist einen Wurzelabschnitt 108, eine Plattform 109 und einen Schaufelblattabschnitt 110 auf. Der Wurzelabschnitt 108 der Turbinenschaufel 115 weist eine beliebige geeignete Konfiguration auf, wie z.B., aber nicht darauf beschränkt, von Schwalbenschwänzen mit einer einzigen Ausbauchung, Schwalbenschwänzen mit mehreren (zwei oder mehreren) Ausbauchungen, schrägen Schwalbenschwänzen, nicht-schrägen Schwalbenschwänzen oder eine Kombination davon. Der Schaufelbefestigungsabschnitt 102 des Adapters 101 weist eine beliebige geeignete Konfiguration zur Aufnahme des Wurzelabschnitts 108 der Turbinenschaufel 115 auf. Geeignete Konfigurationen zur Aufnahme des Wurzelabschnitts 108 der Turbinenschaufel 115 umfassen, ohne darauf beschränkt zu sein, Nullschrägwinkel-Schwalbenschwänze, Nichtnullschrägwinkel-Schwalbenschwänze, gekrümmte Schwalbenschwänze oder eine Kombination davon. Der Wurzelabschnitt 108 der Turbinenschaufel wird in den Schaufelbefestigungsabschnitt 102 eingeschoben, wodurch die Turbinenschaufel 115 gegen eine radiale Bewegung in Bezug auf den Adapter 101 gesichert wird.

[0035] In einer Ausführungsform unterscheidet sich der Wurzelabschnitt 108 der Turbinenschaufel 115 von dem Aufnahmeabschnitt 106 des Turbinenrotors 105. Wenn sich der Wurzelabschnitt 108 von dem Aufnahmeabschnitt 106 unterscheidet, ermöglicht der Adapter 101 eine Anbringung der Turbinenschaufel 115 an dem Turbinenrotor 105. Beispielsweise ist in einer Ausführungsform der Turbinenbefestigungsabschnitt 103 des Adapters 101 eingerichtet, um in den Turbinenrotor 105 über einen oder mehrere Laufradstützpfosten 107 zwischen den Aufnahmeabschnitten 106, die die herkömmliche tannenbaumartige Konfiguration aufweisen, zu gleiten. In einer weiteren Ausführungsform ist der Schaufelbefestigungsabschnitt 102 des Adapters 101 eingerichtet, um die Turbinenschaufel 115, die die Schwalbenschwanzkonfiguration mit einer einzigen Ausbauchung aufweist, aufzunehmen, wodurch eine Anbringung des Schwalbenschwanzes mit einer einzigen Ausbauchung an der herkömmlichen tannenbaumartigen Konfiguration ermöglicht wird.

[0036] In einer Ausführungsform weist der Adapter 101 eine Turbinenrotorverbindungsstelle in dem Turbinenbefestigungsabschnitt 103 und eine Schaufelverbindungsstelle in dem Schaufelbefestigungsabschnitt 102 auf. Die Turbinenrotorverbindungsstelle weist eine beliebige geeignete Beschaffenheit zur Reduktion oder Beseitigung von Ermüdungsbrüchen und/oder der thermischen Bindung in dem Turbinenbefestigungsabschnitt 103 auf. Geeignete Verbindungen für die Turbinenrotorverbindungsstelle weisen Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, der mit demjenigen des Laufradmaterials zusammenpasst, wie z.B. aber nicht darauf beschränkt, Metallen, Metalllegierungen oder eine beliebige Kombination davon. Die Schaufelverbindungsstelle eine beliebige geeignete Beschaffenheit zur Reduktion oder Beseitigung von Ermüdungsbrüchen und/oder der thermischen Bindung in dem Schaufelbefestigungsabschnitt 102 auf. Geeignete Verbindungen für die Schaufelverbindungsstelle weisen Materialien mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der mit demjenigen des Schaufelmaterials zusammenpasst, wie z.B., aber nicht auf diese beschränkt, Keramiken, Keramik-Matrix-Verbundstoffe (CMCs), Metalle, Metalllegierungen oder deren Kombination, auf. Ermüdungsbrüche rühren von Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizientwerten her, die, wenn Temperaturen steigen, aufeinander Druck ausüben. In einer weiteren Ausführungsform sind tribologische Werkstoffe auf der Turbinenrotorverbin-dungsstelle, der Schaufelverbindungsstelle und/oder den Kontaktflächen zwischen benachbarten Adaptern, die miteinander in Berührung stehen, angeordnet, um den Verschleiss zu minimieren.

[0037] Jeder Adapter 101 kann eine Laufradstützenverriegelungslasche III und eine Schwalbenschwanzverriegelungslasche 112 aufweisen. In einer Ausführungsform wird durch Einführung eines Sicherungsdrahts 113 in die Laufradstützenverriegelungslasche 111 der Turbinenbefestigungsabschnitt 103 an der Laufradstütze 107 festgehalten. Der Sicherungsdraht 113 in der Laufradstützenverriegelungslasche 111 reduziert oder eliminiert eine axiale Bewegung des Adapters 101 in Bezug auf den Turbinenrotor 105. In einer weiteren Ausführungsform wird durch Einführung des Sicherungsdrahts 113 in die Schwalbenschwanzverriegelungslasche 112 der Wurzelabschnitts 108 der Turbinenschaufel 115 innerhalb des Schaufelbefestigungsabschnitts 102 festgehalten. Der Sicherungsdraht 113 in der Schwalbenschwanzverriegelungslasche 112 reduziert oder eliminiert eine axiale Bewegung der Turbinenschaufel 115 in Bezug auf den Adapter 101.

[0038] Bezugnehmend auf Fig. 2 und Fig. 3 werden in einer Ausführungsform mehrere der Einzelschaufeladapter 201 und/oder die Mehrschaufeladapter 301 in den Turbinenrotor 105 über mehrere der Laufradstützpfoste 107 geschoben, um einen segmentierten Ring von Adaptern 101 um den Turbinenrotor 105 herum zu bilden. In einer weiteren Ausführungsform weisen die Adapter 101 in dem segmentierten Ring eine Gleitpaarung 104 auf einer Verschleissoberflache 114 des Adapters 101 auf. Die Verschleissoberflache 114 ist eine beliebige geeignete Oberfläche des Adapters 101, die einen anderen der Adapter 101 in dem segmentierten Ring berührt oder mit diesem in Berührung kommt. Die Gleitpaarung 104 reduziert oder eliminiert eine Bewegung und/oder Reibung zwischen den Verschleissoberflachen 114 der Adapter 101 des segmentierten Rings. In einer weiteren Ausführungsform sind Verschleisseinsätze angeordnet, um die Reibung zwischen der Turbinenschaufel 115 und dem Adapter 101 zu reduzieren.

[0039] In einer Ausführungsform sind die Verschleissoberflachen 114 der Adapter 101 gestaltet, um einander zu berühren, um eine Reaktion auf Biegebelastungen an einer Druckseite 116 des Schaufelbefestigungsabschnitts 102 zu ermöglichen. In einer weiteren Ausführungsform wird eine Anti-Fress-Behandlung an den Verschleissoberflachen 114 der Adapter 101 angewendet, die vorgesehen sind, um einander zu berühren. Die Anti-Fress-Behandlung reduziert oder eliminiert das Anhaften und/oder übermässige Reibung zwischen den Verschleissoberflachen 114, wodurch eine Beschädigung an den Adaptern 101 und/oder den Turbinenschaufeln 115 reduziert oder eliminiert wird. In einer weiteren Ausführungsform ist der Adapter 101 aus einem Verbundstoff, der Fasern aufweist, die orientiert sind, um eine Beschädigung an dem Adapter 101 aufgrund von Reibung zwischen den Verschleissoberflachen 114 zu reduzieren oder zu eliminieren. Die Orientierung der Fasern ist eine beliebige geeignete Orientierung zur Reduktion der Reibung, wie z.B., aber nicht darauf beschränkt, in Radialrichtung, in Umfangsrichtung oder eine Kombination davon.

[0040] Bezugnehmend auf Fig. 4 weist der Adapter 101 in einer Ausführungsform ein Vollbandsegment 401 auf, das als ein Einzelstück konstruiert ist, das eingerichtet ist, um rings um den Turbinenrotor 105 angeordnet zu sein. Die Turbinenbefestigungsabschnitte 103 auf einer inneren Oberfläche 402 des Vollbandsegments 401 werden in den Turbinenrotor 105 über mehrere der Laufradstützpfosten 107 geschoben. Eine äussere Oberfläche 403 des Vollbandsegmentes 401 stellt die Schaufelbefestigungsabschnitte 102 zur Befestigung der mehreren Turbinenschaufeln 115 bereit. Das Vollbandsegment 401 ermöglicht eine beliebige geeignete Umwandlung des Aufnahmeabschnitts 106 zu dem Schaufelbefestigungsabschnitt 102. Geeignete Umwandlungen umfassen axial zu in Umfangsrichtung, axial zu gekrümmt, gerade axial zu schräg axial, schräg axial zu gerade axial oder eine beliebige Kombinationen davon, sind aber nicht auf diese beschränkt.

[0041] Bezugnehmend auf die Fig. 1A bis Fig. 4 umfasst das Turbinensystem 100 in einer Ausführungsform ein Einschieben wenigstens eines der Adapter 101 in den Turbinenrotor 105 über wenigstens eine der Laufradstützen 107, danach ein Einführen wenigstens einer der Turbinenschaufeln 115 in den Schaufelbefestigungsabschnitt 102 des Adapters/der Adapter 101 hinein. In einer Ausführungsform umfasst das Turbinensystem 100 ein Einführen wenigstens einer der Turbinenschaufeln 115 in den Schaufelbefestigungsabschnitt 102 des wenigstens einen Adapters 101, danach ein Einschieben wenigstens eines der Adapter 101 in den Turbinenrotor 105 über wenigstens eine der Laufradstützen 107. Der/die Adapter 101 positionieren die Turbinenschaufel (n) 115 radial aussen von dem Turbinenrotor 105 im Vergleich zu dem/den Aufnahmeabschnitt(en) 106. Eine Reduktion des Schafts an der Turbinenschaufel 115 erhält die Länge des Schaufelblattabschnitts 110 gleich oder im Wesentlichen gleich mit dem zu ersetzenden Schaufelblattabschnitt 110 aufrecht. Das Aufrechterhalten der Länge des Schaufelblattabschnitts 110 behält einen ähnlichen oder im Wesentlichen ähnlichen Strömungspfad durch die Turbinensystem 100 im Vergleich zu dem Strömungspfad des zu ersetzenden Schaufelblattabschnitts 110 bei.

[0042] In einer Ausführungsform reduziert oder eliminiert der Adapter 101 eine Kühlluftströmung zu der Turbinenschaufel 115. In einer weiteren Ausführungsform wird die ursprüngliche Turbinenschaufel 115 mit einer metallischen Zusammensetzung durch die Turbinenschaufel 115 mit einer nichtmetallischen Zusammensetzung ersetzt. Die nichtmetallische Zusammensetzung weist im Vergleich zu der metallischen Zusammensetzung eine erhöhte Temperaturfähigkeit bzw. -beständigkeit auf, was bei einer Betriebstemperatur des Turbinensystems 100 eine reduzierte oder eliminierte Kühlluftströmung ermöglicht. Die Temperaturfähigkeit bzw. -beständigkeit, wie hierin verwendet, bezieht sich auf die Fähigkeit von Materialien bei derzeitigen oder steigenden Temperaturen bei einer akzeptablen Minderung der mechanischen Eigenschaften für die gegebenen Betriebsbedingungen, bei denen das Material arbeitet, zu arbeiten.

[0043] In einer weiteren Ausführungsform sind die Adapter 101 und die Turbinenschaufeln 115 mit Kühlkanälen versehen, um die Betriebstemperaturfähigkeit weiter zu erhöhen. In einer Ausführungsform ist die Kühlströmung, die durch die Kühlkanäle bereitgestellt wird, ähnlich oder im Wesentlichen ähnlich der Kühlströmung von existierenden Metallschaufeln, ist aber vorzugsweise geringer als diejenige der existierenden Metallschaufeln. Die nichtmetallischen Schaufeln bieten erhöhte Temperaturfähigkeiten bei reduzierter Kühlströmung, wodurch vermehrt Kühlluft für andere Zwecke zur Verfügung steht.

[0044] Während die Erfindung unter Bezug auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiels beschrieben ist, wird es für Fachleute verständlich sein, dass vielfältige Änderungen durchgeführt werden können und ihre Elemente durch äquivalente Anordnungen ersetzt werden können, ohne den Schutzbereich der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele Abwandlungen durchgeführt werden, um eine bestimmte Situation oder ein bestimmtes Material an die Lehren dieser Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Umfang zu verlassen. Folglich soll die Erfindung nicht auf die offenbarte spezielle Ausführungsform beschränkt sein, von der gegenwärtig angenommen wird, dass sie die beste Ausführungsart für diese Erfindung ist, sondern soll vielmehr alle Ausführungsformen umfassen, die in den Umfang der beigefügten Patentansprüche fallen.

[0045] Es sind ein Turbinensystem und ein Adapter offenbart. Der Adapter weist einen Turbinenbefestigungsabschnitt mit einer ersten Geometrie, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie einer Laufradstütze eines Turbinenrotors aufzunehmen, und einen Schaufelbefestigungsabschnitt mit einer zweiten Geometrie auf, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie eines Wurzelabschnitts einer nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen. Ein weiterer Adapter weist einen Turbinenbefestigungsabschnitt, der eingerichtet ist, um mehrere Laufradstützen eines Turbinenrotors aufzunehmen, und einen Schaufelbefestigungsabschnitt auf, der eingerichtet ist, um mehrere nichtmetallische Turbinenschaufeln aufzunehmen, die Wurzelabschnitte mit einer Einzelschwalbenschwanzkonfiguration aufweisen. Das Turbinensystem weist ein Turbinenlaufrad, das eingerichtet ist, um metallische Schaufeln aufzunehmen, wenigstens einen Adapter, der an wenigstens einer Laufradstütze an dem Turbinenlaufrad gesichert ist, und wenigstens eine nichtmetallische Schaufel auf, die an dem wenigstens einen Adapter gesichert ist.

Claims

1. Adapter, der aufweist: einen Turbinenbefestigungsabschnitt mit einer ersten Geometrie, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie einer Laufradstütze eines Turbinenrotors aufzunehmen; und einen Schaufelbefestigungsabschnitt mit einer zweiten Geometrie, die eingerichtet ist, um eine entsprechende Geometrie eines Wurzelabschnitts einer nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen.

2. Adapter gemäss Anspruch 1, wobei der Turbinenbefestigungsabschnitt, der die erste Geometrie aufweist, eine Turbinenrotorverbindungsstelle aufweist und/oder wobei der Schaufelbefestigungsabschnitt, der eine zweite Geometrie aufweist, eine Schaufelverbindungsstelle aufweist.

3. Adapter gemäss Anspruch 1 oder 2, wobei der Schaufelbefestigungsabschnitt eingerichtet ist, um die zweite Geometrie der nichtmetallischen Turbinenschaufel aufzunehmen, wobei die zweite Geometrie einen Schwalbenschwanz mit einem Schrägwinkel gleich null oder einem Schwalbenschwanz mit einem Schrägwinkel ungleich null oder einem gekrümmten Schwalbenschwanz entspricht.

4. Adapter gemäss einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, der wenigstens eines der folgenden Merkmale aufweist: eine Laufradstützenverriegelungslasche in dem Turbinenbefestigungsabschnitt; eine Schwalbenschwanzverriegelungslasche in dem Schaufelbefestigungsabschnitt; und/oder einen Sicherungsdraht zur axialen Rückhaltung in dem Turbinenbefestigungsabschnitt und dem Schaufelbefestigungsabschnitt.

5. Adapter gemäss einem beliebigen der vorstehenden Ansprüche, der eine Gleitpaarung auf wenigstens einer Kontaktseite des Adapters aufweist und/oder der eine verschleissfeste Beschichtung aufweist, die auf wenigstens einer Kontaktseite des Adapters aufgebracht ist.

6. Adapter, der aufweist: einen Turbinenbefestigungsabschnitt, der eingerichtet ist, um mehrere Laufradstützen eines Turbinenrotors aufzunehmen; und einen Schaufelbefestigungsabschnitt, der eingerichtet ist, um mehrere nichtmetallische Turbinenschaufeln aufzunehmen, die Wurzelabschnitte mit Einzelschwalbenschwanzkonfiguration aufweisen.

7. Adapter gemäss Anspruch 6, der ferner ein Material aufweist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, zu der Metall, Keramik, Keramik-Matrix-Verbundstoff, intermetallischer Werkstoff und Metall-Matrix-Verbundstoff gehören.

8. Turbinensystem, das aufweist: ein Turbinenlaufrad, das eingerichtet ist, um Metallschaufeln aufzunehmen; wenigstens einen Adapter, der an wenigstens einer Laufradstütze an dem Turbinenlaufrad befestigt ist; und wenigstens eine nichtmetallische Schaufel, die an dem wenigstens einen Adapter befestigt ist; wobei die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel aus der Gruppe von Materialien ausgewählt ist, zu der Metall, Keramik, Keramik-Matrix-Verbundstoff, intermetallische Werkstoff und Metall-Matrix-Verbundstoff gehören.

9. Turbinensystem gemäss Anspruch 8, wobei der wenigstens eine Adapter die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel radial nach aussen von dem Turbinenlaufrad positioniert und wobei die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel vorzugsweise eine Schaufel mit kurzem Schaft aufweist.

10. Turbinensystem gemäss Anspruch 9, wobei ein Strömungspfad der Turbinensystem unverändert bleibt; und/oder wobei die metallischen Schaufeln ferner einen tannenbaumartigen Wurzelabschnitt aufweisen; und/oder wobei der wenigstens eine Adapter eine Kühlluftströmung des Turbinensystems reduziert; und/oder wobei der wenigstens eine Adapter gegen Biegemomente widerstandsfähig ist, die auf die wenigstens eine nichtmetallische Schaufel ausgeübt werden.