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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Dieses
Verfahren bezieht sich allgemein auf ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Reduzierung der Belastung in Turbinenrotorschaufeln, und insbesondere
auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Einsatz von Verbundstoffen,
um diese Belastung zu reduzieren und die Frequenz der Rotorschaufeln
zu dämpfen.
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Turbinenrotorschaufeln
(Laufschaufeln) kommen in einer Umgebung zum Einsatz, in der sie hohen
Zentrifugalbelastungen, Vibrationsbelastungen und einem sich verändernden
Einfließwinkel
auf die Laufschaufel ausgesetzt sind. Die Vibrationsbelastungen
steigen, wenn sich diese Belastungen und Spannungen den natürlichen
Resonanzfrequenzen der Laufschaufel annähern. Wenn eine Rotorschaufel
in Resonanz vibriert, ist die Höhe
der Vibrationsbelastung im Allgemeinen proportional zu der im System
vorhandenen Dämpfung
(wobei Dämpfung
materielle, aerodynamische und mechanische Komponenten umfasst)
sowie zum Stimulationslevel. Bei durchgehend verbundenen Rotorschaufeln
stellt die Vibrationsfrequenz eine Funktion des gesamten Laufschaufelsystems
und nicht unbedingt eine Funktion von einzelnen Laufschaufeln dar.
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Eine
Hybridrotorschaufel besteht aus einer Turbinenrotorschaufel (z.
B. einer Dampfturbinenrotorschaufel oder einer Gasturbinenrotorschaufel),
die hauptsächlich
aus einer metal lischen Substanz hergestellt ist, aber mindestens
eine „Tasche" aus einem nicht-metallischen
Verbundstoff-Füllmaterial
aufweist. Das Füllmaterial
kann aus Polyimid oder aus einer anderen Art von polymerischem Kunstharz (oder
einer Kombinationen von diesen) mit durchgehender Glas-, Kohlenstoff-,
KEVLAR®-
oder anderer Faserverstärkung
bestehen, so dass eine Verbundstoffmatrix erreicht wird, welche
die originale aerodynamische Profiloberfläche aufweist. Zurzeit werden Verbundstoffmatrizen
entworfen, um bei Turbinen mit hohen Rotorschaufeltemperaturen während der
Windage-bedingungen (niedriger Fluss, hohe Geschwindigkeit bei der „Windmühlenbewegung" der Rotorschaufeln)
eingesetzt zu werden. Allerdings haften sehr steife Hochtemperatur-Verbundstoffe
nicht gut an Metall an.
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Es
werden viele Patente ausgestellt, die sich auf aus Verbundstoffen
hergestellte Turbinenlaufschaufeln beziehen. Beispielsweise beschreibt
das US-Patent 5.720.597 mit dem Titel „Multi-Component Blade for
Gas Turbine" [Multikomponenten-Laufschaufel für Gasturbinen]
Gasturbinen-Flugzeuglaufschaufeln,
die aus Metall und Schaumstoff konstruiert sind und mit einer Verbundstoffhaut,
einer Erosionsbeschichtung oder beidem geliefert werden. Und das
US-Patent 6.139.728, welches den Titel „Poly-Component Blade for
a Steam Turbine" [Mehrfachkomponenten-Laufschaufel
für eine
Dampfturbine] trägt,
eröffnet
Konfigurationen, die den im US-Patent 5.720.597
beschriebenen ähneln,
wobei diese sich allerdings auf Dampfturbinen beziehen. Allerdings befasst
sich keines dieser Patente mit den Vorteilen der Frequenzeinstellung
und/oder der Dämpfung.
In ähnlicher
Weise schlägt
US-Patent 5.931.641
mit dem Titel „Steam
Turbine Blading Having Areas of Different Densities" [Dampfturbinen-Laufschaufeln mit
Bereichen verschiedener Dichte] eine aus einem Verbundstoff hergestellte
Dampfturbinenlaufschaufel vor, wobei aber auch hier die Frequenzeinstellung oder
-dämpfung
nicht angesprochen wird. Zusätzlich beschreibt
das europäische
Patent Nr.
EP 1152
123 A2 mit dem Titel „Hybrid
blade with submerged ribs" [Hybridlaufschaufel
mit Eintauchrippen] eine Hybridtechnologie, ohne allerdings auf
die Frequenzeinstellung oder die Anwendung von Hybridtechnologie
auf Dampft- oder Gasturbinenrotorschaufeln einzugehen. Ferner liefert
keines dieser Patente Verfahren oder Mittel zur Ausrichtung von
Fasern, und es wird auch nicht darauf eingegangen, dass Ausrichtungs- oder
Wickeltechniken benutzt werden können,
um die natürliche
Frequenz von einer zu einer Rotorschaufelreihe gehörenden Rotorschaufel
durch den Einsatz von gemischten Einstellungstechniken zu verändern.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Gemäß einer
Ausführungsform
schaffen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zur Reduzierung der Belastung in einer Turbinenrotorschaufel, die
aus einem metallischen Grundmaterial besteht. Dieses Verfahren umfasst
die Füllung
einer Tasche oder mehrerer Taschen in der Rotorschaufel mit einem
Polymerverbundstoff, welcher durchgehende Fasern in einer Kunstharzmatrix
aufweist, wobei die Fasern eine Ausrichtung zeigen, die in Übereinstimmung
mit mindestens einer zuvor ausgewählten Frequenzeinstellungen
der Rotorschaufel und einer Dämpfung
der Rotorschaufel bestimmt wurde.
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In
einer anderen Ausführungsform
liefern einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine angepasste
Turbinenrotorlaufschaufel. Die Laufschaufel verfügt über mindestens eine Rotorschaufel.
Die Rotorschaufel bzw. die Rotorschaufeln bestehen aus einem metallischen
Grundmaterial mit einer Tasche oder mehreren Taschen, die mit einem
Polymerverbundstoff gefüllt
sind, welcher durchgehende Fasern aufweist, die in einer Kunstharzmatrix
eingebunden sind. Die Fasern zeigen eine Ausrichtung, die in Übereinstimmung
mit entweder einer zuvor ausgewählten
Frequenzeinstellung oder einer vermischten Frequenzeinstellung der
Rotorschaufel bestimmt wurde.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration von multiplen Fenstertaschen
in einer Turbinenlaufschaufel.
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2 ist
eine perspektivische Ansicht eines Teils des Verbundstoffes, der
zur Füllung
einer Tasche wie der, die in 1 gezeigt
wird, benutzt wird.
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3 ist
eine perspektivische Ansicht von einigen aus einer Vielzahl von
Laufschaufelgruppen, die in einigen Konfigurationen der vorliegenden
Erfindung zu einer Turbine zusammengesetzt sind.
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4 ist
ein Beispiel für
eine uniaxiale Faserausrichtung.
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5 ist
ein Beispiel für
eine biaxiale Faserausrichtung.
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6 ist
ein Beispiel für
eine quasiisotrope Faserausrichtung.
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7 ist
eine seitliche Einschnittansicht einer Zweiweg-LP-Dampfturbine, in der die Position der
Rotorschaufeln der letzten Stufe gezeigt wird.
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8 ist
eine Seitenansicht einer Konfiguration einer Mehrfachfenster-Tasche.
Die gestrichelten Linien in 8 stellen
konkave Schnittstellen dar. Genauer gesagt stellen die durchgehenden
Linien, die eines der Durchgangsfenster umgeben, eine konvexe Schnittstelle
dar, während
die gestrichelten Linien, die zwei der Durchgangsfenster umgeben,
konkave Schnittstellen darstellen.
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9 ist
eine Draufsicht einer Rotorschaufelquerschnitts-Konfiguration mit Mehrfachfenstern.
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10 ist
eine partielle Seitenansicht einer Konfiguration des Verbundstoff-Füllmaterials,
welches aus einer Vielzahl von Stoffschichten besteht.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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So
wie sie hier benutzt werden, sollen die Wörter „Element" oder „Schritt", die im Singular genannt sind und denen
Wörter
wie „ein" (und insbesondere „mindestens
ein") vorangestellt
sind, so verstanden werden, dass sie auch den Plural der entsprechenden
Elemente oder Schritte nicht ausschließen, sofern dies nicht ausdrücklich festgestellt
wird. Außerdem
sollen Verweise auf „eine
Ausführungsform" (oder auf „andere
Ausführungsformen") der vorliegenden
Erfindung nicht dahingehend interpretiert werden, dass sie entweder
die Existenz von zusätzlichen
Ausführungsformen,
welche ebenfalls die aufgeführten
Merkmale aufweisen, ausschließen oder
dass sie andere Merkmale ausschließen, die im Zusammenhang mit
der vorliegenden Erfindung beschrieben werden. Außerdem können Ausführungsformen,
die ein Element oder eine Vielzahl von Elementen mit bestimmten
Merkmalen „umfassen" oder „aufweisen", auch zusätzliche
Elemente umfassen, welche diese Merkmale nicht aufweisen, sofern
das Gegenteil nicht ausdrücklich
festgestellt wird.
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In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird unter Verweis auf 1 und 2 ein
Verfahren zur Einstellung einer Reihe von fortlaufend gekoppelten
oder freistehenden Turbinenlaufschaufeln 20 geliefert,
welche die Reduzierung der Vibrationsamplituden und/oder der Dämpfungscharakteristiken
erleichtert. Das Verfahren umfasst den Einsatz einer Ausrichtung
von Faser 16 und eine Konfiguration der Hybridrotorschaufel 10.
Rotorschaufel 10 kann aus einem metallischen Grundmaterial
mit einer Tasche oder Taschen 11 bestehen, die mit einem
Polymerverbundstoff ausgefüllt
werden können.
Verbundstoff 14 kann ein auf Polyimid basierender Verbundstoff
oder ein anderer geeigneter Materialtyp sein. Verbundstoff 14 kann
Fasern 16 wie z. B. Glas, Kohlenstoff, Kevlar® oder
andere Fasern umfassen, die z. B. in einer Kunstharzmatrix 18 gebunden
sind. Die Fasern 16 können
in einer einzelnen Schicht, in mehreren Schichten, in einer oder
mehreren Stoffschichten oder in der ganzen Matrix 18 enthalten
sein. Die Ausrichtung der Fasern 16 ist so ausgewählt, dass
die Einstellung der Rotorschaufel 10 auf eine bestimmte
Art und Weise erleichtert wird, und/oder sie kann benutzt werden,
um den Satz „gemischt
einzustellen". Mit
anderen Worten wird die Ausrichtung der Fasern in Übereinstimmung
mit einer zuvor ausgewählten
Einstellung der Rotorschaufel 10 festgelegt. In einigen
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung werden die Frequenzcharakteristiken
dadurch kontrol liert, dass die Ausrichtung der Fasern 16 während der
Wicklung und Aushärtung des
Verbundstoffes 14 maßgeschneidert
wird. Durch die Feineinstellung der Ausrichtung der Fasern 16 und/oder
der Webart des Stoffes 16 erleichtern einige Konfigurationen
der vorliegenden Erfindung die Regulierung der Stärken und
der Elastikmodule des aus diesen Fasern konstruierten Stoffes in
verschiedene Richtungen.
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Außerdem werden
in einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung unter Verweis
auf 3 bis 7 bestimmte Ausrichtungen der
Fasern 16 benutzt, um die einzelne Frequenzen der Rotorschaufeln 10 einzustellen. „Gemischte
Einstellung" umfasst
die Kombination einer bestimmten Gruppe 22, welche eine
bestimmte Frequenzcharakteristik aufweist, mit einer anderen Gruppe
oder mehreren anderen Gruppen 24, die eine andere Frequenz
aufweisen. Die Gruppen 22 und 24 der Laufschaufeln 20 werden
dann in einer Reihe (z. B. einander abwechselnd) zusammengebaut,
so dass durch sie eine verbesserte mechanische Dämpfung der Turbine 26 (z.
B. einer Dampf- oder Gasturbine) erleichtert wird. Je nach gewünschtem
Endresultat bei der „gemischten
Einstellung" kann
es auch mehr als eine oder zwei verschiedenen Gruppen von Laufschaufeln 20 geben.
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Konfigurationen
der vorliegenden Erfindung können
auch bei anderen Rotorschaufeln oder Laufschaufeln von Dampf- oder
Gasturbinen eingesetzt werden, sofern die Umgebung dies erlaubt
(z. B. Kompressorlaufschaufeln einer vorderen Stufe der Gasturbine).
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Einige
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die Abänderung
der natürlichen Frequenzen
und der dynamischen Reaktion einer durchgehend verbundenen oder
freistehenden Reihe von Rotorschaufeln 10, ohne dass dabei
die aerodynami sche Form und Effektivität verändert wird. Außerdem liefern
einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit,
eine Reihe von Rotorschaufeln 10 individuell einzustellen,
oder aber bestimmte Modi zu regulieren, welche eventuell die Anforderungen
der Konstruktion nicht erfüllen,
ohne dass dabei die aerodynamische Form und Effektivität verändert wird.
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Einige
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ermöglichen die individuelle Einstellung
von Rotorschaufelfrequenzen, indem zur Regulierung der Steifigkeit
in einem Taschenbereich einer Hybridrotorschaufel die Verbundstoff-Ausrichtung
genutzt wird, ohne dass dabei die aerodynamische Effektivität verändert wird.
Fasern 16 können
auf verschiedene Weisen ausgerichtet werden, um die Steifigkeit
in der Richtung zu regulieren, die die bestimmte natürliche Frequenz
bzw. die natürlichen
Frequenzen der Laufschaufel bestimmt. Ein Verbundstoff 14 kann
je nach Fasertyp, Webart und Ausrichtung so gestaltet werden, dass
er in verschiedenen Richtungen deutlich unterschiedliche Stärken und
elastische Module aufweist.
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Unter
Verweis auf 4 bis 6 ermöglichen
einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine erleichterte
Unterdrückung
der aero-elastischen Reaktion einer Laufschaufelreihe (fortlaufend verbunden
oder freistehend) durch die gemischte Einstellung der natürlichen
Frequenzen der Laufschaufeln 20 innerhalb der Reihe. Bei
diesen Konfigurationen kommt eine Konstruktion von langen Hybridrotorlaufschaufeln 10 zum
Einsatz, bei der die Verstärkungssteifigkeit
der Faser 16 eingestellt wird. Diese Einstellung kann durch
den Einsatz von mehreren Kombinationen von Fasermaterialien 16,
Faserwebarten und -ausrichtungen erreicht werden, so dass die Steifigkeit
in verschiedenen Richtungen reguliert werden kann.
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Rotorschaufeln 10 mit
verschiedenen Frequenzen und Eigenschaften können auch benutzt werden, um
die natürliche
Frequenz einer Laufschaufelgruppe zu verändern. (Das oben erwähnte US-Patent
Nr. 5.931.641 beschreibt eine Grundbauart von Hybridrotorschaufeln).
Diese Konfigurationen der vorliegenden Erfindung bilden mindestens
zwei unterschiedliche Gruppen 22 und 24 von Laufschaufeln 20.
Jede Gruppe 22 und 24 hat dieselbe aerodynamische
Form und dasselbe äußere Profil,
enthält aber
verschiedene Verbundstoff-Füllmaterialien 14 innerhalb
der mit Taschen ausgestatteten Laufschaufeln 20, wodurch
die natürliche
Frequenz der zwei (oder mehr) Laufschaufelgruppen 22 und 24 gezielt verändert wird.
In einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung wird z. B.
in einer Gruppe 22 eine höhere Stärke oder ein „steiferes" Verbundstoffmaterial 14 verwendet,
während
in der anderen Gruppe 24 ein Material 14 von geringerer
Steifigkeit oder höherer
Dämpfung
eingesetzt wird. Außerdem
werden bei einigen Konfigurationen beispielsweise in einer ersten
Gruppe 22 Fasern 16 benutzt, die in eine Richtung
ausgerichtet sind (siehe 4), und bei einer zweiten Gruppe 24 werden
Fasern 16 benutzt, die in eine zweite Richtung ausgerichtet
sind. So werden gezielt zwei oder mehr Bestände von Laufschaufeln 20 hergestellt
und nach logischen Grundsätzen
zusammengesetzt, um ihre charakteristischen natürlichen Frequenzunterschiede
auszunutzen, so dass die Reaktion der Laufschaufeln auf synchrone
und asynchrone Vibrationen gedämpft
wird, ohne dass dabei die aerodynamischen Eigenschaften der Laufschaufel
ungünstig
beeinflusst werden.
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In
vielen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung werden die Faserausrichtung,
die Verarbeitungstechnik oder beide genutzt, um die natürliche Hauptfrequenz
der einzelnen Rotorschaufeln, den spezifischen Modus der fortlaufend
verbundenen Rotorschaufelreihe oder beide zu verändern. So weist in einigen
Konfigurationen die Wicklung des Verbundstoffes mehr Fasern auf,
die in eine bevorzugte Richtung ausgerichtet sind, wodurch die Steifigkeit
in der fraglichen Richtung beeinflusst wird, so dass dadurch die
Frequenzen reguliert oder verschoben werden können. In einigen Konfigurationen
der vorliegenden Erfindung werden mehrere verschiedene Stoffmaterialschichten,
die jeweils in verschiede Richtungen ausgerichtet sind, benutzt,
wodurch die Versteifung in zwei oder mehr Richtungen beeinflusst wird,
so dass die Steifigkeit in jeder dieser Richtungen auf unterschiedliche
Weise reguliert werden kann.
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Unter
Verweis auf 6 werden in einigen Konfigurationen
der vorliegenden Erfindung quasiisotrope Wicklungen (wie [0/45/90/-45]n
wobei n die Anzahl der wiederholten Stapelungssequenzen ist) oder
zufällig
angeordnete lange Fasern innerhalb einer Matrix (wie z. B. blattförmig geformten
Verbundstoffen oder „SMCs") verwendet, und
zwar vornehmlich als Vorrichtung zur „gemischte Einstellung", wie oben beschrieben.
Mindestens zwei unterschiedliche Sätze von Rotorschaufeln und
von entsprechenden natürlichen
Frequenzreaktionen werden auf eine Art und Weise angeordnet, die
ausgewählt
wurde, um die Netto-Frequenzreaktion der Rotorschaufelreihe zu reduzieren.
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In
einigen Konfigurationen wird die Faserausrichtung genutzt, um die
Rotorschaufelreihe gemischt einzustellen. Genauer gesagt werden
zwei oder mehr Sätze
von Laufschaufelgruppen mit ausgesparten Teilen oder „Taschen", welche sich hauptsächlich entlang
der Druckseite der Laufschaufel befinden, in einem Ring zusammengebaut.
Diese Laufschaufelgruppen bestehen aus einer Reihe von Rotorschaufeln
in einer Stufe der Turbine.
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Eine
Laufschaufelgruppe weist höhere
Resonanzfrequenzen oder Dämpfungscharakteristiken auf
als der andere Satz oder die anderen Sätze. In einer beispielhaften
Konfiguration ist eine Gruppe von Laufschaufeln so gestaltet, dass
eine natürliche
Frequenz gleichförmig
zwischen zwei „pro-Drehzahl"-Kriterien (z. B.
eine Aufteilung zwischen 4 pro Umdrehung und 5 pro Umdrehung) liegt,
während eine
andere Laufschaufelgruppe eine andere Faser-Wickelrichtung aufweist,
die so konfiguriert ist, dass sie um eine andere Reihe von „pro-Drehzahl"-Stimuli angeordnet
ist (z. B. eine Aufteilung von 3 pro Umdrehung und 4 pro Umdrehung).
Die dazugehörenden
verschiedenen Dämpfungs- und Frequenzreaktionen
treten auf, wenn in der Verbundstoff-Kunstharz-Matrix unterschiedliche Fasermaterialien
und Orientierungen verwendet werden. Das Verbundstoff-Fasermaterial
wird zusammen mit einem Kunstharzbindemittel verwendet, um die gewünschte aerodynamische
Profilform zu schaffen, die vor dem „Taschen"-Arbeitsgang vorhanden war.
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Beispiele
von verschiedenen geometrischen Laufschaufel/Taschen-Konfigurationen
werden in den Figuren illustriert. 7 illustriert
eine typische Position von Niederdruck-Rotorschaufeln der letzten Stufe
einer Turbinenkonfiguration. Konfigurationen der vorliegenden Erfindung
können
in zahlreichen Turbinenstufen verwendet werden, bei denen die Temperatur
niedrig genug und die Rotorschaufelgröße groß genug ist, als dass dies
möglich
ist. Konfigurationen der vorliegenden Erfindung können auch
in einer Einweg-Fluss-Turbine verwendet werden.
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Einige
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern ein Verfahren
zur Reduzierung von Scherbelastungen in einer Haftschicht zwischen
Metall und Verbundstoff sowie zur Bereitstellung einer aktiven mechanischen
Sperre zwischen Verbund stoffe und Rotorschaufel. Konfigurationen
der vorliegenden Erfindung können
auf Verbundstoffmatrizen aus einer oder mehreren verschiedenen Faserschichten oder
Webrichtungen angewendet werden.
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Unter
Verweis auf 8 und 9 wird in
einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine geometrische
Konfiguration der Tasche 11 des „Durchgangsfensters" 12'' für eine Konstruktion der Hybridlaufschaufel 10 geliefert.
Die Taschen 11 weisen in einigen dieser Konfigurationen
eine allmähliche
Steigung hinauf zu einer Schnittstelle 56 mit einer Fliesswegoberfläche auf.
Die Fenster 12 tragen zur aktiven mechanischen Haftung
eines Verbundstoffes 14 an Rotorschaufel 10 bei.
Zusätzlich
liefern die Fenster 12 eine reduzierte Scherbelastung in
der Haftschicht zwischen Verbundstoff 14 und metallischer
Laufschaufel 10.
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Einige
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern eine Anordnung
von mehreren Fenstern 12, die zu einer verbesserten mechanischen Schnittstelle
zwischen geschichtetem Verbundmaterial 14 und Rotorschaufel 10 beitragen.
Aufgrund der hohen Steifigkeit des Verbundmaterials 14 ist
es möglich,
durch die Wand der Rotorschaufel 10 zu durchbohren. (In
mindestens einer Hybridrotorschaufel-Konfiguration nach dem Stand
der Technik wird ein Polymer mit niedriger Temperaturtauglichkeit
und sehr geringer Steifigkeit benutzt. Nach dem Stand der Technik
ist es unmöglich,
durch eine Laufschaufelwand mit einem elastischen Niedrigtemperatur-Polymer
in dieser Konfiguration zu bohren.)
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In
einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung umfassen die
geometrischen Konfigurationen der Tasche 11 für eine Hybridlaufschaufel 10 eine
Vielzahl von „Fenstern" 12, die sich
ganz durch die Laufschaufelwand 52 ziehen. Die Taschen
sind um den Rand herum entweder konkav oder konvex. Die Auswahl
einer konkaven oder konvexen Konfiguration kann nach empirischen
Kriterien vorgenommen werden, je nachdem, welche beim Prozess der Verbundstofflaminierung
am vorteilhaftesten ist welche die besten Rückstelleigenschaften aufweist.
Die Fenster 12 befinden sich in Bereichen 54,
die so ausgesucht werden, dass die Belastungskonzentrationen auf
die Taschen 11 und die Rotorschaufelkonstruktion minimiert
oder zumindest reduziert wird. Die Fenster 12 können verschieden
Formen aufweisen, je nachdem wie diese durch die Finit-Element-Analyse
einer Rotorschaufel mit Fenster 12 festgelegt werden. In
einigen Konfigurationen werden beim Fenster 12 sowohl konkave
als such konvexe Oberflächen um
den Rand des Fensters herum verwendet, je nach der Festlegung durch
die empirischen Tests.
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In
einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung umfasst das Verbundstoffmaterial 14 ein Material 16 wie
z. B. Glas, Kohlenstoff, Kevlar oder ein anderes Material, welches
in Schichten konfiguriert ist und bei dem ein Kunstharzbinde- bzw. -füllmittel 18 benutzt
wird. Der geschichtete Verbundstoff 14 wird z. B. unter
Benutzung von Vorimprägniertem
unidirektionalem oder gewebtem Stofffilmband hergestellt. Ein weiteres
Beispiel für
ein geeignetes Verfahren zur Herstellung eines geschichteten Verbundstoffes
ist die Einspritzung von Kunstharz über die Fasern während des
Gussvorgangs. In einigen Konfigurationen wird eine Hochtemperatur-Polyimidbasis benutzt,
aber auch andere für
hohe Temperaturen geeignete Polymere sind geeignet.
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Die
Konfigurationen des [Verhältnisses]
von Metall zu Füllstoff
bei der Kantenkonstruktion sind bei der vorliegenden Erfindung keinesfalls
auf die Verwendung bei Anströmkanten
beschränkt,
sondern können
bei allen Kanten angewendet werden, was auch die Außenkante
einschließt,
aber nicht auf diese beschränkt
ist. Eine Innenkante kann einem Querstromfeld mit hohem Einfallwinkel
oder einem reinen Querstrom ausgesetzt sein, welcher dadurch entsteht,
dass die Zentrifugalbelastung den „feuchten" Strom dazu bringt, strahlenförmig nach
außen
zu fließen.
Der Unterschnitt hat einen kleinen oder einen großen Radius,
je nach Dicke des aerodynamischen Profils nahe der fraglichen Kante.
Der Unterschnitt würde
allmählich
in die Hinterwand der Tasche übergehen,
und zwar so, dass die Belastungskonzentration reduziert wird.
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Bei
einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung werden Zwischenplatten
auf beiden Seiten eines aerodynamischen Profils eingesetzt, während das
Verbundstoffmaterial in der Tasche aushärtet. Die Zwischenplatte erzeugt
das aerodynamische Profil an den Stellen, an denen die Tasche maschinell
entfernt wurde. Kunstharz-Füllstoffe
werden benutzt, um die Form des aerodynamischen Profils wiederherzustellen,
welche vor der „Taschenbildung" vorhanden war.
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Zusätzlich liefern
einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung ein Verfahren
zur Hinzugabe von zusätzlichen
mechanischen Verbundstoffmaterial-Zusätzen in die Rotorschaufeltasche,
wodurch die Scherbelastung in der Haftschicht zwischen dem Verbundstoff
und dem metallischen aerodynamischen Profil reduziert wird. Einige
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern auch eine aktive mechanische
Rückstellung
der Verbundstoffmatrix in der Laufschaufel.
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Um
also unter wiederholtem Verweis auf 1 und 2 zusammenzufassen,
liefern einige Konfigurationen der vorlie genden Erfindung ein Verfahren
zur Belastungsreduzierung in einer aus einem metallischen Grundmaterial
bestehenden Turbinenrotorschaufel 10. Das Verfahren umfasst
die Auffüllung
einer Tasche oder mehrerer Taschen 11 in einer Laufschaufel 10 mit
einem Polymerverbundstoff 14, welcher durchgehende Fasern 16 innerhalb
einer Kunstharzmatrix 18 aufweist. Die Fasern 16 weisen eine
Ausrichtung auf, die in Übereinstimmung
mit einer zuvor ausgewählten
Frequenzeinstellung der Rotorschaufel bestimmt wird.
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Unter
Verweis auf 3 bis 7 kann dieses
Verfahren für
eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 10 bei einer Vielzahl
von Turbinenlaufschaufeln 20 wiederholt werden, wobei die
zuvor ausgewählte
Frequenzeinstellung der Rotorschaufeln 10 zwischen mindestens
einer ersten Gruppe 22 von Laufschaufeln 20 und
einer zweiten Gruppe 24 von Laufschaufeln unterschiedlich
ist. Außerdem
umfassen einige Verfahren die Zusammenstellung der ersten Gruppe 22 von
Laufschaufeln 20 und der zweiten Gruppe 24 der
Laufschaufeln, um eine mechanische Dämpfung bei einer Turbine 26 zu
erzielen. Das Verfahren kann auch umfassen, dass die Laufschaufeln 20 der
ersten Gruppe 22 und die Laufschaufeln 20 der
zweiten Gruppe 24 so zusammengestellt werden, dass sie
einander abwechseln Ferner weist in einigen Konfigurationen die
Vielzahl der Turbinenlaufschaufeln 20 dieselbe äußere aerodynamische
Form und dasselbe Profil auf, und die Laufschaufeln 20 bilden
mindestens zwei Gruppen 22, 24, wobei der Verbundstoff 14 der
Rotorschaufeln 10 bei der einen Gruppe 24 im Vergleich
zu der anderen Gruppe oder den anderen Gruppen 24 entweder
eine höhere
Stärke
oder eine höhere
Steifigkeit oder aber beides aufweist. In einigen Konfigurationen
der vorliegenden Erfindung, bei denen die Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 20 dieselbe äußere aerodynamische
Form und dasselbe Profil aufweisen und die Lauf schaufeln 20 mindestens
zwei Gruppen 22, 24 bilden, umfasst das Verfahren
außerdem
bei einer Gruppe 22 die Ausrichtung der Fasern 16 in
der Kunstharzmatrix 18 in eine Richtung, die von den Ausrichtungen
in der anderen Gruppe oder den anderen Gruppen 24 abweicht.
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Unter
Verweis auf die 4 bis 6 umfassen
einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung außerdem die
Auffüllung
eines Verbundstoffes 14 mit Fasern 16, welche
mindestens in zwei Richtungen ausgerichtet sind, wobei die mehr
Fasern in eine erste, bevorzugte Richtung 36 ausgerichtet
sind als in eine andere, zweite Richtung 38. Unter Verweis auf 10 umfassen
außerdem
einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung die Auffüllung des Verbundstoffs 14 mit
einer Vielzahl von aus Stoffmaterial bestehenden verschiedenen Schichten 40, 42 mit
Fasern 16, welche in verschiedenen Schichten jeweils in
verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Verbundstoff 14 kann
eine quasiisotrope Wicklung umfassen, und das Verfahren kann außerdem die Anordnung
von zwei verschiedenen Rotorschaufelsätzen in einer Konfiguration
umfassen, welche die Netto-Frequenzreaktion einer Rotorschaufelreihe
reduziert. In einigen Konfigurationen umfasst der Verbundstoff zufällig ausgerichtete
lange Fasern 16 innerhalb einer Matrix 18, und
das Verfahren umfasst die Anordnung zweier unterschiedlicher Rotorschaufelsätze in einer
Konfiguration, die die Netto-Frequenzreaktion einer Rotorschaufelreihe
reduziert.
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In
einer anderen Ausführungsform
und unter wiederholtem Verweis auf 1 bis 7 liefern
einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung eine angepasste
Turbinenlaufschaufel 20. Die Laufschaufel weist mindestens
eine Rotorschaufel 10 auf, die ein metallisches Grundmaterial
mit einer Tasche oder Taschen 11 enthält, die mit einem Polymerverbundstoff 14 gefüllt sind,
welcher durchgehende Fasern 16 aufweist, die in einer Kunstharzmatrix 18 gebunden
sind. Die Fasern 16 weisen eine Ausrichtung auf, die in Übereinstimmung
mit einer zuvor ausgewählten
Frequenzeinstellung der Laufschaufel 20 bestimmt wird.
Einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung umfassen eine
Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 20, welche mindestens
eine erste Gruppe 22 von Laufschaufeln 20 umfassen,
welche Rotorschaufeln 10 aufweisen, die auf eine erste
Frequenz eingestellt sind, sowie eine zweite Gruppe 24 von Laufschaufeln 20,
die Rotorschaufeln 10 umfassen, welche auf eine andere,
zweite Frequenz eingestellt sind. Die Blades 20 werden
so zusammenbaut, dass eine mechanische Dämpfung bei der Gas- oder Dampfturbine 26 erreicht
wird. In einigen Konfigurationen besteht die Vielzahl von Rotorschaufeln 10 lediglich
aus der ersten Gruppe 22 und der zweiten Gruppe 24,
und die Laufschaufeln 20 mit den Rotorschaufeln 10 der
ersten Gruppe sind im Wechsel mit den Laufschaufeln 20 mit
den Rotorschaufeln 10 der zweiten Gruppe 24 zusammengestellt.
Einige Konfigurationen der vorliegenden Erfindung umfassen eine
Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 20, welche dieselbe äußere aerodynamische
Form und dasselbe Profil aufweisen, und die Laufschaufeln 20 umfassen
mindestens zwei Gruppen 22, 24, wobei jede Gruppe
einen anderen Verbundstoff 14 in den Rotorschaufeln 10 enthält. Wiederum
andere Konfigurationen der vorliegenden Erfindung umfassen eine
Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 20 mit derselben äußeren aerodynamischen
Form und demselben Profil, und die Laufschaufeln bestehen aus mindestens zwei
Gruppen 22, 24. In diesen Konfigurationen weist eine
Gruppe 22 im Vergleich zu der anderen Gruppe oder den anderen
Gruppen in den Rotorschaufeln 10 einen Verbundstoff 14 mit
einer höheren
Stärke
oder höherer
Steifigkeit, oder beidem, auf. Wiederum andere Konfigurationen umfassen
eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln 20, welche dieselbe äußere aerodynamische
Form und dasselbe Profil aufweisen. Wie auch immer, die Laufschaufeln 20 bestehen aus
mindestens zwei Gruppen 22, 24, wobei eine Gruppe 22 Fasern 16 aufweist,
die in eine andere Richtung ausgerichtet sind als dies bei der anderen Gruppe
oder den anderen Gruppen 24 der Fall ist.
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Einige
Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern eine Turbinenlaufschaufel 20,
bei der der Verbundstoff 14 Fasern 16 aufweist,
die in mindestens zwei Richtungen ausgerichtet sind, wobei mehr
Fasern 16 in eine erste, bevorzugte Richtung 36 ausgerichtet
sind als in eine andere, zweite Richtung 38. Unter Verweis
auf 10 liefern einige Konfigurationen der vorliegenden
Erfindung eine Turbinenlaufschaufel 20, bei der der Verbundstoff 14 eine Vielzahl
von verschiedenen Schichten 40, 42 aus einem Stoffmaterial
mit Fasern 16 in den verschiedenen Schichten 40, 42 aufweist,
wobei die Fasern in den verschiedenen Schichten jeweils in verschiedene
Richtungen ausgerichtet sind.
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Wiederum
andere Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern eine Vielzahl
von Turbinenlaufschaufeln 20, wobei der Verbundstoff 14 entweder
eine quasiisotrope Wicklung oder zufällig ausgerichtete lange Fasern 16 innerhalb
einer Matrix 18 umfasst. Mindestens zwei verschiedene Sätze von Rotorschaufeln 10,
die der Reduzierung der Netto-Frequenzreaktion einer Rotorschaufelreihe
dienen, sind in einer Konfiguration angeordnet.
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Wiederum
andere Konfigurationen der vorliegenden Erfindung liefern eine Turbinenlaufschaufel 20 mit
einer Rotorschaufel 10, die eine Vielzahl von Fenstertaschen 11 aufweist,
welche sich durch die gesamte Wand 52 der Laufschaufel 10 ziehen.
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Die
Fenster 12 sind in Bereichen 54 positioniert,
so dass die Belastungskonzentrationen auf die Fenstertaschen 11 minimalisiert
oder zumindest reduziert wird, und Laufschaufel 20 umfasst
ferner ein Verbundstoffmaterial 14, welches aus einer Kunstharzmatrix 18 und
Schichten aus Stoffmaterial 16 besteht.
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Es
sei also darauf hingewiesen, dass Konfigurationen der vorliegenden
Erfindung die Belastung in Turbinerotorschaufeln reduzieren und/oder
insbesondere dazu dienen] die Rotorschaufelfrequenz und/oder die
Dämpfungseigenschaften
zu verändern.
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Es
ist ein Verfahren geschaffen, das der Reduzierung der Belastung
und der Einstellung von Frequenzen in einer Turbinenrotorschaufel 10 aus
einem metallischen Grundmaterial dient, und die Füllung einer
oder mehrerer sich in der Rotorschaufel befindenden Taschen 11 mit
einem Polymerverbundstoff 14 umfasst, welcher durchgehende
Fasern 16 innerhalb einer Kunstharzmatrix 18 aufweist,
in der die Fasern eine Ausrichtung zeigen, welche gemäß einer vorbestimmten
Frequenzeinstellung oder Dämpfung der
Rotorschaufel bestimmt worden ist.
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Obgleich
die Erfindung im Zusammenhang mit verschiedenen spezifischen Ausführungsformen beschrieben
wurde, werden sich auf diesem Gebiet fachkundige Personen darüber im Klaren
sein, dass Abwandlungen der Erfindung durchgeführt werden können, die
im Geiste und Schutzumfang der Patentansprüche liegen.
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- 10
- ROTORSCHAUFEL
- 11
- Taschen
- 12
- Fenster
- 14
- Verbundstoff
- 16
- Fasern
- 18
- Matrix
- 20
- Turbinenlaufschaufeln
- 22
- erste
Gruppe
- 24
- zweite
Gruppe
- 26
- Turbine
- 36
- bevorzugte
Richtung
- 38
- zweite
Richtung
- 40
- verschiedene
Schichten
- 42
- verschiedene
Schichten
- 52
- Rotorschaufelwand
- 54
- Bereiche
- 56
- Schnittstelle