DE102007014886A1 - Verfahren und Gerät zur Reduzierung von Belastungen in Turbinenrotorschaufeln - Google Patents

Verfahren und Gerät zur Reduzierung von Belastungen in Turbinenrotorschaufeln Download PDF

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Adegboyega Makinde
Grame Praveen
Christophe Lanaud
Wendy Lin
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Abstract

Ein Verfahren, 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 in Übereinstimmung mit einer vorbestimmten Frequenzeinstellung oder Dämpfung der Rotorschaufel bestimmt worden ist.

Description

  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine perspektivische Ansicht einer Konfiguration von multiplen Fenstertaschen in einer Turbinenlaufschaufel.
  • 2 ist eine perspektivische Ansicht eines Teils des Verbundstoffes, der zur Füllung einer Tasche wie der, die in 1 gezeigt wird, benutzt wird.
  • 3 ist eine perspektivische Ansicht von einigen aus einer Vielzahl von Laufschaufelgruppen, die in einigen Konfigurationen der vorliegenden Erfindung zu einer Turbine zusammengesetzt sind.
  • 4 ist ein Beispiel für eine uniaxiale Faserausrichtung.
  • 5 ist ein Beispiel für eine biaxiale Faserausrichtung.
  • 6 ist ein Beispiel für eine quasiisotrope Faserausrichtung.
  • 7 ist eine seitliche Einschnittansicht einer Zweiweg-LP-Dampfturbine, in der die Position der Rotorschaufeln der letzten Stufe gezeigt wird.
  • 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.
  • 9 ist eine Draufsicht einer Rotorschaufelquerschnitts-Konfiguration mit Mehrfachfenstern.
  • 10 ist eine partielle Seitenansicht einer Konfiguration des Verbundstoff-Füllmaterials, welches aus einer Vielzahl von Stoffschichten besteht.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.)
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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

Claims (10)

  1. Verfahren zur Reduzierung der Belastung in Turbinenrotorschaufeln (10), welche aus einem metallischen Grundmaterial bestehen, wobei das Verfahren die Auffüllung einer Tasche oder mehrerer Taschen (11) in der Rotorschaufel mit einem Verbundstoff (14) umfasst, welcher durchgehende Fasern (16) innerhalb einer Kunstharzmatrix (18) aufweist, wobei die Fasern eine Ausrichtung zeigen, die in Übereinstimmung mit einer zuvor ausgewählten Frequenzeinstellung der Laufschaufel bestimmt wurde.
  2. Angepasste Turbinenlaufschaufel (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Laufschaufel mindestens eine Rotorschaufel (10) umfasst, welche besteht aus: einem metallischen Grundmaterial mit einer Tasche oder mehreren Taschen (11), die mit einem Polymerverbundstoff (14) ausgefüllt sind, welcher durchgehende Fasern (16) aufweist, die innerhalb einer Kunstharzmatrix (18) gebunden sind, wobei die Fasern eine Ausrichtung zeigen, die in Übereinstimmung mit einer zuvor ausgewählten Frequenzeinstellung der Rotorschaufel bestimmt wurde.
  3. Eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln (20), jede gemäß Anspruch 2 und wobei jede eine Vielzahl von Rotorschaufeln (10) umfasst, die mindestens aus einer ersten Gruppe (22) von Laufschaufeln mit einer Vielzahl von Rotorschaufeln, die auf eine erste Frequenz eingestellt sind, und einer zweiten Gruppe (24) von Laufschaufeln, die auf eine andere, zweite Frequenz eingestellt sind, besteht, wobei die erste und die zweite Laufschaufelgruppe so zusammengebaut sind, dass eine vorbestimmte mechanische Dämpfung erreicht wird.
  4. Eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln (20) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Laufschaufeln aus der ersten Gruppe (22) und der zweiten Gruppe (24) besteht und die Laufschaufeln so zusammengebaut sind, dass die Laufschaufeln der ersten Gruppe sich mit den Laufschaufeln der zweiten Gruppe abwechseln.
  5. Eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln (20) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln dieselbe äußere aerodynamische Form und dasselbe Profil aufweist und die Laufschaufeln mindestens zwei Gruppen (22, 24) bilden, wobei jede Gruppe einen anderen Verbundstoff (14) innerhalb der Rotorschaufeln (10) aufweist.
  6. Eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln (20) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln dieselbe äußere aerodynamische Form und dasselbe Profil aufweist und die Laufschaufeln mindestens zwei Gruppen (22, 24) bilden, wobei eine Gruppe einen Verbundstoff in den Rotorschaufeln (10) aufweist, der mindestens eine größere Stärke oder eine größere Steifigkeit aufweist, als dies bei der anderen Gruppe oder den anderen Gruppen der Fall ist.
  7. Eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln (20) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln dieselbe äußere aerodynamische Form und dasselbe Profil aufweist und die Laufschaufeln mindestens zwei Gruppen (22, 24) bilden, wobei eine Gruppe Fasern (16) aufweist, die in eine andere Richtung ausgerichtet sind, als dies bei der anderen Gruppe oder den anderen Gruppen der Fall ist.
  8. Turbinenlaufschaufel (20) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundstoff (14) Fasern (16) aufweist, die in mindestens zwei Richtungen ausgerichtet sind, wobei mehr Fasern in eine erste, bevorzugte Richtung (36) als in eine andere, zweite Richtung (38) ausgerichtet sind.
  9. Turbinenlaufschaufel (20) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundstoff (14) eine Vielzahl von verschiedenen Schichten (40, 42) aus einem Stoffmaterial mit Fasern (16) umfasst, wobei die Fasern in den unterschiedlichen Schichten jeweils in andere Richtungen ausgerichtet sind.
  10. Eine Vielzahl von Turbinenlaufschaufeln (20) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundstoff (14) entweder eine quasiisotrope Wicklung oder zufällig ausgerichtete lange Fasern in einer Matrix (18) umfasst, wobei mindestens zwei unterschiedliche Sätze von Rotorschaufeln (10) in einer Konfiguration angeordnet sind, durch welche die Netto-Frequenzreaktion der Rotorschaufelreihe reduziert wird.
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