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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Gasturbinentechnologie und insbesondere
einen modifizierten Schaufel- und/oder
Scheiben-Schwalbenschwanz, der dafür gestaltet ist, den Schaufellastpfad
um eine die Spannung konzentrierende Einrichtung in der Scheibe,
auf der die Schaufel angebracht ist, herumzuleiten oder eine die
spannungskonzentrierende Einrichtung in der Schaufel selbst.
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Bestimmte
Gasturbinenlaufscheiben enthalten mehrere in Umfangsrichtung voneinander
beabstandete Schwalbenschwänze
um den äußeren Randbereich
der Scheibe, die zwischeneinander Schwalbenschwanzschlitze definieren.
Jeder der Schwalbenschwanzschlitze nimmt in Axialrichtung eine Laufschaufel
auf, die mit einem Schaufelblattabschnitt und einem zu den Schwalbenschwanzschlitzen
komplementär
ausgebildeten Laufschaufelschwalbenschwanz ausgebildet ist.
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Durch
Luft, die durch einen Kühlschlitz
in der Scheibe und durch in den Schwalbenschwanzabschnitten der
Schaufel ausgebildete Nuten oder Schlitze eintritt, können die
Schaufeln gekühlt
werden. Üblicherweise
erstreckt sich der Kühlschlitz
in Umfangsrichtung über
360° durch
die alternierenden Schwalbenschwänze
und Schlitze hindurch.
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Es
hat sich herausgestellt, dass Verbindungsstellen zwischen den Schaufelschwalbenschwänzen und
den Schwalbenschwanzschlitzen auf Grund von überragenden Schaufellasten
und einer spannungskonzentrierenden Geometrie potenziell die Lebensdauer
beschränkende
Stellen bilden. In der Vergangenheit wurden in bestimmten Turbinentriebwerken
Ausnehmungen oder Materialabtragungen an Schwalbenschwänzen verwendet,
um Spannungen abzubauen. Diese Abtragungsstellen waren jedoch von
ihrer Art unwesentlich und standen nicht in Beziehung zu dem hier
betreffenden Problem. Außerdem
waren die Stellen sowie die abgetragenen Materialmengen nicht dafür optimiert,
einen Ausgleich zwischen der Spannungsreduktion an der Scheibe,
der Spannungsreduktion an der Schaufel und der Nutzungsdauer der
Schaufeln herzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt somit ein Verfahren zur Reduktion
der Belastung an wenigstens entweder einer Turbinenlaufscheibe oder
einer Turbinenlaufschaufel oder beiden, wobei mehrere Turbinenschaufeln
an der Scheibe angebracht werden können und wobei jede der Turbinenschaufeln
einen Schaufelschwalbenschwanz aufweist, der in einen passend geformten
Schwalbenschwanzschlitz in der Scheibe eingesteckt bzw. in Eingriff
gebracht werden kann.. Das Verfahren kann umfassen: a) bezogen auf
eine Bezugslinie einen Anfangspunkt für eine Schwalbenschwanzabtragungsstelle
festzulegen, wobei der Anfangspunkt eine Länge der Schwalbenschwanzabtragung
entlang einer Schwalbenschwanzachse definiert; b) einen Schnittwinkel für die Schwalbenschwanzabtragung
festzulegen und c) Abtragung von Material entweder von dem Schaufelschwalbenschwanz
oder von dem Schwalbenschwanzschlitz in der Scheibe oder von beiden ent sprechend
dem Anfangspunkt und dem Schnittwinkel, um die Schwalbenschwanzabtragungsstelle zu
bilden. Der Anfangspunkt und der Schnittwinkel können entsprechend der Schaufel-
und der Scheibengeometrie optimiert werden, um einen Ausgleich zwischen
der Spannungsreduktion an der Scheibe, der Spannungsreduktion an
der Schaufel, einer zweckmäßigen Nutzungsdauer
der Turbinenschaufeln und der Aufrechterhaltung oder Verbesserung des
aeromechanischen Verhaltens der Turbinenschaufel zu maximieren.
Die Bezugslinie kann in einem festen Abstand zu einer Vorderseite
des Schaufelschwalbenschwanzes entlang einer Mittellinie der Schwalbenschwanzachse
positioniert sein, und der Schritt a) kann so ausgeführt werden,
dass der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung mindestens circa
1,645 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie beabstandet angeordnet ist.
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In
einigen Ausführungsformen
kann jede der Turbinenschaufeln für den Betrieb in einer ersten Stufe
einer 7FA-Turbine
konfiguriert sein. Der Schritt b) kann so ausgeführt werden, dass der Schnittwinkel maximal
3° beträgt. In anderen
Ausführungsformen kann
der Schritt b) so ausgeführt
werden, dass der Schnittwinkel circa 0,7° beträgt. Der feste Abstand der Bezugslinie
zu der Vorderseite des Schaufelschwalbenschwanzes beträgt circa
2,470 Zoll.
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In
einigen Ausführungsformen
kann die Optimierung des Anfangspunktes und des Schnittwinkels durch
Anwendung von Finite-Elemente-Analysen auf die Schaufel- und Scheibengeometrie
vorgenommen werden. Der Schritt b) kann so ausgeführt werden, dass
mehrere Schnittwinkel bestimmt werden, um die Schwalbenschwanzabtragung
mit einer nicht ebenen Oberfläche
zu definieren. Der Schritt c) kann ausgeführt werden, indem Material
von dem Schaufelschwalbenschwanz entfernt wird. In anderen Ausführungsformen
kann der Schritt c) durch Entfernen von Material von dem Schwalbenschwanzschlitz
in der Scheibe ausgeführt
werden. Der Schritt c) kann außerdem
ausgeführt
werden, indem Material von dem Schaufelschwalbenschwanz und von
dem Schwalbenschwanzschlitz in der Scheibe abgetragen wird. Der
Schritt c) kann ferner so ausgeführt werden,
dass ein aus dem von dem Schaufel-Schwalbenschwanz und von dem Schwalbenschwanzschlitz
in der Scheibe entfernten Material sich ergebender Winkel den Schnittwinkel
nicht übersteigt.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner eine Turbinenlaufschaufel,
die ein Schaufelblatt und einen Schaufelschwalbenschwanz enthalten kann,
wobei der Schaufelschwalbenschwanz passend zu einem Schwalbenschwanzschlitz
in einer Laufscheibe ausgebildet ist. Der Schaufelschwalbenschwanz
kann eine Schwalbenschwanzausnehmung bzw. -abtragungsstelle aufweisen,
die entsprechend der Laufschaufelgeometrie bemessen und angeordnet
ist, um einen Kompromiss bzw. Ausgleich zwischen einer Spannungsreduktion
an der Scheibe, einer Spannungsreduktion an der Schaufel, einer
Nutzungsdauer der Turbinenschaufeln und einer Aufrechterhaltung
oder Verbesserung des aeromechanischen Verhaltens der Turbinenschaufel
zu maximieren. Ein Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragungsstelle,
der eine Länge
der Schwalbenschwanzabtragungsstelle entlang einer Schwalbenschwanzachse
definiert, kann in Bezug auf eine Bezugslinie festgelegt werden,
die in einem festen Abstand zu einer Vorderseite des Laufschaufelschwalbenschwanzes
entlang einer Mittellinie der Schwalbenschwanzachse positioniert
ist. Der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung kann im Ab stand
von wenigstens etwa 1,645 Zoll in rückwärtiger Richtung zu der Bezugslinie
angeordnet sein.
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In
einigen Ausführungsformen
kann jede der Turbinenschaufeln für den Betrieb in einer ersten Stufe
einer 9FA-Turbine
konfiguriert sein. Ein Schnittwinkel der Schwalbenschwanzabtragungsstelle
kann maximal 3° betragen.
In bestimmten Ausführungsformen
kann ein Schnittwinkel der Schwalbenschwanzabtragung circa 0,7° betragen.
Der feste Abstand der Bezugslinie zu der Vorderseite des Schaufelschwalbenschwanzes
beträgt
circa 2,470 Zoll. In einigen Ausführungsformen kann die Schwalbenschwanzabtragung
eine nicht planare Oberfläche
haben.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner eine Turbinenlaufschaufel,
die ein Schaufelblatt und einen Schaufelschwalbenschwanz enthält, wobei
der Schaufelschwalbenschwanz passend zu einem Schwalbenschwanzschlitz
in einer Turbinenlaufscheibe ausgebildet ist. Jede der Turbinenschaufeln kann
für den
Betrieb in einer ersten Stufe einer 7FA-Turbine konfiguriert sein,
und der Schaufelschwalbenschwanz enthält eine Schwalbenschwanzabtragungsstelle.
Ein Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung, der eine Länge der
Schwalbenschwanzabtragung entlang einer Schwalbenschwanzachse definiert,
kann bezogen auf eine Bezugslinie festgelegt werden, die in einer
festen Entfernung von einer Vorderseite des Laufschaufelschwalbenschwanzes
entlang einer Mittellinie der Schwalbenschwanzachse angeordnet ist.
Der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung kann mindestens circa
1,645 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie beabstandet angeordnet sein. Ein Schnittwinkel
des Schwalbenschwanzhinterschnitts kann maximal etwa 3° betragen.
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In
einigen Ausführungsformen
kann ein Schnittwinkel der Schwalbenschwanzabtragung etwa 0,7° betragen.
Die feste Entfernung der Bezugslinie von der Vorderseite des Schaufelschwalbenschwanzes
kann etwa 2,470 Zoll betragen. Diese und weitere Merkmale der vorliegenden
Anmeldung erschließen
sich beim Durchsehen der folgenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit den Figuren und den angefügten Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Perspektivansicht eines beispielhaften Gasturbinenlaufscheibensegments
mit einer angebrachten Gasturbinenlaufschaufel;
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2 zeigt
eine Perspektivansicht der Druckseite der beispielhaften Gasturbinenschaufel;
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3 zeigt
eine Perspektivansicht der Saugseite der beispielhaften Gasturbinenschaufel;
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4-7 veranschaulichen
Nahansichten von Schaufel- oder Scheiben-Schwalbenschwanzbereichen,
worin Material abgetragen wird;
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8 und 9 veranschaulichen
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 1-Schaufel oder
-Scheibe in einer ersten Turbinenklasse eines ersten Typs (einer
6FA-Turbine);
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10 und 11 veranschaulichen
einen Bereich einer Stufe 1-Schaufel oder -Scheibe in der ersten
Turbinenklasse eines zweiten Typs (einer 6FA+e-Turbine), in dem
Material abgetragen wird;
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12 veranschaulicht
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 2-Schaufel oder
-Scheibe in der ersten Turbinenklasse eines zweiten Typs (der 6FA+e-Turbine);
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13 und 14 veranschaulichen
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 1-Schaufel oder
-Scheibe in einer zweiten Turbinenklasse eines ersten Typs (einer
7FA+e-Turbine);
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15 veranschaulicht
einen Materialabtragungsbereich für eine Druckseite einer Stufe 2-Schaufel
oder -Scheibe in der zweiten Turbinenklasse des ersten Typs (der
7FA+e-Turbine);
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16 veranschaulicht
einen Materialabtragungsbereich für eine Saugseite einer Stufe 2-Schaufel
oder -Scheibe in der zweiten Turbinenklasse des ersten Typs (der
7FA+e-Turbine);
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17 und 18 veranschaulichen
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 1-Schaufel oder
-Scheibe in einer dritten Turbinenklasse eines ersten Typs (einer
9FA+e-Turbine);
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19 veranschaulicht
einen Materialabtragungsbereich für eine Druckseite einer Stufe 2-Schaufel
oder -Scheibe in der dritten Turbinenklasse des ersten Typs (der
9FA+e-Turbine);
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20 veranschaulicht
einen Materialabtragungsbereich für eine Saugseite einer Stufe 2-Schaufel
oder -Scheibe in der dritten Turbinenklasse des ersten Typs (der
9FA+e-Turbine);
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21-30 veranschaulichen
die Festlegung der Bezugslinie W für die Schaufel oder Scheibe
jeder Stufe jeder Turbinenklasse und jedes Turbinentyps.
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31 und 32 veranschaulichen
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 1-Schaufel oder
-Scheibe in der dritten Turbinenklasse eines zweiten Typs (einer
9FA-Turbine);
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33 und 34 veranschaulichen
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 1-Schaufel oder
-Scheibe in der zweiten Turbinenklasse eines zweiten Typs (einer
7FA-Turbine)
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35 und 36 veranschaulichen
einen Materialabtragungsbereich für eine Stufe 2-Schaufel oder
-Scheibe in der zweiten Turbinenklasse des zweiten Typs (der 7FA-Turbine);
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
eine Perspektivansicht eines beispielhaften Gasturbinenlaufscheibensegments 10,
in dem eine Gasturbinenlaufschaufel 12 befestigt ist. Die
Gasturbinenscheibe 10 enthält einen Schwalbenschwanzschlitz 14,
der einen dazu passend geformten Schaufelschwalbenschwanz 16 aufnimmt,
um die Gasturbinenlaufschaufel 12 an der Laufscheibe 10 zu
sichern. 2 und 3 zeigen
entgegengesetzte Seiten eines unteren Abschnitts bzw. Fußabschnitts
der Gasturbinenschaufel 12, die ein Schaufelblatt 18 und
den Schaufelschwalbenschwanz 16 enthält. 2 veranschaulicht
eine so genannte Druckseite der Gasturbinenschaufel 12,
während 3 eine
so genannte Saugseite der Gasturbinenschaufel 12 veranschaulicht.
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Die
Schwalbenschwanz-Schlitze 14 werden üblicherweise als "Axialeinführungsschlitze" bezeichnet, insofern
als die Schwalbenschwänze 16 der Schaufeln 12 in
die Schwalbenschwanzschlitze 14 in einer im Wesentlichen
axialen Richtung, d. h. im Wesentlichen parallel, aber schräg zu der
Achse der Scheibe 10, eingeführt werden.
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Ein
Beispiel für
eine Einrichtung der Gasturbinenlaufscheibe, an der sich Spannungen
konzentrieren, bildet der Kühlschlitz.
Die stromaufwärtigen- oder
stromabwärtigen
Stirnflächen
der Schaufel und der Scheibe 10 können mit einem ringförmigen Kühlschlitz
versehen sein, der sich in Umfangsrichtung über volle 360° erstreckt
und durch den radial inneren Teil jedes Schwalbenschwanzes 16 und
Schwalbenschwanzschlitzes 14 führt. Es ist verständlich dass, wenn
die Schaufeln auf der Rotorscheibe 10 montiert sind, Kühlluft (z.
B. Verdichterauslassluft) zu dem Kühlschlitz ge führt wird,
der wiederum die radial inneren Teile der Schwalbenschwanzschlitze 14 mit
Kühlluft
versorgt, damit die Kühlluft
durch Nuten oder Schlitze (nicht dargestellt) geleitet wird, die
durch die Fußabschnitte
der Schaufeln 12 münden,
um das Innere der Schaufelblattabschnitte 18 der Laufschaufeln
zu kühlen.
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Ein
zweites Beispiel für
eine Spannungskonzentrationseinrichtung einer Gasturbinenlaufscheibe bildet
der Schaufelbefestigungsdrahtschlitz. Die stromaufwärtigen oder
stromabwärtigen
Stirnflächen der
Schaufel 12 und der Scheibe 10 können mit
einem ringförmigen
Halte- bzw. Befestigungsschlitz versehen sein, der sich in Umfangsrichtung über volle
360° erstreckt
und durch den radial inneren Abschnitt jedes Schwalbenschwanzes 16 und
Schwalbenschwanzschlitzes 14 führt. Es ist verständlich, dass,
wenn die Schaufeln auf der Rotorscheibe 10 montiert sind,
ein Schaufelbefestigungsdraht in den Schaufelbefestigungsdrahtschlitz
eingelegt wird, der wiederum für
eine axiale Halterung der Schaufeln sorgt.
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Die
hier beschriebenen Merkmale sind auf jede beliebige Verbindungsstelle
zwischen Schaufelblatt und Laufscheibe allgemein anwendbar. Die
in den 1-3 gezeigte Struktur ist lediglich
repräsentativ
für viele
verschiedene Scheiben- und Schaufelkonstruktionen in unterschiedlichen
Turbinenklassen. Zum Beispiel werden mindestens drei Gasturbinenklassen
mit Laufscheiben und Laufschaufeln verschiedener Größe und Konfiguration
von der General Electric Company ("GE")
aus Schenectady, New York, hergestellt. Diese umfassen: (1) eine
erste Turbinenklasse, GE's
6FA- und 6FA+e-Turbinen; (2) eine zweite Turbinenklasse, GE's 7FA- und 7FA+e-Turbinen
und (3) eine dritte Turbinenklasse, GE's 9FA- und 9FA+e-Turbinen. Jede Turbine
umfasst zusätzlich
mehrere Stufen in der Turbine mit unterschiedlichen Schaufel- und
Scheibengeometrien.
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Es
wurde festgestellt, dass die Anschluss- bzw. Verbindungsoberflächen zwischen
dem Schaufelschwalbenschwanz und dem Schwalbenschwanzschlitz 14 in
der Laufscheibe Spannungskonzentrationen ausgesetzt sind, die möglicherweise
die Lebensdauer reduzierende Stellen der Turbinenscheibe 10 und/oder
der Turbinenschaufel bilden. Es wäre wünschenswert, derartige Spannungs-
oder Belastungskonzentrationen zu verringern, um die Laufzeit der
Scheibe und/oder Schaufel zu maximieren, ohne die Lebensdauer oder
das aeromechanische Verhalten der Gasturbinenlaufschaufeln zu beeinträchtigen.
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Bezugnehmend
auf die 4-7 enthält der Schwalbenschwanz 16 der
Gasturbinenschaufel Druckflächen
oder Stege bzw. Nasen 20 auf der Druckseite des Schwalbenschwanzes
und eine Anzahl von Druckflächen
oder Stegen bzw. Nasen 20 auf der Saugseite des Schwalbenschwanzes.
In Abhängigkeit
von der Turbinenklasse und der Schaufel- und Scheibenstufe kann
eine Abtragungsstelle 22 an entweder dem hinteren Ende
der Saugseite und/oder dem vorderen Ende der Druckseite der Schaufelschwalbenschwanzstege 20 oder
der Scheibenschwalbenschwanzstege 21 (s. 1)
oder von beiden eingerichtet werden. Mit besonderem Bezug auf die 6 und 7 wird
die Abtragungsstelle bzw. Ausnehmung 22 ausgebildet, indem
Material von den Druckflächen 20 des
Schaufelschwalbenschwanzes 16 oder des Scheibenschwalbenschwanzschlitzes 14 abgetragen
wird. Das Material kann unter Anwendung jedes geeigneten Verfahrens
entfernt werden, wie beispielsweise eines Schleif- oder Fräsverfahrens
oder Ähnlichem,
das dasselbe oder ein ähnliches
Verfahren wie das entsprechende Verfahren sein kann, das zur Ausbildung
des Schaufelschwalbenschwanzes 16 oder des Scheibenschwalbenschwanzschlitzes 14 angewendet
wird.
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Die
abzutragende Materialmenge und damit die Größe der Abtragungsstelle 22 wird
bestimmt, indem zuerst ein Anfangspunkt für die Schwalbenschwanzabtragung
bezogen auf eine Bezugslinie festgelegt wird, wobei der Anfangspunkt
die Länge der
Schwalbenschwanzabtragung entlang der Schwalbenschwanzachse definiert.
Ferner wird ein Schnittwinkel für
die Schwalbenschwanzabtragung festgelegt, wobei der in den 6 und 7 gezeigte
beispielhafte Winkel maximal 3° beträgt. Der
Anfangspunkt und der Schnittwinkel werden entsprechend der Schaufel-
und der Scheibengeometrie optimiert, um einen Ausgleich zwischen
der Reduzierung der Beanspruchung der Gasturbinenscheibe 10, der
Reduzierung der Beanspruchung der Gasturbinenschaufel 12,
der Nutzungsdauer der Gasturbinenschaufel 12 und der Aufrechterhaltung
oder Verbesserung des aeromechanischen Verhaltens der Gasturbinenschaufel
zu maximieren. Wenn eine Schwalbenschwanzabtragungsstelle 22 zu
groß ist, hat
die Abtragung an sich eine negative Auswirkung auf die Lebensdauer
der Turbinenschaufel 12. Wenn die Schwalbenschwanzabtragung
zu klein ist, werden die Spannungskonzentrationen an der Verbindung
zwischen der Turbinenschaufel und der Scheibe nicht minimiert, so
dass, obwohl die Lebensdauer der Turbinenschaufel maximiert wird,
die Scheibe nicht von der maximierten Lebensdauer profitieren würde.
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Die
Abtragung 22 kann eben sein, oder die Abtragung 22' kann, wie in 6 durch
die gestrichelte Linie gezeigt, alternativ nicht eben sein. In diesem
Zusammenhang ist der Schnittwinkel als ein Anfangsschnittwinkel
definiert. In einigen Turbinenklassen ist der Schnittwinkel passend
von dem Anfangspunkt an, bis die Abtragung 22, 22' tief genug
ist, damit die Schaufellastseite des Schaufelschwalbenschwanzes 16 den
Kontakt mit dem Schwalbenschwanzschlitz 14 der Scheibe
verliert. Sobald kein Kontakt mit dem Scheibenschlitz 14 mehr
vorhanden ist, ist jeder Schnitt mit beliebiger Tiefe oder Form
außerhalb
der definierten Hülle
akzeptabel.
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Wie
oben erörtert,
kann ein Anfangspunkt und/oder Schnittwinkel für die Schwalbenschwanzabtragung
für jeden
der mehreren Stege bzw. Nasen gesondert festgelegt werden, wenn
der Schaufelschwalbenschwanz 16 und der Schwalbenschwanzschlitz 14 der
Scheibe über
eine Anzahl von Stegen bzw. Nasen 20 verfügen. In
einem ähnlichen,
oben bereits erwähnten
Zusammenhang können
die Schwalbenschwanzabtragungsstellen entweder in der Druck- oder
der Saugseite der Turbinenschaufel und/oder -scheibe oder in beiden
ausgebildet werden.
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Die
Optimierung des Anfangspunktes und des Schnittwinkels wird durch
Anwendung von Finite-Elemente-Analysen auf die Schaufel- und Scheibengeometrie
ermittelt. Auf Triebwerksdaten basierende virtuelle Wärmebelastungen
und strukturelle Lasten werden auf die Finite-Elemente-Gitter der Schaufel
und der Scheibe angewendet, um Triebwerksbetriebsbedingungen zu
simulieren. Unter Anwendung des Finite-Elemente-Modells werden die Geometrie
ohne Abtragungsstelle und eine Reihe verschiedener Abtragungsgeometrien
analysiert. Aus den Finite-Elemente-Analysen wird eine Übertragungsfunktion
zwischen der Abtragungsgeometrie und den Schaufel- und Scheibenspannungenn
abgeleitet. Die vorherge sagten Belastungen oder Spannungen werden
dann unter Verwendung proprietärer Materialdaten
mit Felddaten korreliert, um für
jede Abtragungsgeometrie die Schaufel- und Scheibenlebensdauer und
das aeromechanische Verhalten der Schaufel vorherzusagen. Die optimale
Abtragungsgeometrie und die Auswahl akzeptabler Abtragungsgeometrien
werden durch Berücksichtigung
sowohl der Schaufel- und Scheibenlebensdauer als auch des aeromechanischen
Verhaltens der Schaufel bestimmt.
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Die
Bezugsgrenze bzw. -linie W variiert auch entsprechend der Schaufel-
oder Scheibengeometrie. Die Bezugslinie W ist in einer festen Entfernung von
einer Vorderseite des Schaufel- oder Scheibenschwalbenschwanzes
entlang einer Mittellinie der Schwalbenschwanzachse positioniert.
Die 21-30 veranschaulichen die Festlegung
der Bezugslinie W für
jede der Turbinenklassen von General Electric, auf die oben Bezug
genommen wurde, und für
jede Schaufel- und Scheibenstufe. Zum Beispiel veranschaulicht 21 die
Definition der Bezugslinie W für
eine Schaufel und Scheibe der Stufe 1 in der ersten Turbinenklasse
einer ersten Bauart (der 6FA-Turbine), wobei sich die Bezugslinie
W im Abstand von 1,704 Zoll zu einer Vorderseite des Schaufel- und
Scheiben-Schwalbenschwanzes entlang der Mittellinie (Bezugspunkt
S) der Schwalbenschwanzachse befindet. 22 veranschaulicht
die Festlegung der Bezugslinie W für eine Schaufel und Scheibe
der Stufe 1 in der ersten Turbinenklasse einer zweiten Bauart (der
6FA+e-Turbine), wobei sich die Bezugslinie W um 1,698 Zoll entfernt
von einer Vorderseite des Schaufel- und Scheiben-Schwalbenschwanzes
entlang der Mittellinie (Bezugspunkt S) der Schwalbenschwanzachse
befindet. 23 veranschaulicht die Festlegung
der Bezugslinie W für eine
Stufe 2-Schaufel und -Scheibe in der ersten Turbinenklasse des zweiten
Typs (der 6FAte-Turbine), wo die Bezugslinie sich im Abstand von
1,936 Zoll zu einer Vorderseite des Schaufel- und Scheiben-Schwalbenschwanzes
entlang der Mittellinie (Bezugspunkt S) der Schwalbenschwanzachse
befindet.
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24 zeigt
das Maß als
2,470 Zoll für
die Stufe 1-Schaufel
und -Scheibe in der zweiten Turbinenklasse eines ersten Typs (die
7FA+e-Turbine). 25 zeigt als Maß 2,817
Zoll für
eine Stufe 2-Schaufel und -Scheibe in der zweiten Turbinenklasse
eines zweiten Typs (die 7FA+e-Turbine).
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26 zeigt
dieses Maß als
2,964 Zoll für die
Stufe 1-Schaufel und -Scheibe in der dritten Turbinenklasse eines
ersten Typs (die 9FA+e-Turbine). 27 zeigt
als Maß 3,379
Zoll für
eine Stufe 2-Schaufel und -Scheibe in der dritten Turbinenklasse
eines ersten Typs (die 9FA+e-Turbine). 28 zeigt
das Maß als
2,964 Zoll für
eine Stufe 1-Schaufel in der dritten Turbinenklasse eines zweiten
Typs (die 9FA-Turbine).
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29 zeigt,
wie das Maß 2,470
Zoll für
die Stufe 1-Schaufel
und -Scheibe in der zweiten Turbinenklasse eines zweiten Typs (die
7FA-Turbine) beträgt. 30 zeigt,
wie das Maß 2,817
Zoll für
eine Stufe 2-Schaufel und -Scheibe in der zweiten Turbinenklasse
des zweiten Typs (die 7FA-Turbine)
beträgt.
Die Bezugslinie W bietet einen identifizierbaren Referenzpunkt zum
Auffinden des optimierten Anfangspunkts der Schwalbenschwanzabtragungsstelle
für die
Schaufel und Scheibe jeder Stufe jeder Turbinenklasse.
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Die
Details hinsichtlich des optimierten Anfangspunkts und Schnittwinkels
für jede
jeweilige Schaufel- und Scheibenstufe sind nachstehend mit Bezug
auf die 8-20 und 31-36 beschrieben.
Wie angemerkt, wurden der optimierte Anfangspunkt und Schnittwinkel
für jede
Schwalbenschwanzabtragung unter Verwendung von Finite-Elemente-Analysen
ermittelt, um einen Ausgleich zwischen der Spannungsreduktion an
der Gasturbinenlaufscheibe, der Spannungsreduktion an den Gasturbinenlaufschaufeln,
einer Nutzungsdauer der Gasturbinenschaufeln und der Aufrechterhaltung
oder Verbesserung des aeromechanischen Verhaltens der Gasturbinenschaufel
zu maximieren. Obwohl spezifische Abmessungen beschrieben werden,
ist nicht notwendigerweise beabsichtigt, dass die Erfindung auf
derartige spezifische Abmessungen beschränkt sein soll. Die maximale
Schwalbenschwanzabtragung wird durch den veranschaulichten nominalen Abstand
zu dem Anfangspunkt von der Bezugslinie W gemessen. Durch die Finite-Elemente-Analysen wurde
ermittelt, dass eine größere Schwalbenschwanzabtragung
einen Verlust an akzeptabler Lebensdauer der Gasturbinenschaufel
zur Folge hätte. Bei
der Beschreibung der optimalen Abmessungen können gesonderte Werte für die einzelnen
Stege bzw. Nasen 20 des Schaufelschwalbenschwanzes 16 und/oder
der Schwalbenschwanzschlitze 14 der Scheibe ermittelt werden.
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8 und 9 veranschaulichen
die Werte für
die Stufe 1-Schaufel und -Scheibe in der ersten Turbinenklasse des
ersten Typs (die 6FA-Turbine), die drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
bzw. -nasen enthält,
die hier durch die allgemeine Breite zwischen den Stegsätzen gekennzeichnet
sind, wobei der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragungsstelle
sich bei dem breiten Steg mindestens 1,619 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W, bei dem mittleren Steg mindestens 1,552 Zoll in
rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W und bei dem schmalen Steg mindestens 1,419
Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W entfernt befindet. Der Schnittwinkel beträgt maximal
3°.
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10 und 11 veranschaulichen
die Werte für
die Stufe 1-Schaufel und -Scheibe in der ersten Turbinenklasse des
zweiten Typs (die 6FA+e-Turbine), die über drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
bzw. -nasen verfügt,
die hier durch die Hauptbreite zwischen den Stegsätzen gekennzeichnet
sind, wobei der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung sich
bei dem breiten und mittleren Steg mindestens 1,549 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W, und bei dem schmalen Steg mindestens 1,466
Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W entfernt befindet. Der Schnittwinkel beträgt maximal
3°. Die
Schaufel und Scheibe der Stufe 2 in der ersten Turbinenklasse des zweiten
Typs (der 6FA+e-Turbine), die über
drei Sätze
von Schwalbenschwanzstegen bzw. -nasen verfügt, die hier durch die Hauptbreite
zwischen den Stegsätzen
gekennzeichnet sind, ist in 12 dargestellt. 12 zeigt
einen Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung, der sich bei dem
breiten Steg im Abstand von mindestens 0,923 Zoll in rückwärtiger Richtung
zu der Bezugslinie W und bei dem mittleren Steg im Abstand von mindestens
1,654 Zoll in rückwärtiger Richtung
zu der Bezugslinie W befindet. Der Schnittwinkel beträgt maximal
5°.
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13 und 14 veranschaulichen
die Werte für
die Schaufel und Scheibe der Stufe 1 in der zweiten Turbinenklasse
des ersten Typs (der 7FA+e-Turbine), die drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
bzw. -nasen enthält.
Der An fangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung befindet sich im
Abstand von 1,945 Zoll in rückwärtiger Richtung
zu der Bezugslinie W, und der Schnittwinkel beträgt maximal 3°. Für die Druckseite
der Schaufel und Scheibe der Stufe 2 in der zweiten Turbinenklasse des
ersten Typs (der 7FA+e-Turbine), die über drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
bzw. -nasen verfügt,
die hier durch die Hauptbreite zwischen den Stegsätzen gekennzeichnet
sind, veranschaulicht 15 den Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung
bei dem breiten Steg in einer Entfernung von mindestens 1,574 Zoll
in Vorwärtsrichtung
von der Bezugslinie W, bei dem mittleren Steg bei mindestens 1,400
Zoll in Vorwärtsrichtung
von der Bezugslinie und bei dem schmalen Steg bei mindestens 1,226
Zoll in Vorwärtsrichtung
von der Bezugslinie. Der Schnittwinkel beträgt maximal 5°. Für die Saugseite
der Schaufel und Scheibe der Stufe 2 in der zweiten Turbinenklasse
des ersten Typs (der 7FA+e-Turbine), die über drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
verfügt,
wie in 1 dargestellt, befindet sich der Anfangspunkt
der Schwalbenschwanzabtragung mindestens 1,725 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie entfernt. Der Schnittwinkel beträgt maximal
5°. 17 und 18 veranschaulichen
die Schaufel und Scheibe der Stufe 1 in der dritten Turbinenklasse
des ersten Typs (der 9FA+e-Turbine), die über drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
bzw. -nasen verfügt,
wobei der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung sich mindestens
1,839 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W entfernt befindet. Der Schnittwinkel beträgt maximal
3°. Die
Druckseite der Stufe 2-Schaufel in der dritten Turbinenklasse des
ersten Typs (der 9FA+e-Turbine), die über drei Sätze von Schwalbenschwanzstegen
bzw. -nasen verfügt,
ist in 19 dargestellt. Der Anfangspunkt
der Schwalbenschwanzabtragung befindet sich mindestens 1,848 Zoll
in Vorwärtsrichtung
von der Bezugslinie W entfernt. Der Schnittwinkel beträgt maximal
5°. Die Saugseite
der Stufe 2-Schaufel in der dritten Turbinenklasse des ersten Typs
(der 9FA+e-Turbine), die über
drei Sätze
von Schwalbenschwanzstegen bzw. -nasen verfügt, ist in 20 dargestellt.
Der Anfangspunkt der Schwalbenschwanzabtragung befindet sich mindestens
2,153 Zoll in rückwärtiger Richtung
von der Bezugslinie W entfernt, und der Schnittwinkel beträgt maximal
5°.
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31 und 32 veranschaulichen
eine Schaufel und Scheibe der Stufe 1 für den zweiten Typ der dritten
Turbinenklasse (9FA) entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 31 zeigt
den Abtragungsbereich der Abtragungsstelle, der sich, wie dargestellt,
an dem hinteren Ende des Schwalbenschwanzes auf der Saugseite befindet.
Die Abtragungsstelle kann sich für jede
der drei Schwalbenschwanz-Druckflächen (d. h. Stege bzw. Nasen)
im Abstand von wenigstens etwa 1,539 Zoll in rückwärtiger Richtung zu der Bezugslinie
W befinden. Der Schnittwinkel kann zwischen circa 0° und 3° variieren.
In bestimmten Ausführungsformen
kann, wie in 32 dargestellt, der Schnittwinkel
circa 0,7° betragen.
Daher kann die Abtragungsstelle beispielsweise in einigen Ausführungsformen
an der oben beschriebenen Stelle unter einem Winkel von 0,7° in jede
Druckfläche
eintreten, um dann unter dem Winkel von 0,7° durch den restlichen Schwalbenschwanz
zu verlaufen.
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33 und 34 veranschaulichen
eine Schaufel und Scheibe der Stufe 1 für den zweiten Typ der zweiten
Turbinenklasse (7FA) entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 33 zeigt
den Abtragungsbereich der Abtragungsstelle, der sich, wie darge stellt;
an dem hinteren Ende der Saugseite des Schwalbenschwanzes befindet.
Die Abtragung kann sich für
jede der drei Schwalbenschwanz-Druckflächen (d. h. Stege bzw. Nasen)
um zumindest circa. 1,645 Zoll in rückwärtiger Richtung von der Bezugslinie
W entfernt befinden. Der Schnittwinkel kann zwischen circa 0° und 3° variieren.
In bestimmten Ausführungsformen kann,
wie in 34 dargestellt, der Schnittwinkel
circa 0,7° betragen.
Daher kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen die Abtragung
an der oben beschriebenen Stelle unter einem Winkel von 0,7° in jede
Druckseite übergehen
und dann unter dem Winkel von 0,7° durch
den restlichen Schwalbenschwanz weiter verlaufen.
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35 und 36 veranschaulichen
eine Schaufel und Scheibe der Stufe 1 für den zweiten Typ der zweiten
Turbinenklasse (7FA) entsprechend einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. 35 zeigt
den Materialabtragungsbereich der Abtragungsstelle, der sich, wie
dargestellt, an dem hinteren Ende des Schwalbenschwanzes auf der
Saugseite befindet. Die Abtragung kann sich für jede der drei Schwalbenschwanz-Druckflächen (d.
h. Stege bzw. Nasen) im Abstand von zumindest etwa 1,215 Zoll in
rückwärtiger Richtung
zu der Bezugslinie W befinden. Der Schnittwinkel kann zwischen etwa
0° und 3° variieren.
In bestimmten Ausführungsformen
kann, wie in 36 dargestellt, der Schnittwinkel
circa 2,0° betragen.
Daher kann beispielsweise in einigen Ausführungsformen die Abtragung
an der oben beschriebenen Position unter einem Winkel von 2,0° in jede
Druckfläche überflehen,
um dann unter dem Winkel von 2,0° durch
den restlichen Schwalbenschwanz weiter zu verlaufen.
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Es
wird erwartet, dass die Schwalbenschwanzabtragungen während einer
normalen Heißgaspfad-Inspektion
in einer Ein heit ausgebildet werden können. Mit dieser Einrichtung
sollte der Heißgaspfad
um den hoch beanspruchten Bereich in den die Spannungen konzentrierenden
Scheiben- und/oder Schaufelbestandteilen umgeleitet werden. Die
Entlastungsschnitt-Parameter, einschließlich eines auf eine Bezugslinie
bezogenen optimierten Anfangspunktes und eines optimierten Schnittwinkels, definieren
eine Schwalbenschwanzabtragungsstelle bzw. -abtragung, die den Ausgleich
zwischen einer Spannungsreduktion in der Gasturbinenscheibe, einer
Spannungsreduktion in den Gasturbinenschaufeln, einer zweckmäßigen Nutzungsdauer
der Gasturbinenschaufeln und einer Aufrechterhaltung oder Verbesserung
des aeromechanischen Verhaltens der Gasturbinenschaufel maximiert.
Die reduzierten Spannungskonzentrationen tragen dazu bei, Ausfälle in der
Gasturbinenscheibe zu reduzieren und schaffen dadurch einen signifikanten
Vorteil in Bezug auf die Dauerfestigkeit der gesamten Scheibe.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit denjenigen Ausführungsformen beschrieben wurde, die
gegenwärtig
als die praktikabelsten und bevorzugten angesehen werden, ist zu
beachten, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
sein soll, sondern es im Gegenteil beabsichtigt ist, dass sie verschiedene
Modifikationen und äquivalente
Anordnungen umfasst, die in dem Rahmen und Schutzumfang der angefügten Ansprüche enthalten
sind.
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Eine
Turbinenlaufschaufel 12, die ein Schaufelblatt 18 und
einen Laufschaufelschwalbenschwanz 16 enthalten kann, wobei
der Schaufelschwalbenschwanz 16 passend zu einem Schwalbenschwanzschlitz
in einer Turbinenlaufscheibe 10 ausgebildet ist. Der Schaufelschwalbenschwanz 16 kann
einen Schwalbenschwanzausschnitt bzw. eine Schwalbenschwanzabtra gungsstelle 22 aufweisen, der
bzw. die entsprechend der Schaufelgeometrie bemessen und positioniert
ist, um einen Kompromiss zwischen einer Reduzierung der Beanspruchung
an der Scheibe 10, einer Reduzierung der Beanspruchung
an der Schaufel 12, einer Nutzungsdauer der Turbinenschaufel 12 und
einer Aufrechterhaltung oder Verbesserung des aeromechanischen Verhaltens
der Turbinenschaufel 12 zu maximieren. Ein Anfangspunkt
für die
Schwalbenschwanzabtragung 22, der eine Länge der
Schwalbenschwanzabtragung 22 entlang einer Schwalbenschwanzachse
definiert, kann in Bezug auf eine Bezugslinie festgelegt werden,
die entlang einer Mittellinie der Schwalbenschwanzachse in einem
festen Abstand zu einer Vorderseite des Schaufelschwalbenschwanzes 16 positioniert
ist. Der Abstand des Anfangspunktes der Schwalbenschwanzabtragung 22 zu
der Bezugslinie kann in rückwärtiger Richtung
wenigstens etwa 1,645 Zoll betragen.
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- 10
- Gasturbinenlaufscheibensegment
- 12
- Turbinenlaufschaufel
- 14
- Schwalbenschwanzschlitz
- 16
- Laufschaufelschwalbenschwanz
- 18
- Schaufelblatt
- 20
- Stege
bzw. Nasen des Schaufelschwalbenschwanzes
- 21
- Stege
bzw. Nasen des Scheibenschwalbenschwanzes
- 22
- Abtragung
bzw. Abtragungsstelle