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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Gasturbinentriebwerke
und insbesondere Turbinenlaufschaufeln darin.
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In
einem Gasturbinentriebwerk wird Luft in einem Verdichter unter Druck
gesetzt und mit Brennstoff zum Erzeugen von Verbrennungsgasen in
einer Brennkammer vermischt.
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Verschiedene
Turbinenstufen entziehen den Verbrennungsgasen Energie, um das Triebwerk
anzutreiben und Arbeit zu erzeugen.
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Eine
Hochdruckturbine (HPT) folgt unmittelbar der Brennkammer und entzieht
Energie aus den heißesten
Verbrennungsgasen, um den stromaufwärts befindlichen Verdichter über eine
Antriebswelle anzutreiben. Eine Niederdruckturbine (LPT) folgt der HPT
und entzieht zusätzliche
Energie aus den Verbrennungsgasen, um eine weitere Antriebswelle
anzutreiben. Die LPT treibt einen stromaufwärts befindlichen Bläser in einer
Turbobläser-Flugzeugtriebwerksanwendung
an, oder treibt eine externe Welle für Schiffs- und Industrieanwendungen
an.
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Triebwerkswirkungsgrad
und spezifischer Brennstoffverbrauch (FSC) sind die wichtigsten
Auslegungsvorgaben in modernen Gasturbinentriebwerken. Die verschiedenen
Turbinen rotorlaufschaufeln und deren entsprechenden Düsenleitschaufeln
besitzen genau konfigurierte aerodynamische Oberflächen, um
die Geschwindigkeits- und Druckverteilungen darüber zum Maximieren des aerodynamischen Wirkungsgrades
zu steuern.
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Die
entsprechenden Schaufelblätter
der Laufschaufeln und Leitschaufeln besitzen im Wesentlichen konkave
Druckseiten und im Wesentlichen konvexe Saugseiten, die sich axial
in Sehnenrichtung zwischen gegenüberliegenden
Vorder- und Hinterkanten
erstrecken. Das Schaufelblatt besitzt ein sichelförmiges Profil
im radialen Querschnitt, welcher rasch in der Breite von der Vorderkante
bis zu einem Bereich maximaler Breite zunimmt und dann allmählich in
der Breite zu der Hinterkante abnimmt.
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Die
in Umfangsrichtung oder quer gegenüberliegenden Seiten der Schaufelblätter erstrecken sich
ebenfalls radial in Spannenrichtung vom Fuß bis zur Spitze. Die Schaufelblätter besitzen
typischerweise durch Gießen
von Superlegierungsmetallen erzeugte dünne Seitenwände mit internen Kühlkreisläufen mit
verschiedenen Ausführungsformen,
welche alle spezifisch zum effizienten Kühlen der Schaufelblätter während des
Betriebs unter gleichzeitiger Maximierung des Wirkungsgrades ausgelegt
sind.
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Jedoch
ist die aerodynamische Auslegung von Turbinenschaufelblättern im
Hinblick auf die dreidimensionalen 3D Konfigurationen der einzelnen Schaufelblätter in
deren vollständigen
Reihen, und die entsprechend komplexen Durchflussströmungen der
zwischen den Schaufelblättern
während
des Betriebs hindurchgeführten
Verbrennungsgase außergewöhnlich komplex.
Zu dieser Komplexität
der Auslegung und der Umgebung kommen die speziellen Strömungsfelder
um die radial äußeren Spitzen
der Turbinenlaufschaufeln hinzu, welche mit hoher Geschwindigkeit
innerhalb eines umgebenden feststehenden Deckbandes während des
Betriebs rotieren.
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Der
Betriebszwischenraum oder Abstand zwischen den Schaufelblattspitzen
und den Turbinendeckbändern
sollte so klein wie möglich
sein, um eine Leckage des Verbrennungsgasstroms dadurch zu verhindern,
während
gleichzeitig eine thermische Ausdehnung und Zusammenziehung der
Laufschaufeln und Deckbänder
ohne unerwünschte
Reibvorgänge
zwischen den rotierenden Spitzen und dem feststehenden Deckband
zugelassen werden soll.
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Während des
Betriebs treiben die Laufschaufeln in einer Turbinenreihe die tragenden
Rotorscheiben in Rotation an, wobei die Schaufelblattsaugseite der
gegenüberliegenden
Schaufelblattdruckseite voreilt. Die Schaufelblätter sind typischerweise von
Fuß zur
Spitze in der radialen Richtung von dem Durchmesser der Rotorscheiben
aus verwunden, und die Vorderkanten zeigen stromaufwärts schräg zur axialen
Mittellinienachse des Triebwerks, um den schrägen Auslassverwirbelungswinkel
der damit zusammenarbeitenden Düsenleitschaufeln
zu entsprechen.
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Die
Verbrennungsgase strömen
im Wesentlichen in axialer Stromabwärtsrichtung wobei eine Umfangs-
oder Tangentialkomponente zuerst mit dem Schaufelblattvorderkanten
in einer ersten Strömungsrichtung
in Eingriff kommt, und dann die Schaufelblätter über deren Hinterkanten in einer
anderen Strömungsrichtung
verlässt.
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Die
Druck- und Saugseiten der Schaufelblätter haben entsprechend unterschiedliche
3D Profile, um den Differenzdruck zwischen ihnen und die Energieentnahme
aus den heißen
Verbrennungsgasen zu maximieren. Die konkave Druckseite und die
konvexe Saugseite bewirken unterschiedliche Geschwindigkeits- und
Druckverteilungen darüber,
welche dementsprechend zwischen den Vorder- und Hinterkanten, und
von Fuß bis
zur Spitze variieren. Jedoch verrichten die Verbrennungsgase, welche über den Schaufelblattspitzen
in dem erforderlichen Spitzenzwischenraum lecken, falls überhaupt,
wenig Nutzarbeit.
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Ferner
verkomplizieren die freiliegenden Laufschaufelspitzen die Turbinenlaufschaufelauslegung,
welche daher von den Verbrennungsgasen, welche darüber während des
Betriebs lecken, umspült
werden und eine entsprechende Kühlung
erfordern, um eine lange Betriebslebensdauer der Turbinenlaufschaufeln
während
des Betriebs sicherzustellen.
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Eine
moderne Turbinenlaufschaufelauslegung beinhaltet typischerweise
Reibspitzenrippen, welche kleine radiale Verlängerungen der Druck- und Saugseiten
des Schaufelblattes von der Vorderkante bis zur Hinterkante sind.
Die Spitzenrippen haben typischerweise einen rechteckigen Querschnitt
und sind quer oder in Umfangsrichtung beabstandet, um einen offenen
Spitzenhohlraum an der Spitze des Schaufelblattes zu definieren,
welcher einen einteiligen Spitzenboden enthält, der das typischerweise hohle
Schaufelblatt und den internen Kühlkreislauf darin
verschließt.
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Die
kleinen Spitzenrippen stellen in dem Falle eines Spitzenreibvorgangs
Opfermaterial bereit, um den Spitzenboden und den internen Kühlkreislauf vor
unerwünschter
Be schädigung
zu schützen.
Die Spitzenrippen erhöhen
die Komplexität
des Verbrennungsgas-Strömungsfeldes
indem sie lokale sekundäre
Felder einführen,
die den Turbinenwirkungsgrad, die Strömungsleckage und die Spitzenkühlung beeinflussen.
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Die
primäre
Strömungsrichtung
der Verbrennungsgase ist die axial stromabwärts gerichtete Richtung in
den zwischen benachbarten Laufschaufeln definierten Strömungskanälen. Die
axiale Durchflussströmung
variiert auch entlang der radialen Richtung vom Fuß bis zur
Spitze jedes Schaufelblattes. Und diese axialen und radialen Durchflussschwankungen
werden weiter über
der Schaufelblattspitze vermischt, wo die Verbrennungsgase zwischen
den Druck- und Saugseiten jedes Schaufelblattes lecken.
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Demzufolge
ist der Stand der Technik reich an verschiedenen Konfigurationen
von Turbinenlaufschaufelspitzen, die sich mit unterschiedlichen
den Turbinenwirkungsgrad, die Spitzenleckage und Spitzenkühlung beinhaltenden
Problemen und Verhaltensbetrachtungen befassen. Diese drei wichtigen Betrachtungen
sind wenigstens teilweise voneinander abhängig, aber die komplexen 3D
Strömungsfelder über den
unterschiedlichen Druck- und Saugseiten an der Schaufelblattspitze
und zwischen den Vorder- und Hinterkanten machen deren Berechnung ziemlich
komplex.
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Jedoch
enthält
moderne Computer-Fluiddynamik (CFD) leistungsfähige Software, welche die Fähigkeit
verbessert, mathematisch komplexe 3D Durchflussströmungen in
Gasturbinentriebwerken zu analysieren und stellt einen Mechanismus
bereit, aus welchem weitere Verbesserungen in der Turbinenlaufschaufelkonstruktion
realisiert werden können.
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Beispielsweise
ist es erwünscht,
die Auslegung von Turbinenlaufschaufelspitzen durch Reduzieren der
Spitzenströmungsleckage
zu verbessern, oder den Turbinenwirkungsgrad zu steigern oder die Spitzenkühlung oder
irgendeine Kombination dieser Faktoren entweder getrennt oder zusammen
zu verbessern.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Turbinenlaufschaufel enthält
ein Schaufelblatt mit ersten und zweiten Spitzenrippen, die sich entlang
ihrer gegenüberliegenden
Druck- und Saugseiten erstrecken. Die Spitzenrippen sind zwischen den
Vorder- und Hinterkanten des Schaufelblattes in Abstand angeordnet,
so dass sie eine dreigabelige Spitzentrennwand enthalten, die einen
Dreifachbogen-Spitzenhohlraum definiert.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung gemäß bevorzugten
und exemplarischen Ausführungsformen
zusammen mit ihren weiteren Aufgaben und Vorteilen wird ausführlicher
in der nachstehenden detaillierten Beschreibung in Verbindung mit
den beigefügten
Zeichnungen beschrieben, in welchen:
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1 eine
teilweise aufgeschnittene isometrische Ansicht einer exemplarischen
Turbinenrotorlaufschaufel ist.
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2 eine
radiale Querschnittsansicht durch das in 1 dargestellte
Schaufelblatt und entlang der Linie 2-2 ist.
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3 eine
vergrößerte isometrische
Ansicht der in 1 dargestellten Schaufelblattspitze
ist.
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4 eine
quer verlaufende radiale Querschnittsansicht durch die in 1 dargestellte
Laufschaufelspitze und entlang der Linie 4-4 ist.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 stellt
eine exemplarische Turbinenrotorlaufschaufel 10 der ersten
Stufe zur Verwendung in der HPT eines Gasturbinentriebwerks dar.
Die Schaufel ist typischerweise aus einem Superlegierungsmetall
mit einem Schaufelblatt 12, einer Plattform 14 an
dessen Fuß und
einem tragenden Schwalbenschwanz 16 in einer integrierten
einteiligen Anordnung gegossen.
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Der
Schwalbenschwanz 16 kann jede herkömmliche Form haben, wie zum
Beispiel die des in 1 dargestellten Axialeintritt-Schwalbenschwanzes,
welcher das Schaufelblatt in einem entsprechenden Schwalbenschwanzschlitz
in dem Umfang einer (nicht dargestellten) tragenden Rotorscheibe befestigt.
Die Scheibe trägt
eine vollständige
Reihe der in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Laufschaufeln,
um Strömungskanäle zwischen
dem Laufschaufeln zu definieren.
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Während des
Betriebs werden Verbrennungsgase 18 in der Brennkammer
des (nicht dargestellten) Triebwerks erzeugt und geeignet stromabwärts über die
entsprechenden Turbinenlaufschaufeln 10 geführt, welche
daraus Energien entziehen, um die sie unterstützende Rotorscheibe anzutreiben. Die
individuelle Plattformen 14 stellt eine radiale innere
Be grenzung für
die Verbrennungsgase bereit und liegen an angrenzenden Plattformen
in der vollständigen
Reihe der Turbinenlaufschaufeln an.
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Das
in den 1 und 2 dargestellte Schaufelblatt 12 enthält in Umfangsrichtung
oder Querrichtung gegenüberliegende
Druck- und Saugseiten 20, 22 welche sich axial
in Sehnenrichtung zwischen gegenüberliegenden
Vorder- und Hinterkanten 24, 26 erstrecken, und
erstreckt sich radial in Spannenrichtung von dem Schaufelblattfuß 28 weg, um
in einer radial äußeren Spitzenkappe
oder Spitze 30 zu enden. Die Schaufelblattdruckseite 20 ist
im Wesentlichen zwischen den Vorder- und Hinterkanten konkav und
entspricht der im Wesentlichen konvexen Schaufelblattsaugseite 22 zwischen
den Vorder- und Hinterkanten.
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Die
Außenoberflächen der
Druck- und Saugseiten 20, 22 des Schaufelblattes
haben die typische sichelförmige
Form oder das Profil, das herkömmlicherweise
zur Bewirkung entsprechender Geschwindigkeits- und Druckverteilungen
der Verbrennungsgase darüber
während
des Betriebs zur Maximierung des Energieentzugs aus den Gasen konfiguriert
ist.
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Das
Schaufelblatt 12 ist typischerweise hohl und enthält einen
internen Kühlkreislauf 32,
welcher jede herkömmliche
Konfiguration haben kann, wie zum Beispiel die zwei dargestellten
Dreifachdurchlauf-Serpentinenkreisläufe, die in entsprechenden Strömungskanälen hinter
der Vorderkante und vor der Hinterkante enden. Der Kühlkreislauf
erstreckt sich durch die Plattform und den Schwalbenschwanz mit
entsprechenden Einlässen
in der Basis des Schwalbenschwanzes, um Druckkühlluft 34 aus dem (nicht
dargestellten) Verdich ter des Triebwerks in beliebiger herkömmlicher
Weise aufzunehmen.
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Auf
diese Weise wird die Laufschaufel intern vom Fuß bis zur Spitze und zwischen
den Vorder- und Hinterkanten durch die Innenkühlluft gekühlt, welche dann durch die
dünnen
Schaufelblattseitenwände
in verschiedenen Reihen von Filmkühlungslöchern herkömmlicher Größe und Konfiguration ausgegeben
werden kann.
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Da
die Vorderkante des Schaufelblattes typischerweise den heißesten ankommenden
Verbrennungsgasen ausgesetzt ist, wird deren spezielle Kühlung in
beliebiger geeigneter Weise bereitgestellt. Außerdem enthält der dünne Hinterkantenbereich des Schaufelblattes
typischerweise eine Reihe von Druckseiten-Hinterkantenkühlschlitzen
zum Ausgeben eines Teils der verbrauchten Kühlluft.
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Wie
vorstehend beschrieben, besitzt das anfangs in 1 dargstellte
Turbinenschaufelblatt 12 ein genau konfiguriertes 3D Außenprofil
welches dementsprechend die Geschwindigkeits- und Druckverteilungen
der Verbrennungsgase 12 beeinflusst, sobald diese in der
axialen Stromabwärtsrichtung von
den Vorder- zu den Hinterkanten 24, 26 strömen. Die
Laufschaufeln sind an dem Umfang der Unterstützungsscheibe angebracht und
rotieren während des
Betriebs, was sekundäre
Strömungsfelder
in dem Verbrennungsgas mit typischerweise radial auswärts gerichteter
Migration der Verbrennungsgase entlang der Spannenrichtung des Schaufelblattes
generiert.
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Ferner
ist der relative Druck der Verbrennungsgase auf der Druckseite des
Schaufelblattes höher
als der Druck ent lang der Saugseite des Schaufelblattes und bringt
zusammen mit der entsprechenden Rotation des Schaufelblattes weitere sekundäre oder
tertiäre
Auswirkungen in dem Verbrennungsgasströmungsfeld mit sich, sobald
es radial nach oben und über
die freiliegende Schaufelblattspitze 30 während des
Betriebs strömt.
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Die
vorstehend beschriebene Rotorlaufschaufel kann in Konfiguration
und Betrieb zur Verwendung in einem Gasturbinentriebwerk, einschließlich beispielsweise
der ersten Stufe der HPT, herkömmlich
sein. Die herkömmliche
Laufschaufel kann dann wie hierin nachstehend beschreiben, an der Schaufelblattspitze 30 modifiziert
werden, so dass sie erste und zweite Reibspitzenrippen 36, 38 enthält, welche
radial einteilige Verlängerungen
der Druck- und Saugseiten beziehungsweise Seitenwände 20, 22 des
Schaufelblattes sind, und im Profil oder in der Krümmung damit übereinstimmen.
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Die
erste oder Druckseitenrippe 36 entspricht in Sehnenrichtung
der Form oder dem Profil der konkaven Druckseite 20 des
Schaufelblattes und demzufolge entspricht die zweite oder Saugseitenrippe 38 im
Sehnenprofil der konvexen Saugseite 22 des Schaufelblattes.
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Gemäß Darstellung
in den 1 bis 3 enthält das Schaufelblatt auch einen
Spitzenboden 40, welcher die gegenüberliegenden Seiten 20, 22 überdruckt,
um den Innenkühlkreis 32 zu
verschließen.
Der Spitzenboden 40 ist typischerweise geschlossen, kann
jedoch auch kleine Kühllöcher oder (nicht
dargestellte) Staublöcher
für die
Ausgabe eines Teils der verbrauchten Luft aus dem Innenkühlkreis
in einer beliebigen herkömmlichen
Weise enthalten.
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Die
zwei Rippen 36, 38 erstrecken sich radial von
dem gemeinsamen Spitzenboden 40 als Fortsetzungen oder
Verlängerungen
der entsprechenden Seitenwände
des Schaufelblattes, welche deren gegenüberliegenden Druck- und Saugseiten
definieren, nach außen.
Die zwei Rippen 36, 38 sind in einem Stück miteinander
an den gegenüberliegenden
Vorder- und Hinterkanten 24, 26 des Schaufelblattes
verbunden und stellen eine volle Umfangsverlängerung der aerodynamischen
Druck- und Saugseiten des Schaufelblattes bereit.
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Zwischen
den Vorder- und Hinterkanten sind die zwei Rippen 36, 38 in
Quer- oder Umfangsrichtung so beabstandet angeordnet, dass sie eine
dreigabelige oder Dreigabeln-Spitzentrennwand
oder Rippe enthalten, die einen Dreifachbogen- oder Dreiöffnungs-Spitzenhohlraum
definiert, der offen über dem
Spitzenboden 400 liegt. Die dreigabelige Trennwand enthält drei
Trennwandschenkel 42, 44, 46, welche
sich axial oder in Sehnenrichtung zwischen den Vorder- und Hinterkanten
erstrecken, und der Dreibogen-Spitzenhohlraum enthält drei
entsprechende Spitzenhohlräume
oder Taschen 48, 50, 52, welche durch
die drei Schenkel und die zwei Reibspitzen definiert werden.
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Die
Spitzentrennwand ist insbesondere in einem Gegenprofil oder einer
Gegenkontur zu der konvexen zweiten Rippe 38 konfiguriert,
um die gesamte Schaufelblattspitze in drei Hohlraumabschnitte zu unterteilen,
so dass die drei entsprechenden Taschen 48, 50, 52 sich
seitlich überlappen
oder aber einander angrenzen, um das Dichtverhalten der Schaufelblattspitze
zu verbessern.
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Das
Schaufelblatt 12 ist in einem radialen Querschnitt in 2 mit
dem typischen Sichelprofil und Zunahmen in der Querbreite W hinter
der Vorderkante 24 bis zu einer maximalen Breite bei einem
Buckel 54 in der konvexen Saugseite 22 dargestellt.
Von dem Buckel läuft
das Schaufelblatt dann wie erforderlich nach hinten zu der Hinterkante 26 zusammen, um
das aerodynamische Verhalten aufgrund der variierenden Geschwindigkeits-
und Druckverteilungen in den unterschiedlichen Bereichen entlang
den zwei Rippen 36, 38 von den Vorder- zu den
Hinterkanten 24, 26 zu maximieren.
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Die
Druckseite 20 des Schaufelblattes ist am stärksten entlang
ihres vorderen Abschnittes konkav und ergänzt aerodynamisch die Schaufelblattsaugseite 22,
welche am stärksten
um ihren den Buckelbereich enthaltenden vorderen Abschnitt konvex
ist. Von der Rückseite
des Buckels läuft
das Schaufelblatt nach hinten zu der gemeinsamen Hinterkante zusammen,
wobei der hintere Abschnitt der Druck- und Saugseiten weniger Krümmung hat
und sich im Wesentlichen geraden Sehnenprofilen in der Nähe der dünnen Hinterkante
annähert.
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Die
dreischenklige Spitzentrennwand wird zur Unterteilung des Spitzenhohlraums
in drei einzelne Öffnungen
zwischen den umgebenden Reitspitzen 36, 38, welche
unterschiedlich mit den verschiedenen Bereichen um die Druck- und Saugseiten der Rippen
zusammenarbeiten, verwendet. Insbesondere erstrecken sich die drei
Schenkel 42, 44, 46 radial seitlich von
einem gemeinsamen einteiligen Verbindungspunkt der entsprechenden
zentral angeordneten Enden der Schenkel nach außen.
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Der
gemeinsame Verbindungspunkt befindet sich in dem Bereich der maximalen
Breite der Schaufelblattspitze im Wesentlichen in einem Abstand
in der Mitte zwischen den zwei Rippen 36, 38.
Und die drei Schenkel besitzen entsprechende gegenüberliegende
Enden, die in einem Stück
mit geeigneten Stellen der zwei Rippen 36, 38 verbunden
sind.
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Auf
diese Weise definieren die drei Schenkel die drei Spitzentaschen.
Und die drei Spitzentaschen 40, 50, 52 erstrecken
sich entsprechend radial oder seitlich von den gemeinsamen Verbindungspunkt
sowohl zwischen den ersten und zweiten Rippen 36, 38 als
auch in Sehnenrichtung zwischen den Vorder- und Hinterkanten 24, 26 nach
außen.
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Gemäß Darstellung
in dem radialen Querschnitt in 4 ist die
Schaufelblattspitze 30 in geeigneter Weise innerhalb eines
in relevanten Teilen dargestellten, herkömmlichen Turbinendeckbandes 56,
montiert, um einen relativ kleinen radialen Zwischenraum oder Abstand
dazwischen zu erzeugen. Die Verbrennungsgase 18 lecken
während
des Betriebs über
die Druckseite 20 des Schaufelblattes, durch den radialen
Zwischenraum und werden über die
Saugseite 22 mit dem niedrigeren Druck des Schaufelblattes
ausgegeben.
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Jeder
von den Trennwandschenkeln besitzt einen rechteckigen Seitenquerschnitt
und erstreckt sich senkrecht aus dem Spitzenboden. Die ersten und
zweiten Rippen 36, 38 und die Spitzentrennwand erstrecken
sich in gemeinsamer Höhe
oder Spanne aus dem Spitzenboden 40, um einen im Wesentlichen
konstanten radialen Abstand zu der Innenoberfläche des umgebenden Turbinendeckbandes 56 zu erzeugen.
Die in den 1, 3 und 4 dargestellten
Außenoberflächen der
Schaufelblattspitze sind daher zueinander komplanar, um einen engen Dichtungssitz
mit dem umgebenden Deckband zu erzeugen.
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3 stellt
eine bevorzugte Konfiguration der dreigabeligen Spitzentrennwand
und ihrer Unterteilung der Schaufelblattspitze entlang ihren Druck- und
Saugseiten dar. Die ersten zwei vorderen Schenkel 42, 44 definieren
den Kopf oder Y-Abschnitt der Spitzentrennwand und beginnen in der
Nähe der Schaufelblattvorderkante.
Der hintere dritte Schenkel definiert die Basis oder den Stamm der
Spitzentrennwand und endet in der Nähe der Hinterkante.
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Insbesondere
verbindet das distale Ende des ersten Schenkels 42 die
zwei Rippen 36, 38 in der Nähe ihres gemeinsamen Verbindungspunktes an
der Vorderkante 24.
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Der
zweite Schenkel 44 beginnt entlang der Saugseite des Schaufelblattes
in Sehnenrichtung zwischen der Vorderkante 24 und dem Buckel 54 mit einem
geeigneten Zwischenabstand zwischen diesen. Das distale Ende des
zweiten Schenkel 44 verbindet sich bevorzugt mit der zweiten
Rippe 38 in der Nähe
des Buckels 54, um die erste Tasche 48 mit dem
ersten Schenkel 42 auszubilden, und die erste Tasche läuft hinter
der zweiten Rippe 38 zusammen.
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Der
dritte Schenkel 46 endet bevorzugt entlang der Saugseite
in Sehnenrichtung hinter dem Buckel 54 und vor der Hinterkante 26 an
einem geeigneten Zwischenabstand zwischen diesen. Das distale Ende
des dritten Schenkels 46 verbindet sich in einem Stück mit der
zweiten Rippe 38, um an seinen gegenüberliegen Seiten die zweite
Spitzentasche 50 mit der ersten Rippe 36, und
die dritte Spitzentasche 52 mit der zweiten Rippe 38 zu
definieren. Die zweite Tasche 50 läuft nach hinten zu ihrem hinteren
Ende hin zusammen und die dritte Tasche 52 läuft nach hinten
zu ihrem hinteren Ende hin zusammen.
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Da
der dritte Schenkel 46 in einem Stück mit der zweiten Rippe 38 im
Wesentlichen in der Mitte zwischen dem Buckel 54 und der
Hinterkante 26 endet, setzt sich die zweite Tasche 50 hinter
diesem Endverbindungspunkt und hinter der dritten Tasche 52 fort,
welche an diesem Verbindungspunkt endet.
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Die
erste Tasche 48 ist seitlich durch den ersten und zweiten
Schenkel 42, 44 begrenzt, welche von der zweiten
Rippe 38 aus zusammenlaufen, um sich mit dem dritten Schenkel 46 zu
vereinen. Die zweite Tasche 50 ist intern durch die erste
Rippe 36 und den sich in gleicher Richtung erstreckenden
ersten und dritten Schenkel 42, 46 begrenzt. Und
die dritte Tasche 52 ist seitlich durch die zweite Rippe 38 und
den sich in gleicher Richtung erstreckenden zweiten und dritten
Schenkel 44, 46 begrenzt.
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Da
das Schaufelblatt 12 die konkave Druckseite 20 und
die gegenüberliegende
konvexe Saugseite 22 besitzt, sind der sich in gleicher
Richtung erstreckende erste und zweite Schenkel 42, 46 zusammen
zu der zweiten Tasche 50 und der Druckseite 20 hin
konkav und liegen der konkaven ersten Rippe 36 in einem ähnlichen
konkaven Sehnenprofil dazu gegenüber.
Jedoch liegen der sich in gleicher Richtung erstreckende zweite
und dritte Schenkel 44, 46 der konvexen zweiten
Rippe 38 in einem gegenläufigen oder gegenkonkaven Sehnenprofil
dazu gegenüber.
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Der
gemeinsame dritte Schenkel 46 vereint sowohl den ersten
als auch zweiten Schenkel 22, 44 in der geteilten
Y-Konfiguration
und ist zu der zweiten Tasche 50 hin konkav und liegt der
Innenseite der ersten Rippe 36 gegenüber und ist auch zu der gegenüberliegenden
dritten Tasche 52 hin konvex und liegt der zweiten Rippe 38 dort
gegenüber,
wo ihr gekrümmtes
Profil deutlich geringer als bei dem Buckelbereich ausgeprägt ist.
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Aufgrund
der dreigabeligen, geteilten Konfiguration der Spitzentrennwand
liegen die konkaven Außenoberflächen der
zwei Schenkel 42, 46 der konvexen Innenoberfläche der
ersten Rippe 36 in Begrenzung der zweiten Tasche 50 gegenüber. Und
die konkaven Außenoberflächen der
zwei Schenkel 44, 46 liegen der konkaven Innenoberfläche der
zweiten Rippe 38 in Begrenzung der dritten Tasche 52 gegenüber.
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Da
die erste Tasche 48 direkt in der Nähe der Vorderkante 24 angeordnet
ist, liegen die Innenoberflächen
der zwei geteilten Schenkel 42, 44 innen einander
gegenüber
und sind konvex; und arbeiten mit der konkaven Innenseite der zweiten
Rippe 38 zum Begrenzen dieser vorderen Tasche 48 in
einer symmetrischen Y-Gabelkonfiguration zusammen. Außerdem führen die
geteilten vorderen Schenkel 42, 44 den einfallenden
Verbrennungsgasstrom in einem zusammenlaufenden Strömungskanal
zu dem gemeinsamen Verbindungspunkt der drei Schenkel.
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Gemäß Darstellung
in 3 enthalten wenigstens eine und bevorzugt alle
drei von den Spitzentaschen 48, 50, 52 eine
Rampe 58 die nach hinten und außen von dem Spitzenboden 40 ansteigt. Die
erste Tasche 48 enthält
eine erste Rampe zwischen den ersten und zweiten Schenkeln 42, 44,
die an dem Verbindungspunkt zu dem dritten Schenkel 46 endet.
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Die
zweite Tasche 50 enthält
eine zweite Rampe 58 zwischen den ersten und zweiten Rippen 36, 38,
welche in der Nähe
des Verbindungspunktes mit der Hinterkante 26 endet. Und
die dritte Tasche 52 enthält eine dritte Rampe 58 zwischen
dem dritten Schenkel 46 und der zweiten Rippe 38,
welche bei dem Verbindungspunkt mit der zweiten Rippe 38 endet.
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4 stellt
zwei von den drei Rampen 58 dar, welche entsprechend an
dem hinteren Ende jeder Spitzentasche angeordnet sind, und einen
aerodynamisch sanften Übergang
von deren gemeinsamen Spitzenboden 40 zu dem radial äußeren Ende der
Schaufelblattspitze bereitstellen.
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Jede
Rampe 58 kann eine geradlinige oder gekrümmte Konfiguration
haben, wie es die spezifischen Strömungsfelder für die Maximierung
der Leistung erfordern. Bevorzugt treffen die Rampen auf den Spitzenboden
an konkaven Übergängen dazu
und treffen auf die Schaufelblattspitzen an konvexen Übergängen auf.
Und dazwischen können
die Rampen geradlinig sein oder einen Wendebereich zwischen ihren
gegenüberliegenden
konkaven und konvexen Abschnitten aufweisen.
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Wie
vorstehend in dem Hintergrund-Abschnitt angegeben, ist die 3D Konfiguration
der Turbinenlaufschaufel sehr komplex, und das Turbinenschaufelblatt
wird in einem sehr komplexen 3D Strömungsfeld der Verbrennungsgase 18 betrieben,
welche um die Schaufelblattvorderkante während des Betriebs herum aufgeteilt
werden.
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3 stellt
exemplarische Strömungslinien des
aufgeteilten Gasstroms um das aerodynamische Profil der Schaufelblattspitze
dar. Eine CFD-Analyse wurde auf der in 3 dargestellten
exemplarischen Ausführungsform
durchgeführt,
um die Verhaltensverbesserungen daraus im Vergleich zu einer Bezugsauslegung
mit nur einem einzigen Spitzenhohlraum ohne die dreifache Spitzentrennwand
darin zu bestätigen.
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Die
Einführung
der vorstehend offenbarten Spitzentrennwand kann in spezifischen
Konstruktionen zum Verbessern des Turbinenwirkungsgrades sowie zum
Reduzieren der Leckage der Verbrennungsgase über der Schaufelblattspitze
durch den Spitzen/Deckband-Zwischenraum verwendet werden.
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Der
Turbinenwirkungsgrad basiert auf der Fähigkeit der Schaufelblattoberfläche Energie
aus dem Differenzdruck in den Verbrennungsgasen zu entziehen, welche über die
Druck- und Saugseiten des
Schaufelblattes von dem Fuß bis
zur Spitze und zwischen den Vorder- und Hinterkanten einwirken. Die
Einführung
der Spitzentrennwand stellt einen zusätzlichen Oberflächenbereich
an der Laufschaufelspitze bereit, an welcher die Spitzenströmung zusätzliche
Arbeit an der Laufschaufel ausführen
kann. Die Spitzentrennwand stellt auch eine zusätzliche Dichtung wie zum Beispiel
die zwei Reibspitzenrippen 36, 38 selbst für die Reduzierung
der Spitzenströmungsleckage
bereit.
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Diese
Leckage beinhaltet sowohl axiale als auch Umfangskomponenten im
Hinblick auf die 3D Konfiguration der beispielsweise in 3 dargestellten
Schaufelblattspitze. Die Verbrennungsgase 18 stehen mit
dem Schaufelblatt um seine Vorderkante 24 herum sowohl
in Axial- als auch Umfangsrichtungen aufgrund des gekippten Einlasswinkels
aus der (nicht dargestellten) stromaufwärts befindlichen Turbinendüse in Eingriff.
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Die
erste Spitzetasche 48 erfasst einfallende Durchflussströmungslinien über dem
vorderen Abschnitt der zweiten Rippe 38 und führt die
eingefangenen Gase hinten zwischen den zwei Schenkeln 42, 44 zusammen.
Die zusammengeführten
Gase bewirken sekundäre
Strömungsfelder,
welche die erste Tasche unter Druck setzen und eine aerodynamische Strömungsbarriere
entlang des ersten Schenkels 42 erzeugen.
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In ähnlicher
Weise erfasst die dritte Spitzentasche 52 einfallende Strömung entlang
ihres vorderen Abschnittes vor dem Buckel und führt die erfasste Leckageströmung hinten
zusammen, um die dritte Spitzentasche unter Druck zu setzen und
eine ständige
aerodynamische Strömungsbarriere
entlang des dritten Schenkels 46 bereitzustellen.
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Die
so unter Druck gesetzten ersten und zweiten Taschen 48, 52 unterbinden
die Strömungsleckage
darüber
von der Schaufelblattdruckseite aus, und erhöhen den Turbinenwirkungsgrad
durch Entzug zusätzliche
Energie aus der Spitzentrennwand selbst.
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Dementsprechend
treten die Verbrennungsgase auch über die erste Rippe 38 in
die zweite Spitzentasche 50 ein und werden in der Richtung
nach hinten darin zusammengeführt.
Die Leckagegase aus den hinteren Enden beider Taschen 50, 52 werden
dann über
den hinteren Abschnitt der zweiten Rippe 38 der Saugseite
in der Stromabwärtsrichtung ausgegeben.
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Indem
die drei Taschen 48, 50, 52 in ihrer Rückwärtsrichtung
zusammenlaufen, beschleunigt sich die sekundäre Strömung darin und setzt die Schaufelblattspitze
weiter unter Druck. Die drei Rampen 58 können an
den hinteren Enden der drei Taschen 48, 50, 52 eingeführt sein,
um die sekun däre Strömung weiter
zu beschleunigen und die Schaufelblattspitze weiter unter Druck
zu setzen.
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Demzufolge
stellt die speziell konfigurierte und positionierte Spitzentrennwand
einen einfachen Mechanismus bereit, um sowohl eine Axial- als auch Umfangsleckage
der Verbrennungsgase zu reduzieren, sobald diese über die
Schaufelblattspitze während
des Betriebs strömen,
und dementsprechend gleichzeitig den Turbinenwirkungsgrad verbessert.
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Ferner
drückt
die Einführung
der Spitzentrennwand die Spitzenleckage entlang der Sehne des Schaufelblattes
mehr nach hinten, wo sich das Schaufelblatt zu der Hinterkante hin
verjüngt,
was den Wirkungsgradverlust aufgrund dieser selben Leckage selbst
reduziert.
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In
der in den 3 und 4 bevorzugten Ausführungsform
ist der dritte Schenkel 46 in der Nähe der Quermitte zwischen gegenüberliegenden Seiten
des Schaufelblattes zur Maximierung der lokalen Breiten der zwei
Taschen 50, 52 positioniert. Wenn die Taschenbreite
zu klein ist, können
die Leckagegase einfach über
die zweite Tasche 50 ohne Erzeugung signifikanter lokaler
Strömungsfelder
darin hinwegströmen
und dadurch die Verhaltensverbesserung aus der Trennwand begrenzen.
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Aus
diesem Grund enthält
die Trennwand bevorzugt nur drei Schenkel und endet in geeigneter Weise
stromaufwärts
vor der dünnen
Hinterkante des in 3 dargestellten Schaufelblattes,
um nur drei Spitzentaschen bereitzustellen und eine minimale Breite
der zwei hinteren Taschen 50, 52 einzuhalten, um
die Verhaltensvorteile der Dreifachbogen-Spitze zu maximieren.
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In
der exemplarischen Ausführungsform
der in den 1 bis 4 dargestellten
Turbinenlaufschaufel haben sowohl die zweite Reibspitze 38 als auch
die Trennwandschenkel 42, 44, 46 ähnliche rechteckige
Seitenquerschnitte, die sich radial von dem gemeinsamen Spitzenboden 40 nach
außen
erstrecken und etwa 0,5 bis 0,6 mm (20 bis 25 mils) breit sein können. Die
erste Reibspitze 36 kann jedoch eine gekrümmte Ausstellung 60 entlang
der Druckseite 20 des Schaufelblattes für eine weitere Unterbindung
einer Strömungsleckage
in einer weiteren Ausführungsform
für Turbinenlaufschaufeln
enthalten.
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Die
Höhe der
Rippen und Taschen kann in etwa 1,0 mm (40 mils) sein. Und die minimale
Breite der zwei Taschen 50, 52, welche quer die
Druck- und Saugseiten überbrücken kann
etwa 0,76 mm (etwa 30 mils) sein.
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Die
Einführung
der relativ einfachen dreigabeligen Spitzentrennwand in der vorstehend
offenbarten Turbinenlaufschaufel erfordert nur eine geringe Änderung
an der Laufschaufel selbst mit einer entsprechenden geringen Gewichtszunahme.
Die einfache Spitzentrennwand kann jedoch dazu genutzt werden, um
den Turbinenwirkungsgrad in einer vollständigen Reihe der Turbinenlaufschaufeln
deutlich zu verbessern, während
auch signifikant die Gasströmungsleckage über der
Schaufelblattspitze verringert wird.
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Obwohl
hierin beschrieben wurde, was als bevorzugte und exemplarische Ausführungsformen der
Erfindungen betrachtet wird, dürften
weitere Modifikationen der Erfindung für den Fachmann auf diesem Gebiet
anhand der Lehren hierin ersichtlich sein, und es sollen daher in
den beigefügten
Ansprüchen alle
derartigen Modifikationen geschützt
sein, soweit sie in den tatsächlichen
Erfindungsgedanken und Schutzumfang der Erfindung fallen.
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Eine
Turbinenlaufschaufel 10 enthält ein Schaufelblatt 12 mit
ersten und zweiten Spitzenrippen 36, 38, die sich
entlang ihrer gegenüberliegenden
Druck- und Saugseiten 10, 22 erstrecken. Die Spitzenrippen 36, 38 sind
zwischen den Vorder- und Hinterkanten 24, 26 des
Schaufelblattes 12 in Abstand angeordnet, so dass sie eine
dreigabelige Spitzentrennwand 42, 44, 46 enthalten,
die einen Dreifachbogen-Spitzenhohlraum 48, 50, 52 definiert.
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- 10
- Rotorschaufel
- 12
- Schaufelblatt
- 14
- Plattform
- 16
- Schwalbenschwanz
- 18
- Verbrennungsgase
- 20
- Druckseite
- 22
- Saugseite
- 24
- Vorderkante
- 26
- Hinterkante
- 28
- Fuß
- 30
- Spitze
- 32
- Kühlkreis
- 34
- Kühlluft
- 36
- Erste
Spitzenrippe
- 38
- Zweite
Spitzenrippe
- 40
- Spitzenboden
- 42
- Erster
Trennwandschenkel
- 44
- Zweiter
Trennwandschenkel
- 46
- Dritter
Trennwandschenkel
- 48
- Erste
Spitzentasche
- 50
- Zweite
Spitzentasche
- 52
- Dritte
Spitzentasche
- 54
- Buckel
- 56
- Turbinendeckband
- 58
- Rampe
- 60
- Ausstellung