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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Schaufelblatt für eine Laufschaufel
einer Stufe einer Gasturbine, und sie betrifft insbesondere ein
Schaufelblattprofil einer Turbinenlaufschaufel einer dritten Stufe.
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Es
müssen
viele Systemanforderungen für
jede Stufe des Heißgaspfadabschnitts
einer Gasturbine erfüllt
werden, um Konstruktionsziele, einschließlich einer insgesamt verbesserten
Effizienz und Schaufelblattbelastung, zu erreichen. Insbesondere
müssen
die Laufschaufeln der dritten Stufe des Turbinenabschnitts die Betriebsanforderungen
für diese
spezielle Stufe erfüllen
und auch effizient hergestellt werden können.
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KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung kann in einer Turbinenlaufschaufel verkörpert sein,
die ein Laufschaufelblatt enthält,
das eine Schaufelblattgestalt aufweist, wobei das Schaufelblatt
ein Nennprofil im Wesentlichen gemäß kartesischen Koordinatenwerten
X, Y und Z', wie
sie in Tabelle I angegeben sind, aufweist, wobei die Z'-Werte dimensionslose
Werte von 0 bis 1 bilden, die in in Zoll angebbare Z-Abstände umgewandelt
werden können,
indem die Z'-Werte
mit einer Höhe
des Schaufelblatts in Zoll multipliziert werden, und wobei X und
Y Abstände
in Zoll darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden
werden, in jedem Abstand Z Schaufelblattprofile bzw. -Profilschnitte
definieren, wobei die Profile bzw. Profilschnitte in den Abschnitten
Z fließend bzw.
glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattgestalt
zu bilden.
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Die
Erfindung kann ferner in einer Turbinenlaufschaufel verkörpert sein,
die ein Laufschaufelblatt enthält,
das ein unbeschichtetes Schaufelblattnennprofil im Wesentlichen
entsprechend kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z', wie sie in Tabelle
I angegeben sind, aufweist, wobei die Z'-Werte dimensionslose Werte zwischen
0 und 1 bilden, die durch Multiplikation der Z'-Werte mit einer Höhe des Schaufelblattes in Zoll
in Abstände
Z in Zoll umgewandelt werden können,
und wobei X und Y Abstände
in Zoll darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden
werden, Schaufelblattprofile in jedem Abstand Z definieren, wobei
die Profile in den Abständen
Z fließend
bzw. glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattform
zu bilden, wobei die Abstände
X, Y und Z als Funktion derselben Konstante oder Zahl skaliert werden
können,
um ein vergrößertes (aufskaliertes)
oder verkleinertes (abskaliertes) Schaufelblatt zu ergeben.
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Die
Erfindung kann ferner in einer Turbine verkörpert sein, die ein Turbinenrad
mit mehreren Laufschaufeln aufweist, wobei jede der Laufschaufeln
ein Schaufelblatt mit einer Schaufelblattgestalt enthält, wobei das
Schaufelblatt ein Nennprofil im Wesentlichen gemäß den kartesischen Koordinatenwerten
X, Y und Z', wie sie
in Tabelle I angegeben sind, aufweist, wobei die Werte Z' dimensionslose Werte
zwischen 0 und 1 darstellen, die in Abstände Z in Zoll umgewandelt werden
können,
indem die Werte Z' mit
einer Höhe des
Schaufelblattes in Zoll multipliziert werden, und wobei X und Y
Abstände
in Zoll darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden
werden, die Schaufelblattprofile in jedem Abstand Z definieren,
wobei die Profile in den Abständen
Z glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattform
zu bilden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden beim sorgfältigen Studium
der folgenden detaillierteren Beschreibung der momentan bevorzugten
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen klarer und
verständlicher,
in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung eines Heißgaspfads durch mehrere Stufen
einer Gasturbine und veranschaulicht ein Laufschaufelblatt einer
dritten Stufe gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung; und
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2 eine
Perspektivansicht einer Laufschaufel gemäß einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Indem
nun auf die Zeichnungen, insbesondere auf 1, Bezug
genommen wird, ist dort ein allgemein mit 10 bezeichneter
Heißgaspfad
einer Gasturbine 12 veranschaulicht, die mehrere Turbinenstufen
enthält.
Es sind drei Stufen veranschaulicht. Beispielsweise weist die erste
Stufe mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeln 14 und
Laufschaufeln 16 auf. Die Leitschaufeln sind längs des
Umfangs im Abstand zueinander angeordnet und um die Achse des Rotors
fixiert. Die Laufschaufeln 16 der ersten Stufe sind natürlich an
dem Turbinenrotor 17 montiert. Es ist ferner eine zweite
Stufe der Turbine 12 veranschaulicht, die mehrere in Umfangsrichtung
voneinander beabstandete Leitschaufeln 18 und mehrere in
Umfangsrichtung voneinander beabstandete Laufschaufeln 20 enthält, die
an dem Rotor montiert sind. Die dritte Stufe ist ebenfalls veranschaulicht,
wie sie mehrere in Umfangsrichtung voneinander beabstandete Leitschaufeln 22 und
an dem Rotor 17 montierte Laufschaufeln 24 enthält. Es ist
verständlich,
dass sich die Leitschaufeln und die Laufschaufeln in dem Heißgaspfad 10 der
Turbine befinden, wobei die Strömungsrichtung
des heißen
Gases durch den Heißgaspfad 10 durch
den Pfeil 26 gekennzeichnet ist.
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Bezugnehmend
auf 2 ist zu verstehen, dass die Laufschaufeln, beispielsweise
die Laufschaufeln 24 der dritten Stufe, auf einem nicht
dargestellten Rotorlaufrad montiert sind, das einen Teil des Rotors 17 bildet,
und dass sie Plattformen 30 enthalten. Es ist ferner zu
verstehen, dass jede Laufschaufel 24 ein Laufschaufelblatt 34 aufweist,
wie es in 2 veranschaulicht ist. Somit
weist jede der Laufschaufeln 24 ein Schaufelblattprofil
bei jedem beliebigen Querschnitt von dem Laufschaufelfuß 32 bis
zu der Laufschaufelspitze 36 in der Gestalt eines Schaufelblattes 34 auf.
Für den
Zweck der Definition der Schaufelblattgestalt in einer beispielhaften
Ausführungsform
der Turbine liegt die X-Achse 38 bei 38,250 Zoll entlang
eines Umkreises von der Turbinenmittellinie aus. Dies entspricht
dem dimensionslosen Wert Z' nach
Tabelle I von Z' =
0,000, Die Spitze 36 des Schaufelblattes liegt für den Zweck
der Definition der Schaufelblattform in einer beispielhaften Ausführungsform
der Turbine bei einem Radius von 54,002 Zoll entlang eines Umkreises über der
Turbinenmittellinie. Somit beträgt
die tatsächliche
Höhe der
Laufschaufel 24, d. h. die tatsächliche Höhe Z der Laufschaufel, von dem
Fuß bis
zu der Spitze 15,752 Zoll.
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Der
CV7241-Heißgaspfad
erfordert ein Schaufelblatt der dritten Stufe, das die Systemanforderungen hinsichtlich
der Effizienz und Belastung erfüllt.
Um die Schaufelblattgestalt jedes Laufschaufelblattes der dritten
Stufe zu definieren, gibt es einen eindeutigen Satz von Punkten
oder eine Ortskurve von Punkten im Raum, die die Stufenanforderungen
erfüllen
und hergestellt werden können.
Diese eindeutige Ortskurve erfüllt
die Anforderungen hinsichtlich des Wirkungsgrads der Stufe, wobei
die Punkte durch Iteration zwischen aerodynamischen und mechanischen
Belastungen erreicht werden, so dass der Turbine ermöglicht wird,
in einer effizienten, sicheren und sanften Weise zu laufen. Diese
Punkte sind eindeutig und für
das System spezifisch, und sie sind für einen Fachmann nicht naheliegend.
Die Ortskurve, die das Laufschaufelblattprofil gemäß der Erfindung
definiert, weist einen Satz von 1226 Punkten mit X-, Y- und Z-Maßen in Bezug
auf das errichtete Koordinatensystem, wie in 2 veranschaulicht,
auf. Insbesondere ist das Koor dinatensystem relativ zu dem Schaufelblatt
festgelegt und durch Punkte A, B und C vollständig definiert. Die Punkte
A und B sind beide 38,250 Zoll oberhalb der Mittellinie des kalten
Rotors angeordnet. Der Punkt A liegt auf der Vorderkantenfläche des
Schaufelblattes, während
der Punkt B auf der Hinterkantenfläche des Schaufelblattes liegt.
Der Punkt C ist 54,002 Zoll oberhalb der Mittellinie des kalten
Rotors auf der Hinterkantenfläche
des Schaufelblattes angeordnet. Der Ursprung des Koordinatensystems
ist in dem Punkt A und B angeordnet. Die Punkte A und B definieren
die positive X-Achse 38, Die Punkte A, B und C definieren
die positive X-Z-Ebene. Die y-Achse ist dann durch die Methode der
Rechte-Hand-Regel festgelegt. Wie oben erwähnt, definiert das kartesische
Koordinatensystem mit den Werten X, Y und Z', wie sie in der Tabelle I nachstehend
angegeben sind, das Profil des Laufschaufelblattes an unterschiedlichen
Stellen entlang seiner Längserstreckung.
Die Koordinatenwerte für die
X- und Y-Koordinaten sind in Tabelle I in Zoll angegeben, obwohl
andere Maßeinheiten
verwendet werden können,
wenn die Werte geeignet umgewandelt werden. Die radialen Werte Z
von B bis C sind in der Tabelle I in der dimensionslosen Form (Z') zwischen 0 und
1 angegeben. Negative Werte kennzeichnen ein Z vertikal unterhalb
der X-Achse 38, die von dem Punkt A zu dem Punkt B verläuft. Um
den Wert Z' in einen
Koordinatenwert Z, z. B. in Zoll, umzuwandeln, wird der dimensionslose
Wert Z', wie er
in der Tabelle I angegeben ist, mit der Höhe des Schaufelblattes in Zoll
multipliziert. Wie oben beschrieben, weist das kartesische Koordinatensystem
in orthogonaler Beziehung zueinander stehende Achsen X, Y und Z
auf, wobei die X-Achse parallel zu der Mittellinie des Turbinenrotors,
d. h. der Drehachse, verläuft
und einen positiven X-Koordinatenwert in der axialen Richtung zu
dem hinteren Ende, d. h. Auslas sende der Turbine hin aufweist. Der
positive Y-Koordinatenwert erstreckt sich tangential in der Drehrichtung
des Rotors, während
der positive Z-Koordinatenwert in der radial nach außen zu der
Laufschaufelspitze weisenden Richtung liegt.
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Durch
Definition von X- und Y-Koordinatenwerten an ausgewählten Stellen
in einer zu der X-Y-Ebene senkrechten Z-Richtung kann das Profil
des Laufschaufelblattes in jedem Abstand Z entlang der Längserstreckung
des Schaufelblattes bestimmt werden. Durch Verbindung der X- und
Y-Werte mit glatt verlaufenden Bögen
wird jedes Profil bzw. jeder Profilquerschnitt in jedem Abstand
Z festgelegt. Die Schaufelblattprofile der verschiedenen Oberflächenstellen
zwischen den Abständen
Z werden bestimmt, indem die einander benachbarten Profilquerschnitte
glatt oder fließend
miteinander verbunden werden, um das Schaufelblattgesamtprofil bzw.
die Schaufelblattoberfläche
zu bilden.
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Die
Werte in Tabelle I sind zur Bestimmung des Profils des Schaufelblattes
mit vier Nachkommastellen erzeugt worden und veranschaulicht. Wenn
sich die Oberfläche
der Laufschaufel erwärmt,
rufen Beanspruchung und Temperatur eine Veränderung der X-, Y- und Z'-Werte hervor. Demgemäß repräsentieren
die Werte für
das in Tabelle I angegebene Profil Umgebungsbedingungen, Bedingungen
außer
Betrieb oder Bedingungen im nicht heißen Zustand und gelten für ein unbeschichtetes
Schaufelblatt.
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Es
gibt typische Herstellungstoleranzen sowie Beschichtungen, die bei
dem tatsächlichen
Profil des Schaufelblattes berücksichtigt
werden müssen.
Jeder Querschnitt wird mit den anderen Schnitten glatt bzw. fließend verbun den,
um die vollständige
Schaufelblattgestalt zu erzeugen. Es ist folglich zu verstehen,
dass typische +/– Fertigungstoleranzen,
d. h. +/– Werte,
einschließlich
irgendwelcher Beschichtungsdicken, zu den in Tabelle I nachstehend
angegebenen X- und Y-Werten zu addieren sind. Dementsprechend bildet
ein Abstand von +/–0,040
Zoll in einer Richtung senkrecht zu irgendeiner Oberflächenstelle
entlang des Schaufelblattprofils eine Hüllkurve des Schaufelblattprofils
für diese
spezielle Schaufelblattgestaltung und Turbine, d. h. eine Variationsbreite
zwischen gemessenen Punkten auf der tatsächlichen Schaufelblattoberfläche bei
nomineller kalter Temperatur oder Raumtemperatur und der idealen
Position dieser Punkte, wie in der Tabelle nachstehend angegeben,
bei der gleichen Temperatur. Die Laufschaufelblattausführung ist
in Bezug auf diesen Variationsbereich robust und weist keine Beeinträchtigung
der mechanischen oder aerodynamischen Funktionen auf.
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Es
versteht sich ferner, dass das in der obigen Tabelle I offenbarte
Schaufelblatt zur Verwendung in anderen ähnlichen Turbinenkonstruktionen
geometrisch auf- oder abskaliert werden kann. Demgemäß können die
in Tabelle I angegebenen Koordinatenwerte proportional vergrößert oder
verkleinert werden, so dass die Profilgestalt des Schaufelblatts
unverändert
bleibt. Eine skalierte Version der Koordinaten nach Tabelle I würde durch
die X-, Y- und Z'-Koordinatenwerte
nach Tabelle I gekennzeichnet sein, wobei der dimensionslose Z'-Koordinatenwert
in Zoll umgewandelt und mit einer konstanten Zahl multipliziert
oder durch eine konstante Zahl dividiert sein würde.
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Ein
wichtiger Begriff in dieser Beschreibung ist das Profil. Das Profil
ist der Bereich der Variation zwischen gemessenen Punkten auf einer
Schaufelblattoberfläche
und der idealen Position, wie sie in Tabelle I gelistet ist. Das
tatsächliche
Profil auf einer hergestellten Laufschaufel wird sich von demjenigen
nach Tabelle I unterscheiden, wobei die Konstruktion hinsichtlich
dieser Schwankung robust ist, was bedeutet, dass die mechanische
und die aerodynamische Funktion nicht beeinträchtigt sind. Wie oben erwähnt, wird
hier eine Profiltoleranz von +0,04 Zoll oder –0,04 Zoll verwendet.
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Die
beschriebene Schaufelblattgestalt optimiert die Maschinenbedingungen
und -spezifikationen und ist für
diese spezifisch. Sie ergibt ein einzigartiges Profil, das folgendes
erreicht: 1) Wechselwirkung zwischen weiteren Stufen in der Hochdruckturbine;
2) aerodynamische Effizienz; und 3) normalisierte aerodynamische und
mechanische Laufschaufelbelastungen. Die offenbarte Ortskurve ermöglicht der
CV7241, effizient, sicher und sanft zu laufen. Es ist ferner zu
beachten, dass jeder beliebige Maßstab auf das offenbarte Schaufelblatt angewandt
werden kann, solange 1) eine Wechselwirkung mit anderen Stufen in
der Hochdruckturbine, 2) eine aerodynamische Effizienz und 3) normalisierte
aerodynamische und mechanische Schaufelbelastungen, die in der skalierten
Turbine aufrechterhalten werden.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit einem Beispiel beschrieben worden ist,
das momentan als die praktikabelste und bevorzugte Ausführungsform
betrachtet wird, versteht es sich, dass die Erfindung nicht auf
die offenbarte Ausführungsform
beschränkt
ist, sondern im Gegensatz verschiedene Modifikationen und äquivalente
Anordnungen mit umfassen soll, die in dem Rahmen und Schutzumfang
der beigefügten
Ansprüche
enthalten sind.
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Turbinenlaufschaufeln 24 der
dritten Stufe weisen Profile des Schaufelblatts 34 auf,
die im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und
Z' entsprechen,
wie sie in Tabelle I angegeben sind, wobei die X- und Y-Werte in
Zoll angegeben sind, während
die Z'-Werte dimensionslose
Werte zwischen 0 und 1 bilden, die durch Multiplikation der Z'-Werte mit der in Zoll angegebenen Höhe des Schaufelblattes
in in Zoll angegebene Abstände
Z umgewandelt werden können.
Die X- und Y-Werte sind Abstände,
die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen miteinander verbunden werden,
Schaufelblattprofilschnitte in jedem Abstand Z definieren. Die Profilschnitte
in jedem Abstand Z werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Schaufelblattform
zu bilden. Die Abstände
X, Y und Z können
in Abhängigkeit
von derselben Konstante oder Zahl skalierbar sein, um einen auf-
oder abskalierten Schaufelblattschnitt für die Laufschaufel zu ergeben.
Das durch die Abstände
X, Y und Z angegebene nominelle Schau felblatt liegt innerhalb einer
Hüllkurve
von +/–0,040
Zoll in zu der Oberfläche
des Schaufelblattes senkrechten Richtungen.
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- 10
- Heißgaspfad
- 12
- Gasturbine
- 14
- Leitschaufeln
- 16
- Laufschaufeln
- 17
- Turbinenrotor
- 18
- Leitschaufeln
- 20
- Laufschaufeln
- 22
- Leitschaufeln
- 24
- Laufschaufeln
- 26
- Strömungsrichtung
des Heißgases
- 32
- Fuß
- 30
- Plattformen
- 34
- Schaufelblatt
- 36
- Spitze
- 38
- X-Achse
- Punkte
A und B
- definieren
die positive X-Achse 38
- Punkte
A, B und C
- definieren
die positive X-Z-Ebene