DE102009003710A1

DE102009003710A1 - Schaufelblatt für einen Leitapparat mit einem maschinell bearbeiteten kontourierten Kanal darin

Info

Publication number: DE102009003710A1
Application number: DE102009003710A
Authority: DE
Inventors: Margaret Jones Schotsch; Randall Gill; Peter Stevens; David Leominster Leo; John Harvard Seymour
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2008-04-03
Filing date: 2009-03-31
Publication date: 2009-10-08
Also published as: US8246306B2; JP2009250239A; US20090252603A1; CN101549332A; FR2929640A1

Abstract

Es wird ein Leitapparat (1) bereitgestellt, in welchem ein Schaufelblatt (10) eine Druckoberfläche (12) und eine Saugoberfläche (11) enthält, die an im Wesentlichen gegenüberliegenden Sehnenenden des Schaufelblattes (10) aufeinandertreffen, um eine Vorderkante (14) des Schaufelblattes (10) und eine Hinterkante (13) des Schaufelblattes (10) auszubilden. Ein Hinterkantenkanal (50) ist durch das Schaufelblatt (10) hindurch definiert, durch welchen Kühlmittel strömt. Der Hinterkantenkanal (50) ist unmittelbar an der Hinterkante (13) des Schaufelblattes (10) angeordnet, und hat eine Umrissform, die mit der der Hinterkante (13) übereinstimmt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Anmeldung ist auf einen maschinell ausgeformten Kanal für Schaufelblatthinterkanten-(TE)-Kühlung gerichtet, und insbesondere auf einen maschinell ausgeformten Kanal zur Schaufelblatt-TE-Kühlung, in welcher der ausgeformte Kanal eine Form der Schaufelblatt-TE nachahmt.
In letzter Zeit wurde beobachtet, dass ein Kanal, der sich durch eine Hinterkante (TE – Trailing Edge) eines Leitapparatschaufelblattes erstreckt, zum Kühlen der TE während des Einsatzes des Schaufelblattes beispielsweise in einer Turbine verwendet werden kann. Der Kühlvorgang beinhaltet die Zwangsdurchführung eines Kühlmittels, wie z. B. Wasser oder Dampf bei hohem Druck, durch den Kanal. Typischerweise bringt jedoch die Leitapparatauslegung hohe Temperaturen mit sich, die die TE aufheizen und daher erfordern, dass die TE dünne Wände hat, die vom Inneren des Schaufelblattes aus gekühlt werden können. Somit erfordert die Kombination der Notwendigkeit einer dünnen Wand, der hohen Außentemperaturen und des hohen Innendruckes, dass der TE-Kühlkanal sehr klein ist und dass die Wände des TE-Kühlkanals bestimmte Abmessungen und Dicken haben.
Obwohl im Allgemeinen eine Gusstechnologie zum Erzeugen des TE-Kanals des Leitapparatschaufelblattes angewendet wird, kann der Gießvorgang den TE-Kanal nicht zuverlässig mit den kleinen Abmessungen ausbilden, die für ein korrektes Betriebsverhalten des Leitapparates und des Leitapparatschaufelblattes erforderlich sein können. D. h., Gießvorgänge stellen für klei ne TE-Kanäle einen Versuch dar und haben inhärente Probleme mit der Einhaltung ihrer Wanddicken.
KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Leitapparat bereitgestellt und enthält ein Schaufelblatt mit einer Druckoberfläche und einer Saugoberfläche, die an im Wesentlichen gegenüberliegenden Sehnenenden davon aufeinandertreffen, um eine Vorderkante des Schaufelblattes und eine Hinterkante des Schaufelblattes auszubilden, und einen Wandabschnitt des Schaufelblattes, um einen Hinterkantenkanal zu definieren, der sich durch das Schaufelblatt in unmittelbarer Nähe zur Hinterkante erstreckt, durch welchen ein Kühlmittel strömen kann, wobei der Wandabschnitt eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke dergestalt hat, dass der Hinterkantenkanal des Schaufelblattes durch eine Umrissform definiert ist, die der der Hinterkante entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Leitapparat bereitgestellt und enthält wenigstens ein Paar gegenüberliegender Plattformen und wenigstens ein zwischen jedem Paar der Plattformen angeordnetes Schaufelblatt, wobei das wenigstens eine Schaufelblatt eine Wand mit einer Druckoberfläche und einer Saugoberfläche enthält, die an im Wesentlichen gegenüberliegenden Sehnenenden des Schaufelblattes aufeinandertreffen, um eine Vorderkante des Schaufelblattes und einen Abschnitt der Wand auszubilden, um einen Hinterkantenkanal zu definieren, der sich durch das Schaufelblatt in unmittelbarer Nähe zur Hinterkante erstreckt, durch welchen ein Kühlmittel strömen kann, wobei der Abschnitt der Wand eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke dergestalt hat, dass der Hinterkantenkanal des Schaufelblattes durch eine Umrissform definiert ist, die der der Hinterkante entspricht.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und/oder weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verständlich, wenn die nachstehende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Teile durchgängig durch die Zeichnungen bezeichnen, in welchen:
1 eine Schnittansicht eines Leitapparatschaufelblattes gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine Querschnittsansicht einer Hinterkante eines Schaufelblattes gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist; und
3A, 3B und 3C ein Verfahren zum Erzeugen des Hinterkantenkanals gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung darstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Gemäß 1 enthält ein Leitapparatsegment 1 einer Turbine oder anderen ähnlichen Maschine ein Schaufelblatt 10, das zwischen Teilabschnitten innerer und äußerer Seitenwände 20 und 30 angeordnet ist, welche im Wesentlichen einander gegenüberliegen. Obwohl es nicht dargestellt ist, dürfte es sich verstehen, dass das Leitapparatsegment 1 eines von mehreren Leitapparatsegmenten 1 ausbilden kann, die in einer Anordnung davon um eine Achse herum angeordnet sind, um beispielsweise eine Leitapparatstufe einer Turbine auszubilden, wobei die inneren und äußeren Seitenwände 20 bzw. 30 Abschnitte der inne ren und äußeren Bänder der Leitapparatstufe bilden. Außerdem dürfte es sich verstehen, dass, obwohl nur ein einziges Schaufelblatt 10 zwischen den inneren und äußeren Seitenwänden 20 und 30 dargestellt ist, zwei oder mehr Schaufelblätter 10 zwischen den inneren und äußeren Seitenwänden 20 und 30 angeordnet sein können.
Gemäß Darstellung in 1 enthält das Schaufelblatt 10 eine Druckoberfläche 12 und eine Saugoberfläche 11 auf gegenüberliegenden Oberflächen des Schaufelblattes 10. Die Druckoberfläche 12 und die Saugoberfläche 11 treffen an im Wesentlichen gegenüberliegenden Sehnenenden des Schaufelblattes (siehe die Sehnenlinie W in den 1 und 3A) aufeinander, um eine Vorderkante 14 und eine Hinterkante 13 des Schaufelblattes 10 auszubilden. Ferner ist das Schaufelblatt um eine radiale Achse des Leitapparates 1 gebogen, wobei die radiale Achse als sich im Wesentlichen parallel zu der Hinterkante 13 erstreckend definiert ist. Hier überspannt die Druckoberfläche 12 eine Außenseite des Bogens, während die Saugoberfläche 11 eine Innenseite des Bogens überspannt.
Die inneren und äußeren Seitenwände 20 und 30 haben interne Hohlräume 21 bzw. 31. Ebenso hat das Schaufelblatt 10 einen internen Haupthohlraumteilabschnitt 40 und einen in seinem Inneren definierten Hinterkantenkanal 50. Obwohl der Hinterkantenkanal 50 nur ein Merkmal ist, kann der interne Haupthohlraumteilabschnitt 40 ferner etwa sechs interne Hohlräume 41, 42, 43, 44, 45 und 46 enthalten. Hier können die internen Hohlräume 41–46 und der Hinterkantenkanal 50 jeweils einen Einlass 51 und einen Auslass 52 (dargestellt in 1 für den Hinterkantenkanal 50) enthalten, welche den internen Hohlräumen 41–46 und dem Hinterkantenkanal 50 ermöglichen könnten, mit den internen Hohlräumen 21 und 31 der inneren und äußeren Seitenwände 20 und 30 zu kommunizieren. Natürlich dürfte es sich verstehen, dass nicht alle von den internen Hohlräumen 41–46 in dieser gleichen Weise ausgelegt sein müssen.
In dieser Eigenschaft können die internen Hohlräume 41–46 und der Hinterkantenkanal 50 jeweils einen Kanal für ein Kühlmittel, wie z. B. Dampf oder Wasser, bereitstellen, um es zwischen den internen Hohlräumen 21 und 31 der inneren und äußeren Seitenwände 20 und 30 strömen zu lassen. Diese Verbindungswege können abhängig von gewünschten Strömungseigenschaften Verwirbelungselemente enthalten oder nicht. Das Kühlmittel kühlt das Schaufelblatt 10 und die inneren und äußeren Seitenwände 20 und 30, welche während des Betriebs des Leitapparatsegmentes 1 hohen Temperaturen ausgesetzt sind.
Unter Bezugnahme auf die 1 und 2 ist nun anzumerken, dass die Hinterkante 13 des Schaufelblattes 10 an dem dünnsten Abschnitt des Schaufelblattes 10 angeordnet ist, und dass der Hinterkantenkanal 50 einer Form der Hinterkante 30 dergestalt entspricht, dass eine Wanddicke der Druckoberfläche 12 und der Saugoberfläche 11 im Wesentlichen gleichbleibend sind. D. h., wenigstens Abschnitte der Druckoberfläche 12, der Saugoberfläche 11 und der Hinterkante 13 haben jeweils Wanddicken zwischen etwa 0,104 ± 0,003 cm bis etwa 0,155 ± 0,02 cm.

Im Detail ist anzumerken, dass die Wanddicken bei den Dicken T1, T2 und T3 entsprechenden Punkten des Schaufelblattes 10 an oder in unmittelbarer Nähe zur Hinterkante 13 entsprechen und an verschiedenen Querschnitten des Schaufelblattes 10 gemessen werden können. Derartige Messungen in cm wurden für exemplarische Ausführungsformen 1 und 2 für Querschnitte A–I von 1 durchgeführt, und haben Nachstehendes ergeben:

Teil-Abschnitt	T1 (+/– 1 0.03)		T2 (+/– 0.03)		T3 (+/– 0.02)
Teil-Abschnitt	Emb. 1	Emb. 2	Emb. 1	Emb. 2	Emb. 1	Emb. 2
A	0.122	0.119	0.145	0.117	0.147	0.127
B	0.117	0.122	0.145	0.130	0.147	0.130
C	0.117	0.124	0.145	0.132	0.155	0.132
D	0.117	0.130	0.150	0.124	0.147	0.132
E	0.112	0.130	0.145	0.124	0.147	0.135
F	0.112	0.132	0.150	0.122	0.150	0.132
G	0.109	0.130	0.150	0.122	0.150	0.132
H	0.104	0.132	0.145	0.124	0.152	0.135
I	0.124	0.127	0.137	0.124	0.152	0.135

D. h., der Abschnitt der Wand entlang der Saugoberfläche 11 hat eine Wanddicke, T1, von etwa 0,104 ± 0,03 cm bis etwa 0,132 ± 0,03 cm, der Abschnitt der Wand entlang der Druckoberfläche 12 hat eine Wanddicke, T2, zwischen etwa 0,117 ± 0,03 cm bis etwa 0,150 ± 0,03 cm, und der Abschnitt der Wand um die Hinterkante 13 hat eine Wanddicke, T3, zwischen etwa 0,127 ± 0,02 cm bis etwa 0,155 ± 0,02 cm.
Des Weiteren ist gemäß 2 anzumerken, dass eine Dicke, T4, eines Innenabschnittes des Schaufelblattes 10 zwischen dem Hinterkantenkanal 50 und einem benachbarten internen Hohlraum 46 im Wesentlichen entlang der Spanne des Schaufelblattes 10 gleichmäßig gehalten wird. D. h., in einer Ausführungsform der Erfindung ist die Dicke, T4, zwischen etwa 0,251 ± 0,03 cm bis etwa 0,284 ± 0,03 cm.
Unter Bezugnahme auf die 3A–3C beinhaltet gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Hinterkantenkanals 50 zum Bereitstellen einer Kühlung einer Hinterkante 13 eines Schaufelblattes 10, das Gießen eines Körpers eines Schaufelblattes 10 mit einer Hinterkante 13 und ein temporäres Zusammendrücken des Schaufelblattes 10 z. B. in einer Richtung senkrecht zu einer Sehnenrichtung (entlang der Linie W der 1 und 3A) des Schaufelblattes 10 und entgegengesetzt zu einem Bogen des Schaufelblattes. Ein Pilotloch 70 gemäß Darstellung wird dann in einem Bereich der Laufschaufel 10 in unmittelbarer Nähe zur Hinterkante 13 gebohrt. Hier kann das Pilotloch 70 mittels eines elektrochemischen (ECM)-Bohrprozesses gebohrt werden.
Sobald das Pilotloch 70 gebohrt ist, wird ein Draht eines Elektrofunkenerosionsbearbeitungs-(EDM)-Prozesses in das Pilotloch 70 eingeführt. Der Draht des EDM-Prozesses wird dann in dem Pilotloch 70 so geführt, sodass er Material um das Pilotloch 70 herum von dem Körper des Schaufelblattes 10 entfernt. Dieser Prozess bildet den Hinterkantenkanal 50 gemäß Darstellung in 3C als einen umrissförmigen Kanal mit einer Form aus, die mit einer Form der Hinterkante 13 übereinstimmt. Sobald der Hinterkantenkanal 50 ausgebildet ist, wird der zum temporären Zusammendrücken des Bogens des Schaufelblattes 10 erforderliche Druck weggenommen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Gießvorgang das Ausbilden interner Hohlräume 41–46 in dem Schaufelblatt 10 und das Ausbilden interner Hohlräume 21 und 31 in den inneren und äußeren Seitenwänden 20 und 30 beinhalten. Ferner wird, sobald die internen Hohlräume 41–46 und der Hinterkantenkanal 50 ausgebildet sind, ein Wert der Luftströmung durch die internen Hohlräume 41–46 und den Hinterkantenkanal 50 geprüft.
Diese Beschreibung nutzt Beispiele zum Offenbaren der Erfindung, welche die beste Ausführungsart beinhalten, und um einem Fachmann auf diesem Gebiet zu ermöglichen, die Erfindung einschließlich der Herstellung und Verwendung aller Vorrichtungen oder Systeme praktisch auszuführen. Der patentierbare Schutzumfang der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere Beispiele enthalten, die dem Fachmann auf diesem Gebiet möglich erscheinen. Derartige weitere Beispiele sollen innerhalb des Schutzumfangs der Ansprüche liegen, wenn sie Strukturelemente haben, die sich nicht von der wörtlichen Beschreibung der Ansprüche unterscheiden, oder wenn sie äquivalente Strukturelemente mit unwesentlichen Unterschieden gegenüber der wörtlichen Beschreibung der Ansprüche enthalten.
Es wird ein Leitapparat 1 bereitgestellt, in welchem ein Schaufelblatt 10 eine Druckoberfläche 12 und eine Saugoberfläche 11 enthält, die an im Wesentlichen gegenüberliegenden Sehnenenden des Schaufelblattes 10 aufeinandertreffen, um eine Vorderkante 14 des Schaufelblattes 10 und eine Hinterkante 13 des Schaufelblattes 10 auszubilden. Ein Hinterkantenkanal 50 ist durch das Schaufelblatt 10 hindurch definiert, durch welchen Kühlmittel strömt. Der Hinterkantenkanal 50 ist unmittelbar an der Hinterkante 13 des Schaufelblattes 10 angeordnet, und hat eine Umrissform, die mit der der Hinterkante 13 übereinstimmt.

1: Leitapparatsegment
10: Schaufelblatt
W: Sehnenlinie
11: Saugseite
12: Druckseite
13: Hinterkante
14: Vorderkante
20: Innere Seitenwand
21: Innere Hohlräume
30: Äußere Seitenwand
31: Innere Hohlräume
40: Innerer Haupthohlraum
40–46: Sechs interne Hohlräume
50: Hinterkantenkanal
51: Einlass
52: Auslass
T1, T2, T3, T4: Dicken
70: Pilotloch

Claims

Leitapparat (1), aufweisend: ein Schaufelblatt (10) mit einer Druckoberfläche (12) und einer Saugoberfläche (11), die an im Wesentlichen gegenüberliegenden Sehnenenden aufeinandertreffen, um eine Vorderkante (14) des Schaufelblattes (10) und eine Hinterkante (13) des Schaufelblattes (10) auszubilden; und einen Wandabschnitt des Schaufelblattes (10), um einen Hinterkantenkanal (50) zu definieren, der sich durch das Schaufelblatt (10) in unmittelbarer Nähe zur Hinterkante (13) erstreckt, durch welchen ein Kühlmittel strömen kann, wobei der Wandabschnitt eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke dergestalt hat, so dass der Kanal der Hinterkante (13) des Schaufelblattes (10) durch eine Umrissform definiert ist, die der der Hinterkante (13) entspricht.
Leitapparat nach Anspruch 1, wobei das Schaufelblatt (10) in einer zu seiner Hinterkante (13) führenden Richtung verjüngt ist.
Leitapparat nach Anspruch 2, wobei der Hinterkantenkanal (50) gemäß der Verjüngung des Schaufelblattes (10) keilförmig ist.
Leitapparat (1), aufweisend: wenigstens ein Paar gegenüberliegender Plattformen; und wenigstens ein Schaufelblatt (10), das zwischen jedem Paar der Plattformen angeordnet ist, wobei das wenigstens eine Schaufelblatt (10) enthält: eine Wand mit einer Druckoberfläche (12) und einer Saugoberfläche (11), die im Wesentlichen an Sehnenenden des Schaufelblattes (10) aufeinandertreffen, um eine Vorderkante (14) des Schaufelblattes (10) und eine Hinterkante (13) des Schaufelblattes (10) auszubilden, und einen Wandabschnitt des Schaufelblattes (10), um einen Hinterkantenkanal (50) zu definieren, der sich durch das Schaufelblatt (10) in unmittelbarer Nähe zur Hinterkante (13) erstreckt, durch welchen ein Kühlmittel strömen kann, wobei der Wandabschnitt eine im Wesentlichen gleichmäßige Dicke dergestalt hat, so dass der Kanal der Hinterkante (13) des Schaufelblattes (10) durch eine Umrissform definiert ist, die der der Hinterkante (13) entspricht.
Leitapparat nach Anspruch 4, wobei die gegenüberliegenden Plattformen jeweils Teilabschnitte einer inneren Seitenwand (20) und einer äußeren Seitenwand (30) des Leitapparates (1) aufweisen.
Leitapparat nach Anspruch 4, wobei sich der Wandabschnitt entlang entsprechenden Abschnitten der Saugoberfläche (11) und der Druckoberfläche (12) und um die Hinterkante (13) herum erstreckt.
Leitapparat nach Anspruch 4, wobei das Schaufelblatt (10) in einer zu seiner Hinterkante (13) führenden Richtung verjüngt ist.
Leitapparat nach Anspruch 7, wobei der Hinterkantenkanal (50) gemäß der Verjüngung des Schaufelblattes (10) keilförmig ist.
Leitapparat nach Anspruch 4, wobei die gegenüberliegenden Plattformen jeweils Gussmaterialien aufweisen, und wobei das Schaufelblatt (10) Gussmaterialien aufweist, in welche der Hinterkantenkanal (50) eingearbeitet ist.
Leitapparat nach Anspruch 9, wobei die Gussmaterialien der gegenüberliegenden Plattformen und die Gussmaterialien des Schaufelblattes (10) so angeordnet sind, dass sie in einem Stück miteinander kombiniert sind.