-
HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
-
Die
vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet von Gasturbinen und insbesondere
eine Schaufelblattkernform für
eine Turbinenleitschaufel für
eine Gasturbine.
-
Es
müssen
viele Systemanforderungen für
jede Stufe eines Heißgaspfadabschnitts
einer Gasturbine erfüllt
werden, um Entwurfsziele, einschließlich einer Gesamtverbesserung
des Wirkungsgrads und der Schaufelblattbelastung, zu erfüllen. Insbesondere
muss eine Leitschaufel der Stufe 1 Systemanforderungen, einschließlich eines
Kühldurchflusses
und einer Teilelebensdauer, erfüllen.
Die Leitschaufel der ersten Stufe weist ferner einen bestimmten
Satz von Grenzbedingungen auf, die auf den Betriebsbedingungen der
Gasturbine beruhen. Die Leitschaufelkerngestalt muss Entwurfsvorgaben
erfüllen
und auch effizient hergestellt werden können.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
Gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung enthält
ein Herstellungsartikel ein Objekt mit einer Tragflügelprofil-
bzw. Schaufelblattkernform. Die Schaufelblattkernform weist ein
nominelles Profil auf, das im Wesentlichen den kartesischen Koordinatenwerten
X, Y und Z entspricht, wie sie in Tabelle I angegeben sind, wobei
X und Y Abstände
in Zoll darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden
werden, Schaufelblattprofilquerschnitte in jedem Abstand Z in Zoll
definieren. Die Profilquerschnitte in den Z- Abständen
werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Schaufelblattkerngestalt
zu bilden.
-
Gemäß einer
weiteren beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung enthält
eine Turbine wenigstens eine einzige Turbinenstufe, die mehrere
Herstellungsartikel enthält.
Jeder der mehreren Herstellungsartikel enthält eine Tragflügelprofil- bzw. Schaufelblattkernform.
Die Schaufelblattkernform weist ein Nennprofil auf, das im Wesentlichen
den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht, wie sie
in Tabelle I angegeben sind, wobei X und Y Abstände in Zoll darstellen, die,
wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden werden, Schaufelblattprofilquerschnitte
in jedem Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilquerschnitte in
den Abständen
Z werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Schaufelblattkerngestalt
zu bilden.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
1 veranschaulicht
in schematisierter Weise eine Turbinenmaschine mit wenigstens einer
ersten Stufe, die Turbinenleitschaufeln mit Schaufelblattkernen
verwendet, die gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung konstruiert sind;
-
2 veranschaulicht
ein Koordinatensystem für
die Schaufelblattkerne gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung;
-
3 zeigt
eine Perspektivansicht des Schaufelblattkerns nach 2,
betrachtet von links vorne;
-
4 veranschaulicht
einen typischen Querschnitt durch den Schaufelblattkern nach 3;
-
5 zeigt
eine von links vorne betrachtete Perspektivansicht des Schaufelblattkerns,
die eine Längsrippe
und Kernabstandshalter veranschaulicht; und
-
6 veranschaulicht
eine äußere Hülle eines
Nennprofils des Schaufelblattkerns.
-
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
-
Unter
anfänglicher
Bezugnahme auf 1 ist eine Gasturbine, die gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung eingerichtet ist, allgemein bei 10 angezeigt.
Die Turbinenmaschine 10 enthält einen axialen Strömungspfad 12 und
mehrere Turbinenstufen, die Laufschaufeln und Leitschaufeln verwenden. Wie
veranschaulicht, enthält
die Turbine 10 eine erste Turbinenstufe 15 mit
einer Leitschaufel 16 der ersten Stufe und einer Laufschaufel 20 der
ersten Stufe, eine zweite Turbinenstufe 21 mit einer Leitschaufel 22 der zweiten
Stufe und einer Laufschaufel 26 der zweiten Stufe und eine
dritte Turbinenstufe 27, die eine Leitschaufel 28 der
dritten Stufe und eine Laufschaufel 32 der dritten Stufe
enthält.
Jede Turbinenlaufschaufel 20, 26 und 32 ist
mit einem (nicht veranschaulichten) Turbinenlaufrad verbunden. Die
Leitschaufel 16 der ersten Stufe enthält einen Tragflügelprofilkern
bzw. Schaufelblattkern 40, der einen ersten und einen zweiten
Endabschnitt 43 und 44 aufweist. Der Schaufelblattkern 40 weist
ein Profil auf, das eine dreidimensionale (3D-)Gestalt enthält, die
eine Druckseite 50 und eine Saugseite 54 sowie
eine Vorderkante 60 und eine Hinterkante 64 definiert (siehe 4).
An dieser Stelle sollte es verständlich
sein, dass die Turbine 10 mehrere Leitschaufeln 16 der ersten
Stufe enthält,
die längs
des Umfangs rings um eine (nicht gesondert bezeichnete) Leitschaufelanordnung
der ersten Stufe im Abstand zueinander angeordnet sind.
-
Ein
wichtiger Aspekt der Leitschaufel ist eine kalte Schaufelblattkernprofilgestalt,
die gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der Erfindung für
eine verbesserte Turbinenleistung konfiguriert ist. Eine Auflistung
von X-, Y- und Z-Koordinaten
für den
Schaufelblattkern 40 wird in Tabelle I präsentiert
und erfüllt
Turbinenanforderungen hinsichtlich des Kühldurchsatzes, der Herstellbarkeit
der Leitschaufel durch Gießen
und der Einsetzbarkeit eines Aufprallrohrs. Außerdem beseitigt die spezielle
Form des Schaufelblattkerns 40 durch Maximierung eines
Aufprallkühlbereichs
im Wesentlichen den Bedarf nach einer Schaufelblattfilmkühlung, die stromabwärts der
Leitschaufelkehle eingebracht wird, um die Leistung noch weiter
zu verbessern. Zu den Punkten gelangt man durch Iteration zwischen
aerodynamischen und mechanischen Entwurfsverbesserungen, und sie
stellen lediglich die Ortskurve dar, die der Gasturbine 10 ermöglicht,
auf eine effiziente, sanfte Weise zu arbeiten. Wie nachstehend offensichtlicher
wird, ist der Schaufelblattkern 40 als ein Satz von 1440 Punkten
dargestellt, die in Tabelle I aufgelistet sind. Die 1440 Punkte
repräsentieren
zwölf Querschnitte
des Schaufelblattkerns 40, die jeweils 120 Punkte beinhalten.
Die Koordinaten X, Y und Z, die ein Profil des Schaufelblattkerns 40 repräsentieren,
sind in einem Koordinatensystem geschaffen, das relativ zu einer
(nicht gesondert bezeichneten) Mittelachse der Maschine im kalten
Zustand der Turbine 10 definiert ist. Der Ursprung des Koordinatensystems
auf der kalten Mittelachse ist X = 0,0, Y = 0,0 und Z = 0,0. Die
Z-Koordinatenachse ist als eine radiale Linie von der Y-Koordinatenachse
definiert; die X-Koordinatenachse ist senkrecht zu einer Ebene definiert,
die durch die Y-Z-Achsen definiert ist. Die Schaufelblattquerschnitte
sind senkrecht zu der Z-Koordinatenachse geschnitten. Die Punkte
X und Y, die die Schaufelblattkernprofilgestalt in jedem Querschnitt
ausmachen, sind in Zoll angegeben. Die radialen Z-Werte in Zoll
für die
Querschnittebenen beginnen an dem unteren Abschnitt oder einem Punkt
Z0, der sich am nächsten an der kalten Mittellinienachse
befindet, und führen bis
zu Z1, einem oberen Abschnitt oder einem
Punkt, der von der kalten Mittelachse am weitesten entfernt ist.
-
Der
radiale Abstand zwischen allen Querschnitten beträgt 0,6 Zoll,
so dass eine gesamte radiale Erstreckung des Schaufelblattkerns 40 6,6
Zoll beträgt.
Der untere und der obere Abschnitt Z0 und
Z1 können
von eingegossenen Merkmalen verdeckt sein, die in den X-, Y- und
Z-Punkten, die den Schaufelblattkern 40 definieren, nicht
enthalten sind. All die 1440 Punkte sind für jeden Querschnitt des Schaufelblattkerns 40 bei
einer nominellen kalten oder Raumtemperatur entnommen. Jeder Querschnitt
wird glatt mit benachbarten Querschnitten verbunden, um die Profilgestalt
des Schaufelblattkerns zu bilden.
-
Es
sollte verständlich
sein, dass, wenn sich jede Leitschaufel 16 im Betrieb der
Turbine 10 aufheizt, die Schaufelblattkernprofilgestalt
sich infolge von Belastung und Temperatur verändert. Somit sind die Punkte X,
Y und Z für
Herstellungszwecke bei kalter oder Raumtemperatur angegeben. Da
die hergestellte Profilgestalt des Schaufelblattkerns sich von einer
nominellen Schaufelblattkernprofilgestalt, wie sie in Tabelle I
definiert ist, unterscheiden kann, wird eine Toleranz von ±0,060
Zoll gegenüber
dem Nennprofil zugelassen, die somit eine gesamte Entwurfshüllfläche für die Schaufelblattkernprofilgestalt
definiert. Die gesamte Konstruktion ist in dieser Hülle robust,
ohne dass die mechanischen oder aerodynamischen Eigenschaften der
Leitschaufel 16 beeinträchtigt
werden.
-
Es
sollte auch verständlich
sein, dass der Schaufelblattkern 40 geometrisch auf- oder
abskaliert werden kann, um in ähnliche
Turbinenkonstruktionen mit kleinerer oder größerer Gehäusegröße eingebracht zu werden. Demgemäß können die
in Zoll angegebenen X-, Y- und Z-Koordinaten mit derselben Konstante
oder Zahl oder demselben Faktor multipliziert oder durch diese bzw.
diesen dividiert werden, um eine proportional vergrößerte oder
proportional verkleinerte bzw. auf- oder abskalierte Version der
Leitschaufel 16 zu ergeben, während die Schaufelblattkernprofilgestalt
und die einzigartigen Eigenschaften beibehalten werden.
-
Wie
am besten in 2 veranschaulicht, ist ein Koordinatensystem
für die
Schaufelblattkernprofilgestalt gemäß beispielhaften Ausführungsformen
der Erfindung allgemein bei 100 angezeigt. Wie vorstehend
erläutert,
ist das Koordinatensystem 100 in Bezug auf eine (nicht
gesondert bezeichnete) kalte Mittelachse der Turbinenmaschine 10 definiert.
Das Koordinatensystem 100 enthält eine XC-Achse 105,
eine YC-Achse 110 und eine ZC-Achse 115. Der Ursprung des Koordinatensystems 100 ist
auf der kalten Maschinenmittelachse zentriert angeordnet. Die Zc-Achse 115 ist entlang einer radialen
Linie ausgerichtet, die zu der kalten Maschinenmittelachse senkrecht
verläuft.
Die positive Richtung der XC-Achse 105,
der YC-Achse 110 und der ZC-Achse 115 ist
durch die angebrachten Bezeichnungen in 2 identifiziert.
-
Wie
am besten in 3 veranschaulicht, enthält der Schaufelblattkern 40 mehrere
Schnitte 150–260. Der
Schnitt 150 ist bei Z1 angeordnet,
und die Schaufelblattkernprofilgestalt erstreckt sich über die
Schnitte 150–250 hinweg,
bevor sie in dem Schnitt 260 endet, der bei Z0 angeordnet
ist. Wie vorstehend erläutert,
sind die Querschnitte 150–260 senkrecht zu
der ZC-Achse 115 geschnitten. Die
Koordinaten X und Y, die jeden Querschnitt ausmachen, sind in Tabelle
I in Zoll angegeben. 4 veranschaulicht Punkte 240,
die den Querschnitt 200 bilden. Zusätzlich zu der Schaufelblattkernprofilgestalt
definieren die Koordinaten X, Y und Z auch ein Rippenprofil 320.
Das Rippenprofil 320 ist insbesondere hinsichtlich der
Einsetzbarkeit eines Aufprallrohrs sowie für die Herstellbarkeit durch
Gießen
konfiguriert. Kernabstandshalter 340–344, die durch die
in Tabelle I aufgelisteten Koordinaten X, Y, Z nicht definiert sind,
sind insbesondere angeordnet, um Aufprallrohre aus Blech zu positionieren.
-
6 veranschaulicht
eine entwurfsgemäße Hüllkurve
bzw. -fläche
für den
Schaufelblattkern 40. Die X-, Y- und Z-Werte, wie sie in
Tabelle I aufgelistet sind, veranschaulichen den idealen Ort für jeden
Punkt jedes Querschnitts des Schaufelblattkerns 40. Jedoch
liegen Abweichungen gegenüber
der idealen Lage eines Punktes vor, die Herstellungstoleranzen und
dergleichen zuzuschreiben sind und die mit berücksichtigt werden müssen. Somit
wird eine Entwurfshülle
errichtet, die eine zulässige äußere Begrenzung
oder einen zulässigen äußeren Abstand
gegenüber
einem Nennprofil 400 für
jeden Querschnitt 150–260 angibt.
Folglich sollte verstanden werden, dass jeder X-, Y- und Z-Punkt
eine Toleranz oder einen ±-Wert
enthält.
In Anbetracht der Prozessfähigkeit
wird eine Toleranz 410 von 0,120 Zoll bei der Erzeugung
des Schaufelblattkerns 40 zugelassen. Die Toleranz 410 enthält eine
obere Grenze 420, die als eine Abweichung von 0,060 Zoll
gegenüber
dem Nennprofil 400 definiert ist, und eine untere Grenze,
die als eine Abweichung von –0,060
Zoll gegenüber
dem Nennprofil 400 definiert ist. Die entwurfsgemäße Hüllfläche oder
Toleranz 410 ist derart robust, dass diese Abweichung das
mechanische und aerodynamische Verhalten der Leitschaufel 16 nicht
beeinträchtigt.
-
Ohne
dass dies die Erfindung in irgendeinem Sinne beschränken sollte,
ergibt der Schaufelblattkern
40 eine Effizienzsteigerung
von soviel wie 0,08% im Vergleich zu früheren individuellen Schaufelblattkernen. Außerdem,
und in keinem beschränkenden
Sinne für
die Erfindung, ergibt der Schaufelblattkern
40, wie er durch
die Erfindung verkörpert
ist, in Verbindung mit weiteren Schaufelblattkernen, die von herkömmlicher
Art oder (ähnlich
den hier angegebenen Verbesserungen) verbessert sein können, eine
Effizienzsteigerung von soviel wie 0,08% im Vergleich zu früheren individuellen
Sätzen
von Schaufelblattkernen. Diese Effizienzsteigerung ergibt zusätzlich zu
den vorstehend erwähnten
Vorteilen eine Leistungsabgabe bei einer Verringerung des Kraftstoffbedarfs,
so dass sie folglich an sich Emissionen bei der Erzeugung von Energie
verringert. Natürlich
liegen weitere derartige Vorteile in dem Rahmen der Erfindung. TABELLE
I
-
An
dieser Stelle sollte verstanden werden, dass die in Tabelle I offenbarten
Punkte beispielhaft sind, so dass Variationen/Abweichungen gegenüber den
Punkten in Tabelle I bei einem oder mehreren Querschnitten, die
die gewünschten
Eigenschaften, wie sie durch die Schaufelblattkerngestalt gemäß beispielhaften
Ausführungsformen
der Erfindung erhalten werden, nicht wesentlich beeinträchtigen,
in den Rahmen der beispielhaften Ausführungsform der Erfindung fallen.
-
Allgemein
verwendet diese Beschreibung Beispiele, um die Erfindung, einschließlich der
besten Ausführungsform,
zu offenbaren und auch um jedem Fachmann zu ermöglichen, die Erfindung auszuführen, wozu auch
die Herstellung und Nutzung jeglicher Vorrichtungen oder Systeme
und die Durchführung
jeglicher enthaltener Verfahren gehören. Der patentierbare Umfang
der Erfindung ist durch die Ansprüche definiert und kann weitere
Beispiele enthalten, die Fachleuten einfallen. Derartige weitere
Beispiele sollen in dem Rahmen der beispielhaften Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthalten sein, wenn sie strukturelle
Elemente aufweisen, die sich von dem Wortsinn der Ansprüche nicht
unterscheiden, oder wenn sie äquivalente strukturelle
Elemente mit gegenüber
dem Wortsinn der Ansprüche
unwesentlichen Unterschieden enthalten.
-
Ein
Herstellungsgegenstand 40 enthält ein Objekt mit einer Tragflügelprofilkernform 100.
Die Tragflügelprofilkernform 100 weist
ein Nennprofil 400 im Wesentlichen entsprechend den kartesischen
Koordinatenwerten X, Y und Z, wie sie in Tabelle I angegeben sind,
auf, wobei X und Y Abstände
in Zoll darstellen, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander
verbunden werden, Tragflügelprofilquerschnitte 150–260 in jedem
Abstand Z in Zoll definieren. Die Profilquerschnitte 150–260 in
den Z-Abständen
werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Tragflügelprofilkernform 100 zu
erzeugen.
-
- 10
- Gasturbine
- 12
- Axialer
Strömungspfad
- 15
- Erste
Turbinenstufe
- 16
- Leitschaufel
der ersten Stufe
- 20
- Laufschaufel
der ersten Stufe
- 21
- Zweite
Turbinenstufe
- 22
- Leitschaufel
der zweiten Stufe
- 26
- Laufschaufel
der zweiten Stufe
- 27
- Dritte
Turbinenstufe
- 28
- Leitschaufel
der dritten Stufe
- 32
- Laufschaufel
der dritten Stufe
- 40
- Tragflügelprofilkern,
Schaufelblattkern (16)
- 43
- Erster
Endabschnitt (40)
- 44
- Zweiter
Endabschnitt (40)
- 50
- Druckseite
(40)
- 54
- Saugseite
(40)
- 60
- Vorderkante
(40)
- 64
- Hinterkante
(40)
- 100
- Schaufelblattkernprofilgestalt
- 105
- XC-Achse
- 110
- Yc-Achse
- 115
- ZC-Achse
- 150–260
- Schaufelblattkernquerschnitte
- 290
- Punkte
- 320
- Rippenprofil
- 340–344
- Kernabstandshalter
- 400
- Nennprofil
- 410
- Toleranz