DE102009025936B4 - Schaufelkernform für eine Turbinenleitschaufel - Google Patents

Abstract

Herstellungsartikel (40), der aufweist: ein Objekt mit einer Schaufelblattkerngestalt (100), wobei die Schaufelblattkerngestalt (100) ein Nennprofil (400) aufweist, das den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht, wie sie in Tabelle I angegeben sind, wobei das Nennprofil (400) in einer Hülle innerhalb von 1,524 Millimetern und –1,524 Millimetern in einer Richtung senkrecht zu jedem beliebigen der Schaufelblattkernprofilquerschnitte liegt und worin X und Y Abstände in Millimetern darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden werden, Schaufelblattprofilquerschnitte (150–260) in jedem Abstand Z in Millimetern definieren, wobei die Profilquerschnitte (150–260) in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattkerngestalt (100) zu bilden.

Description

• 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.
• US 2005 0 169 759 A1 beschreibt ein U-förmiges, keramisches Strömungskanalteil, das zwischen zwei Holme in den Strömungsweg einer Turbine eingesetzt werden kann. Durch das Strömungsteil soll die thermische Belastung der Holme reduziert werden. Der bislang notwendige Aufwand für die sehr komplexe und schwierige Entwicklung der Form und Eigenschaften von Turbinenschaufeln soll durch den Einsatz dieses zusätzlichen Strömungskanalteils reduziert werden.
• DE 10 2005 024 160 A1 definiert eine Schaufelblattquerschnitt anhand einer Tabelle mit einer Vielzahl von Punkten, die sich allerdings deutlich von der erfindungsgemäßen Form unterscheiden.
• 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 Millimetern darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden werden, Schaufelblattprofilquerschnitte in jedem Abstand Z in Millimetern 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 Tragflügelprofilbzw. 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 Millimetern darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden werden, Schaufelblattprofilquerschnitte in jedem Abstand Z in Millimetern 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, ergeben mit dem Faktor 25,4 mm multipliziert Angaben in Millimetern. Die radialen Z-Werte ergeben, mit dem Faktor 25,4 mm multipliziert, Angaben in Millimetern für die Querschnittebenen und 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 15,24 Millimeter, so dass eine gesamte radiale Erstreckung des Schaufelblattkerns 40 167,64 Millimeter 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 ± 1,524 Millimeter 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 Millimetern 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 X_C-Achse 105, eine Y_C-Achse 110 und eine Z_C-Achse 115. Der Ursprung des Koordinatensystems 100 ist auf der kalten Maschinenmittelachse zentriert angeordnet. Die Z_c-Achse 115 ist entlang einer radialen Linie ausgerichtet, die zu der kalten Maschinenmittelachse senkrecht verläuft. Die positive Richtung der X_C-Achse 105, der Y_C-Achse 110 und der Z_C-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 Z_C-Achse 115 geschnitten. Die Koordinaten X und Y in Tabelle I, die jeden Querschnitt ausmachen, ergeben mit dem Faktor 25,4 mm multipliziert, Angaben in Millimetern. 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 3,048 Millimetern bei der Erzeugung des Schaufelblattkerns 40 zugelassen. Die Toleranz 410 enthält eine obere Grenze 420, die als eine Abweichung von 1,524 Millimetern gegenüber dem Nennprofil 400 definiert ist, und eine untere Grenze, die als eine Abweichung von –1,524 Millimetern 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
• Alle Tabelleneinträge sind mit dem Faktor 25,4 mm zu multiplizieren und ergeben dann Koordinatenwerte in Millimetern.

  

  

  

  

  

  

  

  

  

  
• 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 Millimetern darstellen, die, wenn sie durch glatte stetige Bögen miteinander verbunden werden, Tragflügelprofilquerschnitte 150–260 in jedem Abstand Z in Millimetern definieren. Die Profilquerschnitte 150–260 in den Z-Abständen werden glatt miteinander verbunden, um eine vollständige Tragflügelprofilkernform 100 zu erzeugen.
• Bezugszeichenliste

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

X_C-Achse

110

Y_c-Achse

115

Z_C-Achse

150–260

Schaufelblattkernquerschnitte

290

Punkte

320

Rippenprofil

340–344

Kernabstandshalter

400

Nennprofil

410

Toleranz

Claims (5)

1. Herstellungsartikel (40), der aufweist: ein Objekt mit einer Schaufelblattkerngestalt (100), wobei die Schaufelblattkerngestalt (100) ein Nennprofil (400) aufweist, das den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht, wie sie in Tabelle I angegeben sind, wobei das Nennprofil (400) in einer Hülle innerhalb von 1,524 Millimetern und –1,524 Millimetern in einer Richtung senkrecht zu jedem beliebigen der Schaufelblattkernprofilquerschnitte liegt und worin X und Y Abstände in Millimetern darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden werden, Schaufelblattprofilquerschnitte (150–260) in jedem Abstand Z in Millimetern definieren, wobei die Profilquerschnitte (150–260) in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattkerngestalt (100) zu bilden.
2. Herstellungsartikel nach Anspruch 1, wobei das Objekt eine Schaufelblattkerngestalt (100) für eine Turbinenleitschaufel (16) der ersten Stufe (15) aufweist.
3. Herstellungsartikel nach Anspruch 1, wobei das Objekt einen Schaufelblattkern aufweist.
4. Turbine (10) aufweisend: wenigstens eine Turbinenstufe (15), die mehrere Herstellungsartikel (40) enthält, wobei jeder der mehreren Herstellungsartikel (40) eine Schaufelblattkerngestalt (100) enthält, wobei die Schaufelblattkerngestalt (100) ein Nennprofil (400) aufweist, das den kartesischen Koordinatenwerten X, Y und Z entspricht, wie sie in Tabelle I angegeben sind, wobei das Nennprofil (400) in einer Hülle innerhalb von 1,524 Millimetern und –1,524 Millimetern in einer Richtung senkrecht zu jedem beliebigen der Schaufelblattkernprofilquerschnitte liegt, wobei X und Y Abstände in Millimetern darstellen, die, wenn sie durch glatte kontinuierliche Bögen verbunden werden, Schaufelblattprofilquerschnitte (150–260) in jedem Abstand Z in Millimetern definieren, wobei die Profilquerschnitte (150–260) in den Z-Abständen glatt miteinander verbunden werden, um eine vollständige Schaufelblattkerngestalt (100) zu bilden.
5. Turbine (10) nach Anspruch 4, wobei jeder Herstellungsartikel (40) eine Schaufelblattkerngestalt (100) für eine Turbinenleitschaufel (16) der ersten Stufe (15) aufweist.

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