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HINTERGRUND ZU DER ERFINDUNG
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Diese
vorliegende Anmeldung betrifft Turbinenmaschinen bzw. -triebwerke.
Insbesondere, jedoch keinesfalls beschränkend, betrifft die vorliegende
Anmeldung die Positionierung von Schaufelblättern in einer Reihe in Bezug
auf Schaufelblätter
in benachbarten oder nahegelegenen Reihen, so dass bestimmte betriebliche
Vorteile erreicht werden.
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Eine
Gasturbinenmaschine bzw. ein Gasturbinentriebwerk enthält gewöhnlich einen
Verdichter, eine Brennkammer und eine Turbine. Der Verdichter und
die Turbine enthalten allgemein Reihen von Schaufelblättern oder
Schaufeln, die in Stufen axial gestapelt sind. Jede Stufe enthält allgemein
eine Reihe von in Umfangsrichtung beabstandeten Statorleitschaufeln,
die fest sind, und einen Satz von in Umfangsrichtung beabstandeten
Rotorlaufschaufeln, die rings um eine Mittelachse oder zentrale
Welle rotieren. Im Allgemeinen laufen die Rotorschaufeln in dem
Verdichterrotor im Betrieb an der Welle um, um einen Luftstrom zu
komprimieren. Die Zufuhr der komprimierten Luft wird in der Brennkammer
dazu verwendet, eine Brennstoffzufuhr zu verbrennen. Die resultierende
Heißgasströmung aus
der Brennkammer wird durch die Turbine expandiert, was die Turbinenrotorschaufeln
veranlasst, rings um an der Welle umzulaufen. Auf diese Weise wird
in dem Brennstoff enthaltene Energie in die machanische Energie
der rotierenden Laufschaufeln umgewandelt, was dazu verwendet werden
kann, die Rotorschaufeln des Verdichters und die Spulen eines Generators
in Drehung zu versetzen, um elektrischen Strom zu erzeugen. Während eines
Betriebs sind die Statorschaufeln und die Rotorschaufeln sowohl
in dem Verdichter als auch in der Turbine aufgrund der extremen
Temperaturen, der Geschwindigkeit des Arbeitsfluids und der Drehgeschwindigkeit
der Rotorschaufeln stark belastete Teile.
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Häufig sind
sowohl in dem Verdichterabschnitt als auch in dem Turbinenabschnitt
der Turbinenmaschine Reihen von Stator- oder Rotorschaufeln von nahegelegenen
oder benachbarten Stufen im Wesentlichen mit der gleichen Anzahl
von längs des
Umfangs voneinander beabstandeten Schaufeln konfiguriert. In dem
Bestreben, die aerodynamische Leistungsfähigkeit von Turbinenmaschinen
zu verbessern, sind Anstrengungen unternommen worden, um die relativen
Umfangspositionen der Laufschaufeln in einer Reihe relativ zu den
Umfangspositionen der Schaufeln in nahe gelegenen oder benachbarten Reihen
zu registrieren oder „zu
takten”.
Während
sie die aerodynamische Leistungsfähigkeit der Maschine nur minimal
oder vernachlässigbar
verbessern, ist jedoch festgestellt worden, dass derartige herkömmliche
Relativpositionierungsverfahren, die auch als Clocking-Verfahren
bezeichnet werden, im Allgemeinen derart wirken, dass sie die mechanischen
Belastungen, die während
des Betriebs auf die Schaufelblätter
einwirken, erhöhen.
Natürlich
können
erhöhte Betriebsbelastungen
Schaufeldefekte hervorrufen, die einen weitgehenden Schaden an der
Gasturbinenmaschine zur Folge haben können. Allermindestens verkürzen erhöhte Betriebsbelastungen
die Teilelebensdauer der Schaufelblätter, was die Betriebskosten
der Maschine steigert.
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Der
ständig
wachsende Bedarf an Energie macht das Ziel, effizientere Turbinenmaschinen
zu entwickeln, zu einer laufenden und bedeutenden Vorgabe. Jedoch
setzen viele der Art und Weisen, auf die Turbinenmaschinen effizienter
gemacht werden, Schaufelblätter
der Verdichter- und Turbinenabschnitte der Maschine zusätzlichen
Belastungen aus. Dies bedeutet, dass die Turbinenleistungsfähigkeit im
Allgemeinen durch verschiedene Mittel, einschließlich einer größeren Abmessung,
höherer
Feuerungstemperaturen und/oder größerer Drehgeschwindigkeiten,
erhöht
werden kann, wobei all diese eine größere Belastung auf die Schaufelblätter im Betrieb
auferlegen. Infolgedessen werden neue Verfahren und Systeme benötigt, die
die Belastungen an den Turbinenschaufelblättern reduzieren. Ein neues Verfahren
oder System zum Relativpositionieren (Clocking) von Turbinenschaufelblättern, das
auf Schaufelblätter
einwirkende Betriebsbelastungen reduziert, würde einen wichtigen Schritt
in Richtung auf eine Entwicklung effizienterer Turbinenmaschinen darstellen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt somit ein Verfahren zum Betreiben
einer Turbinenmaschine bzw. eines Turbinentriebwerks, wobei die
Turbinenmaschine wenigstens drei aufeinanderfolgende axial gestapelte
Reihen von Schaufelblättern
in entweder einem Verdichter oder einer Turbine enthält: eine
erste Schaufelblattreihe, eine zweite Schaufelblattreihe und eine
dritte Schaufelblattreihe. Die erste Schaufelblattreihe und die
dritte Schaufelblattreihe können
beide entweder eine Reihe Rotorlaufschaufeln oder eine Reihe Statorleitschaufeln
aufweisen, während
die zweite Schaufelblattreihe die andere aufweist. Das Verfahren
enthält:
Konfigurieren der Schaufelblätter
der ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise, dass wenigstens ein Teil der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und wenigstens ein Teil der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Relativpositionierungsbeziehung
bzw. Taktungsbeziehung in einem Bereich zwischen 25% und 75% der
Teilung aufweisen.
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Das
Verfahren kann ferner den Schritt des Konfigurierens der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise enthalten, dass im Wesentlichen alle der
Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und im Wesentlichen alle der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Relativpositionierungsbeziehung
bzw. Taktungsbeziehung zwischen 25% und 75% der Teilung aufweisen.
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Die
Turbinenmaschine kann derart konfiguriert sein, dass zwischen der
ersten Schaufelblattreihe und der dritten Schaufelblattreihe im
Betrieb im Wesentlichen keine Relativbewegung vorhanden ist. Die
Turbinenmaschine kann derart konfiguriert sein, dass die erste Schaufelblattreihe
und die dritte Schaufelblattreihe im Wesentlichen die gleiche Relativbewegung
in Bezug auf die zweite Schaufelblattreihe im Betrieb aufweisen.
Die Turbinenmaschine kann derart konfiguriert sein, dass die erste
Schaufelblattreihe und die dritte Schaufelblattreihe im Wesentlichen
die gleiche Anzahl von Schaufelblättern aufweisen.
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Die
Teilung kann den Umfangsabstand zwischen einem Punkt an einem Schaufelblatt
in einer Schaufelblattreihe und demselben Punkt an jedem der benachbarten
Schaufelblätter
in derselben Reihe aufweisen; und die Relativpositionierungsbeziehung oder
Taktungsbeziehung zwischen 25% und 75% der Teilung ergibt, dass
die Umfangsposition eines Schaufelblattes in der dritten Schaufelblattreihe
der Umfangsposition eines entsprechenden Schaufelblattes in der
ersten Schaufelblattreihe um einen Versatz in einem Bereich zwischen
25% und 75% des Maßes
der Teilung voraus- oder nacheilt.
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Das
Verfahren kann ferner den Schritt des Konfigurierens der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise aufweisen, dass wenigstens 90% der Schaufelblätter der ersten
Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 35% und 65% der Teilung aufweisen.
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Das
Verfahren kann ferner den Schritt des Konfigurierens der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise aufweisen, dass wenigstens 90% der Schaufelblätter der ersten
Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 45% und 55% der Teilung aufweisen.
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Die
vorliegende Anmeldung beschreibt ferner ein Verfahren zum Betreiben
einer Turbinenmaschine bzw. eines Turbinentriebwerks, wobei die
Turbinenmaschine wenigstens fünf
aufeinanderfolgende axial gestapelte Reihen von Schaufelblättern in
entweder einem Verdichter oder einer Turbine enthält: eine
erste Schaufelblattreihe, eine zweite Schaufelblattreihe, eine dritte
Schaufelblattreihe, eine vierte Schaufelblattreihe und eine fünfte Schaufelblattreihe. Die
erste Schaufelblattreihe und die dritte Schaufelblattreihe und die
fünfte
Schaufelblattreihe weisen jeweils entweder eine Reihe von Rotorschaufeln
oder eine Reihe von Statorschaufeln auf, während die zweite Schaufelblattreihe
und die vierte Schaufelblattreihe die andere Schaufelart aufweisen.
Das Verfahren kann die Schritte enthalten: Konfigurieren der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise, dass wenigstens 90% der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
in einem Bereich zwischen 25% und 75% der Teilung aufweisen; und
Konfigurieren der Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe in einer derartigen Weise, dass wenigstens 90%
der Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 25% und 75% der Teilung aufweisen.
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Das
Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: Konfigurieren der
Schaufelblätter
der ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise, dass im Wesentlichen all die Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und im Wesentlichen all die Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 25% und 75% der Teilung aufweisen; und Konfigurieren der
Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe in einer derartigen Weise, dass im Wesentlichen
alle Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und im Wesentlichen all die Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 25% und 75% der Teilung aufweisen.
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Das
Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: Konfigurieren der
Schaufelblätter
der ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise, dass wenigstens 90% der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 35% und 65% der Teilung aufweisen; und Konfigurieren der
Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der
fünften
Schau felblattreihe in einer derartigen Weise, dass wenigstens 90%
der Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 35% und 65% der Teilung aufweisen.
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Das
Verfahren kann ferner die Schritte aufweisen: Konfigurieren der
Schaufelblätter
der ersten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der dritten Schaufelblattreihe
in einer derartigen Weise, dass wenigstens 90% der Schaufelblätter der
ersten Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
dritten Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 45% und 55% der Teilung aufweisen; und Konfigurieren der
Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und der Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe in einer derartigen Weise, dass wenigstens 90%
der Schaufelblätter
der dritten Schaufelblattreihe und wenigstens 90% der Schaufelblätter der
fünften
Schaufelblattreihe eine Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung
zwischen 45% und 55% der Teilung aufweisen.
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Diese
und weitere Merkmale der vorliegenden Anmeldung werden bei der Durchsicht
der folgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
in Verbindung mit den Zeichnungen und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich.
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KUKRZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und weitere Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch
ein sorgfältiges
Studium der folgenden detaillierteren Beschreibung beispielhafter
Ausführungsformen
der Erfindung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen mehr verständlich und
geschätzt,
in denen zeigen:
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1 eine
schematisierte Darstellung einer beispielhaften Turbinenmaschine,
in der Ausführungsformen
der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
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2 eine
Schnittansicht eines Verdichters in einer Gasturbinenmaschine, in
der Ausführungsformen
der vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
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3 eine
Schnittansicht einer Turbine in einer Gasturbinenmaschine, in der
Ausführungsformen der
vorliegenden Anmeldung verwendet werden können;
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4 eine
schematisierte Darstellung von benachbarten Reihen von Schaufelblättern unter Veranschaulichung
einer beispielhaften Relativpositionierungsbeziehung;
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5 eine
schematisierte Darstellung benachbarter Reihen von Schaufelblättern unter
Veranschaulichung einer beispielhaften Relativpositionierungsbeziehung;
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6 eine
schematisierte Darstellung benachbarter Reihen von Schaufelblättern unter
Veranschaulichung einer beispielhaften Relativpositionierungsbeziehung;
und
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7 eine
schematisierte Darstellung benachbarter Reihen von Schaufelblättern unter
Veranschaulichung einer beispielhaften Relativpositionierungsbeziehung;
und
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8 eine
schematisierte Darstellung benachbarter Reihen von Schaufelblättern unter
Veranschaulichung von Relativpositionierungsbeziehungen gemäß beispielhaften
Ausführungsformen
der vorliegenden Anmeldung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Indem
nun auf die Figuren Bezug genommen wird, veranschaulicht 1 eine
schematisierte Darstellung einer Gasturbinenmaschine 100.
Im Allgemeinen arbeiten Gasturbinenmaschinen, indem sie aus einem
unter Druck gesetzten Heißgasstrom,
der durch Verbrennung eines Brennstoffs in einem Strom komprimierter
Luft erzeugt wird, Energie entziehen. Wie in 1 veranschaulicht,
kann die Gasturbinenmaschine 100 mit einem Axialverdichter 106,
der über
eine gemeinsame Welle oder einen Rotor mit einem stromabwärtigen Turbinenabschnitt
oder einer Turbine 110 mechanisch gekoppelt ist, und einer Brennkammer 112 eingerichtet
sein, die zwischen dem Verdichter 106 und der Turbine 110 positioniert ist.
Es ist zu beachten, dass die folgende Erfindung in Turbinenmaschinen
aller Bauarten, einschließlich Gasturbinenmaschinen,
Dampfturbinenmaschinen, Flugtriebwerken und anderen Maschinen, eingesetzt werden
kann. Ferner kann die hierin beschriebene Erfindung in Turbinenmaschinen
mit mehrfachen Wellen- und Nachverbrennungskonfigurationen sowie,
im Falle von Gasturbinenmaschinen, mit Brennkammern verschiedener
Bauart, wie z. B. mit ringförmigen
oder ringrohrförmigen
Brennkammerkonfigurationen, eingesetzt werden. Hier nachstehend
ist die Erfindung in Bezug auf eine beispielhafte Gasturbinenmaschine
beschrieben, wie sie in 1 dargestellt ist. Wie ein Fachmann
auf dem Fachgebiet verstehen wird, ist diese Beschreibung lediglich
beispielhafter und in keiner Weise beschränkender Natur.
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2 veranschaulicht
eine Ansicht eines beispielhaften mehrstufigen Axialverdichters 118,
der in einer Gasturbinenmaschine eingesetzt werden kann. Wie veranschaulicht,
kann der Verdichter 118 mehrere Stufen enthalten. Jede
Stufe kann eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 enthalten,
denen eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 folgt.
Somit kann eine erste Stufe eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 enthalten,
die rings um eine Mittelwelle rotieren, gefolgt von einer Reihe
von Verdichterstatorschaufeln 122, die im Betrieb stationär bleiben.
Die Verdichterstatorschaufeln 122 sind allgemein in Umfangsrichtung
im Abstand zueinander angeordnet und rings um die Drehachse ortsfest fixiert.
Die Verdichterrotorschaufeln 120 sind in Umfangsrichtung
rings um die Achse des Rotors voneinander beabstandet und rotieren
an der Welle während
des Betriebs. Wie ein Fachmann verstehen wird, sind die Verdichterrotorschaufeln 120 derart konfiguriert,
dass sie bei einer schnellen Drehbewegung rings um die Wellenachse
der Luft oder dem Arbeitsfluid, die bzw. das durch den Verdichter 118 strömt, kinetische
Energie verleihen. Wie ein Fachmann verstehen wird, kann der Verdichter 118 über die
Stufen, die in 2 veranschaulicht sind, hinaus weitere
Stufen aufweisen. Jede zusätzliche
Stufe kann mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Verdichterrotorschaufeln 120 mit
nachfolgenden mehreren in Umfangsrichtung beabstandeten Verdichterstatorschaufeln 122 enthalten.
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3 veranschaulicht
eine Teilansicht einer beispielhaften Turbine 124, die
in der Gasturbinenmaschine eingesetzt werden kann. Die Turbine 124 kann
mehrere Stufen enthalten. Es sind drei beispielhafte Stufen veranschaulicht,
wobei jedoch mehrere oder weniger Stufen in der Turbine 124 vorhanden sein
können.
Eine erste Stufe enthält
mehrere Turbinenlaufschaufeln oder Turbinenrotorschaufeln 126, die
im Betrieb über
der Welle rotieren, sowie mehrere Leitschaufeln oder Turbinenstatorschaufeln 128,
die im Betrieb stationär
bleiben. Die Turbinenstatorschaufeln 128 sind allgemein
in Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet und über der
Drehachse ortsfest fixiert. Die Turbinenrotorschaufeln 126 können an
einem (nicht veranschaulichten) Turbinenlaufrad zur Drehung an der
(nicht veranschaulichten) Welle montiert sein. Eine zweite Stufe
der Turbine 124 ist ebenfalls veranschaulicht. Die zweite
Stufe enthält
in ähnlicher
Weise mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenstatorschaufeln 128,
denen mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenrotorschaufeln 126 folgen,
die ebenfalls an einem Turbinenlaufrad zur Drehung montiert sind.
Es ist ferner eine dritte Stufe veranschaulicht, und diese enthält in ähnlicher
Weise mehrere in Umfangsrichtung beabstandete Turbinenstatorschaufeln 128 und Turbinenrotorschaufeln 126.
Es versteht sich, dass die Turbinenstatorschaufeln 128 und
die Turbinenrotorschaufeln 126 sich in dem Heißgaspfad
der Turbine 124 befinden. Die Strömungsrichtung der heißen Gase
durch den Heißgaspfad
ist durch den Pfeil angezeigt. Wie ein Fachmann verstehen wird,
kann die Turbine 124 viele weitere Stufen über die
Stufen, die in 3 veranschaulicht sind, hinaus
aufweisen. Jede weitere Stufe kann mehrere in Umfangsrichtung voneinander
beabstandete Turbinenstatorschaufeln 128 mit nachfolgenden
mehreren in Umfangsrichtung voneinander beabstandeten Turbinenrotorschaufeln 126 enthalten.
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Es
ist zu beachten, dass in dem hierin verwendeten Sinne eine Bezugnahme,
ohne weitere Spezifität,
auf „Rotorschaufeln” eine Bezugnahme auf
umlaufende Schaufeln entweder des Verdichters 118 oder
der Turbine 124 ist, die sowohl Verdichterrotorschaufeln 120 als
auch Turbinenrotorschaufeln 126 enthalten. Eine Bezugnahme,
ohne weitere Spezifität,
auf „Statorschaufeln” ist eine
Bezugnahme auf stationäre
bzw. feststehende Schaufeln entweder des Verdichters 118 oder
der Turbine 124, die sowohl Verdichterstatorschaufeln 122 als
auch Turbinenstatorschaufeln 128 enthalten. Der Ausdruck „Schaufelblatt” wird hierin
verwendet, um jede Art einer Schaufel zu bezeichnen. Somit schließt der Ausdruck „Schaufelblatt”, ohne
weitere Spezifität,
alle Arten von Turbinenmaschinenschaufeln, einschließlich Verdichterrotorschaufeln 120,
Verdichterstator schaufeln 122, Turbinenrotorschaufeln 126 und
Turbinenstatorschaufeln 128, ein.
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Im
Einsatz kann die Rotation von Verdichterrotorschaufeln 120 in
dem Axialverdichter 118 eine Luftströmung komprimieren. In der Brennkammer 112 kann
Energie freigesetzt werden, wenn die komprimierte Luft mit einem
Brennstoff vermischt und gezündet
wird. Die resultierende Strömung
von Heißgasen
aus der Brennkammer 112 kann anschließend über die Turbinenrotorschaufeln 126 geführt werden, was
die Drehung der Turbinenrotorschaufeln 126 an der Welle
herbeiführen
kann, so dass auf diese Weise die Energie der heißen Gasströmung in
mechanische Energie der umlaufenden Welle umgesetzt wird. Die mechanische
Energie der Welle kann anschließend
verwendet werden, um die Verdichterrotorschaufeln 120 drehend
anzutreiben, so dass die erforderliche Zufuhr der komprimierten
Luft hervorgebracht wird, und auch um beispielsweise einen Generator
zur Erzeugung elektrischen Stroms anzutreiben.
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Häufig können in
sowohl Gasturbinenverdichtern 106 als auch -turbinen 110 nahe
befindliche oder benachbarte Reihen von Schaufelblättern 130 im
Wesentlichen die gleiche Konfiguration aufweisen, d. h. die gleiche
Anzahl von ähnlich
bemessenen Schaufelblättern
haben, die längs
des Umfangs der Reihe ähnlich
voneinander beabstandet sind. Wenn dies der Fall ist und wenn zusätzlich zwei
oder mehrere Reihen derart funktionieren, dass keine Relativbewegung
zwischen ihnen vorliegt (wie dies beispielsweise zwischen zwei oder
mehreren Reihen von Rotorschaufeln oder zwei oder mehreren Reihen von
Statorschaufeln der Fall sein würde),
können
die Schaufelblätter
in diesen Reihen zueinander „getaktet” sein.
In dem hier verwendeten Sinne bezieht sich der Ausdruck „getaktet” oder „Taktung”, auch
als „Clocking” bezeichnet,
auf die festgelegte Umfangspositionierung der Schaufelblätter in
einer Reihe in Be zug auf die Umfangspositionierung der Schaufelblätter in
nahegelegenen Reihen.
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4 bis 7 veranschaulichen
vereinfachte schematisierte Darstellungen von Beispielen dafür, wie Reihen
von Schaufelblättern 130 getaktet bzw.
relativ positioniert werden können.
Diese Figuren enthalten drei Reihen von Schaufelblättern 130, die
in einer Nebeneinanderanordnung veranschaulicht sind. Die zwei äußeren Reihen
von Schaufelblättern 130 in
den 4 bis 7 können jeweils eine Reihe von
Rotorschaufeln repräsentieren,
während die
Reihe in der Mitte eine Reihe von Statorschaufeln repräsentieren
kann, oder, wie ein Fachmann verstehen wird, die zwei äußeren Reihen
können
eine Reihe von Statorschaufeln repräsentieren, während die Reihe
in der Mitte eine Reihe von Rotorschaufeln repräsentieren kann. Wie ein Fachmann
verstehen wird, weisen die beiden äußeren Reihen, unabhängig davon,
ob sie Statorschaufeln oder Rotorschaufeln darstellen, im Wesentlichen
keine Relativbewegung zwischeneinander auf (d. h. beide bleiben
stationär oder
beide rotieren mit derselben Geschwindigkeit während des Betriebs), während die
beiden äußeren Reihen
im Wesentlichen dieselbe Relativbewegung in Bezug auf die mittlere
Reihe aufweisen (d. h. die beiden äußeren Reihen rotieren, während die
mittlere Reihe stationär
bleibt, oder die beiden äußeren Reihen
bleiben stationär,
während
die mittlere Reihe rotiert). Wie bereits beschrieben, müssen, damit
das Takten bzw. die Relativpositionierung zwischen den beiden äußeren Reihen
am effektivsten ist, diese ferner jeweils ähnlich konfiguriert sein. An
sich kann angenommen werden, dass die beiden äußeren Reihen gemäß 4 bis 7 im
Wesentlichen die gleiche Anzahl von Schaufelblättern aufweisen, und es kann angenommen
werden, dass die Schaufelblätter
an jeder Reihe ähnlich
bemessen und rings um den Umfang jeder Reihe beabstandet sind.
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Für die Zwecke
der Beispiele in den 4 bis 7 wird die
erste äußere Reihe
von Schaufelblättern
als eine erste Schaufelblattreihe 134 bezeichnet, während die
mittlere Reihe von Schaufelblättern
als eine zweite Schaufelblattreihe 136 bezeichnet wird
und die weitere äußere Reihe
von Schaufelblättern
als eine dritte Schaufelblattreihe 138 bezeichnet wird.
Die Relativbewegung der ersten Schaufelblattreihe 134 und
der dritten Schaufelblattreihe 138 ist durch Pfeile 140 angezeigt.
Die Strömungsrichtung,
die die Richtung der Strömung durch
entweder den Verdichter 118 oder die Turbine 124,
was auch immer der Fall sein kann, repräsentieren kann, ist durch Pfeile 142 angezeigt.
Es ist zu beachten, dass die beispielhaften Reihen von Schaufelblättern, wie
sie in den 4 bis 7 verwendet werden,
zusammen mit den Ausdrücken „erste”, „zweite” und „dritte” beschrieben
sind. Diese Beschreibung ist lediglich auf die Relativpositionierung der
veranschaulichten Reihen in Bezug auf die anderen Reihen in jeder
der Figuren anwendbar und nicht für die Gesamtpositionierung
in Bezug auf andere Reihen von Schaufelblättern in der Turbinenmaschine
bezeichnend. Beispielsweise können
weitere Reihen von Schaufelblättern
stromaufwärts
der „ersten Schaufelblattreihe 136” positioniert
sein (d. h. die erste Schaufelblattreihe 136 ist nicht
notwendigerweise die erste Reihe von Schaufelblättern in der Turbinenmaschine).
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Der
Ausdruck „Teilung” einer
Reihe von Schaufelblättern
wird hierin verwendet, um das Maß des sich wiederholenden Musters
längs des
Umfangs einer bestimmten Reihe zu bezeichnen. Somit kann die Teilung
als der Umfangsabstand zwischen beispielsweise der Vorderkante eines
Schaufelblattes in einer bestimmten Reihe und der Vorderkante jedes
der benachbarten Schaufelblätter
in derselben Reihe beschrieben sein. Die Teilung kann beispielsweise
auch den Abstand in Umfangsrichtung zwischen der Hinterkante eines
Schaufelblattes in einer be stimmten Reihe und der Hinterkante jedes
der benachbarten Schaufelblätter
in derselben Reihe beschreiben. Es versteht sich, dass um einer
effektiveren Taktung bzw. Relativpositionierung Willen die beiden
Reihen im Allgemeinen ähnliche
Teilungsmaße aufweisen
werden. Die erste Schaufelblattreihe 134 und die dritte
Schaufelblattreihe 138, wie sie veranschaulicht sind, haben
im Wesentlichen dieselbe Teilung, die in der dritten Schaufelblattreihe 138 in 4 als
ein Abstand 144 angezeigt ist. Es ist zu beachten, dass
die Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeispiele gemäß den 4 bis 7 derart
beschaffen sind, dass ein einheitliches Verfahren zum Beschreiben
verschiedener Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehungen zwischen
nahegelegenen oder benachbarten Schaufelblattreihen skizziert und
verstanden werden kann. Im Allgemeinen wird, wie nachstehend genauer
beschrieben, die Taktungs- bzw.
Relativpositionierungsbeziehung zwischen zwei Reihen als der Prozentanteil
des Teilungsmaßes
angegeben. Dies bedeutet, es ist der Prozentsatz des Teilungsmaßes, der
den Abstand kennzeichnet, um den die Schaufelblätter an den beiden Reihen gegeneinander
relativpositioniert oder getaktet oder versetzt sind. Somit kann
der Prozentanteil des Teilungsmaßes den Umfangsabstand beschreiben,
um den beispielsweise die Vorderkante eines Schaufelblattes an einer
bestimmten Reihe und die Vorderkante eines entsprechenden Schaufelblattes
an einer zweiten Reihe gegeneinander versetzt sind.
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4 bis 7 liefern
verschiedene Beispiele für
unterschiedliche Relativpositionierungsbeziehungen (Taktungsbeziehungen)
zwischen den beiden äußeren Reihen,
d. h. der ersten Schaufelblattreihe 134 und der dritten
Schaufelblattreihe 138. In 4 ist, wie
verständlich
wird, die dritte Schaufelblattreihe 138 um etwa 0% der
Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 134 versetzt.
Somit eilt die Umfangsposition eines Schaufelblattes 130 in
der dritten Schaufelblattreihe 138, wie veranschaulicht, dem
entsprechenden Schaufelblatt 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 um
einen Versatz von etwa 0% des Teilungsmaßes nach, was natürlich bedeutet, dass
das Schaufelblatt 130 in der dritten Schaufelblattreihe 138 im
Wesentlichen die gleiche Umfangsposition wie das zugehörige Schaufelblatt 130 in
der ersten Schaufelblattreihe 134 behält. An sich eilt eine Vorderkante
eines Schaufelblattes 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 (der
einen, die mit dem Bezugszeichen 148 gekennzeichnet ist)
der Vorderkante des entsprechenden Schaufelblattes 130 in
der dritten Schaufelblattreihe 138 (die mit dem Bezugszeichen 150 gekennzeichnet
ist) um einen Umfangsabstand von etwa 0% des Teilungsmaßes voraus, was
bedeutet, dass die Vorderkanten der entsprechenden Schaufelblätter im
Wesentlichen die gleiche Umfangsposition einnehmen.
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In 5 ist,
wie verständlich
wird, die dritte Schaufelblattreihe 138 um etwa 25% der
Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 134 versetzt. Somit
eilt, wie veranschaulicht, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 130 in
der dritten Schaufelblattreihe 138 (bei der gegebenen Richtung
der Relativbewegung der äußeren Reihen)
dem entsprechenden Schaufelblatt 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 um
einen Versatz von etwa 25% des Teilungsmaßes nach. Als solche eilt eine
Vorderkante eines Schaufelblattes 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 (eine,
die mit dem Bezugszeichen 154 gekennzeichnet ist) der Vorderkante
des entsprechenden Schaufelblattes 130 in der dritten Schaufelblattreihe 138 (die
mit dem Bezugszeichen 156 identifiziert ist) um einen Umfangsabstand
von etwa 25% des Teilungsmaßes
voraus.
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In 6 ist,
wie verständlich
ist, die dritte Schaufelblattreihe 138 um etwa 50% der
Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 134 versetzt. Somit
eilt, wie veranschaulicht, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 130 in
der dritten Schaufelblattreihe 138 (bei der gegebenen Richtung
der Relativbewegung der äußeren Reihen)
dem entsprechenden Schaufelblatt 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 um
einen Versatz von etwa 50% des Teilungsmaßes nach. Als solche eilt eine
Vorderkante eines Schaufelblattes 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 (eine,
die mit dem Bezugszeichen 158 gekennzeichnet ist) der Vorderkante
des entsprechenden Schaufelblattes 130 in der dritten Schaufelblattreihe 138 (die
mit dem Bezugszeichen 160 gekennzeichnet ist) um einen
Umfangsabstand von etwa 50% des Teilungsmaßes voraus.
-
In 7 ist,
wie verständlich
wird, die dritte Schaufelblattreihe 138 um etwa 75% der
Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 134 versetzt. Somit
eilt, wie veranschaulicht, die Umfangsposition eines Schaufelblattes 130 in
der dritten Schaufelblattreihe 138 (bei der gegebenen Richtung
der Relativbewegung der äußeren Reihen)
dem entsprechenden Schaufelblatt 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 um
einen Versatz von etwa 75% des Teilungsmaßes nach. Als solche eilt eine
Vorderkante eines Schaufelblattes 130 in der ersten Schaufelblattreihe 134 (eine,
die mit dem Bezugszeichen 162 identifiziert ist) der Vorderkante
des entsprechenden Schaufelblattes 130 in der dritten Schaufelblattreihe 138 (die
mit dem Bezugszeichen 164 identifiziert ist) um einen Umfangsabstand
von etwa 75% des Teilungsmaßes
voraus.
-
Natürlich können die
Schaufelblätter 130 anders
getaktet bzw. relativpositioniert sein (d. h. andere Versatzmaße zwischen
der ersten und der dritten Schaufelblattreihe erhalten), als dies
die vorstehend beschriebenen Beziehungen (d. h. 0%, 25%, 50%, 75%
der Teilung) angeben. Während
einige der vorstehend beschriebenen Relativpositionierungsbeziehungen
innerhalb bestimmter Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung (wie nachstehend in größeren Einzelheiten beschrieben)
liegen, sind sie auch beispielhaft und vorgesehen, um ein Verfahren zum
Beschreiben von Relativpositionierungsbeziehungen zwischen verschiedenen
nahegelegenen oder benachbarten Reihen von Schaufelblättern zu verdeutlichen.
Fachleute werden verstehen, dass andere Verfahren verwendet werden
können,
um Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehungen zu beschreiben.
Das hierin verwendete beispielhafte Verfahren ist nicht dazu vorgesehen,
auf irgendeine Weise beschränkend
zu sein. Vielmehr ist es die Relativpositionierung zwischen nahe
zueinander befindlichen Schaufelblättern, d. h. die Taktungsbeziehung, wie
sie nachstehend und in den Ansprüche
geschildert ist, die von Bedeutung ist, und nicht das Verfahren,
durch das die Taktungs- bzw. Relativpositionierungsbeziehung beschrieben
ist.
-
Durch
analytische Modellierung und anhand Versuchsdaten ist festgestellt
worden, dass bestimmte Taktungskonfigurationen bestimmte betriebliche Vorteile
für den
Verdichter 118 und die Turbine 124 ergeben. Insbesondere
ist festgestellt worden, dass die mechanischen oder Betriebsbelastungen,
die Schaufelblattreihen während
eines Betriebs erfahren, die ein Rütteln oder Schaukeln der Schaufelblätter, insbesondere
der Statorschaufeln, enthalten können,
durch die Relativpositionierungsbeziehungen zwischen benachbarten
und/oder nahegelegenen Schaufelblattreihen deutlich beeinflusst
sein können. Bestimmte
Relativpositionierungsbeziehungen erhöhen die Betriebsbelastungen,
die auf eine bestimmte Schaufelblattreihe einwirken, während andere
Relativpositionierungsbeziehungen die auf die Reihe einwirkenden
Belastungen verringern. Obwohl 4–7 lediglich
Taktungskonfigurationen zeigen, die drei Reihen von Schaufelblättern umfassen, ist
ferner festgestellt worden, dass Taktungsbeziehungen, die weitere
Reihen umspannen, verwendet werden können, so dass weitere betriebliche
Vorteile realisiert werden können.
-
8 veranschaulicht
Taktungs- bzw. Relativpositionierungskonfigurationen gemäß beispielhaften
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung. 8 enthält fünf Reihen
von Schaufelblättern,
die in einer Nebeneinanderanordnung, Seite an Seite veranschaulicht
sind: eine erste Schaufelblattreihe 171, eine zweite Schaufelblattreihe 172,
eine dritte Schaufelblattreihe 173, eine vierte Schaufelblattreihe 174 und
eine fünfte
Schaufelblattreihe 175. Wie ein Fachmann verstehen wird,
können
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 Rotorschaufeln darstellen, während zwischen
diesen Reihen von Rotorschaufeln die zweite Schaufelblattreihe 172 und
die vierte Schaufelblattreihe 174 Reihen von Statorschaufeln
repräsentieren
können.
Alternativ können
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 auch Statorschaufeln repräsentieren.
In diesem Fall können
die zweite Schaufelblattreihe 172 und die vierte Schaufelblattreihe 174 zwischen
den Reihen von Statorschaufeln Rotorschaufeln repräsentieren.
Ferner haben, wie ein Fachmann verstehen wird, die erste Schaufelblattreihe 171,
die dritte Schaufelblattreihe 173 und die fünfte Schaufelblattreihe 175 unabhängig davon,
ob sie Statorschaufeln oder Rotorschaufeln bilden, im Wesentlichen
keine Relativbewegung zwischeneinander während eines Betriebs (d. h.
alle Reihen bleiben entweder stationär, wenn sie Statorschaufeln
sind, oder rotieren mit derselben Geschwindigkeit, wenn sie Rotorschaufeln sind).
Ferner haben die zweite Schaufelblattreihe 172 und die
vierte Schaufelblattreihe 174 unabhängig davon, ob sie Statorschaufeln
oder Rotorschaufeln bilden, im Wesentlichen keine Relativbewegung zwischeneinander
während
des Betriebs (d. h. diese beiden Reihen bleiben entweder stationär, wenn
sie Statorschaufeln sind, oder rotieren mit derselben Geschwindigkeit,
wenn sie Rotorschaufeln sind). Angesichts dessen haben die erste
Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattrei he 173 und
die fünfte Schaufelblattreihe 175 natürlich im
Wesentlichen die gleiche Relativbewegung in Bezug auf die zweite Schaufelblattreihe 172 und
die vierte Schaufelblattreihe 174 (d. h. entweder rotieren
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und die
fünfte
Schaufelblattreihe 175, während die zweite Schaufelblattreihe 172 und
die vierte Schaufelblattreihe 174 stationär bleiben,
oder die drei Reihen bleiben stationär, während die zweite Schaufelblattreihe 172 und
die vierte Schaufelblattreihe 174 rotieren). Wie ein Fachmann
verstehen wird, können
die Reihen von Schaufelblättern
in 8 in dem Verdichter 118 oder in der Turbine 124 einer
Turbinenmaschine angeordnet sein.
-
Ferner
können,
wie bereits beschrieben, allgemein, damit die Taktungskonfigurationen
effektiver funktionieren können,
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte Schaufelblattreihe 175 im
Wesentlichen gleich konfiguriert sein. Als solche können die
erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und die
fünfte
Schaufelblattreihe 175 nach 8 allgemein
die gleiche Anzahl von Schaufelblättern oder im Wesentlichen
die gleiche Anzahl von Schaufelblättern aufweisen. Die Schaufelblätter an
jeder Reihe können
auch im Wesentlichen die gleiche Größe aufweisen und rings um in
Umfangsrichtung jeder Reihe im Wesentlichen gleich beabstandet sein.
-
In 8 kann
gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung die dritte Schaufelblattreihe 173 bei
etwa 50% der Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 171 getaktet
bzw. positioniert sein. Somit eilt, wie veranschaulicht, die Umfangsposition
eines Schaufelblattes in der dritten Schaufelblattreihe 173 (bei
der gegebenen Richtung der Relativbewegung der Reihen) dem entsprechenden
Schaufelblatt in der ersten Schaufelblattreihe 171 um einen
Versatz von etwa 50% des Teilungsmaßes nach. Als solche eilt eine Vorderkante
eines Schaufelblattes in der ersten Schaufelblattreihe 171 (eine,
die mit dem Bezugszeichen 182 gekennzeichnet ist) der Vorderkante
eines entsprechenden Schaufelblattes in der dritten Schaufelblattreihe 173 (die
mit dem Bezugszeichen 184 gekennzeichnet ist) um einen
Umfangsabstand von etwa 50% des Teilungsmaßes voraus.
-
Unter
anderen Vorteilen haben analytische Modellierung und Versuchsdaten
bestätigt,
dass Taktungskonfigurationen mit dem ungefähren Wert, wie er zwischen
der ersten Schaufelblattreihe 171 und der dritten Schaufelblattreihe 173 wiedergegeben
ist, d. h. von 50% der Teilung, eine Reduktion der Belastungen ergeben,
die auf die Schaufelblätter
der zweiten Schaufelblattreihe 172 im Betrieb einwirken,
einschließlich
mechanischer Belastungen, wie beispielsweise Rütteln und Schaukeln bzw. Kippen. Dies
bedeutet, dass festgestellt worden ist, dass eine deutliche Reduktion
der Betriebsbelastungen, die auf die Schaufelblätter einer bestimmten Reihe
einwirken, erreicht werden kann, indem die beiden benachbarten Reihen
von Schaufelblättern,
d. h. die Reihe von Schaufelblättern
auf jeder Seite der speziellen Reihe, auf eine mit der in 8 veranschaulichten einheitlichen
Weise relativ zueinander positioniert bzw. getaktet werden, und
dass Taktungs- bzw. Relativpositionierungskonfigurationen, die sehr
nahe an oder bei dem Wert von 50% der Teilung liegen, in einigen
Ausführungsformen
und Anwendungen einen näherungsweise
maximalen Wert der Spannungsentlastung ergeben. Ferner ist festgestellt
worden, dass Relativpositionierungswerte innerhalb von +/– 10% von
dem 50%-Teilungswert
eine Belastungsreduktion in der Nähe des maximalen Belastungsreduktionswertes
ergeben. (In dem hier verwendeten Sinne ist 50% der Teilung +/– 10% ein
Teilungsbereich zwischen 45% und 55% der Teilung.) Wie ein Fachmann
verstehen wird, kann eine Reduktion der betrieblichen Belastungen
unter anderen Vorteilen die Teilelebensdauer von Schaufelblättern verlängern und
somit einer Turbine ermöglichen,
in einer kosteneffizienteren Weise zu arbeiten.
-
In
einigen Ausführungsformen,
in denen zwei Schaufelblattreihen getaktet bzw. relativ zueinander
positioniert sind, wie beispielsweise die erste Schaufelblattreihe 171 und
die dritte Schaufelblattreihe 173, können die erste Schaufelblattreihe 171 eine Reihe
von Verdichterrotorschaufeln 120 darstellen, während die
zweite Schaufelblattreihe 172 eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 darstellen
kann und die dritte Schaufelblattreihe 173 eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 darstellen
kann. Insbesondere kann die erste Schaufelblattreihe 171 in
einer beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Anmeldung die Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 in
der vierzehnten Stufe eines Verdichters darstellen, während die
zweite Schaufelblattreihe 172 die Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 in
der vierzehnten Stufe des Verdichters darstellen kann und die dritte
Schaufelblattreihe 176 die Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 in
der fünfzehnten
Stufe des Verdichters darstellen kann. In einigen Fällen dieser
beispielhaften Ausführungsform
können
die vierzehnte Stufe und die fünfzehnte
Stufe die vierzehnte und fünfzehnte
Stufe eines Verdichters der F-Klasse einer 7F- oder 9F-Gasturbine
sein, die von der General Electric Company aus Schenectady, New
York, hergestellt wird. Außerdem
kann der Verdichter in diesem Beispiel und in einigen Ausführungsformen
insgesamt 17 Stufen von Schaufelblättern aufweisen, wobei jede
Stufe eine einzelne Reihe von Rotorschaufeln aufweist, der eine
einzelne Reihe von Statorschaufeln folgt. Die Reihe von Rotorschaufeln
in der vierzehnten Stufe kann eine Gesamtzahl von 64 Rotorschaufeln
aufweisen, und die Reihe von Rotorschaufeln in der fünfzehnten
Stufe kann eine Gesamtzahl von 64 Rotorschaufeln aufweisen. Schließlich kann
in einigen Ausführungsformen
die Reihe von Statorschaufeln in der vierzehnten Stufe eine Gesamtzahl
von 132 Statorschaufeln aufweisen, und die Reihe von Statorschaufeln
in der fünfzehnten
Stufe kann eine Gesamtzahl von 130 Statorschaufeln aufweisen. Es
ist anhand von Versuchsdaten und analytischer Modellierung festgestellt
worden, dass Relativposititonierungsbeziehungen, wie diejenigen,
die hierin beschrieben und beansprucht sind, mit den in diesem Abschnitt
vorstehend beschriebenen Verdichterkonfigurationen gut funktionieren.
-
Außerdem kann
in einer alternativen Ausführungsform
die erste Schaufelblattreihe 171 die Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 in
der fünfzehnten Stufe
eines Verdichters bilden, wobei die zweite Schaufelblattreihe 172 die
Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 in der fünfzehnten
Stufe des Verdichters bilden kann, und die dritte Schaufelblattreihe 176 die
Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 in der sechzehnten
Stufe des Verdichters bilden kann. In einigen Fällen dieser beispielhaften
Ausführungsform
können
die fünfzehnte
Stufe und die sechzehnte Stufe die fünfzehnte und sechzehnte Stufe
eines F-Klasse-Verdichters einer 7F- oder 9F-Gasturbine darstellen,
die von der General Electric Company aus Schenectady, New York,
hergestellt wird. Außerdem kann
der Verdichter in diesem Beispiel und in einigen Ausführungsformen
eine Gesamtzahl von 17 Stufen von Schaufelblättern aufweisen, wobei jede
Stufe eine einzelne Reihe von Rotorschaufeln mit einer nachfolgenden
einzelnen Reihe von Statorschaufeln aufweist. Die Reihe von Rotorschaufeln
der fünfzehnten
Stufe kann eine Gesamtzahl von 64 Rotorschaufeln aufweisen, und
die Reihe von Rotorschaufeln der sechzehnten Stufe kann eine Gesamtzahl von
64 Rotorschaufeln aufweisen. Schließlich kann in einigen Ausführungsformen
die Reihe von Statorschaufeln in der fünfzehnten Stufe eine Gesamtzahl von
130 Statorschaufeln aufweisen, während
die Reihe von Statorschaufeln in der sechzehnten Stufe eine Gesamt zahl
von 132 Statorschaufeln aufweisen kann. Es ist anhand von Versuchsdaten
und analytischer Modellierung festgestellt worden, dass Relativposititonierungsbeziehungen,
wie diejenigen, die hierin beschrieben und beansprucht sind, mit
den in diesem Abschnitt vorstehend beschriebenen Verdichterkonfigurationen
gut funktionieren.
-
Analytische
Modellierung und Versuchsdaten haben ferner bestätigt, dass Betriebsvorteile
und Belastungsreduktionen über
einen weiteren Bereich von Taktungs- bzw. Relativpositionierungskonfigurationen
als diejenigen, die vorstehend beschrieben sind, erzielt werden
können,
obwohl die Vorteile in einigen Ausführungsformen eventuell nicht
so groß sind.
Betriebsbelastungen können
in Relativpositionierungskonfigurationen zwischen der ersten Schaufelblattreihe 171 und
der dritten Schaufelblattreihe 173 von etwa 50% der Teilung
+/– 50%
reduziert werden. (Wie hierin verwendet, stellt 50% der Teilung
+/– 50%
einen Teilungsbereich zwischen 25% und 75% der Teilung dar.) Bessere
Ergebnisse, wie vorstehend beschrieben, können erreicht werden, wenn
der Versatzbereich in der Nähe
des Wertes von 50% der Teilung liegt. Ein Versatzwert innerhalb
eines Bereiches von etwa 50% der Teilung +/– 30% (d. h. eines Teilungsbereichs
zwischen 35% und 65% der Teilung) kann beträchtlichere Betriebsvorteile
und Belastungsreduktionen im Vergleich zu Werten außerhalb
dieses näheren
Bereichs erzielen.
-
8 enthält ferner
zwei zusätzliche
Reihen von Schaufelblättern:
die vierte Schaufelblattreihe 174 und die fünfte Schaufelblattreihe 175.
In der gleichen Weise, wie vorstehend für die zweite Schaufelblattreihe 172 beschrieben,
können
die Betriebsbelastungen an der vierten Schaufelblattreihe 174 reduziert
werden, indem die fünfte
Schaufelblattreihe 175 in Bezug auf die dritte Schaufelblattreihe 173 getaktet bzw.
relativ positioniert wird. In einigen Ausführungsformen, in denen zwei
Schaufelblattreihen vorteilhaft in Bezug auf eine mittlere Schaufelblattreihe
getaktet sind, kann die mittlere Schaufelblattreihe eine Reihe von
Statorschaufeln darstellen, während
die beiden getakteten Schaufelblattreihen Reihen von Rotorschaufeln
darstellen können.
In anderen Ausführungsformen
kann die mittlere Schaufelblattreihe eine Reihe von Rotorschaufeln
sein, während
die beiden getakteten Schaufelblattreihen Reihen von Statorschaufeln
bilden können.
Die Schaufelblattreihen können
Verdichterschaufelblattreihen oder Turbinenschaufelblattreihen sein.
-
Außerdem ist
festgestellt worden, dass die betriebsmäßigen Belastungen, die auf
eine bestimmte Reihe von Schaufelblättern einwirken, durch Taktung
mehr als der beiden benachbarten Schaufelblattreihen, d. h. der
Schaufelblätter
unmittelbar auf jeder Seite, weiter reduziert werden können. Die
erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 können in Bezug aufeinander derart
getaktet bzw. relativ positioniert werden, dass die Reihe, die in
der relativen Position der vierten Schaufelblattreihe 174 angeordnet
ist, in einigen Ausführungsformen
eine deutlichere Reduktion der Betriebsbelastungen erfahren kann. In
diesem Fall kann die dritte Schaufelblattreihe 173 bei
etwa 50% der Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 171 relativ
positioniert sein, während
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 bei etwa 50% der Teilung in Bezug
auf die dritte Schaufelblattreihe 173 relativ positioniert
sein kann. Somit eilt, wie veranschaulicht, die Vorderkante eines
Schaufelblattes in der ersten Schaufelblattreihe 171 (siehe
Bezugszeichen 182) der Vorderkante eines entsprechenden Schaufelblattes
in der dritten Schaufelblattreihe 173 (siehe Bezugszeichen 184)
um einen Umfangsabstand von etwa 50% des Teilungsmaßes voraus, während die
Vorderkante des Schaufelblattes in der dritten Schaufelblattreihe 173 (siehe
Bezugszeichen 184) der Vorderkante des zugehörigen Schaufelblattes
in der fünften
Schaufelblattreihe 175 um einen Umfangsabstand von etwa
50% des Teilungsmaßes vorauseilt.
Der Bereich der Teilungswerte, die für Ausführungsformen, die drei getaktete
Reihen von Schaufelblättern
umfassen, verwendet werden können,
ist der gleiche wie der Bereich von Teilungswerten, die für Ausführungsformen
verwendet werden können,
die zwei getaktete Reihen von Schaufelblättern umfassen. Dies bedeutet,
dass eine näherungsweise
maximale Spannungsentlastung an den Schaufelblättern, die in der vierten Schaufelblattreihe 174 angeordnet
sind, erreicht werden kann, wenn die dritte Schaufelblattreihe 173 bei
etwa 50% der Teilung in Bezug auf die erste Schaufelblattreihe 171 getaktet
ist und die fünfte
Schaufelblattreihe 175 bei etwa 50% der Teilung in Bezug
auf die dritte Schaufelblattreihe 173 getaktet ist.
-
Es
ist auch festgestellt worden, dass andere Taktungskonfigurationen
für die
erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175, die innerhalb der vorstehend beschriebenen
Bereiche liegen, spürbare und
wesentliche Betriebsvorteile und Reduktionen von Betriebsbelastungen
an der vierten Schaufelblattreihe 174 ergeben. An sich
können
Teilungsbereiche zwischen 45% und 55% der Teilung, zwischen 35%
und 65% der Teilung oder zwischen 25% und 75% der Teilung alle mit
einem veränderlichen
Erfolgsgrad eingesetzt werden. Ferner müssen die Taktungsbeziehungen
zwischen der ersten Schaufelblattreihe 171 und der dritten
Schaufelblattreihe 173 sowie zwischen der dritten Schaufelblattreihe 173 und
der fünften
Schaufelblattreihe 175 nicht die gleichen sein, damit betriebliche
Vorteile und Spannungsreduktionen realisiert werden können (obwohl sie
ungefähr
gleich sein können).
D. h., in Fällen,
in denen drei Reihen getaktet bzw. relativ zueinander positioniert
werden, können
Betriebsvorteile und Spannungsreduktionen realisiert werden, so lange die
Taktungsbeziehung zwischen der ersten Schaufelblattreihe 171 und
der dritten Schaufelblattreihe 173 innerhalb eines der
vorstehend beschriebenen Bereiche liegt, während die Taktungsbeziehung
zwischen der dritten Schaufelblattreihe 173 und der fünften Schaufelblattreihe 175 innerhalb
eines der vorstehend beschriebenen Bereiche liegt (obwohl diese anders
als die Taktungsbeziehung zwischen der ersten Schaufelblattreihe 171 und
der dritten Schaufelblattreihe 173 sein kann). Kurz gesagt,
solange beide innerhalb des weitesten Teilungsbereiches – d. h. zwischen
25% und 75% der Teilung – liegen,
werden sich Betriebsvorteile zeigen. In einigen Ausführungsformen
kann eine Taktung zwischen der ersten Schaufelblattreihe 171 und
der dritten Schaufelblattreihe 173 sowie zwischen der dritten
Schaufelblattreihe 173 und der fünften Schaufelblattreihe 175 bei oder
nahe bei der gleichen Teilung die realisierten Betriebsvorteile
und Belastungsreduktionen erhöhen.
-
In
einigen Ausführungsformen,
in denen drei Schaufelblattreihen getaktet bzw. relativ zueinander positioniert
werden, können
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 Reihen von Rotorschaufeln bilden,
während
die zweite Schaufelblattreihe 172 und die vierte Schaufelblattreihe 174 Reihen
von Statorschaufeln bilden können.
In anderen Ausführungsformen
können
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 Reihen von Statorschaufeln bilden,
während
die zweite Schaufelblattreihe 172 und die vierte Schaufelblattreihe 174 eine Reihe
von Rotorschaufeln bilden können.
In jedem Fall können
die Schaufelblattreihen in dem Verdichter oder der Turbine einer
Turbinenmaschine angeordnet sein. Als ein weiterer Vorteil könnten die
Betriebsbelastungen, die auf die Schaufelblattreihen einwirken,
die in Bezug aufeinander getaktet sind, die beispielsweise die erste
Schaufelblattreihe 171 und die dritte Schau felblattreihe 173 enthalten
könnten oder
die erste Schaufelblattreihe 171, die dritte Schaufelblattreihe 173 und
die fünfte
Schaufelblattreihe 175 enthalten könnten, ebenfalls reduziert
werden.
-
Außerdem kann
in einigen Ausführungsformen,
in denen drei Schaufelblattreihen relativ zueinander positioniert
sind, wie beispielsweise die erste Schaufelblattreihe 171,
die dritte Schaufelblattreihe 173 und die fünfte Schaufelblattreihe 175,
die erste Schaufelblattreihe 171 eine Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 bilden,
während
die zweite Schaufelblattreihe 172 eine Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 bilden
kann, die dritte Schaufelblattreihe 173 eine Reihe von
Verdichterrotorschaufeln 120 bilden kann, die vierte Schaufelblattreihe 174 eine Reihe
von Verdichterstatorschaufeln 122 bilden kann und die fünfte Schaufelblattreihe 175 eine
Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 bilden kann. Insbesondere
kann in einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden
Anmeldung die erste Schaufelblattreihe 171 die Reihe von
Verdichterrotorschaufeln 120 in der vierzehnten Stufe eines
Verdichters sein, während
die zweite Schaufelblattreihe 172 die Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 in
der vierzehnten Stufe des Verdichters sein kann, die dritte Schaufelblattreihe 176 die
Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 in der fünfzehnten
Stufe des Verdichters sein, die vierte Schaufelblattreihe 174 die
Reihe von Verdichterstatorschaufeln 122 in der fünfzehnten
Stufe des Verdichters sein kann und die fünfte Schaufelblattreihe 175 die
Reihe von Verdichterrotorschaufeln 120 in der sechzehnten
Stufe des Verdichters sein kann. In einigen Fällen dieser beispielhaften
Ausführungsform
können
die vierzehnte Stufe, die fünfzehnte
Stufe und die sechzehnte Stufe die vierzehnte, fünfzehnte und sechzehnte Stufe
eines F-Klasse-Verdichters einer 7F- oder 9F-Gasturbine darstellen,
die von der General Electric Company aus Schenectady, New York,
herge stellt wird. Außerdem
kann der Verdichter in diesem Beispiel und in einigen Ausführungsformen eine
Gesamtzahl von siebzehn Stufen von Schaufelblättern aufweisen, wobei jede
Stufe eine einzelne Reihe von Rotorschaufeln aufweist, gefolgt von
einer einzelnen Reihe von Statorschaufeln. Die Reihe von Rotorschaufeln
in der vierzehnten Stufe kann eine Gesamtzahl von 64 Rotorschaufeln
aufweisen, während
die Reihe von Rotorschaufeln in der fünfzehnten Stufe eine Gesamtzahl
von 64 Rotorschaufeln aufweisen kann und die Reihe von Rotorschaufeln
in der sechzehnten Stufe eine Gesamtzahl von 64 Rotorschaufeln aufweisen
kann. Schließlich
kann in einigen Ausführungsformen
die Reihe von Statorschaufeln in der vierzehnten Stufe eine Gesamtzahl
von 132 Statorschaufeln aufweisen, während die Reihe von Statorschaufeln
in der fünfzehnten
Stufe eine Gesamtzahl von 130 Statorschaufeln aufweisen kann und
die Reihe von Statorschaufeln in der sechzehnten Stufe eine Gesamtzahl
von 132 Statorschaufeln aufweisen kann. Es ist anhand von Versuchsdaten
und analytischer Modellierung festgestellt worden, dass Relativposititonierungsbeziehungen,
wie diejenigen, die hierin beschrieben und beansprucht sind, mit
den in diesem Absatz vorstehend beschriebenen Verdichterkonfigurationen
gut funktionieren.
-
Aus
der obigen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung
werden Fachleute Verbesserungen, Veränderungen und Modifikationen erkennen.
Derartige Verbesserungen, Veränderungen
und Modifikationen innerhalb der Fachkenntnisse sollen durch die
beigefügten
Ansprüche
mit umfasst sein. Ferner sollte es offensichtlich sein, dass das
Vorstehende lediglich die beschriebenen Ausführungsformen der vorliegenden
Anmeldung anbetrifft und dass hierin zahlreiche Veränderungen
und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne dass von dem Rahmen
und Schutzumfang der Erfindung, wie er durch die folgenden Ansprüche definiert
ist, und deren Äquivalenzen
abgewichen wird.
-
Es
ist ein Verfahren zum Betreiben einer Turbinenmaschine beschrieben,
wobei die Turbinenmaschine wenigstens drei aufeinanderfolgende,
axial gestapelte Reihen von Schaufelblättern 130 in entweder
einem Verdichter 118 oder einer Turbine 124 enthält: eine
erste Schaufelblattreihe 134, eine zweite Schaufelblattreihe 136 und
eine dritte Schaufelblattreihe 138; wobei die erste Schaufelblattreihe 134 und
die dritte Schaufelblattreihe 138 beide entweder eine Rotorlaufschaufelreihe 120 oder
eine Statorleitschaufelreihe 122 aufweisen, während die
zweite Schaufelblattreihe 136 die andere aufweist; wobei das
Verfahren den Schritt des Konfigurierens der Schaufelblätter 130 der
ersten Schaufelblattreihe 134 und der Schaufelblätter 130 der
dritten Schaufelblattreihe 138 in einer derartigen Weise
aufweist, dass wenigstens ein Teil der Schaufelblätter 130 der ersten
Schaufelblattreihe 134 und wenigstens ein Teil der Schaufelblätter 130 der
dritten Schaufelblattreihe 138 eine Clocking-Beziehung
zwischen 25% und 75% der Teilung aufweisen.
-
- 100
- Gasturbinenmaschine,
-triebwerk
- 106
- Verdichter
- 110
- Turbine
- 112
- Brennkammer
- 118
- Verdichter
- 120
- Verdichterrotorschaufeln
- 122
- Verdichterstatorschaufeln
- 124
- Turbine
- 126
- Turbinenrotorschaufeln
- 128
- Turbinenstatorschaufeln
- 130
- Schaufelblatt
- 134
- Erstes
Schaufelblatt
- 136
- Zweites
Schaufelblatt
- 138
- Drittes
Schaufelblatt
- 140,
142
- Pfeile
- 171
- Erste
Schaufelblattreihe
- 172
- Zweite
Schaufelblattreihe
- 173
- Dritte
Schaufelblattreihe
- 174
- Vierte
Schaufelblattreihe
- 175
- Fünfte Schaufelblattreihe